自律移動ロボットDREAM-2の走行実験

大木

誠・荒木

晃徳

*。

_大北

_正昭

鳥取大学工学部電気電子工学科・

*中

国電力株式会社

Travelling ExperiElent Of the Autonomous Mobile Robot DREAM…

₂

M誌

【oto OHKI,Akino

ARAKI*,and WIasatki OHKITA

Dcpanlnent Of Electttcal and Elcctronic Engineettng,Faculty of Engnecing,

Tbtto Univcrsity9Tottori,680-8552 Japan

E―[email protected]― u.acjp *Chugoku Electric Power Co。

,Inc。,IIiroshilna,730-0041 Japan

AbstractiAs thc sccond version of our Automonous Mobilc Robot ‖DREAM-1出 ,"DREAM-2‖ has becn dcsigned and

constttcted.It is a mobile robot typed as an electrically driven whccl chair,The ailn of il[)REAM-2H is to make it travcl in

indoor environments such as in hospitals or wclfarc homes.Thc supersonic scnsors as、 vcll as a combined systcm of a gyro sensor and a magnctic dircctional scnsor,and an encorder systc■ l for lncasuring travcning distance are providcd,Hencc,this

combined scnsor systenl servcs to detect the directional anglc of tthc mobile robot、 vhen thc robot can not FneaSure thc distance

in a comcr atthe cross road.On a use of thc scnsor syste■1,山[)REAM‐2n travclled wcll in a long straight‐ line coursc.The travelling was controlled by combination of simple fuzzy rules,

Key words:Autonomous mobile robot,Indoor cnvironment, Supcrsonic scnsor,Gyro sensor,Magnetic directional sensor,

Combined sensor syste■ 1,Encorder,Travening cxperilnen亡 .

1 .tよ じめ に 我 々の研究 室で は

,こ

れ まで に フ ァジ ィ制御 を 用 いた 自律 移動 ロボ ッ ト

DREAM■

を製作 した [1]. 自律移 動 ロ ボ ッ トの環 境認 識 の手段 には トラッ キ ン グビ ジ ョ ンを用いた方法 な ど様 々 な手 法が提 案 されてい る

[2].DREAM-1で

は環境認識部 に 超音 波 セ ンサ を搭 載 し

,距

離 情報 とそ れ らか ら算 出 した姿 勢角 情報 によ り環境 認識 を行 い

,

クラン ク路 走行 や縦 列駐 車 にお いて一定 の成功 を収めた [1]。 しか しそ のセ ンサが 超音 波セ ンサ のみで ある ため

,超

音波 の特性 に よ る拘 束条 件 を考慮す る必 要があ った。 そ こで我 々 は超 音波 セ ンサ を距 離検 出にのみ用 い

_,姿

_{勢角認識 を他 のセ ンサで行 う2号 機DREAM―} 2を製作す るこ とに した.

DREAM-2は

_,身

_{体 の不 自由な人達 の 移動手段 と} して病 院 や福 祉施 設等 の屋 内環境 で利 用 される事 を目的 と してい る。

DREAM-2で

は

_,姿

勢角 を認識す るた め にジャ イ ロ・ セ ンサ と磁気 方位 セ ンサ を搭 載 してい る。 こ れに よ り通常 の廊 下 な どの よ うに凹凸 のあ る状況 や

,交

差 点 な どの 距離計 測が 困難 な状 況下 におい て も正確 な姿勢角認識が可能 となった

[3].

今 回は エ ン コー ダー シ ステ ム を新 た に搭 載 し, セ ンサ系の補強 を行 った。 走 行実 験 に あた り

,コ

ース 内で の走行 を

4種

類 の機 能 (左壁 に沿 った直 進

,右

壁 に沿 った 直進, 左折 お よび右折

)に

分割 した。 各走行機 能 をファジ ィルールの組み合わせ によ り実 現 した。 移動 ロボ ッ トを コー スの種類 と自己 の位 置 。環境 条件 によって

