JP2011014100A - Inverted pendulum type mobile body and control method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、倒立振子型の移動体に関する。特に、倒立振子型の移動体が設定された目標経路上を精度よく走行するための技術に関する。
本明細書中、「移動体の進行方向」とは、移動体が移動する平面において、その平面に投影した車輪の回転軸に対して直交する方向をいう。「移動体の旋回方向」とは、移動体の鉛直軸回りの方向をいう。また、「目標軌道」とは、移動体の経時的な目標位置(すなわち、移動体の目標位置(目標経路)を時間の関数として表したもの)をいう。
The present invention relates to an inverted pendulum type moving body. In particular, the present invention relates to a technique for accurately traveling on a target route on which an inverted pendulum type moving body is set.
In this specification, the “traveling direction of the moving body” refers to a direction orthogonal to the rotation axis of the wheel projected on the plane on which the moving body moves. The “turning direction of the moving body” refers to a direction around the vertical axis of the moving body. The “target trajectory” refers to a target position with time of the moving body (that is, a target position (target path) of the moving body expressed as a function of time).
倒立振子型の移動体は、車輪と、その車輪に支持される車体を備えている。この移動体では、車体の重心が車輪の回転中心よりも上方に位置し、車輪を回転駆動しないと車体が倒立状態を維持できない。このため、この種の移動体では、車輪を回転駆動することで、車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する。この種の移動体の従来技術としては、例えば、特許文献1,2に開示されたものが知られている。 The inverted pendulum type moving body includes a wheel and a vehicle body supported by the wheel. In this moving body, the center of gravity of the vehicle body is located above the center of rotation of the wheel, and the vehicle body cannot be maintained in an inverted state unless the wheel is driven to rotate. For this reason, this type of moving body travels on the road surface while maintaining the vehicle body in an inverted state by rotationally driving the wheels. As a conventional technique of this type of moving body, for example, those disclosed in Patent Documents 1 and 2 are known.
倒立振子型の移動体では、移動体の進行方向の速度応答性が、移動体の旋回方向の速度応答性に対して遅いという構造的な特性を有している。詳細に説明すると、図12に示すように、倒立振子型の移動体では、車体が倒立状態を維持するために、車輪100と路面Rの接触点Aまわりのモーメントが0とならなければならない。すなわち、移動体の進行方向の慣性力maによる接触点Aまわりのモーメントと、移動体に作用する重力mgによる接触点Aまわりのモーメントが0とならなければならない。このため、移動体の進行方向の加速度は、車体の傾斜角の関数となり、突変させることが不可能となる。一方、移動体の旋回方向の加速度については上述した問題はなく、事実上、ステップ状に加速度を変化させることが可能となる。従って、倒立振子型の移動体では、移動体の進行方向の速度応答性が、移動体の旋回方向の速度応答性に対して遅いという特性を有している。かかる特性を無視して目標軌道を設定すると、車輪移動の持つ非ホロノミック拘束により移動体が目標軌道からずれ、目標の経路を走行しないという問題が生じることがある。
The inverted pendulum type moving body has a structural characteristic that the speed response in the moving direction of the moving body is slower than the speed response in the turning direction of the moving body. More specifically, as shown in FIG. 12, in the inverted pendulum type moving body, the moment around the contact point A between the
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、倒立振子型の移動体の特性を考慮することなく目標軌道を設定しても、目標経路上を精度良く走行することができる倒立振子型の移動体を提供する。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an inverted pendulum that can travel on a target route with high accuracy even if a target trajectory is set without considering the characteristics of an inverted pendulum type moving body. Provide a moving body of the mold.
本発明の倒立振子型の移動体は、車輪と、車輪に支持される車体を備えており、車輪を回転駆動することで車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する。この移動体は、第1制御指令値算出手段と第2制御指令値算出手段と駆動手段を備えている。第1制御指令値算出手段は、移動体の目標位置を時間の関数で表した目標軌道を用いて、車体が倒立を維持しつつ移動体の進行方向の位置を制御するための第1制御指令値を算出する。第2制御指令値算出手段は、目標軌道と実測又は推定される移動体の進行方向の位置に関する情報とを用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出する。駆動手段は、第1制御指令値と第2制御指令値に基づいて車輪を駆動する。
この移動体では、第1制御指令値算出手段が進行方向の位置を制御するための第1制御指令値を算出し、第2制御指令値算出手段が旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出し、これらの制御指令値に基づいて車輪が駆動される。ここで、第2制御指令値算出手段は、目標軌道と移動体の進行方向の位置に関する情報を用いて第2制御指令値を算出する。このため、移動体の進行方向の応答速度の遅れによって移動体が目標軌道からずれた場合は、そのずれを修正して旋回方向の第2制御指令値を算出することができる。これによって、移動体は目標経路上を精度よく走行することができる。
ここで、「移動体の進行方向の位置に関する情報」とは、移動体の進行方向の位置(移動距離)を特定することができる情報であり、例えば、移動体の進行方向の加速度、速度等の物理量が相当する。
The inverted pendulum type moving body of the present invention includes a wheel and a vehicle body supported by the wheel, and travels on the road surface while maintaining the vehicle body in an inverted state by rotationally driving the wheel. The moving body includes first control command value calculation means, second control command value calculation means, and drive means. The first control command value calculating means uses a target trajectory representing the target position of the moving body as a function of time, and controls the position of the moving body in the traveling direction while maintaining the vehicle body inverted. Calculate the value. The second control command value calculating means calculates a second control command value for controlling the angle of the moving body in the turning direction, using the target trajectory and the information on the actually measured or estimated position of the moving body in the traveling direction. To do. The driving means drives the wheel based on the first control command value and the second control command value.
In this moving body, the first control command value calculating means calculates the first control command value for controlling the position in the traveling direction, and the second control command value calculating means is the second for controlling the angle in the turning direction. Control command values are calculated, and the wheels are driven based on these control command values. Here, the second control command value calculation means calculates the second control command value using information on the target trajectory and the position of the moving body in the traveling direction. For this reason, when the moving body deviates from the target trajectory due to a delay in response speed in the traveling direction of the moving body, the second control command value in the turning direction can be calculated by correcting the deviation. Thereby, the moving body can travel on the target route with high accuracy.
Here, the “information on the position of the moving body in the traveling direction” is information that can specify the position (moving distance) of the moving body in the traveling direction. Corresponds to the physical quantity.
上記移動体では、第1制御指令値算出手段と第2制御指令値算出手段と駆動手段とを所定周期毎に繰り返し実行することで、移動体が路面上を走行することが好ましい。
この構成によると、所定周期毎に制御指令値が算出され、目標経路からのずれが所定周期毎に修正される。このため、移動体は目標経路上を精度よく走行することができる。
In the moving body, it is preferable that the moving body travels on the road surface by repeatedly executing the first control command value calculating means, the second control command value calculating means, and the driving means at predetermined intervals.
According to this configuration, the control command value is calculated every predetermined cycle, and the deviation from the target route is corrected every predetermined cycle. For this reason, the moving body can travel on the target route with high accuracy.
上記移動体の一の態様では、移動体の進行方向の位置に関する情報を測定するためのセンサ(例えば、車輪の回転角速度を検出するエンコーダ等)をさらに備えることができる。第2制御指令値算出手段は、「目標軌道」と「センサの検出結果から得られた移動体の進行方向の位置に関する情報」とから算出される「その測定された進行方向の位置に関する情報に対応した移動体の目標位置」に基づいて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出することが好ましい。
この構成によると、測定された進行方向の位置に関する情報を利用して旋回方向の第2制御指令値が算出される。実測された位置に関する情報を利用することで、目標経路に沿った(目標経路に近い又は目標経路の形状に沿った)動きが実現でき、移動体は目標経路上を精度よく移動することができる。
In one aspect of the moving body, a sensor (for example, an encoder that detects a rotational angular velocity of a wheel) for measuring information related to a position in the traveling direction of the moving body can be further provided. The second control command value calculating means calculates “information about the position of the measured traveling direction” calculated from “target trajectory” and “information about the position of the moving body in the traveling direction obtained from the detection result of the sensor”. It is preferable to calculate a second control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body based on the “target position of the corresponding moving body”.
According to this configuration, the second control command value in the turning direction is calculated using information on the measured position in the traveling direction. By using the information about the actually measured position, it is possible to realize movement along the target path (close to the target path or along the shape of the target path), and the moving body can move on the target path with high accuracy. .
