1. 複数飛行船シミュレータの開発と
飛行制御に関する基礎研究
Development of Simulator for Flight
Control of Multiple Blimps
複雑系工学講座 調和系工学研究室
4年 西岡 良太

2. 背景
一体となって動く美しさ
安全である
複数の飛行船の中のある飛行船が他の任意の一つの飛行船
と一定距離を保って衝突をせずに自律的に飛行すること
本研究でのエンタテイメント飛行
室内用小型飛行船
安全に人を楽しませることのできるエンタテイメントを提供できる
墜落や衝突に対する安全性が他の飛行ロボットより高い
バルーンの形や色を比較的自由に変えられる
エンタテイメント
ロボット
AIBO HRP-2

3. ２台の飛行船による追跡タスク[西村,2003]
複数の飛行船では、これらのセンサによって得られた
情報がどの飛行船の情報であるかを判断できない
•距離センサや角度センサで追跡相手の位置を把握
飛行船を色で判別できる
画面内での位置や大きさから距離や角度を知ることができる
目標物追従に関する研究[塚本 2005]
カメラセンサ
実際の飛行船を複数用いて実験を行うことはコストがかかる
実機をモデル化したシミュレータを用いて検証する
カメラセンサ内に対象の機体を捉え続ける制御が必要である
カメラ画像内に捉えていない物体の情報は得られない
多くのセンサを搭載することは困難

4. 目的
• 複数の飛行船が動作するシミュレータの開発
• カメラ画像を用いた複数飛行船の飛行制御の検証
– カメラ画像内に対象の機体を捉える制御

5. 飛行船モデル[角田 2005] [西村 2003]


FBAvM
運動方程式
：推力
遠心力とコリオリ力
浮力と重力による力
空気抵抗
：速度ベクトル
質量行列


:
:
:
:
F
B
A
M
0.8m X
Y
Z
ﾌﾟﾛﾍﾟﾗﾕﾆｯﾄ
バルーン
1.1m
シミュレータの構成は
数値計算：運動方程式に基づい
て飛行船の状態を計算する
視覚化：OpenGLによって計算
結果を視覚化する
の2つのプログラムから成る
T1X
Y
T0
T5T4
T3
T2
近似した値を用いる計算困難な値(空気
抵抗係数,付加質量)
質量など計測可能
な数値
実機から求める

6. target：維持する距離
維持する距離とは機体の
中心同士の水平距離
対象となる飛行船
距離を保つ飛行船
目標位置
target
ｒ
target_X
target_Y
θ
(X,Y,Z)
X
Y
)(sin 1
r
Y
水平角度
22
YXr 水平距離
(X,Y,Z)：距離を保つ機体か
らの対象の機体の位置
距離や角度の定義
カメラの向き

7. )_(
)_Target__Target(_Target
)_Target__Target(_Target
ThetaprevThetaKThetaKm
ZprevZKZKm
XprevXKXKm
dp
dpz
dpx




制御量の決定には
PD制御を用いる
：各プロペラの出力
で求めた出力
回転の微分ゲイン
回転の比例ゲイン
微分ゲイン
比例ゲイン
T
PD:
:
:
:
:
m
K
K
K
K
d
p
d
p


0
5
10
15
20
25
30
35
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
時間
出力（ｇ）
正回転
逆回転
実機のおけるプロペラの出力値を参考に推力を与える
プロペラの推力値[角田 2005]
制御法
z
x
mTT
mT
mT
mTT




54
1
3
20



8. 水平角度が一定角度（φ）以上のときに水平角度と高度だけを調節する
角度・高度と距離を調節
(θ≦φ)
角度・高度を調節
(θ＞φ)
提案手法
カメラ画像内に対象の機体を捉えていないと距離を測ることができない
•上下方向のプロペラは独立に制御できる
•水平方向では回転動作と推進の制御を行う必要がある
回転動作を行うことで水平角度を制御する
θ θ
φ

9. 実験設定
6sごとにランダムにXYZのいずれかの方向に
ランダムに出力値を決定する
距離を保とうとして動く飛行船 0.3sごとにカメラ画像内にランダムに動く飛行
船がいるか判断して目標位置に移動する
ランダムに動く飛行船
対象の機体をセンサ内に捉えている時間について検証する
A)常に距離・高度・水平角度を調節する
B)水平角度がφ以上になると水平角度・高度のみを調節する
=3000 比例ゲイン
=5000 微分ゲイン
=3000 回転の比例ゲイン
=3000 回転の微分ゲイン
カメラ視野角:±30度


d
p
d
p
K
K
K
K
1試行を300s経過かカメラ画像から外れるまで
として200試行行う
1試行でのA・Bのランダムの動きは同じ
維持する距離と初期状態の距離(2,3,4[m])
±φ(5,10,15[度])

10. 提案手法
実験結果
時間[s]
水
平
角
度
[度]
維持する距離 3m
φ ±10度
AとBのある1試行における水平角度
0 50 100 150 200 250 300
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
手法A
手法B

11. 実験結果
結果
φが大きいときは提案手法の方が長く捉えていられる
維持する距離が大きいと制御法による違いが少ない
考察
維持する距離が短いとき、または水平角度が大きくなったときには提案手法を用い
ることで対象の機体を捉えやすくなる
A B
維持する距離 φ 平均時間 回数 平均時間 回数
2m ±5度
140.4985 16
133.149 19
±10度 161.407 41
±15度 193.043 64
3m ±5度
269.079 155
244.167 118
±10度 292.828 190
±15度 296.664 194
4m ±5度
297.7155 196
279.3945 162
±10度 300 200
±15度 299.2785 199
平均時間：センサ内に捉えている時間の平均
回数：300ｓ間センサ内に捉えられていられた回数
AとBのある1試行における水平距離
0 50 100 150 200 250 300
3
2.0 手法B
手法A

12. まとめ
• 複数の飛行船が動作するシミュレータの開発を行った
• 距離を保つ動作の中に水平角度が一定以上のときに回転動
作のみを行う制御法について検証した
• 実機での検証
• 複数の飛行船での制御
今後の課題