JP3791659B2

JP3791659B2 - 全方向移動車両とその駆動制御方法並びに角度測定方法

Info

Publication number: JP3791659B2
Application number: JP24847699A
Authority: JP
Inventors: 正義和田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2001071927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両本体の方向を変えることなく任意の方向へ移動することが可能であるとともに、そのままの位置で旋回することができる全方向移動車両とその駆動制御方法並びに角度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、全方向移動車両としては、特開昭６１−２１８４３２号公報に記載のものや、特開平９−１６４９６８号公報に記載のものが知られている。前者は同一軸上にある２個の駆動輪からなる駆動ユニットを垂直軸まわりで旋回自在に車両本体に支持し、車両本体に設けた旋回伝達機構と旋回モータにより回転駆動することで駆動ユニットの走行方向を変更することにより、全方向移動を行うものである。
【０００３】
後者は、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動する２つのアクチュエータと、両駆動輪の車軸を支持する操舵軸と、車両本体に形成されて、両駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で操舵軸を垂直軸まわりの回動を自在にして支持する軸受け部と、により構成される駆動ユニット、および操舵軸を回転駆動するアクチュエータとにより構成され、２つのアクチュエータの協調動作により、操舵軸に水平面内のあらゆる方向への速度を発生させることにより全方向移動を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の全方向移動車両はいずれも、全方向に移動するためには下記のような問題があった。まず、駆動ユニットと車両本体との相対角度つまり操舵角を常に知る必要があり、このためには絶対値エンコーダやポテンショメータ、あるいは積算型エンコーダと原点センサとの併用のシステムなど、高価または複雑な装置を使用する必要があった。さらに、この操舵角の検出値を用いて、操作者が要求する車両速度を制御演算部にて三角関数を用いた計算により分解することにより、２つの車輪の駆動速度を実時間で求める必要があるため、計算能力に優れた演算器を使用する必要があった。
【０００５】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、この発明の課題は、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能とすることにより、機構的な簡易化および低コスト化を図り、さらに、制御演算部における演算を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化、操作性の向上を図った全方向移動車両とその駆動制御方法並びに角度測定方法を提供することにある。
【０００６】
なお、前述の問題を解決するために、本件出願人は、本件と関連する発明を、特願平１１−１１３４７４号により出願した。後述する本件発明は、上記出願に係る発明とは異なる実施形態に関わる発明であって、例えば車椅子への適用などにおいて、操作性のさらなる改善を図るものである（本件発明と技術的に共通する部分については、上記出願の詳細説明参照）。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本件請求項１の発明においては、台車に軸支された複数の駆動輪を有し、鉛直軸のまわりを回転自在に車両本体に支持された駆動ユニットと、操作装置としての２軸ジョイスティックとを備え、駆動ユニットを車両本体に対して回転させることにより任意の方向に移動する全方向移動車両であって、前記ジョイスティックを、その並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、かつ前記車両本体上部から操作可能に配設してなり、さらに前記ジョイスティックの操作棒を、車両本体の水平面内の特定の方向であって鉛直軸から所定の角度傾けて取付け、この操作棒の取付け位置を操作棒の基準位置としてなるものとする。
【０００８】
ジョイスティックが駆動ユニットと同期回転し車両本体も一体となって駆動されることにより、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能にすることができ、また、操作性のよい全方向移動車両が提供できる。
【０００９】
また、請求項２の発明によれば、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動するアクチュエータと、前記台車上に配設された操舵軸と、前記一対の駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で、前記操舵軸の垂直軸心まわりの旋回を自在にして車両本体に連結された駆動ユニットと、さらに、この駆動ユニットに配設された前記操舵軸の回転駆動用のアクチュエータと、２軸ジョイスティックとを備えた全方向移動車両であって、前記ジョイスティックをその並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、ジョイスティックの中心軸を前記操舵軸の旋回軸心と一致させ、かつ車両本体部から操作可能に前記駆動ユニットの台車上に配設してなり、さらに前記ジョイスティックの操作棒を、車両本体の水平面内の特定の方向であって鉛直軸から所定の角度傾けて取付け、この操作棒の取付け位置を操作棒の基準位置としてなるものとする。
【００１０】
上記の構成によれば、操舵角を検出するセンサが不要であるのは勿論のこと、伝達機構部品等を介在させずにジョイスティックを直接的に駆動ユニットに固定しているので、指令読み取り部まわりのより一層の簡素化を図ることができ、しかも、オフセット駆動輪の数を抑えた駆動ユニットを採用していることとあいまって、高度な移動性能を有しかつ操作性に優れた全方向移動車両を低コストで実現することができる。
【００１１】
請求項３の発明によれば、請求項１または２のいずれかに記載の全方向移動車両の角度測定方法において、ジョイスティックが車両操作者によって使用されていない状態における前記ジョイスティックのｘ軸，ｙ軸の速度指令値の読み取り値ｒ_x，ｒ_yに基づき、下記数５式から、全方向移動車両の起動時における駆動ユニットと車両本体との水平面内における初期相対角度θ₀を測定することとする。
【００１２】
【数５】

