JP2697397B2 - 全方向移動車両の走行制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は生産ライン、保管倉庫
等における部品、材料、半製品、完成品等の搬送を行う
搬送車や作業車などとして用いられる全方向移動車両を
無誘導にて走行制御するための全方向移動車両の走行制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、生産ラインのみならず、できるだ
け少スペースで移動可能な車輪型搬送車として、ステア
リング機構を全く用いない全方向移動車両が使用されて
いる。これは機構の簡単さと、移動モードの多様性とい
う二つの特長を合せもつ点で実用面から注目されてい
る。この種の車両として、回転軸方向に対して傾斜した
多数のフリーローラを外周部に有する４個の駆動輪を、
それぞれ任意の方向に駆動することにより全方向への移
動が可能な全方向移動車両が提案されている（例えば特
公昭５５−５０８３０号、特公昭５７−１６００１号
等）。

【０００３】図５は上記の全方向移動車両に使用される
駆動輪の斜視図、図６（ａ）〜（ｄ）は車両の駆動輪の
配置を示す配置図である。図において、１は車両、２は
そのコーナ部付近に設けられた４個の駆動輪であり、駆
動輪２は円周上に回転軸方向に対して３０〜６０度、通
常は４５度傾斜した多数の紡錘状（太鼓状）のフリーロ
ーラ３を有している。４は車体であり、底面のコーナ部
には、４個の駆動輪２が、隣接するフリーローラ３が反
対方向に傾斜するように配置されており、それぞれ図示
しないサーボアンプおよびモータを含む駆動制御部によ
り駆動され、回転方向および回転速度が調節されるよう
になっている。

【０００４】このような駆動輪２を備えた車両１は、各
駆動輪２の回転方向および回転速度をサーボ機構等の駆
動制御部により制御することにより、任意の方向に走行
する。図６において、矢印Ａは駆動輪２の回転方向、矢
印Ｂは駆動輪２に発生する駆動力、矢印Ｃは車両１の走
向方向である。

【０００５】例えば前方に直進する場合、図６（ａ）の
ように各駆動輪２を同一方向に同一速度で回転（矢印
Ａ）させ、各駆動輪２から得られる駆動力（矢印Ｂ）を
合わせて車両１の進行方向（矢印Ｃ）を前方直進とす
る。同様に横方向直進、右回転、左回転する場合は、図
６（ｂ）〜（ｄ）のように各駆動輪２の回転方向Ａを変
える。また駆動輪２の回転速度を変えることにより、斜
方向直進、カーブ走行等も可能になる。

【０００６】従来、上記の車両１を無人で走行させるた
めには、何らかの誘導信号を必要としていた。例えば床
に誘導線を埋込んで、これに特定の周波数の交流電流を
流し、車両１はアンテナにより誘導線からの信号を検出
して走行する。この場合、車両１は左右のアンテナに誘
導する電圧の大きさから誘導線に対するズレを検出し
て、４個の駆動輪２に対する駆動モードを選択する。ま
た光学誘導の場合には、床面に貼ったテープ等の誘導線
に投光器から光を照射し、その反射光をセンサーで検出
して走行する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような誘
導制御方式では、誘導線の敷設が必要であり、走行路の
変更が困難である上、車両は誘導線を中心として左右に
ハンチングしながら、誘導線からはずれないように走行
するため無駄が多い。

【０００８】一方、このような制御システムから誘導線
をなくして、ある方向への走行指令のみを与えて車両を
走行させると、床面の起状、摩擦係数等の影響を受ける
ため、指令された方向に正確に走行させることは困難で
ある。

【０００９】この発明の目的は、上記問題点を解決する
ため、誘導路を形成する必要がなく、任意の設定入力に
より走行する全方向移動車両を、無誘導で高精度に走行
制御することが可能な全方向移動車両の走行制御装置を
提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は次の全方向移
動車両の走行制御装置である。 （１）回転軸方向に対し傾斜した多数のフリーローラを
外周部に有する少なくとも４個の駆動輪を備え、駆動制
御部の指令によって各駆動輪の回転方向および回転速度
を制御することにより、全方向へ移動可能な車両系と、
適応制御入力信号から車両系の位置、姿勢およびそれら
の変化速度からなる状態量のフィードバック信号に基づ
き、車両系の各駆動輪に対する操作信号を作成して前記
駆動制御部に入力することにより、前記適応制御入力信
号を近似的に非干渉化して車両系から出力する非干渉制
御系と、前記車両系から得られる出力を前記適応制御入
力信号によってフィードフォワード補償した出力フィー
ドバック信号を用いて、設定入力信号から前記適応制御
入力信号を作成するロバスト単純適応制御系とを備えた
全方向移動車両の走行制御装置。 （２）フリーローラが回転軸方向に対して４５°傾斜し
ている上記（１）記載の全方向移動車両の走行制御装
置。

