JP7135322B2 - 移動体の監視対象追従制御装置、監視対象追従制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、監視対象の移動に対して移動体を追従させる移動体の監視対象追従制御装置、監視対象追従制御プログラムに関する。

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

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

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

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

ここで、複数の移動体を集中管理せずに制御する技術として、ボロノイ領域を定義する分散管理技術がある。

例えば、カメラを備えた複数の移動体を、予め定めた領域内に設定されたリスクポテンシャル（監視対象領域）に移動させ、当該リスクポテンシャルを監視する場合、予め定めた領域をボロノイ領域に分割し、分割した各領域をそれぞれの移動体の担当領域として設定することで、移動体同士の衝突回避が可能となる。

ボロノイ領域を定義した技術は、複数の移動体を想定した最適なロジックを提供することができる。また、各移動体に対してきめ細かい軌道計画を施す必要がなく、各移動体が近傍とコミュニケーションをとりながら、自律分散的に意思決定することができる。

さらに、集中処理ではなく、分散処理であるため、計算負荷が小さく、規模の大きさに依存せず、現実的時間内で解を求めることができる。

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

さらに、本明細書において、リスクポテンシャルに対して、移動体が監視し得る監視領域の比率を「被覆率」という。被覆率は、そのままの比率（「監視領域の面積／リスクポテンシャルの面積」）でもよいし、百分率で表現してもよい（「監視領域の面積／リスクポテンシャルの面積」×１００％）。ここで、センサの捕捉領域を監視領域とする。

また、参考として、非特許文献１には、移動センサ（移動体）が近傍の移動センサとの垂直二等分線で定義されるボロノイ図による領域分割を行い、自身の領域の重心へ自律分散的に移動することを繰り返す、基本的な動作が開示されている。

なお、非特許文献１の具体的な動作の概略は、本実施の形態と比較する参考例として後述する（図１２参照）。

特開２０１６－１１８９９６号公報

J.Cortes,S.Martinez,T.Karatas,and F.Bullo, Coverage Control for Mobile Sensing Networks,IEEE Transactions on Robotics and Automation,20(2),pp.242-255,(2004)

しかしながら、従来のボロノイ領域を定義した自律分散制御では、それぞれの担当する領域でリスクポテンシャルを監視する移動体の移動速度が、当該リスクポテンシャルの移動速度よりも速ければよいが、逆の関係、すなわち、リスクポテンシャルの移動速度が、移動体の移動速度よりも速い場合、移動体の追従が困難となる場合がある。

また、リスクポテンシャルがボロノイ領域から退出したり、リスクポテンシャルがボロノイ領域に新たに進入したりすると、その時点から移動体がリスクポテンシャルに追従するため、追従が遅延する場合があった。

本発明は上記事実を考慮し、監視対象の追従制御において、追従困難や追従の遅延を軽減し、移動体による監視対象の監視を継続させることができる移動体の監視対象追従制御装置、監視対象追従制御プログラムを得ることが目的である。

本発明の移動体の監視対象追従制御装置は、相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、監視対象に関する情報を検出するセンサ部及び移動機構部をそれぞれ搭載した複数の移動体に用いられ、前記複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる基本機能を備えた移動体の監視対象追従制御装置であって、前記基本機能の制御に基づき、現在から所定周期毎に所定ステップ先まで前記移動体を移動させるときの各ステップの目標位置を含む移動制御情報を計算する計算手段と、前記計算手段での計算結果である、前記移動体の移動制御情報と、監視領域に設定された前記監視対象が退出及び進入し得る出入口の位置情報と、を含むパラメータに基づき、前記移動体の状態空間モデルを用いた時系列解析により、現在から所定周期毎に所定ステップ先の移動体の予測位置を予測する予測手段と、前記計算手段で計算した各ステップの目標位置と前記予測手段で予測した各ステップの予測位置との誤差、及び当該誤差を最小にするためのエネルギーの和を定量化した評価関数情報を得る評価手段と、前記監視領域の出口から出ることが予測される監視対象の監視よりも、前記監視領域の入口から入ることが予想される監視対象の監視を優先することを前提として、前記評価手段での前記評価関数情報の誤差が最小となるように、前記移動機構部を制御するための制御入力値を生成する生成手段と、前記監視対象の前記監視領域からの退出及び進入の度に、前記基本機能の制御をリセットせずに、前記生成手段で生成された制御入力値を前記基本機能の制御に反映させて、前記移動体の移動を制御する移動制御手段と、を有している。

