JP2017090448A - 移動体制御システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜情報に基づいて移動体の姿勢を制御する移動体制御システムであって、正確な傾斜情報を検出可能な移動体制御システム及びそれを備える移動体を提供する。【解決手段】移動体１の重力に垂直な水平面からの傾斜情報を検出する傾斜センサ６と、傾斜情報に基づいて移動体１の姿勢を制御する制御部７とを有する移動体制御システムであって、傾斜センサ６は、移動体１に対して相対的に移動可能に配置され、流体の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサの出力と圧力センサの移動情報とに基づいて、傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、重力に対する水平面からの傾斜情報を検出して移動体の姿勢を制御する移動体制御システム、及びそれを備える移動体に関する。

従来より、自律型の移動体、例えば自律型走行ロボットや飛翔体などには、姿勢を制御するための移動体制御システムが搭載されている。この移動体制御システムは、移動体の傾斜情報を得る傾斜センサを有している。ここで、傾斜情報とは、重力に対する水平面から傾斜しているかどうか（傾斜の有無）や、傾斜角、傾斜角の時間変化、などの情報である。移動体が安定して移動するためには、高精度な傾斜情報を得ることが要求される。

これまでの移動体制御システム体では、傾斜情報を得るために加速度センサやジャイロセンサを用いる方式が知られており、例えば特許文献１には、加速度センサとジャイロセンサとを搭載した移動体制御システムが開示されている。

なお、加速度センサを用いる方式では、移動体が静止した状態で、加速度センサにかかる重力と加速度センサの内部座標軸との角度が、重力に対する加速度センサの姿勢と等しいことを利用して、移動体の傾斜角を求めている。また、ジャイロセンサを用いる方式では、移動体の回転速度を積分することで、移動体の初期位置からの傾斜角を求めている。

特開２００８−０８９５３１号公報

しかしながら、上記従来技術には次の課題がある。即ち、加速度センサを用いて傾斜情報を得る場合は、移動体が加速運動すると、加速度センサが、移動体の加速度と重力加速度とを重畳した出力を与えてしまい、その結果、正確な傾斜角が得られないという問題が有った。また、ジャイロセンサを用いる方式では、移動体の回転速度を積分することで傾斜情報を得ているので、初期時刻から経過するにつれて誤差が積算されてしまい、正確な傾斜角が得られないという問題が有った。

さらに特許文献１に開示されているように、加速度センサとジャイロセンサとを用いる方式では、２種類のセンサ出力にかかる重み付けを決めるモデリングを慎重に決める必要が有り、さらに元々両者のセンサ出力には上述した誤差が含まれているため、得られる傾斜角の正確性には限界が有った。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決すべくなされたものであり、傾斜情報に基づいて移動体の姿勢を制御する移動体制御システムであって、正確な傾斜情報を検出可能な移動体制御システム、及びそれを備える移動体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、移動体の重力に垂直な水平面からの傾斜情報を検出する傾斜センサと、傾斜情報に基づいて移動体の姿勢を制御する制御部とを有する移動体制御システムであって、傾斜センサは、移動体に対して相対的に移動可能に配置され、流体の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサの出力と圧力センサの移動情報とに基づいて、傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、を備えることとした。

当該発明によれば、圧力センサの出力と圧力センサの移動情報とに基づいて傾斜情報を検出しているので、移動体が加速運動中であっても慣性力による影響を受けず、正確な傾斜情報を得ることができる。

また、本発明の第２の特徴は、傾斜センサは、移動体に対して圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、傾斜情報検出部は、圧力センサの移動情報と、圧力センサの出力とに基づいて、移動体の傾斜情報を検出することである。

当該発明によると、移動経路が毎回安定して一定であり、その移動距離を用いて正確な傾斜情報を得ることができる。

また、本発明の第３の特徴は、移動機構は、圧力センサが配置される回転体を備え、回転体を回転させることによって圧力センサを円状に移動させることである。

当該発明によると、安定した移動により正確な高さ変位が検出され、正確な傾斜情報を得ることができる。

また、本発明の第４の特徴は、移動機構は、圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、直線移動体を直線状に移動させることによって圧力センサを直線移動させることである。

当該発明によると、当該直線に沿った所定方向の傾斜情報を正確に得ることができる。

また、本発明の第５の特徴は、傾斜情報検出部は、圧力センサの移動距離と、移動距離に対する圧力センサの出力値の変化とに基づいて、傾斜情報を検出することである。

当該発明によると、正確な移動距離に基づいた算出により、傾斜情報を正確に得ることができる。

また、本発明の第６の特徴は、制御部は、前記移動体の外部に設けられており、前記傾斜センサにおいて検出された前記傾斜情報を受信し、当該傾斜情報に基づいて前記移動体の姿勢を制御することである。

当該発明によると、制御部を移動体の外部に設けることにより、移動体の構成をより簡素化することができ、移動体の小型化、省電力化を達成できる。

また、本発明の第７の特徴は、移動体は車両であり、傾斜情報は水平面に対する車両の姿勢に関する情報であることである。また、本発明の第８の特徴は、移動体は自律走行型の車両であり、傾斜情報は水平面に対する車両の姿勢に関する情報であることである。

当該発明によると、地上の凹凸や傾斜など種々の要因によって移動体が傾斜しても、正確な姿勢情報を得ることができる。

また、本発明の第９の特徴は、移動体は飛翔体であり、傾斜情報は水平面に対する飛翔体の姿勢に関する情報であることである。また、本発明の第１０の特徴は、移動体は自律飛行型の飛翔体であり、傾斜情報は水平面に対する飛翔体の姿勢に関する情報であることである。

