JP2010267193A - Device for control of inverted mobile - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverted mobile that overcomes an idle running of wheels, a collision, and a bumpy road surface by using a control considering nonlinear elements. <P>SOLUTION: A control device has a nonlinear control unit 150 which calculates a nonlinear torque applied to a mobile body 112 from nonlinear elements, based on detected signals from status sensor 113. A torque command calculator 111 calculates a torque command which is applied to the mobile body 112 based on a linear torque from a linear control unit 140 and a nonlinear torque from the nonlinear control unit 150. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、倒立型移動体の制御装置に関する。詳しくは、車輪駆動手段とリンク状の負荷体とを備え、リンク状の負荷体を倒立させるバランス制御を行いながら移動する倒立型移動体の制御装置に関する。   The present invention relates to an inverted moving body control device. More specifically, the present invention relates to an inverted moving body control device that includes wheel driving means and a link-like load body and moves while performing balance control for inverting the link-like load body.

同軸に設けられた左右一対の車輪を有し、倒立状態を維持しながら走行する移動装置が知られている。たとえば、特許文献1(特開2006−123014号公報)には、倒立状態を維持しながら自律的に走行する倒立二輪走行ロボットが開示されている。また、特許文献2(特開2006-315666号公報)には、人が立位姿勢でステップに搭乗した状態でバランスを保ちながら走行する同軸二輪車が開示されている。   2. Description of the Related Art A moving device that has a pair of left and right wheels provided coaxially and travels while maintaining an inverted state is known. For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-123014) discloses an inverted two-wheeled traveling robot that autonomously travels while maintaining an inverted state. Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-315666) discloses a coaxial two-wheeled vehicle that travels while maintaining a balance while a person is on a step in a standing posture.

図9は、特許文献1に開示された倒立二輪走行ロボットの制御器の構成を示す図である。
図9において、901は摩擦推定器、902は目標状態生成器、903は状態フィードバックゲイン、904は倒立ロボットである。
摩擦推定器901には角速度指令値が入力され、摩擦推定器901は、モータの摩擦および車輪と路面との摩擦を摩擦推定値として算出し出力する。
目標状態生成器902には前記角速度指令値と前記摩擦推定値とが入力され、目標状態生成器902は、制御対象である倒立ロボット904の目標状態を算出し出力する。
状態フィードバックゲイン903には、前記目標状態から倒立ロボット904の状態変数を減算した信号が入力され、状態フィードバックゲイン903は、その入力信号に基づいて倒立ロボット904に所望の動作をさせる状態フィードバック信号を算出して出力する。
倒立ロボット904は、前記摩擦推定値と前記状態フィードバック信号との加算値により駆動される。
このように、従来技術の倒立二輪走行ロボットの制御では、制御対象である倒立ロボット904を所望の姿勢の近傍で線形化した線形化モデルに基づいて倒立ロボット904の動作を制御している。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the controller of the inverted two-wheeled traveling robot disclosed in Patent Document 1. In FIG.
In FIG. 9, 901 is a friction estimator, 902 is a target state generator, 903 is a state feedback gain, and 904 is an inverted robot.
An angular velocity command value is input to the friction estimator 901, and the friction estimator 901 calculates and outputs the friction of the motor and the friction between the wheel and the road surface as the estimated friction value.
The target state generator 902 receives the angular velocity command value and the estimated friction value, and the target state generator 902 calculates and outputs the target state of the inverted robot 904 that is the control target.
A signal obtained by subtracting the state variable of the inverted robot 904 from the target state is input to the state feedback gain 903, and the state feedback gain 903 receives a state feedback signal that causes the inverted robot 904 to perform a desired action based on the input signal. Calculate and output.
The inverted robot 904 is driven by an added value of the friction estimated value and the state feedback signal.
As described above, in the control of the inverted two-wheeled robot of the prior art, the operation of the inverted robot 904 is controlled based on the linearized model obtained by linearizing the inverted robot 904 to be controlled in the vicinity of a desired posture.

特開2006-123014号公報(図4)JP 2006-123014 A (Fig. 4)

従来の移動体制御装置では、水平で平らな路面を走行する場合を仮定して2輪倒立の移動体の動作を制御していた。そのため、例えば、路面に凹凸があると、移動体が転倒したり、振動的になったり、所望の水平速度で走行できないなどの問題が発生していた。
また、従来の移動体制御装置では、移動体の所望の姿勢の近傍における線形化モデルに対して制御設計をしていたが、走行中に移動体が人や物体に衝突する場合が起こり得る。
このような場合には非線形のトルクが影響してしまうので、従来の単純な線形化モデルでは対応できず、制御不能になったり、発振したりして転倒するなどの問題が生じていた。
In the conventional moving body control device, the operation of the two-wheel inverted moving body is controlled on the assumption that the vehicle travels on a horizontal and flat road surface. For this reason, for example, when the road surface is uneven, there have been problems such as the moving body toppling over, vibrating, and being unable to travel at a desired horizontal speed.
Further, in the conventional mobile control device, the control design is performed on the linearized model in the vicinity of the desired posture of the mobile body, but the mobile body may collide with a person or an object during traveling.
In such a case, since nonlinear torque affects the conventional linearization model, the conventional linearization model cannot cope with it, causing problems such as being uncontrollable or oscillating and falling.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、路面に凹凸がある場合や、人や物体と衝突した場合にも、転倒することなく、発振することなく2輪倒立の移動体を所望の水平速度で走行させることができる移動体制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and even when the road surface is uneven or collides with a person or an object, the two-wheel inverted movement without falling down and without oscillating. It is an object of the present invention to provide a moving body control device that can move a body at a desired horizontal speed.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
本発明の倒立型移動体の制御装置は、
車輪を有する駆動手段とリンクを介して前記車輪の上で倒立制御される負荷とを有する移動体本体を倒立させながら走行制御をする制御装置であって、
所望の目標状態を指令する指令部からの指令値と移動体本体の状態を検出する状態センサからの検出信号との偏差に応じて線形制御を行う線形トルクを算出する線形制御部と、
前記状態センサからの検出信号に基づいて移動体本体にかかる非線形要素による非線形トルクを算出する非線形制御部と、
前記線形制御部からの線形トルクと前記非線形制御部からの非線形トルクとにより移動体本体に与えるトルク指令を算出するトルク指令演算器と、を備え
前記非線形制御部は、
前記負荷の重心と前記車輪の重心とをつなぐ直線が鉛直線との間になす角を負荷角度とし、
前記負荷角度を用いて前記移動体本体の車輪水平速度を推定する車輪水平速度推定器と、
前記移動体本体の非線形部分によるトルクである非線形トルクを前記車輪水平速度推定値を用いて算出する非線形トルク演算器と、を備える
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The control apparatus for an inverted moving body according to the present invention includes:
A control device that performs traveling control while inverting a moving body having a driving means having wheels and a load that is inverted and controlled on the wheels via a link,
A linear control unit that calculates linear torque for performing linear control according to a deviation between a command value from a command unit that commands a desired target state and a detection signal from a state sensor that detects the state of the moving body,
A non-linear controller that calculates non-linear torque due to non-linear elements applied to the moving body based on a detection signal from the state sensor;
A torque command calculator that calculates a torque command to be given to the moving body by the linear torque from the linear control unit and the nonlinear torque from the nonlinear control unit, the nonlinear control unit,
The angle formed between the vertical line and the straight line connecting the center of gravity of the load and the center of gravity of the wheel is the load angle,
A wheel horizontal speed estimator that estimates a wheel horizontal speed of the mobile body using the load angle;
A non-linear torque calculator that calculates non-linear torque, which is torque generated by a non-linear portion of the mobile body, using the estimated wheel horizontal speed.

