CN102666265A - 移动体控制装置、及其控制方法以及控制程序 - Google Patents

Abstract

移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行移动体的倒立控制。另外，移动体控制装置包括：状态量检测单元，检测移动体的状态量；要求输出估计单元，基于通过状态量检测单元检测出的移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使移动体动作时所需的马达输出；界限输出估计单元，基于通过状态量检测单元检测出的移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；调整指令运算单元，在判断出通过要求输出估计单元估计出的要求输出估计值超过通过界限输出估计单元估计出的界限输出估计值时，调整指令值以使得要求输出估计值处于界限输出估计值以内；以及控制单元，基于通过调整指令运算单元调整后的指令值来控制移动体的马达。

Description

移动体控制装置、及其控制方法以及控制程序

技术领域

本发明涉及控制进行倒立控制而行驶的倒立型移动体的移动体控制装置、及其控制方法以及控制程序。

背景技术

在使维持倒立状态而行驶的倒立型移动体具体化的情况下，重要的是即使是在由于电气系统的故障等造成不能充分保证马达输出时也能够继续安全地行驶。例如，已知有在由于电气系统的故障等导致倒立型移动体突然减速的情况下，使辅助轮着地来防止跌倒的移动体控制装置(参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开2008-247136号公报。

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在上述专利文献1所示的移动体控制装置中，例如，在发生故障时等导致马达输出下降时，使辅助轮着地，所以不能继续行驶。另一方面，优选以下的移动体控制装置：即使是在由于那样的故障导致不能充分保证马达输出的情况下，也不使用辅助轮而能够以可利用的马达输出继续进行倒立控制。

本发明是为了解决这样的问题而做出的，其主要目的是提供即使在移动体的马达输出不能充分保证的情况下，也能够以可利用的马达输出继续进行倒立控制的移动体控制装置、及其控制方法以及控制程序。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的的本发明的一个实施方式是一种移动体控制装置，其特征在于，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，所述移动体控制装置包括：状态量检测单元，所述状态量检测单元检测所述移动体的状态量；要求输出估计单元，所述要求输出估计单元基于通过所述状态量检测单元检测出的所述移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；界限输出估计单元，所述界限输出估计单元基于通过所述状态量检测单元检测出的所述移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；调整指令运算单元，所述调整指令运算单元在判断出通过所述要求输出估计单元估计出的所述要求输出估计值超过通过所述界限输出估计单元估计出的所述界限输出估计值时，调整指令值以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及控制单元，所述控制单元基于通过所述调整指令运算单元调整后的所述指令值来控制所述移动体的马达。

在该实施方式中，也可以是：所述状态量检测单元检测表示所述移动体的倾斜的负荷角度，所述移动体控制装置还包括指令输入单元，表示所述移动体的行驶指示的负荷角度指令被输入到所述指令输入单元中，所述控制单元控制所述移动体，以使得通过所述状态量检测单元检测出的所述负荷角度追随通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令。

另外，在该实施方式中，也可以是：所述界限输出估计单元基于来自所述控制单元的所述马达的转矩指令和来自所述状态量检测单元的所述状态量来运算所述马达消耗的输出，在该运算值饱和时，将所述运算值估计为所述界限输出估计值。

而且，在该实施方式中，也可以是：所述要求输出估计单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量，来计算出作为所述负荷角度指令的多项式的、在根据通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令使所述移动体动作时所需的所述要求输出估计值。

另外，在该实施方式中，也可以是：还包括：要求输出一阶微分估计单元，所述要求输出一阶微分估计单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量，来计算出作为所述负荷角度指令的多项式的、所述要求输出估计值的一阶微分值；以及判别式运算单元，所述判别式运算单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量来计算出判别式运算值，所述判别式运算值用于判别所述要求输出估计值的一阶微分值。

另外，在该实施方式中，也可以是：所述调整指令运算单元在判断出基于来自所述指令输入单元的所述负荷角度指令的所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值时，基于来自所述要求输出一阶微分估计单元的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和来自所述判别式运算单元的所述判别式运算值来计算出所述调整负荷角度指令，所述调整负荷角度指令是以使所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内的方式调整所述负荷角度指令而得的指令，

所述控制单元进行倒立控制，以使得所述移动体的负荷角度追随所述调整后的所述调整负荷角度指令。

另外，在该实施方式中，也可以是：所述调整指令运算单元

(a)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为负或0、并且所述要求输出估计值的一阶微分值不是0时，以与所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(b)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为负或0、并且所述要求输出估计值的一阶微分值是0时，以与对所述负荷角度指令加上微小角度而得的改变负荷角度指令中的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(c)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为正、并且所述要求输出估计值的一阶微分值不是0时，以与所述负荷角度指令中的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(d)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为正、并且所述要求输出估计值的一阶微分值是0时，以与所述负荷角度指令的符号具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令。

另外，在该实施方式中，也可以是：在由所述调整指令运算单元判断出基于来自所述指令输入单元的负荷角度指令的所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内时，所述控制单元进行倒立控制，以使得所述移动体的负荷角度追随通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令。

此外，在该实施方式中，也可以是：所述状态量检测单元包括：状态检测部，所述状态检测部检测所述移动体的状态量作为状态检测值；以及状态估计部，所述状态估计部基于通过所述状态检测部检测出的所述状态检测值来估计作为所述状态检测值的估计值的状态估计值。

另外，在该实施方式中，也可以是：所述要求输出估计值是关于所述负荷角度指令的时变四次多项式。

而且，在该实施方式中，也可以是：所述状态量检测单元检测所述移动体的负荷角度、负荷速度、负荷加速度、以及车轮角度中的至少一者。

另外，在该实施方式中，也可以是：还包括指令调整单元，所述指令调整单元根据来自所述调整指令运算单元的指示，将通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令以及通过所述调整指令运算单元调整后的调整负荷角度指令中的一者输出给所述控制单元，所述控制单元控制所述移动体的马达，以使得所述移动体的负荷角度追随从所述指令调整单元输出的所述负荷角度指令以及调整负荷角度指令。

另一方面，为了达成上述目的的本发明的一个实施方式可以是一种移动体控制装置的控制方法，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，所述控制方法的特征在于，包括以下步骤：检测所述移动体的状态量；基于所述检测出的移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；基于所述检测出的移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；在判断出所述估计出的要求输出估计值超过所述估计出的界限输出估计值时，调整指令值，以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及基于所述调整后的指令值来控制所述移动体的马达。

