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MR1を支えた Ethernet&ROS システム 大工大技術交流会2019 京都大学機械研究会

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目次 ● MR1について ● ROSシステムの概要 ● システムの詳細 ● 開発時の問題点 ● 評価 ● NHKロボコン2020に向けた取り組み

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MR1について ● 15年ぶりの出場のため、MD,制御を始めとする 全技術を9ヶ月で開発 ● 制御の主軸は 転がしエンコーダー と IMU を用 いた制御 ● LiDARとROSを用いた自己位置推定システム は絶対位置を補正するための補助

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ROSシステムの概要 ● 全制御はSTM32F767ZI NUCLEOを2台使う ことによって行われる ● LiDARの測定データをPCで処理し、Ethernet 経由でSTM32F7に流し込む ● 5GHzのWiFi APを搭載することで、セッティン グ時にLiDARの動作状況を手元のLaptopで 確認することができる

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システム詳細(Cartographer) Googleが開発したSLAMソフトウェア。ROSパッケージが用意されている 通常のSLAMと、あらかじめ用意されたマップをもとに自己位置推定を行う PureLocalizationを利用することができる Thinkpad X1 Carbon(2018, 8th Gen Corei7, 16GB)でほぼ完全に動く Raspberry Pi とか Windowsタブレット(Atom, Corem3)は厳しそう

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システム詳細(ROS) ● 北陽LiDARからのデータをGoogleの自己位置推定エンジン Cartographerによって処理し、 carto2poseによって座標データに変換、自己位置を得る ● 得られた自己位置情報はrosbridgeとrosbridge-proxyによって独自フォーマットのデータに変 換され、STM32F7にUDPパケットとして送られる ● STM32F7は受け取った自己位置とエンコーダーによる自己位置を相補フィルタによって統合 し、制御に使う

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システム詳細(STM32F767) ● Ethernetの処理はLWIPによって行われる。 ● データ受信用のハンドラを設定し、 MX_LWIP_Process()を10msタイマーで呼び出すと受信ハ ンドラが呼び出される。 ● データ量が多すぎるとマイコン自体が死ぬ (何度か暴走してます。)

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ソースコード一部掲載(全体公開は間に合いませんでした)

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開発時の問題点 1. Ethernetの処理が重くなり、制御が死ぬ Ethernetの処理と制御の処理が同じ10msタイマーによる周期で走る Ethernetの処理が重くなると制御の処理が終わり切らず死ぬ LWIPの処理遅延(5〜10ms)による座標のズレ 2. 利用事例が少ない ロボコンでEthernetを本格的に用いている事例は多くない (そもそも情報がない) トライ＆エラー で改良を進めるしかなかった

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評価 ● LiDAR+Cartographer を用いることでcmオーダーの絶対位置を得ることができるため、自動 化においてかなりの威力を発揮した ● ライントレースやカメラ等によるセンシングよりも外乱に強い ● ROSを用いることで、アルゴリズム開発をしなくて良い。開発負担の軽減 ● ROSによるロボットからのデータの可視化が容易 (今回はあまり活用できていない) ● 楽しい(とても大事) ● LiDARの取り付けや角度調整が面倒 ● LiDAR系と転がしエンコーダー系の時間的なズレへの対処が必要 ● RTOSを用いていないため、Ethernetの処理が増加すると制御も崩壊する ● Linuxとマイコン両者を扱える人がほとんどいない (=技術継承の困難)

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NHKロボコン2020に向けた取り組み ● RTOSを用いることで、安定した動作を目指す ● UART上の独自プロトコルをEthernet上のUDP通信に置き換える(=Ethernetの本格採用) ● ログを収集し、PC上で容易に確認可能にする ● 後継者の育成 ● ロボコン界隈へのROS,Ethernetという新たな選択肢の導入 ● EthernetケーブルにはEthernetフレームを流したい

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ソースコード一式 ● cartographer_ros cartographerのROSパッケージ https://gitlab.com/kikaiken/cartographer_ros ● carto2pose cartographerのデータから座標データを取り出す https://gitlab.com/kikaiken/carto2pose ● rosbridge_proxy JSONから独自フォーマットへ変換する https://gitlab.com/kikaiken/rosbridge-proxy