プログラム事例

有機ELディスプレイ(OLED)を用いたI2C制御の128×64ドット白色グラフィックディスプレイモジュール。モジュールで使われている制御チップはSSD1306（SOLOMON SYSTECH）で多くのライブラリが入手できる。このモジュールを使ったテキスト表示プログラムを紹介する。

Silicon Laboratories社製Si5351Aを使用したクロックジェネレーターモジュール（ここではストロベリーリナックス社）を使い、Raspberry Piで電波時計用の40kHz/60kHzの周波数の長波を出すプログラム例を紹介する。

このモジュールは、I2C制御で個別設定できる3chの端子からそれぞれ2.5kHz～200MHzの任意の周波数を出力することができる。原発振は25MHzの水晶で、内部VCOとPLLをI2C制御することで逓倍かつ分周し任意の周波数を発生させる。

MPU-9250 ９軸センサモジュールは、３軸加速度、３軸ジャイロ、３軸コンパスセンサが１チップに内蔵され、コンパクトでいろいろなアプリケーションに使われている。このブログの中でもラズドローンの姿勢を測定するのに使った。ジャイロの出力値が角速度であるので、数値積分して姿勢角を算出するが、積分計算を含むためドリフト誤差を持つ。一方、加速度はX、Y、Z軸の加速度の大きさから幾何学的に姿勢角が算出できるがノイズ成分がでてくる。そこで、参考図書「カルマンフィルタの基礎」（足立修一・丸田一郎共著、東京電機大学出版局）のカルマンフィルタの応用としての相補フィルタの適用例を参考にして、姿勢角を精度よく算出できたので、その作成過程を記録に残すことにした。

前回のブログでは、ラズパイが持っているフォント数字を学習させることで、かなり高い精度でパソコンのフォント印字数字を認識する学習プログラムを紹介した。今度は、交通標識を機械学習することを試みた。交通標識は、形状が、円、四角、三角に分けられ、同じ形状でも、色が異なり、数字が記されていることもある。フォント数字の学習方法で使った白黒の二値画像ではなく、ＲＧＢのカラー画像で学習する方が、認識率が高まるはず。今回、カラーの交通標識を機械学習して、交通標識を認識するプログラムを作成したので、その手順を記録に残すことにした。
この結果は、ラズマウスが交通標識を認識し、その指示に従って走行するプログラムに応用できる。

機械学習の教科書ではMNISTの手書き数字のデータベースを使った手書き数字認識プログラムが紹介されている。これを、Raspberry Piで動かす２輪走行のラズマウスの走行指示に応用する。ラズマウスの前にＵＳＢ接続のWEBカメラを取付け、これでキャプチャした前方の数字標識を認識し、その数字で指示された次の動作（左右回転、Ｕターンなど）を実行する。しかし、数字標識をパソコンのフォントで印刷した文字を使うと、手書き文字で学習した認識プログラムでは誤認識が発生しやすい。
今回は、手書き文字ではなく、ラズパイが持っているフォント数字を学習させることで、かなり高い精度でパソコンのフォント印字数字を認識できたので、その学習プログラムを紹介する。

この測距モジュール(GP2Y0E03)は、I2Cインターフェイス（アナログ入力もある）を通してデータを取得できる取り扱いやすいセンサーですが、複数のモジュールを使う場合には、それぞれのモジュールのI2CのSlave ID(スレーブ アドレス)を変更する必要があります。変更の手順はモジュールのアプリケーションノートに記載されていますが、変更アドレスを不揮発性メモリに書き込むなど少し面倒な点があるので、実際に、４つのモジュールのスレーブ アドレスを変更した手順とプログラム事例を記録として残しました。

この測距モジュール(VL53L0X)は、I2Cインターフェイスを通してデータを取得できる取り扱いやすいセンサーです。ただ、複数のモジュールを使う場合には、それぞれのモジュールのI2Cのスレーブ アドレスを変更する必要があり（デフォールト アドレスは0x29）、その変更はプログラムで行います。複数のセンサーを使う手順とプログラムによる変更事例を記録として残しました。

