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Tutorial for robot programming with LEGO mindstorms EV3
1.
実践ロボットプログラミング LEGO Mindstorms EV3
で目指せロボコン! CU-Robocon講習会 WEB:http://robot-programming.jp/ 担当:藤吉弘亘(中部大学工学部ロボット理工学科) E-mail:hf@cs.chubu.ac.jp 1
2.
■ ロボットとは 2
3.
ロボットとは? • その定義を考えてみよう
3 国語大辞典によると: 「人間に類似した形態をもち、自動的に作業を行う機械装置」 おすすめ: 「感じる、判断する、動くの三つがそなわっている人工物」 (東嶋和子)
4.
ロボットにおける要素技術 4 感じる、判断する、動くがそなわっている人工物 センシング技術 外界の情報をセンサを介して取り込む (カメラ,レーザーセンサ等) 人工知能技術 センサ情報を基に状況を判断 (機械学習) 制御技術 状況判断に合わせた制御 (制御理論)
5.
■ LEGO Mindstormsについて 5
6.
RIS NXT EV3 発売時期
1998年 2006年 2013年 CPU H8(8 bit) ARM7(32 bit) ARM9(32 bit) クロック周波数 16MHz 48MHz 300MHz RAM 32KB 64KB 64MB フラッシュメモリ なし 256KB 16MB 転送方法 赤外線通信 USB/Bluetooth U/B + WiFi ポート数 入力:3 出力:3 入力:4 出力:3 入力:4 出力:4 駆動 電池 電池/バッテリーパック 電池/バッテリーパック 第一世代RCX 第二世代:NXT 第三世代:EV3 6
7.
LEGOロボットEV3の構成 • 入力:超音波センサ、カラーセンサ、ジャイロセンサ、タッチセンサ •
出力:Lモータ、Mモータ 超音波センサ カラーセンサ ジャイロセンサ タッチセンサ Mモータ Lモータ 7
8.
プログラミング環境:EV3ソフトウェア 8
9.
■ロボットの組み立て 9
10.
ロボットの組み立て ロボットエデュケーション 組み立てガイド トレーニングボット 説明書を参考にトレーニングボットを組み立てましょう! 10
11.
■プログラムを作成するには 11
12.
1. PC上でソフトウェア(EV3-SW)を用いてプログラムを作成 2. USB/Bluetoothでロボットへダウンロード 3.
ロボット上でプログラムを実行 プログラム実行までの流れ USB 12
13.
EV3ソフトウェア 1. EV3ソフトウェアを起動 2. 新規プロジェクトの作成 –
新規プロジェクト プログラム 開く クリック! クリック! クリック! 13
14.
プログラミングパレット プログラミングキャンパス スタートブロック ツールバー EV3ソフトウェアの画面構成 14
15.
プログラミングパレット 動作 フロー センサ データ 15
16.
■音をならしてみよう 16
17.
音を鳴らすプログラムの設計図(PAD) 17 処理の流れ 音を鳴らす EV3と音を鳴らす 3秒間待機 無限ループ 1 2 3 反復:処理: 選択: PADの構成部品: •
指定したサウンドファイルを無限ループで再生 PAD(Problem Analysis Diagram)はプログラムの設計図
18.
1 2 ループ 音 音量:0∼100(大) 無限ループ 3 待機 時間:3秒 • 指定したサウンドファイルを無限ループで再生 音を鳴らすプログラム サウンドファイルを指定 18 スタートブロック
19.
1. プログラム名を sound
に変更 – プログラム名は半角の英数字のみ 2. ロボットが接続されているか確認 : ○: 3. ダウンロードボタンによりプログラムを転送 4. ロボット上でプログラムを実行 19 プログラムの転送 ダウンロード:プログラムを転送 ダウンロード&実行:転送して実行 選択範囲を実行:選択した内容を実行
20.
プログラムの実行 20 電池の残量 USBコネクション Bluetooth ブリックの名前 1 3 323 3 バックボタン (キャンセル) センターボタン (決定) 3 上/下/左/右ボタン プログラムを選択してセンターボタンで実行 (プログラム終了はバックボタン)
21.
