Arduino + XBee によるジョイスティックワイヤレス操作システム

知れる事

◇Aruino同士でSerial通信
　→(可変抵抗からの数値を送受信)

◇ワイヤレスで，複数のモータを制御
　→パケット設定して，送信側・受信側で通信を行う

◇ジョイスティックを操作しやすくする
→不感帯の設定

概要・基本構成

①送信側のArduinoがオペレータのジョイスティックの操作量を読み取ります．

②操作量に応じたモータの回転速度を計算します．

③計算後は，受信側のArduinoへ数値を送ります．

④受信側のArduinoは数値を受け取って，モータへ回転指令を送ります．

解説

基本構成は，

①送信側のArduinoが，オペレータのジョイスティックなどの操作量を読み取って，
モータの回転速度に関する数値を計算する．

②計算した後は，スレーブ側のArduinoへ数値を送って，モータの速度を調整しつつロボットが動く．

解説動画

ユーチューブ　ニコニコ動画　にて　解説もしています．
ロボットがどのような動作をされるか見たい方は，ご参照ください．

ニコニコ動画

Arduino XBeeジョイスティックワイヤレスコントローラシステム製作・解説

構成

基本構成は，

①送信側のArduinoが，オペレータのジョイスティックなどの操作量を読み取って，
　モータの回転速度に関する数値を計算する．
②計算した後は，スレーブ側のArduinoへ数値を送って，モータの速度を調整しつつロボットが動く．

ポイント

●オペレータに不快感なく，モータを制御するため，送信側のArduinoが操作量を読み取る事
●複数のモータの回転速度に関係する複数の数値を送受信する事
です．

ではArduinoが操作量を読み取るには
どうすればよいのか？
疑問に思われるかもしれませんが，よくプレステのコントローラに
搭載されているジョイスティック(アナログスティック)がありますよね？

実は，アナログスティックは電子部品で販売されています．
アナログスティックには，可変抵抗という電子部品が搭載されています．
⇓図のように，縦方向・横方向それぞれに操作したときの操作量を読み取るため，可変抵抗と呼ばれる電子部品が2つあります．

可変抵抗とは，文字通り，抵抗の値を変えることができる電子部品です．こここの製作例では，Arduinoに可変抵抗にかかる電圧を読み取らせます．

1⃣可変抵抗値読み取り→A/D変換→map関数変換

送信側Arduinoが電圧を読み取った後，
Arduino内のA/Dコンバータで値を変換し，操作量としてそのまま受信側Arduinoへ送ることも出来ます
が
受信側Arduinoは，analogwriteを使い，PWM信号出力を行って，モータの回転速度を調整するほかに，
回転方向の制御も行うため，負担が増え，通信に支障が出る可能性があります．
そのため，送信側Arduinoで予め，A/Dコンバータで変換した値から　更に　map関数という関数を使って，
数値を変換し，受信側Arduinoへ送信しています．

まず可変抵抗の読み取り方とArduinoで値の送受信を抑えて行きます．
練習目的で，可変抵抗からの電圧値取得→A/D変換→map関数変換→Arduino送受信の一連の流れを，
簡単な回路とプログラムを組んでみました．

ArduinoのA0(黄色線),GND(黒線),5V(赤線)と可変抵抗を接続して，電圧を読み取ります．
送信側ArduinoのTXと受信側ArduinoのRXを接続(緑線)し，受信側ArduinoとPCを接続すれば回路は完成です．
(送信側Arduinoにも給電は必要です．USB，DCジャック付き電池ボックスで給電しましょう．)

□Program送信
const int analogPin = A0;
int inputValue = 0;
int outputValue = 0;

void setup()
{
 Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
inputValue = analogRead(analogPin);
outputValue = map(inputValue,0,1023,0,255);
Serial.write(outputValue);
delay(100);
}

□Program受信
int incomingByte = 0;  // 受信データ用
void setup() {
Serial.begin(9600); // 9600bpsでシリアルポートを開く
}
void loop() {
       if (Serial.available() > 0) { // 受信したデータが存在する
                  incomingByte = Serial.read(); // 受信データを読み込む
                         if(incomingByte >= 0){
                                 Serial.println(incomingByte);
                                 delay(100);       
                           }
            }
}

2⃣ジョイスティックワイヤレス通信＋複数モータ制御

この記事のメインテーマですね．
1⃣の方法では，可変抵抗1個の操作量を変換して送受信していましたが，
目的は，複数モータの回転方向と回転速度を制御する事なので，1⃣の処理だけでは足りません．
なので，以下の処理を行えるプログラムを組む必要があります．
①配列の準備と送受信
②パケット設定
③ジョイスティックの不感帯設定
順に説明します．

①配列の設定

配列を用意して，モータの回転方向と回転速度の数値を格納します．

ですが，送信中にノイズが入ると，回転方向tの値が変動して，受信側Arduinoは
回転速度の値なのか判別ができなくなります．このため，モータの指令が適切に行えず，
モータは暴走する可能性があります．

