JP5488095B2 - Inverted moving body and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an inverted moving body and a control method thereof.
倒立制御を行って移動する移動体が開発されている。このような倒立型移動体を具現化するに際しては、転倒や暴走などを防止し、安全に操作できるようにすることが重要となる。ここで、「倒立型移動体」とは、車輪などの移動手段と、人や荷物などの負荷体を載せるステップと、を備えた移動体であって、車輪を駆動動作させることにより負荷体が倒立した状態を保ちながら移動する移動体を意味する。 A moving body that moves by performing an inverted control has been developed. When embodying such an inverted mobile body, it is important to prevent overturning, runaway, etc. so that it can be operated safely. Here, the “inverted moving body” is a moving body having moving means such as wheels and a step of placing a load body such as a person or luggage, and the load body is driven by driving the wheels. A moving body that moves while maintaining an inverted state.
図5に、「倒立型移動体」の例を示す。図5に示す例は、ホイール501と、プラットホーム502と、ハンドル503と、グリップ504とを備えて構成され、ユーザ505を搬送する2輪倒立ロボットであり、倒立型移動体の典型である。
FIG. 5 shows an example of an “inverted moving body”. The example shown in FIG. 5 is a two-wheel inverted robot that includes a
特許文献1乃至4には、倒立制御を行って移動する移動体が開示されている。例えば、特許文献1には、倒立型移動体に設けられた近接検出器を用いて搭乗者の存在の有無を検出し、搭乗者の存在が確認できなかった場合に、安全スイッチを用いて、車輪を有する地面接地モジュールの操作を阻止する倒立型移動体が開示されている(第41頁、第1図など)。
例えば、倒立型移動体の搭乗者が存在しない場合において、安全に操作可能とすることを目的として、倒立型移動体の操作を安全スイッチにより阻止する技術は、従来から知られていた(例えば、特許文献1)。
しかしながら、倒立型移動体の危険な挙動(転倒、暴走など)は、搭乗者の有無のみに依存するわけではなく、他の複数の要因にも起因して引き起こされる。倒立型移動体の危険な状態としては、例えば、以下の状態が考えられる。
(1)走行中に搭乗者が倒立型移動体から飛び降りた後の状態、
(2)搭乗者の搭乗前または搭乗後に、搭乗者が手で倒立型移動体を支えている状態、
(3)走行中に倒立型移動体が物体と衝突した瞬間から後の状態、
(4)倒立型移動体の車輪が溝または段差に挟まれて、少なくとも1車輪が、少なくとも1方向に回転できなくなった状態、
(5)路面との摩擦が小さく、車輪が空転している状態、
(6)搭乗者の搭乗時に、その片足が地面に残っている状態、など。
従って、倒立型移動体を安全に操作するためには、このような危険な状態であるか否かを判別可能として、危険な状態であると判別される場合には、転倒や暴走などを防止するように安全に制御することが強く求められている。
For example, in the case where there is no occupant of an inverted mobile object, a technique for blocking the operation of the inverted mobile object with a safety switch for the purpose of enabling safe operation has been conventionally known (for example, Patent Document 1).
However, the dangerous behavior (falling, running away, etc.) of the inverted mobile body does not depend only on the presence or absence of the passenger, but is also caused by a plurality of other factors. As the dangerous state of the inverted moving body, for example, the following states can be considered.
(1) The state after the passenger jumps off the inverted moving body while traveling,
(2) The state in which the passenger supports the inverted moving body by hand before or after boarding,
(3) A state after the moment when the inverted moving body collides with an object during traveling,
(4) A state in which at least one wheel cannot be rotated in at least one direction because the wheels of the inverted moving body are sandwiched between grooves or steps.
(5) Friction with the road surface is small and the wheel is idling.
(6) A state in which one leg remains on the ground when the passenger is on board.
Therefore, in order to safely operate an inverted moving body, it is possible to determine whether or not it is in such a dangerous state, and if it is determined to be in a dangerous state, it prevents falling or running away There is a strong demand for safe control.
従って、本発明は、上述した課題を解決して、倒立制御を実施すると危険な状態であるかを判別して、倒立型移動体を安全に制御させることが可能な倒立型移動体及びその制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems, determines whether it is in a dangerous state when the inverted control is performed, and can control the inverted mobile body safely and the control thereof. It aims to provide a method.
本発明に係る倒立型移動体は、少なくとも1つの車輪と、当該車輪に回転可能に連結された負荷体とを備え、前記車輪を駆動することで前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体であって、前記負荷体の傾斜角度である負荷角度を検出する負荷角度検出器と、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令を生成し、前記倒立制御を行う制御器と、前記倒立型移動体の数式モデルに基づいて導出される推定器を用いて、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記負荷角度の推定値を算出し、当該算出した推定値と前記負荷角度検出器により検出された負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出する負荷角度推定誤差演算部と、前記負荷角度推定誤差演算部により算出された負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別する状態判別器と、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別された場合には、前記制御器による制御を切り替えて所定の安全確保制御を実施させる制御切替器と、を備えるものである。 An inverted moving body according to the present invention includes an at least one wheel and a load body rotatably connected to the wheel, and the inverted moving body that performs the inverted control of the load body by driving the wheel. A load angle detector that detects a load angle that is an inclination angle of the load body, and generates a torque command for driving the wheel based on the load angle detected by the load angle detector. A load angle detected by the load angle detector using a controller for performing the inversion control and an estimator derived based on a mathematical model of the inverted moving body, and generated by the controller A load angle estimation that calculates an estimated value of the load angle based on a torque command and calculates a load angle estimation error that is an error between the calculated estimated value and the load angle detected by the load angle detector Mistake When it is determined that the load angle estimation error is diverged by a calculation unit, a state discriminator that determines whether or not the load angle estimation error calculated by the load angle estimation error calculation unit diverges, and the state discriminator Includes a control switching unit that switches the control by the controller to perform predetermined safety ensuring control.
これにより、倒立型移動体の負荷角度と車輪のトルク指令とに基づいて、負荷角度推定誤差を算出し、負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別することができ、判別結果に応じて、倒立型移動体は安全確保制御に切り替えることできるため、危険な状態を判別して、転倒や暴走などを防止することができる。 Thereby, it is possible to calculate a load angle estimation error based on the load angle of the inverted moving body and the wheel torque command, and to determine whether or not the load angle estimation error diverges. Since the inverted moving body can be switched to the safety ensuring control, it is possible to determine a dangerous state and prevent a fall or a runaway.
また、前記負荷角度推定誤差演算部は、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記推定器のゲインを算出する推定器ゲイン演算器と、前記推定器を用いて、前記推定器ゲイン演算器により算出されたゲインと、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記負荷角度推定誤差を算出する負荷角度推定誤差演算器と、を備えるようにしてもよい。 The load angle estimation error calculation unit calculates an estimator gain based on a load angle detected by the load angle detector and a torque command generated by the controller. Based on a calculator, a gain calculated by the estimator gain calculator using the estimator, a load angle detected by the load angle detector, and a torque command generated by the controller A load angle estimation error calculator for calculating the load angle estimation error.
