Raspberry Pi と サーボモータ を使った【旗上げ機】（自由研究にお薦め）

electric
2021.07.01

今回は、
ボタンとサーボモータを使って、旗上げ機を作って行きます。

ボタンを押す度に、サーボモータに付けた旗を、
上げたり、下げたりするよ。

使い方としては、
子供の勉強を助けるアイテムとして使えるよ。
旗に、算数、国語などの教科を書き込み、
宿題が終わったら、ボタンを押して、宿題が終わったことの目印にすると、
楽しくて、勉強のモチベーションが上がるよ！

他には、
子供の忘れ物防止として使えるよ。
旗に、ハンカチ・ティッシュ、水筒などの忘れ物が多い内容を書き込み、
準備が出来たら、ボタンを押して、準備が出来たことの目印に出来るよ。

あなたなら、何に使ってみますか？

この記事で学べること。

  • ボタン制御
  • モータ制御
  • マイコン
  • Linux
  • Python

やりたいこと

・ボタンを押すと、サーボモータを90°回転させる
・もう一度ボタンを押すと、サーボモータを元に戻す

システム構成図

やることリスト

上記の「やりたいこと」をみて、
どんな作業が必要か、自分で項目を考えてみてください。
これを考えることで、「プログラミング的思考」が身に付いていきます。

番号作業項目備考
１やりたいこと・システム構成図の作成
２やることリストの作成処理項目の洗い出し
３部品の準備
4ボタンが押されたことを判断する
５サーボモータ制御
６まとめ以上の機能をまとめて、
やりたいことを実現する！
７デコレート自由研究用に、装飾する

部品の準備

今回のシステムに必要な部品です。
不足している部品があれば購入下さい。

購入に必要な部品を、
Raspberry Pi 関連に記載しています。
以下「」内に記載の商品は、上記URL内の項目名とリンクしています。

以下数量は、ボタン２個、サーボモータ２個で作る場合の数量です。

部品名備考
Raspberry Pi別途、電源・SDカード・HDMIケーブルが必要です。
ジャンパー線（※１）オスーメス：6本
オスーオス：6本
ボタン「電子工作キット」内のタクトスイッチでもいいですが、
今回は、工作っぽいのを作る為、
「丸いボタンスイッチ」を購入しました。
ブレッドボード（※１）タクトスイッチを使う場合は必要。
サーボモータ今後も何かとサーボは使うだろうと、
10個入りの「SG90マイクロサーボ」を購入しました。
そんなに必要ないという方は、
amazonで”SG90″で検索して必要数のサーボを購入下さい。

※１）「電子工作キット」内に全て含まれています。

ラズパイは、電源を入れただけでは起動しません。
ラズパイの起動手順の記事を参照ください。

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2021.03.19

ボタンが押されたことを判断する

以下記事「ボタンが押されたことを判断する」の章で、
回路図・配線図・部品の説明・プログラム の説明をしています。
参照ください。

Raspberry Pi と Python を使って【天気予報】を喋らせる
今回は、ボタンを押したら、地元の天気予報を喋ってもらおうと思います。楽しそうだったら作ってみて♪この記事では以下が学べます。ボタン制御スピーカー出力PythonWebAPI（外部情報取得）音声合成（発話）やりた...
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2021.03.29

サーボモータ制御

サーボモータとは、
指定した角度に回転し、正確な位置で止めることが出来るモータのことです。

その代り、
ミニ四駆に付いている、回転し続けるモータの様に、
連続回転は出来ません。

この特性から、サーバモータはロボットの関節、ラジコンの方向などに使用されます。

SG90の仕様

今回使用するSG90の仕様を見ると、以下のことが分かります。

PWM周期50Hz(20ms)
パルス幅パルス幅は、0.5 ～ 2.4msの範囲
2.4 ms：＋90°（時計回り）
1.45 ms：0°
0.5 ms：－90°（反時計回り）
動作電圧4.8Ｖ(～5Ｖ)
配線オレンジ色の線・・・PWM制御ピン
赤色の線・・・5V電源
茶色の線・・・Ground（0V）

