デュアルアクシスソーラートラッカー：自動/手動切替搭載の高効率太陽追尾システム

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1	制御用マイコン
ロータリーポテンショメーター	2	手動モード時のX/Y軸角度指定用
LED（赤・青）	各1	モード表示：赤=手動、青=自動
タクトスイッチ 12mm	1	自動/手動モード切替ボタン
サーボモーター MG996R（高トルク）	2	パネルの水平・垂直回転駆動用
フォトレジスター（CdSセル）	4	自動モード用光センサー（上左・上右・下左・下右）
10kΩ 抵抗	5	フォトレジスタープルダウン、スイッチプルアップ等
220Ω 抵抗	2	LED電流制限用

必要な工具

• はんだごて、はんだ、収縮チューブ、ニッパー、ドライバー

使用設計ツール・ソフトウェア

• Autodesk Tinkercad（回路シミュレーション・コード開発）
• Arduino IDE（書き込み）

プロジェクト概要

2017-2018年度の放課後クラブ「Young Hackers」で小学生たちがチーム制作したデュアルアクシス（2軸）ソーラートラッカーです。小型5Vソーラーパネルを水平・垂直2軸で回転させ、太陽光を常に正面に受けられるよう制御し、発電効率を最大化します。OpenSourceClassroomのプロジェクトをベースに、手動モード（ポテンショメーター操作）と自動モード（4分割フォトレジスターによる太陽追尾）の2モードをプッシュボタンで切替可能にしました。生徒たちはライン生産方式で配線・はんだ付け・ネジ締め等を分担し、数回のセッションで完成させました。

動作原理

手動モード（赤LED点灯）

2つのポテンショメーター（A0: 水平/X軸、A1: 垂直/Y軸）の値を0-1023から0-180°にマッピングし、それぞれ対応するサーボ（D9: 水平、D10: 垂直）に書き込みます。ユーザーがつまみを回してパネル向きを任意に設定可能。

自動モード（青LED点灯）

4つのフォトレジスター（A2: 左上、A3: 右上、A4: 左下、A5: 右下）で受光強度を測定。各センサーのばらつきをmap()関数で0-100の相対光量に正規化し、左右平均・上下平均を比較します。

• 左右制御：左平均 < 右平均 なら水平サーボを右へ（+1°）、逆なら左へ（-1°）。差が4%以上のときのみ動作（ハンチング防止）。
• 上下制御：上平均 < 下平均 なら垂直サーボを下へ（+1°）、逆なら上へ（-1°）。同様に差4%以上で動作。

ループごとに1ステップずつ追尾するため、滑らかに太陽を追従します。センサーごとの感度差（map()の入力範囲）は実測でキャリブレーションしています。

ソースコード

#include <Servo.h>

// 変数初期化
int mode = 0;           // 0=手動, 1=自動
int buttonState = 0;
int prevButtonState = 0;
int topLeftLight = 0;
int topRightLight = 0;
int bottomLeftLight = 0;
int bottomRightLight = 0;
int LeftLight = 0;
int RightLight = 0;
int TopLight = 0;
int BottomLight = 0;

Servo servo_9;  // 水平（左右）
Servo servo_10; // 垂直（上下）

void setup() {
  pinMode(7, INPUT);       // モード切替ボタン
  pinMode(12, OUTPUT);     // 手動モードLED（赤）
  pinMode(11, OUTPUT);     // 自動モードLED（青）
  pinMode(A0, INPUT);      // ポテンショメーター水平
  pinMode(A1, INPUT);      // ポテンショメーター垂直
  pinMode(A2, INPUT);      // フォトレジスター左上
  pinMode(A3, INPUT);      // フォトレジスター右上
  pinMode(A4, INPUT);      // フォトレジスター左下
  pinMode(A5, INPUT);      // フォトレジスター右下
  servo_9.attach(9);       // 水平サーボ
  servo_10.attach(10);     // 垂直サーボ
}

void loop() {
  // モード切替ボタン検出（エッジ検出）
  buttonState = digitalRead(7);
  if (buttonState != prevButtonState) {
    if (buttonState == HIGH) {
      if (mode == 1) {
        mode = 0;
        digitalWrite(12, HIGH); // 赤ON
        digitalWrite(11, LOW);  // 青OFF
      } else {
        mode = 1;
        digitalWrite(11, HIGH); // 青ON
        digitalWrite(12, LOW);  // 赤OFF
      }
    }
  }
  prevButtonState = buttonState;
  delay(50); // デバウンス兼ループ間隔

  if (mode == 0) {
    // 手動モード：ポテンショメーター値を直接サーボ角度にマッピング
    servo_9.write(map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 180));
    servo_10.write(map(analogRead(A1), 0, 1023, 0, 180));
  } else {
    // 自動モード：フォトレジスター値を読み取り・正規化
    topLeftLight     = map(analogRead(A2), 50, 980, 0, 100);
    topRightLight    = map(analogRead(A3), 200, 990, 0, 100);
    bottomLeftLight  = map(analogRead(A4), 170, 970, 0, 100);
    bottomRightLight = map(analogRead(A5), 250, 1000, 0, 100);

    // 平均光量計算
    TopLight    = (topRightLight + topLeftLight) / 2;
    BottomLight = (bottomRightLight + bottomLeftLight) / 2;
    LeftLight   = (topLeftLight + bottomLeftLight) / 2;
    RightLight  = (topRightLight + bottomRightLight) / 2;

    // 水平追尾（左右差が閾値超過で1ステップ駆動）
    if (abs(RightLight - LeftLight) > 4) {
      if (RightLight < LeftLight) {
        if (servo_9.read() < 180) servo_9.write(servo_9.read() + 1);
      } else {
        if (servo_9.read() > 0) servo_9.write(servo_9.read() - 1);
      }
    }

    // 垂直追尾（上下差が閾値超過で1ステップ駆動）
    if (abs(TopLight - BottomLight) > 4) {
      if (TopLight < BottomLight) {
        if (servo_10.read() < 180) servo_10.write(servo_10.read() - 1);
      } else {
        if (servo_10.read() > 0) servo_10.write(servo_10.read() + 1);
      }
    }
  }
}

回路図

教育的ポイント・工夫

• センサーキャリブレーション：各フォトレジスターのバラツキをmap(analogRead, min, max, 0, 100)で吸収。実測最小・最大値をコードにハードコードしていますが、EEPROM保存や起動時自動キャリブレーションへ発展可能。
• ハンチング防止：光量差閾値（4%）を設け、微小変動での無駄な動作を抑制。
• モード切替のエッジ検出：ボタン押下瞬間のみモード変更し、長押しで連打しない設計。
• 視覚的フィードバック：赤/青LEDで現在モードを即座に把握可能。
• 協働製作：小学生でも役割分担（配線班・はんだ班・組立班・プログラム班）で複雑なシステムを完成できることを実証。

改善・拡張アイデア

• RTC（DS3231）を追加し、時刻・緯度経度から太陽位置を計算する「天文アルゴリズムモード」実装
• 発電電流・電圧をINA219等でモニタリングし、最大電力点追尾（MPPT）制御を導入
• 防水ケース化して屋外常設運用可能にする
• データロギング（SDカードやIoT送信）で発電量推移を記録・可視化
• ステッピングモーター+リミットスイッチ化で、より大型パネル・高精度追尾に対応