スピードマスタ・シリーズ
プロの技術を1日で！実習キット付きVOD

［VOD/Full KIT/data］ラズパイとPythonで一緒に！カルマン・フィルタ＆センサ・フュージョン入門

位置/故障/姿勢まで，センサで測れない物理量も正しく推定＆制御

  • 型名：z-modelctrl4-on1
  • 仕様：Raspberry Pi4，実習キット，講義350分，解説179頁，実習用ソースコード
  • 定価：37,400円（税込・送料無料）
  • 著者・講師：南 裕樹
  • 主催：ZEPエンジニアリング株式会社

  • 著作権に関する注意事項：1人1ライセンスです．本製品のすべての映像，画像，文書テキスト，ソースコードは著作権法によって厳格に守られています．無許可の転載，複製，転用は法律により罰せられます．




同梱キットの詳細

  1. Raspberry Pi 4 Model B 2GB
  2. USBケーブル＆ヒートシンク
  3. 実習環境書き込み済みマイクロSDカード
  4. MPU-6050搭載 6軸IMUモジュール（ジャイロ＋加速度センサ）
  5. ロータリ・エンコーダ・モジュール（Modulino Knob）
  6. メス-メス・ジャンパ

本製品の説明

制御工学は，モノの動きをデザインする科学です．対象となるシステムの動特性を把握し，それに基づいて制御器を設計することで，望ましい動作を実現します．なかでも，制御システムの設計や運用においては，システム内部の状態を的確に把握することが極めて重要です．

しかし実際には，すべての状態量をセンサで直接観測することは難しく，多くの場面で，限られた入出力データから内部状態を推定する技術が必要とされます．本セミナでは，こうした状態推定問題とその解法のひとつであるカルマン・フィルタの基礎を，Raspberry Piとセンサを用いた実習キットを併用しながら学びます．

まず，状態推定問題の基本的な考え方と，差分近似を用いた簡易的な推定手法について解説します．つぎに，同一次元オブザーバや外乱オブザーバ，定常カルマン・フィルタ（最適オブザーバ）の学習を通して，状態推定の勘所を学びます．

最後に，実応用上よく用いられる離散時間のカルマン・フィルタに焦点を当て，そのアルゴリズムと応用例，さらに，背後にある設計論について解説します．

キットに加え，5時間を超えるプロの技術者による丁寧な解説動画と，176頁の講義キスト，実習用ソースコードが同梱されています．同梱の説明書(下記)には，講義動画やテキストの視聴を可能にするパスワードが記載されています．

セミナ名 制御・設計対象 特徴 適用分野 推奨受講者
実習編 直流モータの角度制御 Raspberry Piでモータ制御を学び，制御工学の基礎から応用までを網羅．Pythonで実装・検証が可能 教育用途，組込み制御，メイカーズ向けロボット開発，IoTデバイス ハンズオンで制御基礎を習得したい初心者/中級者
モノづくりを伴う学習をしたい方．教育関係者
状態フィードバック制御編 状態空間モデルの線形システム 極配置法・最適レギュレータ・サーボ系設計を体系的に学び，Pythonで制御設計を体験 多関節ロボットアーム，航空機・ドローン，自動運転，医療機器，化学プラント，電力マネージメント・システム 状態方程式ベースの制御設計に関心がある制御初心者
実務で最適制御を扱う技術者
PID制御編 伝達関数モデルの線形システム PIDの基本からゲイン・チューニング法，2自由度制御までをPythonで学び，制御設計も体験 工場設備，搬送装置，自律移動車，流量制御，温度制御，プロセス制御 伝達関数ベースの制御設計に関心がある制御初心者
実務でPID制御を扱う技術者
ロバスト制御編 モデル不確かさを含む線形システム 不確かさのモデル化からH∞ノルム，スモール・ゲイン定理，ループ整形による制御設計までを学ぶ 使用環境や特性が変化するシステムの制御
屋外ロボット，複雑システム，宇宙機の制御 		モデル誤差や外乱に強いシステム設計をしたい実務者・応用研究者
状態推定編 観測不可能な内部状態を持つ動的システム オブザーバ，カルマン・フィルタなどの状態推定手法を体系的に学ぶ 自己位置推定，障害診断，状態監視システム，センサ・フュージョン センシング・推定技術に関心のある方
状態量を可視化して制御に活かしたい方

『Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計』シリーズで学べる内容と対象分野．本講義は上記表の「状態推定編」に該当する内容を実施する

