マイクロマウスのための MATLAB/Simulink 講座 第1回 - MATLAB入門
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2019/1/19に開催したマイクロマウスのためのMATLAB/Simulink講座の第1回資料です．MATLABの基本操作と，ログデータ可視化のためのプロットを主に扱っています．
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- 2. この講習会について MATLAB/Simulink を使用して 経験と勘 → データと解析 への移行を目指します． シミュレーションやデータの可視化を使いながら，楽しく 学びましょう．
- 3. 講習会の構成 全5回を予定 1) MATLAB入門 (1/19) 2) Simulink入門 (3/16) 3) 信号処理・システム同定(仮) (5月) 4) ログデータ可視化・解析(仮) (7月) 5) Simulinkからのコード生成(仮) (9月)
- 4. アジェンダ 今回の内容は以下の3つです． 1. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB/Simulinkがどのようにマイクロ マウスの製作に役立つか説明します． 2. コマンドウィンドウで使う まずは電卓としてMATLABを使って みましょう． 3. スクリプト・関数を作る 本格的なプログラミングを行うための 基礎を学びます．
- 9. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB 科学・技術計算に特化したプログラミング 言語・開発環境. 特徴 ❖ 行列・ベクトル計算を標準装備 ❖ 習得しやすい言語仕様 ❖ 豊富な標準関数・ツールボックスで 本質的でない実装の手間を省ける Simulink ブロック線図をベースにしたシミュレー ションソフト. 特徴 ❖ ブロックをつないでプログラミング ❖ シミュレーションと実装を一括で開発 ❖ C/C++のソースコードをブロック線図 から生成できる(コード生成)
- 11. マイクロマウスへの MATLABの使用例 ② 軌道生成 CやC++では面倒な配列の取り 回し(変形・反転など)が楽々 >> B = reshape(A, 3, 4); >> B = fliplr(A); 約30行
- 12. マイクロマウスへの MATLABの使用例 ③ 迷路データの取り込み 画像処理などのツールボックス が充実, 応用が簡単 >> IM = imread('1.jpg'); 約60行 https://gist.github.com/tokoro10g/57d88b5aafd 8ab0e62bf56cf74e99373
- 13. マイクロマウスへの MATLABの使用例 ④ マウスタイマー(GUI) GUIの作成も, App Designerを 使えば簡単! シリアル通信でデバイスとの連 携も可能! >> appdesigner >> s = serial('COM3') @Ryokeri14
- 15. マイクロマウスへの Simulinkの使用例 ② 壁制御のシミュレーション どのような制 御 則を実 装すれば よいのか事前にシミュレーション できる!
- 16. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB 科学・技術計算に特化したプログラミング 言語・開発環境. 特徴 ❖ 行列・ベクトル計算を標準装備 ❖ 習得しやすい言語仕様 ❖ 豊富な標準関数・ツールボックスで 本質的でない実装の手間を省ける Simulink ブロック線図をベースにしたシミュレー ションソフト. 特徴 ❖ ブロックをつないでプログラミング ❖ シミュレーションと実装を一括で開発 ❖ C/C++のソースコードをブロック線図 から生成できる(コード生成) ↑ 今日はこっち
- 17. アジェンダ 今回の内容は以下の3つです． 1. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB/Simulinkがどのようにマイクロ マウスの製作に役立つか説明します． 2. コマンドウィンドウで使う まずは電卓としてMATLABを使って みましょう． 3. スクリプト・関数を作る 本格的なプログラミングを行うための 基礎を学びます．
- 19. MATLABを起動 ※ 初回起動時はアクティベーションを求められ ることがあります. ※ Windowsの場合, 初回のみ管理者権限が必要 なこともあります. ※ ブラウザで動くオンライン版もあります… https://matlab.mathworks.com/
- 20. エクスプローラ コマンドウィンドウ ワークスペース ファイルを操作 できる. OS付属の エクスプローラ とほぼ同じ. 対話的にMATLABコマンドを入力して実行できる. 動作チェックや, 簡易ヘルプの確認は, ここで行う と便利. 作成した変数のリ ストが表示され る.
