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ArduinoでSTEM教育​ 基礎編：センサのキャリブレーション

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センサはいろいろな種類がありますが、どんなものにも誤差が生じます。この誤差をできるだけ小さくするために、キャリブレーション(校正、調整)を行います。例えば、ライントレースカーの場合だと、床材が異なると反射率も異なるので、その環境下でデータを取って、制御閾値を調整する必要があります。このようなセンサデータを処理プログラムする方法を紹介します。

起動時にキャリブレーションする方法

起動時時に実行されるsetup関数内で、基準となるラインを計測して、それをもとに閾値やヒステリシスを設定します。

ヒステリシスについて、簡単に説明します。例えば、照度センサの閾値を500に設定して、500以下だとLEDを点灯、501以上だとLEDを消灯するプログラムを作るとします。照度センサから入力される値は、常に微小に上下しているため、500や501といった値が入ってきます。すると、LEDは点灯と消灯を高速に繰り返してしまいます。街灯はそのような事が起きませんよね？それは、LEDを点灯させる閾値を450、LEDを消灯させる閾値を550というように設定し、センサの値が451～549のときはLED制御をしないように不感帯を設けます。このように、状態によって異なる閾値を持つことをヒステリシスと言います。

１．平均値から決める

1秒間の平均値を計算し、その平均値を閾値とします。ヒステリシスは、０と閾値の距離の10%、または１０２３と閾値の距離の１０％とします。 

//www.stemship.com
//2019.12.14

// ピンの定義
#define SENSOR_PIN 0 //照度センサ接続ピン
#define LED_PIN 6    //LED接続ピン

// 状態を示す定数
const int INIT = 0;
const int LEDOFF = 1;
const int LEDON = 2;

// 状態
int curState = INIT;  //現在の状態
int nextState = INIT; //次の状態

// 閾値
int threshold = 0;

// ヒステリシス
int hys = 0;

void setup() {
  //ピンの設定
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  //シリアル通信設定
  Serial.begin(9600);

  //キャリブレーション実施
  runCalibration(1000); //1000ms
}

void loop() {
  int sensorVal = analogRead(SENSOR_PIN);

  //状態を遷移させる
  if (sensorVal > (threshold + hys)) {
    nextState = LEDOFF;
  }
  else if (sensorVal < (threshold - hys)) {
    nextState = LEDON;
  }

  //状態が変わったときに、LEDのON/OFFを切り替える
  if ((curState != LEDON) && (nextState ==LEDON)) {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.print("Switch OFF->ON, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }
  else if ((curState != LEDOFF) && (nextState == LEDOFF)) {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    Serial.print("Switch ON->OFF, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }

  //状態を更新する
  curState = nextState;

  //次のループまで100ms待つ
  delay(100);
}

//キャリブレーションを実行する
void runCalibration(int time) {
  int count = 0;
  int sensorVal = 0;
  long sumVal = 0;
  float average = 0;

  // 起動時してから<time>ms間のセンサ値を合計する
  while (millis() < time) {
    sensorVal = analogRead(SENSOR_PIN);
    sumVal += sensorVal;
    count++;
    delay(1);
  }

  //平均値を計算
  average = sumVal / count;

  //平均値から閾値とヒステリシスを決める
  threshold = int(0.9 * average);
  if (threshold > 511) {
    hys = (1023 - threshold) / 10;
  }
  else {
    hys = threshold / 10;
  }

  //計算結果を表示
  Serial.print("count = ");
  Serial.println(count);
  Serial.print("sumVal = ");
  Serial.println(sumVal);
  Serial.print("average = ");
  Serial.println(average);
  Serial.print("threshold = ");
  Serial.println(threshold);
  Serial.print("hys = ");
  Serial.println(hys);
}

２．最小最大値から決める

5秒間の最小値と最大値を測定し、それを動作範囲の幅と考えます。例えば、ライントレースカーであれば、ユーザーが起動時に床とラインをセンスさせてあげます。閾値は、最小・最大の中央値とします。ヒステリシスは、閾値から最小または最大値までの距離の10%とします。

このキャリブレーションの場合は少し注意が必要です。ユーザーが起動時のキャリブレーション期間中に、動作範囲を設定してあげないと、正常な閾値設定ができず、動作がおかしくなってしまいます。その場合は、予め設定した値でどうさせたり、動作範囲が狭すぎる場合はキャリブレーションが失敗していることをユーザに音や光で知らせるようにすれば分かりやすいと思います。 

//www.stemship.com
//2019.12.14

// ピンの定義
#define SENSOR_PIN 0 //照度センサ接続ピン
#define LED_PIN 6    //LED接続ピン

// 状態を示す定数
const int INIT = 0;
const int LEDOFF = 1;
const int LEDON = 2;

// 状態
int curState = INIT;  //現在の状態
int nextState = INIT; //次の状態

// 閾値
int threshold = 0;