また、本発明の倒立型移動体の制御装置は、
車輪を有する駆動手段とリンクを介して前記車輪の上で倒立制御される負荷とを有する移動体本体を倒立させながら走行制御をする制御装置であって、
所望の目標状態を指令する指令部からの指令値と移動体本体の状態を検出する状態センサからの検出信号との偏差に応じて線形制御を行う線形トルクを算出する線形制御部と、
前記状態センサからの検出信号に基づいて移動体本体にかかる非線形要素による非線形トルクを算出する非線形制御部と、
前記線形制御部からの線形トルクと前記非線形制御部からの非線形トルクとにより移動体本体に与えるトルク指令を算出するトルク指令演算器と、を備え
前記非線形制御部は、
前記負荷の重心と前記車輪の重心とをつなぐ直線が鉛直線との間になす角を負荷角度とし、
前記負荷角度を用いて前記移動体本体の車輪垂直加速度を推定する車輪垂直加速度推定器と、
前記移動体本体の非線形部分によるトルクである非線形トルクを前記車輪垂直加速度推定値を用いて算出する非線形トルク演算器と、を備える
ことを特徴とする。
In addition, the control device for an inverted moving body of the present invention includes:
A control device that performs traveling control while inverting a moving body having a driving means having wheels and a load that is inverted and controlled on the wheels via a link,
A linear control unit that calculates linear torque for performing linear control according to a deviation between a command value from a command unit that commands a desired target state and a detection signal from a state sensor that detects the state of the moving body,
A non-linear controller that calculates non-linear torque due to non-linear elements applied to the moving body based on a detection signal from the state sensor;
A torque command calculator that calculates a torque command to be given to the moving body by the linear torque from the linear control unit and the nonlinear torque from the nonlinear control unit, the nonlinear control unit,
The angle formed between the vertical line and the straight line connecting the center of gravity of the load and the center of gravity of the wheel is the load angle,
A wheel vertical acceleration estimator that estimates the wheel vertical acceleration of the mobile body using the load angle;
A non-linear torque calculator that calculates a non-linear torque, which is a torque generated by a non-linear portion of the mobile body, using the estimated wheel vertical acceleration value.

このような本発明によれば、非線形要素を加味した制御により、路面に凹凸がある場合や、人や物体と衝突した場合にも、転倒することなく、発振することなく2輪倒立の移動体を所望の水平速度で走行させることができる。   According to the present invention as described above, a two-wheel inverted moving body that does not fall over and does not oscillate even when there is unevenness on the road surface or when it collides with a person or an object due to control that takes nonlinear elements into account. Can be driven at a desired horizontal speed.

本発明の倒立型移動体に係る第1実施形態を示す図。The figure which shows 1st Embodiment which concerns on the inverted moving body of this invention. 移動体本体をモデル化した図。The figure which modeled the mobile body. 負荷角度のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of a load angle. 車輪水平速度のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of a wheel horizontal speed. 変形例1を示す図。The figure which shows the modification 1. FIG. 倒立型移動体として同軸二輪車を示す図。The figure which shows a coaxial two-wheeled vehicle as an inverted moving body. 倒立型移動体として倒立型自律走行ロボットを示す図。The figure which shows an inverted autonomous traveling robot as an inverted moving body. 4輪の車輪駆動手段の上に揺動可能にリンク機構を備えた倒立型移動体を示す図。The figure which shows the inverted type mobile body provided with the link mechanism so that rocking | fluctuation was possible on the wheel drive means of 4 wheels. 従来の倒立二輪走行ロボットの制御器の構成を示す図。The figure which shows the structure of the controller of the conventional inverted two-wheeled traveling robot.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
(第1実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)

図1は、本発明の倒立型移動体に係る第1実施形態を示す図である。
倒立型移動体100は、制御対象としての移動体本体112と、移動体本体112の状態を検出する状態センサ113と、所望の目標状態を指令する指令部120と、状態センサ113による検出結果と指令部120からの指令値とに基づいて移動体本体112の制御を実行する制御装置130と、を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment according to the inverted moving body of the present invention.
The inverted moving body 100 includes a moving body main body 112 as a control target, a state sensor 113 that detects the state of the moving body main body 112, a command unit 120 that commands a desired target state, and a detection result by the state sensor 113. And a control device 130 that controls the moving body main body 112 based on a command value from the command unit 120.

移動体本体112としては、同軸二輪車(図6)、倒立型自律走行ロボット(図7)などが一般的な例として挙げられる。
これに限らず、車輪による駆動手段とリンク状の負荷体とを備え、リンク状の負荷体を倒立させるバランス制御を行うものであればよい。
たとえば、図8に示すような構成でもよい。
図8は、4輪の車輪駆動手段801の上に揺動可能にリンク機構802が設けられている構成である。
たとえば、リンク機構802の上部をカゴ状803にして、物品を載せて運ぶようにしてもよい。
Common examples of the mobile body 112 include a coaxial two-wheeled vehicle (FIG. 6) and an inverted autonomous traveling robot (FIG. 7).
However, the present invention is not limited to this, and any means may be used as long as it includes a driving means using wheels and a link-shaped load body and performs balance control for inverting the link-shaped load body.
For example, a configuration as shown in FIG. 8 may be used.
FIG. 8 shows a configuration in which a link mechanism 802 is provided on a four-wheel drive means 801 so as to be swingable.
For example, the upper portion of the link mechanism 802 may be formed in a cage shape 803 so that articles can be carried thereon.

そして、以下の説明では、このような移動体本体112を、図2のようにモデル化する。
ここで、図2において、201は負荷、202は車輪、203は路面である。
図2に示すように移動体本体112は倒立して走行するものとする。
負荷201は、ロボットのボディや、移動体本体112に乗る人または荷物である。
車輪202は、負荷201を乗せ、回転することにより路面203との摩擦力を利用して移動する。
In the following description, such a moving body main body 112 is modeled as shown in FIG.
Here, in FIG. 2, 201 is a load, 202 is a wheel, and 203 is a road surface.
As shown in FIG. 2, it is assumed that the moving body main body 112 travels upside down.
The load 201 is a robot body, a person riding on the mobile body 112, or a luggage.
The wheel 202 moves by using a frictional force with the road surface 203 when the load 201 is placed and rotates.

状態センサ113は、負荷201の角度(θ1)と、車輪202の角度(θ2)を検出するものである。 State sensor 113, the angle (theta 1) of the load 201, and detects the wheel angle 202 (θ 2).

