ev3用rtcの作成 (python編)

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移動ロボットの組み立て

EV3 の標準セットを購入すると、移動ロボット (Educator Vehicle) の作成方法のマニュアルが1冊ついてくるはずです。なければ、以下の URL からダウンロードすることができます。この移動ロボットを例にとり、移動ロボットRTC を作成してみます。

まずは、このマニュアルに従って、移動ロボット (Educator Vehicle) を組み立てます。

それぞれのモーター、センサーはそれぞれ以下のように取り付けます。

さて、上記のコンポーネントは指令値として2次元速度指令を受け取りますが、実際にモータを制御する際には、モーターの角速度指令値を計算しモーターに命令しなければなりません。

移動ロボットの運動学については、東北学院大学の熊谷先生のページが参考になります。

座標系としては、自律移動機能共通インターフェース仕様書に従って、

ロボット進行方向をX軸とした右手系を想定する。速度指令は座標系にならって、(v_x、v_y、v_a)とする。独立二輪駆動式の移動ロボットなので、v_y は常に0となり、実質的に v_x および v_a を指定することになる。

さて、車輪の角速度を , として、車輪の半径を r とすると、各車輪の接地点での速度 v_r、v_l はそれぞれ

となる。また、回転中心からロボット中心の距離を ρ とすると、以下の式が成り立つ。

一方、中心から車輪までの距離(トレッドの1/2)を d とすると、

となる。以上の式から、速度指令(v_x、v_y、v_a)の時に実際に与えるべき左右のモーターの角速度は以下の通りになります。

Educator Vehicle の車輪の直径 (2r)、トレッド (2d) はそれぞれ

なので、

となる。

次に、ロボットの自己位置同定の方法について考えます。ロボットの移動速度・角速度を積分することで任意の時点の位置・姿勢を得ることができます。速度 v_x、角速度 v_a とすると、(x、y、θ) の微小変位と v_x、v_a との関係を直線近似すると、

となる。(より厳密には円弧近似する方法もあるが、ここでは簡単に直線近似とした。) これを実際のロボット制御時に、計算機上で求める場合、サンプリング周期 Δt [s] として、

のように求められる。

作成する RTC を設計します。

作成する RTC の仕様をいかに示します。RTCBuilder で必要事項を入力し、ひな形コードを生成します。

基本タブ
プロファイル名	名称・指定
モジュール名	EducatorVehicle
バージョン	任意
ベンダ名	任意
カテゴリ	Mobilerobot
アクティビティ
有効アクション	onInitialize、onActivated、onDeactivated、onExecute
データポート (InPort)
ポート名	型	意味
velocity2D	RTC::TimedVelocity2D	速度指令 (v_x、v_y、v_θ) [m/s、m/s、rad/s]
angle	RTC::TimedDouble
データポート (OutPort)
ポート名	型	意味
odometry	RTC::TimedPose2D	現在の位置・姿勢（角度） (x、y、θ) [m、m、rad]
ultrasonic	RTC::RangeData	超音波センサーをレンジセンサーと仮定し、要素1の距離データを格納
gyro	RTC::TimedDouble	ジャイロセンサーを TimedDouble [rad] にて出力
color	RTC::TimedString	カラーセンサーの値を色名 (none、black、white、blue、green、red、yellow、brown) で出力
touch	RTC::TimedBooleanSeq	タッチセンサーの値をBoolean[2] で出力
コンフィギュレーション
ポート名	型	意味
wheelRadius	double	タイヤの半径 [m]
wheelDistance	double	タイヤ間距離の1/2 [m]