JP5291610B2 - Azimuth estimation apparatus, method, and program - Google Patents
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Description
この発明は、対象物の方位角を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating an azimuth angle of an object.
近年、屋内外で活動可能な自律移動ロボットの研究が活発に行われており、それらの応用先が広がりつつある。自律移動ロボットの種類としては、車輪を使用して地表を移動するタイプのものや、空を飛行して移動する自律型空中ロボット、水中を航行する水中型ロボットなどがある。自律移動ロボットの行動を高精度で制御するアルゴリズムを確立する上では、自律移動ロボットの位置と姿勢角を実時間で高精度に計測するための技術が必須である。 In recent years, research on autonomous mobile robots that can be used indoors and outdoors has been actively conducted, and their application destinations are expanding. As types of autonomous mobile robots, there are a type that moves on the ground surface using wheels, an autonomous aerial robot that moves by flying in the sky, an underwater type robot that navigates underwater, and the like. In order to establish an algorithm for controlling the behavior of an autonomous mobile robot with high accuracy, a technique for measuring the position and posture angle of the autonomous mobile robot with high accuracy in real time is essential.
自律移動ロボットの位置を計測する技術としてGPS方式、無線LAN方式による位置計測技術が、姿勢角、方位角を計測する技術としてジャイロセンサ等を使用する技術が知られている。しかし、これらの位置・角度計測技術の計測精度は、自律移動ロボットを制御する上で不十分であることがある。そこで、これらの位置計測技術により求まった計測値を用いて、より精度が高い位置を推定するために、フィルタ技術が導入されている(例えば、非特許文献1参照。)。これらのフィルタ技術のほとんどがベイズフィルタの応用によるものである。ベイズフィルタを用いて高精度の位置の推定を行うためには、自動移動ロボットの高精度な移動モデルが必要である。 As a technique for measuring the position of an autonomous mobile robot, a position measurement technique using a GPS method or a wireless LAN method is known, and a technique using a gyro sensor or the like is known as a technique for measuring an attitude angle or an azimuth angle. However, the measurement accuracy of these position / angle measurement techniques may be insufficient to control an autonomous mobile robot. Therefore, a filter technique has been introduced in order to estimate a position with higher accuracy using measurement values obtained by these position measurement techniques (see, for example, Non-Patent Document 1). Most of these filter technologies are due to Bayesian filter applications. In order to estimate a position with high accuracy using a Bayes filter, a highly accurate movement model of an automatic mobile robot is required.
角加速度を計測するジャイロセンサには小型のものが存在するが、絶対角を正確に計測するためのレーザージャイロなどは重量が大きいものが多く、それらを小型の自律飛行船ロボットに搭載するのは難しい。また、自律移動ロボットの中には、自律飛行船型ロボットのようにそのペイロードの重量が限られている場合や、ロボット自身の大きさの制限から必要な性能を満たすセンサをロボットに搭載できない場合がある。 There are small gyro sensors that measure angular acceleration, but laser gyros and other devices that accurately measure absolute angles are often heavy, making it difficult to mount them on small autonomous airship robots. . In addition, some autonomous mobile robots have a limited payload weight, such as autonomous airship robots, and may not be equipped with sensors that meet the required performance due to the size of the robot itself. is there.
非特許文献1の技術では、ロボットの方位角を計測するためのセンサが搭載されていることを前提としているため、このようなセンサが搭載されていない状況において方位角の計測及び推定を行うことはできないという課題がある。
The technique of Non-Patent
上記の課題を解決するために、この発明では、対象物に搭載された位置を計測するセンサの計測値を使用して、その対象物の方位角を推定する。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, the azimuth angle of the object is estimated using the measurement value of the sensor that measures the position mounted on the object.
方位角を計測するためのセンサがなくても、対象物の方位角を推定することができる。 Even without a sensor for measuring the azimuth, the azimuth of the object can be estimated.
[対象物]
方位角の推定の対象となる対象物は、例えば図3に例示する自律飛行船等の自律移動ロボットである。この自律飛行船は、舵2、主推進器3、上下方向推進器4を装備している。また、図示していないが、横方向(方位角方向)推進器を備える。この自律飛行船の重心位置は低く設定されているので姿勢傾斜に対する復元力は大きく、自律飛行船の姿勢角は方位角以外は0に維持されるとする。以下、対象物が自律移動ロボットである場合を例に挙げて説明する。なお、状態の推定の対象となる対象物は何でもよく、自律移動ロボットに限られない。
[Object]
The target object whose azimuth angle is to be estimated is, for example, an autonomous mobile robot such as the autonomous airship illustrated in FIG. This autonomous airship is equipped with a rudder 2, a main propulsion device 3, and a
図1の自律移動ロボットのゴンドラ部には、5つの無線LAN方式の位置計測センサ61,62,63,64,65が取り付けられている。この例では、これらの位置計測センサ61,62,63,64,65は、自律移動ロボットの水平面(XY平面)内重心位置(Xg(t),Yg(t),Zg(t))を中心として水平面内に点対象に配置されているものとする。位置計測センサ61,62,63,64,65は、水平面内重心位置(Xg(t),Yg(t),Zg(t))から、それぞれ方位角にしてΦs1,Φs2,Φs3,Φs4,Φs5の方向に距離Rs1,Rs2,Rs3,Rs4,Rs5だけ離れた位置に固定されているものとする。各位置計測センサ61,62,63,64,65は、水平面内位置(XY)及び高度(Z)を計測することができる。
Five wireless LAN type
時刻ステップtにおける位置計測センサ61,62,63,64,65の計測値をそれぞれZ1(t)、Z2(t)、Z3(t)、Z4(t)、Z5(t)とする。
The measured values of the
Z1(t)=(Zx1(t),Zy1(t),Zz1(t))
Z2(t)=(Zx2(t),Zy2(t),Zz2(t))
Z3(t)=(Zx3(t),Zy3(t),Zz3(t))
Z4(t)=(Zx4(t),Zy4(t),Zz4(t))
Z5(t)=(Zx5(t),Zy5(t),Zz5(t))
すると、これらの平均値(Zxa(t),Zya(t),Zza(t))は、以下のように計算できる。
Z1 (t) = (Zx1 (t), Zy1 (t), Zz1 (t))
Z2 (t) = (Zx2 (t), Zy2 (t), Zz2 (t))
Z3 (t) = (Zx3 (t), Zy3 (t), Zz3 (t))
Z4 (t) = (Zx4 (t), Zy4 (t), Zz4 (t))
Z5 (t) = (Zx5 (t), Zy5 (t), Zz5 (t))
Then, these average values (Zxa (t), Zya (t), Zza (t)) can be calculated as follows.
