自律移動ロボットDREAM-2の走行制御

下 ，   ∼     ヽ ，   ・

自律移動 ロボ ッ ト

DREAM-2の

走行制御

大木

誠 ・荒木

晃徳 ・山本

大介・久保

智嗣・糸井

誠

*・

_大北

_正昭

電気電子工学科・

*三

菱電機株式会社

Travelling Control ofthe Autonomous Mobile Robot DREAM-2

Makoto OHKI,Akinott ARAKI,Daisuke YAMAMOTO,Tomotsugu KUBO,

Makoto ITOI*and Masaaki OHKITA

Department of Electical and Electronic Engineering,Faculty of Engneering,

Tottori University,Totto

ぅ

680 Japan

E―

[email protected]

―

u.acojp

*Mitsubishi Electtic Corporation,Ltd,Him釘 1,670 Japan

Abstract iin the first generation of our autonomous mob‖e robot ca‖ed WDREAM-1‖,its traveling contro‖ er was only based on uhrasonic sensors having a function to measure the distances bemeen oblectS and robotitseif.During

traveling experimenta‖ y,wa‖s located on both sides of a‖along the robotis course were needed.

Forimproving such a difficulty,the second version ‖DREAM-2“has been designed and constructed. Itis a mobile robot typed as an electrica‖ y driven wheei chair.The aim of‖ DREAM-2Wis to make ittravelin an indoor environment.The supersonic sensors as we‖ as a combined system of a gyro sensor and a magnetic directional sensor are provided. Hence,this combined sensor system seⅣ es to detect the directional angle ofthe mob‖ e robot when the robot can not

measure the distance in a corner atthe cross road This report outlines an hardware architecture of‖ DREAM-2W and

describes a usefuiness ofthe combined sensor system

Key words :Autonomous mobile robot,Indoor environment,Supersonic sensor,Gyro sensor,Magnetic directional sensor,Combined sensor systenl,Trave‖ ing experiment.

1.:よじめに 我 々の研究 室では

,こ

れまでにフ ァジ イ制御 を 用いた自律移動 ロボ ツ ト

DREAM■

を製作 した[1]. 自律移動 ロボツ トの環境認識の手段 には トラ ッ キングビジ ヨンを用 いた方法 など様 々な手法が提 案 されている

[2].DREAM■

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].こ

の ことに より

,自

律移動 ロボ ツ トの環 境認 識 におい て

,超

音波 セ ンサの有効性 が確認 さ れた。 しか しそのセ ンサ が超 音波セ ンサ のみで あ るため

_,以

下 のような超 音波 の特性 による拘束 条 件 を考慮する必要があつた。

(1)コ ス

が超音波 セ ンサ を反射 しやす い

,凹

凸 等がない壁で構成 されていること。

(2)DREAM-1が

壁 に対 して超音波の広が りより大

大木 誠・ 荒木晃徳・ 山本大介 。久保智嗣・ 糸井 誠・ 大北正昭 :自 律移動 ロボッ ト

DREAM一

2の 走行制御 きな姿勢角 をとることがで きない こと. o)の点 に関 しては

,超

音 波 セ ンサ部 を可動 式 に す る ことによ りあ る程度 克服 され た。 しか し交差 点内 の よ うに

,周

囲 に空 間が 開け てい て壁 が存在 せず

,反

射波 を捕 らえ難 い環 境下 で は

,超

音波 セ ンサ のみ では不十 分 な環 境認 識 しか行 えない とい わ ぎ るを得 な い。 また

,超

音 波 セ ンサ を可 動式 に す る際 に も

,セ

ンサ を どの方 向 に向 け るか は距離 情報 か ら得 られた姿 勢角 によ り決定 して いたた め, 壁が 存在 しな けれ ば可動 させ るこ とが で きない と い う

,矛

盾 を含 ん でい る。 このた め

,超

音 波 セ ン サが 姿勢 角検 出に は不 向 きで あ り

,壁

な どに依存 しな い姿 勢角 検 出 手段 を別 に設 け る必 要が あ る と 判 断 した。 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で

は姿 勢 角 を認 識す るた め に ジヤ イロ・ セ ンサ と磁気 方位 セ ンサ を搭 載 してい る。 この こ とに 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 となる。 また

DREAM-2は

電動 車椅子 の 車体 を使 用 してお り

,DREAM-1よ

り大 型 となっ たため

,そ

の死 角 を な くすため超音波 セ ンサ も増設す る。 走 行制 御 に はフ アジ イ制御 を使 用す る。 この フ ァジ ィ 。ルー ルは コンピュー タ上 で行 つた シ ミュ レー シ ヨンに よ り得 られた もの を移 植す る [3]一

[5].

不報 告 では

,DREAM-2の

ハ ー ドウエア構成 と機 能お よび走行制御 について概説す る。 2.DREAM‐2の 構成・ 機 能 2.1全体構成

DREAM‐

2では

_,乗

用 に供 す ることを想定 して車 体 に電動車椅子 を使 用 した

.DR巳

顛 -2の寸法 を図1 に

_,外

観 を図2に示す。 セ ンサ ・走 行制 御機器 類 は車椅 子後 部 に ラ ック を設 けて 設置 した 。セ ンサ ・走行 制御 機 器 類用電 源 は 車載 用バ ッテ リを用 いて い る。現 在 このバ ッ テ リ設置 スペ ース は特 に設 け てな く

