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

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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
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

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...

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-...

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...

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...

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...

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

Scratch（スクラッチ）の画⾯
8

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...

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

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

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

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

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...

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...

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...

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...

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

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

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...

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...

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

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...

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

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）

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...

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...

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...

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

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...

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...

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...

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...

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
...

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...

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...

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

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

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）

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...

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...

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...

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...

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...

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...

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...

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」...

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

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...

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

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...

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<4...

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

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

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

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
...

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

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

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...

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

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

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...

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...

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

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

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...

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