第1回：RCカーをリモート操作、Raspberry PiにてGPIOでサーボを動かしてみよう

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2024年9月23日2024年9月26日

第1回：RCカーをリモート操作、Raspberry PiにてGPIOでサーボを動かしてみよう

TAMIYA 1/12RC XB ランチボックスカーをリモート操作するまえに、Raspberry Pi 4にUSBゲームパットを接続してPythonでサーボモーターを操作してみます。

サーボモーターはSG90です。安価なサーボモーターです。USBゲームパット、Raspberry Pi 4、Python、サーボモーターを使うことで全体の検証ができます。

データシートを見ると茶色がGND、赤が電源、オレンジがPWMです。TAMIYA 1/12RC XB ランチボックスカーのサーボも似たようなものです。SG90を上手く動かせばランチボックスのサーボも制御できるでしょう。

USBゲームパットは、Logitech Gamepad F310です。安価なタイプです。XBOXタイプの共通コントローラーです。どれでも大体一緒です。

GPIOは以下を使います。縦ですが、実機と比べるときは左に回転して比較してください。①3.3V、②GPIO12、③GNDです。

細いケーブルのオスメスをいくつか揃えておくと便利です。

本環境はRaspberry Pi 4（ubuntu22.04）です。アップデート、ssh接続、22番ポートを開けました。ご自身の使いやすい形で実行ください。最近ではstart sshやinstall ufwやufw enableは不要ですね。初期設定で入っているはずです。

sudo apt update && sudo apt upgrade
sudo apt install openssh-server
sudo systemctl start ssh
sudo apt install ufw
sudo ufw enable
sudo ufw allow 22
sudo apt install nano

ubuntu24.04ではpipやpigpioでいろんな注意やエラーがでます。Python環境がより厳密になったからです。本環境はubuntu22.04ですが仮想環境で構築します。ubuntu24.04でも実行できるでしょう。

Pythonのパッケージマネージャーpipを入れます。aptみたいなものです。Pythonのインストールを管理してくれます。python3-venvはもっとも標準的なPythonの仮想環境パッケージです。開発環境用にbuild-essentialとgitです。

sudo apt install python3-pip python3-venv build-essential git

venvを使ってmyenvという仮想環境を作ります。myenvは自由な名称でつくれますが定番の書き方がmyenvです。source myenv/bin/activateで、仮想環境を実行します。

python3 -m venv myenv
source myenv/bin/activate

仮想環境でpipを使うことでpip install によるシステム全体への影響を防ぎます。wheelは何やらインストールの高速化、inputsは入力デバイスのライブラリ、piozeroとpigpioはGPIOピンの制御のパッケージです。

pip3 install wheel
pip3 install inputs
pip3 install gpiozero
pip3 install pigpio

pigpio及びpigpiodがすごく分かりにくいのですが、上記pip3でインストールしたpigpioはPythonからGPIOピンの制御で、pigpiodはシステムからのGPIOピンの制御のためのようです。pip3 install pigpioだけでは、pigpiodが動かないので仮想環境ではなく以下でインストールします。

※Raspberry Pi 5（ubuntu2x.04）では、pigpioがRaspberryとしてはハードウェアを認識せずに上手く行きませんでした。ubuntuを使ったのがいけないのか素直にRaspiOSを使うべきなのだと思います。

git clone https://github.com/joan2937/pigpio
cd pigpio
make
sudo make install
sudo usermod -aG input $USER

いったん再起動して上手く動作するか試してみましょう。

sudo reboot

再起動したら仮想環境を立ち上げてpigpiodデーモンを起動します。問題なくpigpiodが動けばOKです。エラーが起きたらGPTにエラーを見せれば解決するはずです。

source myenv/bin/activate
sudo pigpiod

次は、Pythonのプログラムを準備をします。get_gamepad関数はゲームパッドのイベントの取得につかいます。AngularServoクラスはサーボモータを制御に使います。PiGPIOFactoryはGPIOピンのPWM制御精度を高めるために使います。それらを使うために環境を準備します。

sudo nano joystick_test.py

以下内容です。GPIOピン12に接続されたAngularServoオブジェクトを作成します。サーボモータの角度範囲を-90度から90度に設定し、パルス幅の最小値と最大値を指定します。frame_widthはパルスの間隔を指定し、pin_factoryにfactoryオブジェクトを指定して、精密制御を実現します。

from inputs import get_gamepad
from gpiozero import AngularServo
from gpiozero.pins.pigpio import PiGPIOFactory
import time

