JP2010247724A - 走行装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より安定的な走行制御を行うことができる走行装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】走行装置１０は、周辺の走行環境情報を検出する環境情報検出手段５と、搭乗者により行われた走行操作情報を取得する操作情報取得手段６と、環境情報検出手段６により検出された走行環境情報に基づいて、所定時間後までに生じる外乱情報を推定する外乱情報推定手段４１と、操作情報取得手段６により取得された走行操作情報と、外乱情報推定手段４１により推定された外乱情報に基づいて、制御指令値を生成する制御指令値生成手段４２と、制御指令値生成手段４２により生成された制御指令値に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う倒立制御手段４４と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、倒立制御を行いつつ所望の走行を行う走行装置及びその制御方法に関し、特に、より安定的な走行制御を行うことができる走行装置及びその制御方法に関するものである。

一般的に、倒立制御を行いつつ所望の走行を行う走行装置は、その重心位置に依存して実現可能な加減速度を決定している。従って、このような走行装置においては、急激な加減速を行うことが困難となり、アンダーシュートやオーバーシュートが生じ易く、不安定な走行状態になる言った問題が生じている。また、急激な加減速指令が与えられた場合、過度に走行装置が前後へ傾斜し、安定性が損なわれると言った問題も生じている。

これらの問題を解決すべく、例えば、駆動輪の車軸以外に新たに設けられた駆動軸を使用して重心位置を制御することで、上述の問題点を改善した走行装置が想定される。しかしながら、新たに駆動軸を設けることにより、走行装置の重量、コスト、消費エネルギーなどの増加を招くと言った問題が生じる虞がある。一方で、前方及び／又は後方を監視する監視装置を備え、監視装置により障害物などを認識し、危険の緊急度が低い場合は警告を行い、危険の緊急度が高い場合は停止、減速、又は旋回を行う走行装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１２４８６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に示す走行装置においては、危険の緊急度が低い、例えば、小さな段差などから外力が加わり、安定的な走行制御が行えない虞がある。本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、より安定的な走行制御を行うことができる走行装置及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、周辺の走行環境情報を検出する環境情報検出手段と、搭乗者により行われた走行操作情報を取得する操作情報取得手段と、前記環境情報検出手段により検出された前記走行環境情報に基づいて、所定時間後までに生じる外乱情報を推定する外乱情報推定手段と、前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報と、前記外乱情報推定手段により推定された前記外乱情報に基づいて、制御指令値を生成する制御指令値生成手段と、前記制御指令値生成手段により生成された前記制御指令値に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う倒立制御手段と、を備える、ことを特徴とする走行装置である。この一態様によれば、より安定的な走行制御を行うことができる。

また、この一態様において、前記制御指令値生成手段は、前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１指令値生成部と、前記外乱情報推定手段により推定された前記外乱情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２指令値生成部と、を有しており、前記第１指令値生成部により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成部により生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、前記制御指令値を生成してもよい。さらに、この一態様において、前記制御指令値生成手段は、前記第１指令値生成部により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成部により生成された前記第２制御指令値と、を加算して、前記制御指令値を算出する加算器を更に有していてもよい。さらにまた、この一態様において、前記制御指令値生成手段は、例えば、当該走行装置の目標走行速度、目標走行加速度、目標姿勢角度、及び、目標姿勢角速度のうち少なくとも１つを、前記制御指令値として生成してもよい。さらにまた、この一態様において、前記操作情報取得手段は、前記走行操作情報を入力できる操作部と、前記入力された走行操作情報を記憶するメモリと、を有しており、前記メモリは、前記入力された走行操作情報を所定時間蓄積し、該蓄積した所定時間分の走行操作情報をまとめて、前記制御指令値生成手段に出力してもよい。この一態様において、当該走行装置が移動する移動経路を生成する移動経路生成手段を更に備え、前記操作情報取得手段は、前記移動経路生成手段により生成された前記移動経路に基づいて、所定時間分の前記走行操作情報を生成し、前記制御指令値生成手段に対して出力してもよい。この一態様において、前記第１指令値生成部は、前記操作情報取得手段により取得された前記所定時間分の走行操作情報を離散化して複数のステップを生成し、該生成した複数のステップに対して予め設定したゲインを夫々乗算し、該乗算した結果の総和を、前記第１制御指令値として出力し、前記第２指令値生成部は、前記外乱情報推定手段により推定された前記所定時間後までの外乱情報を離散化して複数のステップを生成し、該生成した複数のステップに対して予め設定したゲインを夫々乗算し、該乗算した結果の総和を、前記第２制御指令値として出力してもよい。この一態様において、当該走行装置の走行状態を検出するセンサ手段を更に備え、前記外乱情報推定手段は、前記環境情報検出手段により検出された前記走行環境情報と、前記センサ手段により検出された前記走行状態と、に基づいて、所定時間後までに、走行経路の路面状態又は障害物によって生じる外力を推定してもよい。この一態様において、前記センサ手段により検出された前記走行状態と、前記制御指令値生成手段により生成された前記制御指令値と、の偏差を算出する偏差算出手段を更に備え、前記倒立制御手段は、前記偏差算出手段により算出された前記偏差に基づいて、前記車輪の駆動を制御して倒立制御を行ってもよい。この一態様において、前記センサ手段は、車両本体の姿勢情報を検出する姿勢センサと、前記車両本体に設けられた駆動輪の回転情報を検出する回転センサと、を有していてもよい。この一態様において、前記環境情報検出手段は、カメラ、レーザセンサ、赤外線センサ、及び超音波センサのうち少なくとも１つを有していてもよい。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、周辺の走行環境情報を検出する環境情報検出手段と、搭乗者により行われた走行操作情報を取得する操作情報取得手段と、前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１指令値生成手段と、前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２指令値生成手段と、前記第１指令値生成手段により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成手段により生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う倒立制御手段と、を備える、ことを特徴とする走行装置であってもよい。

