CN102349032A - 移动方向控制装置及计算机程序 - Google Patents

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福永茂树
名村光弘
河合康治
白土贤一
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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够以简单的结构来高精度地控制单轮车的移动方向的移动方向控制装置及计算机程序。利用伴随转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制主体的偏转方向的旋转角。接收对作为移动方向的目标的车轮的偏转角的指定，获取与摩擦转矩相关的信息。基于接收到指定的偏转角，来计算偏转方向的旋转角加速度，基于计算出的偏转方向的旋转角加速度，来计算反作用力矩。基于计算出的反作用转矩和获取的与摩擦转矩相关的信息，来生成偏转用电动机的动作指令。

Description

移动方向控制装置及计算机程序
技术领域
本发明涉及即使是单轮车、也能向偏转方向自由地转换方向的移动控制装置及计算机程序。
背景技术
以往，在使单轮车移动时，主体朝以大致前后方向为轴的旋转方向(以下，称为摇摆)、以及以大致左右方向为轴的旋转方向(以下，称为俯仰方向)进行摇动，因此，需要对动作进行控制，从而通过控制摇摆方向及旋转方向的平衡进行控制，以使得主体进行移动或停止而不会摔倒。为了控制摇摆方向及俯仰方向的平衡而需要正确地检测主体的倾斜度，例如采用通过利用角速度传感器来检测角速度并对检测出的角速度进行积分以推定主体的倾斜度的方法等(参照专利文献1)。
另外，在单轮车的情况下，无法像双轮车那样通过改变前轮的角度而轻易地转换方向，大多数情况下例如通过将主体摇动至摇摆方向及俯仰方向，从而在以主体的大致垂直方向为轴的旋转方向(以下，称为偏转方向yaw direction)上进行旋转，以改变前进方向。即，如非专利文献1所揭示的那样，对摇摆方向及俯仰方向施加正弦波输入，改变所施加的两个正弦波输入的相位，以改变偏转角变化量，对车辆的摇摆角进行反馈控制，从而向着所希望的移动方向来转换方向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2007/063665号
非专利文献
非专利文献1：笠井崇史著，“单轮车的姿势控制”，筑波大学研究生院博士课程系统信息学研究科硕士论文，2005年1月，p.1-37
发明内容
但是，在非专利文献1的单轮车中，虽然利用加速度传感器来测量主体相对于重力方向(垂直方向)的倾斜度，但对于摇摆方向及俯仰方向，垂直方向也未必是平衡状态。因此，在垂直方向不是平衡状态的情况下，存在无法修正成平衡状态的问题。此外，为了推定主体的倾斜度，除了陀螺传感器之外，还需要多个加速度传感器，因此，存在难以使装置结构简化并小型化的问题。
另外，在双轮车的情况下，通过控制致动器的动作，能够向着所希望的移动方向来转换方向，上述致动器能够操纵设置于主体的前部的、可进行掌舵的前轮。然而，在单轮车中，由于方向轮和驱动轮一致，在移动时和停止时摩擦系数大不相同，因此存在相对于所希望的旋转角难以确定所要施加的转矩的问题。
本发明是鉴于上述问题而发明的，其目的在于提供一种能够以简单的结构来高精度地控制单轮车的移动方向的移动方向控制装置及计算机程序。
为了达成上述目的，第一发明的移动方向控制装置的特征在于，包括：车轮，该车轮朝前后方向旋转来进行移动；以及主体，该主体与该车轮的旋转轴连接，且在该车轮的上方朝俯仰方向及摇摆方向摇动，该主体中包括：偏转用角速度传感器，该偏转用角速度传感器检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度；转子，该转子将主体的大致垂直方向设为旋转中心轴；以及偏转用电动机，该偏转用电动机使该转子旋转，根据伴随上述转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制上述主体的偏转方向的旋转角。
另外，第二发明的移动方向控制装置的特征在于，在第一发明中，包括：偏转角指定接收部，该偏转角指定接收部接收作为移动方向目标的所述车轮的偏转角的指定；摩擦转矩信息获取单元，该摩擦转矩信息获取单元获取与包含摩擦转矩的大小及方向的摩擦转矩相关的信息；偏转方向角加速度计算部，该偏转方向角加速度计算部基于接收到指定的偏转角，来计算偏转方向的偏转角加速度；反作用转矩计算单元，该反作用转矩计算单元基于计算出的偏转方向的旋转角加速度来计算反作用转矩；以及偏转用电动机动作指令生成部，该偏转用电动机动作指令生成部基于与计算出的反作用转矩和获得的摩擦转矩相关的信息，来生成上述偏转用电动机的动作指令。
另外，第三发明的移动方向控制装置的特征在于，在第二发明中，上述摩擦转矩信息获取单元包括对摩擦转矩的大小及方向的指定进行接收的摩擦转矩接收单元。
