JP2007219986A - Inversion moving device and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inversion moving device capable of traveling over a higher step, while keeping the inversion state of a vehicle body. <P>SOLUTION: The inversion moving device 10 includes: a road surface sensor 29 for detecting the step on the road surface; a gyro sensor 28 for detecting the inclination angular speed θ' of the vehicle body 20; encoders 22a, 24a for detecting the rotation angular speed of wheels 12, 14; and a controller 70. The controller 70 outputs a control command value to motors 22, 24 in response to detection values detected by the respective sensors, so that the device 10 travels on the road surface, while keeping the inversion state of the vehicle body 20. When the step is detected in a traveling direction by the road surface sensor 29, the controller 70 allows the vehicle body 20 to be inclined backward relative to the traveling direction when traveling over the step. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、1または複数の回転体と、その回転体に支持された車体と、を備え、車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立移動装置に関する。本明細書中、「倒立移動装置」とは、車体の重心が回転体の回転中心よりも上方に位置し、回転体を駆動しないと車体が倒立状態を維持できない移動装置をいう。「倒立状態」とは、車体の重心と回転体の回転中心とを結んだ直線が、鉛直方向から所定角度以上傾いていない状態をいう。「車体の傾斜角」とは、車体の重心と回転体の回転中心とを結んだ直線と、鉛直方向とが成す角度をいう。   The present invention relates to an inverted moving device that includes one or a plurality of rotating bodies and a vehicle body supported by the rotating bodies, and travels on a road surface while maintaining the vehicle body in an inverted state. In the present specification, the “inverted moving device” refers to a moving device in which the center of gravity of the vehicle body is located above the rotation center of the rotating body and the vehicle body cannot maintain an inverted state unless the rotating body is driven. The “inverted state” refers to a state in which a straight line connecting the center of gravity of the vehicle body and the rotation center of the rotating body is not inclined more than a predetermined angle from the vertical direction. The “inclination angle of the vehicle body” refers to an angle formed by a straight line connecting the center of gravity of the vehicle body and the rotation center of the rotating body and the vertical direction.

車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立移動装置として、例えば、特許文献1の倒立移動装置が知られている。この倒立移動装置は、同一回転軸上に配置された2つの車輪と、車輪によって支持される車体と、車輪を駆動させる駆動装置と、車体の傾斜角を検出する傾斜角センサと、傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて駆動装置に制御指令値を出力するコントローラとを備えている。
この倒立移動装置では、傾斜角センサが車体の傾斜角を検出する。コントローラは、検出した車体の傾斜角に基づいて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体が目標速度で走行するように駆動装置に制御指令値を出力する。駆動装置は、コントローラから出力された制御指令値に基づいて車輪を駆動する。これによって、倒立移動装置は、車体を倒立状態に維持しながら、路面上を目標の速度で走行することができる。
As an inverted moving device that travels on a road surface while maintaining the vehicle body in an inverted state, for example, an inverted moving device of Patent Document 1 is known. The inverted moving device includes two wheels arranged on the same rotation axis, a vehicle body supported by the wheels, a driving device for driving the wheels, an inclination angle sensor for detecting an inclination angle of the vehicle body, and an inclination angle sensor. And a controller that outputs a control command value to the driving device in accordance with the inclination angle detected in (1).
In this inverted moving device, the tilt angle sensor detects the tilt angle of the vehicle body. The controller maintains the inverted state of the vehicle body based on the detected inclination angle of the vehicle body, and outputs a control command value to the drive device so that the vehicle body travels at the target speed. The drive device drives the wheel based on the control command value output from the controller. Accordingly, the inverted moving device can travel on the road surface at a target speed while maintaining the vehicle body in an inverted state.

特開2004−295430号公報JP 2004-295430 A

この種の倒立移動装置では、倒立移動装置が路面上の段差を乗り越える際に、車体の倒立状態を乱す外乱力が倒立移動装置に作用する。すなわち、図14に示すように、倒立移動装置60が路面104上の段差102を乗り越えようとすると、まず、倒立移動装置60の車輪が路面上の段差102に接触する。このため、倒立移動装置60の車輪には、段差から進行方向に対して後ろ側に外乱力Fが作用する。車輪に外乱力Fが作用すると、その外乱力Fによって車輪と段差との接触点Pの周りに慣性モーメントMが発生する。慣性モーメントMが発生すると、その慣性モーメントMによって車体が前側に傾斜する(図において反時計回りに回転しようとする。)。車体に作用する慣性モーメントMが小さい場合は、コントローラによって慣性モーメントMを打ち消すように駆動輪が駆動されるので、車体は倒立状態を維持したまま段差を乗り越えることができる。
しかしながら、車体に作用する慣性モーメントMが大きくなると、コントローラによって駆動輪が駆動されても、慣性モーメントMを打ち消すことができず、車体が前側に大きく傾斜する。車体が大きく傾斜し過ぎると倒立状態を維持することができなくなる。例えば、路面上の段差が高くなると、倒立移動装置の段差乗り越え時の走行速度をある程度大きくしなければ、段差を乗り越えることができない。段差乗り越え時の走行速度が大きくなると、慣性モーメントMが大きくなり、車体は倒立状態を維持することができない。このため、従来の倒立移動装置では、乗り越えることができる段差の高さに制限があり、充分な高さの段差を乗り越えることができないという問題があった。
In this type of inverted moving device, when the inverted moving device gets over a step on the road surface, a disturbance force that disturbs the inverted state of the vehicle body acts on the inverted moving device. That is, as shown in FIG. 14, when the inverted moving device 60 tries to get over the step 102 on the road surface 104, first, the wheels of the inverted moving device 60 come into contact with the step 102 on the road surface. For this reason, the disturbance force F acts on the wheels of the inverted moving device 60 from the step to the rear side in the traveling direction. When a disturbance force F acts on the wheel, a moment of inertia M is generated around the contact point P between the wheel and the step due to the disturbance force F. When the inertia moment M is generated, the vehicle body tilts forward due to the inertia moment M (attempts to rotate counterclockwise in the figure). When the inertia moment M acting on the vehicle body is small, the drive wheels are driven so as to cancel the inertia moment M by the controller, so that the vehicle body can get over the step while maintaining the inverted state.
However, if the inertia moment M acting on the vehicle body increases, even if the drive wheels are driven by the controller, the inertia moment M cannot be canceled, and the vehicle body is largely inclined forward. If the vehicle body is tilted too much, the inverted state cannot be maintained. For example, when the level difference on the road surface becomes high, the level difference cannot be overcome unless the traveling speed when the inverted moving device gets over the level difference is increased to some extent. If the traveling speed at the time of overcoming the step increases, the inertia moment M increases, and the vehicle body cannot maintain the inverted state. For this reason, the conventional inverted moving device has a problem that there is a limit to the height of the step that can be overcome, and it is not possible to get over a sufficiently high step.

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、車体の倒立状態を維持したまま、より高い段差を乗り越えることができる倒立移動装置を提供する。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides an inverted moving device capable of getting over a higher step while maintaining the inverted state of the vehicle body.

本発明の倒立移動装置は、1または複数の回転体と、回転体によって支持される車体と、回転体を回転させる駆動装置と、車体の進行方向の路面の段差を検出する路面センサと、車体の傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する傾斜角センサと、車体の走行速度を特定可能な物理量を検出する速度センサと、コントローラを備えている。コントローラは、路面センサにより検出された路面の段差の有無と、傾斜角センサにより検出された検出値と、速度センサにより検出された検出値に応じて、駆動装置に制御指令値を出力する。また、コントローラは、路面センサにより進行方向に段差が検出された場合は、段差を乗り越えるときに車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させることを特徴とする。
この倒立移動装置では、路面センサにより進行方向に段差が検出された場合は、コントローラが車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させた状態として段差に進入する。このため、回転体が段差に接触することによって回転体と段差との接触点周りに車体を前側に傾斜させようとする慣性モーメントが発生しても、車体は後ろ側に傾斜しているので、車体が前側に大きく傾斜されることが抑制される。したがって、車体が前側に大きく傾斜することが抑えられるので、車体は倒立状態を維持したまま、より高い段差を乗り越えることができる。
ここで、「車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させる」とは、車輪に対して車体の重心を後ろ側に移動させることをいう。したがって、車体を本体と該本体に載置された慣性体によって構成し、その慣性体を車体の後ろ側に移動させることで車体の重心を後ろ側に移動させることも、「車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させる」ことに相当する。
An inverted moving device of the present invention includes one or more rotating bodies, a vehicle body supported by the rotating body, a driving device that rotates the rotating body, a road surface sensor that detects a step in the road surface in the traveling direction of the vehicle body, A tilt angle sensor that detects at least one of the tilt angle and the tilt angular velocity, a speed sensor that detects a physical quantity that can identify the traveling speed of the vehicle body, and a controller. The controller outputs a control command value to the driving device in accordance with the presence or absence of a road surface step detected by the road surface sensor, the detection value detected by the inclination angle sensor, and the detection value detected by the speed sensor. Further, the controller is characterized in that, when a step is detected in the traveling direction by the road surface sensor, the vehicle body is inclined rearward with respect to the traveling direction when the step is overcome.
In this inverted moving device, when a step is detected in the traveling direction by the road surface sensor, the controller enters the step as a state in which the vehicle body is inclined rearward with respect to the traveling direction. For this reason, even if an inertia moment is generated around the contact point between the rotating body and the step due to the rotating body coming into contact with the step, the vehicle body is inclined rearward. It is possible to prevent the vehicle body from being greatly inclined forward. Therefore, since the vehicle body can be prevented from being largely inclined to the front side, the vehicle body can get over a higher step while maintaining the inverted state.
Here, “inclining the vehicle body rearward with respect to the traveling direction” means moving the center of gravity of the vehicle body rearward with respect to the wheels. Therefore, the vehicle body is constituted by a main body and an inertial body placed on the main body, and the center of gravity of the vehicle body can be moved rearward by moving the inertial body to the rear side of the vehicle body. This is equivalent to “inclining backward”.

