JPS6388603A - 海中ロボツトの走行制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、海中並びに水中を３次元的に位置、姿勢保持
並びに走行するロボットの運動を制御する方法に関する
ものであり、更に詳細には潮流等によってロボットが受
ける影響を補償した制御方法に関するものである。

〔従来技術〕

近年、各種の海洋開発、海洋石油生産プラットホーム等
の海中構造物、海中接地機器等の保守、点検、整備作業
等を従来のダイパーに代りロボットが行うようになり、
この手の海洋開発支援の海中ロボットは今後はますます
普及するものと考えられる。

これらのロボットには、軌道上を走行して移りＪするも
の、海底を移動するもの等も使用されているが、今後、
ダイパーのように海中を自由に遊泳できるロボットがま
すます必要になることが予想され、各種のロボットの開
発が行われている。

海中を遊泳するロボットが作業する環境は、潮流等の流
れや海中建造物により生じるカルマン渦、その他各種の
水流の影響を受ける。一般にロボットの形状は、円板伏
等水の抵抗を受ける方向によって作用する力が著しく異
なる場合が多く、位置保持並びに走行制御中に、ロボッ
トの姿勢を変化させると前記のように水流から受ける力
が急変してバランスを失い目標（位置又は走行ルート）
を外れて流され、又場合によっては制御不能になる等の
問題がある。

したがって、従来からこの種のロボット走行、姿勢等の
制御方法については、潮流に対してロボットの姿勢を変
えない方法が採られていて、海中でのロボットの活動は
非常に制限されている。しかしながら潮流中で自動的に
位置・姿勢保持並びに走行し作業するロボットの好適な
制御方法は未だ得られていない。したがって、ダイパー
が潮流に流されたり、カルマン渦に巻き込まれる危険の
ある海域での作業をロボットに完全に置き換えるには至
っていない。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の問題点の解決のために成されたもので
、潮流等、水の流れのある作業環境中でロボットが位置
保持並びに走行制御中に自由に姿勢を変更してもロボッ
トがバランスを失う危険がなく、しかも安定した位置保
持並びに走行が可能な制御方法を提供することを目的と
している。

〔発明の構成テ 以上の目的を達成するための本発明の海中ロボットの３
次元制御方法の構成は、流れのある流体中を遊泳するた
めのロボットの制御においで、 （ａ）時刻ｋにおける制御入力ｕ　（ｋ）と時刻に、　
＋　１における目標値に対する偏差ｅ　（ｋ＋１＞とを
変数とする２次形の性能評価関数Ｊを設定し、この性能
評価関数Ｊが極小となる制御ゲインＧを決定し、このゲ
インＧと状態推定値Ｘとから最適制御入力Ｕを式ｕ＝−
Ｇ＝Ｘから求め、目標に対する偏差ｅにフィードバック
させて目標を達成する推力Ｔｃを算出し、且つ、（ｂ）
前記Ｅ１ポットが姿勢を変更した際、前記ロボットに対
する前記潮流の流速及び流向により１コボソトに作用す
る力を打ち消す推力■ｂを、予め前記ロボットの仰角α
と横滑り角βとの関数として準備した三次元流体抵抗及
びモメント係数テーブルから求める係数Ｃ１ｊ（α、β
）と前記潮流の流速Ｖｃから算出し、 （ｃ）前記２つの推力のベクトル和Ｔ＝Ｔｂ＋Ｔｃを前
記ロボットの推力として出力することを特徴としている
。

本発明において、前記のＧをゲインとする最適フィード
バック制御Ｕを求める演算は、ベルマ〕／の最適性の原
理に基づくダイナミックプログラミングン手法を利用し
て行われる。

本発明を実施するに際し、前記推力Ｔｅ（以下最適制御
推力という）を算出する際の前記の２次性能評価関数は
、例えば次の式 ％式％））（１） 但し、（１）式においてｗ　（ｗ≧０）は重み係数を表
す。