,座

席 部 に載 せ て い るが

,将

来 的 には後部 ラ ツ ク下 に設 置す る ことを考 えて いる。

DREAM‐

2の主 な仕様 を表2.1に 示す。 単位:[cm] 図

l DREAM-2の

各部の寸法 図

2 DREAM-2の

外観写真

部

鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻 表

2:l DREAM-2の

主な仕様 サ イズ 全長 中冨 (甫ittЬ) (後部) 重量 ホ イールベース トレッ ド長

(前

輪) (後輪) 113cm 5∝

m

60cm 83kg 54cm 40cm 53cm 車 椅 子 部 型 式 ・種類 EMC-100型 OE 駆動方式 前輪パ ワーステア リング・後輪直接駆動 制動方式 モー タ発電制動 及び電磁 ブ レーキによる全 自動方式 車 輪 前輪 :径251×幅

80mm

後輪 :径390×幅

66mm

モ ー タ 電子最大 出力

24V 450W×

2 重 量 本体 バ ッテ リ(EB35)を含 む重量 ４Ｋｇ ｌＫｇ (車椅子のみ) 最大登坂力 20° 実用登坂力 10° 段差乗越 6.5cm 最大隙 問越 18.5cm 最小 回転半径 80cm 最大 ステア リング角 タト輪 内輪 ６   ４ 電 源 バ ッテ リー 12V×

2(動

力部用) 速 度 前進 後進 0∼6.O Km/11 0∼4.O Km/h 制 御 部

CPU

PC-9801 NS(NEC嘉と)

i386SX-12MHz

RAM 640KB MS― DOS上

で 動 作 車椅子駆動‐操舵制御 D/Aコ ンバ ー タ(8bl)× 2によ り電圧制御 環 境 認 識 部 ジ ャイロセ ンサ (出力:‐23040。 CX10∼0∼+23039.297 deg) 磁気 方位 セ ンサ (出力 ,0∼360 deg) 超音波距離セ ンサ (出力 :20∼300 cm) イ ン タ フ エ ー ス 拡張 スロッ トラック 98RACK(15)V (イ ン タフェー ス製) 拡 弥ψヾス メドー ド

98BSET― EXCEL(NOTE) (イ

ン タ フ ェ ー ス 弟と) パラレル入出カボー ド 98PPI(96) 8255(PPI)× 4 (イ ンタフェース製) を実装 付 加 装 置 用 電 源 バ ッテ リー 12V× 1

大木 誠・ 荒木晃徳・ 山本大介・ 久保智 嗣・ 糸井 2の走行制御 誠 。大北正昭 :自 律移動 ロボ ッ ト

DREAM―

DRIAM-2の

全体構成 プ ロック図 を図31こ示す。

雪

,マ

ロ

到 ぞ

う

と

二

_{,レ ￨そ}

写

ξ

と

,レ

‖

:号

と

コ

レ

図

3 DREAM-2の

全体構成ブロック図 同 図におい て, ノー ト型パ ーソナル コンピュー タPC-9801 NSsotePCと 略す)では

,全

体の統括 と走 行 制御 を受 け持 ち

,パ

ラ レル ・ イ ンタフェー ス は鴻255)を通 して得 られたセ ンサ

`デ

ータを用いて ファジイ推論 を行 う。また

,状

態表示 と状 態情報 の保存 を行 う

.走

行制御 プログ ラムはC言 語 を用い て作成 し,MS―

DOS上

で動作する. 操 能・速度 制御 は

,電

動車椅子 のハ ン ド・コン トローラの制御電圧入力部 を利用する。この制御 電圧 入力 部は2入力 あ り

,そ

れ ぞれを便宜 的にL入 力

,R入

力 と呼ぶ[6].速 度はL入 力電圧 と

R入

力電 圧 の和

(Sum:S)に

よ り

,操

能 角 はそれ らの差 (Difference:D)に より与 えられる。電動車椅子 を 制御するには

,要

求速度 と操舵角を

,NotePCで

L入 力電圧 と

R入

力電圧 に変換 し

,車

椅子 コン トローラ に出力する。図4に車椅 子 コン トローラのブロ ック 図を示す. 車椅子 コン トローラでは

,ま

ずNotePCか ら出力 された操能角 と速度 をD/A変換する。このD/Aコ ン バータのアナログ出力範囲は0∼ 2.5[V]なので

,L,R

電圧の最大値12[V]に合わせ るため

,非

反転増幅器 により4.8倍する。この出力電圧値 をL入 力

,R入

力 に与えることにより電動車椅子 を制御する。この 図

4

車椅子 コン トローラ部のブロック図 入力 をD/Aコ ンバ ー タに出力で きる256段 階8bitの値 に変換 した もの を

,そ

れぞれ

xL'XRと

し以下 に示 す

[6].

XL

(S ttD) (S―

D)

制 御電 圧 の 測定 は

,車

体 を台 に乗せ て車 輪 を浮 かせ た状 態 で行 っ た。 この状 態 で は

,低

速 か ら高 速

,あ

る いは小 さ な操舵 角か ら大 きな操舵 角 まで リエ アに理想 的 に変化 してい るが

,実

際 に走行 さ せ る と

_,低

_{速 度や わずか な操 舵 角 の変 化が 走行 に} 適切 に反 映 されな い。 これは 自重 に よ る もの と考 え られる

!ま

た

,操

能 入 力 を直進 に設 定 して も完 全 に は直 進せ ず

,わ

ずか なが ら左 にず れ る傾 向が あ る。そ のた め実 際の プ ログ ラム を実 験 に よ り補 正 した。 2,2超音波距離 セ ンサ 。モジュール 走 行制 御 を行 うにあ た り

