2019 Fiscal Year Annual Research Report
Realization of Mobile Control Method for Group Agents Motivated by Sheepdog Shepherding
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19J10373
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
角田 祐輔 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 制御 / マルチエージェントシステム / 群ロボットシステム / 非線形システム / 安定性解析 / 非線形力学 / シープドッグシステム / 機動制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では牧羊犬のヒツジ追い現象に着想を得て，多数のエージェント群(以下，ヒツジ群)を少数のコントローラエージェント(以下，牧羊犬)の高い機動性を活かして制御する方法を機動制御法と称し，その制御原理を抽出することを目的とする．採用1年目ではまず，1匹の牧羊犬が，牧羊犬から逃げる複数のヒツジ群をあるゴールエリアに囲い込む誘導問題に対して，ヒツジの重心をターゲットとして追跡し群れを誘導する牧羊犬の機動制御則を構築し，その安定性解析を試みた．2体以上のヒツジの誘導は多体問題となるため厳密解は得られないことから，本研究ではヒツジ群は群れる，つまりヒツジ同士の相対距離が安定して収束することを前提として，「ヒツジ群の挙動をその群れの重心点にいる1体のヒツジの挙動と近似できる」と仮定し，多体問題を1体のヒツジと1体の牧羊犬の2体問題に置き換えて解析を行った．結果，システムは平衡点近傍で安定であり，誘導に必要な牧羊犬の機動性の設計論を数理的に明らかにした．この結果は，多数のエージェント群を1体のエージェントとみなして制御するという，マルチエージェントシステムの設計論構築の一助になると考えられる．
次に，上記のシステムをシンプルに実機実現するために，ヒツジ同士の相互作用を廃した「群れないヒツジ群」に対して誘導可能な機動制御則を新たに提案し，誘導性能を検証した．結果，牧羊犬は重心ではなくゴールから一番遠いヒツジを追跡し誘導する方が効率的であることがわかった．この結果は，複数のエージェント群を誘導するために重要な情報は群れの外縁部(外側のヒツジの位置)であることを意味し，牧羊犬に必要な情報を削減できる可能性を示した．
最後に，モーションキャプチャシステムを用いた実験システムを構築し，線形シープドッグシステムにおける牧羊犬ロボット1体, ヒツジロボット5体の誘導を実験し，提案法の妥当性を検証した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では，牧羊犬のヒツジ追い現象に着想を得て，多数のエージェント群を少数のコントローラエージェントの高い機動性を活かして制御する方法を機動制御法と称し，その制御原理を抽出することを目的にしている．その目的を達成するために，STEP 1 : ヒツジ群を誘導する少数の牧羊犬の機動制御則を構築，STEP2 : 誘導システムの安定性を解析，STEP３ : 実機実験による安定性解析の妥当性を検証，の1-3を繰り返し行う．採用第1年度目ではすでにSTEP 1, 2を達成しており，STEP 3の実機実験システムの構築まで行っている．また，得られた研究結果について，1本の査読付き学会誌(筆頭)，1本の解説記事，２本の国内発表, 3本の国外発表(3本とも筆頭)，うち国際学会の論文の1つが論文発表奨励賞を受賞した．
本研究の特に注目すべき点は，システムの挙動を，単なるシミュレーションではなく，数理的に理論検討している点である．その結果，ヒツジの群れの重心を追跡するのではなく，ゴールから一番遠いヒツジを追跡しつつ，群れを発散させないようにイヌから最も近いヒツジから離れながら誘導する方が効率的であることが理論的に帰結できた点は大きな成果である．また，牧羊犬ロボット2体, ヒツジロボット5体の誘導を実験し，提案法の妥当性を検証した．以上から，本研究は，当初の予想を上回る結果が得られているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では，実機実験による中心追跡制御の妥当性の検証，および機動制御理論の構築を行う予定である．具体的には，まず構築した実験システムを用いて中心追跡制御による複数のヒツジの誘導実験を行うことで，上記の「群れの挙動を1体のヒツジの挙動に近似する」という仮定の妥当性を示す．その結果に基づいて，相互作用を廃し，牧羊犬から反射的に逃避するようなシンプルなヒツジを設計し，誘導に必要な牧羊犬の総数や速度上限(機動性)とヒツジ群の総数・速度・凝集度との関係を考察する．最後に，理論・実機の両面から機動制御理論の体系化を行うことで本研究をまとめる．
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