Zxa(t)=[Zx1(t)+Zx2(t)+Zx3(t)+Zx4(t)+Zx5(t)]/5 …(a)
Zya(t)=[Zy1(t)+Zy2(t)+Zy3(t)+Zy4(t)+Zy5(t)]/5 …(b)
Zza(t)=[Zz1(t)+Zz2(t)+Zz3(t)+Zz4(t)+Zz5(t)]/5
Zxa (t) = [Zx1 (t) + Zx2 (t) + Zx3 (t) + Zx4 (t) + Zx5 (t)] / 5 (a)
Zya (t) = [Zy1 (t) + Zy2 (t) + Zy3 (t) + Zy4 (t) + Zy5 (t)] / 5 (b)
Zza (t) = [Zz1 (t) + Zz2 (t) + Zz3 (t) + Zz4 (t) + Zz5 (t)] / 5
センサが点対象に配置されていることから、上記平均値(Zxa(t),Zya(t),Zza(t))を自律飛行船の重心位置(Xg,Yg,Zg)の計測値として扱うことができる。以後、平均値(Zxa(t),Zya(t),Zza(t))を自律飛行船の重心位置(Xg,Yg,Zg)の計測値として説明する。 Since the sensors are arranged as point objects, the above average values (Zxa (t), Zya (t), Zza (t)) are handled as measured values of the center of gravity (Xg, Yg, Zg) of the autonomous airship. Can do. Hereinafter, the average value (Zxa (t), Zya (t), Zza (t)) will be described as the measured value of the gravity center position (Xg, Yg, Zg) of the autonomous airship.
なお、自律飛行船は船尾に装備された垂直尾翼の効果により、方位角方向の回転運動については安定であるとする。 It is assumed that the autonomous airship is stable in rotational movement in the azimuth direction due to the effect of the vertical tail mounted on the stern.
[自律飛行船の制御]
この発明では、自律飛行船のアクチュエータ(例えば、横方向推進器)に与える指示値は、各行動選択時刻における方位角速度が一定値0となるよう制御されるものとする。また、前進速度は常に一定の値Vxであるとの仮定がなりたつように制御を行う。つまり、各時刻ステップにおいて、自律飛行船のアクチュエータに与える指示値は図4のように制御される。ここで、Taは加速方向に一定値(方位角方向トルクM)を与える時間、Tdは減速方向に一定値(方位角方向トルクM)を与える時間、Tsは自律飛行船自身の持つ方位角方向の速度の安定特性を利用して、方位角速度が0になるよう調整する時間である。
[Control of autonomous airship]
In the present invention, the instruction value given to the actuator (for example, the lateral propulsion device) of the autonomous airship is controlled so that the azimuth velocity at each action selection time becomes a
図4の指示値を自律飛行船のアクチュエータに与えると、自律飛行船の方位角速度Φ’は図5のようなステップ応答となる。1時刻ステップに相当する時間は、T=Ta+Td+Tsである。TaとTdの時間の長さの比率は、アクチュエータに与える指示値と方位角速度との関係を別途計測し、その関係をもとに決める。また、TaとTdの時間の長さは、Td終了時点でなるべく自律飛行船の方位角速度が0に近くなるように設定される。また、前進速度は一定とするために、前進方向のアクチュエータ力は一定値を指示値とする。 4 is given to the actuator of the autonomous airship, the azimuth velocity Φ ′ of the autonomous airship becomes a step response as shown in FIG. The time corresponding to one time step is T = Ta + Td + Ts. The ratio of the length of time of Ta and Td is determined based on the relationship between the indication value given to the actuator and the azimuth velocity separately measured. In addition, the length of time between Ta and Td is set so that the azimuth velocity of the autonomous airship is as close to 0 as possible at the end of Td. Further, in order to keep the forward speed constant, the actuator force in the forward direction has a constant value as an instruction value.
[ベイズフィルタ]
以下、ベイズフィルタについて簡単に説明をする。ベイズフィルタの詳細については、参考文献1を参照のこと。
〔参考文献1〕スラン・セバスチャン(著)、バーガード・ウルフラム(著)、フォックス・ディーター(著)、上田隆一(訳)、「確率ロボティクス」、毎日コミュニケーションズ、2007/10/25
[Bayes filter]
Hereinafter, the Bayes filter will be briefly described. See
[Reference 1] Llan Sebastian (Author), Bargard Wolfram (Author), Fox Dieter (Author), Ryuichi Ueda (Translation), "Stochastic Robotics", Mainichi Communications, 2007/10/25
ベイズフィルタは、以下に記述される(1)予測と(2)計測更新とを繰り返すアルゴリズムである。以下、方位角Φ(t)の推定を例にとって説明する。 The Bayes filter is an algorithm that repeats (1) prediction and (2) measurement update described below. Hereinafter, the estimation of the azimuth angle Φ (t) will be described as an example.
(1)予測
bel0(Φ(t)) = ∫p(Φ(t)| u(t),Φ(t-1))・bel(Φ(t-1)) dΦ(t-1)
(2)計測更新
bel(Φ(t))=ηp( Zφ(t)| Φ(t) )・bel0(Φ(t))
(1) Prediction
bel0 (Φ (t)) = ∫p (Φ (t) | u (t), Φ (t-1)) ・ bel (Φ (t-1)) dΦ (t-1)
(2) Measurement update
bel (Φ (t)) = ηp (Zφ (t) | Φ (t)) ・ bel0 (Φ (t))
bel(Φ(t))は、時刻ステップtにおいて自律飛行船の方位角がΦ(t)である確率である。時刻ステップtのbel(Φ(t))を求めるために、まず、(1)予測のステップにおいて、一時刻ステップ前のbel(Φ(t−1))に、方位角遷移モデルにより推定した自律移動ロボットの状態遷移確率p(Φ(t)|u(t),Φ(t−1))をかけて、時刻ステップtのbel(Φ(t))の推定値bel0(Φ(t))を求める。ここで、u(t)は時刻ステップtでの自律移動ロボットの制御入力である。 bel (Φ (t)) is the probability that the azimuth angle of the autonomous airship is Φ (t) at time step t. In order to obtain bel (Φ (t)) at time step t, first, in (1) prediction step, bel (Φ (t−1)) one time step before is estimated by an azimuth transition model. The estimated value bel0 (Φ (t)) of bel (Φ (t)) at time step t is multiplied by the state transition probability p (Φ (t) | u (t), Φ (t-1)) of the mobile robot. Ask for. Here, u (t) is the control input of the autonomous mobile robot at time step t.
次に、(2)計測更新のステップにおいて、時刻ステップtで実際に計測された方位角センサの計測値Zφ(t)を用いて、推定値bel0(Φ(t))の補正を行い、時刻ステップtのbel(Φ(t))を求める。具体的には、自律移動ロボットの状態がΦ(t)である場合に位置計測センサにより計測値Zφ(t)が得られる確率値を用いて、bel0の補正を行っている。なお、ηは、正の定数である。 Next, in (2) the measurement update step, the estimated value bel0 (Φ (t)) is corrected using the measured value Zφ (t) of the azimuth sensor actually measured at time step t, and the time Bel (Φ (t)) of step t is obtained. Specifically, when the state of the autonomous mobile robot is Φ (t), correction of bel0 is performed using a probability value by which the measured value Zφ (t) is obtained by the position measurement sensor. Note that η is a positive constant.