上述の倒立移動装置は、コントローラが、路面センサで検出された段差の高さから段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する目標値決定部と、決定された目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された車体の速度に応じて車体の目標速度パターンを決定する目標速度パターン決定部と、傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された目標速度パターンとなるように制御指令値を算出する制御指令値算出部とを有している方が好ましい。
このような構成によると、路面センサにより進行方向に段差が検出された場合に、目標値決定部が、路面センサで検出された段差の高さから、段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する。
具体的には、目標値決定部は、検出された段差を乗り越えるのに十分な目標走行速度を決定する。すなわち、段差乗り越え時の目標走行速度は、段差の高さに応じて決定される。また、段差乗り越え時に発生する慣性モーメントは、段差の高さと、段差乗り越え時の走行速度によって決まる。従って、目標決定部が、段差の高さに応じて、目標傾斜角を決定することで、段差乗り越え時に発生する慣性モーメントに応じた目標傾斜角が決定される。
目標値決定部が目標走行速度と目標傾斜角を決定すると、目標速度パターン決定部が決定された目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された車体の速度に応じて車体の目標速度パターンを決定する。制御指令値算出部は、傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された目標速度パターンとなるように制御指令値を算出する。算出された制御指令値はコントローラから駆動装置に出力され、倒立移動装置は倒立状態を維持しながら決定された速度パターンで走行する。これによって、倒立移動装置は、段差の高さに応じた走行速度及び傾斜角で段差に進入する。
倒立移動装置が段差に進入すると、回転体と段差との接触点周りに慣性モーメントが発生する。このとき、車体は、段差の高さに応じて(すなわち、発生した慣性モーメントに応じて)後ろ側に傾斜している。従って、発生した慣性モーメントによって車体が起こされて、車体が好適な傾斜角となる。また、段差進入時の倒立移動装置の走行速度は、段差を乗り越えるのに十分な走行速度とされているので、倒立移動装置は段差を乗り越えることができる。従って、倒立移動装置は、倒立状態を維持したまま段差を好適に乗り越えることができる。
In the above-described inverted moving device, the controller has a target value determining unit that determines the target traveling speed and target inclination angle of the vehicle body when overcoming the step from the height of the step detected by the road surface sensor, and the determined target traveling speed and A target speed pattern determination unit that determines a target speed pattern of the vehicle body according to the target inclination angle and the speed of the vehicle body detected by the speed sensor, and maintains an inverted state of the vehicle body according to the inclination angle detected by the inclination angle sensor. It is preferable to have a control command value calculation unit that calculates a control command value so that the speed of the vehicle body becomes the determined target speed pattern.
According to such a configuration, when a step is detected in the advancing direction by the road surface sensor, the target value determination unit determines the target travel speed and target of the vehicle body over the step from the height of the step detected by the road surface sensor. Determine the tilt angle.
Specifically, the target value determination unit determines a target travel speed sufficient to overcome the detected level difference. That is, the target travel speed when overcoming a step is determined according to the height of the step. In addition, the moment of inertia generated when overcoming a step is determined by the height of the step and the traveling speed when overcoming the step. Therefore, the target determining unit determines the target inclination angle according to the height of the step, so that the target inclination angle corresponding to the moment of inertia generated when overcoming the step is determined.
When the target value determination unit determines the target travel speed and the target tilt angle, the target speed pattern determination unit determines the target speed pattern of the vehicle body according to the determined target travel speed and target tilt angle and the vehicle speed detected by the speed sensor. To decide. The control command value calculation unit calculates the control command value so that the vehicle body is maintained in an inverted state according to the tilt angle detected by the tilt angle sensor, and the speed of the vehicle body becomes the determined target speed pattern. The calculated control command value is output from the controller to the drive device, and the inverted moving device travels with the determined speed pattern while maintaining the inverted state. Accordingly, the inverted moving device enters the step at a traveling speed and an inclination angle corresponding to the height of the step.
When the inverted moving device enters the step, an inertia moment is generated around the contact point between the rotating body and the step. At this time, the vehicle body is inclined backward according to the height of the step (that is, according to the generated moment of inertia). Therefore, the vehicle body is raised by the generated moment of inertia, and the vehicle body has a suitable inclination angle. Moreover, since the traveling speed of the inverted moving device at the time of entering the step is set to a traveling speed sufficient to overcome the step, the inverted moving device can get over the step. Therefore, the inverted moving device can preferably get over the step while maintaining the inverted state.

上述の倒立移動装置は、目標速度パターン決定部が、目標値決定部で決定された目標傾斜角から段差乗り越え時の目標減速度を決定し、その目標減速度と速度センサで検出された車体の速度と目標値決定部で決定された目標走行速度から目標速度パターンを決定する方が好ましい。
このような構成によれば、倒立移動装置が段差進入時に目標減速度で減速している状態となり、これによって、車体を目標傾斜角に傾斜させることができる。
In the above-described inverted moving device, the target speed pattern determining unit determines the target deceleration at the time of overcoming the step from the target inclination angle determined by the target value determining unit, and the target deceleration and the vehicle body detected by the speed sensor are detected. It is preferable to determine the target speed pattern from the speed and the target travel speed determined by the target value determination unit.
According to such a configuration, the inverted moving device is in a state of being decelerated at the target deceleration when entering the step, whereby the vehicle body can be inclined to the target inclination angle.

上述の倒立移動装置は、コントローラが、路面センサによって検出された段差が所定の高さよりも低い場合にのみ、倒立移動装置に段差を乗り越えさせる方が好ましい。
このような構成によれば、路面センサによって検出された段差が所定の高さよりも高い場合には、倒立移動装置は段差に進入しないので、車体の倒立状態が維持できなくなることが防止される。
In the above-described inverted moving device, it is preferable that the controller causes the inverted moving device to get over the step only when the step detected by the road surface sensor is lower than a predetermined height.
According to such a configuration, when the level difference detected by the road surface sensor is higher than a predetermined height, the inverted moving device does not enter the level difference, thereby preventing the vehicle body from being maintained in an inverted state.

また、本発明は、好適に段差を乗り越えることができる倒立移動装置の制御方法も提供する。この制御方法は、1または複数の回転体と、回転体によって支持される車体と、回転体を回転させる駆動装置と、倒立移動装置の進行方向の路面の段差を検出する路面センサと、車体の傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する傾斜角センサと、倒立移動装置の走行速度を特定可能な物理量を検出する速度センサと、路面センサと傾斜角センサと速度センサの検出結果に応じて制御指令値を駆動装置に出力するコントローラとを備え、駆動装置が制御指令値に基づいて回転体を駆動することで車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立移動装置の制御方法である。
この制御方法では、路面センサにより倒立移動装置の進行方向の段差が検出された場合に、検出された段差の高さから、段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する第1ステップと、第1ステップで算出された車体の目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された検出値に応じて目標速度パターンを決定する第2ステップと、傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された速度パターンとなるように制御指令値を算出する第3ステップと、を有し、上記各工程をコントローラで実行することで倒立移動装置に段差を乗り越えさせる。
この制御方法では、車体の目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された検出値に応じて決定された目標速度パターンに従って倒立移動装置が走行する。これによって、倒立移動装置は目標走行速度及び目標傾斜角(後ろ側に傾斜した状態)で段差に進入するので、段差を好適に乗り越えることができる。
The present invention also provides a method for controlling an inverted moving apparatus that can suitably get over a step. This control method includes one or a plurality of rotating bodies, a vehicle body supported by the rotating body, a driving device that rotates the rotating body, a road surface sensor that detects a road surface step in the traveling direction of the inverted moving device, In accordance with detection results of an inclination angle sensor that detects at least one of an inclination angle and an inclination angle speed, a speed sensor that detects a physical quantity that can specify the traveling speed of the inverted moving device, a road surface sensor, an inclination angle sensor, and a speed sensor A controller that outputs a control command value to the drive device, and the drive device drives the rotating body based on the control command value to maintain the vehicle body in an inverted state and to control the inverted moving device that travels on the road surface. is there.
In this control method, when a step in the advancing direction of the inverted moving device is detected by the road surface sensor, the target travel speed and the target inclination angle of the vehicle body when overcoming the step are determined from the detected height of the step. A step, a second step of determining a target speed pattern according to the target travel speed and target inclination angle of the vehicle body calculated in the first step, and a detection value detected by the speed sensor, and an inclination detected by the inclination sensor A third step of maintaining the inverted state of the vehicle body according to the angle and calculating a control command value so that the vehicle body speed becomes a determined speed pattern, and the above steps are executed by the controller This makes the inverted moving device get over the step.
In this control method, the inverted moving device travels according to a target speed pattern determined according to the target travel speed and target inclination angle of the vehicle body and the detected value detected by the speed sensor. Accordingly, the inverted moving device enters the step at the target travel speed and the target inclination angle (inclined to the rear side), so that the step can be suitably overcome.

下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
(形態1)倒立移動装置は、同一の車軸上に配された2つの車輪と、車輪によって支持される車体とによって構成される。
(形態2)車体は、各車輪を駆動するモータと、倒立移動装置の進行方向の路面の段差を検出する路面センサと、車体の傾斜角速度を検出するジャイロセンサと、各モータの回転角速度を検出するエンコーダと、これらのセンサの検出結果に応じてモータを駆動するコントローラを備えている。
(形態3)コントローラは、路面センサにより検出された路面の段差の有無と、ジャイロセンサにより検出された車体の傾斜角速度と、エンコーダにより検出されたモータの回転角速度に応じてモータに制御指令値を出力する。
(形態4)コントローラは、路面センサにより進行方向に段差が検出された場合には、段差を乗り越えるときに車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させる。
(形態5)コントローラは、目標値決定部と、目標速度パターン決定部と、制御指令値算出部を有している。
(形態6)目標値決定部は、路面センサで検出された段差の高さから段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する。
(形態7)目標速度パターン決定部は、目標傾斜角から段差乗り越え時の目標減速度を決定し、その目標減速度と、目標走行速度と、速度センサで検出された車体の速度から目標速度パターンを決定する
(形態8)制御指令値算出部は、傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された目標速度パターンとなるように制御指令値を算出する。
(形態9)コントローラは、路面センサによって検出された段差が所定の高さよりも低い場合にのみ、倒立移動装置に段差を乗り越えさせる。
(形態10)車体には、1つまたは複数の可動部と、その可動部を駆動するアクチュエータが取付けられている。コントローラは、車輪を駆動するモータに制御指令値を出力すると共にアクチュエータに制御指令値を出力することで、車体姿勢を制御する。
The main features of the embodiments described in detail below are listed first.
(Mode 1) The inverted moving device includes two wheels disposed on the same axle and a vehicle body supported by the wheels.
(Embodiment 2) The vehicle body is a motor that drives each wheel, a road surface sensor that detects a step on the road surface in the traveling direction of the inverted moving device, a gyro sensor that detects an inclination angular velocity of the vehicle body, and a rotational angular velocity of each motor. And a controller for driving the motor according to the detection results of these sensors.
(Mode 3) The controller sends a control command value to the motor in accordance with the presence or absence of a road surface step detected by the road surface sensor, the vehicle body inclination angular velocity detected by the gyro sensor, and the motor rotation angular velocity detected by the encoder. Output.
(Mode 4) When a step is detected in the traveling direction by the road surface sensor, the controller tilts the vehicle body rearward with respect to the traveling direction when overcoming the step.
(Mode 5) The controller includes a target value determining unit, a target speed pattern determining unit, and a control command value calculating unit.
(Mode 6) The target value determination unit determines a target travel speed and a target inclination angle of the vehicle body when overcoming the step from the height of the step detected by the road surface sensor.
(Mode 7) The target speed pattern determining unit determines a target deceleration at the time of overcoming the step from the target inclination angle, and based on the target deceleration, the target travel speed, and the speed of the vehicle body detected by the speed sensor, (Mode 8) The control command value calculation unit maintains the vehicle body in an inverted state in accordance with the inclination angle detected by the inclination angle sensor, and the vehicle body speed becomes the determined target speed pattern. Calculate the control command value.
(Mode 9) The controller causes the inverted moving device to get over the step only when the step detected by the road surface sensor is lower than a predetermined height.
(Mode 10) The vehicle body is provided with one or more movable parts and an actuator for driving the movable parts. The controller outputs the control command value to the motor that drives the wheels and outputs the control command value to the actuator to control the vehicle body posture.

本発明の一実施例に係る倒立移動装置について、図面を参照しながら説明する。図1に示すように、倒立移動装置10は、車軸16上に配された2つの車輪12、14と、車輪12、14によって車軸16周りに傾動可能に支持された車体20とによって構成される。車体20の重心30(図9参照)は、車軸16よりも上方に位置している。倒立移動装置10は、車輪12、14を駆動することによって車体20の倒立状態を維持し、かつ、車輪12、14を駆動することによって床面を走行する。   An inverted moving device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the inverted moving device 10 includes two wheels 12 and 14 disposed on an axle 16 and a vehicle body 20 supported by the wheels 12 and 14 so as to be tiltable around the axle 16. . The center of gravity 30 (see FIG. 9) of the vehicle body 20 is located above the axle 16. The inverted moving device 10 maintains the inverted state of the vehicle body 20 by driving the wheels 12 and 14, and travels on the floor surface by driving the wheels 12 and 14.

車輪12は、後述するモータ22と接続されており、モータ22によって駆動される。また、車輪14は、後述するモータ24と接続されており、モータ24によって駆動される。すなわち、車輪12、14はそれぞれ独立して駆動される。車輪12、14を駆動することによって、倒立移動装置10は床面を走行する。また、車輪12、14のそれぞれの回転角速度を制御することによって、倒立移動装置10の進行方向(進行方向角度φ)を変更することができる。また、車体20の傾斜角θ(図8(b)参照)に応じて車輪12、14を駆動することによって、車体20の倒立状態が維持される。   The wheel 12 is connected to a motor 22 described later and is driven by the motor 22. The wheels 14 are connected to a motor 24 described later, and are driven by the motor 24. That is, the wheels 12 and 14 are driven independently. By driving the wheels 12 and 14, the inverted moving device 10 travels on the floor surface. Further, by controlling the rotational angular velocities of the wheels 12 and 14, the traveling direction (traveling direction angle φ) of the inverted moving device 10 can be changed. Further, by driving the wheels 12 and 14 according to the inclination angle θ of the vehicle body 20 (see FIG. 8B), the inverted state of the vehicle body 20 is maintained.

