JP2018163587A

JP2018163587A - 移動体の移動予測方法および移動予測システム

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Publication number: JP2018163587A
Application number: JP2017061417A
Authority: JP
Inventors: 亮吉光; Ryo Yoshimitsu; 藤井　正和; Masakazu Fujii; 正和藤井; 周平江本; Shuhei Emoto; 謙一 ▲濱▼口; Kenichi Hamaguchi; 正夫大野; Masao Ono
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP6969131B2

Abstract

【課題】操作端末の操作に基づく水中移動体の移動範囲を予測して表示する。【解決手段】遠隔操作装置２は、操作端末６と計算部７と表示部８を備える。計算部７は、水中移動体１の状態量検出部３で検出された状態量Ａと、操作端末６で設定された操作値Ｂを受け取ると、水中移動体１の状態遷移方程式と、現在の状態量と、操作値Ｂに基づく水中移動体１の移動装置に対する指令値とを基に、状態量行列を求める。計算部７は、状態遷移方程式の偏微分行列と、水中移動体１の状態量の不確かさを示すプロセスノイズとを基に、誤差分散行列を求め、その位置成分を抜き出した行列の固有値と、固有ベクトルを求める。表示部８は、ディスプレイ１０に、ステップごとの水中移動体１の状態量を結んだ予測軌道１２と、固有値および固有ベクトルとから求まる楕円形状の移動範囲１１を表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、移動体の遠隔操作による移動先を予測して表示する移動体の移動予測方法および移動予測システムに関するものである。

無人の移動体について、移動体の位置や姿勢、移動速度、姿勢変化に関する角速度といった状態量を制御する方式の一つとしては、遠隔操作方式がある。

遠隔操作方式では、移動体は、前後方向の推進を行う装置や、操舵装置など、自機の状態量を変化させるための移動装置を備えた構成とされている。また、移動体の外部には操作端末が備えられる。オペレータが操作端末を操作して操作値を定めると、移動体では、定められた操作値に応じた指令が移動装置に与えられて、移動体の状態量が変化する。

ところで、遠隔操作型の移動体としての無人車両については、遠隔操作する遠隔操縦装置を、無人車両の走行速度の増減を操作するアクセル・ブレーキレバーと、無人車両の左右の旋回を操作するジョイスティックと、ディスプレイとを備えた構成とし、更に、ジョイスティックの左右の倒れ角に応じた走行経路指示曲線を生成して、生成された走行経路指示曲線をディスプレイに表示することが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この技術によれば、ディスプレイに表示された走行経路表示曲線は、遠隔操縦装置のジョイスティックの傾動操作で定める操作値に応じて、無人車両がこれから移動すると予測される経路となる。よって、オペレータによる無人車両の遠隔操作を直感的にかつ的確に行うことができるとされている。

特開２０１０−６１３４６公報

ところで、車両は、車輪と、固定された地面との間の摩擦力を利用して推進力や旋回力を得るものである。そのため、堅固な地面を走行する車両では、ステアリングにより操作される操舵輪の切れ角（舵角）と、ブレーキやアクセルにより操作される駆動輪の回転数が決まれば、車両の向きの変化速度や変化量、移動速度や移動量は、ほぼ一意に定まる。

これに対し、水中移動体は、自機の状態量を変化させる移動装置として、たとえば、プロペラのような推進手段と、舵のような操舵手段を備えた構成である場合、推進手段でプロペラの回転数を決めても、水中移動体の慣性の影響や、水中移動体の胴体、舵やプロペラに押された水が移動してしまうことの影響などに起因して、水中移動体の移動速度や移動量は一意には定まらない。

また、操舵手段で舵の舵角を決めても、舵の利きは水中移動体の移動速度の影響を受けやすいため、水中移動体の方向の変化の速度や変化量は一意には定まらない。

更に、水中移動体は、使用する環境に潮流などの外乱が存在している場合があり、その場合は、水中移動体の位置や姿勢、移動速度、姿勢変化に関する角速度といった状態量が、外乱の影響を受けて変化する。

しかも、水中移動体では、水面下を移動するときの自機の状態量の検出手段として慣性航法装置が用いられることが多いが、慣性航法装置は、水中移動体の使用時間が長くなるにしたがって誤差が蓄積するという特性を有している。そのため、水中移動体では、慣性航法装置で検出している自機の状態量の検出結果に誤差が含まれる可能性もある。

したがって、水中移動体は、制御される状態量や検出される状態量が不確かさを含んでいる。

なお、制御される状態量が不確かさを含み、しかも外乱を受ける移動体としては、水中移動体のほかに、潮流や風を外乱として受ける水上移動体、風を外乱として受ける無人航空機、太陽からの電磁波の放射圧を外乱として受ける宇宙機、更には、傾斜のある軟弱な地面を走行するクローラ型や車輪型の走行車もある。ここで、状態量に関する不確かさとは、移動体位置や姿勢、移動速度、姿勢変化に関する角速度といった状態量を制御するときに、状態量検出手段の検出精度には限界があるため、真の状態量を検出できず、検出した値が、真の状態量に対してたとえば正規分布のような確率分布に従い、一意には定まらないことを意味している。

