JP5778467B2 - Trajectory planning method, trajectory control method, trajectory planning system, and trajectory planning / control system - Google Patents

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本発明は、物体の、目標状態に至る状態遷移系列を作成する、軌道計画方法、軌道計画システム、作成された軌道にしたがって上記物体を制御する軌道制御方法及び軌道計画・制御システムに関する。 The present invention relates to a trajectory planning method, a trajectory planning system, a trajectory control method for controlling the object according to the created trajectory, and a trajectory planning / control system.

機械の状態(姿勢・速度)は、位相空間上の位置、機械の運動は位相空間上の経路として定めることができる。機械を初期状態から目標状態へと制御したい場合がある。具体例は、以下のとおりである。   The state of the machine (posture / speed) can be determined as a position on the phase space, and the movement of the machine can be determined as a path on the phase space. Sometimes you want to control the machine from its initial state to its target state. Specific examples are as follows.

第一の具体例は、二足型ロボットがバランスを崩した場合である。この場合の初期状態は、バランスを崩した直後の姿勢・速度であり、目標状態は安定姿勢(直立姿勢かつ速度0など)である。 The first specific example is a case where a biped robot loses its balance. The initial state in this case is a posture / speed immediately after the balance is lost, and the target state is a stable posture (an upright posture and a speed of 0, etc.).

第二の具体例は、航空機がバランスを崩し失速した場合である。この場合の初期状態は、バランスを崩した直後の姿勢・速度であり、目標状態は、翼とボディを水平にして等速で前進する状態である。
その他の具体例として、バイクが走行中に石に当たった際にバランスを崩し、姿勢を修正したい場合や、自動車がスリップした場合等がある。
The second specific example is a case where the aircraft loses balance and stalls. The initial state in this case is the posture / speed immediately after the balance is lost, and the target state is a state in which the wing and the body are leveled and the wing and the body move forward at a constant speed.
As other specific examples, there is a case where the balance is lost when the motorcycle hits a stone while traveling and the posture is to be corrected, or the vehicle slips.

機械を初期状態から目標状態へ制御する場合に、PID制御やポテンシャル法を使用すると、機械がバランスを崩した後の状態によっては適切に機能しないという問題がある。この問題は、これらの制御方法は、位相空間上の目標状態までの機械状態遷移において広い範囲の初期状態を取れないことに起因している。また、PID制御やポテンシャル法では、機械が目標状態へ到達するまでの時間を規定することが困難であり、短時間での目標状態復帰が困難である。   When controlling the machine from the initial state to the target state, if PID control or the potential method is used, there is a problem that the machine does not function properly depending on the state after the balance is lost. This problem is due to the fact that these control methods cannot take a wide range of initial states in the machine state transition to the target state in the phase space. Further, in the PID control and the potential method, it is difficult to define the time until the machine reaches the target state, and it is difficult to return the target state in a short time.

状態空間の軌道計画を作成する方法として、状態空間における状態遷移を探索木として記述する方法がある。この方法において、根または枝から、所定数の枝を派生させ、それぞれの枝を探索することが考えられる。しかし、派生させる枝の数をNとし、木の深さをMとすると、木の深さMのレベルで探索の対象となる枝の数は、Nとなる。したがって、派生させる全ての枝を探索する場合には計算コストが膨大となる。 As a method of creating a state space trajectory plan, there is a method of describing a state transition in the state space as a search tree. In this method, it is conceivable to derive a predetermined number of branches from roots or branches and search for each branch. However, the number of branches to be derived is N, when the depth of the tree is M, the number of branches to be searched at the level of the depth M of the tree, the N M. Therefore, when searching for all branches to be derived, the calculation cost is enormous.

そこで、探索木の枝の評価関数を定め、評価関数にしたがって選択した枝のみから枝を派生させる方法が提案されている(非特許文献1)。この方法によれば、計算コストは抑えられる。しかし、評価関数は、対象ごとに設計者が経験によって決める必要がある。評価関数によっては、状態空間上の探索を十分に行えない場合も生じうる。すなわち、この方法では、状態空間の探索に制約が生じうる。   Therefore, a method has been proposed in which an evaluation function for a branch of a search tree is determined and a branch is derived only from a branch selected according to the evaluation function (Non-Patent Document 1). According to this method, the calculation cost can be suppressed. However, the evaluation function needs to be determined by the designer for each target based on experience. Depending on the evaluation function, the search in the state space may not be sufficiently performed. That is, in this method, there may be restrictions on the search of the state space.

上記の方法を含め探索木を使用する従来の方法は、リアルタイムの軌道計画作成及び制御に使用するには計算コスト(計算時間)が大きすぎるか、探索に制約が存在した。また、従来の方法は、物体の初期状態から目標状態までの軌道を高い精度で定めることが困難であった。   The conventional method using the search tree including the above method has a calculation cost (calculation time) that is too large to be used for real-time trajectory planning and control, or there are restrictions on the search. Further, in the conventional method, it is difficult to determine the trajectory from the initial state of the object to the target state with high accuracy.

Pedro S. Huang:”Planning For Dynamic Motions Using a Search Tree”, a graduate thesis of Toronto Univ., (1996).Pedro S. Huang: “Planning For Dynamic Motions Using a Search Tree”, a graduate thesis of Toronto Univ., (1996).

したがって、物体、すなわち機械の種々の初期状態から目標状態までの軌道を、探索に制約を伴わずに少ない計算コスト、かつ高い精度で求めることのできる軌道計画方法、軌道計画システム、及び求めた軌道にしたがって物体を目標状態に至るよう制御することのできる軌道制御方法及び軌道計画・制御システムに対するニーズがある。 Therefore, a trajectory planning method, trajectory planning system, and trajectory obtained by which trajectories from various initial states to a target state of an object, that is, a machine, can be obtained with high calculation accuracy and high accuracy without any restriction on search. Therefore, there is a need for a trajectory control method and a trajectory planning / control system that can control an object so as to reach a target state.

本発明の第1の態様による軌道計画方法は、軌道計画システムによって、物体の状態を目標状態へ制御するための軌道を求める軌道計画方法であって、探索木作成部が、状態空間において、該目標状態を根として、予め複数の区域に分割された該状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した逆方向探索木を作成するステップと、移行可能領域決定部が、該状態空間において、該逆方向探索木上の点に対して、その領域内であれば、該逆方向探索木にしたがって該目標状態に到達しうる、移行可能領域を定めるステップと、軌道作成部が、該逆方向探索木を使用して、該状態空間における該移行可能領域内の点から該根までの、該物体の軌道を定めるステップと、を含む。 A trajectory planning method according to a first aspect of the present invention is a trajectory planning method for obtaining a trajectory for controlling a state of an object to a target state by a trajectory planning system, wherein a search tree creation unit includes the target state as a root, and Luz step to a reverse search tree that aggregates branches by limiting the number of each of the branches included in the area node in advance a plurality of zones to split the state space, If the transition possible area determination unit is within that area with respect to a point on the backward search tree in the state space, a transition possible area that can reach the target state according to the backward search tree is determined. And determining a trajectory of the object from the point in the transitionable region to the root in the state space using the backward search tree.

