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説明: 説明: Kato Laboratory

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Kato Laboratory

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125-8585
東京都葛飾区新宿6-3-1
東京理科大学葛飾キャンパス研究棟5F

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説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\spacer.gif飛行ロボット班のシステムは「実機でのRCヘリコプタの自動制御システム」と「遺伝的アルゴリズムによる学習システム」の二つのシステムから構成される.
前者では,実世界でRCヘリコプタの自動制御をファジィ制御により行う.後者では,前者の制御に必要なファジィ制御規則を仮想世界で自動生成する

説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\heli3.JPG

 図1.RCヘリコプタの自律飛行システム

 

ここで,図1の左側の実機でのRCヘリコプタの自動制御の簡単な流れを説明する.
カメラでRCヘリコプタを撮像し,二次元画像情報を取得.
得られた二次元画像情報から,RCヘリコプタの三次元位置座標及び姿勢角度を算出.
算出結果を計測データとして制御部に送信.
制御部では,受信した計測データから制御量を決定.
制御量をRCヘリコプタの制御信号に変換し,RCヘリコプタへ送信.

ファジィ制御器の構築方法として,図1の右側に示しているような遺伝的アルゴリズムによる学習システムにより仮想世界でファジィ制御規則を自動生成し,ファジィ制御器を構築する.
遺伝的アルゴリズムによる学習システムとは,エキスパートの知識の介入がなく,自律飛行における最適な制御規則を自動生成する,効率的な学習システムである.本システムは,生物の進化の概念と最新の遺伝的アルゴリズムを導入している. 本学習システムはシミュレータ,遺伝子型ファジィ制御規則,染色体の増加,遺伝的アルゴリズム技術(エクソン・イントロン,二倍体)より構成され,本システムの概要を簡単に述べる.
シミュレータからヘリコプタの情報を取得する.
ヘリコプタが目標位置にいなければ染色体を発生させる.染色体はDNA情報として,優性遺伝子と劣性遺伝子を持っている.ここで,この遺伝子はファジィ制御規則を情報として持っている.
学習により,目標位置に到達するために必要な最適なファジィ制御規則を生成する.
学習を繰り返すことにより,染色体(ファジィ制御規則)が増加する.
生成された複数の制御規則を用いることによりヘリコプタは制御される.

 

 説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\simurator.jpg説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\room.jpg

 図2.シミュレータと飛行環境

 

本システムでは,図2のような本研究室で独自に開発さたシミュレータを利用している.
シミュレータを使用して実験を行なうことによって,センサ等の実機では必要なコストが削減される.また,現実的には実機では不可能な試行錯誤による学習を可能としている.このシミュレータは剛体方程式を適用することにより開発され,ヘリコプタの位置や姿勢を計算し,シミュレータに機体を表示するので,視覚的に実験および検証を行うことができる.さらに,飛行環境である本研究室を仮想世界で再現することにより,移動制御や障害物回避制御などの研究に展開することができる.
また,ヘリコプタのシミュレータを学習システム中に構築することにより,多数の個体の評価などといった遺伝的アルゴリズムで要求される多量なデータの処理を素早く行い,また,生成されたファジィ制御規則の有効性を視覚的に確認できる.

 

  離陸からホバリング,着陸までの様子

 

 シミュレーションの様子

 

自然特徴を用いた自律飛行ヘリコプタのための計測システム

 RCヘリコプタは垂直離着陸や空中後進,ホバリング等の飛行特性を持ち,三次元空間での移動自由度が非常に高い.この利点を生かし,RCヘリコプタは様々な用途に用いられ,その際の操作の手間やコストを省くべく自律飛行制御が求められている.しかし,安全な自律飛行を実現するためには,自己位置や速度等の情報取得が必要不可欠である. 自己位置の取得にはマーカを撮像し計測を行うものがある.これは,三次元位置や幾何関係が明らかで,特徴の取得が容易なマーカを用いるため,精度の高い計測が可能であるが,対象となる空間に予めマーカを敷設する必要がある,計測範囲が制限されるという問題点がある.またGPSを用いたものがあるが,屋内では計測が不可能である.そこで,本研究では機体に搭載したセンサのみで自己位置の推定を可能とするシステムを提案する.まず,超音波センサにより機体までの対地距離を取得,単眼カメラを用いて床面の自然特徴を取得し,これらの情報からオプティカルフローを求め,機体の移動距離を推定する.

