JP4434186B2 - 移動体及び移動体の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、倒立振子型移動体に関し、特に、搭乗者等によって指定される速度を制御目標値として、倒立安定化制御及び走行制御を実行する倒立振子型移動体に関する。

本明細書における倒立振子型移動体とは、車体と車体に連結された断面円形状の回転体（車輪など）を有し、車体が移動体の前後方向に傾斜可能な状態で車体と回転体の間を連結して構成され、車体の重心又は車体及び車体上に支持される搭乗者等の対象を合計した総質量の重心が、回転体の回転中心位置より上方に位置する状態を維持しながら回転体の回転によって移動することが可能な移動体を指す。

従来から倒立振子型移動体の制御方法についての提案がなされている。従来の倒立振子型移動体では、移動体に設けられた傾斜角センサによって、鉛直方向に対する車体の傾斜角を検出し、検出された傾斜角を入力変数として倒立安定化制御及び走行制御を実行することが一般的である。このような制御方法を採用する倒立振子型移動体が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された倒立振子型移動体は、車体の左右に車輪が取り付けられ、左右の車輪を独立して駆動する２つのモータを備えている。また、移動体の前後方向おける車体の傾斜角度を検出する傾斜角センサ（具体的には加速度センサ）、傾斜角速度を検出する傾斜角速度センサ（具体的にはレートジャイロ）、及び、傾斜角センサ及び傾斜角速度センサによって検出した傾斜角及び傾斜角速度を入力変数として、車体の倒立を維持するための倒立安定化制御及び前後方向の走行制御を行う制御部を備えている。

つまり、特許文献１に開示された倒立振子型移動体においては、搭乗者が重心移動を行って車体を傾けたことに応じて移動体の前後方向の走行が制御される。このように、搭乗者が車体の傾斜角を操作することによって走行する倒立振子型移動体においては、力学的にバランスした倒立状態をもたらすための制御ループの実行結果として、移動体の加速度が決定され、当該加速度で移動体が走行した結果として速度が定まる。つまり、搭乗者によって指示される制御量は車体の傾斜角であるため、搭乗者の意図するものとは異なった移動体の挙動が発生しやすい。このような車体の傾斜角による倒立振子型移動体の操作は、操作者によるアクセル開度の調整によって移動体の速度を制御する乗用車との操作方法の違いが大きいため、このような移動体の操作は一般的に困難である。

これに対して、車体の傾斜角を入力変数とせずに、搭乗者等によって入力された速度目標値を入力変数として倒立安定化制御及び走行制御を実行する倒立振子型移動体も提案されている（例えば、特許文献２及び３を参照）。

特許文献２には、車体の傾斜角及び傾斜角速度のうちの少なくとも一方を含む傾斜パラメータに擬制される擬制信号を入力するためのジョイスティックを有し、搭乗者によるジョイスティックの操作によって、移動体の前後方向の走行を制御する倒立振子型移動体が開示されている。ジョイスティックの操作量に応じて生成される擬制信号に対応付けられた具体的なパラメータとして、車体の傾斜角目標値及び並進速度目標値が開示されている。

特許文献２に開示された倒立振子型移動体において、ジョイスティック操作量が移動体の並進速度や車輪の回転角速度等の速度目標値と対応付けられる場合には、ジョイスティック操作によって与えられた速度目標値に応じて、当該速度目標値に等しい並進速度や車輪の回転角速度を生じさせるようにモータに対するトルク指令値を生成する走行制御と、車体の傾斜角及び傾斜角速度を入力変数として車体の倒立を維持するようにトルク指令値を生成する倒立安定化制御とが合わせて実行されることにより、ジョイスティック操作によって入力された速度目標値に応じて移動体を前後方向に走行させることができる。

特許文献３に開示された倒立振子型移動体は、車体の傾斜角及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出し、検出した傾斜角又は傾斜角速度若しくはこれら両方を入力値として、倒立振子型移動体の倒立安定化制御を行う。具体的には、傾斜角速度を検出するジャイロセンサを備え、ジャイロセンサによって検出される傾斜角速度がゼロとなるよう倒立安定化制御を実行する。さらに、特許文献３に開示された倒立振子型移動体は、移動体の速度目標値を入力可能としており、上記の倒立安定化制御と合わせて、移動体の速度が入力された速度目標値となるように走行制御を実行する。
特開２００５−９４８９８号公報 特開平４−２０１７９３号公報 特開２００４−２９５４３０号公報

