Raspberry Pi で Python 演習

2024年2月11日 19:29

Raspberry Pi 4 でJupyterLabを実行し，PCからJupyterLabを利用するための設定をまとめておきます。ここでのゴールは，PCからJupyterLabでPythonコードを開発して，RaspberryPiのGPIOに接続した外部機器（LEDやDCモータ）を制御することです。

Raspberry Pi 4 や Raspberry Pi Zero では，USB Gadget Driver （OTGドライバ）を利用することで，Raspberry PiをUSBの子機として動作させることができます。Raspberry Pi 4の場合，USB給電が可能ですので，USBケーブル1本ですみますし，インターネットにもブリッジ接続でつなげることができます。PCからRaspberryPiへのアクセスは，ターミナルからSSHで接続するか，VNCリモートデスクトップで接続できます。

Raspberry Pi のOSの準備

公式サイトからRaspberry Pi Imager をダウンロードしてインストールします。
Imagerを起動して，SDカードにOSをインストールします。Raspberry Pi 4 では64bitのOSをインストールできますが，この後の設定だけではうまく環境構築ができないようなので，Legacy, 32bit 版をインストールしましょう。

インストール時に，ホスト名やユーザ名の変更，WiFi設定など事前に行うことができます。

イメージの書き込みが終了したら，PCにSDカードをマウントします。この場合，/Volumes/bootfs がSDカードのディレクトリです。
そして，sshという空ファイルを作成します。

$ touch /Volumes/bootfs/ssh

config.txtを編集します。ファイルの最後にdtoverlay=dwc2を追加します。

$ vi /Volumes/bootfs/config.txt

cmdline.txtを編集します。rootwait のあとに，半角スペースを入れてから，modules-load=dwc2,g_ether を追加します。

$ vi /Volumes/bootfs/cmdline.txt

Raspberry Pi の起動

SDカードをRaspberry Pi に装着します。
データ通信ができるUSBケーブルを用いて，PCとRaspberryPiを接続します。
PCでUSB接続のインターネット共有を有効にします。
→ MacOSでは，インターネット共有でRNDIS/Ethernet Gadget を選択
PCのターミナルから，SSH接続します。初期PWは raspberry です。

$ ssh pi@raspberrypi.local

システムをアップデートします。インターネット接続ができていない場合は，上記のインターネット共有の設定を確認してください。

 $ sudo apt update
 $ sudo apt upgrade -y

Pythonライブラリをインストールします。制御系設計用のライブラリやJupyterLabをインストールします。PythonやNumpy，Matplotlib，GPIO用のライブラリなどの基本的なものは標準でインストールされています。ただし，Numpyはアンインストールして入れ直します。

$ sudo apt-get install libatlas-base-dev
$ sudo apt-get install libopenblas-dev
$ sudo apt remove python3-numpy

$ sudo pip3 install control
$ sudo pip3 install slycot
$ sudo pip3 install sympy
$ sudo pip3 install jupyterlab

JupyterLabの設定をします。以下のコマンドを実行します。

$ jupyter lab --generate-config
$ vi ~/.jupyter/jupyter_lab_config.py

そして，該当箇所を以下のように変更します．起動時にブラウザが起動しないようにする設定やパスワードの設定をします．パスワードは control です．

c.ExtensionApp.open_browser = False
c.ServerApp.ip = '*'
c.ServerApp.password = 'sha1:f11c457757ec:03959a3edadc01be08a48bfcd34d2b0ee18a5963'

control -->
sha1:f11c457757ec:03959a3edadc01be08a48bfcd34d2b0ee18a5963

JupyterLabの起動

PCからRaspberryPiにSSH接続し，つぎのコマンドを実行してJupyterLabを起動します。

$ jupyter lab

バックグラウンドで起動する場合は，以下のようにします。

nohup jupyter lab &

RaspberryPi 上のJupyterLabにアクセスする

PCのブラウザからRaspberryPi 上のJupyterLabにアクセスします。
http://raspberrypi.local:8888/lab
接続先は，ターミナルに表示されています。ただし，localhost の部分を raspberrypi.local に変更してください。nohup の場合は，nohup.outの中をみます。

パスワードを聞かれたら，control を入力します。
動作が遅い時もありますが，お茶でも飲みながらのんびり待ちましょう。
ノートブックを作成し，サンプルコードを実行してみましょう。

ひとまず，制御工学の勉強ができる環境が整いました．Pythonで制御工学を学ぶには，拙書「Pythonによる制御工学入門」がおすすめです．

このあと，DCモータとエンコーダをRaspberryPiのGPIOピンに接続して，PythonでDCモータを制御することに挑戦します．

pigpioライブラリを利用する

$ sudo systemctl enable pigpiod
$ sudo systemctl start pigpiod