学生自身の課題設定によるエンジニアリングデザイン教育の実施
月本功*

曽根 浩平＊＊

富田 泰基＊＊＊

高木 正夫*Engineering Design Education Based on Experimental Subject
Advanced by Students
Isao TSUKIMOTO, Kouhei SONE, Taiki TOMIDA and Masao TAKAGIAbstract
The cultivating human that has the engineering design ability on technical colleges have been very important.
Thus, engineering design ability is evaluated in JABEE. Therefore, the engineering experiment base onengineering design was innovated in the faculty of advanced engineering in this campus since 2008. In the groupthat I would educate, the experimental subjects advanced by some teams have been implemented. In the subject,
the planning, design, fabrication, test and verification are performed by themselves. In this report, the procedureof the work and specific example are introduced.
Keywords: Engineering Design, Experimental Subject, Education

1. はじめに国際的に通用する技術者育成のために設立された
JABEE においてエンジニアリングデザイン能力は非常に重要視されている。そこで詫間キャンパス専攻科２年の特別実験･演習 II においてエンジニアリングデザイン能力育成のための学生実験を H20 年度より導入している。本実験は、現実の設計・開発の現場において行われる作業工程を経て実験を実施する。
本実験では(1)計画立案、(2)回路またはシステム設計、(3)製作、(4)動作検証、(5)問題発見と解決、(6)報告、の作業を通して、「計画を立案できる能力」、「回路またはシステムを設計できる能力」、「回路またはシステムの問題点を見つけることができる能力」、「役割分担し相互に協力して作業できる能力」、「問題点を解決できる能力、粘り強く取り組む姿勢」を養うことを目的としている。
実験は電子・通信系、制御系、情報系に分かれて実施している。本件は、電子・通信系の実験における実験課題の具体例を例にし、実験内容を紹介する。
本実験は原則 1 班 2 名で構成された班毎に学生自身が課題設定・計画立案をし、自ら設計・製作、動作＊

香川高等専門学校 詫間ｷｬﾝﾊﾟｽ 電子ｼｽﾃﾑ工学科＊＊

四国電線株式会社＊＊＊

株式会社 STNet

125

検証する工学色の強い実験である。

2. 実験方法
2.1 実験の実施段階と培わされる能力
本実験は後期の授業で、実験は 1 回 3 時間、週 2回 15 週（H22 年度より週 3 回）行われている。
実験は下記の段階を経て実施され、各段階で培われるデザイン能力は次のようなものになる。
(1)課題を設定・計画を立案（課題設定力、計画立案能力）(2)概要設計仕様を決定（企画力、制約条件下で解を見出す能力）(3)計画通りに設計（継続的に計画し実施する能力、チームワーク・コミュニケーション力）(4) 計画通りに製作（継続的に計画し実施する能力、チームワーク力・コミュニケーション力）(5)正常動作するかの検証・評価（問題発見、問題解決）(6)正常動作したとき，仕様を満たしているか評価（制約条件下で解を見出す能力、決断力）(7)ドキュメント作成（文書作成能力、プレゼンテーション能力）(8)発表会で報告（プレゼンテーション能力）
2.2 実験の進め方
実験の作業遂行の流れを図１に示す。各作業工程において、簡易レポートに相当するシート類を各課題

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

指導教員のチェック・確認および承認・押印を受けックを行う計画発表であり 10 月末頃に実施していた後、次の工程に進む。承認は、製品開発等のおける。2 件目は進捗状況報告会で、最終作業に向けてる上司への報告と了承受領の相当している。実験全の進捗状況の確認と設計等の見直しの確認を行う。

体の実験チーフ担当教員は原則、承認がなければ、最後に 2 月上旬に最終報告発表を実施する。

原則次の作業を許可しない。

3. 課題設定例
本研究では特に「発生した問題に対する問題解決」はエンジニアリングデザイン能力において重要であると考えている。そのためには適切な課題設定が重要となる。課題設定時には学生が本実験における課題を提案し、担当教員がその内容をヒアリングし、学生・教員がコミュニケーションをとりながら課題を決定する。過去の実験課題表題一覧を表１に示す。
なおH23 年度No.3 の課題は地元企業からの依頼に基づいたものであり、指導教員・企業・学生が連携し、作業を行った事例であり、PBL（Problem BasedLearning）に適合する課題である。
H20 年度 No.3、H21 年度 No.3、H22 年度 No.3 はソフトウェア開発の課題であるが、それ以外はハードウェアのみ、あるいはハードウェアとソフトウェア開発に関するものであり、電子・通信系としての特色が現れている。

作業開始

商品イメージ提案※何をつくる？

仕様決め※制約条件を明確に作業項目整理作業分担
スケジュール決定

承認概要設計※構成を明確に承認

詳細設計（図面類成、回路設計等）

表１ 実験課題一覧
承認

年度 No.

