JP2012126257A - Inverted mobile object and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an inverted moving body and a control method thereof.
近年、搭乗者を搭乗させた上で倒立状態を維持しながら移動する倒立型移動体が開発されている。このような倒立型移動体としては、搭乗者を搭乗させるプラットフォームと、プラットフォームの倒立状態を維持して移動体を移動させる車輪と、車輪を駆動するモータと、モータへのモータ電流を出力する制御器と、プラットフォームの傾斜角を検出する検出器と、制御器などへ電源供給するバッテリと、を備えたものが良く知られている(例えば特許文献1及び特許文献2)。
In recent years, an inverted moving body has been developed that moves while a passenger is on board while maintaining an inverted state. Such an inverted moving body includes a platform on which a passenger is boarded, a wheel that moves the moving body while maintaining the platform in an inverted state, a motor that drives the wheel, and a control that outputs a motor current to the motor. A device including a detector, a detector for detecting a tilt angle of a platform, and a battery for supplying power to a controller or the like is well known (for example,
図6を参照して、特許文献1に開示された倒立型移動体について簡単に説明する。図6は、特許文献1(段落0066や図11)に示される倒立型移動体の概略構成図である。図に示すように、倒立型移動体201は、プラットフォーム101及び車輪106を備えている。倒立型移動体201は、プラットフォーム101に搭乗者202が搭乗し、車輪106をモータ(不図示)駆動して回転することで、プラットフォーム101の倒立状態を維持して移動する。倒立型移動体201では、プラットフォーム101の傾斜角を搭乗者202が変化させることにより、モータが発生するモータトルクが変化し、検出器(不図示)により検出された傾斜角に応じて求められる方向と速度に従って移動する。
With reference to FIG. 6, the inverted moving body disclosed in
また特許文献2には、台車設置面が傾いた場合や荷重の変動等があった場合においても、安定した倒立制御を可能とする倒立型移動体が開示されている。
上述した従来の倒立型移動体の制御では、プラットフォームと搭乗者とを一体とみなし、プラットフォームの傾きのみに基づいた制御を行うものであった。すなわち、従来の倒立型移動体の制御では、搭乗者の姿勢自体を考慮した制御を行っていないものであった。 In the control of the conventional inverted moving body described above, the platform and the passenger are regarded as one body, and the control is performed based only on the inclination of the platform. That is, in the conventional control of the inverted moving body, the control in consideration of the occupant's posture itself is not performed.
しかし、実際には、搭乗者はプラットフォームとは必ずしも一体ではない。このため、プラットフォームの傾きのみに基づいて制御すると、搭乗者の安全の確保が困難となることがある。その一例として、プラットフォームを搭乗者が前傾させた時に搭乗者の重心が後方に位置する場合には、そのプラットフォームの傾きに応じて倒立型移動体が前方に加速し続けてしまい、搭乗者が後方へと引っ張られて安全に搭乗することが困難になるおそれがある。従って、例えばこのような場合おいても搭乗者の安全性を確保するために、安全性の観点から、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。 In practice, however, the passenger is not necessarily integral with the platform. For this reason, if the control is performed only based on the inclination of the platform, it may be difficult to ensure the safety of the passenger. For example, if the center of gravity of the occupant is positioned backward when the occupant tilts the platform forward, the inverted mobile body continues to accelerate forward according to the inclination of the platform, and the occupant It may be difficult to board safely by being pulled backward. Therefore, for example, in order to ensure the safety of the passenger even in such a case, it is strongly demanded that the posture of the passenger can be estimated from the viewpoint of safety.
また、倒立型移動体のように前後揺動する不安定な移動体においては、搭乗者がより快適に搭乗して移動できるように、その乗り心地を向上させることが求められている。すなわち、乗り心地の観点からも、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。 In addition, an unstable moving body that swings back and forth such as an inverted moving body is required to improve the ride quality so that the passenger can ride and move more comfortably. That is, from the viewpoint of riding comfort, it is strongly required to be able to estimate the posture of the passenger.
ところで、搭乗者の姿勢を計測(検出)するためには、ジャイロセンサや加速度センサなどのセンサを搭乗者に配置すればよいとも考えられる。
しかし、このようなセンサを追加すると、コストの増加、搭乗者への取り付けの手間、配線構成の複雑化などを招いてしまう。
By the way, in order to measure (detect) the posture of the passenger, it is considered that a sensor such as a gyro sensor or an acceleration sensor may be disposed on the passenger.
However, adding such a sensor leads to an increase in cost, troublesome installation to the passenger, and a complicated wiring configuration.
従って、本発明は、上述した課題を解決して、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems, enables estimation of the occupant's posture without using a special sensor for measuring the occupant's posture, and realizes good control from the viewpoint of safety and riding comfort. An object of the present invention is to provide an inverted movable body and a control method thereof.
本発明に係る第一の態様の倒立型移動体は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させ断面が円形の回転体と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、を備えるものである。 The inverted mobile body according to the first aspect of the present invention includes a boarding board on which a passenger boards, a rotating body that moves the boarding board and has a circular cross section, an inclination angle of the boarding board with respect to a vertical direction, The rotational angle of the rotating body, the rotational drive torque command of the rotating body, the mass of the rotating body, the radius of the rotating body, the moment of inertia related to the rotating shaft of the rotating body, the mass of the passenger, A passenger posture estimator that estimates a passenger posture with respect to a vertical direction of the passenger as a passenger posture estimated value based on a distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger; A controller that controls rotational driving of the rotating body based on an inclination angle with respect to a direction, an estimated passenger posture estimated by the passenger attitude estimating device, and a rotational angle of the rotating body. It is.
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。 Accordingly, the posture of the passenger can be estimated without using a special sensor for measuring the posture of the passenger, and good control can be realized from the viewpoint of safety and riding comfort.
また、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する後方転倒条件判定器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うようにしてもよい。これにより、搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定することができ、後方転倒条件を満足する場合において、搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うことが可能となる。 Further, based on the estimated passenger posture estimated by the passenger posture estimator and the rotation angle of the rotating body, it is determined whether or not a condition that the passenger is highly likely to fall backward is satisfied. And the controller, when the controller determines that the passenger is highly likely to fall backward, the controller determines that the passenger falls. The control may be performed so as to avoid the backward fall of the vehicle. Thereby, it is possible to determine whether or not the condition that the passenger is likely to fall backward is satisfied, and when the backward fall condition is satisfied, control is performed so as to avoid the passenger falling backward. Is possible.
