JP2011128115A - 方位角推定装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置する確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計測更新部18が計算する。
【選択図】図1
Description
方位角の推定の対象となる対象物は、例えば図3に例示する自律飛行船等の自律移動ロボットである。この自律飛行船は、舵2、主推進器3、上下方向推進器4を装備している。また、図示していないが、横方向(方位角方向)推進器を備える。この自律飛行船の重心位置は低く設定されているので姿勢傾斜に対する復元力は大きく、自律飛行船の姿勢角は方位角以外は0に維持されるとする。以下、対象物が自律移動ロボットである場合を例に挙げて説明する。なお、状態の推定の対象となる対象物は何でもよく、自律移動ロボットに限られない。
Z2(t)=(Zx2(t),Zy2(t),Zz2(t))
Z3(t)=(Zx3(t),Zy3(t),Zz3(t))
Z4(t)=(Zx4(t),Zy4(t),Zz4(t))
Z5(t)=(Zx5(t),Zy5(t),Zz5(t))
すると、これらの平均値(Zxa(t),Zya(t),Zza(t))は、以下のように計算できる。
Zya(t)=[Zy1(t)+Zy2(t)+Zy3(t)+Zy4(t)+Zy5(t)]/5 …(b)
Zza(t)=[Zz1(t)+Zz2(t)+Zz3(t)+Zz4(t)+Zz5(t)]/5
この発明では、自律飛行船のアクチュエータ(例えば、横方向推進器)に与える指示値は、各行動選択時刻における方位角速度が一定値0となるよう制御されるものとする。また、前進速度は常に一定の値Vxであるとの仮定がなりたつように制御を行う。つまり、各時刻ステップにおいて、自律飛行船のアクチュエータに与える指示値は図4のように制御される。ここで、Taは加速方向に一定値(方位角方向トルクM)を与える時間、Tdは減速方向に一定値(方位角方向トルクM)を与える時間、Tsは自律飛行船自身の持つ方位角方向の速度の安定特性を利用して、方位角速度が0になるよう調整する時間である。
以下、ベイズフィルタについて簡単に説明をする。ベイズフィルタの詳細については、参考文献1を参照のこと。
〔参考文献1〕スラン・セバスチャン(著)、バーガード・ウルフラム(著)、フォックス・ディーター(著)、上田隆一(訳)、「確率ロボティクス」、毎日コミュニケーションズ、2007/10/25
bel0(Φ(t)) = ∫p(Φ(t)| u(t),Φ(t-1))・bel(Φ(t-1)) dΦ(t-1)
(2)計測更新
bel(Φ(t))=ηp( Zφ(t)| Φ(t) )・bel0(Φ(t))
上述のベイズフィルタは数学的概念を記したものにすぎないので、計算機の上でこれを実装するためには別の表現が必要である。ベイズフィルタの実装形態としては、パーティクルフィルタやモンテカルロ・ローカリゼーション、バイナリベイズフィルタなどが知られている。以下では、この発明の手法に関連の深いバイナリベイズフィルタについて簡単に説明する。
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
(1−2)計測更新
Bel(Φs(t))=ηP( Zφs(t)| Φs(t) )・Bel0(Φs(t))
この発明では、時刻ステップt及びt−1における位置センサによる計測値(5つのセンサの計測値の平均値)をZxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)とし、上記P(Zφs(t)|Φs(t))の代わりに、確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を使用する。つまり、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が、行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置するという計測結果が得られる確率を使用する。この確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))の計算方法は後述する。
Bel0(Φs(t-1)) = Σp(Φs(t-1)| a(t-2),Φs(t-2))・Bel(Φs(t-2))
(2−2)計測更新
Bel(Φs(t-1))=ηP( Zxa(t), Zya(t), Zxa(t-1), Zya(t-1)| Φs(t-1), a(t-1) )・Bel0(Φs(t-1))
(2−3)現在時刻の予測
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t-1),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
Bel(Φs(t-1))=ηP( Zxa(t), Zya(t), Zxa(t-1), Zya(t-1)| Φs(t-1), a(t-1) )・Bel0(Φs(t-1))
(3−2)現在時刻の予測
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t-1),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
図1は、この発明による方位角推定装置の例の機能ブロック図である。図2は、この発明による方位角推定方法の例の流れ図である。
〔参考文献2〕特開2007−317165号明細書
初期値設定部13は、時刻ステップtを初期値0に設定し、時刻ステップt=0におけるBel0(Φs(0))の初期値を設定する(ステップS1)。事前に対象物の方位角を定めておき、対称物をその方位角で配置した場合には、例えば、その方位角に対応するΦsのBel0(Φs(0))=1とし、他のΦsについてのBel0(Φs(0))=0とする。
時刻設定部14は、t=t+1とする。すなわち時刻ステップtを1だけインクリメントする(ステップS2)。