また、この一態様において、前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第３制御指令値を生成する第３指令値生成手段を更に備えていてもよい。さらに、この一態様において、前記第１、第２及び第３制御指令値は、当該走行装置の目標走行速度、目標姿勢角度、又は、目標姿勢角速度であってもよい。

なお、上記目的を達成するための本発明の一態様は、周辺の走行環境情報を検出する検出工程と、搭乗者により行われた走行操作情報を取得する取得工程と、前記検出工程で検出された前記走行環境情報に基づいて、所定時間後に生じる外乱情報を推定する推定工程と、前記取得工程で取得された前記走行操作情報と、前記推定工程で推定された前記外乱情報に基づいて、制御指令値を生成する生成工程と、前記生成工程で生成された前記制御指令値に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う制御工程と、を含む、ことを特徴とする走行装置の制御方法であってもよい。また、この一態様において、前記生成工程は、前記取得工程で取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１生成工程と、前記推定工程で推定された前記外乱情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２生成工程と、を含んでおり、前記第１生成工程で生成された前記第１制御指令値と、前記第２生成工程で生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、前記制御指令値を生成してもよい。

本発明によれば、より安定的な走行制御を行うことができる走行装置及びその制御方法を提供できる。

（ａ）本発明の第１実施形態に係る走行装置の２次元モデルを示すモデル図であり、補助輪が接地状態にある走行装置を示す図である。（ｂ）本発明の第１実施形態に係る走行装置の２次元モデルを示すモデル図であり、倒立状態にある走行装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る走行装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 走行装置が段差を乗り越える際の外力を推測する方法を説明する図である。 走行装置が段差を乗り越える際に生じる外力の一例を示す図である。 第１実施形態に係る制御ユニットの制御指令値生成部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 搭乗者によって操作情報取得部の操作部に入力される速度指令値の一例を示す図である。 Δｔ秒分のまとまった状態の速度指令値の一例を示す図である。 Δｔ秒分の速度指令パターンから目標走行速度を算出する方法の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る走行装置の制御処理フローの一例を示すフローチャートである。 移動経路を生成する移動経路生成部を更に備える走行装置のシステム構成を示すブロック図である。 移動経路生成部により生成された時刻ｔ１における移動経路の一例を示す図である。 移動経路に基づいて生成されたΔｔ秒分の速度指令パターンの一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る走行装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る制御ユニットの制御指令値生成部の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 制御ユニットの制御指令値生成部の他のシステム構成を示すブロック図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る走行装置の２次元モデルを示すモデル図であり、側方から見た側面図である。また、図１（ａ）は、補助輪が接地状態にある走行装置の一例を示す図であり、図１（ｂ）は、補助輪が非接地状態で、倒立状態にある走行装置の一例を示す図である。さらに、図２は、本発明の第１実施形態に係る走行装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る走行装置１０は、搭乗者が乗車する車両本体１と、車両本体１の各種の情報を検出するセンサ部２と、車両本体１の駆動輪１１を駆動する駆動部３と、駆動部３を駆動制御する制御ユニット４と、環境情報検出センサ５と、操作情報取得部６と、を備えている。

車両本体１は、例えば、車椅子型の車両、同軸二輪車等として構成されており、その両側に車両本体１を走行させるための左右一対の駆動輪１１が回転可能に設けられている。また、車両本体１の前方及び／又は後方には、車両本体１を安定化させるための補助輪１２が回転可能に設けられている。