本態様の軌道計画方法において、探索に制約はない。また、逆方向探索木は区域を使用して集約されているので、計算コストは従来の方法に比較して少ない。さらに、逆方向探索木の根は、目標状態と一致するので、目標状態を終点とする軌道の精度は高い。したがって、本態様の軌道計画方法によれば、逆方向探索木上の点の移行可能領域内の点から目標状態までの軌道を、探索に制約を伴わずに少ない計算コスト、かつ高い精度で求めることができる。   In the trajectory planning method of this aspect, there is no restriction on the search. In addition, since the backward search tree is aggregated using the area, the calculation cost is low compared to the conventional method. Furthermore, since the root of the backward search tree matches the target state, the accuracy of the trajectory having the target state as the end point is high. Therefore, according to the trajectory planning method of this aspect, the trajectory from the point in the region where the point on the backward search tree can be transferred to the target state is obtained with low calculation cost and high accuracy without any restriction on the search. be able to.

本発明の第1の態様の第1の実施形態によれば、前記探索木作成部が、前記状態空間において、前記物体の初期状態を根として、前記状態空間の前記それぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した順方向探索木を作成するステップと、前記軌道作成部が、前記移行可能領域のいずれかにおいて、前記順方向探索木による軌道と前記逆方向探索木による軌道を接続して、前記物体の前記初期状態から前記目標状態までの軌道を定めるステップと、をさらに含む。 According to the first embodiment of the first aspect of the present invention, the search tree creating unit includes, in the state space, the branches included in the respective sections of the state space with the initial state of the object as a root. Conversely the absence steps to create a forward search tree that aggregates branches by limiting the number of nodes, the path generation unit, in any of the transition area, a track by the forward search tree the Connecting a trajectory by a direction search tree to determine a trajectory of the object from the initial state to the target state.

本実施形態によれば、移行可能領域において、順方向探索木による軌道と逆方向探索木による軌道を接続して、物体の初期状態から目標状態までの軌道を定めることができる。逆方向探索木の根は、目標状態と一致し、順方向探索木の根は、初期状態と一致するので、初期状態を起点とし目標状態を終点とする軌道の精度は高い。 According to the present embodiment, the trajectory from the initial state to the target state of the object can be determined by connecting the trajectory based on the forward search tree and the trajectory based on the backward search tree in the transferable region. The backward search tree roots, equal to the target state, the forward search tree roots, so to match the initial state, the accuracy of the orbit you an initial state as a starting point to the goal state and the end point is high.

本発明の第1の態様の第2の実施形態によれば、前記移行可能領域を定めるステップにおいて、前記移行可能領域決定部は、前記逆方向探索木上の点の近傍の複数の点に対して、フィードバック制御を実施することにより、前記目標状態に到達しうるかどうか定め、その結果に基づいて前記移行可能領域を定める。   According to the second embodiment of the first aspect of the present invention, in the step of determining the migratable area, the migratable area determining unit is configured for a plurality of points in the vicinity of the point on the backward search tree. Thus, by performing feedback control, it is determined whether or not the target state can be reached, and the shiftable region is determined based on the result.

本実施形態によれば、フィードバック制御を実施することにより、確実に移行可能領域を定めることができる。   According to the present embodiment, it is possible to reliably determine the transferable region by performing the feedback control.

本発明の第1の態様の第3の実施形態によれば、前記移行可能領域決定部は、前記目標状態に到達することができなかった点のうち、前記逆方向探索木上の点に最も近い点の、前記逆方向探索木上の点までの距離に基づいて前記移行可能領域を定める。 According to 3rd Embodiment of the 1st aspect of this invention, the said transferable area | region determination part is the most on the point on the said reverse search tree among the points which could not reach the said target state. The migratable area is determined based on the distance of a close point to a point on the backward search tree.

本実施形態によれば、目標状態に到達することができなかった点のうち、逆方向探索木上の点に最も近い点の、逆方向探索木上の点までの距離を使用することにより、高い精度で移行可能領域を定めることができる。   According to the present embodiment, by using the distance to the point on the backward search tree that is closest to the point on the backward search tree among the points that could not reach the target state, The migratable area can be determined with high accuracy.

本発明の第2の態様による軌道制御方法は、本発明の第1の態様による軌道計画方法によって求めた軌道にしたがって、前記物体を制御することによって前記物体の状態を前記目標状態とする。   The trajectory control method according to the second aspect of the present invention sets the state of the object to the target state by controlling the object according to the trajectory obtained by the trajectory planning method according to the first aspect of the present invention.

本態様による軌道制御方法によれば、目標状態までの軌道を、探索に制約を伴わずに少ない計算コスト、かつ高い精度で求め、その軌道にしたがって物体の状態を目標状態とすることができる。   According to the trajectory control method according to this aspect, the trajectory up to the target state can be obtained with a low calculation cost and high accuracy without any restriction on the search, and the state of the object can be set as the target state according to the trajectory.

本発明の第3の態様による軌道計画システムは、物体の状態を目標状態へ制御するための軌道を求める軌道計画システムであって、状態空間において、該目標状態を根とし、予め複数の区域に分割された状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した逆方向探索木を作成する探索木作成部と、該状態空間において、該逆方向探索木上の点に対して、その領域内であれば、該逆方向探索木にしたがって該目標状態に到達しうる、移行可能領域を定める移行可能領域決定部と、探索木及び移行可能領域を記憶する探索木記憶部と、該逆方向探索木を使用して該状態空間における該移行可能領域内の点から該根までの、該物体の軌道を定める軌道作成部と、を備える。   A trajectory planning system according to a third aspect of the present invention is a trajectory planning system for obtaining a trajectory for controlling the state of an object to a target state. A search tree creation unit that creates a backward search tree in which branches are aggregated by limiting the number of branch nodes included in each area of the divided state space; and on the backward search tree in the state space If the point is within that region, the transferable region determination unit that determines the transferable region that can reach the target state according to the backward search tree, and the search that stores the search tree and the transferable region A tree storage unit, and a trajectory creation unit that determines a trajectory of the object from a point in the transitionable region to the root in the state space using the backward search tree.

本態様の軌道計画システムにおいて、探索に制約はない。また、逆方向探索木は区域を使用して集約されているので、計算コストは従来の方法に比較して少ない。さらに、逆方向探索木の根は、目標状態と一致するので、目標状態を終点とする軌道の精度は高い。したがって、本態様の軌道計画システムによれば、逆方向探索木上の点の移行可能領域内の点から目標状態までの軌道を、探索に制約を伴わずに少ない計算コスト、かつ高い精度で求めることができる。   In the trajectory planning system of this aspect, there are no restrictions on the search. In addition, since the backward search tree is aggregated using the area, the calculation cost is low compared to the conventional method. Furthermore, since the root of the backward search tree matches the target state, the accuracy of the trajectory having the target state as the end point is high. Therefore, according to the trajectory planning system of this aspect, the trajectory from the point in the region where the point on the backward search tree can be transferred to the target state is obtained with low calculation cost and high accuracy without any restriction on the search. be able to.

本発明の第3の態様の第1の実施形態による軌道計画システムにおいては、前記探索木作成部が、前記状態空間において、前記物体の初期状態を根として、前記状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した順方向探索木を作成し、前記軌道作成部が、前記移行可能領域のいずれかにおいて、前記順方向探索木による軌道と前記逆方向探索木による軌道を接続して、前記物体の前記初期状態から前記目標状態までの軌道を定める。   In the trajectory planning system according to the first embodiment of the third aspect of the present invention, the search tree creation unit is included in each area of the state space, with the initial state of the object as a root in the state space. A forward search tree in which branches are aggregated by limiting the number of nodes of the branch to be generated, and the trajectory creation unit includes the trajectory and the backward search by the forward search tree in any of the transitionable regions. A trajectory by a tree is connected to determine a trajectory from the initial state to the target state of the object.

