JP2016212039A - 状態データ更新装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の対象物体3にそれぞれ複数の演算通信装置5を設ける。演算通信装置5は、自身の対象物体の内部状態と外部状態の一方または両方を観測する観測部7と、観測時点におけるシステムの状態データと、この状態データの誤差を表わす誤差データを推定する状態推定部9と、推定された状態データと観測値とに基づいて、システムの状態データとその誤差データを更新する状態更新部13と、更新に関する更新データを別の対象物体に送信し、別の対象物体から更新データを受ける通信部15と、自身で更新した状態データと、通信部15が受けた更新データとを統合する状態統合部17とを備える。
【選択図】図2
Description
前記対象物体は、地上に静止している静止体であるか、または、地上に対して移動する移動体であり、
前記複数の対象物体にそれぞれ設けられる複数の演算通信装置を備え、
各演算通信装置は、
該演算通信装置が設けられた対象物体の内部状態と該対象物体に対する外部状態の一方または両方を観測することにより、該一方または両方の観測値を取得する観測部と、
過去の時点における前記システムの状態データを新たな時点の状態データへ遷移させる推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における前記システムの状態データと、この状態データの誤差を表わす誤差データを推定する状態推定部と、
該状態推定部により推定された前記状態データと前記観測値とに基づいて、前記システムの状態データを更新するとともに、誤差データを更新する状態更新部と、
該状態更新部による更新に関する更新データを、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体から更新データを受ける通信部と、
前記状態更新部により更新した最新の状態データと、前記通信部が受けた更新データとを統合することにより、新たな最新の状態データを求める状態統合部と、を備える、ことを特徴とする状態データ更新装置が提供される。
各演算通信装置の状態推定部は、前記推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における状態ベクトルとその誤差共分散行列を推定し、
各演算通信装置の前記状態更新部は、カルマンフィルタを用いて、前記システムの状態ベクトルとその誤差共分散行列を更新し、
各演算通信装置の前記通信部は、前記状態更新部により更新された状態ベクトルを、前記更新データとして、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
各演算通信装置の前記状態統合部は、該演算通信装置により更新した状態ベクトルと、前記通信部が受けた状態ベクトルとにそれぞれ、予め定めた重み係数を乗じて得たベクトル同士を足し合わせることにより、統合した新たな最新の状態ベクトルを求める。
各演算通信装置の状態推定部は、前記推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における情報ベクトルと情報行列を推定し、
各演算通信装置の状態更新部は、状態推定部により推定された情報ベクトルと情報行列とに基づいて、情報フィルタを用いて、情報ベクトルと情報行列を更新するとともに、更新された情報ベクトルと推定された情報ベクトルとの差に関する情報ベクトル差分量を求め、更新された情報行列と推定された情報行列との差に関する情報行列差分量を求め、
各演算通信装置の通信部は、該演算通信装置の状態更新部が求めた情報ベクトル差分量と情報行列差分量を、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
各演算通信装置の前記状態統合部は、
該演算通信装置により更新した情報ベクトルと、前記通信部が受けた情報ベクトル差分量とを足し合わせることにより、統合した新たな最新の情報ベクトルを求めるとともに、
該演算通信装置により更新した情報行列と、前記通信部が受けた情報行列差分量とを足し合わせることにより、統合した新たな最新の情報行列を求める。
(A)前記観測部により前記観測値を取得し、
(B)前記状態推定部により、該観測値が取得された観測時点における情報ベクトルと情報行列を推定し、
(C)前記状態更新部により、情報ベクトルと情報行列を更新するとともに、情報ベクトル差分量と情報行列差分量を求め、
前記(A)〜(C)を繰り返し行い、
