JP2005138630A - Traveling device and its control method - Google Patents
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- B62K11/00—Motorcycles, engine-assisted cycles or motor scooters with one or two wheels
- B62K11/007—Automatic balancing machines with single main ground engaging wheel or coaxial wheels supporting a rider
Abstract
Description
本発明は、例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物に使用して好適な走行装置及びその制御方法に関する。詳しくは、例えば減速時や下り坂を走行する際に発生する回生エネルギを効率の良く充電して、良好な走行を実現できるようにしたものである。 The present invention relates to a traveling device suitable for use in, for example, a vehicle that travels on two wheels with a human being on board, and a control method therefor. Specifically, for example, the regenerative energy generated when the vehicle decelerates or travels on a downhill is efficiently charged so that a favorable travel can be realized.
例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 For example, a vehicle that travels on two wheels with a human being on board has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
例えば、人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物として、本願出願人は先に以下に述べるような走行装置を提案(特願2003−168224号)した。 For example, the applicant of the present application has previously proposed a traveling apparatus as described below (Japanese Patent Application No. 2003-168224) as a vehicle that travels on two wheels with a human being on board.
先ず、本願出願人が提案した同軸二輪車の一実施形態の外観斜視図を図9に示す。図9に示す同軸二輪車1において、車輪軸2の両端には一対の車輪3(右車輪3R及び左車輪3L)が止着されている。この車輪3は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪3の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。
First, an external perspective view of an embodiment of a coaxial two-wheeled vehicle proposed by the present applicant is shown in FIG. In the coaxial two-
また、車輪軸2には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース4が、車輪軸2回りに傾動可能に支持されている。なお、以下の説明においては、両輪を結ぶ車輪軸2の中間点をX−Y−Z座標系の原点Oと仮定し、この原点Oを通りベース4の主面と平行で且つ車輪軸2に垂直な方向をX軸又はロール軸、原点Oを通る車輪軸方向をY軸又はピッチ軸、原点Oを通りベース4の主面と垂直な方向をZ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車1の前方をX軸の正方向、左方をY軸の正方向、上方をZ軸の正方向とそれぞれ定義する。
Further, the
ベース4には、図10に示すように、正逆回転可能なモータ10(10R及び10L)が装着されており、モータ10に隣接して、モータ10の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ11(11R及び11L)が設けられている。また、モータ10と車輪3との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器12(12R及び12L)が介在されており、モータ10の回転がこの減速器12及びジョイント(図示せず)を介して車輪3に伝達される。
As shown in FIG. 10, a motor 10 (10 </ b> R and 10 </ b> L) that can rotate forward and backward is mounted on the
さらに、ベース4には、ベース4のピッチ軸、ヨー軸回りの角速度ωp、ωyawを検出するためのジャイロセンサ13のほか、X、Y、Z軸方向のリニア加速度Ax、Ay、Az及びピッチ軸、ロール軸、ヨー軸回りの角加速度αp、αr、αyawを検出するための加速度センサ14や、ベース4上の負荷重量を検出するための圧力センサ15等の各種センサが内蔵されている。
Further, the
このうち、圧力センサ15は、図11のAの平面図及び図11のBの側面図に示すようにベース4の板状体を構成する支持台4aと可動台4bとの間の四隅に設けられており、この4つの圧力センサ151、152、153、154のセンサ信号から、ベース4上の負荷の重心座標(Xg、Yg)とその負荷重量Wgとを検出することができる。
Among them, the
すなわち、圧力センサ151〜154のセンサ信号がそれぞれPS1、PS2、PS3、PS4であり、無荷重状態で圧力センサ151〜154にかかる自重がW0である場合、負荷重量Wgは、以下の式(1)のように求められる。
That is, when the sensor signals of the
また、圧力センサ151、152、153、154の座標が、それぞれ(Xps,Yps)、(−Xps,Yps)、(―Xps,―Yps)、(Xps,―Yps)である場合に、重心座標(Xg,Yg)は、以下の式(2)のように求められる。
The coordinates of the
この式(2)において、W14は無荷重状態で圧力センサ151、154にかかる自重を示し、W23は無荷重状態で圧力センサ152、153にかかる自重を示し、W12は無荷重状態で圧力センサ151、152にかかる自重を示し、W34は無荷重状態で圧力センサ153、154にかかる自重を示す。
In this equation (2), W 14 represents the weight applied to the
このようにして、圧力センサ15によりベース4上の負荷による負荷荷重トルクT1が計算できるため、モータ10にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース4上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。
In this way, the load load torque T 1 due to the load on the
さらにまた、ベース4の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置16が搭載されており、この制御装置16に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置16は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース4のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。
Furthermore, a
また、この同軸二輪車1は、図12に示すように、車輪軸2回りに傾動可能とされるベース4の重量中心Mが車輪軸2よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図12ではベース4の上面の高さが車輪軸2よりも高くなっているが、ベース4の上面が車輪軸2より低くなっていても構わない。
As shown in FIG. 12, the coaxial two-
ここで、ベース4上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図13に示すように、ベース4上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクT1に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクTmを制御すると、ベース4はシーソーのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸2回りの回転モーメントがゼロとなる点をZMP(Zero Moment Point)と呼ぶ。このZMPが車輪3の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース4上で姿勢を保つことができる。
Here, a control concept for maintaining the posture on the
この同軸二輪車1に体重Whの人間が搭乗した場合、図14に示すように、人間の傾き角θに応じてベース4の重量中心Mが車輪軸2を中心に傾く。このとき、車輪軸2がバランスをとるための車輪軸トルクT0は以下の式(3)で表され、姿勢を保つためのモータトルクTmは減速器12の減速比をN:1としてT0/Nで表される。
When a person with a weight Wh gets on the coaxial two-
このようにして、上述の同軸二輪車1では、上述の如くベース4の重量中心Mが車輪軸2よりも下方に位置するように構成されているため、式(3)のように、人間の体重Whによるモーメントとベース4の重量Wmによるモーメントとの差分を車輪軸トルクT0として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。
Thus, in the above-described coaxial two-
さらに、ベース4上で姿勢を保つための力学モデルについて、図15に示すX−Z座標系を用いて詳細に説明する。ここで図15では簡単のため、車輪3は1つであるものとして説明する。また、車輪3、ベース4、及びベース4上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ(x0,z0)、(x1,z1)、(x2,z2)とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれm0、m1、m2とし、慣性モーメントをI0、I1、I2とする。
Further, a dynamic model for maintaining the posture on the
定義した点Ω(σ,φ)回りの第iリンク(i=0,1,2)の各運動量は、重心位置座標を(xi,zi)とすると、以下の式(4)で表される。ここで、式(4)においてx、zの上に付されている1つの点は、x、zの1階微分であることを示している。 The momentum of the i-th link (i = 0, 1, 2) around the defined point Ω (σ, φ) is expressed by the following formula (4), where the center-of-gravity position coordinates are (x i , z i ). Is done. Here, one point given above x and z in Equation (4) indicates that it is the first derivative of x and z.
したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式(5)で表される。ここで、式(5)においてx、zの上に付されている2つの点は、x、zの2階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をgとして以下の式(6)で表される。 Accordingly, the moment due to the inertial force of all links is expressed by the following equation (5). Here, the two points on x and z in the equation (5) indicate the second-order differentiation of x and z. The moment due to gravity of all links is expressed by the following equation (6), where g is the acceleration of gravity.
この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式(7)に示すように、点Ω(σ,φ)回りのモーメントMΩが与えられる。 The sum of the moment due to the inertial force and the moment due to gravity gives a moment MΩ around the point Ω (σ, φ) as shown in Equation (7).
質量m0である車輪3の重力によるモーメントを除けば、点Ω(σ,φ)を原点にとることで、上述のモーメントMΩは車輪軸2回りのモーメントMaとなる。この車輪軸2回りのモーメントMaは、以下の式(8)で表される。
Excluding the moment due to the gravity of the
このモーメントMaを用いて上述のモーメントMΩを表せば、x0=0であるとき、すなわち車輪3の重心位置が車輪軸2上にあるとき、以下の式(9)で与えられる。
If the moment MΩ is expressed using this moment Ma, when x 0 = 0, that is, when the center of gravity of the
ここで、ZMPはモーメントMΩが0である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸2の高さをh、ZMPの座標を(σzmp,−h)として式(7)に代入すると、以下の式(10)のようになる。この式(10)をσzmpについて解くことで、ZMPをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。
Here, ZMP is defined as a point on the floor where the moment MΩ is zero. Therefore, when the height of the
また、上述した式(9)にZMPの座標(σzmp,−h)を代入すると、以下の式(11)のようになる。なお、この式(11)は、車輪軸2回りのモーメントのつり合いの式を示す。
Further, when the ZMP coordinates (σzmp, −h) are substituted into the above equation (9), the following equation (11) is obtained. In addition, this Formula (11) shows the formula of the balance of the moments around the
ここで、ZMPに作用する力を図16に図示する。図16において、FNは床反力、FTは転がり摩擦力、FはFNとFTとの合成ベクトルを表す。なお、床反力FNは実際には車輪3の接地面全体に分布するが、図16ではZMPに集約するものとして表している。この図から車輪軸2回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式(12)のようになる。
Here, the force acting on the ZMP is illustrated in FIG. In FIG. 16, FN represents a floor reaction force, FT represents a rolling friction force, and F represents a combined vector of FN and FT. Note that the floor reaction force FN is actually distributed over the entire ground contact surface of the
なお、この式(12)に、以下の式(13)〜(15)を代入すると、上述した式(11)と同じものになる。 If the following formulas (13) to (15) are substituted into the formula (12), the formula (11) is the same as the above-described formula (11).
