時間制約付き飛行プランに基づく屋内飛行船ロボットの制御

Control of Indoor Balloon Robotwith Time Constraints

複雑系工学講座 調和系工学研究室

４年 笠脇 裕人

屋内飛行船ロボット[角田 2005]

•カメラセンサ(画像：160×144[pixel]，カラー：RGB16bit)•T-Engineシステム(CPU：216Mhz，RAM：16MB)•プロペラ・モータユニット(プロペラ：各軸に2組ずつ6組，推力調整：0.3[sec]間に30回)

高さ80[cm]，直径94[cm]の円柱形バルーン

プロペラ・モータユニット

θY

X

0.75[cm]

300[cm]

-150[cm]150[cm]

実験環境

エンタテインメントロボット

３次元移動可能な屋内飛行船ロボット[Minagawa 2007]を用いたエンタテインメント

シンクロナイズド飛行

（※シンクロナイズ：時間的に行動を一致させること）

屋内飛行船ロボットの問題点

空調や慣性抵抗の影響を受けるため，任意の速度になるまでに時間遅れが生じる

指定した時刻に，指定した位置へ飛行することは実現されていない

音楽にあわせて飛行する複数の飛行船の行動を一致させる

目的

指定した時刻に，指定した位置へ飛行する屋内飛行船ロボットの実現

時間制約付き飛行プラン

[sec]:][:

][:][:][:

)1(:

到着時刻

ヨー角の目的地

座標の目的地

座標の目的地

座標の目的地

目的地番号

nTrado

cmZozcmYoycmXox

nn

飛行プラン

300[cm]

指定した時刻に到着する目的地での誤差を小さくする等速直線飛行等角速度飛行

n番目の目的地を と表す

ただし出発地は とする

),,,,( nnnnnn Toozoyoxg

),,,,( 000000 Toozoyoxg

)60,,,,( 33333 oozoyoxg)40,,,,( 22222 oozoyoxg

)30,,,,( 11111 oozoyoxg

)0,,,,( 00000 oozoyoxg

出発地と複数の目的地から構成

TaxTaTtTToxoxtev tn

nn

nnx )()()( 1

1

1

目標速度の計算方法

0.3[sec]毎に現在の位置と目標位置から目標速度を計算する

目標速度

X軸 :

:)(tev x:tx

:Ta目標速度[cm/sec] 時刻 t[sec] における飛行船の位置[cm]

定数( = 3.0[sec])

t[sec]

X[cm]nox

1nox

1nT nT0 t Tat Tat Tat Ta

PID制御（フィードバック制御）

Z

Y

TTtdtdKDtdKItdKPtm

TTtdtdKDtdKItdKPtm

TTtdtd

KDtdKItdKPtm

TTtdtdKDtdKItdKPtm

zzzzzzzz

yyyyyyyy

xxxxxxxx

)()()()()(

)()()()()(

)()()()()(

)()()()()(

0.3[sec])(:),()(:

:

サンプリング時間

目標速度との偏差

プロペラ推力

ΔTtevtvd(t)

m(t)

gainDerivative:gainIntegral:

gainlPropotiona:

KDKIKP

X軸 :

Y軸 :

Z軸 :

Θ :

)()()(

)()()(

3

1

tmtmtmtmtmtm

y

y

)()()()()()(

4

2

tmtmtmtmtmtm

x

x

)()()()(

6

5

tmtmtmtm

z

z

X

Yx y1

23

4

5 6

Y軸，Z軸，及びヨー角θもX軸と同様に設定する

実験概要

)150,,200,200,0()120,,200,200,0(

)100,4/3,250,260,110()90,2/,250,260,110()80,4/,250,260,110(

)70,,250,260,110()60,4/,250,260,110(

)0,4/,150,30,150(

7

6

5

4

3

2

1

0

gggggggg

飛行プラン

指定した時刻に，指定した位置へ飛行しているかベンチマークを用いて検証する

ベンチマークには，屋内飛行船で考えられる直線，回転，及び定位置保持飛行が含まれている

(1)

(2)

(3)

(4)

(1) を固定しながら直線飛行(2)位置を固定しながら 回転飛行(3) を 回転させながら直線飛行(4) を固定しながら定位置保持飛行

][3 rad][4/ rad

実験結果

X座標の時間推移

(1) (2)

(3) (4)

t[sec]

X[cm]指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との誤差

3.2(4)-3.0(3)-7.4(2)-3.1(1)

X[cm]目的地

等速直線飛行の軌跡

飛行船の位置

最大7.4[cm]の誤差

実験結果

(1) (2) (3) (4)

t[sec]

Y[cm]

Y座標の時間推移

指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との誤差

-4.5(4)-5.8(3)-0.2(2)7.7(1)

Y[cm]目的地

等速直線飛行の軌跡

飛行船の位置 最大7.7[cm]の誤差

実験結果

(1) (2)

(3) (4)

t[sec]

Z[cm]

Z座標の時間推移

指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との誤差

-10.3(4)-22.4(3)14.7(2)1.5(1)

Z[cm]目的地

等速直線飛行の軌跡

飛行船の位置 最大-22.4[cm]の誤差

実験結果

t[sec]

θ[rad]

ヨー角θの時間推移

(1)

(2)

(3)

指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との誤差

-0.03(4)0.26(3)

-0.10(2)-0.05(1)

θ[rad]目的地

等角速度飛行の軌跡

飛行船の位置

(4)

最大15度の誤差

実験結果

指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との誤差の絶対値の平均，標準偏差

0.3[sec]毎における，飛行船の位置と等速飛行の軌跡との誤差の絶対値の平均，標準偏差

5回のベンチマーク実験から，時間制約付き飛行プランに基づく

屋内飛行船ロボットの制御手法を検証する

0.098.13.42.9標準偏差

0.1311.15.14.1平均

Θ[rad]Z[cm]Y[cm]X[cm]

0.148.94.65.5標準偏差

0.1510.75.35.8平均

Θ[rad]Z[cm]Y[cm]X[cm]

指定した時刻に，等速飛行で目的地に到着できた

x,y軸は機体に対して6%の誤差

z軸は機体に対して14%の誤差

ヨー角θは9度の誤差

まとめ

時間制約つき飛行プランを提案した

ベンチマークから時間制約付き飛行プランに基づく屋内飛行船ロボットの制御を行うことができた

今後の課題

速度，直線飛行，回転飛行，及び定位置保持飛行に応じて，Taの設定が必要

それぞれの機体を独立に制御している