JP7067629B2 - 制御装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
<概要>
図1は、実施形態1の制御装置2000の概要を例示する図である。なお、図1は、制御装置2000の理解を容易にするためにその概要の一例を示しているにすぎず、制御装置2000の機能を何ら限定するものではない。
本実施形態の制御装置2000によれば、アーム20の位置を正確に制御すべき状況とそれ以外の状況とで、飛翔体10の飛行制御における飛翔体10の優先制御位置が切り替わる。具体的には、アーム20の位置を正確に制御すべき状況に適した制御モードである第1モードでは、アーム20上の位置である第1位置30を優先した飛行制御が行われる。一方、それ以外の状況に適した制御モードである第2モードでは、アーム20上の位置以外の基準位置である第2位置40を優先した飛行制御が行われる。こうすることで、アーム20を用いた作業を正確に実現しつつ、「エネルギー効率が高くなる、アクチュエータの耐久性が高くなる、及び制御アルゴリズムの汎用性が高くなる」などといった機体中心等を優先した飛行制御のメリットも享受できる。
図3は、制御装置2000の機能構成を例示するブロック図である。制御装置2000は、アーム20を有する飛翔体10の飛行を制御する。そのために、制御装置2000は、切替部2020及び制御部2040を有する。切替部2020は、飛翔体10の飛行制御に関する制御モードを、第1モードと第2モードのいずれか一方に切り替える。制御部2040は、制御モードが第1モードである場合、飛翔体10の第1位置30を優先して、飛翔体10の飛行制御を行う。一方、制御モードが第2モードである場合、制御部2040は、飛翔体10の第2位置40を優先して、飛翔体10の飛行制御を行う。第1位置30は、アーム20上の位置である。一方、第2位置40は、アーム20上の位置以外の位置である。
制御装置2000の各機能構成部は、各機能構成部を実現するハードウエア(例:ハードワイヤードされた電子回路など)で実現されてもよいし、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせ(例:電子回路とそれを制御するプログラムの組み合わせなど)で実現されてもよい。以下、制御装置2000の各機能構成部がハードウエアとソフトウエアとの組み合わせで実現される場合について、さらに説明する。
図5は、実施形態1の制御装置2000によって実行される処理の流れを例示するフローチャートである。制御部2040は、制御モードが第1モードと第2モードのどちらであるかを判定する(S102)。制御モードが第1モードである場合(S102:第1モード)、制御部2040は、第1位置30を優先して飛翔体10の飛行を制御する(S104)。制御モードが第2モードである場合(S102:第2モード)、制御部2040は、第2位置40を優先して飛翔体10の飛行を制御する(S106)。なお、図5に示す一連の処理は、例えば所定の周期(0.1sec に1回など)で実行される。
切替部2020は、飛翔体10の制御モードを、第1モード又は第2モードに設定する。飛翔体10の制御モードは、例えば、ユーザの入力操作に基づいて設定される。具体的には、切替部2020は、第1モードを指定するユーザ入力を受け付けたら、飛翔体10の制御モードを第1モードに設定し、第2モードを指定するユーザ入力を受け付けたら、飛翔体10の制御モードを第2モードに設定する。
飛翔体10の飛行制御は、飛翔体10の現在の状態と飛翔体10の目標の状態とに基づいて飛翔体10に対する制御入力を決定し、その制御入力を制御対象(飛翔体10のアクチュエータなど)に出力することで実現される。ここで、決定した制御入力を制御対象へ出力する技術には、既存の技術を利用することができる。そこで、ここでは、飛翔体10の現在の状態と飛翔体10の目標の状態とを把握する方法、及びそれらに基づいて飛翔体10に対する制御入力を決定する方法について説明する。
飛翔体10の現在の状態を表す状態モデルと、飛翔体10の観測を表す観測モデルは、例えば以下の様に表される。
制御部2040は、飛翔体10の現在の状態を目標状態へ変化させるように、飛翔体10を制御する。具体的には、制御部2040は、飛翔体10の現在の状態を目標状態に変化させるために必要な、飛翔体10に対する制御入力 U を決定する。なお、目標状態の定め方については後述する。
制御部2040は、飛翔体10の現在の状態 X を目標状態 Xref に近づけるように、制御入力を決定する。ここで、制御対象の目標状態を定める方法には、既存の技術を利用することができる。ここでは、その方法の一例を記載する。
