JP4305781B2 - 走行制御装置及びこれを備えた走行車両、並びに走行制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の車輪がモータによって独立に駆動される走行車両の走行制御装置、及び走行制御方法に関するものである。

例えば、倉庫内における荷物の搬送等に使用される全方向車両には複数の車輪が備えられている。各車輪は、独立して回動可能に備えられて操舵輪としての役割を果たすとともに、個別に備えられたモータによって独立に駆動されて駆動輪としての役割も果たしている（例えば、特許文献１参照）。

図５に、一般的な全方向車両の構造模式図を示す。
車両本体１の前部には、左右対称に右前輪３_ＦＲ及び左前輪３_ＦＬが備えられ、それぞれ、右前輪モータ２_ＦＲ及び左前輪モータ２_ＦＬによって駆動される。車体本体１の後部についても同様に、右後輪３_ＲＲ及び左後輪３_ＲＬが備えられ、それぞれ、右後輪モータ２_ＲＲ及び左後輪モータ２_ＲＬによって駆動される。各車輪は、車輪中心点Ｐ_Ｗを中心に独立して回動可能な状態で車両本体１に備えられている。

走行制御装置１０は、アクセル１３、進行角ハンドル１４及び操舵角ハンドル１５からなる指示手段の操作量に応じて各車輪の速度及び回動角θ_Ｗを決定し、全方向車両の走行を制御する。車体代表点Ｐは、走行制御装置１０による走行制御の便宜のために、車体本体１の内側に任意に設定される基準点である。

図６は、全方向車両に適用される従来の走行制御システムのブロック図である。
走行制御装置１０は、アクセル１３から出力されるアクセル信号と、進行角ハンドル１４から出力される進行角信号と、操舵角ハンドル１５から出力される操舵角信号とに基づいて、ＰＩ制御等の速度制御により、各モータに対するトルク指令値Ｓ_{ＦＲ、ＦＬ、ＲＲ、ＲＬ}を決定する。各モータは、それぞれ、指令値に基づいて対応する車輪を駆動する。走行制御装置１０は、メモリ１２に予め格納されている車両寸法等の情報を適宜参照することができる。

図７は、図５に示す全方向車両の走行制御の概念図である。
この概念は、全方向車両の走行を、後述する仮想固定輪４_Ｒ、４_Ｌ及び仮想操舵輪５からなる仮想三輪車６の走行に置き換えて取り扱うことにより、複雑な全方向車両の制御を容易にするものである。

図７に示す概念では、車体代表点Ｐを通る車体幅方向に沿った軸をＸ軸、車体全長方向に沿った軸をＹ軸とする。車体代表点Ｐを通り、Ｘ軸に対して角度θ_Ｄ（以下、進行角）をなすｘ軸上には仮想固定輪４_Ｒ及び４_Ｌが左右対称に配置される。進行角θ_Ｄは進行角信号に対応した角度である。また、ｘ軸と直角なｙ軸上には仮想操舵輪５が配置される。仮想操舵輪５は、ｙ軸に対して操舵角信号に対応した角度θ_Ｒ（以下、操舵角）をなしている。

アクセル信号から計算される車体速度、及び操舵角θ_Ｒに基づいて、ｘ軸上に旋回中心点Ｐ_Ｒが設定される。各車輪の回動角θ_Ｗ及び速度は、旋回中心点Ｐ_Ｒとの幾何学的な位置関係によって決定される。図７では、旋回中心点Ｐ_Ｒに最も近い右後輪３_ＲＲが“最内輪”となり、旋回中心点Ｐ_Ｒから最も遠い左前輪３_ＦＬが“最外輪”となる。

従来の走行制御システムの走行制御方法について、図８及び図９を参照しつつ順に説明する。なお、以下の説明では、全方向車両が右斜め方向に前進しつつ右旋回する際の動作について説明する。

全方向台車が走行を開始すると（図８のＳ１−１）、アクセル信号、進行角信号、操舵角信号が走行制御装置１０に入力される（Ｓ１−２）。走行制御装置１０は、入力されたこれらの信号に基づいて旋回中心点Ｐ_Ｒを計算する（Ｓ１−３）。そして、走行制御装置１０は、メモリ１２に格納されている車両本体１の寸法、各車輪の取り付け位置と、旋回中心点Ｐ_Ｒとの幾何学的な位置関係に基づいて、各車輪の速度Ｖ_{ＦＲ、ＦＬ、ＲＲ、ＲＬ}を計算する（Ｓ１−４）。

