JP6221539B2 - Wheel type moving body - Google Patents
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Description
本明細書は、車輪を駆動することで路面を移動する車輪型移動体に関する。 The present specification relates to a wheel type moving body that moves on a road surface by driving a wheel.
特許文献1には、車体のロール軸周りの姿勢ロール角を制御することで、旋回時における車体の姿勢を安定化する技術が開示されている。この技術では、車体の重心に働く遠心力及び重力の合成ベクトルの延長線と車輪の接地面との交点の位置を、左右の車輪の間の領域に維持するように車体の姿勢ロール角を制御している。
上述した特許文献1の技術では、車体の姿勢ロール角が急激に変化しないことを前提とし、車体の姿勢ロール角加速度が0であるとして車体の姿勢ロール角を制御している。しかしながら、急旋回動作にともなって車体の姿勢ロール角が急激に変化する場合は、車体の姿勢ロール角加速度が無視できない大きさとなる。その結果、車体の姿勢安定性が低下し、姿勢ロール角加速度の大きさによっては車体が転倒するという事態が生じ得る。本明細書は、急旋回動作する場合にも、車体の姿勢を安定して制御することができる技術を開示する。
In the technique of
本明細書に開示する車輪型移動体は、車輪を駆動することで路面を移動する。この車輪型移動体は、車軸周りに回転可能とされると共に、車軸方向に間隔を空けて配置された少なくとも2つの車輪と、車輪を駆動する車輪駆動装置と、車輪を回転可能に支持すると共に、ロール軸周りに回転可能とされた車体と、車体のロール軸周りの姿勢ロール角を調整するアクチュエータと、車輪駆動装置とアクチュエータを制御する制御装置と、を備えている。制御装置は、車輪型移動体のZMP(ゼロ・モーメント・ポイント)が予め設定された設定範囲内に位置するように車体の姿勢ロール角加速度を考慮して算出される目標姿勢ロール角に基づいて、アクチュエータを制御する。 The wheel type moving body disclosed in the present specification moves on the road surface by driving the wheels. The wheel-type moving body is rotatable around the axle, and at least two wheels arranged at intervals in the axle direction, a wheel driving device that drives the wheels, and the wheels are rotatably supported. A vehicle body rotatable around the roll axis, an actuator for adjusting a posture roll angle around the roll axis of the vehicle body, a wheel drive device, and a control device for controlling the actuator. The control device is based on the target posture roll angle calculated in consideration of the posture roll angular acceleration of the vehicle body so that the ZMP (zero moment point) of the wheel-type moving body is located within a preset setting range. Control the actuator.
上記の車輪型移動体は、車輪型移動体のZMPが予め設定された設定範囲内に位置するように、車体の姿勢ロール角加速度を考慮して目標姿勢ロール角が算出される。そして、その算出された目標姿勢ロール角に基づいてアクチュエータが駆動され、車体の姿勢ロール角が制御される。このため、車輪型移動体が急旋回する等して車体の姿勢ロール角が急激に変化する場合であっても、その姿勢ロール角の変化(姿勢ロール角加速度)が考慮されて目標姿勢ロール角が算出される。その結果、車輪型移動体のZMPが設定範囲内に安定して制御することができ、車体の姿勢を安定して制御することができる。 In the wheel type moving body, the target posture roll angle is calculated in consideration of the posture roll angular acceleration of the vehicle body so that the ZMP of the wheel type moving body is located within a preset setting range. Then, the actuator is driven based on the calculated target posture roll angle, and the posture roll angle of the vehicle body is controlled. For this reason, even if the posture roll angle of the vehicle body changes suddenly due to a sudden turn of the wheel-type moving body, the change in posture roll angle (posture roll angular acceleration) is taken into consideration and the target posture roll angle Is calculated. As a result, the ZMP of the wheel-type moving body can be stably controlled within the set range, and the posture of the vehicle body can be stably controlled.
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。 The main features of the embodiments described below are listed. The technical elements described below are independent technical elements and exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Absent.
(特徴1) 本明細書に開示する車輪型移動体では、制御装置は、車輪型移動体のZMPが設定範囲に位置するように車体の姿勢ロール角加速度を考慮して算出される、車輪型移動体の求心方向の目標求心加速度に少なくとも基づいて、車輪駆動装置を制御してもよい。このような構成によると、ZMPが設定範囲内となるように、車輪型移動体の求心方向の目標加速度が制御される(すなわち、車輪型移動体の旋回速度が制御される)。このため、車体の姿勢をより安定して制御することができる。 (Characteristic 1) In the wheel type moving body disclosed in the present specification, the control device calculates the wheel type in consideration of the posture roll angular acceleration of the vehicle body so that the ZMP of the wheel type moving body is located in the set range. The wheel drive device may be controlled based at least on the target centripetal acceleration in the centripetal direction of the moving body. According to such a configuration, the target acceleration in the centripetal direction of the wheel type moving body is controlled so that the ZMP is within the set range (that is, the turning speed of the wheel type moving body is controlled). For this reason, the posture of the vehicle body can be controlled more stably.
