JP4964255B2 - 自律移動ロボットの動作計画装置、方法、プログラム及び記録媒体並びに自律移動ロボットの動作制御装置及び方法 - Google Patents
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Description
まず、この発明を把握するための基礎知識である強化学習(Reinforcement Learning)におけるマルコフ決定過程(Markov decision Process)の概略を説明する。
Pa ss’=Pr{st+1=s’|st=s,at=a}
により表す。このとき環境から行動主体へ報酬rが確率的に与えられるが、その期待値を
Ra ss’=E{rt|st=s,at=a,st+1=s’}
とする。
自律移動ロボットの動作計画装置及び方法の実施形態について説明する。
状態遷移確率計算部1(図1)は、予め定められた流れの下で、各状態sにある自律移動ロボットが各行動aを取った場合に各状態sに遷移する状態遷移確率Pa ss’を計算する(ステップS1)。すなわち、状態s、行動a及び遷移先の状態s’の各組合せについての状態遷移確率Pa ss’を計算する。計算された状態遷移確率Pa ss’は、動的計画部2に送られる。
状態遷移確率計算部1の目標速度計算部11(図2)は、自律移動ロボットが各状態sにおいてある各行動aを取ったときの目標速度を決定する(ステップS11)。目標速度は、変位量計算部12に送られる。例えば、各行動aについて、下記の式に従って自律移動ロボットの旋回速度ψ’ τ(t)と前後方向の速度vxwτ(t)を自律移動ロボットの目標速度として定める。(b1,b2)はマルコフ状態遷移モデルの各状態sにおける行動aに対応する二次元ベクトル、αは予め定められた旋回加速度であり、βは予め定められた前後方向の加速度であり、τは各行動aの開始時からの経過時間、ψ’τ0は行動aの開始時における自律移動ロボットの旋回速度、vx0は行動aの開始時における自律移動ロボットの前後方向の速度である。
変位量計算部12は、各状態sにある自律移動ロボットが、予め定められた流れの下において、各行動aに従って移動した場合の、自律移動ロボットの世界座標系における水平面内位置のX座標,Y座標,方位角ψ及び旋回速度ψ’がそれぞれどれくらい変位するのか計算する(ステップS12)。計算された変位量は確率計算部13に送られる。
確率計算部13は、自律移動ロボットの水平面内位置のX座標の変位量DX(ψ0,a)、Y座標の変位量DY(ψ0,a)、方位角ψの変位量Dψ(ψ0,a)及び旋回速度ψ’の変位量Dψ’(ψ0,a)に基づいて、状態遷移確率Pa ss’を計算する(ステップS13)。
pg(fg,ψg)は一時的な流れの確率分布であり、計算機で扱う場合には離散的な確率となるが、pg(fg,ψg)を概念的な説明のために確率密度関数と呼ぶこともある。一時的な流れを連続的に考えた場合には、一時的な流れの確率分布は確率密度関数pg(fg,ψg)で表現することができる。定義により確率密度関数pg(fg,ψg)を集合Sで積分すると1となる。
実際に発生し得る一時的な流れの方向ψgは予想することができないので、確率密度関数pg(fg,ψg)は、速さfgについてのみ正規分布に従うとして、例えば下記式のように定義される。σは分散、μは平均値である。
衝突判定部4は、予め定められた流れ(fx,fy)、及び、各一時的な流れ(fg,ψg)の下で、各状態sにある自律移動ロボットが各行動aに基づいて移動した場合に、障害物に衝突するか判定する(ステップS1)。障害物に衝突すると判定された一時的な流れ(fg,ψg)についての情報は、衝突流れ記憶部5に格納される。例えば、後述するように、障害物に衝突すると判定された一時的な流れ(fg,ψg)の格子の集合Sgについての情報が、衝突流れ記憶部5に格納される。
衝突確率計算部6は、障害物に衝突すると判定された一時的な流れが生じる確率を流れ発生確率記憶部3から読み込んで加算することにより、各状態にある上記自律移動ロボットが各行動に基づいて移動した場合に障害物に衝突する衝突確率Pc(s,a)を計算する(ステップS3)。例えば、集合Sgに含まれる衝突が起こる一時的な流れ(fg,ψg)のそれぞれが生じる確率pg(fg,ψg)の総和を計算することにより、衝突確率Pc(s,a)を計算する。
報酬決定部7は、遷移先の状態s’が到達位置を含む場合の報酬が最も高く、遷移先の状態s’が到達位置を含まない場合には衝突確率Pc(s,a)が小さいほど報酬が高くなるように、各状態sにある自律移動ロボットが各行動aを取り各状態s’に遷移する場合に得られる報酬r(s,a)を決定する(ステップS4)。決定された報酬r(s,a)は、動的計画部2に送られる。
それ以外の場合⇒Ra ss’=F(Pc(s,a))
<ステップS5>
動的計画部2は、状態遷移確率及び報酬を用いて、マルコフ決定過程における動的計画法に基づき、自律移動ロボットの上記到達位置への到達しやすさを表す指標を状態ごとに求める(ステップS5)。到達しやすさを表す指標としては、状態価値関数Vπ(s)、行動価値関数Qπ(s,a)及び方策πの何れかを例えば用いることができる。計算された指標は、指標記憶部17に格納される。