当該発明によると、空中の風などの外乱によって移動体が傾斜しても、正確な姿勢情報を得ることができる。

また、本発明の第１１の特徴は、移動体は患者を介護するロボットであり、傾斜情報は水平面に対するロボットの少なくとも一部の姿勢に関する情報であることである。また、本発明の第１２の特徴は、上記移動体制御システムを有し、該移動体制御システムによって、姿勢を制御可能に構成されている移動体であることである。

当該発明によると、患者の体重や体動によって移動体が傾斜しても、正確な姿勢情報を得ることができる。また、正確、かつ精度よく姿勢を制御可能な移動体を提供することができる。

このように本発明によれば、傾斜情報に基づいて移動体の姿勢を制御する移動体制御システムであって、正確な傾斜情報を検出可能な移動体制御システム、及びそれを備える移動体を提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る移動体１の模式図である。 本発明の第１の実施形態における傾斜センサ６のブロック図である。 本発明の第１の実施形態における圧力センサ１１の水平時における出力信号の一例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における圧力センサ１１のＹ軸方向傾斜時における出力信号の一例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における圧力センサ１１の傾斜時における出力信号の一例を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る移動体５１の模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る移動体５１のブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る移動体９１の模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る移動体９１のブロック図である。 本発明の第３の実施形態における第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１のブロック図である。 本発明の第４の実施形態における第１傾斜センサ３００、第２傾斜センサ３０１のブロック図である。

以下、本発明に係る移動体制御システム及び移動体の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明に係る移動体制御システムは、傾斜センサが検出する移動体の傾斜情報に基づいて、移動体の姿勢を精度よく、かつ正確に制御するものであるが、ここで「移動体の姿勢」とは、移動体全体の姿勢のみならず、移動体の一部の姿勢も含むものとする。

（第１の実施形態）
＜全体構成＞
図１は、第１の実施形態に係る移動体１の模式図である。移動体１は、床や地面の上を走行する自律走行型機械（車両）である。移動体１は、上部筐体２、中央部筐体３、下部筐体４、から成る。上部筐体２には、カメラ５が設けられている。中央部筐体３には、傾斜センサ６、制御部７、記憶部８が設けられている。下部筐体４には、モータ９、モータ制御部１０が設けられている。このように、本実施形態に係る移動体制御システムは、移動体１の内部に組み込まれている。

移動体１は、走行中に床の傾きや障害物などのために姿勢が傾斜することがあるが、これに対して、移動体制御システムを司る制御部７が、移動体１の姿勢を常に把握してモータ制御部１０に対して命令を出し、モータ９の動作によって移動体１全体の姿勢を維持するように制御している。移動体１の傾斜角などの傾斜情報は、傾斜センサ６が生成して制御部７に送信する。なお、ここでは重力と反対方向をＺ方向、移動体１の前方方向をＹ方向、移動体１の左方向をＸ方向と定義し、傾斜情報とは、重力に垂直な水平面に対する傾斜情報とする。

図２は、傾斜センサ６のブロック図である。傾斜センサ６は、中央部筐体３に対して固定された移動機構２０と、圧力センサ１１と、磁石３１と、回転検出部３２と、同期クロック信号生成部３３と、電源部３４と、スリップリング３５と、傾斜情報検出部４０とを備えている。また、移動機構２０は、回転板２１（回転体の一例）と、傾斜センサモータ制御部２２と、傾斜センサモータ２３とを備えている。

移動機構２０は、回転板２１を回転させることよって圧力センサ１１を円状に移動させる。回転板２１は、傾斜センサモータ２３によって回転軸C１回りに回転する。圧力センサ１１は、例えば、空気、液体などの流体の圧力を検出する。

圧力センサ１１は、例えば、圧力による物理的な変形により抵抗値が変化する差圧センサ（相対センサ）と、当該差圧センサを抵抗の一部とするホイートストンブリッジ回路と、出力アンプとを備えており、圧力による差圧センサの抵抗変化に基づいて、圧力（例えば、気圧）を検出する。なお、ＸＹＺ直交座標系は図１と同一の定義であり、重力と反対方向をＺ方向とする。基準状態として移動体１が直立しているとすると、回転板２１は重力に直交する水平面（ＸＹ平面）上を所定の回転速度で回転する。

磁石３１は、回転板２１の円周付近に配置されており、圧力センサ１１（又は回転板２１）の回転位置の検出に利用される。回転検出部３２（移動情報検出部の一例）は、圧力センサ１１の移動情報を検出する。なお、圧力センサ１１の移動情報とは、例えば、圧力センサ１１の移動位置（回転位置）、移動量、速度、方向、及び位相、又はこれらの組み合わせなどの情報であり、ここでは、一例として、圧力センサ１１の回転位置を示す情報（回転位置情報）を、圧力センサ１１の移動情報として説明する。回転検出部３２は、例えば、ホール素子などの磁気検出素子であり、回転板２１に配置された磁石３１が接近することにより、回転板２１の基準位置を検出し、検出信号を出力する。

同期クロック信号生成部３３（参照信号生成部の一例）は、回転検出部３２が検出した移動情報に基づいて、所定の方向の傾斜に対応する同期クロック信号（参照信号）を生成する。すなわち、同期クロック信号生成部３３は、回転板２１の基準位置に応じて回転検出部３２から出力された検出信号に基づいて、例えば、Ｙ軸方向の傾斜を同期検波する同期クロック信号を生成する。

具体的には、同期クロック信号生成部３３は、回転検出部３２から出力された検出信号をトリガとして、回転板２１の回転周期と同一周期のクロック信号を生成する。そして、同期クロック信号生成部３３は、Ｙ軸方向の傾斜を同期検波するように、生成したクロック信号を遅延させて、同期クロック信号として傾斜情報検出部４０に出力する。