【００１１】本発明において、非干渉化とは、複数個の
入力、出力間に存在する相互干渉を防止し、一入力に対
応する一出力が得られるようにすることである。実在系
においては、複数個の入力、出力を有する場合が多い
が、一般にこれら入出力間に相互干渉が存在するため、
制御が極めて困難となる。

【００１２】図７は相互干渉を有する系を示すブロック
図であり、ｍ個の入力（操作量）ｕ ₁、ｕ₂…ｕ_mと、ｍ
個の出力ｙ₁、ｙ₂…ｙ_mからなる制御対象５では、ある
操作量ｕ₁を動かすと、出力ｙ₁のみでなく他のｙ₂、
ｙ₃、…、ｙ_mも影響を受ける。すなわちｙ₁のみに対し
て設定値を設定しても、他の出力も変動してしまうので
ある。

【００１３】このような入出力間に相互干渉が存在する
系に対する制御方法が非干渉制御である。図８は状態フ
ィードバックによる非干渉制御系を示すブロック図、図
９は完全な非干渉制御系を示すブロック図である。図８
において、非干渉制御則に基づくＦ、Ｇを用いた状態フ
ィードバック則により、制御系を構成すれば、図９に示
すように、入出力間の相互干渉が除去されて、設定入力
ｖ₁、ｖ₂…と出力ｙ₁、ｙ₂…とがあたかも一入力一出力
とみなせる非干渉制御系６が得られる。各入出力間のＧ
₁（ｓ）、Ｇ₂（ｓ）…は伝達関数である。よって多入出
力系が、ｍ個の独立な一入出力系に変換されることにな
り、個々の一入出力系に対して、通常の制御方式を用い
る問題に帰着できる。

【００１４】適応制御は、動特性が姿勢や負荷条件等に
よって変わる制御対象に対する制御方式として採用され
ているもので、コントローラを制御対象の現時点の特性
に自動的に適応させ、これによって制御系としての性能
を常に最良の状態に保持しようとするものである。

【００１５】適応制御手法は長年にわたって検討され、
適応制御理論の基本的な体系化はすでに完了し、また理
論の実際面への応用に関しても活発な検討が続けられ、
成果が得られているものも多い。しかし、それを実シス
テムへ応用した場合、他の制御手法と比較して、より効
果的かつ信頼のおける制御技術であるかどうかという点
に関しては、いくつかの問題点が指摘されている。

【００１６】その理由としては、それが形式としてはフ
ィードバック制御系構造をとっているにもかかわらず、
期待したほどロバスト性がないという点である。例え
ば、スタンダードな適応制御系構成で安定性を保証する
には、（１）制御対象の線形性、（２）特性の次数が既
に知られていること、（３）制御対象の逆安定性、
（４）パラメータ値が時間的に不変であること、等の諸
条件が必要となるが、実際の制御対象でそれらの諸条件
がすべて満たされる場合はあまりない。このような場合
には、安定性は保証されず、かつ制御効果も大きく落ち
ることが多い。

【００１７】次の問題点としては、適応コントローラ構
成の複雑さである。例えば、連続系に対する適応制御系
では一般にコントローラ内部にフィルタとパラメータ同
定器を含むが、例えば１次系のプラントに対する適応コ
ントローラに７個の積分器を必要とする方法があること
からもわかるように、多くの積分器が内蔵されなければ
ならないことを意味している。このようなコントローラ
の複雑さは、当然、制御系の信頼性を低下させる要因と
なる。またそれは実装時における１サンプリング時間内
における計算値を、特に高次プラントに関しては飛躍的
に増大させる原因となる。

【００１８】ロバスト適応制御アルゴリズムは、基本的
に従来の適応アルゴリズムに何らかのロバスト制御機構
を付加した形式で構成されることである。これは適応ア
ルゴリズムのより一層の複雑化をもたらすことになる。
第２に、多くのロバスト適応アルゴリズムが、低次元化
に伴う寄生要素対策、外乱、パラメータの時変性、とい
った阻害要因に個別に対応する形式となっていることが
ある。しかし、実際の制御対象においてはそれらは総合
された形で存在することがほとんどである。