(特徴2) 本明細書に開示する車輪型移動体では、制御装置は、目標姿勢ロール角と、該目標姿勢ロール角の2階微分値である目標姿勢ロール角加速度と、車輪型移動体の進行方向の目標速度と、車輪型移動体の旋回方向の目標角速度から計算されるZMPが設定範囲内に位置するように算出される目標姿勢ロール角及び目標求心加速度に基づいて、アクチュエータ及び車輪駆動装置を制御してもよい。このような構成によると、車体の姿勢をより安定して制御することができる。なお、ZMPは、車輪型移動体の進行方向の目標速度と、車輪型移動体の目標操舵角から計算されてもよい。 (Feature 2) In the wheel type moving body disclosed in the present specification, the control device includes a target posture roll angle, a target posture roll angular acceleration that is a second-order differential value of the target posture roll angle, and a wheel type moving body. Based on the target posture roll angle and the target centripetal acceleration calculated so that the ZMP calculated from the target speed in the traveling direction and the target angular velocity in the turning direction of the wheel type moving body is within the set range, the actuator and the wheel drive The device may be controlled. According to such a configuration, the posture of the vehicle body can be controlled more stably. The ZMP may be calculated from the target speed in the traveling direction of the wheel type moving body and the target steering angle of the wheel type moving body.
(特徴3) 本明細書に開示する車輪型移動体では、制御装置は、車輪型移動体及びその制御器のモデルを用いたモデル予測制御に基づいて算出される目標姿勢ロール角に基づいて、アクチュエータを制御してもよい。このような構成によると、車体の姿勢ロール角が精度よく予測することができ、車体の姿勢をより安定して制御することができる。 (Feature 3) In the wheel type moving body disclosed in the present specification, the control device is based on a target posture roll angle calculated based on model predictive control using a model of the wheel type moving body and its controller. The actuator may be controlled. According to such a configuration, the posture roll angle of the vehicle body can be accurately predicted, and the posture of the vehicle body can be controlled more stably.
(特徴4) 本明細書に開示する車輪型移動体は、車体の重心が車軸よりも高い位置にある倒立振子型の移動体としてもよい。 (Characteristic 4) The wheel type moving body disclosed in the present specification may be an inverted pendulum type moving body in which the center of gravity of the vehicle body is located higher than the axle.
本実施例について、図面を参照しながら説明する。図1,2に示すように、車両100は、倒立2輪型の移動体であり、左右の車輪12a,12bが取付けられた車体10を備えている。なお、本実施例は、車体10のロール角制御に特徴があり、その他の構成(例えば、倒立二輪制御(車体10の進行方向(車軸13a,13bと直交する方向)の速度制御)、旋回角速度制御(車体10の旋回方向の角速度制御)等)は、従来技術と同様に構成することができる。このため、以下の説明では、車体10のロール角制御に関係する構成を主に説明し、それ以外の構成については適宜説明を省略する。
The present embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the
車輪12a,12bは、車体10の側面に回転可能に取付けられている。具体的には、車輪12a,12bは、車軸13a,13bの先端に取付けられている。車軸13a,13bは、同軸上に配置されており、車体10の車幅方向と平行に伸び、車体10に回転可能に支持されている。車軸13a,13bの先端に車輪12a,12bが取付けられることから、車輪12a,12bは車軸13a,13bが伸びる方向(車幅方向)に間隔を空けて配置されている。各車輪12a,12bは、モータ14a,14b(車輪駆動装置の一例)により独立して駆動される。車輪12a,12bを駆動することで、車両100は倒立状態を維持しながら走行面Rを走行する。また、各車輪12a,12bの回転速度を変えることで、車両100は左右に旋回することができる。各車輪12a,12bの回転角は、エンコーダ15a,15b(図3に図示)によって検出される。エンコーダ15a,15bで検出された各車輪12a,12bの回転角は、制御装置20(図3に図示)に入力される。
