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Architect - マイクロマウス2016出場ライントレースロボット

新型のライントレースロボットを製作し 、2016/11/19にマイクロマウス2016のロボトレース競技へ出場してきました。
ロボットの名前はArchitect(アーキテクト)と言います。名前には『カメラ画像を入力とした小型自律ロボットの新しいあり方を創造する』という意味が込められています。
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Architectの特徴は上部につけた魚眼カメラです。魚眼カメラは下向きに取り付けてあり、前後方向の視野が180度あるので、コースの広い範囲を一度に計測することができます。
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ArchitectはスティックPCとマイコンの両方を搭載しています。
スティックPCはIntelのCompute Stick STK2MV64CCで、CPUはCore m5が搭載されています。Core m5はMacbook等にも搭載されており非常にパワフルです。このCompute Stickはコース画像の撮影や二値化、輪郭抽出などの画像処理、地図作成、起動計画まで担当します。
マイコンはSTM32F411で1kHz周期のリアルタイムで速度と角速度の制御およびオドメトリ、バッテリー電圧の監視、LEDの点灯制御を担当します。
マイコンとCompute Stickの間はHDMIを通じて通信しています。正確にはHDMIの中のDDC (Display Data Channel)を使って通信しています。DDCはI2Cと互換性があります。
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Compute StickのOSはLinuxのUbuntu 16.04です。Ubuntuは標準でI2Cをサポートしており、非常に面白いことに、UbuntuからはDDCも他の通常のI2Cと同等に扱えることがわかりました。使い方は、特別なドライバは不要でI2CのデバイスファイルをRead/Writeするだけです。私の環境ではデバイスファイルは/dev/i2c-1でした。もちろんi2cdetectやi2csetコマンドが使えます。なおCompute Stick側が常にI2CのMaster、マイコン側がSlaveになるようです。
DDCをI2Cとして扱う時の注意点として、HDMIポートのHot Plug Detectピンをプルアップしておく必要がありました。このピンは通常は挿抜を検知するために使用されており、少なくともCompute Stickではこのピンがプルアップされていないと正常にI2Cの信号が出力されませんでした。プルアップ抵抗は仮に1kΩとしました。
I2Cの信号は5V 100kHzでした。I2Cの信号ライン(SCL, SDA)のプルアップ抵抗はCompute Stick側に内蔵されていました。
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マイコン側の電源電圧は3.3Vでしたがピンに5V耐性があり直結できました。
さらにArchitectはROS Kineticに対応しています。特にカメラ画像の取得や、デバッグデータの記録用にrosbag、パラメータ調整のdynamic reconfigure等を活用しました。時間がなかったのでそれ以上の上位の制御には活用できませんでしたが、今後さまざまなROSパッケージを活用していきたいと思います。
以下に画像処理の様子を示します。
なお、Architectはアニキ氏との合作で、ハードウェアはほとんどアニキ氏に作っていただきました。非常に感謝しています。私が担当したハードウェアはCompute Stickとカメラの選定、カメラを固定する白い部品の設計だけです。
一方、ソフトウェア(マイコンのファームウェア、Ubuntu側のソフトウェア、I2Cの通信)はすべて私が担当しました。
今年のマイクロマウスにおいてArchitectは残念ながら予選敗退でしたが、来年はこの機体をさらにパワーアップさせて是非とも良い成績を残したいと思います。以下に参考までにPS3コントローラでリモートコントロールしている様子を示しますが、ハードウェア自体は非常に完成度が高くキビキビうごきます。潜在能力は非常に高いはずです。後は頭脳がよくなれば…自律走行でもビュンビュン走ることでしょう!
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