本実施形態に係る走行装置は、例えば、図１（ａ）に示す如く、補助輪１２を路面Ｅに接地させる補助輪接地状態となることで、車両本体１を安定的に走行又は停止させることができる。一方、走行装置１０は、図１（ｂ）に示す如く、補助輪１２を路面Ｅから離して倒立状態となることで、その倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、搭乗者の走行操作に応じて所望の走行を行うことができる。なお、走行装置１０は、例えば、車両本体１に設けられた接続部材１３の回動させることで、補助輪１２の接地状態（図１（ａ））と非接地状態（図１（ｂ））とに切り替えることができる。

車両本体１には、車両本体１の各種の情報を検出するための複数のセンサからなるセンサ部２が設けられている。センサ部（センサ手段）２は、車両本体１の姿勢情報を検出する姿勢センサ２１と、駆動輪１１の回転情報を検出する回転センサ２２と、を有している。姿勢センサ２１としては、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサなどが用いられており、車両本体１の傾斜角度（姿勢角度）、傾斜角速度（姿勢角速度）、傾斜角加速度（姿勢角加速度）などを検出することができる。また、回転センサ２２は、例えば、各駆動輪１１の車軸に設けられており、各駆動輪１１の回転角度、回転角速度、回転角加速度等を夫々検出することができる。センサ部２は、制御ユニット４に接続されており、検出した検出値を制御ユニット４に対して出力する。

駆動部３は、車両本体１に設けられ、一対の駆動輪１１を独立して回転駆動できる一対のモータで構成されている。駆動部３は、駆動回路７を介して制御ユニット４に接続されており、制御ユニット４からの制御信号に応じて、各駆動輪１１を駆動する。

環境情報検出センサ（環境情報検出手段）５は、例えば、車両本体１に設けられたカメラ、レーザセンサ、赤外線センサ、超音波センサ等を有しており、周辺の走行環境情報を検出することができる。ここで、周辺の走行環境情報としては、例えば、走行経路の路面状態（路面の凹凸、低摩擦状態など）、や障害物（段差など）の存在、寸法、距離等を含む。

例えば、環境情報検出センサ５のカメラは、走行経路の路面状態、障害物などを撮影し、その撮影画像情報を出力する。また、レーザセンサや超音波センサは、走行経路の路面、障害物との距離を検出し、その距離情報を出力する。環境情報検出センサ５は、検出した走行環境情報を制御ユニット４に対して出力する。

操作情報取得部（操作情報取得手段）６は、例えば、車両本体１に設けられ、搭乗者が前進、後進、左旋回、右旋回、加速、減速、停止など操作に関する走行操作情報を入力することができる、ＨＭＩ（Human Machine Interface）装置からなる。操作情報取得部６は、例えば、搭乗者が走行操作情報を入力できるジョイスティック、スイッチ、タッチパネル等を有する操作部６１と、その走行操作情報を所定時間、記憶できるメモリ６２と、を有している。操作情報取得部６は、取得した走行操作情報を制御ユニット４に対して出力する。

制御ユニット４は、操作情報取得部６からの走行操作情報と、センサ部２からの検出値と、に基づいて、駆動部３を制御して各駆動輪１１の駆動を制御する。これにより、走行装置１０は、前進、後進、右旋回、左旋回、加速、減速、停止等の所望の走行を行い、及び倒立状態を維持する倒立制御を行うことができる。

制御ユニット４は、外乱情報推定部４１と、制御指令値生成部４２と、偏差算出部４３と、倒立制御部４４と、を備えている。なお、制御ユニット４は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、外乱情報推定部４１、制御指令値生成部４２、偏差算出部４３、及び倒立制御部４４は、例えば、ＲＯＭに記憶され、ＣＰＵによって実行されるプログラムによって実現されている。

外乱情報推定部（外乱情報推定手段）４１は、環境情報検出センサ５により検出された走行環境情報と、センサ部からの検出値（走行速度等の走行状態）に基づいて、所定時間後に走行装置１０に生じる未来の外乱情報を推定する。外乱情報推定部４１は、例えば、環境情報検出センサ５のカメラにより撮影された走行経路の路面状態の撮影画像などの走行環境情報と、走行装置１０の走行速度、加速度、走行方向等の走行状態と、に基づいて、所定時間後までに走行装置１０に加わる外力を推定する。

より具体的には、外乱情報推定部４１は、環境情報検出センサ５のカメラにより撮影された走行経路の撮影画像に基づいて、図３に示すように、走行中、前方に段差Ｘを検出した場合、段差Ｘまでの距離Ｓ、段差Ｘの高さＨ等の走行環境情報と、現在の走行速度、加速度、走行方向等の走行状態と、に基づいて、図４に示すように、ｔ１秒後にその段差Ｘに接触し、その段差Ｘを乗り越える際に生じる外力Ｆ１［Ｎ］を推定する。ここで、外力情報推定部４１は、段差Ｘへの突入速度Ｖ、段差の高さＨ、走行装置１０のモデル情報などに基づいて、予め設定された関係式（マップ情報）を用いて、外力Ｆ１を算出することができる。外乱情報推定部４１は、推定した外乱情報を制御指令値生成部４２に対して出力する。