本実施形態によれば、移行可能領域において、順方向探索木による軌道と逆方向探索木による軌道を接続して、物体の初期状態から目標状態までの軌道を定めることができる。逆方向探索木の根は、目標状態と一致し、順方向探索木の根は、初期状態と一致するので、初期状態を起点とし目標状態を終点とする軌道の精度は高い。 According to the present embodiment, the trajectory from the initial state to the target state of the object can be determined by connecting the trajectory based on the forward search tree and the trajectory based on the backward search tree in the transferable region. The backward search tree roots, equal to the target state, the forward search tree roots, so to match the initial state, the accuracy of the orbit you an initial state as a starting point to the goal state and the end point is high.

本発明の第4の態様による、軌道計画・制御システムは、本発明の第2の態様による軌道計画システムと、該軌道計画システムが求めた軌道にしたがって、前記物体を制御することによって前記物体の状態を前記目標状態とする軌道制御部とを備えている。   A trajectory planning / control system according to a fourth aspect of the present invention includes a trajectory planning system according to the second aspect of the present invention and controlling the object according to the trajectory obtained by the trajectory planning system. A trajectory control unit that sets the state to the target state.

本態様の軌道計画・制御システムによれば、目標状態までの軌道を、探索に制約を伴わずに少ない計算コスト、かつ高い精度で求め、その軌道にしたがって物体の状態を目標状態とすることができる。   According to the trajectory planning / control system of this aspect, the trajectory up to the target state can be obtained with a low calculation cost and high accuracy without restrictions on the search, and the state of the object can be set as the target state according to the trajectory. it can.

本発明の一実施形態による軌道計画・制御システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the track | orbit planning / control system by one Embodiment of this invention. 二重倒立振子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a double inverted pendulum. 探索木作成部が位相空間上に探索木を作成する手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the procedure in which a search tree preparation part produces a search tree on phase space. 図3のステップS1020及びステップS1030の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of step S1020 and step S1030 of FIG. 複数の区域に分割された位相空間を示す図である。It is a figure which shows the phase space divided | segmented into the several area. 図3のステップS1050及びステップS1060の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of step S1050 of FIG. 3, and step S1060. 移行可能領域決定部が移行可能領域を定める方法を説明するための流れ図である。It is a flowchart for demonstrating the method in which a transferable area | region determination part determines a transferable area. 図7のステップS2020の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of step S2020 of FIG. 図7のステップS2030及びステップS2040の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of step S2030 and step S2040 of FIG. 図7のステップS2060を説明するための図である。It is a figure for demonstrating step S2060 of FIG. 軌道の作成方法を説明するための流れ図である。It is a flowchart for demonstrating the creation method of a track | orbit. フィードバック制御を説明するための流れ図である。It is a flowchart for demonstrating feedback control. 図12のステップS4010乃至ステップS4050の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of step S4010 thru | or step S4050 of FIG. 二重倒立振子200の目標状態を示す図である。It is a figure which shows the target state of the double inverted pendulum 200. FIG. 図3の流れ図に示した方法によって求めた逆探索木による軌跡と、該軌跡上の点について図7の流れ図に示した方法によって作成した移行可能領域とを示す図である。It is a figure which shows the locus | trajectory by the reverse search tree calculated | required by the method shown in the flowchart of FIG. 3, and the transferable area | region created by the method shown in the flowchart of FIG. 図15に示した逆方向探索木による軌跡と順方向探索木による軌跡とを移行可能領域において接続した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which connected the locus | trajectory by a reverse direction search tree shown in FIG. 15, and the locus | trajectory by a forward direction search tree in a transferable area | region. 順方向探索木による軌跡の移行点から、目標状態に向けてフィードバック制御を行った場合の軌跡を示す図である。It is a figure which shows a locus | trajectory at the time of performing feedback control toward the target state from the transition point of the locus | trajectory by a forward direction search tree.

図1は、本発明の一実施形態による軌道計画・制御システム100の構成を示す図である。軌道計画・制御システム100は、状態空間上の物体の状態に対応する枝を備えた探索木を作成する探索木作成部101と、探索木上の点の移行可能領域を定める移行可能領域決定部103と、探索木作成部101によって作成された探索木及び移行可能領域を記憶する探索木記憶部104と、探索木記憶部104に記憶された探索木及び移行可能領域を使用して目標状態までの軌道を作成する軌道作成部105と、軌道作成部105によって作成された軌道を使用して軌道制御を行う軌道制御部107と、を備える。探索木上の点の移行可能領域については後で説明する。また、各構成部の機能の詳細については、後で説明する。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a trajectory planning / control system 100 according to an embodiment of the present invention. The trajectory planning / control system 100 includes a search tree creation unit 101 that creates a search tree having branches corresponding to the state of an object in the state space, and a migratable area determination unit that determines a migratable area for points on the search tree. 103, a search tree storage unit 104 that stores a search tree created by the search tree creation unit 101 and a migratable area, and a target state using the search tree and migratable area stored in the search tree memory unit 104 A trajectory creation unit 105 that creates the trajectory of the trajectory, and a trajectory control unit 107 that performs trajectory control using the trajectory created by the trajectory creation unit 105. The transferable area of points on the search tree will be described later. Details of the function of each component will be described later.

図2は、二重倒立振子200の構成を示す図である。以下の実施形態においては、2次元平面内で運動する二重倒立振子200を物体として説明を行なう。二重倒立振子200は、第1リンク205と、第2リンク211と、第1リンク205を回転可能に固定点に接続する第1関節(ジョイント)201と、第1リンク205及び第2リンク211を回転可能に接続する第2関節207と、から構成される。第1リンク205及び第2リンク211の重心を、それぞれ符号203及び209によって示す。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the double inverted pendulum 200. As shown in FIG. In the following embodiments, the description will be made with the double inverted pendulum 200 moving in a two-dimensional plane as an object. The double inverted pendulum 200 includes a first link 205, a second link 211, a first joint (joint) 201 that rotatably connects the first link 205 to a fixed point, a first link 205, and a second link 211. , And a second joint 207 that rotatably connects. The centers of gravity of the first link 205 and the second link 211 are indicated by reference numerals 203 and 209, respectively.

二重倒立振子200の運動は、第1関節201及び第2関節207に与えるトルクによって定まり、第1リンク205のX軸に対する角度

Figure 0005778467
第2リンク211の第1リンク205に対する角度
Figure 0005778467
及びこれらの角速度
Figure 0005778467
によって表現される。そこで、本実施形態において、状態空間として以下の位相空間を採用する。
Figure 0005778467
The motion of the double inverted pendulum 200 is determined by the torque applied to the first joint 201 and the second joint 207, and the angle of the first link 205 with respect to the X axis.
Figure 0005778467
Angle of the second link 211 with respect to the first link 205
Figure 0005778467
And their angular velocities
Figure 0005778467
Is represented by Therefore, in the present embodiment, the following phase space is adopted as the state space.
Figure 0005778467

図3は、探索木作成部101が位相空間上に探索木を作成する手順を示す流れ図である。   FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for the search tree creation unit 101 to create a search tree in the phase space.

図3のステップS1010において、探索木作成部101は物体の目標状態を得る。   In step S1010 of FIG. 3, the search tree creation unit 101 obtains the target state of the object.

図3のステップS1020において、探索木作成部101は、位相空間において物体の目標状態を探索木の根として定める。   In step S1020 of FIG. 3, the search tree creating unit 101 determines the target state of the object as the root of the search tree in the phase space.