しかし、特許文献１に示された技術では、表示部に表示される無人車両の移動経路指示曲線は、前記水中移動体で生じるような状態量の不確かさは考慮されていない。

そこで、本発明は、移動体を外部の操作端末を用いて遠隔操作するときに、移動体の状態量の制御の不確かさを考慮して、移動体が移動すると予測される範囲を定量的に表示することができる移動体の移動予測方法および移動予測システムを提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、操作端末で遠隔操作型の移動体に備えた移動装置の操作値が設定される処理と、前記移動体に備えた状態量検出部で移動体の状態量を検出する処理と、を行い、計算部は、前記操作端末で設定された操作値に基づく前記移動体の移動装置に対する指令値を求める処理と、前記状態量検出部より状態量の検出結果を受け取り、移動体の現在の状態量を定める処理と、前記移動体の状態遷移方程式と、前記指令値と、前記移動体の現在の状態量とを基に、ステップごとに対する前記移動体の状態量を求める処理と、前記状態遷移方程式の偏微分行列と、前記移動体の状態量の不確かさを示すプロセスノイズとを基に、誤差分散行列を求める処理と、前記誤差分散行列の位置成分を抜き出した行列の固有値と、固有ベクトルとを求める処理と、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量、前記固有値、および、前記固有ベクトルを移動範囲情報として表示部に送る処理とを行い、前記表示部は、ディスプレイに、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量を結んだ予測軌道と、前記固有値および前記固有ベクトルとから求まる形状の移動範囲を表示する処理を行うようにする移動体の移動予測方法とする。

前記計算部は、前記状態遷移方程式を、前記移動体に作用する外乱の影響を考慮して拡張した状態遷移方程式とするか、または、前記プロセスノイズを、前記外乱の影響を含むプロセスノイズとする方法としてある。

前記移動体は、水中移動体とする方法としてある。

また、移動体に設けられた状態量検出部と、遠隔操作装置に備えられた操作端末および表示部と、前記移動体または前記遠隔操作装置に備えられた計算部と、を有し、前記計算部は、前記状態量検出部が検出した移動体の状態量の検出結果を受け取り、移動体の現在の状態量を定める機能と、前記操作端末で設定された操作値を受け取り、該操作値に基づく前記移動体の移動装置に対する指令値を求める機能と、前記移動体の状態遷移方程式と、前記指令値と、前記移動体の現在の状態量とを基に、ステップごとに対する前記移動体の状態量を求める機能と、前記状態遷移方程式の偏微分行列と、前記移動体の状態量の不確かさを示すプロセスノイズとを基に、誤差分散行列を求める機能と、前記誤差分散行列の位置成分を抜き出した行列の固有値と、固有ベクトルとを求める機能と、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量、前記固有値、および、前記固有ベクトルを移動範囲情報として表示部に送る機能とを備え、前記表示部は、ディスプレイに、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量を結んだ予測軌道と、前記固有値および前記固有ベクトルとから求まる形状の移動範囲を表示する機能を備えた構成を有する移動体の移動予測システムとする。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、移動体を外部の操作端末を用いて遠隔操作するときに、移動体の状態量の制御の不確かさを考慮して、移動体が移動すると予測される範囲を定量的に表示することができる。

移動体の移動予測システムの第１実施形態を示す概要図である。第１実施形態の移動体の移動予測システムにおける表示部の表示例を示す図である。第１実施形態の変形例を示す概要図である。移動体の移動予測システムの第２実施形態を示す概要図である。第２実施形態の移動体の移動予測システムにおける表示部の表示例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１（ａ）（ｂ）および図２は、移動体の移動予測方法および移動予測システムの第１実施形態として、本発明を、遠隔操作型の移動体としての水中移動体の移動先の予測に適用した例を示すものである。なお、本実施形態では、水中移動体は２次元平面を移動するものとした例について説明する。

図１は、移動体の移動予測システムの第１実施形態を示すもので、図１（ａ）は移動体の移動予測システムの全体構成の概要図、図１（ｂ）は、表示部における水中移動体の移動範囲の表示例を示す図である。図２は、表示部における水中移動体の移動範囲の別の表示例を示す図である。

本実施形態の移動体の移動予測システムは、図１（ａ）に示すように、遠隔操作型の水中移動体１と、この水中移動体１を遠隔操作する遠隔操作装置２とを備え、更に、水中移動体１に搭載された状態量検出部３および通信機４と、遠隔操作装置２に接続された通信機５とを備えた構成とされている。