電源部３４は、傾斜センサ６を動作させるための電源電圧を生成し、生成した電源電圧を各部に供給する。また、電源部３４は、スリップリング３５を介して、回転板２１上の圧力センサ１１に電源電圧（電源電力）を供給する。

スリップリング３５は、回転している回転板２１上の圧力センサ１１に、電源部３４が生成した電源電圧（電源電力）を供給するとともに、圧力センサ１１から出力された出力信号を傾斜情報検出部４０に伝送する信号伝送手段である。スリップリング３５を用いることにより、傾斜センサ６は、回転している回転板２１上に配置されている圧力センサ１１の出力信号を適切に傾斜情報検出部４０に伝送することが可能になる。

傾斜情報検出部４０は、圧力センサ１１の出力と、圧力センサ１１の移動情報とに基づいて、移動体１の傾斜情報を検出する信号処理部である。すなわち、傾斜情報検出部４０は、移動機構２０によって所定の移動経路を移動された圧力センサ１１の移動情報と、圧力センサ１１の出力とに基づいて、移動体１の傾斜情報を検出する。

ここで、傾斜情報には、例えば、傾斜角、水平度、傾斜の有無、傾斜角の時間変化、又はこれらの組み合わせを示す情報などが含まれる。本実施形態では、一例として、傾斜情報検出部４０が、移動体１の傾斜角を検出する例について説明する。

また、傾斜情報検出部４０は、例えば、圧力センサ１１の移動距離と、移動距離に対する圧力センサ１１の出力値の変化とに基づいて、移動体１の傾斜情報を検出する。

ここで、図３、図４、及び図５を参照して、傾斜情報検出部４０による傾斜角の検出原理について説明する。

＜傾斜角の検出原理＞
図３は、本実施形態における傾斜センサ６の、移動体１が水平である時における出力の一例を説明する図である。図３（ａ）において、傾斜センサ６は、移動体１の中央部筐体３に取り付けされており、移動体１が水平である場合の状態を示している。図３（ｂ）は、移動体１の水平時における圧力センサ１１の出力信号を示している。図３（ｂ）において、グラフの縦軸は、圧力センサ１１の出力信号の電圧を示し、グラフの横軸は、時間を示している。また、波形Ｗ１は、圧力センサ１１の出力信号の波形を示している。

図３（ａ）に示すように、移動体１が水平状態である場合、回転板２１とともに、円状に移動する圧力センサ１１は、水平に移動するため、図３（ｂ）の波形Ｗ１に示すように、一定の電圧を出力する。

図４は、本実施形態における傾斜センサ６の、移動体１がＹ軸方向に傾斜した時における出力の一例を説明する図である。図４（ａ）において、傾斜センサ６は、移動体１の中央部筐体３に取り付けされており、移動体１がＹ軸方向に傾斜角θだけ傾斜している場合の状態を示している。図４（ｂ）は、移動体１の傾斜時における圧力センサ１１の出力信号を示す。図４（ｂ）において、縦軸は、圧力センサ１１の出力信号の電圧を示し、横軸は、時間を示している。また、波形Ｗ２は、圧力センサ１１の出力信号の波形を示している。

図４（ａ）に示すように、移動体１がＹ軸方向に傾斜角θだけ傾斜している場合、回転板２１とともに、円状に移動する圧力センサ１１は、Ｚ軸方向に変位するため、図４（ｂ）の波形Ｗ２に示すように、周期的な出力信号を出力する。この場合、圧力センサ１１は、Ｚ軸方向の変位（高さの変化）による気圧の変化を検出し、波形Ｗ２のような正弦波状の出力信号を出力する。なお、出力信号（波形Ｗ２）のピーク間の変化量を変化量ΔＶ０とすると、傾斜角θが大きい程、変化量ΔＶ０が大きくなり、傾斜角θが小さい程、変化量ΔＶ０が小さくなる。また、傾斜角θは、下記の式（１）により算出することができる。

ここで、変数Ｒｓは、図４（ａ）に示すように、圧力センサ１１の回転半径を示している。また、変化量ΔＶ０に対応する高さの変化は、圧力センサ１１の出力信号の変化量ΔＶ０をＺ軸方向の高さの変化に変換したものである。傾斜情報検出部４０は、例えば、演算により変化量ΔＶ０から高さの変化を変換してもよいし、変化量ΔＶ０と高さの変化とを対応付けた変換テーブルに基づいて、変化量ΔＶ０に対応する高さの変化を生成してもよい。また、傾斜情報検出部４０は式（１）を利用して、傾斜角θを傾斜情報として生成する。

図２の説明に戻る。傾斜情報検出部４０は、同期クロック信号生成部３３が生成した同期クロック信号と、圧力センサ１１から出力される周期的な出力信号とに基づいて同期検波を実行し、当該同期検波の結果に基づいて、検出対象物（移動体１）の所定の方向の傾斜情報を検出する。同期検波部４１は、上述した圧力センサ１１の周期的な出力信号と、同期クロック信号生成部３３が生成した同期クロック信号とに基づいて同期検波を実行する。同期検波部４１は、例えば、ロックインアンプ回路とローパスフィルタ（ＬＰＦ）とを含み、圧力センサ１１の出力信号の振幅に比例した直流信号を生成する。

傾斜角生成部４２は、同期検波部４１が生成した圧力センサ１１の出力信号の振幅に比例した直流信号に基づいて、上述の式（１）を利用して、傾斜角θを傾斜情報として生成する。

ここまでは移動体１がＹ軸に沿って傾斜した場合について説明したが、同時にＸ軸に沿っても傾斜している場合も、同様の構成により傾斜角を算出できる。図５は、本実施形態における傾斜センサ６の、移動体１がＸ軸方向とＹ軸方向の両方に同時に傾斜した時における出力の一例を説明する図である。