[バイナリベイズフィルタ]
上述のベイズフィルタは数学的概念を記したものにすぎないので、計算機の上でこれを実装するためには別の表現が必要である。ベイズフィルタの実装形態としては、パーティクルフィルタやモンテカルロ・ローカリゼーション、バイナリベイズフィルタなどが知られている。以下では、この発明の手法に関連の深いバイナリベイズフィルタについて簡単に説明する。
[Binary Bayes filter]
The Bayesian filter described above is only a mathematical concept, so another representation is required to implement it on a computer. Known implementations of Bayes filters include particle filters, Monte Carlo localization, and binary Bayes filters. Hereinafter, a binary Bayes filter deeply related to the method of the present invention will be briefly described.
バイナリベイズフィルタは、ベイズフィルタを計算機での利用に即した離散表現で書き下したものである。バイナリベイズフィルタにおける(1)予測、(2)計算更新、の各ステップは、例えば以下のように記述される。 The binary Bayes filter is a Bayesian filter written in a discrete representation that is suitable for use in a computer. Each step of (1) prediction and (2) calculation update in the binary Bayes filter is described as follows, for example.
(1−1)予測
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
(1−2)計測更新
Bel(Φs(t))=ηP( Zφs(t)| Φs(t) )・Bel0(Φs(t))
(1-1) Prediction
Bel0 (Φs (t)) = Σp (Φs (t) | a (t), Φs (t-1)) ・ Bel (Φs (t-1))
(1-2) Measurement update
Bel (Φs (t)) = ηP (Zφs (t) | Φs (t)) ・ Bel0 (Φs (t))
ここで、Φs(t)は、時刻ステップtにおける自律飛行船の方位角を離散値で表現したものである。たとえば、0度から360度までの一回転の角度を36分割した場合、Φs(t)の値は36通りの離散値のうちのいずれかをとることになる。例えば、36個のΦs(t)にそれぞれ1から36までの整数が割り当てられる。 Here, Φs (t) represents the azimuth angle of the autonomous airship at time step t as a discrete value. For example, when the angle of one rotation from 0 degrees to 360 degrees is divided into 36, the value of Φs (t) takes one of 36 discrete values. For example, an integer from 1 to 36 is assigned to 36 Φs (t).
Bel(Φs(t))は、時刻ステップtにおいて、自律飛行船の方位角がΦs(t)である確率である。時刻ステップtのBel(Φs(t))を求めるために、まず、(1−1)予測のステップにおいて、一時刻ステップ前のBel(Φs(t−1))に、方位角遷移モデルにより推定した自律移動ロボットの状態遷移確率をかけて、時刻ステップtのBel(Φs(t))の推定値Bel0(Φs(t))を求める。ここで、方位角遷移モデルは、方位角遷移確率p(Φs(t)|a(t),Φs(t−1))で表される。ここでa(t)は時刻ステップtにてロボットがとる行動の離散表現であり、その時刻ステップにおいて自律移動ロボットへ与える制御入力値を識別するための識別子である。すなわち、ロボットは正の整数個の行動のうち、各時刻ステップにおいて1つの行動を選択し、その行動と対応づけられた制御入力値を自律移動ロボットのアクチュエータに与える。 Bel (Φs (t)) is the probability that the azimuth angle of the autonomous airship is Φs (t) at time step t. In order to obtain Bel (Φs (t)) at time step t, first, in (1-1) prediction step, Bel (Φs (t−1)) one time step before is estimated by an azimuth transition model. The estimated value Bel0 (Φs (t)) of Bel (Φs (t)) at time step t is obtained by multiplying the state transition probability of the autonomous mobile robot. Here, the azimuth transition model is represented by an azimuth transition probability p (Φs (t) | a (t), Φs (t−1)). Here, a (t) is a discrete expression of the action taken by the robot at time step t, and is an identifier for identifying a control input value given to the autonomous mobile robot at that time step. That is, the robot selects one action at each time step among positive integer number of actions, and gives the control input value associated with the action to the actuator of the autonomous mobile robot.
次に、(1−2)計測更新のステップにおいて、時刻ステップtで実際に計測された方位角センサの計測値の離散値Zφs(t)を用いて、推定値Bel0(Φs(t))の補正を行い、時刻ステップtのBel(Φs(t))を求める。ここで、P(Zφs(t)|Φs(t))は、時刻ステップtで自律飛行船の方位角の真値がΦs(t)であった場合に、方位角センサの計測値の離散値としてZφs(t)が計測される確率値である。 Next, in the (1-2) measurement update step, the estimated value Bel0 (Φs (t)) is calculated using the discrete value Zφs (t) of the measured value of the azimuth sensor actually measured at time step t. Correction is performed to obtain Bel (Φs (t)) at time step t. Here, P (Zφs (t) | Φs (t)) is a discrete value of the measured value of the azimuth sensor when the true value of the azimuth angle of the autonomous airship is Φs (t) at time step t. Zφs (t) is a probability value to be measured.
以上に述べたバイナリベイズフィルタを用いれば、ベイズフィルタを計算機上で実装することが可能である。しかしながら、この発明は方位角を計測するための方位角センサを搭載できない状況を前提としているため、上記の計算方法で必要となる「方位角センサの計測値の離散値Zφs(t)」を得ることができない。そのため、そのままこの手法を用いることはできない。そこで、この発明では、時刻ステップt及びt−1における位置センサによる計測値(5つのセンサの計測値の平均値)Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)を利用して、(1−2)計測更新の処理を行う。 If the binary Bayes filter described above is used, the Bayes filter can be implemented on a computer. However, since the present invention presupposes a situation in which an azimuth sensor for measuring the azimuth angle cannot be mounted, the “discrete value Zφs (t) of the measured value of the azimuth angle sensor” necessary for the above calculation method is obtained. I can't. Therefore, this method cannot be used as it is. Therefore, in the present invention, the measurement values (average values of the measurement values of the five sensors) Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya (t) at the time steps t and t−1. (1-2) Perform measurement update processing using (-1).
[基本的な考え方]
この発明では、時刻ステップt及びt−1における位置センサによる計測値(5つのセンサの計測値の平均値)をZxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)とし、上記P(Zφs(t)|Φs(t))の代わりに、確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を使用する。つまり、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が、行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置するという計測結果が得られる確率を使用する。この確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))の計算方法は後述する。
[basic way of thinking]
In the present invention, the measured values (average values of the measured values of the five sensors) at the time steps t and t−1 are Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya (t− 1), and instead of P (Zφs (t) | Φs (t)), the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya (t−1) | Φs ( t-1) and a (t-1)) are used. That is, when the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes the action a (t−1) at time step t−1, (Zxa (t−1), Zya ( t-1)), and the probability of obtaining a measurement result of being located at (Zxa (t), Zya (t)) at time step t is used. A method of calculating the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya (t−1) | Φs (t−1), a (t−1)) will be described later.
