JP2010536649A

JP2010536649A - 車両始動時の故障検出装置及び方法

Info

Publication number: JP2010536649A
Application number: JP2010521955A
Authority: JP
Inventors: マイケル・ティ・ガンスラー; マイケル・エフ・カウフマン
Original assignee: セグウェイ・インコーポレイテッド
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-12-02
Also published as: CN101861554A; EP2191339A2; US20090055033A1; WO2009026195A3; WO2009026195A2

Abstract

バランス型トランスポーターのコントローラーを、当該バランス型トランスポーターに関わる複数の方向信号を取得することを含む初期化方法が提供される。本方法には、複数の方向センサ信号に基づき、複数の角度レートセンサの１つ以上からの信号出力が閾値以下にオフセットしていることを判定することも含まれる。本方法には、複数の角度レートセンサの１つ以上からの出力に基づきバランス型トランスポーターの運転を制御する、ピッチ状態推定器を初期化することも含まれる。本方法には、ピッチ状態推定器の少なくとも１つからの出力に基づき、バランス型トランスポーターの運転を制御することも含まれる。

Description

本発明は、運搬装置の制御に関し、詳しくは、運搬装置の運転制御用センサの故障を検出する方法及び装置に関する。

動的に安定な運搬装置とは、運転中の運搬装置の安定を能動的に維持する制御システムを備える車両に対して参照される。この制御システムは、運搬装置の向きを常に検出し、安定を維持する上で適正な動作を決定し、運搬装置のホイールモーターに当該適正動作を指令し、運搬装置の安定を維持する。構成部品の不具合等で運搬装置の安定維持能力が無くなるとバランスが突然崩れ、ライダーは不快感を感じる。この種の車両は、システムアーキテクチャ的な、従来技術に記載されるものを補完する機能構造部を使用する場合に、その効率及び安全性が一段と向上され得る。

米国特許第６３０２２３０号明細書米国特許出願公開第２００６／０１０８１５６号明細書米国特許第５７０１９６５号明細書米国特許第５７９１４２５号明細書米国特許第６３３２１０３号明細書

車両始動時の故障検出装置及び方法を提供することである。

本発明の１様相において、バランス型運搬装置（以下、トランスポーター）のコントローラーの初期化方法が提供される。本方法には、ａ）当該トランスポーターに関する複数の方向信号を取得することが含まれる。本方法には、ｂ）複数の方向信号に基づき、複数の角速度センサの１つ以上における信号出力が閾値以下にオフセットされていることを判定することも含まれる。本方法には、ｃ）複数の角速度センサの１つ以上における出力に基づき、トランスポーターの運転を制御するピッチ状態推定器を初期化することも含まれる。本方法には、ｄ）ピッチ状態推定器の少なくとも１つの出力に基づき、トランスポーターの運転を制御することも含まれる。

ある実施例では、本方法には、１つ以上の角度レートセンサの信号出力のオフセット値が閾値又は閾値以上になった場合にステップｃ）を終了することが含まれる。ある実施例では、ステップｂ）には、各方向信号と、相当する閾値とを比較することが含まれる。ある実施例では、１つ以上の方向信号が、相当する閾値に等しい又は当該閾値を上回る場合にピッチ状態推定器の初期化を終了することが含まれる。ある実施例では本方法には、角度レートセンサの信号出力のオフセット値が閾値以下となるまでステップａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）を反復することが含まれる。

ある実施例ではステップｂ）には、加速度計の出力信号に基づいて推定されるトランスポーターのピッチまたはロールが、所定時間範囲で１．５度以上変化していることを判定することが含まれる。ある実施例では、ステップｂ）には、トランスポーターのヨーレート（トランスポーターの下の表面にトルクを付与する左右の接地エレメントの速度差に基づき推定される）が所定時間範囲で毎秒４．７度以上変化していることを判定することが含まれる。ある実施例では、ステップｂ）には、トランスポーターの下の表面にトルクを付与する左右の接地エレメントの速度が０．２２メートルを超えていることを判定することが含まれる。ある実施例ではステップｂ）には、トランスポーターの下の表面にトルクを付与する左右の接地エレメントの速度差に基づき推定される第１のヨーレート信号と、複数の角度レートセンサの２つ以上から出力される、トランスポーターに固定した実質垂直な軸周囲での角度レートに相当する角度レート信号に基づく第２のヨーレート信号との間の差が毎秒２２度以上であることを判定することが含まれる。

本発明の他の様相によれば、バランス型トランスポーターに関連する方向信号を提供する複数の装置（例えば、センサ）を含むバランス型トランスポーターが提供される。トランスポーターは複数の角度レートセンサを含む。トランスポーターは、方向信号に基づき、複数の角度レートセンサの１つ以上からの信号出力のオフセット値が閾値と等しい又は当該閾値以上であることを判定し、また、複数の角度レートセンサの２つ以上からの出力に基づき、トランスポーターのピッチ状態を推定するプロセッサを含む。トランスポーターには、ピッチ状態推定に基づきトランスポーターの運転を制御するコントローラーも含まれる。

ある実施例ではプロセッサが、各方向センサからの信号を、相当する閾値と比較し、１つ以上の角度レートセンサからの信号出力のオフセット値が閾値と等しい又は当該閾値以上であることを判定する。ある実施例ではトランスポーターは、トランスポーターの下の表面にトルクを付与する少なくとも１つの接地エレメントを含む。

