Arduinoで障害物回避！超音波センサー(HC-SR04)とサーボで滑らかな自動操舵システムを作る

Arduino（アルディーノ）を使った電子工作の醍醐味の一つに、「自動制御」があります。今回は、安価で入手しやすい「超音波距離センサー（HC-SR04）」と「サーボモーター（GeekServo 9Gなど）」を使い、障害物を検知して自動で舵を切る（操舵する）システムの構築方法を、ステップバイステップで詳しく解説します。

最初は基本的な制御から始め、最終的には障害物との距離に応じて滑らかにハンドル操作を行う、より高度な制御を目指します。

---

ステップ1: 【基本】片側のセンサーで障害物を検知する

まずは、超音波センサーを1つだけ使い、「右側に障害物があったら、右に舵を切る」という基本的な動作を作ります。

1. 使用する部品とピン配置

使用する部品は以下の通りです。

• Arduino (Uno, Nano など)
• 超音波センサー (HC-SR04)
• サーボモーター (今回は GeekServo 9G Servo-Gray を想定)
• ブレッドボードとジャンパーワイヤー

ピンの接続は以下の表のように行います。

接続先	Arduino ピン	備考
超音波センサー (HC-SR04)
VCC (電源)	5V	電源
GND (接地)	GND	グランド
Trig (トリガー)	D9	デジタル出力 (OUTPUT)
Echo (エコー)	D10	デジタル入力 (INPUT)
サーボモーター (GeekServo 9G)
VCC (電源)	5V	電源
GND (接地)	GND	グランド
信号 (PWM)	D6	PWM制御 ( ~ が付いたピン)

【補足】サーボモーターの配線色について

GeekServo 9G など、一般的なサーボモーターのケーブルは「黄・赤・茶」の3色（または「オレンジ・赤・茶」）になっています。

• 黄 (または オレンジ): 信号線です。Arduinoの D6 (PWMピン) に接続します。
• 赤: 電源 (VCC) です。Arduino の 5V に接続します。
• 茶 (または 黒): GND です。Arduino の GND に接続します。

2. 基本の制御コード（右検知→右操舵）

以下のコードは、超音波センサーが30cm未満の距離に障害物を検知すると、サーボモーター（ハンドル）を右（70°）に切り、障害物がなければ中央（90°）に戻すというプログラムです。

#include <Servo.h> // Servoライブラリをインクルード

// --- ピン定義 ---
const int trigPin = 9;  // 超音波センサーのTrigピン
const int echoPin = 10; // 超音波センサーのEchoピン

Servo myServo;          // サーボオブジェクト作成

void setup() {
    Serial.begin(9600);       // シリアル通信を開始 (デバッグ用)
    pinMode(trigPin, OUTPUT);
    pinMode(echoPin, INPUT);
    
    myServo.attach(6);  // サーボをD6ピンに接続
    myServo.write(90);  // 初期位置（直進）に設定
}

void loop() {
    // --- 超音波センサーで距離測定 ---
    digitalWrite(trigPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(trigPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(trigPin, LOW);

    // EchoピンがHIGHだった時間(μs)を取得
    long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); 
    
    // 時間を距離(cm)に変換 (音速 約343m/s で計算)
    float distance = (duration * 0.0343) / 2; 

    // シリアルモニタに距離を表示
    Serial.print("Distance: ");
    Serial.print(distance);
    Serial.println(" cm");

    // --- サーボ制御 ---
    // 距離が0より大きく、30cm未満なら右に舵を切る
    if (distance > 0 && distance < 30) {
        myServo.write(70);  // 右に舵を切る (70度)
        Serial.println("Turning Right (70 degrees)");
    } else {
        myServo.write(90);   // 直進 (90度)
        Serial.println("Going Straight (90 degrees)");
    }

    delay(500); // 500ms待機 (動作を安定させるため)
}

---

ステップ2: サーボモーターの「90度」とは？

ここで、myServo.write(90) と記述している「角度」について理解を深めておきましょう。

サーボモーターの90度は、一般的に「中央位置（ニュートラルポジション）」を指します。

ただし、これは製造時の目安であり、製品によっては個体差があります。write(90) と命令しても、厳密に中央を向いていないかもしれません。

基準位置の確認方法:

