1. 時間制約付き飛行プランに基づく 屋内飛行船ロボットの制御 Control of Indoor Balloon Robot with Time Constraints
複雑系工学講座 調和系工学研究室
４年 笠脇 裕人

2. 屋内飛行船ロボット[角田 2005]
•カメラセンサ(画像：160×144[pixel]，カラー：RGB16bit)
•T-Engineシステム(CPU：216Mhz，RAM：16MB)
•プロペラ・モータユニット (プロペラ：各軸に2組ずつ6組，推力調整：0.3[sec]間に30回)
高さ80[cm]，直径94[cm]の円柱形バルーン
プロペラ・モータユニット
θ
Y
X
0.75[cm]
300[cm]
-150[cm]
150[cm]
実験環境

3. エンタテインメントロボット
３次元移動可能な
屋内飛行船ロボット[Minagawa 2007]を用いたエンタテインメント
シンクロナイズド飛行
（※シンクロナイズ：時間的に行動を一致させること）
 屋内飛行船ロボットの問題点 空調や慣性抵抗の影響を受けるため，任意の速度になるまでに時間遅れが生じる
指定した時刻に，指定した位置へ飛行することは 実現されていない
 音楽にあわせて飛行する
 複数の飛行船の行動を一致させる

4. 目的
指定した時刻に，指定した位置へ飛行する 屋内飛行船ロボットの実現

5. 時間制約付き飛行プラン
: [sec]
: [ ]
: [ ]
: [ ]
: [ ]
: ( 1)
到着時刻
ヨー角の目的地
座標の目的地
座標の目的地
座標の目的地
目的地番号
n T
o rad
oz Z cm
oy Y cm
ox X cm
n n


 飛行プラン
300[cm]
 指定した時刻に到着する
 目的地での誤差を小さくする
 等速直線飛行
 等角速度飛行
n番目の目的地を と表す
ただし出発地は とする
( , , , , ) n n n n n n g  ox oy oz o T
( , , , , ) 0 0 0 0 0 0 g  ox oy oz o T
( , , , ,60) 3 3 3 3 3 g  ox oy oz o
( , , , ,40) 2 2 2 2 2 g  ox oy oz o
( , , , ,30) 1 1 1 1 1 g  ox oy oz o
( , , , ,0) 0 0 0 0 0 g  ox oy oz o
出発地と複数の目的地から構成

6. t T Ta x Ta
T T
ox ox
ev t n t
n n
n n
x  


 


  


 

 ( )
( )
( ) 1
1
1
目標速度の計算方法
0.3[sec]毎に現在の位置と目標位置から目標速度を計算する
 目標速度
X軸 :
ev (t) : x
: t x
Ta :
目標速度[cm/sec] 時刻 t[sec] における飛行船の位置[cm]
定数( = 3.0[sec])
t[sec]
X[cm]
n ox
n1 ox
n1 T n 0 t T
Ta
t
Ta
t
Ta
t
Ta

7. PID制御（フィードバック制御）
Z
Y





  
  

  
  

  
  

  
  
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
T
d t d t T
m t KP d t KI d t KD
z z
z z z z z z
y y
y y y y y y
x x
x x x x x x
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
 
     
: ( 0.3[sec])
: ( ) ( ),
:


サンプリング時間
目標速度との偏差
プロペラ推力
ΔT
d(t) v t ev t
m(t)
:Derivativegain
: Integral gain
: Propotionalgain
KD
KI
KP
X軸 :
Y軸 :
Z軸 :
Θ :
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
3
1
m t m t m t
m t m t m t
y
y


 
 
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
4
2
m t m t m t
m t m t m t
x
x


 
 
( ) ( )
( ) ( )
6
5
m t m t
m t m t
z
z


X
Y
x y
1
2
3
4
5 6
Y軸，Z軸，及びヨー角θもX軸と同様に設定する

8. 実験概要
(0,200,200, ,150)
(0,200,200, ,120)
( 110,260,250, 3 / 4,100)
( 110,260,250, / 2,90)
( 110,260,250, / 4,80)
( 110,260,250, ,70)
( 110,260,250, / 4,60)
(150,30,150, / 4,0)
7
6
5
4
3
2
1
0










  
 
  
 
 

g
g
g
g
g
g
g
g
 飛行プラン
指定した時刻に，指定した位置へ飛行しているか
ベンチマークを用いて検証する
ベンチマークには，屋内飛行船で考えられる
直線，回転，及び定位置保持飛行が含まれている
(1)
(2)
(3)
(4)
(1) を固定しながら直線飛行
(2)位置を固定しながら 回転飛行
(3) を 回転させながら直線飛行
(4) を固定しながら定位置保持飛行



3 [rad]
 / 4[rad]

9. 実験結果
 X座標の時間推移
(1)
(2)
(3)
(4)
t[sec]
X[cm]
指定した時刻における， 飛行船の位置と 目的地との誤差
目的地
X[cm]
(1)
-3.1
(2)
-7.4
(3)
-3.0
(4)
3.2
等速直線飛行の 軌跡
飛行船の位置
最大7.4[cm]の誤差

10. 実験結果
(1)
(2)
(3)
(4)
t[sec]
Y[cm]
 Y座標の時間推移
指定した時刻における， 飛行船の位置と 目的地との誤差
目的地
Y[cm]
(1)
7.7
(2)
-0.2
(3)
-5.8
(4)
-4.5
等速直線飛行の 軌跡
飛行船の位置
最大7.7[cm]の誤差

11. 実験結果
(1)
(2)
(3)
(4)
t[sec]
Z[cm]
 Z座標の時間推移
指定した時刻における， 飛行船の位置と 目的地との誤差
目的地
Z[cm]
(1)
1.5
(2)
14.7
(3)
-22.4
(4)
-10.3
等速直線飛行の 軌跡
飛行船の位置
最大-22.4[cm]の誤差

12. 実験結果
t[sec]
θ[rad]
 ヨー角θの時間推移
(1)
(2)
(3)
指定した時刻における， 飛行船の位置と 目的地との誤差
目的地
θ[rad]
(1)
-0.05
(2)
-0.10
(3)
0.26
(4)
-0.03
等角速度飛行の 軌跡
飛行船の位置
(4)
最大15度の誤差

13. 実験結果
 指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との
誤差の絶対値の平均，標準偏差
 0.3[sec]毎における，飛行船の位置と等速飛行の軌跡との
誤差の絶対値の平均，標準偏差
5回のベンチマーク実験から，時間制約付き飛行プランに基づく 屋内飛行船ロボットの制御手法を検証する
X[cm]
Y[cm]
Z[cm]
Θ[rad]
平均
4.1
5.1
11.1
0.13
標準偏差
2.9
3.4
8.1
0.09
X[cm]
Y[cm]
Z[cm]
Θ[rad]
平均
5.8
5.3
10.7
0.15
標準偏差
5.5
4.6
8.9
0.14
指定した時刻に，等速飛行で目的地に到着できた
x,y軸は機体に対して 6%の誤差
z軸は機体に対して 14%の誤差
ヨー角θは9度の誤差

14. まとめ
時間制約つき飛行プランを提案した
ベンチマークから時間制約付き飛行プランに基づく 屋内飛行船ロボットの制御を行うことができた
今後の課題
速度，直線飛行，回転飛行，及び定位置保持飛行 に応じて，Taの設定が必要

15. それぞれの機体を独立に制御している