図７に示すような走行状態において、最外輪となる左前輪３_ＦＬの速度Ｖ_ＦＬが最も高くなる。反対に、最内輪となる右後輪３_ＲＲの速度Ｖ_ＲＲは最も低くなる。

続いて、図９に示す“速度−トルク曲線”に基づいて、各車輪の速度に対応したトルクが求められる（図８のＳ１−５）。求められたトルクは、速度制御部１１で用いられる許容トルクとして設定される。“速度−トルク曲線”は、モータの特性等に応じて予め定められている、速度に対応したトルクを求めるためのものである。通常、各車輪には同一のモータが備えられるので、図９（Ａ）〜（Ｄ）に示す各モータの“速度−トルク曲線”は同一である。

速度制御部１１は、設定された各モータの許容トルクＴ_{ＦＲＨ、ＦＬＨ、ＲＲＨ、ＲＬＨ}を超えない範囲でＰＩ制御等の速度制御を行い（図９参照）、各車輪が所望の速度となるようなトルク指令値Ｓ_{ＦＲ、ＦＬ、ＲＲ、ＲＬ}を決定する（図８のＳ１−６）。決定されたトルク指令値は、それぞれ、各モータに伝達される（Ｓ１−７）。各モータは、指令値に基づいて、対応する車輪を駆動する。

アクセル信号、進行角信号または操舵角信号が変更された場合（Ｓ１−８）には、Ｓ１−３に戻り、旋回中心点Ｐ_Ｒの計算等が行われる（Ｓ１−３〜５）。そして、速度制御部１１は、再設定された許容トルクを超えない範囲で各モータを制御する（Ｓ１−６、７）。

以上のような制御によって、全方向車両は図１０に示すような多様な走行を行うことができる（例えば、特許文献２参照）。図１０（Ａ）は、進行角θ_Ｄ＝０、かつ操舵角θ_Ｒ≠０の場合、図１０（Ｂ）は、進行角θ_Ｄ≠０、かつ操舵角θ_Ｒ＝０の場合、図１０（Ｃ）は、進行角θ_Ｄ≠０、かつ操舵角θ_Ｒ≠０の場合の全方向車両の走行状態をそれぞれ示す。なお、図１０の各図面において、符号１’、１”は、移動後の車体本体１である。
特開平８−２７２４４３号公報 特許第３０１２６５１号公報

一般的に、複数の駆動輪を備えた走行車両の旋回をスムーズに行うためには、外輪側の車輪の速度を、内輪側の車輪の速度よりも高くしておく必要がある。また、このとき、高い速度が要求されない内輪側のモータのトルクは低くてもよい。例えば、図７に示す走行状態において、最内輪を駆動する右後輪モータ２_ＲＲが発生するべきトルクは、他のモータのトルクよりも低くてよい。

しかしながら、図９に示すように、従来の走行制御方法における内輪側のモータは、不必要に大きい許容トルク（例えば、図９（Ｃ）のＴ_ＲＲＨ参照）の範囲内で速度制御がなされ、結果的に過剰なトルクを発生していた。このため、内輪側のモータでは、過剰な電力供給による発熱が生じ、モータ自身が損傷または劣化し易くなるという問題があった。
さらに、各モータがバッテリーによって電力供給されている場合には、無駄に電力が消費されることによって走行車両の稼動時間が短くなり、頻繁に充電を行わなければならないという問題があった。

