つくばチャレンジに向けた自律走行ロボットの経路計画手法の開発
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[[太田研 公開用Wiki]]
#contents
*はじめに [#z7a60fe1]
**研究背景 [#v8e26a5f]
近年, 自動運転がますます注目を集めており国内のみならず...
より身近な環境で活動するものも増えており一般ユーザーから...
ある.
そこで, 実環境下でロボットの自律走行の実験を行う技術チャ...
が毎年茨城県つくば市で開催されており, この技術チャレンジ...
経路計画を行うためのシステムを開発する. つくばチャレンジ...
であり, 人々が実際に生活している環境で歩道や公園内, 市街...
指定された課題を達成するというものである.
**研究目的 [#oc5adbd4]
群馬大学太田研究室は株式会社リバストとの共同チームとし...
しており, 2台のロボットのうち1台は学生が研究, 開発に使用...
ロボットを用いてつくばチャレンジ2021でのコースの完走を目...
つくばチャレンジに参加している他のチームはROSやROS2で提供...
を利用してシステム構築を行っていることも多いが, 既存パッ...
に向かない機能となっていることがある. そこで独自でつくば...
持ったシステムの開発が必要となってくる. チームで自律走行...
独自パッケージで開発を行っているが, 本研究ではロボットが...
避けながら最適な方向に進行することを目的とした経路計画の...
*ロボット構成 [#n7546309]
つくばチャレンジ2021で実際に使用したロボットの外観を図１,...
CENTER:#ref(mercury.png,center,40%)
CENTER:図1: 使用したロボット
CENTER:表1 ハードウェア構成
|CENTER:外形寸法|CENTER:W0.65 x L0.75 x H1.0m|
|CENTER:ホイール径|CENTER:300mm|
|CENTER:総重量|CENTER:89.0kg|
|CENTER:最大速度|CENTER:0.9m/s|
|CENTER:動力源|CENTER:DCブラシ付きモータ x 4|
|CENTER:センサ|CENTER:3D-LiDAR x 2|
|~|CENTER:2D-LiDAR x 1|
|~|CENTER:WEBカメラ x 3|
|~|CENTER:ソナーセンサー x 7|
|~|CENTER:エンコーダ x 4|
|~|CENTER:9軸ジャイロセンサ x 1|
|CENTER:制御PC|CENTER:Intel i7-8700T|
|~|CENTER:(2.4GHz 6Core 12Thread)|
|~|CENTER:メモリ16GB|
経路計画を行う上での周辺環境把握には主に３つの位置に取り...
CENTER:#ref(sof.png,center,50%)
CENTER:図2: システム構成
これらのモジュールの中から, 自律走行の経路計画に当たるObs...
の開発を行った. ObstacleDetectorモジュールは点群情報を受...
物を検出し, 矩形と直線で障害物の表現をする独自メッセージ...
障害物情報を配信する. PathPlannerモジュールは自己位置, 障...
最適な進行方向を計算しROS2のPose型(2次元座標)で目標座標を...
*経路計画 [#kde994ea]
**障害物検出 [#v8e26a5a]
LiDARから得られた点群情報は一度の通信で最大約4万点にもな...
障害物検出モジュールによって3つのLiDARからの点群情報から...
処理を行う. 障害物は画像化した点群に対してラベリングと直...
実際に検出を行った環境と検出結果を図３に示す. 画像の緑の...
CENTER:&ref(pic.png,center,7%); &ref(line.png,center...
CENTER:図3: 矩形と直線で表現された障害物
**ポテンシャル法 [#v8e26a5b]
ObstacleDetectorモジュールから配信された障害物情報とWayPo...
ウェイポイント情報をPathPlannerモジュールで受け取りポテン...
経路計画を行うためにロボットの近くの環境でどのあたりに近...
か, どの方向に進みたいのかを数値化し進むべき方向の高さが...
ンシャル場を生成する.
障害物を表す辺と直線上のロボットとの最近点を障害物位置と...
の重みを(wo, wd), ロボットの位置を(x, y) としたときの障害...
数をPo(x, y), 目的地のポテンシャル関数をPd(x, y), ポテン...
で表した式を以下に示す. また, 障害物と目的地の関数におい...
CENTER:#ref(eq.png,center,30%)
実際に生成されたポテンシャル場の一例を図4に示す.
CENTER:#ref(potential.png,center,70%)
CENTER:図4: ポテンシャル場の一例
こうして生成されたポテンシャル場に対して±90度を5度刻みで...
