JP2016135630A - 倒立型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の治具を用いることなく加速度センサの校正を簡易に行うこと。【解決手段】倒立型移動体は、台車部を路面の傾斜方向に向けて倒立状態における車輪の回転トルクに基づいて路面の傾斜角度を算出する傾斜角算出手段と、空車状態かつ倒立状態のときにおける、加速度センサにより検出された台車部の加速度に基づくピッチ方向の台車部の傾斜角度と倒立型移動体の重心位置の運動方程式に基づくピッチ方向の台車部の傾斜角度との差分値を算出し、該差分値を加速度センサのピッチ方向の角度校正値とし、傾斜角算出手段により算出された傾斜角度と、台車部を傾斜角度を算出した面に向けた状態から９０°旋回させた状態における加速度センサにより検出された台車部の加速度に基づくロール方向の台車部の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を加速度センサのロール方向の角度校正値とする校正手段と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体に関するものである。

角速度センサの校正を治具を用いて校正する倒立型移動体が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１６６８４号公報

上記倒立型移動体において、例えば、加速度センサや角速度センサなどのセンサの校正には専用の治具が必要となる。

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、専用の治具を用いることなく、加速度センサの校正を簡易に行うことができる倒立型移動体を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、少なくとも１つの車輪が設けられ、搭乗者が搭乗する台車部と、前記台車部の加速度を検出する加速度センサと、前記台車部の角速度を検出するジャイロセンサと、を有する姿勢角ユニットと、前記搭乗者が前記台車部に搭乗していない空車状態を判定する空車判定手段と、前記台車部を路面の傾斜方向に向けて前記倒立状態における前記車輪の回転トルクに基づいて前記路面の傾斜角度を算出する傾斜角算出手段と、を備え、前記姿勢角ユニットから出力されるセンサ値に基づいて、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体であって、前記空車判定手段により空車状態と判定され、かつ、倒立状態のときにおける、前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて算出したピッチ方向の前記台車部の傾斜角度と、当該倒立型移動体の重心位置に関する運動方程式に基づいて算出した前記ピッチ方向の台車部の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を前記加速度センサのピッチ方向における角度校正値とし、前記傾斜角算出手段により算出された路面の傾斜角度と、前記台車部を前記路面の傾斜角度を算出した面に向けた状態から９０°旋回させた状態における前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて算出したロール方向の前記台車部の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を前記加速度センサのロール方向における角度校正値とする校正手段を備える、ことを特徴とする倒立型移動体である。

本発明によれば、専用の治具を用いることなく、加速度センサの校正を簡易に行うことができる倒立型移動体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態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。 本発明の一実施形態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。 （ａ）倒立型移動体の台車部を斜面の傾斜方向に向けて倒立状態にしたときの図である。（ｂ）倒立型移動体の台車部を９０°旋回させ斜面とピッチ軸とを平行状態にしたときの図である。 本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の加速度センサの校正方法を示すフローチャートである。。

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、本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的な構成を示す斜視図である。図２は、本実施形態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。本実施形態１に係る倒立型移動体１は、搭乗者の重心移動に応じて倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う、例えば、倒立二輪車として構成されている。

倒立型移動体１は、搭乗者が操作する操作ハンドル２と、操作ハンドル２に連結され搭乗者が乗る台車部３と、台車部３の両側に回転可能に設けられた左右一対の駆動車輪４と、を備えている。倒立型移動体１は、搭乗者の重心移動による操作ハンドル２及び台車部３の傾斜に応じて、各駆動車輪４を回転させて、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。台車部３は、例えば、搭乗者が乗り左右方向の重心移動を行うと、その重心移動に応じて左右方向に傾斜するように構成されている。

例えば、搭乗者はその重心を前後方に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を前後傾させることで、倒立型移動体１を前後進させることができる。搭乗者はその重心を左右方に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を左右方向に傾斜させることで倒立型移動体１を左右旋回させることができる。