,距

離 情報 は重 要 な意 味 を持つ

.DRIttM-2で

は

_,DREANI-1と

_{同様 に超音} 波距離 セ ンサ を用い る。 しか し

,DREAM-2で

は超 音波 セ ンサ を距離 検 出の み に用い るた めそ の シス テ ムは

DREAM-1と

比較 し

,簡

略 化 した 。現 在 の DREANI-2は

,こ

の他 に距 離計測手段 は持 たず

,周

囲 に壁 な どの ない屋外 で の距 離計 側 は 困難 である ２ ５ ５ 一 ２ ４     ２ ５ ５ 一 ２ ４ 一 一       〓

XR

Pロボー ド(パラレル インタフェース) 止

― 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻 が

,DREANf-2は

屋 内走行 を想 定 している ので

,基

本的 に廊 下の 壁 な どを測 定 して十 分 に走行 可能で ある と考 え られる。 超 音波 はあ る程 度 の広 が りを持 ちなが ら伝搬 す る。 この 広が り角度 は

,実

験 に よ り約 ±23度で あ ることがわか ってい る[1]. 単位 :icmi 図

5

上側 か ら見た超音波 セ ンサ配置位 置 DRIttM-2には10組のセ ンサ を搭載 した

.図

5中の セ ンサ内 に記 して いる数 字は セ ンサ番 号 で

,そ

れ ぞれ相 ∼49とす る。欄,#1,#5,#6を 車体 妍 頂点 に設 置 し

,そ

れぞ れ図 の よう に前 方

,後

方 の距 離 を測 定す る。#3,44,47,#8は それぞれ前輪 ・後輪 の車軸上 に

,車

体 に対 して垂直 に設置 し

,図

の ように左右 方向の距離 を測定す る.#2,49は#0,#1と 同一軸線 上 若干 後方 で

,車

体 に対 して斜 め45度 前 方 に向け て 設置 す る 。 これは

,現

在 はセ ンサ を固定 して設置 す る ため

,転

回時 の死 角 を少 な くす る 目的 で設置 した 。超 音波 セ ンサ・モ ジュ ール の ブ ロ ッ ク図 を 図61こ示 す

.Z80CPUは

定 期 的 に10組の セ ンサ に よる距離 の計 測 を制御 し

,計

測結 果 を メモ リに保 存す る。一 セ ンサあた り0,05[s∝〕かか るので

,一

巡 す る には0.5[s∝〕必要 である。計測 結果 は外 部

CPU

か らセ ンサ番号 を与 える と

,割

り込み に よ リメモ 図

6

超音波セ ンサのブロック図 りに保存 しているセンサ番号 に対応 した値 を出力 する。 計測可能範囲 を20∼300[cm],測 定分解 能を1[《 ] になるように設計 した。反射波が弱い とき (3[m]以 上の長距離

)や ,壁

や障害物 が超音波 セ ンサに対 して大 き く傾 いていて反射波が得 られない場合,

Z80CPUは

計測不能 としてエ ラー・ コー ド

oを

返す。 2.3ジ ャイロ・ センサ 。モジュール 2.3.1ジ ャイロ・ センサについて 一般 にジヤイロ・スコープ とは

,3軸

の 自由度 を 持 つた高 速回転体 のことを指 し

,外

か らの力 を与 えない限 り空 間に対 し一定方向を指 し続ける。こ の回転体 に回転角速度 な どを加 えると発生 するコ リオ リカ を検知 し

,セ

ンサ と して用いた ものがジ ャイ ロ・センサで あ り

,航

空機の オー トパ イロッ トな どに用いられている[7]. コ リオ リカ とは

,回

転座標 系の上で運動 する物 体 に働 く慣性 力で ある。 同様 の慣性力 に遠心力が あるが

,遠

Jと、力が 回転座標系 に対 して静止状態の 物体 にも働 くのに対 して

,コ

リオ リカ は運動物体 にのみ働 き

,止

まってい る物体 には働 かない

.振

動体 にも回転体 と同様 に発生す る間. 軸 車 輸 イ 副 “ ‡ １ 波器 洒 V受 波器 40kHz 発 振 回路

脚

﹂ＥＤ

アナψ｀ スイテ アナロタヾ スイッチ … … … 後 輸 車軸

￢

大木 誠・ 荒木晃徳・ 山本大介・ 久保智嗣 。糸井 2の 走行制御 誠・ 大北正昭 :自 律移動 ロボ ッ ト

DREAM―

ンサ 出力 に ドリフ ト以上 の変 化が ない

,す

なわち ジャ イロ ・セ ンサ が回転 して いない状 態が 一定時 間保 たれた 場 合

,積

分器 を放 電す るこ とに よ リ ド リフ ト誤差 を低減す るシステム を製作 した191. ジ ャイ ロ 。セ ンサ・モ ジュ ール の ブ ロ ッ ク図 を 図8に示す。 この ジ ャイ ロ・ セ ンサ 。モ ジュ ール は独 立 に姿 勢角 を検 出 し

