ポテンシャル法によるロボット製品の障害物回避技術の開発,三菱重工技報 Vol.51 No.1(2014)

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こうごいとえ
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1 三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 新製品新技術特集技術論文 40 ポテンシャル法によるロボット製品の障害物回避技術の開発 Development of Obstacle Avoidance Control for Robot Products Using Potential Method 彌城祐亮 *1 江口和樹 *2 Yusuke Yashiro Kazuki Eguchi 岩崎聡 *3 山内由章 *4 Satoshi Iwasaki Yoshiaki Yamauchi 中田昌宏 *5 Masahiro Nakata 深海宇宙空間放射線発生領域等人間が進入することが困難な場所で活動が可能なロボット製品開発において人間の遠隔操作無しで動作する自律製品が求められているより一般的な問題への適用を考えると自律動作には三次元空間での未知の障害物を回避する機能が重要であるそこでポテンシャル法を用いて制御ロジックを構築し,その有効性をシミュレーションにより検証した具体的には水平方向鉛直方向それぞれの障害物回避経路を障害物座標のみから適切に導出し三次元空間での回避動作を効率化できることを確認した 1. はじめに当社は従来深海宇宙空間原子力発電所内等人間の進入が難しい過酷環境下での運用を前提とするロボット製品を複数開発している近年ではコンピュータセンサ性能の発達に伴い自律動作を行う製品の開発が可能となったロボットの自律化は運用距離延長や人間の長時間操作による疲労の低減が見込めることからお客様ニーズの一つとして市場からも要求されている一方ロボット製品投入が想定される領域では災害等の想定外事象により事前に用意されたマップの情報に含まれない障害物が存在する可能性があるこのとき障害物回避機能を有するロボットは障害物回避用の動作に切り替わるが例えば事前に設定したシーケンス動作による回避を行う場合障害物形状によっては同じ動作の繰り返しや過剰な回避動作となり非効率的な場合があるしたがってロボット製品の回避動作効率化には障害物形状に応じた回避経路を導出する手法が必要であるまたロボットを投入する上でより一般的な問題への適用を考えると手法は三次元空間での移動に適用可能であることが望ましい経路導出手法の一つにポテンシャル法(1)と呼ばれる手法があるこれは目標位置と障害物位置にポテンシャル関数を定義しその関数の勾配を進行方向とすることで障害物を回避しつつ目標位置へと移動する経路を導出する手法であるまたポテンシャル関数の計算は三次元 *1 技術統括本部長崎研究所 *2 技術統括本部長崎研究所工博 *3 技術統括本部長崎研究所主席研究員 *4 交通輸送ドメイン船舶海洋事業部技術統括室工博 *5 防衛宇宙ドメイン艦艇事業部潜水艦部

2 三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 41 に拡張可能でありその時点までの観測情報を基にリアルタイムに経路を変化させられるため未知の障害物にも対応可能となる本稿ではこのポテンシャル法を用いてロボット製品の障害物回避経路を導出する制御ロジックを構成しその有効性をシミュレーションにより検証した結果を紹介する制御ロジックではセンサによって検知された障害物の座標を一定数保存更新しその障害物座標と目標位置座標からポテンシャル関数と勾配を計算し目標方向を導出するポテンシャル関数には重み係数を設定しこれを状況に応じて増減させる機能を追加することで回避経路の効率化や目標方向がうまく導出されずある場所に留まってしまう課題停留を解決している制御ロジックの検証ではパラメータを変更することなく異なる形状の障害物によるシミュレーションを行うことでセンサによる検知結果のみで適切な経路を導出し効率的な障害物回避が可能であることを確認している 2. ポテンシャル法ポテンシャル法は障害物と目標位置の座標にポテンシャル関数と呼ばれる関数を定義しその関数の勾配座標成分ごとの偏微分から進むべき方向を導出する手法である図１に２次元平面上に設計したポテンシャル場ポテンシャル関数の重ね合わせのイメージを示す障害物に対しては正無限大目標位置に対しては負無限大に発散するような滑らかな関数を定義する障害物に定義した関数の勾配は障害物から離れる方向であり目標位置に定義した関数の勾配は逆に接近する方向となるこの関数群の重ね合わせがポテンシャル場となりポテンシャル場の勾配微分は障害物から離れかつ目標位置へ接近する方向となる障害物を回避しながら目標位置へ向かうにはこの勾配をその時点でのロボットの目標方向とすれば良いポテンシャル法の特徴として次の３つが挙げられるその時点での情報に従って目標方向を導出するため地形マップ等の事前情報が不要である障害物を発見した時点でポテンシャル場が変化するためリアルタイムに目標経路を変更できるｘｙ等の座標成分別に勾配を導出するため三次元空間への適用が容易に行える図１ポテンシャル法による経路導出例二次元平面二次元平面状に定義したポテンシャル関数の勾配から目標方向経路が導出される一連の流れを示している

