JP2019074918A

JP2019074918A - 制御装置、移動体、及び移動体の分散制御プログラム

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Publication number: JP2019074918A
Application number: JP2017200384A
Authority: JP
Inventors: 一騎柴田; Kazuki Shibata; 竜也宮野; Tatsuya Miyano; 神保　智彦; Tomohiko Jinbo; 智彦神保
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2037-10-16
Also published as: JP7069632B2

Abstract

【課題】自律分散制御の下、移動体の初期配置によらず、リスクの高い地点を追従して監視することができるようにする。【解決手段】相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、当該担当領域内で移動することで、監視範囲が変更可能なセンサをそれぞれ搭載した複数の移動体を備え、複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる。このとき、自機移動体の担当領域内のリスクと担当領域の重心位置とを取得し、他機移動体との間で、前記担当領域内のリスクと前記担当領域の重心位置とを送受信する。また、自機移動体の担当領域の重心位置と、周辺の担当領域のうち、最大リスクとなる担当領域の重心位置との重み付けにより得られる位置を目標位置として算出し、前記目標位置に自機移動体を移動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、移動体を移動させる制御装置、移動体、及び移動体の分散制御プログラムに関する。

特許文献１には、監視対象に対して対処を行うのに適した位置まで飛行装置を移動制御する監視システムが記載されている。

より詳しくは、監視システムは、上空から地上を監視する飛行装置と、センタ装置を少なくとも備える。センタ装置は、制御種別ごとに監視対象に対する俯仰角を記憶する記憶部と、制御種別を含む制御信号の入力があると、記憶部を参照して制御種別に対応する俯仰角に相当する目標位置を算出する目標算出部と、目標位置に飛行装置を移動させる飛行装置制御部と、を備えている。

また、各移動体は近傍の移動体との垂直二等分線で定義されるボロノイ図による領域分割を行い、自身の領域の重心へ自律分散的に移動することを繰り返す制御手法として被覆制御が知られている（非特許文献１）。

なお、移動体は、移動体間の垂直二等分線で囲まれたボロノイ領域内において、リスクポテンシャルの重心位置に移動することを繰り返し行うことになる。また、ボロノイ領域の定義は、時々刻々と変化し得るものである。

特開２０１６−１１８９９６号公報

J. Cortes, S. Martinez, T. Karatas, and F. Bullo, Coverage Control for Mobile Sensing Networks, IEEE Transactions on Tobotics and Automation, 20(2), pp.243-255, (2004)

しかし、上記の特許文献１では、複数の移動体を想定したロジックになっていない。また、移動体に対してきめ細かい軌道計画を施さなければならない。

さらに、特許文献１では、センタ装置による集中処理となっているため計算負荷が高く、規模が大きくなると現実的時間内に解を求めることができない。

また、上記の非特許文献１では、近傍の移動体の位置情報のみを用いて領域分割するため、移動体の初期配置によっては、重要度もしくはリスクの低い地点を移動体が追従する状況が起こりうる。

本発明は上記事実を考慮し、自律分散制御の下、移動体の初期配置によらず、リスクの高い地点を追従して監視することができる制御装置、移動体、及び移動体の分散制御プログラムを得ることが目的である。

本発明に係る制御装置は、相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、監視範囲が変更可能なセンサをそれぞれ搭載した複数の移動体、及び必要に応じて固定センサを備え、前記複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる移動体の分散制御システムにおける制御装置であって、自機移動体の担当領域内のリスクと担当領域の重心位置とを取得し、他機移動体との間で、前記担当領域内のリスクと前記担当領域の重心位置とを送受信する移動情報取得手段と、自機移動体の担当領域の重心位置と、周辺の担当領域のうち、最大リスクとなる担当領域の重心位置との重み付けにより得られる位置を目標位置として算出し、前記目標位置に自機移動体を移動させる移動制御手段と、を含んで構成されている。

本発明の制御装置によれば、相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、当該担当領域内で移動することで、監視範囲が変更可能なセンサをそれぞれ搭載した複数の移動体を備え、複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる。例えば、衝突を回避しながら移動体を移動する場合の制御として、被覆制御が適用可能である。

ここで、移動情報取得手段は、自機移動体の担当領域内のリスクと担当領域の重心位置とを取得し、他機移動体との間で、前記担当領域内のリスクと前記担当領域の重心位置とを送受信する。そして、移動制御手段は、自機移動体の担当領域の重心位置と、周辺の担当領域のうち、最大リスクとなる担当領域の重心位置との重み付けにより得られる位置を目標位置として算出し、前記目標位置に自機移動体を移動させる。

