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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移動ロボットグループでは自律移動型ロボットの経路計画に関する研究を行っています。経路計画とは、ロボットが目的地まで安全に到達するための経路を作成することです。
本研究では、人工ポテンシャル法と任意境界を補完するスプライン曲面を利用することで、高速な経路計画の実現を目指しています。経路計画以外にも、RT- Linuxを用いたロボットの移動制御や外界センサを用いた障害物回避も行っており、ソフトとハードの両面から移動ロボットの制御に関する研究を進めてい ます。

ロボットの移動制御は、非常に短い間隔で制 御量の計算を行う必要があります。そこでRT-Linuxを利用したリアルタイム制御を行っています。RT-LinuxはリアルタイムOSと呼ばれるOS のひとつです。Windowsがミリ秒単位の制御しか行えないのに対し、RT-Linuxではμ秒単位での制御が可能となります。こうした特徴を利用し、 ロボットが安全に目的地に到達できるような制御を行います。
経路計画ではまず、計算機内に構築した仮想環境下で移動経路のシミュレーションを行います。シミュレーションの結果、作成された経路が安全であると判断さ れた場合に実際のロボットが駆動するような仕組みとなっています。また、ロボットの通過する経路は、スプライン関数を用いて作成しています。

 自律移動ロボットにおける巾木を利用したSLAM

  移動ロボットが屋内環境において自律的に移動する場合,経路計画のためにその環境の地図が必要となる.その地図を作成する方法として,環境情報の取得と,その取得情報を用いた自己位置推定を常に行うSLAM(Simultaneous Localization and Mapping)が有効であり,盛んに研究されている. そこで,本研究では環境中のドア位置を取得し,その位置をランドマークとするSLAMによる地図作成の手法を考案した.屋内環境におけるドアは,通路や部屋間を繋ぎ,人が出入りを行うためにあり多く設置されているため,自己位置推定を行うためのランドマークとして扱うのに適している.また,そのドア検出法には巾木の認識による方法を適用した.この手法は,カメラを用いて巾木を認識し,その途切れ目を検出することでドアの両端の位置を検出する方法であるため,壁の形状や状態によらずドアを検出することができる.さらに,ランドマークとするドアの位置計測の遠方誤差を軽減するために,巾木の認識による位置算出手法を提案した.これは,ドアと巾木は壁に沿って設置されていることを利用したもので,巾木を認識することで壁を認識し,LRFを用いてロボットに近接する壁のグローバル座標系における直線式を求めることで,その直線上の遠方のドア位置を求める.これらの手法を用いることで,ロボットはドアの位置を正確に検出するとともに自己位置を補正した.そして,本研究の検証として実際の環境において,移動ロボットを用いてSLAMによる地図作成を行い,より正確な地図作成の検証を行った.

 ドア検出の様子

 人工ポテンシャル法を適用した移動ロボットの動作計画

  移動ロボットの動作計画法には,ロードマップ法,セル分割法,人工ポテンシャル法などが存在するが,この中でも人工ポテンシャル法は,アルゴリズムがシンプルであり,応答性に優れている.しかし,一般的な手法では目標位置以外で停止してしまう停留現象が存在する.停留点の存在しない手法としてはラプラスポテンシャル法や流体ポテンシャル法があるが,前者は計算時間がかかり,後者は複雑な形状に対応できないという問題がある.また,停留点の少ない手法に任意境界スプライン曲面を用いた人工ポテンシャル法がある.これは,任意の形状の境界を補間することができ,さらに全ての境界を考慮してポテンシャル場を生成しているので停留点は少ないが,停留現象の完全な解決には至っていないといえる.
 そこで,本論文では全領域を目標位置への距離関数として表現し,得られた距離関数をポテンシャル場に利用することを提案する.さらに,拘束条件を付与することにより様々な移動制御を実現する.
 本研究の動作計画法を下図に示す.移動ロボットが障害物を回避しながら目標位置まで移動する.領域の上に表示されている曲面がポテンシャル場であり,曲面の中に描かれている線がポテンシャルの等高線である.この等高線からもわかるように,本研究で用いるポテンシャル場に停留点は存在しない.これは,目標位置までの単調減少関数をポテンシャル場として利用している本手法の特徴である.

