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【活用事例:千葉工業大学様】ロボティクスにおけるIMUの効果

事例紹介

事前調査における他製品との優位性を感じ採用を決定

【当社のIMUを採用した背景】
・本採用前に実験的にIMUの特性を調査しましたが、ジャイロセンサーからの誤差(安定性)が6°/hrと競合品に比べ非常に小さく、安定した角速度をアルゴリズムの補正なく入手ができました。


記事では導入後の効果や今後の展開についても触れています。
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このカタログについて

ドキュメント名 【活用事例:千葉工業大学様】ロボティクスにおけるIMUの効果
ドキュメント種別 事例紹介
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取り扱い企業 アナログ・デバイセズ株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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採用事例 | Share on Twitter | Share on LinkedIn | Email 慣性計測ユニット(IMU)活用事例 ロボティクスにおける IMUの効果 慣性計測ユニット(IMU)に統合された、加速度センサーとジャイロセンサー、大気 圧センサー、磁気センサー、温度センサー。IMUは内部の補正機能により、小型かつ 周辺回路なしに正確なセンシング情報を取得できるアナログ・デバイセズ屈指の製品 です。 未来をつくるロボット開発では、産業分野のみならず、先端的かつ挑戦的な学術分野 においてもアナログ・デバイセズのIMUは重要なセンサーの一つとして採用いただい ています。 林原 靖男 氏 千葉工業大学 工学部 今回は、実際にアナログ・デバイセズのIMUを導入している千葉工業大学のロボット 未来ロボティクス学科 設計・制御研究室 林原 靖男 教授に、ロボティクスにおけるIMUの効果についてお話 教授 博士(工学) を伺いました。 自律移動型ロボットの研究を推進 -林原先生の研究室では 実践的な取り組みで人材を輩出 どのような研究をしているのでか? 私の「ロボット設計・制御研究室」では、ラボ内の限られた空 -千葉工業大学の未来ロボティクス学科について 間だけではなく、実際のフィールドにおいても安定して動作す 教えてください。 るロボットの研究・開発を行っています。自律移動ロボットに さまざまな分野に応用されるロボットおよびロボティクス(ロ よってサッカーゲームを競う「ロボカップ」への取り組みもそ ボット工学)は、これからの産業において重要な役割を担うと の一環です。 期待されています。千葉工業大学では2006年に「未来ロボティ クス学科」を開設しました。 ロボカップ2018年の世界大会のテクニカル・チャレンジ部門に て7連覇を達成しました。 学部1年次からロボットの開発に取り組んでもらうなど実践的 なカリキュラムを特徴とした学科で、ロボティクス領域を開拓 ここ数年は、人間とロボットが共存する未来をテーマにした技 できる人材を育成しています。 術の確立を目的に、「つくばチャレンジ」という、茨城県つくば 市内の遊歩道など、人間が利用するコースを移動する目的の技 術競技会にも参加しています。 2017年11月の「つくばチャレンジ2017」では本研究室の 「ORNE-α」(オーン・アルファ)と「ORNE-β」(オーン・ベー タ)という2台の自律走行ロボットを開発し、両ロボットともに 2kmにも及ぶコースの完走に成功しています。 IMU「ADIS16480」を搭載したロボット「ORNE」 ロボット設計・制御研究室の皆さん analog.com/jp
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2 慣性計測ユニット(IMU)活用事例 自律走行ロボットに、 ます。マルチパスが発生すると、大きな位置ずれが発生し、まっ アナログ・デバイセズの高性能・高精度センサー たく違う位置を突然示してしまうという課題があります。 慣性計測ユニット(IMU)を採用 また、方向の把握に、ジャイロセンサーではなく、地磁気に基 -つくばチャレンジ 2017に出場した づいた磁気絶対方位を検出する磁気センサーも試行しましたが、 「ORNE」について紹介してください。 車両の近くや橋に埋め込まれた鉄骨等による影響から磁気のず つくばチャレンジのように、人間と同じ空間を自律的に移動す れが発生し、磁気センサー単体で方向を推定することが困難で るロボットには、車輪やモーターなどの駆動部はもちろんのこ した。 と、自分自身の位置や向きを知る位置推定機能、周囲の状況を 把握するための物体検出機能、周辺の歩行者や自転車に対して 結果として現在、私たちの研究室では、アナログ・デバイセズ 安全を確保するための検知機能や非常停止機能、それらを制御 のIMUを利用し、内蔵されたジャイロセンサーからの回転角速 するソフトウェアに加え、すべての土台となる精密なセンシン 度を取得し回転角を生成、オドメトリを構築しています。現在、 グが必要となります。 本方式が指定コースを走行させる位置推定に最適と判断してい ます。なお、「ORNE」にはアナログ・デバイセズの10自由度 こうしたセンサーと、駆動部、判断機能を統合したロボットが (10DoF)のIMU「ADIS16480」を採用しました(3軸ジャイロ 「ORNE」です。 センサーと3軸加速度センサーのほか3軸磁力メーターと圧力セ ンサーを統合したデバイス)。 -ロボットに搭載したセンサーの種類と それぞれの役割は何でしょうか。 バイアス安定性が高く補正が不要に 「ORNE」は、精密で高信頼なデータを採取するためのセンサー 正確な地図作成と自己位置推定を実現 として、アナログ・デバイセズの慣性計測ユニット(IMU)を 採用しています。ロボットの自律走行には、現在の位置を推定 -アナログ・デバイセズの慣性計測ユニット(IMU)を するオドメトリ(odometry:自己位置推定)手法が必要であり、 採用した理由やきっかけを教えてください。 本手法の入力として車輪の回転角(進行速度)とロボットの向 ロボットの研究開発においては、いかにして特性の良い部品を きを利用しています。 