13apr2013 kernelvm8-main
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ラズベリー・パイでプログラミングと電子工作を体験してみよう
- 1. ラズベリー・パイで プログラミングと 電⼦⼯作を体験してみよう ⼯学院⼤学 先進⼯学部 機械理⼯学科 ⾦丸隆志 1 中学⽣を対象とした講義資料
- 2. 本資料の内容に必要なもの（１） 2 本講義のために、筆者があらかじめ⽤意した機器やパーツを紹介します ラズベリー・パイ（RaspbianをインストールしたmicroSDカードも必要） さらに、距離センサを使うためにシリアル通信機能を有効にしておく。 解説はこちらのページの「2. Raspberry Piでシリアルコンソールを無効に」に。 http://neuralassembly.blogspot.jp/2016/06/raspberry-piscratch.html ＜後半の電⼦⼯作編＞ ブレッドボード http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-05294/ ジャンパワイヤ（ピン-ソケットタイプ) http://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-08933/ およびその⾊違い ジャンパワイヤ（ピン-ピンタイプ） http://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-05371/
- 3. 本資料の内容に必要なもの（２） 3 ＜LED編＞ ⾚⾊LED http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02320/ 330Ωの抵抗 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-25331/ ＜距離センサ編＞ 距離センサ（シャープ測距モジュールGP2Y0E02A） http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-07546/ ピンヘッダ http://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-00167/ 上記距離センサの配線にはんだづけし、ピン-ソケットタイプのジャンパワイヤを 取り付け、ブレッドボードに差し込みやすくしています PIC12F1822 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-04557/ ただし、下記ページの「3. PICにプログラムを書き込む」に従い PICにプログラムを書き込んでおく必要があります。 Raspberry Piがあれば数百円のパーツ購⼊で可能です。 http://neuralassembly.blogspot.jp/2016/06/raspberry-piscratch.html
- 4. 本資料の内容に必要なもの（３） 4 ＜キャタピラ式模型編＞ 電池ボックス http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00310/ モータードライバTA7291P http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02001/ 10kΩの抵抗 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-25103/ タミヤのタンク⼯作基本セット http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-09102/ 付属の電池ボックスは使わずに組み⽴てます。 モーター⽤配線 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-06756/ モーターに⻑めの配線をはんだづけし、ピンヘッダをはんだづけして ブレッドボードに差し込みやすくしています
- 5. ラズベリー・パイとは 5 名刺サイズの超⼩型コンピュータ。2012年に登場して以来、⼤⼈気 プログラミングを学ぶ⽬的で作られたため、コンピュータについて 学びたい⼈に適しています Windows/Mac OS XやAndroid/iOSは巨⼤であったり、 内部構造が複雑だったりしますが、 ラズベリー・パイはシンプルで学びやすい また、電⼦⼯作など「ものづくり」に適しているという⾯もあります
- 6. ラズベリー・パイの電源の⼊れ⽅ 6 まず、OSの⼊ったmicroSDカードを裏⾯に押し込みます 通常はOSのインストールから ⾏いますが、今⽇は省略し、 OSをインストール済のものを ⽤います ディスプレイ （HDMIケーブル） キーボードとマウス （USBケーブル） 電源 (microUSBケーブル） ディスプレイ、キーボード、 マウスを接続したら、最後に 電源ケーブルを差し込みます 電源スイッチはありません microSDカードを⼀度⼊れたら 通常は⼊れたままで良いです