指令部120は、車輪水平速度指令生成器121と、負荷角度指令演算器122と、を備える。
車輪水平速度指令生成器121は、移動体本体112の車輪202の所望の水平移動速度である車輪水平速度指令を生成し出力する。
負荷角度指令演算器122は、前記車輪水平速度指令を入力とし、移動体本体112が走行する路面203が水平な場合に車輪水平速度が前記車輪水平速度指令に追従するような負荷角度である負荷角度指令を算出し出力する。
The command unit 120 includes a wheel horizontal speed command generator 121 and a load angle command calculator 122.
The wheel horizontal speed command generator 121 generates and outputs a wheel horizontal speed command that is a desired horizontal movement speed of the wheel 202 of the moving body 112.
The load angle command calculator 122 receives the wheel horizontal speed command, and when the road surface 203 on which the mobile body 112 travels is horizontal, the load angle command calculator 122 is a load angle that is such that the wheel horizontal speed follows the wheel horizontal speed command. Calculates and outputs an angle command.

制御装置130は、場合分け線形制御部140と、非線形制御部150と、トルク指令演算器111と、を備える。   The control device 130 includes a case-dependent linear control unit 140, a non-linear control unit 150, and a torque command calculator 111.

場合分け線形制御部140は、減衰範囲演算器141と、減衰パラメータ演算器142と、場合分け線形トルク演算器143と、制御切替器144と、を備える。   The case-specific linear control unit 140 includes an attenuation range calculator 141, an attenuation parameter calculator 142, a case-dependent linear torque calculator 143, and a control switch 144.

減衰範囲演算器141には、負荷角度指令演算器122からの負荷角度指令と、状態センサ113による検出値である負荷角度(θ1)および車輪角度(θ2)と、が入力される。
減衰範囲演算器141は、入力信号に基づき、移動体本体112の動作制御において粘性摩擦を用いた減衰のみ加える負荷角度の範囲を減衰範囲として算出し出力する。
The attenuation range calculator 141 receives the load angle command from the load angle command calculator 122 and the load angle (θ 1 ) and wheel angle (θ 2 ) that are detected values by the state sensor 113.
Based on the input signal, the attenuation range calculator 141 calculates and outputs the range of the load angle to which only attenuation using viscous friction is performed in the operation control of the moving body 112 as the attenuation range.

減衰パラメータ演算器142には、負荷角度指令演算器122からの負荷角度指令(θ1 )と、状態センサ113による検出値である負荷角度(θ1)および車輪角度(θ2)と、が入力される。減衰パラメータ演算器142は、入力信号に基づき、前記減衰範囲における制御に用いる減衰パラメータを算出し出力する。 The attenuation parameter calculator 142 includes a load angle command (θ 1 * ) from the load angle command calculator 122, a load angle (θ 1 ) and a wheel angle (θ 2 ) that are detected values by the state sensor 113. Entered. The attenuation parameter calculator 142 calculates and outputs an attenuation parameter used for control in the attenuation range based on the input signal.

場合分け線形トルク演算器143には、負荷角度指令演算器122からの負荷角度指令(θ1 )と、減衰パラメータ演算器142からの減衰パラメータと、状態センサ113による検出値である負荷角度(θ1)および車輪角度(θ2)と、が入力される。場合分け線形トルク演算器143は、負荷速度と減衰パラメータとの乗算値に負号を付した減衰トルクと、位置偏差、速度偏差および加速度偏差の一つ以上に所定ゲインを乗算して得る線形フィードバックトルクと、を算出して出力する。 The case-specific linear torque calculator 143 includes a load angle command (θ 1 * ) from the load angle command calculator 122, an attenuation parameter from the attenuation parameter calculator 142, and a load angle (a value detected by the state sensor 113). θ 1 ) and wheel angle (θ 2 ) are input. The case-by-case linear torque calculator 143 is a linear feedback obtained by multiplying one or more of a position deviation, a speed deviation, and an acceleration deviation by a predetermined gain by a damping torque obtained by adding a negative sign to a multiplication value of a load speed and a damping parameter. Torque is calculated and output.

制御切替器144には、減衰範囲演算器141にて算出された減衰範囲と、状態センサ113による検出値と、場合分け線形トルク演算器143にて算出された場合分け線形トルクと、が入力されている。制御切替器144は、場合分け線形トルク演算器143にて算出された場合分け線形トルクを切り替えて出力する。   The control switch 144 receives the attenuation range calculated by the attenuation range calculator 141, the detection value by the state sensor 113, and the case-dependent linear torque calculated by the case-by-case linear torque calculator 143. ing. The control switch 144 switches the case-specific linear torque calculated by the case-specific linear torque calculator 143 and outputs it.

非線形制御部150は、車輪垂直加速度推定器151と、車輪水平速度推定器152と、非線形トルク演算器153と、を備える。
車輪垂直加速度推定器151には、状態センサ113からの検出信号が入力され、車輪垂直加速度推定器151は、その入力信号に基づいて車輪202の垂直加速度を推定し車輪垂直加速度推定値として出力する。
The nonlinear controller 150 includes a wheel vertical acceleration estimator 151, a wheel horizontal speed estimator 152, and a nonlinear torque calculator 153.
A detection signal from the state sensor 113 is input to the wheel vertical acceleration estimator 151, and the wheel vertical acceleration estimator 151 estimates the vertical acceleration of the wheel 202 based on the input signal and outputs it as a wheel vertical acceleration estimated value. .

車輪水平速度推定器152には、状態センサ113からの検出信号が入力されているとともに、トルク指令演算器111からのトルク指令が分岐して入力されている。車輪水平速度推定器152は、その入力信号に基づいて車輪202の水平速度を推定し車輪水平速度推定値として出力する。
非線形トルク演算器153には、前記車輪垂直加速度推定値と前記車輪水平速度推定値とが入力され、非線形トルク演算器153は、移動体本体112の非線形ダイナミクスを示す非線形トルクを演算し出力する。
A detection signal from the state sensor 113 is input to the wheel horizontal speed estimator 152, and a torque command from the torque command calculator 111 is branched and input. The wheel horizontal speed estimator 152 estimates the horizontal speed of the wheel 202 based on the input signal and outputs it as a wheel horizontal speed estimated value.
The non-linear torque calculator 153 receives the estimated wheel vertical acceleration value and the estimated wheel horizontal speed value, and the non-linear torque calculator 153 calculates and outputs a non-linear torque indicating non-linear dynamics of the moving body 112.

トルク指令演算器111には、制御切替器144で切り替え出力される前記場合分け線形トルクと非線形トルク演算器153から出力される前記非線形トルクとが入力され、トルク指令演算器111は、これら入力信号の加算値を車輪202の半径で除算して得たトルク指令を出力する。   The torque command calculator 111 receives the case-by-case linear torque switched and output by the control switch 144 and the nonlinear torque output from the nonlinear torque calculator 153, and the torque command calculator 111 receives these input signals. A torque command obtained by dividing the added value by the radius of the wheel 202 is output.

移動体本体112は前記トルク指令により駆動される。   The mobile body 112 is driven by the torque command.

以下、本第1実施形態に係る制御装置が移動体本体112の動作を制御する仕組みの詳細を説明する。   Hereinafter, the details of the mechanism by which the control device according to the first embodiment controls the operation of the mobile body 112 will be described.