本発明によれば、相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、監視対象に関する情報を検出するセンサ部及び移動機構部をそれぞれ搭載した複数の移動体に用いられ、前記複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させることを基本制御する。

この基本制御の下、計算手段は、移動体を移動させる目標位置を、現在から所定周期毎に所定ステップ先まで計算する。

また、予測手段は、移動体の状態空間モデルにより、現在から所定周期毎に所定ステップ先の移動体の予測位置を予測する。

評価手段では、計算手段で計算した各ステップの目標位置と、予測手段で予測した各ステップの予測位置との誤差を評価する。この評価結果に基づき、前記移動機構部を制御するための制御入力値を生成し、生成された制御入力値に基づいて、前記移動機構部を制御して、前記移動体を前記監視対象の移動に追従するように移動しながら監視する（生成手段、制御手段）。

これにより、監視対象の追従制御において、例えば、移動体の移動が監視対象の移動に追いつかなくても、先回りすることができる。

本発明において、前記計算手段で計算した目標位置が、追従していた監視対象の監視領域からの退出、及び新たに追従すべき監視対象の監視領域への進入を含んで変化することを特徴としている。

監視対象の退出や、進入があった時点で、自律分散による追従制御をリセットして実行する必要があったのに対して、本願発明のように状態空間モデルを用いて、所定ステップ先まで予測することで、予め監視対象の退出及び進入を予測して、先回りすることができる。このため、監視対象の退出及び進入の度にリセットして追従制御を実行するよりも追従制御のカバー率を高めることができる。

本発明において、監視領域の監視対象数に対する、前記移動体による監視対象の捕捉数の割合で示されるカバー率を演算することで、監視性能の履歴を記録する履歴記録手段をさらに有し、前記監視性能の履歴が、前記移動体の状態空間モデルによる予測に反映させることを特徴としている。

例えば、状態空間モデルによる予測の際の教師データとして利用することができ、目標位置と予測位置との誤差を軽減することができる。

本発明の監視対象追従制御プログラムは、コンピュータを、移動体の監視対象追従制御装置として動作させることを特徴とする。

以上説明した如く本発明では、監視対象の追従制御において、追従困難や追従の遅延を軽減し、移動体による監視対象の監視を継続させることができるという優れた効果を有する。

本実施の形態に係る移動体の分散制御システムを示し、（Ａ）は本実施の形態に適用される移動体を動作させるための制御系のブロック図、（Ｂ）は移動体が移動する領域の平面図である。 本実施の形態に係るボロノイ分割された領域の平面図であり、（Ａ）はリスクポテンシャル指定時、（Ｂ）は制御則１に基づく移動体の移動後を示す。 本実施の形態にかかる移動体とリスクポテンシャルとの相関関係を示す平面図であり、（Ａ）は被覆率＝１の場合、（Ｂ）は被覆無しの場合、（Ｃ）は１＜被覆率の場合、（Ｄ）は０＜被覆率＜１の場合、（Ｅ）は制御則１に基づくボロノイ領域の移動に加え、被覆率を考慮した移動が可能な制御則２が実行可能な移動体を示す。 リスクポテンシャルに重要度を設定した場合の優先度合いによる被覆率の変化を示すカバレッジ遷移図である。 本実施の形態に係るボロノイ分割された領域の平面図であり、図２（Ｂ）の状態から制御則２に基づく移動体の移動後を示す。 本実施の形態に係る追従制御則における手順１の実行状況説明するための監視領域の平面図である。 本実施の形態に係る追従制御則における手順４の実行状況を説明するための監視領域の平面図である。 本実施の形態に係るリスクポテンシャル監視制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８のステップ１０４の制御則１による入力計算サブルーチン、及び、ステップ１０８の制御則１による入力計算サブルーチンの制御である追従形態選択制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態の追従制御則に基づく、移動体によるリスクポテンシャルの追従の遷移状況を示す監視領域の平面図である。 比較例に基づく、移動体によるリスクポテンシャルの追従の遷移状況を示す監視領域の平面図である。 参考例に基づく、移動体によるリスクポテンシャルの追従の遷移状況を示す監視領域の平面図である。 本実施の形態、参考例、及び比較例の移動体がリスクポテンシャルを追従したときのカバー率を示す特性図である。 リスクポテンシャルの予測挙動から、退出するリスクポテンシャルの追従を早期に中止し、新たに進入してくるリスクポテンシャルに先回りして追従する過程を詳細に示した監視領域の平面図である。