 手動飛行

 

 飛行制御

 

RCヘリコプタの自律障害物回避の研究

 従来研究ではコストが掛かり過ぎているとともに,障害物の回避動作一つするにもヘリコプタ本体以外に外部に制御用のPC等が必要であった為システム自体が大きなものとなっていた.そこで,RCヘリコプタの障害物回避を外部装置なしで行うことを目的とし,入手性の良いものを使いコストを削減することを目指し,小型なシステムによるRCヘリコプタの障害物の自律回避システムの構築を目指す.
本システムは図3のような周囲に配置した超音波センサによって距離を測定し,その測定値によって回避動作をとるかどうかを決定する.センサの制御,パルス信号の生成,出力をPSoCマイクロコントローラのみによって制御することによりシステムの小型化,コストの削減を可能にした.

 説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\image.gif

  図3.自律障害物回避システム

 

 障害物回避の様子

 

 小型ヘリコプタの飛行安定化に関する研究

 小型ヘリコプタは風などの外乱に弱く、その影響により急激な速度変化や姿勢角の変化が生じ、飛行中の挙動が不安定になってしまう。そこで、本研究では機体に慣性センサを搭載して挙動の変化を計測し、その変化を抑制する制御を加えることで飛行の安定化を目指す。
本システムは機体内部で計測と制御を一貫して行え、その構成を図4に示す。また、本システムは上記の自律障害物回避の研究と同様、PSoCマイクロコントローラによって制御演算、制御信号生成を行うことによって、小型化、コストの削減を可能にした。

 

 説明: 説明: D:\share\新しいフォルダー\html_2016_9_27\tani.jpg

  図4.自律障害物回避システム

 

 制御ありの場合

 

制御なしの場合

 

  外部発表一覧

 

タイトル

発表者

発表学会

発表年

Systematization of flight instruction and control for autonomous helicopter

Yuto Matsuzawa
Yuta Tozaki

Yuji Kameda

Masuhiro Nitta,
Kiyotaka Kato

International Conference on Control, Automation and Systems 2012

2012

屋内における小型ヘリコプター制御のための超音波センサを用いた位置・姿勢計測

岡崎真悟,
鐘築遥,
新田益大,
加藤清敬

計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会2010
(2010.11.26)

2010

自然特徴を用いた自律飛行ヘリコプタのための自己位置推定

工藤壮,
田口靖哲,
新田益大,
加藤清敬

53回自動制御連合講演会
(2010.11.6)

2010

自律飛行ヘリコプタの飛行指令の体系化および制御システムの構築

掛野真弘,
石川和也,
岡崎真悟,
新田益大,
加藤清敬

53回自動制御連合講演会
(2010.11.6)

2010

屋内における小型ヘリコプター制御のための超音波による3次元位置・方位計測

鐘築 遥,
鵜生川 和史,
山根裕平,
新田益大,
加藤清敬

計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会2009
(2009.11.25)

2009

シミュレータにおける詳細なヘリコプタモデルと周辺環境モデルの構築

芳田章行,
荻野和政,
加藤清敬

51回自動制御連合講演会

2007

Autonomous Flight Control System with Multiple Cameras

Kazumasa Ogino, Toshikazu Tanaka, Masuhiro Nitta,
Kiyotaka. Kato

CACS International Automatic Control Conference 2007 November 11, (CD-ROM)

2007

Autonomous Flight Control for a Small RC Helicopter

Toshikazu Tanaka, Daisuke Sasaki, Kentaro Matuyama, Yuichiro Morikuni,
Kiyotaka.Kato

SICE-ICCAS International Joint Conference 2006

2006

RCヘリコプタの
知的制御

松宮健太郎,
佐々木大輔,
森國雄一朗,
露崎規彦,
加藤清敬

計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会

2005

単眼視による位置計測
システムを用いたRCヘリコプタの自律飛行制御

佐々木大輔,
松宮健太郎,
森國雄一朗,
露崎規彦,
加藤清敬

48回自動制御連合講演会

2005

単眼カメラによるRCヘリコプタの位置・姿勢計測に関する研究

露崎規彦,
落合健志,
加藤清敬

47回自動制御連合講演会

2004

進化的仮想学習によるヘリコプターの飛行制御

亀井貴之,
笹原和磨,
加藤清敬

日本ロボット学会
創立20周年記念学術講演会

2002

Helicopter Flight Control through “Evolutional Virtual Learning”

Kazuma Sasahara,
Kiyotaka Kato

2002 Japan-USA symposium on Flexible Automation 389-394, (2002.7.15)

2002

飛行ロボットにおける強化学習による仮想学習

大矢健太郎,
加藤清敬

日本ロボット学会創立20周年
記念学術講演会講演概要集

2002

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