公開日：2022/06/18

21st Season

#21-4　空中に文字を表示

　棒状の器具にLEDが並び、棒を振ることでLEDがタイミングよく点滅して、何もない空中に文字や図形を表示できるおもちゃがあります。

　　「棒を振ると、空中に文字」で検索(別ウインドウが開きます)

　今回はこのおもちゃの真似事をしてみたいと思います。

必要な物

　早速、工作に必要な部品をリストアップしてみましょう。

手で振る棒を作る場合

　必要な材料(部品等)は以下の様な感じでしょうか？

点滅で文字を表示したいので、表示するフォントの縦ドット数に相当する数のLEDが必要です。

振り始めを検知するためのセンサ

棒の振り始めを検知するためのセンサです。以下の何れかがあれば良いでしょう。
加速度センサ(例えばMPU9250等)：

時間の経過と加速度の変化を見ることで、棒の移動距離も、ある程度わかります。

その代わり、常に検出してしまう重力加速度のキャンセルなど、余計な処理が必要になる可能性があります。
手首や肘、肩等を中心に回転するように振り回すことを前提とする場合、ジャイロセンサで検知することもできます。

傾斜スイッチ：

傾きによってON／OFFの状態を検知するだけなので、制御は簡単です。

その代わり、棒に取り付ける位置関係をうまく作り込まないと、振り始めを検知できない場合があります。
例えば、棒を立てて「手を振る」様に振る場合と、棒を寝かせて「水平に振る」場合とでは、傾斜スイッチの取り付け方向を変えなくてはならないはずです。

振動センサ：

手元に無いので詳細は不明ですが、傾斜スイッチと原理は似たり寄ったりの物が多いです。
傾きを検知する傾斜スイッチと異なり、「振動」を検知するセンサなので、取り付け方向などに気を使う必要が無い、または少ないと期待できます。
種類によって特性・特徴が異なるので、データシートなどで確認してみて下さい。

電池ボックス

有線で電源を供給することも可能ですが、基本的には電池ボックスなどから給電して、装置ごと振り回せるようにするべきだと思われます。

制御用マイコン

装置全体を振り回せるよう、マイコンも装置に取り付けなくてはなりません。
Arduino UNO等では、大きすぎて、装置に取り付けるには向かないかもしれません。

　完成したら、装置全体をぶんぶん振り回すことになるので、ブレッドボード＋ジャンパ線的な配線では強度不足でしょう。等々、モノづくりの課題が山積みだと思われます。

　そこまで気合い入れて作る元気は無いな～。

お手軽に試してみる場合

　必要な材料(部品等)は以下の様な感じでしょうか？

WS2812Bが8個直線に並んだ、RGB LEDパネルを使いましょう(下図)。
将来、ドット(ピクセル)数を増やして、表示解像度を上げたくなった場合でも、同じようなRGB LEDパネルをカスケードに繋ぐことで、簡単に増設することができます。

サーボモータ

サーボモータ(SG90)によって、パンとチルトを制御可能な2軸カメラマウント(下図)のパン側だけを使います。

制御用マイコン

Arduino UNOを使います。

　前節の工作と違って、棒の振り始めを検知するセンサ類が必要ありません。サーボモータでRGB LEDパネルを振り回すので、タイミングはソフトウェア(プログラム)で制御可能だからです。
　RGB LEDパネルをサーボモータに取り付けて振り回させておいて、うまくタイミングを合わせてLEDを点滅させると、空中に文字を表示できるだろう、と言う魂胆です。

　可動するのは2軸カメラマウントと、そこに取り付けたRGB LEDパネルだけですので、配線を長めに確保しておけば、動きの分は吸収できるでしょう。恐らく、ブレッドボードを使った試作で十分なので、モノ作りの難易度が一気に低下します。

　こっちを採用、です。

静止摩擦力と動摩擦力

　現実世界では、物体と物体が接触すると、その間に摩擦力が働きます。摩擦力には大きく分けて以下の2種類が存在します。

静止している物体に生じる摩擦力：　静止摩擦力
動いている物体に生じる摩擦力：　動摩擦力

　一般に、静止摩擦力＞＞動摩擦力です。これをモータの回転🔄に当てはめてみましょう。

止まった状態からモータを回転させるには、静止摩擦力に抗するエネルギが必要。
一度動き出すと、動摩擦力に抗するエネルギだけで回転状態を維持できる。

つまり、回転し始める時に大きなエネルギが必要となる。

このため、回転⇔静止を短時間に繰り返すと、一々静止摩擦力に抗するだけのエネルギが必要となって、回転が安定しない。

同時に、回転に要する電力(電流)も多く必要となる。

一度回転させ始めたら、最後まで一気に回しきってしまった方が、安定した回転を得られる。

　これを念頭にシステムを構築します。

制御方法

　制御手順は以下の通りです。

１）サーボモータを開始角度に設定します。

開始角度に到達するまで、十分な時間を待ちます。

２）サーボモータを終了角度に設定します。

これで、サーボモータが開始角度から終了角度へ向かって、最速で回転を始めます。
一旦動かし始めたら、止めないことが重要です。

３）一定の時間間隔でWS2812Bへデータを送信します。

サーボモータの回転と同期して、上手く時間間隔を調整すると、空中に文字が浮かび上がります。

今回使うサーボモータ(SG90)は、0～180[°]までしか回転できないので、左→右回転時だけでなく、右→左回転でも表示可能なプログラムにしておきます(往復で表示できるように)。