図3のステップS1030において、探索木作成部101が、位相空間において、所定の時間間隔前、すなわち、時刻t−Δtの状態を探索木の枝のノードとして定める。枝のノードとは枝が分岐する点または枝の先端の点である。所定の時間間隔前の状態は、運動方程式や動力学シミュレータによって定める。上述のように、二重倒立振子200の運動は、第1関節201及び第2関節207に与えるトルクによって定まるので、所定の時間間隔に第1関節201及び第2関節207に与えるトルクを定めれば、二重倒立振子200の、所定の時間間隔前の状態が定まる。そこで、所定の時間間隔に第1関節201及び第2関節207に与えるトルクを最大値と最小値との間で、所定の増分で変化させながら、それぞれの場合に対応する時間間隔前の状態を求めてもよい。この場合に、トルクを最大値と最小値との間で、所定の増分で変化させながら、幅優先探索により網羅的に探索を行なってもよい。 In step S1030 of FIG. 3, the search tree creating unit 101 determines a state before a predetermined time interval, that is, at time t−Δt, as a node of the search tree branch in the phase space. A branch node is a point at which a branch branches or a point at the tip of a branch. The state before the predetermined time interval is determined by an equation of motion or a dynamic simulator. As described above, since the motion of the double inverted pendulum 200 is determined by the torque applied to the first joint 201 and the second joint 207, the torque applied to the first joint 201 and the second joint 207 can be determined at a predetermined time interval. For example, the state of the double inverted pendulum 200 before a predetermined time interval is determined. Therefore, while changing the torque applied to the first joint 201 and the second joint 207 at a predetermined time interval between a maximum value and a minimum value in a predetermined increment, the state before the time interval corresponding to each case is changed. You may ask for it. In this case, an exhaustive search may be performed by a breadth-first search while changing the torque between a maximum value and a minimum value in a predetermined increment.

図4は、図3のステップS1020及びステップS1030の動作を説明するための図である。図4において、円形は状態を示し、黒い円形は目標状態を示す。また、点線の矢印は計算の順序を示す。なお、図4は、簡単のために位相空間を2次元空間として表している。黒い丸で示す目標状態にある、二重倒立振子200に、目標状態に至るまでの所定の時間間隔に3個の異なるトルク

Figure 0005778467
が与えられたとして、3個の異なる所定の時間間隔前の状態が計算される。探索木作成部101は、これらの状態を探索木の枝とする。さらに、生成された枝が示すそれぞれの状態に対して、3個の異なるトルク
Figure 0005778467
が与えられたとして、3個の異なる、さらに所定の時間間隔前の状態が計算される。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operations in steps S1020 and S1030 in FIG. In FIG. 4, a circle indicates a state, and a black circle indicates a target state. A dotted arrow indicates the order of calculation. FIG. 4 shows the phase space as a two-dimensional space for simplicity. The double inverted pendulum 200 in the target state indicated by the black circle has three different torques at a predetermined time interval until the target state is reached.
Figure 0005778467
Is given, the state before three different predetermined time intervals is calculated. The search tree creation unit 101 sets these states as search tree branches. In addition, three different torques for each state indicated by the generated branch
Figure 0005778467
, Three different states before a predetermined time interval are calculated.

ここで、位相空間を予め複数の区域に分割しておく。   Here, the phase space is divided into a plurality of areas in advance.

図5は、複数の区域に分割された位相空間を示す図である。分割は、想定される角度及び角速度の範囲を等分割してもよい。以下において、複数の区域のそれぞれをセルと呼称する。   FIG. 5 is a diagram showing a phase space divided into a plurality of areas. The division may equally divide the assumed angle and angular velocity range. Hereinafter, each of the plurality of areas is referred to as a cell.

図3のステップS1040において、探索木作成部101は、所定の時間間隔前の状態の属するセルにすでに探索木の枝のノードが登録されているかどうか判断する。すでに探索木の枝のノードが登録されていれば、ステップS1060に進む。探索木の枝のノードが登録されていなければ、ステップS1045に進む。   In step S1040 of FIG. 3, the search tree creation unit 101 determines whether a node of a search tree branch is already registered in a cell to which a state before a predetermined time interval belongs. If the branch node of the search tree has already been registered, the process proceeds to step S1060. If no node of the branch of the search tree is registered, the process proceeds to step S1045.

図3のステップS1045において、探索木作成部101は、探索木作成部101が派生させた枝が表す所定の時間間隔前の状態が位相空間上の制約条件を満たすかどうか判断する。位相空間上の制約条件とは、物体である機械の性能または外部の障害物などにより、状態が存在することのできない位相空間の領域に対応する制約条件である。所定の時間間隔前の状態が位相空間上の制約条件を満たせば、ステップS050に進む。所定の時間間隔前の状態が位相空間上の制約条件を満たさなければ、ステップS060に進む。 In step S <b> 1045 of FIG. 3, the search tree creation unit 101 determines whether the state before a predetermined time interval represented by the branch derived by the search tree creation unit 101 satisfies the constraint condition on the phase space. The constraint condition in the phase space is a constraint condition corresponding to a region in the phase space where a state cannot exist due to the performance of a machine that is an object or an external obstacle. If the state before the predetermined time interval satisfies the constraints on the phase space, the process proceeds to step S 1 050. If the state before the predetermined time interval does not satisfy the constraints on the phase space, the process proceeds to step S 1 060.

図3のステップS1050において、探索木作成部101は、探索木作成部101が派生させた枝が表す所定の時間間隔前の状態を探索木の枝のノードとして登録する。   In step S1050 of FIG. 3, the search tree creation unit 101 registers a state before a predetermined time interval represented by the branch derived by the search tree creation unit 101 as a node of the search tree branch.

図3のステップS1060において、探索木作成部101は、探索木作成部101が派生させた枝が表す所定の時間間隔前の状態を破棄する。 In step S1060 of FIG. 3, the search tree creating unit 101 discards the state before a predetermined time interval represented by the branch derived by the search tree creating unit 101.

図6は、図3のステップS1050及びステップS1060の動作を説明するための図である。図6において、円形は状態を示し、黒い円形は目標状態を示す。また、実線の矢印は状態の遷移を示し、点線の矢印は計算の順序を示す。実線で示される状態の遷移の方向と点線で示される計算の順序の方向は逆である。探索木の枝のノードは、原則として1個のセル内には1本しか存在しない。探索木作成部101が、探索木の枝のノードがすでに存在するセルに新たな枝のノードを定めた場合には、その枝(状態)は破棄される。すなわち、位相空間上の位置が近い状態はセルごとに集約される。このように、従来の探索木の枝を、セルを使用して集約することによって、計算コストを大幅に低減することができる。   FIG. 6 is a diagram for explaining the operations in step S1050 and step S1060 in FIG. In FIG. 6, a circle indicates a state, and a black circle indicates a target state. A solid arrow indicates a state transition, and a dotted arrow indicates a calculation order. The direction of the state transition indicated by the solid line and the direction of the calculation order indicated by the dotted line are opposite. As a rule, there is only one node in the branch of the search tree in one cell. When the search tree creation unit 101 determines a new branch node in a cell in which a search tree branch node already exists, the branch (state) is discarded. That is, the state where the position in the phase space is close is aggregated for each cell. In this way, the calculation cost can be greatly reduced by aggregating the branches of the conventional search tree using cells.

図3のステップS1070において、探索木作成部101は、探索が終了したかどうか判断する。探索木作成部101は、探索木の所定の深さまでの探索を終えた場合、あるいは所定時間の推移まで探索を終えた場合に探索が終了したと判断してもよい。探索が終了したと判断された場合には、処理が終了する。探索が終了していないと判断された場合には、ステップS1030に戻り、探索が継続される。   In step S1070 of FIG. 3, the search tree creation unit 101 determines whether the search is completed. The search tree creation unit 101 may determine that the search has ended when the search to a predetermined depth of the search tree is completed, or when the search is completed up to a predetermined time transition. If it is determined that the search has ended, the process ends. If it is determined that the search has not ended, the process returns to step S1030 and the search is continued.

