4 1% 9% ( 1 9 8 9.9) 生 産 研 HH Hl l 日日 川 Il l HI Hl l l l l Hl HH 日日l Hll l 川 = 川 Hl H 川 H Hl l L Hl Hl l l J HH 川 I l r 川 =川 H H日日川 I l l H= 州 H I l l = 川 Hl I 研 7 2 1 究 究 速 報 UDC6 2 9. 1 2 7. 0 5 潜水艇の自律性 とニ ューロ ･コン トロールの研究 St u d yo nAut o no mya ndNe u r oCo nt r o lo fUnd e r wa t e rVe hi c l e s 藤 井 輝 夫*･浦 環* Te r uoFUJ I IandTa makiURA 1.現実的 な自律機械 のフ ィール ド 海水順応性 を考 える と,非常 に有望 で あ る. ニ ュー ラル ･ネ ッ トの数学 モデルの一 つ として,PDP 自律行動 を行 う移動機械 の研究 は多方面 で行 われて い モデル2)が提 案 され てい る. この回路網 の振 る舞 い はそ る.陸上機械 を考 える と, コ ミュニケー シ ョン ･リンク れ ぞれのニ ュー ロン素子 同士 の結合荷重 に よって与 えら を通 じての リモー トコン トロールの力 は大 き く,移動機 れ る.バ ックプロパ ゲ- シ ョンを結合荷重 の決定手段 と 械 その ものが完全 に自律 的 にな らね ばな らない要求度 は して用 い るのが一 派 的 な方法 と して確 立 しつ つ あ る. 低 い. しか し,深海 を移動 す る無索無人潜水艇 はコ ミュ ニ ュー ロ ･コン トロールが有望 で あ るの は,限 られた入 ニ ケー シ ョン ･リンクが極 めて貧 しいため に, この制御 出力パ ター ンの学習 を行 うと, それ とは異 な る入力 に対 には完全 に近 い自律性 が要求 され る. して も妥当 な制御 出力が得 られ る とい う性質 による. 2.海 水 順 応 性 潜水艇 の 自律制御 を とりま く環境 として, (1) 艇 の運動 は数 ノ ッ トの範 囲で航 空機 等 に比 べ て非常 に遅 い. 3.潜水艇 のモデル これ まで に検討 して きたグ ライダー型潜水艇 は海底面 に至 るまでの間,艇 をグライデ ィング させ て,水平方向 の移動 をエネルギー消費 な しに行 お う とす る もので,海 (2)浮力が利 用で きるた め,設計 の 自由度 が大 き く,色 々 な形状 を対 象 とす る可能性 があ る. 面 と海底 の高度差 を利 用す る. グライデ ィング航行 と海 底 面近傍 での運動 には先 に述 べ た よ うに自律性 の高 い制 (3) 制御 面 を自由に設計 で きる. 御 系が必 要 で あ る.前報 1)で は, セ ンサ, ア クチ ュエー (4) 付加 質量が大 き く,急激 な運動 はで きない. タ, スラスタを搭載 した 日航模型 PTEROA6 0を用 いて, (5) 海底 面 の形状 ,外乱 の程度 が未知 で あ り, ロバ ス ト 回流水槽 内での 日航実験 を行 った. その結果,姿勢角あ 性 が必 要. るいは深度 を制御情報 として用 いた簡単 なフィー ドバ ッ (6) 艇 の位置 を正確 にセ ンシングす るこ とが困難 . ク制御 によって,水平航行 させ る こ とがで きた. な どが挙 げ られ る. これ らの項 目を満足 で きる制御 系 の ここで は,制御対 象のダイナ ミクス を物理 的 に把握せ Se aWat e rFr i e ndl i ne s s :SWF) と 性 質 を海水順応性 ( ず に,艇 の運動制御 を行 うニ ュー ラル ･ネ ッ トを構築 す 呼 んでお く. る ことを考 える. そのた めに, ファジー ･ア リゴ リズム 自律 型 潜 水艇 はその ミッシ ョンに よ り形 状 のバ ラエ テ ィが考 え られ る.航空機 が重力 に打 ち勝 つた め に形が おのず と決 って しまうの とは大 きな違 いで ある.形状 の 異 な る多数 の潜水艇 の制御 系 を通常 の手段 で設計 してい によ り水平航行 を目標 とす る制御 系 を作 り, この結果 を ニ ューラル ･ネ ッ トに学習 させ る. 4.PDPモデル,学 習則 て は,時間 と労力 が幾 らあって も足 りない. そ こで,学 PDPモデル2)は,一般 に入力層,中間層,出力層の 3層 習機能 や 自己組織能力 を有 す るニ ュー ロ ･コン トロール か らな り,各層 に数個∼数十個 のニ ュー ロ ンを含 む もの が海 水順 応 性 を満 足 す る制御 系 として浮 か び上 が る. で ある. このモデルの特徴 は,層 内 にはニ ュー ロン問の ニ ュー ロ .