JP2018198033A - 移動体制御方法、移動体制御装置、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】障害物があることを加味するだけでなく、障害物が時間によって異なる振る舞いをする場合も加味でき、最短時間で目的地までの移動体の加減速及び方向転換処理を自動で行うことができる移動体制御方法及び移動体制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る移動体制御方法は、移動体の初期位置からの３次元上の相対的な位置および３次元方向の速度に対して３次元方向への加減速制御を実行した場合の遷移先を示す状態ベクトルを定義し、出発地から定期的に加減速制御を行い最終的に目的地に到達する一連の状態ベクトルを全ての加減速制御を行った場合について求め、得られた状態ベクトルの集合から、到着時間が最短である一連の状態ベクトルを選択し、該状態ベクトルに従って出発地から目的地までの一連の加減速制御を実行することとした。
【選択図】図１

Description

本開示は、移動体の動作を制御する技術に関する。

従来は、目的地までの最短経路を示すものとしては、強化学習等の学習制御を用いて、目的地までの経路探索を最適化する方法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

内田英明， 藤井秀樹， 吉村忍， 荒井幸代 他， "道路ネットワークの変化に対する経路選択の学習"， 情報処理学会論文誌， ｖｏｌ． ５３， ｎｏ． １１， ｐｐ． ２４０９−２４１８， ２０１２．

しかし、非特許文献１は、経路を選択するための技術であり、最短で到達するための加減速方法を提案したわけではない。

一方、近年、センサーの発達や移動体自体の処理性能が向上してきており、障害物等の位置や時間的に変的に変化する移動事情を、リアルタイムにて取得することができるようになり、目的地までの最適な移動体制御を、出発の段階から決定することが可能になると考えられる。

こうした背景から、本発明は、出発地点から目的地までに、障害物があることを加味するだけでなく、障害物が時間によって異なる振る舞いをする場合も加味でき、最短時間で目的地までの移動体の加減速及び方向転換処理を自動で行うことができる移動体制御方法及び移動体制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る移動体制御方法は、移動体の初期位置からの３次元上の相対的な位置および３次元方向の速度に対して３次元方向への加減速制御を実行した場合の遷移先を示す状態ベクトルを定義し、出発地から定期的に加減速制御を行い最終的に目的地に到達する一連の状態ベクトルを全ての加減速制御を行った場合について求め、得られた状態ベクトルの集合から、到着時間が最短である一連の状態ベクトルを選択し、該状態ベクトルに従って出発地から目的地までの一連の加減速制御を実行することとした。

具体的には、本発明に係る移動体制御方法は、
移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握手順と、
地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得するベクトル取得手順と、
前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベースに記憶する記憶手順と、
前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまで前記ベクトル取得手順と前記記憶手順とを繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルを前記データベースから取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する制御手順と、
を行う。

また、本発明に係る移動体制御装置は、
移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握部と、
地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得し、
前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベースに記憶させ、
前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまで前記状態ベクトルの取得と前記レコードの前記データベースへの記憶を繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルを前記データベースから取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する経路制御部と、
を備える。

本移動体制御方法及び装置は、目的地を示す状態ベクトルの集合から到着時間が最も短くなる一連の状態ベクトルを見出し、この一連の状態ベクトルを用いて移動体の移動制御を行うため、移動体を最短時間で目的地へ到達させることができる。また、障害物を認知した場合、当該障害物に接触する状態ベクトルが取得されないので障害物を回避することもできる。さらに、移動体が目的地へ到着するまで定期的に本制御を繰り返すことで障害物が移動する場合にも対応することができる。

従って、本発明は、障害物があることを加味するだけでなく、障害物が時間によって異なる振る舞いをする場合も加味でき、最短時間で目的地までの移動体の加減速及び方向転換処理を自動で行うことができる移動体制御方法及び移動体制御装置を提供することができる。

本発明に係る移動体制御方法及び装置は、前記遷移先が一致する状態ベクトルが複数存在する場合、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間が短い方を取得する状態ベクトルとすることを特徴とする。記憶するレコードを削減することができ、処理速度を向上させることができる。

本発明に係る移動体制御方法及び装置は、前記移動体の位置が前記加減速及び方向転換制御の経路と異なる場合、前記状態ベクトルを取得し直し、前記レコードを前記データベースに再度記憶させ、改めて前記加減速及び方向転換制御を実行することを特徴とする。外乱等により移動体が経路からずれた場合にも対応することができる。

本発明に係るプログラムは、前記移動体制御方法を実行させるためのプログラムである。本発明に係る移動体制御方法及び装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明は、障害物があることを加味するだけでなく、障害物が時間によって異なる振る舞いをする場合も加味でき、最短時間で目的地までの移動体の加減速及び方向転換処理を自動で行うことができる移動体制御方法及び移動体制御装置を提供することができる。

