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第2回GPSロボットカー学生コンテスト開催 |
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● GPSを利用してロボットカーを緻密に制御するユニークな競技
このコンテストは、車両や船舶から、人工衛星のナビゲーションまで用いられているGPSを利用したロボット競技会だ。GPSのデータに基づいて、車両型ロボットを自動で制御し、目的地点までのタイムと精度を競いあう。衛星測位技術に関する基礎技術の習得や、学生間の技術交流の場を提供し、研究開発能力を向上することを目的としているという。今回のイベントでは、20日にGPSに関するチュートリアルセッションとロボットカーのプレゼンテーションが行なわれた。また、21日には走行競技が実施された。ここでは後半の走行競技についてレポートする。 このコンテストの競技内容は、競技フィールド内に配置された4点のwaypointを1周以上周回し、waypoint近傍で5秒以上停止するというもの【写真2】【写真3】。waypointにあるカラーコーンは障害物と見なされるため、ロボットカーでこれらを自律的に回避する必要がある。ロボットカーがカラーコーンに衝突しても減点対象にはならないが、走行不能になっても救済処置はないため、競技を続ける場合はリトライとなる【写真4】。 あらかじめ、精密測位より得られたフィールドの4隅の座標と基準点は公開されているが、waypoint(カラーコーン)の位置は競技当日まで公表されない【写真5】。車体を制御するためには、1秒ごとに更新されるGPSからのデータを基に、現在走行している地点と目標となるwaypointの位置の差を逐次算出して、車体のステアリングをRCサーボで自律的に切っていくという仕組みが基本。ただし、GPS受信機の関係から正確な位置データが得られない場合も多々あり、補助的に機体側にセンサを取り付けたり、ソフトウェアのアルゴリズムによって誤差を補正するなどの工夫が必要となる。 競技ルールは、waypointのサークルを通過、あるいはサークル内に停止できると得点をゲットできる。競技時間15分以内に、すべてのwaypointをクリアしながら得点を稼ぎ、スタート地点まで戻れると完走となる。
● 特徴のある6チームの無人ロボットカーが出走
【Critical Blue II】 (茨城工業高等専門学校、綿引伸吾さん) はじめに出走した茨城高専の「Critical Blue II」は、第1回大会につづく2度目の参加【写真7】。前大会では1つ目のwaypointに到達したが、スタート地点に戻れずリタイアとなった。そのため、本大会では完走を目標にGPSロボットカーを製作したという。 Critical Blue IIは、駆動部にラジコンカーを流用している。計測・制御部として、GPS単独測位受信機とラジコンサーボコントローラを搭載【写真8】。これらを無線LANコンバータに接続して、無線LANを用いた仮想シリアル通信により、ノートPC上の自作プログラムから動作させるという仕組みだ。これにより、RCカーにノートPCを載せることなく、ノートPCからGPSの位置データを取得し、RCカーの駆動モータの回転数や、サーボモータによるRCカーの舵角を制御することができる。 本大会では、Critical Blue IIはソツのないスムーズな動きをみせ、いくつかのwaypointをクリアしていった【写真9】【動画1】。
【最強巨人兵II】 (東京海洋大学、川嵜洋平さん、森本春香さん) ホームグラウンドでの大会開催のため、強い意気込みが感じられたのは、東京海洋大学の「最強巨人兵II」【写真10】【写真11】。前大会はロボットカーの車体まで自作したが、ハードウェアでトラブルがあったため、今回は車体にラジコンカーを用いてハードウェアの製作を簡略化したという。そのぶん、GPS受信機による航法やフィードバック制御による軌道修正など、制御プログラムに集中。実際に、このロボットはGPSの位置データに対する機体の制御が抜群によく、目標のカラーコーンに追突してしまうほどの正確さで、とても驚いた【動画2】。 車体の制御には、Atmel社製の8ビットマイコン「ATmega128」を搭載した小型マイコンボードを利用し、サーボ系、GPS受信機との通信系、フィードバック制御系など、すべてこのボードに担当させている【写真12】。ATmega128には、12ビットのA/Dコンバータ×8chが搭載され、ここに加速度計やジャイロセンサを接続。これらの情報をベースに、GPS受信機からの測位結果と複合し、測位精度を向上させているという。 競技の途中で、衛星からのデータ受信状態が変化したため、waypointとなる目標位置からのズレが起きたが、うまく誤差を相殺して調整できていた。とはいえ、あまりにも精度が良すぎて、waypointに車体が乗り上げてしまい、一時的に抜け出せなくなり、リスタートするというハプニングもあった【写真13】【動画3】。最強巨人兵IIは、waypointへのクリアが多く、高得点をはじき出した。
【I2CM】 (八代高専、石橋勇希さん) 八代高専は、昨年の走行競技で準優勝を成し遂げた強豪。同校は2台の車体をエントリしていた。第3走者として臨んだ「I2CM」は、前大会で製作した機体のステアリング角度制御をスムーズにして、すばやく目的地に到達できることを目指した。ソフト面でプログラムを大幅に改良したそうだ【写真14】。 車体制御用のマイコンには、ベストテクノロジーのH8/3687Fを使用し、GPSから受信した位置データをマイコンに取り込む。このデータをベースにサーボモータやアンプへの信号を制御している【写真15】。機体の速度を可変でき、直進の際は速く、旋回時には遅くできるように制御しているため、加速がよく機動性に優れたマシンに仕上がった【写真16】【動画4】。また、ステアリングの角度の制御も、目的地と現在地の角度の差の関係を関数化し、より滑らかにステアリングを切れるように工夫したという。 サーボモータのニュートラル角度は、モータの状態や路面などによって変化する。ニュートラル状態が異なっていても、簡単に調整できるように、オフセット分を調整できるボリュームをつけていた点も目を引いた。手作り感があふれる機体で、コストもそれほど掛かっていないという。 走行競技の際には、waypointに対する機体の停止位置がサークル外に1mぐらいずつズレてしまったのが惜しかった。
