JP4406436B2 - 自律移動ロボットの動作計画方法、自律移動ロボットの動作計画方法を利用した自律移動ロボットの制御方法、自律移動ロボットの動作計画装置、自律移動ロボットの動作計画プログラム及びその記録媒体、自律移動ロボットの制御プログラム - Google Patents
自律移動ロボットの動作計画方法、自律移動ロボットの動作計画方法を利用した自律移動ロボットの制御方法、自律移動ロボットの動作計画装置、自律移動ロボットの動作計画プログラム及びその記録媒体、自律移動ロボットの制御プログラム Download PDFInfo
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Description
そのような、自律移動ロボットのひとつである自律飛行船は、浮力を利用して空中に静止することが可能であり、機体内に搭載したコンピュータによって自身の運動を制御することが可能である。このような特性から、自律飛行船の地雷探査などへの応用が期待されている。
しかし、自律飛行船は、その機体比重を空気と同じにしなければならないために、機体重量を軽くする必要があり、搭載可能なアクチュエータの数、重量に大きな制約がある。そのため、自律飛行船は一般に劣駆動ロボットと呼ばれる。劣駆動ロボットとは、搭載されたアクチュエータが直接制御可能な運動自由度数が、ロボットの運動自由度よりも少ないものを意味する。
T. Yamasaki and N. Goto: "identification of Blimp Dynamics by Flight Tests", Transactions of JSASS, Vol.43, pp.195-205, 2003. 中村仁彦、「非ホロノミックロボットシステム 第2回 幾何学的な非ホロノミック拘束の下での運動計画」、日本ロボット学会誌 Vol.11 No.5,pp.655〜662,1993 川野洋、「未知不均一潮流中での航行を考慮した劣駆動水中ロボットの動作計画と制御」,JSAI2005,人工知能学会(第19回),1D1-04,2005年 H. Kawano, "Method for applying Reinforcement Learning to Motion Planning and Control of Under-actuated Underwater Vehicle in Unknown Non-uniform Sea flow", Proceedings of 2005 IEEE/RSJ international Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.146-152, August 2005. H. Kawano, "Tree Dimensional Obstacle Avoidance of Autonomous Blimp Flying in Unknown Disturbance", Proceedings of 2006 IEEE/RSJ international Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.123-130, October 2005. 川野洋、「未知風外乱中を航行する自律飛行船の三次元障害物回避」、ロボティクス・メカトロニクス講演会2006(ROBOMEC 2006 in WASEDA)講演予稿集、2P2-C07、2006年5月
《劣駆動自律飛行船の動作計画方法》
理論的背景
劣駆動自律飛行船の動作計画方法について説明する前に、前提知識となるマルコフ状態遷移モデル及びマルコフ状態遷移モデルを用いた動作計画法について説明する。
環境を以下のようにモデル化したものが、マルコフ状態遷移モデルである(強化学習〔Reinforcement Learning〕におけるマルコフ決定過程〔Markov decision Process〕)。環境のとりうる離散的な状態の集合をS={s1,s2,…,sn}、行動主体が取り得る行動の集合をA={a1,a2,…al}と表す。環境中のある状態s∈Sにおいて、行動主体がある行動a∈Aを実行すると、環境は確率的に状態s’∈Sへ遷移する。その遷移確率を
Pa ss’=Pr{st+1=s’|st=s,at=a}
により表す。このとき環境から行動主体へ報酬rが確率的に与えられるが、その期待値を
Ra ss’=E{rt|st=s,at=a,st+1=s’}
とする。行動主体の各時刻における意志決定は方策関数
