JP5240365B2 - Moving direction control device and computer program - Google Patents

Moving direction control device and computer program Download PDF

Info

Publication number
JP5240365B2
JP5240365B2 JP2011529845A JP2011529845A JP5240365B2 JP 5240365 B2 JP5240365 B2 JP 5240365B2 JP 2011529845 A JP2011529845 A JP 2011529845A JP 2011529845 A JP2011529845 A JP 2011529845A JP 5240365 B2 JP5240365 B2 JP 5240365B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
torque
yaw
friction torque
angle
yaw direction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2011529845A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2011027615A1 (en
Inventor
滋 辻
茂樹 福永
光弘 名村
康治 河合
賢一 白土
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2011529845A priority Critical patent/JP5240365B2/en
Publication of JPWO2011027615A1 publication Critical patent/JPWO2011027615A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5240365B2 publication Critical patent/JP5240365B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62KCYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K11/00Motorcycles, engine-assisted cycles or motor scooters with one or two wheels
    • B62K11/007Automatic balancing machines with single main ground engaging wheel or coaxial wheels supporting a rider
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62KCYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K1/00Unicycles
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0891Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles

Description

本発明は、一輪車であってもヨー方向へ自在に方向転換することができる移動方向制御装置及びコンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a moving direction control device and a computer program that can freely change the direction in the yaw direction even in a unicycle.

一輪車を移動させる場合、本体が略前後方向を軸とする回転方向(以下、ロール方向)及び略左右方向を軸とする回転方向(以下、ピッチ方向)に揺動することから、ロール方向及びピッチ方向の釣合いを制御することにより、本体が転倒することなく移動又は停止するよう動作を制御する必要がある。ロール方向及びピッチ方向の釣合いを制御するためには本体の傾きを正しく検出する必要があり、例えば角速度センサを用いて角速度を検出し、検出した角速度を積分することによって傾きを推定する方法等が採用されている(特許文献1参照)。   When the unicycle is moved, the main body swings in a rotation direction (hereinafter referred to as roll direction) whose axis is approximately the front-rear direction and in a rotation direction (hereinafter referred to as pitch direction) whose axis is approximately the left-right direction. By controlling the balance of directions, it is necessary to control the operation so that the main body moves or stops without falling down. In order to control the balance in the roll direction and the pitch direction, it is necessary to correctly detect the inclination of the main body. For example, there is a method of estimating the inclination by detecting the angular velocity using an angular velocity sensor and integrating the detected angular velocity. It is adopted (see Patent Document 1).

また、一輪車の場合、二輪車のように前輪の角度を変更することで容易に方向転換することができず、例えば本体をロール方向及びピッチ方向に揺動させることにより、略鉛直方向を軸とする回転方向(以下、ヨー方向)に回転させて、方向転換することが多い。すなわち、非特許文献1に開示しているように、ロール方向及びピッチ方向に正弦波入力を付与し、両正弦波入力の位相を変動させることによりヨー角変化量を変動させ、所望の方向へ方向転換するように車輪のヨー角をフィードバック制御する。   Further, in the case of a unicycle, the direction cannot be easily changed by changing the angle of the front wheels as in a two-wheel vehicle. For example, by swinging the main body in the roll direction and the pitch direction, the substantially vertical direction is used as an axis. The direction is often changed by rotating in the rotation direction (hereinafter referred to as the yaw direction). That is, as disclosed in Non-Patent Document 1, a sine wave input is applied in the roll direction and the pitch direction, and the phase of both sine wave inputs is varied to vary the yaw angle change amount in a desired direction. The wheel yaw angle is feedback controlled to change direction.

国際公開2007/063665号International Publication No. 2007/063665

笠井崇史著、「一輪車の姿勢制御」、筑波大学大学院博士課程システム情報工学研究科修士論文、2005年1月、p.1−37Takashi Kasai, "Attitude control of a unicycle", Master's thesis, Graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, January 2005, p. 1-37

しかし、非特許文献1に開示されている一輪車では、加速度センサによって重力方向(鉛直方向)に対する傾きを検出して釣合い状態に補正しているが、本体部分の傾斜による慣性ロータ回転軸の傾斜、慣性ロータ取り付け位置と本体のロール中心及び/又はピッチ中心とのズレ等により、釣合い状態に正しく補正することができない場合も生じるという問題点があった。   However, in the unicycle disclosed in Non-Patent Document 1, the inclination with respect to the direction of gravity (vertical direction) is detected by the acceleration sensor and corrected to the balanced state. There is a problem that the balance state may not be correctly corrected due to a deviation between the inertia rotor mounting position and the roll center and / or pitch center of the main body.

また、二輪車の場合には、本体の前部に設けてある操舵することが可能な前輪を操舵するアクチュエータの動作を制御することで方向転換することができる。しかし、一輪車では、操舵輪と駆動輪とが一致しており、慣性ロータを別途設けること等によりヨー方向のトルクを発生させなければ、方向転換することが困難であるという問題点があった。   Further, in the case of a two-wheeled vehicle, the direction can be changed by controlling the operation of an actuator that steers a front wheel that can be steered provided at the front of the main body. However, in the unicycle, the steering wheel and the drive wheel coincide with each other, and there is a problem that it is difficult to change the direction unless torque in the yaw direction is generated by separately providing an inertia rotor.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ヨー方向のトルクを発生させる慣性ロータを別途設けることなく、本体のピッチ方向の傾斜によって発生するトルクにより一輪車の移動方向を精度良く制御することができる移動方向制御装置及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and accurately controls the direction of movement of a unicycle by the torque generated by the inclination of the pitch direction of the main body without separately providing an inertia rotor for generating torque in the yaw direction. It is an object of the present invention to provide a moving direction control device and a computer program.

上記目的を達成するために第1発明に係る移動方向制御装置は、前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、該本体に、本体の略前後方向を回転中心軸とした慣性ロータと、該慣性ロータを回転させるモータとを備え、ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生じる、前記慣性ロータの回転によるヨー方向のトルクにより前記本体のヨー方向の回転角を制御することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a moving direction control device according to a first aspect of the present invention includes a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and is connected to a rotating shaft of the wheel and swings in a pitch direction and a roll direction above the wheel. A main body that moves. The main body includes an inertia rotor having a rotation center axis in a substantially longitudinal direction of the main body, and a motor that rotates the inertia rotor. The main body has a pitch angle that is a predetermined inclination angle in the pitch direction. The rotation angle of the main body in the yaw direction is controlled by the torque in the yaw direction generated by the rotation of the inertia rotor.

また、第2発明に係る移動方向制御装置は、第1発明において、移動方向の目標とする前記車輪のヨー角の指定を受け付けるヨー角指定受付部と、摩擦トルクの大きさ及び方向を含む摩擦トルクに関する情報を取得する摩擦トルク情報取得部と、指定を受け付けたヨー角に基づいて、ヨー方向の回転角加速度を算出するヨー方向角加速度算出部と、算出したヨー方向の回転角加速度に基づいて、ヨー方向のトルクを算出するヨー方向トルク算出部と、算出したヨー方向のトルクと取得した摩擦トルクに関する情報とに基づいて、ヨー方向の必要トルクを算出するヨー方向必要トルク算出部と、算出したヨー方向の必要トルクを生じさせる前記モータの回転指令を、前記ピッチ角に応じて生成するモータ回転指令生成部とを備えることを特徴とする。   The movement direction control device according to a second aspect of the present invention is the first aspect of the present invention, wherein the first aspect includes a yaw angle designation receiving unit that receives designation of the yaw angle of the wheel that is the target of the movement direction, and friction that includes the magnitude and direction of the friction torque. Friction torque information acquisition unit for acquiring information on torque, yaw direction angular acceleration calculation unit for calculating rotational angular acceleration in the yaw direction based on the specified yaw angle, and based on the calculated rotational angular acceleration in the yaw direction A yaw direction torque calculation unit that calculates a torque in the yaw direction, a yaw direction required torque calculation unit that calculates a necessary torque in the yaw direction based on the calculated yaw direction torque and information on the acquired friction torque, A motor rotation command generation unit that generates a rotation command for the motor that generates the necessary torque in the calculated yaw direction according to the pitch angle; That.

また、第3発明に係る移動方向制御装置は、第2発明において、前記摩擦トルク情報取得部は、摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付ける摩擦トルク受付部を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the moving direction control device according to the second aspect, wherein the friction torque information acquiring unit includes a friction torque receiving unit that receives designation of the magnitude and direction of the friction torque.

また、第4発明に係る移動方向制御装置は、第2発明において、前記摩擦トルク情報取得部は、前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出部と、ヨー方向の回転角が変動を開始する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する変動トルク検出部と、検出したヨー方向のトルクに基づいて、静摩擦トルクを算出する静摩擦トルク算出部とを備え、算出した静摩擦トルクを前記摩擦トルクとして取得するようにしてあることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, the friction torque information acquisition unit includes a yaw rotation angle detection unit that detects a rotation angle of the wheel in the yaw direction, and a rotation angle in the yaw direction. A fluctuation torque detector that detects a torque in the yaw direction at a time when the fluctuation starts, and a static friction torque calculator that calculates a static friction torque based on the detected torque in the yaw direction, the calculated static friction torque being the friction torque It is characterized by being acquired as.

