JP2009201321A

JP2009201321A - 倒立車輪式移動ロボットとその制御方法

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Publication number: JP2009201321A
Application number: JP2008042986A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kajima; 日出輝梶間; Yoshiyuki Senba; 快之仙波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP4992754B2

Abstract

【課題】重心位置や路面傾斜角が変動した場合であっても目標とする倒立走行を行うことが可能な倒立車輪式移動ロボットとその制御方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる倒立車輪式移動ロボットで１０は、駆動輪２を駆動する駆動部１２と、倒立車輪式移動ロボット１０の実状態を検出する検出部１４と、検出部１４によって検出した実状態と目的状態の偏差に応じて制御量を生成し、駆動部１２に対して出力することにより、倒立走行を制御する倒立走行コントローラ１１と、検出部１４によって検出された車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に応じた車体傾斜角補正量を、目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させる車体傾斜角補正量算出部１９とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、倒立車輪式移動ロボットとその制御方法に関し、特に倒立走行の制御技術に関する。

倒立車輪式移動ロボットの開発が進んでいる。ここで、当該倒立車輪式移動ロボットの２次元モデルを図１に示す。図１に示す２次元モデルにおいて、倒立車輪式移動ロボット１０では、車体１にサスペンション軸３を介して同一車軸上に配置された２つ以上の駆動輪２が設けられている。さらに駆動輪２の前後方向には補助輪４が設けられている。図１（ａ）は、倒立走行制御が行われていない状態であり、この状態では、駆動輪２に加えて補助輪４が接地しており、安定な状態が実現される。

安定化制御コントローラ、すなわち倒立走行コントローラが動作することにより、図１（ｂ）に示されるように、補助輪４は接地せずに駆動輪４のみで倒立した状態を維持することができる。このような状態で、走行指令値が与えられると、倒立安定状態を維持したまま、走行指令値に応じて走行する。走行が終了すると所定タイミングにおいて図１（ａ）で示される安定状態に戻り、倒立走行コントローラを停止させる。このような構成を有する移動ロボットや移動体の走行制御について様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１〜５）。

続いて、図１に示されるような２次元モデルの倒立車輪式移動ロボットにおける一般的な制御系について、図２を用いて説明する。図２において、目標状態及び実状態は、例えば、車体傾斜角度、傾斜角速度、車輪回転角度、車輪回転角速度に関する状態である。図に示されるように、倒立走行コントローラ１１は、目標状態として倒立姿勢や走行パターンが与えられると、かかる目的状態と、ジャイロやエンコーダ等の検出部１４によって計測した実状態との偏差に基づいて、車輪駆動トルクや回転速度などの適切な制御量を算出する。

駆動部１２は、倒立走行コントローラ１１から入力した制御量に応じてモータを駆動しロボットを動作させ、倒立状態を維持した状態で走行を行う。このとき、倒立走行コントローラ１１は、制御理論に基づいて設計されることもあるが、ＰＩＤ制御等の制御系で構成される場合もある。

ここで、図３は、従来の問題点について説明するための説明図であり、図３（ａ）は重心位置が既知の場合、同図（ｂ）は重心位置が未知の場合（例えば、重心位置が変化した場合）をそれぞれ示す。また、図において、Ｇは重力加速度、Ｍは車体１の重心、η_Ｄは検出した車体傾斜角度、η_Ａは実際の車体傾斜角度、θは車輪回転角をそれぞれ示す。

このとき、図２の制御系では、検出部１４によって検出された車体傾斜角度が、図３（ａ）に示す重力加速度Ｇの方向に対する車体傾斜角度が正確に検出できることを前提としている。しかしながら、図３（ｂ）に示す場合のように、車体の質量が増減する等して重心位置が変動すると、検出した車体傾斜角度と、実際の車体傾斜角度との間に偏差が発生する。これに伴い、倒立走行コントローラ１１によって算出した制御量は適切な値ではなくなってしまう。