,

これ らの機能 の組み 合わせ を適当 に行 うこ とに よ り

,走

行 させ ること に した。

2.DREAM‐

2の 構 成 と機 能

2.l DREAM-2の

全 体 構 成 自律移動 ロボ ッ ト

DREAM-2は

,市

販 の電動車 椅子

(EMC-100型 )の

車体 に

,種

々の環境 セ ンサ, 走行制御 回路

,及

びそれ らを統括す る

NOTE PC

(PC-9801 NS)を

搭載 した 自律走行 システムであ る。

図1は

DREAM-2の

全体構成 ブロ ック図であ る。 環 境認 識部 は

,主

と して物 体距 離認 識部 と姿勢 角認 識部 とに大別 され

,前

者 か らは「 ロボ ッ トと その 周辺 物体 間の 距離 (外部 環境 情報)」

,後

者 か らは「走行 ス ター ト位 置 を基準 と した ロ ボ ッ ト の相 対姿 勢角 (内部環境 情報)」 が獲 得 される。

NOTE PCで

は

_,予

め与 え られた走行 コース と

,環

境情 報 と に基 づい た推論 演算 (フ ァジ イ推 論

)が

行 わ れ

,走

行 状態 に応 じた ロボ ッ ト用 の制 御 コマ ン ドが生 成 され る。制御 コマ ン ドは前 輪操 舵部, 及び後輪駆動部 に転送 され

,走

行 が制御 され る。 図

l DR巳

へM-2の全体構 成 ブロ ック図

2.2

駆 重力部 前輪操能 はハ ン ド・ コン トローラ制御 回路 を介 さず

,前

輪操舵 モー タを直接駆動す る回路 を製作 し

_,搭

載 した。 また

,後

輪駆動 にはハ ン ドコン ト ロー ラ制御 回路 を用いることに した。

2.2.1

前 輪 操 能 部 図2に前輪操舵部 のブ ロック図を示す。前輪操 舵 は

,操

舵用

DCモ

ー タを駆動す ることで行 われ る。本 シス テムでは

3つ

のスイ ッチ

Sl,S2,S3

を切 り換 えることによ り

,「

ハ ン ド・コン トロー ラによる手動制御モー ド (スイッチ全 てを

M側

に 設定)」

,又

は「

NOTE PCに

よる自動制御モー ド (スイッチ全 てを

A側

に設定)」 のいずれか一方 を選択できる。 自動 制 御 モ ー ドに お け る操 舵 モ ー タ の 駆 動 は,

Z80 CPUボ

ー ド (1)(Super AKI-80)か らモ ー タ ・ ドラ イ ブ

IC(TA8429H)イ

こ

_,PWM信

号 と

,正

逆 転制御信号 を加 えることで実行 される。

PWM信

号 により前輪の操舵角変更速度

,正

逆転信号 により 卜DREAM-2の走行実験 左右 の操舵方向が決定 される。 また前輪 には

,操

能 角度 に応 じて値 の変化す る可変抵抗器が取 り付 け られてお り

,抵

抗両端 に

12[v]の

基準電圧 を加 えることに よつて

,操

舵 角度 を可変電圧値 と して 検 出で きる。

A/D変

換器(8b五 )を通 したその時々 の操舵角は

,前

述の

CPUボ

ー ド に入力 される。一 方の

NOTE PCか

らは

,要

求操舵 角が8 bitのコマ ン ドと して

CPuボ

ー ドに渡 される。

CPUボ

ー ドで は

_,現

在の操舵 角度値 と

NOTE PCか

らの要求操舵 角 とが比較 され

,そ

れぞれ を一致 させ るための操 舵制御 が行 われ る

.な

お

_,実

際 にロボ ッ トが取 り 得 る操舵 角 としては

,図

3に示す 11段階の値 を採 用 した。 ここで

,正

の操舵角 は左前輪

,負

の操舵 角は右前輪が

,そ

れぞれ正面 に対 して なす角度 を 表 してい る。 ハント' コントローラ NOTE PC 図

2

前輪操舵部の ブロ ック図

2.2.2

後 輪 駆 動 部 図4に後輪駆動部のブ ロ ック図 を示す。後輪駆 動部 は

2つ

のモー タを用い

,左

右の後輪軸 それぞ れ を個別 に回転 させ

,右

折

,左

折

,速

度 コン トロ ール

_,及

び前後進 の走行切 り替 えを行 う。ス イッ チ

Sl,S2を

切 り換 えることによ り

,「

ハ ン ド・コ ン トローラによる手動制御 モー ド

(sl,s2を

M

ノー トパ ソ コ ン

一劉

ト イ 後 輪 駆 動 部 物 体 距 離 認 識 部 離 距 部 行 定 走 測 信号 生 成W′t' ハント｀ コントローテ 制御 Ⅲl路 止

図

3 DREAM-2の

操舵角 図

4

後輪駆動部 のブロ ック図 側 に設定)」 と

,「

NOTE PCに

よる自動制御 モー ド

(Sl,S2を

A側

に設定)」 のいずれか一方 を選 択 で きる。 自動制御 モー ドでは

,ハ

ン ド・コン トロー ラ制 御 回路 の入力部 を利用す る。 この制御 回路入力部 は左右

2入

力

(VL,VR)あ

り

,2値

の組み合わせ (和

,差 )に

よって

,後

輪モー タが制御 され る。 表

1

に

VL,VRの

_{組み合 わせ による}

_,後

_{輪 の回} 転状態 を示す。和が

12[v]と

なるの を境 に前後転 が切 り替 わる。和 が

12[v]よ

り大 きい場合が前進 走行 であ り

,値

の大 きさに比例 して速度が増す。 和が

12[v]よ

り小 さい場合 は後退走行 とな り

,値

力Ⅵヽさ くなるに従 い,リ ニ アに速度が減少す る。 また

,2値

の差 が

6[v]以

上 を示す場合 には

,値

の小 さい側 のモー タ駆動が停止 し

,一

方のモ ー タ は

2値

_{の和 に応 じた速度で回転す る。旋回走行時} には

_,内

側 の後輪駆動 を停止 させ るこ とで, よ り 滑 らかな旋回が可能 となる。具体的には

,左

右そ れぞれの前輪操舵角が最大の上

50[deg]を

示 した 場合 に

,片

側の後輪駆動 を停止 させる.

