ESP32 FPV RC潜水艦製作ガイド

 ESP32 RC潜水艦「ESP Dive」の自作チュートリアルを詳細に提供しています。作成者であるMax Imagination氏は、視聴者の要望に応え、一人称視点（FPV）カメラや浮力調整のためのピストンバラストシステムを備えた遠隔操作潜水艦の設計と製作の全過程を説明しています。このチュートリアルでは、カスタムPCBの設計、3Dプリント部品の作成、防水技術、Wi-Fi通信を可能にするための表面アンテナの設置、およびソフトウェアの設定など、複雑な電子工作と機械工学のステップを網羅しています。最終的なテストダイブでは、潜水艦が水中を探査し、低遅延のライブビデオフィードを提供できることが実証されており、視聴者が独自の潜水艦を構築するためのファイルとコードが提供されています。

Programming Vehicles in Games

 Wasim Al-Hajumar氏（オンライン名：Wassimulator）が、ゲーム内での車両プログラミングについて解説しています。本職が外科医である彼が、趣味としてプログラミングを始めた経緯や、車両の物理挙動をシミュレートする上での課題を紹介しています。エンジン、タイヤ、シャシーという3つの主要コンポーネントに焦点を当て、それぞれの動作原理や実装方法を詳細に説明しています。特に、タイヤの摩擦円やスリップ比・スリップ角といった複雑な概念が、車両の挙動にどう影響するかを深く掘り下げており、リアルな運転体験をゲームで再現するための工夫と妥協点が語られています。

公開しているドキュメントはこちらです。

Isaac Sim & Isaac Lab: ロボットの構築とトレーニングの完全ガイド

NvidiaのIsaac SimとIsaac Labという、ロボットのシミュレーションとトレーニングのための無料かつオープンソースのソフトウェアに関する包括的なガイドを提供しています。このガイドでは、ロボットモデルの構築、シミュレーションへのインポート、トレーニング、および実際のロボットでのテストといったプロセスを詳細に説明しています。

特に、実世界のデータ不足を克服するためのシミュレーションの重要性が強調されており、ユーザーがカスタムロボットの歩行を訓練したり、機械学習モデルを統合したりする方法を学ぶことができます。

また、ソフトウェアのインストール手順、インターフェースの使用法、アセットの利用、URDFファイルのエクスポート、およびトレーニング環境のセットアップについても詳しく解説されています。

二次電池HILS実装手法のレビュー

 二次電池HILS実装手法のレビュー

概要

本ブリーフィングドキュメントは、「二次電池HILS実装手法」と題されたソースに

基づいて、ビー・テクノロジーのSPICE等価回路モデルをHILS

（Hardware-in-the-Loop Simulation）環境でリアルタイムに模擬するための

主要なテーマ、重要な概念、および具体的な実装方法についてレビューします。

特に、FPGAとマイコンを組み合わせた独自構成のHILSにより、BMS（Battery Management System）回路およびインバータ回路の評価・実験を目的とし、

±10Aまでの出力模擬とマイクロ秒オーダーのリアルタイム性能を達成するための

要件とアプローチに焦点を当てます。

主要テーマと重要な概念

この文書の主要テーマは、二次電池モデルをHILS環境でリアルタイムに模擬する

ための包括的なアプローチです。これには、モデルの変換、ハードウェア実装、

電力インターフェース、およびBMSやインバータとの接続における過渡応答の

再現性が含まれます。

1. SPICEモデルからリアルタイム動作モデルへの変換:

• 等価回路モデルの数式化: BeeTech社のSPICE等価回路モデルは、
• RCネットワークや依存電源を用いて電池の充放電特性、内部抵抗、
• 容量を再現します。「充電特性と放電特性」を考慮し、必要に応じて
• 温度特性や劣化特性も付加可能。
• 状態空間モデルの導出: SPICEネットリスト（等価回路）から、
• 微分方程式のセットである「状態空間モデル」を導出します。
• 典型的には、1～3個のRCネットワークと直列抵抗、開回路電圧
• （OCV）で構成され、最近の研究では「3つのRCブランチ＋
• 直列抵抗R0、起電力EMF（OCVに相当）とヒステリシス電圧
• ΔVで構成される三次の電池等価回路」が提案されています。
• 離散時間モデルへの変換: 導出された微分方程式を、HILSで
• 固定周期の数値積分を行うために「離散化」します。一般的には、
• 安定性と精度を考慮して「台形（Trapzoidal）積分」が用いられ、
• 連続時間のSPICEモデルが「差分方程式（C言語やHDLで実装し
• うる形式）」に変換されます。
• モデル簡略化と検証: リアルタイム連成を考慮し、モデルは簡潔に
• する必要があります。「二次電池モデルでは1～3次のRCネットワ
• ークが一般的な折衷点」です。オフラインのSPICE
• シミュレーション結果と離散モデルの出力を比較し、検証・
• チューニングを行います。
• 
  

1. FPGA・マイコン上でのモデル実装とリアルタイム性能の確保:

• 固定小数点演算への変換: FPGAでの高速演算のため、「固定小数
• 点数」による実装が多用されます。各変数のスケーリングを決定し、
• 十分な精度を保てるビット長を設計します。非線形なOCV-SOC
• 特性や内部抵抗の温度依存性は「ルックアップテーブル」で実装
• します。
• 
  
