2009 The MathWorks, Inc. ET ロボコンを通じた MBD 人材育成 MathWorks Japan アドバンストサポート部 ET ロボコン 2009 実行委員会技術委員 / 性能審査委員 近政隆
背景 (1) 自動車業界における MBD の浸透 JMAAB(Japan MATLAB Automotive Advisory Board) と MathWorks の協調による開発手法 / 開発環境の整備 トヨタ自動車 /DENSO などにおける MBD の量産適用実績 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2001 2003 2005 2007 2009 R12.1 R13SP1 R14SP2 R2006b R2009a Real-Time Workshop Embedded Coder ( コード生成 ) 発売 (R12.1~) Model Reference 等による大規模モデリング対応 (R14~) Simulink Design Verifier ( 検証 ) Simscape ( プラントモデリング ) 発売 (R2007b~) JMAAB 発足 (2001/04) トヨタ自動車 /DENSO が MATLAB を量産開発に適用 (2003/12) JMAAB が MAAB スタイルガイドライン 2.0 を公開 (2007/07) JMAAB が ETSS-JMAAB を公開 (2008/07) 2
背景 (2) MBD エンジニアの育成が急務 自動車業界 : MBD の適用拡大に伴い エンジニアの需要増 ETSS-JMAAB による MBD エンジニアキャリア基準の明確化 教育界 / 自治体 : 学生の就職 / 企業誘致 引用元 : http://www.mathworks.co.jp/mason/tag/proxy.html?dataid=11731&fileid=56175 3
MBD 人材育成における課題 MATLAB/Simulink の製品仕様 / 機能が複雑 Simulink = モデリング言語 & シミュレーションソフト & CAD( の一種 ) 実践的な使用方法がわかりずらい 教育コンテンツ作成と企業競争領域の干渉 企業にとって自社モデル ( の開発手法 / 開発環境 ) は一種のIP 実践的サンプルモデル 開発環境の不足 ( ハードウェアとの連携等 ) MBD エンジニアとは? MBDエンジニアの定義 : ETSS-JMAAB ドメイン固有の知識 ( 例, 制御理論 信号処理 ) + 情報系知識 ( 組込み ) ドメインエンジニアと組込みエンジニアのギャップ MBD および MATLAB 製品について 非 MATLAB ユーザーでも 興味を持って学べる教材 / 環境が必要 4
LEGO MINDSTORMS NXT 向け MBD 環境 Embedded Coder Robot NXT http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/13399 NXT 向けモデリング / シミュレーション / コード生成 / 実機実装機能を提供 TOPPERS ATK1(OSEK)/JSP(μITRON) を実装用 RTOS として採用 各種デバイス ( センサー モータ ) Bluetooth/USB 通信等の専用ブロック Simulink の MBD 関連機能や JMAAB 活動成果 ( 例, MAAB スタイルガイドライン ) を随所に適用 MATLAB, Simulink, Real-Time Workshop, Real-Time Workshop Embedded Coder, Simulink 3D Animation( オプション ) が必要 R2006a~R2009b 対応 専用ブロックライブラリ コントローラモデル プラントモデル 5
NXT 向け MBD アプリケーションデモ (1) 2 輪倒立制御ロボット (NXTway-GS) http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19147 現代制御 ( 状態フィードバック + サーボ ) による倒立振子制御 Bluetooth 通信によるラジコン操作および超音波センサによる障害物回避 日本語による詳細解説書 組立図付き YouTube にて動画公開 Control System Toolbox が別途必要 (MATLAB R2007b~ 対応 ) 6
