JP2022078372A - Mobile working robot control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動作業ロボット制御装置に関する。 The present invention relates to a mobile work robot control device.
近年、作業機器に走行駆動装置・センサ類及び走行制御手段等を備えて、自動的に作業を行う各種の移動作業ロボットが開発または実用されている。移動作業ロボットの一例として自走式掃除機がある。自走式掃除機は、同軸上に置かれた左右2つの駆動輪と本体前方または後方に設置された従動輪を用いる走行操舵手段と、吸引式掃除機とブラシからなる清掃手段と、障害物検出手段を備え、周囲の壁面を認識しながら床面上を図10のように直進往復移動して床面を清掃する。(例えば特許文献1参考) In recent years, various mobile work robots that are equipped with travel drive devices / sensors, travel control means, etc. in work equipment and perform automatic work have been developed or put into practical use. An example of a mobile work robot is a self-propelled vacuum cleaner. The self-propelled vacuum cleaner is a traveling steering means that uses two left and right drive wheels placed coaxially and a driven wheel installed in front of or behind the main body, a cleaning means consisting of a suction type vacuum cleaner and a brush, and obstacles. A detection means is provided, and the floor surface is cleaned by moving straight back and forth on the floor surface as shown in FIG. 10 while recognizing the surrounding wall surface. (For example, refer to Patent Document 1)
一般に、移動作業ロボットが平坦な床を走行する場合、特に駆動輪の動きを妨げるものがない場合は、最初に指定した場所に向って指示通りに走行することとなる。しかしながら、絨毯上を走行する際、駆動輪が絨毯の網目や、絨毯の毛の流れの方向に影響を受け、その方向に流されてしまう。 In general, when the mobile work robot travels on a flat floor, particularly when there is nothing that hinders the movement of the drive wheels, the mobile robot travels toward the initially designated place as instructed. However, when traveling on the carpet, the drive wheels are affected by the mesh of the carpet and the direction of the hair flow of the carpet, and are swept in that direction.
たとえば、絨毯の影響を受けない床上を直進走行する場合、移動作業ロボット本体は図4の直線軌道L1に沿って走行する。この直線軌道L1に沿うような走行を図10のように往復して繰り返し行うことで、掃除残しなく効率的に清掃することが可能となる。しかし、絨毯上では絨毯の毛の流れの影響により速度vの横ずれが発生し、直線軌道L1に沿うように直進制御をしても本体は直線軌道L1から横ずれ角θだけ方向が変わった直線軌道L2に沿って走行する。ただし、このとき本体方向d1は変わらず、本体方向d1と直線軌道L2の方向は一致しない。L1からずれた軌道を走行するため、例えば床面上を直進往復移動して一定の幅ずつ床面を清掃するように使用すると、絨毯上では掃除残しができてしまうという問題がある。 For example, when traveling straight on the floor that is not affected by the carpet, the moving work robot main body travels along the straight track L1 in FIG. By reciprocating and repeating the traveling along the straight track L1 as shown in FIG. 10, it is possible to efficiently clean the vehicle without leaving any residue. However, on the carpet, the lateral displacement of the velocity v occurs due to the influence of the hair flow of the carpet, and even if the straight traveling control is performed along the linear trajectory L1, the main body is a linear trajectory whose direction is changed by the lateral displacement angle θ from the linear trajectory L1. Drive along L2. However, at this time, the main body direction d1 does not change, and the main body direction d1 and the direction of the straight track L2 do not match. Since it travels on a track deviated from L1, for example, if it is used to move straight back and forth on the floor surface and clean the floor surface by a certain width, there is a problem that uncleaned residue is left on the carpet.
また、横ずれの結果、従動輪やブラシが絨毯から横向きに力を受けることで、図5に示すように本体が角速度βで旋回し、直線軌道L1に沿うように直進制御をしても本体は直線軌道L1から外れた軌道L3に沿って走行する。横ずれのみが発生する場合、図4に示すように本体方向d1は常に一定であるが、旋回が発生する場合、図5の本体方向d2は走行中常に変化する。 Further, as a result of lateral displacement, the driven wheel and the brush receive a lateral force from the carpet, so that the main body turns at an angular velocity β as shown in FIG. It travels along the track L3 that deviates from the straight track L1. When only lateral displacement occurs, the main body direction d1 is always constant as shown in FIG. 4, but when turning occurs, the main body direction d2 in FIG. 5 always changes during traveling.