另外，第四发明的移动方向控制装置的特征在于，在第二发明中，上述摩擦转矩信息获取单元包括：偏转角检测单元，该偏转角检测单元检测车轮的偏转方向的旋转角；变动转矩检测单元，该变动转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始变动的时刻的偏转方向的转矩进行检测；以及静摩擦转矩计算单元，该静摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算静摩擦转矩的大小，获取所计算出的静摩擦转矩来作为上述摩擦转矩。
另外，第五发明的移动方向控制装置的特征在于，在第二或第四发明中，上述摩擦转矩信息获取单元包括：收敛转矩检测单元，该收敛转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始收敛时刻的偏转方向的转矩进行检测；以及动摩擦转矩计算单元，该动摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算动摩擦转矩的大小，获取所计算出的动摩擦转矩来作为上述摩擦转矩。
接着，为了达成上述目的，第六发明的计算机程序是安装于移动方向控制装置的计算机所能执行的计算机程序，上述移动方向控制装置包括：车轮，该车轮朝前后方向旋转来进行移动；以及主体，该主体与该车轮的旋转轴连接，且在该车轮的上方，向俯仰方向及摇摆方向摇动，该主体中包括：偏转用角速度传感器，该偏转用角速度传感器检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度；转子，该转子将主体的大致垂直方向设为旋转中心轴；以及偏转用电动机，该偏转用电动机使该转子旋转，上述计算机程序的特征在于，能够使上述计算机作为以下单元来起作用，上述单元根据伴随上述转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制上述主体的偏转方向的旋转角。
另外，第七发明的计算机程序的特征在于，在第六发明中，使上述计算机作为以下单元来起作用，即：偏转角指定接收部，该偏转角指定接收部接收作为移动方向目标的所述车轮的偏转角的指定；摩擦转矩信息获取单元，该摩擦转矩信息获取单元获取与包含摩擦转矩的大小及方向的摩擦转矩相关的信息；偏转方向角加速度计算部，该偏转方向角加速度计算部基于接收到指定的偏转角，来计算偏转方向的偏转角加速度；反作用转矩计算单元，该反作用转矩计算单元基于计算出的偏转方向的旋转角加速度计算反作用转矩；以及偏转用电动机动作指令生成部，该偏转用电动机动作指令生成部基于与计算出的反作用转矩和获得的摩擦转矩相关的信息，来生成上述偏转用电动机的动作指令。
另外，第八发明的计算机程序的特征在于，在第七发明中，使上述摩擦转矩信息获取单元作为摩擦转矩接收单元起作用，上述摩擦转矩接收单元对摩擦转矩的大小及方向的指定进行接收。
另外，第九发明的计算机程序的特征在于，在第七发明中，使上述摩擦转矩信息获取单元作为以下单元来起作用，即：偏转角检测单元，该偏转角检测单元检测车轮的偏转方向的旋转角；变动转矩检测单元，该变动转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始变动的时刻的偏转方向的转矩进行检测；静摩擦转矩计算单元，该静摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算静摩擦转矩的大小；以及获取所计算出的静摩擦转矩来作为上述摩擦转矩的单元。
另外，第十发明的计算机程序的特征在于，在第七或第九发明中，使上述摩擦转矩信息获取单元作为以下单元来起作用，即：收敛转矩检测单元，该收敛转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始收敛时刻的偏转方向的转矩进行检测；动摩擦转矩计算单元，该动摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算动摩擦转矩的大小；以及获取所计算出的动摩擦转矩来作为上述摩擦转矩的单元。
在第一发明及第六发明中，包括：车轮，该车轮朝前后方向旋转来进行移动；以及主体，该主体与该车轮的旋转轴连接且在该车轮的上方、向俯仰方向及摇摆方向摇动。该主体包括：偏转用角速度传感器，该偏转用角速度传感器检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度；转子，该转子将主体的大致垂直方向设为旋转中心轴；以及偏转用电动机，该偏转用电动机使该转子旋转，根据伴随转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制主体的偏转方向的旋转角。由此，能够以简单的结构来高精度地控制单轮车的移动方向。