水中移動体１に搭載された状態量検出部３は、水中移動体１の自機の位置と、移動する速度と、自機が向いている方位を含む姿勢と、自機の向く方位の変化に関する角速度とを、状態量Ａとして検出する機能を備えている。この機能を実現する状態量検出部３の構成例としては、たとえば、慣性航法装置を備えた構成や、慣性航法装置とドップラー式超音波速度計とを備えた構成、更に深度計や圧力計を備えた構成とすればよい。

状態量検出部３は、水中移動体１の自機の位置や姿勢を、地球表面に固定された二次元の座標系における座標として検出するようにすればよい。なお、この二次元の座標系としては、緯度と経度とによる座標系を用いることが好適であるが、それに限定されるものではない。

本実施形態では、前記したように、水中移動体１は２次元平面を移動するものとしてあるので、状態量Ａは、たとえば、Ｘ，Ｙ位置・速度、姿勢、角速度の６変数としてある。また、本実施形態では、座標系を、水中移動体１の状態量Ａに依存しない固定の二次元のＸＹ座標系を全体座標系とした場合について説明するが、必ずしも全体座標系を設定する必要はない。

なお、状態量検出部３は、前記状態量Ａの検出機能を実現することができれば、前記した以外の任意の機器構成を採用してもよいことは勿論である。

状態量検出部３は、状態量Ａの検出を行うと、検出された状態量Ａの情報を通信機４へ送る機能を備えている。

通信機４は、状態量検出部３から状態量Ａの情報を受け取ると、それを遠隔操作装置２に備えた通信機５を通信対象として送信する機能を備えている。

また、図示しないが、水中移動体１は、移動装置と、該移動装置の制御を行う制御装置とを備えている。

前記移動装置は、水中移動体１に備えたスラスタや舵などのアクチュエータであり、この移動装置の制御出力により、前記した水中移動体１の位置、速度、姿勢、角速度の状態量Ａが変化する。

前記制御装置は、後述するように遠隔操作装置２に備えられた操作端末６で操作値Ｂが定められると、その操作値Ｂの情報を含むコマンドを遠隔操作装置２から通信機５と通信機４との通信を介して受け取り、操作値Ｂに応じた指令値を前記移動装置へ与える機能を備えている。

これにより、水中移動体１は、状態量が、遠隔操作装置２の操作端末６で定められる操作値Ｂに応じて制御される。なお、この操作値Ｂに応じた水中移動体１の制御は、一般的に水中移動体１やその他の移動体を遠隔操作するために用いられている制御方法に基づくものでよい。制御方法の例としては、たとえば、ＰＩＤ制御やモデル予測制御がある。

なお、移動装置は、水中移動体１の前記状態量Ａを変化させる機能を備えていれば、移動装置の形式や、水中移動体１における配置、数などは任意の構成としてもよいことは勿論である。

遠隔操作装置２は、船舶のような水上局、あるいは、地上局に備えらえている。

遠隔操作装置２は、通信機５と操作端末６に加えて、計算部７と、表示部８とを備えた構成とされている。

操作端末６は、図示しないオペレータが水中移動体１の状態量Ａを変化させるために、水中移動体１の移動装置の操作値Ｂを設定する機能を備えるものである。

操作端末６は、前記操作値Ｂを設定することができれば、コントロールパッドのような手持ち式のものでもよいし、ジョイスティックのような据え置き型のものでもよいし、その他、任意の形式の端末であってもよいことは勿論である。

操作端末６は、操作値Ｂが設定されると、その操作値Ｂの情報を計算部７へ送る機能を備えている。

通信機５は、通信機４との通信により水中移動体１から状態量Ａの情報を受け取ると、その状態量Ａの情報を計算部７へ送る機能を備えている。

なお、通信機４と通信機５との通信方式は、超音波などの音響信号による音響通信であってもよいし、光ファイバを介した光信号や電線を介した電気信号による有線通信であってもよいし、その他任意の通信方式を採用してもよいことは勿論である。

更に、遠隔操作装置２が地上局に備えられている場合は、音響通信や有線通信で水中移動体１と直接通信を行うことは困難なため、この場合は、遠隔操作装置２と水中移動体１との間の通信を、船舶や水上移動体に備えた中継器で中継させるようにすればよい。

計算部７は、状態量Ａと操作値Ｂを受け取ると、水中移動体１の移動範囲情報Ｃを求め、求められた移動範囲情報Ｃを表示部８へ送る機能を備えている。なお、計算部７による移動範囲情報Ｃの導出については後述する。

表示部８は、処理部９と、ディスプレイ１０とを備えた構成とされている。

ディスプレイ１０は、図１（ｂ）に示すように、水中移動体１の移動範囲１１を表示してオペレータが視認可能な状態とすることができれば、フラットディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、バーチャルリアリティ用のヘッドマウントディスプレイ、投影式のディスプレイなど、形式や形状、表示方式は特に限定されない。

処理部９は、計算部７より移動範囲情報Ｃを受け取ると、ディスプレイ１０の形式や形状、表示方式に応じて水中移動体１の移動範囲１１を表示する画像を生成して、ディスプレイ１０へ送る機能を備えている。