# GPIOの設定（PiGPIOFactoryを使って精密制御）
factory = PiGPIOFactory()
servo = AngularServo(
    12,
    min_angle=-90,
    max_angle=90,
    min_pulse_width=0.5 / 1000,
    max_pulse_width=2.4 / 1000,
    frame_width=1 / 50,
    pin_factory=factory
)

def main():
    print("ジョイスティックを監視中...")
    while True:
        events = get_gamepad()
        for event in events:
            print(event.ev_type, event.code, event.state)
            if event.code == "ABS_Y":
                # ジョイスティックのY軸が動いた場合
                # 状態は -32768 から 32767 の範囲; 中央が0
                axis_value = event.state / 32767  # -1 から 1 の範囲に正規化
                angle = axis_value * 90  # 軸の値を角度に変換（-90度から90度）

                # 角度を -90 から 90 に制限
                if angle < -90: angle = -90 elif angle > 90:
                    angle = 90

                servo.angle = angle
                print(f"サーボの角度を {angle:.1f} 度に設定")

if __name__ == "__main__":
    try:
        main()
    except KeyboardInterrupt:
        print("\nプログラムを終了します...")

忘れない内にファイルに実行権限をつけて、python3 joystick_test.pyをテストします。

sudo chmod +x joystick_test.py
python3 joystick_test.py

inputsライブラリではなくPygameを使う方法もありますがビデオシステム関連でエラーが起きました。Raspberry Pi5（ubuntu24.04）ではPygameの方が上手く動作しました。このあたりもう少し検証する時間を作りたいところです。

inputsライブラリは、ハードウェア入力（ジョイスティックやゲームパッドなど）を扱い役立ちます。ヘッドレス（ディスプレイのない）設定でも正常に動きます。低レベルなハードウェアアクセスが可能です。依存関係が少ないです。リアルタイム入力に優れています。

仮想環境やsudo pigpiodを自動化

仮想環境やsudo pigpiodは毎回実行が必要です。自動起動させるには少し手間が必要です。pigpiodのSystemd サービスファイルは多分存在しないので自分で作る必要があります。

sudo nano /etc/systemd/system/pigpiod.service

[Unit]
Description=Pigpio daemon
After=network.target

[Service]
ExecStart=/usr/local/bin/pigpiod
ExecStop=/bin/systemctl kill pigpiod
Type=forking
PIDFile=/var/run/pigpio.pid

[Install]
WantedBy=multi-user.target

sudo systemctl daemon-reload

サービスを有効化して起動します。状態が正常であれば成功です。

sudo systemctl enable pigpiod
sudo systemctl start pigpiod
sudo systemctl status pigpiod

仮想環境の方は、最終的なjoystick_test.pyが完成したらExecStartで仮想環境を指定してあげればよいはずです。

ExecStart=/path/to/myenv/bin/python /path/to/joystick_test.py

ハードウェアPWMをサポート

サーボをなめらに操作するには、PWMがよいです。PWMはソフトウェアとハードウェア制御があります。ハードウェア制御の方がより安定して負荷が少ないそうです。Raspberry Pi4では一部のピンだけハードウェアPWMをサポートしています。

GPIO 12　PWM0
GPIO 13　PWM1

ハードウェアPWMをサポートしているようで、PWM0とPWM1の二つのチャンネルにマップされています。2チャンネルの制御になるため、同時に使えるのは2つのピンになるようです。2つのサーボモータを異なる角度で独立して制御したい場合は、一つをPWM0チャンネル（例：GPIO 12）、もう一つをPWM1チャンネル（例：GPIO 13）に接続するという考え方になります。

GPIO 12とGPIO 13を使うことで、サーボとモーターを同時に制御できます。さて実行してゲームパットでサーボを操作してみましょう。いい感じにサクサク動きました。