車体20は、車輪12、14を駆動するモータ22、24と、車体20の傾斜角速度θ’を検出するジャイロセンサ28と、走行する路面の段差を検出する路面センサ29と、モータ22、24に制御指令値を出力するコントローラ70を備えている。   The vehicle body 20 includes motors 22 and 24 that drive the wheels 12 and 14, a gyro sensor 28 that detects the inclination angular velocity θ ′ of the vehicle body 20, a road surface sensor 29 that detects a step on the traveling road surface, and motors 22 and 24. A controller 70 that outputs a control command value is provided.

車体20内に配されたモータ22、24は、車輪12、14に連結されている。また、モータ22、24はコントローラ70と電気的に接続されている。モータ22、24は、コントローラ70から入力される制御指令値にしたがって、車輪12、14を駆動する。
モータ22には、モータの回転角速度iを検出するエンコーダ22aが設けられている。エンコーダ22aは、コントローラ70と電気的に接続されている。エンコーダ22aは、モータ22の回転角速度i(すなわち、車輪12の回転角速度i)を検出する。エンコーダ22aが検出した車輪12の回転角速度iは、コントローラ70に入力される。また、モータ24にもエンコーダ24aが設けられており、エンコーダ24aは車輪14の回転角速度jを検出する。エンコーダ24aが検出した車輪14の回転角速度jも、コントローラ70に入力される。
Motors 22 and 24 arranged in the vehicle body 20 are connected to the wheels 12 and 14. The motors 22 and 24 are electrically connected to the controller 70. The motors 22 and 24 drive the wheels 12 and 14 according to a control command value input from the controller 70.
The motor 22 is provided with an encoder 22a that detects the rotational angular velocity i of the motor. The encoder 22a is electrically connected to the controller 70. The encoder 22a detects the rotational angular velocity i of the motor 22 (that is, the rotational angular velocity i of the wheel 12). The rotational angular velocity i of the wheel 12 detected by the encoder 22 a is input to the controller 70. The motor 24 is also provided with an encoder 24a, and the encoder 24a detects the rotational angular velocity j of the wheel 14. The rotational angular velocity j of the wheel 14 detected by the encoder 24 a is also input to the controller 70.

ジャイロセンサ28は、車体20の内部に配されている。ジャイロセンサ28はコントローラ70と電気的に接続されている。ジャイロセンサ28は、車体20の傾斜角速度θ’を検出する。ジャイロセンサ28が検出した傾斜角速度θ’は、コントローラ70に出力される。   The gyro sensor 28 is disposed inside the vehicle body 20. The gyro sensor 28 is electrically connected to the controller 70. The gyro sensor 28 detects the inclination angular velocity θ ′ of the vehicle body 20. The tilt angular velocity θ ′ detected by the gyro sensor 28 is output to the controller 70.

路面センサ29は、車体20の前面下方に配されている。路面センサ29は、コントローラ70と電気的に接続されている。路面センサ29は、レーザレンジセンサと、演算装置によって構成される。
レーザレンジセンサは、レーザを照射することによって、レーザが照射された物体までの距離を検出する。このレーザレンジセンサは、測定角度範囲内でレーザの照射角度を変化させながらレーザを照射すると共に、レーザを照射した時の照射角度を検出する。すなわち、レーザレンジセンサは、測定角度範囲内で、レーザ照射角度を変化させながらレーザを断続的に照射し、レーザが照射された角度とレーザが照射された物体までの距離を検出する。レーザレンジセンサで検出されたレーザ照射角度及びレーザが照射された物体までの距離は、演算装置によって演算され、測定角度範囲内の物体(障害物)の形状が特定される。従って、路面センサ29によって、測定角度範囲内の物体の形状が検出される。
路面センサ29は、車体20の前面下方に、レーザの照射角度が鉛直方向に変化するように取り付けられている。また、路面センサ29は、レーザの照射方向が車体前方の路面となるように、車体20に取り付けられている。従って、路面センサ29によって車体前方の路面形状を検出することができる。路面センサ29が検出した路面形状のデータは、コントローラ70に入力される。
The road surface sensor 29 is disposed below the front surface of the vehicle body 20. The road surface sensor 29 is electrically connected to the controller 70. The road surface sensor 29 includes a laser range sensor and an arithmetic device.
The laser range sensor detects the distance to the object irradiated with the laser by irradiating the laser. The laser range sensor irradiates the laser while changing the irradiation angle of the laser within the measurement angle range, and detects the irradiation angle when the laser is irradiated. That is, the laser range sensor irradiates the laser intermittently while changing the laser irradiation angle within the measurement angle range, and detects the angle at which the laser is irradiated and the distance to the object irradiated with the laser. The laser irradiation angle detected by the laser range sensor and the distance to the object irradiated with the laser are calculated by the calculation device, and the shape of the object (obstacle) within the measurement angle range is specified. Therefore, the shape of the object within the measurement angle range is detected by the road surface sensor 29.
The road surface sensor 29 is attached below the front surface of the vehicle body 20 so that the laser irradiation angle changes in the vertical direction. The road surface sensor 29 is attached to the vehicle body 20 so that the laser irradiation direction is the road surface in front of the vehicle body. Accordingly, the road surface shape in front of the vehicle body can be detected by the road surface sensor 29. The road surface shape data detected by the road surface sensor 29 is input to the controller 70.

コントローラ70は、CPU,ROM,RAMを備えたマイクロプロセッサ等によって構成されている。コントローラ70は、車体20内に配されている。コントローラ70は、モータ22、24と、エンコーダ22a、24aと、ジャイロセンサ28と、路面センサ29に電気的に接続されている。
図2はコントローラ70の機能を示すブロック図である。図2に示すように、コントローラ70は、制御指令部72と、目標値出力部74と、車体の現在速度ベクトルVを算出する現在速度算出部90と、車体の現在位置(x,y,φ)を算出する現在位置算出部92によって構成される。なお、図2においては、図の見易さを考慮してモータ及びエンコーダを1つだけ図示した。実際には2つのモータ22、24に制御指令値がそれぞれ独立して出力される。
The controller 70 is constituted by a microprocessor having a CPU, a ROM, and a RAM. The controller 70 is disposed in the vehicle body 20. The controller 70 is electrically connected to the motors 22 and 24, the encoders 22 a and 24 a, the gyro sensor 28, and the road surface sensor 29.
FIG. 2 is a block diagram showing functions of the controller 70. As shown in FIG. 2, the controller 70 includes a control command unit 72, a target value output unit 74, a current speed calculation unit 90 that calculates a current speed vector V of the vehicle body, and a current position (x, y, φ of the vehicle body). ) For calculating the current position. In FIG. 2, only one motor and encoder are shown in consideration of easy viewing. Actually, the control command values are independently output to the two motors 22 and 24, respectively.

現在速度算出部90には、エンコーダ22a及び24aが検出した車輪12、14の回転角速度i、jが入力される。現在速度算出部90は各車輪12、14の回転角速度i、jから、倒立移動装置10の現在速度ベクトルVを算出する。現在速度ベクトルVは、倒立移動装置10が走行する平面上の2次元座標によって表される。すなわち、現在速度ベクトルVは、倒立移動装置10のx方向の速度、y方向の速度及び回転速度によって表わされる。算出された現在速度ベクトルVは、現在位置算出部92及び目標値出力部74に入力される。また、算出された現在速度ベクトルVと目標値出力部74から出力される目標速度ベクトルVmとの偏差が制御指令部72に入力される。   The rotational speeds i and j of the wheels 12 and 14 detected by the encoders 22a and 24a are input to the current speed calculator 90. The current speed calculation unit 90 calculates the current speed vector V of the inverted moving device 10 from the rotational angular velocities i and j of the wheels 12 and 14. The current speed vector V is represented by two-dimensional coordinates on a plane on which the inverted moving device 10 travels. That is, the current speed vector V is represented by the speed in the x direction, the speed in the y direction, and the rotation speed of the inverted moving device 10. The calculated current velocity vector V is input to the current position calculation unit 92 and the target value output unit 74. Further, a deviation between the calculated current speed vector V and the target speed vector Vm output from the target value output unit 74 is input to the control command unit 72.

現在位置算出部92には、現在速度ベクトルVが入力される。現在位置算出部92は、入力された現在速度ベクトルVを積分して、倒立移動装置10の現在位置(x,y,φ)を算出する。算出された現在位置(x,y,φ)は目標値出力部74に入力される。また、現在位置算出部92で算出された現在位置(x,y,φ)と目標値出力部74から出力される目標位置(x,y,φ)との偏差が制御指令部72に入力される。 A current speed vector V is input to the current position calculation unit 92. The current position calculation unit 92 integrates the input current velocity vector V to calculate the current position (x, y, φ) of the inverted moving device 10. The calculated current position (x, y, φ) is input to the target value output unit 74. The deviation between the current position (x, y, φ) calculated by the current position calculation unit 92 and the target position (x m , y m , φ m ) output from the target value output unit 74 is the control command unit 72. Is input.

目標値出力部74には、路面センサ29が検出した車体20前方の路面形状データと、現在速度算出部90が算出した現在速度ベクトルVが入力される。また、目標値出力部74には、最終目標位置入力部76(例えば、倒立移動装置10を制御する遠隔制御装置)から最終目標位置(x,y,φ)が入力される。目標値出力部74は、入力される各データに基づいて、目標位置(x,y,φ)と、目標速度ベクトルVを算出する。 The target value output unit 74 receives the road surface shape data in front of the vehicle body 20 detected by the road surface sensor 29 and the current speed vector V calculated by the current speed calculation unit 90. Further, the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) is input to the target value output unit 74 from the final target position input unit 76 (for example, a remote control device that controls the inverted moving device 10). The target value output unit 74 calculates a target position (x m , y m , φ m ) and a target speed vector V m based on each input data.

図3は目標値出力部74の機能を示すブロック図である。図3に示すように、目標値出力部74は、段差検出部75と、目標速度パターン算出部79と、目標位置出力部80と、目標速度出力部81によって構成される。
段差検出部75には、路面センサ29が検出した路面形状データが入力される。段差検出部75は、入力された路面形状データに基づいて、倒立移動装置10の前方に段差があるか否かの判定を行う。段差がある場合には段差の高さhと倒立移動装置10から段差までの距離lを算出する。
FIG. 3 is a block diagram showing the function of the target value output unit 74. As shown in FIG. 3, the target value output unit 74 includes a level difference detection unit 75, a target speed pattern calculation unit 79, a target position output unit 80, and a target speed output unit 81.
The road surface shape data detected by the road surface sensor 29 is input to the step detection unit 75. The level difference detection unit 75 determines whether or not there is a level difference in front of the inverted moving device 10 based on the input road surface shape data. When there is a step, the height h of the step and the distance l from the inverted moving device 10 to the step are calculated.

