ＴＯＰＰＥＲＳ基礎ロボコンセミナー

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まれあまきい
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1 ET ロボコン向け TOPPERS 活用セミナー mruby on EV3RT+TECS を使ったアプリ開発環境小南靖雄 (TOPPERS 個人会員 ) 2018 年 6 月 11 日 1

2 目次 EV3に対してmrubyで操作できること mruby on EV3RT+TECSの仕組み mruby on EV3RT+TECSのリアルタイム性能環境構築 mrubyのビルド EV3Way 向けとETロボコン向け設定二つの開発方法開発方法 (SD) コンパイル手順アプリケーションの起動方法 ev3way_sample エラー対処方法付録 2

3 EV3 に対して mruby で操作できること ( クラス一覧 ) Balancer Battery Button LCD LED クラスメソッドとして呼び出す Speaker, RTOS, Parameter Motor ColorSensor GyroSensor UltrasonicSensor TouchSensor インスタンス化 (new) が必要及びポート番号の指定が必要 3

4 EV3 に対して mruby で操作できること ( クラスメソッド ) Balancer ET ロボコン向けバランス制御 (4 ミリ秒周期 ) Battery Button LCD LED Speaker RTOS Parameter バッテリの電流電圧取得ボタンの押下状態取得 LCD 表示 LED ライトのカラー設定音量を調整トーン出力自タスクを指定された時間遅延時刻の参照自タスクを起床待ち状態にする各種センサ各モータのポート番号記録記録したポート番号取得 4

5 EV3 に対して mruby で操作できること ( インスタンスメソッド ) Motor ColorSensor GyroSensor UltrasonicSenso r TouchSensor モータのスピード設定パワー取得モーター停止モータを指定角度回転モータの角位置取得モータの角位置をゼロにリセットカラーセンサで反射光の強さを測定環境光の強さを測定 RGB 値を測定カラーを識別指定色であるか識別ジャイロセンサで角速度角位置を測定角位置をゼロにリセットキャリブレーション複数回測定した値の平均値取得超音波センサで距離測定超音波信号検出タッチセンサの状態検出 5

6 mruby on EV3RT+TECS の仕組み EV3RT のスタンドアローン形式として動作 EV3RT で提供されている C 言語ライブラリ mruby の VM を TECS コンポーネント化 (TECS ジェネレータがコンポーネント部分の C 言語コードを自動生成 ) TECS コンポーネントを mruby のオブジェクトとする C 言語コードを自動生成 (TECS ジェネレータの MrubyBridge プラグイン ) mrbgem が内部で行うことと同等な処理をするオブジェクトのメソッドの実体は C 言語関数 6

7 mruby on EV3RT+TECS の仕組み SD mrbc でスクリプトをコンパイルして C 言語の配列として出力スクリプトを含むもの全体を C コンパイラでコンパイル一つのイメージとして SD カードに書き込む Mruby スクリプト TECS コンポーネント (mruby VM 含む ) EV3RT の C 言語関数 SD 7

8 mruby on EV3RT+TECS の仕組み Bluetooth mrbc でスクリプトをコンパイルして mrb ファイルとして出力スクリプトを含まないものを一つのイメージにとして SD カードに書き込む SD カードから起動して Bluetooth を介して mrb ファイルを転送してスクリプトを実行 Mruby スクリプト TECS コンポーネント (mruby VM 含む ) EV3RT の C 言語関数 SD 8

9 mruby on EV3RT+TECS のリアルタイム性能倒立制御ライブラリの 4ms 毎呼出しの制約 ( 赤線 ) を守れるか? 9

10 環境構築パッケージをダウンロードして解凍 - Windows7 Windows8 Windows8.1 Windows10 Cygwin インストール Ruby GNU Make bison クロスコンパイラ arm-none-eabi-gcc.exe (GNU Tools for ARM Embedded Processors q1-update) (release) [ARM/embedded-6- branch revision ] mkimage Windows 用バイナリはパッケージに同梱 Cygwin 及びクロスコンパイラのインストールは EV3RT の開発環境構築を参照してください 10

