はしめてのプログラミングとロボット制御

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はじめてのプログラミングとロボット制御第０回：導入日本大学工学部機械工学科専任講師今林亘 2024年7月14日

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なんでロボットやるのか 2 単純にワクワクするから．楽しいから．

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何の役に立つのか？ 3 1. 実ロボットを扱う経験 ➢ 機械要素（動力学，設計，加工） ➢ 電気要素（モータ，電気回路，電子回路） ➢ 情報要素（プログラミング，アルゴリズム） 2. Project Based Learning的学習 ➢ 作戦立案（人，お金，設備，納期，何をやるか） ➢ 設計，開発 ➢ デバック ➢ リリース ➢ フィードバック 3. 自分の専門分野への応用 ➢ ロボット開発で得られた部分的な技術の転用や応用 ➢ 期限の設定や作業時間の見積もり等の予測等

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個人的に，ロボットを作って良かった点 4 • 技術の幅が広がる（何でもできる） • ロボット作りを通して人のことがわかる • ロボコンに参加する人に話しかけられる． • ロボコン経験が大学院進学につながる（希少なスキル，重宝される）

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講義の内訳 5 ビジュアルプログラミングロボット制御 pythonプログラミング

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micro:bitでできること 6 機能：①LED点灯 ②ボタンスイッチ ③スピーカー ④マイク ⑤タッチセンサ ⑥加速度センサ ⑦地磁気センサ ⑧CPU ② ① ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧

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ロボットマックイーンでできること 7 追加機能：①超音波距離センサ ②モータ ③ラインセンサライントレース制御が実現可能 ② ① ③

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はじめてのプログラミングとロボット制御第１回：ビジュアルプログラミング日本大学工学部機械工学科専任講師今林亘 2024年7月14日

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プログラミングするための準備 9 ①“https://makecode.microbit.org/?lang=ja”と検索する． ②新しいプロジェクトをクリックする

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プログラミングするための準備 10 ①適当に名前をつけて「作成」をクリック

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プログラミングするための準備 11 プログラム開発画面

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プログラミングするための準備 12 プログラムの要素タブ

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プログラミングするための準備 13 プログラミングタブ

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プログラミングするための準備 14 電子基板シミュレータの実行結果表示タブ

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プログラミングするための準備 15 プログラミング言語変更タブ

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試しにプログラミング 16 ①「基本」をクリックする ②このブロックをドラッグ ③ここにドロップ

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試しにプログラミング 17 ①「ずっと」ブロックの中にいれる ②緑のボタンを押すとHelloが表示

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次は実際の電子基板で実験 18 ①「ダウンロード」ボタンをクリック

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プログラミングするための準備 19 ①USBケーブルを使って PCと電子基板を接続

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次は実際の電子基板で実験 20 ①「次へ」をクリック

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プログラミングするための準備 21 ①「ペア」をクリック

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プログラミングするための準備 22 ①「接続」をクリック

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プログラミングするための準備 23 ①「ダウンロード」をクリック

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プログラミングするための準備 24 ①静かに待つ

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接続トラブル 25 ①電子基板がないとリストに表示されない．

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プログラム１：実行順番 26 プログラムは上から順番に実行されます．

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プログラム1-ex 27 マイコンの色んな機能を試しましょう．

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プログラム２：四則演算 28 マイコンはコンピュータなので，四則演算できます．

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プログラム２-ex：四則演算の演習課題 29 1. 9の倍数を画面に表示させるプログラムを作りましょう． 2. サイコロを作ってください． • Aボタンを押したら，１～６の値を表示させてようにしてください．「□から□までの乱数」まで利用

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プログラム３：変数を使いましょう 30 変数は数字を入れる箱クリック

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プログラム３：変数を使いましょう 31 クリック好きな文字を設定して変数を作りましょう．

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プログラム３：変数を使いましょう 32 色々つくりましょう．変数リストができました．

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プログラム３：変数を使いましょう 33 好きな数字を変数に入れて，実行できます．

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プログラム３：変数を使いましょう 34 変数内の数字を増やしていきましょう．

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プログラム３：変数を使いましょう 35 このような増やし方もできますね．