スコアの合計値をそれぞれ計算し, スコアの合計値が小さい順...
づけて格納する. 以降述べる走行可能領域によっては格納され...
れることがあるが, 基本的にはスコアの一番低い方向に進行する.
*走行可能領域マップ [#z7a60fe2]
つくばチャレンジでは決められたエリア内であれば好きなよう...
ができるが基本的にロボットの芝生への侵入は禁止しており, ...
チャレンジに適したシステムの開発を行っていることから芝生...
るシステムの開発が必要となる. そこで, LiDARから得られる反...
利用して走行可能領域マップを作成する.
LiDARから取得した反射強度情報を可視化した際に反射強度によ...
れた点がどの場所に対応するのかわかりやすくするために, 事...
に色情報を付加していく. 環境マップとは, LiDAR によって取...
1m以上の物体の点群に対して, より正確に作成するためにマッ...
ら作成される環境情報であり, 太田研究室では本来ロボットの...
際にこの環境マップを使用する.
環境マップから反射強度情報を付加するエリアのみを切り取っ...
示す. また, HSV表色系
CENTER:#ref(rawsurface.png,center,50%)
CENTER:図5: 環境マップ画像
CENTER:#ref(surface.png,center,50%)
CENTER:図6: 色情報付加後
図6を見ると人が見る限りでは道と芝生の違いがわかる程度の色...
いることが確認できたので自律走行での芝生領域回避を試みる....
は通路上でも多少の色の違いがあるので多少の反射強度の違い...
な手法である必要がある. そのため, ポテンシャル法で芝生領...
回避を試みた時, 反射強度の違いをポテンシャル場に大きく反...
ト上をきれいに進行することは難しくなり通路上であっても侵...
てしまうことがある. 反対に, 反射強度の違いによるポテンシ...
さくした場合は障害物を回避した際に芝生への侵入が容易にな...
ある.
したがって, 走行不可能な領域(芝生領域) を表す2値画像を作...
は走行不可能な領域内の進行方向の候補を完全に削除する手法...
路面の反射強度を2値化した画像を図7に示す.
CENTER:#ref(binary.png,center,50%)
CENTER:図7: 2値化画像
ノイズ除去を行った最終的な走行可能領域マップを図7に示す.
CENTER:#ref(travelable.png,center,50%)
CENTER:図8: 走行可能領域マップ
ポテンシャル法によってポテンシャル値の合計スコアの低い順...
れた進行候補を, 走行不可能領域(白い領域) と被っていないか...
候補の一定距離先の座標が走行不可能領域内であった場合はそ...
し, 次にポテンシャルスコアの低い進行方向の候補というよう...
行方向の一定距離先の座標が走行不可能領域と被らなかったと...
行に進行する.
*実験と考察 [#kde994eb]
**実験結果 [#v8e26a5b]
つくばチャレンジでは, 本番である本走行とは別に自由に走行...
ができる実験走行という機会が用意されている.
実験走行は数ヶ月に渡り何度か機会が与えられ, 群馬大学リバ...
全7 回の実験走行会に参加し, 最終的には約2.5kmのコースの完...
きた. ただし, それまでの実験中に自律走行が失敗することが...
経路計画に関連しており実験走行期間内に完全な解決に至らな...
に示す.
-高さの低いロボットの追い抜時の死角
-三角コーンの土台部分への乗り上げ
-勾配が急な坂や段差での路面検出
-障害物回避時の芝生への侵入
また, 本走行では走行開始から5分18秒地点でのリタイアとなっ...
使用によるプロセスの停止によってロボットが完全停止したこ...
**考察 [#v8e26a5c]
本走行の結果はプログラム内の記述ミスによって起こったバグ...
てしまったが, 実験走行ではコースの完走ができたことから, ...
ばコースを完走することができる自律走行システムを開発でき...
しかし, 本走行中にバグが発生してしまったことや先に述べた...
た問題点等を考慮するとまだ改良をしていく必要があると考え...
*結言 [#kde994ec]
本論文では, つくばチャレンジ2021 でロボットが障害物や侵入...
ながら最適な方向に進行することを目的とした経路計画の手法...
障害物検出とポテンシャル法による進行方向選択, また走行可...
成を行うシステムをそれぞれ開発した.
障害物検出に関しては, 点群情報を矩形と直線で表して情報量...