,外

部

CPUに

負 荷 をかけ ない。 す な わち外部

CPUは

必 要 に応 じて姿勢 角 を検 出 す るこ とがで きる。 ジ ャイ ロ 。セ ンサ 。モ ジュ ール には 「マ ニュア ル・モ ー ド

Jと

「 ワー ク・モ ー ド」の2つのモ ー ド があ る。 「マ ニュ アル・ モ ー ド」 は主 にモ ジュー ル調 整用 のた めで あ り

,こ

の モー ド時 には積分器 放電 機構 は動 作せ ず

,積

分器 出力 をそ の ま ま出力 す る。実 際 に姿勢 角検 出 に用 い る のは 「 ワ ー ク・ モー ド」であ り

,こ

のモー ド時 には前述の積分器 放電機構が動作する[6]. 本 研 究 では

,回

転体 の代 わ りに振動 体 を用いた セ ンサ「 ジャイ ロス ター

ENV-05A(株 )村

田製作 所製 」 を使用 した 。 ジャ イロ ス ターは三角柱型 セ ンサ 素子

,励

振 ・検 出用 セ ラ ミッ クス

,回

路部 に よ り構 成 されてい る。図7のよう に

,セ

ンサ 素子の 各辺の 中央部 に圧 電 セ ラ ミッ クスを貼 り合 わせ

,3

辺 の内2辺 の圧 電 セ ラ ミッ クスを励振 ・検 出用 と し て

_,残

る1辺 の圧 電セ ラ ミッ クスを帰還 用 として利 用 してい る。動作 は

,ま

ず圧 電セ ラ ミック スに電 気信 号 を加 え

,圧

電効果 によ リセ ンサ 素子 を振動 させ る。 この励振状態 の振動子 の中心軸 (Z軸

)に

回転 角速 度が 加 わ る と

,励

振 方向 に対 して 直角方 向 (Y方 向

)に

コ リオ リカが発生す る。 この力 を検 出用 セラ ミッ クス に よっ て検 出 し

,角

速度 を得 る 構造 となってい る。 回転軸 X&Y合成力M コリオリカ_Y 検 出用圧電素 三角柱 型セ ンサ素子 図

7圧

電式振動 ジヤイロの構造 2.3,2ジ_{ャイ ロ 。セ ンサ 。モ ジュールの構成 と機能} ジ ャイ ロ・ セ ンサの出力 は 回転 角速 度で あ り, 姿勢角 を得 るには この出力 を積分す る。 しか し

,ジ

ャイ ロ・セ ンサ の出力 に は ドリフ ト があ り

,

この 出力 をその まま積分 したので は ドリ フ ト誤差 が積 算 されてい く。 そこで ジ ャイ ロ 。セ 図

8ジ

ャイロ・セ ンサ 。モ ジュールのブロ ック図 2.4磁気方位 セ ンサ・ モ ジュール 磁 気方 位 セ ンサ は

,地

磁気 の磁 束 に よる起電力 を互 い に直交す る2成分 に分 けて検 出 し

,そ

のベ ク トル量 よ り地 磁気 を基準 とした絶 対方位 角 を検 出 で き る。 その ため ジャイ ロ・セ ンサの ように積算 イッチ ング制御回 (8 bit)

鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻 誤差 がない とい う利点が ある

.し

か し

,金

属や磁 石 な ど磁 界 に影響 する外 乱が存在 した場合

,全

く 精度が保 てない 。 と くに

DREAM-2の

走行 環境 は室 内を想定 しているため

,

この ような外 乱が多いこ とが予想 され る。 そこで ジャイロ 。セ ンサ と併用 する。 磁気方位 セ ンサのプロック図を図91こ示す。 図

9磁

気方位 セ ンサのブ ロ ック図 前 述の よう に

,磁

気 方位 セ ンサ の出力 は地球磁 界 に対 して水 平成 分 と垂 直成 分 に分 け られ 出力 さ れる 。そ の値 は差 動増幅 器 で補正 され

,電

圧 リ ミ ッタに出力 され る。電圧 リミッタでは

,AIDコ

ンバ ー タのアナロ グ入 力範 囲 内に電圧 を制 限 し

,磁

石 な どの大 きな外乱 が近づ いた ときの急 激 な電圧変 動 か らAIDコンバ ー タ入力 を保護す る。 さらにロー パ ス・フイル タで ノ イズ成分 を除去 し,10bitの

A/D

コンバ ー タでA/D変換 され

,z80CPUボ

ー ドに出力 され る。

Z80CPUは ,こ

れ らx,y成分 よ り逆正接 関数の演算 を し

_,方

位 角 を求め る。 さらに適宜 外部

CPUか

ら の 要 求 に よ り方 位 角 を出力 す る。 出力 値 は0∼ 359[deg]であ り

_,分

解能 は1[deg]であ る

.サ

ンプ リン グ レー トは3.81Hzであ る。 3.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 行制 御 を実行 させ る フ ァジ イルー ルの 生成 に ここでは コン ピュ ー タ・ シ ミュ レー シ ョン による フアン イ・ルールの 自動 チ ユーニ ングを行 つた。

DREAM-2で

は

_,第

2章で述べ た ようにNote PCを 用いて走行制御 を行 うので,高速 な デス ク トップ・ パ ソ コンでチ ュー ニ ング した結果 をフ ァイル化 し て容易 に移植 で きる。

DREANf-2で

はそ のチュー ニ ング結果 を用いて走行制御 を行 う。 こ こで は

_,走

行 制御 の ため の フ アジ イ・ ルール を遺伝 的 アル ゴリズ ム(Genedc Algonhm:GA)を 用 い た 自動 チ ユ ーニ ングに よ り獲 得 した[3].メ ンバ ー シ ップ関 数 に は

,す

で に 良好 な結 果が 得 られるこ とが わか って いる折 れ線 型 メ ンバ ー シ ップ関数 を 用い た14].推論法 は

,後

件 部が定 数 で 与 え られた, 計算負荷が小 さい簡略化 ファジ イ推論法 を用 いた。 3.2問題設定 交差点 内の左折 走行 を行 う。この問題 を選択 し た理 由は

,交

差点 内では前後左右 に大 きな空間が あ り

,左

折す るためには大 き く姿 勢角が変化す る ので

_,DREAM-2で

新 た に実装 した姿勢角検 知シス テムの有効性 を確認するためである。 シ ミュ レー シ ョン・ コース はス ター ト地点 とゴ ール地点 の形状 を合 わせ

