【ROS2】サーボモーターを回したい

概要

Raspberry Pi4、Ubuntu22.04LTS、PCA9685、Python、ROS2 Humbleでサーボモーターを廻したい。
　※ChatGPTで、「優秀なロボティクス講師」としてロールプレイして頂いた記録。

PCA9685とは

16チャンネルのPWM（パルス幅変調）信号を生成できるI2Cベースのチップ。
このチップは、複数のサーボモーターやLEDを制御するのに非常に便利で、1つのI2Cバスに最大62個の
PCA9685を接続することで最大992個のPWM信号を制御できる。

PWM(パルス幅)とは？

• 電気信号のオン/オフを繰り返す方法。このオン/オフの割合(パルス幅)を変えることで、
  出力される電力やモーターの速度、LEDの明るさなどを調整することができる。
• 例えるなら、蛇口の開け閉め。
  水を完全に出す(オン)、完全に止める(オフ)を繰り返し、その割合を変えることで、
  平均的に流れる水の量を調整するイメージ。

16チャンネルのPWMとは？
PCA9685は、このPWM信号を16個同時に制御できるチップ。

• 16チャンネル = 16個の制御できる「蛇口」があると考えることができる。
• 各チャンネル(蛇口)にサーボモーターやLDEを接続し、それぞれの「蛇口」を独立して開け閉めできるのが
  16チャンネルPWMの特徴。

具体的な使い方
例えば、ロボットを作っているとして、複数のサーボモーターを使って関節を動かす場合、
PCA9685を使うことで16個のサーボモーターを１つのチップで同時に制御できる。

• 1チャンネル目：左腕のサーボモーター
• 2チャンネル目：右腕のサーボモーター
• 3チャンネル目：足のサーボモーター
• …
• 16チャンネル目：頭のサーボモーター

各サーボモーターの角度を別々に設定できるので、複雑な動きも可能になる。
⇒　たくさんの部品を一度に個別に効率的に動かせる！

I2C(アイツーシー)バスとは？
「Inter-Integrated Circuit」の略。
2本のワイヤーだけで複数のデバイス（センサーやモーターなど）を一緒に接続し、通信するためのバス。
⇒少ない配線で複数のデバイスを効率的に通信させるためのシンプルなシステム。
　複数のデバイスを１つのバス(道)でやり取りさせたいときに便利。

I2Cの特徴

• 2本のワイヤーだけで通信
  • 1本目：SCL(シリアルクロック)
    • 時計の役割を果たし、デバイス間で信号のタイミングを合わせる。
  • 2本目：SDA(シリアルデータ)
    • 実際にデータのやり取りをするワイヤー。
• 複数のデバイスを接続可能
  • １つのI2Cバスに複数のデバイスを接続できる。
  • 各デバイスには固有のアドレスがあり、アドレスを使って通信するデバイスを指定する。

例：Raspberry Piとセンサーを接続
Raspberry PiにI2Cデバイス(PCA9685や温度センサーなど)を接続すると、2本のI2Cバスのワイヤーだけで、
Raspberry Piとこれらのデバイス間でデータをやり取りできます。各デバイスには個別のアドレスが設定されているので、どのデバイスに話しかけているかを簡単に区別できる。

PCA9685をRaspberry Pi4で使用するには

sudo apt install i2c-tools

sudo vi /etc/modules

i2c_bcm2708
i2c_dev

sudo vi /boot/firmware/config.txt

dtparam=i2c_arm=on

sudo usermod -aG dialout $USER

sudo reboot

groups

sudo apt update
sudo apt install -y python3-pip i2c-tools
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-pca9685

sudo i2cdetect -y 1

     0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- --                         

import board
import busio
from adafruit_pca9685 import PCA9685
from adafruit_motor import servo

# I2Cバスの初期化
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

# PCA9685の初期化
pca = PCA9685(i2c)
pca.frequency = 50  # サーボモーターのために50Hzに設定

# サーボモーターのチャンネルを設定
servo_motor = servo.Servo(pca.channels[0])

# サーボモーターの角度を制御
servo_motor.angle = 90  # 90度に設定

import board
import busio
from adafruit_pca9685 import PCA9685
from adafruit_motor import servo

i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

pca = PCA9685(i2c)
pca.frequency = 50  # サーボモーターのために50Hzに設定

servo_motor = servo.Servo(pca.channels[0])

servo_motor.angle = 90  # 90度に設定

0x40に40が表示されない場合

PCA9685がI2Cバスに正しく接続されていない可能性あり。
以下に、問題のトラブルシューティング手順を示します。※そもそもラズパイとPCA9685を繋いでなかった！