The
車体10は、上述したように車軸13a,13bに対して回転可能となっている。すなわち、車軸13a,13bはピッチ軸であり、車体10は車軸13a,13b(ピッチ軸)周りに回転可能となっている。車体10の重心Gは車軸13a,13bより高い位置にあり、車両100は倒立2輪型の移動体となっている。また、車体10は、ロール軸周りに回転可能となっている。ロール軸は、車軸13a,13bに直交しており、車体10の車幅方向の略中央を通過している。車体10には、車体10のピッチ角速度及びロール角速度を検出するジャイロセンサ(姿勢角センサ)16と、車体10のロール角度を制御するためのアクチュエータ(ロール制御アクチュエータ)18と、モータ14a,14b及びアクチュエータ18を制御する制御装置20(図3に図示)を備えている。
The
ジャイロセンサ16は、車体10の車軸10(ピッチ軸)周りの角速度(ピッチ角速度)と、車体10のロール軸周りの角速度(ロール角速度)を検出する2軸のジャイロセンサである。図3に示すように、ジャイロセンサ16は、制御装置20に電気的に接続されている。ジャイロセンサ16から出力されるピッチ角速度信号とロール角速度信号は、制御装置20に入力される。
The
アクチュエータ18は、車体10のロール角度を調整するための装置である。アクチュエータ18は、車体10に対してロール軸周りのトルクτを付与する。図3に示すように、アクチュエータ18は、制御装置20に電気的に接続されている。制御装置20から出力される制御指令値に基づいてアクチュエータ18は、ロール軸周りにトルクτを発生する。アクチュエータ18には、例えば、ギア付きサーボモータを用いることができる。制御装置は、ジャイロセンサ(姿勢角センサ)16により入力される車体10のロール角に応じてアクチュエータ18を制御することで、車体10のロール角を制御する。これによって、旋回時の走行安定性の向上が図られている。
The
制御装置20は、CPU,ROM,RAM等を備えたコンピュータによって構成されている。制御装置20は、車体10に設置されている。制御装置20は、ジャイロセンサ16とアクチュエータ18とモータ14a,14bとエンコーダ15a,15bに電気的に接続されている。制御装置20がモータ14a,14bを駆動することで、車両100が倒立状態を維持しながら走行面Rを走行し、また、制御装置20がアクチュエータ18を駆動することで、車体10のロール軸周りの姿勢角(ロール角)が制御される。以下、制御装置20について詳細に説明する。
The
図4に示すように、制御装置20は、その機能として、乗算部22と、モデル予測制御部24と、指令値計算部26と、倒立二輪制御部100aと、旋回角速度制御部100bと、ロール姿勢角制御部100cを備えている。
As shown in FIG. 4, the
乗算部22は、車両100に与えられる進行方向速度指令値vf refと、旋回方向角速度指令値ωf refとを乗算することで、車両100の求心加速度指令値af refを算出する。すなわち、本実施例において、車両100の目標運動軌跡は、車両100の進行方向(車軸13a,13bに直交する方向)の速度指令値vf refと、旋回方向角速度指令値ωf refによって与えられる。乗算部22は、これらの値を乗算することで求心加速度指令値af ref(=vf ref・ωf ref)を算出する。乗算部22によって求心加速度指令値af refに変換することで、後述するモデル予測制御部24における取扱いを容易としている。
The multiplying
モデル予測制御部24は、乗算部22から入力される求心加速度指令値af refに基づいて、車両100のZMPの軌跡を予測し、予測されるZMPが予め設定された設定範囲(後述する)内に位置するように、車両100の修正求心加速度指令値arefと車体10のロール角指令値θroll refを算出する。モデル予測制御部24はZMPの未来の軌跡を予測するために、車両100の運動モデルが利用される。運動モデルを用いることで、車体10のロール角加速度を考慮して、ZMPの軌跡が算出される。なお、モデル予測制御部24の詳細な構成は、後で詳述する。
The model
指令計算部26は、モデル予測制御部24で算出された修正求心加速度指令値arefに基づいて、修正進行方向速度指令値vrefと修正旋回方向角速度指令値ωrefとを算出する。すなわち、求心加速度指令値aは、進行方向速度指令値vと旋回方向角加速度指令値ωとの積となる。このため、指令計算部26は、モデル予測制御部24で算出された修正求心加速度指令値arefを、修正進行方向速度指令値vrefと修正旋回方向角速度指令値ωrefに変換する。例えば、修正進行方向速度指令値vref=進行方向速度指令値vf refとするならば、修正旋回方向角速度指令値ωref=修正求心加速度指令値aref/修正進行方向速度指令値vrefとなる。なお、修正求心加速度指令値arefの大きさに応じて、修正進行方向速度指令値vrefを進行方向速度指令値vf refと異なる値としてもよい。なお、上述した例では、求心加速度指令値aから進行方向速度指令値vと旋回方向角加速度指令値ωを算出したが、このような例に限られない。すなわち、求心加速度指令値は進行方向速度指令値と目標操舵角からも算出することができるため、求心加速度指令値aから進行方向速度指令値vと目標操舵角を算出してもよい。
The
倒立二輪制御部100aは、指令計算部26で算出された修正進行方向速度指令値vrefに基づいてモータ14a,14bを駆動することで、車体10の倒立状態を維持しながら車両100の進行方向の速度を制御する。具体的には、倒立二輪制御部100aには、エンコーダ15a,15bから車輪12a,12bの回転角が入力され、また、ジャイロセンサ16から車体10のピッチ軸周りの角速度が入力される。したがって、これらフィードバックされる状態量と、指令計算部26で算出された修正進行方向速度指令値vrefとに基づいてモータ14a,14bを駆動する。これによって、車体10が倒立状態を維持し、かつ、進行方向に所望の速度で運動する。なお、倒立二輪制御部100aの具体的な構成は、従来公知の制御構成(状態フィードバック制御、H∞制御、PID制御等)を適宜採用することができる。このため、倒立二輪制御部100aの詳細な説明は省略する。