制御装置2000は、制御部2040によって決定された制御入力を表す制御信号を、飛翔体10に対して出力する。こうすることで、飛翔体10の飛行の制御を実現する。なお、モデル予測制御によって決定した制御信号に基づいて制御対象を制御する技術には、既存の技術を利用することができる。
<概要>
実施形態2の制御装置2000では、飛翔体10の制御モードとして、第3制御モードが設けられている。第3制御モードは、飛翔体10において外乱の影響が大きい場合に利用され、外乱の抑制を優先して、飛翔体10の制御が行われる。
風などの外乱の影響が大きい場合、衝突や墜落などの事態を避けるため、外乱を抑制することが重要となる。本実施形態の制御装置2000によれば、外乱の影響が大きい場合に、外乱の抑制を優先して飛翔体10の飛行制御を行うことにより、飛翔体10の安全な飛行を実現することができる。
実施形態2の制御装置2000の機能構成は、実施形態1の制御装置2000と同様に、例えば図3で表される。ただし、実施形態2の制御部2040は、飛翔体10に対する外乱の大きさが所定の大きさ以上である場合に、外乱の抑制を優先して飛翔体10の飛行制御を行う。
実施形態2の制御装置2000を実現する計算機のハードウエア構成は、実施形態1と同様に、例えば図4によって表される。ただし、本実施形態の制御装置2000を実現する計算機1000のストレージデバイス1080には、本実施形態の制御装置2000の機能を実現するプログラムモジュールがさらに記憶される。
図6は、実施形態2の制御装置2000によって実行される処理の流れを例示する図である。制御部2040は、飛翔体10の状態を推定する(S202)。制御部2040は、飛翔体10に対する外乱の大きさが閾値以上であるか否かを判定する(S204)。外乱の大きさが閾値以上である場合(S204:YES)、制御部2040は、外乱の抑制を優先して飛翔体10の飛行を制御する(S206)。外乱の大きさが閾値未満である場合(S206:NO)、制御部2040は、制御モードが第1モードと第2モードのどちらであるかを判定する(S208)。ここで、S208以降の処理は、図5で説明した処理と同様である。なお、図6に示す一連の処理は、図5の処理と同様、例えば所定の周期(0.1sec に1回など)で実行される。
外乱の抑制は、飛翔体10の飛行を制御する評価関数において、制御入力に対する評価の重みを小さくすることで実現することができる。こうすることで、外乱に対する抗力を増すことができる。
<概要>
実施形態3の制御装置2000は、実施形態2の制御装置2000と同様に、飛翔体10において外乱の影響が大きい場合に外乱の抑制を行う。ただし、実施形態3の制御装置2000は、外乱の影響が大きい場合、外乱の抑制を行いつつ、第1制御モード又は第2制御モードのいずれか一方で動作する。こうすることで、飛翔体10を用いた正確な作業を実現するための制御と、エネルギー効率等を重視するための制御とを適切に切り替えつつ、外乱の抑制による飛翔体10の安全な飛行を実現することができる。
実施形態2の制御装置2000の機能構成は、実施形態1の制御装置2000と同様に、例えば図3で表される。ただし、実施形態3の制御部2040は、飛翔体10に対する外乱の大きさが所定の大きさ以上である場合に、外乱の抑制を優先した制御行う。さらに、外乱の抑制を行うか否かにかかわらず、第1モードと第2モードのいずれか一方における制御を行う。
実施形態2の制御装置2000を実現する計算機のハードウエア構成は、実施形態1と同様に、例えば図4によって表される。ただし、本実施形態の制御装置2000を実現する計算機1000のストレージデバイス1080には、本実施形態の制御装置2000の機能を実現するプログラムモジュールがさらに記憶される。
図7は、実施形態2の制御装置2000によって実行される処理の流れを例示する図である。制御部2040は、飛翔体10の状態を推定する(S302)。制御部2040は、飛翔体10に対する外乱の大きさが閾値以上であるか否かを判定する(S304)。さらに制御部2040は、外乱の大きさが閾値以上である場合(S304:YES)と外乱の大きさが閾値未満である場合(S304:NO)の双方で、飛翔体10の制御モードが第1モードと第2モードのどちらであるかを判定する(S306、S308)。
外乱の大きさが閾値以上であり、なおかつ飛翔体10の制御モードが第1モードである場合(S306:第1モード)、制御部2040は、外乱を抑制しつつ第1位置30を優先した飛翔体10の制御を行う(S310)。実施形態2で説明したように、外乱の抑制は、飛翔体10の飛行を制御する評価関数において、制御入力に対する評価の重み(数式(4)における重み行列 R)を小さくすることで実現することができる。また、第1位置30を第2位置40よりも優先する制御は、評価関数において、第1位置30を表す要素に対する重みを、第2位置40を表す要素に対する重みよりも大きくすることで実現できる。例えば数式(4)において、第1位置30を表す要素は xarm、yarm、及び zarm であり、これらに対する重みは q7、q8、及び q9 である。また、第2位置40を表す要素は x、y、及び z であり、これらに対する重みは q1、q3、及び q5 である。