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

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

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

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

(監視モジュール１８）

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

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

(移動モジュール２０）

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

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

すなわち、監視モジュール１８の監視範囲が変更可能であればよい。

（位置認識モジュール２２）

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

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

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

(通信モジュール２４）

通信モジュール２４は、デバイスとして、無線通信装置を備える。無線通信は、移動体１０間で通信する機能として、位置情報を送受信する位置情報送受信部と、指定された監視対象領域（「リスクポテンシャル」という場合がある）の監視度合い（「被覆率」という。詳細後述）に関する情報（被覆率情報）を送受信する被覆率送受信部と、監視対象領域の分担に関する調停情報を送受信する調停情報送受信部と、を備える。

調停情報とは、移動体１０がリスクポテンシャルへ移動するか否かの判定を行う情報であり、リスクポテンシャルの符号（正又は負）によって使い分ける。例えば、「正」と定義されたリスクポテンシャルは監視を必要とし、「負」と定義されたリスクポテンシャルは監視を不要とすることを示す。

また、通信モジュール２４の無線通信は、監視モジュール１８で監視した結果（例えば、カメラであれば撮像情報）を、監視を統括的に管理する基地局へ送信する監視情報送信部を備える。

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

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

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

また、本実施の形態では、図１（Ｂ）に示す領域１２において、図２（Ａ）に示すように、監視対象領域（リスクポテンシャル）２８を指定する。

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

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

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

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に対して各移動体１０が移動した結果であり、ボロノイ領域を維持しながらリスクポテンシャル２８に向けて移動する従来技術の制御である（制御則１）。

ここで、制御則１では、全てのリスクポテンシャル２８を、移動体１０の監視範囲とすることができない状況が発生する。

すなわち、指定されたリスクポテンシャル２８の監視度合いは、被覆率で表現することができる。被覆率は、「移動体１０の監視領域の面積／リスクポテンシャル２８の面積」である。なお、百分率で表現してもよい（「移動体１０の監視領域の面積／リスクポテンシャル２８の面積」×１００％）。

制御則１に基づく、図２（Ｂ）では、被覆率が１未満（１００％未満）のリスクポテンシャル２８が存在していることがわかる。その一方で、リスクポテンシャル２８が存在しないボロノイ領域では、移動体１０が全く機能していない。

すなわち、全ての移動体１０の監視領域の面積が、指定されたリスクポテンシャル２８
の全面積よりも大きくても、制御則１に縛られた制御では、全てのリスクポテンシャル２
８を監視することができない。

そこで、本実施の形態では、制御則１に加え、移動体１０（の監視範囲）とリスクポテンシャル２８との位置関係に基づいて、被覆率が不足（０＜被覆率＜１）しているリスクポテンシャル２８に移動する制御（制御則２）を確立した。

図３は、移動体１０（の監視範囲）とリスクポテンシャル２８との位置関係として考え得る状況を示している。

図３（Ａ）は、単一のボロノイ領域内で、１区画のリスクポテンシャル２８に１機の移動体１０が対応した状況であり、１機の移動体１０の監視範囲の面積がリスクポテンシャル２８の面積と一致することになり、被覆率は１となり、理想的な関係である。

図３（Ｂ）は、移動体１０が担当するボロノイ領域にリスクポテンシャル２８が存在しない場合であり、最も効率の悪い関係である（状況１）。

図３（Ｃ）は、２つのボロノイ領域に跨って指定された１区画のリスクポテンシャル２８を、それぞれのボロノイ領域を担当する２機の移動体１０で対応した場合であり、２機の移動体１０の監視範囲の面積がリスクポテンシャル２８の面積よりも広くなり、被覆率は１より大きく（２「＝２００％」）となり、移動体１０の監視範囲が余剰となる関係である(状況２）。

一方、図３（Ｄ）は、単一のボロノイ領域内で、３区画のリスクポテンシャル２８に１機の移動体１０が対応した状況であり、被覆率が１未満（０．３３３・・・）であり、リスクポテンシャル２８の監視として不十分な関係である。

図３（Ａ）の関係では、移動体１０は現状況を維持することが好ましい。

図３（Ｂ）の関係（状況１）では、１機の移動体１０の監視範囲が無駄となっている状況であり、言い換えれば、図３（Ｂ）の移動体１０は、別のリスクポテンシャル２８に割り当てることができる状況である。

図３（Ｃ）の関係（状況２）では、２機の移動体１０がそれぞれ１／２の監視範囲を無駄にしている状況であり、言い換えれば、ボロノイ領域の縛りがなければ、図３（Ｃ）の２機の移動体１０の内の１機の移動体１０は、別のリスクポテンシャル２８に割り当てることができる状況である。

