Nゲージで遊んでみる #1 — 制御・通信・自動運転までの実験計画

甥っ子が電車にはまっている。プラレールを持って走り回る姿を見ていて、ふと「鉄道模型なら通信や画像処理の実験台になるのでは」と思いついてしまった。 思いついてしまったものは仕方ない。

調べてみると、Nゲージなら車両を走らせるだけでなく、給電、組み込み制御、無線通信、画像処理をひとつの小さな環境で試せる。うまくいけば、最終的には自動運転まで試せそうだ。

そこでこの連載では、KATOのNゲージをベースに、走行・給電・制御・通信をひとつずつ組み上げていく。 今回は、その全体像と実験の順番を整理する。

純正走行からカメラ・通信・自動運転へ、模型鉄道を小さな実験環境として育てていく。

この連載で試したいこと

やりたいことは大きく4段階に分かれる。

1. 走らせる — Nゲージとしての基本走行を確認し、車載マイコンからモーターを制御する。
2. 見えるようにする — 車載カメラの映像と、電圧・電流・加速度などの状態をLinux PCへ送る。
3. 通信を比べる — Wi-Fi、レールを使った電力線通信、mini-LCX相当の沿線通信の3方式を試す。
4. 自律化する — 位置推定、自動停車、運転計画へと進み、分散システムやPhysical AIを試す。

最初に決める基本方針

一般的なNゲージは、レールにかける電圧を上げ下げしてモーターの速度を変えるアナログ制御で走る。今回の実験ではこの仕組みを使わず、次の方針で組む。

• レールには原則としてDC 12Vを常時供給する。
• 車載DC/DCコンバーターでマイコン用の5Vまたは3.3Vを作る。
• 動力車のモーターはレールから電気的に切り離す。
• ESP32-C3とHブリッジで、モーターの回転方向と速度（PWM）を制御する。
• Linux PCからの指令と車両からのテレメトリーは、まずWi-FiとMQTTで運ぶ。
• ポイント、信号機、在線センサーは地上側ESP32にまとめる。

Nゲージ実験環境の全体構成

この方式なら、レールをカメラやマイコンの共通電源として使いながら、列車の速度は車上で独立に制御できる。複数編成へ拡張するときにも、編成ごとに速度指令を分けやすい。

一方で、これは純正の使い方から外れた改造になる。実験時は電流制限、ヒューズまたはリセッタブルヒューズ（PTC）、非常停止用の電源遮断を入れる。また、純正パワーパックと自作の12V電源は同時に接続しない。

Phase 0〜10のロードマップ

実験はPhase 0からPhase 10までの11段階を想定している。各Phaseの測定結果を見てから、次のPhaseの回路や方式を決める。

走行確認から始め、車上制御、通信、自動運転の順に積み上げる。

Phase 0：まず純正構成で走らせる

純正のパワーパックで基本走行を確かめてから、待避線とポイントへ進む。

最初はスターターセットとマルチメーターだけを購入し、付属のパワーパックで基本周回線を走らせる。 速度を変えながら、カーブ通過、最低始動電圧、走行の安定性を確認する。問題なく走ったら待避線用の電動ポイントと線路を追加し、ポイント通過も試す。この段階ではポイントを手で切り替え、車両も改造しない。

Phase 1：車載カメラをUSB給電で試す

車載カメラをUSB給電で試し、映像、搭載サイズ、画角、連続動作を確認する。

XIAO ESP32-S3 Senseだけを追加購入し、まずはUSB給電のまま映像を送る。当面の成功条件は、640×480程度の映像をPCにリアルタイムで表示でき、10分以上連続で動作すること。搭載サイズや画角に問題があれば、車両に手を入れる前のこの段階で方針を見直せる。

Phase 2：レールからカメラへ給電する

レールの12Vを整流・平滑・降圧し、安全対策を入れて車載カメラへ供給する。

ここで初めて車両に手を入れる。 車両の向きでレールの極性が変わっても使えるよう、レールの12Vをブリッジ整流し、DC/DCとコンデンサーを通してカメラへ供給する。走らせながら、電圧、Wi-Fiの切断回数、カメラの再起動回数、フレーム落ちを記録する。ここでも、純正パワーパックと自作の12V電源は同時に接続しない。

Phase 3〜5：車両と地上設備を遠隔制御する

車上モーター制御、地上側のポイント制御、双方向テレメトリーを順に組み上げる。

ポイントは常時通電せず、切り替えるときだけ極性反転パルスを与える。

車両への指令は、まず次のような小さなJSONから始める。

{
  "train": "E7-01",
  "speed": 0.35,
  "direction": "forward"
}

車両から返すデータも、最初は扱いやすいJSONにする。

{
  "train": "E7-01",
  "speed_cmd": 0.35,
  "rail_voltage": 11.8,
  "motor_current": 0.13,
  "wifi_rssi": -51,
  "imu_accel": 0.12
}