さらに請求項４の発明によれば、請求項１または２のいずれかに記載の全方向移動車両において、前記ジョイスティックのｘ軸，ｙ軸の速度指令値の読み取り値ｒ_x，ｒ_yに基づき、下記数６式から求めた速度指令値ｒ_dに相応する操作棒の鉛直軸からの傾き角度相当値を演算し、この角度相当値が、前記操作棒の基準位置としてあらかじめ定めた鉛直軸からの傾斜角度の値と一致し、所定時間変化しないことを確認することにより、ジョイスティックが車両操作者によって使用されていない状態にあることを認識してなるようにしたものとする。
【００１３】
【数６】

上記方法および構成によれば、車両本体と駆動ユニットとの相対角度の初期値を基準として、旋回軸に設置された例えばエンコーダのような角度測定器や、タコジェネレータのような速度計測器からの情報により相対角度データの更新を行なうことで、逐次、相対角度を推定することができる。さらに、デッドレコニング法として知られるアルゴリズムを適用し、車両の位置、姿勢を逐次推定することで、ナビゲーション走行を行なうことが可能である。
【００１４】
請求項５の発明によれば、請求項１，２または４のいずれかに記載の全方向移動車両の駆動制御方法において、車両本体の前後方向（ｘ軸方向）と左右方向（ｙ軸方向）の速度指令値ｖ_x，ｖ_y値を下記数７式，数８式により演算して、この演算された速度指令値に基づいて車両を駆動することとする。
【００１５】
【数７】

【００１６】
【数８】

上記方法によれば、三角関数の計算なしで、車両の全方向動作のための車輪の駆動速度を求めることが可能となる。よって、演算速度の向上、または、演算能力の高くない演算装置の使用が可能となる。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１，２または４のいずれかに記載の全方向移動車両において、車両に速度制限を設ける場合には、鉛直軸から所定の角度傾けて取付ける操作棒の傾斜方向を前記車両に速度制限を設ける方向とは逆の方向とし、前記速度制限の制限割合に比例して操作棒の傾斜角度を大きくしてなるものとする。
【００１８】
この構成により、ソフト的な特別な演算処理を必要とせずに、例えば車椅子における場合、前方には高速運転が可能で、後ろ方向への最高速度は制限することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２０】
図１および図２は、請求項１，２，３の発明に関わる実施例の側面図および正面図である。駆動ユニット１は、台車１５に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪２および３と、両駆動輪を回転駆動する２つの図示しないアクチュエータおよび歯車からなる駆動力伝達手段と、前記台車１５上に配設された操舵軸１６と、車両本体１２に配設され，前記一対の駆動輪２，３の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で，前記操舵軸１６の垂直軸心（図２における旋回中心Ｃ）まわりの旋回を自在にするために車両本体１２に配設された軸受け部８とからなる。この軸受け部８は、本体支持シャフト８ａと軸受８ｂとからなり、駆動ユニット１の水平旋回を可能としている。
【００２１】
さらに、この駆動ユニット１には、前記操舵軸１６の回転駆動用のアクチュエータ９と歯車１０からなる駆動力伝達手段と、２軸ジョイスティック１１とが配設されている。この２軸ジョイスティック１１は、図示しないジョイスティックの並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニット１の回転と同期して回転するように，ジョイスティック１１の中心軸を前記操舵軸１６の旋回軸心Ｃと一致するように配設される。また、ジョイスティック１１の操作棒としてのスティック部１１０は、前記車両本体１２の上部から操作可能に配設される。回転軸が同一直線状に位置する車輪２、３は図示しない減速歯車を介して、図示しないアクチュエータによりそれぞれ独立に駆動される。さらに、本体車両１２は、複数個の自由輪１３を備えており、全方向に自由に移動できるように構成されている。
【００２２】
ジョイスティック１１のスティック部１１０は車両本体に形成された穴から車両本体１２の上部に突出しており、車両本体１２上に搭乗する操縦者は通常のジョイスティックと同様な方法でこれを操作可能としている。
【００２３】
以上説明した部分の構成は、前述の特願平１１−１１３４７４号に記載したものと同一であり、動作原理については、上記出願の詳細説明を参照されたい。
【００２４】
図１および２において、スティック部１１０に力が加えられないときには、駆動ユニット１の姿勢にかかわらず、スティック部１１０は車両本体１２上の座標系O_v-X_vY_vにおけるX_v軸の正方向に角度Ω傾けた状態に落ち着くように設定されている。これは、X_v軸方向に速度ｒの指令を与えていることに相当するものとする。図１の例では、車両本体１２に角度Ω傾けて固定されたスティック指示板７０に対してスティック１１０が直角に落ちつくようにその軸がばね７１で支持されている。
【００２５】
このとき、車両本体１２上に搭乗する操縦者は通常のジョイスティックと同様な方法で移動したい方向にスティック部を倒すことで、車両本体１２を操作可能である。
【００２６】
図３には、初期相対角度θ₀検出の説明ための車両上面図を示す。同図に示すように、システムの起動時に車両本体１２と駆動ユニット１は角度θ₀だけずれているとすると、図示していない車両制御装置は、駆動ユニット１上に固定されたジョイスティック１１は、駆動ユニット１上の座標系Ｏ_c−Ｘ_cＹ_cにおけるＸ_c軸、Ｙ_c軸の各方向に、以下の数９式、数１０式に示すr_x、r_yの速度指令を読み取ることになる。
【００２７】
【数９】