3 式 (1),(2) にポテンシャル関数を,(3) にポテンシャル場の計算を,(4) に勾配の計算をそれぞれ示す,, ,, ,, 3 grad,,,, 4,, : ロボット位置,,, : 障害物位置,,, : 目標位置,, : 重み 3. 制御ロジックの構築ポテンシャル法による制御ロジックの概要を図 2に示すこのロジックにより導出した目標方向に従ってアクチュエータの制御を行うことで, ロボットが移動する図 2 ポテンシャル法による障害物回避制御ロジックポテンシャル法を用いたロジックのフローと, その実機とアクチュエータに対する位置付けを示すロジックには, より効率的に障害物回避と目標位置への接近を行うために, 以下の機能を追加している障害物座標を保存するリストを更新する機能ポテンシャル場の重みを調整する機能障害物座標リストの更新により, 回避済みの障害物を削除し, 考慮すべき障害物のみ対象としたポテンシャル場を作成できるまた重みを調整することで, より迅速な障害物の回避や, 回避優先度の低い障害物の経路への影響を小さくすることも可能となる障害物座標の保存と, 重みを調整する機能により, 停留を回避する手順を図 3に示すすべてのポテンシャル関数からポテンシャル勾配を計算したとき, 目標位置と障害物によるポテンシャルが釣り合う場合があるこのとき, 目標方向は小さい異符号の値が繰り返し導出され, その結果ロボットがその場に停止するような経路となるこれは停留と呼ばれ, ポテンシャル法を用いる際の課題となるこの問題に対して, 一度接近した障害物を保存したまま, 目標位置の重みを減らすことで一時的に障害物から離れる動作を行うこの後に再度目標位置の重みを元に戻すと, 記憶している障害物を回避しつつ目標位置へ向かうため, 停留を回避する経路となる

4 43 図 3 停留回避ロジック重みを変動させることで, 障害物と目標位置のポテンシャル勾配が釣り合う停留状態を抜け出していくロジックの流れを示す 4. シミュレーション制御ロジックの有効性をシミュレーションによって確認したまず二次元空間での, 制御ロジックの機能確認の結果を図 4に示す障害物と目標位置は, 停留が生じる位置関係としたまた, ここでは制御ロジック単体検証のため, 障害物は全方向検知可能とし, ロボットは動特性を持たず, 目標方向に遅れなく移動できるものとしたその結果, 障害物と停留を回避しながら目標位置へ進んでいることから, 制御ロジックの妥当性が確認できた図 4 二次元平面でのシミュレーション結果開発した制御ロジックにより, 障害物と停留を回避しながら目標位置へ向かうことが可能であることを示している次に, 鉛直方向を加えた三次元空間でのシミュレーションの結果を示すこのシミュレーションでは, ロボットの動特性を考慮しており, 実際のロボットと同等の特性となっている障害物は前方と, 左右斜め下 2 方の, 計 3 方向のみ検知可能とした水平方向の障害物回避の結果を図 5に, 鉛直方向の障害物回避の結果を図 6にそれぞれ示す回避動作効率化の比較のため, 方向転換上昇直進下降からなる, シーケンス動作での回避結果を併せて示すそれぞれのシミュレーションにおいて, 制御ロジックの設計パラメータは共通であるまた, 障害物座標は事前に与えず, 設定したセンサ範囲に存在する障害物の座標を取得できるとした

