加速度センサーでモーターカーを無線操作｜ESP-NOWで傾きを送信しよう

前回は、2台のKUMITATE-C3を使ってESP-NOWでモーターカーを無線操作しました。

リモコン側の4つのボタンに、

• 前進
• 後退
• 左旋回
• 右旋回

を割り当て、押したボタンの情報をモーターカー側へ送信する仕組みです。

今回はさらに発展させて、ボタンを使わず、コントローラーそのものを傾けてモーターカーを操作してみましょう。

リモコン側にはKUMITATE-SENSORを接続します。

KUMITATE-SENSORに搭載された加速度センサーでコントローラーの傾きを検出し、その情報をESP-NOWでモーターカーへ送信します。

たとえば、

前へ傾ける → 前進

後ろへ傾ける → 後退

左へ傾ける → 左旋回

右へ傾ける → 右旋回

という直感的な操作ができる無線コントローラーを作ります。

今回作るもの

システム全体は次のようになります。

【コントローラー側】

KUMITATE-C3
      │
KUMITATE-SENSOR
      │
 加速度センサー
      │
  傾きを検出
      │
      │ ESP-NOW
      ▼

【モーターカー側】

KUMITATE-C3
      │
KUMITATE-MOTOR
      │
 ├─ 左DCモーター
 └─ 右DCモーター

前回はボタンの状態をESP-NOWで送信しました。

今回は加速度センサーで取得した値から操作方向を判断し、その結果をESP-NOWで送信します。

つまり、

センサー入力 → 判定 → 無線通信 → モーター出力

までをひとつにつないだシステムになります。

ESP-NOWの基本はこちら

この記事ではESP-NOWそのものの初期設定については詳しく説明しません。

ESP-NOWを初めて使用する場合は、先にこちらの記事を確認してください。

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ESP-NOWの基本的な送受信ができたら、今回の作例へ進みましょう。

ボタン操作版はこちら

ESP-NOWでモーターカーを操作する基本的な仕組みについては、ボタン操作版の記事でも紹介しています。

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最初にボタン操作版を作っておくと、

ボタン入力を加速度センサーへ置き換えた

と考えられるので、今回の仕組みが理解しやすくなります。

用意するもの

今回は主に次のものを使用します。

コントローラー側

• KUMITATE-C3 × 1
• KUMITATE-SENSOR × 1

モーターカー側

• KUMITATE-C3 × 1
• KUMITATE-MOTOR × 1
• DCモーター × 2
• 車体・タイヤ
• モーター用電源

合計2台のKUMITATE-C3を使用します。

加速度センサーで傾きが分かる

KUMITATE-SENSORには加速度センサーが搭載されています。

加速度センサーでは、X・Y・Zの各方向にかかる加速度を測定できます。

コントローラーを静止させている場合でも、地球の重力が加わっています。

そのため、コントローラーの向きを変えると、各軸で検出される重力加速度の割合が変化します。

この変化を利用すると、

どちらの方向へ傾けているのか

を判断できます。

今回は複雑な姿勢計算を行わず、X軸とY軸の値を使って操作方向を判定します。

傾きとモーターカーの動きを対応させる

まず操作方法を決めましょう。

たとえば、

コントローラー	モーターカー
水平	停止
前へ傾ける	前進
後ろへ傾ける	後退
左へ傾ける	左旋回
右へ傾ける	右旋回

とします。

考え方は前回の4ボタンとほぼ同じです。

違うのは、

どのボタンが押されたか

ではなく、

どちらへ傾いているか

から操作命令を決めるところです。

しきい値を決める

加速度センサーの値は常に完全な0になるわけではありません。

水平に置いていても多少値が変動します。

そこで、

少し傾いた程度 → 停止

一定以上傾いた → 動作

となるようにしきい値を設定します。

たとえば概念的には、

const float THRESHOLD = 0.3;

として、

Y >  0.3 → 前進
Y < -0.3 → 後退

X >  0.3 → 右旋回
X < -0.3 → 左旋回

のように判定します。

実際の符号や軸方向は、KUMITATE-SENSORの取り付け方向によって変わります。

最初にシリアルモニターへX・Y・Zの値を表示し、実際に前後左右へ傾けて確認しておきましょう。

停止する範囲を作る

傾き操作では、中央付近に何もしない範囲を作ることが重要です。

たとえばXとYが、

-0.3 ～ +0.3

の範囲に入っている場合は停止とします。

このような範囲は一般にデッドゾーンと呼ばれます。

デッドゾーンがないと、コントローラーを水平に持っているつもりでもセンサー値のわずかな変化によってモーターカーが勝手に動いてしまうことがあります。

今回は、

中央付近 → STOP

大きく傾ける → 動作

という構成にします。

操作命令を定義する

ボタン操作版と同じように、操作命令を定義します。

enum Command {
  STOP = 0,
  FORWARD,
  BACKWARD,
  LEFT,
  RIGHT
};

