JP2015157541A - Inverted moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は倒立型移動体に関する。 The present invention relates to an inverted moving body.
ユーザが搭乗して操作することが可能な倒立型移動体(以下、移動体)が提案されている。 An inverted mobile body (hereinafter referred to as a mobile body) that can be operated by a user has been proposed.
例えば、特許文献1では、車輪と接地面との接地部分の加速度である接地面加速度と、車輪体の円周加速度を取得することにより、移動している接地面への進入を検知し、車両の移動速度を変化する倒立型振子車両が開示されている。
For example, in
ユーザが倒立型移動体に搭乗し、移動する場合に、静止した歩道から動く歩道に進入する状況が想定される。図14は、倒立型移動体Vが、動く歩道に側面から進入する様子を示すイメージ図である。ここで、摩擦係数μが高い動く歩道に倒立型移動体Vが進入するとき、非ホロノミックで動作する倒立型移動体は動く歩道の側に引きずられる可能性がある。 A situation is assumed in which a user enters a moving sidewalk from a stationary sidewalk when the user gets on an inverted moving body and moves. FIG. 14 is an image diagram illustrating a state in which the inverted moving body V enters the moving sidewalk from the side surface. Here, when the inverted moving body V enters a moving sidewalk with a high friction coefficient μ, the inverted moving body that operates nonholonomically may be dragged toward the moving sidewalk.
倒立型移動体が動く歩道の側に引きずられた状態では、車輪に関する測定値が不正確になると考えられる。特許文献1に係る車両では、車輪に関する測定値である接地面加速度や車輪体の円周加速度を用いて動く歩道への進入検知を行っているため、外乱を正確に推定できなくなる可能性がある。
When the inverted moving body is dragged to the side of the moving sidewalk, it is considered that the measurement values related to the wheels are inaccurate. In the vehicle according to
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、外乱が発生した場合にその推定をより正確に行うことが可能な倒立型移動体を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an inverted moving body capable of more accurately estimating when a disturbance occurs.
本発明にかかる倒立型移動体は、前記倒立型移動体の角速度を検出するジャイロスコープと、前記倒立型移動体の加速度を検出する加速度センサと、前記倒立型移動体の移動指示情報を検出する方向指示センサと、前記ジャイロスコープが検出した前記角速度と、前記加速度センサが検出した前記加速度と、前記方向指示センサが検出した方向指示値に基づいて、前記倒立型移動体の外乱を推定し、前記加速度センサが検出した前記加速度において当該外乱により生じた偏差を推定すると共に、前記倒立型移動体において当該外乱により生じた移動の偏差を推定する算出部と、前記算出部が推定した前記加速度の前記偏差を用いて前記加速度センサが検出した前記加速度の値を補正すると共に、前記倒立型移動体の移動の偏差を修正する制御を行う制御部を備える。このように、推定部は、車輪に関する測定値ではなく、ジャイロスコープ、加速度センサ及び方向指示センサの検出結果を用いて外乱を検出するため、外乱が発生した場合にその推定をより正確に行うことができる。 An inverted moving body according to the present invention detects a gyroscope that detects an angular velocity of the inverted moving body, an acceleration sensor that detects an acceleration of the inverted moving body, and movement instruction information of the inverted moving body. Based on the direction indication sensor, the angular velocity detected by the gyroscope, the acceleration detected by the acceleration sensor, and the direction indication value detected by the direction indication sensor, the disturbance of the inverted moving body is estimated, In addition to estimating the deviation caused by the disturbance in the acceleration detected by the acceleration sensor, the calculation unit estimating the deviation of the movement caused by the disturbance in the inverted mobile body, and the acceleration estimated by the calculation unit Control that corrects the deviation of the movement of the inverted moving body while correcting the acceleration value detected by the acceleration sensor using the deviation A control unit that performs. In this way, the estimation unit detects the disturbance using the detection results of the gyroscope, the acceleration sensor, and the direction indication sensor instead of the measurement value related to the wheel, and therefore more accurately performs the estimation when the disturbance occurs. Can do.
外乱が発生した場合にその推定をより正確に行うことが可能な倒立型移動体を提供することができる。 It is possible to provide an inverted moving body capable of more accurately estimating when a disturbance occurs.