さらにまた、前記車輪の回転角度を検出する車輪角度検出器を更に備え、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差演算部により算出された負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別すると共に、当該負荷角度推定誤差と、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記車輪角度検出器により算出された車輪角度と、に基づいて、前記倒立型移動体について予め定めた複数の状態のうちのいずれの状態であるかを判別し、前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別された場合には、前記制御器による制御を切り替えて、前記判別された状態に応じた所定の安全確保制御を実施させ、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別された場合には、前記倒立制御の開始、継続、再開のいずれか1の制御を前記制御器に実施させるようにしてもよい。 Furthermore, a wheel angle detector for detecting a rotation angle of the wheel is further provided, and the state discriminator discriminates whether or not the load angle estimation error calculated by the load angle estimation error calculation unit diverges. A plurality of states determined in advance for the inverted moving body based on the load angle estimation error, the load angle detected by the load angle detector, and the wheel angle calculated by the wheel angle detector. When the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, the control switcher switches the control by the controller to determine the discriminating state. If the state discriminator determines that the load angle estimation error does not diverge, the inversion control is started, continued, Any one of the control of the opening may be made to be implemented in the controller.
また、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、当該負荷角度推定誤差に基づいて、前記倒立型移動体の移動中に搭乗物体が飛び降りた後の状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記倒立型移動体の移動中に搭乗物体が飛び降りた後の状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記搭乗物体の飛び降り後、所定のペースで徐々に減速し停止する制御に切り替えて実施させると好適である。 Further, when the state discriminator determines that the load angle estimation error is diverging, based on the load angle estimation error, is the state after the boarding object jumps off during the movement of the inverted moving body? You may make it discriminate | determine. The control switching device is determined that the load angle estimation error is diverged by the state discriminator, and when it is determined that the boarded object is in a state after jumping while the inverted moving body is moving, It is preferable that the control by the controller is performed by switching to a control that gradually decelerates and stops at a predetermined pace after the boarding object jumps off.
さらにまた、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体の搭乗前または搭乗後に外部物体により前記倒立型移動体が支えられている状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記搭乗物体の搭乗前または搭乗後に外部物体により前記倒立型移動体が支えられている状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記トルク指令を0とする制御に切り替えて実施させると好適である。 Furthermore, when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, the inverted moving body is supported by an external object before or after boarding the boarding object based on the load angle. You may make it discriminate | determine whether it is in a state. The control switch is determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges, and the inverted moving body is supported by an external object before or after boarding the boarding object. When it is determined, it is preferable to switch the control by the controller to control that sets the torque command to 0.
また、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度推定誤差に基づいて、移動中に前記倒立型移動体が物体と衝突した瞬間から後の状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、移動中に前記倒立型移動体が物体と衝突した瞬間から後の状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記車輪を衝突時と反対方向に所定の短い時間回転させ、減速停止する制御に切り替えて実施させると好適である。 Further, when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, the state discriminator is in a state after the moment when the inverted moving body collides with an object during movement based on the load angle estimation error. It may be determined whether or not. The control switcher is determined that the load angle estimation error is diverged by the state discriminator, and is determined to be in a state after the moment when the inverted moving body collides with an object during movement. It is preferable that the control by the controller is carried out by switching to a control in which the wheel is rotated for a predetermined short time in a direction opposite to that at the time of the collision and decelerated and stopped.
さらにまた、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記車輪角度に基づいて、前記車輪が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記車輪が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記トルク指令を0とする制御に切り替えて実施させると好適である。 Furthermore, when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, the wheel is sandwiched by a groove or a step based on the wheel angle and cannot rotate in at least one direction. It may be determined whether or not there is. The control switch has been determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges, and is determined to be in a state in which the wheel cannot be rotated in at least one direction due to being sandwiched between grooves or steps. In this case, it is preferable that the control by the controller is switched to the control in which the torque command is set to zero.
また、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記車輪角度と、前記負荷角度推定誤差と、に基づいて、路面との摩擦が小さく前記車輪が空転している状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、路面との摩擦が小さく前記車輪が空転している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記負荷角度検出器により検出される負荷角度がπ/2[rad]に近付くまでの間、比較的低いモータトルクで、前記倒立型移動体の進行方向に前記車輪を回転させた後、当該検出される負荷角度がπ/2[rad]に近付いた以降は、前記モータトルクを連続的に0に変化させる制御に切り替えて実施させると好適である。 In addition, when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, the friction with the road surface is small based on the wheel angle and the load angle estimation error, and the wheel is idling. You may make it discriminate | determine whether it is in a state. The control switch is determined when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges and the friction with the road surface is small and the wheel is idling. The wheel is rotated in the traveling direction of the inverted moving body with a relatively low motor torque until the load angle detected by the load angle detector approaches π / 2 [rad]. Thereafter, after the detected load angle approaches π / 2 [rad], it is preferable to switch to the control that continuously changes the motor torque to zero.
さらにまた、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度と、前記負荷角度推定誤差と、に基づいて、搭乗物体の搭乗時に、当該搭乗物体の一部が地面に残っている状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、搭乗物体の搭乗時に、当該搭乗物体の一部が地面に残っている状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、当該搭乗物体が完全に前記倒立型移動体に搭乗するまでの間、前記制御器が用いる制御ゲインを比較的低い値に設定する制御に切替えて実施させると好適である。 Furthermore, when the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, a part of the boarding object is obtained when boarding the boarding object based on the load angle and the load angle estimation error. It may be determined whether or not is in a state of remaining on the ground. The control switch is determined that the load angle estimation error is diverged by the state discriminator, and it is determined that a part of the boarding object remains on the ground when the boarding object is boarded In addition, it is preferable that the control by the controller is switched to control that sets the control gain used by the controller to a relatively low value until the boarded object is completely boarded on the inverted moving body. It is.
また、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体が搭乗したまま移動している状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別され、かつ、搭乗物体が搭乗したまま移動している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記倒立型移動体を倒立走行させる制御に切り替えて実施させると好適である。 In addition, the state discriminator discriminates whether or not the boarding object is in a state of moving while on board based on the load angle when it is judged that the load angle estimation error does not diverge. May be. The control switch is controlled by the controller when it is determined by the state determiner that the load angle estimation error does not diverge and it is determined that the boarding object is moving while on board. It is preferable to switch to the control for causing the inverted moving body to run upside down.
さらにまた、前記状態判別器は、前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体が搭乗せずに前記倒立型移動体がその場で倒立している状態であるか否かを判別するようにしてもよい。前記制御切替器は、前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別され、かつ、搭乗物体が搭乗せずに前記倒立型移動体がその場で倒立している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記倒立型移動体をその場で倒立させる制御に切り替えて実施させると好適である。 Furthermore, when the state discriminator discriminates that the load angle estimation error does not diverge, the inverted moving body is inverted on the spot without boarding an object based on the load angle. You may make it discriminate | determine whether it is in a state. The control switching unit determines that the load angle estimation error does not diverge by the state discriminator, and determines that the inverted moving body is inverted on the spot without boarding the object. In this case, it is preferable that the control by the controller is switched to the control that inverts the inverted moving body on the spot.
本発明に係る倒立型移動体の制御方法は、少なくとも1つの車輪と、当該車輪に回転可能に連結された負荷体とを備え、前記車輪を駆動することで前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体の制御方法であって、前記負荷体の傾斜角度である負荷角度を検出するステップと、検出された負荷角度に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令を生成し、前記倒立制御を行うステップと、前記倒立型移動体の数式モデルに基づいて導出される推定器を用いて、検出された負荷角度と、生成された前記トルク指令と、に基づいて、前記負荷角度の推定値を算出するステップと、算出された前記負荷角度の推定値と検出された前記負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出するステップと、算出された前記負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別するステップと、前記判別の結果、前記負荷角度推定誤差が発散する場合に、前記倒立制御を切り替えて所定の安全確保制御を実施させるステップと、を備えるものである。 An inverted moving body control method according to the present invention includes at least one wheel and a load body rotatably connected to the wheel, and the inverted body performs the inversion control of the load body by driving the wheel. A method for controlling a movable body, comprising: detecting a load angle that is an inclination angle of the load body; generating a torque command for driving the wheel based on the detected load angle; Performing the control and estimating the load angle based on the detected load angle and the generated torque command using an estimator derived based on the mathematical model of the inverted moving body A step of calculating a value, a step of calculating a load angle estimation error that is an error between the calculated estimated value of the load angle and the detected load angle, and whether the calculated load angle estimation error diverges A step of determining whether the result of the determination, when the load angle estimation error diverges, in which and a step of carrying out predetermined safety control by switching the inversion control.