各時刻における自律飛行船の方位角と制御入力によって、それぞれの時刻での自律飛行船の位置変位量は一意に決まるので、この置き換えは妥当であるといえる。この置き換えを行うとバイナリベイズフィルタは、以下のようになる。 This displacement is appropriate because the position of the autonomous airship at each time is uniquely determined by the azimuth and control input of the autonomous airship at each time. When this replacement is performed, the binary Bayes filter is as follows.
(2−1)1時刻ステップ前の予測
Bel0(Φs(t-1)) = Σp(Φs(t-1)| a(t-2),Φs(t-2))・Bel(Φs(t-2))
(2−2)計測更新
Bel(Φs(t-1))=ηP( Zxa(t), Zya(t), Zxa(t-1), Zya(t-1)| Φs(t-1), a(t-1) )・Bel0(Φs(t-1))
(2−3)現在時刻の予測
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t-1),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
(2-1) Prediction before one time step
Bel0 (Φs (t-1)) = Σp (Φs (t-1) | a (t-2), Φs (t-2)) ・ Bel (Φs (t-2))
(2-2) Measurement update
Bel (Φs (t-1)) = ηP (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1))・ Bel0 (Φs (t-1))
(2-3) Prediction of current time
Bel0 (Φs (t)) = Σp (Φs (t) | a (t-1), Φs (t-1)) ・ Bel (Φs (t-1))
ここで重要なのは、上記(2−2)計測更新ステップを終了した時点で得られるのは、時刻ステップtにおいて自律飛行船の方位角がΦs(t)である確率Bel(Φs(t))ではなく、時刻ステップt−1において自律飛行船の方位角がΦs(t−1)である確率Bel(Φs(t−1))となる点である。これは、P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を使用した更新が、一時刻ステップ前(時刻ステップt−1)の方位角Φs(t−1)について行われていることにより生じるものである。 What is important here is not the probability Bel (Φs (t)) that the azimuth angle of the autonomous airship is Φs (t) at the time step t, which is obtained when the (2-2) measurement update step is completed. The time point t-1 is the point at which the azimuth angle of the autonomous airship becomes a probability Bel (Φs (t-1)) that is Φs (t-1). This is because the update using P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1)) This is caused by being performed for the azimuth angle Φs (t−1) before the time step (time step t−1).
そこで、現在時刻ステップtにおいて自律飛行船の方位角がΦs(t)である確率Bel(Φs(t))を得るために、(2−2)計測更新ステップの後に、さらに(2−3)現在時刻の予測ステップの計算を行っている。そして、(2−3)現在時刻の予測ステップで得られるBel0(Φs(t))を方位角の推定値の算出に使用する。 Therefore, in order to obtain the probability Bel (Φs (t)) that the azimuth angle of the autonomous airship is Φs (t) at the current time step t, (2-3) the current The time prediction step is calculated. Then, (0-3) Bel0 (Φs (t)) obtained in the current time prediction step is used to calculate the estimated value of the azimuth angle.
ここで、以上の計算を計算機上に実装して、各時刻について繰り返すことを考えると、隣り合う時刻において(2−1)と(2−3)の計算は冗長となる。冗長部分を整理すると、以下のようになる。 Here, considering that the above calculation is implemented on a computer and repeated for each time, the calculations of (2-1) and (2-3) are redundant at adjacent times. The redundant part is organized as follows.
(3−1)計測更新
Bel(Φs(t-1))=ηP( Zxa(t), Zya(t), Zxa(t-1), Zya(t-1)| Φs(t-1), a(t-1) )・Bel0(Φs(t-1))
(3−2)現在時刻の予測
Bel0(Φs(t)) = Σp(Φs(t)| a(t-1),Φs(t-1))・Bel(Φs(t-1))
(3-1) Measurement update
Bel (Φs (t-1)) = ηP (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1))・ Bel0 (Φs (t-1))
(3-2) Prediction of current time
Bel0 (Φs (t)) = Σp (Φs (t) | a (t-1), Φs (t-1)) ・ Bel (Φs (t-1))
以下に説明する方位角推定装置の一実施形態では、上記の(3−1)及び(3−2)のステップに従って、自律飛行船の方位角の推定を行う。 In one embodiment of the azimuth angle estimation device described below, the azimuth angle of the autonomous airship is estimated according to the steps (3-1) and (3-2) described above.
[実施形態]
図1は、この発明による方位角推定装置の例の機能ブロック図である。図2は、この発明による方位角推定方法の例の流れ図である。
[Embodiment]
FIG. 1 is a functional block diagram of an example of an azimuth estimation device according to the present invention. FIG. 2 is a flowchart of an example of an azimuth angle estimation method according to the present invention.
方位角推定装置は、図1に例示するように、記憶部11、行動入力部12、初期値設定部13、時刻設定部14、位置計測確率計算部15、推定変位量計算部16、比較部17、計測更新部18、制御部19、予測部20、方位角推定部21、正規化部22、位置計測センサ61,62,63,64,65、重心計算部66及び格子位置取得部67を例えば含む。
As illustrated in FIG. 1, the azimuth estimation device includes a
記憶部11には、各時刻ステップtにおいて対象物のアクチュエータに与えられた行動a(t)が格納される。また、方位角推定部21により計算される、過去の各時刻ステップtにおける対象物の方位角の推定値が格納されてもよい。
The
各時刻ステップtにおける対象物の行動a(t)は、例えば行動入力部12がその各時刻ステップtにおける対象物のXY平面内の位置及び推定された方位角に基づいて自動的に決定してもよいし(例えば、参考文献2参照。)、対象物を遠隔操作する者がその操作により決定してもよい。
〔参考文献2〕特開2007−317165号明細書
The action a (t) of the target object at each time step t is automatically determined based on the position of the target object in the XY plane and the estimated azimuth angle at each time step t, for example. Alternatively, the person who remotely operates the object may be determined by the operation.
