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

複雑系工学講座 調和系工学分野

４年 角田久雄

目的

背景

飛行船は３次元空間を移動できる

－災害時の建造物における被害状況や被災者の有無の調査

● 画像情報を用いて、ランドマークを認識することで、飛行船の位置制御を行う

・障害物の回避 ・移動物体の追従

対象を認識することによる、自己の位置制御

近年のカメラの軽量化により小型飛行船にも搭載できるようになった

小型飛行船

・搭載物の重量制限 － 重量のあるセンサや、大型のプロペラを搭載できない

・外乱に弱い －小型のプロペラでは制御が難しい

自律飛行に対する重要なタスク

・自律飛行船の実現

・目標位置への移動

・被災建造物内における情報収集のための小型レスキューロボットの研究開発 [2001,薮内]

・自律型飛行ロボットの目標物追従に関する研究 [2002,塚本]

飛行船

円柱型飛行船 ― 高さ：６２．５ｃｍ、直径：６４．５ｃｍ

●機体上部 － 上昇・下降用プロペラ

●機体下部 － 前後左右移動用プロペラ

－ 回転動作を行わなくても、どの方向にもダイレクトに動くことが可能

・ Ｘ、Ｙ、Ｚ軸それぞれ別々に推力を発生することができる

・ カメラが下向きに固定されて取り付けられている

－ 回転してしまっても相対的にどの方向に推力を発生すればよいかわかる

制御部 送信部

カメラ映像 プロペラ出力命令

プロペラ制御信号

・ コンピュータ ・ コントローラ

・ 映像受信機

Y X

Z

実験タスク

・飛行船は、浮力を用いて宙に浮いているという特徴を持つ

－中性浮力をうまく実現することが困難

－空気の流れにも流されやすい 定位置に留まる制御でさえ困難である

自律飛行の基礎タスク

● 飛行船を、定位置に留まらせる

・ランドマーク － 直径５０ｃｍの赤い円

円の中心の上空１７５ｃｍの地点に留まる

自己位置の特定

認識

環境中から赤系統のものを排除し、

円を認識しやすいような環境を構築

応用 ・離れた地点から、目標地点への移動

・移動する目標地点と共に移動しながら停滞

円の認識

飛行船の地上からの高さにより変化

直径

円の中心座標

平面上における、円と飛行船の位置関係により変化 Y

X 中心座標

直径

ランドマークの認識

○自己位置を制御するには、円を認識する必要がある

水平面制御

高さ制御

円の認識アルゴリズム

①

0 255

実環境下において事前に撮影した複数の画像をもとに、円を表わすピクセルのＲ・Ｇ・Ｂの濃度を調査し、円以外の物体を認識しないような上限値と、下限値をＲ・Ｇ・Ｂの濃度に対して設定

②

単純に範囲内に収まるようなピクセルを全てを円と判断するのでは、他物体や雑音を拾ってしまう可能性がある

周辺２５ピクセルが上限、下限値の範囲内に収まるような円の内部点を一点求める

R

G

B

③

④

②により求められた、一点から、周囲方向に走査していきエッジ点を検出するまでに走査されたピクセル全てを円と判断する。

エッジ点の検出にはSobelフィルタを用い、フィルタ

処理後の画素値がある値より大きい時に、その点をエッジ点とした

－

③により３点以上のエッジ点を検出できれば、円の中心座標 （xc,yc） と直径 d [pixel]を推測することが出来る

22

3

2

3

22

2

2

2

22

1

2

1

)2/()()(

)2/()()(

)2/()()(

dycYxcX

dycYxcX

dycYxcX

円の認識アルゴリズム

Ｙ

Ｘ

),( 11 YX

),( 22 YX

),( 33 YX),( ycxc

d

偏差の算出

●画像から得られる円の中心座標、直径から自己位置に対する目標地点までの偏差の算出

xc

yc

Y

X

d

・ 画像における直径 : d [pixel]

