所有権と借用について(@Rust)

Rustのメモリ管理の特徴の最大の機能と言えるものが所有権ですが、所有権(以下ではほぼ借用についての記述)と参照借用の特徴的なところを簡単なコードで説明できるようにしてみました。まあ、オリジナルのドキュメント読めばわかることですが。

以下のコメントでcase1~4がそれに該当するところです。

case1 : mutableな変数(ここではString型)をmutableで参照借用すると、元の変数は変更ができなくなるし、一度借用したらその後の複数借用もできない。変更を伴うと制限が出てくるのは、所有権に類似してます。

case2 : mutableにできる変数をimmutableで扱う場合は変更される可能性がないので、参照処理はcopyになり尚且つ複数のcopyも許容されます。

case3 : mutableにできない静的領域に格納される変数の場合には参照(&)を付加しなくとも暗黙で参照(copy)できます。文字型(char)はcopy traitを実装しているから。(ヒープを利用するString型のcopyにはclone()を使います)

case4 : 参照と非参照の比較はできないので、参照戻し処理(*の付加)が必要になります。case1でも参照型で使える関数の制限で参照戻しを使っていますが、

fn main() {
    // case1 : borrow in "String":mutable case
    //
    let mut aa = String::from("abc");       // variable length "String"
    let bb = &mut aa;
    bb.push_str("gh");
    let cc = format!("{}{}", "ko", bb);    // Linking "Strings"
    println!("mutable case (bb, cc) : {}, {}", bb, cc);

    //aa += "refa";     // error ; second mutable borrow occurs here, after first borrow you can't change the original content
    *bb += "refb";      // you can't use `+=` on type `&mut String`, use reference return
    println!("updated bb : {}", bb);

    // case2 : immutable case
    //
    let aa_i = String::from("kile");
    let bb_i1 = &aa_i;
    let bb_i2 = &aa_i;
    println!("immutable case (bb_i1, bb_i2) : {}, {}", bb_i1, bb_i2);

    // case3 :  literal(immutable) case in "str"
    //
    let aa_c = "abc";
    let bb_c = aa_c;    // refrence in immutable case, you can eliminate "&"
    //bb_c.push_str("gh");  // "push_str" is not found in `&&str` since bb_c is immutable
    let cc_c = format!("{}{}", "ko", bb_c); // linked output is a "String"
    println!("bb_c, cc_c : {}, {}", bb_c, cc_c);

    // case4 : reference return
    //
    let original = String::from("def");
    let reference = &original;
    if original == *reference {        // comparing "String == &String" causes compile error, if "*" is not used
        println!("equal");
    } else {
        println!("not equal");
    }
}

所有権の本質は、ある変数(ヒープ上の変数、静的領域上の変数に対しては所有権の概念は無い)を変更できるのは所有権を持っている唯一の変数だけだよといっていますが、借用は所有権は移動せずに参照/変更する権利は有すると言うことになります。変更できる借用(可変借用)は実質的には所有権を移動することと同等なので、掛かる制限が出てくると言うことになります。

 

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構造体をclone()するためには(@Rust)

これは以下のRust by exampleに出てくる演習問題に関連しますが、

https://doc.rust-jp.rs/rust-by-example-ja/primitives/tuples.html

Rustでは色々な作法の一つですが、演習1と2を適用するためにclone()を使おうとしましたが、clone()するためには#[derive(Clone)]を該当の構造体の前に追加しないといけません、実際のコードではDebugが存在しているのでそれに追加。この指定をしないと、method `clone` not found for this struct(@22行目)と言われてコンパイルできません。

#[derive]アトリビュートは、特定のtraitを標準実装させる機能です。

行列を入れ替えるだけなら、method使ってもいいですが、それだとimpl fmt::Display for Matrixは機能しません。impl Matrixtとしても、Matrixの型情報は引き継がないようです。
use std::fmt;

// Tuples can be used as function arguments and as return values.
// タプルを関数の引数及び返り値として使用している。
fn reverse(pair: (i32, bool)) -> (bool, i32) {
    // `let` can be used to bind the members of a tuple to variables.
    // `let`でタプルの中の値を別の変数に束縛することができる。
    let (int_param, bool_param) = pair;

