モーションコントロールの高機能化に関する協同研究委員会

無線通信を用いた遠隔地におけるロボット制御
木更津工業高等専門学校
電気電子工学科
浅野洋介

自己紹介
 略歴
 2000年 木更津高専 電気電子工学科 卒業
 2002年 横浜国立大学工学部電子情報工学科卒業（河村研）
 2004年 横浜国立大学大学院 工学府 物理情報工学専攻

博士課程前期修了（藤本康孝研）
 2004年 木更津高専 電気電子工学科 助手
 2008年 横浜国立大学大学院 工学府 物理情報工学専攻
博士課程後期修了（河村研）
 2009年9月～2010年1月
 JICAプロジェクト「トルコ自動制御技術教育普及計画」へ参加

 現在：木更津高専

2015/10/19

電気電子工学科 准教授

モーションコントロールの高機能化に関する協同研究委員会

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研究室概要 メンバー：教員1名，学生15名

1名
 専攻科 2名 （B4，B3相当）
 卒研生 8名 （B2相当）
 課題研究生 5名 （B1相当）
 教員

 研究テーマ ロボティクス
 ビジョン 植物工場2015年10月5日

3カメラ回転による距離推定No.

実距離[m]

推定距離[m]

誤差率[%]

焦点距離[mm]

10.7

0.709

1.3

7.722

2

1.0

1.073

7.3

7.921

3

1.5

1.699

13.3

7.946

4

2.0

2.146

7.31

7.685

2015年10月5日

おおむね良好な推定精度

4無線通信ロボットの開発・検証


省配線の無線制通信ロボット
CDOB&適応制御を用いたロバスト制御

2015年10月5日

5無線通信を用いた遠隔地におけるロボット制御
2015/10/19

モーションコントロールの高機能化

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研究背景
 ロボットのアクチュエータは基本的に有線接続配線を十分に考慮する必要がある
本研究では無線通信による制御システムを提案
配線の考慮なしにアクチュエータ搭載可能無線通信時に遅延（むだ時間）が発生

2015/10/19

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7

提案システム アクチュエータとマイコン・ドライバ・センサ等をユニットとして構成（アクチュエータユニットと呼称）
AUとPCは無線により通信を行う

Wireless（Bluetooth）

PC

Actuator Unit (AU)MicroComputer

AUMotorマイコンは通信と制御入力のみ（PIC等低性能なものを想定）

約40～70[ms]の遅延が発生
2015/10/19

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8提案システムによるメリット
 制御器, アクチュエータ間の無線化

関節ごとの配線のみでアクチュエータの搭載可能
 大型で高性能な制御器を遠隔地に設置
処理能力の向上が期待できる

2015/10/19

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9提案システムによるメリット
 空中移動ロボットの無線制御も可能

無線通信

2015/10/19

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10むだ時間制御の関連研究
 Smith法 むだ時間モデルを用いてむだ時間の影響を相殺 モデルが必要

 通信外乱オブザーバ（CDOB）［1］ 通信遅れを外乱とし，オブザーバにより推定・補償
 モデル不要 時変むだ時間系では，1形システムにおいて定常偏差が発生
 実外乱抑圧が困難
1.名取賢二,Roberto Oboe, 大西公平:”通信外乱オブザーバを用いたむだ時間制御系のモデル誤差に対するロバスト性”,IEEJ Trans.IA, Vol.128, No.6, 20082015/10/19

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研究目的
 提案手法：CDOBスケーリング手法［2］によるロボット制御
 時変むだ時間系における定常偏差の改善
 外乱抑圧の検討
 DOBの適用を実験により検討

2.浅野洋介, 小山昌人, ``出力スケーリング型通信外乱オブザーバによる無線通信フィードバック制御における安定性と外乱抑圧に関する検討'', メカトロニクス制御研究会, MEC-15011, pp. 59--64, 2015
2015/10/19