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プログラム３：変数を使いましょう 36 ボタンを使って増減させられますね．

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プログラム3-ex：変数の演習問題 37 1. XとYとZという変数を作成し，それぞれの変数に X=5, Y=10,Z=0を代入して！．その後，Z=X + Yを演算するプログラムを作成して，結果を画面に表示させて！． 2. Xという変数を作成し，X=0で初期化します． Aボタンを押すと，Xの中身を５増やして，画面表示するプログラムを作って！ 3. XとYという変数を作成，それぞれの変数にX=０， Y＝０を代入して！その後，Aボタンを押すたびに， Xを１ずつ増やして！そして，Y=X^2を計算し，Yを画面に表示させて！

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プログラム４：条件分岐を勉強しましょう． 38 もしブロックを使うと，その条件に当てはまると中身が実行できる．

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プログラム４：条件分岐を勉強しましょう． 39 もしブロックを使うと，その条件に当てはまると中身が実行できる．

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データロギング 40 センサデータを出力するときに使用クリック

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データロギング 41 センサデータを出力するときに使用クリック

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データロギング 42 センサデータを出力するときに使用

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データロギング 43 センサデータを出力するときに使用

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データロギング 44 センサデータを出力するときに使用クリック

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データロギング 45 センサデータを出力するときに使用センサの取得値

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データロギング 46 センサデータを出力するときに使用左のボタンを押して，データ取得を終了させて，右のボタンでcsvデータとしてダウンロード

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データロギング 47 データで遊ぼう！！

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はじめてのプログラミングとロボット制御第２回：ロボット制御日本大学工学部機械工学科専任講師今林亘 2024年7月14日

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ロボット制御するための準備 49 ①ロボットを組み立てる（そんなに難しくない）． ②micro:bitを差し込む（向きに気をつける）．※ミスると爆発 ③電池を入れる（向きに気をつける）．※ミスると爆発 ① ② ③ ④

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ロボット制御のためのテストプログラム 50 拡張機能をクリックするクリック

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ロボット制御のためのテストプログラム 51 クリック

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ロボット制御のためのテストプログラム 52 拡張後の追加ブロック集

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ロボット制御のためのテストプログラム 53 プログラム完成後，通常通り基板にダウンロードする

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ロボット制御のためのテストプログラム 54 ダウンロード後，基板をロボットに差し込み，電源スイッチを入れると，プログラム実行ロボットを準備基板を差し込む電源を入れる（スライド）

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ロボット制御のためのテストプログラム 55 ロボットを前に進めるプログラムモータが正常に動くかどうか確認

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ロボット制御のためのテストプログラム 56 ラインセンサのテストプログラム左のセンサに指を近づけて０→１に変化するか確認

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ロボット制御のためのプログラム１ 57 前へ進んで，Uターンするプログラム

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ロボット制御のためのプログラム２ 58 障害物を回避するプログラム

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micro:bitの実行速度 59 ところで，「ずっと」を一回実行するのにかかる時間は？一回実行するのに何秒かかる？

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micro:bitの実行速度 60 1000回カウントすると「1」を表示させる．何秒かかるかな？

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micro:bitの実行速度 61 おそらく，20秒くらいかかるはず．よって，20秒/1000回=20ミリ秒/回 micro:bitの実行速度はそれくらい．

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micro:bitの実行速度 62 次は，数字をカウントしながら，その数字を表示させてみましょう．

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micro:bitの実行速度 63 次は，数字をカウントしながら，その数字を表示させてみましょう．けっこう時間かからん？ LEDに表示させるのって時間かかるんよーしょうもない処理を入れるとマイコンが鈍くなるよ

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黒の線を数えるプログラム 64 段階的にプログラムを作っていきます．プログラムの流れ１．真っ直ぐ走る２．白から黒へ変化するところをキャッチする３．キャッチしたらカウントする４．任意の本数キャッチしたら停止＆表示

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黒線のキャッチの仕方 65 黒白赤の部分を検出する．ラインの色の変化をキャッチできれば．

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黒の線を数えるプログラム 66 これで走ります．実行すると，現在と過去のラインセンサの値を記憶します．

