6軸IMU MPU-6050をロボットに組み込もう

本文の読む時間は約5分で、再現時間は約2時間程度に設定する。

はじめに

6軸IMUのMPU-6050はInvenSense社製I2Cインターフェースの3軸ジャイロセンサ+3軸加速度センサIC、amazonで格安販売されている。内蔵DMP(Digital Motion Processor)との機能を使うことで、補正済みデータとしての4元数Quaternionまたはオイラー角、ロールRoll・ピッチPitch・ヨウYaw角が選べられる。実験として、安価なMPU-6050の実装難易度、可用性を検証するための手順を以下のとおり示す。また、MPU-6050を本文のArduinoに接続ではなくMain BoardのI2Cポートへ繋ぐなどの方法がある。

mpu6050-mpu9250
mpu6050(6軸)-mpu9250(9軸)

I2Cインターフェースは、vcc、gnd、scl、sdaの4pinインターフェース

環境

・ubuntu 16.04 Tinker board(or Raspiberry Pi, PC)
・ROS kinetic
・DFRobot Romeo mini v1.1(or arduino uno互換)
・MPU-6050 GY-521

準備①

・ros-kinetic-rosserial-arduino、ros-kinetic-rosserial、rviz_imu_pluginを入れる

$sudo apt-get update
$sudo apt-get install ros-kinetic-rosserial-arduino
$sudo apt-get install ros-kinetic-serial
$cd ~catkin_ws/src/
$git clone https://github.com/ccny-ros-pkg/imu_tools
$cd ..
$catkin_make --pkg imu_tools

・mpu6050_imu_rosを入れる

$cd ~/catkin_ws/src/
$git clone https://github.com/soarbear/mpu6050_imu_ros.git
$cd ~/catkin_ws/
$catkin_make

準備②

・mpu6050_imu_driver/firmware/MPU6050_DMP6/MPU6050_DMP6.inoをArduino IDEでArduinoに書き込む。

imu/dataの可視化

・実に使われるポートtty????を確認する。
・rvizが自動起動して、画面にあるセンサの動きを観察する。

$sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
$roslaunch mpu6050_imu_driver mpu6050_imu.launch

・以下スクリーンショットをクリックすると、youtubeへ遷移する。

mpu6050_imu_ros
mpu6050_imu_ros

センサ融合について

MPU-6050内蔵DMPおよび、センサ融合またはデータ同化Fusionに定番アルゴリズムであるKalman Filterの他、Complementary Filter、Madgwick Filterがある。振動やシステム誤差によって測定値に大きな影響あり、フィルタリングが必須とは言える。のカウンタが20+以上になった時点で数種類のフィルタを実装して比較する記事を作成する。

校正

ジャイロのドリフト、加速度センサのバイアスの校正が必要、i2cdevlibのArduino/MPU6050/examples/IMU_Zeroをarduinoに入れてオフセットを読み取り、MPU6050_DMP6.inoに盛り込む。またドリフトに対して、時間平均などキャンセリング手法の取り組みも必要だろう。

感想

「ないよりマシ」の観点から、マイナスにならないが、精度があまり追求しないロボットなどに使用可能と考えられる。ジャイロセンサの温度特性あり、またドリフトは時間とともに蓄積するので、一方加速度センサのバイアスが測定毎にあり、ただし蓄積しないので、最初から校正Calibrationの方法を講じることを考えれば、DMP機能まで用意されて可用性がある。Yaw方位角がジャイロから積分計算して合成していないので要注意で、他のセンサ例えばコンパスまたSlam Lidarなどとの組み合わせが可能である。

ソースコード

mpu6050_imu_rosソースコードがGithubへ公開済み。

参考文献

I2C driver mpu_6050(Jeff Rowberg氏)
ROS imu_tools

以上

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Mask R-CNNを試す

はじめに

Mask R-CNNとはICCV 2017 Best Paper に選出された手法で、物体検出Object Dectectionやセマンティック・セグメンテーションSemantic Segmentationを実現するための手法である。COCOデータセットにより学習した、Matterport Mask_RCNNモデルを利用して、デモ画像より物体検出、セグメンテーションデモをGoogle colabで動かしてみよう。