11 環境構築 : ディレクトリ構造 bin Windows 向け開発環境のバイナリ mkimage を含む doc mruby リファレンスビルド手順サンプルプログラムの説明 hr-tecs TOPPERS/HRP2 及び EV3 プラットフォームサンプルプログラム (hr-tecs/workspace/mruby_app) mruby mruby ver1.2.0 build_config.rb で EV3 用のクロスコンパイルを指定 11

環境構築 : パスの通し方クロスコンパイラをインストールしたディレクトリに PATH を通す C: Program Files (x86) GNU Tools ARM Embedded 6 2017- q1-update bin フォルダ名はクロスコンパイラのバージョンごとに変わります arm-none-eabi-gcc へパスが通っているかを確認 $ arm-none-eabi-gcc

12 環境構築 : パスの通し方クロスコンパイラをインストールしたディレクトリに PATH を通す C: Program Files (x86) GNU Tools ARM Embedded q1-update bin フォルダ名はクロスコンパイラのバージョンごとに変わります arm-none-eabi-gcc へパスが通っているかを確認 $ arm-none-eabi-gcc --version arm-none-eabi-gcc.exe (GNU Tools for ARM Embedded Processors q1-update) (release) [ARM/embedded-6-branch revision ] Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc. This is free software; see the source for copying conditions. There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. コンパイラバージョンが表示されない場合は PATH を確認 12

13 mruby のビルド mruby のビルド (host 用コンパイル ARM 用クロスコンパイル ) パッケージを展開したディレクトリで $ cd mruby $ make mruby ディレクトリで make を実行すると mruby がビルドされるビルドには ruby 及びbisonのインストールが必要下記の出力がされればビルド成功 13

EV3Way 向けと ET ロボコン向け設定各種センサ各モータのポートへの接続 EV3Way と ET ロボコンでは異なるポートに接続するポートの接続の割り当てを記録するクラス Parameter を用いてそこに記録したポート番号を利用する Makefile の変数 RUNNING_BODY に

14 EV3Way 向けと ET ロボコン向け設定各種センサ各モータのポートへの接続 EV3Way と ET ロボコンでは異なるポートに接続するポートの接続の割り当てを記録するクラス Parameter を用いてそこに記録したポート番号を利用する Makefile の変数 RUNNING_BODY に ev3way または etrobo を指定することで適切なポートの接続が記録される hr-tecs/workspace/sd/makefile hr-tecs/workspace/bluetooth/makefile #RUNNING_BODY = ev3way RUNNING_BODY = etrobo 14

15 EV3Way 向けと ET ロボコン向け設定 EV3Way 向 ETロボコン向タッチセンサポート :port_1 :port_1 カラーセンサポート :port_2 :port_3 ジャイロセンサポート :port_3 :port_4 超音波センサポート :port_4 :port_2 尻尾モータポート :port_a :port_a 右モータポート :port_b :port_b 左モータポート :port_c :port_c TOPPERS プロジェクト認定 15

16 ET ロボコン 2018 向けデカタイヤ対応 ET ロボコン 2018 で採用されたタイヤについてサイズが大きいため EV3Way や ET ロボコン 2017 以前の倒立制御ライブラリのままでは倒立制御が難しくなった倒立制御ライブラリのパラメータ変更倒立制御ライブラリのパラメータをデカタイヤ用に変更 Makefile の変数 RUNNING_BODY_TIRE に normal(ev3way や ET ロボコン 2017 以前のタイヤの場合 ) または big(et ロボコン 2018 のタイヤの場合 ) を指定することで適切なパラメータ値が設定される hr-tecs/workspace/sd/makefile hr-tecs/workspace/bluetooth/makefile 参考 #RUNNING_BODY_TIRE = normal RUNNING_BODY_TIRE = big 2018 年走行体 EV3way( 二輪倒立 ) について前編 - Qiita TOPPERS プロジェクト認定 16

