「8台ビークル協調制御」プロジェクト

Tokyo Institute of Technology
「８台ビークル協調制御」プロジェクト
ＦＬ０７−１９−２
制御システム工学科 藤田研究室
石野 知宏
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
アウトライン
Tokyo Institute of Technology
•
•
•
•
•
研究目的
実験システムの改良
通信
ネットワーク通信
シミュレーション
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
2
研究目的
Tokyo Institute of Technology
現在：４台ラジコンビークルによる視覚協調制御
↓
将来：８台のラジコンビークによる視覚協調制御
Fig１.現在
Tokyo Institute of Technology
Fig２.将来
Fujita Laboratory
3
アウトライン
Tokyo Institute of Technology
•
•
•
•
•
研究目的
実験システムの改良
通信
ネットワーク通信
シミュレーション
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
4
現在の実験システム
Tokyo Institute of Technology
PC
PicPort
カメラ
HALCON
ControlDesk
DS1104
SIMULINK
ラジコン
Tokyo Institute of Technology
Fig３現在の実験システム
送信機
Fujita Laboratory
5
実験ツール①
Tokyo Institute of Technology
ＰｉｃＰｏｒｔ
カメラから送られてきた画像をＰＣに
取り込むための画像ボード．
Fig４.ＰｉｃＰｏｒｔ
ＨＡＬＣＯＮ
画像処理ソフト．ＰｉｃＰｏｒｔで取り込ん
だ画像に対して様々な処理を行う．
だ画像に対して様々な処理を行う
Fig５.ＨＡＬＣＯＮ
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
実験ツール②
Tokyo Institute of Technology
ＤＳ１１０４
コンピュータから出された信号をディ
ジタル処理をする際 使用するボ
ジタル処理をする際に使用するボー
ド．Ｄ／Ａ変換ポートを用いて電圧を
送信機に与える．
Fig７.ＤＳ１１０４
ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ
ＳｉｍｕｌｉｎｋプログラムのＤＳＰボード
への実装や リアルタイムでパラメ
への実装や，リアルタイムでパラメ
ータの変更，データの取得を行う
ソフトウ ア
ソフトウェア
Fig８.ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
現在のシステムの改良点①
Tokyo Institute of Technology
①８台のラジコンを動かす
→今より，広い実験ス
→今より，広い実験スペースが必要
スが必要
→カメラをもう１台増やす
②１台のカメラにつき，１台のＰＣ内部に１枚のＰｉｃＰｏｒｔ必要
②１台のカメラに
き １台のＰＣ内部に１枚のＰｉ Ｐ 必要
→ＰｉｃＰｏｒｔの枚数を増やす
③ＤＳ１１０４に付いているＤ／Ａ変換ポートは８個
③ＤＳ１１０４に付いているＤ／Ａ変換ポ
トは８個
１台のラジコンを制御するのに必要な電圧は２つ（速度
とステアリング）
→１枚のＤＳ１１０４で制御できるラジコンは最大４台
→ＤＳ１１０４をもう１枚増やす
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
8
現在のシステムの改良点②
Tokyo Institute of Technology
④１台のＰＣには３つのＰＣＩバスしかない
１枚のＰｉ Ｐ ｔ（ＤＳ１１０４）につき１つのＰＣＩバスが必要
１枚のＰｉｃＰｏｒｔ（ＤＳ１１０４）につき１つのＰＣＩバスが必要
→もう１台のＰＣが必要
ＰＣＩバス：パソコン内部のパーツ間を結ぶバス（データ伝送
路） 規格
路）の規格
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
9
新しい実験システム①
Tokyo Institute of Technology
PC
PC
Pi P
PicPort