1回の関数コールで片道一回分を回転します。
現在の停止位置を覚えておいて、次の関数コールでは逆回転とします。

回転速度

　データシートなどによると、今回使用するサーボモータ(SG90)の回転速度は、大体0.1s/60°くらいの様です。
　180°回転するのに必要な時間air_MS180≒300msとなります。

　制御プログラムで、サーボモータを回転させ始めた時間を0sとして時間を計測します。T[ms]後には、サーボモータは約T[ms]/air_MS180×180°の回転角度に到達しているはずです。

　では、180°の中に何文字くらい表示できるでしょうか？まず、1ドットを回転角度に換算しましょう。
　定数air_DGPDTを1ドット辺りの回転角度[°/ドット]とします。回転可能な範囲は0～180[°]なので、180°回転する間に表示可能なドット数は、180°/air_DGPDT[ドット]です。
　8ピクセルのRGB LEDパネルを使うので、8×8ドットのASCIIフォントを使います。すると、180°回転する間に表示可能な文字数は180°/air_DGPDT/8ドット[文字]となります。
　air_DGPDT=3[°/ドット]に設定してみると、180°に表示可能な文字数はおよそ7文字となりました。

※表示したい文字数から逆算するなどair_DGPDTを小さくすると、もっと多くの文字数を表示できますが、ドットとドットの間が詰まってしまって視認性が低下します。実際に確認しながら調整して見てください。

RGB LEDへのデータ送信時間

　1ドット表示するのに、8ピクセル分の表示データをシリアルRGB LED(WS2812B)へ送信する必要があります。
　データの送信時間については「#11-2　円形配置RGB LED(WS2812B)を使う」に解説があります。

　　データ送信時間(概算)＝50μs(リセット)＋1.25μs×24ビット×8ピクセル＝290μs

　サーボモータの180°回転時間はair_MS180[ms]なので、1ドット分のair_DGPDT[°]回転するのに要する時間は、約air_MS180/180°×air_DGPDT＝5msだと解ります。

　データ送信時間約290μs(＝0.29ms)に比べて十分大きいので、送信データの準備時間を考慮に入れても、破綻することは無いでしょう。

※もっと高速回転できるサーボモータを使ったり、air_DGPDTを小さくして解像度を上げたりする場合には、データ通信速度を考慮して破綻しないように設計して下さい。

制御プログラム

　以下に完成した制御プログラムをリンクしておきます。

　　制御プログラム：air_display.ino

　コンパイルしてUNOへ転送すると、シリアルモニタから以下のコマンドを受け付けるようになっています。

　　シリアルモニタコマンド仕様：

air,<count>,<string_to_display>

文字列<string_to_display>を<count>回表示します。

deg,<degree_0_180>

サーボモータの回転角度を<degree_0_180>[°]に設定します。
デバッグ用の機能です。通常使用する必要はありません。

RGB LEDパネルの全LEDを消灯します。
デバッグ用の機能です。通常使用する必要はありません。

demo

デモを実行します。

who
help

応用・拡張

　今回はArduino UNOを使いました。RGB LEDパネルもサーボモータ(SG90)も5V定格なので、同じく5V定格のUNOが使い易かったと言うのが主な理由です。

Arduino DUEを使って、LED数を16ピクセルに拡張すると、16×16ドット日本語フォントを使って表示することができます。
オリジナル16ビットCPUコアMoscoviumを使ったマイコンを使うと、8×8ドット日本語フォントで表示することが可能です。
そもそも、フォントと言う形に拘らなければ、ビットマップデータを直接指定することで、簡単な図形を表示することもできるでしょう。

　いずれの応用も、制御の基本は前節にリンクしたプログラム(air_display.ino)と同様ですので、各自工夫して見てください。

実験(ちょっとうるさい……)

　以下図が今回必要な回路図です。

　Arduino UNOの指定端子(D3，D4)とGNDを接続してください。また、RGB LEDパネルもサーボモータ(SG90)も、電流を沢山消費するので、Arduino UNOの5Vピンソケットからの給電では足りません。別途、以下図の様な電源モジュールを使って、電源を供給してください。

　以下図に実験中の様子を示します。

　　実験サンプル：【】内はシリアルモニタからの送信データ
　　【demo】
　　OK: demo finished

　【demo】コマンドを実行した時の様子を以下動画にしておきました。

　サーボモータの回転速度がSG90の実力頼みになっているので、ちょっと回転が安定していないようです。RGB LEDパネルへ発光データを送信するデュポンワイヤも、サーボモータの回転に伴って動いてしまうため、やっぱり、ブレッドボードでの接続では、時々通信エラーが起きているような感もあります(上動画でも、時々表示が消えている個所がある)。

　それでも何とか、意図した文字が表示されているように見えました(少なくとも筆者には！（１＾＾；）)。以下図は、動画から抽出した、空中に表示された文字です。

　サーボモータの回り出しである「H」の文字幅が少し狭くて、代わりに次の「E」が間延びしているように見えます。その後の「LLO」は、ほぼ等幅ですね。(ちょっと緑の「L」が狭いかな？)LEDの更新は一定時間毎に実行しているので、サーボモータの回転速度が一定していないためだと考えられます。

※そういえば、表示中に割り込みを禁止していなかったな……。システムタイマ(TC0)の割り込みが発生すると、上図の「E」みたいに間延びして見えるのかも？……ただし未確認、なので必要に応じて各自対応してください。

　モノ作りが手間ですが、手で振るタイプの器具を制作して、手動で振り回した方が安定するかも？です。そちらの作成は、モノ作りが得意な皆様へ譲ります……。