チュートリアル(RTM講習会、Ubuntu、第2部)

はじめに

このページではシミュレーター上の Raspberry Pi マウスを操作するためのコンポーネントの作成手順を説明します。

/jp/node/6198

資料のダウンロード

まずは資料をダウンロードしてください。

インターネットに接続できない環境で講習会を実施している場合がありますので、その場合は配布のUSBメモリーに入れてあります。

シミュレーター

シミュレーターは Open Dynamics Engine(ODE) という物理演算エンジンと ODE 付属の描画ライブラリ(drawstuff)を使用して開発しています。 OpenGL が動作すれば動くので、大抵の環境で動作するはずです。

以下の Raspberry Piマウス というロボットのシミュレーションができます。

/jp/node/6005

シミュレーター上の Raspberry Pi マウスの動力学計算、接触応答だけではなく、距離センサーのデータも現実のロボットに近い値を再現するようにしています。

Raspberry Piマウスの仕様

Raspberry Piマウスはアールティが販売している独立二輪駆動型の移動ロボットです。

/ja/node/6550

ラズパイマウスの仕様
CPU Raspberry Pi 2 Model B
モーター ステッピングモーターST-42BYG020 2個
モータードライバー SLA7070MRPT 2個
距離センサー 赤色LED+フォトトランジスタ(ST-1K3) 4個
モニター用赤色LED 4個
ブザー 1個
スイッチ 3個
バッテリー LiPo3セル(11.1V)1000mAh 1個

作成する RTコンポーネント

  • RobotController コンポーネント

RaspberryPiMouseSimulator コンポーネントと接続してシミュレーター上のロボットを操作するためのコンポーネントです。

RobotController コンポーネントの作成

GUI(スライダー)によりシミュレーター上のロボットの操作を行い、センサー値が一定以上の時には自動的に停止するコンポーネントの作成を行います。

/ja/node/6310

作成手順

作成手順は以下の通りです。

  • 開発環境の確認
  • コンポーネントの仕様を決める
  • RTC Builder によるソースコードのひな形の作成
  • ソースコードの編集
  • コンポーネントの動作確認

動作環境・開発環境

Linux (ここでは Ubuntu 16.04 を仮定) 上に開発環境を構築します。

OpenRTM-aistのインストール

 git clone https://github.com/n-ando/xenial_package.git
 cd xenial_package/xenial/main/binary-amd64/
 sudo dpkg -i openrtm-aist_1.1.2-0_amd64.deb
 sudo dpkg -i openrtm-aist-example_1.1.2-0_amd64.deb
 sudo dpkg -i openrtm-aist-dev_1.1.2-0_amd64.deb
 sudo dpkg -i openrtp_1.2.0-0_amd64.deb

JREのインストール

 $ apt-get install default-jre

eclipse起動後、RTSystemEditor でネームサーバに接続できない場合があります。その場合、/etc/hosts の localhost の行に自ホスト名を追記してください。

 $ hostname
 ubuntu1404 ← ホスト名は ubuntu1404
 $ sudo vi /etc/hosts

 127.0.0.1       localhost
 を以下のように変更
 127.0.0.1       localhost ubuntu1404

CMake のインストール

 $ sudo apt-get install cmake cmake-gui

Code::Blocks のインストール

Code::Blocks は C/C++ に対応した統合開発環境です。 以下のコマンドでインストールできます。

 $ sudo apt-get install codeblocks

最新版を入手したい場合は以下のコマンドを入力します。

 $ sudo add-apt-repository ppa:damien-moore/codeblocks-stable
 $ sudo apt-get update
 $ sudo apt-get install codeblocks

Premakeのインストール

ODEのビルドに必要です。

 $ sudo apt-get install premake4

RaspberryPiMouseSimulator コンポーネント

シミュレーターコンポーネントについては手動でビルドを行います。 以下のコマンドを入力してください。

 $ wget https://raw.githubusercontent.com/Nobu19800/RTM_Tutorial_ROBOMECH2018/master/script/install_raspimouse_simulator.sh
 $ sudo sh install_raspimouse_simulator.sh

インターネットに接続できない環境で講習会を実施している場合がありますので、その場合は配布の USBメモリー内のスクリプトを起動してください。

 $ sudo sh install_raspimouse_simulator_usb.sh

コンポーネントの仕様

RobotController は目標速度を出力するアウトポート、センサー値を入力するインポート、目標速度や停止するセンサー値を設定するコンフィギュレーションパラメーターを持っています。