[実施の形態1]
以下、図面を参照して本発明の実施の形態1について説明する。図1は、実施の形態1にかかる倒立型移動体の外観を示した図である。図1は、実施の形態1にかかる倒立型移動体(以下、移動体)の例を示した外観図である。移動体10は、ハンドル11、フレーム12、ステップ部13及び車輪14を備える。図1において、右側が搭乗者の搭乗時における前方(進行方向)、左側が搭乗者の搭乗時における後方である。
[Embodiment 1]
移動体10の上部にはハンドル11が設けられており、搭乗者はハンドル11につかまることにより安定して移動体10に搭乗することができる。また、ハンドル11に搭乗者が移動体10の走行を操作するための操作部が設けられてもよい。フレーム12はハンドル11とステップ部13を接続している。フレーム12の下部にはステップ部13(搭乗台)が設けられており、移動体10の搭乗時に搭乗者はステップ部13に足を乗せることができる。ステップ部13の下部には、左右に2つの車輪14が設けられている。車輪14は、図示しないモータ等により駆動される。
A
図2は、移動体10におけるセンサ及び演算部の構成例を示したブロック図である。移動体10は、センサとして、ジャイロスコープ15(ジャイロセンサ)、方向指示センサ16及び加速度センサ17を備える。さらに移動体10は、演算部として、算出部18、制御部19を備える。なお、移動体10の各部に電圧を供給するバッテリ等の記載は省略している。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the sensor and the calculation unit in the
ジャイロスコープ15は、移動体10の角速度を計測する。例えば、ジャイロスコープ15は、移動体10のX軸、Y軸、Z軸方向への速度を計測することにより、移動体10のピッチ方向への角速度と、ヨー方向への角速度を検出することができる。ジャイロスコープ15は、リーン角方向の角速度(ロール方向の角速度)をさらに検出してもよい。
The
方向指示センサ16は、移動体10の移動指示情報を検出する。ここで「移動指示情報」には、搭乗者等が移動体10に指示(入力)した移動体10の移動方向及び移動の値(方向指示値)が含まれる。方向指示値は、例えばハンドル11に設けられた操作部から、移動体10に入力される。移動指示情報を検出することにより、方向指示センサ16は、車体が向いている方向を検出する。具体的には、方向指示センサ16は、移動体10のリーン角(即ちロール方向の角度)を少なくとも検出することができる。ここで方向指示センサ16は、ユーザが移動体10を操作するためのジョイスティックのように、移動体10の姿勢をユーザが指示する入力装置であってもよい。この場合、方向指示センサ16は、ユーザからの入力に応じて、移動体10のリーン角を検出する。あるいは、方向指示センサ16は、リーン角センサや傾斜センサといった、実際にリーン角を計測して検出するものであってもよい。
The
加速度センサ17は、移動体10の加速度を計測する。例えば、加速度センサ17は、移動体10のX軸、Y軸、Z軸方向への加速度を計測することにより、移動体10のピッチ方向への角加速度と、ヨー方向への角加速度を検出することができる。加速度センサ17は、リーン方向への角加速度(即ちロール方向への角加速度)をさらに検出してもよい。
The
算出部18は、ジャイロスコープ15が測定したピッチ方向の角速度に基づいて、移動体10のピッチ方向の角度(以下、第1の角度)を算出する。また、算出部18は、加速度センサ17が測定した加速度に基づいて、倒立型移動体のピッチ方向の角度(以下、第2の角度)を算出する。
The
なお、算出部18は、角速度(又は加速度)の時間積分を行うことにより、角度を求める。また、算出部18はハイパスフィルタ回路を備えており、ジャイロスコープ15が測定したピッチ方向の角速度の測定結果をハイパスフィルタ回路に通して、測定結果中のオフセット値(バイアス)の影響を抑制した後、角速度の時間積分を行って第1の角度を算出している。また、第1の角度を算出するのに長い時間角速度の時間積分を行うと、オフセット値が積算されてしまうおそれがある。そのため、算出部18は、積分値(第1の角度の値)を適宜リセットする。
Note that the
算出部18は、算出した第1の角度及び第2の角度を比較して、第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があるか否かを判定する。算出部18は、第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があると判定した場合に、移動体10が外乱を受けていると推定する。そして、第1の角度と第2の角度との偏差を用いて、加速度センサ17が検出した加速度において当該外乱により生じた偏差を算出(推定)する。つまり、算出部18は、加速度センサ17における外乱がない場合の加速度の測定値と、外乱がある場合の加速度の測定値とのずれ(偏差)を推定している。
The
また、算出部18は、ジャイロスコープ15が計測した移動体10のヨー方向の角速度と、方向指示センサ16が検出した移動体10のリーン角とを比較して、ヨー方向の角速度とリーン角とのグラフにおける傾き(即ち、ヨー方向の角速度/リーン角)を算出する。算出部18は、算出したグラフの傾きと、所定の値との偏差を求め、偏差が所定の閾値よりも大きい場合に、移動体10が外乱を受けていると推定する。算出部18は、その偏差を用いて、移動体10の旋回量(制御値)の補正値を算出(推定)する。つまり算出部18は、移動体10の外乱により生じた移動の偏差を推定している。
Further, the
このように、算出部18は、移動体10が受ける外乱を推定する推定部として機能する。また、算出部18は、加速度センサ17が検出した加速度において当該外乱により生じた偏差を推定しているとともに、移動体10の旋回量(制御値)の補正値を推定する。
Thus, the
制御部19は、ジャイロスコープ15が測定した角速度のデータと、加速度センサ17が測定した加速度のデータとを用いて、現在の移動体10の状態を判定し、移動体10の走行や姿勢の制御を行う。例えば、移動体10が所定の加速度で移動している場合には、移動体10が安定して倒立した状態になるように移動体10の姿勢を制御する。さらに制御部19は、方向指示センサ16が検出したリーン角度を用いて、移動体10の旋回を行う。
The
また、制御部19は、算出部18が第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があると判定した場合(算出部18が外乱の存在を推定した場合)に、算出部18が推定した外乱による加速度の偏差を用いて、加速度センサ17が測定した加速度の値を補正する補正部として機能する。つまり、制御部19は、推定した外乱に関する値を用いて、加速度センサ17の測定結果を補正する。さらに、制御部19は、算出部18が算出したグラフの傾きが所定の値よりも閾値を超えてずれている場合に、算出部18が推定した移動体10の旋回量の補正値を用いて、移動体10の旋回量(制御値)を補正する補正部として機能する。つまり制御部19は、移動体10の移動において外乱により生じた偏差を修正する。
Further, the
以下、実施の形態1にかかる移動体10が解決する課題について説明する。
Hereinafter, a problem to be solved by the moving
ケース1.
