JP2013086557A - Moving body controller, method of controlling the same, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、搭乗者の走行操作に応じて倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う倒立型移動体の走行を安定的に制御する移動体制御装置、その制御方法及びプログラムに関するものである。 The present invention relates to a moving body control device that stably controls traveling of an inverted moving body that performs a desired traveling while maintaining an inverted state in accordance with a traveling operation of a passenger, a control method thereof, and a program.
倒立状態を維持しつつ、搭乗者が搭乗するプラットホームの傾斜に応じて、所望の走行を行う倒立型移動体が知られている(例えば、特許文献1参照)。 There is known an inverted moving body that performs a desired traveling according to the inclination of a platform on which a passenger rides while maintaining an inverted state (see, for example, Patent Document 1).
ここで、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体は、例えば、凹凸路面を走行する場合に、その凹凸により駆動車輪に外乱トルクが生じるため走行が不安定となる。また、搭乗者によるプラットホームの傾斜操作により、その傾斜操作に応じて駆動車輪には操作トルクが生じている。 Here, for example, when an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state travels on an uneven road surface, disturbance torque is generated on the drive wheels due to the unevenness, and thus traveling becomes unstable. Further, due to the tilting operation of the platform by the occupant, an operating torque is generated in the drive wheel in accordance with the tilting operation.
しかしながら、上記特許文献1に示す倒立型移動体においては、上記路面などからの外乱トルクと走行操作に応じた操作トルクとが組み合わさり不安定性が増す状態があり、そのような状態を、十分に考慮した安定的な制御を行っているとは言えず、安全性の面で問題が生じる虞がある。 However, in the inverted type moving body shown in Patent Document 1, there is a state in which the disturbance torque from the road surface or the like and the operation torque according to the traveling operation are combined to increase instability, and such a state is sufficiently It cannot be said that stable control is taken into consideration, and there is a risk of problems in terms of safety.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、倒立型移動体の安全性を向上させることができる移動体制御装置、その制御方法及びプログラムを提供することを主たる目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and it is a main object of the present invention to provide a mobile control device, a control method thereof, and a program capable of improving the safety of an inverted mobile body. And
上記目的を達成するための本発明の一態様は、倒立状態を維持して所望の走行を行う倒立型移動体を制御する移動体制御装置であって、前記倒立型移動体の状態量を検出する状態検出手段と、前記状態検出手段により検出された状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出する状態推定手段と、前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定手段と、前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出する操作トルク推定手段と、前記外乱トルク推定手段により算出された前記外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された前記操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定する状態判定手段と、を備えることを特徴とする移動体制御装置である。
この一態様において、前記状態判定手段による判定結果と、前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体の状態量と、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、に基づいて前記駆動車輪の駆動トルクを算出し、該算出した駆動トルクに基づいて前記駆動車輪の駆動を制御する制御手段を更に備えていてもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記状態判定手段により前記不安定状態であると判定されたとき、前記駆動車輪の駆動トルクがモーダル座標変換された前記状態量に制御ゲインを乗算した値から前記外乱トルク推定値を減算した値となるように、前記制御を行ってもよい。
この一態様において、前記状態判定手段により前記不安定状態であると判定されたとき、その旨をユーザに対して通知する警告手段を更に備えていてもよい。
この一態様において、前記状態判定手段は、モーダル座標変換された前記状態量と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された操作トルク推定値と、に基づいた値が所定閾値よりも大きいとき、前記不安定状態であると判定してもよい。
この一態様において、前記状態検出手段は、前記駆動車輪の回転情報、及び搭乗者が搭乗するプラットホームの姿勢角度情報のうち少なくとも一方を検出してもよい。
この一態様において、前記状態推定手段は、前記駆動車輪の駆動トルクと、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された操作トルク推定値と、前記状態量から該状態量の推定値を減算しゲインを乗算した演算結果と、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量を算出してもよい。
この一態様において、前記状態推定手段は、前記駆動車輪の角度、搭乗者が搭乗するプラットホームの姿勢角度、及び搭乗者の姿勢角度のうち少なくとも1つを算出してもよい。
この一態様において、前記状態推定手段は、下記(12)式を用いて倒立型移動体及び搭乗者の状態量を推定してもよい。
この一態様において、前記外乱トルク推定手段は、下記(13)式を用いて前記外乱トルク推定値を算出してもよい。
この一態様において、前記操作トルク推定手段は、下記(14)式を用いて前記操作トルク推定値を算出してもよい。
この一態様において、前記状態判定手段は、下記(31)式、(32)式、(40)式及び(41)式のうちいずれか1つが成立したとき、前記不安定状態であると判定してもよい。
この一態様において、前記制御手段は、前記状態判定手段により倒立型移動体が前記不安定状態であると判定されたとき、前記駆動車輪の駆動トルクが下記(35)式で算出されるトルクTmとなるように、前記制御を行ってもよい。
他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、倒立状態を維持して所望の走行を行う倒立型移動体を制御する移動体制御装置の制御方法であって、前記倒立型移動体の状態量を検出するステップと、前記検出された状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出するステップと、前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出するステップと、前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出するステップと、前記算出された外乱トルク推定値と、前記算出された操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定するステップと、を含むことを特徴とする移動体制御装置の制御方法であってもよい。
この一態様において、前記判定結果と、前記検出された倒立型移動体の状態量と、前記算出された外乱トルク推定値と、に基づいて前記駆動車輪の駆動トルクを算出し、該算出した駆動トルクに基づいて前記駆動車輪の駆動を制御するステップを更に含んでいてもよい。
この一態様において、前記不安定状態であると判定されたとき、その旨をユーザに対して通知するステップを更に含んでいてもよい。
さらに、上記目的を達成するための本発明の一態様は、倒立状態を維持して所望の走行を行う倒立型移動体を制御する移動体制御装置のプログラムであって、検出された前記倒立型移動体の状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出する処理と、前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出する処理と、前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出する処理と、前記算出された外乱トルク推定値と、前記算出された操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体制御装置のプログラムであってもよい。
One aspect of the present invention for achieving the above object is a moving body control device that controls an inverted moving body that performs a desired travel while maintaining an inverted state, wherein the state quantity of the inverted moving body is detected. State detecting means, state quantity detected by the state detecting means, disturbance torque estimated value which is an estimated value of torque due to disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and a traveling operation of the passenger At least one of the state quantity of the inverted mobile body and the occupant is calculated based on an operation torque estimated value that is an estimated value of torque generated around the driving wheel and a driving torque that drives the driving wheel. On the basis of at least one of the state quantity of the inverted moving body and the occupant calculated by the state estimating means, and the driving torque for driving the driving wheel, the disturbance torque Disturbance torque estimating means for calculating an estimated value, and operating torque estimation for calculating the operating torque estimated value based on at least one of the state quantity of the inverted moving body and the passenger calculated by the state estimating means The disturbance torque estimated value calculated by the disturbance torque estimating means, the operation torque estimated value calculated by the operation torque estimating means, and the driving torque for driving the driving wheel, And a state determination unit that determines whether or not a combination of disturbance torque and operation torque of the driving wheel is an unstable state that makes the inverted moving body unstable. .