これにより、倒立型移動体の負荷角度と車輪のトルク指令とに基づいて、負荷角度推定誤差を算出し、負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別することができ、判別結果に応じて、倒立型移動体は安全確保制御に切り替えることができるため、危険な状態を判別して、転倒や暴走などを防止することができる。 Thereby, it is possible to calculate a load angle estimation error based on the load angle of the inverted moving body and the wheel torque command, and to determine whether or not the load angle estimation error diverges. Since the inverted moving body can be switched to the safety ensuring control, it is possible to determine a dangerous state and prevent a fall or a runaway.
本発明によれば、倒立制御を実施すると危険な状態であるかを判別して、倒立型移動体を安全に制御させることが可能な倒立型移動体及びその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an inverted moving body and a control method thereof that can determine whether it is in a dangerous state when the inverted control is performed and can safely control the inverted moving body.
実施の形態1.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態に係る倒立型移動体の制御システムの構成図である。制御システム100は、指令入力装置101と、制御器102と、倒立型移動体103と、負荷角度検出器104と、負荷角度推定誤差演算部105と、状態判別器108と、制御切替器109と、を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an inverted moving body control system according to the present embodiment. The
指令入力装置101は、例えば、搭乗者による走行操作(ハンドル操作、スイッチ操作、重心移動操作等)に応じて、移動体103が所望の走行状態(前後進、加減速、左右旋回、停止等)となる指令値を生成する。指令入力装置101は、例えば、負荷角度指令や倒立型移動体103の移動速度指令などを指令入力として生成する。
The
制御器102は、倒立型移動体103の負荷角度が、入力された指令に追従するように倒立型移動体103の倒立制御を実施する。また、制御器102は、制御切替器109からの制御切替指示に応じて、退避走行または停止などの所定の安全確保のための制御を実施する。制御器102は、これらの制御を行うため、トルク指令を生成する。
The
負荷角度検出器104は、制御器102が倒立制御に使用する負荷角度として、倒立型移動体103の鉛直線に対する傾斜角度を検出する。負荷角度検出器104は、倒立型移動体103に設置されている。負荷角度検出器104は、例えば、ジャイロセンサや加速度センサを用いて構成される姿勢センサである。
The
負荷角度推定誤差演算部105は、推定器ゲイン演算器105と、負荷角度推定誤差演算器106と、を備えている。負荷角度推定誤差演算部105は、倒立型移動体103の数式モデルにより導出される推定器(オブザーバ)を用いて、制御器102が出力するトルク指令と、負荷角度検出器104により検出される負荷角度と、に基づいて、負荷角度の推定値を算出し、算出した負荷角度の推定値と検出された負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出する。
The load angle estimation error calculator 105 includes an estimator gain calculator 105 and a load angle
推定器ゲイン演算器106は、制御器102が出力するトルク指令と、負荷角度検出器104により検出される負荷角度と、に基づいて、推定器(オブザーバ)を用いて、負荷角度推定値、負荷角速度推定値、負荷角加速度推定値などを推定する。さらに、推定器ゲイン演算器105は、制御器102が出力するトルク指令と、負荷角度検出器104により検出される負荷角度と、負荷角度推定値と、に基づいて、推定器ゲインを算出する。
The
負荷角度推定誤差演算器107は、推定器(オブザーバ)を用いて、トルク指令と、検出される負荷角度と、算出された推定器ゲインと、に基づいて、算出した負荷角度の推定値と検出された負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出する。
The load angle
状態判別器108は、算出した負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別する。また、状態判別器108は、算出した負荷角度推定誤差の波形形状に基づいて、倒立型移動体103の複数の状態のいずれの状態であるかを判別する。
The
制御切替器109は、状態判別器108による判別結果に基づいて、制御器102による倒立制御を切替えて、退避走行または停止するなどの所定の安全性確保制御を、制御器102に実施させる。制御切替器109は、状態判別器108により負荷角度推定誤差が発散すると判別された場合には、さらに、判別された状態に応じて、制御器102による制御を切り替えて、その判別された状態に対応する安全確保制御を、制御器102に実施させる。また、制御切替器109は、状態判別器108により負荷角度推定誤差が発散しないと判別された場合には、さらに、判別された状態に応じて、制御器102に通常の倒立制御(開始、継続、再開させるいずれか1の制御)を実施させる。
The
次に、図2を参照して倒立型移動体が、その状態に応じて倒立制御を切り替える仕組みについて詳細に説明する。図2は、本実施の形態にかかる倒立型移動体の模式的側面図である。 Next, with reference to FIG. 2, a mechanism in which the inverted moving body switches the inversion control according to the state will be described in detail. FIG. 2 is a schematic side view of the inverted moving body according to the present embodiment.
図2に示すように、倒立型移動体103は、同軸上に配置した2つの車輪202と、車輪に連結された負荷体201と、を備えている。負荷体201は、車輪202の回転軸を回転の中心として、回転可能に連結されている。負荷体201は、搭乗者や荷物などの搭乗物体、さらには、搭乗物体を支持するステップを含んで構成される。負荷角度とは、鉛直方向に対する負荷体201の傾斜角度を示す。倒立型移動体103は、負荷体201の倒立状態を維持し、かつ、進行方向(例えば、図の左右方向)に所望の速度で移動するように、車輪202を回転させるものである。移動体103は、例えば、負荷体201を前傾又は後傾させたときの傾斜角度に応じて、前進又は後進するように構成されている。なお、図示は省略するが、倒立型移動体103は、車輪202を回転させるモータトルクを伝達する減速機と、該モータトルクを発生するモータと、該モータを駆動するサーボアンプと、車輪202の回転角度を検出する車輪角度検出器と、モータに所望の回転速度指令を入力する入力装置と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the inverted moving
ここで、倒立型移動体の状態とは、具体的には以下に定める状態を含む。なお、以下の状態1〜8のうち、状態1及び状態2は、搭乗者にとって安全な状態の例を示す。また、状態3から状態8は、危険な状態の例を示す。
状態1:搭乗物体が搭乗したまま走行している状態
状態2:搭乗物体が搭乗せずに倒立型移動体がその場で倒立している状態
状態3:走行中に搭乗物体が倒立型移動体103から飛び降りた後の状態
状態4:搭乗物体の搭乗前または搭乗後に、搭乗者の手などの外部物体によって倒立型移動体103が支えられている状態
状態5:走行中に倒立型移動体103が物体と衝突した瞬間から後の状態
状態6:倒立型移動体の車輪202が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態
状態7:路面との摩擦が小さく、車輪202が空転している状態
状態8:搭乗物体の搭乗時に、搭乗者の片足などその一部が地面に残っている状態
Here, the state of the inverted moving body specifically includes the following states. Of the following
State 1: State in which the boarding object is traveling State 2: State in which the boarding object is not boarded and the inverted mobile body is inverted on the spot State 3: The boarding object is upside down while traveling State after jumping off 103 State 4: State where inverted moving
危険状態(状態3から状態8)の詳細を以下に説明する。
状態3では、搭乗者が飛び降りた後、倒立型移動体103と搭乗者とが接触する可能性がある。例えば、跳ね上がってきたハンドル(例えば、図5のハンドル503)と接触する可能性がある。
状態4では、搭乗者に向かってハンドル(例えば、図5のハンドル503)が傾斜する角度で、搭乗者が倒立型移動体103を支えると、倒立型移動体103が搭乗者に向かって走行して、搭乗者と接触する可能性がある。
状態5では、搭乗者による制御が実施できずに倒立型移動体103が暴走してしまう可能性がある。
状態6では、倒立型移動体103が、車輪202が回転できなくなった方向に回転させようとすることで、車輪202が溝または段差からわずかに外れた瞬間に最大トルクで回転して、結果として、倒立型移動体103が大きく転倒してしまう可能性がある。
状態7では、車輪202は床から小さな反力しか受けられないため、負荷角度を所望の角度にするために最大トルクで車輪202が回転してしまい、その結果、路面の摩擦が変化すると、倒立移動体103が大きく振れてしまう可能性がある。
状態8では、状態4と同様に、ハンドルの角度に応じて、搭乗者の地面に残っている足と、倒立型移動体103やその車輪202と、が接触する可能性がある。
Details of the dangerous state (
In
In state 4, when the passenger supports the inverted
In the state 5, the control by the passenger cannot be performed, and the inverted
In state 6, the inverted
In state 7, since the
In state 8, as in state 4, depending on the angle of the handle, there is a possibility that the foot remaining on the occupant's ground may come into contact with the inverted moving
図2に例示した倒立型移動体を数式モデルによりモデル化するため、倒立型移動体の運動方程式を説明する。以下、解析力学の手法を用いて運動方程式を導出する。
まず、運動エネルギーTとポテンシャルエネルギーVは、以下の(数1)と(数2)を用いてそれぞれ表される。
In order to model the inverted moving body illustrated in FIG. 2 using a mathematical model, an equation of motion of the inverted moving body will be described. In the following, equations of motion are derived using analytical mechanics techniques.