另外，为了达成上述目的的本发明的一个实施方式可以是一种移动体控制装置的控制程序，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，所述控制程序的特征在于，使计算机执行以下处理：检测所述移动体的状态量；基于所述检测出的移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；基于所述检测出的移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；在判断出所述估计出的要求输出估计值超过所述估计出的界限输出估计值时，调整指令值，以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及基于所述调整后的指令值来控制所述移动体的马达。

另外，为了达成上述目的的本发明的一个实施方式可以是一种移动体控制装置，其特征在于，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，所述移动体控制装置包括：传感器，所述传感器检测所述移动体的状态量；要求输出估计部，所述要求输出估计部基于通过所述传感器检测出的所述移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；界限输出估计部，所述界限输出估计部基于通过所述传感器检测出的所述移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；调整指令运算部，所述调整指令运算部在判断出通过所述要求输出估计部估计出的所述要求输出估计值超过通过所述界限输出估计部估计出的所述界限输出估计值时，调整指令值以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及控制部，所述控制部基于通过所述调整指令运算部调整后的所述指令值来控制所述移动体的马达。

发明的效果

根据本发明，可提供能够以移动体可利用的马达输出继续进行倒立控制的移动体控制装置、及其控制方法以及控制程序。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的倒立型移动体的概要构成的立体图；

图2是示出本发明的一个实施方式所涉及的移动体控制装置的概要系统构成的框图；

图3是示意性地示出本发明的一个实施方式所涉及的倒立型移动体的侧视图；

图4是示出本发明的一个实施方式所涉及的移动体控制装置的控制处理流程的一个例子的流程图；

图5是示出确认在电池的单元故障时在界限输出以内继续进行倒立控制的效果的仿真结果的图；

图6是示出确认在电池的单元故障时在界限输出以内继续进行倒立控制的效果的仿真结果的图；

图7是示出确认在电池的单元故障时在界限输出以内继续进行倒立控制的效果的仿真结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。本发明的一个实施方式所涉及的移动体控制装置是例如在进行维持倒立状态的倒立控制的同时进行期望的行驶的倒立型移动体100中，在由于电气系统的故障等导致能够使用的马达输出下降的情况下，能够在其界限输出以内继续行驶的移动体控制装置。

这里，倒立型移动体100例如如图1所示构成为同轴二轮车，该同轴二轮车包括：人或货物等负荷被搭载于其上的平台101、以能够旋转的方式被设置在平台101上并被一对马达分别驱动的一对车轮102、以能够操作的方式被立起设置于平台101上的把柄103、以及被连接到把柄103并且由人等握持的把手104，但是倒立型移动体100不限于此，能够应用维持倒立状态而行驶的任意的移动体。

图2是示出本发明的一个实施方式所涉及的移动体控制装置的概要系统构成的框图。本实施方式所涉及的移动体控制装置200包括：指令输入器201、指令调整器202、控制器203、状态检测器204、状态估计器205、界限输出估计器206、要求输出估计器207、要求输出一阶微分估计器208、判别式运算器209、以及调整指令运算器210。

指令输入器201是指令输入单元的一个具体例子，与根据搭乘者对倒立型移动体100的行驶操作(例如，使倒立型移动体100的平台101或者把柄103向前方或后方倾斜的操作)而被输入的负荷角度θ₁相应的负荷角度指令θ_1r被输入到指令输入器201。指令输入器201对指令调整器202以及调整指令运算器210输出被输入的负荷角度指令θ_1r。

指令调整器202是指令调整单元的一个具体例子，在从调整指令运算器210接收到后述的第一指令信号时，对控制器203输出来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r，另外，在从调整指令运算器210接收到后述的第二指令信号时，对控制器203输出来自调整指令运算器210的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r。

控制器203是控制单元的一个具体例子，其进行驱动倒立型移动体100的各车轮102的马达的反馈控制，使得倒立型移动体100的负荷角度θ₁追随来自指令调整器202的负荷角度指令θ_1r或者调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r。

状态检测器204是状态检测部的一个具体例子，其使用倒立型移动体100上设置的角度传感器、车轮速度传感器、加速度传感器、倾斜传感器等传感器来检测倒立型移动体100的负荷角度、负荷速度、负荷加速度、以及车轮速度等，并作为状态检测值输出给状态估计器205。

状态估计器205是状态估计部的一个具体例子，其基于来自状态检测器204的负荷角度、负荷速度、负荷加速度、车轮速度等状态检测值，来计算作为各状态检测值的估计值的负荷角度估计值、负荷速度估计值、负荷加速度估计值、以及车轮速度估计值等状态估计值，并分别输出给界限输出估计器206、要求输出估计器207、要求输出一阶微分估计器208、以及判别式运算器209。

界限输出估计器206是界限输出估计单元的一个具体例子，其基于来自控制器203的马达转矩指令和来自状态估计器205的状态估计值，例如使用下述(9)式来运算马达消耗的输出，在其运算值饱和时，将其运算值作为界限输出估计值P_lim，输出给调整指令运算器210。

要求输出估计器207是要求输出估计单元的一个具体例子，其基于来自状态估计器205的状态估计值，使用下述(17)式来计算作为负荷角度指令θ_1r的多项式的、在根据通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r使倒立型移动体100动作时所需的要求输出估计值p(θ_1r)，并输出给调整指令运算器210。

要求输出一阶微分估计器208是要求输出一阶微分估计单元的一个具体例子，其基于来自状态估计器205的状态估计值，使用下述(20)式来计算作为负荷角度指令θ_1r的多项式的、要求输出估计值的一阶微分值(以下，称为要求输出一阶微分估计值)，并输出给调整指令运算器210。

判别式运算器209是判别式运算单元的一个具体例子，其基于来自状态估计器205的状态估计值，使用下述(21)式来计算用于判别要求输出一阶微分估计值的判别式运算值Δ，并输出给调整指令运算器210。

调整指令运算器210是调整指令运算单元的一个具体例子，其在基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r、来自界限输出估计器206的界限输出估计值P_lim、以及来自要求输出估计器207的要求输出估计值p(θ_1r)判断出基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内时，对指令调整器202输出表示该情况的第一指令信号。