さらにまた、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢の時間微分値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する後方転倒回避トルク指令演算器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うようにしてもよい。これにより、後方転倒回避トルク指令を演算することができ、後方転倒条件を満足する場合において、後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うことが可能となる。 Furthermore, the inclination angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the rotation angle of the rotating body, the passenger posture estimated value estimated by the passenger posture estimator, the time differential value of the passenger posture, and the rotation Based on the mass of the body, the radius of the rotating body, the moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, the mass of the occupant, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant, It further includes a backward fall avoidance torque command calculator for calculating a backward fall avoidance torque command, and the controller determines that the rear fall condition determination unit satisfies a condition that the passenger is likely to fall backward In such a case, control based on the backward fall avoidance torque command calculated by the backward fall avoidance torque command calculator may be performed. As a result, it is possible to calculate the backward fall avoidance torque command, and when the reverse fall condition is satisfied, it is possible to perform control based on the backward fall avoidance torque command.
また、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者姿勢の時間微分値を搭乗者姿勢時間微分推定値として推定する搭乗者姿勢時間微分推定器を更に備え、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。これにより、搭乗者姿勢時間微分を推定することができ、これに基づいて後方転倒回避トルク指令を演算することが可能となる。 Further, an inclination angle of the boarding base with respect to a vertical direction, a rotation angle of the rotating body, a passenger posture estimated value estimated by the passenger posture estimator, a mass of the rotating body, and a radius of the rotating body, The time differential value of the passenger posture is calculated based on the moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, the mass of the passenger, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger. A passenger posture time differential estimator for estimating the posture time differential estimated value is further provided, and the backward fall avoidance torque command computing unit includes an inclination angle with respect to a vertical direction of the boarding platform, a rotation angle of the rotating body, and the boarding A passenger posture estimated value estimated by a passenger posture estimator, a passenger posture time differential estimated value estimated by the passenger posture time differential estimator, a mass of the rotating body, a radius of the rotating body, and the rotation Inertia mode related to the rotation axis of the body Instruments and the mass of the occupant, the distance between the center of gravity of the passenger stand and the passenger, based on, may be calculated backward tipping avoidance torque command. Thereby, the passenger posture time derivative can be estimated, and based on this, it is possible to calculate a backward fall avoidance torque command.
さらにまた、前記搭乗者姿勢推定器は、θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ2:前記回転体の回転角度、r:前記回転体の半径、lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、m1:前記搭乗者の質量、m2:前記回転体の質量、J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Tm:前記回転体の回転駆動トルク指令、θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式(31)を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定するようにしてもよい。
θ 2 : rotation angle of the rotator, r: radius of the rotator, l c : distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant, m 1 : mass of the occupant, m 2 : rotation of the occupant The following equation (31) is used as the body mass, J 2 : moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, T m : rotational drive torque command of the rotating body, θ 3 ^: the estimated occupant posture value. Thus, the estimated occupant posture value may be estimated.
また、前記後方転倒条件判定器は、θ2:前記回転体の回転角度、θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式(32)を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定するようにしてもよい。
さらにまた、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ2:前記回転体の回転角度、θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、θ3^(・)、θ3^(・・):前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、r:前記回転体の半径、lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、m1:前記搭乗者の質量、m2:前記回転体の質量、J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Tmp:前記後方転倒回避トルク指令、として、以下の式(34)を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。
また、前記搭乗者姿勢時間微分推定器は、θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ2:前記回転体の回転角度、θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、r:前記回転体の半径、lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、m1:前記搭乗者の質量、m2:前記回転体の質量、J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Tmp:前記後方転倒回避トルク指令、θ3^(・)、θ3^(・・):前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、以下の式(33)を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定するようにしてもよい。
さらにまた、前記回転体が、対向する2つの車輪であるようにしてもよい。 Furthermore, you may make it the said rotary body be two wheels which oppose.
本発明に係る第二の態様の倒立型移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、を有するものである。 An inverted moving body control method according to a second aspect of the present invention is a method for controlling an inverted moving body comprising: a boarding board on which a rider rides; and a rotating body having a circular cross section for moving the boarding board. The tilt angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the rotation angle of the rotating body, the rotational drive torque command of the rotating body, the mass of the rotating body, the radius of the rotating body, and the rotating body Based on the moment of inertia relating to the rotation axis of the vehicle, the mass of the passenger, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger, Based on the passenger posture estimation step to estimate as a value, the inclination angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the passenger posture estimation value estimated by the passenger posture estimator, and the rotation angle of the rotating body, Control the rotational drive of the rotating body And your step, and has a.
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。 Accordingly, the posture of the passenger can be estimated without using a special sensor for measuring the posture of the passenger, and good control can be realized from the viewpoint of safety and riding comfort.
本発明によれば、特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an inverted moving body and a control method thereof that can estimate the posture of the occupant without using a special sensor and can realize good control.
実施の形態1.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, in the description in the text, the symbols described before are used as necessary.
図2は、本発明の実施の形態1に係る倒立型移動体の側面図を示す。
図に示すように、倒立型移動体201は、搭乗者202が搭乗するプラットフォーム101と、プラットフォーム101を移動させる一対の車輪106と、を備えている。倒立型移動体201は、搭乗者202がプラットフォーム101に搭乗して移動する。なお、以下では、搭乗者202及びプラットフォーム101を合わせて負荷体と称する場合がある。
FIG. 2 shows a side view of the inverted moving body according to the first embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the inverted moving
図2において、一対の車輪106は同軸上に配置されており、各車輪106は、一対の車輪106をそれぞれ独立に駆動するモータ104(後述する図1に示す。)と、減速機105(図1に示す。)と、を介して連結されている。
In FIG. 2, a pair of
また、倒立型移動体201は、プラットフォーム傾斜角検出器102(図1に示す。)と、車輪角度検出器107(図1に示す。)と、制御装置100(図1に示す。)と、を備えている。
The inverted moving
プラットフォーム傾斜角検出器102は、プラットフォーム101が車軸と回転可能に連結する部分に設置されている。車輪角度検出器107は、車軸に設置されている。詳細は後述するが、制御装置100の制御器103(図1に示す。)は、プラットフォーム傾斜角検出器102からのプラットフォーム傾斜角検出値と、車輪角度検出器107からの車輪角度検出値と、を用いて、倒立型移動体201の倒立状態を維持しながら走行させるように、モータ104の回転を制御する。
The platform
ここで、図2に示す各記号の定義を説明する。
θ1:プラットフォーム傾斜角(プラットフォーム101の法線が鉛直方向と時計回りになす角度)
θ2:車輪角度(鉛直方向と時計回りになす車輪106の回転角度)
θ3:搭乗者姿勢(搭乗者202の重心を通る体の中心線が、鉛直方向と時計回りになす角度)
r:車輪半径
lc:プラットフォーム搭乗者重心間距離(プラットフォーム101と、搭乗者202の重心との間の距離であって、より詳細には、搭乗者202の体の中心線とプラットフォーム101の交点と、搭乗者202の重心と、の間の距離)
Here, the definition of each symbol shown in FIG. 2 will be described.