[Reference Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-317165
<ステップS1>
初期値設定部13は、時刻ステップtを初期値0に設定し、時刻ステップt=0におけるBel0(Φs(0))の初期値を設定する(ステップS1)。事前に対象物の方位角を定めておき、対称物をその方位角で配置した場合には、例えば、その方位角に対応するΦsのBel0(Φs(0))=1とし、他のΦsについてのBel0(Φs(0))=0とする。
<Step S1>
The initial
<ステップS2>
時刻設定部14は、t=t+1とする。すなわち時刻ステップtを1だけインクリメントする(ステップS2)。
<Step S2>
The
<ステップS3>
位置計測確率計算部15は、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が、行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において(Zxa(t−1),Zya(t−1))に位置し、時刻ステップtにおいて(Zxa(t),Zya(t))に位置するという計測結果が得られる確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を計算する(ステップS3)。後述するように、ステップS3及びステップS4の処理は、全ての方位角の離散値Φs(t−1)について行う。計算された確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))は、計測更新部18に送られる。
<Step S3>
The position measurement
位置計測確率計算部15は、上記計算に用いる、行動a(t−1)については記憶部11から読み込み、Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)については重心計算部66から取得する。なお、重心計算部66は、位置計測センサ61,62,63,64,65からそれぞれ取得したZ1(t),Z2(t),Z3(t),Z4(t),Z5(t),Z1(t−1),Z2(t−1),Z3(t−1),Z4(t−1),Z5(t−1)から、上記(a)及び(b)式に基づいてZxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)を計算し、位置計測確率計算部15に送る。Zxa(t),Zya(t)は、必要に応じて格子位置取得部67及び比較部17にも送る。
The position measurement
確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))は、例えば以下の≪計算方法1≫〜≪計算方法4≫の何れかにより計算することができる。
The probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1)) is, for example, the following <<
なお、対象物が位置するXY平面は面積Δsの格子で分割されているとし、重心計算部66が計算した重心(Zxa(t),Zya(t))に基づいて、その重心に対応する格子s(t)とその格子s(t)の座標(Xs(t),Ys(t))を格子位置取得部67が取得する。重心に対応する格子とは、例えばその重心を含む格子のことである。座標(Xs(t),Ys(t))は、位置計測確率計算部15に出力される。また、必要に応じて、格子s(t)、格子s(t−1)、格子s(t−1)の座標(Xs(t−1),Ys(t−1))も、位置計測確率計算部15に送られる。格子のサイズは、位置計測センサ61,62,63,64,65の計測精度を考慮して定める。計測精度が高ければ高いほど格子のサイズを小さくすることができる。
Note that the XY plane on which the object is located is divided by a grid having an area Δs, and the grid corresponding to the centroid based on the centroid (Zxa (t), Zya (t)) calculated by the
また、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1))とし、方位角Φs(t−1)と行動a(t−1)に基づいて、推定変位量計算部16が推定変位量(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1))を計算する。例えば、以下の式に基づいて、推定変位量を計算する。推定変位量は、位置計測確率計算部15に出力される。
Further, the estimated displacement amount on the XY plane when the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes the action a (t−1) at the time step t−1 is expressed as (Dx (Φs (t−1), a (T-1)), Dy (Φs (t-1), a (t-1)), and based on the azimuth angle Φs (t-1) and the action a (t-1), the estimated
上記式において、Vxは対象物の前進速度、Φs(t−1)rは方位角(の離散値)Φs(t−1)の代表値であり例えばΦs(t−1)の中央値、dΦ(τ)は対象物が行動a(t−1)を取ったときの時刻τにおける方位角の変化量とする。なお、格子Φs(t−1)の任意の点をΦs(t−1)の代表値としてもよい。τは各時刻ステップt内の経過時刻を表わす。すなわち、各時刻ステップtが始まるときにτ=0とされその後時間の経過と共に増加しτ=Tとなると時刻ステップt+1となり再度τ=0となる。行動a(t−1)に基づいて対象物のアクチュエータに与える指示値が例えば図4のように定まり、この指示値に基づいて例えば図5のように方位角速度の変化量dΦ(τ)が定まる。 In the above equation, Vx is the forward speed of the object, Φs (t−1) r is a representative value of the azimuth angle (a discrete value thereof) Φs (t−1), for example, the median value of Φs (t−1), dΦ (Τ) is the amount of change in azimuth at time τ when the object takes action a (t−1). Note that any point of the lattice Φs (t−1) may be a representative value of Φs (t−1). τ represents the elapsed time in each time step t. That is, when each time step t starts, τ = 0 is set, and thereafter increases with the passage of time. When τ = T is reached, time step t + 1 is set, and τ = 0 is set again. An instruction value to be given to the actuator of the object is determined based on the action a (t−1) as shown in FIG. 4, for example, and an azimuth velocity change amount dΦ (τ) is determined based on this instruction value as shown in FIG. .
≪計算方法1≫
計算方法1は、正規分布を用いて位置計測確率を求めるものである。
The
位置計測確率計算部15は、下記式の値を計算して、その計算結果を確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする。
The position measurement
ここで、R1=(Xs(t)−(Dx(Φs(t−1),a(t−1))+Xs(t−1))2+(Ys(t)−(Dy(Φs(t−1),a(t−1))+Ys(t−1))2)であり、分散σ2は予め定められた定数である。 Here, R 1 = (Xs (t) − (Dx (Φs (t−1), a (t−1)) + Xs (t−1)) 2 + (Ys (t) − (Dy (Φs (t −1), a (t−1)) + Ys (t−1)) 2 ), and the variance σ 2 is a predetermined constant.
≪計算方法2≫
位置計測確率計算部15は、時刻t−1における対象物の重心の計測値(Zxa(t−1),Zya(t−1))に対応する格子s(t−1)を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))だけXY平面を平行移動させた格子s’(t−1)が、時刻tにおける対象物の重心の計測値(Zxa(t),Zya(t))に対応する格子s(t)と重なる面積(図6の斜線部分の面積)をΔsで割った値を計算して、その計算結果を確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする。
≪Calculation method 2≫
The position measurement
計算方法2は、格子s’(t−1)が他の格子と重なる面積に比例した確率で、対象物が重なった先の格子内に存在する、という仮定に基づくものである。 ≪計算方法3≫
位置計測確率計算部15は、下記式の値を計算して、その計算結果を確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする。
The calculation method 2 is based on the assumption that the object is present in the previous lattice where the object overlaps with a probability proportional to the area where the lattice s ′ (t−1) overlaps with another lattice. ≪Calculation method 3≫
The position measurement
上記式において、Φtan=arctan((Zya(t)−Zya(t−1))/(Zxa(t)−Zxa(t−1)))であり、Φs(t−1)rをΦs(t−1)の代表値とし、DΦ(a(t−1))を対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量として、R2=(Φtan−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))、R2=(Φtan−Φs(t−1)r)又はR2=(Φtan−(0.5×DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))であり、分散σを予め定められた定数である。 In the above equation, Φtan = arctan ((Zya (t) −Zya (t−1)) / (Zxa (t) −Zxa (t−1))), and Φs (t−1) r is changed to Φs (t −1) as a representative value, and DΦ (a (t−1)) as an azimuthal displacement when the object takes action a (t−1), R 2 = (Φ tan− (DΦ (a (T−1)) + Φs (t−1) r)), R 2 = (Φtan−Φs (t−1) r) or R 2 = (Φtan− (0.5 × DΦ (a (t−1))) + Φs (T-1) r)), and the variance σ is a predetermined constant.