図3の手順によって作成された探索木は、目標状態を根として、過去の時点の状態を枝のノードとするものである。この探索木の根から枝の先端への方向は、時間の進行方向と逆であるので、逆方向探索木と呼称する。逆方向探索木上の点から、枝を時間の進行方向、すなわち順方向にたどることにより、探索木の根、すなわち目標状態に到達することができる。このように、逆方向探索木は、探索木上の任意の点が表す状態から目標状態までの軌道を与える。   The search tree created by the procedure shown in FIG. 3 uses a target state as a root and a state at a past time as a branch node. Since the direction from the root of the search tree to the tip of the branch is opposite to the time progression direction, it is called a reverse search tree. The root of the search tree, that is, the target state can be reached by following the branches in the direction of time progression, that is, the forward direction, from a point on the backward search tree. Thus, the backward search tree provides a trajectory from the state represented by an arbitrary point on the search tree to the target state.

ここで、探索木上の点の移行可能領域について説明する。移行可能領域は、状態空間上の移行可能点の集合である。移行可能点は、その点の表す状態に対して適切な制御を行うことにより、探索木の軌道に沿って目標状態に到達することが可能な点である。   Here, a transferable area of points on the search tree will be described. The migratable area is a set of migratable points on the state space. The transferable point is a point that can reach the target state along the trajectory of the search tree by appropriately controlling the state represented by the point.

図7は、移行可能領域決定部103が移行可能領域を定める方法を説明するための流れ図である。   FIG. 7 is a flowchart for explaining a method by which the migratable area determination unit 103 determines the migratable area.

図7のステップS2010において、移行可能領域決定部103は、インデクスjを0とする。   In step S2010 of FIG. 7, the migratable area determination unit 103 sets the index j to 0.

図7のステップS2020において、移行可能領域決定部103は、探索木上の点Sに対して、位置と速度にランダムに誤差を加えたS’を作成する。 In step S2020 in FIG. 7, the transferable area determination unit 103 creates S i ′ in which an error is randomly added to the position and speed for the point S i on the search tree.

図8は、図7のステップS2020の動作を説明するための図である。図8において、Sは、目標状態を示し、目標状態に至る実線は、探索木を示す。位置及び速度を

Figure 0005778467
としたとき、探索木上の点
Figure 0005778467
に対して、ランダムな誤差(R,R)を加えて点
Figure 0005778467
を生成する。ここで、
Figure 0005778467
である。 FIG. 8 is a diagram for explaining the operation in step S2020 of FIG. In FIG. 8, S k indicates a target state, and a solid line reaching the target state indicates a search tree. Position and speed
Figure 0005778467
The point on the search tree
Figure 0005778467
Random errors (R 1 , R 2 )
Figure 0005778467
Is generated. here,
Figure 0005778467
It is.

図7のステップS2030において、移行可能領域決定部103は、S’に対してフィードバック制御を行って目標状態Sに到達可能であるかどうか判断する。到達可能でなければ、ステップS2040に進む。到達可能であれば、ステップS2050に進む。なお、フィードバック制御については後で説明する。 In step S2030 of FIG. 7, the transferable area determination unit 103 performs feedback control on S i ′ and determines whether the target state S k can be reached. If not reachable, the process proceeds to step S2040. If reachable, the process proceeds to step S2050. The feedback control will be described later.

図7のステップS2040において、移行可能領域決定部103は、S’を移行不可能な点のリストMに登録する。 In step S2040 of FIG. 7, the migratable area determination unit 103 registers S i ′ in the non-migratable point list M l .

図9は、図7のステップS2030及びステップS2040の動作を説明するための図である。S’から目標状態Sにまでフィードバック制御をかけた後の点S’igoalに対して、S’igoalとSとの距離が閾値Const以上であれば、S’を移行不可能な点として、移行不可能な点のリストMに登録する。 FIG. 9 is a diagram for explaining the operations in steps S2030 and S2040 in FIG. If the distance between S ′ igoal and S k is greater than or equal to the threshold Const with respect to the point S ′ igoal after feedback control is performed from S i ′ to the target state S k , S i ′ cannot be transferred. A point is registered in the list M 1 of points that cannot be transferred.

図7のステップS2050において、移行可能領域決定部103は、インデクスjがNに達したかどうか判断する。ここで、Nは、移行可能かどうか判断される点S’の数である。インデクスjがNに達していれば、ステップS2060に進む。jがNに達していなければ、ステップS2020に戻る。 In step S2050 of FIG. 7, the migratable area determination unit 103 determines whether the index j has reached N. Here, N is the number of points S i ′ where it is determined whether or not migration is possible. If the index j has reached N, the process proceeds to step S2060. If j has not reached N, the process returns to step S2020.

図7のステップS2060において、移行可能領域決定部103は、移行不可能な点のリストM中でSに最も近い点を境界とする半径Rの超球または超直方体を移行可能領域として定める。 In step S2060 of FIG. 7, the transferable area determining unit 103 sets a hypersphere or a rectangular parallelepiped having a radius R i bounded by a point closest to S i in the non-transferable point list M l as a transferable area. Determine.

図10は、図7のステップS2060を説明するための図である。M中でSに最も近い点を境界とする半径Rの超球を定めたので、超球の半径R内に存在する点は、フィードバック制御をかけることで目標状態Sへ到達させることができる。 FIG. 10 is a diagram for explaining step S2060 in FIG. Since a hypersphere having a radius R i whose boundary is the point closest to S i in M l is defined, a point existing within the radius R i of the supersphere reaches the target state S k by applying feedback control. Can be made.

図7のステップS2070において、移行可能領域決定部103は、インデクスiがKに達したかどうか判断する。ここで、Kは、移行可能領域を定める点の数である。インデクスiがKに達していれば、処理を終了する。iがKに達していなければ、ステップS2090に戻る。   In step S2070 of FIG. 7, the transferable area determination unit 103 determines whether or not the index i has reached K. Here, K is the number of points that define the transferable area. If the index i has reached K, the process is terminated. If i has not reached K, the process returns to step S2090.

図7のステップS2080において、移行可能領域決定部103は、インデクスjに1を加算する。   In step S2080 of FIG. 7, the transferable area determination unit 103 adds 1 to the index j.

図7のステップS2090において、移行可能領域決定部103は、インデクスiに1を加算し、インデクスjを0とする。   In step S2090 of FIG. 7, the migratable area determination unit 103 adds 1 to the index i and sets the index j to 0.

つぎに、軌道の作成方法について説明する。   Next, a method for creating a trajectory will be described.

図11は、軌道の作成方法の一例を説明するための流れ図である。   FIG. 11 is a flowchart for explaining an example of a trajectory creation method.

図11のステップS3010において、探索木作成部101が、図3の流れ図に示した方法にしたがって逆方向探索木を作成する。なお、逆方向探索木は予め準備して探索木記憶部104に記憶させておいてもよい。   In step S3010 of FIG. 11, the search tree creation unit 101 creates a backward search tree according to the method shown in the flowchart of FIG. Note that the backward search tree may be prepared in advance and stored in the search tree storage unit 104.

図11のステップS3020において、移行可能領域決定部103が、図7の流れ図に示した方法にしたがって、逆方向探索木上の各点の移行可能領域を定める。   In step S3020 of FIG. 11, the transferable area determining unit 103 determines the transferable area of each point on the backward search tree according to the method shown in the flowchart of FIG.