θ 1 : Platform tilt angle (angle formed by the normal of
θ 2 : Wheel angle (rotation angle of the
θ 3 : Passenger posture (the angle that the center line of the body passing through the center of gravity of the passenger 202 makes clockwise with the vertical direction)
r: wheel radius l c : distance between the platform occupant center of gravity (the distance between the
なお、図2では図示は省略するが、倒立型移動体201は、プラットフォーム101が設けられる移動体本体を備えるものとしてもよい。また、一対の車輪106は、移動体本体に対して一体的に固定された車軸に対して各々独立して回転可能としてもよい。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted in FIG. 2, the inverted
次に、図1を参照して、図2に示した倒立型移動体の制御装置の構成を説明する。
図1は、本実施の形態に係る倒立型移動体の制御装置の機能ブロック図である。
図に示すように、制御装置100は、制御器103と、搭乗者姿勢推定器108と、後方転倒条件判定器109と、搭乗者姿勢時間微分推定器110と、後方転倒回避トルク指令演算器111と、を備えている。なお、プラットフォーム101と、プラットフォーム傾斜角検出器102と、モータ104と、減速機105と、車輪106と、車輪角度検出器107と、については図2を参照して既に説明したため、以下では、その詳細な説明を省略する。
Next, with reference to FIG. 1, the structure of the control apparatus of the inverted moving body shown in FIG. 2 will be described.
FIG. 1 is a functional block diagram of the control device for an inverted moving body according to the present embodiment.
As shown in the figure, the
搭乗者姿勢推定器108は、プラットフォーム傾斜角検出器102からのプラットフォーム傾斜角検出値θ1(以下では、図2で説明したプラットフォーム傾斜角と同じ記号を用いて簡単に説明する。)と、車輪角度検出器107からの車輪角度検出値θ2(以下では、図2で説明した車輪角度と同じ記号を用いて簡単に説明する。)と、制御器103からのモータトルク指令Tmと、が入力され、搭乗者姿勢θ3を推定し、搭乗者姿勢推定値θ3^として出力する(以下、記号ハット「^」は、推定値であることを示す。)。なお、搭乗者姿勢推定器108による搭乗者姿勢推定の原理の詳細については後述する。
The
後方転倒条件判定器109は、車輪角度検出値θ2と、搭乗者姿勢推定値θ3^と、が入力され、搭乗者202が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定し、後方転倒条件判定結果を出力する。なお、搭乗者202が後方転倒する可能性が高い条件の詳細については、後述する。
The rearward fall
搭乗者姿勢時間微分推定器110は、プラットフォーム傾斜角検出値θ1と、車輪角度検出値θ2と、搭乗者姿勢推定値θ3^と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、搭乗者姿勢時間微分を推定して、搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))として出力する(以下、記号ドット「・」は、時間微分を示す。「(・)」は1階時間微分を、「(・・)」は2階時間微分をそれぞれ示す。)。なお、後方転倒条件が満たされていない場合には、搭乗者姿勢時間微分推定器110は、何も実行しない。搭乗者姿勢時間微分推定器110による搭乗者姿勢時間微分推定の原理の詳細については後述する。
The passenger attitude time
後方転倒回避トルク指令演算器111は、プラットフォーム傾斜角検出値θ1と、車輪角度検出値θ2と、搭乗者姿勢推定値θ3^と、搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、後方転倒回避トルク指令Tmpを演算して出力する。後方転倒回避トルク指令演算器111は、後方転倒条件が満たされていない場合には、何も実行しない。後方転倒回避トルク指令演算器111による後方転倒回避トルク指令演算の原理の詳細については後述する。
The backward tipping avoidance
なお、後方転倒回避トルク指令Tmpは、搭乗者202の後方転倒回避動作を倒立型移動体201に実行させる際に必要とする、モータトルクTmの目標値となる。また、モータトルクTmは、減速機105により減速した後、車輪106の車軸に伝達されるトルクである(Tmは、モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、以下では、モータトルクとモータトルク指令は、共に同じ記号Tmを用いて簡単に説明する。)。
Incidentally, a backward fall avoid torque command T mp is required when executing a backward tipping avoidance operation of the rider 202 in the inverted
制御器103は、プラットフォーム傾斜角検出値θ1と、車輪角度検出値θ2と、後方転倒条件判定結果と、後方転倒回避トルク指令Tmpと、が入力され、モータトルク指令Tmを算出し、モータ104に対してモータ電流を出力する。制御器103は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクTmが後方転倒回避トルク指令Tmpに追従するように、モータ電流を出力する。制御器103は、後方転倒条件が満たされていない場合には、倒立型移動体201と搭乗者202の両方の倒立状態を維持するように、プラットフォーム傾斜角検出値θ1に応じたモータトルク指令Tmを算出して、モータ電流を出力する。
The
なお、制御器103は、後方転倒条件が満たされている場合には、通常の倒立制御(プラットフォーム101の傾斜角のみを考慮する制御)から、搭乗者202の後方転倒を回避することを目的とした、搭乗者202の姿勢を重視した制御に切り替えるため、後方転倒回避のための制御を実行した結果、プラットフォーム101が地面と接触することも考えられる。
The
例えば、プラットフォーム101が前方に傾いており、かつ、搭乗者202が後に倒れている状況において後方転倒条件が満たされた場合には、制御器103が搭乗者202の姿勢を重視して制御した結果、前方の地面に接地するほどプラットフォーム101が前方に傾くことがある。ここで、仮にプラットフォーム101が地面に接地したとしても、プラットフォーム101の前方へのそれ以上の回転は停止し、搭乗者202が前方へと進む速度も0となる。この結果、搭乗者202の姿勢は上に向いた状態となるため、搭乗者202は、プラットフォーム101から安全かつ容易に降車することができる。すなわち、後方転倒回避のための制御を実行した結果、仮にプラットフォーム101が地面と接触したとしても、搭乗者202は、倒立型移動体201から安全かつ容易に降車することができる。
For example, in a situation where the
なお、制御装置100は、電気・電子・プログラマブル電子制御系として実現されている。例えば、制御装置100は、演算処理等を行うCPU(Central Processing Unit)、CPUによって実行される演算プログラム等が記憶されたROM(Read Only Memory)、処理データ等を一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアにより、制御装置100の各器を実現してもよい。
The
続いて以下では、上述した搭乗者姿勢推定器108などの具体的な動作原理を導出し、その詳細を説明する。
まず、上述した図2を参照しながら、倒立型移動体201と搭乗者202についての運動方程式を導出する。倒立型移動体201及び搭乗者202の運動エネルギーKと、ポテンシャルエネルギーUとは、以下の式(1)及び式(2)を用いてそれぞれ表される。
Subsequently, a specific operation principle of the above-described
First, an equation of motion for the inverted
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
m1:搭乗者質量
m2:車輪質量
J1:搭乗者202とプラットフォーム101とを合わせた負荷体についての車軸に関する慣性モーメント(以下、「車軸に関する負荷体慣性モーメント」と称する。)
J2:車輪106の車軸に関する慣性モーメント(以下、「車軸に関する車輪慣性モーメント」と称する。)
x1:搭乗者202の重心の水平位置(以下、「搭乗者重心水平位置」と称する。)
y1:搭乗者202の重心の垂直位置(以下、「搭乗者重心垂直位置」と称する。)
x2:車輪106の水平位置(以下、「車輪水平位置」と称する。)
Here, each symbol in the above formula is defined as follows.