ベース4上の姿勢が安定するには、式(12)においてσzmp=0となればよい。すなわち、車輪軸トルクT0=−FT*hが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、T0=FT=0を満たす以下の式(16)に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。
In order to stabilize the posture on the
このとき、x0、x1は、機構構造により一意に定まるが、m2、I2、x2、z2は、人間であるため不定値である。このm2、I2、x2、z2によるベース4上でのモーメントMtは、以下の式(17)で与えられる。但し、ベース4は、図17のように水平に保たれるものとする。
At this time, x 0 and x 1 are uniquely determined by the mechanism structure, but m 2 , I 2 , x 2 , and z 2 are undefined values because they are human. The moment Mt on the
ここで、負荷が人間である場合には角速度ω2が十分に小さいため、ω2≒0と近似すると、式(18)においてx2とその2階微分値をゼロにするときモーメントMtがゼロになる。x2とその2階微分値をゼロにすることは、ベース4上での負荷荷重トルクT1がゼロとなるようにx0及びx1を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクT1によるモーメントMtは、力F2でベース4上の作用点(xf,L)に作用することと等価である。したがって、このxfをゼロにするx0、x1を与えることができればT1=0となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。
Here, when the load is a human, the angular velocity ω 2 is sufficiently small. Therefore, when approximating ω 2 ≈0, the moment Mt is zero when x 2 and its second-order differential value are zero in the equation (18). become. that the x 2 and its second-order differential value to zero, may be considered equivalent to load induced torque T 1 of the on the
図17に示すように、ベース4上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクTmを与えることによりx0=x1を保つように制御されているとき、xf=x0となるようにモータトルクTmを制御することで姿勢を安定に保つことができる。
As shown in FIG. 17, when feedback control is performed on the gyro sensor signal on the
具体的には、誤差Ef=xf−x0とするとき、Ef>0であればx0を正の方向に変位させるためにモータトルクTmを負として機体を前進させ、Ef<0であればx0を負の方向に変位させるためにモータトルクTmを正として機体を後退させることで、誤差Efをゼロに収束させることができる。すなわち、A0を正の定数として、Tm=−A0*EfとなるモータトルクTmを与えることでEfをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
Specifically, when the error Ef = xf-x 0, Ef > a x 0 if 0 to advance the machine body of the motor torque Tm to be displaced in the positive direction as negative, if Ef <0 the motor torque Tm to displace the x 0 in the negative direction by retracting the fuselage as positive, it is possible to converge the error Ef to zero. That is, A 0 is a positive constant, the Ef by giving the motor torque Tm to be Tm = -
実際には、例えば図18のようにベース4がピッチ軸回りに角度θ0だけ傾いた場合、体重Mの人間によりT1(=Mτ×L)の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクT1と逆方向の車輪軸トルクT0を与えるようにモータトルクTmを制御することで、ZMPを車輪3の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
Actually, for example, when the
ここで、ベース4上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常1〜2秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクT1は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ10に加算し、負荷変動に対してベース4の角度を一定に保つ必要がある。
Here, when a person rides on the
そこで、上述の同軸二輪車1は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置16内に図19に示すような制御機構を有している。図19において、減算器20では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ13及び加速度センサ14によって検出した現在のベース角度θ0との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器21に供給される。姿勢制御器21は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0とからモータトルク電流値Tgyr[A]を計算する。
Therefore, the above-described coaxial two-
また、調整器22では、圧力センサ15のセンサ信号PS1、PS2、PS3、PS4を用いて負荷荷重トルクT1を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値T1′/Km[A]を計算する。ここでKmはモータ定数[Nm/A]である。負荷の重心座標が(Xg、Yg)であり、負荷重量がWgである場合、推定負荷荷重トルクT1′は、以下の式(18)のように与えられる。
Further, the
そして減算器23では、モータトルク電流値Tgyrと推定負荷荷重トルク電流値T1′/Kmとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流I[A]としてモータ24に与えられる。モータ24はこのモータ電流Iによって回転することによりモータトルクTmを発生し、加算器25では、このモータトルクTmと負荷荷重トルクT1とが加算されてベース26に伝えられる。
Then, the
このように、負荷荷重トルクT1を相殺するためのモータトルクTmをモータ24に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。 Thus, by adding the motor torque Tm to cancel the load induced torque T 1 to the motor 24, at the time of stopping it can be kept constant base angle to the load fluctuation.
以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、上述の同軸二輪車1は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二輪構造の制御機構を有している。
Although the posture stability control can be performed by the above control mechanism, in order to travel in this state, a control mechanism for travel control is further required. Therefore, the above-described coaxial two-
このような二輪構造の制御機構の物理モデルを図20に示す。なお、この図20においても、簡単のため、車輪3は1つであるものとして説明する。図20に示すように、ベース4にはジャイロセンサ13、加速度センサ14、圧力センサ15等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ30、ロータリエンコーダ31、モータロータ32が存在し、モータロータ32の回転は減速器33及びジョイント34を介して車輪3に伝達される。
A physical model of such a two-wheel structure control mechanism is shown in FIG. In FIG. 20, for the sake of simplicity, description will be made assuming that there is one
姿勢制御/調整器40は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ13及び加速度センサ14によって検出した現在のベース角度θ0、及び圧力センサ15のセンサ信号PS1、PS2、PS3、PS4から、上述したモータトルクTgyr及び推定負荷荷重トルクT1′を計算する。また、モータ制御器41は、走行指令であるモータロータ32の回転位置指令Prefとロータリエンコーダ31によって検出したモータロータ32の現在の回転位置θrとから、走行のためのモータトルクを計算する。
The posture controller /
そして、加算器42において、モータトルクTgyr及び推定負荷荷重トルクT1′と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ32に供給される。
The
ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、X軸方向の加速度Axに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、X軸加速度Axがゼロのときベース4が水平になるように、X軸加速度Axが正のときベース4を前方に傾けるように、X軸加速度Axが負のときベース4を後方に傾けるように、それぞれ設定される。
Here, the base angle command θref described above is a target value of the base angle that is set according to the acceleration Ax in the X-axis direction so that the passenger can ride stably. Specifically, the
そこで、例えばX軸加速度Axが正の場合、図21に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にZMPが位置するようにベース4を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、X軸加速度Axに比例して変化する。
Therefore, for example, when the X-axis acceleration Ax is positive, as shown in FIG. 21, when the
制御機構のブロック図を図22に示す。減算器50では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ13(及び加速度センサ14)によって検出した現在のベース角度θ0との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器51に供給される。姿勢制御器51は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0とからモータトルクTgyrを計算し、このモータトルクTgyrを加算器54に供給する。
A block diagram of the control mechanism is shown in FIG. In the
一方、減算器52では、走行指令であるモータロータ57の回転位置指令Prefとロータリエンコーダ58によって検出したモータロータ57の現在の回転位置θrとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器53に供給される。モータ制御器53は、この回転位置指令Prefと現在の回転位置θrとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器54に供給する。
On the other hand, the
また、ベース4に負荷荷重トルクT1が加えられると、圧力センサ15のセンサ信号PS1、PS2、PS3、PS4が調整器55に供給され、調整器55は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクT1′を計算する。
When the load torque T 1 is applied to the
加算器54では、姿勢制御器51からのモータトルクTgyrとモータ制御器53からのモータトルクとが加算され、減算器56では、この加算値から推定負荷荷重トルクT1′が減算される。これが最終的なモータトルクTmとなり、モータロータ57に与えられる。加算器59では、このモータトルクTmの反作用力と負荷荷重トルクT1とが加算され、この加算値がモータステータ/ベース60に与えられる。
The
モータロータ57は、モータトルクTmに応じて回転制御される。このモータロータ57の回転位置θrは、減速比N:1の減速器61によって1/Nに変換され車輪3に伝達される。すなわち、車輪3の回転位置θwは、モータロータ57の回転位置θrの1/Nである。ロータリエンコーダ58は、このモータロータ57の回転位置θrを検出し、検出信号を減算器52に供給する。
The rotation of the
一方、モータステータ/ベース60には、上述したように、モータトルクTmの反作用力と負荷荷重トルクT1との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ/ベース60の傾動は抑えられる。
On the other hand, the motor stator /
図23は、図22に示したブロック図における処理を、ラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器51には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0との偏差が与えられ、モータ制御器53には、モータロータ57の回転位置指令Prefと現在の回転位置θrとの偏差が与えられる。この姿勢制御器51及びモータ制御器53では、例えばPID(比例・積分・微分)演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。
FIG. 23 represents the process in the block diagram shown in FIG. 22 as a mathematical model using a Laplace operator. As described above, the
すなわち、Kp0、Kp1が比例ゲインとなり、Ki0、Ki1が積分ゲインとなり、Kd0、Kd1が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Prefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ57は、比例ゲインKp0,Kp1を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインKp0、Kp1を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Prefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。
That is, Kp 0 and Kp 1 are proportional gains, Ki 0 and Ki 1 are integral gains, and Kd 0 and Kd 1 are differential gains. With these control gains, the followability of the motor responding to the attitude command θref and the travel command Pref changes. For example, when the proportional gains Kp 0 and Kp 1 are reduced, the
また、モータロータ57には、姿勢制御器51からのモータトルクとモータ制御器53からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクT1′が減算されたモータトルクTmが与えられ、回転角度θrだけ回転する。ここで、Jrはモータロータ57のイナーシャ(inertia)であり、Drはモータロータ57の粘性抵抗(ダンパ係数)である。
The
一方、モータステータ/ベース60には、上述の如くモータトルクTmの反作用力と負荷荷重トルクT1との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Jはモータステータ/ベース60のイナーシャであり、Dはモータステータ/ベース60の粘性抵抗(ダンパ係数)である。
On the other hand, the motor stator /
この図23に示した数学モデルは、より詳細には例えば図24に示すようになる。図24に示すように、姿勢制御器70は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0との偏差に対してPID制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクTgyrを生成し、モータ制御器71は、モータ10の回転位置指令Prefと現在の回転位置θrとの偏差に対してPID制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。
More specifically, the mathematical model shown in FIG. 23 is as shown in FIG. As shown in FIG. 24, the
また、調整器72は、圧力センサ15のセンサ信号から推定負荷荷重トルクT1′を生成する。加算器73ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクTmがモータ10に与えられる。モータ10は、このモータトルクTmにより回転駆動され、その回転が減速比16:1の減速器74によって1/16に変換され車輪3に伝達される。
Further, the
以上、図20乃至図24では、簡単のため車輪3が1つであるものとして説明したが、左右2つの車輪3R,3Lを有する実際の同軸二輪車1では、例えば図22における姿勢制御器51が左右の車輪3R,3Lで共通に用いられる一方で、モータ制御器53が左右独立に設けられる。
As described above, in FIG. 20 to FIG. 24, it is assumed that there is one
この場合の制御機構のブロック図を図25に示す。ジャイロセンサ13からのセンサ値ωpは例えば通過帯域が0.1〜50Hzであるバンドパスフィルタ(BPF)80を介して角度算出器82に送られ、加速度センサ14からのセンサ値αpは例えば遮断周波数が0.1Hzのローパスフィルタ(LPF)81を介して角度算出器82に送られる。角度算出器82では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ0が算出される。
A block diagram of the control mechanism in this case is shown in FIG. The sensor value ωp from the
また、減算器83では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器84に供給される。姿勢制御器84は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ0とから、上述したモータトルクTgyrを計算する。
Further, the
一方、減算器85Rでは、右車輪3R用の走行指令であるモータロータ92Rの回転位置指令Prefrとロータリエンコーダ93Rによって検出したモータロータ92Rの現在の回転位置θrとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器86Rに供給される。位置比例制御器86Rは、この偏差に対して位置比例(P)制御を行い、比例制御結果を減算器87Rに供給する。
On the other hand, the
また、微分器88Rは、ロータリエンコーダ93Rから供給されたモータロータ92Rの回転位置θrを微分し、微分結果を減算器87Rに供給する。そして減算器87Rでは、位置比例制御器86Rからの比例制御結果と微分器88Rからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器89Rに供給される。速度比例制御器89Rは、この偏差に対して速度比例(P)制御を行い、比例制御結果を加算器90Rに供給する。
The
加算器90Rでは、この比例制御結果とモータトルクTgyrと調整器94において圧力センサ15のセンサ信号PS1、PS2、PS3、PS4から求めた推定負荷荷重トルクT1′とが加算され、加算値が電流制御アンプ91Rに供給される。電流制御アンプ91Rは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ92Rを駆動する。このモータロータ92Rの回転位置は、減算器85Rと共に微分器88Rに供給される。左車輪3Lについても同様であるため、説明を省略する。
In the
このように、上述の同軸二輪車1では、左右の車輪3R,3Lで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
Thus, the above-described coaxial two-
次に、上述の同軸二輪車1における速度制御について説明する。
Next, speed control in the above-described coaxial two-
上述したように、上述の同軸二輪車1では、ベース4の四隅に設けられた4つの圧力センサ151〜154のセンサ信号PS1、PS2、PS3、PS4からベース4上の負荷の重心座標(Xg,Yg)とその負荷重量Wgとを検出し、負荷荷重トルクT1を求めているが、さらに、この重心座標(Xg,Yg)を走行する方向、速度の制御指令として用いる。具体的には、負荷重量Wgが所定の値以上である場合に、重心位置のX座標Xgに基づき速度指令Vxを変化させる。
As described above, in the coaxial two-
その様子を図26に示す。ここで図26において、X3からX1までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪3の路面との接地面のX座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Wgが大きいときや車輪3のガス圧が低いときには車輪3の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域(不感帯)を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。
This is shown in FIG. Here in FIG. 26, the range from X 3 to X 1 is stopping area, the command speed to zero within this range. This stop area is preferably the X coordinate range of the contact surface with the road surface of the
X座標がX1以上になると、前進最大速度SfMAX に達するまで、X座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、X座標がX2以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。 If X-coordinate is X 1 or more, until it reaches the maximum forward speed SFmax, command speed is increased in accordance with the magnitude of the X coordinate. Further, X-coordinate is forcibly decelerate to a stop becomes X 2 or more, and stops until stabilizing the posture at the stop area again. Thus, by providing the area where the vehicle is forcibly decelerated and stopped, the safety of the passenger when traveling at the maximum speed can be ensured.