図2において、次のようにパラメータを設定する。
は負荷質量、
は負荷慣性モーメント、
は車輪質量、
は車輪慣性モーメント、
lは負荷と車輪との重心間距離である負荷車輪重心間距離、
rは車輪半径、
θは負荷角度、
θは車輪角度、
refはトルク指令、とする。
さらに、車輪水平位置をx、車輪垂直位置をyとすると、負荷水平位置xおよび負荷垂直位置yは次のようにそれぞれ式(1)と式(2)とであらわされる。
In FIG. 2, parameters are set as follows.
m 1 is the load mass,
J 1 is the load moment of inertia,
m 2 is the wheel mass,
J 2 is the wheel moment of inertia,
l is the distance between the center of gravity of the load wheel, which is the distance between the center of gravity of the load and the wheel,
r is the wheel radius,
θ 1 is the load angle,
θ 2 is the wheel angle,
T ref is a torque command.
Furthermore, when the wheel horizontal position is x 2 and the wheel vertical position is y 2 , the load horizontal position x 1 and the load vertical position y 1 are expressed by the following equations (1) and (2), respectively.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

Figure 2010267193
Figure 2010267193

式(1)と式(2)とを用い、移動体本体112の運動エネルギーTおよびポテンシャルエネルギーVは次のようにそれぞれ式(3)と式(4)とであらわされる。   Using equations (1) and (2), the kinetic energy T and potential energy V of the moving body 112 are expressed by equations (3) and (4) as follows.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

Figure 2010267193
Figure 2010267193

すると、オイラーラグランジュ方程式を用い、移動体本体112の運動方程式は式(5)乃至(8)と求められる。   Then, using the Euler-Lagrange equation, equations of motion of the moving body 112 are obtained as equations (5) to (8).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

Figure 2010267193
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Figure 2010267193
Figure 2010267193

Figure 2010267193
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ただし、gは重力加速度である。
さらに、車輪202と路面203の間の粘性摩擦を考慮すると、式(6)と式(7)は式(9)と式(10)と書き換えられる。
ここに、Dは粘性摩擦係数とする。
However, g is a gravitational acceleration.
Further, when the viscous friction between the wheel 202 and the road surface 203 is taken into consideration, the equations (6) and (7) can be rewritten as the equations (9) and (10).
Here, D is a viscous friction coefficient.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

Figure 2010267193
Figure 2010267193

式(9)と式(10)とを用い、式(11)が得られる。   Using Expression (9) and Expression (10), Expression (11) is obtained.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

式(5)から式(11)を減算すると式(12)が得られる。   When Expression (11) is subtracted from Expression (5), Expression (12) is obtained.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

ただし、Nxは車輪水平位置x2をパラメータとした非線形項、Nyは車輪垂直位置y2をパラメータとした非線形項である。 However, N x is a nonlinear term with the wheel horizontal position x 2 as a parameter, and N y is a nonlinear term with the wheel vertical position y 2 as a parameter.

負荷角度θ1は車輪水平位置x2より十分に遅く変化すると仮定すると、式(11)は式(13)と書き換えられる。 Assuming that the load angle θ 1 changes sufficiently later than the wheel horizontal position x 2 , Equation (11) can be rewritten as Equation (13).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

ただし、車輪水平位置x2より十分に遅く変化する部分を定数c1、c2、c3とした。
式(13)より、車輪水平速度推定値は式(14)であらわされる。
However, constants c 1 , c 2 , and c 3 are portions that change sufficiently later than the wheel horizontal position x 2 .
From equation (13), the estimated wheel horizontal speed is expressed by equation (14).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

sはラプラス演算子、L−1はラプラス逆変換、l1、l2は車輪水平速度推定器152のパラメータを表す。
車輪水平速度推定器152は式(14)を用いて前記車輪水平速度推定値を算出する。
s is a Laplace operator, L −1 is an inverse Laplace transform, and l 1 and l 2 are parameters of the wheel horizontal speed estimator 152.
The wheel horizontal speed estimator 152 calculates the wheel horizontal speed estimated value using the equation (14).

一方、式(8)を車輪垂直加速度(d2y2/dt2)について解くと式(15)が得られる。 On the other hand, when equation (8) is solved for wheel vertical acceleration (d 2 y 2 / dt 2 ), equation (15) is obtained.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

車輪垂直加速度推定器151は、式(15)を用いて前記車輪垂直加速度推定値を算出する。   The wheel vertical acceleration estimator 151 calculates the wheel vertical acceleration estimated value using Equation (15).

所望の車輪水平速度である車輪水平速度指令をv2 (=x2*の一階微分)とすると、路面203が水平で平らな場合に車輪水平速度dx2/dtが前記車輪水平速度指令v2*となる負荷角度θ1である負荷角度指令θ1 は式(16)であらわされる。すなわち、負荷角度指令は、車輪水平加速度指令を重力加速度で除算した値の逆正接である。 Assuming that the wheel horizontal speed command which is a desired wheel horizontal speed is v 2 * (= x 2 * first order differential), the wheel horizontal speed dx 2 / dt is the wheel horizontal speed command when the road surface 203 is horizontal and flat. The load angle command θ 1 *, which is the load angle θ 1 that becomes v 2 *, is expressed by Expression (16). That is, the load angle command is an arc tangent of a value obtained by dividing the wheel horizontal acceleration command by the gravitational acceleration.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

車輪水平速度指令生成器121は、車輪水平速度指令v2 (=x2*の一階微分)を出力し、負荷角度指令演算器122は、式(16)を用いて負荷角度指令θ1 を算出し出力する。 The wheel horizontal speed command generator 121 outputs the wheel horizontal speed command v 2 * (= first derivative of x 2 *), and the load angle command calculator 122 uses the equation (16) to calculate the load angle command θ 1. * Calculate and output.

式(14)と式(15)を式(12)に代入すると、式(17)が得られる。   Substituting Equation (14) and Equation (15) into Equation (12) yields Equation (17).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

式(17)を書き換えると式(18)とあらわされる。   Rewriting equation (17) gives equation (18).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

ただし、uは場合分け線形トルクである。
そして、負荷角度θ1が負荷角度指令θ1 に収束するような、式(19)に示す場合分け線形トルクuを考える。
However, u is a case-by-case linear torque.
Then, as the load angle theta 1 is converged to a load angle command theta 1 *, consider a linear torque u divided case shown in equation (19).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

ただし、e=θ1 −θ1は、負荷角度追従偏差、
βは、速度比例制御ゲイン、
κは、位置比例制御ゲイン、
γは、減衰パラメータ、
sgn(・)は、・が正数のとき+1、負数のとき−1、零のとき0の値をとるシグナム関数である。
Where e = θ 1 * −θ 1 is the load angle tracking deviation,
β is the speed proportional control gain,
κ is the position proportional control gain,
γ is the attenuation parameter,
sgn (•) is a signum function that takes a value of +1 when • is a positive number, −1 when a negative number, and 0 when it is zero.

また、h=c|θ1 |は、フィードバック制御によるチャタリングを抑制するために設けた負荷角度範囲である減衰範囲であり、cは、減衰範囲hのパラメータである。 Further, h = c | θ 1 * | is an attenuation range that is a load angle range provided to suppress chattering by feedback control, and c is a parameter of the attenuation range h.