目標速度パターン算出部79は、最終目標位置入力部76から入力された最終目標位置(x,y,φ)と、段差検出部75から入力される段差高さhと段差までの距離lと、現在速度算出部90から入力される現在速度ベクトルVと、現在位置算出部92から入力される現在位置(x,y,φ)に基づいて、倒立移動装置10の目標速度パターンを算出する。すなわち、目標速度パターン算出部79は、最終目標位置入力部76から最終目標位置(x,y,φ)が入力されると、まず、倒立移動装置10の現在の速度Vと現在の位置(x,y,φ)と入力された最終目標位置(x,y,φ)とに基づいて、現在の位置(x,y,φ)から最終目標位置(x,y,φ)に移動するまでの間の目標速度パターンを算出する。目標速度パターンが算出されると、その算出された目標速度パターンに基づいてモータ22,24は駆動される。倒立移動装置10が最終目標位置(x,y,φ)に移動するまでの間に段差検出部75によって段差が検出されないと、算出された目標速度パターンは修正されることはない。一方、倒立移動装置10が最終目標位置(x,y,φ)に移動するまでの間に段差検出部75によって段差が検出されると、目標速度パターン算出部79は最終目標位置入力時に算出された目標速度パターンを修正する。以下、最終目標位置(x,y,φ)の入力時における目標速度パターンを算出する手順と、段差検出部75で段差が検出されたときの目標速度パターンを修正する手順について説明する。 The target speed pattern calculation unit 79 includes the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) input from the final target position input unit 76, the step height h input from the step detection unit 75, and the distance to the step. 1, the target speed pattern of the inverted mobile device 10 is calculated based on the current speed vector V input from the current speed calculator 90 and the current position (x, y, φ) input from the current position calculator 92. To do. That is, when the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) is input from the final target position input unit 76, the target speed pattern calculation unit 79 first starts with the current speed V and the current speed of the inverted moving device 10. Based on the position (x, y, φ) and the input final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ), the final target position (x 1 , y 1 ) from the current position (x, y, φ). , Φ 1 ) to calculate the target speed pattern. When the target speed pattern is calculated, the motors 22 and 24 are driven based on the calculated target speed pattern. If no step is detected by the step detection unit 75 before the inverted moving device 10 moves to the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ), the calculated target speed pattern is not corrected. On the other hand, when the step detection unit 75 detects a step until the inverted moving device 10 moves to the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ), the target speed pattern calculation unit 79 inputs the final target position. Correct the target speed pattern calculated at times. Hereinafter, a procedure for calculating a target speed pattern at the time of inputting the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) and a procedure for correcting the target speed pattern when a step is detected by the step detection unit 75 will be described. .

(1)最終目標位置の入力時等における目標速度パターンの算出手順
目標速度パターン算出部79は、まず、倒立移動装置10の現在の速度Vと現在の位置(x,y,φ)と最終目標位置(x,y,φ)に基づいて、倒立移動装置10の移動軌跡を決定する。例えば、現在位置(x,y,φ)から最終目標位置(x,y,φ)まで直線的に移動できる場合は、現在位置(x,y,φ)と最終目標位置(x,y,φ)を直線的に接続した経路を移動軌跡として決定する。あるいは、倒立移動装置10が設置された空間のマップ(いわゆる、道路マップ)が設定されている場合は、そのマップの中から倒立移動装置10が走行する経路(道)を選択する。倒立移動装置10の移動軌跡が決定されると、決定された移動軌跡上を倒立移動装置10が走行するように、倒立移動装置10の目標速度パターンを算出する。
決定された移動軌跡から目標速度パターンを算出する手順を、図4を用いて具体的に説明する。図4(a)に示す例では、倒立移動装置10は現在位置Aにおいて停止しており、倒立移動装置10は現在位置A(出発点)(x,y,φ)から最終目標位置B(x,y,φ)まで直線的に移動する。本実施例では、倒立移動装置10の倒立状態を安定して維持するために、倒立移動装置10の最高加速度amaxと最高減速度−amaxの絶対値は予め一定の値に設定されており、また、その最高速度vmaxも制限されている。このため、倒立移動装置10は、現在位置A(x,y,φ)から等加速度運動(加速度amax)により最高速度vmaxまで加速し、最高速度vmaxに到達した後は等速度運動(vmax)で走行し、その後、等減速度運動(加速度−amax)で減速して最終目標位置B(x,y,φ)に停止することとなる。したがって、目標速度パターン算出部79は、まず、現在位置(x,y,φ)から最終目標位置(x,y,φ)までの距離を算出し、その算出された距離から等加速度で運動する時間と、等速度で運動する時間と、等減速度で運動する時間を決定する。
図5(a),(b)は、図4(a)に示す移動軌跡が決定された場合の目標速度パターンと、目標位置パターンを示している。図5(a)に示すように、倒立移動装置10は時間0〜tでは等加速度amaxで運動し、時間t〜tでは等速度vmaxで運動し、時間t〜tでは等減速度−amaxで運動する。この速度パターンに基づいてモータ22,24が制御されることで、倒立移動装置10は図5(b)に示すように移動し、最終目標位置B(x,y,φ)に到達する。
(1) Calculation procedure of target speed pattern at the time of inputting the final target position The target speed pattern calculation unit 79 first has the current speed V, the current position (x, y, φ) of the inverted moving device 10 and the final target. Based on the position (x 1 , y 1 , φ 1 ), the movement locus of the inverted moving device 10 is determined. For example, if the current position (x, y, phi) final target position from (x 1, y 1, φ 1) to be moved linearly, the current position (x, y, phi) and the final target position (x 1 , Y 1 , φ 1 ) are determined as movement trajectories. Or when the map (what is called a road map) of the space where the inverted moving device 10 is installed is set, the route (road) on which the inverted moving device 10 travels is selected from the map. When the movement trajectory of the inverted moving device 10 is determined, a target speed pattern of the inverted moving device 10 is calculated so that the inverted moving device 10 travels on the determined moving trajectory.
The procedure for calculating the target speed pattern from the determined movement locus will be specifically described with reference to FIG. In the example shown in FIG. 4A, the inverted moving device 10 is stopped at the current position A, and the inverted moving device 10 is moved from the current position A (starting point) (x A , y A , φ A ) to the final target position. It moves linearly to B (x 1 , y 1 , φ 1 ). In the present embodiment, in order to stably maintain the inverted state of the inverted moving device 10, the absolute values of the maximum acceleration a max and the maximum deceleration −a max of the inverted moving device 10 are set to constant values in advance. In addition, the maximum speed v max is limited. For this reason, the inverted moving device 10 accelerates from the current position A (x A , y A , φ A ) to the maximum speed v max by equal acceleration motion (acceleration a max ), and after reaching the maximum speed v max , etc. The vehicle travels with velocity motion (v max ), then decelerates with constant deceleration motion (acceleration −a max ), and stops at the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ). Therefore, the target speed pattern calculation unit 79 first calculates the distance from the current position (x A , y A , φ A ) to the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ), and the calculated distance The time for exercising at constant acceleration, the time for exercising at constant speed, and the time for exercising at constant deceleration are determined.
FIGS. 5A and 5B show a target speed pattern and a target position pattern when the movement locus shown in FIG. 4A is determined. Figure 5 (a), the inverted moving device 10 is moving at a constant acceleration a max at time 0 to t 1, moving at constant velocity v max at time t 1 ~t 2, time t 2 ~t 3 in the motion at a constant deceleration -a max. By controlling the motors 22 and 24 based on this speed pattern, the inverted moving device 10 moves as shown in FIG. 5B and reaches the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ). To do.

(2)段差検出時における目標速度パターンの修正手順
目標速度パターン算出部79は、まず、検出された段差が乗り越え可能か否かを判断する。具体的には、段差検出部75で検出された段差の高さhが予め設定された設定値hmaxより高いか否かを判断する。段差の高さhが設定値hmaxより高い場合は、倒立移動装置10は段差を乗り越え不可能と判断する。段差の高さhが設定値hmaxより低い場合は、倒立移動装置10は段差を乗り越え可能と判断する。
段差を乗り越え可能と判断すると、次に、段差高さhから段差乗り越え時の倒立移動装置10の目標速度Vと目標傾斜角θを決定する。段差高さhに応じて段差乗り越え時の目標速度Vを決定するのは、倒立移動装置10に段差を確実に乗り越えさせるためである。また、段差高さhに応じて段差乗り越え時の車体20の目標傾斜角θを決定するのは、倒立移動装置10が目標速度Vで段差を乗り越える時に発生する車体20を前方に回転させようとするモーメントMを打ち消すためである。目標速度Vと目標傾斜角θは、例えば、図6,7に示すマップに基づいて決定することができる。図6は段差高さhと目標速度Vの関係を示すマップであり、図7は段差高さhと目標傾斜角θの関係を示すマップである。図6と入力された段差高さhから目標速度Vを決定することができ、図7と入力された段差高さhから目標傾斜角θを決定することができる。
段差乗り越え時の目標傾斜角θを決定すると、その決定された目標傾斜角θから段差乗り越え時の倒立移動装置10の目標減速度−aを決定する。倒立移動装置10は、後で詳述するように、加速中は車体20が前方に傾斜し、減速中は車体20が後ろ側に傾斜する。このため、目標傾斜角θに応じた目標減速度−aに倒立移動装置10を制御することで、車体20の傾斜角を目標傾斜角θとすることができる。
目標速度Vと目標減速度−aを決定すると、現在の倒立移動装置10の速度Vと倒立移動装置10から段差までの距離lに基づいて、倒立移動装置10を目標速度V及び目標減速度−aに制御可能か否かを判断する。倒立移動装置10を目標速度V及び目標減速度−aに制御できる場合は、倒立移動装置10が段差を乗り越え可能と判断する。一方、倒立移動装置10を目標速度V及び目標減速度−aに制御できない場合(例えば、倒立移動装置10の現在速度が速く、かつ、段差までの距離が短い場合であり、段差までに目標速度Vとすることができないとき等)、倒立移動装置10は段差を乗り越え不可能と判断する。
段差を乗り越え可能と判断した場合は、目標速度パターン算出部79は、段差乗り越え用の目標速度パターンに修正する。段差を乗り越え不可能と判断した場合は、目標速度パターン算出部79は、段差乗り越え不能用の目標速度パターンに修正する。
(2) Target Speed Pattern Correction Procedure at Step Detection The target speed pattern calculation unit 79 first determines whether or not the detected step can be overcome. Specifically, it is determined whether or not the height h of the level difference detected by the level difference detector 75 is higher than a preset set value h max . When the height h of the step is higher than the set value h max , the inverted moving device 10 determines that the step cannot be overcome. If the height h of the step is less than the set value h max is inverted mobile device 10 is determined to be over a bump.
If it is determined that the step can be overcome, then the target speed V 0 and the target inclination angle θ 0 of the inverted moving device 10 when the step is exceeded are determined from the step height h. The reason for determining the target speed V 0 when overcoming the step according to the step height h is to allow the inverted moving device 10 to get over the step with certainty. Also, the target inclination angle θ 0 of the vehicle body 20 when overcoming the step according to the step height h is determined by rotating the vehicle body 20 generated when the inverted moving device 10 gets over the step at the target speed V 0. This is to cancel the moment M to be attempted. The target speed V 0 and the target inclination angle θ 0 can be determined based on, for example, maps shown in FIGS. FIG. 6 is a map showing the relationship between the step height h and the target speed V 0 , and FIG. 7 is a map showing the relationship between the step height h and the target inclination angle θ 0 . The target speed V 0 can be determined from the step height h input in FIG. 6, and the target inclination angle θ 0 can be determined from the step height h input in FIG. 7.
When the target inclination angle θ 0 when overcoming the step is determined, the target deceleration −a 0 of the inverted moving device 10 when overcoming the step is determined from the determined target inclination angle θ 0 . As will be described in detail later, the inverted vehicle 10 tilts the vehicle body 20 forward during acceleration and tilts the vehicle body 20 backward during deceleration. Thus, by controlling the inverted moving device 10 to the target deceleration -a 0 corresponding to the target tilt angle theta 0, it can be an inclination angle of the vehicle body 20 and the target inclination angle theta 0.
When the target speed V 0 and the target deceleration −a 0 are determined, the inverted moving apparatus 10 is moved to the target speed V 0 and the target based on the current speed V of the inverted moving apparatus 10 and the distance l from the inverted moving apparatus 10 to the step. It determines whether it is possible to control the deceleration -a 0. When the inverted moving device 10 can be controlled to the target speed V 0 and the target deceleration −a 0 , it is determined that the inverted moving device 10 can get over the step. On the other hand, when the inverted moving device 10 cannot be controlled to the target speed V 0 and the target deceleration −a 0 (for example, the current speed of the inverted moving device 10 is high and the distance to the step is short, When the target speed V 0 cannot be set), the inverted moving device 10 determines that the step cannot be overcome.
When it is determined that the step can be overcome, the target speed pattern calculation unit 79 corrects the target speed pattern for stepping over the step. If it is determined that the step cannot be overcome, the target speed pattern calculation unit 79 corrects the target speed pattern so that the step cannot be overcome.