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12無線通信制御システム
通信路
コント
ローラ

制御対象

通信路
𝑊(𝑠)𝑊(𝑠)𝑅(𝑠) +
𝑅(𝑠) +−−

𝐸(𝑠)
𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)
𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)
𝑈(𝑠)

−𝐿1 𝑠𝑒−𝐿
𝑒 1𝑠

𝐺(𝑠)

𝐺(𝑠)
𝑒 −𝐿2𝑠𝑌(𝑠)𝑌(𝑠)𝑒 −𝐿2𝑠𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
𝐺 𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
𝑌(𝑠) =𝑅(𝑠) +𝑊(𝑠)1 + 𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
1 + 𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
2015/10/19

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13通信外乱オブザーバCDOB
𝑊(𝑠)𝑅(𝑠) +𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)

𝑒 −𝐿1𝑠

−+++

𝐺 (𝑠)
𝐺 (𝑠)

−−+−

𝐺(𝑠)

−𝐿22𝑠𝑠
𝑒 −𝐿

𝑌(𝑠)
𝑌(𝑠)

1𝐺 (𝑠)CDOB𝑔𝑠+𝑔

𝑔 → ∞として解析
𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1 𝑠𝑌(𝑠) =𝑅(𝑠) + 𝐺 𝑠 𝑊(𝑠)𝑒 −𝐿2 𝑠
1+𝐺 𝑠 𝐶 𝑠
2015/10/19

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14通信外乱オブザーバ
𝑌(𝑠) =𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1 𝑠
1+𝐺 𝑠 𝐶 𝑠

𝑅(𝑠) + 𝐺 𝑠 𝑊(𝑠)𝑒 −𝐿2 𝑠 特性多項式にむだ時間を含まない
 線形制御理論による制御系設計可能

 出力フィードバックが消滅
 外乱抑圧は困難

時変むだ時間系では定常偏差が発生
CDOB出力スケーリング手法の提案
2015/10/19

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15

CDOBの出力スケーリング手法
𝑊(𝑠)
𝑊(𝑠)
𝑅(𝑠)
𝑅(𝑠) ++𝐸(𝑠)
𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)
𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)
𝑈(𝑠)

−𝐿11𝑠𝑠𝑒 −𝐿𝑒−−++++++

𝛿 𝐺(𝑠)

定常偏差の原因を𝐺 (𝑠)のモデル化誤差と予想目標値変動を引き起す
2015/10/19

𝑔𝐺 (𝑠)
𝑠+𝑔−−++−−𝐺(𝑠)
𝐺(𝑠)−𝐿22𝑠𝑠𝑒 −𝐿𝑒𝑌(𝑠)
𝑌(𝑠)

11(𝑠)
𝐺𝐺(𝑠)

スケーリングパラメータ𝛿により影響軽減𝛿1 ∙ 𝑒 𝑡 2𝛿=𝛿2 + 𝑒 𝑡 2
偏差量𝑒(𝑡)に応じてCDOBの影響を調整

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CDOBの出力スケーリング手法の効果
𝑅(𝑠) +𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)

−𝑒 −𝐿1𝑠+𝛿+𝐺 (𝑠)+Δ𝐷(𝑠)

2015/10/19+−

𝐺(𝑠)𝑒 −𝐿2𝑠𝑌(𝑠)1𝐺 (𝑠)

𝑔𝑠+𝑔++𝑊(𝑠)+𝐷𝑐𝑜𝑚 (𝑠)時変むだ時間による影響を加算誤差として集約

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CDOBの出力スケーリング手法の効果
Δ𝐷(𝑠)

目標値変動

𝐺 (𝑠)

𝛿𝑊(𝑠)

𝑅(𝑠) − 𝐸(𝑠)+−𝑈(𝑠)+ +𝐶 𝑠𝑒 −𝐿1𝑠𝐺(𝑠)1 + 𝛿𝐺 (𝑠)𝐶(𝑠)𝑒 −𝐿2𝑠𝑌(𝑠)1−𝛿𝛿1 ∙ 𝑒 𝑡 2𝛿=𝛿2 + 𝑒 𝑡 2
2015/10/19

