特許 6362663 移動体の群制御システム及び移動体の群制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6362663

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】移動体の群制御システム及び移動体の群制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   G05D 1/02 20060101AFI20180712BHJP

   B64C 13/18 20060101ALI20180712BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20180712BHJP

【ＦＩ】

   G05D1/02 P

   B64C13/18 Z

   B64C39/02

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-235908(P2016-235908)

(22)【出願日】2016年12月5日

(62)【分割の表示】特願2016-21431(P2016-21431)の分割

【原出願日】2016年2月8日

(65)【公開番号】特開2017-142778(P2017-142778A)

(43)【公開日】2017年8月17日

【審査請求日】2016年12月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】515245697

【氏名又は名称】エレメンタルデザイン＆コンサルティング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137338

【弁理士】

【氏名又は名称】辻田 朋子

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼岡 秀年

【審査官】 影山 直洋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０４５２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２３３１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８８８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 守田 了，外１名，引力斥力モデルに基づく集団行動の獲得，情報処理学会研究報告 知能と複雑系，社団法人情報処理学会，２０００年 ６月 ２日，Ｎｏ．１２０，ｐ．１７−ｐ．２４

【文献】 原田 隆宏，ＳＰＨにおける壁境界計算手法の改良，情報処理学会論文誌，日本，社団法人情報処理学会，２００７年 ４月１５日，第４８巻 第４号，第１８３８−１８４６ページ

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｄ １／００− １／１２

Ｂ６４Ｃ １／００−９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の移動体の群制御を行う、群制御システムであって、
それぞれの前記移動体の状態を取得する状態取得手段と、
前記状態に基づいて、それぞれの前記移動体に関する、少なくとも前記移動体とその近傍の他の移動体との間に生じる引力及び斥力を含む物理量を算出する物理量算出手段と、
前記状態及び前記物理量に基づいて、それぞれの前記移動体の軌道変化を算出する軌道変化算出手段と、
前記軌道変化に基づいて、それぞれの前記移動体へと軌道の変更の指示を出す軌道変更指示手段と、を備え、
前記物理量算出手段が、前記移動体の群を、前記移動体を構成要素とする連続体に見立て、前記物理量を、連続体力学に基づき、粒子法を用いて算出するものであって、前記移動体の物理量を、該移動体と近傍の他の前記移動体の物理量に基づいてＫｅｒｎｅｌ関数によって算出することを特徴とする、移動体の群制御システム。

【請求項2】

前記状態が、前記移動体の位置、速度、加速度、外力、操舵力のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の移動体の群制御システム。

【請求項3】

前記物理量が、連続体力学に基づいて仮想的に表現した密度、質量、圧力、温度、内部エネルギー、変位、歪、歪応力、接触圧の内、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の移動体の群制御システム。

【請求項4】

前記移動体が複数の群を構成し、
前記状態が、前記移動体の所属する群の情報を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の移動体の群制御システム。

【請求項5】

前記移動体の内の少なくとも１つの位置を固定して前記群制御を行うことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の移動体の群制御システム。

【請求項6】

複数の移動体の群制御を行う、群制御プログラムであって、
コンピュータ装置を、
それぞれの前記移動体の状態を取得する状態取得手段と、
前記状態に基づいて、それぞれの前記移動体に関する、少なくとも前記移動体とその近傍の他の移動体との間に生じる引力及び斥力を含む物理量を算出する物理量算出手段と、
前記状態及び前記物理量に基づいて、それぞれの前記移動体の軌道変化を算出する軌道変化算出手段と、
前記軌道変化に基づいて、それぞれの前記移動体へと軌道の変更の指示を出す軌道変更指示手段と、として動作させるものであって、
前記物理量算出手段が、前記移動体の群を、前記移動体を構成要素とする連続体に見立て、前記物理量を、連続体力学に基づき、粒子法を用いて算出するものであって、前記移動体の物理量を、該移動体と近傍の他の前記移動体の物理量に基づいてＫｅｒｎｅｌ関数によって算出することを特徴とする、移動体の群制御プログラム。

【請求項7】

前記状態が、前記移動体の位置、速度、加速度、外力、操舵力のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項６に記載の移動体の群制御プログラム。

【請求項8】

前記物理量が、連続体力学に基づいて仮想的に表現した密度、質量、圧力、温度、内部エネルギー、変位、歪、歪応力、接触圧の内、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載の移動体の群制御プログラム。