ことによって高速なシステムを開発した. ポテンシャル法によ...
障害物回避の調整が容易でより安定した回避を可能にした.
走行可能領域マップに関しては, 反射強度情報によって芝生領...
するシステムを開発した. つくばチャレンジの実験走行会では...
つかりその都度対処ていったことで自律走行でコースの完走を...
つくばチャレンジ2021 の本走行では排他制御
の不適切な使用によるプロセスの停止によってロボットが完全...
タイアとなってしまった. つくばチャレンジまでに実装が間に...
能領域マップによる芝生領域回避に関しては, 群馬大学桐生キ...
を行い, 芝生の回避が可能であることがわかった.
今後の課題としては, つくばチャレンジでの走行可能領域マッ...
の実験とより安定した経路計画が行えるシステムの開発が挙げ...
走行の時間内でシステムの調整に時間を多く使ってしまったこ...
や実験を行う時間が削られ, 結果, 本走行ではバグによるリタ...
たことから今後はより現場での調整にかける時間が少なくなる...
開発していきたい.
*参考文献 [#kde994ed]
[1] Y. Kanuki, N. Ohta, ”Development of Autonomous Robot ...
gation System for Tsukuba Challenge 2015”, J. of Robotics...
Vol.28, No.4, pp.432-440, 2016 &br;
[2] 鹿貫 悠多, 村上 公介, 斎藤 僚太, 藤澤 大暉, 古田 樹男...
ボット「Mercury(FullCustomModel)」の開発”, つくばチャレン...
レポート集, pp.39-43, 2019 &br;
[3] 鹿貫悠多, 中村弘樹, 須田雄大, 山田竜也, 太田直哉,“ つ...
参加報告書 ”, つくばチャレンジ 2015 参加レポート集, pp.89...
[4] 彌城 祐亮, 江口 和樹, 岩崎 聡, 山内 由章, 中田 昌宏, ...
ロボット製品の障害物回避技術の開発”, 三菱重工技報, Vol.51...
新技術特集, pp.40, 2014 &br;
[5] 村上公介“つくばチャレンジに向けた移動ロボットの自律走...
発”, 群馬大学大学院 理工学府 理工学専攻電子情報・数理教育...
士論文
30 &br;
終了行:
[[太田研 公開用Wiki]]
#contents
*はじめに [#z7a60fe1]
**研究背景 [#v8e26a5f]
近年, 自動運転がますます注目を集めており国内のみならず...
より身近な環境で活動するものも増えており一般ユーザーから...
ある.
そこで, 実環境下でロボットの自律走行の実験を行う技術チャ...
が毎年茨城県つくば市で開催されており, この技術チャレンジ...
経路計画を行うためのシステムを開発する. つくばチャレンジ...
であり, 人々が実際に生活している環境で歩道や公園内, 市街...
指定された課題を達成するというものである.
**研究目的 [#oc5adbd4]
群馬大学太田研究室は株式会社リバストとの共同チームとし...
しており, 2台のロボットのうち1台は学生が研究, 開発に使用...
ロボットを用いてつくばチャレンジ2021でのコースの完走を目...
つくばチャレンジに参加している他のチームはROSやROS2で提供...
を利用してシステム構築を行っていることも多いが, 既存パッ...
に向かない機能となっていることがある. そこで独自でつくば...
持ったシステムの開発が必要となってくる. チームで自律走行...
独自パッケージで開発を行っているが, 本研究ではロボットが...
避けながら最適な方向に進行することを目的とした経路計画の...
*ロボット構成 [#n7546309]
つくばチャレンジ2021で実際に使用したロボットの外観を図１,...
CENTER:#ref(mercury.png,center,40%)
CENTER:図1: 使用したロボット
CENTER:表1 ハードウェア構成
|CENTER:外形寸法|CENTER:W0.65 x L0.75 x H1.0m|
|CENTER:ホイール径|CENTER:300mm|
|CENTER:総重量|CENTER:89.0kg|
|CENTER:最大速度|CENTER:0.9m/s|
|CENTER:動力源|CENTER:DCブラシ付きモータ x 4|
|CENTER:センサ|CENTER:3D-LiDAR x 2|
|~|CENTER:2D-LiDAR x 1|
|~|CENTER:WEBカメラ x 3|
|~|CENTER:ソナーセンサー x 7|
|~|CENTER:エンコーダ x 4|
|~|CENTER:9軸ジャイロセンサ x 1|
|CENTER:制御PC|CENTER:Intel i7-8700T|
|~|CENTER:(2.4GHz 6Core 12Thread)|
|~|CENTER:メモリ16GB|
経路計画を行う上での周辺環境把握には主に３つの位置に取り...