位置計測確率計算部15は、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が、行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置するという計測結果が得られる確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を計算する(ステップS3)。後述するように、ステップS3及びステップS4の処理は、全ての方位角の離散値Φs(t−1)について行う。計算された確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))は、計測更新部18に送られる。
計算方法1は、正規分布を用いて位置計測確率を求めるものである。
位置計測確率計算部15は、時刻t−1における対象物の重心の計測値(Zxa(t−1),Zya(t−1))に対応する格子s(t−1)を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))だけXY平面を平行移動させた格子s’(t−1)が、時刻tにおける対象物の重心の計測値(Zxa(t),Zya(t))に対応する格子s(t)と重なる面積(図6の斜線部分の面積)をΔsで割った値を計算して、その計算結果を確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする。
位置計測確率計算部15は、下記式の値を計算して、その計算結果を確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする。
自律飛行船の変位ベクトル((Zya(t)−Zya(t−1)),(Zxa(t)−Zxa(t−1)))の大きさが小さくなると(例えば飛行船がその場で回頭しているとき等)、計算方法3の精度は急激に低下する。
計測更新部18は、位置計測確率計算部15により計算された確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を用いて、上記(3−1)に対応する計測更新を行う(ステップS4)。
制御部19は、全ての方位角の離散値Φs(t−1)について、ステップS3及びステップS4の処理を行ったかどうかを判定する(ステップS5)。全ての方位角の離散値Φs(t−1)について処理を行っていないと判定された場合には、まだ処理を行っていない方位角の離散値Φs(t−1)を選択して、ステップS3に戻る。全ての方位角の離散値Φs(t−1)について処理を行ったと判定された場合には、ステップS6に進む。
予測部20は、計測更新部18により計算された更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、上記(3−2)に対応する現在時刻の予測の処理を行う(ステップS6)。
制御部19は、全ての方位角の離散値Φs(t)について、ステップS6の処理を行ったかどうかを判定する(ステップS61)。全ての方位角の離散値Φs(t)について処理を行っていないと判定された場合には、まだ処理を行っていない方位角の離散値Φs(t)を選択して、ステップS6に戻る。全ての方位角の離散値Φs(t)について処理を行ったと判定された場合には、ステップS7に進む。
方位角推定部21は、更新前確率Bel0(Φs(t))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))を計算して、その計算結果を時刻ステップtにおける対象物の方位角の推定値とする(ステップS7)。
制御部19は次の時刻ステップについても継続して予測を行うかどうかを判断し(ステップS8)、次の時刻ステップについても予測を行う場合にはステップS2に戻る。これ以上予測を行わない場合は処理を終了する。
正規化部22が、ステップS5の後に、ΣΦs(t−1)Bel(Φs(t−1))=1となるように、Bel(Φs(t−1))を正規化してもよい。すなわち、各Bel(Φs(t−1))を、Bel(Φs(t−1))/ΣΦs(t−1)Bel(Φs(t−1))に置き換えてもよい。同様に、正規化部22が、ステップS61の後に、ΣΦs(t)Bel0(Φs(t))=1となるように、Bel0(Φs(t))を正規化してもよい。すなわち、各Bel0(Φs(t))を、Bel0(Φs(t))/ΣΦs(t)Bel0(Φs(t))に置き換えてもよい。正規化を行うことにより、方位角の推定精度が増す。
17 比較部
18 計測更新部
20 予測部
21 方位角推定部
61,62,63,64,65 位置計測センサ
Claims (7)
- 時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置する位置するという計測結果が得られる確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を計算する位置計測確率計算部と、
上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))と、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新前確率Bel0(Φs(t−1))とを用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計算する計測更新部と、
時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t)となる確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))と、上記更新後確率Bel(Φs(t−1))とを用いて、Bel0(Φs(t))=ΣΦs(t−1)p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))・Bel(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップtにおいて対象物の方位角がΦs(t)である更新前確率Bel0(Φs(t))を計算する予測部と、
上記更新前確率Bel0(Φs(t))又は上記更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))又はΣΦs(t−1)Φs(t−1)・Bel(Φs(t−1))を計算して、その計算結果を時刻ステップt又は時刻t−1における対象物の方位角の推定値とする方位角推定部と、
を含む方位角推定装置。 - 請求項1の方位角推定装置において、
