論文集抄録
〈Vol.37 No.4 (2001年4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
［論 文］
［ショート・ペーパー］
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■ 遺伝的アルゴリズムを用いた不等間隔リニアアレーアンテナの給電方法の簡略化
福井高専・大久保 茂
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多数の放射素子を配列するアレーアンテナでは，数多くのパラメータが存在するため，所望の指向性や利得等が得られやすい．また，アレーアンテナは，サブアレーの集合体として取り扱うことにより，設計，製作，検査および保守が簡単になりコストの軽減が図られる．
パラメータが多い問題において，比較的短時間で最適解に近い実用解を得られる方法に遺伝的アルゴリズムがある．これは解の探索と最適化の有力な学習アルゴリズムであり，従来の探索手法では困難な問題，特に制約付き組み合わせ問題において効果的に解の検索を行うことができる手法である．
本論文では，アレーアンテナをサブアレーに分割し，サブアレーを構成するアンテナ素子同士の間隔を一定範囲で制御し，同一の波源分布のサブアレーを組合せることにより，アレーアンテナの波源分布がテーラ分布に，限りなく近くなるよう遺伝的アルゴリズムを用いている．そして，サブアレーの給電分布を求めることにより，給電系の簡略化が図られることを示している．
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■ ETS-Ⅶ自動ランデブ用GPS相対航法システムの設計
NASDA・河野 功，杢野正明，鈴木 孝，五日市
敦，前田裕昭，内田千秋
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1998年8月，宇宙開発事業団（NASDA）は，技術試験衛星Ⅶ型（ETS-Ⅶ）により，世界初のGPS相対航法を使用した自動ランデブ飛行に成功した．ETS-Ⅶは，ISSへの物資の補給や，プラットフォーム宇宙機の機器や消耗品の交換等の21世紀の宇宙活動を行うために不可欠となるランデブ・ドッキング（RVD）技術の実証実験を目的とした技術試験衛星である．無人宇宙機が自動でランデブ・ドッキングを行うためには，チェイサ/ターゲット宇宙機間の相対的な位置/速度を正確に推定する必要があり，レーザ・レーダの使用範囲である500mを超える領域において，GPS相対航法を使用して接近する．GPS相対航法はGPS差分航法の一種であり，チェイサ/ターゲットで同じGPS衛星からの信号を受信/処理することによって，S/A（選択利用性）等の共通誤差を除去して，チェイサ/ターゲット間の相対位置/速度を高精度に推定する方法である．
ETS-Ⅶは1992年より5年間をかけて開発され，1997年11月28日に打上げ後，1998年8月に行われた第2回RVD実験ではGPS相対航法を使用して相対位置/速度の推定を行い，接近や軌道保持の制御を行った．自動ランデブに限らず，GPS航法に基づいた宇宙機の自動軌道制御自体が世界初の試みであったが，世界に先駆けてこれに成功し，遠距離域のランデブ航法センサとして有効であることを実証した．
本論文では，ETS-ⅦのGPS相対航法システムの全体設計と，GPS受信機（GPSR）や航法ソフトウェア等の構成要素の設計，特に拡張カルマンフィルタを用いた相対航法アルゴリズムの設計について述べる．また，宇宙での性能実証に先駆けて行ったプロトフライトモデルを用いた地上試験結果についても示す．
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■ 全方位視覚システムにおける統計的公差設計
三菱電機・市川 晃
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光学システムにおいては，光学性能のばらつきや誤差を許容範囲におさめるための公差設計は非常に重要である．本報告では，先に報告した2枚の曲面反射鏡からなる全方位視覚システムを対象に，結像位置のばらつきと射影方式の誤差を所期の範囲におさめるための公差設計法と設計例について述べた．
まず，光学的諸量および鏡面の幾何学的諸量にはそれらの基準値からのわずかな変動があるとして，これら変動間の線型関係式をシステムの設計基礎式から導出し，光学性能の変動におよぼす幾何学的変動の影響を解析した．つぎに，変動のばらつきを正規分布であると仮定し，ばらつきの標準偏差を変動の許容限界としての各種公差に変換し，分散の加法性を用いる統計的方法によって公差決定のための関係式を導出した．さらに，これらの関係式を具体的なシステムに適用して公差の感度解析および公差設計を行った．公差の設計例では，公差配分を変えるための重み係数を調節すれば，平準化によって本来的に厳しくせざるをえない公差は若干緩やかにできることを示した．
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■ 歪ゲージを用いたドライバーのための呼吸および心拍の無拘束無侵襲計測
山口大・田中正吾，林 寛人，松原 篤
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高齢化福祉社会を迎え，健康モニターに関する種々の要望が出されている．これらの要望の1つとして，呼吸数および心拍数を無拘束無侵襲に計測することが求められている．このような要望は在宅看護システムだけでなく，その他の多くのアプリケーションにおいても重要となっている．たとえば，1つのアプリケーションとして，ITS（高度道路交通システム）が挙げられる．これは，自動車運転中の（特に）高齢者の呼吸障害や心機能障害による交通事故がしばしば報告されているが，高齢者の急増に伴いこのような事故がさらに増えていくものと思われるからである．