CENTER:#ref(sof.png,center,50%)
CENTER:図2: システム構成
これらのモジュールの中から, 自律走行の経路計画に当たるObs...
の開発を行った. ObstacleDetectorモジュールは点群情報を受...
物を検出し, 矩形と直線で障害物の表現をする独自メッセージ...
障害物情報を配信する. PathPlannerモジュールは自己位置, 障...
最適な進行方向を計算しROS2のPose型(2次元座標)で目標座標を...
*経路計画 [#kde994ea]
**障害物検出 [#v8e26a5a]
LiDARから得られた点群情報は一度の通信で最大約4万点にもな...
障害物検出モジュールによって3つのLiDARからの点群情報から...
処理を行う. 障害物は画像化した点群に対してラベリングと直...
実際に検出を行った環境と検出結果を図３に示す. 画像の緑の...
CENTER:&ref(pic.png,center,7%); &ref(line.png,center...
CENTER:図3: 矩形と直線で表現された障害物
**ポテンシャル法 [#v8e26a5b]
ObstacleDetectorモジュールから配信された障害物情報とWayPo...
ウェイポイント情報をPathPlannerモジュールで受け取りポテン...
経路計画を行うためにロボットの近くの環境でどのあたりに近...
か, どの方向に進みたいのかを数値化し進むべき方向の高さが...
ンシャル場を生成する.
障害物を表す辺と直線上のロボットとの最近点を障害物位置と...
の重みを(wo, wd), ロボットの位置を(x, y) としたときの障害...
数をPo(x, y), 目的地のポテンシャル関数をPd(x, y), ポテン...
で表した式を以下に示す. また, 障害物と目的地の関数におい...
CENTER:#ref(eq.png,center,30%)
実際に生成されたポテンシャル場の一例を図4に示す.
CENTER:#ref(potential.png,center,70%)
CENTER:図4: ポテンシャル場の一例
こうして生成されたポテンシャル場に対して±90度を5度刻みで...
スコアの合計値をそれぞれ計算し, スコアの合計値が小さい順...
づけて格納する. 以降述べる走行可能領域によっては格納され...
れることがあるが, 基本的にはスコアの一番低い方向に進行する.
*走行可能領域マップ [#z7a60fe2]
つくばチャレンジでは決められたエリア内であれば好きなよう...
ができるが基本的にロボットの芝生への侵入は禁止しており, ...
チャレンジに適したシステムの開発を行っていることから芝生...
るシステムの開発が必要となる. そこで, LiDARから得られる反...
利用して走行可能領域マップを作成する.
LiDARから取得した反射強度情報を可視化した際に反射強度によ...
れた点がどの場所に対応するのかわかりやすくするために, 事...
に色情報を付加していく. 環境マップとは, LiDAR によって取...
1m以上の物体の点群に対して, より正確に作成するためにマッ...
ら作成される環境情報であり, 太田研究室では本来ロボットの...
際にこの環境マップを使用する.
環境マップから反射強度情報を付加するエリアのみを切り取っ...
示す. また, HSV表色系
CENTER:#ref(rawsurface.png,center,50%)
CENTER:図5: 環境マップ画像
CENTER:#ref(surface.png,center,50%)
CENTER:図6: 色情報付加後
図6を見ると人が見る限りでは道と芝生の違いがわかる程度の色...
いることが確認できたので自律走行での芝生領域回避を試みる....
は通路上でも多少の色の違いがあるので多少の反射強度の違い...
な手法である必要がある. そのため, ポテンシャル法で芝生領...
回避を試みた時, 反射強度の違いをポテンシャル場に大きく反...
ト上をきれいに進行することは難しくなり通路上であっても侵...
てしまうことがある. 反対に, 反射強度の違いによるポテンシ...
さくした場合は障害物を回避した際に芝生への侵入が容易にな...
ある.
したがって, 走行不可能な領域(芝生領域) を表す2値画像を作...
は走行不可能な領域内の進行方向の候補を完全に削除する手法...
路面の反射強度を2値化した画像を図7に示す.
