Multi-konzeptionelle Verwendung von Low-Cost Hardware in der Lehre

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1 開発プロセスにおける制御試験入門 MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部制御 岩井理樹 2015 The MathWorks, Inc. 1

2 本講演の対象者 & メッセージング 対象者 ( 下記の初心者の方々が主に対象となります ) あまり Simulink に馴染みのない方 Simulink で廉価版ハードウェア実装をされていない方 MATLAB /Simulink で設計したアルゴリズムの動作検証を実機で確認されたい方 メッセージング高度な予備知識 高価な道具類などは不要 マイコン実装開発環境構築のハードルは低い 例 : 電子回路の基礎知識 廉価版ハードウェア (Arduino TM, Raspberry Pi TM... etc) の利用 そして幾つかのパーツの組合せによって様々な動作を即座に実現! ハードウェア実装に向けた専用のプログラミング (C/C++, Python... etc) は不要 MATLAB/Simulink で モデリング 制御系設計 ~ 制御器実装のワークフローが実現可能 2

3 MATLAB/Simulink による制御開発の概要構想 設計 試作 検証などの開発プロセスをモデル & シミュレーションに基づき実施する設計 開発手法 モデリング プラントモデル コントローラモデル プラントモデル : 制御対象の静 / 動特性を表現 コントローラモデル : 制御装置 制御ソフトを表現 実機 / シミュレータを用いたテスト 検証 リアルタイムシミュレーション モデル生成コード検証 シミュレーションによる解析 検証 プラント解析 コントローラ設計 制御系検証 C/C+ +HDL モデルからの自動コード生成 リアルタイムシミュレーション用コード生成 量産用組込みコード生成 3

4 ユーザー事例 ( モデルベースデザイン ): JPL Tests, Tunes, and Implements Onboard Descent Systems for Spirit and Opportunity Mars Rovers 火星探査車 ( マーズ ローバー ) Challenge Design an entry, descent, and landing (EDL) system for a Mars rover Solution Use MATLAB and Simulink for numerous phases of the mission, including navigation, data analysis, and EDL hardware and software design Results Onboard descent systems tested under authentic atmospheric conditions Viable Mars landing sites easily identified Spacecraft landing flawlessly executed Link to article Artist's rendition of Mars rover. Graphics courtesy of NASA/JPL/Cornell. Using MATLAB, engineers tested, tuned, and implemented the onboard descent systems that told the rover which rocket systems to fire and when. The landing of the rover happened precisely as the EDL team had predicted. 4

5 ユーザー事例 (PC 環境型低コストハードウェア ): Using MATLAB, Virtual Reality, and a Treadmill to Investigate How Humans Use Visual Input to Control Their Gait 歩行シミュレータ装置 Challenge Measure the effect of vision on natural gait selection Solution Use MATLAB and Simulink to develop a PID controller that regulates treadmill speed based on the subject's position on the treadmill Results Fixes to experimental setup rapidly implemented Dynamics of processes affecting gait quantified, improving validity of test results Understanding of human gait increased, enabling more effective rehabilitation therapies Link to article Instead of waiting weeks for another company to implement fixes, we could implement them ourselves often in a single day because we had built the controller in Simulink... the ability to test the setup, rapidly make minor adjustments to the controller, and then retest was invaluable. Experimental setup showing treadmill and projection screen. Shawn O Connor Simon Fraser University 5

6 本講演の対象領域ラピッドプロトタイピング = プロトタイプコントローラによる制御ロジック実機試験 制御開発基盤 : MATLAB/Simulink プラントモデリング モデルベース適合 アルゴリズム 設計 制御モデル単体検証 MILS ( シミュレーション解析 検証 ) 制御 モデル RCP ( プロトタイプコントローラによる 制御ロジック実機試験 ) 様々な仮想環境による検証 HILS ( リアルタイムシミュレータによる 量産コードテスト ) 実機検証 検証 設計 モデルベース検証 実装 コード検証 MILS:Model In the Loop Simulation RCP:Rapid Control Prototyping HILS:Hardware In the Loop Simulation 制御モデルからの自動コード生成 実行時エラーの検証 6

