JP5172326B2 - 適応型経路計画のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、概括的には、経路計画に関し、より詳細には、物体及び/又は輸送手段の可能な経路を計画することに関する。
発明の背景
当該技術分野で既知のように、輸送手段の経路を計画することが望ましい状況が存在する。1つの既知の経路計画技法は、高速ランダム探索木(RRT(Rapidly-Exploring Random Tree))として知られている。しかしながら、RRT方法は、少数の静止障害物を扱い、回避しなければならない環境の領域が固定されていることを前提とする。このような方法の1つの不利な点は、移動物体、不確定な環境、又は不確定な輸送手段の移動に対処していないということである。
発明の概要
本発明は、輸送手段及び障害物の移動の確率的知識を用いて、動的に変化する環境及び不確定な環境においてキノダイナミック(kinodynamic)制約条件下で動作する輸送手段のリアルタイム経路計画を取り扱うランダム化適応型経路計画方法を提供する。本明細書で使用されるように、用語「輸送手段」は、実質的には、経路を計画することが望ましいあらゆるタイプのエンティティを含むように広く解釈されることが理解される。たとえば、エンティティには、潜水艦等の輸送手段に加えて、ネットワークで動作する移動ソフトウェアエージェントも含まれ得る。
攻撃を可能にする経路を選択することが望ましい場合がある。
発明の詳細な説明
本発明は、添付図面と関連する以下の詳細な説明から、より十分に理解される。
、一般に、状態空間の初期スタート位置に配置され、輸送手段が到達又は移動しようと試みている状態空間におけるゴール領域が特定される。ゴールロケーションは時間と共に変化する場合があることが理解される。輸送手段が回避すべき移動物体及び静止物体並びに移動領域及び静止領域が特定されて定義される。これらの物体及び領域の状態空間のロケーション又は存在は、確率的にしか知ることができない。輸送手段が回避したいが回避する必要がない移動物体及び静止物体又は移動領域及び静止領域も定義することができる。これに加えて、輸送手段の移動に対する制約条件及び出力経路に対する制約条件も定義することができる。
一例示の実施の形態では、確率分布は、状態空間における障害物に対応する。各障害物Oについて、次の確率密度関数が存在するものと仮定する。
判明している方向においてT0の進行方向で引用されたとすると、位置の信頼レベルは、時刻T1について相対的に高くなる。これに加えて、たとえば、潜水艦がコースを180度反転する確率は、かなり低いものとすることができる。これは、この確率を示すための濃淡に反映させることができる。さらに、潜水艦の旋回能力が限られていることも考慮することができる。当業者には、多種多様なパラメータを状態情報に考慮できることが理解されよう。
1.一般に:拡張が実現可能でない場合、その枝は抹消される。
b.輸送手段が空挺である場合、特定の作戦行動に必要なG力が大きすぎる場合がある。
2.センサ又は他の情報源から得られるさらなる情報が、接触がないと考えられていた枝が実際にはそうでないことを示す場合がある。既知の障害物のロケーションに関する新たな情報が明らかになる場合がある。また、障害物が追加されて発見される場合もある。
3.経路のコストメトリックが大きくなりすぎる場合がある。いくつかの例を以下に与える。
b.旋回の回数又は他のタイプの方向変換の回数が多くなりすぎる場合がある。たとえば、輸送手段が空挺の場合、高度の変化の回数が多くなりすぎる場合がある。
レベル等が含まれる。
例
Πを、状態空間Σにわたる確率分布の空間を示すものとする。輸送手段の現在位置からゴールへの経路又は経路の選択を決定するために、Πにおける特定のタイプの探索木Tが構築される。一般に、探索木Tの節点は、状態空間Πにおける点であり、Tにおけるエッジは、Πの曲線である。
が円の弧であると仮定する簡単な旋回モデルを含む。この旋回モデルでは、円の半径は、旋回開始時の輸送手段の速度に依存する。
空間座標において、回避される領域に接触する確率を評価することができる。この確率が最大実現可能確率よりも小さい場合に、確率実現可能性関数は真を返す。最大実現可能確率は、次のもの、すなわち、環境の危険性尺度、輸送手段の移動において予測できる正確度、リーフ節点の現在の個数、許容可能な危険性の量、及び回避される領域のタイプの1つ又は2つ以上に依存する関数として定義することができる。
−所望輸送手段速度範囲:輸送手段の速度は、異常な状況を除いてこの範囲内にあるべきである。
−指定時間範囲内で許容された最大旋回数:輸送手段がユーザ指定時間の範囲内で行うことができるコース変更の最大回数。
木の拡張を中止するための、たとえば図4の方法要素7で使用できる実例のルールを以下に解説する。現在の実施態様では、ゴールへの経路が見つかった時、又は、最短部分経路における輸送手段移動時間が移動時間制限パラメータを超える場合に、木の拡張は停止する。他の可能性を以下に与える。