コンポーネント名称 RobotController
InPort
ポート名 in
TimedShortSeq
説明 センサー値
OutPort
ポート名 out
TimedVelocity2D
説明 目標速度
Configuration
パラメーター名 speed_x
double
デフォルト値 0.0
制約 -1.5<x<1.5
Widget slider
Step 0.01
説明 直進速度の設定
Configuration
パラメーター名 speed_r
double
デフォルト値 0.0
制約 -2.0<x<2.0
Widget slider
Step 0.01
説明 回転速度の設定
Configuration
パラメーター名 stop_d
int
デフォルト値 30
説明 停止するセンサー値の設定

TimedVelocity2D 型について

2次元平面上の移動ロボットの移動速度を格納するデータ型である TimedVelocity2D 型を使用します。

     struct Velocity2D
     {
         /// Velocity along the x axis in metres per second.
         double vx;
         /// Velocity along the y axis in metres per second.
         double vy;
         /// Yaw velocity in radians per second.
         double va;
     };
 
 
     struct TimedVelocity2D
     {
         Time tm;
         Velocity2D data;
     };

このデータ型にはX軸方向の速度vx、Y軸方向の速度vy、Z軸周りの回転速度vaが格納できます。

vxvyvaはロボット中心座標系での速度を表しています。


/ja/node/6042

vxはX方向の速度、vyはY方向の速度、vaはZ軸周りの角速度です。

Raspberry Piマウスのように2個の車輪が左右に取り付けられているロボットの場合、横滑りしないと仮定するとvyは0になります。

直進速度vx、回転速度vaを指定することでロボットの操作を行います。

距離センサーのデータについて

Raspberry Pi マウスの距離センサーのデータは物体との距離が近づくほど大きな値を出力するようになっています。


rpm14.png

デバイスファイルから取得した数値 実際の距離[m]
1394 0.01
792 0.02
525 0.03
373 0.04
299 0.05
260 0.06
222 0.07
181 0.08
135 0.09
100 0.10
81 0.15
36 0.20
17 0.25
16 0.30

シミュレーターではこの値を再現して出力しています。 RobotController コンポーネントではこの値が一定以上の時に自動的に停止する処理を実装します。

RobotController コンポーネントのひな型の生成

RobotController コンポーネントの雛型の生成は、RTCBuilder を用いて行います。

RTCBuilder の起動

Eclipse では、各種作業を行うフォルダーを「ワークスペース」(Work Space)とよび、原則としてすべての生成物はこのフォルダーの下に保存されます。 ワークスペースはアクセスできるフォルダーであれば、どこに作っても構いませんが、このチュートリアルでは以下のワークスペースを仮定します。

  • /home/ユーザー名/workspace

まずは Eclipse を起動します。 OpenRTP を展開したディレクトリーに移動して以下のコマンドを入力します。

 $ ./openrtp

最初にワークスペースの場所を尋ねられますので、上記のワークスペースを指定してください。

/ja/node/6058

すると、以下のような Welcome ページが表示されます。


/ja/node/6026
Eclipse の初期起動時の画面

Welcome ページはいまは必要ないので左上の「×」ボタンをクリックして閉じてください。

右上の [Open Perspective] ボタンをクリックしてください。

/ja/node/6026
パースペクティブの切り替え

「RTC Builder」を選択することで、RTCBuilderが起動します。メニューバーに「カナヅチとRT」の RTCBuilder のアイコンが現れます。

/ja/node/6026
パースペクティブの選択

新規プロジェクトの作成

RobotController コンポーネントを作成するために、RTC Builder で新規プロジェクトを作成する必要があります。

左上の [Open New RTCBuilder Editor] のアイコンをクリックしてください。

/ja/node/6057
RTC Builder 用プロジェクトの作成

「プロジェクト名」欄に作成するプロジェクト名 (ここでは RobotController) を入力して [終了] をクリックします。

/ja/node/6310

指定した名称のプロジェクトが生成され、パッケージエクスプローラ内に追加されます。

/ja/node/6310

生成したプロジェクト内には、デフォルト値が設定された RTC プロファイル XML(RTC.xml) が自動的に生成されます。

RTC プロファイルエディタの起動

RTC.xmlが生成された時点で、このプロジェクトに関連付けられているワークスペースとして RTCBuilder のエディタが開くはずです。 もし起動しない場合はパッケージエクスプローラーの RTC.xml をダブルクリックしてください。