前記(C)を行った時に、該(C)を今回の更新処理とし、該今回に対する前回の前記(C)を前回の更新処理として、前回の更新処理が行われた時点から今回の更新処理が行われた時点までの期間において、該演算通信装置の通信部が別の演算通信装置から受けたすべての複数の情報ベクトル差分量と今回の更新処理で更新された情報ベクトルとを足し合わせることにより、更新された新たな最新の情報ベクトルを求めるとともに、該期間において、該演算通信装置の通信部が別の演算通信装置から受けたすべての複数の情報行列差分量と今回の更新処理で更新された情報行列とを足し合わせることにより、更新された新たな最新の情報行列を求める。
情報行列についても同様に、1回の処理で、別の演算通信装置から受けた複数の情報行列差分量を自身で更新した情報行列に統合させることができる。
第1の演算通信装置の通信部と第2の演算通信装置の通信部とが、互いに直接通信できない場合に、
第1の演算通信装置の通信部は、第1の演算通信装置の状態更新部による更新に関する更新データを、第3の演算通信装置の通信部を介して、第2の演算通信装置の通信部へ送信可能である。
よって、複数の演算通信装置の各々が、全ての他の演算通信装置と通信できなくても、各演算通信装置が求めた更新データを、他の全ての演算通信装置における状態データの統合に用いることが可能となる。
前記対象物体は、地上に静止している静止体であるか、または、地上に対して移動する移動体であり、
前記複数の対象物体にそれぞれ複数の演算通信装置を設け、
各演算通信装置において、
(A)観測部により、該演算通信装置が設けられた対象物体の内部状態と該対象物体に対する外部状態の一方または両方を観測して、該一方または両方の観測値を取得し、
(B)状態推定部により、過去の時点における前記システムの状態データを新たな時点の状態データへ遷移させる推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における前記システムの状態データと、この状態データの誤差を表わす誤差データを推定し、
(C)状態更新部により、前記(B)で推定された前記状態データと前記観測値とに基づいて、前記システムの状態データを更新するとともに、誤差データを更新し、
(D)通信部により、前記状態更新部による更新に関する更新データを、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
(E)該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体から更新データを前記通信部により受けた場合に、状態統合部により、前記(D)で更新された最新の状態データと、前記通信部により受けた更新データとを統合することにより、新たな最新の状態データを求める、ことを特徴とする状態データ更新方法が提供される。
このように、各演算通信装置は、自身で更新した状態データと、他の演算通信装置から受けた更新データとを統合して新たな状態データを求める。この新たな状態データには、複数の対象物体の視点で得た観測値が反映されているので、統合された新たな状態データの精度が向上している。よって、複数の対象物体を含むシステムの状態を、より高精度に求めることができる。
観測部7が、後述の外界センサ7bとしてカメラを含む場合には、上述のサイクル時間は、一例では、1ms(ミリ秒)以上であって300ms以下の値、別の例では、10ms以上であって200ms以下の値であり、さらに別の例では、50ms以上であって200ms以下の値(例えば、100ms)である。
観測部7が、後述の外界センサ7bとしてレーザセンサを含む場合には、上述のサイクル時間は、一例では、1ms以上であって100ms以下の値、別の例では、5ms以上であって100ms以下の値であり、さらに別の例では、10ms以上であって50ms以下の値(例えば、20ms)である。
演算通信装置5がカルマンフィルタを用いる場合について説明する。
xi,yi,ziは、それぞれ、対象物体3iの位置を示す。すなわち、xi,yi,ziは、それぞれ、対象物体3iのx座標、y座標、z座標である。なお、x座標、y座標、z座標は、それぞれ、地上に固定された静止座標系の互いに直交するx座標軸、y座標軸、z座標軸における座標である。
θi,φi,αiは、それぞれ、上述の静止座標系に対する対象物体3iの姿勢を表わす角度である。
xi,yi,zi,θi,φi,αiの上部に付された1つの黒丸(ドット・)は、時間の1回微分(すなわち、それぞれ速度と角速度)を意味し、xi,yi,ziの上部に付された2つの黒丸(ドットドット・・)は、時間の2回微分(すなわち、加速度)を意味する。
uk’=f(uk−1,βk) ・・・(4)
Pk’=FkPkFk T+Qk ・・・(5)