17 ET ロボコン 2018 向けデカタイヤ対応バックラッシュキャンセル処理の追加タイヤが大きくなりバックラッシュの影響が増えた今回バックラッシュキャンセルをモータエンコーダの実測値からバックラッシュの半分の値を引いてから C 言語の倒立制御ライブラリを呼び出すことで実現したこのため mruby のクラスメソッド Balancer.control の最後に引数 backlashhalf を追加した Balancer.control(forward, turn, gyro, gyro_offset, angle_l, angle_r, battery, backlashhalf) ノーマルタイヤの場合は引数 Backlashhalf を 0 にするこの場合バックラッシュキャンセル処理自体を行わないサンプルプログラムでは Backlashhalf の値を 4 としているが個体差などもあるため調整する必要があるかもしれない参考 2018 年走行体 EV3way( 二輪倒立 ) について後編 - Qiita TOPPERS プロジェクト認定 17

18 Makefile に追加した変数の値の確認 Makefile に追加した変数 RUNNING_BODY,RUNNING_BODY_TIRE の値を確認するには make にターゲット show-config を指定する hr-tecs/workspace/sd/makefile hr-tecs/workspace/bluetooth/makefile $ make show-config RUNNING_BODY=etrobo RUNNING_BODY_TIRE=big TOPPERS プロジェクト認定 18

19 二つの開発方法 SD アプリケーションのバイナリファイルもまとめて SD カードへコピーし, 起動する. ( 完成時はこちらを推奨 ) : アプリケーションも SD カードに組み込んでいるため, 安定する :PC と EV3 を USB ケーブルで接続すると SD カードを差したまま読み込み / 書き込みが可能になる Bluetooth mruby のバイトコードをホスト PC ( 開発マシン ) から Bluetooth を用いて転送し, 起動する. :SD カードの抜き差しが不要になり, 開発が効率的 :Bluetooth 機能のある PC や機器が必要 : 現在同一バイトコードを連続して 2 回転送しないとバイトコードの実行が開始しない : バイトコード実行からバイトコード転送を繰り返して正常に実行される場合もあるし転送ができない場合バイトコード実行の段階で電源断になる場合もある TOPPERS プロジェクト認定 19

20 SD TOPPERS プロジェクト認定 20

21 SD: コンパイル手順 EV3RT+TECS EV3 ドライバ Mruby スクリプトのビルド準備 SD カードへのコピー準備デフォルトでは cygwin が使用されていることを想定の上で E ドライブにコピーされる ( SD カードを挿入した EV3 と PC を USB ケーブル接続すると SD カードを抜き差しせずにコピー出来る ) ドライブを変更するにはサンプルコードの Makefile を編集 hr-tecs/workspace/sd/makefile Makefile 内を "SD_DIR" で検索して変数に SD カードドライブを指定 SD カードドライブのドライブレターに合わせてくださいここで指定したディレクトリに EV3 用イメージファイルがコピーされますここの名前を SD カードのドライブ名に変更 TOPPERS プロジェクト認定 21

22 コンパイル手順 EV3RT+TECS EV3 ドライバ Mruby スクリプトのビルドパッケージを展開してディレクトリで $ cd hr-tecs/workspace/sd/ $ make tecs GNU Make が tecsgen を実行してくれます $ make depend ファイルの依存関係を抽出しますヘッダファイルなど読み込まれるファイルを更新していなければ実行する必要ありません $ make mrb make tecs, make depend は最初に 1 回実行すればよい Mruby スクリプト (*.rb) を修正したり Makefile で Mruby スクリプト名を変更した場合 make mrb を実行すると確実に mrbc によるバイトコードコンパイルを行った後全体のビルドを行う TOPPERS プロジェクト認定 22

23 コンパイル手順 :mruby バイトコード Makefile を編集する (hr-tecs/workspace/sd/makefile) 実行したいアプリケーションを一つ選ぶ TOPPERS プロジェクト認定 23

