Lightning Talk の舞台裏：”動いたり光ったりする宇宙船の3Dプリントモデルのコード生成 ”

Posted by Michio Inoue, November 13, 2019

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こんにちは、井上です。寒くなってきましたね。

Lightning Talk @ MATLAB EXPO 2019 発表者特集第五弾！今回は MathWorks Japan テクニカルコンサルタントの Nicolas （ニコラ）が、業務外で取り組んでいる宇宙船の 3D プリントモデルについて熱く語ります。自宅に 4 台もの 3D プリンターが稼働しており、さながら工場の様相を呈しているそうな・・とんでもないエンジニアですね（誉め言葉）

ハンドコード無し、Coder 製品なし。Simulink から直接 Arduino に実装できる機能をフル活用して宇宙船を製造したお話です。どうぞ！

背景
内部コンポーネント
航行灯
メインエンジン
Arduino へアップロード
操作
まとめ

私にとって、時間が貴重です。

仕事でも、プライベートでも、時間が貴重です。

だから MATLAB を使います。

１．背景

もともと宇宙が好きです。そして、モノづくりも好きです。特に、数年前に 3D プリンターにはまってしまって、気づいたら家で 4 台が同時稼働していました。

マスワークスの現役エンジニアとして活躍しながら、3D プリンターを用いてどの店でも売っていない立派な 3D プリントモデルを作っています。そのモデルを YouTube（Epic Space Models）と Twitter (@EpicSpaceModels)で紹介しています。そして、2019 年のゴールデンウイークに行われた Maker Faire Kyoto で初めて出展させていただきました。

2019年の MATLAB EXPO で、次世代の再利用可能単段式スペースプレーン「スカイロン」の1/100スケールモデルを披露させていただきました。

２．内部コンポーネント

実は、この模型の中にたくさんの電子コンポーネントが搭載されています。

サーボモータ x 5（動翼、ペイロードベイドア）
直流モータ＋エンコーダ x 2（エンジンインテーク）
PWMによる明るさ調整可能なLED x 7 （航行灯、尾翼エンジン）
3色LED x 8（メインエンジン）
Bluetooth, I2C通信
Arduino x 2

モータや LED を制御するには、同時に実行されるプロセス（いわゆる「マルチタスキング」）が必要です。直接に C++ 言語で書くことがなかなか大変ですが、Simulink でプログラムを作った場合に、Simulink は自動的にマルチタスキングを管理してくれます！

では、内部のプログラムがどのように構成されていますでしょうか。
スカイロンの中に、Arduino が 2 台搭載されており、モータや光の制御は 2 台に分散されています。1 台目（マスター）は Bluetooth から命令を受信し、I2C バスを用いて 2 台目（スレーブ）に転送します。それぞれの Arduino は自分が認識したコマンドを実行します。

図 1. マスター Arduino プログラム

図 2. スレーブArduinoプログラム

ここから内部の機能についてもう少し詳しく紹介します。

３．航行灯

航行灯（こうこうとう）は1.6 秒の周期で点滅します。最初は急に明るくなって、そしてゆっくりと消えます。

図 3. 航行灯

このように明るさを変えるために、Simulink の Rate Limiter ブロックを用いて明るさの上がり方と下がり方をコントロールします。最後に、Arduino Support Package の PWM ブロックを用いて信号を出力します。

図 4. 航行灯制御ロジック

図 5. 航行灯明るさ（上：パルス信号、下：Rate Limiter出口）

４．メインエンジン

図 6. メインエンジン制御ロジック

メインエンジンは NeoPixelという3色 LED を使用しています。Arduino サポートパッケージにはそれ用のブロックがまだ含まれていないので、System Object を用いてカスタムなドライバーブロックを作りました。

また、乱数を用いて明るさを変えて、LED をちらつかせることでよりリアルな光方が得られます。

図 7. メインエンジン点灯

５．Arduino へアップロード

いよいよ Simulink で作ったプログラムを Arduino に入れるときが来ました。Simulink の Build, Deploy & Start ボタンをクリックすると、Simulink のブロックで組んだプログラムがコンパイルされ、Arduino にアップロードされます。
プログラムを手でC++に書き直す必要がありません！