m 1 : Passenger mass m 2 : Wheel mass J 1 : Moment of inertia related to the axle of the load body including the passenger 202 and the platform 101 (hereinafter referred to as “load body inertia moment related to the axle”)
J 2 : Moment of inertia related to the axle of the wheel 106 (hereinafter referred to as “wheel inertia of the wheel related to the axle”)
x 1 : Horizontal position of the center of gravity of the passenger 202 (hereinafter referred to as “passenger center of gravity horizontal position”)
y 1 : Vertical position of the center of gravity of the passenger 202 (hereinafter referred to as “passenger center of gravity vertical position”)
x 2 : Horizontal position of the wheel 106 (hereinafter referred to as “wheel horizontal position”)
図2に示したように、搭乗者重心水平位置x1、搭乗者重心垂直位置y1、車輪水平位置x2は、以下の式(3)、式(4)、式(5)を用いてそれぞれ表される。 As shown in FIG. 2, the occupant center of gravity horizontal position x 1 , the occupant center of gravity vertical position y 1 , and the wheel horizontal position x 2 are expressed using the following expressions (3), (4), and (5). Each is represented.
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
J10:搭乗者202の重心に関する負荷体の慣性モーメント
l:車軸と搭乗者202の重心との間の距離
Here, each symbol in the above formula is defined as follows.
J 10 : Moment of inertia of load body with respect to the center of gravity of the passenger 202 l: Distance between the axle and the center of gravity of the passenger 202
上述した式(3)から式(6)を、式(1)及び式(2)に代入することで、以下の式(7)及び式(8)をそれぞれ得る。 By substituting Equation (3) to Equation (6) described above into Equation (1) and Equation (2), the following Equation (7) and Equation (8) are obtained, respectively.
倒立型移動体201及び搭乗者202の運動方程式は、ラグランジアンL=K−Uを用いて、以下の式(9)から式(11)を用いて表される。なお、dは、外乱トルクを示す。
The equations of motion of the inverted
上述した式(7)及び式(8)を、式(9)から式(11)に代入することで、以下の式(12)から式(14)に示す運動方程式をそれぞれ得る。 By substituting Equation (7) and Equation (8) described above into Equation (9) to Equation (11), the following equations of motion (12) to Equation (14) are obtained.
次に、搭乗者姿勢推定器108の動作原理について説明する。以下、上述した運動方程式から、搭乗者姿勢推定のために用いる式を導出する。
まず、上述した運動方程式のうち式(13)を、以下の式(15)に示すように書き換える。
First, the equation (13) in the above equation of motion is rewritten as shown in the following equation (15).
搭乗者202が倒立型移動体201に搭乗してその動作を開始する際には、プラットフォーム傾斜角θ1、車輪角度θ2、搭乗者姿勢θ3、及びそれぞれの時間微分値を、全て0[rad]であると想定することができる。この想定において、上述した式(15)を2階時間積分することで、以下の式(16)を得る。
When the occupant 202 gets on the inverted
この式(16)を搭乗者姿勢θ3について解くことで、以下の式(17)を得る。 By solving for passenger posture theta 3 The equation (16), to obtain the following equation (17).
搭乗者姿勢θ3についての式(16)から、搭乗者姿勢推定値θ3^について以下の式(18)を得る。これにより、搭乗者姿勢推定器108は、式(18)を用いて、搭乗者姿勢推定値θ3^を算出する。
From equation (16) for the passenger posture theta 3, obtain the following equation (18) for occupant posture estimation value theta 3 ^. Thereby, the
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
Tm:モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、モータトルクとトルク指令は、共に同じ記号Tmを用いて簡単に説明する。
Here, each symbol in the above formula is defined as follows.
T m : represents a torque command that is a target value of the motor torque, and both the motor torque and the torque command will be briefly described using the same symbol T m .
従って、搭乗者姿勢推定器108は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ1と、車輪角度θ2と、モータトルク指令Tmと、に基づいて、搭乗者姿勢推定値θ3^を式(18)により算出することができる。なお、入力されるTmは、制御器102で算出された1制御周期前のトルク指令値(Tm又はTmp)を示す。
Therefore, the
次に、後方転倒条件判定器109の動作原理について説明する。
搭乗者202の姿勢と車輪角度との関係において、搭乗者202が後方転倒する可能性が高い条件は、以下の式(19)を用いて表すことができる。
Next, the operation principle of the backward fall
In the relationship between the posture of the occupant 202 and the wheel angle, the condition that the occupant 202 is likely to fall backward can be expressed using the following equation (19).
式(19)では、搭乗者姿勢θ3が負であり、かつ、車輪角度θ2の加速度が正である状態(すなわち、搭乗者202の重心が後方にあり、かつ、倒立型移動体201が前方に加速している状態)を示している。このような状況では、車輪の加速度が前向きであることから搭乗者202は相対的に後方へと引っ張られてしまうため、後方転倒の可能性が高いと考えられるからである。
In the equation (19), the passenger posture θ 3 is negative and the acceleration at the wheel angle θ 2 is positive (that is, the center of gravity of the passenger 202 is rearward and the inverted moving
従って、後方転倒条件判定器109は、入力される搭乗者姿勢推定値θ3^及び車輪角度θ2の加速度に基づいて、後方転倒条件を満足するか否かを以下の式(20)により判定することができる。後方転倒条件判定器109は、後方転倒条件を満足するか否かを示す信号を、後方転倒条件判定結果として出力する。
Therefore, the backward tipping
次に、搭乗者姿勢時間微分推定器110の動作原理について説明する。
まず、上述した運動方程式のうち式(14)を、以下の式(21)に示すように書き換える。
Next, the operation principle of the passenger attitude time
First, the equation (14) in the above equation of motion is rewritten as shown in the following equation (21).
