スパース最適制御理論によるバイオメカニクスのためのスパースモデリング

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 26120521
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 永原 正章 京都大学, 情報学研究科, 講師 (90362582)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2015: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2014: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: スパースモデリング / 最適制御 / 凸最適化 / 離散値性 / 離散値信号復元 / 圧縮センシング

Outline of Annual Research Achievements

スパースモデリングのアイデアと制御理論を融合させた「動的スパースモデリング」を提案し，微分方程式または差分方程式で表される動的モデルの入出力のサンプル値からもとの連続時間信号を推定する新しい手法を提案した．もとの連続時間信号に対して，そのスパース性（関数としての台の長さが短い性質）を仮定したうえで，L1最適制御理論により解を導出できることを示した．L1最適制御問題は適切な離散化のもと，有限次元の凸計画問題として記述できるため，近接分離法など，スパースモデリングの分野で近年発展した高速アルゴリズムを使うことができる．また，理論的には動的モデリングにおける最適制御問題の解の一意性や存在性などを証明した．
バイオメカニクスへの応用に関しては，鳥の波状飛行のメカニズムが動的スパースモデリングで説明可能であることを発見し，山階鳥類研究所の協力のもとで波状飛行メカニズムの理解が飛躍的に向上した．
また，スパース性のアイデアを「離散値性」に拡張し，離散的な値をとるような連続時間信号の推定問題にも動的スパースモデリングの手法が使えることを示した．また，この定式化により，特にネットワーク化制御系で重要なAD変換における離散化誤差をゼロにするような制御系設計が可能になることも示した．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Paderborn(Germany)
• [Int'l Joint Research] Aalborg University(Denmark)
• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Bombay(India)
• [Int'l Joint Research] Melbourne University(Australia)
• [Int'l Joint Research] University of Pennsylvania(米国)
• [Journal Article] Digital repetitive controller design via sampled-data delayed signal reconstruction (2016)
  • Author(s): M. Nagahara and Y. Yamamoto
  • Journal Title: Automatica Volume: 65 Pages: 203-209
  • DOI: 10.1016/j.automatica.2015.11.029
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Value function in maximum hands-off control for linear systems (2016)
  • Author(s): T. Ikeda and M. Nagahara
  • Journal Title: Automatica Volume: 64 Pages: 190-195
  • DOI: 10.1016/j.automatica.2015.10.043
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Maximum hands-off control: a paradigm of control effort minimization (2016)
  • Author(s): M. Nagahara, D. E. Quevedo, and D. Nesic
  • Journal Title: IEEE Transactions on Automatic Control Volume: 61 Issue: 3 Pages: 735-747
  • DOI: 10.1109/tac.2015.2452831
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Discrete Signal Reconstruction by Sum of Absolute Values (2015)
  • Author(s): M. Nagahara
  • Journal Title: IEEE Signal Processing Letters Volume: 22 Pages: 1575-1579
  • DOI: 10.1109/lsp.2015.2414932
  • NAID: 120005619769
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Digital cancelation of self-interference for single-frequency full-duplex relay stations via sampled-data control (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration Volume: 8 Issue: 5 Pages: 321-327
  • DOI: 10.9746/jcmsi.8.321
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Digital Cancelation of Self-Interference for Single-Frequency Full-Duplex Relay Stations via Sampled-Data Control (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Journal Title: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] L1 Control Theoretic Smoothing Splines (2014)
  • Author(s): M. Nagahara and C. F. Martin
  • Journal Title: IEEE Signal Processing Letters Volume: 21 Issue: 11 Pages: 1394-1397
  • DOI: 10.1109/lsp.2014.2337017
  • NAID: 120005466704
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Sparse Packetized Predictive Control for Networked Control over Erasure Channels (2014)
  • Author(s): M. Nagahara, D. E. Quevedo, and J. Ostergaard
  • Journal Title: IEEE Transactions on Automatic Control Volume: 59 Issue: 7 Pages: 1899-1905
  • DOI: 10.1109/tac.2013.2294622
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ネットワーク上の制御と信号処理 (2016)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: 第３回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
  • Place of Presentation: 南山大学名古屋キャンパス（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-03-10
  • Invited
• [Presentation] マルチエージェントシステムの制御 (2016)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: 2016年1月電子情報通信学会信号処理研究会
  • Place of Presentation: 関西学院大学大阪梅田キャンパス（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-01-18
  • Invited
• [Presentation] 合意制御と分散最適化 (2016)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: 2016年1月電子情報通信学会信号処理研究会
  • Place of Presentation: 関西学院大学大阪梅田キャンパス（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-01-18
  • Invited
• [Presentation] Sampled-data H-infinity optimization for self-interference suppression in baseband signal subspaces (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, Y. Yamamoto
  • Organizer: 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC2015)
  • Place of Presentation: 大阪国際会議場（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-domain equalization for single-frequency full-duplex wireless relay using H2 optimal control (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, Y. Yamamoto
  • Organizer: 47th ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications (SSS'15)
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrete model predictive control by sum-of-absolute-values optimization (2015)
  • Author(s): T. Ikeda and M. Nagahara
  • Organizer: 47th ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications (SSS'15)
