論文集抄録
〈Vol.33 No.6(1997年6月)〉
論 文 集 (定 価) (本体1,660円＋税)
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〃 (会員外) 8,820円 (税込み)
タイトル一覧
- ■ 加速度センサとジャイロセンサを用いた屈曲動作計測
イメージ情報研・坂口貴司，金森 務，片寄晴弘，奈良先端大・佐藤宏介，阪大・井口征士
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近年，マンマシンインタフェース，手話認識，舞踏の動作記述等の分野において，人間の動作の計測および認識を行う研究が盛んに行われている．しかし，画像処理による方法も磁気センサによる方法もそれぞれオクルージョンがある，外部磁界環境の影響を受ける等の問題を抱えている．
そこで，著者らはオクルージョンがなく外部磁界環境の影響も受けないという特長を有するジャイロセンサと加速度センサを用いて統合型センサフュージョンを行うことによって，人間動作，特に上肢運動のような回転ジョイント型連接構造物の動作を力学的に推定する計測および処理手法を提案している．
本論文では1関節1軸の回転モデルを用いた検証実験によって，本手法が人間の一般動作の範囲内で有効であることを確認した．また，人間の上肢運動を模擬した2関節2軸平面回転モデルを用いた精度シミュレーションによって，簡易人体骨格モデルへの適用の有効性を確認した．
- ■ リーマン計量二次形式評価を用いた非線形最適レギュレータ
東北大・井澤義明，箱守京太郎
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非線形制御系の研究においては，微分幾何学の考えがしばしば大変有効となる．本論文では状態空間に付けられた直交直線座標のかわりに適当な曲線座標系を用いることにより，非線形を線形化する手法を提案するとともに，その線形化写像を利用した非線形系の設計法を提案している．
はじめに，状態空間を曲線座標系を持ったリーマン空間と考え，新たな幾何モデルを導出する．これはアインシュタインが一般相対性理論の中で，質点の運動方程式を4次元曲線座標時空間内の測地線の式として表現するのと同様の手法で導かれる．なお，本モデルは先に提案した同様のモデルの低次元化が図られており，より扱いやすい形となっている．つぎに，この幾何モデルの積分多様体と対応する仮想線形系の積分多様体との間に同相写像の考えを導入し，線形レギュレータと同相な非線形最適レギュレータを導く．その際，空間の計量テンソルを基にした評価関数を使う．また，実際の非線形系に対応する曲線座標系の歪め方についても考え，同相写像に関する偏微分方程式が導かれる．最後に，非線形レギュレータを構成するためのアルゴリズムを考え，数値例を示す．
- ■ 非ホロノミック力学系のフィードバック安定化―多入力Chained Systemの指数安定化と2入力3状態Caplygin Systemの安定化―
豊田工大・杉田澄雄，バイオミメティック・コントロール研・成清辰生
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本論文では，多入力非ホロノミックChainedシステムと2入力3状態非ホロノミックCaplyginシステムに対する制御則を提案する．多入力非ホロノミックChainedシステムに対する制御側は滑らかで静的な状態フィードバックである．この制御則によって，ある特定の初期状態を除くすべての初期値に対して原点を指数安定化できる．Caplyginシステムはある種の非ホロノミックシステムであり，Chainedシステムに比して，力学的システムにおいてより広い適用範囲をもっている．2入力3状態のCaplyginシステムは区分解析的で時変の状態フィードバックによって安定化される．
- ■ ニューラルネットを用いたモデル規範型適応制御の一構成法
広島大・美口純一，呉 漢生，水上孝一