−経路発見アプリケーションが一定の時間の間実行された後、木の拡張を自動的に停止する。
−構築プロセスの期間中に木を表示し、ユーザの要求を介して拡張を停止する。
−信頼レベルが与えられると、更新された状況知識を使用して、現在の経路が接触進入禁止領域(contact no go region)と交差する確率が、許容できないほど高いと判断された場合に、経路を自動的に更新する。
−可変時間ステップを使用して経路を自動的に更新する。この場合、接触のローカル密度が時間ステップのサイズを決定する。ローカル密度が高い場合には、短い時間ステップが使用され、ローカル密度が低い場合には、長い時間ステップが使用される。
T 構築される探索木。
#RN 所与の繰り返しでランダムに拡張する節点の最大数。これは入力パラメータである。
MEL 最大許容エッジ長。これは入力パラメータである。
MSp 最大許容速度。これは入力パラメータである。
mSp 最小許容速度。これは入力パラメータである。
VMM 輸送手段の動きモデル。
EPM 確率的環境モデル。
停止フラグ 停止が可能な場合にTRUE(真)に設定されるブールフラグ。
アクティブ節点 出力経路に含めることができるTのあらゆる節点。
停止条件 木の構築が停止する時を決定する条件。
ない。これらのしきい値は、定数とすることもできるし、環境の関数として取り入れることもできる。たとえば、環境がかなりの量のオープン空間を含む場合、輸送手段をオープン空間のより大きなエリアに強制的に進めるために、定数しきい値の確率を低く設定することができる。追加されるエッジの長さは環境に依存し、この長さは、領域にわたって、且つ、時間と共に変化し得る。追加された端部節点(end node)が、接触チェックの確率によって実現可能であると判断された場合、そのエッジも、接触判定基準の確率の下で実現可能であるように、どのエッジ長も、(空間及び時間において)十分短くあるべきである。
。環境が動的で不確定な場合があるので、予期しない環境の変化のためにこの進路の更新が必要な場合がある。本発明の経路計画システムは、オプションの自動進路更新のための条件も含む。このシステムは、環境条件に基づいて木の構築を変更することができる。
−親節点へのポインタ
−デッド節点フラグ
−状態空間情報
−確率分布情報
−経路のコストのメトリックに関する変数
−ルート節点からの経路のコスト
−環境情報
−親エッジへのポインタ
ここで、木を有向グラフとみなすと、親節点は、所与の節点に入るエッジの開始部分の節点である。入るエッジは親エッジである。所与の節点の子節点は、その所与の節点を親として有するすべての節点から成る。デッド節点フラグは、その節点から続けることができるか否かを示すブール変数とすることができる。このデッドフラグが真に設定されている場合、節点の親をルート節点として有する部分木であって、その節点を含む部分木は、すべて抹消される。状態空間情報は用途に依存する。移動する輸送手段を含む用途において状態空間情報として使用できるいくつかの例示の変数には、速度、加速度、進行方向、地理的ロケーション(たとえば、経度、緯度、及び高度)、及び時間が含まれる。一般に、これらの変数は確率分布に関連付けられ、これらの変数の値は、関連した確率分布の手段によって与えられることに留意されたい。
−時間によってパラメータ化された曲線として、又は、幾何学的位置/時空間若しくは位置/時間/速度において区分的に直線の経路として与えられる曲線。
−「信頼度」
が含まれる。
の探索木構造体にもランダム性の量を適応させない。また、それらの方法は、動的に変化する環境の確率的知識を組み込むシミュレーションを使用してリアルタイム計画も行わない。また、本発明の方法は、ランダム性と共に決定論的ルールを使用する点でも従来の方法と異なる。ここで、ランダム性の量は適応的である。
選択された場合、その組のすべての節点が選択されたかどうかが判断される。すべての節点が選択された場合、ランダム拡張は完了する。そうでない場合、処理はステップ702において継続し、ステップ702において、さらに節点が選択される。
の摂動を行うことも可能になる。
Claims (7)
- プロセッサと命令を格納するメモリとを備えるコンピュータを用いて、スタート位置からゴール位置への状態空間における輸送手段に対する少なくとも1つの経路を、複数の静的な物体及び動的な物体を回避するように計画することを含む方法であって、
前記計画は、前記プロセッサを用いて、前記メモリからの命令を実行して、
状態空間モジュール及び物体モジュールを用いて、前記状態空間に位置する前記複数の静的な物体及び前記複数の動的な物体に所定の属性を関連付け、
経路ジェネレータモジュールを用いて、前記状態空間に位置する、前記輸送手段の前記スタート位置から前記ゴール位置に向けて伸びる複数の枝を含む確率木を前記状態空間において生成し、該状態空間における確率木の生成は、複数のランダム木拡張ルール及び複数の決定論的木拡張ルールに基づいて、第1の複数のエッジのそれぞれを、前記状態空間における前記スタート位置から、対応する第1の複数の節点のそれぞれへ、第1の所定の距離及び方向に拡張して、前記確率木の前記複数の枝のそれぞれの第1の線分を形成することを含み、