そして、この最適制御推力を求める実際の手順を以下に
示す。なお説明の便宜のため位置Ｐ及び姿勢Ｏを目標値
とする場合について説明する。地面固定座標系（ＸＥ　
ＹＥ　ＺＥ系）において、目標値Ｐｏと観測により達成
される推定値Ｐ等との偏差値を修正するに必要な推力］
゛Ｃ＃づき状態推定値アルゴリズム（観測器）によりロ
ボットの状態推定値Ｘ（ロボットの位置、速度、加速度
、姿勢角、角速度、角加速度の推定値を示す。）を算出
し、更にこの推定値Ｘに対し、前記２次形の性能評価関
数Ｊを最小にする制御ゲインＧを乗算した最適制御ｕ＝
−Ｇ−Ｘから演算される推力Ｔｃ’とから潮流等の影グ
で発生した偏差（ドリフト等）を補償する推力Ｔｃを算
出する。

前記推力ＴＣの算出手段は任意であるが、ＣＰＵによる
制御装置では、例えば、最適制御推力ＴｃをＴｃ’−Ｔ
ｃ’として算出し、更にこのＴｃを実測に基づく現在位
置、姿勢の推定値度計算し、この結果をロボットに出力
するようにすることができる。この最適制御推力Ｔｃに
よるロボットの制御動作を繰り返すことにより目標値か
らの偏差値が逐次ゼロとなるように修正される。

下ダイナミックバランス推力という）を算出するには、
まず前記の流体抵抗及びモメント係数Ｃ１ｊ（α、β）
を３次元流体抵抗及びモメント係数テーブルから求める
必要がある。その方法は、ロボットの対水速度■とロボ
ットの状態推定アルゴリズムより推定したロボットの絶
対速度Ｖ′より潮流方向α、β及び潮流速度Ｖｃを求め
る。この潮流方向α、βにより、前記テーブルからＣ１
ｊ（α、β）を検索する。

前記テーブルは、例えば、当該ロボットを水槽に入れて
一定方向からの水流に対し種々の姿勢としたときに受け
る力を実測して求めることができる。このようにして求
めた流体抵抗及びモメント係数は、前もって制御装置内
に記憶される。そして、前記グイナミソクバランス推力
は、機体固定座標系（ＸＩＲＹＲＺＲ系）において３次
元のｘ、ｙ、ｚ軸に対する分力と、各軸の回りのモメン
ト（φ、θ、ψでそれぞれＸ。

ｙ、ｚ各軸面りを表現する）をそれぞれＴｂｘ。

ると、 ・ρ・■Ｃ２・Ｖｂ（２１ ・ρ・Ｖ　ｅ　２−　Ｖ　ｂ　　（３）但し、式中Ｖｃ
は流速、ｖｂは無次元化基準体勢 積、ｖｂは無次元化基準面積をそれぞれ表す。

なお、前記係数Ｃ１ｊ（α、β）は、ロボットの潮流に
対する相対的角度である仰角α、横滑り角βによって表
現することにより絶対的姿勢を考慮することなくＴｂを
もとめることが可能である。

〔実施例〕

以下図面を′対照して一実施例により本発明のロボット
制御方法を説明する。

第１図は、本実施例の対象とするロボットに搭載された
制御装置の制御演算処理の内容を示すブロック図であり
、図の点線内はコンピュータからなるＴｂ及びＴｃ演算
の制御ブロックを示しており、第２図は制御のソフトウ
ェアの全体的構成を示すブロック図である。゛ 本実施例に使用のロボットは３つの制御モードに従って
操作されるように構成されている。

即ち、第１図に示すように位置、姿勢制御モードによる
制御手段１、定速度ルートトラッキング制御モードによ
る制御手段２及び壁面フォロー制御モードによる制御手
段３の各動作を選択することができる。そして、これら
の各制御モードを、オペレータは切換操作手段４によっ
て作業手順に従い適宜選択する。この切換操作手段４は
、遠隔操作によって作業中随時切換可能である。したが
って、この選択操作によってロボットに設けられた制御
装置に予め入力されたプログラムから当該作業手順のプ
ログラムが実行される。