2.3

環 境 認識 部

DREAM-2

では

,超

音波距離セ ンサ による物体 距離 認識 部に加え

,磁

気 方位 セ ンサ とジャイロ・ セ ンサを併用 した姿勢角認識部 を搭載 した。超音 波 トランスデューサ素子の配置 を図 5に 示す。 磁 気方位セ ンサ とジャイロ・セ ンサ は

,そ

れぞ れ以下の特徴 を持つ。 ・磁 気方位セ ンサ は地磁気 (日本 列島で観 測 され る地磁気 の強 さは約0。

9ガ

ウスであ る

[6])

か ら直接 的に絶対 方位角 を求 める。そのため積算 誤差 はないが

,地

磁気 に影響 を及 ぼす金属等

,外

舌しにイよ写尋しヽ. ・ジ ャイロ・ャ ンサ は外乱の影響を受け にくいが, セ ンサ出力値 の積 分か ら姿勢 角を算出するため, 測定 が長 時間 に及ぶ場合 には

,セ

ンサ 自体 の温度 特性 による

,時

間に比例 した積算誤差が増加す る。 また

_,姿

勢角に誤差が混入 したとき

,単

独 では基 準値が不明で

,補

正の方法がない

[7].

表

l vL,VRの

_{組み合わせ による後輪の} 回転状態 IVし VR I■0[V]の 場 合 (VL VR)>6[V]の 場 合 (VR Vi)>6[V]の 場 合 (Vl tt VR)(12[V] VL+VR)-12[V] 12 [v]く (VLtt VR) 左後 給 後退 和 力剪ヽさいほ ど高速) 停 と 前 進 和 力羽ヽさい ほ ど高速) 右後 輪 和 力羽ヽさい ほ ど高速) 停 と (和力Ⅵヽさいほ ど高速) VL+VR)<12[V] (VL tt VR)=12[V] 1″ [V]<(VlオvR) 左 後 輪 後退 (和力剪ヽさいほ ど高速) 停 止 前進 (和力羽ヽさいほ ど高速) 右後 輪 停 止 停 止 停 止 (V Ltt VR)<12[V] Vl+VR)=12[V] 12 [V]< (VLtt VR) 左後 輪 停 止 停 止 停 止 右後 輪 _{(和が小 さいほ ど高速}後退 , 停 止 前jfr (和力Nyl、_{さい ほ ど高速})

大木誠・荒木晃徳 ・大北正昭:自律移動 ロボ ツ トDREAM-2の走行実験 サの基準 角度 は

,い

か なる場合 において も更新 さ れない

.そ

して

,再

び両 セ ンサの差が

10[deg]以

下 を示す と

,先

の演算が繰 り返 され る。 なお

,こ

れ らの演算 は

,図

6の

Z80 CPUボ

ー ド (4)で実 行 される。 各モー ドにおける姿勢角は

,NOTE PCの

要求 に 応 じて 12 bitのデー タ (-2048∼ 2047[deg],反時 計 回 りが正

)と

して出力 される。分解 能 は 1[deg] であ り

,結

果 は採用すべ きセ ンサ を表す フラグと 共 に

,シ

リアル・ケーブル

(RS-232C)経

由で送 信 され る。 軸             ｃｍ 車           Ｈ

締

 

 

 

 

 