回路

サーボモータは、PWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）を使って制御します。

PWM制御は 電圧の HIGH と LOW を繰り返すことで、
出力される電力を制御します。

ラズパイには、ハードウェアPWMを出力する為のピンが以下4本あります。
・PWM Channel 0 : GPIO12、GPIO18
・PWM Channel 1 : GPIO13、GPIO19

しかし、独立して使用出来るのは、
Channel 0 と、Channel 1 のそれぞれ一つづつの組み合わせでです。
例えば、GPIO12とGPIO13 となります。
今回の記事でも、PWM制御に GPIO12とGPIO13  を使って行きます。

配線図

上記、SG90の仕様の章で記載の、
配線の仕様を見ながら、接続します。

# 勿論、ブレッドボードを使わず、
# ラズパイとサーボモータを直接接続してもらっても大丈夫です。

プログラム

「ボタンが押されたことを判断する」の章で、
ピンを制御する為のライブラリ、RPi.GPIOパッケージをインストールしていない人は、
以下コマンドでインストール下さい。

sudo pip3 install rpi.gpio

以下の通り、ディレクトリとファイルを作成する。
この章では、以下赤字のファイルを修正する。

/home/pi/work/servo/
└servo.py

クラスを使ったプログラム

# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# PWM channel0 のGPIO12をセット
PWM0_GPIO = 12
# PWM channel1 のGPIO13をセット
PWM1_GPIO = 13

class Servo():
    def __init__(self, gpio_num):
        # GPIO.BCMを設定することで、GPIO番号で制御出来るようになります。
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setup(gpio_num, GPIO.OUT)
        # PWM0_GPIOピンを使って、PWMのインスタンスを作成します。
        # 第２引数に、サーボモータ仕様のPWM周期である、50（Hz）を設定します。
        self.servo = GPIO.PWM(gpio_num, 50)
        # PWM出力を開始します。引数にはデューティー比（％表記）を設定します。
        self.servo.start(0)

    def set_degree(self, degree):
        duty_cycle = 2.5 + (12.0 - 2.5) / 180 * (degree + 90)
        duty_cycle = round(duty_cycle, 2)
        self.servo.ChangeDutyCycle(duty_cycle)
        time.sleep(0.2)
        self.servo.ChangeDutyCycle(0)


if __name__ == '__main__':
    servo_1 = Servo(PWM1_GPIO)

    for i in range(-90, 90, 10):
        servo_1.set_degree(i)
        time.sleep(1)

    GPIO.cleanup()

関数を使ったプログラム

# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# PWM channel0 のGPIO12をセット
PWM0_GPIO = 12
# PWM channel1 のGPIO13をセット
PWM1_GPIO = 13

servo = None


def start_servo():
    # GPIO.BCMを設定することで、GPIO番号で制御出来るようになります。
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(PWM0_GPIO, GPIO.OUT)

    # PWM0_GPIOピンを使って、PWMのインスタンスを作成します。
    # 第２引数に、サーボモータ仕様のPWM周期である、50（Hz）を設定します。
    global servo
    servo = GPIO.PWM(PWM0_GPIO, 50)

    # PWM出力を開始します。引数にはデューティー比（％表記）を設定します。
    servo.start(0)


def set_degree(degree):
    duty_cycle = 2.5 + (12.0 - 2.5) / 180 * (degree + 90)
    duty_cycle = round(duty_cycle, 2)
    servo.ChangeDutyCycle(duty_cycle)
    time.sleep(0.2)
    servo.ChangeDutyCycle(0)


def stop_servo():
    GPIO.cleanup()


if __name__ == '__main__':
    start_servo()
    for i in range(-90, 90, 10):
        set_degree(i)
        time.sleep(1)
    stop_servo()

