Ppt yamagata

小型屋内自律飛行船のMemory-based PID制御に関する研究

A study on Memory-based PID control for indoor blimp robot

複合情報学専攻 複雑系工学講座

調和系工学研究室 修士２年 山形 佳史

背景

• PIDパラメータの適切な設定が困難• 環境が時々刻々と変化

• 環境が与える外乱の影響大 (小推力・小質量・広表面積)

• 自身の出力→環境を変化 （気流の乱れ）

小型屋内自律飛行船と複雑系

PID制御による目標値(速度)追従の実現[Minagawa,2007]

小型屋内自律飛行船制御の現状

問題点

飛行中にPIDパラメータを適応的に修正する方法が必要

Memory-based PID制御[Takao,2004]

系”全体”の振る舞いのみから適応的に作用（出力）を決定

小型屋内自律飛行船

複雑系 • 『系の構成要素間の相互作用の結果，系全体として複雑な振る舞いが現れる』という一面

目的

小型屋内自律飛行船へのMemory-based PID制御の適用

Memory-based PID制御の特徴

いくつかのPIDの組をデータベースに保持

飛行船への適用例

飛行船の旋回制御に利用[佐藤,2005]

特徴１

特徴２ データベースを制御対象の物理モデルを用いて逐次更新してゆく

本研究の取り組み

目標速度を利用しデータベースを更新するMemory-based PID制御を適用

十分な量の初期PIDパラメータを利用することは計算能力では困難

• 物理モデルを用いたデータベースの修正を行わない• データベースの更新が初期に保持しているPIDパラメータに依存

物理モデルを用いることは小型屋内自律飛行船の計算能力では困難

小型屋内自律飛行船

バルーンT-Engineシステム

CPU : M32104 (216 MHz)

SDRAM :16MB

カメラセンサ

160 ×144 [pixel]x

y

z

プロペラ

Input Signal Control Signal

駆動部

・円柱型・高さ:80cm

・直径:94cm

xy

z

3m×3m

位置取得[Kadota,2004]：

速度取得：

z(t),θ(t)x(t),y(t),

)(),(),(),( ttvztvytvx

動作設計

μ T-Engine

カメラセンサ制御器(PID制御)

T-kernelモータシリアル通信 ライブラリモジュール

OSハードウェア

動作設計層制御層

階層構造

PID制御

T

TtdtdKDtdKItdKPtm

T

TtdtdKDtdKItdKPtm

T

TtdtdKDtdKItdKPtm

T

TtdtdKDtdKItd

xKPtm

zzzzzzzz

yy

yyyyyy

xx

xxxxx

)()()()()(

)()()()()(

)()()()()(

)()()()()(

0.3[sec])(:

:

:

サンプリング時間

目標速度に対する偏差

プロペラ出力

ΔT

d(t)

m(t)

微分項のパラメータ

積分項のパラメータ

比例項のパラメータ

:

:

:

KD

KI

KP

X軸 :

Y軸 :

Z軸 :

Θ軸 :

計12個のパラメータ

Ｄ(微分項)は加速を制限する特徴を持つため，変動すると振動が起こる．

→計８パラメータ（x,y,z,θの各PとI）をMemory-based PID制御で調節する

Z

Y

ze

X

Y

x y

xe

ye

e

速度偏差によるＰＩＤ制御[Minagawa, 2007]