特許文献2では横ずれと旋回に対応するため、床面を撮像するカメラを用いて移動距離と旋回速度を検出し、補正を加える方法が考えられているが、カメラを搭載するため装置が高価になるという問題がある。また、床面に模様や絨毯毛の影等の目印がなければ、床面画像の差を検出できず、移動距離と旋回速度を検出できない等の問題がある。 In Patent Document 2, in order to deal with lateral displacement and turning, a method of detecting the moving distance and turning speed by using a camera that images the floor surface and adding correction is considered, but the device is expensive because the camera is mounted. There is a problem of becoming. Further, if there is no mark such as a pattern or a shadow of a carpet hair on the floor surface, there is a problem that the difference in the floor surface image cannot be detected, and the moving distance and the turning speed cannot be detected.
特許文献3では横ずれに対処する方法として、本体方向と独立して方向を変えることのできるローラを用いて本体方向d1と実際の移動方向の角度差(図4ではθと同じ)を検
出し、その差に基づいて本体の目標方向を横ずれと反対側に振ることで補正をする方法が考えられている。
In Patent Document 3, as a method of dealing with lateral displacement, an angular difference between the main body direction d1 and the actual moving direction (same as θ in FIG. 4) is detected by using a roller that can change the direction independently of the main body direction. A method of correcting by swinging the target direction of the main body to the opposite side to the lateral displacement based on the difference is considered.
しかし、本体方向の検出にはジャイロセンサを用いているため、装置が高価になるという問題がある。また、補正のためには本体を旋回させる力に逆らい、本体方向を目標本体方向に向け続ける必要があり、この制御にもジャイロセンサが必要になる。 However, since a gyro sensor is used for detecting the direction of the main body, there is a problem that the device becomes expensive. In addition, for correction, it is necessary to keep the direction of the main body toward the target main body against the force of turning the main body, and a gyro sensor is also required for this control.
ジャイロセンサを用いない場合、本体方向d2と直線軌道L1の角度が分からないため、ローラによって本体1の方向と実際の移動方向の角度差を検出したとしても、直線軌道L1と実際の移動方向の差θを検出することができない。また、ローラよって得られる角度は横ずれの影響と旋回の影響の両方を合わせた値となるため、絨毯によって旋回が生じている場合横ずれによる本体方向と実際の移動方向の角度差を正確に検出することができない。
When the gyro sensor is not used, the angle between the main body direction d2 and the straight track L1 is not known. Therefore, even if the roller detects the angle difference between the
ローラと本体方向の角度を用いた横ずれ検出と補正自体は比較的安価に実現可能であるため、ジャイロセンサ等の高価なセンサを用いずに本体方向を維持することができれば、直進制御が可能となる。 Since lateral displacement detection and correction itself using the angle between the roller and the main body can be realized at a relatively low cost, straight-line control is possible if the main body direction can be maintained without using an expensive sensor such as a gyro sensor. Become.
本発明は、カメラやジャイロセンサ等の高価な部材やセンサを用いずに、目印の少ない絨毯上においても移動作業ロボットが絨毯の影響により本体方向を変えられることなく前進する制御装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a control device for moving a mobile robot to move forward without changing the direction of the main body due to the influence of the carpet even on a carpet with few marks without using expensive members such as a camera and a gyro sensor. With the goal.