【請求項9】

前記移動体が複数の群を構成し、
前記状態が、前記移動体の所属する群の情報を含むことを特徴とする、請求項６から請求項８の何れかに記載の移動体の群制御プログラム。

【請求項10】

前記移動体の内の少なくとも１つの位置を固定して前記群制御を行うことを特徴とする、請求項６から請求項９の何れかに記載の移動体の群制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の移動体を含む移動体群の運動を制御する、群制御方法に関する。また、複数の移動体群の相互作用に基づいた群制御方法を含む。

【背景技術】

【0002】

近年では、制御技術などの発展に伴い、自律的に稼働するロボットやドローンなどの無人機が広く用いられている。これらの移動体は、単体で稼働するものもあるが、複数を同一の空間内で利用するような用途で用いられることも多い。

【0003】

例えば、倉庫内での荷物の運搬、上空での環境情報の収集などにおいては、複数の移動体を協調して動作させることで、高効率化を図ることができる。また、複数の車両に車列をなして自動運転する場合などについても同様に、自律的に稼働する複数の移動体を協調して動作させるものと言える。

【0004】

このように、複数の移動体を操作するためには、移動体と障害物などとの衝突はもちろんのこと、移動体同士の衝突を避けることが不可欠である。これを実現するために、移動体を群れとしてとらえ、制御する、群制御と呼ばれる手法を用いた技術が開発されている。

【0005】

例えば、特許文献１には、複数の移動体の群制御を行うに際し、各移動体の周囲に、外側から内側に向かって、接近領域、平行領域、反発領域を順に設定して、移動体を群れとして扱い、かつ、移動体同士の接触を避けるような制御を行う技術が記載されている。

【0006】

また、気体や液体などの流体や弾塑性体や粘弾性体などの固体といった計算対象物を粒子の集まりとして表し、それらの粒子の挙動のシミュレーションを行う方法として、粒子法と呼ばれる数値解析手法が挙げられる。より詳細には、代表的な手法として、ＳＰＨ（Ｓｍｏｏｔｈｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）法や、ＭＰＳ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｍｉ−ｉｍｐｌｉｃｉｔ）法が挙げられる。

【0007】

非特許文献１には、上述したＳＰＨ法を用いて物体同士が衝突した際に生じる現象の数値解析を行う方法について記載されている。また、非特許文献２には、ＭＰＳ法による物理現象の数値解析を行う方法について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１０−１８８８９３号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】高岡秀年、小紫公也、藤原俊隆、超高速固体衝突に伴う相変化・変形現象の数値解析、日本航空宇宙学会誌 Vol. 45 (1997) No. 522 P 371-379

【非特許文献2】越塚誠一、柴田和也、室谷浩平、粒子法入門、丸善出版、2014年6月25日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述したように、特許文献１に記載されるような技術を用いることにより、複数の移動体の群制御を行うことができる。しかし、より安定して群れを形成させるためには、各移動体の速度や、旋回性能などの条件を加味し、適切な影響範囲を設定しなければ、群れとして収束できず、発散してしまう恐れがある。また、特許文献１に記載される群制御方法では、移動体群と移動体群の制御には対応できない。

【0011】

そこで、本発明では、安定した移動体の群れを維持し、移動体同士の衝突などを回避することのできる、移動体の群制御方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明に係る移動体の群制御方法は、
複数の移動体の群制御方法であって、
それぞれの前記移動体の状態を取得する状態取得工程と、
前記状態に基づいて、それぞれの前記移動体に関する物理量を算出する物理量算出工程と、
前記状態及び前記物理量に基づいて、それぞれの前記移動体の軌道変化を算出する軌道変化算出工程と、
前記軌道変化に基づいて、それぞれの前記移動体へと軌道の変更の指示を出す軌道変更指示工程と、を備え、
前記物理量算出工程が、前記移動体を系を構成する構成要素に見立て、前記物理量を、前記系における物理法則に基づいて、数値解析手法を用いて算出し、
前記物理量が、少なくとも、前記移動体とその近傍の他の移動体との間に生じる引力及び斥力を含むことを特徴とする。

【0013】

このように、移動体を系を構成する構成要素に見立て、その系における物理法則に基づいた数値解析手法を用いて制御することにより、移動体群を安定して制御することができる。