このようなことから本論文では，歪ゲージをシートベルトに装着することにより，自動車運転中の運転者の呼吸数および心拍数を無拘束，無侵襲に自動計測するシステムを提案する．なお，本システムでは，呼吸および心拍信号をダイナミックモデルで表わしカルマンフィルタを適用することにより，呼吸数および心拍数だけでなく，瞬時呼吸周期および瞬時心拍周期も効率的に高精度計測できる．
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■ 飽和を有する制御系の￡2性能保証領域―初期状態と￡2外乱を考慮した解析と設計―
東工大・木山 健，岩崎徹也
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本論文は初期状態が零とは限らない線形時不変系と飽和要素のフィードバック結合からなる非線形制御系の解析，設計を行う．￡2ノルムが有界なある値以下の任意の外乱に対し，線形解析（非線形系が線形系と見なせる範囲内での解析）もしくは非線形解析（円板条件）に基づき，系の￡2性能を保証する初期状態の集合を求める問題を考察する．この集合を￡2性能保証領域と呼ぶ．特に設計問題において線形解析条件に基づく動的出力フィードバック（線形）補償器もしくは円板条件に基づくアンチワインドアップ機構を備えた動的出力フィードバック（非線形）補償器により達成可能な￡2性能保証領域を特徴づける．解析では円板条件から求まる集合が線形解析条件から求まる集合以上の大きさになり，逆に設計では両条件から求まる2つの集合は厳密に等しいことが示される．これは，円板条件に基づく非線形補償器で達成可能な￡2性能保証領域が，線形解析に基づく線形補償器で必ず達成できることを意味する．つまり，飽和を有する制御において，達成可能な￡2性能保証領域の大きさを線形解析条件に基づく結果以上に改善するため，円板条件による解析を用いることは有効でないと明らかにされる．
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■ 不確定特異摂動システムの準最適コスト保証制御
広島市大・向谷博明，新田智昭，土橋宜典，小林康秀
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本論文では，状態部分および制御部分を表わす行列の両方に不確かさを含む特異摂動システムに対して，コスト保証制御理論を適用する．本論文の主要な結果は，以下の2つである．第1に，制御則の設計パラメータの決定方法を新たに提案する．詳しくは，正の微少摂動項を含むリカッチ方程式の解の固有和を直接利用するかわりに，摂動項に関する解の固有和の近似式を利用して設計パラメータを決定する．したがって，摂動項が既知でない場合でも，設計パラメータが決定できる．第2に，厳密分解法に現れるアルゴリズムの性質を明らかにする．本論文では，Newton-Kantorovich
Theorem を利用することによって，2次収束の性質を新たに定式化する．また，解を得るための3つの行列非線形方程式の解が，初期値の近傍で唯一であることを新規に示す．数値例では，まず，固有和の近似式の有用性を実証する．続いて，厳密分解法の特性を確認する．
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■ 学習入力空間の有限次元化を用いたロボットアームの反復学習制御
京大・浜本研一，杉江俊治
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与えられた目標軌道に対して対象システムの出力を誤差なく追従させる制御手法の1つとして，反復学習制御がある．これまでの研究より，試行反復により追従誤差をなくすためには対象システムが直達項をもつこと，あるいは受動性を有することのいずれかを満たせば十分であることが知られている．しかしこれらの性質を有する対象のクラスは少なく，またそれを補償する方法にもいくつかの問題点がある．
これらの問題点を解決する反復学習制御法の1つとして，筆者らは目標軌道に基づく基底関数を用いた入力空間の有限次元化による反復学習制御を提案している．しかし，提案した手法の収束性の証明や反復学習ゲインの設計法は対象システムの線形性に依存したものであり，非線形システムに適用した場合にどのような反復学習ゲインを選択すべきか等は明らかでなかった．
本論文では入力空間を有限次元化する手法を非線形システムに拡張することを目的とし，その第1段階として，ロボットアームの軌道制御に適用する場合について検討をしている．まず，ロボットアームの有する2つの性質，パラメータ線形性と受動性を利用した反復学習則を提案し，これによって軌道追従誤差をなくすための十分条件を明らかにする．このとき提案法では誤差の時間微分が必要ないことや，適当な仮定のもとでは従来法よりも速い収束性が期待できることを示している．最後に，2リンクロボットアームの軌道制御を例にとり，シミュレーションによって提案法の有効性を検証する．
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■ Synthesis of a Static Anti-Windup Compensator
for Systems with Magnitude and Rate Limited
Actuators
Hiroshima Univ.・Nobutaka WADA and Masami
SAEKI
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In this paper, we propose a design method
of a static anti-windup compensator for systems
with input magnitude and rate saturations.
