JP2011097794A

JP2011097794A - 協調制御装置

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Publication number: JP2011097794A
Application number: JP2009251558A
Authority: JP
Inventors: Xiaolin Zhang; 暁林張
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-31
Filing date: 2009-10-31
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-31
Also published as: WO2011052722A1; US8788094B2; US20120271456A1; JP5528768B2

Abstract

【課題】高度な協調制御が可能な協調制御装置を提供する。
【解決手段】複数の制御対象を協調制御する協調制御装置は、一対の出力制御系と、一対の交差回路と、伝達関数部とを具備する。一対の出力制御系は、それぞれ制御回路部を有する一対の制御対象に対して設けられる。一対の交差回路は、出力制御系の制御回路部の一方の入力側から他方の出力側へ、及び他方の入力側から一方の出力側へ設けられる。伝達関数部は、一対の交差回路にそれぞれ設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は協調制御装置に関し、特に、複数の制御対象を協調制御する協調制御装置に関する。

複数の機能が互いに協調し合って全体として効率が向上するように制御する協調制御が、種々の分野で行われている。例えば眼球の制御システムとして、本願発明者と同一の発明者による特許文献１がある。これは、生物の眼球運動の原理を模倣した共同運動と輻輳運動となるように２つのカメラを制御するシステムである。制御対象である左右のカメラのための左右の制御系の間に、一方から他方へ、他方から一方への交差回路が設けられており、係数ρ_ｒが設けられることで、左右の制御系に対して、同じ制御システムで共同運動と輻輳運動といった異なる運動の協調制御が可能なものとしている。

特開２００６−５０２６７５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術は、両眼運動のようなある程度シンプルな制御については協調制御可能であったが、２腕ロボットアームや車両のタイヤといったより高度な協調制御については行うことが難しかった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高度な協調制御が可能な協調制御装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による協調制御装置は、それぞれ制御回路部を有する、少なくとも一対の制御対象に対する一対の出力制御系と、出力制御系の制御回路部の一方の入力側から他方の出力側へ、及び他方の入力側から一方の出力側への一対の交差回路と、一対の交差回路にそれぞれ設けられる伝達関数部と、を具備するものである。

ここで、制御対象は、車両の少なくとも一対の車輪であれば良い。

また、制御対象は、少なくとも一対のロボットアームであっても良い。

本発明の協調制御装置には、高度な協調制御が可能であるという利点がある。

図１は、本発明の協調制御装置を適用する車両と車輪を説明するための概略上面図である。図２は、本発明の協調制御装置の制御ブロック図である。図３は、図２に示される本発明の協調制御装置を変形した制御系を説明するための制御ブロック図である。図４は、本発明の他の協調制御装置の制御ブロック図である。図５は、図４に示される本発明の協調制御装置を変形した制御系を説明するための制御ブロック図である。図６は、本発明のさらに他の協調制御装置の制御ブロック図である。図７は、図６に示される本発明の協調制御装置を変形した制御系を説明するための制御ブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の協調制御装置を適用する車両と車輪を説明するための概略上面図である。また、図２は、本発明の協調制御装置の制御ブロック図である。同制御ブロック図は、フィードバック協調制御システムである。例えば、車両１は独立車輪駆動車両とする。これは、所謂インホイールモータと呼ばれる車輪１０，１０を用いたものであり、各車輪が独立したモータを有しており、それぞれを制御することで車両１が走行するものである。即ち、制御対象が一対の車輪の場合の例について、以下、説明する。

ここで、図２に示されるように、制御対象の出力、即ち、左右の車輪１０，１０の回転速度をそれぞれω_ｌ（ｓ），ω_ｒ（ｓ）とする。また、車輪１０の伝達関数をＭ（ｓ）とする。また、制御回路部であるシステムの伝達関数をλ（ｓ）とする。そして、目標軌道、即ち、左右の車輪１０，１０の回転速度の目標値をそれぞれｒ_ｌ（ｓ），ｒ_ｒ（ｓ）とする。図示の通り、左右の車輪１０，１０の目標値を入力すると、左右の車輪１０，１０が回転速度ω_ｌ（ｓ），ω_ｒ（ｓ）で回転するという出力制御系であり、それぞれ左右一対の制御回路部λ（ｓ）を有する。