ここで、図４は、重心位置が変動して矛盾した状態を目標とした場合について説明するための図であり、図４（ａ）は物理的に矛盾した目標状態、同図（ｂ）は制御結果をそれぞれ示す。図４（ａ）では、検出部１４によって検出された車体傾斜角度η_Ｄは０、実際の車体傾斜角度η_Ａは０でない値、車輪回転角速度ｄθ／ｄｔは０をとる。

重心位置が変動して矛盾した状態においては、図４に示されるように、倒立車輪式移動ロボットは物理的に実現不可能な矛盾した状態を目標としてしまうため、狙った制御性能を実現できなくなる。例えば、図４（ａ）に示す状態でその場で停止しようとしても、重心Ｍが車軸の真上に位置せず、倒立走行コントローラ１１が重心Ｍを図上の右側にずれたところに位置させるため、結果として、倒立車輪式移動ロボットは、図４（ｂ）の白抜き矢印に示されるように紙面右方向に移動を続けてしまい、車輪回転角速度ｄθ／ｄｔは０ではない値をとる。

また、矛盾した目標状態は、倒立車輪式移動ロボットの重心位置が変化しなくても、路面形状が変化することによっても生じる。図５は路面形状が変化することによって矛盾した目標状態が発生した場合を説明するための説明図である。

図５（ａ）は倒立車輪式移動ロボットが平地で停止した状態を示す。この場合には、車輪回転角速度ｄθ／ｄｔは０であり、また、検出された車体傾斜角度η_Ｄと実際の車体傾斜角度η_Ａは、いずれも０であり等しく、矛盾した目標状態は発生していない。

他方、図５（ｂ）は倒立車輪式移動ロボットが傾斜を有する坂、即ち斜面上にある場合を示す。この場合には、検出された車体傾斜角度η_Ｄと実際の車体傾斜角度η_Ａは、いずれも０であり等しいが、車輪回転角速度ｄθ／ｄｔは０でない。このため、目標状態に矛盾が発生することとになり、結果として、倒立車輪式移動ロボットは、斜面を下り続けてしまう。

このような課題を解決するための技術が提案されている（例えば、特許文献６）。特許文献６に開示された制御系を図６に示す。この従来技術では、重心位置が変動することによって発生する矛盾を、外力オブザーバ１５による推定値や停止指令中のみ車輪角速度の絶対値により目標車体傾斜角度の補正量を、目標車体傾斜角補正量算出部１６によって算出している。

特開昭６３−３０５０８２号公報特開平０５−２４５７８０号公報特開２００４−２９５４３０号公報特開２００７−６９６８８号公報特開２００７−７６４１３号公報特開２００７−１１６３４号公報

しかしながら、特許文献６に開示された制御技術では、次のような問題が生じる。即ち、外乱オブザーバによる推定値を用いて目標車体傾斜角度を補正すると、図５のように斜面で停止しようとした際に補正量が斜面を加速して下る方向に算出されてしまう。これは、車軸より上側（車体側）から加わった外乱と、車軸より下側（路面側）から加わった外乱を分離できない上に、補正すべき方向が逆であることに起因して生じる問題である。即ち、図７に示されるように、正の駆動トルクτを加えたとき、車輪の回転方向Ｒｗが正、車体の回転方向Ｒｂが負となる。図８で示されるように、図面上の右から左への外力を受けた場合を考えると、外力により車体は負の方向に回転する（Ｒｂ＜０）ため、図７に示される関係から外力オブザーバの推定値は正となる。このとき、車体傾斜角は正の方向に補正されるように設定する。

