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自律走行ロボットをプログラミングするということ ~ETロボコンの場合~
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2013/09/14 に開催された OSC 2013 Hokkaido で行った、ET ロボコン紹介セミナーで使ったスライド。
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自律走行ロボットをプログラミングするということ ~ETロボコンの場合~
1.
自律走行ロボットを プログラミングするということ ~ET ロボコンの場合 古賀信哉 ETロボコン北海道地区実行委員会
2.
はじめに ET ロボコンの紹介 自律自立と走行 センサで回りと自分を見る 自律走行へ挑戦するために
3.
ET ロボコンの紹介
4.
どんなコンテスト? 目的 開催概要 若手技術者や学生向けの学習の場を提供・育成 自律走行ロボットの、走行実技と設計モデルを競う 年間スケジュール 実施説明会 技術教育1、2 +
試走会1、2 モデル提出~モデル審査 地区大会実技コンテスト(一般公開) 全国チャンピオンシップ大会
5.
ロボットで何をやるの? 競技コース 黒いラインを引いたコース 光センサを使ってライントレース 途中には、坂道やカーブもあり 基本コースのゴール後に難所あり 階段、シーソー 機体を傾けないと通れない高さのゲート
6.
ロボットで何をやるの? 競技コース 黒いラインを引いたコース 光センサを使ってライントレース 途中には、坂道やカーブもあり 基本コースのゴール後に難所あり 階段、シーソー 機体を傾けないと通れない高さのゲート 「アーキテクト部門」を新設。 パフォーマンスステージ(新設!)
ベーシックコース後の自由パフォーマンス
7.
何を競うの? 走行実技 共通のハードウェアを使う ソフトウェアの出来を競う 設計モデル
構造モデルと振る舞いモデルを中心に記述 「これは走りそうだ」と分かる内容は高評価
8.
何が難しいの? ちゃんと走らせること 直進コースを直進し、カーブで曲がる 坂道で倒れず、ラインを見失わない
難所に着いたことを検出して動きを変える ちゃんと設計すること 構造、振る舞いのモデルの一貫性(UML) 前提の適切さ、仮説と検証の妥当性(性能)
9.
何を使うの? 機体 LEGO Mindstorms NXT OS
とプラットフォーム nxtOSEK (TOPPERS/JSP, etc.) (OSS) プログラミング環境 Cygwin/gcc (OSS): C 言語 ARM ツールチェイン
10.
機体が持っているもの ジャイロセンサ 超音波センサ ソフトウェア(CPU) Bluetooth ロータリエンコーダ (左右のモータに付属) 光センサーと LED 左右の車輪(モーター)
11.
自立と走行 ~自律の前に、まず自立
12.
どうやって立つの? 何が難しいのか 倒立振子制御 API extern void
balance_control( F32 args_cmd_forward, F32 args_cmd_turn, F32 args_gyro, F32 args_gyro_offset, F32 args_theta_m_l, F32 args_theta_m_r, F32 args_battery, S8* ret_pwm_l, S8* ret_pwm_r); 前進/後退速度 旋回速度 ジャイロセンサ ジャイロオフセット ロータリエンコーダ左 ロータリエンコーダ右 バッテリ電圧
13.
どうやって立つの? 何が難しいのか 倒立振子制御 API extern void
balance_control( F32 args_cmd_forward, F32 args_cmd_turn, F32 args_gyro, F32 args_gyro_offset, F32 args_theta_m_l, F32 args_theta_m_r, F32 args_battery, S8* ret_pwm_l, S8* ret_pwm_r); API が計算して出したモータ回転 強度の値を、モータ制御 API に渡 して動かす。 前進/後退速度 旋回速度 ジャイロセンサ値 ジャイロオフセット値 ロータリエンコーダ左 ロータリエンコーダ右 バッテリ電圧 モータ回転強度左 モータ回転強度右
14.
デモで分かること(倒立制御) 完全静止できない!
15.
デモで分かること(倒立制御) 完全静止できない! 倒立制御では、ジャイロセンサの値を 見ながら、倒れないように車輪を小刻 みに動かします。 車輪が動くので、静止できません。
16.