24 コンパイル手順 :1make tecs tecs.timestamp が出力されれば成功 TOPPERS プロジェクト認定 24

25 コンパイル手順 :2make depend TOPPERS プロジェクト認定 25

26 コンパイル手順 :3make mrb このような出力が出れば成功下記のようなエラーになる場合は SD_DIR の指定が間違っているもしくは SD カードを認識していない ( ささってない ) TOPPERS プロジェクト認定 26

27 コンパイル手順 :uimage ビルドの確認 mkimage が生成され uimage がコピーされていればビルド成功です SD カードのルートディレクトリに uimage というファイルができます SD カードを EV3 本体に入れる予めSDカードを挿入したEV3とPCを USBケーブル接続すると SDカードを抜き差しせずにコピーできる TOPPERS プロジェクト認定 27

28 アプリケーションの起動方法 SD カード入れた EV3 の電源を入れる中央 (Enter) ボタンで電源オン OS 起動中中央 (Enter) ボタンで mruby プログラム開始アプリケーションの実行 LED が赤の間は OS の起動中 LED が緑になれば OS 起動完了戻る (Back) ボタン長押しでスタート画面へ戻る (Back) ボタン右ボタン左ボタンの同時押しで電源断 TOPPERS プロジェクト認定 28

29 コンパイル手順 : サンプルプログラムの変更の場合サンプルプログラムの変更後は make mrb だけで良い (make tecs, make depend は一度だけ ) サンプルプログラムの変更 make mrb TOPPERS プロジェクト認定 29

30 ev3way_sample ET ロボコン用のサンプル倒立制御しながらライントレースを行うタッチセンサ (Parameter.touch_sensor_port) カラーセンサ (Parameter.color_sensor_port ) ジャイロセンサ (Parameter.gyro_sensor_port ) 超音波センサ (Parameter.sonar_sensor_port ) しっぽモータ (Parameter.tail_motor_port ) 右モータ (Parameter.right_motor_port) 左モータ (Parameter.left_motor_port) TOPPERS プロジェクト認定 30

31 ev3way_sample 操作手順電源を入れる黒色のライン上にカラーセンサを移動タッチセンサを押す : 黒色の値を取得白色の上にカラーセンサを移動タッチセンサを押す : 白色の値を取得 : しっぽを下ろすライン上移動タッチセンサを押す : ライントレーススタート TOPPERS プロジェクト認定 31

reflect @touch = TouchSensor.new(TOUCH_SENSOR) @gyro = GyroSensor.

32 ev3way_sample.rb: 初期化 begin LCD.puts "ev3way_sample.rb" LCD.puts "--- mruby version ---" Speaker.volume = 1 forward = turn = 0 # 各オブジェクトを生成 = = = GyroSensor.new(GYRO_SENSOR) ひとつしかないもの ( ポート番号指定不要 ) はクラスメソッドとして直接呼び出すポート番号を指定して初期化 ( インスタンス化 ) motor_l = Motor.new(LEFT_MOTOR) motor_r = = # 各オブジェクトを生成初期化する LED.color = :orange TOPPERS プロジェクト認定 32

$puts "black::#{black_value}" white_value = color_calibration LCD.$ ((black_value + white_value) / 2).round # スタート待機 LCD.

タッチセンサが押されるまで待つカラーセンサ n 回取得し平均値を取得 break if @touch.pressed?

33 ev3way_sample.rb: 黒色白色の取得 # 黒白色のキャリブレーション black_value = color_calibration LCD.puts "black::#{black_value}" white_value = color_calibration LCD.puts "white::#{white_value}" ライントレースの基準値を計算 threshold = ((black_value + white_value) / 2).round # スタート待機 LCD.puts "Ready to start" def color_calibration(n=10) while true タッチセンサが押されるまで待つカラーセンサ n 回取得し平均値を取得 break RTOS.delay(10) end col = 0 n.times { col col = (col / n).round Speaker.tone(:a4, 200) RTOS.delay(500) col end TOPPERS プロジェクト認定 33

tail_control(tail_angle_stand_up) RTOS.delay(10) 目標値現在の値 # タッチセンサが押されるまで待つ break if @touch.

reset # LED: 緑走行状態 LED.color = :green def tail_control(angle) pwm = ((angle - @motor_t.