𝛿 → 0にすることでΔ𝐷 → 0
時変むだ時間の影響を抑圧

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スケーリング型CDOBのロバスト安定性
𝑅(𝑠) +𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)

𝐺(𝑠)

𝑒 −𝐿𝑠

𝑌(𝑠)

−++

𝛿𝐺 (𝑠)1−𝛿𝐿 ∈ [𝐿min , 𝐿𝑚𝑎𝑥 ]で変動する
𝐺 𝑠 𝑒 −𝐿𝑠 = 𝐺 𝑠 1 + 𝑊𝐷 𝑠 Δ𝑚 𝑠

𝑊𝐷 𝑠 Δ𝑚 𝑠 = 𝑒 −𝐿𝑠 − 1と解釈する
2015/10/19

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19むだ時間の摂動
 𝑊𝐷 =

2015/10/19

2.1𝑠
𝑠+

1と𝑒 −𝐿𝑠 − 1の応答𝐿𝑚𝑎𝑥

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スケーリング型CDOBのロバスト安定性
Φ 𝑠 = −𝑊𝐷 𝑠 𝑇 𝑠
𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠)

𝑊𝐷+𝐺(𝑠)−++𝛿Δ𝑚+𝐺 (𝑠)1−𝛿𝑇 𝑠 =𝐶 𝑠 𝐺 𝑠
1+𝐶 𝑠 𝐺 𝑠 𝛿+𝐶 𝑠 𝐺 𝑠 1−𝛿

𝐺 𝑠 = 𝐺 𝑠 とすれば，𝑇 𝑠
2015/10/19

𝐶 𝑠 𝐺 𝑠=
1+𝐶 𝑠 𝐺 𝑠

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21モータ制御での安定性
𝐾𝑇
𝐺 𝑠 =𝑠 𝐿𝐽𝑠 2 + 𝑅𝐽𝑠 + 𝐾𝐸 𝐾𝑇
𝐶 𝑠 = 𝐾𝑃 + 𝑠𝐾𝐷 , 𝐾𝑝 = 0.2, 𝐾𝐷 = 0.008スモールゲイン定理から， Δ𝑚 ∞ < 1より， Φ 𝑠∞ < 1ならばシステムは安定

𝜙 ∞ = 0.8551∴スケーリング型CDOBはロバスト安定である

2015/10/19

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CDOBの出力スケーリング手法の定常偏差
𝑌 𝑠 =𝐸 𝑠 =𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑅 𝑠 − 𝐺 𝑠 𝛿Δ𝐷 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠

1 + 𝛿𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 + 1 − 𝛿 𝐺 𝑠 𝐶(𝑠)𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
𝑅 𝑠 − 𝐺 𝑠 𝛿Δ𝐷

1 + 𝛿𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 + 1 − 𝛿 𝐺 𝑠 𝐶(𝑠)𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠

目標値𝑅 𝑠1= ,𝐺 𝑠𝑠=𝐺 𝑠

1=として最終値の定理𝑠 𝑠+𝑎𝑦𝑠 = lim𝑠𝑌 𝑠 = 1 − 𝛿Δ𝐷 𝑠𝑠→0𝛿→0𝑦𝑠 = lim𝑠𝑌 𝑠 = 1𝑒𝑠 = lim𝑠𝐸 𝑠 = 0𝑠→0𝑠→0

目標値と一致

見かけ上の定常偏差が0
2015/10/19

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23モータ位置制御シミュレーション
 シミュレーション条件
 制御対象𝐺 𝑠 ：DCモータ位置制御
 制御器𝐶 𝑠 ：P制御（𝐾𝑃 = 4.46）
 スケーリングパラメータ：𝛿1 = 1, 𝛿2 = 0.154
 むだ時間𝐿1 , 𝐿2
 時不変：𝐿1 = 15 ms，𝐿2 = 30 ms

