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2014 年度 実施状況報告書

センシング誤差と移動誤差の理論的統計モデル構築によるSLAMの本質的精度向上

研究課題

研究課題/領域番号 26420408
研究機関北海道大学

研究代表者

江丸 貴紀  北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30440952)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードロボティクス / SLAM
研究実績の概要

本研究では移動ロボットについて「センシングされた信号に混入する雑音」「ロボットが移動する際の誤差」双方について統計的にモデル化を行い,モデル化された誤差の統計的特徴に基づく理論的な地図作成および自己位置同定のアルゴリズムを構築することにより,ロボットが自己位置同定と地図作成を同時に行うための手法であるSLAM の精度(accuracy)を向上させることを目的としたものである。これまでの研究では,たとえばカルマンフィルタ(KF)に代表されるようにその誤差はガウス分布に従うという前提条件を用いており,その前提に基づいたノルム・尤度(確からしさ)の計算がなされている。これに対し,実際のセンサや移動ロボットの特性を考慮した統計モデルの構築により,その誤差の影響を最小化する理論的に最適なノルム・尤度の設計が可能となり,SLAMの精度を飛躍的に向上させることが期待できる。
当該年度はセンサの雑音・誤差特性を考慮したうえで実用的な雑音モデルを構築を目的として研究を行った。現在,SLAM問題の解決のためにはレーザー測距センサ(LRS)が広く用いられている。この不確かさに対処するためには確率的解法が最も主流となっている。しかしながら,センサの誤差特性を実験的にモデル化し統計的に表現することにより,SLAMの推定精度を劣化させる不確かさを大幅に軽減できると考えられる。この誤差は環境や測定対象によって違いを示すはずであるが,いまだ実用的なモデル化はなされていない。そこで,移動ロボットの測距センサとして一般的に用いられているLRSを対象にその誤差モデルの構築を行った。

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

実際のセンサが持つ不確かさに対処するためには確率的解法が最も主流となっており,拡張カルマンフィルタ(EKF),アンセンテッドカルマンフィルタ(UKF),パーティクルフィルタ(FastSLAM)などの適用が提案されている。しかしながら,センサの誤差特性を実験的にモデル化し統計的に表現することにより,SLAMの推定精度を劣化させる不確かさを大幅に軽減できると考えられる。誤差要因は測定環境,センサのハードウェア的な構造,さらには信号処理を含めたソフトウェア的な要因など多岐にわたる。これらの誤差特性をモデル化し統計的に表現するために,上記の要因を考慮したうえで様々な環境において実験的に検証を行い,広範囲において妥当性を持つ統計的な誤差モデルを構築した。

これらを踏まえ,当該年度の自己評価として「(2)おおむね順調に進展している」とする。

今後の研究の推進方策

今年度は平成26年度の研究によって得られた成果,そして課題を元に研究を実施する。まず,センサに対する誤差モデル構築の知見(課題1)を生かし,ロボットが移動する際の誤差モデルを構築する(課題2)。さらに構築されたた雑音モデルに対して適切なノルム・尤度の設計を行う(課題3)。

課題2:車輪移動ロボットの場合,カルマンフィルタを代表とする線形フィルタによって移動誤差モデルを表す手法が広く用いられている。また,オムニホイールを用いた全方向移動ロボットについては,これまでの研究でそのスリップをモデル化し,制御性能の改善を試みた。本研究では様々な移動ロボットに対して適用可能な誤差モデルの構築を目的とする。

課題3:課題1・2で構築されたセンサ・移動に関する誤差モデルの確率的な特徴を反映したノルム・尤度の設計を行うことにより,精度の高いSLAM 問題の解決を目的とする。誤差モデルの統計的な性質に基づくノルム・尤度の設計方法は未だ提案されておらず,この両者の並列的な解決を目指す。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (15件)

  • [雑誌論文] Algorithms and a Framework for Indoor Robot Mapping in a Noisy Environment using Clustering in Spatial and Hough Domains2015

    • 著者名/発表者名
      Ankit A. Ravankar, Yohei Hoshino, Abhijeet Ravankar, Jixin Lv, Takanori Emaru and Yukinori Kobayashi
    • 雑誌名

      International Journal of Advanced Robotic Systems

      巻: 12(27) ページ: 1-20

    • DOI

      10.5772/59992

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vortex-Induced Vibration of an Elastically-Supported Cylinder Considering Random Flow Effects2015

    • 著者名/発表者名
      Koichi IMAOKA, Yukinori KOBAYASHI, Takanori EMARU, Yohei HOSHINO
    • 雑誌名

      SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration

      巻: 8(2) ページ: 131-138

    • DOI

      10.9746/jcmsi.8.131

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Straight Line Segments Extraction and EKF-SLAM in Indoor Environment2014

    • 著者名/発表者名
      Jixin Lv, Yukinori Kobayashi, Ankit A. Ravankar, Takanori Emaru
    • 雑誌名