軸

Ｔ

卜

止

図

5

上側か ら見た超音波センサ配置位置 (数字は各素子 につけた素子番号) 以上 を考慮 して

,シ

ステムとしての姿勢角を決 定する際には

,走

行環境や走行時間を考慮 し

,各

セ ンサの使用方法 を検討する必要がある。そこで, 図 6の モー ド・スイッチによつて

,磁

気方位セ ン サ

,ま

たはジヤイロ・セ ンサの一方 を単独で使用 す るモー ドと

,両

セ ンサを併用するモー ドとを切 り替え可能 とした。 測定する場合には

,ま

ず両セ ンサを図 7の よう に配置 し

,電

源投入時 (リ セ ッ ト時

)に

おける両 デー タの初期値 を基準角度 として記憶する。磁気 方位センサの初期値は

,そ

の時の絶対方位角であ り

,ジ

ヤイロ・セ ンサの初期値 は

0[deg]と

す る. そ して走行がスター トすると,磁気方位 セ ンサ・ モー ドの姿勢角は

,走

行時に検 出される絶対方位 角 と

,そ

の初期値 との差 となる。一方,ジヤイロ・ セ ンサ・モー ドの姿勢角は基準角度か らの相対角 度である。 また

,両

センサの併用モー ドでは

,通

常のシス テム姿勢角 として磁気方位センサの値 を採用する。 一定時間 (5秒

)以

上 ジャイロ・セ ンサの姿勢角が 変化 しない場合

,基

準角度 をその時の磁気方位 セ ンサ姿勢角に選び直す。これにより

,ジ

ヤイロの 積算誤差の問題が解決す る。また

,両

セ ンサの姿 勢角 を比較 して

,そ

の差が

10[鞄]以

上 となった 場合

,強

い外乱の影響により

,磁

気方位セ ンサの 方位角検出に狂いが生 じたと考 える。 この時には, システム姿勢角 としてジヤイロ・センサの値 を採 用 し,タト乱 にす寸処する。 この際

,ジ

ヤイロ・セン NOTE PC Z80 (磁気 図

6

ジヤイロ・セ ンサ回路及び姿勢角認識部 の ブロ ック図 鉄 製の後部 ラ ックによつて生 じる外乱の影響 を 防 ぐため

,ラ

ックか ら離 して配置 した発泡 スチ ロ ール材 に磁気方位 セ ンサ を固定 した。 また

,図

7 の ようにジヤイロ・セ ンサ も磁気方位 セ ンサの回 転軸 とほぼ等 しい位置 に設置 した。

2.4

エ ン コ ー ダ

DREAM-2の

位置 認識 の改 善 のため に走行距離 測 定用エ ンコー ダを作 製 した。 エ ンコー ダ とは

,モ

ー タと同軸 上 に なる スリッ ト円盤 を フォ ト・ インタラプ タで は さみ

,こ

れに よる光の

ON/OFF信

号 をモ ー タの回転数 と して検 出 す る もの であ る

[8].エ

ン コー ダの外観 図 を図 8に示す。 また

,ブ

ロツク図 を図9に示す. Vout 伸 サ ４   ， 劇 ﹁ 劇 ﹁ 差動 増幅器 ◆ 日―′ヽ°ス フイルタ ︱ 封 ﹁ ︱︱ A/D 変換器 (8 bit) VReF

立

Z80 CPUホ｀―卜｀(4) 姿勢角 一 S‐232C モート 一 ヽ   ド

Ｔ

・

い

・

_呻

里

︺

胆

) ヽ ) 磁気

O

ρ ／ ′ ｏoガャイロ 磁気,デ ャイロ_併用

磁 気 方位 セ ンサ チ ロー ル 図

7

ジヤイロ・セ ンサ と磁気方位 セ ンサの 配置図 40[cm] 21[cm] 図

9

エ ンコー ダの ブ ロ ック図

3.DREAM‐

2の

走 行 制 御 3.1.シ ミュ レ ー シ ョン に よ る フ ァ ジ ィ・ル ー ル の 獲 得 走 行実 験 の ため に採用 した走行 コー ス を図

10

に示す。 ロ ボ ッ トは 図の矢印に従 い 、屋 内廊 下 を走行す る。 この コースは

,実

用段 階 を意識 した ものであ り

,長

い 直線 や左 右両方 向の コー ナー な ど

,様

々 な要 素が 組合 わ され

,か

な り複雑 な コース となっ ている。 ここでは

,例

えば「左折 だけを目標にす る」場合 と異 なり

,一

部分における走行結果が, 次の段階の走行に大きな影響 を及ぼす。そのため 「左折のみ」の単純な走行 と比較 して

,よ

り高精 度な走行制御が要求される. (領 城 8) 右壁 に沿つた直進 日標進行方向0 (嶺域6) ん析 日標 進 行 方 向90・ (領政 7) 右折 目標,ヒ行方向ll 日標 進 行 方 向O (領政5) rf壁に沿つた直進 日標進行方向0 (領域 4) 右折 (領域 ク) た折 日標,ヒ行方向91) (領域3) 右壁 に沿つた直,ヒ 日標進行方向 90 (領域1) 左壁 に沿 った直jt 日標進行方向0 スター ト地 点 フォ ト・インタラプタ 1.2[cm] 図

10

走行実験 コース 図

8

エ ンコー ダの外観 図

大木誠・荒木晃徳 ,大 北正昭:自律移動 ロボ ッ トDREAM 2の走行実験

3.2

実 環 境 に お け る走 行 制 御 図

10の

走行 コースは

,以

下 に示す

4種

類 の基 本的 なコースに分害Jされ る。

(1)左

壁 に沿 った直進

(2)

右壁 に沿 った直進

(3)左

折

(4)右

折 各基本 コースごとに境界線 を設定 し

,コ

ース全体 を区分 けす る と

,単

一の 目標進行方向 を持つ, 8 つの領域が生 じる (図

10参

照)。 今 回の走行 で は

_,各

領域 それぞれに最適 な走行制御 を組み合 わ せ るため

,ロ

ボ ッ トの走行制御 用 ソフ ト・ ウェア では

_,「

各領域内 にお ける基本 コースでの走行制 御 を的確 に実行 す る処理」 と「走行 中の領域遷移 を確認 し

,各

領域 に適合 した走行制御 を導 出す る 処理」 を行 う。

3,2.1

各領 域 内 に お ける基 本 コー ス で の走 行 制 御 各領域内における走行制御 には

,

簡略型 ファジ イ推論

[9]を

用いたファジィ制御 を導入する。 実際

,4種

類の基本 コースにおける走行制御 を表2 で示す9つの制御規則の組み合わせ により記述する. ここで

,x,

_φ (前件部変数

)は

制御対象の状態 変数である。

Xは

車体 と壁面間の距離情報

,

φは 目標進行方向 とロボッ トの進行方向 とのずれ角度 を表 し

,後

述の各走行環境に適 した値 を採用する。 また

,

θ (後件部変数

)は

制御対象への操作量で あ り

,実

際 には

DREAM-2へ

の要求操 舵 角 とな る。

B,M,S,PB,PS,Z,NS,31Bは

言 語 変 数 (フ アジ イ・ ラベ ル

)で

あ り,メ ンバ ー シ ップ関数 を 図

11, 12の

ように決めた。

BR,SR,C,SL,BLは

実 数 値 で あ り

,以

下 の ように設定 した

.各

値 は

,DREAM-2に

おける左 右の操舵範 囲 (図

3)の

最大値 と

,そ

の半分の値 を採用 した ものであ る。 BL。 …50° , SL・…25° , C・…0° , SR。中_25°

_{, BR・}

… …50° 以下では

,4種

類 の基本 コースにおける走行制御 に 関 して

,各

制御規則や メ ンバ ー シ ップ関数の形状 について説明す る。 表

2

ファジ イ制御で用いる制御規則及び 組 み合わせ

25cm 40cコ

n 60cm 75cm

図

1l Xの

メンバ ー シ ップ関数 0° 5° 10° 図 J 制 御 規 則 行 動 パ ター ン 左 暗 に 沿 っ た 直 進 右壁 に ,合った 直,と 左 折 右 折 規 則1:rx、B thcnげ にBL ● 規貝」2 :ifX is Sthcn pis BR ● ● 規貝」3 :if X is B thcn llis BR ● 規則4 :if X is S thcn'Is BL ● ●