【0014】

本発明の好ましい形態では、前記物理法則として連続体力学を用い、
前記物理量算出工程が、前記移動体の群を連続体に見立て、前記物理量を算出することを特徴とする。
このように、移動体群を連続体と見立て、弾塑性体・粘弾性体・超弾性体などの固体、完全流体・粘性流体・圧縮性流体・非圧縮性流体などの流体の現象を扱う連続体力学および数値解析手法に基づいて群内部の状態を把握し、群間の相互作用を算出することで、それぞれの群内部の移動体と群と群の相互作用を安定的に制御することができる。

【0015】

本発明の好ましい形態では、前記数値解析手法の一つである粒子法を用い、
前記物理量算出工程が、その移動体の物理量を自身と近傍の移動体の物理量からＫｅｒｎｅｌ関数を加味して算出することを特徴とする。
これにより、移動体群内部状態と群間の相互作用に基づいて、移動体および移動体群の群制御を行うことができる。ここで、粒子法とは、固体・流体・粉粒体などを、複数の粒子によって構成されているものと見立て、それらの粒子を用いたシミュレーションを行うことにより、系の時間変化のシミュレーションを行うものである。また、Ｋｅｒｎｅｌ関数とは、距離に応じた重み付け関数であり、ガウス関数や多項式を用い、着目する移動体の位置で最大値をとり、その移動体から離れると値が漸減し、空間を積分すると１に正規化される関数である。
このように、粒子法を用いて物理量の算出を行うことにより、それぞれの移動体の周囲の複数の移動体に起因する物理量の算出を効率よく行うことができる。

【0016】

本発明の好ましい形態では、前記状態が、各移動体の位置・速度・加速度などの移動体の状態を示す情報、及び外力・操舵力などの移動体の運動変更指示情報を含むことを特徴とする。

【0017】

本発明の好ましい形態では、前記物理量が、移動体の状態を前記物理法則を用いて仮想的に表現した密度、質量、圧力、温度、内部エネルギー、変位、歪、応力、接触圧などの情報を更に含むことを特徴とする。

【0018】

本発明の好ましい形態では、前記移動体が複数の群を構成し、
前記状態が、前記移動体の所属する群の情報を含むことを特徴とする。
これにより、複数の移動体群の間の相互作用を安定的に制御することができる。

【0019】

本発明の好ましい形態では、移動体の群制御方法が、前記移動体の内の少なくとも１つの位置を固定して行うことを特徴とする。
このように、移動体の固定を行うことで、壁などの障害物を想定した群制御を行うことができる。

【0020】

本発明の好ましい形態では、前記物理量算出工程、及び前記軌道変化算出工程を、それぞれの前記移動体によって行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

複数の移動体を含む移動体の群れを、安定的に制御することができる

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係る群制御システムの構成図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る群制御装置の機能ブロック図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る移動体の機能ブロック図である。

【図4】本発明の一実施形態における群制御処理を示すフローチャートである。

【図5】本発明の一実施形態における各移動体についての計算処理を示すフローチャートである。

【図6】ＳＰＨ法による粒子の挙動のシミュレーション処理を示すフローチャートである。

【図7】ＳＰＨ法による各粒子についての計算処理を示すフローチャートである。

【図8】本発明の一実施形態における移動体群における移動体の配置を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る移動体の群制御方法は、数値解析の手法の一つである粒子法をアナロジー的に用いることで、移動体および移動体群の群制御を行うものである。粒子法とは、固体や流体、粉粒体などを、複数の粒子によって構成されているものと見立て、それらの粒子を用いたシミュレーションを行うことにより、系の時間変化のシミュレーションを行うものである。なお、本実施形態においては、より具体的には、粒子法の代表的な手法のひとつであるＳＰＨ（Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）法を用いるが、粒子法の一種であるＭＰＳ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｍｉ−ｉｍｐｌｉｃｉｔ）法やＤＥＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）等の粒子法を用いることも排除しない。

【0024】

＜ＳＰＨ法によるシミュレーションの概略＞
図６は、ＳＰＨ法による粒子の運動のシミュレーションに係る処理を示すフローチャートである。ここでは、ｎ個の粒子の集合について、ｍタイムステップのシミュレーションを行う場合の処理を例示する。また、記号ｉはタイムステップ、ｊ・ｋは粒子のＩＤを示す。また、粒子法では、固体や流体などの連続体を、複数の微小要素に分割する。粒子法では、それらの微小要素を粒子とみたて、その位置での物理量は影響半径ｒ内にある近傍粒子の物理量にＫｅｒｎｅｌ関数を考慮して重ね合わせて表現する。