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本論文では非線形項が加わった線形システムを取り扱う．このようなシステムに対し，従来の制御法では非線形項が大きくなると，制御器の設計が困難になったり，制御誤差が大きくなる．そこで，このようなシステムに対する制御方法として一般制御理論を基にニューラルネットワークを補償器とした新しい制御器を提案する．これまで一般制御理論とニューラルネットワークを組み合わせた制御器は最適レギュレータ，セルフチューニングレギュレータに対して提案されているが，本論文では新たにモデル規範型適応制御に対する制御を提案する．
従来の研究では一般制御理論は単に線形システムに対するものを用いていたためモデリングパラメータが変動し，ニューラルネットワーク自体も変動しやすかった．本論文では一般制御理論はdead-zone法を用いているが，本来dead-zone法は確定外乱が加わったシステムに対し適用されるため，ロバスト性が強い．このdead-zone法の性質を利用し，対象システムに対しモデル規範型適応制御を設計するため，一度収束するとモデリングパラメータの変動が起こりにくく，ニューラルネットワークの負担も軽くできる．
- ■ フィードバックをもつ観測機構に対するイノベーションの情報等価性
大阪教育大・武内良樹
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加法性雑音を伴う観測過程とそのイノベーション過程の情報等価性のための十分条件として，
(ⅰ) 雑音は正規性白色雑音過程である．
(ⅱ) 信号は2乗可積分確率過程である．
(ⅲ) 信号と雑音は互いに独立である．
が知られている．
本論文では，より一般的なフィードバックをもつ観測機構をとり上げ，イノベーションと観測の情報等価性について考察する．とくに，ここでは，条件(ⅱ)，および，
(ⅰ)´雑音は連続な2乗可積分マルチンゲールである．
(ⅲ)´信号は観測フィードバックをもち，フィードバック信号を除く部分は，雑音と独立である．
(ⅳ) 観測方程式はフィードバックに関してLipschitz条件を満足し，確率微分方程式として一意的な強い解をもつ．
(ⅴ) 信号は雑音の2次共変動過程（quadratic covariation process）の－1/2乗による重みつき2乗可積分性をもつ．
をみたせば，イノベーションと観測の情報等価性が成立することを示す．すなわち，条件(ⅰ)´，(ⅱ)，(ⅲ)´，(ⅳ)，および，(ⅴ)は，イノベーションと観測の情報等価性が成立するための，十分条件であることを示す．
- ■ メモリーレスフィードバックによる状態にむだ時間を含む系の最適レギュレータ
徳島大・久保智裕，北陸先端大・示村悦二郎
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本稿では，状態にむだ時間を含む系に対するメモリーレスフィードバック則の一構成法を提案している．そして得られた閉ループ系が漸近安定となることを示している．本稿で提示する安定化可能条件は，ある行列方程式の正定解の存在を仮定するものである．そしてこれは古川・示村が示した安定化可能条件の1つが満たされていれば自動的に満たされる．そのような意味で，本稿の条件は古川・示村の条件を拡張したものになっているといえる．
一方，状態にむだ時間を含む系に対するフィードバック則の構成法のひとつとして最適レギュレータを構成する方法がよく知られている．この方法では得られるフィードバック則は一般には全状態フィードバックの形となり実装が難しい．ところが本稿で提案する方法にしたがって構成される閉ループ系は，結果としてある評価関数に対する最適レギュレータになっていることが示される．これは，適当な評価関数を選択すれば最適制御則がメモリーレスフィードバックの形になることを示している．また状態にむだ時間を含む系のような無限次元系に対して最適レギュレータを構成するためには一般に無限次元リカッチ方程式を解く必要があるが，本方法ではそれを必要としない．そのような意味で本方法は設計も実装も容易な最適レギュレータの構成法といえる．
最後に簡単な制御対象を例にとり，数値シミュレーションによって制御の効果を確認している．
- ■ 干渉のある流量制御系への最適レギュレータの応用
東芝・中本政志，東京電力・小久保 隆，東芝・中井昭祐，田辺仁志