規則5:fX is M and φiS Zthen pis c ● ● ● ●

規ll1 6:if X is M and φis NS then'(SR ● ● ●

規 則7:ifX is M and _{φis PS thCn,ヽ} SL ● ● ● ●

規 則S tif φiS NB Ihen'ヽ BR ● ● ● ●

規則9 :if _φiS PB thcn pis BL ● ● ● ●

12

_{φのメンバーシップ関数}

(1)左

壁 に沿 つた直進 この基本 コースが適用 されるのは図

10の

領域 1と なる。 ここで

,直

進走行時の走行状態 を図1 3に示す。 この時の 目標進行方向 を

,壁

面 と水平 方向 に設定す る。

X3,X4,X7,X8は

,そ

れぞれ 素子番号

3,4,7,8(図

5)の

トラ ンスデューサ によ り測定 される

,壁

面 までの距離情報 であ る。 目標 進行 方 向 X7山可 レ 図

13

直進走行 時の走行状態 左壁 に沿 った直進 は

,表

2の規則

1,2,及

び規則 5∼

9の

組み合 わせ によ り実現 される

.こ

こでの入 力

Xと

しては

_,左

_{壁面 までの距離変数}

X7,X8の

最小値

XLminを

採用す る。 図

11の

距 離

X用

の メ ンバ ー シ ップ 関 数 は, ロ ボ ッ トと左 壁 との距 離 が

25[cm]以

下

,ま

た は

75[cm]以

_{上 に な る と早 急 に操 舵 が行 わ} れ

_,常

に

50[cm]程

_{度 の 距 離 を保 ち なが ら走} 行 す る よ うに設 定 され て い る。 た だ

_,実

際 の 壁 面 に は数 ケ所 の ドアが 存 在 して お り

,ロ

ボ ッ トが ドアの 前 を通 過 す る毎 に壁 面 まで の距 離 が

10[cm]変

化 す る。 この影 響 に よ り

,不

必 要 な操 舵 が行 わ れ

,な

め らか な直 進 走 行 が 損 な わ れ る。 この対 策 と して

,図

11の

M

(Medium)メ

ンバ ー シ ップ 関 数 を台形 型 に設 定 し

,

ドア に よ る

lo[cm]程

_{度 の 距 離 変 化 を} 吸 収 す る。 図

12の

_{φ用 メ ンバ ー シ ップ 関 数 は}

_,

_φが 常 に±

10[deg]以

内 の 角度 差 を示 す よ うに設 定 され てい る。直進 時 にお け る φは

,そ

の ま まロボ ッ トと壁面 との なす 角 を表 す。距 離測 定 にお け る最 大 角度差 は

23[deg]程

度 であ る ため

,こ

の設定 に よって

,直

進 時 に壁 面 を見 失 う現 象 を防止 で きる。 なお

_,直

進 時 の車速 は

37[cm/sec]の

一 定 値 とす る。

(2)

右 壁 に沿 った 直 進 この コー スが 適 用 され るの は図

10の

領 域 3,

5,8で

あ る。 用 い られ る制 御 規 則 は

,表

2の

規 則

3∼ 9で

あ り

,入

力

Xと

して は

_,図

1

3の

右 壁 面 まで の距 離 変 数

X3,X4の

最 小 値

XRminを

採 用 す る。 なお

,具

体 的 な走 行 制 御 は左 壁 に沿 っ た 直進 の場 合 と同様 で あ る。

(3)左

折 図

10の

領 域

2,6が

左 折 環 境 とな り

,制

御 規 則 と して は

,規

則

2,及

び規 則

5∼

9が

採 用 され る。 例 と して

,左

折 時 の走 行 状 態 を図

14に

示 す 。 この場 合 の 目標 進 行 方 向 は

_,次

の 直線 走行 領 域 (領域

C)に

お け る 日標 進 行 方 向 に設 定 され る。 また

,こ

こで の 入 力

Xと

して は

_,旋

回後 の 内壁 とな る左 壁 面 まで の 最 小 距 離

XLminを

採 用 した 。 旋 回走 行 で は

,コ

ー ナ ー を走行 す るた め, 距 離 セ ンサ の 測 定 値 は不 正 確 とな る

.そ

の た め

,規

則

8,9を

用 い た姿 勢 角 中心 の 走 行 制 御 が 行 わ れ る。 図

14に

お い て は

_,領

域

Aと

領 域

Bと

の 目標 進 行 方 向 に

90[deg]も

の 角度 差 を生 じる。 よ っ て

,こ

れ らの 規 則 が働 き, 早 急 に進 行 方 向 が 変 更 され る. 規 則

2,及

び規 則

5∼ 7の

距 離 情 報 用 規 則 は

_,旋

回後 の 内 壁 を基 準 に した位 置 補 正 を行 うた め に用 い られ る。 特 に規 則

2を

内壁 へ の 衝 突 回避 の 目的 で採 用 して い る。 各 規 則 の メ ンバ ー シ ップ 関 数 と して は

,直

進 時 と同様 に 図

11, 12を

用 い る。 なお

,旋

回 時 の 車 速 は

25[cm/sec]で

あ り

_,転

倒 防止 の た め

,直

進 時 に比 べ る と幾 分 遅 く設 定 した 。

4)右

折 ﹂ｍ   飾 Ｘ   Ｘ ／ １ ＼ Ｘ ::0::を

目

lil[)