The inverted two-
旋回角速度制御部100bは、指令計算部26で算出された修正旋回方向角速度指令値ωrefに基づいてモータ14a,14bを駆動することで、車体10の旋回方向の速度を制御する。具体的には、旋回角速度制御部100bには、エンコーダ15a,15bから車輪12a,12bの回転角が入力される。したがって、このフィードバックされる状態量と、指令計算部26で算出された修正旋回方向角速度指令値ωrefとに基づいてモータ14a,14bを駆動する。これによって、車体10が所望の旋回角速度で旋回する。なお、旋回角速度制御部100bの具体的な構成は、従来公知の制御構成(例えば、PID制御、状態フィードバック制御等)を適宜採用することができる。このため、旋回角速度制御部100bの詳細な説明は省略する。
The turning angular
ロール姿勢角制御部100cは、モデル予測制御部で算出されたロール角指令値θroll refに基づいてアクチュエータ18を駆動することで、車体10の姿勢(ロール角)を制御する。具体的には、ロール姿勢角制御部100cには、ジャイロセンサ16から車体10のロール軸周りの角速度が入力される。したがって、このフィードバックされる状態量と、モデル予測制御部で算出されたロール角指令値θroll refに基づいてアクチュエータ18を駆動する。これによって、車体10の姿勢(ロール角)が所望のロール角に制御される。このため、車体10が旋回運動を行う際は、その旋回運動と連動して車体10のロール角が制御されるため、車両100は安定して旋回運動を行うことができる。なお、ロール姿勢角制御部100cの具体的な構成は、従来公知の制御構成(例えば、状態フィードバック制御、PID制御等)を適宜採用することができる。このため、ロール姿勢角制御部100cの詳細な説明は省略する。
The roll posture
次に、モデル予測制御部24について詳細に説明する。モデル予測制御部24は、車両100のロール軸周りの運動モデルを用いて、車両100のZMP(ゼロ・モーメント・ポイント)を予測し、その予測されるZMPが設定範囲内に位置するように、車両100の修正求心加速度指令値arefと車体10のロール角指令値θroll refを算出する。まず、運動モデルからZMP軌道を導出する手順を説明し、次いで、導出されたZMP軌道を用いて予測モデルを設計する手順を説明し、最後に、予測モデルを用いて修正求心加速度指令値arefとロール角指令値θroll refを算出する手順について説明する。
Next, the model
(1)運動モデルからZMP方程式の導出
図5は、車両100のロール軸周りの運動モデルを示している。図5において、ロール軸を通る垂線と走行面Rとの交点を原点[0,0]とし、ZMPの座標をq=[qy、qz]、車体10の重心の座標をp=[py,pz]とする。また、hは重心とロール中心との距離であり、rは車輪12a,12bの半径である。また、車体10の重量をM、慣性モーメントをJとしている。上記のモデルからZMP方程式をたてると、次の式(1)となる。
(1) Derivation of ZMP Equation from Motion Model FIG. 5 shows a motion model around the roll axis of the
ここで、fzは走行面Rからの反力fの垂直方向(z方向)の成分であり、fyは反力fの水平方向(y方向)の成分である。一方、車両100が旋回走行しているときのpy,pz,qz,fy,fzは、次の式(2)で与えられる。なお、式(2)においてaは、車両100の求心加速度である。
Here, f z is a component in the vertical direction (z direction) of the reaction force f from the traveling surface R, and fy is a component in the horizontal direction (y direction) of the reaction force f. On the other hand, p y , p z , q z , f y , and f z when the
これらの値を式(1)に代入し、ZMPのy座標(qy)について解くと、次の式(3)となる。 Substituting these values into equation (1) and solving for the y-coordinate (q y ) of ZMP yields the following equation (3).
ここで、θroll≪1であるため、sinθroll=θrollとし、cosθroll=1とみなすと、次の式(4)となる。 Here, since θ roll << 1, since it is assumed that sin θ roll = θ roll and cos θ roll = 1, the following equation (4) is obtained.
さらに、h・(d2θroll/dt2)・θrollはgより極めて小さいため、g−h・(d2θroll/dt2)・θrollをgとみなすと、式(4)は次の式(5)となる。 Furthermore, since h · (d 2 θ roll / dt 2 ) · θroll is much smaller than g, when g−h · (d 2 θ roll / dt 2 ) · θroll is regarded as g, equation (4) is Equation (5) is obtained.
上記の式(5)をθrollとaと(d2θroll/dt2)について整理すると、次の式(6)となる。 When the above equation (5) is arranged with respect to θroll, a, and (d 2 θ roll / dt 2 ), the following equation (6) is obtained.
