[KUSMO] 2/14 (중간 요약)

• Project 목표 : 실내 자율주행 퇴식 로봇 개발
• 2022년 8월부터 진행
• 성과 
  • 정부 지원사업 선정 (세종테크노파크 지역 과학문화 역량 강화 사업 '우리동네 과학클럽')
  • 교내 창업동아리 선정
  • 교내 학술제 우수상 수상

 

-System 구성

1) Turtlebot3 Waffle Pi 사용시

• OS : Ubuntu 20.04 - ROS Noetic
  • 초기에 Ubuntu 18.04를 사용하려 했으나 Raspberry Pi4의 최신 firmware와 Ubuntu 18.04가 호환이 되지 않아 계속 설치가 되지 않아 Ubuntu 20.04로 변경
• 아래 구성은 전부 turtlebot3 waffle pi의 구성품들
• Controller Board : Raspberry Pi 4 +OpenCR(32bit ARM Cortex-M7)
  • https://emanual.robotis.com/docs/en/parts/controller/opencr10/

ROBOTIS e-Manual

• Motor : DYNAMIXEL(XM430-W210-T)
  • https://www.robotis.com/shop/item.php?it_id=902-0125-000 

XM430-W210-T

 

• IMU : MPU9250 (OpenCR 내장)
• Lidar : LDS-02
  • https://emanual.robotis.com/docs/en/platform/turtlebot3/appendix_lds_02/

ROBOTIS e-Manual

 

 

- Turtlebot3 수행 성과

• Turtlebot3를 통한 SLAM/Navigation 진행

학교 근처 식당에서 SLAM/Navigation 진행

 

 

 

 

Turtlebot3를 개조하여 hardware 구성

Arduino IDE를 통한 모터 제어

 

• Turtlebot3 Waffle Pi를 개조하여 robot을 제작하려 했으나 목표 중량(60kg)을 견디지 못하여 hardware를 자체 제작하기로 결정
  

 

 

2) Hardware 변경 ( ~2022년 10월)

• OS : Ubuntu 20.04 - ROS Noetic
• Controller Board : Raspberry Pi 4 +Arduino
• Motor : RB-35GM 07TYPE (12V DC Motor)
  • + 95mm Diameter Wheel
• Motor Driver : L298N
• IMU : iAHRS (Kalman Filter 기반의 9DOF(Acclerometer(3DOF) + Gyroscope(3DOF) + Magnetometer(3DOF)) ARHS)
• Lidar : RPLidar A1

 

3) 현재

• OS : Ubuntu 18.04 - ROS Melodic
• Controller Board : Jetson Nano Developer Kit 2GB
• Motor : MDRobot - BL9N2G30E0200 (24V BLDC Motor)
  
  • Wheel 동일
• Motor Driver : MD200T (2 Channel 24V Motor Driver)
• IMU : 동일
• Lidar : 동일

- 각 sensor 선정/변경 사유

• iAHRS : 칼만필터 기반의 총 9DOF (가속도(3DOF) + 자이로(3DOF) + 지자기 센서(3DOF))를 가지는 센서로 값이 매우 정확하게 나옴
• RPLidar A1 : 가격 대비 효율이 우수하고 참고 자료가 많음
• 모터(BL9NG30E0200), 모터 드라이버(MD200T) : 로봇 제작 회사에서 해당 회사의 제품을 많이 사용하여 선정. 그리고 목표 스펙에 맞는 모터를 선정하고 해당 모터와 호환되는 동일 회사의 모터 드라이버 선정
• 변경 사유

1. Motor / Motor Driver : 목표 spec(목표 중량 80kg, 속도 1.2m/s)을 만족시키지 못해 교체
   • 교체 전 Motor spec
     • Power : 12.8W
     • Rated Torque : 0.25kgf-cm
     • Reduction Ratio : 1/31
   • 교체 후 Motor spec
     • Power : 200W
     • Rated Torque : 6.4kgf-cm
     • Reduction Ratio :  1/16
2. Controller Board : Jetson Board가 Ubuntu 사용에 더 편리하다고 판단하여 교체

 

- OS 변경 사유

• Jetpack에서 Ubuntu 20.04를 지원한지 얼마 되지 않아 불안정하고 참고자료가 많지 않아 OS를 18.04로 변경 (Jetpack 4.6부터 Ubuntu 20.04 지원 (2021년 10월))

 

• rules file을 통한 각 센서들의 USB Port에 대한 Symbolic Link 생성
  • https://youngseong.tistory.com/121

[RIS] 1/2 (USB 장치의 Symbolic Link 생성법)

 

• Motor 변경 전의 system block diagram

 

 

• Source Code : https://github.com/YoungSeong98/Project_KUSMO

GitHub - YoungSeong98/Project_KUSMO

 

 

• ROS 구성

 

Node graph

 

TF Tree

• initialpose, goal, odometry publisher 구성, ekf 를 통해 sensor fusion 진행
• https://youngseong.tistory.com/127