 時変：確率分布に従う

𝐽 = 67.6 × 10−7 kgm2
𝐾𝑇 = 𝐾𝐸 = 19.4 mNm/A
𝐿 = 676.0 𝜇H
𝑅 =334 mΩ
2015/10/19

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24むだ時間の計測
 ミックスドドメインオシロスコー

プ（テクトロニクス）
 アナログ＋ロジアナ＋スペアナ
 アナログ 4ch(350MHz)
 ディジタル16ch
 RF:3GHz

 I2C/SPI，RS-232C，Ethernet

解析可能 PC側の出力とマイコン側の入力を計測

2014年9月28日

25モータ位置制御シミュレーション
時不変むだ時間系

時変むだ時間系

CDOB：定常偏差なし
CDOB＋スケーリング：定常偏差なし

CDOB：定常偏差発生
CDOB＋スケーリング：定常偏差なし

2015/10/19

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時変むだ時間におけるシミュレーション
 スケーリング比の遷移時間とともに𝛿 → 0
CDOBの影響を減少させる

2015/10/19

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CDOBの出力スケーリング手法の外乱抑圧
Δ𝐷(𝑠)
𝑊(𝑠)

𝐺 (𝑠)
−

𝛿𝐸(𝑠)
−

𝑈(𝑠)
𝐶 𝑠
𝑒 −𝐿1𝑠1 + 𝛿𝐺 (𝑠)𝐶(𝑠)𝐺(𝑠)𝑒 −𝐿2𝑠𝑌(𝑠)1−𝛿𝑌 𝑠 =−

外乱𝑊 𝑠

𝐺 𝑠

1 + 𝛿𝐺 𝑠 𝐶 𝑠1 + 𝛿𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 + 1 − 𝛿 𝐺 𝑠 𝐶 𝑠 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠
1= ,𝐺 𝑠𝑠=𝐺 𝑠

1𝑦𝑤 = lim𝑠𝑌 𝑠 =𝑠→0𝐶 𝑠
2015/10/19

𝑒 −𝐿2𝑠𝑊(𝑠)1=, 𝛿 → 0として最終値の定理
𝑠 𝑠+𝑎

コントローラによりある程度外乱抑圧可能

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外乱オブザーバの追加による外乱抑圧 外乱オブザーバの導入
𝑅(𝑠) +𝐸(𝑠)

𝐶(𝑠)

−

𝜏𝐿 (𝑠)

𝑈(𝑠) 𝑈𝑐𝑚𝑝 (𝑠)+ −+−𝐿𝑠𝑒 1
𝐺(𝑠)++𝐺′ 𝑠

DOB𝑔++
2015/10/19

𝛿𝑌(𝑠)1𝐺′(𝑠)𝐾 𝑑𝑖𝑠=𝑠 +として設計
𝑔𝐽𝑠 𝑑𝑖𝑠𝜏𝐿 (𝑠)+−+−𝑒 −𝐿2𝑠

1𝐺 (𝑠)

CDOB+スケーリング
𝐺 (𝑠)+モーションコントロールの高機能化に関する協同研究委員会

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外乱による定常偏差 外乱-出力伝達関数
 CDOB＋DOB

𝑠𝐺𝑒 −𝐿2 𝑠
𝑌 𝑠 =−𝑊 𝑠−𝐿𝑠−𝐿𝑠
1
2𝑠 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 𝑒𝑒 CDOBスケーリング＋DOB
𝑠𝐺 1 + 𝛿𝐺𝐶 𝑒 −𝐿2𝑠
𝑌 𝑠 =−𝑊 𝑠𝑠 1 + 𝛿𝐺𝐶 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 𝛿𝐺𝐶 + 𝐺𝐶 𝑠 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 1 − 𝛿 𝑒 −𝐿1𝑠 𝑒 −𝐿2𝑠

制御の過程で𝛿 → 0となる
𝑠𝐺𝑒 −𝐿2 𝑠
𝑌 𝑠 =−𝑊 𝑠−𝐿𝑠−𝐿𝑠
12𝑠 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 + 𝐺𝐶 𝑠 + 𝑔𝑑𝑖𝑠 𝑒𝑒
2015/10/19