另一方面，调整指令运算器210在基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r、来自界限输出估计器206的界限输出估计值P_lim、以及来自要求输出估计器207的要求输出估计值p(θ_1r)判断出基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_1im时，基于来自要求输出一阶微分估计器208的要求输出一阶微分估计值的符号和来自判别式运算器209的判别式运算值Δ，来计算调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，并将计算出的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r和表示该情况的第二指令信号输出给指令调整器202，调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r是以使要求输出估计值处于界限输出估计值P_lim以内的方式调整负荷角度指令θ_1r而得的指令。

此外，移动体控制装置200例如以微型计算机为中心由硬件构成，所述微型计算机包括进行控制处理、运算处理等的CPU(Central ProcessingUnit：中央处理单元)、存储通过CPU执行的控制程序、运算程序等的ROM(Read Only Memory：只读存储器)、以及存储处理数据等的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等。

接着，详细地说明移动体控制装置200中的更加具体的处理的一个例子。图3是示意性地示出图1所示的倒立型移动体的侧视图。例如如图3所示，倒立型移动体100被构成为：负荷301以能够旋转的方式连接到同轴配置的被马达驱动的一对车轮102上，并在维持负荷301的倒立状态的同时以期望的速度行驶。

这里，详细说明图3所示的倒立型移动体100的运动方程式。此外下述运动方程式(1)使用公知的分析力学的方法导出。首先，动能T以及势能V能够分别由下述(1)式以及(2)式表示。

[数1]

$T=\frac{1}{2}{m}_1[{(r{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2+l\cos {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)}^2+{(-l\sin {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)}^2]+\frac{1}{2}{J}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1^2$

$+\frac{1}{2}{m}_2{\left(r{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2\right)}^2+\frac{1}{2}{J}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2^2$ …(1)式

[数2]

$V=m_1\mathrm{gl}\cos {\mathrm{\θ}}_1-m_1{\stackrel{\·\·}{y}}_{2}l\cos {\mathrm{\θ}}_1$ …(2)式

此外，在上述(1)式以及(2)式中，各记号设定如下：

m₁：负荷301的质量

J₁：负荷301的惯性矩

m₂：车轮102的质量

J₂：车轮102的惯性矩

车轮垂直加速度

l：负荷301的重心和车轴的距离

r：车轮102的半径

g：重力加速度

另外，使用上述(1)式和(2)式来计算拉格朗日算子L＝T-V，通过使用欧拉-拉格朗日方程式，上述的运动方程式能够表示为下述(3)式以及(4)式。

[数3]

$(m_1{l}^2+J_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+m_1\mathrm{rl}\cos {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2-m_1\mathrm{gl}\sin {\mathrm{\θ}}_1=-T_m$

…(3)式

此外，在上述(3)式中，T_m表示马达转矩。

[数4]

$(m_1\mathrm{rl}\cos {\mathrm{\θ}}_1+J_1+m_1{l}^2){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+(r{m}_{1}l\cos {\mathrm{\θ}}_1+J_2+m_2{r}^2+m_1{r}^2){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2$

$-m_1\mathrm{lr}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1^2\sin {\mathrm{\θ}}_1-m_1\mathrm{gl}\sin {\mathrm{\θ}}_1=0$ …(4)式

接着，详细地说明在由于倒立型移动体100的放大器或者电池的一部分发生故障等，马达输出下降的情况下，调整负荷角度指令θ_1r使得不会跌倒而能够维持倒立状态的方法。

首先，从上述(3)式以及(4)式消去车轮角度θ₂得到下述(5)式。

[数5]

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)=g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)T_m$

$f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)=\frac{b_2{c}_1-b_1{c}_2}{a_1{b}_2-a_2{b}_1},g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{-b_s}{a_1{b}_2-a_2{b}_1}$

a₁＝m₁l²+J₁，b₁＝m₁rl cosθ₁≈m₁rl

c₁＝-m₁gl sinθ₁≈-m₁glθ₁，

a₂＝m₁rlcosθ₁+J₁+m_ll²≈m₁rl+J₁+m₁l²，

b₂＝rm₁lcosθ₁+J₂+m₂r²+m₁r²

≈rm₁l+J₂+m₂r²+m₁r²，

$c_2=-m_1\mathrm{lr}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1^2\sin {\mathrm{\θ}}_1-m_1\mathrm{gl}\sin {\mathrm{\θ}}_1$

$\≈-m_1\mathrm{lr}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1^2{\mathrm{\θ}}_1-m_1\mathrm{gl}{\mathrm{\θ}}_1$ …(5)式

此外，在上述(5)式中，假定负荷角度是在|θ₁|＜＜π/2[rad]的范围动作的负荷角度。同样地从上述(3)式和(4)式消去负荷角度θ₁得到下述(6)式。

[数6]

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2+h\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=k\left({\mathrm{\θ}}_1\right)T_m$

$h\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{a_2{c}_1-a_1{c}_2}{a_2{b}_1-a_1{b}_2},k\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{-a_2}{a_2{b}_1-a_1{b}_2}$ …(6)式

此外，在上述(5)式和(6)式中，f(·，·)、g(·)、h(·)、k(·)分别是非线性函数。另外，使用上述(5)式求解马达转矩T_m，得到下述(7)式。

[数7]

$T_m=\frac{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)}{g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}$ …(7)式

$=\frac{(a_1{b}_2-a_2{b}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+b_2{c}_1-b_1{c}_2}{-b_2}$

而且，使用上述(5)式以及(6)式，马达角速度(车轮速度)能够表示为下述(8)式。

[数8]

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2={\∫}_0^t(-\frac{a_2}{b_2}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1-\frac{c_2}{b_2})\mathrm{dt}$ …(8)式

另外，马达输出P(θ₁)使用上述(7)式和(8)式，能够通过下述(9)式表示。

[数9]

$p\left({\mathrm{\θ}}_1\right)={\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2{T}_m$

$={\∫}_0^t(-\frac{a_2}{b_2}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1-\frac{c_2}{b_2})\mathrm{dt}\frac{(a_1{b}_2-a_2{b}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+b_2{c}_1-b_1{c}_2}{-b_2}$

$\≈(-\frac{a_2}{b_2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1-\frac{1}{b_2}{\∫}_0^t{c}_2\mathrm{dt})\frac{(a_1{b}_2-a_2{b}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+b_2{c}_1-b_1{c}_2}{-b_2}$

