RaspberryPi3とZumoとROSで半永久自走式充放電ロボを作成したい_014日目_SLAM_自律走行の前準備_ロボット再構成と自宅の地図作成 【"沼" 突入中】

**zumo32u4**　[![GitHub stars](https://img.shields.io/github/stars/PINTO0309/zumo32u4.svg?style=social&label=Stars)](https://github.com/PINTO0309/zumo32u4)
#<font color="#08088A">◆ 前回記事</font>
[RaspberryPi3とZumoとROSで半永久自走式充放電ロボを作成したい\_013日目_SLAM_VINS-Mono](https://qiita.com/PINTO/items/8989f45ad0908184e6e5)　の続き

#<font color="#08088A">◆ はじめに</font>
今回はいよいよ自宅一室の地図をSLAMで作成してみる。
足回りが段差を超えることに適していないため、あくまで一室のみに限定する。
どうしても段差を超えたくなったときには足回りを取り替えることにする。
アルゴリズムは、前回までの検証で精度が高かった **`Google Cartographer`** を採用する。

今回は真面目に、

1. Bluetooth経由でロボットを遠隔操作
2. RaspberryPi ＋ Arduino ＋ RPLidar A1M8 を連携させてSLAM / 地図生成
3. Wi-Fi経由でUbuntuPC側でリアルタイムに地図を可視化
4. 地図のチューニング

に、チャレンジしようと思う。
地図生成は自律航行をさせるうえでの重要な要素、ということなのでしっかり取り組みたい。

##<font color="#0B3B39">● 地図生成環境の概要図</font>
　![0023_SWスタック図_RaspberryPi (7).png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/24fc0920-f561-f7b2-c5be-d8ac7d5b58e2.png)

##<font color="#0B3B39">● 環境</font>
1. Ubuntu 16.04 (rvizによる地図可視化用PC)
2. Windows10 + TeraTerm (ロボット操作用PC)
3. **[Zumo32u4](https://www.robotshop.com/jp/ja/zumo-32u4-robot-kit-assembled-with-1001-hp-motors.html)** (ロボット本体)
4. RaspberryPi3 + Raspbian Stretch (ロボット本体、CartoGrapher)
5. **[RPLidar A1M8](https://www.robotshop.com/jp/ja/rplidar-a1m8-360-degree-laser-scanner-development-kit.html)** (ロボット本体、測域)
6. **[ELP-USB8MP02G-L75](https://www.amazon.co.jp/ELP-Web%E3%82%AB%E3%83%A1%E3%83%A9Linux-Windows-800%E4%B8%87%E7%94%BB%E7%B4%A0-IMX179/dp/B01M23NIED)** (USBカメラ、動画撮影用)

##<font color="#0B3B39">● ロボットの再構成と外観</font>
RPLidar A1M8 と USBカメラ をそれぞれRaspberryPiのUSBポートへ接続し、下図のとおり固定。
![150.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/154246ee-8196-6aec-03a9-69f88ff68c9d.png) ![151.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/5c3843da-1e9f-d628-03be-4c3dd4b7326e.png) ![152.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/8a53a131-1584-27a9-6cfd-77141d5857a8.png)
案の定、ついに重戦車と化す。
設計のノウハウもへったくれもない素人が作るとこうなる、の図。
**[はじめに](https://qiita.com/PINTO/items/31df88d0b11189a5ba62)** へ掲載した外観画像から更にスゴみを増している。 タワーかよ。
後からくっつけたUSBカメラが砲塔のように見えるが、戦車を作る趣味は無い。
引いて撮影した３枚目の画像を見るとサイズ感が伝わるが、やたらと大きいわけでもない。
縦横 ： １０ｃｍ四方
高さ ： ２０ｃｍ弱