上記移動体の他の態様では、第2制御指令値算出手段は、「目標軌道」と「第1制御指令値算出手段で算出された第1制御指令値から推定される移動体の進行方向の位置に関する情報」とから算出される「その推定された進行方向の位置に関する情報に対応した移動体の目標位置」に基づいて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出することが好ましい。
この構成によると、第1制御指令値から推定される移動体の進行方向の位置に関する情報を利用して第2制御指令値が算出される。第1制御指令値から推定される進行方向の位置に関する情報を利用することで、移動体の目標経路からのずれを見込んで旋回方向の制御指令値を算出することができる。この構成によっても、移動体は目標経路上を精度よく移動することができる。
In another aspect of the above moving body, the second control command value calculating means includes a “target trajectory” and a “traveling direction of the moving body estimated from the first control command value calculated by the first control command value calculating means”. Second control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body based on “the target position of the moving body corresponding to the information on the position in the estimated traveling direction” calculated from the “information on the position” Is preferably calculated.
According to this configuration, the second control command value is calculated using information on the position of the moving body in the traveling direction estimated from the first control command value. By using the information related to the position in the traveling direction estimated from the first control command value, the control command value in the turning direction can be calculated in consideration of the deviation of the moving body from the target route. Also with this configuration, the moving body can move on the target route with high accuracy.
上記移動体の他の態様では、移動体の位置と旋回方向の角度を測定するセンサと、センサの検出結果と目標軌道から得られる(1)移動体の進行方向の位置偏差と(2)移動体の進行方向に直交する方向の位置偏差と(3)移動体の旋回方向の角度偏差とに基づいて、移動体の進行方向の位置に関する目標値と、移動体の旋回方向の角度に関する目標値を算出するトラッキングコントローラをさらに備えることができる。そして、第1制御指令値算出手段は、トラッキングコントローラで算出された移動体の進行方向の位置に関する目標値に基づいて第1制御指令値を算出し、第2制御指令値算出手段は、トラッキングコントローラで算出された移動体の旋回方向の角度に関する目標値と算出された第1制御指令値に基づいて、第2制御指令値を算出することが好ましい。
この構成によると、センサの検出結果から移動体の位置及び旋回方向の角度(すなわち、向き(姿勢))が分かり、これらを用いて目標軌道からの偏差が特定され、この特定された偏差を用いて移動体の進行方向及び旋回方向の各目標値が算出される。そして、これらの目標値に基づいて、第1制御指令値と第2制御指令値を算出する。その際、第1制御指令値を利用して第2制御指令値を算出するため、進行方向の遅れを考慮して旋回方向の第2制御指令値が算出される。この構成によっても、移動体は目標経路上を精度よく移動することができる。
In another aspect of the moving body, a sensor that measures the position of the moving body and an angle in the turning direction, a detection result of the sensor and a target trajectory, (1) position deviation in the traveling direction of the moving body, and (2) movement Based on the positional deviation in the direction perpendicular to the moving direction of the body and (3) the angular deviation in the turning direction of the moving body, the target value related to the position of the moving body in the moving direction and the target value related to the angle of the moving body in the turning direction A tracking controller for calculating the value can be further provided. Then, the first control command value calculating means calculates the first control command value based on the target value related to the position of the moving body in the traveling direction calculated by the tracking controller, and the second control command value calculating means is the tracking controller. It is preferable to calculate the second control command value based on the target value regarding the angle of the turning direction of the moving body calculated in step 1 and the calculated first control command value.
According to this configuration, the position of the moving body and the angle in the turning direction (that is, the orientation (posture)) can be determined from the detection result of the sensor, and the deviation from the target trajectory is specified using these, and this specified deviation is used. Thus, each target value in the traveling direction and the turning direction of the moving body is calculated. Based on these target values, the first control command value and the second control command value are calculated. At this time, since the second control command value is calculated using the first control command value, the second control command value in the turning direction is calculated in consideration of the delay in the traveling direction. Also with this configuration, the moving body can move on the target route with high accuracy.
また、本発明は、目標経路を精度よく走行することができる倒立振子型の移動体の制御方法を提供する。すなわち、この制御方法は、車輪と、車輪に支持される車体と、車輪を回転駆動する駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置を備えており、駆動装置によって車輪を回転駆動することで車体を倒立状態に維持しながら路面上を走行する倒立振子型移動体の制御方法である。
この制御方法では、(1)移動体の目標位置を時間の関数で表した目標軌道を用いて、車体が倒立を維持しつつ移動体の進行方向の位置を制御するための第1制御指令値を算出する工程と、(2)目標軌道と実測又は推定される移動体の進行方向の位置に関する情報とを用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出する工程と、(3)第1制御指令値と第2制御指令値に基づいて車輪を駆動する工程と、を有している。そして、上記各工程を繰返し実行することで移動体を制御する。
この制御方法によっても、移動体の進行方向の位置に関する情報を利用して移動体の旋回方向の制御指令値を算出するため、移動体は目標経路上を精度よく移動することができる。
In addition, the present invention provides an inverted pendulum type moving body control method capable of accurately traveling on a target route. That is, this control method includes a wheel, a vehicle body supported by the wheel, a drive device that rotationally drives the wheel, and a control device that controls the drive device, and the vehicle body is driven by rotating the wheel by the drive device. This is a control method for an inverted pendulum type moving body that travels on the road surface while maintaining an inverted state.
In this control method, (1) a first control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction while maintaining the vehicle body inverted using a target trajectory representing the target position of the moving body as a function of time. And (2) calculating a second control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body using the target trajectory and the information about the position of the moving body that is actually measured or estimated. And (3) driving the wheel based on the first control command value and the second control command value. And a mobile body is controlled by performing repeatedly each said process.
Also with this control method, since the control command value in the turning direction of the moving body is calculated using the information related to the position of the moving body in the traveling direction, the moving body can accurately move on the target route.
下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
(形態1)移動体は、同一の車軸上に配された2つの車輪と、車輪によって支持される車体によって構成される。
(形態2)車体は、各車輪を駆動するモータと、車体の傾斜角速度を検出するジャイロセンサと、各モータの回転角速度を検出するエンコーダと、これらのセンサの検出結果に応じてモータを駆動する制御装置を備えている。
(形態3)制御装置は、目標軌道(x(t),y(t))を用いて、移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値を算出する。
(形態4)制御装置は、車体の進行方向の位置と速度と加速度の少なくとも一つを用いて、目標軌道(x(t),y(t))を修正する。そして、修正した目標軌道(x’,y’)を用いて、移動体の旋回方向の角度を制御する制御指令値を算出する。
(形態5)制御装置は、エンコーダにより検出されたモータの回転角速度を用いて、直前の制御周期から移動体が移動した距離を算出する。次に、算出された移動距離と目標軌道(x(t),y(t))を用いて、その移動距離を実現すべきだった時刻t’を算出する。そして、時刻t’における目標軌道(x(t’),y(t’))を用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための制御指令値を算出する。
(形態6)制御装置は、今回の制御周期で算出された「移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値」を用いて、今回の制御周期において移動体が移動するであろう距離を算出する。次に、算出された移動距離と目標軌道(x(t),y(t))を用いて、その移動距離を実現すべき時刻t’を算出する。そして、時刻t’における目標軌道(x(t’),y(t’))を用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための制御指令値を算出する。
(形態7)移動体は、移動体の位置と姿勢(x,y,φ)を測定するセンサを備える。この種のセンサとしては、GPSセンサ、レーザレンジセンサ、モーションキャプチャ等を用いることができる。
(形態8)制御装置は、測定した移動体の位置と姿勢(x,y,φ)と、目標軌道(x(t),y(t))とから、(1)移動体の進行方向の位置偏差と(2)移動体の進行方向に直交する方向の位置偏差と(3)移動体の姿勢偏差を算出する。次に、算出されたこれらの偏差を用いて、移動体の進行方向の位置に関する目標値(例えば、進行方向の速度)と、移動体の旋回方向の角度に関する目標値(例えば、旋回方向の角速度)を算出する。そして、移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値については、算出された進行方向の位置に関する目標値を用いて算出する。移動体の旋回方向の角度を制御するための制御指令値については、算出された進行方向の位置に関する目標値と、算出された移動体の旋回方向の角度に関する目標値と、算出された移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値を用いて算出する。
(形態9)形態8において、移動体の旋回方向の角度を制御するための制御指令値は、「移動体の旋回方向の角度に関する目標値」に、「移動体の進行方向の位置に関する目標値」と「移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値」の比(すなわち、「移動体の進行方向の位置を制御するための制御指令値」/「移動体の進行方向の位置に関する目標値」)を掛けて算出された「移動体の旋回方向の角度に関する新しい目標値」に基づいて算出される。
The main features of the embodiments described in detail below are listed first.