デモを動かそう

Matterport Mask_RCNN、COCO API・Datasetのインストール、デフォルトのデモを動かす手順の以下の通り。

・Mask_RCNNのインストール、セットアップ

%cd /content/drive/My Drive
!git clone https://github.com/matterport/Mask_RCNN.git
%cd ./Mask_RCNN
!pip install -r requirements.txt
%run -i setup.py install

・COCO APIのインストール、セットアップ

%cd ..
!git clone https://github.com/waleedka/coco.git
%cd ./coco/PythonAPI
%run -i setup.py build_ext --inplace

・COCO Datasetで学習したMask_RCNNモデルのインストール

import os
import sys
import random
import math
import numpy as np
import skimage.io
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt

# Root directory of the project
ROOT_DIR = os.path.abspath("/content/drive/My Drive/Mask_RCNN")

<pre class="brush: actionscript3; gutter: false">
# Import Mask RCNN
sys.path.append(ROOT_DIR)  # To find local version of the library
from mrcnn import utils
import mrcnn.model as modellib
from mrcnn import visualize
# Import COCO config
sys.path.append(os.path.join(ROOT_DIR, "samples/coco/"))  # To find local version
import coco

%matplotlib inline 

# Directory to save logs and trained model
MODEL_DIR = os.path.join(ROOT_DIR, "logs")

# Local path to trained weights file
COCO_MODEL_PATH = os.path.join(ROOT_DIR, "mask_rcnn_coco.h5")
# Download COCO trained weights from Releases if needed
if not os.path.exists(COCO_MODEL_PATH):
    utils.download_trained_weights(COCO_MODEL_PATH)

# Directory of images to run detection on
IMAGE_DIR = os.path.join(ROOT_DIR, "images")

class InferenceConfig(coco.CocoConfig):
    # Set batch size to 1 since we'll be running inference on
    # one image at a time. Batch size = GPU_COUNT * IMAGES_PER_GPU
    GPU_COUNT = 1
    IMAGES_PER_GPU = 1

config = InferenceConfig()
# config.display()

いよいよ認識しようと、以下のpythonコードを実行する。

# Create model object in inference mode.
model = modellib.MaskRCNN(mode="inference", model_dir=MODEL_DIR, config=config)

# Load weights trained on MS-COCO
model.load_weights(COCO_MODEL_PATH, by_name=True)

# COCO Class names
# Index of the class in the list is its ID. For example, to get ID of
# the teddy bear class, use: class_names.index('teddy bear')
class_names = ['BG', 'person', 'bicycle', 'car', 'motorcycle', 'airplane',
               'bus', 'train', 'truck', 'boat', 'traffic light',
               'fire hydrant', 'stop sign', 'parking meter', 'bench', 'bird',
               'cat', 'dog', 'horse', 'sheep', 'cow', 'elephant', 'bear',
               'zebra', 'giraffe', 'backpack', 'umbrella', 'handbag', 'tie',
               'suitcase', 'frisbee', 'skis', 'snowboard', 'sports ball',
               'kite', 'baseball bat', 'baseball glove', 'skateboard',
               'surfboard', 'tennis racket', 'bottle', 'wine glass', 'cup',
               'fork', 'knife', 'spoon', 'bowl', 'banana', 'apple',
               'sandwich', 'orange', 'broccoli', 'carrot', 'hot dog', 'pizza',
               'donut', 'cake', 'chair', 'couch', 'potted plant', 'bed',
               'dining table', 'toilet', 'tv', 'laptop', 'mouse', 'remote',
               'keyboard', 'cell phone', 'microwave', 'oven', 'toaster',
               'sink', 'refrigerator', 'book', 'clock', 'vase', 'scissors',
               'teddy bear', 'hair drier', 'toothbrush']
# Load a random image from the images folder
file_names = next(os.walk(IMAGE_DIR))[2]
for file_name in file_names:
  image = skimage.io.imread(os.path.join(IMAGE_DIR, file_name))

  # Run detection
  results = model.detect([image], verbose=1)

  # Visualize results
  r = results[0]
  visualize.display_instances(image, r['rois'], r['masks'], r['class_ids'], 
                              class_names, r['scores'])

うまくいけばSemantic Segmentationでマスクしたデモ画像が表示される。

Mask_RCNNデモ
Mask_RCNNデモ

※ Mask_RCNNの利用は、以下のとおりtensorflowバージョンを1.xに、

%tensorflow_version 1.x
import tensorflow
print(tensorflow.__version__)