一方、図３（Ｄ）の関係では、２区画のリスクポテンシャル２８が監視できていない状況である。

本実施の形態では、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）の状況（移動体の監視範囲が余剰となっている状況１及び状況２）と、図３（Ｄ）の状況（移動体１０の監視範囲が不足している状況）とを認識し、ボロノイ領域の維持（制御則１）の制御に加え、移動体１０を移動させることを容認した制御則２を設定した（図３（Ｅ）参照）。

また、本実施の形態では、リスクポテンシャル２８に重要度の差がある場合、重要度に応じて移動体１０の移動を制御するようにしている。

図４は、重要度に基づく移動体１０の移動制御について示している。

重要度は、例えば、０を超える数値～１以下の数値で表現され、１が最も重要度が高いものとし、図４では、重要度１のリスクポテンシャル２８Ａと、重要度０．５のリスクポテンシャル２８Ｂが存在することを想定している。

例えば、図４（Ａ）に示される如く、第１の区画に重要度０．５のリスクポテンシャル２８Ｂが存在し、移動体１０がカバレッジ（監視）した場合、重要度からみると、移動体の監視面積は、５０％の能力しか使っていないので、被覆率は、１／０．５＝２となる。また、第２の区画に重要度１の２個のリスクポテンシャル２８Ａが存在し、一方のリスクポテンシャル２８Ａを、移動体１０がカバレッジ（監視）した場合、重要度からみると移動体１０の監視面積は、１００％の能力を使っているので、被覆率は、１／（１＋１）＝０．５となる。

ここで、重要度を加味した被覆率の総合的な評価として、評価指標で表現する。評価指標は、数値が高いほど被覆率が向上する。

図４（Ａ）における、２区画の評価指標は、０．５＋１＝１．５となる。

一方、図４（Ｂ）に示される如く、第１の区画に重要度０．５のリスクポテンシャル２８Ｂと重要度１のリスクポテンシャル２８Ａが存在し、リスクポテンシャル２８Ａを移動体１０がカバレッジ（監視）した場合、被覆率は、１／（０．５＋１）＝０．６７となる。また、第２の区画に重要度１のリスクポテンシャル２８Ａが存在し、移動体１０がカバレッジ（監視）した場合、被覆率は、１／１＝１となる。

図４（Ｂ）における、２区画の評価指標は、１＋１＝２となる。

すなわち、重要度が高いリスクポテンシャル２８を優先的にカバレッジした方が、全体の被覆率を向上することができる。

制御則２による移動体１０の移動制御では、以下の条件が設定され、移動体１０間の調停によって移動する移動体１０が選定される。

（条件１） 各移動体１０が、監視範囲が不足しているリスクポテンシャル２８（「正」と定義）まで移動する移動軌跡上に、他機の移動体１０が存在しないこと。

（条件２） 条件１が成立した移動体１０が、他機の移動体１０に対して、移動を宣言する。

移動の宣言とは、「正」と定義されたリスクポテンシャル２８を、「負」に書き替える。また、移動軌跡上も「負」に書き替える。これにより、最先に移動を宣言した移動体１０にのみ、移動が許可され、複数の移動体１０が単一のリスクポテンシャル２８に向かい、衝突等が発生することを回避することができる。

図５は、上記制御則２の制御によって、図２（Ｂ）の状態から移動体１０が移動した結果であり、全てのリスクポテンシャル２８に対して、１：１の関係で移動体１０の移動範囲が対応されることがわかる。

ところで、図５は、リスクポテンシャル２８が移動体１０の移動前（図２（Ｂ）参照）に対して、位置が変化していない（移動していない）ことを前提としている。以下、移動していないリスクポテンシャル２８を静的リスクポテンシャル２８という。

一方、リスクポテンシャル２８は、移動する場合がある。例えば、人、バイク、車両等をリスクポテンシャル２８とした場合、それぞれの移動速度で時々刻々と位置が変化することになる。このような、移動が可能なリスクポテンシャル２８を、前記静的リスクポテンシャルに対して、「動的リスクポテンシャル２８」と定義する。なお、本実施の形態では、静的リスクポテンシャル２８、動的リスクポテンシャル２８は、同じ監視対象領域であるという観点から、符号は同一とし、必要に応じて、「静的」、「動的」を区別するようにした。

