JP5013244B2 - Characteristic amount estimation device and mounted object determination device - Google Patents

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Description

本発明は、特性量推定装置及び搭載物判定装置に係り、車体の姿勢制御を行う車両に搭載された重量体の特性量の推定、及び重量体の判定に関する。   The present invention relates to a characteristic amount estimation device and a mounted object determination device, and relates to estimation of a characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle that performs posture control of the vehicle body and determination of the weight body.

倒立振り子の姿勢制御を利用した車両(以下、単に倒立振り子車両という)が注目され、現在実用化されつつある。
例えば、同軸上に配置された2つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による駆動輪の姿勢を感知して駆動する技術が特許文献1で提案されている。
また、従来の円形状の駆動輪1つや、球体状の駆動輪1つの姿勢を制御しながら移動する車両が特許文献2で提案され、また、特許文献2においても各種倒立振り子車両について指摘されている。
Vehicles that use inverted pendulum attitude control (hereinafter simply referred to as inverted pendulum vehicles) are attracting attention and are currently being put into practical use.
For example, Patent Document 1 proposes a technique that has two drive wheels arranged on the same axis and detects and drives the posture of the drive wheel by the driver's movement of the center of gravity.
Further, a vehicle that moves while controlling the posture of one conventional circular drive wheel or one spherical drive wheel is proposed in Patent Document 2, and various inverted pendulum vehicles are also pointed out in Patent Document 2. Yes.

特開2004−276727公報JP 2004-276727 A 特開2004−129435公報JP 2004-129435 A

このような、車両では、運転者による体重移動量、リモコンや操縦装置からの操作量、予め入力されて走行データ等に基づいて、姿勢制御を行いながら停車状態を維持したり走行したりするようになっている。
そして、予め既知の車体重量及び車体重心位置と、一般的な重量体(例えば、荷物や搭乗者)を想定したモデル重量及びモデル重心位置とから設計上の重心(設計車両重心)の位置を使用して、姿勢制御系の制御パラメータが規定されている。
In such a vehicle, the vehicle is maintained in a stopped state or traveled while performing posture control based on the amount of weight shift by the driver, the amount of operation from the remote controller or the control device, the travel data inputted in advance. It has become.
Then, the design center of gravity (design vehicle center of gravity) position is used from the known body weight and body center of gravity position in advance and the model weight and model center of gravity position assuming a general weight body (for example, luggage or passengers). Thus, control parameters for the attitude control system are defined.

しかし、実際に車両には、様々な体重、体型の人が乗ったり、種々の重量、形状の荷物(以下、重量体という)が搭乗することになり、乗る人等によって質量、重心高さ、慣性モーメントが大きく異なるため、姿勢制御系の特性量が設計値からずれることになる。
また、搭乗している重量体についても、常に一定状態が保持されている訳ではなく、搭乗者の姿勢が変わったり(動く、倒れる等)、荷物が増加したりする場合がある。それによっても、質量、重心高さ、慣性モーメント(以下、力学的特性量という)が変化し、設計した姿勢制御系の特性量が設計値からずれることになる。
However, in actuality, vehicles of various weights and body types will get on the vehicle, and luggage of various weights and shapes (hereinafter referred to as weight bodies) will be on board, and the mass, center of gravity height, Since the moments of inertia differ greatly, the characteristic amount of the attitude control system deviates from the design value.
Also, the weight of the boarded body is not always kept constant, and the posture of the passenger may change (move, fall, etc.) and the luggage may increase. This also changes the mass, the height of the center of gravity, and the moment of inertia (hereinafter referred to as the mechanical characteristic amount), and the characteristic amount of the designed attitude control system deviates from the design value.

そして、本実施形態で想定している倒立振り子の姿勢制御を利用した車両では、車体が小さく、軽くなるほど、また搭乗部が高くなるほど、相対的に搭乗物の変化による制御系特性への影響は大きくなる。
このため、設計時に想定した搭乗者に基づく制御パラメータのままでは、安定した姿勢制御を行うことができず、快適な搭乗を搭乗者に提供できなくなり、制御パラメータを修正する必要がある。
そして、制御パラメータを修正するための前提として、重量体(搭乗物)の実際の力学的特性量や重量体の種別(人、荷物等)を知ることが必要になる。
And in the vehicle using the inverted pendulum posture control assumed in the present embodiment, the smaller the vehicle body becomes, the lighter the vehicle, and the higher the riding part, the more the influence on the control system characteristics due to the change in the vehicle is growing.
For this reason, if the control parameter based on the passenger assumed at the time of design is maintained, stable posture control cannot be performed, and comfortable boarding cannot be provided to the passenger, and the control parameter needs to be corrected.
As a premise for correcting the control parameter, it is necessary to know the actual mechanical characteristic amount of the weight body (vehicle) and the type of the weight body (person, luggage, etc.).

そこで本発明は、車両に搭乗している重量体の実際の力学的特性量を推定するパラメータ推定装置を提供することを第1の目的とする。
また、本発明は、推定した力学的特性量から車両に搭乗している重量体を判定する搭載物判定装置を提供することを第2の目的とする。
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a parameter estimation device that estimates an actual mechanical characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle.
In addition, a second object of the present invention is to provide a mounted object determination device that determines a weight body mounted on a vehicle from the estimated mechanical characteristic amount.

(1)請求項1に記載した発明では、車体の姿勢制御を行う車両に搭載された重量体の力学的特性量を推定する特性量推定装置であって、荷物や乗員などの重量体を乗せる搭乗部と、前記搭乗部に配置された荷重センサと、前記重量体の高さを測定する高さセンサと、前記荷重センサ及び前記高さセンサの測定値から、前記重量体の力学的特性量を推定する推定手段と、を特性量推定装置に具備させて前記第1の目的を達成する。
)請求項に記載した発明では、車体の姿勢制御を行う車両に搭載された重量体の力学的特性量を推定する特性量推定装置であって、荷物や乗員などの重量体を乗せる搭乗部と、前記搭乗部に配置された荷重センサと、前記重量体の高さを測定する高さセンサと、前記荷重センサ及び前記高さセンサの測定値から、力学的特性量を推定する直接推定手段と、力学的特性量を外乱オブザーバにより推定する間接推定手段と、前記直接推定手段及び前記間接推定手段による推定値に基づいて、力学的特性量を推定する推定手段と、を特性量推定装置に具備させて前記第1の目的を達成する。
)請求項に記載した発明では、請求項に記載の特性量推定装置において、前記直接推定手段及び前記間接推定手段で推定した両推定値を用いて、推定値の誤り判定を行う誤り判定手段を備え、前記推定手段は、一方の推定値が誤りと判定された場合に、他方の推定値を力学的特性量として推定する、ことを特徴とする。
)請求項に記載した発明では、請求項又は請求項に記載の特性量推定装置において、前記推定手段は、前記直接推定手段及び間接推定手段による推定値の周波数成分に基づいて、力学的特性量を推定する、ことを特徴とする。
)請求項に記載した発明では、請求項1から請求項のうちのいずれか1の請求項に記載の特性量推定装置において、前記推定手段は、力学的特性量として、前記重量体の質量、前記重量体の重心の高さ、及び前記重量体の慣性モーメントを推定する、ことを特徴とする。
)請求項に記載した発明では、請求項1又は請求項に記載の特性量推定装置において、加速度センサと、傾斜角センサと、を備え、前記推定手段又は前記直接推定手段は、前記荷重センサ、前記高さセンサの測定値、及び前記加速度センサと前記傾斜角センサの検出値から前記重量体の力学的特性量を推定する、ことを特徴とする。
)請求項に記載した発明では、請求項1から請求項のうちのいずれか1の請求項に記載の特性量推定装置と、前記特性量推定装置で推定した、力学的特性量を使用して前記車両に搭載された重量体の種別を判定する種別判定手段と、を搭載物判定装置に具備させて前記第2の目的を達成する。
(1) The invention described in claim 1 is a characteristic amount estimation device that estimates a mechanical characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle that controls the posture of the vehicle body, and places a weight body such as a luggage or a passenger. From the boarding part, the load sensor arranged in the boarding part, the height sensor for measuring the height of the weight body, and the measured values of the load sensor and the height sensor, the mechanical characteristic amount of the weight body The characteristic amount estimation device is provided with an estimation means for estimating the first object to achieve the first object.
( 2 ) The invention described in claim 2 is a characteristic amount estimation device for estimating a mechanical characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle that controls the posture of a vehicle body, and places a weight body such as a luggage or a passenger. Directly estimating a mechanical characteristic amount from a riding part, a load sensor disposed in the riding part, a height sensor that measures the height of the weight body, and measured values of the load sensor and the height sensor Estimating means, indirect estimating means for estimating a mechanical characteristic quantity by a disturbance observer, and estimating means for estimating a mechanical characteristic quantity based on the estimated values by the direct estimating means and the indirect estimating means, An apparatus is provided to achieve the first object.
( 3 ) In the invention described in claim 3 , in the characteristic amount estimation apparatus according to claim 2 , an error determination of the estimated value is performed using both estimated values estimated by the direct estimation means and the indirect estimation means. An error determination means is provided, and the estimation means estimates the other estimated value as a mechanical characteristic amount when one estimated value is determined to be an error.
( 4 ) In the invention described in claim 4 , in the characteristic quantity estimation apparatus according to claim 2 or 3 , the estimation means is based on a frequency component of an estimated value by the direct estimation means and the indirect estimation means. The mechanical characteristic quantity is estimated.
( 5 ) In the invention described in claim 5 , in the characteristic amount estimation device according to any one of claims 1 to 4 , the estimation means uses the weight as a mechanical characteristic amount. The mass of the body, the height of the center of gravity of the weight body, and the moment of inertia of the weight body are estimated.
( 6 ) In the invention described in claim 6 , in the characteristic quantity estimation apparatus according to claim 1 or 2 , the acceleration sensor and the tilt angle sensor are provided, and the estimation unit or the direct estimation unit is A mechanical characteristic amount of the weight body is estimated from a measurement value of the load sensor, the height sensor, and detection values of the acceleration sensor and the tilt angle sensor.
(7) In the invention according to claim 7, the characteristic quantity estimating apparatus according to any one of claims of claims 1 to 6, were estimated by the characteristic quantity estimating device, mechanical properties amount The mounted object determining device is provided with a type determining means for determining the type of the weight body mounted on the vehicle using the above-mentioned object, thereby achieving the second object.

請求項1記載の発明では、重量体の質量と高さの測定値から、請求項記載の発明では重量体の質量と高さの測定値及び外乱オブザーバにより、重量体の力学的パラメータを推定することができる。
これにより、本発明では、推定した重量体の力学的パラメータから、車体の姿勢制御系における、被制御対象の実際の力学的パラメータを推定し、前記姿勢制御系における制御パラメータを修正することが可能になり、より安定した姿勢制御を行うことが可能になる。
In the first aspect of the present invention, measurement or these mass and height of the weight body, the measured value and the disturbance observer of the mass and height of the weight body in the second aspect of the present invention, the mechanical parameters of the weight body Can be estimated.
Thereby, in the present invention, it is possible to estimate the actual mechanical parameter of the controlled object in the posture control system of the vehicle body from the estimated dynamic parameter of the weight body, and to correct the control parameter in the posture control system. Thus, more stable posture control can be performed.