【００１９】これらの問題を防止するために、本発明で
は、従来と全く異なるロバスト単純適応制御方式（Ｓｉ
ｍｐｌｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ、以下、
ＳＡＣという：岩井、大友、水本、計自論、２７−３、
（１９９１−３）、岩井、コンピュートロール、３２、
（１９９０）、６６、コロナ社参照）を採用する。

【００２０】ＳＡＣは制御対象がＡＳＰＲ（Ａｌｍｏｓ
ｔ Ｓｔｒｉｃｔｌｙ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｒｅａｌ、
すなわち制御対象の伝達関数に定ゲイン出力フィードバ
ックをして得られる閉ループ伝達関数が強正実であるこ
と）である条件下で、構造の簡単な適応制御系が構成で
きるものである。ＳＡＣでは、制御対象がＡＳＰＲであ
れば、ある出力ゲインの出力フィードバックのみで誤差
システムを強正実にできることに注目し、その未知ゲイ
ンを推定している点が通常の適応制御方式と異なる。従
って、通常のモデル規範適用制御システム（ＭＲＡＣ
Ｓ）では次数のミスマッチがあれば制御系が不安定とな
ることがあるのに対し、ＳＡＣでは閉ループ系が強正実
となるｋの存在さえ確認できれば、制御系の安定性が確
保されるので、その意味ではロバストである。

【００２１】このＳＡＣは、規範モデルを低次モデルに
選ぶことが可能であり、また、適応コントローラの次数
を制御対象の次数に依存しない形式で簡単に構成できる
という特長を有している。さらに、ＳＡＣ自体ある種の
ロバスト性を有していることも特長の一つに挙げること
ができる。この点に関しては、ＳＡＣにロバスト適応機
構を付加することができ、さらに制御効果を上げること
が可能である。

【００２２】このため本発明では、非線形系である車両
系に対し、非干渉制御系とロバスト単純適応制御系とを
組合せて、走行制御装置を構成し、ロバスト単純適応制
御系はＡＳＰＲとなる条件下に適応制御を行うように構
成している。

【００２３】本発明において制御対象となる車両は、回
転軸方向に対して傾斜した多数のフリーローラを有する
駆動輪を備えているが、フリーローラの傾斜方向は回転
軸に対して３０〜６０°傾斜しているのが好ましく、特
に４５°傾斜している場合は演算等が簡単になり好まし
い。

【００２４】

【作用】本発明の全方向移動車両の走行制御装置におい
ては、非線形系である車両系に対して、非干渉制御方式
とロバスト単純適応制御方式を併用した制御手法により
走行制御を行う。

【００２５】いま、車両系の非線形数式モデルが確定し
ており、かつ、各部のパラメータも既知であるとする
と、非線形コントローラ等によって、干渉を完全に除去
することができ、多入出力非線形系に対していくつかの
一入出力制御系を構成することができる。しかし、実際
には、車両系のパラメータの同定誤差、積荷の変動、片
荷、各部の不確定な摩擦等のため、完全な非干渉制御系
は構成できない。そのため得られる一入出力系は相互干
渉、パラメータ変動、不確定な非線形項の影響等を状態
依存性外乱の形で持つことになり、この系に通常の線形
制御系構成理論を適用したとしても、精度は向上しな
い。

【００２６】このため本発明では、第一段階として、ノ
ミナルなパラメータ値、および非線形関数値を用いて、
近似的に非干渉化を行い、第二段階として、得られた複
数個の近似一入出力系のそれぞれに対しロバスト適応制
御手法を応用して、精度を向上させた制御系を実現す
る。

【００２７】本発明において、制御対象である車両は、
回転軸方向に対して傾斜した多数のフリーローラを外周
部に有する少なくとも４個の駆動輪を有しており、この
駆動輪の回転方向および回転速度を駆動制御部により調
節することにより、前後、左右、斜行、スピンターンの
全方向移動が可能である。上記の車両を含む車両系は、
出力として、車両の位置および姿勢、例えば直交座標系
における重心のＸ方向ならびにＹ方向の位置および車体
の旋回角度の３出力が得られる。

【００２８】この場合、後述する非干渉制御系を適用す
るために、入出力を同次元にする必要があり、駆動輪を
調節する操作信号は３個とするのが好ましい。すなわ
ち、車両が特定の方向に移動する場合、４個の駆動輪の
うち２個が同じ方向に回転する場合があるから、この２
個を１組とすることにより、３操作信号で全部の駆動輪
を制御することができる。こうして３操作信号で複数の
駆動輪を制御することにより、車両を全方向に走行させ
ることが可能になる。