…(9)式

此外，在上述(9)式中，假设a₁、b₁、a₂、以及b₂在负荷角度为|θ₁|＜＜π/2[rad]的范围内，能够近似为一定值。界限输出估计器206例如使用上述(9)式来计算马达消耗的输出。

接着，说明控制器203在某时间t＝k×T[s]使负荷角度θ₁追随负荷角度指令θ_1r时所需的马达输出的导出方法。但是，假设T是控制周期、k是某自然数。负荷速度和负荷加速度使用负荷角度估计值和负荷速度估计值，能够分别近似为下述(10)式、以及(11)式。

[数10]

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}\≈\frac{{\mathrm{\θ}}_{1r}\left(k\right)-{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1(k-1)}{T}$ …(10)式

[数11]

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}\≈\frac{{\mathrm{\θ}}_{1r}\left(k\right)-{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1(k-1)}{T^2}-\frac{{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\θ}}}}_1(k-1)}{T}$ …(11)式

此外，在上述(10)式以及(11)式中，符号后的括号表示时间步骤。例如，θ_1r(k)表示t＝k×T[s]时刻的θ_1r的值。运算上述(10)式、以及(11)式中的负荷角度估计值和负荷速度估计值的方法如下所示。

状态估计器205能够例如基于作为状态检测值的负荷角度θ₁，使用下述(12)式计算作为其状态估计值的负荷角度估计值。

[数12]

${\stackrel{\stackrel{\·\·}{^}}{\mathrm{\θ}}}_1+f({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1,{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\θ}}}_1)=g\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1\right)T_m+L_1\mathrm{sgn}\left(s_1\right),$ $s_1={\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{\mathrm{\θ}}}_1+c_1{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_1$

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_1={\mathrm{\θ}}_1-{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1$ …(12)式

此外，上述(12)中的各记号表示以下的意思：

负荷角度估计值

负荷角度估计误差

c_l：负荷角度估计误差收敛于0的速度

s_l：中间变量

sgn(·)：正负号函数(符号函数)

L₁：负荷状态估计器增益

另外，通过取上述(5)式和(12)式的差，负荷角度估计误差方程式能够作为下述(13)式求得。

[数13]

${\stackrel{\·\·}{\widetilde{\mathrm{\θ}}}}_1+f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)-f({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1,{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\θ}}}}_1)=[g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-g\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1\right)]T_m-L_1\mathrm{sgn}\left(s_1\right)$

…(13)式

接着，说明在上述(13)式中用于使负荷角度估计误差收敛于0的第一估计器增益L₁的设定方法。首先，导入下述(14)式所示的李亚普诺夫函数候选V₁。

[数14]

$V_1=\frac{1}{2}{s_1}^2>0,\∀s_1\≠0$ …(14)式

上述(14)式中的一阶时间微分被表示为下述(15)式。

[数15]

${\stackrel{\·}{V}}_1=s_1{\stackrel{\·}{s}}_1$

$=s_1({\stackrel{\·\·}{\widetilde{\mathrm{\θ}}}}_1+c_1\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\θ}}})$

$=s_1\{f({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1,{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\θ}}}}_1)-f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)+[g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-g\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1\right)]T_m-L_1\mathrm{sgn}\left(s_1\right)+c_1{\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\θ}}}}_1\}$

…(15)式

在上述(15)式的右边为时，变负的第一估计器增益L₁由下述(16)式表示。

[数16]

$L_1>|f({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1,{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\θ}}}}_1)-f({\mathrm{\θ}}_1,{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1)+[g\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-g\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1\right)]T_m+c_1{\stackrel{\·}{\widetilde{\mathrm{\θ}}}}_1|$

…(16)式

另外，在如上述(16)式那样设定负荷状态估计器增益L₁时，负荷角度估计误差收敛于0，负荷角度估计值收敛于负荷角度θ₁。由此，能够直接得到几乎不含噪音的负荷速度。

在使用如上述那样而获得的负荷角度估计值以及负荷速度估计值和上述(9)式、(10)式、以及(11)式，进行控制使得负荷角度θ₁追随负荷角度指令θ_1r的情况下，消耗的马达输出能够通过下述(17)式求出。

要求输出估计器207例如基于作为状态估计值的负荷角度估计值和负荷速度估计值，来计算作为如下述(17)式所示的负荷角度指令θ_1r的多项式的、在根据负荷角度指令θ_1r动作时所需的要求输出估计值p(θ_1r)。

[数17]

$p\left({\mathrm{\θ}}_{1r}\right)\≈(-\frac{a_2}{b_2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}-\frac{1}{b_2}{\∫}_0^t{c}_2\mathrm{dt})\frac{(a_1{b}_2-a_2{b}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+b_2{c}_1-b_1{c}_2}{-b_2}$

$\≈(-\frac{a_2}{b_2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}+\frac{{\hat{C}}_2}{b_2})$

$\×\frac{(a_1{b}_2-a_2{b}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}+b_2{c}_{10}{\mathrm{\θ}}_{1r}-b_1(c_{21}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{1r}^2{\mathrm{\θ}}_{1r}+c_{22}{\mathrm{\θ}}_{1r})}{{-b}_2}$

$\≈[{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\θ}}_{1r}\left(k\right)+{\mathrm{\α}}_0]$

$\×[{\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\θ}}_{1r}^3\left(k\right)+{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\θ}}_{1r}^2\left(k\right)+{\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\θ}}_{1r}\left(k\right)+{\mathrm{\β}}_0]$ …(17)式

在上述(17)式中使用了如下述(18)式所示的各个系数。要求输出估计器207对调整指令运算器210输出根据上述(17)式计算出的要求输出估计值p(θ_1r)。

[数18]

${\hat{C}}_2=-{\∫}_0^t{c}_2({\widehat{\mathrm{\θ}}}_1,{\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\θ}}}_1)\mathrm{dt},$

c₁₀＝-m₁gl，c₂₁＝-m₁lr，c₂₂＝-m₁gl，

${\mathrm{\α}}_0=\frac{a_2}{{\mathrm{Tb}}_2}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1(k-1)+\frac{{\hat{C}}_2}{b_2},$ ${\mathrm{\α}}_1=-\frac{a_2}{{\mathrm{Tb}}_2},$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{a_1{b}_2-a_2{b}_1}{b_2{T}^2}\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+\frac{a_1{b}_2-a_2{b}_1}{b_{2}T}\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\θ}}(k-1),$