ルールモジュールに含まれる、前記複数のランダム木拡張ルール及び複数の決定論的木拡張ルールの少なくとも1つに基づいて、所定の停止条件を満たすまで、前記確率木の前記複数の枝を、前記状態空間に位置する前記ゴール位置に向けて拡張し、
前記ルールモジュールを用いて、前記確率木の前記複数の枝の少なくとも第1の枝を評価して、該確率木の該複数の枝の該第1の枝が所定の軌道経路制約条件を満たすかどうかを判断し、
前記複数のランダム木拡張ルール及び前記複数の決定論的木拡張ルールに基づいて、次の連続した複数のエッジの少なくとも1つを、前記第1の複数の節点のそれぞれから、対応する次の連続した複数の節点のそれぞれへ、前記状態空間における第2の所定の距離及び方向に拡張して、前記確率木の前記複数の枝の各枝の次の連続した線分を形成し、
前記確率木の前記複数の枝の少なくとも前記第1の枝が前記停止条件を満たすまで、該確率木の複数の枝の各枝の拡張を循環的に反復し、
前記ルールモジュールを用いて、前記確率木の前記複数の枝の1つ又は2つ以上の枝の拡張が、物体回避制約に違反するかどうかを評価し、
前記確率木の前記複数の枝の前記1つ又は2つ以上の枝の拡張が、前記物体回避制約に違反するとの判断がなされた場合、該複数の枝の1つ又は2つ以上の枝のさらなる拡張を中断し、
前記確率木の前記複数の枝の前記1つ又は2つ以上の枝の拡張が、前記物体回避制約にもはや違反しないとの判断がなされた場合、該複数の枝の1つ又は2つ以上の枝の拡張を再開する、ことを含み、
前記複数のランダム木拡張ルールに基づいて前記確率木の前記複数の枝を拡張することが、前記複数の静的な物体及び前記複数の動的な物体のない前記状態空間内に各枝を拡張すること、並びに、前記確率木の前記複数の枝の他の枝のない前記状態空間内に各枝を拡張することのうち少なくとも1つを含み、
前記複数の決定論的木拡張ルールが、前記輸送手段の進行方向及び速度が一定となるように直線経路を追加する第1のルールを含む、
ことを特徴とする方法。 - 前記確率木の前記複数の枝の前記第1の枝が、前記所定の軌道経路制約に従う場合、前記方法は、
前記確率木の前記複数の枝の前記第1の枝を、前記状態空間における前記輸送手段に対する前記少なくとも1つの好ましい軌道経路として宣言し、
前記状態空間における前記少なくとも1つの好ましい軌道経路に従うように前記輸送手段を制御して、前記状態空間において前記スタート位置から前記ゴール位置へ向けて前記輸送手段を移動させる、
ことをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記確率木の前記複数の枝の前記第1の枝が、前記所定の軌道経路制約に従わない場合、前記方法は、
前記確率木の前記複数の枝の少なくとも1つの枝が前記所定の停止条件を満たし、前記所定の軌道経路制約に従うまで、前記複数のランダム木拡張ルール及び前記複数の決定論的木拡張ルールの前記少なくとも1つに基づいて前記確率木の前記複数の枝をさらに拡張する、
ことをさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 前記スタート位置を前記ゴール位置に結合し、前記所定の軌道経路制約に従う、前記確率木の前記複数の枝の前記少なくとも1つの枝を、前記状態空間における前記輸送手段に対する前記少なくとも1つの好ましい軌道経路として宣言し、
前記状態空間における前記少なくとも1つの好ましい軌道経路に従うように前記輸送手段を制御して、前記状態空間において前記スタート位置から前記ゴール位置へ向けて前記輸送手段を移動させる、
ことをさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 前記所定の停止条件を満たすことは、所定の時間制約を満たすこと、及び、所定の移動距離制約を満たすことの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記状態空間に位置する前記複数の静的な物体及び前記複数の動的な物体に所定の属性を関連付けることは、位置値、速度値、方向値、加速度値、及び時刻値の少なくとも1つを関連付けることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記確率木の前記複数の枝の前記第1の枝が前記所定の軌道経路制約を満たすかどうかを判断することは、該確率木の該複数の枝の該第1の枝が、最大移動距離値、最大旋回角値、前記複数の静的な物体及び前記複数の動的な物体への最小距離値の少なくとも1つを満たすかどうかを判断することを含む、請求項1に記載の方法。
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