1. 時間制約付き飛行プランに基づく
屋内飛行船ロボットの制御
Control of Indoor Balloon Robot
with Time Constraints
複雑系工学講座 調和系工学研究室
４年 笠脇 裕人

2. 屋内飛行船ロボット[角田 2005]
高さ80[cm]，直径94[cm]の円柱形バルーン
•カメラセンサ(画像：160×144[pixel]，カラー：RGB16bit)
•T-Engineシステム(CPU：216Mhz，RAM：16MB)
•プロペラ・モータユニット
(プロペラ：各軸に2組ずつ6組，推力調整：0.3[sec]間に30回)
プロペラ・モータユニット 実験環境
θ 300[cm] Y
0.75[cm]
X 150[cm] -150[cm]

3. エンタテインメントロボット
３次元移動可能な
屋内飛行船ロボット[Minagawa 2007]を用いたエンタテインメント
シンクロナイズド飛行
（※シンクロナイズ：時間的に行動を一致させること）
音楽にあわせて飛行する
複数の飛行船の行動を一致させる
屋内飛行船ロボットの問題点
空調や慣性抵抗の影響を受けるため，任意の速度になるまでに時間遅れが生じる
指定した時刻に，指定した位置へ飛行することは
実現されていない

4. 目的
指定した時刻に，指定した位置へ飛行する
屋内飛行船ロボットの実現

5. 時間制約付き飛行プラン n :目的地番号 ( n 1)
ox : X 座標の目的地 [ cm ]
飛行プラン oy : Y座標の目的地 [ cm ]
出発地と複数の目的地から構成 oz : Z 座標の目的地 [ cm ]
n番目の目的地を g n (oxn , oyn , ozn , o n , Tn ) と表す o :ヨー角の目的地 [ rad ]
Tn : 到着時刻 [sec]
ただし出発地は g 0 (ox0 , oy0 , oz0 , o 0 , T0 ) とする
g1 (ox1 , oy1 , oz1 , o 1 ,30) 指定した時刻に到着する
目的地での誤差を小さくする
等速直線飛行
等角速度飛行
300[cm]
g 2 (ox2 , oy2 , oz 2 , o 2 ,40)
g0 (ox0 , oy0 , oz0 , o 0 ,0) g 3 (ox3 , oy3 , oz3 , o 3 ,60)

6. 目標速度の計算方法
目標速度
(oxn ox n 1 )
X軸 : ev x (t ) (t Tn 1 Ta ) xt Ta
Tn Tn 1
ev x (t ) : 目標速度[cm/sec] xt : 時刻 t[sec] における飛行船の位置[cm]
Ta : 定数( = 3.0[sec])
0.3[sec]毎に現在の位置と目標位置から目標速度を計算する
X[cm]
oxn
oxn 1
t[sec]
0 Tn 1 t t t t Tn
Ta TaTaTa

7. PID制御（フィードバック制御）
d x (t ) d x (t T)
X軸 : mx (t ) KPx d x (t ) KI x d x (t ) KDx
T y
d y (t ) d y (t T) x1
Y軸 : m y (t ) KPy d y (t ) KI y d y (t ) KDy Y
T 2
4
d (t ) d z (t T)
Z軸 : mz (t ) KPz d z (t ) KI z d z (t ) KDz z 3
T
d (t ) d (t T)
Θ : m (t ) KP d (t ) KI d (t ) KD X
T
m(t) : プロペラ推力 KP : Propotiona l gain Z
d(t) : v (t ) ev (t ),目標速度との偏差 KI : Integral gain
ΔT : サンプリング時間 ( 0.3[sec]) KD : Derivative gain
5 6 Y
m1 (t ) m y (t ) m (t ) m 2 (t ) m x (t ) m (t ) m 5 (t ) m z (t )
m 3 (t ) m y (t ) m (t ) m 4 (t ) m x (t ) m (t ) m 6 (t ) m z (t )
Y軸，Z軸，及びヨー角θもX軸と同様に設定する

8. 実験概要
指定した時刻に，指定した位置へ飛行しているか
ベンチマークを用いて検証する
(1) を固定しながら直線飛行 (2)
(2)位置を固定しながら3 [ rad ] 回転飛行
(3) を / 4[ rad ]回転させながら直線飛行
(4) を固定しながら定位置保持飛行
(1) (3)
飛行プラン
g0 (150,30,150, / 4,0) (4)
g1 ( 110,260,250, / 4,60)
g2 ( 110,260,250, ,70)
g3 ( 110,260,250, / 4,80)
g4 ( 110,260,250, / 2,90)
g5 ( 110,260,250, 3 / 4,100)
g6 (0,200,200, ,120) ベンチマークには，屋内飛行船で考えられる
g7 (0,200,200, ,150) 直線，回転，及び定位置保持飛行が含まれている

9. 実験結果
X座標の時間推移
飛行船の位置 目的地 X[cm]
等速直線飛行の
軌跡
(1) -3.1
(2) -7.4
(3) -3.0
(3) (4)
(4) 3.2
X[cm]
指定した時刻における，
飛行船の位置と
目的地との誤差
(1) (2)
最大7.4[cm]の誤差
t[sec]

10. 実験結果
Y座標の時間推移
目的地 Y[cm]
(1) 7.7
(3)
(1) (2) (4) (2) -0.2
(3) -5.8
(4) -4.5
Y[cm]
指定した時刻における，
飛行船の位置と
目的地との誤差
飛行船の位置 最大7.7[cm]の誤差
等速直線飛行の
軌跡
t[sec]

11. 実験結果
Z座標の時間推移
目的地 Z[cm]
(1) 1.5
(1) (2)
(2) 14.7
(3) -22.4
(3) (4)
(4) -10.3
Z[cm]
指定した時刻における，
飛行船の位置と
目的地との誤差
飛行船の位置 最大-22.4[cm]の誤差
等速直線飛行の
軌跡
t[sec]

12. 実験結果
ヨー角θの時間推移
飛行船の位置 (2) 目的地 θ[rad]
等角速度飛行の
軌跡
(1) -0.05
(2) -0.10
(3) (4)
(3) 0.26
(4) -0.03
θ[rad]
指定した時刻における，
飛行船の位置と
目的地との誤差
(1)
最大15度の誤差
t[sec]

13. 実験結果
5回のベンチマーク実験から，時間制約付き飛行プランに基づく
屋内飛行船ロボットの制御手法を検証する
指定した時刻における，飛行船の位置と目的地との
誤差の絶対値の平均，標準偏差
X[cm] Y[cm] Z[cm] Θ[rad] x,y軸は機体に対して
6%の誤差
平均 4.1 5.1 11.1 0.13
標準偏差 2.9 3.4 8.1 0.09 z軸は機体に対して
14%の誤差
0.3[sec]毎における，飛行船の位置と等速飛行の軌跡との ヨー角θは9度の誤差
誤差の絶対値の平均，標準偏差
X[cm] Y[cm] Z[cm] Θ[rad]
平均 5.8 5.3 10.7 0.15
標準偏差 5.5 4.6 8.9 0.14
指定した時刻に，等速飛行で目的地に到着できた

14. まとめ
時間制約つき飛行プランを提案した
ベンチマークから時間制約付き飛行プランに基づく
屋内飛行船ロボットの制御を行うことができた
今後の課題
速度，直線飛行，回転飛行，及び定位置保持飛行
に応じて，Taの設定が必要

15. それぞれの機体を独立に制御している