34 ev3way_sample.rb: スタート準備 # スタート待機 LCD.puts "Ready to start" while true # 完全停止用角度に制御しっぽの位置を指定された角度に保つ ( フィードバック制御 ) tail_control(tail_angle_stand_up) RTOS.delay(10) 目標値現在の値 # タッチセンサが押されるまで待つ break end # 走行モータエンコーダーリセット motor_l.reset_count motor_r.reset_count # # LED: 緑走行状態 LED.color = :green def tail_control(angle) pwm = ((angle * P_GAIN).to_i if pwm > PWM_ABS_MAX pwm = PWM_ABS_MAX elsif pwm < -PWM_ABS_MAX pwm = -PWM_ABS_MAX end if pwm == = pwm end end TOPPERS プロジェクト認定 34

msec # バランス走行用角度に制御 tail_control(tail_angle_drive) # 障害物検知 if

障害物まで一定の距離以下になると止まる forward = 30 turn = @color.reflect >= threshold?

35 ev3way_sample.rb: ライントレース # main loop forward = turn = 0 while true start = RTOS.msec # バランス走行用角度に制御 tail_control(tail_angle_drive) # 障害物検知 if sonar_alert forward = turn = 0 else # Line trace end end 障害物まで一定の距離以下になると止まる forward = 30 turn >= threshold? 20 : -20 サンプルでは 30 に固定 def += 1 == 10 = distance <= SONAR_ALERT_DISTANCE && distance >= = 0 end カラーセンサと閾値と比較しどちらかに曲がるここを変更すると自前のライントレースが可能 TOPPERS プロジェクト認定 35

左右モータ出力値を得る */ pwm_l, pwm_r = Balancer.control( forward, turn, @gyro.

mV, BACKLASHHALF) if pwm_l == 0 motor_l.stop(true) else motor_l.

36 ev3way_sample.rb: 倒立制御 # main loop while true バランサの返り値が2つ # 倒立振子制御 APIを呼び出し倒立走行するための # 左右モータ出力値を得る */ pwm_l, pwm_r = Balancer.control( forward, GYRO_OFFSET, motor_l.count, motor_r.count, Battery.mV, BACKLASHHALF) if pwm_l == 0 motor_l.stop(true) else motor_l.power = pwm_l end if pwm_r == 0 motor_r.stop(true) else motor_r.power = pwm_r end RTOS.delay(wait) end C 言語で実装されたバランサを呼び出す ET ロボコン 2018 で採用されたデカタイヤを用いる場合は BACKLASHHALF=4 が適当であろうただし走行体毎に調整する必要もあるだろうノーマルなタイヤの場合は 0 にするループ内を 4 ミリ秒周期で実行 wait= 3( ミリ秒 ) で delay する (1 ミリ秒 + 3 ミリ秒 =4 ミリ秒 ) 現状 1 ミリ秒程度で処理完了 mruby でも十分制御可能 TOPPERS プロジェクト認定 36

37 エラーの対処方法 TOPPERS プロジェクト認定 37

38 mruby プログラム起動時に電源がオフになる場合物理的にささっているポートとプログラムのポートを確認例 : プログラムではポート A を使おうとして物理的にはポート A になにも接続されていない場合スタックサイズが 4096 バイトの場合にこの症状が発生しスタックサイズを増やすと発生しなくなるという報告があるサンプルプログラムではスタックサイズに余裕を持たせてバイトにしている TOPPERS プロジェクト認定 38

39 mruby プログラム実行時に電源がオフに出来ない戻る (BACK) ボタンの長押しまたは戻る (BACK ) ボタン左ボタン右ボタンの同時長押しをしても電源オフに出来ない場合がありますこの場合は EV3 充電式バッテリーまたは乾電池 ( 又は充電池 ) を外して電源断にします TOPPERS プロジェクト認定 39

