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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

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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

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

R12.1 R13SP1 R14SP2 R2006b R2009a

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)

Real-Time Workshop

Embedded Coder (コード生成)

発売(R12.1～)

Simulink Design Verifier (検証)

Simscape (プラントモデリング)

発売(R2007b～)

Model Reference等による大規模モデリング対応(R14～)

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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

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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

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LEGO® MINDSTORMS® NXT向けMBD環境

Embedded Coder Robot NXThttp://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

コントローラモデル

プラントモデル

専用ブロックライブラリ

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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)

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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

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(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)

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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)

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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

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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

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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

トレジャーハント

ツインループ

ショートカット

スタート/ゴール 坂

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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

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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

自己位置推定 + 誤差補正 カーナビ, 自動走行

データ計測/解析環境 Bluetooth通信PCアプリケーション

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

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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

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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

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[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)

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[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)

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[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

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[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)