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ネットワーク上の制御と信号処理，チュートリアル講演 (2015)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: 第58回自動制御連合講演会
  • Place of Presentation: 神戸大学（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-11-14
  • Invited
• [Presentation] L1-optimal disturbance rejection for disease spread over time-varying networks (2015)
  • Author(s): M. Ogura, M. Nagahara, and V. M. Preciado
  • Organizer: The First International Symposium on Swarm Behavior and Bio-Inspired Robotics (SWARM2015)
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2015-10-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 役に立つ「マルチエージェントシステムの制御」 (2015)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: SICEネットワーク上の制御と信号処理調査研究会
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2015-09-29
  • Invited
• [Presentation] マルチエージェントシステムの制御（１）総論と制御工学の基礎 (2015)
  • Author(s): 永原
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-09
  • Invited
• [Presentation] H-infinity Optimal Coupling Wave CancelerLoop-Back Interference Suppression for OFDM Signals via Sampled-Data Control (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 10th Asian Control Conference (ASCC)
  • Place of Presentation: Kota Kinabalu, Malaysia
  • Year and Date: 2015-05-31 – 2015-06-03
• [Presentation] Loop-Back Interference Suppression for OFDM Signals via Sampled-Data Control (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: 10th Asian Control Conference (ASCC)
  • Place of Presentation: Kota Kinabalu, Malaysia
  • Year and Date: 2015-05-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Continuity of the Value Function in Sparse Optimal Control (2015)
  • Author(s): T. Ikeda and M. Nagahara
  • Organizer: 10th Asian Control Conference (ASCC)
  • Place of Presentation: Kota Kinabalu, Malaysia
  • Year and Date: 2015-05-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Communication Performance Analysis of Sampled-Data H-infinity Optimal Coupling Wave Canceler (2015)
  • Author(s): H. Sasahara, M. Nagahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: SICE International Symposium on Control Systems
  • Place of Presentation: 東京電機大学，東京都
  • Year and Date: 2015-03-05
• [Presentation] Value Functions in Sparse Optimal and L1 Optimal Controls (2015)
  • Author(s): T. Ikeda and M. Nagahara
  • Organizer: SICE International Symposium on Control Systems
  • Place of Presentation: 東京電機大学，東京都
  • Year and Date: 2015-03-05
• [Presentation] サンプル値H∞最適フィルタによる単一周波数全二重無線中継局の回り込み波抑制 (2015)
  • Author(s): 笹原帆平 ，永原正章，林和則，山本裕
  • Organizer: 計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会若手研究発表会
  • Place of Presentation: 大阪大学，吹田市
  • Year and Date: 2015-01-16
• [Presentation] スパース最適制御における値関数の連続性について (2015)
  • Author(s): 池田卓矢，永原正章
  • Organizer: 計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会若手研究発表会
  • Place of Presentation: 大阪大学，吹田市
  • Year and Date: 2015-01-16
  • Invited
• [Presentation] Sparsity Methods for Networked Control (2014)
  • Author(s): M. Nagahara
  • Organizer: IEICE SmartCom2014
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2014-10-31
  • Invited
• [Presentation] 回り込み波キャンセラのサンプル値H∞ロバスト設計 (2014)
  • Author(s): 笹原帆平 ，永原正章，林和則，山本裕
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島大学，徳島市
  • Year and Date: 2014-09-15
• [Presentation] Sampled-data H-infinity design of coupling wave cancelers in single-frequency full-duplex relay stations (2014)
  • Author(s): M. Nagahara, H. Sasahara, K. Hayashi, and Y. Yamamoto
  • Organizer: SICE Annual Conference 2014
  • Place of Presentation: 北海道大学，札幌市
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] FIR digital filter design by sampled-data H-infinity discretization (2014)
  • Author(s): M. Nagahara and Y. Yamamoto
  • Organizer: The 19th IFAC World Congress
  • Place of Presentation: Cape Town, South Africa
  • Year and Date: 2014-08-26
• [Presentation] スパース最適制御の数値計算について (2014)
  • Author(s): 池田卓矢，永原正章
  • Organizer: 7月高信頼制御通信研究会
  • Place of Presentation: 京都テルサ，京都市
  • Year and Date: 2014-07-30
• [Presentation] From Sampled-data Control to Signal Processing (2014)
  • Author(s): Y. Yamamoto and M. Nagahara
  • Organizer: The 21st International Symposium on Mathematical Theory of Networks and Systems (MTNS2014)
  • Place of Presentation: Groningen, The Netherlands
  • Year and Date: 2014-07-08
• [Presentation] サンプル値Ｈ∞最適化にもとづく回り込み波キャンセラの設計 (2014)
  • Author(s): 笹原帆平 ，永原正章，林和則，山本裕
  • Organizer: 高信頼制御通信研究会(RCC)
  • Place of Presentation: 機械振興会館，東京都
  • Year and Date: 2014-05-30
• [Presentation] 2輪型倒立振子ロボットのサンプル値制御 (2014)
  • Author(s): 大島貫保之，永原正章，山本裕
  • Organizer: 第58回システム制御情報学会研究発表講演会
  • Place of Presentation: 京都テルサ，京都市
  • Year and Date: 2014-05-23
• [Presentation] サンプル点間応答を考慮した回り込み波キャンセラのＨ∞最適設計 (2014)
  • Author(s): 笹原帆平 ，永原正章，林和則，山本裕
  • Organizer: 第58回システム制御情報学会研究発表講演会
  • Place of Presentation: 京都テルサ，京都市
  • Year and Date: 2014-05-23
• [Book] マルチエージェントシステムの制御 (2015)
  • Author(s): 東，永原，石井，林，桜間，畑中
  • Total Pages: 232
  • Publisher: コロナ社
• [Remarks] 個人WEBページ
  • URL: http://www-ics.acs.i.kyoto-u.ac.jp/~nagahara/index_j.html
• [Remarks] 個人ブログ
  • URL: http://sparseland.blogspot.jp/