また、第5発明に係る移動方向制御装置は、第2発明において、前記摩擦トルク情報取得部は、前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出部と、ヨー方向の回転角が収束する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する収束トルク検出部と、検出したヨー方向のトルクに基づいて、動摩擦トルクを算出する動摩擦トルク算出部とを備え、算出した動摩擦トルクを前記摩擦トルクとして取得するようにしてあることを特徴とする。   In the movement direction control device according to a fifth aspect based on the second aspect, the friction torque information acquisition unit includes a yaw rotation angle detection unit that detects a rotation angle of the wheel in the yaw direction, and a rotation angle in the yaw direction. A convergence torque detection unit that detects torque in the yaw direction at the time of convergence and a dynamic friction torque calculation unit that calculates dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction, and obtains the calculated dynamic friction torque as the friction torque It is made to do so.

次に、上記目的を達成するために第6発明に係るコンピュータプログラムは、前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、該本体に、本体の略前後方向を回転中心軸とした慣性ロータと、該慣性ロータを回転させるモータとを備えた移動方向制御装置に搭載してあり、ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生じる、前記慣性ロータの回転によるヨー方向のトルクにより前記本体のヨー方向の回転角を制御するコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、移動方向の目標とする前記車輪のヨー角の指定を受け付けるヨー角指定受付手段、摩擦トルクの大きさ及び方向を含む摩擦トルクに関する情報を取得する摩擦トルク情報取得手段、指定を受け付けたヨー角に基づいて、ヨー方向の回転角加速度を算出するヨー方向角加速度算出手段、算出したヨー方向の回転角加速度に基づいて、ヨー方向のトルクを算出するヨー方向トルク算出手段、算出したヨー方向のトルクと取得した摩擦トルクに関する情報とに基づいて、ヨー方向の必要トルクを算出するヨー方向必要トルク算出手段、及び算出したヨー方向の必要トルクを生じさせる前記モータの回転指令を、前記ピッチ角に応じて生成するモータ回転指令生成手段として機能させることを特徴とする。   Next, in order to achieve the above object, a computer program according to a sixth aspect of the present invention includes a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and is connected to the rotation shaft of the wheel in the pitch direction and the roll direction above the wheel. It is composed of a swinging main body, and is mounted on a moving direction control device including an inertia rotor having a rotation center axis in a substantially front-rear direction of the main body and a motor for rotating the inertia rotor. A computer program that can be executed by a computer that controls the rotation angle of the main body in the yaw direction by the torque in the yaw direction caused by the rotation of the inertia rotor, which is generated according to a pitch angle that is a predetermined inclination angle of the direction. , A yaw angle designation accepting means for accepting designation of the yaw angle of the wheel as a target of the moving direction, a friction torque including the magnitude and direction of the friction torque Friction torque information acquisition means for acquiring information on, yaw direction angular acceleration calculation means for calculating rotational angular acceleration in the yaw direction based on the specified yaw angle, yaw based on the calculated rotational angular acceleration in the yaw direction Yaw direction torque calculating means for calculating the torque in the direction, yaw direction required torque calculating means for calculating the required torque in the yaw direction based on the calculated torque in the yaw direction and the acquired friction torque, and the calculated yaw direction The motor rotation command generating means for generating the motor rotation command for generating the required torque is generated according to the pitch angle.

また、第7発明に係るコンピュータプログラムは、第6発明において、前記摩擦トルク情報取得手段を、摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付ける摩擦トルク受付手段として機能させることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the computer program causes the friction torque information acquiring unit to function as a friction torque receiving unit that receives designation of the magnitude and direction of the friction torque.

また、第8発明に係るコンピュータプログラムは、第6発明において、前記摩擦トルク情報取得手段を、前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出手段、ヨー方向の回転角が変動を開始する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する変動トルク検出手段、及び検出したヨー方向のトルクに基づく静摩擦トルクを、前記摩擦トルクとして算出する静摩擦トルク算出手段として機能させることを特徴とする。   The computer program according to an eighth aspect of the present invention is the computer program according to the sixth aspect, wherein the friction torque information acquisition means is a yaw rotation angle detection means for detecting a rotation angle of the wheel in the yaw direction, and the rotation angle in the yaw direction starts to fluctuate. Fluctuating torque detection means for detecting the torque in the yaw direction at the time to be performed, and static friction torque calculation means for calculating the static friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque.

また、第9発明に係るコンピュータプログラムは、第6発明において、前記摩擦トルク情報取得手段を、前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出手段、ヨー方向の回転角が収束する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する収束トルク検出手段、及び検出したヨー方向のトルクに基づく動摩擦トルクを、前記摩擦トルクとして算出する動摩擦トルク算出手段として機能させることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the sixth aspect, the friction torque information acquisition means includes a yaw rotation angle detection means for detecting a rotation angle in the yaw direction of the wheel, and a time at which the rotation angle in the yaw direction converges. A convergence torque detecting means for detecting the torque in the yaw direction and a dynamic friction torque calculating means for calculating the dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque.

第1発明では、前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成してある。本体に、本体の略前後方向を回転中心軸とした慣性ロータと、該慣性ロータを回転させるモータとを備えている。ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生じる、慣性ロータの回転によるヨー方向のトルクにより本体のヨー方向の回転角を制御する。これにより、ピッチ方向に傾斜していない場合にはロール方向の傾斜角制御にしか用いることができない慣性ロータを、ピッチ方向に傾斜させることによりヨー方向のトルクを発生させることができ、別個にヨー方向制御用の慣性ロータを設けることなく方向転換することが可能となる。   In the first aspect of the present invention, the vehicle is constituted by a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and a main body that is connected to the rotation shaft of the wheel and swings in the pitch direction and the roll direction above the wheel. The main body includes an inertia rotor having a rotation center axis in a substantially front-rear direction of the main body and a motor for rotating the inertia rotor. The rotation angle in the yaw direction of the main body is controlled by the torque in the yaw direction caused by the rotation of the inertia rotor, which occurs according to the pitch angle that is a predetermined inclination angle in the pitch direction. As a result, the inertial rotor, which can only be used for controlling the tilt angle in the roll direction when not tilted in the pitch direction, can generate torque in the yaw direction by tilting in the pitch direction. The direction can be changed without providing an inertial rotor for controlling the direction.

第2発明及び第6発明では、移動方向の目標とする車輪のヨー角の指定を受け付ける。摩擦トルクの大きさ及び方向を含む摩擦トルクに関する情報を取得しておき、指定を受け付けたヨー角に基づいて、ヨー方向の回転角加速度を算出する。算出したヨー方向の回転角加速度に基づいて、ヨー方向のトルクを算出し、算出したヨー方向のトルクと取得した摩擦トルクに関する情報とに基づいて、ヨー方向の必要トルクを算出する。算出したヨー方向の必要トルクを生じさせるモータの回転指令を、ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生成することにより、指定を受け付けたヨー角だけ回転させるために必要な慣性ロータの回転数を、ピッチ角に応じて変動させることができ、確実に所望の方向へ方向転換することが可能となる。   In the second and sixth inventions, the designation of the yaw angle of the target wheel in the moving direction is accepted. Information on the friction torque including the magnitude and direction of the friction torque is acquired, and the rotational angular acceleration in the yaw direction is calculated based on the yaw angle that has been designated. Based on the calculated rotational angular acceleration in the yaw direction, the yaw direction torque is calculated, and the necessary torque in the yaw direction is calculated based on the calculated yaw direction torque and the acquired information on the friction torque. Inertia rotor required to rotate the specified yaw angle by generating a motor rotation command that generates the necessary torque in the yaw direction according to the pitch angle that is a predetermined tilt angle in the pitch direction The number of rotations can be varied according to the pitch angle, and the direction can be reliably changed to a desired direction.

第3発明及び第7発明では、摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付けることにより、車輪と路面との接触による摩擦トルクを考慮に入れて慣性ロータの回転数及び回転方向をより精度良く算出することが可能となる。   In the third and seventh aspects of the invention, by accepting designation of the magnitude and direction of the friction torque, the number of rotations and the direction of rotation of the inertia rotor can be calculated with higher accuracy in consideration of the friction torque caused by the contact between the wheels and the road surface. It becomes possible to do.

第4発明及び第8発明では、車輪のヨー方向の回転角を検出し、ヨー方向の回転角が変動を開始する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する。検出したヨー方向のトルクに基づいて、静摩擦トルクを算出し、算出した静摩擦トルクを摩擦トルクとして取得する。これにより、方向転換の開始時に比較的大きい静摩擦トルクを考慮に入れて慣性ロータの回転数及び回転方向をより精度良く算出することが可能となる。   In the fourth and eighth inventions, the rotation angle of the wheel in the yaw direction is detected, and the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction starts to change is detected. A static friction torque is calculated based on the detected torque in the yaw direction, and the calculated static friction torque is acquired as the friction torque. Accordingly, it is possible to calculate the rotation speed and rotation direction of the inertia rotor with higher accuracy in consideration of a relatively large static friction torque at the start of the direction change.

第5発明及び第9発明では、車輪のヨー方向の回転角を検出し、ヨー方向の回転角が収束する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する。検出したヨー方向のトルクに基づいて、動摩擦トルクを算出し、算出した動摩擦トルクを摩擦トルクとして取得する。これにより、方向転換時に生じる動摩擦トルクを考慮に入れて慣性ロータの回転数及び回転方向を算出することができ、本体を所望の方向へと精度良く方向転換させることが可能となる。   In the fifth and ninth inventions, the rotation angle of the wheel in the yaw direction is detected, and the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction converges is detected. A dynamic friction torque is calculated based on the detected torque in the yaw direction, and the calculated dynamic friction torque is acquired as the friction torque. As a result, the rotational speed and direction of the inertial rotor can be calculated in consideration of the dynamic friction torque generated at the time of turning, and the main body can be turned to a desired direction with high accuracy.