以下、本発明の特性量推定装置及び搭載物判定装置における好適な実施の形態について、図1から図12を参照して詳細に説明する。
以下の実施形態では、特性量推定装置及び搭載物判定装置について、姿勢制御を行う車両であって、実際の力学的特性量の推定と、推定した力学的特性量を使用して制御パラメータを修正することで、車両に搭乗している重量体の状態に適した姿勢制御を行うことを可能とする車両を例に説明する。
(1)実施形態の概要
図1は、本実施形態による、実際の重量体に応じて制御系特性量を最適値に修正する制御系特性量修正処理の概要を表したものである。
なお、本明細書において、車両の中でバランスを取るために傾斜させる部分を「被制御対象」という。
また「搭乗物」は、人、荷物、動物等が該当し、車両外部から搭乗しているもの全てを指し、「重量体」を意味する。
そして、「被制御対象」から「搭乗物」を除いた部分を「車体」という。
Hereinafter, preferred embodiments of the characteristic amount estimation apparatus and the mounted object determination apparatus of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 12.
In the following embodiments, the characteristic amount estimation device and the mounted object determination device are vehicles that perform attitude control, and the actual mechanical characteristic amount is estimated and the control parameter is corrected using the estimated mechanical characteristic amount. Thus, an example of a vehicle capable of performing posture control suitable for the state of a weight body mounted on the vehicle will be described.
(1) Outline of Embodiment FIG. 1 shows an outline of a control system characteristic amount correction process for correcting a control system characteristic quantity to an optimum value according to an actual weight body according to this embodiment.
In the present specification, a portion of the vehicle that is tilted for balancing is referred to as a “controlled object”.
“Vehicle” refers to all persons boarding from the outside of the vehicle, such as people, luggage, animals, etc., and means “heavy body”.
A portion excluding “vehicle” from “controlled object” is referred to as “vehicle body”.

本実施形態では、図1(a)、(b)に示すように、計測器による直接測定、及び/又は、制御結果(履歴)からの推定によって、現在の車両に搭乗している搭乗物を含めた被制御対象全体の実際の力学的特性量を得る(センシング)。
そして、図1(c)、(d)に示すように、リアクションとして、推定した力学的特性量に基づいて姿勢制御系における制御系特性量を修正することで、制御に利用する。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, a vehicle mounted on the current vehicle is directly measured by a measuring instrument and / or estimated from a control result (history). Obtain the actual mechanical characteristics of the entire controlled object, including the sensing (sensing).
Then, as shown in FIGS. 1C and 1D, the reaction is used for control by correcting the control system characteristic amount in the attitude control system based on the estimated mechanical characteristic amount as a reaction.

図1(a)は、搭乗物の力学的特性量を計測器により直接測定する方法について表したものである。
すなわち、搭乗部(シート)の下に体重計(荷重計)を、背もたれ部に座高計をそれぞれ配置し、搭乗物の重量と座高を測定し、搭乗物の各力学的特性量を推定し、それから、被制御対象全体の力学的特性量を計算する(車体の特性量は既知)。
FIG. 1A shows a method for directly measuring the amount of mechanical characteristics of a vehicle using a measuring instrument.
That is, a weight scale (load meter) is placed under the riding part (seat), a sitting height meter is placed on the backrest part, the weight and sitting height of the vehicle are measured, and each mechanical characteristic amount of the vehicle is estimated, Then, the mechanical characteristic amount of the entire controlled object is calculated (the characteristic amount of the vehicle body is known).

図1(b)は、被制御対象の姿勢変化やトルク入力の履歴から力学的特性量を、例えば外乱オブザーバを使用して、推定する場合について表したものである。
すなわち、与えたトルク(トルク入力)に対して、車体(被制御対象)の姿勢変化、例えば起きるのが遅い/早い場合には、搭乗物が想定値よりも重い又は重心位置が高い/軽い又は低いはずである。
このような影響を外乱オブザーバを使用して推定し、被制御対象全体の力学的特性量を推定する。
FIG. 1B shows a case in which the mechanical characteristic amount is estimated from the posture change of the controlled object and the history of torque input using, for example, a disturbance observer.
That is, when the posture of the vehicle body (the controlled object) changes with respect to the applied torque (torque input), for example, when it occurs late / early, the vehicle is heavier than the assumed value or the center of gravity is higher / lighter or Should be low.
Such an influence is estimated using a disturbance observer, and the mechanical characteristic amount of the entire controlled object is estimated.

以上により推定した被制御対象の実際の力学的特性量を使用して、実際の姿勢制御系の特性量を修正する。
図1(c)は、制御パラメータを修正する場合を表したものである。
推定した力学的特性量から、姿勢制御系におけるフィードバックゲインなどの制御系特性量を修正する。
この場合、推定した力学的特性量に対し、最適な制御パラメータの値を算出する方法と、制御系特性量をできるだけ変えないように制御パラメータの値を修正する方法とがある。本実施形態としては、二者のうちいずれか一方を使用するようにしてもよく、両者を使用するようにしてもよい。両者を使用する場合には、例えば力学的特性量の変化が検出された当初の所定時間は特性不変パラメータ計算により、所定時間経過後は特性最適化パラメータ計算による。
Using the actual mechanical characteristic amount of the controlled object estimated as described above, the actual posture control system characteristic amount is corrected.
FIG. 1C illustrates a case where the control parameter is corrected.
A control system characteristic quantity such as a feedback gain in the attitude control system is corrected from the estimated mechanical characteristic quantity.
In this case, there are a method of calculating an optimal control parameter value for the estimated mechanical characteristic amount and a method of correcting the control parameter value so as not to change the control system characteristic amount as much as possible. In the present embodiment, either one of the two may be used, or both may be used. When both are used, for example, the initial predetermined time when the change of the mechanical characteristic amount is detected is calculated by the characteristic invariant parameter calculation, and after the predetermined time has elapsed, the characteristic optimization parameter calculation is performed.

図1(d)は、ウェイト(おもり)による制御系特性量調整について表したものである。
車体背面に上下方向に移動可能に配置したウェイトを移動させることで制御系特性量を基準値に近づける。例えば、乗員が荷物を足下から座席上に上げた場合や、腕を上げた場合に、ウェイトの位置を下げることによって、被制御対象の重心位置を調整すると共に、慣性モーメントを小さくすることで、設計値に近づける。
FIG. 1D shows control system characteristic amount adjustment by weights.
The control system characteristic amount is brought close to the reference value by moving a weight disposed on the rear surface of the vehicle body so as to be movable in the vertical direction. For example, when the occupant raises his / her baggage from his feet to his seat or raises his arm, he adjusts the position of the center of gravity of the controlled object by lowering the position of the weight, and reduces the moment of inertia, Move closer to the design value.

(2)実施形態の詳細
図2は、本実施形態における車両の外観構成を例示したものである。
図2に示されるように、車両は、同軸上に配置された2つの駆動輪11a、11bを備えている。
両駆動輪11a、11bは、それぞれ駆動モータ12で駆動されるようになっている。
(2) Details of Embodiment FIG. 2 illustrates an external configuration of a vehicle according to the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the vehicle includes two drive wheels 11a and 11b arranged on the same axis.
Both drive wheels 11a and 11b are each driven by a drive motor 12.

駆動輪11a、11b(以下、両駆動輪11aと11bを指す場合には駆動輪11という)及び駆動モータ12の上部には、重量体である荷物や乗員等が搭乗する搭乗する搭乗部13(シート)が配置されている。
搭乗部13は、運転者が座る座面部131、背もたれ部132、及びヘッドレスト133で構成されている。
On the upper part of the drive wheels 11a, 11b (hereinafter referred to as the drive wheels 11 when referring to both drive wheels 11a and 11b) and the drive motor 12, a boarding section 13 (on which a heavy load such as luggage or passengers rides) Sheet) is arranged.
The riding section 13 includes a seat surface section 131 on which a driver sits, a backrest section 132, and a headrest 133.

搭乗部13は、駆動モータ12が収納されている駆動モータ筐体121に固定された支持部材14により支持されている。   The riding section 13 is supported by a support member 14 fixed to a drive motor housing 121 in which the drive motor 12 is accommodated.

搭乗部13の左脇には操縦装置30が配置されている。この操縦装置30は、運転者の操作により、車両の加速、減速、旋回、回転、停止、制動等の指示を行う為のものである。   A control device 30 is arranged on the left side of the riding section 13. This control device 30 is for giving instructions such as acceleration, deceleration, turning, rotation, stop, braking, etc. of the vehicle by the operation of the driver.

本実施形態における操縦装置30は、座面部131に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設けその上部に操縦装置30を配置するようにしてもよい。   Although the control device 30 in the present embodiment is fixed to the seat portion 131, it may be configured by a remote control connected by wire or wirelessly. Further, an armrest may be provided and the control device 30 may be arranged on the upper part thereof.

また、本実施形態の車両には、操縦装置30が配置されているが、予め決められた走行データに従って自動走行する車両の場合には、操縦装置30に代えて走行データ取得部が配設される。走行データ取得部は、例えば、半導体メモリ等の各種記憶媒体から走行データを読み取る読み取り手段で構成し、または/及び、無線通信により外部から走行データを取得する通信制御手段で構成するようにしてもよい。   Further, the control device 30 is disposed in the vehicle of the present embodiment, but in the case of a vehicle that automatically travels according to predetermined travel data, a travel data acquisition unit is disposed instead of the control device 30. The For example, the travel data acquisition unit may be configured by a reading unit that reads travel data from various storage media such as a semiconductor memory, and / or a communication control unit that acquires travel data from outside by wireless communication. Good.

なお、図2において、搭乗部13には人が搭乗している場合について表示しているが、必ずしも人が運転する車両には限定されず、荷物だけを乗せて外部からのリモコン操作等により走行や停止をさせる場合、荷物だけを乗せて走行データに従って走行や停止をさせる場合、更には何も搭乗していない状態で走行や停止をする場合であってもよい。   In FIG. 2, the boarding unit 13 displays a case where a person is on board. However, the boarding part 13 is not necessarily limited to a vehicle driven by a person, and only a baggage is placed to travel by remote control operation from the outside. In the case where the vehicle is stopped or stopped, only the baggage is loaded and the vehicle is driven or stopped according to the driving data, or the vehicle may be driven or stopped in a state where nothing is boarded.

本実施形態において、操縦装置30の操作により出力される操作信号によって加減速等の制御が行われるが、例えば、特許文献1に示されるように、運転者が車両に対する前傾きモーメントや前後の傾斜角を変更することで、その傾斜角に応じた車両の姿勢制御及び走行制御を行うように切替可能にしてもよい。
運転者による傾きモーメントによる姿勢制御及び走行制御を行う場合には、本実施形態による姿勢制御は行わない。
In this embodiment, control such as acceleration / deceleration is performed by an operation signal output by the operation of the control device 30. For example, as shown in Patent Document 1, the driver is inclined forward and tilted forward and backward. By changing the angle, the vehicle may be switchable so as to perform vehicle attitude control and travel control according to the inclination angle.
When performing posture control and traveling control based on a tilt moment by the driver, the posture control according to the present embodiment is not performed.

搭乗部13の下側(座面部131裏面側)には、図示しないが後述する荷重計51が配置されている。
また、搭乗部の背面(背もたれ部の裏側、若しくは内部)には、ウェイト(おもり)134が配置されている。このウェイト134は、後述するウェイト駆動アクチュエータ62によって上下方向に移動可能に構成されている。
A load meter 51 (not shown), which will be described later, is disposed on the lower side (back surface side of the seating surface portion 131) of the riding portion 13.
A weight (weight) 134 is disposed on the back surface of the boarding portion (the back side or the inside of the backrest portion). The weight 134 is configured to be movable in the vertical direction by a weight drive actuator 62 described later.

搭乗部13と駆動輪11との間には制御ユニット16が配置されている。
本実施形態において制御ユニット16は、搭乗部13の座面部131の下面に取り付けられているが、支持部材14に取り付けるようにしてもよい。
A control unit 16 is disposed between the riding section 13 and the drive wheel 11.
In the present embodiment, the control unit 16 is attached to the lower surface of the seat portion 131 of the riding portion 13, but may be attached to the support member 14.