上述したように、特許文献２及び３に開示された倒立振子型移動体は、搭乗者によるジョイスティック操作に対応付けられた速度目標値や、自動走行のためにメモリに予め記憶された速度目標値を入力変数とし、エンコーダ等によって検出される移動体の現在速度が当該速度目標値となるように制御を実行する。しかしながら、速度目標値を入力変数として倒立振子型移動体の制御を行うと、車体が倒立した状態を維持するために、速度目標値の変動に応じて急激な傾斜角の変化が発生してしまうため、移動体の動作が滑らかでなく搭乗者に不快感を与えるといった問題がある。

本発明は上述した問題を考慮してなされたものであり、速度目標値を入力変数とし、当該速度目標値に基づく倒立安定化制御及び走行制御を実行する倒立振子型移動体において、走行時に発生する車体の傾斜角の変化を滑らかにすることを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる移動体は、断面円形状である少なくとも１つの回転体と、前記回転体に支持される車体とを備える移動体であって、前記移動体の走行状態において、少なくとも当該移動体の前後方向に前記車体が揺動可能である。さらに、前記移動体は、駆動部、目標値生成部及び制御部を備える。前記駆動部は、前記回転体を駆動する。前記目標値生成部は、前記移動体に対する速度目標値及び前記車体に対する傾斜角速度目標値を、前記速度目標値は時間についての２階微分が連続であり、前記傾斜角速度目標値は時間について連続であるように生成する。前記制御部は、前記車体の重心又は前記車体及び前記車体上に支持される対象を合計した総質量の重心が前記回転体の回転中心位置より上方に位置する状態を維持しながら、前記移動体が前記速度目標値に従って走行できるように、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を制御目標として前記駆動部に対する制御指令値を算出する。

このような構成によって、本発明の第１の態様にかかる移動体は、速度目標値に加えて、時間について連続な傾斜角目標値を制御目標とするため、傾斜角速度の不連続な変化、つまり、傾斜角速度が短時間で急激に変化することを抑制することができる。これによって、本発明の第１の態様にかかる移動体は、速度目標値に基づいて制御される倒立振子型移動体でありながらも、走行時に発生する車体の傾斜角の変化を滑らかにすることができる。

上記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記傾斜角速度目標値は、前記速度目標値の時間についての２階微分に所定のゲインを乗算することによって算出するとよい。

上記本発明の第１の態様にかかる移動体が、操作者による操作入力を受け付け、操作者による操作量に応じた操作量信号を出力する操作量生成部をさらに備え、前記目標値生成部が、前記操作量信号に基づいて、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を生成するよう構成してもよい。さらに、前記目標値生成部は、時間についての２階微分が連続になるように前記操作量信号を補正することにより得られた補正信号を前記速度目標値としてもよい。

上記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記目標値生成部は、前記操作量信号の時間についての２階微分を、当該２階微分が時間について連続となるように生成し、生成した２階微分に所定のゲインを乗算することにより前記傾斜角速度目標値を出力してもよい。これにより、時間について連続な傾斜角速度目標値を容易に得ることができる。さらに、前記目標値生成部は、前記２階微分を２階積分することにより前記速度目標値を出力してもよい。これにより、時間についての２階微分が連続な速度目標値を容易に得ることができる。

上記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記目標値生成部は、同一の信号に基づいて生成された前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を出力する際に、前記速度目標値を前記傾斜角速度目標値に対して遅延させて前記制御部に出力することが望ましい。このような構成により、移動体に並進方向の加速度及び速度を生じさせる際に必要な車体の傾斜角度を効率よく発生させることができる。

上記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記目標値生成部は、時間についての３階微分が連続であるよう前記速度目標値を生成し、時間について１階微分が可能であるように前記傾斜角速度目標値を生成することが望ましい。このような構成によれば、傾斜角速度の時間微分である傾斜角加速度の連続性を確保できるため、車体が傾斜する際の加減速を滑らかに行うことができる。つまり、車体の傾斜動作をいっそう滑らかにすることができる。