上記構成によれば、ピッチ方向に傾斜していない場合にはロール方向の傾斜角制御にしか用いることができない慣性ロータを、ピッチ方向に傾斜させることによりヨー方向のトルクを発生させることができ、別個にヨー方向制御用の慣性ロータを設けることなく方向転換させることが可能となる。すなわち、算出したヨー方向の必要トルクを生じさせるモータの回転指令を、ピッチ角に応じて生成することにより、指定を受け付けたヨー角だけ回転させるために必要な慣性ロータの回転数を、ピッチ角に応じて変動させることができ、確実に所望の方向へ方向転換することが可能となる。   According to the above configuration, if the inertial rotor that can only be used for tilt angle control in the roll direction when not tilted in the pitch direction, the torque in the yaw direction can be generated by tilting in the pitch direction, The direction can be changed without separately providing an inertia rotor for controlling the yaw direction. That is, by generating a rotation command of the motor that generates the necessary torque in the calculated yaw direction according to the pitch angle, the number of rotations of the inertia rotor required to rotate the specified yaw angle is determined by the pitch angle. Therefore, the direction can be reliably changed to a desired direction.

本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの構成を模式的に示す正面図及び側面図である。It is the front view and side view which show typically the structure of the unicycle robot to which the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining a pitch direction, a roll direction, and a yaw direction. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットのヨー方向の方向転換動作の制御の一例を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows an example of control of the direction change operation | movement of the yaw direction of the unicycle robot to which the movement direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットのロール方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows an example of the control which prevents the fall of the roll direction of the unicycle robot to which the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 一輪車ロボットを側面から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the unicycle robot from the side. 指定するべき摩擦トルクを特定する方法を説明するグラフである。It is a graph explaining the method of specifying the friction torque which should be specified. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの摩擦トルク情報取得部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the friction torque information acquisition part of the unicycle robot to which the movement direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの摩擦トルク情報取得部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the friction torque information acquisition part of the unicycle robot to which the movement direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置の制御基板のコントローラによる方向転換処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the direction change process by the controller of the control board of the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention. 一輪車ロボットを正面から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the unicycle robot from the front. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの制御基板のコントローラによるロール方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the roll direction fall prevention processing procedure by the controller of the control board of the unicycle robot to which the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの制御基板のコントローラによる静摩擦トルクの算出処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the calculation process of the static friction torque by the controller of the control board of the unicycle robot to which the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの制御基板のコントローラによる動摩擦トルクの算出処理の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the calculation process of the dynamic friction torque by the controller of the control board of the unicycle robot to which the moving direction control apparatus which concerns on embodiment of this invention is applied.

以下、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置について、一輪車の上方に搭載してある本体が揺動しつつ車輪の回転により転倒することなく前後に移動する一輪車ロボットに適用した例を図面に基づいて具体的に説明する。   Hereinafter, an example in which a moving direction control device according to an embodiment of the present invention is applied to a unicycle robot that moves forward and backward without falling due to rotation of a wheel while a main body mounted on the upper side of the unicycle swings is illustrated. This will be described in detail.

図1は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボットの構成を模式的に示す正面図及び側面図である。図1(a)は正面図、図1(b)は右側面図を示している。本実施の形態に係る移動方向制御装置は、一輪車ロボット本体のピッチ方向及びロール方向への転倒を防止しつつ、ヨー方向の方向転換を制御する。   FIG. 1 is a front view and a side view schematically showing a configuration of a unicycle robot to which a moving direction control device according to an embodiment of the present invention is applied. 1A is a front view, and FIG. 1B is a right side view. The movement direction control device according to the present embodiment controls the direction change in the yaw direction while preventing the unicycle robot body from falling in the pitch direction and the roll direction.

図1(a)、(b)に示すように、一輪車ロボット1は、前後方向に回転して移動する車輪2と、車輪2の回転軸に連結されて車輪2の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体3とで構成されている。図1(a)、(b)の例では、一輪車ロボット1を人型ロボットとしているが、これに限定されるものではない。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the unicycle robot 1 includes a wheel 2 that rotates and moves in the front-rear direction, and a pitch direction and a roll direction that are connected to the rotation shaft of the wheel 2 and above the wheel 2. And a main body 3 which swings. In the example of FIGS. 1A and 1B, the unicycle robot 1 is a humanoid robot, but is not limited thereto.

ここで、ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を明確にしておく。図2は、ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。図2に示すように、一輪車ロボット1がxy面上をx軸の(+)方向へ前進又はx軸の(−)方向へ後退するように移動する場合、y軸周りの回転方向がピッチ方向である。y軸の(+)方向を向いて反時計回りに回転した場合には本体3がx軸の(+)方向へ傾斜し、y軸の(+)方向を向いて時計回りに回転した場合には本体3がx軸の(−)方向へ傾斜する。また、x軸周りの回転方向がロール方向であり、本体3が左右方向へ揺動する場合の回転方向である。さらに、z軸周りの回転方向がヨー方向であり、車輪2の向きをx軸方向から変更する場合の回転方向である。   Here, the pitch direction, the roll direction, and the yaw direction are clarified. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the pitch direction, the roll direction, and the yaw direction. As shown in FIG. 2, when the unicycle robot 1 moves on the xy plane so as to move forward in the (+) direction of the x axis or move backward in the (−) direction of the x axis, the rotation direction around the y axis is the pitch direction. It is. When the main body 3 tilts in the (+) direction of the x axis and rotates clockwise in the (+) direction of the y axis when it rotates counterclockwise in the (+) direction of the y axis The main body 3 is inclined in the (−) direction of the x axis. The rotation direction around the x axis is the roll direction, and is the rotation direction when the main body 3 swings in the left-right direction. Furthermore, the rotation direction around the z-axis is the yaw direction, and is the rotation direction when the direction of the wheel 2 is changed from the x-axis direction.

図1(a)、(b)に示すように、本体3には、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用ジャイロセンサ(ピッチ用角速度センサ)31、車輪2の回転と連動し、車輪2を回転させるピッチ用モータ32、及びピッチ用モータ32の回転位置又は回転速度を検出するピッチ用エンコーダ(ピッチ用回転センサ)33を備える。ピッチ用ジャイロセンサ31は、ピッチ角速度を検出する図示しない検出軸を略左右方向に向けて本体3に取り付けられている。ここで、略左右方向とは、厳密な左右方向に対して若干の角度ずれがあっても良いことを意味する。本体3と車輪2とは、車輪2を回転自在に支持するフレーム4で連結され、ピッチ用モータ32の回転が、本体3に備えたかさ歯車5とベルト6とを介して車輪2へ伝わる。フレーム4は、本体3の一部分であり、図1(a)、(b)の例では、フレーム4は一輪車ロボット1である人型ロボットの足になっている。なお、ピッチ用角速度センサ31は、ピッチ角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。ピッチ用ジャイロセンサ(ピッチ用角速度センサ)31、及びピッチ用モータ32のトルクに基づいて、ピッチ角を計算する。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the main body 3 includes a pitch gyro sensor (pitch angular velocity sensor) 31 that detects a pitch angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the pitch direction, and rotation of the wheels 2. A pitch motor 32 that interlocks and rotates the wheel 2 and a pitch encoder (pitch rotation sensor) 33 that detects the rotational position or rotational speed of the pitch motor 32 are provided. The pitch gyro sensor 31 is attached to the main body 3 with a detection shaft (not shown) for detecting the pitch angular velocity directed substantially in the left-right direction. Here, the substantially left-right direction means that there may be a slight angle shift with respect to the strict left-right direction. The main body 3 and the wheel 2 are connected by a frame 4 that rotatably supports the wheel 2, and the rotation of the pitch motor 32 is transmitted to the wheel 2 via the bevel gear 5 and the belt 6 provided in the main body 3. The frame 4 is a part of the main body 3, and in the example of FIGS. 1A and 1B, the frame 4 is a foot of a humanoid robot that is the unicycle robot 1. The pitch angular velocity sensor 31 is not limited to a gyro sensor as long as it can detect the pitch angular velocity. The pitch angle is calculated based on the torques of the pitch gyro sensor (pitch angular velocity sensor) 31 and the pitch motor 32.

また、本体3には、ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用ジャイロセンサ(ロール用角速度センサ)61、ロール方向に回転する慣性ロータ64、慣性ロータ64を回転させるロール用モータ62、及びロール用モータ62の回転位置又は回転速度を検出するロール用エンコーダ(ロール用回転センサ)63を備える。ロール用ジャイロセンサ61は、ロール角速度を検出する図示しない検出軸を略前後方向に向けて本体3に取り付けられている。ここで、略前後方向とは、厳密な前後方向に対して若干の角度ずれがあっても良いことを意味する。なお、ロール用角速度センサ61は、ロール角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。   Further, the main body 3 includes a roll gyro sensor (roll angular velocity sensor) 61 that detects a roll angular velocity that is an angular velocity of a tilt angle in the roll direction, an inertia rotor 64 that rotates in the roll direction, and a roll that rotates the inertia rotor 64. A roll encoder (roll rotation sensor) 63 that detects the rotation position or rotation speed of the motor 62 and the roll motor 62 is provided. The roll gyro sensor 61 is attached to the main body 3 with a detection shaft (not shown) for detecting the roll angular velocity directed substantially in the front-rear direction. Here, the substantially front-rear direction means that there may be a slight angle deviation with respect to the strict front-rear direction. The roll angular velocity sensor 61 only needs to be able to detect the roll angular velocity, and is not limited to a gyro sensor.