なお、前記位置、姿勢制御モードは、地面固定座標系（
ＸＥ　ＹＥ　Ｚｒｓ系）においてロボットの現在位置、
姿勢状態によりオペレータが新たに設定した海中位置及
び姿勢にロボットを移動させるための制御モードであり
、ロボットが辿り着くべき位置Ｐ　（３次元の位置：ｘ
、ｙ、ｚ）及びロボットの方位、即ち姿勢Ｏ（海中に固
定された３次元座標の各軸に対する角度：φ、θ。

ψ）を指定するものである。本実施例におけるこのモー
ドで制御するだめの指定は、位ｉｐ及び姿勢Ｏについて
最終的に制御したい値を指定し、移り１速度Ｕは指定ｊ
２なかった。

定速度ルート・１ラソキ〉′グ制御モードば、ま■（”
第一にロボン１〜を構造物目標位置へオペレータが遠隔
操作により海中空間内に設定したルーＩ４こ沿、って誘
導し、第二に対象物の近傍に遠隔て設定された目標ルー
ｌ−１から対象物を観察するために、目標ルー川・上を
定速度で走行する制御モー・ドであり、畑面固定座標系
（ＸＦＹＥＺＥ系）？、における前記位置Ｐｏ、姿勢Ｏ
ｏ及びルー　ト方向の移動速度ｔＪを順次、プログラム
によｚつ指定するものである。

ｉｉｉ前記前記壁面フロー制御モードは、曲面構造物に
対向し、構造物との距離を一定に保ち、その周囲を定速
移に＋３　！、、、、なから対象を観察する作業を行う
ための制御モードであり、対壁面姿勢Ｏ、ルート５１５
向の移動速度Ｕの外？：、壁面からの保つべき距離■、
を指定するものである。

なお、第２図は、前記３つの制御モードの内の位置、姿
勢制御モード１が選択された場合について図示されてい
るが、他のモードが選択された場合も他は全く同様の構
成であることは明らかである。そＬ２て、本発明に係る
演算手段は第２図の点線で囲んだ目標偏差値演算手段５
１及び推力演算手段５２であり、その他は従来のこの種
のロボットの制御に用いられる手段によって構成されて
いるものである。

本発明に係る前記演算手段５１及び５２に与えるデータ
は、プログラムに基づきロボットが取るべき位置Ｐｏ　
　（３次元的）の目標値、ロボットが向くべき方位、即
ち姿勢Ｏｏ　、ロボット状態推定の結果得られるＸの中
でロボットの絶対速度の推定値ｖ′であり、説明の順序
としてこの演算手段４及び５にデータを与える各構成か
ら説明することにする。

まず本実施例の制御装置には、前記各モードによる制御
が、作業ルートの障害物により作業不能とならないため
の障害物回避径路演算手段６が備えられており、これに
よって作業中の各制御手段による制御演算結果に適宜修
正が加えられるようになっている。この障害物回避径路
演算手段６に回避すべき障害物として与えられるデ・−
夕としては、予めインプットできる障害に対するモデル
６、とロボットが行動中に装備されている各種センサに
よる障害物検知手段６３で検出された検出データ及び潮
流である。

即ち、前記のデータに基づき該障害物回避径路演算手段
６は、第１図に示したように（第２図はこの部分を省略
記載している）修正のための演算を行い、選択されてい
る制御モードによりそれぞれの前記各制御手段１．２及
び３による演算結果と前記演算手段６による演算結果に
より修正を加える目標修正手段７、ルート修正手段８及
びフォロールート修正手段９を備えている。前記のルー
ト修正手段８及びフォロールート修正手段９による演算
では、ルートに沿う速度Ｕをロボットの絶対速度Ｖｏ　
’に、又、対象物と■ロボットとの相対的距離ｉ、をロ
ボットの絶対的位置Ｐｏ’に変換する演算も含まれてい
る。

