M1 Rover：荒れた地形を走行する屋外自律ロボット

部品と材料

部品	数量	備考
SparkFun デュアル Hブリッジ モータードライバー L298	1
DCモーター（汎用）	4
Arduino UNO	1
LED（汎用）	8
抵抗 221Ω	8
サーボモーター（Tower Pro MG996R）	1
超音波センサー HC-SR04	1

使用アプリとオンラインサービス

• Arduino IDE
• Microsoft Visual Studio 2015
• Microsoft Windows 10 IoT Core

プロジェクト概要

これまでいくつかの屋内ロボットを製作してきた後、荒れた地形を走行できる屋外ロボットの製作を決意しました。これを「M1-Robot」と名付けました。

M1-Robotのモーター駆動部は、Arduinoで4つのDCモーターを簡単に制御できるため、より強力なロボットの中核として最適だと考え、ゼロからオフロード仕様の4輪駆動M1を設計しました。

これは単なるラジコンカーではありません。一連の命令に従って自律走行させたり、リモートコンピューターから制御したり、ゲームコントローラーやカスタムジョイスティックでラジコンカーのように操作したりすることも可能です。

ステップ1：設計

自分の製品や試作品を設計するのは楽しい作業ですが、実物大で製作しようとすると一気に複雑になります。そこで、強力かつ使いやすい設計ツールとしてGoogle SketchUp 2017を採用しました。これにより、モデルの図面をレーザーカッターや3Dプリンター用にエクスポートできます。

最初の3週間は、ロボットの船体（シャーシ）の設計と構築に費やしました。材料として3mm厚の木製ボードが支給されました。

時間の制約により、配線は船体内に全て押し込む形になり、あまり綺麗ではありません。

今後M2、M3とバージョンアップしていく予定なので、「M1Rover」と名付けました。キット形式で設計されており、ネジで組み立てるだけで完成します。

ステップ2：構成部品と特徴

• 最大3時間の稼働時間！
• Arduino Uno、Mega、Nanoに対応
• 動作電圧：5V〜9V DC
• 3mm厚の木製シャーシ
• 直径68mmホイール、L298N デュアルHブリッジ モーター/ステッパードライバー
• DCモーター駆動用9V電池
• Arduino駆動用9V電池
• LEDライト7個（フロント4、リア2）
• HC-06 Bluetoothモジュール
• Arduinoセンサーシールド v5.0
• 超音波トランスデューサー HC-SR04

ステップ3：モーターコントローラー

Hブリッジは通常、モーターの速度と方向制御に使用されますが、高出力LEDアレイの輝度制御など、他のプロジェクトにも応用可能です。

• Arduino、電源、モーターコントローラーのグランド（GND）を必ず共通に接続してください。
• PWMピンは、PWM機能を使用しない場合は接続不要です。

ステップ4：シャーシの組み立て

シャーシはレーザーカッターで複数のパーツに切り出されています。前述の通りキット形式で設計されているため、説明書に従って組み立てるだけです。

デザイン性も考慮し、ラジコンカーらしくフロントとリアにライトを配置しました。フロントには220Ω抵抗を直列にした白色LED4個、リアには同じく220Ω抵抗付き赤色LED2個を搭載。これらのLEDも同一アプリケーションから制御可能です。

ステップ5：回路

多数の電子部品を同時に制御するため、各部品の接続順序に注意が必要で、やや複雑な回路となりました。

主な接続構成：

• Arduinoセンサーシールド 5.0
• Arduino Uno R3 + L298N デュアルHブリッジ モーター/ステッパードライバー
• DCモーター駆動用9V電池
• LEDライト7個（リア2、フロント4）
• HC-06 Bluetoothモジュール
• 超音波トランスデューサー HC-SR04
• サーボモーター 9g
• アクティブブザー
• ホイール付きDCモーター4個

ステップ6：ソフトウェア

M1-Robotのコードを書くにあたり、さまざまな要素を考慮しました。GUIソフトウェアを使用すれば、ロボットの状態に関するより多くの情報を取得できます。

スターターキット用の基本コード。Bluetooth経由でモバイル端末やノートPCから制御可能：

int frontled = 3; // フロントLED
int rearled = 4;  // リアLED
int outPin1 = 5;  // モーター1
int outPin2 = 6;  // モーター1
int outPin4 = 11; // モーター2
int outPin3 = 12; // モーター2
char bt = 0;      // Bluetooth受信データ
int buzzerPin = 2;
const int pingPin = 9; // 超音波センサー Trigピン
const int echoPin = 8; // 超音波センサー Echoピン