π(s,a)=Pr{at=a|st=s}
によって表される。π(s,a)は、全状態s,全行動aにおいて定義される。方策関数π(s,a)は、単に方策πとも呼ばれる。
なお、状態s’に附されている記号’は、状態sとの識別を図るための記号である。既述のとおり、時間微分を表す記号として記号’を用いているが、記号’が附された対象がマルコフモデルの状態であるか否かで記号’の意味を容易に識別できるので、以降の説明でもこの記法に従うとする。
この実施形態では、行動主体は、図8に例示される劣駆動自律飛行船1(以下、自律飛行船とする)である。自律飛行船1は、舵2、主推進器3、上下方向推進器4、ゴンドラ5、風速差計測部6、位置計測部7を有する。この自律飛行船1は、真横方向に直接移動することができない。すなわち、搭載アクチュエータである舵2、主推進器3、上下方向推進器4が制御可能な運動自由度よりも、自律飛行船の運動自由度が高いので、この自律飛行船1は劣駆動ロボットである。
各状態sにおいて、自律飛行船1は、自律飛行船の速度を行動として選択することができる。例えば、自律飛行船は、各状態sにおいて、機軸方向の速度vxwτ(t)と旋回速度ψ’ τ(t)の組み合わせを、行動aとして選択することができる。換言すれば、行動a∈Aは、行動内容に対応付けられたラベルとして定義されるものである。例えば行動内容が機軸方向速度の維持ないし変更であれば、その機軸方向速度の値に応じて行動a∈Aが対応付けられており、行動aはスカラー値(一次元ベクトル)を表す。また、例えば行動内容が機軸方向速度の維持ないし変更と旋回速度の維持ないし変更との組み合わせであれば、その機軸方向速度の値と旋回速度の値の組み合わせに応じて行動a∈Aが対応付けられており、行動aは二次元ベクトルを表す。
遷移先の状態s’が到達地点を含む場合には、例えば、その時の報酬Ra ss’を1とする。遷移先の状態s’が後述するように障害物により進入不可能である場合には、その時の報酬Ra ss’を−1とする。その他の場合には、報酬Ra ss’を0に設定する。この{1,0,−1}の何れかの報酬を与えるという決定方法は一例に過ぎず、到達点を含む場合の報酬>その他の場合の報酬>障害物である場合の報酬という関係が成り立っている限り、報酬の値はどのような値でも良い。
オンラインの状況下で、実際に吹いている風が想定される風と同じ場合には、自律飛行船は、方策πに従って行動すれば、到達地点に到達することができる。
以上が、マルコフ状態遷移モデル及びマルコフ状態遷移モデルを用いた動作計画法についての概要である。
以下、図1と図2を参照して、自律飛行船の動作計画方法を実現するための装置の機能構成例及びその処理例について説明する。図1は、自律飛行船の動作計画装置の機能構成例を示す図である。図2は、自律飛行船の動作計画方法の処理例を示す図である。
自律飛行船の動作計画装置は、最大加速度設定部101、目標速度計算部102、想定風速値入力部103、変位量計算部104、状態遷移確率計算部105、地形モデル保存部106、傾斜角差計算部107、登坂角度計算部108、報酬決定部109、動作計画部110、価値関数データベース111から構成される。水平面内における定高度航行をするための動作計画を行う場合には、後述するように、傾斜角差計算部107、登坂角度計算部108を省略することができる。
[全体の流れ]
ステップ1〜ステップ3において、状態遷移確率Pa ss’を求める。ステップ4〜ステップ6において、報酬Ra ss’を求める。ステップ7において、上記状態遷移確率Pa ss’と上記報酬Ra ss’に基づいて、方策πと価値関数Vπ(s)を計算する。
[ステップ1]
目標速度計算部102が、マルコフ状態遷移モデルの各状態sにおいてある行動aを取ったときの目標速度を決定する。この実施例では、自律飛行船目標速度は、対空気機体座標に基づいて、かつ、飛行船の最大加速度を考慮して設定される。また、目標速度は、例えば、劣駆動自律飛行船の旋回速度ψ’ τ(t)と飛行船の機軸方向の速度vxwτ(t)(以下、サージ速度とする)である。
例えば、時刻0の時の状態において行動として1を選択し、時刻Tの状態において行動として0を選択し、時刻2Tの時の状態において行動1、時刻3Tの時の状態において行動1、時刻4Tの時の状態において行動0、時刻5Tの時の状態において行動−1、時刻6Tの時の状態において行動−1、時刻7Tの時の状態において1を選択した場合には、自律飛行船の旋回速度ψ’は、図9に示すように変化する。