制御指令値生成部（制御指令値生成手段）４２は、操作情報取得部６により取得された走行操作情報と、外乱情報推定部４１により推定された外乱情報とに基づいて、駆動部３を制御するための制御指令値（例えば、目標走行速度（車輪回転速度）、目標走行加速度（車輪回転角速度）、目標姿勢角度、目標姿勢角速度など）を生成する。制御指令値生成部４２は、第１指令値生成部４２１と、第２指令値生成部４２２と、加算器４２３と、を有している（図５）。

第１指令値生成部４２１は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、新たな第１制御指令値（例えば、目標走行速度、目標走行加速度、目標姿勢角度、目標姿勢角速度など）を生成する。一方、第２指令値生成部４２２は、外乱情報推定部４１により推定された所定時間後までの外乱情報に基づいて、新たな第２制御指令値（例えば、目標走行速度、目標走行加速度、目標姿勢角度、目標姿勢角速度など）を生成する。

加算器４２３は、第１指令値生成部４２１により生成された第１制御指令値と、第２指令値生成部４２２により生成された第２制御指令値と、を加算し、最終的な制御指令値を算出する。このように、所定時間、未来の走行操作情報と、所定時間後までに生じる外乱情報とを適切に制御指令値に反映することができる。したがって、例えば、小さい段差などの凹凸を将来走行する場合でも、その外乱を正確に制御指令値に反映できるため、この制御指令値に基づいて、走行装置１０を事前に減速等を行い、より安定的な倒立制御を行いつつ、所望の走行を行うことができる。さらに、安定的な走行制御を行うことで、例えば、搭乗者の操作ミスを抑制することができ、安全性がより向上させることができる。

また、複数の制御指令値（目標走行速度、目標走行加速度、目標姿勢角度、目標姿勢角速度など）を生成することで、より高精度な走行制御が可能となる。このため、より安定的な走行制御が可能となり、制御の追従性も向上させることができる。なお、新たにモータや駆動軸などの制御の自由度を増加させることなく、上記安定的な走行制御が実現できるため、走行装置１０の小型軽量化および低コスト化を実現できる。

ここで、第１及び第２指令値生成部４２１、４２２は、未来情報となる走行操作情報及び外乱情報に対して、ヒューリスティック（経験則的）に重み付けを夫々行ってもよい。また、第１及び第２指令値生成部４２１、４２２は、走行装置１０のモデル情報や安定化制御情報などを用いて、予見制御理論に基づいた設計を行い、上記第１及び第２制御指令値を生成してもよい。さらに、第１及び第２指令値生成部４２１、４２２は、搭乗者の個人情報（搭乗者の特性、操作技能など）、走行領域情報（走行場所、広さなど）、実際の走行速度、バッテリ残量、などの情報に基づいて、より最適な特性に切り替えて、第１及び第２制御指令値を生成してもよい。

ここで、予見制御とは、目標値や外乱の未来情報を利用することで制御系の性能改善を行う制御設計法であり、例えば、フィードバック制御系にフィードフォワード補償系を付加した構成となっており、安定性はフィードバック系の性能が保証される。また、過渡応答では追従性の大幅な改善が見られ、制御入力のピーク値が低減し、周波数特性では位相特性が大幅に改善される。さらに、ある程度以上、未来を予見してもそれ以上の改善が見られないが、最小位相系の場合は、１ステップだけ未来の予見情報があれば十分となる。

ところで、第１指令値生成部４２１は、操作情報取得部６からの走行操作情報を未来情報として用いているが、入力された走行操作情報に基づいて、搭乗者が未来にどのような操作を行うかを予め決定することは困難となる。したがって、第１指令値生成部４２１は、搭乗者が「遅れている」と感じない程度の所定時間（例えば、０．５秒程度）、操作情報取得部６からの走行操作情報を遅延させて、受信する。これにより、その走行操作情報は、擬似的な未来情報となる。

例えば、図６に示すように、走行操作情報である速度指令値が、搭乗者によって操作情報取得部６の操作部６１に時刻ｔ０から入力されている場合を想定する。この場合、上述のように、擬似的な未来情報を生成するために、操作情報取得部６のメモリ６２は、所定時間Δｔ秒遅延した時刻ｔ１まで速度指令値をバッファした後、第１指令値生成部４２１に対して出力する。これにより、第１指令値生成部４２１は、時刻ｔ１となったときに、図７に示すような所定時間Δｔ秒分のまとまった状態の速度指令値（以下、速度指令パターンと称す）の、受信を開始する。