この式(21)に対する推定器を、以下の式(22)により実現する。 An estimator for this equation (21) is realized by the following equation (22).
s:搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜
c:搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜が0に収束する速さ
M:推定器パラメータ
sgn(・):シグナム関数
s: Passenger posture estimation error θ 3 ~
c: Speed at which the passenger posture estimation error θ 3 ˜ converges to 0 M: Estimator parameter sgn (•): Signum function
この式(22)を上述した式(21)から減算することで、以下の式(23)に示す推定誤差方程式を得る。 By subtracting this equation (22) from the above equation (21), an estimation error equation shown in the following equation (23) is obtained.
この式(23)において、搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜のダイナミクスを表すパラメータsを0に収束させると、搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜はexp(−c・t)の速さで0に収束する。すなわち、搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜は、exp(−c・t)の速さで搭乗者姿勢θ3に収束する。 In this formula (23), when converging the parameter s representing the occupant posture estimation error theta 3 dynamics ~ 0, ~ occupant posture estimation error theta 3 to 0 at a rate of exp (-c · t) Converge. That is, the occupant posture estimation error θ 3 ˜ converges to the occupant posture θ 3 at a speed of exp (−c · t).
搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜のダイナミクスを表すパラメータsを0に収束させるような推定器パラメータMを決定するため、以下の式(24)に示すリアプノフ関数候補Vを導入する。
In order to determine an estimator parameter M that converges the parameter s representing the dynamics of the passenger posture
この式(24)を1階時間微分することで、以下の式(25)を得る。 The following equation (25) is obtained by differentiating this equation (24) by first-order time.
この式(25)により求まる値に関して、推定器パラメータMが、以下の式(26)に示す条件を満足する場合には、全てのsに対して負値をとることが分かる。 It can be seen that the estimator parameter M takes a negative value for all s when the estimator parameter M satisfies the condition shown in the following expression (26) with respect to the value obtained by the expression (25).
従って、式(26)により式(25)が負値をとるため、式(24)のリアプノフ関数候補Vは、正値をとりながら単調減少し、0に収束する。リアプノフ関数候補Vが0に減少すると、搭乗者姿勢推定誤差θ3 〜のダイナミクスを表すパラメータsが0に収束するため、以下に示す式(27)が成立する。 Therefore, since Expression (25) takes a negative value according to Expression (26), the Lyapunov function candidate V of Expression (24) decreases monotonously while taking a positive value and converges to zero. When the Lyapunov function candidate V decreases to 0, the parameter s representing the dynamics of the occupant posture estimation error θ 3 ˜ converges to 0, and the following equation (27) is established.
従って、搭乗者姿勢時間微分推定器110は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ1と、車輪角度θ2と、搭乗者姿勢推定値θ3^と、に基づいて、搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))を、式(22)及び式(26)により算出することができる。搭乗者姿勢時間微分推定器110は、後方転倒条件(式(20))が満たされている場合にのみ搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))を算出し、後方転倒条件(式(20))が満たされていない場合には、何も実行しない。
Therefore, the occupant posture time
なお、搭乗者姿勢時間微分推定器110を用いずに、上述した式(18)により算出した搭乗者姿勢推定値θ3^を直接時間微分することにより、搭乗者姿勢推定値θ3^の時間微分値を算出することも可能である。しかし、このようにして搭乗者姿勢推定値θ3^の時間微分値を算出すると、ノイズを多く含む値が得られることがある。このようなノイズを多く含む値を用いて後方転倒回避のための制御を実施すると、後方転倒を回避する効果が半減する可能性がある。従って、本実施の形態では、搭乗者姿勢時間微分推定器110を用いることで、ノイズをほとんど含まない搭乗者姿勢推定値θ3^の時間微分値を推定可能としている。
Note that without using the passenger posture time
次に、後方転倒回避トルク指令演算器112の動作原理について説明する。
まず、後方転倒条件(式(20))が満たされている場合には、搭乗者姿勢θ3を0[rad]に向けて単調増加させることで、搭乗者202の後方転倒を回避することができる。すなわち、以下の式(28)が成立するようなモータトルクTmによって、倒立型移動体201の動作を制御する。
Next, the principle of operation of the backward tipping avoidance torque command calculator 112 will be described.
First, when a backward fall condition (equation (20)) is satisfied, passenger posture theta 3 to be to monotonously increases toward the 0 [rad], it is possible to avoid a backward fall of the rider 202 it can. That is, the motor torque T m of Equation (28) holds less, and controls the operation of the
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
tp:後方転倒回避トルク指令演算器111が、後方転倒条件判定器109から後方転倒条件(式(20))を満足したという後方転倒条件判定結果を受信した時間
σ:正数であり、搭乗者姿勢θ3が、負の方向から0[rad]に収束する速さ
Here, each symbol in the above formula is defined as follows.
t p : Time when the rearward fall avoidance torque
上述した式(28)と式(13)を用いることで、以下の式(29)を得る。 The following formula (29) is obtained by using the above formula (28) and formula (13).
従って、後方転倒回避トルク指令演算器111は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ1と、車輪角度θ2と、搭乗者姿勢推定値θ3^と、搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令Tmpを以下に示す式(30)により算出することができる。これにより、後方転倒回避トルク指令Tmpに基づく制御を行うことで、搭乗者姿勢θ3を0[rad]に収束させることができ、搭乗者202の転倒を回避することができる。後方転倒回避トルク指令演算器111は、後方転倒条件(式(20))が満たされている場合にのみ後方転倒回避トルク指令Tmpを算出し、後方転倒条件(式(20))が満たされていない場合には、何も実行しない。
Accordingly, the backward tipping avoidance
以上説明した動作原理に従って、搭乗者姿勢推定器108は、式(18)に基づいて搭乗者姿勢推定値θ3^を算出する。後方転倒条件判定器109は、式(20)に基づいて後方転倒条件が満たされているか否かを判定する。搭乗者姿勢時間微分推定器110は、後方転倒条件が満たされている場合、式(22)と式(26)に基づいて搭乗者姿勢時間微分推定値(θ3^(・)、θ3^(・・))を算出する。後方転倒回避トルク指令演算器111は、後方転倒条件が満たされている場合、式(30)に基づいて後方転倒回避トルク指令Tmpを算出する。制御器103は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクTmが後方転倒回避トルク指令Tmpに追従するように、モータ104の回転を制御する。
In accordance with the operation principle described above, the
なお、式(18)などの計算に用いる各種パラメータ(搭乗者質量m1、プラットフォーム搭乗者重心間距離lc、車輪質量m2、車輪半径r、車軸に関する車輪慣性モーメントJ2など)は、それぞれ適当な値が設定される。これらパラメータのうち、搭乗者質量m1及びプラットフォーム搭乗者重心間距離lcについては、ユーザが適当な値を予め設定するものとしてもよいし、搭乗時などに倒立型移動体201が公知の手法により自動で推定・設定するものとしてもよい。
Various parameters (passenger mass m 1 , platform occupant center-to-center distance l c , wheel mass m 2 , wheel radius r, wheel inertia moment J 2 related to the axle, etc.) used in the calculation of equation (18) and the like are respectively An appropriate value is set. Among these parameters, the passenger mass m 1 and the platform occupant center-of-gravity distance l c may be set in advance by the user, or the inverted moving
このようにして、本実施の形態によれば、倒立型移動体201の走行中に搭乗者202の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。そして、搭乗者202の姿勢の推定値に基づいて、後方転倒する可能性が高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合には、搭乗者202が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体201の動作を制御することができる(倒立型移動体201の倒立状態を維持することに比べて、搭乗者202を後方転倒させないことをより重視した制御を実施する)。
In this way, according to the present embodiment, it is possible to estimate the posture of the occupant 202 while the inverted
続いて、以下では、本実施の形態についてのシミュレーション結果を説明する。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
m1=70[kg]、
J10=25.2[kg・m2]、
m2=5[kg]、
J2=0.025[kg・m2]、
lc=0.8[m]、
r=0.1[m]、
g=9.8[m/s2]、
σ=0.2(2π)[rad/s]、
d=0[N・m]、
θ1(0)=π/4[rad]、
θ1 (・)(0)=0[rad/s]、
θ1 (・・)(0)=0[rad/s2]、
θ2(0)=0[rad]、
θ2 (・)(0)=60[rad/s]、
θ2 (・・)(0)=0[rad/s2]、
θ3(0)=−π/4[rad]、
θ3 (・)(0)=0[rad/s]、
θ3 (・・)(0)=0[rad/s2]
Subsequently, a simulation result for the present embodiment will be described below. The numerical values used for the simulation are as follows.