車両始動時の故障検出装置及び方法が提供される。

図１は、本発明を適用し得るトランスポーターの１実施例の斜視図である。図２は、本発明の１実施例における、車両安定性を動的制御する制御ループのブロックダイヤグラム図である。図３Ａは、陸用車両と、当該陸用車両における、ピッチ角を記入した車両系（Ｖ−系）座標軸と、地球系（Ｅ−系）座標軸とを示すダイヤグラム図である。図３Ｂは、ピッチ角がゼロ、ロール角がゼロでない場合のＥ−系対Ｖ−系の関係を示すダイヤグラム図である。図４は、本発明の１実施例に従う、トランスポーター制御に使用するシステムアーキテクチャの一部の略ブロックダイヤグラム図である。図５は、本発明の１実施例に従う、３軸状態推定器モジュールの機能ブロックダイヤグラム図である。図６は、本発明の１実施例に従う、トランスポーター制御システムの略図である。図７は、本発明の１実施例に従うバランス型トランスポーターのコントローラー初期化方法の流れダイヤグラム図である。

トランスポーターは、１つ以上の車輪上で動作可能であれば“バランス型”として動作し得るが、車輪の動作を調整する制御ループの操作無くしては車輪上には“立”ち得ないと言える。バランス型トランスポーターは静的には安定せず、動的に平衡化される。車輪又はその他の、トランスポーターを地面又はその他の、当該トランスポーターの下の表面に接触させ、通常動作中の傾きに関してトランスポーターを最小限支持する接地エレメントを今後“接地エレメント”と称する。

図１には、米国特許第６，３０２，２３０号に記載され、本明細書に含まれるものとされ且つ本発明を有益に適用し得る装置例としてのバランス型トランスポーターが全体を番号１０で示されている。ユーザー８が接地モジュール２６の支持プラットフォーム１２上に立っている。ユーザー８は支持プラットフォーム１２に取り付けたハンドル１６のグリップ１４を握っている。車輪２０及び２１はＹ軸と同中心を有する。親指ホイール３２及び３４又はその他のユーザー入力メカニズムにより、操行又はその他の制御が提供され得る。ある実施例ではトランスポーター１０を、当該トランスポーター１０のグリップ１４内のツイストグリップメカニズムを使用して操行又は制御する。ある実施例では、ユーザーがトランスポーター１０のハンドル１６を当該トランスポーター１０の各軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の１つ以上に関して傾斜（例えば角度を変える）させることで、トランスポーター１０を操行又は制御する。

ユーザーが体を傾けるとモーター駆動装置がホイール２０及び又はホイール２１に車軸２２周りのトルクを付与するような制御ループを設け得る。しかしながらトランスポーター１０は静的に不安定であり、動的安定を制御ループで維持しないと意図した方向にはもはや運転できなくなる。ここで“安定”とは、システムの運転位置にして、システムが当該運転位置からいかなる点においても離れる外乱を受けた場合に、システムが自然復帰する運転位置の機械的状況を言うものとする。

トランスポーター１０は、実質的に特定位置での平衡を維持する位置保持モードで運転され得る。またここでは、これに限定しないが、“乗り物”と称し得るトランスポーター１０は、ユーザー８がプラットフォーム１２上に乗っていない場合でも固定位置及び固定方向を維持し得る。この運転モードではトランスポーター１０の暴走が防止され、ユーザーや他人への安全性が提供される。ある実施例では、トランスポーター１０はユーザーがトランスポーター１０のプラットフォーム１２に足を載せる間、位置保持モードで運転される。ある実施例ではプラットフォーム１２上に配置したフォースプレートその他センサ（図示せず）を使用してトランスポーター１０上のユーザーを検出する。

数の異なる車輪あるいはその他の接地部材を、色々の用途に特に適した種々の実施例において有益に使用できる。ここに参照することにより本明細書の一部とする米国特許出願公開番号第２００６／０１０８１５６号の図６及び図７には、本発明を有益に適用し得る装置例としての、バランス型全地形用車両が記載される。全地形用車両は各２つの全後輪を有し、各後輪はそれ自身のアクチュエーターで駆動される。かくして本発明の範囲内において、接地部材の数は１あるいはそれ以上であり得る。

本明細書及び請求の範囲の“ピッチ状態”とは、前後の各平面内でのピッチ及び車両のピッチ速度のピッチの両方、即ち、θ及びθ_r（またはθ（ウムラウト付き））を含むものとする。ここで、θ_rはθの時間変化率とする。
図２には、前後平面内で車両（プラント２０８）を動的安定状態に維持して車両を直立状態に維持する制御ループ２００が例示される。制御ループ２００ではピッチ状態の入力値が必要とされる。米国特許第５，７０１，９６５号及び同第５，７９１，４２５号には、図２の制御ループ２００を用いて運転し得る車両が記載される。これらの車両では、車両の安定を能動制御するためにピッチ状態の瞬間測定値が必要とされる。上記各米国特許はここに参照することにより本明細書の一部とする。図１のプラント２０８は、単一モーター駆動型移動システムの運動方程式に対応するものである。Ｔは車輪トルク、θは前後の傾斜（即ちピッチ角）、Ｘは参照点に関するある表面に沿った前後の変位、ｒは時間に関する可変の差分である。制御ゲインＫ₁、Ｋ₂、Ｋ₃、Ｋ₄、微分器２１２、２１６、合計器２０４を用いて平衡を実現する。動的制御を実現し、システムの安定を保証し、システムを表面上の参照点近傍に維持するべく、本実施例では車輪のトルクＴを以下の等式を満たすように設定する。

制御ゲインＫ₁、Ｋ₂、Ｋ₃、Ｋ₄の各値は、制御ループの設定、システムの物理パラメーター、及びその他の、例えば重力の如き影響に依存する。
車両の動的挙動は座標系を参照して説明され得る。２つのそうした座標系、即ち、地球参照系“Ｅ−系”及び車両参照系“Ｖ−系”を使用して不整表面に関する車両の動きを説明する。