Memory-based PID制御

PID制御

センサ情報（位置，速度）

プロペラ出力

PIDパラメータ生成

PIDパラメータの選択

PIDパラメータの修正（追加）と削除

データベース制御誤差

PIDパラメータ

STEP1STEP2

STEP3

Memory-based PID制御：データベース

②目標状態量（速度）の時系列データ

)(),( jj trTtr

)(),( TTntyty y

jj

)(),( TTntuTtu u

jj

①状態量（速度）の時系列データ

③操作量（プロペラ出力）の時系列データ

jtT

],,[ j

d

j

i

j

p

j KKKΚ

④用いたPIDパラメータ

時系列データ

j

ｊ番目のレコード),( jjj

KR

：経験則によるPIDパラメータを用いて制御を行い，作成する

3,1 uy nn

jt ：j番目の時系列データを取得した時刻

初期データベース

：N組のレコードを持つ

： ,N=10 →計算時間のため

データベース

レコードの構成

設定値

Memory-based PID制御

PID制御

センサ情報（位置，速度）

プロペラ出力

PIDパラメータ生成

PIDパラメータの選択

PIDパラメータの修正（追加）と削除

データベース制御誤差

PIDパラメータ

STEP1STEP2

STEP3

STEP1:PIDパラメータの選択

類似度が高いレコードをp個選択．

1

1 minmax

)(uy nn

l ll

j

llj td

t)(t ：時刻 において取得する時系列データ

と各 との類似度 を計算．)(t j jd

：データベースの各レコードの時系列データj

：STEP2で用いるPIDパラメータを選択する

類似度定義：

入力：

処理：

出力：

概要

アルゴリズム

STEP2:PIDパラメータの生成

)(tnewΚ制御に用いるPIDパラメータ

類似度に応じた重み付き平均計算．

：制御で用いるPIDパラメータを生成する

重み付き平均定義：

入力：

処理：

出力：

類似度が高いレコードをp個

p

i

ii

new wt1

)( KΚ

p

i

iw1

1

1

12

2

]min[max

])([1

uy nn

l ll

i

ll

i

tw

概要

アルゴリズム

STEP3:PIDパラメータの修正（追加）,削除

)( Tt

)(tnewΚ

修正したPIDパラメータを時系列データ と組にして追加レコードとし，削除レコードを削除

PIDパラメータを修正し，追加するレコードと削除するレコードを求める

：制御誤差を利用しPIDパラメータを修正，データベースに追加，データベースからレコードを1つ削除

PIDパラメータ修正定義：

入力：

処理：

出力：

制御誤差

制御に利用したPIDパラメータ

Nid i 1),min(

)()()( TtVTtOVTt

学習係数

2mod )(

2

1

)()()( Tt

ttt

new

newify K

ηKΚ

制御誤差定義：

削除条件定義：

)(t

従来手法においてモデル追従性を向上させる修正をしていた部分

目標速度に対する偏差が小さくなるようにした

概要

アルゴリズム

比較対象

固定PID制御（PIDパラメータが固定値である制御）

評価方法

目標速度追従性（評価関数： ）

目標位置追従性（評価関数： ）

Memory-based PID制御の有効性を検証

実験概要

]/[|)()((|0

scmtVtOVT

t

]/[|)()(|0

scmtPtOPT

t

における飛行船速度時刻

における目標速度時刻

における飛行船位置時刻

における目標位置時刻

ttV

ttOV

ttP

ttOP

:)(

:)(

:)(

:)(

：従来手法との比較

目的

方法

実験終了時刻:T

5cm（x,y,z方向すべて）

従来手法の経験則により決定

実験設定

-150≦x≦150， 0≦y≦300， 100≦z≦300

3次元の目標位置

P2P3

P4 P1

：Memory-based PID制御の初期パラメータと固定PID制御

)200,25,125(4

)200,275,125(3

)200,275,125(2

)200,25,125(1

P

P

P

P

ドライヤーにより気流を与える場合と与えない場合

Θ=0[rad]

飛行環境

目標位置

許容誤差

環境設定

PIDパラメータ

実験結果： パラメータ推移の例（気流を与える場合）

飛行中にＰＩＤパラメータが変化している

Pの推移

X軸 Y軸

Iの推移

Θ軸Z軸

Pの推移 Iの推移

Pの推移 Iの推移

Pの推移 Iの推移

実験結果： 目標速度追従性

]/[|)()(|0

scmtVtOVT

t

PIDパラメータは目標速度に追従するように調整された

評価関数：

評価値 評価値

気流を与えた場合気流を与えない場合

（値は５回の実験結果の平均値）

17% 11%23%

-1%

30% 24%

14%

16%

実験結果： 目標位置追従性

][|)()(|0

cmtPtOPT

t

評価関数：

小型屋内自律飛行船の目標位置追従性も向上した

評価値

気流を与えた場合気流を与えない場合

評価値

（値は５回の実験結果の平均値）

10%3%

43%

-8%

19% 19%

43%

12%

考察

目標位置追従性が向上した

目標速度追従性の向上が目標位置追従性を向上させたと考えられる

気流を与える場合の方が固定PID制御とMemory-based PID制御の評価値の差が広がった

気流という外乱に対して出力とその効果の調和をはかりながら適応的にPIDパラメータを調節し速度追従性を保ったと考えられる

結論

小型屋内自律飛行船のMemory-based PID制御を目標速度による修正を利用し実装した

動作とその効果の調和をはかりながら適応的にPIDパラメータが調節された

目標速度追従性，目標位置追従性を向上させた

今後の展開

Memory-based PID制御の軌道追従性の検討

業績

”Simulation and implement of memory-based PID control for indoor blimp robot“, Yoshifumi Yamagata, Hidenori Kawamura, Azuma Ohuchi, Toshihiko Takaya, and Hiroyuki Iizuka ,

The Thirteenth International Symposium on Artificial Life and Robotics 2008

”カメラ画像を用いた屋内自律飛行船の高さ方向誤差に関する分析 ”,山形 佳史, 川村 秀憲, 高谷 敏彦, 大内 東

情報処理北海道シンポジウム2007