(Mode 1) The moving body is composed of two wheels arranged on the same axle and a vehicle body supported by the wheels.
(Mode 2) The vehicle body drives the motor according to the detection results of the motors that drive the wheels, the gyro sensor that detects the tilt angular velocity of the vehicle body, the encoder that detects the rotational angular velocity of each motor, and the sensors. A control device is provided.
(Mode 3) The control device calculates a control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction using the target trajectory (x (t), y (t)).
(Mode 4) The control device corrects the target trajectory (x (t), y (t)) using at least one of the position in the traveling direction of the vehicle body, the velocity, and the acceleration. Then, using the corrected target trajectory (x ′, y ′), a control command value for controlling the angle of the moving body in the turning direction is calculated.
(Mode 5) The control device calculates the distance traveled by the moving body from the immediately preceding control cycle, using the rotational angular velocity of the motor detected by the encoder. Next, using the calculated moving distance and the target trajectory (x (t), y (t)), a time t ′ at which the moving distance should have been realized is calculated. Then, using the target trajectory (x (t ′), y (t ′)) at time t ′, a control command value for controlling the angle of the moving body in the turning direction is calculated.
(Mode 6) The control device will move the moving body in the current control cycle using the “control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction” calculated in the current control cycle. Calculate the distance. Next, using the calculated moving distance and the target trajectory (x (t), y (t)), a time t ′ at which the moving distance is to be realized is calculated. Then, using the target trajectory (x (t ′), y (t ′)) at time t ′, a control command value for controlling the angle of the moving body in the turning direction is calculated.
(Mode 7) The moving body includes a sensor that measures the position and orientation (x, y, φ) of the moving body. As this type of sensor, a GPS sensor, a laser range sensor, a motion capture, or the like can be used.
(Mode 8) The control device, based on the measured position and orientation (x, y, φ) of the moving body and the target trajectory (x (t), y (t)), (1) the traveling direction of the moving body The position deviation, (2) the position deviation in the direction orthogonal to the traveling direction of the moving body, and (3) the posture deviation of the moving body are calculated. Next, using these calculated deviations, a target value related to the position of the moving body in the traveling direction (for example, speed in the traveling direction) and a target value related to the angle in the turning direction of the moving body (for example, angular velocity in the turning direction). ) Is calculated. And about the control command value for controlling the position of the advancing direction of a mobile body, it calculates using the target value regarding the position of the calculated advancing direction. Regarding the control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body, the target value related to the calculated position in the traveling direction, the target value related to the calculated angle of the turning direction of the moving body, and the calculated moving body It calculates using the control command value for controlling the position of the advancing direction.
(Mode 9) In mode 8, the control command value for controlling the angle of the moving body in the turning direction is “target value related to the angle of the moving body in the turning direction” and “target value related to the position of the moving body in the traveling direction”. ”And“ control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction ”(ie,“ control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction ”/“ position of the moving body in the traveling direction ” Is calculated based on “a new target value related to the angle of the moving body in the turning direction”.
(第1実施例) 本発明の一実施例に係る倒立振子型の移動体について、図面を参照しながら説明する。図1に示すように、移動体10は、車軸16上に配された2つの車輪12、14と、車輪12、14によって車軸16周りに傾動可能に支持された車体20によって構成される。車体20の重心は、車軸16よりも上方に位置している。移動体10は、車輪12、14を駆動することによって車体20の倒立状態を維持し、かつ、車輪12、14を駆動することによって床面を走行する。
First Embodiment An inverted pendulum type moving body according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the moving
車輪12は、モータ22と接続されており、モータ22によって駆動される。車輪14は、モータ24と接続されており、モータ24によって駆動される。すなわち、車輪12、14はそれぞれ独立して駆動される。車体20の倒立状態は、車体20の傾斜角θ(車体20の重心から車軸16に下ろした垂線と、鉛直軸とが成す角度)に応じて車輪12、14を駆動することによって維持される。また、車輪12、14を駆動することによって、移動体10は床面を走行する。移動体10の旋回方向(鉛直軸回りの方向)の角度φは、車輪12、14のそれぞれの回転角速度を制御することによって変更することができる。すなわち、移動体10の床面(x−y平面)上の運動は、その非ホロノミック拘束によって、移動体10の進行方向(車軸16に対して直交する方向)の速度rと、移動体10の旋回方向(鉛直軸回りの方向)の角速度φ’で表される(図2参照)。
The
車体20は、車輪12、14を駆動するモータ22、24と、車体20の傾斜角速度θ’を検出するジャイロセンサ28と、モータ22、24に制御指令値を出力する制御装置30を備えている。
The
車体20内に配されたモータ22、24は、車輪12、14に連結されている。また、モータ22、24は制御装置30と電気的に接続されている。モータ22、24は、制御装置30から入力される制御指令値にしたがって、車輪12、14を駆動する。
モータ22にはエンコーダ22aが設けられている。エンコーダ22aは、制御装置30と電気的に接続されている。エンコーダ22aは、モータ22の回転角速度(すなわち、車輪12の回転角速度)を検出する。エンコーダ22aが検出した車輪12の回転角速度は、制御装置30に入力される。また、モータ24にもエンコーダ24aが設けられている。エンコーダ24aは、車輪14の回転角速度を検出する。エンコーダ24aが検出した車輪14の回転角速度も、制御装置30に入力される。