In this one aspect, based on the determination result by the state determination unit, the state quantity of the inverted moving body calculated by the state estimation unit, and the disturbance torque estimation value calculated by the disturbance torque estimation unit Control means for calculating the drive torque of the drive wheel and controlling the drive of the drive wheel based on the calculated drive torque may be further provided.
In this aspect, when the state determination unit determines that the state is the unstable state, the control unit calculates a value obtained by multiplying the state amount obtained by modal coordinate conversion of the driving torque of the driving wheel by a control gain. You may perform the said control so that it may become the value which subtracted the said disturbance torque estimated value.
In this one aspect, when the state determination unit determines that the state is unstable, it may further include a warning unit that notifies the user to that effect.
In this aspect, the state determination means includes the state quantity that has undergone modal coordinate conversion, a drive torque that drives the drive wheel, a disturbance torque estimated value that is calculated by the disturbance torque estimation means, and the operation torque estimation. When the value based on the estimated operation torque calculated by the means is greater than a predetermined threshold value, the unstable state may be determined.
In this aspect, the state detection unit may detect at least one of rotation information of the driving wheel and posture angle information of the platform on which the passenger is boarded.
In this aspect, the state estimating means includes a driving torque of the driving wheel, a disturbance torque estimated value calculated by the disturbance torque estimating means, an operation torque estimated value calculated by the operating torque estimating means, The state quantity of the inverted mobile body and the occupant may be calculated based on a calculation result obtained by subtracting the estimated value of the state quantity from the state quantity and multiplying by the gain.
In this aspect, the state estimation means may calculate at least one of the angle of the driving wheel, the posture angle of the platform on which the passenger is boarded, and the posture angle of the passenger.
In this one aspect, the state estimation means may estimate the state quantity of the inverted mobile body and the occupant using the following equation (12).
In this aspect, the disturbance torque estimating means may calculate the disturbance torque estimated value using the following equation (13).
In this aspect, the operation torque estimating means may calculate the operation torque estimated value using the following equation (14).
In this one aspect, the state determination means determines that the state is unstable when any one of the following expressions (31), (32), (40), and (41) is satisfied. May be.
In this aspect, when the state determining unit determines that the inverted moving body is in the unstable state, the control unit determines that the driving torque of the driving wheel is calculated by the following equation (35). You may perform the said control so that it may be set to m .
On the other hand, one aspect of the present invention for achieving the above object is a control method of a mobile control device that controls an inverted mobile body that performs a desired travel while maintaining an inverted state, wherein the inverted mobile body Detecting the state quantity, the detected state quantity, a disturbance torque estimated value that is an estimated value of the torque due to the disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and the traveling operation of the passenger At least one of the state quantity of the inverted moving body and the passenger is calculated based on an operation torque estimated value that is an estimated value of torque generated around the driving wheel and a driving torque that drives the driving wheel. Calculating the disturbance torque estimated value based on at least one of the calculated inverted moving body and the occupant state quantity and the driving torque for driving the driving wheel; Based on at least one of the calculated inverted moving body and the passenger's state quantity, calculating the operation torque estimated value, the calculated disturbance torque estimated value, and the calculated operation torque estimated Based on the value and the driving torque for driving the driving wheel, it is determined whether or not the combination of disturbance torque and operating torque of the driving wheel is an unstable state that makes the inverted moving body unstable. And a step of controlling the moving body control apparatus.
In this one aspect, the driving torque of the driving wheel is calculated based on the determination result, the detected state quantity of the inverted moving body, and the calculated disturbance torque estimated value, and the calculated driving The method may further include a step of controlling the driving of the driving wheel based on the torque.
This one aspect | mode WHEREIN: When it determines with it being the said unstable state, the step which notifies that to a user may further be included.
Furthermore, one aspect of the present invention for achieving the above object is a program of a moving body control device that controls an inverted moving body that performs a desired travel while maintaining an inverted state, the detected inverted type A state quantity of the moving body, a disturbance torque estimated value that is an estimated value of the torque caused by the disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and an estimated value of the torque generated around the driving wheel according to the traveling operation of the passenger A process for calculating at least one of the state quantity of the inverted mobile body and the passenger based on a certain operation torque estimated value and a drive torque for driving the drive wheel, and the calculated inverted movement A process for calculating the estimated disturbance torque based on at least one of the body and the state quantity of the passenger and the driving torque for driving the driving wheel, and the calculated inverted moving body and the passenger's A process for calculating the operation torque estimated value based on at least one of the attitudes, the calculated disturbance torque estimated value, the calculated operation torque estimated value, and a drive torque for driving the drive wheel And determining whether or not a combination of disturbance torque and operation torque of the driving wheel is an unstable state that makes the inverted moving body unstable, and causing the computer to execute It may be a program of the mobile control device.
本発明によれば、倒立型移動体の安全性を向上させることができる移動体制御装置、その制御方法及びプログラムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the mobile body control apparatus which can improve the safety | security of an inverted mobile body, its control method, and a program can be provided.