図11のステップS3025において、移行可能領域決定部103は、物体の初期状態がいずれかの移行可能領域に含まれるかどうか判断する。物体の初期状態がいずれの移行可能領域にも含まれない場合には、ステップS3030に進む。物体の初期状態がいずれかの移行可能領域に含まれる場合には、ステップS3055に進む。   In step S3025 of FIG. 11, the transferable area determination unit 103 determines whether the initial state of the object is included in any transferable area. If the initial state of the object is not included in any transferable area, the process proceeds to step S3030. If the initial state of the object is included in any of the transferable areas, the process proceeds to step S3055.

図11のステップS3030において、探索木作成部101が、逆方向探索木上のある一点を目標状態として、順方向探索木を作成する。順方向探索木とは、物体の初期状態を根として、時間の進行にしたがって枝を成長させた探索木である。順方向探索木は、図3に示した逆方向探索木の作成方法と同様な方法で作成することができる。逆方向探索木と同様にセルを使用して枝を集約する。   In step S3030 of FIG. 11, the search tree creating unit 101 creates a forward search tree with a certain point on the backward search tree as a target state. The forward search tree is a search tree in which branches are grown as time progresses with the initial state of the object as a root. The forward search tree can be created by the same method as the backward search tree creation method shown in FIG. Similar to the backward search tree, branches are aggregated using cells.

なお、逆方向探索木上のある一点を目標状態として、順方向探索木を作成する代わりに、予め作成した順方向探索木から目標状態の近くへ続く木を探すようにしてもよい。   Instead of creating a forward search tree with a certain point on the backward search tree as a target state, a tree continuing near the target state from a previously created forward search tree may be searched.

図11のステップS3040において、軌道作成部105は、順方向探索木の目標状態、すなわち軌道の終点が、逆方向探索木上の点の移行可能領域内であるかどうか判断する。移行可能領域内でなければ、ステップS3030に戻る。移行可能領域内であれば、ステップS3050に進む。   In step S3040 of FIG. 11, the trajectory creation unit 105 determines whether the target state of the forward search tree, that is, the end point of the trajectory is within the point transferable region on the reverse search tree. If it is not in the transferable area, the process returns to step S3030. If it is within the transferable area, the process proceeds to step S3050.

図11のステップS3050において、軌道作成部105は、物体の初期状態を根とする順方向探索木による軌道と物体の目標状態を根とする逆方向探索木による軌道とを移行可能領域で接続して全体の軌道を定める。   In step S3050 in FIG. 11, the trajectory creation unit 105 connects the trajectory based on the forward search tree rooted in the initial state of the object and the trajectory based on the reverse search tree rooted in the target state of the object in the migratable region. To determine the overall trajectory.

図11のステップS3055において、軌道作成部105は、物体の目標状態を根とする逆方向探索木による軌道を定める。   In step S3055 of FIG. 11, the trajectory creation unit 105 determines a trajectory based on a backward search tree rooted at the target state of the object.

図11のステップS3060において、軌道制御部107は、フィードバック制御によって物体の運動を生成する。フィードバック制御については後で説明する。   In step S3060 of FIG. 11, the trajectory control unit 107 generates a motion of the object by feedback control. Feedback control will be described later.

目標状態を根とする逆方向探索木を使用した軌跡は、目標状態に関する精度が高い。他方、 初期状態(現在状態)を根とする順方向探索木を使用した軌跡は、初期状態に関する精度が高い。したがって、逆方向探索木を使用した軌跡と順方向探索木を使用した軌跡とを接続した軌跡は、目標状態及び初期状態に関する精度が高い。   The trajectory using the backward search tree rooted in the target state has high accuracy regarding the target state. On the other hand, the trajectory using the forward search tree rooted in the initial state (current state) has high accuracy with respect to the initial state. Therefore, the trajectory connecting the trajectory using the backward search tree and the trajectory using the forward search tree has high accuracy regarding the target state and the initial state.

ここで、フィードバック制御について説明する。   Here, feedback control will be described.

図12は、フィードバック制御を説明するための流れ図である。   FIG. 12 is a flowchart for explaining feedback control.

図13は、図12の流れ図の動作を説明するための図である。図13において、Aは探索木の軌道を示し、Bは、フィードバック制御による軌道を示す。   FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the flowchart of FIG. In FIG. 13, A shows the trajectory of the search tree, and B shows the trajectory by feedback control.

図12のステップS4010において、軌道制御部107は、探索木の枝より、nステップ先の短期目標状態Splan(t+n)を取得する。   In step S4010 of FIG. 12, the trajectory control unit 107 acquires the short-term target state Splan (t + n) n steps ahead from the branch of the search tree.

図12のステップS4020において、軌道制御部107は、現在状態Scur(t)より、ランダムなトルク(計画済のトルクTplanを中心とした一定区間内の一様乱数から選択したトルクTcomp)をかけてnステップ経過した後の状態Spred(t+n)を求める。   In step S4020 of FIG. 12, the trajectory control unit 107 applies a random torque (torque Tcomp selected from a uniform random number within a fixed section centered on the planned torque Tplan) from the current state Scur (t). The state Spred (t + n) after n steps has elapsed is obtained.

図12のステップS4030において、軌道制御部107は、Spred(t+n)とSplan(t+n)の誤差を計算する。   In step S4030 of FIG. 12, the trajectory control unit 107 calculates an error between Spred (t + n) and Splan (t + n).

図12のステップS4040において、軌道制御部107は、所定回数の誤差計算を終えたかどうか判断する。所定回数は、例として200回である。所定回数の誤差計算を終えていれば、ステップS4050に進む。所定回数の誤差計算を終えていなければ、ステップS4020に戻る。   In step S4040 of FIG. 12, the trajectory control unit 107 determines whether a predetermined number of error calculations have been completed. The predetermined number of times is 200 times as an example. If the predetermined number of error calculations have been completed, the process proceeds to step S4050. If the predetermined number of error calculations have not been completed, the process returns to step S4020.

図12のステップS4050において、軌道制御部107は、誤差最小となるTplan+Tcompを求め、トルク目標値として機械のアクチュエータへ送信し、1ステップ経過するまで同じトルクを維持し、処理を終了する。   In step S4050 of FIG. 12, the trajectory control unit 107 obtains Tplan + Tcomp that minimizes the error, transmits it to the actuator of the machine as a torque target value, maintains the same torque until one step elapses, and ends the process.

図11のステップS3010の逆方向探索木を予め準備している場合には、ステップS3030の演算は必要なくなり、予め作成された(準備された)順方向探索木から目標状態の近くに続く木を探せばよい。   When the backward search tree of step S3010 in FIG. 11 is prepared in advance, the calculation of step S3030 is not necessary, and a tree that is close to the target state from the prepared (prepared) forward search tree is obtained. Find it.

本発明による軌道計画方法について、本明細書では、説明を簡単にするために、物体を二重倒立振子としている。しかし、逆方向探索木及び移行可能領域を使用する本発明の考え方は、任意の物体の状態空間における軌道計画方法に適用することができる。   In the present specification, the trajectory planning method according to the present invention uses a double inverted pendulum for the purpose of simplifying the description. However, the idea of the present invention using the backward search tree and the migratable region can be applied to a trajectory planning method in the state space of an arbitrary object.