The
ジャイロセンサ28は、車体20の内部に配されている。ジャイロセンサ28は制御装置30と電気的に接続されている。ジャイロセンサ28は、車体20の傾斜角速度θ’を検出する。検出した傾斜角速度θ’は、制御装置30に入力される。
The
制御装置30は、CPU,ROM,RAMを備えたマイクロプロセッサによって構成されている。制御装置30は、車体20内に配されている。制御装置30は、モータ22、24と、エンコーダ22a、24aと、ジャイロセンサ28に電気的に接続されている。
図3は制御装置30の機能を示すブロック図である。図3に示すように、制御装置30は、目標軌道入力部38、進行方向目標値算出部40、倒立制御コントローラ32、旋回方向目標値算出部50、旋回制御コントローラ34、指令値合成部36によって構成されている。なお、図3においては、図の見易さを考慮してモータ及びエンコーダを1つだけ図示したが、実際には2つのモータ22、24にそれぞれ独立して制御指令値が出力される。
The
FIG. 3 is a block diagram illustrating functions of the
目標軌道入力部38は、移動体10の目標軌道(x(t),y(t))を記憶する。目標軌道入力部38に記憶されている目標軌道(x(t),y(t))は、進行方向目標値算出部40と旋回方向目標値算出部50に入力される。目標軌道(x(t),y(t))は、移動体10の床面上の位置(x,y)を時間tの関数で表したものである。目標軌道(x(t),y(t))は、外部装置(例えば、遠隔操縦装置又はあらかじめ決められた起動を生成する装置など)を用いて、目標軌道入力部38に入力される。
The target
進行方向目標値算出部40は、制御周期毎に、目標軌道(x(t),y(t))を用いて、移動体10の進行方向の制御目標値(目標接線速度s’(t)、目標経路長s(t))を算出する。進行方向目標値算出部40の詳細については、後で詳述する。
The traveling direction target
倒立制御コントローラ32は、制御周期毎に、ジャイロセンサ28で検出された車体20の傾斜角速度θ’と、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度と、進行方向目標値算出部40で算出された目標経路長s(t)及び目標接線速度s’(t)に基づいて、移動体10が倒立を維持し、かつ、移動体10の進行方向の位置を制御するための制御指令値を算出する。具体的には、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度と車体の傾斜角(ジャイロセンサ28で検出)から算出される移動体の経路長sr(t)と目標経路長s(t)との偏差を小さくし、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から算出される移動体の接線速度sr’(t)と目標接線速度s’(t)との偏差を小さくし、かつ、ジャイロセンサ28で検出された車体20の傾斜角速度θ’に基づいて移動体10が倒立を維持するように、各モータ22,24を駆動するためのトルク指令値を算出する。倒立制御コントローラ32の具体的な構成としては、例えば、特許文献1に開示された構成を用いることができる。
The
旋回方向目標値算出部50は、制御周期毎に、目標軌道(x(t),y(t))と、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度を用いて、移動体10の旋回方向の制御目標値(目標角度φ、目標角速度φ’)を算出する。
The turning direction target
旋回制御コントローラ34は、制御周期毎に、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度と、旋回方向目標値算出部50で算出された目標角度φ及び目標角速度φ’に基づいて、移動体10の旋回方向の位置を制御するための制御指令値を算出する。具体的には、「エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から算出される移動体10の現在の角度φr」と目標角度φとの偏差と、「エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から算出される移動体の角速度φr’」と目標角速度φ’との偏差を小さくするように、各モータ22,24を駆動するためのトルク指令値を算出する。なお、旋回制御コントローラ34の具体的な構成としては、例えば、特許文献1に開示された構成を用いることができる。
The turning
指令値合成部36は、倒立制御コントローラ32から出力されるトルク指令値と、旋回制御コントローラ34から出力されるトルク指令値を合成し、その合成したトルク指令値をモータ22,24に出力する。モータ22,24は、この合成したトルク指令値に基づいて駆動される。
The command
次に、上述した進行方向目標値算出部40の詳細な構成について説明する。図4は進行方向目標値算出部40の機能を示すブロック図である。図4に示すように、進行方向目標値算出部40は、目標速度算出部42と目標接線速度算出部44と目標経路長算出部46によって構成される。
目標速度算出部42は、目標軌道入力部38から入力された目標軌道(x(t),y(t))から移動体10の目標速度を算出する。具体的には、目標軌道(x(t),y(t))を微分することによって、目標速度(x’(t),y’(t))を算出する。算出された目標速度(x’(t),y’(t))は目標接線速度算出部44に入力される。
目標接線速度算出部44は、入力された目標速度(x’(t),y’(t))から目標接線速度を算出する。目標接線速度とは、ベクトルで与えられた目標速度(x’(t),y’(t))の絶対値(スカラー)である。したがって、目標接線速度s’(t)は、(x’(t)2+y’(t)2)1/2によって算出される。算出された目標接線速度s’(t)は、倒立制御コントローラ32と目標経路長算出部46に入力される。
目標経路長算出部46は、入力された目標接線速度(x’(t)2+y’(t)2)1/2を積分することによって移動体10の目標経路長s(t)を算出する。算出された目標経路長s(t)は、倒立制御コントローラ32と目標経路長算出部46に入力される。
上述したことから明らかなように、移動体10の進行方向の目標値(目標接線速度s’、目標経路長s)は目標軌道(x(t),y(t))のみに基づいて算出される。
Next, a detailed configuration of the above-described traveling direction target
The target
The target tangential
The target path
As is clear from the above, the target values (target tangential speed s ′, target path length s) of the moving
次に、上述した旋回方向目標値算出部50の詳細な構成について説明する。図5は旋回方向目標値算出部50の機能を示すブロック図である。図5に示すように、旋回方向目標値算出部50は、計測接線速度算出部59と、計測経路長算出部58と、修正時刻算出部57と、新目標位置算出部51と、新目標速度算出部52と、新目標加速度算出部54と、目標姿勢(角度)算出部53と、新目標曲率算出部55と、目標角速度算出部56によって構成される。
Next, a detailed configuration of the above-described turning direction target
計測接線速度算出部59と計測経路長算出部58と修正時刻算出部57と新目標位置算出部51は、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度を用いて、進行方向の応答性の遅れを考慮した新しい目標位置(x,y)を算出する。
すなわち、計測接線速度算出部59は、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から、移動体10の接線速度sr’を算出する。すなわち、車輪12,14の回転角速度と、車輪12,14の幾何学的関係(車輪12,14の直径,車輪12,14間の距離)とから、移動体10の接線速度sr’を算出する。算出された接線速度sr’は、目標角度算出部56と計測経路長算出部58に入力される。
計測経路長算出部58は、計測接線速度算出部59で算出された接線速度sr’を積分することによって、移動体10の経路長srを算出する。算出された経路長srは、修正時刻算出部57に入力される。
修正時刻算出部57は、算出された経路長srと目標軌道(x(t),y(t))とから、その算出された経路長srを実現すべきであった時刻t’を算出する。すなわち、目標軌道(x(t),y(t))から時間tと目標経路長s(t)の関係が得られる。次いで、時間tと目標経路長s(t)の関係に基づいて、計測経路長算出部58で算出された経路長srとなるときの時刻t’を算出する。算出された時刻t’は新目標位置算出部51に入力される。
新目標位置算出部51は、修正時刻算出部57で算出した時刻t’を用いて、新しい目標位置(x(t’),y(t’))を算出する。したがって、進行方向の速度応答性の遅れから、現実の経路長srが目標軌道から得られる目標経路長s(t)とならない場合には、経路長srを実現すべきであった時刻t’が求められ、その時刻t’における目標位置が新しい目標位置(x(t’),y(t’))として採用される。
The measurement tangential
That is, the measured tangential
The measurement path
The correction
The new target
新目標速度算出部52と目標姿勢算出部53と新目標加速度算出部54と新目標曲率算出部55と目標角速度算出部56は、上記のように算出された新しい目標位置(x(t’),y(t’))に基づいて、移動体10の旋回方向の制御目標値(目標角度φ、目標角速度φ’)を算出する。
すなわち、新目標速度算出部52は、新しく算出された新目標位置(x(t’),y(t’))を用いて、移動体10の新目標速度を算出する。具体的には、新目標位置(x(t’),y(t’))を微分することによって、新目標速度(x’(t’),y’(t’))を算出する。算出された新目標速度(x’(t’),y’(t’))は目標姿勢算出部53と新目標加速度算出部44と新目標曲率算出部55に入力される。
目標姿勢算出部53は、算出された新目標速度(x’(t’),y’(t’))を用いて、移動体10の目標姿勢(すなわち、旋回方向の目標角度φ)を算出する。すなわち、tanφ=[y’(t’)]/[x’(t’)]の関係が成立するため、この式に算出された新目標速度(x’(t’),y’(t’))を代入することで、目標角度φが算出される。算出された目標角度φは、旋回制御コントローラ34に入力される。
新目標加速度算出部54は、算出された新目標速度(x’(t’),y’(t’))を用いて、移動体10の新目標加速度を算出する。具体的には、新目標速度(x’(t’),y’(t’))を微分することによって、新目標加速度(x’’(t’),y’’(t’))を算出する。算出された新目標加速度(x’’(t’),y’’(t’))は、新目標曲率算出部55に入力される。
新目標曲率算出部55は、新目標速度(x’(t’),y’(t’))と、新目標加速度(x’’(t’),y’’(t’))を用いて、移動体10の新目標曲率1/Rを算出する。具体的には、新目標速度(x’(t’),y’(t’))から移動体の目標接線速度v’を算出し、新目標加速度(x’’(t’),y’’(t’))から移動体の法線方向の目標加速度anを算出する。ここで、目標接線速度v’と法線方向の加速度anと曲率半径Rの間には、an=v’2/Rの関係が成立する。このため、目標接線速度v’と法線方向の加速度anが分かると、曲率半径Rを算出することができる(すなわち、曲率1/Rを算出することができる)。算出された曲率1/Rは目標角度算出部56に入力される。
