1. 音と画像に基づくインタラクティブ飛行船ロボット
の開発に関する研究研究
調和系工学分野 西村 絢子

2. 背景
 インタラクティブロボット研究
AIBOの福祉施設における利用
ASIMOを用いた受付応対ロボット
 小型飛行船の自律飛行システム研究
小型カメラによる位置情報獲得システム
PD制御によるホバリング制御システム
搭載カメラからの画像情報を用いた自律飛行船
の位置制御に関する研究［角田2003］
• 三次元移動が可能，ヘリコプター・気球と比べ扱いが容易で安全
• ペイロードに限界がある，制御系設計が困難な動特性
AIBO PaPeRo
三次元移動が可能な
インタラクティブロボットは
実現されていない

3. 目的
DAコンバータ
プロポ
プロペラの
出力
PC
円柱型小型飛行船
センサ情報 電圧値
人間の呼びかけに
反応して動作する
小型飛行船
インタラクティブ飛行船ロボットの開発
高所からの観測，人間の進入が困難な場所での点検作業
エンターテインメント
成果を実用的な用途へ応用できる可能性
プロペラ
ユニット

4. 呼びかけのセンシングに関する設計
誰でも簡単にインタラクション可能
小型・軽量なセンサ
• 誰にでも出せる音を使用し音認識を行う
• リアルタイム処理可能
音 ワイヤレスマイクを使用
単発衝撃音
（拍手音など）
0
2
4
6
8
10
12
音強度
拍手音の音強度
単発衝撃音の特徴
• 急激な音強度変化
• 指数減衰
0
2
4
6
8
10
12
0 10 20 30 40 50 60
音強度
時間経過[sec]
音
強
度
雑音との区別
単発衝撃音の特徴を
検出し音認識を行う
拍手音の認識
閾値以上の音強度を伴った
単発衝撃音を検出する
拍手音は音が大きい
足音などの雑音と区別

5. 飛行船ロボットの動作設計に向けて
位置情報が必要
ホバリング制御導入
画像
飛行船の動特性
• 慣性・空気抵抗が大きい
• 気温・気流等の影響を受けやすい
小型カメラを使用
制御が無い状態では定位置に留まることが困難
地上のランドマークを検出し位置情報獲得
ホバリング制御を基礎とした基本動作の設計
基本動作 ホバリング ホバリングホバリング
複雑な動作を安定に長時間実行可能
基本動作
基本動作を実行するためにホバリング制御の精度向上

6. ホバリング制御
カメラ画像
• カメラ画像から２つのランドマークを検出
• 現在の三次元座標、ヨー角度を算出
• 目標地点・目標角度との偏差が０になるようPD制御を行う
X軸
)
)(
)((
dt
tde
TDteKP 
 Y軸
（右）
)
)(
)(()(
dt
tde
TDteKPtm x
xxxx 
Z軸 )
)(
)(()(
dt
tde
TDteKPtm z
zzzz 
制御式
)
)(
)(()(
dt
tde
TDteKPtm
y
yyyy X
軸Y
軸
Z
軸
Θ
Θ：ヨー角
目標地点に留まらせる・ヨー角回転を抑制する
Y軸
（左）
)
)(
)((
dt
tde
TDteKP 
 )
)(
)(()(
dt
tde
TDteKPtm
y
yyyy 
*TD*KP 比例ゲイン)(* tm 操作量 )(* te 制御偏差 微分時間

7. ホバリング制御におけるプロペラ駆動手法
プロペラ駆動手法 ： 200[msec]毎にOn-Off
プロペラ駆動手法 ： 300[msec]毎に駆動時間割合変化
小さな推力も発生可能にする必要性
距離偏差が増大
→ ランドマークを見失い制御不能
ホバリングできない
駆動時間割合[%]
最大値
最小値
頻出値
推
力
[g]
20 40 60 80 100
0
1
2
3
4
実
際
の
映
像
推力変化
時間の流れ
300
[msec]
60
[msec]
• プロペラはOn-Offしか出来ない
• 制御量決定に200[msec]以上必要
• On-Off切替は60[msec]が限界
制
約
0
20
40
60
80
100
120
200[msec]毎On-Off
駆動時間割合変化
距離偏差
[cm]
経過時間[sec]
0 5 10 15
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0 5 10 15
200[msec]毎On-Off
駆動時間割合変化
経過時間[sec]
ヨー角度偏差
[deg]
小型カメラの
画像から算出
算出される連続な制御量 閾値を設定しOn-Offを決定
算出される連続な制御量 駆動時間割合

8. ホバリング制御の安定性評価
距離偏差が50[cm]以内
ヨー角度偏差が±20[deg]以内
ホバリング制御
距離偏差の安定性
ヨー角度の安定性
• 動作設計の基礎
• 安定性評価基準が必要
目標地点に留まることが出来ているか
次の基本動作を行う際に障害にならない精度
回転が抑制されているか
ホバリング 基本動作基本動作

9. 飛行船ロボットの基本動作設計
180度回転
10秒回転
上昇・下降
• ホバリング制御を基本
• ランドマークを見失いにくい
• 見た目が分かりやすい
• 組み合わせることが出来る
基本動作設計における制約条件
ランドマークを見失った場合
上昇してランドマークを発見し，ホバリング制御を行う
ヨー角の回転
10秒後目標角度で停止

10. 基本動作の安定性評価
連続して基本動作を続ける必要性
： 基本動作後に安定したホバリングが出来る評価基準
10試行の動作テスト → 評価基準を満たした割合
1分程度かければ再度ホバリング可能 → 各基本動作実行可能
上昇 下降 180度回転 10秒回転
On-Off制御 0.1 0.0 0.1 0.0
駆動時間制御 0.8 0.7 0.7 0.7
各基本動作の安定性評価結果
各試行において中性浮力調整の程度に差
基本動作 ホバリングホバリング
時間
15秒
ホバリング安定性評価
• 安定までに30秒～1分程度要した
• ランドマークを見失った • 中性浮力調整の著しい誤差
• 強い外乱

11. 飛行船ロボットの動作遷移
ホバリング
高度３ｍ
ホバリング
高度２ｍ
初期状態
 確率的動作遷移モデル
異なる動作遷移確率
• 単発衝撃音１回
• 単発衝撃音２回
（1.5秒以内に2回目の音を検出）
上昇
下降
無反応 無反応
180度回転 180度回転
360度以上回転 360度以上回転
0.30.3
0.3
0.3
0.3 0.3
0.1 0.1
0.2 0.2
0.2 0.2
0.1 0.1
0.5
0.5
インタラクティブロボットとして意外性のある動作が重要

12. デモ

13. まとめ
 飛行船ロボットの基本動作を考案し実現した
 誰でも簡単に飛行船ロボットとインタラクションできるように
単発衝撃音認識システムを実現した
 飛行船ロボットの意外な反応を実現するために
確率的動作遷移モデルを実装した
人間が出す音に反応して動作する
インタラクティブ飛行船ロボットを構築した