m 1 = 70 [kg],
J 10 = 25.2 [kg · m 2 ],
m 2 = 5 [kg],
J 2 = 0.025 [kg · m 2 ],
l c = 0.8 [m],
r = 0.1 [m],
g = 9.8 [m / s 2 ],
σ = 0.2 (2π) [rad / s],
d = 0 [N · m],
θ 1 (0) = π / 4 [rad],
θ 1 (·) (0) = 0 [rad / s],
θ 1 (··) (0) = 0 [rad / s 2 ],
θ 2 (0) = 0 [rad],
θ 2 (·) (0) = 60 [rad / s],
θ 2 (··) (0) = 0 [rad / s 2 ],
θ 3 (0) = − π / 4 [rad],
θ 3 (•) (0) = 0 [rad / s],
θ 3 (··) (0) = 0 [rad / s 2 ]
ここで、各記号は、以下の通り定義される。
θ1(0):プラットフォーム傾斜角θ1の初期値
θ1 (・)(0):プラットフォーム傾斜角速度θ1 (・)の初期値
θ1 (・・)(0):プラットフォーム傾斜角加速度θ1 (・・)の初期値
θ2(0):車輪角度θ2の初期値
θ2 (・)(0):車輪角速度θ2 (・)の初期値
θ2 (・・)(0):車輪角加速度θ2 (・・)の初期値
θ3(0):搭乗者姿勢θ3の初期値
θ3 (・)(0):搭乗者姿勢θ3の1階時間微分値θ3 (・)の初期値
θ3 (・・)(0):搭乗者姿勢θ3の2階時間微分値θ3 (・・)の初期値
Here, each symbol is defined as follows.
θ 1 (0): Initial value of platform tilt angle θ 1 θ 1 (•) (0): Initial value of platform tilt angular velocity θ 1 (•) θ 1 (•) (0): Platform tilt angular acceleration θ 1 (··) initial value θ 2 (0): initial value of wheel angle θ 2 θ 2 (·) (0): initial value of wheel angular velocity θ 2 (·) θ 2 (··) (0): wheel Initial value of angular acceleration θ 2 (•) θ 3 (0): Initial value of passenger posture θ 3 θ 3 (•) (0): First-order time differential value θ 3 (•) of passenger posture θ 3 Initial value θ 3 (••) (0): Initial value of second-order time derivative θ 3 (••) of passenger posture θ 3
本シミュレーションでは、上述の数値例に対する、搭乗者202の後方転倒を回避する際の数値計算例を示す。本シミュレーションでは、倒立型移動体201が一定速度で前進中に、搭乗者202が後方にバランスを崩した状況を模擬している。なお、この状況では、搭乗者202が後方にバランスを崩した際には、搭乗者202の上体は後向けに仰け反っているが、搭乗者202の足裏はプラットフォーム101から離れずに着いたままであるとする。
This simulation shows an example of numerical calculation when avoiding the passenger 202 from falling backward with respect to the above numerical example. This simulation simulates a situation in which the occupant 202 loses the balance backward while the inverted moving
図3乃至図5は、上述した状況での、本実施の形態にかかるシミュレーション結果を示すグラフである。図3は、プラットフォーム傾斜角(platform angle)と、搭乗者姿勢(passenger posture angel)の時間変化を示すグラフである。図4は、車輪角速度(wheel speed)の時間変化を示すグラフである。図5は、トルク指令(torque reference input)の時間変化を示すグラフである。 3 to 5 are graphs showing the simulation results according to the present embodiment in the above-described situation. FIG. 3 is a graph showing a time change of a platform angle and a passenger posture angel. FIG. 4 is a graph showing a temporal change in wheel angular speed. FIG. 5 is a graph showing a time change of a torque reference (torque reference input).