本発明の第２の態様にかかる移動体の制御方法は、断面円形状である少なくとも１つの回転体と、前記回転体に支持される車体と、前記回転体を駆動する駆動部とを備える倒立振子型移動体の制御方法である。具体的には、まず、前記移動体に対する速度目標値及び前記車体に対する傾斜角速度目標値を、前記速度目標値は時間についての２階微分が連続であり、前記傾斜角速度目標値は時間について連続であるように生成する。次に、前記車体の重心又は前記車体及び前記車体上に支持される対象を合計した総質量の重心が前記回転体の回転中心位置より上方に位置する状態を維持しながら、前記移動体が前記速度目標値に従って走行できるように、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を制御目標として前記駆動部に対する制御指令値を算出する制御ループを実行する。

上記本発明の第２の態様にかかる移動体の制御方法によれば、速度目標値に加えて、時間について連続な傾斜角目標値を制御目標として移動体の走行を制御するため、傾斜角速度の不連続な変化、つまり、傾斜角速度が短時間で急激に変化することを抑制することができる。これによって、速度目標値に基づいて制御される倒立振子型移動体でありながらも、走行時に発生する車体の傾斜角の変化を滑らかにすることができる。

本発明により、速度目標値を入力変数とし、当該速度目標値に基づいて倒立安定化制御及び走行制御を実行する倒立振子型移動体において、走行時に発生する車体の傾斜角の変化を滑らかにすることができる。

以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略する。

発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる倒立振子型移動体１は、搭乗者の操作に従って走行可能な車両である。本実施の形態にかかる倒立振子型移動体１（以下、単に移動体１と呼ぶ）の外観を図１（ａ）及び（ｂ）に示す。図１（ａ）は移動体１の側面図であり、図１（ｂ）は移動体１の正面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、移動体１の下部には左右の車輪１０ａ及びｂが設けられている。車輪１０ａ及びｂは同一回転軸上に配置されており、車体１１は当該回転軸に直交する移動体１の前後方向に傾斜可能である。車体１１は、座席１２、操縦桿１３、コンピュータ１４、モータ１５、モータドライバ１６、エンコーダ１７、レートジャイロ１８、バッテリ１９及びケース２０を有している。

操縦桿１３は、座席１２に着座した搭乗者による操作入力を受け付け、搭乗者による操縦桿１３の操作量に応じた操作量信号を出力する。なお、本実施の形態では、操作量信号が移動体１の速度目標値に比例するものとし、搭乗者が意図する移動体１の並進速度が搭乗者によって操縦桿１３を介して入力されるものとする。

コンピュータ１４は、移動体１が車体１１の倒立を維持しながら速度目標値Ｖ_ＲＥＦに従って走行できるように制御を実行する。具体的には、コンピュータ１４は、操縦桿１３の操作量の大きさに対応付けられた移動体１の速度目標値Ｖ_ＲＥＦと、車体１１の鉛直方向からの傾斜角の変化速度の目標値（以下、傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦ）とを算出し、速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを入力変数とし、移動体１の並進速度Ｖ_Ｎ及び車体１１の傾斜角速度ω_Ｎを制御量とする倒立安定化制御及び走行制御を実行する。これらの制御の詳細については後述する。

モータ１５ａ及びｂは、それぞれ車輪１０ａ及びｂと連結されている。モータドライバ１６ａ及びｂは、コンピュータ１４が出力するトルク指令値τ_ＣＯＭに応じて、それぞれモータ１５ａ及びｂを駆動する。移動体１は、車輪１０ａ及びｂがモータ１５ａ及びｂによって駆動されることにより、前後方向に走行することができる。