      Journal of Automation and Control Engineering

      巻: 2(3) ページ: 270/276

    • DOI

      DOI:10.12720/joace.2.3.270-276

    • 査読あり
  • [学会発表] 歩行訓練機のモデル化と転倒防止制御2015

    • 著者名/発表者名
      多々納壮,江丸貴紀,小林幸徳
    • 学会等名
      第47回測自動制御学会北海道支部学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学,札幌市,北海道
    • 年月日
      2015-03-08 – 2015-03-09
  • [学会発表] アクティブ制振ユニットによる多重周波数外乱相殺制御2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木幹生,星野洋平,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      第47回測自動制御学会北海道支部学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学,札幌市,北海道
    • 年月日
      2015-03-08 – 2015-03-09
  • [学会発表] A Connected Component Labeling Algorithm for Sparse Lidar Data Segmentation2015

    • 著者名/発表者名
      Abhijeet Ravankar, Yukinori Kobayashi, Ankit Ravankar, Takanori Emaru
    • 学会等名
      the 6th International Conference on Automation, Robotics and Applications
    • 発表場所
      Queenstown, New Zealand
    • 年月日
      2015-02-17 – 2015-02-19
  • [学会発表] 可変摩擦ダンパを有する移動ロボットのセミアクティブ振動制御2014

    • 著者名/発表者名
      山本惇史,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      第15回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
    • 発表場所
      東京ビッグサイト,東京都
    • 年月日
      2014-12-15 – 2014-12-17
  • [学会発表] 伝達マトリックス法と部分構造合成法による鉄道車体の応答解析2014

    • 著者名/発表者名
      柳原圭佑,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      第23回 交通・物流部門大会(TRANSLOG2014)
    • 発表場所
      東京大学 生産技術研究所,東京都
    • 年月日
      2014-12-01 – 2014-12-03
  • [学会発表] Effect of the random component in the vortex-induced vibration2014

    • 著者名/発表者名
      Koichi Imaoka, Yukinori Kobayashi, Takanori Emaru, Yohei Hoshino
    • 学会等名
      SICE Annual Conference (SICE) 2014
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2014-09-09 – 2014-09-12
  • [学会発表] An embarrassingly parallel hoppingwindow noise removing algorithm for lidar based robot mapping2014

    • 著者名/発表者名
      Ankit A. Ravankar, Yukinori Kobayashi, Jixin Lv, Takanori Emaru, Yohei Hoshino
    • 学会等名
      SICE Annual Conference (SICE) 2014
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2014-09-09 – 2014-09-12
  • [学会発表] 対称6脚型ロボットの歩行動作最適化2014

    • 著者名/発表者名
      古河航,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      第32回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      九州産業大学,福岡県
    • 年月日
      2014-09-04 – 2014-09-06
  • [学会発表] Modeling for Single-Link Flexible Manipulator System Based on System Identification Considering the Effect of Gravity2014

    • 著者名/発表者名
      Jian Huo, Yukinori Kobayashi, Changguo Sun, Yizhi Gai, Takanori Emaru
    • 学会等名
      第32回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      九州産業大学,福岡県
    • 年月日
      2014-09-04 – 2014-09-06
  • [学会発表] オムニホイール移動ロボットの機構解析による特性モデルの提案2014

    • 著者名/発表者名
      根本翔太,江丸貴紀,小林幸徳
    • 学会等名
      第32回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      九州産業大学,福岡県
    • 年月日
      2014-09-04 – 2014-09-06
  • [学会発表] ディジタル加速度制御による柔軟ロボットアームの先端位置制御2014

    • 著者名/発表者名
      高野直人,江丸貴紀,小林幸徳
    • 学会等名
      第32回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      九州産業大学,福岡県
    • 年月日
      2014-09-04 – 2014-09-06
  • [学会発表] 冗長支持空気圧除振台における故障アクチュエータ検知法と出力再分配による制御系の安定性回復2014

    • 著者名/発表者名
      星野洋平,前田拓巳,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      Dynamics and Design Conference 2014(D&D2014)
    • 発表場所
      上智大学 四谷キャンパス,東京都
    • 年月日
      2014-08-26 – 2014-08-29
  • [学会発表] 直交異方性を考慮したシェルモデルによる鉄道車体の振動解析2014

    • 著者名/発表者名
      新木秀直,小林幸徳,江丸貴紀,星野洋平
    • 学会等名
      Dynamics and Design Conference 2014(D&D2014)
    • 発表場所
      上智大学 四谷キャンパス,東京都
    • 年月日
      2014-08-26 – 2014-08-29
  • [学会発表] 搭載型アクティブ制振ユニットのための多重周波数正弦外乱推定2014

    • 著者名/発表者名
      星野洋平,鈴木幹生,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      Dynamics and Design Conference 2014(D&D2014)
    • 発表場所
      上智大学 四谷キャンパス,東京都
    • 年月日
      2014-08-26 – 2014-08-29
  • [学会発表] 三脚型ゴルフスイングロボットの姿勢安定制御2014

    • 著者名/発表者名
      森健也,小林幸徳,江丸貴紀
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス講演会2014
    • 発表場所
      富山国際会議場,富山県
    • 年月日
      2014-05-25 – 2014-05-29

URL: 

公開日: 2016-05-27  

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