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本論文では発電プラントの干渉と無駄時間のある流量・圧力制御系に，最適レギュレータを応用したコントローラを設計し実機プラントで制御性を検証した結果を報告する．制御性の改良だけでなく，実機で利用することを考慮した．このため，1)計算負荷を小さくするため，積分器を含めて3次で多変数コントローラを実現，2)簡単な調整でオーバシュートを防止できる，目標値への追従性を改善した2自由度型のコントローラ構成，3)バンプレス切替えやアンチリセットワインドアップを防止する計算方法，を行った．幅広い運転範囲について実機試験を行い，従来のPI制御に比べて目標値との2乗平均誤差が1桁以下に改善されることを確かめた．
- ■ 速度外乱を考慮したトレーラ付移動ロボットの非線形後退運動制御―Minimax解からの接近―
岩手大・井前 讓，坂内喜幸，鳥巣 諒
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トレーラ付移動ロボットの後退運動制御問題を取り上げる．この問題は，対象システムが非線形かつ不安定であること，また，ジャックナイフ現象を回避しなければならないことなどから，取り扱いが困難な制御問題として知られている．この問題に対しては，今までに多くの研究が報告されており，線形レギュレータ理論を応用したもの，ニューラルネットワークやファジィ理論を用いたもの，厳密線形化手法を用いたもの，非ホロノミックロボットシステムの枠組みで議論したものなどが挙げられる．しかしながら，いずれの場合にも共通していえることは，外乱を考慮した形での問題の定式化が行われていないことである．実システムを対象とするとき外乱の混入は避けられないことを考えると，外乱を積極的に組み入れた形での後退運動制御問題の定式化が望ましい．
本研究では，外乱により速度変動が生じる場合の，後退運動によるトレーラ付移動ロボットの車線変更問題を取り上げる．この場合，外乱と操作量が積の形で存在する非線形システムとなる．この問題を拘束条件下のminimax問題として関数空間上に定式化し，最小化と最大化を交互に行う簡便なアルゴリズムを利用して，後退運動による車線変更のための制御方策を導出する．そして，外乱を考慮して得られた制御方策の方が，開ループではあるが，外乱を考慮せずに得られた制御方策と比較するとき，ある意味のロバスト性のあることを検証する．そのとき，終端時刻を設定するために，副次的な問題としてトレーラ付移動ロボットの最短時間制御問題を数値計算により解いている．
- ■ 地域冷暖房運転支援のための熱負荷予測の実用化
東芝・小林主一郎，長岩明弘，山田幸弘
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本報告では，電気による地域冷暖房（DHC）プラント運転支援のためのオンライン熱負荷予測システムについて述べる．電気によるDHCでは，夜間蓄熱による電力平準化，昼間電力負荷のピークカット，ヒートポンプ起動停止の少ない安定運転など計画的で効率の良い運転が要求される．このようなDHCプラントを自動的に制御するためには，1日分の時間ごとの熱負荷予測が必要となる．今回開発した予測システムは，3つの要素から構成した．すなわち，日熱負荷予測，時間熱負荷パターン，そして，1日分の時間熱負荷予測である．ニューロは時間熱負荷パターンに応用した．ここでは提案した熱負荷予測手法を，実際のプラントデータによりシミュレーション評価した結果について報告する．
- ■ 押し出し造粒プラント制御のための視覚品質推定
山口県工業技術センター・田中恭治，白上貞三，中村 誠，堺 敏明，鳥岡豊士
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押し出し造粒機による製品は，物性上粉砕しやすく，また自然乾燥もしやすいため，オンライン接触式で製品の状態をセンスすることは難しい．また，これが可能であっても，その入力データから品質を推定し，推定結果と多数の制御ファクターを定量的に関連づけるのは容易でなく，品質を自動で制御することはこれまで普及していない．
