温度/回転から電力まで：「制御」の定義と応用

ラズパイとPythonで一緒に！状態制御&センサ・フュージョン入門

制御の定義

制御とは，注目する対象があり，注目する状態があり，その状態を目標の状態へ近づけるように操作を加える行為です．対象はロボット，家電，発電設備のような実体です．状態は姿勢，温度，回転数，周波数のように時間とともに変化する量です．目標は望ましい状態です．操作は電圧，電流，トルク，熱量のように対象へ与える入力です．この4つの要素を区別できると，分野が変わっても制御の見通しが良くなります．

制御は「思い通りに操る」という直感に近い技術です．一方で，現実の対象は遅れや外乱を持ちます．操作を加えても，状態がすぐには変わらない場合があります．操作と状態の関係を理解し，状態を観測し，目標との差を評価し，操作を更新する流れが必要です．この流れが自動化の中核です．

1. 対象：操作を加える相手です
2. 状態：注目して管理したい量です
3. 目標：到達させたい状態です
4. 操作：状態を変えるための入力です

回転と姿勢の制御は状態が見えにくい領域です

二輪ロボットのバランス制御では，対象はロボットです．注目する状態は姿勢です．目標は直立です．操作はタイヤを回すための電圧です．姿勢が傾くと，電圧を変えてタイヤの回転を変え，姿勢を戻します．この一連の流れが回転と姿勢の制御です．

姿勢は内部状態として扱われます．観測できる情報はセンサ出力です．角速度や加速度など複数の情報から姿勢を推定して使います．ここでセンサ・フュージョンが重要です．推定が不安定だと，操作が揺れ，姿勢も揺れます．制御は推定の品質に強く依存します．ラズパイとPythonでは，周期的にセンサを読み，推定と操作更新を繰り返す構成を作れます．

1. 姿勢はセンサ出力から推定して扱う量です
2. 推定が揺れると操作も揺れる構造です
3. 周期的な更新が安定性を左右する構造です

温度制御では，対象は空調機器です．状態は室温です．目標は設定温度です．操作は冷却や加熱の出力です．室温は外気や日射，人の出入りで変動します．外乱が入っても目標を保つために，操作を更新し続けます．温度の変化は遅いので，制御は応答の遅れも考慮して設計します．

電力の制御では，状態として周波数や電圧が重要です．電力系統は負荷の変動を常に受けます．周波数が基準から外れると，設備の保護動作や停電リスクにつながります．$50$Hzや$60$Hzの基準を守るために，発電出力や系統運用が調整されます．電力の制御は，回転機，変換器，負荷を含む大規模な対象を扱う点が特徴です．

1. 温度制御：外乱が入っても目標温度を保つ制御です
2. 電力制御：周波数や電圧の基準を保つ制御です
3. 共通点：状態と目標の差を使い操作を更新する構造です

自動運転とドローンで必要になる視点

自動運転やドローンでは，制御対象が複雑で状態の数も増えます．位置，速度，姿勢，推力など複数の状態を同時に扱います．観測はセンサに依存し，単一センサでは不十分です．複数センサの統合で状態を推定し，推定値をもとに操作を決めます．センサ・フュージョンと制御は一体の設計課題です．ラズパイとPythonは，この一連の流れを小さな実験系で確認する環境として扱えます．

〈ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

参考文献

1. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/Pi400 KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］確率・統計処理＆真値推定！自動運転時代のカルマン・フィルタ入門，ZEPエンジニアリング株式会社．