このように、目標軌道や対地世界座標に基づく目標速度ではなく、対空気機体座標に基づく目標速度の形で、目標となる行動を自律飛行船1に与えることにより、未知風の外乱等により自律飛行船の水平面内の位置がずれた場合であっても、動作計画が破綻しないというメリットがある。すなわち、もし、目標軌道や対地世界座標で目標速度を設定した場合、任意環境において未知の強い風外乱があったときに、自律飛行船のアクチュエータ力では風に対抗しきれず、目標軌道又は対地世界座標で表現された目標速度を大きく外れて航行してしまう可能性があった。本発明では、この実施形態から明らかなように、上記のように、対空気機体座標で目標速度を記述し、自律飛行船1がそれを追従することで、風による自律飛行船1の変位への影響を動作計画の段階で考慮しやすくすることができる。つまり、風外乱による影響が方位角変位には現れにくく、自律飛行船1の位置変化の誤差にのみ現れるようにすることができるのである。
変位量計算部104が、状態sにある自律飛行船1が、想定される風速fx、fyの下において(想定風速fx、fyは想定風速値入力部103から入力される。)、各行動aに従って航行した場合、自律飛行船の世界座標系における水平面内位置のX座標,Y座標,方位角ψ,旋回速度ψ’がそれぞれどれくらい変位するのかを計算する。これらの変位を求めることにより、後述するように、ステップ3において、状態sにいる自律飛行船が、行動aを選択した場合に、次に、どの状態s’にどのくらいの確率で遷移するのかを計算することができるのである。
自律飛行船1の水平面内位置のX座標の変位量をDX(ψ0,a)、Y座標の変位量をDY(ψ0,a)、方位角ψの変位量をDψ(ψ0,a)、旋回速度ψ’の変位量をDψ’(ψ0,a)とすると、それぞれの変位量は、次式のように与えられる(図3を参照のこと)。この式が示すように、気流の影響は線形重ね合わせによって評価される。なお、下記式を用いずに、DX(ψ0,a)、DY(ψ0,a)、Dψ(ψ0,a)、Dψ’(ψ0,a)の値を例えば想定気体流速の下で風洞実験等を行うことで直接計測してもよい。
変位量計算部104が、状態sにある自律飛行船1が、想定される風速fx、fyの下において(想定風速fx、fyは想定風速値入力部103から入力される。)、各行動aに従って航行した場合、自律飛行船の世界座標系における水平面内位置のX座標,Y座標,方位角ψ,旋回速度ψ’がそれぞれどれくらい変位するのかを計算する。これらの変位を求めることにより、後述するように、ステップ3において、状態sにいる自律飛行船が、行動aを選択した場合に、次に、どの状態s’にどのくらいの確率で遷移するのかを計算することができるのである。
自律飛行船1の水平面内位置のX座標の変位量をDX(ψ0,a)、Y座標の変位量をDY(ψ0,a)、方位角ψの変位量をDψ(ψ0,a)、旋回速度ψ’の変位量をDψ’(ψ0,a)とすると、それぞれの変位量は、次式にように与えられる(図3を参照のこと)。この式が示すように、気流の影響は線形重ね合わせによって評価される。なお、下記式を用いずに、DX(ψ0,a)、DY(ψ0,a)、Dψ(ψ0,a)、Dψ’(ψ0,a)の値を例えば想定気体流速の下で風洞実験等を行うことで直接計測してもよい。
変位量計算部104は、目標速度計算部が出力した各時刻tにおける自律飛行船の旋回速度ψ’τとサージ速度vxwτ、想定風速値入力部で入力されたfxとfyを用いて、自律飛行船の水平面内位置のX座標の変位量DX(ψ0,a)、Y座標の変位量DY(ψ0,a)、方位角ψの変位量Dψ(ψ0,a)、旋回速度ψ’の変位量Dψ’(ψ0,a)を上記式に基づいてそれぞれ計算して、その計算結果を状態遷移確率計算部105に出力する。
状態遷移確率計算部105は、自律飛行船1の水平面内位置のX座標の変位量DX(ψ0,a)、Y座標の変位量DY(ψ0,a)、方位角ψの変位量Dψ(ψ0,a)、旋回速度ψ’の変位量Dψ’(ψ0,a)に基づいて、状態遷移確率Pa ss’を計算する。すなわち、これらの変位量を用いて、すべての状態sと状態s’と行動aの組み合わせについて、状態sにいる自律飛行船が行動aを選択した場合に、状態s’へ遷移する確率を計算する。