動的リスクポテンシャル２８は、以下の２種類に分類することができる。

（分類１） 動的リスクポテンシャル２８は、移動体１０の移動速度よりも、最高移動速度が遅い。

（分類２） 動的リスクポテンシャル２８は、移動体１０の移動速度よりも、最高移動速度が速い。

分類１の場合、動的リスクポテンシャル２８の移動に対して、移動体１０は常に追従が可能である（後述するカバー率が、理論上１００％）。

一方、分類２の場合、動的リスクポテンシャル２８の移動に対して、移動体１０は追従できない状況が発生し得る（後述するカバー率が変動する「０～１００％」）。

そこで、本実施の形態では、前述した制御則１及び制御則２によって目標位置が確定した後の、移動体１０の追従において、特に、動的リスクポテンシャル２８を考慮した追従制御則に基づく追従を実行する移動体１０の移動制御を構築した。言い換えれば、本実施の形態では、分類１と分類２を区別せず、かつ、動的リスクポテンシャル２８と移動体１０との速度差に関係なく、全てのリスクポテンシャルに対して追従制御則を実行する。

より具体的には、リスクポテンシャル監視制御において、制御則１による移動制御のための目標位置計算、又は制御則２による移動制御のための目標位置計算（後述する図８で詳細を説明）で確定した目標位置への追従設定のために、本実施の形態の追従制御則では、移動体１０の状態空間モデルに基づき、現在時刻（ｋ）から数ステップ先（ｋ＋Ｎ、Ｎは正の整数）までの位置を計算すると共に、この計算結果と目標位置との差分に基づき、移動体１０を移動させるための指示値（制御入力）を求めるようにした。

以下に、追従制御則の詳細処理をその実行手順に従い説明する。

（手順１） 移動体１０の目標位置の計算

リスクポテンシャル（静的及び動的を問わず）２８の数ステップ先の予測位置と現在時刻の移動体１０の配置から、制御則１又は制御則２を用いて、各移動体１０の目標位置ｘ^＊を数ステップ先まで計算する。

一例として、図６に示される領域１２において、境界線（図６の鎖線２６参照）により２つのボロノイ領域Ａ、Ｂに区画されている。

それぞれのボロノイ領域Ａ、Ｂにおいて、図６の矢印Ｃのように時系列に移動するリスクポテンシャル２８を区別するために、それぞれリスクポテンシャル２８の符号の末尾に（１）、（２）、及び（３）を付した。リスクポテンシャル２８が、符号２８（１）→２８（２）→２８（３）のように移動する場合に、移動体１０がリスクポテンシャル２８（１）、２８（２）、及び２８（３）に追従するための、それぞれの目標位置ｘ^＊を計算する。なお、図６では、目標位置ｘ^＊は、十字記号で示している。

（手順２） 移動体１０の位置の計算

後述の（手順３）で前回求めた数ステップ先までの制御入力と、移動体１０の状態空間モデルとに基づき、現在時刻（ここでは、ｋとする）から、数ステップ先（ここでは、ｋ＋Ｎとする。Ｎは正の整数）までの位置を計算する（式（１）参照）。

以降の計算のため、式（２）を行列表記すると、以下の式（３）となる。

（手順３） 制御入力の計算

前述の（手順１）で求めた目標位置と、前述の（手順２）で求めた移動体１０の位置の差分（ここでは、誤差の二乗）を、数ステップ先まで積算した項と、制御入力に二乗を数ステップ先まで積算した項と、を重み付けし、評価関数Ｊとする。この評価関数Ｊの第１項が「０」であれば、誤差が「０」ということになり、リスクポテンシャル２８に対する移動体１０の追従が正確に行われていることを意味する。評価関数Ｊの第２項は、制御入力のエネルギーを最小化する項で、評価関数Ｊを最小化することは目標軌道からのずれを最小エネルギーで実施することに相当する。

評価関数Ｊが最小となるように、前回求めた数ステップ先までの制御入力を修正することにより、数ステップ先までの制御入力を計算する。

（手順４） 監視性能の計算

複数の移動体１０の監視性能として、カバー率Ｐｃを式（６）で求める。

監視性能は、追従制御則に基づく追従制御自体に必須ではなく、結果であるが、例えば、以後の移動体１０の状態空間モデルの計算に反映させることができるため、手順４として、監視性能の計算を実行することが好ましい。

図７に示される監視する領域１２を例にとると、領域１２内のリスクポテンシャル２８の総数が５、移動体１０により捕捉中のリスクポテンシャル２８の総数が３であるので、式６に代入すると、（３／５）×１００＝６０％となる。