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子s(t)の座標を(Xs(t),Ys(t))とし、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)),)とし、R1=(Xs(t)−(Dx(Φs(t−1),a(t−1))+Xs(t−1))2+(Ys(t)−(Dy(Φs(t−1),a(t−1))+Ys(t−1))2)とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 - 請求項1の方位角推定装置において、
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子をs(t)とし、(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))を時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量として、
格子s(t−1)を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))だけXY平面を平行移動させた格子s’(t−1)が、格子(s)と重なる面積をΔsで割った値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 - 請求項1の方位角推定装置において、
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおける対象物の位置を(Zxa(t),Zya(t))とし、Φtan=arctan((Zya(t)−Zya(t−1))/(Zxa(t)−Zxa(t−1)))とし、Φs(t−1)の中央値をΦs(t−1)rとし、DΦ(a(t−1))を対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量とし、R2=(Φtan−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))、R2=(Φtan−Φs(t−1)r)又はR2=(Φtan−(0.5×DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxs(t),Zys(t),Zxs(t−1),Zys(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 - 請求項1の方位角推定装置において、
変位ベクトル((Zxa(t)−Zxa(t−1))2+(Zya(t)−Zya(t−1))2)(1/2)と所定の閾値とを比較する比較部と、
上記変位ベクトルの方が小さければ、対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子s(t)の座標を(Xs(t),Ys(t))とし、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)),)とし、R1=(Xs(t)−(Dx(Φs(t−1),a(t−1))+Xs(t−1))2+(Ys(t)−(Dy(Φs(t−1),a(t−1))+Ys(t−1))2)とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とし、
上記変位ベクトルの方が大きければ、対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおける対象物の位置を(Zxa(t),Zya(t))とし、Φtan=arctan((Zya(t)−Zya(t−1))/(Zxa(t)−Zxa(t−1)))とし、DΦ(a(t−1))を対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量とし、R2=(Φtan−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))、R2=(Φtan−Φs(t−1)r)又はR2=(Φtan−(0.5×DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxs(t),Zys(t),Zxs(t−1),Zys(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 - 位置計測確率計算部が、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置する確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を計算する位置計測確率計算ステップと、
計測更新部が、上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))と、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新前確率Bel0(Φs(t−1))とを用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計算する計測更新ステップと、
予測部が、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t)となる確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))と、上記更新後確率Bel(Φs(t−1))とを用いて、Bel0(Φs(t))=ΣΦs(t−1)p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))・Bel(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップtにおいて対象物の方位角がΦs(t)である更新前確率Bel0(Φs(t))を計算する予測ステップと、
方位角推定部が、上記更新前確率Bel0(Φs(t))又は上記更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))又はΣΦs(t−1)Φs(t−1)・Bel(Φs(t−1))を計算して、その計算結果を時刻ステップt又は時刻t−1における対象物の方位角の推定値とする方位角推定ステップと、
を含む方位角推定方法。 - 請求項1から5の何れかの方位角推定装置の各部としてコンピュータを機能させるための方位角推定プログラム。
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