JP7459009B2 - 経路計画装置、移動体、経路計画方法及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本開示の経路計画方法について、図1~図10を参照して説明する。
(構成)
図1は、実施形態に係る水中航走体の制御装置の一例を示す図である。
水中航走体1は、UUV(Unmanned Underwater Vehicle)とも呼ばれ、無人で自律的に水中を航走することができる。水中航走体1は、推進力を与えるプロペラや、DVL(Doppler Velocity Log)又はADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)などの対地速度および対水速度を計測するセンサ、ジャイロセンサ等を備えている。制御装置10は、水中航走体1に搭載され、水中航走体1の動作を制御する。制御装置10は、潮流マップ取得部101と、センサ情報取得部102と、自己位置推定部103と、潮流計測部104と、潮流予測部105と、局所潮流推定部106と、予想経路算出部107と、局所経路算出部108と、経路選択部109と、記憶部110と、制御部111とを備える。
自己位置推定部103は、DVLやジャイロセンサの計測値を用いて慣性航法などの公知の方法により、水中航走体1が存在する位置を推定する。
図6の移動経路601は、本実施形態の経路計画処理により作成された水中航走体1の移動経路である。移動経路602は、真の潮流情報が事前に分かっていると仮定した場合に算出することができる水中航走体1の最適な移動経路である。移動経路603は、潮流マップ情報(予測値)に基づいて算出された水中航走体1の最適な移動経路である。図示するように本実施形態に係る移動経路601は、途中までは事前の潮流情報の予測値に基づく移動経路603と同様の経路に沿って移動しているが、途中で紙面の右方向へ大きく迂回して目的地へ移動する経路に変更されている。これは、右方向に強い潮の流れがあり、この潮の流れに流されながら進むことで消費エネルギーを節約することができる為である。上述のように、局所経路算出部108は、全方位に向けて放射状に局所経路を算出する。従って、実際の潮の流れがどのような方向であっても、その流れに沿った局所経路を選択できる余地がある。図6の例の場合、一見、目的地604から逸れるが、実際の潮の流れに応じた紙面右方向へ伸びる局所経路が選択され、これによって、次に説明するように低コストな航行が実現されている。
これまで説明したように、本実施形態の経路計画処理は、(a)潮流予測部105が、航行予定領域の潮流マップを作成(流速関数F1の算出)し、潮流情報を予測する処理と、(b)予想経路算出部107が、広域の潮流予測値に基づいて航行予定領域の各位置から目的地までの予想経路と予想コストを算出する処理と、(c)局所潮流推定部106が、局所領域の潮流情報を潮流の計測値に基づいて更新(流速関数F2の算出)し、局所領域の潮流情報を推定する処理と、(d)局所経路算出部108が、局所経路と局所コストを算出する処理と、(e)経路選択部109が、予想コストと局所コストの合計が最小となる移動経路を選択する処理と、によって構成される。図8に示すようにこれらの処理は、事前に実施しておくオフライン処理と、航行中に実行するオンライン処理に分類できる。(a)~(b)はオフライン処理であり、(c)~(e)はオンライン処理である。
次に経路計画処理の流れについて説明する。
図9は、実施形態に係る経路計画処理の一例を示すフローチャートである。
(1)オフライン処理
まず、潮流マップ取得部101が、航行予定領域の潮流マップ情報を取得(ステップS1)し、潮流マップ情報を記憶部110に記録する。
次に潮流予測部105が、流速関数F1を作成する(ステップS2)。潮流予測部105が、潮流マップ情報を用いてガウス過程回帰により航行予定領域を対象とする流速関数F1を作成する。その際、潮流予測部105はカーネル関数のハイパーパラメータを最適化し、最適化したハイパーパラメータの情報を記憶部110に記録する。また、潮流予測部105は、流速関数F1に基づいて、航行予定領域内の各位置での潮流情報の予測値を算出する。例えば、潮流予測部105は、航行予定領域をグリッド状に区切ってセルの単位で潮流情報の予測値を算出する(潮流マップ作成)。このグリッドの粒度は、次に説明する予想経路、予想コストに係るグリッド(図5、図6)よりも細かいものであってもよい。
次に水中航走体1が航行を開始する(ステップS4)。航行を開始すると、最初は、制御部111が、初期位置のセルについて算出された予想経路に沿って、水中航走体1を移動させる。センサ情報取得部102は、DVLによって計測された対水速度と対地速度を所定の時間間隔で取得する。潮流計測部104は、対水速度と対地速度の差を計算してX軸方向とY軸方向の潮流を計測する(ステップS5)。潮流計測部104は、計測した潮流を自己位置推定部103が推定した水中航走体1の航行位置と対応付けて記憶部110に記録する。潮流計測部104は、潮流の計測および記録を、水中航走体1の航行中、継続して行う。潮流をN回計測すると、局所潮流推定部106は、局所領域を設定して、流速関数F1を更新する(ステップS6)。