/ja/node/6026

プロファイル情報入力とコードの生成

まず、いちばん左の「基本」タブを選択し、基本情報を入力します。先ほど決めた RobotController コンポーネントの仕様(名前)の他に、概要やバージョン等を入力してください。 ラベルが赤字の項目は必須項目です。その他はデフォルトで構いません。

  • モジュール名: RobotController
  • モジュール概要: 任意(Robot Controller component)
  • バージョン: 任意(1.0.0)
  • ベンダ名: 任意
  • モジュールカテゴリ: 任意(Controller)


/ja/node/6310
基本情報の入力


次に、「アクティビティ」タブを選択し、使用するアクションコールバックを指定します。

RobotController コンポーネントでは、onActivated()、onDeactivated()、onExecute() コールバックを使用します。下図のように①の onAtivated をクリック後に②のラジオボタンにて [ON] にチェックを入れます。 onDeactivated、onExecute についても同様の手順を行います。


/ja/node/6310
アクティビティコールバックの選択


さらに、「データポート」タブを選択し、データポートの情報を入力します。 先ほど決めた仕様を元に以下のように入力します。なお、変数名や表示位置はオプションで、そのままで結構です。


  • InPort Profile:
    • ポート名: in
    • データ型: TimedShortSeq

  • OutPort Profile:
    • ポート名: out
    • データ型: TimedVelocity2D


/ja/node/6310
データポート情報の入力


次に、「コンフィギュレーション」タブを選択し、先ほど決めた仕様を元に、Configuration の情報を入力します。 制約条件および Widget とは、RTSystemEditor でコンポーネントのコンフィギュレーションパラメーターを表示する際に、スライダー、スピンボタン、ラジオボタンなど、GUI で値の変更を行うためのものです。

直進速度 speed_x、回転速度 speed_r はスライダーのより操作できるようにします。


  • speed_x
    • 名称: speed_x
    • データ型: double
    • デフォルト値: 0.0
    • 制約条件: -1.5<x<1.5
    • Widget: slider
    • Step: 0.01
  • speed_r
    • 名称: speed_r
    • データ型: double
    • デフォルト値: 0.0
    • 制約条件: -2.0<x<2.0
    • Widget: slider
    • Step: 0.01
  • stop_d
    • 名称: stop_d
    • データ型: int
    • デフォルト値: 30
    • Widget: text


/ja/node/6310
コンフィグレーション情報の入力


次に、「言語・環境」タブを選択し、プログラミング言語を選択します。 ここでは、C++(言語) を選択します。なお、言語・環境はデフォルト等が設定されておらず、指定し忘れるとコード生成時にエラーになりますので、必ず言語の指定を行うようにしてください。

/ja/node/6310
プログラミング言語の選択


最後に、「基本」タブにある [コード生成] ボタンをクリックし、コンポーネントの雛型を生成します。


/ja/node/6310
雛型の生成(Generate)


※ 生成されるコード群は、eclipse起動時に指定したワークスペースフォルダーの中に生成されます。 現在のワークスペースは、[ファイル] > [ワークスペースの切り替え...] で確認することができます。

CMake によるビルドに必要なファイルの生成

RTC Builder で生成したコードの中には CMake でビルドに必要な各種ファイルを生成するための CMakeLists.txt が含まれています。 CMake を利用することにより CMakeLists.txt から Visual Studio のプロジェクトファイル、ソリューションファイル、もしくは Makefile 等を自動生成できます。

CMake(cmake-gui) の操作

CMake を利用してビルド環境の Configure を行います。 まずは CMake(cmake-gui) を起動してください。

 $ cmake-gui
/ja/node/6311
CMake GUI の起動とディレクトリーの指定

画面上部に以下のようなテキストボックスがありますので、それぞれソースコードの場所 (CMakeList.txt がある場所) と、ビルドディレクトリーを指定します。

  • Where is the soruce code
  • Where to build the binaries

ソースコードの場所は RobotController コンポーネントのソースが生成された場所で CMakeList.txt が存在するディレクトリーです。 デフォルトでは <ワークスペースディレクトリー>/RobotController になります。

