第 31 章　プロジェクト A：ライントレースカーを作る¶

本書の 卒業課題 です。これまで学んだすべての章 — 第 1 章の安全意識、Part II-IV の電気技術、Part V-VII の機械技術、Part III と Part VI のワークフロー — を 1 台のロボットに統合 します。

ここまで独立して学んできた要素が、「床に引いた黒い線に沿って自律走行する車」という 1 つの動くモノに結実します。完走したときに「自分で動くロボットを作れた」という成果が手元に残るのが、本書のゴールです。

この章で壊しやすいもの（統合ならではのリスク）

モータドライバ IC（電源分離忘れ・突入電流 → 第 4 章 §5、第 13 章 §3）
反射型フォトセンサ（電流制限抵抗ミス → 第 10 章 §4 と同じ考え方）
電池（過放電による性能劣化 → 第 4 章 §2）
車輪の空回り（イモねじの当て方ミス → 第 27 章 §4）
重心の転倒（電池を上に載せる配置 → 第 29 章 §3）

1. 完成イメージとブロック図¶

1.1 作るもの¶

大きさ：手のひらに乗るサイズ（約 180 × 140 × 60 mm、重量 200 g 前後）
走行方式：左右独立駆動の 2 輪差動駆動（後輪 2 + 前輪ボール 1 の 3 点接地）
ライン検出：反射型フォトセンサ 2 個で床面の黒白を検知
制御：比例制御（P 制御） で、ラインからのズレ量に応じてモータ速度を補正
電源：単 3 × 4 本（6 V）で自走。マイコンは USB 給電（調整時）→ 単独走行時は同じ電池から 5V LDO 経由で給電

1.2 システム構成¶

ライントレースカーの全体ブロック図

2. 設計フェーズ（第 5 章と第 21 章の統合）¶

2.1 電気要件（第 5 章 §2 の 4 分類）¶

分類	内容
入力	反射型フォトセンサ 2 個（アナログ出力、A0/A1）
出力	DC モータ 2 個（モータドライバ経由で PWM）
通信	なし（単独動作）
電源	単 3 × 4 本（6V）をモータ用。ロジックは 5V LDO 経由 or USB

2.2 機械要件（第 21 章 §2 の 5 分類）¶

項目	内容
可動部	左右車輪の独立駆動（2 輪）+ 前方ボールキャスター
搭載物	Arduino Uno、DRV8835、モータ 2、センサ 2、電池 4 本 = 合計約 200 g
外形	180 × 140 × 60 mm 以内
環境	室内フロア（硬い板、黒テープで引いた線）
耐久	デモ用途、1 日数回走らせる程度

2.3 BOM（第 5 章 §5、第 21 章 §6 の統合）¶

カテゴリ	型番	入手先	数量	小計
マイコン	Arduino Uno R3（公式品）	Switch Science	1	3,300 円
モータドライバ	DRV8835 モジュール	Switch Science / Pololu	1	650 円
DC モータ	FA-130 相当 + ギアボックス	タミヤツインモーターギアボックス	1	1,200 円
車輪	タミヤトラック&ホイールセット	タミヤ	1	700 円
反射型センサ	TCRT5000 ブレークアウトモジュール	Amazon（中華、数個セット）	2	600 円
電池ボックス	単 3 × 4 本、スイッチ付き	秋月	1	150 円
電池	単 3 アルカリ × 4 本	100 円ショップ	1	200 円
ブレッドボード	EIC-801	秋月	1	350 円
ジャンパワイヤ	オス-オス・オス-メス	Amazon	1 セット	500 円
抵抗	330 Ω（センサ LED 用）、10 kΩ（プルアップ）	秋月（セット品から）	各数本	—
5V LDO（自立走行用）	AMS1117-5 モジュール	秋月 or Amazon	1	200 円
シャシー材料	アクリル板 3 mm、180 × 140 mm	レーザーカット外注	1	800 円
モータマウント	3D プリント（PLA）	自家プリント or 外注	1 式	500 円
ねじ・ナット類	M3 × 8、M3 ナット、M3 スペーサ	秋月／モノタロウ	各数個	400 円
合計（目安）				約 9,550 円