これによって、センサー値そのものではなく、

STOP
FORWARD
BACKWARD
LEFT
RIGHT

という操作命令をESP-NOWで送信できます。

この方法なら、モーターカー側は操作方法がボタンなのか加速度センサーなのかを意識する必要がありません。

ここは今回のシステムの重要なポイントです。

コントローラー側の処理

コントローラー側では次の処理を繰り返します。

加速度を取得
     ↓
X・Yの値を確認
     ↓
傾いている方向を判定
     ↓
Commandへ変換
     ↓
ESP-NOWで送信

たとえば、

Command getCommand(float x, float y) {

  if (y > THRESHOLD) {
    return FORWARD;
  }

  if (y < -THRESHOLD) {
    return BACKWARD;
  }

  if (x < -THRESHOLD) {
    return LEFT;
  }

  if (x > THRESHOLD) {
    return RIGHT;
  }

  return STOP;
}

とすれば、X・Yの値から操作命令へ変換できます。

※実際の軸方向や符号はセンサーの向きに合わせて調整してください。

なぜセンサー値をそのまま送らないの？

もちろん、

X = 0.52
Y = -0.14
Z = 0.84

のような加速度センサーの値そのものをESP-NOWで送ることもできます。

しかし今回は、コントローラー側で、

センサー値 → 操作命令

へ変換してから送信します。

こうすると受信側は、

FORWARDが来た → 前進
LEFTが来た → 左旋回

と単純に処理できます。

さらに、操作方法を変更してもモーターカー側のプログラムをほとんど変更する必要がありません。

たとえば、

4ボタン

から

加速度センサー

へ変えても、最終的に同じCommandを送れば受信側はそのまま利用できます。

入力方法と出力方法を分けて設計することで、プログラムを再利用しやすくなります。

ESP-NOWで操作命令を送信する

操作命令が決まったら、ESP-NOWでモーターカー側へ送信します。

Command command = getCommand(x, y);

esp_now_send(
  receiverAddress,
  (uint8_t *)&command,
  sizeof(command)
);

これを一定間隔で繰り返します。

たとえば50msごとに送信すれば、コントローラーの傾きに比較的素早く反応できます。

delay(50);

モーターカー側はボタン操作版とほぼ同じ

今回面白いところがここです。

モーターカー側のプログラムは、前回作ったボタン操作版からほとんど変更する必要がありません。

受信するデータが、

FORWARD
BACKWARD
LEFT
RIGHT
STOP

であることは同じだからです。

受信した命令を、

switch (command) {

  case FORWARD:
    forward();
    break;

  case BACKWARD:
    backward();
    break;

  case LEFT:
    turnLeft();
    break;

  case RIGHT:
    turnRight();
    break;

  default:
    stopAll();
    break;
}

と処理します。

つまり、

【ボタン操作版】

ボタン
  ↓
Command
  ↓
ESP-NOW


【傾き操作版】

加速度センサー
  ↓
Command
  ↓
ESP-NOW

となり、その先は共通です。

通信が途切れたら停止する

今回も、無線通信が途切れた場合にはモーターを停止するようにしておきましょう。

モーターカー側で最後に受信した時刻を保存します。

unsigned long lastReceiveTime = 0;

データを受信したら、

lastReceiveTime = millis();

