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PID制御を利用した室内用飛行船ロボットの
動作設計に関する研究
調和系工学研究室 角田 久雄
背景
 飛行船ロボットの持つ問題点
 気流や慣性の影響 プロペラによる発生推力の非線形性
・定位置に留まることを目的とした研究 [S. Zwaan, 2002][塚本, 2003]
・直線的な移動を目的とした研究 [J. Kobayash...
目的
• 定位置保持
• 直線移動
• 回転
 基本動作:
 要求動作を基本動作の組合わせにより実現する
制御システムの構築
基本動作を精度良く実行
点検・観測などにおける要素動作
点検時の周辺状況確認などにおける要素動作
目的地間の移動に...
飛行船ロボット
1.05 [m]
0.83
[m]
円柱型飛行船 バルーン部
アルミ蒸着フィルムによる製作
搭載物の重量を考慮したサイズ設計
駆動部 : 128.61 [g], 制御部・センサ部 : 191.77 [g], 電池 : 69.72...
位置取得
 カメラによる位置情報の取得
① 画像処理による円認識
② 中心座標の移動推移から飛行船ロボットの位置座標,ヨー角度計算
(I) (II) (III)
環境中のランドマークを画像処理により認識し,
飛行船ロボットの位置情報を計算 Y...
コントローラ
:)(tm 操作量 (推力 [g]) :)(te 目標状態までの偏差 :T サンプリング時間 ( = 0.3
[sec])
 PID制御
 


T
Ttete
KTteKteKtm xx
DxxIxxPxx...
動作設計
基本動作1:目的地Aへの直線移動制御
動作1の終了条件達成
Yes
No
基本動作2:目的地Bへの直線移動制御
動作2の終了条件達成
Yes
No
基本動作3:目的地Bでの定位置保持制御
動作3の終了条件達成
Yes
No
(例)
...
基本動作遂行の制御パラメータ
 定位置保持 (2種類) KP KI KD
定位置付近での動作 0.08 0.010 0.015
定位置から数 [m] 離れた場所からの動作 0.02 0.00001 0.045
※xy平面移動のパラメータ yD...
実験概要
 実験1 : 様々な軌道を生成
 十,三角形上の頂点間の移動 (各頂点:ウェイポイント)
 実験2 : 多様な動作を実現
 三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動
実験概要
 十,三角形上の頂点間の移動 (各頂点:ウェイポイント)
• 各頂点から50[cm]以内に進入後,移動する頂点を変更
• 移動する頂点の変更後,回転を行いながら移動
• 高さ一定 (床から200[cm]の高さを保持)
X
頂点1 直...
実験1
 十角,三角形上の頂点間を移動
十角形
Z [cm]
X [cm]
Y [cm]
三角形
ヨー角度θの時間推移
θ [rad]
ヨー角度θの時間推移
3次元移動軌跡 3次元移動軌跡
-2.72
-2.04
-1.36
-0.68
0
...
実験概要
 実験1 : 様々な軌道を生成
動作2 :
• 各頂点で定位置保持(30秒)を行った後,120度回転し
再び定位置保持(30秒)
動作1 :
• 各頂点から50[cm]以内に進入後,移動する頂点を変更
• 常に一定方向を向いた状態で...
実験2
 三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動
動作2
3次元移動軌跡
Z
[cm]
X
[cm]
Y
[cm]
ヨー角度θの時間推移
-2.72
-2.04
-1.36
-0.68
0
0.68
1.36
2.04
2.72
...
まとめ
 室内用飛行船ロボットを製作した
 実用化へ向け要求される動作は定位置保持,回転,直線移動
などの基本動作の連続実行で実現可能であることに着目し,
• 頂点の配置を変更することで,様々な軌道に対する動作を実現
• タスクに対する要求...