対象物が自律飛行船である場合には、その方位角は進行方向と一致している場合が多い。特に、自律飛行船の進行方向の速度が十分に大きい場合には、それが特に顕著である。計算方法3は、この性質に基づくものである。 When the object is an autonomous airship, the azimuth angle often coincides with the traveling direction. This is particularly noticeable when the speed of the autonomous airship in the traveling direction is sufficiently high. Calculation method 3 is based on this property.
≪計算方法4≫
自律飛行船の変位ベクトル((Zya(t)−Zya(t−1)),(Zxa(t)−Zxa(t−1)))の大きさが小さくなると(例えば飛行船がその場で回頭しているとき等)、計算方法3の精度は急激に低下する。
When the displacement vector ((Zya (t) -Zya (t-1)), (Zxa (t) -Zxa (t-1))) of the autonomous airship becomes smaller (for example, the airship turns around on the spot) The accuracy of the calculation method 3 rapidly decreases.
そこで、計算方法4では、変位ベクトル((Zya(t)−Zya(t−1)),(Zxa(t)−Zxa(t−1)))が、小さい場合には計算方法1により計算を行い、大きい場合には計算方法3により計算を行う。
Therefore, in the
具体的には、比較部17が、変位ベクトルの大きさ((Zxa(t)−Zxa(t−1))2+(Zya(t)−Zya(t−1))2)(1/2)と所定の閾値とを比較して、所定の閾値の方が大きい場合には、計算方法1により確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1)の計算を行い、所定の閾値の方が小さい場合には、計算方法3により確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1)の計算を行う。 Specifically, the comparison unit 17 determines the magnitude of the displacement vector ((Zxa (t) −Zxa (t−1)) 2 + (Zya (t) −Zya (t−1)) 2 ) (1/2 ) And a predetermined threshold value, and if the predetermined threshold value is larger, the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t− 1) When | Φs (t−1) is calculated and the predetermined threshold value is smaller, the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya is calculated by the calculation method 3. (T−1) | Φs (t−1) is calculated.
<ステップS4>
計測更新部18は、位置計測確率計算部15により計算された確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))を用いて、上記(3−1)に対応する計測更新を行う(ステップS4)。
<Step S4>
The
具体的には、計測更新部18は、確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))と、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新前確率Bel0(Φs(t−1))とを用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計算する。更新前確率Bel0(Φs(t−1))は、記憶部11から読み込まれる。計算された更新後確率Bel(Φs(t−1))は、予測部20に送られる。
Specifically, the
<ステップS5>
制御部19は、全ての方位角の離散値Φs(t−1)について、ステップS3及びステップS4の処理を行ったかどうかを判定する(ステップS5)。全ての方位角の離散値Φs(t−1)について処理を行っていないと判定された場合には、まだ処理を行っていない方位角の離散値Φs(t−1)を選択して、ステップS3に戻る。全ての方位角の離散値Φs(t−1)について処理を行ったと判定された場合には、ステップS6に進む。
<Step S5>
The
<ステップS6>
予測部20は、計測更新部18により計算された更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、上記(3−2)に対応する現在時刻の予測の処理を行う(ステップS6)。
<Step S6>
The
具体的には、予測部20は、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t)となる確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))と、更新後確率Bel(Φs(t−1))とを用いて、Bel0(Φs(t))=ΣΦs(t−1)p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))・Bel(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップtにおいて対象物の方位角がΦs(t)である更新前確率Bel0(Φs(t))を計算する。更新前確率Bel0(Φs(t))は、方位角推定部21に送られると共に、記憶部11に格納される。
Specifically, when the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes action a (t−1) at time step t−1, the
確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))は、例えば下記式により計算することができる。 The probability p (Φs (t) | a (t−1), Φs (t−1)) can be calculated by the following equation, for example.
上記式においてR3=(Φs(t)−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)))2である。DΦ(a(t−1))は、対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量である。τを各時刻ステップt内の経過時刻とし、Tを1時刻ステップの長さとし、Φ’(τ)を対象物が行動a(t−1)を取ったときの各時刻τにおける方位角速度とすると、DΦ(a(t−1))は下式により計算することができる。 In the above formula, R 3 = (Φs (t) − (DΦ (a (t−1)) + Φs (t−1))) 2 . DΦ (a (t−1)) is the displacement amount of the azimuth when the object takes action a (t−1). Let τ be the elapsed time in each time step t, T be the length of one time step, and Φ ′ (τ) be the azimuth velocity at each time τ when the object takes action a (t−1). , DΦ (a (t−1)) can be calculated by the following equation.
<ステップS61>
制御部19は、全ての方位角の離散値Φs(t)について、ステップS6の処理を行ったかどうかを判定する(ステップS61)。全ての方位角の離散値Φs(t)について処理を行っていないと判定された場合には、まだ処理を行っていない方位角の離散値Φs(t)を選択して、ステップS6に戻る。全ての方位角の離散値Φs(t)について処理を行ったと判定された場合には、ステップS7に進む。
<Step S61>
The
これにより、全ての方位角の離散値Φs(t)について、ステップS6の処理を行う。 Thereby, the process of step S6 is performed for discrete values Φs (t) of all azimuth angles.
<ステップS7>
方位角推定部21は、更新前確率Bel0(Φs(t))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))を計算して、その計算結果を時刻ステップtにおける対象物の方位角の推定値とする(ステップS7)。
<Step S7>
The azimuth
なお、方位角推定部21は、時刻ステップt−1の更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、ΣΦs(t−1)Φs(t−1)・Bel0(Φs(t−1))を計算して、その計算結果を時刻ステップt−1における対象物の方位角の推定値としてもよい。
The azimuth
<ステップS8>
制御部19は次の時刻ステップについても継続して予測を行うかどうかを判断し(ステップS8)、次の時刻ステップについても予測を行う場合にはステップS2に戻る。これ以上予測を行わない場合は処理を終了する。
<Step S8>
The
このように、位置計測センサ61,62,63,64,65の計測値を用いて上記(3−1)に対応する計測更新を行うことにより、方位角計測用のセンサを用いずに方位角を推定することができる。
In this way, by performing measurement update corresponding to the above (3-1) using the measurement values of the
[変形例等]
正規化部22が、ステップS5の後に、ΣΦs(t−1)Bel(Φs(t−1))=1となるように、Bel(Φs(t−1))を正規化してもよい。すなわち、各Bel(Φs(t−1))を、Bel(Φs(t−1))/ΣΦs(t−1)Bel(Φs(t−1))に置き換えてもよい。同様に、正規化部22が、ステップS61の後に、ΣΦs(t)Bel0(Φs(t))=1となるように、Bel0(Φs(t))を正規化してもよい。すなわち、各Bel0(Φs(t))を、Bel0(Φs(t))/ΣΦs(t)Bel0(Φs(t))に置き換えてもよい。正規化を行うことにより、方位角の推定精度が増す。
[Modifications, etc.]