タミヤのキットで機械部品を省略できる

タミヤの 「カムプログラムロボット工作セット」 や 「ライントレーサー工作セット」 を買うと、シャシー・モータ・車輪・ボールキャスターが一式揃います。「機械設計からやりたい」読者は本書の設計フェーズで自作、「電気と制御に集中したい」読者はタミヤキットのシャシーを流用、と選べます。

3. 機械の製作・組立（Part VI の流れ）¶

3.1 シャシーのレイアウト¶

底板（180 × 140 mm アクリル）に以下を配置:

前方（端から 20 mm）：TCRT5000 センサ 2 個を左右に並べる（中心間距離 30 mm）
中央：Arduino Uno と DRV8835 を重ねて配置
後方（端から 40 mm）：モータ 2 個と車輪、その後ろに電池ボックス
前方中央下面：ボールキャスター（車体を 3 点で支える）

重心を低く（第 29 章 §4）保つため、電池は底板直上に配置。マイコンは中層、センサは底板前方の裏面に取り付けます。

3.2 製作手順（第 22 章）¶

底板をレーザーカット外注（DXF データ作成 → 業者発注 → 3〜7 日で納品）
モータマウントを 3D プリント（積層方向は底板と平行になる向きで PLA、壁 3 周、充填 30%）
ねじ穴・センサ穴のバリ取り（カッター or ヤスリ）

3.3 組立前チェック（第 23 章）¶

BOM 突き合わせ（ねじの長さ M3 × 8 と M3 × 10 を混同していないか）
底板の寸法をノギスで実測（レーザーカット品、±0.2 mm 以内）
モータマウントと底板のねじ穴が揃う
車輪がモータ軸に入る（D カット軸 + イモねじで固定、第 27 章）

3.4 組立（第 24 章）¶

順序：

センサを底板裏面に取り付け（配線は底板の穴を通して上面に出す）
モータを 3D プリントマウントに固定、マウントごと底板に取り付け
車輪をモータ軸に装着（D カット面にイモねじ先端が当たる向き、第 27 章 §4）
前方ボールキャスターを取り付け（底板裏面、前方中央）
Arduino とブレッドボードを底板中央に固定（M3 スペーサー）
電池ボックスを底板後方に配置（両面テープ or ねじ）
手で各車輪を回してみる（スムーズに回る、引っかかりなし）

4. 電気の組立（第 6 章 + 第 13 章の実装）¶

4.1 配線（DRV8835 の IN/IN モード、MODE ピンを GND）¶

【ロジック系】
Arduino 5V ─┬─ DRV8835 V_CC
            ├─ TCRT5000(L) VCC
            └─ TCRT5000(R) VCC

Arduino D5 ── DRV8835 AIN1（左モータ PWM）
Arduino D6 ── DRV8835 AIN2（左モータ方向）
Arduino D9 ── DRV8835 BIN1（右モータ PWM）
Arduino D8 ── DRV8835 BIN2（右モータ方向）

Arduino A0 ── TCRT5000(L) OUT
Arduino A1 ── TCRT5000(R) OUT

DRV8835 MODE ── GND（IN/IN モード）

【モータ系・別電源】
電池ボックス V+ ── DRV8835 V_M
DRV8835 AOUT1, AOUT2 ── 左モータの 2 端子
DRV8835 BOUT1, BOUT2 ── 右モータの 2 端子

【GND 共通】
Arduino GND ─┬─ DRV8835 GND（ロジック側）
             ├─ TCRT5000(L) GND
             ├─ TCRT5000(R) GND
             └─ 電池ボックス GND

4.2 配線の色分け（第 6 章 §4）¶

赤：5V（ロジック）
オレンジ or 濃い赤：6V（モータ電源）
黒：GND
黄：PWM / 方向信号
緑：センサ信号

5. テスト前・テスト中チェック（第 7 章 + 第 8 章）¶

5.1 電源投入前（第 7 章 (A)〜(E) 全項目）¶

(A) 配線シートと実機の目視照合
(B) VCC-GND 間ショートチェック：Arduino 5V ⇔ GND、電池 V+ ⇔ GND、各 IC の VCC ⇔ GND、すべて鳴らない
(C) ロジック電圧一致：全部品が 5V レール上にある（3.3V センサは未使用）
(D) 電源分離：Arduino VCC（USB）と電池 V+ が 非導通、GND 同士が導通（第 4 章 §5 の V 分離／GND 共通）
(E) 極性：センサの LED、電解コンデンサ（使う場合）、ダイオードの向き