- 22. MATLABで使用する演算子 基本はほとんどC言語と同様. ● 四則演算・累乗 + - * / ^ ● 代入 = ● 比較・論理演算 < > == ~= <= >= && || ~ Tip MATLABの変数はデフォ ルトではdouble型にな る. 別の型で定義したいとき には以下のようにする. >> a = uint8(3)
- 23. MATLABで使用する数学関数 基本はほとんどC言語と同様. ● 三角関数 sin cos sind cosd atan2 pi ... ● 指数・対数 exp log log10 log2 ● 複素数 (MATLABでは標準装備!!) real imag abs angle i j Tip 関数の使い方は helpコマ ンド や docコマンド で 確認できる. 例) >> help sind >> doc cosd
- 25. ベクトル・行列の書き方 ● 行ベクトル r = [1 2 3] または r = [1, 2, 3] ● 列ベクトル c = [1; 2; 3] ● 行列 M = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9] Tip スペース or カンマで 列方向(横方向)への入力, セミコロンで改行を意味 する.
- 26. 特別なベクトル・行列 ● 範囲ベクトル 1:10 または 1:2:10 または linspace関数 ● 単位行列 eye(3) ● ゼロ行列 zeros(3) または zeros(4,2) ● 1で埋めた行列 ones(3) または ones(4,2) ● 乱数行列 rand(3) または rand(4,2) Tip カッコ内は行列の大きさ 魔法陣行列やハンケル行 列といった特殊な行列も 用意されている. https://jp.mathworks. com/help/matlab/cons tants-and-test-matric es.html
- 27. (例) 行列とベクトルの乗算
- 28. ベクトル・行列特有の演算子 ● 要素ごとの乗算・除算・累乗 .* ./ .^ ● 転置・共役転置 .' ' ● 逆行列とベクトルの積 ( , ) Ab c/A ● 要素ごとの論理演算 & | Tip 逆行列自体を計算したい ときは, inv関数を使う. 例) >> B = inv(A);
- 30. 行列の要素へのアクセス 取り出しも代入もできます C言語の配列でいう a[0] は, MATLABでは a(1) です ● 行列の場合は, A(1,2) とすることで を指せる ● 範囲を取り出したいときは範囲ベクトルを使う A(1:3, :) Aの1～3行目，全列(:)を取り出し 行番号 列番号 Tip 範囲ベクトルでなくても OK. 指定した順番どおり に取り出し/代入できる. 例) >> A([1 3], [1 4])
- 31. 行列の結合・加工 Tip ブロック行列の感覚で, 行列やベクトルを結合 できる Tip clearコマンドで定義した 変数を全てクリアできる 行列の加工に使う関数の例 ● repmat 行列を繰り返したものを作る ● fliplr, flipud 左右・上下反転 ● sort 要素のソート
- 32. Tips [Coffee Break] 英語を読める方は, UI とMathWorksのウェ ブサイトを英語設定に した方がわかりやすい かも. 要素ごとの演算をうま く利用することで高速 なコードを書ける. http://blog.tokor.org/2017/12/17/rogy-Adv ent-Calendar-2017-%E3%80%8C%E3%81%8 6%E3%82%8F%E3%81%A3%E2%80%A6%E3 %82%8F%E3%81%9F%E3%81%97%E3%81% AEMATLAB%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83 %89%E3%80%81%E9%81%85%E3%81%99% E3%81%8E%E2%80%A6%EF%BC%9F%E3%80 %8D/ コーディング用フォン トをインストールする と読みやすくなる. おすすめ: - Ricty Discord - Cica
- 34. データのプロット 例) >> x = 0:0.01:pi*2; >> y = sin(x); >> plot(x, y); Tip 基本はplotコマンド! 使い方が複雑なのでヘル プを読もう "matlab plot"で ググると出てくる Tip ドキュメンテーションは ググるかdocコマンドで 表示する
