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電子顕微鏡内での電気特性と構造変化の同時観察
電気的特性と構造変化の関連を評価でき、信頼性確立に有効
電子顕微鏡内に電子デバイス片を配置し、これに可動プローブ電極を当て、電気特性を評価しながら、電子顕微鏡による観察を可能に。サンプル側電極にMOSFETを搭載し、過剰電流を抑制可能に。電気特性と構造変化の相関を評価し、故障原因究明などに有効。
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図１ 評価用サンプルホルダー
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図２ 電子顕微鏡内でのデバイス評価イメージ
研究の内容
本研究による電子顕微鏡その場観察システムは、可動プローブ2本とサンプル固定部を電極とした3端子のデバイス測定が可能です。サンプルホルダーには、浮遊容量による過剰電流が流制限するためのMOSトランジスタを挿入してあります。
実用化に近い、微細電子デバイスには、相変化メモリや抵抗変化メモリなど、抵抗変化に伴っての構造変化が予測されているデバイスがあります。微細デバイスは、動作速度が速い上に、構造がナノスケールであるため、抵抗変化が引き起こされるメカニズムの確認が困難です。本システムは、この評価を可能にするとともに、信頼性確保のための不良動作原因などの調査に有効です。加えて、今後期待されるナノ構造機能デバイス、例えばナノマシンやナノ構造２次電池などの動作機能の確認や不良原因の評価などを効果的に行うことを可能にします。高橋 庸夫 学術研究員 Yasuo Takahashi工学博士 -
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レーザ計測点群の認識・モデル化技術
人が活動する環境や構造物の分析・維持管理・計画の高度化を目指して
３次元レーザ計測点群から、室内や道路、柱状物（電柱や街灯）、街路樹、建物といった、人が活動する環境に存在する物体や構造物を自動で認識し、３次元モデル化するための点群処理の理論とアルゴリズムを開発しています。
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部屋のモデル化
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柱状物体検出とパーツ認識
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建物LODモデリング
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街路樹メッシュモデリング
研究の内容
地上設置型や車載型の3次元レーザ計測システムで得られる『点群』から、屋内外の環境における物体や構造物を自動で認識しモデル化する技術ならびに基礎的な点群データ処理手法の研究を行っています。認識とモデル化の対象は、任意形状の物体、部屋、電柱や街灯等の柱状物、樹木、道路面、建物など、幅広く扱っています。点群からのメッシュモデルやポリゴンモデル、CADモデル生成技術に加え、その基礎となる点群の位置合せ（レジストレーション）、領域分割（セグメンテーション）、形状特徴抽出、機械学習や手続きに基づく物体認識に関する研究も行っています。本技術により、現況を忠実に反映した3次元モデルを用いた、環境や構造物の詳細な認識と分析、維持管理、各種シミュレーションや改善計画が可能となります。
伊達 宏昭 准教授 Hiroaki Date博士（工学） -
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情報科学・工学のための数理解析技術
システム同定・設計と逆問題
システム同定・設計や未知対象の推定などに関連する情報科学・工学分野の問題を解決するための方法論の探求、及び、応用技術の開発。
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色彩復元ソフトウエアの実行例
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画像からの不要物体の除去例
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研究の内容