さらに本体3の背中に相当する部分には、ピッチ用モータ32、ロール用モータ62の回転を制御する制御基板35及び電池36が装備されている。制御基板35には、ピッチ用モータ32及びロール用モータ62を回転駆動するドライバ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、カウンタ、コントローラ等が搭載されている。コントローラは、具体的にはマイクロプロセッサ、CPU、LSI等である。   Further, a control board 35 and a battery 36 for controlling the rotation of the pitch motor 32 and the roll motor 62 are provided in a portion corresponding to the back of the main body 3. The control board 35 is mounted with a driver, an A / D converter, a D / A converter, a counter, a controller, and the like that rotationally drive the pitch motor 32 and the roll motor 62. Specifically, the controller is a microprocessor, CPU, LSI or the like.

ここまでの構成は、従来のヨー方向のトルクを発生させる慣性ロータを設けていない一輪車の構成と同様である。本発明では、ピッチ方向に前傾角度θ1 だけ傾斜している場合に慣性ロータ64を回転させたとき、ロール方向の傾斜角を変動させるだけではなく、ヨー方向の回転角であるヨー角を変動させるヨー方向のトルクが生じることに着目し、車輪2の方向転換に利用している。図3は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1のヨー方向への方向転換動作の制御の一例を示す制御ブロック図である。The configuration up to this point is the same as the configuration of a conventional unicycle that does not include an inertia rotor that generates torque in the yaw direction. In the present invention, when the inertia rotor 64 is rotated when it is inclined by the forward inclination angle θ 1 in the pitch direction, not only the inclination angle in the roll direction is changed, but also the yaw angle that is the rotation angle in the yaw direction is set. Focusing on the fact that the torque in the yaw direction that fluctuates is generated, this is used to change the direction of the wheel 2. FIG. 3 is a control block diagram showing an example of control of the direction changing operation in the yaw direction of the unicycle robot 1 to which the moving direction control device according to the embodiment of the present invention is applied.

図3に示すように、目標ヨー角指定受付部301は、移動方向の目標とする車輪2のヨー角を目標ヨー角θt として、目標ヨー角θt の指定を受け付ける。すなわち、目標ヨー角θt とは、現在車輪2が向いている進行方向からの偏差角を意味する。目標ヨー角θt の指定の受付方法は特に限定されるものではなく、ブルートゥース(Bluetooth)(登録商標)等の無線通信を介して外部から指定するべき目標ヨー角θt を受信しても良いし、制御基板35のコントローラにメモリを内蔵し、該メモリ内に事前に目標ヨー角θt を記憶させておいても良い。また、メモリカード等を挿入することが可能なスロットを設けておき、目標ヨー角θt が記憶されているメモリカード等を、都度挿入することで目標ヨー角θt を読み込ませても良い。なお、ヨー方向の回転角であるヨー角θが目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間t、例えば1秒で到達する旨の指定も受け付けることが好ましい。ヨー方向の回転角加速度であるヨー角加速度ω’を到達時間tの中間で正負反転させた一定値であると仮定している場合、ヨー角速度ω及びヨー角θの変化を近似的に算出しやすくなるからである。As shown in FIG. 3, the target yaw angle designation receiving unit 301 receives the designation of the target yaw angle θ t with the yaw angle of the wheel 2 that is the target in the moving direction as the target yaw angle θ t . That is, the target yaw angle theta t means the angle of deviation from the traveling direction currently wheel 2 is oriented. The method for accepting the designation of the target yaw angle θ t is not particularly limited, and the target yaw angle θ t to be designated from the outside may be received via wireless communication such as Bluetooth (registered trademark). and a built-in memory to the controller of the control board 35 in advance may be stored a target yaw angle theta t in the memory. Also, may be provided to the available slots by inserting the memory card, the memory card of target yaw angle theta t is stored, each time may be read the target yaw angle theta t by inserting. Incidentally, the arrival time t until the yaw angle is a rotation angle in the yaw direction theta reaches the target yaw angle theta t, be accepted also specify that to reach for example, one second preferred. If it is assumed that the yaw angular acceleration ω ′, which is the rotational angular acceleration in the yaw direction, is a constant value obtained by reversing the positive and negative values in the middle of the arrival time t, the changes in the yaw angular velocity ω and the yaw angle θ are approximately calculated. This is because it becomes easier.

ヨー用角加速度算出部302は、指定を受け付けた目標ヨー角θt 及びヨー角θが目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tに基づいて、ヨー角θを時間微分することによりヨー角速度ωを算出し、算出したヨー角速度ωを時間微分することにより、ヨー角加速度ω’を算出する。ヨー角速度ωは、ヨー角加速度ω’を到達時間tの中間で正負反転させた一定値であると仮定している場合、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過するまでは一定の割合で単調増加し、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過した後は一定の割合で単調減少する。Yaw angular acceleration calculation unit 302, yaw by the target yaw angle theta t and the yaw angle theta accepts the specification on the basis of the arrival time t to reach the target yaw angle theta t, differentiating the yaw angle theta Time The yaw angular acceleration ω ′ is calculated by calculating the angular velocity ω and differentiating the calculated yaw angular velocity ω with respect to time. When it is assumed that the yaw angular velocity ω is a constant value obtained by reversing the yaw angular acceleration ω ′ between positive and negative in the middle of the arrival time t, the half of the arrival time t until the target yaw angle θ t is reached. Until the target yaw angle θ t is reached, and after a half of the arrival time t until the target yaw angle θ t is reached, it decreases monotonously at a constant rate.

上述の例では、ヨー角加速度ω’は、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過するまでは正の一定値として、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過した後は負の一定値として、それぞれ算出することができる。In the above example, the yaw angular acceleration omega ', until up to one half of the reaching time t to reach the target yaw angle theta t elapses as a positive constant value, reaches the target yaw angle theta t Can be calculated as a negative constant value after half of the arrival time t has elapsed.

反動トルク算出部(ヨー方向トルク算出部)303では、ヨー用角加速度算出部302で算出されたヨー角加速度ω’に基づいて、本体3を目標ヨー角θt まで回転させるために必要な回転トルクT2を算出する。本実施の形態では、算出した回転トルクT2と同一のトルクを、ピッチ方向に傾斜させた慣性ロータ64の回転により生じる反動トルクとして加えることで、本体3のヨー角θを制御する。In the reaction torque calculation unit (yaw direction torque calculation unit) 303, the rotation necessary for rotating the main body 3 to the target yaw angle θ t based on the yaw angular acceleration ω ′ calculated by the yaw angular acceleration calculation unit 302. Torque T2 is calculated. In the present embodiment, the yaw angle θ of the main body 3 is controlled by adding the same torque as the calculated rotational torque T2 as a reaction torque generated by the rotation of the inertia rotor 64 inclined in the pitch direction.

摩擦トルク受付部304は、摩擦トルクTrとして車輪2と路面との摩擦係数に応じた摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付ける。摩擦トルクTrの指定の受付は、少なくとも摩擦トルクTrの大きさ及び方向の指定を含む。また、摩擦トルクTrの指定の受付方法は特に限定されるものではなく、ブルートゥース(Bluetooth)(登録商標)等の無線通信を介して外部から摩擦トルクTrの大きさ及び方向を受信しても良い。また、摩擦トルク受付部304の代わりに摩擦トルク情報取得部として、制御基板35のコントローラにて摩擦トルクTrの大きさ及び方向を算出しても良いし、定数として制御基板35のコントローラのメモリに記憶させておいても良い。また、メモリカード等を挿入することが可能なスロットを設けておき、摩擦トルクTrの大きさ及び方向が記憶されているメモリカード等を、都度挿入することで読み込ませても良い。   The friction torque receiving unit 304 receives designation of the magnitude and direction of the friction torque according to the friction coefficient between the wheel 2 and the road surface as the friction torque Tr. The reception of designation of the friction torque Tr includes at least designation of the magnitude and direction of the friction torque Tr. In addition, the method for accepting designation of the friction torque Tr is not particularly limited, and the magnitude and direction of the friction torque Tr may be received from the outside via wireless communication such as Bluetooth (registered trademark). . In addition, as a friction torque information acquisition unit instead of the friction torque reception unit 304, the controller of the control board 35 may calculate the magnitude and direction of the friction torque Tr, or as a constant in the memory of the controller of the control board 35. It may be remembered. Further, a slot into which a memory card or the like can be inserted is provided, and a memory card or the like in which the magnitude and direction of the friction torque Tr are stored may be read each time it is inserted.

ここで、摩擦トルクTr分だけ余分に反動トルクを加えなければ、本体3は指定を受け付けた目標ヨー角θt まで回転することができない。したがって、図示しないヨー方向必要トルク算出部では、慣性ロータ64により加えるべき回転トルク(必要トルク)T1を、(式1)にて求める。Here, unless the reaction torque is applied by an amount corresponding to the friction torque Tr, the main body 3 cannot rotate to the target yaw angle θ t that has been designated. Therefore, in the yaw direction required torque calculation unit (not shown), the rotational torque (required torque) T1 to be applied by the inertia rotor 64 is obtained by (Expression 1).