【００２８】
【数１０】

これらの読み取り値から、求める角度θ₀は、以下のようにr_x，r_yを使用して求めることができる。
【００２９】
【数１１】

以上の原理は、スティック部１１０のあらかじめ傾けられた方向が車両本体のＸ_v軸方向に特定しなくてもよく、任意の方向において同様な方法で関係を導出することができる。
【００３０】
上記により、初期状態における車両本体１２と駆動ユニット１との相対角度θ₀を絶対値角度検出装置がなくとも測定することができる。
【００３１】
次に請求項４の発明について説明する。
前記請求項３の発明は、ジョイスティック１１が操縦に使用されていない状態、つまり開放されている状態であることを仮定したときに成立するもので、ジョイスティック部１１０が操縦者によって傾けられている状態では、誤った角度を検出してしまう。これを解決するために、駆動ユニット１上に固定されたジョイスティック１１は、駆動ユニット１上の座標系O_c−Ｘ_cＹ_cにおけるＸ_c軸、Ｙ_c軸の各方向に検出された値r_x、r_yから、以下の数１２式によって得られるスティック部１１０の傾きの度合いr_dを、検出されるべき値rと比較・一致することを確認する。
【００３２】
【数１２】

さらにこの状態がある所定の時間継続するときに、スティック部１１０が開放状態にあることを認識することができる。つまり、このスティック１１０の開放状態を検出後、請求項３に記載のアルゴリズムである駆動ユニット１の角度計測を行うことにより、信頼性の高い角度検出アルゴリズムが実現できる。
【００３３】
ここで、検出に要する上記所定の時間は、適用機器によって異なり、その使用状況に応じて調整する必要がある。例えば、人間が搭乗する車椅子のような適用例では、特定の大きさの一定速度を指令するようにジョイスティックを傾け、これを数秒間保っていることは、実使用上まれなことであると考えられるので、この場合、前記所定の時間は、２〜５秒程度に設定する。
【００３４】
ところで、これまで説明した請求項３及び４に記載のジョイスティック１１を使用した一連の角度検出アルゴリズムは、電源投入直後のシステムの起動時に一度行わせることで十分であり、その後は旋回軸用アクチュエータ９のシャフトに設置されたインクリメンタルエンコーダの値を積算することにより、初期角度検出後の任意の時間における角度計測が可能となる。
【００３５】
また、操作者が車上に搭乗せず、遠隔操作などの自動運転のみにより車両動作を行わせる場合には、特許請求項４のアルゴリズムを用いて、ジョイスティックにより常に駆動ユニットと車両本体の相対角度を計測することも可能である。
【００３６】
次に請求項５の発明について説明する。
【００３７】
初期相対角度θ₀を検出した後の駆動ユニット１が車両本体１２に対して回転運動を行ったときの角度θは、旋回軸用アクチュエータ９のシャフトに設置された、図示しないインクリメンタルエンコーダの値を積算することで、検出することができる。この角度θを用いて、ジョイスティック１１により直接検出される値から、速度指令値のみを抽出することを考える。
【００３８】
駆動ユニット１上に固定されたジョイスティック１１により検出される駆動ユニット１上の座標系O_c−Ｘ_cＹ_cにおけるＸ_c軸、Ｙ_c軸の各方向に直接検出される速度指令値をs_x、s_yとする。
【００３９】
このとき、 s_x、s_yを角度θにより回転変換すると、車両本体１２上のＸ_v軸、Ｙ_v軸方向への検出値を得ることができる。しかし、これらの検出値はジョイスティックの傾きΩの値を含んでいる。つまり、操縦者がジョイスティックを操作していなくとも、あらかじめ傾けられたジョイスティックの傾きΩに対応した速度が指令されていると誤読しまうことになる。この値は、駆動ユニット１と車両本体１２の相対角度θが零、つまり両方の姿勢が一致しているときにＸ_c軸、Ｙ_c軸方向に検出される既知の値、r_x0、r_y0と一致しており、これらは既知の値なので、この、r_x0、r_y0をそれぞれ差し引くことによって、ジョイスティックの傾きΩの影響を除去することができる。その結果、純粋に操縦者が入力した速度指令値の車両本体１２上の座標系O_v−Ｘ_vＹ_vにおけるＸ_v軸、Ｙ_v軸の各方向への速度指令v_x、v_yを求めることが可能となる。即ち、v_x、v_yは、以下の数１３式、数１４式により求めることができる。