デューティー比の計算の説明をします。

デューティー比（%）は、「パルス幅 ÷ 周期 x 100」 で求めます。

-90°の時は、0.5 ÷ 20 x 100 = 2.5%
0°の時は、(2.4 – 0.5) ÷ 2 ÷ 20 x 100 = 7.25%
90°の時は、2.4 ÷ 20 x 100 = 12%
となります。

上記のset_degree()関数では、引数に角度をセットするようにしています。
その方が、人が使い易いからです。

2.5 + (12.0 – 2.5) / 180 * (degree + 90)
は、角度をデューティー比に変換する式となります。

実行

コマンドラインから、先程作成した servo.py のディレクトリに移動し、
以下コマンドでプログラムを実行する。

python3 servo.py

実行結果は、

1秒周期に10°づつ回転し、
180°回転したら成功です。

まとめ

ボタン２つ、サーボ２つを使った回路図とプログラムを書きますね。

配線図

プログラム

以下の通り、ディレクトリとファイルを作成します。
この章では、以下赤字のファイルを修正します。

/home/pi/work/servo/
├app.py
└servo.py

app.py

# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import servo

DEGREE_ON = 0
DEGREE_OFF = -90

# GPIO の番号をセット
SW0_GPIO = 14
SW1_GPIO = 15

# GPIO.BCMを設定することで、GPIO番号で制御出来るようになります。
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# GPIO.INを設定することで、入力モードになります。
# pull_up_down=GPIO.PUD_DOWNにすることで、内部プルダウンになります。
GPIO.setup(SW0_GPIO, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(SW1_GPIO, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

# 初期設定
servo0 = servo.Servo(servo.PWM0_GPIO)
servo1 = servo.Servo(servo.PWM1_GPIO)

servo0.set_degree(DEGREE_OFF)
sw0_degree = DEGREE_OFF
servo1.set_degree(DEGREE_OFF)
sw1_degree = DEGREE_OFF

# ボタン押し / 離し 動作確認用コード
while True:
    try:
        # GPIO24の値を読み込み、その値を出力します。
        # ボタンを押すと"1"（High）、離すと"0"（Low）が表示されます。
        print(f'button: {GPIO.input(SW0_GPIO)}')
        if GPIO.input(SW0_GPIO):
            if sw0_degree == DEGREE_OFF:
                servo0.set_degree(DEGREE_ON)
                sw0_degree = DEGREE_ON
            else:
                servo0.set_degree(DEGREE_OFF)
                sw0_degree = DEGREE_OFF          

        print(f'button: {GPIO.input(SW1_GPIO)}')
        if GPIO.input(SW1_GPIO):
            if sw1_degree == DEGREE_OFF:
                servo1.set_degree(DEGREE_ON)
                sw1_degree = DEGREE_ON
            else:
                servo1.set_degree(DEGREE_OFF)
                sw1_degree = DEGREE_OFF

        time.sleep(0.5)
    # Ctrl+Cキーを押すと処理を停止
    except KeyboardInterrupt:
        # ピンの設定を初期化
        # この処理をしないと、次回 プログラムを実行した時に「ピンが使用中」のエラーになります。
        GPIO.cleanup()

実行

コマンドラインから、先程作成した app.py のディレクトリに移動し、
以下コマンドでプログラムを実行する。

python3 app.py

ボタンを押す度に、サーボの角度を、-90° ⇔ 0° と交互に繰り返します。

プログラムを終了する場合は、
Ctrl+Cキー を押すと終了します。

デコレート

作成中・・・

この作業は私の子供に任せます。
夏休みの自由研究として作てもらうので、完成まで少し時間が掛かります。
完成したらUPしますね。

最後に

如何だったでしょうか？

・サーボモータが動いた時、
・ボタンを押して、サーボモータが動いた時、
感動しましたよね♪
この感動を一人でも多くの人に味わってもらいたいな。

自分で作ったものが動くって楽しいですよね♪

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あなたが作りたいモノのヒントがあれば嬉しいです。

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2021.03.07

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