そして、第１指令値生成部４２１は、上述の如く、例えば、操作情報取得部６からの所定時間分の走行操作情報である、Δｔ秒分の速度指令パターンに基づいて、新たな第１制御指令値である目標走行速度を生成する。

第１指令値生成部４２１は、例えば、図８に示すように、操作情報取得部６のメモリ６２からΔｔ秒分の速度指令パターンを受信すると（１）、その速度指令パターンを所定のサンプリング周期で離散化し（２）、複数のステップからなる速度指令パターンを生成する（３）。さらに、第１指令値生成部４２１は、速度指令パターンの各ステップに対して、予め設定した速度指令パターン用の予見ゲイン（各ステップに対する係数）（４）を夫々乗算する。そして、第１指令値生成部４２１は、各乗算した値の総和を算出し（５）、算出した総和を新たな次ステップの目標走行速度とする（６）。

このように目標走行速度を算出することで、時刻ｔ０で元々の速度指令値は０であるにもかかわらず、Δｔ秒後までの加速度情報から次ステップで加速が開始するような速度指令値を生成することができる。なお、第１指令値生成部４２１は、上記予見ゲインに対してヒューリスティックに重み付けを行ってもよい。また、第１指令値生成部４２１は、走行装置１０のモデル情報や安定化制御情報を用いて、予見制御理論に基づいて、目標走行速度を生成してもよい。第１指令値生成部４２１は、生成した新たな目標走行速度を、加算器４２３に対して出力する。

一方で、第２指令値生成部４２２は、上述の第１指令値生成部４２１と同様に、外乱情報推定部４１により推定された所定時間後までの外乱情報に基づいて、新たな制御指令値である目標走行速度を生成する。

第２指令値生成部４２２は、例えば、外乱情報推定部４１から所定時間Δｔ秒後までの外乱情報を受信すると、その外乱情報を所定のサンプリング周期で離散化し、複数のステップからなる外乱情報を生成する。さらに、第２指令値生成部４２２は、外乱情報の各ステップに対して、予め設定した外乱情報用の予見ゲイン（各ステップに対する係数）を夫々乗算する。そして、第２指令値生成部４２２は、各乗算した値の総和を算出し、算出した総和を新たな次ステップの目標走行速度とする。

なお、第２指令値生成部４２２は、第１指令値生成部４２１と同様に、上記予見ゲインに対してヒューリスティックに重み付けを行ってもよい。また、第２指令値生成部４２２は、走行装置１０のモデル情報や安定化制御情報を用いて、予見制御理論に基づいて、目標走行速度を生成してもよい。第２指令値生成部４２２は、生成した新たな目標走行速度を、加算器４２３に対して出力する。

加算器４２３は、第１指令値生成部４２１から出力された目標走行速度と、第２指令値生成部４２２から出力された目標走行速度と、を加算し、最終的な目標走行速度を算出する。このとき、加算器４２３は、第１指令値生成部４２１からの目標走行速度、及び第２指令値生成部４２２からの目標走行速度に対して所定ゲインを乗算し、乗算後の目標走行速度を夫々加算してもよい。

なお、上記説明において、第１及び第２指令値生成部４２１、４２２は、新たな第１及び第２制御指令値として、目標走行速度を生成しているが、目標走行加速度、目標姿勢角度、目標姿勢角速度など制御指令値についても、目標走行速度と同様に生成することができる。加算器４２３は、算出した制御指令値を偏差算出部４３に対して出力する。

偏差算出部４３は、制御指令値生成部４２からの制御指令値と、センサ部２からの検出値との偏差を算出し、算出した偏差を倒立制御部４４に対して出力する。例えば、偏差算出部４３は、制御指令値生成部４２からの目標走行速度と、センサ部２からの実際の走行速度と、の偏差を算出し、倒立制御部４４に対して出力する。

倒立制御部（倒立制御手段）４４は、偏差算出部４３により算出された偏差に基づいて、駆動部３を制御するための制御信号を生成する。倒立制御部４４は、例えば、偏差算出部４３からの偏差を０に収束させるような制御信号を生成することで、走行装置１０の倒立状態を維持させる倒立制御を行いつつ、所望の走行を行うことができる。倒立制御部４４は、駆動回路７を介して、生成した制御信号を駆動部３に対して出力し、各駆動輪１１の回転トルクを制御する。なお、倒立制御部４４は、上記駆動輪１１に対する回転トルク制御を、例えば、状態フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御方法を用いて行ってもよい。

図９は、第１実施形態に係る走行装置の制御処理フローの一例を示すフローチャートである。まず、操作情報取得部６の操作部６１に所定時間分の走行操作情報が入力され、メモリ６２に記憶される（ステップＳ１０１）。メモリ６２は、記憶した所定時間分の走行操作情報を、制御指令値生成部４２の第１指令値生成部４２１に出力する。