【0025】

まず、ステップＳ３０１で、タイムステップｉ＝０とし、０番目のタイムステップについての計算を開始する。続く、ステップＳ３０２で、粒子ｊ＝０とし、ｎ個の粒子の集合の内の０番目の粒子を計算の対象とする。ここでタイムステップｉ＝０と初期値を定めたが、任意の時刻でも良い。

【0026】

そして、ステップＳ３０３で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の粒子についての計算を行う。ここでの計算処理を、図７に示す。なお、ここでは、予め粒子同士で影響を及ぼしあう範囲として影響半径ｒを定めておき、ｊ番目の粒子と、それを中心とした影響半径ｒの球内または円内に含まれるｎｒ個の粒子との間の関係から、物理量の算出を行うものである。また、影響半径は、一定値を取るだけでなく、物理場に応じて変化してもよい。

【0027】

まず、ステップＳ４０１で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の粒子から半径ｒの球内または円内に含まれる粒子ｋとその個数ｎｒを特定する。ここで、粒子ｋには粒子ｊも含まれる。

【0028】

ステップＳ４０２で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の粒子の状態を取得する。ｉ＝０である場合には、ｊ番目の粒子の初期状態として予め指定された状態を用い、ｉ＞０である場合には、ｉ−１番目のタイムステップにおいて算出した値を用いる。ここで、ステップＳ４０１とステップＳ４０２は同時に行っても良い。

【0029】

そしてステップＳ４０３で、ｋ＝０とする。これは、上述した影響半径ｒの円内に含まれるｎｒ個の粒子の内、０個目の粒子についての計算を行うことを示す。

【0030】

そしてステップＳ４０４で、ｊ番目の粒子の物理量の時間変化を、ｊ番目とｋ番目の粒子における物理量を用い、Ｋｅｒｎｅｌ関数を用いて近似・離散化された連続体の保存則や材料力学の構成則等に基づいて算出する。例えば、連続体においては質量、運動量、内部エネルギーなど物理量は時間変化が起こっても系全体で保存される。これを定式化した質量保存式・運動量保存式・エネルギー保存式をＫｅｒｎｅｌ関数を用いて離散化し、ｊ番目とｋ番目の粒子における物理量を用い、密度や速度、圧力、内部エネルギー等の物理量の時間変化を求める。また、歪と変位の関係式や歪速度と速度の関係式などの構成則をＫｅｒｎｅｌ関数用いて離散化し、ｊ番目とｋ番目の粒子における物理量を用い、歪や歪速度の時間変化を求める。これらの各保存式や構成則は、Ｋｅｒｎｅｌ関数を用いて離散化され、影響半径ｒ内にある粒子の物理量にＫｅｒｎｅｌ関数で重みづけをして重ね合わせられている。

【0031】

そして、ステップＳ４０５でｋの値がｎｒの値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ４０６に進み、ｋを１進める。

【0032】

そしてステップＳ４０７で、次のタイムステップ（ｉ＋１番目のタイムステップ）における、ｊ番目の粒子の残りの物理量を、弾塑性体・粘弾性体・超弾性体などの固体、完全流体・粘性流体・圧縮性流体・非圧縮性流体などの流体の現象を扱う連続体力学に基づいて、算出する。
例えば、金属やゴムなどの固体であれば、粒子間の相対変位から歪を求め、構成方程式に従って弾性係数や降伏条件などを用いた歪から応力の計算、また、流体であれば、密度や内部エネルギー、温度から気体定数を用いた圧力の計算、また、隣接する粒子間の距離を用いた引力・斥力の計算などが挙げられる。

【0033】

以上のように、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の粒子と、それらの周囲の影響半径ｒ以内の距離のｎｒ個の粒子との関係と、Ｋｅｒｎｅｌ関数で離散化された各種保存則や構成則にもとづいて、ｉ＋１番目のステップにおけるｊ番目の粒子の状態を算出することができる。

【0034】

続いてステップＳ３０４に進み、ｊの値がｎの値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ３０５に進み、ｊを１進めてから、再びステップＳ３０３でｊ番目の粒子についての計算を行う。

【0035】

以上の処理を繰り返し行い、ｉ番目のステップにおけるｊ個の粒子それぞれについての計算を終えた後には、ステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７では、ｉの値がｍの値よりも小さいか、すなわち、ｍステップの全ての計算を終えたかを判定する。