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  1. 1. PID制御を利用した室内用飛行船ロボットの 動作設計に関する研究 調和系工学研究室 角田 久雄
  2. 2. 背景  飛行船ロボットの持つ問題点  気流や慣性の影響 プロペラによる発生推力の非線形性 ・定位置に留まることを目的とした研究 [S. Zwaan, 2002][塚本, 2003] ・直線的な移動を目的とした研究 [J. Kobayashi, 2002] 制御システムの構築が課題 個々の動作のみの達成では,実用化へ向け不十分 (ex) 高所点検,撮影 • 目的地への移動 → 直線移動,軌道追従 • 目的地での点検・撮影作業 → 定位置保持,回転 × × × 初期位置 移動 点検 箇所 点検 箇所点検 箇所 定位置保持 回転 エンターテイメント飛行 高所点検  室内用飛行船ロボット実用化へ向け要求される動作 個々の動作の組み合わせにより 複数箇所の点検作業を実現可能 ・回転と定位置保持に基づくインタラクティブロボットの開発 [西村, 2004] Blimp 基本的な動作の組合せにより多くの動作が実現可能
  3. 3. 目的 • 定位置保持 • 直線移動 • 回転  基本動作:  要求動作を基本動作の組合わせにより実現する 制御システムの構築 基本動作を精度良く実行 点検・観測などにおける要素動作 点検時の周辺状況確認などにおける要素動作 目的地間の移動における要素動作 基本動作を連続して実行することで様々な動作を実現 • 目的地への移動 → 直線移動,軌道追従 • 点検・撮影作業 → 定位置保持,回転 直線移動の組合せで,様々な軌道の移動を実現
  4. 4. 飛行船ロボット 1.05 [m] 0.83 [m] 円柱型飛行船 バルーン部 アルミ蒸着フィルムによる製作 搭載物の重量を考慮したサイズ設計 駆動部 : 128.61 [g], 制御部・センサ部 : 191.77 [g], 電池 : 69.72 [g] 制御部 T-Engineボード CPU : M32104 (216 MHz) SDRAM :16MB センサ部 x y z 駆動部 プロペラの回転時間により推力を調整 サンプリング時間 0.3 [sec]内にプロペラ回転 のON-OFFを切り替えるタイミングを10回設定 t Tt  0 1 2 3 4 8 9 ON OFF 105 76 ARカメラ 画像 : 160 ×144 [pixel]カラー : RGB16bit プロペラ・モータユニット 6組 (各軸に2組ず つ)
  5. 5. 位置取得  カメラによる位置情報の取得 ① 画像処理による円認識 ② 中心座標の移動推移から飛行船ロボットの位置座標,ヨー角度計算 (I) (II) (III) 環境中のランドマークを画像処理により認識し, 飛行船ロボットの位置情報を計算 Y X Y X Z 100 [cm] 実験環境 幅 : 500 [cm] 奥行 : 600 [cm] 高さ : 500 [cm] [IAV2004, H. Kadota] • CPUの性能(216MHz)を考慮し,画像処理を工夫する必要性 (I) : 160×144 [pixel] の画像を8 [pixel]おきに使用 → 20×16[pixel] 閾値処理によるROI抽出 Sobelフィルタによるエッジ点検出 エッジ点から中心座標を計算 (II) : ROIの周囲点からの走査によるエッジ検出処理 処理時間およそ0.2[sec] 得られた位置情報をもとに制御を行なう モータコントロールのサンプリング時間 0.3[sec]内に 処理を実行
  6. 6. コントローラ :)(tm 操作量 (推力 [g]) :)(te 目標状態までの偏差 :T サンプリング時間 ( = 0.3 [sec])  PID制御     T Ttete KTteKteKtm xx DxxIxxPxx )()( )()()(x軸 : :KP :KI :KD比例ゲイン 積分ゲイン 微分ゲイン     T Ttete KTteKteKtm yy DyyIyyPyy )()( )()()(y軸 :     T Ttete KTteKteKtm zz DzzIzzPzz )()( )()()(z軸 :     T Ttete KTteKteKtm DIP )()( )()()(  θ : )()()(1 tmtmtm y  )()()(2 tmtmtm x  )()()(3 tmtmtm y  )()()(4 tmtmtm x  )()(5 tmtm z 各プロペラ①~⑥に対する操作量の決定 X Y x y xe ye e① ② ③ ④ Z Y ze ⑥  PID制御による飛行制御  速度監視項である微分動作を含むため,慣性に対してロバスト ⑤ )()(6 tmtm z ※ プロペラ①~④を用い,位置とヨー角に関する制御を遂行