- 7. デスクトップからプログラミングの学習環境 Scratch（スクラッチ）を起動しよう 7 起動直後のデスクトップから、 メニュー（Menu）から「プログラミング」→「Scratch」を起動
- 8. Scratch（スクラッチ）の画⾯ 8
- 9. まずは猫の位置と向きを知ろう 9 x軸 y軸 240-240 180 -180 猫の位置は 座標で決まります 猫の座標 猫には「位置」と「向き」があります 猫の向きは ⻘線の⽅向で決まります 90度 0度 -90度 180度 猫の向き （猫の名前はスクラッチ・キャット）
- 10. では猫を動かしてみよう 10 それぞれマウスで クリックしてみよう 「猫の向き」へ 10だけ動きます 「猫の向き」 （この図では右） 「猫の向き」が 15度回ります 「猫の向き」が 15度回ります 何度もクリックすると、それに応じて猫が動きます
- 11. ⼀気に動かすには？ 11 x軸 y軸 240-240 180 -180 90度 0度 -90度 180度 ⼀気に90度（右） に向きます ⼀気に画⾯中央 （x,y)=(0,0) に戻ります 例えば下の⼆つのブロックが使えます
- 12. なお、ブロック上の数値を 変更することもできる 12 キーボードで 数値を⼊⼒ すると 変更できます 4つの選択肢から 変更できます
- 13. 壁にぶつかったときに反転させる 13 右向きの時に を何度も押すと？ 壁にぶつかって それ以上 進まなくなります 向きが反転します をクリック
- 14. 右向き以外での猫の描かれ⽅3種 14 ⾚丸で⽰したボタンを押すことで、3パターンが切り替わる 上下逆さに描画されます 猫は常に上下正しく 描画されます 猫は常に右向きに 描画されます どの描画法でも動き⾃体は変わらないので、 お好みで選んでよいです
- 15. もう少しプログラムらしくしていこう 15 ここまでは、「命令」を⼀つずつ実⾏してきました ここからは「命令」を組み合わせ、「プログラム」を作っていきましょう 「10歩動かす」命令をマウスでつかんで 「スクリプト」エリアに移動します 同じ命令を先ほどの命令の下につなげます （⽩い線の位置につながることに注意しよう） 2つの命令がつながる クリックすると、2つの命令が 上から順に実⾏されます
- 16. 端に着いたときの処理の命令も プログラムに追加してみよう 16 「10歩動かす」回数を増やすと、 それだけ端に着くのも早くなります そのたびに を押すのは⾯倒 もプログラムに組み込もう 50歩動いてからの 端チェックでも 良いけれど… 10歩動くたびに こまめに端チェック するのも良い 命令の間に 新たに命令を 追加していきます （⽩線の位置に 注意）
- 17. コピー、削除、切り離しを知っておこう（１） 17 取り扱うブロックが増えてきたので、その取り扱い⽅法をいくつか紹介します ⼀番上のブロックで マウスの右ボタンをクリック →「複製」 全 体が 複 製 さ れ る コピー（複製）：全体 ⼀ 部 が 複 製 さ れ る 途中ブロックで マウスの右ボタンをクリック →「複製」 コピー（複製）：⼀部
- 18. コピー、削除、切り離しを知っておこう（２） 18 削除 ⼀番上のブロックで マウスの右ボタンをクリック →「削除」 切り離し 切り離したい位置の 下のブロックを マウスでつかむ 切 り 離 さ れ る 削 除 さ れ る
- 19. プログラムが複数あったら？ 19 原則的には、クリックしたもの のみが実⾏されます スクラッチにより詳しくなれば、 ⼆つのプログラムに 別々の役割を持たせることが できますが、今⽇はそこまでは 触れません
- 20. 歩いているような動きを追加（１） 20 ここまでは「歩く」と⾔っても ただ滑っているだけでした 実際に歩いているような 動きを追加してみましょう スクラッチはゲームを作ることにも向いているので、 「動き」を表現する仕組みがあります 猫を「歩いているように」⾒せたい
- 21. 歩いているような動きを追加（２） 21 キャラクター（猫）に ⼆つの絵（コスチューム） が⽤意されています。 この⼆つの絵を切り替えることで 猫が歩いているように⾒えます コスチュームを順に切り替える命令が 「⾒た⽬」セクションの 「次のコスチュームにする」です コスチュームについて知ろう 「コスチューム」タブをクリックすると…
- 22. 歩いているような動きを追加（３） 22 プログラムをクリックし、実際に猫が「歩いて」いるように ⾒えることを確認しよう！ コスチュームの切り替えで歩きの実現 「10歩動かす」の後ろに 「次のコスチュームにする」 命令を追加します