本発明に係る移動体制御装置を説明するブロック図である。 本発明に係る移動体制御装置が行う、到着時刻が最短になるように経路制御を決定する手順を説明する図である。ｓ（＃）は任意の状態ベクトルを示している。また、ｃ（ｓ（ｑ））＋ｆ（ｓ（ｑ），ａ’）＞ｃ（ｓ（ｒ））＋ｆ（ｓ（ｒ），ａ＊）と仮定している。 本発明に係る移動体制御方法を説明するフローチャートである。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本実施形態の移動体制御装置を説明するブロック図である。本移動体制御装置は、
移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握部１１と、
地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得し、
前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベース１３に記憶させ、
前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまで前記状態ベクトルの取得と前記レコードのデータベース１３への記憶を繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルをデータベース１３から取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する経路制御部１２と、
を備える。

図３は、本実施形態の移動体制御方法を説明するフローチャートである。本移動体制御方法は、
状態把握部１１が、移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握手順Ｓ１１を行い、
経路制御部１２が、
地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得するベクトル取得手順Ｓ１２と、
前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベースに記憶する記憶手順Ｓ１３と、
前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまでベクトル取得手順Ｓ１２と記憶手順Ｓ１３とを繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルを前記データベースから取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する制御手順Ｓ１４と、
を行う。

本移動体制御装置が行う移動体の自律制御は、状態把握部１１と経路制御部１２の２つのモジュールを用いて達成される。さらに装置内又は外部に接続されるデータベース１３が必要となる。状態把握部１１は、現在の移動体の位置、障害物等の位置情報を取得し、経路制御部１２は、目的地までの障害物の回避を含む最適な移動体の経路制御（加減速制御）を動的計画法を用いて行う。なお、非特許文献１に記載されるマルチエージェント型交通流シミュレータＭＡＴＥでは、目的地までの経路選択に動的計画法を用いているが、加減速制御に適用しているわけではない。

〔状態把握部〕
状態把握部１１は、位置情報の取得等を既存の技術によって得る。例えば、状態把握部１１は、移動体自身の位置や速度、及び移動体の前方の障害物を移動体に取り付けられたセンサー、ＧＰＳ情報及び予め入力された情報（２次元や３次元の地図やルール等）から得ることができる。

〔経路制御部〕
経路制御部１２は、状態把握部１１の情報に基づいて、出発地にて目的地までの移動体の経路制御を決定し、定期的（例えば、１秒毎）に加減速の制御を行う。

ここで、Ｌ_ｘ，Ｌ_ｙ，Ｌ_ｚは、移動体の初期位置からの３次元上の相対的な位置、ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚは３次元方向の速度とし、これらの情報を状態把握部から取得した後、３次元方向への加減速制御ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚを実行する場合の遷移先の状態ベクトルを以下のように定義する。

ｖ_ｘ＋ａ_ｘは、ｘ軸方向の速度ｖ_ｘをａ_ｘ加速することによって得られる速度である。ｙ軸方向の速度ｖ_ｙ及びｚ軸方向の速度ｖ_ｚに関しても同様である。
Ｌ_ｘ＋ｖ_ｘ＋ａ_ｘは、Ｌ_ｘの位置についてｘ軸方向の速度ｖ_ｘをａ_ｘ加速することによって変化する、ｘ軸上の位置を示している。ｙ軸上の位置Ｌ_ｙ及びｚ軸上の位置Ｌ_ｚも同様である。
つまり、数１の状態ベクトルは、各軸方向における、出発地からの３次元上の相対位置と当該相対位置に遷移する際の速度変化の組み合わせを示している。

経路制御部１２は、当該状態ベクトルに至るまでの時間、加速制御、及び加速制御前の状態ベクトル（直前状態ベクトル）を上記の状態ベクトルをキーとしてデータベース１３に保存しておく。経路制御部１２は、目的地までの到達時間を最小化できる加減速指針を各状態ベクトルにて決定する事が目的のため、出発地の状態ベクトルから動的計画法を用いて、当該目的を達成する。

数１の状態ベクトルを簡略化した表記ｓで表現し、状態ベクトルｓに遷移するまでにかかった到達時間をｃ（ｓ）と定義する。また、状態ベクトルｓから加減速ａ＝（ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚ）によってｓ’に遷移した場合、ｃ（ｓ’）はｃ（ｓ）＋ｆ（ｓ，ａ）となる。ここで、ｆ（ｓ，ａ）はｓからａの加減速にかかる時間である。ａ＝０は（０，０，０）を示す。