,図

10のよ うにモデル化 した。図10では下側 か ら進入 し

,左

側廊 下に脱 出 する。 ス ター ト地点は交差 点進入側 か ら■0[cm]の地 点 で

_,ロ

ボ ッ ト前 方 左 側 頂 点 を左 側 壁 面 か ら 30[cm〕 ,90卜m],150[cm]の3カ所 に合わせる

.HO[cm]

とい うのはほぼ

DREAM-2の

全長H3[cm]の 分である。 ゴ ー ル 地 点 は 交 差 点 角 か ら

150[cm]の

地 点 に

DREAM-2の

前部 が さしか かるまで とする。走行の 評価 は

,交

差 点進 入時 と脱出時に評価 し

,姿

勢角 が壁 面に対 して平行かつ脱出時の壁面 か らの距離 が30[cm]付近である場合に高い評価 を与えた。 入 力変 数 を図10の よ うに定義 する。初期姿勢 角 は壁面 に対 して平行 に設定 し

,そ

の角度 をo度とす る

.DREAM-2が

左方向に旋回すると正の姿勢角, 電庄 リ ミッタ

W

ヨ 蓋 整 章 嚢 曇 墾 軍 零 ヨ 蓋 童 一       ︼                   一 一       一                     ︼ ︺       一                     ０     ” Ｘ ∬

L L

! 150 大木 誠・ 荒木晃徳・ 山本大介・久保智嗣・ 糸井 2の 走行制御 I 2tXl i ￨ １ ２０８ ユ 単 位:[cm] 図

10

シ ミュ レー シ ョン・コース と入力変数定義 右方向 に旋回する と負の姿勢 角をとり

,±

180度で 表現する。 入力変数 も実 際の

DREAM-2に

あわせ

,車

体 の周 囲に配置 した超音 波距離 セ ンサ と姿勢 角検知 シス テム より得 られる姿勢角 とす る。超音波 センサ は, 右側 面 と後方分は必要ない と判断 し

,左

側 面 と前 方の欄,#1,#7,#8,栂 (図10参照

)の

み を使 用 した。 図で蜘での測定距離 を豹 で表す(q=0,1,7,8,9)。 2.2節で述べたよ うに

,超

音波距 離セ ンサ には広 が り伝搬 特性 がある。そ こでセンサ方向 上23度 内 に垂線 を引 きうる壁面が存在するならば距離 を返 し

,そ

うでなければ計 測不能 と して300[cm]を返 す ようにこの特′陛をシミュレーシ ョンした。 図11の例 では

,壁

面 に対 して約15度傾 いている。 この状態では#7,#8は測 定可能で あるが

,栂

は壁 に 対 して23度 以 上傾 いているの で計 測不 能であ る。 図

Hの

上 方は交差 点内であるが

,こ

の方向に も壁 面が存在 しないので#0,#1も計測不能である。 出力変 数は操舵角のみであ り速度制御 は行 わな い。ルール数は6イ固用意 した。 この数は経験的 に得 られた ものである。 誠 。大北正昭 :自 律移動ロボッ ト

DREAM―

図

11

超音波 セ ンサの特性 図 拘 束条件 と して, (1)25度以下の操舵角出力 は無条件 に0度 とす る。 (2)前回 と今 回の操舵 角出力 の変化分が 9度 以下の場 合操舵角出力 をその ままと し変化 させ ない。 (3)いずれかの距離セ ンサが25[cln〕以下 を示 した場合, 衝突 防止 のた めの 緊急停 止機 能が 働 い た と してそ の遺伝子でのシ ミュ レーシ ョンを打 ち切 る。 ④ 速度 は10.0[cmハ]の定速走行 であ る。 (1),(2)の条件 は2.1節で述べ た ように

,電

動 車椅子 のハ ン ド・ コ ン トロー ラ入力 部 を用い た場 合の挙 動 をシ ミュ レーシ ョン した ものである。 以 上の ような手 順 で 自動 チ ュー ニ ン グを行 い,

2種

類 の ファ ジ ィ・ルー ル を得 た 。 この シ ミュ レ ーシ ョン結果 のメ ンバ ー シ ップ関 数 を グラ フ化 し た もの を図12及び図13に示す。

L

下

鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻

坦

韓

≠

前件部

後件部 xO xl x7 x8 x9 姿勢角

画魁阻蝿例蝿阿Шお

m蝿

_{血Ⅷ魁蝿蝿硼}

晒

W蝿

蝿畑翅砲側岬

・囲

朧鯉魁Ⅷ畑鸞興岬□

曲魁蝿側鰹饉剣岬

m

陣蝿蝿幽囃蝿阿Ш“

xO∼ x9は超音波距離センサの値lcm],PIはκ(円周率)である. 図

12

_{シ ミュ レー シ ョンによって得 られた} メ ンバ ー シ ップ関数1 前件部

後件部 xO xl x7 x8 x9 姿勢角

円嗚斑血翅呵図岬側

m蝿

_{幽囃蝿血劇呻}

陀坦皿山処蝿奥呻帥

随蠅蝿捌図血剛硼

V

田魁鍵図鰹鰹幽岬闘

耐蝿蝿Ⅷ蝿蝿幽則工蝠

xllヽx9は超音波距離センサの値臣ml,PIはF(円同率)である 図

13

シュ ミレー シ ョンに よって得 られた メ ンバ ー シ ップ関数2 図14及び 図15は

,そ

_{れ ぞれ シ ミュ レー シ ョン結} 果1, 2の ファジ ィ・ ルールを用 いてシ ミュ レーシ ョン走行 を行 った結果で ある。 フ ァジ ィ 。ルール の獲 得時 は