まず、第1のケースについて説明する。図3は、外乱がない場合に(正常に移動体10が走行している場合に)、算出部18が算出した第1の角度と第2の角度のグラフの一例である。実線のグラフは第1の角度を、破線のグラフは第2の角度を示している。(図3では、第1の角度は「ジャイロ」、第2の角度は「加速度」と記載している。)なお、グラフの横軸は時間、縦軸はピッチ角度(縦軸の上方向がプラス方向、下方向がマイナス方向)を示している。また、ピッチ角度は、移動体10が垂直軸から前方に傾斜する場合をプラス方向、移動体10が垂直軸から後方に傾斜する場合をマイナス方向としている。なお、このグラフの説明は図5A、図5Bでも同様である。
First, the first case will be described. FIG. 3 is an example of a graph of the first angle and the second angle calculated by the
加速度に基づいて算出した第2の角度は、角速度に基づいて算出した第1の角度に比較してノイズが多い。ただし、第2の角度のグラフは、スパイク的なノイズは立つものの、秒単位では第1の角度のグラフと比較して一定量の偏差以上の差は生じない。即ち、グラフ同士の間隔は所定以上離れない。ここで、ジャイロスコープ15の測定結果は秒単位では大きくずれることがないため、第1の角度は正確な値と考えられる。
The second angle calculated based on the acceleration has more noise than the first angle calculated based on the angular velocity. However, although the second angle graph has spike noise, a difference of more than a certain amount of deviation does not occur in seconds compared to the first angle graph. That is, the interval between graphs is not more than a predetermined distance. Here, since the measurement result of the
次に、ユーザが移動体10に搭乗しているときに外乱が起こった場合を説明する。図4Aは、ユーザUが移動体10に搭乗して電車Tに乗車したときに、電車Tが発進した場合の状態を示したイメージ図である。なお、電車Tはユーザ及び移動体10から見て前方に進行している。このとき、ユーザU及び移動体10にとっては車体が突然動き出すことになるため、後ろ向きの慣性力を受ける。即ち、ユーザU及び移動体10は後ろ向きの加速度で動く。
Next, a case where a disturbance occurs when the user is on the moving
図4Bは、ユーザUが移動体10に搭乗して移動している状態で、静止している地面R1から動く歩道R2に乗り込む状態を示したイメージ図である。なお、動く歩道R2は、ユーザU及び移動体10から見て前方にその地面を動かしている。このとき、ユーザU及び移動体10にとっては車体が突然動き出すことになるため、図4Aと同様に、ユーザU及び移動体10には後ろ向きの加速度が生ずる。
FIG. 4B is an image diagram showing a state where the user U gets on the moving sidewalk R2 from the stationary ground R1 while the user U is on the moving
図5Aは、図4Aの状態における、ジャイロスコープ15が測定したピッチ方向の角速度に基づいて算出された第1の角度と、加速度センサ17が測定した加速度に基づいて算出された第2の角度のグラフの一例である。
FIG. 5A shows a first angle calculated based on the angular velocity in the pitch direction measured by the
電車が動き出す前は、移動体10は静止した状態にある。そして、電車が動き出すタイミングにおいて、後ろ向きの加速度が移動体10に生じる。そのため、その後ろ向きの加速度による外乱により、加速度センサ17が測定する角加速度が不正確になってしまう。即ち、加速度センサ17は、外部要因によって生じた加速度と、移動体10の操作により生じた加速度の区別がつかないため、外部要因によって生じた加速度も移動体10の操作により生じた加速度として計測してしまう。このように、加速度センサ17が不正確な角加速度の測定を行うため、算出部18が算出する第2の角度も不正確な値になってしまう。従って、図5Aに示す通り、第2の角度は、第1の角度に比較して偏差が生じている。(図5Aでは、偏差は矢印で示されている。)具体的には、動き出すタイミングからしばらく経過するまでは、第2の角度は、第1の角度に比較してマイナス側(移動体10が後ろに傾く方向)の値になっている。
Before the train starts moving, the moving
図5Bは、図4Bの状態における第1の角度と第2の角度のグラフの一例である。移動体10が動く歩道に乗る前までは、第1の角度と第2の角度の差はほとんどない。
FIG. 5B is an example of a graph of the first angle and the second angle in the state of FIG. 4B. There is almost no difference between the first angle and the second angle before the moving
上述の通り、動く歩道に移動体10が乗ったタイミングにおいて、後ろ向きの加速度が移動体10に生じる。そのため、上述と同様の理由で、後ろ向きの加速度による外乱により、加速度センサ17が測定する加速度が不正確になってしまう。従って、図5Bに示す通り、第2の角度は第1の角度に比較して偏差が生じている。(図5Bでは、偏差は矢印で示されている。)