入手できるかが重要なファクターです。さまざまなベンダーの 製品情報を常にウォッチしており、その中で、アナログ・デバ イセズの情報を目にして同社のIMUを知りました。 本採用に至る前に実験的にIMUの特性を調査しましたが、アナ ログ・デバイセズのIMU「 ADIS16480」は、ジャイロセンサー からの誤差(安定性)が6°/hrと競合品に比べ非常に小さく、安 定した角速度をアルゴリズムの補正なく入手できます。これは 「ORNE」におけるIMUの役割 非常に重要な精度で、角度の算出には角速度を積分し生成しま すので、角速度誤差は、積み上げる大きな角度の誤差となります。 車輪の回転角はロータリーエンコーダーが利用できますが、路面 の起伏や街路樹の葉などで車輪が空転することがあり、このよ 「ADIS16480」は我々が求めている精度を満たしていましたの うなエラーはロータリーエンコーダーのみでは観測できません。 で、つくばチャレンジに向けた「ORNE」開発に採用すること を決めました。 そこで私たちは慣性計測ユニット(IMU)を採用し、ロボット の回転角速度を取得、車輪の空転によるロボットの進路がずれ を常時監視することで、位置の計算にフィードバック、オドメ トリを補正することができます。 また、ロボットの周辺に障害物がないことを確認するため、周 囲を半導体レーザーでスキャンする測域センサーも搭載してい ます。測域センサーにより歩行者も回避可能です。この回避時 の旋回運動もIMUで測定しています。すべてのセンサーの情報 はPCに集約し、モータードライバの制御に利用しています。 -位置の推定にはGNSS(GPS)を利用していますか? GNSS(GPS)は広大な空間では有効ですが、ビルやマンショ ンが近くにあると電波が反射しマルチパスという現象が発生し 「ORNE」におけるIMUの役割
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3 慣性計測ユニット(IMU)活用事例 -アナログ・デバイセズのIMUを採用したこと でどのようなメリットが得られましたか? つくばチャレンジの試走結果からも分かるように、従来使って いたジャイロセンサーに比べてかなり正確な地図が作成できる ようになったのは大きな躍進です(下図)。IMUとオドメトリ 方式を組み合わせることで、完走に十分な精度が簡単に実現で きました。 加えて、アナログ・デバイセズのIMUは、出力を補正するフィ ルタ機能がIMU自体に内蔵されているため、値を安心して利用 可能で、ソフトウェア開発の負担も大きく低減できました。 もちろん、自律走行中も前方に歩行者などを検知した場合、 「ORNE」は回避のために旋回する行動を採用していますが、 こういった自律走行時も角度の誤差がほとんど発生しないた め、安心して回避行動を実装できますし、安全性を向上させる ことができました。チームによっては歩行者が立ち去るまで待 つ、といった作戦を採用しているところもあります。 【IMU有で生成した地図】 【IMU無しで生成した地図】
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人とロボットが共存する社会に向けて -アナログ・デバイセズに対する ロボット技術の深更に取り組む 期待や評価はいかがでしょうか。 -アナログ・デバイセズ製の他IMUを ロボット開発ではソフトウェア基盤として「ROS」(Robot 利用したことはありましたか? Operating System)を搭載することが一般的ですが、アナロ 「ロボカップ世界大会2016」のロボットには、3軸ジャイロセン グ・デバイセズのIMUはROSにデバイスドライバが準備されて サーと3軸加速度センサーを備えたアナログ・デバイセズ6自由 おり、多くのロボット研究者がIMUで周辺情報を手軽に入手し、 度(6DoF)のIMU「ADIS16375」を採用しました[*1]。 活用できるようになったと感じます。 なお、アナログ・デバイセズのIMUはシリアル通信で簡単にセ 今後もIMUとロボットの親和性をさらに高める製品やソフト ンサーの値を取得できますので、ロボット開発の中でIMUを ウェア(デバイスドライバを含む)の登場を楽しみにしています。 6DoFのIMU「ADIS16375」 か ら10DoFのIMU「ADIS16480」 へ交換を行いましたが、ほとんどソフトウェア開発は発生せず、 -今後の展望をお聞かせください。 簡単に載せ替えができました。 人工知能やロボティクスの進化を背景にこれからの20年で人間 の様々な活動をサポートしていくと言われています。こうした 流れから、社会はさらに効率的になり、人の手が届かなかった 新しい課題に挑戦できるようになると感じています。 そうした未来の自律型ロボットは、つくばチャレンジでも設定 されているように、歩行者や自転車が周りにいる環境の中、た とえば横断歩道で待つ、自動ドアを通って商業施設に入る、と いった多様な状況にも対応する必要がでてきます。人と同じ活 動範囲となりますので、ロボティクスは現在多くの注目を浴び ている先進運転支援システム(ADAS)と同様、今後も複雑化 していくでしょう。私たちの研究室、は人とロボットが共存す ロボット設計・制御研究室で開発した「ADIS16375」を搭載したロボット る社会の実現を目指して引き続き研究に取り組むとともに、未 来のロボティクスを担う人材の輩出に努めていきます。 -本日は貴重なお話をありがとうございました。 「ORNE」とROSの連携図 本    社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大阪営業所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36 新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1 名古屋ルーセントタワー38F ©2019 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、 各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible は アナログ・デバイセズの商標です。 www.analog.com/jp IMUITCHIBAJP-0-06/19