${\mathrm{\β}}_1=-\frac{a_1{b}_2-a_2{b}_1}{b_2{T}^2}-c_{10}+\frac{{b_{1}c}_{21}}{b_2{T}^2}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1^2(k-1)+\frac{b_1{c}_{22}}{b_2},$

${\mathrm{\β}}_2=-\frac{{2b}_1{c}_{21}}{b_2{T}^2}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1(k-1),{\mathrm{\β}}_3=\frac{b_1{c}_{21}}{b_2{T}^2}$ …(18)式

此外，在上述(18)式中，α₁×β₃的符号始终为正，因此可知上述(17)式是关于负荷角度指令θ_1r的、向上开口的四次函数。即，要求输出估计值p(θ_1r)是关于负荷角度指令θ_1r的时变四次多项式。

在由于放大器、电池、或者马达线圈的一部分的故障等而能够使用的马达输出下降到P_lim[W]的情况下，倒立型移动体100能够维持倒立状态的负荷角度指令θ_1r的条件能够以下述(19)式表示。

[数19]

p(θ_1r)∈[-p_lim，p_lim]…(19)式

这里，界限输出估计器206例如基于从控制器203输出的转矩指令、以及作为状态估计值的负荷速度，使用上述(9)式来运算马达消耗的输出，如果该运算值饱和，则将其值作为界限输出估计值P_lim输出给调整指令运算器210。

另外，通过上述(5)式、(17)式、以及(18)式，马达消耗的输出p(θ_1r)是四次多项式，其最高次的系数α₁β₃是正数。因此，马达消耗的要求输出估计值p(θ_1r)是从第一象限向第二象限延伸的曲线。而且，极值点的数目能够通过下述(20)式的实数解的数目来分类。

[数20]

$\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\θ}}_{1r}\right)}{d{\mathrm{\θ}}_{1r}}=4{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_3{\mathrm{\θ}}_{1r}^3+3({\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\β}}_3+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_2){\mathrm{\θ}}_{1r}^2$

$+2({\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\β}}_2+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1){\mathrm{\θ}}_{1r}+{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_0=0$ …(20)式

要求输出一阶微分估计器208例如基于来自状态估计器205的状态估计值，来计算作为上述(20)式所示的负荷角度指令θ_1r的多项式的、要求输出一阶微分估计值。要求输出一阶微分估计器208将计算出的要求输出一阶微分估计值输出给调整指令运算器210。

另外，上述(20)式的实数解的数目能够使用下述(21)式的判别式的符号来判别。

[数21]

Δ＝36(α₀β₃+α₁β₂)²(α₀β₂+α₁β₁)²

-128α₁β₃(α₀β₂+α₁β₁)³-108(α₀β₃+α₁β₂)³(α₀β₁+α₁β₀)

-432(α₁β₃)²(α0β₁+α₁β₀)²

+432α₁β₃(α₀β₃+α₁β₂)(α₀β₂+α₁β₁)(α₀β₁+α₁β)

…(21)式

判别式运算器209例如基于来自状态估计器205的状态估计值，能够使用上述(21)式来计算用于判别要求输出一阶微分估计值的判别式运算值Δ。判别式运算器209将计算出的判别式运算值Δ输出给调整指令运算器210。

调整指令运算器210在基于上述(19)式判断出来自要求输出估计器207的要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内的情况下，对指令调整器202输出表示该情况的第一指令信号。

另一方面，调整指令运算器210在基于上述(19)式判断出来自要求输出估计器207的要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim的情况下，根据基于来自判别式运算器209的判别式运算值Δ的下述情况分类(情况1、情况2、情况3)和基于要求输出一阶微分估计值的符号的下述(22)式以及(23)式来计算调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，并对指令调整器202输出计算出的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r和表示该情况的第二指令信号，所述调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r是以使要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内的方式调整负荷角度指令θ_1r而得的指令。

这里，表示马达消耗的输出的要求输出估计值p(θ_1r)的极值点的数目，使用上述(21)的判别式运算值Δ能够分类为下述的(情况1)、(情况2)、以及(情况3)。

(情况1)

Δ＜0时，p(θ_1r)有一个极小值点。

(情况2)

Δ＝0时，p(θ_1r)有一个极小值点，并且有一个稳定点。

(情况3)

Δ＞0时，p(θ_1r)有两个极小值点，并且有一个极大值点。

例如，调整指令运算器210在判断出属于上述(情况1)或者(情况2)时，通过使用下述(22)式将负荷角度指令θ_1r调整为调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，能够在该时刻可使用的界限输出估计值P_lim以内维持倒立型移动体100的倒立控制。

更加具体地说，调整指令运算器210在判断出(a)要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim、判别式运算值的符号为负(情况1)或者0(情况2)、并且要求输出一阶微分估计值≠0的情况下，使用下述(22)式并使用负荷角度指令调整量(调整量)Δθ_1r来调整负荷角度指令θ_1r，并计算出调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，所述负荷角度指令调整量(调整量)Δθ_1r与通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r的要求输出一阶微分估计值的符号和要求输出估计值的符号的积具有相反的符号。

另外，调整指令运算器210在判断出(b)要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim、判别式运算值的符号为负(情况1)或者0(情况2)、并且要求输出一阶微分估计值＝0的情况下，使用下述(22)式并使用负荷角度指令调整量Δθ_1r来调整负荷角度指令θ_1r并计算出调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，所述负荷角度指令调整量Δθ_1r与对负荷角度指令θ_1r加上微小角度δ而得的改变负荷角度指令(θ_1r+δ)中的要求输出一阶微分估计值的符号和要求输出估计值的符号的积具有相反的符号。

[数22]

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{d{\mathrm{\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)>p_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\&NotEqual;0\\ \mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)<-p_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\&NotEqual;0\\ -\mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}({\mathrm{\&theta;}}_{1r}+\mathrm{\&delta;})}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)>p_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}=0\\ \mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}({\mathrm{\&theta;}}_{1r}+\mathrm{\&delta;})}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)<{-p}_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}=0\end{array}\right.$

…(22)式

这里，上述(22)式中使用的δ是微小的角度(例如，1×10^-7[rad])。另外，上述(22)式以及下述(23)式中使用的负荷角度指令调整量Δθ_1r的大小相对于负荷角度θ₁的可变范围设定为适当小的值(例如，充分地考虑到安全性而实验性地求得的值，π/40[rad]左右)。

