JP2014184890A - Self-balancing mobile body, and control method for same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体及びその制御方法に関するものである。 The present invention relates to an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state, and a control method thereof.
倒立状態を維持して走行する倒立型移動体は、その故障などにより停止すると不安定状態となるため、一般的に多重化システムが採用されている。一方で、多重化システムを採用した場合でも、そのシステムの最大出力トルクを超える動作を行った場合には転倒に繋がる虞がある。ここで、倒立型移動体の特性上、加速時の転倒は前方への転倒となるため、搭乗者は前方に足を着地させて降車することができる。一方で、減速時の転倒は後方への転倒となるため、搭乗者の降車がより不安定なものとなる。そこで、倒立型移動体においては、減速側の出力トルクマージンをより大きく確保する必要が生じる。これに対し、例えば、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体が知られている(特許文献1参照)。 An inverted mobile body that travels while maintaining an inverted state is in an unstable state when stopped due to a failure or the like, and therefore a multiplexing system is generally employed. On the other hand, even when a multiplexing system is employed, if an operation exceeding the maximum output torque of the system is performed, the system may fall over. Here, because of the characteristics of the inverted mobile body, the fall during acceleration falls to the front, so that the passenger can land with his feet forward and get off. On the other hand, since the fall at the time of deceleration falls to the rear, the passenger getting off becomes more unstable. Therefore, in the inverted type moving body, it is necessary to secure a larger output torque margin on the deceleration side. On the other hand, for example, an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state is known (see Patent Document 1).
上記特許文献1に示す倒立型移動体においては、上述した出力トルクマージンの大きな減速時の出力トルクに合わせて加速側の出力トルクを設定し、バッテリの容量を決定することとなる。そのため、バッテリの大型化に繋がる虞がある。
In the inverted moving body shown in
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、バッテリを小型化できる倒立型移動体及びその制御方法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 a main object of the present invention is to provide an inverted moving body capable of reducing the size of a battery and a control method thereof.
上記目的を達成するための本発明の一態様は、駆動車輪を駆動するモータと、前記モータに対して電力を供給するバッテリと、当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体であって、当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力し、当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費する、ことを特徴とする倒立型移動体である。
この一態様において、前記倒立型移動体の移動速度に対する前記モータの最大減速トルクの絶対値は、前記移動速度に対する前記モータの最大加速トルクの絶対値と比較して大きく設定されていてもよい。
この一態様において、前記モータ制御部は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、前記倒立型移動体の移動速度が実質的に0となる前記制御指令値を生成してもよい。
この一態様において、前記インバータは、前記モータから出力される回生電力を消費する内部抵抗を有していてもよい。
この一態様において、前記制御装置は、一対の前記モータ制御部と、一対の前記インバータと、を有する二重システムとして構成されていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、駆動車輪を駆動するモータと、前記モータに対して電力を供給するバッテリと、当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体の制御方法であって、当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力するステップと、当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費するステップと、を含むことを特徴とする倒立型移動体の制御方法であってもよい。
One aspect of the present invention for achieving the above object is to generate a control command value in accordance with a motor that drives a drive wheel, a battery that supplies electric power to the motor, and a posture state of the inverted moving body. And an inverter that generates a drive current for driving the motor, and an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state, the inverted type When the moving body is in the acceleration control state, the inverter generates the drive current based on the control command value from the motor control unit and the electric power from the battery, and outputs the drive current to the motor. When the moving body is in a deceleration control state, the inverter consumes regenerative power output from the motor.
In this aspect, the absolute value of the maximum deceleration torque of the motor with respect to the moving speed of the inverted moving body may be set larger than the absolute value of the maximum acceleration torque of the motor with respect to the moving speed.
In this aspect, the motor control unit outputs the control command value at which the moving speed of the inverted moving body becomes substantially zero during a predetermined period before switching from the deceleration state during forward travel to the acceleration state during reverse travel. It may be generated.
In this aspect, the inverter may have an internal resistor that consumes regenerative power output from the motor.
