FirmataとXbox OneコントローラーでArduinoローバーをシームレス操作

必要なパーツと材料

ノートPC（Windows 10、Bluetoothドングル、Visual Studio 2015）

フラッシングライト（安全用）

パーツ	数量	備考
Xbox Oneコントローラー + Windows用ワイヤレスアダプター	1	PC接続用
Bluetoothモジュール（HC-05/HC-06またはBlueSMiRF Silver）	1	ArduinoとPC間通信用
Arduino UNO	1
ローバーキット（シャーシ、ホイール、DCギアモーター×2、L298Nドライバー、9V電池ボックス等）	1
単3電池ボックス 6本用	1	モーター用独立電源

使用ソフトウェア

• Windows 10 IoT Core（UWPアプリとして動作）

プロジェクト概要

自律動作用キットとして購入したローバーを、Xbox Oneコントローラーで手動操作できるように改造。Firmataプロトコルを使用することで、Arduino側には標準のStandardFirmataスケッチを書き込むだけで済み、制御ロジックはPC側のUWPアプリに集約しています。

ハードウェア組み立て

モータードライバー（L298N）接続

L298Nは2チャネルHブリッジで、各モーターの正転/逆転とPWM速度制御が可能。電源はモーター用（9V）とArduino用を分離し、GNDのみ共通化。

L298Nピン	Arduinoピン	機能
ENA	D10 (PWM)	左モーター速度
IN1	D9	左モーター方向
IN2	D8	左モーター方向
IN3	D7	右モーター方向
IN4	D6	右モーター方向
ENB	D5 (PWM)	右モーター速度

方向制御：IN1/IN2（またはIN3/IN4）の一方をHIGH、他方をLOWで正転/逆転。両方LOWで停止。PWM値（0-255）で速度制御。

Bluetooth接続

HC-06のRX/TXをArduinoのTX/RXにクロス接続、5VとGNDを供給。

Arduino側：StandardFirmata

Arduino IDEの例「StandardFirmata」を書き込むだけ。Bluetoothモジュールの品質によりボーレートを9600に下げています（スケッチ内でハードコード変更）。

動作確認：Windows Remote Arduino Experienceアプリ

プログラミング不要で動作確認可能。ストアアプリでBluetooth接続後、PWMページでD5/D10に値を設定、DigitalページでD6-D9を操作するとモーターが回転します。

UWPアプリ：コントローラーとFirmataの仲介役

XAMLで「Start」「Controller」ボタンとステータステキストを配置。C#コードビハインドで以下を実装：

1. Bluetooth経由でFirmata接続確立
2. Xbox Oneコントローラーの左右サムスティックY軸を監視
3. デッドゾーン（±0.15）を設け、前倒しで前進、後ろ倒しで後進
4. PWM値 = スティック傾き × 255 × 0.75（速度制限）
5. 重複コマンド送信防止で通信効率向上

ソースコード

XAML（MainPage.xaml）

<StackPanel Orientation="Vertical">
  <Button Name="btnStart" Click="btnStart_Click" FontSize="50" Width="400" Content="Start" />
  <Button Name="btnController" Content="Controller" FontSize="50" Width="400" IsEnabled="False" Click="btnController_Click" />
  <TextBlock Name="tbRead" FontSize="20" Foreground="Gray" />
</StackPanel>

C#（MainPage.xaml.cs）

public sealed partial class MainPage : Page {
  private BluetoothSerial _bluetooth;
  private RemoteDevice _arduino;
  private UwpFirmata _firmata = null;
  private Gamepad _gamepad = null;
  private double _speedLimit = 0.75;
  private double _actionPoint = 0.15;
  
  // ピン定義
  private byte _leftForward = 6, _leftBackward = 7, _leftPwm = 5;
  private byte _rightForward = 9, _rightBackward = 8, _rightPwm = 10;
  
