| 研究課題/領域番号 |
23K02779
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分09080:科学教育関連
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| 研究機関 | 北九州工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
川田 昌克 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 教授 (90311042)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 制御工学 / カリキュラム開発 / 教材開発 / Arduino / MATLAB/Simulink / LEGO |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，誰でも簡単に製作できる安価な『制御工学』の教育用実験装置（倒立振子など）を開発する．そのために，本体の製作には特殊な機械加工の技術が不要なLEGO部品を使用するが，製造が中止となったLEGO用のモータ・センサやマイコンの代わりに汎用のモータ・センサや，MATLAB/Simulinkに対応しているマイコンArduinoを使用することを検討する．また，開発した教材を用いて，モデリング，古典制御，現代制御，アドバンスト制御といった幅広い内容を学習できるカリキュラムを提案する．そして，実際に高専の授業等で活用し，その教育的効果を検証する．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，実践的に難解な『制御工学』を学ぶために，安価で操作性の良い教材を開発し，これを利用したカリキュラムを提案する．そのために，以下の工夫を行った．
(1) 本体の製作には LEGO 部品およびその互換部品を利用した．このことにより，レーザーカッターや 3D プリンタを利用せずに実験装置を製作することができるようにした．
(2) モータやエンコーダとしては LEGO 部品にネジ類で簡単に取り付けることが可能な汎用のものを選定した．
(3) マイコンは汎用の Arduino Mega を使用し，実装には『制御工学』分野で標準的なソフトウェア MATLAB/Simulink を利用した．このことにより，Simulinkブロックを結線するだけで簡単に実機実験を行なったり，リアルタイムでの信号観測，データの取得ができるようになった．
(4) マイコンには誰でも簡単に結線することが可能なモータシールドの自作方法を提案し，コストを下げることを可能にした．
本年度は，「回転型倒立振子」や「アーム型倒立振子」を製作する手順を示した．また，これら教材を利用してモデリング，PID 制御，状態フィードバック制御といった基本事項に加えて，外乱オブザーバや量子化制御などのアドバンストな事項を学習させるためのカリキュラムを構築した．提案した内容は，学術論文や解説論文に掲載され，WEB 上に組み立て手順や MATLAB/Simulink ファイルを広く一般に公開した．さらに，「アーム型倒立振子」の振子を取り外した「鉛直面を回転するアーム系」を利用した PID 制御の講習を企業で行ない，その有効性を確認した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度は 2 種類の教材「回転型倒立振子」，「アーム型倒立振子」とそれを利用したカリキュラムを提案することができた．そして，計測自動制御学会やシステム制御情報学会の学会誌に学術論文，解説論文が掲載され，WEB で広く一般に公開することができた．また，「回転型倒立振子」については，他のいくつかの教育機関で実際に実験科目やオープンキャンパスなどで利用されているなど，本教材が普及する足がかりとなっている．さらに，教材「鉛直面を回転するアーム系」を利用した PID 制御の講習を実施し，アンケート結果から有用性を確認できた．
以上の進捗を鑑みて，全体として当初の計画以上に進展していると評価する．
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| 今後の研究の推進方策 |
「アーム型倒立振子」については，アームが真下近傍での動作しか実現できていない．これは，小型のギヤ付モータを利用していることが要因のひとつであると考えられるので，別のモータを選定して，アームが真上近傍での動作も可能であるように改良する予定である．また，「慣性ロータによる倒立振子」など，別の教材開発も行なっていきたい．
同時に，高専での授業に本教材を展開し，その効果を検証していく予定である．
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