In this one aspect, the control device may be configured as a dual system including a pair of the motor control units and a pair of the inverters.
One aspect of the present invention for achieving the above object is to generate a control command value in accordance with a motor that drives a drive wheel, a battery that supplies electric power to the motor, and a posture state of the inverted moving body. And a control device having a motor control unit that generates a drive current for driving the motor, and a control method for an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state, When the inverted moving body is in an acceleration control state, the inverter generates the drive current based on a control command value from the motor control unit and electric power from the battery, and outputs the drive current to the motor And the inverter consumes regenerative power output from the motor when the inverted moving body is in a deceleration control state. It may be.
本発明によれば、バッテリを小型化でき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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inverted type mobile body which can reduce a battery, and its control method can be provided.
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。図1は、本発明の実施の形態1に係る倒立型移動体の概略的構成を示す斜視図である。本実施の形態1に係る倒立型移動体1は、例えば、車両本体2と、車両本体2に取り付けられ搭乗者が登場する左右一対のステップ部3と、車両本体2に傾動可能に取り付けられ搭乗者が把持する操作ハンドル4と、車両本体2に回転可能に取り付けられた左右一対の駆動車輪5と、を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an inverted moving body according to
本実施の形態1に係る倒立型移動体1は、例えば、各駆動車輪5が同軸状に配置され、倒立状態を維持して走行する同軸二輪車として構成されている。倒立型移動体1は、搭乗者の重心を前後に移動させ、車両本体2の各ステップ部3を前後に傾斜させることで前後進を行い、搭乗者の重心を左右に移動させ、車両本体2のステップ部3を左右に傾斜させることで左右旋回を行うように構成されている。なお、倒立型移動体1としては、上述したような同軸二輪車が適用されているが、これに限らず、倒立状態を維持して走行する任意の移動体に適用可能である。
The inverted
図2は、本実施の形態1に係る倒立型移動体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倒立型移動体1は、各駆動車輪5を駆動する一対の車輪駆動ユニット6と、車両本体2の姿勢を検出する姿勢センサ7と、各駆動車輪5の回転情報を検出する一対の回転センサ8と、各車輪駆動ユニット6を制御する制御装置9と、車輪駆動ユニット6及び制御装置9に電力を供給するバッテリ10と、を備えている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic system configuration of the inverted moving body according to the first embodiment. The inverted moving
各車輪駆動ユニット6は、車両本体2に内蔵されており、左右一対の駆動車輪5を夫々駆動する。各車輪駆動ユニット6は、一対の駆動車輪5を独立して回転駆動することができる。各車輪駆動ユニット6は、例えば、モータ61と、モータ61の回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア62と、によって構成することができる。
Each
姿勢センサ7は、車両本体2に設けられ、車両本体2や操作ハンドル4等の姿勢情報を検出し出力する。姿勢センサ7は、倒立型移動体1の走行時における姿勢情報を検出するのもで、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサなどから構成される。搭乗者が操作ハンドル4を前方または後方に傾けると、各ステップ部3が同方向に傾くことになるが、この姿勢センサ7は、かかる傾斜に対応した姿勢情報を検出する。姿勢センサ7は、検出した姿勢情報を制御装置9に対して出力する。