そこで本発明は、走行車両の旋回時に、モータに過剰なトルクが発生するのを抑制することにより、該モータの損傷及び劣化を防ぐとともに、走行車両の稼動時間を延長することができる走行制御装置及び走行制御方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る走行制御装置は、複数の駆動輪がそれぞれ独立して駆動される走行車両に備えられ、当該走行車両の走行を制御する走行制御装置であって、前記走行車両の旋回時に、予め定められている速度−トルク曲線に基づいて最外輪となる駆動輪の速度に対応する許容トルクを求め、当該許容トルクを超えない範囲で行われる速度制御によって当該駆動輪を駆動するモータのトルク指令値が決定され、当該トルク指令値が、前記最外輪を除く他の駆動輪の許容トルクとして設定され、当該許容トルクを超えない範囲で行われる速度制御によって当該他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値がそれぞれ決定され、前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値が、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を超えないように制御されることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る走行車両は、上記走行制御装置が備えられていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る走行制御方法は、走行車両の速度、進行角及び操舵角を指示するための指示手段と、複数の駆動輪と、当該複数の駆動輪に個別に備えられ、各駆動輪を独立して駆動する複数のモータと、を含む走行車両の旋回時の走行制御方法であって、ｉ）前記指示手段の操作量に基づいて、前記複数の駆動輪の速度をそれぞれ計算するステップと、ｉｉ）最外輪となる前記駆動輪を特定するステップと、ｉｉｉ）前記最外輪を駆動するモータについて、予め定められている速度−トルク曲線に基づいて前記最外輪の前記速度に対応したトルクを求め、当該トルクを最外輪許容トルクとして設定するステップと、ｉｖ）前記最外輪許容トルクを超えない範囲で速度制御を行い、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を決定するステップと、ｖ）前記トルク指令値を、前記最外輪を除く他の駆動輪の許容トルクとして設定するステップと、ｖｉ）前記他の駆動輪のそれぞれについて、前記許容トルクを超えない範囲で速度制御を行い、前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値をそれぞれ決定するステップと、を備え、前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値が、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を超えないように制御されることを特徴とする。

本発明によれば、走行車両の旋回時に、モータに過剰なトルクが発生するのを抑制することにより、該モータの損傷及び劣化を防ぐとともに、走行車両の稼動時間を延長することができる走行制御装置及び走行制御方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る走行制御方法の好ましい実施形態について説明する。

［実施例：４つの車輪が独立に駆動される全方向車両に適用］
図１に、本発明に係る走行制御方法を実現するための走行制御システムのブロック図を示す。走行車両の一例として、本実施例に係る走行制御システムは、図５及び図７に示す全方向車両に適用される。全方向車両については、前述した通りなので説明を省略する。

図１に示す走行制御システムにおいて、走行制御装置１０は、アクセル１３から出力されるアクセル信号と、進行角ハンドル１４から出力される進行角信号と、操舵角ハンドル１５から出力される操舵角信号とに基づいて、ＰＩ制御等の速度制御によって各モータに対するトルク指令値を決定し、それぞれを対応するモータに伝達する。各モータは、指令値に基づいて対応する車輪を駆動する。また、走行制御装置１０は、メモリ１２に予め格納されている車両寸法等の情報を適宜参照することができる（図７参照）。

本発明に係る走行制御システムでは、速度比較部２０及びトルク選択部２１が備えられている。これらの動作について、図２のフローチャート及び図３の“トルク−速度曲線”を参照して説明する。なお、以下の説明では、主に、全方向車両が右斜め方向に前進しつつ右旋回する際の動作について説明する。

全方向車両が走行を開始すると（図２のＳ２−１）、アクセル信号、進行角信号及び操舵角信号が走行制御装置１０に入力される（Ｓ２−２）。走行制御装置１０は、入力されたこれらの信号に基づいて旋回中心点Ｐ_Ｒを計算する（Ｓ２−３）。そして、走行制御装置１０は、メモリ１２に格納されている車両本体１の寸法及び各車輪の取り付け位置と、旋回中心点Ｐ_Ｒとの幾何学的な位置関係に基づいて、各車輪の速度Ｖ_{ＦＲ、ＦＬ、ＲＲ、ＲＬ}を計算する（Ｓ２−４）。

次に、速度比較部２０によって、各車輪の速度の比較が行われ（図２のＳ２−５）、速度が最も早い車輪、すなわち最外輪が特定される。特定された結果は、最外輪信号として出力される。
前述したように、図７に示すような走行状態では、右後輪３_ＲＲが回転半径の最も小さい最内輪、左前輪３_ＦＬが回転半径の最も大きい最外輪となるので、左前輪３_ＦＬの速度度Ｖ_ＦＬが最も早く、右後輪３_ＲＲの速度Ｖ_ＲＲが最も遅くなる。

最外輪が特定されると、図３に示す“速度−トルク曲線”に基づいて、最外輪を駆動するモータの許容トルクが設定される（Ｓ２−６）。すなわち、図３（Ｂ）の曲線に基づいて、左前輪３_ＦＬの速度Ｖ_ＦＬに対応した左前輪許容トルクＴ_ＦＬＨが設定される。
なお、本実施例に適用される各モータは同一なので、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示す“速度−トルク曲線”は全て同一である。