First, the kinetic energy T and the potential energy V are expressed using the following (Equation 1) and (Equation 2), respectively.
なお、(数1)及び(数2)で用いた記号の意味は次の通りである。
θ1:負荷角度
θ2:車輪角度
m1:負荷質量
J1:負荷慣性モーメント
m2:車輪質量
J2:車輪慣性モーメント
l:負荷重心と車軸の距離
r:車輪半径
g:重力加速度
The meanings of the symbols used in (Equation 1) and (Equation 2) are as follows.
θ 1 : Load angle θ 2 : Wheel angle m 1 : Load mass J 1 : Load inertia moment m 2 : Wheel mass J 2 : Wheel inertia moment l: Distance between load center of gravity and axle r: Wheel radius g: Gravity acceleration
次に、(数1)と(数2)を用いてラグランジアンL=T−Vを算出し、オイラー・ラグランジュ方程式を用いると、運動方程式は、以下の(数3)及び(数4)として求められる。 Next, Lagrangian L = TV is calculated using (Equation 1) and (Equation 2), and using the Euler-Lagrange equation, the equation of motion is obtained as (Equation 3) and (Equation 4) below. It is done.
なお、(数3)で用いた記号の意味は次の通りである。
Tm:モータトルク
In addition, the meaning of the symbol used by (Equation 3) is as follows.
T m : Motor torque
次に、上述した状態1から状態8を検出し、検出した各状態に応じて倒立制御を切り替える原理を説明する。まず(数3)と(数4)から、車輪角度θ2の2階時間微分値(式中では、θ2の上部に2つのドットを付して示す変数)を消去することで、以下の(数5)を得る。
Next, the principle of detecting the state 8 from the
負荷角度θ1を推定する推定器(オブザーバ)を、(数5)に基づいて、以下の(数6)の構成で設計する。推定器(オブザーバ)は、検出される負荷角度θ1と、トルク指令Tmと、から、負荷角度推定値、負荷角速度推定値、負荷角加速度推定値などを推定することができる。なお、詳細は後述するが、(数6)において、後述する(数9)で示す推定器ゲインLを設定することで、負荷角度推定値が負荷角度に収束する。
なお、(数6)で用いた記号の意味は次の通りである。
L:推定器ゲイン
sgn(・):シグナム関数(符号関数)
θ1 ^:負荷角度推定値(式中では、θ1の上部にハット(^)を付して示す変数)
θ1 〜:負荷角度推定誤差(式中では、θ1の上部にチルダ(〜)を付して示す変数)
s:中間変数
c:負荷角度推定誤差の収束の速さ
The meanings of the symbols used in (Equation 6) are as follows.
L: Estimator gain sgn (·): Signum function (sign function)
θ 1 ^ : Load angle estimation value (in the equation, a variable indicated by adding a hat (^) to the top of θ 1 )
θ 1 ˜ : Load angle estimation error (in the equation, a variable indicated by adding a tilde (˜) above θ 1 )
s: Intermediate variable c: Speed of convergence of load angle estimation error
次に、負荷角度推定誤差θ1 〜を0に収束させる推定器ゲインLの十分条件を、(数6)の推定器を用いて導出する。(数6)において負荷角度推定誤差θ1 〜を0に収束させるためには、中間変数sを0に収束させればよいので、リアプノフ関数の候補として以下の(数7)を用いる。
Next, a sufficient condition of the estimator gain L for converging the load angle
(数7)において、全てのs≠0においてV>0である。リアプノフ関数候補Vの1階時間微分が、全てのs≠0において負となれば、中間変数sは0に収束する。すなわち、以下の(数8)が成り立てばよい。 In (Equation 7), V> 0 for all s ≠ 0. If the first-order time derivative of the Lyapunov function candidate V is negative for all s ≠ 0, the intermediate variable s converges to zero. That is, the following (Equation 8) may be established.
(数8)の十分条件は、以下の(数9)となる。
なお、(数9)に用いた記号の意味は次の通りである。
δ:倒立型移動体103の状態判定指標
The meanings of symbols used in (Equation 9) are as follows.
δ: Indicator for determining the state of the inverted moving
検出器ゲインLを(数9)のように設定することで(数8)が成立し、中間変数sは、0に収束する。sが0に収束すると(数6)より負荷角度推定誤差θ1 〜はcの速さで収束し、負荷角度推定値θ1 ^は負荷角度θ1に収束することになる。 By setting the detector gain L as in (Equation 9), (Equation 8) is established, and the intermediate variable s converges to 0. When s converges to 0, the load angle estimation error θ 1 ˜ converges at the speed of c from (Equation 6), and the load angle estimation value θ 1 ^ converges to the load angle θ 1 .
