[論文レビュー] Fuzzy Logic of Speed and Steering Control System for Three Dimensional Line Following of an Autonomous Vehicle

Shailja Shukla, Mukesh Tiwari|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2010

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ゴルフカートをテストベッドとして用い、ビジョンベースの2次元画像処理による経路追従、障害物回避のための超音波センサ、および速度とステアリングを制御するモジュラーファジィ論理制御器を統合した、自律的3次元ラインフォロービングを実現するファジィ論理ベースの制御システムを提示する。本システムは、高帯域幅通信への依存を最小限に抑えつつ、正確でリアルタイムのナビゲーションを実現した。

ABSTRACT

... This paper is to describe exploratory research on the design of a modular autonomous mobile robot controller. The controller incorporates a fuzzy logic [8] [9] approach for steering and speed control [37], a FL approach for ultrasound sensing and an overall expert system for guidance. The advantages of a modular system are related to portability and transportability, i.e. any vehicle can become autonomous with minimal modifications. A mobile robot test bed has been constructed in university of Cincinnati using a golf cart base. This cart has full speed control with guidance provided by a vision system and obstacle avoidance using ultrasonic sensors. The speed and steering fuzzy logic controller is supervised through a multi-axis motion controller. The obstacle avoidance system is based on a microcontroller interfaced with ultrasonic transducers. This micro-controller independently handles all timing and distance calculations and sends distance information back to the fuzzy logic controller via the serial line. This design yields a portable independent system in which high speed computer communication is not necessary. Vision guidance has been accomplished with the use of CCD cameras judging the current position of the robot.[34] [35][36] It will be generating a good image for reducing an uncertain wrong command from ground coordinate to tackle the parameter uncertainties of the system, and to obtain good WMR dynamic response.[1] Here we Apply 3D line following mythology. It transforms from 3D to 2D and also maps the image coordinates and vice versa, leading to the improved accuracy of the WMR position. ...

研究の動機と目的

• 本研究では、最小限の改造でさまざまな車両に適応可能なモジュラーでポータブルな自律制御システムの開発を目的とする。
• 移動ロボットのダイナミクスにおけるパrameterの不確実性に対処するため、速度およびステアリングを強健に制御するファジィ論理制御の導入を目的とする。
• 3次元パスデータを2次元画像座標に変換し、逆変換することで、位置追従の精度を向上させ、正確な3次元ラインフォロービングを実現することを目的とする。
• センサ処理をマイコンにオフロードすることで、高帯域幅通信に依存する必要を減らし、よりポータブルでスケーラブルなシステムを実現することを目的とする。
• 事前定義された経路に沿った安全で継続的なナビゲーションを実現するため、ビジョン誘導と障害物回避を統合することを目的とする。

提案手法

• 3次元空間的データを2次元画像座標に変換して処理可能なリアルタイムのパス画像をCCDカメラシステムで取得する。
• ビジョンおよび超音波センサからの入力を用いて、動的かつ適応的に運動を調整するファジィ論理制御器（FLC）を速度およびステアリング制御に採用する。
• マイコンを用いて超音波センサデータを独立して管理し、距離を計算した後、シリアル通信により僅かな値のみを送信する。
• 画像座標と実世界の車両位置の間のマッピングを実施し、3次元から2次元への変換を可能にすることで、経路追従のための正確な位置推定を実現する。
• 複数軸のモーションコントローラを導入し、ファジィ論理システムを監視することで、速度およびステアリングのアクチュエータを統合的に制御する。
• ビジョン、障害物検出、制御意思決定を統合的に管理するためのエキスパートシステムフレームワークを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファジィ論理を、3次元ラインフォロービング自律走行車両の速度とステアリングを同時に制御するために効果的に適用する方法は何か？
• RQ2 3次元から2次元への座標変換が、経路追従中の移動ロボットの位置推定精度に与える影響は何か？
• RQ3 低コストマイコンを用いて障害物回避を主制御ループから分離することは、システム性能の低下を伴わずに可能か？
• RQ4 動的システムパrameterの変動下でも、ビジョンベースの誘導は制御命令の不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ5 異なるロボットプラットフォームに容易に適応可能で、再利用可能なモジュラー制御アーキテクチャをどのように設計できるか？

主な発見

• ファジィ論理制御器は、3次元ラインフォロービングの過程で、システムパrameterの不確実性に対しても安定した速度およびステアリング調整を実現し、そのロバスト性を示した。
• 3次元から2次元への座標マッピング手法により、ロボットの位置推定精度が向上し、より正確な経路追従が実現した。
• 超音波センサ処理をマイコンにオフロードすることで、高帯域幅通信の必要性が低減され、よりポータブルでスケーラブルなシステムが実現した。
• CCDカメラを用いたビジョンベースの誘導により、一貫した画像データが得られ、誤った制御命令の発生が低減され、動的応答性が向上した。
• モジュラー設計により、本システムはゴルフカートベースに最小限の改造で実装可能であり、そのポータビリティと再利用可能性が確認された。
• 実世界の大学テストベッドを用いた実証実験を通じて、統合的障害物回避機能および経路追従機能を備えた信頼性の高い自律ナビゲーションが実現された。