これにより、自律分散制御の下、移動体の初期配置によらず、リスクの高い地点を追従して監視することができる。

また、前記目標位置を算出するための重みは、自機移動体の担当領域内のリスクに応じて定められる。

また、前記担当領域の重心位置は、前記担当領域内のリスクを考慮した重心位置である。

また、前記移動制御手段は、自機移動体が他機移動体の担当領域内にいる場合に、移動体間の距離の関数で定義される斥力を自機移動体に作用させるように制御する。

また、前記担当領域内のリスクは、前記固定センサによるセンシング情報が得られない死角領域である。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記の制御装置として動作させる移動体の分散制御プログラムである。

本発明に係る移動体は、上記の制御装置を備える移動体である。

以上説明した如く本発明では、自律分散制御の下、移動体の初期配置によらず、リスクの高い地点を追従して監視することができる、という優れた効果を有する。

本実施の形態に係る移動体の分散制御システムを示し、（Ａ）は本実施の形態に適用される移動体を動作させるための制御系のブロック図、（Ｂ）は移動体が移動する領域の平面図である。本実施の形態に係るボロノイ分割された領域の平面図であり、（Ａ）はリスクポテンシャル指定時、（Ｂ）は制御則１に基づく移動体の移動後を示す。本実施の形態にかかる移動体とボロノイ領域とリスクポテンシャルとの位置関係を示す平面図であり、（Ａ）は移動体１０＃１のリスクが小さい場合、（Ｂ）は移動体１０＃１のリスクの大きさが一定以上大きくなった場合を示す。移動体とボロノイ領域とリスクポテンシャルとの位置関係を示す平面図であり、（Ａ）は各移動体が自機のボロノイ領域内のリスクポテンシャルの重心位置へ移動する場合、（Ｂ）は各移動体が本実施の形態に係る算出方法により算出された目標位置へ移動する場合を示す。本実施の形態に係るリスクポテンシャル監視制御ルーチンを示すフローチャートである。移動体の分散制御システムの適用例を示す図であり、（Ａ）は監視の目的に用いた場合の例、（Ｂ）はモニタリングの目的に用いた場合の例、（Ｃ）は調査の目的に用いた場合の例、（Ｄ）はセンシングの目的に用いた場合の例、（Ｅ）はレスキューの目的に用いた場合の例、（Ｆ）は予報の目的に用いた場合の例である。

図１は、本実施の形態に係る移動体の分散制御システムに適用される移動体１０及び、移動体１０が移動する領域１２が示されている。図１（Ａ）は、本実施の形態に適用される移動体１０（図１（Ｂ）参照）を動作させるための制御系のブロック図である。また、図１（Ｂ）は、移動体１０が移動する領域１２の平面図である。領域１２には、複数の移動体１０が存在し、独立して移動可能となっている。

図1（Ａ）に示される如く、移動体１０は、領域１２の範囲内を無人で移動可能であり、当該移動を含む制御を実行するマイクロコンピュータを備えた制御装置１４が搭載されている。

制御装置１４のマイクロコンピュータは、ＣＰＵ１６Ａ、ＲＡＭ１６Ｂ、ＲＯＭ１６Ｃ、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）１６Ｄ及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス１６Ｅを有している。Ｉ／Ｏ１６Ｄには、監視モジュール１８、移動モジュール２０、位置認識モジュール２２、及び通信モジュール２４が接続されている。

制御装置１４は、例えば、ＲＯＭ１６Ｃに予め記憶された移動体の分散制御プログラムをＣＰＵ１６Ａで起動させ、監視モジュール１８、移動モジュール２０、位置認識モジュール２２、及び通信モジュール２４の動作を制御する。

(監視モジュール１８）
監視モジュール１８に適用されるデバイスは、例えば、カメラが代表的であり、移動体１０の位置から特定の監視範囲（視野）を撮像する。

なお、監視モジュール１８は、カメラによる撮像に限定されず、電波（レーダー、レーザー、超音波等）照射等による地理上の特徴物（ランドマーク）の検出等であってもよい。

(移動モジュール２０）
本実施の形態の移動体１０は、飛行体（一例として、ドローン）であり、移動モジュール２０に適用されるデバイスとして、独立した駆動源（モータ）で駆動する複数のプロペラを備えており、モータの駆動を制御することで、目的の方向に向けて飛行可能、かつ目的の位置空間で停止（ホバリング）可能である。

なお、移動体１０は、飛行体に限定されず、地上や水上を移動する移動モジュール２０であってもよく、複数のデバイスを併用してもよい。さらに、広い概念では、固定配置された監視カメラの首振り動作機構を移動モジュール２０と定義してもよい。

