信号処理（アナログとデジタルの架け橋）
現実世界のデータ（温度や音など）をコンピュータで処理するための変換技術です。
- A/D変換（アナログ→デジタル）：センサーが感知した連続的な電気信号（波）を、コンピュータが理解できる「0と1」のデータに変換します。ステップは以下の3つです。
- サンプリング（標本化）：時間を一定間隔で区切り、その瞬間の値を抜き出す。
- 量子化：抜き出した値を、あらかじめ決めた段階値（例：256段階など）に当てはめる。
- 符号化：量子化した値を「0と1」のデジタルデータに変換する。
- D/A変換（デジタル→アナログ）：コンピュータが出した指令（デジタル）を、モーターなどを動かすための電気信号（アナログ）に逆変換します。
フィードバック制御 と フィードフォワード制御（頻出）
ロボットやエアコンなどを目標通りに動かすための「制御アルゴリズム」です。試験ではこの2つの違いが最も狙われます。
- フィードバック制御（後追い制御）
- 仕組み：現在の状態をセンサーで測り、「目標値」と「現在の値」の差（ズレ）を打ち消すように次の動きを調整する。
- 例：エアコンが室温を測り、「目標24度に対して今26度だから、もっと冷風を強めよう」と調整する。
- 特徴：外乱（予期せぬ原因、例：急に窓を開けられた等）が起きても、後から修正が効く。ただし、修正までに少しタイムラグ（時間遅れ）が発生する。
- フィードフォワード制御（先回り制御）
- 仕組み：あらかじめ「原因（外乱など）」を予測・測定し、ズレが発生する前に先回りして必要な出力を計算して命令する。
- 例：外の気温が急上昇したのをセンサーが察知し、室温が上がる前にエアコンの出力をあらかじめ強める。
- 特徴：タイムラグなしで素早く対応できるが、予測できない不測の事態（外乱）には対応できない
応答特性 と 制御安定性（システムの評価）
制御命令を出したとき、システムがどう反応するかを表す指標です。
- 応答特性：目標値を変えたとき、どれだけ早く、正確にシステムが追従できるかという特性。
- 制御安定性：システムが暴走せず、落ち着くべき状態（目標値）にしっかり収束するかどうか。
- 命令に対してシステムが過剰に反応し、激しく振動し続けてしまう状態を「発振（はっしん）」と呼び、安定性が失われた状態を指します。
各種制御（PID制御など）
フィードバック制御の具体的な計算手法です。
- PID制御：現在最も広く使われているフィードバック制御です。以下の3つの要素を足し算して出力を決めます。
- P（比例制御）：現在のズレの大きさに比例して、強く出力を戻す。
- I（積分制御）：過去のズレの「蓄積」を見て、ダラダラと残る小さなズレ（オフセット）をゼロに近づける。
- D（微分制御）：ズレの「変化の勢い（急激さ）」を見て、急な変化にブレーキをかけ、オーバーシュート（行き過ぎ）を防ぐ。
センサー・アクチュエーター（ロボットの目と足）
現実世界とコンピュータをつなぐ物理的な部品です。
センサーの種類と動作特性（状態を検知する「目」）
- ジャイロセンサー：物体の「角度（傾き）」や「角速度（回転の勢い）」を検出する。スマホの画面回転やドローンの姿勢制御に使用。
- 加速度センサー：物体の「速度の変化（加速・減速）」や「傾き（重力方向）」を検出する。歩数計や衝突検知に使用。
- 超音波センサー：音波を発射して跳ね返ってくる時間から、「対象物までの距離」を測定する。車の障害物センサーに使用。
アクチュエーターの種類と動作特性（動かすための「筋肉」）
- DCモーター：直流電流で動く普通のモーター。高速回転が得意だが、正確な位置でピタッと止めるのは苦手。
- ステッピングモーター（超頻出）：パルス信号（カチッ、カチッという電気の波）を1回送るごとに、「あらかじめ決まった一定の角度（ステップ角）」だけ正確に回転するモーター。
- 特徴：センサーで現在の位置を確認しなくても（オープンループ制御でも）、非常に正確な位置決めができるため、3Dプリンターやロボットのアームに使用されます。