0. はじめに

　自動制御連合講演会 2025 で，Takuya Otani (https://x.com/ta98otani) さんとお話する機会があり，Simulink と M5Stack の連携に関するわたしの困りごとを相談しました．具体的には，以下の 2 点です．

• M5Stack の LCD にデータを表示させたい．
  （Simulink で実装すると，LCD は漆黒の色のままなので…）
• リモートで車輪型倒立振子を動かしたい
  （みんなリモートで動かして楽しそう…）

　わたしの方からは Simulink, M5Stack FIRE + Unit Roller485 で動かす方法をお伝えし，逆に Takuya Otani さんにはわたしの困りごとの開発をお願いすることで，個人的にコラボすることとなりました（知らない知識を得られる…ワクワク）．

　今回は「リモート指令で車輪型倒立振子を動かしたい」の前段階のお話で，

　　MATLAB からのリモート指令で BLDC モータ Unit Roller485 を動かす！

ことを目標とします．そのために，BLE (Bluetooth Low Energy) と呼ばれる「低消費電力」に特化した Bluetooth のプロトコルを利用します．

　LCD の表示については，後日，Takuya Otani (https://x.com/ta98otani) さんが公開されるのではないかと思います．

1. 使用するソフトウェアと機器

1.1　配布するファイル

　ここからダウンロードできます．配布する MATLAB/Simulink のファイルは

• send_1byte.m
• send_2bytes.m
• receive_1byte_R2024b.slx
• receive_2bytes_R2024b.slx
• BLE_angle_control_1byte_R2024b.slx
• BLE_angle_control_2bytes_R2024b.slx

です．また，Application download の Baud rate を 115200 に変更した

• receive_1byte_R2024b_baudrate115200.slx
• receive_2bytes_R2024b_baudrate115200.slx
• BLE_angle_control_1byte_R2024b_baudrate115200.slx
• BLE_angle_control_2bytes_R2024b_baudrate115200.slx

も置いておきました．

1.2　ソフトウェア

　ソフトウェアは MATLAB R2024b です．使用した Toolbox は

• MATLAB
• Simulink
• Control System Toolbox

です．これに加えてフリーの

• Simulink Support Package for Arduino Hardware

のインストールが必要です．その際，ESP32 の設定追加も忘れずに！
インストール手順はココで説明しています．

1.3　機器

　まずは，Bluetooth が搭載された M5Stack CORE シリーズ のマイコン．わたしは手持ちの

• M5Stack Basic V2.7
• MtStack FIRE V2.7

で動作確認をしました．Arduino だと別途，Bluetooth を用意しなければならないので，M5Stack は便利です！

　また，Unit Roller485 を動かしたい場合は，

• Unit Roller485 LITE
• Unit Roller485 …… スリップリングが内蔵されたタイプです

をご用意ください（どちらでも可）．

1.4　準備

　M5Stack と PC を USB ケーブルで接続し，デバイスマネージャで M5Stack の COM 番号を調べておきます．

2. MATLAB からリモート指令を M5Stack に送ってみる

2.1　1 バイトデータの場合

2.1.1　Simulink モデルおよび M ファイル

　Simulink モデル

および M ファイル

clear

m5 = ble("Arduino");

% UUID の設定
Service        = "fce70352-c544-48f4-9760-7568263b7922";
Characteristic = "b570118e-df2f-4545-9cf9-eff837991f54";

data_c = characteristic(m5, Service, Characteristic);

while 1
    ref = input("ref = ");   % -128 ～ 127 の値を入力
    
    % int8 を uint8 に変換（ビットパターン保持）
    valuesToSend = typecast(int8(ref), 'uint8');
    