コン トロール は現在 の ところ, 陸上 の移動体 結合 が存在 せず,各層間のニ ュー ロ ンのみが結合 してい の制御 手段 として ははな はだ不満 な面が あ るこ とは否定 る とい う点 で ある. で きない. しか し,無索無人潜水艇 の制御 手段 として は * 東 京大 学 生産 技術 研 究所 第 2部 第 n層 冒,第 i番 目のニ ュー ロンは,次 の式 に従 って 出力 Ⅹ 1 nを与 える もの とす る. 日日l Hl H1 日‖I l H日日HHl I H=l ‖l l Hl 日日=l l HL 日日‖l l l l 川日日日日l l H日日HHl ‖l H=l L l Hl l l 日日l l HL ‖l Hl HHHl 日日HHHl l l 日日l L l 日日l l 日日日日‖ 3 7 722 研 究 41巻 9号 (19899) 生 産 研 究 報 lllllllllllllll!llIIlllIIIIIllllllllllllllllllllllllllllIlllllllllll!!￨￨￨￨￨!llllll!llllllllllllllllllllllllll:￨￨lllll ベ ー タ角 δeを考 える。通常の線形 フ ィー ドバ ックでは釣 速 n l 島n = Σ w . n _ ￢ 合状態 まわ りで,こ れ らの量 に関す る線形方程式 を考 え xin =f(uin) るが, こ こで は艇体 の水平航行状 態 が未知 で ある とした。 f(u)=1/(1+exp(― u)) (1) ここに,ui:ニ ュー ロンの膜電位,w.-1:第 n_1層 j 番 目の ニ ュー ロンか ら第 n tt i番目のニ ュー ロンヘ の結 水 中 にお ける航行体 の運動 は非常 に遅 い ためネ ッ トワー 合荷 重 , f:出 力関数 である。 ネ ッ トワー クの学習 はパ ックプ ロパ ゲー シ ョンによっ る。 したが って, 3層 のネ ッ トワー クを考 えて,各 層 の ニ ュー ロン数 を入 力層 2個 ,中 間層 5個 ,出 力層 1個 と て行 う。 あ る入 力 に対 す る出力 層 か らの最終 的 なネ ッ ト ワー ク出力 をolとし,そ の入 力 に対応 す る最 も望 ましい す る (Fig.2参照). クは,1秒 間隔程度 で,姿 勢角 の変化量△θ,深 度 の変化 量△dを入 力 として,エ レベ ー タ角 δeを出力す る もの とす 5.教 入力 をtlとす る。tiは教師信号 で外部 か ら与 えられ る もの である。 この とき次 の ような二乗誤差 Eを 考 える。 師 信 号 艇 に関す る水 平航行状態,動 特性等 の情報 が 数式上 に Eを 最 小 (厳密 に は極 小 )と す る よ うにw.nの 値 を次 の式 表 されて い ない条件下 で,妥 当な制御成績 を示す例 とし て,フ ァジー制御 を考 える。前節 で述 べ た姿勢角,深 度 の変化量 に見合 う角度 (△δe)エレベ ー タを切 る とい う単 に 従 って 変 化 させ る。 w.nの pス テ ップ ロ の 変 化 量 を 純 なアル ゴ リズムを考 え,水 平航行 させ ることを目標 と E==平 (ti-01)2 (2) △w.n(p)と して △w.n 1(p+1) =η δinxjユ1+α △Wiin l(p) Horizontal (3) δi は学 習 信 号 で 次 式 で 与 え られ る。 まず 出力 層 に関 して o l ) f(′ δi n = ( t i ― uin) (4) また 中 間 層 につ いて は δkn+lwan δin=f′ luln)Σ (5) で あ る。 (3)式 に現れ るηは学習係数 で結合荷重変化 の /s 4oe 潜水艇 の縦運動 に関す る代表 的な量 は,姿 勢角 θ,お よ び深度 dで あ る (Fig.1参照)。 また操縦量 として はエ レ Z′ Fig.1 I Lougitudinal Motion Con ∠d(m)is Zθ(rad)is Up Neutral Rule l :区 -30 0 30 Down Neutral Up → -20 0 Rule → i区 -45 0 45 Down l＼ Up → -10 0 1o Fig. 3 = 三二1 1 1 ] : -45 0 45 Down -10 Rule 4 i区 -45 0 45 UP Layer 」δ θ (rad)is 0 -20 Down Rule 2 then → J: -30 0 30 Fig.2 PDP Model ｏ い ヽこ ｚ ｌ ｒ 収束速度 を与 えるものであ り,α は安定化係数 で 結合荷 重変化 のll■ 性 を規定す る もので ある。 