外乱の大きさが閾値以上であり、なおかつ飛翔体10の制御モードが第2モードである場合(S306:第2モード)、制御部2040は、外乱を抑制しつつ第2位置40を優先した飛翔体10の制御を行う(S312)。第2位置40を第1位置30よりも優先する制御は、評価関数において、第2位置40を表す要素に対する重みを、第1位置30を表す要素に対する重みよりも大きくすることで実現できる。
外乱の大きさが閾値未満であり、なおかつ飛翔体10の制御モードが第1モードである場合、制御部2040は、外乱の抑制は行わずに、第1位置30を優先した飛翔体10の制御を行う(S314)。実施形態2で説明したように、外乱の抑制を行わない場合には、外乱の抑制を行う場合と比較し、飛翔体10の飛行を制御する評価関数において、制御入力に対する評価の重みを大きくする。
外乱の大きさが閾値未満であり、なおかつ飛翔体10の制御モードが第2モードである場合、制御部2040は、外乱の抑制は行わずに、第2位置40を優先した飛翔体10の制御を行う(S316)。具体的には、制御部2040は、飛翔体10の飛行を制御する評価関数において、1)制御入力に対する評価の重みを大きくし、なおかつ2)第2位置40を表す要素に対する重みを、第1位置30を表す要素に対する重みよりも大きくする。より具体的には、数式(4)の評価関数を用いる場合、制御部2040は、重み行列 R として前述した重み行列 R2 を利用し、なおかつ重み行列 Q として前述した重み行列 Q2 を利用する。
1. アームを有する飛翔体の飛行を制御する制御装置であって、
前記飛翔体の飛行制御に関する制御モードを第1モードと第2モードのいずれか一方に切り替える切替部と、
前記制御モードが前記第1モードである場合には前記飛翔体の第1位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御し、前記制御モードが前記第2モードである場合には前記飛翔体の第2位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御する制御部と、を有し、
前記第1位置は前記アーム上の位置であり、
前記第2位置は前記アーム上の位置ではない、制御装置。
2. 前記制御部は、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御部は、
前記制御モードが前記第1モードである場合、前記評価関数において、前記飛翔体の第1位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第1の重みを、前記評価関数において前記飛翔体の第2位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第2の重みよりも大きくし、
前記制御モードが前記第2モードである場合、前記第2の重みを前記第1の重みよりも大きくする、1.に記載の制御装置。
3. 前記制御部は、前記飛翔体に対する外乱の大きさが閾値以上であるか否かを判定し、その大きさが閾値以上である場合、前記外乱の抑制を優先した前記飛翔体の飛行制御を行う、1.又は2.に記載の制御装置。
4. 前記制御部は、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御部は、前記外乱の大きさが閾値以上である場合、前記外乱の大きさが閾値未満である場合と比較し、前記評価関数において前記制御入力が前記評価値に与える影響の大きさを表す重みを小さくする、3.に記載の制御装置。
5. 前記第1位置は前記アームの先端位置であり、
前記第2位置は前記飛翔体の中心位置である、1.乃至4.いずれか一つに記載の制御装置。
前記飛翔体の飛行制御に関する制御モードを第1モードと第2モードのいずれか一方に切り替える切替ステップと、
前記制御モードが前記第1モードである場合には前記飛翔体の第1位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御し、前記制御モードが前記第2モードである場合には前記飛翔体の第2位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御する制御ステップと、を有し、
前記第1位置は前記アーム上の位置であり、
前記第2位置は前記アーム上の位置ではない、制御方法。
7. 前記制御ステップにおいて、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御ステップにおいて、
