ロボットの向きを知る ―
ジャイロセンサー BNO055

ロボットに「まっすぐ進め」と命じるには、いま自分がどこを向いているかを知る必要があります。それを担うのがジャイロセンサーです。ところがジャイロは、向きそのものを測っていません。

ジャイロセンサーが測っているのは角速度、つまり「いま1秒あたり何度の速さで回っているか」です。単位は度／秒。

角度が欲しいなら、自分で計算します。角速度に時間をかけて足していく。これを積分といいます。

そして、この「足していく」という仕組みが、ジャイロの長所と、いちばん大きな弱点を生みます。

どこで使われているか

ジャイロは身のまわりに数多く入っています。

共通点があります。どれも「変化」を知るために使っていて、「絶対の向き」を知るためには使っていません。カーナビがジャイロだけで走れるのはトンネルの数分間だけで、外に出ればGPSで位置を直します。

どの向きの回転を測るのか ― ヨー・ピッチ・ロール

ジャイロは3つの軸それぞれについて、回る速さを測ります。呼び名は飛行機のものをそのまま使います。

サッカーロボットが使うのは、ヨーだけです。平らな床を走るので、知りたいのは「正面からどれだけ向きがずれたか」だけ。あとで出てくるプログラムの ev.orientation.x が、このヨーにあたります。

だからセンサーは水平に取り付けます。傾けて付けると、ロボットが段差で傾いただけで「向きが変わった」ことになってしまいます。多くの基板には X / Y / Z の軸が印刷されているので、Z を真上に向けます。この記事の最初の写真にも、その印が写っています。

ピッチをつかう競技もあります。レスキューには坂があるので、坂を登り始めたことをピッチで知るという使い方が考えられます。坂に入ったら速さを変える、といった判断です。ピッチは重力が基準なので、ヨーと違ってずれが積み上がりません。

ジャイロは、外付けの部品だけではありません。SPIKE プライムには、ハブの中にジャイロが入っています。部品を足さなくても、ヨー・ピッチ・ロールを読めます。

加速度・地磁気との役割分担

ロボットでよく使う「9軸センサー」は、3種類のセンサーを1つにまとめたものです。それぞれ3方向ぶんあるので、合計9軸です。

加速度センサーが返すのは「重力がどの軸に、どれだけ乗っているか」です。傾けると配られ方が変わるので、傾きが計算できます。けれど水平に回しても重力は真下のままで、数が1つも変わりません。ロールとピッチは重力から読めるが、ヨーだけは読めない。だからヨーはジャイロと地磁気が受けもちます。

そこで3つを組み合わせます。短い時間の変化はジャイロが受けもち、長い時間のずれを加速度と地磁気が直す。これをセンサーフュージョンといいます。BNO055 のようなセンサーは、この計算をセンサー自身の中で行い、「向き」の答えだけを返してくれます。

つなぐ ― BNO055 の配線

つなぐのは4本だけです。

SDA と SCL が何をしているのかは I2C通信の記事に、Arduino IDE と Pico の準備は Pico を Arduino IDE で使うにあります。

プログラムの基本 ― 向きを読む

ジャイロが返すのは「いま何度／秒で回っているか」です。角度にするには、これに経過時間をかけて足していきます。

BNO055 では、この足し算がセンサーの中で済んでいます。だからプログラムは、できあがった角度を読むだけです。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BNO055.h>

// アドレスは基板によって違う。2つ用意して、見つかったほうを使う
Adafruit_BNO055 bno29(55, 0x29, &Wire);
Adafruit_BNO055 bno28(55, 0x28, &Wire);
Adafruit_BNO055* bno = nullptr;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  delay(2000);

  if      (bno29.begin(OPERATION_MODE_IMUPLUS)) bno = &bno29;   // 磁気を使わないモード
  else if (bno28.begin(OPERATION_MODE_IMUPLUS)) bno = &bno28;

  // 見つからないときは、黙らずに言い続ける
  if (bno == nullptr) {
    while (true) {
      Serial.println("BNO055 not found. check 3V3 / GND / SDA / SCL");
      delay(1000);
    }
  }
  delay(1000);      // 計算が始まるまで待つ
}

void loop() {
  sensors_event_t ev;
  bno->getEvent(&ev);
  Serial.println(ev.orientation.x, 2);   // 向き 0〜360度
  delay(20);
}

sensors_event_t ev; で読んだ値を入れる箱を用意し、bno->getEvent(&ev); でそこへ書き込んでもらいます。向きは ev.orientation.x に入っています。この書き方そのものは、別の記事であらためて扱います。

OPERATION_MODE_IMUPLUS は、加速度とジャイロだけを使い、地磁気を使わないモードです。モーターのそばで使うセンサーでは、こちらを選ぶ場面が多くなります。地磁気がモーターの磁気に乱されるからです（「ずれへの対応」の項）。

アドレスは基板によって違います。0x28 と 0x29 の2種類があるので、上のプログラムは両方を試しています。

動かないときに見るところ ― 症状から原因を引く

この表の症状は、ひととおり実際に出たものです。

起動した直後だけ大きくずれる、mag が 0 のまま、といった校正にかかわる症状は、キャリブレーションの記事にまとめてあります。

ここまでで、向きが読めるようになりました。けれども、読めた角度は少しずつずれていきます。その理由と対応は ずれを差し引く ― BNO055 のキャリブレーション にまとめました。