1. 上記のコードの loop() 内を空にして、setup() で myServo.write(90); だけを実行します。
2. サーボが停止した位置が、そのモーターの「90度」です。
3. もし車のタイヤが真っ直ぐになっていなければ、write(88); や write(92); のように数値を微調整し、真っ直ぐになる角度（それが真のニュートラル）を見つけてください。

この記事では、便宜上 90° = 直進、70° = 右、110° = 左 として進めます。

---

ステップ3: 【応用】左右のセンサーで障害物回避

次に、超音波センサーをもう1つ追加し、左側も検知できるようにシステムを拡張します。

1. ピン配置（左センサー追加）

左側用の超音波センサーを追加します。ピンが重複しないように D7 と D8 を使用します。

接続先	Arduino ピン	備考
右 超音波センサー
Trig (トリガー)	D9	デジタル出力
Echo (エコー)	D10	デジタル入力
左 超音波センサー
Trig (トリガー)	D7	デジタル出力
Echo (エコー)	D8	デジタル入力
サーボモーター	D6	PWM制御
(VCC / GND)	5V / GND	共通の電源とグランドに接続

2. 左右回避コード

左右のセンサーからの距離をそれぞれ測定し、「右が近ければ左へ」「左が近ければ右へ」回避するロジックに変更します。

#include <Servo.h>

// --- ピン定義 ---
const int rightTrigPin = 9;  // 右センサー Trig
const int rightEchoPin = 10; // 右センサー Echo
const int leftTrigPin = 7;   // 左センサー Trig
const int leftEchoPin = 8;   // 左センサー Echo

Servo myServo;               // サーボオブジェクト

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    
    pinMode(rightTrigPin, OUTPUT);
    pinMode(rightEchoPin, INPUT);
    pinMode(leftTrigPin, OUTPUT);
    pinMode(leftEchoPin, INPUT);
    
    myServo.attach(6);  // サーボをD6ピンに接続
    myServo.write(90);  // 初期位置（直進）
}

// 距離を測定する関数 (コードを共通化)
float getDistance(int trigPin, int echoPin) {
    digitalWrite(trigPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(trigPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(trigPin, LOW);

    long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
    float distance = (duration * 0.0343) / 2;
    return distance;
}

void loop() {
    // 左右の距離をそれぞれ測定
    float rightDistance = getDistance(rightTrigPin, rightEchoPin);
    float leftDistance = getDistance(leftTrigPin, leftEchoPin);

    // シリアルモニタに表示
    Serial.print("Right: ");
    Serial.print(rightDistance);
    Serial.print(" cm, Left: ");
    Serial.print(leftDistance);
    Serial.println(" cm");

    // --- 操舵ロジック ---
    // 右に障害物が近い (30cm未満)
    if (rightDistance > 0 && rightDistance < 30) {
        myServo.write(110);  // 左に舵を切る
        Serial.println("Turning Left (110)");
    } 
    // 左に障害物が近い (30cm未満)
    else if (leftDistance > 0 && leftDistance < 30) {
        myServo.write(70);   // 右に舵を切る
        Serial.println("Turning Right (70)");
    } 
    // 障害物がない場合
    else {
        myServo.write(90);   // 直進
        Serial.println("Going Straight (90)");
    }

    delay(300); // 少し待機
}

このコードで左右の回避は可能になりますが、障害物を見つけた瞬間に「ギュン！」と最大角度まで舵が切れてしまい、動きが非常にぎこちなくなります。

---

ステップ4: 【改善】距離に応じて「滑らかに」操舵する

ステップ3の「ギュンギュン動く」問題を解決するため、障害物との距離に応じて舵角を連続的に（滑らかに）変化させるロジックを導入します。

Arduinoの map() 関数を使うと、この処理を簡単に実装できます。

• アイデア:
  • 50cm 以上離れていれば 90°（直進）
  • 30cm まで近づいたら最大舵角（70° または 110°）
  • 30cm から 50cm の間は、距離に応じて舵角をリニアに変化させる。