【００２９】本発明では、非干渉制御系において、車両
系の状態量のフィードバック信号に基づき、適応制御入
力信号から各駆動輪に対する操作信号を作成して駆動制
御部に入力することにより、適応制御入力信号を近似的
に非干渉化して車両系から出力する。

【００３０】適応制御入力信号と出力を１対１対応させ
て、近似的な非干渉化を達成するためには、ノミナルな
パラメータ値、および非線形関数値を用い、車両から状
態フィードバックを行って、各駆動輪に入力する操作信
号を作成する。フィードバックを行う状態量は位置や姿
勢およびそれらの変化速度であり、例えば車両に加速度
や角速度を測定する装置等を設けて得ることができる。

【００３１】非干渉制御系では、上記により適応制御入
力信号を入力ゲイン、非干渉化、および極配置して操作
信号を作成して駆動制御部に入力することにより、適応
制御入力信号と出力を近似的に非干渉化することができ
る。

【００３２】上記のように入出力間の非干渉化を行った
３入力３出力非線形系は、車両系の動特性が数学モデル
に忠実に従うものと仮定すれば、入出力間の相互干渉が
除去された３個の１入力１出力線形系となる。

【００３３】これは、車両の位置および姿勢の３出力
が、それぞれ適応制御入力信号により独立に指定できる
ことを示している。したがって、通常の線形制御系構成
理論を適用する問題に帰着できることになるが、実際に
は、車両系の各種パラメータの同定誤差、積載ワークの
変動、積載位置、および各部の摩擦等、不確定要素の存
在が考えられるため、完全な非干渉系は得られない。

【００３４】すなわち、上記の説明では、パラメータや
非線形要素が既知として非干渉制御系を説明したが、実
際にはそれらはおおよその基準値が分かっている未知の
値となるのが通常である。このため実際に得られる非干
渉制御系は、パラメータ変動値や、未知非線形特性、外
乱等を含んでいるため、基準値を用いて近似的に非干渉
化された系となる。

【００３５】そこで本発明では、ロバスト単純適応制御
系において、規範モード信号、誤差信号およびパラメー
タ等を利用して、この車両系および非干渉制御系からな
る系を、さらにロバスト単純適応制御する。

【００３６】ところが、前述のように、ロバスト単純適
応制御（ＳＡＣ）は、線形部分が出力フィードバックで
強正実化可能な、いわゆるＡＳＰＲ系に対してのみ適用
可能であるが、車両系および非干渉制御系からなる系は
ＡＳＰＲではない。

【００３７】そこで、本発明ではこれを解決するため
に、出力フィードバックを適応制御入力信号によってフ
ィードフォワード補償することにより、ＡＳＰＲにし、
ＳＡＣを可能にする。

【００３８】これにより車両系および非干渉制御系から
なる系はさらにロバスト単純適応制御することが可能と
なる。そしてこのフィードフォワード補償は適応制御入
力信号を用いるため、制御アルゴリズム内のみで構成す
ればよく、実際にハード的要素を付加するものではない
という利点がある。

【００３９】すなわちロバスト単純適応制御系では、制
御装置に入力された設定入力信号を規範モデルで変換し
て規範モード信号とし、この信号と上記の出力フィード
バック信号とから誤差信号を得、この誤差信号をロバス
ト機構により変換するとともに、例えば設定入力信号、
規範モード信号、および誤差信号等により、コントロー
ラで調整されたパラメータを得て、これらにより適応制
御入力信号を作成する。これにより、車両系および非干
渉制御系からなる系をロバスト単純適応制御する。この
ようにして、ロバスト単純適応制御を行うことにより、
外乱要因に対しても十分な非干渉性およびロバスト性が
得られる。

【００４０】

【実施例】図１は実施例の走行制御装置を備えた車両の
動作説明図、図２はその走行制御装置の構成を示すブロ
ック図、図３は駆動輪の配置図、図４（ａ）〜（ｆ）は
駆動輪の組合せ方法を示す図であり、図５および図６と
同一符号は同一または相当部分を示す。

【００４１】車両１は図５に示すように回転軸に対して
４５°の角度のフリーローラ３を備えた４個の駆動輪２
を有し、各駆動輪２は駆動制御部１０によって制御され
る駆動部（図示せず）により駆動されるようになってい
る。図１において、車両１の各駆動輪２を駆動するため
の操作信号ｕ₁（ｔ）、ｕ₂（ｔ）…〔図２ではｕ（ｔ）
と表示されている〕を駆動制御部１０に入力するため
に、走行制御装置１１、および設定入力信号を入力する
設定入力部１２が設けられている。