T1=T2+Tr ・・・ (式1)   T1 = T2 + Tr (Expression 1)

慣性ロータ角加速度算出部305は、(式1)により算出した回転トルクT1を用いて、(式2)により慣性ロータ64の角加速度ωR ’を算出する。すなわち慣性ロータ64の慣性モーメントをJ1とした場合、本体3が前傾していることから、慣性ロータ64の回転中心軸が傾いており、同じ回転数であれば慣性ロータ64の回転により発生するトルクが傾いている分だけ減少するので、必要なトルクを発生させるためには、減少する分だけ必要とされる慣性ロータ64の角加速度ωR ’を大きくしておく必要がある。The inertial rotor angular acceleration calculation unit 305 calculates the angular acceleration ω R ′ of the inertial rotor 64 according to (Expression 2) using the rotational torque T1 calculated according to (Expression 1). That is, when the inertia moment of the inertia rotor 64 is J1, since the main body 3 is tilted forward, the rotation center axis of the inertia rotor 64 is tilted, and is generated by the rotation of the inertia rotor 64 at the same rotation speed. Since the torque decreases by the amount of inclination, in order to generate the necessary torque, it is necessary to increase the angular acceleration ω R ′ of the inertia rotor 64 required for the decrease.

ωR ’=T1/J1/sinθ1 ・・・ (式2)
ただし、θ1 は本体3の前傾角度
ω R '= T1 / J1 / sin θ 1 (Formula 2)
Where θ 1 is the forward tilt angle of the body 3

慣性ロータ角度算出部306は、(式2)により算出した慣性ロータ64の角加速度ωR ’を2回積分することにより、慣性ロータ64の回転角度ΘR をヨー方向の回転指令として算出して、算出した回転角度ΘR をロール方向のフィードバック制御ループへ入力する。The inertia rotor angle calculation unit 306 calculates the rotation angle Θ R of the inertia rotor 64 as a rotation command in the yaw direction by integrating the angular acceleration ω R ′ of the inertia rotor 64 calculated by (Equation 2) twice. The calculated rotation angle Θ R is input to the roll direction feedback control loop.

図4は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1のロール方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。図4に示すように、ロール用カウンタ部401では、ロール用エンコーダ63の出力パルスのパルス数が計数される。ロール用回転速度算出部402では、ロール用カウンタ部401で計数されたパルス数を回転角度に変換したあと、微分してロール用モータ62の回転速度を求める。ノイズ除去のためのLPF(ローパスフィルタ)を装備しても良い。   FIG. 4 is a control block diagram showing an example of control for preventing the roll-down of the unicycle robot 1 to which the moving direction control device according to the embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 4, the roll counter unit 401 counts the number of output pulses of the roll encoder 63. The roll rotation speed calculation unit 402 converts the number of pulses counted by the roll counter unit 401 into a rotation angle, and then differentiates to obtain the rotation speed of the roll motor 62. You may equip LPF (low-pass filter) for noise removal.

目標ロール角算出部403では、ロール用モータ62の回転が一輪車ロボット1の正面から見て左回転の場合は、目標ロール角を一輪車ロボット1の正面から見て右方向に、ロール用モータ62の回転が一輪車ロボット1の正面から見て右回転の場合は、目標ロール角を一輪車ロボット1の正面から見て左方向になるように、ロール用モータ62の回転速度に比例係数を乗算して求める。なお、積分器を追加して、慣性ロータ64に定常回転が残留しないようにすることが好ましい。   In the target roll angle calculation unit 403, when the rotation of the roll motor 62 is counterclockwise when viewed from the front of the unicycle robot 1, the target roll angle is set to the right when viewed from the front of the unicycle robot 1. When the rotation is clockwise when viewed from the front of the unicycle robot 1, the rotation speed of the roll motor 62 is multiplied by a proportional coefficient so that the target roll angle is left when viewed from the front of the unicycle robot 1. . It is preferable to add an integrator so that steady rotation does not remain in the inertia rotor 64.

一方、ロール用ADコンバータ部404では、ロール用ジャイロセンサ61のロール角速度をA/D変換して取得する。ロール角速度算出部405では、取得したロール角速度に変換係数を乗算して、ロール角速度ω1rを算出する。On the other hand, the roll AD converter 404 acquires the roll angular velocity of the roll gyro sensor 61 by A / D conversion. The roll angular velocity calculation unit 405 calculates a roll angular velocity ω 1r by multiplying the acquired roll angular velocity by a conversion coefficient.

ロール傾斜角推定部406では、ロール角速度ω1rと、後述のロール用トルク指令τ2rとから、本体3(慣性ロータ64以外の部分)と慣性ロータ64とを含んだ運動系での傾斜角方向(ロール方向)の運動方程式に基づき導出された、後述の(式22)で表されるロール傾斜角の推定値を算出する。さらに適切な推定速度を持たせてループを安定化させるための一次遅れ要素を直列に加えて、ロール傾斜角の推定値を算出している。具体的には、(式22)を用いて算出した計算値に、一次遅れ要素として例えば1/(0.1S+1)を直列に加えることになるが、これらに限られるものではなく、適切な推定速度となるような任意の遅れ要素を加えることができる。In the roll inclination angle estimation unit 406, the inclination angle direction in the motion system including the main body 3 (part other than the inertia rotor 64) and the inertia rotor 64 is determined from the roll angular velocity ω 1r and a roll torque command τ 2r described later. An estimated value of the roll inclination angle represented by (Expression 22) described later, which is derived based on the equation of motion of (roll direction), is calculated. Further, an estimated value of the roll inclination angle is calculated by adding a first-order lag element for stabilizing the loop with an appropriate estimated speed in series. Specifically, for example, 1 / (0.1S + 1) is added in series as a first-order lag element to the calculated value calculated using (Equation 22), but the present invention is not limited to this, and appropriate estimation is performed. Arbitrary delay factors can be added that result in speed.

ロール方向外部トルク推定部411では、ロール傾斜角の推定値に変換係数を乗算して、本体3に働いているロール方向外部トルクの推定値を算出し、ロール用補正トルク(ロール方向外部トルクの推定値に相当)τ3rを推定する。The roll direction external torque estimation unit 411 calculates an estimated value of the roll direction external torque acting on the main body 3 by multiplying the estimated value of the roll inclination angle by a conversion coefficient, and corrects the roll correction torque (the roll direction external torque). Equivalent to the estimated value) τ 3r is estimated.

目標ロール角速度算出部407では、目標ロール角からロール傾斜角の推定値を減じたロール角度偏差に回転角度ΘR をヨー方向の回転指令として加算する。加算した値に比例ゲインを乗算して、目標ロール角速度ω2rを算出する。ロール用トルク指令生成部(モータ回転指令生成部)408では、目標ロール角速度ω2rとロール角速度ω1rとの偏差に対して、例えばPI制御によりロール用トルク指令τ0rを生成する。The target roll angular velocity calculation unit 407 adds the rotation angle Θ R as a rotation command in the yaw direction to the roll angle deviation obtained by subtracting the estimated value of the roll tilt angle from the target roll angle. The target roll angular velocity ω 2r is calculated by multiplying the added value by the proportional gain. The roll torque command generation unit (motor rotation command generation unit) 408 generates a roll torque command τ 0r by PI control, for example, with respect to the deviation between the target roll angular velocity ω 2r and the roll angular velocity ω 1r .

本実施の形態では、目標ヨー角θt の指定を受け付けた場合、比較的短時間の慣性ロータ64の回転により、摩擦トルクTrを考慮した反動トルクを算出する。したがって、実際にはロール方向の傾斜に対しては、慣性ロータ64の回転によるトルクがほとんど影響することがなく、ロール方向の転倒を防止する制御ルーチンに対してロール方向に傾ける過大なトルクが入力される等の異常入力が発生することがない。よって、ロール方向の転倒を防止する制御ルーチンを正常に続行することができる。In the present embodiment, when receiving a specification of the target yaw angle theta t, by the rotation of a relatively short period of the inertia rotor 64, to calculate the reaction torque in consideration of the friction torque Tr. Therefore, in reality, the torque in the roll direction is hardly affected by the torque generated by the rotation of the inertia rotor 64, and an excessive torque tilting in the roll direction is input to the control routine for preventing the roll direction from overturning. No abnormal input occurs. Therefore, the control routine for preventing the roll direction overturn can be normally continued.

ロール用モータトルク指令電圧算出部409では、ロール用トルク指令τ0rとロール用補正トルクτ3rとを加えたロール用トルク指令τ2rに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出する。最後に、ロール用DAコンバータ部410では、ドライバに指令電圧を出力し、ロール用モータ62の回転を制御する。The roll motor torque command voltage calculation unit 409 calculates a command voltage by multiplying the roll torque command τ 2r obtained by adding the roll torque command τ 0r and the roll correction torque τ 3r by a conversion coefficient. . Finally, the roll DA converter unit 410 outputs a command voltage to the driver and controls the rotation of the roll motor 62.