これにより、表示部８では、計算部７より移動範囲情報Ｃを受け取ると、ディスプレイ１０に、図１（ｂ）に示すような水中移動体１の移動範囲１１の画像を表示することができる。なお、図１（ｂ）は、水中移動体１の移動範囲１１を、たとえば、平面視で表示する場合の例を示してある。

次に、計算部７による移動範囲情報Ｃの導出について説明する。

水中移動体１については、水中移動体１に備えた移動装置の形式や配置などの情報に基づいて、以下の（１）式のような状態遷移方程式を求めることができる。計算部７には、事前に求められた水中移動体１の状態遷移方程式が与えられる。

ｘ_ｉ＋１＝ｆ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ）・・・（１）
ただし、ｘ_ｉは水中移動体の状態量、ｕ_ｉは移動装置への指令値、ｉは離散時間

この状態で、計算部７は、状態量検出部３から通信機４と通信機５を介した通信により水中移動体１の状態量Ａの検出結果を受け取ると、現在の状態量をｘ_１とおく。

操作端末６がオペレータにより操作されて操作値Ｂが設定され、計算部７がその操作値Ｂの情報を受け取ると、計算部７は、操作値Ｂを基に、以下の（２）式に示す移動装置に対する指令値に関する指令値行列ｕを算出する。

前記指令値行列ｕの算出方法は、前記した操作値Ｂに応じた水中移動体１の制御方法に基づいて行う。

たとえば、制御方法がＰＩＤ制御の場合は、指令値は、１制御周期につき１つである。そこで、ＰＩＤ制御で得られた指令値をｕ_ＰＩＤとすると、指令値行列ｕは、以下の（３）式のように表すことができる。

また、制御方法がモデル予測制御の場合は、最適化で得られる最適入力列をそのまま指令値行列ｕとして利用することができる。

なお、操作端末６がオペレータにより操作されていない状態では、指令値行列ｕは、以下の（４）式のようになる。

次に、計算部７は、現在の状態量であるｘ_１、および、前記のようにして求めた指令値行列ｕを、前記（１）式に代入して、以下の（５）式に示す状態量行列ｘを算出する。

次いで、計算部７は、誤差分散行列ＣｏｖＸ_ｉを計算する処理を行う。この処理では、計算部７は、先ず、前記（１）式についての偏微分行列Ａ_ｉをｎステップ分、計算する。

前記（６）式の偏微分行列Ａ_ｉが求まると、計算部７は、前記（６）式を用いて、以下の（７）式の誤差分散行列ＣｏｖＸ_ｉを計算する。

前記プロセスノイズＱは、水中移動体１の状態量の不確かさを示すものであり、カルマンフィルタなど、一般的な状態推定方法で設定するプロセスノイズと同じ値でよい。

なお、ｄτは、１制御周期の時間とする例を示したが、前記（１）式から（７）式で時間間隔を合わせておけば、１制御周期の時間のみに限定されるものではない。

その後、計算部７は、表示部８に送る移動範囲情報Ｃを求める処理を行う。この処理では、計算部７は、先ず、前記（５）式の状態量行列ｘと、前記（７）式の誤差分散行列ＣｏｖＸ_ｉを用いて、水中移動体１の移動範囲１１を導出する。

状態量行列ｘのｉ番目の成分ｘ_ｉは、ｉステップ目の水中移動体１の予測される状態量（位置）の平均であり、移動範囲１１の中心位置となる。

計算部７は、移動範囲１１の形状を、誤差分散行列ＣｏｖＸ_ｉの位置成分、たとえば、２次元平面の場合は（１，１）、（１，２）、（２，１）、（２，２）成分を用いて求める。この誤差分散行列ＣｏｖＸ_ｉの位置成分を抜き出して、各成分の平方根を取り、平方根の正の値を各成分とする行列をＳとすると、計算部７は、移動範囲１１の形状を、Ｓの固有値および固有ベクトルから求めるようにする。前記固有値は、移動範囲１１の形状を楕円とするときの長軸と短軸の長さであり、前記固有ベクトルは、全体座標系に対する長軸と短軸の方向ベクトルである。

これにより、計算部７では、図１（ｂ）に示すように、中心位置をｘ_ｉとする破線で示された楕円により、ｉステップ目の水中移動体１の移動範囲１１を算出することができる。

この移動範囲１１は、前記（７）式のプロセスノイズに応じて、水中移動体１の状態量の不確かさを、前記固有値により定量的に反映したものとなる。すなわち、前記固有値をそのまま用いた場合の移動範囲１１は、水中移動体１の状態量の不確かさ（誤差）に関する標準偏差σを半径としたものとなるので、ｉステップ目の時点で水中移動体１が移動範囲１１に存在する確率は約６８％となる。