ここで、倒立型移動体103に対して、(数3)及び(数4)で示した運動方程式に含まれない外力が加わった状況を想定する。かかる状況において、その外力の絶対値が(数9)の状態判定指標δよりも大きくなった場合には(数9)が成立しなくなり、負荷角度推定誤差θ1 〜が発散する。
Here, a situation is assumed in which an external force not included in the equations of motion shown in (Equation 3) and (Equation 4) is applied to the inverted moving
従って、負荷角度推定誤差θ1 〜の発散または収束状況に応じて、倒立型移動体103に対して、状態判定指標δよりも大きな外力が加わったか否かを判定することができる。上述した複数の危険状態のうち、状態1及び状態2の場合には負荷角度推定誤差θ1 〜は0に収束するのに対して、状態3から状態8の場合には、負荷角度推定誤差θ1 〜は発散する。
Therefore, it is possible to determine whether or not an external force greater than the state determination index δ is applied to the inverted moving
以上説明した原理に基づいて、図1に示した推定器ゲイン演算器106は、(数9)を用いて推定器ゲインLを算出する。負荷角度推定誤差演算器107は、(数5)及び(数6)に基づいて、負荷角度推定誤差θ1 〜を算出する。状態判別器108は、算出された負荷角度推定誤差θ1 〜が発散するか否かを判別する。判別の結果、負荷角度推定誤差θ1 〜が0に収束している間は、倒立型移動体103は安全な状態にあると判定し、倒立制御を継続する。一方で、判別の結果、負荷角度推定誤差θ1 〜が発散する場合には、上述した状態3から状態8のような危険な状態であるため、倒立型移動体103を退避走行または停止させる制御を実施する。さらに、後述するように、状態判別器108は、倒立型移動体103が上述した状態1から状態8のいずれであるかを判別することもできる。
Based on the principle described above, the
負荷角度推定誤差θ1 〜を用いて、上述した状態1から状態8を、以下の条件に基づいて判別する。この判別は、状態判別器108により行う。なお、以下の判別条件において、dは負荷角度推定誤差θ1 〜の収束・発散を判定する閾値であり、c51、c52、c61、c62、c71、c72は一定値とする。
Using the load angle estimation error θ 1 ˜ , the
(状態1の判別条件)
状態1の判別条件(数10)は、走行中の倒立型移動体103の負荷角度θ1は、進行方向に非零値を取ることに基づいて導出した。
(Determination condition of state 1)
The
(状態2の判別条件)
状態2の判別条件(数11)は、搭乗者が搭乗せずに倒立型移動体103がその場で倒立している場合には、負荷角度θ1が0であることに基づいて導出した。
(Determination condition of state 2)
The determination condition (Formula 11) for the
(状態3の判別条件)
状態3の判別条件(数12)は、搭乗者が飛び降りた場合には、負荷慣性モーメントが突然減少して、図2に例示した負荷体201を起き上がらせる方向に、負荷角度推定誤差θ1 〜がオーバーシュートすることに基づいて導出した。
(Determination condition of state 3)
Determination conditions state 3 (Equation 12), when the rider jumped is moment of inertia is suddenly reduced, in the direction in which Okiagara the
(状態4の判別条件)
状態4の判別条件(数13)は、負荷体201を外から手で支えている場合には、負荷角度θ1が一定値を取り、モータトルクTmが飽和して一定値を取ることに基づいて導出した。
(Conditions for status 4)
The determination condition (Formula 13) for state 4 is that when the
(状態5の判別条件)
状態5の判別条件(数14)は、倒立型移動体103が一定速度で移動中に物体と衝突した場合には、衝突の直後の所定の短い時間の間、一定速度で移動し、モータトルクTmが飽和することに基づいて導出した。
(Conditions for status 5)
The determination condition (Formula 14) for state 5 is that when the inverted moving
(状態6の判別条件)
状態6の判別条件(数15)は、図2に例示した車輪202が少なくとも片方に動かなくなった場合には、車輪速度dθ2/dtが0となり、モータトルクTmが飽和し、負荷体201が自由落下することに基づいて導出した。
(Conditions for state 6)
The determination condition (Formula 15) for the state 6 is that when the
(状態7の判別条件)
状態7の判別条件(数16)は、車輪202が空転する場合には、車輪速度dθ2/dtが非零となり、負荷体201を起き上がらせるためにモータトルクTmが飽和し、路面からの反力が得られないために負荷体201が自由落下することに基づいて導出した。
(Determination condition of state 7)
The determination condition of state 7 (Equation 16) is that when the
(状態8の判別条件)
状態8の判別条件(数17)は、搭乗者が倒立型移動体103に片足を乗せており、且つ、倒立型移動体103が搭乗者側に傾いている状態では、路面に着いている足に搭乗者の体重がより多く掛かっており、搭乗者から遠い側に傾いている状態では、倒立型移動体103に載せている足に搭乗者の体重がより多く掛かっていることに基づいて導出した。
(Conditions for status 8)
The discrimination condition (Formula 17) for state 8 is that the foot that is on the road surface when the rider puts one foot on the inverted moving
上述した判別条件により状態判別器108が状態の判別を行い、判別結果が制御切替器109に出力される。制御切替器109は、状態判別器108から入力された状態が状態1または状態2である場合には、制御器102が倒立制御を開始/継続/再開するように切り替える。制御切替器109は、状態判別器108から入力された状態が状態3から状態8のいずれかの状態である場合には、その状態に応じて、制御器102が退避走行または停止する制御を実施するように切り替える。
The
状態3〜状態8のいずれかの危険状態であると判別された場合の、制御器102による退避走行または停止の具体例、およびその効果を説明する。
A specific example of the retreat travel or stop by the
(状態3の場合)
走行中に搭乗者が倒立型移動体103から飛び降りた後の状態では、所定のペースで徐々に減速して停止させる。これにより、飛び降りた搭乗者と倒立型移動体103とが接触する危険を低減することができる。
(In the case of state 3)
In a state after the passenger jumps off the inverted moving
(状態4の場合)
搭乗前または搭乗後に、搭乗者が手で倒立型移動体103を支えている状態では、モータトルクTmを0にする。これにより、倒立型移動体103が暴走して周囲の物体と接触する危険性を低減することができる。
(In the case of state 4)
In the state where the passenger supports the inverted moving
(状態5の場合)
走行中に倒立型移動体103が物体と衝突した瞬間から後の状態では、衝突時と反対方向に車輪202を所定の短い時間回転させ、その後、減速して停止させる。これにより、搭乗者及び衝突した物体への被害を低減することができる。
(In the case of state 5)
In a state after the moment when the inverted moving
(状態6の場合)
倒立型移動体の車輪202が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態では、モータトルクTmを0にする。これにより、車輪202が溝などから突然外れた場合に、倒立型移動体103が急発進する危険性を低減することができる。
(In the case of state 6)
In a state where the
(状態7の場合)
路面との摩擦が小さく、車輪202が空転している状態では、検出される負荷角度θ1がπ/2[rad]に近付くまでの間、比較的低いモータトルクTmで、倒立型移動体103の進行方向に車輪202を回転させ、そして、負荷角度θ1がπ/2[rad]に近付いたら、モータトルクTmを連続的に0に変化させる。これにより、倒立型移動体103が転倒するような場合には、搭乗者への衝撃を低減できる可能性がある。
(In the case of state 7)
Small friction with the road surface, in the state in which the
(状態8の場合)
搭乗者の搭乗時に、その片足が地面に残っている状態では、搭乗者の両脚が倒立型移動体103に乗るまでの間、制御ゲインを比較的低い値に設定する。例えば、制御帯域が10[Hz]程度となるようにする。これにより、路面に残っている搭乗者の足が倒立型移動体103と接触する危険性を低減することができ、同時に、搭乗時に搭乗者はバランスをとりやすくなることから、安全に乗車できるようになるという効果がある。
(In the case of state 8)
When one of the legs remains on the ground when the passenger is on board, the control gain is set to a relatively low value until both legs of the passenger get on the inverted
図3を参照して、倒立型移動体の倒立制御と、退避走行または停止させる制御と、を切り替える処理を説明する。図3は倒立型移動体の制御方法のフローチャートである。
まず、搭乗者が、所望の負荷角度、移動速度などの指令を、指令入力装置101を用いて入力する(S301)。負荷角度検出器104は、一定周期で、負荷角度を検出する(S302)。
With reference to FIG. 3, a process for switching between the inverted control of the inverted moving body and the control for retracting or stopping will be described. FIG. 3 is a flowchart of the control method of the inverted moving body.