  7. 7. 動作設計 基本動作1:目的地Aへの直線移動制御 動作1の終了条件達成 Yes No 基本動作2:目的地Bへの直線移動制御 動作2の終了条件達成 Yes No 基本動作3:目的地Bでの定位置保持制御 動作3の終了条件達成 Yes No (例)  要求動作を,基本動作の組み合わせで実現 • 各基本動作に対して動作終了条件を設定し,動作達成後に次の基本動作を実行 動作1の終了条件: 目的地Aからε[cm] 以内へ到達 動作2の終了条件: 動作3の終了条件: 目的地Bからε[cm] 以内での 定位置保持を30秒達成 ・回転 → ヨー角制御 ・定位置保持 → 位置制御 ・直線移動 → 移動速度,位置,ヨー角制御 各動作に対して制御パラメータ の設定が必要 目的地Bからε[cm] 以内へ到達  基本動作
  8. 8. 基本動作遂行の制御パラメータ  定位置保持 (2種類) KP KI KD 定位置付近での動作 0.08 0.010 0.015 定位置から数 [m] 離れた場所からの動作 0.02 0.00001 0.045 ※xy平面移動のパラメータ yDxyIxyPx KKK ,,, ,,  数種類のパラメータ設定を事前に用意し,直交表を用いた予備実験により, 各基本動作(19種類)に対するパラメータを決定 各パラメータ設定に対し3回の予備実 験)  回転 (7種類) KP KI KD 0, -45, ±90度回転 1.5 0.01 6.0 45度回転 2.0 0.01 3.0 180度回転 2.0 0.01 9.0 -180度回転 1.5 0.01 9.0  DIP KKK ,,  直線移動 (2種類 : 2, 3m の移動) KP KI KD 設定1 (移動速度:2m : 8 [cm/s], 3m : 10 [cm/s]) 0.01 0.000001 0.0 設定2 (移動速度: 2m : 13 [cm/s], 3m : 16 [cm/s]) 0.02 0.000001 0.0 設定3 (移動速度: 2m : 18 [cm/s], 3m : 28 [cm/s]) 0.04 0.000001 0.0 設定4 (移動速度: 2m : 27 [cm/s], 3m : 36 [cm/s]) 0.08 0.000001 0.0 設定5 (移動速度: 2m : 32 [cm/s], 3m : 38 [cm/s]) 0.10 0.000001 0.0 のみに着目し,各3つずつ用意した予備パラメータより選定 ※ヨー角度制御用のパラメータ のみに着目し,各3つずつ用意した予備パラメータより選定 ※xy平面移動のパラメータ yDxyIxyPx KKK ,,, ,, のみに着目し,移動距離や目的地の配置等により値を変更
  9. 9. 実験概要  実験1 : 様々な軌道を生成  十,三角形上の頂点間の移動 (各頂点:ウェイポイント)  実験2 : 多様な動作を実現  三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動
  10. 10. 実験概要  十,三角形上の頂点間の移動 (各頂点:ウェイポイント) • 各頂点から50[cm]以内に進入後,移動する頂点を変更 • 移動する頂点の変更後,回転を行いながら移動 • 高さ一定 (床から200[cm]の高さを保持) X 頂点1 直線移動 回転 頂点2X Blimp 十角形:30度 三角形:120度  実験1 : 様々な軌道を生成  実験2 : 多様な動作を実現  三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動
  11. 11. 実験1  十角,三角形上の頂点間を移動 十角形 Z [cm] X [cm] Y [cm] 三角形 ヨー角度θの時間推移 θ [rad] ヨー角度θの時間推移 3次元移動軌跡 3次元移動軌跡 -2.72 -2.04 -1.36 -0.68 0 0.68 1.36 2.04 2.72 0 50 100 150 200 250 目標ヨー角度 -2.72 -2.04 -1.36 -0.68 0 0.68 1.36 2.04 2.72 0 50 100 150 200 250 300 350 t [sec] θ [rad] 目標ヨー角度 t [sec] t [sec] 頂点の配置を変更することにより様々な軌道を生成可能 0 100 200 300 400 500 -300 -200-1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × ×× × × × × × 0 100 200 300 400 500 -300 -200-1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 -300 -200-1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300 -200-1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × ×× × × × × × 0 100 200 300 400 500 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × Z [cm] X [cm] Y [cm]0 100 200 300 400 500 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × 0 100 200 300 400 500 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300-200-100 0 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × Z [cm] X [cm] Y [cm]