同一次元オブザーバの構成と誤差ダイナミクス Pythonを用いたカルマン・フィルタ設計の一例と，そのシミュレーション結果

目次

    （1）はじめに，制御工学の基礎

    • セミナ概要
    • 制御とは
    • フィードバック制御
    • 制御系設計の流れと勘所

    （2）実習キットを用いた状態推定実験

    • オブザーバ，カルマン・フィルタの実機デモ
    • Pythonコードの書き方

    （3）制御工学クイック復習

    • 設計モデル（伝達関数・状態方程式）
    • 時間応答，周波数特性
    • 制御系設計
    • 正規分布，最小二乗推定

    （4）状態推定問題

    • 状態推定の必要性
    • 可観測性
    • オブザーバ，外乱オブザーバ

    （5）カルマン・フィルタ

    • H∞フィルタ，定常カルマン・フィルタ
    • 離散時間の線形カルマン・フィルタ

    （6）離散時間カルマン・フィルタの理解

    • ベイズ推定
    • 線形カルマン・フィルタの導出

ショート・セミナ

計測点以外の量「状態」を推量る//オブザーバとカルマン・フィルタ 逐次計算による平均値計算//状態推定の第1歩 「制御」の定義と応用//温度/回転から電力まで
角速度はシンプル制御//角度はフィードバック制御 フィードバック制御のメリット//目標値追従・外乱抑制・安定化 体系的アプローチで最適化//フィードバック制御の最適化
最適設計も安定余裕も可制御性も//モデリング＆シミュレーション設計 過去入力から出力が決まる//動的システムを制御する 微分方程式→伝達関数→状態方程式//動的システムのモデリング

学習のゴール

  1. 制御系設計（動きのデザイン）の基本的な方法を説明できる
  2. 状態を推定する方法を説明できる
  3. カルマン・フィルタのアルゴリズムを説明できる
  4. 簡単なPythonプログラムを作成できる

受講対象

  1. 制御のための状態推定について知りたい方
  2. カルマン・フィルタの基礎を学びたい方
  3. RaspberryPiで状態推定の実験をしてみたい方
  4. Pythonで時系列データ処理や状態推定を体験したい方

講師プロフィール

略歴

    2009年3月京都大学大学院情報学研究科博士後期課程修了．日本学術振興会特別研究員（DC2），舞鶴工業高等専門学校助教，京都大学特定助教，奈良先端科学技術大学院大学助教，大阪大学准教授などを経て，2025年4月より兵庫県立大学大学院工学研究科電気電子工学専攻教授．博士（情報学）．一般社団法人みんなの制御塾代表理事．

著書

  1. ［VOD/Pi4 KIT/Book］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【実習編】
  2. ［VOD/Book］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【PID制御編】
  3. ［VOD］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【フィードバック制御編】
  4. ［VOD］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【ロバスト制御編】
  5. Pythonによる制御工学入門改訂2版，オーム社 (2024)
  6. 制御系設計論，コロナ社 (2021)
  7. やさしくわかるシーケンス制御，オーム社(2020)
  8. Pythonによる制御工学入門，オーム社 (2019)
  9. 倒立振子で学ぶ 制御工学，森北出版 (2017)
  10. Arduino×Pythonで動かしながら学ぶモータ制御入門，トランジスタ技術2020年9月号

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講義動画

  • 0:00:10 配布資料と事前準備
  • 0:02:49 自己紹介
  • 0:04:19 参考文献
  • 0:09:23 はじめに、制御工学の基礎
  • 0:56:27 実習キットを用いた状態推定実験
  • 1:53:07 Q&A
  • 1:58:08 実習キットを用いた状態推定実験（続き）
  • 2:29:40 制御工学クイック復習
  • 3:38:58 状態推定問題
  • 4:39:39 カルマンフィルタ
  • 5:38:45 離散時間カルマンフィルタの理解
  • 5:44:42 まとめ

講義テキスト

その他（ソースコードなど）




パーツキットと講義動画でプロの技術を1日習得 スピードマスタ・シリーズ

電子回路・基板設計からプログラミングまで，エンジニアがマスタすべき技術は多岐にわたり，開発期間も短くなっています．多くの書物を読み漁ったり，玉石混交のネット情報に振り回されたりしている暇はありません．

本シリーズには，各分野の一線で活躍する技術者が厳選したパーツセット，設計の要点を効率よく解説するセミナ動画，講義テキスト，お手本ソースコードなどが同梱されています．百戦錬磨の技を一見することで，未経験の技術が驚くほど短時間で身につくだけでなく，信頼性の高いシステム開発に必要なプロの眼が養われます．