MIRS2501-DSGN-0003

名称	MIRS2501 MVP設計書
番号	MIRS2501-DSGN-0003

版数	最終更新日	作成	承認	改訂記事
A01	2026.1.19	仲下樟	大沼巧	初版

本ドキュメントは、MIRS2501、BABLOONプロジェクトのMVP(Minimum Viable Product)設計書である。

1. MVP仕様概要

風船を作成し、シャボン玉を撒くことにより遊園地のような空間を演出するロボット。
ペルソナ：週末ドライブで道の駅に訪れる3人家族。
ユースケース：広い敷地内でワクワクする空間を演出する目的でクローラー型ロボットが巡回し、風船を配る。

2. UIと操作フロー

以下に実際に動作する際の操作フローを示す。

起動・巡回開始は本体スイッチで操作。
ロボットに使用者が近付くとロボットが停止。
ボタンを押して風船作成モードに移行。
好みの色の風船のボタンを選択。
膨らませる機構を見学。
完成した風船をとる。
風船ストック受け皿に乗った風船ストックを返却。
シャボン玉が吹き出る。
巡回再開。

状態遷移図を示す。(図1)

各モードのフローチャートを示す。(図2,3)

3. 全体像(概形)

本機体の全体像を図4に示す。
本機体は走行部、制御部、稼働部で構成される。

4. モジュール分割

BABLOONを構成する各モジュールの配置を以下に示す(図5)。

①クローラー部
②MIRSコンテナ部
③ストックモジュール
④ヘリウム供給モジュール
⑤シャボン玉吹き出しモジュール
赤枠はアルミフレーム

5. モジュール説明

モジュール説明は長くなるため次のリンク先に記す。
モジュール説明ドキュメント

6. ソフトモジュール構成

本システムには3台のArduino UNOがある。

master : 各モードにおける動作フローの実行と走行用モーターを扱う。
slave : ストックモジュール・ヘリウム供給モジュールの各種アクチュエータを扱う。
シャボン玉用 : ストック回収ボックスとシャボン玉吹き出しモジュールを扱う。

Arduino UNO master用ソフトウェアのモジュール構成を表1に示す。

表1 Arduino UNO masterモジュール一覧
ファイル名	説明
mg5_arduino_ver200_master.ino	メインプログラム。`setup()`, `loop()` を含み、スタンバイ・巡回・風船モードなどのステートマシン（状態遷移）管理を行う中枢ファイル。
define.h	設定定義ファイル。ピン番号の割り当て、制御パラメータ、定数、構造体の定義を集約している。
io.ino	基本入出力制御。操作ボタン、内蔵LED、バッテリー電圧監視などの基本I/O操作を担当。
motor.ino	走行モーター出力。左右のDCモーターへPWMと回転方向信号を出力するドライバ制御関数群。
encorder.ino	エンコーダ読み取り。左右のロータリーエンコーダのパルスをカウントする割り込み処理。
vel_ctrl.ino	速度制御 (PID)。エンコーダ値から速度を計算し、目標速度になるようPID制御を行う。
run_ctrl.ino	走行制御 (位置・軌道)。「8m進む」「180度回る」といった目標距離・角度に対する指令値を生成し、直進補正を行う。
sonar.ino	超音波センサ制御。HC-SR04を用いて障害物までの距離(cm)を計測する関数。
master_i2c.ino	I2C通信 (送信)。Slave機に対してコマンドや、状態確認リクエストを送る処理。
raspi.ino	シリアル通信。PCやRaspberry PiとのUART通信処理。デバッグメッセージの送信やコマンド受信に使用。
test.ino	デバッグ・テスト。PIDゲイン調整用のステップ応答データ取得や、単体動作テスト用の関数群。
slave.ino	外部指令受信。PC/RasPiからの直接指令で動くためのモジュール（今回は自律動作メインのため補助的な役割）。