前記従来の課題を解決するために、本発明は目標とする軌道に基づいて車輪の回転速度を指示する回転速度指示手段と、車輪に外乱が印加されても車輪の回転速度と回転速度指示値の差を十分小さく保つ回転速度制御手段と、モータに流れる電流を計測する電流計測手段と、モータ及び車輪の回転速度を計測する回転速度計測手段と、モータに流れる電流と車輪の回転速度から車輪にかかる外乱を推定する外乱推定手段と、推定した外乱から左右の車輪がそれぞれどの程度前後に滑っているかを算出する前後滑り速度推定手段と、推定した各車輪の滑り速度の左右差を打ち消すように回転速度指令値を補正し旋回を打ち消す直進制御手段を備えてなる移動作業ロボット制御装置である。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention has a rotation speed indicating means for instructing the rotation speed of the wheel based on the target trajectory, and the rotation speed and the rotation speed instruction value of the wheel even if a disturbance is applied to the wheel. A rotation speed control means that keeps the difference sufficiently small, a current measurement means that measures the current flowing through the motor, a rotation speed measuring means that measures the rotation speed of the motor and wheels, and a wheel based on the current flowing through the motor and the rotation speed of the wheels. Disturbance estimation means for estimating the disturbance applied to the vehicle, front-rear slip speed estimation means for calculating how much the left and right wheels are slipping back and forth from the estimated disturbance, and left-right difference in the estimated slip speed of each wheel. It is a mobile work robot control device provided with a straight-ahead control means for correcting a rotation speed command value and canceling a turn.
これによって、モータに流れる電流とモータの車輪の回転速度の情報を元に旋回を打ち消すことができるため、回転速度指示手段からの指示に補正がかかり、左右のモータに同じ回転速度を指示すれば左右の車輪の前進速度の差がなくなり、絨毯上においても本体方向を変えない前進を実現することができる。この構成により、カメラやジャイロセンサ等を用いて旋回を検出する必要がなくなる。 As a result, the turning can be canceled based on the information of the current flowing through the motor and the rotation speed of the wheels of the motor, so that the instruction from the rotation speed indicating means is corrected and the same rotation speed is indicated to the left and right motors. There is no difference in the forward speed of the left and right wheels, and it is possible to realize forward movement without changing the direction of the main body even on the rug. This configuration eliminates the need to detect turning using a camera, gyro sensor, or the like.
本発明により、カメラやジャイロセンサ等の高価なセンサを用いることなく移動作業ロボットが絨毯においてその本体方向を変えずに前進することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a mobile work robot can move forward on a carpet without changing its main body direction without using an expensive sensor such as a camera or a gyro sensor.
以下、本発明の実施の形態について、図1、図2を参照しながら説明する。なお、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The present invention is not limited to the embodiments.
図2は、移動作業ロボットの概略構成を示す平面図である。1は移動作業ロボットの本体、2Lと2Rはそれぞれ本体1の左右に配置された車輪であり、回転軸は同軸上にある。また、車輪2L、2Rの半径は同じである。この回転軸は本体に対して固定されている。3Lと3Rはそれぞれ車輪2Lと車輪2Rを駆動するモータである。車輪2L及びモータ3Lと車輪2R及びモータ3Rは左右独立して回転させることができ、その回転速度の差によって、本体1の方向を変えることができる。4L、4Rはそれぞれモータ3L、3Rに流れる電流を計測する電流計測手段であり、5L、5Rはそれぞれ車輪2L、2Rの回転速度を計測する回転速度計測手段である。6は従動輪である。7は制御部であり、車輪の回転速度制御、直進制御を制御部7において行う。
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a mobile work robot.
図11に本発明の方法を用いない従来の一般的な制御ブロック図を示す。 FIG. 11 shows a conventional general control block diagram that does not use the method of the present invention.