Pi P t
PicPort
PicPort
Pi P t
PicPort
カメラ
HALCON
HALCON
ラジコン
Tokyo Institute of Technology
C t lD k
ControlDesk
C t lD k
ControlDesk
DS1104
SIMULINK
DS1104
SIMULINK
送信機
Fig９.新しい実験システム①
送信機
Fujita Laboratory
10
新しい実験システム②
Tokyo Institute of Technology
PC
PicPort
i
PicPort
i
カメラ
HALCON
画像処理データをＵＤＰ通信
ラジコン
PC
ControlDesk
DS1104
DS1104
SIMULINK
送信機
Tokyo Institute of Technology
Fig１０.新しい実験システム②
Fujita Laboratory
11
システム①と②の比較
Tokyo Institute of Technology
長所
短所
ＰｉｃＰｏｒｔ
の枚数
システム①
組立てが容易
ＨＡＬＣＯＮの
ライセンス契約
が必要
４枚
シ テム②
システム②
ｎｕｖｏとシス
とシ
テムを共有
ＰＣ間通信が必
要
２枚
システム②のほうがシステム①より
経済的，拡張的である．
ラジコン用ＰＣ
ラジコン
Tokyo Institute of Technology
共有ＰＣ
共有カメラ
Fig１１.システムの共有
ｎｕｖｏ用ＰＣ
ｎｕｖｏ
Fujita Laboratory
12
アウトライン
Tokyo Institute of Technology
•
•
•
•
•
研究目的
実験システムの改良
通信
ネットワーク通信
シミュレーション
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
13
ソケット通信
Tokyo Institute of Technology
ソケット
ネットワ クを介して他のホストに接続する際に用いられる 接続
ネットワークを介して他のホストに接続する際に用いられる「接続
の端点」．
２つのプログラム間でデータのやりとりをするデータの入出力口
ソケット通信
異なる2つの端末間でデ タのやりとりができる方法
異なる2つの端末間でデータのやりとりができる方法
Fig１３.ソケット通信の概念
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
サーバーとクライアント
Tokyo Institute of Technology
サーバプロセス
サ ビスの処理提供する側
サービスの処理提供する側
クライアントプロセス
ク
イ
トプ セ
サービスの処理要求を出す側
Fig１５.クライアント／サーバー方式
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
ソケット通信の種類①
Tokyo Institute of Technology
ストリームソケット
通信相手に対してコネクションを設定
コネクションに対してデータ送受信
終了後， ネクションを解除
終了後，コネクションを解除
例）電話
特徴
•
•
•
•
特定のプロセス間でデータを継続的に送る通信
通信の信頼性が保証（データ順序，内容）
通信速度は遅い
コネクション型プロトコル：ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
プ
Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
ソケット通信の種類②
Tokyo Institute of Technology
データグラムソケット
コネクション設定をしない
個々のデータをその都度通信相手へ送る
コネクションレス型通信
例)手紙（相手の住所をその都度指定）
特徴
• 複数のプロセス間で小さなデータを断続的に送る通信
• 通信の信頼性が保証されていない（データ順序，内容）
• 通信速度が速い
• コネクションレス型プロトコル：ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ ｄａｔａｇｒａｍ
Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
ＴＣＰ通信
Tokyo Institute of Technology
Fig１６.ＴＣＰ通信の流れ