uk−1は、記憶部11に記憶されている最新の状態ベクトルuであり、uの添え字(k−1)は、過去の時点(k−1)において取得された観測値に基づいて、更新された状態ベクトルuであることを示す。
また、βkは、時点kで得られた入力値であり、上述の内部状態である。例えば、βkは、対象物体3の速度と加速度であり、この対象物体3の加速度計測部と速度計測部により計測される。ただし、βkは、他の値であってもよい。
uk=uk’+Kk(zk−Hkuk’) ・・・(7)
Pk=(I−KkHk)Pk’ ・・・(8)
また、式(7)(8)において、Hkは、次の式(9)で表わされる係数行列である。
zk=h(uk) ・・・(10)
この式(10)において、hは、システム20の状態ベクトルukの関数であり、zkは、観測時点kにおいて観測部7が得た観測値であり、自身の対象物体3に設けた観測部7が観測した上述の外部状態である。
Kk=Pk’Hk TSk −1 ・・・(11)
Sk=HkPk’−1Hk T ・・・(12)
uC = wi×uS+wj×uD ・・・(13a)
この式(13a)において、uCは、統合された新たな最新の状態ベクトルuであり、uSは、演算通信装置5iにより求められ記憶部11iに記憶されている最新の状態ベクトルuであり、uDは、演算通信装置5iが別の対象物体3jの通信部15から受けた状態ベクトルuである。また、wiとwjは、重み係数であり、wi+wj=1である。wiとwjは、予め設定されていてよく、例えば、それぞれ、1/2である。または、wiは、wjよりも大きく、かつ、1よりも小さくてもよい。
PC = Wi×PS+Wj×PD ・・・(13b)
この式(13b)において、PCは、統合された新たな誤差共分散行列Pであり、PSは、演算通信装置5iにより求められ記憶部11iに記憶されている最新の誤差共分散行列Pであり、PDは、演算通信装置5iが別の対象物体3jの通信部15から受けた誤差共分散行列Pである。また、WiとWjは、重み係数であり、Wi+Wj=1である。WiとWjは、予め設定されていてよく、例えば、それぞれ、1/2である。または、Wiは、Wjよりも大きく、かつ、1よりも小さくてもよい。
演算通信装置5が情報フィルタを用いる場合について説明する。なお、以下で述べない点は、上述のカルマンフィルタを用いた場合と同じである。特に、上述と同じ各記号は、上述と同じものを示す。
Λ = P−1 ・・・(14)
ζ = Λu ・・・(15)
Λk’=(FkΛk−1 −1Fk T+Qk)−1 ・・・(16)
ζk’=Λk’uk’ ・・・(17)
A2≧μji TSk −1μji ・・・(18)
μji=pj−zi ・・・(19)
ここで、pjは、既知の別の対象物体3jの位置を示すベクトル(xj,yj,zj)Tであり、ziは、今回の観測時点kで得られた観測値zi(対象物体3iの位置)を示すベクトルである。
Λk=Λk’+gΛk,d ・・・(20)
ζk=ζk’+gζk,d ・・・(21)
Λk,d=Hk TR−1Hk ・・・(22)
ζk,d=Hk TR−1(zk−h(uk’)+Hkuk’)・・・(23)
式(22)(23)において、Rは、観測部7に関する観測ノイズの誤差共分散行列である。
ΛC=ΛS+Λk,d ・・・(24)
ζC=ζS+ζk,d ・・・(25)
この式(24)において、ΛCは、統合された新たな最新の情報行列であり、ΛSは、演算通信装置5により求められ記憶部11に記憶されている最新の情報行列である。式(25)において、ζCは、統合された新たな最新の情報ベクトルであり、ζSは、演算通信装置5により求められ記憶部11に記憶されている最新の情報ベクトルである。
ΛC=Λ+Λd1+Λd2+・・・+Λdm ・・・(26)
ζC=ζ+ζd1+ζd2+・・・+ζdm ・・・(27)
同様に、式(27)において、ζd1,ζd2,・・・ζdmは、それぞれ、前回のステップS14の後、1回目に受信した情報ベクトル差分量ζd、2回目に受信した情報ベクトル差分量ζd、・・・m回目(mは、2以上の整数である)に受信した情報ベクトル差分量ζdである。ただし、m=2の場合には、式(27)は、ζC=ζ+ζd1+ζd2となる。
このように、各演算通信装置5は、自身で更新した状態データと、他の演算通信装置5から受けた更新データとを統合して新たな状態データを求める。この新たな状態データには、複数の対象物体3の視点で得た観測値が反映されているので、統合された新たな状態データの精度が向上している。よって、複数の対象物体3を含むシステム20の状態を、より高精度に求めることができる。
