磁気ナビゲーショ ン 法

3.2 磁気ナビゲーショ ン 法

3.2.1 環境磁場を 用いたナビゲーショ ン 法

磁性体が周囲に存在せず， 磁場が乱れて いない地点では， 磁場方位を 用いた姿勢推定が有 効である ． し かし 実際の環境では， 鉄骨など の磁性体が磁場を 乱す区間が存在する ため， 姿 勢推定を 行う こ と が困難な区間も 存在する ． Rahokら が提案し ている 磁気ナビゲーショ ン 法 では， こ のよ う な磁場の乱れを 利用し て 位置推定を 行う ． ま た， それ以外の磁場の安定し て いる 地点では磁場方位を 用いた姿勢修正を 行う ． こ れら は， 周囲の動的障害物(磁性体を 除 く)から 影響を 受けないため， 磁気ナビゲーショ ン 法は様々 な環境で利用する こ と ができ る ．

Fig. 3.1には， 磁場の乱れを 用いた位置推定法の概念図を 示す． 鉄骨など の磁性体は， 残

留磁場(residual magnetism)と 呼ばれる 磁場を 生成する ． 残留磁場は磁性体によ り 生成さ れ る ため， 強さ が場所毎に変化し ， 時間的には安定する と いう 性質を 持つ[22]． 磁気ナビゲー ショ ン 法では， オド メ ト リ によ る 位置推定の累積誤差を 磁場の乱れを 利用し て 修正する ． ま た， 磁場の乱れを 用いた位置推定のみでは正確な経路追従が行え ないため， 磁場方位を 用い た姿勢修正も 行う ．

Fig. 3.1: Conceptual figure of a localization method based on residual magnetism [40]

3.2.2 磁場地図

ロ ボッ ト の経路は， 移動距離およ び姿勢から リ ニアに表現する こ と ができ る ． こ こ でいう リ ニアと は， ループ等を 考慮せずに一次元的に直線的なリ スト と し て表現でき る こ と を 指し て いる ． こ の経路情報に基づいて 環境磁場情報M = [m₀,m₁, ...,mn]^T を 記録する こ と で，

3.2 磁気ナビゲーショ ン 法

経路上の磁場について 知る こ と ができ る ． こ こ で， nは磁場データ を 記録し た地点(ノ ード) の数であり ， mは3軸磁場強度と その磁場方位を 表す． こ こ では， 経路情報に基づいて環境 磁場を 記録し たも のを 磁場地図(magnetic map)と 定義し ， こ れを リ ニアな磁場地図と 呼ぶ こ と と し て いる ．

Fig. 3.2には， 磁場地図を 用いた磁気ナビゲーショ ン 法の実装例を 示す． 経路に沿っ て 磁

場強度を 記録し ， 磁場の変化を 識別する ． 磁場方位を 用いる こ と で， ロ ボッ ト 自身の姿勢を 利用し なく と も リ ニアな地図表現を 行え る ． さ ら に付加情報と し て， 各ノ ード に環境磁場の 性質を 表す情報を 記録する ． こ れには， 磁場の乱れのパタ ーン を 識別する ための識別情報s と ， 磁場を 制御に利用する 量を 調整する 重み情報wの2種類を 用いる ． こ れら を 利用し て 経路周辺の磁場の性質を 把握し ， 磁場を ロ ボッ ト の制御に対し て 有効利用する ．

Fig. 3.2: Implementation example of the magnetic navigation method [40]

3.2.3 ナビゲーショ ン ア ルゴリ ズム

Fig. 3.3には， 磁気ナビゲーショ ン 法の制御アルゴリ ズム図を 示す． 磁気ナビゲーショ ン

法は， 磁場地図， 位置推定モジュ ールそし て コ ン ト ロ ーラ モジュ ールから 構成さ れる ． 磁場 地図は， 自律走行を 行う 事前に作成し て おく ． 前述し たよ う に， 磁場地図には経路情報に対 応し た磁場情報と 付加情報が記録さ れて いる ．

Fig. 3.4には， リ ニアな磁場地図に記録さ れた磁場の乱れを 用いて 自己位置推定を 行う 際

の概略図を 示す． 走行距離に対応し て 磁場強度を 記録する こ と で， 経路上における 磁場の変 化を 識別でき る ． 位置推定モジュ ールにおいて ， 磁場地図に記録さ れた値Mと 磁気セン サ の観測値m_t， およ びエン コ ーダの観測値∆dを 利用し て ロ ボッ ト の状態xを 修正する ． な

3.2 磁気ナビゲーショ ン 法

Fig. 3.3: Control diagram of the magnetic navigation method [40]

お磁気ナビゲーショ ン 法では， ロ ボッ ト の状態を 走行距離dのみで表すこ と と し て いる ．

Fig. 3.4: Conceptual figure of localization based on magnetic fluctuation [40]

し かし 走行距離の修正のみでは， 経路に対する 横方向の誤差が累積する ． そこ でこ の誤差 を 修正する ために， 走行経路の左右の磁場地図^lM， ^rM を 利用する ． すな わち ， Fig. 2.8， 2.10に示す磁場の乱れを 利用する こ と で， 経路に対する 横方向の誤差を 修正する ． こ のよ う な， 横方向の誤差修正を 行う こ と ができ る 磁場の乱れが存在する 区間を 識別する ために， 識 別情報sを 利用する ． こ の詳細について は後述する ．

コ ン ト ロ ーラ では， ロ ボッ ト の現在位置に対応し た磁場地図上の磁場情報miと 磁気セン サの観測値m_tの差分を 求め， こ れを 零にする よ う な制御を 行う こ と を 基本と し て いる ． し かし ， 磁場が乱れた地点など でこ のよ う な制御を 行っ た場合， ロ ボッ ト が蛇行する こ と があ る ． こ れを 防ぐ ために， 付加情報s_iと w_iを 利用し て 求めた差分を 修正する こ と で， 制御に 利用する 偏差eを 求める ． 最終的に， 求めた偏差eの各値が零になる よ う にロ ボッ ト の姿勢