第１指令値生成部４２１は、操作情報取得部６のメモリ６２から出力された所定時間分の走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成し（ステップＳ１０２）、加算器４２３に対して出力する。

一方、環境情報検出センサ５は、周辺の走行環境情報を検出し（ステップＳ１０３）、外乱情報推定部４１に対して出力する。外乱情報推定部４１は、環境情報検出センサ５により検出された走行環境情報と、センサ部２からの走行状態とに基づいて、所定時間後に走行装置１０に生じる未来の外乱情報を推定し（ステップＳ１０４）、制御指令値生成部４２の第２指令値生成部４２２に対して出力する。第２指令値生成部４２２は、外乱情報推定部４１により推定された所定時間後までの外乱情報に基づいて、第２制御指令値を生成し（ステップＳ１０５）、加算器４２３に対して出力する。

加算器４２３は、第１指令値生成部４２１により生成された第１制御指令値と、第２指令値生成部４２２により生成された第２制御指令値と、を加算し、最終的な制御指令値を算出し（ステップＳ１０６）、偏差算出部４３に対して出力する。

偏差算出部４３は、制御指令値生成部４２からの制御指令値と、センサ部２からの検出値との偏差を算出し（ステップＳ１０７）、算出した偏差を倒立制御部４４に対して出力する。倒立制御部４４は、例えば、偏差算出部４３からの偏差を０に収束させるような制御信号を生成し（ステップＳ１０８）、駆動回路７を介して、駆動部３に出力する。

駆動部３は、倒立制御部４４からの制御信号に基づいて各駆動輪１１の回転トルクを制御して（ステップＳ１０９）、走行装置１０の倒立状態を維持させる倒立制御を行いつつ、所望の走行を行う。

以上、第１実施形態に係る走行装置において、制御指令値生成部４２は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の未来の走行操作情報と、外乱情報推定部４１により推定された所定時間後までに生じる外乱情報と、に基づいて、制御指令値を生成する。これにより、所定時間、未来の走行操作情報と、所定時間後までに生じる外乱情報をより適切に制御指令値に反映することができる。したがって、例えば、小さい段差などの凹凸を走行する場合でも、その外乱は正確に制御指令値に反映されるため、この制御指令値に基づいて、走行装置１０を事前に減速等をして、より安定的な倒立制御を行いつつ、所望の走行を行うことができる。すなわち、より安定的な走行制御を行うことができる。

次に、第１実施形態に係る走行装置の変形例について、詳細に説明する。

上記第１実施形態の走行装置１０の制御ユニット４は、走行装置１０を自律的に移動させるための移動経路を生成する移動経路生成部８を更に備え、倒立制御部４４は、移動経路生成部８により生成された移動経路に従って、走行装置１０を走行させる走行制御を行ってもよい（図１０）。この場合、操作情報取得部６は、移動経路生成部８により生成された移動経路に基づいて、所定時間分の走行操作情報を生成し、制御指令値生成部４２の第１指令値生成部４２１に対して出力してもよい。第１指令値生成部４２１は、操作情報取得部６からの所定時間分の走行操作情報に基づいて、新たな制御指令値を生成する。これは、走行装置１０が自律的に移動する場合、走行装置１０が現在位置から移動する経路は、時々刻々と変化しつつも、ある程度先まで推測されているために可能となる。

例えば、操作情報取得部６は、移動経路生成部８により生成された時刻ｔ１における移動経路Ｐ１（図１１）に基づいて、例えば、Δｔ秒分の速度指令パターン（図１２）を生成し、第１指令値生成部４２１に対して出力する。これにより、上述のように、走行操作情報を遅延させて、擬似的な未来情報を生成する必要がないため、より高精度な未来情報が生成できる。

なお、移動経路生成部８は、例えば、ＲＡＭに記憶した移動領域のマップ情報などに基づいて、その移動経路を作成することができる。このマップ情報は、例えば、移動する路面の全体形状に、略一定間隔に配置された格子点を結ぶグリッド線を仮想的に描写することで得られるグリッドマップから構成されている。移動経路生成部８は、このグリッド線で囲まれたグリッド単位を用いて、走行装置１０の自己位置、目的地である移動終了点、および、移動終了点における走行装置１０の移動方向を特定することができる。移動経路生成部８は、このグリッドマップ上において特定された移動始点から目的地である移動終点までの移動経路を生成する。また、倒立制御部４４は、各回転センサ２２からの駆動輪１１の回転角速度に基づいて、移動速度や移動距離を算出することができる。そして、倒立制御部４４は、これら移動速度や移動距離に基づいて、リアルタイムに現在位置を算出し、走行装置１０を生成された移動経路に沿って自律的に移動させる制御を行う。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態に係る走行装置２０の概略的なシステム構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る走行装置２０は、第１実施形態に係る走行装置１０の構成から、環境情報検出センサ５、及び外乱情報推定部４１を除いた構成となっている。また、制御指令値生成部４５は、第１指令値生成部４５１と、第２指令値生成部４５２と、を有している（図１４）。

