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BabyTigers - R 2013

Team Description Paper

Abstract

• From 1998 to 2004, BabyTigers which consisted of Osaka University, participated in SONY Legged Robot League. And from 2005 to 2010,
• BabyTigers-DASH of Osaka City University and Ryukoku University participated in 4-Legged Robot League.
• And from 2011, BabyTigers – R of Ryukoku University has participated in Festo Logistics League.
• At 2008, 4-Legged Robot League renamed to Nao League (Standard Platform League).
• So our team spirits are based on both AIBO and SPL which aim to compete with identical robots.
• Then we use original robots which consisted of normal components without any additional hardwares.
• And we try to modify software programming in order to apply for the hardware's function.
• However, for the Technical Challenge, we modify and add the hardware components in order to show the potential of Robotino.

概要

• BabyTigers は，1998年から2004年まで大阪大学のチームとしてSONY 四足ロボットリーグに参加していました．
• そして2005年から2010年まで大阪市立大学と龍谷大学の合同チームであるBabyTigers-DASH[参照]として四足ロボットリーグに参加しました（龍谷大学は2006年から）．
• 2011年からは，Festoロジスティックリーグに龍谷大学のBabyTigers-R[参照]が参加しています．
• 2008年，四足ロボットリーグはNaoリーグ（標準プラットフェームリーグ）[参照]と名前を変えました．
• 私たちのチームの精神は，同一ロボットでの競技を目指すAIBOリーグとSPLの両方に基づいています．
• そのため，ハードウェアの追加を行わず，基本構成のみで競技に挑み，ソフトウエアの工夫で試合に臨みます．
• ただし，テクニカルチャレンジ種目に関しては，ハードウエアの追加を行い，Robotino の可能性を報告します．

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About distance IR sensors

• Using effectively sensors mounted on a robot is important for its movement.
• In particular, a robotino has 9 distance IR sensors every 40 degrees, so it is necessary to use these sensors in order to search around it.
• However, sensors have two kinds of error, which are statistical error and systematic error.
• Statistical error is a difference in the product.
• And systematic error is made from noise of circuit.
• These errors occur at random based on their probability and the measured values are changing randomly based on its probability.
• From the view of a robot, it can observe only its measured values, so that, it means posterior probability.
• When we calculate the occurrence probability for each noise, the prior probabilities are needed.
• At first, we made measurement on the occurrence probabilities for each sensors per distances (shown at figure 1).
• The standard deviations are from 0.005 to 0.013. Unfortunately we don't find out the relationship between errors and distances in individual robots.
• And at least more than 400 points are required in order to hold steady deviations (shown at figure 2).
• By the way, GP2D120, which is distance IR sensor on a robotino, spends 38.3ms for each measurement, then it spends 15.32 seconds to get 400 points

距離センサの利用

• ロボットの移動に際して，ロボットに搭載している各種センサーを有効利用する必要があります．
• 特に，４０度間隔で９つついている赤外線距離センサーは，周囲との状況を把握するのに重要です．
• しかし，このセンサーで距離を測定する場合，系統誤差と偶然誤差が生じます．
• 系統誤差は，製造時に生じる一定の誤差であり，偶然誤差は回路の雑音などによる誤差です．
• これらの誤差が確率的に生じ，測定値が変動します．
• ロボットとしては，その測定値しか観測できないため，事後確率のみを観測できます．
• そこから各事象の発生確率を求めるには，事前確率が必要となります．
• まず，私たちは，各距離（電圧値）に対するセンサの値の生起確率を調べました（図１）．
• 標準偏差は，約0.005から0.013の範囲で，残念ながら，距離やセンサの個体差による相関性は確認できませんでした．
• また，その標準偏差が安定するには，図２のように，約400回の測定が必要であることがわかりました．
• なお，Robotinoの距離センサーGP2D120は，一回の測定に38.3ms要するため，400個の測定には15.32秒必要です．

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Using Visible Light Communication