【００４０】
【数１３】

【００４１】
【数１４】

次に、請求項６の発明に関わる実施例について説明する。例えば、この全方向移動車両を車椅子の移動機構として用いた場合を考えると、車椅子は操作者の向いている方向、つまり車両前方には高速に移動できることが要求され、また車両後方にはその安全性の問題から移動速度を制限することが望ましく、方向に応じて最高速度を制限する必要が生じる。
【００４２】
これをソフト的にｘ軸の方向のみにゲインをかけることで実施しようとすると、指令する移動の方向と、実際の車両の移動方向に誤差が発生し、操作性が悪化することが避けられない。これを図４により説明する。同図は車両に指令される速度ベクトルvを車両本体のX_v-Y_v平面上に表したものである。同図中、破線のベクトルは、操作者が指令した速度の方向φと大きさｖを示し、破線の円は最高速度V_maxを表している。ここで、ｘの正方向の最高速度は、基準V_maxの２倍である２V_maxとし、ｘの負方向の最高速度は基準の半分の0.5V_maxとする最高速度の設定をx軸方向に沿って差を持たせることを考える。
【００４３】
これを実現するためには、検出されたｘ方向の速度成分を倍率に応じて拡大、縮小する方法が、簡単な方法として考えられる。この時、指令値、最高速度はそれぞれ同図中に実線で示すベクトルおよび半楕円の結合した曲線になる。しかし、拡大、縮小したｘ方向の成分にｙ軸の速度成分と合成すると、同図に実線で示すｖ'の速度の指令を車両に与えていることになり、この方向φ’はもとのφとは一致しない。これより、ゲインを乗じた前後では指令の方向に誤差Δφが生じることがわかる。これを補正するためには、制御装置における演算量を増加せざるを得ない。
【００４４】
これに対して、本発明のスティック部１１０をあらかじめ傾けた角度を基準として設置する方法での最高速度は、図５において破線で示される基準の円をｘ軸方向にr動かした同図中実線で表わされるものとなる。またx方向の速度指令の初期偏差分rを差し引く処理を施した後の指令値のベクトルはもとのベクトルと同じものとなる。よって、車両の移動方向の歪みは発生することがない。
【００４５】
以上の説明から明らかなように、ソフト的な特別な演算処理を必要とせず、上記の車椅子における例の場合、前方には高速運転が可能で、後ろ方向への最高速度は制限することができる。これを実現するには、図１においてｘ軸の負方向に角度Ω傾けた状態を基準として設置すればよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、操舵角を検出するセンサがなくとも、全方向移動を容易に行うことができ、機構の単純化と低コスト化を図った操作性のよい全方向移動車両が提供できる（請求項１，２）。また、請求項３ないし５の発明により、全方向移動車両における測定および制御演算等を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化を図った全方向移動車両ならびにその駆動制御方法並びに角度測定方法を提供することができる。さらに、請求項６の発明により、例えば車椅子などに好適な速度制限を付与した簡略化した制御が実現できる。さらにまた、この発明の全方向移動車両は、通信を用いた遠隔操縦や、自動操縦、ナビゲーション制御などの用途にも適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の全方向移動車両の概略構成を示す側面図である。
【図２】この発明の実施例の全方向移動車両の概略構成を示す正面図である。
【図３】請求項３の発明を説明するための車両状態図である。
【図４】請求項６の発明を説明するための改良前の速度ベクトル状態図である。
【図５】請求項６の発明を説明するための改良後の速度ベクトル状態図である。
【符号の説明】
１：駆動ユニット、２，３：駆動輪、８：軸受部、９：アクチュエータ、１０：歯車、１１：ジョイスティック、１２：車両本体、１３：自由輪、１５：台車、１６：操舵軸、７０：スティック指示板、７１：ばね、１１０：スティック部。