调整指令运算器210在判断出属于上述(情况3)时，使用下述(23)式将负荷角度指令θ_1r调整为调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，使得在该时刻可使用的界限输出估计值P_lim以内维持倒立型移动体100的倒立控制。

更具体地说，调整指令运算器210在判断出(c)要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim、判别式运算值的符号为正(情况3)、并且要求输出一阶微分估计值≠0的情况下，使用下述(23)式并使用负荷角度指令调整量Δθ_1r来调整负荷角度指令θ_1r并计算出调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，所述负荷角度指令调整量Δθ_1r与通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r中的要求输出一阶微分估计值的符号和要求输出估计值的符号的积具有相反的符号。

另外，调整指令运算器210在判断出(d)要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim、判别式运算值的符号为正(情况3)、并且要求输出一阶微分估计值＝0的情况下，使用下述(23)式并使用负荷角度指令调整量Δθ_1r来调整负荷角度指令θ_1r，并计算出调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，负荷角度指令调整量Δθ_1r与来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的符号具有相反的符号。

[数23]

$\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)>p_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\&NotEqual;0\\ \mathrm{sgn}\left(\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\right)& p\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)<{-p}_{\lim },\frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}\&NotEqual;0\\ -\mathrm{sgn}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)& \frac{\mathrm{dp}\left({\mathrm{\&theta;}}_{1r}\right)}{{\mathrm{d\&theta;}}_{1r}}=0\end{array}\right.$

…(23)式

这样，在倒立型移动体100行驶中，在由于电池、放大器或者马达线圈的一部分的故障等导致能够使用的马达输出下降，不能进行使负荷角度θ₁追随负荷角度指令θ_1r的倒立控制的情况下，通过使用上述(22)式以及(23)式将负荷角度指令θ_1r调整为在可使用的马达输出内能够维持倒立状态的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，从而能够维持倒立控制，避免跌倒等。

接着，说明控制器203进行使倒立型移动体100的负荷角度追随来自指令调整器202的负荷角度指令或者调整负荷角度指令的反馈控制的情况下的一个例子。这里，假定控制器203使用如下述(24)式所示的马达转矩T_m，使上述(5)式的负荷角度θ₁追随负荷角度指令θ_1r的情况。

[数24]

$T_m=\frac{M}{g\left({\mathrm{\&theta;}}_1\right)}\mathrm{sgn}\left(s\right)$

…(24)式

$s={\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1+c({\mathrm{\&theta;}}_{1r}-{\mathrm{\&theta;}}_1)$

此外，在上述(24)式中，各记号被设定如下。

M：控制振幅

s：中间变量

c：负荷角度θ₁收敛于负荷角度指令θ_1r的速度

这里，控制器203通过上述(24)式的马达转矩T_m，导出用于使负荷角度θ₁收敛于负荷角度指令θ_1r的控制振幅M的充分条件。为了使负荷角度θ₁收敛于负荷角度指令θ_1r只要使中间变量s收敛于0即可，因此将下述(25)式用作李亚普诺夫函数的候选。

[数25]

$V=\frac{1}{2}{s}^2>0,\&ForAll;s\&NotEqual;0$ …(25)式

另外，在所有的s≠0处，V＞0。如果V的一阶时间微分在所有的s≠0中为负，则中间变量s收敛于0。即，如果下述(26)式成立，那么能够使负荷角度θ₁收敛于负荷角度指令θ_1r。

[数26]

$\stackrel{\&CenterDot;}{V}=s\stackrel{\&CenterDot;}{s}$

$=s[{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}-{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1+c({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1)]$

$=s[{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}+f({\mathrm{\&theta;}}_1,{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1)-\mathrm{Msgn}\left(s\right)+c({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1s}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1)]$ …(26)式

$<0,\&ForAll;s\&NotEqual;0$

而且，上述(26)式的充分条件是下述(27)式。

[数27]

$M>|{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}+f({\mathrm{\&theta;}}_1,{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1)+c({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{1r}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_1)|$ …(27)式

例如，如果如上述(27)式那样设定控制振幅M，则上述(26)式成立，中间变量s收敛于0。如果s收敛于0，那么通过上述(24)式，负荷角度θ₁以c的速度收敛于负荷角度指令θ_1r。这样，即使在由于电池、放大器或者马达线圈等电气系统的故障时等导致不能充分保证马达输出的情况下，也能够在可使用的马达输出范围内控制倒立型移动体100的负荷角度θ₁。

接着，详细说明用于即使在由于电气系统的故障等导致不能充分保证马达输出的情况下，也能够在可利用的界限输出以内继续进行倒立控制的控制方法。图4是示出本实施方式所涉及的移动体控制装置的控制处理流程的一个例子的流程图。

首先，与搭乘者对倒立型移动体100的操作相应的、作为负荷角度θ₁的指令值的负荷角度指令θ_1r被输入到指令输入器201(步骤S401)。

接着，界限输出估计器206基于来自控制器203的马达的转矩指令和来自状态估计器205的状态估计值来计算马达消耗的输出，在该运算值饱和时，计算该运算值作为界限输出估计值P_lim(步骤S402)，并输出给调整指令运算器210。

之后，要求输出估计器207基于来自状态估计器205的状态估计值，使用上述(17)式计算在根据通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r使倒立型移动体100动作时所需的要求输出估计值p(θ_1r)(步骤S403)，并输出给调整指令运算器210。

之后，要求输出一阶微分估计器208基于来自状态估计器205的状态估计值，使用上述(20)式计算要求输出一阶微分估计值(步骤S404)，并输出给调整指令运算器210。

另外，判别式运算器209基于来自状态估计器205的状态估计值，使用上述(21)式来计算用于判别要求输出一阶微分估计值的判别式运算值Δ(步骤S405)，并输出给调整指令运算器210。

进一步，调整指令运算器210基于来自指令输入器201的负荷角度指令、来自界限输出估计器206的界限输出估计值P_lim、以及来自要求输出估计器207的要求输出估计值p(θ_1r)，使用上述(19)式来判断基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的要求输出估计值p(θ_1r)是否处于界限输出估计值P_lim以内(步骤S406)。