Ｅ−系は、重力方向と共直線を成し且つ図３Ａに示すように人を乗せた車両３０４の重力中心３０８を通る垂直軸Ｚを画定する。重力中心３０８の周囲でのＥ−系の各軸の原点は任意選択され、当該原点は車両３０４上のその他の点位置の周囲に位置決めされ得る。Ｅ−系は、垂直軸と直交する移動方向の成分としての、また人を乗せた車両３０４の重力中心３０８を通るロール軸Ｘと、Ｚ及びＸの両軸と直角を成し且つ人を乗せた車両３０４の重力中心を通るピッチ軸Ｙとを画定する。Ｚ軸の周囲の回転は、ヨー角としても知られる角度Ψで表す。Ｘ軸周囲の回転は、ロール角としても知られる角度φで表す。Ｙ軸周囲の回転は、ピッチ角としても知られる角度θで表す。

Ｖ−系に関する各軸は車両３０４の重力中心３０８に位置決めした原点を有する。他の実施例では各軸の原点は車両３０４の他の点位置に配置され得る。各軸は車両３０４に関して固定される。関連する垂直軸Ｒは、特定車両に固定した実質的に垂直な軸であり且つ、車両３０４の重力中心３０８を通るラインと、車両３０４のオペレーターの支持部／背凭れ／頭部とにより画定され得る。関連する水平軸Ｐは、関連する垂直軸に直交し、車両３０４の移動方向と平行な成分を有する。第３の軸Ｑは、軸Ｒ及びＰの両方に対して直角を成す。Ｚ、Ｘ、Ｙ座標系に関するＲ、Ｐ、Ｑ座標系の相対方向は車両３０４の傾斜と共に変化する。図３Ａに示すように、軸Ｑ及びＹは共直線を成すが、軸Ｒ、Ｚ、と軸Ｘ、Ｐとは共直線を成さず、かくして車両は“ピッチング”を生じ、θは非ゼロであることを示している。図３Ｂには車両３０４がロール角を生じている状態が示される。軸Ｐ及びＸは共直線を成すが軸Ｒ、Ｚと軸Ｑ、Ｙとは共直線を成していない。この場合ロール角φはゼロではなくなる。

以下の式は、下付け文字ｒで示す各回転速度の、小角度近似下でのＥ−系及びＶ−系間のレート変換を表す。これらの変換は小角度オイラー変換（ＳＡＥＴ）及び逆ＳＡＥＴとして夫々参照される。

例えば、角度レートセンサまたはレートジャイロスコープ（以下、ジャイロとも称する）のような慣性センサが、車両３０４にピッチ状態の情報を提供するために使用される。慣性センサは車両３０４のＶ−系に関する方向変化率を測定し、車両３０４のピッチ、ロール、ヨー角度の変化率を表す信号を発生する。慣性センサはセンサドリフトのため定期調整する必要がある。従って、図５に関して以下に議論するように、慣性センサのバイアスエラーを補償する安定角度値を提供するチルトセンサがシステムに組み込まれる。チルトセンサ故障時の冗長性を提供するべく１台以上のチルトセンサを使用し得る。本発明のある実施例では慣性センサはジャイロである。しかしながら他の実施例ではレートセンサは任意のその他慣性測定装置であり得る。ピッチ状態を正確に算出するシステムは、部分的には慣性センサから得られるピッチレート信号に基づくものであり、チルトセンサからのピッチ信号が、例えば以下に説明するような種々の変換を用いて算出され得る。

更には、米国特許第６，３３２，１０３号には、車両のピッチ状態を測定及びまたは推定する追加的な方法及び装置が記載される。当該米国特許は、ここに参照することによりその全体が本明細書に含まれるものとする。
図４には本発明の１実施例に従う、トランスポーター制御に使用するシステムアーキテクチャの一部のブロックダイヤグラム図が示される。絶対参照センサ４００が校正−変換モジュール４０１に信号を送り、変換モジュールがこの信号を使用可能なデジタルデータフォーマットに変換し且つ既知エラー源に対する調整を実施する。絶対参照センサ４００は、Ｅ−系に関する量を測定する、チルトセンサとしても知られる振り子式参照センサの如きセンサを含む特殊加速時計である。絶対参照センサには、車両の車輪回転を測定して車輪の速度差信号を発生し得るセンサも含まれる。

校正−変換モジュール４０１は、車両が重力や車輪の速度差を除く非加速状況にある場合、ピッチ角及びロール角相当の情報を状態推定器４０２に提供する。車輪の速度差は車輪スリップをゼロと仮定した場合の絶対ヨーレート値を提供する。
相対参照センサ４０３がＶ−系に関する値を測定し、例えば、機械的またはソリッドステート型の各ジャイロスコープのような慣性センサを含み得る。３方向情報を提供する単軸型ジャイロスコープが少なくとも３台必要である。耐障害性用の追加のジャイロスコープを使用できる。図４には、相対参照センサをジャイロＬ４０４、ジャイロＤ４０５、ジャイロＥ４０６、ジャイロＦ４０７、から構成した本発明の１実施例が示される。ある実施例では、自由度１の４台のジャイロスコープが使用される。ジャイロＬ４０４は車両のＱ_rを測定するように車両に取り付け得る。当該実施例では残余の３台のジャイロ４０５、４０６、４０７は種々の方向で且つＱ_r、Ｐ_r、Ｒ_rを測定するように車両に取り付け得る。取り付け方向の選択は、センサの信号範囲及び精度の如きその他の係数に関する調和作用がある。ジャイロスコープは車両の主軸上に配置され得るが、ある実施例では主軸から外れ且つ車軸と非共直線を成すように配置される。これにより各ジャイロスコープ間に冗長性が提供される。仮に１台のジャイロスコープが故障しても他のジャイロスコープがＰ_r、Ｑ_r、Ｒ_rの各成分を測定するため、Ｐ_r、Ｑ_r、Ｒ_rの値は尚、算出され得る。

