5 実験方法

ここでは，実験の手順を述べる．機器の動作やプログラムの詳細については， pp.

に記述している．

5.1 車体の製作

2枚のユニバーサルプレートを車のシャーシにして，ギヤボックスやキャスター，タイア，センサーなどを図8のように取り付け車体を製作する．最初に製作するライントレースカーはここで示す基本モデルとする．基本モデルの動作を確認の後，ライントレースカーレース(秋田高専グランプリ) で勝つことを目指して，高速モデルにチャレンジすることになる．

ギヤボックスは，高速ギヤボックスと低速ギヤボックスの2種類用意している．基本モデルでは，低速ギヤボックスを使うこと．低速ギヤボックスは，'C'のマークの部分に回転軸がある．一方，高速ギヤボックスは'A'である．

車体製作時の注意を次に列挙するので，厳守すること．

低速ギアボックスを使うこと．
部品をきちんと固定すること．
図8に示すねじ²を用いて，機械部品を固定する．その際，ワッシャー(座金)を必ず取り付けること．これが無いと，穴から外れる場合もあるし，シャーシなどを傷つけることもある．

**図 8:** ライントレースカーの基本モデルの構造
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.9]{figure/assembly.eps}$

5.2 回路作成

5.2.1 ブレッドボー上のH8のピン配置

まず初めに，図8や図9のようにブレッドボード上にH8マイコンを取り付ける．取り付けの際，方向を確認すること．このとき，JP1をジャンパーピンでショートさせること．これ以降，この実験ではこのJP1のジャンパーピンを取り外してはならない．もし，このジャンパーピンを取り外して9[ $\mathrm{V}$ ] を印可すると，マイコンが破壊される．

図9にH8マイコンボードのピン番号を示す．H8マイコンボードの下側の電極はブレッドボードに差し込まれるので，それに接続されているブレッドボードの穴を通して配線を行う．H8マイコンボードの上側の電極は，直接，配線材を接続する．

**図 9:** ブレッドボード上でのH8のピン番号
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.78]{figure/H8_on_bread_bord.eps}$

5.2.2 制御回路

5.2.2.1 概要

図11にライントレースカーの電気回路を示す．主な回路は，ラインを探すセンサー部とその表示(LED)部，H8マイコン，モーター駆動部である．すべのの回路はジャンパー線により接続され，その中心にH8マイコンがある．全ての制御信号は H8マイコンと入出力され，ライントレースカーの制御が行われる．H8マイコンの入出力の電極については，p.

の付録 A.1 「H8マイコン」に詳しく記述している．

センサー部のフォトトランジスターの出力はアナログなので，インバーター³(74HC04AP)で信号の出力を二値化--0と2.4[ $\mathrm{V}$ ]に--している．この二値化した信号をH8マイコンのAD変換器で読み取っている．AD変換器で読み取るため，二値化しなくても制御は可能である．ここでは，センサーの推奨回路にしたがい，インバーターを使った．センサーの動作の詳細については，p.の付録 A.2「赤外線センサー」に記述している．

DCモーターの制御には Pulse Width Modulation(PWM)を使っている．PWMではある周期-- ここでは30.5[ $\mathrm{Hz}$ ]--で，モーターのON/OFFを繰り返す．ONとOFF時間の比を変えることにより，モーターに流れる平均電流を制御する．これにより，モーターの回転数を変化させることができる．センサーの情報に応じて，左右のモーターの速度を変化させることにより，ライントレースカーの方向制御を行っている．モーターの構造とPWM制御については，p.の付録A.3「DCモーターとPWM 制御」にもう少し詳しく記述している．

モーターのスイッチングには，ダーリントン接続⁴したトランジスターを用いている．トランジスターひとつでは増幅率が不足しているからである．ここで使うトランジスターひとつの増幅率は100倍程度であるが，モーターを駆動するためには200倍程度の増幅率が必要となる．H8マイコンからの出力の電流は最大でも1[ $\mathrm{mA}$ ]程度で，DCモーターでは 200[ $\mathrm{mA}$ ]程度の電流が必要で，200倍程度の増幅率となる．トランジスターの動作については，p.の付録A.4「トランジスター」に更に詳しく説明している．

モーター電極の両端には，フライホイールダイオードを接続している．このようにすることにより，PWMのOFF時にコイルに発生する逆起電力による悪影響を防止するとともに，それをモーターの回転エネルギーに変えている．動作の内容については，p.の付録A.5「ダイオード」に更に詳しく説明している．

5.2.2.2 回路製作

ここでは，ライントレースカーの電気回路(図11)を作成する． p.

