JP4968297B2 - 移動体、移動体の制御方法、及びプログラム - Google Patents

移動体、移動体の制御方法、及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、乗員等の対象を支持する支持体と、支持体に取り付けられた少なくとも1つの地面接触要素と、支持体の倒立状態を保ちながら走行できるよう地面接触要素に加えるトルクを調整する制御ループとを有する移動体の速度制御に関する。
乗員等の対象を支持する支持体と、支持体に取り付けられた少なくとも1つの地面接触要素と、支持体の倒立状態を保ちながら走行できるよう地面接触要素に加えるトルクを調整する制御ループとを有する移動体が知られている。このような移動体は、支持体の倒立姿勢を維持すべく倒立振子制御を行うため、倒立振子型移動体と呼ばれている。以下、本明細書で使用する「移動体」との用語は、特に断らない限り倒立振子型移動体を意味する。例えば、平行に配置された２つの車輪で走行する移動体であれば、各車輪が地面接触要素に相当し、乗員が搭乗可能に構成された車体が支持体に相当する。
特許文献１には移動体の速度制限に関する技術が開示されている。これによれば、制御ループは、支持体の前後方向（ピッチ方向）の傾斜角度（以下、ピッチ角度）又はその時間微分とピッチ角度の修正値に依存して、地面接触要素に与えられるトルクを決定する。そして、制御ループは、移動体が所定の速度を超えた場合に速度制限モードに遷移する。速度制限モードでは、制御ループは、ピッチ角度の修正値を適用することで、地面接触要素に追加のトルクが伝達されるよう制御する。例えば、前方走行時を想定すると、地面接触要素に追加のトルクが加わることで、支持体が後傾してピッチ角度が引き戻される。したがって、その後の制御ループによって決定されるトルクが減少することとなるため、車両の速度がさらに増加することが制限される。
特許第３７２２４９３号公報
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、通常の走行モードと速度制限モードの切り替わり点が存在する。このため、切り替わり前後で乗員にとって不快な挙動を生じさせるおそれがある。また、モードの切り替わりを乗員が知覚できるため、いかにも「制限されている」と乗員に感じさせてしまうという問題がある。
そこで、本願の発明者は、通常の走行モードから速度制限モードへの切り替えを行わずに、全速度領域において連続な関数によって定まるオフセット項を制御ループに導入することについて検討を行った。これにより、オフセット項が追加のトルクを生じさせるため、支持体のピッチ角度の補正が行われる。しかし、速度の連続関数によって定まるオフセット項を単純に導入してしまうと、制御ループにおけるオフセット項に正のフィードバックが発生してしまい、制御ループが発振する恐れがある。
本発明は、上述した知見に基づいてなされたものであって、速度制限が実施されるモードと実施されないモードとの切り替えを行うことなく乗員にとって自然な挙動によって移動体の速度の抑制制御を行うことができる、移動体及び移動体の速度制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、対象を支持するための支持体と、前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素とを備える移動体である。前記支持体は、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能である。前記移動体は、前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、をさらに備える。前記制御ループは、前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記駆動装置を制御する。
このような構成により、低速領域では、追加のトルクが発生し難くなるため、制御ループの発振を効果的に抑制し、一方で、移動体の速度が高速になるにつれて急峻に追加のトルクを与えることができる。また、移動体の速度パラメーターの変化に応じて、追加のトルクを連続的に変化させることができる。
また上述した本発明の第１の態様において、前記追加のトルクに起因して慣性力が前記支持体に加わることで、前記支持体の傾斜が前記移動体の進行方向とは逆方向に引き起こされることによって、前記制御ループが、以降の前記駆動装置の制御を前記通常のトルクを減少させるように実施してもよい。
このような構成により、移動体の速度抑制を行うことができる。
また上述した本発明の第１の態様において、前記制御ループは、前記偏差の大きさに応じて定まる第１の指令値に、前記速度パラメーターのべき乗の大きさに応じて定まる第２の指令値を加算して得られる加算後の指令値に基づいて、前記駆動装置を制御してもよい。
また上述した本発明の第１の態様において、前記制御ループは、前記移動体の速度パラメーターのべき乗に応じて前記目標値を増減することによって前記偏差を疑似的に増大させ、これにより前記追加のトルクがもたらされるように前記駆動装置を制御してもよい。