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黒の線を数えるプログラム 67 現在と過去のラインセンサ値に変化があれば，黒線をふんだと認識させて，カウントする．あくまでも変化をキャッチしているので．．．

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黒の線を数えるプログラム 68 完成しました．白から黒へ変化するところをキャッチします．

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ライントレースとは？ 69 ラインに沿ってロボットを走らせる制御方式

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ライントレースの基本１ 70 どちらのセンサも白なら前進

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ライントレースの基本２ 71 右のセンサが黒なら右旋回（左モータの回転↑）

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ライントレースの基本３ 72 左のセンサが黒なら左旋回（右モータの回転↑）

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ライントレース制御（ON/OFF制御） 73 上記の３つのルールを組み合わせると

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ライントレース制御（P制御） 74 上記の３つのルールを組み合わせると

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ロボット制御のためのプログラム５ 75 隊列走行（ほかの学生と協力しよう！！）そんなに難しくないよ！

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はじめてのプログラミングとロボット制御第３回：pythonプログラミング日本大学工学部機械工学科専任講師今林亘 2024年7月14日

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ビジュアルプログラミング疲れません？ 77 ドラッグ＆ドロップめんどうくさくない？あと，大規模なプログラムになるとどう？

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文字になるとハッピー 78 文字になると整理整頓された感じ！ちかちかしない．

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プログラミング言語「python」 79 • プログラミング言語の一種 • インタープリター言語であり，一行だけでプログラムの実行が可能． • 初心者が学ぶプログラミング言語でも人気 • 近年，人工知能やロボットのプログラムによく使われる． • プログラムは上から順番に実行される． • コメントは「#〇〇〇〇」で記述 • 複数行コメントは「””” 〇〇 “””」 • コメント以外全角文字は使用禁止（スペースも） • タブ（インデント）でプログラムの階層を記述（違反すると，プログラムエラー）

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micro:bitのpythonの導入方法１ 80 上の部分で切り替え

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micro:bitのpythonの導入方法１ 81 上の部分で切り替え

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micro:bitのpythonの導入方法２ 82 プロジェクト作成時にpythonで設定コードオプション時にPythonだけを選択

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micro:bitのpythonの導入方法２ 83 プロジェクト作成時にpythonで設定コードオプション時にPythonだけを選択この部分にプログラムを書く

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micro:bitのpythonの導入方法２ 84 プログラムを，選択してドラッグ＆ドロップ

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micro:bitのpythonの導入方法２ 85 プログラムを，選択してドラッグ＆ドロップ

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micro:bitのpythonの導入方法２ 86 プログラムを，選択してドラッグ＆ドロップ

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プログラム１_py：実行順番 87 pythonバージョンだとこうなります．コピペを連続で使うと便利 def on_forever():#ずっと basic.show_number(1)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(2)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(3)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(4)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(5)#数を表示 pass basic.forever(on_forever) チート

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プログラム1-ex1_py 88 マイコンの色んな機能を試しましょう． def on_forever():#ずっと basic.show_icon(IconNames.HEART)#アイコンを表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） music.string_playable("", 150) basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） music.built_in_playable_melody(Melodies.DADADADUM)#鳴らす「」 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(input.temperature())#数を表示「温度」 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(input.compass_heading())#数を表示「方角」 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(input.light_level())#数を表示「明るさ」 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） pass basic.forever(on_forever)

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プログラム1-ex2_py 89 def on_button_pressed_a():#ボタンAが押されたとき basic.show_leds(""" . . # . . . # # # . # . . . # # # # # # # . . . # """) pass input.on_button_pressed(Button.A, on_button_pressed_a) マイコンの色んな機能を試しましょう．

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プログラム1-ex3_py 90 def on_button_pressed_b():#ボタンBが押されたとき basic.show_leds(""" # # # # . # . . . # # # # # # # . . . # # # # # . """) pass input.on_button_pressed(Button.B, on_button_pressed_b) マイコンの色んな機能を試しましょう．

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プログラム2_py：四則演算 91 マイコンはコンピュータなので，四則演算できます． def on_forever():#ずっと basic.show_number(1+ 2)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(10 - 6)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(6* 4)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(32/4)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(5^2)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(32/5)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） pass basic.forever(on_forever)