回転速度指示手段71は、目標とする前進速度と軌道から車輪2L、2Rの回転速度を決定し回転速度制御手段72L、72Rに回転速度指示値を出力する。例えば右曲がりの軌道であれば、車輪2Lを速く、車輪2Rを遅く回す指示値を出力する。直進走行の場合であれば、車輪2L、2Rの回転速度を同じにするような回転速度指示値を出力する。
The rotation speed indicating means 71 determines the rotation speed of the
回転速度制御手段72L、72Rは、回転速度指示手段71の出力する回転速度指示値を目標値として、2L、2Rの回転速度制御を行う。この場合の回転速度制御では、車輪2L、2Rの回転速度の計測値を回転速度計測手段5L、5Rから受け取り、その計測値が入力された目標回転速度と同じになるようにモータ3L、3Rに出力する駆動電圧を調整する。
The rotation speed control means 72L and 72R perform rotation speed control of 2L and 2R with the rotation speed instruction value output by the rotation speed instruction means 71 as a target value. In the rotation speed control in this case, the measured values of the rotation speeds of the
モータ3L、3Rは回転速度制御手段72L、72Rから出力された駆動電圧によって回転し、ギア等の機構を介して車輪2L、2Rに駆動力を伝える。ここでは簡単のため、モータ3L、3Rの回転速度がそのまま車輪2L、2Rの回転速度になるものとする。
The
理想的な床面上を走行する場合には、図11の構成において、回転速度指示手段71が回転速度制御手段72L、72Rに同じ回転速度指示値を送ることで、車輪2L、2Rを同じ回転速度で回すことができ、車輪2L、2Rは同じ速度で前進する。その結果、本体1は方向を変えることなく前進する。
When traveling on an ideal floor surface, in the configuration of FIG. 11, the rotation speed indicating means 71 sends the same rotation speed instruction value to the rotation speed control means 72L and 72R, so that the
しかし絨毯上を走行する場合には、横ずれを原因として本体1に旋回方向の力が働く。このとき車輪2L、2Rは、回転速度指示手段71から指示された回転速度に従う回転速度制御手段72L、72Rの作用により同じ回転速度で回転するものの、本体1は旋回しその進行方向を変えてしまう。
However, when traveling on a carpet, a force in the turning direction acts on the
この旋回によって、車輪2L、2Rが絨毯上を滑ることで、絨毯から車輪2L、2Rの接地面にそれぞれ異なる大きさの力が加わり、その力の左右差の発生はモータ3L、3Rに流れる電流と車輪2L、2Rの回転速度の変化として現れる。
By this turning, the
図1に本発明における制御ブロック図を示す。 FIG. 1 shows a control block diagram in the present invention.
回転速度指示手段71の出力に、直進制御手段75が回転速度補正値を加える構成となっている。
The straight-ahead control means 75 adds a rotation speed correction value to the output of the rotation
回転速度計測手段5L、5Rは車輪2L、2Rの回転速度を、電流計測手段4L、4Rはモータ3L、3Rに流れる電流を計測し、外乱による電流と回転速度の変化を捉える。計測した電流値と回転速度値を外乱推定手段73L、73Rに出力する。
The rotation speed measuring means 5L and 5R measure the rotation speed of the
外乱推定手段73L、73Rは、それぞれ回転速度計測手段5L、5Rの出力した回転速度と電流計測手段4L、4Rの出力した電流計測値から車輪に働く外乱を推定し、その推定値を前後滑り速度推定手段74L、74Rに出力する。車輪に働く外乱とは、旋回によって生じた、絨毯が車輪の接地面に対して車輪2L、2Rの回転方向に与える力である。
The disturbance estimation means 73L and 73R estimate the disturbance acting on the wheel from the rotation speed output by the rotation speed measuring means 5L and 5R and the current measurement values output by the current measuring means 4L and 4R, respectively, and the estimated values are used as the back-and-forth slip speed. It is output to the estimation means 74L and 74R. The disturbance acting on the wheels is the force generated by the turning of the carpet in the rotational direction of the
前後滑り速度推定手段74L、74Rは外乱推定手段が出力する外乱から車輪2L、2Rの前後滑り速度を推定し、直進制御手段75に出力する。車輪の前後滑り速度とは、本体1の方向に対する車輪の接地面の速度である。滑りのない床では車輪の前後滑り速度は車輪の回転速度に関わらず0となる。
The front-back slip speed estimation means 74L and 74R estimate the front-back slip speed of the
直進制御手段75は、車輪2L、2Rの前後滑り速度から本体1の旋回速度を算出し、旋回を打ち消すような車輪2L、2Rの回転速度補正値を算出し、その補正値を回転速度指示手段71の出力した回転速度指示値に加算するように出力する。
The straight-ahead control means 75 calculates the turning speed of the
以上のように構成された移動作業ロボットについて、以下その動作、作用を説明する。 The operation and operation of the mobile work robot configured as described above will be described below.