同様に、X座標がX3以下になると、後退最大速度SbMAXに達するまで、X座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度SbMAXは、前進最大速度SfMAXよりも小さいことが好ましい。また、X座標がX4以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。 Similarly, when the X coordinate is X 3 below, until reaching the retracted maximum speed SB max, the command speed is increased in accordance with the magnitude of the X coordinate. The maximum reverse speed SbMAX is preferably smaller than the maximum forward speed SfMAX. Further, X-coordinate is forcibly decelerate to a stop becomes X 4 below, to stop until stabilizing the posture at the stop area again.
X座標がX1からX2まで、或いはX3からX4までの間では、そのX座標Xgに応じて、例えば以下の式(19)により、モータ10Rの回転位置指令Prefrとモータ10Lの回転位置指令Preflとが生成される。ここで、式(19)において、G0は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Wgに応じて可変にすることができる。
X coordinate from X 1 to X 2, or in the period from X 3 to X 4, in accordance with the X-coordinate Xg, for example, by the following equation (19), the rotation of the rotational position command Prefr the
なお、時刻t=0での速度指令がVx0であり、時刻t=t1での速度指令がVx1である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Vx1に到達するまでの時間をΔtとすると、時刻t(0≦t≦t1)での走行速度指令Vref(t)は、例えば以下の式(20)により算出することができる。 When the speed command at time t = 0 is Vx 0 and the speed command at time t = t 1 is Vx 1 , the acceleration is continuously changed so as not to cause mechanical resonance vibration. It is preferable to travel. In this case, assuming that the time required to reach Vx 1 is Δt, the traveling speed command Vref (t) at time t (0 ≦ t ≦ t 1 ) can be calculated by the following equation (20), for example. .
このとき、モータ10の回転位置指令Pref(t)は、式(20)の走行速度指令Vref(t)を積分した値となり、以下の式(21)に示すような5次関数で与えられる。ここで、式(21)において、Pref0は時刻t=0での回転位置指令である。
At this time, the rotational position command Pref (t) of the
また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Wgが所定の値以上である場合、重心位置のY座標Ygに基づき、例えば図27に示すように旋回速度指令Vrを変化させることもできる。ここで図27において、−Y1からY1までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。 In addition to forward / backward movement, when the load weight Wg is equal to or greater than a predetermined value, the turning speed command Vr can be changed based on the Y coordinate Yg of the center of gravity position as shown in FIG. 27, for example. Here, in FIG. 27, a range from −Y 1 to Y 1 is a stop region, and the command turning speed is set to zero within this range.
なお、この停止領域は、原点O近傍で任意に設定することができる。このように停止領域(不感帯)を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Y座標がY1以上になると、右回り最大速度CWMAXに達するまで、Y座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Y座標が−Y1以下になると、左回り最大速度CCWMAXに達するまで、Y座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。 This stop area can be arbitrarily set in the vicinity of the origin O. By providing the stop region (dead zone) in this way, it is possible to prevent the aircraft from turning due to a slight center of gravity movement that is not intended by the passenger. When the Y coordinate becomes Y 1 or more, the command turning speed increases according to the size of the Y coordinate until the clockwise maximum speed CWMAX is reached. Similarly, when the Y coordinate becomes −Y 1 or less, the command turning speed increases according to the magnitude of the Y coordinate until the counterclockwise maximum speed CCWMAX is reached.
Y座標がY1以上又は−Y1以下では、そのY座標Ygに応じて、モータ10Rの回転位置指令Rrefrとモータ10Lの回転位置指令Rreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ10Rの回転位置指令Rrefrとモータ10Lの回転位置指令Rreflとは、例えば以下の式(22)に示すような逆位相指令となる。ここで、式(22)において、G1は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Wgに応じて可変にすることができる。
When the Y coordinate is Y 1 or more or −Y 1 or less, a rotational position command Rrefr of the
一方、走行速度がゼロでない場合、モータ10Rの回転位置指令Rrefrとモータ10Lの回転位置指令Rreflとは、例えば以下の式(23),(24)に示すような同位相指令となる。ここで、式(23),(24)において、G2は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Wgに応じて可変にすることができる。
On the other hand, when the traveling speed is not zero, the rotational position command Rrefr of the
ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ10R,10Lの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪3R,3Lのガス圧の違いにより車輪3の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。
Here, when traveling on uneven road surfaces such as uneven road surfaces and inclined road surfaces, it becomes difficult to travel in the target direction given by the rotational position commands of the left and
そこで、上述の同軸二輪車1では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ13により実際の走行方向を検出し、左右のモータ10R,10Lの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。
Therefore, in the above-described coaxial two-
一例として、図28のAに示すように右車輪3Rよりも左車輪3Lの方の有効直径が短く、図28のBに示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw1[rad/sec]が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Vrefr,Vreflの加算平均をVref0としたとき、以下の式(25)、(26)に示すように、左右のモータ10R、10Lに与える回転速度指令Vrefr,Vreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式(25)、(26)において、K0は正の定数である。
As an example, the effective diameter of the
また、図28のCに示すように目標方向としてDref[rad/sec]が与えられている場合には、以下の式(27)、(28)に示すように左右の車輪に回転速度指令Vrefr、Vreflを与える。 Further, when Dref [rad / sec] is given as the target direction as shown in FIG. 28C, the rotational speed command Vrefr is applied to the left and right wheels as shown in the following equations (27) and (28). , Vrefl is given.
このようにして得られた回転速度指令Vrefr、Vreflは、それぞれ以下の式(29)、(30)により車輪の回転位置指令Prefr、Preflに変換される。ここで、式(29)、(30)において、kはサンプリング回数を表す整数であり、Pref(k)はkサンプリングでの回転位置指令を示す。 The rotational speed commands Vrefr and Vrefl thus obtained are converted into wheel rotational position commands Prefr and Prefl by the following equations (29) and (30), respectively. Here, in Expressions (29) and (30), k is an integer representing the number of samplings, and Pref (k) indicates a rotational position command in k sampling.