ランタイムのタイプをGPUに設定して再起動して、またもう1回tensorflowバージョンを1.xにして確認する。

%tensorflow_version 1.x
import tensorflow
print(tensorflow.__version__)

デモの画像を入れ替えてみよう

images直下のデモ画像を入れ替えて上記pythonコードを実行してたら、以下画像のようにDining tableの一部が未検出であった。

Mask_RCNNテーブル一部検出
Mask_RCNNテーブル一部検出

Notebook ipynbファイルがGithubへ公開済み。

感想

デモ画像がよさそうに検出できたように見えますが、入れ替えたらそうでもない結果となった。やはり検出の正確性が学習モデルに大いに相関することで、専用学習データで学習モデルを作成しないと納得いく結果が得られず。画像データアノテーションImage Data Annotation業務が請負可能な業者さんがドンドン増えているらしい。

参考文献

Matterport Mask_RCNN on Github.

以上

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RGB-D 3Dカメラ市販品

RGB-D 3Dカメラ(デプスカメラ)市販品(一部)の主なスペックを以下のとおりまとめてみよう。

主なスペック

銘柄
型番
深度、Depth-FPS、Depth-解像度、Depth-FOV、Pose FPS)、検出法市場
相場
Hight
Light
STEREO LABS ZED100fps、720p 2560x720他上位解像度あり、0.3~25m、90° (H)x60° (V)x100° (D)、Max100Hz、Stereo Depth Sensing10万円前後深度
Realsense L5150.25~9m、30fps、1024x768、70°±3 x 43°±2°、TOF Lidar方式、IMU付5万円前後精度
Realsense D4550.4~20m、1280×720@30fps、848 × 480@90fps、D455:86° × 57° (±3)、Active IR stereo4万円前後深度
Percipio確認中1.5万円~価格

防水
Orbbec確認中1.5万円~価格
OCCIPITAL0.3~10m、1280x 960@30 fps、FOV:横59° x 縦 46°、IRカメラ&レーザーパターン投影、IMU付7万円前後
MYNT EYE 3D 10300.3~10m(18mはRGB)、752x480@60FPS、D: 146° H:122 V°:76°、IRカメラ&レーザーパターン投影、IMU3万円前後FOV
Matterport Pro2 3DRGB-D Camera x 3、360°回転、8092x4552 pixels @ 70% zoom level (36 MP)本体50万円前後FOV

※ 銘柄並べ替え順=イニシャルアルファベット順

以上

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struct2depth~単眼カメラ2D camera Visual SLAM

はじめに

Google がTensorflowのResearch Modelとしてstruct2depth、vid2depthを公開したので、struct2depthを利用して単眼カメラMonocular Cameraで撮った写真から深度Depthを推定してみよう。struct2depth、vid2depthは、KITTIまたは、CITYSCAPEの学習データを通してVisual Odometry、Depthの推定を習得するモデルである。また他の学習データを入れ替えてもあり得ると考えられる。SFM:Structure From Motionに基づく技術で、Depth深度まで推定できれば、3D Recontruction3次元復元まで使われる。

実測

雑居ビール内、ドラッグストア前および、ホールで写真を撮って完了とした。

推定

画像サイズを416×128に縮小して、推定の時間を短縮する。

環境

・ Google Colab, 18.04.3 LTS Bionic Beaver, GPU Tesla k80
・ Tensorflow 1.15.2
・ Research model struct2depth/KITTI

手順

学習せずKITTIモデルをそのまま利用したので、推定手順は以下のとおり。
・tensorflow_versionを1.xに合わせる。

・ランタイムを再起動。

%tensorflow_version 1.x
import tensorflow
print(tensorflow.__version__)

・以下確認できるまで、またランタイムを再起動する。

TensorFlow 1.x selected.
1.15.2

・インファレンス

!python inference.py --logtostderr --file_extension png --depth --egomotion true --input_dir image --output_dir output --model_ckpt model/KITTI/model-199160

結果

単眼カメラで撮ったRGB写真、レンダリングした深度推定イメージを結果として出力される。点群データの3Dイメージは別途プログラムを作成してレンダリングRenderingとする。