図3では、本実施の形態にかかる搭乗者姿勢θ3及び搭乗者姿勢推定値θ3^を、実線を用いて示し、プラットフォーム傾斜角θ1を、破線を用いて示している。なお、搭乗者姿勢推定器108が式(18)に基づいて算出した搭乗者姿勢推定値θ3^は、搭乗者姿勢θ3に良く一致するために、搭乗者姿勢θ3に重なって示されている。
In FIG. 3, the occupant posture θ 3 and the occupant posture estimated value θ 3 ^ according to the present embodiment are shown using solid lines, and the platform inclination angle θ 1 is shown using broken lines. Incidentally, the
図3において、上述したように搭乗者202が後方にバランスを崩したタイミングを0[s]とする。このとき、プラットフォーム傾斜角θ1はπ/4[rad]であり、搭乗者姿勢θ3は−π/4[rad]である(すなわち、プラットフォーム101は前傾しているが、搭乗者201の姿勢は後傾している)。そして、この0[s]において、後方転倒条件が満たされたものとする。
In FIG. 3, the timing when the passenger 202 loses the balance backward as described above is 0 [s]. At this time, the platform inclination angle θ 1 is π / 4 [rad], and the occupant posture θ 3 is −π / 4 [rad] (that is, the
従来技術では、図2に例示したプラットフォーム101と搭乗者202とを一つの負荷体と見なして、その負荷体の倒立状態を維持しようとする。しかし、実際にはプラットフォーム101と搭乗者202とは一体ではないために、従来技術によると、プラットフォーム101の倒立状態のみを維持しようとする結果、搭乗者202が後方へと引っ張られて安全な搭乗が困難となるおそれがある(すなわち、図3に示す状況に対して、搭乗者姿勢θ3が、−π/4[rad]から単調減少する。)。
In the prior art, the
これに対して本実施の形態では、搭乗者202の後方転倒を回避するために、搭乗者姿勢推定器108により搭乗者姿勢推定値θ3^(図3において実線で示す。)を推定し、その推定した搭乗者姿勢推定値θ3^に基づいて、搭乗者202が後方にバランスを崩しているか否か(後方転倒条件(式(20))を満足するか否か)を後方転倒条件判定器109により判定し、搭乗者202が後方にバランスを崩している場合には、搭乗者姿勢θ3を0[rad]に収束させるように制御している。
On the other hand, in the present embodiment, in order to avoid the passenger 202 from falling backward, the
本実施の形態では、図3において、車輪角速度θ2の時間変化に伴ってプラットフォーム傾斜角θ1は徐々に減少する。また、搭乗者姿勢θ3が0[rad]に収束すると、搭乗者202は後方にバランスを崩していないものと判定され、プラットフォーム傾斜角θ1のみに基づいた通常の倒立制御を実施する。 In the present embodiment, in FIG. 3, the platform inclination angle θ 1 gradually decreases as the wheel angular velocity θ 2 changes with time. When the passenger posture θ 3 converges to 0 [rad], it is determined that the passenger 202 has not lost the balance backward, and normal inversion control based on only the platform inclination angle θ 1 is performed.
図4に示すように、車輪角速度(wheel speed)は、後方にバランスを崩している搭乗者202に前向きの加速度を加えるために、0[s]から1.5[s]の間には急減減速し、それ以降は、搭乗者姿勢θ3を0[rad]に収束させるように徐々に加速している。すなわち、一旦速度を落とすことで、後向きの搭乗者202に前向きの力を加え、搭乗者202の姿勢がある程度戻ってきた後は、その慣性により搭乗者202の姿勢を戻してやればよいために、以後では、車輪を加速して速度を上げるように制御している。 As shown in FIG. 4, the wheel speed rapidly decreases between 0 [s] and 1.5 [s] in order to apply a forward acceleration to the passenger 202 who is out of balance at the rear. deceleration and, thereafter, it is the passenger posture θ 3 and gradually accelerated so as to converge to 0 [rad]. That is, once the speed is reduced, a forward force is applied to the backward passenger 202, and after the posture of the passenger 202 returns to some extent, the posture of the passenger 202 may be returned by its inertia. After that, it is controlled to increase the speed by accelerating the wheel.
図5では、既に搭乗者202が後方にバランスを崩しているものと判定されているために、後方転倒回避トルク指令Tmpがトルク指令Tmとして算出されている。図5において、後方転倒回避トルク指令Tmpは、後方にバランスを崩している搭乗者202に対して前向きの加速度を加えるために、最初は、比較的大きな値をとる。そして、搭乗者姿勢θ3が0[rad]に近づくにつれて後方転倒回避トルク指令Tmpは徐々に減少してゆき、プラットフォーム101と搭乗者202とを合わせた負荷体の慣性力に応じた値へと収束する。
In Figure 5, since it is determined already occupant 202 is assumed to have unbalanced rearward, the rear tipping avoid torque command T mp is calculated as the torque command T m. In FIG. 5, the backward tipping avoidance torque command Tmp initially takes a relatively large value in order to apply a forward acceleration to the passenger 202 whose balance is lost backward. Then, as the passenger posture θ 3 approaches 0 [rad], the backward fall avoidance torque command Tmp gradually decreases, and reaches a value corresponding to the inertial force of the load body that combines the
以上説明したように、本発明によれば、倒立型移動体201の走行中に搭乗者202の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。従って、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とすることができる。
As described above, according to the present invention, the posture of the occupant 202 can be estimated during the traveling of the inverted moving
安全性の観点からは、例えば、搭乗者202の姿勢の推定値に基づいて後方転倒する可能性の高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合、搭乗者202が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体201の動作を制御する(倒立型移動体201の倒立状態を維持することよりも搭乗者202を後方転倒させないことを重視した制御を実施する)ことができる。
From the viewpoint of safety, for example, when it is determined whether or not a condition that has a high possibility of falling backward is satisfied based on the estimated value of the posture of the passenger 202 and it is determined that the possibility of falling backward is high, The operation of the inverted
また、乗り心地の観点からは、搭乗者202の姿勢を考慮した制御が可能となるため、例えば、搭乗者202の姿勢に応じて倒立型移動体201の移動速度を調整することで、乗り物酔い等を抑制して搭乗者の乗り心地を向上させることができる。
In addition, from the viewpoint of ride comfort, it is possible to control in consideration of the posture of the passenger 202. For example, by adjusting the moving speed of the inverted moving
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述した実施の形態1においては、倒立型移動体201の備える回転体が、1対の対向する車輪106である場合を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、回転体を、1又は3輪以上の車輪により構成するものとしてもよいし、1又は複数の球形状の駆動輪を用いてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in
また、搭乗者202が搭乗するプラットフォーム101の形状についても限定されず、搭乗者202が搭乗可能な任意の形状を採用することができる。なお、本発明は、倒立型移動体201に搭乗者202が把持可能なハンドルを備えているか否かに関わらず適用可能であるが、ハンドルを備えていない倒立型移動体201のほうが、プラットフォーム101と搭乗者202とを確実に一体として扱うことができないために、本発明による効果をより強く発揮することができる。
Further, the shape of the
さらにまた、上述した実施の形態1においては、後方転倒する可能性が高いか否かを判定して、後方転倒を回避するための倒立型移動体201の動作制御を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、搭乗者202の姿勢の推定値に基づいて、前方転倒する可能性が高いか否かを判定して、前方転倒を回避するための倒立型移動体201の動作制御を行うことも可能である。
Furthermore, in the above-described first embodiment, the operation control of the inverted
101 プラットフォーム、
102 プラットフォーム傾斜角検出器、
103 制御器、
104 モータ、
105 減速機、
106 車輪、
107 車輪角度検出器、
108 搭乗者姿勢推定器、
109 後方転倒条件判定器、
110 搭乗者姿勢時間微分推定器、
111 後方転倒回避トルク指令演算器、
201 倒立型移動体、
202 搭乗者、
101 platform,
102 platform tilt angle detector,
103 controller,
104 motor,
105 reducer,
106 wheels,
107 wheel angle detector,
108 Passenger attitude estimator,
109 backward fall condition determiner,
110 Passenger attitude time differential estimator,
111 Back fall avoidance torque command calculator,
201 inverted mobile,
202 passenger,
Claims (10)
前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、
を備える倒立型移動体。 A boarding area on which the passengers board;
A rotating body having a circular cross section for moving the boarding board;
The tilt angle with respect to the vertical direction of the boarding board, the rotation angle of the rotating body, the rotational drive torque command of the rotating body, the mass of the rotating body, the radius of the rotating body, and the rotation axis of the rotating body Based on the moment of inertia, the mass of the occupant, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant, the occupant attitude with respect to the vertical direction of the occupant is estimated as an estimated occupant attitude value. A passenger attitude estimator;
A controller that controls the rotational drive of the rotating body based on the inclination angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the estimated passenger posture estimated by the passenger attitude estimator, and the rotational angle of the rotating body. When,
Inverted mobile body with
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の倒立型移動体。 Back to determine whether or not the passenger is likely to fall backward based on the estimated passenger posture estimated by the passenger posture estimator and the rotation angle of the rotating body Further comprising a fall condition judging device,
The controller is
When it is determined that the condition that the passenger is likely to fall backward is satisfied by the backward fall condition determiner, control is performed so as to avoid the passenger from falling backward. The inverted moving body according to claim 1.
