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組込み向けスクリプト言語mrubyをEV3で動かしてみよう
- 1. 組込み向けスクリプト⾔語 mrubyをEV3で動かしてみよう 発表者 ETロボコン関⻄地区実⾏委員 安積 卓也、岡嵜 雄平 ETロボコン関⻄地区独⾃勉強会ONE セッションD-2(15:00-16:30) 72 PAGES 1 ETロボコン2015関⻄地区独⾃勉強会ONE／ETロボコン関⻄地区実⾏委員会 ET ROBOCON KANSAI 2015
- 2. セッション構成 基本編︓担当 岡嵜(15:00-15:30) 応⽤編︓担当 岡嵜(16:10-16:30) 演習︓担当 安積(15:30-16:10) Rubyの紹介 mrubyの紹介 mirbやmrdbをEV3で動かすデモ 時間があれば… 2
- 4. 概要 4 # The Greeter class class Greeter def initialize(name) @name = name.capitalize end def salute puts "Hello #{@name}!“ end end # Create a new object g = Greeter.new("world") # Output "Hello World!“ g.salute Rubyとは… オープンソースの動的なプログラミング⾔語 シンプルさと⾼い⽣産性を備える。 エレガントな⽂法、⾃然に読み書きができ る。 参考︓https://www.ruby-lang.org/ja/
- 8. メリット 8 Rubyはオブジェクト指向⾔語である ＝オブジェクト指向モデルを実装しやすい Motor -Port : Port -PWM : Integer -Count : Integer +PWM=(Integer): void +Count() : Integer +reset() : void class Motor < Device def initialize(port) @Port = port @PWM = 0 @Count = 0 end def PWM=(pwm) end def Count end def reset end end C++, C#, Javaと同様にクラスを定義できる クラス図
- 9. メリット 9 Rubyはスクリプト⾔語である ＝コンパイルが不要、インタプリタ形式で実⾏ .c .exe 実⾏ .rb 実⾏ Ruby VM上で コンパイル・リンク プログラムしたソースをすぐに実⾏でき カットアンドトライが容易になる
- 10. def aaaaa (ソース上に存在) メリット 10 Rubyはスクリプト⾔語である ＝クラスやメソッドの動的定義が可能に def bbbbb def ccccc .rb def aaaaa 既存のメソッド定義を上書き 新たに定義 新たに定義 クラスやメソッドをプログラム中で書き換えたり 新たに定義したりすることが可能(メタプログラミング)
- 13. メリット 13 クラスライブラリが充実している ＝細かい処理をライブラリに任せることにより、 ソフトの振る舞いをシンプルに記述できる 例えば、プログラムでしばしば（︖）登場する 「２つの配列を連結する処理」 1 2 4 5 3＋ ＝ 1 2 4 5 3 Rubyであれば result = [1, 2, 4] + [5, 3] と書くだけ︕
- 16. メリット 16 無駄なものを書かなくて良い ＝コード量を少なくすることができる nums = [8, 6, 3, 7, 1] nums.sort! int nums[5] = {8, 6, 3, 7, 1} int i, j, tmp; for(i = 0 ; i < 5 ; i++) { for(j = 4 ; j > i ; j--) { if(nums[j – 1] > nums[j]) { tmp = nums[j - 1]; nums[j - 1] = nums[j]; nums[j] = tmp } } } 例︓配列に格納した数値をソートする処理 Rubyでの実装例 C⾔語での実装例 数字を昇順に並べ替えるだけにも かかわらず、気を遣う点が多すぎる
- 17. メリット 17 書き⽅に⾃由度がある ＝内部DSLがより⾃然⾔語に近づく Part.build forward(10).straight(20).tail(:down).balance, distance(20) 例1︓メソッドチェーン Part.build do forward(10) straight(20) tail(:down) balance distance(20) end 例2︓ブロック Part.build forward: 10, straight: 20, tail: :down, balance: :on, distance: 20 例3︓ハッシュ 「モータパワー10で前進、20°の⽅向へ直進、尻尾は下げる、バランス⾛ ⾏ 、20センチ⾛⾏するまで」というシナリオをDSL化した例
- 19. メリット 19 リテラルが充実 宣⾔したらそれがObjectとなる。(newは不要) 1 => Integer 1.to_s =>”1” “abc” => String “abc”.length => 3 [1, 2, 3] => Array [1, 2, 3].sum => 6 {:a => 1, :b => 2, :c => 3} =>Hash 1..3 => Range :a => Symbol
- 20. メリット 20 例外処理ができる JavaやC#と同様に例外の送受信が可能 begin # 実⾏する処理 rescue # 例外が発⽣したときの処理 (省略可) else # 例外が発⽣しなかったときに実⾏される処理 (省略可) ensure # 例外の発⽣有無に関わらず最後に実⾏する処理 (省略可) end