The
各回転センサ8は、各駆動車輪5などに夫々設けられ、各駆動車輪5の回転角度、回転角速度、回転角加速度など回転情報を検出できる。各回転センサ8は、例えば、ロータリーエンコーダ、レゾルバ、などで構成されている。各回転センサ8は、検出した回転情報を制御装置9に出力する。
Each
バッテリ10は、例えば、車両本体2に内蔵されており、リチウムイオン蓄電池などにより構成されている。バッテリ10は、各車輪駆動ユニット6、制御装置9、その他の電子機器等に電力を供給する。
The
制御装置9は、倒立型移動体に搭載された各種センサから出力される検出値に基づいて、各車輪駆動ユニット6を駆動制御するための制御信号を生成し、出力する。制御装置9は、例えば、姿勢センサ7から出力される姿勢情報、各回転センサ8から出力される各駆動車輪5の回転情報等に基づいて所定の演算処理を実行し、必要な制御信号を各車輪駆動ユニット6に対して出力する。制御装置9は、各車輪駆動ユニット6を制御することで、例えば、倒立型移動体1の倒立状態を維持する倒立制御を実行する。
The
図3は、本実施の形態1に係る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制御装置9は、一対のモータ制御部91と、一対のインバータ92と、を含む、電子制御装置(ECU:Electrical Control Unit)として構成されている。このようにモータ制御部91及びインバータ92を2重化することで、倒立型移動体1の制御システムの信頼性を向上させ、その安全性の向上を図っている。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic system configuration of the control device according to the first embodiment. The
制御装置9の各モータ制御部91は、姿勢センサ7から出力された姿勢情報と、各回転センサ8から出力された回転情報と、に基づいて、各車輪駆動ユニット6を駆動制御するための制御指令値を生成する。各モータ制御部91は、生成した制御指令値を各インバータ92に対して夫々出力する。
Each
各モータ制御部91は、例えば、制御処理、演算処理等と行う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)やRAM(Random Access Memory)からなるメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部(I/F)、など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。CPU、メモリ、及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。
Each
制御装置9の各インバータ92は、各モータ制御部91から出力される制御指令値に基づいて、例えば、PWM(Pulse Width Modulation)制御を行い、バッテリ10からの電力を用いてその制御指令値に応じた駆動電流を生成する。各インバータ92は、生成した駆動電流を各車輪駆動ユニット6のモータ61に対して出力する。各車輪駆動ユニット6のモータ61は、制御装置9の各インバータ92から出力される駆動電流に応じて、各駆動車輪5を回転駆動する。これにより、倒立型移動体1は、例えば、前後進、左右旋回などの所望走行を行うことができる。
Each
倒立型移動体1が減速状態のときに、各車輪駆動ユニット6のモータ61は回転することで、回生電力を発生させる。これに対し、制御装置9の各インバータ92は、この各車輪駆動ユニット6のモータ61から出力される回生電力を消費する内部抵抗921を有している。
When the inverted moving
ところで、倒立型移動体は、その倒立状態を維持して走行するという特性上、安全性の観点から減速側のモータ出力トルクのマージンを十分に確保するのが望ましい。これに対し、従来は、その減速側のモータ出力トルクに合わせて加速側のモータ出力トルクを設定し、バッテリの容量を設定している。このため、バッテリが必要以上に大型化する虞がある。 By the way, from the viewpoint of safety, it is desirable that the inverted moving body secures a sufficient margin for the motor output torque on the deceleration side from the viewpoint of traveling while maintaining the inverted state. On the other hand, conventionally, the motor output torque on the acceleration side is set in accordance with the motor output torque on the deceleration side, and the capacity of the battery is set. For this reason, there exists a possibility that a battery may enlarge unnecessarily.