また、停止指令中のみ車輪角速度の絶対値を用いて目標車体傾斜角度を補正すると、「平地走行→斜面走行→減速→停止」する場合には、斜面で停止した直後に路面形状が、走行開始前の平地から斜面に変化したことによる影響で、停止した後に坂を下り始めてしまう。ある程度坂を下ったところで、車輪角速度の絶対値により目標車体傾斜角度の補正が効き始めて停止する。この点に関して、図９で示されるように、重力加速度の影響（外乱）により車輪は正方向に回転する。このとき図７に示す関係から、外力オブザーバの推定値Ｐは、正となる。従って、車体傾斜角の補正η_ｃも同様に正となるが、この補正方向は斜面を下るように加速する方向に重心を移動させることを意味しており、斜面上で停止することはできない。このとき、斜面で停止することができるようにロジックを変更することも可能だが、そうすると、外力を受けた場合に正常に補正できない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、重心位置や路面傾斜角が変動した場合であっても目標とする倒立走行を行うことが可能な倒立車輪式移動ロボットとその制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる倒立車輪式移動ロボットは、倒立状態で駆動輪の回転により走行する倒立車輪式移動ロボットであって、前記駆動輪を駆動する駆動部と、前記倒立車輪式移動ロボットの実状態を検出する検出部と、前記検出部によって検出した実状態と目的状態の偏差に応じて制御量を生成し、前記駆動部に対して出力することにより、倒立走行を制御する倒立走行コントローラと、前記検出部によって検出された車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に応じた車体傾斜角補正量を、前記目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させる補正手段とを備えたものである。

ここで、前記補正手段は、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対して係数を乗算する係数処理部を備えていることが望ましい。

また、前記係数処理部は、車輪回転角速度又は車体の移動速度に応じて当該係数を決定することが望ましい。特に、前記係数処理部は、車輪回転角速度又は車体の移動速度が増加するに従って当該係数を小さくすることが望ましい。

また、前記補正手段は、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対してフィルタリング処理を行い、前記係数処理部に出力するフィルタ処理部を備えていることが望ましい。

本発明にかかる倒立車輪式移動ロボットの制御方法は、倒立状態で駆動輪の回転により走行する倒立車輪式移動ロボットの制御方法であって、前記倒立車輪式移動ロボットの実状態を検出するステップと、検出した実状態と目的状態の偏差に応じて制御量を生成し、倒立走行を制御するステップと、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に応じた車体傾斜角補正量を、前記目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させるステップを備えたものである。

ここで、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対して係数を乗算するステップをさらに有することが望ましい。

また、車輪回転角速度又は車体の移動速度に応じて当該係数を決定することが望ましい。特に、車輪回転角速度又は車体の移動速度が増加するに従って当該係数を小さくすることが望ましい。

さらに、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対してフィルタリング処理を行うステップを備えていることが望ましい。

本発明によれば、重心位置や路面傾斜角が変動した場合であっても目標とする倒立走行を行うことが可能な倒立車輪式移動ロボットとその制御方法を提供することを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる倒立車輪式移動ロボットの２次元モデルは、従来の技術として説明した図１と同じである。即ち、倒立車輪式移動ロボット１０では、車体１にサスペンション軸３を介して同一車軸上に配置された２つ以上の駆動輪２が設けられている。さらに駆動輪２の前後方向には補助輪４が設けられている。

続いて、本実施の形態にかかる制御系について、図１０に示すブロック図を用いて説明する。図１０において、目標状態及び実状態は、例えば、車体傾斜角度、傾斜角速度、車輪回転角度、車輪回転角速度に関する状態である。

倒立走行コントローラ１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。本例における倒立走行コントローラ１１は、倒立車輪式移動ロボットを制御を行うコントローラのうち、倒立走行機能のみについて抽出した機能ブロックである。倒立走行コントローラ１１は、制御理論に基づいて設計されることもあるが、ＰＩＤ制御等の制御系で構成される場合もある。

駆動部１２は、倒立走行コントローラ１１から入力した制御量に応じてモータを駆動し倒立車輪式移動ロボット１３に対してトルクを与えて動作させ、倒立状態を維持した状態で走行を行う。