- 37. ドキュメンテーションの読み方 詳細な情報(書式・型・サイズ など)が確認できる！ 例) >> x = 0:0.01:pi*2; >> y = sin(x); >> plot(x, y, 'r--');
- 38. プロットの見た目の編集 コマンドを使用する場合 ● グリッド grid on grid off ● 軸の範囲・ラベル・目盛り xlim xlabel xticks ylim ... ● 凡例 legend ● その他のプロパティの設定 set get Tip 関連する関数のリストは このページからカテゴリ を選択すると見られる https://mathworks.co m/help/matlab/format ting-and-annotation.h tml
- 42. アジェンダ 今回の内容は以下の3つです． 1. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB/Simulinkがどのようにマイクロ マウスの製作に役立つか説明します． 2. コマンドウィンドウで使う まずは電卓としてMATLABを使って みましょう． 3. スクリプト・関数を作る 本格的なプログラミングを行うための 基礎を学びます．
- 44. スクリプトでよく使用するコマンド 初期化系のコマンドをファイル冒頭に書くことを推奨 ● ワークスペース変数を消去する clear ● プロットをすべて閉じる close all ● コマンドウィンドウをクリアする clc Tip MATLABでは，スクリプ トの実行ごとに変数は初 期化されない． 基本的にはclearコマンド で変数を消去してから処 理を開始することを推奨 する．
- 46. if文 Tip any, all 関数を使うと， ベクトルの要素の any: 少なくとも1つ all: すべて が条件を満たしているか を判定できる． if 条件式 ... elseif 条件式 ... else ... end MATLABでは括弧の代わりにendを使う
- 47. for文 Tip 範囲ベクトル以外にも， 任意のベクトルを指定で きる． PHPやJavaScriptにある foreachに近い感じ． for カウンタ変数 = ベクトル ... end C言語等と流儀が大きく異なる n = 0; for k = 1:5 n = n + k^2; end 例)
- 48. その他の制御構文 あとは大体C言語等と同じ ● while ● switch ~ case ● try ~ catch ● break, continue, return
- 49. 実践してみる ログの可視化を例にスクリプトを 作成してみよう 今回の目標 ● x, y座標の時系列をそれぞれプロット ● xyプロット ● 目標値と推定値のxyプロットの比較
- 51. Step 1. データの読み込み x, y, θ 目標値 x, y, θ 推定値 時間
- 53. Step 2. 必要な部分の取り出し・加工 プロットを2枚出したい場合 figure(1) Figure 1を表示(なければ作成)
- 54. Step 3. xyプロットの作成 (11行目) x_ref, y_ref を使ってxyプロッ ト (12行目) 数値の縦横比を均等にする
- 55. Step 4. プロットを追加する (13行目) 現在のグラフを保持 (これを実行しないと上書きされてしまう) (14行目) x_est, y_estについてもxyプロッ トを作成 赤い線で新しいプロットが追加 される
- 60. アジェンダ 今回の内容は以下の3つです． 1. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB/Simulinkがどのようにマイクロ マウスの製作に役立つか説明します． 2. コマンドウィンドウで使う まずは電卓としてMATLABを使って みましょう． 3. スクリプト・関数を作る 本格的なプログラミングを行うための 基礎を学びます．
- 65. MATLAB/Simulinkとは? MATLAB 科学・技術計算に特化したプログラミング 言語・開発環境. 特徴 ❖ 行列・ベクトル計算を標準装備 ❖ 習得しやすい言語仕様 ❖ 豊富な標準関数・ツールボックスで 本質的でない実装の手間を省ける Simulink ブロック線図をベースにしたシミュレー ションソフト. 特徴 ❖ ブロックをつないでプログラミング ❖ シミュレーションと実装を一括で開発 ❖ C/C++のソースコードをブロック線図 から生成できる(コード生成)