また本発明の第２の態様は、移動体の走行制御方法である。前記移動体は、対象を支持し、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能な支持体と、前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素と、前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、を備える。前記方法は、前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記制御ループによって前記駆動装置を制御すること、を備える。
このような構成により、低速領域では、追加のトルクが発生し難くなるため、制御ループの発振を効果的に抑制し、一方で、移動体の速度が高速になるにつれて急峻に追加のトルクを与えることができる。また、移動体の速度パラメーターの変化に応じて、追加のトルクを連続的に変化させることができる。
また本発明の第３の態様は、移動体の走行制御をコンピュータに実行させるためのプログラムである。前記移動体は、対象を支持し、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能な支持体と、前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素と、前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、を備える。前記走行制御は、前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記制御ループによって前記駆動装置を制御すること、を備える。
このような構成により、低速領域では、追加のトルクが発生し難くなるため、制御ループの発振を効果的に抑制し、一方で、移動体の速度が高速になるにつれて急峻に追加のトルクを与えることができる。また、移動体の速度パラメーターの変化に応じて、追加のトルクを連続的に変化させることができる。
上述した本発明の各態様によれば、速度制限が実施されるモードと実施されないモードとの切り替えを行うことなく乗員にとって自然な挙動によって移動体の速度の抑制制御を行うことができる。
実施の形態１にかかる倒立振子型移動体の外観を示す図である。 実施の形態１にかかる倒立振子型移動体の制御ループを示す図である。 実施の形態１にかかる指令値オフセット量の例を示す図である。 実施の形態２にかかる倒立振子型移動体の制御ループを示す図である。
実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、倒立振子型移動体の１つである平行二輪車両について説明する。平行二輪車両は、断面円形状の地面接触要素として２つの車輪を有する。以下では、本実施の形態にかかる倒立振子型移動体を「車両」と呼ぶこととする。図１に本実施の形態にかかる車両１００の外観の一例を示す。
車両１００は、支持体１０１と、左右２つの車輪１０２と、左右の車輪１０２にトルクを与える少なくとも１つのトルク制御器１０３とを含む。図１の例では、支持体１０１は、乗員が立位姿勢で搭乗できるよう構成されており、乗員が足を載せるステップ１０４と、ステップ１０４から延びるステー１０５と、ステー１０５の上端部分に取り付けられたハンドル１０６を有する。ステップ１０４、ステー１０５、及びハンドル１０６のうち少なくとも１つは、乗員の姿勢維持に寄与するとともに、乗員による車両１００への操作を受け付けるために使用される。支持体１０１は、左右の車輪１０２によって支持されているが、少なくとも車両１００の走行状態において、ピッチ方向の安定性を欠いており、ピッチ方向に揺動可能である。
トルク制御器１０３は、制御ループによって決定されたトルク指令に基づいて左右の車輪１０２にトルクを与える。トルク制御器１０３は、典型的にはモーター付き駆動装置である。
また、図１には示されていないが、車両１００は、車両１００の走行制御と、倒立振子制御による支持体１０１の姿勢制御とを実行する制御ループを有している。制御ループは、支持体１０１の倒立状態を保ちながら車両１００が走行できるよう、トルク制御器１０３によって左右の車輪１０２に与えられるトルクを調整する。
次に、車両１００の制御ループを説明する。図２は、車両１００の制御ループの具体例を示すブロック図である。制御ループは、支持体１０１のピッチ角度と相関を有する少なくとも１つのパラメーターと、車両１００の速度と相関を有する少なくとも１つのパラメーターを制御量として使用し、トルク制御器１０３を介して車輪１０２に与えるトルクを操作量とするフィードバック制御を実行する。
