確率最適制御と非線形推論の統一解法による出力FB型非線形確率モデル予測制御の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K04202
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐藤 訓志 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60533643)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 非線形制御 / 確率制御 / 最適制御 / 非線形推定 / クアッドコプタ

研究実績の概要

まず，非線形状態推定として一般の非線形システムに対する非線形フィルタの導出は応用上の制約が大きいため，非線形システムのクラスを適切に限定し，実装可能な非線形フィルタの導出を行った．剛体の姿勢推定などにおいて非常に有用な３次元特殊ユークリッド群SE(3)に着目し，確率微分方程式で記述されるSE(3)上の確率キネマティクス方程式を導出し，システム・観測ノイズおよび未知バイアス存在下における非線形姿勢推定フィルタを新たに導出し，さらに確率システム理論に基づく誤差システムの安定性解析を行った．
つぎに，モデル予測制御に関する検討として，これまで申請者が開発してきた確率最適制御における問題設定では評価区間が固定だったが，この評価区間を現時刻が進むのに合わせて後退させながら有限時間確率最適制御問題を繰り返し解くことができるように解法の拡張を行った．拡張した確率最適制御の解法を実機検証を想定したクアッドコプタモデルに適用し，数値実験により効果を確認した．
理論の拡張と並行して，実時間実装のための並列計算に基づく計算速度高速化の検討として，これまでマルチコアCPUを用いた実装のみを行ってきたが，計算機およびCUDAによるプログラム環境を整え，GPGPUによる並列化実装も行った．
実機検証のための開発として，小型無人ヘリコプタの飛行制御を行うためにクアッドコプタ試験機を製作した．クアッドコプタ試験機の基本的な飛行実験までは行えたものの，新型コロナウイルスの感染拡大により，グラウンドや体育館を借りた実験を継続することが困難となったため，急遽研究室居室内で実験が可能な三次元剛体の３軸姿勢制御実験機を準備し，この実験装置を用いて目標値整形機構つき線形モデル予測制御法による３軸姿勢制御実証を行った．

研究成果

• [国際共同研究] Radboud University Nijmegen(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Radboud University Nijmegen
• [国際共同研究] Politecnico di Torino(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Politecnico di Torino
• [雑誌論文] Stochastic bounded stability in the three-body problem with probabilistic uncertainty using port-Hamiltonian representation (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Nishishita, S. Satoh, and K. Yamada
  • 雑誌名: Aerospace Technology Japan 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilization of a spacecraft in a halo orbit via differential dynamic programming with input saturation constraints (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Iwabuchi, S. Satoh, and K. Yamada
  • 雑誌名: Aerospace Technology Japan 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimal Position and Attitude Control of Quadcopter Using Stochastic Differential Dynamic Programming with Input Saturation Constraints (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoh Satoshi、Saijo Hironori、Yamada Katsuhiko
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 33 ページ: 283～291
  • DOI: 10.20965/jrm.2021.p0283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous Learning Optimization of Hamiltonian Systems and Trajectory Tracking Around an Asteroid (2020)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Asuto、Satoh Satoshi、Yamada Katsuhiko
  • 雑誌名: Journal of Guidance, Control, and Dynamics 巻: 43 ページ: 222～231
  • DOI: 10.2514/1.G004533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Stochastic Optimal Control with Input Saturation Constraints Based on Path Integrals (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoh Satoshi、Kappen Hilbert J.
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 巻: 15 ページ: 1169～1175
  • DOI: 10.1002/tee.23177
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] An improvement of attitude estimation based on stochastic kinematics modeling on SO(3) (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Satoh and K. Yamada
  • 学会等名: 52nd ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Application
  • 国際学会
• [学会発表] デュアルモードMPCによるピラミッド配置型CMGをもつ宇宙機の最適姿勢制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸塚睦・佐藤訓志・莊司泰弘・山田克彦
  • 学会等名: 第64回宇宙科学技術連合講演会
• [備考] 佐藤訓志
  • URL: http://www-space.mech.eng.osaka-u.ac.jp/satoh/index_ja.html
• [備考] Satoshi SATOH
  • URL: http://www-space.mech.eng.osaka-u.ac.jp/satoh/index.html