製作（プログラミング含）

H20

承認

H21

動作検証
（ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ・実機検証）

H22

No

動作OK

原因究明
対策実施
H23

Yes
承認

1234512341234123456

課 題 名
有機ELデバイスの製作
食べ物を飲み込むときの喉の動きを確認できる装置
詫間電波専攻科クループウェアの構築
自動追跡ロボット製作
ミニ四駆の制御システムの製作
自動走行ロボットの製作
iPhoneを用いた呼吸モニタリングシステム
一次元電磁界シミュレータの作成
有機ELの作製
LAN回線を利用したカーテン遠隔開閉制御システムの開発
XPortを使用したローテータ遠隔制御システムの構築
iPadを用いた校内案内アプリケーションの開発
フレキシブル基板を用いた有機ELデバイスの作製
電磁式リレーで構築された計算機
SEMの停止検出システム
野菜収穫台車補助機構の開発
KARACRIXを用いた給水装置の遠隔制御
自動車の自動駐車支援システムの動作検証
サンドイッチまな板を用いたカロリー計算システム

本件では題例のうち、H23 年度 No.5 の「自動車の自動駐車支援システムの動作検証」を具体例として、報告（報告書作成、ﾌﾟﾚｾﾞﾝ）次章以降に作業遂行の詳細を示す。本実験は H23 年度指導を担当した実験課題の 1 つである。本件は提承認出された各種シートおよびレポートに基づいている。
作業終了

4. 課題設定と概要設計
4.1 課題設定と計画立案
学生は提案した課題の完成イメージを図２に示す。
過去に開発した図 3 の車体（車長 300mm 程度）を使用し、その車体実装のコントローラで動作させ車庫

図１ 作業遂行フロー
さらに本実験では 3 回の報告会を実施している。1
件目は計画立案の対し、その計画と概要設計のチェ

126

月本功

他 : 学生自身の課題設定によるエンジニアリングデザイン教育の実施

入れを、時速 3km 程度で全自動で行う、である。

を実現する案である。図 4 では超音波センサを計 6

動作は前進・左折駐車（図１の破線（①））と、前個使用する構成であった。

進・右折後のバック駐車（図１の実線１、２）であ

本件での設計仕様は、「設定課題における制約条件る。

下において駐車スペースへ駐車できる」、である。
表 2 計画立案時スケジュール
第１回
第２回
第３回
第４回
第５回
第６回
第７回
第８回
第９回
第10回
第11回
第12回
第13回
第14回
第15回
第16回
第17回
第18回
第19回
第20回
第21回
第22回
第23回
第24回
第25回
第26回
第27回
第28回
第29回
第30回
第31回
第32回
第33回
第34回

図 2 完成イメージ

図 3 対象車体

月
10

11

12

月日
日
3(月)
4(火）
5(水）
10 (月）
11 (火）
12 (水）
17 (月）
18 (火）
19 (水）
24 (月）
25 (火）
26 (水）
31 (月）
1(火）
2(水）
7(月）
8(火）9(水）
14 (月）
15 (火）
16 (水）
21 (月）
22 (火）
23 (水）
28 (月）
29 (火）
30 (水）
5(月）
6(火）
7(水）
12 (月）
13 (火）
14 (水）
19 (月）

第35回

20(火）

第36回
第37回
第38回
第39回
第40回
第41回
第42回
第43回
第44回
第45回
第46回
第47回
第48回
第49回
第50回
第51回
第52回
第53回
第54回

2122
23
6
7
8
9
10
11
16
17
18
23
24
25
30
31
1
2(水）
(木）
(金）
(金）
(土）
(日）
(月）
(火）
(水）
(月）
(火）
(水）
(月）
(火）
(水）
(月）
(火）
(水）
(木)

1

2予定
ガイ ダン ス，計画等作 業 内 容
曽根(予定)

富田(予定)

部品の注文
プ ロ グラ ム作成〃
回路(コン トロ ール)作成
〃〃
〃
〃
〃
〃
〃
〃
〃
〃
〃
左折駐車時の動作概要

部品の注文
プ ロ グラ ム作成
〃〃
〃
〃〃〃
〃
〃
〃〃
〃
〃
〃
左折駐車時の動作概要

ラ ジコン に回路取付け

プ ロ グラ ム作成〃〃〃
プ ロ グラ ムを 書き込む
動作確認・問題箇所修正〃
プ ロ グラ ム修正、書き込み
中間報告会
動作確認・問題箇所修正
プ ロ グラ ム修正、書き込み動作確認・問題箇所修正〃
最終動作確認
〃
完成
資料作成
〃
〃
報告会