ここで、自律飛行船1が状態sにあるときは、自律飛行船1は、その状態sを表わす4次元の格子R(s)の各点の何れかに、等しい確率で存在するものと仮定する。この仮定の下では、状態遷移確率Pa ss’は、Rt(s)と各R(s’)の重なった部分の体積に比例してそれぞれ求めることができる。ここで、R(s’)は、Rt(s)と重なった格子である。すなわち、R(s’)は、状態sにおいてある行動aを取ったときの遷移先の候補の状態s’に対応した4次元の格子である。Rt(s)は最大で8つのR(s’)と重なる可能性がある。
傾斜角差計算手段107が、地形モデル保存部106に保存された地形モデルを参照して、状態sにおける地形の傾斜角θsteep(s)と、その状態においてある行動aを取ったときの遷移先の状態s’における地形の傾斜角θsteep(s’)の差の絶対値dθsteep(s’,s)を求める。計算されたdθsteep(s’,s)は、報酬決定部109に出力される。
すなわち、状態間の傾斜角差dθsteep(s’,s)は下記の式により定義される(図5を参照のこと)。
なお、ステップ4と後述するステップ5は、自律飛行船が3次元障害物上を定高度航行する場合の動作計画において必要なステップであり、自律飛行船が水平面を定高度航行する場合には、省略することができる。
登坂角度計算部108が、ある状態sから別の状態s’に遷移するときの自律飛行船の登坂角度変化最大量dθmax(s,s’)を計算する。計算された自律飛行船の登坂角度変化最大量dθmax(s,s’)は、報酬決定部109に出力される。
vz(s)を状態sにおけるピッチ角の変化速度、ahを自律飛行船のピッチ角変化の加速度の最大値、fxbを風の機軸方向の対機体速度とし、登坂角度は十分に小さく、上下方向には風は吹かないものとすると、自律飛行船の登坂角度変化最大量dθmax(s,s’)は、以下のように定義される。登坂角度変化最大量dθmax(s,s’)は、自律飛行船1が一回の行動で、どれだけ登坂角度を変化させることができるかということを表す。このような物理量を考慮する理由は、自律飛行船1はイナーシャが大きく、登坂角度を急激に変更することができないからである。換言すれば、地形の傾斜角の変化に対する自律飛行船1の行動を、自律飛行船1の登坂角度変化最大量によって評価するのである(次のステップ6を参照のこと。)。
報酬決定部109が、状態s、行動a、遷移先の状態s’の各組み合わせについて、それぞれ、自律飛行船の登坂角度変化最大量dθmax(s,s’)と状態間の傾斜角差dθsteep(s’,s)の大小関係を調べて、報酬を決定する。
具体的には、報酬決定部109は、状態間の傾斜角差dθsteep(s’,s)の方が大きい場合には、その状態s、行動a、遷移先の状態s’各組み合わせについての報酬Ra ss’を−1に設定する。状態間の傾斜角差dθsteep(s’,s)の方が大きい場合には、自律飛行船1が、その遷移先の状態s’に移行することは不可能であり、かかる遷移先の状態sは障害物とみなすことができるためである。
なお、ステップ4とステップ5を省略する場合には、報酬決定部109は、dθmax(s,s’)と状態間の傾斜角差dθsteep(s’,s)の比較をしないで、報酬を決定する。具体的には、報酬決定部109は、地形モデル保存部106に保存された地形データを参照して、遷移先の状態s’が到達点を含む場合には報酬Ra ss’を1に設定し、遷移先の状態s’が障害物を含む場合には報酬Ra ss’を−1に設定し、その他の場合には報酬Ra ss’を0に設定する。
また、先に述べたように、この{1,0,−1}の何れかの報酬を与えるという決定方法は一例に過ぎず、到達点を含む場合の報酬>その他の場合の報酬>障害物である場合の報酬という関係が成り立っている限り、報酬の値はどのような値でも良い。
動作計画部110は、状態遷移確率計算部105が計算した状態遷移確率Pa ss’と、報酬決定部109が計算した報酬Ra ss’を用いて、ダイナミックプログラミング法により、価値関数Vπ(s)及び方策πを計算し、これを価値関数データベース111に格納する。
以上が、自律飛行船の動作計画法の説明である。
理論的背景
動作計画においては、想定される風の風向と風速は一定であった。しかし、想定される風と実際に吹いている風は通常異なる場合が多い。この場合には、自律飛行船の航行中に、この風の差の影響をリアルタイムで考慮する必要がある。そのためには、まず、未知の風により、自律飛行船の位置がどの程度ずれたのかを推定する必要がある。ここで、自律飛行船の旋回速度ψ’は制御の対象であり、方位角ψは制御の対象となる旋回速度ψ’により定めるため、旋回速度ψ’と方位角ψは、未知の風の影響を受けないものとする。