Fuzzy Algorithm -0 -45 0 45 生 41巻9号 (1989.9) 産 研 究 ! l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l ! ￨ ￨ I I I I I ! ￨ ￨ ￨ ￨ l l ! l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l究 l l l l l速 l l l 1報 1111111111 一 ー ー ー バ の運動方 の運 を として ン シ 動 ル ル を 1(m/s)で 非線形 お よび メ 定 ップ関 数 は ,艇 度 す る。各 フ ァジ Fig.3のように した。ル ール 1, 2に 関 しては,△ d,△ θ 程式 で解 い たの。微分要素 を制御情報 としてい るため振 動 が見 られ るが ,40秒 程度 で姿勢角,深 度 ともに水 平航 に関す る条件 それぞれ についての適 合度 の積 を,ル ール 全体 に関す る適合度 として算出す る。 それぞれの適合度 ωl∼ω4に対応 す る出力yl∼y4を,次 式 の ように荷 重平均 して最終的 な出力 y°を求 める。す なわち ,* luoryr* a;:y. f roll a2l cls|_aa y。=望 △δe=y° (6) この フ ァジー ・ アル ゴ リズ ム を用 いて,PTEROA60の 制御 シ ミュレー シ ョンを行 った例 をFig 4に示す 。初期 値 は,姿 勢角 θ=0.3(rad),深度 d=0.5(m)と し,航 行速 行状態 に収束 して い る。 5。 ニ ュー ロ ・コン トロー ルのシ ミュ レー シ ョン ー 前節 の フ アジー ・アル ゴ リズム による制御 パ タ ンを ー 教師信号 として数万 回 の学習 をさせた後,ネ ッ トワ ク に単独 で制御 を行 わせ る。教師信号 は,各 計算 ステ ップ にお ける入出力信号 の対応 のみが意味 を持 つ。 したがっ て時系列 デー タすべ ての学習 を行 うと多 くの時間 を要す る とともに,入 出カパ ター ンに偏 りが起 こる。 そ こで, ー 時系列 デー タか らラ ンダ ム に200組の入 出カ パ タ ン を ０“﹄ ︶％ ︵ 抽 出 し,こ れ を教師信号 として与 え,学 習係数 η=0,9, 安定化係数 α=0.4(以 後 この値 は変 えない もの とす る) とい う条件 で学習 を行わせ る→。また,制 御対 象,初 期値 お よび航 行速 度 は前節 と全 く同 じ もの とす る。 ニ ュー ロ ・コン トロール の シ ミュレー シ ョンの例 をFig.5に不 -5 0 す 。この例 は十万 回学習後 の もので,教師信 号 で ある フ ァ ジー制御 によるシ ミュレー シ ョンによヒベ て短 い時間 で水 平航行状態 に達 して い る。 次 に 初 期 姿 勢 角 θ=0(rad)で 計 算 を行 った 結 果 を ︵●‘﹄︶ だ Fig.6に示す 。この場合 につ いて も,25秒程度 で これ まで の例 と同 じ水平航行 状態 に収東 して い る。 7.実 T i m e( s ) Fie. 4 Simulation of Fuzzy Control of Longitudinal Motion 験 ニ ュー ラル ・ネ ッ トがその特性 を最 も有効 に発揮す る の は,計 算機 上 で はな く,実 際 の問題 に適用 した場合で ︶％ ０“﹄ ︵ ０“■︶ヽ ︵ 0 一 日︶０ ͡ 二 ―. 1 -.2 ︵０“■︶ だ う ︵ も”﹄︶、 一 20 Time(s) T i m e( s ) Fig.5 Simulation of Neuro Control of Longitudina) Motion ( 1) Fig.6 Simulation of Neuro Control of Longitudinal Motion ( 2 ) 724 研 究 41巻 9号 (1989.9) 速 生 報 llllllllIIIII:￨￨11111111111111111111!llllll1111111!111111111111111111111 づ“﹄ ︵ ︶ヽ ０”﹄︶ヽ ︵ ︵０“ぃ︶ だ ︵０”﹄︶ だ Ｌ ０ ５ Fig. 7 産 研 究 Experiment of Neuro Control of Longitudinal Motion ( 1 ) (MODEL: PTEROA60, Time History) Fig. B 5 10 Time(s) 15 20 Experiment of Neuro Control of Longitudinal Motion ( 2 ) (MODEL: PTEROA60,Time History) ある と考 え られ る。 