式(6)から明らかなように、ZMPのy座標(qy)は線形な方程式で表される。また、ZMPのy座標(qy)は、ロール角θrollと、ロール角θrollの2階微分値であるロール角加速度(d2θroll/dt2)と、求心加速度aを用いて算出することができる。なお、本実施例において、設定範囲(ZMPの位置が制御される範囲)は、例えば、左右の車輪12a,12bの間の範囲(すなわち、[−w/2,0]から[w/2,0]のトレッド幅の範囲)とすることができる。また、所望の安定余裕性を確保するために、左右の車輪12a,12bの間の範囲(すなわち、[−w/2,0]から[w/2,0]の範囲)内で適宜狭く設定してもよい(例えば、[−k・w/2,0]から[k・w/2,0](kは1未満の正数))。
As is clear from the equation (6), the y-coordinate (q y ) of ZMP is expressed by a linear equation. Also, ZMP y coordinate (q y), using a roll angle theta roll, the roll angle acceleration is second-order differential value of the roll angle θ roll (d 2 θ roll / dt 2), the centripetal acceleration a calculated can do. In this embodiment, the setting range (the range in which the position of the ZMP is controlled) is, for example, the range between the left and
(2)予測モデルの設計
次に、モデル予測制御部24でZMPの軌道(座標値qy)を予測するために用いられる予測モデルについて説明する。予測モデルは、ロール角指令値と求心加速度指令値が入力され、ZMPの軌道(z座標値qy)と求心加速度aを出力する。すなわち、本実施例のモデル予測制御部24は、既に説明したように、求心加速度指令値af refが入力され、修正求心加速度指令値arefとロール角指令値θroll refを出力する。このため、予測モデルに対しては、求心加速度指令値arefとロール角指令値θroll refが入力され、これらに応じてZMPの軌道(z座標値qy)と求心加速度aが出力されなければならない。そこで、本実施例では、ロール角制御系モデルをベースとして予測モデルを構築する。
(2) Prediction Model Design Next, the prediction model used for predicting the ZMP trajectory (coordinate value q y ) by the model
ここで、ロール角指令値θroll refからロール姿勢角θrollまでの伝達関数が次の式(7)で設計されているとする。なお、式(7)は3次系の伝達関数であったが、これ以外の伝達関数を用いてもよい。 Here, it is assumed that the transfer function from the roll angle command value θ roll ref to the roll attitude angle θ roll is designed by the following equation (7). In addition, although Formula (7) was the transfer function of the cubic system, you may use transfer functions other than this.
式(7)から状態方程式を求めると、次の式(8)となる。 When the state equation is obtained from the equation (7), the following equation (8) is obtained.
式(8)を離散化すると、次の式(9)が得られる。 When equation (8) is discretized, the following equation (9) is obtained.
ここで、求心加速度aの応答性が優れているとすると、求心加速度指令値arefと求心加速度aの関係は、1ステップ遅れと同等とみなすことができる。すなわち、次の式(10)に示す関係が成立する。式(10)の関係を導入することによって、予測モデルの状態量を少なく設計することが可能となる。なお、求心加速度指令値arefと求心加速度aの関係は、式(7)のような高次の伝達関数で表してもよい。 Here, assuming that the responsiveness of the centripetal acceleration a is excellent, the relationship between the centripetal acceleration command value a ref and the centripetal acceleration a can be regarded as equivalent to a one-step delay. That is, the relationship shown in the following equation (10) is established. By introducing the relationship of Expression (10), it is possible to design the prediction model with a small amount of state. Note that the relationship between the centripetal acceleration command value a ref and the centripetal acceleration a may be expressed by a high-order transfer function as shown in Equation (7).
式(10)を式(9)に代入すると、次の式(11)が得られる。 Substituting equation (10) into equation (9) yields the following equation (11).
以下の数式展開を簡単に示すために、式(11)を次の式(12)に示すように再定義する。 In order to simply show the following mathematical expression expansion, Equation (11) is redefined as shown in the following Equation (12).
以上より、式(11)の状態方程式に対して、次の式(13)に示す出力方程式を与えれば、ZMPの軌道(qy)と求心加速度(a)を制御量とすることができる。 From the above, if the output equation shown in the following equation (13) is given to the state equation of the equation (11), the trajectory (qy) and the centripetal acceleration (a) of the ZMP can be controlled.
(3)予測モデルを用いた指令値aref,θroll refの算出手順
上述のように予測モデルが設計されると、この予測モデルを用いて制御指令値aref,θroll refを算出しなければならない。本実施例では、予測モデルによって予測されるZMPの軌道が設定範囲内となるように、修正求心加速度指令値arefとロール角指令値θroll refを算出する。したがって、予測モデルを用いた状態量(ZMP軌道(qy))の予測方法を説明し、次いで、予測される状態量から制御指令値aref,θroll refを算出する手順について説明する。
(3) Procedure for calculating the command values a ref and θ roll ref using the prediction model When the prediction model is designed as described above, the control command values a ref and θ roll ref must be calculated using the prediction model. I must. In the present embodiment, the corrected centripetal acceleration command value a ref and the roll angle command value θ roll ref are calculated so that the ZMP trajectory predicted by the prediction model is within the set range. Therefore, a method of predicting the state quantity (ZMP trajectory (q y )) using the prediction model will be described, and then a procedure for calculating the control command values a ref and θ roll ref from the predicted state quantity will be described.
(3−1)予測モデルを用いた状態量の予測
いま、x^mpc[k+n|k]をkステップ目に予測したk+nステップ目の状態量、u^[k+n|k]をkステップ目に導出するk+nステップ目の制御入力とすると、kステップ目に予測するk+1からk+Npステップの状態量は、次の式(14)で表される。
(3-1) Prediction of State Quantity Using Prediction Model Now, x ^ mpc [k + n | k] is predicted at the kth step, k + n step state quantity, and u ^ [k + n | k] is at the kth step. Assuming that the derived control input is the k + n step, the state quantity from k + 1 to k + N p steps predicted at the k step is expressed by the following equation (14).
ただし、制御入力はNuステップだけ導出し、それ以降は一定値を取ると仮定すると(すなわち、Nuステップが経過すると定常状態となると仮定すると)、NuステップからNp−1までの制御入力は、次の式(15)で表される。 However, if it is assumed that the control input is derived only by Nu steps and thereafter takes a constant value (that is, assuming that the steady state is reached after Nu steps elapse), the control from Nu steps to N p −1 is performed. The input is expressed by the following equation (15).