- 28. 概要 28 使⽤例 • ⾃動販売機の売上出⼒ • ルータF/W • 太陽光発電システム いずれもリアルタイム性を追求しない⽤途で ⽤いられている。(理由は後述)
- 34. メリット 34 mrubyは標準C関数のみで実装されている 多くのクロスコンパイラに対応している。GCC ARMでもビルド可能 設定が同梱されているコンパイラ GCC ARM⽤の設定は 別途作成済み GCC Clang Visual C
- 36. メリット 36 性能を担保したい箇所はC⾔語で実装できる Rubyのソース上からはRubyのクラス、メソッドとして利⽤できる app.rb Motor -Port : Port -PWM : Integer -Count : Integer +PWM=(Integer): void +Count() : Integer +reset() : void クラス図 メソッド内部の処理を C⾔語で実装可能 .rbから引数として値を取 り出したり、戻り値を返 すことも可能。
- 38. メリット 38 ソフトリアルタイムシステムとして動作 ⼤抵の場合は⼀定時間内に処理を完了するが、稀に処理時間がかかる →mruby VM中でガベージコレクションが動作するため。 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 出現回数[回] 処理時間[ms] 事象に対する処理時間分布 ※このグラフは実測値ではありません。 ⼤抵は、 4[ms]以内に処理できる 時々、処理が⻑引く
- 41. ETロボコン参加者のメリット 41 コード修正〜⾛⾏までの時間が短い 調整→試⾛を繰り返すETロボコンでは⾮常に有利 ソース 修正 コンパイル する 実機へ ロード 起動 ソース 修正 起動 起動が⾼速 C, C++ Java C# mruby Java環境は 時間がかかる C, C++は 時間がかかる 実機へ ロード
- 42. ETロボコン参加者のメリット 42 EV3上でデバッグが可能 デバッガ(mrdb)を起動し、⾛⾏させながらbreakを貼れる 通常時 デバッグ時 EV3RT mruby ruby app EV3RT mrdb ruby app 例えばこんな使い⽅が… • ruby appに対してbreakを貼る • ruby appの変数値を確認する • ruby appの変数値を書き換える 標準⼊出⼒先を Bluetoothとする
- 43. ETロボコン参加者のメリット 43 過去のC⾔語資産を活⽤できる 今年はCで実装し、来年はmrubyへ乗り換える、ということが容易 2015年 2016年 EV3RT ⾃⼰位置推定 ⾛⾏制御 検出 ⾛⾏計画 mruby ⾃⼰位置推定 ⾛⾏制御 検出 ⾛⾏計画 EV3RT 全てCで実装 mruby化(中⾝はC) mruby 性能を求められる部分はCで、書き換えが多い部分をmrubyで実装 →開発・調整を効率化しつつ、性能は担保
- 45. 発表者の紹介 発表者 ETロボコン関⻄地区実⾏委員 安積 卓也 2010 MINDSTORMS NXT⽤TOPPERS/ASP+TECSプラットフォームと教育コンテンツ ETロボコン認定プラットフォームのひとつ https://www.toppers.jp/etrobo-asp.html 2015 mruby on ev3rt+tecs︓http://www.toppers.jp/tecs.html#mruby_ev3rt 組込みソフトウェア・プラットフォームの研究・開発を⾏っています。 システムソフトウェア、モデルベース開発、⾃動運転等 45 TOPPERS/ASPカーネルの開発メンバ︓https://www.toppers.jp/asp-kernel.html TOPPERSカーネル向けシミュレーション環境の開発メンバ︓ https://www.toppers.jp/sim.html TECS（TOPPERS Embedded Component System）の開発メンバ︓ https://www.toppers.jp/tecs.html
- 46. EV3⽤プラットフォーム TOPPERS/ASP MINDSTORMS EV3⽤ TOPPERSプラットフォーム 今回の プラットフォームEV3RT leJOS (Java VM) LMS2012 (LinuxベースのVM) TOPPERS/HRP2 TECS仕様 • 名古屋⼤学により開発 • デバドラなどを Linuxなどから移植 MonoBrick (.Net framework) ev3dev (Linux) その他のOSS... • TECS WGにより開発 • mrubyの動作環境 46
- 47. mruby，TECSを利⽤可能なPF • mruby on ev3rt+tecs – http://www.toppers.jp/tecs.html#mruby_ev3rt – TECSとはTOPPERSプロジェクトで開発しているコン ポーネントシステム(アプリケーションをコンポーネ ントベース開発するためのシステム) – ev3rt+tecsはEV3RT上でのアプリケーションのコン ポーネントベース開発が可能な環境 • C++APIのようにEV3のモジュールをTECSコンポーネントと して扱うことができる – TECSの提供するmrubyブリッジ機能により，mruby からev3rt+tecsが提供するモジュール機能を利⽤でき る • mrubyからCコードを呼ぶためのI/Fを⾃動⽣成 47
- 48. 最新版を⼊⼿ • パッケージをダウンロードして解凍 – http://www.toppers.jp/tecs.html#mruby_ev3rt – $ tar xvzf mruby-on-ev3rt+tecs_package-alpha1.0.2.tar.gz • ダウンロードしたパッケージ名 48