目標角速度算出部56は、計測接線速度算出部59で算出された現実の接線速度sr’と、算出された曲率1/Rを用いて、移動体10の旋回方向の目標角速度φ’を算出する。具体的には、接線速度sr’に曲率(1/R)を掛けることで目標角速度φ’を算出する。算出された目標角速度φ’は旋回制御コントローラ34に入力される。
The new target
That is, the new target
The target
The new target
The new target
The target angular
なお、上述した実施例では、移動体10の旋回方向の位置を制御するために、移動体10の旋回方向の目標角度φ及び目標角速度φ’を用いた。しかしながら、目標角度φと目標角速度φ’の両者を常に使う必要はなく、例えば、移動体10の旋回方向の目標角度φにのみ基づいて、移動体10の旋回方向の位置を制御するようにしてもよい。この場合は、上述した新目標加速度算出部54と新目標曲率算出部55と目標角速度算出部56を無くすことができ、旋回方向目標値算出部50の構成を簡略化することができる。
In the above-described embodiment, the target angle φ and the target angular velocity φ ′ of the turning direction of the moving
次に、上述のように構成される制御装置30によって行われる処理について説明する。図6は制御装置30の処理手順を示すフローチャートである。
図6に示すように、制御装置30は、まず、制御装置30が起動されてからの時間t(すなわち、移動体10の制御開始時からの経過時間)を読み込む(S2)。時間tは、例えば、制御装置30にタイマを装備し、このタイマによって制御開始時からの経過時間を計測することで得られる。
次に、各モータ22,24のエンコーダ22a,24aの値(すなわち、車輪12,14の回転角速度)を読込む(S4)。
次に、ステップS4で読込んだエンコーダ22a,24aの値から、移動体10の現在の接線速度sr’と、経路長srと、旋回方向の角度(姿勢)φrと、旋回方向の角速度φr’を算出する(S6)。すなわち、エンコーダ22a,24aの値から車輪12,14の回転速度を算出し、この算出された回転速度と車輪12,14の幾何学的関係から移動体10のx方向、y方向、φ方向の速度を算出する(例えば、特許文献1に開示されたヤコビ行列を利用して算出することができる)。次いで、算出された各速度成分から、移動体10の現在の接線速度sr’と、経路長srと、旋回方向の角度(姿勢)φrと、旋回方向の角速度φr’を算出する。
ステップS8では、ジャイロセンサ28で検出された傾斜角速度θ’を読込む。
ステップS10では、ステップS2で読み込んだ時間tと、目標軌道入力部38に記憶されている目標軌道データ(x(t),y(t))とから、目標接線速度s’(t)と目標経路長s(t)を算出する(進行方向目標値算出部40の説明参照)。
次に、ステップS6で算出された現在の接線速度sr’及び経路長srと、ステップS8で読み込まれた傾斜角速度θ’と、ステップS10で算出された目標接線速度s’(t)と目標経路長s(t)とを用いて、移動体10の進行方向に関するモータ22,24のトルク指令値をそれぞれ算出する(S12)。
次に、ステップS6で算出した現在の経路長srを用いて、その経路長srを実現すべきであった時刻t’を求め(S14)、その求めた修正時刻t’から移動体10の旋回方向の目標角度(目標姿勢)φと目標角速度φ’を算出する(s16)。(旋回方向目標値算出部50の説明を参照)。
次に、ステップS6で算出された現在の旋回方向の角度(姿勢)φr及び角速度φr’と、ステップS14で算出された旋回方向の目標角度(目標姿勢)φ及び目標角速度φ’とを用いて、移動体10の旋回方向に関するモータ22,24のトルク指令値をそれぞれ算出する(S18)。
ステップS20では、ステップS12で算出されたトルク指令値と、ステップS18で算出されたトルク指令値を加算し、これらの値をモータ22,24(詳細には、モータ22,24を駆動するモータ駆動回路)に出力する。これによって、各車輪12,14が駆動されることとなる。ステップS20が終わるとステップ2に戻り、次の制御タイミングにおける処理が開始される。
なお、ステップS2〜ステップS20までの処理は、所定の時間間隔(例えば、10ms)で行われる。これによって、移動体10は、制御周期毎に、目標軌道からのずれが補正されることとなる。
Next, processing performed by the
As shown in FIG. 6, the
Next, the values of the
Next, from the values of the
In step S8, the tilt angular velocity θ ′ detected by the
In step S10, the target tangential velocity s' (t) and the target are obtained from the time t read in step S2 and the target trajectory data (x (t), y (t)) stored in the target
Next, the current tangential velocity s r ′ and path length s r calculated in step S6, the tilt angular velocity θ ′ read in step S8, and the target tangential velocity s ′ (t) calculated in step S10. Using the target path length s (t), torque command values of the
Next, using the current route length s r calculated in step S6, a time t ′ at which the route length s r should have been obtained is obtained (S14), and the moving
Next, the current turning direction angle (posture) φ r and angular velocity φ r ′ calculated in step S6 and the turning direction target angle (target posture) φ and target angular velocity φ ′ calculated in step S14 are obtained. The torque command values of the
In step S20, the torque command value calculated in step S12 and the torque command value calculated in step S18 are added, and these values are added to the
Note that the processing from step S2 to step S20 is performed at a predetermined time interval (for example, 10 ms). Thereby, the
上述した移動体10が目標軌道(x(t),y(t))からずれた場合における移動体10の動作について、図7を参照して説明する。なお、移動体10の制御周期はΔtとする。図7では、x−y平面上に目標軌道が設定されており、この目標軌道に従って本実施例の移動体10が走行した走行経路と、この目標軌道に従って従来技術に係る移動体が走行した走行経路とが模式的に示されている。図7に示すように、目標軌道として時刻t1のときの目標位置P1(t1),時刻t1+Δtのときの目標位置P2(t1+Δt),時刻t1+2Δtのときの目標位置P3(t1+2Δt),時刻t1+3Δtのときの目標位置P4(t1+3Δt)が設定されている。移動体は時刻t1で目標位置P1(t1)にいるものとし、この位置P1(t1)から目標軌道(P1→P2→P3→P4→・)と移動するものとする。
The operation of the moving
まず、従来技術に係る倒立振子型の移動体の場合を説明する。移動体は、まず、時刻t1の位置P1(t1)から時刻t1+Δtの目標位置P2(t1+Δt)に移動するための制御指令値を算出し、この制御指令値に基づいて車輪12,14を駆動する。この際、進行方向については速度応答性の遅れがあるため、移動体は目標位置P1から目標位置P2に到達するために必要な距離(経路長)を移動することができない。一方、旋回方向については速度応答性の遅れがなく、目標軌道で設定された通りに制御される。そのため、移動体は、時刻t1+Δtにおいて目標位置P2からずれた位置P2’に移動する。
次に、移動体は、目標位置P2から目標位置P3に移動するための制御指令値を算出し、この制御指令値に基づいて車輪12,14を駆動する。この際も、進行方向については速度応答性の遅れから、移動体は目標位置P2から目標位置P3に到達するために必要な距離(経路長)を移動することはできないものとする。一方、旋回方向については速度応答性の遅れがなく、目標軌道で設定された通りに制御される。そのため、移動体は、時刻t1+2Δtにおいて目標位置P3からさらにずれた位置P3’’に移動する。
以下、同様に目標位置P3から目標位置P4に移動するための制御指令値を算出し、この制御指令値に基づいて車輪12,14を駆動する。この場合も、進行方向の速度応答性の遅れから、移動体は目標軌道からさらにずれた位置P4’’に移動する。
このように、従来技術の移動体では、進行方向の速度応答性の遅れから移動体が目標軌道からずれると、そのずれが修正されることなく制御指令値が算出される。このため、目標軌道からのずれが大きくなっていく。
First, the case of an inverted pendulum type moving body according to the prior art will be described. Mobile first calculates the control command value for moving to a position P 1 at time t 1 (t 1) from the time t 1 + Delta] t of the target position P 2 (t 1 + Δt) , based on the control command value To drive the
Next, the mobile calculates the control command value for moving from the target position P 2 to the target position P 3, to drive the
Hereinafter, similarly calculates a control command value for moving from the target position P 3 to the target position P 4, to drive the
As described above, when the moving body deviates from the target trajectory due to the delay in the speed response in the traveling direction, the control command value is calculated without correcting the deviation. For this reason, the deviation from the target trajectory increases.