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
ＵＤＰ通信
Tokyo Institute of Technology
Fig１６.ＵＤＰ通信の流れ
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
アウトライン
Tokyo Institute of Technology
•
•
•
•
•
研究目的
実験システムの改良
通信
ネットワーク通信
シミュレーション
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
20
３次元システムのモデリング（各エージェント）
Tokyo Institute of Technology
３次元空間上に剛体と仮定できる n 台のエージェントが
存在する状況を考える
各エージェントの運動学モデル
pi ∈ R 3
ζˆi
p& i = e vi
ζˆi
e ∈ SO (3)
ζˆi
&
ζ i = e ω i i ∈ {1, L , n} （１）
vi ∈ R 3
ζ i = θ iξ i
3
yi
Oi
z
(p , e ) x
ζˆ i
i
i
Σi
(p
zi
ij , e
(p , e )
Agent Frame
ζˆ j
ζˆ ij
yj
)
Agent Frame
zj
Oj
Σ
j
xj
y
Σw
World Frame
Tokyo Institute of Technology
x
Fig１７.問題設定
姿勢
ボディ速度
ωi ∈ R
ボディ角速度
ξi ∈ R 3
回転軸
θi ∈ R
回転角度
∧ ( wedge )
∧
j
O
位置
⎡ 0
⎡ξ x ⎤
⎢
ξˆ = ⎢⎢ξ y ⎥⎥ := ⎢ ξ z
⎢− ξ y
⎣⎢ξ z ⎥⎦
⎣
−ξz
0
ξx
ξy ⎤
⎥
−ξx ⎥ 0 ⎥⎦
Fujita Laboratory
21
３次元システムのモデリング（エージェント間）
Tokyo Institute of Technology
近傍 N i := { j j ∈ V, ( j , i ) ∈ E}
:グラフの頂点集合（エージェントを頂点とみなす）
ジェントを頂点とみなす）
V :グラフの頂点集合（エ
E :グラフの辺集合（エージェント間の通信を辺とみなす）
各
各エージェントは近傍のエージェントのみと通信する
ジ ントは近傍の
ジ ントのみと通信する
Ni
エージェントi
Fig１８.iが観測できる集団
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22
仮定
Tokyo Institute of Technology
（A） 回転行列 e , ∀ i ∈ {1, L n}は正定
ζˆi
（B） vi = v j , ∀i, j ∈ {1, L , n}, かつ vi = 1, ∀i ∈ {1, L , n}
（C） グラフは固定，平衡，強連結である
固定：グラフの形は不変
平衡：各頂点の入次数と出次数が等しい
強連結：任意の２頂点に対し経路が存在
1
2
1
2
4
3
4
3
Fig１９.平衡かつ強連結グラフ
g
平衡か 強連結グラフ
Tokyo Institute of Technology
Fig２０.平衡でないグラフ
g
平衡でな グラフ
1
2
3
4
Fig２１.強連結でないグラフ
g
強連結でな グラフ
Fujita Laboratory
23
角速度入力
Tokyo Institute of Technology
入力を ωi =
∑ sk (e
) i ∈ {1,L, n}
∨
−ζˆi ζˆ j
e
（２） とする
j∈N i
近傍のエージェントとの相対姿勢誤差ベクトルを角速度
入力としている
1
sk ( A) := ( A − AT )
2
(p
Σi
O
ij , e
(
ζˆ ij
)
)
∨
−ζˆi ζˆ j
sk e e
∧ ( wedge ), ∨ ( vee )
Σ
∧
j
⎡ 0
⎡ξ x ⎤
⎢
ξˆ = ⎢⎢ξ y ⎥⎥ := ⎢ ξ z
⎢
⎣⎢ξ z ⎦⎥
⎣− ξ y
⎡ 0
⎢
⎢ ξz
⎢
⎣− ξ y
Σw
−ξz
0
ξx
−ξz
0
ξx
ξy ⎤
⎥
− ξ x ⎥ 0 ⎥⎦
∨
ξy ⎤
⎡ξ x ⎤
⎥
− ξ x ⎥ ≡ ⎢⎢ξ y ⎥⎥
⎢⎣ξ z ⎥⎦
0 ⎦⎥
Fig２１.相対姿勢誤差ベクトル
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