の図8を参考に，H8マイコンやLED，半導体部品などを接続すること．以下，注意点を列挙しておく．

回路を作成しているとき，部品の破損を防ぐために電源を接続していはならない．意図しない電流が素子に流れることがあるからである．
初めに，ブレッドボード上に電源とアースのラインを作成する．まだ，電源を接続しない．
ブレッドボード上に必要な部品を取り付け，配線材(ジャンパー線)で接続する．
- 配線材の先端を曲げてはならない．
- 配線材は，まっすぐ真上から差し込むこと．
センサーやモーターの配線をを行う．回転部品に巻き込まないように配線すること．
抵抗はカラーコード(図10を参照)を読み，テスターでチェックした後，接続すること．
回路が完成したならば，極性および接続に間違いの無いことをチェックする．

**図 10:** 抵抗のカラーコードの読み方
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/resistor_color_code.eps}$

**図 11:** ライントレースカーの回路
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.8]{figure/electric_circuit.eps}$

5.3 ハードウェアーの確認

全ての部品を組み付け，回路ができあがったならば，以下のことを確認すること．

部品がきっちりと固定されていることを確認すること．ねじなどがゆるんでいる場合は，締め直すこと．
センサーの高さが，3～5[ $\mathrm{mm}$ ]であることを確認すること．センサーの焦点距離は4[ $\mathrm{mm}$ ]であり，大きく外れると感度が低下する．
タイアが回転した場合，電線を巻き込まないように配線ができているか?--確認すること．
図11の通りに，回路が構成されていることを確認すること．以下の項目を確認し，回路図にチェックマークを記入すること．
- 回路の配線の経路を確認する．
- グランドが共通となっている--ことを確認する．
- H8マイコンのJP1のジャンパーピンが接続されている--ことを確認する．．
- トランジスターの型番と接続方法が正しい--ことを確認する．
- カラーコード(p.の図 10)を見て，全ての抵抗の値を確認する．
- LEDの接続と方向を確認する．
- ダイオードの接続と方向を確認する．
- インバーターの接続の接続を確認すする．
- H8マイコンの電極の接続を確認する．
- リセットスイッチの接続を確認する．
- センサーユニットの接続を確認する．

5.4 プログラム作成

ハードウェアーの確認が終われば，電気情報工学実験室でプログラムの作成を行う．

5.4.1 ソフトウェアーについて

この実験のプログラムは，Linuxのgccを使って開発する．gccは統合開発環境ではないため，プログラム開発は原始的な部分⁵から作成しなくてはならない．原始的な部分からプログラムを開発すると大変ではあるが，コンピューターに関する多くの知識が得られる．

この実験では原始的な部分に触れないが，勉強は可能である．この実験で使う全てのプログラムを，pp.-の付録B に載せておく．また，私のWEBページ「H8プログラム開発(Linux C言語編)」でも記述している．このような原始的なプログラムに，興味があれば参考文献 []から読みはじめればよいだろう．

この実験で必要な原始的な部分のプログラム(付録B)は全て，実験実習のWEBページからからダウンロードして使う．これらのプログラムの中身を全て理解できれば，一人前である．興味のある者はこれを理解するよう努力せよ．コンピューターの仕組みがよくわかるようになる．

5.4.2 制御プログラムの作成と転送

ライントレースカーレース(秋田高専グランプリ)に向けて高速化の工夫を行う前に，確実に動作するプログラムで，マイコンの動産の確認を行う．

5.4.2.1 注意事項

プログラム作成に先立って，以下の注意事項を読み，厳守すること．

H8マイコンへのプログラム転送の手順を間違えないこと．
プログラムが暴走したら，[Ctrl]に続けて[c]を押すことにより，強制終了させる．

5.4.2.2 プログラムの作成

プログラム作成にはLinuxを用いる．電気情報工学実験室のパソコンには，H8マイコンを開発するためのプログラム類がインストールされている．

以下の順序に従い，もっとも基本的なプログラムを作成せよ．

D-SUBコネクターを使って，パソコンとライントレースカーを接続する．ただし，この状態では，ライントレースカーの電源(2.4[ $\mathrm{V}$ ]と9[ $\mathrm{V}$ ])はOFFにしておく．
パソコンの電源をONにして，Linuxを立ち上げる．
プログラムのソースファイルを保存するディレクトリーを作成する．ディレクトリー名は，全てアルファベットで記述すること．

プログラムに必要な以下のファイルを実験実習のWEBページからダウンロードし，先ほど作成したディレクトリーに保存する．

	`Makefile`	コンパイルの方法やH8への転送方法を記述している．
	`3664.h`	主にレジスターのアドレスを記述している．
	`h8c.c`	ライントレースカー用の関数．
	`h8c.h`	ライントレースカー用の関数のヘッダーファイル．
	`h8_starts.s`	スタートアップルーチン．
	`h8_link.x`	リンクの方法を記述しているリンカースクリプト．