本稿では，品質を自動で制御することを目的とした視覚認識手法を提案する．この手法では検査員の行っている目視判定の方法を範としている．まず，Steerableフィルタを用いて個々の対象を高速で識別し，個々の対象をラベルづけする．各ラベルを領域ごとに，表面テクスチュアの成分を空間フィルタにより抽出する．つぎに，あらかじめ検査員の判定結果を教師信号として学習したニューロにより品質の推定を行う．本手法を適用した実用化実験では検査員の判定結果と高い一致を示し，手法の有用性を確認した．
- ■ 免疫情報処理機構に基づく分散型コンセンサス決定ネットワークの構築―自律移動ロボットの行動調停への適用―
名大・石黒章夫，渡邊裕司，近藤敏之，内川嘉樹
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行動型AIにおいては，適切な行動出力を得るために，要素行動間の調停をいかに適切に行うかが重要な問題である．一方，生体内情報処理機構の1つである免疫系は，最近の免疫学の研究を通して，変動する環境の中でいかに自己を存続させていくかという重要な機能を，各種リンパ球細胞のコミュニケーションによりシステムレベルで実現していることが明らかになってきた．
本論文では，さまざまな抗原の認識・排除が抗体間の相互作用を通じて行われていると唱えた免疫ネットワーク説に着目し，この仮説に基づいた新しい行動型AIにおける要素行動間の調停法を提案した．具体的には，抗原をロボットの現在の状況，抗体をロボットの取りうる要素行動をとらえ，さまざまな状況（抗原）に対して適切な要素行動（抗体）を，要素行動間の相互作用により，ポトムアップ的に選択するコンセンサス決定システムの構築をめざした．そして，本手法を仮想世界における自律移動ロボットの行動調停問題に適用し，要素行動間の相互作用が有効に働くことにより，適切な行動が選択されていることが確認された．さらに，遺伝的手法を用いることにより，より環境に適したネットワークを構築することができた．
- ■ ロボット行動の進化とその頑健性
筑波大・星野 力，光本大輔，長野 徹
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与えられた環境（コース）中を巡航するロボットがある．ロボットは内部行動モデルとして可変長オートマトンをもつ．赤外近接センサーからの入力は，オートマトンへ入り，状態遷移を経てモータへ出力をおこなう．ロボットには，明示的な地図も行動ルールも与えられない．オートマトンの状態遷移表を1本の染色体とみなし，人工生命的手法（進化的計算）により環境へ適応・進化させた．このような刺激反応モデルによっても，複雑な巡航行動が可能となることを示した．このとき獲得された行動は，初期条件の相違に対して敏感で，巡航の評価値は凹凸に富む関数となる．この凹凸の生じる原因として，壁伝い巡航軌道が本質的にもつフラクタルなメカニズムを指摘した．この凹凸を平均化することが，頑健性を論じるうえで必要である．そこで，頑健性の1つの指標として，正規化した平均評価値を定義した．種々のシミュレーションの結果，進化が進むと頑健性が失われ，環境への過剰適応が起こることが確認できた．この過剰適応を避ける方法として，いくつかの違った進化条件で得られた評価値の平均化と，進化環境自体をランダムにした環境での進化，の2つの方法が有効であることを示した．
- ■ 2台のトレーラを有する移動ロボットのファジィ後退制御
金沢大・田中一男，広島市立大・小嵜貴弘
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トレーラを有する移動ロボットの後退制御は，非常に困難な非線形制御問題であることに加え，連結型車両に特有の現象であり，後退不能の状態を指すジャックナイフ現象を回避する必要がある．そのため，すべての連結部における相対角度を90度以内に抑切することが要求される．この制御問題に対して種々の解法が提案されている．しかし，これらの多くはシミュレーションのみであり，しかも，1台のトレーラを有する場合を扱っている．トレーラの台数が1台から2台に増加すると，後退制御も極端に難しさを増す．本論文では，2台のトレーラを有する移動ロボットの後退制御問題に対してファジィ制御を適用する．2台のトレーラを有する移動ロボットの非線形なダイナミクスを簡単化したのち，その簡単化した非線形モデルを厳密に表現する高木・菅野のファジィモデルを導出する．並列分散的補償の概念を用いることによりファジィ制御器の構成を行い，リアプノフのアプローチと線形行列不等式によって安定解析と設計を行う．モデル機実験においてもジャックナイフ現象に陥らず，目標軌道に沿って効果的に後退制御が行えることを示し，本手法の有効性を明らかにした．
