104_bFaaaP:ピアノペダル制御システムの必要要件

104_bFaaaP:ピアノペダル制御システムの必要要件

ピアノペダルを制御する場合、bFaaaPは大きく、ふたつのパートに分けられます。ひとつは、メガメフレームなどを用い、頭に装着する「モーションセンサ」。そして、ピアノペダルの前に設置する、「アクチエータ」です。ピアノペダル制御システムの必要要件です。
bFaaaPとは、足に障害を持つチャレンジドや、小さな子どもたちが、ピアノなどのペダル操作をできる様にする、補助ペダルシステムです。「barrier-Free assist as a Pedal」から、名付けました。現在、PCT国際特許(英文)出願中です。

 ピアノペダル制御システムの必要要件

  頭や上半身の身体的動作を検出して、ペダルを操作できること
  ピアノ演奏だけでなく、歌唱にも支障を与えないこと
  入手しやすい部品で、容易に製作できること
 [* モーションセンサの説明]
  [* 「角度センサ部」]
   物理的傾斜変化を検出し、アナログ電圧もしくはデジタル値として、データ処理部に送る。
  [* 「データ処理部」]
   角度センサ部より得られたデータに、フィルター処理を行い、ノイズ・ドリフトの軽減する。
   その後、アクチエータの駆動部制御に適した処理を行った後、通信部に送る。
   [* 「オフセット値」]を加算し、得られた値の正の値に、[* 「倍率」]を掛け、上限値設けて次の処理に渡す。
  [* 「通信部・送信」]
   アクチエータの駆動部に制御データを送るため、有線、無線等を使って送信する(各送信方式に合った規格、プロトコル(手順)処理を行う)
 [* アクチエータの説明]
  [* 「通信部・受信」]
   有線、無線等を使って受信する部分で、各方式に合った規格、プロトコル(手順)処理を行う。
  [* 「駆動処理部」]
   「[* オフセット値(駆動部の動作開始点)」]と、[* 「動作幅」]を設定する。
   受信部より得られた、データの0から上限値を動作幅に写像する処理を行い、駆動部に制御値データを渡す。
  [* 「駆動部」]
   モーションセンサの駆動処理部から与えられた、データ値に従って、駆動する。
 [* 「角度センサー部」→ MPU9250]
  角度センサー部の必要要件
   必要精度を持つこと
   身体の動作に負担を掛けないこと
   耐久性が有る事
   歌えること
   小型であること
   入手が容易であること
   安価であること
  上記必要要件より、ボリュームにより身体の変位を検出する方法が考えられるが、身体への接触が避けられず、違和感を感じてしまい、耐久性も劣る。
  そこで、非接触で角度検出を行うセンサとして、6軸センサ(加速度、角速度)及び、9軸センサ(加速度、角速度、地磁気)を用いて、角度検出を行った。
  その結果、9軸センサがノイズ・ドリフトが少なく、比較的安価に入手可能な角度センサーとして、MPU9250(TDK)を採用することにした。
  MPU9250(TDK)をモジュール化したボードを、筐体に納めることにした。
 [* 「データ処理部」「通信部・送信」→ ESP32]
  データ処理部、通信部・送信の必要要件
   角度センサーからのデータを、遅滞なく処理出来ること
   小型であること
   消費電力が少ないこと
   通信部を包含していること
   「アナログ – デジタル変換回路」を、2つ以上有すること
   汎用デジタルポートを必要数有すること
   I2C(Inter-Integrated Circuit)通信ポートを有すること(角度センサ部との通信)
   ディバッグが容易に出来ること
   電池駆動が出来ること
  上記必要要件より、比較的プログラム開発が容易なマイクロコントローラ、ESP32(Espressif Systems)を採用した。
  ESP32(Espressif Systems)をモジュール化したESP32-DevKitCボードを、筐体に納めることにした。
  通信は、有線(シリアル通信)、無線(Bluetooth BLE)などを使用する。
 [* 「通信部・受信」「駆動処理部」]
  通信部・受信、駆動処理部の必要要件
   消費電力が少ないこと
   通信部を包含していること
   「アナログ – デジタル変換回路」を、2つ以上有すること
   汎用デジタルポートを必要数有すること
   ディバッグが容易に出来ること
   電池駆動が出来ること
  上記必要要件より、開発環境を揃えるため、角度処理部と同じ、ESP32(Espressif Systems)を採用した。
  通信は、有線(シリアル通信)、無線(Bluetooth BLE)などを使用する。