First, the passenger inputs a command such as a desired load angle and moving speed using the command input device 101 (S301). The
負荷角度推定誤差演算部105(推定器ゲイン演算器106及び負荷角度推定誤差演算器107)は、上述したようにして、負荷角度推定誤差θ1 〜を算出する(S303)。状態判別器108は、負荷角度推定誤差θ1 〜が発散しているか否かを判別し、また、負荷角度推定誤差θ1 〜の波形形状に基づいて、上述の状態1から状態8のいずれであるかを判別する(S304)。
The load angle estimation error calculator 105 (the
制御切替器109は、負荷角度推定誤差θ1 〜が収束する場合(状態1または状態2)には、倒立制御を開始/継続/再開させるように、制御器102の制御を切り替える(S305)。一方で、制御切替器109は、負荷角度推定誤差θ1 〜が発散する場合(状態3から状態8のいずれか)には、指令入力に応じた制御を中止させ、判別した状態に応じて、退避走行または停止させるように制御器102の制御を切り替える(S306)。指令入力に応じた制御を制御器102に中止させるためには、制御切替器109は、例えば、指令入力装置101からの入力指令に基づいて制御器102が制御指令を算出する際に用いるゲインについて、そのゲインの値を0に設定すればよい。以降、S301からS306の処理が再び繰り返される。
When the load angle estimation error θ 1 ˜ converges (
次に、図4を参照して、本発明の効果を説明する。ここでは、(数6)の推定器を用いて倒立型移動体103の安全または危険な状態を判定するシミュレーション行い、図4にその結果を示す。なお、シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
m1=70[kg]
J1=25.2[kg・m^2]
m2=15[kg]
J2=0.075[kg・m^2]
l=0.9[m]
r=0.1[m]
g=9.8[m/s^2]
D=1×10^−6[N・s/m](D:車輪と路面の間の粘性摩擦係数)
c=500[rad/s]
δ=0.01
Kp=50[s^−1](Kp:負荷角度比例制御ゲイン)
Kv=50(2π)[s^−1](Kv:負荷速度比例制御ゲイン)
T=1×10^−3[s](T:制御周期)
Next, the effect of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a simulation for determining a safe or dangerous state of the inverted
m 1 = 70 [kg]
J 1 = 25.2 [kg · m ^ 2]
m 2 = 15 [kg]
J 2 = 0.075 [kg · m ^ 2]
l = 0.9 [m]
r = 0.1 [m]
g = 9.8 [m / s ^ 2]
D = 1 × 10 ^ −6 [N · s / m] (D: Coefficient of viscous friction between wheel and road surface)
c = 500 [rad / s]
δ = 0.01
Kp = 50 [s ^ -1] (Kp: load angle proportional control gain)
Kv = 50 (2π) [s ^ −1] (Kv: load speed proportional control gain)
T = 1 × 10 ^ −3 [s] (T: control cycle)
本シミュレーションでは、制御器102は、負荷角度θ1及び車輪速度θ2を、上記ゲイン(Kp、Kv)を用いてそれぞれ比例制御する。そして、車輪202が接触する路面が、滑らない状態(状態1)から滑る状態(状態7)へと変化する場合に、(数6)の推定器が算出する負荷角度推定誤差θ1 〜に基づいて、倒立型移動体103の倒立型移動体103の状態を判別した。
In this simulation, the
図4(a)に示すように、時間2[s]において、車輪202と路面とが滑らない状態(縦軸の値1で示す、stick)から滑る状態(0で示す、slip)へと路面状態が変化する。
図4(b)では、与えられる負荷角度指令を破線で示し、検出される負荷角度θ1を実線で示している。このとき、図4(a)で示した状況下において、図4(b)に示すような負荷角度指令を与えた場合には、検出される負荷角度θ1により示されように、滑っている間制御不能となり、負荷体201が発散していることが分かる。
As shown in FIG. 4A, at time 2 [s], the road surface is changed from a state in which the
In FIG. 4B, the applied load angle command is indicated by a broken line, and the detected load angle θ 1 is indicated by a solid line. In this case, in a situation shown in FIG. 4 (a), when given load angle command as shown in FIG. 4 (b), Ni will be indicated by the load angle theta 1 is detected, and slipped It can be seen that the
図4(c)では、負荷角度推定誤差演算器107が出力する負荷角度推定誤差θ1 〜を実線で示している。図4(a)、(b)に示した状況の下で、負荷角度推定誤差演算器107が出力する負荷角度推定誤差θ1 〜は、図4(c)に示すように変化する。すなわち、外力に起因して上述した運動方程式が成立しなくなることで、負荷角度推定誤差θ1 〜が閾値を超えて変化する。
Figure 4 (c), the shows ~ load angle estimation error theta 1 which the load angle
図4(c)において、状態判別器108は、負荷角度推定誤差θ1 〜が所定の範囲に収まっている時間区間のうち、負荷角度θ1=0である区間(0[s]から1[s])では、状態2と判別し、負荷角度θ1≠0である区間(1[s]以降)では、状態1であると判別する。そして、状態判別器108は、負荷角度推定誤差θ1 〜が破線の範囲を超えている時間区間において、負荷角度推定誤差θ1 〜が2次曲線的に発散していること、及び、車輪角速度(車輪角度θ2の2階時間微分値)が非零であること(不図示)に基づいて、状態7であると判別する。なお、図4(c)では、破線により所定の範囲を示す。また、所定の範囲は、上述したδに基づいて定められ、当該閾値δは、ユーザにより予め適切な値が設定される。
In FIG. 4 (c), the
制御切替器109は、状態の判別結果に基づいて、状態2及び状態1である間は、上述した制御ゲインを用いた比例制御を制御器102に実施させることで、倒立型移動体103の倒立状態を維持させる。そして、状態7に変化した後は、負荷角度θ1がπ/2[rad]に近付くまでの間、比較的低いモータトルクTmで倒立型移動体103の進行方向に車輪202を回転させ、負荷角度θ1がπ/2[rad]に近付いた後は、モータトルクTmを連続的に0に変化させる。このようにモータトルクTmを変化させることにより、車輪202と路面との間の小さな摩擦(粘性摩擦係数D)によって、負荷体201を起き上がらせる方向に力が働くことになるため、倒立型移動体103が転倒した場合においても、搭乗者への衝撃を低減することができる。
Based on the determination result of the state, the
以上説明したように、倒立型移動体103は、2つの非線形運動方程式(数3、数4)を用いて記述される。これら2つの運動方程式を変形することで、負荷角度のみを含む1つの非線形微分方程式(数5)を得る。この非線形微分方程式に基づいて、負荷角度を推定する非線形推定器(数6)を設計する。
そして、負荷角度と負荷角度推定値との差を負荷角度推定誤差として、負荷角度推定誤差の所望のダイナミクスを表す1階微分関数を中間変数として定義し、その中間変数の2次関数であるリアプノフ関数候補(数7)を導入する。
このリアプノフ関数候補は上記中間変数が非ゼロの場合に正となり、リアプノフ関数候補の1階時間微分(数8)が負となるように、上記非線形推定器の推定器ゲインを設定する(数9)。これにより、倒立型移動体103が、上記非線形運動方程式に含まれない大きな外力を受けていない場合には、負荷角度推定誤差は0に収束し、そのような外力を受けた場合には、負荷角度推定誤差は発散する。
As described above, the inverted moving
Then, the difference between the load angle and the load angle estimated value is defined as a load angle estimation error, a first-order differential function representing the desired dynamics of the load angle estimation error is defined as an intermediate variable, and Lyapunov, which is a quadratic function of the intermediate variable. Function candidates (Equation 7) are introduced.