本発明の協調制御装置では、図２に示されるように、このような出力制御系の制御回路部λ（ｓ）の一方の入力側から他方の出力側へ、及び他方の入力側から一方の出力側への一対の交差回路を有している。そして、交差回路には、それぞれ伝達関数部ρ（ｓ）が設けられている。なお、上述の従来技術では、ここが単なる係数となっていた。伝達関数部ρ（ｓ）は、システムの伝達関数である。

共役運動と相対運動の伝達関数は、以下のように求められる。

したがって、図２に示される制御系は、図３に示される制御系に変換できる。即ち、図３は、図２に示される本発明の協調制御装置を変形した制御系を説明するための制御ブロック図である。

図３から分かるように、共役運動の伝達関数と相対運動の伝達関数を任意に設定することができる。具体的には、例えばλ（ｓ）＋ρ（ｓ）＝Ｇ_ｃ(s)，λ（ｓ）−ρ（ｓ）＝Ｇ_ｖ（ｓ）としたい場合、図２のλ（ｓ）,ρ（ｓ）にはそれぞれ以下の式を代入すれば良い。
λ（ｓ）＝（Ｇ_ｃ（ｓ）＋Ｇ_ｖ（ｓ））／２
ρ（ｓ）＝（Ｇ_ｃ（ｓ）−Ｇ_ｖ（ｓ））／２

以下、一例として、λ（ｓ）＋ρ（ｓ）及びλ（ｓ）−ρ（ｓ）を以下の式で表す。
但し、Ｔ_ｃは定数、ｓはラプラス演算子である。
但し、Ｔ_ｖは定数、ｓはラプラス演算子である。
そうすると、数１及び数２は以下の式で表わされる。
ここで、Ｔ_ｃ＜＜Ｔ_ｖとすることによって、車輪の前進方向の回転速度は、目標値に対して迅速に応答するものとなるのに対して、車輪の相対速度、即ち、方向転換のときの左右の車輪の回転速度差については緩慢に応答するものとなる。

数３、数４から、以下の式が導き出せる。

したがって、この数７、数８を、図２の制御ブロックに代入すれば、車輪の前進方向の回転速度は目標値に対して迅速に応答する一方、左右の車輪の回転速度差については緩慢に応答する制御系が実現できる。任意の定数であるＴ_ｃやＴ_ｖは、車両の車種や性能によって決定すれば良い。車両の車種や速度によって、方向転換速度が制御できるようになるため、例えば横転事故等も防止することが可能となる。さらに、このような制御系とすることにより、例えば片方の車輪が故障した場合であっても、相対運動が緩慢であるため、もう片方の車輪の速度と故障側の車輪の速度の差が少なく、車両が急回転するようなことも防止できる。

ここで、車輪の伝達関数Ｍ（ｓ）が不明な場合には、Ｍ（ｓ）のフィードバック制御を行い、Ｔ_ｃやＴ_ｖと比べて十分小さい時定数とすることができる場合には、Ｍ（ｓ）＝１と仮定することが可能である。

なお、上述の図示例では、制御出力を回転速度で表わしたが、本発明はこれに限定されず、例えばトルクであっても原理的に同様の制御ブロックとなる。

また、上述の図示例では、フィードバック制御経路を有するものを示したが、本発明はこれに限定されず、フィードバック制御経路が無いものであっても良い。さらに、フィードバック制御経路だけでなく、フィードフォアード制御経路を有するものであっても良い。

さらに、上述の図示例では、一方の目標値（ｒ_ｌ（ｓ））とシステムの伝達関数（λ（ｓ））との間から、他方のシステムの伝達関数（λ（ｓ））と制御対象の伝達関数（Ｍ（ｓ））の間への交差回路を設けたものを示したが、本発明はこれに限定されず、さらに別の伝達関数を設けたものであっても良い。図４は、本発明の他の協調制御装置の制御ブロック図である。同制御ブロック図は、フィードフォアード協調制御システムである。図中、Ｇ（ｓ）は任意の伝達関数であれば良い。例えば、車両の加速度センサからの信号をフィードフォアード制御で用いれば良い。図中、ｒ_ｌ（ｓ），ｒ_ｒ（ｓ）は、フィードフォアード制御の入力信号であり、例えば加速度センサからの信号であるｒ_ｌ（ｓ），ｒ_ｒ（ｓ）が、Ｇ（ｓ）に入力される。そして、φ_ｌ（ｓ），φ_ｒ（ｓ）が左右の制御信号出力である。