そこで，モータの回転方向・速度の数値前後に送受信の開始と終了を知らせる目印となる
数値を用意します．つまり，データ開始＋モータ関連数値＋データ終了
このデータ1塊のデータを送受信します．開始の数値は255，これを2回
その後モータ関連の数値を送受信して，最後に0を送受信し，次のデータ処理を実施します．

②パケット通信

こうすることで，ノイズの影響を受けても．受信側のArduinoは判断を誤る可能性は低くなります．
この「データ開始＋モータ関連数値＋データ終了」1塊のデータの送受信を行い，処理を行う方法を
パケット通信といいます．
また，今回のモータ回転速度の最大値は254としていて，「データ開始」の数値と重ならないようにしています．

③ジョイスティックの不感帯設定

ジョイスティックが中立位置にいると，可変抵抗をArduinoで読み取ると，
map関数で0~255の間で変換を行った場合，125の値になります．
送信側Arduinoでこの値を中心に操作領域を設けて，操作量を算出して受信側に送信します．

ジョイスティックの垂直位置の値をVDout
垂直位置の値をHDoutとして，モータ回転速度を計算
する式は，各値が125と比較して場合分けを行います
VDout>125の場合　(VDout - 125)×2
VDout=<125の場合　(125-VDout)×2
HDout>125の場合　(HDout -125)×2
HDout =< 125の場合　(125-HDout)×2

ですが，例えばオペレータがジョイスティックに指を添えるつもりでスティックに触れ，
中立位置から少しでも動かすと，その分受信側は動作指令が届いたと判断して
モータ回転指令が出ます．

そこで，左図のように，不感帯という，ある程度スティックが動いても，
モータ回転指令が出ないように，ジョイスティックの領域を設けます．
今回は垂直 水平にそれぞれ140,110を不感帯領域としています(左図の赤枠の部分)

スティックが不感帯領域にいる場合は，
送信側Arduinoでは，モータの回転方向の配列に2を格納して受信側へ送信．
受信側は2を受信したら，モータの回転速度は0にするようにプログラムを作成しております．

超信地旋回操作領域(緑枠)にスティックがある場合は，モータ回転方向は互い違いになるように，
送信側，受信側Arduinoでは1・0 or 0・1の組み合わせで処理するようにプログラムをしております．

制御フローチャート

送信側，受信側の制御フローチャートを記載します．

送信側

受信側

電子回路

送信側，受信側の電子回路を記載します．
Arduinoと電池ボックスの間にはDCジャックを半田付け
モータドライバーとDCモータ，電池ボックス間にはArduino用基板を用いたうえで，端子を半田付けして
接続しています
###送信側

受信側

プログラム

送信側

int SendBuf[4];
int i;
//const int analogPin(0) = A0;
//const int analogPin(1) = A1;

 int HDatain,VDatain,HDataout,VDataout;
uint8_t DirR;
uint8_t DirL;
uint8_t Duty,Duty1,Duty2;

 void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(9600); 
}

 

void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
VDatain = analogRead(A0);
VDataout = map(VDatain,0,1023,0,254);
HDatain = analogRead(A1);
HDataout = map(HDatain,0,1023,0,254);
//前進後退

 if(VDataout>140){
   if(HDataout>140){
    DirL = 0;
    DirR = 0;    
    Duty1 =VDataout;
    Duty2 =HDataout;
   }

      else if(140>=HDataout && 110<HDataout){
        DirL = 0;
        DirR = 0;    
        Duty1 =VDataout;
        Duty2 =VDataout;
        }

      else{
        DirL = 0;
        DirR = 0;    
        Duty1 =(120-HDataout)*2;
        Duty2 =VDataout;
      }             
    }

    else if(VDataout<=140 && VDataout>=125){

      if(HDataout>140){
       DirL = 1;
       DirR = 0;    
       Duty1 =HDataout;
       Duty2 =HDataout;
       }

      else if(HDataout<110){
        DirL = 0;
        DirR = 1;    
        Duty1 =(120-HDataout)*2;
        Duty2 =(120-HDataout)*2;
        }

      else{
        DirL = 2;
        DirR = 2;    
        Duty1 =0;
        Duty2 =0
      }                      
    }

    else if(125>VDataout && VDataout>=110)
   {
      if(HDataout>140){
        DirL = 1;
        DirR = 0;    
        Duty1 =(HDataout-140)*2;
        Duty2 =(HDataout-140)*2;
    }

      else if(HDataout<110){
        DirL = 0;
        DirR = 1;    
        Duty1 =(110-HDataout)*2;
        Duty2 =(110-HDataout)*2;
      }

      else{
        DirL = 2;
        DirR = 2;    
        Duty1 =0;
        Duty2 =0;
      }                      
    }

    else{
      if(HDataout>140){
        DirL = 1;
        DirR = 1;    
        Duty1 =(120-HDataout)*2;
        Duty2 =(120-VDataout)*2;
      }

      else if(HDataout<140 && 110<HDataout){
        DirL = 1;
        DirR = 1;    
        Duty1 =(110-VDataout)*2;
        Duty2 =(110-VDataout)*2;
      }

      else{
        DirL = 1;
        DirR = 1;    
        Duty1 =(110-VDataout)*2;
        Duty2 =(110-VDataout)*2;
      }                      
    }