First, we present an anti-windup controller
for systems with input magnitude and rate
saturations. Then, we show that the design
problem of the anti-windup compensator that
guarantees the local stability of the closed-loop
system against saturation nonlinearities
and optimizes the robust control performance
during the saturation period can be reduced
to a linear matrix inequality (LMI) problem.
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■ 多関節ロボットアームのトルクと速度制限下での許容軌跡内の高精度制御法：目標軌道と教示信号の分離生成
佐賀大・中村政俊，岩永卓也，後藤 聡，近畿大・久良修郭
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本論文は，多関節ロボットアームのトルクと速度制限下での許容軌跡内の高精度制御法を提案する．提案法は，制御対象の特性を非線形スタティクス部と線形ダイナミクス部に分ける非線形分離制御の考えに基づき，制御設計を目標軌道生成と修正教示信号生成の問題として完全に分離して取り扱い，ロボットアームのハードウェアの有するトルクと速度に関するすべての制約の仕様を適切に実現できる制御法である．提案法のシミュレーションおよび実験結果から制御設計を適切に取り込んだ制御が実現可能なことを確認した．本方法はロボットアームの入力を変更するのみでハード的な変更を必要とせず，ロボットアームの有する最高制御性能を実現でき，また2軸のロボットアームのみではなく，多軸のロボットアームにも適用できるため，産業界でも容易に提案する制御法を取り入れることが可能である．
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■ 障害物が疎らな未知環境で位置・姿勢・センサ誤差を克服するセンサベーストナビゲーション
大阪電通大・登尾啓史，吉田 孝，グンター シュミット
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センサベーストナビゲーションアルゴリズムとは，移動ロボットが環境を知らないとき，搭載した外界センサ（超音波センサやビジョンセンサなど）で近隣の障害物を検知しながらリアルタイムでそれを回避し，最終的に目的地へ到達させるアルゴリズムのことである．これまで，この種のアルゴリズムは多数提案されてきた．しかし，そこでは，移動ロボットの位置や姿勢の誤差，および外界センサの障害物の検知誤差はまったく考慮されてこなかった．そして，残念ながら，現実に発生するそれらの誤差を仮定すると，従来のセンサベーストナビゲーションアルゴリズムは，移動ロボットを永久ループ（リミットサイクル）に陥らせてしまう．言い換えれば，移動ロボットを目的地の付近へさえも到達させないことを許してしまう．そこで本稿では，たとえそのような誤差が発生しても，それが実用上許容できる範囲に押さえられるのであれば，移動ロボットはオンラインで障害物を回避し，最終的に目的地の近傍に到達できるセンサベーストナビゲーションアルゴリズムが作れることを示す．ここでは，この移動ロボットの目的地の近傍への到達を理論で証明するだけではなく，実機の移動ロボット（超音波センサリングを搭載）による実験によっても確かめた．
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■ 契約社会のメタファによる資源配分法の一提案―家電流通システムへの適応―
流通科学大・貝原俊也，三菱電機・大石哲嗣
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資源配分問題は，あらゆるシステムにおいてその運用効率化を実現するうえで最も重要な課題の1つであり，多数の主体より構成される大規模システムではすぐれた多目的最適化手法の提案が臨まれている．本論文では，家電製品の流通システムを対象に，多様な価値基準をもつ流通組織間の資源配分問題について，分散AIに基づくマルチエージェントパラダイムを適用しその特性評価を行う．ここでは，複雑な流通経路の中で経済社会における契約取引が基本となるメーカー販社モデルに着目し，お互いの効用を相互選択することで双方の独立した効用の妥協点を探る契約ネットプロトコルをベースとした新しい資源配分法を提案する．また，コントラクタ（販社）が納期に対する効用を有するより現実的な状況を想定し，その効用関数として，正規型・非正規型の特徴をもつ2つのケースについて定式化を行う．さらに，資源配分におけるものと情報の流れについてシミュレーションモデルを作成し，家電流通モデルの契約取引に含まれる代表的なパラメータを変化させその特性評価を行い本手法の有効性を検証する．なお，本研究により，現在多くの人手により実施されている製品取引業務の省人化が図れるとともに，効率的な製品引き当ての実現が期待される．
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■ エリート個体群に共通の性質をサブゴールとする自律的漸進進化