As described above, backward acceleration is generated in the moving
このように、移動体10の操作によるものではなく、外部の要因によって移動体10に力がかかって、第1の角度と、第2の角度に偏差が生じる場合が考えられる。ここで、制御部19は、ジャイロスコープ15が測定した角速度及び加速度センサ17が測定した加速度に基づいて姿勢制御を行っているため、移動体10の実際の姿勢にそぐわない姿勢制御を行ってしまうことが考えられる。
As described above, it is conceivable that a force is applied to the moving
以上の課題を解決するため、算出部18は、算出した第1の角度及び第2の角度を比較して、第1の角度と第2の角度の偏差(第1の角度と第2の角度の差の絶対値)が所定の正の閾値よりも大きいか否かを判定する。偏差がその閾値以下であれば、算出部18は外乱が発生していないと判断し、制御部19は特別な制御を実行しない。その閾値よりも大きい偏差がある場合に、算出部18は加速度センサ17が検出した加速度において当該外乱により生じた偏差を推定し、制御部19は推定した偏差を用いて加速度センサ17の測定結果を補正する。即ち、算出部18及び制御部19は外乱を推定した上で、偏差のデータ(即ち推定した外乱のデータ)を加速度センサ17の測定値にフィードバックして補正する。この補正は、加速度センサ17の測定した加速度に基づいて算出した角度が、ジャイロスコープ15が測定した角速度に基づいて算出した角度と同じ値に近づくようになされる。これにより、加速度センサ17の計測値を正確なものにすることができるため、制御部19は、移動体10の姿勢制御を、移動体10の実際の姿勢に適合するように行うことができる。
In order to solve the above problem, the
図6Aは、移動体10が静止している歩道から動く歩道に乗車するときの加速度センサ17が測定した加速度のデータを示したグラフの一例である。図6Aでは、破線のグラフが移動体10のX軸方向(左右方向)の加速度のグラフ、実線のグラフがY軸方向(前後方向)の加速度のグラフ、一点鎖線のグラフがZ軸方向(上下方向)の加速度のグラフである。図6Aの横軸は時間(sec)、縦軸は加速度(m/sec^2)である(図6C、図7A、図7Cでも同様の記載を行う)。図6Aにおいて、加速度センサ17の測定データは補正されていない。従って、Y軸方向の加速度には、図6Aにおいて丸で囲った部分において、乗車時の外乱が生じている(即ち加速度が生じている)。
FIG. 6A is an example of a graph showing acceleration data measured by the
図6Bは、図6Aで測定した加速度を用いて算出部18が算出した角度のデータを示したグラフである。図6Bでは、破線のグラフが移動体10のロール角度のグラフ、実線がピッチ角度のグラフである。図6Bの横軸は時間(sec)、縦軸は角度(deg)である(図6D、図7B、図7Dでも同様の記載を行う)。上述の通り、Y軸方向の加速度において乗車時の外乱の影響が生じているため、ピッチ角度には、図6Bにおいて丸で囲った部分において、乗車時の外乱が生じている(角度の値が増加している)。
FIG. 6B is a graph showing the angle data calculated by the
図6Cは、図6Aにおける加速度のデータに外乱の影響を補正する処理を行った場合の、加速度センサ17が測定した加速度のデータを示したグラフの一例である。図6Cにおいて丸で囲った部分においては、外乱の影響が除去されており、Y軸方向の加速度の値は増加していない。
FIG. 6C is an example of a graph showing acceleration data measured by the
図6Dは、図6Cで測定した加速度を用いて算出部18が算出した角度のデータを示したグラフである。加速度の補正がなされているため、図6Dにおいて丸で囲った部分において、ピッチ角度に乗車時の外乱による影響は生じていない(角度の値が増加していない)。
FIG. 6D is a graph showing the angle data calculated by the
図7Aは、移動体10が静止している歩道から動く歩道に乗車するときの加速度センサ17が測定した加速度のデータを示したグラフの別の例である。図7Aでも加速度センサ17の測定データは補正されておらず、Y軸方向の加速度には、図7Aにおいて丸で囲った部分において、乗車時の外乱が生じている。
FIG. 7A is another example of a graph showing acceleration data measured by the
図7Bは、図7Aで測定した加速度を用いて算出部18が算出した角度のデータを示したグラフである。ピッチ角度には、図7Bにおいて丸で囲った部分において、乗車時の外乱が生じている。
FIG. 7B is a graph showing the angle data calculated by the
図7Cは、図7Aにおける加速度のデータに外乱の影響を補正する処理を行った場合の、加速度センサ17が測定した加速度のデータを示したグラフの一例である。図7Cにおいて丸で囲った部分においては、外乱の影響が除去されており、Y軸方向の加速度の値は増加していない。
FIG. 7C is an example of a graph showing acceleration data measured by the
図7Dは、図7Cで測定した加速度を用いて算出部18が算出した角度のデータを示したグラフである。加速度の補正がなされているため、図7Dにおいて丸で囲った部分において、ピッチ角度に乗車時の外乱による影響は生じていない。
FIG. 7D is a graph showing the angle data calculated by the
ケース2.