同様に、旋回する場合についても、左右の車輪3R、3Lのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ13により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ10R、10Lの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。
Similarly, when turning, there is a possibility that the turning speed may be shifted due to a difference in gas pressure between the left and
一例として、右車輪3Rよりも左車輪3Lの方の有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw2[rad/sec]が検出されている場合について説明する。右車輪3Rの回転位置指令Rrefr及び左車輪3Lの回転位置指令Rreflを微分した信号をそれぞれVrefr、Vreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式(31)で表される。
As an example, the case where the effective diameter of the
この場合、以下の式(32)、(33)に示すように、左右のモータ10R、10Lに与える回転位置指令Rrefr、Rreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式(32)、(33)において、G3は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Wgに応じて可変にすることができる。
In this case, as shown in the following equations (32) and (33), the airframe can be turned as intended by correcting the rotational position commands Rrefr and Rrefl given to the left and
このように、上述の同軸二輪車1では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ13により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ10R、10Lの回転速度を独立に制御することで、目標方向(旋回速度)と走行方向(旋回速度)とのずれを解消することができる。
Thus, in the above-described coaxial two-
さらにこのような同軸二輪車1のソフトウェア構成を、図29を用いて説明する。図29に示すように、最下位層のハードウェア・レイヤ150から順に、カーネル・レイヤ151、オンボディ・レイヤ152、ネットワーク・レイヤ153、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ154という階層構造で構成される。
Furthermore, the software configuration of the coaxial two-
ハードウェア・レイヤ150は、回路の階層であり、例えばモータ制御回路、中央制御回路、センサ回路の制御回路等が含まれる。カーネル・レイヤ151は、モータサーボ演算や姿勢制御演算、走行制御演算、或いはリアルタイム走行目標値演算等の各種演算を行う階層である。このハードウェア・レイヤ150及びカーネル・レイヤ151において、基本的な姿勢安定制御と走行制御とが実現される。オンボディ・レイヤ152は、走行目標値演算、障害物回避軌道の生成等を行う階層である。
The
これらの各階層は、それぞれ異なるサンプリングの制御周期で実行され、上位階層ほどその周期は長くなる。例えば最下位層のハードウェア・レイヤ150では、その制御周期が0.1msecと短い周期であるのに対して、カーネル・レイヤ151では1msec、オンボディ・レイヤ152では10msecと長い周期になっている。
Each of these hierarchies is executed with a different sampling control cycle, and the cycle becomes longer as the upper hierarchies. For example, in the
続いて、同軸二輪車1における回路の全体構成について説明する。図30に示すように、センサ回路200には、圧力センサ151〜154からのセンサ信号PS1,PS2,PS3,PS4が供給される。センサ回路200は、このセンサ信号のほか、ピッチ軸回り及びヨー軸回りの角速度を検出するジャイロセンサ13からのセンサ信号ωp,ωyawと、X,Y,Z軸方向のリニア加速度及びピッチ軸,ロール軸,ヨー軸回りの角加速度を検出する加速度センサ14からのセンサ信号Ax,Ay,Az,αp,αr,αyawとを合わせて、制御装置16に供給する。
Next, the overall circuit configuration of the coaxial two-
制御装置16は、これらのセンサ信号に基づいて、上述したようにモータトルクTgyrや、走行指令であるモータロータの回転位置指令Prefを生成し、これらを左右のモータドライバ203R,203Lに供給する。モータドライバ203R,203Lは、このモータトルクTgyr、モータロータの回転位置指令Pref等に基づいて、例えば200Wのモータ10R,10Lを駆動するための最適なモータ電流を算出し、モータ10R,10Lに供給する。このモータ10R,10Lの回転位置は、ロータエンコーダ11R,11Lによって求められ、モータドライバ203R,203Lにフィードバックされる。
Based on these sensor signals, the
サーボオン/パワースイッチ204は、制御装置16及び電源スイッチ205と接続されており、電源スイッチ205からの信号は電源管理回路206に供給される。この電源管理回路206は、バッテリ207と接続されており、制御装置16、音声処理回路201及び画像処理回路202に24Vの制御用電源を供給するほか、モータドライバ203R,203Lにモータ電源を供給する。電源管理回路206には、モータドライバ203R,203Lを介してモータ10R,10Lの回生電力が供給され、電源管理回路206は、この回生電力を用いてバッテリ207を充電する。
The servo-on /
図30に示した全体構成の詳しい内部構成を、図31を用いて説明する。図31に示すように、センサ回路200には、圧力センサ151〜154からのセンサ信号PS1,PS2,PS3,PS4、ジャイロセンサ131,132からのセンサ信号ωp,ωyaw、加速度センサ14からのセンサ信号Ax,Ay,Az,αp,αr,αyawが供給される。センサ回路200は、圧力センサ15からのセンサ信号PS1,PS2,PS3,PS4を例えば10mv/Nの圧力ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、制御装置16の重心演算部210に供給する。
A detailed internal configuration of the overall configuration shown in FIG. 30 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 31, the
また、センサ回路200は、ジャイロセンサ131,132からのセンサ信号ωp,ωyawを例えば1.6V/(rad/sec)の姿勢ゲインでゲイン調整すると共に、加速度センサ14からのセンサ信号Ax,Ay,Az,αp,αr,αyawを例えば1.6V/(rad/sec2)の姿勢ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、信号前処理部211に供給する。この信号前処理部211は、入力された信号に対してデジタルフィルタを施したり、オフセット調整や姿勢位置すなわちベース角度θ0の算出をしたりする前処理を行う。
The
重心演算部210は、圧力センサ151〜154からのセンサ信号PS1,PS2,PS3,PS4に基づいて前述したようにベース4上の負荷の重心位置座標(Xg、Yg)とその負荷重量Wgとを計算し、この重心位置座標(Xg、Yg)及び負荷重量Wgの情報を走行指令算出器212に供給すると共に、重心位置のY座標Yg及び負荷重量Wgの情報を旋回指令発生器215に供給する。
The center-of-
走行指令算出器212は、例えば図26に示したような重心位置X座標−走行速度特性に基づき速度指令Vxを生成し、回転速度指令発生器213は、この速度指令Vxに基づいて前述した5次関数演算を行うことにより、回転速度指令Vref(t)を生成する。回転速度指令発生器213は、回転位置指令Pref(t)を回転位置指令発生器214、旋回指令発生器215、及び姿勢指令発生器216に供給する。
The
旋回指令発生器215は、重心演算部210から供給された重心位置のY座標Yg及び負荷重量Wg、信号前処理部211から供給されたヨー軸回りの回転角速度ωyaw、及び回転速度指令発生器213から供給された回転速度指令Vref(t)に基づいて旋回する際の位相指令、例えばYg*G1を生成し、この位相指令を回転位置指令発生器214に供給する。
The turning command generator 215 includes the Y coordinate Yg and the load weight Wg of the center of gravity supplied from the center of
回転位置指令発生器214は、回転速度指令発生器213から供給された回転速度指令Vref(t)を積分して回転位置指令Pref(t)を生成し、左右のモータドライバに回転位置指令Prefr(t),Prefl(t)を供給する。この際、回転位置指令発生器214は、旋回指令発生器215からの位相指令を考慮して回転位置指令Prefr(t),Prefl(t)を生成する。
The rotational
姿勢指令発生器216は、回転速度指令発生器213から供給された回転速度指令Vref(t)に基づき、図21を用いて説明したように姿勢指令であるベース角度指令θrefを計算し、このベース角度指令θrefを減算器217に供給する。減算器217では、このベース角度指令θrefから信号前処理部211で求められた現在のベース角度θ0が減算され、偏差が姿勢制御器218に供給される。姿勢制御器218は、この偏差を元にしてPID制御を行い、モータトルクTgyrを求める。
The
なお、PID制御を行う際には、ベース4上の負荷重量Wgに応じてPIゲインを変更するようにしてもよい。具体的には、負荷重量Wgが大きくなると比例ゲインを大きくし、積分ゲインを小さくすることが好ましい。姿勢制御部218は、このモータトルクTgyrを左右のモータドライバ203R,203Lに供給する。
When performing PID control, the PI gain may be changed according to the load weight Wg on the
右車輪3R用のモータドライバ203Rにおいて、減算器230Rでは、モータ10R用の走行指令である回転位置指令Prefrとロータリエンコーダ11Rによって検出したモータ10Rの現在の回転位置θrとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器231Rに供給される。位置比例制御器231Rは、この偏差に対して位置比例(P)制御を行い、比例制御結果を減算器232Rに供給する。また、微分器233Rは、ロータリエンコーダ11Rから供給されたモータ10Rの回転位置θrを微分し、微分結果を減算器232Rに供給する。
In the
そして減算器232Rでは、位置比例制御器231Rからの比例制御結果と微分器233Rからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例・積分制御器234Rに供給される。速度比例・積分制御器234Rは、この偏差に対して速度比例・積分(PI)制御を行い、比例・積分制御結果を加算器235Rに供給する。加算器235Rでは、この比例・積分制御結果とモータトルクTgyrとが加算され、加算値が電流制御アンプ236Rに供給される。
The subtractor 232R takes a deviation between the proportional control result from the position
電流制御アンプ236Rは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、例えば200Wのモータ10Rを駆動する。このモータ10Rの回転位置は、減算器230Rと共に微分器233Rに供給される。左車輪3Lについても同様であるため、説明を省略する。
The
電源管理回路206は、例えば24Vのバッテリ207と接続されており、制御装置16に24V,1Aの制御用電源を供給するほか、モータドライバ203R,203Lにそれぞれ24V,30Aのモータ電源を供給する。電源管理回路206には、モータドライバ203R,203Lを介してモータ10R,10Lの回生電力が供給され、電源管理回路206は、この回生電力を用いてバッテリ207を充電する。
The
以上説明したように、本願発明者が先に提案した同軸二輪車1では、ジャイロセンサ13及び加速度センサ14を用いてベース4の角度制御を行うモータトルクTgyrと、圧力センサ15を用いて負荷荷重トルクを相殺するモータトルクT1'とを生成する、左右の車輪3R,3Lで共通な姿勢制御器と、圧力センサ15を用いて走行制御を行うモータトルクを生成する、左右独立なモータ制御器とを設け、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
As described above, in the coaxial two-
また、本願発明者が先に提案した同軸二輪車1では、ベース4上の負荷の重心座標に応じて走行制御を行うが、車輪3の路面との接地面のX座標範囲、Y座標範囲に停止領域(不感帯)を設けているため、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退・旋回することを防止することができる。
Moreover, in the coaxial two-
さらに、本願発明者が先に提案した同軸二輪車1では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ13により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ10R,10Lの回転速度を独立に制御することで、目標方向(旋回速度)と走行方向(旋回速度)とのずれを解消することができる。
このような同軸二輪車による走行装置を、本願出願人は先に提案した。
Further, in the coaxial two-
The applicant of the present application has previously proposed a traveling device using such a coaxial two-wheeled vehicle.
ところで上述のような走行装置において、急な旋回をすると搭乗者は遠心力により転倒する虞がある。すなわち上述の特許文献1の装置では、旋回は装置の操作アームに取り付けられた旋回スイッチにより左右へのコーナーリングや旋回を実施している。この場合、操作する人間は常に旋回するには手の操作によるものが必要となる。このため急な旋回をすると搭乗者は遠心力により転倒する問題がある。
By the way, in a traveling device as described above, a passenger may fall down due to centrifugal force when making a sudden turn. That is, in the above-described device of
また、上述の本願発明者が先に提案した同軸二輪車1は、人間の重心バランスだけで自在に方向変更する装置である。この場合においても、体重移動により旋回することができるので旋回するときに生じる遠心力とバランスが取れる姿勢で安全に旋回することができるように旋回速度を制御する必要が生じるものである。
Moreover, the coaxial two-
この出願はこのような点に鑑みて成されたものであって、解決しようとする問題点は、従来の装置では、急な旋回をすると搭乗者は遠心力により転倒する虞があったというものである。 This application has been made in view of the above points, and the problem to be solved is that in a conventional device, the passenger may fall down due to centrifugal force when making a sudden turn. It is.