図５（ａ）は、移動体１がＸ軸方向とＹ軸方向の両方に同時に傾斜した時の傾斜方向に直交する方向から見た断面図を示す。図５（ｂ）はこのときの圧力センサ１１の出力信号を示す。圧力センサ１１は回転板２１とともに円状に移動し、Ｚ軸方向に変位するため、図５（ｂ）の波形Ｗ３に示すように、周期的な正弦波状の出力信号を出力する。なお、出力波形Ｗ３のピーク間の変化量を変化量ΔＶ１とすると、傾斜角φが大きい程、変化量ΔＶ１が大きくなり、傾斜角φが小さい程、変化量ΔＶ１が小さくなる。

図４（ｂ）に示すＹ軸方向のみに傾斜したときの出力信号との差異は、Ｚ軸方向の最大及び最小を与える時間（位相）である。この位相ずれΔＰＨは、移動体１の傾斜方向がＹ軸に一致するときには０、Ｘ軸に一致するときにはπ？２となり、Ｘ軸とＹ軸の両方の成分を持つときにはその間の値を取る。出力波形Ｗ３のピークを検出し、その位相ずれΔＰＨから傾斜方向を求めることができる。このようにして、移動体１がＸ軸方向とＹ軸方向の両方に同時に傾斜した時でも傾斜方向と傾斜角φを検出できる。

以上説明したように、本実施形態に係る移動体制御システムは、傾斜センサ６を備えている。傾斜センサ６は、圧力センサ１１と、傾斜情報検出部４０とを備えている。圧力センサ１１は、移動体１に対して相対的に移動可能に配置され、流体（例えば、気体、液体など）の圧力を検出する。傾斜情報検出部４０は、圧力センサ１１の出力と、圧力センサ１１の移動情報（例えば、回転位置情報）とに基づいて、移動体１の傾斜情報（例えば、傾斜角θを示す情報）を検出する。

これにより、本実施形態による傾斜センサ６は、圧力センサ１１を用いて傾斜情報を検出するため、移動体１の加速度の影響を受けることがない。例えば、本実施形態による傾斜センサ６は、水平方向の加速度の影響を受けることがないので、移動体１が加速運動している最中でも正確な傾斜情報を取得して、それに基づいた姿勢制御が可能である。

また、本実施形態による傾斜センサ６は、圧力センサ１１を所定の移動経路で移動させて傾斜情報を検出し、１つの圧力センサ１１により傾斜情報を検出できる。よって、本実施形態による傾斜センサ６は、傾斜情報の検出精度を向上させることができ、移動体制御システムは、より正確な傾斜情報に基づいた姿勢制御が可能である。

ところで、傾斜情報の検出に、加速度センサを使用した場合、加速度の変化を距離の変化に変換するためには、２回積分する必要がある。また、加速度センサの出力に基づいて遠心力から角速度を検出する場合、又はジャイロセンサ（角速度センサ）により角速度を検出する場合には、角速度から角度を算出するために、１回積分する必要がある。このように、加速度センサ又はジャイロセンサを使用した場合には、センサの出力値を積分する必要があるので、積分により誤差が蓄積され、傾斜情報の検出精度が低下する傾向にある。

これに対して、本実施形態に係る移動体制御システムでは、傾斜情報取得のために用いる傾斜センサ６が圧力センサ１１を使用しているため、出力値を積分する必要がない。よって、上述したような積分により誤差の蓄積がなく、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。また、本実施形態による傾斜センサ６は、上述の式（１）を利用して、簡易な演算処理により、傾斜角θを検出することができる。

このようにして得られた傾斜角θに基づいて制御部７は演算あるいは判断処理を行い、モータ制御部１０に対して適切な命令を出すことで、移動体制御システムは、移動体１の姿勢を維持することができる。以上より、本実施形態に係る移動体制御システムによれば、移動体１の傾斜情報を正確に検出し、当該傾斜情報に基づいて移動体１の姿勢を制御するので、移動体１の制御を高精度、かつ正確に制御することが可能になる。

（第２の実施形態）
＜全体構成＞
図６は、本発明の第２の実施形態に係る移動体５１の模式図を示す。移動体５１は、空中を飛行する自律飛行型装置（飛翔体）である。移動体５１には、中央部筐体５２と、中央部筐体５２から４方向に延びたアーム５３と、アーム５３の先端に固定されたプロペラ制御ユニット５４と、プロペラ制御ユニット５４から上方向に延びたプロペラシャフト５５と、プロペラシャフト５５の先端に固定されたプロペラ５６と、中央部筐体５２から下方向に延びたシャフト５７と、シャフト５７の先端に固定されたカメラユニット５８と、中央部筐体５２下部の輪郭から下方向に延びた脚部５９と、が設けられている。中央部筐体５２には、その内部に制御ユニット６０が設けられている。カメラユニット５８には、その内部にカメラ８２が設けられている。このように本実施形態に係る移動体制御システムは、移動体５１の内部に組み込まれている。

図７は、本実施形態に係る移動体５１のブロック図を示す。図６と同一部には同一符号を与える。制御ユニット６０には、制御部６１、通信部６２、電源部６３、記憶部６４、ＧＰＳ６５、傾斜センサ６６、障害物センサ６７、温度センサ６８、気圧センサ６９が設けられている。プロペラ制御ユニット５４には、プロペラモータ７１とプロペラモータ制御部７２が設けられている。カメラユニット５８には、カメラ制御部８１とカメラ８２が設けられている。