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

 拘束条件あり

 拘束条件なし

 

 ビークルの衝突回避~実環境でのリアルタイム制御~

 ビークルを予め定められた経路を移動させる移動制御は長年多く行われてきたことである.しかし,このような比較的単純な制御に対して,突発的な出来事に対する制御は機械では難しく,人間の判断にゆだねられている事が多い.そして,人間の判断ミスや無謀な運転によって重大な事故が続発していることが現状である.そこで,絶対に他者と衝突しない自律移動ビークルの実現が望まれている.
 ビークルの衝突回避に関しては,マイクロ波やミリ波レーダを用いた車間距離制御技術や,ステレオカメラを用いた歩行者認識技術が開発されている.しかし,さまざまな状況に対してビークルが自律的に危険を回避するシステムは実現されていない.このようなシステムを実現するためには周辺状況の的確な把握とそれを元にした実時間による衝突回避のための動作計画がなされなければならない.
 そこで,本研究ではビークルの動作計画として,任意境界を補間するスプライン曲面を使用した人工ポテンシャル法を利用する.この方法は演算速度が速く,複雑な形状の障害物にも対応できるため,障害物を含む環境であってもリアルタイムに待機や回避といったロボットの制御を行うことができる.また,本研究では周辺状況の把握のために,超音波センサを複数使用してビークル前方の広範囲な障害物認識を行う.これらの障害物の位置情報を任意境界スプライン曲面による方式に適用し,ポテンシャルを変化させることによって,周囲の環境変化をリアルタイムに取り入れた経路の生成を行う.
 この方法により,予め決められた経路を進むのではなく,時々刻々と変化する環境の中において,状況に応じて経路を選択しビークルを目的地まで移動制御させることが可能となる.すなわち,移動体は知的に障害物を避け目的地に移動できることを示す.

 

 

屋内自然特徴点によるSLAMを用いた
自律移動ロボットの動作計画

 自律移動ロボットの動作計画には,経路生成と自己位置推定が必要とされる.経路生成法の一つである,人工ポテンシャル法1)はそのシンプルなアルゴリズムから柔軟な経路計画が可能となる.そこで我々は,面補間および領域消去法を適用した任意境界スプライン曲面による人工ポテンシャル法により,実時間で動的環境にも対応可能な動作計画2)を実現させた.しかしながら,このシステムは未知空間での適用を考慮していないため予め環境地図を与えておく必要あり,またデッドレコニングのみの自己位置推定は誤差が積算してしまう問題があった.

ところで近年,SLAM 3)(Simultaneous Localization And Mapping) 技術が盛んに研究されている.SLAMとは,ロボット自らが周囲の環境情報を取得し,環境地図作成と自己位置推定を同時に行う手法である.結果,SLAMを導入することでロボットは未知の環境においても行動が可能となる.そこで,このSLAMと我々の実時間動作計画とを統合することにより,未知空間においても正確な自己位置を把握し,実時間で柔軟に動作できる移動ロボットの動作計画の実現が可能であると考えられる.

そこで本研究では,SLAM導入の一環として屋内自然特徴点を利用した自然ランドマーク法を採用する.ロボットが環境から自然ランドマークの構築および自己位置を計測し,そして人工ポテンシャル法により決定した経路に従い実時間で移動するシステムを実現する.

 

 

環境変化を考慮した移動ロボットのリアルタイム制御

 ロボットの動作計画では,ロボットが目標点までの経路を自動的に生成し,経路上に障害物が存在する場合は回避行動をとる動作計画が必要である.そのためには,環境変化に対してロボットがリアルタイムで動作しなければならない. 従来の実機による移動ロボットの研究では,ランダム性を用いたロードマップ法[1]やラプラス・ポテンシャル方[2]が提案された.しかしながら,前者では演算時間にばらつきがあり経路に再現性がないこと,後者では未知の障害物により環境が変化するとロボットを停止させなければならないことなどの欠点があり,リアルタイムでの動作が不向きである. そこで,本研究ではこれらの問題点を解決するため任意境界スプライン曲面[3]を用いたリアルタイム制御を提案した.この曲面は形状を任意に決定でき,境界稜線をブレンディングするだけで求めることができるため,高速に演算することが可能となる.また,超音波センサを複数用いて複数の障害物を同時に検出したときの動作計画を行えるようにし,さらに,カメラによってランドマークの認識を行うことで,デッドレコニングで求めた自己位置を補正する.これらの手法を用いて,ロボットは加減速のサーボデータをリアルタイムで生成し,複数障害物の出現や自己位置補正といった環境変化にリアルタイムで対応した.そして,実際の空間での動作計画を行い,リアルタイムでのモーション制御を実現する.