次に、第1のケースとは別のケースについて説明する。図8は、外乱がない場合に、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向への角速度と、方向指示センサ16が検出した移動体10のリーン角度の理想的な関係を示したグラフの一例である。なお、グラフの横軸はリーン角度、縦軸はヨー角速度を示している。また、ヨー角速度は、移動体10が水平面において右に回転する場合をマイナス方向、左に回転する場合をプラス方向としている。リーン角度は、移動体10が前後を軸として左に傾斜する場合をマイナス方向、前後を軸として右に傾斜する場合をプラス方向としている。この例で、移動体10がとりうる最大のリーン角度値は+13.5degであり、とりうる最小のリーン角度値は−13.5degである。また、移動体10がとりうる最大のヨー方向への角速度値は+130deg/secであり、とりうる最小の角速度値は−130deg/secである。
Next, a case different from the first case will be described. FIG. 8 is an example of a graph showing an ideal relationship between the angular velocity in the yaw direction measured by the
図8に示した通り、外乱を受けていない状態では、ヨー角速度とリーン角度の関係は略リニアになっている。換言すれば、リーン角度における変化角度とヨー角速度における変化角速度とは比例している。ここで、ユーザが移動体10を操作して左旋回を行う場合には、ヨー角速度がプラス方向に生じるだけでなく、リーン角もマイナス方向に生じる。即ち、移動体10は、水平面から左に回転するだけでなく、前後を軸として左に傾斜する。右旋回を行う場合には、ヨー角速度及びリーン角はその逆方向に生じる。図8において、ヨー角速度とリーン角度は反比例(逆相関)の関係になっていることは、以上のことを示している。
As shown in FIG. 8, the relationship between the yaw angular velocity and the lean angle is substantially linear in a state where there is no disturbance. In other words, the change angle in the lean angle is proportional to the change angular velocity in the yaw angular velocity. Here, when the user performs a left turn by operating the moving
図9は、ユーザUが移動体10に搭乗して移動しているときに、右斜め後ろから強風が吹いたときの状態を示したイメージ図である。このとき、強風にあおられ、移動体10は直進していた状態から左側に進路がずれる。
FIG. 9 is an image diagram showing a state when a strong wind blows from diagonally right behind when the user U is moving on the moving
図10は、図9の状態において、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向の角速度と、方向指示センサ16が検出したリーン角度のグラフである。(図10では、ヨー方向の角速度は破線で示されたグラフであり、「ヨージャイロ値」と記載されている。また、リーン角度は実線で示されたグラフであり、「リーン角度値」と記載されている。)なお、グラフの横軸は時間、縦軸はヨー角速度及びリーン角度(縦軸の上方向がプラス方向、下方向がマイナス方向)を示している。ヨー角速度とリーン角度のプラス方向及びマイナス方向の定義は、図8で説明した通りである。
FIG. 10 is a graph of the angular velocity in the yaw direction measured by the
上述の通り、強風によって、移動体10は左に旋回する。そのため、ジャイロスコープ15は、その外乱により、測定するヨー角速度が不正確になってしまう。即ち、ジャイロスコープ15は、外部要因によって生じた角速度と、移動体10の操作により生じた角速度の区別がつかないため、外部要因によって生じた角速度も移動体10の操作により生じた角速度として計測してしまう。この状況は、移動体10は方向指示センサ16のリーン角による旋回指令が無いにも関わらず、外乱要因により左に旋回することを示している。このため、ユーザが意図していない方向に移動体10が移動してしまう可能性がある。
As described above, the moving
図11は、旋回方向に外乱がある場合に、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向への角速度と、方向指示センサ16が検出した移動体10のリーン角度の関係を示したグラフの一例である。図11において実線で示したグラフは、外乱がある場合のヨー方向への角速度とリーン角度の一例を示したグラフであり、破線で示したグラフは、外乱のない状態におけるヨー方向への角速度とリーン角度の理想的な関係を示したグラフである。外乱がある場合、ヨー方向への角速度とリーン角度とは線形の関係になっていない。そして、外乱のない場合に比較して、図11において矢印で示されている偏差が生じる。
FIG. 11 is an example of a graph showing the relationship between the angular velocity in the yaw direction measured by the
