kadota m

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. 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

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

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)

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

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

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
Yes
No
基本動作3：目的地Bでの定位置保持制御
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
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

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

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
• 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
 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]
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]

実験概要
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 :
• 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
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
• 移動する頂点の変更後，回転を行いながら移動
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]
-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
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
高さ変化
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]
次の頂点へ移動

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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