【００４２】さらに車両１には縦方向加速度計１３、横
方向加速度計１４、角速度計１５が配置され、これらに
接続する演算装置１６から検出量ａ_x（ｔ）、ａ
_y（ｔ）、ω（ｔ）の演算で求めた車両１の状態変数、
すなわちＸ軸方向の位置ｘ_G（ｔ）、その速度ｘ_G'
（ｔ）、Ｙ軸方向の位置ｙ_G（ｔ）、その速度ｙ_G'
（ｔ）、Ｙ軸に対する重心まわりの旋回角度θ（ｔ）、
および角速度θ'（ｔ）が走行制御装置１１に入力され
るようになっている。

【００４３】図２において、走行制御装置１１は、設定
入力部１２からの設定入力信号ｕ_mi（ｔ）〔ｉ＝１、
２、３〕および車両１の出力ｙ_i（ｔ）〔ｉ＝１、２、
３〕から適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）〔ｉ＝１、２、
３〕を作成するロバスト単純適応制御系１７と、適応制
御入力信号ｖ_i（ｔ）から駆動輪２を調節する操作信号
ｕ₁（ｔ），ｕ₂（ｔ）およびｕ₃（ｔ）からなるｕ
（ｔ）を作成する非干渉制御系１８から構成されてい
る。上記の設定入力信号ｕ_mi（ｔ）、適応制御入力信号
ｖ_i（ｔ）および出力ｙ_i（ｔ）のうち、ｕ_m1（ｔ）、ｖ
₁（ｔ）、ｙ₁（ｔ）はＸ軸方向の位置ｘ_G（ｔ）を表
し、ｕ_m2（ｔ)、ｖ₂（ｔ）、ｙ₂（ｔ）はＹ軸方向の位
置Ｙ_G（ｔ）を表し、ｕ_m3（ｔ）、ｖ₃（ｔ）、ｙ
₃（ｔ）は旋回角度を表す。

【００４４】このような走行制御装置１１が設けられた
車両１においては、設定入力部１２から任意の設定入力
信号ｕ_mi（ｔ）を与えることにより、走行制御装置１１
から操作信号ｕ₁（ｔ）、ｕ₂（ｔ）…を駆動制御部１０
に入力し、車両の駆動部により駆動輪２の正転または逆
転を制御して、車両１を設定入力通りに走行させること
ができる。そしてこれにより設定入力通りの忠実な出
力、すなわちＸ軸方向のｘ_G（ｔ）、Ｙ軸方向の位置ｙ_G
（ｔ）、およびＹ軸方向に対しての車体の旋回角度θ
（ｔ）が得られる。

【００４５】車両１において、操作信号ｕ（ｔ）と出力
ｘ_G（ｔ）、ｙ_G（ｔ）、θ（ｔ）の入出力関係は以下の
ようになる。図３におけるＧを車両１の重心点、Ｍを車
両１の質量、Ｉを車両１の慣性モーメント、ｆ_fr、
ｆ_fl、ｆ_rr、ｆ_rlを前右、前左、後右、後左の各駆動輪
２の駆動力、Ｌを重心と駆動輪２の距離、φを各駆動輪
２の配置角として、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、および重心回
りに関する運動方程式は次の（１ａ）〜（１ｃ）式とな
る。ただし、各部の摩擦等の不確定要素は、すべて無視
するものとする。

【００４６】

【数１】

【００４７】ここでｘ_G”（ｔ）、ｙ_G”（ｔ）、θ”
（ｔ）はそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、姿勢θの加速度
を示す。状態変数ｘ（ｔ）、操作信号ｕ（ｔ）、および
出力ｙ（ｔ）を、

【数２】 と選べば、車両１について次の状態方程式（２ａ）およ
び出力方程式（２ｂ）が得られる。

【００４８】

【数３】

【００４９】式（２ａ）、（２ｂ）は操作量を線形に含
む非線形多変数系であり、入力出力間に相互干渉が存在
している。なおｘ₁（ｔ）〜ｘ₆（ｔ）は上記状態変数で
ある。

【００５０】この実施例では、駆動制御部１０に入力す
る各駆動輪２の操作信号ｕ（ｔ）を作成するために、非
干渉制御方式を採用しているが、この方式を適用するた
めには入力出力間が同次元でなければならない。このた
め車両１の４個の駆動輪２の駆動力を組合せて三次元の
適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を得る必要がある。図１で
は、４個の駆動輪２への操作信号ｕ₁（ｔ）、ｕ₂（ｔ）
…は４個図示されているが、このうち同じ回転を行う２
個の駆動輪２に同じ操作信号を入力することにより、３
個の操作信号により４個の駆動輪２を駆動することがで
きる。