在第二及第七发明中，对设为移动方向目标的车轮的偏转角的指定进行接收，获取与包含摩擦转矩的大小及方向的摩擦转矩相关的信息。基于接受到指定的偏转角，来计算偏转方向的旋转角加速度，基于计算出的偏转方向的旋转角加速度，来计算反作用转矩。基于计算出的反作用转矩和获取的摩擦转矩相关的信息，来生成偏转用电动机的动作指令。由此，基于接收到指定的目标偏转角，能够高精度地推定产生反作用转矩的转子的、要产生于偏转方向的转矩，并能够根据接受到指定的偏转角，来控制使转子旋转的偏转用电动机的转数及旋转方向，从而能够对主体进行方向转换以转换至所希望的移动方向。
此处，所谓“偏转角”是指在以主体的前进方向即当前的车轮的方向为基准的情况下的、主体的前进方向与要进行方向转换的方向之间的角度差。
在第三发明及第八发明中，通过接收摩擦转矩的大小及方向的指定，能够在考虑了车轮与路面的接触所引起的摩擦转矩的条件下，来推定产生反作用转矩的转子的、偏转方向的旋转角加速度，能够更加高精度地计算出使转子旋转的偏转用电动机的转数及旋转方向。
在第四发明及第九发明中，检测车轮的偏转方向的旋转角，检测偏转方向的旋转角开始变动的时刻的偏转方向的转矩，基于检测出的偏转方向的转矩，来计算静摩擦转矩的大小。获取计算出的静摩擦转矩作为摩擦转矩，从而能够在考虑了反向转换开始时较大的静摩擦转矩的情况下，来推定产生反作用转矩的转子的、偏转方向的旋转角加速度。
在第五发明及第十发明中，检测偏转方向的旋转角收敛时刻的偏转方向的转矩，基于检测出的偏转方向的转矩，来计算动摩擦转矩的大小。通过获取计算出的动摩擦转矩来作为摩擦转矩，从而能够求出在方向转换时产生的动摩擦转矩，能够高精度地对主体的移动方向进行方向转换以转换至所希望的移动方向。
根据上述结构，基于接收到指定的偏转角，能够高精度地推定产生反作用转矩的转子的、要产生于偏转方向的转矩，并能够根据接受到指定的偏转角，来控制使转子旋转的偏转用电动机的转数及旋转方向，从而能够对主体进行方向转换以来转换至所希望的移动方向。
附图说明
图1是示意性地表示应用了本发明的实施方式的移动方向控制装置的单轮车机器人的结构的主视图及侧视图。
图2是说明俯仰方向、摇摆方向、以及偏转方向的示意图。
图3是表示控制单轮车机器人的移动方向的一个示例的控制框图。
图4是示意性地表示应用了本发明实施方式的移动方向控制装置的单轮车机器人的下部结构的主视图及侧视图。
图5是说明惯性转子和主体所产生的转矩的示意图。
图6的表示基于偏转角来计算偏转角加速度的顺序的例子的曲线图。
图7是表示基于惯性转子的旋转角加速度来计算惯性转子的旋转角的顺序的例子的曲线图。
图8是说明对要指定的摩擦转矩的方法进行确定的曲线图。
图9是表示由本发明的实施方式的移动方向控制装置的控制基板的控制器所进行的方向转换处理的顺序的流程图。
具体实施方式
下面，对于本发明的实施方式的移动方向控制装置，基于附图具体说明应用于单轮车机器人的示例，该单轮车机器人的安装在车轮上方的主体一边摇动、一边前后移动而不会因车轮的旋转造成摔倒。
图1是示意性地表示应用了本发明的实施方式的移动方向控制装置的单轮车机器人的结构的主视图及侧视图。图1(a)示出了主视图，图1(b)示出了左侧视图。本实施方式的移动方向控制装置进行控制，使得单轮车机器人1的主体3的移动方向变为所希望的方向。
如图1(a)、(b)所示，单轮车机器人1包括：车轮2，该车轮2朝前后方向旋转并移动；以及主体3，该主体3与车轮2的旋转轴连接，且在车轮2的上方，一边向俯仰方向及摇摆方向摇动，一边转换至偏转方向。虽然在图1(a)、图1(b)的示例中，设主体3为人形机器人，但并不限于此。
此处，预先明确俯仰方向、摇摆方向、及偏转方向。图2是说明俯仰方向、摇摆方向、以及偏转方向的示意图。如图2所示，当单轮车机器人1在xy平面上以沿x轴的(+)方向前进或沿x轴的(-)方向后退的方式进行移动的情况下，绕y轴的旋转方向是俯仰方向。在朝y轴的(+)方向逆时针旋转的情况下，主体3向前方倾斜，在朝y轴的(+)方向顺时针旋转的情况下，主体3向后方倾斜。此外，绕x轴的旋转方向是摇摆方向，是主体3朝左右方向摇动的情况下的旋转方向。此外，绕z轴的旋转方向是偏转方向，是使车轮2的方向与x轴方向倾斜的情况下的旋转方向。
如图1(a)、(b)所示，主体3包括：检测俯仰方向的旋转角速度即俯仰角速度的俯仰用陀螺传感器(俯仰用角速度传感器)31、与车轮2的旋转联动而使车轮2旋转的俯仰用电动机32、以及检测俯仰用电动机32的旋转位置或旋转速度的俯仰用编码器(俯仰用旋转传感器)33。俯仰用陀螺传感器31使检测俯仰角速度的未图示的检测轴朝向大致左右方向以安装于主体3。此处，所谓大致左右方向是指相对于严格的左右方向(图2的y轴方向)稍微偏离一点角度，当然优选检测轴与y轴方向一致。主体3和车轮2通过旋转自如地支承车轮2的框架4来连接，俯仰用电动机32的旋转通过主体3所具有的锥形齿轮5和传送带6传送到车轮2。框架4是主体3的一部分，在图1(a)、图1(b)的示例中，框架4成为主体3即人形机器人的腿。另外，俯仰用角速度传感器只要能检测俯仰角速度即可，并不限于陀螺传感器。