- ■ サンプル点間応答を含めた二次形式評価関数を最小にするデッドビート制御
九工大・延山英沢，神代昌彦，川嶋伸義
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サンプル値系におけるデッドビート制御は，サンプル点上において制御偏差を有限ステップで完全に整定させる制御方式で，これまで多くの研究が行われてきた．しかし，最小整定ステップ数を達成する最短時間デッドビート制御では，一般的に応答が振動的となりやすいという問題点がある．そこで，整定ステップ数を犠牲にしてコントローラの自由度を増やし，いかに応答改善のために使用するかということが設計のポイントとなっている．これまで，サンプル点間応答を含めた応答改善法として偏差の二次形式評価関数を考慮した設計法が与えられているが，状態フィードバックを用いたリップルなしデッドビート制御の場合に限られていた．それに対し，本論文では，リップルなしとは限らない一般的な出力フィードバックを用いる場合を扱う．そして，これまでに与えたデッドビートコントローラのパラメトリゼーションを利用して，指定した整定ステップ数を達成する範囲でその評価関数を最小にするデッドビート制御系の設計法を与える．
- ■ 冗長処理方式によるモータ速度推定の高精度化の試み
法政大・崔 康賢，中村秀男，小林尚登
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近年のセンサ関係の研究開発状況をみると，センサの集積化と高機能化をめざした知能化センサの実現に向けての着実な進歩の一方で，センサ情報の統融合処理に関連する研究も進められている．そこで，本稿ではセンシング技術の1つの応用として冗長計測処理方式に基づいたセンサ情報の1つの処理方式について提案する．
ここではサーボ系の速度推定という実例を通してその方法を実験的に検証する．また本稿では既存のセンサおよび既存の処理技術を用いてその処理データを融合することで，より高精度のデータを導出することを試みる．
最近，いくつかのセンサ情報を統融合（センサフュージョン）することで，よりよい情報を導出する試みが多くなされている．本稿では単一のセンサに対していくつかのデータ処理方法を並用して，その結果を統融合するという方法を用いている．このような方法によっても計測データの高精度化を図るということはセンサフュージョンという観点からも興味深いものと思われる．
- ■ バイパス型拮抗方式による形状記憶合金アクチュエータの改善
工学院大・加藤 隆，大川圭祐，鈴木俊介
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形状記憶合金は，出力/重量比が高く，センサ機能もありニューアクチュエータとして注目されている．中でも，ロボット・メカトロニクス分野では，生物の筋と同じ伸縮動作を行うことができることからロボットハンドなどの駆動用アクチュエータに応用している．その駆動方法は，バイアス方式と拮抗方式は発生力やエネルギ効率の点からバイアス方式よりも優れ，ロボットハンドなどの駆動用に用いられてきた．しかも，形状記憶合金の発生する駆動力は，歯車などのような装置を用いることなくワイヤ・アウタチューブ機構を介してハンド部に伝達する方法で行ってきた．しかし，形状記憶合金の発生駆動力は，合金と接続したワイヤとの張力で生じるワイヤ・アウタチューブ間の摩擦や張力によるワイヤ自身の伸びなどの原因で形状記憶合金の発生駆動力を減少する問題が指摘されていた．そこで，筆者らは，形状記憶合金とワイヤ相互に作用する張力を駆動機構と伝達機構にそれぞれ分散できるバイパス方式による拮抗方法を開発した．その動特性実験を行った結果，バイパス方式を用いる方が形状認憶合金の発生駆動力を十分に引き出せるとともに動的な時間遅れなどについても改善をみることができ，バイパス方式の有効性を実験的に確認した．
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