 

 

1組の入出力データによる最適な制御器の設計

 制御対象の特性が未知のフィードバック制御系において,制御器を適切に設計するために,複数回の実験を行い制御対象の伝達特性を同定する手法が通常用いられる.それに対し,制御対象を同定せずに実験データを直接用いて制御器を設計する方法がいくつか提案されている.それらの中でも特に1回の実験データから最適な制御器を設計する方法としてVRFT (Virtual Reference Feedback Tuning) 1)NCbT (Noniterative Correlation-based Tuning) 2)などがあり,制御器設計にかかる時間やコストを低減することが期待されている. VRFTPID制御器のようないくつかのパラメータで構成される制御器を含むフィードバック系の参照モデルを考え,その参照モデルの応答が実験により得られたデータに近くなるように最小二乗法を用いてパラメータを最適化する手法である.ところが,VRFTはデータが雑音を含む場合には最適な制御器を設計できないという問題がある. それに対し,NCbTは参照信号と雑音との間の相関関数を考え,両者が相関を持たないように制御器パラメータを決定することで雑音の影響をなくすという手法である.このNCbTは雑音を含むデータからでも最適な制御器を設計できるが,雑音と参照信号の間に相関がない場合に限られる. そこで本研究では,あらゆる雑音を除去するために,スプライン関数3)を最小二乗法によりデータにフィッティングする手法を提案する.また,システムの線形性を利用して雑音を除去した1組のデータから最適な制御器を設計する手法を提案する.

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

  外部発表一覧

 

タイトル

発表者

発表学会

発表年

Comparison of VRFT, NCbT and VRFT with Spline Fitting

Keisuke Kubota
Nobuhiko Koyama

Ichiro Kitamuki
Masuhiro Nitta

Kiyotaka Kato

International Conference on Control, Automation and Systems 2012

2012

Survey of a Controller Design Method Based on Experimental Data and a Proposal of Data Conversion Method

Nobuhiko Koyama
Keisuke Kubota

Ichiro Kitamuki
Masuhiro Nitta

Kiyotaka Kato

International Conference on Control, Automation and Systems 2012

2012

自律移動ロボットにおける巾木を利用したSLAMの精度向上

伊藤翔太,
高山翔,
新田益大,
加藤清敬

精密工学会大会学術講演会2012

2012

スプラインフィッティングおよび制御対象の線形性を用いた入出力データに基づく制御器設計

北向一朗,
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2011
(2011.11.22)

2011

未知の障害物を考慮した移動ロボットの動作計画

塩野谷潔,
新田益大,
加藤清敬

精密工学会大会学術講演会2011

2011

影を利用した障害物検出法を搭載した天井吸着型ロボット

竹本裕太,
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

自律移動ロボットにおける巾木を利用した自己位置推定法

高山翔,
末弘達人,
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

自律移動ロボットにおける巾木の認識によるドア位置検出と地図作成

末弘達人,
打田一平,
新田益大,
加藤清敬

52回自動制御連合講演会
(2009.11.22)

2009

複数の障害物を考慮した移動ロボットの動作計画

高橋智昭,
打田一平,
新田益大,
加藤清敬

精密工学会2009年秋季大会
(2009.9.10)

2009

スプライン曲面を適用した移動ロボットの動作計画
~停留問題の回避~

打田一平,
杉田匡史,
蓮田収,
新田益大,
加藤清敬

精密工学会2008年秋季大会
(2008.9.18)

2008

Motion control for a collision-free vehicle

Osamu Hasuda, Hiromi Sato, Masashi Sugita,
K.Kato

CACS International Automatic Control Conference 2007November 10, (CD-ROM)

2007

Motion Control of Autonomous Mobile Robot with a Camera

Masashi Sugita, Osamu Hasuda, Hiromi Sato, K.Kato

CACS International Automatic Control Conference 2007November 10, (CD-ROM)

2007

Motion control for mobile robot with surface driven interpolation

H.Sato, J.Tanaka,
Y.Morikuni, T.Hoshino,
K.Kato

2006 International symposium on flexible automation
pp.928-933(2006.07.11)

2007

スプライン曲面を適応した
移動ロボットの動作計画

星野哲也,
田中純一,
森國雄一朗,
佐藤大海,
加藤清敬

精密工学会2006年春季大会
(2006.03.15)

2006

スプライン曲面を適応した
移動ロボットの動作計画

徳永紘典,
田中純一,
加藤清敬

精密工学会誌論文集
71
8985-989

2004

ポテンシャル法におけるスプライン曲面を適用したロボットの動作計画~環境の変化に対応した動作計画~

田中純一,
徳永紘典,
加藤清敬

精密工学会2004年春季大会

2004

ポテンシャル法におけるスプライン曲面を適用したロボットの動作計画

徳永紘典,
飯島久典,
加藤清敬

精密工学会2004年春季大会

2002

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