ここで、式(19)に表される場合分け線形トルクuの意味は、負荷角度θ1と負荷角度指令θ1 との偏差が小さい場合、具体的には、負荷角度θ1の絶対値が減少する方向において負荷角度θ1と負荷角度指令θ1 との角度ずれが減衰範囲hの範囲内である場合、負荷201には粘性摩擦が減衰パラメータγである動作をさせることにより、負荷角度θ1を負荷角度指令θ1 に安定して収束させることができることを表す。
また、負荷角度θ1と負荷角度指令θ1 とのずれが上記以外の場合、負荷201には、剛性が位置比例制御ゲインκで、粘性摩擦が速度比例制御ゲインβであるフィードバック制御をかけることにより、負荷角度θ1を負荷角度指令θ1 に収束させることができることを表す。
Here, the case-by-case linear torque u represented by the equation (19) means that when the deviation between the load angle θ 1 and the load angle command θ 1 * is small, specifically, the absolute value of the load angle θ 1 . When the angular deviation between the load angle θ 1 and the load angle command θ 1 * is within the range of the attenuation range h in the direction in which the load decreases, the load 201 is caused to perform an operation in which the viscous friction is the attenuation parameter γ. It represents that the angle θ 1 can be stably converged to the load angle command θ 1 * .
When the deviation between the load angle θ 1 and the load angle command θ 1 * is other than the above, the load 201 is subjected to feedback control in which the rigidity is the position proportional control gain κ and the viscous friction is the speed proportional control gain β. This indicates that the load angle θ 1 can be converged to the load angle command θ 1 * .

ここで、減衰パラメータγを例えば式(20)に示すように負荷角度指令θ1 と負荷角度追従偏差eの関数として設定すると好適である。 Here, it is preferable to set the attenuation parameter γ as a function of the load angle command θ 1 * and the load angle tracking deviation e, for example, as shown in the equation (20).

Figure 2010267193
Figure 2010267193

すなわち、場合分け線形制御演算器140は、負荷角度指令演算器122から負荷角度指令θ1 を受けると、負荷角度指令θ1 は減衰範囲演算器141、減衰パラメータ演算器142および場合分け線形トルク演算器143に入力される。
そして、減衰範囲演算器141は、負荷角度指令θ1 とパラメータcとを用いて、h=c|θ1 |である減衰範囲を算出する。
この求められた減衰範囲hは制御切替器144に出力される。
In other words, when the case-specific linear control arithmetic unit 140 receives the load angle command θ 1 * from the load angle command arithmetic unit 122, the load angle command θ 1 * is converted into the attenuation range calculator 141, the attenuation parameter calculator 142, and the case-specific linear unit. It is input to the torque calculator 143.
Then, the attenuation range calculator 141 calculates an attenuation range where h = c | θ 1 * | using the load angle command θ 1 * and the parameter c.
The obtained attenuation range h is output to the control switch 144.

また、減衰パラメータ演算器142は、上記式(20)に従って減衰パラメータγを算出し、場合分け線形トルク演算器143に出力する。   Further, the damping parameter calculator 142 calculates the damping parameter γ according to the above equation (20), and outputs it to the linear torque calculator 143 according to the case.

場合分け線形トルク演算器143は、減衰パラメータ演算器142から与えられる減衰パラメータγおよび予め設定された速度比例制御ゲインβ、位置比例制御ゲインκを用い、式(19)の場合分け線形トルクuを算出する。
算出した場合分け線形トルクuは、制御切替器144に出力する。
The case-specific linear torque calculator 143 uses the attenuation parameter γ given from the attenuation parameter calculator 142, the preset speed proportional control gain β, and the position proportional control gain κ, and calculates the case-specific linear torque u of Equation (19). calculate.
The calculated case-specific linear torque u is output to the control switch 144.

制御切替器144は、場合分け線形トルク演算器143にて求められた場合分け線形トルクuを負荷角度追従偏差eおよび減衰範囲hを参照して切替選択する。
制御切替器144にて選択された場合分け線形トルクはトルク指令演算器111に出力される。
The control switch 144 switches and selects the case-specific linear torque u obtained by the case-specific linear torque calculator 143 with reference to the load angle tracking deviation e and the attenuation range h.
The case-dependent linear torque selected by the control switch 144 is output to the torque command calculator 111.

また、非線形トルク演算器153は、式(15)を用いて算出した車輪垂直加速度推定値と、式(14)を用いて算出した車輪水平速度推定値に基づいて、式(12)のNx+Nyである非線形トルクを算出し出力する。   Further, the non-linear torque calculator 153 calculates Nx + Ny in Expression (12) based on the estimated wheel vertical acceleration value calculated using Expression (15) and the estimated wheel horizontal speed value calculated using Expression (14). Calculate and output some nonlinear torque.

トルク指令演算器111は、制御切替値uと非線形トルクNx+Nyを用いて式(21)によりトルク指令Trefを算出し出力する。   The torque command calculator 111 calculates and outputs a torque command Tref according to equation (21) using the control switching value u and the nonlinear torque Nx + Ny.

Figure 2010267193
Figure 2010267193

ただし、rは車輪半径である。
移動体本体112はトルク指令Trefにより駆動制御される。
Where r is the wheel radius.
The mobile body 112 is driven and controlled by a torque command Tref .

このような構成を備える本第1実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
(1)本実施形態では、式(14)の車輪水平速度推定値を用いて移動体本体112を制御するので、車輪202と路面203が相対的にすべる場合にも移動体本体112の車輪水平速度v2(=x2の一階微分)を車輪水平速度指令v2 (x2*の一階微分)に一致させることができる。
According to the first embodiment having such a configuration, the following effects can be achieved.
(1) In the present embodiment, since the moving body main body 112 is controlled using the estimated wheel horizontal speed value of the equation (14), the wheel level of the moving body main body 112 can be adjusted even when the wheel 202 and the road surface 203 slide relative to each other. speed v 2 (= first derivative of x 2) it is possible to match the * wheel horizontal speed instruction v 2 (first derivative of x 2 *).

従来は、単純な線形モデルを想定した制御設計を採用していたため、車輪と路面とがすべるような非線形要素に対して特別な考慮をしていなかった。
そして、従来は、車輪のすべりのような非線形要素も単なる外乱の一つとして押さえこむようにゲイン等を設定していたが、路面との滑りや衝突の影響で車輪が空転し、負荷の姿勢が大きくずれるような場合にはロバスト性を考慮した制御設計であっても安定状態に復帰させるには無理がある。
この点、本実施形態では、式(14)の車輪水平速度推定値を車輪水平速度推定器152によって推定し、非線形トルク演算器153において、式(12)の車輪水平位置x2をパラメータとする非線形項Nxを求めて、これをトルク指令に加えている。したがって、車輪202と路面203が相対的にすべるような非線形要素にも対応し、移動体本体112の車輪水平速度v2(=x2の一階微分)を車輪水平速度指令v2 (x2*の一階微分)に一致させることができる。
Conventionally, since a control design assuming a simple linear model has been adopted, no special consideration has been given to a non-linear element in which a wheel and a road surface slip.
In the past, gains were set so that non-linear elements such as wheel slipping were also suppressed as one of the disturbances, but the wheels slipped due to slippage and collision with the road surface, and the load posture was In the case of a large deviation, it is impossible to return to a stable state even with a control design that considers robustness.
In this regard, in the present embodiment, the wheel horizontal velocity estimate of equation (14) estimated by the wheel horizontal velocity estimator 152, in the nonlinear torque unit 153, a wheel horizontal position x 2 of the formula (12) as a parameter A nonlinear term Nx is obtained and added to the torque command. Therefore, it corresponds to a non-linear element in which the wheel 202 and the road surface 203 slide relatively, and the wheel horizontal speed v 2 (= first derivative of x 2 ) of the moving body 112 is set to the wheel horizontal speed command v 2 * (x 2 * first derivative).