【0036】

ｉの値がｍの値よりも小さく、まだｍステップの計算を終えていないと判定された場合には、ステップＳ３０７に進み、ｉを１進める。そして、ステップＳ３０２からステップＳ３０４までの、ｎ個の粒子のそれぞれに関する計算を再び行う。

【0037】

そして、ステップＳ３０６で、ｍステップの全ての計算が終了した後に、処理を終了する。このようにして、ｎ個の粒子が、各ステップにおいて影響範囲ｒに含まれるｎｒ個の粒子と互いに影響しあい、ｍステップの間においてどのような挙動を示すかをシミュレーションすることができる。

【0038】

なお、ここでは任意のタイムステップを設定して、上述したような計算を行えばよい。例えば、タイムステップを０．５ミリ秒として設定すれば、ステップＳ３０２からステップＳ３０７までの１ステップ分の計算によって、０．５ミリ秒の時間における粒子の状態の変化を計算し、ｍステップ全ての計算が終了すれば、０．５ミリ×ｍ秒間における粒子の状態変化のシミュレーション結果を得ることができる。

【0039】

＜群制御システムの構成＞
本実施形態では、以上に示した流体や固体などの連続体の変形・膨張・剛体運動を粒子の運動として表現したＳＰＨ法によるシミュレーションと同様の手順により、複数の移動体を粒子と見立てて群制御を行う。図１は、本実施形態に係る群制御システムの構成を示す図である。

【0040】

ここに示すように、本実施形態に係る群制御システムは、群制御装置１と、図中に２ａ〜２ｅとして示すような、複数の移動体２が、ネットワークＮＷを介して互いに通信可能に構成されている。

【0041】

なお、移動体２は、マルチコプターのような小型の飛行体や、台車のような走行体など、任意の物であってよい。なお、空中や水中のように、各移動体が３次元的な移動を行う場合においては、後述する群制御処理を３次元空間について行えばよいし、陸上や水上のように、各移動体が２次元的な移動を行う場合においては、後述する群制御処理を２次元空間について行えばよい。

【0042】

また、ネットワークＮＷについては、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のような種々の無線通信を利用すればよい。あるいは、移動体２の移動の制約が許容されるのであれば、有線によって構築してもよい。

【0043】

なお、図１においては、群制御装置１及び各移動体２がそれぞれネットワークＮＷに接続するようなスター型のネットワークトポロジを例示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、群制御装置１の備える手段の一部又は全部をそれぞれの移動体２に搭載し、それぞれの移動体２同士がアドホック通信を行うような構成など、任意のネットワーク構成としてよい。

【0044】

図２は、群制御装置１の機能ブロック図である。ここに示すように、群制御装置１は、各移動体２の状態を取得する状態取得手段１０１と、各移動体２についての物理量の算出を行う物理量算出手段１０２と、各移動体の軌道変化を算出する軌道変化算出手段１０３と、各移動体に軌道の変更を指示する軌道変更指示手段１０４と、を備える。

【0045】

図３は、移動体２の機能ブロック図である。ここに示すように、移動体２は、自身の状態を群制御装置１へと送信する状態送信手段２０１と、群制御装置１より軌道変更指示を受信する軌道変更指示受信手段２０２と、軌道変更指示に基づいて自身の軌道の制御を行う軌道制御手段２０３と、を備える。

【0046】

なお、群制御装置１としては、ＣＰＵなどの演算装置、ＲＡＭなどの主記憶装置、ＨＤＤやＳＳＤ、その他の不揮発性メモリといった補助記憶装置、ネットワークＮＷとの通信手段を含む各種の入出力装置などを備えた、汎用的なサーバ装置を用いることができる。より詳細には、補助記憶装置へと、図２に示した各手段を実現するための群制御プログラムを配し、それを主記憶装置上へ展開して、演算装置による処理を行うことによって、本実施形態に係る群制御を行うことができる。なお、群制御装置１は、単一のサーバ装置による構成としてもよいし、ネットワークＮＷや図示しないその他のネットワークなどを介して接続される複数台のサーバ装置などによって実現するような構成としてもよい。

【0047】

＜群制御処理＞
図４は、本実施形態に係る群制御装置による群制御の処理を示すフローチャートである。これは、ｎ台の移動体２によって構成される群について、ｍステップのシミュレーションを示す。なお、これは先に図６を用いて説明した、ＳＰＨ法による粒子の移動のシミュレーション処理において、粒子を移動体２へと置き換えたものであると言える。

