マ ルチナビゲータ システム に基づく 磁気ナビゲーショ ン 法

4.3.1 自律移動に用いる データ ベース

本手法では， 自律走行を 行う 経路にて 一度ロ ボッ ト を 手動で走行さ せ， その際に得ら れた セン サデータ を 基に自律移動を 行う ． データ ベースの構成はTable 4.1に示すよ う になっ て いる ． 走行距離と その地点を 通過し た際のロ ボッ ト の姿勢θに従っ て ， 磁気セン サの観測値 m， およ び幾何情報gが記録さ れて いる ． なお， 走行距離と 姿勢はオド メ ト リ によ っ て 推定 さ れた値を そのま ま 使用し ， 幾何情報について は後述する ． 前章において 述べた， 磁気ナビ ゲーショ ン 法において 用いた磁場地図と 違い， ロ ボッ ト の姿勢に関する 情報も 含んでいる こ と に注意さ れたい． 姿勢の情報が含ま れる 理由について も 後述する ．

4.3.2 マルチナビゲータ システム

本研究において は， ロ ボッ ト に経路追従を 行わせる 制御モジュ ールを ナビゲータ と 定義し て いる ． こ のナビゲータ が複数存在し ， それぞれが異なる セン サ情報に基づき 経路追従を 行 う ． こ れを 実現する ために実装し たシステムの概略図を Fig. 4.1に示す． 各ナビゲータ が制 御入力や加減速時間など のパラ メ ータ を 出力し ， ま た同時に優先度を 出力する ． こ れら の出 力は共有メ モリ に集めら れ， すべて のナビゲータ が互いの状況を 把握する こ と ができ る ． そ し て ， 速度管理モジュ ールが優先度や加減速時間を 考慮し な がら 実際の制御入力を 決定し ， アク チュ エータ を 駆動さ せる ．

4.3 マルチナビゲータ システムに基づく 磁気ナビゲーショ ン 法

Table 4.1: Topological magnetic and geometric maps Travel Heading Magnetic Geometric distance direction informationM informationG

d₀ θ₀ m₀ g₀

d₁ θ₁ m₁ g₁

... ... ... ...

dn θn mn gn

... ... ... ...

Fig. 4.1: Multi-navigator system [46]

4.3 マルチナビゲータ システムに基づく 磁気ナビゲーショ ン 法

オド メ ト リ に基づく ナビゲータ

今， 時刻tにおいて 自己位置(走行距離)推定を 行っ た結果， ロ ボッ ト はn番目のノ ード に存在し ， 姿勢がθtである と 推定さ れたと する ． 以下の議論において は， ロ ボッ ト の状態 はすべて こ の通り である と 仮定し ， ま た， 自己位置推定法において は後述する ． こ のと き ， オド メ ト リ に基づく ナビゲータ は， 以下の偏差e_oを 零にする よ う に角速度を 制御する ．

e_o =θ_n−θ_t (4.1)

オド メ ト リ に基づく ナビゲータ は， 姿勢推定の結果に基づいて 走行制御を 行う ． そのため，

データ ベースにロ ボッ ト の姿勢を 記録し て いる ．

幾何情報に基づく ナビゲータ

本手法において 用いる 幾何情報の取得方法を 示し た図を Fig. 4.2に示す． ロ ボッ ト 前方に 搭載さ れたLIDARに対し て ， 距離r， 角度αの観測範囲を 左右に設定する ． こ の範囲に存 在する 障害物ま での最小の垂直距離を ， 左右それぞれgl， grと し ， こ の2つの値を 幾何情報 と し て 使用する ． データ ベースの構築時にも 同様の観測を 行い， n番目のノ ード に記録さ れ る 幾何情報gnを (gl, gr)^T と 定める ． なお， 周囲に障害物が存在せず， 幾何情報が得ら れな かっ た場合には， こ れら の情報は利用さ れな く な る ．

Fig. 4.2: Geometric landmark observation [46]

今， 時刻tにおいて 幾何情報と し てgl,t， gr,tを 観測し て いたと き ， 幾何情報に基づく ナビ ゲータ は， 以下の偏差egの各成分を 零にする よ う に角速度を 制御する ．

e_g = (eo, −gl,n+gl,t, gr,n−gr,t)^T (4.2) 幾何情報に 基づく ナビゲータ は位置推定の結果を 補正する よ う に 走行制御を 行う ため， ロ ボッ ト の姿勢に関する 偏差も 成分と し て 含むこ と と し て いる ． なお， 通常の幾何ラ ン ド マ ー

4.3 マルチナビゲータ システムに基づく 磁気ナビゲーショ ン 法

ク を 用いて 自己位置推定を 行う 方法では， 幾何ラ ン ド マーク を 用いてロ ボッ ト の状態を 推定 する ． 一方で提案手法では， 幾何ラ ン ド マ ーク を 用いて経路追従のための速度指令を 決定す る こ と で位置の補正を 行う ． 前述の通り ， こ れは磁場を 用いた自己位置推定法によ り ， おお ま かな位置認識が行える こ と を 仮定し ， そこ から 幾何ラ ン ド マーク を 併用し て正確に位置補 正を 行う こ と を 狙いと し て いる ためである ．

