ALGYAN６周年IoT基板で倒立振子を作ってみました。 ALGYAN６周年IoT基板・手作りIoT作品自慢LT会の発表資料。

1. 2021.9.4 手作りIoT作品自慢LT会！
西村備山 (@lipoyang)
ALGYAN 6th IoT基板で倒立振子

2. 自己紹介
•奈良県在住
•組込み系技術者
•IoT成分すくなめ
西村備山 (@lipoyang)

3. 倒立振子とは？
• セ〇ウェイ的なやつ
• 車輪でバランスをとる
• メカトロ制御の基本
• 紳士のたしなみ

4. 倒立振子のしくみ
θ :車体傾斜角度
ω :車体傾斜角速度
x :車輪位置
v :車輪速度 ∝ φ :車輪回転角速度
[制御則]
出力トルク:
T = K1θ +K2ω +K3x +K4v
θ ω
φ
v
x

5. 倒立振子のしくみ
IMUセンサ
ロータリー
エンコーダ
モータ
制
御
則
∫
∫
θ
x
ω
v
マイコン
τ
車体傾斜
車輪回転
フィードバック制御

6. 倒立振子のしくみ
IMUセンサ
ロータリー
エンコーダ
モータ
制
御
則
∫
θ
x
ω
v
マイコン
τ
車体傾斜
車輪回転
推
定
今回は無し

7. Webブラウザでパラメータ調整
[制御則] T = K1θ +K2ω +K3x +K4v
パラメータの調整が必要
これらをブラウザから設定できるようにする

8. パラメータ設定画面

9. パラメータ調整のコツ
1. まずすべてのゲインをゼロにする。出力はゼロになる。
2. 角度ゲインを上げると、倒れた姿勢を立て直すように動き、やがて行き
過ぎて往復運動(発振)するようになる。
3. 角速度ゲインを上げると発振が収まる。
4. 2～3の調整で、指一本で軽く触れるだけで安定し、指を動かすとついて
来るようになる。
5. 位置ゲインを上げると、指で引いたときに反対向きに抵抗する。指をは
なすと行き過ぎて発振する。
6. 速度ゲインを上げると、位置の発振が収束して同じ位置で自立する。
7. ゲインを上げすぎるとノイズなどに過敏になり不安定になる。
【参考文献】 熊谷正朗 「車輪移動型倒立振子の開発にみるセンサの使い方」
(デザインウェーブマガジン 2007年8月号)

10. ソフトウェア構成
制御タスク IoTタスク
初期化
制御ループ
センサ入力
モータ出力
制御則
初期化
接続待ち
HTTP要求待ち
HTTP応答
制御パラメータ
K1 K2 K3 K4
Δt厳守
最優先！
悠長な
時の流れ
物理世界
ネットの
世界

11. ハードウェア構成
MPU6886
FA-130
モータ
NiMH電池
単三×4セル
FA-130
モータ タミヤ
ダブル-
ギヤボックス
ALGYAN ６th IoT基板
I2C ESP32
PWM
DRV8835
電源
６軸IMUセンサ
DCモータ
ドライバ
WiFiマイコン
タミヤ スリムタイヤ
M5Stack用
６軸IMUユニット

12. ハードウェア構成
前面 背面

13. まあ、たいてい3.3Vでも動くけど
ALGYAN 6th IoT基板の注意点
(1) Groveコネクタだけど電源3.3V
(2) CN1とUSBの5Vが衝突してしまう
CN5～CN8は電源5Vではなく3.3V
⇔ M5Stack用ユニットのGroveコネクタは5V
→ 電源はCN9から供給し SJ3 に
ショットキーバリアダイオードを挿入

14. IMUセンサあれこれ
MPUシリーズ (6050/9250/6886)
• Arduino界隈では昔から定番
• 精度が良くない (特にオフセット)
• キャリブレーション必須
BMI160 (オススメ！)
• 気圧センサBME280でおなじみBOSCH製
• MPUシリーズよりも精度が良い
• 紫の基板… (ほぼこれしかない)

15. 6軸IMUセンサで姿勢角の計算
θ
ωy
x
z
y
重力加速度 g
az
ax
6軸IMUセンサから得られる情報
角速度 ( ωx ωy ωz )
加速度 ( ax ay az )
姿勢角の計算
θ = ∫ ωy dt ≃ Σ (ωy × Δt)
また
θ = atan( az / ax )
※ ここでは軸の x y z はIMUセンサの表記に従う

16. 6軸IMUセンサで姿勢角の計算
加速度からの計算
θ = atan( az / ax )
角速度からの計算
θn+1 = θn + ωy × Δt
簡易相補フィルタによる計算
θn+1 = k × (θn + ωy × Δt) + (1-k) × atan( az / ax )
一長一短あり
補い合わせる

17. 位置の推定
ものすごく雑な推定
• 速度は電圧(PWMのduty)に比例すんじゃね？
• その速度を積分すれば位置じゃね？
→案の定、位置制御はイマイチ
🤔せやろか？

18. 今後の課題
車輪回転を検出するセンサがないので
速度vと位置xの推定がいいかげん
ロータリーエンコーダか
ホールセンサで回転検出
or
ステッピングモータを使用
カルマンフィルタで
位置推定をおこなう
ハードで解決 ソフトで解決
課題

19. ソースコードと作り方
lipoyang/Pendolino4
ESP32で作る倒立振子
https://github.com/lipoyang/Pendolino4
https://www.instructables.com/半日で作る倒立振子
【参考にしたもの】
ArduinoDeXXXさん 作「半日で作る倒立振子」

20. またね～
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