名大・松﨑元昭，ウェストバージニア大・川合隆光名大・安藤秀樹，島田俊夫
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GAの収束性を向上させる有望な手法のひとつに，漸進進化がある．漸進進化は，探索が困難な解を広い空間から直接探索するのではなく，探索が容易なサブゴールを順次与えることにより，少ない世代数で解を見つけることができる．しかし従来の漸進進化手法では，サブゴールを手動で設定しなければならないという大きな問題があった．さらに，手動設定のために，解空間の形状など，問題に対する知識を多く必要とするという問題もあった．これに対して筆者らはこれまでに自律的にサブゴールを設定する漸進進化を提案した．この手法では，サブゴール設定には達成の度合などの問題に対する知識を必要とするという問題が依然として残っていた．本論文では，問題に対する知識をほとんど必要とせずに自律的にサブゴールを獲得する新しい漸進進化手法を提案する．われわれの漸進進化手法では，つぎの世代のサブゴールを現世代のエリート個体群に共通する性質とした．サブゴールを求めるためには個体の入力に対する挙動などといった個体の表現型の性質のみを用いるため，問題に対する特別な知識をほとんど必要としない．われわれのエリート個体群に共通する性質をサブゴールとする漸進進化手法を評価するために，6－マルチプレクサ問題と，人工蟻の行動制御回路の生成実験を行った．実験の結果より提案手法は，問題に対する知識をほとんど必要とせず自律的にサブゴールを設定する漸進進化を行って，良い収束性となることを確認した．
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■ Sector nonlinearityの概念を用いたファジィモデルの同定
電通大・田中一男，大竹 博
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sector nonlinearityの概念を利用したモデリング手法を提案する．この概念を用いることでグローバルあるいはセミグローバルに非線形ダイナミクスをファジィモデルによって再現可能である．説明変数が1個の場合は2つのsectorで非線形ダイナミクスを再現できるが，多次元（説明変数が2個以上）の場合ではsectorの構成に工夫を要する．本論文では非線形ダイナミクスを複数個の領域に分けて考える．各領域内では2つのsectorで非線形ダイナミクスを再現できることを示し，この特徴を考慮した新しいファジィモデル表現を提案する．しかし，多次元の場合は各領域内であっても一般にsectorを一意に定めることができず，なんらかの基準や制約を定めてsectorを求める必要がある．また，複数個の領域ごとにsectorを求めるため，領域の境界上で整合性が必要となる．本論文では入出力データから多次元sectorを構成する方法を提案し，さらに整合性を考慮したsectorの修正方法も提案する．最後に他のファジィモデリング手法と比較を行い，本アルゴリズムの有効性を示す．
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■ 平衡水素の三重点温度の試料依存性
計量研・櫻井弘久
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天然の水素は約0.015%の重水素を含んでいる．質量数1の水素にとって，質量数の2倍の重水素の含有量は三重点温度に影響し，同位体組成の曖昧さによる試料依存性が予想されていた．しかし，従来の三重点の測定法では不純物と同位体組成の影響とを分離することが難しく，試料依存性を測定した例はなかった．これに対して，クローズドサイクル冷凍機とオープンセルを用いて，三重点の実現精度を向上させ，3種類の異なる製法の高純度試料を使って試料依存性を測定した．この結果，最大で0.38mKの差があることを見いだした．さらに，熱分析による純度評価では，三重点の温度値が低い試料が高純度であることがわかった．これらの結果から，系統的な温度値の差は試料の同位体組成の違いによるものと推定される．
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■ 広視野赤外放射温度計校正用黒体空洞の放射特性評価
産総研・石井順太郎，福崎知子，藤原哲雄，小野 晃
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本論文では，黒体空洞に代表される空洞放射体の実効放射率の角度特性評価法について報告する．常温域の赤外放射温度計や耳式体温計等の機器は，輝度の低い赤外熱放射を測定するため，広い測定視野角をもつものが多い．しかしながら，放射温度計の校正に利用される黒体炉の放射特性については，これまで主として中高温域で使用される狭視野放射温度計の校正黒体炉の評価を前提としており，視野角の広い放射温度計の校正に必要な，黒体空洞の放射特性評価方法が確立されておらず，黒体炉を用いた校正作業における定量的な不確かさ評価が不十分な状態となっていた．
本研究では，モンテカルロ法による光線追跡計算法により，空洞放射体の実効放射率の角度特性に関する実用的な評価方法を開発した．開発した評価方法を実際の常温域黒体炉に使用されている空洞モデルに適用し，空洞の実効放射率と測定視野角との関係について定量的評価を行うと共に，広視野赤外放射温度計や赤外線(耳)式体温計の校正に適した空洞形状の設計を行った．
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