【0048】

まず、ステップＳ１０１で、タイムステップｉ＝０とし、０番目のタイムステップについての計算を開始する。続く、ステップＳ１０２で、移動体ｊ＝０とし、ｎ台の移動体２の集合の内の０番目の移動体２を計算の対象とする。

【0049】

そして、ステップＳ１０３で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の移動体２についての計算を行う。ここでの計算処理を、図５に示す。なお、ここでは、予め移動体２同士で影響を及ぼしあう範囲として影響半径ｒを定めておき、ｊ番目の移動体と、それを中心とした影響半径ｒの円内に含まれるｎｒ台の移動体との間の関係から、物理量の算出を行うものである。また、影響半径は、一定値を取るだけでなく、物理場に応じて変化してもよい。

【0050】

まず、ステップＳ２０１で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の移動体から半径ｒの球内または円内に含まれる移動体ｋとその個数を特定する。ここで、移動体ｋには移動体ｊも含まれる。

【0051】

ステップＳ２０２で、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の移動体２の状態を取得する。ここで、ステップＳ２０１とステップＳ２０２は同時に行っても良い。ｉ＝０である場合には、ｊ番目の移動体の初期状態として予め指定された状態を用いてもよいし、実際に各移動体２の状態送信手段２０１より送信された状態についての情報を用いてもよい。ｉ＞０である場合には、ｉ−１番目のステップにおいて算出した値を用いてもよいし、実際に各移動体２の状態送信手段２０１より送信された状態についての情報を用いてもよい。なお、特にｉ＞０である場合においては、ｉ−１番目のステップにおいて算出した値と、実際に各移動体２の状態送信手段２０１より送信された値との両方を加味し、後に説明するように軌道変更指示手段１０４によって移動体２へと送信した軌道変更指示と、軌道制御手段２０３によって軌道制御を行い、移動体２が実際に移動した軌道との誤差を訂正するような構成とすることが好ましい。また、例えば、移動体２ａの制御を行う時、移動体２ａ近傍の他の移動体２から情報を取得する、あるいは、移動体２ａから半径ｒ以内にあるｋ番目の移動体２からｋ番目の移動体２の近傍の移動体２の状態を取得する、といったように、冗長性を持たせても良い。ここでの移動体２の状態としては、移動体２の位置、速度、加速度、外力、操舵力などの情報が挙げられる。

【0052】

そしてステップＳ２０３で、ｋ＝０とする。これは、上述した影響半径ｒの円内に含まれるｎｒ台の移動体２の内、０台目の移動体２についての計算を行うことを示す。

【0053】

そして、ステップＳ２０４で、ｊ番目の移動体２の物理量の時間変化を、ｊ番目とｋ番目の移動体２における物理量を用い、Ｋｅｒｎｅｌ関数を用いて近似・離散化された連続体の保存則や材料力学の構成則等に基づいて算出する。ここでの物理量の時間変化とは、例えば、密度、質量、圧力、温度、内部エネルギー、変位、歪、応力、接触圧、引力や斥力などが挙げられる。これはすなわち、先に説明したＳＰＨ法によるシミュレーションにおいて、流体や固体などの連続体を近似・離散化した粒子において計算された密度、速度、内部エネルギー、歪や応力、引力や斥力などが、各移動体２において疑似的に生じるものとして計算を行うものである。

【0054】

そして、ステップＳ２０５でｋの値がｎｒの値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ２０５に進み、ｋを１進める。

【0055】

そしてステップＳ２０７で、次のタイムステップ（ｉ＋１番目のタイムステップ）における、ｊ番目の移動体２の残りの物理量を算出する。ここでの物理用の算出は、先に説明したＳＰＨ法によるシミュレーションにおいて用いた、弾塑性体・粘弾性体・超弾性体などの固体、完全流体・粘性流体・圧縮性流体・非圧縮性流体などの流体、また流体や固体の挙動を示す粉粒体の現象を扱う連続体力学に基づいて、算出する。

【0056】

なお、移動体２間の距離や移動体２の密度については、当然粒子のそれとはオーダーが大きく異なることが多いため、弾性率、降伏条件、気体定数、粘性係数などの物理定数について、倍率の設定などを行い、計算を行うことが好ましい。これにより、移動体群を、例えば、金属やゴムなどの固体、水や油などの流体などの挙動に模して、制御することが可能になる。