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。本発明の一実施の形態に係る移動体制御装置100は、図5に示すような制御対象である倒立型移動体120の走行を安定的に制御する装置である。本実施の形態に係る倒立型移動体120は、搭乗者が搭乗するプラットホーム421と、プラットホーム421の両側に回転可能に設けられた左右一対の駆動車輪410と、一対の駆動車輪410を駆動する一対のモータ121(図1)と、プラットホーム421に揺動可能に設けられ搭乗者が把持し操作を行うハンドル422と、を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A moving body control apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is an apparatus that stably controls the traveling of an inverted moving
倒立型移動体120は、搭乗者による走行操作(例えば、プラットホーム421やハンドル422の傾斜操作、指令入力器(不図示)への操作情報(移動速度、移動方向など)の入力)に応じて、倒立状態を維持しつつ、所望の走行を行うように構成されている。例えば、プラットホーム421を前方へ傾斜させると倒立型移動体120が前進し、プラットホーム421を後方へ傾斜させると倒立型移動体120が後進するように構成されている。なお、本実施の形態において、上記倒立型移動体120の構成は一例である。例えば、倒立型移動体120は一対の駆動車輪410を有する構成であるが、これに限らず、一輪、又は3輪以上有する構成であってもよく任意の構成が適用可能である。
The inverted moving
図1は、本実施の形態に係る移動体制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る移動体制御装置110は、倒立型移動体120の状態量を検出する状態検出器123と、状態検出器123により検出された倒立型移動体120の状態量に基づいて、外乱トルク及び操作トルクの推定を行う推定装置130と、状態検出器123により検出された状態量と推定装置130により推定された外乱トルク推定値及び操作トルク推定値とに基づいて、各モータ121を制御する制御装置140と、を備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic system configuration of the mobile control device according to the present embodiment. The mobile
各モータ121は、各駆動車輪410の駆動軸に減速機構などを介して連結されており、制御装置140からの制御信号(モータ電流)に応じて、各駆動車輪410を独立して回転駆動する。これにより、倒立型移動体120は、搭乗者の走行操作に応じて、倒立状態を維持しつつ、前後進、左右旋回、加減速、停止などの所望の走行を行うことができる。
Each
状態検出器123は、状態検出手段の一具体例であり、各駆動車輪410の回転情報やプラットホーム421の姿勢角度情報など倒立型移動体120の状態量を検出する。状態検出器123は、例えば、各駆動車輪410に設けられた回転センサなどを用いて各駆動車輪410の回転角度、回転角速度、回転角加速度を検出し、プラットホーム421やハンドル422に設けられた角度センサなどを用いてプラットホーム421やハンドル422の姿勢角度を検出できる。
The
状態検出器123には推定装置130及び制御装置140が接続されており、検出した状態量を状態検出値として推定装置130及び制御装置140に対して出力する。
An
推定装置130は、状態検出器123からの倒立型移動体120の状態量と制御装置140からのモータトルク(駆動トルク)と、に基づいて、後述の外部環境によって各駆動車輪410に生じる外乱トルクや搭乗者の操作によって各駆動車輪410に生じる操作トルクを推定する。推定装置130は、状態推定器131と、外乱トルク推定器132と、操作トルク推定器133と、を有している。
Based on the state quantity of the inverted moving
状態推定器131は、状態推定手段の一具体例であり、状態検出器123からの状態検出値と、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、操作トルク推定器133からの操作トルク推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、例えば、搭乗者の姿勢角度など、状態検出器123で検出できない倒立型移動体120及び搭乗者の状態量の推定値を算出する。
The
状態推定器131には外乱トルク推定器132及び操作トルク推定器133が接続されており、算出した倒立型移動体120及び搭乗者の状態量の推定値を、状態推定値として外乱トルク推定器132及び操作トルク推定器133に対して出力する。
A
なお、状態推定器131は、予め設定されたパラメータ(例えば、後述の如く、外乱トルク推定値及び操作トルク推定値を算出するのに必要なパラメータ)のうち状態検出器123からの入力されない(状態検出器123が検出できない)パラメータ(例えば、搭乗者の姿勢角度)を自動的に算出し、それ以外は状態検出器123からの状態量を、夫々、状態推定値として出力してもよい。
The
外乱トルク推定器132は、外乱トルク推定手段の一具体例であり、状態推定器131からの状態推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、倒立型移動体120の走行中に凹凸路面など外部環境からの入力により各駆動車輪410に生じる外乱トルクを算出する。外乱トルク推定器132には、制御装置140及び状態推定器131が接続されており、算出した外乱トルクを外乱トルク推定値として、制御装置140及び状態推定器131に対して出力する。
The
操作トルク推定器133は、操作トルク推定手段の一具体例であり、状態推定器131からの状態推定値に基づいて、搭乗者による走行操作に応じて各駆動車輪410まわりに生じる操作トルクを算出する。操作トルク推定器133には制御装置140及び状態推定器131が接続されており、算出した操作トルクを操作トルク推定値として、制御装置140及び状態推定器131に対して出力する。
The
制御装置140は、推定装置130からの倒立型移動体120の外乱トルク推定値及び操作トルク推定値と、状態推定器131からの状態推定値と、に基づいて、各モータ121を駆動制御する。制御装置140は、状態判定器141と、安定制御器142と、を有している。
The
状態判定器141は、状態判定手段の一具体例であり、推定装置130の外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、操作トルク推定器133からの操作トルク推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、その外乱トルクと操作トルクとの組合せが倒立型移動体120を不安定にする不安定状態になっているか否かを判定する。状態判定器141には安定制御器142が接続されており、その判定結果を状態判定結果として安定制御器142に対して出力する。
The
なお、状態判定器141は不安定と判定したとき、例えば、警告装置(警告手段の一具体例)143などを用いて、ユーザに対して警告を行う。警告装置143としては、例えば、警告音を出力するスピーカ、警告灯を点灯/点滅させるライト、警告表示を行う表示装置、プラットホーム421やハンドル422などに警告振動を発生させる振動装置、第3者に無線など介して通知する通信装置、などが含まれる。
When the
安定制御器142は、制御手段の一具体例であり、状態推定器131からの状態推定値と、状態判定器141からの状態判定結果と、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、に基づいて、外乱トルクと操作トルクとの組合せが不安定状態になっていると判断した場合に、倒立型移動体120が安定走行を継続できるような各モータ121のトルクを算出し、算出したモータ121のモータトルクを状態推定器131、外乱トルク推定器132、及び状態判定器141に対して出力し、算出したモータ121のトルクに対応するモータ電流を、駆動回路などを介して各モータ121に対して出力する。各モータ121は、安全制御器142からのモータ電流に応じて、各駆動車輪410を回転駆動する。これにより、倒立型移動体120は、外乱トルクと操作トルクとの組合せが不安定状態になっている場合でも、安定的な走行を継続できる。
The
ここで、推定装置130および制御装置140は、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)や、プログラマブル電子システムなどとして実現することができる。
Here, the
次に、本実施の形態に係る移動体制御装置110の動作原理を、一具体例を用いて詳細に説明する。
Next, the operation principle of the
搭乗者と倒立型移動体120を合わせた運動方程式は、下記(1)式乃至(3)式として表される。
J1:駆動車輪410の慣性モーメント[kg・m2]、
J3:搭乗者の慣性モーメント[kg・m2]、
θ1:駆動車輪410の角度[rad]、
θ2:プラットホーム421の姿勢角度[rad]、
θ3:搭乗者の姿勢角度[rad]、
m1:駆動車輪410の質量[kg]、
m3:搭乗者の質量[kg]、
r1:駆動車輪410の半径[m]、
lc:搭乗者の重心距離(搭乗者の重心位置と駆動車輪410の回転軸(駆動軸)との間の距離)[m]、
Tm:モータ121のモータトルク(モータ121に対するトルク指令)[N・m]、
Td:外乱トルク[N・m]、
Tin:操作トルク[N・m]
倒立型移動体120が通常走行中において、下記(4)式乃至(6)式が成立する。
The equation of motion combining the passenger and the inverted moving
J 1 : moment of inertia of the driving wheel 410 [kg · m 2 ],
J 3 : Passenger moment of inertia [kg · m 2 ],
θ 1 : angle [rad] of the
θ 2 : posture angle [rad] of the
θ 3 : Passenger posture angle [rad],
m 1 : mass [kg] of the
m 3 : Mass of passenger [kg],
r 1 : radius [m] of the
l c : the center of gravity distance of the occupant (the distance between the position of the center of gravity of the occupant and the rotation axis (drive axis) of the drive wheel 410) [m],
T m : Motor torque of the motor 121 (torque command to the motor 121) [N · m],
T d : disturbance torque [N · m],
T in : Operating torque [N · m]
While the inverted moving
x:状態
A:システム行列、
b:モータ121のモータトルクの入力行列、
d:操作入力行列、
M:慣性行列、
K:剛性行列、
h:モータ121のモータトルクの入力ベクトル、
f:操作トルク入力ベクトル、
C:出力行列、
y:出力ベクトル
ここで、例えば、状態検出器123で検出できない搭乗者の姿勢角度θ3を推定するため、状態推定器131に下記(12)式を導入する。また、倒立型移動体120の外乱トルク推定値Tdハットを推定するため、外乱トルク推定器132に下記(13)式を導入し、倒立型移動体120の操作トルク推定値Tinハットを推定するため、操作トルク推定器133に下記(14)式を導入する。
x: state A: system matrix,
b: Input matrix of motor torque of the
d: operation input matrix,
M: inertia matrix
K: stiffness matrix,
h: motor torque input vector of the
f: operation torque input vector,
C: output matrix,
y: Output vector Here, for example, the following equation (12) is introduced to the
qd:外乱トルクTdの重み、
qin:操作トルクTinの重み
上記(16)式に対するリアプノフ方程式は、下記(17)式として表される。
q d : weight of disturbance torque T d ,
q in : Weight of the operating torque T in The Lyapunov equation for the above equation (16) is expressed as the following equation (17).