そし７て、前記の各指示値の修正値、ｐ　ｏ／。

Ｏｏ’、Ｖｏ’　　（これらは何れもベクトル値）は、
前述したように目標偏差値演算手段５．に与えられる。

を説明する。ロボット本体には、現在位置の検出手段と
して、慣性航法装置（慣性ｐ）　又は音響測定装置（音
響ｐ　）と、ロボットが向いている方位、叩ちロボット
の姿勢を検知するためのジャイロコンパス（ジャイロ０
）と、船速■（対水相対速度）の検出手段として三軸対
水速度計等を備えており、常時、ロボットの位置、姿勢
、速度を検出している。これらの検出値は、周知のよう
に検出器ドリフトと測定のノイズとを含み、そのままデ
ータとして制御装置に入力すると誤動作を生じるので、
測定ノイズについては、従来から行われているようにカ
ルマンフィルタによるノイズフィルタ処理、又ドリフト
については、視覚測位を利用したパターン・マソチング
により定期的にドリフト補償する測定ノイズフィルタ及
びドリフト補償手段１１によＶが前記演算手段５．及び
５２に与えられる。

又、ロボットの速度は状態推定手段１３によって得たＸ
の中でＩロボットの速度の推定値Ｖ′が前記演算手段５
１及び５．に与えられる。なお第２図の視覚測位はドリ
フト補償のために行うもので、洋」二の母船に設けられ
たプロセッサが行う。ヌ、フィルタ及びドリフト補償手
段１１は、母船に設けられたプロセッサで処理され、こ
れらの結果の各推定値ｐ、ｏ、ｖはロボットに送られ制
御装置に入力される。

さて次に本実施例におけるダイナミックバランス推力Ｔ
ｂ及び最適制御推力Ｔｅとを求める演算を第１図に基づ
き説明する。

ロボットは選択された各モードに基づき与えられる前記
指示値（Ｐｏ’、Ｏｏ’、Ｖｏ’の一部又は全部）に到
達するために必要さする堆力Ｔｃ（ベクトル）を演算す
るにあたり、本実施例では、前記目標偏差値演算手段５
１、推力変換演算手段１２、状態推定手段１３．、多変
数制御ゲイン及び推力変換演算１．段１４及び加算演算
手段１５の各演算〕１゛段を実行することによってり、
えられる。即ち、目標偏差値演算手段５゜においで指示
値ＰＯ′　（以下指示値は「位置」によるものとして説
明する）と実際の到達推定値Ｐとの偏差値ΔＰを演算し
、次いで１１↑力変換演算手段１２においてこのΔＰを
ゼロとするために必要とする推力Ｔｃ＃を演算する１、
な、お、第２図Ｌ；−示した前記１１１［力演算−１′
−段５２は第１図に示す１２〜・１９の各手段をＮ←め
て省略記載したものである。

前記演算と平行して前記推定値Ｐ、　　Ｏと加減演算手
段１５によって得られているＴｃＯ値とを状態推定手段
１３に与え、ロボッ１−の運動状態を示すＸを推定する
。Ｘの構成は、位置移動に関しては、位置Ｐ′、速度ｖ
′、加速度Ａ′、回転運動に関しては、姿勢角０′、角
速度ＯＶ′角加速度′６Ａ’である。そしてこの値に基
づき多変数制御ゲイン及び推力変換演算手段１４により
前記偏差ΔＰ、Δ０（制御モードによってはΔ■を含む
）を最適値に修正する修正推力Ｔｃを算出し加算演算手
段１５で演算Ｔｃ″＋Ｔｃを演算し、その結果のＴｃを
実測に基づく現在位置、姿勢の推定値ｐ、　ｏと共に再
度状態推定手段１３に与え前記演算を繰り返し偏差を最
適番こ修正する。

次に、ダイナミックバランス推力Ｔｂの演算手段につい
て説明する。この演算は、潮流流入角及び流速演算手段
１７、ダイナミックバランス推力演算手段１８及び三次
元流体抵抗及びモメント係数テーブル参照手段１９の各
演算を実施することによって達成される。

速度推定値Ｖ′とが潮流流入角及び流速演算手段１７に
与えられ、ここで、潮流に対するＤボッ（・の相対的姿
勢を表す角度、叩ち、ロボットの正面直立方向との成す
角、叩も（ｍ角α及び正面構方向の成す角、即ぢ横滑り
角β及び潮流の絶対流速Ｖｃが算出され、このα及びβ
の値に該当する前記流体抵抗係数Ｃ１ｊ（α、β）を三
次元流体抵抗及びモメント係数テーブル参照手段１９に
おいて求め、前記ＶｃとＣ１ｊ（α、β）をダイナミッ
クバランス推力演算手段１８に与えて前記式（２）及び
（３）からＴ　ｂを算出し７、加算演算手段１６におい
こｉテわれる演算、即ち前記１゛ｂと前記加算演算’Ｆ
）１１５ｘこおいて最終的に求められたＴｃどの和（Ｔ
＝’ｒｂ＋”ｌ”Ｃ）がロボソ］・に実際にｔｊえる推
力１゛となる。