情報科学や工学の分野においては、所望の結果を与える数理的なシステムの設計問題や、所与の入出力を与える数理モデルの特定問題、システムと観測から未知入力を推定する逆問題などが多く現れます。これらの問題を扱う際に、個々の問題特有の条件と個々の問題とは独立した数理モデルに分けて解析を行うことで、性能や限界を理論的に見極めることが可能となり、また、類似した数理モデルで記述できる問題への水平展開も可能となります。これまで、この独自のスタンスで、画像や色彩の復元や、音響信号に含まれる個々の音の分離、パターン認識や標本化理論を含む機械学習問題において様々な方法論の構成や応用技術を開発してきました。今日の発展著しい多様な計測技術に我々の方法論を適用することで、理論に裏打ちされた様々な応用技術の開発が期待できます。
田中 章 教授 Akira Tanaka博士（工学） -
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動画像リアルタイム処理技術
アルゴリズム開発とそのハードウェア実装
本研究室では、近年大容量(高解像度・高フレームレート)化が著しい動画像を対象として、画像平滑化(スムージング)や明るさ補正を中心とした、各種画像処理アルゴリズムならびにそのリアルタイム実装に関する研究開発を推進しています。
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（ａ）入力画像 （ｂ）推定照明光 （ｃ）明るさ補正結果
図1 Retinex理論に基づく動画像適応的明るさ補正 -
（ａ）入力画像（ｂ）画像平滑化結果（ｃ）実装で用いるFPGAボードの例
図2 コスト最適化に基づく画像平滑化
研究の内容
画像処理では一般に取り扱うデータ量が膨大であるため、ハードウェア/ソフトウェアを組み合わせたシステム全体としての最適化が必要不可欠です。本研究室では、画像処理のアリゴリズムおよびその実装に関する検討を相補的に行うことにより、画像処理システムの構成手法に関する研究を行っています。その成果の1つであるRetinex理論に基づく動画像リアルタイム適応的明るさ補正(図1)では、逆光などの照明変化が大きい状況下で撮影された映像の明るさを、適応的かつリアルタイムで補正することが可能です。また、コスト最適化に基づく高品位な画像平滑化(スムージング) (図2)に関する研究も進めており、これは写真のイラスト化といった画像加工処理や、各種画像処理の前処理、明るさ補正、細部強調などへの応用が期待されます。
筒井 弘 准教授 Hiroshi Tsutsui博士（情報学） -
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ラゲールガウス光の時空間制御
光の空間位相を用いた情報多重化
本研究では特徴的な空間位相を持つラゲールガウス（LG）光を用いた情報多重化の基盤技術を構築しました。従来の光情報処理では積極的に利用されてこなかった空間位相に着目することにより、情報容量を増大させることを目的としています。
研究の内容
光による情報処理や伝送･記録･再生はレーザー光の強度や偏光、空間的に均一な位相を用いて行われます。また異なる周波数を用いた多重化により、伝送容量を増大させることができます。これに対して光の空間特性は、これまで積極的に利用されることのなかった未開拓領域です。このような背景のもと、情報処理容量限界を打破するステップとして、ラゲールガウス（LG）光を使った情報多重化やLG光を特徴付ける軌道角運動量（トポロジカルチャージ）を用いた量子情報処理が注目されるようになってきました。本研究では、物質との相互作用を通して、LG光のモード制御や短パルス光を用いた軌道角運動量変換･保存、ファイバによる空間分割多重伝送を実現しました。
戸田 泰則 教授 Yasunori Toda工学博士 -
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コンピュータ・グラフィクスによる映像表現
計算機による知的創造的活動の支援
３次元ＣＧを用いた人間の創造活動の支援を目指しています。ＣＧは飛躍的に発展しましたが、３次元情報の操作は簡単ではなく、創造活動の支援にはいたりません。３次元空間の情報を自由に操作し、簡単にＣＧ映像を作成する仕組みを研究しています。
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コンピュータグラフィックスだけでなく、画像処理、デジタルファブリケーション、音声処理、ユーザインタフェースなどさまざまな研究を通して、知的創造活動の計算機による支援を行っています。
研究の内容
ＣＧによって映像製作を行うためには、形状・カメラ・照明・材質などに関する膨大なパラメータを人間が用意しなければなりません。そして、目的の結果を得るためには、それらのパラメータを試行錯誤的に調整しなければなりません。加えて、精密な映像を作成するためには、長い計算時間が必要です。これでは、ＣＧを使って創造的な活動を行うことはできません。そこで、本研究は、これらの問題を解決する方法の開発を行っています。パラメータ調整に関しては、逆問題アプローチを導入し、計算時間に関しては、並列計算を導入した高速計算手法の開発を行っています。さらに、これらの考え方を３Ｄプリンタを用いたデジタルファブリケーションへと応用しています。さらに、ユーザの意図をより直感的に反映するための新しいユーザインタフェースの開発にも取り組んでいます。