具体的には、局所潮流推定部106は、オンラインで局所領域における潮流情報を高精度に推定し、局所領域における潮流マップを更新するために、最適化されたハイパーパラメータと、例えば過去100回分の潮流の計測値と、水中航走体1を中心とする80kmの範囲における潮流予測値と、を用いて、水中航走体1を中心とする周囲20km四方(局所領域)を更新対象として、逐次ガウス過程回帰により流速関数F1を更新する(更新後の関数は流速関数F2)。また、局所潮流推定部106は、流速関数F2に基づいて、局所領域内の各位置での潮流情報の推定値を算出する(潮流マップの更新)。例えば、局所潮流推定部106は、セルの単位で潮流の推定値を算出する。これにより、潮流マップを実際の環境に応じてリアルタイムに補正を加えることで、潮流予報マップをより実際の環境に一致したものに更新できる。また、今後水中航走体1が航行していく先の領域の潮流予報マップを高精度なものに更新することができる。更新した潮流マップは航行していく先の未知の潮流を推定しているため、経路計画等のエネルギーコストの算出に利用することができる。
コンピュータ900は、CPU901、主記憶装置902、補助記憶装置903、入出力インタフェース904、通信インタフェース905を備える。
上述の制御装置10は、コンピュータ900に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置903に記憶されている。CPU901は、プログラムを補助記憶装置903から読み出して主記憶装置902に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU901は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置902に確保する。また、CPU901は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置903に確保する。
各実施形態に記載の経路計画装置、移動体、経路計画方法及びプログラムは、例えば以下のように把握される。
実際の潮流を考慮して推定した潮流の推定値に基づいて算出した局所的な経路と潮流予測値に基づいて算出した大域的な経路とを組み合わせた移動経路の候補を複数作成し、その中から移動コストが最も小さい移動経路を選択することで、実際の潮流に応じた最適な(コストが小さい)経路を計画することができる。
例えば、ダイクストラ法を用いることにより、1回の探索で、全ての位置についての予想経路を算出することができる。本来ダイクストラ法は初期位置から目的地に向かって探索していくアルゴリズムである。すべてのセルから目的地までの予想コストおよび最適経路を求めるために、各セルから目的地に向かってダイクストラ法を解くと、セルの数だけ経路探索を繰り返し行う必要があり、計算コストが増加し、処理が煩雑になる。そこで、第2の態様では、目的地から初期位置の方向にダイクストラ法を解くことで、1回の探索で全てのセルに対して、そのセルから目的地への移動コストを算出する。但し、目的地から初期位置へ向けて探索すると、目的地から各セルへの移動コストが算出されてしまうので、探索は目的地から初期位置に向かって実行するが、移動コストについては、移動方向が各セルから目的地となるように、探索によるセル間の移動の速度ベクトルを逆向きにして移動コストを計算する。(移動の方向を、目的地から各セルへの探索方向と同様の方向にすると、移動コストの算出に必要な対水速度が変わってしまい、正確な消費エネルギーを算出できなくなる。例えば、潮流に乗っている場合と逆らっている場合の消費エネルギーは異なるが、移動方向を探索方向のままとしてしまうと、セルから目的地へ向かう場合には潮流に乗っているにもかかわらず、潮流に逆らうとして計算してしまうため、消費エネルギーを最小化する経路が算出できなくなる可能性がある。)
放射状に局所経路を作成することにより、実際の潮流の方向が如何なるものであってもコストを低減できるような局所経路を選択することができる。
潮流マップ情報に基づいて関数を作成することにより、任意の位置における潮流の方向、速度を予測することができる。これにより、予想経路の移動に要する予想コストを算出することができる。
潮流の計測値を用いて、潮流を推定する関数を更新することで、潮流の推定精度を向上することができる。これにより、局所経路の移動に要する局所コストを精度よく算出することができる。
移動体の移動に伴って、逐次、局所経路を計算することで、実際の潮流に応じたコストを最小とする経路を計画することができる。
グリッドの粒度を調節することにより、移動経路の精度や計算コストを調整することができる。
これにより、消費エネルギーを抑えた局所的なルートをオンラインで再設計することができる。また、経路計画装置の計算負荷を低減することができる。
これにより、移動体は、航行中に実際の潮流に応じて最適な経路を計画することができる。
10・・・制御装置
101・・・潮流マップ取得部
102・・・センサ情報取得部
103・・・自己位置推定部
104・・・潮流計測部
105・・・潮流予測部
106・・・局所潮流推定部
107・・・予想経路算出部
108・・・局所経路算出部
109・・・経路選択部
110・・・記憶部
111・・・制御部
900・・・コンピュータ
901・・・CPU