エンコーダ１７ａ及びｂは、それぞれモータ１５ａ及びｂの回転角Θを計測するためのセンサである。エンコーダ１７ａ及びｂの出力を用いて車輪１０ａ及びｂの単位時間当たりの回転角を算出することにより、車輪１０ａ及びｂの回転角速度が得られる。また、車輪１０ａ及びｂの回転角速度と車輪１０ａ及びｂの半径の長さとの積を算出することにより、移動体１の並進速度Ｖ_Ｎが得られる。つまり、エンコーダ１７ａ及びｂは、移動体１の現在の並進速度Ｖ_Ｎを得るためのセンサである。一方、レートジャイロ１８は、車体１１の現在の傾斜角速度ω_Ｎを検出するための傾斜角速度センサである。

続いて以下では、本実施の形態にかかる移動体１の制御系について説明する。移動体１の制御系の全体構成を図２に示す。図２において、目標値生成部１００は、操縦桿１３が出力する操作量信号を入力して、移動体１の速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び車体１１の傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを算出する。

ジャーク値生成部１０１は、操縦桿１３から出力される操作量信号を入力し、当該信号をもとに移動体１に対する連続なジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを算出する。ここで、ジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦとは、移動体１の並進方向の加速度の時間微分である。つまり、操縦桿１３から出力される操作量信号の時間についての２階微分が不連続となる場合あっても、ジャーク値生成部１０１によって連続なジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを生成する。具体的には、操作量信号を３次遅れフィルタに入力することによってジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを生成可能である。なお、このような構成は遅延時間が大きくなるため、非線形な関数を使用してもよい。

２階積分器１０２は、時間について連続なジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを２階積分することによって、時間による２階微分が連続となる速度目標値Ｖ_ＲＥＦを生成する。

乗算器１０３は、ジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦに所定のゲインＷ１を乗算することにより、車体１１の傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを生成する。ジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦに付加すべきゲインＷ１は、理論的には１／ｇである。なお、ｇは重力加速度である。

ここで、本明細書で用いる"連続"及び"微分可能"という用語の定義について補足説明を行う。数学において関数ｆ（ｘ）がある点ａにおいて連続であるとは、点ａにおける関数ｆ（ｘ）の極限がｆ（ａ）であることを言う。一方、点ａにおけるｆ（ｘ）の左側極限と右側極限が異なる場合は、関数ｆ（ｘ）は点ａにおいて不連続であると言う。また、関数ｆ（ｘ）がある点ａにおいて微分可能であるとは、点ａの周りで左側微分係数と右側微分係数がともに存在し、これらが共に等しい場合を言う。

いま、目標値生成部１００や後述する安定化・走行コントローラ１０７の処理対象であるジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦ、速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦは時間の関数であるが、離散的なサンプリング点についてのみ有意な関数値を有するデジタル信号である。このため、ジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦ、速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦに対して、数学的に厳密な連続性及び微分可能の概念を適用することはできない。したがって本明細書においては、時間の関数ｆ（ｔ）がデジタル信として与えられている場合に、あるサンプリング点ａの関数値と当該サンプリング点に隣接するサンプリング点の関数値の差分が所定の閾値範囲内に収まっている場合に、ｆ（ｔ）はサンプリング点ａで"連続"であると定義する。

また、時間の関数ｆ（ｔ）がデジタル信として与えられている場合に、あるサンプリング点ａの周りで差分近似によって計算された左側微分係数及び右側微分係数の間の差分が所定の閾値範囲内に収まっている場合に、ｆ（ｔ）はサンプリング点ａで"微分可能"であると定義する。

目標値生成部１００の具体的な構成の一例を図３に示す。図３において、２０１、２０５及び２０６は、入力信号に対してサンプリングレートに応じた所定のゲインを与える乗算器である。２０２は、乗算器２０１、２０５及び２０６の出力信号を元にジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを算出する加算器である。２０３及び２０４は、それぞれ１階積分を行う積分器である。

図２に戻り、制御量算出部１０４は、エンコーダ１７ａ及びｂによって計測されるモータ１５ａ及びｂの回転角Θを入力し、図２に示す制御系における制御量である移動体１の並進速度Ｖ_Ｎを算出する。さらに、制御量算出部１０４は、レートジャイロ１８によって計測される車体１１の傾斜角速度をＡ／Ｄ変換し、デジタル量である傾斜角速度ω_Ｎを生成する。