プログラムの実行 • 実行前にすべきこと ‒ ケーブルを外して、安全確認 ‒
プログラムのアルゴリズムを頭の中で実行 • 実行時の注意 ‒ ロボットの動作をよく観察し、設計図(PAD)通りにアルゴリズム が実現できているかを確認 ‒ ロボットが思い通りに動かないときは、ロボットがどこまで設計 図通りに動いたかを調べ、プログラムを修正(デバッグ)する 21
22.
トライ&エラーによる問題解決 22 実現したいロボット アルゴリズムを考える 設計図の作成 無限ループ 実行 ロボットは設計図 通りに動いた? プログラムの作成 終了 プログラムの修正 True False トライ&エラーを繰り返す •
ロボットを思い通りに動かすには →設計図通りにロボットが動くまでトライ&エラーを繰り返して問題解決
23.
23 • USBケーブルをつなげたままプログラムを実行 デバッグ方法 ココに注目! 1 ループ 2
音 3 待機
24.
ロボットにおける要素技術 24 感じる、判断する、動くがそなわっている人工物 ■ロボットを前進させるには(モータ制御1) ■ロボットを回転させるには(モータ制御2) ■演算と変数
25.
■ロボットを前進させるには(モータ制御1) 25
26.
モータの接続 • EV3のどの出力ポートにモータが接続されているか確認 26 左のモータ:B 右のモータ:C 進行方向
27.
前進プログラムのPAD 27 • ロボット(モータB+C)を3秒前進、その後2秒後退 前進と後退 モータB+Cを前進 3秒持続 1 2 モータB+Cを後退 2秒間持続 } } タンクブロック
28.
モータ制御によるロボットの前進 (ステアリングブロック) 28 • ロボット(モータB+C)を3秒前進、その後2秒後退 スタートブロック 1
2前進 後退 モータを時間指定で制御→ パワー:50 秒数:3秒 ブレーキ:ON モータが接続されている ポートを指定 (自動で設定される) パワーの値をマイナス にすると後退 秒数:2秒
29.
モータ制御によるロボットの前進 (タンクブロック) 29 • ロボット(モータB+C)を3秒前進、その後2秒後退 スタートブロック 1
2前進 後退 モータを時間指定で制御→ Cのパワー:50 秒数:3秒 ブレーキ:ON モータが接続されている ポートを指定 (自動で設定される) パワーの値をマイナス にすると後退 秒数:2秒 Bのパワー:50
30.
Lモータの原理 30 段数:7段 トルク比率:45:1 エンコーダの回転角:2度
31.
曲線の動きを実現するには 31 左のモータ:B 右のモータ:C • モータBとCのパワーの値のバランスを変えてみよう パワー:
50 パワー: 40
32.
B: 50 C: 50
B: 50 C: 40 B: 50 C: 30 ステアリング: 0 ステアリング: 10 ステアリング: 20 曲線の動きを実現するには 32 タンクブロック ステアリングブロック
33.
33 ■ロボットを回転させるには(モータ制御2)
34.
ロボットの回転 • ロボットを右回転(その場で旋回)させるには 逆方向順方向 34 左のモータ:B 右のモータ:C
35.
右回転プログラムのPAD • 左のモータBを順回転、右のモータCを逆回転 35 前進と後退 3秒持続 モータB+Cを前進 モータBを順回転 モータCを逆回転 2秒間持続 回転中心 モータB 順方向に回転 モータC 逆方向に回転 1 2 } }
36.
ロボットの右回転 • 左のモータBを順回転、右のモータCを逆回転 36 スタートブロック 1 2前進
右回転 モータBのパワー: 50(順回転) モータCのパワー: -50(逆回転)
37.
ロボットを90度右回転させるには? 37 90度 1. 時間制御 モータのパワーと持続時間を調整 • どのように実現するか考えてみよう! 2.
回転制御 モータの回転数もしくは角度を調整 →複数の問題解決方法があるので、いろいろと試してみよう!(試行錯誤しよう) ヒント
38.