1. 配線の確認
   物理的な配線を確認する。
   I2Cバスは以下の4本のワイヤーで接続されるが、これが正しく行われているか確認する。
   • VCC(電源)：Raspberry Piの3.3Vピンに接続
   • GND(グランド)：Raspberry PiのGNDピンに接続
   • SDA(データ)：Raspberry PiのSDAピン（GPIO2、ピン番号3）に接続
   • SCL(クロック)：Raspberry PiのSCLピン（GPIO3、ピン番号5）に接続

配線が間違っていると、デバイスが認識されない。また、PCA9685が3.3Vで動作していることを確認する
(5V電源を使ってしまうと壊れる可能性がある)

2. I2Cが有効になっているか確認
   Ubuntu上でI2Cが有効になっていない場合、デバイスは認識されない。以下の手順で確認する。
   • i2c-devモジュールがロードされているか確認

lsmod | grep i2c

このコマンドでi2c_bcm2835やi2c_devがリストに含まれているか確認する。
含まれていない場合は手動でロードする必要がある。

3. I2Cの有効化：
   I2Cが有効になっているか確認し、必要に応じて/boot/firmware/config.txtで設定を確認します。

sudo vi /boot/firmware/config.txt

dtparam=i2c_arm=onが含まれていることを確認し、設定されていなければ追加する。

4. デバイスが壊れていないか確認
   他のデバイス（例えば温度センサーなど）でI2C通信ができるか試してみる。
   もし他のI2Cデバイスも認識されない場合は、Raspberry PiやUbuntu側のI2C設定に問題がある可能性がある。
   もし他のデバイスが正しく動作する場合は、PCA9685自体に問題があるかもしれない。
   
5. 別のI2Cアドレスを確認
   PCA9685には、アドレスが変更可能なジャンパピンが付いていることがある。
   このジャンパピンが誤って設定されていると、デフォルトの0x40ではなく他のアドレスに設定されている
   可能性がある。
   
   ジャンパの設定を確認し、必要に応じて調整する。
   
6. 再起動
   最後に、設定を変更した後、念のためシステムを再起動してから再度i2cdetectを試してみる。
   
7. I2Cバスの指定
   Raspberry Pi 4では、I2Cバスが複数あるため、i2cdetectで異なるバスを試してみる。
   デフォルトは1だが、他のバスも確認してみる。※試していない。。。

sudo i2cdetect -y 0
sudo i2cdetect -y 1
sudo i2cdetect -y 2

エラー

上記のPythonコードを実行すると下記エラーになる。

Traceback (most recent call last):
  File "/home/masanori/servomotor_test1.py", line 1, in <module>
    import board
  File "/usr/local/lib/python3.10/dist-packages/board.py", line 51, in <module>
    from adafruit_blinka.board.raspberrypi.raspi_4b import *
  File "/usr/local/lib/python3.10/dist-packages/adafruit_blinka/board/raspberrypi/raspi_4b.py", line 6, in <module>
    from adafruit_blinka.microcontroller.bcm2711 import pin
  File "/usr/local/lib/python3.10/dist-packages/adafruit_blinka/microcontroller/bcm2711/pin.py", line 5, in <module>
    from RPi import GPIO
ModuleNotFoundError: No module named 'RPi'

このエラーは、RPi.GPIOモジュールがインストールされていないために発生している。
このモジュールは、Raspberry PiのGPIOピンを制御するために必要なライブラリ。

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-rpi.gpio

sudo pip3 install RPi.GPIO

python3 /home/********/servomotor_test1.py

pip3 install adafruit-blinka

sudo pip3 install --upgrade adafruit-blinka

上記のPythonコードを実行するとまだ下記エラーになる。

Traceback (most recent call last):
  File "/home/masanori/servomotor_test1.py", line 4, in <module>
    from adafruit_motor import servo
ModuleNotFoundError: No module named 'adafruit_motor'

このエラーは、adafruit_motorライブラリがインストールされていないために発生している。
このライブラリは、サーボモーターなどのモーター制御を行うためのモジュール。

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-motor

python3 /home/********/servomotor_test1.py

サーボモーターを廻すことができた！！

(実際は「dialoutグループにuserを追加」にたどり着くまで結構かかった)