1. Harmonious Systems Engineering Lab.
PID制御に基づく屋内飛行船ロボットの 飛行制御システムの開発
複合情報学専攻 複雑系工学講座
調和系工学研究室 修士二年 皆川 良弘
- Indoor Balloon Robot Control System based on PID controller -

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背景
Balloon
T-Engine System
CPU : M32104 (216 MHz)
SDRAM :16MB
Camera Sensor
160 ×144 [pixel]
x
y
z
Propellers
Input Signal Control Signal
Hardware Device
・高さ:80cm
・直径:94cm
位置の取得
[Kadota,2004]：
速度の取得：
x(t),y(t),z(t),θ(t)
vx(t),vy(t),vz(t), (t)
x
y
z
θ
 屋内飛行船ロボット
3m×3m

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目的
エンタテインメント飛行
目標位置への移動[Kawamura,2005]
回転しながら飛行
等速飛行
従来の飛行制御では困難
多様な飛行が実行可能な動作設計
動作設計に基づいた制御方法の構築
目的：屋内飛行船ロボットの飛行制御システムの開発

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動作設計
A
B
S(t)  (x(t), y(t), z(t), (t),vx(t),vy(t),vz(t), (t))
飛行船ロボットの状態
量：
飛行中の全状態量を
指定することは困難
三次元座標 角度 各軸の速度 角速度

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動作設計
A
B
実行可能な飛行単位に分割
目標状態量： i i i i i i i i i i i A  (ox ,oy ,oz ,o ,ovx ,ovy ,ovz ,o ) :oct ,ocr
終了条件を規定：
( , ) i i A SA
( , , , , , , , ) i i i i i i i i i SA  sx sy sz s svx svy svz s
 終了条件
i i | S(t) A | SA
   
目標値を指定する
目標値を指定しない
:
* :
given
oxi
( , ) i i A SA
継続時間
回転回数

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動作設計例
(20,20,20,*,*,*,*,*)
(200,100,300,*,*,*,*):*,*
1
1


SA
A
(30,30,30, /8,*,*,*,*)
200,300,200, / 2,*,*,*,*):*,*
2
2


(30,*,30, / 4,*,2.0,*,*)
(100,*,200, ,*, 10.0,*,*) :*,*
3
3


 
A
: (10,10,20,*,*,*,*,0.03)
: (0,0,150,*,*,*,*,0.2) :30,*
4
4
SA
A
A1：ターゲットへ移動
A2：方向を一定にしてターゲットへ移動
A3：方向と速度を一定にしてターゲットを
通過
A4：回転しながらターゲットに移動し留ま
る
A
B
ターゲット：三次元座標

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目標状態量への制御
 制御軸－X軸、Y軸、Z軸、θ軸
( , )
( , )
( , )
( , )
i i
i i
i i
i i
o o
oz ovz
oy ovy
ox ovx
 
α：比例定数
( )
( )
( )
( )
e t
evz t
evy t
evx t

位置・速度の制御は
速度の制御に集約可能
X軸：
Y軸：
Z軸：
Θ軸：
目標速度



 





max( ( ( ) ), )
( ( ) )
0.0
( )
x i i
i
x i
x t ox ovx
ovx
x t ox
evx t


ox given ovx given
ox ovx given
ox given ovx
ox ovx
i i
i i
i i
i i
 
 
 
 
,
*,
, *
*, *
目標速度の計算：X軸

8. Harmonious Systems Engineering Lab.
Z
Y
ＰＩＤ制御





  
  

  
  

  
  

  
  
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
z z
z z z z z z
y y
y y y y y y
x x
x x x x x x
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
 
     
: ( 0.3[sec])
: ( ) ( ),
:


サンプリング時間
目標速度との偏差
プロペラ推力
ΔT
d(t) v t ev t
m(t)
 飛行船ロボットの研究に広く利用 [Kawamura,2005],[鈴木,2006]
:Derivativegain
: Integral gain
: Propotionalgain
KD
KI
KP
X軸 :
Y軸 :
Z軸 :
Θ軸 :
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
3
1
m t m t m t
m t m t m t
y
y


 
 
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
4
2
m t m t m t
m t m t m t
x
x


 
 
プロペラ出力
( ) ( )
( ) ( )
6
5
m t m t
m t m t
z
z


X
Y
x y
1
2
3
4
5 6

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実験
 飛行単位として考えられるパターンを網羅
ベンチマーク
P1
P2
P4 P3
P6
P5
 ベンチマークを基にした性
能評価
PID制御のパラメータチュー
ニング
チューニング後のパラメータ
による実験結果
(XY平面,XZ平面,YZ平面,XYZ平面)
(指定なし,一定角度,一定角速度)
(高さ130秒間保持,高さ230秒間保持)
直線移動：
回転：
定位置保
持：

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結果

 
T
t
t t
1
2 e (v( ) ev( ))
( , , , )  e e e e x y z e 
パラメータ設定1 141388.1 138857.3 62518.1 30.23
パラメータ設定2 84163.3 86860.8 36390.5 26.08
パラメータ設定3 77961.8 87239.4 58574.1 26.77
パラメータ設定4 83201.1 91771.9 55488.3 31.46
パラメータ設定5 79597.3 83620.2 44229.0 28.03
x e y e z e  e
 PID制御パラメータのチューニング
目標速度への追従性に関する指標
ステップ応答法により計算されたパラメータを基にチューニング
X軸 Y軸 Z軸 Θ軸
KP 0.8 0.8 1.2 10.0
KI 0.01 0.01 0.2 0.3
KD 0.5 0.5 0.5 3.0
最適パラメータ
 目標状態量に到達したときの時間：5回平均
平均：40.7[sec]、標準偏差：13.9
安定して目標状態量を達成

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結果
三次元移動軌跡
XY平面の移動軌跡
Θの時間推移
(20倍速)
飛行制御システムの完成

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結論
屋内飛行船ロボットの飛行制御システムを開発した
目標状態量を指定し多様な飛行が実行可能
目標状態量に到達するために、目標速度に追従するPID 制御を利用
エンタテインメント飛行を実現する飛行制御システム
目標位置への移動だけでなく、回転しながらの飛行、等速 飛行が可能

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デモンストレーション

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