    write(data_c, valuesToSend);
end

を作業フォルダに保存しておきます．

　ざっくりとした注意点は以下の通り．

>> blelist
bluetoothlist を実行して、近くの Bluetooth Classic デバイスを検出してください。
ans =
  4×5 table
    Index       Name          Address        RSSI    Advertisement
    _____    __________    ______________    ____    _____________
      1      ""            "765F38F68068"    -30      1×1 struct  
      2      "Arduino"     "3C8A1FD670AA"    -42      1×1 struct  
      3      ""            "55EFE94FD626"    -66      1×1 struct  
      4      "Quest 3S"    "47FA002D24EE"    -72      1×1 struct 

m5 = ble("Arduino");

m5 = ble("3C8A1FD670AA");

    ref = input("ref = ");   % -128 ～ 127 の値を入力
    
    % int8 → uint8 に変換（ビットパターン保持）
    valuesToSend = typecast(int8(ref), 'uint8');
    
    write(data_c, valuesToSend);

>> char(java.util.UUID.randomUUID())
ans =
    'fce70352-c544-48f4-9760-7568263b7922'
>> char(java.util.UUID.randomUUID())
ans =
    'b570118e-df2f-4545-9cf9-eff837991f54'

2.1.2　実行してみる

　以下の手順で実行してください．

　実行した様子の動画を以下に示します．

スクリーンショットを以下に示します．

　M ファイル send_1byte.m では $-128 \sim 127\ (-2^7 \sim 2^7 - 1)$ の int8（符号あり 8 ビット整数）のデータを，$0 \sim 255\ (0 \sim 2^8 - 1)$ の uint8（符号なし 8 ビット整数）に変換してから送信し，M5Stack (Simulink) で受信ていることに注意してください．そのため，

• $127$ より大きな値を指定すると，$127$ で頭打ちとなる（動画の例では $\tt ref=180$ と指定すると，$\tt Display (ref)$ には $\tt 127$ が表示される）
• $-128$ より小さな値を指定すると，$-128$ で頭打ちとなる（動画の例では $\tt ref=-180$ と指定すると，$\tt Display (ref)$ には $\tt -128$ が表示される）

という問題があります．つまり，

>> int8(180)
ans =
  int8
   127
>> int8(-180)
ans =
  int8
   -128

ということですね．

2.2　2 バイトデータの場合

　上記のように，1 バイトの送受信データは，$-128 \sim 127\ (-2^7 \sim 2^7 - 1)$ の範囲に制限されます．今回，Roller485 の角度制御をリモート指令で行いたいわけですから，このままでは，目標角を $360^{\circ}$ とか $-360^{\circ}$ に設定できません．この問題を解決するには，送受信データを 2 バイトとすることが考えられます．そうすることで，$-32768 \sim 32767\ (-2^{15} \sim 2^{15} - 1)$ の範囲を扱うことができるようになります．

2.2.1　Simulink モデルおよび M ファイル

　Simulink モデル

および M ファイル

clear

m5 = ble("Arduino");

% UUID の設定
Service        = "fce70352-c544-48f4-9760-7568263b7922";
Characteristic = "b570118e-df2f-4545-9cf9-eff837991f54";

data_c = characteristic(m5, Service, Characteristic);

while 1
    ref = input("ref = ");   % -32768 ～ 32767 の値を入力
    
    % --- int16 を 2 バイトの uint8 に変換（ビットパターン保持）---
    bytesToSend = typecast(int16(ref), 'uint8');  % 1x2 の uint8 ベクトルになる
    
    write(data_c, bytesToSend);
end

を作業フォルダに保存しておきます．

　ざっくりとした注意点は以下の通り．データ変換の詳細については，最下部の付録を参照してください．

    ref = input("ref = ");   % -32768 ～ 32767 の値を入力
    
    % --- int16 を 2 バイトの uint8 に変換（ビットパターン保持）---
    bytesToSend = typecast(int16(ref), 'uint8');  % 1x2 の uint8 ベクトルになる
    
    write(data_c, bytesToSend);

>> ref = 360;
>> int16(ref)
ans =
  int16
   360
>> typecast(int16(ref), 'uint8')
ans =
  1×2 の uint8 行ベクトル
   104     1