另外，除了上述的防止朝俯仰方向摔倒的结构之外，主体3包括检测摇摆方向的旋转角速度即摇摆角速度的摇摆用陀螺传感器(摇摆用角速度传感器)61、朝摇摆方向旋转的惯性转子64、与惯性转子64的旋转联动而使惯性转子64旋转的摇摆用电动机62、以及检测摇摆用电动机62的旋转位置或旋转速度的摇摆用编码器(摇摆用旋转传感器)63。摇摆用陀螺传感器61使检测摇摆角速度的未图示的检测轴朝向大致前后方向以安装于主体3。此处，所谓大致前后方向是指相对于严格的前后方向(图2的x轴方向)稍微偏离一点角度，当然优选检测轴与x轴方向一致。另外，摇摆用角速度传感器只要能检测摇摆角速度即可，并不限于陀螺传感器。
主体3还包括：检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度的偏转用陀螺传感器(偏转用角速度传感器)71、绕偏转方向旋转的惯性转子74、与惯性转子74的旋转联动而使惯性转子74旋转的偏转用电动机72、以及检测偏转用电动机72的旋转位置或旋转速度的偏转用编码器(偏转用旋转传感器)73。偏转用陀螺传感器71使检测偏转角速度的未图示的检测轴朝向大致垂直方向以安装于主体3。此处，所谓大致垂直方向是指相对于严格的垂直方向(图2的z轴方向)稍微偏离一点角度，当然优选检测轴与z轴方向一致。另外，偏转用角速度传感器只要能检测偏转角速度即可，并不限于陀螺传感器。
在主体3即人形机器人的背部，装备有对俯仰用电动机32、摇摆用电动机62、偏转用电动机72的动作进行控制的控制基板35及电池36。在控制基板35上，装载有：驱动器，该驱动器对俯仰用电动机32、摇摆用电动机62、偏转用电动机72进行旋转驱动；A/D转换器；D/A转换器；计数器；以及控制器等。具体而言，控制器是微处理器、CPU、LSI等。控制单轮车机器人1，从而利用使车轮2旋转时的反作用转矩来获得俯仰方向的平衡，利用使惯性转子64旋转时的反作用转矩来获得摇摆方向的平衡，并且利用使惯性转子74旋转时的反作用转矩来控制偏转方向的旋转角。
图3是表示控制单轮车机器人1的移动方向的一个示例的控制框图。目标偏转角指定接收部301将所希望的移动方向设为目标偏转角θt，接收目标偏转角θt的指定。即，所谓目标偏转角θt是指偏离当前车轮2的前进方向的偏差角。并不特别限定接收目标偏转角θt的指定的方法，可以通过蓝牙(Bluetooth)(登录商标)等无线通信来从外部接收要指定的目标偏转角θt，也可将存储器内置于控制基板35的控制器，在该存储器内预先存储有目标偏转角θt。另外，还能够预先设置能插入存储卡等的槽，随时将存储有目标偏转角θt的存储卡等插入上述槽，来读取目标偏转角θt。此外，若将偏转方向的旋转角即偏转角θ到达目标偏转角θt的到达时间设为t，则优选接收例如将t设为1秒的指定。将偏转方向的旋转角加速度即横向角加速度ω’假设成在到达时间t的中间为正负反转的固定值，在这种情况下，容易近似地算出偏转角速度ω及偏转角θ的变化(参照之后叙述的图7(a))。
偏转方向角加速度计算部302基于接收到指定的目标偏转角θt、及偏转角θ到达目标偏转角θt所需的时间t，来对偏转角θ进行时间微分，从而计算出偏转角速度ω，通过对所计算出的偏转角速度ω进行时间微分，从而计算出偏转角加速度ω’(偏转方向的旋转角加速度)。将偏转角加速度ω’假定成在到达时间t的中间为正负反转的固定值，在这种情况下，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之前，偏转角度ω呈单调增加，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之后，偏转角度ω以一定比例单调减小(参照后述的图7(b))。
在例如上述的例子中，对于偏转角加速度ω’，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之前，将其设为正的固定值，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之后，将其设为负的固定值，从而能够分别进行计算。
反作用转矩计算部303中，基于由偏转方向角加速度计算部302计算出的偏转角加速度ω’，能够计算出使主体3旋转到目标偏转角θt为止所需的转矩T2。施加与主体3的偏转方向的转矩T2相同的转矩作为惯性转子74的旋转的反作用转矩，从而能够控制主体3的偏转角θt(参照后述的图7(c))。
摩擦转矩接收部304接收与车轮2和路面的摩擦系数对应的摩擦转矩Tr的指定。接收到的摩擦转矩Tr的指定中至少包含摩擦转矩Tr的大小及方向的指定。另外，并不特别限定摩擦转矩Tr的指定的接收方法，可以通过蓝牙(Bluetooth)(登录商标)等无线通信以从外部接收摩擦转矩Tr的大小及方向。另外，以摩擦转矩信息获取部来代替摩擦转矩接收部304，作为该摩擦转矩信息获取部，也可利用控制基板35的控制器来获取摩擦转矩Tr的大小及方向、并作为常数存储到控制基板35的控制器的存储器内。另外，还可以预先设置能插入存储卡等的槽，随时将存储有摩擦转矩Tr的大小及方向的存储卡等插入上述槽，来进行读取。