,一

段 階の速 度 で行 っ たが

,実

際の走 行実験 は2段 階の速度 で行 う。実際の

DREAM-2の

走 行 と比較 す る ため に

,そ

れぞ れの 速度 とス ター ト 位置 を変 えてシ ミュ レー シ ョン走行 させ た。 図の左側 は速度10.0卜m/S〕,右側 は速度31,35[cm/s] での走 行 で

,車

体 枠 ひ とつあ た り4回推論 してい る。 現在 の

DREAM-2で

は

_,1推

論 あた り0。63[s∝〕必要 な ので

,右

側 は6.3[cln/推論

],左

側 は19.75[cm/推論」 の間 隔で ファジィ推 論 を行 っている。上 か ら順 に, そ れ ぞ れ の ス タ ー ト位 置 が 左 側 か ら の壁 か ら 30〔cm],90[cm〕 ,150[cm]の場合 の走行 軌跡であ る。

￨_

図

14

シ ミュ レー シ ョン結果11こよる走行 図 (1)シ ミュ レー シ ョン結果1のファジ ィ 。ルールでは, 全 て の速 度 とス ター ト位 置 におい て良好 に走行 し た。 左側 面超音波 距離 セ ンサが全 て3001cm],す なわち 車体 が全 て交 差点 内 に進 入 した時 点で操舵 操作 を 始め

,姿

勢角が90度_{付近 になれば操 舵角 を}oに戻 し てい る。 (2)シ ミュ レー シ ョン結果2によるフ ァジ ィ・ルール では

_,壁

_{か ら離れ る と適 切 に走行 で きなか った。} ス ター ト地点カラ0[cm]の場合では

,交

差点 脱 出後壁 面 に平行 にな らず

,ス

ター ト地 点が1501cm]の場 合 は

_,ス

_{ター トと同時 に操 舵操 作 を始め}

_,左

_側壁面 に衝突 し交差点 に進入で きなかった。 左 折が 可能 なス ター ト地点 を設 定す ると

,シ

ミ ュ レー シ ョン結果1の場合 と同様 に

,左

側面超音 波 距離 セ ンサが 全 て300[cm〕

,す

_{なわち車 体が全 て交}

大木 誠・ 荒木晃徳・ 山本大介・ 久保 智嗣・ 糸井 2の 走行制御 誠 。大北正 昭 :自 律移動 ロボ ッ ト

DREAM―

差点 に進 入 した時 点で操 舵操 作 を始 め

,姿

勢 角が 90度付近 になれば操舵 角 をoにもど してい る。

￨

￨_

図

15

シ ミュ レー シ ョン結果2による走行 図 4.走行実験 4.1実験方法 前 章 の シ ミュ レー シ ョンに よっ て得 られ た ファ ジ イ・ ルール を

DREAM…

2に 移植 し

,走

行 実験 を行 った。走行実験 コースを図16に示す。 場所 は

,工

学部 中央廊下3階の旧 電気電子工 学科 棟 との交 差点 であ る。機 械工 学科 方面 か らス ター トし

_,旧

電気電子工学科棟方向 に左折 させ た。 フ ァジ ィ・ ルール は,3.2節で 述べ た よ うに

2種

類用 意 し

,以

下の よ うな条件 で走行 実験 を行 っ た。 (1)シ ミュ レー シ ョン結果1,2のルー ル用い

,速

度 を

2段

K10,0[cm/s],31.35[cln/S〕 ),ス ター ト地 点の左 側壁 か らの距離 を30[cm],90[Cm],150[cm]の 場合の計 6条件 について実験 した。 o)金属 棒 を使 用 して

,磁

気方位 セ ンサ に外 乱 を与 えた場合 。 フ ァジ イ・ ル ール は シ ミュ レー シ ョン 結果2の もの を用いた。 (3)速度 を46.51[cm/S〕

,左

側壁か らの 距離 を9otcm]と した場合

.フ

ァジ イ・ ル ール はシ ミュ レー シ ョン 結果2のもの を用いた。 図

16

走行実験 コース 4.2走 行制御 プログラム 図17と 図18に走行制御 プログラムのフ ローチ ャ ー トを示す。 全 てのセ ンサ 。データを,割 り込みに より0。1[seCl 毎 にプロ グラマブル・ペリ フェラル・ インターフ ェース (pЮgrarnable pe pheral interfaceIPPI)ボー ド