これらの変位量DXa(ψ0,a),DYa(ψ0,a)を用いることにより、状態sにある自律飛行船がある行動aを取ったときの予想される遷移先の状態seの位置Xe(s,a),Ye(s,a)、方位角ψe(s,a)、旋回速度ψ’e(s,a)は、下式のように示される。
上記式(4)により、未知の風の影響下において、状態sにいる自律飛行船がある行動aを取ったときに遷移すると予想される状態seが求まる。ある状態sにおいて取り得るすべての行動aについて、遷移すると予想される状態seの価値関数値Vπ(se)を求め、各行動aごとに決まる価値関数値Vπ(se)の大小関係を比べる。このとき、価値関数値Vπ(se)を最大にする行動aが、状態sにおける最適な行動となる。すなわち、各状態sにおいて、上述の計算を逐次行い、その行動aを選択することにより、未知の風が存在する状況においても、自律飛行船は到達地点に到達することができるのである。
図6、図7を参照して、劣駆動自律飛行船の制御方法を実現するための装置(以下、自律飛行船の制御装置とする)構成例・処理例について説明する。図6は、自律飛行船の制御装置の機能構成例を示した図である。図7は、自律飛行船の制御方法例を示した図である。
自律飛行船の制御装置は、風速差計測部6、位置計測部7、遷移先予測部203、価値関数値計算部204、動作選択部205、フィードバック制御部206から構成される。
風速差計測部6が、各行動単位時間毎に、動作計画時に予測した風速fx,fyと、実際に吹いている風の風速の実測値fxa,fyaの差dfx,dfyを計測する。ここで、dfx=fx−fxa,dfy=fy−fyaである。計測された風速差dfx,dfyは、遷移先予測部203に出力される。
位置計測部7が、各行動単位時間毎に、自律飛行船の位置X,Y、方位角ψ、旋回速度ψ’を計測する。計測結果は、遷移先予測部203に出力される。
遷移先予測部203が、風速差計測部6が出力した風速差dfx,dfyと、位置計測部7が出力した自律飛行船の位置X,Y、方位角ψ、旋回速度ψ’を用いて、状態sにいる自律飛行船が、各行動aを取った場合に、次にどの状態に遷移するのかを予測し、その予測される遷移先の状態seをそれぞれ求める。各行動aごとに求められた予想される遷移先の状態seは、価値関数値計算部204に出力される。
具体的には、遷移先予測部203はまず、ある行動aについて、上記式(3)を用いて、風速差dfxを考慮したときの自律飛行船のX軸方向の変位量DXa(ψ0,a)、風速差dfyを考慮したときの自律飛行船のY軸方向の変位量DYa(ψ0,a)をそれぞれ求める。その後、上記式(4)を用いて、その行動aを取ったときの予想遷移先状態seを求める。これを、すべての行動aについて行い、各行動aごとにそれぞれ予想される遷移先の状態seを求める。各行動aごとに求められた予想される遷移先の状態seは、価値関数値計算部204に出力される。
価値関数値計算部204が、価値関数データベース111を参照して、各行動aごとに予想される遷移先の状態seにおける価値関数値Vπ(se)をそれぞれ計算する。計算された各行動aごとの価値関数値Vπ(se)は、動作選択部205に出力される。
動作選択部205が、価値関数値計算部204が計算した各行動aごとの価値関数値Vπ(se)の大小関係を比較して、価値関数値Vπ(se)を最大にする行動aを選択する。そして、その行動により決定される目標速度を式(2)から再計算する。再計算された目標速度は、フィードバック制御部206に出力される。
フィードバック制御部206は、再計算された目標速度を維持することができるように、主推進器力、舵角度を調整する。
以上が、劣駆動自律飛行船の動作計画法を用いた劣駆動自律飛行船制御方法の説明である。
以上の説明では、自律行動主体である自律移動ロボットの具体例として自律飛行船を例に挙げて説明した。しかし、自律移動ロボットの具体例として自律飛行船に限らず、例えば水中無人探査機のような自律水中ロボットなども例示できる。
自律水中ロボットは、その潜航深度を機体の浮力を使って保持する原理を利用するため、その機体比重を機体周囲の液体(例えば自律水中ロボットの活動場所が海であれば海水である。)の比重と同じにする必要があり、そのために、機体が周囲を流れる液体から受ける流体力が、機体に搭載されたプロペラなどの推進手段の力と比較して無視できない大きさになってしまい、その動作計画に困難が生じる。また、機体に搭載可能な推進手段の数、重量にも大きな制約があり、自律水中ロボットは劣駆動ロボットである場合が多い。さらに、自律水中ロボットの運動は、イナーシャが高く、一般にその最大加速度は低い。自律水中ロボットは、これらの点で自律飛行船と同様の自律移動ロボットであり、自律水中ロボットに対して本発明の動作計画方法や制御方法を好ましく適用できる。