〃〃
〃
プ ロ グラ ムを 書き込む
動作確認・問題箇所修正〃
プ ロ グラ ム修正、書き込み
中間報告会
動作確認・問題箇所修正
プ ロ グラ ム修正、書き込み動作確認・問題箇所修正〃
最終動作確認
〃
完成
資料作成
〃〃
報告会

計画・概要設計〃〃〃〃
計画発表会の資料作成
〃〃
〃〃
発表練習
計画発表会

部品の注文
プ ロ グラ ム作成〃
回路作成・プ ロ グラ ム作成〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃
ラ ジコン に回路取り付け、プ ロ グラ ム作成〃〃〃
プ ロ グラ ムを 書き込む
動作確認・問題箇所修正〃
プ ロ グラ ム修正、書き込み
中間報告会
動作確認・問題箇所修正
プ ロ グラ ム修正、書き込み動作確認・問題箇所修正〃
最終動作確認
〃
完成
資料作成
〃〃
報告会

提案された課題実現のための主な制約は下記の通りである。課題を実現するためには、こういった課題クリアのための制約は重要である。
①地面は水平で段差のないものとする。
②屋内での評価のみする。
③障害物や壁はすべての面が平らな直方体または立方体とする。
④制御対象は図 3 とする。
図 4 構成案

本内容の実現するための計画立案時のスケジュー

4.3 構成等の見直しルを表 2 に示す。スケジュール設定においては、作業分担を決定し、各作業のスケジュール案を検討す

本実験では、計画発表において課題設定・計画立るとともに、最終的に設計、製作結果を結合し、最案および概要設計を相互チェックしている。企業に終的に評価する共同作業の洗い出しや、発表準備作おける DR（Design Review）の簡易試行にあたり、業に関係した共同作業についても検討している。

お互いに違う立場（担当指導以外の教員、学生）から問題点や心配事を点検する場であると考えている。
本件のおいても教員および学生から様々な指摘があ4.2 概要設計った。その一例を下記に示す。

作業の次の段階では、4.1 節の計画を元に製作実現に向け設計作業を詰める。本課題では、図 4 のよ

(1)目的は駐車を簡単にする支援システムであるが、うな構成案が提案された。駐車にあたって障害とな実証するためのハードウェア(図 3)が実際の自動車る対象との距離を超音波センサで感知し、その情報と合致していない。

をマイコンで集約してモータを制御することで計画(2)時間の関係上、前進駐車とバック駐車の両方とも127

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)実現できるのか。
(3)超音波センサは指向性が良くないので目標位置を判断するには適していないのではないか。
指摘事項に対して検討し、構成等の見直しが学生から提案された。見直し内容は以下の通りである。
(1) 図 5 のラジコン模型(実車 1/20 スケール）に変更する。
(2)前進、バックの駐車方法は問わない。
図７ CPLD 基板外観(3)構成を図 6 のように赤外線距離センサへ変更するとともに、制御部を CPLD へ変更する。

図 8 赤外線センサの外観

5. 詳細設計
5.1 モータ駆動回路の設計
ラジコンカーには、前輪用と後輪用のモータがある。モータはともに単純な DC モータであり、回転方向を制御する必要があることから、モータ駆動回路は図 9 の H ブリッジ型を採用した。

図 5 実験対象模型
また、全体制御をマイコンで実現する予定であったが、本科の実験で使用経験のある CPLD での制御に変更し、構成を図 6 のように見直した。

図 6 最終構成制御を行う CPLD 部は図７の基板を使用する。H20

図 9 モータ駆動回路の基本構成

年度に教育・研究用に本研究室で開発されたものである。本基板の CPLD はアルテラ社製 MAXII シリーズ

図 9 の 4 個のトランジスタは、モータに流れる電１）（EPM750T144） であり、CPLD のクロック周波数は流を実測し、表３示すトランジスタを選定された。

40MHz である。テスト用にスイッチ類が 5 極、LED が表３ トランジスタの選定

4 個実装されている。

トランジスタ番号

さらに赤外線距離センサとしては図 8 のシャープ

Q1,Q2２）製の GP2Y0A21YKを採用した。本センサは検出対象との距離に応じた電圧が出力されるタイプで、最終Q3,Q4的な検出距離調整のため選定した。
構成が決定したので、次に学生による詳細設計および製作の作業に進むことになる。

128型 番

前輪用

2SA950Y

後輪用

2SA1941-O前輪用

2SC2120-Y

後輪用

2SC5198-O月本功

他 : 学生自身の課題設定によるエンジニアリングデザイン教育の実施

5.2 センサ I/F 回路の設計
4 個の距離センサを使用するため、センサの信号を CPLD に取り込むための回路を設計した。設計した回路図を図 10 に示す。センサからの出力はアナログ電圧出力であることから、U3 によるコンパレータで一定距離以上の距離かどうかを判定している。判定
距離の設定電圧は電圧リファレンスで生成される 5V