これ を確認 す るため,千 葉実験所 内 8.お の風路付造波 回流水槽 において,自 航模型PTEROA60D わ り に 幅 本論 で はニ ュー ラル ・ネ ッ トを用 い た制 御 が 外 乱 や制 30cm,全 厚 18cmの もので,重 心 は前方 か ら25.3cmの 位置 御 対 象 の変化 に対 して 柔軟 に対 応 し うる とい う予 測 の も を用 い て 航 行 実 験 を行 った。模 型 は全 長 60cm,全 にあ る。水槽 の水路 は全深 lm,全 幅 1.8mで あ り,模 型 とに,自 律 型 潜水 艇 の将 来 の制 御 手段 と しての 可能性 を の横 方向,上 下方向 の運動 は非常 に制限 され る。流速 は 検 討 す るた め,実 際 に模 型 を用 い た 自航 実験 を試 み た. シ ミュ レー シ ョン に よって 収 東 が 確 認 され て い る フ ァ 0.7m/s一 定 とした。 また,実 験 の 際 に は電 気 的 な ノイ ズ,流 速 の舌Lれ等不確定 な外乱 が考 えられ る。実際, 5 節 に述 べ た フ ァジー制御 で は,外 乱 に対 す る応 答 や水路 の寸法 による運動 の制限等 の理 由 で満足 に航行 させ るこ とがで きなか った。 ジー ・アル ゴ リズ ム を教 師信 号 と して ネ ッ トワー ク に学 習 させ , こ れ を用 い て制 御 を行 う こ とに よ り,回 流水 槽 内 にお い て水 平航 行 させ る こ とに成 功 した 。 今 回 の 実験 の 結 果 か ら,ニ ュー ラル ・ネ ッ トはその特 実験 は,艇 体 の水 平航行状 態等の条件 を直接与 えず, 性 や将 来 の ハ ー ドウ ェア構 成 等 を考 え る と,自 律 形 潜 水 シ ミュレー シ ョンによる学習 のみで,ネ ッ トワー クに艇 艇 へ の応 用 に関 して,十 分期待 が持 て る。 当面 の課 題 と の制御 をさせ水路 内 を水平航行 させ ることを 目標 とす る。 十万 回学習後 の ニ ュー ラル ・ネ ッ トに制御 を行 わ せた実 して は,教 師信 号 の選 択 方法 や ,実 機 レベ ル で の オ ンラ イ ン学 習 ,ネ ッ トワー クに よる逆 シス テム の構 成 等 につ 験 の一 例 をFig.7に 示す。ニ ュー ロ・コ ン トロール の場 合 フ ァジー制御 と異 な り外乱 に対 して ロバ ス トで,ほ ぼ水 い て の検 討 が必 要 と考 え る。 (1989年 平 に航行 させ る ことがで きた。 次 にニ ュー ロ ・コン トロー ルが艇の運動特性 の変 化 に 対応 しうるか ど うか を確認 す る。 一般 に潜水艇 の縦運動 特性 は重心の前後 方向の位置 に大 き く影響 を受 けるので, その重心位置 を全長 の0.5%だ け前方 に移動 させた。この 艇体 について,前 の例 と全 く同 じネ ッ トワー クで制御 を 行 った結果 をFig.8に 示す。この場合 も,ほ ぼ水平 に航行 してお り,ニ ュー ラル ・ネ ッ トは艇体仕様 の変化 に も柔 軟 に対応 して制御 を行 って い ることがわか る。 参 考 文 6月 1日 受理) 献 環 ,藤井輝夫 :グ ライダー型潜水艇の設計 に関す る 研究 (その 6),生 産研究,Vol.419(1989) 2) D.E. Ru■lelhart, L.1/11cClelland 」 and The PDP Research GrOup: ParaHel Distributed Processing, 1)浦 The R41T Press(1986) 3 ) 大 坪新 一郎 : グ ライダー型潜水艇 の可能性 に関す る研 究, 東 京大学修士論文 ( 1 9 8 7 ) 4 ) 横 山 正 : ニ ュー ラル ・ ネ ッ トによる海中航行体 の 自動 制御, 東 京大学修士論文 ( 1 9 8 9 ) 5 ) 浦 環 , 前 田久明, 石 谷 久 : 深 海調査 のための 自律型 潜水艇 の開発研究, 第 9 回 海洋工学 シンポジウム講演集 (1989)近 刊
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