ロボットを90度右回転させるには 38 →回転制御の方が便利(同じ動きでロボットを早くしたいとき等) モータのパワーと持続時間を調整 1. 時間制御 持続時間:1.5秒 パワーを変更すると →持続時間の再調整が必要 モータの回転数もしくは角度を調整 2. 回転制御 回転角:180度 パワーを変更しても →回転角の再調整は必要なし
39.
ロボットを一周させるには? 39 1回目 3秒前進→90度回転 3回目 3秒前進→90度回転 2回目 3秒前進→90度回転 4回目 3秒前進→90度回転
40.
• 3秒前進と90度右回転を4回繰り返せばよい • 繰り返し処理(ループブロック)を利用 ロボットを一周させるには? 40 1回目 3秒前進→90度回転 3回目 3秒前進→90度回転 2回目 3秒前進→90度回転 4回目 3秒前進→90度回転 100周するには?→800個のブロックを並べる必要があり!
41.
ロボットを一周させるには • 3秒前進と90度右回転を4回繰り返す 41 1 2 ループ 3秒前進 カウント:4 3 90度右回転 カウントを指定
42.
一周するプログラムのPAD 42 4回繰り返し 3秒持続 モータB+Cを前進 モータBを順回転 モータCを逆回転 90度右回転 2 3 } } 1周 1 • 3秒前進と90度右回転を4回繰り返す 反復:処理:
選択: PADの構成部品:
43.
• 星形やスパイラルの軌跡を描くロボットを実現してみよう! ■■ チャレンジ! ■■ 43 これは 簡単かも! …
44.
44 ■演算と変数
45.
• モータの回転角を変化させたときの直進距離を測定し法則をみ つける 角度: 180∼1440度 50cm前進するには? 45 角度[ ]
距離[cm] 1cmあたりの 回転角度 180 9.0 20.0 360 17.5 20.6 720 34.5 20.8 1080 52.5 20.5 1440 69.5 20.4 ※1cmあたりの回転角度 =回転角度[ ] / 距離[cm] 中央値 回転角度 = 直進したい距離 1cmあたりの回転角度 20.5度
46.
• 四則演算結果をモータの回転角度に反映して前進制御 50cm前進するには? 46 直進したい距離:50cm 1cmあたりの回転角度:20.5 演算子を選択 a□b= a
b=の結果を引き渡す(データワイヤ)
47.
• 星形やスパイラルの軌跡を描くロボットの動きを実現してみよ う! スパイラル軌跡に挑戦しよう 47 これは簡単! …
48.
• 繰り返し回数ごとのロボットの動きを表にしてみよう 実現したい動きの規則性 48 前進 右回転回数 1
10cm 90度 2 20cm 90度 3 30cm 90度 4 40cm 90度 5 50cm 90度 6 60cm 90度 7 70cm 90度 8 80cm 90度 9 90cm 90度 10cm
49.
• 規則性を数式で表現 実現したい動きの規則性 49 前進 右回転回数 1
10cm 90度 2 20cm 90度 3 30cm 90度 4 40cm 90度 5 50cm 90度 6 60cm 90度 7 70cm 90度 8 80cm 90度 9 90cm 90度 1 10 前進する距離 = 10cm 回数 回数←回数+1 回数←1
50.
• 変数:値を代入できる箱(変数ブロック) 変数の導入 50 回数←回数+1回数←1 cnt 1 cnt 1+1 cnt 1を代入 読み込み 書き込み 1を書き込み
読み込み 書き込み 変数名を設定 cnt 足し算
51.
スパイラル状の軌跡のPAD 51 無限ループ 前進 cnt 10cm 20.5 計算結果だけ持続 90度右回転 4 } 2 •
繰り返し回数cntと演算によりスパイラル軌跡を実現 cnt←1スパイラル 1 cnt←cnt+1 6 5 3
52.
スパイラル状の軌跡 52 • 繰り返し回数cntと演算によりスパイラル軌跡を実現 1 2 3 4
5 6 cnt←cnt+1cnt←1
53.
ロボットにおける要素技術 53 感じる、判断する、動くがそなわっている人工物 ■障害物回避(タッチセンサ) ■障害物回避(超音波センサ) ■カラーセンサによるライントレース ■ジャイロセンサを用いたモータ制御
54.
■障害物回避(タッチセンサ) 54
55.