続いて、速度制御部１１による最外輪の速度制御が行われる。具体的には、図３（Ｂ）に示すように、速度Ｖ_ＦＬに基づいて設定された左前輪許容トルクＴ_ＦＬＨの範囲内でＰＩ制御等の速度制御が行われ、左前輪モータ２_ＦＬに対するトルク指令値Ｓ_ＦＬが決定される（図２のＳ２−７）。トルク指令値Ｓ_ＦＬは、トルク選択部２１に入力される。トルク選択部２１は、速度比較部２０から出力される最外輪信号に基づいて、速度制御部１１から各モータに対して出力されるトルク指令値のうち、最外輪のトルク指令値を速度制御部１１に出力する。図７に示す走行状態では左前輪３_ＦＬが最外輪であるから、入力されたトルク指令値Ｓ_ＦＬが速度制御部１１に出力されることになる。

速度制御部１１は、入力された最外輪のトルク指令値Ｓ_ＦＬに基づいて、その他の車輪３_{ＦＲ、ＲＲ、ＲＬ}の許容トルクを再設定する（図２のＳ２−８）。そして、これらの車輪について、再設定された許容トルクの範囲内で速度制御が行われ、モータ２_{ＦＲ、ＲＲ、ＲＬ}に対するトルク指令値Ｓ_{ＦＲ、ＲＲ、ＲＬ}が決定される（Ｓ２−９）。
すなわち、最外輪以外のトルク指令値Ｓ_{ＦＲ、ＲＲ、ＲＬ}は、単純に当該車輪の速度Ｖ_{ＦＲ、ＲＲ、ＲＬ}に基づいて設定される許容トルクＴ_{ＦＲＨ、ＲＲＨ、ＲＬＨ}よりも低い値（＝最外輪のトルク指令値Ｓ_ＦＬ）を超えない範囲で速度制御され、決定される。

速度制御によって決定されたトルク指令値Ｓ_{ＦＲ、ＦＬ、ＲＲ、ＲＬ}は、それぞれ各モータに伝達される（Ｓ２−１０）。そして、各モータは、トルク指令値に基づいて対応する車輪を駆動する。

アクセル信号、進行角信号または操舵角信号が変更された場合（図２のＳ２−１１）には、Ｓ２−３に戻り、各車輪の速度の計算等が行われる（Ｓ２−３〜４）。そして、各車輪の速度を比較して（Ｓ２−５）、速度が最も早い最外輪について速度制御を行った後（Ｓ２−７）、得られた最外輪のトルク指令値に基づいて、その他の車輪の速度制御が行われる（Ｓ２−９）。

以上のように、本発明によれば、速度が最も早い最外輪のモータのトルク指令値を用いて、その他のモータのトルクを制限することができる。これにより、最外輪を除く他のモータにおける過剰なトルクの発生を抑え、発熱によるモータの損傷及び劣化を防ぐことができるとともに、走行車両の稼動時間を延長することができる。
また、本発明によれば、走行車両が大きく旋回する場合に、各車輪に供給されるトルク差を抑えることができ、デフとしての効果も得ることができる。

［変形例］
本発明に係る走行制御装置、及び走行制御方法は、他の走行車両に適用することもできる。例えば、実施例に係る全方向車両には、駆動輪兼操舵輪となる車輪が車体本体の四隅に備えられているが、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、車輪の数は２以上の任意の数にすることができる。また、図４（Ｂ）に示すように、全ての車輪が駆動輪である必要はなく、幾つかの車輪がモータによって駆動されない従動輪であってもよい。

また、本発明に係る走行制御は、操舵角θ_Ｒが大きく、最外輪と最内輪の速度差が所定の値よりも大きい場合にのみ適用されるようにしてもよい。操舵角θ_Ｒが小さい場合には、内輪側のモータに発生する過剰なトルクは僅かであり、モータの損傷または劣化はほとんど起こらない。

また、実施例に係る走行制御装置１０において、速度制御部１１はＰＩ制御によってトルク指令値を決定したが、これに替えて、ＰＩＤ制御等の他の速度制御によってトルク指令値を決定してもよい。