44 図 5 三次元空間での鉛直方向障害物回避シミュレーション結果図 6 三次元空間での水平方向障害物回避シミュレーション結果まず鉛直方向の障害物回避では,

衝突を避ける程度に旋回しながら上昇し, 上方回避後に下降して目標位置へ到達する次に水平方向回避においては, シーケンス動作による回避の場合, 不要な旋回動作を含んだ経路を通り,

非効率な回避動作を含んでしまうことを示している一方でポテンシャル法による回避経路には, 不要な旋回は含まれないこのことからポテンシャル法では,

ポテンシャル法による経路が波打つような形状となる理由は, ロボットの動特性を考慮すると, 瞬時に方向転換ができないためである回避動作効率を数値的に比較したものを図 7,8に示す

5 44 図 5 三次元空間での鉛直方向障害物回避シミュレーション結果図 6 三次元空間での水平方向障害物回避シミュレーション結果まず鉛直方向の障害物回避では, シーケンス動作による回避の場合, 一度上昇を行った後障害物を上方に避け, 次に下降して目標位置へ到達するポテンシャル法による制御ロジックの場合, 衝突を避ける程度に旋回しながら上昇し, 上方回避後に下降して目標位置へ到達する次に水平方向回避においては, シーケンス動作による回避の場合, 不要な旋回動作を含んだ経路を通り, 目標位置へ移動しているこれはそれぞれの動作の動作時間を, 鉛直方向の障害物回避に合わせてチューニングしているためであり, シーケンス動作では異なる障害物形状に対して, 非効率な回避動作を含んでしまうことを示している一方でポテンシャル法による回避経路には, 不要な旋回は含まれないこのことからポテンシャル法では, 障害物形状に合わせたポテンシャル関数が定義されるため, 同一のパラメータでも適切な回避経路が導出されることを示しているなお, ポテンシャル法による経路が波打つような形状となる理由は, ロボットの動特性を考慮すると, 瞬時に方向転換ができないためである回避動作効率を数値的に比較したものを図 7,8に示す鉛直方向, 水平方向いずれもポテンシャル法による制御ロジックの所要時間が短く, アクチュエータ動作量から求めた消費エネルギー指標も減少している以上より, ポテンシャル法による制御ロジックによって, 障害物回避動作が効率化されているといえる図 7 障害物回避所要時間比較図 8 障害物回避消費エネルギー比較

6 45 5. まとめポテンシャル法を用いて三次元空間に適用可能な障害物回避ロジックを構築し, シミュレーションによって, 障害物形状に応じた経路が導出され, 回避動作が効率化されることを確認した本手法を用いることで, 未知の障害物を効率的に回避することを可能にし, 複雑地形領域でのロボットの自律移動につながると考えられる今後はセンサ範囲やロボットの動特性に合わせた重みの設計手法等, 実機適用に必要な要素の研究を進めていき, 運用につなげたい参考文献 (1) Jen-Hui Chuang et al,an analytically tractable potential field model of free space and its application in obstacle avoidance,ieee TRANSACTIONS ON SYSTEMS,MAN,AND CYBERNETICS-PART B: CYBERNETICS,VOL. 28,NO. 5 (1998) p

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Microsoft PowerPoint - ６．PID制御.pptx プロセス制御工学 6.PID 制御京都大学加納学 Division of Process Control & Process Systems Engineering Department of Chemical Engineering, Kyoto University manabu@cheme.kyoto-u.ac.jp http://www-pse.cheme.kyoto-u.ac.jp/~kano/