The Lyapunov function candidate is positive when the intermediate variable is non-zero, and the estimator gain of the nonlinear estimator is set so that the first-order time derivative (Equation 8) of the Lyapunov function candidate is negative (Equation 9 ). Thereby, when the inverted moving
負荷角度推定誤差が0に収束している間は、倒立型移動体103は安全な状態にあると判定することができるため、この間は倒立制御を継続する。一方で、負荷角度推定誤差が発散した場合には、倒立型移動体103は危険な状態にあると判定することができるため、退避走行または停止などの安全確保のための制御を行う。
さらに、負荷角度推定誤差が発散した場合には、その時の負荷角度推定誤差の波形の特徴に基づいて、複数の危険な状態を判別することができるため、それぞれの状態に応じた退避走行または停止させる制御を実施する。
While the load angle estimation error converges to 0, it can be determined that the inverted moving
Further, when the load angle estimation error diverges, a plurality of dangerous states can be determined based on the characteristics of the waveform of the load angle estimation error at that time. Implement the control.
従来の倒立型移動体では、危険状態であるか否かの自動判別は困難であった。
これに対して本発明では、検出される負荷角度のみを用いて非線形推定器の推定誤差の発散または収束を検出することで、危険状態であるか否かを判別可能とし、倒立型移動体103を安全に制御させることを可能とした。
さらに、負荷角度推定誤差の波形の特徴に基づいて、危険な状態を正確に判別可能とし、各危険状態に応じた安全な制御を実施可能とした。
従って、本発明によれば、危険な状態を判別して、安全となるように制御を行うことで、転倒または暴走を防止するができる。
In the conventional inverted type moving body, it is difficult to automatically determine whether or not it is in a dangerous state.
On the other hand, in the present invention, by detecting the divergence or convergence of the estimation error of the nonlinear estimator using only the detected load angle, it is possible to determine whether or not it is a dangerous state. Can be controlled safely.
Furthermore, based on the characteristics of the waveform of the load angle estimation error, it is possible to accurately determine the dangerous state, and it is possible to perform safe control according to each dangerous state.
Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent a fall or runaway by determining a dangerous state and performing control so as to be safe.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述した8の状態は例示であり、搭乗者にとって安全な状態及び危険な状態として、他の状態を定めるものとしてもよい。危険な状態としては、倒立型移動体のモデル化の際に想定されていなかった外力に起因して、搭乗者にとって倒立型移動体の挙動が危険となる状態であればよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the above-described state 8 is an example, and other states may be determined as a safe state and a dangerous state for the passenger. The dangerous state may be a state in which the behavior of the inverted moving body becomes dangerous for the occupant due to an external force that was not assumed when modeling the inverted moving body.
また、上述した実施の形態1では、2つの車輪202を備える倒立型移動体について例示したが、本発明はこれに限定されず、1以上の車輪202を駆動することで倒立制御を行う倒立型移動体であればよい。
In the first embodiment described above, the inverted moving body including the two
また、制御システムの各要素は、各種演算器として動作する論理素子等のハードウェアで構成されたものに限らず、CPU(中央処理装置)、メモリ(記憶装置)等を備えたコンピュータによって構成されていてもよい。そして、このコンピュータに所定のプログラムを組み込んで制御器102、推定器ゲイン演算器106、負荷角度推定誤差演算器107、状態判別器108、制御切替器109等の各機能を実現させるようにしてもよい。
Each element of the control system is not limited to hardware such as logic elements that operate as various arithmetic units, but is configured by a computer having a CPU (central processing unit), a memory (storage device), and the like. It may be. Then, a predetermined program is incorporated in this computer so as to realize each function of the
100:制御システム、
101:指令入力装置、
102:制御器、
103:倒立型移動体、
104:負荷角度検出器、
105:負荷角度推定誤差演算部、
106:推定器ゲイン演算器、
107:負荷角度推定誤差演算器、
108:状態判別器、
109:制御切替器、
201:負荷体、
202:車輪、
501:ホイール、
502:プラットホーム、
503:ハンドル、
504:グリップ、
505:ユーザ
100: control system,
101: Command input device,
102: Controller
103: Inverted type moving body,
104: Load angle detector,
105: Load angle estimation error calculation unit,
106: Estimator gain calculator,
107: Load angle estimation error calculator,
108: State discriminator,
109: Control switch,
201: load body,
202: wheels,
501: wheel,
502: Platform
503: Handle,
504: Grip,
505: User
Claims (20)
前記負荷体の傾斜角度である負荷角度を検出する負荷角度検出器と、
前記負荷角度検出器により検出された負荷角度に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令を生成し、前記倒立制御を行う制御器と、
前記倒立型移動体の数式モデルに基づいて導出される推定器を用いて、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記負荷角度の推定値を算出し、当該算出した推定値と前記負荷角度検出器により検出された負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出する負荷角度推定誤差演算部と、
前記負荷角度推定誤差演算部により算出された負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別する状態判別器と、
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別された場合には、前記制御器による制御を切り替えて所定の安全確保制御を実施させる制御切替器と、を備える
倒立型移動体。 An inverted mobile body comprising at least one wheel and a load body rotatably connected to the wheel, and performing an inverted control of the load body by driving the wheel,
A load angle detector for detecting a load angle that is an inclination angle of the load body;
A controller for generating a torque command for driving the wheel based on the load angle detected by the load angle detector and performing the inversion control;
Using the estimator derived based on the mathematical model of the inverted mobile body, the load angle detected by the load angle detector and the torque command generated by the controller, the load A load angle estimation error calculation unit that calculates an estimated value of an angle and calculates a load angle estimation error that is an error between the calculated estimated value and the load angle detected by the load angle detector;
A state discriminator for discriminating whether or not the load angle estimation error calculated by the load angle estimation error calculation unit diverges;
An inverted moving body comprising: a control switch that switches the control by the controller to perform predetermined safety ensuring control when the state determiner determines that the load angle estimation error is diverged.
前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記推定器のゲインを算出する推定器ゲイン演算器と、
前記推定器を用いて、前記推定器ゲイン演算器により算出されたゲインと、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記制御器により生成されたトルク指令と、に基づいて、前記負荷角度推定誤差を算出する負荷角度推定誤差演算器と、を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の倒立型移動体。 The load angle estimation error calculator is
An estimator gain calculator that calculates a gain of the estimator based on a load angle detected by the load angle detector and a torque command generated by the controller;
Using the estimator, based on the gain calculated by the estimator gain calculator, the load angle detected by the load angle detector, and the torque command generated by the controller, the load An inverted mobile object according to claim 1, further comprising a load angle estimation error calculator that calculates an angle estimation error.
前記状態判別器は、
前記負荷角度推定誤差演算部により算出された負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別すると共に、当該負荷角度推定誤差と、前記負荷角度検出器により検出された負荷角度と、前記車輪角度検出器により算出された車輪角度と、に基づいて、前記倒立型移動体について予め定めた複数の状態のうちのいずれの状態であるかを判別し、
前記制御切替器は、
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別された場合には、前記制御器による制御を切り替えて、前記判別された状態に応じた所定の安全確保制御を実施させ、
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別された場合には、前記倒立制御の開始、継続、再開のいずれか1の制御を前記制御器に実施させる
ことを特徴とする請求項1に記載の倒立型移動体。 A wheel angle detector for detecting a rotation angle of the wheel;
The state discriminator is
It is determined whether or not the load angle estimation error calculated by the load angle estimation error calculation unit diverges, the load angle estimation error, the load angle detected by the load angle detector, and the wheel angle detection On the basis of the wheel angle calculated by the vessel, it is determined which of the plurality of states predetermined for the inverted moving body,
The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error is diverging, the control by the controller is switched, and predetermined safety ensuring control according to the determined state is performed,
The controller is configured to cause the controller to perform any one of start, continuation, and resumption of the inversion control when the state discriminator determines that the load angle estimation error does not diverge. The inverted mobile object according to 1.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、当該負荷角度推定誤差に基づいて、前記倒立型移動体の移動中に搭乗物体が飛び降りた後の状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, it is determined based on the load angle estimation error whether the boarded object is in a state after jumping down during the movement of the inverted moving body. The inverted moving body according to claim 3.