The
方位角推定装置の各部間のデータのやり取りは直接行われてもよいし、記憶部11を介して行われてもよい。
Data exchange between the units of the azimuth estimation device may be performed directly or may be performed via the
方位角推定装置は、コンピュータによって実現することができる。この場合、この装置が有すべき各機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、これ装置における各処理機能が、コンピュータ上で実現される。 The azimuth angle estimation device can be realized by a computer. In this case, the processing contents of each function that the apparatus should have are described by a program. Then, by executing this program on a computer, each processing function in this apparatus is realized on the computer.
この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、これらの装置を構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。 The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. In this embodiment, these devices are configured by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing contents may be realized by hardware.
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
15 位置計測確率計算部
17 比較部
18 計測更新部
20 予測部
21 方位角推定部
61,62,63,64,65 位置計測センサ
15 Position measurement probability calculation unit 17
Claims (7)
上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))と、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新前確率Bel0(Φs(t−1))とを用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計算する計測更新部と、
時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t)となる確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))と、上記更新後確率Bel(Φs(t−1))とを用いて、Bel0(Φs(t))=ΣΦs(t−1)p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))・Bel(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップtにおいて対象物の方位角がΦs(t)である更新前確率Bel0(Φs(t))を計算する予測部と、
上記更新前確率Bel0(Φs(t))又は上記更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))又はΣΦs(t−1)Φs(t−1)・Bel(Φs(t−1))を計算して、その計算結果を時刻ステップt又は時刻t−1における対象物の方位角の推定値とする方位角推定部と、
を含む方位角推定装置。 When the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes action a (t−1) at time step t−1, (Zxa (t−1), Zya (t−1) at time step t−1. )) And a probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t−1) that a measurement result that the position is located at (Zxa (t), Zya (t)) is obtained at time step t. ), Zya (t−1) | Φs (t−1), a (t−1));
The probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1)) and time step t-1 Bel (Φs (t−1)) = P (Zxa (t), Zya () using the pre-update probability Bel0 (Φs (t−1)) where the azimuth angle of the object is Φs (t−1). t), Zxa (t−1), Zya (t−1) | Φs (t−1), a (t−1)) · Bel0 (Φs (t−1)) A measurement update unit that calculates an updated probability Bel (Φs (t−1)) in which the azimuth angle of the object is Φs (t−1) in 1;
Probability that the azimuth angle of the object becomes Φs (t) at time step t-1 when the object of azimuth angle Φs (t-1) takes action a (t-1) at time step t-1. Using p (Φs (t) | a (t−1), Φs (t−1)) and the updated probability Bel (Φs (t−1)), Bel0 (Φs (t)) = Σ Orientation of the object at time step t satisfying the relationship of Φs (t−1) p (Φs (t) | a (t−1), Φs (t−1)) · Bel (Φs (t−1)) A prediction unit for calculating a pre-update probability Bel0 (Φs (t)) whose angle is Φs (t);
Using the pre-update probability Bel0 (Φs (t)) or the post-update probability Bel (Φs (t−1)), ΣΦs (t) Φs (t) · Bel0 (Φs (t)) or ΣΦs ( t-1) Calculate Φs (t-1) · Bel (Φs (t-1)), and use the calculation result as an estimated value of the azimuth of the object at time step t or time t-1. An estimation unit;
An azimuth estimation device including
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子s(t)の座標を(Xs(t),Ys(t))とし、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)),)とし、R1=(Xs(t)−(Dx(Φs(t−1),a(t−1))+Xs(t−1))2+(Ys(t)−(Dy(Φs(t−1),a(t−1))+Ys(t−1))2)とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 In the azimuth angle estimating device according to claim 1,
Assume that the XY plane on which the object is located is divided by a grid of area Δs, and the coordinates of the grid s (t) on which the object is located at time step t are (Xs (t), Ys (t)) In step t-1, the estimated displacement in the XY plane when the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes action a (t−1) is expressed as (Dx (Φs (t−1), a (t− 1)), Dy (Φs (t−1), a (t−1)),) and R 1 = (Xs (t) − (Dx (Φs (t−1), a (t−1))) + Xs (t−1)) 2 + (Ys (t) − (Dy (Φs (t−1), a (t−1)) + Ys (t−1)) 2 ), and the dispersion σ is predetermined. As a constant
The position measurement probability calculation unit calculates the value of the above formula, and calculates the result as the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (T-1), a (t-1))
An azimuth estimation device characterized by the above.
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子をs(t)とし、(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))を時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量として、
格子s(t−1)を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)))だけXY平面を平行移動させた格子s’(t−1)が、格子(s)と重なる面積をΔsで割った値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 In the azimuth angle estimating device according to claim 1,
Assume that the XY plane on which the object is located is divided by a grid of area Δs, and that the lattice on which the object is located at time step t is s (t), and (Dx (Φs (t−1), a (t− 1)), Dy (Φs (t-1), a (t-1))) at time step t-1, the object of azimuth angle Φs (t-1) took action a (t-1) As an estimated displacement amount in the XY plane,
The lattice s (t-1) is translated on the XY plane by (Dx (Φs (t-1), a (t-1)), Dy (Φs (t-1), a (t-1))). The value obtained by dividing the area where the lattice s ′ (t−1) overlaps the lattice (s) by Δs is calculated, and the calculation result is expressed as the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t -1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1))
An azimuth estimation device characterized by the above.
対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおける対象物の位置を(Zxa(t),Zya(t))とし、Φtan=arctan((Zya(t)−Zya(t−1))/(Zxa(t)−Zxa(t−1)))とし、Φs(t−1)の中央値をΦs(t−1)rとし、DΦ(a(t−1))を対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量とし、R2=(Φtan−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))、R2=(Φtan−Φs(t−1)r)又はR2=(Φtan−(0.5×DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxs(t),Zys(t),Zxs(t−1),Zys(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 In the azimuth angle estimating device according to claim 1,
It is assumed that the XY plane on which the object is located is divided by a grid having an area Δs, the position of the object at time step t is (Zxa (t), Zya (t)), and Φtan = arctan ((Zya (t) −Zya (t−1)) / (Zxa (t) −Zxa (t−1))), the median value of Φs (t−1) is Φs (t−1) r, and DΦ (a (t− 1)) is the amount of displacement of the azimuth when the object takes action a (t-1), and R 2 = (Φ tan− (DΦ (a (t−1)) + Φs (t−1) r) ), R 2 = (Φ tan−Φ s (t−1) r) or R 2 = (Φ tan− (0.5 × DΦ (a (t−1)) + Φ s (t−1) r)), As a fixed constant,
The position measurement probability calculation unit calculates the value of the above formula, and calculates the result as the probability P (Zxs (t), Zys (t), Zxs (t−1), Zys (t−1) | Φs. (T-1), a (t-1))
An azimuth estimation device characterized by the above.