タッチセンサの原理 タッチセンサの測定原理 スイッチボタンの状態を、押されていないときは 0 、押されたら
1 , 離したときに 2 を出力する スイッチボタン 55
56.
• EV3の入力ポート1にタッセンサを接続 タッチセンサの接続 入力ポート1 ※EV3では入力ポートにどのセンサを接続しているか判定しているため、必ず入力ポート1である必要はない 56
57.
1. 常にロボットを前進 →無限ループの利用 2. タッチセンサによる障害物の衝突を判定 →条件分
衝突あり:一定時間後退し右回転.その後1. に戻る 衝突なし:1.に戻る タッチセンサによる障害物回避 障害物 後退 回転 }3. 57
58.
• タッチセンサによる条件分岐 タッチセンサによる障害物回避のPAD 条件分岐:スイッチブロック タッチセンサが 押された 前進 2 タッチセンサに よる障害物回避 1 4 無限ループ 45度右回転 前進 3 5 True False 反復:処理:
選択: PADの構成部品: 58
59.
• タッチセンサによる条件分岐 タッチセンサによる障害物回避 タッチセンサが押された タッチセンサが押されてない 59
60.
• タッチセンサによる条件分岐 タッチセンサによる障害物回避 タッチセンサを指定 1 2 3 4
5 無限 60
61.
■障害物回避(超音波センサ) 61
62.
超音波センサによる障害物回避 30cm前に障害物発見! ぶつからないように回避しよう 62
63.
超音波センサ 超音波センサの測定原理 超音波を発信し、対象物で反射した超音波を受信し、この音波の発信 から受信までの時間を計測することで対象物までの距離を計測 発信素子受信素子 63
64.
• EV3の入力ポート4に超音波センサを接続 超音波センサの接続 入力ポート4 ※EV3では入力ポートにどのセンサを接続しているか判定しているため、必ず入力ポート4である必要はない 64
65.
1. 常にロボットを前進 →無限ループの利用 2. 障害物までの距離を計測
30cm以下(障害物あり):右回転.その後1. に戻る 30cm以上(障害物なし):1.に戻る 超音波センサによる障害物回避 →後退する動作を必要としない }3. 障害物 回転 65
66.
• 超音波センサの値により条件分岐して障害物回避 超音波センサによる障害物回避のPAD 障害物との距離が 30cm以下 前進 2 超音波センサに よる障害物回避 1 4 無限ループ 45度右回転 3 True False 66
67.
•超音波センサの値により条件分岐して障害物回避 超音波センサによる障害物回避 1 2 3 4 < 30cm 超音波センサ(cm)を指定 67
68.
■カラーセンサによるライントレース 68
69.
カラーセンサ カラーセンサの測定原理 LEDにより赤、緑、青の光を照射して、それぞれの反射量(R, G, B成 分)をフォトダイオードで計測して,カラーに変換 フォトダイオード LED 69
70.
カラーセンサ • 二種類のしくみで色や光の強さを計測 RGB値 色 反射光の強さ RGB値 周辺の光の強さ フォトダイオード R G B R G B LED反射光の計測 周辺光の計測 フォトダイオード 70
71.
光の三原色とカラー(加法混色) • 赤(R),緑(G),青(B)の3色を組み合わせて色彩を表現 色番号 R
G B 1: 黒 0 0 0 2: 青 0 0 大 3: 緑 大 0 0 4: 黄 大 大 0 5: 赤 大 0 0 6: 白 大 大 大 R G B 加法混色 71
72.
• LEDを切り替えて発光し、そのタイミングでの反射光を計測し て、カラーを計測 カラーセンサの原理 LED:赤 R: G: B: 72
73.
• LEDを切り替えて発光し、そのタイミングでの反射光を計測し て、カラーを計測 カラーセンサの原理 LED:緑 R: G: B: 73
74.
• LEDを切り替えて発光し、そのタイミングでの反射光を計測し て、カラーを計測 カラーセンサの原理 LED:青 R: G: B: 黄色 オシロスコープで計測してみたところ: 1秒間に1,000回、R,G,Bと切り替えて発光し、 同期してフォトダイオードで反射光量を計測 1[ms] 74
75.