なお、自律水中ロボットの場合には、自律飛行船の場合としての用語、例えば「対空気機体座標」、「空気」、「風」、「風速」などを「対水機体座標」、「流体」、「海流」、「流速」などに適宜に呼びかえればよい。
本発明では、自律移動ロボットには自律飛行船や自律水中ロボットの他に格別の限定はないが、自律移動ロボットが、その行動環境の影響、特に「流れ」の影響を受けやすいものである場合に、本発明の有効性が顕著になる。このことは、既述の変位量計算部104が、変位量の算出にあたり、想定される風速(流速)を考慮していることなどからも明らかであろう。
そこで、簡易でありながら現実の流速分布をできるだけ反映した流速推定の手法を示す。
〈1〉主流方向に沿った地形モデルの断面で、この断面をマルコフ状態空間の離散化に対応して複数の領域(例えば正方格子状)に分割し、地形表面(地面あるいは海底面)の高度が極大となる領域(以下、極大領域という。)を検出する。これは、地形モデルに登録された高度の主流方向の変化、つまり、高度増加から高度減少に転じる領域として検出でき、あるいは、登録された傾斜角から算出される高度の主流方向の変化から検出することができる。ここでは検出された極大領域をPm0,Pm1,・・・,Pmnとする。なお、「地形表面の高度が極大となる領域(極大領域)」とは、地形モデルの断面で地形表面の高度が極大となる位置を含む領域である。
〈2〉各極大領域Pm0,Pm1,・・・,Pmnについて、極大領域Pmi(i=0,1,・・・,n)の上流側に、当該極大領域Pmiの高度よりも高い、あるいは当該極大領域Pmiの高度以上の、極大領域が存在する場合には、当該極大領域Pmiを極大領域としての指定から除外する、つまり当該極大領域Pmiを極大領域の集合Pm0,Pm1,・・・,Pmnから除外するという補正を行う。例えば、i=5についてのみ、極大領域Pm5の上流側に、当該極大領域Pm5の高度よりも高度の高い極大領域が存在する場合であれば、領域Pm5は極大領域としての指定を外され、領域Pm0,Pm1,・・・,Pm4,Pm6,・・・,Pmnが極大領域となる。ここで、一般的に領域は高低差を有する範囲であるところ、「領域の高度」は、例えば当該領域のうち高度が最も高い部分の高度として定義することも、あるいは逆に最も低い部分の高度として定義することも、もしくは両者の平均値として定義することが可能である。
〈3〉ステップ〈2〉で得られた各極大領域について、各極大領域の下流側で、かつ、当該極大領域の高度以下あるいは未満の領域〔但し、ここで意味のある領域は自律移動ロボットが可動な領域であることに留意しなければならない。〕の主流方向の流速を0とする。
〈4〉その他の領域では、主流方向の流速を主流速度と同じとする。
[ステップ1]
極大領域検出部301が、地形モデル保存部106から読み込んだ地形モデルを用いて、主流方向に沿った地形モデルの断面で地形表面の高度が極大となる領域を検出する。主流方向に沿った地形モデルの断面〔図13(a)参照〕は、マルコフ状態空間の離散化に対応して複数の領域に分割される〔図13(b)参照〕。図13(b)では、主流方向に沿った地形モデルの断面を格子状に分割した例を示している。以下、各領域を指示するにあたり、図13(b)の枠外に示したアラビア数字とアルファベットとの組み合わせで指示する。ここでは検出された極大領域をPm0,Pm1,Pm2とする。つまり、領域(6,c)、(7,f)、(4,i)である。
つぎに、極大領域補正部302が、上記ステップ1で検出された極大領域Pm0,Pm1,Pm2について、各極大領域Pmi(i=0,1,2)の上流側に、当該極大領域Pmiの高度よりも高い、あるいは当該極大領域Pmiの高度以上の、極大領域が存在する場合に、当該極大領域Pmiを極大領域としての指定から除外する補正を行う。図13(b)に示す例では、i=1についてのみ、極大領域Pm1の上流側に、この極大領域Pm1よりも高度の高い極大領域(Pm0)が存在するから、領域Pm1は極大領域としての指定を外され、領域Pm0,Pm2が極大領域となる。なお、このステップ2の処理は必須ではない。ただし、この例では、「領域の高度」を当該領域のうち高度が最も高い部分の高度として定義した。