このディレクトリーはエクスプローラから cmake-gui にドラックアンドドロップすると手入力しなくても設定されます。

ビルドディレクトリーとは、ビルドするためのプロジェクトファイルやオブジェクトファイル、バイナリを格納する場所のことです。 場所は任意ですが、この場合 <ワークスペースディレクトリー>/RobotController/build のように分かりやすい名前をつけた RobotController のサブディレクトリーを指定することをお勧めします。

Where is the soruce code /home/ユーザー名/RobotController
Where to build the binaries /home/ユーザー名/RobotController\build

指定したら、下の [Configure] ボタンをクリックします。すると下図のようなダイアログが表示されますので、生成したいプロジェクトの種類を指定します。 今回は CodeBlocks - Unix Makefiles を指定します。 Code::Blocks を使わない場合は Unix Makefiles を使ってください。

/ja/node/6026
生成するプロジェクトの種類の指定

また cmake-gui を使用しない場合は以下のコマンドでファイルを生成できます。

 $ mkdir build
 $ cd build
 $ cmake .. -G "CodeBlocks - Unix Makefiles"

ダイアログで [Finish] をクリックすると Configure が始まります。問題がなければ下部のログウインドウに「Configuring done」と出力されますので、続けて [Generate] ボタンをクリックします。 「Generating done」と出ればプロジェクトファイル・ソリューションファイル等の出力が完了します。

なお、CMake は Configure の段階でキャッシュファイルを生成しますので、トラブルなどで設定を変更したり環境を変更した場合は [File] > [Delete Cache] を選択して、キャッシュを削除してから Configure からやり直してください。

ヘッダ、ソースの編集

次に先ほど指定した build ディレクトリーの中の RobotController.cbp をダブルクリックしてCode::Blocks を起動します。

ヘッダ (include/RobotController/RobotController.h) およびソースコード (src/RobotController.cpp) をそれぞれ編集します。 Code::BlocksのProjectsからRobotController.h、RobotController.cpp をクリックすることで編集画面が開きます。

/ja/node/6311

64bitの環境の場合に Code::Blocks の動作が不安定になることがあります。 その場合は code completion というプラグインを無効化すると動作することがあります。

「Plugins」>「Manage plugins...」を選択します。

/ja/node/6057/

「code completion」を選択して [Disable] ボタンをクリックします。

/ja/node/6057/

動作しないときはこの手順を試してください。

アクティビティ処理の実装

RobotController コンポーネントでは、コンフィギュレーションパラメーター(speed_x、speed_y)をスライダーで操作しその値を目標速度としてアウトポート(out)から出力します。 インポート(in)から入力された値を変数に格納して、その値が一定以上の場合は停止するようにします。


onActivated()、onExecute()、onDeactivated() での処理内容を下図に示します。

/ja/node/6310/
アクティビティ処理の概要


ヘッダファイル (RobotController.h) の編集

センサー値を一時的に格納する変数 sensor_data を宣言します。

   private:
      double sensor_data[4];    //センサー値を一時格納する変数

ソースファイル (RobotController.cpp) の編集

下記のように、onActivated()、onDeactivated()、onExecute() を実装します。

 RTC::ReturnCode_t RobotController::onActivated(RTC::UniqueId ec_id)
 {
     //センサー値初期化
     for (int i = 0; i < 4; i++)
     {
         sensor_data[i] = 0;
     }
 
   return RTC::RTC_OK;
 }

 RTC::ReturnCode_t RobotController::onDeactivated(RTC::UniqueId ec_id)
 {
     //ロボットを停止する
     m_out.data.vx = 0;
     m_out.data.va = 0;
     m_outOut.write();
 
   return RTC::RTC_OK;
 }

 RTC::ReturnCode_t RobotController::onExecute(RTC::UniqueId ec_id)
 {
     //入力データの存在確認
     if (m_inIn.isNew())
     {
         //入力データ読み込み
         m_inIn.read();
         for (int i = 0; i < m_in.data.length(); i++)
         {
             //入力データ格納
             if (i < 4)
             {
                 sensor_data[i] = m_in.data[i];
             }
         }
     }
 
