4. 小型屋内自律飛行船
バルーン
T-Engineシステム
CPU : M32104 (216 MHz)
SDRAM :16MB
カメラセンサ
160 ×144 [pixel]
x
y
z
プロペラ
Input Signal Control Signal
駆動部
・円柱型
・高さ:80cm
・直径:94cm
x
y
z
3m×3m
位置取得[Kadota,2004]:
速度取得:
x(t),y(t),z(t),θ(t)
vx(t),vy(t),vz(t), (t)
動作設計
μ T-Engine
カメラセンサ
制御器(PID制御)
T-kernel
シリアル通信 モータ ライブラリモジュール
OS
ハードウェア
動作設計層
制御層
階層構造
5. 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
d t KI d t KD
x
m t KP
z z
z z z z z z
y y
y y y y y y
x x
x x x x x
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
: ( 0.3[sec])
:
:
サンプリング時間
目標速度に対する偏差
プロペラ出力
ΔT
d(t)
m(t)
微分項のパラメータ
積分項のパラメータ
比例項のパラメータ
:
:
:
KD
KI
KP
X軸 :
Y軸 :
Z軸 :
Θ軸 :
計12個のパラメータ
D(微分項)は加速を制限する特徴を持つため,変動すると振動が起こる.
→計8パラメータ(x,y,z,θの各PとI)をMemory-based PID制御で調節する
Z
Y
z e
X
Y
x y
x e
y e
e
速度偏差によるPID制御[Minagawa, 2007]
7. Memory-based PID制御:データベース
②目標状態量(速度)の時系列データ
( ), ( ) j j r t T r t
y(t ), y(t n T T) y
j j
u(t T), u(t n T T) u
j j
①状態量(速度)の時系列データ
③操作量(プロペラ出力)の時系列データ
j T t
[ , , ] j
d
j
i
j
p
j Κ K K K
④用いたPIDパラメータ
時系列データ
j
j番目のレコード
( , ) j j j R K
:経験則によるPIDパラメータを用いて制御を行い,作成する
1, 3 y u n n
j t :j番目の時系列データを取得した時刻
初期データベース
:N組のレコードを持つ
: ,N=10 →計算時間のため
データベース
レコードの構成
設定値
9. STEP1:PIDパラメータの選択
類似度が高いレコードをp個選択.
1
1 max min
( ) ny nu
l l l
j
j l l t
d
(t):時刻 tにおいて取得する時系列データ
( t) と各 との類似度 を計算. j j d
:データベースの各レコードの時系列データ j
:STEP2で用いるPIDパラメータを選択する
類似度定義:
入力:
処理:
出力:
概要
アルゴリズム
10. STEP2:PIDパラメータの生成
(t) new 制御に用いるPIDパラメータ Κ
類似度に応じた重み付き平均計算.
:制御で用いるPIDパラメータを生成する
重み付き平均定義:
入力:
処理:
出力:
類似度が高いレコードをp個
p
i
i i
new t w
1
Κ ( ) K
p
i
i w
1
1
1
1
2
2
[max min ]
[ ( ) ]
1
ny nu
l l l
i
l l
i
t
w
概要
アルゴリズム
11. STEP3:PIDパラメータの修正(追加),削除
(t T)
(t) new Κ
修正したPIDパラメータを時系列データ と組に
して追加レコードとし,削除レコードを削除
PIDパラメータを修正し,追加するレコードと削除するレコードを求める
:制御誤差を利用しPIDパラメータを修正,データ
ベースに追加,データベースからレコードを1つ削除
PIDパラメータ修正定義:
入力:
処理:
出力:
制御誤差
制御に利用したPIDパラメータ
d i N i min( ), 1
(t T) OV(t T) V(t T)
学習係数
mod 2 ( )
2
1
( )
( ) ( ) t T
t
t t new
ify new
K
Κ K η
制御誤差定義:
削除条件定義:
(t)
従来手法においてモデル追従性
を向上させる修正をしていた部分
目標速度に対する偏差が小さく
なるようにした
概要
アルゴリズム
12. 比較対象
固定PID制御(PIDパラメータが固定値である制御)
評価方法
目標速度追従性(評価関数: )
目標位置追従性(評価関数: )
Memory-based PID制御の有効性を検証
実験概要
| ( ( ) ( ) |[ / ]
0
OV t V t cm s
T
t
| ( ) ( ) |[ / ]
0
OP t P t cm s
T
t
時刻における飛行船速度
時刻における目標速度
時刻における飛行船位置
時刻における目標位置
V t t
OV t t
P t t
OP t t
( ) :
( ) :
( ) :
( ) :
:従来手法との比較
目的
方法
T :実験終了時刻
15. 実験結果: 目標速度追従性
| ( ) ( ) |[ / ]
0
OV t V t cm s
T
t
PIDパラメータは目標速度に追従するように調整された
評価関数:
評価値 評価値
気流を与えない場合 気流を与えた場合
(値は5回の実験結果の平均値)
17% 11%
23%
-1%
30% 24%
14%
16%
16. 実験結果: 目標位置追従性
| ( ) ( ) |[ ]
0
OP t P t cm
T
t
評価関数:
小型屋内自律飛行船の目標位置追従性も向上した
評価値
気流を与えない場合 気流を与えた場合
評価値
(値は5回の実験結果の平均値)
10%
3%
43%
-8%
19% 19%
43%
12%