本実施の形態における追従制御則による追従制御の特徴の１つとして、動的リスクポテンシャル２８の出没（監視領域への進入及び退出）の対応を挙げることができる。

すなわち、移動体１０は、例えば、予測位置（例えば、新たな監視領域に進入してくる動的リスクポテンシャル２８）が重要である場合は、その途中の移動軌跡（これから、監視領域を退出する動的リスクポテンシャル２８）を省略しても、当該予測位置での監視を優先する方が、監視の重要性を確保することができる。

以下に本実施の形態の作用を図８のフローチャートに従い説明する。

図８は、本実施の形態に係るリスクポテンシャル監視制御ルーチンを示すフローチャートであり、主として、移動体１０の移動制御に特化した流れを示している。

ステップ１００では、自機の移動体１０の情報を収集する。すなわち、領域１２（図１（Ｂ）参照）での自機の位置情報を認識すると共に、他機の移動体１０へ位置情報を送信する。

次のステップ１０２では、他機の移動体１０（領域１２に存在する自機以外の移動体１０）の情報を収集する。すなわち、他機の位置情報を認識し、ステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、制御則１による目標位置計算を実行する。すなわち、各移動体１０のボロノイ領域を逐次設定すると共に、ボロノイ領域内にリスクポテンシャル２８が存在する場合は、リスクポテンシャル２８を被覆するように移動する制御を実行する。

次のステップ１０６では、自機の移動体１０の現状の状況を把握する。すなわち、自機の移動体のボロノイ領域内にリスクポテンシャル２８が存在しない状況（状況１）、又は自機の移動体のボロノイ領域のリスクポテンシャル２８が移動体の監視面積に比べて小さい（被覆率が１より大きい）状況（状況２）であるか、それ以外かを判断する。

ステップ１０６で肯定判定、すなわち、状況１又は状況２であると判断された場合は、ステップ１０８へ移行して、制御則２による目標位置計算を実行する。すなわち、自機の移動体１０のボロノイ領域外で、被覆率が１を下回る（被覆率＜１）リスクポテンシャル２８に向けて移動をするか否かを調停し、調停により決定した移動体１０が当該リスクポテンシャル２８へ移動する制御（制御則２）を実行し、ステップ１１０へ移行する。

また、ステップ１０６で否定判定された場合は、ステップ１１０へ移行する。

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

なお、リスクポテンシャル２８の総面積が、複数の移動体１０が監視し得る総面積を上回っている場合は、移動体１０が掛け持ちをして、時系列でリスクポテンシャル２８の情報を得るようにしてもよい。

本実施の形態によれば、複数の移動体１０の領域１２内での自由移動中の衝突回避を目的として、制御則１に基づきボロノイ領域を設定したことによる、リスクポテンシャル２８の被覆率低下を是正するべく、制御則２として、被覆率の低いリスクポテンシャル２８への移動を調停し（例えば、早い者勝ち）、移動させることで、リスクポテンシャル２８の被覆率を向上することができる。

上記図８のリスクポテンシャル監視制御ルーチンにおいて、ステップ１０４で実行する制御則１による目標位置計算、及び、ステップ１０８で実行する制御則２による目標位置計算の何れにおいても、動的リスクポテンシャル２８の移動が関与することになる。

そこで、図８のステップ１０４及びステップ１０８の実行に際し、追従のための追従制御則が実行される。

図９は、図８のステップ１０４の制御則１による目標位置計算サブルーチン、及び、ステップ１０８の制御則２による目標位置計算サブルーチンにおいて得たリスクポテンシャル２８へ移動体１０を移動させる（すなわち、追従させる）場合に、当該移動体１０の移動のための指示値（制御入力）を得るリスクポテンシャル追従制御ルーチンを示すフローチャートである。

図９のステップ１５０では、自機の移動体１０の情報を収集し、次いで、ステップ１５２で、他機の移動体１０の情報を収集し、ステップ１５４へ移行する。

ステップ１５４では、監視対象の予測情報を収集する。例えば、監視対象が車両であり、車両に搭載されたナビゲーションシステム等の情報を取得することで、将来の走行状況を把握することができる。監視対象の予測情報は、追従していた監視対象の監視領域からの退出、及び新たに追従すべき監視対象の監視領域への進入を含んで変化するものであってもよい。

次のステップ１５６では、図８における移動制御の状態が、ボロノイ領域内かボロノイ領域外かを判断する。

ステップ１５６でボロノイ領域内であると判定された場合は、図９のサブルーチンは、図８のステップ１０４の制御則１の下で実行された制御であると判断し、ステップ１５８へ移行して制御則１による目標位置計算を行い、ステップ１６２へ移行する。

