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知能ロボコン出場機体 "Kaninchen" の製作 / Building the Robot named "Kaninchen" for inrof 2019

yuki
July 14, 2019

知能ロボコン出場機体 "Kaninchen" の製作 / Building the Robot named "Kaninchen" for inrof 2019

東京工業大学ロボット技術研究会,
第69回研究報告会(2019年前期)における発表資料です.

yuki

July 14, 2019
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Transcript

  1. Tokyo Tech
    The Society for the Study of Robotics
    The 69th Conference
    知能ロボコン出場機体
    "Kaninchen" の製作
    2019/7/14
    yuki (16: @blessingyuki)
    Team Members:
    makky (@mmaakkyyii) & kiwi (@nullKiwi)

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  2. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 1

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  3. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 2

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  4. はじめに
    • 知能ロボコン2019に参加
    チーム名: “tty”
    機体名 : “Kaninchen” (ドイツ語で「兎」)
    • チーム構成
    • 機械 :kiwi
    • 回路制御:makky
    • 制御情報:yuki
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 3

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  5. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 4

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  6. 大会概要
    • 知能ロボットコンテスト
    • 知能ロボットコンテスト
    フェスティバル内の大会
    • 誰でも参加可能
    • 第31回大会
    • 2019年6月15, 16日
    • スリーエム仙台市科学館(宮城県)
    • 中高生,高専・大学生,社会人など幅広く参加
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 5
    http://www.inrof.org/irc/

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  7. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 6

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  8. ルール
    • オブジェクトを決められた位置に運ぶ
    • チャレンジャーコース
    • 赤・青・黄の3色のボール
    • 今回出場
    • マスターズコース
    • 赤・青・黄の3色のボール
    • 空き缶
    • 水入りペットボトル
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 7
    https://www.dougukan.com/
    allproducts/baby_product/mb
    all.htm

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  9. ルール
    • 時間制限あり(早くは必ずしも正義ではない)
    • ロボットは完全自律型
    • 展開制限なし
    • 初期機体制限あり
    • 台数制限なし
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 8

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  10. フィールド
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 9
    第31回
    ルールブックより
    スタート
    位置
    ボールが
    あるエリア
    ボールを
    入れる
    ゴール
    (色別)

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  11. 評価基準
    • 一次予選
    • 競技点で評価
    • 二次予選以降
    • 競技点
    • 審査員点
    • パフォーマンス性
    • チャレンジ性
    • 芸術性
    • スピード感
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 10

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  12. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 11

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  13. コンセプト
    •オブジェクトを射出して点を取る
    • 回収後,運ぶのではなくゴールに投げこむ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 12
    https://www.irasutoya.com/2
    014/07/blog-post_9042.html

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  14. システム構成
    • アクチュエータ
    • 駆動用モータ x4
    • RCサーボモータ x2
    • ソレノイド
    • センサ
    • エンコーダ x4
    • ジャイロセンサ x1
    • 深度 / カラーカメラ x1
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 13

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  15. システム構成
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 14

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  16. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 15

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  17. メインフレーム
    • t1.5のアルミ板材2枚と
    真鍮スペーサで構成
    • 中央の穴:配線用
    • 板間には
    バッテリを収納
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 16

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  18. 移動機構
    • モータ:380(減速比 1:75)
    • 4輪メカナム(60mm径)
    • 出力軸に
    エンコーダ
    (AMT102-V)
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 17
    埋め込みナット

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  19. 移動機構
    • モータマウントを
    ABS 3Dプリントで製作
    • 内側の突起が
    モータの穴を拘束
    • マウントが弾性を持ち,
    サスペンションレスで4点接地
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 18

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  20. 回収機構
    • アーム2本+受け皿
    • アームはそれぞれ
    RCサーボモータで駆動
    • できるだけボールとの
    接触面積を少なく
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 19

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  21. 回収機構
    • 最大の問題:ボールの特性
    • 柔らかく,摩擦が強い
    • 転がり接触で解決
    • 回収アームの両端に
    ベアリングを埋め込み
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 20

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  22. 回収機構
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 21

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  23. 射出機構
    • ソレノイドで駆動
    • リンクで速度を増幅
    • 射出角は
    ストッパで調整
    • 水平方向1m程度
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 22

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  24. 射出機構
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 23

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  25. 射出機構
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 24

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  26. 排障器
    • ボールの特性上,
    フレームと地面の間に挟まってしまう
    • 排障器を取り付け
    乗り上げ回避
    • 爪とキーで
    ワンタッチ脱着
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 25

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  27. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 26

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  28. メインボード
    • マイコン:STM32F103RCT6
    • 機能
    • Jetson TX2からの指令受信 (USB-UART)
    • モータドライバへの指令
    • ソレノイドドライバの操作
    • サーボモータの駆動
    • ジャイロの受信と姿勢補償
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 27