このため本発明においては、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行う際の、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知し、車輪の回転数を制限するようにしたものであって、これによれば、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができる。 For this reason, in the present invention, it is detected that the center of gravity is approaching the position of the wheel when turning according to the left and right movement of the center of gravity, and the rotational speed of the wheel is limited. Thus, it is possible to prevent a sudden turn that would cause the occupant to fall down due to centrifugal force, and to always achieve stable traveling.
請求項1の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知して複数の車輪の回転数を所定の制限値に制限する制御手段を有することにより、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができるものである。 According to the first aspect of the present invention, there is provided means for independently driving a plurality of wheels and a casing for connecting the plurality of wheels, and the casing is provided with means for detecting movement of the center of gravity of the passenger. A traveling device that travels by setting the rotational speeds of a plurality of wheels according to the detected information on the movement of the center of gravity. By having a control means that detects that the position of the wheel has been approached and limits the number of rotations of the plurality of wheels to a predetermined limit value, a sudden turn that causes the rider to fall down due to centrifugal force is generated beforehand. It is possible to prevent and always achieve stable running.
また、請求項2の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。
Further, according to the invention of
請求項3の発明によれば、走行加速度を検出する手段が筐体に設けられ、検出された走行加速度に応じて筐体の角度を制御し、搭乗者の安定を図ることによって、より安定な走行を実現することができるものである。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、旋回走行の速度を検出する手段が筐体に設けられ、検出された旋回速度に応じて複数の車輪の回転数の制限値を変化させることによって、円滑な走行を行うことができるものである。
According to the invention of
請求項5の発明によれば筐体に、X軸、Y軸、Z軸の加速度を検出する加速度センサとピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸の角速度を検出するジャイロセンサを設け、筐体の走行時の加速度及び角速度を検出して筐体の角度及び走行加速度を制御することによって、常に良好な走行を行うことができるものである。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、筐体の上にテーブルを設けると共に、このテーブルの四隅に圧力センサを設け、これらの圧力センサの出力により搭乗者の重心位置の移動をリアルタイムに検出することによって、常に安定な走行を可能にすることができるものである。
According to invention of
請求項7の発明によれば、旋回走行の速度と重心位置の情報から重心ベクトルを求め、この重心ベクトルの路面への接地点が車輪と路面との接地点となるように制御することによって、安定かつ良好な走行を行うことができるものである。
According to the invention of
さらに請求項8の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知して複数の車輪の回転数に所定の制限を行うようにしたことにより、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができるものである。
Further, according to the invention of
また、請求項9の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。 According to the invention of claim 9, the plurality of wheels are composed of two wheels whose rotation axes are arranged in a straight line, and the setting of the number of rotations of the plurality of wheels includes an element for keeping the casing horizontal, It is possible to perform stable running.
請求項10の発明によれば、筐体の走行加速度が検出され、検出された走行加速度に応じて筐体の角度を制御し、搭乗者の安定を図ることによって、より安定な走行を実現することができるものである。
According to the invention of
請求項11の発明によれば、筐体の前記旋回走行の速度が検出され、検出された旋回速度に応じて複数の車輪の回転数の制限値を変化させることによって、円滑な走行を行うことができるものである。 According to the eleventh aspect of the present invention, the turning speed of the casing is detected, and smooth running is performed by changing the limit values of the rotational speeds of the plurality of wheels according to the detected turning speed. It is something that can be done.
請求項12の発明によれば、筐体の、X軸、Y軸、Z軸の加速度とピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸の角速度を検出して筐体の角度及び走行加速度を制御することによって、常に良好な走行を行うことができるものである。 According to the invention of claim 12, by detecting the X-axis, Y-axis, and Z-axis accelerations of the casing and the angular velocities of the pitch axis, the yaw axis, and the roll axis, the angle of the casing and the traveling acceleration are controlled. It is something that can always make good running.
請求項13の発明によれば、筐体の上に設けられるテーブルの四隅の圧力を測定して、搭乗者の重心位置の移動をリアルタイムに検出することによって、常に安定な走行を可能にすることができるものである。
According to the invention of
請求項14の発明によれば、旋回走行の速度と重心位置の情報から重心ベクトルを求め、この重心ベクトルの路面への接地点が車輪と路面との接地点となるように制御することによって、安定かつ良好な走行を行うことができるものである。
According to the invention of
これによって、従来の装置では、急な旋回をすると搭乗者は遠心力により転倒する虞があったものを、本発明によればこのような問題点を容易に解消することができるものである。 Thus, according to the present invention, the conventional apparatus can easily eliminate such a problem that the passenger may fall by centrifugal force when making a sudden turn.
以下、図面を参照して本発明を説明するに、図1は本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す正面図(A)及び側面図(B)である。 The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view (A) and a side view (B) showing a configuration of an embodiment of a coaxial two-wheeled vehicle to which a traveling device and a control method thereof according to the present invention are applied. It is.
図1において、例えば左右2個の車輪101、102が設けられる。これらの左右の車輪101、102は、テーブル(筐体)103によって、それぞれの車軸104、105が一直線上になるように配置される。さらにテーブル103には、左右のモータ106、107がそれぞれ車輪101、102に近接して配置され、これらの左右のモータ106、107の回転軸108、109がそれぞれ伝達部(減速機)110、111を通じて車軸104、105に連結されて、車輪101、102が回転駆動されるようになっている。
In FIG. 1, for example, left and
また、テーブル103には、搭乗者の姿勢を検出するためのジャイロセンサや加速度センサ等のセンサ回路112が搭載される。そしてこのセンサ回路112にて検出されたセンサ信号が制御装置113に供給されてモータ106、107の駆動の制御が行われ、ロール軸及びピッチ軸に対するテーブル103の姿勢の制御が行われると共に、この制御装置113に併設される充電回路114(図示せず)による二次電池115(図示せず)への回生エネルギの充電の制御が行われる。
In addition, a
さらに本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の装置全体のシステム構成は、上述の図30に示したものと同等である。そしてこのような装置において、具体的な制御が図2のフローチャートに示すように行われる。 Furthermore, the system configuration of the entire apparatus of the embodiment of the coaxial two-wheeled vehicle to which the traveling apparatus and the control method according to the present invention are applied is the same as that shown in FIG. In such an apparatus, specific control is performed as shown in the flowchart of FIG.
すなわち図2において、動作がスタートされると、まずステップ〔1〕で搭乗者の重心位置による旋回操作が行われたか否か判断され、行われていないとき(No)はステップ〔1〕が繰り返される。そして旋回操作が行われると、ステップ〔2〕で荷重センサからの重心位置が検出される。さらにステップ〔3〕で旋回速度指令が生成される。また、ステップ〔4〕で遠心力が加算された重心位置が検出される。 That is, in FIG. 2, when the operation is started, it is first determined in step [1] whether or not a turning operation based on the position of the center of gravity of the occupant has been performed. If not (No), step [1] is repeated. It is. When the turning operation is performed, the position of the center of gravity from the load sensor is detected in step [2]. Further, a turning speed command is generated in step [3]. Further, the center of gravity position to which the centrifugal force is added is detected in step [4].
さらにステップ〔5〕で重心位置がタイヤ近くか否か判断される。そしてタイヤ近くのとき(Yes)は、ステップ〔6〕で旋回速度を減少する処理が行われる。ここでは、例えば上述の図30で、ジャイロセンサ13からのセンサ信号ωyawを、ωyaw←ωyaw×Gωとする計算が行われる。ただしGωは、0<Gω<1の定数で、遠心力の大きさに反比例して変化する値である。
In step [5], it is determined whether or not the center of gravity is near the tire. And when it is near a tire (Yes), the process which reduces turning speed at step [6] is performed. Here, for example, in FIG. 30 described above, the calculation is performed such that the sensor signal ωyaw from the
また、ステップ〔5〕で重心位置がタイヤ近くでないとき(No)は、ステップ〔7〕でωyaw←ωyawとされる。さらにステップ〔8〕で、左右輪のタイヤ速度をωyawとする車輪回転速度指令を与える。これによりステップ〔9〕で機体の旋回が実行される。さらにステップ〔10〕で走行が停止されたか否か判断され、停止していないとき(No)はステップ〔1〕に戻される。また、ステップ〔10〕で停止のときは処理が終了される。 When the center of gravity is not near the tire in step [5] (No), ωyaw ← ωyaw is set in step [7]. Further, in step [8], a wheel rotation speed command for giving the tire speed of the left and right wheels to ωyaw is given. As a result, the aircraft is turned in step [9]. Further, it is determined in step [10] whether or not traveling has been stopped. If not stopped (No), the process returns to step [1]. If the operation is stopped at step [10], the process is terminated.
このようにして、重心位置がタイヤ近くになったときに旋回速度を減少する処理が行われる。さらに具体的な処理は以下のようにして行われる。すなわち上述の装置において、荷重センサは、例えば図3のように構成されている。そしてこの構成において、重心の座標(Xg、Yg)は下式で求められる。 In this way, the process of reducing the turning speed is performed when the center of gravity is close to the tire. More specific processing is performed as follows. That is, in the above-described apparatus, the load sensor is configured as shown in FIG. 3, for example. In this configuration, the coordinates of the center of gravity (Xg, Yg) are obtained by the following equation.
W =PS1+PS2+PS3+PS4−W0 〔N〕:W0は無負荷での自重
W1=(PS1+PS4)/2−W10 〔N〕:W10は無負荷での自重
W2=(PS2+PS3)/2−W20 〔N〕:W20は無負荷での自重
W3=(PS1+PS2)/2−W30 〔N〕:W30は無負荷での自重
W4=(PS3+PS4)/2 W40 〔N〕:W40は無負荷での自重
Xg=L0*(W1−W2)/(W1+W2) 〔m〕
Yg=L1*(W3−W4)/(W3+W4) 〔m〕
W = PS1 + PS2 + PS3 + PS4-W0 [N]: W0 is its own weight without load W1 = (PS1 + PS4) / 2−W10 [N]: W10 is its own weight without load W2 = (PS2 + PS3) / 2−W20 [N]: W20 Is unloaded self weight W3 = (PS1 + PS2) / 2−W30 [N]: W30 is unloaded self weight W4 = (PS3 + PS4) / 2 W40 [N]: W40 is unloaded self weight Xg = L0 * ( W1-W2) / (W1 + W2) [m]
Yg = L1 * (W3-W4) / (W3 + W4) [m]
ここで、Wがある重さ以上にあるとき、値Xgの符号と大きさにより前進・後進が行われる。そのときの時刻tでのタイヤの指令は下式となる。
Prefx(t)=Xg×Gx×t 〔rad〕 (Gxは正の定数)
Pref1(t)=Pref2(t)=Prefx(t) 〔rad〕
Here, when W is greater than or equal to a certain weight, the forward / backward movement is performed according to the sign and size of the value Xg. The tire command at time t at that time is given by the following equation.