検出部１４は、実際の車体傾斜角度、傾斜角速度、車輪回転角度、車輪回転角速度を検出し、それらの情報を出力する。また、検出部１４は、例えば、車体１の傾斜角速度を検出するジャイロ、駆動輪２の回転角を検出するエンコーダ等により構成される。なお、車体の傾斜角度は、ジャイロによって検出された傾斜角速度を積分処理することにより得ることができる。また、駆動輪２の回転角速度は、エンコーダによって検出された回転角を微分処理することにより得ることができる。

本実施の形態にかかる倒立車輪式移動ロボットは、上述した各構成に加えて、さらにバッテリー、操作モジュール等の公知の構成を備えている。

本実施の形態においては、さらに目標車体傾斜角補正量算出部１９を備え、かかる目標車体傾斜角補正量算出部１９はフィルタ処理部１７、係数処理部１８を有する。

目標車体傾斜角補正量算出部１９は、検出部１４によって検出された車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差を算出し、この偏差に応じた車体傾斜角補正量を、目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させる処理を実行する。

フィルタ処理部１７には、検出部１４において検出された実際の車輪回転角速度と、目標状態として入力された目標の車輪回転角速度の偏差が算出され、入力される。フィルタ処理部１７は、入力された偏差量に対して、高い周波数成分を除去するローパスフィルタリング処理を行う。なお、本実施の形態にかかる制御系においてフィルタ処理部１７は必須ではなく、実際の車輪回転角速度と目標の車輪回転角速度の偏差を直接、係数処理部１８に入力するようにしてもよい。

係数処理部１８は、実際の車輪回転角速度と目標の車輪回転角速度の偏差若しくはそれに対してフィルタリング処理された値に対して、所定の係数を乗算し、車体傾斜角補正量を出力する。係数は、予め決定した一定値でもよく、状況に応じて変更してもよい。

係数を一定値とすると、車輪回転角速度の偏差が大きいほど車体傾斜角度の補正量も大きくなるが、車輪回転角速度の偏差は、停止中より走行中に大きくなりやすいため、走行中も常に車体傾斜角度を補正し続けると、停止目標位置よりも進みすぎてしまう（即ち、オーバーシュートしてしまう）、或いは走行中に不安定になって転倒してしまうという問題が発生する可能性がある。

そこで、係数を車輪回転角速度に応じて増減させるようにするとよい。例えば、図１１に示されるように、目標の車輪回転角速度が増加するに従って、係数を滑らかに小さくさせる。このように制御することにより、停止中は大きな補正を行って狙った位置にとどまることができ、走行中はあまり大きな補正は行わず、オーバーシュートを防止することが可能となる。

このとき、特許文献６に記載されている手法のように、走行中に全く補正を行わないようにすると、斜面を走行していても補正が実施されず、斜面で停止した直後に斜面を下ってしまうという問題が生じる。従って、ある程度低速での移動中も目標車体傾斜角は補正することが望ましい。

係数処理部１８から出力された車体傾斜角補正量は、目標車体傾斜角に加えられる。これにより、実際の車輪回転角速度と目標の車輪回転角速度の偏差が小さくなるように、目標の車体傾斜角が補正される。

以上説明したように、本実施の形態にかかる倒立車輪式移動ロボットでは、移動させる指令を発している、発していないに関わらず、実際の車輪回転角速度と目標の車輪回転角速度との偏差の大小に基づいて目標傾斜角を増減させている。このような制御を実行することにより、路面傾斜の有無に関わらず、目標の車体姿勢と目標移動速度の矛盾を自動的に解消することができる。これにより、重心位置や路面傾斜角が変動した場合でも倒立車輪式移動ロボットは、目標とする倒立走行（その場での停止を含む）を発揮できる。また、走行中も目標の車体傾斜角を補正することにより、斜面走行中に停止指令を受けた際に、減速状態から停止状態に迅速に移行することができる。