>> ref = -360;
>> int16(ref)
ans =
  int16
   -360
>> typecast(int16(ref), 'uint8')
ans =
  1×2 の uint8 行ベクトル
   152   254

2.2.2　実行してみる

　以下の手順で実行してください．

　実行した様子の動画を以下に示します．

スナップショットだとこんな感じです．

3. Simulink モデル

3.1　Simulink ライブラリ roller485lib のインストール

　後日，Qiita の別記事で使用方法を公開予定ですが，わたしが作成した Unit Roller485 用の Simulink ライブラリ

• roller485lib

をインストールします．

Download ZIP を選択すると，

• Roller485lib-main.zip

がダウンロードされるので，解凍してできるフォルダ Roller485lib-main（のなかのフォルダ Roller485lib-main）を

• C:\Users\ユーザ名\Documents\MATLAB

にコピペしてください．ファイル構成は

• MATLAB
  • Roller485lib-main
    • sample_roller485lib
      <フォルダの中身は省略>
    • slblocks.m
    • README.md
    • roller485.png
    • roller485_matlab_fcn.png
    • roller485lib.slx
    • LICENSE.txt

となります．そして，M ファイル

% startup.m

addpath('C:\Users\ユーザ名\Documents\MATLAB\Roller485lib-main')

をフォルダ

• C:\Users\ユーザ名\Documents\MATLAB

に保存してください．つまり，

• C:\Users\ユーザ名\Documents\MATLAB\startup.m

としてください．そして，MATLAB を再起動すると，Simulink ライブラリ roller485lib が使用できるようになります．コマンドウィンドウで

>> roller485lib

と入力すると，Simulink ライブラリ roller485lib が開きます．

このライブラリ自体は R2023a 以上に対応しています．

3.2　Simulink モデル

　Simulink モデル

をダウンロードしてください（R2024b 以上に対応）．M ファイルはすでに利用した

• M ファイル send_2bytes.m

です．

3.3　実行してみる

　以下の手順で実行してください．

　実行した様子の動画を以下に示します．

Mac でも動くようですよ！

4. おわりに

　というわけで，Takuya Otani (https://x.com/ta98otani) さんに感謝！

　Roller485 を利用した車輪型倒立振子もリモートで簡単な動作をさせることまではできるようになりました.

1 年前は Simulink で M5Stack や Roller485 をこんな感じで動かせるとは思っていませんでしたが，ずいぶんと進んだような気がする．

ここまでくれば，Bluetooth のボタンやジョイスティックとかでリモート制御ができるかも．

追記

　勉強しているうちに，MATLAB で BLE を使う解説記事があることに気づきましたww
皆さんがお試ししていたのは 2020 年頃なんですね．

ちなみに，今回使用した Sumulink ブロック $\tt BLE\ Receive$ が導入されたのは R2021b からなので，強者たちは恐るべし…

付録

A.1　M モデル send_2bytes.m の信号の流れ

　M モデル send_2bytes.m では，以下のようなデータ変換を行っています．

<略>

while 1   % 無限ループ
    ref = input("ref = ");   % -32768 ～ 32767 の値を入力
    
    % --- int16 を 2 バイトの uint8 に変換（ビットパターン保持）---
    bytesToSend = typecast(int16(ref), 'uint8');  % 1x2 の uint8 ベクトルになる
    
    write(data_c, bytesToSend);
end

\begin{align}
{\tt double:}\ 
{\tt ref}
\quad\longrightarrow\quad
{\tt int16:}\ 
{\tt V}_{\tt int16}
\end{align}

\begin{align}
{\tt uint16:}\ 
{\tt V}_{\tt uint16} =
\begin{cases}
{\tt V}_{\tt int16} + 65536 & ({\tt V}_{\tt int16} < 0) \\
{\tt V}_{\tt int16}         & ({\tt V}_{\tt int16} \ge 0)
\end{cases}
\end{align}

\begin{align}
    {\tt uint8:}&\ [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt uint8} & {\tt M}_{\tt uint8}
    \end{array}\,]
    \quad \cdots\cdots\ {\rm Little\ Endian}
\end{align}

\begin{align}
{\tt V}_{\tt uint16} = 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
\end{align}

\begin{align}
{\tt int8:}&\ [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
   \end{array}\,]
\end{align}