  // 重複送信防止用キャッシュ
  private Dictionary<byte, PinState> _pinStates = new Dictionary<byte, PinState>();
  private Dictionary<byte, ushort> _speedValues = new Dictionary<byte, ushort>();

  public MainPage() { this.InitializeComponent(); }

  private void btnStart_Click(object sender, RoutedEventArgs e) {
    btnStart.IsEnabled = false;
    Gamepad.GamepadAdded += Gamepad_GamepadAdded;
    Gamepad.GamepadRemoved += Gamepad_GamepadRemoved;
    
    _bluetooth = new BluetoothSerial("HC-06");
    _bluetooth.ConnectionLost += BluetoothConnectionLost;
    _bluetooth.ConnectionFailed += BluetoothConnectionFailed;
    _bluetooth.ConnectionEstablished += OnConnectionEstablished;
    
    _firmata = new UwpFirmata();
    _arduino = new RemoteDevice(_firmata);
    _firmata.begin(_bluetooth);
    _bluetooth.begin(9600, SerialConfig.SERIAL_8N1);
    _arduino.DeviceReady += ArduinoDeviceReady;
  }

  private void OnConnectionEstablished() {
    Dispatcher.RunAsync(CoreDispatcherPriority.Normal, () => {
      btnController.IsEnabled = true;
      // 全モーター停止で初期化
      ArduinoDigitalWrite(_leftForward, PinState.LOW);
      ArduinoDigitalWrite(_leftBackward, PinState.LOW);
      ArduinoDigitalWrite(_rightForward, PinState.LOW);
      ArduinoDigitalWrite(_rightBackward, PinState.LOW);
    });
  }

  private async void btnController_Click(object sender, RoutedEventArgs e) {
    btnController.IsEnabled = false; btnStart.IsEnabled = false;
    
    while (true) {
      await Task.Delay(TimeSpan.FromMilliseconds(3));
      if (_gamepad == null) continue;
      
      var reading = _gamepad.GetCurrentReading();
      
      // 左モーター制御
      ControlMotor(reading.LeftThumbstickY, _leftForward, _leftBackward, _leftPwm);
      // 右モーター制御
      ControlMotor(reading.RightThumbstickY, _rightForward, _rightBackward, _rightPwm);
    }
  }

  private void ControlMotor(double stickY, byte forwardPin, byte backwardPin, byte pwmPin) {
    if (Math.Abs(stickY) < _actionPoint) {
      ArduinoDigitalWrite(forwardPin, PinState.LOW);
      ArduinoDigitalWrite(backwardPin, PinState.LOW);
      ArduinoAnalogWrite(pwmPin, 0);
    } else if (stickY >= _actionPoint) { // 前進
      ArduinoDigitalWrite(forwardPin, PinState.HIGH);
      ArduinoDigitalWrite(backwardPin, PinState.LOW);
      ArduinoAnalogWrite(pwmPin, (ushort)(255 * Math.Abs(stickY) * _speedLimit));
    } else { // 後進
      ArduinoDigitalWrite(forwardPin, PinState.LOW);
      ArduinoDigitalWrite(backwardPin, PinState.HIGH);
      ArduinoAnalogWrite(pwmPin, (ushort)(255 * Math.Abs(stickY) * _speedLimit));
    }
  }

  private void ArduinoDigitalWrite(byte port, PinState state) {
    if (!_pinStates.ContainsKey(port) || _pinStates[port] != state) {
      _pinStates[port] = state;
      _arduino.digitalWrite(port, state);
    }
  }

  private void ArduinoAnalogWrite(byte port, ushort value) {
    if (!_speedValues.ContainsKey(port) || _speedValues[port] != value) {
      _speedValues[port] = value;
      _arduino.analogWrite(port, value);
    }
  }
  // ... イベントハンドラ類省略 ...
}

ポイント

• FirmataでArduinoコード不要、PC側でロジック完結
• タンクコントロール（左右独立操作）で直感的操作
• モーター用独立電源必須（共通GND忘れずに）
• フラッシングライトは安全対策として推奨