流石にこの時点で無理がタタった。
5Vモバイルバッテリー駆動の状態でLiDARをRaspberryPiへ接続すると、電源電圧が不足してRaspberryPiが起動しない。電圧不足、久々だ。。。
ちなみに **[Physical Computing Lab TSI-PI036-5V3A](https://www.amazon.co.jp/Raspberry-Pi%E7%94%A8%E9%9B%BB%E6%BA%90%E3%82%BB%E3%83%83%E3%83%88-5V-3-0A-%EF%BC%8DPi3%E3%83%95%E3%83%AB%E8%B2%A0%E8%8D%B7%E6%A4%9C%E8%A8%BC%E6%B8%88/dp/B01N8ZIJL8/ref=pd_sim_107_6?_encoding=UTF8&pd_rd_i=B01N8ZIJL8&pd_rd_r=b50ea4f7-6100-11e8-86cf-43f26d2315b4&pd_rd_w=AVgaA&pd_rd_wg=4SmaO&pf_rd_i=desktop-dp-sims&pf_rd_m=AN1VRQENFRJN5&pf_rd_p=7990452376513976631&pf_rd_r=3XZ6KYATFJCTP1V3Y6XR&pf_rd_s=desktop-dp-sims&pf_rd_t=40701&psc=1&refRID=3XZ6KYATFJCTP1V3Y6XR)** から給電すると余裕で正常起動する。
RPLidarA1M8の **[データシート](https://www.robotshop.com/media/files/pdf2/ld108_slamtec_rplidar_datasheet_a1m8_v1.1_en_2_.pdf)** を額面どおりに読むと、LiDAR側へは500mAが定常的に供給されないとまともに駆動しない。ように見える。（実際は6.6Hz駆動で260mAほどしか消費しない）
現時点で、

1. モーター駆動用
2. RaspberryPi本体稼働用メイン
3. RaspberryPi本体稼働用サブ

の合計３つのバッテリを搭載しているが、更にLiDAR専用のバッテリを搭載し、追加したバッテリの充電機構をあらためて練り直す必要がありそうだ。
取り急ぎ、逆流防止のダイオード及び過電流を防止する保護素子を搭載した設計のUSBケーブルを調達。
![0024_配線図 (1).png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/41a9f2af-41c1-5208-4d4c-32ac2e9b508a.png)
低電圧になるRaspberryPi側へ電流が逆流しないようにし、ひとまず追加部材の組み合わせだけで電圧不足は回避できたようだ。
なお、追加バッテリ側の電圧が降下したときにRaspberryPiがダウンしてしまう可能性は依然として残るため、追加バッテリ側の充電機構(充電タイミングの制御)は追って考えるものとする。
**[エレコム Y字Wパワーケーブル USB2.0 Aメス 簡易パッケージ USB-AAE5DPBK](https://www.amazon.co.jp/gp/product/B00GLKR6GO/ref=oh_aui_detailpage_o01_s00?ie=UTF8&psc=1)**
![154.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/ef74eadc-603d-7e7a-92f1-e616af218eec.png)
これでも、追加したバッテリ側には1000mAほど出力に余裕があるようなので、どうせなら電源を分岐して、ゆくゆくは Intel Movidius Neural Compute Stick もブッ挿してしまおうと思う。

#<font color="#08088A">◆ 参考にさせていただいた資料、謝辞</font>
**【Koji Teradaさん】
[TF,TF2 完全理解 SlideShare](https://www.slideshare.net/kojiterada5/tftf2)**

**【nnn112358さん】
[ROSのTFへOdometoryを入力する Qiita](https://qiita.com/nnn112358/items/faf840f950c514506542)**

#<font color="#08088A">◆ 作業に掛かる前の前提条件</font>
**[Raspbian Stretch+NCS(Neural Compute Stick)+YoloV2+Webカメラ＋ROSによるリアルタイム複数動体検知環境の構築](https://qiita.com/PINTO/items/b084fe3dc716c42e2867)** と **[００２日目](https://qiita.com/PINTO/items/f6162219d2f17e2f1714) [００３日目](https://qiita.com/PINTO/items/fb18a79958cdc4f40fa9) [００４日目](https://qiita.com/PINTO/items/12a7f86a7f8861a2ff83) [００５日目](https://qiita.com/PINTO/items/1786670cdcc2de60117c) [００６日目](https://qiita.com/PINTO/items/ec0c6f891f28ec856cbe) [００８日目](https://qiita.com/PINTO/items/9aa737c284dc4e8212f1) [００９日目](https://qiita.com/PINTO/items/4845c438cac05eda4d1e)** の記事を参考に、全ての作業を実施済みであり、導入済みパッケージの種類と数の同期がとれていることを前提とする。

#<font color="#08088A">◆ 動画撮影用の環境設定</font>
##<font color="#0B3B39">● USBカメラ使用環境のキッティング</font>
ロボット本体の動作には全く関係しないが、ロボットを走行させながらUSBカメラで動画撮影も行いたいため、RaspberryPiへUSBカメラ連携用ROSパッケージのインストールと設定変更を行う。

```shell:RaspberryPiへUSBカメラ連携用ROSパッケージ（OpenCVベース）のインストール
$ cd ~/catkin_ws/src
$ git clone https://github.com/PINTO0309/video_stream_opencv.git
$ cd ..
$ catkin_make
$ nano src/video_stream_opencv/launch/webcam.launch
```