ここで、支持体１０１のピッチ角度と相関を有するパラメーターの具体例は、支持体１０１のピッチ角度そのもの、又はピッチ角速度である。また、車両１００の速度と相関を有するパラメーターの具体例は、車輪１０２の回転速度（以下、車輪速度と呼ぶ）、トルク制御器１０３が有するモーターの回転速度、車輪１０２の角速度、トルク制御器１０３が有するモーターの角速度、車両１００の速度（並進速度）、車両１００の加速度、車両１００の位置などである。図２の例では、支持体１０１のピッチ角度と相関を有するパラメーターとして、支持体１０１のピッチ角度及びピッチ角速度を使用する。また、図２の例では、車両１００の速度と相関を有するパラメーターとして、車両１００の位置および車両１００の並進速度を使用する。なお、支持体１０１のピッチ角度と相関を有するパラメーターおよび車両１００の速度と相関を有するパラメーターとして何を採用するかは適宜選択し得る事項であり、図２の具体例が一例に過ぎないことは勿論である。以下では、支持体１０１のピッチ角度及びピッチ角速度をそれぞれ「車両ピッチ角度」、「車両ピッチ角速度」と呼ぶ。また、車両１００の位置および車両１００の並進速度をそれぞれ「車両位置」、「車両速度」と呼ぶ。車両ピッチ角度については、ステップ１０４が水平な状態を原点とし、車両１００の前方への傾斜を正方向、車両１００の後方への傾斜を負方向とする。
以下では、図２に示した各要素について順に説明する。検出器１３は、制御量である車両ピッチ角度、車両ピッチ角速度、車両位置、車両速度を検出し、検出量を制御器１０に出力する。検出器１３は、例えば、車輪１０２又はトルク制御器１０３が有するモーターの回転量を検出するエンコーダー（不図示）、支持体１０１のピッチ角速度を検出するレートジャイロ（不図示）、並びにエンコーダー及びレートジャイロの計測結果を用いて各制御量を算出する制御量算出部（不図示）を含む。
制御器１０は、車両１００を前進又は後進させるための第１トルク指令を生成し、トルク制御器１０３に供給する。ここで、制御器１０は、各制御量と各制御量に関する制御目標値との偏差に応じて決定される通常のトルクに加えて、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクが車輪１０２に与えられるように、第１トルク指令を生成する。ここで、車両１００の速度パラメーターは、車両１００の速度に比例して増減する物理量である。車両１００の速度パラメーターの具体例は、車両速度（車両１００の並進速度）、車輪１０２の回転速度、トルク制御器１０３が有するモーターの回転速度である。車輪１０２に対する追加のトルクを発生させるための第１のトルク指令の生成手法の具体例については後述する。
ヨー制御器１１は、車両１００を左右に旋回させるための第２トルク指令を生成し、トルク制御器１０３に供給する。ヨー制御器１１は、ヨー角度目標値及びヨー角速度目標値の大きさに応じて第２トルク指令を生成する。ヨー角度目標値及びヨー角速度目標値は、乗員がステップ１０４、ステー１０５、及びハンドル１０６のうち少なくとも１つに対して行った操作量に基づいて生成される。例えば、ステー１０５及びハンドル１０６のロール方向の傾斜量、又はステップ１０４上での乗員の重心移動量を操作量として検知し、図示しない目標値生成部によってこの操作量からヨー角度目標値及びヨー角速度目標値を生成すればよい。
演算器１２は、第１トルク指令と第２トルク指令が合成された複合的なトルク指令を生成し、これをトルク制御器１０３供給する。具体的には、図２に示すように、演算器１２は、第１トルク指令と第２トルク指令を加算して複合的なトルク指令を生成すればよい。
トルク制御器１０３は、入力されたトルク指令に基づいて車輪１０２を駆動する。トルク制御器１０３は、トルク指令の大きさに応じたトルクを車輪１０２に与える。
トルクが与えられた車輪１０２は接地している。したがって、車輪１０２が回転する力は車輪１０２と地面との摩擦により、車両１００が移動する力に変換される。これにより、車両１００は移動を行う。
上述したように、制御器１０は、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクが車輪１０２に与えられるように、第１トルク指令を生成する。したがって、第１トルク指令を反映した複合的なトルク指令に応じて、トルク制御器１０３は、車輪１０２に車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクを与える。
例えば、前方に走行中の車輪１０２に追加のトルクが加えられることで車輪１０２の加速度が増す。増大した加速度によって、車輪１０２の走行方向と逆方向の慣性力が支持体１０１に加わるため、支持体１０１が引き起こされ車両ピッチ角度が小さくなる。これにより、検出器１３により検出される車両ピッチ角度が減少するため、以降のフィードバックループでは、制御器１０は、車輪１０２のトルクを減少させるように第１トルク指令を生成する。これにより、車両速度が増加し過ぎることを抑制することができる。
続いて以下では、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクを車輪１０２に加えるための具体例について説明する。このような追加のトルクを与えるための第１の例では、制御器１０は、各制御量と各制御目標値との偏差に応じて決定される通常のトルク指令成分を、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存するオフセット成分によって補正することにより、第１のトルク指令を生成すればよい。