上記(16)式の1階時間微分は、下記(18)式として表される。
The first-order time differentiation of the above equation (16) is expressed as the following equation (18).
上記(12)式に基づいて状態推定値xハットは、状態検出値xに収束する。上記(13)式に基づいて外乱トルク推定値Tdハットは、外乱トルクTdに収束する。上記(14)式に基づいて操作トルク推定値Tinハットは、操作トルクTinに収束する。 Based on the above equation (12), the estimated state value x hat converges to the detected state value x. Based on the above equation (13), the estimated disturbance torque T d hat converges to the disturbance torque T d . Based on the above equation (14), the operation torque estimated value T in hat converges to the operation torque T in .
このように、状態推定器131は、状態xと、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値Tdハットと、操作トルク推定器133からの操作トルク推定値Tinハットと、安定制御器142からのモータトルクTmと、に基づいて、上記(12)式を用いて状態推定値xハットを算出する。これにより、状態検出器123により検出できない任意の倒立型移動体120及び搭乗者の状態量を推定することができる。したがって、例えば、倒立型移動体120に設けるセンサーの数などを低減でき、その小型軽量化を効率的に図ることが可能となる。
As described above, the
外乱トルク推定器132は、状態推定器131からの状態推定値θ1、θ2、θ3と、安定制御器142からのモータトルクTmと、に基づいて、上記(13)式を用いて外乱トルク推定値Tdハットを算出する。操作トルク推定器133は、状態推定器131からの状態推定値θ1、θ2、θ3に基づいて、上記(14)式を用いて操作トルク推定値Tinハットを算出する。
The
次に、凹凸路面など外部環境により各駆動車輪410に生じる外乱トルクTdと、搭乗者110による走行操作により各駆動車輪410まわりに生じる操作トルクTinと、の組合せにより、倒立型移動体120が不安定化した場合の移動体制御装置110の動作について詳細に説明する。
Next, the disturbance torque T d caused in the
まず、下記(23)式を用いて、状態検出値xのモーダル座標変換を行う。
上記(23)式を上記(10)式へ代入すると、下記(24)式が得られる。
First, modal coordinate conversion of the state detection value x is performed using the following equation (23).
Substituting the above equation (23) into the above equation (10) yields the following equation (24).
λi:システム行列Aの第i番目の固有値[rad/s]、
βi:Σbの第i要素、
δi:Σdの第i要素
上記(25)式および(26)式において、インデックスiは重複することはないものとする。また、上記(25)式および(26)式を合わせて、1から6の整数が全て割り当てられる。
上記(10)式が不安定と成るための十分条件は、下記(27)式又は(28)式として表される。
λ i : i-th eigenvalue [rad / s] of the system matrix A,
β i : i-th element of Σb,
δ i : i-th element of Σd In the above formulas (25) and (26), the index i is assumed not to overlap. Further, all the integers from 1 to 6 are assigned by combining the above formulas (25) and (26).
A sufficient condition for the above expression (10) to be unstable is expressed as the following expression (27) or (28).
本実施の形態において、モータトルクが飽和しない範囲で制御可能な外乱トルクと操作トルクを対象としており、上記(27)式および(28)式は上記(10)式の不安定性が不安定極の存在に起因する場合を示している。したがって、外乱トルクや操作トルクが大きくモータトルクが飽和して不安定となる場合は、本実施の形態において対象外とする。
上記(27)式および(28)式に、sgn(zi)を乗算し、|zi|で除算すると下記(29)式および(30)式が得られる。
In the present embodiment, disturbance torque and operation torque that can be controlled within a range in which the motor torque does not saturate are targeted, and the above formulas (27) and (28) are based on the instability of the above formula (10). The case due to existence is shown. Therefore, when the disturbance torque and the operation torque are large and the motor torque is saturated and unstable, it is excluded from the present embodiment.
When the above equations (27) and (28) are multiplied by sgn (z i ) and divided by | z i |, the following equations (29) and (30) are obtained.
ここで、状態判定器141は、下記(31)式又は(32)式の成立を判定することで、倒立型移動体120の複数のモード(モーダルフォームという座標上での表現に変換した場合の上記(25)式、(26)式などに対応するダイナミクス)のうち、少なくとも1つのモードに対する外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記モードを不安定化するとき、上記不安定状態と判断する。なお、各ダイナミクスを表わす運動方程式の固有値の実部は負値であり、その負値の絶定値が大きいほど追従偏差が早く収束するため安定性が高くなるものとする。
Here, the
そして、状態判定器141は、不安定状態であると判断したとき、例えば、搭乗者に対してその旨を警告装置143を用いて通知する。これにより、搭乗者はその不安定状態に対して、減速操作、停止操作、降車操作などの予備操作を行うことができるため、その安全性が向上する。
When the
上記(31)式および(32)式において、外乱トルクTd及び操作トルクTinは、状態検出器123などにより直接検出することが出来ないため、夫々、外乱トルク推定器132により算出した外乱トルク推定値Tdハット及び操作トルク推定器133により算出した操作トルク推定値Tinハットに置き換えている。
さらに、安定制御器142は、外乱トルクTd及び操作トルクTinにより安定性が減少した下記(33)式のモードの極を、ラプラス平面の左奥へ移動させるような安全制御を実施する。
In the above formulas (31) and (32), the disturbance torque T d and the operation torque T in cannot be directly detected by the
Further,
上記(34)式に示す制御ゲイン行列kを用いて、外乱トルクTd及び操作トルクTinにより安定性が減少した上記(33)式に示すモードのダイナミクスを安定化するモータトルクTmは、下記(35)式として導出できる。
Using the control gain matrix k shown in the above equation (34), the motor torque T m that stabilizes the dynamics of the mode shown in the above equation (33) whose stability has been reduced by the disturbance torque T d and the operating torque T in is: It can be derived as the following equation (35).