【走れ!! GB-TANK】 (サレジオ工業高等専門学校、本庄悠さん、中村将太さん) サレジオ高専の「走れ!! GB-TANK」は、とてもユニークな戦車の機体。外観が凝っていてマニア受けするものだった【写真17】【写真18】。前大会の走行競技で果たせなかった完走を目標に掲げ、製作を進めてきたという。そのため、他チームと同様に、ハードウェアの製作にはあまり時間を掛けず、ソフトウェア開発に重点を置いたという。 とはいえ、機体には手作り感もあった。ロータリエンコーダも自作していた!? のにはビックリした。エンコーダの回転スリットをボール盤であけているようで、その器用さに感動してしまった【写真19】。このエンコーダは、正確な直進をさせるための軌道修正制御に用いる。駆動部の車輪の回転数を、ロータリエンコーダを用いてパルスとしてカウントし、左右のモータをPWM制御で修正しているという。 GPS受信機からの測位データ処理などを担う中枢部には、H8/3052Fマイコンを採用し、駆動系の制御にはPIC16F873Aを利用している。GPSモジュールによって電波を受信し、緯度や経度などの情報をH8マイコンへ送信すると、H8マイコンはひとつ前に送られた緯度、経度と比較し、現在どの方角に進んでいるのかを判断。さらに目的地の緯度、経度と比較することで、現在地から目的地がどの方角にあるのかを計算し、駆動系のPICマイコンに制御信号を出す。これを受けたPICマイコン側は、車体の進行動作パターン(直進、回転、停止)をモータドライバに出力することで、駆動部を制御するという仕組み。 機体の内部には、キャパシタンスの大きなコンデンサも搭載されており、スタート時の機動性にも優れていた【写真20】。ただし、競技前にハードウェアでトラブルがあったという。CPUに割り込みをかける際の信号系にラインドライバを入れ忘れたため、ノイズが発生すると割り込み信号として認識してしまい、誤動作が生じてしまったとのこと。結果的にあまり稼動できなかったのは残念だったが、とてもよくできた機体だけに来年の競技が楽しみだ【写真21】。
【チーム☆morimori 2.0】 (八代工業高等専門学校、森下功啓さん、今崎仁成さん) 八代高専の「チーム☆morimori 2.0」は、昨年度の雪辱を果たすべく、車体をバージョンアップ。滑らかな走行や素早い移動が可能な自律ロボットの製作を目指したという【写真22】。車体には市販のラジコンを使用しているが、牽引車がついている点が他のチームと異なっている点だろう【写真23】。この牽引車には、ボリューム(ポテンショメータ)やロータリーエンコーダがついており、旋回角度や移動距離など、車体の状況を知ることができる。 車体制御用のマイコンにはH8/3687Fを採用。マイコン側でGPS受信器や前述のボリューム、ロータリエンコーダからの情報を基に、おおよその自己位置を割り出し、サーボ系に信号を出す。また、マシンの状況を知るために、ZigBeeモジュールを使用し、無線シリアル通信によってマシンの状態をモニタリングできるようにしたそうだ【写真24】。
【Team Kondara】 (防衛大学校、小川耕太郎さん、原口大輔さん) 防衛大学校は、学部4年生と研修生のコンビで参加となった。昨年の優勝校だけに、出走前から大きな注目が集まったが、その期待の応える走りで、すべてのwaypointをクリアし、完走を成し遂げた【写真25】【動画5】。前大会では、高精度なRTK-GPS受信機を使用していたが、今年から規定が変更になり、RTK-GPSを使用できなくなった。このため、小型受信機を用いた単独測位によって誘導を行なうことになった。 とはいえ、GPS受信機の精度が15mとあまり良くないため、これだけでは目標となるwaypointに正確に到達することができないと考え、特に制御系を中心にして力を入れたという。そこで、センサとして2つの距離計を後輪の外側に配置した。後輪の回転は2段の歯車機構で増速してロータリーエンコーダに伝達し、エンコーダのパルス出力をワンチップマイコン側(ルネサステクノロジのSH2/7144)でカウント【写真26】。分解能は0.05mmと高精度だ。左右の角速度の差から、姿勢変化を直接得ることができる。走行制御については、マイコン側からPWM信号を出力し、モータドライブ回路を介して、DCモータを駆動。また、GPS受信機とはシリアル接続によって通信を行なっている。 特にユニークな点は、超音波センサを搭載し、それが首を振って動くことだ【写真27】【動画6】。目標のwaypoint内に入ると車体が一時停止し、そこで超音波センサによって目標までの距離を計測する。また、距離計の誤差も推定しながら正確に動作している。速度の加減速も制御されており、機体の停止時にタイマーのカウントを開始し、5秒間経過すると次に目標とするwaypointを設定するようになっている。Team Kondaraは、緻密な制御を可能とする完璧な仕上がりで、本大会においてV2優勝を果たした【写真28】。
■URL 第2回 GPSロボットカー学生コンテスト http://www.denshi.e.kaiyodai.ac.jp/JIN-GPS/2007/contest/contest.html
（ 井上猛雄 ）
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