図3は、制御ユニット16の構成を表したものである。
車両の走行、姿勢制御、及び本実施形態における制御系特性量修正制御等の各種制御を行う制御ECU(電子制御装置)20を備えており、この制御ECU20には、操縦装置30、走行,姿勢制御用センサ40、力学的特性量推定用センサ50、アクチュエータ60、及びバッテリ等のその他の装置が電気的に接続されている。
FIG. 3 shows the configuration of the control unit 16.
A control ECU (electronic control unit) 20 that performs various types of control such as vehicle travel, posture control, and control system characteristic amount correction control in the present embodiment is provided. The control ECU 20 includes a control device 30, travel, and posture. The control sensor 40, the mechanical characteristic amount estimation sensor 50, the actuator 60, and other devices such as a battery are electrically connected.

バッテリは、駆動モータ12、ウェイト駆動アクチュエータ62、制御ECU20等にに電力を供給するようになっている。   The battery supplies power to the drive motor 12, the weight drive actuator 62, the control ECU 20, and the like.

制御ECU20は、走行制御プログラム、姿勢制御プログラム、制御系特性量修正処理プログラム等の各種プログラムやデータが格納されたROM、作業領域として使用されるRAM、外部記憶装置、インターフェイス部等を備えたコンピュータシステムで構成されている。   The control ECU 20 includes a ROM that stores various programs and data such as a travel control program, an attitude control program, and a control system characteristic amount correction processing program, a RAM that is used as a work area, an external storage device, an interface unit, and the like. It consists of a system.

制御ECU20は走行及び姿勢制御を行う車体基本制御システム21と、力学的特性量推定制御システム22を備えている。
力学的特性量推定制御システム22は、姿勢制御系における、被制御対象の実際の力学的特性量を、力学的特性量推定用センサ50の測定値から推定すると共に、制御結果(履歴)から外乱オブザーバ23を使用して推定することで、推定手段として機能する。
また、力学的特性量推定制御システム22は、推定した実際の力学的特性量に基づいて姿勢制御系の制御系特性量を修正するために、制御パラメータ補正値を車体基本制御システム21に供給し、ウェイト駆動アクチュエータ62にウェイト134(図1)の移動量を示す指令値を供給する。
The control ECU 20 includes a vehicle body basic control system 21 that performs running and posture control, and a mechanical characteristic amount estimation control system 22.
The mechanical characteristic amount estimation control system 22 estimates the actual mechanical characteristic amount of the controlled object in the posture control system from the measured value of the mechanical characteristic amount estimation sensor 50, and from the control result (history) By estimating using the observer 23, it functions as an estimation means.
Further, the mechanical characteristic amount estimation control system 22 supplies a control parameter correction value to the vehicle body basic control system 21 in order to correct the control system characteristic amount of the attitude control system based on the estimated actual mechanical characteristic amount. The weight drive actuator 62 is supplied with a command value indicating the amount of movement of the weight 134 (FIG. 1).

走行,姿勢制御用センサ40は、車両の速度(車輪回転角)を検出する走行速度計(車輪回転計)41と、車体傾斜角(傾斜角速度)を検出する車体傾斜角度計(角速度計)42を備えている。
走行,姿勢制御用センサ40による検出値は、車体基本制御システム21、及び力学的特性量推定制御システム22に供給される。
The travel and attitude control sensor 40 includes a travel speed meter (wheel tachometer) 41 that detects the speed (wheel rotation angle) of the vehicle, and a vehicle body tilt angle meter (angular speed meter) 42 that detects the vehicle body tilt angle (tilt angular speed). It has.
The detection value by the running / attitude control sensor 40 is supplied to the vehicle body basic control system 21 and the mechanical characteristic amount estimation control system 22.

力学的特性量推定用センサ50は、荷重計51(又は荷重分布計)と座高計(又は形状測定器)52を備えている。
図4は、荷重計51と座高計52の配置について表したものである。
図4(b)に示されるように、荷重計51は搭乗部13の下側、具体的には座面部131の下面部に配置されており、搭乗物の質量が計測され、力学的特性量推定制御システム22に供給される。荷重計51は、搭乗部13の下側に配置されることで、搭乗部に配置された搭乗物だけでなく、背もたれ部132やヘッドレスト133に掛けられた荷物の荷重や、その他の箇所に配置された全ての搭乗物の荷重を測定可能に構成されている。
なお、車体の重量(以下車体重量という)と、その重心位置(以下車体重心位置という)は固定されており、設計時に予め決定してあるので、荷重計51の計測対象外である。
The mechanical characteristic amount estimation sensor 50 includes a load meter 51 (or load distribution meter) and a sitting height meter (or shape measuring instrument) 52.
FIG. 4 shows the arrangement of the load meter 51 and the sitting height meter 52.
As shown in FIG. 4B, the load meter 51 is disposed on the lower side of the riding part 13, specifically on the lower surface part of the seating surface part 131, and the mass of the rided object is measured to determine the mechanical characteristic amount. It is supplied to the estimation control system 22. The load meter 51 is arranged on the lower side of the riding section 13, so that it is arranged not only on the vehicle placed on the riding section, but also on the load on the backrest 132 and the headrest 133 and other places. It is configured to be able to measure the load of all mounted vehicles.
The weight of the vehicle body (hereinafter referred to as the vehicle body weight) and the position of the center of gravity (hereinafter referred to as the vehicle body center of gravity position) are fixed and determined in advance at the time of design, and thus are not measured by the load meter 51.

本実施形態の荷重計51としては、1成分荷重計1つによって直立低速走行時に乗員の質量を測定するようになっているが、姿勢制御に用いる本体傾斜角度センサと並進加速度センサ、あるいは、3成分の荷重計を使用するようにしてもよい。
これにより、傾斜時、加速時にも荷重を測定することが可能になる。
また、複数の荷重計を配置し、荷重分布を測定することで、搭乗者の大きさを推定するようにしてもよい。
As the load meter 51 of the present embodiment, the mass of the occupant is measured by a single component load meter during upright low-speed traveling, but the main body tilt angle sensor and the translational acceleration sensor used for posture control, or 3 A component load cell may be used.
As a result, it is possible to measure the load at the time of inclination and acceleration.
Moreover, you may make it estimate a passenger | crew's magnitude | size by arrange | positioning a several load meter and measuring load distribution.

図4(a)、(b)に示されるように、背もたれ部132には、乗員等の搭乗物の座高(高さ)を測定するための座高計52が配設されている。
座高計52は、複数の固定型光センサをz軸方向(高さ方向)に配置し、乗員の座高を離散的に測定し、測定値を力学的特性量推定制御システム22(図3)に供給するようになっている。
なお、座高計52は、移動型(走査型)の光センサをz軸方向に走査させるようにしてもよく、これにより高精度な測定が可能になる。
また、固定型光センサを平面上に分布、または、走査型光センサを平面上に走査させることで、搭乗者の大きさや形を特定し、搭乗物を区別(人、荷物等)するようにしてもよい。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a seat height meter 52 for measuring the seat height (height) of a vehicle such as an occupant is disposed on the backrest portion 132.
The sitting height meter 52 arranges a plurality of fixed optical sensors in the z-axis direction (height direction), discretely measures the occupant's sitting height, and sends the measured values to the mechanical characteristic amount estimation control system 22 (FIG. 3). It comes to supply.
Note that the sitting height meter 52 may be configured to scan a moving (scanning) type optical sensor in the z-axis direction, thereby enabling highly accurate measurement.
In addition, it is possible to identify the size and shape of the occupant and distinguish the vehicle (person, baggage, etc.) by distributing the fixed photo sensor on the plane or scanning the scan photo sensor on the plane. May be.

図5は、背もたれ部132に配置されたウェイト134を表したものである。
図5(a)に示されるように、ウェイト134は背もたれ部132に配置されており、上下方向に移動可能に構成されている。上下方向の移動は、ボールネジにより、また、リニアモータを利用してレール上を移動することにより、その他各種方法により実現される。
このウェイト134を上下に移動させることで、車体の重心位置や慣性モーメントを変化させる車体変形手段として機能する。
なお、図5(b)に示されるように、搭乗部13(被制御対象)の高さを変えることで、車体の重心位置や慣性モーメントを変化させてもよい。
また、車体の重量分布を変更する重量分布変更手段を用いて車体の重心位置や慣性モーメントを変化させてもよい。
FIG. 5 shows the weight 134 disposed on the backrest 132.
As shown in FIG. 5A, the weight 134 is disposed on the backrest 132 and is configured to be movable in the vertical direction. The movement in the vertical direction is realized by various other methods by using a ball screw or by moving on the rail using a linear motor.
By moving the weight 134 up and down, it functions as a vehicle body deformation means for changing the position of the center of gravity and the moment of inertia of the vehicle body.
Note that, as shown in FIG. 5B, the center of gravity position and the moment of inertia of the vehicle body may be changed by changing the height of the riding section 13 (the controlled object).
Further, the center of gravity position and the moment of inertia of the vehicle body may be changed using weight distribution changing means for changing the weight distribution of the vehicle body.

図3において、アクチュエータ60は、車体基本制御システム21から供給される指令値に従って駆動輪11を駆動するタイヤ回転アクチュエータ61と、力学的特性量推定制御システム22から供給される指令値に従ってウェイト134を上下方向に移動させるウェイト駆動アクチュエータ62を備えている。   In FIG. 3, the actuator 60 includes a tire rotation actuator 61 that drives the drive wheels 11 according to the command value supplied from the vehicle body basic control system 21, and a weight 134 according to the command value supplied from the mechanical characteristic quantity estimation control system 22. A weight drive actuator 62 that moves in the vertical direction is provided.

以上のように構成された1実施形態としての車両における制御系特性量修正処理について次に説明する。
図6は、制御系特性量修正処理の内容を表したフローチャートである。
この制御系特性量修正処理では、被制御対象(車体+搭乗物)の実際の力学的特性量を推定し(推定手段:ステップ11〜ステップ17)、続いて、求めた力学的特性量に基づいて、姿勢制御系における制御系特性量を修正する(制御系特性量修正手段:ステップ18〜ステップ23)。
以下、各ステップの内容について説明する。
Next, the control system characteristic amount correction process in the vehicle configured as above will be described.
FIG. 6 is a flowchart showing the contents of the control system characteristic amount correction process.
In this control system characteristic amount correction processing, an actual mechanical characteristic amount of the controlled object (vehicle body + vehicle) is estimated (estimating means: step 11 to step 17), and then based on the obtained mechanical characteristic amount. Then, the control system characteristic quantity in the attitude control system is corrected (control system characteristic quantity correction means: step 18 to step 23).
Hereinafter, the contents of each step will be described.

荷重計51と座高計52の測定値を使用してステップ11〜ステップ13により、また、外乱オブザーバ23を使用してステップ14〜ステップ16により、実際の力学的特性量を推定する。
なお、実際の力学的特性量の推定については、両処理が並行して行われる。
The actual mechanical characteristic amount is estimated from Step 11 to Step 13 using the measured values of the load meter 51 and the sitting height meter 52, and from Step 14 to Step 16 using the disturbance observer 23.
Note that both processes are performed in parallel for the estimation of the actual mechanical characteristic amount.

まず、力学的特性量推定用センサ50において、搭乗部13に配設した荷重計51と座高計52により搭乗物の重量と高さが測定され、力学的特性量推定制御システム22に供給される(ステップ11)。   First, in the mechanical characteristic amount estimation sensor 50, the weight and height of the vehicle are measured by the load meter 51 and the seat height meter 52 arranged in the riding section 13 and supplied to the mechanical characteristic amount estimation control system 22. (Step 11).