上述では、各演算通信装置5は、自身の状態更新部13がシステム20の状態データを更新する度に、この更新データを、この演算通信装置5が設けられた対象物体3とは別の対象物体3へ送信していた。しかし、本発明によると、各演算通信装置5は、自身の状態更新部13による更新に関する更新データを送信する送信タイミングを指定してもよい。すなわち、各演算通信装置5は、自身の状態更新部13により更新した更新データを、この演算通信装置5が設けられた対象物体3とは別の対象物体3へ送信する送信タイミングを指定してもよい。この場合、各演算通信装置5は、指定した送信タイミングで、自身の状態更新部13により更新した更新データ(最新の更新データ)を、この演算通信装置5が設けられた対象物体3とは別の対象物体3へ送信する。
各演算通信装置5は、自身の状態更新部13による更新に関する更新データの送信先とする別の対象物体3を選択してもよい。例えば、各演算通信装置5は、この演算通信装置5が設けられた自身の対象物体3から設定距離以内に位置する別の対象物体3を送信先として選択してもよい。この場合、次いで、この演算通信装置5は、送信先として選択した1つ又は複数の別の対象物体3に更新データを送信する。
例えば、図5に示すように、各演算通信装置5が、さらに観測値統合部19を有していてもよい。
zC = Mi×zS+Mj×zD ・・・(28)
この式(28)において、zCは、統合された観測値zであり、zSは、観測部7iが取得した観測値zであり、zDは、別の対象物体3j(ここで、i≠j)の観測部7jにより取得され通信部15jから送信されて記憶部11iに記憶されている観測値zである。また、MiとMjは、重み係数であり、Mi+Mj=1である。MiとMjは、予め設定されていてよく、例えば、それぞれ、1/2である。または、Miは、Mjよりも大きく、かつ、1よりも小さくてもよい。
Claims (7)
- 複数の対象物体を含むシステムの状態を求める状態データ更新装置であって、
前記対象物体は、地上に静止している静止体であるか、または、地上に対して移動する移動体であり、
前記複数の対象物体にそれぞれ設けられる複数の演算通信装置を備え、
各演算通信装置は、
該演算通信装置が設けられた対象物体の内部状態と該対象物体に対する外部状態の一方または両方を観測することにより、該一方または両方の観測値を取得する観測部と、
過去の時点における前記システムの状態データを新たな時点の状態データへ遷移させる推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における前記システムの状態データと、この状態データの誤差を表わす誤差データを推定する状態推定部と、
該状態推定部により推定された前記状態データと前記観測値とに基づいて、前記システムの状態データを更新するとともに、誤差データを更新する状態更新部と、
該状態更新部による更新に関する更新データを、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体から更新データを受ける通信部と、
前記状態更新部により更新した最新の状態データと、前記通信部が受けた更新データとを統合することにより、新たな最新の状態データを求める状態統合部と、を備える、ことを特徴とする状態データ更新装置。 - 前記状態データは、前記システムの状態を直接的に表す状態ベクトルであり、前記誤差データは、前記状態ベクトルの誤差共分散行列であり、各演算通信装置は、カルマンフィルタを用いて状態ベクトルと誤差共分散行列を更新するように構成されており、
各演算通信装置の状態推定部は、前記推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における状態ベクトルとその誤差共分散行列を推定し、
各演算通信装置の前記状態更新部は、カルマンフィルタを用いて、前記システムの状態ベクトルとその誤差共分散行列を更新し、
各演算通信装置の前記通信部は、前記状態更新部により更新された状態ベクトルを、前記更新データとして、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
各演算通信装置の前記状態統合部は、該演算通信装置により更新した状態ベクトルと、前記通信部が受けた状態ベクトルとにそれぞれ、予め定めた重み係数を乗じて得たベクトル同士を足し合わせることにより、統合した新たな最新の状態ベクトルを求める、ことを特徴とする請求項1に記載の状態データ更新装置。 - 前記状態データは、前記システムの状態を直接的に表す状態ベクトルから変換された情報ベクトルであり、前記誤差データは、前記状態ベクトルの誤差共分散行列から変換された情報行列であり、
各演算通信装置の状態推定部は、前記推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における情報ベクトルと情報行列を推定し、