• EV3の入力ポート3にカラーセンサを接続 カラーセンサの接続 入力ポート3 ※EV3では入力ポートにどのセンサを接続しているか判定しているため、必ず入力ポート3である必要はない 75
76.
ライントレースの考え方 • カラーセンサの 反射光の強さ
を利用して白と黒に判別 • 白(明るい)ところでは右回転,黒(暗い)ところでは左回転 白いところ→右回転 黒いところ→左回転 76
77.
ライントレースのPAD • 白(明るい)ところでは右回転,黒(暗い)ところでは左回転 反射光 >
40ライントーレス 1 3 無限ループ 右回転 2 True False 4左回転 回転中心 モータB 順方向に回転 モータC 停止(パワー0) 右回転しながら少し前に進むには: 77
78.
• 白(明るい)ところでは右回転,黒(暗い)ところでは左回転 ライントレース 1 2 3 4 カラーセンサ-比較-反射光の強さを指定 > 50 78
79.
ライントレースの改良 ジグザグ走行なので遅い! ①黒のライン上→前進 ②白→左右に回転して 黒のライン探索 79
80.
カラーの利用(PAD) • カラーに合わせて複数に分岐 カラー? カラーに合わせ て複数分岐 1 3 無限ループ ステータスライトを赤 6 その他 緑 赤 4 5ステータスライトをオフ ステータスライトを緑 1秒間待機 2 カラー:緑 ステータスライト カラー:赤
カラー:その他 80
81.
カラーの利用 1 2 3 4 5 6 条件:緑 条件:赤 条件:その他 条件の追加 1秒間待機 81
82.
カラーの利用 カラーセンサ-測定-色を指定 1 2 3 4 5 6 条件の追加 緑ライト 赤ライト ライトオフ 1秒間待機 82
83.
■ジャイロセンサを用いたモータ制御 83
84.
ジャイロセンサの原理 ジャイロセンサの測定原理 ジャイロセンサは角速度センサとも呼ばれ、単位時間あたりの回転角 である角速度[degree/s]を計測 ジャイロチップ (InvenSense社)
85.
ジャイロセンサ 85 • EV3のジャイロセンサは一軸の回転角/角速度を計測 回転角 [degree] 角速度
[degree/sec]
86.
ジャイロセンサによる旋回角度制御(PAD) • ジャイロセンサの角度が90度以上になるまで右回転 86 ジャイロセンサのリセット ジャイロセンサ による制御 2 3角度<90
右回転 4モータの停止 1
87.
ジャイロセンサによる旋回角度制御 87 • ジャイロセンサの角度が90度以上になるまで右回転 角度をリセット 90度以上になるまで 繰り返し モータのオフ (ブレーキ) 1 2 3 4
88.
■マイブロック 88
89.
マイブロック化 ①マイブロック化したい複数のブロックをドラッグにより選択 ② ツール マイブロックビルダー
を起動 ③マイブロックの名前やアイコンを決定 89
90.
マイブロックの設定 マイブロック の名前 アイコンの選択 内容を記入 90
91.
マイブロックの利用 マイブロックパレット 91 マイブロック
92.
■ディスプレイへの表示 92
93.
ディスプレイの座標 0 177 127 x y 0 21 12 ¦x¦ グリッド座標 ピクセル座標 y ¦¦ 93
94.
テキストの表示 0 177 127 x y 0 21 12 ¦x¦ グリッド座標 ピクセル座標 MINDSTORMS HELLO! 表示したい文字列を入力 y¦¦ テキスト→ピクセル テキスト→グリッド 94
95.
図形の表示 0 177 127 x y 表示したい文字列を入力 図形→円形 図形→長方形 0 177 127 x y (50,20) (50,20) 40 80 80 95
96.
• 超音波センサの値を液晶ディスプレイに表示 ‒ デバッグに重要 超音波センサの値を表示 96
97.
• 超音波センサの値を読み取り、テキストをディスプレイに表示 超音波センサの値を表示(PAD) 距離の読み取り 2 超音波センサ ディスプレイ表示 1無限ループ テキストを表示
3 97
98.