【００５１】駆動輪２の組合せ方法は図４に示されてお
り、ここで、４輪に対応する４個の入力を３個にする組
合せは図４（ａ）〜（ｆ）に示すように６通り考えられ
るが、非干渉制御則が成立するのは、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）、（ｅ）の４通りである。これらのうち、前進、
後進については、（ｂ）、（ｅ）が、また回転に関して
は、（ｃ）、（ｄ）が制御性に優れている。したがっ
て、移動方向によって、どの組合せを採用するかはこの
走行制御装置１１の論理回路によって選択し、この制御
方式を適応することができる。

【００５２】ここで左前と右後の駆動輪２を組合せたと
すると〔図４（ｂ）〕、操作信号ｕ（ｔ）は、次のよう
になる。

【数４】

【００５３】この入力量の選択により（２ａ）式のＢ
（ｘ）は、次の通り表される。

【数５】

【００５４】図２において、走行制御装置１１では非干
渉制御系１８により、適応制御入力信号ｖ _i （ｔ）から
状態量のフィードバック信号に基づき操作信号ｕ（ｔ）
を作成して駆動制御部１０に入力することにより、適応
制御入力信号ｖ_i（ｔ）と出力ｙ_i（ｔ）の１対１対応を
近似的に実現する。

【００５５】車両１は操作量を線形に含む非線形系であ
り、非干渉制御系１８では、Ｇ^*（ｘ）およびｆ^*（ｘ）
を用いた状態フィードバックによる非干渉制御方式を適
用して、走行制御装置１１において操作信号ｕ（ｔ）を
作成し駆動制御部１０に入力する。この場合フィードバ
ックされる状態量は、縦方向加速度計１３、横方向加速
度計１４、角速度計１５の検出量から演算装置１６にお
いて演算して得られた位置および姿勢の絶対値ｘ
_G（ｔ）、ｙ_G（ｔ）、θ（ｔ）、ならびにそれらの時間
微分値である変化量ｘ_G’（ｔ）、ｙ_G’（ｔ）、θ’
（ｔ）であり、これらに特定のノミナルなパラメータ値
および非線形関数値を用いて、適応制御入力信号ｖ
_i（ｔ）を入力ゲイン、非干渉化および極配置化して、
操作信号ｕ（ｔ）を作成する。

【００５６】適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）と操作信号ｕ
（ｔ）の１対１対応を実現するための関係は次のように
なる。 ｕ（ｔ）＝ｆ^*（ｘ）＋Ｇ^*（ｘ）ｖ_i（ｔ） （５） ここで、ｆ^*（ｘ）、Ｇ^*（ｘ）は、それぞれｒ次ベクト
ル、ｒ×ｒ行列であり、状態量ｘをノミナルなパラメー
タ値および非線形関数値を用いて変換した信号である。

【００５７】このｆ^*（ｘ）、Ｇ^*（ｘ）として次のもの
を選ぶ。

【数６】

【００５８】ここで、ρ_i≧０〔ｉ＝１、２、…、ｒ〕
は対応定数と呼ばれ、次のようにして求められる。

【数７】 ここで（ ）は内積記号であり、またλ_ijは任意定数
である。

【００５９】車両１の動特性が、数学モデル、式（２
ａ）、（２ｂ）に忠実に従うものと仮定すれば、前記状
態フィードバック式（５）を、次の値により構成して操
作信号ｕ（ｔ）を作成し、駆動制御部１１に入力するこ
とにより、適応制御入力信号ｖ _i （ｔ）と車両系の出力
ｙ _i （ｔ）を近似的に非干渉化することができる。

【００６０】こうして非干渉制御系１８は、適応制御入
力信号ｖ_i（ｔ）と出力ｙ_i（ｔ）の３入力３出力非線形
系であって、入出力間の相互干渉が除去され、次式で表
される３個の１入力１出力線形系となる。

【数９】

【００６１】これは車両の位置ｘ_G（ｔ）、ｙ_G（ｔ）、
および姿勢θ（ｔ）が、それぞれ適応制御入力信号ｖ_i
（ｔ）により独立に指定できることを示している。した
がって、式（１１）に対し、通常の線形制御系構成理論
を適用する問題に帰着できることになるが、実際には、
車両系の各種パラメータの同定誤差、積載ワークの変
動、積載位置、および各部の摩擦等、不確定要素の存在
が考えられるため、完全な非干渉系とはならない。