安定制御器142は、状態判定器141から不安定であるという不安定状態判定結果が入力された場合、状態推定器131からの状態推定値zハットと、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値Tdハットと、に基づいて、上記(35)式を用いてモータトルクTmを算出する。そして、安定制御器142は、各モータ121が算出したモータトルクTmを出力するようなモータ電流を、各モータ121に対して出力する。
When the
以上のようにして、本実施の形態に係る移動体制御装置110において、状態判定器141によって、凹凸路面など外部環境からの入力により各駆動車輪410に生じる外乱トルクと、搭乗者による走行操作に応じて各駆動車輪410まわりに生じる操作トルクと、の組合せが倒立型移動体120をより不安定にする不安定状態を、高精度に判定し、例えば、その不安定状態である旨を警告装置143により搭乗者に通知することで、その安全性を向上させることができる。さらに、安定制御器142は、倒立型移動体120が安定走行を継続できるようなモータトルクTmを算出し、算出したモータトルクTmに基づいて各モータ121を制御することで、倒立型移動体120の走行を安定させることができる。
なお、特に、走行の安定化に影響する上記不安定状態(不安定モード)のみに対して、上述の如く、必要最小限の安定化を実施できるため、余分なモータ電流が発生せず、省電力を効率的に図ることができる。この場合、倒立型移動体120は、同一のバッテリ容量でより長距離走行が可能となる。また、モータトルクの飽和が起こり難いため、安定性が増しそれに起因した転倒等を抑制することができる。
As described above, in the moving
In particular, as described above, since the minimum necessary stabilization can be performed only for the unstable state (unstable mode) that affects the stabilization of traveling, no extra motor current is generated, and thus saving is possible. Electric power can be efficiently achieved. In this case, the inverted moving
次に、上記実施の形態の変形例について説明する。上記実施の形態において、倒立型移動体120が例えば、複素数の固有値を持つ構成となっていてもよい。この場合、上記(24)に示す複素数の固有値を持つサブシステムの式は、下記(36)式および(37)式として表される。
Next, a modification of the above embodiment will be described. In the above-described embodiment, the inverted
上記(36)式および(37)式で表されるモードは、減衰固有周波数ωiで振動しながら収束度λiで収束する。
上記(36)式および(37)式のサブシステムが不安定となる十分条件は、上記(27)式および(28)式と同様に導出でき、下記(38)式又は(39)式として表される。
The modes represented by the above formulas (36) and (37) converge at the convergence λ i while oscillating at the attenuation natural frequency ω i .
A sufficient condition for the subsystems of the above formulas (36) and (37) to be unstable can be derived in the same manner as the above formulas (27) and (28), and is expressed as the following formula (38) or (39). Is done.
状態判定器141は、上記実施の形態と同様に、下記(40)式又は(41)式が成立したと判定したとき、搭乗者に対して不安全状態である旨を、警告装置143を介して通知する。
Similarly to the above-described embodiment, when the
安定制御器142は、状態判定器141から不安全であるという不安定状態判定結果が入力された場合、上記実施の形態と同様に、安定運転を継続させるようなモータ電流を、各モータ121に対して出力する。
When the
このように、安定制御器142は、上記(31)式及び(32)式を、上記(40)式及び(41)式に置き換えて判定を行うことにより、外乱トルクと操作トルクが複素数の固有値を有する組合せの不安定状態となっている場合でも、その不安定状態の判定を適正に行うことができ、倒立型移動体120の安定的運転を継続させることができる。
In this way, the
次に、本実施の形態に係る移動体制御装置による制御方法について詳細に説明する。図2は、本実施の形態に係る移動体制御装置による制御処理フローの一例を示すフローチャートである。 Next, a control method by the mobile control device according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 2 is a flowchart showing an example of a control processing flow by the mobile control device according to the present embodiment.
倒立型移動体120の状態検出器123は、倒立型移動体120の状態量を検出し(ステップS101)、検出した状態量を状態検出値として推定装置130の状態推定器131に対して出力する。
The
状態推定器131は、状態検出器123からの状態検出値と、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、操作トルク推定器133からの操作トルク推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、上記(12)式を用いて倒立型移動体120及び搭乗者の状態量の推定値を算出し(ステップS102)、算出した倒立型移動体120及び搭乗者の状態量の推定値を、状態推定値として外乱トルク推定器132、操作トルク推定器133、及び安定制御器142に対して出力する。
The
外乱トルク推定器132は、状態推定器131からの状態推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、上記(13)式を用いて外部環境からの入力により各駆動車輪410に生じる外乱トルクを算出し(ステップS103)、算出した外乱トルクを外乱トルク推定値として、状態判定器141、安定制御器142及び状態推定器131に対して出力する。
The
操作トルク推定器133は、状態推定器131からの状態推定値に基づいて、上記(14)式を用いて、搭乗者による走行操作に応じて各駆動車輪410まわりに生じる操作トルクを算出し(ステップS104)、算出した操作トルクを操作トルク推定値として、状態判定器141及び状態推定器131に対して出力する。
Based on the state estimated value from the
状態判定器141は、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、操作トルク推定器133からの操作トルク推定値と、安定制御器142からの各モータ121のモータトルクと、に基づいて、上記(31)式、(32)式、(40)式及び(41)式のいずれか1式を満たした、その外乱トルクと操作トルクとの組合せが倒立型移動体120を不安定にする不安定状態になっているか否かを判定し(ステップS105)、その判定結果を状態判定結果として安定制御器142に対して出力する。
The
状態判定器141により外乱トルクと操作トルクとの組合せが不安定状態になっていると判定されたとき(ステップS105のYES)、警告装置143は、ユーザに対して警告を行う(ステップS106)。また、安定制御器142は、状態推定器131からの状態推定値と、状態判定器141からの状態判定結果と、外乱トルク推定器132からの外乱トルク推定値と、に基づいて、上記(35)式を用いて、倒立型移動体120が安定走行を継続できるようなモータトルクを算出し(ステップS107)、算出したモータトルクを状態推定器131、外乱トルク推定器132、及び状態判定器141に対して出力し、算出したモータトルクに対応するモータ電流を各モータ121に対して駆動回路などを介して出力する。そして、各モータ121は、安全制御器142からのモータ電流に応じて、各駆動車輪410を回転駆動する。これにより、倒立型移動体120は、安定的な走行を継続できる。
When the
次に、本実施の形態に係る移動体制御装置によるシミュレーション結果について説明する。なお、本シミュレーションにおいて、各パラメータは、例えば、以下のように設定されている。 Next, a simulation result by the moving body control device according to the present embodiment will be described. In this simulation, each parameter is set as follows, for example.