此处，若未将反作用转矩额外地加入摩擦转矩Tr，则主体3不能旋转至接收到指定的目标偏转角θt。因而，因惯性转子74的旋转所要施加的转矩T1能利用(式1)求出。
T1＝T2+Tr    (式1)
惯性转子角加速度计算部305基于由(式1)计算出的转矩T1，来计算惯性转子74的旋转角加速度ωR’。即，在将惯性转子74的惯性力矩设为J1的情况下，能够利用(式2)来计算惯性转子74的旋转角加速度ωR’。
ωR’＝T1/J1 (式2)
偏转用电动机动作指令生成部306通过对由(式2)计算出的惯性转子74的旋转角加速度ωR’进行两次积分，从而计算出惯性转子74的转数(旋转角)及旋转方向，利用计算出的转数(旋转角)及旋转方向来生成偏转用电动机72的动作指令，以使偏转用电动机72进行旋转。
此外，也可通过对由(式1)计算出的T1乘上变换系数，来计算惯性转子74的转数(旋转角)及旋转方向，利用计算出的转数(旋转角)及旋转方向来生成偏转用电动机72的动作指令，以使偏转用电动机72进行旋转。
在偏转用电动机指令电压计算部307中，对所生成的偏转用电动机72的动作指令乘上变换系数，来计算指令电压。在偏转用DA转换器部308中，对驱动器输出指令电压，控制偏转用电动机72的旋转。
此处，对基于接收到指定的目标偏转角θt来计算偏转用电动机72的转数及旋转方向的计算方法进行说明。图4是示意性地表示应用了本发明实施方式的移动方向控制装置的单轮车机器人1的下部结构的主视图及侧视图。图4(a)示出了主视图，图4(b)示出了左侧视图。
在图4中，配置车轮2的中心点，使其位于偏转方向的惯性转子74的旋转中心轴及偏转用电动机72的旋转中心轴的延长线上。因而，由惯性转子74的旋转所产生的反作用转矩直接作用于主体3的方向转换上，尽管上述反作用转矩会减少摩擦转矩的量。
图5是说明惯性转子74和主体3中产生的转矩的示意图。图5(a)表示惯性转子74的俯视图，将圆形平板上的惯性转子74以主体3的中心轴作为旋转中心轴来进行配置。设惯性转子74的切线方向的力为F1(N)，设转矩为T1，设惯性转子74的半径为R1(m)。
图5(b)是表示安装有惯性转子74的主体3的侧面的示意图，图5(c)是表示与主体3相连接的车轮2与路面相接触的接地面的示意图。在图5(c)中，将车轮2与路面相接触的接地面51设为圆形，设接地面51的切线方向的力为F2(N)，设转矩为T2，设接地面51的半径为R2(m)。
在接收到目标偏转角θt的指定的情况下，根据从当前的前进方向即车轮2当前的前进方向到达目标偏转角θt所需的到达时间t，来计算偏转角速度ω。图6是表示基于偏转角θ来计算偏转角加速度ω’的顺序的例子的曲线图。图6(a)是表示从车轮2当前的前进方向起的、偏转角θ的时间变化的曲线图，在接收到指定的到达时间t到达同样是接收到指定的目标偏转角θt。在图6(a)的例子中，示出了接收到指定内容为目标偏转角θt为30度(约0.5rad)、到达时间为1秒的情况，对偏转角θ的时间变化进行近似，以使其成为经过0.5秒时连接两个两次函数的时间变化。
图6(b)是表示对车轮2施加了转矩之后的偏转角速度ω的时间变化的曲线图，图6(c)是表示对车轮2施加了转矩之后的偏转角加速度ω’的时间变化的曲线图。如图6(b)所示，在本实施方式中，为了在到达时间t＝1秒时到达目标偏转角θt＝0.5(rad)，则在0.5秒之前利用一定的偏转角加速度ω’将偏转角速度ω增加至1(rad/s)，在经过0.5秒后利用一定的偏转角加速度ω’将偏转角速度ω减小至0(rad/s)。
如图6(c)所示，偏转角加速度ω’是对偏转角速度ω进行时间微分后的值，即在本实施方式中，在0.5秒之间偏转角加速度ω’为固定值即2(rad/s2)，在经过0.5秒之后，偏转角加速度ω’为固定值即-2(rad/s2)。
在求出偏转角加速度ω’的时刻，利用主体3的惯性力矩J2，来计算出为了将主体3旋转至目标偏转角θt所需的偏转方向的转矩T2。即，利用(式3)来计算偏转方向的转矩T2。
T2＝J2×ω’(式3)
此处，将主体3的质量m(kg)设为5(kg)，将车轮2与路面相接触的接地面51的半径R2(m)设为0.05(m)，在这种情况下，可利用(式4)来求出主体3的惯性力矩J2(kgm2)。
J2＝m×R22/2＝5×0.05×0.05/2
＝6.25×10-3(kgm2)…(式4)
通过将其代入(式3)，从而求出使主体3旋转至目标偏转角θt即30度为止所需的偏转方向的转矩T2为6.25×10-3×2＝0.0125(N·m)。
若车轮2与路面相接触的接地面51极小且摩擦转矩Tr大到能够被忽略，则通过将与主体3的偏转方向的转矩T2相同的转矩作为由惯性转子74的旋转所产生的反作用转矩来进行施加，从而能够控制主体3的移动方向。基于惯性转子74的惯性力矩J1以及计算出的转矩T1，来计算要施加到惯性转子74的旋转角加速度ωR’。