また、ある実施例では車両動作がジャイロスコープの測定レンジを超え得ることから、各ジャイロスコープが軸をずらして配置される。例えば、鋭角的旋回時の角度レートはジャイロスコープの測定レンジを上回り得る。ジャイロスコープを傾斜させると回転軸と傾斜軸との間の角度のコサインにより測定レートが調整され、直角方向の各レート成分の交差連結も生じる。

相対参照センサ４０３は、検出した角度レートを当該角度レートを表すデジタル信号に変換して仮想ジャイロ構造モジュール４０８に送る。各ジャイロの方向がＱ、Ｐ、Ｒの各軸と整合され得ないことから、各ジャイロの生成する各信号には多数の軸に関するレート情報が含まれ得る。仮想ジャイロ構造モジュール４０８は、各信号を変換し、軸Ｐ、Ｑ、Ｒを中心とする旋回を測定する方向を有する各仮想ジャイロが生成したはずの３つの信号に相当する３つの出力信号を生成する。ジャイロからの各信号に関する当該操作により、仮想ジャイロＰ_r、Ｑ_r、Ｒ_r情報が生成される。

仮想ジャイロ構造モジュールはマトリクス式Ｖ＝ＭＧを実行する。ここで、Ｖは仮想ジャイロベクトルであり、Ｇはジャイロ出力ベクトル、Ｍは、Ｇにおける４台のジャイロからの各信号を仮想ジャイロベクトルＶに変換する３×４構造マトリクスである。構造マトリクスは特有のものではなく、逆最小二乗解であり得、または４台のジャイロの３台からなる４つの組み合わせの任意の１つにおける出力または任意の解組み合わせであり得る。構造マトリクスの各係数は車両校正中に決定され、ジャイロアライメント及びジャイロの個別特性の各補正係数を共に含んでいる。ある実施例では構造マトリクスは、最小二乗解から選択した解と、３台のジャイロスコープの４つの組み合わせとの組み合わせを介し、ジャイロスコープＤ、Ｅ、Ｆに関するより高い耐障害性を提供する。

原信号からはジャイロ故障検出モジュール４０９からのジャイロ故障検出信号も発信され、当該ジャイロ故障検出信号が状態推定器４０２に送信される。本発明で使用するジャイロ故障検出モジュールの１実施例は、ここで参照することによりその全体を本明細書の一部とする米国特許第６，３３２，１０３号の図５に関して説明される。ある実施例ではトランスポーターが、１台以上の角度レートセンサにおける、トランスポーターの運転上所望されざる信号オフセットの有無の判定に使用する追加的な故障検出モジュール（図５、６、７に関し低下に詳しく説明される）を使用して運転される。所望されざる信号オフセットが検出されると、トランスポーター用の制御システムが、トランスポーターに乗らないようユーザーに故障を警告する。ある実施例では追加の故障検出モジュールはジャイロ故障検出モジュール４０９に組み込まれる。

状態推定器４０２は仮想ジャイロ構造モジュール４０８、ジャイロ故障検出モジュール４０９、校正−変換モジュール４０１、からの各信号を受けて車両のピッチ状態を推定する。状態推定器４０２は車両のロール状態やヨー状態をも推定するが、本発明の好ましい実施例では車両のピッチ状態のみが、車両の重力中心の周囲で車両を平衡化させる制御ループに送られる。
図４には本発明の１実施例において４台のジャイロを使用する状況が示されるが、３台以上のジャイロを使用してシステムの耐障害性を増長させ得る。

図５には、本発明の１実施例に従う３軸状態推定器モジュール５００の機能ブロックダイヤグラム図が例示される。仮想ジャイロ構造４０８からのＰ_r、Ｑ_r、Ｒ_rで表す回転レート信号５０１が、先ず、フィードバックループを介してバイアスエラーを補正する合計器５０２に送られる。補正された回転レートは小角度オイラー変換器（ＳＡＥＴ）５０３を使用してＶ−系からＥ−系に座標変換され、かくしてＥ−系での、θ_rで表すピッチレート、φ_rで表すロールレート、Ψ_rで表すヨーレート、の情報５０４を生成する。次いでθ_rが車両の制御ループに提供される。ＳＡＥＴ５０３からのＥ−系の回転レートは合計器５２０に送られ、次いで積分モジュール５０５で積分され、Ｅ−系におけるθ及びφで表す方向角５０６を生成する。次いでθが、図２に示す車両の制御ループに送られる。θ及びφはＳＡＥＴ５０３での引き続くＳＡＥＴ変換で使用するためにＳＡＥＴ５０３にも返送される。合計器５２５における積分モジュール５０５はθとピッチ角５０７、φとロール角との各間の差を基にピッチ及びロールの各エラー信号５３０を発生させる。ピッチ角及びロール角はチルトセンサ４００により提供される。次いでエラー信号５３０がＥ−系の方向角θ、φ５０６と共に逆小角度オイラー変換器５０８に送られる。

ピッチ及びロールの各エラー信号５３０はまた、信号強度を減衰させるフィルター５４０を通して返送される。減衰された信号は合計器５２０に送られる。トランジェント時の精度低下を補正して方向角５０６の出力読み取り値をチルトセンサの方向で移動させるフィードバックループが提供される。信号減衰器５４０による減衰は、絶対参照センサにおける大きなエラー値をＥ−系での方向角に影響を与えないよう制限するために提供される。絶対参照センサの大きなエラー値は、例えば車両が急にコブを超えた場合に生じ得る。車両がコブを超える間、絶対参照センサはピッチレート及びピッチ角を不正確に反映するトランジェント形態下に外部信号を生成する。