下記のとおり編集する。

```xml:編集前
<arg name="camera_name" value="webcam" />
<arg name="set_camera_fps" value="30"/>
<arg name="fps" value="30" />
<arg name="visualize" value="true" />
<!--
<arg name="width" value="0"/>
<arg name="height" value="0"/>
-->
```

```xml:編集後
<arg name="camera_name" value="camera" />
<arg name="set_camera_fps" value="2"/>
<arg name="fps" value="2" />
<arg name="visualize" value="false" />
<arg name="width" value="320"/>
<arg name="height" value="240"/>
```

##<font color="#0B3B39">● USBカメラの動作確認</font>

```shell:RaspberryPiで実行
$ roscore
```

```shell:RaspberryPiで実行
$ roslaunch video_stream_opencv webcam.launch
```

```shell:UbuntuPCで実行
$ export ROS_MASTER_URI=http://raspberrypi.local:11311/
$ rosrun rviz rviz
```
UbuntuPC側で起動してきた rviz画面左下の **`Add`** ボタンをクリック。
![146.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/39fd366a-c3a5-0616-13fe-9fb98ee1f261.png)

**`By topic`** タブを選択して **`Image`** を選択し、OKボタンをクリック。
![147.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/63b221b0-6824-78eb-871b-91896bb33193.png)

RaspberryPiに接続されたUSBカメラから、Ubuntu側で起動中のrvizへ正常に映像をPublishできたようだ。
![149.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/2a0e0a31-bda1-d4ea-7860-a0316dcea9ec.png)

#<font color="#08088A">◆ rvizファイルの修正</font>
バグ対応のため、rvizファイルを調整する。

```shell:UbuntuPC側でrvizファイルを修正
$ cd ~/catkin_wsgc/src/cartographer_ros/cartographer_ros/configuration_files
$ nano demo_2d.rviz
```

下記のとおりファイルを修正する。

<details><summary>**demo_2d.rviz の内容**</summary><div>

```demo_2d.rviz
Panels:
  - Class: rviz/Displays
    Help Height: 0
    Name: Displays
    Property Tree Widget:
      Expanded:
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        - /Map1
      Splitter Ratio: 0.600670993
    Tree Height: 322
  - Class: rviz/Selection
    Name: Selection
  - Class: rviz/Tool Properties
    Expanded:
      - /2D Pose Estimate1
      - /2D Nav Goal1
      - /Publish Point1
    Name: Tool Properties
    Splitter Ratio: 0.588679016
  - Class: rviz/Views
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      - /Current View1
    Name: Views
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  - Class: rviz/Time
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    Name: Time
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      Name: Trajectories
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    - Class: rviz/MarkerArray
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      Name: Landmark Poses
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    - Class: rviz/MarkerArray
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      Name: Constraints
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        Inter constraints, different trajectories: true
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        Inter residuals, same trajectory: true
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        Intra residuals: true
      Queue Size: 100
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    - Alpha: 0.699999988
      Class: rviz/Map
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      Name: Map
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      Queue Size: 2
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  Global Options:
    Background Color: 100; 100; 100
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    Fixed Frame: map
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  Name: root
  Tools:
    - Class: rviz/Interact
      Hide Inactive Objects: true
    - Class: rviz/MoveCamera
    - Class: rviz/Select
    - Class: rviz/FocusCamera
    - Class: rviz/Measure
    - Class: rviz/SetInitialPose
      Topic: /initialpose
    - Class: rviz/SetGoal
      Topic: /move_base_simple/goal
    - Class: rviz/PublishPoint
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      Topic: /clicked_point
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  QMainWindow State: 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
  Selection:
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  Tool Properties:
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  Width: 1535
  X: 55
  Y: 14
```

</div></details>

#<font color="#08088A">◆ 地図生成の実行とbagファイルへの記録</font>
ロボットに部屋中を走り回らせて地図を生成する。
床に置かれた障害物が多いため、真空地帯が多数出現する想定。

```shell:RaspberryPiで実行、Masterの起動
$ roscore
```

```shell:RaspberryPiで実行、rosserialの起動
$ rosrun rosserial_python serial_node.py _port:=/dev/ttyACM0 _baud:=115200
```

```shell:RaspberryPiで実行、RFCOMMを有効化
$ sudo rfcomm listen /dev/rfcomm0 1
```