図8に示すように、車輪2L、2Rの半径をr、車輪2Lと車輪2R間の距離W、車輪2L、2Rの軸が本体1の方向に移動する速度をそれぞれvL、vRとする。本体1の旋回速度をβとすると、β=(vR-vL)/Wと表せる。
As shown in FIG. 8, the radius of the
図5において、L1は目標とする直線軌道である。滑りのない理想的な床面上においては、車輪2L、2Rに同じ半径の車輪を用い、回転速度指示手段71が回転速度制御手段72L、72Rに同じ回転速度指示値として各モータを回転させる回転速度ω*を出力することで、この軌道に沿って本体1を走行させることができる。回転速度指示手段71が回転速度制御手段72L、72Rに同じ回転速度ω*を出力すると、回転速度制御手段72L、72Rは与えられた回転速度指示値が示す回転速度ω*通りに車輪2L、2Rを回転させるような駆動電圧をモータ3L、3Rに出力し、車輪2L、2Rの回転速度ωをω*に収束させる。床面と車輪2L、2Rの間に滑りがないとき、vL=vR=rω*となり、車輪2L、2Rが本体方向に進む速度は同じとなる。このとき本体1の旋回速度はβ=(rω*-rω*)/W=0となり、本体方向を変えずに前進させることができる。
In FIG. 5, L1 is a target straight line orbit. On an ideal floor surface without slipping, wheels of the same radius are used for the
図5に示すように絨毯の毛の流れがある場合、絨毯上を走行すると速度vの横ずれが発生し、この横ずれによって従動輪6が絨毯から横ずれの方向と逆向きの抵抗力を受けることで、本体1は旋回方向に力を受け、旋回する。この旋回が左旋回の場合は車輪2Lの接地面が後方に、車輪2Rの接地面が前方に動く。右旋回であればその逆である。これにより、車輪2L、2Rの接地面にそれぞれ異なる前後滑り速度vsL、vsRが生じる。車輪の前後滑り速度とは図6に示す車輪の接地面の本体方向の速度vs(図6の場合は負の速度)である。滑りがない場合、この前後滑り速度は0となる。
As shown in FIG. 5, when there is a flow of hair on the carpet, a lateral displacement of the speed v occurs when traveling on the carpet, and this lateral displacement causes the driven
前後滑り速度vsL、vsRが発生すると、車輪2L、2Rの軸の速度はvL=rω*
+vsL、vR=rω*+vsRのように、車輪の回転による速度と滑りによる速度を合わせた速度となる。直進制御手段75を用いない場合、前後滑り速度によって生じたこの速度の左右差は旋回速度β=(vR-vL)/W=(vsR-vsL)/Wを引き起こす。
When the front-back slip speed v sL and v sR are generated, the speed of the shafts of the
As + v sL , v R = rω ** v sR, the speed is the sum of the speed due to the rotation of the wheel and the speed due to slippage. When the straight-ahead control means 75 is not used, the laterality of this speed caused by the back-and-forth sliding speed causes a turning speed β = (v R − v L ) / W = (v sR −v sL ) / W.