土橋 宜典 教授 Yoshinori Dobashi工学博士 -
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量子暗号鍵配付装置の安全性保証技術
究極の暗号の安全性を実験的に保証する
量子暗号鍵配付を用いることで将来いかに技術が進歩しても高度な秘匿性を保つ暗号鍵を光通信により共有できます。本研究は、量子暗号の実用化に向け、実際に作られた装置で安全性を実験的に保証するための技術を提供します。
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（量子暗号鍵配付装置の構成と安全性保証のためのチェック項目）
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（実際の量子暗号鍵配付装置）
研究の内容
量子暗号鍵配付は原理実証の段階をクリアし、実用化を意識した研究が進められています。究極の秘匿通信を実現する技術として、世界各地で実証実験を含む研究が進められています。当研究室では理論的な部分と実装に関わる部分を同時に研究しています。現実世界では理論通りにいかないことが多く、仮説と実験結果とのズレが生じることが多々ありますが、そのズレの影響を評価し、現実の装置で作られる暗号鍵の安全性を定量的に保証することを目指しています。そのため、理論的な研究と実際の装置開発を橋渡しする形で実証研究を行っています。この研究によって量子的な装置を測定、評価して現実化することが可能になり、将来の量子ネットワークの実現に寄与できるものと考えています。
富田 章久 教授 Akihisa Tomita博士（工学） -
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バンディット手法を用いた推薦技術
知識を獲得しながら累積利得を最大化するオンライン学習技術
ユーザが好むであろうアイテムのお勧め(知識の利用)のみでなく、ユーザの好み情報が多く得られるであろうアイテムのお勧め(知識の獲得)もバランスよく行い、ユーザの累積満足度を最大化するお勧め手法を研究しています。
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人工データによるシミュレーション実験結果。
1000×1000(ユーザ,アイテム)ペアから毎ラウンド50ペア選んで
リコメンデーションメールを送る設定。
提案手法(UCBVB,UCBPMF)の方が100ラウンド後累積平均評価値が高い。 -
研究の内容
現在のインターネット社会において、リコメンデーション技術はうまく働けばサービスを提供する側・受ける側の双方に利益をもたらすものです。リコメンデーションサービスは１回きりのものではなく、毎回フィードバックを受けながら繰り返し行うものであり、しかもフィードバックはお勧めしたもののみに対して得られるものです。したがって、フィードバック履歴よりユーザが好むであろうアイテムをお勧め(知識の利用)するのみでなく、フィードバックからユーザの好み情報が多く得られるであろうアイテムもお勧め(知識の獲得)することがその後のお勧め精度を上げるためには重要です。この知識の利用と獲得のバランスをとってユーザ満足度の最大化を試みるのがバンディット手法です。 バンディット手法を用いたお勧め方式の開発を行っています。
中村 篤祥 教授 Atsuyoshi Nakamura博士（理学） -
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圧縮センシング法を用いた電波の状態推定
高精度な位置推定・チャネル予測をめざして
圧縮センシング法は、必要とする未知数の数よりも少ない観測データから、ある条件の下で解を求める手法である。この研究では、圧縮センシング法を用いて、電波の到来方向推定や、チャネル予測、散乱体検出を行っている。
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図1．電波の到来方向推定のイメージ図
受信機の周囲を細かい角度に分割して，各角度において到来波があれば複素振幅を（到来波がなければ0を）ベクトルの要素とすることで、圧縮センシングのアルゴリズムを適用する。 -
図2．到来素波を合成することによるチャネル予測
端末に到来する電波を細かく分離し、それを再合成することで未来の通信状況（チャネル）を予測することができる。 -