• 超音波センサの値を読み取り、テキストをディスプレイに表示 超音波センサの値を表示 1 2 3 測定-接近度を指定 ワイヤーテキスト 黄 :数値 緑 :ロジック(正偽値) オレンジ:テキスト(文字) データワイヤの色と意味 98
99.
図形の繰り返し表示(PAD) • 図形1と図形2を繰り返しにディスプレイに表示 図形1の表示 2図形の表示
1無限ループ 1秒間保持 3 図形2の表示 4 1秒間保持 5 99
100.
• 図形1と図形2を繰り返しにディスプレイに表示 並列タスク 1 2 4 1秒
1秒 3 5 100
101.
• 障害物までの距離が小さくなるほど大きくなる円を表示 ■課題 0 177 127 x y (89,64) r 101
102.
■並列タスク 102
103.
• シングルタスクと並列タスク シングルタスク →ライントレースと障害物回避を同時に行うには並列タスクを利用 103
104.
PADによる並列タスクの図示 反射光 > 40ライントーレス
3 5 無限ループ 右回転 4 True False 6左回転 1 並列タスク ライントレースプログラムを起動 2障害物回避プログラムを起動 1 障害物との距離が 30cm以下 超音波センサに よる障害物回避 7 10 無限ループ 45度右回転 9 True False 2 104
105.
1 並列タスク 2 4 3 5 6 7 8 9 ライントレース 障害物回避 ケーブルを分岐 105
106.
並列タスクにおける問題 • 命令の衝突(コンフリクト) ‒ タスクAがタスクBの実行を妨害 ‒
同時にモータを制御 タスクA:前進 モータBCを順方向に回転 タスクB:後退 モータBCを逆方向に回転 どっちを実行すればいいの? 106
107.
セマフォ(信号灯) 107
108.
セマフォ(信号灯) 108
109.
セマフォ(信号灯) 109
110.
セマフォ(信号灯) 110
111.
セマフォによるコンフリクトの回避 111
112.
• モータ制御の前に、セマフォによる待機とセマフォに偽を代入 • モータ制御の後には、セマフォに真を代入 セマフォによるコンフリクト回避 セマフォの値が真になるまで
セマフォに偽を代入 セマフォに真を代入 モータ制御前 モータ制御 モータ制御後 112
113.
セマフォによるコンフリクト回避 変数に真を代入 113
114.
藤吉 弘亘 (Hironobu
Fujiyoshi) 中部⼤大学 ⼯工学部情報⼯工学科(ロボット理理⼯工学科),⼤大学院⼯工学研究科情報⼯工学専攻 教授 1997年年 中部⼤大学⼤大学院 博⼠士後期課程修了了 1997〜~2000年年 ⽶米国カーネギーメロン⼤大学 ロボット⼯工学研究所 Postdoctoral Fellow 2000年年 中部⼤大学 講師 2004年年 中部⼤大学 准教授 2006年年 ⽶米国カーネギーメロン⼤大学 ロボット⼯工学研究所 客員研究員 2010年年〜~中部⼤大学 教授 2014年年〜~名古屋⼤大学 客員教授 博⼠士(⼯工学)計算機視覚、動画像処理理、パターン認識識・理理解の研究に従事 ロボカップ研究賞(2005年年),⼭山下記念念研究賞(2009年年),情報処理理学会論論⽂文賞(2009年年),画像センシングシンポジウム 優秀学術賞(2011年年,2013年年),電⼦子情報通信学会ISS論論⽂文賞(2013年年) E-‐‑‒mail: hf@cs.chubu.ac.jp WEB: http://www.vision.cs.chubu.ac.jp/ Facebook: facebook.com/hironobu.fujiyoshi Twitter: @hf149
115.
[WEBサイト] http://www.robot-programming.jp/ [単行本] 実践ロボットプログラミング LEGO Mindstorms NXTで目指せロボコン! 近代科学社 ISBN-13:
978-4764903784
116.
[電子書籍iBook] NXT-SWによる実践ロボットプログラミング 近代科学社 https://itunes.apple.com/jp/book/ id902846245 [電子書籍iBook] NXCによる実践ロボットプログラミング 近代科学社 https://itunes.apple.com/jp/book/ id902356211
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