(i)段差乗り越える場合の目標速度パターンの算出
段差を乗り越える場合は、目標速度パターン算出部79は、まず、現在速度算出部90から入力される現在速度Vから目標減速度−aで減速して目標速度Vとなるために要する時間を算出する。例えば、現在速度が2m/s、目標減速度が−1m/s、目標速度1m/sの場合、減速時間は1秒と算出される。
減速時間が決定されると、その減速時間中に倒立移動装置10が移動する距離を算出する。上述した例の場合、現在速度が2m/sで目標減速度が−1m/sで1秒間減速するため、その間に倒立移動装置10が移動する距離は2×1−(1/2)×1×1=1.5mとなる。
減速時間中に移動する距離が算出されると、その算出された距離と段差までの距離lとから現在の速度で等速運動する時間を決定する。例えば、上述した例において段差までの距離が5mの場合、減速時間に倒立移動装置10が移動する距離は1.5mであるので、等速度で運動する距離は3.5mとなる。倒立移動装置10の現在の速度は2m/sであるので、現在の速度で等速運動する時間は1.75秒と算出される。これによって、倒立移動装置10が段差を乗り越える直前までの目標速度パターンを算出することができる。
次に、倒立移動装置10が段差を乗り越える直前から最終目標位置に到達するまでの目標速度パターンを算出する。本実施例では、倒立移動装置10が段差を乗り越える直前まで減速した後、倒立移動装置10が加速度amaxで加速しながら段差を乗り越える。段差を乗り越えた後は、最高速度vmaxまで加速して等速度運動に移行し、次いで、等減速度運動(加速度−amax)で減速して最終目標位置B(x,y,φ)に停止する。ここで、段差乗り越え時(詳細には、段差を乗り越える直前)の目標速度Vは決定されている。また、段差から最終目標位置B(x,y,φ)までの距離は、段差乗り越え時の倒立移動装置10の位置(x,y,φ)と最終目標位置B(x,y,φ)の座標から算出することができる。このため、加速度amaxで加速する時間と、等速度で移動する時間と、減速度−amaxで減速する時間を決定することができる。これによって、段差を乗り越えた後の目標速度パターンを決定することができる。
(I) Calculation of target speed pattern for overstepping When stepping over a step, the target speed pattern calculation unit 79 first decelerates from the current speed V input from the current speed calculation unit 90 at a target deceleration −a 0. calculating the time required to achieve the target speed V 0 Te. For example, the rate currently 2m / s, the target deceleration is -1 m / s 2, when the target speed 1 m / s, deceleration time is calculated as one second.
When the deceleration time is determined, the distance that the inverted moving device 10 moves during the deceleration time is calculated. In the case of the above-described example, since the current speed is 2 m / s and the target deceleration is -1 m / s 2 and the vehicle is decelerated for 1 second, the distance that the inverted moving device 10 moves is 2 × 1- (1/2) × 1 × 1 2 = 1.5 m.
When the distance traveled during the deceleration time is calculated, the time for constant speed movement at the current speed is determined from the calculated distance and the distance l to the step. For example, in the above-described example, when the distance to the step is 5 m, the distance that the inverted moving device 10 moves during the deceleration time is 1.5 m, so the distance that moves at a constant speed is 3.5 m. Since the current speed of the inverted moving device 10 is 2 m / s, the time for constant speed movement at the current speed is calculated as 1.75 seconds. Thereby, the target speed pattern until immediately before the inverted moving device 10 gets over the step can be calculated.
Next, a target speed pattern is calculated from just before the inverted moving device 10 gets over the step until it reaches the final target position. In this embodiment, after the inverted moving device 10 decelerates to just before getting over the step, the inverted moving device 10 gets over the step while accelerating at the acceleration a max . After overcoming the step, the vehicle accelerates to a maximum speed v max and shifts to a constant speed motion, and then decelerates with a constant deceleration motion (acceleration −a max ) to final target position B (x 1 , y 1 , φ Stop at 1 ). Here, the target speed V 0 at the time of overcoming the step (specifically, immediately before overcoming the step) is determined. Further, the distance from the step to the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ) is the position (x, y, φ) of the inverted moving device 10 at the time of overcoming the step and the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ). For this reason, it is possible to determine the time to accelerate at the acceleration a max , the time to move at the constant speed, and the time to decelerate at the deceleration −a max . Thereby, the target speed pattern after overcoming the step can be determined.

目標速度パターンを修正して段差を乗り越える具体例を図4(b)及び図8を参照して説明する。図4(b)に示すように、倒立移動装置10は現在位置A(x,y,φ)から最終目標位置B(x,y,φ)まで直線的に移動する。現在位置A(x,y,φ)から最終目標位置B(x,y,φ)まで移動する途中には段差100が存在する。なお、倒立移動装置10は現在位置Aにおいて停止しているものとする。
図8に示すように、倒立移動装置10は、時刻t〜tまでの期間は加速度amaxで加速し、時刻tからは等速度運動を行う。倒立移動装置10は、等速度で運動している際に段差100を検出すると(例えば、図4(b)の点Cで段差100を検出すると)、段差検出部75は倒立移動装置10から段差100までの距離CEと段差100の高さhを算出する。そして、上述した手順で目標速度パターンを修正する。すなわち、図8に示すように、時刻tとなるまで(図4(b)の点Dまで)は等速度で移動し、時刻t〜tの間(図4(b)の点Eまで)は目標減速度−aで減速する。これによって、倒立移動装置10は段差100に目標速度Vと目標傾斜角θで進入する。
次に、倒立移動装置10は、時刻t〜tの間は加速度amaxで加速し、時刻tでは速度vmaxに到達する。したがって、倒立移動装置10は、段差100を乗り越えるタイミング(乗り越える直前)で加速され、車輪12,14に充分なトルクが与えられる。これによって、倒立移動装置10は段差100を確実に乗り越えることができる。時刻t〜tは速度vmaxで等速運動し、時刻t5〜t6は減速度−amaxで減速する。これによって、倒立移動装置10は最終目標位置B(x,y,φ)に到達することとなる。
なお、現在位置A(x,y,φ)から最終目標位置B(x,y,φ)までに複数の段差がある場合は、段差を検出する毎に目標速度パターンの修正が行われる。
A specific example of overcoming the step by correcting the target speed pattern will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 4B, the inverted moving device 10 moves linearly from the current position A (x A , y A , φ A ) to the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ). A step 100 exists on the way from the current position A (x A , y A , φ A ) to the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ). It is assumed that the inverted moving device 10 is stopped at the current position A.
As shown in FIG. 8, the inverted moving device 10, the period from time t 0 ~t 1 accelerates at an acceleration a max, performs uniform motion from time t 1. When the inverted moving device 10 detects the step 100 while moving at a constant speed (for example, when detecting the step 100 at the point C in FIG. 4B), the step detecting unit 75 detects the step from the inverted moving device 10. The distance CE up to 100 and the height h of the step 100 are calculated. Then, the target speed pattern is corrected by the procedure described above. That is, as shown in FIG. 8, it moves at a constant speed until time t 2 (up to point D in FIG. 4B), and between time t 2 and t 3 (point E in FIG. 4B). Until the target deceleration -a 0 ). Thereby, the inverted moving device 10 enters the step 100 at the target speed V 0 and the target inclination angle θ 0 .
Next, an inverted mobile device 10 during the time t 3 ~t 4 is accelerated by an acceleration a max, it is reached Time t 4 in velocity v max. Therefore, the inverted moving device 10 is accelerated at the timing of getting over the step 100 (immediately before getting over), and sufficient torque is given to the wheels 12 and 14. Thus, the inverted moving device 10 can reliably get over the step 100. Time t 4 to t 5 moves at a constant speed at a speed v max , and time t 5 to t 6 decelerates at a deceleration −a max . Thus, the inverted moving device 10 reaches the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ).
Incidentally, the present position A (x A, y A, φ A) final target position B from (x 1, y 1, φ 1) if there is a plurality of steps so far, the target speed pattern for each for detecting a level difference Corrections are made.

(ii)段差乗り越えられないと判断した場合の目標速度パターンの算出
段差を乗り越えられないと判断した場合は、目標速度パターン算出部79は、倒立移動装置10が停止するように、目標速度パターンを修正する。すなわち、目標速度パターン算出部79は、倒立移動装置10を加速度−amaxで減速運動させ、倒立移動装置10の速度が0となるように、目標速度パターンを修正する。
段差を乗り越えない場合の具体的を図4(c)及び図9を参照して説明する。図4(c)に示す例でも、図4(b)と同様に、倒立移動装置10が現在位置A(x,y,φ)から最終目標位置B(x,y,φ)まで移動する間に段差100が存在する。なお、倒立移動装置10は現在位置Aにおいて停止しているものとする。
図9に示すように、倒立移動装置10は、時刻t〜tまでの期間は加速度amaxで加速し、時刻tからは等速度運動を行う。倒立移動装置10は、等速度で運動している際に段差100を検出し(例えば、図4(c)の点Cで段差100を検出し)、倒立移動装置10が段差100を乗り越えられないと判断する。このため、目標速度パターン算出部79は、倒立移動装置10を停止させるべく目標速度パターンを修正する。これによって、図9に示すように、倒立移動装置10は、時刻t’〜t’のあいだ等加速度−amaxで減速する。これによって、倒立移動装置10は、段差100を乗り越えることなく、段差100の手前で停止する。
なお、倒立移動装置10が停止すると、目標速度パターン算出部79は、倒立移動装置10の現在位置と最終目標位置B(x,y,φ)から倒立移動装置10の移動軌跡を再決定し、この際決定された移動軌跡に基づいて目標速度パターンを再び算出することとなる。なお、再決定された移動軌跡は、段差100を回避して最終目標位置B(x,y,φ)に到達するようになっている。
(Ii) Calculation of the target speed pattern when it is determined that the step cannot be overcome When the step is determined that the step cannot be overcome, the target speed pattern calculation unit 79 sets the target speed pattern so that the inverted moving device 10 stops. Correct it. That is, the target speed pattern calculation unit 79 corrects the target speed pattern so that the inverted moving device 10 is decelerated with the acceleration −a max and the speed of the inverted moving device 10 becomes zero.
A specific case where the level difference is not overcome will be described with reference to FIGS. Also in the example shown in FIG. 4C, as in FIG. 4B, the inverted moving device 10 moves from the current position A (x A , y A , φ A ) to the final target position B (x 1 , y 1 , φ There is a step 100 while moving to 1 ). It is assumed that the inverted moving device 10 is stopped at the current position A.
As shown in FIG. 9, the inverted moving device 10, the period from time t 0 ~t 1 accelerates at an acceleration a max, performs uniform motion from time t 1. The inverted moving device 10 detects the step 100 when moving at a constant speed (for example, detects the step 100 at the point C in FIG. 4C), and the inverted moving device 10 cannot get over the step 100. Judge. For this reason, the target speed pattern calculation unit 79 corrects the target speed pattern to stop the inverted moving device 10. As a result, as shown in FIG. 9, the inverted moving device 10 decelerates at the constant acceleration −a max during the time t 2 ′ to t 3 ′. Accordingly, the inverted moving device 10 stops before the step 100 without getting over the step 100.
Incidentally, when the inverted moving device 10 is stopped, target speed pattern calculating unit 79, the current position and the final target position B (x 1, y 1, φ 1) of the inverted moving device 10 a movement trajectory of the inverted mobile device 10 from the re The target speed pattern is calculated again based on the determined movement locus. The re-determined movement trajectory reaches the final target position B (x 1 , y 1 , φ 1 ) while avoiding the step 100.