Prefx (t) = Xg × Gx × t [rad] (Gx is a positive constant)
Pref1 (t) = Pref2 (t) = Prefx (t) [rad]
一方、負荷トルク補正指令として負荷荷重トルクTlにより圧力センサ信号が変化し、上式により負荷荷重トルクTlは測定される。この測定値から下式によりTlを相殺するトルクを算出する。この算出した信号を荷重負荷トルク推定値T′lとする。
T′l=W×Xg/2 〔Nm〕
この演算は図22,Oの調整器により実行される。
On the other hand, the pressure sensor signal is changed by the load load torque Tl as a load torque correction command, and the load load torque Tl is measured by the above equation. From this measured value, a torque that cancels Tl is calculated by the following equation. This calculated signal is defined as a load / load torque estimated value T′l.
T′l = W × Xg / 2 [Nm]
This calculation is executed by the regulator of FIG.
さらに旋回指令の概要を説明する。すなわち圧力センサの出力を用いて旋回する場合、PMは図3の重心座標信号Ygとする。
PM=Yg
Further, an outline of the turning command will be described. That is, when turning using the output of the pressure sensor, PM is the barycentric coordinate signal Yg of FIG.
PM = Yg
ここで、時刻tでの左右の車輪の位置指令をRref1(t)、Rref2(t) [rad] とすると走行速度Prefx(t)/dtがゼロの場合、逆位相指令となり右車輪と左車輪の指令は下式となる。
Rref1(t)=PM×G0×t 〔rad〕:右車輪指令(G0は正の定数値)
Rref2(t)=−PM×G0×t 〔rad〕:左車輪指令
Here, if the position commands of the left and right wheels at time t are Rref1 (t) and Rref2 (t) [rad], if the traveling speed Prefx (t) / dt is zero, the phase command is reversed and the right wheel and the left wheel The command is as follows.
Rref1 (t) = PM × G0 × t [rad]: Right wheel command (G0 is a positive constant value)
Rref2 (t) = − PM × G0 × t [rad]: Left wheel command
従って、走行速度Prefx(t)/dtがゼロでない場合、同位相指令となり右車輪と左車輪の指令は下式となる。
Rref1(t)=Prefx(t)+PM×G1×t 〔rad〕:右車輪指令(G1は正の定数値)
Rref2(t)=Prefx(t)−PM×G1×t 〔rad〕:左車輪指令
このときRref1(t)、Rref2(t)は、Prefx(t)と符号が同じであるものとする。また、符号が異なる場合はRref1(t) 、Rref2(t)の値はゼロとする。
Therefore, when the traveling speed Prefx (t) / dt is not zero, the command is the same phase, and the commands for the right wheel and the left wheel are as follows.
Rref1 (t) = Prefx (t) + PM × G1 × t [rad]: Right wheel command (G1 is a positive constant value)
Rref2 (t) = Prefx (t) −PM × G1 × t [rad]: Left wheel command At this time, it is assumed that Rref1 (t) and Rref2 (t) have the same sign as Prefx (t). If the signs are different, the values of Rref1 (t) and Rref2 (t) are set to zero.
このRref1(t) 、Rref2(t)により左右タイヤは、図25に示す回路において回転速度Ω1とΩ2[rad/sec]で回転する。そしてこのΩ1とΩ2の差により、旋回半径Rと旋回速度ωyawが定まる。さらに旋回速度ωyawは、図26に定めた旋回速度により上限が規定されるので搭乗者は安定に姿勢を保ち旋回することができるようになる。 With these Rref1 (t) and Rref2 (t), the left and right tires rotate at the rotational speeds Ω1 and Ω2 [rad / sec] in the circuit shown in FIG. The turning radius R and the turning speed ωyaw are determined by the difference between Ω1 and Ω2. Further, since the upper limit of the turning speed ωyaw is defined by the turning speed defined in FIG. 26, the passenger can turn while maintaining a stable posture.
さらに詳細には、以下のように制御が行われる。すなわち上述の図31において、走行速度指令発生器212では五次関数演算が用いられる。そして、この走行速度指令発生器212により、時刻t=0のときに速度指令V0であるときt=t1の時刻にVxの速度になるよう連続的に速度を変化させる速度指令Vref(t)を発生する必要がある。
More specifically, the control is performed as follows. That is, in FIG. 31 described above, the traveling
そこで走行速度指令発生器212により入力信号に到達走行指令速度信号Vxが与えられるときモータの回転指令Pref (t)は下式の演算により算出する。こうして算出された回転指令Pref (t)は加速度が連続的に変化するのでシステムの振動が抑えれてる効果をもつ。
Therefore, when the travel
すなわち時刻t、到達するまでの時間Δtとすると、時刻tでの速度指令Vref(t)は下式により算出される。
Vref(t)=(1/4)t4−(2/3)Δt×t3+(1/2)Δt2×t2+V0 〔rad/sec〕
このときモータの回転指令Pref (t)は、上式のVref(t)の積分した値となり下式となる。
That is, assuming that time t and time Δt to reach are obtained, the speed command Vref (t) at time t is calculated by the following equation.
Vref (t) = (1/4) t 4 − (2/3) Δt × t 3 + (1/2) Δt 2 × t 2 + V0 [rad / sec]
At this time, the rotation command Pref (t) of the motor is a value obtained by integrating Vref (t) in the above equation, and the following equation is obtained.
ここで下式のP0はt=0での回転指令位置の値である。
Prefx(t)=∫V(t)dt+P0
=(1/20)t5−(2/12)Δt×t4+(1/6)Δt2×t3+P0
〔rad〕
Here, P0 in the following expression is the value of the rotation command position at t = 0.
Prefx (t) = ∫V (t) dt + P0
= (1/20) t 5- (2/12) Δt × t 4 + (1/6) Δt 2 × t 3 + P0
[Rad]
このようにPrefx(t)は上式により時間tの5次関数により与えられるため連続な動きで走行することができる。こうして機構的な共振振動を励磁させないように走行することが可能となる。 In this way, Prefx (t) is given by the quintic function of time t according to the above equation, so that the vehicle can travel in a continuous motion. Thus, it is possible to travel without exciting mechanical resonance vibration.
さらに図31の旋回指令発生器と走行位置指令発生器については、旋回指令は圧力センサから得られる重心位置のY軸の座標位置Ygにより行う。圧力センサ座標信号Ygの値をPMとして扱い下式によりモータを回転し旋回する。 Further, with respect to the turn command generator and the travel position command generator shown in FIG. 31, the turn command is issued based on the Y-axis coordinate position Yg of the center of gravity obtained from the pressure sensor. The value of the pressure sensor coordinate signal Yg is treated as PM, and the motor is rotated by the following equation to turn.
すなわち走行速度Vref(t)=0の場合、右車輪と左車輪の指令、Rref1、Rref2は下式のように符号が異なる逆位相指令となる。
Rref1(t)=PM×G0×t 〔rad〕:右車輪指令(G0は正の定数、PM=Yg)
Rref2(t)=−PM×G0×t 〔rad〕:左車輪指令
That is, when the traveling speed Vref (t) = 0, the commands for the right wheel and the left wheel, Rref1 and Rref2, are opposite phase commands having different signs as in the following equation.
Rref1 (t) = PM × G0 × t [rad]: Right wheel command (G0 is a positive constant, PM = Yg)
Rref2 (t) = − PM × G0 × t [rad]: Left wheel command
ここで走行速度Vref(t)≠0の場合、右車輪と左車輪の指令、Rref1(t)、Rref2(t)は下式にように符号が同じ同位相指令となる。もし下式の演算結果、Pref1とPref2の符号が異なる場合、Prefx(t)の符号と逆の符号の演算結果の指令はゼロとする。
Rref1(t)=Prefx(t)+PM×G1×t 〔rad〕:右車輪指令、但しPref1の符号とPrefxの符号は同じとする。異なる場合はPref1=0。G1は正の定数。
Rref2(t)=Prefx(t)−PM×G1×t 〔rad〕:左車輪指令、但しPref2の符号とPrefxの符号は同じとする。異なる場合はPref2=0。G1は正の定数。
Here, when the traveling speed Vref (t) ≠ 0, the commands for the right wheel and the left wheel, Rref1 (t), and Rref2 (t) are in-phase commands having the same sign as in the following equation. If the sign of Pref1 and Pref2 is different as a result of the calculation of the following formula, the instruction of the calculation result of the sign opposite to the sign of Prefx (t) is set to zero.
Rref1 (t) = Prefx (t) + PM × G1 × t [rad]: Right wheel command, where Pref1 and Prefx have the same sign. If different, Pref1 = 0. G1 is a positive constant.
Rref2 (t) = Prefx (t) −PM × G1 × t [rad]: Left wheel command, where the code of Pref2 and the code of Prefx are the same. If different, Pref2 = 0. G1 is a positive constant.
次に、旋回速度ωyawの制御を加えることにより、路面状況や左右車輪の空気圧差による旋回速度の誤差を小さくするため、旋回速度制御ωyawをする。上式により得たRref1(t)、 Rref2(t)を下記の制御演算して、旋回速度制御を行うことができる。ここで機体の旋回速度はテーブルに実装されたヨー軸のジャイロセンサにより検出されるヨー軸ジャイロセンサ信号をθyawとする。 Next, the turning speed control ωyaw is performed in order to reduce the turning speed error due to the road surface condition and the air pressure difference between the left and right wheels by adding the control of the turning speed ωyaw. The turning speed control can be performed by performing the following control calculation on Rref1 (t) and Rref2 (t) obtained by the above equation. Here, the yaw axis gyro sensor signal detected by the yaw axis gyro sensor mounted on the table is θyaw.