24
定理
Tokyo Institute of Technology
定理
運動学モデル（１）を持つ n台のエージェントに対して，
台のエ ジ ントに対して
各エージェントに角速度入力（２）を加える
このとき，仮定（A），（B），（C）が満たされれば姿勢協調が達
成される
Fig２２．姿勢協調
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
25
シミュレーション設定①
Tokyo Institute of Technology
初期状態
⎛100 ⎞
⎜
p1 (0) = ⎜ 1 ⎟
⎜0⎟
⎝ ⎠
⎛ 6⎞
⎜
p2 (0) = ⎜ 3 ⎟
⎜ 6⎟
⎝ ⎠
⎛− 7⎞
⎜
p3 (0) = ⎜ 5 ⎟
⎜ 4 ⎟
⎝ ⎠
10 ⎞
⎛ −10
⎜
p4 (0) = ⎜ 0 ⎟
⎜ 0 ⎟
⎠
⎝
⎛1⎞
⎜ ⎟
p5 (0) = ⎜ 2 ⎟
⎜3
⎝ ⎠
⎛ 0 ⎞
⎜
⎟
p6 (0) = ⎜ 0 ⎟
⎜ −10
⎝
⎠
⎛0⎞
⎜ ⎟
p7 (0) = ⎜ 0 ⎟
⎜0
⎝ ⎠
⎛ 7 ⎞
⎜ ⎟
p8 (0) = ⎜ − 9 ⎟
⎜ 2
⎝ ⎠
⎛ − 0.07 ⎞
⎜
ζ 1 (0) = ⎜ − 0.24
⎜ 0.52 ⎟
⎠
⎝
⎛ 0 ⎞
⎜
ζ 2 (0) = ⎜1.05
⎜
⎟
⎝ 0 ⎠
⎛ − 0.76 ⎞
⎛ − 0.51⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
ζ 5 (0) = ⎜ 0.52 ⎟ ζ 6 (0) = ⎜ 0.51 ⎟
⎜ 0.52
⎜ − 0.13
⎝
⎠
⎝
⎠
Tokyo Institute of Technology
⎛ − 0.50 ⎞
⎜
ζ 3 (0) = ⎜ − 0.21
⎜ 0.77 ⎟
⎠
⎝
⎛ − 0.51 ⎞
⎜
ζ 4 (0) = ⎜ − 0.14
⎜ 0.51 ⎟
⎠
⎝
⎛ 0,44 ⎞
⎜
⎟
ζ 7 (0) = ⎜ − 0.38 ⎟
⎜ 0.44
⎝
⎠
⎛ 0 ⎞
⎜
⎟
ζ 8 (0) = ⎜ 0 ⎟
⎜1.05
⎝
⎠
Fujita Laboratory
シミュレーション設定②
Tokyo Institute of Technology
速度
⎛1⎞
⎜ ⎟
vi = ⎜ 0 ⎟ ∀i ∈ {1, L ,8}
⎜0
⎝ ⎠
グラフ
１
８
２
７
３
４
６
５
Tokyo Institute of Technology
Fig２３．グラフ
Fujita Laboratory
27
シミュレーション結果
Tokyo Institute of Technology
0.8
data1
data2
data3
data4
data5
data6
data7
data
data8
0.6
0.4
z[m]
0.2
0
ζz
1 .2
1
1
2
3
4
5
6
7
8
0 .8
ζｚ [ r ad]
-0.2
-0.4
-0.6
1.5
0 .6
0 .4
0 .2
1
0.5
0
0
0
y[m]
-0.5
-10
10
5
0
-55
1
2
3
5
6
7
t ime [ s]
x[m]
ζx
ζy
0 .6
1 .2
1
0 .4
0 .6
0 .4
4
0 .2
0
0
1
2
3
4
- 0 .2
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
0 .2
ζx[ r add]
0 .8
ζy[ rad
d]
4
- 0 .2
15
0
0
1
2
3
4
- 0 .2
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
- 0 .4
- 0 .4
- 0 .6
- 0 .6
t ime [ s]
Tokyo Institute of Technology
t ime [ s]
Fujita Laboratory
アウトライン
Tokyo Institute of Technology
•
•
•
•
•
研究目的
実験システムの改良
通信
ネットワーク通信
シミュレーション
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
29
今後の課題
Tokyo Institute of Technology
• システムの改良
• 実験
発表
• 中間発表
Tokyo Institute of Technology
Fujita Laboratory
30