なお、上述した説明から明らかなように、目標速度パターン算出部79が目標速度V、目標傾斜角θを算出し、その算出した目標速度V、目標傾斜角θに基づいて目標速度パターンを算出している。したがって、目標速度パターン算出部79が請求項2でいう目標値決定部と目標速度パターン決定部の機能を備えている。 As is apparent from the above description, the target speed target speed pattern calculation section 79 is the target speed V 0, calculates a target tilting angle theta 0, the target speed V 0 that the calculated, based on the target inclination angle theta 0 The pattern is calculated. Therefore, the target speed pattern calculation unit 79 has the functions of a target value determination unit and a target speed pattern determination unit as defined in claim 2.

目標位置出力部80は、コントローラ70の処理周期(モータ22,24への制御指令値の出力周期)毎に、目標速度パターン算出部79から入力される目標速度パターンに基づいて倒立移動装置10の目標位置(x,y,φ)を出力する。すなわち、目標速度パターン算出部79から入力される目標速度パターンは時刻tの関数となっている。したがって、入力された目標速度パターンを積分して、目標位置パターン(時刻tの関数)を算出する。そして、算出された目標位置パターンから時刻tに応じた目標位置(x,y,φ)を算出し、その算出した目標位置(x,y,φ)を制御指令部72に出力する。
なお、いったん目標速度パターンが入力されると、修正された目標速度パターンが再入力されるまでは、最初に入力された目標速度パターンに基づいて目標位置(x,y,φ)が算出される。
The target position output unit 80 is connected to the inverted moving device 10 based on the target speed pattern input from the target speed pattern calculation unit 79 every processing cycle of the controller 70 (output cycle of control command values to the motors 22 and 24). the target position (x m, y m, φ m) to output a. That is, the target speed pattern input from the target speed pattern calculation unit 79 is a function of time t. Therefore, the target position pattern (function of time t) is calculated by integrating the input target speed pattern. Then, the target position corresponding to time t from the calculated target position pattern (x m, y m, φ m) is calculated, the target position (x m, y m, φ m) controls the instruction unit 72 and the calculated Output to.
Once the target speed pattern is input, the target position (x m , y m , φ m ) is based on the first input target speed pattern until the corrected target speed pattern is input again. Calculated.

目標速度出力部81は、コントローラ70の処理周期(モータ22,24へのトルク指令値の出力周期)毎に、目標速度パターン算出部79から入力される目標速度パターンに基づいて倒立移動装置10の目標速度Vベクトルを出力する。すなわち、目標速度パターン算出部79から入力される目標速度パターンは時刻tの関数となっている。したがって、入力された目標速度パターンから時刻tに応じた目標速度ベクトルVを算出し、その算出した目標速度ベクトルVを制御指令部72に出力する。
なお、目標位置出力部80と同様に、目標速度出力部81にいったん目標速度パターンが入力されると、修正された目標速度パターンが再入力されるまでは、最初に入力された目標速度パターンに基づいて目標速度ベクトルVが算出される。
The target speed output unit 81 is based on the target speed pattern input from the target speed pattern calculation unit 79 every processing cycle of the controller 70 (output cycle of torque command values to the motors 22 and 24). The target speed Vm vector is output. That is, the target speed pattern input from the target speed pattern calculation unit 79 is a function of time t. Therefore, the target speed vector V m corresponding to the time t is calculated from the input target speed pattern, and the calculated target speed vector V m is output to the control command unit 72.
As with the target position output unit 80, once the target speed pattern is input to the target speed output unit 81, the first target speed pattern is input until the corrected target speed pattern is input again. Based on this, a target speed vector V m is calculated.

制御指令部72には、目標値出力部74から出力される目標位置(x,y,φ)と現在位置算出部92で算出される現在位置(x,y,φ)の偏差が入力され、目標値出力部から出力される目標速度ベクトルVmと現在速度算出部90で算出される現在速度ベクトルVの偏差が入力される。また、制御指令部72には、ジャイロセンサ28が検出する車体の傾斜角速度θ’が入力される。制御指令部72は、入力された位置偏差、速度偏差及び傾斜角速度θ’に応じて制御指令値を算出し、算出した制御指令値をモータ22、24に出力する。詳しくは、制御指令部72は、走行制御指令値算出部72aと倒立制御指令値算出部72bを備え、走行制御指令値算出部72aで算出された制御指令値と、倒立制御指令値算出部72bで算出された制御指令値との和をモータ22,24に出力する。 The control command unit 72 includes a deviation between the target position (x m , y m , φ m ) output from the target value output unit 74 and the current position (x, y, φ) calculated by the current position calculation unit 92. The deviation between the target speed vector Vm input from the target value output unit and the current speed vector V calculated by the current speed calculation unit 90 is input. In addition, the vehicle body inclination angular velocity θ ′ detected by the gyro sensor 28 is input to the control command unit 72. The control command unit 72 calculates a control command value according to the input position deviation, speed deviation, and inclination angular velocity θ ′, and outputs the calculated control command value to the motors 22 and 24. Specifically, the control command unit 72 includes a travel control command value calculation unit 72a and an inverted control command value calculation unit 72b, and the control command value calculated by the travel control command value calculation unit 72a and the inverted control command value calculation unit 72b. Is output to the motors 22 and 24.

走行制御指令値算出部72aには位置偏差及び速度偏差が入力される。走行制御指令値算出部72aは、入力された位置偏差及び速度偏差が小さくなるように制御指令値を算出する。このため、走行制御指令値算出部72aで算出された制御指令値に基づいてモータ22,24が駆動されると、位置偏差及び速度偏差が小さくなり、倒立移動装置10が目標値出力部74から出力される目標位置(x,y,φ)に移動し、かつ、倒立移動装置10の速度ベクトルVが目標速度ベクトルVとなる。 A position deviation and a speed deviation are input to the traveling control command value calculation unit 72a. The travel control command value calculation unit 72a calculates the control command value so that the input position deviation and speed deviation are reduced. For this reason, when the motors 22 and 24 are driven based on the control command value calculated by the travel control command value calculation unit 72 a, the position deviation and the speed deviation are reduced, and the inverted moving device 10 is moved from the target value output unit 74. It moves to the output target position (x m , y m , φ m ), and the speed vector V of the inverted moving device 10 becomes the target speed vector V m .

倒立制御指令値算出部72bには、位置偏差、速度偏差及び傾斜角速度θ’が入力される。倒立制御指令値算出部72bは、位置偏差、速度偏差及ぶ傾斜角速度θ’が小さくなるように制御指令値を算出する。ここで、傾斜角速度θ’が小さくなると、傾斜角速度θ’が「0」となる。したがって、本実施例では目標傾斜角速度θ’が「0」に設定されていることとなる。このため、倒立制御指令値算出部72bで算出された制御指令値でモータ22,24が駆動されることで、傾斜角速度θ’が「0」となるように制御され、倒立移動装置10の車体20は倒立状態を維持することとなる。 A position deviation, a speed deviation, and an inclination angular velocity θ ′ are input to the inverted control command value calculation unit 72b. The inverted control command value calculation unit 72b calculates the control command value so that the position deviation, the speed deviation, and the inclination angular velocity θ ′ are reduced. Here, when the inclination angular velocity θ ′ decreases, the inclination angular velocity θ ′ becomes “0”. Therefore, in this embodiment, the target inclination angular velocity θ ′ m is set to “0”. Therefore, when the motors 22 and 24 are driven with the control command value calculated by the inverted control command value calculation unit 72b, the inclination angular velocity θ ′ is controlled to be “0”, and the vehicle body of the inverted moving device 10 is controlled. 20 will maintain an inverted state.

なお、上述した制御指令部72の具体的な構成については、特許文献1に開示された構成を採ることができる。   In addition, about the specific structure of the control instruction | command part 72 mentioned above, the structure disclosed by patent document 1 can be taken.

上述したように、本実施例では、位置偏差及び速度偏差を0とし、かつ、傾斜角速度θ’を0とするように倒立移動装置10を制御するため、車体20の重心に加わる外力(図12における重力Gと慣性力Aの和)の方向は車輪12,14の車軸16の方向を向くこととなる。従って、図11(b)または図12に示すように慣性力Aが前方向に作用する場合(すなわち倒立移動装置10が減速する場合)には、車体20が後ろ側に傾斜する。逆に慣性力Aが後ろ方向に作用する場合(すなわち倒立移動装置10が加速する場合)は、車体20が前側に傾斜する。このように、本実施例では、倒立移動装置10の減速度a(又は加速度a)を制御することによって、車体20の傾斜角θを制御することができる。傾斜角θは、θ=arctan(a/g)の計算式によって求めることができる。   As described above, in this embodiment, the external moving force applied to the center of gravity of the vehicle body 20 (FIG. 12) is controlled to control the inverted moving device 10 so that the position deviation and the speed deviation are zero and the inclination angular velocity θ ′ is zero. The direction of the gravitational force G and the inertial force A) is directed toward the axle 16 of the wheels 12 and 14. Therefore, when the inertial force A acts in the forward direction as shown in FIG. 11B or FIG. 12 (that is, when the inverted moving device 10 decelerates), the vehicle body 20 tilts backward. Conversely, when the inertial force A acts in the backward direction (that is, when the inverted moving device 10 accelerates), the vehicle body 20 tilts forward. Thus, in the present embodiment, the inclination angle θ of the vehicle body 20 can be controlled by controlling the deceleration a (or acceleration a) of the inverted moving device 10. The inclination angle θ can be obtained by a calculation formula of θ = arctan (a / g).

次に、倒立移動装置10が段差を乗り越える際のコントローラ70の動作について、図10を参照して説明する。図10は、倒立移動装置10が初期位置(x,y,φ)において停止した状態で最終目標位置入力部76より最終目標位置(x,y,φ)が入力され、初期位置(x,y,φ)から最終目標位置(x,y,φ)に移動する際のコントローラ70の動作を示している。 Next, the operation of the controller 70 when the inverted moving device 10 gets over the step will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) is input from the final target position input unit 76 with the inverted moving device 10 stopped at the initial position (x A , y A , φ A ). The operation of the controller 70 when moving from the initial position (x A , y A , φ A ) to the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) is shown.

最終目標位置入力部76より最終目標位置(x,y,φ)が入力されると、コントローラ70は、倒立移動装置10の各部を起動して、倒立移動装置10の移動制御を開始する(ステップS2)。移動制御を開始すると、コントローラ70は、まず、入力された最終目標位置(x,y,φ)と倒立移動装置10の現在位置(x,y,φ)から移動軌跡を決定し、その決定した移動軌跡に基づいて目標速度パターンを算出する(ステップS4)。そして、算出された目標速度パターンに基づいてコントローラ70からモータ22,24への制御指令値の出力が開始され、その制御指令値に基づいてモータ22,24が駆動される(ステップS6)。これによって、倒立移動装置10は、倒立状態を維持した状態で、最終目標位置(x,y,φ)に向かって移動を開始する。 When the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) is input from the final target position input unit 76, the controller 70 activates each part of the inverted moving device 10 and starts movement control of the inverted moving device 10. (Step S2). When the movement control is started, the controller 70 first determines a movement locus from the input final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) and the current position (x A , y A , φ A ) of the inverted moving device 10. The target speed pattern is calculated based on the determined movement locus (step S4). Then, output of control command values from the controller 70 to the motors 22 and 24 is started based on the calculated target speed pattern, and the motors 22 and 24 are driven based on the control command values (step S6). Thereby, the inverted moving device 10 starts moving toward the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) while maintaining the inverted state.