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プログラム３_py：変数を使いましょう 92 好きな数字を変数に入れて，実行できます． x = 0 #変数xを0にする A2=2 #変数A2を2にする y = 1 #変数yを1にする def on_forever(): basic.show_number(x)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(A2)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） basic.show_number(y)#数を表示 basic.pause(500)#一時停止（ミリ秒） pass basic.forever(on_forever)

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プログラム３_2_py：変数を使いましょう 93 変数内の数字を増やしていきましょう． x = 0 #xを0にする． while True: #while文を使ったずっとの実現 basic.show_number(x)#数の表示 x += 1 #変数xを1だけ増やす basic.pause(1000)#一時停止（ミリ秒） pass

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プログラム３_3_py：変数を使いましょう 94 このような増やし方もできますね． y = 0 #yを0にする． while True: #while文を使ったずっとの実現 basic.show_number(y) #数の表示 y = y + 1 #変数yを1だけ増やす basic.pause(1000)#一時停止（ミリ秒） pass

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プログラム３：変数を使いましょう 95 ボタンを使って増減させられますね． x = 0 #xを0にする． while True: #while文を使った「ずっと」の実現 #ボタンAが押されたら if input.button_is_pressed(Button.A): x = x + 1 #変数xを1だけ増やす basic.show_number(x) #数の表示 basic.pause(100) #一時停止（ミリ秒） pass #ボタンBが押されたら if input.button_is_pressed(Button.B): x = x - 1 #変数xを1だけ減らす basic.show_number(x) #数の表示 basic.pause(100) #一時停止（ミリ秒） pass pass

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プログラムの制御文法 96 If文else文：もし～なら for文：繰り返し処理 while文：条件を満たしていれば無限ループ x=1 if (x == 1): #ｘの中身が１ならここを実行 basic.show_number(1) pass else: #ｘの中身が１以外ならここを実行 basic.show_number(0) pass x=0 while (x ==0): #xが０であれば，while文の中を無限ループする． #無限ループから出たい場合，xの値をいじって，xが0でない #状況を作り出す必要がある． basic.show_number(0) pass x=5 for i in range(x): #iを0に初期化して5回繰り返し処理 basic.show_number(i)#iの中身を表示 #処理がすべて終わるときに，iに１を足す pass

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プログラム４_1_py：条件分岐を勉強 97 もしブロックを使うと，その条件に当てはまると中身が実行できる． x = 0 #xを0にする． while True: #while文を使った「ずっと」の実現 #ボタンAが押されたら if input.button_is_pressed(Button.A): x = x + 1 #変数xを1だけ増やす basic.show_number(x) #数の表示 pass #ボタンBが押されたら if input.button_is_pressed(Button.B): x = x - 1 #変数xを1だけ減らす basic.show_number(x) #数の表示 pass if (input.button_is_pressed(Button.A) && input.button_is_pressed(Button.B)): x = x + 5 #変数xを5だけ増やす basic.show_number(x) #数の表示 pass pass

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プログラム４_2_py：条件分岐を勉強 98 もしブロックを使うと，その条件に当てはまると中身が実行できる． y = 0 #yを0にする． while True: #while文を使った「ずっと」の実現 basic.show_number(y)#数の表示 #ボタンAが押されたら if input.button_is_pressed(Button.A): y = y + 1 #変数yを1だけ増やす if y==3: #もしyが３なら basic.show_string("Hello!")#文字列を表示 pass pass pass

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ロボット制御のためのテストプログラム 99 ロボットを前に進めるプログラムモータが正常に動くかどうか確認 #CW: Clockwise 時計回り #CCW: Counter Clockwise 反時計回り while True:#ずっと #左のモータを正回転で速度50に設定 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1,maqueen.Dir.CW, 50) #右のモータを正回転で速度50に設定 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2,maqueen.Dir.CW, 50) pass

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ロボット制御のためのテストプログラム 100 ラインセンサのテストプログラム左のセンサに指を近づけて０→１に変化するか確認 #ずっと while True: #左のラインセンサの確認 basic.show_number(maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_LEFT)) pass