本発明では直進制御手段75によって、図9に示すように回転速度指示手段71の指示した車輪の回転速度ω*に補正量ωL、ωRを加える。補正量を加えることでvL=vRとなるようにすれば、旋回の角速度βは0となるため、絨毯の影響により旋回方向の力を受けていて車輪2L、2Rに前後滑り速度が生じていたとしても本体1の方向を変えずに前進できる。
In the present invention, the straight-ahead control means 75 adds correction quantities ω L and ω R to the rotation speed ω * of the wheel instructed by the rotation speed indicating means 71 as shown in FIG. If v L = v R is set by adding a correction amount, the angular velocity β of turning becomes 0, so that the
本発明において直進制御手段75が補正量を決定し本体1の方向を変えずに前進させる方法について説明する。補正量の決定には、前後滑り速度推定手段74Lの出力した前後滑り速度vsL、前後滑り速度推定手段74Rの出力した前後滑り速度vsRの値を用いる。
In the present invention, a method in which the straight-ahead control means 75 determines a correction amount and advances the
一例として、補正量ωL、ωRをそれぞれ(vsR―vsL)/(2r)、(vsL―vsR)/(2r)とし、回転速度指示手段71の回転速度指示値の出力ω*に加えることで、vL=r(ω*+ωL)+vsL=rω*+(vL+vR)/2、vR=r(ω*+ωR)+vsR=rω*+(vL+vR)/2とすることができ、vL=vRとなる。その結果本体1の旋回速度はβ=(vR-vL)/W=0となり、絨毯上においても本体1の方向を変えずに前進できる。
As an example, the correction amounts ω L and ω R are set to (v sR -v sL ) / (2r) and (v sL -v sR ) / (2r), respectively, and the output ω of the rotation speed instruction value of the rotation speed instruction means 71 is set. By adding to *, v L = r (ω * + ω L ) + v sL = rω * + (v L + v R ) / 2, v R = r (ω * + ω R ) + v sR = rω * + (v L ) It can be + v R ) / 2, and v L = v R. As a result, the turning speed of the
次に前後滑り速度推定手段74L、74Rが前後滑り速度vsLとvsRを推定する方法について説明する。前後滑り速度の推定には外乱推定手段73Lの出力した外乱FdL、外乱推定手段73Rの出力した外乱FdRの値を用いる。外乱とは、図6に示すように絨毯が車輪の接地面に対してその回転方向または逆方向に与える力Fdである。外乱Fdは前後滑り速度vsで滑る場合に、その速度と反対方向に発生する。回転速度指示手段71の出力する指令指示値に基づく回転速度ω*が一定のとき、車輪の前後滑り速度vsと車輪が絨毯から受ける力Fdには、図7に示すような、絨毯固有の関係がある。前後滑り速度推定手段74L、74Rは予め実験によって求めたその関係を用いることで車輪に働く外乱の推定値から車輪の前後滑り速度を推定する。 Next, a method in which the front-back slip speed estimation means 74L and 74R estimate the front-back slip speed v sL and v sR will be described. For the estimation of the back-and-forth slip speed, the values of the disturbance F dL output by the disturbance estimation means 73L and the values of the disturbance F dR output by the disturbance estimation means 73R are used. As shown in FIG. 6, the disturbance is a force Fd applied by the carpet to the ground plane of the wheel in the direction of rotation or in the opposite direction. The disturbance F d is generated in the direction opposite to the forward / backward sliding speed vs. when sliding at that speed. When the rotation speed ω * based on the command instruction value output by the rotation speed indicating means 71 is constant, the front-rear slip speed vs of the wheel and the force F d received by the wheel from the rug are unique to the rug as shown in FIG. There is a relationship. The front-back slip speed estimation means 74L and 74R estimate the front-back slip speed of the wheel from the estimated value of the disturbance acting on the wheel by using the relationship obtained by the experiment in advance.