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt int8} &= \left\{\begin{array}{ll}
        {\tt L}_{\tt uint8}       & ({\tt L}_{\tt uint8} < 128) \\
        {\tt L}_{\tt uint8} - 256 & ({\tt L}_{\tt uint8} \ge 128)
    \end{array}\right.
    \\
    {\tt M}_{\tt int8} &= \left\{\begin{array}{ll}
        {\tt M}_{\tt uint8}       & ({\tt M}_{\tt uint8} < 128) \\
        {\tt M}_{\tt uint8} - 256 & ({\tt M}_{\tt uint8} \ge 128)
    \end{array}\right.
\end{align}

たとえば，${\tt ref} = 360$ のとき，

\begin{align}
{\tt int16:}\ 
{\tt V}_{\tt int16} = 360 \ge 0
\end{align}

であり，

\begin{align}
{\tt uint16:}\ 
{\tt V}_{\tt uint16} 
&=
{\tt V}_{\tt int16}
= 360 
\end{align}

なので，

\begin{align}
{\tt V}_{\tt uint16} &= 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
\\
&= 256 \times 1 + 104
\end{align}

です．したがって，

\begin{align}
    {\tt uint8:}&\ [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt uint8} & {\tt M}_{\tt uint8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
        104 & 1
    \end{array}\,]
\end{align}

が得られます．MATLAB では

>> ref = 360;
>> typecast(int16(ref), 'uint8')
ans =
  1×2 の uint8 行ベクトル
   104     1

となります．

ちなみに，

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt int8} &= {\tt L}_{\tt uint8} = 104 
        & ({\tt L}_{\tt uint8} = 104 < 128) \\
    {\tt M}_{\tt int8} &= {\tt M}_{\tt uint8} = 1       
        & ({\tt M}_{\tt uint8} = 1 < 128) 
\end{align}

より

\begin{align}
    {\tt int8:}&\ {\tt Data} 
    = [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
        104 & 1
    \end{array}\,]
\end{align}

が得られます．MATLAB では

>> ref = 360;
>> typecast(int16(ref), 'int8')
ans =
  1×2 の int8 行ベクトル
   104     1

となります．

たとえば，${\tt ref} = -360$ のとき，

\begin{align}
{\tt int16:}\ 
{\tt V}_{\tt int16} = -360 < 0
\end{align}

であり，

\begin{align}
{\tt uint16:}\ 
{\tt V}_{\tt uint16} 
&=
{\tt V}_{\tt int16} + 65536 
\\
&= -360 + 65536 
\\
&= 65176
\end{align}

なので，

\begin{align}
{\tt V}_{\tt uint16} &= 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
\\
&= 256 \times 254 + 152
\end{align}

です．したがって，

\begin{align}
    {\tt uint8:}&\ [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt uint8} & {\tt M}_{\tt uint8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
        152 & 254
    \end{array}\,]
\end{align}

が得られます．MATLAB を利用すると，

>> ref = -360;
>> typecast(int16(ref), 'uint8')
ans =
  1×2 の uint8 行ベクトル
   152   254

のように結果を確認できます．

ちなみに，

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt int8} &= {\tt L}_{\tt uint8} -256 
            = 152 - 256 = -104
        & ({\tt L}_{\tt uint8} = 152 \ge 128) \\
    {\tt M}_{\tt int8} &= {\tt M}_{\tt uint8} -256
            = 254 - 256 = -2    
        & ({\tt M}_{\tt uint8} = 254 \ge 128) 
\end{align}

より

\begin{align}
    {\tt int8:}&\ {\tt Data} 
    = [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
        -104 & -2
    \end{array}\,]
\end{align}