図２に示すように、本実施の形態に係る倒立型移動体１は、姿勢角ユニット５と、左右一対の回転センサ６と、左右一対の車輪駆動ユニット７と、制御装置８と、を備えている。

姿勢角ユニット５は、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度、ピッチ角速度、ロール角度、ロール角速度、等の姿勢情報を検出する。姿勢角ユニット５は、例えば、搭乗者が重心を前後へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）を検出することができる。姿勢角ユニット５は、搭乗者が重心を左右へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のロール角度（傾斜角度）を検出することができる。

姿勢角ユニット５は、制御装置８に接続されており、検出した操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報を制御装置８に対して出力する。姿勢角ユニット５は、台車部３の加速度を検出する加速度センサ５１と、台車部３の角速度を検出するジャイロセンサ５２と、を有している。なお、ピッチ軸とは、一対の駆動車輪４の車軸に相当する軸である。ロール軸とは、台車部３の中心を通り、倒立型移動体１の走行方向と平行をなす軸である。

一対の回転センサ６は、各駆動車輪４の回転角度、回転速度、回転加速度等の回転情報を夫々検出する。各回転センサ６は、制御装置８に接続されており、検出した各駆動車輪４の回転情報を制御装置８に対して出力する。

一対の車輪駆動ユニット７は、各駆動車輪４を駆動することで、倒立型移動体１を走行させる。各車輪駆動ユニット７は、例えば、電動モータと、その電動モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア列等によって構成することができる。各車輪駆動ユニット７は、駆動回路１０を介して制御装置８に接続されている。各駆動回路１０は、制御装置８から出力されるトルク指令値に応じて、各車輪駆動ユニット７に駆動信号を出力する。

制御装置８は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８ａ、ＣＰＵ８ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）８ｂ、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）８ｃ、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。

制御装置８は、倒立型移動体１が、例えば、倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、所望の走行（前進、後進、加速、減速、停止、左旋回、右旋回等）を行うように、各車輪駆動ユニット７を制御する。また、制御装置８は、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報と、各回転センサ６により検出された各駆動車輪４の回転情報と、に基づいて、フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御を行う。

例えば、制御装置８は、搭乗者が重心を前後に移動させたときに、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立型移動体１を倒立状態で前進又は後進させる。また、制御装置８は、搭乗者が重心を左右に移動させたときに、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル及び台車部３のロール角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立型移動体１を左旋回又は右旋回させる。

制御装置８は、例えば、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）に、倒立制御における各車輪駆動ユニット７の駆動トルクを決める倒立制御ゲインを乗算して、各駆動車輪４のトルク指令値を算出する。制御装置８は、算出したトルク指令値に応じた回転トルクが各駆動車輪４に生じるように、各車輪駆動ユニット７を制御する。

これにより、制御装置８は、操作ハンドル２及び台車部３が傾斜している方向へ各駆動車輪４を回動させ、倒立型移動体１の重心位置を各駆動車輪４の車軸を通る鉛直線上へ戻すような倒立制御を行う。さらに、制御装置８は、各駆動車輪４に対して適切な回転トルクを夫々付加することで、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度がある一定値を超えないような倒立状態を維持しつつ、さらに、姿勢角ユニット５からの姿勢情報に応じて、前進、後進、停止、減速、加速等の倒立型移動体１の移動制御を行う。
なお、倒立型移動体１は、倒立二輪車として構成されているが、これに限定されない。倒立型移動体１は、例えば、倒立一輪車として構成されてもよく、任意の倒立型車両として構成できる。

ところで、上述のように、倒立型移動体は、姿勢角ユニットから出力される姿勢情報に基づいて倒立制御を実行している。この姿勢角ユニットの加速度センサにおいて、例えば、経年劣化や取付部のメカ的な劣化によりその出力値に誤差が生じる。このために、加速度センサの校正を行うことが重要となる。従来は、この加速度センサの校正を行うために、例えば、加速センサ自体に専用の治具を取り付け、あるいは、専用のセンサを用いて、さらには、倒立型移動体自体を専用の治具で固定する必要があった。

これに対して、本実施形態に係る倒立型移動体１は、上述したような専用の治具を用いることなく、姿勢角ユニット５の加速度センサ５１の校正を簡易に行うことができるものである。

図３は、本実施形態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。本実施形態に係る制御装置８は、空車状態判定部８１と、傾斜角算出部８２と、校正部８３と、を備えている。