すなわちRref1(t)、Rref2(t)の微分した信号をVref1(t)、Vref2(t)とすると、θyaw信号とVref1(t)、 Vref2(t)を比較して下式の演算をすることにより旋回速度ωyawを制御することができる。
ωerr=(Vref1(t)−Vref2(t))−θyaw 〔rad/sec〕
Rref1(t)=Prefx(t)+PM×G1×t−ωerr×G2×t〔rad〕:右車輪指令(G2は正の定数)
Rref2(t)=Prefx(t)−PM×G1 ×t+ωerr×G2×t〔rad〕:左車輪指令
That is, if the differentiated signals of Rref1 (t) and Rref2 (t) are Vref1 (t) and Vref2 (t), the θyaw signal is compared with Vref1 (t) and Vref2 (t), and the following calculation is performed. Thus, the turning speed ωyaw can be controlled.
ωerr = (Vref1 (t) −Vref2 (t)) − θyaw [rad / sec]
Rref1 (t) = Prefx (t) + PM × G1 × t−ωerr × G2 × t [rad]: Right wheel command (G2 is a positive constant)
Rref2 (t) = Prefx (t) −PM × G1 × t + ωerr × G2 × t [rad]: Left wheel command
このRref1(t) 、Rref2(t)により、左右タイヤは回転速度Ω1とΩ2[rad/sec]で回転する(図25参照)。このΩ1とΩ2の差により旋回半径Rと旋回速度ωyawが定まる。また、旋回速度ωyawは、図26に定めた旋回速度により上限が規定されるので搭乗者は安定に姿勢を保ち旋回することができるようになる。 With these Rref1 (t) and Rref2 (t), the left and right tires rotate at rotational speeds Ω1 and Ω2 [rad / sec] (see FIG. 25). The turning radius R and turning speed ωyaw are determined by the difference between Ω1 and Ω2. In addition, the upper limit of the turning speed ωyaw is defined by the turning speed defined in FIG. 26, so that the passenger can keep a stable posture and turn.
実際の機体旋回速度は機体に内蔵したヨー軸ジャイロセンサにより検出され、上記演算で求められた転倒する危険な旋回速度と比較し実際の機体旋回速度が危険旋回速度を超えるとき、上記Rref1(t)、 Rref2(t)の差分値、または速度を小さくして遠心力の作用を小さくし搭乗者を安定に姿勢を保つようにできる。下式にその演算式を示す。 The actual aircraft turning speed is detected by the yaw axis gyro sensor built in the aircraft, and when the actual aircraft turning speed exceeds the dangerous turning speed compared with the dangerous turning speed determined by the above calculation, the above Rref1 (t ), The difference value of Rref2 (t), or the speed can be reduced to reduce the action of the centrifugal force, so that the occupant can be kept in a stable posture. The calculation formula is shown below.
eref=Rref1(t-1)−Rref2(t-1)、ここで(t−1)とは時刻t−1時間での指令値。
Rref1(t)=Rref1(t-1)−eref 〔rad〕
Rref2(t)=Rref2(t-1)+eref 〔rad〕
または、
Rref1(t)=Rref1(t-1)×G3 〔rad〕 :G3は、0≦G3<1の減衰係数。
Rref2(t)=Rref2(t-1)×G3 〔rad〕
eref = Rref1 (t−1) −Rref2 (t−1), where (t−1) is a command value at time t−1.
Rref1 (t) = Rref1 (t-1) -eref [rad]
Rref2 (t) = Rref2 (t-1) + eref [rad]
Or
Rref1 (t) = Rref1 (t−1) × G3 [rad]: G3 is an attenuation coefficient of 0 ≦ G3 <1.
Rref2 (t) = Rref2 (t-1) × G3 [rad]
従ってこの実施形態において、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行う際の、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知し、車輪の回転数を制限するようにしたことによって、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができる。 Therefore, in this embodiment, when the vehicle is turning according to the left / right movement of the center of gravity, it is detected that the center of gravity has approached the position of the wheel, and the number of rotations of the wheel is limited. It is possible to prevent a sudden turn that would cause a person to fall down due to centrifugal force, and to always achieve stable running.
これによって、従来の装置では、急な旋回をすると搭乗者は遠心力により転倒する虞があったものを、本発明によればこのような問題点を容易に解消することができるものである。 Thus, according to the present invention, the conventional apparatus can easily eliminate such a problem that the passenger may fall by centrifugal force when making a sudden turn.
なお上述の実施形態において、旋回速度調整係数Gωの変化は図4に示すようになる。すなわち上述の荷重センサの荷重信号においては、遠心力と人の重量が合成された力がベースに作用する。この作用点を検出すると、遠心力で人が転倒する場合、重心位置は図5のようにタイヤ位置に接近するようになる。ここで重心位置がタイヤ位置よりも外に出ると人は転倒する。この転送を防ぐために、図4のような旋回速度調整係数Gωを調整し、旋回するときに重心位置がタイヤ位置に近づかないよう旋回速度を抑えることにより、人は安定に旋回することができるようになる。 In the above-described embodiment, the change in the turning speed adjustment coefficient Gω is as shown in FIG. That is, in the load signal of the above-described load sensor, a force obtained by combining the centrifugal force and the human weight acts on the base. When this action point is detected, when a person falls due to centrifugal force, the position of the center of gravity approaches the tire position as shown in FIG. Here, if the position of the center of gravity goes outside the tire position, the person falls. In order to prevent this transfer, a person can turn stably by adjusting the turning speed adjustment coefficient Gω as shown in FIG. 4 and suppressing the turning speed so that the center of gravity does not approach the tire position when turning. become.
さらに図6には、重心位置と旋回速度と荷重位置の関係を示す。図6で搭乗者の重心位置に作用する遠心力ベクトルTcenと重力ベクトルm2が合成した力のベクトルFmcの路面上に作用するZMP位置が両タイヤ間の接地位置よりも外にある場合テーブル本体と搭乗者は遠心力により遠心方向に転倒する。また図6のZMP位置が両タイヤ間にある場合は姿勢を安定に保つことができる。 Furthermore, FIG. 6 shows the relationship between the center of gravity position, the turning speed, and the load position. In FIG. 6, when the ZMP position acting on the road surface of the force vector Fmc synthesized by the centrifugal force vector Tcen and the gravity vector m2 acting on the center of gravity position of the passenger is outside the ground contact position between the two tires, The passenger falls by the centrifugal force in the centrifugal direction. Further, when the ZMP position in FIG. 6 is between both tires, the posture can be kept stable.
しかし搭乗者は姿勢を上下左右することがあり、もしくは大人や子供のように身長差により重心位置は直接実測することができない問題がある。これを解決するためにテーブル上に配置した圧力センサを用いることより路面上のZMP位置はテーブル上の荷重位置Yg1となることからYg1の位置を検出することにより、ZMPがタイヤから外の位置にあるか否かを判別することができる。 However, there is a problem that the occupant may move his / her posture up / down / left / right, or the center of gravity position cannot be directly measured due to the height difference like an adult or a child. In order to solve this, the ZMP position on the road surface becomes the load position Yg1 on the table by using a pressure sensor arranged on the table. Therefore, by detecting the position of Yg1, the ZMP is positioned outside the tire. It can be determined whether or not there is.
すなわち図6で遠心力がゼロであるときの荷重位置はYg0であるときZMPは両タイヤの間であると判断される、遠心力が生じると荷重位置はYg1に変化する。これを図6のように配置した圧力センサからテーブル上の荷重位置Yg1を検出することにより、ZMP位置が転倒する範囲を判別することができる。こうしてYg1の位置に応じて旋回速度の大きさを図4のYgと旋回速度Gωを調整することにより搭乗者を転倒から未然に防ぐことができるものである。 That is, in FIG. 6, when the load position when the centrifugal force is zero is Yg0, it is determined that ZMP is between the two tires. When the centrifugal force is generated, the load position changes to Yg1. By detecting the load position Yg1 on the table from the pressure sensor arranged as shown in FIG. 6, the range in which the ZMP position falls can be determined. Thus, by adjusting the magnitude of the turning speed in accordance with the position of Yg1 and the turning speed Gω in FIG. 4, the passenger can be prevented from falling down.
こうして上述の実施形態によれば、
1.重力中心が車輪の軸以下にあることにより、制御装置に異常が生じて動作しなくなっても機体はタイヤの摩擦により停止し機体は重心位置がもっとも安定な位置に保つようになる、このため機体はタイヤの摩擦により水平に保ち転倒しにくくなり重大な事故を未然に防ぐことができる。
2.モータにより車輪を回転するモータトルクを発生するとき、機体は重心が安定な姿勢を保ちながら機体を移動することができる。
3.モータにより車輪を回転するモータトルクを発生するとき、水平を保ちながら機体を移動することができる。
4.荷重が検出できるので荷重の変動に対して安定で一定な性能が保つとこができる。(図7参照)
5.圧力センサにより人間が搭乗しなくても安定に走行することが可能となる。
6.圧力センサによりハンドルがなくても人間が体重重心位置を移動して、その重心位置から走行方向と走行速度を決めて運転したり、静止時に左右の重心位置を変化させて旋回駆動する運転することができる。
7.ヨー軸ジャイロセンサをフィードバック制御することにより、二輪の空気圧の差によりタイヤ半径の差があっても左右の車輪の回転速度を可変して直線に走行することが可能となる。
また左右車輪の路面差があっても左右の車輪の回転速度を可変して直線に走行することが可能となる。
8.柔軟なタイヤのため路面の接地面積が大きくなり、転がり摩擦抵抗が大きくなる。このため人間が乗っても安定に立つことが可能となる。
Thus, according to the above-described embodiment,
1. Because the center of gravity is below the wheel axis, the aircraft will stop due to tire friction even if the control device malfunctions and will not operate, and the aircraft will keep the center of gravity in the most stable position. Can be kept horizontal due to the friction of the tires, making it difficult to tip over and prevent serious accidents.
2. When generating motor torque for rotating the wheels by the motor, the aircraft can move the aircraft while maintaining a stable posture with the center of gravity.
3. When generating motor torque for rotating the wheels by the motor, the aircraft can be moved while maintaining the level.
4). Since the load can be detected, it is possible to maintain a stable and constant performance against the fluctuation of the load. (See Figure 7)
5). It is possible to travel stably without a human being boarded by the pressure sensor.
6). Even if there is no handle by the pressure sensor, the human body moves the center of gravity position and determines the travel direction and travel speed based on the center of gravity position. Can do.
7). By performing feedback control of the yaw axis gyro sensor, it is possible to travel in a straight line by varying the rotational speed of the left and right wheels even if there is a difference in tire radius due to a difference in air pressure between the two wheels.
Further, even if there is a road surface difference between the left and right wheels, it is possible to travel in a straight line by changing the rotational speed of the left and right wheels.