5.2 電源投入後（第 8 章）¶

投入直後 2 秒：煙・焦げ臭・音なし
2〜10 秒：VCC 5V ±5%、Arduino の電源 LED 点灯
10〜30 秒：モータドライバ・モータ温度 OK（触って 10 秒耐えられる）
30 秒〜1 分：Arduino IDE でスケッチ書き込み成功、シリアルモニタ出力

6. ソフトウェア：段階的に実装¶

6.1 ステップ 1：センサ読み取りだけ¶

まず、走らせずに センサが線を検知しているかを確認 します。

const int LEFT_SENSOR = A0;
const int RIGHT_SENSOR = A1;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LEFT_SENSOR, INPUT);
  pinMode(RIGHT_SENSOR, INPUT);
}

void loop() {
  int left = analogRead(LEFT_SENSOR);
  int right = analogRead(RIGHT_SENSOR);
  Serial.print("L=");
  Serial.print(left);
  Serial.print("  R=");
  Serial.println(right);
  delay(200);
}

期待される動作：

センサを 白い紙 の上にかざす → 値が小さい（反射が多い → トランジスタが ON → A0 電圧が低い、100〜300）
センサを 黒い線 の上にかざす → 値が大きい（反射が少ない → トランジスタが OFF → A0 電圧が高い、700〜950）
値の差が 300 以上あれば検知 OK

センサのバラツキを見て、しきい値（例：白黒の中間値 500）を決めます。

6.2 ステップ 2：モータの直進テスト¶

センサを無視して、両モータを同じ PWM で回して 直進するか を確認します。

const int AIN1 = 5;   // 左 PWM
const int AIN2 = 6;   // 左 方向
const int BIN1 = 9;   // 右 PWM
const int BIN2 = 8;   // 右 方向

const int BASE_SPEED = 130;   // 0-255

void setMotor(int pwm_pin, int dir_pin, int speed) {
  if (speed >= 0) {
    analogWrite(pwm_pin, speed);
    digitalWrite(dir_pin, LOW);
  } else {
    analogWrite(pwm_pin, -speed);
    digitalWrite(dir_pin, HIGH);
  }
}

void setup() {
  pinMode(AIN1, OUTPUT); pinMode(AIN2, OUTPUT);
  pinMode(BIN1, OUTPUT); pinMode(BIN2, OUTPUT);
  delay(2000);   // 起動後 2 秒待機（いきなり動き出さない）
}

void loop() {
  setMotor(AIN1, AIN2, BASE_SPEED);    // 左 前進
  setMotor(BIN1, BIN2, BASE_SPEED);    // 右 前進
}

期待される動作：

両輪が同じ速度で回り、車体が直進する
曲がってしまう場合 → 左右のモータ特性差、車輪径の差、または左右非対称の重量バランス
- 左右の PWM 値を微調整（例：左 130、右 125）
- または第 25 章 §4.2 の「直進させているつもりが曲がる」で切り分け

6.3 ステップ 3：ON/OFF 制御（単純な方式）¶

センサの片方が線に乗ったら、その側を減速して曲げる単純なロジック。

const int THRESHOLD = 500;   // 白黒の中間値

void loop() {
  int left = analogRead(LEFT_SENSOR);
  int right = analogRead(RIGHT_SENSOR);
  bool leftOnLine = left > THRESHOLD;
  bool rightOnLine = right > THRESHOLD;

  if (leftOnLine && rightOnLine) {
    // 両方が線上 → 直進（交差点 or 線の上）
    setMotor(AIN1, AIN2, BASE_SPEED);
    setMotor(BIN1, BIN2, BASE_SPEED);
  } else if (leftOnLine) {
    // 左が線上 → 左に曲がる
    setMotor(AIN1, AIN2, 0);
    setMotor(BIN1, BIN2, BASE_SPEED);
  } else if (rightOnLine) {
    // 右が線上 → 右に曲がる
    setMotor(AIN1, AIN2, BASE_SPEED);
    setMotor(BIN1, BIN2, 0);
  } else {
    // どちらも白 → 直進
    setMotor(AIN1, AIN2, BASE_SPEED);
    setMotor(BIN1, BIN2, BASE_SPEED);
  }
  delay(10);
}