空車状態判定部８１は、搭乗者が台車部３に搭乗していない空車状態を判定する。空車状態判定部８１は、空車判定手段の一具体例である。空車状態判定部８１は、例えば、各駆動車輪４の回転トルクに基づいて、上記空車状態の判定を行う。台車部３に搭乗者が搭乗している乗車状態の場合、空車状態の場合と比較して、各駆動車輪４の回転トルクが増加する。したがって、空車状態判定部８１は、各駆動車輪４の回転トルクの増加量に基づいて、上記空車状態の判定を行うことができる。空車状態判定部８１は、例えば、駆動回路１０に対するトルク指令値に基づいて、上記各駆動車輪４の回転トルクを算出する。

空車状態判定部８１は、台車部３に設けられたステップセンサの信号に基づいて上記空車状態の判定を行ってもよい。ステップセンサは、台車部３に掛かる荷重を検出したときオン信号を出力し、荷重を検出しないときオフ信号を出力する。空車状態判定部８１は、ステップセンサからオフ信号を受信すると上記空車状態であると判定する。

空車状態判定部８１は、倒立型移動体１の機械的な誤差やセンサ誤差の設計値に基づいて算出したピッチ角度を用いて、上記空車状態の判定を行ってもよい。倒立型移動体１は、設計時に機械的な誤差の最大値およびセンサ誤差の最大値を考慮して設計されている。したがって、倒立型移動体１が空車状態から乗車状態になると、この誤差の最大値の範囲を超えてピッチ角度が大きく変化し、倒立制御が実行される。この特性を利用して上記空車状態の判定を行うことができる。例えば、空車状態判定部８１は、ピッチ角度が空車状態のときに想定される上記最大誤差を考慮した所定角度を超えたとき、乗車状態（空車状態でない）と判定する。空車状態判定部８１は、空車状態の判定結果を校正部８３に出力する。

傾斜角算出部８２は、倒立状態における各駆動車輪４の回転トルクに基づいて路面の傾斜角度を算出する。傾斜角算出部８２は、傾斜角算出手段の一具体例である。例えば、傾斜角算出部８２は、予め算出した路面の傾斜角度と各駆動車輪４の回転トルクの関係式を用いて、倒立型移動体１が存在する路面の傾斜角度を算出する。この路面の傾斜角度と各駆動車輪４の回転トルクの関係式は、例えば、次のようにして導出する。

まず、倒立型移動体１の台車部３を予め傾斜角度の既知の路面で斜面の傾斜方向に向けて倒立状態（静止状態）にし、このときの各駆動車輪４の回転トルクを算出する（図４（ａ））。そして、この算出した各駆動車輪４の回転トルクと、路面の傾斜角度と、に基づいて、単位回転トルク［Ｎｍ］当たり、傾斜角度が何［ｄｅｇ］変化するかを示す係数ａを下記式により算出する。なお、下記式において、ａｎｇｌｅ１は既知の路面の傾斜角度、ｔ１はａｎｇｌｅ１の傾斜角度の路面上で倒立型移動体１が倒立状態になったときの各駆動車輪４の回転トルク［Ｎｍ］、ａｎｇｌｅ２は既知の路面の傾斜角度、ｔ２はａｎｇｌｅ２の傾斜角度の路面上で倒立型移動体１が倒立状態になったときの各駆動車輪４の回転トルク［Ｎｍ］、である。
ａ＝（ａｎｇｌｅ１−ａｎｇｌｅ２）／（ｔ１−ｔ２）

さらに、平面の路面上で倒立型移動体１が倒立状態になったときの各駆動車輪４の回転トルクｂを算出する。上記算出した係数ａ、ｂに基づいて、下記式を用いて路面の傾斜角度φｇを算出する。なお、下記式において、ｔは現在の各駆動車輪４の回転トルクである。
φｇ＝ａ＊（ｔ−ｂ）
傾斜角算出部８２は、上記回転トルクの関係式を用いて、路面の傾斜角度φｇを算出する。