加算器１０５は、速度目標値Ｖ_ＲＥＦと現在の並進速度Ｖ_Ｎとの偏差ΔＶを算出する。加算器１０６は、傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦと現在の傾斜角速度ω_Ｎとの偏差Δωを算出する。

安定化・走行コントローラ１０７は、制御偏差ΔＶ及びΔωを入力し、制御偏差ΔＶ及びΔωを共にゼロに近づけるように、モータドライバ１６ａ及びｂに対するトルク指令値τ_ＣＯＭを算出する。

なお、制御系の構成を示す図２は、説明の容易化のために移動体１の前後方向における倒立安定化制御及び走行制御に必要な要素のみを記載している。つまり、図２に示した要素のほかにも、移動体の位置、姿勢等を制御するためのコントローラやセンサが、必要に応じて移動体１に対して追加されることはもちろんである。

上述した制御量算出部１０４及び安定化・走行コントローラ１０７の処理は、コンピュータ１４を用いて実現可能である。具体的には、一定の時間間隔で発生するタイマ割り込みに応じて、図４に示す処理をコンピュータ１４に行わせるためのプログラムを実行すればよい。

図４のフローチャートにおけるステップＳ１１では、エンコーダ１７ａ及びｂによって計測されたエンコーダ値（具体的には車輪１０ａ及びｂの回転角Θ）、レートジャイロ１８の出力信号を入力する。ステップＳ１２では、エンコーダ値及びレートジャイロ１８の出力を元に、現在の並進速度Ｖ_Ｎ及び傾斜角速度ω_Ｎを算出する。ステップＳ１３では、目標値生成部１００から出力される速度目標値Ｖ_ＲＥＦと現在の並進速度Ｖ_Ｎの間の制御偏差ΔＶ、及び、傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦと現在の傾斜角速度ω_Ｎの間の制御偏差Δωが共にゼロに近づくように、トルク指令値τ_ＣＯＭを算出する。

続いて以下では、上述した目標値生成部１００の構成についての理解を容易にするため、並進方向のジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦ及び傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦの関係について、図５を用いて補足説明を行う。

図５は、移動体１に対応する倒立振子型移動体のモデルである。図５において、Ｘは移動体１の並進方向の変位である。ｍは車輪１０ａ及びｂの質量である。ｒは車輪１０ａ及びｂの半径である。Θは車輪１０ａ及びｂの回転角である。Ｇは車体１１、搭乗者及びその他の積載物を含む総質量Ｍの重心である。ηは重心Ｇの鉛直方向からの傾斜角である。３０１は車輪１０ａ及びｂの車軸である。また、３０２は車軸３０１と重心Ｇとを結ぶリンクを示している。

図５のモデルにおいて、移動体１の並進加速時における重心Ｇの並進方向の速度Ｖ_ＧＸ及びその時間微分である加速度Ａ_ＧＸは、以下の式（１）式及び式（２）により表される。なお、以下の数式における変数上のドットは、時間微分を意味する。

また、重心Ｇの並進加速度Ａ_ＧＸと重力加速度ｇとの正接（tangent）が傾斜角ηであるので、傾斜角ηは式（３）により表すことができる。

式（３）の時間微分によって傾斜角速度ω（ｄη／ｄｔ）を算出すると計算が複雑となる。このため、ηが十分に小さく、傾斜角速度ωが重心Ｇの並進速度Ｖ_ＧＸに比べて十分に小さく、傾斜角速度ωの時間微分である傾斜角加速度が重心Ｇの並進加速度Ａ_ＧＸに比べて十分に小さいと仮定すると、傾斜角η及び傾斜角速度ωは、式（４）及び（５）により近似的に表すことができる。

つまり、傾斜角速度ωは、重心Ｇの並進方向のジャークＪ_ＧＸを重力加速度ｇで割った値となる。このため、図２に示した目標値生成部１００では、ジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦに所定のゲインを乗算することによって傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを生成している。