ファイル名や拡張子を変えてはならない．Makefileをダウンロードするときに余分な拡張子--.htmや.html-- が付くことがあるので，取り除くこと．

リスト1のとおりH8マイコンのプログラムを作成する．作成したファイルは，先ほどダウンロードしたファイルと同じディレクトリーに保存すること．
- ファイル名は，「experiment.c」とする．
- コメント文は，記述しなくてもよい．
- ダウンロードしたファイルは，変更してはならない．
コンパイルする．コマンドは，「make」である．
makeの結果，できあがったプログラムをH8マイコンへ転送する．
1. H8マイコン基板のJP2とJP3をジャンパーピンでショートする．JP1は常にショートしておくこと．
2. 回路に9[ $\mathrm{V}$ ]を供給する．9[ $\mathrm{V}$ ]電池をブレッドボードに接続する．
3. コマンド「make write」をタイプし，プログラムを転送する．転送がはじまると，「H8/3664F is ready! 2001/2/1 Yukio Mituiwa.」と表示される．もし失敗したならば，[Ctrl]と[c]を押して，プログラムを止める．
4. 転送には，20秒くらい必要である．「EEPROM Writing is successed.」 と表示されるまで待つ．

   1 #include "h8_3664.h"
   2 #include "h8c.h"
   3 
   4 int main()
   5 {
   6   init_led();
   7   init_pwm();
   8   init_ADC();
   9 
  10   duty_pwm(0,0);  // PWMの初期値
  11   start_pwm();    // PWM信号出力の開始
  12 
  13 
  14   while(1){
  15     ADC();        // AD変換器でセンサーデータ取得
  16 
  17     //---- LEDの発光 -----
  18     PDR5=((0x01*ch1+0x02*ch2+0x04*ch3+0x08*ch4) & 0x3f) | (PDR5 & 0xc0);
  19 
  20     //---- DCモーターの制御 -----
  21     if(ch2==1 && ch3==0) duty_pwm(0,100);
  22     if(ch2==1 && ch3==1) duty_pwm(100,100);
  23     if(ch2==0 && ch3==1) duty_pwm(100,0);
  24 
  25   }
  26 
  27 }

5.5 実行

まずは，転送したプログラムを実行させて，ライントレースカーの動作を確認する．動作確認の順序は，以下の通り．

マイコンに電力を供給している9[ $\mathrm{V}$ ]の電池をOFFにする．ブレッドボードから9[ $\mathrm{V}$ ]のジャンパー線を引き抜く．
H8マイコン基板のJP2とJP3のジャンパーピンを取り外し，オープンにする．決して，JP1を取り外してはならない．
ブレッドボードに，モーターおよび赤外線センサー駆動用のニッケル水素電池2本の2.4[ $\mathrm{V}$ ]を供給する．
マイコンに9[ $\mathrm{V}$ ]の電池をONにする．ブレッドボードから9[ $\mathrm{V}$ ]電池のジャンパー線を取り付ける．
すると，プログラムが実行される．
プログラムを最初から実行させたければ，RESスイッチを押す．

次に，練習用あるいはグランプリ用のサーキットにライントレースカーを持ち込んで，ちゃんと黒線上をトレースすることを確認する．ライントレースができることが確認できれば，ハードウェアーは完成である．

5.6 改良

ライントレースカーを高速化するためには，ハードウェアーとソフトウェアーの改良が可能である．

5.6.1 ハードウェアーの改良

ギヤボックスやタイア，前輪はそれぞれ2種類用意している．基本モデルを改良するとき，これらの部品を上手に選定し，ライントレースカーの速度の向上を図ることができる．高速になった分，制御は難しくなるので，プログラムの改良も必要であろう．

高速化のためにモーター駆動用の電池の電圧を上げることは，禁止する．基本モデル同様に，単三型のニッケル水素電池2個を使用すること．電圧をあげることは，高速化には大変有効な方法である．しかし，他の半導体部品を損傷する可能性があるため，ここでは禁止する．

ギヤ比の小さい高速のギヤボックスが使用可能である．これを使うことにより，より高速にライントレースカーを動かすことができる．ただし，高速に動作する分，制御が格段に難しくなる．

