JP2005080902A - 駆動体及び走行車両の姿勢制御方法及装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 コントロールモーメントジャイロを利用して、走行車両の姿勢制御を円滑に行う技術を提供する。
【解決手段】 地上を走行するための車両の車体に対して均等に配置された複数のコントロールモーメントジャイロ機構と、車両の走行状態の検出手段と、その検出値に基づいて前記コントロールモーメントジャイロ機構の慣性モーメントをリアルタイムに制御する制御手段と、を備え、慣性モーメントによって車体の走行姿勢の変化を補償するようにした車両の姿勢制御装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コントロールモーメントジャイロを用いてなる走行車両の走行制御技術に関するものである。

従来のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を用いた姿勢制御技術として、特開平３−２１８５６７号公報（特許文献１）に記載のものが存在する。この従来例は、球面ステータの内面側に複数個の電磁石を配設して制御器より電流を供給し、この電磁石が発生した電磁力を球面ロータの外表面に設けられた複数個の磁極要素に作用させて球面ロータに回転力を与えるものとすることにより、多自由度モータを形成し、この多自由度モータでフライホイール回転用のスピンモータとジンバル駆動用モータの共用化を図ることによって、従来のＣＭＧに比べて、装置の小型化、高信頼性化、簡素化を可能としたものである。
特開平３−２１８５６７号公報

しかしながら、地上を走行する車両の走行姿勢の制御について、コントロールモーメントジャイロを利用することについての配慮はされていない。そこで、本発明はコントロールモーメントジャイロを利用して、走行車両の姿勢制御を円滑に行う技術を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成する本発明は、姿勢制御を必要とする駆動体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、当該駆動体の駆動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした駆動体の姿勢制御方法、及び、移動体の車体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、車体の移動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした車体の姿勢制御方法であることを特徴とするものである。

さらに他の発明は、このような特徴を備えた駆動体の姿勢制御装置及び車両の姿勢制御装置であることを特徴とする。
前記コントロールモーメントジャイロは、フライホイールと、フライホール支持する支持手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出手段の出力値に基づいてフライホイールの回転速度及び前記支持手段の傾斜角速度を制御するように構成される。

本発明によれば、駆動体/車両の走行姿勢制御にジャイロ機構を用いたので、非線形の急激な外乱に対して車両の走行姿勢を円滑に制御できる。さらに、ジャイロ機構の角度を制御するのにピエゾ機構を用いたこともこの効果をより向上する。

次に本発明を実施するための好適な形態を図面に基づいて説明する。図１は、所謂電動車椅子の全体図（（１）は側面図、（２）は平面図）を示すものである。符号１０は車体であり、人が着座する座席１０Ａの下に前後左右に回転ジャイロ装置１１を４基均等に設けている。図１において、符号１２は車輪である。図２は車体の平面図（模式図）であり、４台の回転ジャイロ装置１１Ａ−Ｄが均等に配置されている。なお、図示しない電動駆動機構によって左右輪１２が別個に回転駆動されて車体を走行させる。
回転ジャイロ装置は、図３の模式図に示すように、フライホイール（質量部）３０を備え、フライホイールは図示しないジンバルに支持されて軸３２の回りを回転可能に支持されている。図４は、コントロールモーメントジャイロの側面図であり、超音波モータ３６のピエゾ駆動によって、軸３２が軸誘導手段（ガイド）３５に沿って移動（回転）するように構成されている。

スピンモータによりフライホイールに角運動量を与え、このフライホイールを支えるジンバルをある角度で傾けることによってジャイロモーメントが発生する。ジャイロモーメントは、ジャイロの回転運動ベクトルと角移動ベクトルによってジャイロモーメントが定まる。このジャイロモーメントを車両に与えて車両の姿勢制御や制振制御を行うことができる。この制御システムの詳細について、図５を利用して説明する。

図５は制御システムの機能ブロック図であり、例えば、ＥＣＵ（エレクトロニック コントロール ユニット）によって構成される。車体の走行姿勢は、ＸＹＺ軸角度センサ５０によって検出される。符号５２は、ＡＢＣＤの各コントロールジャイロユニットに対する、フライホイールの回転制御部／角度制御回路である。制御回路５２は各ジャイロのフライホイール３０Ａ−３０Ｄの駆動ドライバ５４Ａ−５４Ｄに制御された制御信号を供給する。

制御回路５２は、各ジャイロの超音波モータ５６Ａ−５６Ｄの駆動ドライバ５８Ａ−５８Ｄに制御信号を供給する。ＣＰＵシステム６０は制御回路５２をコントロールする。制御回路には角度センサの他、速度センサ、加速度センサ（前後Ｇ、横Ｇ、左右Ｇ）、車輪の操舵角センサなど車両の走行状態を検出するための各種センサからの信号が供給されても良い。制御回路には車両の走行状態に合わせて、各ジャイロ部を制御するための制御特性が制御テーブルの形でメモリに予め設定記憶されている。
既述の図４はジャイロ部の制御状態の一例であり左右及前後でそれぞれ逆方向にフライホイールの回転方向が制御される。進行方向左前と右後のジャイロは時計方向に回転、右前と左後のジャイロは反時計方向に回転。ジャイロの傾きは前後左右でそれぞれ個別に制御可能である。図４は車両が定速度走行状態にあるときのジャイロの傾斜制御態様である、前後方向でジャイロ部が同じ角度分逆方向に傾斜されている。