首先，在将惯性转子74的质量设为M(kg)的情况下，能够利用(式5)来计算惯性转子74的惯性力矩J1(kgm2)。此处，将惯性转子74的质量M(kg)设为0.134(kg)，将惯性转子74的半径R1(m)设为0.024(m)。
J1＝M×R12/2＝0.134×0.024×0.024/2
＝3.86×10-5(kgm2)…(式5)
基于所求出的惯性转子74的惯性力矩J1(kgm2)、以及由惯性转子74的旋转所产生的反作用转矩即与主体3的偏转方向的转矩T2具有相同大小的转矩T1，能够利用(式6)来计算出惯性转子74的旋转角加速度ωR’。
ωR’＝T1/J1
＝0.0125(N·m)/3.86×10-5(kgm2)
＝324(rad/s2)    …(式6)
通过求出惯性转子74的旋转角加速度ωR’，从而与图6所示的顺序相反，通过进行两次积分，能够求出惯性转子74的旋转角θR，能够基于惯性转子74的旋转角θR来求出惯性转子74的旋转角速度ωR。图7是表示基于惯性转子74的旋转角加速度ωR’来计算惯性转子74的旋转角θR的顺序的例子的曲线图。
图7(a)是表示在到达时间t之前的惯性转子74的旋转角加速度ωR’的时间变化的曲线图。在本实施方式中，计算出的惯性转子74的旋转角加速度ωR’在0.5秒之前为固定值324(rad/s2)，在经过0.5秒之后为固定值-324(rad/s2)。
图7(b)是表示在到达时间t之前的惯性转子74的旋转角速度ωR的时间变化的曲线图，图7(c)是表示到达时间t之前的惯性转子74的旋转角θR的时间变化的曲线图。惯性转子74的旋转角速度ωR如图7(b)所示，对计算出的惯性转子74的旋转角速度ωR’进行积分，在0.5秒之前利用一定的旋转角加速度ωR’将旋转角速度ωR增加至162(rad/s)，在经过0.5秒之后，利用一定的旋转角加速度ωR’将旋转角速度ωR减少为0(rad/s)。
因而，通过使惯性转子74以大约每秒25.8转即每分钟1547转的方式进行旋转，以获得旋转角速度ωR为162(rad/s)，从而能够向主体3施加所希望的反作用转矩。
而且，惯性转子74的旋转角θR如图7(c)所示，通过对计算出的惯性转子74的旋转角速度ωR进行积分，从而在到达时间t＝1秒时使固定的旋转角θR收敛到81(rad)。因而，惯性转子74在到达时间＝1秒内能够旋转到旋转角θR为81(rad)，即大约4640度。由此，通过使惯性转子74在1秒内大约进行12.9次旋转，从而能够将主体3的方向转换至接收到指定的目标偏转角θt。
此外，实际上，基于接地面51的粘性摩擦系数μ的摩擦转矩Tr不是能够忽视的大小，因此，若未向反作用转矩额外地施加摩擦力矩Tr，则主体3不能旋转至接收到指定的目标偏转角θt。
此处，在将重力加速度g设为9.8(m/s2)的情况下，能够利用(式7)求出摩擦转矩Tr。
Tr＝μ·m·g·R2…(式7)
因而，要利用惯性转子74的旋转来施加的旋矩T1如(式1)所示那样为(T2+Tr)。
摩擦转矩Tr的大小根据车轮2与路面相接触的接触面51的粘性摩擦系数μ而发生变动。图8是对确定要指定的摩擦转矩Tr的方法进行说明的曲线图。图8(a)是表示惯性转子74开始旋转起的偏转角θ(rad)的实际时间变化的曲线图，图8(b)是表示从惯性转子74开始旋转起的偏转方向的转矩τ(N·m)的时间变化的曲线图。
如图8(b)所示，偏转方向的转矩τ(N·m)从惯性转子74开始旋转起以一定的比例增加，与此相对，如图8(a)所示，偏转角θ从惯性转子74开始旋转起的一定时间后即到时刻t1为止都不发生变化。其原因在于，在接地面51的摩擦转矩Tr小于等于基于静摩擦力的摩擦转矩时，不开始旋转，直至接地面51的摩擦转矩Tr超过基于静摩擦力的摩擦转矩时即从时刻t1开始，主体3开始沿偏转方向旋转。
因而，能够认为与时刻t1的偏转方向的转矩τ1(N·m)相对应的转矩是静摩擦转矩。因而，在将与偏转方向的转矩τ1(N·m)相对应的转矩指定为摩擦转矩Tr的情况下，能够高精度地控制接收到指定的目标偏转角θt。
另一方面，一旦主体3开始沿偏转方向旋转后，粘性摩擦系数μ大幅减小。因而，在将与偏转方向的转矩τ1(N·m)相对应的转矩指定为摩擦转矩Tr的情况下，容易出现所施加的反作用转矩过大的倾向。因而，也可将主体3沿偏转方向旋转的状态下的动摩擦转矩设为摩擦转矩Tr。
在这种情况下，如图8(a)所示，惯性转子74开始旋转，在经过到达时间t的中间时刻tm之后，在时刻t2收敛到目标偏转角θt。其原因在于，接地面51的摩擦转矩与由惯性转子74所产生的反作用转矩相平衡。因而，如图8(b)所示，能够认为与时刻t2的偏转方向的转矩τ2(N·m)相对应的转矩是动摩擦转矩。因而，在将与偏转方向的转矩τ2(N·m)相对应的转矩指定为摩擦转矩Tr的情况下，能够高精度地控制接收到指定的目标偏转角θt。
