Arduino Nanoで作るAIラインフォローロボット：迷路解析機能搭載

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Nano	1
Seeed ワイヤレスBluetooth RFトランシーバー（マスター/スレーブ）	1	BT通信用
IR赤外線反射型フォトセンサーモジュール	1	7個使用（ライン追跡5個、左右検出2個）
連続回転サーボ	2	左右駆動用
4.8V バッテリー	1

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE

プロジェクト概要

Arduinoベースのピック&プレースロボット開発後、次のステップとしてAIベースのラインフォローロボット開発に挑戦しました。シンプルなラインフォロワーは初心者向けですが、サーボモーターの代わりに赤外線センサーを追加し、より高度な制御を目指しました。「自分のスキルを上級レベルで試す」ことが目的です。

難易度は高かったものの、オンラインリサーチが大いに役立ちました。

なぜAIベースのラインフォローロボットが必要か？

AIは世界環境と人間生活を変える可能性を秘めた最新技術です。ロボットに知能を持たせ、実世界の問題を理解・解決させる夢は、AIを通じてのみ実現可能です。だからこそ誰もがAIについて語るのです。

• 組立/生産ラインでの搬送ロボット
• 乗客輸送バスの自動走行

私のプロトタイプはまだ初歩的な知能ですが、AIへの第一歩です。ここでは比較的平易な言葉で、AIラインフォローロボットの段階的開発を解説します。リソース不足で実機製作はできませんでしたが、作り方は詳細に説明します。Arduino IDEで動作する正確なコードを提供するので、あなたも最初のAIロボットを比較的容易に開発できるはずです。

Patreonで支援：https://bit.ly/31NfQ6A

動画説明欄に米国最安値の部品リンクがあります。

赤外線センサーの配置と役割

プロジェクトでは図のように7つの赤外線センサーを使用します：

• 5個：PID制御用（ライン中央追従）
• 1個：左側検出用（遠距離）
• 1個：右側検出用（遠距離）

5個のPID制御センサーの役割

これらはデジタル出力（HIGH=1 / LOW=0）を生成します。ライン中央にあるセンサーのみがHIGH（1）になります。想定されるパターン：

10000, 11000, 01000, 01100, 00100, 00110, 00010, 00011, 00001, 00000, 11111

5センサーの値を配列で管理：

int LFSensor[5] = {1,1,1,1,1};

左右検出センサーはアナログ出力：

int farLeftSensor = 0;
int farRightSensor = 0;

読み取りコード：

LFSensor[0] = digitalRead(lineFollowSensor0);
LFSensor[1] = digitalRead(lineFollowSensor1);
LFSensor[2] = digitalRead(lineFollowSensor2);
LFSensor[3] = digitalRead(lineFollowSensor3);
LFSensor[4] = digitalRead(lineFollowSensor4);
farRightSensor = analogRead(farRightSensorPin);
farLeftSensor = analogRead(farLeftSensorPin);

迷路左手法則（Left-Hand Rule）

動画で解説しています。要約すると：

1. 左手を壁に置く
2. 前進開始
3. すべての分岐点で、左手を左側の壁に触れ続ける
4. 最終的にゴールに到達（最短経路ではないが確実）

2D迷路では8種類の分岐パターンがあります（十字路、T字路、右のみ、左のみ、直進/左、直進/右、行き止まり、ゴール）。左手法則を適用すると各分岐でのアクションは一意に決まります：

• 十字路 → 左へ
• T字路 → 左へ
• 右のみ → 右へ
• 左のみ → 左へ
• 直進/左 → 左へ
• 直進/右 → 直進
• 行き止まり → Uターン
• ゴール → 停止

分岐判定の追加ステップ

「ライン」検出時（十字路かT字路か不明）、「右カーブ」検出時（右のみか直進/右か不明）、「左カーブ」検出時（左のみか直進/左か不明）は、ロボットを「もう少し前進（エクストラインチ）」させて先を確認する必要があります。

フローとしては：

• 行き止まり：Uターン
• ライン検出：エクストラインチ前進 → ラインありなら十字路（左へ）、なしならT字路（左へ）、もう一本ラインならゴール（停止）
• 右カーブ：エクストラインチ前進 → ラインありなら直進/右（直進）、なしなら右のみ（右へ）
• 左カーブ：エクストラインチ前進 → ラインありなら直進/左（左へ）、なしなら左のみ（左へ）※実際は左カーブなら無条件で左へ行くためテスト省略可

関連トピック

Arduinoドライバー問題の解決方法など、動画で解説しています。

コード構成

プロジェクトは以下のモジュールで構成されています：

• RoBot_Maze_Solve_2：メインスケッチ（セットアップ、メインループ、第1パス・第2パス制御）
• Functions：迷路解法、パス記録・簡略化、最適化走行
• GeneralFunctions：LED点滅、BTコマンド受信、手動操作、PID計算等
• sensorFuntions：7センサー読み取り、モード判定（ライン追従/十字路/右カーブ/左カーブ/ラインなし）
• RobotDefines.h：定数、ピン定義、PIDパラメータ、サーボオブジェクト、迷路フェーズ2用変数
• MotorFuntions：モーター停止/前進/後進/旋回、PID制御、エクストラインチ走行、旋回動作

主要アルゴリズムのポイント

PID制御

5センサーのパターンから誤差（-4〜+4）を算出し、PID演算でモーター速度を制御。BT経由でKp, Ki, Kdをリアルタイム調整可能。

迷路解法（2フェーズ）

1. 第1パス（探索）：左手法則で迷路を探索し、分岐での動作（L/R/S/B）をパス配列に記録。デッドエンド（LBL→S等）をその都度簡略化。
2. 第2パス（最適化）：記録された最適パスに従って最短時間でゴールまで走行。

Bluetoothリモート操作

BTモジュール経由で手動操作（前進/後進/左右旋回/停止）やPIDパラメータ変更が可能。