＜全体の動作＞
図６と図７を用いて移動体５１の動作を説明する。移動体５１は、４個のプロペラ５６の回転に伴う揚力によって空中を飛行し、カメラ８２によって下方の撮影対象物の撮影を行う。プロペラ５６は、プロペラモータ制御部７２が駆動するプロペラモータ７１によって回転する。カメラ８２は、カメラ制御部８１によって制御される。

プロペラモータ制御部７２とカメラ制御部８１は、制御部６１からの制御信号によって制御される。移動体制御システムを司る制御部６１は、ＧＰＳ６５、傾斜センサ６６、障害物センサ６７、温度センサ６８、気圧センサ６９などの各種センサからの情報を基に移動体５１の姿勢や速度などの状態を把握・判断し、プロペラモータ制御部７２とカメラ制御部８１に制御信号を送信する。

また、制御部６１は、上記各種センサからの情報とカメラ制御部８１から送信された撮影画像や映像を記憶部６４に記憶させる。また、制御部６１は、地上などの別の場所に居るオペレータ（図示略）からの無線による指示を、通信部６２を介して受信し、その指示に従って全体の制御を行うこともできる。

＜傾斜センサの構成＞
傾斜センサ６６は、第１の実施形態で用いた傾斜センサ６と同様のものを用いるため、構成と動作のうち第１の実施形態と同様の部分については説明を省略する。本実施形態においては、傾斜センサ６６が出力する移動体５１の傾斜情報を、温度情報と気圧情報を用いて補正する。

傾斜センサ６６の内部に設けられている圧力センサ１１は、圧力変動を電気抵抗変化に変換し、更にそれを電圧変化として出力する。この電気抵抗は温度依存性を持つため、気温が変化すると電気抵抗が変化して、圧力変動の検出値に対してノイズとなってしまう。

本実施形態では、電気抵抗の温度依存性をあらかじめ測定した温度依存性テーブルを記憶部６４に保存しておき、傾斜センサ６６からの出力信号を受けた制御部６１は、温度センサ６８から受けた温度情報と上記温度依存性テーブルを参照して、傾斜情報を補正することができる。

また、傾斜センサ６６からの電圧変化を高さ変化に変換した値は、周囲の気圧に依存するため、高度や天候の変化が高さ変化計算値にノイズを与え、結果として得られる傾斜情報にもノイズが含まれてしまう。

これに対して本実施形態では、圧力変化と高さ変化の関係の気圧依存性をあらかじめ気圧依存性テーブルとして記憶部６４に保存しておき、傾斜センサ６６からの出力信号を受けた制御部６１は、気圧センサ６９から受けた気圧情報と上記気圧依存性テーブルを参照して、傾斜情報を補正することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る移動体制御システムによれば、空中で加速運動中であっても、Ｘ方向とＹ方向の傾斜を正確に取得し、移動体５１の正確な姿勢制御を可能にする。よって、本実施形態に係る移動体制御システムによれば、移動体５１の傾斜情報を正確に検出し、当該傾斜情報に基づいて移動体５１の姿勢を制御するので、移動体５１の制御を高精度、かつ正確に制御することが可能になる。

（第３の実施形態）
＜全体構成＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る移動体９１の模式図を示す。移動体９１は、医療機関や療養施設で患者ＰＴや利用者の介護を支援する介護ロボットである。移動体９１には、頭部９２と、胴体部９３と、脚部９４と、シャフト９５と、アーム９６が設けられている。頭部９２には、内部にカメラ９７が設けられている。胴体部９３には、内部に制御ユニット９８が設けられている。シャフト９５は、胴体部９３と脚部９４とを連結して支える。脚部９４には、複数の車輪９９が設けられている。アーム９６は、途中で関節９６ａによって、胴体部９３に近い第１アーム部９６ｂと、遠い第２アーム部９６ｃの２つの部分に分けられる。このように本実施形態に係る移動体制御システムは、移動体９１の内部に組み込まれている。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る移動体９１のブロック図を示す。移動体制御システムを司る制御ユニット９８には、内部に制御部１１１、通信部１１２、電源部１１３、記憶部１１４が設けられている。アーム９６には、第１アーム部９６ｂに第１傾斜センサ１００と第１アクチュエータ１２１、第２アーム部９６ｃに第２傾斜センサ１０１と第２アクチュエータ１２２、が設けられている。また、アーム９６には、その先端部や患者ＰＴとの接触面に触覚センサ１２３が設けられている。

＜全体の動作＞
図８と図９を用いて移動体９１の動作を説明する。制御部１１１はカメラ制御部１４２に撮影に関する指示信号を送信する。カメラ制御部１４２はその信号に基づいてカメラ１４１を制御して対象物を撮影する。撮影した映像は制御部１１１に送信される。

第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１、触覚センサ１２３、などの各種センサからはそれぞれ第１アーム部９６ｂの傾斜、第２アーム部９６ｃの傾斜、アーム９６と外部物体との接触に関する情報が制御部１１１に送信される。これらの情報は必要に応じて制御部１１から記憶部１１４に送信されて記憶される。

制御部１１１は、これらの情報に基づいて移動体９１の状況を判断する。オペレータ（図示略）からの指示は無線によって通信部１１２に送られ、制御部１１１は、通信部１１２からその指示を受ける。これらの部分に必要な電力は電源部１１３から供給される。制御部１１１は、患者ＰＴがアーム９６の所定位置に接触していることをこれらの情報に基づいて確認し、必要に応じて脚部制御部１３１に指示信号を送信して車輪９９を回転することで床の上を移動する。また、第１アクチュエータ１２１、第２アクチュエータ１２２に対して指示信号を送信して第１アーム部９６ｂ、第２アーム部９６ｃの傾斜を調整する。