图9是表示由本发明的实施方式的移动方向控制装置的控制基板35的控制器所进行的方向转换处理的顺序的流程图。控制基板35的控制器接收对目标偏转角θt的指定(步骤S901)。对于接收目标偏转角θt的指定的方法并不特别限定，可以通过蓝牙(Bluetooth)(登录商标)等无线通信来从外部接收要指定的目标偏转角θt，也可将存储器内置于控制基板35的控制器中，且在该存储器内预先存储有目标偏转角θt。另外，还能够预先设置能插入存储卡等的槽，随时将存储有目标偏转角θt的存储卡等插入上述槽，来读取目标偏转角θt。此外，对于偏转方向的旋转角即偏转角θt到达目标偏转角θt所需的到达时间t，可在接收目标偏转角θt的指定的同时，对到达时间t进行接收，也可预先将其作为固定时间存储在控制器的存储器中。
控制器通过对接受到指定的目标偏转角θt进行两次时间微分，从而计算偏转角加速度ω’(步骤S902)。若将偏转角加速度ω’假定为在到达时间t的中间为正负反转的固定值，在这种情况下，在到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之前，偏转角度ω以一定比例单调增加，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之后，偏转角度ω以一定比例单调减小。
通过对假定的偏转角速度ω进行时间微分，从而能够计算出偏转角加速度ω’。在上述的例子中，对于偏转角加速度ω’，在到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之前，将其设为正的固定值，在经过了到达目标偏转角θt为止的到达时间t的二分之一之后，将其设为负的固定值，能够分别进行计算。
控制器基于计算出的偏转角加速度ω’，能够计算出使主体3旋转到目标偏转角θt为止所需的旋转力矩T2(步骤S903)。控制器接收与车轮2和路面的粘性摩擦系数μ相对应的摩擦力矩Tr的指定(步骤S904)。控制器将计算出的转矩T2和接收到指定的摩擦转矩Tr加起来，计算出因惯性转子74的旋转所要施加的转矩T1(步骤S905)。
控制器基于计算出的转矩T1来计算惯性转子74的旋转角速度ωR’(步骤S906)，通过对计算出的惯性转子74的旋转角加速度ωR’进行两次积分，从而计算惯性转子74的转数(旋转角)及旋转方向(步骤S907)，利用计算出的转数(旋转角)及旋转方向来生成偏转用电动机72的动作指令，以使偏转用电动机72旋转(步骤S908)。此外，在步骤S906至步骤S908中，也可通过对由步骤S905计算出的转矩T1乘上变换系数，来计算惯性转子74的转数(旋转角)及旋转方向，利用计算出的转数(旋转角)及旋转方向来生成偏转用电动机72的动作指令，以使偏转用电动机72旋转。控制器对所生成的偏转用电动机72的动作指令乘上变换系数，计算指令电压，来向驱动器输出指令电压(步骤S909)。
控制器对是否经过了到达时间t进行判断(步骤S910)，在控制器判断为未经过到达时间t的情况下(步骤S910：否)，控制器成为经过等待状态。在控制器判断为经过了到达时间t(步骤S910：是)的情况下，控制器获取当前的偏转角(步骤S911)，计算与目标偏转角θt的角度差(步骤S912)。
控制器对所计算出的角度差是否小于规定值进行判断(步骤S913)，在控制器判断为角度差为规定值以上的情况下(步骤S913：否)，控制器将计算出的角度差设定为新的目标偏转角θt(步骤S914)，处理返回步骤S902，并重复上述处理。在控制器判断为所计算出的角度差小于规定值的情况下(步骤S913：是)，控制器判断为方向转换结束，并结束处理。
如上所述，根据本实施方式，基于接收到指定的目标偏转角θt，能够高精度地推定产生反作用转矩的惯性转子74的、要产生于偏转方向的旋转角加速度ωR’，并能够控制使惯性转子74旋转的偏转用电动机72的转数及旋转方向，从而能够对主体3进行方向转换以转换至所希望的移动方向。
另外，上述实施方式当然可以在不脱离本发明的要点范围内进行变更。例如，作为摩擦转矩，并不限于指定为基于静摩擦系数的静摩擦转矩、或基于动摩擦系数的动摩擦转矩，也可是例如在到时刻t1为止的时间内将摩擦转矩指定为静摩擦转矩，在时刻t1之后将摩擦转矩指定为动摩擦转矩。
标号说明
1    单轮车机器人(移动方向控制装置)
2    车轮
3    主体
35   控制基板
36   电池
71   偏转用陀螺传感器(偏转用角速度传感器)
72   偏转用电动机
73   偏转用编码器(encoder)(偏转用旋转传感器)
74   惯性转子(转子)
m    主体质量
M    惯性转子质量
J1   绕旋转中心轴的惯性转子的惯性力矩
J2   绕旋转中心轴的主体的惯性力矩

Claims (10)

1.一种移动方向控制装置，其特征在于，包括：
车轮，该车轮朝前后方向旋转来进行移动；以及主体，该主体与所述车轮的旋转轴连接，且在所述车轮的上方，向俯仰方向及摇摆方向摇动，
所述主体中包括：
偏转用角速度传感器，该偏转用角速度传感器检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度；