Windows10PC側で TeraTerm を起動し、RaspberryPiへRFCOMM接続する。

```shell:RaspberryPiで実行、zumo32u4の起動
$ rosrun zumo32u4 zumo32u4.py
```

```shell:RaspberryPiで実行、GoogleCartoGrapherの起動
$ cd ~/catkin_wsgc
$ source install_isolated/setup.bash
$ roslaunch cartographer_ros backpack_2d.launch
```

```shell:RaspberryPiで実行、ビデオ撮影
$ roslaunch video_stream_opencv webcam.launch
```

```shell:UbuntuPCで実行、bagファイルへの記録
$ export ROS_MASTER_URI=http://raspberrypi.local:11311/
$ rosbag record /camera/camera_info /camera/image_raw command imu odom scan sensorval
```

```shell:UbuntuPCで実行、rvizの起動
$ cd ~/catkin_wsgc
$ catkin_make_isolated --install --use-ninja
$ source install_isolated/setup.bash
$ export ROS_MASTER_URI=http://raspberrypi.local:11311/
$ roslaunch cartographer_ros backpack_2d.launch
```

##<font color="#0B3B39">● 試行１回目 【失敗事例その１】</font>
電源類を全てバッテリのみでまかなうことに成功したため、ワクワクしながら遠隔操作で初めて単独航行させてみた様子。
![ezgif.com-optimize (11).gif](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/50cb0c27-1b9c-da6c-2e3a-619c1e7c100f.gif)
結果、見事に失敗。
機体の前進と回転に対してマップが追随していない。
LiDARで検出した点群だけがリアルタイムに反応してしまっている。
機体の オドメトリ あるいは IMU を正常に拾えていないのか、はたまた別の理由なのか。
まだ、実装面にバグがありそう。
少し真面目に調べる必要がありそうだ。

##<font color="#0B3B39">● 試行２回目 【失敗事例その２】</font>
rvizの設定におかしなところが複数あったため、内容を見直す。
**[◆ rvizファイルの修正](#-rvizファイルの修正)** に記載の対応を行った。
ウォッチすべきTOPIC名の記載を数カ所間違えていた。
また併せて、Arduinoへ書き込んでいたスケッチにオドメトリが正常にPublishされないバグがあったため修正。
さて、どうかな。
![ezgif.com-optimize (12).gif](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/7148e1ea-215c-9e7b-2ef4-06adf1b83c0a.gif)

またしても失敗。
今度は機体が動く。 動くんだけど・・・高速に動きすぎて一瞬で遥か彼方へ遠ざかってしまう。
もう少し控えめに動いてくれてもいいんだけど。。。
どう見ても、機体と地図のスケールが合っていないように見える。
エンコーダ値の変換の仕方がマズいのだろうか。
また、直進しているはずなのにわずかに斜めに進んでいることになっている。
左右の荷重が均等ではないため、左右のモーターに掛かる負荷が同じにはならず、平等なパワーを与えてしまうと左右の車輪の前進距離に少しずつズレが生じることが分かった。

##<font color="#0B3B39">● 試行３回目 【失敗事例その３】</font>
TF周りのリンクがおかしいのかもしれない、ということで backpack_2d.launch、backpack_2d.lua ファイルの修正とリビルドを実施。

<details><summary>**RaspberryPi側の backpack_2d.launch の内容**</summary><div>

```backpack_2d.launch
<?xml version="1.0" ?>
<launch>
  <param
      name="robot_description"
      textfile="$(find zumo32u4)/urdf/zumo32u4.urdf"
  />

  <node
     name="horizontal_laser"
     pkg="rplidar_ros"
     type="rplidarNode"
     output="screen">
     <param name="serial_port"      type="string" value="/dev/ttyUSB0"/>
     <param name="serial_baudrate"  type="int"    value="115200"/>
     <param name="frame_id"         type="string" value="horizontal_laser_link"/>
     <param name="inverted"         type="bool"   value="false"/>
     <param name="angle_compensate" type="bool"   value="true"/>
  </node>

  <node
      pkg="tf"
      type="static_transform_publisher"
      name="base_link_connect"
      args="0 0 0 0 0 0 /base_link /horizontal_laser_link 100"
  />

  <node
      name="cartographer_node"
      pkg="cartographer_ros"
      type="cartographer_node"
      args="-configuration_directory $(find cartographer_ros)/configuration_files -configuration_basename backpack_2d.lua"
      output="screen">
  </node>

  <node
      name="cartographer_occupancy_grid_node"
      pkg="cartographer_ros"
      type="cartographer_occupancy_grid_node"
      args="-resolution 0.05"
  />
</launch>
```