Claims

台車に軸支された複数の駆動輪を有し、鉛直軸のまわりを回転自在に車両本体に支持された駆動ユニットと、操作装置としての２軸ジョイスティックとを備え、駆動ユニットを車両本体に対して回転させることにより任意の方向に移動する全方向移動車両であって、前記ジョイスティックを、その並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、かつ前記車両本体上部から操作可能に配設してなり、さらに前記ジョイスティックの操作棒を、車両本体の水平面内の特定の方向であって鉛直軸から所定の角度傾けて取付け、この操作棒の取付け位置を操作棒の基準位置としてなることを特徴とする全方向移動車両。
互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動するアクチュエータと、前記台車上に配設された操舵軸と、前記一対の駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で、前記操舵軸の垂直軸心まわりの旋回を自在にして車両本体に連結された駆動ユニットと、さらに、この駆動ユニットに配設された前記操舵軸の回転駆動用のアクチュエータと、２軸ジョイスティックとを備えた全方向移動車両であって、前記ジョイスティックをその並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、ジョイスティックの中心軸を前記操舵軸の旋回軸心と一致させ、かつ車両本体部から操作可能に前記駆動ユニットの台車上に配設してなり、さらに前記ジョイスティックの操作棒を、車両本体の水平面内の特定の方向であって鉛直軸から所定の角度傾けて取付け、この操作棒の取付け位置を操作棒の基準位置としてなることを特徴とする全方向移動車両。
請求項１または２のいずれかに記載の全方向移動車両の角度測定方法において、ジョイスティックが車両操作者によって使用されていない状態における前記ジョイスティックのｘ軸，ｙ軸の速度指令値の読み取り値ｒ_x，ｒ_yに基づき、下記数１式から、全方向移動車両の駆動ユニットと車両本体との水平面内における初期相対角度θ₀を測定することを特徴とする全方向移動車両の角度測定方法。
請求項１または２のいずれかに記載の全方向移動車両において、前記ジョイスティックのｘ軸，ｙ軸の速度指令値の読み取り値ｒ_x，ｒ_yに基づき、下記数２式から求めた速度指令値ｒ_dに相応する操作棒の鉛直軸からの傾き角度相当値を演算し、この角度相当値が、前記操作棒の基準位置としてあらかじめ定めた鉛直軸からの傾斜角度の値と一致し、所定時間変化しないことを確認することにより、ジョイスティックが車両操作者によって使用されていない状態にあることを認識してなるようにしたことを特徴とする全方向移動車両。
請求項１，２または４のいずれかに記載の全方向移動車両の駆動制御方法において、車両本体の前後方向（ｘ軸方向）と左右方向（ｙ軸方向）の速度指令値ｖ_x，ｖ_y値を下記数３式，数４式により演算して、この演算された速度指令値に基づいて車両を駆動することを特徴とする全方向移動車両の駆動制御方法。
請求項１，２または４のいずれかに記載の全方向移動車両において、車両に速度制限を設ける場合には、鉛直軸から所定の角度傾けて取付ける操作棒の傾斜方向を前記車両に速度制限を設ける方向とは逆の方向とし、前記速度制限の制限割合に比例して操作棒の傾斜角度を大きくしてなることを特徴とする全方向移動車両。