逆ＳＡＥＴ５０８では、逆ＳＡＥＴがピッチ、ロール、ヨー、の各エラー情報に関して実行される。この逆変換では、ピッチ及びロールの各エラー信号５３０及びが、逆等式の各レートを求める位置であるθ_r及びφ_rの各位置に、またヨーエラー信号５８０がΨ_r位置に挿入される。Ψ_rは、Ｒ_rと、車輪５５０の速度差との間の差として合計器５７２から提供される。各レートではなくむしろエラー信号に関して逆ＳＡＥＴを実行することでエラー情報の切り分け効果が生じる。逆ＳＡＥＴではＥ−系信号がＶ−系座標系に変換される。次いでこの信号が減衰フィルター５６０を通して送られる。減衰フィルター５６０を出た信号は積分器５７０内に配置された後、合計器５０２に戻される。このフィードバックループはジャイロスコープの長期バイアスドリフトの原因となる。減衰フィルター５６０により、チルトセンサによるジャイロスコープのドリフト補正が、ジャイロスコープの短期変更の制御を可能としつつも尚、長期に渡りより安定的に支援され得る。

Ｐ_rやＱ_rの各補正がエラー信号と比例するのとは異なり、ヨーレートＲ_rの補正はＸで表すプリセットエラーレベル値までとなる。この比較は比較器５６８で実施する。ヨーレートエラー信号がプリセットエラーレベルＸ以上になると、車輪がもはやヨーレートを表さないと見なされてＲ_rへの補正が中断され、中断タイマーが始動される。中断中、ヨーエラー信号５８０の算出のため、ジャイロレート値Ｒ_rは尚、デルタ車輪レート５５０と比較される。所定時間の後、Ｒ_r値とデルタ車輪レート値との間の差がプリセットエラーレベル以下ではない場合、ある実施例では可視信号であるアラーム５６２が発生される。中断タイマーにおける第２の所定時間後、前記Ｒ_r値とデルタ車輪レート値との間の差がプリセットエラーレベル以下になっていない場合、ヨー補正が停止され、システム上で故障とジャイロスコープのドリフトエラーとが見分けられないことを表示するサウンド警告が出される。第２制限時間が来たらシステムをリセットすべきである。プリセットエラーによる制限により、例えば旋回動作プラットフォーム上で車両が静止している場合の誤ったＲデータがピッチ状態推定器に取り込まれるのが防止される。

ピッチ状態の読み取り値を正確化するため、ピッチ状態推定器はその初期化時に、システムが非加速状態下にある限りにおいてジャイロスコープとチルトセンサとの整列化を試行する。当該試行は２台の信号減衰器５４０及び５６０を介して折点周波数を調整してシステムをチルトセンサに方向付けすることで行う。ある実施例では前記試行はエラー信号に応答するゲインの適応調整により達成される。初期化中にジャイロスコープとチルトセンサとが整合しない場合、システムは停止し、次いでチルトセンサとジャイロスコープとの各値を再測定して整合を確認する。整合が確認できない場合、システムはプロセスを破棄し、整合が達成されるまでプロセスをやり直し得る。

ジャイロの不具合が検出された場合、状態推定器４０２は米国特許第５，７０１，９６５号及び第５，７９１，４２５号に記載されるピッチ状態の単軸状態推定を実行する。図５に示すように、３軸状態推定器のそれと同じ各構成部品及びフィルターとが単軸状態推定器で使用される。単軸状態推定器の場合、仮想ジャイロ構造モジュール４０８から選択したジャイロスコープのピッチレートのみがボックス５０１に送られる。単軸状態推定器では更に、車輪の速度差がヨーレートを提供し、３軸状態推定器用のレートが、単軸状態推定器ではジャイロスコープのピッチ角に関する不整合の補償助成用のみのために使用される点が特徴となる。車輪のスリップ状況を克服するべく、当該ヨーレートにはリミッタを配置する。単軸状態推定器では、デルタ車輪速度から導出したヨー角を合計器に送ることで算出値から当該成分を除去した後、ボックス５０１に送る。

更に、ボックス５０１にはジャイロスコープの不整合を補正する校正モジュールが追加される。ある実施例では、ローカルジャイロバイアスインジケーター５７６が積分器５７０の単軸モードでの初期条件を提供し、３軸状態推定器と単軸状態推定器との間での移行が円滑化される。３軸状態推定器と単軸状態推定器との間の他の相違点は、単軸状態推定器ではＳＡＥＴモジュール５０３及び逆ＳＡＥＴ５０８が存在しないことである。これは、単軸状態推定器の場合はシステムは３次元ではなく単一平面内で運転されることから、Ｖ−系でのピッチをＥ−系でのピッチにマッピングする必要がないため、Ｑ＝θ_rと仮定すべきだからである。更には、ピッチ及びロールの両信号を提供する好ましくは２軸の振り子式センサであるチルトセンサがピッチ信号のみに対して使用され、ロール信号は無視される。

ある実施例では６台のジャイロスコープが使用される。ジャイロスコープの３台はＶ−系のピッチ軸を中心とする構成を有し、他の３台はＶ−系のロール軸及びヨー軸の組み合わせに沿って設置される。当該様式下に、部分的に３重化された冗長性が提供される。ピッチ軸の周囲に設置した各ジャイロスコープは関連するプロセッサ及びチルトセンサを有し、前記プロセッサは関連するジャイロスコープ及びチルトセンサに基づいて単軸状態推定を提供し得る。プロセッサは、ヨー軸及び回転軸を中心とする旋回を検出するべく取り付けた３台のジャイロスコープからの信号と共に、関連するジャイロスコープからの信号を受ける。冗長性により、車両用の別のフェールセーフシステムが提供される。３台のプロセッサの各々が、単軸状態推定器の場合は関連するジャイロスコープのみを使用して、また３軸状態推定器の場合は関連するジャイロスコープ及び残余の３台のジャイロスコープを共に使用して、個別にピッチ状態を推定する。全てのジャイロスコープが適正運転されている場合は３台のプロセッサの生成する状態推定は全て一致する。しかしながら、関連するジャイロスコープの１台が故障すると３台のプロセッサの生成する状態推定が一致しなくなる。投票機構が、誤推定を生成するプロセッサを自己シャットオフさせ得る。