    (bool_param, int_param)
}

// using method to transpose
impl Matrix {
    fn transpose(&self) -> (f32, f32, f32, f32) {
        (self.0, self.2, self.1, self.3)
    }
}

// transpose function
fn transpose(tran: Matrix) -> Matrix {
    let mut trans = tran.clone();
    trans.2 = tran.1;
    trans.1 = tran.2;
    trans
}

// The following struct is for the activity.
// 以下の構造体は後ほど「演習」で用いる。
#[derive(Debug, Clone)]
struct Matrix(f32, f32, f32, f32);

fn main() {
    // A tuple with a bunch of different types.
    // 様々な型を値に持つタプル
    let long_tuple = (
        1u8, 2u16, 3u32, 4u64, -1i8, -2i16, -3i32, -4i64, 0.1f32, 0.2f64, 'a', true,
    );

    // Values can be extracted from the tuple using tuple indexing.
    // インデックスを用いて、タプル内の要素を参照できる。
    println!("Long tuple first value: {}", long_tuple.0);
    println!("Long tuple second value: {}", long_tuple.1);

    // Tuples can be tuple members.
    // タプルはタプルのメンバになれる
    let tuple_of_tuples = ((1u8, 2u16, 2u32), (4u64, -1i8), -2i16);

    // Tuples are printable.
    // タプルはプリント可能である。
    println!("tuple of tuples: {:?}", tuple_of_tuples);

    // But long Tuples (more than 12 elements) cannot be printed.
    // しかし長すぎるタプル(12要素より多いもの)はプリントできない
    //let too_long_tuple = (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13);
    //println!("Too long tuple: {:?}", too_long_tuple);
    // TODO ^ Uncomment the above 2 lines to see the compiler error
    // TODO ^ 上記2行のコメントを外して、コンパイルエラーになることを確認

    let pair = (1, true);
    println!("Pair is {:?}", pair);

    println!("The reversed pair is {:?}", reverse(pair));

    // To create one element tuples, the comma is required to tell them apart
    // from a literal surrounded by parentheses.
    // 要素を1つしか持たないタプルを作成する場合、括弧で囲まれたただのリテラル
    // と区別するため、カンマが必要になる。
    println!("One element tuple: {:?}", (5u32,));
    println!("Just an integer: {:?}", (5u32));

    // Tuples can be destructured to create bindings.
    //タプルを分解して別の変数にそれぞれの値を代入
    let tuple = (1, "hello", 4.5, true);

    let (a, b, c, d) = tuple;
    println!("{:?}, {:?}, {:?}, {:?}", a, b, c, d);

    let matrix = Matrix(1.1, 1.2, 2.1, 2.2);
    println!("{:?}", matrix);

    impl fmt::Display for Matrix {
        fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
            writeln!(f, "({} {}) \n ({} {})", self.0, self.1, self.2, self.3)
        }
    }

    println!("Formatted Matrix {}", matrix);

    let tran = matrix.transpose();
    println!("Using method {:?}", tran);

    println!("Transposed Matrix {}", transpose(matrix));
}
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組んでみたけども、

隙間を塞ぐスカート(隙間テープ貼り付け)貼り付けて、電池(ニッケル水素電池直列4本)で駆動してみるけど、ファンの回転に元気がない。

電源電圧見てみるとほぼ半分に低下、つまり電流多すぎて電池内部抵抗でドロップしているから、この解は駄目そうで、普通にドローン用のリチウム電池使うしかなさそう。

ただし、ファンの回転数にccwとcwで差をつけてやると全体が自転しようとするから、ドローンと同じ理屈で姿勢制御はできそうです。

 

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プロペラ四発始めて同時に廻った

遅々としてますが、ヒートシンクも付けて、micro:bitのP0/P1/P2/P8ピンをPWM制御に使って、モーターを駆動してみました。

まだ電池ケースを実装していない、両面テープで貼り付け対応、ですが電池交換する時には両面テープから剥がさないとPWMコントローラーが巨大化したのでそこにつかえてしまうので対応できません。