【0057】

そして、ステップＳ２０８で、算出したｉ＋１番目のステップにおける状態へとｊ番目の移動体２を移動させるための軌道変更指示を作成する。なお、ここでの軌道変更指示とはより詳細には、移動体２の進行方向や速度、移動体２が３次元的に移動する場合には、その高度を変化させる、といった内容の指示となる。

【0058】

以上のように、ｉ番目のタイムステップにおけるｊ番目の移動体２と、それらの周囲の影響半径ｒ以内の距離のｎｒ台の移動体２との関係と、Ｋｅｒｎｅｌ関数で離散化された各種保存則や構成則にもとづいて、ｉ＋１番目のステップにおけるｊ番目の移動体２の状態を算出することができる。

【0059】

続いてステップＳ１０４に進み、ｊの値がｎの値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ１０５に進み、ｊを１進めてから、再びステップＳ１０３でｊ番目の移動体２についての計算を行う。

【0060】

以上の処理を繰り返し行い、ｉ番目のステップにおけるｊ台の移動体２のそれぞれについての計算を終えた後には、ステップＳ１０６へと進む。ステップＳ１０６では、ステップＳ２０８で生成した各移動体２に対する軌道変更指示を、対応する移動体２へと送信する。

【0061】

続くステップＳ１０７では、ｉの値がｍの値よりも小さいか、すなわち、ｍステップの全ての計算を終えたかを判定する。

【0062】

ｉの値がｍの値よりも小さく、まだｍステップの計算を終えていないと判定された場合には、ステップＳ１０７に進み、ｉを１進める。そして、ステップＳ１０２からステップＳ１０４までの、ｎ台の移動体２のそれぞれに関する計算を再び行う。

【0063】

そして、ステップＳ１０６で、ｍステップの全ての計算が終了した後に、処理を終了する。このようにして、ｎ台の移動体２が、各ステップにおいて影響範囲ｒに含まれるｎｒ個の移動体２との影響を考え、ｍステップの間における群制御を行うことができる。

【0064】

なお、上述したような計算に用いるタイムステップについて、移動体２の制御に適した値は、粒子の移動のシミュレーションに適した値とはオーダーが大きく異なることが多くなる。そのため、先に説明した移動体２間の距離や移動体２の密度と同様、タイムステップについても任意の倍率設定などを行うことが好ましい。

【0065】

また、実際に移動体２の群制御を行うにあたっては、ｍステップ、といったようにステップによって制御の終了時点を指定するよりも、例えば全ての移動体２が停止した時点、作業を終えた時点など、実際の移動体２の動作に基づいて終了条件を指定することが好ましい。

【0066】

以上のように、移動体２を、流体や弾塑性体、粘弾性体などを構成する粒子に見立てて、ＳＰＨ法をアナロジー的に用いることによって、移動体２の群制御を行うことができる。これにより、実在する物理モデルに基づいたより安定的な群制御を行うことができる。

【0067】

なお、移動体２の群れの制御を行うにあたっては、例えば、１つ又は少数の移動体２に対して軌道変更の指示を与え、群れに属するその他の移動体２を上述したような方法によって制御することによって、安定した群れを維持したまま、群れ全体の移動を操作することができる。

【0068】

なお、本実施形態においては、群制御装置１に物理量算出手段１０２や軌道変化算出手段１０３を備え、各移動体２への軌道変更指示を生成する構成を示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、それぞれの移動体２に物理量算出手段１０２や軌道変化算出手段１０３などを備え、各移動体２へと軌道変更の演算処理を分散させるような構成としてもよい。

【0069】

図８は、本実施形態に係る移動体２の配置を例示する図である。ここで、移動体２ａに着目すれば、影響半径ｒによって定まる領域Ｌａ内に存在する他の移動体２との関係に基づいて制御を行う。

【0070】

また、同じく図８に示すように、群を構成する移動体２の中に、空間に固定された移動体３をガイドとして配置し、他の移動体２の移動範囲を制限するような構成としてもよい。このように、固定された移動体３を含めて群制御を行うことにより、例えばビルの外壁に固定された移動体３を配置し、それによって飛行機などの移動体２とビルとの接触を防ぐ、といった利用を行うことができる。

【0071】

なお、群れを構成する移動体２は、全て同種の移動体である必要はない。例えば、上述したように固定された移動体３を用いる場合に、それを他の移動体２とは異なる移動体としてもよいし、また、実際には存在しない移動体を、仮想的に配置するような構成としてもよい。これにより、例えば地形や障害物を数値化し固定した粒子を地表面等に仮想的に配置することで、地表や障害物との衝突を避けるように移動体２の運動を制御することができる。