想定流速設定部303が、上記ステップ2で得られた各極大領域Pm0,Pm2〔ステップ2を省略した場合は上記ステップ1で得られた各極大領域Pm0,Pm1,Pm2である。〕について、各極大領域の下流側で、かつ、当該極大領域の高度以下あるいは未満の領域の流速を0に設定する。図13(b)に示す例では、例えば図13(c)に示す網掛け領域が流速0に設定される領域である。ただし、この例では、「極大領域の高度」をステップ2と同じ定義とし、「極大領域の高度以下の領域」を流速0に設定するとした。つまり、領域(6,d)、・・・、(6,h)、(7,d)、・・・、(7,h)、(8,f)、(8,g)、(4,j)、・・・、(4,o)、(5,j)、・・・、(5,o)、(6,j)、・・・、(6,o)、(7,k)、・・・、(7,o)、(8,l)、・・・、(8,o)、(9,o)の各領域が流速0に設定される。また、想定流速設定部303は、その他の領域では、流速を主流速度と同じに設定する。設定された流速は、例えば想定風速値入力部103の入力となる。
Claims (15)
- 自律移動ロボットの動作計画方法において、
目標速度計算手段が、マルコフ状態遷移モデルの行動から、目標旋回速度及び機軸方向の速度(以下、サージ速度とする)を各状態ごとに計算する目標速度計算過程と、
変位量計算手段が、上記目標旋回速度と上記サージ速度を用いて、各行動単位時間における位置の変位量と、方位角の変位量と、旋回速度の変位量とをそれぞれ計算する変位量計算過程と、
状態遷移確率計算手段が、上記マルコフ状態遷移モデルのある状態における、その状態を構成する位置座標と方位角と旋回速度から構成されるベクトルと同じ次元を持つ格子を上記位置の変位量と、上記方位角の変位量と、上記旋回速度の変位量とから構成される変位量ベクトルだけ平行移動させ、その他の格子との共通部分の体積に比例した確率を状態遷移確率として求める状態遷移確率計算過程と、
動作計画手段が、上記状態遷移確率を用いてマルコフ決定過程における動作計画法に基づき、方策及び価値関数を計算する動作計画過程と、
を有する自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記目標速度計算過程において、上記目標旋回速度、又はこれと上記サージ速度、の時間微分が、上記自律移動ロボットの最大加速度を超えないように設定されていることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1又は2記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記目標旋回速度又はこれと上記サージ速度が、機体座標における対流体目標速度であることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1〜3の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記目標速度計算過程における上記サージ速度が一定値であることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1〜4の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
傾斜角差計算手段が、地形モデルを参照して、上記マルコフ状態遷移モデルのある状態における地形の傾斜角と、その状態においてある行動を選択した後の遷移状態における地形の傾斜角との差の絶対値を計算する傾斜角差計算過程と、
登坂角度計算手段が、上記ある状態から上記遷移状態に遷移するときの、上記自律移動ロボットの登坂角度変化最大量を計算する登坂角度計算過程と、
報酬決定手段が、上記傾斜角の差の絶対値と上記自律移動ロボットの登坂角度変化最大量とを比較して、上記傾斜角の差の絶対値が大きければ、上記ある状態において上記行動を選択したときの報酬を低く設定する報酬決定過程と、
を更に有し、
上記動作計画過程は、更に、上記報酬決定過程により求められた報酬に基づいて、方策及び価値関数を計算する過程である、
ことを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1〜5の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記変位量計算過程は、自律移動ロボットの行動環境として想定される流速(以下、環境想定下流速という。)の下において、上記位置の変位量と、上記方位角の変位量と、上記旋回速度の変位量とをそれぞれ計算する過程である、
