ドローン制作 2-2: ブレッドボード試験

前回の記事で、ドローンの電子部品選定を行いました。本記事ではこれに基づき、ブレッドボードによる試験を行っていきます。

ピン配置

ピンの役割等についてはこちらのサイトが参考になります。IMU, optical flow, ToF センサの 3 種類のセンサと 6 つのモータのピン配置を以下のように定めます。

以下の記述により、GPIO 7, 8, 9, 10, 11 (D0, D1, D2, D3, CMD に対応するピン) の使用は避けた方がよさそうです。ESP32-WROVER を使う場合は、GPIO 16, 17 も使わない方がよいようです。

The pins D0, D1, D2, D3, CMD and CLK are used internally for communication between ESP32 and SPI flash memory. They are grouped on both sides near the USB connector. Avoid using these pins, as it may disrupt access to the SPI flash memory / SPI RAM.

ESP32-DevKitC V4 Getting Started Guide

The pins GPIO16 and GPIO17 are available for use only on the boards with the modules ESP32-WROOM and ESP32-SOLO-1. The boards with ESP32-WROVER modules have the pins reserved for internal use.

ESP32-DevKitC V4 Getting Started Guide

回路図

以下のように ESP32-DevKitC V4 ボードと各部品を接続します。

必要部品

ブレッドボードでの実験には、以下を用意します。

ESP32

以下を接続します。

• モータ 6 つ
• デバッグ用 switch
• デバッグ用 LED
• IMU センサ
• ToF センサ
• オプティカルフローセンサ

DCDC converter

秋月電子で販売されている DCDC コンバータを使います。

+BATT は電池ボックスや 1s リポバッテリなどです。+BATT から DCDC converter を通して 5V の安定化された電圧を ESP32 に供給します。

逆流防止用に、順方向に 1.0A まで電流を流せて順方向電圧が 0.5V のショットキーダイオード 1S4 を導入しました。500mA 程度が推奨される power supply と書いてあるので最大電流が 1.0A のダイオードを接続しても問題なさそうです。

The operating voltage of ESP32 ranges from 2.3 V to 3.6 V. When using a single-power supply, the recommended voltage of the power supply is 3.3 V, and its recommended output current is 500 mA or more.

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf

IMU

秋月電子で販売されている BNO055 使用 9 軸センサーモジュールを使用します。

I2C 通信で ESP32 とデータを送受信します。Arduino ライブラリは Adafruit_BNO055 を使います。

Motor

モータの選定については前回記事をご覧ください。8.5mm x 20mm のモータを使うことにしています。

それぞれの電子部品の役割については過去記事で詳解しています。前回ドローンを自作した際、市販のモータドライバだと最大出力電流が足りなかったという経緯があり、下図のように Nch MOSFET でモータドライバを自作しています。

ESP32 の GPIO ピンから PWM 入力をしてモータの回転量を制御します。

オプティカルフローセンサと ToF センサの再選定

前回の記事で、ATK-PMW3901 というオプティカルフローセンサと ToF センサが合わさったモジュールを紹介しましたが、以下の問題がありました。

• オプティカルフローセンサのデータが時々更新されない
• ToF センサを ESP32 が認識できない

なので、別のモジュールを選定することにしました。選定結果は以下で、marutsu が品質ランク S1 と定めているものを今回は購入しました。

Adafruit のこのモジュールも購入しましたが、今回のブレッドボード試験では上記の 2 つを使用しました（Adafruit 公式動作確認記事）。

ToF センサ（VL53L1X）

以下の記事が非常にわかりやすかったので、配線や書き込み方法等でわからない点があれば参照してもらえればと思います。

• VL53L1X距離センサをArduinoで使ってみた【使い方解説】

配線を以下のようにつなぎます。VL53L1X という Arduino のライブラリを使います。

オプティカルフローセンサ（PMW3901）

このモジュールは SPI 通信でデータを送受信します。Arduino ライブラリは Bitcraze_PMW3901 を使います。

ソフトウェア

ライブラリ

以下の 3 つのライブラリをインストールする必要があります。

• Adafruit BNO055 by Adafruit
• Bitcraze PMW3901 by Bitcraze
• VL53L1X by Pololu

ソースコード

全体のソースコードは GitHub にてご覧ください。

setup() 関数の中で、モータと IMU, ToF, オプティカルフローセンサの準備を行います。

  // motor
  pinMode(MOTOR1_PWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR2_PWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR3_PWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR4_PWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR5_PWM_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR6_PWM_PIN, OUTPUT);