- 23. 繰り返し処理を覚えよう（１） 23 3つの命令がひとかたまりとして 5回繰り返されています 同じ命令群を複数回繰り返すとき 便利な仕組みが「繰り返し処理」 「制御」セクションの 「ずっと」や「10回繰り返す」 などが「繰り返し処理」の 代表例です ここまでのプログラムは同じ処理が繰り返されていました
- 24. 繰り返し処理を覚えよう（２） 24 クリックして実⾏すると、 「10歩移動」が10回繰り返されますこの部分の数字は キーボードで書き換えられます （100回、など） まずは「10回繰り返す」を使ってみよう
- 25. 繰り返し処理を覚えよう（３） 25 回数を決めずに無限に繰り返したいときは「ずっと」ブロックを⽤います クリックすると、猫が無限に歩き続けます （もう⼀度クリックすると⽌まります）
- 26. 簡単なゲームを作ってみよう（１） 26 猫がずっと（勝⼿に）動き続けるようになったので、 これを利⽤して簡単なゲームを作ってみましょう ルール： 猫がマウスのポインターを追いかけてくる ユーザーはマウスのポインターが猫に触れられないように マウスポインターを動かし続ける マウスのポインターが猫に触れられればゲームオーバー
- 27. 簡単なゲームを作ってみよう（２） 27 「猫がマウスのポインターを追いかけてくる」というルールの実現 左のプログラムを出発点とします 猫の「向き」をマウスポインターが存在する⽅向とすれば良いわけです 猫の「向き」に関係しているのはこの命令なので、 これを別の命令に置き換えます ⽤いるのは「動き」セクションの「〜へ向ける」ブロック
- 28. 簡単なゲームを作ってみよう（３） 28 このブロックをマウスでつかんで「ずっと」から外します 同じ位置に「〜へ向ける」ブロックを挿⼊します 「〜へ向ける」の「〜」の部分をクリックし、 「マウスのポインター」を選択します これで「マウスのポインターを追いかけてくる」 機能の完成です 実際にプログラムをクリックし、マウスを動かして 動作を確認しよう 「猫がマウスのポインターを追いかけてくる」という機能の完成
- 29. 簡単なゲームを作ってみよう（４） 29 最後に、ゲームオーバー機能の実現 「制御」セクションの「もし〜なら」と 「すべてを⽌める」および 「調べる」セクションの「〜に触れた」 を⽤います。 これらをこのように組み合わせます
- 30. 簡単なゲームを作ってみよう（５） 30 「〜に触れた」の 「〜」の部分をクリックし、 「マウスのポインター」を 選択します これで完成！ クリックして動作を 確認しよう なお、この部分の数字を キーボードで⼤きくすると 猫の動作が速くなり、 難易度が上がります。 （50にすると超⾼難度） 仕上げです
- 31. プログラミングという観点からの ここまでのまとめ 31 プログラムは 上から順に実⾏されます 同じ命令を 何度も実⾏する場合、 「繰り返し」を⽤います あるときのみ 命令を実⾏したい場合、 「条件分岐」を⽤います ゲームオーバーを 実現するために ⽤いました プログラムが複数あっても、 これらが全て 実⾏されるわけではありません ここでは 「クリックしたものだけが実⾏」 されることを学びました
- 32. ここからは… 32 ここまでは、画⾯の中のバーチャルな（仮想的な） 世界に対するプログラミングを⾏ないました ここからは、現実世界（リアル・ワールド） に対するプログラミングを⾏ないます これをフィジカル・コンピューティングといいます （フィジカル＝物質的、⾝体的、物理的） LED 距離センサー キャタピラ式模型 以下のものを順に 試してみましょう
- 33. LEDをプログラミングしてみよう（１） 33 発光する電⼦パーツ。 電化製品のインジケータや、照明、信号機などにも使われます LEDを発光させる際に⽤います。 オレンジ、オレンジ、茶、⾦ のカラーコードは330Ω（オーム）の ⼤きさの抵抗を⽰します LED（Light Emitting Diode） 抵抗 LEDってなんだろう？ アノード（＋） ⾜の⻑い側 カソード（ー） ⾜の短い側
- 34. LEDをプログラミングしてみよう（２） 34 電池 など LED 抵抗 ⽐較 電池 など ⾖電球 LEDを点灯させるには、抵抗が必要です （電流を流し過ぎないため） LEDの接続の際には向きに注意します アノード （＋）側 カソード （ー）側 ⾖電球を点灯させる回路はどうだった？ ＋極 ー極 ＋極 ー極 LEDを光らせるための回路 ⾖電球を点灯 させる際、 向きもなく 抵抗も不要 でした
- 35. LEDをプログラミングしてみよう（３） 35 ラズベリーパイ の出⼒ LED 抵抗 GND(=0V) 「ラズベリーパイの出⼒」とは次の ⼆状態のどちらかをとることができます HIGH / LOW H / L 1 / 0 3.3V / 0V すなわち ラズベリー・パイがHIGH（3.3V）を出⼒ →LED点灯 ラズベリー・パイがLOW（0V）を出⼒ →LED消灯 これを以下の様に呼ぶこともあります これを ラズベリー・パイで こう実現 3V 0V