そして、力学的特性量推定制御システム22では、取得した測定データから、被制御対象の質量(m1)と一次モーメント(m11)、慣性モーメント(I1+m11 2)を以下のようにして推定する(ステップ12)。
すなわち、力学的特性量推定制御システム22は、測定によって得られた質量mHと座高ζHの値から、例えば、次の閾値によって搭乗物が何かを判別する。
(a)mH<0.2kg、かつ、ζH<0.01mの場合搭乗物は「無し」と判別する。
(b)mH>8kg、かつ、ζH>0.3m、かつ、mH/ζH>30kg/mの場合搭乗物は「人」と判別する。
(c)その他の場合(上記(a)、(b)以外の場合)、搭乗物は「荷物」であると判別する。
以上の判別条件において、人の判別条件(b)で体重が8kgと小さいのは子供が乗車している場合も想定しているためである。また、単位座高当たりの重さ(mH/ζH)を人の判別条件に加えることで、人の判定をより正確に行うことが可能になる。この場合、小さくて重い荷物(例えば、鉄塊)を乗せた場合も人と判定しないために、上限としてmH/ζH<p(例えば、80kg/m)を判別条件(アンド条件)に加えてもよい。
なお、各判別条件及び判別値は、一例であり、想定される使用条件に応じて適宜変更され、判定される。
The mechanical characteristic estimation control system 22 calculates the mass (m 1 ), the primary moment (m 1 l 1 ), and the moment of inertia (I 1 + m 1 l 1 2 ) of the controlled object from the acquired measurement data. The estimation is performed as follows (step 12).
That is, the mechanical property quantity estimation control system 22 determines what the vehicle is based on, for example, the following threshold value from the values of the mass m H and the sitting height ζ H obtained by measurement.
(A) When m H <0.2 kg and ζ H <0.01 m, it is determined that the vehicle is “none”.
(B) When m H > 8 kg, ζ H > 0.3 m, and m H / ζ H > 30 kg / m, the vehicle is determined to be “person”.
(C) In other cases (other than the cases (a) and (b) above), it is determined that the vehicle is “luggage”.
In the discrimination conditions described above, the weight of the person discrimination condition (b) is as small as 8 kg because it is assumed that a child is on board. Further, by adding the weight per unit seat height (m H / ζ H ) to the person determination condition, it becomes possible to make the person determination more accurately. In this case, m H / ζ H <p (for example, 80 kg / m) is added as an upper limit to the determination condition (and condition) in order not to determine that the person is loaded even when a small and heavy load (for example, an iron ingot) is put on May be.
Note that each determination condition and determination value are examples, and are appropriately changed and determined according to an assumed use condition.

以下、力学的特性量推定制御システム22は、判別した搭乗物の種類に応じて、搭乗物の重心高さ(座面部131からの高さ)hHと、慣性モーメント(重心周り)IHを推定する。このように、搭乗物を判別し、その種類に応じた式により評価することで、より正確な力学的特性量を推定することができる。 Hereinafter, the mechanical characteristic amount estimation control system 22 determines the height of the center of gravity (height from the seat surface portion 131) h H and the moment of inertia (around the center of gravity) I H according to the determined type of the vehicle. presume. In this way, by determining the vehicle and evaluating it with an expression corresponding to the type, it is possible to estimate a more accurate mechanical characteristic amount.

(a)搭乗物が「無し」の場合
H=0
H=0
(b)搭乗物が「人」の場合
H=(ζH/ζH,0)hH,0
H=(mH/mH,0)(ζH/ζH,02H,0
ここで、ζH,0、hH,0、IH,0は、人体の座高、重心高さ、慣性モーメント(重心周り)の標準値である。本実施形態では、標準値として、ζH,0=0.902m、hH,0=0.264m、IH,0=5.19kgm2が使用される。
(A) When the vehicle is “None” h H = 0
I H = 0
(B) When the vehicle is “person” h H = (ζ H / ζ H, 0 ) h H, 0
I H = (m H / m H, 0 ) (ζ H / ζ H, 0 ) 2 I H, 0
Here, ζ H, 0 , h H, 0 , and I H, 0 are standard values of the sitting height, the center of gravity, and the moment of inertia (around the center of gravity) of the human body. In this embodiment, ζ H, 0 = 0.902 m, h H, 0 = 0.264 m, and I H, 0 = 5.19 kgm 2 are used as standard values.

(c)搭乗物が「荷物」の場合
H=((1−γ)/2)ζH
H=((1−3γ2)/12)mHζH 2
ここで、γは重心の下方向のズレを表す偏心度である。
本実施形態における偏心度としては、例えば、γ=0.4が使用されるが、想定される使用条件に応じて適宜変更可能である。
(C) When the load is “luggage” h H = ((1−γ) / 2) ζ H
I H = ((1-3γ 2 ) / 12) m H ζ H 2
Here, γ is an eccentricity representing a downward shift in the center of gravity.
For example, γ = 0.4 is used as the degree of eccentricity in the present embodiment, but can be appropriately changed according to the assumed use conditions.

ついで力学的特性量推定制御システム22は、測定した搭乗物の質量mHと、推定した搭乗物の重心高さhH、慣性モーメントIHから、被制御対象の実際の力学的特性量である質量(m1)、一次モーメント(m11)、及び慣性モーメント(I1+m11 2)を算出する(ステップ13)。
すなわち、力学的特性量推定制御システム22は、搭乗物と車体の、質量、駆動輪11の軸から重心までの高さ、及び慣性モーメントを、それぞれ(mH、lH、IH)、(mc、lc、Ic)とした場合、被制御対象の質量m1、駆動輪11の軸から重心までの高さl1、慣性モーメントI1は次の(a)〜(c)により求まる。
(a)m1=mH+mc
(b)l1=(mHH+mcc)/m1
(c)I1=IH+mH(lH−l12+Ic+mc(lc−l12
Next, the mechanical property quantity estimation control system 22 is the actual mechanical characteristic quantity of the controlled object from the measured vehicle mass m H , the estimated vehicle center of gravity height h H , and the inertia moment I H. The mass (m 1 ), first moment (m 1 l 1 ), and inertia moment (I 1 + m 1 l 1 2 ) are calculated (step 13).
That is, the dynamic characteristic amount estimation control system 22 determines the mass, the height from the axis of the drive wheel 11 to the center of gravity, and the moment of inertia of the vehicle and the vehicle body (m H , l H , I H ), ( m c , l c , I c ), the mass m 1 to be controlled, the height l 1 from the axis of the drive wheel 11 to the center of gravity, and the moment of inertia I 1 are expressed by the following (a) to (c) I want.
(A) m 1 = m H + m c
(B) l 1 = (m H l H + m c l c ) / m 1
(C) I 1 = I H + m H (l H −l 1 ) 2 + I c + m c (l c −l 1 ) 2

なお、搭乗物の質量mHはステップ11の計測値であり、慣性モーメントIHはステップ12で算出した慣性モーメントIHである。
また、重心までの高さlHは、駆動輪11の軸から座面部131の座面までの高さをh0として、ステップ12で算出した重心高さhHから、lH=h0+hHにより求まる。
The mass m H of the loaded article is the measured value in step 11, the moment of inertia I H is the moment of inertia I H calculated in step 12.
The height l H to the center of gravity is defined as l H = h 0 + h from the center of gravity height h H calculated in step 12, where h 0 is the height from the axis of the drive wheel 11 to the seating surface of the seating surface portion 131 Obtained by H.

一方、力学的特性量推定制御システム22は、車体の運動、姿勢制御結果(時間履歴)から外乱オブザーバ23で外乱(実際の力学的特性量)を推定する(ステップ14〜16)。   On the other hand, the mechanical characteristic quantity estimation control system 22 estimates a disturbance (actual mechanical characteristic quantity) by the disturbance observer 23 from the motion and posture control result (time history) of the vehicle body (steps 14 to 16).

力学的特性量推定制御システム22は、姿勢制御における入力u(→)(図1におけるタイヤ回転アクチュエータ61に対するトルク指令値)、及び、出力y(→)(図1における走行、姿勢制御用センサ40の検出値(速度、車体傾斜角))を取得する(ステップ14)。
そして、力学的特性量推定制御システム22は、想定した搭乗者に基づく設計上の力学的特性量に基づく挙動と異なる挙動が、想定とは異なる搭乗物が搭乗しているという外乱に基づいていると想定し、取得した入力u、出力yと、外乱オブザーバ23を使用して外乱を推定する(ステップ15)。
次いで、力学的特性量推定制御システム22は、得られたデータから被制御対象の質量、一次モーメント、及び慣性モーメントを決定する(ステップ16)。
The mechanical characteristic amount estimation control system 22 includes an input u (→) in the posture control (a torque command value for the tire rotation actuator 61 in FIG. 1) and an output y (→) (the running and posture control sensor 40 in FIG. 1). (The detected value (speed, vehicle body inclination angle)) is acquired (step 14).
The dynamic characteristic amount estimation control system 22 is based on the disturbance that the behavior different from the behavior based on the designed mechanical characteristic amount based on the assumed passenger is boarding a vehicle different from the assumption. Assuming that, disturbance is estimated using the acquired input u, output y, and disturbance observer 23 (step 15).
Next, the mechanical property quantity estimation control system 22 determines the mass, first moment, and inertia moment of the controlled object from the obtained data (step 16).

以下、外乱オブザーバ23を使用して実際の力学的特性量を推定する処理について説明する。
図7は、力学的特性量を推定する流れの概要を表したものである。
まず、外乱オブザーバを用いて外乱推定値d(→∧)を算出し(ステップ31)、車両制御用センサ(走行、姿勢制御用センサ40)で検出(ないし検出値に基づき算出)されるタイヤ回転角加速度θW(・・)、本体傾斜角加速度θ1(・・)、本体傾斜角θ1からなる車両状態量ξ(→)を決定する(ステップ32)。
なお、本明細書では、表記の都合上、図面とは表記を変えている。例えば、d(→∧)やθ(・・)のように、文字の後のカッコ内の記号のうち、「→」はベクトル量(行列)であることを表し「∧」は推定値であることを表し、また「・」と「・・」はカッコの前の文字についての1回微分と2回微分を表すものとする。
Hereinafter, processing for estimating an actual mechanical characteristic amount using the disturbance observer 23 will be described.
FIG. 7 shows an outline of the flow for estimating the mechanical characteristic amount.
First, a disturbance estimated value d (→ ∧) is calculated using a disturbance observer (step 31), and the tire rotation detected (or calculated based on the detected value) by a vehicle control sensor (running and attitude control sensor 40). A vehicle state quantity ξ (→) consisting of the angular acceleration θ W (··), the main body inclination angular acceleration θ 1 (··), and the main body inclination angle θ 1 is determined (step 32).
Note that in this specification, for convenience of description, the notation differs from the drawings. For example, among symbols in parentheses after characters such as d (→ ∧) and θ (···), “→” represents a vector quantity (matrix) and “∧” is an estimated value. In addition, “·” and “··” represent the first and second derivatives of the character before the parenthesis.

ついで力学的特性量推定制御システム22は、外乱推定値d(→∧)と車両状態量ξ(→)とから、最小二乗法により変動量行列Λを推定し(ステップ33)、変動量行列Λから本体(被制御対象)の各力学特性量変動を推定する(ステップ34)。
以下、力学的特性の変動量推定の詳細について説明する。
Next, the dynamic characteristic quantity estimation control system 22 estimates the fluctuation matrix Λ by the least square method from the disturbance estimated value d (→ ∧) and the vehicle state quantity ξ (→) (step 33), and the fluctuation matrix Λ From these, fluctuations in the respective mechanical characteristic quantities of the main body (controlled object) are estimated (step 34).
Details of the estimation of the fluctuation amount of the mechanical characteristics will be described below.

図8は、外乱オブザーバ23により外乱推定の状態を概念的に表したものである。
図8において、制御器は車体基本制御システム21に相当し、制御対象実物はタイヤ回転アクチュエータ61(入力)と車両全体(被制御対象)に相当する。
FIG. 8 conceptually shows the state of disturbance estimation by the disturbance observer 23.
In FIG. 8, the controller corresponds to the vehicle body basic control system 21, and the actual controlled object corresponds to the tire rotation actuator 61 (input) and the entire vehicle (controlled object).

