Fグループ電子工作講座

前回、主要パラメータの測定ができたのでいよいよ制御に入ります。
※一旦式だけで公開、後日図と細かい説明を追加予定

関連：
・ハード選定
・センシング準備
・諸元測定
・構造の差

前置き

制御工学での倒立制御たと多くの場合、行列をこねくり回してモーターへのトルクを算出するための係数を決定するのですが私はあれが大嫌いです。
モーターは基本的にPWMによる電圧入力だし大事なモーター特性の内容が出てこないし、そもそも求まった係数にどんな物理的な意味があるのかと。

ここでは物理学に基づいたPWM出力による倒立制御の説明です。
教科書に無い方法なので、この方法で倒立制御ができても制御工学の単位はとれません。この方法を制御の先生に説明しても真っ向から否定される可能性もあります。

でも立ちます。

かなり綺麗に立ちます。

前回、センシングの準備ができました。
センシングができていればあとは気合で制御ゲインを調整すれば立つのですが、
物理学に則って動かしたいので装置の諸元を測定します。
若干怪しいですが、ジャイロを使って慣性モーメントを測定します。

関連：
・ハード選定
・センシング準備
・制御方法基礎

装置質量：料理量り等で量って下さい
頂点までの距離：物差しで測って下さい
重心までの距離：物差しで測って下さい
タイヤ直径：物差しで測って下さい
おおよその直立角度：立ちそうな角度を調べます
PWM速度特性：前回準備したエンコーダから速度を求めます　※最重要
加速特性：前回準備したエンコーダから速度を求めます　※かなり重要
転倒角速度：ジャイロで最大速度を調べます

これで諸元が揃いました。

前回、倒立制御向けのハードウェア選定を行いました。
今回はセンシングの下準備をします。
センサの生値そのままでも制御ができますが、下ごしらえしておくことで後の作業が楽になります。

関連：
・ハード選定
・諸元測定
・制御方法基礎

接続設定はマイコンごとに異なるので割愛しますが、
・PWM出力
・エンコーダ用パルス入力
・ジャイロ兼加速度センサー接続
・float型演算(三角関数演算)
の準備ができたものとします。
また、実行周期を安定化させるために
・システム時刻を取得する機能
も準備してください。
実行周期は20ms周期であれば立つことを確認しています。
    sample_time_ms = 20;
    sample_time_s = sample_time_ms/1000.0f;

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向きを定義する

向きや進行方向をそれぞれ適当に決めると後で整合性がとれなくなります。
そこで、向きを定義します。

目的：なぜそれを実施するのか
目標：実施する内容
方法：実施するための手段

１つの目的や目標に対してそれを実現するための方法は様々で１つではありません。
ところが、様々な場面で目的に対して方法はたった一つであると考えている人に遭遇します。
自分が学んできた事が唯一絶対の方法であり、他の方法は間違っていると考える人です。
正直なところ日本の教育における「教科書に書いてない方法は理由を問わず間違い」という方針が教科書ありきで考え他者の考えを認めない大きな原因の様な気がしています。

真に新しい事をしようと思うと、それは誰も成し遂げていない事です。
誰も成し遂げてないという事は「正解が見つかっていない」、「従来の教科書では対応できない」内容です。そこに教科書は存在しません。
「教科書に書いてない方法は間違い」とういう考えでは新しい事には教科書が存在しないので「新しい事は間違い」という扱いになります。
また、「教科書ありき」の人は「偉い人の言う事は正しい」であり、なぜそうなるのか原理レベルで考えようとしない傾向もあるように思います。

原理レベルで理解していれば目的に対してその方法が適しているのか考える事ができ、異なる見解についても独自で検証が可能です。原理レベルで理解できていないと「教科書に書いてあるから」という理由だけで方法を選択してしまい、なぜその方法を採用するのかが分からず、ましてや他に様々な方法がある事すら知らないのです。

目的に対してどういった理由でその方法を選択するのかを考える必要があります。

初めて車輪型倒立ロボットを作成する人向けにどの様な構成だと倒立制御を成功させやすいか検討してみます。

ただし、あくまで自作することが前提なので倒立制御キットは除外します。

関連：
・センシング準備
・諸元測定
・制御方法基礎

失敗しやすい原因
・構造的に無理がある
・作業難易度が高い
・想定外の事が起きている

これらの原因を回避ながらタミヤの楽しい工作シリーズをベースに作ることを考えます。