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minagawa m

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  1. 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 -
  2. 2. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  3. 3. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  4. 4. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  5. 5. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  6. 6. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  7. 7. Harmonious Systems Engineering Lab. 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. 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
  9. 9. Harmonious Systems Engineering Lab. 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:
  10. 10. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  11. 11. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  12. 12. Harmonious Systems Engineering Lab. 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
  13. 13. Harmonious Systems Engineering Lab. デモンストレーション
  14. 14. Harmonious Systems Engineering Lab. デモンストレーション

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