本発明に係る走行制御方法を実現するための走行制御システムのブロック図である。 本発明に係る走行制御方法を示すフローチャートである。 実施例に係る走行制御方法に用いられる“速度−トルク曲線”のグラフであって、（Ａ）は右前輪モータのグラフ、（Ｂ）は左前輪モータのグラフ、（Ｃ）は右後輪モータのグラフ、（Ｄ）は左後輪モータのグラフである。 変形例に係る全方向車両の模式図であって、（Ａ）は８個の駆動輪兼操舵輪を備えた全方向車両、（Ｂ）は６個の駆動輪兼操舵輪と６個の従動輪を備えた全方向車両である。 全方向車両の構成を示す模式図である。 従来の走行制御方法を実現するための走行制御システムのブロック図である。 図５に示す全方向車両の走行制御の概念図である。 従来の走行制御方法を示すフローチャートである。 従来の走行制御方法に用いられる“速度−トルク曲線”のグラフであって、（Ａ）は右前輪モータのグラフ、（Ｂ）は左前輪モータのグラフ、（Ｃ）は右後輪モータのグラフ、（Ｄ）は左後輪モータのグラフである。 進行角θ_Ｄ及び操舵角θ_Ｒに応じた全方向車両の走行状態を示す図であって、（Ａ）は進行角θ_Ｄ＝０かつ操舵角θ_Ｒ≠０の走行状態、（Ｂ）は進行角θ_Ｄ≠０かつ操舵角θ_Ｒ＝０の走行状態、（Ｃ）は進行角θ_Ｄ≠０かつ操舵角θ_Ｒ≠０の走行状態である。

符号の説明

１ 車体
２_ＦＲ 右前輪モータ
２_ＦＬ 左前輪モータ
２_ＲＲ 右後輪モータ
２_ＲＬ 左後輪モータ
３_ＦＲ 右前輪
３_ＦＬ 左前輪
３_ＲＲ 右後輪
３_ＲＬ 左後輪
４_Ｒ、Ｌ 仮想固定輪
５ 仮想操舵輪
６ 仮想三輪車
１０ 走行制御装置
１１ 速度制御部
１２ メモリ
１３ アクセル
１４ 進行角ハンドル
１５ 操舵角ハンドル
２０ 速度比較部
２１ トルク選択部

Claims (3)

1. 速度、進行角及び操舵角を指示するための指示手段と、複数の駆動輪と、当該複数の駆動輪に個別に備えられ、各駆動輪を独立して駆動する複数のモータとを備えた走行車両に備えられ、当該走行車両の走行を制御する走行制御装置であって、
   前記走行車両の旋回時に、
   前記指示手段の操作量に基づいて前記複数の駆動輪の速度がそれぞれ計算され、前記複数の駆動輪の速度を比較することによって最外輪となる駆動輪が特定され、予め定められている速度−トルク曲線に基づいて前記最外輪の速度に対応するトルクが求められ、当該トルクが前記最外輪を駆動するモータの最外輪許容トルクとして設定され、当該最外輪許容トルクを超えない範囲で行われる速度制御によって前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値が決定され、当該トルク指令値が前記最外輪を除く他の駆動輪の許容トルクとして設定され、当該許容トルクを超えない範囲で行われる速度制御によって当該他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値がそれぞれ決定され、
   前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値が、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を超えないように制御されることを特徴とする走行制御装置。
2. 請求項１に記載の走行制御装置が備えられていることを特徴とする走行車両。
3. 走行車両の速度、進行角及び操舵角を指示するための指示手段と、複数の駆動輪と、当該複数の駆動輪に個別に備えられ、各駆動輪を独立して駆動する複数のモータと、を含む走行車両の旋回時の走行制御方法であって、
   ｉ）前記指示手段の操作量に基づいて、前記複数の駆動輪の速度をそれぞれ計算するステップと、
   ｉｉ）最外輪となる前記駆動輪を特定するステップと、
   ｉｉｉ）前記最外輪を駆動するモータについて、予め定められている速度−トルク曲線に基づいて前記最外輪の前記速度に対応したトルクを求め、当該トルクを最外輪許容トルクとして設定するステップと、
   ｉｖ）前記最外輪許容トルクを超えない範囲で速度制御を行い、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を決定するステップと、
   ｖ）前記トルク指令値を、前記最外輪を除く他の駆動輪の許容トルクとして設定するステップと、
   ｖｉ）前記他の駆動輪のそれぞれについて、前記許容トルクを超えない範囲で速度制御を行い、前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値をそれぞれ決定するステップと、
   を備え、前記他の駆動輪を駆動するモータのトルク指令値が、前記最外輪を駆動するモータのトルク指令値を超えないように制御されることを特徴とする方法。

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