したがって、必要に応じて、移動範囲１１は、固有値をα倍した楕円として示すようにしてもよい。このようにすれば、楕円はασ分の表示とすることができるため、αの値の変更により、移動範囲１１に水中移動体１が存在する確率を調整することができる。たとえば、固有値を３倍して３σ分の楕円により移動範囲１１を表示するようにすれば、水中移動体１が移動範囲１１に存在する確率は約９９．７％となる。

計算部７は、前記のように状態量行列ｘと固有値と固有ベクトルとを求めると、得られた状態量行列ｘと固有値と固有ベクトルを移動範囲情報Ｃとして表示部８へ送る機能を備えている。

表示部８の処理部９では、計算部７より受け取る移動範囲情報Ｃを基に、図１（ｂ）に示すように、ｘ_ｉ同士を順に結んだ線により水中移動体１の予測軌道１２を示すと共に、中心位置をｘ_ｉとする破線で示された楕円により、ｉステップ目の水中移動体１の移動範囲１１を表示する画像を生成して、ディスプレイ１０へ送る。

これにより、ディスプレイ１０には、操作端末６で定められた操作値Ｂに対応して、水中移動体１が移動すると予測される予測軌道１２が表示されると共に、状態量の不確かさに起因して水中移動体１が予測軌道１２上のｘ_ｉからずれを生じるとしても、前記所定の確率で存在すると想定される範囲が移動範囲１１として表示される。

この際、移動範囲１１は、たとえば、前記固有値を１倍、２倍、３倍した楕円を、それぞれ色を変えて表示するようにしてもよい。このようにすれば、水中移動体１が、どの範囲にどのような確率で存在するかを表示することができる。

また、表示部８では、図２に示すように、ディスプレイ１０に、ｉステップ目の時点での移動範囲１１の隣接するもの同士を、接線で接続した画像を表示するようにしてもよい。このようにすれば、離散時間の間の時点で水中移動体１が移動すると予測される位置についても、時間経過に沿う移動予測領域１３として表示することができる。

更に、表示部８では、図２に示すように、ディスプレイ１０に、ｉステップ目の時点に対応する時間を表示するようにしてもよい。図２では、１ステップ当たり１秒の場合の例を示してある。なお、１ステップ当たりの時間に応じて、表示する時間を変更してよいことは勿論である。更に、たとえば、１ステップ当たり０．５秒の場合は、１ステップおきに１秒、２秒と表示するなど、全てのステップに時間を表示することに限定されるものではない。

したがって、本実施形態の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、水中移動体１を操作端末６を用いて遠隔操作するときに、水中移動体１の状態量の制御の不確かさを考慮して、水中移動体１がこれから移動すると予測される予測軌道１２と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲１１を表示することができる。

更に、オペレータが操作端末６を操作して操作値Ｂを変化させると、表示部８のディスプレイ１０には、その操作値Ｂに応じて水中移動体１がこれから移動する予定の予測軌道１２と移動範囲１１を表示することができる。

よって、本実施形態の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、オペレータは、操作端末６による水中移動体１の遠隔操作を行うときに、表示部８のディスプレイ１０に表示される水中移動体１の予測軌道１２と移動範囲１１を容易に把握することができる。よって、オペレータは、状態量の制御に不確かさを有する水中移動体１についての操作を直感的に行うことができる。

なお、前記においては、ディスプレイ１０に、水中移動体１の予測軌道１２と移動範囲１１を、平面的に示す場合の例について説明したが、水中移動体１の位置が分かっていて、音響ソーナーなどの情報を基に水中移動体１の周囲の環境地図を描画することができれば、その環境地図に合わせて水中移動体１の予測軌道１２と移動範囲１１を表示するようにしてもよい。

また、水中移動体１に進行方向の前方を撮影するカメラが装備されている場合は、そのカメラの画像に、水中移動体１の予測軌道１２と移動範囲１１を、角度と位置を合わせて表示するようにしてもよい。このようにすれば、オペレータの操作性について更なる向上化を図ることができる。

更に、水中移動体１の状態量検出部３にて、水中移動体１の位置が取得できず、水中移動体１の速度と角速度しか検出できない場合は、状態量ｘ_１の位置は、（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）として計算するようにすればよい。この場合は、水中移動体１の現在位置を原点とする座標系を全体座標系とすればよい。

表示部８のディスプレイ１０に表示する予測軌道１２と移動範囲１１は、通信や処理による時間遅れを考慮した表示としてもよい。すなわち、たとえば、制御周期が１ステップ当たり１秒の場合であり、水中移動体１の状態量検出部３が状態量Ａを出力してから、その状態量を現在の状態量ｘ_１とした処理が行われて、表示部８のディスプレイ１０に予測軌道１２と移動範囲１１が表示されるまでに３秒の遅れが生じる場合は、ｘ_４からの予測軌道１２と移動範囲１１を表示するようにすればよい。