図3．散乱体検出の模式図
送信アンテナから電波を送出し、散乱体からの反射波を複数の受信アンテナで受信する。送信信号と受信信号の変化、若しくは、受信信号間の差異を分析することで、散乱体の位置を検出することができる。
研究の内容
必要とする未知数の数よりも少ない観測データからは、一般にその未知数を一意に求めることはできない。ところが、未知数の大多数が0であるという条件があるとき、その解を正確に得ることができる場合がある。圧縮センシング法は、この性質を利用して、観測をできる限り少なくしつつ正確な解を得る方法である。当研究室では、図1に示すような電波の高精度な到来方向推定への応用や、それを利用して到来波を素波に分割してチャネル予測する方法（図2）、およびレーダシステムにおいて圧縮センシング法を利用した散乱体検出（図３）について検討を行っている。
西村 寿彦 教授 Toshihiko Nishimura博士（工学） -
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発想支援型マルチメディア検索システム
画像や映像などのデータを有機的に連携することで、検索者に気づきを与え発想を支援する情報検索システム
発想支援型マルチメディア検索システムは、画像、音楽、映像等の非構造化データを有機的に連携し、内在する類似性の抽出、およびその効果的な提示によって、検索者に気づきを与え、発想を支援する情報検索を実現します。
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画像検索システムImage Vortexは実用化され、Image Cruiserとして利用されています。（http://spir.ist.hokudai.ac.jp/shiga_photo.html）
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・連想型映像検索エンジン (Video Vortex)
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・トリガーレス情報推薦システム (Query is You! & COSMOS)
研究の内容
異なるメディア間での関連付けと類似性の導出、マルチメディア情報が持つ曖昧性を許容した連想型の検索スキーム(融合型検索)、ユーザネットワークによる個人の嗜好のモデル化、及びユーザインタフェースによる嗜好の類似性のビジュアライゼーション(個人適応型検索)を逸早く導入した新たな検索エンジン及びインタフェースを実現しています。これらを用いることによって、マルチメディアコンテンツ固有の多義性と曖昧性を効果的に利用した全く新しい検索が可能となっています。
長谷山 美紀 教授 Miki Haseyama工学博士 -
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大規模電磁界解析による乗り物内
無線接続サービスの電波伝搬特性評価手法ワイヤレス環境の最適設計を目指して
航空機や旅客鉄道車輛内などの複雑で特殊な伝搬環境評価，電波の人体侵入，さらに体内埋込み型医療機器の電磁干渉評価とメカニズム推定，電気自動車無線給電装置の漏洩電磁界評価など，様々な電波利用分野での研究実績を上げてきている。
研究の内容
乗り物内の無線伝搬環境は，周囲が金属であることによる多重反射，加えて内部に什器や乗客の存在により，従来の伝搬モデルとは異なる特殊な環境になる。そのため，実運用状況の無線接続品質を見積もるには，乗客人体等による電波の吸収・散乱の効果を含めた電波伝搬特性の評価が必要となるが，実測や簡便な数値解析（レイトレース等）にてこれらを評価することは困難である。本研究は，従来困難であった乗り物内の伝搬環境モデリングに取り組み，超大規模解析空間におけるシミュレーション手法をスーパーコンピュータの利用により実現するものである。
日景 隆 准教授 Takashi Hikage博士（工学） -
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通信回避型行列計算アルゴリズム
大規模並列計算機に適したアルゴリズムの研究・開発
大規模並列計算機の普及とともに，並列計算に伴う通信時間の削減の重要性が増しています。本研究では，通信回避（Communication Avoiding）と呼ばれるアプローチにより，行列計算アルゴリズムの性能を向上させることを目指しています。
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我々が開発した通信回避型の行列計算（ＱＲ分解）アルゴリズム：
理化学研究所の京コンピュータを使用した性能評価結果により有効性を確認