図7は、ウィルトンカーペットと呼ばれる種類の絨毯上において、移動作業ロボットを等速で走行させたときの、車輪2Lの滑り速度vsLと推定した外乱Fdの関係である。図7中の1点は走行中の2秒間の区間をランダムに取り、その区間のvsとFdそれぞれの平均値を取った値を用いている。滑り速度vsはモーションキャプチャーを用いて計測した車輪2Lの軸の前進速度vLから車輪が滑らない場合の車輪の軸の前進速度rωを差し引いたものである。推定した外乱Fdは外乱推定手段73Lによって推定したものである。図7からは、推定した外乱が大きくなるほど、滑り速度が小さくなる、すなわちより速く車輪の接地面が後方に滑っていることが分かる。この傾向は右車輪2Rにおいても、ウィルトンカーペット以外の主要なカーペットであるアキスミンスターカーペット、タフテッドカーペットにおいても現れることを確認している。
FIG. 7 shows the relationship of the disturbance Fd estimated to be the slip speed vs L of the
次に外乱推定手段73L、73Rの構成と動作を図3に基づいて説明する。外乱の推定には以下に説明する外乱オブザーバの考え方を用いる。モータに流れる電流はモータを回すトルクTrを発生させる。しかし、車輪に働く外乱がトルク外乱Tdを発生させる。その結果、実際にモータを回すトルクはTm=Tr-Tdとなる。これをTdについて解くと、Td=Tr-Tmであり、外乱オブザーバはこの式に基づいてトルク外乱Tdを推定する。 Next, the configuration and operation of the disturbance estimation means 73L and 73R will be described with reference to FIG. The concept of the disturbance observer explained below is used to estimate the disturbance. The current flowing through the motor generates a torque Tr that rotates the motor. However, the disturbance acting on the wheel causes the torque disturbance T d . As a result, the torque that actually rotates the motor is T m = Tr −T d . Solving this for T d , T d = Tr −T m , and the disturbance observer estimates the torque disturbance T d based on this equation.
図3は外乱推定手段73L、73Rの一構成例を示すブロック図である。外乱推定手段73L、73Rは同じ構成であるため、以下外乱推定手段73とする。外乱推定手段73は電流計測手段4Lまたは電流計測手段4Rの計測したモータ3L、3Rからの電流値に各モータのトルク乗数Ktを乗じて、電流から発生するトルクTrを出力する乗算部731と、モータ3L、3Rの機械的な負荷の慣性モーメントをJ、粘性抵抗をD、ラプラス演算子をsとして(Js+D)を回転速度計測手段5Lまたは5Rの計測した回転速度値に乗じて、モータを回すために実際に加えられたトルクTmを出力する乗算部732と、乗算部731の出力Trから乗算部732の出力Tmを減算しモータのトルク外乱Tdを出力する減算部733と、減算部733の出力を平滑化する遮断周波数ω0の一次遅れフィルタ734と、一次遅れフィルタ734の出力に1/rを乗じて、平滑化されたトルク外乱Tdを車輪の縁に働く外乱の推定値Fdに変換する乗算部735から構成されている。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the disturbance estimation means 73L and 73R. Since the disturbance estimation means 73L and 73R have the same configuration, the disturbance estimation means 73 will be referred to below. The disturbance estimation means 73 is a
図3の制御を実際の本体1が絨毯を走行した場合に生ずる環境を想定して、以下、説明する。
The control of FIG. 3 will be described below assuming an environment that occurs when the
車輪2L、または車輪2Rの回転方向に外乱Fdが加わった場合、その外乱はモータの負荷となる機械的な伝達関数1/(Js+D)を経由して、モータの回転速度ωを落とす。もしくはモータの回転速度が落ちた情報を回転速度制御手段72L、72Rが受け取り、モータの回転速度を上げるためにより多くの電流Iを流す。車輪の回転速度が落ちると図3におけるTmの値が下がり、電流が増えると図3におけるTrの値が上がる。トルク外乱の推定値Tdは減算部733によって、Td=Tr-Tmと計算されるため、車輪に外乱が加わることにより電流Iが増えるか回転速度ωが下がると、トルク外乱の推定値Tdおよび車輪に働く外乱Fdは増える結果となる。負の外乱が加わる場合はその逆が起こる。
When a disturbance Fd is applied in the rotation direction of the
このように外乱オブザーバを用いてトルク外乱Tdを推定し、そのトルク外乱Tdに車輪の半径の逆数を乗じることで、回転速度計測手段5L、5Rと電流計測手段4L、4Rから、車輪2L、2Rの回転方向に働く外乱Fdを推定することができる。 In this way, the torque disturbance T d is estimated using the disturbance observer, and the torque disturbance T d is multiplied by the reciprocal of the wheel radius. , The disturbance F d acting in the rotation direction of 2R can be estimated.