各演算通信装置の状態更新部は、状態推定部により推定された情報ベクトルと情報行列とに基づいて、情報フィルタを用いて、情報ベクトルと情報行列を更新するとともに、更新された情報ベクトルと推定された情報ベクトルとの差に関する情報ベクトル差分量を求め、更新された情報行列と推定された情報行列との差に関する情報行列差分量を求め、
各演算通信装置の通信部は、該演算通信装置の状態更新部が求めた情報ベクトル差分量と情報行列差分量を、前記更新データとして、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
各演算通信装置の前記状態統合部は、
該演算通信装置により更新した情報ベクトルと、前記通信部が受けた情報ベクトル差分量とを足し合わせることにより、統合した新たな最新の情報ベクトルを求めるとともに、
該演算通信装置により更新した情報行列と、前記通信部が受けた情報行列差分量とを足し合わせることにより、統合した新たな最新の情報行列を求める、ことを特徴とする請求項1に記載の状態データ更新装置。 - 各演算通信装置は、
(A)前記観測部により前記観測値を取得し、
(B)前記状態推定部により、該観測値が取得された観測時点における情報ベクトルと情報行列を推定し、
(C)前記状態更新部により、情報ベクトルと情報行列を更新するとともに、情報ベクトル差分量と情報行列差分量を求め、
前記(A)〜(C)を繰り返し行い、
前記(C)を行った時に、該(C)を今回の更新処理とし、該今回に対する前回の前記(C)を前回の更新処理として、前回の更新処理が行われた時点から今回の更新処理が行われた時点までの期間において、該演算通信装置の通信部が別の演算通信装置から受けたすべての複数の情報ベクトル差分量と今回の更新処理で更新された情報ベクトルとを足し合わせることにより、更新された新たな最新の情報ベクトルを求めるとともに、該期間において、該演算通信装置の通信部が別の演算通信装置から受けたすべての複数の情報行列差分量と今回の更新処理で更新された情報行列とを足し合わせることにより、更新された新たな最新の情報行列を求める、ことを特徴とする請求項3に記載の状態データ更新装置。 - 前記演算通信装置は、自身の前記状態更新部による更新に関する前記更新データを送信する送信タイミングを指定し、または、該更新データの送信先とする別の対象物体を選択する、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の状態データ更新装置。
- 複数の演算通信装置は、少なくとも、第1、第2および第3の演算通信装置を含み、
第1の演算通信装置の通信部と第2の演算通信装置の通信部とが、互いに直接通信できない場合に、
第1の演算通信装置の通信部は、第1の演算通信装置の状態更新部による更新に関する更新データを、第3の演算通信装置の通信部を介して、第2の演算通信装置の通信部へ送信可能である、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の状態データ更新装置。 - 複数の対象物体を含むシステムの状態を求める状態データ更新方法であって、
前記対象物体は、地上に静止している静止体であるか、または、地上に対して移動する移動体であり、
前記複数の対象物体にそれぞれ複数の演算通信装置を設け、
各演算通信装置において、
(A)観測部により、該演算通信装置が設けられた対象物体の内部状態と該対象物体に対する外部状態の一方または両方を観測して、該一方または両方の観測値を取得し、
(B)状態推定部により、過去の時点における前記システムの状態データを新たな時点の状態データへ遷移させる推定式に従って、前記観測値を取得した観測時点における前記システムの状態データと、この状態データの誤差を表わす誤差データを推定し、
(C)状態更新部により、前記(B)で推定された前記状態データと前記観測値とに基づいて、前記システムの状態データを更新するとともに、誤差データを更新し、
(D)通信部により、前記状態更新部による更新に関する更新データを、該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体に送信し、
(E)該演算通信装置が設けられた対象物体とは別の対象物体から更新データを前記通信部により受けた場合に、状態統合部により、前記(D)で更新された最新の状態データと、前記通信部により受けた更新データとを統合することにより、新たな最新の状態データを求める、ことを特徴とする状態データ更新方法。
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