アクティブセンサによる水中状況認識手法の検討 40khz安価超音波センサでの水中測定 Sociable Robots 2期/B1 nanaju 親：高汐先生ロボット産業用ロボットサービスロボット水中用サービスロボット水泳でのコーチング海水浴場での監視水中ロボット新しい遊び（スポーツ）、セラピー救助水中用サービスロボット機能要件 R1. 特定の人を認識しついていく R2. 人の邪魔にならないように泳ぐ ! I1. 画像から判断する I2. 人、障害物がある場所を認識し避ける ! 関連研究フィンを追いかけるロボット Canadian roboticists 液晶型の水泳のコーチングロボット東京大学暦本研究室 Underwater Human Robot Interaction (UHRI) 水中用距離測定センサ大きい・魚群探知機・深度センサ値段が高い横に向けて測れない水中用サービスロボットに適切なセンサが無い距離測定方法 • 超音波 • 近赤外線 • レーザー • ステレオ法（画像による三角測量） ! ! 距離測定方法 • 超音波 40KHzマイコン制御可能な超音波センサを使用 • 近赤外線 • レーザー • ステレオ法（画像による三角測量） ! ! WIPの目標手に入り易い40khz超音波センサを用いた水中での測定方法の実験 ▶小型かつ安価なため、測定方法が確立できると水中用サービスロボットの製作に便利使用物品超音波センサ・HC-SR04 ・PT/R40-18N 40khz, 音圧106db 40khz, ドライブ基盤付きマイコン・mbed LPC1768 HC-SR04 PT/R40-18N mbed LPC1768 mbedの特徴 ! • • • • • • • ピンは４０pin (Arduino Unoは28pin) 開発環境がすべてオンラインで、ブラウザ上で開発他のマイコン（LCP810など）をmbed化できるクロック数96Mhz メモリ容量が大きい 32bit マイクロ秒までTimerで測ることができる Arduinoより慣れているのでmbedを使います空中と水中の違い空中での音速c＝340 [m/s](15℃) • 水中でのc=1403[m/s] (0℃) • 空気より水が重いため振動が大変 • 空中から水中へ入射できない（全反射する） • ! ! ! 反射率r ＝ Z1 - Z2 ＝ 1399.6 1400.4 Z2 + Z1 10^3 10^3 防滴超音波送受信センサ＝ほぼ１ Z1=空の音響インピーダンス Z2＝水の音響インピーダンス水中は陸上よりも難易度が高い超音波センサの仕組み閉口型 開口型 （魚探などに使われる）（空中用）出典：オムロン超音波の仕組みシステム構成図 (1)トリガ mbed HC-SR04 (超音波センサ） (5)HIGH時間を計測 (6)計算して距離を (4)行って帰って来るまローカルに保存での時間分ピンをHIGH pc (7)シリアル通信でデータを表示 (2)40khzが８回発射壁 (3)反射開口型センサの空中実験目的 mbedによるセンサプログラムの動作実験実測 1 [cm] 2 3 計測値 3.3 [cm] 3.5 3.4 誤差 [cm] +2.3 +1.5 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4.4 5.9 6.0 7.0 8.0 9.0 9.810.811.812.813.8 15.1 +0.4 +0.4 -0.1 0 0 0 0 -0.2-0.2 -0.2 -0.2 -0.2 +0.1 3cm 測定可能開口型センサの水中実験目的開口型センサの振動子部分が水中にある場合の動作実験実測 1.0 [cm] 4.5 7.0 200 計測値 [cm] 0.95 0.95 1.0 0.95 誤差 [cm] 0.1 +3.55 +8.0 199.5 距離に関わらず同じ値を出す閉口型の実装 HC-SR04のセンサ部を壊し、閉口型を取り付け閉口型の空中実験目的実装した閉口型センサの動作実験実測 [cm] 計測値 [cm] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 全てのところで4.5 12.7がランダムに出現誤差 [cm] ハードウェア不良で実用的な値が取得不可能 10 閉口型の水中実験目的実装した閉口型センサの動作実験実測 [cm] 1 5 200 計測値 [cm] 0.7 0.75 0.7 誤差 [cm] -0.3 -4.25 -199.3 距離に関わらず同じ値を出す原因の考察 ! ・距離に関わらず水中で同じ値を出すー空中用超音波センサの圧電素子の力不足ー跳ね返ってきた値ではなく、隣の波を誤検知か・既存水中用超音波センサ▶大型、高価・アクティブセンサーの小型化は困難安価・小型な超音波センサは水中利用に不適 Future work ・パッシブセンサを用いた水中での空間認識方法・生物模倣（魚の側線）センサの開発魚の側線（ブリタニカ百科事典） Future work 魚の持つ感覚器官から・画像認識・水流などの触覚認識（側線）・高周波の聴覚 ! 水生生物の水中での行動から・少ない情報からの群行動・障害物を避ける動作魚の感覚器官を応用した群行動ロボット（日産）まとめ • • • 安価な40khz超音波センサは水中ではパワー不足で測定不可能水中用アクティブセンサ小型化は難しいパッシブセンサを統合的に使用した水中状況認識に可能性がある参考：魚探の取り付け方法閉口型 !