すなわち、監視モジュール１８の監視範囲が変更可能であればよい。

（位置認識モジュール２２）
位置認識モジュール２２は、自機の移動体１０の位置を認識する機能であり、位置情報を得るために、デバイスとして、ＧＰＳ、レーザー、レーダー、超音波、モーションキャプチャー、カメラ、無線通信、無線強度、オドメトリ、ランドマークの少なくとも１つのセンサを備えている。

位置認識モジュール２２は、センサで検出した結果（検出信号）に基づき、自機の移動体１０の位置を三次元空間上の座標等によって認識する。

なお、位置認識モジュール２２は、自機の移動体１０の位置の認識以外に、後述する通信モジュール２４を介して他機の移動体１０の位置情報を取得し、相互の距離を演算して複数の移動体１０の相対位置関係を認識する。

(通信モジュール２４)
通信モジュール２４は、デバイスとして、無線通信装置を備える。無線通信は、移動体１０間で通信する機能として、位置情報を送受信する位置情報送受信部と、自機のボロノイ領域内の、指定された監視対象領域（「リスクポテンシャル」という場合がある）のリスクの大きさと重心位置（リスク情報）を送受信するリスク送受信部と、を備える。なお、他機の移動体１０の位置情報を取得するために、無線強度（距離情報）を用いてもよい。

また、通信モジュール２４の無線通信は、監視モジュール１８で監視した結果（例えば、カメラであれば撮像情報）を、監視を統括的に管理する基地局へ送信する監視情報送信部と、基地局から、指定された監視対象領域を示す監視対象情報を受信する監視対象情報受信部とを備える。

各移動体１０の制御装置１４では、位置認識モジュール２２からの位置情報に基づいて、図１（Ｂ）に示す領域１２をボロノイ分割する。

ボロノイ分割とは、各ポイント（ここでは、移動体１０の位置）の勢力圏を分析するものであり、移動体１０までの距離が最短となる点の集合を１つのポリゴンで表したとき、それぞれをボロノイ領域という。例えば、図１（Ｂ）において、二次元平面におけるボロノイ分割では、ボロノイ分割の境界線は、移動体１０を結ぶ線分の垂直二等分線（図１（Ｂ）の鎖線２６）となり、鎖線２６で区画された各ボロノイ領域（１）〜（ｎ）には、必ず１機の移動体１０が存在する。なお、変数ｎはボロノイ分割数であり、図１ではｎ＝１７である。

本実施の形態では、領域１２の範囲で、移動体１０は相互に自由に移動しており、その都度、ボロノイ領域は変化することになる。図１（Ｂ）は、各移動体１０が、点線の位置から実線の位置に移動したときのボロノイ領域となる。

また、本実施の形態では、図１（Ｂ）に示す領域１２において、図２（Ａ）に示すように、監視対象領域（リスクポテンシャル）２８が指定されており、監視対象領域（リスクポテンシャル）２８の指定を表す監視対象情報は、基地局から得られるものとする。

本実施の形態では、１単位のリスクポテンシャル２８の面積は、１機の移動体１０の監視モジュール１８で監視し得る監視範囲の面積と同等としている。すなわち、矩形網状に図示されたリスクポテンシャル２８の中心に１機の移動体１０の中心が重なることで、リスクポテンシャル２８の全てが監視範囲となる。

なお、リスクポテンシャル２８の面積と監視範囲の面積とは必ずしも１：１である必要はない。

図２（Ａ）の各移動体１０の位置は、図１（Ｂ）の位置と同一であり、各移動体１０は、相互に位置情報を送受信しながら、自機の移動体１０のボロノイ領域内でリスクポテンシャル２８に向けて移動することになる。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に対して各移動体１０が移動した結果であり、ボロノイ領域を維持しながらリスクポテンシャル２８に向けて移動する従来技術の制御である。

ここで、従来技術の制御では、全てのリスクポテンシャル２８を、移動体１０の監視範囲とすることができない状況が発生する。

そこで、本実施の形態では、実環境を考慮した、簡潔かつリスクポテンシャル２８の高い被覆率を達成する移動則を確立した。

具体的には、制御装置１４は、自身のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置(ｇ_i)と、近傍のボロノイ領域のうち、総リスク最大のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置(ｇ_M)を重み付けして次ステップの目標位置(X_i ^* )へ移動する。