左壁面 _右壁面

40 領域

C

左壁に沿つた直進 大木誠 ・荒木晃徳 ・大北正昭:自律移動 ロボ ツ 領域B 左折 卜DREAM-2の走行実験 表

3

各領域 間の遷移条件 これ らの条件 は

,走

行 コースを分析 して机上で 設定 した値 を

,実

機 による走行 を繰 り返 し行 うこ とで改良 した ものであ る。 なお

,条

件 を設定 し直 す こ とによ り

,あ

る程度柔軟 に新 しい走行環境 に 適応 で きる。 4.走行 実 験

4.1実

験 方 法 今 回改良 した

DREAM-2の

ハ ー ド・ウェアと走行 制御 アル ゴリズムの有効性 を確認す るため に

,図

10に

示 したコースにおいて走行実験 を行 う。 走行 開始地点 は

,本

学部電気電子工学科電子情 報制御演習室

3の

前 の廊下 (図

10の

ス ター ト地 点

)で

あ り

,ロ

ボ ッ トを左壁か ら

40[cm],奥

壁 か ら

160[cm]の

位置 (基準 は車体の左前面

)に

設置す る。 ここで

,初

期位置 における車体 の向 き は

_,左

壁 と平行方向であ る。 また

,走

行終了条件 は

_,ゴ

ール地点に存在す る非常扉 と車体前方 との 距離が

130[cm]以

内 となつた場合 とす る. なお

,実

験 にあたつての拘束条件 を以下 に示す。 ・走行 コース内には突発的 な物体 (通行 人, 障害物

)が

存在 しない。 ・コース内の ドアは必ず閉 まっている。 X(XL llh:X,,X8の最小 値) 領域A 左壁に沿つた直進 図

14

左 折 時 の 走 行 状 態 この コー ス は

_,図

10の

領 域

4,7に

適 用 さ れ る。 こ こで は制 御 規 則

4∼

9が

採 用 され た 。 入 力Xと して は

_,右

壁 面 まで の 最 小 距 離

XRmin

が 選 ば れ

,左

折 時 と同様 な走 行 制 御 が行 わ れ る。

3.2.2

領 域 変 化 の 確 認 走行 コース を領域分 け し

,各

領域別 の走行制御 を行 うため には

,走

行 してい るその時 々の領域 を 把握 し

,そ

の領域 に適 した制御規則 を選択す る必 要が ある。今 回の走行 で は

,環

境認識部 の出力値 が

,あ

る一定条件 を満 た した場合 に走行領域 の遷 移を認識す る。例 えば

,「

前方の壁面が設定値以 内に近づいた」が「左 に壁面がな くなった」等の 情報 を用いる。表 3に 実際の遷移条件 を示す。 ここで

_,XO∼

X9は

,図

5の 素子番号 0∼

9の

超音波 トランスデューサ素子が返信す る。壁面 ま での距離情報であ り

,XFmin,XRminは

それぞれ 車体前方の素子

0,1,及

び 右側面の素子

3,4が

返信する値の最小値である。

2章

で述べたように, 距離測定は

300[cm]以

下の範囲で行 われ

,素

子 が検出する

300[cm]と

い う値 はエラー・コー ド を意味する。また

0(制

御規貝Jの前件部 φとは異 なる

)は

,ス

ター ト地点における車体の向 き (図

10の

領域 1に おける目標進行方向であ り

,左

壁 と水平方向に設定

)を

基準 とした相対姿勢角を表 す。領域の遷移は各条件全てが満たされた場合に 確認 される。 1目 標進行方 領域遷移 条 件 領域 1→ 領域2 100[cm]≦ xo≦ 130[cm] 100[cm]≦ xl≦ 130[cm] X8=300[cm] 領域2→領域3 _{XRmin<300[cm]}75° ≦ Φ ≦95° 領域3→ 領域4 _X3=300[cm]75° ≦ Φ ≦ 95° 領域4→領域5 _{XRmin<300[cm]}5° ≦ Φ ≦5° 領域5→ 領域6 XFmin≦ 100[cm] 領域6→領域7 80°_X3=3Cltl[cm]≦ Φ ≦ 95° 領域7→領域8 -5° _{≦ Φ ≦}5° XRmin<300[cm] 近