なお、予め算出した路面の傾斜角度と各駆動車輪４の回転トルクの値を、ＲＯＭ８ｂやＲＡＭ８ｃなどのメモリに記憶させてもよい。例えば、倒立型移動体１を予め傾斜角度の既知の路面で倒立状態にし、このときの各駆動車輪４の回転トルクを算出する。この処理を傾斜角度を変えて複数回繰返し実行する。そして、処理毎に路面の傾斜角度と各駆動車輪４の回転トルクとを対応付けてメモリに記憶させる。傾斜角算出部８２は、算出した各駆動車輪４の回転トルクに対応する路面の傾斜角度をメモリから読み出すことで、路面の傾斜角度を算出する。傾斜角算出部８２は、算出した路面の傾斜角度φｇを校正部８３に出力する。

校正部８３は、空車状態判定部８１からの判定結果と、傾斜角算出部８２からの路面の傾斜角度と、に基づいて、加速度センサ５１のピッチ方向及びロール方向における角度校正値を算出することで、加速度センサ５１の校正を行う。校正部８３は、校正手段の一具体例である。

まず、校正部８３が空車状態判定部８１からの判定結果に基づいて加速度センサ５１のピッチ方向における角度校正値を算出する方法、について説明する。校正部８３は、空車状態判定部８１からの空車状態の判定結果を受け、かつ、倒立型移動体１が倒立状態のときにおける、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいてピッチ方向の台車部３の傾斜角度を算出する。

校正部８３は、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいて、例えば、下記式を用いてピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｍを算出する。なお、下記式において、ａｃｃＸはＸ軸方向の加速度値、ａｃｃＺはＺ軸方向の加速度値である。
θｍ＝ｔａｎ^−１（−ａｃｃＸ／ａｃｃＺ）

また、校正部８３は、倒立型移動体１の重心位置に関する運動方程式に基づいてピッチ方向の台車部３の傾斜角度を算出する。例えば、校正部８３は、ＣＡＤモデル上における倒立型移動体１の重心位置を算出する。そして、校正部８３は、この重心位置に関する運動方程式に基づいて、ピッチ方向における台車部３の理想の傾斜角度θｉを算出する。

校正部８３は、加速度センサ５１からの加速度に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｍと、倒立型移動体１の重心位置に関する運動方程式に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｉと、の差分値θｃを下記式を用いて算出する。
θｃ＝θｉ−θｍ
校正部８３は、算出した差分値θｃを加速度センサ５１のピッチ方向における角度校正値θｃとする。

続いて、校正部８３が傾斜角算出部８２からの路面の傾斜角度φｇに基づいて加速度センサ５１のロール方向における角度校正値を算出する方法、について説明する。
倒立型移動体１の台車部３を斜面の傾斜方向に向けた状態（図４（ａ））から９０°旋回させ、斜面とピッチ軸（駆動車輪４の車軸）Ｌとを平行状態（図４（ｂ））にする。校正部８３は、この平行状態において、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいて、ロール方向の台車部３の傾斜角度φｍを算出する。校正部８３は、例えば、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいて、下記式を用いて、ロール方向の台車部３の傾斜角度φｍを算出する。なお、下記式において、ａｃｃＹはＹ軸方向の加速度値である。
φｍ＝ｔａｎ^−１（−ａｃｃＹ／（ｃｏｓ（θｍ）＊ａｃｃＺ−ｓｉｎ（θｍ）＊ａｃｃＸ））

校正部８３は、傾斜角算出部８２からの路面の傾斜角度φｇと、上記算出したロール方向の台車部３の傾斜角度φｍと、の差分値φｃを下記式を用いて算出する。
φｃ＝φｇ−φｍ
校正部８３は、算出した差分値φｃを加速度センサ５１のピッチ方向における角度校正値φｃとする。

図５は、本実施形態に係る倒立型移動体の加速度センサの校正方法を示すフローチャートである。制御装置８の空車状態判定部８１は、各駆動車輪４の回転トルクに基づいて、空車状態であるか否かの判定を行い（ステップＳ１０１）、空車状態の判定結果を校正部８３に出力する。