Phase 6：狙った位置に止める

カメラ認識と地上センサーを比べながら、停止位置の精度を段階的に高める。

自動停車は2方式を比較する。

• 車載カメラで駅やマーカーを認識し、距離を推定する。
• 地上の赤外線・磁気センサーで列車の通過位置を検出する。

停止位置の目標精度は、まず±50mm、次に±20mm、最後に±10mmと段階的に厳しくする。 結果は平均誤差だけでなく、ばらつきとオーバーランも記録する。

Phase 7〜9：通信経路を増やして比べる

同じ列車に対してWi-Fi、レール通信、沿線通信を使い、通信品質を比較する。

Phase 7では、DC 12Vが流れているレールに通信信号を重畳し、地上から車両への一方向通信を試す。Phase 8で双方向化し、地上からは速度指令や停止指令を送り、車両からは電圧、電流、IMUなどを返す。

Phase 9では、線路脇に同軸ケーブルと小型アンテナを分散配置し、mini-LCX相当の沿線通信を試す。LCX（漏洩同軸ケーブル）は、線路沿いに敷設して列車無線に使われる、電波を少しずつ漏らす同軸ケーブルだ。本格的なLCXを最初から自作するのではなく、複数のアンテナを一定間隔で置く構成から始める。

3方式の向き不向きの見込み（◎〜×）と、主に観察したい点は次のとおり。

3方式に共通して測るのは、遅延、ジッター、パケット損失、スループット、RSSIだ。そのうえで、列車速度、線路上の位置、ポイント通過、モーターノイズとの相関を見る。Wi-Fiは最後まで残し、レール通信や沿線通信の実験中も比較用・非常用の経路として使う。

Phase 10：Physical AIへつなぐ

画像認識・ワールドモデル・運転計画の出力を、安全制御を通して車両とポイントへ渡す。

最終段階では、PC上に画像認識、ワールドモデル、運転計画を置く。 ただし、AIの出力はそのまま機器へ渡さない。停止判定など安全に関わる部分は、AIとは独立した制御層で検証する。

AIの出力をそのまま機器へ渡さず、安全制御を通して車両と地上設備を動かす。

例えば「E7を1周走らせ、駅の手前で減速し、ポイントを待避線側へ切り替え、ホーム中央で止める」という高水準の指示を、AIが運転計画へ変換する。PWM値やポイント駆動パルスはAIが直接出さず、下位の決定論的な制御器が生成する。

購入品

必要な機能を満たす範囲で、組み合わせも含めて最も安くなるように選んだ。価格は2026年9月24日に確認した税込価格で、送料がかかる出品は送料込みで示す。価格は変動することがあり、両面テープなどの細かな消耗品は含まない。

車両と線路

スターターセットの車両は10-1980のE7系基本セットと同じで、ほかにM1相当の基本周回線、フィーダー線路、リレーラー、パワーパック「スタンダードSX」（1.2A）と専用ACアダプターが含まれる。車両と線路セットを別々に揃えるより安く、ほかの車種のスターターセットと比べても、いま在庫がある中では安い部類に入る。

待避線は、V1待避線セット（20-860、6,173円）と同じ構成の線路をばらで揃える。V1との違いはポイントスイッチ2個が付かないことだけで、その分554円安い。電動ポイントは手でも切り替えられ、Phase 4からはESP32で動かすので、スイッチがなくても困らない。

12V電源は、スターターセットのフィーダーを切らずに済むよう、別に買ったターミナルユニジョイナーからレールへ入れる。パワーパックは最終構成では出番がなくなるかもしれないが、Phase 0の動作確認と、改造後に不具合が出たときの切り分けに使える。車両・線路の合計は21,999円だ。

制御用の電子部品

地上側のポイントも極性反転パルスで動かすため、TB6612FNGは動力車用と地上用の2個を用意する。1個で2チャンネルあるので、地上用の1個で左右2つのポイントを駆動できる。

ESP32-C3は、XIAOとほぼ同じ大きさで安いSuperMiniにした。個体によってWi-Fiの感度が低いという報告があるので、Phase 5でRSSIを見て問題があれば、XIAO ESP32-C3（1個1,470円）に替える。DC/DCのMini-360は、MP1584ENよりひと回り小さく、車内に収めやすい。出力電圧を半固定抵抗で合わせる方式なので、マルチメーターで5Vに合わせてからマイコンにつなぎ、合わせた後は半固定抵抗を接着剤で固める。

車内の配線にはポリウレタン銅線を使う。被膜がはんだの熱で溶けるので、極細線用のワイヤーストリッパーがなくても配線できる。

はんだ付けと測定の道具

マルチメーターは、12V前後の直流電圧、数百mAの電流、導通が測れれば足りるので、最も安い部類のDT-830Dにした。はんだごてセットには吸取線とこて台が含まれるため、別に買う必要はない。

段階的な購入費用予定