患者ＰＴに対して所定の姿勢を達成したと判断すると、制御部１１１は脚部制御部１３１に対して移動を指示する信号を送信し、所定の位置まで移動体９１は床の上を移動する。その後、第１アクチュエータ１２１、第２アクチュエータ１２２に対して指示信号を送信して第１アーム部９６ｂ、第２アーム部９６ｃの傾斜を変更して患者ＰＴをベッドの上などの所定位置に運ぶ。これらの動作中、カメラ１４１は状況を撮影し続け、その画像は制御部１１１で解析されて、あらかじめ定義された行動を取っていることを確認する。

＜傾斜センサの構成＞
図１０は、図９の第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１のブロック図である。本実施形態では第１傾斜センサ１００と第２傾斜センサ１０１は同様の構成を持つ。図１０に示すように、第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１は、圧力センサ１９０と、移動機構２００ｂと、磁石２１１と、位置検出部２１２ｂと、同期クロック信号生成部２１３と、電源部２１４と、フレキシブル基板２１５ａと、傾斜情報検出部２２０とを備えている。

本実施形態では、圧力センサ１９０の移動を、円状の移動の代わりに、直線状に往復移動させる直線移動にしている点が、第１、第２の実施形態とは異なっている。

図１０に示すＹ軸がアーム９６の長手方向であり、Ｚ軸が重力方向、Ｘ軸が移動体９１の左右方向（図８の紙面に垂直方向）である。本実施形態では、第１アーム部９６ｂ、第２アーム部９６ｃの傾斜はＹ軸方向に沿った傾斜情報が最も重要であるので、第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１は、共にＹ軸方向に沿った傾斜情報を取得するよう設計されている。

移動機構２００ｂは、圧力センサ１９０が配置され、直線状に移動可能な移動板２０５（直線移動体）を備え、移動板２０５を直線状に移動させることによって圧力センサ１９０を直線移動させる。すなわち、移動機構２００ｂは、圧力センサ１９０を直線状に往復移動させる直線移動を可能にする。

また、移動機構２００ｂは、例えば、リニアトラッキング機構２３０と、モータ制御部２０２と、モータ２０３とを備えている。リニアトラッキング機構２３０は、回転板２０１と、クランクシャフト２０４と、移動板２０５と、レール２０６とを備え、回転板２０１の回転運動を、移動板２０５のＹ軸方向に沿った直線移動に変換する。

移動板２０５には、圧力センサ１９０及び磁石２１１が配置され、モータ２０３によって、回転板２０１が回転されることによって、クランクシャフト２０４を介して、水平時にレール２０６上をＹ軸方向に直線状に移動する。モータ制御部２０２は、回転板２０１を所定の回転速度で回転させて、圧力センサ１９０を上述した直線移動させるように制御する。位置検出部２１２ｂは、圧力センサ１９０の移動情報を検出する。位置検出部２１２ｂは、例えば、ホール素子などの磁気検出素子であり、移動板２０５に配置された磁石２１１が接近することにより、移動板２０５の基準位置を検出し、検出信号を同期クロック信号生成部２１３に出力する。

本実施形態による第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１では、圧力センサ１９０が、移動機構２００ｂによって、直線移動されることにより、圧力センサ１９０は、検出対象物の傾斜に応じて、周期的な出力信号を出力する。また、同期クロック信号生成部２１３は、位置検出部２１２ｂによって検出された移動板２０５の位置を示す情報に基づいて、Ｙ軸方向の傾斜を検出するための同期クロック信号を生成する。傾斜情報検出部２２０は、圧力センサ１９０がフレキシブル基板２１５ａを介して出力した周期的な出力信号と、同期クロック信号とに基づいて、同期検波部２２１は同期検波を実行し、傾斜角生成部２２２は当該同期検波の結果に基づいて、傾斜角を検出する。

本実施形態では、傾斜角を検出する際に温度や気圧による補正を行っていないが、これらの補正を行うことは、第２実施形態と同様の構成にすることで容易である。特に患者ＰＴに接触する部分は患者ＰＴの体温によって温度が上昇するので、温度補正を行って正確な傾斜角を検出することは有効である。

このような構成の第１傾斜センサ１００、第２傾斜センサ１０１を用いると、移動体９１が加速運動している最中でも慣性力の影響を受けることなく正確な傾斜情報を得ることができ、安全に患者ＰＴを介助することができる。

以上より、本実施形態に係る移動体制御システムによれば、移動体９１の傾斜情報を正確に検出し、当該傾斜情報に基づいて移動体９１の姿勢を制御するので、移動体９１の制御を高精度、かつ正確に制御することが可能になる。

（第４の実施形態）
本実施形態の全体構成は第３の実施形態と同一であり、第１傾斜センサ３００と第２傾斜センサ３０１がそれぞれ第３の実施形態における第１傾斜センサ１００と第２傾斜センサ１０１に置換されているので、これらの傾斜センサ３００（３０１）についてのみ説明する。

図１１は、第４の実施形態による傾斜センサ３００（３０１）の一例を示すブロック図である。図１１に示すように、傾斜センサ３００は、圧力センサ１９０と、移動板２０５と、レール２０６と、磁石２１１と、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）と電源部２１４と、フレキシブル基板２１５ａと、傾斜情報検出部３２０とを備えている。なお、図１１において、図１０に示す構成と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、直線移動した２箇所における圧力センサ１９０の出力に基づいて傾斜情報を検出する場合の別の一例について説明する。本実施形態では、リニアトラッキング機構３３０は、移動機構２００ｂを備えずに、モータ２０３等に接続されない移動板２０５及びレール２０６を備え、外力や加速度などにより、圧力センサ１９０を直線移動させる点が、第３の実施形態と異なる。