(2)本実施形態では、式(15)の車輪垂直加速度推定値を用いて移動体本体112を制御するので、路面203に凹凸があっても車輪202が路面203に接触している間は負荷角度θ1を安定に制御することができる。
従来は水平な路面を走行する場合を仮定しており、凹凸を乗り越えるような非線形要素を考慮していなかった。そのため、路面凹凸を乗り越える際に負荷が大きく傾くような場合には発振したり、制御不能になって転倒するなどの問題があった。
この点、本実施形態では、式(15)の車輪垂直加速度推定値を車輪垂直加速度推定器151によって算出し、非線形トルク演算器153において、式(12)の車輪垂直位置y2をパラメータとする非線形項Nyを求めて、これをトルク指令に加えている。
したがって、路面凹凸を乗り越えるような非線形要素にも対応し、負荷角度θ1を安定に制御することができる。
(2) In this embodiment, since the moving body main body 112 is controlled using the estimated wheel vertical acceleration value of the equation (15), the wheel 202 is in contact with the road surface 203 even if the road surface 203 is uneven. The load angle θ 1 can be stably controlled.
Conventionally, it is assumed that the vehicle travels on a horizontal road surface, and non-linear elements that get over unevenness are not considered. For this reason, there are problems such as oscillation when the load is greatly inclined when overcoming the road surface irregularities, and falling because the control becomes impossible.
In this respect, in the present embodiment, the wheel vertical acceleration estimated value of Expression (15) is calculated by the wheel vertical acceleration estimator 151, and the nonlinear torque calculator 153 uses the wheel vertical position y2 of Expression (12) as a parameter. The term Ny is obtained and added to the torque command.
Accordingly, it is possible to stably control the load angle θ1 in response to a nonlinear element that overcomes the road surface unevenness.

(3)本第1実施形態では、式(19)に示すように、負荷角度θ1を3つの範囲に分け、それぞれの場合に最適なトルク指令を算出する。
そして、制御切替器144において減衰範囲の内と外とで制御を切り替える。
これにより、負荷角度θ1が負荷角度指令θ1 の近傍において振動することなく、負荷角度指令θ1 に滑らかに収束するようにすることができる。
その結果、安定した水平走行を実現させることができる。
(3) In the first embodiment, as shown in Expression (19), the load angle θ 1 is divided into three ranges, and an optimum torque command is calculated in each case.
Then, the control switch 144 switches the control between inside and outside the attenuation range.
Thus, without the load angle theta 1 is vibrated in the vicinity of the load angle command theta 1 *, can be made to smoothly converge the load angle command theta 1 *.
As a result, stable horizontal travel can be realized.

(4)減衰パラメータ演算器142を備え、式(20)により減衰パラメータγを設定するので、減衰パラメータγを一定値に固定する場合に比べ、滑らかに速く負荷角度θ1を負荷角度指令θ1 に収束させることができる。 (4) comprising a damping parameter calculator 142, so set the damping parameter γ by Equation (20), compared with the case of fixing the damping parameter γ a constant value, the load smoothly fast load angle theta 1 angle command theta 1 * Can be converged.

(実験例)
次に、本発明の効果を実証する実験例を示す。
実験例として、第1実施形態のシミュレーション結果を示す。
ここで、シミュレーションに用いた数値は以下のとおりである。
(Experimental example)
Next, experimental examples demonstrating the effects of the present invention will be shown.
As an experimental example, the simulation result of the first embodiment is shown.
Here, the numerical values used in the simulation are as follows.

m1 =70 [kg]、
J1 = 25.2 [kg・m2]、
m2 = 15 [kg]、
J2 = 0.075 [kg・m2]、
l = 0.9 [m]、
r = 0.1 [m]、
D = 0.1 [N・s/m]、
g = 9.8 [m/s2]、
T = 1×10-3 [s]、
κ = 40 [s-1]、
J10 = m1×l2+J1 [kg・m2]、
β0 = 2πκ [s-1]、
β = β0×J10 [N・m・s/rad]、
γ = 0.1 [N・m・s/rad]、
pcl = [-49.9、-201.4] [rad/s]、
td = 0.5 [s]
m 1 = 70 [kg],
J 1 = 25.2 [kg · m 2 ],
m 2 = 15 [kg],
J 2 = 0.075 [kg ・ m 2 ],
l = 0.9 [m],
r = 0.1 [m],
D = 0.1 [N · s / m],
g = 9.8 [m / s 2 ],
T = 1 × 10 -3 [s],
κ = 40 [s -1],
J 10 = m 1 × l 2 + J 1 [kg · m 2 ],
β 0 = 2πκ [s -1 ],
β = β 0 × J 10 [N · m · s / rad],
γ = 0.1 [N · m · s / rad],
pcl = [-49.9, -201.4] [rad / s],
td = 0.5 [s]

ただし、
m1は負荷質量、
J1は、負荷慣性モーメント、
m2は、車輪質量、
J2は、車輪慣性モーメント、
lは、負荷車輪重心間距離、
rは、車輪半径、
Dは、車輪路面間粘性摩擦、
gは、重力加速度、
Tは、制御周期、
κは、本発明における位置比例制御ゲイン、
J10は、公称慣性モーメント、
β0は、本発明における正規化速度比例制御ゲイン、
βは、本発明における速度比例制御ゲイン、
γは、本発明における摩擦パラメータ、
pclは、従来技術における閉ループ極、
tdは、インパルス外乱時間、である。
However,
m 1 is the load mass,
J 1, the load moment of inertia,
m 2 is the wheel mass,
J 2 is the wheel moment of inertia,
l is the load wheel center of gravity distance,
r is the wheel radius,
D is the viscous friction between wheel surfaces,
g is the acceleration of gravity,
T is the control cycle,
κ is a position proportional control gain in the present invention,
J 10 is the nominal moment of inertia,
β 0 is a normalized speed proportional control gain in the present invention,
β is a speed proportional control gain in the present invention,
γ is a friction parameter in the present invention,
pcl is a closed loop pole in the prior art,
td is an impulse disturbance time.

なお、
車輪路面間粘性摩擦Dは、図2の車輪202と路面203の間にはたらく粘性摩擦であり、
公称慣性モーメントJ10は、本発明における速度ループを正規化するパラメータであり、
pclは、従来技術における状態フィードバック制御で配置する閉ループの極、である。
また、インパルス外乱時間tdにおいて、車輪202の鉛直上方方向にインパルス状の加速度外乱入力がある場合を考える。
In addition,
The viscous friction D between wheel road surfaces is a viscous friction acting between the wheel 202 and the road surface 203 in FIG.
The nominal moment of inertia J 10 is a parameter that normalizes the speed loop in the present invention,
pcl is a closed-loop pole disposed by state feedback control in the prior art.
Further, consider a case where there is an impulse-like acceleration disturbance input in the vertically upward direction of the wheel 202 at the impulse disturbance time td.