図６は車両が制動状態にあるときに、車体に生じる前後Ｇによってノーズダウンする姿勢変化を補償するようにジャイロ部が傾斜されている状態を示したものである。前後のジャイロは同じ方向に傾斜されている。その他、加速状態（車体のフロントが浮き上がる状態）、ローリング（左右の車輪の一方が沈み込んだ状態）などによる姿勢変化を、制御回路は角度センサによって検出し、これが緩衝される方向にジャイロ部の傾斜角やフライホイールの回転速度が制御される。各ジャイロの傾斜角とその方向、さらにフライホイールの回転速度とその方向が制御部によって決定制御される。制御回路は角度センサ５０によって車体の傾き角およびその方向を検出する。制御回路は速度センサ、加速度センサ、操舵方向など所望によって適宜選択される制御用パラメータを検出し、これらパラメータに基づいて制御テーブルを参照して各フライホイールの回転方向、回転速度、傾斜方向、傾斜角、及傾斜角速度を決定し、各駆動ドライバに制御信号を出力する。

制御部による制御は角度センサの検出値に基づいて、パッシブにジャイロ部を制御する方式の他、速度センサ、操舵方向センサ、加速度センサなどの走行状態を指標するパラメータを取り込んで、ジャイロ部をアクティブに制御する方式のものでも良い。なお、図５の実施態様では、ジャイロ機構の回転と角度を制御するシステムについて説明したが、どちらか一方を制御するものであっても良い。

図７は、ジャイロ制御による角度変位と時間との特性図を示したものである。ジャイロ制御により角度がリアルタイムに変動する。この角度変動をさらに補償するために角度制御が受動的に実行されていた。図７において、図中の（×）がジャイロ制御の現時点を示し、それより以前の制御態様から現時点以後の姿勢変化を予測することにより、角度制御をパッシッブからアクティブに実行できる。

図８は、ジャイロの回転速度と車両の走行速度の関係を示す特性図である。車両の走行開始時では、ジャイロを急速に回転させて必要な慣性モーメント（向心力）を発生させてジャイロをバランスがとれた状態まで回転させる。車両の走行速度が高まるにつれて、姿勢制御により安定領域となるので、ジャイロの回転数を下げれば良い。

図９は、ジャイロの回転速度と走行状態の関係を示す特性図である。車両の始動期間ではジャイロを急速に高速回転させて慣性モーメントを発生させてジャイロの回転のバランスをとる。走行状態（安定走行期間）ではジャイロの回転速度を下げて良い。車両走行の停止期間ではジャイロの回転を停止期間の最終段階（停止直前の速度/速度センサによって検出可能である。）ではジャイロの回転速度を急速に低下させて良い。

以上の実施形態では、姿勢制御対象を２軸による姿勢制御によって説明したが、これを１軸による姿勢制御対象に本発明を適用することができる。また、既述の実施形態では、慣性モーメント円運動を地表面に対して水平位置で説明したが、機構によってはこれを垂直で行うものにも本発明を適用することができる。

電動車椅子の全体図（（１）は側面図、（２）は平面図）を示すものである。 車体の平面図（模式図）である。 回転ジャイロ装置の模式図である。 コントロールモーメントジャイロの側面図である。 制御システムの機能ブロック図である。 コントロールモーメントジャイロの他の制御態様についての側面図である。 ジャイロ制御による角度変位と時間との特性図を示したものである。 ジャイロの回転速度と車両の走行速度の関係を示す特性図である。 ジャイロの回転速度と走行状態の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 車体、１０Ａ 座席、１１Ａ−Ｄ 回転ジャイロ装置、１２ 車輪、３０ フライホイール（質量部）、３２ 軸、３６ 超音波モータ

Claims (5)

1. 姿勢制御を必要とする駆動体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、当該駆動体の駆動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした駆動体の姿勢制御方法。
2. 移動体の車体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、車体の移動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした車体の姿勢制御方法。
3. 姿勢制御を必要とする駆動体に対して均等に配置された複数のコントロールモーメントジャイロ機構と、駆動体の駆動状態の検出手段と、その検出値に基づいて前記コントロールモーメントジャイロ機構の慣性モーメントをリアルタイムに制御する制御手段と、を備え、前記慣性モーメントによって前記駆動体の姿勢変化を補償するようにした駆動体の姿勢制御装置。
4. 移動体の車体に対して均等に配置された複数のコントロールモーメントジャイロ機構と、車体の移動状態の検出手段と、その検出値に基づいて前記コントロールモーメントジャイロ機構の慣性モーメントをリアルタイムに制御する制御手段と、を備え、慣性モーメントによって車体の走行姿勢の変化を補償するようにした車両の姿勢制御装置。
5. 前記コントロールモーメントジャイロは、フライホイールと、フライホール支持する支持手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出手段の出力値に基づいてフライホイールの回転速度及び前記支持手段の傾斜角速度を制御するように構成された請求項３又は４記載の装置。