以上に述べたように、本実施の形態にかかる移動体１は、操縦桿１３を搭乗者による操作量生成部とし、操縦桿１３の操作量を元に、時間についての２階微分が連続な速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び時間について連続な傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを生成する。つまり、移動体１においては、搭乗者によって入力される操縦桿１３の操作量に比例する速度信号（以下では、指示速度と呼ぶ）を直接的に速度目標値Ｖ_ＲＥＦとするのではなく、時間についての２階微分が連続となるように補正された速度信号を速度目標値Ｖ_ＲＥＦとするものである。そして、このようにして生成された速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを制御目標とするフィードバック制御を実行している。

速度目標値を入力変数として倒立安定化制御及び走行制御を実行する従来の倒立振子型移動体は、搭乗者等によって入力される速度目標値の２階微分可能性が保障されていないことが問題である。より詳しく述べると、例えば、ジョイスティック等の操縦桿の操作量を速度目標値と対応付ける場合であれば、搭乗者による操縦桿の操作は時間的に連続したものであるため、速度目標値の時間についての連続性と１階微分可能性は保障されていると考えられる。しかし、速度指令値の２階微分可能及び２階微分の連続性は保障されていない。このため、速度目標値の２階微分に比例する車体の傾斜角速度が不連続に変化する場合がある。傾斜角速度の不連続な、言い換えると時間的に急激な変化は、車体のギクシャクとした動きをもたらす原因となる。

これに対して移動体１は、速度目標値Ｖ_ＲＥＦに加えて、時間について連続な傾斜角目標値ω_ＲＥＦを制御目標とすることにより、傾斜角速度の不連続な変化、つまり、傾斜角速度が短時間で急激に変化することを抑制することができる。これによって、移動体１は、搭乗者による操縦桿１３の操作量が速度目標値に対応付けられた倒立振子型移動体でありながらも、走行時に発生する車体１１の傾斜角の変化を滑らかにすることができる。

搭乗者によって入力される操縦桿１３の操作量に比例する速度信号（指示速度）と移動体１の並進速度Ｖ_Ｎとの関係を図６に示す。図６の点線Ｌ１は指示速度を示し、実線Ｌ２は移動体１の並進速度Ｖ_Ｎを示している。また、破線Ｌ３は、点線Ｌ１で示される指示速度をそのまま速度目標値とした場合に発生する移動体の速度を示している。つまり、破線Ｌ３は、従来の速度制御を実行する倒立振子型移動体の振る舞いを示すものである。

図６から分かるように、破線Ｌ３で示される従来の移動体の速度変化は、特に円Ａ乃至Ｃで囲まれた区間において指示速度Ｌ１に対して"行き過ぎた挙動"を示している。これに対して、実線Ｌ２で示される移動体１の速度変化は、破線Ｌ３で示される従来の移動体の速度変化に見られる"行き過ぎた挙動"が抑制されている。

なお、搭乗者の指示に応じて移動体１が前進を行うためには、正の傾斜角ηを発生させた後に、移動体１の前進方向への加速度を発生させる必要がある。このため、図６の円Ａで示すように、停止状態から前進を開始する際には、いったん負の加速度及び負の速度を生じさせて移動体１を後退させることによって正の傾斜角ηを発生させ、その後に正の加速度によって移動体１を前進させている。このような制御を効率よく行うためには、操縦桿１３の操作によって入力された指示速度から生成される速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角目標値ω_ＲＥＦのうち、傾斜角目標値ω_ＲＥＦを先に安定化・走行コントローラ１０７に入力し、その後、遅延時間を設けて速度目標値Ｖ_ＲＥＦを安定化・走行コントローラ１０７に入力することが望ましい。このため、図２及び図３に示した目標値生成部１００において、２階積分器１０２の遅延量が乗算器１０３の遅延量より大きくなるよう構成することにより、速度目標値Ｖ_ＲＥＦ及び傾斜角目標値ω_ＲＥＦの間の出力時間差を発生させることができる。

さらに、図７は、図６の点線Ｌ１で示される指示速度を移動体１に与えた場合に発生する車体１１の傾斜角度η_Ｎの挙動を表したものである。図７の実線Ｌ４は、車体１１の傾斜角度η_Ｎの時間変化を示している。一方、破線Ｌ５は、同様の指示速度を従来の速度制御を実行する倒立振子型移動体に与えた場合の傾斜角度の時間変化を示している。図７から分かるように、実線Ｌ４で示される移動体１の傾斜角の変化のほうが、破線Ｌ５の示される従来のものに比べて、傾斜角の変動幅が抑制されている。つまり、本実施の形態の移動体１においては、車体１１の傾斜角変化が滑らかに行われていることが分かる。