更に、本実施形態の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、水中移動体１は２次元平面を移動するものとし、状態量Ａは、たとえば、Ｘ，Ｙ平面での位置・速度、姿勢、角速度の６変数として説明したが、Ｘ，Ｚ平面（Ｘ，Ｙ平面と垂直な平面）での位置・速度、姿勢、角速度の６変数としてもよく、更には、状態量Ａの変数の数は適宜変更してもよく、水中移動体１の３次元空間での移動先の予測に容易に拡張することができる。

［第１実施形態の変形例］
図３は、第１実施形態の変形例として、移動体の移動予測システムの別の構成を示す概要図である。

なお、図３において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本変形例の移動体の移動予測システムは、図３に示すように、第１実施形態の移動体の移動予測システムと同様の構成において、遠隔操作装置２に計算部７を備える構成に代えて、水中移動体１に計算部７を備える構成としたものである。

水中移動体１では、計算部７は、状態量検出部３と通信機４に接続された構成とされている。遠隔操作装置２では、操作端末６と表示部８が通信機５に接続された構成とされている。

また、前記構成に対応して、水中移動体１の通信機４と、遠隔操作装置２の通信機５は、それぞれ以下のような機能を備えるものとされている。

すなわち、遠隔操作装置２の通信機５は、操作端末６で操作値Ｂが設定されると、その操作値Ｂの情報を、水中移動体１の通信機４を通信対象として送信する機能を備えている。

水中移動体１の通信機４は、通信機５より操作値Ｂの情報を受け取ると、それを計算部７へ送る機能を備えている。これにより、計算部７では、操作値Ｂと、状態量検出部３より受け取る状態量Ａの情報とを基に、第１実施形態と同様に、移動範囲情報Ｃを求める処理が行われて、求められた移動範囲情報Ｃは、通信機４へ送られる。

通信機４は、計算部７より移動範囲情報Ｃを受け取ると、それを遠隔操作装置２に備えた通信機５を通信対象として送信する機能を備えている。

遠隔操作装置２では、通信機５は、通信機４との移動範囲情報Ｃを受け取ると、それを表示部８へ送る機能を備えている。

以上の構成としてある本変形例によっても、第１実施形態と同様に使用して同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態］
図４は、移動体の移動予測システムの第２実施形態を示すもので、図４（ａ）は移動体の移動予測システムの全体構成の概要図、図４（ｂ）は、表示部における水中移動体の移動範囲の表示例を示す図である。図５は、表示部における水中移動体の移動範囲の別の表示例を示す図である。

本実施形態の移動体の移動予測システムは、図４（ａ）に示すもので、第１実施形態の移動体の移動予測システムと同様の構成に加えて、遠隔操作装置２に、外乱情報部１４を備えた構成とされている。

外乱情報部１４は、水中移動体１に作用する外乱に関する外乱情報として、たとえば、水中移動体１が運用される領域に存在している潮流のデータＤを記憶し、計算部７からの要求に応じて計算部７へ与える機能を備えている。

この外乱情報部１４に記憶される潮流のデータＤとしては、たとえば、海上保安庁のデータベースなどで海域ごとに公開されている潮流に関する情報から取得するようにすればよい。あるいは、水中移動体１が運用される領域に存在している船舶や水上航走体やブイのような海上観測点、他の水中移動体、人工衛星が収集している潮流に関するデータから解析により推定される潮流のデータＤを用いるようにしてもよい。更には、過去に収集された季節や日付、天候ごとの潮流に関するデータ、潮流の予測モデル、地形データなどから解析により推定される潮流のデータＤを用いるようにしてもよい。

本実施形態では、計算部７は、移動範囲情報Ｃを求める処理を行うときには、水中移動体１の現在位置が含まれる領域の潮流のデータＤを外乱情報部１４に要求し、その潮流のデータＤを外乱情報部１４から受け取る機能を備えている。更に、計算部７は、潮流のデータＤを考慮して、潮流を外乱として受けながら移動する水中移動体１についての移動範囲情報Ｃを求める処理を行う機能を備えている。

この場合、計算部７は、水中移動体１の状態遷移方程式を、以下の（１Ａ）式のように、水中移動体１に加えて、水中移動体１の現在位置に存在する潮流の潮流方向角度φと潮流速度ｖ_ｆの影響を受けることを考慮して拡張させた状態遷移方程式として設定するようにすればよい。

ｘ_ｉ＋１＝ｆ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ，ｖ_ｆ，φ）・・・（１Ａ）

この場合は、計算部７では、第１実施形態と同様の処理を行うことで、移動範囲情報Ｃを求めることができる。

この移動範囲情報Ｃに基づいて、表示部８では、ディスプレイ１０に、図４（ｂ）に示すように、潮流の影響下における水中移動体１の予測軌道１２ａと移動範囲１１ａ、更には、移動予測領域１３ａを表示することができる。

また、この際、図５に示すように、潮流の影響を考慮しない条件、すなわち、第１実施形態と同様に、（１）式の状態遷移方程式に基づいて得られる予測軌道１２を、同じ画面に表示するようにしてもよい。このようにすれば、オペレータは、水中移動体１に対する潮流の影響を、視覚の情報により確認することができる。