以上の課題を解決するため、算出部18は、方向指示センサ16が検出した移動体10のリーン角度(方向指示センサ値)を、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向への角速度(ヨーレート値)で割った値を算出する。そして、算出部18は、算出した値と、リーン角度の最大値(最大方向指示センサ値)をヨー方向への最大角速度(最大旋回レート値)で割った値とを比較し、両者の偏差(両者の差の絶対値)が所定の正の閾値以下であるか否かを比較する。なお、最大方向指示センサ値及び最大角速度は、外乱がない状態で移動体10が旋回するときの最大の方向指示センサ値及び角速度のことをいう。
In order to solve the above problems, the
偏差がその閾値以下であれば、算出部18は外乱が発生していないと判断し、制御部19は特別な制御を実行しない。偏差がその閾値よりも大きい場合に、算出部18はその偏差を用いて移動体10の旋回量(制御値)の補正値を算出(推定)し、制御部19はその補正値を用いて移動体10の旋回量(制御値)を補正する。即ち、算出部18及び制御部19は外乱を推定した上で、移動体10の旋回量を補正する(移動体10の旋回の制御にフィードバックする)。これにより、制御部19は、移動体10の旋回を、方向指示センサ16が検出したリーン角に沿って行うことができる。
If the deviation is equal to or less than the threshold value, the
図12は、旋回方向に外乱がある場合に、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向への角速度と、方向指示センサ16が検出した移動体10のリーン角度の関係を示したグラフの他の例である。図12における黒丸のポイントは、外乱がある場合のヨー方向への角速度とリーン角度のデータを示している。そして破線で示したグラフは、外乱のない状態におけるヨー方向への角速度とリーン角度の理想的な関係を示したグラフである。外乱が加わることにより、測定結果におけるヨー方向への角速度及びリーン角度は、図12における破線上で遷移しない。ここで、外乱がない場合におけるヨー方向への角速度に対するリーン角度の傾きmは、
m=最大方向指示センサ値/最大ヨーレート値=tan(a)・・・(式1)
として算出される。そして、測定結果におけるヨー方向への角速度に対するリーン角度の傾きm’は、
m’=方向指示センサ値/ヨーレート値=tan(b)・・・(式2)
として算出される。なお、a、bは傾きを示す角度である。算出部18は、以上の傾きm、m’を算出した後、mとm’との偏差が所定の正の閾値以下か否かを判定する。
FIG. 12 is another example of a graph showing the relationship between the angular velocity in the yaw direction measured by the
m = maximum direction indicating sensor value / maximum yaw rate value = tan (a) (Equation 1)
Is calculated as The slope m ′ of the lean angle with respect to the angular velocity in the yaw direction in the measurement result is
m ′ = direction indicating sensor value / yaw rate value = tan (b) (Expression 2)
Is calculated as Note that a and b are angles indicating inclination. After calculating the slopes m and m ′, the
以上、ケース1及びケース2における外乱の詳細と、算出部18及び制御部19が行う処理について説明した。ケース1において、外乱の影響を受けるのは加速度センサの計測データであり、外乱の影響を受けないのはジャイロセンサの計測データである。ケース2において、外乱の影響を受けるのはヨージャイロの計測データであり、外乱の影響を受けないのはリーン角度値の検出データである。ケース1、2とも、同じアルゴリズムで計測値における外乱の補正を行うことができる。
The details of the disturbance in
図13は、移動体10の制御の一例を示すフローチャートである。以下、図13を用いて、移動体10の制御について説明する。
FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of the control of the moving
まず、ジャイロスコープ15は、移動体10の角速度(特に、ピッチ方向への角速度と、ヨー方向への角速度)の値を計測する(ステップS1)。算出部18は、ジャイロスコープ15が測定したピッチ方向の角速度を積分することにより、移動体10のピッチ方向の角度(第1の角度)を算出する。また、算出部18は、ジャイロスコープ15が測定したヨー方向の角速度に基づいて、移動体10のヨー方向の角度を算出する(ステップS2)。
First, the
方向指示センサ16は、移動体10のリーン角(方向指示センサ値)を検出する(ステップS3)。加速度センサ17は、移動体10の加速度を検出する(ステップS4)。
The
算出部18は、加速度センサ17が測定したX軸、Y軸、Z軸の加速度から、移動体10のピッチ方向の角度(第2の角度)を算出する(ステップS5)。なお、以上のステップS1〜S5の処理の順番はこの順番に限られず、適宜変更することができる。
The
算出部18は、算出した第1の角度及び第2の角度を比較して、第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があるか否かを判定する(ステップS6)。第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差がある場合には(ステップS6でYes)、算出部18は第1の角度と第2の角度との偏差を用いて加速度センサ17において外乱により生じた加速度の偏差を推定し、制御部19は算出部18が推定した偏差を用いて加速度センサ17の測定結果を補正する(ステップS7)。