また、ステップ１５６でボロノイ領域外であると判定された場合は、図９のサブルーチンが、図８のステップ１０８の制御則２の下で実行された制御であると判断し、ステップ１６０へ移行して制御則２による目標位置計算を行い、ステップ１６２へ移行する。

次のステップ１６２では、追従制御則が実行される。なお、追従制御則の処理手順は、前述した手順１～手順４が実行される。

ステップ１６４では、ステップ１６２の追従制御則の処理で決定した制御入力を実行し、図９のサブルーチンは終了する。

図１０は、本実施の形態の追従制御則に基づく、移動体１０によるリスクポテンシャル２８の追従の遷移状況を示す監視領域の平面図である。

本実施の形態、すなわち、図１０の追従の遷移状況と比較するため、図１１には、比較例として、制御則１及び制御則２を併用した自律分散の基本動作に基づく追従の遷移状況を示した。すなわち、本実施の形態の追従制御則を実行しない追従の遷移状況である。

また、図１２には、参考例として、前述した非特許文献１に記載されているボロノイ領域による領域分割及び重心位置への自律分散の基本動作での追従の遷移状況を示した。

図１０、図１１、及び図１２は、それぞれ同一の経過時間帯（ｔ＝０秒、１秒、２秒、３秒、４秒、５秒、６秒、及び７秒）での遷移状況である。リスクポテンシャル２８として、２個の動的リスクポテンシャル２８（図１０～図１２の矢印Ｄに沿って移動）と、３個の静的リスクポテンシャル２８が存在し、５台の移動体１０で追従する形態としている。また、１つの動的リスクポテンシャル２８が矢印Ｄの先端まで到達し監視領域から退出するとき、矢印Ｄの始端から、新たな１つの動的リスクポテンシャル２８が進入する時期が存在する。言い換えれば、監視領域内のリスクポテンシャル２８の数は一定（５個）であるが、退出と進入とにより入れ替わるようにした。一例としては、監視領域が駐車場であり、出入口が別々に存在し、駐車場の出口から出る車両と、駐車場の入口から入る車両を想定している。

なお、図１０～図１２において、遷移状況を分かり易くするために、１つのリスクポテンシャル２８及び１台の移動体１０に、代表として符号を付し、その他については符号の付与を省略した。

各図において、ｔ＝０秒は、移動開始前の状態であり、全て同一の状態である。

（参考例）

図１２に示す参考例の場合、設定したボロノイ領域内のリスクポテンシャル２８の重心位置に移動するため、リスクポテンシャル２８を捕捉しない移動体１０が存在する、或いは、同一のリスクポテンシャル２８を複数の移動体１０が追従する。このため、追従を開始してから７秒後までカバー率が１００％、或いは１００％に近い状態となることはなく、平均的には約６０％を推移している（図１３の一点鎖線参照）。

（比較例）

図１１に示す比較例の場合、リスクポテンシャル２８の存在しない領域内の移動体１０が、自身のボロノイ領域外に移動するため、監視性能が参考例よりも向上しているが、リスクポテンシャル２８がボロノイ領域外に出た後（例えば、ｔ＝４秒）、追従にしばらくの時間を要している。

比較例では、追従の遅れはあるものの、カバー率が１００％になる時期が存在し、現存のリスクポテンシャル２８の増減が無い場合には、平均的なカバー率は、参考例に比べて高い状態で推移している（図１３の点線参照）。

しかしながら、図１１において、１つの動的リスクポテンシャル２８が監視領域から退出し、かつ、新たな１つの動的リスクポテンシャル２８が進入する時期では、カバー率が極端に低くなっている。これは、リスクポテンシャル２８の入れ替わりの予測が足りないことを意味している。

（本実施の形態）

図１０に示す本実施の形態では、将来の最適配置の予想により、リスクポテンシャル２８が、現在のボロノイ領域を出た後（例えば、ｔ＝５～７秒）の追従性が、比較例に対して向上している。その理由として、リスクポテンシャル２８の予測挙動から、退出するリスクポテンシャル２８の追従を早期に中止し、新たに進入してくるリスクポテンシャル２８に先回りして追従する。

すなわち、リスクポテンシャル２８が矢印Ｄの終端に至る前に、新たなリスクポテンシャル２８の進入を予測することで、当該進入してくるリスクポテンシャル２８に対して先回りするため、カバー率が１００％となる時間帯が、比較例よりも増加し、平均的なカバー率においても、比較例を上回ることができる（図１３の実線参照）。