次に、本実施例の移動体10の場合を説明する。移動体10は、上述の場合と同様に、まず、時刻t1の位置P1(t1)から時刻t2の目標位置P2(t1+Δt)に移動するための制御指令値を算出し、この制御指令値に基づいて車輪12,14を駆動する。この場合も、進行方向については速度応答性の遅れから、移動体は目標位置P1から目標位置P2に到達するために必要な距離(経路長)を移動することはできない。一方、旋回方向については速度応答性の遅れがないため、目標軌道で設定された通りに制御される。そのため、移動体は、従来技術と同様、目標位置P2からずれた位置P2’に移動する。
次に、移動体10は、進行方向については、目標位置P2(t1+Δt)から目標位置P3(t1+2Δt)に移動するための制御指令値を算出する。一方、旋回方向については、点P1から点P2’間の距離に対応した目標軌道上の点P2nを基準として制御目標値を算出する。ここで、目標軌道どおりに移動体が移動した場合に、目標軌道上の点P2nを移動体10が時刻t’で通過するものとする。旋回方向の制御目標値は、点P(t’)(時刻t’における目標軌道上の点)から点P(t’+Δt)(時刻t’+Δt)における目標軌道上の点)に移動するための制御指令値を算出する。次に、これらの制御目標値に基づいて車輪12,14が駆動される。このため、移動体は点P2’から点P3’に移動する。これによって、移動体10は目標軌道に近づくこととなる。
以下、同様に、進行方向については目標位置P3(t1+2Δt)から目標位置P4(t1+3Δt)に移動するための制御指令値を算出する。旋回方向については、移動体10の現在の位置P3’を基準として制御指令値が算出される。このため、移動体10は点P3’から点P4’に移動することとなる。
Next, the case of the moving
Next, the moving
Hereinafter, similarly, in the traveling direction, a control command value for moving from the target position P 3 (t 1 + 2Δt) to the target position P 4 (t 1 + 3Δt) is calculated. For the turning direction, a control command value is calculated based on the current position P 3 ′ of the moving
上述した説明から明らかなように、本実施例の移動体10では、進行方向の速度応答性の遅れから移動体10が目標軌道からずれると、旋回方向については、そのずれた位置を基準として制御指令値が算出される。すなわち、進行方向の移動距離(実際に移動した経路長)に応じて、旋回方向の制御指令値が算出される。これによって、移動体10の目標軌道からのずれが修正され、移動体10は目標経路上を精度よく走行することができる。
As is clear from the above description, in the moving
(第2実施例) 次に、本発明の第2実施例に係る移動体について説明する。なお、第2実施例の移動体は、第1実施例の移動体と略同一の構成を備えており、制御装置60の構成のみが相違する。以下では、第1実施例と異なる点を中心に説明する。
Second Example Next, a moving body according to a second example of the present invention will be described. Note that the moving body of the second embodiment has substantially the same configuration as the moving body of the first embodiment, and only the configuration of the
図8は第2実施例の制御装置60の機能を示すブロック図である。図8に示すように、制御装置60は、目標軌道入力部38と、移動体の進行方向の制御指令値を算出するための進行方向目標値算出部62と倒立制御コントローラ64と目標接線速度算出部66と、移動体の旋回方向の制御指令値を算出する旋回方向制御指令値算出部70と、車輪角速度制御器68を有している。
FIG. 8 is a block diagram showing functions of the
目標軌道入力部38は、第1実施例と同様に、移動体の目標軌道(x(t),y(t))を記憶している。進行方向目標値算出部62も、第1実施例と同様、移動体の目標軌道(x(t),y(t))を用いて、移動体10の進行方向の制御目標値(目標接線速度s’(t)、目標経路長s(t))を算出する。算出された制御目標値(目標接線速度s’(t)、目標経路長s(t))は、倒立制御用コントローラ64に入力される。
The target
倒立制御用コントローラ64も、第1実施例と同様に、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から算出される移動体の経路長sr(t)と目標経路長s(t)との偏差を小さくし、エンコーダ22a,24aで検出された車輪12,14の回転角速度から算出される移動体の接線速度sr’(t)と目標接線速度s’(t)との偏差を小さくし、かつ、ジャイロセンサ28で検出された車体20の傾斜角速度θ’に基づいて移動体10が倒立を維持するように、各モータ22,24を駆動するための制御指令値を算出する。ただし、第2実施例の倒立制御用コントローラ64は、第1実施例と異なり、制御指令値として、移動体の目標接線加速度(以下、新目標接線加速度という)を出力する。この倒立制御用コントローラ64の設計手法としては、特許文献1に開示された設計手法と同様の手法を用いることができる。すなわち、τ(トルク)=I(慣性モーメント)×ω’(角加速度)の関係から、特許文献1に示すような運動方程式を角加速度ω’を用いて表し、その運動方程式に対して特許文献1と同様の手法を適用して設計することができる。
Similarly to the first embodiment, the
目標接線速度算出部66は、倒立制御用コントローラ64で算出された新目標接線加速度を積分して新目標接線速度を算出する。この新目標接線速度は、旋回方向制御指令値算出部70と車輪角速度制御器68に出力される。
The target tangential
旋回方向制御指令値算出部70は、目標軌道(x(t),y(t))と、目標接線速度算出部66で算出された新目標接線速度(すなわち、進行方向の遅れが含まれたもの)を用いて、移動体10の旋回方向の制御指令値(目標角速度φ’)を算出する。旋回方向制御指令値算出部70は、複数の算出部72,74,76,78,80,82,84によって構成され、これらが順に所定の演算を行うことで旋回方向の制御指令値(目標角速度φ’)を算出している。
具体的には、旋回方向制御指令値算出部70は、まず、目標接線速度算出部66で算出された新目標接線速度を用いて、移動体の推定経路長を算出する(新経路長算出部76)。次に、移動体の推定される経路長から、その経路長を実現すべき時刻t’を算出する(修正時刻算出部74)。次に、算出した時刻t’と目標軌道(x(t),y(t))から新しい目標位置(x(t’),y(t’))を算出する(新目標位置算出部72)。新しい目標位置(x(t’),y(t’))が算出されると、その目標位置(x(t’),y(t’))から新目標速度を算出する(新目標速度算出部78)。次いで、その算出された新目標速度から新目標加速度を算出し(新目標加速度算出部80)、その新目標加速度と新目標速度から曲率1/Rを算出する(目標曲率算出部82)。最後に、新目標速度算出部78で算出された新目標速度と、目標曲率算出部82で算出された曲率1/Rを掛けて、目標角速度φ’を算出する(目標角速度算出部84)。この算出された目標角速度φ’は車輪角速度制御器68に入力される。
The turning direction control command
Specifically, the turning direction control command
車輪角速度制御器68は、目標接線速度算出部66で算出された新目標接線速度と、目標角度算出部84で算出された目標角速度φ’を合成し、各モータ22,24に分配することで、各モータ22,24(各車輪12,14)の目標角速度を算出する。そして、算出された目標角速度とエンコーダ22a,24aで検出される目標角速度との偏差が0となるようにモータ22,24を駆動する。
The wheel
上述したことから明らかなように、第2実施例では、進行方向の制御指令値である新目標接線速度(進行方向の応答速度の遅れが含まれた接線速度)から今回の周期で移動する経路長を算出し、その経路長を実現すべき時刻t’の目標位置(x(t’),y(t’))に基づいて旋回方向の制御指令値を算出する。すなわち、第2実施例では、進行方向の制御指令値から今回の周期で予測されるずれを考慮して、旋回方向の制御指令値が算出されている。 As is clear from the above description, in the second embodiment, the route travels in this cycle from the new target tangential speed (tangential speed including a delay in the response speed in the traveling direction) that is the control command value in the traveling direction. The length is calculated, and the control command value in the turning direction is calculated based on the target position (x (t ′), y (t ′)) at the time t ′ at which the path length is to be realized. That is, in the second embodiment, the control command value in the turning direction is calculated in consideration of the deviation predicted from the control command value in the traveling direction in the current cycle.