The
第1の角度と第2の角度の偏差が所定の閾値以下である場合(ステップS6でNo)又はステップS7で加速度センサ17の測定結果を補正した場合には、算出部18は、測定結果における方向指示センサ値/ヨーレート値の値と、最大方向指示センサ値/最大ヨーレート値の値とを比較して、所定の閾値よりも大きい偏差があるか否かを判定する(ステップS8)。
When the deviation between the first angle and the second angle is equal to or less than a predetermined threshold (No in step S6) or when the measurement result of the
方向指示センサ値/ヨーレート値の値と、最大方向指示センサ値/最大ヨーレート値の値とに所定の閾値よりも大きい偏差がある場合には(ステップS8でYes)、算出部18はその偏差を用いて移動体10の旋回量(制御値)の補正値を推定し、制御部19は算出部18が推定した補正値を用いて移動体10の旋回量を補正する(ステップS9)。そして算出部18は、積分値(第1の角度の値)をリセットする(ステップS10)。
When there is a deviation larger than a predetermined threshold value between the direction indication sensor value / yaw rate value and the maximum direction indication sensor value / maximum yaw rate value (Yes in step S8), the
なお、ステップS8の判定処理は、ステップS6の判定処理と同時又はその前に実行されてもよい。ステップS7の処理は、ステップS9の処理と同時又はその前に実行されてもよい。また、ステップS10の処理は、ステップS8及びステップS9の前に実行されてもよい。 Note that the determination process in step S8 may be executed simultaneously with or before the determination process in step S6. The process of step S7 may be executed simultaneously with or before the process of step S9. Moreover, the process of step S10 may be performed before step S8 and step S9.
そして、制御部19は、ジャイロスコープ15から取得した角速度と、加速度センサから取得した加速度(ステップS7で補正された場合には補正後の加速度)のデータに基づいて、移動体10の取るべき姿勢角度を演算する。制御部19は、演算した姿勢角度に基づいて、車輪14の制御(速度や向きの制御)を行う。さらに、ステップS9で移動体10の旋回量が補正された場合には、制御部19は補正された旋回量に基づいて車輪14の制御を行う。
And the
以上のように、実施の形態1にかかる移動体10は、ジャイロスコープ15が測定した速度に基づいて算出したピッチ角と、加速度センサ17が測定した加速度に基づいて算出したピッチ角とに大きい偏差がある場合に、外乱が働いたことを検知し、その偏差を用いて加速度の測定結果を補正することができる。これにより、移動体10の姿勢及び走行の制御を行うことができる。
As described above, the moving
倒立型移動体(特に倒立二輪の移動体)は、動く歩道や電車への乗車時など床面が相対移動する場所では、床面の移動が走行制御の外乱となりうる。この対策として、車輪の回転速度の情報を用いて、移動する床面(動く歩道、エスカレータ等)の外乱推定を行うことが考えられる。しかしながら、非ホロノミック系の倒立型移動体は、動く歩道に斜めに進入したとき、摩擦係数μの高い動く歩道側に引きずられる。前述の通り、倒立型移動体は、引きずられた状況において、車輪に関する測定値(例えば回転速度)から外乱の加速度を推定することはできない。 In an inverted type moving body (especially an inverted two-wheeled moving body), the movement of the floor surface can be a disturbance of travel control in a place where the floor surface relatively moves such as when moving on a moving sidewalk or a train. As a countermeasure, it is conceivable to estimate the disturbance of the moving floor (moving sidewalk, escalator, etc.) using information on the rotational speed of the wheels. However, the non-holonomic inverted moving body is dragged toward the moving sidewalk having a high friction coefficient μ when entering the moving sidewalk obliquely. As described above, the inverted moving body cannot estimate the acceleration of the disturbance from the measured value (for example, the rotation speed) regarding the wheel in the dragged state.