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  29. 姿勢補償
    • 1軸ジャイロセンサ (R1350N) を搭載
    • フィルタリング済みの値を出力するセンサ
    • 目標姿勢と推定姿勢の偏差に対しPI補償
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 28

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  30. モータドライバ
    • マイコン:STM32F303K8T6
    • ドライバ:VNH2SP30
    (※現在はNRND)
    • 3相エンコーダ読み取り,
    外部とのSPI通信が可能
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 29

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  31. モータドライバ
    • モータドライバ自体は汎用設計
    • 位置,速度,トルク制御可能
    • 今回はPI補償による速度制御
    • MATLAB®のSystem Identification Toolbox™で
    二次系でモデル推定
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 30

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  32. ソレノイドドライバ
    • 100 V に昇圧してソレノイドを駆動
    • DC/DCコンバータと
    ダイオードチャージポンプ回路の組み合わせ
    • 出力側にコンデンサ
    • 820 µF, 180 Vを2つ並列
    • ファンによる強制空冷
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 31

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  33. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 32

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  34. 処理系
    Jetson™ TX2 + Carrier Board J120
    • OS: Linux for Tegra (JetPack 3.3)
    • ミドルウェア:
    ROS (Robot Operating System) Kinetic Kame
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 33

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  35. シリアル通信
    • USB 2.0による指令送信 (115,200 bps, 100 Hz)
    • 一般的な
    ヘッダ-データ-チェックサム構成 (計14 bit)
    • 送信内容
    • 目標速度
    • 目標姿勢
    • 回収指令
    • 射出指令
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 34

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  36. 画像認識
    • カメラ:RealSense™ d435
    • 深度画像とカラー画像を取得
    • 前提:
    画像取得時,
    ロボットは静止している
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 35

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  37. 画像認識
    OpenCV内の純粋な画像処理のみで認識を実装
    1. 時間に対する加重平均
    2. Canny のエッジ(輪郭)検出
    3. Hough 変換による円形の探索
    4. 候補点近傍の色相を抽出する
    5. 得られた色相がボールの色相と合うか判定
    6. 候補の列挙
    7. 深度画像から最も近いものを選択
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 36

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  38. 画像認識
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 37
    深度
    輪郭
    色相
    結果
    正しく識別する確率:~90%程度

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  39. 軌道生成
    • 速度曲線フィッティング
    • 移動量と最大速度,最大加速度を与えて算出
    • サンプリングタイム 10 ms
    • 生成した軌道を
    そのまま100 Hz で指令
    • フィードバックなしで
    前後移動誤差 0.5%以内
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 38

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  40. 軌道生成
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 39

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  41. ROSによる開発
    • アプリケーション単位をノードとして構築
    • ノード間は内部での通信により情報交換可能
    • 今回は工数の削減のために利用
    • RealSense™ のAPIが簡単に使える
    • あくまでも研究開発における試験運用向け
    • 厳密なリアルタイム性等は期待できない
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 40
    http://www.ros.org/

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  42. 統合
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 41

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  43. 目次
    • はじめに
    • 知能ロボコンについて
    • 大会概要
    • ルール
    • 製作機体について
    • 機械設計
    • 回路・制御
    • 認識・動作計画
    • まとめ
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 42

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  44. 大会結果について
    予選敗退です
    • 大会本番だけ何故かシリアル通信が途切れた
    • 原因は現在も不明,鋭意究明中
    • 練習不足感
    • 余裕を持った開発を
    • フィールドはちゃんと作って練習しましょう
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 43

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  45. 知ロボに興味を持たれた方へ
    シンプルな競技テーマに対して,
    • 様々なアイディアで,
    • 一人でもチームでも
    挑戦できます
    (部内からの)参加者を増やしましょう!(?)
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 44

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  46. [重要] 補足情報
    学位論文執筆期間中のロボコン参加には,
    相応のリスクと負担が伴います.
    充分な覚悟を持った上で,
    計画的に参加するようにしましょう.
    ※1 進捗が計画的に進むことは稀
    ※2 ロボット製作は楽しいので実質息抜きみたいなところが
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 45

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  47. 謝辞
    渋谷教育学園幕張中学校・高等学校の
    中学電気部・高校物理部の皆様には,
    大会の知見の提供や練習台の貸し出しなど,
    多くの支援を賜りました.
    この場を借りて感謝を申し上げます.
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 46

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  48. 質疑応答
    • 後から思いついた質問等は,
    研究報告書(部内限定)をご覧いただくか,
    製作者へ直接ご連絡ください.
    2019/7/14 ©yuki & Tokyo Tech SSR 2019 47

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