7 廉価版ハードウェア連携による種々のプラットフォーム DFRobotShop Rover V2 簡易マーズローバー装置 Digilent プラットフォーム QuickBot WowWee RoboMe TM Raspberry Pi と Arduino による融合型プラットフォーム Arduino 側の役割 センサ入力 モータ制御 Raspberry Pi 側の役割 カメラ ROS ノード間通信 RST への Wi-Fi 接続 ROS:Robot Operating System RST:Robotics System Toolbox メリット : ROS 内蔵 多数センサへの堅牢性課題点 : 処理能力の制限 BeagleBone Black による低コストプラットフォーム BeagleBone Black 側の役割 モータ 高性能赤外線センサ ホイールエンコーダ ROS ノード間通信 RST への Wi-Fi 接続 メリット : ROS 内蔵 安価課題点 : 多数センサの制限 スマートフォンとの融合型プラットフォーム Arduino/RoboMe 側の役割 モータメリット : スマートフォン側の役割 ROS 内蔵 カメラ スマートフォンの即利用 慣性計測ユニット課題点 : カスタムアプリの開発 ROSノード間通信 RSTへのWi-Fi 接続 Linux 搭載のシングルプロセッサ 安価 組立てが容易 7

8 アジェンダ 廉価版ハードウェア概要 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステム例 まとめ 本講演のゴール MATLAB/Simulink の一貫したツールチェーンと廉価版ハードウェアを用いることで 安価で手軽な開発環境が構築可能であることをデモを通じてご理解いただきます 8

9 Simulink 動的システムや組込みシステムのモデリング シミュレーション そして 実装を行うための優れた環境 ブロック線図環境 マルチドメインシステムのモデリング シミュレーション 解析 正確な設計 実装 テスト : 制御システム 信号処理システム 通信システム その他の動的システム モデルベースデザインのプラットフォーム BeagleBone Black の場合 Embedded Coder が別途必要です 9

10 Simulink は様々なハードウェアをサポート 1 R2012b R2013a R2013b R2014a R2015a Arduino Nano, Uno, Mega 2560 Raspberry Pi iphone, ipad, Android 各種センサ情報 LEGO MINDSTORMS EV3 ios Devices LEGO MINDSTORMS NXT KINECT for Windows Samsung GALAXY Android BeagleBoard /PandaBoard Digilent Analog Discovery RTL-SDR Radio 10

11 Simulink は様々なハードウェアをサポート 2 11

12 Simulink ハードウェア連携機能 Simulink 単体でモデル組込み実装を実現 モデル C コード生成 コンパイル / 実装 Arduino Raspberry Pi LEGO MINDSTORMS EV3 12

13 擬似リアルタイムシミュレーションにおける実行モードの違い エクスターナルモード Simulink と強調動作 擬似リアルタイムテスト中での 信号測定 パラメータ設定が可能 ( デバッグ用 ) USB シリアル Ethernet Wi-Fi Bluetooth etc による通信 ハードウェアに展開 擬似リアルタイム実行用プログラムのハードウェア実装 ハードウェア単独で動作 Arduino の場合 Arduino MEGA, Arduino DUE がエクスターナルモードをサポートしています 13

14 ハードウェアサポートパッケージの入手方法 1 インターネット経由により容易に入手可能 ( 無償 ) オプション 1 オプション 2 ( コマンド ) >>supportpackageinstaller 上記何れかの方法でハードウェア関連ライブラリが容易に入手可能 14

15 ハードウェアサポートパッケージの入手方法 2 インターネット経由により容易に入手可能 ( 無償 ) MathWorks アカウントによるログイン アカウントの新規作成も可能 15

16 ハードウェアサポートパッケージの入手方法 3 インターネット経由により容易に入手可能 ( 無償 ) 該当するサードパーティハードウェアを選択してインストール 16

17 Arduino & Raspberry Pi のサポート 1 Simulink 専用ライブラリとしてサポート Due Uno Leonardo Mega 2560 Mega ADK Sparkfun Arduino I/O Micro Fio Mini >>arduinolib >>raspberrypilib Pro Mini Pro Nano 17

18 Arduino & Raspberry Pi のサポート 2 Simulink 専用ライブラリとしてサポート 組込み 制御 ヘッドホン カメラボード GPIO Arduino の特徴 シリアル通信 Wi-Fi Ethernet 通信 A/D 変換 PWM 出力 ( アナログ出力 ) 制御系リアルタイム性の確保 組込み ハードウェア制御主体 etc Raspberry Pi の特徴 GPIO 端子付 PC Linux OS 搭載 マルチタスク ネットワーク接続 画像 音声処理 ソフトウェア主体 etc 18

