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

10 5 7 6

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

TteteKTteKteKtm xx

DxxIxxPxx

)()()()()(x軸 :

:KP :KI :KD比例ゲイン積分ゲイン微分ゲイン

T

TteteKTteKteKtm

yy

DyyIyyPyy

)()()()()(y軸 :

T

TteteKTteKteKtm zz

DzzIzzPzz

)()()()()(z軸 :

T

TteteKTteKteKtm 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2 X

Blimp

十角形：30度

三角形：120度

実験1 : 様々な軌道を生成



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

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500-400-300-200-100

0100

× ××××

×

××

××

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500-400-300-200-100

0100

0100

200300

400500

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500-400-300-200-100

0100

-300-200-1000

100200300

-500-400-300-200-100

0100

× ××××

×

××

××

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

×

×

×

Z [cm]

X [cm]Y [cm]0

100200

300400

500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

×

×

×

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

0100

200300

400500

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

×

×

×

Z [cm]

X [cm]Y [cm]

実験概要実験1 : 様々な軌道を生成

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2 X

Blimp

X 頂点1

頂点2 X

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2 X

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

0100

200300

400500

-300-200-100

0100200300

-500-400-300-200-100

0100

××

×

0100

200300

400500

-300-200-100

0100200300

-500-400-300-200-100

0100

0100

200300

400500

0100

200300

400500

-300-200-100

0100200300

-500-400-300-200-100

0100

-300-200-100

0100200300

-500-400-300-200-100

0100

××

×

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

××

×

××

×

Z [cm]

X [cm]

Y [cm]

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

××

×

××

×

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

0100

200300

400500

0100

200300

400500

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

100

-300-200-1000

100200300

-500

-400-300-200

-1000

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

-1000

100200

300

-1000

100200

300400

500

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

-300-200

-1000

100200

300

-1000

100200

300400

500

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

-300-200

-1000

100200

300

-1000

100200

300400

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

kadota m

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