第１指令値生成部４５１は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、新たな制御指令値である、例えば、目標走行速度を生成し、偏差算出部４３に対して出力する。また、第２指令値生成部４５２は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、新たな制御指令値である、例えば、目標姿勢角度を生成し、偏差算出部４３に対して出力する。

なお、第１及び第２指令値生成部４５１、４５２は、生成した新たな制御指令値である、目標走行速度及び目標姿勢角度に所定ゲインを乗算した値を、最終的な目標走行速度及び目標姿勢角度として、偏差算出部４３に対して出力してもよい。また、第１又は第２指令値生成部４５１、４５２は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、新たな制御指令値である、目標走行加速度又は目標姿勢角速度を生成してもよい。

さらに、制御指令値生成部４６は、第１指令値生成部４６１と、第２指令値生成部４６２と、第３指令値生成部４６３と、を有する構成であってもよい（図１５）。この場合、例えば、第１指令値生成部４６１は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、目標走行速度を生成し、偏差算出部４３に対して出力する。また、第２指令値生成部４６２は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、目標姿勢角度を生成し、偏差算出部４３に対して出力する。さらに、第３指令値生成部４６３は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報に基づいて、目標姿勢角速度を生成し、偏差算出部４３に対して出力する。さらにまた、制御指令値生成部４６は、第４指令値生成部を更に有する構成であってもよく、第Ｎ指令値生成部を更に有する構成であってもよい。

なお、上記同様に、第１、第２及び第３指令値生成部４６１、４６２、４６３は、生成した新たな制御指令値である、目標走行速度、目標姿勢角度、及び目標姿勢角速度に所定ゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３を乗算した値を、最終的な目標走行速度、目標姿勢角度及び目標角速度として、偏差算出部４３に対して出力してもよい。ここで、目標走行速度、目標姿勢角度、及び目標姿勢角速度に対する所定ゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３の総和は、全体的な整合性を維持するために、１となるように設定されている。

第２実施形態に係る走行装置２０において、他の構成は、第１実施形態に係る走行装置１０と略同一である。したがって、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。以上、第２実施形態に係る走行装置２０において、制御指令値生成部４５は、操作情報取得部６により取得された所定時間分の走行操作情報を用いて、目標走行速度、目標姿勢角度、目標姿勢角速度などの制御指令値を生成する。これにより、所定時間、未来の走行操作情報をより適切に制御指令値に反映することができる。したがって、より安定的な倒立制御を行いつつ、所望の走行を行うことができる。すなわち、より安定的な走行制御を行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態において、

本発明は、例えば、倒立制御を行いつつ、所望の走行を行う車椅子車両、同軸二輪車等の走行装置に適用可能である。

１ 車両本体
２ センサ部
３ 駆動部
４ 制御ユニット
５ 環境情報検出センサ
６ 操作情報取得部
７ 駆動回路
８ 移動経路生成部
１０、２０ 走行装置
１１ 駆動輪
２１ 姿勢センサ
２２ 回転センサ
４１ 外乱情報推定部
４２ 制御指令値生成部
４３ 偏差算出部
４４ 倒立制御部
４５ 制御指令値生成部
４２１ 第１指令値生成部
４２２ 第２指令値生成部
４２３ 加算器

Claims (16)

