ESP32で作る倒立振子
メカ
タミヤの「楽しい工作シリーズ」の部品を使用します。 「半日で作る倒立振子」を参考にしました。
- ユニバーサルプレート
- ダブルギヤボックス（ギア比は114.7：1）
- スリムタイヤセットの大径ホイール
回路
ALGYAN 6th IoT基板を使用します。 他のESP32搭載ボードも同等の回路構成にすれば利用できます。
- ALGYAN 6th IoT基板 (ESP32)
- DRV8533モータドライバモジュール
- M5Stack用6軸IMUユニット
- NiMH単三バッテリー × 4セル (4.8V)
- 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 (USBとの電源衝突対策)
ソフトウェア
- ESP32のソフトウェアはArduinoベース (説明省略)
- 依存ライブラリ: arduinoWebSockets
- 設定画面のHTMLソースはSPIFFSのアップローダでESP32の内蔵Flashに保存 (説明省略)
動作
- SW3を押しながら電源ONまたはリセットするとWiFiはAPモードで起動します。そうでなければSTAモードで起動します。
- ただし接続するAPが未設定の場合は必ずAPモードで起動します。接続するAPは後述の設定画面で設定します。
- STAモードの場合、APに未接続の間はLED3が点滅します。APに接続すると消灯します。
- ブラウザからアクセスがあったときLED3が点灯します。
- 起動時には倒立振子の制御は待機状態になっています。このときLED2は点滅します。
- 倒立振子をバランスする姿勢に立たせると制御を開始します。このときLED2が点灯します。
- ただし初期状態では制御パラメータが全てゼロなのでモータは動きません。後述の設定画面でパラメータを調整します。
- SW2を押すと制御のON⇔OFFをトグルします。制御OFFのときLED2は消灯します。
- SW3を押すとIMUセンサのキャリブレーションを開始します。キャリブレーション中はLED1が点灯します。
- キャリブレーションは制御をOFFにして静置した状態でおこなってください。
- SW1はリセットボタンです。
Webブラウザからの設定
- 最初はAPモードで起動します。
- SSIDは esp32-xxxxxx (xxxxxxの部分はボード固有), パスワードは 12345678 です。
- PCからこのAPに接続すると設定画面がブラウザで開きます。
- STAモードを利用したい場合は、「アクセスポイントの設定」をクリックして、接続するAPのSSIDとパスワードを設定します。
- STAモードで起動した場合、http://pendolino4.local/ にアクセスして設定画面を開きます。
- このページで制御パラメータ θ0, K1, K2, K3, K4 を調整します。
パラメータ調整の手順
まず、制御をOFFにした状態でIMUセンサのキャリブレーションを行います。
次に倒立振子を指で支えて立たせ、ちょうどバランスするときのθの値を設定画面で読み取ります。この値をθ0に設定します。
そして、制御ゲインK1～K4を以下の手順で調整します。
- まずすべてのゲインをゼロにする。出力はゼロになる。
- 角度ゲインK1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**(発振)するようになる。
- 角速度ゲインK2を上げると発振が収まる。
- 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。
- 位置ゲインK3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。
- 速度ゲインK4を上げると、位置の発振が収束して自立する。
- 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)
ファイル一覧
- Pendolino4/ : ESP32用Arduinoスケッチ
- Pendolino4/data : 設定画面のHTMLソース