• Generally, the communication between robots uses Wireless LAN such as IEEE 802.11a/b/g/n.
• Because the directionality of wireless LAN is however wide, especially, the frequency of IEEE 802.11b/g is 2.4GHz.
• So interferences between communications happen when there are many robots.
• In this section, we propose the Visible Light Communications as communication between robots.
• Visible Light Communication uses blinking LEDs at high speed which include the information.
• So we use an LED as a sender, and a photo transistor as a receiver.
• For example of modulation methods, PWM is a pulse modulation method and PPM is a pulse position method.
• Examples of modulation are PWM and PPM, PWM is a pulse modulation method and PPM is a pulse position method.
• The characteristics of VLC are almost same as the infrared communication.
• In addition human can see status and area of communication.
• We can use the wireless communication using VLC where using wireless LAN is not permitted such as hospitals,
• However, because of its strong directivity which is same as infrared communications, there is the problem that the receiving signal level becomes lower if the sender does not face to the receiver.
• So the location and orientation between a sender and a receiver is very important to communicate with each other effectively.
• The simple method to adjust location and orientation is the method that uses one sender and multiple receivers.
• Then we can estimate the brighter direction calculated from signal levels of multiple receivers
• In this method, however, we use such multiple receivers only to adjust the direction.
• In other words, we don't use them at the sending information by visible light communication.
• In this paper, we propose the adjusting method which uses multiple senders and one receiver.
• And the multiple LEDs can send the same information in order to improve the signal power in the visible light communication.
• When one receiver receives multiple signals from their sender, its receiving signal has a composite waveform.
• We can decode from a composite waveform to each signal by encoding each sending signal using CDMA (Code Division Multiple Access).
• Generally, CDMA needs spread spectrum wireless data communications.
• However, we spread it to time scale instead of frequency band.
• Therefore, we need not vary color of LED in frequency.
• Instead of changing color, we need to keep the condition of environment while we send its spread code.
• Now we make a prototype of this communication system, and use it for experiments.
• Figure 3 shows the experimental result, where data are encoded and decoded by PN code which is a pseudo random noise pattern.
• PN code is not a walsh code, so the distribution of the signal power is not good.
• For the future, we will use a walsh code in order to make a strong correlation between signal level and distance.
• And by using this proposed system, we can adjust location between multiple robotinos easily.

可視光通信の利用

• ロボット間の通信方法として，一般には無線LAN を用います．
• しかし，無線LANは指向性が弱く，特に2.4GHz帯は混信しやすいため，多数のロボットが同時に使うのは難しいです．
• ここでは，光を使った可視光通信の導入を提案します．
• 可視光通信とは，可視の光を高速点滅させて情報を送る方法です．
• 一般にLEDを送信機とし，照度センサーやフォトトランジスターを受信機とします．
• 赤外線通信と同等の特性を持ち，かつ，伝送状態が人間にわかるという特徴があります．
• 病院や水中などの無線LANが使えない環境での利用が期待されています．
• しかし指向性が強いため，送信機と受信機が向かい合っていないと信号強度が落ちる問題があります．
• そのため，ロボットの向き調整が重要になってきます．
• 簡単な方法として，一つの送信機に対して複数の受信機を用意し，その受信機の信号強度差から明るい方向を推定する方法があります．
• しかしその場合，その複数の受信機は向き調整にしか使えず，可視光通信時には役に立ちません．
• そこで，ここでは複数の送信機に対して一つの受信機を用いて受信強度を判定する方法を提案します．
• この場合，複数の送信機は可視光通信時には，同一情報を送ることができ，送信信号強度を増やす効果が期待できます．
• 複数の送信機の信号を一つの受信機で受信する場合，それぞれの信号が合成された状態となります．
• このとき，各送信信号をCDMAで符号化することで，同一伝送路上で重なった信号を扱うことができます．
• 通常CDMAは，周波数拡散を行うが，ここでは，時間軸拡散を提案します．
• これにより，LEDの周波数を変える必要がなくなります．すなわち，色を変える必要がありません．
• 代わりに，拡散した符号を送信する間，環境の条件が一定である必要があります．
• 現在，このシステムのプロトタイプを組み込み，実験を行っています．
• PN符号を用いて拡散・復号したところ，図３の結果となりました．
• 直交符号ではないため，強度分布が良くない結果となりました．
• 今後は，直交符号を用いて，強度と距離の相関を強くする必要があります．
• なお，この提案システムを使えば，前節の距離センサに加えて，複数台のRobotino の位置調整を補助できます．