调整指令运算器210在判断出基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内时(步骤S406的是)，对指令调整器202输出表示该情况的第一指令信号。指令调整器202在从调整指令运算器210接收到第一指令信号时，对控制器203输出来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r。控制器203进行反馈控制，以使得倒立型移动体100的负荷角度θ₁追随来自指令调整器202的负荷角度指令θ_1r(步骤S407)。

另一方面，调整指令运算器210在判断出基于来自指令输入器201的负荷角度指令θ_1r的要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim时(步骤S406的否)，基于来自要求输出一阶微分估计器208的要求输出一阶微分估计值的符号和来自判别式运算器209的判别式运算值Δ，使用上述(22)式以及(23)式来计算调整负荷角度指令θ_1r并对指令调整器202输出计算出的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r和表示该情况的第二指令信号，所述调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r是以使要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内的方式调整负荷角度指令θ_1r而得的指令。

指令调整器202在从调整指令运算器210接收到第二指令信号时，对控制器203输出来自调整指令运算器210的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r。控制器203进行反馈控制以使得倒立型移动体100的负荷角度θ₁追随来自指令调整器202的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r(步骤S408)。

接着，说明确认即使在由于电气系统的故障等导致不能充分保证马达输出的情况下，也能够在可利用的界限输出以内继续进行倒立控制的效果的仿真。此外，在本仿真中，各参数被设定为如下所示的数值。

m₁＝70[kg]

J₁＝25.2[kg·m²]

m₂＝15[kg]

J₂＝0.075[kg·m²]

l＝0.9[m]

r＝0.1[m]

g＝9.8[m/s²]

c＝500[rad/s]

c₁＝500[rad/s]

T＝1×10^-3[s]

另外，在本仿真中，例如假定在行驶中电池的单元的一部分发生故障，倒立型移动体100的能够动作的界限输出从1000[W]下降到200[W]的情况。这种情况下，本实施方式的移动体控制装置200计算在根据通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r使倒立型移动体100动作时所需的要求输出估计值p(θ_1r)，在该要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim的情况下，调整负荷角度指令θ_1r使得能够在界限输出估计值P_lim以内继续进行倒立控制。

如图5所示，可以知道通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r(虚线)、通过调整指令运算器210调整后的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r(实线)、以及来自状态检测器204的负荷角度θ₁(点划线)大体一致。即，根据本实施方式所涉及的移动体控制装置200，可以知道负荷角度指令调整量Δθ_1r是1×10^-5[rad]，因此调整负荷角度指令θ1_r+Δθ_1r与调整前的负荷角度指令θ_1r大体一致，负荷角度θ₁良好地追随调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r。

图6是表示在从移动体控制装置200的控制开始经过了3.5[s]时，上述(17)式的要求输出估计值p(θ_1r)的变化的图(粗实线)。此外，在图6中，虚线表示界限输出估计值±200[W]，细实线示出了实际通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r。

如图6所示，可以知道在直接使用通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r的情况下，要求输出估计值p(θ_1r)取得A点所示的值，所以超过界限输出估计值P_lim，马达输出不足而不能进行倒立控制。另一方面，可以知道通过调整指令运算器210使用上述(22)式以及(23)式，向B点所示的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r调整，从而要求输出估计值p(θ_1r+Δθ_1r)没有超过界限输出估计值P_lim，所以倒立型移动体100能够继续进行倒立控制。

图7示出了使用了通过指令输入器201输入的负荷角度指令θ_1r时所需的要求输出估计值p(θ1_r)(虚线I)和使用了本发明的调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r时所需的要求输出估计值p(θ_1r+Δθ_1r)(实线II)。如图7所示可以知道，在从移动体控制装置200的控制开始经过了大约3.5[s]时，例如即使是在发生了电池的单元故障等导致马达输出不能充分保证的情况下，在本实施方式中，通过调整指令运算器210将负荷角度指令θ_1r调整到调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，从而如实线II所示，将要求输出估计值限制在界限输出估计值P_lim以内、例如可使用的200[W]的输出以内，而能够继续进行倒立控制。

此外，在上述实施方式中，对由于电池的单元故障导致马达输出下降时在界限输出估计值以内继续进行倒立控制的情况进行了说明，但是不仅仅能够应用于诸如马达的多重线圈的一部分断线而导致马达输出下降的情况以及包括复接电路的伺服放大器的一部分的故障导致输出下降的情况等电气系统的故障的情况，而且也能够应用于由于任意的原因导致马达输出下降的情况。

以上，根据本实施方式所涉及的移动体控制装置200，在判断出要求输出估计值p(θ_1r)超过界限输出估计值P_lim时，计算出调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r，并进行使倒立型移动体100的负荷角度θ₁追随该调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r的倒立控制，所述调整负荷角度指令θ_1r+Δθ_1r是以使要求输出估计值p(θ_1r)处于界限输出估计值P_lim以内的方式调整负荷角度指令θ_1r而得的指令。由此，即使在倒立型移动体100的马达输出不能充分保证的情况下，也能够以可利用的马达输出继续进行倒立控制。

另外，本发明不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行适当的变化。

在上述实施方式中，虽然以硬件的构成说明了本发明，但是本发明不限于此。本发明也能够通过使CPU执行计算机程序来实现图4所示的处理。

程序能够使用各种类型的非暂时性的计算机可读介质(non-transitorycomputer readable medium)而保存，并提供给计算机。非暂时性的计算机可读介质包括各种类型的有实体的记录介质(tangible storage medium)。非暂时性的计算机可读介质的例子包括磁性记录介质(例如软盘、磁带、硬盘驱动器)、光磁性记录介质(例如磁光盘)、CD-ROM(Read OnlyMemory只读存储器)、CD-R、CD-R/W、半导体存储器(例如，掩模型ROM、PROM(Programmable ROM：可编程序只读存储器)、EPROM(Erasable PROM：可擦可编程只读存储器)、闪速只读存储器、RAM(random access memory：随机存取存储器)。另外，程序可以通过各种类型的暂时性的计算机可读介质(transitory computer readable medium)提供给计算机。暂时性的计算机可读介质的例子包括电气信号、光信号、以及电磁波。暂时性的计算机可读介质能够经由电线以及光纤等有线通信通路、或者无线通信通路将程序提供给计算机。

本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合来发挥技术上的有用性，不限定于申请时权利要求中所记载的组合。另外，本说明书或者附图中例示的技术能够同时达到多个目的，通过达到其中的一个目的而具有技术上的有用性。