902・・・主記憶装置
903・・・補助記憶装置
904・・・入出力インタフェース
905・・・通信インタフェース
Claims (11)
- 水中又は水上を移動する移動体が航行する可能性がある全領域を含む航行予定領域内の各位置から目的地までの前記移動体の移動経路を示す予想経路を前記位置別に算出し、各々の前記予想経路を移動したときのコストを示す予想コストを前記予想経路における潮流の予測値に基づいて算出する予想経路算出部と、
前記移動体が、所定の航行位置から、前記航行位置を中心とする局所領域の周縁部まで移動するときの経路を示す局所経路を複数算出し、各々の前記局所経路を移動したときのコストを示す局所コストを前記局所経路における潮流の推定値に基づいて算出する局所経路算出部と、
前記局所コストと、前記局所コストに対応する前記局所経路の終端に最も近い前記位置から前記目的地までの前記予想経路に対応する前記予想コストと、の合計が最小となる前記局所経路を選択する経路選択部と、
を備える経路計画装置。 - 前記予想経路算出部は、前記目的地から前記移動体の初期位置に向かって移動コストが最小となる経路の探索を行うことによって、前記位置別の前記予想経路を算出する、
請求項1に記載の経路計画装置。 - 前記局所経路算出部は、前記航行位置を始点として放射状にランダムに経路を探索することによって、複数の前記局所経路を作成する、
請求項1または請求項2に記載の経路計画装置。 - 前記航行予定領域に含まれる複数の位置と前記位置における潮流情報を含む潮流マップ情報を取得する潮流マップ取得部と、
前記潮流マップ情報に基づいて、前記位置とその位置における潮流情報の関係を示す関数を作成し、前記関数に基づいて前記航行予定領域内の任意の位置における潮流を予測する潮流予測部と、
をさらに備え、
前記予想経路算出部は、前記関数に基づいて算出された前記予想経路における潮流の予測値に基づいて、前記予想コストを算出する、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の経路計画装置。 - 前記移動体の航行中に計測された潮流の計測値に基づいて、前記関数を更新する局所潮流算出部、
をさらに備え、
前記局所経路算出部は、更新された前記関数に基づいて算出された前記局所経路における潮流の推定値に基づいて、前記局所コストを算出する、
請求項4に記載の経路計画装置。 - 前記局所経路算出部は、前記移動体が、前記経路選択部が選択した前記局所経路の終端から所定の範囲内に至ると、前記終端を中心とする新たな前記局所領域について、前記局所経路と前記局所コストを複数算出し、
前記経路選択部は、新たな前記局所領域について、前記局所コストと前記予想コストとの合計が最小となる前記局所経路を選択する、
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の経路計画装置。 - 予想経路算出部は、前記航行予定領域をグリッド状に分割してできたセルの各々について前記予想経路と前記予想コストを算出する、
請求項1から請求項5の何れか1項に記載の経路計画装置。 - 前記予想経路算出部は、前記移動体の航行前に前記予想経路と前記予想コストを算出し、
前記局所経路算出部は、前記移動体の航行中に前記局所経路と前記局所コストを算出する、
請求項1から請求項7の何れか1項に記載の経路計画装置。 - 請求項1から請求項8の何れか1項に記載の経路計画装置、
を備える移動体。 - 水中又は水上を移動する移動体が航行する可能性がある全領域を含む航行予定領域内の各位置から目的地までの前記移動体の移動経路を示す予想経路を前記位置別に算出し、各々の前記予想経路を移動したときのコストを示す予想コストを前記予想経路における潮流の予測値に基づいて算出するステップと、
前記移動体が、所定の航行位置から、前記航行位置を中心とする局所領域の周縁部まで移動するときの経路を示す局所経路を複数算出し、各々の前記局所経路を移動したときのコストを示す局所コストを前記局所経路における潮流の推定値に基づいて算出するステップと、
前記局所コストと、前記局所コストに対応する前記局所経路の終端に最も近い前記位置から前記目的地までの前記予想経路に対応する前記予想コストと、の合計が最小となる前記局所経路を選択するステップと、
を有する経路計画方法。 - コンピュータに、
水中又は水上を移動する移動体が航行する可能性がある全領域を含む航行予定領域内の各位置から目的地までの前記移動体の移動経路を示す予想経路を前記位置別に算出し、各々の前記予想経路を移動したときのコストを示す予想コストを前記予想経路における潮流の予測値に基づいて算出するステップと、
前記移動体が、所定の航行位置から、前記航行位置を中心とする局所領域の周縁部まで移動するときの経路を示す局所経路を複数算出し、各々の前記局所経路を移動したときのコストを示す局所コストを前記局所経路における潮流の推定値に基づいて算出するステップと、
前記局所コストと、前記局所コストに対応する前記局所経路の終端に最も近い前記位置から前記目的地までの前記予想経路に対応する前記予想コストと、の合計が最小となる前記局所経路を選択するステップと、
を実行させるプログラム。
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