通常のトルク指令成分は、通常行われるフィードバック制御と同様に、検出器１３により検出された各制御量と各制御目標値との偏差を考慮し、これらの偏差を打ち消すように生成される。各制御量に関する制御目標値（つまり、車両ピッチ角度目標値、車両ピッチ角速度目標値、車両位置目標値、および車両速度目標値）は、乗員がステップ１０４、ステー１０５、及びハンドル１０６のうち少なくとも１つに対して行った操作量に基づいて生成される。例えば、図示しない目標値生成部によってこれらの制御目標値を生成し、制御器１０に供給すればよい。
一方、オフセット成分は、車両１００の速度パラメーターのべき乗に応じて決定される。例えば、オフセット成分は、速度パラメーターのべき乗に所定の利得（係数）を掛けたものとすればよい。
第１の例における第１のトルク指令τCOMは、通常のトルク指令成分τ1とオフセット成分τoffsetの和として以下の（１）式で表現することができる。また、通常のトルク指令成分τ1とオフセット成分τoffsetの具体例を以下の（２）式および（３）式に示す。
Figure 0004968297

Figure 0004968297

Figure 0004968297

（２）式及び（３）式において、βは車両ピッチ角度であり、βｒは車両ピッチ角度目標値であり、β'は車両ピッチ角速度であり、β'ｒは車両ピッチ角速度目標値であり、ｘは車両位置であり、ｘｒは車両位置目標値であり、ｖは車両速度であり、ｖｒは車両速度目標値である。べき数を示すＮは、２以上の整数である。また、Ｋｐｐ、Ｋｄｐ、Ｋｐｘ、Ｋｄｘ、Ｋｃはそれぞれ利得であり、システムの物理的パラメーター及び、重力のような外力の影響に基づいて適宜定められる。なお、（２）式の右辺は、少なくとも車両ピッチ角度β又は車両ピッチ角速度β'に関する項を有すれば良い。
また、（３）式では、車両速度ｖのべき乗に比例する値としてオフセット成分τoffsetが決定されるが、上述したとおり、車両速度ｖは、車両１００の速度パラメーターの１つに過ぎない。例えば、（３）式に代えて、以下の（４）式によりオフセット成分τoffsetを決定してもよい。（４）式では、オフセット成分τoffsetは、車輪速度θ'のべき乗に比例する値として決定される。
Figure 0004968297
車輪１０２に追加のトルクを与えるための具体例は、上述した第１の例、すなわち、通常のトルク指令成分にオフセット成分を加算するものに限られない。車輪１０２に追加のトルクを与えるための第２の例としては、（２）式に示した通常のトルク指令成分に含まれる制御目標値βｒ、β'ｒ、ｘｒ、及びｖｒのうち少なくとも１つを、車両１００の速度パラメーターのべき乗に応じて増減するよう補正すればよい。具体的には、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存する（３）又は（４）式と同様の補正項を制御目標値βｒ、β'ｒ、ｘｒ、及びｖｒのうち少なくとも１つに加算すればよい。これにより、見かけ上、検出器１３により計測された制御量と補正された制御目標値との偏差が増大するため、車輪１０２に追加のトルクがもたらされるように第１トルク指令が決定される。
続いて、車輪１０２に対する追加のトルクを車両１００の速度パラメーターのべき乗に応じて増減するよう生成することの利点について以下に述べる。
図３は、車両速度又は車輪速度と第１トルク指令に含まれるオフセット成分τoffsetとの関係を示すグラフである。図３は、べき数Ｎが２、３及び５の場合のグラフを示している。Ｎ＝２の場合は図３の一点鎖線で示したような曲線となり、Ｎ＝３の場合は実線で示したような曲線となり、Ｎ＝５の場合は点線で示したような曲線となる。なお、車両速度又は車輪速度以外の他の速度パラメーターを使用する場合の速度パラメーターとオフセット成分τoffsetの関係も図３と同様とすればよい。また、上述した第２の具体例において、いずれかの制御目標値を補正する場合の補正値と車両速度又は車輪速度との関係も図３のグラフと同様とすればよい。
図３のグラフに示す関係によって、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクを生成することで、以下の利点がある。つまり、車両１００の速度パラメーターの変化に応じて、追加のトルクは連続的に変化し、車両速度（車両１００の速度パラメーター）の増減に応じて、追加のトルク増減させることができる。さらに、追加のトルクを車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存させることで、速度パラメーターにリニアに依存させる場合に比べて以下の利点がある。つまり、低速領域では、追加のトルクが発生し難くなるため、制御ループの発振を効果的に抑制できる。一方で、車両速度が高速になるにつれて急峻に追加のトルクを与えることができる。