発明の実施の形態２．
上述した発明の実施の形態１にかかる移動体１は、時間に関して連続である傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを入力値とするフィードバック制御を実行することによって、傾斜角速度が不連続に変化することに伴う車体１１の突発的な動きを抑制し、車体１１の滑らかな傾斜動作を実現するものである。

車体１１の傾斜角の変化をさらに滑らかにするためには、傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦが連続であることに加えて、傾斜角速度目標値の時間微分である傾斜角加速度の目標値が時間について連続であること、つまり、傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦが時間微分可能であることが望ましい。

傾斜角加速度の目標値が時間について連続であることを保障するためには、時間について３階微分が可能な速度目標値Ｖ_ＲＥＦを生成すればよい。具体的には、ジャーク値生成部１０１が滑らかに連続なジャーク目標値Ｊ_ＲＥＦを生成するよう構成すればよい。また、ジャーク値生成部１０１に代えて、操縦桿１３の操作信号を元に、時間について連続なジャークの時間微分を生成し、これを３階積分することによって速度目標値Ｖ_ＲＥＦを算出し、またこれを１階積分してゲインＷ１を乗算することによって傾斜角速度目標値ω_ＲＥＦを算出するように、目標値生成部１００を構成してもよい。

本実施の形態で述べた構成によれば、さらに傾斜角加速度の連続性を保障できるため、車体１１が傾斜する際の加減速を滑らかに行うことができる。つまり、車体１１の傾斜動作をいっそう滑らかにすることができる。

その他の実施の形態．
発明の実施の形態１及び２では、搭乗者による操縦桿１３の操作量に応じて移動体１の並進速度目標値Ｖ_ＲＥＦが決定されるよう構成している。しかしながら、並進速度目標値Ｖ_ＲＥＦを決定するための操作量生成部は、上記の操縦桿１３に限らない。例えば、自動走行や無人走行を行う移動体である場合、メモリなどに予め記憶された速度目標値を読み出してジャーク生成部１０１に入力してもよい。また、通信手段を利用して遠隔地から移動体１に対して速度目標値を入力することもできる。

発明の実施の形態１及び２は、人間が搭乗可能な倒立振子型移動体に本発明を適用した具体例について説明したが、本発明はその他の移動体に対しても適用可能である。例えば、ヒューマノイドロボットの移動機構としてロボットの下半身に組み込まれた移動体、つまり、ヒューマノイドロボットの上半身が車体に搭載された移動体や、荷物などの積載物を搭載して移動する移動体などにも適用可能である。

発明の実施の形態１及び２では、移動体１の並進速度Ｖ_Ｎを算出するためにエンコーダ１７ａ及びｂを用いているが、その他の速度センサを用いてもよい。また、傾斜角速度ω_Ｎを計測するセンサは、レートジャイロ１８に限られない。例えば、重力加速度センサや錘吊り下げ型の加速度センサ等を用いることができる。

発明の実施の形態１及び２では、移動体１が２つの車輪１０ａ及びｂを備えることとしたが、本発明はこのような構成の移動体に限らず適用可能である。例えば、車輪に代えて、特許文献１に開示されているような球形の回転体を用いてもよく、円柱状の回転体を用いてもよい。

発明の実施の形態１及び２では、速度目標値Ｖ_ＲＥＦを移動体１の並進速度としたが、モータ１５ａ及びｂの回転角速度、車輪１０ａ及びｂの回転角速度など、移動体１の並進速度と対応する他の速度を速度目標値として走行制御を行ってもよい。

さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明にかかる倒立振子型移動体の外観図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体の制御系の全体図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体が備える目標値生成部の構成例を示す図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体が備えるコンピュータにより実行される処理を示すフローチャートである。 本発明にかかる倒立振子型移動体のモデル図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体の並進速度を示すグラフである。 本発明にかかる倒立振子型移動体の並進加速度を示すグラフである。