STマイクロ製ステップモータードライバーL6470を組み入れたドライブキット（ここでは秋月電子通商製）を使い、２台のステッピングモーター(SM-42BYG011)を同時に制御するプログラムを紹介する。
L6470はSPI通信で制御するが、それぞれのモーターに順番に制御コマンドを送ると、タイムラグが生じ、２台同時に起動させることができない。ここでは、CS信号をほぼ同時（5μsecのタイムラグあり）に送信する方法とし、２台のモーターを別々に起動させたり、同時に起動させたりできるようにした。CLK信号とCS信号のタイミングを合わせるために、spidevモジュールを使わず、RPi.GPIOモジュールを使って作成した。

SXP社のPCA9685を使用した16Chのサーボ＆PWM駆動キット（ここでは秋月電子通商製）を使い、Raspberry Piで複数のサーボモーター(DS3218)を同時に制御するプログラム例を紹介する。 PCA9685はI2Cバスを使って16ChのLEDをコントローㇽICなので、プログラムで様々なPWM信号を生成することができる。しかし、サーボモーターの駆動には、PWMの周波数とデユーティ比を決めれば駆動できるので、それに特化したモジュールを作成した。

aspberry Piで制御する機器をリモートで操作する方法にはいろいろとあるが、iPhoneからTCP接続してリモート化するiPhoneアプリを作成したので、そのプログラム例を紹介する。
昨年(2019年)後半に、iPhoneアプリの開発ツールとしてApple社からswiftUIが提供され、Xcodeを使って非常に簡単にGUIを含んだアプリの開発ができるようになった。またシミュレーションのひとつの方法として実機のiPhoneにインストールすることもでき、自分のアプリとして動かすだけなら無料で行える。（アプリの有効期間は７日間なので再インストールが必要。Apple Developer Program(年間11,800円)に参加すれば、制限なく利用できる）

前回紹介したTCP接続してリモート化するiPhoneアプリでは、使用上は問題なく動作するが、『バックグラウンドで変更された状態変数を使うことを許されていない』との警告が出るので、そのような状態変数を使わないプログラムに変更したので紹介する。

●警告内容とその意味
シミュレータで動作させた時にデバッグエリアに出てくる警告は下記。
networkClient[2762:121381] [SwiftUI] Publishing changes from background threads is not allowed; make sure to publish values from the main thread (via operators like receive(on:)) on model updates.

TCP接続のバックグラウンドで変更されるPublished Valuesは正しく反映されないので、メインスレッドで変更せよとの意味らしい。実際には動作に問題が出なかったので、致命的なエラーではないが、すっきりしないので対策を考えることにした。対策としては、NetworkのDispatchQueueに共存させて、DispatchQueue.main.asyncなどを使って、メインスレッドで変更しているように見せる方法もあり、試してみたが、Queueの処理順序が意図したような順でないので、Networkの処理関数からは全てreturnでメインスレッドに返す方法とした。

Raspberry Piで制御する機器をリモートで操作する方法にはいろいろとあるが、WebブラウザからWebSocket接続してリモート化するWebアプリを作成したので、そのプログラム例を紹介する。
リモート化する方法でよく使われているのが、HTMLとJavaScriptを使ってウエブからWebIOPiでGPIOを制御する方法。JavaScriptを介してWebIOPiに繋げるワンクッションが必要で制限もありやや面倒である。前回紹介したTCP接続してリモート化するiPhoneアプリは、作成は簡単だが、iPhone/iPadなどapple機器しか使えない。Webブラウザを使えば汎用性があるが、JavaScriptでTCP接続のアプリを作ろうとすると、node.jsをインストールする必要があり、汎用性に欠ける。そこで、もう少し汎用性のあるWebSocket接続を使うことにした。JavaScriptもpythonもWebSocketのAPIが標準で用意されているので、特殊な作業は必要ない。