• サンプリング周波数とリアルタイム制御: シミュレーションの
• 刻み時間（タイムステップ）は「マイクロ秒オーダー」に設定
• されます。インバータなどとの連成を考慮し、「1μs程度（
• =1MHz）の演算更新」が望まれます。FPGAは並列処理に優れ、
• 「10 ns程度の基本クロック」での内部演算パイプライン構成が
• 可能です。
• 
  
• 数値安定性とオーバーフロー対策: 固定小数点演算における桁
• あふれ（オーバーフロー）や丸め誤差に注意し、適切なスケー
• リングとビット幅を決定します。積分器のオーバーフロー防止
• のため、SOC計算は定期的にリセットしたり、積算値を上下限
• でクランプするなどの対策が有効です。これにより「モデルを
• FPGA上でオフラインモデル同等の精度で安定動作」させる
• ことが可能です。
• 
  

1. 高速D/A出力と±10A電流出力を実現する電力段:

• 四象限対応のパワーアンプ: 電池の充放電を模擬するため、
• 「二象限/四象限アンプ（ソース・シンク両対応の電源）」
• が必要です。「±10Aまで電流を出力・吸収できる双方向の
• DC電源」またはパワーアンプが求められます。
• 高速応答の要件: 目標とする「マイクロ秒オーダーの過渡応
• 答」や広帯域ノイズ重畳を実現するためには、高速なパワー
• アンプの選定が不可欠です。例として、Teseq社のPA5740
• （「±60V/±10A連続出力」対応、帯域180kHz）が挙げら
• れます。
• 電流制御モードと安全機能: バッテリHILSでは電圧源と
• して振る舞いますが、モデル計算上の内部抵抗成分によって
• 電流フィードバックがかかる制御系となります。BMS試験
• における「安全インターロック」が重要で、過大電流・電圧
• の出力遮断や、リレーや高速電子ブレーカによる保護回路が
• 考慮されます。

1. BMS・インバータへの接続方法と過渡応答再現の工夫:

• BMSへの接続（多セル電圧のエミュレーション）: BMS回路
• のHIL試験では、複数チャンネルのD/A出力を用いて「セル
• ごとの電圧を模擬」します。市販のHILS装置では「高分解能
• （20bit）DAC」や「セルごとに±6V程度の出力レンジ」、
• および「チャンネル間絶縁やスタック構成」が特徴です。
• BMSのセルバランス回路（数百mA程度の放電負荷）も
• 駆動可能です。
• インバータへの接続（主回路との連成）: インバータの直流
• 入力端子にパワーアンプ出力を接続し、インバータが引き
• 込む「瞬時電流を高速に計測」し、FPGAのA/Dで読み取って
• 電池モデルへフィードバックします。このループにより、
• 「負荷電流に応じてリアルタイムに更新」されます。
• 過渡応答の再現性向上: HILSの応答遅れや帯域不足を補う
• ため、「十分高いサンプリング周波数」と高速アンプによる
• 応答が重要です。PHIL（Power HIL）の安定化手法（タイム
• ステップ補償や仮想ダンピング抵抗の導入など）も推奨
• されます。過充電・過放電など「異常時の挙動」も試験し、
• HILSとテスト対象間の「双方向のやり取り」を正確に設計・
• 調整します。

1. 類似事例の研究・製品紹介:

• バッテリHILS製品例: 国内では「株式会社エー・アンド・
• デイ（A&D）のバッテリHILSシステム」が知られ、
• 「最大384直列セル、20bit分解能の多チャネル電圧出力」
• や「短絡（セルショート）や断線、ノイズ重畳」機能を
• 有します。OPAL-RT社はcomemso社のBCS
• Battery Cell Simulator）を用いたBMS HILソリュー
• ョンを提供し、「セル毎にセンス線補正付きの電圧出力」
• および「短絡・ケーブル断線・逆接続」などのフォルト
• 挿入機能を統合しています。NI社やdSPACE社も製品を
• 提供しています。
• 研究プロジェクト例: FPGA上で固定小数点化した
• リチウムイオン電池セルモデル（Debreceniら、2016）、
• EV向け「600A級」高出力バッテリエミュレータ
• （Yanら、2024）、MapleSimソフトウェアを活用した
• 大規模蓄電システム対応BMS-HIL（Maplesoft社と
• ControlWorks社）などが紹介されています。特に
• 「モデルベース開発手法」により、複雑なモデルの
• リアルタイム実行が可能になっています。

結論

本ソースは、SPICE等価モデルを活用した二次電池HILS構築のプロセス

を詳細に解説しています。適切なモデルの簡略化と変換、FPGAと

マイコンを組み合わせた高速実装、双方向の電力インターフェース、

およびBMSやインバータとの接続における安定化対策が、マイクロ秒

オーダーのリアルタイムHIL環境を実現するための鍵となります。

この技術により、「実バッテリを用いずに様々なシナリオを試験

できるHILSは、今後ますます複雑化する電動モビリティ開発に

おいて重要な役割を担う」と結論付けられています。

2次電池のSPICEモデルを活用したHILSへの実装方法について

 

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