【００６２】すなわち、式（１１）ではパラメータや非
線形要素が既知として非干渉制御系を構成したが、実際
には、それらはおおよその基準値が分かっている未知の
値であるのが通常である。そこでその基準値を用いて非
干渉化したとすれば、実際に得られる非干渉制御系は、
式（１１）ではなく、

【数１０】 となる。ここでｆ_iは、パラメータ変動値、未知非線形
特性、外乱等をまとめた項で、以下簡単のため外乱項と
いう。

【００６３】このため図１および図２の走行制御装置１
１では、車両１および非干渉制御系１８からなる系をロ
バスト単純適応制御系１７により適応制御するようにな
っている。ここでは、設定入力部１２からの設定入力信
号ｕ_mi（ｔ）を規範モデル１９に入力して規範モード信
号ｙ_mi（ｔ）を得、この信号と出力フィードバック信号
ｙ_ai（ｔ）から誤差信号ｅ_yi（ｔ）を作成し、この誤差
信号をさらにロバスト機構２０で変換するとともに、設
定入力信号ｕ_mi（ｔ）、規範モード信号ｘ_mi（ｔ）、誤
差信号ｅ_yi（ｔ）からコントローラｋ_u、ｋ_x、ｋ_eで常
時調節されたパラメータを得て、これらを合成すること
により、適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を作成する。

【００６４】これにより設定入力信号ｕ_mi（ｔ）と出力
ｙ_i（ｔ）の一対一対応を実現し、また十分なロバスト
性を実現している。この場合、フィードバックするため
の出力ｙ_i（ｔ）の検出は、演算装置１６により得られ
た位置および姿勢ｘ_G（ｔ）、ｙ_G（ｔ）、θ（ｔ）でも
よいが、地上に外界センサとして、レーザ光線、超音波
または電波等を複数個配置して、車両１の現在位置、姿
勢を測定して得ることも可能である。設定入力はプログ
ラムによって入力することができる。

【００６５】しかしながら、ロバスト単純適応制御する
ためには、この出力フィードバックで線形部分が強正実
可能な系にしか適用できないが、式（１２）の線形部は
Ｇ_pi（ｓ）＝１／（ｓ²＋λ_i1s＋λ_i0）であり、いわゆ
るＡＳＰＲでない。

【００６６】そのため、この走行制御装置１１では、適
応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を用いて、Ｆ_i（ｓ）により出
力フィードバック信号ｙ_i（ｔ）をフィードフォワード
補償する。こうしてフィードフォワード補償されたフィ
ードバック信号ｙ_ai（ｔ）を用いることによりＡＳＰＲ
とし、これにより規範モデル１９により得られる規範モ
ード信号ｙ_mi（ｔ）から誤差信号ｅ_yi（ｔ）を作成す
る。

【００６７】すなわち、アルゴリズム内でＦ_i（ｓ）＝
ｄ_i／（ｓ＋ｇ_i）〔ｄ_i：微小正数〕を考え、Ｇ
_ai（ｓ）＝Ｇ_pi（ｓ）＋Ｆ_i（ｓ）がＡＳＰＲになるこ
とを用いて近似的にＧ_ai（ｓ）に対しＳＡＣを構成して
いる。ｄ_iが微小であれば、考えている周波数帯域では
十分な精度が得られる。

【００６８】このロバスト単純適応制御系１７により、
適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を作成するには、次のよう
になる。まず、式（１２）の状態方程式表現は、

【数１１】 となる（各ｉについて同様なので、添字ｉを省略する場
合がある。）。ここで、追従すべき安定な規範モデル
を、

【数１２】 とおく。ｘ_mの次数に制限はないが、通常ｎ_m≦ｎ_p（＝
２）と取る。問題は、未知パラメータ、および未知外乱
を有する系、式（１３）に対し、理想的には、

【数１３】 を満たすような適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を求めるこ
とである。このための手法として適応制御手法がある
が、通常の適応制御手法は、構造が複雑で、かつ外乱に
対するロバスト性はあまりない。それらの問題を避ける
ため、本発明では構造が簡単で、かつ外乱ロバストなロ
バスト単純適応制御手法を適用する。

【００６９】いま、外乱に対し、 ｜ｆ_i（ｔ）｜≦ρ₀ （１６） となる未知定数ρ₀が存在するものとする。このとき適
応制御入力信号ｖ_i（ｔ）は以下のように構成される。