本実施の形態では、本体3を所定の前傾角度θ1 だけピッチ方向に傾いた状態で目標ヨー角θt の指定を受け付ける。すなわち、前傾角度θ1 が存在しなければ、慣性ロータ64の回転により本体3をヨー方向へ回転させるトルクが発生せず、方向転換することができないからである。図5は、一輪車ロボット1を側面から見た模式図である。In the present embodiment, the designation of the target yaw angle θ t is accepted with the main body 3 tilted in the pitch direction by a predetermined forward tilt angle θ 1 . That is, if the forward tilt angle θ 1 does not exist, torque that rotates the main body 3 in the yaw direction by rotation of the inertia rotor 64 is not generated, and the direction cannot be changed. FIG. 5 is a schematic view of the unicycle robot 1 as viewed from the side.

図5に示すように、本体3が前傾角度θ1 だけピッチ方向に傾くことにより、慣性ロータ64の回転中心軸も前傾角度θ1 だけ傾斜する。したがって、慣性ロータ64の回転により生じる力FR
は、慣性ロータ64の回転中心から前傾角度θ1 と平行な方向に生じる。
As shown in FIG. 5, when the main body 3 is tilted in the pitch direction by the forward tilt angle θ 1 , the rotation center axis of the inertia rotor 64 is also tilted by the forward tilt angle θ 1 . Therefore, the force F R generated by the rotation of the inertia rotor 64
Is generated in a direction parallel to the forward tilt angle θ 1 from the rotation center of the inertia rotor 64.

したがって、慣性ロータ64の回転により生じる水平方向の力Fyaw1は、(式3)にて求めることができる。Accordingly, the horizontal force F yaw1 generated by the rotation of the inertia rotor 64 can be obtained by (Expression 3).

yaw1=FR ・sinθ1 ・・・ (式3)F yaw1 = F R · sin θ 1 (Formula 3)

生じた水平方向の力Fyaw1により、本体3に生じるヨー方向のトルクTyaw1は、慣性ロータ64の半径をRとした場合、(式4)にて算出することができる。The torque T yaw1 in the yaw direction generated in the main body 3 by the generated horizontal force F yaw1 can be calculated by (Expression 4) when the radius of the inertia rotor 64 is R.

yaw1=FR ・R・sinθ1
=TR ・sinθ1 ・・・ (式4)
ただし、TR は、慣性ロータ64の回転により生じるトルク
T yaw1 = F R・ R ・ sinθ 1
= T R · sin θ 1 (Formula 4)
T R is the torque generated by the rotation of the inertia rotor 64

本体3の前傾角度θ1 が12(deg)であった場合、sinθ1 は0.207であるので、(式4)から本体3に生じるヨー方向のトルクTyaw1は0.207×TR で求めることができる。また、一輪車ロボット1がヨー方向に回転する方向は、算出したヨー方向のトルクTyaw1を反動トルクとして回転するのでヨー方向のトルクTyaw1とは反対方向になる。例えば慣性ロータ64が一輪車ロボット1の正面から見て時計回りに回転した場合には、一輪車ロボット1は、上から見て時計回りに回転することになる。When the forward tilt angle θ 1 of the main body 3 is 12 (deg), since sin θ 1 is 0.207, the torque T yaw1 generated in the main body 3 from (Equation 4) is 0.207 × T R Can be obtained. In addition, the direction in which the unicycle robot 1 rotates in the yaw direction is opposite to the torque T yaw1 in the yaw direction because the calculated torque T yaw1 in the yaw direction rotates as a reaction torque. For example, when the inertial rotor 64 rotates clockwise as viewed from the front of the unicycle robot 1, the unicycle robot 1 rotates clockwise as viewed from above.

なお、実際には車輪2と路面との接地面での粘性摩擦係数μに基づく静摩擦トルクは無視することができる大きさではなく、摩擦トルクTrとして静摩擦分だけ余分に回転トルクを加えなければ、本体3は指定を受け付けた目標ヨー角θt まで回転することはできない。したがって、慣性ロータ64により加えるべき回転トルクT1は、(式1)に示すようにT1=T2+Tr=Tyaw1+Trとなる。Actually, the static friction torque based on the viscous friction coefficient μ at the contact surface between the wheel 2 and the road surface is not a negligible magnitude, and unless the rotational torque is added as much as the static friction as the friction torque Tr, The main body 3 cannot rotate to the target yaw angle θ t that has received the designation. Therefore, the rotational torque T1 to be applied by the inertia rotor 64 is T1 = T2 + Tr = T yaw1 + Tr as shown in (Expression 1).

摩擦トルクTrは、車輪2と路面とが接触する接地面における粘性摩擦係数μにより大きさが変動する。図6は、指定するべき摩擦トルクTrを特定する方法を説明するグラフである。図6(a)は、慣性ロータ64が回転を開始してからのヨー角θ(rad)の実際の時間変化を示すグラフであり、図6(b)は、慣性ロータ64が回転を開始してからのヨー方向トルクτ(N・m)の時間変化を示すグラフである。   The magnitude of the friction torque Tr varies depending on the viscous friction coefficient μ at the contact surface where the wheel 2 and the road surface are in contact. FIG. 6 is a graph for explaining a method for specifying the friction torque Tr to be designated. FIG. 6A is a graph showing an actual time change of the yaw angle θ (rad) after the inertial rotor 64 starts rotating, and FIG. 6B is a graph showing that the inertial rotor 64 starts rotating. It is a graph which shows the time change of yaw direction torque (tau) (N * m) after.

図6(b)に示すように、ヨー方向トルクτ(N・m)は慣性ロータ64が回転を開始してから一定の割合で増加するのに対し、図6(a)に示すように、ヨー角θは慣性ロータ64が回転を開始してから一定時間後である時刻t1までは変化しない。これは、慣性ロータ64の回転により生じるトルクが接地面での静摩擦トルクを超えるまでは回転を開始せず、接地面での静摩擦トルクを超えた時点、すなわち時刻t1から本体3がヨー方向の回転を開始するからである。   As shown in FIG. 6B, the yaw direction torque τ (N · m) increases at a constant rate after the inertia rotor 64 starts rotating, whereas as shown in FIG. The yaw angle θ does not change until a time t1 that is a fixed time after the inertia rotor 64 starts rotating. This is because rotation does not start until the torque generated by the rotation of the inertia rotor 64 exceeds the static friction torque on the ground contact surface, and the main body 3 rotates in the yaw direction from the time when it exceeds the static friction torque on the ground contact surface, that is, from time t1. It is because it starts.

したがって、時刻t1でのヨー方向トルクτ1(N・m)に対応する回転トルクを指定するべき摩擦トルクTrと特定することができる。よって、摩擦トルク受付部304において、摩擦トルクTrとしてヨー方向トルクτ1(N・m)に対応する回転トルクの指定を受け付けた場合、指定を受け付けた目標ヨー角θt へ方向転換するよう精度良く制御することができる。Therefore, the rotational torque corresponding to the yaw direction torque τ1 (N · m) at time t1 can be specified as the friction torque Tr to be designated. Therefore, when the friction torque receiving unit 304 receives the specification of the rotational torque corresponding to the yaw direction torque τ1 (N · m) as the friction torque Tr, the friction torque receiving unit 304 accurately changes the direction to the target yaw angle θ t that has received the specification. Can be controlled.

摩擦トルクTrとして静摩擦トルクの指定を受け付ける場合、摩擦トルク受付部304は、図7に示す摩擦トルク情報取得部として機能する。図7は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1の摩擦トルク情報取得部304aの機能ブロック図である。摩擦トルク情報取得部304aは、ヨー回転角検出部701、変動トルク検出部702、及び静摩擦トルク算出部703を備えている。   When the designation of the static friction torque is accepted as the friction torque Tr, the friction torque acceptance unit 304 functions as a friction torque information acquisition unit shown in FIG. FIG. 7 is a functional block diagram of the friction torque information acquisition unit 304a of the unicycle robot 1 to which the movement direction control device according to the embodiment of the present invention is applied. The friction torque information acquisition unit 304a includes a yaw rotation angle detection unit 701, a fluctuation torque detection unit 702, and a static friction torque calculation unit 703.

ヨー回転角検出部701は、車輪2のヨー方向の回転角を検出する。変動トルク検出部702は、ヨー回転角検出部701で検出されるヨー方向の回転角を監視し、ヨー方向の回転角の変動開始を検知した時点、すなわちヨー方向の回転角が変動を開始した時刻(図6の時刻t1)におけるヨー方向のトルクを検出する。静摩擦トルク算出部703は、検出したヨー方向のトルクに基づく静摩擦トルクを、指定を受け付ける摩擦トルクTrとして算出する。   The yaw rotation angle detection unit 701 detects the rotation angle of the wheel 2 in the yaw direction. The fluctuation torque detection unit 702 monitors the rotation angle in the yaw direction detected by the yaw rotation angle detection unit 701, and when the fluctuation start of the rotation angle in the yaw direction is detected, that is, the rotation angle in the yaw direction starts to fluctuate. Torque in the yaw direction at time (time t1 in FIG. 6) is detected. The static friction torque calculation unit 703 calculates the static friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque Tr that accepts designation.