このように本実施の形態によれば、回転速度計測手段5L、5Rの出力した車輪2L、2Rの回転速度値と電流計測手段4L、4Rの出力したモータ3L、3Rに流れる電流値から、車輪2L、2Rに働く外乱を外乱推定手段73L、73Rによって推定し、その結果をもとに車輪2L、2Rの前後滑り速度を前後滑り速度推定手段74L、74Rによって推定し、推定した前後滑り速度に基づいて直進制御手段75において車輪2L、2Rの回転速度補正値を決定することで、車輪2L、2Rの軸の前進速度が同じになるので、本体1の旋回速度が0になり、本体1の方向を変えずに前進することができる。その結果カメラやジャイロセンサ等の高価なセンサを用いずに、目印の少ない絨毯上においても移動作業ロボットが絨毯の影響により本体方向を変えられることなく前進できるものである。
As described above, according to the present embodiment, the wheels are obtained from the rotation speed values of the
本発明は、移動作業ロボットの旋回を車輪の電流と回転速度の計測値を用いて抑制するものであるため、絨毯上の自走式掃除機だけではなく、自走式芝刈り機、自動トラクター等にも応用が可能である。 Since the present invention suppresses the turning of the mobile work robot by using the measured values of the current and the rotation speed of the wheels, not only the self-propelled vacuum cleaner on the rug, but also the self-propelled lawn mower and the automatic tractor. It can also be applied to such things as.
1 本体
2L、2R 車輪
3L、3R モータ
4L、4R 電流計測手段
5L、5R 回転速度計測手段
6 従動輪
7 制御部
71 回転速度指示手段
72L、72R 回転速度制御手段
73L、73R 外乱推定手段
74L、74R 前後滑り速度推定手段
75 直進制御手段
731 乗算部
732 乗算部
733 減算部
734 一次遅れフィルタ
735 乗算部
1
Claims (5)
各々の車輪を駆動するモータと、前記モータの電流を計測する電流計測手段と、
前記各々の車輪の回転速度を計測する回転速度計測手段と、前記本体の移動を制御する制御部を有する移動作業ロボットにおいて、
前記制御部は、所定の移動軌道に基づく車輪の制御から算定される車輪の回転速度を指示する回転速度指示手段と、
前記モータの電流計測手段からの出力と前記各々の車輪の回転速度計測手段からの出力とを用いて前記本体移動時に前記各々の車輪に生ずる外乱を推定する外乱推定手段と、
前記外乱推定手段からの前記各々の車輪の外乱情報を調整して前記本体が直進するよう前記各々の車輪の制御を行う直進制御手段からなる移動作業ロボット制御装置。 The body and at least a pair of wheels on the same axis that move the body,
A motor that drives each wheel, a current measuring means that measures the current of the motor, and
In a mobile work robot having a rotation speed measuring means for measuring the rotation speed of each wheel and a control unit for controlling the movement of the main body.
The control unit includes a rotation speed indicating means for instructing a wheel rotation speed calculated from wheel control based on a predetermined moving track, and a rotation speed indicating means.
Disturbance estimation means for estimating the disturbance generated on each wheel when the main body is moved by using the output from the current measuring means of the motor and the output from the rotation speed measuring means of each wheel.
A mobile work robot control device comprising a straight-ahead control means that adjusts the disturbance information of each of the wheels from the disturbance estimation means and controls each of the wheels so that the main body moves straight.
モータに流れる電流から発生するモータを回すトルクTrと、実際にモータを回すトルクTmから各々の車輪に働くトルク外乱Td=Tr-Tmを推定する外乱オブザーバを用いる請求項1または2記載の移動作業ロボット制御装置。 The disturbance estimation means is
Claim 1 or claim 1 using a disturbance observer that estimates the torque disturbance T d = Tr −T m acting on each wheel from the torque Tr that rotates the motor generated from the current flowing through the motor and the torque T m that actually rotates the motor . 2. The mobile work robot control device according to 2.
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