Arduino向けスマート屋内ナビゲーションロボットキット

部品と材料

部品名	数量	備考
スマートモーターロボットカーバッテリーボックスシャーシキット DIY スピードエンコーダー Arduino用	1
oblu - 屋内歩行者ナビゲーション用オープンソースIMU	1
ハンダレスブレッドボードハーフサイズ	1
オス/メスジャンパーワイヤー	1
コンデンサ 1000 µF	2
Texas Instruments デュアルHブリッジモータードライバー L293D	1
Arduino Mega 2560	1
単3形 2800mAh Ni-MH 充電池	1

必要な工具と機器

はんだごて（汎用）

アプリとオンラインサービス

Arduino IDE
Xoblu（Androidアプリ）

プロジェクト概要

このプロジェクトは、GPSやWi-Fi、Bluetooth、地図、建物のレイアウト図を一切使わずに、ロボットを所定の経路に沿って高精度で移動させ、その実際の軌跡をリアルタイムで描画するものです。Bluetoothは、リアルタイム位置情報の無線送信用としてワイヤーの代替として使用します。

背景

Arduinoベースのロボットで屋内ナビゲーションを実現する堅牢なソリューションを探していたところ、オープンソースIMUの「oblu」に注目しました。低コストでオープンソースであること、無料のAndroidアプリ「Xoblu」でリアルタイム位置追跡ができることが決め手となりました。ただし、obluの標準プログラムは「足取り型歩行者航法（PDR）」、つまり人間の歩行モデルに基づいています。人間が歩く際、足が地面に着いた瞬間は速度がゼロになるため、その「ステップ」を検出して誤差を補正し、高精度なトラッキングを実現しています。

そこで、「ロボットも同じように『移動→停止→移動→停止』を繰り返せば、obluのアルゴリズムがそのまま使えるのでは？」と考え、obluを採用してロボットとトラッキングシステムを組み立てました。

動作原理

ロボットはあらかじめプログラムされた経路に従って移動し、実際の移動情報をBluetooth経由でスマートフォンに送信してリアルタイム追跡を行います。

Arduinoには経路データがプリロードされ、obluがロボットの動きを検知します。
obluは一定間隔で変位量と方位変化をArduinoに送信。
Arduinoはその情報をもとに車輪の動きを制御し、所定の直線経路からのズレを各ステップで補正します。

経路は「直線セグメントの集合」として定義され、各セグメントは「長さ」と「前セグメントからの相対方位」で指定します。ロボットは「ストライド（歩幅）」と呼ばれる小区間ごとに移動し、各ストライド終了時にobluから「ストライド長」と「直線からの方位ズレ」を受け取り、Arduinoが即座に姿勢を補正します。路面の凹凸、重量バランス、モーターのばらつき、キャスターの向きなどで生じるズレを、歩くたびに修正するイメージです。

次のストライド長は、その直線セグメントの残り距離に応じて可変します。遠いときは大きく、ゴール付近では小さくなります。また、プログラム距離を超えて進んでしまった場合は後退して戻ります。

obluはArduinoとスマートフォン（Xobluアプリ）の両方に同時にデータを送信。Xoblu側で受信データから軌跡を再構成し、スマホ画面上でリアルタイム表示します。ロボットの移動はスタート/ストップ命令以外、遠隔操作ではありません。