走行するには 倒立振子制御 API 静止の場合と API
は同じ 前進・後退 前進・後退速度を指定 右旋回・左旋回 旋回速度を指定
17.
デモで分かること(走行制御) 直進しない!
18.
デモで分かること(走行制御) 直進しない! 同じ回転強度をモータ制御 API に指定 しても、左右のモータの特性が違いま す。思った通りには直進しません。 車輪の取り付けがわずかに左右ずれて いれば、それも影響します。
19.
自立と走行(まとめ) 自立の仕組み ジャイロセンサで傾き動作(角速度)検出 傾きを解消するために車輪を動かす ジャイロセンサ
API と倒立振子制御計算 API モーター制御 API 課題 倒立振子は静止しない まっすぐ走らない 車は急に止まらない・走らない
20.
自立と走行(まとめ) 自立の仕組み ジャイロセンサで傾き動作(角速度)検出 傾きを解消するために車輪を動かす ジャイロセンサ
API と倒立振子制御計算 API モーター制御 API 課題 倒立振子は静止しない まっすぐ走らない 前進・後退中に速度を一気に落とすと、 簡単に転倒します! 車は急に止まらない・走らない
21.
センサで回りと自分を見る ~目を開いてみよう
22.
機体に装着されたセンサの一覧 ジャイロセンサ:角速度 光センサと LED ロータリエンコーダ 超音波センサ タッチセンサ:スタート指示に使える
23.
地面の色(明るさ)を見る 光センサと LED:反射光 地面の色が反射光の強さに対応 デモで分かること
24.
車輪の動きで自分の動きを知る ロータリエンコーダ:車輪の回転角 剛体モデルで考える デモで分かること
25.
前方障害物との距離を知る 超音波センサ:前方物体までの距離 距離計測の仕組み デモで分かること
26.
センサで回りと自分を見る(まとめ) センサで検出できるもの 傾き角度動作: ジャイロセンサ 左右の車輪の回転角:
ロータリエンコーダ 前方物体との距離: 超音波センサ 課題 光センサからの入力値は不安定 外乱光 倒立振子機体の傾き動作 センサ自体の精度
27.
センサで回りと自分を見る(まとめ) 課題(続き) 足元の障害物は検出できない(難所攻略時) どうやれば? 理想モデルと実データのかい離 まずは実測! 実測に基づいてモデルを修正
28.
自律走行へ挑戦するために
29.
自律って何だろう ライントレース? 自分を知る、世界を知る
30.
制御動作の最適化 車は急に止まれない、曲がれない 比例制御 積分制御、微分制御
31.
自己位置推定 剛体モデルで計算 推定結果と現実の違いを補正
32.
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33.
ライントレースの精度を上げる 外乱の影響をどうやって防ぐ? 自己位置推定を補完 「チェックポイント」を作ろう 適応型にするために
34.
これから始めるには ET ロボコン http://www.etrobo.jp/2013/ LEGO
Mindstorms NXT の入手先 http://www.afrel.co.jp/lineup/robocon http://afrel-shop.com/shopdetail/008000000003/order/ NXT 拡張ファームウェアと nxtOSEK の入手先 http://lejos-osek.sourceforge.net/jp/installation_enf.htm
35.
仕組みをもっと知っておこう nxtOSEKのタスク/スレッド仕様 nxtOSEK/toppers_osek/doc/ リアルタイム処理用の優先度仕様 Etrobo
APIの内部 センサからの入力をどう受け取っているか ハードウェアの特性 センサやモータのばらつき、入力・応答特性 電池の残量の違いにも注意
36.
仕組みをもっと知っておこう nxtOSEKのタスク/スレッド仕様 nxtOSEK/toppers_osek/doc/ リアルタイム処理用の優先度仕様 スリープ関数がスリープしない(busy loop
による待ち動作)なので要注意! Etrobo APIの内部 マルチスレッド実装は「周期アラーム」が 便利。 センサからの入力をどう受け取っているか ハードウェアの特性 センサやモータのばらつき、入力・応答特性 電池の残量の違いにも注意
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ここから先は、みなさんで 今日のプレゼンで使ったソースコード 以下のページで公開しています: http://www.stprec.co.jp/project/
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