本実施形態において、移動板２０５は、圧力センサ１９０及び磁石２１１を備え、レール２０６（リニアトラッキング）上を自由に直線移動できるように構成されている。移動板２０５は、例えば、検出対象物に加えられた外力（例えば、測定軸方向（Ｘ軸方向）の加速度成分）や人力などにより、レール２０６上を移動する。

位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）は、位置検出部２１２ｂと同一の構成であり、移動板２０５に配置された磁石２１１が接近することにより、移動板２０５の移動位置を検出し、検出信号を傾斜情報検出部３２０に出力する。本実施形態において、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）は、傾斜センサ３００が備える任意の位置検出部を示す場合、又は特に区別しない場合には、位置検出部２１２ｂとして説明する。なお、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）の位置関係は、予め定められているものとする。例えば、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）は、所定の位置間隔で配置され、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）の出力により、圧力センサ１９０の移動距離が検出可能である。

傾斜情報検出部３２０は、圧力センサ１９０の移動距離と、移動距離に対する圧力センサ１９０の出力値の変化とに基づいて、検出対象物の傾斜情報を検出する。傾斜情報検出部３２０は、例えば、上述した複数の位置検出部２１２ｂのうちの２つの出力により得られる移動距離ΔＤと、移動距離ΔＤに対する圧力センサ１９０の出力値の変化とに基づいて、検出対象物のＸ軸方向の傾斜角を検出する。また、傾斜情報検出部３２０は、傾斜角生成部２２２を備えている。

傾斜角生成部２２２は、位置検出部（２１２ｂ−１、２１２ｂ−２、・・・、２１２ｂ−Ｎ）のうちの２つにより検出信号が出力された第１の位置における圧力センサ１９０の出力値（電圧Ｖ１）と、第２の位置における圧力センサ１９０の出力値（電圧Ｖ２）を取得する。傾斜角生成部２２２は、第１の位置の出力値と、第２の位置の出力値との変化量ΔＶｏ（＝Ｖ２−Ｖ１）を算出する。そして、傾斜角生成部２２２は、上述した式（１）を利用して、移動距離ΔＤと、変化量ΔＶｏとに基づいて、傾斜角θを算出する。なお、本実施形態では、式（１）において、移動距離（２×Ｒｓ）の代わりに、上述した移動距離ΔＤを使用する。

なお、傾斜角生成部２２２は、所定の期間内に、磁石２１１を検出した検出信号が、３個以上の位置検出部２１２ｂから出力された場合に、例えば、３個以上の位置検出部２１２ｂのうちの最も距離が離れている２つを選択し、当該２つの位置検出部２１２ｂの距離を移動距離ΔＤとしてもよい。この場合、傾斜角生成部２２２は、例えば、最も距離が離れて磁石２１１を検出した２つ位置検出部２１２ｂの位置における変化量ΔＶｏと、当該２つの位置検出部２１２ｂの距離（移動距離ΔＤ）とに基づいて、傾斜角θを算出する。

以上説明したように、本実施形態による傾斜センサ３００は、第３の実施形態のような移動機構２００ｂを備えずに、移動板２０５及びレール２０６を備え、外力や加速度などにより、圧力センサ１９０を直線移動させる。そして、傾斜情報検出部３２０は、圧力センサ１９０の移動距離（例えば、移動距離ΔＤ）と、移動距離に対する圧力センサ１９０の出力値の変化（例えば、変化量ΔＶｏ）とに基づいて、検出対象物の傾斜情報（例えば、傾斜角θ）を検出する。これにより、本実施形態による傾斜センサ３００は、上述した同期検波を使用する場合に比べて、簡易な構成により、傾斜情報を検出することができる。

（その他の実施形態）
上述の第１〜第４の実施形態では、傾斜センサが一つの圧力センサを有する構成について説明したが、圧力センサの数はこれに限られるものではない。傾斜センサが複数の圧力センサを有し、これらの圧力センサが各々移動体に対して移動可能に構成されていてもよい。

また、上述の第１〜第４の実施形態では、傾斜情報を演算し、移動体の姿勢制御を行う制御部（制御手段）が、移動体と一体に設けられている形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、制御部を移動体の外部に設け、移動体に設けられている傾斜センサからの出力を受信可能に構成することで、外部の制御部によって、移動体の姿勢を制御可能としてもよい。

また、このように移動体と制御部とをネットワーク上で接続することで、外部の制御部によって、複数の移動体の姿勢を制御することも可能である。なお、外部の制御部は、外部の電子機器、ＰＣ、スマートフォン、又はその他ウェアラブル機器などに設けられていてもよい。

すなわち、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、移動体の重力に垂直な水平面からの傾斜情報を検出する傾斜センサと、前記傾斜情報に基づいて前記移動体の姿勢を制御する制御部とを有する移動体制御システムであって、
前記傾斜センサは、前記移動体に対して相対的に移動可能に配置され、流体の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力と前記圧力センサの移動情報とに基づいて、前記傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、を備えることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記傾斜センサは、前記移動体に対して前記圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、前記傾斜情報検出部は、前記圧力センサの移動情報と、前記圧力センサの出力とに基づいて、前記移動体の傾斜情報を検出することを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動機構は、前記圧力センサが配置される回転体を備え、前記回転体を回転させることによって前記圧力センサを円状に移動させることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動機構は、前記圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、前記直線移動体を直線状に移動させることによって前記圧力センサを直線移動させることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記傾斜情報検出部は、前記圧力センサの移動距離と、前記移動距離に対する前記圧力センサの出力値の変化とに基づいて、前記傾斜情報を検出することを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記制御部は、前記移動体の外部に設けられており、前記傾斜センサにおいて検出された前記傾斜情報を受信し、当該傾斜情報に基づいて前記移動体の姿勢を制御することを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動体は車両であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記車両の姿勢に関する情報であることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動体は自律走行型の車両であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記車両の姿勢に関する情報であることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動体は飛翔体であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記飛翔体の姿勢に関する情報であることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動体は自律飛行型の飛翔体であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記飛翔体の姿勢に関する情報であることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体制御システムは、前記移動体は患者を介護するロボットであり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記ロボットの少なくとも一部の姿勢に関する情報であることを特徴とする。