次ステップの目標位置(X_i ^*)は、以下の式で算出される。

ただし、X_i[t]は、移動体iの時刻tの位置ベクトル（ｘ座標とｙ座標からなるベクトル）である。また、β_i [t]は、移動体iのボロノイ領域内のリスクの大きさで決まる重み（0≦β≦1）である。例えば、重みβ_i [t]は移動体iのボロノイ領域のリスクM_i[t]が十分小さい時１、リスクM_i[t]が十分大きい時0となる重み関数である。重み関数として正規分布関数

を用いて設計してもよい。ここで、上記式(2)のM_i[t]は移動体iのボロノイ領域内のリスクの大きさであり、σ_βはβ_i [t]の分散である。

重み関数として上記式（２）の正規分布関数を用いたときの各移動体１０の目標位置の計算結果を図３に示す。図３では、丸印が各移動体１０の目標位置を示し、十字が、移動体１０のボロノイ領域のリスクポテンシャルの重心を示す。

図３（Ａ）において、ボロノイ領域内のリスクの小さい移動体１０♯１は式(1)の移動則より、移動体１０♯２のボロノイ領域のリスクポテンシャルの重心位置へ移動し、ボロノイ領域内のリスクが十分大きい移動体１０♯２、移動体１０♯３は、自身のボロノイ領域のリスクポテンシャルの重心位置へ移動する。

さらに、移動体１０♯１のボロノイ領域内のリスクがある一定以上の大きさになると、図３（Ｂ）のように、移動体１０♯１の目標位置は、移動体１０♯１のボロノイ領域内のリスクポテンシャルの重心位置とリスク最大の、移動体１０♯２のボロノイ領域内のリスクポテンシャルの重心位置を重み付けした位置となる。

また、９台の移動体１０に対して従来技術と本技術を実機に適用した時の結果を図４に示す。図４（Ａ）は、比較例として、自機の移動体１０のボロノイ領域内でリスクポテンシャル２８の重心位置を、目標位置として算出した例である。図４（Ｂ）は、本実施の形態で説明した手法により、自身のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置と、近傍のボロノイ領域のうち、総リスク最大のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置を重み付けして目標位置を算出した例である。

また、周辺のボロノイ領域へ移動（「カットイン」とも称する）したとき、他の移動体１０との衝突を回避するために、移動したい先に負のポテンシャルを定義することで、他の移動体がその領域に立ち入れなくさせる。

実環境の場合、位置制御のオーバーシュートや移動体１０間に生じる外乱を考慮する必要がある。実環境下での衝突回避方法を以下に示す．

具体的には、各移動体１０の制御装置１４は、近傍の他の移動体１０のボロノイ領域内に入った場合に、当該近傍の他の移動体１０の位置に負のポテンシャルを置き、移動体間に作用させる斥力を算出する（制御則２）。そして、制御則１で計算される目標位置から得られる目標速度V_i ^*と斥力を用いて、次式のように目標速度を算出する。

ただし、ｎは、移動体１０の総数であり、L_ijは、ｉ番目の移動体１０の近傍に移動体１０がある場合１、ない場合０となるパラメータである。C₁，σは正の定数で移動体数や実環境を考慮して設定するパラメータである。

以下に本実施の形態の作用を図５のフローチャートに従い説明する。

図５は、本実施の形態に係るリスクポテンシャル監視制御ルーチンを示すフローチャートであり、主として、移動体１０の移動制御に特化した流れを示している。

ステップ１００では、自機の移動体１０の情報を収集する。すなわち、領域１２（図１（Ｂ）参照）での自機の位置情報、自機のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８のリスクの大きさ、リスクポテンシャル２８の重心位置を認識すると共に、他機の移動体１０へ、自機の位置情報、自機のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８のリスクの大きさ、リスクポテンシャル２８の重心位置を送信する。

次のステップ１０２では、他機の移動体１０（領域１２に存在する自機以外の移動体１０）の情報を収集する。すなわち、他機の位置情報、当該他機のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８のリスクの大きさ、リスクポテンシャル２８の重心位置を収集し、ステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、制御則１による入力計算を実行する。すなわち、各移動体１０のボロノイ領域を逐次設定すると共に、自身のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置と、近傍のボロノイ領域のうち、総リスク最大のボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置とを重み付けして次ステップの目標位置を算出する。

次のステップ１０６では、制御則２による入力計算を実行する。すなわち、近傍の他の移動体１０のボロノイ領域内に入った場合に、当該近傍の他の移動体１０の位置に負のポテンシャルを置き、移動体間に作用させる斥力と、上記ステップ１０４で算出された目標位置から求まる目標速度とを用いて、目標速度を算出する。