電池ケース以外では、micro:bitの電源どうするかですが、単三NiH電池の3本直列ぐらいの電圧を供給するのが適切なので、電池ケースの1本分から引き出す方法も考えないといけない。

ホーバークラフトの機能として一番大切な浮上に関しては、スカートを作成してやらないとだめで、隙間テープを貼り付けてその役割をさせるつもり。

 

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PWM制御ボード手作り

ヒートシンクは必要そうなので、Amazonで購入したヒートシンク貼り付け。基盤はユニバーサルで、台(3Dプリンタ)作り直さなくて済むように取り付け穴を流用するので、対称形になっていません。

ヒートシンクの熱抵抗はそれほど低くなさそう(両面テープ貼り付け)なので、これはやってみるしか解らない。

 

回路図は前の記事と全く同じです。

 

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MOS FETに変えてみた

FET到着したので、動かしてみた。makecodeのmiicro:bitのコードはPWM制御で以下のようなもの。周期とdutyは適宜変更しますが、

回路図はこんな感じで、ゲートの入力容量(800PFぐらいあります)の突入電流抑制の抵抗とゲート解放を避けるための抵抗の追加、モーターの逆起電力を逃すためのダイオードを追加しています。

バラックで組み立て、

Duty100%だと放熱フィンが必要そうですが、前回の熱抵抗とオン抵抗の高い制御ICに比較すると大幅に改善されました。

今までの経緯を見てみると、Telloの電池が容量1,100mAhで継続時間13分ということはおよそ4C放電だから、モーターサイズはTelloとほぼ同じだから、モーター1個あたりおよそ1Aは流れる勘定。モーターの規格に書いてある0.15Aは全く根拠のない数字らしい。従って、制御系は最初の選択では全く能力不足。

P.S. ドローンの回転数上げると羽根が飛んでいくので対策(プロペラだけは売ってなさそう)考えないと。何回か抜き差しすると接合緩くなるのが原因。

 

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サーマルプロテクションが掛かる

組んでみたけど、以下のリンクのレギュレーターでは電力が大きすぎて(?)制御しきれず、ICがチンチンとなってサーマルプロテクション掛かるのでまともに動かない。最初からこんなにコンパクトで、電力制御できるかという疑問はあったけれども、

 

https://isehara-3lv.sakura.ne.jp/blog/2023/11/23/パーツ(その2)-ホーバークラフト/

仕様からオン抵抗を抜き出すと、

ほぼ0.5Ωとかだと普通の電力用FETは10mΩ以下だから随分高い値だからロスも大きいということなんだろう。まして回転方向制御のために2個のFETが直列に入るからおよそ1Ωという大きな抵抗だからね。

回転方向の制御とかやらないから、シンプルにパワーFET一個でコントロールするやり方に変えよう。

 

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3Dプリンタ(メンテナンス関連)

一夏使っていなかった3Dプリンタ、造形がうまくいかない、というかラフト作成がメチャクチャ。『校正』でみてみると、マットの距離が1mm近くずれている(校正はヘッドとマットの間でA4の紙が軽く抵抗があるぐらいに設定しますが、紙が全く動かない状態)のが原因で、校正やり直すと写真のように綺麗にラフトを作り始めた。

 

したがって、

① メカものなのでだんだんズレるので、3ヶ月に一度ぐらいは『校正』しましょう。

② 3Dプリンタをしばらく使わないときにはフィラメントは排出(交換の前半だけ実施)しておきましょう。吸湿してパイプの中でバラバラに分解します。吸湿したフィラメントは簡単にポキポキ折れます。

③ 使う前にフィラメント乾燥はやはり面倒なので、低湿度に管理された保管ケースは必要。

 

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ホーバークラフトの原理試作

まずはきちんと浮かせることが出来るかどうかを検証しました。

空気室はホームセンターで調達の発泡丼、そこにモーターとプロペラ固定用のアダプタを3Dプリンタで造形して嵌め込み。

 

外部電源で4.8V(単三のNiH電池四直を想定)を与えると、元気に浮き上がりました。元気すぎてひっくり返りますが、

空気室への取り付け方と、全体(4個の空気室)の結合方法考えて、改善したものを4個と全体保持機構(これはアイディアこれから)を作ります。

 

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