期待される動作：

ゆっくりしたライン（半径 200 mm 以上のカーブ）なら追従する
急カーブで 線から外れて戻ってくるのを繰り返す（ジグザグ走行）→ P 制御へ

6.4 ステップ 4：P 制御で滑らか走行¶

ON/OFF の「線から外れるまで真っ直ぐ、外れたら 90 度曲がる」をやめて、ズレ量に比例した補正 を加えます。

P 制御のフロー

const int BASE_SPEED = 120;   // 基準速度
const int Kp = 40;            // 比例ゲイン（要調整、最初は 40 前後）

void loop() {
  int left = analogRead(LEFT_SENSOR);
  int right = analogRead(RIGHT_SENSOR);

  // 誤差：ライン上の位置ズレ
  //   両方 白（line なし）→ error = 0
  //   左が黒 右が白 → error = 負（= 車体が右にズレている）
  //   右が黒 左が白 → error = 正（= 車体が左にズレている）
  int error = right - left;

  // 比例補正（Kp を掛けて、255 を超えないように調整）
  int adjust = (Kp * error) / 100;

  int leftSpeed = BASE_SPEED + adjust;   // 左にズレたら左を速く
  int rightSpeed = BASE_SPEED - adjust;

  // 飽和させる
  leftSpeed = constrain(leftSpeed, 0, 255);
  rightSpeed = constrain(rightSpeed, 0, 255);

  setMotor(AIN1, AIN2, leftSpeed);
  setMotor(BIN1, BIN2, rightSpeed);

  delay(5);
}

7. 調整：ゲインとしきい値¶

7.1 Kp の調整¶

Kp が小さすぎる（10〜20）：反応が鈍く、急カーブで線から外れる
Kp がちょうど良い（30〜60）：滑らかに線を追従
Kp が大きすぎる（100 以上）：ジグザグに振動しながら走る（オーバーシュート）

Kp を 小さい値から徐々に上げて、「線を外れなくなる最小のゲイン」を探します。

7.2 BASE_SPEED の調整¶

速すぎる（200 以上）：急カーブで慣性に負けて外れる → 速度を下げる or Kp を上げる
遅すぎる（80 以下）：デッドバンドで回らない → BASE_SPEED を 100 以上に

7.3 センサしきい値の調整¶

走行する床面の色で値が変わります。走行前に §6.1 のコードで毎回確認 し、その場の THRESHOLD を決めると安定します。

7.4 ライン幅¶

ライン幅 10〜20 mm が扱いやすい
センサ間距離（30 mm）と同じくらいのラインが最も追従性が良い

8. トラブルシュート（よくある失敗）¶

モータが全く回らない

電池残量を確認（新品でも 5V 以下に落ちていないか）
DRV8835 の MODE ピンが GND に繋がっているか（IN/IN モード）
モータ単体を電池に直接繋いで回るか確認（第 25 章 §3 駆動系分離テスト）

モータは回るが線に追従しない

センサ値の確認（§6.1 のコード）で白黒の差が 300 以上出ているか
しきい値 THRESHOLD を白黒の中間に設定したか
センサを 床面から 3〜5 mm の位置に取り付けているか（離れすぎると反射が弱まる）

線の上をジグザグに走る

Kp が大きすぎる → 半分に下げる
BASE_SPEED が速すぎる → 20 ほど下げる
センサ間距離が ライン幅より狭すぎる → センサ間を広げる

直進させているつもりが曲がる

左右のモータ特性差、車輪径の差、重量バランス → 第 25 章 §4.2
左右 PWM 値のオフセット補正で暫定対処

モータ駆動中にマイコンがリセットする

ブラウンアウト（第 4 章 §7）
電池分離（ロジック用 USB、モータ用電池）で解決
自立走行させるなら 5V LDO で電池から安定した 5V を作る

センサが全部同じ値しか返さない

TCRT5000 の LED 側（VCC + 電流制限抵抗 330 Ω） が正しく配線されているか
照明条件（強い蛍光灯下だと床の反射が変わる）
センサモジュールの配線順（VCC / GND / OUT の順序、モジュールで違う）