が得られます．MATLAB を利用すると，

>> ref = -360
ref =
  -360
>> typecast(int16(ref), 'int8')
ans =
  1×2 の int8 行ベクトル
   -104     -2

のように結果を確認できます．

A.2　Simulink モデル receive_2bytes_R2024b.slx の信号の流れ

　Simulink モデル receive_2bytes_R2024b.slx では，以下のようなデータ変換を行っています．

\begin{align}
    {\tt int8:}&\ {\tt Data} = [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
    \end{array}\,]
\end{align}

\begin{align}
    {\tt uint8:}&\ [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt uint8} & {\tt M}_{\tt uint8}
    \end{array}\,]
\end{align}

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt uint8} &= \left\{\begin{array}{ll}
        {\tt L}_{\tt int8} + 256 & ({\tt L}_{\tt int8} < 0) \\
        {\tt L}_{\tt int8}       & ({\tt L}_{\tt int8} \ge 0)
    \end{array}\right.
    \\
    {\tt M}_{\tt uint8} &= \left\{\begin{array}{ll}
        {\tt M}_{\tt int8} + 256 & ({\tt M}_{\tt int8} < 0) \\
        {\tt M}_{\tt int8}       & ({\tt M}_{\tt int8} \ge 0)
    \end{array}\right.
\end{align}

\begin{align}
    {\tt uint16:}&\ 
    {\tt V}_{\tt uint16} 
    = 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
\end{align}

\begin{align}
    {\tt int16:}&\ 
    {\tt V}_{\tt int16} = \left\{\begin{array}{ll}
        {\tt V}_{\tt uint16} - 65536 & ({\tt V}_{\tt uint16} > 32767) \\
        {\tt V}_{\tt uint16}         & ({\tt V}_{\tt uint16} \le 32767)
    \end{array}\right.
\end{align}

たとえば，

\begin{align}
    {\tt int8:}&\ {\tt Data} = [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
       104 & 1
    \end{array}\,]
\end{align}

のとき，

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt uint8} &= {\tt L}_{\tt int8}
    = 104\ &({\tt L}_{\tt int8} \ge 0)
    \\
    {\tt M}_{\tt uint8} &= {\tt M}_{\tt int8}
    = 1\ &({\tt M}_{\tt int8} \ge 0)
\end{align}

と変換されます．そして，

\begin{align}
    {\tt uint16:}\ 
    {\tt V}_{\tt uint16} 
    &= 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
    \\
    &= 256 \times 1 + 104
    \\
    &= 360 \ (\le 32767)
\end{align}

と変換した後，

\begin{align}
    {\tt int16:}\ 
    {\tt V}_{\tt int16} &= {\tt V}_{\tt uint16}
    = 360
\end{align}

と復元されます．

たとえば，

\begin{align}
    {\tt int8:}&\ {\tt Data} = [\,\begin{array}{cc}
        {\tt L}_{\tt int8} & {\tt M}_{\tt int8}
    \end{array}\,]
    = [\,\begin{array}{cc}
       -104 & -2
    \end{array}\,]
\end{align}

のとき，

\begin{align}
    {\tt L}_{\tt uint8} &= {\tt L}_{\tt int8} + 256
    = -104 + 256 = 152\ &({\tt L}_{\tt int8} < 0)
    \\
    {\tt M}_{\tt uint8} &= {\tt M}_{\tt int8} + 256
    = -2 + 256 = 254\ &({\tt M}_{\tt int8} < 0)
\end{align}

と変換されます．そして，

\begin{align}
    {\tt uint16:}\ 
    {\tt V}_{\tt uint16} 
    &= 256 \times {\tt M}_{\tt uint8} + {\tt L}_{\tt uint8}
    \\
    &= 256 \times 254 + 152
    \\
    &= 65176 \ (> 32767)
\end{align}

と変換した後，

\begin{align}
    {\tt int16:}\ 
    {\tt V}_{\tt int16} &= {\tt V}_{\tt uint16} - 65536
    \\
    &= 65176 - 65536
    \\
    &= -360
\end{align}

と復元されます．