ロボットシステム学2016第1回

Mon Aug 29 09:55:54 JST 2016 (modified: Fri Nov 29 17:32:55 JST 2019)
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ロボットシステム学

第1回

 

上田 隆一

 

2016年9月21日@千葉工業大学

今日の内容

• 動機付け（なんでこの講義があるのか）

ロボットシステム

• システム
  • 目的を遂行するための体系や組織
• ロボットシステム
  • 目的を遂行するために動作
  • 動作のための様々な要素
    • センサ
    • アクチュエータ
    • 電気回路
    • 計算機（コンピュータ）
    • 外装
    • ・・・
  • 例: ルンバ、新幹線

ロボットシステム開発の変化

• 一人で黙々と作る時代の終焉
  • 個人的な終焉: 大学生から社会人へ
  • 時代としての終焉: インターネット上への知識の集積
  • 注意: 一人で一通り作れることは相変わらず貴重
    • ただ、それだけだと広がりがない
• 開発のスピードの急激な変化
  • CAD、3Dプリンタ、ROS、各種サービスの無い時代と 有る時代のスピードの違い

外のリソースを使う

• 分かりやすい例: オープンソース
  • SLAMや位置推定関係（ROSのgmappingやAMCL、他、次ページ）
  • マニピュレータ（Move It!）
    • 公式サイト
  • Gitのホスティングサービス、CIサービス
  • 個人的な見解では、人の作ったソフトを使いこなせた後に理屈をしっかり学ぶべき

ROSでSLAM

• RoboCup JapanOpen 2016にて。
• ROS（robot operating system）+gmapping
  • ROSは講義後半で扱う
• ついでにRoboCup2016のビデオ

変化の中心にあるもの

• プラットフォームの存在
  • 知識やソフト等を流通させるには、それらが適用できるモノが必要
  • ロボットは計算機だけの場合より多様だが存在
• プラットフォームの例
  • ハード: PC、Raspberry Pi、Arduinoとその互換品、各種規格品
  • ソフト: UNIX、Linux
  • サービス: GitHub
  • ロボット: TurtleBot、iCart-mini、HSR、・・・

Raspberry Pi

• シングルボードコンピュータ
• 本講義で扱う
  • 特に講師が信者ということではない
  • 性能はともかく、プラットフォームとして非常に優秀
    • 使ったことがあっても、 ここで性能のことにしか目に行かない人は非常にまずい

Raspberry Piについて詳しく

• イギリスで開発された教育用のシングルボードコンピュータ
• 開発の動機・歴史
  • 2006-2008年: 構想・試作
    • ケンブリッジ大の学生のコンピュータの腕が落ちてきた
      • 経験者と言ってもWord, Excel, HTMLくらい
      • （未ロボだと逆の人も多い）
    • 安価でハードの制御ができるようなシングルボードPCが作れないか？
  • 2009年: Raspberry Pi Foundation設立
    • Raspberry Piを販売（2016年に1000万台販売）

講義の目的

• 一つのシングルボードコンピュータで低レイヤーから 高レイヤーまで一通り経験する
  • 低レイヤー: デバイスドライバ
  • 高レイヤー: インターネットとのやりとり
    • さらには著作権やライセンスまで
  • 全部実現できるラズパイで

講義の内容

全15回。シラバスから一部変更あり

• 第1週: イントロダクション（本講義）
• 第2週: ラズパイの操作
  • 通信等
• 第3週: マイコンの仕組み（3,4週は入れ替えで）
  • 低レイヤーを学習
• 第4週: オペレーティングシステム
  • プロセス、ファイルシステム

• 第5週: 電子回路とプログラミングI
  • GPIOをソフトウェアで操作
  • 12週のデバドラを先にやるかもしれません
• 第6週: 電子回路とプログラミングII
  • 実習
• 第7週: ペリフェラル
  • 様々なデバイスの操作
• 第8週: ネットワーク
• 第9週: システム管理とデータ処理

• 第10週: オープンソースとライセンス
• 第11週: GitとGitHub
• 第12週: デバイスドライバ
  • Travis CIになるかも
• 第13週: ROSの役割と構造
• 第14週: ROSの利用
• 第15週: まとめ