ここで、車両１００の速度パラメーターと追加トルクとの関係が、べき数Ｎの違いによってどのように異なるのかについて図３を参照して説明する。例えばＮ＝５とした場合において、車両速度が低速であるときは、Ｎ＝３とした場合に比べてオフセット成分τoffsetが小さく、追加トルクも小さい。これに対して、Ｎ＝５の場合、車両速度が高速につれてオフセット成分τoffsetが急激に増大し、Ｎ＝３とした場合に比べてオフセット成分τoffsetが大きく、追加トルクも大きい。したがって、オフセット成分τoffsetに基づいて速度抑制を行うことにより、Ｎ＝５とした場合には、車両速度が低速のときにはＮ＝３とした場合より速度抑制を小さくし、車両速度が高速であるときにはＮ＝３とした場合より速度抑制を大きくすることができる。
つまり、べき数Ｎの値を調節することにより、車両速度の変化に対するオフセット成分τoffsetの応答を調節することができ、追加オフセットによる速度抑制効果を調節することができる。
また、車両速度が高速であるときに、速度抑制が小さすぎる場合には速度抑制を超えて加速していってしまう場合がある。この場合にはＫｃの値を調節する必要がある。また、前進方向と後進方向で速度抑制効果の強弱を調整したい場合にも、Ｋｃの値を調整すれば良い。
また、Ｎ＝２などＮが偶数である場合には、車両速度等の速度パラメーターがマイナス、つまり車両１００が後進する場合に指令値オフセット量が望ましい方向と反対の符号になってしまう。このため、Ｋｃの符号を反転させる必要がある。一方、Ｎが奇数の場合には、速度パラメーターの正負、つまり車両１００が前進しているか後進しているかに依らず、Ｋｃの符号を一定にしておけばよい。
また、車両の形状、例えば、アプローチアングル及びデパーチャーアングルによっては、オフセット成分τoffsetに上限および下限を設ける必要がある。この場合、これらの限度を超えないようにオフセット成分τoffsetを単純にクリップしても良い。ただし、クリップ点で第１トルク指令の値が折れ曲がり滑らかさを失うため体感上の速度抑制効果が不連続になる。これが好ましくない場合には、何らかのローパスフィルタや関数を使用して折れ曲がりを滑らかにして、体感効果を改善するとよい。
また、オフセット成分τoffsetを算出する際に用いる車両速度またはモーター回転速度等の速度パラメーターの値は、ある一定の時間における履歴に基づき、フィルタ処理によって導出したものを用いるのが好ましい。また、フィルタにはローパスフィルタを用い、急な加減速による影響を少なくするのが望ましい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく適宜変更することが可能である。
例えば、ヨー制御器１１は無くても良い。また、第１トルク指令の補正は、補正前の第１トルク指令に追加のトルク指令を加算するほか、乗算など他の演算により行っても良い。
また、本実施の形態では、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクを車輪１０２に与えるべく、図２に示した制御ループにおいて生成されるトルク指令を補正する手法について述べた。しかしながら、既に述べたように、平行二輪車両の制御ループには様々なバリエーションが存在する。以下の第２の実施の形態では、他の制御ループの具体例について述べる。
実施の形態２．
本実施の形態では、上述した実施の形態１と同様に、倒立振子型移動体の１つである平行二輪車両に関して説明する。本実施の形態は、述した実施の形態１で具体的に述べた図２の制御ループを変更したものである。本実施の形態にかかる平行二輪車両の全体構造は、図１と同様とすればよい。
図４は、本実施の形態にかかる平行二輪車両の制御ループのブロック図である。図４の制御ループは、相対的に応答の遅い第１の制御ループと、相対的に応答の速い第２の制御ループの２つにより構成される。
第１の制御ループは、制御器２０及びヨー制御器２１を有している。制御器２０は、図２の制御器１０と対応するが、車輪速度（車輪１０２の回転速度）の増減量を示す指令値を生成する点が制御器１０と異なる。制御器２０は、車両ピッチ角度、車両ピッチ角速度、車両位置、及び車両速度を制御量とし、これらと制御目標値との偏差に応じて、車輪速度の増減量を示す第１の速度指令を生成する。また、ヨー制御器２１は、図２のヨー制御器１１と対応するが、車輪速度の増減量を示す指令値（第２速度指令）を生成する点がヨー制御器１１と異なる。第１及び第２速度指令は演算器２２によって加算された後に、複合的な車輪速度の増減量を示す指令値として速度制御器２３に供給される。
第２の制御ループは、第１の制御ループのインナーループであり、第１の制御ループから与えられる車輪速度の増減量を達成するようトルク指令を生成し、これをトルク制御器１０３に供給する。第２の制御ループは、車輪速度検出器２４および速度制御器２３を含む。車輪速度検出器２４は、第２の制御ループにおける制御量として用いられる車輪１０２の回転速度を検出する。例えば、車輪速度検出器２４は、車輪１０２又はトルク制御器１０３が有するモーターの回転量を検出するエンコーダー（不図示）を含み、エンコーダーの計測結果を用いて車輪速度を算出すればよい。速度制御器２３は、速度指令で示される増減量に応じて車輪速度を増減するように、トルク制御器１０３に与えるトルク指令を生成する。
