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。

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. 難所攻略

階段に出くわしたことを知るには

走り過ぎて落ちないために

シーソーを通り抜ける

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

37. 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/