次に、上述のように構成される制御装置60によって行われる処理について説明する。図9は制御装置60の処理手順を示すフローチャートである。
図9に示すように、制御装置60は、まず、制御装置60が起動されてからの時間t(制御開始時からの経過時間)を読み込む(S22)。次に、各モータ22,24のエンコーダ22a,24aの値(すなわち、車輪12,13の回転角速度)と、ジャイロセンサ28の値(車体の傾斜角速度)を読込む(S23)。また、読み込んだエンコーダ22a,24aの値から、移動体10の現在の接線速度sr’と、経路長srを算出する。
次に、ステップS22で読み込んだ時刻tより移動体の目標接線速度及び目標経路長を算出し(S24)、この算出した目標接線速度及び目標経路長と、エンコーダ22a,24aの値から得られた現在の接線速度及び経路長と、ジャイロセンサ28の傾斜角速度とから、倒立制御用の制御指令値(目標接線加速度)を算出する(S26)。
ステップS28では、ステップS26で算出した制御指令値(加速度)を積分して新目標接線速度を算出する。次いで、ステップS28で算出した新目標接線速度より新経路長を算出し(S30)、この新経路長より修正時刻t’を算出する(S32)。次いで、ステップS32で求めた修正時刻t’から移動体10の旋回方向の目標角速度φ’を算出する(S34)。
次に、ステップS28で算出した新目標接線速度と、ステップS34で算出した目標角速度φ’を合成し、その合成したものを各モータ12,14に分配し、各モータ12,14の目標角速度を算出する(S36)。
次いで、ステップS36で算出された目標角速度とエンコーダ22a,24aで測定された車輪回転速度の偏差が0となるように、モータ22,24を制御する(S38)。これによって、各車輪12,14が駆動されることとなる。ステップS38が終わるとステップ22に戻り、次の制御タイミングにおける処理が開始される。
Next, processing performed by the
As shown in FIG. 9, the
Next, the target tangential speed and target path length of the moving body are calculated from the time t read in step S22 (S24), and obtained from the calculated target tangential speed and target path length and the values of the
In step S28, the control command value (acceleration) calculated in step S26 is integrated to calculate a new target tangential velocity. Next, a new path length is calculated from the new target tangential velocity calculated in step S28 (S30), and a correction time t ′ is calculated from the new path length (S32). Next, the target angular velocity φ ′ in the turning direction of the moving
Next, the new target tangential velocity calculated in step S28 and the target angular velocity φ ′ calculated in step S34 are combined, and the combined result is distributed to the
Next, the
上述した説明から明らかなように、第2実施例の移動体では、進行方向の制御指令値である新目標接線速度を用いて移動体の目標位置(進行方向の遅れを含んだ目標位置)を算出し、この目標位置に基づいて旋回方向の制御指令値(目標角速度)を算出する。このため、進行方向の速度応答の遅れによる目標軌道からのずれを見込んでモータ22,24が駆動されることとなり、移動体の目標軌道からのずれが未然に防止される。
また、第2実施例では、エンコーダ22a,24aの検出結果が車輪角速度制御器68にフィードバックされる構成とされている。このため、フィードバックループが小さくなり、モータ22,24を所望の角度に精度良く制御できる。これによって、移動体は、目標軌道によって規定される目標経路上を精度良く走行することができる。
As is apparent from the above description, in the moving body of the second embodiment, the target position of the moving body (target position including the delay in the traveling direction) is determined using the new target tangential velocity that is the control command value in the traveling direction. Based on this target position, a control command value (target angular velocity) in the turning direction is calculated. For this reason, the
In the second embodiment, the detection results of the
(第3実施例) 次に、本発明の第3実施例に係る移動体について説明する。なお、第3実施例の移動体は、移動体の位置(x、y)と姿勢(φ)を検出するセンサを備え、そのセンサの検出結果を用いる点で、第1実施例や第2実施例の移動体とは異なる。以下の説明では、上述した実施例とは異なる点を中心に説明する。 (Third embodiment) Next, a moving body according to a third embodiment of the present invention will be described. The moving body of the third embodiment includes a sensor that detects the position (x, y) and posture (φ) of the moving body, and uses the detection result of the sensor in the first and second embodiments. It is different from the moving body in the example. In the following description, the points different from the above-described embodiment will be mainly described.
図10は第3実施例の移動体の制御装置88の機能を示すブロック図である。図10に示すように、制御装置88には位置・姿勢センサ86とジャイロセンサ28とエンコーダ22a,24aが接続されている。
位置・姿勢センサ86は、移動体の位置(x,y)と姿勢(φ)を検出する。位置・姿勢センサ86には、例えば、レーザレンジセンサを用いることができる。レーザレンジセンサは、レーザを照射することによって、レーザが照射された物体までの距離を検出する。このため、移動体が走行する部屋の壁の形状を記憶したマップと、レーザを全方位(360度)に照射したときの壁の形状とを照合することで、移動体の位置と姿勢(x,y,φ)を得ることができる。位置・姿勢センサ86の検出結果(x,y,φ)は、制御装置88に入力される。なお、位置・姿勢センサ86には、GPSセンサやモーションキャプチャ等を用いることもできる。
FIG. 10 is a block diagram showing functions of the moving body control device 88 of the third embodiment. As shown in FIG. 10, a position /
The position /
制御装置88は、位置・姿勢センサ86の検出結果(x,y,φ)と、ジャイロセンサ28の検出結果θ’と、エンコーダ22a,24aの検出結果とに基づいて、モータ22,24を制御する。制御装置88は、様々な機能38,90〜112を備えており、これらが所定の演算を行うことでモータ22,24を制御するための制御指令値(目標角速度)を算出している。
具体的には、制御装置88は、目標軌道入力部38に記憶されている目標軌道(x(t),y(t))を微分することで、移動体の目標速度(x’(t),y’(t))を算出する。そして、φ=Arctan(y’(t)/x’(t))の式にx’(t)とy’(t)を代入し、移動体の目標姿勢φを算出する(目標姿勢算出部90)。
目標姿勢が算出されると、その目標姿勢と位置・姿勢センサで検出された移動体の姿勢(φ)から姿勢偏差Δφを算出し(偏差算出部92)、その姿勢偏差Δφを軌道トラッキングコントローラ100に入力する。
また、目標軌道(x(t),y(t))から算出される移動体の位置と、位置・姿勢センサ86の検出結果から算出される現在の移動体の位置とを用いて、移動体の進行方向の位置偏差を算出し(偏差算出部94)、その位置偏差を軌道トラッキングコントローラ100に入力する。
また、目標軌道(x(t),y(t))から算出される移動体の位置と、位置・姿勢センサ86の検出結果から算出される現在の移動体の位置とを用いて、移動体の進行方向に直交する方向の位置偏差を算出し(偏差算出部96)、その偏差を軌道トラッキングコントローラ100に入力する。
The control device 88 controls the
Specifically, the control device 88 differentiates the target trajectory (x (t), y (t)) stored in the target
When the target posture is calculated, a posture deviation Δφ is calculated from the target posture and the posture (φ) of the moving body detected by the position / posture sensor (deviation calculation unit 92), and the posture deviation Δφ is calculated as the
Further, using the position of the moving body calculated from the target trajectory (x (t), y (t)) and the current position of the moving body calculated from the detection result of the position /
Further, using the position of the moving body calculated from the target trajectory (x (t), y (t)) and the current position of the moving body calculated from the detection result of the position /
軌道トラッキングコントローラ100は、上記の各偏差を入力とし、これらの偏差を0とするような目標接線速度と目標角速度を算出する。軌道トラッキングコントローラ100の具体的な構成例としては、例えば、特開平3−24605号公報に開示されている。
The
制御装置88は、軌道トラッキングコントローラ100によって算出された目標接線速度を倒立制御用コントローラ110に入力する。また、算出された目標接線速度を積分して目標経路長を算出し(経路長算出部102)、その目標経路長を倒立制御用コントローラ110に入力する。倒立制御用コントローラ110は、ジャイロセンサ28の検出結果、エンコーダ22a,24aの検出結果、並びに入力された目標接線速度及び目標経路長に基づいて、移動体の進行方向の制御指令値(新接線加速度)を算出する。なお、倒立制御用コントローラ110は、第2実施例の倒立制御用コントローラ64と同一である。
次に、倒立制御用コントローラ110で算出された新接線加速度を積分して新接線速度を算出する(新接線速度算出部108)。算出された新接線速度と軌道トラッキングコントローラ100によって算出された目標接線速度の比(新接線速度/目標接線速度)を算出する(速度比算出部104)。すなわち、倒立制御用コントローラ110で処理された新接線速度は、移動体の進行方向の応答遅れが考慮されたものとなっている。一方、軌道トラッキングコントローラ100で算出された目標接線速度は、移動体の進行方向の応答遅れが考慮されていない。このため、新接線速度と目標接線速度の比を求めることで、移動体の進行方向の速度応答の遅れの程度が算出される。
次に、軌道トラッキングコントローラ100で算出された目標角速度に上記の比(新接線速度/目標接線速度)を掛けて、移動体の旋回方向の制御指令値(目標角速度)を算出する(旋回方向の新目標算出部106)。
車輪角速度制御器112は、新接線速度算出部108で算出された制御指令値(新接線速度)と、目標角度算出部106で算出された制御指令値(目標角速度φ’)を合成して、各モータ22,24に分配することで、各モータ22,24(各車輪12,14)の目標角速度を算出する。そして、算出された目標角速度とエンコーダ22a,24aで検出される目標角速度との偏差が0となるようにモータ22,24を駆動する。
The control device 88 inputs the target tangential speed calculated by the
Next, a new tangential velocity is calculated by integrating the new tangential acceleration calculated by the inversion control controller 110 (new tangential velocity calculation unit 108). A ratio (new tangential speed / target tangential speed) between the calculated new tangential speed and the target tangential speed calculated by the
Next, the target angular velocity calculated by the
The wheel
次に、上述のように構成される制御装置88によって行われる処理について説明する。図11は制御装置88の処理手順を示すフローチャートである。
図11に示すように、制御装置88は、まず、制御装置88が起動されてからの時間t(すなわち、制御開始時からの経過時間)を読み込む(S42)。次に、位置・姿勢センサ86の出力を読み込む(S43)。また、ジャイロセンサ28の出力、エンコーダ22a,24aの出力を読み込む(S44)。
次に、目標軌道から目標接線速度を算出し、この目標接線速度から目標姿勢(φ)を算出する(S46)。そして、位置・姿勢センサ86の出力と目標軌道から、各偏差(Δx,Δy,Δφ)を算出する(S48)。次いで、ステップS48で算出した偏差を用いて、軌道トラッキングコントローラ110が移動体の目標接線速度と目標角速度(旋回方向の目標角速度)を算出する(S50)。ステップS50で目標接線速度が算出されると、その目標接線速度を積分して目標経路長が算出される(S52)。次に、ステップS44で検出された検出結果と、ステップS50で算出された目標接線速度と、ステップS52で算出された目標経路長とを用いて、倒立制御用の新接線加速度を算出する(S54)。
ステップS52で算出された新接線加速度は積分されて新接線速度が算出される(S56)。次に、ステップS50で算出した目標接線速度とステップS56で算出した新接線速度の速度比(新接線速度/目標接線速度)を算出し(S58)、この速度比(新目標接線速度/目標接線速度)をステップS50で算出された目標角速度に掛け、旋回方向の目標角速度を修正する(S60)。
次に、ステップS56で算出した新接線速度と、ステップS60で算出した目標角速度φ’を合成し、その合成したものを各モータ12,14に分配し、各モータ12,14の目標角速度を算出する(S62)。
次いで、ステップS62で算出された目標加速度とエンコーダ22a,24aで測定された車輪回転速度の偏差が0となるように、モータ22,24を制御する(S64)。これによって、各車輪12,14が駆動されることとなる。ステップS64が終わるとステップ42に戻り、次の制御タイミングにおける処理が開始される。
Next, processing performed by the control device 88 configured as described above will be described. FIG. 11 is a flowchart showing the processing procedure of the control device 88.
