【mBotプログラミング例⑦】超音波センサーで障害物回避(Arduino編)

今回は、mBotプログラミングシリーズ(Arduino編)の第7回です。

この回では、mBotに搭載されている超音波センサーを使って、障害物を検知し、それを回避するプログラムを作成します。
障害物を検知して回避する動きは、ロボット工学や自動運転技術にも通じる重要なトピックです。ぜひ一緒に学んでいきましょう！

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目標
Arduinoプログラムファイルの作成
mBotの超音波センサーの基本
mBotの超音波センサーを使った障害物回避プログラム
まとめ

目標

超音波センサーの仕組みを理解する
超音波センサーの値を取得するプログラムを作る
障害物を検知して回避する動きをプログラミングする

Arduinoプログラムファイルの作成

ここでは、プログラムファイルをイチから作成していきます。
Arduino IDEを立ち上げ、ファイル -> 新規スケッチで真っ新なプロジェクトを用意しましょう。

事前にmBotのArduinoライブラリを導入しておいてください。
ライブラリの導入に関しては、次の記事を参考にしてください。

【mBot】Arduino IDEの導入～使用方法まで徹底解説！

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mBotの超音波センサーの基本

超音波センサーとは

超音波センサーは、mBotの目になっている部分で、音波を使って物体までの距離を測ることができます。
前方にある障害物の距離をセンチメートル単位で計測でき、測定範囲は3cm～400cm(4m)です。

右目の下に『T』、左目には『R』が記載されています。
これは、Transmitter(送信機)とReceiver(受信機)を意味しています。

超音波センサーの仕組みを次に示します。

送信機(T)から超音波を出す
何かに反射して超音波が跳ね返ってくる
受信機(R)で跳ね返ってきた超音波を受信する
送信から受信までの時間を測定し、距離を計算する

同じような仕組みで、コウモリやイルカは超音波を発して、その反射音から物の形や距離を測っています。

超音波センサーに関するAPI

APIとは

API（Application Programming Interface）は、ソフトウェアやハードウェアが外部のプログラムとやり取りをするためのインターフェース（接点）です。
簡単に言うと、『決められたルールに従って機能を利用するための仕組み』です。

mBotのArduinoライブラリを使用すると、mBotのモーター、LED、ブザー、センサーなどの各機能を簡単に利用できます。

mBotの超音波センサーを使用するためには、MeUltrasonicSensorクラスを利用します。
このクラスを使うことで、超音波センサーの距離データを簡単に取得できます。

超音波センサーの距離データの読み出しには、以下の関数を使用します。

MeUltrasonicSensor ultr(PORT_3);   // 超音波センサー用のインスタンス(オブジェクト)を作成する
int distance = ultr.distanceCm();  // 障害物までの距離の値を取得

APIを利用した簡単なプログラム

APIを用いて、次のような簡単なプログラムが作成できます。
超音波センサーの値を読み出して、読み出した値(距離)に応じたブザー音を出します。

#include <MeMCore.h>

MeUltrasonicSensor ultr(PORT_3);          // 超音波センサーのオブジェクトを作成
MeBuzzer buzzer;                          // ブザーのオブジェクトを作成

void setup() {}

void loop() {
  int distance = ultr.distanceCm();       // 超音波センサーの値をdistanceに格納する
  buzzer.tone(distance * 10 , 50);        // 超音波センサーの値の周波数を 50ms再生
}

Arduino IDEからmBotへ書き込みして、動作を確認してみましょう。

クラスとインスタンス（オブジェクト）について

このコードを理解するためには、「クラス」と「インスタンス（オブジェクト）」の概念を知ることが重要です。

クラスとインスタンス（オブジェクト）については、こちらで説明しています。

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MeUltrasonicSensorとは？

MeUltrasonicSensorは、mBotの超音波センサーを制御するためのクラスです。
このクラスは、Makeblockのライブラリ(MeUltrasonicSensor.h)に含まれており、mBotの超音波センサーの値を読み出すことができます。

class MeUltrasonicSensor : public MePort
{
public:
  MeUltrasonicSensor(void);
  MeUltrasonicSensor(uint8_t port);
  void setpin(uint8_t SignalPin);
  double distanceCm(uint16_t = 400);
  double distanceInch(uint16_t = 180);
  long measure(unsigned long = 30000);
private:
  volatile uint8_t  _SignalPin;
  volatile bool _measureFlag;
  volatile long _lastEnterTime;
  volatile float _measureValue;
};

ultr(PORT_3)とは？

MeUltrasonicSensor ultr(PORT_3);

このコードは、mBotの超音波センサーを制御するためのインスタンス（オブジェクト）を作成しています。

MeUltrasonicSensorはクラス(設計図)
ultr(PORT_3)はそのクラスから作られたインスタンス(オブジェクト)
- PORT_3はmBotの超音波センサーが接続されるポート

MeUltrasonicSensor ultr(PORT_3);    // 超音波センサーを制御するインスタンス(オブジェクト)を作成
int distance = ultr.distanceCm();   // 超音波センサーの値を読み出して変数に格納

このコードを書くことで、
①mBotの超音波センサーを制御できるオブジェクトが生成され、
②distanceCm() メソッドを使って超音波センサーの値をセンチメートル単位で読み出すことができます。

mBotの超音波センサーを使った障害物回避プログラム

以下のコードは、『超音波センサーを使って障害物を回避させる』プログラムです。

#include <MeMCore.h>

MeUltrasonicSensor ultr(PORT_3);
MeDCMotor MoterL(M1);
MeDCMotor MoterR(M2);
int distance;
int speed = 150;

void setup() {}

void loop() {
  distance = ultr.distanceCm();   // 超音波センサーの値(障害物までの距離)を取得

  if(distance >= 15){        // 障害物との距離が15cm以上は前進
    MoterL.run(-speed);
    MoterR.run(speed);
  }
  else{                      // 障害物との距離が15cm未満は方向転換
    MoterL.run(-speed);
    MoterR.run(-speed);
    delay(800);              // 800ms回転を継続
  }
}

Arduino IDEからmBotへ書き込みして、動作を確認してみましょう。

超音波センサーで障害物との距離を読み出し、15cm以上の場合はmBotを前進、15cm未満の場合はmBotを0.8秒間右回転させます。