以下、図3及び図12を参照して、生成された動的計画(=指標)を用いて自律移動ロボットの動作を制御する自律移動ロボットの動作制御装置及び方法の実施形態について説明する。
流速差取得部21(図3)は、動作計画時に予想した予め定められた流れと、流速の実測値との差である流速差を求める(ステップA1)。求まった流速差は、遷移先予測部22に送られる。予め定められた流れのX成分をfx、Y成分をfyとし、実際の流速のX成分をfxa、Y成分をfyaとすると、流速差dfx,dfyは、それぞれ下記のように表される。
dfy=fy−fya
動作計画時に予想した予め定められた流れを0とした場合には、流速差取得部21は現在の流速の実測値を流速差として求めることができる。
遷移先予測部22は、自律移動ロボットが各行動を取った場合の遷移先の状態s’を、自律移動ロボットの位置を流速差dfx,dfyの分だけ移動させることにより求める(ステップA2)。求まった遷移先の状態s’は、行動決定部23に送られる。
流速差dfxを考慮したときの自律移動ロボットのX軸方向の位置の変位量DXa(ψ0,a)と、流速差dfyを考慮したときの自律移動ロボットのY軸方向の位置の変位量DYa(ψ0,a)とは、それぞれ以下のように示される。
行動決定部23は、遷移先予測部22が求めた、状態sにおいて取り得る各行動aに従って移動した場合の遷移先の状態s’についての指標を比較して、到達点に最も到達しやすい行動aを決定する(ステップA3)。決定された行動aは、制御部24に送られる。
制御部24は、決定された行動aに従って移動するように、自律移動ロボットを制御する(ステップA4)。具体的には、行動aに対応する目標速度を維持することができるように、自律移動ロボットの主推進器101及び舵103を制御する。
指標として、上記したように行動価値関数Qπ(s,a)又は方策πを用いてもよい。例えば、行動価値関数Qπ(s,a)を指標として用いた場合、動的計画部2は、状態s、行動a及び遷移先の状態s’の各組合せについての状態遷移確率Pa ss’及び第一報酬Ra ss’を用いて、動的計画法に基づいて、行動価値関数Qπ(s,a)を計算する。そして、行動決定部23(図3)は指標である行動価値関数Qπ(s,a)を比較して、到達点に最も到達しやすい行動を決定する。具体的には、行動価値関数Qπ(s,a)がその値が大きい程到達点に到達しやすいことを表すように定められている場合には、遷移前の状態sにおいて取り得る行動を行動a、遷移先の状態s’において取り得る行動を行動a’として、maxa’Qπ(s’,a’)を比較して、maxa’Qπ(s’,a’)を最大にする行動aを選択する。
11 目標速度計算部
12 変位量計算部
13 確率計算部
2 動的計画部
3 発生確率記憶部
4 衝突判定部
5 記憶部
6 衝突確率計算部
7 報酬決定部
17 指標記憶部
21 流速差取得部
22 遷移先予測部
23 行動決定部
24 制御部
25 位置計測部
Claims (8)
- 不定の流速の流れがある流体で満たされ障害物が配置された空間の中で行動単位時間ごとに行動を決定してその行動に基づいて上記行動単位時間だけ移動する動作を繰り返す自律移動ロボットを出発位置から到達位置へ到達させるための動作計画を行う自律移動ロボットの動作計画装置において、
上記空間は、自律移動ロボットの二次元座標(x,y)、方位角ψ及び旋回速度ψ’の4つ次元で構成されるマルコフ遷移状態モデルにより離散的にモデル化されるとして、
予め定められた流れの中で、各状態にある上記自律移動ロボットが各行動を取り上記行動単位時間だけ移動した場合に各状態に遷移する確率である状態遷移確率を計算する状態遷移確率計算部と、
互いに異なる複数の一時的な流れが生じる確率が記憶される流れ発生確率記憶部と、
上記予め定められた流れ、及び、各上記一時的な流れの下で、上記各状態にある上記自律移動ロボットが上記各行動に基づいて移動した場合に、障害物に衝突するか判定する衝突判定部と、
障害物に衝突すると判定された一時的な流れが生じる確率を上記流れ発生確率記憶部から読み込んで加算することにより、上記各状態にある上記自律移動ロボットが上記各行動に基づいて移動した場合に障害物に衝突する衝突確率を計算する衝突確率計算部と、
遷移先の状態が上記到達位置を含む場合の報酬が最も高く、遷移先の状態が上記到達位置を含まない場合には上記衝突確率が小さいほど報酬が高くなるように、各状態にある上記自律移動ロボットが各行動を取り各状態に遷移する場合に得られる報酬を決定する報酬決定部と、
上記状態遷移確率及び上記報酬を用いて、マルコフ決定過程における動的計画法に基づき、上記自律移動ロボットの上記到達位置への到達しやすさを表す指標を状態ごとに求める動的計画部と、
を含む自律移動ロボットの動作計画装置。 - 請求項1に記載の自律移動ロボットの動作計画装置において、