ことを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項6に記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
極大領域検出手段が、地形モデルを参照して、自律移動ロボットの行動環境として想定される流速の主流方向に沿った地形モデルの断面で、この断面を複数の領域に分割し、地形表面の高度が極大となる領域を検出する極大領域検出過程と、
想定流速設定手段が、上記極大領域検出過程で得られた極大領域ごとに、当該極大領域の下流側で、かつ、当該極大領域の高度以下あるいは未満の領域における主流方向の流速を0とし、その他の領域では、主流方向の流速を主流速度と同じに設定する想定流速設定過程と、
を更に有し、
上記変位量計算過程は、上記想定流速設定過程で設定された流速を上記環境想定下流速として、上記位置の変位量と、上記方位角の変位量と、上記旋回速度の変位量とをそれぞれ計算する過程である、
ことを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1〜7の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記自律移動ロボットは、劣駆動自律飛行船である
ことを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項1〜8の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法で決まった動作計画に基づき、自律移動ロボットを制御する自律移動ロボットの制御方法であって、
流速差計測手段が、動作計画時に予測した流速と実測値との差(以下、流速差という。)を計測する流速差計測過程と、
位置計測手段が、自律移動ロボットの位置、方位角、旋回速度をそれぞれ求める位置計測過程と、
遷移先予測手段が、上記流速差、上記位置、上記方位角、上記旋回速度を用いて、遷移先の状態を各行動について予測する遷移先予測過程と、
価値関数値計算手段が、各行動ごとの、遷移先の状態の価値関数の値を計算する価値関数値計算過程と、
動作選択手段が、上記各行動ごとに求まった価値関数の値を比較して、これらの価値関数の値を最大にする行動を決定する動作選択過程と、
を有することを特徴とする自律移動ロボットの制御方法。 - 請求項9に記載の自律移動ロボットの制御方法において、
上記自律移動ロボットは、劣駆動自律飛行船である
ことを特徴とする自律移動ロボットの制御方法。 - 自律移動ロボットの動作計画装置において、
マルコフ状態遷移モデルの行動から、目標旋回速度及び機軸方向の速度(以下、サージ速度とする)を各状態ごとに計算する目標速度計算手段と、
上記目標旋回速度と上記サージ速度を用いて、各行動単位時間における位置の変位量と、方位角の変位量と、旋回速度の変位量とをそれぞれ計算する変位量計算手段と、
マルコフ状態遷移モデルのある状態における、その状態を構成する位置座標と方位角と旋回速度から構成されるベクトルと同じ次元を持つ格子を上記位置の変位量と、上記方位角の変位量と、上記旋回速度の変位量とから構成される変位量ベクトルだけ平行移動させ、その他の格子との共通部分の体積に比例した確率を状態遷移確率として求める状態遷移確率計算手段と、
上記状態遷移確率を用いてマルコフ決定過程における動作計画法に基づき、方策及び価値関数を計算する動作計画手段と、
を備えることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画装置。 - 請求項11に記載の自律移動ロボットの動作計画装置において、
上記自律移動ロボットは、劣駆動自律飛行船である
ことを特徴とする自律移動ロボットの動作計画装置。 - 請求項1〜8の何れかに記載の自律移動ロボットの動作計画方法の各過程をコンピュータに実行させるための自律移動ロボットの動作計画プログラム。
- 請求項9又は10に記載の自律移動ロボットの制御方法の各過程をコンピュータに実行させるための自律移動ロボットの制御プログラム。
- 請求項13に記載の自律移動ロボットの動作計画プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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