NXT 向け MBD アプリケーションデモ 各種デモを Web 公開することで MBD に対する興味を喚起 2 輪倒立制御ロボット : 制御, ロボット 玉乗りロボット : 制御, ロボット トラクション制御ラジコン自動車 : 制御, 自動車 画像スキャナー : 組込み, 画像処理 水平多関節ロボットアーム : 逆運動学, ロボット 7
( ご存じない方へ )ET ロボコンとは 組込みソフトウェア開発分野および同教育分野における若年層および初級エンジニアへの分析 設計モデリングの教育機会を提供すること 若年層および初級組込みソフトウェア エンジニア向けに モノづくりの楽しさを経験する機会を提供し 組込み分野への興味を高める 複雑化する組込みソフトウェア開発において モデリングによる分析 設計手法の適用を進めるため 開発成果によるコンペ形式とし 実践教育の機会とします 2009 年は全国 7 箇所の地方大会 チャンピオンシップ大会を開催 全国から 354 チームが参加 ( 九州地区からは 60 チームが参加 ) 8
ET ロボコン新走行体の技術要素 進化したハードウェア 32bit ARM7 CPU (256kbyte Flash, 64kbyte RAM) サーボモータ ( 分解能 1 度のエンコーダ内蔵 ) 光センサ, ジャイロセンサ, タッチセンサ, 超音波センサ ( 今年は未使用 ) サウンド出力 ( トーン /WAV), 液晶表示 Bluetooth( データロギング ), USB 産業界で実際に使用されている C/C++ 開発環境 (RTOS) TOPPERS ATK1(OSEK)/JSP(μITRON) 9
ET ロボコンと MBD のリンク ( 近年の )ET ロボコンの傾向 制御 を取り入れたモデリング / 実装の増加 ( モデル性能審査の導入 ) 自動車業界からの参加者によるSimulinkモデルの適用 競技用走行体の世代交代 従来のRCX 走行体は2009 年で廃止 (LEGOが販売停止) 新走行体はNXTを使用した2 輪倒立制御ロボット 前述の NXTway-GS の倒立振子制御を C ライブラリとして使用 MBD エンジニア / 学生にとっても 魅力的な実践教育の機会へ 10
ET ロボコン 2009 の概況 学生チームの大躍進 九州地区 北海道 / 東北地区の総合 1 位 ( 九州大学 岩手県立大学 ) 最激戦区の東海地区での上位入賞 ( 総合 3 位 : 沼津高専 ) チャンピオンシップ大会にて 学生チーム ( 九州技術専門学校 ) が競技部門で 2 位に!! 性能 倒立走行制御の最適化 ( モータ最高回転近傍の高速安定走行 ) サーボモータを用いた より緻密なフィードバック制御の導入 PID 制御 ( ライントレース, 旋回角度 ) 自己位置推定 + 誤差補正 ( ブラインド走行 ゴール後停止 ) 独自の Bluetooth 通信データ計測 / 解析環境の構築 モデリング モデリング言語 / 手法の拡大 (SysML, VDM, SPIN, SPL, AUTOSAR ) SysML/UML と Simulink のハイブリッドモデリング 11
ET ロボコン 2009 チャンピオンシップ大会出場チーム走行シーン 東海地区明電システムテクノロジー ( 株 ): CS 大会総合 1 位 九州大学 & 韓国 忠南大学チーム : ライントレース / ブラインド混在走行 競技模様の動画アーカイブ : http://www.teu.ac.jp/intebro/et09/index.html スタート / ゴール 坂 トレジャーハント ツインループ ショートカット 12
ET ロボコン 2009 チャンピオンシップ大会出場チームのモデル紹介 モデル部門 2 位 : 東海地区明電システムテクノロジー ( 株 ) 状態遷移 / 数式ベース制御の混在モデリング CS 大会総合 2 位 / モデル部門 1 位 : 東海地区 ( 株 )ADVICS MBD により倒立振子制御を拡張 北関東地区チームロボコンやらないか ( 個人参加 ) 独自のデータ計測 / 解析ツールを駆使して 最速走行タイムを記録 九州大学 & 韓国 忠南大学チームユニークなコース戦略により 特別賞を受賞 鹿児島大学工学部機械工学科制御工学専攻の学生チーム ET ロボコン 2009 の詳細が Web 上でも紹介されています (@IT MONOist): http://monoist.atmarkit.co.jp/fembedded/index/robocon2009.html 13