経路制御部１２は、これらの情報を数２のような形式でデータベース１３に保存する。

経路制御部１２は、遷移先が一致する状態ベクトルが複数存在する場合、移動体が遷移先へ到達する到達時間が短い方を取得する状態ベクトルとする。
状態遷移を繰り返すと、状態ベクトルｓ’には、状態ベクトルｓ以外の状態ベクトルからも遷移する可能性がある。例えば、状態ベクトルｓ＊からａ＊の加減速によってｓ’に遷移することを考える。この時、状態ベクトルｓ’のレコードはｃ（ｓ’）＞ｃ（ｓ＊）＋ｆ（ｓ＊，ａ＊）を満たす場合、ｃ（ｓ’）をｃ（ｓ＊）＋ｆ（ｓ＊，ａ＊）としｓ，ａをｓ＊，ａ＊と置き換える。

図２は、経路制御部１２が上記手順を出発地点から全ての加減速を行い、再帰的に実行した場合のデータベース１３に保存されるレコード及び状態ベクトルを説明する図である。最終的に、経路制御部１２は、目的地を示す状態ベクトル集合をデータベース１３のレコードから取り出し、最も到着時間が短い（ｃ（ｓ）が最も小さい値を取る）状態ベクトルのｋｅｙとｖａｌｕｅを見つけ、出発地点から目的地までの一連の状態ベクトルに基づいて加減速制御を実行する。これにより、経路制御部１２は、出発地から目的地までの到着時間が最短になるよう移動体を制御することが可能となる。

障害物等の回避については、経路制御部１２が状態ベクトルｓが障害物に接触するかどうかを判定し、障害物に接触する可能性のある状態ベクトルｓに遷移しないようにする。なお、ｃ（ｓ）は、出発地からｓに遷移するまでの時間を意味するため、本値を考慮することによって、特定の状態ベクトルｓに時間によって出現パターンが異なる障害物が存在する場合、当該障害物を回避することができる。

なお、経路制御部１２は、移動体の位置が加減速及び方向転換制御の経路と異なる場合、状態ベクトルを取得し直し、レコードをデータベースに再度記憶させ、改めて加減速及び方向転換制御を実行する。経路制御中に他の移動体との衝突や予期せぬ出来事によって移動体が意図していた経路からずれた場合、経路制御部１２は再度、経路を計算する。

本発明に係る移動体制御方法及び装置は、コンピュータによって制御可能な移動体を出発地から目的地まで最短で辿り着くよう制御を行うことができ、外部から操作可能な小型飛行機や車等の自律制御に応用することが可能である。
また、本発明に係る移動体制御方法及び装置に他の衝突回避方法やアクシデント対応方法を組み合すことが可能である。

１１：状態把握部
１２：経路制御部
１３：データベース

Claims (7)

1. 移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握手順と、
   地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得するベクトル取得手順と、
   前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベースに記憶する記憶手順と、
   前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまで前記ベクトル取得手順と前記記憶手順とを繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルを前記データベースから取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する制御手順と、
   を行う移動体制御方法。
2. 前記ベクトル取得手順では、前記遷移先が一致する状態ベクトルが複数存在する場合、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間が短い方を取得する状態ベクトルとすることを特徴とする請求項１に記載する移動体制御方法。
3. 前記制御手順中に前記移動体の位置が前記加減速及び方向転換制御の経路と異なる場合、請求項１又は２に記載する移動体制御方法を再度実行することを特徴とする移動体制御方法。
4. 移動体の位置及び前記移動体に対する障害物の位置を取得する状態把握部と、
   地図及び前記障害物の位置に基づき、前記移動体が現在の位置から速度を加減速することで移動する遷移先及び前記遷移先での速度を３次元で示す状態ベクトルを取得し、
   前記状態ベクトルをキーとして、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間、前記移動体が現在の位置への遷移を３次元で示した直前状態ベクトル、及び前記直前状態ベクトルから前記状態ベクトルへの速度の加減速をレコードとしてデータベースに記憶させ、
   前記移動体が前記地図に設定された目的地へ移動するまで前記状態ベクトルの取得と前記レコードの前記データベースへの記憶を繰り返した後、動的計画法を用いて前記目的地までの到達時間が最短となる一連の前記状態ベクトルを前記データベースから取り出し、前記移動体に対して出発地点から前記目的地まで加減速及び方向転換制御を実行する経路制御部と、
   を備える移動体制御装置。
5. 前記経路制御部は、前記遷移先が一致する状態ベクトルが複数存在する場合、前記移動体が前記遷移先へ到達する到達時間が短い方を取得する状態ベクトルとすることを特徴とする請求項４に記載する移動体制御装置。
6. 前記経路制御部は、前記移動体の位置が前記加減速及び方向転換制御の経路と異なる場合、前記状態ベクトルを取得し直し、前記レコードを前記データベースに再度記憶させ、改めて前記加減速及び方向転換制御を実行することを特徴とする請求項４又は５に記載する移動体制御装置。
7. 請求項１から３のいずれかに記載の移動体制御方法を実行させるためのプログラム。

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