产业上的利用可能性

本发明能够应用于例如控制维持倒立状态而行驶的倒立型移动体的移动体控制装置。

符号说明

100倒立型移动体

101平台

102车轮

103把柄

104把手

200移动体控制装置

201指令输入器

202指令调整器

203控制器

204状态检测器

205状态估计器

206界限输出估计器

207要求输出估计器

208要求输出一阶微分估计器

209判别式运算器

210调整指令运算器

Claims (15)

1.一种移动体控制装置，其特征在于，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，

所述移动体控制装置包括：

状态量检测单元，所述状态量检测单元检测所述移动体的状态量；

要求输出估计单元，所述要求输出估计单元基于通过所述状态量检测单元检测出的所述移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；

界限输出估计单元，所述界限输出估计单元基于通过所述状态量检测单元检测出的所述移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；

调整指令运算单元，所述调整指令运算单元在判断出通过所述要求输出估计单元估计出的所述要求输出估计值超过通过所述界限输出估计单元估计出的界限输出估计值时，调整指令值以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及

控制单元，所述控制单元基于通过所述调整指令运算单元调整后的所述指令值来控制所述移动体的马达。

2.根据权利要求1所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述状态量检测单元检测表示所述移动体的倾斜的负荷角度，

所述移动体控制装置还包括指令输入单元，表示所述移动体的行驶指示的负荷角度指令被输入到所述指令输入单元中，

所述控制单元控制所述移动体，以使得通过所述状态量检测单元检测出的所述负荷角度追随通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令。

3.根据权利要求1或2所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述界限输出估计单元基于来自所述控制单元的所述马达的转矩指令和来自所述状态量检测单元的所述状态量来运算所述马达消耗的输出，在该运算值饱和时，将所述运算值估计为所述界限输出估计值。

4.根据权利要求2或3所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述要求输出估计单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量，来计算出作为所述负荷角度指令的多项式的、在根据通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令使所述移动体动作时所需的所述要求输出估计值。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，还包括：

要求输出一阶微分估计单元，所述要求输出一阶微分估计单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量，来计算出作为所述负荷角度指令的多项式的、所述要求输出估计值的一阶微分值；以及

判别式运算单元，所述判别式运算单元基于来自所述状态量检测单元的所述状态量来计算出判别式运算值，所述判别式运算值用于判别所述要求输出估计值的一阶微分值。

6.根据权利要求5所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述调整指令运算单元在判断出基于来自所述指令输入单元的所述负荷角度指令的所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值时，基于来自所述要求输出一阶微分估计单元的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和来自所述判别式运算单元的所述判别式运算值来计算出所述调整负荷角度指令，所述调整负荷角度指令是以使所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内的方式调整所述负荷角度指令而得的指令，

所述控制单元进行倒立控制，以使得所述移动体的负荷角度追随所述调整后的所述调整负荷角度指令。

7.根据权利要求6所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述调整指令运算单元

(a)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为负或0、并且所述要求输出估计值的一阶微分值不是0时，以与所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(b)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为负或0、并且所述要求输出估计值的一阶微分值是0时，以与对所述负荷角度指令加上微小角度而得的改变负荷角度指令中的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(c)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为正、并且所述要求输出估计值的一阶微分值不是0时，以与所述负荷角度指令中的所述要求输出估计值的一阶微分值的符号和所述要求输出估计值的符号的积具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令，

(d)在判断出所述要求输出估计值超过所述界限输出估计值、所述判别式运算值的符号为正、并且所述要求输出估计值的一阶微分值是0时，以与所述负荷角度指令的符号具有相反的符号的调整量来调整所述负荷角度指令。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，

在由所述调整指令运算单元判断出基于来自所述指令输入单元的负荷角度指令的所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内时，所述控制单元进行倒立控制，以使得所述移动体的负荷角度追随通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述状态量检测单元包括：

状态检测部，所述状态检测部检测所述移动体的状态量作为状态检测值；以及状态估计部，所述状态估计部基于通过所述状态检测部检测出的所述状态检测值来估计作为所述状态检测值的估计值的状态估计值。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述要求输出估计值是关于所述负荷角度指令的时变四次多项式。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，

所述状态量检测单元检测所述移动体的负荷角度、负荷速度、负荷加速度、以及车轮角度中的至少一者。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的移动体控制装置，其特征在于，

还包括指令调整单元，所述指令调整单元根据来自所述调整指令运算单元的指示，将通过所述指令输入单元输入的所述负荷角度指令以及通过所述调整指令运算单元调整后的调整负荷角度指令中的一者输出给所述控制单元，

所述控制单元控制所述移动体的马达，以使得所述移动体的负荷角度追随从所述指令调整单元输出的所述负荷角度指令以及调整负荷角度指令。

13.一种移动体控制装置的控制方法，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，

所述控制方法的特征在于，包括以下步骤：

检测所述移动体的状态量；

基于所述检测出的移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；

基于所述检测出的移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；

在判断出所述估计出的要求输出估计值超过所述估计出的界限输出估计值时，调整指令值，以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及

基于所述调整后的指令值来控制所述移动体的马达。

14.一种移动体控制装置的控制程序，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，

所述控制程序的特征在于，使计算机执行以下处理：

检测所述移动体的状态量；

基于所述检测出的移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；

基于所述检测出的移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；

在判断出所述估计出的要求输出估计值超过所述估计出的界限输出估计值时，调整指令值，以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及

基于所述调整后的指令值来控制所述移动体的马达。

15.一种移动体控制装置，其特征在于，所述移动体控制装置控制驱动移动体的车轮的马达来进行所述移动体的倒立控制，所述移动体控制装置包括：

传感器，所述传感器检测所述移动体的状态量；

要求输出估计部，所述要求输出估计部基于通过所述传感器检测出的所述移动体的状态量来估计要求输出估计值，所述要求输出估计值表示在使所述移动体动作时所需的马达输出；

界限输出估计部，所述界限输出估计部基于通过所述传感器检测出的所述移动体的状态量来估计马达输出饱和时的界限输出；

调整指令运算部，所述调整指令运算部在判断出通过所述要求输出估计部估计出的所述要求输出估计值超过通过所述界限输出估计部估计出的界限输出估计值时，调整指令值以使得所述要求输出估计值处于所述界限输出估计值以内；以及

控制部，所述控制部基于通过所述调整指令运算部调整后的所述指令值来控制所述移动体的马达。

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