一方、一旦本体3がヨー方向に回転を開始した場合には、粘性摩擦係数μは大きく減少する。したがって、摩擦トルク受付部304において、摩擦トルクTrとしてヨー方向トルクτ1(N・m)に基づく静摩擦トルクの指定を受け付けた場合、加える回転トルクが過大となる傾向が生じやすい。したがって、本体3がヨー方向に回転している状態での動摩擦トルクを摩擦トルクTrとして指定を受け付けても良い。   On the other hand, once the main body 3 starts to rotate in the yaw direction, the viscous friction coefficient μ is greatly reduced. Therefore, when the friction torque receiving unit 304 receives the designation of the static friction torque based on the yaw direction torque τ1 (N · m) as the friction torque Tr, the applied rotational torque tends to be excessive. Therefore, the designation may be accepted as the dynamic friction torque Tr in a state where the main body 3 rotates in the yaw direction as the friction torque Tr.

この場合、図6(a)に示すように、慣性ロータ64が回転を開始して、到達時間tの中間時刻tmを経過した後、時刻t2では目標ヨー角θt に収束する。これは、動摩擦トルクが、慣性ロータ64の回転による回転トルクと釣り合ったからである。したがって、図6(b)に示すように、時刻t2におけるヨー方向トルクτ2(N・m)に対応する回転トルクを指定するべき摩擦トルクTrと特定することができる。よって、摩擦トルク受付部304において、摩擦トルクTrとしてヨー方向トルクτ2(N・m)に対応する回転トルクの指定を受け付けた場合、指定を受け付けた目標ヨー角θt へ方向転換するよう、より精度良く制御することができる。In this case, as shown in FIG. 6 (a), the inertia rotor 64 starts to rotate, after a lapse of intermediate time tm of arrival time t, converge at time t2, the target yaw angle theta t. This is because the dynamic friction torque is balanced with the rotational torque due to the rotation of the inertia rotor 64. Therefore, as shown in FIG. 6B, the rotational torque corresponding to the yaw direction torque τ2 (N · m) at time t2 can be specified as the friction torque Tr to be designated. Therefore, when the friction torque receiving unit 304 receives the specification of the rotational torque corresponding to the yaw direction torque τ2 (N · m) as the friction torque Tr, the friction torque receiving unit 304 changes the direction to the target yaw angle θ t that has received the specification. It can be controlled with high accuracy.

摩擦トルクTrとして動摩擦トルクの指定を受け付ける場合、摩擦トルク受付部304は、図8に示す摩擦トルク情報取得部として機能する。図8は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1の摩擦トルク情報取得部304bの機能ブロック図である。摩擦トルク情報取得部304bは、ヨー回転角検出部801、収束トルク検出部802、及び動摩擦トルク算出部803を備えている。   When the designation of the dynamic friction torque is accepted as the friction torque Tr, the friction torque acceptance unit 304 functions as a friction torque information acquisition unit shown in FIG. FIG. 8 is a functional block diagram of the friction torque information acquisition unit 304b of the unicycle robot 1 to which the movement direction control device according to the embodiment of the present invention is applied. The friction torque information acquisition unit 304b includes a yaw rotation angle detection unit 801, a convergence torque detection unit 802, and a dynamic friction torque calculation unit 803.

ヨー回転角検出部801は、車輪2のヨー方向の回転角を検出する。収束トルク検出部802は、ヨー回転角検出部801で検出されるヨー方向の回転角を監視し、ヨー方向の回転角が収束する時刻、すなわち図6の時刻t2におけるヨー方向のトルクを検出する。動摩擦トルク算出部803は、検出したヨー方向のトルクに基づく動摩擦トルクを、指定を受け付ける摩擦トルクTrとして算出する。   The yaw rotation angle detection unit 801 detects the rotation angle of the wheel 2 in the yaw direction. The convergence torque detection unit 802 monitors the rotation angle in the yaw direction detected by the yaw rotation angle detection unit 801, and detects the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction converges, that is, at time t2 in FIG. . The dynamic friction torque calculating unit 803 calculates a dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction as a friction torque Tr that accepts designation.

図9は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置の制御基板35のコントローラによる方向転換処理の手順を示すフローチャートである。制御基板35のコントローラは、目標ヨー角θt の指定を受け付ける(ステップS901)。目標ヨー角θt の指定の受付方法は特に限定されるものではなく、ブルートゥース(Bluetooth)(登録商標)等の無線通信を介して外部から指定するべき目標ヨー角θt を受信しても良いし、制御基板35のコントローラにメモリを内蔵し、該メモリ内に事前に目標ヨー角θt を記憶させておいても良い。また、メモリカード等を挿入することが可能なスロットを設けておき、目標ヨー角θt が記憶されているメモリカード等を、都度挿入することで目標ヨー角θt を読み込ませても良い。なお、ヨー方向の回転角であるヨー角θが目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tについては、目標ヨー角θt の指定を受け付けると同時に受け付けても良いし、一定時間として事前にコントローラのメモリに記憶しておいても良い。FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of the direction changing process by the controller of the control board 35 of the movement direction control device according to the embodiment of the present invention. Controller of the control board 35 receives designation of the target yaw angle theta t (step S901). The method for accepting the designation of the target yaw angle θ t is not particularly limited, and the target yaw angle θ t to be designated from the outside may be received via wireless communication such as Bluetooth (registered trademark). and a built-in memory to the controller of the control board 35 in advance may be stored a target yaw angle theta t in the memory. Also, may be provided to the available slots by inserting the memory card, the memory card of target yaw angle theta t is stored, each time may be read the target yaw angle theta t by inserting. Note that the arrival time t until the yaw angle is a rotation angle in the yaw direction theta reaches the target yaw angle theta t, to accepting the designation of the target yaw angle theta t may accept at the same time, pre-as a predetermined time Alternatively, it may be stored in the memory of the controller.

コントローラは、指定を受け付けた目標ヨー角θt 及びヨー角θが目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tに基づいて、ヨー角θを2回時間微分することによりヨー角加速度ω’を算出する(ステップS902)。ヨー角速度ωは、ヨー角加速度ω’を到達時間tの中間で正負反転させた一定値であると仮定している場合、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過するまでは一定の割合で単調増加し、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過した後は一定の割合で単調減少する。The controller, based on the arrival time t to the target yaw angle theta t and the yaw angle theta accepts the designation reaches the target yaw angle theta t, yaw angular acceleration ω by the yaw angle theta differentiating twice the time ' Is calculated (step S902). When it is assumed that the yaw angular velocity ω is a constant value obtained by reversing the yaw angular acceleration ω ′ between positive and negative in the middle of the arrival time t, the half of the arrival time t until the target yaw angle θ t is reached. Until the target yaw angle θ t is reached, and after a half of the arrival time t until the target yaw angle θ t is reached, it decreases monotonously at a constant rate.

上述の例では、ヨー角加速度ω’は、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過するまでは正の一定値として、目標ヨー角θt に到達するまでの到達時間tの2分の1が経過した後は負の一定値として、それぞれ算出することができる。In the above example, the yaw angular acceleration omega ', until up to one half of the reaching time t to reach the target yaw angle theta t elapses as a positive constant value, reaches the target yaw angle theta t Can be calculated as a negative constant value after half of the arrival time t has elapsed.

コントローラは、算出されたヨー角加速度ω’に基づいて、本体3を目標ヨー角θt まで回転させるために必要な回転トルクT2を算出する(ステップS903)。コントローラは、摩擦トルクTrとして車輪2と路面との粘性摩擦係数μに応じた静摩擦トルクの指定を受け付ける(ステップS904)。コントローラは、算出した回転トルクT2と指定を受け付けた摩擦トルクTrとを加算して、慣性ロータ64により加えるべき回転トルクT1を算出する(ステップS905)。The controller, based on the calculated yaw angular acceleration omega ', calculates the rotational torque T2 required for rotating the main body 3 to the target yaw angle theta t (step S903). The controller accepts designation of static friction torque corresponding to the viscous friction coefficient μ between the wheel 2 and the road surface as the friction torque Tr (step S904). The controller adds the calculated rotational torque T2 and the specified friction torque Tr, and calculates the rotational torque T1 to be applied by the inertia rotor 64 (step S905).

コントローラは、本体3の前傾角度θ1 を取得する(ステップS906)。取得する方法は、傾斜角を検出する傾斜角センサを設けても良いし、特に限定されるものではない。例えば簡便な方法として、鉛直方向と慣性ロータ64の回転中心軸に直交する方向とのなす角度を、三角法等を用いて導出すれば良い。コントローラは、(式2)に基づいて、本体3の前傾角度θ1 で回転トルクT1を補正することにより、慣性ロータ64の角加速度ωR ’を算出する(ステップS907)。すなわち本体3が前傾しているので、慣性ロータ64の回転中心軸が傾いており、同じ回転数であれば慣性ロータ64の回転により発生するトルクが傾いている分だけ減少する。したがって、必要なトルクを発生させるためには、減少する分だけ必要とされる慣性ロータ64の角加速度ωR ’を大きく算出する必要がある。The controller acquires the forward tilt angle θ 1 of the main body 3 (step S906). The acquisition method may be provided with an inclination angle sensor for detecting the inclination angle, and is not particularly limited. For example, as a simple method, the angle formed by the vertical direction and the direction perpendicular to the rotation center axis of the inertia rotor 64 may be derived using a trigonometric method or the like. The controller calculates the angular acceleration ω R ′ of the inertia rotor 64 by correcting the rotational torque T1 with the forward tilt angle θ 1 of the main body 3 based on (Equation 2) (step S907). That is, since the main body 3 is tilted forward, the rotation center axis of the inertia rotor 64 is tilted. If the rotation speed is the same, the torque generated by the rotation of the inertia rotor 64 is decreased by the tilt. Therefore, in order to generate the necessary torque, it is necessary to largely calculate the angular acceleration ω R ′ of the inertia rotor 64 that is required for the decrease.