外乱オブザーバ23は、制御対象モデルと推定器で構成される。
制御対象モデルは、搭乗者の想定値に基づく設計上の力学的特性量を使用した姿勢制御系の理論的なモデルである。
The disturbance observer 23 includes a control target model and an estimator.
The controlled object model is a theoretical model of an attitude control system that uses a mechanical characteristic amount in design based on an assumed value of a passenger.

制御器からの入力u(→)は、制御対象実物と制御対象モデルの両者に入力される。
すると、制御対象モデルからは理論値としての出力y(→∧)が出力される。
これに対して制御対象実物(被制御対象)からは外乱d(→)が作用している状態に対する出力y(→)(傾斜角θ等の実測値)として出力される。
The input u (→) from the controller is input to both the actual control object and the control object model.
Then, an output y (→ ∧) as a theoretical value is output from the controlled object model.
On the other hand, from the actual controlled object (controlled object), an output y (→) (actual value such as the inclination angle θ) for the state in which the disturbance d (→) is acting is output.

この理論値である出力y(→∧)と、実測値である出力y(→)との両者の差から、推定器により作用している外乱の推定値d(→∧)を、次の数式1に従って算出する。
この推定器における推定(数式1)では、設計値と異なる体重、体型の搭乗者等が搭乗していることによる影響を外乱の原因とみなして推定している。すなわち、変動量=力学的特性量のノミナル値(想定値)との差異の影響を外乱とみなして、外乱オブザーバ23により推定する。
この推定において、本実施形態では、最小次元オブザーバを利用して、計算時間を短くしているが、ロバスト性を優先する場合には、同一次元オブザーバを利用するようにしてもよい。
推定速度は、外乱オブザーバ23のフィードバックゲインLによって決定される。ここで、推定速度を速くしすぎると推定が不安定になるため、推定にはある程度の時間が必要となる。
From the difference between the output y (→ ∧), which is the theoretical value, and the output y (→), which is the actual measurement value, the estimated value d (→ ∧) of the disturbance acting by the estimator is expressed by the following equation: Calculate according to 1.
In the estimation by the estimator (Equation 1), the influence due to the passengers of body weight, body type, etc. differing from the design values is estimated as the cause of the disturbance. That is, the influence of the difference between the fluctuation amount = the nominal value (assumed value) of the mechanical characteristic amount is regarded as a disturbance and is estimated by the disturbance observer 23.
In this estimation, in this embodiment, the minimum dimension observer is used to shorten the calculation time. However, when priority is given to robustness, the same dimension observer may be used.
The estimated speed is determined by the feedback gain L of the disturbance observer 23. Here, if the estimation speed is increased too much, the estimation becomes unstable, so that a certain amount of time is required for the estimation.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

次に、外乱推定値d(→∧)を算出する上記数式1の導出について説明する。
図9は、車両姿勢制御系の力学モデルを図示したものである。
図9におけるバランサは、車両の姿勢制御を行うための重量体で、車軸及び車両中心軸に垂直な方向に移動する場合を例示している。また、上下方向に移動するウェイト134は本体に含まれる。
この図9における各記号は次の通りである。
(a)状態量
θW:タイヤの回転角[rad]
θ1:本体の傾斜角(鉛直軸基準)[rad]
λ2:バランサの位置(車体中心点基準)[m]
(b)入力
τW:駆動モータトルク(2輪合計)[Nm]
B:バランサ駆動力[N]
(c)物理定数
g:重力加速度[m/s2
(d)パラメータ
W:タイヤの質量[kg]
W:タイヤの半径[m]
W:タイヤの慣性モーメント(車軸周り)[kgm2
W:タイヤ回転に対する粘性減衰係数[Nms/rad]
1:本体の質量(乗員含む)[kg]
1:本体の重心距離(車軸から)[m]
1:本体の慣性モーメント(重心周り)[kgm2
1:本体回転に対する粘性減衰係数[Nms/rad]
2:バランサの質量[kg]
2:バランサの基準重心距離(車軸から)[m]
2:バランサの慣性モーメント(重心周り)[kgm2
2:バランサ並進に対する粘性減衰係数[Ns/m]
Next, the derivation of Equation 1 for calculating the disturbance estimated value d (→ ∧) will be described.
FIG. 9 illustrates a dynamic model of the vehicle attitude control system.
The balancer in FIG. 9 is a weight body for controlling the attitude of the vehicle, and illustrates a case where the balancer moves in a direction perpendicular to the axle and the vehicle central axis. A weight 134 that moves in the vertical direction is included in the main body.
The symbols in FIG. 9 are as follows.
(A) State quantity θ W : Tire rotation angle [rad]
θ 1 : tilt angle of main body (vertical axis reference) [rad]
λ 2 : Balancer position (vehicle center point reference) [m]
(B) Input τ W : Drive motor torque (two wheels total) [Nm]
S B : Balancer driving force [N]
(C) Physical constant g: Gravitational acceleration [m / s 2 ]
(D) Parameter m W : Tire mass [kg]
R W : Tire radius [m]
I W : Tire inertia moment (around axle) [kgm 2 ]
D W : Viscous damping coefficient for tire rotation [Nms / rad]
m 1 : Mass of the main body (including passengers) [kg]
l 1 : Distance from the center of gravity of the main unit (from the axle) [m]
I 1 : Moment of inertia of body (around center of gravity) [kgm 2 ]
D 1 : viscous damping coefficient [Nms / rad] with respect to rotation of the main body
m 2 : Mass of the balancer [kg]
l 2 : Balancer center of gravity distance (from axle) [m]
I 2 : Balancer's moment of inertia (around the center of gravity) [kgm 2 ]
D 2 : Viscosity damping coefficient for balancer translation [Ns / m]

図9の力学モデルは、数式2の線形2階微分方程式で表現される。
数式2中の各値は数式3に示す通りである。
また、数式3におけるIW,a、I12,aは次の通りである。
W,a=IW+(m1+m2+mW)RW 2
12,a=(I1+m11 2)+(I2+m22 2
The dynamic model of FIG. 9 is expressed by a linear second-order differential equation of Equation 2.
Each value in Formula 2 is as shown in Formula 3.
Further, I W, a and I 12, a in Expression 3 are as follows.
I W, a = I W + (m 1 + m 2 + m W ) R W 2
I 12, a = (I 1 + m 1 l 1 2 ) + (I 2 + m 2 l 2 2 )

Figure 0005013244
Figure 0005013244

Figure 0005013244
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そして、搭乗者のパラメータ変動による外乱d(→∧)は、車両状態量をξ(→)、変動量行列をΛ、外乱進入経路をPdとすると、次の数式4で表される。
数式4において、車両状態量ξ(→)において、θ1、θ1(・・)、θW(・・)は上述したように、本体(車体)傾斜角、本体傾斜角加速度、タイヤ回転角速度である。
なお、外乱進入経路Pdの第3行要素Pd31=0、Pd32=0であることから、本体のパラメータ変動はバランサの運動特性に直接影響を及ぼさないことになる。
The disturbance d (→ ∧) due to the passenger parameter variation is expressed by the following Equation 4, where ξ (→) is the vehicle state quantity, Λ is the fluctuation amount matrix, and P d is the disturbance approach path.
In Formula 4, in the vehicle state quantity ξ (→), θ 1 , θ 1 (··), θ W (··) are the main body (vehicle body) tilt angle, the main body tilt angle acceleration, and the tire rotation angular velocity as described above. It is.
Since the third row element P d31 = 0 and P d32 = 0 of the disturbance approach path P d , the parameter variation of the main body does not directly affect the balancer motion characteristics.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

さらに、外乱オブザーバ23で扱いやすいように、数式2を一般的な状態方程式の形にすると数式5で表現される。
数式5中の各値は数式6に示す通りであり、Iは単位行列である。
Further, for easy handling by the disturbance observer 23, Formula 2 is expressed by Formula 5 when it is converted into a general state equation.
Each value in Formula 5 is as shown in Formula 6, and I is a unit matrix.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

Figure 0005013244
Figure 0005013244

外乱オブザーバ23は、姿勢制御における入力u(図1におけるタイヤ回転アクチュエータ61に対するトルク指令値)、及び、出力y(同走行,姿勢制御用センサ40の検出値(速度、車体傾斜角)を取得する。
そして、外乱オブザーバ23は、上記数式1を推定器(図8)で解くことで、外乱の推定値d(→∧)を算出する(ステップ32)。
なお、外乱オブザーバでは、最小次元オブザーバを利用しているが、同一次元オブザーバでも推定可能である。
The disturbance observer 23 acquires an input u in the posture control (a torque command value for the tire rotation actuator 61 in FIG. 1) and an output y (the detected value (speed, vehicle body inclination angle) of the traveling and posture control sensor 40). .
Then, the disturbance observer 23 calculates the disturbance estimated value d (→ ∧) by solving Equation 1 with an estimator (FIG. 8) (step 32).
Note that the disturbance observer uses the minimum dimension observer, but can be estimated using the same dimension observer.

ここで、数式1で示されるモデルでは外乱の推定値d(→∧)について、d(→∧・)=0(外乱の変動速度は推定速度より遅いこと)を仮定しているために、高周波成分の信頼性が低い。
このため本実施形態では後述するように、高周波成分については外乱オブザーバ23ではなく、計測器(力学的特性量推定用センサ50)の計測値から算出(ステップ11〜ステップ13)した値を使用することで、高周波成分についての信頼性を確保するようにしている。
Here, in the model expressed by Equation 1, it is assumed that the estimated value d (→ ∧) of the disturbance is d (→ ∧ ·) = 0 (the fluctuation speed of the disturbance is slower than the estimated speed). The component reliability is low.
For this reason, as will be described later in the present embodiment, for the high-frequency component, values calculated from the measurement values of the measuring instrument (mechanical characteristic amount estimation sensor 50) (step 11 to step 13) are used instead of the disturbance observer 23. Thus, the reliability of the high frequency component is ensured.

一方、外乱オブザーバ23は、走行、姿勢制御用センサ40から、車両状態量ξ(→)を取得する(ステップ32)。
そして、外乱オブザーバ23は、車両状態量ξ(→)と外乱推定値d(→∧)の時間履歴から変動量行列Λを最小二乗法で推定する(ステップ33)。
すなわち、N個の離散時間データ列ξ(k)(→)、d(k)(→∧)に対して、次の数式7から、数式8に示す変動量行列Λ(数式4中の式と同じ)を推定する。
なお、参照時間Tref=NΔt(Δtは離散データの時間刻み)は、オブザーバの推定時間よりも長くする。
On the other hand, the disturbance observer 23 acquires the vehicle state quantity ξ (→) from the running / attitude control sensor 40 (step 32).
Then, the disturbance observer 23 estimates the fluctuation amount matrix Λ by the least square method from the time history of the vehicle state quantity ξ (→) and the disturbance estimated value d (→ 二) (step 33).
That is, for the N discrete-time data sequences ξ (k) (→) and d (k) (→ 変 動), the variation matrix Λ (equation in Equation 4) The same).
Note that the reference time T ref = NΔt (Δt is the time increment of the discrete data) is set longer than the estimated time of the observer.

なお、数式7において、ξ(→)の相関を無視する、すなわちテンソル積ξ(k)(→)ξ(k)(→)の非対角成分を0とすることにより、計算を簡素化してもよい。 In Equation 7, the calculation is simplified by ignoring the correlation of ξ (→), that is, by setting the off-diagonal component of the tensor product ξ (k) (→) ξ (k) (→) to 0. Also good.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

Figure 0005013244
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ついで外乱オブザーバ23は、推定した変動量行列における各成分の値から、本体(被制御対象)の3つのパラメータ変動量として、質量Δm1、一次モーメントΔ(m11)、慣性モーメントΔ(I1+m11 2)を数式9に示すとおり推定する(ステップ34)。 Next, the disturbance observer 23 calculates the mass Δm 1 , the primary moment Δ (m 1 l 1 ), and the moment of inertia Δ () as the three parameter variations of the main body (controlled object) from the values of the components in the estimated variation matrix. I 1 + m 1 l 1 2 ) is estimated as shown in Equation 9 (step 34).