また、以上の実施形態に係る移動体は、上記移動体制御システムを有し、該移動体制御システムによって、姿勢を制御可能に構成されていることを特徴とする。

１ 移動体
２ 上部筐体
３ 中央部筐体
４ 下部筐体
５ カメラ
６ 傾斜センサ
７ 制御部
８ 記憶部
９ モータ
１０ モータ制御部
２０ 移動機構
２１ 回転板
２２ 傾斜センサモータ制御部
２３ 傾斜センサモータ
３１ 磁石
３２ 回転検出部
３３ 同期クロック信号生成部
３４ 電源部
３５ スリップリング
４０ 傾斜情報検出部
４１ 同期検波部
４２ 傾斜角生成部
５１ 移動体
５２ 中央部筐体
５３ アーム
５４ プロペラ制御ユニット
５５ プロペラシャフト
５６ プロペラ
５７ シャフト
５８ カメラユニット
５９ 脚部
６０ 制御ユニット
６１ 制御部
６２ 通信部
６３ 電源部
６４ 記憶部
６５ ＧＰＳ
６６ 傾斜センサ
６７ 障害物センサ
６８ 温度センサ
６９ 気圧センサ
７１ プロペラモータ
７２ プロペラ制御部
８１ カメラ制御部
８２ カメラ
９１ 移動体
９２ 頭部
９３ 胴体部
９４ 脚部
９５ シャフト
９６ アーム
９６ａ 関節
９６ｂ 第１アーム部
９６ｃ 第２アーム部
９７ カメラ
９８ 制御ユニット
９９ 車輪
１００ 第１傾斜センサ
１０１ 第２傾斜センサ
１１１ 制御部
１１２ 通信部
１１３ 電源部
１１４ 記憶部
１２１ 第１アクチュエータ
１２２ 第２アクチュエータ
１２３ 触覚センサ
１３１ 脚部制御部
１４１ カメラ
１４２ カメラ制御部
１９０ 圧力センサ
２００ｂ 移動機構
２０１ 回転板
２０２ モータ制御部
２０３ モータ
２０４ クランクシャフト
２０５ 移動板
２０６ レール
２１１ 磁石
２１２ｂ 位置検出部
２１３ 同期クロック信号生成部
２１４ 電源部
２１５ａ フレキシブル基板
２２０ 傾斜情報検出部
２２２ 傾斜角生成部
２３０ リニアトラッキング機構
３００ 第１傾斜センサ
３０１ 第２傾斜センサ
３２０ 傾斜情報検出部
３２１ 同期検波部
３３０ リニアトラッキング機構
ＰＴ 患者
Ｗ１ 出力波形
Ｗ２ 出力波形
Ｗ３ 出力波形
ΔＰＨ 位相ずれ
ΔＶ０ 出力波形Ｗ２のピーク間の変化量
ΔＶ１ 出力波形Ｗ３のピーク間の変化量
θ、φ 傾斜角

Claims (12)

1. 移動体の重力に垂直な水平面からの傾斜情報を検出する傾斜センサと、前記傾斜情報に基づいて前記移動体の姿勢を制御する制御部とを有する移動体制御システムであって、
   前記傾斜センサは、
   前記移動体に対して相対的に移動可能に配置され、流体の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサの出力と前記圧力センサの移動情報とに基づいて、前記傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、
   を備えることを特徴とする移動体制御システム。
2. 前記傾斜センサは、前記移動体に対して前記圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、前記傾斜情報検出部は、前記圧力センサの移動情報と、前記圧力センサの出力とに基づいて、前記移動体の傾斜情報を検出することを特徴とする請求項１に記載の移動体制御システム。
3. 前記移動機構は、前記圧力センサが配置される回転体を備え、前記回転体を回転させることによって前記圧力センサを円状に移動させることを特徴とする請求項２に記載の移動体制御システム。
4. 前記移動機構は、前記圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、前記直線移動体を直線状に移動させることによって前記圧力センサを直線移動させることを特徴とする請求項２に記載の移動体制御システム。
5. 前記傾斜情報検出部は、前記圧力センサの移動距離と、前記移動距離に対する前記圧力センサの出力値の変化とに基づいて、前記傾斜情報を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の移動体制御システム。
6. 前記制御部は、前記移動体の外部に設けられており、前記傾斜センサにおいて検出された前記傾斜情報を受信し、当該傾斜情報に基づいて前記移動体の姿勢を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の移動体制御システム。
7. 前記移動体は車両であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記車両の姿勢に関する情報であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の移動体制御システム。
8. 前記移動体は自律走行型の車両であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記車両の姿勢に関する情報であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の移動体制御システム。
9. 前記移動体は飛翔体であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記飛翔体の姿勢に関する情報であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の移動体制御システム。
10. 前記移動体は自律飛行型の飛翔体であり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記飛翔体の姿勢に関する情報であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の移動体制御システム。
11. 前記移動体は患者を介護するロボットであり、前記傾斜情報は前記水平面に対する前記ロボットの少なくとも一部の姿勢に関する情報であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の移動体制御システム。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の移動体制御システムを有し、該移動体制御システムによって、姿勢を制御可能に構成されていることを特徴とする移動体。

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