このようにして得られた値′ｒは、Ｉツボ１，１・のプ
ログラムに基づき指示される姿勢、移・肋等の動作をす
る際に出力する推力が、潮流から受ける外力の変化とロ
ボットの■標点からのずれとを？ｌＩｉ償したものとな
っているので、潮流によりバランスを崩したり、１」標
点から遠ざかったりすることのない制御を行うことがで
きる。

この推力Ｔは、ｉＩ力配分手段２０により、■］ロボッ
ト取り付けられている複数の推進器の各々を駆υＪする
１１１１力乙こ分配するＪＡ算処理を行い、ロボットに
出力する。なお、第２図の記号′■゛′Ｆ／Ｂは推力Ｔ
ｃが正確にスラスタを駆動して４゜いるか否かをチェッ
クするだめのフィードパ７り出力を示している。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明の水中ロボットの３次元制
御方法の構成は、目標値に対する偏差と制御入力とを変
数とする２次形の性能評価関数を最小とする制御ゲイン
による推力と、ロボットが姿勢を変更し７たために受け
る外力を打ち消す推力を予め作成したテーブルを参照し
て求め、前記２つの推力のヘクトル和によりロボットを
推進させる構成としたために、潮流等の流体の流れが存
在する中でロボットを位置保持並びに走行操作する際に
、姿勢変更による流体から受ける外力のバランスの崩れ
を補償した推力によってロボットを操作することができ
るので、ロボットの移動、姿勢維持等の動作を安定して
制御することが可能となり、ロボットによる流体中の作
業の円滑化が得られるという効果を奏することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例による制御装置の制御演算処理の内容
を示すプロ・ツク図、第２図は第１図に示す制御ブロッ
クのラフ１−ウェアの全体的構成を示すブロック図であ
る。 ５１・・・目標偏差値演算手段、１２・・・推力変換演
算手段、１３・・・状態推定演算手段、１４・−・多変
数制御ゲイン及び（１１力変化演算手段、１５゜１６・
・・加算演算手段、１７・・・潮流流入角及び流速演算
手段、１８・・・ダイナミックバランス推力演算手段、
１９・・・三次元流体抵抗及びモメント係数テーブル参
照手段、Ｒ・・・ロボット本体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 海洋における潮流等流れのある流体中を遊泳するための
   ロボットの制御において、 （ａ）時刻ｋにおける制御入力ｕ（ｋ）と時刻ｋ＋１に
   おける目標値に対する偏差ｅ（ｋ＋１）とを変数とする
   ２次形の性能評価関数Ｊを設定し、この性能評価関数Ｊ
   が極小となる制御ゲインＧを決定し、このゲインＧとそ
   のときの制御入力と実測に基づく前記ロボットの現在位
   置、姿勢の推定値とによって得られる状態推定値■とか
   ら最適制御入力ｕを式ｕ＝−Ｇ・■から求め、目標に対
   する偏差ｅにフィードバックさせて目標を達成する推力
   Ｔｃを算出し、且つ、（ｂ）前記ロボットが姿勢を変更
   した際、前記ロボットに対する潮流の流速及び流向によ
   りロボットに作用する潮流力を打ち消す推力■ｂを、予
   め前記ロボットの対潮流仰角αと横滑り角βとの関数と
   して準備した三次元流体抵抗及びモメント係数テーブル
   から求める係数■ｉｊ（α、β）と潮流の流速Ｖｃから
   算出し、 （ｃ）前記２つの推力のベクトル和Ｔ＝Ｔｂ＋Ｔｃを前
   記ロボットの推力として出力することを特徴とする海中
   ロボットの走行制御方法。