NXT 走行体の要素技術とカーエレクトロニクス NXT 走行体要素技術カーエレクトロニクス 倒立走行制御現代制御 / プラントモデル車両制御 ライン認識 ( 外乱対策 ) ノイズ除去フィルタ光変調方式ライン測定 センサー ( 信号処理 ) ライントレース走行 PID 制御, モータ制御メカトロニクス ブラインド走行ゴール後停止 データ計測 / 解析環境 自己位置推定 + 誤差補正 Bluetooth 通信 PC アプリケーション カーナビ, 自動走行 適合 / 計測ツール リアルタイム制御 OSEK RTOS プラットフォーム SW 14
まとめ 自動車業界では MBD の適用拡大に伴い MBD エンジニアのキャリア整備 / 育成を図っています MBD エンジニアの育成機運は 企業だけでなく教育機関においても高まってきています 組込み業界が人材育成目的で始めた ET ロボコンも ハードウェアの進化 開発環境の充実に伴い MBD エンジニア / 学生の人材育成の場としても活用されるようになりつつあります 15
MATLAB EXPO in Fukuoka 日時 2010 年 1 月 20 日 ( 水 ) 10:00-17:00 会場 howffice 会議室博多駅前店 L 会議室 (JR 博多駅より徒歩 5 分 ) 参加費無料 事前登録制 http://www.mathworks.co.jp/company/events/seminars/seminar41633.html 講演プログラム 10:00 モデルベースデザインによるモータ制御系設計 10:50 カスタマイズ可能な物理モデリングで広がる制御系設計 11:40 休憩 ( 昼食付き ) 13:00 Excel ユーザのためのMATLAB 13:50 MATLAB 言語による信号処理アルゴリズム開発 14:40 休憩 15:10 信号処理 通信システム開発における早期検証 - モデリングとシミュレーション 16:00 信号処理 通信システム設計における早期検証 - C およびHDL 設計フローへの適用 17:00 終了 16
[ 付録 ] NXT 向け MBD アプリケーションデモ (2) 玉乗りロボット (NXT Ballbot) http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/23931 2 輪倒立制御ロボットで適用した倒立振子制御の応用 (2 軸制御 ) Bluetooth 通信によるラジコン操作および超音波センサによる障害物回避 日本語による詳細解説書 組立図付き YouTube にて動画公開 Control System Toolbox が別途必要 (MATLAB R2007b~ 対応 ) 17
[ 付録 ] NXT 向け MBD アプリケーションデモ (3) トラクション制御搭載ラジコン自動車 (NXT GT-Hi) http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/22411 3 軸加速度センサ ジャイロセンサを使用したトラクション制御 Bluetooth 通信によるラジコン操作 日本語による詳細解説書 組立図付き YouTube にて動画公開 Stateflow, Stateflow Coder, Control System Toolbox, Signal Processing Toolbox 等が別途必要 (MATLAB R2007b~ 対応 ) 18
[ 付録 ] NXT 向け MBD アプリケーションデモ (4) 水平多関節ロボットアーム (NXT SCARA) http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/22126 指定された軌跡に追従する水平多関節ロボットアーム (2 関節 ) 逆運動力学に基づいたロボットアーム先端の軌跡制御 日本語による詳細解説書 組立図付き YouTube にて動画公開 MATLAB R2007b~ 対応 19
[ 付録 ] NXT 向け MBD アプリケーションデモ (5) 画像スキャナー (NXT Scanner) http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/23153 光センサーを用いた白黒画像スキャナー USB 通信で取り込んだスキャンデータに対する画像補正 ( 明度調節 欠落補完 デコンボリューション ) Simulink Design Verifier を用いた部品モデル毎の要求に対する妥当性検証 日本語による詳細解説書 組立図付き YouTube にて動画公開 Simulink Design Verifier, Simulink Verification and Validation, Stateflow, Stateflow Coder, Image Processing Toolbox 等が別途必要 (MATLAB R2008b~ 対応 ) 20