うまくいく例

完璧ではないが、扉、旗まで殆ど良く推定できている。

struct2depth_depth_ok_case
struct2depth_depth_ok_case

mayaviで点群Point Cloudデータの3D表現

Mayaviは、matplotlibよりパワーアップして、強力なエンジンVTKを利用した3Dツールである。

point_cloud_3d_plot
point_cloud_3d_plot

上図のように3Dで写真を細かく表現できた。点群データ(npyファイル)による3D表現のpythonソースは、Githubへ公開済み。

うまくいかない例

左下に推定が失敗と見られる。他の場所はなんとなく推定てきている。

struct2depth_depth_ng_case
struct2depth_depth_ng_case

原因を探る

・ KITTIモデルは屋外モデルでそのままでは屋内に向かない場合ある。測定環境にふさわしい学習データセット(モデル)が必要である。
・ 照明の強弱、特徴量に大きく関わること。
・ ついてはまだ実験が不十分だが、商用可能なVisual SLAMに道が長く感じさせられる。

参考文献

Depth Prediction Without the Sensors: Leveraging Structure for Unsupervised Learning from Monocular Videos, Auther: Vincent Casser etc
github google tensorflow model struct2depth

以上

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屋内3D地図で可視化、空間情報をスマート管理

インドアマップが活躍の時代に

オフィスビル、デパート、工場など建物の内部は構造が複雑で、通常の2D地図では各場所の違いを十分に表現できない課題がある。地理情報システムとビッグデータ技術の進歩により、3D地図が室内外の空間情報の可視化技術で設備管理のスマート化やIoTのソリューションを提供することで、この課題を解決する日が近づいている。商業施設、産業IoTの他、交通監視、観光、旅行、セキュリティ、消防、会議、展示、娯楽、公共サービス等の分野で活躍する時代が訪れる。

屋内3D地図が活躍の時代に
屋内3D地図が活躍の時代に

プロダクト・サービス

お客様に対して地図可視化プラットフォームを提供して、クラウド上で各シーンに対応した情報システムを構築する。弊社とFengMap社と連携して、屋内外の3Dマップの作成サービスを提供する。また、開発者向けには専用のエンジンを提供してより簡単に各OS環境に対応したマップアプリの開発ができるようになる。

プロダクト・サービス
プロダクト・サービス

商業施設へ展開の例

商業施設では、CADデータによって室内のデータモデルを構築して各店舗の経営内容を組み込むことで空間データモデルを形成する。それにより、ショッピング案内、店舗管理、経営状況などの情報を共有し、可視化できる。スマート現場クラウド監視プラットフォームを提供する。

スマート現場クラウド監視プラットフォーム
スマート現場クラウド監視プラットフォーム

産業IoTへ展開の例

産業用として、Fengmapは可視化技術をIoTと融合し、設備の位置確認機能構内の設備、車両、人員の所在地と状態を把握して作業のモニタリング、消費エネルギー量の管理、データ統計などを行うことができる。スマート工場可視化管理システムを提案する。

スマート工場可視化管理システム
スマート工場可視化管理システム

フェングマップ社について

Beijing FengMap Technology Co.LTDは、2013年に設立された、北京に拠点を置く技術会社です。同社は、屋内および屋外の空間情報の可視化研究と開発に焦点を当て、地図データの作成、地図の編集、 ストレージ、マップ統合ソフトウェアアプリケーション開発。 空間情報の可視化技術に基づいて、資産管理、人事管理、施設および環境の監視、リモート制御、データ分析を含むさまざまな管理ソフトウェアシステムを多くの顧客に提供しました。創業以来、同社は商業用不動産、工業用IoT、工業団地から、家庭および幅広い公共サービスまで、多くの顧客を獲得した。500社、8000案件を開発した実績をもつという。
英文サイト→ https://www.fengmap.com/en/

日本総代理店

フェングマップ3Dマッピング作成サービスおよびSDK販売。
株式会社翔雲 令和2年3月1日から新住所↓
〒260-0026 千葉市中央区千葉みなと2-2-1502
代表取締役 柳建雄 電話 050-3598-8286
会社サイト https://soarcloud.com
技術情報サイト https://memo.soarcloud.com
販売サイト https://store.soarcloud.com

令和2年4月~5月特別キャンペーンお知らせ

上記時間限定、利益なし特別価格で3D地図作成サービスをご利用いただけます。どうぞお気軽にお問合せされるよう宜しくお願い申し上げます。

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