40 パッケージ内のドキュメント doc/ev3rt_mruby_api_reference.pdf APIリファレンスマニュアル doc/mruby_on_ev3rt+tecs_buld.pdf 環境設定 doc/mruby_sample.pdf サンプルプログラムの説明 TOPPERS プロジェクト認定 40

41 問い合わせ先リンク質問などは下記の ML に EV3RT f/wiki/whatsev3rt TOPPERS ET ロボメーリングリスト -ml TOPPERS プロジェクト認定 41

42 付録 TOPPERS プロジェクト認定 42

43 mruby gems 以下の特徴を持つ mruby のライブラリ C や mruby のソースコードを mruby VM から実行する関数として組込める通常ビルド時に Web からライブラリを追加できる配布パッケージでは mruby-print を追加済み EV3 シリアル出力をリンクし print, p, puts などを実現しています TOPPERS プロジェクト認定 43

44 シリアル通信 mruby の puts, print, p はシリアル通信から出力されますシリアルケーブルは EV3 本体の Port1 を使用します ( シリアルに使用するため現在 Port1 にセンサを取り付けできない制約があります ) コンピュータへの接続には USB-Serial 変換ケーブルおよび EV3-Serial 変換コネクタが必要となります EV3RT の機能としてシリアルケーブル接続によるシリアル通信と Bluetooth 接続によるシリアル通信を切り替え可能です (/ev3rt/etc/rc.local.ini) 以降のシリアル通信についての記述は ( 物理的な接続を除いて )Bluetooth 接続によるシリアル通信についても当てはまります TOPPERS プロジェクト認定 44

45 シリアル通信動作確認では以下のシリアルケーブルおよびコネクタを使用しました OLIMEX USB シリアル変換ケーブル (3 線式 ) 2015 年 6 月現在 Windows 8 で使用ができません ( ドライバがありません ) Breadboard Connector Kit for NXT(BCK01) TOPPERS プロジェクト認定 45

46 シリアル通信上記シリアルケーブルおよび Connector Kit を使用する場合それぞれ以下が対応します青 (GND) - GRND (2 or 3) 緑 (TX) - SCL (5) 赤 (RX) - SDA (6) TOPPERS プロジェクト認定 46

47 /ev3rt/etc/rc.conf.ini の設定 EV3RT の機能として設定ファイルで SD カードの /ev3rt/etc/rc.conf.ini で動作ログの出力先 ( デバッグポート ) を指定できる [Debug] DefaultPort=UART #DefaultPort=BT #DefaultPort=LCD UART -> シリアル通信 BT -> Bluetooth 接続でシリアル通信 LCD -> LCD に出力 (LCD には LCD クラスの表示メソッド以外にも puts, print, p メソッドでも出力される ) TOPPERS プロジェクト認定 47

Tera Term との接続 Tera Term の設定ポート :USB のシリアルポートボーレート :115200 PC と EV3 をシリアルで接続後 EV3

48 Tera Term との接続 Tera Term の設定ポート :USB のシリアルポートボーレート : PC と EV3 をシリアルで接続後 EV3 の真ん中のボタンを押して起動起動確認起動時に uimage を直接読み込んで TOPPERS/HRP2 が自動的に起動します TOPPERS プロジェクト認定 48

SWEST 17 mruby の現状と事例紹介九州工業大学情報工学部田中和明 RubyAssociation 軽量 Ruby フォーラム

SWEST 17 mruby の現状と事例紹介九州工業大学情報工学部田中和明 RubyAssociation 軽量 Ruby フォーラム SWEST 17 mruby の現状と事例紹介九州工業大学情報工学部田中和明 RubyAssociation 軽量 Ruby フォーラム自己紹介田中和明 ( たなかかずあき ) 九州工業大学情報工学部機械情報工学科出身は情報工学で, 力学は不得意機械らしいことを研究テーマに... 組込みシステム ( ハード + ソフト ) の研究 Ruby と mruby Ruby オブジェクト志向プログラム言語