そこで、本実施の形態1に係る倒立型移動体1においては、加速制御状態のときは、制御装置9の各インバータ92は各モータ制御部91からの制御指令値と、バッテリ10からの電力と、に基づいて駆動電流を生成し、各車輪駆動ユニット6のモータ61を制御する。一方、減速制御状態のときは、制御装置9の各インバータ92は各車輪駆動ユニット6のモータ61から出力される回生電力を消費する。これにより、減速時のモータ出力トルクを、制御装置9の各インバータ92の内部抵抗921を用いて十分なマージンを確保して設定できる。そのため、バッテリ10の容量を、減速時のモータ出力トルクを考慮せずに、加速時の出力トルクのみを考慮して設定できる(図4)。このため、バッテリ10の容量を必要十分な大きさに設定でき、バッテリ10の小型軽量化が可能となる。なお、バッテリ10の小型軽量化を図ることにより、倒立型移動体1の小型軽量化も容易に実現できる。
Therefore, in the inverted moving
図5に示すように、本実施の形態1に係る倒立型移動体1が前進状態及び後進状態にあるとき、倒立型移動体1の移動速度に対する各車輪駆動ユニット6のモータ61の最大減速トルク(出力制限トルク)T1maxの絶対値は、移動速度に対する各車輪駆動ユニット6のモータ61の最大加速トルク(出力制限トルク)T2maxの絶対値と比較して大きく設定されている。このように、各車輪駆動ユニット6のモータ61の出力制限トルクを4象限(加減速及び前後進)を夫々最適に設定することができる。
As shown in FIG. 5, when the inverted moving
図6は、本実施の形態1に係る倒立型移動体の制御方法による制御処理フローを示すフローチャートである。例えば、搭乗者が倒立型移動体1において加速操作(各ステップ部3を前方へ傾斜させる操作など)を行うと(ステップS101)、制御装置9の各モータ制御部91は、姿勢センサ7から出力された姿勢情報と、各回転センサ8から出力された回転情報と、に基づいて、各車輪駆動ユニット6に対する制御指令値を生成し(ステップS102)、制御装置9の各インバータ92に対して出力する。
FIG. 6 is a flowchart illustrating a control processing flow according to the control method for the inverted moving body according to the first embodiment. For example, when the passenger performs an acceleration operation (such as an operation of tilting each
制御装置9の各インバータ92は、各モータ制御部91から出力される制御指令値と、バッテリ10からの電力と、に基づいてその制御指令値に応じた駆動電流を生成し(ステップS103)、各車輪駆動ユニット6のモータ61に対して出力する。各車輪駆動ユニット6のモータ61は、制御装置9の各インバータ92からの駆動電流に応じて各駆動車輪5を回転駆動させ、倒立型移動体1を加速させる(ステップS104)。
Each
一方で、搭乗者が倒立型移動体1において、減速操作(各ステップ部3を後方へ傾斜させる操作)を行うと(ステップS105)、各車輪駆動ユニット6のモータ61は回生電力を制御装置9の各インバータ92に出力する(ステップS106)。各インバータ92の内部抵抗921は、各車輪駆動ユニット6のモータ61から出力される電力を消費する(ステップS107)。これにより、各駆動車輪5は、各車輪駆動ユニット6のモータ61から抵抗力を受け、その回転を減速させるため、倒立型移動体1は減速する(ステップS108)。このように、倒立型移動体1が加速状態のときは、バッテリ10と、制御装置9の各モータ制御部91及び各インバータ92とを用いて各車輪駆動ユニット6のモータ61を駆動させる。一方で、倒立型移動体1が減速状態のときは、バッテリ10を用いることなく、制御装置9の各インバータ62のみを用いて各車輪駆動ユニット6のモータ61を駆動させる。
On the other hand, when the occupant performs a deceleration operation (an operation for inclining each
以上、本実施の形態1に係る倒立型移動体1において、加速制御状態のときは、制御装置9の各インバータ92は各モータ制御部91からの制御指令値と、バッテリ10からの電力と、に基づいて駆動電流を生成し、各車輪駆動ユニット6のモータ61を制御する。一方、減速制御状態のときは、制御装置9の各インバータ92は各車輪駆動ユニット6のモータ61から出力される回生電力を消費する。これにより、バッテリ10の容量を、減速時のモータ出力トルクを考慮せずに、加速時の出力トルクのみを考慮して設定できる。このため、バッテリ10の容量を必要十分な大きさに設定でき、バッテリ10の小型化が可能となる。
As described above, in the inverted moving
実施の形態2.