タイアを変えることにより速度を変えることもできる．大小2種類のタイアを用意しているので，上手に選択せよ．

高速化のためには，4個のセンサーを上手に使う必要がある．ラインを探す赤外線センサーのユニットにはセンサーが5個組み込まれている．しかし，H8マイコンの入力は4個である⁶．この5個の内，どの4個を使うかは諸君の考え方次第である．また，基本プログラム (pのリスト1)では2個のセンサーのみで制御を行っている．多くのセンサーを制御に使えば，より高速にライントレースカーを動かすことができるであろう．

また，センサーやタイアの位置を変えることでも高速化ができるだろう．センサーやタイアの位置を変えて，もっとも制御しやすい位置を探すと良い．

5.6.2 ソフトウェアーの改良

制御方法を変えるだけでも，ライントレースカーは高速に動作する．諸君が制御できるのは，センサーの入力とDCモーターの速度，LEDの点灯である．

センサーの入力信号は，グローバル変数ch1～ch4に設定される．ch1～ ch4のそれぞれのグローバル変数は，H8マイコンボートのAN0～AN3の入力に対応する．もし，接続されているセンサーが白を検知したならば，グローバル変数の値は整数の0となる．黒ならば，整数の1になる．AD変換器を実行させる関数ADC()を呼び出したとき，これらのグローバル変数の値が設定される．

センサーの状態はLEDにより，観測することができる．センサーの状態を表すグローバル変数ch1～ch4の値を，レジスターPDR5に次のように設定する．

	PDR5=((0x01*ch1+0x02*ch2+0x04*ch3+0x08*ch4) & 0x3f) | (PDR5 & 0xc0);

すると，センサーが黒を感知した場合，LEDが点灯する．白の場合は消灯である．

ライントレースカーを制御するために，次の関数を用意している．いずれも，基本プログラム(p.のリスト1)に含まれているので，使い方は容易に分かるであろう．これらの関数の詳細を知りたければ， p.のリスト4を見よ．

void init_led(void): LED表示のための初期化関数．センサーの状態をLEDで表示させ得るために，最初に1度呼び出す必要がある．LEDはレジスターPDR5の下位4ビットを表示している．
void init_pwm(void): PWM出力のための初期化関数．PWM出力を使ってモーターを制御するときに，最初に1度呼び出す必要がある．
void duty_pwm(unsigned int b, unsigned int d): この関数を呼び出すと，H8マイコンから出力されるPWMのテューティ比を変えることができる．第一引数のbはFTIOB端子，第二引数のは FTIOD端子のディーティ比を決める．両方とも0～100の値の整数を引数とし，デューティ比[ $\mathrm{\%}$ ]を示す．引数の値が0の時にデューティ0[ $\mathrm{\%}$ ] となり，モータは停止する．100 とすれば，最高速度でモーターは回転する．この関数を使う前に，init_pwm()を事前に一度呼び出しておく必要がある．そして，この関数でデューティ比を設定した後， start_pwd()関数によりPWM信号が出力される．その後は，この関数によりデューティ比を変えれば，即座にPWM出力が変わる．
void start_pwm(void): モーターを制御するためのPWM信号を出力する．一度呼び出せば，デューティ比は，dugy_pwm()関数を呼び出す毎に変化させることができる．
void init_ADC(void): 赤外線センサー信号入力のための初期化関数．実際にはH8マイコンのAD変換器を設定して使用可能な状態にしている．赤外線センサーの信号処理のために，最初に1度呼び出す必要がある．
void ADC(void): 赤外線センサーの信号を取り込みを行う関数．この関数が呼び出される毎に，センサーの状態を表すグローバル変数ch1～ch4の状態が変化する．

もし，これらの命令で不足と感じたならば，新たに独自の関数を追加することも可能である．自信のある者はトライせよ．

5.7 秋田高専グランプリ

実験の最終日，ライントレースカーの競技大会「秋田高専グランプリ」を行う．そこでは，各自工夫したライントレースーを持ち寄り，レースを行う．レースは図 12のサーキットで行う．このサーキットを上手にトレースした車が勝者となる．

トレースする黒い線は，幅23[ $\mathrm{mm}$ ]である．センサーの間隔は，この線の幅を考えて設定している．

図: 秋田高専グランプリのサーキット．線幅は23[ $\mathrm{mm}$ ]である．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.9]{figure/grand_prix_circuit.eps}$

この競技の準備および運営も実験の一部である．グランプリのルールと各自の役割を決め，自主的にグランプリを運営することを求める．例えば次のような役割が必要であろう． -4pt

運営委員会
準備係
記録係
タイム測定係
その他

このようなプロジェクトを遂行ことは，エンジニアーの中心的な仕事の一つである．プロジェクトを企画し，それを実行することを学習する．
ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志

Yamamoto Masashi
平成19年12月27日