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kadota b

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kadota b

  1. 1. 搭載カメラからの画像情報を用いた 自律飛行船の位置制御に関する研究 複雑系工学講座 調和系工学分野 4年 角田久雄
  2. 2. 目的 背景  飛行船は3次元空間を移動できる -災害時の建造物における被害状況や被災者の有無の調査 ● 画像情報を用いて、ランドマークを認識することで、 飛行船の位置制御を行う ・障害物の回避 ・移動物体の追従 対象を認識することによる、自己の位置制御 近年のカメラの軽量化により小型飛行船にも搭載できるようになった 小型飛行船 ・搭載物の重量制限 - 重量のあるセンサや、大型のプロペラを搭載できない ・外乱に弱い -小型のプロペラでは制御が難しい 自律飛行に対する重要なタスク ・自律飛行船の実現 ・目標位置への移動 ・被災建造物内における情報収集のための小型レスキューロボットの研究開発 [2001,薮内] ・自律型飛行ロボットの目標物追従に関する研究 [2002,塚本]
  3. 3. 飛行船 円柱型飛行船 ― 高さ:62.5cm、直径:64.5cm ●機体上部 - 上昇・下降用プロペラ ●機体下部 - 前後左右移動用プロペラ - 回転動作を行わなくても、どの方向にもダイレクトに動くことが可能 ・ X、Y、Z軸それぞれ別々に推力を発生することができる ・ カメラが下向きに固定されて取り付けられている - 回転してしまっても相対的にどの方向に推力を発生すればよいかわかる 制御部 送信部 カメラ映像 プロペラ 出力命令 プロペラ 制御信号 ・ コンピュータ ・ コントローラ ・ 映像受信機 Y X Z
  4. 4. 実験タスク ・飛行船は、浮力を用いて宙に浮いているという特徴を持つ -中性浮力をうまく実現することが困難 -空気の流れにも流されやすい 定位置に留まる制御でさえ困難である 自律飛行の基礎タスク ● 飛行船を、定位置に留まらせる ・ランドマーク - 直径50cmの赤い円 円の中心の上空175cmの地点に留まる 自己位置の特定 認識 環境中から赤系統のものを排除し、 円を認識しやすいような環境を構築 応用 ・離れた地点から、目標地点への移動 ・移動する目標地点と共に移動しながら停滞
  5. 5. 円の認識 飛行船の地上からの高さにより変化 直径 円の中心座標 平面上における、円と飛行船の 位置関係により変化 Y X 中心座標 直径 ランドマークの認識 ○自己位置を制御するには、円を認識する必要がある 水平面制御 高さ制御
  6. 6. 円の認識アルゴリズム ① 0 255 実環境下において事前に撮影した複数の画像をもとに、円を表わす ピクセルのR・G・Bの濃度を調査し、円以外の物体を認識しないよう な上限値と、下限値をR・G・Bの濃度に対して設定 ② 単純に範囲内に収まるようなピクセルを全てを円と判断するのでは、 他物体や雑音を拾ってしまう可能性がある 周辺25ピクセルが上限、下限値の範囲内に収まるような円の内部点を 一点求める R G B
  7. 7. ③ ④ ②により求められた、一点から、周囲方向に走査していきエッジ点を検 出するまでに走査されたピクセル全てを円と判断する。 エッジ点の検出にはSobelフィルタを用い、フィルタ 処理後の画素値がある値より大きい時に、その点 をエッジ点とした - ③により3点以上のエッジ点を検出できれば、 円の中心座標 (xc,yc) と直径 d [pixel]を推測 することが出来る 22 3 2 3 22 2 2 2 22 1 2 1 )2/()()( )2/()()( )2/()()( dycYxcX dycYxcX dycYxcX    円の認識アルゴリズム Y X ),( 11 YX ),( 22 YX ),( 33 YX),( ycxc d