校正部８３は、空車状態判定部８１からの空車状態の判定結果を受けると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいて、ピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｍを算出する（ステップＳ１０２）。
校正部８３は、倒立型移動体１の重心位置に関する運動方程式に基づいてピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｉを算出する（ステップＳ１０３）。（ステップＳ１０３）の処理として、校正部８３は、予め算出された傾斜角度θｉをＲＯＭ８ｂから引き出す処理を行ってもよい。校正部８３は、加速度センサ５１からの加速度に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｍと、倒立型移動体１の重心位置に関する運動方程式に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度θｉと、の差分値θｃを算出する（ステップＳ１０４）。校正部８３は、算出した差分値θｃを加速度センサ５１のピッチ方向における角度校正値θｃとする（ステップＳ１０５）。

傾斜角算出部８２は、倒立状態における各駆動車輪４の回転トルクに基づいて路面の傾斜角度φｇを算出し（ステップＳ１０６）、算出した路面の傾斜角度φｇを校正部８３に出力する。倒立型移動体１の台車部３をφｇを算出した面に向けた状態から９０°旋回させ、φｇを算出した面とピッチ軸とを平行状態にする（ステップＳ１０７）。

校正部８３は、この平行状態において、加速度センサ５１から出力される加速度に基づいて、ロール方向の台車部３の傾斜角度φｍを算出する（ステップＳ１０８）。校正部８３は、傾斜角算出部８２からの路面の傾斜角度φｇと、算出したロール方向の台車部３の傾斜角度φｍと、の差分値φｃを算出する（ステップＳ１０９）。校正部８３は、算出した差分値φｃを加速度センサ５１のロール方向における角度校正値φｃとする（ステップＳ１１０）。

以上、本実施形態に係る倒立型移動体１において、校正部８３は、空車状態判定部８１により空車状態と判定され、かつ、倒立状態のときにおける、加速度センサ５１により検出された加速度に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度と、倒立型移動体１の重心位置に関する運動方程式に基づいて算出したピッチ方向の台車部３の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を加速度センサ５１のピッチ方向における角度校正値とする。さらに、校正部８３は、傾斜角算出部８２により算出された路面の傾斜角度と、台車部３を路面の傾斜角度を算出した面に向けた状態から９０°旋回させた状態における加速度センサ５１により検出された加速度に基づいて算出したロール方向の台車部３の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を加速度センサ５１のロール方向における角度校正値とする。これにより、専用の治具を用いることなく、任意の斜面上で加速度センサ５１の校正を簡易に行うことができる。

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。

１ 倒立型移動体、２ 操作ハンドル、３ 台車部、４ 駆動車輪、５ 姿勢角ユニット、６ 回転センサ、７ 車輪駆動ユニット、８ 制御装置、５１ 加速度センサ、５２ ジャイロセンサ、８１ 空車状態判定部、８２ 傾斜角算出部、８３ 校正部

Claims (1)

1. 少なくとも１つの車輪が設けられ、搭乗者が搭乗する台車部と、
   前記台車部の加速度を検出する加速度センサと、前記台車部の角速度を検出するジャイロセンサと、を有する姿勢角ユニットと、
   前記搭乗者が前記台車部に搭乗していない空車状態を判定する空車判定手段と、
   前記台車部を路面の傾斜方向に向けて前記倒立状態における前記車輪の回転トルクに基づいて前記路面の傾斜角度を算出する傾斜角算出手段と、
   を備え、
   前記姿勢角ユニットから出力されるセンサ値に基づいて、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体であって、
   前記空車判定手段により空車状態と判定され、かつ、倒立状態のときにおける、前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて算出したピッチ方向の前記台車部の傾斜角度と、当該倒立型移動体の重心位置に関する運動方程式に基づいて算出した前記ピッチ方向の台車部の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を前記加速度センサのピッチ方向における角度校正値とし、
   前記傾斜角算出手段により算出された路面の傾斜角度と、前記台車部を前記路面の傾斜角度を算出した面に向けた状態から９０°旋回させた状態における前記加速度センサにより検出された加速度に基づいて算出したロール方向の前記台車部の傾斜角度と、の差分値を算出し、該差分値を前記加速度センサのロール方向における角度校正値とする校正手段
   を備える、ことを特徴とする倒立型移動体。

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