磁場情報に基づく ナビゲータ

ロ ボッ ト は平坦な地面を 移動する と 仮定し ， 磁気セン サは地面と 水平面の磁場方位と セン サの成す角m_θを 観測でき る も のと する ． 今， 時刻tにおいて ， 磁気セン サがm_θ,tを 観測し て いたと き ， 磁場情報に基づく ナビゲータ は， 以下の偏差emを 零にする よ う に角速度を 制 御する ．

em =m_θ,n−m_θ,t (4.3)

磁場情報に基づく ナビゲータ は， 姿勢推定の結果に関わら ず， 磁場方位を 用いて 姿勢修正の みを 行いな がら 走行制御を 行う ． 前章で述べたRahokら によ っ て 提案さ れた磁気ナビゲー ショ ン 法と は異なり ， 提案手法では， 指定経路の左右の磁場情報， およ び走行制御を 行う 際 に使用する パラ メ ータ が存在し な い(式(3.2))． そのため， 地面と 水平面の磁場方位のみを 用いて ロ ボッ ト を 制御する こ と と し て いる ．

磁場およ び幾何情報に基づく ナビゲータ

磁場およ び幾何情報に基づく ナビゲータ は， 上述の2種類のナビゲータ を 組み合わせたも のと な る ． そのため， 以下の偏差egmを 零にする よ う に角速度を 制御する ．

e_gm= (e_m, −g_l,n+g_l,t, g_r,n−g_r,t)^T (4.4)

優先度設定

優先度は， 事前に各ナビゲータ に一定の値を 与え ， セン サの観測値が有効と 判断さ れた場 合にその値， そう でない場合には0と する ． なお， 優先度の最も 高いナビゲータ によ る 速度 指令が， 実際に採用さ れる 速度指令と なる ． すなわち ， 各ナビゲータ に初期に与える 優先度，

およ びセン サの観測値を 有効と 判断する ための条件設定が， 提案手法によ る ナビゲーショ ン の精度に関わる 重要な要素と なる ． こ れら の設定は， 以下に示す経験則的なルールによ っ て 与え る も のと する ．

4.3 マルチナビゲータ システムに基づく 磁気ナビゲーショ ン 法

ま ず初期に与え る 優先度に関し ては， 経路追従能力の高いナビゲータ 程， 高い優先度を 与 え る こ と と する ． すなわち ， 常にセン サの観測値が有効と 判断さ れる 場合において ， 最も 経 路追従精度が高いナビゲータ の優先度を 高く する ． ま ず， 磁場およ び幾何情報に基づく ナビ ゲータ は， 2種類のセン サ情報を 用いて 補正を 行う ため， 最も 経路追従の精度が高く なる と いえ る ． そのため， こ のナビゲータ の優先度を 最も 高く 設定する ． オド メ ト リ に基づく ナビ ゲータ は， 外界の情報を 用いて ロ ボッ ト の位置誤差を 修正する こ と ができ ないため， こ のナ ビゲータ の優先度は最も 低く 設定する ．

幾何情報に 基づく ナビゲータ は， 外界の幾何的配置を 考慮し た補正を 行う こ と ができ る ため， 経路追従精度が高く なる よ う に思え る ． し かし ながら ， 提案手法の実装のアイ ディ ア は， Fig. 1.2に示すアイ ディ アに基づいて いる ． 幾何情報に基づく ナビゲータ は， オド メ ト リ に基づく ナビゲータ を 補正し ながら 走行さ せる も のである ため， 位置認識が曖昧な状態で 補正を 行う こ と と なる ． そのため， う ま く 幾何情報が利用でき ない場合には， 容易に経路か ら 逸脱し て し ま う 可能性が高く なる ． その一方で， 磁場情報に基づく ナビゲータ は， 幾何情 報を 用いる よ り 正確ではないが， 大ま かな精度で自律移動を 行う こ と ができ る ． そのため提 案手法では， 1)磁場およ び幾何情報， 2)磁場情報， 3)幾何情報， 4)オド メ ト リ に基づく ナ ビゲータ と いう 順で優先度を 高く 設定する こ と と し た．

磁場情報を 用いて いる ナビゲータ の優先度を 決定する にあたり ， 以下に示す変数rzを 定 義する ．

rz = 1−|mz,n−mz,t|

∆mz,max

(4.5) こ こ で∆m_z,maxは， z軸方向の磁場強度の予測さ れる 最大の差であり ， ∆m_z,max = 1と し ている ． こ の値は， 磁場地図を 構築し た際と 現在のセン サ観測値の差分を 表し た変数と なり ， 1に近い程その差分が小さ いこ と を 意味する ． そこ で， こ の値に適当な閾値を 設け， その閾 値を 下回っ た場合に， 磁場情報を 用いて いる ナビゲータ の優先度を 0にする ． なおこ の閾値 の値は， 実験的に0.998と し た． 幾何情報に基づく ナビゲータ によ り ロ ボッ ト を 制御する こ と で， 外界と の位置関係を 利用し た補正を 行う こ と が可能と なる ． し かし ， 単純な偏差での 位置補正を 行う ため， 容易に動的障害物の影響を 受けて し ま う ． そこ で， 幾何情報のに関す る 偏差gn−gtの値の絶対値が1.0 mを 越え て いた場合には， 幾何情報を 用いる ナビゲータ の優先度を 0にする ． なお， オド メ ト リ に基づく ナビゲータ の優先度は， 常に一定値である と する ．