倒立移動装置10が走行を開始すると、路面センサ29によって路面形状データの計測が行われる。路面センサ29によって計測された路面形状は、所定の周期毎にコントローラ70に入力される。コントローラ70は、入力される路面形状データから路面に段差があるか否かを判定する(ステップS8)。
路面に段差がないと判断した場合(ステップS8でNO)は、ステップS24に進んで、倒立移動装置10が最終目標位置(x,y,φ)に到達したか否かを判定する。最終目標位置(x,y,φ)に到達した場合(ステップS24でYES)は、コントローラ70による移動制御を終了する。最終目標位置(x,y,φ)に到達していない場合(ステップS20でNO)は、ステップS6に戻ってステップS6からの処理が繰返される。このため、モータ22,24の駆動が継続され、倒立移動装置10は最終目標位置(x,y,φ)に向かって移動を継続する。
When the inverted moving device 10 starts traveling, road surface shape data is measured by the road surface sensor 29. The road surface shape measured by the road surface sensor 29 is input to the controller 70 at predetermined intervals. The controller 70 determines whether or not there is a step on the road surface from the input road surface shape data (step S8).
If it is determined that there is no step on the road surface (NO in step S8), the process proceeds to step S24, and it is determined whether the inverted moving device 10 has reached the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ). . Final target position (x 1, y 1, φ 1) when it reaches the (YES at step S24) ends the movement control of the controller 70. If the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ) has not been reached (NO in step S20), the process returns to step S6 and the processes from step S6 are repeated. For this reason, the driving of the motors 22 and 24 is continued, and the inverted moving device 10 continues to move toward the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ).

一方、路面に段差があると判断した場合(ステップS8でYES)は、コントローラ70は、検出された段差の高さhが予め設定された段差高さhmaxを超えるか否かを判定する(ステップS10)。
検出された段差高さhが設定された段差高さhmaxを超える場合(ステップS10でYES)は、コントローラ70は倒立移動装置10を停止させるための目標速度パターンに修正する(ステップS18)。次いで、コントローラ70は、ステップS18で修正された目標速度パターンに基づいてモータ22を駆動し(ステップS20)、倒立移動装置10の速度が0となったか否かを判断する(ステップS22)。倒立移動装置10の速度が0となっていないと(ステップS22でNO)は、ステップS20に戻って、ステップS20からの処理が繰返される。これによって、倒立移動装置10が停止するまでモータ22,24の駆動が継続される。倒立移動装置10の速度が0となっている場合(ステップS22でYES)は、コントローラ70は倒立移動装置10の移動制御を終了する。
On the other hand, if it is determined that there is a step on the road surface (YES in step S8), the controller 70 determines whether or not the detected step height h exceeds a preset step height h max ( Step S10).
When the detected step height h exceeds the set step height h max (YES in step S10), the controller 70 corrects the target speed pattern for stopping the inverted moving device 10 (step S18). Next, the controller 70 drives the motor 22 based on the target speed pattern corrected in step S18 (step S20), and determines whether or not the speed of the inverted moving device 10 has become zero (step S22). If the speed of the inverted moving device 10 is not zero (NO in step S22), the process returns to step S20 and the processing from step S20 is repeated. Thus, the driving of the motors 22 and 24 is continued until the inverted moving device 10 stops. When the speed of the inverted moving device 10 is 0 (YES in step S22), the controller 70 ends the movement control of the inverted moving device 10.

検出された段差高さhが設定された段差高さhmaxを超えない場合(ステップS10でNO)は、コントローラ70は段差乗り越え時の目標速度Vを算出し、その目標速度Vから目標傾斜角度θを算出する(ステップS12)。次いで、コントローラ70は、目標傾斜角度θから目標減速度−aを算出する。
目標速度Vと目標減速度−aが算出されると、段差までの距離lと倒立移動装置10の現在速度Vから倒立移動装置10が段差を乗り越え可能か否かを判定する(ステップS14)。倒立移動装置10が段差を乗り越えることができない場合(ステップS14でNO)は、ステップS18に進む。これによって、倒立移動装置10は、段差を乗り越えることなく、その移動を停止する。
If the detected level difference height h does not exceed the set height of the step h max (NO at step S10), the controller 70 calculates the target speed V 0 which upon overcoming step, the target from the target speed V 0 The inclination angle θ 0 is calculated (step S12). Next, the controller 70 calculates a target deceleration −a 0 from the target inclination angle θ 0 .
When the target speed V 0 and the target deceleration −a 0 are calculated, it is determined whether or not the inverted moving device 10 can get over the step from the distance l to the step and the current speed V of the inverted moving device 10 (step S14). ). If the inverted moving device 10 cannot get over the step (NO in step S14), the process proceeds to step S18. Thereby, the inverted moving device 10 stops its movement without getting over the step.

一方、倒立移動装置10が段差を乗り越え可能である場合(ステップS14でYES)は、ステップS12で算出された目標速度Vと目標傾斜角θ(すなわち、目標減速度−a)と段差までの距離lと倒立移動装置10の現在速度Vから目標速度パターンを修正する(ステップS16)。目標速度パターンを修正すると、ステップS24に進む。これによって、修正された目標速度パターンで倒立移動装置10が駆動され、倒立移動装置10は最終目標位置(x,y,φ)まで移動することとなる。 On the other hand, when the inverted moving device 10 can ride over the step (YES in step S14), the target speed V 0 and the target inclination angle theta 0 calculated in step S12 (i.e., target deceleration -a 0) and step The target speed pattern is corrected from the distance 1 to the current speed V and the current speed V of the inverted moving device 10 (step S16). When the target speed pattern is corrected, the process proceeds to step S24. Accordingly, the inverted moving device 10 is driven with the corrected target speed pattern, and the inverted moving device 10 moves to the final target position (x 1 , y 1 , φ 1 ).

ここで、倒立移動装置10が段差を乗り越えるときの車体の姿勢について、図4の例に基づいて説明する。
倒立移動装置10は、位置Cにおいて段差100を検出すると、図8に示すような目標速度パターンに従って走行する。すなわち、段差100を検出した後、点Dに到達するまでは、一定速度Vmaxで走行する(図11(a)参照)。倒立移動装置10は、点Dに到達すると、一定減速度−aで減速しながら走行する。すると、倒立移動装置10は、傾斜角速度θ’=0となるように走行するので、車体20の傾斜角度θは、減速度−aに応じた傾斜角度θとなる。倒立移動装置10は、一定減速度−a、傾斜角度θで点Dから段差100まで走行する(図11(b)参照)。倒立移動装置10が点Dから段差まで走行する間に倒立移動装置10の速度が減速され、倒立移動装置10の速度は速度V(目標走行速度V)となる。すなわち、倒立移動装置10は、速度V、傾斜角度θで段差100に進入する(図11(c)参照)。
倒立移動装置10が段差100に進入すると、車輪12、14が段差100に接触する。車輪12、14が段差100に接触すると、段差100から車輪12、14に、進行方向に対して後ろ側に外乱力Fが作用する(図12参照)。外乱力Fが作用すると、車輪12、14と段差との接触点Pの周りに慣性モーメントMが発生する。発生した慣性モーメントMが車体20に作用すると、後ろ側に傾斜していた車体20が起こされて、略垂直(すなわちθ=0)に倒立する。
また、倒立移動装置10が段差100に進入する速度Vは、段差100を乗り越えるのに十分な速度に決定されている。また、倒立移動装置10は、段差100に進入する直前のタイミングで、加速度amaxで加速するので、車輪12、14にトルクが加わっている。従って、倒立移動装置10は好適に段差100を乗り越える(図11(d)参照)。
Here, the posture of the vehicle body when the inverted moving device 10 gets over the step will be described based on the example of FIG.
When the inverted moving device 10 detects the step 100 at the position C, the inverted moving device 10 travels according to the target speed pattern as shown in FIG. That is, after detecting the step 100, until it reaches the point D, and runs at a constant speed V max (see FIG. 11 (a)). When reaching the point D, the inverted moving device 10 travels while decelerating at a constant deceleration −a 0 . Then, since the inverted moving device 10 travels so that the inclination angular velocity θ ′ = 0, the inclination angle θ of the vehicle body 20 becomes the inclination angle θ 0 corresponding to the deceleration −a 0 . The inverted moving device 10 travels from the point D to the step 100 at a constant deceleration −a 0 and an inclination angle θ 0 (see FIG. 11B). While the inverted moving device 10 travels from the point D to the step, the speed of the inverted moving device 10 is decelerated, and the speed of the inverted moving device 10 becomes the speed V 0 (target traveling speed V 0 ). That is, the inverted moving device 10 enters the step 100 at the speed V 0 and the inclination angle θ 0 (see FIG. 11C).
When the inverted moving device 10 enters the step 100, the wheels 12 and 14 come into contact with the step 100. When the wheels 12 and 14 come into contact with the step 100, a disturbance force F acts on the wheels 12 and 14 from the step 100 to the rear side in the traveling direction (see FIG. 12). When the disturbance force F acts, an inertia moment M is generated around the contact point P between the wheels 12 and 14 and the step. When the generated moment of inertia M acts on the vehicle body 20, the vehicle body 20 inclined rearward is raised, and is inverted substantially vertically (that is, θ = 0).
In addition, the speed V 0 at which the inverted moving device 10 enters the step 100 is determined to be a speed sufficient to get over the step 100. Further, since the inverted moving device 10 is accelerated at the acceleration a max immediately before entering the step 100, torque is applied to the wheels 12, 14. Therefore, the inverted moving device 10 preferably gets over the step 100 (see FIG. 11D).

上述した説明から明らかなように、倒立移動装置10は、段差を乗り越える際に、車体20を進行方向に対して後ろ側に傾斜させる。従って、倒立移動装置10が段差を乗り越える際に車体20が前側に大きく傾斜されることが抑制され、倒立状態を維持したまま、より高い段差を乗り越えることができる。
また、上述の倒立移動装置10は、目標速度パターン算出部79が、段差の高さhに応じて目標走行速度Vと目標傾斜角θを決定し、次いで、目標傾斜角θに応じたら目標減速度aを決定し、最後に、決定した目標減速度a及び目標走行速度V並びに速度センサで検出された車体20の速度Vに応じて車体20の目標速度パターンを決定する。倒立移動装置10は、段差の高さhに応じて決定された目標速度パターンに従って走行するので、段差を好適に乗り越えることができる。
また、上述の倒立移動装置10は、コントローラ70が、路面センサ29によって検出された段差が所定の高さhmaxよりも低い場合にのみ、倒立移動装置10に段差を乗り越えさせる。従って、段差が所定の高さhmaxよりも高い場合には、倒立移動装置10は段差に進入しないので、倒立移動装置10が転倒して故障することが防止される。
As is clear from the above description, the inverted moving device 10 tilts the vehicle body 20 rearward with respect to the traveling direction when getting over the step. Therefore, when the inverted moving device 10 gets over the step, the vehicle body 20 is prevented from being greatly tilted to the front side, and it is possible to get over the higher step while maintaining the inverted state.
In the inverted moving device 10 described above, the target speed pattern calculation unit 79 determines the target travel speed V 0 and the target inclination angle θ 0 according to the height h of the step, and then according to the target inclination angle θ 0 . After determining the target deceleration a 0, finally, to determine a target speed pattern of the vehicle body 20 according to the velocity V of the determined target deceleration a 0 and a target travel speed V 0 and the vehicle body 20 detected by the speed sensor . Since the inverted moving device 10 travels according to the target speed pattern determined according to the height h of the level difference, the level difference can be suitably overcome.
Further, in the above-described inverted moving device 10, the controller 70 causes the inverted moving device 10 to get over the step only when the step detected by the road surface sensor 29 is lower than the predetermined height hmax. Therefore, when the step is higher than the predetermined height hmax, the inverted moving device 10 does not enter the step, so that the inverted moving device 10 is prevented from falling and failing.

なお、上述した実施例では、倒立移動装置10が駆動する回転体として、二つの車輪12,14が用いられていたが、本発明はこのような実施形態に限られず、一輪や1球など、様々な回転体を任意に選択することができる。
また、上述の実施例では、路面センサとしてレーザレンジセンサを使用したが、超音波センサや、カメラ等によって撮影された画像を処理することで段差を検出しても良い。
In the above-described embodiment, the two wheels 12 and 14 are used as the rotating body that the inverted moving device 10 drives. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and one wheel, one ball, etc. Various rotating bodies can be arbitrarily selected.
In the above-described embodiment, a laser range sensor is used as a road surface sensor. However, a step may be detected by processing an image captured by an ultrasonic sensor, a camera, or the like.