また、モデル予測制御では、制御入力の不連続性を抑制するために、通常、制御入力の変化量Δu[k]=u[k]−u[k−1]を制御入力とみなす。このため、u^[k+i|k](i=0,1,2,・・・,Nu−1)は、次の式(16)で表される。 In model predictive control, in order to suppress discontinuity of control input, control input variation Δu [k] = u [k] −u [k−1] is generally regarded as a control input. Therefore, u ^ [k + i | k] (i = 0, 1, 2,..., N u −1) is expressed by the following equation (16).
式(14)に、上記の式(15),(16)を代入して整理すると、次の式(17)が得られる。 Substituting the above equations (15) and (16) into equation (14) and rearranging results in the following equation (17).
よって、制御量yのNpステップ分の予測値は、次の式(18)で与えられる。 Therefore, the predicted value of the control amount y for N p steps is given by the following equation (18).
そして、式(17)と式(18)を統合すると、次の式(19)が得られる。 Then, when Expression (17) and Expression (18) are integrated, the following Expression (19) is obtained.
ここで、上記式(19)中のY[k]とΔU[k]は、次の式(20)で与えられる。なお、上記のNp,Nuは、車両100の制御性と制御装置20の演算負荷を考慮して適宜設定することができる。
Here, Y [k] and ΔU [k] in the above equation (19) are given by the following equation (20). The above N p and N u can be appropriately set in consideration of the controllability of the
(3−2)評価関数及び不等式条件
本実施例では、上述のように予測される状態量を用いて制御指令値aref,θroll refを算出する際に、次の事項を考慮する。すなわち、
(1)定常状態でZMP軌道が0に収束すること(図5の原点[0,0]に収束すること)、
(2)過渡状態でZMP軌道が設定範囲内に収まること、
(3)求心加速度が定常状態で制御指令値に追従すること、
(4)ロール角指令値、旋回角速度指令値が不連続でないこと
である。上記の(1),(3),(4)は評価関数によって考慮され、上記の(2)は不等式条件によって考慮される。式(21)は、評価関数の一例である。式(21)において、重み行列Q,Rは、ZMPの0への収束性、求心加速度の制御指令値への追従性、ロール角指令値及び求心加速度指令値の不連続性を抑制するために適宜設定される。
(3-2) Evaluation Function and Inequality Condition In the present embodiment, the following items are considered when calculating the control command values a ref and θ roll ref using the state quantities predicted as described above. That is,
(1) The ZMP trajectory converges to 0 in a steady state (converges to the origin [0, 0] in FIG. 5),
(2) The ZMP trajectory must be within the set range in the transient state.
(3) The centripetal acceleration follows the control command value in a steady state,
(4) The roll angle command value and the turning angular velocity command value are not discontinuous. The above (1), (3), and (4) are considered by the evaluation function, and the above (2) is considered by the inequality condition. Expression (21) is an example of an evaluation function. In Equation (21), the weight matrices Q and R are for suppressing the convergence of ZMP to 0, the followability of the centripetal acceleration to the control command value, and the discontinuity of the roll angle command value and the centripetal acceleration command value. Set as appropriate.
上記の式(21)において、R[k]は指令ベクトルであり、次の式(22)で与えられる。 In the above equation (21), R [k] is a command vector and is given by the following equation (22).
また、式(22)中のr[k+i|k](i=1,2,・・,Np)はiステップ目の指令ベクトルであり、次の式(23)で表される。ここで、af refはkステップ目で与えられる求心加速度指令値であり、評価関数ではNpステップ連続で同一の求心加速度指令値が与えられると仮定することができる。 In addition, r [k + i | k] (i = 1, 2,..., N p ) in the equation (22) is a command vector of the i-th step and is represented by the following equation (23). Here, a f ref is a centripetal acceleration command value given at the k-th step, and it can be assumed that the same centripetal acceleration command value is given continuously for N p steps in the evaluation function.
一方、不等式条件は、次の式(24)によって与えられる。 On the other hand, the inequality condition is given by the following equation (24).
ここで、式(24)中のGは定数行列であり、以下のように導出することができる。すなわち、Y[k]に対する不等式条件は、次の式(25)によって与えることができる。 Here, G in the equation (24) is a constant matrix and can be derived as follows. That is, the inequality condition for Y [k] can be given by the following equation (25).
ここで、Ymaxは上限値(例えば、図5において車輪12aの位置[w/2,0])であり、Yminは下限値(例えば、図5において車輪12bの位置[−w/2,0])である。式(25)を変形すると、次の式(26)を得る。
Here, Ymax is an upper limit value (for example, position [w / 2, 0] of
式(24)と式(26)を比較することで、式(24)の定数行列Gを容易に導出することができる。また、Gの最終列をgとしてG=[Γ g]とし、式(24)に式(19)を代入すると、次の式(27)を得ることができる。 By comparing the equations (24) and (26), the constant matrix G of the equation (24) can be easily derived. Further, when G = [Γ g] where g is the last column of G and Expression (19) is substituted into Expression (24), the following Expression (27) can be obtained.