符号の説明

１ 移動体
１０ａ、１０ｂ 車輪
１１ 車体
１２ 座席
１３ 操縦桿
１４ コンピュータ
１５ａ、１５ｂ モータ
１６ａ、１６ｂ モータドライバ
１７ａ、１７ｂ エンコーダ
１８ レートジャイロ
１９ バッテリ
２０ ケース
１００ 目標値生成部
１０１ ジャーク値生成部
１０２ ２階積分器
１０３ 乗算器
１０４ 制御量算出部
１０５、１０６ 加算器
１０７ 安定化・走行コントローラ
３０１ 車軸
３０２ リンク
２０２ 加算器
２０３、２０４ 積分器
２０１、２０５、２０６ 乗算器

Claims (10)

1. 断面円形状である少なくとも１つの回転体と、前記回転体に支持される車体とを備える移動体であって、
   前記移動体の走行状態において、少なくとも当該移動体の前後方向に前記車体が揺動可能であり、
   前記移動体は、
   前記回転体を駆動する駆動部と、
   前記移動体に対する速度目標値及び前記車体に対する傾斜角速度目標値を、前記速度目標値は時間についての２階微分が連続であり、前記傾斜角速度目標値は時間について連続であるように生成する目標値生成部と、
   前記車体の重心又は前記車体及び前記車体上に支持される対象を合計した総質量の重心が前記回転体の回転中心位置より上方に位置する状態を維持しながら、前記移動体が前記速度目標値に従って走行できるように、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を制御目標として前記駆動部に対する制御指令値を算出する制御部と、
   をさらに備える、移動体。
2. 前記傾斜角速度目標値は、前記速度目標値の時間についての２階微分に所定のゲインを乗算することによって算出される、請求項１に記載の移動体。
3. 操作者による操作入力を受け付け、操作者による操作量に応じた操作量信号を出力する操作量生成部をさらに備え、
   前記目標値生成部は、前記操作量信号に基づいて、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を生成する、請求項１に記載の移動体。
4. 前記目標値生成部は、時間についての２階微分が連続になるように前記操作量信号を補正することにより得られた補正信号を前記速度目標値とする、請求項３に記載の移動体。
5. 前記目標値生成部は、
   前記操作量信号の時間についての２階微分を、当該２階微分が時間について連続となるように生成する２階微分生成部と、
   前記２階微分生成部によって生成された２階微分に所定のゲインを乗算して前記傾斜角速度目標値を出力する乗算部とを備える、請求項３に記載の移動体。
6. 前記目標値生成部は、
   前記２階微分生成部によって生成された２階微分を２階積分して前記速度目標値を出力する２階積分部をさらに備える、請求項５に記載の移動体。
7. 前記目標値生成部は、前記操作量信号に基づいて生成された速度目標値を、前記操作量信号に基づいて生成された傾斜角速度目標値に対して遅延させて前記制御部に出力する、請求項１に記載の移動体。
8. 前記目標値生成部は、時間についての３階微分が連続であるよう前記速度目標値を生成し、時間について１階微分が可能であるように前記傾斜角速度目標値を生成する、請求項１に記載の移動体。
9. 断面円形状である少なくとも１つの回転体と、前記回転体に支持される車体と、前記回転体を駆動する駆動部とを備える倒立振子型移動体の制御方法であって、
   前記移動体に対する速度目標値及び前記車体に対する傾斜角速度目標値を、前記速度目標値は時間についての２階微分が連続であり、前記傾斜角速度目標値は時間について連続であるように生成し、
   前記車体の重心又は前記車体及び前記車体上に支持される対象を合計した総質量の重心が前記回転体の回転中心位置より上方に位置する状態を維持しながら、前記移動体が前記速度目標値に従って走行できるように、前記速度目標値及び前記傾斜角速度目標値を制御目標として前記駆動部に対する制御指令値を算出する制御ループを実行する、制御方法。
10. 前記傾斜角速度目標値は、前記速度目標値の時間についての２階微分に所定のゲインを乗算したものである、請求項９に記載の制御方法。