実験 では

,表

2の

制御規則 の入力変数

,ま

た表 3の領域遷移条件 を得 るため に

,車

体前方の超音 波 トランスデューサ素子

0,1,右

側面 の素子

3,4,

左側面の素子

7,8,及

び姿勢角 セ ンサ を使用す る。 姿勢角検 出に至 っては

,ジ

ャイロ・セ ンサの検 出 値 を採用す る。我 々の予備実験 では

,鉄

筋構 造の 屋 内環境 における磁気方位 セ ンサの検 出精度 は, 外乱 の影響 によ り大変不安定 な もの となることが わか つてお り

,ま

た新 た に作製 したジャイロ・セ ンサ部が

,以

前 ほ どノイズの影響 を受 けないため, 走行 時間が比較的短時間であ る場合

,極

めて正確 な姿勢角検 出 を実現す る。今 回の走行環境 を考慮 した結果

,姿

勢角検 出 をジャイロ・セ ンサのみ に よ り行 った。 また

_,3章

で述べ た走行制御 アル ゴリズムを, MS―

DOSパ

ソコン上の

C言

語 によって言己述 し, そ の 実 行 フ ァ イ ル を ロ ボ ッ トの

NOTE PCに

お い て 起動 し

,走

行 を開始する。 ファジィ推論

,環

境情 報の取得

,及

び操舵信号出力は

,約

0.12[sec]間 隔で行 われ

,各

セ ンサか らの取得情報や

,ロ

ボ ッ トが前輪操舵回路 に要求 した姿勢角等は

,そ

の間 隔ごとに

NOTE PCの

ファイル上に保存 させ る

.各

処理 を制御 プログラムのループ内で実行 させ

,走

行時間の更新 にのみ

, NOTE PCの

タイマ割 り込み を用いる。制御 プログラムのフロー・チャー トを 図

15に

示す.

4.2

実験 結 果 図

16に

実験 より得 られた走行軌跡 を示す。こ れは

_{,NOTE PCの}

_{ファイルに保存 された}

_,走

_{行 中} の ヒス トリ情報か ら求めたものである。 また図

17∼

19は ,各

領域 における制御規則 の入力変数 φ

,Xと

,H段

階の出力操舵角 (図3) の時間変化 を表 している。これ らの図より

,制

御 規則の妥当性が評価で きる。 図

20は

,領

域 1に おける車体前方の距離セン サ

0,1の

値の時間変化である

.こ

のグラフは

,前

方に物体が存在 しない場合にも

,距

離セ ンサが値 を検出する事実を示 してお り

,表

3の 領域遷移条 件の作成の際には

,こ

のことを十分に考慮 しなけ ればならない。 図

15

制御 プログラムの フロー・チ ャー ト 図

16

走行軌跡 システムの初期化 タ イマ ス ター ト 環境情報の取 り込み 状態情報 をファイルヘ出力 終了条件を 満た した力と タイマ ス トップ

大木誠・荒木晃徳,大北正昭:自_{律移動ロボツト}DREAM-2の走行実験 夢[deB〕 X tcm] X[cm] (XRmin〕 出力操籠角 [deg] φ tdeg] 領域6 領域7 鶴 一 ︲ ︲ ︲ ︲ ︲ ︱ ︱ ヽ ︲︲ｏ 中 Ｈ ． 日_［ ︲，︲叫 ・ ！！︲_中呻 中 ¨ 一 中 十 四 120 経過時 間[scc] 経過時間tttc] Ｉ Ｉ Ｉ に 削 刊 ＝ ” Ｈ Ｈ ｉ ｔ ， Ｉ ｈ 図

18

_(つづき)