研究の内容
大規模な並列計算機を用いた並列処理では，演算時間よりもデータ通信の時間が重要になることが多々あります。特に，通信のレイテンシ（通信するデータ量に関わらず生じるコスト）の大きさが問題となっており，通信回数を削減すること（通信回避）が強く求められています。我々は，通信回避の視点から，既存の行列計算アルゴリズムを見直し，通信回数を削減した，大規模並列計算機向けの新しいアルゴリズムの研究・開発を進めています。
深谷 猛 准教授 Takeshi Fukaya博士（工学） -
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バイオメディカル光イメージングのための数理アルゴリズム開発
生体における光伝搬数理モデルの構築
バイオメディカル光イメージングの発展には、高精度かつ計算効率に優れた光伝播モデルが必要です。本研究では、光伝播を高精度に記述する輻射輸送方程式の高速解法を構築することに成功しました。提案手法による光診断・治療の高度化に取り組んでいます。
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近赤外光
近赤外光（700nm-900nmの波長領域の光）は生体深部まで伝播することが可能で、図のように成人男性の手の厚み程度であれば透過することができます。 -
伝播モデルの構築：輻射輸送方程式の高速解法
光拡散方程式(DE)が成立しない検出点位置において、輻射輸送方程式(RTE)と本研究提案の連結モデル(Hybrid)による積分光強度Φは良く一致しています。 -
ヒト頸部内における光伝播
頸部前方（紙面上部）から光を照射した場合における積分光強度分布シミュレーションです。甲状腺の情報を有した光は検出可能であると考えられます。
研究の内容
本研究では、輻射輸送方程式に基づいたバイオメディカル光イメージングの数理アルゴリズム構築を行っています。従来の数理モデルに基づいたイメージングでは適用できなかった生体組織や生体部位にも適用でき、また画像解像度の優れたイメージング技術を目指しています。これまで、輻射輸送方程式の数値計算負荷は膨大であることから、小さいサイズの生体に適用が制限されていました。本研究では、輻射輸送方程式と光拡散方程式を連結することによって、高精度かつ計算効率に優れた光伝播モデルを開発することに成功しました。開発した光伝播モデルに基づいた光イメージングは、様々な生体組織・部位に適用可能です。現在は、ヒト頸部における甲状腺腫瘍の光診断や、生体組織における光学特性値のin-vivo評価への適用に向けて取り組んでいます。
藤井 宏之 助教 Hiroyuki Hujii博士（工学） -
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時間分解二次元表面音響波イメージング
固定周期の光パルス列による任意周波数応答の励起・検出
GHz周波数領域までの表面音響波の伝播の様子を時間分解二次元イメージとして可視化する技術です。従来の方法では周波数分解能が低いという問題がありましたが、本方法では任意周波数の音響波を励起・検出することができます。
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フォノニック結晶中に設けられた導波路を伝播する322 MHz音響波の伝播イメージ。
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直径37.5 μmの銅円板構造の縁を周回する振動モード。励起周波数を自由に選ぶことにより狙った次数のモードを励起できる。
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Au/クラウンガラス試料の表面波の分散関係の測定例。周波数分解能は従来法に比べて約4倍に改善。
研究の内容
音響波を用いた物性評価や機能性デバイスの設計・製作・評価において、音響波伝播の可視化は極めて有益です。このために、サブピコ秒時間幅の超短光パルス(ポンプ光)を試料に照射して表面音響波を励起し、その伝播の様子を遅延された光パルス(プローブ光)で観測します。遅延時間およびプローブ光の照射位置を走査することで音響波の時間分解二次元イメージを得ます。時間分解能はピコ秒、空間分解能は1μm、周波数帯域はGHz程度です。この方法では周期的な光パルス列を用いるために、従来はその繰り返しの整数倍周波数の音響波のみ励起・検出可能でしたが、開発した技術により、任意周波数の音響波の励起・検出が可能になりました。さらにこれを発展させて光パルスの繰り返し周波数とは全く非同期な振動のイメージングも可能となり、応用範囲が一層広くなりました。
松田 理 教授 Osamu Matsuda理学博士 -
