OSC2026 Hokkaidoに参加した

大学の卒業研究の一環で、オープンソースカンファレンス（OSC）向けの体験型展示デモを開発しました。

このデモは、Terraformを使ってDockerコンテナに割り当てるCPUリソースを制限し、そのコンテナ内で走る円周率の計算速度に同期させて、Raspberry Piに接続したモーターの回転速度をリアルタイムに変化させる仕組みとなっています。

本記事では、デモの内容とその他色々を書こうと思います。

デモの内容

pi5の性能を制限してpi3の性能に近づけることが目標です。

デモのキャッチコピーは「モーターの速度を調整して、爆弾からペンギンを守ろう！」です🐧(Linuxなので🐧)

デモ装置

展示ブースには、以下のようなデモを用意しました。(ペンギンなしver.)

ギヤードモーターの回転軸となる棒に、紙やすりを巻き付け、ボンドで固定したものです。
この棒が回転することで、プレートに摩擦で力を伝え、左右に動かしたりします。
左右のモーターの速度を合わせることで、上に乗せた板が真ん中で安定します。

内容

下記のコマンドを実行することで、pi 5上にdockerコンテナがデプロイされます。

$ terraform apply -auto-approve -var="target_cpus=1.0"

target_cpusという引数で、コンテナが利用可能なCPUリソースのうち、どれだけ使用できるかを制限します。(Resource (docker_container))
pi3, pi5の上で円周率計算を行い、その計算速度をモーターの速度に変換しています。

もっと詳しく

円周率計算

それぞれのラズパイの上で一定桁数(30,000桁)の円周率計算をしています(マチンの公式)。単純に上の桁から確定していく方法も考えましたが、計算速度をモーターの速度に変換しているという構造上、時間がたつにつれて計算量も増えていき、モーターの速度も遅くなっていくという欠点があったので却下しました。

// arctan(1/x)のテイラー展開を計算
static void arctan_scaled(mpz_t res, long x, const mpz_t scale)
{
    mpz_t power, term, x_sq;
    mpz_inits(power, term, x_sq, NULL);

    /* power = scale / x */
    mpz_tdiv_q_ui(power, scale, (unsigned long)x);
    /* x_sq = x^2 */
    mpz_set_si(x_sq, x * x);

    mpz_set(res, power);   /* result = power (n=1 の項) */

    long n = 3;
    while (1) {
        /* power = power / x^2  (符号反転含む) */
        mpz_tdiv_q(power, power, x_sq);
        if (mpz_sgn(power) == 0) break;

        /* term = power / n */
        mpz_tdiv_q_ui(term, power, (unsigned long)n);
        if (mpz_sgn(term) == 0) break;

        /* 交互加算 */
        if (((n - 1) / 2) % 2 == 0)   /* n=3,7,11,... は引く */
            mpz_sub(res, res, term);
        else
            mpz_add(res, res, term);

        n += 2;
    }

    mpz_clears(power, term, x_sq, NULL);
}

また、もともとpythonを用いて計算していましたが、コンパイラ言語であるためか、理論値よりもかなり下回ったため、C言語に変更しました。

計算の結果をディスプレイに出力することで、「なんかやってる」感を出してました。(よく見ると3.22~~とかで意外と精度がよろしくない...)

ハード面

初電子工作だったので苦労しました。モータードライバって何？というところからどこに何をつなげればいいんだろうなど。
モータドライバはMESH GPIO用のモータードライバを使用しています。

土台部分はレーザーカッターを用いて集成材を加工しました。

使った技術

• Raspberry Pi zero/3/5
• MESH GPIOキット
• Terraform
• Docker

とてもいい体験でした。運営の皆様、ブースに足を運んでくださった方ありがとうございました。