実施の形態1にかかる移動体10では、車輪に関する測定値を使用せずに外乱(床面の動き)の推定を行うため、外乱の推定精度を向上させることができる。また、外乱の推定に、ジャイロスコープ、方向指示センサ、加速度センサといった既存の技術で用いられるセンサのみを利用するため、追加コストなしに外乱補正を実施できる。
In the moving
さらに、外乱が検出できない場合、移動体は自身の姿勢変化を打ち消そうとして必要以上のトルクを出力してしまうことが想定される。しかし、実施の形態1にかかる移動体10では必要な分のトルクのみを出力する(必要以上のトルク出力能力を備える必要がない)ため、移動体10の小型化に貢献することができる。
Furthermore, when a disturbance cannot be detected, it is assumed that the moving body outputs more torque than necessary in order to cancel the posture change of itself. However, since the moving
また、倒立型移動体は(軽量・コンパクトな移動体は特に)、風等の強い外乱が加わると、外乱の影響により車体の移動方向が変化する可能性がある。このような場合でも、実施の形態1にかかる移動体10は旋回量を補正することができるため、ユーザが意図した方向に車体を向かわせることが可能になる。
In addition, an inverted type moving body (especially a lightweight and compact moving body) may change the moving direction of the vehicle body due to the influence of the disturbance when a strong disturbance such as wind is applied. Even in such a case, since the moving
[実施の形態2]
以下、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2にかかる移動体の外観、センサ及び演算部の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
[Embodiment 2]
The second embodiment of the present invention will be described below. The appearance of the moving body, the configuration of the sensor, and the calculation unit according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
移動体10のジャイロスコープ15は、移動体10の角速度を計測し、加速度センサ17は、移動体10の垂直方向の加速度を計測する。
The
算出部18は、ジャイロスコープが測定した移動体10の角速度を積分して移動体10の姿勢角度(第1の角度)を算出する。さらに、算出部18は、加速度センサ17が測定した移動体10の加速度を用いて、移動体10の姿勢角度(第2の角度)を算出する。
The
算出部18は、第1の角度及び第2の角度を比較して、第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があるか否かを判定する。制御部19が第1の角度と第2の角度に所定の閾値よりも大きい偏差があると判定した場合(外乱が発生したと推定した場合)に、算出部18は、第1の角度と第2の角度との偏差を用いて、加速度センサ17における外乱による加速度の偏差を推定する。制御部19は、算出部18が推定した加速度の偏差を用いて、加速度センサ17の測定結果(即ち垂直方向の加速度)を補正する。
The
以上の処理のロジックは、実施の形態1のピッチ方向の角度の算出、比較及び加速度センサ17が測定したY軸方向の加速度の補正の処理と同様である。この処理を行うことにより、移動体10がエレベータ等、垂直方向へ移動する乗り物に乗った場合に、乗り物が動いた時に生じる外乱を推定することができる。また、垂直方向のみに移動する乗り物だけでなく、上りエスカレータや下りエスカレータについても同様のアルゴリズムを使用することができる。これにより、外乱に応じた倒立制御を行うことができる。
The logic of the above processing is the same as that of the calculation of the angle in the pitch direction in the first embodiment, the comparison, and the correction of the acceleration in the Y-axis direction measured by the
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、実施の形態1の処理と実施の形態2の処理とは適宜組み合わせて行うことができる。
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 process of
実施の形態1においては、算出部18は、方向指示センサ値とヨーレート値との傾きについて比較を実行している。しかし、移動体10は、メモリマップに外乱がない場合の方向指示センサ値とヨーレート値とが取り得る値の表(比較表)を有し、制御部19がその比較表を参照することにより、理想的な方向指示センサ値とヨーレート値のデータと、測定結果の方向指示センサ値とヨーレート値のデータを比較してもよい。
In the first embodiment, the
実施の形態1においてはピッチ角方向における制御について説明したが、ピッチ角方向以外の角方向においても同様の制御が可能である。 Although the control in the pitch angle direction has been described in the first embodiment, the same control can be performed in an angular direction other than the pitch angle direction.
10 移動体
11 ハンドル
12 フレーム
13 ステップ
14 車輪
15 ジャイロスコープ
16 方向指示センサ
17 加速度センサ
18 算出部
19 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記倒立型移動体の角速度を検出するジャイロスコープと、
前記倒立型移動体の加速度を検出する加速度センサと、
前記倒立型移動体の移動指示情報を検出する方向指示センサと、
前記ジャイロスコープが検出した前記角速度と、前記加速度センサが検出した前記加速度と、前記方向指示センサが検出した方向指示値に基づいて、前記倒立型移動体の外乱を推定し、前記加速度センサが検出した前記加速度において当該外乱により生じた偏差を推定すると共に、前記倒立型移動体において当該外乱により生じた移動の偏差を推定する算出部と、
前記算出部が推定した前記加速度の前記偏差を用いて前記加速度センサが検出した前記加速度の値を補正すると共に、前記倒立型移動体の移動の偏差を修正する制御を行う制御部と、
を備える倒立型移動体。 An inverted mobile,
A gyroscope for detecting the angular velocity of the inverted moving body;
An acceleration sensor for detecting the acceleration of the inverted moving body;
A direction indicating sensor for detecting movement instruction information of the inverted moving body;
Based on the angular velocity detected by the gyroscope, the acceleration detected by the acceleration sensor, and the direction indication value detected by the direction indication sensor, the disturbance of the inverted moving body is estimated and detected by the acceleration sensor A calculation unit for estimating a deviation caused by the disturbance in the acceleration and estimating a deviation of the movement caused by the disturbance in the inverted moving body;
A control unit that corrects a value of the acceleration detected by the acceleration sensor using the deviation of the acceleration estimated by the calculation unit, and performs a control to correct a deviation of the movement of the inverted moving body;
Inverted mobile body with
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