- 36. LEDをプログラミングしてみよう（４） 36 ブレッドボード ⽳にLEDや抵抗などの電⼦パーツや ジャンパワイヤ（後述）をさして 回路を作成します ブレッドボードの内部配線 灰⾊の部分が内部で電気的に つながっていることを覚えましょう 回路を作るために必要なもの
- 37. LEDをプログラミングしてみよう（５） 37 ジャンパワイヤ：２タイプあります ラズベリー・パイや ブレッドボードにさして 回路の配線とします 回路を作るために必要なもの（続き） ピンピン ピン ソケット
- 38. LEDをプログラミングしてみよう（６） 38 ラズベリー・パイの40本のピン をGPIO（ジーピーアイオー） といいます この資料で⽤いるピンを ピンク⾊で塗りました
- 39. LEDをプログラミングしてみよう（７） 39 以上の予備知識で作るべき回路 GPIO 17 LED 抵抗330Ω GND(=0V) 同じ カソード（ー） ⾜の短い側 アノード（＋） ⾜の⻑い側 LEDには 向きがある （抵抗には 向きがない）
- 40. LEDをプログラミングしてみよう（８） 40 回路を組むときの注意 ピン・ソケットタイプの ジャンパワイヤを使います こちらを先に差そう こちらを後に差します 理由：⾦属製のピンが露出している時間が 短いほうがショートのトラブルが 起きにくいからです
- 41. LEDをプログラミングしてみよう（９） 41 ここでようやくスクラッチの登場 「制御」セクションの「〜を送る」ブロックで 「新規/編集」をクリックし、メッセージの名前に キーボードで「gpio17high」などと書きます。 そして、左のようなブロックをあらかじめ ⽤意しておくと後が楽です gpio17high/gpio17low はLEDは点灯・消灯に gpio27high/gpio27low gpio22high/gpio22low はモーターの制御に ⽤います
- 42. LEDをプログラミングしてみよう（１０） 42 GPIOを⽤いるための準備 「編集」→「GPIOサーバーを開始」を 選択してください これは、スクラッチを起動した後 ⼀回だけの実⾏でよいです GPIOの動作確認 をクリック：LEDが点灯 をクリック：LEDが消灯 LED、モーターを使う前に この⼿続きが必要になります
- 43. LEDをプログラミングしてみよう（１１） 43 LEDをチカチカ点滅させよう（Lチカ） このプログラムでLEDが0.5秒ごとに点滅し続けます 0.5秒待つ LED消灯 0.5秒待つ LED点灯 プログラムを作る上での注意 と はコピー（複製）して使おう 「0.5秒待つ」は「1秒待つ」ブロックをキーボードで書き換えて⽤います これです
- 44. LEDをプログラミングしてみよう（１２） 44 応⽤：ゲームオーバー時にLEDを点滅させよう マウスポインタに猫が触れると ゲームオーバーになるゲーム はこうでした ここを追加 します ゲームオーバー時に LEDを3回点滅する プログラム ゲームオーバー時に処理を追加
- 45. 距離センサーをプログラミング（１） 45 ここが距離センサー。 ⼿などをかざすと、そこまでの 距離に応じた値が得られます 距離センサーとは 距離センサ―を⽤いるには、ラズベリー・パイとPICマイコンを 下記のページに従って準備する必要があります。 http://neuralassembly.blogspot.jp/2016/06/raspberry-piscratch.html
- 46. 距離センサーをプログラミング（２） 46 距離センサーを⽤いるための回路 横⼀列をそれぞれ3.3V（+）、 GND(0V)（－）としています 図とケーブルの⾊を合わせると、 回路を作るときに間違えにくいでしょう 距離 センサー このICには センサーを 読むための プログラムが 書き込まれて います
- 47. 距離センサーをプログラミング（３） 47 まず距離センサーの動作を確認してみよう 「調べる」セクションの「〜センサーの値」を マウスで右クリックし、 「ScratchBoard監視板を表⽰」を選択 「切」の上でマウスの右ボタンをクリック 「A」の部分の 数字が センサーの 読みです
- 48. 距離センサーをプログラミング（４） 48 距離センサーの性質を知ろう 距離 距離 センサーの 読み 25 65 5cm 20cm およそ25〜65程度が 距離に関係する値として 利⽤できます
- 49. 距離センサーをプログラミング（５） 49 距離センサーを⽤いてこんなゲームを作ってみよう ルール：距離センサーの値に応じて猫が左右に動く （遠ければ右、近ければ左、など） 猫が左右の端にぶつかるとゲームオーバー プレイヤーは猫が端にぶつからないように、 センサーと⼿のひらの距離を調節し続ける 端につくとゲームオーバー