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(outPin1, OUTPUT);
  pinMode(outPin2, OUTPUT);
  pinMode(outPin3, OUTPUT);
  pinMode(outPin4, OUTPUT);
  pinMode(frontled, OUTPUT);
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    bt = Serial.read();
    digitalWrite(frontled, HIGH);
    
    long duration, inches, cm;
    pinMode(pingPin, OUTPUT);
    digitalWrite(pingPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(pingPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(pingPin, LOW);
    pinMode(echoPin, INPUT);
    duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
    inches = microsecondsToInches(duration);
    cm = microsecondsToCentimeters(duration);
    
    if (cm > 10) { // 障害物まで10cm以上なら動作
      if (bt == 'F') { // 前進
        digitalWrite(outPin1, HIGH); digitalWrite(outPin2, LOW);
        digitalWrite(outPin3, HIGH); digitalWrite(outPin4, LOW);
      } else if (bt == 'B') { // 後退
        digitalWrite(outPin1, LOW); digitalWrite(outPin2, HIGH);
        digitalWrite(outPin3, LOW); digitalWrite(outPin4, HIGH);
      } else if (bt == 'S') { // 停止
        digitalWrite(outPin1, LOW); digitalWrite(outPin2, LOW);
        digitalWrite(outPin3, LOW); digitalWrite(outPin4, LOW);
      } else if (bt == 'R') { // 右旋回
        digitalWrite(outPin1, HIGH); digitalWrite(outPin2, LOW);
        digitalWrite(outPin3, LOW); digitalWrite(outPin4, LOW);
      } else if (bt == 'L') { // 左旋回
        digitalWrite(outPin1, LOW); digitalWrite(outPin2, LOW);
        digitalWrite(outPin3, HIGH); digitalWrite(outPin4, LOW);
      } else if (bt == 'I') { // 右前
        digitalWrite(outPin1, HIGH); digitalWrite(outPin2, LOW);
        digitalWrite(outPin3, LOW); digitalWrite(outPin4, HIGH);
      } else if (bt == 'G') { // 左前
        digitalWrite(outPin1, LOW); digitalWrite(outPin2, HIGH);
        digitalWrite(outPin3, HIGH); digitalWrite(outPin4, LOW);
      }
    } else { // 障害物検知時：ブザーで警告
      digitalWrite(buzzerPin, HIGH); delay(500);
      digitalWrite(buzzerPin, LOW); delay(500);
    }
  }
}

long microsecondsToInches(long microseconds) { return microseconds / 74 / 2; }
long microsecondsToCentimeters(long microseconds) { return microseconds / 29 / 2; }

このArduinoコードは、全ての電子部品がシリアルポート経由のコマンドで動作するため、Bluetoothモジュール、PC、スマートフォンなど、あらゆる種類のコントローラーと互換性があります。

• C# Windowsアプリケーション（スクリーンショット添付）

ステップ7：パッケージ構成

スターターパッケージ

基本コンポーネントを含み、トッププレートに任意のセンシング、マニピュレーション、コンピュータハードウェアを簡単に搭載可能。オンボードのRover電源にセンサーを接続するだけで開始できます。

エクスプローラーパッケージ

基本的な屋内・屋外自律機能を実現。IPカメラの代わりに、IPアドレス経由でインターネット接続したスマートフォンのカメラを使用。

マッピングパッケージ

屋外走行時の基本的なGPSトラッキングを実現。リアルタイムで座標パスを確認できるのは非常に面白い機能です。

マニピュレーションパッケージ

ロボットアームと2フィンガー50mmグリッパーによる世界とのインタラクション。

重要なヒント：

全てのサーボが180度フル回転するわけではありません。多くは機械的な可動範囲が狭いです。テストコードを書いて機械的な限界を確認してください。servo.writeではなくservo.writeMicrosecondsを使うことを推奨します。1000〜2000を基本範囲として扱え、多くのサーボは600〜2400まで対応しています。

様々な値を試し、ブザー音（リミット到達音）が鳴るポイントを見つけてください。その範囲内でのみ制御するようにコードを書きます。servo.attach(pin, min, max)で制限を設定することも可能です。

補足：servo.attachでmin/maxマイクロ秒を設定すれば、そのままservo.write（0-180度をマイクロ秒にマッピング）が使えます。

エンドストップで保持し続けると大電流が流れ、急速に発熱してサーボを「焼き切る」原因になります。真の可動範囲を見つけ、コード側でエンドストップを超えないよう制限してください。Arduinoのconstrain()関数が便利です：

servo.write(constrain(angle, 10, 160)); // 角度を10〜160度に制限

カスタムパーツとエンクロージャ

m1rover_dxf_hackaday_4o7WTGHUGE.dxf

回路図