  // initialize IMU sensor
  while (!bno.begin())
  {
    Serial.println("Ooops, no BNO055 detected ... Check your wiring or I2C ADDR!");
  }

  // initialize ToF sensor
  vl53l1x.setTimeout(500);
  while (!vl53l1x.init()) {
    Serial.println("Ooops, no VL53L1X detected ... Check your wiring or I2C ADDR!");
  }
  vl53l1x.setDistanceMode(VL53L1X::Long);
  vl53l1x.setMeasurementTimingBudget(50000);
  vl53l1x.startContinuous(50);

  // initialize optical flow sensor
  while (!pmw3901.begin())
  {
    Serial.println("Ooops, no PMW3901 detected ... Check the SPI connection!");
  }

タクトスイッチが押されたら LED を点灯し、モータを回します。

  // turn on motors when a switch is pressed
  int motor_pwm = 255;
  if (util.is_builtin_button_pressed()) {
    util.on_led();
    analogWrite(MOTOR1_PWM_PIN, motor_pwm);
    analogWrite(MOTOR2_PWM_PIN, motor_pwm);
    analogWrite(MOTOR3_PWM_PIN, motor_pwm);
    analogWrite(MOTOR4_PWM_PIN, motor_pwm);
    analogWrite(MOTOR5_PWM_PIN, motor_pwm);
    analogWrite(MOTOR6_PWM_PIN, motor_pwm);
  } else {
    util.off_led();
    analogWrite(MOTOR1_PWM_PIN, 0);
    analogWrite(MOTOR2_PWM_PIN, 0);
    analogWrite(MOTOR3_PWM_PIN, 0);
    analogWrite(MOTOR4_PWM_PIN, 0);
    analogWrite(MOTOR5_PWM_PIN, 0);
    analogWrite(MOTOR6_PWM_PIN, 0);
  }

以下のコードでセンサの出力を Serial monitor で表示できるようにします。

  // ToF sensor
  Serial.print("ToF sensor output: ");
  Serial.print(vl53l1x.read());
  Serial.println("mm");

  // imu
  sensors_event_t accelerometerData, angVelocityData;
  bno.getEvent(&accelerometerData, Adafruit_BNO055::VECTOR_ACCELEROMETER);
  bno.getEvent(&angVelocityData, Adafruit_BNO055::VECTOR_GYROSCOPE);
  util.printIMUEvent(&angVelocityData);
  util.printIMUEvent(&accelerometerData);
  uint8_t system, gyro, accel, mag = 0;
  bno.getCalibration(&system, &gyro, &accel, &mag);

  // optical flow sensor
  int16_t dx, dy;
  pmw3901.readMotionCount(&dx, &dy);
  Serial.print("Optical Flow sensor output: dx: ");
  Serial.print(dx);
  Serial.print(" dy: ");
  Serial.println(dy);

実際に以下のように Serial monitor でセンサーデータの出力を確認できます。

ToF sensor output: 158mm
IMU data: Gyro: x= 0.00 |       y= 0.00 |       z= -0.00
IMU data: Accl: x= 0.02 |       y= 0.21 |       z= -0.01
Optical Flow sensor output: dx: 0 dy: 0

実験

今回の実験では、以下を確認しました。

• スイッチを押すと LED が光り、モータが回る
  • 6 つモータを回すと電力が足りないのか、ESP32 の電源が突然切れることがある
  • 5 つのモータであれば問題ない
• スイッチを押していないときはモータは回らない
• ブレッドボードを振ったときに、BNO055 で読み取った角速度・加速度の値が変化する
• オプティカルフローセンサで横移動を検出できる
• ToF センサによって計測された距離が大体あっている
• モータを回したときにセンサの出力が途切れないか

上記のそれぞれの項目が問題ないことを確認済みです。モータを回している動画は以下です。

ドローンプロトタイプ with ブレッドボード

www.youtube.com

まとめ

今回は、ブレッドボード上でドローンのプロトタイプを作成し、①モータが回ること②センサが意図通り機能することを確認しました。次回から PCB の制作に移っていきます！