CENTER:#ref(binary.png,center,50%)
CENTER:図7: 2値化画像
ノイズ除去を行った最終的な走行可能領域マップを図7に示す.
CENTER:#ref(travelable.png,center,50%)
CENTER:図8: 走行可能領域マップ
ポテンシャル法によってポテンシャル値の合計スコアの低い順...
れた進行候補を, 走行不可能領域(白い領域) と被っていないか...
候補の一定距離先の座標が走行不可能領域内であった場合はそ...
し, 次にポテンシャルスコアの低い進行方向の候補というよう...
行方向の一定距離先の座標が走行不可能領域と被らなかったと...
行に進行する.
*実験と考察 [#kde994eb]
**実験結果 [#v8e26a5b]
つくばチャレンジでは, 本番である本走行とは別に自由に走行...
ができる実験走行という機会が用意されている.
実験走行は数ヶ月に渡り何度か機会が与えられ, 群馬大学リバ...
全7 回の実験走行会に参加し, 最終的には約2.5kmのコースの完...
きた. ただし, それまでの実験中に自律走行が失敗することが...
経路計画に関連しており実験走行期間内に完全な解決に至らな...
に示す.
-高さの低いロボットの追い抜時の死角
-三角コーンの土台部分への乗り上げ
-勾配が急な坂や段差での路面検出
-障害物回避時の芝生への侵入
また, 本走行では走行開始から5分18秒地点でのリタイアとなっ...
使用によるプロセスの停止によってロボットが完全停止したこ...
**考察 [#v8e26a5c]
本走行の結果はプログラム内の記述ミスによって起こったバグ...
てしまったが, 実験走行ではコースの完走ができたことから, ...
ばコースを完走することができる自律走行システムを開発でき...
しかし, 本走行中にバグが発生してしまったことや先に述べた...
た問題点等を考慮するとまだ改良をしていく必要があると考え...
*結言 [#kde994ec]
本論文では, つくばチャレンジ2021 でロボットが障害物や侵入...
ながら最適な方向に進行することを目的とした経路計画の手法...
障害物検出とポテンシャル法による進行方向選択, また走行可...
成を行うシステムをそれぞれ開発した.
障害物検出に関しては, 点群情報を矩形と直線で表して情報量...
ことによって高速なシステムを開発した. ポテンシャル法によ...
障害物回避の調整が容易でより安定した回避を可能にした.
走行可能領域マップに関しては, 反射強度情報によって芝生領...
するシステムを開発した. つくばチャレンジの実験走行会では...
つかりその都度対処ていったことで自律走行でコースの完走を...
つくばチャレンジ2021 の本走行では排他制御
の不適切な使用によるプロセスの停止によってロボットが完全...
タイアとなってしまった. つくばチャレンジまでに実装が間に...
能領域マップによる芝生領域回避に関しては, 群馬大学桐生キ...
を行い, 芝生の回避が可能であることがわかった.
今後の課題としては, つくばチャレンジでの走行可能領域マッ...
の実験とより安定した経路計画が行えるシステムの開発が挙げ...
走行の時間内でシステムの調整に時間を多く使ってしまったこ...
や実験を行う時間が削られ, 結果, 本走行ではバグによるリタ...
たことから今後はより現場での調整にかける時間が少なくなる...
開発していきたい.
*参考文献 [#kde994ed]
[1] Y. Kanuki, N. Ohta, ”Development of Autonomous Robot ...
gation System for Tsukuba Challenge 2015”, J. of Robotics...
Vol.28, No.4, pp.432-440, 2016 &br;
[2] 鹿貫 悠多, 村上 公介, 斎藤 僚太, 藤澤 大暉, 古田 樹男...
ボット「Mercury(FullCustomModel)」の開発”, つくばチャレン...
レポート集, pp.39-43, 2019 &br;
[3] 鹿貫悠多, 中村弘樹, 須田雄大, 山田竜也, 太田直哉,“ つ...
参加報告書 ”, つくばチャレンジ 2015 参加レポート集, pp.89...
[4] 彌城 祐亮, 江口 和樹, 岩崎 聡, 山内 由章, 中田 昌宏, ...
ロボット製品の障害物回避技術の開発”, 三菱重工技報, Vol.51...
新技術特集, pp.40, 2014 &br;
[5] 村上公介“つくばチャレンジに向けた移動ロボットの自律走...
発”, 群馬大学大学院 理工学府 理工学専攻電子情報・数理教育...
士論文
30 &br;
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