【0072】

また、固定された移動体３を信号機に設置し、仮想的な壁を作ることで、移動体を静止させるなど、可動する移動体２の流れをコントロールしてもよい。

【0073】

本発明に係る移動体群の他の利用方法として、移動体２として自動運転車を用いれば、渋滞や事故を回避することのできる自動運転システムを構成することができる。この際、道路の端にあたる位置に固定された移動体３、あるいはその役割を果たす仮想的な移動体を設置することが好ましい。

【0074】

また、完全に自律的に動作する移動体のみならず、操縦者が搭乗して、あるいは遠隔で操作するような移動体を、移動体２として用いるような構成としてもよい。このような構成とすることにより、例えば先に例示したような自動車において、運転手の操作によって走行しながらも、衝突を回避する、前を走る他の自動車に追従するなど、補助的な制御を行うことができる。あるいは、一人乗りのより小型な移動体などにおいても同様に、衝突を避けて安全に走行することができる。

【0075】

あるいは、自動車などの移動体と、歩行者の保持するスマートフォン端末装置などの携帯型端末装置を、共に移動体２として利用するような構成も挙げられる。このような構成とすれば、自動車などの移動体と歩行者との接触を避けることができる。

【0076】

なお、本発明に係る群制御方法によれば、移動体２によって構成される群の分裂や合体についても、固体や流体の分裂や合体を模擬して制御することができる。例えば、金属などの固体にある一定上の力が加わった際には、降伏応力を超えると伸びて、破壊応力を超えると破壊し、複数の物体となる。これと同じように、移動体２の群に仮想的な力や強制変位を加えることで、群の変形や分裂を制御することができる。

【0077】

また、水などの流体が混ざり合うと、一体とした挙動を示すように、複数の移動体の群れの合流も制御することができる。更に、単一の群を構成する移動体２の仮想的な物性をある時点で変更すれば、水と油が分離するように、分離させることもできる。

【0078】

複数の群の制御としては、固体と固体の接触条件のように、群同士が近づく際には力が作用し、離れるときには力が作用しないようにすることで、複数の群の衝突を回避し、それぞれの群を維持するような制御を行うこともできる。

【0079】

以上のように、本実施形態に係る移動体の群制御方法によれば、複数の移動体を粒子と見立て、粒子法によるシミュレーションと同様の手順によって群制御を行うことより、実在する物理モデルを用いた安定的な計算によって、複数の移動体を群として制御することができる。

【0080】

更に、群の分裂や合体、複数の群の制御などについても同様に、安定的な計算によって行うことができる。

【0081】

なお、本実施形態においては、連続体力学に基づいた粒子法によって各移動体の物理量を算出する構成を示したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、各移動体を連続体力学以外の物理法則によって支配される系の構成要素に見立て、その物理法則に基づいた数値解析手法によって物理量を算出するような構成としてもよい。

【0082】

例えば、各移動体を銀河や星の生成を扱う天体物理学によって支配される系の構成要素に見立て、粒子法を用いて物理量を算出することが出来る。あるいは、流体や固体の挙動を示す粉粒体の現象を扱う粉粒体力学によって支配される系の構成要素に見立て、個別要素法（ＤＥＭ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて物理量を算出することが出来る。あるいは、大変形を伴う弾塑性体やゴムなどの超弾性体の力学によって支配される系の構成要素に見立て、格子法の一種である有限要素法を用いても物理量を算出することが出来る。

【0083】

このように、移動体を任意の系の構成要素に見立て、その系における物理法則に基づいた数値解析手法を用いることで、本実施形態において示した群制御方法と同様に、複数の移動体の群制御を行うことができる。ただし、移動体同士、あるいは移動体と障害物などとの衝突を避けるためには、構成要素同士の衝突を許さないような物理法則を適用することが好ましい。また、適用する物理法則が、構成要素の集団の衝突や分離、合体などを想定したものであれば、本実施形態において示した群制御方法と同様に、複数の移動体の群についても制御を行うことができる。

【符号の説明】

【0084】

１ 群制御装置
１０１ 状態取得手段
１０２ 物理量算出手段
１０３ 軌道変化算出手段
１０４ 軌道変更指示手段
２ 移動体
２０１ 状態送信手段
２０２ 軌道変更指示受信手段
２０３ 軌道制御手段
３ 固定された移動体
ＮＷ ネットワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】