19 廉価版ハードウェアクイックデモ :Arduino による LED 点灯 19

20 廉価版ハードウェアクイックデモ :Arduino による DC モータの速度制御 1 ポテンショメータ 速度指令 速度情報 A1 A0 Arduino Mega 2560 D3 D5 PWM ( 正 / 反転 ) TA7291P ( モータドライバ ) 制御対象 USB ケーブル (PC へ ) Arduino 用 AC/DC アダプタ (9V 1.3A) 駆動用 DC モータ モータ駆動回路用 AC/DC アダプタ (5V 2A) C LP フィルタ R Motor Tachometer タコ ジェネレータ用 DC モータ 高範囲な速度制御にはクローズド ループ制御が有効 安価な速度センサとしてタコ ジェネレータを模擬 速度センサを負荷に取り付けたフィードバック制御を模擬 20

21 廉価版ハードウェアクイックデモ :Arduino による DC モータの速度制御 2 21

22 廉価版ハードウェアクイックデモ :Raspberry Pi による画像の反転 1 ウェブカメラ動作確認 22

23 廉価版ハードウェアクイックデモ :Raspberry Pi による画像の反転 2 ウェブカメラ動作確認 23

24 アジェンダ 廉価版ハードウェア概要 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステム例 まとめ 本講演のゴール MATLAB/Simulink の一貫したツールチェーンと廉価版ハードウェアを用いることで 安価で手軽な開発環境が構築可能であることをデモを通じてご理解いただきます 24

25 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ全ワークフロー 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 25

26 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモシステム構成品 ウェブカメラ 追跡用ボール Raspberry Pi サーボモータ Arduino Uno Arduino Ethernet Shield 現状 (R2015b) では WIZnet 社製 W5500 がサポートされておりません WIZnet 社製 W5500 内蔵の Arduino Ethernet Shield 2, Arduino Leonardo Ethernet などは使用できません 26

27 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ システム構成 Ethernet 接続 (Raspberry Pi - Host PC 間 ) Ethernet 接続 (Arduino - Raspberry Pi 間 ) Host PC ( 開発用 PC) Arduino 用 AC/DC アダプタ (9V 1.3A) Arduino Uno Arduino Ethernet Shield ウェブカメラ (Raspberry Pi に接続 ) Raspberry Pi 用 AC/DCアダプタ (5V 2A) Raspberry Pi 2 Model B USB 接続 (Arduino - Host PC 間 ) 27

28 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ 28

29 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ画像取得 処理プロセス :Raspberry Pi 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 29

30 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ画像取得 処理プロセス :Raspberry Pi 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 30

31 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ監視制御 通信プロセス : シリアルポートおよび UDP-Ethernet Stateflow フローチャート 状態遷移図設計 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 31

32 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモモータ制御アルゴリズム試験 :Arduino Simulink Control Design 線形 周波数応答解析 PID 自動調節 Simscape 物理プラントモデリング Simulink Design Optimization 最適化によるパラメータ調整 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 32

33 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモハードウェア実装 & 制御試験 :Arduino+Raspberry Pi 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 33

34 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステムによるデモ全システムのスタンドアロン実行 動画取得モデル作成 物体検出用アルゴリズム Stateflow ロジックエクスターナルモード システム同定 PID 自動調整 デバッグエクスターナルモード 開発用 PC との切断スタンドアロン実行 画像取得 画像処理 監視制御 組込みコントローラ 制御試験 ハードウェア実装 34

35 アジェンダ 廉価版ハードウェア概要 実装開発環境例 : ビジュアルサーボシステム例 まとめ 本講演のゴール MATLAB/Simulink の一貫したツールチェーンと廉価版ハードウェアを用いることで 安価で手軽な開発環境が構築可能であることをデモを通じてご理解いただきます 35

36 まとめ MATLAB/Simulink と廉価版ハードウェア連携で制御試験 試作の加速化 高度な予備知識 高価なツールなどは不要 マイコン実装開発環境構築のハードルは低い ( 回路の基礎知識 + 廉価版 HW+ パーツ... etc) ハードウェア実装に向けた専用のプログラミング (C/C++, Python... etc) は不要 MATLAB/Simulink で モデリング 制御系設計 ~ 制御器実装のワークフローが実現可能 本講演内容が皆様のご業務や社内教育などにお役立ていただければ幸いです 36

37 Simulink / Stateflow は習って慣れれば 直ぐにマスター可能です (MathWorks トレーニング - 2 分間 CM) Exercise demo - 毎月開催! Simulink 基礎 2 ヶ月に 1 回開催! Stateflow 基礎 具体的な例題からモデルを作る方法が学べます 受講者が解けるようになる演習の一例 37

38 ご清聴ありがとうございました Accelerating the pace of engineering and science 2015 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 38

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