車両の運転上使用する制御システムは代表的には、車両始動中に実行される出力上昇／初期化の１つ以上のプロセスを必要とする。一般に初期化プロセスは、ユーザーによる車両の使用開始（例えば乗車）に先立ち、制御システムや各コンポーネンツが運転準備状況にあることを保証する。ある実施例では、初期化プロセス中に車両の制御システムが、種々のアクチュエーター（例えば、トランスポーターの下の表面にトルクを付与するべく、トランスポーターの接地エレメントにトルクを付与するモーター）及びセンサ（例えば、角度レートセンサ、チルトセンサ、加速時計）の適正機能を判定する。アクチュエータ及びセンサが適正機能している場合、車両の制御システムが初期化を完了し、ユーザーに車両が適正に機能していること及び使用準備状態にあることを通知する。

バランス型トランスポーター（例えば、図１のトランスポーター１０）は、１つ以上の初期化プロセスを使用することによる利益を受ける一例である。例えば、図１のトランスポーター１０では複数の角度レートセンサを使用して、図２、４、５に関して先に説明した如きトランスポーターの運転を制御する。

図６には、本発明の例示実施例に従う、車両（例えば図１のトランスポーター１０）始動中に角度レートセンサの故障を検出する、トランスポーター用の制御システム６００の概略図が示される。制御システム６００には複数の装置６０４（例えば方向センサ）が含まれる。装置６０４は、トランスポーターに関連する方向信号６１６（例えば、ロール角及びレート及びピッチの角度及びレートの）をプロセッサ６２０に出力する。制御システムには複数の角度レートセンサ６１２も含まれる。角度レートセンサ６１２は複数の角度レート信号６１６をプロセッサに出力する。制御システム６００には、例えば、プロセッサ６２０から発生されるピッチ状態推定器６２４に基づいてトランスポーターのピッチを制御するために使用するコントローラー６２８も含まれる。

本実施例では、プロセッサ６２０が、方向信号６０８、角度レート信号６１６及び、トランスポーターの方向制御上必要となり得るようなその他種々の信号を受信する。本発明のある実施例ではプロセッサ６２０は、図２、４、５に関して記載した方法を実行させ、トランスポーターの運転を制御する。ある実施例では制御システム６００は図７を参照して以下に説明する方法を実行する際に使用される。

図７には、本発明の例示的な１実施例におけるバランス型トランスポーター用コントローラーの初期化及び運転方法の流れダイヤグラム図７００が示される。ある実施例では本方法は、図６に示すコントローラー６００を使用して実行される。本方法には、バランス型トランスポーター（例えば図１のトランスポーター１０）に関連する複数の方向信号７０４の取得が含まれる。本方法には、複数の角度レートセンサからの複数の角度レートセンサ信号７０８（例えば図４のジャイロ４０４、４０５、４０６及び４０７からの出力）の取得が含まれる。

本方法には、複数の方向信号に基づく、角度レートセンサによる複数の角度レートセンサ信号出力の１つ以上が閾値以下にオフセットしていることの判定７１２も含まれる。角度レートセンサによる角度レートセンサ信号出力が閾値以下にオフセットしている場合（例えば、製造者による事前設定で）、コントローラーはピッチ状態推定器７１６を初期化してトランスポーターの運転を制御する。コントローラーは、１つ以上の角度レートセンサからの出力に基づきピッチ状態推定器７１６を初期化する。
本方法には、ピッチ状態推定器の少なくとも１つの出力に基づくトランスポーター７２０の運転制御も含まれる。

ある実施例では閾値は、ピッチ状態推定器の適正機能の保証上必要なレベルに設定される。ピッチ状態推定器は、閾値またはそれ以上の値では適正なピッチ状態信号を提供せず、コントローラー（例えば、図６のコントローラー６２８）は運転中のトランスポーターのピッチを正しく制御することができない。ある実施例では閾値は、ピッチ状態推定器（例えば図５の３軸状態推定器モジュール５００）が適正機能し得る角度レートセンサの最大許容オフセット値に基づいたものである。例えば、ある実施例では閾値は、ピッチ状態推定器が尚、図６のコントローラー６２８がトランスポーターの制御上使用し得るピッチ状態推定へと数学的に変換可能な、角度レートセンサの最大許容オフセット値に基づく。

図７を参照するに、コントローラーは、１つ以上の角度レートセンサからの信号出力が閾値または閾値以上にオフセットしていると判断（ステップ７１２）した場合、ステップ７０４及び７０８を夫々反復して新規の方向信号及び角度レート信号を取得する。所定期間の後、コントローラーにおいて尚、１つ以上の角度センサからの信号出力が閾値または閾値以上にオフセットしていると判定（ステップ７１２）されると、ピッチ状態推定器の初期化が終了される（ステップ７２４）。ある実施例では、コントローラーは所定期間中ではなくむしろ、所定サイクル数における新規の方向信号及び角度レート信号を取得する。

ある実施例ではコントローラーは、角度レートセンサの信号出力のオフセット値が閾値以下となるまでステップ７０４、７０８及び７１２を反復する。この運転条件は、例えば、初期化中にトランスポーター本体をユーザーが不用意に動作させ、角度レートセンサが実際には不具合（例えば、角度レートセンサのオフセット値が所定閾値以上ではない）を検出しない場合に有益であり得る。