以上に述べたように、図４に制御ループは、第１の制御ループ（アウターループ）および第２の制御ループ（インナーループ）を含む。このため、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存して増減する追加のトルクを車輪１０２に与えるためには、第１及び第２の制御ループのいずれかによって生成される指令値を、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存するオフセット値等によって補正すればよい。
一例として、制御器２０が生成する第１速度指令θ'COMに対して速度パラメーターのべき乗に依存するオフセット成分θ'offsetを加える場合は、以下の（５）〜（７）式を用いればよい。また、（７）式に代えて、以下の（８）式によりオフセット成分θ'offsetを決定してもよい。（８）式では、オフセット成分θ'offsetは、車輪速度θ'のべき乗に比例する値として決定される。なお、（２）式に関して述べたのと同様に、（６）式の右辺は、少なくとも車両ピッチ角度β又は車両ピッチ角速度β'に関する項を有すれば良い。
Figure 0004968297

Figure 0004968297

Figure 0004968297

Figure 0004968297
他の例として、速度制御器２３が生成するトルク指令τCOM2に対して速度パラメーターのべき乗に依存するオフセット成分τoffsetを加えてもよい。なお、オフセット成分τoffsetは上述した（３）式又は（４）式により求めればよい。
Figure 0004968297

Figure 0004968297
さらに他の例としては、（６）式に示した通常の車輪速度指令成分θ'1に含まれる制御目標値βｒ、β'ｒ、ｘｒ、及びｖｒのうち少なくとも１つを、車両１００の速度パラメーターのべき乗に応じて増減するよう補正すればよい。具体的には、車両１００の速度パラメーターのべき乗に依存する（３）又は（４）式と同様の補正項を制御目標値βｒ、β'ｒ、ｘｒ、及びｖｒのうち少なくとも１つに加算すればよい。
本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、速度制限が実施されるモードと実施されないモードとの切り替えを行うことなく乗員にとって自然な挙動によって移動体の速度の抑制制御を行うことができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく適宜変更することが可能である。
例えば、第２の制御ループは無くても良い。また、ヨー制御器２１は無くても良い。また、速度指令の補正は、補正前の第１速度指令の値に指令値オフセット量を加えるほか、乗算などの他の演算により行っても良い。
また、上述した実施の形態１及び２は、乗員が支持体１０１のピッチ角を操作することによって走行する車両１００について説明した。このような車両では、支持体１０１のピッチ角度を制御量として使用し、力学的にバランスした支持体１０１の倒立状態をもたらすための制御ループを実行した結果として、車両１００が走行する。一方、乗員がジョイスティックを操作するなどして速度目標値を与える移動体も知られている。このような移動体では、支持体１０１ピッチ角速度が制御量として使用される場合もある。本発明は、このようなタイプの移動体にも適用可能である。
また、発明の実施の形態１及び２では、一対の車輪を地面接触要素とする移動体について説明したが、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、球形の回転体を用いる移動体、円柱状の回転体を使用する移動体なども知られている。本発明は、このようなタイプの移動体にも適用可能である。
また、図２及び４に示した各制御器による制御処理は、マイクロプロセッサ等のコンピュータに１又は複数のプログラムを実行させることによって実現してもよい。このプログラムは、様々な種類の記憶媒体に格納することが可能であり、また、通信媒体を介して伝達されることが可能である。ここで、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等が含まれる。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等が含まれ、インターネットも含まれる。
１０ 制御器
１１ ヨー制御器
１２ 演算器
１３ 検出器
２０ 制御器
２１ ヨー制御器
２２ 演算器
２３ 速度制御器
２４ 車輪速度検出器
１００ 車両
１０１ 支持体
１０２ 車輪
１０３ トルク制御器
１０４ ステップ
１０５ ステー
１０６ ハンドル

Claims (10)

  1. 対象を支持するための支持体と、前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素とを備える移動体であって、
