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2021 年度 実施状況報告書

不確かさを考慮した実時間最適化に基づくロボット群の自律協調制御システム構築

研究課題

研究課題/領域番号 20K14761
研究機関東京大学

研究代表者

山内 淳矢  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (60824563)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード制御工学 / 協調自律制御 / 最適化に基づく制御
研究実績の概要

本申請課題は,不確かさを考慮した実時間最適化に基づくロボット群の自律協調制御システム構築を目指して以下の3点を実施するものである:①環境内の障害物の把握と運動の学習,②地上ロボットとその周辺環境の観測と障害物との衝突回避制御,③実験システム構築と提案アルゴリズムの検証.
課題①に関しては,障害物の把握について,移動ロボットに搭載された距離センサにより得られて点群データから対象物の位置と形状を学習する方法を提案した.提案手法では,データ集合が確率分布にしたがってサンプルされたと考えることで乱択アルゴリズムの理論を適用し,真の障害物との学習誤差について理論的な解析も加えた.
課題②に関しては,昨年度の①で提案した手法で学習した対象物の運動モデルを用いて,ドローン群で協調的に対象物に追従する制御アルゴリズムを提案した.1台の場合に行っていた理論解析についても複数台の場合に拡張し,性能と安定性に関する解析を与えている.また,不確かさがない状況下で,制御バリア関数により衝突回避や充電管理などドローン群の安全性制約を記述し,最適化手法により安全性制約を満たしながら探索を行う制御アルゴリズムを提案した.
本課題③に関しては,地上ロボットの協調制御実験システムの構築に続いて,複数台ドローンを用いた協調制御実験システムを構築した.また,ドローンに搭載されたカメラの情報から対象物上の特徴量を抽出する過程まで含めた,複数台ドローンによる追従実験システムも構築した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

課題①に関しては,当初の予定通り,障害物の位置や形状の学習まで進んでおり,計画通りの進捗であると評価している.また,関連した内容を国際会議や論文誌にも投稿中である.
課題②に関しては,予定通り,複数台のドローンによる追従制御アルゴリズムの提案を行い,国際会議での発表も行っているため計画通りの進捗であると評価する.目標としていた,不確かさが存在するもとでのロボットの安全性を保証する制御アルゴリズムの提案についても順調に進展している.
課題③に関しては,カメラを搭載した複数台ドローンの実験システム構築まで完了しており,当初の計画以上の進捗が得られていると評価している.
以上を勘案して(2)おおむね順調に進展している,と評価する.

今後の研究の推進方策

課題①に関しては,昨年度に提案した障害物の位置と形状,運動の学習は各ロボットが取得したデータを中央計算機に送り,集中的に行なっていた.本年度はデータを全体で共有することなく,分散的に学習を行うアルゴリズムへと拡張する.
課題②に関しては,学習した環境モデルに基づき,学習の不確かさを考慮しながら衝突回避を達成する制御則を提案する.また,地上ロボットとドローンとの間に障害物が存在すると地上ロボットを見失ってしまう.そこで,ロボットと障害物の衝突回避だけでなく,視野と障害物との衝突を回避することで可視性を考慮した制御へと拡張する.これらはすべて制御バリア関数により安全性制約として記述可能であると予想されるので,すべての制約式を統合した最適化形式の制御アルゴリズムの提案を目指す.
課題③に関しては,本年度で提案する制御アルゴリズムを実装し,その有効性と実時間性を検証する.

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] University of Pennsylvania(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Pennsylvania
  • [国際共同研究] Technical University of Munich(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Technical University of Munich
  • [雑誌論文] Persistent Object Search and Surveillance Control With Safety Certificates for Drone Networks Based on Control Barrier Functions2021

    • 著者名/発表者名
      Dan Hayato、Hatanaka Takeshi、Yamauchi Junya、Shimizu Takumi、Fujita Masayuki
    • 雑誌名

      Frontiers in Robotics and AI

      巻: 8 ページ: 1~13

    • DOI

      10.3389/frobt.2021.740460

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Passivity-Based Cooperative Dynamic Control for Human-Rigid Body Networks2021

    • 著者名/発表者名
      Murao Toshiyuki、Koshio Yusuke、Kawai Hiroyuki、Yamauchi Junya、Hatanaka Takeshi、Fujita Masayuki
    • 雑誌名

      IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems

      巻: 141 ページ: 1165~1174

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.141.1165

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Gaussian process-based visual pursuit control with unknown target motion learning in three dimensions2021

    • 著者名/発表者名
      Omainska Marco、Yamauchi Junya、Beckers Thomas、Hatanaka Takeshi、Hirche Sandra、Fujita Masayuki
    • 雑誌名

      SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration

      巻: 14 ページ: 116~127

    • DOI

      10.1080/18824889.2021.1936855

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 安全性確保に向けたバリア保証付き許容集合の乱択学習2022

    • 著者名/発表者名
      岡田優也, 畑中健志, 山内淳矢, 藤田政之
    • 学会等名
      第9回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] 制御バリア関数に基づく対象領域の切り替えを伴う可視性を考慮した被覆制御2022

    • 著者名/発表者名
      冨田佳秀, 仲野太喜, 山内淳矢, 中山一秀, 畑中健志, 藤田政之
    • 学会等名
      第9回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] Cooperative Visual Pursuit Control with Learning of Position Dependent Target Motion via Gaussian Process2021

    • 著者名/発表者名
      J. Yamauchi, M. Omainska, T. Beckers, T. Hatanaka, S. Hirche and M. Fujita
    • 学会等名
      The 60th IEEE Conference on Decision and Control
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optimization Based 3D Object Monitoring with Robot Safety by Control Barrier Functions on a Sphere2021

    • 著者名/発表者名
      J. Yamauchi, T. Adachi and M. Fujita
    • 学会等名
      60th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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