このように、本実施形態の移動体の移動予測システムによれば、第１実施形態の移動体の移動予測システムと同様に使用して、水中移動体１を操作端末６を用いて遠隔操作するときに、潮流が存在している環境下において、水中移動体１がこれから移動すると予測される予測軌道１２ａと、存在する確率が定量的に定まった移動範囲１１ａ、および移動予測領域１３ａを表示することができる。

よって、本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、前記第２実施形態においては、状態遷移方程式として、潮流方向角度φと潮流速度ｖ_ｆの影響を受けることを考慮して拡張させた（１Ａ）式を用いるものとして説明した。これに対し、潮流以外の外乱の影響が存在する場合であって、外乱量を、水中移動体１の状態量に依存する方程式ｄ_ｉ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ）で一般化して示すことができる場合は、外乱の影響を受けることを考慮して拡張させた以下の（１Ｂ）式を、水中移動体１の状態遷移方程式として用いるようにすればよい。なお、外乱量ｄ_ｉ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ）は、任意の方程式でよく、更に、サイン波のように繰り返し変動するものであってもよいし、一定値であっても構わない。

ｘ_ｉ＋１＝ｆ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ，ｄ_ｉ（ｘ_ｉ，ｕ_ｉ））・・・（１Ｂ）

これにより、水中移動体１に作用する様々な外乱が存在する環境下における水中移動体１の予測軌道１２ａと移動範囲１１ａ、更には、移動予測領域１３ａを表示することができる。

また、前記においては、潮流やその他の外乱の影響を、状態遷移方程式を（１Ａ）式や（１Ｂ）式のように拡張させることで対応する場合について説明した。これに対し、状態遷移方程式は、第１実施形態と同様に前記（１）式のままとし、前記（７）式におけるプロセスノイズＱを、潮流やその他の外乱の影響を含めたプロセスノイズＱとして設定するようにしてもよい。この場合は、表示部８のディスプレイ１０には、予測軌道１２の位置は図１（ａ）に示したものと変わらずに、移動範囲１１が外乱の影響を受ける方向に沿って延びた状態の画像を表示することができる。

更に、前記第２実施形態では、外乱情報部１４は、遠隔操作装置２に備えるものとして説明したが、たとえば、図３に示したように計算部７を水中移動体１側に備える構成とする場合は、外乱情報部１４を水中移動体１に備える構成としてもよい。

この場合、外乱情報部１４は、水中移動体１の対水速度と対地速度との差や、水中移動体１の移動装置で発生させている推進力および方位制御推進力と、水中移動体１の実際の方位および対地速度、対水速度との差、その他、従来採用あるいは提案されている潮流の推定手法を用いて推定された潮流方向角度と潮流速度を、計算部７に与える機能を備えていてもよい。

これらの構成によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［他の移動体への適用］
前記各実施形態とその変形例では、本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムを、水中移動体１の移動先の予測に適用した例を示した。

これに対し、本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、制御される状態量が不確かさを含む移動体、更には、外乱を受けることが考えられる移動体であれば、以下のように、水中移動体１以外の移動体の移動先の予測に適用してもよい。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、移動体として、遠隔操作型の水上移動体の移動先の予測に適用してもよい。

この場合、水上移動体に備える状態量検出部は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の受信部を含んだ構成としてよい。

その他の構成は、前記各実施形態とその変形例と同様の構成とすればよい。

これにより、本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、水上移動体を操作端末を用いて遠隔操作するときに、水上移動体の状態量の制御の不確かさを考慮して、水上移動体がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

更に、水上移動体が潮流や風を外乱として受ける環境下の場合は、水上移動体に作用する外乱に関する情報を外乱情報部１４に外乱情報として蓄積して用いることで、水上移動体を操作端末を用いて遠隔操作するときに、水上移動体がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、移動体として、遠隔操作型の航空機の移動先の予測に適用してもよい。

この場合、航空機に備える状態量検出部は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の受信部を含んだ構成としてよい。

これにより、本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、航空機を操作端末を用いて遠隔操作するときに、航空機の状態量の制御の不確かさを考慮して、航空機がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

更に、航空機が風を外乱として受ける環境下の場合は、航空機に作用する外乱に関する情報を外乱情報部１４に外乱情報として蓄積して用いることで、航空機を操作端末を用いて遠隔操作するときに、航空機がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、移動体として、遠隔操作型の宇宙機の移動先の予測に適用してもよい。

この場合、宇宙機に備える状態量検出部は、従来宇宙機に採用されているか、あるいは、採用することが提案されている状態量検出部を適宜選定すればよいことは勿論である。

これにより、本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムによれば、宇宙機を操作端末を用いて遠隔操作するときに、宇宙機の状態量の制御の不確かさを考慮して、宇宙機がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