m1=5[kg]、m3=70[kg]、J1=0.025[kg・m2]、J3=25.2[kg・m2]、r1=0.1[m]、lc=0.8[m]、g=9.8[m/s2]、qd=1、qin=1、θ1ic(駆動車輪410の角度の初期値)=0[rad]、θ2ic(プラットホーム421の姿勢角度の初期値)=0.12[rad]、θ3ic(搭乗者の姿勢角度の初期値)=0.12[rad]、θ1icの微分値=22.2[rad/s]、θ2icの微分値=0[rad/s]、θ3icの微分値=0[rad/s]、T(制御周期)=1×10−3[s] m 1 = 5 [kg], m 3 = 70 [kg], J 1 = 0.025 [kg · m 2 ], J 3 = 25.2 [kg · m 2 ], r 1 = 0.1 [m ], L c = 0.8 [m], g = 9.8 [m / s 2 ], q d = 1, q in = 1, θ 1ic (initial value of angle of driving wheel 410) = 0 [rad ], 2ic (initial value of posture angle of platform 421) = 0.12 [rad], θ3ic (initial value of passenger posture angle) = 0.12 [rad], differential value of θ1ic = 22. 2 [rad / s], θ 2ic differential value = 0 [rad / s], θ 3ic differential value = 0 [rad / s], T (control period) = 1 × 10 −3 [s]
なお、本シミュレーションに用いた上記数値は、倒立型移動体120の現実的な数値の一例である。また、本シミュレーションにおいて、例えば、路面の凹凸により周期0.5[s]、及び振幅0.15[N・m]となる、のこぎり波状の外乱トルクTdを受け、1[s]において搭乗者が上記(27)式のαiを0.5[rad/s]とするような操作トルクTinが搭乗者の走行操作により入力された場合を模擬している。さらに、本シミュレーションにおいて、重み行列Qを、例えば単位行列としている。
The above numerical values used in this simulation are examples of realistic numerical values of the inverted moving
図3は、本発明の実施の形態に係る移動体制御装置のシミュレーションにおける搭乗者の姿勢角度の時間変化の一例を示す図である。図3において、点線(a)は搭乗者が転倒した状態(搭乗者の姿勢角度がπ/4[rad]となった状態)を示し、破線(b)は従来の移動体制御装置(例えば、上記(10)式の外乱トルクの項及び操作トルクの項を除いた閉ループ系の極を−1[rad/s]に配置する状態フィードバック制御)による搭乗者の姿勢角度の時間変化を示し、実線(c)は、本実施の形態に係る移動体制御装置110による搭乗者の姿勢角度の時間変化を示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the posture angle of the occupant in the simulation of the mobile control device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 3, a dotted line (a) shows a state where the passenger has fallen (state where the posture angle of the passenger is π / 4 [rad]), and a broken line (b) shows a conventional mobile control device (for example, The time variation of the posture angle of the occupant by the state feedback control in which the pole of the closed loop system excluding the disturbance torque term and the operating torque term in the above equation (10) is set to -1 [rad / s] is shown as a solid line (C) has shown the time change of a passenger | crew's attitude | position angle by the mobile
図3において、搭乗者が経過時間略1[s]において、上記(10)式に示す状態空間を不安定とするような操作トルクが搭乗者の走行操作により入力された場合、従来の移動体制御装置による動作制御においては、搭乗者が倒立型移動体に搭乗し続けることができず、経過時間略5[s]において転倒していることが分かる。 In FIG. 3, when an operating torque that makes the state space shown in the above equation (10) unstable is input by the traveling operation of the passenger at an elapsed time of approximately 1 [s], In the operation control by the control device, it can be seen that the occupant cannot continue to ride on the inverted moving body, and has fallen for approximately 5 [s].
一方、上記(35)式において、上記(33)式の閉ループ系の極を−1[rad]に配置した本実施の形態に係る移動体制御装置110においては、搭乗者が経過時間略1[s]で、上記(10)式に示す状態空間を不安定とするような操作トルクが走行操作で入力された後、状態判定器141は、上記(31)式の条件が満足され不安定状態であると判定する。そして、安定制御器142が状態判定器141からのこの判定結果に基づいて、上記(35)式を用いてモータトルクを制御する。
On the other hand, in the above equation (35), in the
これにより、搭乗者の姿勢角度が0.1[rad]に維持され安定走行が継続されていることが分かる。このように、本実施の形態に係る移動体制御装置110は、従来に比して、倒立型移動体120を安定的に制御できることが分かる。さらに、状態判定器141は、上記(31)式の条件を満足したとの判定に基づいて、不安定状態である旨を搭乗者110に対して警告装置143を介して通知することもできる。これにより、倒立型移動体の安全性をより向上させることができる。
As a result, it is understood that the posture angle of the passenger is maintained at 0.1 [rad] and the stable running is continued. Thus, it turns out that the mobile
図4は、本発明の実施の形態に係る移動体制御装置のシミュレーションにおける外乱トルクの時間変化を示す図である。図4において、破線(d)は外乱トルク推定値を示し、実線(e)は外乱トルクを示している。 FIG. 4 is a diagram showing a temporal change in disturbance torque in the simulation of the mobile control device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 4, the broken line (d) indicates the estimated disturbance torque value, and the solid line (e) indicates the disturbance torque.
図4に示す如く、上記(13)式による外乱トルク推定値は外乱トルクに収束しているため、外乱トルク推定値の破線(d)と外乱トルクの実線(e)とは重なっている。この時、上記(14)式による操作トルク推定値(不図示)も操作トルクに収束している。したがって、本実施の形態に係る外乱トルク推定器132及び操作トルク推定器133は、夫々、高精度に外乱トルク及び操作トルクを推定できることが分かる。
As shown in FIG. 4, since the estimated disturbance torque value according to the above equation (13) converges to the disturbance torque, the broken line (d) of the estimated disturbance torque value and the solid line (e) of the disturbance torque overlap. At this time, the operation torque estimated value (not shown) according to the above equation (14) also converges to the operation torque. Therefore, it can be seen that the
以上、本実施の形態に係る移動体制御装置110において、状態判定器141は、凹凸路面など外部環境からの入力により各駆動車輪410に生じる外乱トルクと、搭乗者による走行操作に応じて各駆動車輪410まわりに生じる操作トルクと、の組合せが倒立型移動体120をより不安定にする不安定状態を高精度に判定し、例えば、その不安定状態である旨を警告装置143により搭乗者に通知することで、その安全性を向上させることができる。さらに、安定制御器142は、倒立型移動体120が安定走行を継続できるようなモータトルクTmを算出し、算出したモータトルクTmに基づいて各モータ121を制御することで、倒立型移動体120の走行を安定させることができる。すなわち、倒立型移動体120の安全性を向上させることができる。
As described above, in the 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。
上記実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、推定装置130及び制御装置140が実行する処理を、CPUにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。
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.