さらに、目標車体傾斜角を増減させる際に使用する係数を目標の車輪角速度（即ち目標の移動速度）に応じて増減するとよい。このような制御を実行することにより、オーバーシュートやアンダーシュート（即ち移動距離の過不足）を防止できる。

なお、上述の例では、実際の車輪回転角速度と目標の車輪回転角速度の偏差に基づいて、車体傾斜角補正量を決定するようにしたが、これに限らず、実際の車体速度と目標の車体速度の偏差に基づいて車体傾斜角補正量を決定するようにしてもよい。また、上述の目標の車輪回転角速度に基づいて係数を決定するようにしたが、これに限らず、実際の車輪回転角速度であってもよく、さらには、車体の速度であってもよい。

本発明及び従来技術にかかる倒立車輪式移動ロボットの２次元モデルを示す図である。従来の一般的な制御系を示すブロック図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。従来技術にかかる制御系を示すブロック図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。従来の制御手法における問題点を説明するための図である。本発明にかかる倒立車輪式移動ロボットの制御系を示すブロック図である。本発明にかかる倒立車輪式移動ロボットの制御において用いられる係数と目標車輪回転角速度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１車体
２駆動輪
３サスペンション軸
４補助輪
１０，１３倒立車輪式移動ロボット
１１倒立走行コントローラ
１２駆動部
１４検出部
１５外力オブザーバ
１６目標車体傾斜角補正量算出部
１７フィルタ処理部
１８係数処理部
１９目標車体傾斜角補正量算出部

Claims

倒立状態で駆動輪の回転により走行する倒立車輪式移動ロボットであって、
前記駆動輪を駆動する駆動部と、
前記倒立車輪式移動ロボットの実状態を検出する検出部と、
前記検出部によって検出した実状態と目的状態の偏差に応じて制御量を生成し、前記駆動部に対して出力することにより、倒立走行を制御する倒立走行コントローラと、
前記検出部によって検出された車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に応じた車体傾斜角補正量を、前記目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させる補正手段とを備えた倒立車輪式移動ロボット。
前記補正手段は、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対して係数を乗算する係数処理部を備えていることを特徴とする請求項１記載の倒立車輪式移動ロボット。
前記係数処理部は、車輪回転角速度又は車体の移動速度に応じて当該係数を決定することを特徴とする請求項２記載の倒立車輪式移動ロボット。
前記係数処理部は、車輪回転角速度又は車体の移動速度が増加するに従って当該係数を小さくすることを特徴とする請求項３記載の倒立車輪式移動ロボット。
前記補正手段は、実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対してフィルタリング処理を行い、前記係数処理部に出力するフィルタ処理部を備えていることを特徴とする請求項２〜４いずれかに記載の倒立車輪式移動ロボット。
倒立状態で駆動輪の回転により走行する倒立車輪式移動ロボットの制御方法であって、
前記倒立車輪式移動ロボットの実状態を検出するステップと、
検出した実状態と目的状態の偏差に応じて制御量を生成し、倒立走行を制御するステップと、
実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に応じた車体傾斜角補正量を、前記目標状態に含まれる目標車体傾斜角に反映させるステップを備えた倒立車輪式移動ロボットの制御方法。
実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対して係数を乗算するステップをさらに有することを特徴とする請求項６記載の倒立車輪式移動ロボットの制御方法。
車輪回転角速度又は車体の移動速度に応じて当該係数を決定することを特徴とする請求項７記載の倒立車輪式移動ロボットの制御方法。
車輪回転角速度又は車体の移動速度が増加するに従って当該係数を小さくすることを特徴とする請求項８記載の倒立車輪式移動ロボットの制御方法。
実状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度と、目標状態の車輪回転角速度又は車体の移動速度の偏差に対してフィルタリング処理を行うステップをさらに備えていることを特徴とする請求項６〜９いずれかに記載の倒立車輪式移動ロボットの制御方法。