  8. 8. 偏差の算出 ●画像から得られる円の中心座標、直径から自己位置に対する目標地点までの 偏差の算出 xc yc Y X d ・ 画像における直径 : d [pixel] ・ 実直径 : 50 [cm] ]/[ 50 pixelcm d l ≒ ・X、Y軸方向 ・ 円の中心座標 (xc , yc) ・ 事前に飛行船の地上からの高さ h [cm] における画像中の円の直径 d [pixel] を調査 近似式で表わす ][ 10530 cm d h≒ ・Z軸方向 ●目標地点までの偏差 H d ez  10530 目標高さ H d 10530 d ze lxcex ・ lycey ・ ●目標地点までの偏差 h [cm] d [pixel] 75 140 100 104 125 84 150 71 175 61 200 53 225 47 250 43 275 38 300 35 325 32 350 30
  9. 9. 制御方法 ●ON-OFF制御 欠点-目標地点に対して振動が生じてしまう 利点-アルゴリズムが簡単 ●PID制御 利点 -比例動作・積分動作・微分動作を組み合わせた制御方法であるため目標値に 対してオフセットが生じない 欠点-パラメータの数が多く、パラメータの調節が困難 ●P制御 ・ 目標位置に対して、多少のオフセットが生じてしまうが、パラメータの数が少なくアルゴリズム も単純である nn eKpm  Kp : 比例定数 nm : 時刻 Tn における発生推力 ne : 時刻 Tn における偏差 T : サンプリング間隔 ・屋内用バルーン型ロボットの設計とモデル化 [2003, 柳沢] - シュミレーションによる円柱型飛行船のP制御を用いた目標地点への移動 ※円を見失った場合 → 上昇 - 偏差を求めることができない
  10. 10. 実験 実験1 実験2 実験3 ・プロペラを全く駆動しないときの飛行船の動き ・P制御 ・P制御 比例定 数 : 比例定 数 : 100/1,50/1,50/1  zyx KpKpKp 100/1,200/1,200/1  zyx KpKpKp 外乱の影響 比例定数を変化
  11. 11. ・ 徐々に初期位置から離れて行き、T=51において、円を見失っている ・ また、このような実験を更に5回行ったが、平均 で 約 50 秒 で円を見失っている 実験回数 [回] 1回 2回 3回 4回 5回 円を見失うまでの時間 [秒] 25 19 27 108 72 飛行船は多少の空気の流れにも敏感に反応してしまい定位置に留まっていることは困難 実験結果1 時間経過 T[sec] と X,Y,Z軸方向の制御偏差 [cm] の関係zyx eee ,, X軸 Y軸 Z軸 プロペラは全く駆動しない
  12. 12. 実験結果2 比例定数 : 100/1,50/1,50/1  zyx KpKpKp
  13. 13. 時間経過 T[sec] と X,Y,Z軸方向の制御偏差 [cm] の関係zyx eee ,, 比例定数 : 100/1,50/1,50/1  zyx KpKpKp X軸 Y軸 Z軸 考察 実験結果2 ○意図しない回転動作が起こってしまっても、カメラ画像により、相対的な円 の位置情報を得ることにより、正しい方向に推力を発生できるため、目標地 点へ向かって行くことができる ・目標地点付近で常に行動している (充電池が切れるまで約38分間)
  14. 14. 実験結果3 時間経過 T[sec] と X,Y,Z軸方向の制御偏差 [cm] の関係zyx eee ,, 比例定数 : 100/1,200/1,200/1  zyx KpKpKp X軸 Y軸 Z軸 ○比例定数が小さかったため、発生推力が小さく、応答性が悪くなって しまった ・目標地点に対する振幅が大きい ・目標地点へ再び戻ってくるまで時間がかかった 考察 ○比例定数の調節が重要
  15. 15. まとめ ・単純な比例制御により、パラメータをうまく調節する ことで、充電池が切れるまでの約38分間、定位置か ら短距離内で安定して留まらせる位置制御を行うこ とができた ・円柱型飛行船を製作した ・定位置に留まることを目的とした位置制御に対す る実験を行った

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