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ロボット制御のためのプログラム１ 101 前へ進んで，Uターンするプログラム while True:#ずっと basic.pause(500) #一時停止（ミリ秒） #両方のモータを動かす maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 50) basic.pause(500) #一時停止（ミリ秒） #両方のモータを停止させる maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 0) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 0) #左のモータを駆動させる maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) basic.pause(1000) #一時停止（ミリ秒） #両方のモータを動かす maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 50) basic.pause(500) #一時停止（ミリ秒） pass

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ロボット制御のためのプログラム２ 102 障害物を回避するプログラム x = 10 while True: #超音波センサの値を確認して10cm以上なら停止 if (x > maqueen.ultrasonic(0)): #モータ停止 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 0) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 0) pass else: #両方のモータを動かす maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 50) pass

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黒の線を数えるプログラム 103 これで走ります．実行すると，現在と過去のラインセンサの値を記憶します． XL = 1 XR = 1 pre_XL = 1 pre_XR = 1 black = 0 basic.pause(1000) #両方のモータを駆動 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 50) while True: #過去の数値を更新 pre_XL = XL pre_XR = XR #ラインセンサーの値を読み取る． XL = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_LEFT) XR = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_RIGHT) pass

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黒の線を数えるプログラム 104 完成しました．白から黒へ変化するところをキャッチします． XL = 1 XR = 1 pre_XL = 1 pre_XR = 1 black = 0 basic.pause(1000) #両方のモータを駆動 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 50) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 50) while True: #過去の数値を更新 pre_XL = XL pre_XR = XR #ラインセンサーの値を読み取る． XL = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_LEFT) XR = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_RIGHT) if (XL != pre_XL):#左のセンサの変化をとらえて if (XL == 0):#さらに，左のセンサが黒だったら black = black + 1 #白から黒への変化をとらえたと認識 pass pass if (black >= 4): #黒線を4本以上キャッチしたら， basic.show_number(black) #両方のモータを停止 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 0) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 0) pass pass

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ライントレース制御（ON/OFF制御） 105 上記の３つのルールを組み合わせると #ずっと while True: #左のセンサが黒なら右に曲がる if (maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_LEFT)== 0): maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 5) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 30) pass #右のセンサが黒なら左に曲がる if (maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_RIGHT)== 0): maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1, maqueen.Dir.CW, 30) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2, maqueen.Dir.CW, 5) pass pass

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ライントレース制御（P制御） 106 上記の３つのルールを組み合わせると desire = 0 #目標値を設定 Kp = 10 #制御ゲイン error =0 #誤差 basespeed =30 while True: #ずっと #センサの値取得 LS = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_LEFT) RS = maqueen.read_patrol(maqueen.Patrol.PATROL_RIGHT) sensor = -1*LS + RS #制御用センサ値取得 error = desire - sensor #誤差信号の計算 #P制御の実行 maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1,maqueen.Dir.CW, basespeed - Kp*error) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2,maqueen.Dir.CW, basespeed + Kp*error) pass

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ロボット制御のためのプログラム５ 107 隊列走行（ほかの学生と協力しよう！！）そんなに難しくないよ！ #制御ゲインの設定 Kp = 2 sensor = 0 while True: #超音波センサの情報をキャッチ sensor=maqueen.ultrasonic(0) #すべてのモータを動かす maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M1,maqueen.Dir.CW, Kp*sensor) maqueen.motor_run(maqueen.Motors.M2,maqueen.Dir.CW, Kp*sensor) pass

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プログラムの読みやすさ 108 x = 0 while True: if input.button_is_pressed(Button.A): x = x + 1 basic.show_number(x) pass if input.button_is_pressed(Button.B): x = x - 1 basic.show_number(x) pass pass x = 0 #xを0にする． while True: #while文を使った「ずっと」 #ボタンAが押されたら if input.button_is_pressed(Button.A): x = x + 1 #変数xを1だけ増やす basic.show_number(x) #数の表示 pass #ボタンBが押されたら if input.button_is_pressed(Button.B): x = x - 1 #変数xを1だけ減らす basic.show_number(x) #数の表示 pass pass before after

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読みにくいプログラム 109 ・コメント文がない．・意味のない変数や変数名．・インデントやタブがない．・if文やfor文の乱用による構造の不透明化