図４に示される制御系も、上述のフィードバック制御ブロック図と同様、図５に示される制御系に変換できる。したがって、これらからλ（ｓ）、ρ（ｓ）を求め、図４に代入することで、フィードフォワードの共役運動と相対運動の制御系が実現できる。

さらに、図６に、本発明のさらに他の協調制御装置の制御ブロック図を示す。同制御ブロック図は、フィードバック制御回路とフィードフォアード制御回路が同時に存在する協調制御システムである。図中、ｒ_ｌ−ｆ（ｓ），ｒ_ｒ−ｆ（ｓ）は、フィードフォアード制御の入力信号であり、ｒ_ｌ−ｂ（ｓ），ｒ_ｒ−ｂ（ｓ）は、フィードバック制御の入力信号である。例えば、車両の車輪の回転速度信号（タコジェネレータからの信号）をフィードバックし、車輪の回転速度の目標値と比較した信号がＧ（ｓ）の入力となる。一方、加速度センサからの信号であるｒ_ｌ−ｆ（ｓ），ｒ_ｒ−ｆ（ｓ）は、直接制御ループに送られるため、フィードフォワード制御となる。また、伝達関数λ_ｆ（ｓ）やρ_ｆ（ｓ）は、任意に設定可能なものである。

図６に示される制御系も、上述のフィードバック制御ブロック図等と同様、図７に示される制御系に変換できる。したがって、これらからλ（ｓ）、ρ（ｓ）、λ_ｆ（ｓ）、ρ_ｆ（ｓ）を求め、図６に代入することで、フィードバック・フィードフォワードの共役運動と相対運動の制御系が実現できる。

例えば、フィードフォワード制御の共役制御信号ｒ_ｌ−ｆ（ｓ）＋ｒ_ｒ−ｆ（ｓ）から共役制御出力信号φ_ｌ（ｓ）＋φ_ｒ（ｓ）への伝達関数は、（λ_ｆ（ｓ）＋ρ_ｆ（ｓ））（λ（ｓ）＋ρ（ｓ））Ｍ（ｓ）となるため、λ_ｆ（ｓ）＋ρ_ｆ（ｓ）を任意に設定することで、フィードフォワードの制御特性を任意に調整することが可能となる。このように、フィードフォワードの制御特性を調整したい場合には、λ_ｆ（ｓ）＋ρ_ｆ（ｓ）を調整すれば良い。また、フィードフォワードとフィードバックの両方の制御特性を調整したい場合には、λ（ｓ）＋ρ（ｓ）を調整すれば良い。

また、上述の図示例では、制御対象の具体例として、車両の前輪の一対の車輪に適用し、車輪の回転速度の制御を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、車輪のトルクの制御を行うようにしても良い。さらに、車両の前後の車輪を制御対象とし、車輪の回転速度やトルクを制御するようにしても良い。

さらに、本発明の協調制御装置は、複数の制御対象を協調制御する場合であれば、あらゆる対象について適用可能である。即ち、一対の出力制御系に対して、共役運動と相対運動が異なる制御アルゴリズムで制御したい場合に有効である。例えば、一対のロボットアームに対しても適用可能である。２椀型ロボットアームの場合、ある物を両腕で掴む動作と、掴んだ物を持ち上げて他のところに移動する動作がある。この場合、両腕で掴む動作が相対運動であり、持ち上げて移動する動作が共役運動となる。

なお、本発明の協調制御装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１車両
１０車輪

Claims

複数の制御対象を協調制御する協調制御装置であって、該協調制御装置は、
それぞれ制御回路部を有する、少なくとも一対の制御対象に対する一対の出力制御系と、
前記出力制御系の制御回路部の一方の入力側から他方の出力側へ、及び他方の入力側から一方の出力側への一対の交差回路と、
前記一対の交差回路にそれぞれ設けられる伝達関数部と、
を具備することを特徴とする協調制御装置。
請求項１に記載の協調制御装置において、前記制御対象は、車両の少なくとも一対の左右又は前後の車輪であることを特徴とする協調制御装置。
請求項２に記載の協調制御装置において、少なくとも一対の車輪の回転速度を協調制御することを特徴とする協調制御装置。
請求項２に記載の協調制御装置において、少なくとも一対の車輪のトルクを協調制御することを特徴とする協調制御装置。
請求項１に記載の協調制御装置において、前記制御対象は、少なくとも一対のロボットアームであることを特徴とする協調制御装置。