数式9
Δm1=(1/Rw 2)Λ11
Δ(m11)=−(1/g)Λ23=(1/Rw)Λ12=(1/Rw)Λ21
Δ(I1+m11 2)=Λ22
Formula 9
Δm 1 = (1 / R w 2 ) Λ 11
Δ (m 1 l 1 ) = − (1 / g) Λ 23 = (1 / R w ) Λ 12 = (1 / R w ) Λ 21
Δ (I 1 + m 1 l 1 2 ) = Λ 22

一次モーメントの変動量Δ(m11)は、数式9に示されるように、変動量行列の3つの要素Λ23、Λ12、Λ21のいずれからも推定(算出)可能である。
そして、各要素Λ23は状態量のθ1に、Λ12は状態量のθ1(・・)に、Λ21は状態量のθw(・・)に対応している。
そこで、本実施形態では、一次モーメントの変動量Δ(m11)については、3つの状態量θ1、θ1(・・)、θw(・・)のうち、参照時間内で変動幅が最大の状態量に対応する式を使用することで、精度の高い値を算出することができる。
The fluctuation amount Δ (m 1 l 1 ) of the first moment can be estimated (calculated) from any of the three elements Λ 23 , Λ 12 , and Λ 21 of the fluctuation amount matrix as shown in Equation 9.
Each element Λ 23 corresponds to the state quantity θ 1 , Λ 12 corresponds to the state quantity θ 1 (··), and Λ 21 corresponds to the state quantity θ w (··).
Therefore, in the present embodiment, the fluctuation amount Δ (m 1 l 1 ) of the first moment varies within the reference time among the three state quantities θ 1 , θ 1 (··), θ w (···). A highly accurate value can be calculated by using an expression corresponding to the state quantity having the maximum width.

以上の処理によって、力学的特性量推定用センサ50の測定値から力学的特性量を推定し、また、外乱オブザーバ23から力学的特性量を推定すると、力学的特性量推定制御システム22は、2つのデータを比較し、力学的特性量である被制御対象の質量、一次モーメント(重心高さ)、慣性モーメントを決定する(図6、ステップ17)。
なお、以下の説明では、力学的特性量推定用センサ50の測定値から推定した力学的特性量Pkで表し、また、外乱オブザーバ23で推定した力学的特性量をPgで表す。
When the mechanical characteristic amount is estimated from the measurement value of the mechanical characteristic amount estimation sensor 50 and the mechanical characteristic amount is estimated from the disturbance observer 23 by the above processing, the mechanical characteristic amount estimation control system 22 The two data are compared, and the mass, primary moment (center of gravity height), and moment of inertia, which are mechanical characteristics, are determined (FIG. 6, step 17).
In the following description, the mechanical characteristic amount Pk estimated from the measurement value of the mechanical characteristic amount estimation sensor 50 is represented, and the mechanical characteristic amount estimated by the disturbance observer 23 is represented by Pg.

本実施形態では、2つの方法により力学的特性量Pk、Pgを推定したが、この両者を次の(1)〜(4)のように使用することで、より高精度な力学的特性量変動の推定を実現している。
図10は、力学的特性量Pk、Pgの使い分けの一例を示したものである。
(1)信頼性に応じた使い分け
各力学的特性量の要素3つについて、評価の信頼性の高い推定システムは異なるので、図10(a)に示すように、信頼度に応じた重みを与える。
計測器は、質量(m1)の信頼性が高く、外乱オブザーバは1次モーメント(m11)の信頼性が高い。
そこで、図10(a)に例示したように、力学的特性量Pk、Pgを次の割合で重み付けして使用する。なお、両者の割合については例示であり、他の値とすることも可能である。
質量についてはPkを90%使用し、Pgを10%使用する。
また一次モーメントについては、Pkを30%使用し、Pgを70%使用する。
また慣性モーメントについては、Pkを50%使用し、Pgを50%使用する。
In this embodiment, the mechanical characteristic amounts Pk and Pg are estimated by two methods. However, by using both of them as in the following (1) to (4), more accurate fluctuations in the mechanical characteristic amount are obtained. The estimation of is realized.
FIG. 10 shows an example of proper use of the mechanical characteristic amounts Pk and Pg.
(1) Proper use according to reliability Since the estimation system with high reliability of evaluation is different for the three elements of each mechanical characteristic quantity, as shown in FIG. 10 (a), a weight according to the reliability is given. .
The measuring instrument has a high reliability of mass (m 1 ), and the disturbance observer has a high reliability of first moment (m 1 l 1 ).
Therefore, as illustrated in FIG. 10A, the mechanical characteristic amounts Pk and Pg are weighted at the following ratios and used. In addition, about the ratio of both, it is an illustration and it is also possible to set it as another value.
About mass, Pk is used 90% and Pg is used 10%.
For the first moment, 30% Pk is used and 70% Pg is used.
As for the moment of inertia, Pk is used 50% and Pg is used 50%.

(2)周波数成分に応じた使い分け
計測値を使用して算出(ステップ11〜13)した力学的特性量Pkと、外乱オブザーバ23で推定(ステップ14〜16)した力学的特性量Pgには、評価可能な上限の周波数f1、f2がある。
すなわち、力学的特性量Pkには、固有振動数や応答性能といったハードとしての上限f1がある。
一方、外乱オブザーバ23による力学的特性量Pgには、推定速度(極)から決定される安定性(ロバスト性)に対する上限f2がある。
(2) Use properly according to frequency component The mechanical characteristic amount Pk calculated using the measured values (steps 11 to 13) and the mechanical characteristic amount Pg estimated by the disturbance observer 23 (steps 14 to 16) are: There are upper limit frequencies f1 and f2 that can be evaluated.
That is, the mechanical characteristic amount Pk has an upper limit f1 as hardware such as a natural frequency and response performance.
On the other hand, the mechanical characteristic amount Pg by the disturbance observer 23 has an upper limit f2 for stability (robustness) determined from the estimated speed (pole).

そこで、本実施形態では、両力学的特性量Pk、Pgの周波数成分に対して、上限f1、f2に基づいて、各周波数成分に基づく重み付けが、図10(b)に例示されるように、決められている。   Therefore, in the present embodiment, the weighting based on each frequency component based on the upper limits f1 and f2 is applied to the frequency components of the two mechanical characteristic amounts Pk and Pg, as illustrated in FIG. It has been decided.

(a)外乱オブザーバ23による力学的特性量Pgについては、周波数の上限f2よりも大きくなるに従って重みを小さくする。
(b)計測値に基づく力学的特性量Pkについては、周波数の上限f1よりも大きくなるに従って重みを小さくする。
(c)外乱オブザーバ23の信頼性が高い範囲(上限f2以下の周波数範囲)については、外乱オブザーバ23による力学的特性量Pgに対する重みを大きくし、計測値による力学的特性量Pkに対する重みは、徐々に小さくなるようにする。
(d)計測値による力学的特性量Pkだけを使用するf1以上の周波数に対しては1以下の重みとし、f1未満の周波数に対する両重みの合計は1とする。
(A) For the mechanical characteristic amount Pg by the disturbance observer 23, the weight is reduced as it becomes larger than the upper limit f2 of the frequency.
(B) For the mechanical characteristic amount Pk based on the measured value, the weight is reduced as it becomes larger than the upper limit f1 of the frequency.
(C) For a range in which the disturbance observer 23 is highly reliable (frequency range below the upper limit f2), the weight for the mechanical characteristic amount Pg by the disturbance observer 23 is increased, and the weight for the mechanical characteristic amount Pk by the measured value is Make it gradually smaller.
(D) A weight of 1 or less is used for a frequency of f1 or more using only the mechanical characteristic amount Pk based on the measured value, and the sum of both weights for a frequency of less than f1 is 1.

(3)走行状態に応じた使い分け
外乱オブザーバは加速度の変化、姿勢の変化が大きく、十分な観測時間が無いと、高精度で推定できない。
そこで、制御開始時(制御開始から所定時間T1までの間)や、穏やかな走行時(加速度の変化率及び姿勢角の変化率がα1%以下の場合)には、計測値による力学的特性量Pkを100%使用し、その値を外乱オブザーバの初期値として与える。
それ以外の場合については、上記(1)、又は(2)による。
(3) Use according to the driving state Disturbance observers have large changes in acceleration and change in posture, and cannot be estimated with high accuracy unless there is sufficient observation time.
Therefore, at the start of control (between the start of control and a predetermined time T1) or during gentle running (when the rate of change in acceleration and the rate of change in posture angle is α1% or less), the mechanical characteristic amount based on the measured value 100% of Pk is used, and its value is given as the initial value of the disturbance observer.
For other cases, it is according to (1) or (2) above.

(4)フェイルセーフとしての併用
本実施形態では、両力学的特性量Pk、Pgについて、一方の値を他方の値のフェイル判定指標として用いている。
すなわち、各周波数成分について、両者の値の差を評価し、差が大きい場合には、詳細な検討を行い、誤りである可能性が高い方をフェイルとみなすようにしている。
一方がフェイルと判定された場合、他方の特性量を重み1で使用する。
なお、このフェイルセーフ判定指標としてのPk、Pgの使用については、上記(1)〜(3)とは独立して常時使用され、判断されている。
(4) Combined use as fail-safe In this embodiment, one value is used as a fail determination index of the other value for both mechanical characteristic amounts Pk and Pg.
That is, for each frequency component, the difference between the two values is evaluated, and if the difference is large, a detailed study is performed, and the one that is more likely to be an error is regarded as a failure.
When one is determined to be failed, the other characteristic amount is used with a weight of 1.
In addition, about use of Pk and Pg as this fail safe determination parameter | index, it is always used and judged independently of said (1)-(3).

以上により、各周波数成分毎に採用する力学的特性量変動(Pfとする)が決まると(ステップ17)、力学的特性量推定制御システム22は、対応すべき力学的特性量変動Pfを、各対応機構(システム)へ適切に分配する(ステップ18)。
ここで、各対応機構(システム)は、図1の(c)、(d)で概要を説明した、制御パラメータ自体の修正(以下パラメータ変更システムという)と、ウェイトによる制御系特性量調整(以下ウェイト調整機構という)の各機構である。
As described above, when the dynamic characteristic quantity variation (Pf) to be adopted for each frequency component is determined (step 17), the mechanical characteristic quantity estimation control system 22 determines the corresponding mechanical characteristic quantity variation Pf to each of the frequency components. Appropriate distribution to the corresponding mechanism (system) (step 18).
Here, each corresponding mechanism (system) is a control parameter characteristic correction (hereinafter referred to as a parameter change system) and a control parameter characteristic adjustment (hereinafter referred to as a parameter change system) as outlined in FIGS. 1 (c) and 1 (d). Each mechanism).