つぎに、図2に示した二重倒立振子200のシミュレーションによる制御実験について説明する。二重倒立振子200の第1リンク205のリンク長は、lであり、質量は、mであり、重心位置203はリンクの中央である。二重倒立振子200の第2リンク211のリンク長は、lであり、質量は、mであり、重心位置209はリンクの中央である。また、重力加速度をgとする。二重倒立振子200の運動方程式は以下のとおりである。

Figure 0005778467
関節角度と重力の関係に対する理解を容易にするために、以下のように座標を変更した。
Figure 0005778467
Next, a control experiment by simulation of the double inverted pendulum 200 shown in FIG. 2 will be described. The link length of the first link 205 of the double inverted pendulum 200 is l 1 , the mass is m 1 , and the center of gravity position 203 is the center of the link. Link length of the second link 211 of the double inverted pendulum 200 is l 2, mass, m 2, and the center of gravity position 209 is a central link. Also, let g be the acceleration of gravity. The equation of motion of the double inverted pendulum 200 is as follows.
Figure 0005778467
In order to facilitate understanding of the relationship between joint angle and gravity, the coordinates were changed as follows.
Figure 0005778467

表1は、実験のシミュレーションの設定を示す。現在状態から隣接する状態までの時間間隔が、表1のトルク切り替えタイムステップに相当する。

Figure 0005778467
Table 1 shows the experimental simulation settings. The time interval from the current state to the adjacent state corresponds to the torque switching time step in Table 1.
Figure 0005778467

表2は、第1関節及び第2関節のパラメータを示す。表2において、第1関節の最大トルク2 [Nm]、探索木作成時のトルク粒度10分割とは、探索木の新たな枝を派生させる際に、-2 [Nm]から2 [Nm]までのトルクの範囲を10分割し、たとえば、 -1.8 [Nm], -1.4[Nm], -1.0[Nm]... 1.0[Nm], 1.4[Nm], 1.8 [Nm]というようにトルクを与えて、運動方程式から次の状態(角度及び角速度)を求めること
を意味する。実験においては、第1関節及び第2関節に、それぞれ10個の異なるトルクを与えるので、100個の異なる次の状態が派生する。ここで、最大トルクの値を調整することにより物体の動作を制限することもできる。

Figure 0005778467
Table 2 shows the parameters of the first joint and the second joint. In Table 2, the maximum torque of the first joint is 2 [Nm], and the torque granularity is 10 when creating a search tree. When deriving a new branch of the search tree, from -2 [Nm] to 2 [Nm] For example, -1.8 [Nm], -1.4 [Nm], -1.0 [Nm] ... 1.0 [Nm], 1.4 [Nm], 1.8 [Nm] This means that the next state (angle and angular velocity) is obtained from the equation of motion. In the experiment, 10 different torques are applied to the first joint and the second joint, respectively, so that 100 different next states are derived. Here, the movement of the object can be limited by adjusting the value of the maximum torque.
Figure 0005778467

実験では、二重倒立振子200が完全に倒立した状態を目標状態とした。   In the experiment, the state in which the double inverted pendulum 200 was completely inverted was set as the target state.

図14は、二重倒立振子200の目標状態を示す図である。二重倒立振子200の目標状態の座標は以下のとおりである。

Figure 0005778467
FIG. 14 is a diagram showing a target state of the double inverted pendulum 200. As shown in FIG. The coordinates of the target state of the double inverted pendulum 200 are as follows.
Figure 0005778467

図15は、図3の流れ図に示した方法によって求めた逆探索木による軌跡と、該軌跡上の点について図7の流れ図に示した方法によって作成した移行可能領域とを示す図である。図15においては、目標状態をAで示し、移行可能領域をRで示す。図15(a)は、第1関節の位相空間を示し、図15(b)は、第2関節の位相空間を示す。   FIG. 15 is a diagram showing a trajectory based on the inverse search tree obtained by the method shown in the flowchart of FIG. 3 and a migratable area created by the method shown in the flowchart of FIG. 7 for points on the trajectory. In FIG. 15, the target state is indicated by A and the transferable area is indicated by R. FIG. 15A shows the phase space of the first joint, and FIG. 15B shows the phase space of the second joint.

図16は、図15に示した逆方向探索木による軌跡と順方向探索木による軌跡とを移行可能領域において接続した状態を示す図である。図16において、逆方向探索木による軌跡を実線で示し、順方向探索木による軌跡を点線で示す。また、逆方向探索木による軌跡上の目標状態をAで示し、移行点をBで示し、順方向探索木による軌跡上の初期状態をCで示す。二つの軌跡を移行可能領域内で接続することにより初期状態から目標状態までの運動を実行することができた。図16(a)は、第1関節の位相空間を示し、図16(b)は、第2関節の位相空間を示す。   FIG. 16 is a diagram illustrating a state in which the trajectory based on the backward search tree and the trajectory based on the forward search tree illustrated in FIG. 15 are connected in the transferable region. In FIG. 16, the trajectory by the backward search tree is indicated by a solid line, and the trajectory by the forward search tree is indicated by a dotted line. The target state on the trajectory by the backward search tree is indicated by A, the transition point is indicated by B, and the initial state on the trajectory by the forward search tree is indicated by C. The movement from the initial state to the target state can be executed by connecting the two trajectories in the transitionable region. FIG. 16A shows the phase space of the first joint, and FIG. 16B shows the phase space of the second joint.

図17は、順方向探索木による軌跡の終点から、目標状態に向けてフィードバック制御を行った場合の軌跡を示す図である。図17において、フィードバック制御による軌跡を実線で示し、順方向探索木による軌跡を点線で示す。図17において、目標状態をAで示し、順方向探索木による軌跡の終点をBで示し、順方向探索木による軌跡上の初期状態をCで示す。順方向探索木による軌跡の終点Bからフィードバック制御によって目標状態に到達することはできなかった。   FIG. 17 is a diagram illustrating a trajectory when feedback control is performed toward the target state from the end point of the trajectory by the forward search tree. In FIG. 17, the locus by feedback control is indicated by a solid line, and the locus by a forward search tree is indicated by a dotted line. In FIG. 17, the target state is indicated by A, the end point of the trajectory by the forward search tree is indicated by B, and the initial state on the trajectory by the forward search tree is indicated by C. The target state could not be reached by feedback control from the end point B of the trajectory by the forward search tree.

このように、逆方向探索木及び移行可能領域を使用する本発明の方法及び装置は、単なるフィードバック制御と比較して有効に機能する。   As described above, the method and apparatus of the present invention using the backward search tree and the migratable region function effectively compared to simple feedback control.

本発明は、安定状態にある機械をある不安定状態を経由させて次の安定状態へと遷移させるような場合に応用することができる。一例として、投球運動を行う機械は、通常、初期状態として安定状態を選択する。投球を行う瞬間は、機械にとって不安定状態である。機械は、この不安定状態を経由して、元の安定状態へ戻る。この場合に、投球前の安定状態を初期状態とする順方向探索木による軌跡と、投球後の安定状態を初期状態とする逆方向探索木による軌跡とを接続して、安定状態にある機械をある不安定状態を経由させて次の安定状態へと遷移させる軌跡を求めることができる。安定状態から不安定状態を経由して安定状態に戻る運動には、投球運動の他に、テニスのスイング動作や反動をつけた荷物の持ち上げなど多数の運動がある。   The present invention can be applied to a case where a machine in a stable state is transited to a next stable state via a certain unstable state. As an example, a machine performing a pitching motion usually selects a stable state as an initial state. The moment of throwing is unstable for the machine. The machine returns to the original stable state via this unstable state. In this case, connect the trajectory by the forward search tree with the stable state before pitching as the initial state and the trajectory with the backward search tree with the stable state after pitching as the initial state to connect the machine in the stable state. A trajectory for transitioning to the next stable state via a certain unstable state can be obtained. In addition to the pitching motion, there are a number of motions, such as tennis swing motion and lifting a rebounded baggage, to move from the stable state to the stable state via the unstable state.