本発明の実施の形態2においては、上記実施の形態1に係る倒立型移動体1の構成に加えて、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、倒立型移動体1の移動速度が実質的に0となる制御指令値を生成することを特徴とする(図7)。
In the second embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the inverted moving
上記実施の形態1においては、倒立型移動体1が前進時の減速状態から後進時の加速状態に移行する際に、不連続領域が存在する。これは、四輪車両などにおいては、前進時の急減速から後進時の加速にそのまま移行する状態はあまり想定されない。一方で、倒立型移動体1においては、減速を行うとその倒立状態を維持するために、必ず一時的な後進が必要となり、上記不連続領域が発生する。
In the first embodiment, a discontinuous region exists when the inverted
そこで、本実施の形態2に係る倒立型移動体1においては、図7に示す如く、制御装置9の各モータ制御部91は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、倒立型移動体1の移動速度が実質的に0となる制御指令値を生成する。これにより、前進時の減速状態から後進時の加速状態に確実に移行することができ、倒立型移動体1のよりスムーズかつ安全な走行が可能となる。
Therefore, in the inverted moving
なお、本実施の形態2において、他の構成は上記実施の形態1と略同一であるため、詳細な説明は省略する。また、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。 In the second embodiment, other configurations are substantially the same as those in the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted. Further, 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.
1 倒立型移動体
2 車両本体
3 ステップ部
4 操作ハンドル
5 駆動車輪
6 車輪駆動ユニット
7 姿勢センサ
8 回転センサ
9 制御装置
10 バッテリ
91 モータ制御部
92 インバータ
921 内部抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記モータに対して電力を供給するバッテリと、
当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、
を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体であって、
当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力し、
当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費する、ことを特徴とする倒立型移動体。 A motor for driving the drive wheels;
A battery for supplying power to the motor;
A control device having a motor control unit that generates a control command value according to the posture state of the inverted moving body, and an inverter that generates a drive current for driving the motor;
An inverted mobile body that travels while maintaining an inverted state,
When the inverted moving body is in the acceleration control state, the inverter generates the drive current based on the control command value from the motor control unit and the power from the battery, and outputs the drive current to the motor.
The inverted moving body, wherein the inverter consumes regenerative power output from the motor when the inverted moving body is in a deceleration control state.
前記倒立型移動体の移動速度に対する前記モータの最大減速トルクの絶対値は、前記移動速度に対する前記モータの最大加速トルクの絶対値と比較して大きく設定されている、ことを特徴とする倒立型移動体。 The inverted mobile body according to claim 1,
The inverted type wherein the absolute value of the maximum deceleration torque of the motor with respect to the moving speed of the inverted moving body is set larger than the absolute value of the maximum acceleration torque of the motor with respect to the moving speed. Moving body.
前記モータ制御部は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、前記倒立型移動体の移動速度が実質的に0となる前記制御指令値を生成する、ことを特徴とする倒立型移動体。 The inverted mobile body according to claim 2,
The motor control unit generates the control command value at which the moving speed of the inverted moving body becomes substantially zero in a predetermined period before switching from a deceleration state during forward travel to an acceleration state during backward travel. Inverted type moving body.
前記インバータは、前記モータから出力される回生電力を消費する内部抵抗を有する、ことを特徴とする倒立型移動体。 The inverted mobile body according to any one of claims 1 to 3,
The inverter has an internal resistance that consumes regenerative power output from the motor.
前記制御装置は、一対の前記モータ制御部と、一対の前記インバータと、を有する二重システムとして構成されている、ことを特徴とする倒立型移動体。 The inverted mobile body according to any one of claims 1 to 4,
The said control apparatus is comprised as a double system which has a pair of said motor control part and a pair of said inverter, The inverted type moving body characterized by the above-mentioned.
前記モータに対して電力を供給するバッテリと、
当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、
を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体の制御方法であって、
当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力するステップと、
当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費するステップと、を含むことを特徴とする倒立型移動体の制御方法。 A motor for driving the drive wheels;
A battery for supplying power to the motor;
A control device having a motor control unit that generates a control command value according to the posture state of the inverted moving body, and an inverter that generates a drive current for driving the motor;
A method for controlling an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state,
When the inverted moving body is in an acceleration control state, the inverter generates the drive current based on a control command value from the motor control unit and electric power from the battery, and outputs the drive current to the motor When,
And a step of consuming the regenerative power output from the motor when the inverted moving body is in a deceleration control state.
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