対応すべき力学的特性量変動Pfの、パラメータ変更システムとウェイト調整機構への分配については、次のいずれかの方法による。
(1)周波数成分に応じた使い分け
すなわち、パラメータ変更システムにおいて、制御パラメータの再計算は時間がかかるので、比較的高い周波数域では、ウェイト調整機構を用いる。
パラメータ変更システムでは、計算時間、安定性(ロバスト性)から、上限周波数f4が存在し、ウェイト調整機構にはハード的限界から上限周波数f3が存在すると共に、姿勢制御系との連成をふせぐために姿勢制御系の基本周波数帯を回避する必要がある。
そこで、図11に示されるように、ステップ17で決定した力学的特性量変動Pfを、周波数成分に応じた重み付けにより、パラメータ変更システムとウェイト調整機構に分配する。
なお、本実施形態におけるシステムは力学的特性量の準定常的な変動(姿勢制御系の特性速度よりも遅い変動、例えば、数秒単位の動き)を対象としているため、図11に示されるように、高周波成分をカットすることで、かなり速い変動は無視する。
Distribution of the mechanical characteristic amount variation Pf to be dealt with to the parameter changing system and the weight adjusting mechanism is performed by any of the following methods.
(1) Use according to frequency component In other words, in the parameter changing system, since recalculation of the control parameter takes time, a weight adjusting mechanism is used in a relatively high frequency range.
In the parameter changing system, there is an upper limit frequency f4 due to calculation time and stability (robustness), and the weight adjustment mechanism has an upper limit frequency f3 due to hardware limitations, and to prevent coupling with the attitude control system. In addition, it is necessary to avoid the fundamental frequency band of the attitude control system.
Therefore, as shown in FIG. 11, the dynamic characteristic amount variation Pf determined in step 17 is distributed to the parameter changing system and the weight adjusting mechanism by weighting according to the frequency component.
Note that the system according to this embodiment is intended for quasi-stationary fluctuations in mechanical characteristic quantities (fluctuations slower than the characteristic speed of the attitude control system, for example, movements in units of several seconds), as shown in FIG. By cutting out high frequency components, fairly fast fluctuations are ignored.

(2)能力の限界に対する代用
一方、ウェイト調整機構には、質量を調整(増減)できないという定性的限界と、ウェイトの質量、可動ストロークが有限であるという定量的な限界がある。
そこで、ウェイト調整機構の限界を越える部分について、パラメータ変更システムによって対応、修正する。
(2) Substitution for capacity limit On the other hand, the weight adjustment mechanism has a qualitative limit that the mass cannot be adjusted (increase / decrease) and a quantitative limit that the mass of the weight and the movable stroke are finite.
Therefore, a part that exceeds the limit of the weight adjustment mechanism is handled and corrected by the parameter changing system.

(3)フェイルセーフとしての代用
例えば、パラメータ変更システムでは、制御パラメータ再計算の破綻、例えば、陰的な方程式を繰り返し計算法で解くときに、解が発散する可能性がある。
また、ウェイト調整機構のハード的な故障が発生する可能性もある。
そこで、本実施形態では、一方が故障したとき、それを他方で補うように使用する。
(3) Substitution as fail safe For example, in a parameter change system, there is a possibility that the solution may diverge when the control parameter recalculation is broken, for example, when an implicit equation is solved by an iterative calculation method.
In addition, a hardware failure of the weight adjustment mechanism may occur.
Therefore, in the present embodiment, when one side breaks down, it is used to make up for it with the other side.

配分する力学的特性量変動Pfが決まると、力学的特性量推定制御システム22は、パラメータ変更システムとウェイト調整機構による、姿勢制御系の制御系特性量修正を行う(ステップ19〜20、ステップ21〜23)。
図12は、パラメータ変更システムによる制御パラメータの修正について、概念的に表したものである。
この図12に示されるように、力学的特性量変動Pfの配分(質量、一次モーメント、慣性モーメント)の条件に適した制御パラメータに修正する。
When the dynamic characteristic amount variation Pf to be distributed is determined, the mechanical characteristic amount estimation control system 22 corrects the control system characteristic amount of the posture control system by the parameter change system and the weight adjustment mechanism (steps 19 to 20 and step 21). -23).
FIG. 12 conceptually shows the correction of the control parameter by the parameter changing system.
As shown in FIG. 12, the control parameters are corrected to be suitable for the conditions of distribution (mass, first moment, moment of inertia) of the dynamic characteristic amount variation Pf.

この制御対象モデルは、数式10で表され、これを扱い易いようにシステムの状態方程式の形で表すと数式11で表現される。
数式10における、xs(→)、u(→)、Ms、Cs、Ksについては、上記数式3の通りである。
なお、数式10では、外乱を推定する外乱オブザーバのモデル(数式2)と異なり、Pdd(→)の項は存在せず、また、数式11においても、システムの状態方程式(数式5)と異なり、Dd(→)の項は存在しない。
This controlled object model is expressed by Expression 10, and is expressed by Expression 11 when expressed in the form of a state equation of the system so that it can be easily handled.
In Equation 10, x s (→), u (→), M s , C s , and K s are as in Equation 3 above.
In Equation 10, unlike the disturbance observer model (Equation 2) for estimating the disturbance, the term P d d (→) does not exist. Also in Equation 11, the system state equation (Equation 5) In contrast, there is no Dd (→) term.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

Figure 0005013244
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力学的特性量推定制御システム22は、上記数式10又は数式11に従って、分配された力学的特性量変動Pfに対して最適な制御パラメータ(フィードバックゲインG)を再計算し(ステップ19)、得られた制御パラメータを制御システムに導入する(ステップ20)。
ここで、分配された力学的特性量変動Pfに対する制御パラメータの算出方法として、特性最適化パラメータ計算と、特性不変パラメータ計算の2つがある。
The dynamic characteristic quantity estimation control system 22 recalculates the optimal control parameter (feedback gain G) for the distributed dynamic characteristic quantity fluctuation Pf according to the above formula 10 or formula 11 (step 19). The control parameters are introduced into the control system (step 20).
Here, there are two control parameter calculation methods for the distributed dynamic characteristic amount fluctuation Pf: characteristic optimization parameter calculation and characteristic invariant parameter calculation.

特性最適化パラメータ計算では、例えば最適レギュレータ等を使用することでフィードバックゲインGを一から計算し直すことで、条件(分配された力学的パラメータ量Pf)に最適なゲインGを得る。
一方、特性不変パラメータ計算では、設計時の制御系特性をできるだけ変えないようなゲインGを計算する。
In the characteristic optimization parameter calculation, the optimum gain G for the condition (distributed mechanical parameter amount Pf) is obtained by recalculating the feedback gain G from scratch by using an optimal regulator, for example.
On the other hand, in the characteristic invariant parameter calculation, a gain G that does not change the control system characteristic at the time of design as much as possible is calculated.

特性最適化パラメータ計算では、条件に最適なゲインが得られるが、計算に時間がかかるというデメリットがある。
これに対して特性不変パラメータ計算では、最適値ではないが、ある程度妥当なゲインを短時間で算出できるというメリット、また制御系設計時の詳細な調整を生かすことができるというメリットがある。
本実施形態では、2つの制御パラメータ計算方法(設定システム)を次のように使い分けている。
すなわち、最初は特性不変パラメータ計算で仮設定を行い、特性最適化パラメータ計算による最適値が算出された後に、最適値である制御パラメータに最終変更する。
なお、ゲインを急に変更することにより、姿勢制御が不安定になることを防止するために、各パラメータについて線形に遷移させることで、ゲインの変更を滑らかに行なう。
In the characteristic optimization parameter calculation, an optimum gain can be obtained for the conditions, but there is a demerit that the calculation takes time.
On the other hand, the characteristic invariant parameter calculation has an advantage that a reasonable gain can be calculated in a short time, although it is not an optimum value, and a detailed adjustment at the time of designing a control system can be utilized.
In the present embodiment, two control parameter calculation methods (setting systems) are properly used as follows.
That is, first, provisional setting is performed by characteristic invariant parameter calculation, and after the optimal value is calculated by characteristic optimization parameter calculation, the control parameter is finally changed to the optimal value.
In order to prevent the posture control from becoming unstable by changing the gain abruptly, the gain is changed smoothly by linearly changing each parameter.

ここで、制御パラメータの設定における、特性不変パラメータ計算について説明する。
状態フィードバックによる姿勢制御系において、制御パラメータを修正する前のモデル(ノミナルモデル)は数式12で表され、この特性方程式は数式13で表される。
Here, the characteristic invariant parameter calculation in the control parameter setting will be described.
In the attitude control system based on state feedback, a model (nominal model) before the control parameter is corrected is expressed by Expression 12, and this characteristic equation is expressed by Expression 13.

Figure 0005013244
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Figure 0005013244
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そして、修正前のノミナルモデルに対して、数式14で表される実際の制御対象の力学的特性を考慮した場合、その推定モデルは数式15で表される。そして、この場合の特性方程式は数式16で表される。
なお、数式14の制御対象特性において、Ms、Ksには上述した数式3で示されるように、分配された力学的特性量変動(質量、一次モーメント、慣性モーメント)を含んでいる。
Then, when the actual characteristic of the control target expressed by Expression 14 is considered with respect to the nominal model before correction, the estimated model is expressed by Expression 15. In this case, the characteristic equation is expressed by Equation 16.
In the control target characteristics of Expression 14, M s and K s include distributed mechanical characteristic amount fluctuations (mass, first moment, inertia moment) as shown in Expression 3 described above.

Figure 0005013244
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Figure 0005013244
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Figure 0005013244
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力学的特性量推定制御システム22では、閉ループ系の極配置(フィードバック制御系の基本特性)ができるだけ変わらないようにフィードバックゲインGを修正する。
そして、制御パラメータ(ゲイン)の変更前後で、閉ループ系の特性方程式(数式13と数式16)が同じになる条件は、数式17で表される。
In the mechanical characteristic estimation control system 22, the feedback gain G is corrected so that the pole arrangement of the closed loop system (basic characteristics of the feedback control system) does not change as much as possible.
The condition that the closed loop system characteristic equations (Formula 13 and Formula 16) are the same before and after the change of the control parameter (gain) is expressed by Formula 17.

Figure 0005013244
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力学的特性量推定制御システム22は、数式17の2式から、ゲイン修正量ΔGK、ΔGCを求める。
ここで、行列Puが正則であれば、正確な計算が可能であり、極配置を全く変えないようにゲインを変更することができる。一方、Puが正則でなければ、上式を完全に満足するようなゲインは無いので、最小二乗法などで、近似的にゲインを求める。
一般に、一輪車、二輪車の姿勢制御ではPuは正則でないので、本実施形態の力学的特性量推定制御システム22では、近似的にゲイン修正量(ΔGk,ΔGc)を求める。
なお、算出したゲイン修正量(ΔGk,ΔGc)でフィードバックゲインGを修正した後に、その閉ループ系の安定性を確認計算する必要があり、不安定になる場合には、修正は行わずに修正前の値のまま姿勢制御を継続する。
The mechanical characteristic amount estimation control system 22 obtains gain correction amounts ΔG K and ΔG C from the two equations (17).
Here, if the matrix P u is regular, accurate calculation is possible, and the gain can be changed so as not to change the pole arrangement at all. On the other hand, if the P u is regular, the gain is not such as to satisfy the above equation completely, with a least square method, approximately obtaining the gain.
In general, Pu is not regular in the attitude control of a unicycle or a motorcycle, and therefore the gain correction amount (ΔG k , ΔG c ) is approximately obtained in the mechanical characteristic amount estimation control system 22 of the present embodiment.
In addition, after correcting the feedback gain G with the calculated gain correction amount (ΔG k , ΔG c ), it is necessary to confirm and calculate the stability of the closed-loop system. Attitude control is continued with the value before correction.