101…探索木作成部、103…移行可能領域決定部、104…探索木記憶部、105…軌道作成部、107…軌道制御部、 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Search tree creation part, 103 ... Transferable area | region determination part, 104 ... Search tree memory | storage part, 105 ... Trajectory creation part, 107 ... Trajectory control part,

Claims (8)

軌道計画システムによって、物体の状態を初期状態から目標状態へ制御するための軌道を求める軌道計画方法であって、
探索木作成部が、前記状態の遷移についての動力学的条件に基づき、状態空間において前記目標状態を根として、予め複数の区域に分割された前記状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した逆方向探索木を作成するステップと、
移行可能領域決定部が、前記状態空間において、前記逆方向探索木に従い前記目標状態を中心とする所定の距離範囲内に到達し得る、前記逆方向探索木上の点を中心とする状態の範囲で構成された移行可能領域を定めるステップと、
軌道作成部が、該逆方向探索木を使用して、前記状態空間における前記初期状態を表す点から前記目標状態までの軌道を定めるステップと、
を含み、
前記軌道作成部は、前記逆方向探索木により定まる、前記移行可能領域内の点から前記根までの軌道を、前記初期状態から前記目標状態までの軌道の全部または一部として用いる、
軌道計画方法。
A trajectory planning method for obtaining a trajectory for controlling an object state from an initial state to a target state by a trajectory planning system,
Search tree creation unit, on the basis of the kinetic conditions for the transition of the state, the target state as a root in the state space, the branches included in each of the zones in advance a plurality of zones to split the state space node a method that forms create a backward search tree aggregate branches by limiting the number of,
Transition area determination unit, in the state space, the can reach the backward search within a predetermined distance range centered on the target state in accordance with the tree, the range of conditions around the point on the reverse search tree Defining a migratable area composed of :
A trajectory creation unit determines a trajectory from the point representing the initial state in the state space to the target state using the backward search tree;
Including
The trajectory creation unit uses a trajectory determined by the backward search tree from the point in the transitionable region to the root as all or part of the trajectory from the initial state to the target state.
Trajectory planning method.
前記探索木作成部が、前記状態空間において、前記物体の初期状態を根として、前記状態空間の前記それぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した、前記移行可能領域内に枝を持つ順方向探索木を作成するステップと、
前記軌道作成部が、前記順方向探索木による軌道と前記逆方向探索木による軌道を接続して、前記物体の前記初期状態から前記目標状態までの軌道を定めるステップと、をさらに含む請求項1に記載の軌道計画方法。
In the state space, the search tree creation unit aggregates branches by limiting the number of branch nodes included in the respective sections of the state space, with the initial state of the object as a root, and the transition is possible and a step that forms create a forward search tree with a branch in the region,
Claim wherein the path generation unit, by connecting the track the track by front Symbol forward search tree by the backward search tree, further comprising the steps of: determining the trajectory from the initial state of the object to the target state The trajectory planning method according to 1.
前記移行可能領域を定めるステップにおいて、前記移行可能領域決定部は、前記逆方向探索木上の点の近傍の複数の点に対して、フィードバック制御を実施することにより、前記目標状態に到達しうるかどうか定め、その結果に基づいて前記移行可能領域を定める請求項1または2に記載の軌道計画方法。   In the step of determining the migratable area, the migratable area determining unit can reach the target state by performing feedback control on a plurality of points in the vicinity of the point on the backward search tree. The trajectory planning method according to claim 1 or 2, wherein the transition possible area is determined based on a result of the determination. 前記移行可能領域決定部は、前記目標状態に到達することができなかった点のうち、前記逆方向探索木上の点に最も近い点の、前記逆方向探索木上の点までの距離に基づいて前記移行可能領域を定める請求項3に記載の軌道計画方法。   The transferable area determination unit is based on a distance from a point closest to the point on the backward search tree to a point on the backward search tree among points that could not reach the target state. The trajectory planning method according to claim 3, wherein the transferable area is determined. 請求項1から4のいずれかに記載の軌道計画方法によって求めた軌道にしたがって、前記物体を制御することによって前記物体の状態を前記初期状態から前記目標状態へ制御する軌道制御方法。 A trajectory control method for controlling the state of the object from the initial state to the target state by controlling the object according to the trajectory obtained by the trajectory planning method according to claim 1. 物体の状態を初期状態から目標状態へ制御するための軌道を求める軌道計画システムであって、
前記状態の遷移についての動力学的条件に基づき、状態空間において前記目標状態を根とし、予め複数の区域に分割された状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した逆方向探索木を作成する探索木作成部と、
前記状態空間において、前記逆方向探索木に従い前記目標状態を中心とする所定の距離範囲内に到達し得る、前記逆方向探索木上の点を中心とする状態の範囲で構成された移行可能領域を定める移行可能領域決定部と、
探索木及び移行可能領域を記憶する探索木記憶部と、
該逆方向探索木を使用して前記状態空間における前記初期状態を表す点から前記目標状態までの軌道を定める軌道作成部と、
を備え、
前記軌道作成部は、前記逆方向探索木により定まる、前記移行可能領域内の点から前記根までの軌道を、前記初期状態から前記目標状態までの軌道の全部または一部として用いる、
軌道計画システム。
A trajectory planning system for obtaining a trajectory for controlling an object state from an initial state to a target state,
Based on the kinetic conditions for the transition of the state, by the target state as a root in the state space, which limits the number of branches of the nodes included in each of the zones of pre-divided state space into a plurality of zones A search tree creation unit for creating a backward search tree in which branches are aggregated;
In the state space, a migratable area configured by a range of states centered on a point on the backward search tree, which can reach a predetermined distance range centered on the target state according to the backward search tree A migratable area determination unit that determines
A search tree storage unit for storing a search tree and a migratable area;
A trajectory creating unit for defining a trajectory from the point representing the initial state in the state space to the target state using the backward search tree;
Bei to give a,
The trajectory creation unit uses a trajectory determined by the backward search tree from the point in the transitionable region to the root as all or part of the trajectory from the initial state to the target state.
Trajectory planning system.
前記探索木作成部が、前記状態空間において、前記物体の初期状態を根として、前記状態空間のそれぞれの区域に含まれる枝のノードの数を制限することによって枝を集約した、前記移行可能領域内に枝を持つ順方向探索木を作成し、
前記軌道作成部が、前記順方向探索木による軌道と前記逆方向探索木による軌道を接続して、前記物体の前記初期状態から前記目標状態までの軌道を定める請求項6に記載の軌道計画システム。
The migratable region in which the search tree creation unit aggregates branches by limiting the number of branch nodes included in each section of the state space with the initial state of the object as a root in the state space. Create a forward search tree with branches in it,
The path generation unit, by connecting the track the track by front Symbol forward search tree by the backward search tree, path planning according from the initial state of the object to claim 6 for determining the trajectory of to the target state system.
請求項6または7に記載の軌道計画システムと、該軌道計画システムが求めた軌道にしたがって、前記物体を制御することによって前記物体の状態を前記初期状態から前記目標状態へ制御する軌道制御部とを備えた、軌道計画・制御システム。 The trajectory planning system according to claim 6 or 7, and a trajectory control unit that controls the state of the object from the initial state to the target state by controlling the object according to the trajectory obtained by the trajectory planning system. Trajectory planning and control system with
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