ステップ１０８では、上記ステップ１０４、１０６で算出された目標位置、目標速度を制御入力として、自機の移動体１０を制御する。

ステップ１１０では、全てのリスクポテンシャル２８の被覆が達成したか否かが判断され、肯定判定された場合は、このルーチンは終了する。また、ステップ１１０で否定判定された場合は、ステップ１００へ戻り、上記工程を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態によれば、各移動体の制御装置により、自機移動体のボロノイ領域内のリスクポテンシャルの重心位置と、周辺のボロノイ領域のうち、最大リスクとなるボロノイ領域内のリスクポテンシャルの重心位置との重み付けにより得られる位置を目標位置として算出し、目標位置に自機移動体を移動させることにより、自律分散制御の下、移動体の初期配置によらず、リスクの高い地点を追従して監視することができる。

また、各移動体の制御が、近傍の移動体の位置・観測情報のみを用いた分散処理であるため、集中処理と比べて計算負荷が低減される。また、システムの規模によらず、リアルタイムで移動体を制御できる。

また、一部の移動体が故障しても、故障した移動体を除く残りの移動体で領域分割し，全体最適配置を計算すれば良いため、残りの移動体で対象への追従性能を発揮できる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、監視対象領域を、死角領域としてもよい。一例として、家屋の敷地内を、固定の監視カメラで監視している場合に、固定の監視カメラの死角領域を、監視対象領域として指定すればよい。また、駐車場の敷地内を、固定の監視カメラで監視している場合に、固定の監視カメラの死角領域を、監視対象領域として指定すればよい。この場合には、駐車する車両の台数、位置によって固定の監視カメラの死角が変動するため、移動体１０による監視は有効となる。

また、他の移動体のボロノイ領域内に位置する場合に、移動体間の衝突を回避するための制御を、斥力を作用させる制御以外で行ってもよい。例えば、当該移動体が、他の移動体のボロノイ領域内に位置する場合に、当該移動体は高度を変更し、新たにボロノイ領域を定義して、各ボロノイ領域内を移動することで、目標位置へ到達するようにしてもよい。

また、本実施の形態における領域１２（外部環境領域、担当領域）は、陸海空を問わず設定可能である。

また、本実施の形態における移動体の分散制御を適用する目的として、図６に示すように、監視、モニタリング、調査、センシング、レスキュー、及び予報等が挙げられる。より具体的には、比較的狭い領域の場合、駐車場での車両や歩行者の監視、交差点での車両の往来のモニタリング、家屋等の不審者監視等がある。また、比較的広い領域の場合、発掘調査、災害現場での遭難者の捜索（レスキュー）、山林の状況管理、天候調査による予報等がある。

また、移動体１０（アクチュエータ）として、空撮可能なドローンを挙げたが、例えば、車両、ボート等の他の移動体を自律分散制御するようにしてもよい。

１０移動体
１４制御装置
１８監視モジュール
２０移動モジュール
２２位置認識モジュール
２４通信モジュール
２８リスクポテンシャル

Claims

相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、監視範囲が変更可能なセンサをそれぞれ搭載した複数の移動体、及び必要に応じて固定センサを備え、前記複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる移動体の分散制御システムにおける制御装置であって、
自機移動体の担当領域内のリスクと担当領域の重心位置とを取得し、他機移動体との間で、前記担当領域内のリスクと前記担当領域の重心位置とを送受信する移動情報取得手段と、
自機移動体の担当領域の重心位置と、周辺の担当領域のうち、最大リスクとなる担当領域の重心位置との重み付けにより得られる位置を目標位置として算出し、前記目標位置に自機移動体を移動させる移動制御手段と、
を含む制御装置。
前記目標位置を算出するための重みは、自機移動体の担当領域内のリスクに応じて定められる請求項１記載の制御装置。
前記担当領域の重心位置は、前記担当領域内のリスクを考慮した重心位置である請求項１又は２記載の制御装置。
前記移動制御手段は、自機移動体が他機移動体の担当領域内にいる場合に、移動体間の距離の関数で定義される斥力を自機移動体に作用させるように制御する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の制御装置。
前記担当領域内のリスクは、前記固定センサによるセンシング情報が得られない死角領域である請求項１〜請求項４の何れか１項記載の制御装置。
前記担当領域は、移動体間の垂直二等分線で囲まれたボロノイ領域である請求項１〜請求項５の何れか１項記載の制御装置。
コンピュータを、
請求項１〜請求項６の何れか１項の制御装置として動作させる
移動体の分散制御プログラム。
請求項１〜請求項６の何れか１項の制御装置
を備える移動体。