変位ベクトル((Zxa(t)−Zxa(t−1))2+(Zya(t)−Zya(t−1))2)(1/2)と所定の閾値とを比較する比較部と、
上記変位ベクトルの方が小さければ、対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおいて対象物が位置する格子s(t)の座標を(Xs(t),Ys(t))とし、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときのXY平面における推定変位量を(Dx(Φs(t−1),a(t−1)),Dy(Φs(t−1),a(t−1)),)とし、R1=(Xs(t)−(Dx(Φs(t−1),a(t−1))+Xs(t−1))2+(Ys(t)−(Dy(Φs(t−1),a(t−1))+Ys(t−1))2)とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とし、
上記変位ベクトルの方が大きければ、対象物が位置するXY平面が面積Δsの格子で分割されているとし、時刻ステップtにおける対象物の位置を(Zxa(t),Zya(t))とし、Φtan=arctan((Zya(t)−Zya(t−1))/(Zxa(t)−Zxa(t−1)))とし、DΦ(a(t−1))を対象物が行動a(t−1)を取ったときの方位角の変位量とし、R2=(Φtan−(DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))、R2=(Φtan−Φs(t−1)r)又はR2=(Φtan−(0.5×DΦ(a(t−1))+Φs(t−1)r))とし、分散σを予め定められた定数として、
上記位置計測確率計算部は、上記式の値を計算して、その計算結果を上記確率P(Zxs(t),Zys(t),Zxs(t−1),Zys(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))とする、
ことを特徴とする方位角推定装置。 In the azimuth angle estimating device according to claim 1,
A comparison unit that compares the displacement vector ((Zxa (t) −Zxa (t−1)) 2 + (Zya (t) −Zya (t−1)) 2 ) (1/2) with a predetermined threshold;
If the displacement vector is smaller, it is assumed that the XY plane on which the object is located is divided by a grid of area Δs, and the coordinates of the lattice s (t) at which the object is located at time step t are (Xs (t) , Ys (t)), and the estimated displacement amount in the XY plane when the object having the azimuth angle Φs (t−1) takes the action a (t−1) at time step t−1 is (Dx (Φs ( t-1), a (t-1)), Dy (Φs (t-1), a (t-1)),), and R 1 = (Xs (t)-(Dx (Φs (t-1) ), A (t−1)) + Xs (t−1)) 2 + (Ys (t) − (Dy (Φs (t−1), a (t−1)) + Ys (t−1)) 2 ) And the variance σ is a predetermined constant,
The position measurement probability calculation unit calculates the value of the above formula, and calculates the result as the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (T-1), a (t-1))
If the displacement vector is larger, the XY plane on which the object is located is divided by a grid having an area Δs, and the position of the object at time step t is (Zxa (t), Zya (t)). Φtan = arctan ((Zya (t) −Zya (t−1)) / (Zxa (t) −Zxa (t−1))), and DΦ (a (t−1)) is the action a ( The displacement amount of the azimuth angle when t-1) is taken, and R 2 = (Φ tan− (DΦ (a (t−1)) + Φs (t−1) r)), R 2 = (Φ tan−Φs ( t−1) r) or R 2 = (Φ tan− (0.5 × DΦ (a (t−1)) + Φs (t−1) r)), and the variance σ is a predetermined constant,
The position measurement probability calculation unit calculates the value of the above formula, and calculates the result as the probability P (Zxs (t), Zys (t), Zxs (t−1), Zys (t−1) | Φs. (T-1), a (t-1))
An azimuth estimation device characterized by the above.
計測更新部が、上記確率P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))と、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新前確率Bel0(Φs(t−1))とを用いて、Bel(Φs(t−1))=P(Zxa(t),Zya(t),Zxa(t−1),Zya(t−1)|Φs(t−1),a(t−1))・Bel0(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t−1)である更新後確率Bel(Φs(t−1))を計算する計測更新ステップと、
予測部が、時刻ステップt−1において方位角Φs(t−1)の対象物が行動a(t−1)を取ったときに、時刻ステップt−1において対象物の方位角がΦs(t)となる確率p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))と、上記更新後確率Bel(Φs(t−1))とを用いて、Bel0(Φs(t))=ΣΦs(t−1)p(Φs(t)|a(t−1),Φs(t−1))・Bel(Φs(t−1))の関係を満たす、時刻ステップtにおいて対象物の方位角がΦs(t)である更新前確率Bel0(Φs(t))を計算する予測ステップと、
方位角推定部が、上記更新前確率Bel0(Φs(t))又は上記更新後確率Bel(Φs(t−1))を用いて、ΣΦs(t)Φs(t)・Bel0(Φs(t))又はΣΦs(t−1)Φs(t−1)・Bel(Φs(t−1))を計算して、その計算結果を時刻ステップt又は時刻t−1における対象物の方位角の推定値とする方位角推定ステップと、
を含む方位角推定方法。 When the position measurement probability calculation unit takes the action a (t-1) at the time step t-1, the object having the azimuth angle Φs (t-1) takes the action (Zxa (t-1 ), Zya (t-1)) and the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1) located at (Zxa (t), Zya (t)) at time step t. , Zya (t−1) | Φs (t−1), a (t−1))
The measurement updating unit calculates the probability P (Zxa (t), Zya (t), Zxa (t-1), Zya (t-1) | Φs (t-1), a (t-1)) and time Bel (Φs (t−1)) = P (Zxa () using the pre-update probability Bel0 (Φs (t−1)) in which the azimuth angle of the object is Φs (t−1) in step t−1. t), Zya (t), Zxa (t−1), Zya (t−1) | Φs (t−1), a (t−1)) · Bel0 (Φs (t−1)) A measurement update step of calculating an updated probability Bel (Φs (t−1)) that the azimuth angle of the object is Φs (t−1) at time step t−1;
When the prediction unit takes the action a (t-1) at the time step t-1, the azimuth angle of the object is Φs (t-1) at the time step t-1. ) Using the probability p (Φs (t) | a (t−1), Φs (t−1)) and the updated probability Bel (Φs (t−1)), Bel0 (Φs (t )) = Σ Φs (t−1) p (Φs (t) | a (t−1), Φs (t−1)) · Bel (Φs (t−1)) A prediction step of calculating a pre-update probability Bel0 (Φs (t)) in which the azimuth angle of the object is Φs (t);
The azimuth angle estimation unit uses the pre-update probability Bel0 (Φs (t)) or the post-update probability Bel (Φs (t−1)) to calculate ΣΦs (t) Φs (t) · Bel0 (Φs (t )) Or [Sigma] [ Phi] s (t-1) [ Phi] s (t-1) .Bel ([Phi] s (t-1)) and calculate the result of the azimuth of the object at time step t or time t-1. Azimuth angle estimation step as an estimated value;
Azimuth estimation method including
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