と更新します。

そして、

if (millis() - lastReceiveTime > 500) {
  stopAll();
}

とすれば、500ms以上通信が途切れた場合に自動停止できます。

コントローラーの電源が切れたり、通信できなくなったりしたときにモーターが回り続けることを防げます。

傾きの大きさで速度を変えることもできる

ここまでは、

一定以上傾けたら前進

というON/OFF的な操作でした。

しかし加速度センサーからは、傾きの大きさも取得できます。

そこで、

少し傾ける → ゆっくり進む

大きく傾ける → 速く進む

という制御にも発展できます。

たとえば加速度の値をPWM値へ変換します。

概念的には、

傾き 小
 ↓
PWM 小
 ↓
低速

傾き 大
 ↓
PWM 大
 ↓
高速

という関係です。

これまで学習したPWMによるDCモーターの速度制御が、ここで再び使えます。

単に方向だけを操作するのではなく、コントローラーの傾け方によって速度まで変えられるようになります。

斜めに傾けたらどうする？

今回の単純なプログラムでは、X軸またはY軸のどちらかを使って、

• 前
• 後ろ
• 左
• 右

の4方向を判定しています。

さらに発展させるなら、X軸とY軸を同時に利用できます。

たとえば、

前＋右へ傾ける

と、

前進しながら右へ曲がる

ようにできます。

その場合は左右のモーターのPWM値を個別に変えます。

コントローラーの傾きを、

左右モーターの速度

へ直接対応させるわけです。

ここまで行くと、単純な4方向リモコンからかなり滑らかな操作ができるコントローラーになります。

KUMITATE-SENSORとKUMITATE-MOTORを組み合わせる

今回の作例では、2種類のKUMITATE拡張基板を使用しています。

コントローラー側では、

KUMITATE-C3
＋
KUMITATE-SENSOR

を使用して傾きを検出します。

モーターカー側では、

KUMITATE-C3
＋
KUMITATE-MOTOR

を使用して左右のDCモーターを制御します。

そして2台のKUMITATE-C3をESP-NOWで接続します。

つまり、

センサー
   ↓
I²C
   ↓
マイコン
   ↓
ESP-NOW
   ↓
マイコン
   ↓
GPIO / PWM
   ↓
モータードライバ
   ↓
DCモーター

という一連の流れになります。

ひとつの作例の中で、

• I²C
• センサー
• 条件分岐
• ESP-NOW
• GPIO
• PWM
• モータードライバ
• DCモーター

といった複数の技術を組み合わせることができます。

「センサーで測る」から「センサーで動かす」へ

センサーの学習では、最初は取得した値をシリアルモニターへ表示することが多いと思います。

たとえば、

X = 0.12
Y = 0.74
Z = 0.65

と表示して、

「加速度を取得できた」

というところから始めます。

しかし今回の作例では、その値を実際の機械の動作につなげます。

傾きを測る
   ↓
意味を判断する
   ↓
無線で伝える
   ↓
モーターを動かす

センサーから取得した情報によって実世界の機械を制御する、組み込みシステムらしい作例になります。

KUMITATE-SENSOR

今回コントローラー側で使用するKUMITATE-SENSORには、温湿度・照度・3軸加速度の3種類のセンサーが搭載されています。

今回使用するのは、3軸加速度センサー「MSA3S02」です。

X・Y・Z方向の加速度を取得できるため、基板の傾きや動きを検出できます。

この記事では、KUMITATE-C3とKUMITATE-SENSORを組み合わせ、取得した傾きの情報をモーターカーの操作に利用します。

センサーの値を単に表示するだけではなく、

傾きを測る
↓
操作方向を判定する
↓
ESP-NOWで送信する
↓
モーターカーを動かす

というところまで発展させます。

▶ KUMITATE-SENSORの詳細はこちら
https://kumicla.tatepro.com/asp-products/kumitate-sensor/

KUMITATE-MOTOR

モーターカー側ではKUMITATE-MOTORを使用します。

KUMITATE-C3から左右のDCモーターを制御し、

• 正転・逆転
• 前進・後退
• 左右旋回
• PWMによる速度制御

などを試すことができます。

▶ KUMITATE-MOTORの詳細はこちら
https://kumicla.tatepro.com/asp-products/kumitate-motor/

まとめ

今回は加速度センサーとESP-NOWを組み合わせて、コントローラーを傾けることでモーターカーを無線操作する仕組みを紹介しました。

全体の流れは、

コントローラーを傾ける
↓
加速度センサーでX・Yを取得
↓
前後左右を判定
↓
ESP-NOWで操作命令を送信
↓
別のKUMITATE-C3で受信
↓
KUMITATE-MOTORを制御
↓
モーターカーが動く

となります。

今回のポイントは、

• 加速度センサーでコントローラーの傾きを検出する
• しきい値とデッドゾーンを使って誤動作を防ぐ
• センサー値を操作命令へ変換する
• ESP-NOWで別のKUMITATE-C3へ送信する
• ボタン操作版と同じ受信側プログラムを再利用できる
• 傾きの大きさをPWMへ変換すれば速度制御にも発展できる

というところです。

これまで個別に学んできたセンサー・I²C・無線通信・GPIO・PWM・モーター制御を組み合わせることで、ひとつのシステムとして動かせるようになりました。

マイコンでは、それぞれの機能を単独で動かすだけでなく、複数の技術を組み合わせることでできることが大きく広がります。