8). A flexible tire increases the contact area of the road surface and increases rolling frictional resistance. For this reason, it is possible to stand stably even if a person rides.
さらに上述の実施形態において、使用されるタイヤ構造としては図8に示すようなものを採用することができる。図8のタイヤ構造においては、防振性をもつ柔軟な材質のゴム材(天然ゴム、クロロプレンゴム)で左右側に交互に凸部をずらして配置した凸凹のタイヤである。また、タイヤの中央部は溝になり、防振性ゴムの突起部により路面の凹凸を吸収して振動を防止する。中央部は溝となり、凹凸の面積は同じ面積比となる。 Furthermore, in the above-described embodiment, a tire structure as shown in FIG. 8 can be adopted. The tire structure shown in FIG. 8 is a rugged tire that is made of a flexible rubber material (natural rubber, chloroprene rubber) having vibration-proofing properties, with the ridges alternately arranged on the left and right sides. Moreover, the center part of a tire becomes a groove | channel, and the unevenness | corrugation of a road surface is absorbed by the projection part of a vibration-proof rubber, and a vibration is prevented. The central part is a groove, and the area of the unevenness is the same area ratio.
さらに、タイヤと路面の接地部分は機体の重さにより、凸部が変形して接触面積を大きくして転がり摩擦抵抗が大きくなるタイヤであり、タイヤがCW(時計方向)、CCW(反時計方向)に回転しても左右側の位相差により表面の凹凸があっても一様な路面抵抗を有し、機体が倒立振子の制御、またはZMP(ゼロモーメントポイント)制御によって容易に機体姿勢を制御できるようになる。なおタイヤの溝面積と突起面積は同じであるため路面と接地している部位は突起が変形して路面全体に接地して転がり摩擦が大きくなる。 Furthermore, the tire and the ground contact portion of the road surface are tires in which the convex portion is deformed due to the weight of the fuselage to increase the contact area and the rolling friction resistance is increased, and the tires are CW (clockwise) and CCW (counterclockwise). ), Even if there is unevenness on the surface due to the phase difference on the left and right sides, it has uniform road resistance, and the aircraft can easily control the attitude of the aircraft by controlling the inverted pendulum or ZMP (zero moment point) control become able to. In addition, since the groove area and the protrusion area of the tire are the same, the protrusion is deformed at a portion that is in contact with the road surface, and the entire road surface is contacted to increase rolling friction.
こうして、このようなタイヤ構造によれば、大きな転がり摩擦が得られるので安定な姿勢を保つことができる。また、こうした構造によりX軸には低剛性で、Y軸方向の剛性は高くできるので機体のY軸の振動やロール軸の揺れを小さくできるものである。 Thus, according to such a tire structure, a large rolling friction can be obtained, so that a stable posture can be maintained. In addition, such a structure allows the X-axis to have low rigidity and high Y-axis rigidity, so that the Y-axis vibration and roll axis swing of the machine can be reduced.
こうして上述の走行装置によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知して複数の車輪の回転数を所定の制限値に制限する制御手段を有することにより、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができるものである。 Thus, according to the traveling device described above, the vehicle has means for independently driving a plurality of wheels and a housing for connecting the plurality of wheels, and the housing is provided with means for detecting movement of the center of gravity of the passenger. A traveling device that travels by setting the rotational speeds of a plurality of wheels according to the detected information on the movement of the center of gravity. By having a control means that detects that the position of the wheel has been approached and limits the number of rotations of the plurality of wheels to a predetermined limit value, a sudden turn that causes the rider to fall down due to centrifugal force is generated beforehand. It is possible to prevent and always achieve stable running.
また、上述の走行装置の制御方法によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、重心位置が車輪の位置に接近したことを検知して複数の車輪の回転数に所定の制限を行うようにしたことにより、搭乗者が遠心力により転倒するような急な旋回の発生を未然に防止し、常に安定な走行を実現することができるものである。 Further, according to the above-described control method of the traveling device, the plurality of wheels are independently driven, and the housing includes a housing that connects the plurality of wheels, and the housing includes means for detecting movement of the center of gravity of the occupant. A traveling device control method that is provided and travels by setting the rotational speeds of a plurality of wheels according to detected movement information of the center of gravity, and performs turning according to left and right movement of the center of gravity position. By detecting that the position of the center of gravity has approached the position of the wheel and performing a predetermined limit on the number of rotations of the plurality of wheels, a sudden turn that causes the passenger to fall down due to centrifugal force is caused in advance. Therefore, it is possible to always achieve stable running.
なお、本発明は、重力中心が車輪の軸以下にある自律走行する車両で、姿勢センサ信号をフィードバックする姿勢制御装置により機体を安定に自律する車両に人が搭乗して体重の重心を変化させて車両を前進、後進、旋回する装置、また二足自律ロボットの装置で、ブレーキやアクセルの機構を持たない移動車両、またはロボットにも適応される。さらに本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。 The present invention is a vehicle that travels autonomously with the center of gravity below the wheel axis, and the posture control device that feeds back the posture sensor signal changes the weight center of gravity by a person riding on a vehicle that stably stabilizes the fuselage. It is a device that moves forward, reverse, or turns a vehicle, or a biped autonomous robot device, and is also applicable to a moving vehicle or robot that does not have a brake or accelerator mechanism. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
101,102…車輪、103…テーブル、104,105…車軸、106,107…モータ、108,109…回転軸、110,111…伝達部、112…センサ回路、113…制御装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101,102 ... Wheel, 103 ... Table, 104, 105 ... Axle, 106, 107 ... Motor, 108, 109 ... Rotating shaft, 110, 111 ... Transmission part, 112 ... Sensor circuit, 113 ... Control device
Claims (14)
前記重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、
前記重心位置が前記車輪の位置に接近したことを検知して前記複数の車輪の回転数を所定の制限値に制限する制御手段を有する
ことを特徴とする走行装置。 Means for independently driving a plurality of wheels; and a housing for connecting the plurality of wheels, wherein the housing is provided with means for detecting movement of the center of gravity of the occupant, and the detected center of gravity. A traveling device configured to travel by setting the rotational speeds of the plurality of wheels according to the movement information of
While turning according to the left and right movement of the center of gravity position,
A traveling device comprising: control means for detecting that the position of the center of gravity has approached the position of the wheel and limiting the rotational speed of the plurality of wheels to a predetermined limit value.
前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 The plurality of wheels are composed of two wheels whose rotational axes are arranged in a straight line,
The travel device according to claim 1, wherein the setting of the number of rotations of the plurality of wheels includes an element that keeps the casing horizontal.
前記検出された走行加速度に応じて前記筐体の角度を制御し、前記搭乗者の安定を図る
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 Means for detecting travel acceleration is provided in the housing,
The traveling device according to claim 1, wherein an angle of the housing is controlled in accordance with the detected traveling acceleration to stabilize the occupant.
前記検出された旋回速度に応じて前記複数の車輪の回転数の制限値を変化させる
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 Means for detecting the speed of the turning is provided in the housing,
The travel device according to claim 1, wherein a limit value of a rotational speed of the plurality of wheels is changed according to the detected turning speed.
前記筐体の走行時の加速度及び角速度を検出して前記筐体の角度及び走行加速度を制御する
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 The housing is provided with an acceleration sensor for detecting X-axis, Y-axis, and Z-axis accelerations and a gyro sensor for detecting angular velocities of the pitch, yaw, and roll axes.
The traveling device according to claim 1, wherein an acceleration and an angular velocity at the time of traveling of the housing are detected to control the angle and traveling acceleration of the housing.
これらの圧力センサの出力により前記搭乗者の重心位置の移動をリアルタイムに検出する
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 A table is provided on the housing, and pressure sensors are provided at the four corners of the table,
The travel device according to claim 1, wherein movement of the center of gravity of the occupant is detected in real time based on outputs of the pressure sensors.
この重心ベクトルの路面への接地点が前記車輪と路面との接地点となるように制御する
ことを特徴とする請求項1記載の走行装置。 Find the center of gravity vector from the information on the speed of the turning and the position of the center of gravity,
The traveling device according to claim 1, wherein the grounding point of the center of gravity vector to the road surface is controlled to be a grounding point between the wheel and the road surface.
前記重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、
前記重心位置が前記車輪の位置に接近したことを検知して前記複数の車輪の回転数に所定の制限を行う
ことを特徴とする走行装置の制御方法。 A plurality of wheels are independently driven, and a housing for connecting the plurality of wheels is provided, and the housing is provided with means for detecting movement of the center of gravity of the occupant, and the movement of the detected center of gravity is provided. A traveling device control method for traveling by setting the rotational speeds of the plurality of wheels according to the information of
While turning according to the left and right movement of the center of gravity position,
A method for controlling a traveling device, comprising: detecting that the position of the center of gravity has approached the position of the wheel and performing a predetermined limit on the number of rotations of the plurality of wheels.
前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 The plurality of wheels are composed of two wheels whose rotational axes are arranged in a straight line,
The method for controlling a traveling device according to claim 8, wherein the setting of the rotational speeds of the plurality of wheels includes an element that keeps the casing horizontal.
前記検出された走行加速度に応じて前記筐体の角度を制御し、前記搭乗者の安定を図る
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 The traveling acceleration of the housing is detected,
The method of controlling a traveling device according to claim 8, wherein an angle of the housing is controlled according to the detected traveling acceleration to stabilize the occupant.
前記検出された旋回速度に応じて前記複数の車輪の回転数の制限値を変化させる
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 The turning speed of the casing is detected;
The method for controlling the traveling device according to claim 8, wherein a limit value of the number of rotations of the plurality of wheels is changed in accordance with the detected turning speed.
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 9. The angle and travel acceleration of the casing are controlled by detecting the X-axis, Y-axis, and Z-axis accelerations of the casing and the angular velocities of the pitch axis, the yaw axis, and the roll axis. Method for controlling the traveling apparatus.
前記搭乗者の重心位置の移動をリアルタイムに検出する
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 Measure the pressure at the four corners of the table provided on the housing,
The method for controlling a traveling device according to claim 8, wherein the movement of the center of gravity of the passenger is detected in real time.
この重心ベクトルの路面への接地点が前記車輪と路面との接地点となるように制御する
ことを特徴とする請求項8記載の走行装置の制御方法。 Find the center of gravity vector from the information on the speed of the turning and the position of the center of gravity,
The control method for the traveling device according to claim 8, wherein the ground point of the center of gravity vector to the road surface is controlled to be a ground point between the wheel and the road surface.
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