講義で使う道具

• ノートPC
• Raspberry Pi
• Raspberry Piのアクセサリ（次のページ）
• 仮想マシン上のUbuntu
  • Raspberry Piと繋がらないときのつなぎ
  • Ubuntu Server16.04 LTS
    • Desktop版でも良いけど重い
  • 仮想マシンは特にこだわりがなければVirtualBoxで

ラズパイのアクセサリ

• USBケーブル（Type A-Micro B）
  • ノートPCからRaspberry Piに電源供給
• microSDカード
  •  16GBのものがおすすめ
  • 複数あるとよい
• LANケーブル
  • ノートPCとRaspberry Piを接続

ウェブサイト等

• 講義のサイト
• 連絡: 人にバレてもいい内容はTwitterで @ryuichiueda
• 授業支援システムは勉強中（）
  • 去年はメールでレポートを提出してもらいました
  • 追って連絡

テスト・レポート等

• 課題は2回
  • 各20点（＋α）
• テストは1回
  • 60点
• 出席
  • 遅刻、早退は0.5回とカウント

参考図書

• 初心者の人はこれを購入のこと
  • 福田: これ１冊でできる！ラズベリー・パイ　超入門 改訂第3版、ソーテック社, 2016.
• Linuxの操作
  • 初心者向け
    • Piro: シス管系女子, 日経BP, 2015.
  • 中級者〜
    • 上田: シェルプログラミング実用テクニック, 技術評論社, 2015.

参考図書（続き）

•  デバドラ関係
  • Corbet 他(著), 山崎 他(翻訳): Linuxデバイスドライバ 第3版, オライリージャパン, 2005.
    • デバイスドライバのリファレンス
    • ちょっと古い
    • 英語ならネット上に
• OS
  • Tanenbaum: オペレーティングシステム 第3版, ピアソンエデュケーション, 2007.
    • 中古が出回っている
  • Bovet: 詳解 Linuxカーネル 第3版, オライリー・ジャパン, 2007.

宿題: Raspberry Piの セットアップ

• Raspberry Piを入手してRaspbianをインストールのこと
  • 初心者向けの指示: NOOBSを使ってRaspbianをインストールのこと
  • 本当は最短手順を私が示せばよいのですが、割愛で
    • ネット上に山のように情報
    • 「これ1冊で・・・」に詳しい解説
      • Windows、Mac対応。pp.32-40
• 諸注意
  • シラバスと違いますができればPi2かPi3で
  • デスクトップ環境は使いません
  • ギブアップしても来週時間をとります
• 慣れている人はUbuntuでもよい

Raspberry Piの入出力

[caption id="attachment_1189" align="alignright" width="225"] Raspberry Pi 2 Model B[/caption]

• 電源入力: MicroUSB
• ディスプレイへ出力: HDMI
• ストレージ: microSDカード
• 有線LANポート
• USBポート
• 40ピンのブロック
  • 「GPIOピン」と呼ばれる
• 他: 専用カメラの取り付け端子等

 

GPIOピンの構成

• 配置（Model Bのもの）: http://pinout.xyz
  • 電源: 3.3V、5V
  • GND
  • GPIOピン: 27
    • うち何本かがI2C、SPI、UARTも使える
  • I2C ID EEPROM用ピン
• A/D変換機能は付いていない

CPU・メモリ・ストレージ

• Raspberry Pi 3
  • CPU: 1.2GHz Cortex-A53 ARMv8 64bit（4コア）
  • DRAM: 1GB DDR2 450MHz
  • ストレージ: microSD
    • 細かい規格の制限や相性等に注意
      • 16GBまではトラブルが少ない

Raspberry Piのソフトウェア

• Linuxが標準
  • Raspbian
  • Ubuntu
• ロボットのコントローラとしてのLinux
  • 欠点: マイコンのように単純なリアルタイム制御ができない
  • 長所: 開発時、運用時にインターネットとシームレスに接続
    • これから講義でいろいろやります

次回

• 教室でRaspberry Piを使います
  • ノートPCにLANケーブルで接続してSSHから操作