より読み込む。ただ し読み込 んだセンサ値 が最新 の ものに更新 されているか どうか は

,セ

ンサ 。モ ジュール側のサ ンプリング速度に依存する. フ ァジイ推論は約0.6[s羽毎 に行 う

(PC-9801NS

i386s x‐

12MHzの

場 合)。 推論毎 にセ ンサ情 報 と推 論結 果 を画面 表示 し

,ヒ

ス トリ情報 と して ファイ ルに保存する。 木 科 土 学 ▲ 學 ︱   至 工

却

_蜂

影

鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻 図

17

走行 制御 プログラム フロー 。チ ャー ト1 (メ イ ン

,セ

ンサ値取得) 4.3実験結果 図19及び図21に実験結果 を示す。図中の10,0]の地 点が ス ター ト地点 で ここ に超 音波 セ ンサ#oがくる ように

DREAM-2を

配置 す る。 また

,斜

線部 分 はス ター ト時の

DREAM-2の

進行 方向 に対 して左側 の壁 であ り

,縦

軸

,横

軸 はス ター ト地点 での

DREAM-2

の進 行方 向 に対 しそれぞ れ

,左

方 向 と前方 向の距 離で単位 は[cm]であ る. こ れ らの図 は一 定速度 での走行 であ る とい う仮 定の もと

,ヒ

ス トリ情報 の姿 勢角 をも とに

,単

位 時 間 当た りの走行 距離 と方向 を求 め

,超

音 波 セ ン サ#0の 走行 軌跡 を再現 した ものであ る。 この走 行軌 跡で は

,左

折後 右側 に くる壁 の中を 走行 す る ことにな るので

,図

中で は この壁 を省略 す る。実 際の 走行 の際 に は

,旋

回 な どを行 うとき に必 ず しも一定速度 を保 っていないのでこの図の 軌跡 とは異 な った走行経路 をた どる。 しか し

_,大

まか な軌跡や走行 終了時の姿勢角 などによ り

,走

行の可否が推測で きると考えられる。 速度10 0iclWS〕 _{速度31 351cn1/S〕} シミュレーション結果1を使用 図

18走

行 制御 プ ロ (モニ タ; グラム フローチ ャー ト2 走行制御 部) 引数取 得 Vsync割り込み スター ト 柳 ３ Ｓ ０ ３ 。 。 ２ Ｓ 。 獅 向 ︲ Ｏ 。 小 超 音波 距 維 セ ンサ 緊急停止 しきヽ 小超 音波 距離 セ ンサ 緊急停 止 しきヽ 蜘 獅 獅 ｍ ｍ 図

19

ヒス トリ情報 による走行軌跡再現図1

大木 誠 。荒木晃徳・ 山本大介 。久保 智嗣 。糸井 誠 。大北正昭 :自 律移動 ロボ ッ ト

DREAM―

2の 走行制御 速度10 速度3135眸m^I 速度100[cnVSI 速度31 351cln/SI シミュレーション結果2を使用 図

20

ヒス トリ情報 による走行軌跡再現図2 5.検言寸 シ ミュ レー シ ョン結果1を用い た場合

,シ

ミュ レ ーシ ョン走行で は

,糊

が300胎m]を 示す 時点

,す

な わち車体 が全 て交 差点内 に進 入す る と操舵 操作 を 開始 す る。実 際の 走行 におい て も同様 の操 作 を行 ってい ることが確認で きたが, ・操 能操 作が遅れ気味で あ り

,場

合 に よっ ては左 折が 間に合 わず

,対

面 の壁 に衝突す る ・ス ター ト地点が壁か ら離れると転 回動作 を行 う とい つた 問題 が起 こった

.壁

に衝 突す るの は超音 波 セ ンサ値 の更新 にO.5[s∝〕必要 であ る ため

,交

差 点進 入検 出が 遅 れ ることが原 因で あ る と考 え られ る。 また

,転

回動作 を行 う理 由 と して,2.1節で 述 べ た よ うに

,現

在 の

DREAM-2の

車体 には操舵 出力 をo度 に指 定 して も完 全 に直進せ ず左 に旋 回 す る傾 向が あ る ため

,操

舵 出力 以上 に転 回す る とい うこ とが 考 え られ る。 また

,大

きな操 舵 角 か ら小 さな 操舵 角 に操舵 出力 が変化 して も

,前

輪 がそ れに追 従 してい ない とも考 え られ る。 シ ミュ レーシ ョン結果2を用 い た場合 も, シ ミュ レー シ ョ ン走 行 で は

,車

体 が 交差 点 に全 て進入す る と操舵 操作 を開始す る。た だ しス ター ト地点が 150卜m〕の場 合は

,ス

ター トと同時 に操 舵操作 を始 め

_,左

側 壁面 に衝突 し交 差点 に進入 で き なか っ た。 しか し実際の走行 におい ては

,速

度が31.35[cm/s]の 場合 に壁 面 との余 地が ほ とん どなか っ た ものの, 左折 に成 功 した。 これは車体 の滑 りな ど

,シ

ミュ レー シ ョ ンで は再 現 され てい ない 条件 が作 用 し, 交差 点 を脱 出 した後 は操 舵 角 を戻す ルー ルが働 き, シ ミュ レーシ ョン と異 な る結 果が 得 られた と考 え られ る

.ま

た

_,図

20で速度が 10[cm/S],壁 か らの距 離が90[cm]と い う条件 では

,x軸

の270[cm]付 近 か ら 走行 軌跡 が突 然変 化す る とい った現象 が確 認 され た。 図21で も明 らかな ように

,こ

の時 点でジ ヤイ ロ・ セ ンサの値が リセ ッ トされ

,当

然 なが ら磁気 方位 セ ンサの 値 と大 き くか け離 れ るの で

,ジ

ャイ ロ・ セ ンサの値が採用 された ため であ った。 ジヤ イロ・ セ ンサの値が リセ ッ トされ たのは細ush信号 に よ る割 り込 み信 号 を取 りこぼ した こ とが 原 因 と 考 え られ

,ジ

ャイ ロセ ンサ 。モ ジ ュー ルの姿勢角 管理 プロ グラ ムの アル ゴ リズ ム を改善 す る必要が あ る。 い くつ かの走行 実験 におい て

,交

差 点 に進入 し て も左折 せず

,ほ

ぼ直進 し対 面 の壁 に衝突 す るコ ース をとるこ とが あった。 ヒス トリ情 報 を確認 し てみ る と

,#7や

#8辺 りの超 音波 セ ンサ の値が 安定 して い なか っ たの で

,こ

の こ とが 原 因 であ る と考 え られる 。超 音波 セ ンサ の値 が安 定 しない のは, 超音 波 セ ンサ はわ ずかで も反 射波 が返 って くれば 距離 を測 定す るの で