【数１４】

【００７０】ロバスト機構ではｖ_Ri（ｔ）は以下によう
に構成される。

【数１５】 ここでΓβ_I、Γβ_pは正定対称行列、ε＞０は切換時の
チャタリングを緩和する微小定数である。そして、これ
により適応制御入力信号ｖ_i（ｔ）を作成することがで
きる。

【００７１】次に試験例について説明する。車両の質量
１００Ｋｇ、慣性モーメント８０Ｋｇｍ²、全幅０．８
ｍ、全長１．６ｍで、全幅および全長の中心に重心点が
ある車両について、右へ１ｍ移動し、１２秒経過後元の
位置へ戻る横行モードについてシュミレーションを行っ
た。

【００７２】各種設計パラメータを、

【数１６】 とおき、フィードフォワード補償については、Ｆ
_i（ｓ）＝０．００１なる定数で構成した。

【００７３】その結果、車両の出力が規範モデルの出力
に、それぞれ正確に追従していることが確認できた。

【００７４】つぎに、この車両の重心位置に１００Ｋｇ
のワーク（０．５０６ｍ×０．５０６ｍ、厚さ０．０５
ｍの鋼材を想定）の重心を一致させて積載した場合につ
いて行った。まず非干渉制御系のみで制御したとき、ワ
ーク積載により出力応答に変化が見られたが、非干渉制
御系＋ロバスト単純適応制御系により制御することによ
り、適応制御の効果が認められた。

【００７５】つぎに、上記ワークの重心位置を、車両の
重心位置より後方０．２ｍにずらして積載した場合、車
両が規範モデルに従って左右方向へ移動しているもの
の、回転運動も伴っており、ワークの片荷による影響が
みられた。

【００７６】そこで、Γβ_I＝Γβ_P＝１００１、σβ
（ｔ）＝σβ＝０．０１、ε＝０．０１とおいて、ＳＡ
Ｃの適応入力にロバスト項を付加したところ、ロバスト
ＳＡＣの効果により上記問題点が解決されていることが
確認できた。

【００７７】

【発明の効果】本発明では、多数のフリーローラを有す
る４個の駆動輪を備えた全方向移動可能な車両系を、非
干渉制御系において近似的に非干渉化し、ロバスト単純
適応制御系において、フィードフォワード補償した出力
フィードバック信号を用いてロバスト単純適応制御する
ようにしたので、誘導路を形成する必要がなく、任意の
設定入力により走行する全方向移動車両を、無誘導で高
精度に走行制御することが可能な全方向移動車両の走行
制御装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の走行制御装置を備えた車両の動作説明
図。

【図２】走行制御装置の構成を示すブロック図。

【図３】駆動輪の配置図。

【図４】（ａ）〜（ｆ）は駆動輪の組合せ方法を示す
図。

【図５】駆動輪の斜視図。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は車両の駆動輪の配置図。

【図７】相互干渉を有する系を示すブロック図。

【図８】状態フィードバックによる非干渉制御系を示す
ブロック図。

【図９】完全な非干渉制御系を示すブロック図。

【符号の説明】

１ 車両 ２ 駆動輪 ３ フリーローラ １０ 駆動制御部 １１ 走行制御装置 １２ 設定入力部 １６ 演算装置 １７ ロバスト単純適応制御系 １８ 非干渉制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−226804（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−50830（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭57−16001（ＪＰ，Ｂ１) 「構造の簡単なロバスト適応制御系」 （岩井、大友、水本；計測自動制御学会 論文集ＶＯＬ27ＮＯ３)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸方向に対し傾斜した多数のフリー
   ローラを外周部に有する少なくとも４個の駆動輪を備
   え、駆動制御部の指令によって各駆動輪の回転方向およ
   び回転速度を制御することにより、全方向へ移動可能な
   車両系と、 適応制御入力信号から車両系の位置、姿勢およびそれら
   の変化速度からなる状態量のフィードバック信号に基づ
   き、車両系の各駆動輪に対する操作信号を作成して前記
   駆動制御部に入力することにより、前記適応制御入力信
   号を近似的に非干渉化して車両系から出力する非干渉制
   御系と、 前記車両系から得られる出力を前記適応制御入力信号に
   よってフィードフォワード補償した出力フィードバック
   信号を用いて、設定入力信号から前記適応制御入力信号
   を作成するロバスト単純適応制御系とを備えたことを特
   徴とする全方向移動車両の走行制御装置。
2. 【請求項２】 フリーローラが回転軸方向に対して４５
   °傾斜している請求項１記載の全方向移動車両の走行制
   御装置。