ある実施例では、１つ以上の方向信号が相当する閾値と等しいまたは閾値以上である場合にピッチ状態推定器７１６の初期化が終了される。本発明の種々の実施例において、上述したステップ７１２には以下のステップ、即ち、
１．トランスポーターに配置した加速時計の出力信号に基づいて推定される当該トランスポーターのピッチまたはロールが、所定期間に渡る指定度数に等しいまたは当該指定度数以上において変動していることの判定；
２．トランスポーターの下側の表面にトルクを付与する左右の接地要素（例えば図１の車輪２０及び２１）の速度差に基づき推定される当該トランスポーターのヨーレートが、第２の所定期間に渡る指定度数に等しいまたは当該指定度数以上において変動していることの判定；
３．トランスポーターの下側表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度が、毎秒指定メーター数と等しいまたは当該指定メーター数以上であるかの判定；及び
４．トランスポーターの下側表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度差に基づき推定される第１のヨーレート信号と、複数の角度レートセンサの２つ以上からの、トランスポーターに固定した実質的に垂直な軸の周囲での角度レートに相当する角度レート信号に基づく第２のヨーレート信号との間の差が、毎秒の指定度数と等しいまたは当該指定度数以上であるかの判定
の１つ以上を含む。

本発明の１実施例では、トランスポーターの形状寸法、トランスポーター上のセンサ及びアクチュエータの位置、図５のピッチ状態推定器モジュール５００の、ピッチ状態推定に関する変換能力、を使用して、特定のトランスポーターに関する角度レートセンサのオフセット閾値が毎秒２０．７度であることを判定する。毎秒２０．７度という閾値はトランスポーターにおける各公差、即ち、角度レートセンサ（オフセット及び感温度変動を校正したＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ社（マサチューセッツ州ノーウッド）の製造するモデルＡＤＸＲＳ４０１型角度レート検出用ジャイロスコープ）の製造者の指定する推定オフセット値である毎秒１０度、トランスポーターの、静止状態が望ましいプラットフォームにおける推定残差運動量である毎秒６．７度、トランスポーターの運転寿命に渡る推定オフセット変化量である毎秒４度、の累積値である。

更には、トランスポーターに関与する以下の方向信号を使用して、複数の角度レートセンサの１つ以上からの信号出力が閾値（毎秒２０．７度）以下にオフセットしていることを判定する。

１．トランスポーターに配置した加速時計からの出力信号に基づき推定されるトランスポーターのピッチまたはロールが、約０．３秒当たり１．５度に等しいまたはそれ以上変動しているか（当該制限閾値は、Ｐ、Ｑ、Ｒの各軸に関するプラットフォームの毎秒４．７度の残差運動として選択された。トランスポーターを急加速させない場合、０．３２秒当たり１．５度として実施したピッチ加速時計びロール加速時計テストによれば、Ｐ、Ｑ、Ｒの各軸に関する平均レートは毎秒当たり４．７度（毎秒１．５度を０．３２秒で除算すると毎秒４．７度）を超えないことが規定される。経験上、毎秒４．７度の値は２つの結果の妥協点として得られたものである。つまり、例えば、第１に、図７を参照して説明した如く適正ピッチ推定において検出され得るに十分、プラットフォームが僅かに動く値であること。第２には、毎秒４．７度以上である場合は加速時計及び車輪速度センサは容易には入手し得ない高い精度を有すべきであることから、過度に制限的ではないことが保証されるよう選択された値でもあること。更に、トランスポーターの残差運動をあまりに小さく規定するとユーザーはピッチ状態推定器が初期化されるまでマシンを全く静止した状態に保持しなければならなくなる）。

２．トランスポーターの左右の接地要素における速度差に基づき推定されるヨーレートが、約０．３秒の間毎秒４．７度に等しいまたはそれ以上に変動しているか（当該制限閾値は、上述したと同様の理由から設定される。しかしながら、当該制限閾値は、ヨー軸動作に関して確立され、各モーターの左右の車輪速度センサ間の差に基づくものである）。

３．トランスポーターの下側表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度が約０．３秒の間毎秒０．２２メーターに等しいまたはそれ以上に変動するか（当該制限閾値は、ユーザーがトランスポーターを緩速走行させる場合、または毎秒４．７度未満のレートでトランスポーターを回転させる場合に関わる車輪速度として経験上選択された）。

４．トランスポーターの下側表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度差に基づき推定される第１のヨーレート信号と、複数の角度レートセンサの２つ以上からの、トランスポーターに固定した実質的に垂直な軸の周囲の周囲での角度レートに相当する角度レート信号に基づく第２のヨーレート信号との間の差が毎秒２２度に等しいまたはそれ以上であるか（当該制限閾値は、２台のレートセンサのオフセット値が相当大きい（例えば毎秒約１５度以上）場合を考慮して経験上選択されたものである。別のシステム運転条件では、ヨー軸動作感応性の２つのレートセンサの合計オフセット値が２９度以上にはならないことが要求される。ヨー軸動作感応性の２台のレートセンサの合計オフセットエラーが毎秒２９度以上になると、ピッチ状態推定器からはトランスポーターの運転を制御する信頼できる情報はもはや生成されない。この場合にマシンが有害挙動を生じないよう、毎秒２２度の制限閾値が選択された）。

種々の実施例において、本発明の方法はコンピューターシステムと共に使用するコンピュータープログラム製品として実装され得る。そうした実装物には、読み取り可能な媒体（例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭまたは固定ディスク）のような有形媒体上に固定されるかまたは、モデムあるいはその他の、例えば媒体を介してネットワークに接続した通信アダプターの如きを介してコンピューターシステムに転送し得る一連のコンピューター指令が含まれ得る。媒体は有形媒体（例えば光またはアナログの通信線）かまたは、無線技術（例えばマイクロウェーブ、赤外線あるいはその他の伝送技法）を実装した媒体であり得る。一連のコンピューター指令は、当該システムに関してここ出先に説明した機能の全てまたは一部を具体化する。そうしたコンピューター指令は多くのコンピューターアーキテクチャまたはオペレーティングシステムと共に使用する多くのプログラミング言語において記述され得る。