,壁

の出 つ張 りな どの距離 を 測定 した と考 え られ る. また

,

ヒス トリ情報 をみる と, ゴー ル地 点で磁 気方 位 セ ンサ の値 が ジヤ イロ ・セ ンサの値 と20度 以上 も異 なっ てい ることがあ つた が正 常 に走行 し た。磁気 方位 セ ンサ が異 常 な値 を示 す要 因 と して, ゴー ル地 点右 側 に鉄製の 防火扉が ある事が挙 げ ら れる

.し

か しジヤイロ・セ ンサ との併用 システム 上 枷 蜘 蜘 獅 獅 山 呻 ∞ Ｏ 速度100[caVS〕 速度3135胎 mハ〕 ∞ ＳＯ ∞ ５。 ∞ Ю ∞ ５。 。

鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 28巻 ‐₂₀ 速 度1001●Π】/Sl,た 壁 か らのRI践30fcn〕 速度10 01cn1/S〕.オ践か らの距巌9o〔fm〕 20 30 晴同[sec] 調整 をして

,操

能 角出力 が正確 に反映 され るよう にする必要がある。 現在

,DREANI-2の

制御 はハ ン ド・ コン トロー ラ の入 力部 をそ の ま ま利用 しているが

,こ

の 入力部 は操 舵 出 力の変化 がわず かで ある と

,走

行 にほ と ん ど反映 され ない 。 この ため

,左

折後 に壁 に対 し て平 行 に なる ように微調 整す るよ うな操作 が不得 手 で ある 。 これ を解決す るに は直 接操 舵 モ ー タを 操作す るこ とが必要であ る。 ６。 ４。 ２。 ０。 ８。 ６。 ４。 ２。 。 ８ ω 己 ば Ａ 尊 ６。 ４。 ２。 ∞ ８０ ６。 ４。 ２。 。 ２。 葛 ｏ 己 ミ ａ 報 ω 蜘 蜘 ２ＳＯ 獅 １５。 ｍ ＳＯ 。 ［ Ｅ 己 と 熙 ４５ ４０ ３５ ３。 ２５ ２。 １５ Ю ５ ０ ・５ ８ ｏ こ ぼ Ａ 尊 獅 ︲つ。 詢 蜘 輸 Ш ８。 ∞ ф ２０ 。 ［Ｅ Ｅ と 巨 ︻ ∞ ∞ ｃｍュ 盛 ∞ 臣は[Cml 速度 10 01enムL/r略か らの距 離Imicml 図

21

交差点左折の場合のジャイロセ ンサ及び磁気方位セ ンサの姿勢角検出結果 (シミュレーション結果2 のルールに基づ く走行) が有効 に働い て

,外

乱の存在 を認識 し採用姿勢角 をジ ャイ ロ・ セ ンサ に切 り替 えて適切に走行 したこ また

,磁

気方位 セ ンサに金属 を近 づけ るこ とによ り強制的 に非常に大 きな外乱 を発生 させたが

,図

22の上側の 図の ように走行 は成功 した。これらに より

,磁

気方位セ ンサ とジャイロ・セ ンサ の併用 システムの有効性が確認できた。 前述 の ようにDREANI-2の 車体 には

,ご

くわずか なが ら左 に旋 回す るとい う傾 向が ある。これは車 椅子 の車体の機械 的な誤差である と考 えられ

,調

整 を試み たが完全 には取 り除 けなかった。 これを 解決 する には

,前

輪切 り角の情報 を取得で きるよ うなセ ンサ を付加 し

,そ

の情報 を元 に切 り角の微

大木 _{誠・ 荒木晃徳・ 山本大介・久保智嗣・ 糸井 誠 。大北正昭 :自 律移動ロボット}

_DREAM―

2の 走行制御 ４。。 ３５。 ３。。 ２５。 細 ︲５。 ︲０。 ５。 。 ［Ｅ 己 樹 ШЩ 時間[sec] 図

22

外 乱 を加 えた と きの交差 点左 折 走行 速度10[cmハ_],左壁か らの距離30[cm],外乱付与 上 図:走行軌跡

,下

図:姿_{勢角認識結果} 6.おわ りに フ ァジ イ制御 を用いた 自律移動 ロボ ッ ト

DRE畑

昨 2を_{製作 し走行制御 を試みた。その成果 と して,} (1)超音 波 セ ンサ を距離検 出のみ に用い たた め,

DREAM-1に

_{比べ その システムが簡略化 された。} 9)ジヤ イロ・ セ ンサ と磁 気方位 セ ンサ によ る姿 勢角 認識 部 を付加 し

,壁

な どによ らな い姿 勢角認 識が可能 になった。 (3)ジ ヤ イロ 。セ ンサ と磁 気方位 セ ンサ を併 用す るこ とに よ り

_,外

_{乱が生 じた場合 で も操舵 不能 に} な らない こ とが確認 で きた。 さらに, い)フアジ イ・ ルー ルはシ ミュ レー シ ョ ンで 得 ら れた もの を移 植 し

,交

差 点左 折走 行 におい てその 有効性が確認 された しか し

,交

差点 の左折 が成 功 しなか った場合 も あ つた 。

DREAM-2の

環境 認識手段 は

,左

折走 行 に つい ては十分 であ ると考 えられる。 しか し本研究 に お け る走 行 コ ース には特 に障 害物 もな く, DREANf-2以 外 に人間などの移動物体 もなかった。 もしこの ようなよ り複雑 な環境で走行 するために は

_{,CC Dカ}

_{メ ラを用いた画像認識等 も行 う必要が} あると考えられる。 参考文献

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,大

木

,柴

田

,田

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,大

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誤

100 報 50 0 ‐₅₀ -1∞ ‐150 -200

鳥 取 大 学 ェ 学 部 研 究 報 告 第28巻 75

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即Obile Oboiby n gyro sensOr,鷺_事The Faculty of

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