改善後のコード（滑らかな操舵）

loop() 関数部分を以下のように変更します。（setup() と getDistance() 関数はステップ3と同じです）

void loop() {
    float rightDistance = getDistance(rightTrigPin, rightEchoPin);
    float leftDistance = getDistance(leftTrigPin, leftEchoPin);

    Serial.print("Right: ");
    Serial.print(rightDistance);
    Serial.print(" cm, Left: ");
    Serial.print(leftDistance);
    Serial.println(" cm");

    int finalAngle = 90; // 基本は直進(90度)

    // --- 操舵ロジック (滑らかバージョン) ---

    // 1. 右センサーの角度を計算
    // 距離を30cm～50cmの範囲に制限
    int rightConstrained = constrain(rightDistance, 30, 50);
    // 距離(30～50)を角度(110～90)にマッピング
    // (右が近いので左に切る = 90より大きい角度)
    int rightAngle = map(rightConstrained, 30, 50, 110, 90);

    // 2. 左センサーの角度を計算
    // 距離を30cm～50cmの範囲に制限
    int leftConstrained = constrain(leftDistance, 30, 50);
    // 距離(30～50)を角度(70～90)にマッピング
    // (左が近いので右に切る = 90より小さい角度)
    int leftAngle = map(leftConstrained, 30, 50, 70, 90);

    // 3. 最終的な角度を決定
    // 両方とも50cm以上なら、mapの結果が90になるので直進
    
    // 右の方が左より近い場合 (右に障害物)
    if (rightDistance < leftDistance) {
        finalAngle = rightAngle; // 右センサーが計算した角度(左舵)を採用
    } 
    // 左の方が右より近い場合 (左に障害物)
    else {
        finalAngle = leftAngle; // 左センサーが計算した角度(右舵)を採用
    }

    myServo.write(finalAngle); // 最終的な角度をサーボに書き込む
    Serial.print("Servo Angle: ");
    Serial.println(finalAngle);

    delay(100); // 制御周期を少し早める
}

constrain(value, min, max) は、value を min と max の範囲内に収める関数です。

map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh) は、value を from の範囲から to の範囲へ線形に変換（マッピング）する関数です。

これにより、障害物が 40cm の位置にあれば中程度の舵角、30cm に近づくにつれて最大の舵角、というように滑らかな動作が実現できます。

---

ステップ5: センサーの特性と「床の反射」について

超音波センサーを使う上で、その特性を知っておくことは重要です。

超音波は扇状（円錐状）に広がる

HC-SR04から発射される超音波は、レーザー光線のように真っ直ぐ飛ぶわけではなく、約15°〜30°程度の角度で扇状（円錐状）に広がって進みます。

このため、センサーの真正面にない物体（少し横にある壁など）も検知することがあります。

床からの反射は影響するか？

「ブレッドボードにセンサーを載せていると、広がった超音波が床に反射して誤検知しないか？」という疑問が生じることがあります。

結論から言うと、**「設置状況によっては、床の反射が影響する可能性はある」**です。

影響を受けにくいケース:

• センサーが床と完全に水平に取り付けられている。
• ブレッドボード（センサー）の高さが十分にある（例: 10cm以上）。
• 床がカーペットなど、音波を吸収しやすい素材である。

影響を受けやすいケース:

• センサーがわずかに下向きになっている。（これが最も多い原因です）
• センサーの設置位置が非常に低い（例: 5cm以下）。
• 床がフローリングやタイルのように、硬く反射しやすい素材である。

もし、目の前に何もないのにシリアルモニタに短い距離（例: 15cmなど）が表示され続ける場合は、床からの反射を拾っている可能性が高いです。センサーの取り付け角度を少し上向きに調整してみてください。

---

まとめ

今回は、Arduinoと超音波センサー、サーボモーターを使い、障害物を回避するシステムを構築しました。

1. 最初は1つのセンサーで単純なON/OFF制御（30cm未満なら舵を切る）から始めました。
2. 次に、2つのセンサーで左右の状況を判断できるようにしました。
3. 最後に、map() 関数などを用いて、距離に応じて舵角を滑らかに変化させる制御に改善しました。

この基本システムにDCモーターとモータードライバーを追加すれば、壁にぶつからない自動走行車が完成します。ぜひ、挑戦してみてください。