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記倒立型移動体の移動中に搭乗物体が飛び降りた後の状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記搭乗物体の飛び降り後、所定のペースで徐々に減速し停止する制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項4に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges, and when it is determined that the boarded object has jumped off during the movement of the inverted moving body, the control by the controller is performed. 5. The inverted moving body according to claim 4, wherein after switching off the boarding object, the control is switched to a control that gradually decelerates and stops at a predetermined pace.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体の搭乗前または搭乗後に外部物体により前記倒立型移動体が支えられている状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, it is determined whether the inverted moving body is supported by an external object before or after boarding the boarding object based on the load angle. The inverted moving body according to claim 3, wherein
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記搭乗物体の搭乗前または搭乗後に外部物体により前記倒立型移動体が支えられている状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記トルク指令を0とする制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項6に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges, and it is determined that the inverted moving body is supported by an external object before or after boarding the boarding object, The inverted moving body according to claim 6, wherein the control by the controller is switched to control that sets the torque command to 0.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度推定誤差に基づいて、移動中に前記倒立型移動体が物体と衝突した瞬間から後の状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, it is determined based on the load angle estimation error whether or not the inverted moving body is in a state after the moment when the inverted moving body collides with an object. The inverted moving body according to claim 3, wherein
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、移動中に前記倒立型移動体が物体と衝突した瞬間から後の状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記車輪を衝突時と反対方向に所定の短い時間回転させ、減速停止する制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項8に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges, and when it is determined that the inverted moving body is in a later state from the moment of collision with the object during movement, the control by the controller The inverted moving body according to claim 8, wherein the wheel is rotated by switching to a control for decelerating and stopping by rotating the wheel in a direction opposite to that at the time of the collision for a predetermined short time.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記車輪角度に基づいて、前記車輪が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, based on the wheel angle, it is determined whether or not the wheel is sandwiched by a groove or a step and cannot rotate in at least one direction. The inverted moving body according to claim 3, wherein
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、前記車輪が溝または段差に挟まれて、少なくとも1方向に回転できなくなった状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記トルク指令を0とする制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項10に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges and the wheel is sandwiched between grooves or steps and cannot be rotated in at least one direction, the controller The inverted moving body according to claim 10, wherein the control according to is switched to control that sets the torque command to 0.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記車輪角度と、前記負荷角度推定誤差と、に基づいて、路面との摩擦が小さく前記車輪が空転している状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, it is determined whether or not the wheel is idling based on the wheel angle and the load angle estimation error with little friction with the road surface. The inverted moving body according to claim 3, wherein
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、路面との摩擦が小さく前記車輪が空転している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記負荷角度検出器により検出される負荷角度がπ/2[rad]に近付くまでの間、比較的低いモータトルクで、前記倒立型移動体の進行方向に前記車輪を回転させた後、当該検出される負荷角度がπ/2[rad]に近付いた以降は、前記モータトルクを連続的に0に変化させる制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項12に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When the state discriminator determines that the load angle estimation error diverges and the friction with the road surface is small and the wheel is idling, the control by the controller Until the load angle detected by the angle detector approaches π / 2 [rad], the wheel is rotated in the traveling direction of the inverted moving body with a relatively low motor torque, and then detected. The inverted moving body according to claim 12, wherein after the load angle approaches π / 2 [rad], the control is performed by switching to control that continuously changes the motor torque to zero.
前記負荷角度推定誤差が発散すると判別した場合に、前記負荷角度と、前記負荷角度推定誤差と、に基づいて、搭乗物体の搭乗時に、当該搭乗物体の一部が地面に残っている状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error diverges, a part of the boarding object remains on the ground when the boarding object is boarded based on the load angle and the load angle estimation error. It is discriminate | determined whether It is. The inverted type moving body of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散すると判別され、かつ、搭乗物体の搭乗時に、当該搭乗物体の一部が地面に残っている状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、当該搭乗物体が完全に前記倒立型移動体に搭乗するまでの間、前記制御器が用いる制御ゲインを比較的低い値に設定する制御に切替えて実施させる
ことを特徴とする請求項14に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error diverges, and when the boarding object is boarded, it is determined that a part of the boarding object remains on the ground. 15. The control is performed by switching to a control in which a control gain used by the controller is set to a relatively low value until the boarding object is completely boarded on the inverted moving body. The inverted moving body described in 1.
前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体が搭乗したまま移動している状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
4. When it is determined that the load angle estimation error does not diverge, it is determined based on the load angle whether or not the boarding object is in a state of moving while on board. Inverted moving body.
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別され、かつ、搭乗物体が搭乗したまま移動している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記倒立型移動体を倒立走行させる制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項16に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined by the state discriminator that the load angle estimation error does not diverge and it is determined that the boarding object is moving while on board, the control by the controller is performed by the inverted movement. The inverted moving body according to claim 16, wherein the inverted moving body is implemented by switching to a control for causing the body to run upside down.
前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別した場合に、前記負荷角度に基づいて、搭乗物体が搭乗せずに前記倒立型移動体がその場で倒立している状態であるか否かを判別する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 The state discriminator is
When it is determined that the load angle estimation error does not diverge, it is determined based on the load angle whether the inverted moving body is in an inverted state without the boarding object being boarded. The inverted moving body according to claim 3, wherein
前記状態判別器により前記負荷角度推定誤差が発散しないと判別され、かつ、搭乗物体が搭乗せずに前記倒立型移動体がその場で倒立している状態であると判別された場合に、前記制御器による制御を、前記倒立型移動体をその場で倒立させる制御に切り替えて実施させる
ことを特徴とする請求項18に記載の倒立型移動体。 The control switch is
When it is determined that the load angle estimation error does not diverge by the state discriminator, and when it is determined that the inverted moving body is in an inverted state without boarding an object, 19. The inverted moving body according to claim 18, wherein the control by the controller is switched to a control for inverting the inverted moving body on the spot.
前記負荷体の傾斜角度である負荷角度を検出するステップと、
検出された負荷角度に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令を生成し、前記倒立制御を行うステップと、
前記倒立型移動体の数式モデルに基づいて導出される推定器を用いて、検出された負荷角度と、生成された前記トルク指令と、に基づいて、前記負荷角度の推定値を算出するステップと、
算出された前記負荷角度の推定値と検出された前記負荷角度との誤差である負荷角度推定誤差を算出するステップと、
算出された前記負荷角度推定誤差が発散するか否かを判別するステップと、
前記判別の結果、前記負荷角度推定誤差が発散する場合に、前記倒立制御を切り替えて所定の安全確保制御を実施させるステップと、を備える
倒立型移動体の制御方法。 An inverted moving body control method comprising at least one wheel and a load body rotatably connected to the wheel, wherein the load body is inverted by driving the wheel,
Detecting a load angle that is an inclination angle of the load body;
Generating a torque command for driving the wheel based on the detected load angle, and performing the inversion control;
Calculating an estimated value of the load angle based on the detected load angle and the generated torque command using an estimator derived based on the mathematical model of the inverted mobile body; ,
Calculating a load angle estimation error that is an error between the calculated estimated value of the load angle and the detected load angle;
Determining whether or not the calculated load angle estimation error diverges;
And a step of switching the inverted control to perform predetermined safety ensuring control when the load angle estimation error diverges as a result of the determination, and a method for controlling the inverted moving body.
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