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Communication between robots using IR sensor

• When the wireless LAN between robots and an access point is down, the novel communication method which uses only components mounted on its robot is required.
• So we propose the communication method which uses mounted IR sensors.
• We assume the case when two robotinos go to the same machine place, that is, a near miss between two robotinos happens.
• Usually, each robotino exchanges the information which includes its own destination via wireless LAN.
• However, in this section, robotinos can get only its location information because the wireless LAN is down.
• A robotino which is in the product phase of the pack at the machine can sense the other robotino's approaching via IR sensors. However the robotino in the product phase of the pack can not move.
• On the other hand, the robotino approaching the machine can sense the robotino in the product phase of the pack via IR sensors, and can avoid the collision.
• That is, the robotino approaching the machine can move to any direction.
• It measures distance to the other robotino, and it selects to move closer to the other or to leave from the other.
• So it can select binary actions.
• And the robotino in the product phase of the pack can get binary information because it can sense the other robotino's actions which mean that the distance between robotinos is decreasing or increasing.
• Figure 4 shows the experimental result through the simulation.
• The performance means the received information rate without error when the sending robotino selects two actions which are decreasing and increasing the distance between robotinos.
• We can send information correctly when the moving distance between binary information is from 9.6cm to 11.2cm.
• By the way, we believe that the rule of 2013 permits this method because it uses no additional sensors. However the rule says that any additional communication is not permitted.

赤外線距離センサーを用いたロボット間通信

• 無線LANが使えない場合を想定し，さらにロボットに搭載している機器だけで通信ができないかと考え，赤外線距離センサーを用いた通信方法を検討しました[参照]．
• ２台のRobotino が接近したとき，例えば同じマシンにパックを運んだ場合を考えます．
• 通常は無線LANを通してお互いの移動先を交換しますが，ここでは無線LANが使えない場合ですのでローカルな情報しか取得できません．
• パック加工中のRobotino は別のRobotinoの接近を距離センサーを通して認知できますが，動くことができません．
• 一方，後から接近したRobotino は，距離センサーなどを通して相手を認識して，避けることができます．
• このとき，接近したRobotino は動くことができます．
• 相手ロボットとの距離を計測し，「近づく」「遠ざかる」の２行動を選択でき，２値を送ることができます．
• マシンで待機しているRobotino も，相手のRobotino が「近づく」か「遠ざかるか」が判断でき，情報を受け取ることができます．
• シミュレータ上で実験を行ったところ，図４の結果となりました．
• 送信側のRobotino が「近づく」「遠ざかる」の距離を変えたときの，受信率を示します．
• 約9.6cm から11.2cm 程度の幅で移動すると，適切に情報を送れることがわかりました．
• なお，本研究が2013年のルールにおける通信項目を満たすかどうかは判断が微妙です．

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the coordination to avoid the inflexibility on multi-agent