なお、上述の倒立移動装置10では、倒立移動装置10を減速することで、段差に進入する際に車体20を後ろ側へ傾斜させている。車体20が後ろ側へ傾斜すると、路面センサ29の測定角度範囲が上方を向き、路面形状を測定する範囲が変わってしまう。従って、倒立移動装置は、図13に示す構成とすることができる。
図13の倒立移動装置40は、車体50が、上車体62と下車体64とによって構成されている。上車体62と下車体64は、アクチュエータ66によって接続されている。そして、アクチュエータ66を駆動することによって、上車体62を下車体64に対して前後にスライドさせることができる。また、路面センサ29は下車体64の前方下部に取り付けられており、その測定角度範囲が路面方向に向けられている。
このような構成によれば、車体50を傾斜させる際に、コントローラからアクチュエータ66に制御指令値を出力して、上車体62を後ろ側にスライドさせることができる。すると、車体(すなわち車体の重心)を後ろ側に傾斜させても、上車体62及び下車体64を垂直に維持することができる。従って、路面センサ29の測定角度範囲が上方を向くことなく、測定角度範囲が変わらないため、路面形状を好適に測定することができる。
また、倒立移動装置10が加速する際は、下車体64に対して上車体62をスライドさせないと、車体50は前方に傾斜することとなる。車体50が前方に傾斜しても、路面センサ29による測定角度範囲が変更になってしまう。そこで、倒立移動装置10が加速する際は、下車体64に対して上車体62を前方に移動させて、車体50の傾きを抑制することができる。これによって、路面センサ29の測定角度範囲の変化が抑制され、倒立移動装置10の加速中も路面形状を好適に測定することができる。
In the above-described inverted moving device 10, the inverted moving device 10 is decelerated so that the vehicle body 20 is inclined rearward when entering the step. When the vehicle body 20 is tilted rearward, the measurement angle range of the road surface sensor 29 faces upward, and the range for measuring the road surface shape changes. Therefore, the inverted moving device can be configured as shown in FIG.
In the inverted moving device 40 of FIG. 13, the vehicle body 50 is composed of an upper vehicle body 62 and a lower vehicle body 64. The upper vehicle body 62 and the lower vehicle body 64 are connected by an actuator 66. Then, by driving the actuator 66, the upper vehicle body 62 can be slid back and forth with respect to the lower vehicle body 64. Moreover, the road surface sensor 29 is attached to the lower front part of the lower vehicle body 64, and the measurement angle range is directed to the road surface direction.
According to such a configuration, when the vehicle body 50 is tilted, a control command value can be output from the controller to the actuator 66 and the upper vehicle body 62 can be slid rearward. Then, even if the vehicle body (that is, the center of gravity of the vehicle body) is inclined rearward, the upper vehicle body 62 and the lower vehicle body 64 can be maintained vertically. Therefore, since the measurement angle range of the road surface sensor 29 does not turn upward and the measurement angle range does not change, the road surface shape can be suitably measured.
Further, when the inverted moving device 10 is accelerated, the vehicle body 50 is inclined forward unless the upper vehicle body 62 is slid with respect to the lower vehicle body 64. Even if the vehicle body 50 is tilted forward, the measurement angle range by the road surface sensor 29 is changed. Therefore, when the inverted moving device 10 accelerates, the upper vehicle body 62 can be moved forward with respect to the lower vehicle body 64 to suppress the inclination of the vehicle body 50. As a result, the change in the measurement angle range of the road surface sensor 29 is suppressed, and the road surface shape can be suitably measured even during acceleration of the inverted moving device 10.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

倒立移動装置10の斜視図。The perspective view of the inverted moving apparatus 10. FIG. コントローラ70の機能ブロック図。The functional block diagram of the controller 70. FIG. 目標値出力部74の機能ブロック図。The functional block diagram of the target value output part 74. FIG. 段差を乗り越える動作の説明図。Explanatory drawing of the operation which gets over a level | step difference. 通常時の目標速度パターン及び目標位置パターン。Normal target speed pattern and target position pattern. 算出時のV−h相関マップ。V 0 -h correlation map when calculating V 0 . θ算出時のθ−h相関マップ。θ 0 calculated at the time of θ 0 -h correlation map. 段差乗り越え時の目標速度パターン及び目標位置パターン。Target speed pattern and target position pattern when stepping over a step. 段差回避時の目標速度パターン及び目標位置パターン。Target speed pattern and target position pattern for step avoidance. コントローラ70の処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the process of the controller. 倒立移動装置10の段差進入時の説明図。Explanatory drawing at the time of the level | step difference approach of the inverted moving apparatus 10. FIG. 倒立移動装置10の段差進入時の説明図。Explanatory drawing at the time of the level | step difference approach of the inverted moving apparatus 10. FIG. 倒立移動装置40の段差進入時の説明図。Explanatory drawing at the time of the level | step difference approach of the inverted moving apparatus 40. FIG. 倒立移動装置60の段差進入時の説明図。Explanatory drawing at the time of the level | step difference approach of the inverted moving apparatus 60. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10:倒立移動装置
12、14:車輪
16:車軸
20:車体
22、24:モータ
22a、24a:エンコーダ
28:ジャイロセンサ
29:路面センサ
30:重心
40:倒立移動装置
50:車体
60:倒立移動装置
62:上車体
64:下車体
66:アクチュエータ
70:コントローラ
72:制御指令部
72a:走行制御指令値算出部
72b:倒立制御指令値算出部
74:目標値出力部
75:段差検出部
79:目標速度パターン算出部
80:目標位置出力部
81:目標速度出力部
90:現在速度算出部
92:現在位置算出部
10: Inverted moving device 12, 14: Wheel 16: Axle 20: Car body 22, 24: Motor 22a, 24a: Encoder 28: Gyro sensor 29: Road surface sensor 30: Center of gravity 40: Inverted moving device 50: Car body 60: Inverted moving device 62: Upper vehicle body 64: Lower vehicle body 66: Actuator 70: Controller 72: Control command unit 72a: Travel control command value calculation unit 72b: Inverted control command value calculation unit 74: Target value output unit 75: Step detection unit 79: Target speed Pattern calculation unit 80: target position output unit 81: target speed output unit 90: current speed calculation unit 92: current position calculation unit

Claims (5)

1または複数の回転体と、回転体によって支持される車体と、回転体を回転させる駆動装置とを備え、駆動装置によって回転体を駆動することで車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立移動装置であって、
車体の進行方向の路面の段差を検出する路面センサと、
車体の傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する傾斜角センサと、
車体の走行速度を特定可能な物理量を検出する速度センサと、
路面センサにより検出された路面の段差の有無と、傾斜角センサにより検出された検出値と、速度センサにより検出された検出値に応じて、駆動装置に制御指令値を出力するコントローラと、を備えており、
コントローラは、路面センサにより進行方向に段差が検出された場合は、段差を乗り越えるときに車体を進行方向に対して後ろ側に傾斜させることを特徴とする倒立移動装置。
One or a plurality of rotating bodies, a vehicle body supported by the rotating body, and a drive device that rotates the rotating body are provided, and the vehicle is driven on the road surface while the vehicle body is maintained in an inverted state by being driven by the drive device. An inverted moving device that
A road surface sensor for detecting a step in the road surface in the traveling direction of the vehicle body;
A tilt angle sensor for detecting at least one of a tilt angle and a tilt angular velocity of the vehicle body;
A speed sensor that detects a physical quantity capable of specifying the traveling speed of the vehicle body;
A controller that outputs a control command value to the driving device in accordance with the presence or absence of a road surface step detected by the road surface sensor, a detection value detected by the inclination angle sensor, and a detection value detected by the speed sensor. And
An inverted moving device characterized in that, when a step is detected in the traveling direction by a road surface sensor, the controller tilts the vehicle body to the rear side with respect to the traveling direction when overcoming the step.
コントローラは、
路面センサで検出された段差の高さから段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する目標値決定部と、
決定された目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された車体の速度に応じて車体の目標速度パターンを決定する目標速度パターン決定部と、
傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された目標速度パターンとなるように制御指令値を算出する制御指令値算出部と、
を有していることを特徴とする請求項1に記載の倒立移動装置。
The controller
A target value determining unit for determining a target traveling speed and a target inclination angle of the vehicle body when overcoming the step from the height of the step detected by the road surface sensor;
A target speed pattern determining unit that determines a target speed pattern of the vehicle body according to the determined target traveling speed and target inclination angle and the speed of the vehicle body detected by the speed sensor;
A control command value calculation unit for maintaining the vehicle body in an inverted state according to the tilt angle detected by the tilt angle sensor and calculating a control command value so that the speed of the vehicle body becomes the determined target speed pattern;
The inverted moving device according to claim 1, comprising:
目標速度パターン決定部は、目標値決定部で決定された目標傾斜角から段差乗り越え時の目標減速度を決定し、その目標減速度と速度センサで検出された車体の速度と目標値決定部で決定された目標走行速度から目標速度パターンを決定することを特徴とする請求項2に記載の倒立移動装置。   The target speed pattern determination unit determines the target deceleration at the time of overcoming the step from the target inclination angle determined by the target value determination unit, and the target deceleration, the vehicle speed detected by the speed sensor, and the target value determination unit The inverted moving device according to claim 2, wherein a target speed pattern is determined from the determined target traveling speed. コントローラは、路面センサによって検出された段差が所定の高さよりも低い場合にのみ、倒立移動装置に段差を乗り越えさせることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の倒立移動装置。   The inverted moving device according to any one of claims 1 to 3, wherein the controller causes the inverted moving device to get over the step only when the step detected by the road surface sensor is lower than a predetermined height. 1または複数の回転体と、回転体によって支持される車体と、回転体を回転させる駆動装置と、倒立移動装置の進行方向の路面の段差を検出する路面センサと、車体の傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する傾斜角センサと、倒立移動装置の走行速度を特定可能な物理量を検出する速度センサと、路面センサと傾斜角センサと速度センサの検出結果に応じて制御指令値を駆動装置に出力するコントローラとを備え、駆動装置が制御指令値に基づいて回転体を駆動することで車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立移動装置の制御方法であり、
路面センサにより倒立移動装置の進行方向の段差が検出された場合に、検出された段差の高さから、段差乗り越え時の車体の目標走行速度と目標傾斜角を決定する第1ステップと、
第1ステップで算出された車体の目標走行速度及び目標傾斜角並びに速度センサで検出された検出値に応じて目標速度パターンを決定する第2ステップと、
傾斜角センサで検出された傾斜角に応じて車体の倒立状態を維持し、かつ、車体の速度が決定された速度パターンとなるように制御指令値を算出する第3ステップと、を有し、
上記各工程をコントローラで実行することで倒立移動装置に段差を乗り越えさせることを特徴とする倒立移動装置の制御方法。
One or a plurality of rotators, a vehicle body supported by the rotator, a drive device that rotates the rotator, a road surface sensor that detects a step on the road surface in the traveling direction of the inverted moving device, and an inclination angle and an inclination angular velocity of the vehicle body A tilt angle sensor that detects at least one of the above, a speed sensor that detects a physical quantity that can specify the traveling speed of the inverted moving device, and a control command value that is driven according to detection results of the road surface sensor, the tilt angle sensor, and the speed sensor A controller that outputs to the device, and a driving device that drives the rotating body based on a control command value to control the inverted moving device that travels on the road surface while maintaining the vehicle body in an inverted state.
A first step of determining a target travel speed and a target inclination angle of the vehicle body when overcoming the step from the height of the detected step when the road surface sensor detects a step in the traveling direction of the inverted moving device;
A second step of determining a target speed pattern according to the target travel speed and target inclination angle calculated in the first step and the detected value detected by the speed sensor;
A third step of maintaining the vehicle body in an inverted state according to the inclination angle detected by the inclination angle sensor and calculating a control command value so that the speed of the vehicle body becomes a determined speed pattern;
A method for controlling an inverted moving device, comprising: causing the inverted moving device to get over a step by executing the above steps with a controller.
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