駐車スペースを抵抗と可変抵抗により作っている。電圧リファレ

25[cm]×23[cm]

ンスはナショナルセミコンダクタ製 LM336Z-5.0３）を使用している。
図 12 提案された動作
図12 をもとに作成した状態遷移図が図13 である。
図 11、図 13 から VHDL で作成した４）。

図 10 センサ I/F 回路
5.3 制御回路の設計
CPLD 内の構成を図 11 に示す。
前輪モータ駆動は、左折・右折・前進の切り替え用なのでモータは ON/OFF制御となる。ラジコンカーは速度可変なので、後輪モータは PWM 制御で駆動する。
図 13 状態遷移図

6. 製作と動作検証
6.1 各種基板製作と動作検証製作したモータ駆動基板を図 14 に示す。単体でモータ駆動実験を行った結果、正常動作しなかった。
調査の結果、配線ミスが確認され、対策処理により正常動作した。

図 11 CPLD 内のモジュール構成
CPLD の回路設計は作成するために、自動車の動作をより詳細に検討した。結果を図 12 に示す。停車ス
図 14 モータ駆動基板

ペースは 4 つの障害物で実現し、スタート位置からセンサ I/F 基板を図 15 に示す。基板１枚にはセン自動走行を開始する。

サ２個分の回路が実装されている。本基板において基板設計にミスが見つかり、再設計することで正常動作できた。

129

香川高等専門学校研究紀要 3(2012)

がしきい値電圧（Vth）付近でのコンパレータ判定出力（Vo）が不安定であることが分かった。CPLD 内の回路で対策を行った結果、正常動作できた。

図 15 センサ I/F 基板
CPLD 基板に実装されたスイッチをセンサからの入力の代替、LED をモータへの駆動指示状態表示に使用し、製作した VHDL プログラムが正常動作するかを検証した結果、動作に問題が生じたが、設計ミスと図 17 コンパレータの誤動作開発ツールの設定上の問題であることがわかり、正最後に設計仕様を満たしたかチェックを実施した。

常に動作することができた。

その結果、10 回中 5 回駐車スペースに停車はできた。

6.2 全体動作検証

100%の成功ではなかったものの「駐車スペースへ駐ラジコンカーのボディー上部を切り取り、モータ車できる」という課題はクリアできたと考える。

駆動回路１枚、センサ I/F 基板 2 枚、CPLD 基板１枚

7. むすびエンジニアリングデザイン能力は JABEE おいても重要視されており、高等教育機関に対してそのエンジニアリングデザイン能力育成の期待が高まっている。そのため詫間キャンパス専攻科 2 年の特別実験･演習 II において、問題発見、問題解決を重視した学生実験を H20 年度より導入している。本実験は、現実の設計・開発の現場における作業工程に準じて実験を実施する。特に筆者の担当する電子・通信系で実施している実験では、実験課題を学生が提案する。
本件では H23 年度実施の「自動車の自動駐車支援システムの動作検証」を具体例として、計画立案から課題達成までに至る作業工程を紹介した。本事例
以外も、自ら関心を持った内容であるため、積極的に取り組んでいる様子がうかがえ、発生した問題も最終的には解決できおり、教育効果は高いと考えられる。
一方課題設定に約 1 か月必要であること、2 月上旬が成果発表であることから、実質 3 か月で設計・製作、動作検証・問題対策および発表を行うため、全体の作業効率をいかに向上させるかが課題である。

を取り付けた様子を図 16 に示す。センサはボディー前面の中央、左右に各 1 個と後部左部に 1 個取り付けている。

(a)上部からの写真(b)左側面からの写真

参考文献
1)“MAXII デバイス・ハンドブック”, 日本アルテラ株式会社
2)“GP2Y0A21YK データシート”, シャープ株式会社
3) “LM336Z-5.0 データシート”, ナショナルセミコ
ンダクタ4)深山正幸, 北川章夫, 秋田純一, 鈴木正國,”
HDL による VLSI 設計―VerilogHDL と VHDL によるCPU 設計”, 共立出版

図 16 全体外観
単体では正常動作したが、全体では正常に動作しなかった。CPLD 基板からモータ駆動基板と通してのモータ駆動には問題がなかったため、センサ I/F とCPLD 基板の間の問題を想定して考察・調査した。センサ信号が I/F 基板のコンパレータしきい電圧付近と思われる状態で異常が顕著だったことから、調査を進めると、図 17 に示すように、センサ電圧（VS）

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