- 49. 環境の構築 • Windows7、 Windows８、Windows８.1 • Cygwinインストール – ruby – GNU Make – bison • クロスコンパイラ – arm-none-eabi-gcc.exe (GNU Tools for ARM Embedded Processors) https://launchpad.net/gcc-arm-embedded/4.8/4.8-2014-q3-update/+download/gcc- arm-none-eabi-4_8-2014q3-20140805-win32.exe • mkimage – Windows⽤バイナリはパッケージに同梱 • Cygwin及びクロスコンパイラのインストールはEV3RTの開発環境 構築を参照してください。 – http://dev.toppers.jp/trac_user/ev3pf/wiki/DevEnvWin 49
- 50. パスの通し⽅ • クロスコンパイラをインストールしたディレクト リにPATHを通す – C:¥Program Files (x86)¥GNU Tools ARM Embedded¥4.8 2014q1¥bin ※フォルダ名は、クロスコンパイラのバージョンご とに変わります。 • arm-none-eabi-gccへパスが通っているかを確認 • コンパイラバージョンが表⽰されない場合︓Path を確認 50
- 51. ディレクトリ構造 • bin – Windows向け開発環境のバイナリ – mkimageを含む • doc – mrubyリファレンス – ビルド⼿順 – サンプルプログラムの説明 • hr-tecs – TOPPERS/HRP2及びEV3プラットフォーム – サンプルプログラム（hr- tecs/workspace/mruby_samples） • mruby – mruby ver1.1.0 – build_config.rbでEV3⽤のクロスコンパイルを指定 51
- 52. コンパイル⼿順 • mrubyのビルド（host⽤コンパイル→ARM⽤クロス コンパイル） • パッケージを展開したディレクトリで – $ cd mruby – $ make – mrubyディレクトリでmakeを実⾏すると、mrubyがビル ドされる。 ※ビルドには、ruby及びbisonのインストールが必要 下記の出⼒がされればビルド成功 52
- 53. コンパイル⼿順 • EV3RT+TECS・EV3ドライバ・アプリケーションのビ ルド準備 – SDカードへコピー • デフォルトでは、cygwinが使⽤されていることを想定の上で、Eドラ イブにコピーされる。 • ドライブを変更するには、サンプルコードのMakefileを編集。 hr-tecs/workspace/mruby_samples/Makefile • Makefile内を "SD_DIR" で検索して、変数にSDカードドライブを指定 • SDカードドライブのドライブレターに合わせてください • ここで指定したディレクトリにEV3⽤イメージファイルがコピーされ ます ここの名前をSDカードのドライブ名に変更 53
- 55. コンパイル⼿順 • EV3RT+TECS・EV3ドライバ・アプリケーション のビルド – パッケージを展開してディレクトリで – $ cd hr-tecs/workspace/mruby_samples/ – $ make tecs • GNU Makeがtecsgenを実⾏してくれます – $ make depend • ファイルの依存関係を抽出します • ヘッダファイルなど、読み込まれるファイルを更新してい なければ、実⾏する必要ありません。 – $ make – カレントディレクトリをサンプルアプリケーション のディレクトリに移動し、makeを⾏うことでコンパ イルが⾏える。 55
- 59. コンパイル⼿順︓uImage • ビルドの確認 – mkimageが⽣成され、uImageがコピーされてい れば、ビルド成功です – SDカードのルートディレクトリに、uImageとい うファイルができます – SDカードをEV3本体に⼊れる 59
- 61. コンパイル⼿順︓サンプルプログラムの変更 の場合 サンプルプログラムの変更後はmakeだけで良い （make tecs, make dependは⼀度だけ） サンプルプ ログラムの 変更 make 61
- 62. ev3way_sample • ETロボコン⽤のサンプル – 倒⽴制御しながら、ライントレースを⾏う • タッチセンサ（:port_1） • カラーセンサ（:port_2） • ジャイロセンサ（:port_3） • 超⾳波センサ（:port_4） • しっぽモータ（:port_a） • 右モータ（:port_b） • 左モータ（:port_c） 62
- 63. ev3way_sample • 操作⼿順 – 電源を⼊れる – ⿊⾊のライン上にカラーセンサを移動 – タッチセンサを押す︓⿊⾊の値を取得 – ⽩⾊の上にカラーセンサを移動 – タッチセンサを押す︓⽩⾊の値を取得 ︓しっぽを下ろす – ライン上移動 – タッチセンサを押す︓ライントレーススタート 63
- 64. ev3way_sample.rb︓初期化 begin LCD.puts "ev3way_sample.rb" LCD.puts "--- mruby version ---" Speaker.volume = 1 forward = turn = 0 # initialize sensors $sonar = UltrasonicSensor.new(SONAR_SENSOR) $color = ColorSensor.new(COLOR_SENSOR) $color.reflect $touch = TouchSensor.new(TOUCH_SENSOR) $gyro = GyroSensor.new(GYRO_SENSOR) # initialize motors $motor_l = Motor.new(LEFT_MOTOR) $motor_r = Motor.new(RIGHT_MOTOR) $motor_t = Motor.new(TAIL_MOTOR) $motor_t.reset_count # Signal calibration LED.color = :orange … ポート番号を指定して初期化 （インスタンス化） ひとつしかないもの（ポート番号指定不要）は、ひとつしかないもの（ポート番号指定不要）は、 クラスメソッドとして直接呼び出す 64