走行中に電池が急に切れる

モータ用電池（アルカリ）は 30 分程度で電圧が下がる → エネループ（Ni-MH）に変更
長時間運用ならリポ 2S（7.4V）+ 降圧 DCDC で 6V を作る（第 4 章 §4）

ラインが床に見えない／反応しない

黒マスキングテープの色が薄い（暗い灰色だとセンサが見分けない）→ 純黒の「電工用ビニルテープ」 が最も確実
床が模様入り → 無地の紙 or 白ボードの上にラインを引く
光沢のあるフローリング → センサ前面の LED が鏡面反射で飽和 → 走行面に紙を敷く

自分の影がラインセンサに写って誤検知

直上の蛍光灯と自分の立ち位置の関係で、ロボットの上に影が落ちてセンサが黒と誤認 → 急に曲がる・止まる。デモ時は 照明条件を一定に、または センサに遮光フード を 3D プリントで被せる。

モータを左右逆に配線していて、進みたいのに後退する

「前進のつもり」でスケッチ書いたが、実機は 逆に回って後退。配線を入れ替えるか、setMotor(BIN1, BIN2, -speed) のように符号を反転。最初のテストで確認すべき最初の項目。

センサの左右を入れ違えて配線した

LEFT_SENSOR = A0 だけど、A0 には物理的に右のセンサが繋がっている → ラインのズレ方向と補正方向が一致せず、ロボットがラインから遠ざかる（発散）。走行前に「左のセンサを手で隠して値の変化」を確認。

走行テスト中に机から落下

テーブルの端を認識しないので普通に落ちます。床でテスト するか、テーブルの端にブロック を置いて堤防にする。落下破損の修理は手間がかかるので、最初から床で走らせる。

Kp を調整している間に記憶が飛んで最適値を忘れる

「動いてる動いてる、次は Kp=50 か…、あれ、Kp=30 のときのほうが良かった気がする、値どこだっけ」あるある。試行ごとに Kp と感想を紙 or スマホメモに記録 する。5 回試したら最良の 2 つを絞ってさらに試す。

Arduino IDE を閉じたらスケッチが消えた

スケッチは ファイルとして保存されている はずだが、名前なしスケッチ（untitled）は IDE を閉じると消える。作業開始前に一度 Ctrl+S で名前を付けて保存。作業ごとにプロジェクトフォルダを分けると後日追跡できる。

充電式電池の電圧が公称より低くてドライバが動かない

Ni-MH（エネループ）は 1.2 V × 4 本 = 4.8 V（アルカリの 1.5 × 4 = 6.0 V より低い）。DRV8835 の V_M 最低 2 V は満たすが、モータのトルクは弱くなる。床のグリップが悪いと進まないこともある。Ni-MH × 6 本（7.2 V）に増やす選択肢。

ライン幅が広すぎて両センサが常に黒を読む

幅 40 mm 以上のラインだと、センサ間距離 30 mm では 両方が同時に黒に乗る → 誤差ゼロで直進するだけ。カーブに気付かず直進して外れる。ライン幅は 10〜20 mm が基本。

モータドライバ DRV8835 の MODE ピンを GND に繋ぎ忘れた

MODE ピンがオープン（浮き）のとき、DRV8835 の挙動は不定。必ず GND に繋ぐ（IN/IN モード）か VCC に繋ぐ（PHASE/ENABLE モード）。忘れると「動いたり止まったり」「正転しかしない」等の症状。

デモ当日にプログラムが書き込めない

Arduino IDE のドライバが更新でリセットされた → 再インストール
USB ケーブルが現場で見当たらない → 予備を常に持参
デモ前日にすべて動作確認、本番用 USB ケーブルも確認。本番で「あれ？」が最大の恥ずかしさ

9. 発展課題¶

本書の範囲を超える、次のステップ:

9.1 PID 制御¶

P 制御に I（積分）と D（微分）を加えると、定常偏差の解消と振動の抑制ができます。ライブラリ：PID_v1（Arduino 定番）。

9.2 エンコーダ追加¶

モータ軸にエンコーダを付けて、車輪の回転数をフィードバック することで、PWM Duty ではなく「車輪速度」を直接制御できます。モータドライバ入れ替えは最小限で済みます。

9.3 複数センサ化¶

センサを 3〜5 個に増やして、ライン中央からのズレ量を細かく検出。アナログ値の重み付けで「位置誤差」をより正確に測れます。

9.4 無線制御の追加¶

ESP32 や Raspberry Pi Pico W に載せ替えて、スマートフォンや PC から Wi-Fi 経由で起動／停止 できるようにする。

9.5 交差点の識別¶

T 字路・十字路を検出して、進む方向を事前プログラムで指示するライントレーサー競技向けの応用。

10. 卒業の言葉¶

本書を通じて、あなたは次のスキルを獲得しました:

電気の基礎：オームの法則、絶対最大定格、データシート読解（Part I-II）
電気のワークフロー：設計 → 組立 → テスト前 → テスト中 → デバッグ（Part III）
電気系部品の扱い：LED、スイッチ、トランジスタ／MOSFET、モータ、PWM、サーボ、センサ、ステッピング（Part IV）
機械の基礎：材料、工具、公差（Part V）
機械のワークフロー：設計 → 製作 → 組立前 → 組立 → デバッグ（Part VI）
機械系部品の扱い：筐体、駆動部、マウント、バランス、配線管理（Part VII）
AI エージェントとの協働：AI に任せる場所と、人間が判断する場所の切り分け

そして何より、「焼損事故を未然に防ぐ」 思考法 — NG 例をデータシート根拠で理解し、正しい設計へ繋げる — を身につけました。ここから先は、どんなロボットも 自分で設計できる 土台ができています。

次に作りたいロボットのアイデアを紙に書き出し、本書の設計フェーズ章（第 5 章・第 21 章）から、また始めてください。

This is the end of the tutorial. Good luck with your future robot projects!

第 31 章 プロジェクト A：ライントレースカーを作る¶

1. 完成イメージとブロック図¶

1.1 作るもの¶

1.2 システム構成¶

2. 設計フェーズ（第 5 章 と 第 21 章 の統合）¶

2.1 電気要件（第 5 章 §2 の 4 分類）¶

2.2 機械要件（第 21 章 §2 の 5 分類）¶

2.3 BOM（第 5 章 §5、第 21 章 §6 の統合）¶

3. 機械の製作・組立（Part VI の流れ）¶

3.1 シャシーのレイアウト¶

3.2 製作手順（第 22 章）¶

3.3 組立前チェック（第 23 章）¶

3.4 組立（第 24 章）¶

4. 電気の組立（第 6 章 + 第 13 章 の実装）¶

4.1 配線（DRV8835 の IN/IN モード、MODE ピンを GND）¶

4.2 配線の色分け（第 6 章 §4）¶

5. テスト前・テスト中チェック（第 7 章 + 第 8 章）¶

5.1 電源投入前（第 7 章 (A)〜(E) 全項目）¶

5.2 電源投入後（第 8 章）¶

6. ソフトウェア：段階的に実装¶

6.1 ステップ 1：センサ読み取りだけ¶

6.2 ステップ 2：モータの直進テスト¶

6.3 ステップ 3：ON/OFF 制御（単純な方式）¶

6.4 ステップ 4：P 制御で滑らか走行¶

7. 調整：ゲインとしきい値¶

7.1 Kp の調整¶

7.2 BASE_SPEED の調整¶

7.3 センサしきい値の調整¶

7.4 ライン幅¶

8. トラブルシュート（よくある失敗）¶

9. 発展課題¶

9.1 PID 制御¶

9.2 エンコーダ追加¶

9.3 複数センサ化¶

9.4 無線制御の追加¶

9.5 交差点の識別¶

10. 卒業の言葉¶

第 31 章　プロジェクト A：ライントレースカーを作る¶

2. 設計フェーズ（第 5 章と第 21 章の統合）¶

4. 電気の組立（第 6 章 + 第 13 章の実装）¶