转子，该转子将主体的大致垂直方向设为旋转中心轴；以及
偏转用电动机，该偏转用电动机使所述转子旋转，
根据伴随所述转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制所述主体的偏转方向的旋转角。
2.如权利要求1所述的移动方向控制装置，其特征在于，包括：
偏转角指定接收部，该偏转角指定接收部接收作为移动方向目标的所述车轮的偏转角的指定；
摩擦转矩信息获取单元，该摩擦转矩信息获取单元获取与包含摩擦转矩的大小及方向的摩擦转矩相关的信息；
偏转方向角加速度计算部，该偏转方向角加速度计算部基于接收到指定的偏转角，来计算偏转方向的旋转角加速度；
反作用转矩计算单元，该反作用转矩计算单元基于计算出的偏转方向的旋转角加速度来计算反作用转矩；以及
偏转用电动机动作指令生成部，该偏转用电动机动作指令生成部基于与计算出的反作用转矩和获得的摩擦转矩相关的信息，来生成所述偏转用电动机的动作指令。
3.如权利要求2所述的移动方向控制装置，其特征在于，
所述摩擦转矩信息获取单元包括对摩擦转矩的大小及方向的指定进行接收的摩擦转矩接收单元。
4.如权利要求2所述的移动方向控制装置，其特征在于，
所述摩擦转矩信息获取单元包括：
偏转旋转角检测单元，该偏转旋转角检测单元检测车轮的偏转方向的旋转角；
变动转矩检测单元，该变动转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始变动的时刻的偏转方向的转矩进行检测；以及
静摩擦转矩计算单元，该静摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算静摩擦转矩的大小，
获取所计算出的静摩擦转矩来作为所述摩擦转矩。
5.如权利要求2或4所述的移动方向控制装置，其特征在于，
所述摩擦转矩信息获取单元包括：
收敛转矩检测单元，该收敛转矩检测单元对偏转方向的旋转角收敛时刻的偏转方向的转矩进行检测；以及
动摩擦转矩计算单元，该动摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算动摩擦转矩的大小，
获取所计算出的动摩擦转矩来作为所述摩擦转矩。
6.一种计算机程序，
是安装于移动方向控制装置的计算机所能执行的计算机程序，所述移动方向控制装置包括：车轮，该车轮朝前后方向旋转来进行移动；以及主体，该主体与所述车轮的旋转轴连接，且在该车轮的上方，向俯仰方向及摇摆方向摇动，
所述主体中包括：
偏转用角速度传感器，该偏转用角速度传感器检测偏转方向的旋转角速度即偏转角速度；
转子，该转子将主体的大致垂直方向设为旋转中心轴；以及
偏转用电动机，该偏转用电动机使所述转子旋转，
所述计算机程序的特征在于，能够使所述计算机作为以下单元来起作用，所述单元根据伴随所述转子的旋转而产生的反作用转矩，来控制所述主体的偏转方向的旋转角。
7.如权利要求6所述的计算机程序，其特征在于，
使所述计算机作为以下单元来起作用，即：
偏转角指定接收部，该偏转角指定接收部接收作为移动方向目标的所述车轮的偏转角的指定；
摩擦转矩信息获取单元，该摩擦转矩信息获取单元获取与包含摩擦转矩的大小及方向的摩擦转矩相关的信息；
偏转方向角加速度计算部，该偏转方向角加速度计算部基于接收到指定的偏转角，来计算偏转方向的旋转角加速度；
反作用转矩计算单元，该反作用转矩计算单元基于计算出的偏转方向的旋转角加速度来计算反作用转矩；以及
偏转用电动机动作指令生成部，该偏转用电动机动作指令生成部基于与计算出的反作用转矩和获得的摩擦转矩相关的信息，来生成所述偏转用电动机的动作指令。
8.如权利要求7所述的计算机程序，其特征在于，
使所述摩擦转矩信息获取单元作为摩擦转矩接收单元来起作用，该摩擦转矩接收单元对摩擦转矩的大小及方向的指定进行接收。
9.如权利要求7所述的计算机程序，其特征在于，
使所述摩擦转矩信息获取单元作为以下单元来起作用，即：
偏转旋转角检测单元，该偏转旋转角检测单元检测车轮的偏转方向的旋转角；
变动转矩检测单元，该变动转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始变动的时刻的偏转方向的转矩进行检测；
静摩擦转矩计算单元，该静摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算静摩擦转矩的大小；以及
获取所计算出的静摩擦转矩来作为所述摩擦转矩的单元。
10.如权利要求7或9所述的计算机程序，其特征在于，
使所述摩擦转矩信息获取单元作为以下单元起作用，即：
收敛转矩检测单元，该收敛转矩检测单元对偏转方向的旋转角开始收敛时刻的偏转方向的转矩进行检测；
动摩擦转矩计算单元，该动摩擦转矩计算单元基于所检测出的偏转方向的转矩，来计算动摩擦转矩的大小；以及
获取所计算出的动摩擦转矩来作为所述摩擦转矩的单元。
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