  12. 12. 実験概要  実験1 : 様々な軌道を生成 動作2 : • 各頂点で定位置保持(30秒)を行った後,120度回転し 再び定位置保持(30秒) 動作1 : • 各頂点から50[cm]以内に進入後,移動する頂点を変更 • 常に一定方向を向いた状態で各頂点間を移動 • 一周後は,定位置保持(30秒)を行い,1m上昇し再び頂点間を移動 • 高さ一定 (床から200[cm]の高さを保持) 直線移動 一定角度保持 直線移動 X 頂点1 頂点2X Blimp X 頂点1 頂点2X Blimp 定位置保持 回転  十,三角形上の頂点間の移動 (各頂点:ウェイポイント) • 各頂点から50[cm]以内に進入後,移動する頂点を変更 • 移動する頂点の変更後,回転を行いながら移動 • 高さ一定 (床から200[cm]の高さを保持) X 頂点1 直線移動 回転 頂点2X Blimp 十角形:30度 三角形:120度  三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動  実験2 : 多様な動作を実現
  13. 13. 実験2  三角形上の頂点間を異なる基本動作の組合せにより移動 動作2 3次元移動軌跡 Z [cm] X [cm] Y [cm] ヨー角度θの時間推移 -2.72 -2.04 -1.36 -0.68 0 0.68 1.36 2.04 2.72 0 100 200 300 400 θ [rad] 目標ヨー角度 t [sec] 動作1 3次元移動軌跡 ヨー角度θの時間推移 0 100 200 300 θ [rad] -2.72 -2.04 -1.36 -0.68 0 0.68 1.36 2.04 2.72 目標ヨー角度 t [sec] 1周目 2周目 タスクの要求等に応じて基本動作を組合せ,多様な動作を表現可能 定位置保持30秒 次の頂点へ移動 定位置保持30秒 高さ変化 定位置保持30秒 回転120度 0 100 200 300 400 500 -300 -200-100 0100 200300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × 0 100 200 300 400 500 -300 -200-100 0100 200300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 -300 -200-100 0100 200300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300 -200-100 0100 200300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × 0 100 200 300 400 500 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × × × × Z [cm] X [cm] Y [cm] 0 100 200 300 400 500 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × × × × 0 100 200 300 400 500 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300-200 -1000 100200 300 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 × × × × × × Z [cm] X [cm] Y [cm] 定位置保持30秒 次の頂点へ移動
  14. 14. まとめ  室内用飛行船ロボットを製作した  実用化へ向け要求される動作は定位置保持,回転,直線移動 などの基本動作の連続実行で実現可能であることに着目し, • 頂点の配置を変更することで,様々な軌道に対する動作を実現 • タスクに対する要求等に応じて,基本動作の組合せを変更し, 多様な動作を表現可能 3次元移動軌跡実験映像 1周目 2周目 -300 -200 -100 0 100 200 300 -100 0 100 200 300 400 500 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300 -200 -100 0 100 200 300 -100 0 100 200 300 400 500 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 -300 -200 -100 0 100 200 300 -100 0 100 200 300 400 500 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 Z [cm] X [cm] Y [cm] 動作設計と実機実験を行った

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