・ 実直径 : 50 [cm]

]/[50

pixelcmd

l≒

・Ｘ、Ｙ軸方向

・ 円の中心座標 (xc ,

yc)

・ 事前に飛行船の地上からの高さ h [cm]

における画像中の円の直径 d [pixel] を調査

近似式で表わす

][10530

cmd

h≒

・Ｚ軸方向

●目標地点までの偏差

Hd

ez 10530

目標高さ

Ｈ

d

10530

d

ze

lxcex ・

lycey ・

●目標地点までの偏差

h [cm] d [pixel]

75 140

100 104

125 84

150 71

175 61

200 53

225 47

250 43

275 38

300 35

325 32

350 30

制御方法

●ON-OFF制御

欠点－目標地点に対して振動が生じてしまう

利点－アルゴリズムが簡単

●PID制御

利点 － 比例動作・積分動作・微分動作を組み合わせた制御方法であるため目標値に対してオフセットが生じない

欠点－パラメータの数が多く、パラメータの調節が困難

●P制御

・ 目標位置に対して、多少のオフセットが生じてしまうが、パラメータの数が少なくアルゴリズムも単純である

nn eKpm Kp : 比例定数

nm : 時刻 Tn における発生推力

ne : 時刻 Tn における偏差

T : サンプリング間隔

・屋内用バルーン型ロボットの設計とモデル化 [2003, 柳沢]

－ シュミレーションによる円柱型飛行船のＰ制御を用いた目標地点への移動

※円を見失った場合 → 上昇

－ 偏差を求めることができない

実験

実験１

実験２

実験３

・プロペラを全く駆動しないときの飛行船の動き

・Ｐ制御

・Ｐ制御

比例定数 :

比例定数 :

100/1,50/1,50/1 zyx KpKpKp

100/1,200/1,200/1 zyx KpKpKp

外乱の影響

比例定数を変化

・ 徐々に初期位置から離れて行き、Ｔ=５１において、円を見失っている

・ また、このような実験を更に５回行ったが、平均 で 約 ５０ 秒 で円を見失っている

実験回数 [回] １回 ２回 ３回 ４回 ５回円を見失うまでの時間 [秒] 25 19 27 108 72

飛行船は多少の空気の流れにも敏感に反応してしまい定位置に留まっていることは困難

実験結果１

時間経過 T[sec] と Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の制御偏差 [cm] の関係 zyx eee ,,

Ｘ軸 Ｙ軸 Ｚ軸

プロペラは全く駆動しない

実験結果２ 比例定数 : 100/1,50/1,50/1 zyx KpKpKp

時間経過 T[sec] と Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の制御偏差 [cm] の関係 zyx eee ,,

比例定数 : 100/1,50/1,50/1 zyx KpKpKp

Ｘ軸 Ｙ軸 Ｚ軸

考察

実験結果２

○意図しない回転動作が起こってしまっても、カメラ画像により、相対的な円の位置情報を得ることにより、正しい方向に推力を発生できるため、目標地点へ向かって行くことができる

・目標地点付近で常に行動している （充電池が切れるまで約３８分間）

実験結果３

時間経過 T[sec] と Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の制御偏差 [cm] の関係 zyx eee ,,

比例定数 : 100/1,200/1,200/1 zyx KpKpKp

Ｘ軸 Ｙ軸 Ｚ軸

○比例定数が小さかったため、発生推力が小さく、応答性が悪くなってしまった

・目標地点に対する振幅が大きい

・目標地点へ再び戻ってくるまで時間がかかった

考察

○比例定数の調節が重要

まとめ

・単純な比例制御により、パラメータをうまく調節することで、充電池が切れるまでの約３８分間、定位置から短距離内で安定して留まらせる位置制御を行うことができた

・円柱型飛行船を製作した

・定位置に留まることを目的とした位置制御に対する実験を行った