    前記支持体は、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能であり、
    前記移動体は、
    前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、
    前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、
    をさらに備え、
    前記制御ループは、前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗（ただし、べき数は１より大きい）に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記駆動装置を制御する、
    移動体。
  2. 前記追加のトルクに起因して慣性力が前記支持体に加わることで、前記支持体の傾斜が前記移動体の進行方向とは逆方向に引き起こされることによって、前記制御ループが、以降の前記駆動装置の制御を前記通常のトルクを減少させるように実施する、請求項１に記載の移動体。
  3. 前記制御ループは、前記偏差の大きさに応じて定まる第１の指令値に、前記速度パラメーターのべき乗の大きさに応じて定まる第２の指令値を加算して得られる加算後の指令値に基づいて、前記駆動装置を制御する、請求項１又は２に記載の移動体。
  4. 前記制御ループは、前記移動体の速度パラメーターのべき乗に応じて前記目標値を増減することによって前記偏差を疑似的に増大させ、これにより前記追加のトルクがもたらされるように前記駆動装置を制御する、請求項１又は２に記載の移動体。
  5. 前記速度パラメーターのべき乗のべき数、は、３以上の奇数である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動体。
  6. 前記速度パラメーターのべき乗のべき数は、２以上の偶数であり、前記移動体の動作している方向に基づき、前記第２の指令値を決定するために前記速度パラメーターのべき乗に乗算される利得の符号を変化させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動体。
  7. 前記制御ループは、前記速度パラメーターの時間変動を抑制するフィルタ処理を行って得られたフィルタ処理後の速度パラメーターのべき乗を使用して、前記駆動装置を制御する、請求項１〜６のいずれかに記載の移動体。
  8. 前記フィルタは、ローパスフィルタである、請求項７に記載の移動体。
  9. 移動体の走行制御方法であって、
    前記移動体は、
    対象を支持し、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能な支持体と、
    前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素と、
    前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、
    前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、
    を備え、
    前記方法は、
    前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗（ただし、べき数は１より大きい）に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記制御ループによって前記駆動装置を制御すること、
    を備える、走行制御方法。
  10. 移動体の走行制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    前記移動体は、
    対象を支持し、前記移動体の走行時に少なくとも前記移動体の前後方向に揺動可能な支持体と、
    前記支持体に取付けられる断面円形状を有する少なくとも１つの地面接触要素と、
    前記少なくとも１つの地面接触要素にトルクを与える駆動装置と、
    前記駆動装置に結合され、前記支持体の倒立状態を保ちながら前記移動体が走行できるよう前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるトルクを調整すべく前記駆動装置を制御する制御ループと、
    を備え、
    前記走行制御は、
    前記支持体の前後方向の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を含む制御量と目標値の偏差に依存して定まる通常トルクに加えて、前記移動体の速度パラメーターのべき乗（ただし、べき数は１より大きい）に依存して定まる追加トルクが前記少なくとも１つの地面接触要素に与えられるように、前記制御ループによって前記駆動装置を制御すること、
    を備える、プログラム。
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