• At the multi-agents environment, where each agent selects actions independently, sometimes inflexibility and breakdown happen after actions selected by agents with their policies.
• In order to escape from the inflexibility, two agents are required, one is the agent which proposes a escaping plan, and the other is the agent which decides its plan communicating with it.
• In [ssi:2012-uemura], we propose the method which selects such two agents when three or more agents are inflexible state.
• This method is based on the proposal for the ad hoc network where there is no base station such as an access point.
• All nodes on the ad noc network are identical, so there are no master and slaves.
• Then in ad hoc network, sometimes two or more nodes send the packet at the same time.
• In particular, when sender nodes are far away from each other, the hidden node problem will happen where there are conflicts in only receivers which are between senders.
• Usually CTS/RTS method in which not only a sender but also a receiver send packets, avoids this problem.
• This method is effective at unicasting, however in multicasting or broadcasting we cannot use this method because multiple receivers reply at the same time.
• [ijasuc:2011-uemrua] selects the reply node from multiple receivers.
• And a send node and a reply node can uni-cast packets to each other.
• The other receivers listen to this communication, so we can broadcast packets.
• Multiple receivers reply after the delay time which is decided by the received signal level in order to avoid the packet collisions.
• Then the node with the highest signal level, that is, the nearest node from the sender node is selected.
• So the communication between these nodes has little effect on the other communication.
• We apply this method to the agents in order to escape from the inflexibility.

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協定のための調整方法の提案

• マルチエージェント環境では，それぞれのエージェントが独立して行動を選択するため，エージェントが個々の政策に従って行動を選択した後にしばしば剛直や崩壊が生じます．
• 剛直から抜け出るには，２体のエージェントが必要です．一つは回避策を提案するエージェントで，もう一つはそのプランを通信により決定するエージェントです．
• [参照]では，３体以上のエージェントが剛直状態に陥ったときに，そのような２対を選択する方法を提案しています．
• これは，基地局を用いないアドホックネットワークで提案した手法[参照]に基づいています．
• アドホックネットワーク上の各端末は，それぞれ同じ性能を持っており，主従関係を持っていません．
• そのため，複数の端末が同時に送信する危険性があります．
• 特に，それら複数の送信端末が離れていると，間のノードだけが混信する隠れ端末問題が生じます．
• 通常は，送信端末が電波を出すだけでなく，受信端末も電波を出すことで，この問題を解決します．それぞれCTS，RTSと呼びます．
• この方法は，ユニキャスト通信には有効ですが，複数の端末に同時に送信するブロードキャスト通信やマルチキャスト通信には使えません．
• そこで，[参照]では， ブロードキャスト時に，対となる受信端末を選び，その端末とのユニキャスト通信を繰り返すことでブロードキャストを実現しています．
• 受信端末は，受信側の信号強度に応じた時間だけ待った後に，送信端末に返事をすることで，パケットの衝突を避けます．
• これにより，信号強度の一番高い端末　すなわち送信端末に一番近い端末を対として選ぶことができ，他の通信への影響を最小限に抑えます．
• 同様に，これらの仕組みをエージェントに組み込むことで，剛直からの脱出が期待できます．

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衝突回避のためのルール生成

• 剛直の発生を抑えるためには，適切なルールを設定する必要があります．
• RoboCup-FLC では，フィールドを１１×１１に区切ったマスとすることで，マス目上の移動問題として扱うことができます．
• 複数ロボット移動時の衝突回避方法として，HEXフィールドを用いた一方通行方法があります[参照]．
• 今回は，簡単に，京都の碁盤の目を参考に，通路ごとの一方通行方法を導入しました．
• 図のように，ロボットの進行可能方向を限定することで，衝突の危険性を減らします．
• この方法は，２０１０年のRoboCup BabyTigers - R から実装しています．

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Conclusion

• Our laboratory aims to adapt the communication theory to robotinos.
• Our researches consist of two parts, one is the communication method that uses only robotino's components. And the other is the communication method that uses additional components with Visible Light Communication.
• Through RoboCup competitions, we would like to improve and exchange the technology.

まとめ

• 本研究室では，通信理論のRobotino への適用を目指しています．
• Robotino が持つ機能だけで通信をする方法と，外部回路を接続して可視光を用いて通信をする方法を研究しています．
• RoboCup 世界大会を通して，これらの技術交流・技術向上ができればと思います．

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