更には、そうした指令は、半導体、磁性体、光学的あるいはその他のメモリデバイス、のような任意のメモリデバイスに記憶され得、光、赤外線、マイクロウェーブ、あるいはその他の伝送技法の如き任意の通信技法を用いて転送され得る。そうしたコンピュータープログラム製品はコンピューターシステム（例えばシステムＲＯＭまたは固定ディスク上の）と共に予め組み込んだ、印刷文書または電子文書（例えば、縮小ソフトウェアラップ）が付随するリムーバブルメディアとして配布され得、またはサーバーあるいは電子掲示板からネットワーク（例えば、インターネットまたはワールドワイドウェブ）を介して配布され得ると思われる。本発明のある実施例はソフトウェア（例えばコンピュータープログラム製品）とハードウェアとの組み合わせとして実装され得ることは言うまでもない。本発明の更に他の実施例はその全てをハードウェアとして、またはソフトウェア（例えばコンピュータープログラム製品）として実装され得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

８ユーザー
１０トランスポーター
１２支持プラットフォーム
１４グリップ
１６ハンドル
２０ホイール
２１ホイール
２６接地モジュール
３２親指ホイール
２００制御ループ
２０４合計器
２０８プラント
２１２微分器
３０４車両
３０８重力中心
４００絶対参照センサ（またはチルトセンサ）
４０１校正−変換モジュール
４０２状態推定器
４０３相対参照センサ
４０４、４０５、４０６、４０７ジャイロ
４０８仮想ジャイロ構造モジュール
４０９ジャイロ故障検出モジュール
５００３軸状態推定器モジュール
５０１回転レート信号
５０２合計器
５０３ＳＡＥＴモジュール
５０４情報
５０５積分モジュール
５０６方向角
５０７ピッチ角
５０８逆小角度オイラー変換器
５２０合計器
５２５合計器
５３０エラー信号
５４０フィルター（または信号減衰器）
５５０車輪
５６０減衰フィルター
５６２アラーム
５６８比較器
５７０積分器
５７２合計器
５７６ローカルジャイロバイアスインジケーター
５８０ヨーエラー信号
６００制御システム
６０４装置
６１２角度レートセンサ
６１６角度レート信号
６２０プロセッサ
６２４ピッチ状態推定器
６２８コントローラー
７００ダイヤグラム図
７０４ステップ
７０８角度レートセンサ信号
７１２ステップ
７１６ピッチ状態推定器
７２０トランスポーター
７２４ステップ

Claims

バランス型トランスポーターのコントローラー初期化方法であって、
ａ）バランス型トランスポーターに関わる複数の方向信号を取得すること、
ｂ）複数の方向信号に基づき、複数の角度レートセンサの１つ以上からの信号出力が閾値以下にオフセットしていることを判定すること、
ｃ）複数の角度レートセンサの１つ以上からの出力に基づき、バランス型トランスポーターの運転を制御するピッチ状態推定器を初期化すること、
ｄ）ピッチ状態推定器の少なくとも１つの出力に基づき、バランス型トランスポーターの運転を制御すること、
を含む方法。
角度レートセンサの１つ以上の信号出力が閾値または閾値以上にオフセットした場合はステップｃ）を終了することを含む請求項１の方法。
ステップｂ）が、各方向信号を相当する閾値と比較することを含む請求項１の方法。
方向信号の１つ以上が、当該方向信号が相当する閾値に等しいまたは当該閾値を上回る場合はピッチ状態評価器の初期化が終了される請求項３の方法。
ステップｂ）が、加速時計の出力信号に基づき推定されるトランスポーターのピッチまたはロールが所定期間に渡り１．５度以上変動していることを判定することを含む請求項３の方法。
ステップｂ）が、トランスポーターの下側の表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度差に基づき推定されるヨーレートが第２の所定期間に渡り４．７度以上変動していることを判定することを含む請求項３の方法。
ステップｂ）が、トランスポーターの下側の表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度が毎秒０．２２メーターを超えていることを判定することを含む請求項３の方法。
ステップｂ）が、トランスポーターの下側の表面にトルクを付与する左右の接地要素の速度差に基づき推定される第１のヨーレート信号と、複数の角度レートセンサの２つ以上からの、トランスポーターに固定した実質的に垂直な軸の周囲の角度レートに相当する角度レート信号に基づく第２のヨーレート信号との間の差が毎秒２２度以上であることを判定することを含む請求項３の方法。
角度レートセンサの信号出力のオフセット値が閾値以下となるまで請求項１の各ステップを反復することを含む請求項１の方法。
バランス型トランスポーターであって、
当該バランス型トランスポーターに関わる方向信号を提供する複数の装置と、
複数の角度レートセンサと、
プロセッサにして、
ａ）方向信号に基づき、複数の角度レートセンサの１つ以上における信号出力のオフセット値が閾値に等しいまたは当該閾値を上回ることを判定し、
ｂ）複数の角度レートセンサの２つ以上における出力に基づき、バランス型トランスポーターのピッチ状態を推定するプロセッサと、
ピッチ状態推定に基づき、バランス型トランスポーターのピッチ状態の運転を制御するコントローラーと、
を含むバランス型トランスポーター。
プロセッサが、各方向センサの信号を相当する閾値と比較することにより、１つ以上の角度レートセンサの信号出力のオフセット値が閾値に等しいまたは当該閾値を上回っていることを判定する請求項１０のバランス型トランスポーター。
トランスポーターの下側の表面にトルクを付与する少なくとも１つの接地エレメントを含む請求項１０のバランス型トランスポーター。