1. 周辺の走行環境情報を検出する環境情報検出手段と、
   搭乗者により行われた走行操作情報を取得する操作情報取得手段と、
   前記環境情報検出手段により検出された前記走行環境情報に基づいて、所定時間後までに生じる外乱情報を推定する外乱情報推定手段と、
   前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報と、前記外乱情報推定手段により推定された前記外乱情報に基づいて、制御指令値を生成する制御指令値生成手段と、
   前記制御指令値生成手段により生成された前記制御指令値に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う倒立制御手段と、を備える、ことを特徴とする走行装置。
2. 請求項１記載の走行装置であって、
   前記制御指令値生成手段は、
   前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１指令値生成部と、前記外乱情報推定手段により推定された前記外乱情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２指令値生成部と、を有しており、
   前記第１指令値生成部により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成部により生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、前記制御指令値を生成する、ことを特徴とする走行装置。
3. 請求項２記載の走行装置であって、
   前記制御指令値生成手段は、前記第１指令値生成部により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成部により生成された前記第２制御指令値と、を加算して、前記制御指令値を算出する加算器を更に有する、ことを特徴とする走行装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
   前記制御指令値生成手段は、当該走行装置の目標走行速度、目標走行加速度、目標姿勢角度、及び、目標姿勢角速度のうち少なくとも１つを、前記制御指令値として生成する、ことを特徴とする走行装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
   前記操作情報取得手段は、前記走行操作情報を入力できる操作部と、前記入力された走行操作情報を記憶するメモリと、を有しており、
   前記メモリは、前記入力された走行操作情報を所定時間蓄積し、該蓄積した所定時間分の走行操作情報をまとめて、前記制御指令値生成手段に出力する、ことを特徴とする走行装置。
6. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
   当該走行装置が移動する移動経路を生成する移動経路生成手段を更に備え、
   前記操作情報取得手段は、前記移動経路生成手段により生成された前記移動経路に基づいて、所定時間分の前記走行操作情報を生成し、前記制御指令値生成手段に対して出力する、ことを特徴とする走行装置。
7. 請求項２乃至６のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
   前記第１指令値生成部は、前記操作情報取得手段により取得された前記所定時間分の走行操作情報を離散化して複数のステップを生成し、該生成した複数のステップに対して予め設定したゲインを夫々乗算し、該乗算した結果の総和を、前記第１制御指令値として出力し、
   前記第２指令値生成部は、前記外乱情報推定手段により推定された前記所定時間後までの外乱情報を離散化して複数のステップを生成し、該生成した複数のステップに対して予め設定したゲインを夫々乗算し、該乗算した結果の総和を、前記第２制御指令値として出力する、ことを特徴とする走行装置。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
   当該走行装置の走行状態を検出するセンサ手段を更に備え、
   前記外乱情報推定手段は、前記環境情報検出手段により検出された前記走行環境情報と、前記センサ手段により検出された前記走行状態と、に基づいて、所定時間後までに、走行経路の路面状態又は障害物によって生じる外力を推定する、ことを特徴とする走行装置。
9. 請求項８記載の走行装置であって、
   前記センサ手段により検出された前記走行状態と、前記制御指令値生成手段により生成された前記制御指令値と、の偏差を算出する偏差算出手段を更に備え、
   前記倒立制御手段は、前記偏差算出手段により算出された前記偏差に基づいて、前記車輪の駆動を制御して倒立制御を行う、ことを特徴とする走行装置。
10. 請求項８又は９記載の走行装置であって、
    前記センサ手段は、車両本体の姿勢情報を検出する姿勢センサと、前記車両本体に設けられた駆動輪の回転情報を検出する回転センサと、を有する、ことを特徴とする走行装置。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれか１項記載の走行装置であって、
    前記環境情報検出手段は、カメラ、レーザセンサ、赤外線センサ、及び超音波センサのうち少なくとも１つを有している、ことを特徴とする走行装置。
12. 周辺の走行環境情報を検出する環境情報検出手段と、
    搭乗者により行われた走行操作情報を取得する操作情報取得手段と、
    前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１指令値生成手段と、
    前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２指令値生成手段と、
    前記第１指令値生成手段により生成された前記第１制御指令値と、前記第２指令値生成手段により生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う倒立制御手段と、を備える、ことを特徴とする走行装置。
13. 請求項１２記載の走行装置であって、
    前記操作情報取得手段により取得された前記走行操作情報に基づいて、第３制御指令値を生成する第３指令値生成手段を更に備える、ことを特徴とする走行装置。
14. 請求項１３記載の走行装置であって、
    前記第１、第２及び第３制御指令値は、当該走行装置の目標走行速度、目標姿勢角度、又は、目標姿勢角速度である、ことを特徴とする走行装置。
15. 周辺の走行環境情報を検出する検出工程と、
    搭乗者により行われた走行操作情報を取得する取得工程と、
    前記検出工程で検出された前記走行環境情報に基づいて、所定時間後に生じる外乱情報を推定する推定工程と、
    前記取得工程で取得された前記走行操作情報と、前記推定工程で推定された前記外乱情報に基づいて、制御指令値を生成する生成工程と、
    前記生成工程で生成された前記制御指令値に基づいて、車輪の駆動を制御して倒立制御を行う制御工程と、を含む、ことを特徴とする走行装置の制御方法。
16. 請求項１５記載の走行装置の制御方法であって、
    前記生成工程は、
    前記取得工程で取得された前記走行操作情報に基づいて、第１制御指令値を生成する第１生成工程と、前記推定工程で推定された前記外乱情報に基づいて、第２制御指令値を生成する第２生成工程と、を含んでおり、
    前記第１生成工程で生成された前記第１制御指令値と、前記第２生成工程で生成された前記第２制御指令値と、に基づいて、前記制御指令値を生成する、ことを特徴とする走行装置の制御方法。

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