次に、ウェイト調整機構による、姿勢制御系の制御系特性量の修正について説明する。
力学的特性量推定制御システム22は、分配された力学的特性量に基づく値とノミナル値(制御想定値)との差異を最小とするようなウェイト134(図5参照)の配置を計算し(ステップ21)、計算した位置をウェイトの目標位置に設定する(ステップ22)。
そして、力学的特性量推定制御システム22は、ウェイト駆動アクチュエータ62に目標位置へウェイトを動かすための指令値を出力する。これによりウェイト駆動アクチュエータ62により、車体に取り付けたウェイト134が目標位置に移動され、力学的特性量の値がノミナル値に近づく(ステップ23)ことになる。
Next, correction of the control system characteristic amount of the attitude control system by the weight adjustment mechanism will be described.
The mechanical characteristic quantity estimation control system 22 calculates the arrangement of weights 134 (see FIG. 5) that minimizes the difference between the value based on the distributed mechanical characteristic quantity and the nominal value (control assumed value) ( Step 21) The calculated position is set as a weight target position (Step 22).
Then, the mechanical property quantity estimation control system 22 outputs a command value for moving the weight to the target position to the weight drive actuator 62. As a result, the weight drive actuator 62 moves the weight 134 attached to the vehicle body to the target position, and the value of the mechanical characteristic amount approaches the nominal value (step 23).

具体的には、ノミナル値(制御想定値)に対する実際の力学的特性量のズレを、一次モーメントΔ(m11)、慣性(2次)モーメントΔ(I1+m11 2)(車軸基準)で表すと、このズレを相殺するために、次の数式18に従って、ウェイトmb (k)を上下方向にΔhb (k)だけ動かす。
ここで、数式18は、それぞれ独立して上下動可能なN個のウェイトが配置される場合を想定した式であり、(k)はN個の中のk番目のウェイトを指し、lb (k)は車軸からウェイト基準位置までの距離を表す。
Specifically, the deviation of the actual mechanical characteristic amount from the nominal value (control assumed value) is expressed as follows: primary moment Δ (m 1 l 1 ), inertia (secondary) moment Δ (I 1 + m 1 l 1 2 ) ( In order to cancel this deviation, the weight m b (k) is moved in the vertical direction by Δh b (k) in order to cancel this deviation.
Here, Expression 18 is an expression assuming that N weights that can move up and down independently are arranged, (k) indicates the kth weight among N, and l b ( k) represents the distance from the axle to the weight reference position.

Figure 0005013244
Figure 0005013244

上記数式18から決定された、目標位置へのサーボ制御を各ウェイトに対して行なう(ただし、既存の姿勢制御システムの特性速度よりも遅く動かす)。
この場合、ウェイト134を2つ使えば、両パラメータ(一次モーメントと慣性モーメント)の適合が可能になる。
また、ウエイト134を更に増やすことで、ウェイトの移動距離やエネルギー消費の低減が可能になる。
例えば、ウェイト134が1つの場合、数式18(a)又は(b)より、一次モーメント又は慣性モーメントの一方を調整する。この場合、直接的な調整は一方だけであるが、一般的には一次モーメントと慣性モーメントとの一方を調整することで他方もそれに伴って良い方向に変化する。
Servo control to the target position determined from Equation 18 is performed for each weight (however, it is moved slower than the characteristic speed of the existing attitude control system).
In this case, if two weights 134 are used, both parameters (primary moment and moment of inertia) can be matched.
Further, by further increasing the weight 134, it is possible to reduce the weight moving distance and energy consumption.
For example, when there is one weight 134, one of the first moment and the moment of inertia is adjusted from Equation 18 (a) or (b). In this case, there is only one direct adjustment, but in general, by adjusting one of the primary moment and the moment of inertia, the other also changes in a good direction accordingly.

また、ウェイト134が2つの場合、数式18(a)及び(b)より、一次モーメントと慣性モーメントの両者を調整する。
さらに、ウェイト134が3つ以上である場合、両パラメータ調整に加えて、ウェイト134の移動距離最小制御や消費エネルギー最小制御が可能になる。
When there are two weights 134, both the primary moment and the moment of inertia are adjusted according to the mathematical expressions 18 (a) and (b).
Furthermore, when there are three or more weights 134, in addition to adjusting both parameters, it is possible to perform minimum movement distance control and minimum energy consumption control of the weight 134.

なお、図5(b)に示したように、ウェイト134の移動に加えて、又はウェイト134に変えて、シートの高さを変えることでも制御可能である。   As shown in FIG. 5B, the control can be performed by changing the height of the sheet in addition to the movement of the weight 134 or in place of the weight 134.

説明した実施形態では、1軸の二輪車における前後方向の姿勢制御を例に説明したが、本発明では、一輪車の姿勢制御、一輪車、二輪車の左右の姿勢制御に対しても、本実施形態における力学的特性量推定及び制御系特性量修正の方法を適用することも可能である。   In the embodiment described above, the attitude control in the front-rear direction in the single-shaft motorcycle has been described as an example. It is also possible to apply the method of estimating the characteristic quantity and correcting the characteristic quantity of the control system.

制御系特性量を実際の車両状態にあわせた最適値に修正する制御系特性量修正処理の概要を表した説明図である。It is explanatory drawing showing the outline | summary of the control system characteristic quantity correction process which corrects a control system characteristic quantity to the optimal value according to the actual vehicle state. 本実施形態における車両の外観構成図である。It is an external appearance block diagram of the vehicle in this embodiment. 制御ユニット16の構成図である。2 is a configuration diagram of a control unit 16. FIG. 荷重計と座高計の配置説明図である。It is arrangement | positioning explanatory drawing of a load meter and a sitting height meter. 背もたれ部に配置されたウェイトの説明図である。It is explanatory drawing of the weight arrange | positioned at the backrest part. 制御系特性量修正処理の内容を表したフローチャートである。It is a flowchart showing the contents of control system characteristic amount correction processing. 力学的特性量を推定する流れの概要説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the flow which estimates a mechanical characteristic quantity. 外乱オブザーバによる外乱推定の方法を概念的に表した説明図である。It is explanatory drawing which represented notionally the method of the disturbance estimation by a disturbance observer. 車両の姿勢制御系の力学モデルを表した説明図である。It is explanatory drawing showing the dynamic model of the attitude control system of a vehicle. 力学的特性量変動Pk、Pgの使い分けの一例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed an example of proper use of the mechanical characteristic amount fluctuation | variation Pk and Pg. 決定した力学的特性量変動Pfの分配についての説明図である。It is explanatory drawing about distribution of the determined dynamic characteristic amount fluctuation | variation Pf. パラメータ変更システムにより制御パラメータの修正について、概念的に表した説明図である。It is explanatory drawing which represented conceptually about correction of the control parameter by the parameter change system.

符号の説明Explanation of symbols

11 駆動輪
12 駆動モータ
13 搭乗部
131 座面部
14 支持部材
16 制御ユニット
20 制御ECU
21 車体基本制御システム
22 力学的特性量推定制御システム
23 外乱オブザーバ
30 操縦装置
40 走行、姿勢制御用センサ
41 走行速度計
42 車体傾斜角度計
50 力学的特性量推定用センサ
51 荷重計
52 座高計
60 アクチュエータ
61 タイヤ回転アクチュエータ
62 ウェイト駆動アクチュエータ
134 ウェイト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Drive wheel 12 Drive motor 13 Riding part 131 Seat surface part 14 Support member 16 Control unit 20 Control ECU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Vehicle body basic control system 22 Mechanical characteristic amount estimation control system 23 Disturbance observer 30 Steering device 40 Traveling and attitude control sensor 41 Traveling speed meter 42 Vehicle body tilt angle meter 50 Mechanical characteristic amount estimation sensor 51 Load meter 52 Seat height meter 60 Actuator 61 Tire rotation actuator 62 Weight drive actuator 134 Weight

Claims (7)

車体の姿勢制御を行う車両に搭載された重量体の力学的特性量を推定する特性量推定装置であって、
荷物や乗員などの重量体を乗せる搭乗部と、
前記搭乗部に配置された荷重センサと、
前記重量体の高さを測定する高さセンサと、
前記荷重センサ及び前記高さセンサの測定値から、前記重量体の力学的特性量を推定する推定手段と、
を具備したことを特徴とする特性量推定装置。
A characteristic amount estimation device for estimating a mechanical characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle that performs posture control of a vehicle body,
A boarding section for carrying heavy objects such as luggage and crew,
A load sensor disposed in the riding section;
A height sensor for measuring the height of the weight body;
Estimating means for estimating the mechanical characteristic amount of the weight body from the measurement values of the load sensor and the height sensor;
A characteristic quantity estimation apparatus comprising:
車体の姿勢制御を行う車両に搭載された重量体の力学的特性量を推定する特性量推定装置であって、
荷物や乗員などの重量体を乗せる搭乗部と、
前記搭乗部に配置された荷重センサと、
前記重量体の高さを測定する高さセンサと、
前記荷重センサ及び前記高さセンサの測定値から、力学的特性量を推定する直接推定手段と、
力学的特性量を外乱オブザーバにより推定する間接推定手段と、
前記直接推定手段及び前記間接推定手段による推定値に基づいて、力学的特性量を推定する推定手段と、
を具備したことを特徴とする特性量推定装置。
A characteristic amount estimation device for estimating a mechanical characteristic amount of a weight body mounted on a vehicle that performs posture control of a vehicle body,
A boarding section for carrying heavy objects such as luggage and crew,
A load sensor disposed in the riding section;
A height sensor for measuring the height of the weight body;
Direct estimation means for estimating a mechanical characteristic amount from measured values of the load sensor and the height sensor;
An indirect estimation means for estimating a mechanical characteristic amount by a disturbance observer;
An estimation means for estimating a mechanical characteristic amount based on the estimated values by the direct estimation means and the indirect estimation means;
A characteristic quantity estimation apparatus comprising:
前記直接推定手段及び前記間接推定手段で推定した両推定値を用いて、推定値の誤り判定を行う誤り判定手段を備え、
前記推定手段は、一方の推定値が誤りと判定された場合に、他方の推定値を力学的特性量として推定する、
ことを特徴とする請求項に記載の特性量推定装置。
Using both estimated values estimated by the direct estimation means and the indirect estimation means, comprising error determination means for performing error determination of an estimated value;
The estimation means estimates the other estimated value as a mechanical characteristic amount when one estimated value is determined to be an error;
The characteristic quantity estimation apparatus according to claim 2 , wherein:
前記推定手段は、前記直接推定手段及び間接推定手段による推定値の周波数成分に基づいて、力学的特性量を推定する、
ことを特徴とする請求項又は請求項に記載の特性量推定装置。
The estimation means estimates a mechanical characteristic amount based on a frequency component of an estimated value by the direct estimation means and the indirect estimation means;
The characteristic quantity estimation apparatus according to claim 2 or claim 3 , wherein
前記推定手段は、力学的特性量として、前記重量体の質量、前記重量体の重心の高さ、及び前記重量体の慣性モーメントを推定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項のうちのいずれか1の請求項に記載の特性量推定装置。
The estimation means estimates the mass of the weight body, the height of the center of gravity of the weight body, and the moment of inertia of the weight body as mechanical characteristic amounts.
The characteristic amount estimation apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the characteristic amount estimation apparatus is characterized in that:
加速度センサと、
傾斜角センサと、を備え、
前記推定手段又は前記直接推定手段は、前記荷重センサ、前記高さセンサの測定値、及び前記加速度センサと前記傾斜角センサの検出値から前記重量体の力学的特性量を推定する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項に記載の特性量推定装置。
An acceleration sensor;
An inclination angle sensor,
The estimation unit or the direct estimation unit estimates a mechanical characteristic amount of the weight body from the load sensor, the measurement value of the height sensor, and the detection value of the acceleration sensor and the inclination angle sensor.
The characteristic amount estimation apparatus according to claim 1 or 2 , characterized in that
請求項1から請求項のうちのいずれか1の請求項に記載の特性量推定装置と、
前記特性量推定装置で推定した、力学的特性量を使用して前記車両に搭載された重量体の種別を判定する種別判定手段と、
を具備したことを特徴とする搭載物判定装置。
A characteristic quantity estimating apparatus according to any one of claims of claims 1 to 6,
A type determination means for determining a type of a weight body mounted on the vehicle using a mechanical characteristic amount estimated by the characteristic amount estimation device;
A mounted object determination apparatus comprising:
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