[論文レビュー] A Hierarchical Approach to Designing Approximate Reasoning-Based Controllers for Dynamic Physical Systems

H.R. Berenji, Yung-Yaw Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2013

Advanced Control Systems Optimization被引用数 59

ひとこと要約

本稿では、競合する目的を有する動的物理系のための階層的近似推論に基づく制御フレームワークを提案する。ルールベースの知識ベースを用いて、リアルタイムで相互作用を優先順位付け・解決する。プロトタイプシステムに実装された結果、正確な数学的モデルを必要とせず、リアルタイムでカートポールを平衡化することに成功し、解析的制御手法とは補完的な代替手法を提供する。

ABSTRACT

This paper presents a new technique for the design of approximate reasoning based controllers for dynamic physical systems with interacting goals. In this approach, goals are achieved based on a hierarchy defined by a control knowledge base and remain highly interactive during the execution of the control task. The approach has been implemented in a rule-based computer program which is used in conjunction with a prototype hardware system to solve the cart-pole balancing problem in real-time. It provides a complementary approach to the conventional analytical control methodology, and is of substantial use where a precise mathematical model of the process being controlled is not available.

研究の動機と目的

• 複数の相互作用する目的を同時に管理しなければならない動的物理系のための制御フレームワークを開発すること。
• 正確な数学的モデルが欠落しているシステムにおけるリアルタイム制御を可能にすること。
• 目的を優先順位付けし、実行中に衝突を解決するルールベースで階層的なアプローチを提供すること。
• カートポールの平衡化タスクを実装したハードウェアプロトタイプを用いて、実現可能性を実証すること。
• 従来の解析的制御手法とは補完的な代替手法を提供すること。

提案手法

• アプローチは、目的の重要性と相互依存関係に基づいて、階層的制御知識ベースを用いて目的を整理・優先順位付けする。
• ルールベースの推論エンジンが、近似推論を用いて実行時における目的間の衝突を評価・解決する。
• システムはリアルタイムのセンサーフィードバックと目的の階層に基づいて、制御行動を動的に調整する。
• コントローラは、リアルタイム実行を目的とした物理的ハードウェアプロトタイプとインターフェースをとるソフトウェアモジュールとして実装される。
• 上位の目的が必要に応じて下位の目的を上書きできるように、対話的な目的達成をサポートする設計である。
• 不確実性やシステムダイナミクスの曖昧さを扱うために、言語的ルールとファジィ論理の原則に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的物理系における複数の相互作用する目的を、リアルタイムでどのように優先順位付け・解決できるか？
• RQ2 正確な数学的モデルが存在しない制御システムにおいて、有効なルールベースの近似推論フレームワークとは何か？
• RQ3 階層的制御アーキテクチャは、カートポールのような非線形系において安定したリアルタイム性能を達成できるか？
• RQ4 完全なシステムモデルが欠落している状況下で、目的同士の相互作用は制御の安定性と応答時間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 複雑な物理系において、近似推論は解析的制御手法を置き換えるか、あるいは補完的に用いることができる程度はどの程度か？

主な発見

• 階層的ルールベースのコントローラは、正確な数学的モデルを必要とせず、リアルタイムでカートポールシステムの平衡化を達成した。
• 目的の衝突を優先順位付きのルール実行によって解決することで、動的条件下でも高い性能を示した。
• 目的が制御行動を巡って競合しても、コントローラは安定性と応答性を維持した。
• ハードウェアプロトタイプへの実装により、実世界の制御応用におけるこのアプローチの実現可能性が確認された。
• モデリングの複雑さや不確実性が問題となる状況では、解析的制御の代替手段として実用的であることが示された。
• 近似推論と階層的目的構造を組み合わせることで、複雑で相互作用する制御目的を効果的に管理できることが結果から明らかになった。