屋内自律飛行船における飛行フォーメーションの獲得

北海道大学 工学部 情報工学科

複雑系工学講座 調和系工学研究室

中林 佑太

背景

鳥は環境との相互作用によりエネルギー効率の良いフォーメーションを獲得[Weimerskirch, 01]

フォーメーション

複数の因子が相互作用し，系全体の振る舞いが決定

複数の個体の相互作用により決まる群全体の形態

•大容量のバッテリーを搭載することが難しい

•他の機体からの影響を受けやすい

屋内自律飛行船の特徴

協調した群飛行によりフォーメーションを獲得

複雑系

目的

• 複数機による飛行船の動きをシミュレーションで実験

• 飛行船群に学習・進化による群飛行をさせる

• 獲得されたフォーメーションを検証

飛行船の群飛行におけるフォーメーションの獲得

屋内自律飛行船

Camera Sensor

Controller

RGB 16bit

160×144[pixel]

T-Engine System

CPU: 216MHz

Propellers

Image

information

Control

signal

ＸＹ方向４出力，Ｚ方向1出力の計算が必要

飛行船シミュレータ[西村 03][西岡 05]

運動方程式

FBAvM

Ｍ：質量行列ｖ：速度ベクトルＡ：空気抵抗力Ｂ：浮力と重力による力Ｆ：遠心力とコリオリ力τ：推力

プロペラユニット

バルーン

半径r = 0.47

高さh = 0.8

実機をモデル化した運動方程式

飛行時の空気の流れによる影響

複数の機体が飛行時にまとまって動くことで移動効率が良くなる

飛行船

飛行船の速度

明るい部分：空気の流れが多い

→流れに乗ることでエネルギー効率良く移動

飛行船の移動時に空気の流れができる

群飛行における制御

飛行船群の直線移動距離を最大化目的

ニューラルネットワーク 自機体と他機体の出力結果を用いて計算

遺伝的アルゴリズムニューラルネットワークのパラメータの最適化

ニューロコントローラ

Y

X

T0

T1

T2

T3

T4 T4

入力

ニューラルネットワークにより各プロペラの出力を求める

Rｘi， Rｙi， Rｚi

RVｘi， RVｙi， RVｚi

Vｘ， Vｙ， Vｚ

Eposess/Einit

T0(t-1)，・・・T４(t-1)

○他機体の情報

•相対座標・相対速度

○自機の情報

•速度

•エネルギー保有率

•出力のフィードバック

出力

•ＸＹＺ方向の5ｃｈのモータ出力

1. N個体をランダムに生成する

2. 遺伝子の情報を基に飛行船群を制御する

3. エネルギーが無くなる・飛行時間終了によって適応度を計算

4. 次世代の個体の生成(エリー

ト戦略、トーナメント選択、突然変異、交叉)

5. 決められた世代数2～4を繰り返す

遺伝的アルゴリズムNNのパラメータの最適化目的

GAの手順

遺伝子

0.010.03 -0.020.04

全ての機体の初期位置と最終到達地点の直線距離の総和

i

idfitness

評価関数

各機体は同じ遺伝子を使用

実験

学習により群行動の振る舞いを分析しフォーメーションの獲得を検証

目的

• 機体数 n = {1, 2, 4}

• 初期位置 中心(0, 0, 1.5) 半径 1.5の円状に正n角形状に配置

• 試行の終了条件 全機体のエネルギーがなくなる一定時間経過

各機体数ごとに独立して進化

1機体あたりの平均評価値17.5 1機体あたりの平均評価値31.7

評価値の低い個体

• 評価値の低い個体は全機体が集まって飛行するわけではないため，エネルギー効率が良い飛行が獲得できていない

1機体あたりの平均評価値17.4

評価値の低い個体の特徴

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1 30 59 88 117 146 175 204 233 262 291 320 349 378 407 436 465-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1 30 59 88 117 146 175 204 233 262 291 320 349 378 407 436 465

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1 30 59 88 117 146 175 204 233 262 291 320 349 378 407 436 465

4機体の速度(x方向) 4機体の速度(y方向) 4機体の速度(z方向)

各機体の速度が違う

-5

0

5

10

15

20

25

-40 -30 -20 -10 0 10 20

Airship1

Airship2

Airship3

Airship4

評価値の高い個体

• 評価値の高い個体は2機体もしくは4機体で集まりフォーメーションを形成することによってエネルギー効率の良い飛行を実現している．

1機体あたりの平均評価値：56.4

1機体あたりの平均評価値66.1 1機体あたりの平均評価値55.6

評価値の高い個体の特徴

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

-2 0 2 4 6 8 10

Airship1

Airship2

Airship3

Airship4

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

1 189 377 565 753 941 1129 1317 1505

時間（ステップ数）

速度(m/s)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

1 189 377 565 753 941 1129 1317 1505

時間（ステップ数）

速度(m/s)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

1 189 377 565 753 941 1129 1317 1505

時間（ステップ数）

速度(m/s)

4機体の速度(x方向) 4機体の速度(y方向) 4機体の速度(z方向)

フォーメーション：隊形・編隊

ある時点での全機体の速度が同じ

評価値の高い個体は均等に中心に集まるような配置

実験結果

機体数：４(８２世代目) フォーメーションを保つ個体

結論

• 複数飛行船に繰り返し群飛行をさせることで進化，学習した

• 全機体の速度が同じになり一定の位置関係を保つ場合はフォーメーションを獲得したと考えられる

• 進化学習によってフォーメーションを獲得するような振る舞いが生まれた