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行う
ことを特徴とする請求項2に記載の倒立型移動体。 The tilt angle with respect to the vertical direction of the boarding base, the rotation angle of the rotating body, the passenger posture estimated value estimated by the passenger posture estimator, the time differential value of the passenger posture, and the mass of the rotating body And avoiding a backward fall based on the radius of the rotating body, the moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, the mass of the occupant, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant. A reverse overturn avoidance torque command calculator for calculating a torque command;
The controller is
When it is determined that the condition that the passenger is likely to fall backward is satisfied by the backward fall condition determiner, based on the backward fall avoidance torque command calculated by the backward fall avoidance torque command calculator The inverted moving body according to claim 2, wherein control is performed.
前記後方転倒回避トルク指令演算器は、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する
ことを特徴とする請求項3に記載の倒立型移動体。 An inclination angle with respect to a vertical direction of the boarding base, a rotation angle of the rotating body, a passenger posture estimated value estimated by the passenger posture estimator, a mass of the rotating body, a radius of the rotating body, Based on the moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, the mass of the occupant, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant, the time differential value of the occupant attitude is calculated as the occupant attitude time. Further comprising a passenger attitude time differential estimator for estimating as a differential estimate,
The backward tipping avoidance torque command calculator is
The tilt angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the rotation angle of the rotating body, the passenger posture estimated value estimated by the passenger posture estimator, and the passenger posture time estimated by the passenger posture time differential estimator Between the differential estimated value, the mass of the rotating body, the radius of the rotating body, the moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body, the mass of the occupant, and the center of gravity of the boarding platform and the occupant The inverted moving body according to claim 3, wherein a backward tipping avoidance torque command is calculated based on the distance.
θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ2:前記回転体の回転角度、
r:前記回転体の半径、
lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
m1:前記搭乗者の質量、
m2:前記回転体の質量、
J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Tm:前記回転体の回転駆動トルク指令、
θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式(31)を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定する
θ 1 : angle of inclination of the boarding base with respect to the vertical direction,
θ 2 : rotation angle of the rotating body,
r: radius of the rotating body,
l c : distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger,
m 1 : mass of the passenger,
m 2 : mass of the rotating body,
J 2 : moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body,
T m : rotational drive torque command for the rotating body,
θ 3 ^: As the passenger posture estimation value,
Using the following equation (31), the estimated occupant posture is estimated.
θ2:前記回転体の回転角度、
θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式(32)を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する
θ 2 : rotation angle of the rotating body,
θ 3 ^: As the passenger posture estimation value,
Using the following equation (32), it is determined whether or not the condition that the passenger is likely to fall backward is satisfied.
θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ2:前記回転体の回転角度、
θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、
θ3^(・)、θ3^(・・):前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、
r:前記回転体の半径、
lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
m1:前記搭乗者の質量、
m2:前記回転体の質量、
J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Tmp:前記後方転倒回避トルク指令、として、
以下の式(34)を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算する
θ 1 : angle of inclination of the boarding base with respect to the vertical direction,
θ 2 : rotation angle of the rotating body,
θ 3 ^: the estimated passenger posture value,
θ 3 ^ (•) , θ 3 ^ (••) : Time derivative estimated value of the passenger posture,
r: radius of the rotating body,
l c : distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger,
m 1 : mass of the passenger,
m 2 : mass of the rotating body,
J 2 : moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body,
T mp : As for the backward fall avoidance torque command,
The backward fall avoidance torque command is calculated using the following equation (34).
θ1:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ2:前記回転体の回転角度、
θ3^:前記搭乗者姿勢推定値、
r:前記回転体の半径、
lc:前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
m1:前記搭乗者の質量、
m2:前記回転体の質量、
J2:前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Tmp:前記後方転倒回避トルク指令、
θ3^(・)、θ3^(・・):前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、
以下の式(33)を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定する
θ 1 : angle of inclination of the boarding base with respect to the vertical direction,
θ 2 : rotation angle of the rotating body,
θ 3 ^: the estimated passenger posture value,
r: radius of the rotating body,
l c : distance between the boarding platform and the center of gravity of the passenger,
m 1 : mass of the passenger,
m 2 : mass of the rotating body,
J 2 : moment of inertia related to the rotation axis of the rotating body,
T mp : the backward fall avoidance torque command,
θ 3 ^ (•) , θ 3 ^ (••) : the passenger posture time derivative estimated value,
The passenger posture time differential estimated value is estimated using the following equation (33).
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の倒立型移動体。 The inverted moving body according to any one of claims 1 to 9, wherein the rotating body is two wheels facing each other.
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、
を有する倒立型移動体の制御方法。 A control method for an inverted moving body comprising: a boarding board on which a passenger boards; and a rotating body having a circular cross section for moving the boarding board,
The tilt angle with respect to the vertical direction of the boarding board, the rotation angle of the rotating body, the rotational drive torque command of the rotating body, the mass of the rotating body, the radius of the rotating body, and the rotation axis of the rotating body Based on the moment of inertia, the mass of the occupant, and the distance between the boarding platform and the center of gravity of the occupant, the occupant attitude with respect to the vertical direction of the occupant is estimated as an estimated occupant attitude value. A passenger posture estimation step;
A control step for controlling the rotational drive of the rotating body based on the inclination angle of the boarding base with respect to the vertical direction, the estimated passenger posture estimated by the passenger attitude estimator, and the rotational angle of the rotating body. When,
A method for controlling an inverted mobile object having
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