上記衝突判定部は、ある一時的な流れについて障害物に衝突すると判定された場合に、その一時的な流れと方向が同じで速さが速い一時的な流れについても障害物に衝突する一時的な流れであると判定することを特徴とすることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画装置。 - 請求項1又は2に記載の自律移動ロボットの動作計画装置で決まった動作計画に基づき、
不定の流速の流れがある流体で満たされ障害物が配置された空間の中で行動単位時間ごとに行動を決定してその行動に基づいて上記行動単位時間だけ移動する動作を繰り返す自律移動ロボットを出発位置から到達位置へ到達させるように制御する自律移動ロボットの動作制御装置において、
上記予め定められた流れと、流速の実測値との差である流速差を求める流速差取得部と、
上記自律移動ロボットが各行動を取った場合の遷移先の状態を、上記自律移動ロボットの位置を上記流速差の分だけ移動させることにより求める遷移先予測部と、
上記遷移先予測部が求めた遷移先の状態についての上記指標を互いに比較して、上記到達位置に最も到達しやすい行動を決定する行動決定部と、
上記自律移動ロボットが上記決定された行動に従って移動するように、上記自律移動ロボットを制御する制御部と、
を含む自律移動ロボットの動作制御装置。 - 不定の流速の流れがある流体で満たされ障害物が配置された空間の中で行動単位時間ごとに行動を決定してその行動に基づいて上記行動単位時間だけ移動する動作を繰り返す自律移動ロボットを出発位置から到達位置へ到達させるための動作計画を行う自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記空間は、自律移動ロボットの二次元座標(x,y)、方位角ψ及び旋回速度ψ’の4つ次元で構成されるマルコフ遷移状態モデルにより離散的にモデル化されており、
流れ発生確率記憶部には、互いに異なる複数の一時的な流れが生じる確率が記憶されており、
状態遷移確率計算部が、予め定められた流れの中で、各状態にある上記自律移動ロボットが各行動を取り上記行動単位時間だけ移動した場合に各状態に遷移する確率である状態遷移確率を計算する状態遷移確率計算ステップと、
衝突判定部が、上記予め定められた流れ、及び、各上記一時的な流れの下で、上記各状態にある上記自律移動ロボットが上記各行動に基づいて移動した場合に、障害物に衝突するか判定する衝突判定ステップと、
衝突確率計算部が、障害物に衝突すると判定された一時的な流れが生じる確率を上記流れ発生確率記憶部から読み込んで加算することにより、上記各状態にある上記自律移動ロボットが上記各行動に基づいて移動した場合に障害物に衝突する衝突確率を計算する衝突確率計算ステップと、
報酬決定部が、遷移先の状態が上記到達位置を含む場合の報酬が最も高く、遷移先の状態が上記到達位置を含まない場合には上記衝突確率が小さいほど報酬が高くなるように、各状態にある上記自律移動ロボットが各行動を取り各状態に遷移する場合に得られる報酬を決定する報酬決定ステップと、
動的計画部が、上記状態遷移確率及び上記報酬を用いて、マルコフ決定過程における動的計画法に基づき、上記自律移動ロボットの上記到達位置への到達しやすさを表す指標を状態ごとに求める動的計画ステップと、
を含む自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項4に記載の自律移動ロボットの動作計画方法において、
上記衝突判定ステップは、ある一時的な流れについて障害物に衝突すると判定された場合に、その一時的な流れと方向が同じで速さが速い一時的な流れについても障害物に衝突する一時的な流れであると判定することを特徴とすることを特徴とする自律移動ロボットの動作計画方法。 - 請求項4又は5に記載の自律移動ロボットの動作計画方法で決まった動作計画に基づき、不定の流速の流れがある流体で満たされ障害物が配置された空間の中で行動単位時間ごとに行動を決定してその行動に基づいて上記行動単位時間だけ移動する動作を繰り返す自律移動ロボットを出発位置から到達位置へ到達させるように制御する自律移動ロボットの動作制御方法において、
流速差取得部が、上記予め定められた流れと、流速の実測値との差である流速差を求める流速差取得ステップと、
遷移先予測部が、上記自律移動ロボットが各行動を取った場合の遷移先の状態を、上記自律移動ロボットの位置を上記流速差の分だけ移動させることにより求める遷移先予測ステップと、
行動決定部が、上記遷移先予測部が求めた遷移先の状態についての上記指標を互いに比較して、上記到達位置に最も到達しやすい行動を決定する行動決定ステップと、
制御部が、上記自律移動ロボットが上記決定された行動に従って移動するように、上記自律移動ロボットを制御する制御ステップと、
を含む自律移動ロボットの動作制御方法。 - 請求項1又は2に記載の自律移動ロボットの動作計画装置をコンピュータに実行させるための自律移動ロボットの動作計画プログラム。
- 請求項7に記載の自律移動ロボットの動作計画プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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