図

榊

７  触 領域 1にお ける入力変数 と出力操舵角 領熾3 領熾4 領域S 領戯6 領域7 経過時間[sec〕 領域

2∼ 7に

おける入力変数 と 出力操能角 経過晴岡[scc〕 図

18

ｘ

︲

_嚇

_ｃ

_ａ

ｍ

獅

細

︲

ｓ

。

∞     ５ 。     。 経過時間 [鍼] O Ю 力 30 n SO ω 70 80駆 鵡 隣 司 図

19

領域8における入力変数 と出力操舵 角

期回

図

19

(つづ き) Xo[cm] 3ω 250 Xl[cm] 3KXl 250 200 150 lKXl 50 0 70 80 90 経過時間[scc] 図

20

領域 1に おける前方距離センサの 検出結果 5.差角言寸 走行 実験 で得 られた走行 軌跡 (図

16参

照

)に

つ いて

_,各

_{領域 にお ける制御結果 を検証 する。左壁} に沿った走行である

,領

域

1で

の状態情報 を示 し た図

17に

よると

_,走

行 開始か ら

45[sec],つ

ま り

,(走

行速度

37[cm/sec]を

考慮 して

)ロ

ボ ッ トが

16.5[m]進

む間は

,

_φ(進行方向と目標方向 とのずれ

)が

oを

示 してお り

,操

舵角も変化 して いない。

Xの

値 (ロボットの左側の超音波素子7,

8の

最小値

)に

着 目す る と

,

ドアの前 を通過す るた びに

10[cm]程

_{度 の急激 な距離変化が起 こってい} る。 しか し

,図 11に

示 した台形型 の メ ンバ ーシ ツプ 関数「

M(Menum)」

が

_,そ

の変化が 吸収す るこ とで

_,無

_{駄 な操能制御 を回避 で きた。 図}1 8は領域

2∼ 7の

_{旋 回領域 にお ける走行状態 を示} してい る。 この場合の

Xは

,車

体 か ら右壁 までの 距離 となるが

,コ

ーナーにお ける走行 の ため,度々 エ ラー・ コー ドが返信 される。 よって

,こ

こで は φが重要 な要 素 となる。旋回領域 での 目標 進行方 向は

,直

前の領域における方向に対 して 90[て_聴] 変更 され るた め

_,領

_{域遷 移直後の φは突発 的な値} となる。 しか し

,表

2の 制御規則

8,9に

よって, φを

oに

戻す制御がイ子われ

,約

10秒

で 90[deg] の旋回を完了 した。 φのグラフは

,-9o[t蛇]か

ら

0[deg]に

至 る過程が左折

,そ

の逆が右折状態であ ることを意味 してお り

_,左

右

2回

づつの旋回走行 が的確 に実行 されたことを示 している。 領域

8に

おいては

_,図

19が

示す とお り

,同

じ 直進領域である領域

1

と比較 して大 きく蛇行 した 部分 が確 認 された。実際のコース と比べた場合, ドア付近の環境はほぼ同 じである。 しか し

,図

19に

おける

xの

値 は

,図 17の

それに対 して変 化が 激 し く

_,台

形 型メンバー シップ関数において も吸収で きなかった。理 由と しては

,車

体 の両サ イ ドに設置 したセ ンサの特性 に差異が存在 したこ と

,ま

た

,領

域

8に

は左右両方の壁面 に ドアがあ るため

_,超

_{音 波が複雑 に反射 した こと等が考えら} れる。 領 域変 化の確認 については

,最

初 に机上 で遷移 条件 を作成 した際

,領

域

1か

ら

2へ

の変化条件は, 「車体前方の超音波距離センサが

lcxl[cm]以

内 を返信 した時」に設定 していた。理想的には

,領

域

1に

おいて前方の素子

1,2は

常 にエ ラー・ コー ド

(300[cm])を

返 し

,突

き当た りの壁が近づ く につ れ

_,そ

_{の距離 を返信 するはず であ る。 しか し} 実際 には

,図

20の

結果 とな つた。 これ による と, スター ト後

65秒

の ところで

,ま

だ直進経路の途中 であるにも関わらず

,前

方の

2

つの素子が

100

[cm]以

下の値 を検出する。最初 に設定 した条件 では

_,そ

の場所 を領域

1の

終了地点 と判断する。 領域

2に

おいては

,日

標進行方向が

9o[deg]左

に 変更 され るため

,

ロボッ トは左折行動 を起 こし, 左壁 に衝 突 して しまう。 こう した現象 に対 処する ため に

_,何

度 も実機での走行 を繰 り返 しなが ら, 最終 的に複数 の条件 を組 み合 わせ

,表

2の

結果が 得 られた。 Ｓ 。 ２ ５ ︲ ２ ６ ３ ０ ・ ３ る ・ ︲ ２_心 剌   ｔ 領域1

大木誠・荒木晃徳,大北正昭:自律移動ロボットDREAM‐2の走行実験 6.お わ りに 自律移動ロボツト

DREAM‐

2

の前輸操舵回路, ジャイロ,セ _{ンサ回路等の改良を行 つた}

_,そ

_して , 実機 での事前走行 により得 られたファジイ制御規 則を用い

,実

環境 における走行実験を行った。 その結果

,微

妙 な前輪操舵が可能となり

,比

較 的長い距離の直進走行が可能 となつた

,ま

た

,姿

勢角 センサによって

,正

確な旋回走行が可能とな った。さ らに各走行の組み合 わせ によって

,屋

内 実環境における.走_{行を制御することができた。} 走1行実験結果か ら明らかなように

,自

律移動ロ ボット

DREAM-2

の基本的な走行性能が確認でき た

.今

後

,ハ

ー ド

,ソ

フ ト両面にわ￨たる改良が繰 り返され

,DREAM‐

2

が早急に実用化 されること が望まれる. 今後の課題 として

,走

行距離計等を用いた自己 位置の認識手法の確立

,障

害物回避のための超音 波FE離 セ ンサ配置の検討

,

また

_,cCDカ

メラによ る画像情報を応用 した走行制御の実現 などが考え られる。 謝 辞 移動ロボット

DREAM-2の

エンコーダ部の機械 加工に御協力頂いた本学工学部,機_{械実習工場の} 方々に御礼申し上げます。 本報告をまとめるにあたり御協力頂いた本学工 学電気電子工学科電子情報制御講座演算制御工学 ハー ドウェア開発グループの諸氏に感謝致します。 本報告の原稿作成の面で特に御協力を頂いた, 上記のハー ドウェア開発グループの帯刀優佳氏に 深謝致 します。 参 考 文 献

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,高

瀬 國克

,

トラッキングビジヨ ンによる移動物体群の実時間同定 と位置姿勢の 計測―マークベース トビジョンの提案‐

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気 嘴許子羊猛Tグ七浮平*半, pp.9・18, 1995, 3]大_本

,荒

木

,山

本

,久

保

,糸

―井

,大

北:自律移 動ロボット

DREAM-2の

走行制御ぅ鳥取大学工学 部研究報告第

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1号 ,pμ61-75,1997,

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北 :折 れ線型 メンバーシ ツプ関数 を用いたファジィルー,レの 自動チユー エング

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藤 昭治:セ ンサエ学入門

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北 出版,1988. 191菅野 道夫:フ ァジイ制御

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刊工業新聞社, 1988, (受理 平成

10年

8月

25日

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