   //SendBuf[0] = 0xFF;
   //SendBuf[1] = 0xFF;
   SendBuf[0] = DirL;
   SendBuf[1] = Duty1;
   SendBuf[2] = DirR;
   SendBuf[3] = Duty2;
   //SendBuf[4] = 0;
   Serial.write(255);
   Serial.write(255);
   //Serial.print(255); 
   //Serial.print(255); 
   for(i=0;i<4;i++){
   //Serial.print(SendBuf[i]);
   Serial.write(SendBuf[i]);
   }

   //Serial.print(DirL); 
   //Serial.print(DirR); 
   //Serial.print(HDataout); 
   //Serial.println(VDataout);    
   Serial.write(0);
  delay(100); 
}

受信側

#define PIN_IN1  5
#define PIN_IN2  6
#define PIN_IN3  2
#define PIN_IN4  3
#define PIN_VREF1 9 
#define PIN_VREF2 10 
 
int RcvData=0;//
int RcvBuf[4];
int MT_Rin=5;
int MT_Lin=6;
int MT_RoutSerial=0;
int MT_LoutSerial=0;
int i=0;
int RcvState=0;
//int RcvCountF=0;
//int RcvCountS=0;
int RcvC=0;
int MT1D=0;
int MT2D=0;
int MT1S=0;
int MT2S=0;
int RcvCount=0;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 9600bpsでシリアルポートを開く
  pinMode(PIN_IN1,OUTPUT); 
  pinMode(PIN_IN2,OUTPUT); 
  pinMode(PIN_IN3,OUTPUT); 
  pinMode(PIN_IN4,OUTPUT); 
}

 

void loop() {
  while(Serial.available() > 0){
    RcvData=Serial.read();
    //Serial.println(RcvData);
    //Serial.println(RcvState);               
          switch(RcvState){
            case 0:
                 if(RcvData==255){
                    RcvState = 1; 
                    //Serial.print("RcvData1"); 
                    //Serial.println(RcvState);             
                 }

                break;
            case 1:
                 if(RcvData==255){
                    RcvState = 2;
                    //Serial.print(" RcvData2"); 
                    //Serial.println(RcvData);             
                 }

                 else{
                    RcvState = 0;            
                 }                               
                 break;

            case 2:
                RcvBuf[RcvCount]=RcvData;
                RcvCount++;
                if(RcvCount >= 4){
                 RcvCount=0;     
                 RcvState = 3; 
                 //Serial.print(" RcvData*"); 
                 //Serial.println(RcvData);  
                }
                break;              

            case 3:
                MotorCnt();
                RcvState=0;
                break;                            
              }                               
           }
         }

void MotorCnt(){
  //モータ1の制御
  //digitalWrite(13, HIGH );
  //delay(100); 
  //digitalWrite(13, LOW );
  //delay(100);
  if(RcvBuf[0]==0 || RcvBuf[0]==1){
    if(RcvBuf[0] == 0){
      MT_LoutSerial = RcvBuf[1];
      //Serial.print("左前");
      //Serial.print(MT_LoutSerial);    
      analogWrite(PIN_VREF1,MT_LoutSerial); 
      digitalWrite(PIN_IN1,HIGH);
      digitalWrite(PIN_IN2,LOW);
      }

      else{
      MT_LoutSerial = RcvBuf[1];
      //Serial.print("左後");
      //Serial.print(MT_LoutSerial);    
      analogWrite(PIN_VREF1,MT_LoutSerial); 
      digitalWrite(PIN_IN1,LOW);
      digitalWrite(PIN_IN2,HIGH);
      }

    if(RcvBuf[2] == 0){
    MT_RoutSerial = RcvBuf[3];
    //Serial.print("右前");
    //Serial.println(MT_RoutSerial);
    analogWrite(PIN_VREF2,MT_RoutSerial); 
    digitalWrite(PIN_IN3,LOW);
    digitalWrite(PIN_IN4,HIGH);
    }

    else{
    MT_RoutSerial = RcvBuf[3];
    //Serial.print("右後");
    //Serial.println(MT_RoutSerial);
    analogWrite(PIN_VREF2,MT_RoutSerial); 
    digitalWrite(PIN_IN3,HIGH);
    digitalWrite(PIN_IN4,LOW);
    }
  }

  else{
    //Serial.println("停止");
    digitalWrite(PIN_IN1,LOW);
    digitalWrite(PIN_IN2,LOW);  
    digitalWrite(PIN_IN3,LOW);
    digitalWrite(PIN_IN4,LOW);        
    }
  delay(100);
}

電子部品

最後に本製作例で使用した電子部品を紹介します．