Arduino UNO slave用ソフトウェアのモジュール構成を表2に示す。

表2 Arduino UNO slaveモジュール一覧
ファイル名	説明
mg5_slave_arm_ver100.ino	メインプログラム。I2Cコマンドを受信する。
define.h	設定定義ファイル。ピン番号の割り当て、制御パラメータ、定数、構造体の定義を集約している。
actuator.ino	バルブ制御。バルブ開閉用のDCモーター（エンコーダ付き）を制御するモジュール。ピン変化割り込み(PCINT)を使用。
AngleController.h	角度制御クラス (Header)。バルブ開閉用モーターの角度PID制御を行うためのC++クラス定義。`actuator.ino` から利用される。
sequences.ino	シーケンス実行。ステッピングモーター・サーボ・電磁石を連携させた一連のシーケンス動作（風船処理）を実行する。

シャボン玉用Arduinoのソフトウェアは単一のソースファイルによりコードを記述している。シャボン玉用のArduinoではストック回収の検知とモーターの回収を行っている。

ソースコードはGitHubにアップロードされており、下記リンクから閲覧することができる。

https://github.com/mirs2501/Arduino/

7. 回路構成図

本機体の回路構成を以下に示す。

回路全体(図6)

ガントリー(図7)

弁開閉用モーター(図8)

冷却ファン(図9)

シャボン用モーター(図10)

走行用モーター(図11)

電磁石(図12)

サーボモーター(図13)

マイコンボード(図14)

8. モジュール分担

ハード設計：クローラーモジュール、MIRSコンテナモジュール、ストックモジュール、ヘリウム供給モジュール、シャボン玉吹き出しモジュール (担当：内野、木村、酒井、谷口、仲下、窪田、テテー)
ソフト設計：認識処理、自律走行、音声 (担当：阿部、窪田、テテー、細江)
回路全般:設計、作成 (細江、テテー)

9. システム構成図

全体のシステム構成を図15に示す。青色は標準機からの流用を、白色は新規設置を示す。

10. 使用物品一覧

BABLOONに使用する物品のリンクを次に示す。 BABLOON使用物品一覧

11. テスト計画とKPI評価

BABLOONの主な機能は風船を膨らませる、人が来たら止まる、区間巡回の三つであるため実用性を保証する必要がある。評価方法はそれぞれの機能が基準値以上の成功率になること。実際行うテストは以下のとおりである。

①巡回テスト
より多くの人の目に留まるようにBABLOONは巡回を行う。よってその性能テストが必要である。
テスト計画：12/6に伊豆ゲートウェイ函南にてテストする。
KPI評価：指定区間内を一定時間巡回できる。
②風船作成テスト
BABLOONのメイン機能である風船作成機能。これが正常に作動しなければ完成とは言えないため、テストを行う。
テスト計画：12/6に伊豆ゲートウェイ函南にて行う。場所を選ばないため学内でも実施可能。
KPI評価：作成の一連の流れ(15秒以内9インチ)を規定時間内で90％で行う。

12. スケジュール / マイルストーン

12/1~12/7:部品購入、メイン機構動作確認、現地調査
12/8~12/14:車体、配線構築
12/15~12/21:車体、配線構築、メイン機構との組み合わせ
12/22~12/28:評価及びその振り返り
12/29~1/4:資料作成（冬休み）
1/5~1/11:校内発表、それに向けた調整と準備
1/12~:完成、現地での実証実験、KPI試験

13. 実証実験の結果

実証実験1,2回目の各機能の実装結果を表3に記す。

表3 実証実験結果
機能	実装結果(1回目)	実装結果(2回目)
シャボン玉吹き出し	✕	〇
風船作成	✕	〇
巡回走行	✕	✕

体験者の満足度調査の結果を図16に記す。

14. 実証実験を踏まえて

実証実験の結果わかったことを次に記す。

シャボン玉液が補充されている状態だと巡回走行ができない。

風船ストックを入れていないのにシャボン玉が吹き出すことがあった。

ガントリーモジュールのノズルやガントリーモジュールのピニオンギアの初期位置の設定が必要。

15. 今後の作業と展望

巡回走行中にシャボン玉液がこぼれない容器の作成。
各モジュールで初期位置の設定を行う。
回を追って進化していく「ワクワクボックス(意見箱)」の設置。
レーザー加工で写真を印刷し、お土産として持ち帰れる。

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