図3、図4はシミュレーション結果を示す図である。
図3は、負荷角度の変化を示す。
図3において、破線L11は負荷角度指令(Load angular position reference input)、実線L10は本発明による負荷角度(Load angular position with proposed control)、一点鎖線L12は従来技術による負荷角度を示す。
加速度外乱を入力する0.5[s]までは、従来技術と本発明とは共に負荷角度指令にほぼ同じ程度に追従しているが、0.5[s]以降は従来技術では負荷角度が発振しているのに対し、本発明では前記加速度外乱入力後も発振することなく前記負荷角度指令に追従していることが分かる。
3 and 4 are diagrams showing simulation results.
FIG. 3 shows changes in the load angle.
3, a broken line L 11 is the load angle command (Load angular position reference input), the solid line L 10 is the load angle by the present invention (Load angular position with proposed control) , one-dot chain line L 12 represents the load angle of the prior art.
Up to 0.5 [s] when the acceleration disturbance is input, both the conventional technology and the present invention follow the load angle command to the same extent. However, after 0.5 [s], the load angle oscillates in the conventional technology. On the other hand, it can be seen that the present invention follows the load angle command without oscillating even after the acceleration disturbance input.

そして、本発明による負荷角度が折れ線状の時間変化をしているのは、式(19)の前記減衰範囲において減衰のみを加える制御を実施しているためであり、前記減衰範囲をもたせることにより前記負荷位置が前記負荷位置指令の近傍において振動的になりにくくなっていることが示された。   The reason why the load angle according to the present invention changes in a polygonal time is because control is performed to add only attenuation in the attenuation range of Equation (19), and by providing the attenuation range, It was shown that the load position is less likely to vibrate in the vicinity of the load position command.

また、車輪垂直加速度推定器151において、式(15)の車輪垂直加速度推定値を算出し、非線形トルク演算器153において、非線形トルクNyを算出することにより、路面203の凹凸のため車輪202に加わる垂直方向の前記加速度外乱を補償できるので、本発明は前記加速度外乱が存在する場合にも前記負荷角度を安定化させることが示された。   Further, the wheel vertical acceleration estimator 151 calculates the wheel vertical acceleration estimated value of the equation (15), and the nonlinear torque calculator 153 calculates the nonlinear torque Ny. Since the acceleration disturbance in the vertical direction can be compensated, the present invention has been shown to stabilize the load angle even in the presence of the acceleration disturbance.

図4は、車輪の水平速度変化を示す。
図4において、破線L21は所望の車輪水平速度、実線L20は本発明による車輪水平速度、一点鎖線L22は従来技術による車輪水平速度である。
加速度外乱を入力する0.5[s]までは従来技術も本発明も共に前記所望の車輪水平速度に追従しているが、0.5[s]以降において従来技術は振動的となるのに対し、本発明は振動的とならず前記所望の車輪水平速度に追従していることがわかる。
FIG. 4 shows the change in the horizontal speed of the wheel.
In FIG. 4, a broken line L 21 is a desired wheel horizontal speed, a solid line L 20 is a wheel horizontal speed according to the present invention, and a one-dot chain line L 22 is a wheel horizontal speed according to the prior art.
Both the prior art and the present invention follow the desired wheel horizontal speed up to 0.5 [s] when the acceleration disturbance is input, whereas the prior art becomes vibrational after 0.5 [s]. It can be seen that does not vibrate and follows the desired wheel horizontal speed.

(変形例1)
上記第1実施形態においては、最も好適な実施形態として場合分け線形制御部140を有する場合を説明したが、図5に示すように、場合分け線形制御部に代えて線形トルク演算器501とし、従来の線形フィードバック制御を適用してもよい。
この場合でも、非線形制御部150を有するので、車輪のすべり、衝突、路面凹凸などの非線形要素があってもこれらに対応し、安定した走行を実現できる。
(Modification 1)
In the first embodiment, the case where the case-by-case linear control unit 140 is provided as the most preferable embodiment has been described, but as shown in FIG. 5, a linear torque calculator 501 is used instead of the case-by-case linear control unit, Conventional linear feedback control may be applied.
Even in this case, since the non-linear control unit 150 is provided, even if there are non-linear elements such as wheel slip, collision, road surface unevenness, etc., these can be dealt with and stable running can be realized.

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、式(19)において、位置P/速度P制御は、位置P/速度PI制御、位置P/速度I−P制御、位置PID制御など、任意の制御則に置き換えても良いことはもちろんである。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The deformation | transformation in the range which can achieve the objective of this invention, improvement, etc. are included in this invention.
For example, in the equation (19), the position P / speed P control may be replaced with an arbitrary control law such as position P / speed PI control, position P / speed IP control, position PID control, etc. is there.

本発明は、路面に凹凸がある場合にも、人や物体と衝突した場合にも、転倒することなく、発振することなく2輪倒立の移動体を所望の水平速度で走行させることができるので、2輪倒立で走行するロボット、電動車椅子、自動搬送装置、災害時の人命救助など狭い場所で作業するロボット、振動に弱い電子部品の組み立て装置などに広く適用できる。   The present invention can move a two-wheel inverted moving body at a desired horizontal speed without tipping over and oscillating, even when the road surface is uneven or collides with a person or an object. It can be widely applied to robots that run with two wheels upside down, electric wheelchairs, automatic conveyance devices, robots that work in narrow places such as lifesaving in disasters, and assembly devices for electronic components that are vulnerable to vibration.

100…倒立型移動体、111…トルク指令演算器、112…移動体本体、113…状態センサ、120…指令部、121…車輪水平速度指令生成器、122…負荷角度指令演算器、130…制御装置、140…場合分け線形制御部、141…減衰範囲演算器、142…減衰パラメータ演算器、144…制御切替器、150…非線形制御部、151…車輪垂直加速度推定器、152…車輪水平速度推定器、153…非線形トルク演算器、201…負荷、202…車輪、203…路面、901…摩擦推定器、902…目標状態生成器、903…状態フィードバックゲイン、904…倒立ロボット。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Inverted type mobile body, 111 ... Torque command calculator, 112 ... Mobile body main body, 113 ... State sensor, 120 ... Command part, 121 ... Wheel horizontal speed command generator, 122 ... Load angle command calculator, 130 ... Control Device: 140 ... linear control unit according to case, 141 ... attenuation range calculator, 142 ... attenuation parameter calculator, 144 ... control switching unit, 150 ... nonlinear controller, 151 ... wheel vertical acceleration estimator, 152 ... wheel horizontal speed estimation 153 ... Nonlinear torque calculator, 201 ... Load, 202 ... Wheel, 203 ... Road surface, 901 ... Friction estimator, 902 ... Target state generator, 903 ... State feedback gain, 904 ... Inverted robot.