In the above embodiment, the present invention has been described as a hardware configuration, but the present invention is not limited to this. In the present invention, for example, the processing executed by the
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 The program may be stored using various types of non-transitory computer readable media and supplied to a computer. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (for example, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R / W and semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (random access memory)) are included. The program may also be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.
本発明は、例えば、自動車、電動車椅子、航空機、船舶、鉄道、重機などの分野において、倒立状態を維持しつつ人の操作に応じて移動する倒立型移動体および、配管検査ロボット、遠隔手術ロボット、遠隔介護ロボットなど人が遠隔操作するサービスロボット全般に広く適用できる。 The present invention, for example, in the fields of automobiles, electric wheelchairs, aircrafts, ships, railways, heavy machinery, etc., is an inverted mobile body that moves according to a human operation while maintaining an inverted state, a pipe inspection robot, and a telesurgical robot It can be widely applied to all service robots remotely operated by humans, such as remote care robots.
110 移動体制御装置
120 倒立型移動体
121 モータ
123 状態検出器
130 推定装置
131 状態推定器
132 外乱トルク推定器
133 操作トルク推定器
140 制御装置
141 状態判定器
142 安定制御器
410 駆動車輪
421 プラットホーム
422 ハンドル
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記倒立型移動体の状態量を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段により検出された状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出する状態推定手段と、
前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出する外乱トルク推定手段と、
前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出する操作トルク推定手段と、
前記外乱トルク推定手段により算出された前記外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された前記操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定する状態判定手段と、
を備えることを特徴とする移動体制御装置。 A moving body control device that controls an inverted moving body that performs a desired travel while maintaining an inverted state,
State detecting means for detecting a state quantity of the inverted moving body;
A state amount detected by the state detecting means, a disturbance torque estimated value which is an estimated value of torque caused by a disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and generated around the driving wheel in accordance with a traveling operation of a passenger State estimation means for calculating at least one of the state quantity of the inverted mobile body and the occupant based on an operation torque estimated value that is an estimated value of the torque and a driving torque that drives the driving wheel;
Disturbance torque estimation for calculating the estimated disturbance torque value based on at least one of the inverted moving object and the occupant state quantity calculated by the state estimation means and the drive torque for driving the drive wheel Means,
Operating torque estimating means for calculating the operating torque estimated value based on at least one of the inverted moving body and the passenger's state quantity calculated by the state estimating means;
Based on the disturbance torque estimation value calculated by the disturbance torque estimation means, the operation torque estimation value calculated by the operation torque estimation means, and the drive torque for driving the drive wheel, State determination means for determining whether a combination of disturbance torque and operation torque is an unstable state that makes the inverted moving body unstable; and
A moving body control apparatus comprising:
前記状態判定手段による判定結果と、前記状態推定手段により算出された前記倒立型移動体の状態量と、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、に基づいて前記駆動車輪の駆動トルクを算出し、該算出した駆動トルクに基づいて前記駆動車輪の駆動を制御する制御手段を更に備える、ことを特徴とする移動体制御装置。 The moving body control device according to claim 1,
Driving the driving wheel based on the determination result by the state determination unit, the state quantity of the inverted moving body calculated by the state estimation unit, and the disturbance torque estimation value calculated by the disturbance torque estimation unit A moving body control device further comprising control means for calculating torque and controlling driving of the drive wheel based on the calculated drive torque.
前記制御手段は、前記状態判定手段により前記不安定状態であると判定されたとき、前記駆動車輪の駆動トルクがモーダル座標変換された前記状態量に制御ゲインを乗算した値から前記外乱トルク推定値を減算した値となるように、前記制御を行う、ことを特徴とする移動体制御装置。 The moving body control device according to claim 2,
When the state determining means determines that the state is unstable, the control means calculates the disturbance torque estimated value from a value obtained by multiplying the state quantity obtained by modal coordinate conversion of the driving torque of the driving wheel by a control gain. The moving body control device is characterized in that the control is performed so as to obtain a value obtained by subtracting.
前記状態判定手段により前記不安定状態であると判定されたとき、その旨をユーザに対して通知する警告手段を更に備える、ことを特徴とする移動体制御装置。 The mobile body control device according to any one of claims 1 to 3,
A moving body control device, further comprising warning means for notifying a user to that effect when the state determination means determines that the state is unstable.
前記状態判定手段は、モーダル座標変換された前記状態量と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された操作トルク推定値と、に基づいた値が所定閾値よりも大きいとき、前記不安定状態であると判定する、ことを特徴とする移動体制御装置。 The mobile body control device according to any one of claims 1 to 4,
The state determination means is calculated by the operation torque estimation means, the state quantity that has been subjected to modal coordinate conversion, a drive torque that drives the drive wheel, a disturbance torque estimation value that is calculated by the disturbance torque estimation means, and the operation torque estimation means. A mobile body control device, wherein when the value based on the estimated operation torque is larger than a predetermined threshold value, the unstable state is determined.
前記状態検出手段は、前記駆動車輪の回転情報、及び搭乗者が搭乗するプラットホームの姿勢角度情報のうち少なくとも一方を検出する、ことを特徴とする移動体制御装置。 The mobile body control device according to any one of claims 1 to 5,
The moving body control device, wherein the state detection means detects at least one of rotation information of the drive wheel and posture angle information of a platform on which a passenger is boarded.
前記状態推定手段は、前記駆動車輪の駆動トルクと、前記外乱トルク推定手段により算出された外乱トルク推定値と、前記操作トルク推定手段により算出された操作トルク推定値と、前記状態量から該状態量の推定値を減算しゲインを乗算した演算結果と、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量を算出する、ことを特徴とする移動体制御装置。 The mobile body control device according to any one of claims 1 to 6,
The state estimating unit is configured to calculate the state based on the driving torque of the driving wheel, the disturbance torque estimated value calculated by the disturbance torque estimating unit, the operation torque estimated value calculated by the operation torque estimating unit, and the state quantity. A moving body control apparatus, wherein the state quantity of the inverted moving body and a passenger is calculated based on a calculation result obtained by subtracting an estimated value of a quantity and multiplying by a gain.
前記状態推定手段は、前記駆動車輪の角度、搭乗者が搭乗するプラットホームの姿勢角度、及び搭乗者の姿勢角度のうち少なくとも1つを算出する、ことを特徴とする移動体制御装置。 The mobile body control device according to any one of claims 1 to 7,
The state estimating means calculates at least one of an angle of the driving wheel, a posture angle of a platform on which a passenger rides, and a posture angle of a passenger, and the mobile body control device.