     //前進するときのみ停止するかを判定
     if (m_speed_x > 0)
     {
         for (int i = 0; i < 4; i++)
         {
             //センサ値が設定値以上か判定
             if (sensor_data[i] > m_stop_d)
             {
                 //センサ値が設定値以上の場合は停止
                 m_out.data.vx = 0;
                 m_out.data.va = 0;
                 m_outOut.write();
                 return RTC::RTC_OK;
             }
         }
     }
     //設定値以上の値のセンサーが無い場合はコンフィギュレーションパラメーターの値で操作
     m_out.data.vx = m_speed_x;
     m_out.data.va = m_speed_r;
     m_outOut.write();
   return RTC::RTC_OK;
 }

Code::Blocks によるビルド

ビルドの実行

Code::Blocksの [ビルド] ボタンをクリックしてビルドを行います。


/ja/node/6311
ビルドの実行


RobotController コンポーネントの動作確認

作成した RobotController をシミュレーターコンポーネントと接続して動作確認を行います。

NameService の起動

コンポーネントの参照を登録するためのネームサービスを起動します。


 $ rtm-naming

RobotController コンポーネントの起動

RobotController コンポーネントを起動します。

RobotController\build\srcフォルダーの RobotControllerComp ファイルを実行してください。

 $ RobotControllerComp

シミュレーターコンポーネントの起動

RaspberryPiMouseSimulator コンポーネントをインストールしたディレクトリーに移動後、下記のコマンドにて起動できます。

 $ src/RaspberryPiMouseSimulatorComp

コンポーネントの接続

下図のように、RTSystemEditorにて RobotController コンポーネント、RaspberryPiMouseSimulator コンポーネントを接続します。

/ja/node/6310
コンポーネントの接続

コンポーネントの Activate

RTSystemEditor の上部にあります [All Activate] というアイコンをクリックし、全てのコンポーネントをアクティブ化します。 正常にアクティベートされた場合、下図のように黄緑色でコンポーネントが表示されます。


/ja/node/6310
コンポーネントのアクティブ化


動作確認

下図のようにコンフィギュレーションビューの [編集] ボタンからコンフィギュレーションを変更することができます。


/ja/node/6311

スライダーを操作してシミュレーター上の Raspberry Pi マウスの操作ができるかを確認してください。


/ja/node/6310
コンフィギュレーションパラメーターの変更


実機での動作確認

講習会で Raspberry Pi マウス実機を用意している場合は実機での動作確認が可能です。

手順は以下の通りです。

  • Raspberry Pi マウスの電源を投入する
  • Raspberry Pi マウスのアクセスポイントに接続
  • ポートの接続
  • コンポーネントのアクティブ化

電源を投入する

Raspberry PiマウスにはRaspberry Piの電源スイッチとモーターの電源スイッチの2つがあります。


rpm8.png


内側の電源スイッチをオンにするとRaspberry Piが起動します。


rpm9.png


電源を切る場合

Raspberry Piの電源を切る場合は、電源スイッチから直接オフにはしないようにしてください。 3つ並んだボタンの中央のボタンを数秒押すとシャットダウンが始まります。 10秒程度でRaspbianのシャットダウンが終了するため、その後に電源スイッチをオフにしてください。


/ja/node/6042

アクセスポイントに接続

SSID、パスワードは Rasoberry Pi マウスに貼り付けたシールに記載してあるので、その SSID に接続してください。

※ネットワークが切り替わった場合にネームサーバーへのコンポーネントの登録やポートの接続が失敗する場合があるのでネームサーバ、コンポーネントを一旦全て終了してください。 ネットワーク切り替え後に起動した場合には問題ないので、終了させる必要はありません。

ネームサーバー追加

続いてRTシステムエディタの [ネームサーバー追加] ボタンで 192.168.11.1 を追加してください。


tutorial_raspimouse0.png tutorial_raspimouse1.png



すると以下の2つの RTC が見えるようになります。

/ja/node/6311

RaspberryPiMouseRTC は名城大学のロボットシステムデザイン研究室で開発されているラズパイマウス制御用の RTコンポーネントです。

ポートの接続

RTシステムエディタで RaspberryPiMouseRTC、RobotController コンポーネントを以下のように接続します。

/ja/node/6310

モーターの電源を投入する

動作の前に、モーターの電源スイッチをオンにしてください。 モーターの電源はこまめに切るようにしてください。


rpm10.png


アクティブ化

そして RTC をアクティブ化すると Raspberry Pi マウスの操作ができるようになります。