Claims (7)

車輪を有する駆動手段とリンクを介して前記車輪の上で倒立制御される負荷とを有する移動体本体を倒立させながら走行制御をする制御装置であって、
所望の目標状態を指令する指令部からの指令値と移動体本体の状態を検出する状態センサからの検出信号との偏差に応じて線形制御を行う線形トルクを算出する線形制御部と、
前記状態センサからの検出信号に基づいて移動体本体にかかる非線形要素による非線形トルクを算出する非線形制御部と、
前記線形制御部からの線形トルクと前記非線形制御部からの非線形トルクとにより移動体本体に与えるトルク指令を算出するトルク指令演算器と、を備え
前記非線形制御部は、
前記負荷の重心と前記車輪の重心とをつなぐ直線が鉛直線との間になす角を負荷角度とし、
前記負荷角度を用いて前記移動体本体の車輪水平速度を推定する車輪水平速度推定器と、
前記移動体本体の非線形部分によるトルクである非線形トルクを前記車輪水平速度推定値を用いて算出する非線形トルク演算器と、を備える
ことを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
A control device that performs traveling control while inverting a moving body having a driving means having wheels and a load that is inverted and controlled on the wheels via a link,
A linear control unit that calculates linear torque for performing linear control according to a deviation between a command value from a command unit that commands a desired target state and a detection signal from a state sensor that detects the state of the moving body,
A non-linear controller that calculates non-linear torque due to non-linear elements applied to the moving body based on a detection signal from the state sensor;
A torque command calculator that calculates a torque command to be given to the moving body by the linear torque from the linear control unit and the nonlinear torque from the nonlinear control unit, the nonlinear control unit,
The angle formed between the vertical line and the straight line connecting the center of gravity of the load and the center of gravity of the wheel is the load angle,
A wheel horizontal speed estimator that estimates a wheel horizontal speed of the mobile body using the load angle;
A non-linear torque calculator that calculates a non-linear torque, which is a torque generated by a non-linear portion of the main body of the moving body, using the estimated wheel horizontal speed value.
請求項1に記載の倒立型移動体の制御装置において、
前記車輪水平速度推定器は、次の式によって車輪水平速度推定値を算出することを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
Figure 2010267193


ただし、
Figure 2010267193

ここで、
θ1は負荷角度であり、
は負荷質量であり、
は車輪質量であり、
lは負荷と車輪との重心間距離である負荷車輪重心間距離であり、
rは車輪半径であり、
θは負荷角度であり、
refはトルク指令であり、
sはラプラス演算子であり、
l1、l2は車輪水平速度推定器のパラメータであり、
L−1はラプラス逆変換を表す。
In the inverted mobile control device according to claim 1,
The wheel horizontal speed estimator calculates a wheel horizontal speed estimated value according to the following equation, and is an inverted moving body control device.
Figure 2010267193


However,
Figure 2010267193

here,
θ 1 is the load angle,
m 1 is the load mass,
m 2 is the wheel mass,
l is the distance between the center of gravity of the load wheel, which is the distance between the center of gravity of the load and the wheel,
r is the wheel radius
θ 1 is the load angle,
T ref is a torque command,
s is a Laplace operator,
l 1 and l 2 are the parameters of the wheel horizontal speed estimator,
L −1 represents Laplace inversion.
請求項2に記載の倒立型移動体の制御装置において、
前記非線形トルク演算器は、次の式によって車輪水平位置x2をパラメータとした非線形項Nxを算出する
ことを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
Figure 2010267193
In the control device for an inverted moving body according to claim 2,
The non-linear torque calculator calculates a non-linear term N x using a wheel horizontal position x 2 as a parameter according to the following equation.
Figure 2010267193
車輪を有する駆動手段とリンクを介して前記車輪の上で倒立制御される負荷とを有する移動体本体を倒立させながら走行制御をする制御装置であって、
所望の目標状態を指令する指令部からの指令値と移動体本体の状態を検出する状態センサからの検出信号との偏差に応じて線形制御を行う線形トルクを算出する線形制御部と、
前記状態センサからの検出信号に基づいて移動体本体にかかる非線形要素による非線形トルクを算出する非線形制御部と、
前記線形制御部からの線形トルクと前記非線形制御部からの非線形トルクとにより移動体本体に与えるトルク指令を算出するトルク指令演算器と、を備え
前記非線形制御部は、
前記負荷の重心と前記車輪の重心とをつなぐ直線が鉛直線との間になす角を負荷角度とし、
前記負荷角度を用いて前記移動体本体の車輪垂直加速度を推定する車輪垂直加速度推定器と、
前記移動体本体の非線形部分によるトルクである非線形トルクを前記車輪垂直加速度推定値を用いて算出する非線形トルク演算器と、を備える
ことを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
A control device that performs traveling control while inverting a moving body having a driving means having wheels and a load that is inverted and controlled on the wheels via a link,
A linear control unit that calculates linear torque for performing linear control according to a deviation between a command value from a command unit that commands a desired target state and a detection signal from a state sensor that detects the state of the moving body,
A non-linear controller that calculates non-linear torque due to non-linear elements applied to the moving body based on a detection signal from the state sensor;
A torque command calculator that calculates a torque command to be given to the moving body by the linear torque from the linear control unit and the nonlinear torque from the nonlinear control unit, the nonlinear control unit,
The angle formed between the vertical line and the straight line connecting the center of gravity of the load and the center of gravity of the wheel is the load angle,
A wheel vertical acceleration estimator that estimates the wheel vertical acceleration of the mobile body using the load angle;
A non-linear torque calculator that calculates a non-linear torque, which is a torque generated by a non-linear part of the main body of the moving body, using the estimated wheel vertical acceleration value.
請求項4に記載の倒立型移動体の制御装置において、
前記車輪垂直加速度推定器は、次の式によって車輪垂直加速度推定値を算出する
ことを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
Figure 2010267193

ただし、
θ1は負荷角度であり、
は負荷質量であり、
は車輪質量であり、
lは負荷と車輪との重心間距離である負荷車輪重心間距離である。
In the control device for an inverted moving body according to claim 4,
The wheel vertical acceleration estimator calculates a wheel vertical acceleration estimated value by the following formula.
Figure 2010267193

However,
θ 1 is the load angle,
m 1 is the load mass,
m 2 is the wheel mass,
l is the distance between the center of gravity of the load wheel, which is the distance between the center of gravity of the load and the wheel.
請求項5に記載の倒立型移動体の制御装置において、
前記非線形トルク演算器は、次の式によって車輪垂直位置y2をパラメータとした非線形項Nyを算出することを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
Figure 2010267193

θ1は負荷角度であり、
は負荷質量であり、
は車輪質量であり、
lは負荷と車輪との重心間距離である負荷車輪重心間距離であり、
rは車輪半径であり、
は車輪慣性モーメントであり、
θは車輪角度である。
In the inverted mobile control device according to claim 5,
The non-linear torque calculator calculates the non-linear term N y with the wheel vertical position y 2 as a parameter using the following equation:
Figure 2010267193

θ 1 is the load angle,
m 1 is the load mass,
m 2 is the wheel mass,
l is the distance between the center of gravity of the load wheel, which is the distance between the center of gravity of the load and the wheel,
r is the wheel radius
J 2 is the wheel inertia moment,
θ 2 is the wheel angle.
請求項1から請求項6のいずれかに記載の倒立型移動体の制御装置において、
前記トルク指令演算器は、前記線形制御部からの線形トルクと前記非線形制御部からの非線形トルクとを加算した加算値を移動体本体の車輪半径で除算した値をトルク指令とする
ことを特徴とする倒立型移動体の制御装置。
In the control device for an inverted mobile body according to any one of claims 1 to 6,
The torque command computing unit uses as a torque command a value obtained by dividing an addition value obtained by adding the linear torque from the linear control unit and the nonlinear torque from the nonlinear control unit by the wheel radius of the moving body. A control device for an inverted moving body.
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