夢卵2010 お絵描き群ロボット 制作編

11/11/15

お絵描き群ロボットのつくりかた

趣味のロボット工作シリーズ

Keisuke UTO @utotch

発端

11/11/29

•  (株)デンソー グループには、2年に1回夢卵(ムーラン)と呼ばれるアイデアコンテストがある。

•  企画を応募して、当選(100件程度)すれば、開発費用を補助してもらえる

•  そこで、次のようなものを応募して、制作しました

11/11/29

こんなのできたらいいな 指で「お絵描き」するだけで、ラジコン軍隊が整列するよ

You can line up RC Cars by only drawing a curve!

Sの字に並べっ!!

サササッ!整列完了シマシタ!

ラジャー!!Line up to a “S” shape.

ROGER.

We finished to line up.

命令を受けると…

絵の形に整列

指で「お絵描き」するだけで、ラジコン軍隊が整列するよYou can line up RC Cars by only drawing a curve!

Sの字に並べっ!!

サササッ!整列完了シマシタ!

ラジャー!!Line up to a “S” shape.

ROGER.

We finished to line up.

命令を受けると…

絵の形に整列

お絵描き群知能 並べ!ラジコン

11/11/29

どうやって実現するか?? とりあえず、次のような構成を考えてみた

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想定システム構成

WiFi

ZigBee

USBカメラ

iPad

群ロボット

11/11/29

しかし、予算は限られている。 少ない予算で、沢山のロボットを動かせるだろうか? しかも、自由な動きできるロボットって難しいぞ。 普通の4輪では細かい動きができそうにないし… とりあえず、市販品でできないか調べてみた。

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全方向に動けそうな移動機構

メカナムホイール

Airtrex Omni Directional Drive Honda U3-X

NISSAN Pivo2 オムニホイール

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市販で手に入るか？ WowWee 社 ROVIO ($350)

http://www.wowwee.com/en/products/tech/telepresence/rovio/rovio

カメラを備え、WiFi で制御可能 沢山買うと予算オーバー → 却下

11/11/29

市販品では予算が足りないので、自作することにした。 このとき、後にどれほど苦労するか、予想だにしていないのであった。

11/11/15

金額的に要求を満たすハード

http://www.tosadenshi.co.jp/blog/18cm.html

18cmオムニキット廉価版 14,500円

土佐電子

22cmセンサー付 ４車輪ウレタンオムニキット

53,000円

参考

いちばん安いコイツを採用

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制作したロボット LEGO ブロック

XBee 無線 モジュール

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制作したロボット

モータIC 4個 (東芝TA7291P)

マイコン (Arduino FIO)

オムニホイール

11/11/29

使った部品, 技術を軽く紹介

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Arduino FIO

・2500円 ・XBee を直接装着できる ・アナログ Input (8個) ・デジタル I/O (14個) ・PWM 出力可能(6個)

Summary

Microcontroller ATmega328P Operating Voltage 3.3V Input Voltage 3.35 -12 V Input Voltage for Charge 3.7 - 7 V Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output) Analog Input Pins 8 DC Current per I/O Pin 40 mA Flash Memory 32 KB (of which 2 KB used by bootloader) SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Clock Speed 8 MHz

11/11/15

ZigBee

http://www.switch-science.com/products/detail.php?product_id=96

家電向けの短距離無線通信規格の一つ。 日本では 2.4GHz帯 (250Kbps)が利用できる。

XBee無線モジュール(2500円) シリアルポートと透過に見える。

Point-to-Point

Point-to-Multi-Point

11/11/15

つくりかた (製作者:一人)

11/11/29

作り方

会社の先輩> 基盤焼けよ ボク> そんなの分かりません

11/11/15

作る

11/11/15

さらに作る

11/11/15

もっと作る

11/11/15

できた

11/11/15

完成

11/11/29

画像処理と制御はどうするの? これも100% 完全に自作しました。 (そもそもココが一番やりたかったのだ。)

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しかし、カメラから遠い位置にある、複数の2次元コードを認識するのは、そう簡単にはいかず、それなりにノウハウがいるのであった(汗)

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画像処理上の問題 解像度:640x480

・解像度640x480 ではマーカの中身が潰れてしまう (少々マーカサイズを大きくしても、ダメ ) ・紙に印刷したマーカはテカる

問題

無理!

11/11/15

画像処理上の問題

・マーカの黒部分の素材を工夫(布など) ・カメラの解像度を960x720に変更 ・カメラの露出を微調整 ・カメラの設置位置を有利な場所に調整 ・マーカに誤り訂正を入れて設計

11/11/15

マーカ検出 2値化

境界トレース コーナー検出

膨張・収縮処理

テンプレートマッチング

ラベリング

11/11/29

Homography 計算

※あらかじめ4点でキャリブレーションしておく

カメラの設置位置によらず、真上から見下ろした画に変換して、所望の形状に近づくように制御する

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誤り訂正入り2次元コードの設計 Reed-Solomon コード CD, QR コードなど

数日以上かかりそうだったので却下

Hamming コード

簡単そうだったので採用

・1ビットの誤り訂正が可能

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iPadイベントの処理

WiFi

Webサーバ (Jetty)

Matlab

XBeeデーモン

Ajaxでタッチイベントを送信

画像認識 ロボ制御

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フィードバック制御の実装

PID制御

P(Proportional): 比例ゲイン I(Integral): 積分ゲイン D(Derivative): 微分ゲイン

時間

偏差

時間

偏差

偏差に比例して入力を制御

時間積分した偏差を用いてオフセットをなくす

オフセット

時間

偏差

偏差の微分値を用いて、時間感度(応答速度)を上げる

11/11/29

というわけで、なんとか最低限は完成した。 衝突回避の制御を入れたかったけど時間切れで実装できず。

11/11/15

最終構成図

WiFi

ZigBee無線通信

ロボット位置認識用USBカメラ

iPadへ形状入力 全方向移動ロボット群

PC 誤り訂正入り

2Dコード

11/11/30

お絵描き群知能「並べラジコン」

http://d.hatena.ne.jp/Cherenkov/20101115/p1

夢卵当日の様子

Cherenkov さん写真 Thanks!

11/11/30

YouTube で、動いている ムービーが見られます

http://www.youtube.com/watch?v=SzXFGeB6Hxs

11/11/30

おわり

Keisuke UTO @utotch