前記状態推定手段は、下記式を用いて倒立型移動体及び搭乗者の状態量を推定する、ことを特徴とする移動体制御装置。
The said state estimation means estimates the state quantity of an inverted-type moving body and a passenger using the following formula, The moving body control apparatus characterized by the above-mentioned.
前記外乱トルク推定手段は、下記式を用いて前記外乱トルク推定値を算出する、ことを特徴とする移動体制御装置。
The said disturbance torque estimation means calculates the said disturbance torque estimated value using a following formula, The moving body control apparatus characterized by the above-mentioned.
前記操作トルク推定手段は、下記式を用いて前記操作トルク推定値を算出する、ことを特徴とする移動体制御装置。
The operating torque estimating means calculates the operating torque estimated value by using the following formula, and the moving body control device:
前記状態判定手段は、下記式のうちいずれか1つが成立したとき、前記不安定状態であると判定する、ことを特徴とする移動体制御装置。
The mobile unit control apparatus, wherein the state determination unit determines that the state is unstable when any one of the following expressions is established.
前記制御手段は、前記状態判定手段により倒立型移動体が前記不安定状態であると判定されたとき、前記駆動車輪の駆動トルクが下記式で算出されるトルクTmとなるように、前記制御を行う、ことを特徴とする移動体制御装置。
When the state determining unit determines that the inverted moving body is in the unstable state, the control unit controls the control unit so that the driving torque of the driving wheel becomes a torque T m calculated by the following equation: A moving body control device characterized by:
前記倒立型移動体の状態量を検出するステップと、
前記検出された状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出するステップと、
前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出するステップと、
前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出するステップと、
前記算出された外乱トルク推定値と、前記算出された操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定するステップと、
を含むことを特徴とする移動体制御装置の制御方法。 A control method for a moving body control device that controls an inverted moving body that performs a desired travel while maintaining an inverted state,
Detecting a state quantity of the inverted moving body;
The detected state quantity, a disturbance torque estimated value that is an estimated value of torque due to a disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and an estimated value of the torque generated around the driving wheel in accordance with the traveling operation of the passenger Calculating at least one of the inverted movable body and the occupant's state quantity based on the estimated operation torque value and the driving torque for driving the driving wheel;
Calculating the disturbance torque estimated value based on at least one of the calculated inverted moving body and the occupant state quantity and a driving torque for driving the driving wheel;
Calculating the operation torque estimated value based on at least one of the calculated inverted moving body and the passenger's state quantity;
Based on the calculated disturbance torque estimated value, the calculated operation torque estimated value, and the drive torque for driving the drive wheel, a combination of the disturbance torque and the operation torque of the drive wheel is the inverted movement. Determining whether the body is unstable or not,
A control method for a moving body control device comprising:
前記判定結果と、前記算出された倒立型移動体の状態量と、前記算出された外乱トルク推定値と、に基づいて前記駆動車輪の駆動トルクを算出し、該算出した駆動トルクに基づいて前記駆動車輪の駆動を制御するステップを更に含む、ことを特徴とする移動体制御装置の制御方法。 It is a control method of the mobile control device according to claim 14,
The driving torque of the driving wheel is calculated based on the determination result, the calculated state quantity of the inverted moving body, and the calculated disturbance torque estimated value, and the driving torque of the driving wheel is calculated based on the calculated driving torque. A control method for a moving body control device, further comprising a step of controlling driving of the driving wheel.
前記不安定状態であると判定されたとき、その旨をユーザに対して通知するステップを更に含む、ことを特徴とする移動体制御装置の制御方法。 A control method for a mobile body control device according to claim 14 or 15,
A control method for a mobile control apparatus, further comprising a step of notifying a user to that effect when it is determined that the state is unstable.
検出された前記倒立型移動体の状態量と、前記倒立型移動体の駆動車輪に生じる外乱によるトルクの推定値である外乱トルク推定値と、搭乗者の走行操作に応じて前記駆動車輪まわりに生じるトルクの推定値である操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つを算出する処理と、
前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つと、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記外乱トルク推定値を算出する処理と、
前記算出された倒立型移動体及び搭乗者の状態量のうち少なくとも1つに基づいて、前記操作トルク推定値を算出する処理と、
前記算出された外乱トルク推定値と、前記算出された操作トルク推定値と、前記駆動車輪を駆動する駆動トルクと、に基づいて、前記駆動車輪の外乱トルク及び操作トルクの組合せが前記倒立型移動体を不安定にする不安定状態であるか否かを判定する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする移動体制御装置のプログラム。 A program of a moving body control device that controls an inverted moving body that performs a desired traveling while maintaining an inverted state,
The detected state quantity of the inverted moving body, a disturbance torque estimated value that is an estimated value of the torque caused by the disturbance generated in the driving wheel of the inverted moving body, and around the driving wheel according to the traveling operation of the passenger A process of calculating at least one of the state quantity of the inverted mobile body and the occupant based on an operation torque estimated value that is an estimated value of generated torque and a driving torque for driving the driving wheel;
Processing for calculating the estimated disturbance torque value based on at least one of the calculated inverted moving body and the occupant state quantity and driving torque for driving the driving wheel;
A process of calculating the operation torque estimated value based on at least one of the calculated inverted movable body and the passenger's state quantity;
Based on the calculated disturbance torque estimated value, the calculated operation torque estimated value, and the drive torque for driving the drive wheel, a combination of the disturbance torque and the operation torque of the drive wheel is the inverted movement. A process of determining whether or not an unstable state that makes the body unstable,
A program for a moving body control apparatus that causes a computer to execute the above.
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JP2015051682A (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | Inverted pendulum type moving body |
CN105466428A (en) * | 2015-11-27 | 2016-04-06 | 北京航空航天大学 | Attitude angle observation method based on position and velocity information of robot |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007011634A (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-18 | Toyota Motor Corp | Control method of mobile carriage and mobile carriage |
JP2007302061A (en) * | 2006-05-09 | 2007-11-22 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
JP2009225488A (en) * | 2008-02-19 | 2009-10-01 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
JP2010116037A (en) * | 2008-11-12 | 2010-05-27 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
-
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007011634A (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-18 | Toyota Motor Corp | Control method of mobile carriage and mobile carriage |
JP2007302061A (en) * | 2006-05-09 | 2007-11-22 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
JP2009225488A (en) * | 2008-02-19 | 2009-10-01 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
JP2010116037A (en) * | 2008-11-12 | 2010-05-27 | Equos Research Co Ltd | Vehicle |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015051682A (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | Inverted pendulum type moving body |
CN105466428A (en) * | 2015-11-27 | 2016-04-06 | 北京航空航天大学 | Attitude angle observation method based on position and velocity information of robot |
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