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アカデミックインタークラウド
学術クラウド連携による研究開発を推進
全国規模でクラウドシステムを連携させたアカデミックインタークラウドの実現に向けた研究を推進し、インタークラウド環境での資源割当最適化やスパコンとインタークラウドの連携等、クラウド関連技術の共同研究を実施。
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図１ 分散クラウドシステムの実現
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図２ スパコンとインタークラウドの連携による多目的設計最適化
研究の内容
北海道大学情報基盤センターでは、国内最大規模の学術クラウド「北海道大学アカデミッククラウド」を構築し、全国の研究者に対して仮想・物理マシンおよびそれらのクラスタシステムとしての提供、高速大容量クラウドストレージ、機械学習・ビッグデータ処理システム等の研究開発向けクラウドサービスを提供している。さらに、全国規模でのクラウドシステム連携を実現するための基盤技術や、研究者を支援するためのシステム構築について研究を推進している。その具体例として、認証連携などのクラウド連携基盤技術の開発および試験システムの構築（図１）インタークラウド環境下での資源割当最適化、スパコンとインタークラウド基盤を連携させた全国規模での大規模な設計最適化フレームワークの実現（図２）等があげられ、全国の大学、研究所、企業との共同研究を行っている。
棟朝 雅晴 教授 Masaharu Munetomo博士（工学） -
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数理的手法に基づくシステム制御技術
機械システムからエネルギーマネジメントシステムまで
数理モデルに基づくシステム制御技術は、四輪ロボットなどの機械システムからエネルギーマネジメントシステムなどの社会システムまで幅広い分野に適用できます。本研究室では特に、非線形システムとハイブリッドシステムに対する制御手法を開発しています。
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図１ 四輪ロボット
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図２ 高低差（制御リアプノフ）の設定例
研究の内容
マニピュレータや自動車のエンジンなど多くのシステムは非線形システムになります。多くの従来手法では個別ケースを考えています。本研究室では制御リアプノフ関数を用いた統一的な制御手法を開発しています。例として、平面を走る四輪ロボットを考えます（図１）。障害物回避や目標位置への移動を達成するために、疑似的に高低差を設定します（図２）。障害物がある場所は高く、目標位置は低く設定します。これにより、四輪ロボットは「低い位置をたどる」という簡単なルールだけで、制御目的が達成できます。
また、ダイナミクスの切替を含むダイナミカルシステムはハイブリッドシステムと呼ばれ、多くの応用が知られています。最近は、ハイブリッドシステムのエネルギーマネジメントシステムへの適用を進めています。特に、需要家の電力消費モデルを開発しています。山下 裕 教授 Yuh Yamashita博士（工学） -
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ユーザの意図を読み取るインタフェースの開発
ロボットやマウスを自由にコントロールする
ユーザと機械が相互に学習することで、ユーザの意図通りに機械を操作することを可能とするインタフェースの開発を行っています。ロボットなどの操縦や、マウスやトラックボールなどのポインティングデバイスの入力も容易にします。
研究の内容
ユーザがヒューマノイドロボットなど多自由度のロボットを動作させるためには、コマンドがどの操作に対応しているかを覚える必要があり、コマンドの数が多くなるとユーザは負担が大きくなります。一般には、どんな人にも覚えやすく、使いやすいコマンド群を用意することは難しいため、作り上げたものが必ずしもユーザにとって使いやすいインタフェースとなる保証はありません。本研究では、ユーザと機械の相互作用の中からユーザの意図を読み取り、ユーザが直感的に操作可能なインタフェースの構築を行っています。その結果、各ユーザの特性にあった使いやすいインタフェースが開発できます。この技術を、マウスやトラックボールなどを操作する手の動きなどをセンシングすることでデバイスがなくても操作ができる、エアマウス、エアトラックの開発にも応用しています。
山本 雅人 教授 Masahito Yamamoto博士（工学） -