- 50. 距離センサーをプログラミング（６） 50 作るべきプログラムはこうです ちょっと複雑に⾒えるので次のページで解説します
- 51. 距離センサーをプログラミング（７） 51 マウスを追いかけるプログラムとの違い ゲーム開始時の猫を 画⾯中⼼、右向きにセット ゲームオーバー条件を変えています マウスを追いかけるプログラム 猫の向きを変える部分を センサーの値に応じて変えるよう 変更しています（次ページでさらに解説）
- 52. 距離センサーをプログラミング（８） 52 猫の向きを変える左の部分は 次のような意味です 25<センサーの値<45なら 猫を右向き（90度）に 45<センサーの値<65なら 猫を左向き（ー90度）に プログラミングでは、「25<センサーの値<45」という不等式を 『「25<センサーの値」かつ「センサーの値<45」』と書きます （ちょっと⾯倒ですが、⽂法上そうなっていることが多いです） 猫の向きを変える部分の意味
- 53. 距離センサーをプログラミング（９） 53 猫の向きを変えるブロックの作り⽅ 下の4種のブロックを⽤います ブロックの「複製」を うまく使おう！ 数字はキーボードで⼊⼒できます 「抵抗Aセンサーの値」で 距離センサーの値が とれます
- 54. 距離センサーをプログラミング（１０） 54 完成したらクリックして実⾏してみよう！ この部分の数字を⼤きくすると難易度が上がります
- 55. モーターをプログラミング（１） 55 モーターひとつを載せたキャタピラ式模型 スクラッチからモーターを動かして、キャタピラ式模型を操作します
- 56. モーターをプログラミング（２） 56 新たに⽤いるモータードライバー モーターをラズベリー・パイから制御する場合、 通常「モータードライバ」と呼ばれるICを⽤います 電池 ボックス モーター GPIO27 GPIO22 モーターを動かす電流は 電池ボックスから流します ラズベリー・パイはモーターに対する スイッチとして機能します モータードライバ TA7291P GPIO27とGPIO22の出⼒の組み合わせでモーターの動きが決まります GPIO27 HIGH GPIO22 LOW モーター正転 GPIO27 LOW GPIO22 HIGH モーター反転
- 57. モーターをプログラミング（３） 57 新たに⽤いる電池ボックス 表 裏 乾電池2本分 =1.5V×2=3V 配線⾚：＋側 配線⿊：－側 ここにスイッチ 通常オフに 使うときのみオンに
- 58. モーターをプログラミング（４） 58 モーターを⽤いるための回路 電池 ボックス 模型の モーター 新たに追加するのは この部分 電池ボックスの スイッチは、 全て完成してから ONにしましょう
- 59. モーターをプログラミング（５） 59 モーターの動作を確認 「制御」セクションの「〜を送る」ブロックを⽤いて 下記のようなブロックをあらかじめ⽤意しておきます モーターが回転します（模型前進） モーターが逆⽅向に回転します（模型後退） モーターが⽌まります（模型静⽌）
- 60. モーターをプログラミング（６） 60 距離センサを⽤いるゲームでキャタピラ式模型も動かそう
- 61. モーターをプログラミング（７） 61 距離センサを⽤いるゲームにモーターの動きを追加 モーター回転 モーター逆転 モーター静⽌ ブロックを複製して 距離センサのゲームに 3つ挿⼊するだけです 猫と⼀緒に キャタピラ式模型が 動きます
- 62. ⾳を取り扱ってみよう（１） 62 スピーカーを取り付けると⾳を鳴らすことができます 「⾳」セクションに⾳を鳴らす命令があります 例えば… その名の通り、「ニャー」という 猫の鳴き声が聞こえます ドラムの⾳です。 「48」の部分のクリックで ⾳⾊を選択できます 「60」の部分のクリックで ⾳の⾼さ（ドレミファ…） が選択できます
- 63. ⾳を取り扱ってみよう（補⾜） 63 ⾳が出ない場合は？ ターミナルLXTerminalを起動し、 下記のコマンドを⼀回実⾏します amixer cset numid=3 0 ただし、末尾の数字は環境により下記に変更してください 0:⾃動認識、1:ラズベリー・パイのイヤフォンジャック 2:HDMI接続のディスプレイから出⼒
- 64. ⾳を取り扱ってみよう（２） 64 ⾳を使ってこんな課題を考えてみよう 距離 センサとの距離で、⾳の⾼さ（ドレミファ…）が変わる楽器⾵のプログラム センサの値 65 60 55 50 45 40 35 30 25 ドレミファソラシド
- 65. ⾳を取り扱ってみよう（３） 65 使うのはこんなブロック これらはこのように組み合わせるのでした ここにはキーボードで数字を書きます
- 66. ラズベリー・パイの電源を切ろう 66 「メニュー（Menu）」→ 「Shutdown」を選択します 「Shutdown」 ボタンを 押します 最後に電源ケーブルを抜きます 緑⾊のLEDが点灯しっぱなしに なったら電源ケーブルを抜いてOKです お疲れ様でした
