フィードバック制御はじめの一歩
-- micro:bit cart --
-- モータの位置決め制御 --

2021.9.25 Coskx Lab　　

１　フィードバック制御はじめの一歩について

micro:bitをコントローラとして使ったカートを，前方の壁までの距離を測定しながら，目的の位置に止めることを目標です。
距離を測定しながらカートを目標の位置に止める制御は位置決め制御と呼ばれています。
位置決め制御の実現方法はいろいろ考えることができます。この解説では直感的な方法や，工夫を凝らした方法を考えていく中で，自然に位置決め制御のイメージを学んでいけるようにします。
位置決め制御のイメージをつかめた後で，フィードバック制御や制御工学を学ぶようにすると，自然でスムースな学習につながると思います。

２　目標とするmicro:bitカート走行動作

カートが走行するフィールドは水平面で，前方に壁があります。
次の動画に示すように，全力走行中のカートを，壁の手前の目標位置で止めることを目指します。



この動画には少ししか写っていないのですが，右側には壁があります。この壁に衝突しないように止めます。
具体的には，壁までの距離を測定しながら，壁の手前50cm（黒いスケールの左の辺の延長上）にカートの前輪の中心を止めることが目標です。

ここでは取り上げませんが，距離センサを2つ使い，左側の壁までの距離と，壁に対するカートの傾きを測定してコントロールすると，次の動画のように壁に沿った走行動作もできます。



３　micro:bitカートと走行フィールド

micro:bitカートは次のように出来ています。

使用したカートは次のような姿をしています。
目のように見えるのは超音波距離センサです。しかしこれはcm単位の測距精度しかないため使用していません。
その下の左にある緑色の四角い部分がレーザ距離センサです。これはmm単位の測距精度があるため，こちらを使用しています。
このレーザ距離センサで前方の壁までの距離を測定します。



開発に使用したものは次の通りです。

４　フィードバック制御はじめの一歩

位置決め制御は，現在位置を一定の時間間隔で知らされて，それをもとにDCモータに指令値を与えることで行います。
モータ指令値は数値で与えることにし，＋－の符号付き数で前進後退指令となります。
指令値として大きな値を与えると，モータは元気よく回りますが，指令値通りの速度になるわけではありません。モータに与えている電圧を変化させているような感じです。

制御アイディアの検討は次のような構成になっています。
直感的な制御アイディアをイメージしてそれをグラフなどで表します。
それを数式化して，さらにプログラムにして動作させます。
カートの動きを動画で見ます。
その様子をグラフで表して，制御の様子を確認します。

はじめの一歩は次のような制御アイディアの構成になっています。
目次に従って，順番に読み進めると良いでしょう。

資料の目次

(0)表紙ページ　フィードバック制御はじめの一歩（このページ） ≫
(1)ある位置に到達したらモータを止める ≫
(2)目標位置前なら前進，行き過ぎたら後退 ≫
（比例制御）
(3)目標までの距離に比例したモータ指令値を作る		 ≫
（比例微分制御）
(4)目標までの距離と速度からモータ指令値を作る		 ≫