Raspberry Pi Zeroによるスマートプラレール製作記 (1) システム試作編

リモコンで操作するプラレールはメーカーから製品として発売されていて、初期はハードウェアマスコンを使い、赤外線リモコンで操作するしくみでしたが、今ではWiFi接続してスマホアプリから操作したり、デュアルカメラ搭載と飽くなき進化を続け、さすがに値が張ります。これを Raspberry Pi Zero で実現してしまう記事をちらほら見てるうちに、自分でも作りたくなった製作記シリーズの第1回です。

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ぼくが運転！マスコン北海道新幹線はやぶさ｜プラレール｜タカラトミー

https://www.takaratomy.co.jp/products/plarail/tettei/set/16_04_pte/index.htm

ぼくが運転！マスコン北海道新幹線はやぶさ

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スマホで運転！ダブルカメラドクターイエロー｜徹底解剖｜プラレール｜タカラトミー

https://www.takaratomy.co.jp/products/plarail/tettei/set/16_09_pte/index.htm

スマホで運転！ダブルカメラドクターイエロー

当初、先頭制御&電源車にモーター車が連結する、次のような構成を考えました。

図1.ダイヤグラム初案

このとき必要な部品を列記すると、こんな感じに。

プラレール機関車（試作中は適当なDCモータで代用）
Raspberry Pi Zero W
同カメラモジュール
モータドライバ L9110S
電源18650
DC-DCコンバータ

図2.部品

しかし、プラレールの機関車タイプへの移植を考えると、先頭車をモータ&制御とする次のような構成を採用することにしました（実は、いくつか試したDC-DCコンバータがいずれも不安定で使用に耐えず、よくあるUSBモバイルチャージャーが良かったのでこれを採用したのも大きい）。

図3.ダイヤグラム決定案

早速、Raspberry Pi Zero WにRaspbianを入れたSDカード挿して起動。初めてのPWM制御に挑戦します。モータを電圧ではなく、周波数・力率で調整出来るのはとても楽ちん。一応USBテスターで電流値を確認しながら周波数値を決めます。

図4.試作通電

電流値1.75Aに仰天。PWM周波数を調整してだいぶ落とせましたが、DCモータがこんなに電力消費するものとは知りませんでした。ここでモータドライバへの電源もRaspberry Piからぶら下がりで得る回路図になっていたのを思い出し、慌ててバッテリから直接得る形へと変更した次第です。PWMテストプログラムはこんな感じ。周波数で全体的な傾きを、Duty Cycleで出力度合いを制御し、最後は必ずGPIOをcleanup()するのが礼儀。ほぼほぼ小学生並のプログラミング基礎。

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

pinFwd = 23
pinRev = 24
pwmFrq = 100

GPIO.setup(pinFwd, GPIO.OUT)
GPIO.setup(pinRev, GPIO.OUT)

p = GPIO.PWM(pinFwd, pwmFrq)
q = GPIO.PWM(pinRev, pwmFrq)

p.start(0)
p.ChangeDutyCycle(50)

for x in range (50):
	p.ChangeDutyCycle(x)
	sleep(0.1)
for x in range (50):
	p.ChangeDutyCycle(50-x)
	sleep(0.1)

sleep(1)
p.stop()

q.start(0)
q.ChangeDutyCycle(50)

for x in range (50):
	q.ChangeDutyCycle(x)
	sleep(0.1)
for x in range (50):
	q.ChangeDutyCycle(50-x)
	sleep(0.1)

sleep(1)
q.stop()

GPIO.cleanup()

import RPi.GPIO as GPIO

from time import sleep

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

pinFwd = 23

pinRev = 24

pwmFrq = 100

GPIO.setup(pinFwd, GPIO.OUT)

GPIO.setup(pinRev, GPIO.OUT)

p = GPIO.PWM(pinFwd, pwmFrq)

q = GPIO.PWM(pinRev, pwmFrq)

p.start(0)

p.ChangeDutyCycle(50)

for x in range (50):

p.ChangeDutyCycle(x)

sleep(0.1)

for x in range (50):

p.ChangeDutyCycle(50-x)

sleep(0.1)

sleep(1)

p.stop()

q.start(0)

q.ChangeDutyCycle(50)

for x in range (50):

q.ChangeDutyCycle(x)

sleep(0.1)

for x in range (50):

q.ChangeDutyCycle(50-x)

sleep(0.1)

sleep(1)

q.stop()

GPIO.cleanup()

開発中、Raspberry Pi Zeroへは母艦からsshで繋いでいるのですが、DHCPで一体今日はIPいくつなんだろ、が地味に面倒。ジャンク箱にI2C接続のLCDがあったので、IPアドレス表示させるようにしています。

# -*- coding: utf-8 -*-
# RPLCD IP ADDR INDICTOR
# http://rplcd.readthedocs.io/
# 

from RPLCD import i2c
from time import sleep
import time
import socket
import fcntl
import struct

# LCD PARAMETERS
lcdmode = 'i2c'
cols = 16
rows = 2
charmap = 'A00'
i2c_expander = 'PCF8574'
address = 0x27
port = 1

# GET IP ADDR
def get_ip_address(ifname):
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    return socket.inet_ntoa(fcntl.ioctl(
        s.fileno(),
        0x8915, 
        struct.pack('256s', ifname[:15])
    )[20:24])

# INIT LCD
lcd = i2c.CharLCD(i2c_expander, address, port=port, charmap=charmap, cols=cols, rows=rows)

# DRAWING PANEL
lcd.clear()
lcd.write_string(time.strftime('%H:%M:%S') + '\r\n' + get_ip_address('wlan0'))
sleep(300)
lcd.backlight_enabled = False
lcd.close(clear=True)