（追従中止と先回り追従の詳細説明）

図１４は、リスクポテンシャル２８の予測挙動から、退出するリスクポテンシャル２８の追従を早期に中止し、新たに進入してくるリスクポテンシャル２８に先回りして追従する過程を詳細に示したものである。

この図１４における矢印Ｄ１、Ｄ２は、図１０に示す矢印Ｄと同一のリスクポテンシャル２８（２個の動的リスクポテンシャル２８）の挙動であり、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６は、０．２周期の時系列で、ｔ１が最も過去、ｔ６が現在である。周期は、移動体１０の遷移が分かりやすい周期としたものであり、限定されるものではない。

図１４に示される如く、最も過去のリスクポテンシャル２８は、ｔ１の位置にあり、移動体１０がこの位置のリスクポテンシャル２８を、ほぼカバーしている。

次に、リスクポテンシャル２８がｔ２の位置になると、当該リスクポテンシャル２８が退出することを予測し、移動体１０はこのリスクポテンシャル２８の追従を中止する。

移動体１０は、ｔ３の位置に新たに進入するリスクポテンシャル２８を追従することになる。

このとき、矢印Ｄ１に沿って移動するリスクポテンシャル２８を追従していた移動体１０は、矢印Ｄ２に沿って移動するリスクポテンシャル２８（新たに進入）を追従する。また、矢印Ｄ２に沿って移動するリスクポテンシャル２８を追従していた移動体１０は、矢印Ｄ１に沿って移動するリスクポテンシャル２８（新たに進入）を追従する。

それぞれの移動体１０の追従は、３ステップ先を予測して、ｔ６の位置に先回りして（ショートカットして）、当該ｔ６の位置でリスクポテンシャル２８を完全にカバーすることができる。

１０ 移動体
１２ 領域
１４ 制御装置（計算手段、予測手段、評価手段、生成手段、制御手段）
１６Ａ ＣＰＵ
１６Ｂ ＲＡＭ
１６Ｃ ＲＯＭ
１６Ｄ 入出力ポート（Ｉ／Ｏ）
１６Ｅ バス
１８ 監視モジュール（センサ部）
２０ 移動モジュール（移動機構部）
２２ 位置認識モジュール
２４ 通信モジュール
２６ 鎖線
２８ 動的リスクポテンシャル、静的リスクポテンシャル（監視対象）
（１）～（ｎ） ボロノイ領域（監視領域）

Claims (3)

1. 相互に干渉しない担当領域に配置されると共に、監視対象に関する情報を検出するセンサ部及び移動機構部をそれぞれ搭載した複数の移動体に用いられ、前記複数の移動体が互いに位置情報を送受信することで、衝突を回避しながら担当領域を変更するように移動させる基本機能を備えた移動体の監視対象追従制御装置であって、
   前記基本機能の制御に基づき、現在から所定周期毎に所定ステップ先まで前記移動体を移動させるときの各ステップの目標位置を含む移動制御情報を計算する計算手段と、
   前記計算手段での計算結果である、前記移動体の移動制御情報と、監視領域に設定された前記監視対象が退出及び進入し得る出入口の位置情報と、を含むパラメータに基づき、前記移動体の状態空間モデルを用いた時系列解析により、現在から所定周期毎に所定ステップ先の移動体の予測位置を予測する予測手段と、
   前記計算手段で計算した各ステップの目標位置と前記予測手段で予測した各ステップの予測位置との誤差、及び当該誤差を最小にするためのエネルギーの和を定量化した評価関数情報を得る評価手段と、
   前記監視領域の出口から出ることが予測される監視対象の監視よりも、前記監視領域の入口から入ることが予想される監視対象の監視を優先することを前提として、前記評価手段での前記評価関数情報の誤差が最小となるように、前記移動機構部を制御するための制御入力値を生成する生成手段と、
   前記監視対象の前記監視領域からの退出及び進入の度に、前記基本機能の制御をリセットせずに、前記生成手段で生成された制御入力値を前記基本機能の制御に反映させて、前記移動体の移動を制御する移動制御手段と、
   を有する移動体の監視対象追従制御装置。
2. 監視領域の監視対象数に対する、前記移動体による監視対象の捕捉数の割合で示されるカバー率を演算することで、監視性能の履歴を記録する履歴記録手段をさらに有し、
   前記監視性能の履歴が、前記移動体の状態空間モデルによる予測に反映させることを特徴とする請求項１記載の移動体の監視対象追従制御装置。
3. コンピュータを、
   請求項１又は請求項２記載の移動体の監視対象追従制御装置として動作させる監視対象追従制御プログラム。

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