前記制御モードが前記第1モードである場合、前記評価関数において、前記飛翔体の第1位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第1の重みを、前記評価関数において前記飛翔体の第2位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第2の重みよりも大きくし、
前記制御モードが前記第2モードである場合、前記第2の重みを前記第1の重みよりも大きくする、6.に記載の制御方法。
8. 前記制御ステップにおいて、前記飛翔体に対する外乱の大きさが閾値以上であるか否かを判定し、その大きさが閾値以上である場合、前記外乱の抑制を優先した前記飛翔体の飛行制御を行う、6.又は7.に記載の制御方法。
9. 前記制御ステップにおいて、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御ステップにおいて、前記外乱の大きさが閾値以上である場合、前記外乱の大きさが閾値未満である場合と比較し、前記評価関数において前記制御入力が前記評価値に与える影響の大きさを表す重みを小さくする、8.に記載の制御方法。
10. 前記第1位置は前記アームの先端位置であり、
前記第2位置は前記飛翔体の中心位置である、6.乃至9.いずれか一つに記載の制御方法。
20 アーム
30 第1位置
40 第2位置
1000 計算機
1020 バス
1040 プロセッサ
1060 メモリ
1080 ストレージデバイス
1100 入出力インタフェース
1120 ネットワークインタフェース
2000 制御装置
2020 切替部
2040 制御部
Claims (7)
- アームを有する飛翔体の飛行を制御する制御装置であって、
前記飛翔体の飛行制御に関する制御モードを第1モードと第2モードのいずれか一方に切り替える切替部と、
前記制御モードが前記第1モードである場合には前記飛翔体の第1位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御し、前記制御モードが前記第2モードである場合には前記飛翔体の第2位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御する制御部と、を有し、
前記第1位置は前記アーム上の位置であり、
前記第2位置は前記アーム上の位置ではない、制御装置。 - 前記制御部は、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御部は、
前記制御モードが前記第1モードである場合、前記評価関数において、前記飛翔体の第1位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第1の重みを、前記評価関数において前記飛翔体の第2位置が前記評価値に与える影響の大きさを表す第2の重みよりも大きくし、
前記制御モードが前記第2モードである場合、前記第2の重みを前記第1の重みよりも大きくする、請求項1に記載の制御装置。 - 前記制御部は、前記飛翔体に対する外乱の大きさが閾値以上であるか否かを判定し、その大きさが閾値以上である場合、前記外乱の抑制を優先した前記飛翔体の飛行制御を行う、請求項1又は2に記載の制御装置。
- 前記制御部は、前記飛翔体の現在の状態と目標の状態との誤差及び制御入力に基づいて評価値を算出する評価関数を小さくするように、前記制御入力を決定し、前記決定した制御入力を前記飛翔体に出力することで、前記飛翔体の飛行を制御し、
前記制御部は、前記外乱の大きさが閾値以上である場合、前記外乱の大きさが閾値未満である場合と比較し、前記評価関数において前記制御入力が前記評価値に与える影響の大きさを表す重みを小さくする、請求項3に記載の制御装置。 - 前記第1位置は前記アームの先端位置であり、
前記第2位置は前記飛翔体の中心位置である、請求項1乃至4いずれか一項に記載の制御装置。 - アームを有する飛翔体の飛行を制御するコンピュータによって実行される制御方法であって、
前記飛翔体の飛行制御に関する制御モードを第1モードと第2モードのいずれか一方に切り替える切替ステップと、
前記制御モードが前記第1モードである場合には前記飛翔体の第1位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御し、前記制御モードが前記第2モードである場合には前記飛翔体の第2位置を優先して前記飛翔体の飛行を制御する制御ステップと、を有し、
前記第1位置は前記アーム上の位置であり、
前記第2位置は前記アーム上の位置ではない、制御方法。 - 請求項6に記載の制御方法の各ステップをコンピュータに実行させるプログラム。
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