式(27)は、ΔU[k]に関する線形不等式制約となるため、式(27)の不等式条件を満足しながら式(21)の評価関数を最小化するΔU[k]は、2次計画問題を解くことによって導出することができる。このように導出されたΔU[k]はNpステップ分の制御入力であるため、最初の1ステップ分の制御入力を制御対象に与えるといったプロセルをサンプル周期毎に実行することとなる。 Since Equation (27) is a linear inequality constraint on ΔU [k], ΔU [k] that minimizes the evaluation function of Equation (21) while satisfying the inequality condition of Equation (27) is a quadratic programming problem. Can be derived by solving Since ΔU [k] derived in this way is a control input for N p steps, the process of giving the control input for the first one step to the control target is executed for each sample period.
上述のように構成されるモデル予測制御部24により、修正求心加速度指令値arefとロール角指令値θroll refが出力される。そして、これらの制御指令値に基づいてモータ14a,14b及びアクチュエータ18が駆動されることで、車両100のZMPの軌道(z座標値qy)が設定範囲内とすることができる。
The model
次に、上述した制御装置20によるロール角制御をシミュレーションした結果について説明する。シミュレーションでは、6.0[km/h](=1.667[m/s])で直進走行している状態で、時刻t=4.0[s]において旋回角速度指令値ωf ref(=1.176[rad/s](0.2G相当))を与えた。なお、YmaxとYminはそれぞれ+0.05[m]と−0.05[m]とした。
Next, the simulation result of the roll angle control by the
図6〜8はシミュレーション結果を示しており、図6はZMPの軌道qy、図7はロール角指令値θroll refとロール角θrollを示し、図8は旋回角速度指令値ωrefと旋回角速度ωを示している。図6〜8から明らかなように、車両100のZMPが設定範囲内(すなわち、−0.05〜0.05[m])に位置するように維持されながら、ZMP軌道が速やかに0に収束すると共に、旋回角速度も速やかに指令値に収束している。以上の結果より、本実施例の車両100では、車体10の安定性を維持しながら、速やかな旋回動作が実行可能であることが確認できた。
6 to 8 show simulation results, FIG. 6 shows the trajectory q y of ZMP, FIG. 7 shows the roll angle command value θ roll ref and the roll angle θ roll , and FIG. 8 shows the turning angular velocity command value ω ref and the turning. The angular velocity ω is shown. As is apparent from FIGS. 6 to 8, the ZMP trajectory quickly converges to 0 while the ZMP of the
上述した説明から明らかなように、本実施例の車両100では、車体10のロール軸周りの運動モデルに基づくモデル予測制御により制御指令値を算出するため、過渡期間におけるロール角の変化(姿勢ロール角加速度)が考慮されて制御指令値が算出される。その結果、車両100の姿勢を安定して制御することができ、機敏な旋回動作を実現することができる。
As is apparent from the above description, in the
以上、本実施例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。 Although the present embodiment has been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
例えば、上述した実施例では倒立2輪型の移動体であったが、本明細書に開示する技術は、ロール方向の姿勢(ロール角)を制御するアクチュエータを有する車輪型の移動体であればよい。例えば、車輪の数は2輪に限られず、3輪又は4輪であってもよく、また、人が搭乗する移動体であってもよい。 For example, in the above-described embodiment, an inverted two-wheel type moving body is used. However, the technique disclosed in the present specification is a wheel-type moving body having an actuator that controls the posture (roll angle) in the roll direction. Good. For example, the number of wheels is not limited to two, and may be three or four, or may be a moving body on which a person is boarded.
また、上述した実施例では、左右の車輪12a,12bの駆動量を変化することで、車両100に旋回動作をさせたが、本明細書に開示の技術は、このような例に限られない。例えば、駆動輪12a,12bとは別に操舵輪を備え、その操舵輪の操舵角を調整することで、車両100に旋回動作を行わせてもよい。この場合は、例えば、操舵輪の操舵角を調整する操舵角調整装置をさらに備え、制御装置が操舵輪の操舵角が目標操舵角となるように操舵角調整装置を駆動してもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施例では、アクチュエータ18に流れる電流値に制約が課されない条件で制御装置20を構成したが、本明細書に開示の技術は、アクチュエータ18に流れる電流値が制約されるという条件下でも用いることができる。このような場合の制御装置(詳細には、モデル予測制御部)の構成の一例を説明する。
Further, in the above-described embodiment, the
図5に示すロール軸周りの運動モデルにおいて、その運動方程式は次の式(28)で表される。 In the motion model around the roll axis shown in FIG. 5, the equation of motion is expressed by the following equation (28).