更に、宇宙機が太陽などからの電磁波の放射圧を外乱として受ける環境下の場合は、宇宙機に作用する外乱に関する情報を外乱情報部１４に外乱情報として蓄積して用いることで、宇宙機を操作端末を用いて遠隔操作するときに、宇宙機がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、軟弱な地面を走行する遠隔操作型のクローラ型や車輪型の走行車の移動先の予測に適用してもよい。

この場合、走行車に備える状態量検出部は、従来自律走行車に採用されているか、あるいは、採用することが提案されている状態量検出部を適宜選定すればよく、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の受信部を含んだ構成としてもよい。

これにより、走行時に軟弱な地面とクローラや車輪との間で滑りを生じるために、自機の状態量の制御に不確かさを有する走行車を、操作端末を用いて遠隔操作するときに、状態量の制御の不確かさを考慮して、走行車がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

更に、走行車が、傾斜のある軟弱な地面を走行するときには、地面の傾斜に沿って滑り落ちる現象が外乱として作用するようになる。したがって、この場合は、地面の傾斜方向や傾斜角度に関する情報を外乱情報部１４に外乱情報として蓄積して用いることで、走行車を操作端末を用いて遠隔操作するときに、走行車がこれから移動すると予測される予測軌道と、存在する確率が定量的に定まった移動範囲とを表示部に表示することができる。

なお、本発明は前記各実施形態とその変形例にのみ限定されるものではない。

本発明の移動体の移動予測方法および移動予測システムは、制御される状態量が不確かさを含む移動体であれば、前記した以外のいかなる移動体に適用してもよい。

たとえば、移動体に備えた状態量検出部における検出精度があまり高くないことに起因して、制御される状態量が不確かさを含むような移動体に適用してもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１水中移動体（移動体）、２遠隔操作装置、３状態量検出部、４通信機、５通信機、６操作端末、７計算部、８表示部、１１，１１ａ移動範囲、１２，１２ａ予測軌道、１３，１３ａ移動予測領域、１４外乱情報部、Ａ状態量、Ｂ操作値、Ｃ移動範囲情報、Ｄ潮流のデータ（外乱情報）

Claims

操作端末で遠隔操作型の移動体に備えた移動装置の操作値が設定される処理と、
前記移動体に備えた状態量検出部で移動体の状態量を検出する処理と、を行い、
計算部は、
前記操作端末で設定された操作値に基づく前記移動体の移動装置に対する指令値を求める処理と、
前記状態量検出部より状態量の検出結果を受け取り、移動体の現在の状態量を定める処理と、
前記移動体の状態遷移方程式と、前記指令値と、前記移動体の現在の状態量とを基に、ステップごとに対する前記移動体の状態量を求める処理と、
前記状態遷移方程式の偏微分行列と、前記移動体の状態量の不確かさを示すプロセスノイズとを基に、誤差分散行列を求める処理と、
前記誤差分散行列の位置成分を抜き出した行列の固有値と、固有ベクトルとを求める処理と、
前記ステップごとに対する前記移動体の状態量、前記固有値、および、前記固有ベクトルを移動範囲情報として表示部に送る処理とを行い、
前記表示部は、ディスプレイに、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量を結んだ予測軌道と、前記固有値および前記固有ベクトルとから求まる形状の移動範囲を表示する処理を行うこと
を特徴とする移動体の移動予測方法。
前記計算部は、前記状態遷移方程式を、前記移動体に作用する外乱の影響を考慮して拡張した状態遷移方程式とするか、または、前記プロセスノイズを、前記外乱の影響を含むプロセスノイズとする
請求項１記載の移動体の移動予測方法。
前記移動体は、水中移動体とする
請求項１または２記載の移動体の移動予測方法。
移動体に設けられた状態量検出部と、
遠隔操作装置に備えられた操作端末および表示部と、
前記移動体または前記遠隔操作装置に備えられた計算部と、を有し、
前記計算部は、
前記状態量検出部が検出した移動体の状態量の検出結果を受け取り、移動体の現在の状態量を定める機能と、
前記操作端末で設定された操作値を受け取り、該操作値に基づく前記移動体の移動装置に対する指令値を求める機能と、
前記移動体の状態遷移方程式と、前記指令値と、前記移動体の現在の状態量とを基に、ステップごとに対する前記移動体の状態量を求める機能と、
前記状態遷移方程式の偏微分行列と、前記移動体の状態量の不確かさを示すプロセスノイズとを基に、誤差分散行列を求める機能と、
前記誤差分散行列の位置成分を抜き出した行列の固有値と、固有ベクトルとを求める機能と、
前記ステップごとに対する前記移動体の状態量、前記固有値、および、前記固有ベクトルを移動範囲情報として表示部に送る機能とを備え、
前記表示部は、ディスプレイに、前記ステップごとに対する前記移動体の状態量を結んだ予測軌道と、前記固有値および前記固有ベクトルとから求まる形状の移動範囲を表示する機能を備えたこと
を特徴とする移動体の移動予測システム。