</div></details>

<details><summary>**RaspberryPi側の backpack_2d.lua の内容**</summary><div>

```backpack_2d.lua
include "map_builder.lua"
include "trajectory_builder.lua"

options = {
  map_builder = MAP_BUILDER,
  trajectory_builder = TRAJECTORY_BUILDER,
  map_frame = "map",
  tracking_frame = "base_link",
  published_frame = "odom",
  odom_frame = "odom",
  provide_odom_frame = false,
  publish_frame_projected_to_2d = false,
  use_odometry = true,
  use_nav_sat = false,
  use_landmarks = false,
  num_laser_scans = 1,
  num_multi_echo_laser_scans = 0,
  num_subdivisions_per_laser_scan = 1,
  num_point_clouds = 0,
  lookup_transform_timeout_sec = 0.2,
  submap_publish_period_sec = 0.3,
  pose_publish_period_sec = 5e-3,
  trajectory_publish_period_sec = 30e-3,
  rangefinder_sampling_ratio = 1.,
  odometry_sampling_ratio = 1.,
  fixed_frame_pose_sampling_ratio = 1.,
  imu_sampling_ratio = 1.,
  landmarks_sampling_ratio = 1.,
}

MAP_BUILDER.use_trajectory_builder_2d = true

TRAJECTORY_BUILDER_2D.min_range = 0.1
TRAJECTORY_BUILDER_2D.max_range = 8.
TRAJECTORY_BUILDER_2D.missing_data_ray_length = 5.
TRAJECTORY_BUILDER_2D.use_imu_data = false
TRAJECTORY_BUILDER_2D.use_online_correlative_scan_matching = true
TRAJECTORY_BUILDER_2D.motion_filter.max_angle_radians = math.rad(0.1)

POSE_GRAPH.constraint_builder.min_score = 0.65
POSE_GRAPH.constraint_builder.global_localization_min_score = 0.7

return options
```

</div></details>

URDFも無駄な記載が多数あったためシンプルに見直し。

<details><summary>**Ubuntu側の zumo32u4.urdf の内容**</summary><div>

```zumo32u4.urdf
<?xml version="1.0"?>
<robot name="zumo32u4">
    <link name="imu">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <origin rpy="0 0 3.14" xyz="0 0 0"/>
            <geometry>
                <mesh filename="package://zumo32u4/urdf/zumo32u4.STL" scale="1 1 1"/>
            </geometry>
            <material name="Grey">
                <color rgba="0.30 0.30 0.10 1.0"/>
            </material>
        </visual>
    </link>
    <joint name="jointimu" type="fixed">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="imu"/>
        <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
    </joint>
</robot>
```
</div></details>

が、状況変わらず。。。
真っ直ぐ動けないのはあとでキャリブレーションするのでともかくとして、依然として並進スピードが早すぎる。。。
現実世界では10cm程度しか移動していないのに10mほど移動したことになってしまう。
![ezgif.com-optimize (12).gif](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/7148e1ea-215c-9e7b-2ef4-06adf1b83c0a.gif)

現時点のTFツリーは下図のとおり整頓。
![155.png](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/194769/b87fbb5e-6fe9-f42e-496c-56243c371f97.png)

#<font color="#08088A">◆ 本日のまとめ</font>

- **[Github](https://github.com/PINTO0309/zumo32u4.git)** を随時更新中。
- 機体は必要な素材がほぼすべて組み込めた。あとは 色素増感太陽電池 と Neural Compute Stick を挿すだけ。
- 電力不足にみまわれるなどの物理的な問題の解消に数日を浪費し、ここまで到達するのに丸一週間かかってしまった、が、未だに成功していない。
- あと少しなのに原因をつかむのが雲をつかむように難しい。
- 「ループクロージャーを有効にすると異常に加速する。」 という Issue を見た気がするが、英文の解釈に自信が無い。
- ~~**良心的な方、同じような問題に遭遇された方、なにとぞ助けてやってください。。。 調べるべきポイントなど、少しのヒントだけでも、ものすごく助かります。**~~

#<font color="#08088A">◆ 次回予告</font>
CartoGrapherによる一部屋分の地図生成検証の継続 あるいは 一時的にGmappingへシフトして一部屋分の地図生成検証、モーター制御のキャリブレーション を行おうと思う。

**【物理的な誤差のダイナミックアジャスト Zumo 32U4 Synchronize Motor】
http://www.abrowndesign.com/2017/02/25/zumo-32u4-synchronize-motor/**

#<font color="#08088A">◆ 次回記事</font>
[RaspberryPi3とZumoとROSで半永久自走式充放電ロボを作成したい\_015日目\_SLAM_自律走行の前準備_CartoGrapherによる自宅の地図作成 【成功！！】](https://qiita.com/PINTO/items/d8fd7a91ee00df7702b7)　へ続く