ここで、Jは重心周りの車体10の慣性モーメント、Mは車体10の重量、hはロール中心から重心までの距離、gは重力加速度、θrollはロール角、vは進行方向の車両100の速度、ωは旋回角速度、τはアクチュエータ18の出力トルクである。ここで、出力トルクτと、アクチュエータ18の電流iとの間には、次の式(29)の関係がある。
Here, J is the moment of inertia of the
ここで、nactは、アクチュエータ18のギヤの減速比、ktはトルク定数である。モータの回転子の慣性モーメントが小さく、かつ、減速比nactが大きくないと仮定すると、式(28)と式(29)によって、電流iは次の式(30)のように表される。
Here, n act is the gear reduction ratio of the
したがって、上述した実施例における式(13)に電流iに関する式(30)を加えると、式(31)が導出される。これ以降は、式(13)に代えて式(30)を用いることで、アクチュエータ18の電流iが制限されるときのモデル予測制御部を設計することができる。
Therefore, when Expression (30) regarding the current i is added to Expression (13) in the above-described embodiment, Expression (31) is derived. Thereafter, the model prediction control unit when the current i of the
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10 車体
12a,12b 車輪
13a,13b 車軸
14a,14b モータ
15a,15b エンコーダ
16 ジャイロセンサ
18 アクチュエータ
20 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
車軸周りに回転可能とされると共に、車軸方向に間隔を空けて配置された少なくとも2つの車輪と、
車輪を駆動する車輪駆動装置と、
車輪を回転可能に支持すると共に、ロール軸周りに回転可能とされた車体と、
車体のロール軸周りの姿勢ロール角を調整するアクチュエータと、
車輪駆動装置とアクチュエータを制御する制御装置と、を備えており、
制御装置は、
車輪型移動体の求心方向の目標求心加速度を入力する目標求心加速度入力部と、
入力された目標求心加速度に基づいて、車体の姿勢ロール角加速度を考慮して車輪型移動体のZMP(ゼロ・モーメント・ポイント)を予測するZMP予測部と、
予測されたZMPが予め設定された設定範囲内に位置するように目標姿勢ロール角を算出する目標姿勢ロール角算出部と、
算出された目標姿勢ロール角に基づいてアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、を備える、車輪型移動体。 A wheel type moving body that moves on the road surface by driving wheels,
At least two wheels that are rotatable about an axle and are spaced apart in the direction of the axle;
A wheel drive device for driving the wheel;
A vehicle body that rotatably supports the wheel and that can rotate about the roll axis;
An actuator for adjusting the posture roll angle around the roll axis of the vehicle body;
A wheel drive device and a control device for controlling the actuator,
The control device
A target centripetal acceleration input unit for inputting a target centripetal acceleration in the centripetal direction of the wheeled moving body;
A ZMP prediction unit that predicts a ZMP (zero moment point) of a wheel-type moving body in consideration of the posture roll angular acceleration of the vehicle body based on the input target centripetal acceleration;
A target posture roll angle calculation unit that calculates a target posture roll angle so that the predicted ZMP is located within a preset setting range;
An actuator driving unit that drives an actuator based on the calculated target posture roll angle .
予測されたZMPが予め設定された設定範囲内に位置するように、入力された目標求心加速度を修正する目標求心加速度修正部と、
修正された目標求心加速度に少なくとも基づいて、車輪駆動装置を駆動する車輪駆動装置駆動部と、を備える、請求項1に記載の車輪型移動体。 The control device
A target centripetal acceleration correction unit for correcting the input target centripetal acceleration so that the predicted ZMP is located within a preset setting range;
The wheel type moving body according to claim 1 , further comprising: a wheel driving device driving unit that drives the wheel driving device based on at least the corrected target centripetal acceleration .
予測モデルは、修正された目標求心加速度と目標姿勢ロール角が入力されると、ZMPと修正前の目標求心加速度が出力されるものであり、
目標姿勢ロール角算出部は、予測モデルを用いて予測されたZMPが予め設定された設定範囲内に位置するように目標姿勢ロール角を算出し、
目標求心加速度修正部は、予測モデルを用いて予測されたZMPが予め設定された設定範囲内に位置するように目標求心加速度を修正する、請求項2に記載の車輪型移動体。 The ZMP prediction unit predicts ZMP using a prediction model,
In the prediction model, when the corrected target centripetal acceleration and the target posture roll angle are input, the ZMP and the target centripetal acceleration before correction are output.
The target posture roll angle calculation unit calculates the target posture roll angle so that the ZMP predicted using the prediction model is located within a preset setting range,
The wheel type moving body according to claim 2 , wherein the target centripetal acceleration correction unit corrects the target centripetal acceleration so that the ZMP predicted using the prediction model is located within a preset setting range .
目標求心加速度入力部は、車輪型移動体の進行方向の目標速度と、車輪型移動体の目標操舵角を入力することで、車輪型移動体の求心方向の目標求心加速度を入力し、
制御装置は、車輪型移動体の進行方向の目標速度と、修正された目標求心加速度に基づいて、目標操舵角を修正する目標操舵角修正部と、
修正された目標操舵角に基づいて、操舵角調整装置を駆動する操舵角調整装置駆動部と、をさらに備える、請求項2に記載の車輪型移動体。 A steering wheel and a steering angle adjusting device for adjusting a steering angle of the steering wheel;
The target centripetal acceleration input unit inputs the target centripetal acceleration in the centripetal direction of the wheel type moving body by inputting the target speed in the traveling direction of the wheel type moving body and the target steering angle of the wheel type moving body,
The control device includes a target steering angle correction unit that corrects the target steering angle based on the target speed in the traveling direction of the wheel-type moving body and the corrected target centripetal acceleration;
The wheel type moving body according to claim 2 , further comprising a steering angle adjusting device driving unit that drives the steering angle adjusting device based on the corrected target steering angle .
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