[RIS] 1/9 (initial pose/goal, odometry publisher, ekf)

 

 

TF tree구성, sensor fusion완료

 

 

- Hardware 구성

• 알루미늄으로 로봇의 몸통을 구성하고 PVC로 겉면을 감쌈

 

• 상단부에 RPLidar 배치
• Arduino와 Raspberry Pi를 연결하고 Arduino + L298N를 통해 DC Motor 제어. 
• Motor의 Encoder 핀을 bread board에 연결한 후 아래와 같이 pull up 저항을 통해 값을 받아옴

 

DC Motor + L298N + Arduino  Raspberry Pi를 통한 ROS에서의 Robot제어

 

• 현재 서랍부까지 제작 완료

 

 

 

- 수행 성과

1) SLAM

• Hector SLAM, Cartographer SLAM을 통한 Mapping 진행
  •  Hector SLAM은 Odometry 정보를 필요로 하지 않아 Lidar 만으로 mapping 가능

 

Cartographer SLAM을 통한 mapping

Cartographer SLAM 결과물

 

Hector SLAM

Hector SLAM 결과물

 

 

 

- 추후 목표

1) Navigation 수행

2) 아래와 같은 간단한 구조로 기본적인 제어를 진행한 후

 

system의 block diagram중앙 제어 역할을 할 MCU 선정 후 (STM Serise 고려중) 아래와 같은 설계를 진행

- 고려 사항

• 손이 끼일 때 멈출수 있게 한다는 등의 안전상의 이유로 서랍에 센서를 달려 하는데
  • 이때 사용 가능한 센서 : 토크 센서
  • 서랍 제어용 MCU를 따로 만드는 것이 좋을 지
• 모터 드라이버는 RS485와 CAN 통신이 가능한데 둘 중 현 상황에 더 적합한 통신은
• 위와 같이 MCU들을 통해 로봇을 제어하려 할 때 주의할 점

 

3) 로봇 하드웨어 제작

• 서랍부를 구동부와 마찬가지로 PVC로 감싼 후 서랍부 위에 디스플레이 배치

 

 

 

- 현재 문제점

• ROS를 통한 navigation stack 구성은 완료되었으나 제대로 된 localization이 이뤄지지 않아 robot이 navigation을 제대로 수행하지 못함
  

 

 

 

 

 

 

- Project 수행 과정에서 겪은 문제점들과 해결 방법

 

1) OS 관련

• Jetson 공식 홈페이지에 올라온 Image file 설치시 오류가 발생하여 Jetpack 4.6 설치
• https://youngseong.tistory.com/136

[KUSMO] 1/20 (Jetson Nano Developer Kit 2GB 설정법)

 

 

2) 모터 드라이버 관련

• Desktop 환경에서는 모터가 정상 동작하나 Embedded Board 환경에서는 제대로 동작하지 못함
• RS485 통신 packet 중 Check sum bit가 overflow로 인해 제대로 전달되지 않아 motor driver의 source code 중 해당 bit를 계산하는 함수의 return type과 해당 bit의 data type을 uint8_t -> uint16_t로 변경
• https://youngseong.tistory.com/122

[RIS] 모터 드라이버(MD 200T) 관련 문제점 (12/15 ~ 1/10. 해결)

 

3) 구동부 구성 관련

• Robot이 caster wheel을 통해 균형을 잡는데, 울퉁불퉁하거나 평평하지 않은 곳을 지나가면 구동바퀴가 공중에 뜨거나, caster wheel 쪽으로 중량이 가해지면 안으로 들어가버리는 문제 발생
  • 구동 motor를 앞쪽으로 옮기고 caster wheel들을 뒤로 배치하여 구동 motor가 하중을 많이 받는 지역으로 이동시켜 항상 바닥에 붙어있을 수 있도록 함
  • Caster wheel 교체

 

 

 

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참고 자료 :

1) Turtlebot3 관련 : https://emanual.robotis.com/docs/en/platform/turtlebot3/slam/

ROBOTIS e-Manual

 

2) ROS packages

- RPLidar : https://github.com/Slamtec/rplidar_ros

GitHub - Slamtec/rplidar_ros

- iAHRS :https://github.com/wookbin/iahrs_driver

GitHub - wookbin/iahrs_driver: iahrs ros package

- MD200T : https://www.mdrobot.co.kr/ProgramCommunication/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=12566296&t=board 

ROS관련 자료(라이브러리 등) : 프로그램 다운로드 - 엠디로봇

 

3) ROS System 구성 : https://automaticaddison.com/how-to-set-up-the-ros-navigation-stack-on-a-robot/

How to Set Up the ROS Navigation Stack on a Robot – Automatic Addison

http://wiki.ros.org/

Documentation - ROS Wiki

 

4) Jetson Series 관련 : https://github.com/jetsonhacks

jetsonhacks - Overview