As shown in FIG. 11, the control device 88 first reads a time t (that is, an elapsed time from the start of control) after the control device 88 is activated (S42). Next, the output of the position /
Next, a target tangential speed is calculated from the target trajectory, and a target posture (φ) is calculated from the target tangential speed (S46). Then, each deviation (Δx, Δy, Δφ) is calculated from the output of the position /
The new tangential acceleration calculated in step S52 is integrated to calculate a new tangential velocity (S56). Next, a speed ratio (new tangential speed / target tangential speed) between the target tangential speed calculated in step S50 and the new tangential speed calculated in step S56 is calculated (S58), and this speed ratio (new target tangential speed / target tangent). (Speed) is multiplied by the target angular velocity calculated in step S50 to correct the target angular velocity in the turning direction (S60).
Next, the new tangential velocity calculated in step S56 and the target angular velocity φ ′ calculated in step S60 are combined, and the combined result is distributed to the
Next, the
上述した説明から明らかなように、第3実施例の移動体では、位置・姿勢センサ86の検出結果を用いて移動体が目標経路上を移動するよう制御する。また、旋回方向の目標角速度は、進行方向の速度応答性の遅れを考慮して修正されている。これらによって、移動体は目標経路上を精度良く走行することができる。
As is apparent from the above description, the moving body of the third embodiment is controlled so that the moving body moves on the target route using the detection result of the position /
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:移動体
12、14:車輪
16:車軸
20:車体
22、24:モータ
22a、24a:エンコーダ
28:ジャイロセンサ
30,60,88:制御装置
10: moving
Claims (6)
移動体の目標位置を時間の関数で表した目標軌道を用いて、車体が倒立を維持しつつ移動体の進行方向の位置を制御するための第1制御指令値を算出する手段と、
前記目標軌道と実測又は推定される移動体の進行方向の位置に関する情報とを用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出する手段と、
第1制御指令値と第2制御指令値に基づいて車輪を駆動する手段と、を備えている倒立振子型移動体。 An inverted pendulum type moving body that includes a wheel and a vehicle body supported by the wheel, and that runs on the road surface while rotating the wheel to maintain the vehicle body in an inverted state,
Means for calculating a first control command value for controlling the position of the moving body in the traveling direction while maintaining the vehicle body inversion using the target trajectory representing the target position of the moving body as a function of time;
Means for calculating a second control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body using the target trajectory and the information about the position in the traveling direction of the moving body that is actually measured or estimated;
An inverted pendulum type moving body comprising: means for driving a wheel based on a first control command value and a second control command value.
第2制御指令値算出手段は、「目標軌道」と「センサの検出結果から得られた移動体の進行方向の位置に関する情報」とから算出される「その測定された進行方向の位置に関する情報に対応した移動体の目標位置」に基づいて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出することを特徴とする請求項2に記載の倒立振子型移動体。 A sensor for measuring information about the position of the moving body in the direction of travel;
The second control command value calculating means calculates “information about the position of the measured traveling direction” calculated from “target trajectory” and “information about the position of the moving body in the traveling direction obtained from the detection result of the sensor”. The inverted pendulum type moving body according to claim 2, wherein a second control command value for controlling an angle in a turning direction of the moving body is calculated based on a "target position of the corresponding moving body".
センサの検出結果と目標軌道から得られる(1)移動体の進行方向の位置偏差と(2)移動体の進行方向に直交する方向の位置偏差と(3)移動体の旋回方向の角度偏差とに基づいて、移動体の進行方向の位置に関する目標値と、移動体の旋回方向の角度に関する目標値を算出するトラッキングコントローラと、をさらに備えており、
第1制御指令値算出手段は、トラッキングコントローラで算出された移動体の進行方向の位置に関する目標値に基づいて第1制御指令値を算出し、
第2制御指令値算出手段は、トラッキングコントローラで算出された移動体の旋回方向の角度に関する目標値と算出された第1制御指令値に基づいて第2制御指令値を算出することを特徴とする請求項2に記載の倒立振子型移動体。 A sensor for measuring the position of the moving body and the angle of the turning direction;
(1) Position deviation in the traveling direction of the moving body, (2) Position deviation in the direction perpendicular to the traveling direction of the moving body, and (3) Angular deviation in the turning direction of the moving body. And a tracking controller that calculates a target value related to the position of the moving body in the traveling direction and a target value related to the angle of the turning direction of the moving body,
The first control command value calculating means calculates a first control command value based on a target value related to the position of the moving body in the traveling direction calculated by the tracking controller,
The second control command value calculating means calculates the second control command value based on the target value calculated in the turning direction of the moving body calculated by the tracking controller and the calculated first control command value. The inverted pendulum type moving body according to claim 2.
移動体の目標位置を時間の関数で表した目標軌道を用いて、車体が倒立を維持しつつ移動体の進行方向の位置を制御するための第1制御指令値を算出する工程と、
前記目標軌道と実測又は推定される移動体の進行方向の位置に関する情報とを用いて、移動体の旋回方向の角度を制御するための第2制御指令値を算出する工程と、
第1制御指令値と第2制御指令値に基づいて車輪を駆動する工程と、を有しており、
上記各工程を繰返し実行することで移動体を制御することを特徴とする倒立振子型移動体の制御方法。 A wheel, a vehicle body supported by the wheel, a drive device that rotationally drives the wheel, and a control device that controls the drive device are provided, and the vehicle body is maintained in an inverted state by rotationally driving the wheel by the drive device. A method for controlling an inverted pendulum type moving body traveling on a road surface,
Calculating a first control command value for controlling the position of the moving body in the advancing direction while maintaining the vehicle body inverted using a target trajectory representing the target position of the moving body as a function of time;
A step of calculating a second control command value for controlling the angle of the turning direction of the moving body using the target trajectory and the information on the position of the moving body that is actually measured or estimated;
And driving the wheel based on the first control command value and the second control command value,
A control method for an inverted pendulum type moving body, characterized in that the moving body is controlled by repeatedly executing the above steps.
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