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30外乱応答定常偏差

CDOB+DOBCDOBスケーリング+DOB

2015/10/19

0形1次遅れ系 1形1次遅れ系
𝟏𝟏𝒔 𝒔+𝒂𝒔+𝒂
10𝑎𝑔𝑑𝑖𝑠0𝛿 𝛿→00𝑎𝑔𝑑𝑖𝑠

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31外乱応答シミュレーション
 シミュレーション条件
 制御対象𝐺 𝑠 ：DCモータ位置制御（1形2次遅れ系）
 外乱トルク𝜏𝑑 = 0.1 Nm(𝑡 = 0.5 sのとき)
 制御器𝐶 𝑠 ：P制御（𝐾𝑃 = 4.46）
 スケーリングパラメータ：𝛿1 = 1, 𝛿2 = 0.154
 外乱オブザーバ遮断周波数：𝑔𝑑𝑖𝑠 = 8[rad/H]
 むだ時間𝐿1 , 𝐿2
 時変：確率分布に従う

2015/10/19

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時不変むだ時間 CDOB+DOB

CDOB：発散
CDOB＋DOB：定常偏差発生
2015/10/19

外乱推定は可能むだ時間による振動

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時変むだ時間 CDOB+DOB

CDOB＋DOB：定常偏差発生

2015/10/19

外乱推定は可能むだ時間による振動

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時変むだ時間 CDOBスケーリング＋DOB

CDOBスケーリング＋DOB：
定常偏差なし2015/10/19

時間とともに𝛿 → 0
CDOBの影響を減少させる

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時変むだ時間 CDOBスケーリング＋DOB

ステップ外乱推定も可能
むだ時間による振動は残る

2015/10/19

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シミュレーション結果のまとめ
ステップ外乱応答

ステップ外乱推定

評価

CDOBのみ発散○×

CDOB+DOB

定常偏差発生○△CDOBスケーリング
+DOB

○○

◎

-△

CDOB+スケーリング 定常偏差発生
提案手法により十分な性能を発揮
2015/10/19

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実機実験による検証

2015/10/19

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実験条件
 DCモータ位置制御（1形2次遅れ系）

 制御器𝐶 𝑠 ：P制御（𝐾𝑃 = 40）
 スケーリングパラメータ：𝛿1 = 1, 𝛿2 = 20

 CDOB遮断周波数𝑔𝑑𝑖𝑠 = 400 Hz 外乱オブザーバ遮断周波数：𝑔𝑑𝑖𝑠 = 200 Hz むだ時間𝐿1 , 𝐿2 :時変

2015/10/19

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負荷試験
 スケーリング型CDOB

定常偏差抑圧2015/10/19

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負荷試験
 スケーリング型CDOB＋DOB

定常偏差抑圧負荷時に定常偏差が発生

出力不足による定常偏差？
プラントパラメータの調整不足？
2015/10/19

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41外乱入力による応答
 スケーリング型CDOB＋DOB

手で実外乱入力

2015/10/19

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42軽負荷による実験

アルミブロックを外して検証

2015/10/19

モーションコントロールの高機能化に関する協同研究委員会

43軽負荷試験

定常偏差抑圧
オーバシュートの抑制
収束後の振動減少

2015/10/19

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ステップ外乱による応答
500 gの負荷を軸から20 mmに取り付け負荷による変動を抑圧

2015/10/19

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実験結果の考察
 スケーリング型CDOB＋外乱オブザーバ
 定常偏差抑圧 外乱抑圧性能向上

 負荷試験の定常偏差 パワー不足により性能試験幅が制限
 システム同定によるパラメータの再設定の必要性

2015/10/19

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まとめと今後の課題
 スケーリング型CDOB＋外乱オブザーバ
 安定性と定常特性の検討
 時変むだ時間系においても実外乱抑圧可能 実機実験による検討

 今後の課題
 制御対象のシステム同定
 多自由度システムの構築

 ロボットシステムの制御（車輪型，飛行型など）
2015/10/19

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