- 65. ev3way_sample.rb︓⿊⾊、⽩⾊の取得 # Calibration $black_value = color_calibration LCD.puts "black::#{$black_value}" $white_value = color_calibration LCD.puts "white::#{$white_value}" threshold = (($black_value + $white_value) / 2).round # wait start LCD.puts "Ready to start" def color_calibration(n=10) loop { break if $touch.pressed? RTOS.delay(10) } col = 0 n.times { col += $color.reflect} col = (col / n).round Speaker.tone(:a4, 200) RTOS.delay(500) col end カラーセンサn回取得し、 平均値を取得 ライントレースの 基準値を計算 タッチセンサが押されるまで待つ 65
- 66. ev3way_sample.rb︓スタート準備 # wait start LCD.puts "Ready to start" loop { #initialize tail tail_control(TAIL_ANGLE_STAND_UP) RTOS.delay(10) # Touch sensor start break if $touch.pressed? } # reset motor encoder $motor_l.reset_count $motor_r.reset_count # reset Gyro sensor $gyro.reset # Signal start status LED.color = :green def tail_control(angle) pwm = ((angle - $motor_t.count) * P_GAIN).to_i pwm = (pwm > PWM_ABS_MAX) ? PWM_ABS_MAX : (pwm < -PWM_ABS_MAX) ? -PWM_ABS_MAX : pwm $motor_t.power = pwm $motor_t.stop(true) if pwm == 0 end しっぽの位置を指定された⾓度に保つ （フィードバック制御） ⽬標値⽬標値 現在の値現在の値 66
- 67. ev3way_sample.rb︓ライントレース # main loop forward = turn = 0 loop { start = RTOS.msec # up tail tail_control(TAIL_ANGLE_DRIVE) if sonar_alert forward = turn = 0 else # Line trace turn = $color.reflect >= threshold ? 20 : -20 forward = 30 end … } def sonar_alert $sonar_counter += 1 if $sonar_counter == 10 distance = $sonar.distance $sonar_alert = distance <= SONAR_ALERT_DISTANCE && distance >= 0 $sonar_counter = 0 end $sonar_alert end サンプルでは、30に固定 障害物まで⼀定の距離以下に なると⽌まる カラーセンサと閾値と⽐較し どちらかに曲がる ここを変更すると、 ⾃前のライントレースが可能 67
- 68. ev3way_sample.rb︓倒⽴制御 # main loop loop { start = RTOS.msec … # call balance_control API pwm_l, pwm_r = Balancer.control( forward.to_f, turn.to_f, -$gyro.rate.to_f, GYRO_OFFSET, $motor_l.count.to_f, $motor_r.count.to_f, Battery.mV.to_f) $motor_l.stop(true) if pwm_l == 0 $motor_l.power = pwm_l $motor_r.stop(true) if pwm_r == 0 $motor_r.power = pwm_r wait = 4 - (RTOS.msec - start) RTOS.delay(wait) if wait > 0 } C⾔語で実装されたバランサを呼び出す 4ミリ秒周期で実⾏ 現状1ミリ秒程度で処理完了 mubyでも⼗分制御可能 バランサの返り値が2つ 68
- 69. パッケージ内のドキュメント • doc/EV3RT_mruby_API_Reference.pdf – 提供しているサンプル • doc/mruby_on_ev3rt+tecs_build.pdf – 環境設定 • doc/mruby_sample.pdf – サンプルプログラムの説明 69
- 70. 問い合わせ先・リンク • 質問等は下記のMLに – users＠toppers.jp • モニタ募集中 • EV3RT – http://dev.toppers.jp/trac_user/ev3pf/wiki/WhatsEV3RT 70