// ヒステリシス
int hys = 0;

void setup() {
  //ピンの設定
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  //シリアル通信設定
  Serial.begin(9600);

  //キャリブレーション実施
  runCalibration(5000); //5000ms
}

void loop() {
  int sensorVal = analogRead(SENSOR_PIN);

  //状態を遷移させる
  if (sensorVal > (threshold + hys)) {
    nextState = LEDOFF;
  }
  else if (sensorVal < (threshold - hys)) {
    nextState = LEDON;
  }

  //状態が変わったときに、LEDのON/OFFを切り替える
  if ((curState != LEDON) && (nextState ==LEDON)) {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.print("Switch OFF->ON, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }
  else if ((curState != LEDOFF) && (nextState == LEDOFF)) {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    Serial.print("Switch ON->OFF, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }

  //状態を更新する
  curState = nextState;

  //次のループまで100ms待つ
  delay(100);
}

//キャリブレーションを実行する
void runCalibration(int time) {
  int minimum = 1023;
  int maximum = 0;
  int sensorVal = 0;

  // 起動時してから<time>ms間のmin/maxを取得する
  while (millis() < time) {
    sensorVal = analogRead(SENSOR_PIN);
    minimum = min(minimum, sensorVal);
    maximum = max(maximum, sensorVal);
    Serial.println(sensorVal);
    delay(1);
  }

  //最小値と最大値から閾値ヒステリシスを決める
  threshold = minimum + (maximum - minimum) / 2;
  hys = (maximum - threshold) / 10;

  //計算結果を表示
  Serial.print("minimum = ");
  Serial.println(minimum);
  Serial.print("maximum = ");
  Serial.println(maximum);
  Serial.print("threshold = ");
  Serial.println(threshold);
  Serial.print("hys = ");
  Serial.println(hys);
}

一定時間ごとにキャリブレーションする方法

動作環境が一定であれば、起動時のキャリブレーションだけで問題有りませんが、動作環境が刻々と変化するような場合だと、問題が出てきます。例えば、屋外だと気温や照度は一定では有りませんよね？このような場合は、一定時間ごとにキャリブレーションを実行して、閾値やヒステリシスを更新する必要があります。

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//2019.12.14

// ピンの定義
#define SENSOR_PIN 0 //照度センサ接続ピン
#define LED_PIN 6    //LED接続ピン

// 状態を示す定数
const int INIT = 0;
const int LEDOFF = 1;
const int LEDON = 2;

// 状態
int curState = INIT;  //現在の状態
int nextState = INIT; //次の状態

// 閾値
int threshold = 0;

// ヒステリシス
int hys = 0;

// キャリブレーションのインターバル時間[ms]
const unsigned long CAL_INTERVAL = 5000;

//平均値計算用のカウンタ
int count = 0;

//平均値計算用の合計値
long sumVal = 0;

//前回キャリブレーションを実施した時間
unsigned long lastCalTime = 0;

void setup() {
  //ピンの設定
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  //シリアル通信設定
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  //センサの値を取得
  int sensorVal = analogRead(SENSOR_PIN);

  //現在の時刻を取得
  unsigned long nowTime = millis();

  //センサ取得値を積算してカウンタを更新する。
  sumVal += sensorVal;
  count++;

  //状態を遷移させる
  if (sensorVal > (threshold + hys)) {
    nextState = LEDOFF;
  }
  else if (sensorVal < (threshold - hys)) {
    nextState = LEDON;
  }

  //状態が変わったときに、LEDのON/OFFを切り替える
  if ((curState != LEDON) && (nextState ==LEDON)) {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.print("Switch OFF->ON, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }
  else if ((curState != LEDOFF) && (nextState == LEDOFF)) {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    Serial.print("Switch ON->OFF, ");
    Serial.print("sensorVal = ");
    Serial.println(sensorVal);
  }

  //一定時間が経過したらキャリブレーションを実行する
  if ((nowTime - lastCalTime) > CAL_INTERVAL) {
    runCalibration();
    sumVal = 0;
    count = 0;
    lastCalTime = nowTime;
  }

  //状態を更新する
  curState = nextState;

  //次のループまで100ms待つ
  delay(100);
}

//キャリブレーションを実行する
void runCalibration() {
  //countが0の場合はエラーとなるため、その場合はキャリブレーションをしない。
  if (count < 1) {
    return;
  }

  //平均値を計算
  float average = sumVal / count;

  //平均値から閾値とヒステリシスを決める
  threshold = int(0.9 * average);
  if (threshold > 511) {
    hys = (1023 - threshold) / 10;
  }
  else {
    hys = threshold / 10;
  }

  //計算結果を表示
  Serial.print("count = ");
  Serial.println(count);
  Serial.print("sumVal = ");
  Serial.println(sumVal);
  Serial.print("average = ");
  Serial.println(average);
  Serial.print("threshold = ");
  Serial.println(threshold);
  Serial.print("hys = ");
  Serial.println(hys);
}

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