コントローラは、算出した慣性ロータ64の角加速度ωR ’を2回積分することにより、慣性ロータ64の回転数(回転角)及び回転方向を算出して(ステップS908)、算出した回転数(回転角)及び回転方向にてロール用モータ62が回転するようにロール用モータ62の回転指令を生成する(ステップS909)。なお、ステップS907乃至ステップS909は、ステップS905にて算出したT1に変換係数を乗算することにより、慣性ロータ64の回転数(回転角)及び回転方向を算出して、算出した回転数(回転角)及び回転方向にてロール用モータ62が回転するようにロール用モータ62の回転指令を生成するようにしても良い。コントローラは、生成したロール用モータ62の回転指令に対して、変換係数を乗算して、指令電圧を算出して、ドライバに指令電圧を出力する(ステップS910)。The controller integrates the calculated angular acceleration ω R ′ of the inertia rotor 64 twice to calculate the rotation speed (rotation angle) and rotation direction of the inertia rotor 64 (step S908), and calculates the calculated rotation speed (rotation). The rotation command of the roll motor 62 is generated so that the roll motor 62 rotates in the angle and rotation directions (step S909). In steps S907 to S909, the rotation speed (rotation angle) and rotation direction of the inertia rotor 64 are calculated by multiplying T1 calculated in step S905 by the conversion coefficient, and the calculated rotation speed (rotation angle). ) And a rotation command for the roll motor 62 may be generated so that the roll motor 62 rotates in the rotation direction. The controller multiplies the generated rotation command of the roll motor 62 by a conversion coefficient to calculate a command voltage, and outputs the command voltage to the driver (step S910).

コントローラは、到達時間tが経過したか否かを判断し(ステップS911)、コントローラが、到達時間tが経過していないと判断した場合(ステップS911:NO)、コントローラは、経過待ち状態となる。コントローラが、到達時間tが経過したと判断した場合(ステップS911:YES)、コントローラは、現在のヨー角を取得し(ステップS912)、目標ヨー角θt との差分角を算出する(ステップS913)。The controller determines whether or not the arrival time t has elapsed (step S911). If the controller determines that the arrival time t has not elapsed (step S911: NO), the controller enters a state of waiting for progress. . Controller, if it is determined that the arrival time t has elapsed (step S911: YES), the controller obtains the current yaw angle (step S912), calculates the difference angle between the target yaw angle theta t (step S913 ).

コントローラは、算出した差分角が所定値より小さいか否かを判断し(ステップS914)、コントローラが、差分角が所定値以上であると判断した場合(ステップS914:NO)、コントローラは、算出した差分角を新たな目標ヨー角θt に設定し(ステップS915)、処理をステップS902に戻して上述した処理を繰り返す。コントローラが、算出した差分角が所定値より小さいと判断した場合(ステップS914:YES)、コントローラは、方向転換が完了したと判断して処理を終了する。The controller determines whether or not the calculated difference angle is smaller than a predetermined value (step S914). If the controller determines that the difference angle is equal to or larger than the predetermined value (step S914: NO), the controller calculates set difference angle to a new target yaw angle theta t (step S915), processing returns to step S902 to repeat the processing described above. When the controller determines that the calculated difference angle is smaller than the predetermined value (step S914: YES), the controller determines that the direction change is completed and ends the process.

ロール方向の傾斜を制御する慣性ロータ64を用いて方向転換することから、ロール方向の釣り合いも維持する必要がある。図10は、一輪車ロボット1を正面から見た模式図である。図10では、本体3及び本体3に取り付けられた慣性ロータ64のみを模式的に示している。ロール方向の傾斜角を求めるために、まずラグランジュ方程式により運動方程式を導出する。本体3(慣性ロータ64以外の部分)と慣性ロータ64とを合わせた、全体の運動エネルギーT及び位置エネルギーUは以下の(式5)及び(式6)のようになる。   Since the direction is changed using the inertia rotor 64 that controls the inclination in the roll direction, it is necessary to maintain the balance in the roll direction. FIG. 10 is a schematic view of the unicycle robot 1 viewed from the front. In FIG. 10, only the main body 3 and the inertia rotor 64 attached to the main body 3 are schematically shown. In order to obtain the tilt angle in the roll direction, first, an equation of motion is derived from the Lagrangian equation. The total kinetic energy T and potential energy U of the main body 3 (part other than the inertia rotor 64) and the inertia rotor 64 are expressed by the following (Expression 5) and (Expression 6).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

一般化座標と一般化速度による微分量は、以下の(式7)〜(式12)のようになる。   A differential amount based on the generalized coordinates and the generalized speed is expressed by the following (Expression 7) to (Expression 12).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

ラグランジュ方程式(式13)、(式14)に(式7)〜(式12)を代入する。   (Expression 7) to (Expression 12) are substituted into the Lagrangian equations (Expression 13) and (Expression 14).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

この結果、運動方程式として、次の(式15)、(式16)を得る。   As a result, the following (Expression 15) and (Expression 16) are obtained as equations of motion.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

(式16)を変形すると、(式17)となる。   When (Expression 16) is transformed, (Expression 17) is obtained.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

(式17)を(式15)に代入して、ロール方向の傾斜角θ1rが微小であると仮定した場合、sinθ1rをθ1rで近似することができ、(式18)を得る。(式18)より、本体3の運動は、慣性ロータ64の角度及び角速度には無関係となる。By substituting (equation 17) to (Equation 15), if the inclination angle theta 1r in the roll direction is assumed to be small, it is possible to approximate the sin [theta 1r in theta 1r, obtain (Equation 18). From (Equation 18), the movement of the main body 3 is independent of the angle and angular velocity of the inertia rotor 64.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

−ロール傾斜角の推定−
ロール傾斜角は、ロール用ジャイロセンサ61が出力するロール角速度ω1rを積分することにより求めることも可能であるが、偏差が累積して不正確になるため、別の方法で求める必要がある。そこで、図10から導いた運動方程式を用いて、ロール用ジャイロセンサ61が出力するロール角速度ω1rと、ロール用トルク指令τ2rとから、ロール傾斜角を推定する。運動方程式(式18)を変形すると、(式19)となる。
−Estimation of roll inclination angle−
The roll tilt angle can be obtained by integrating the roll angular velocity ω 1r output from the roll gyro sensor 61, but the deviation becomes inaccurate and needs to be obtained by another method. Accordingly, the roll inclination angle is estimated from the roll angular velocity ω 1r output from the roll gyro sensor 61 and the roll torque command τ 2r using the equation of motion derived from FIG. When the equation of motion (Equation 18) is modified, (Equation 19) is obtained.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

一方、ロール用ジャイロセンサ61が出力するロール角速度の微分値であるω1rドットは、(式20)で表わされる。On the other hand, the ω 1r dot, which is a differential value of the roll angular velocity output from the roll gyro sensor 61, is expressed by (Expression 20).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

また、ロール方向の外乱トルクτ1rが発生した場合、見かけの釣合い傾斜角θ0rは(式21)となる。When the disturbance torque τ 1r in the roll direction is generated, the apparent balance inclination angle θ 0r is expressed by (Equation 21).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

したがって、見かけの釣合い傾斜角θ0rに対する現在のロール方向の傾斜角θ1rの偏差角(ロール傾斜角)は、上記(式19)、(式20)、(式21)より、(式22)を導出して算出することによって推定することができる。ただし、適切な推定速度を持たせてループを安定化させるために、一次遅れ要素を直列に加えておく方が良い。なお、(式22)はロール傾斜角を推定する計算式の一例であり、推定対象となる運動系によってロール傾斜角を推定する計算式は異なる場合がある。Accordingly, the deviation angle (roll inclination angle) of the current roll direction inclination angle θ 1r with respect to the apparent balance inclination angle θ 0r is expressed by (Expression 22) from the above (Expression 19), (Expression 20), and (Expression 21). It can be estimated by deriving and calculating. However, in order to stabilize the loop with an appropriate estimated speed, it is better to add a first-order lag element in series. In addition, (Formula 22) is an example of a calculation formula for estimating the roll tilt angle, and the calculation formula for estimating the roll tilt angle may be different depending on the motion system to be estimated.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

ロール用ジャイロセンサ61で出力されたロール角速度ω1rと、目標ロール角に基づいて生成されるロール用モータ62に与えるロール用トルク指令τ2rとから、釣合い状態に対して本体3がロール方向へ傾斜している角度であるロール傾斜角を推定することにより、ピッチ傾斜角と同様に、ロール傾斜角を精度良く推定することができる。また、ロール用ジャイロセンサ61が出力するロール角速度ω1rを積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ロール角の計算誤差が生じることがなく、慣性ロータ64の回転により生じる反動トルクを利用し、釣合い状態からのロール方向の傾斜を精度良く補正して、ロール方向への転倒を防止することができる。From the roll angular velocity ω 1r output from the roll gyro sensor 61 and the roll torque command τ 2r applied to the roll motor 62 generated based on the target roll angle, the main body 3 moves in the roll direction with respect to the balanced state. By estimating the roll tilt angle, which is the tilted angle, the roll tilt angle can be estimated with high accuracy in the same manner as the pitch tilt angle. Further, since the roll angular velocity ω 1r output from the roll gyro sensor 61 is not integrated, there is no calculation error of the target roll angle due to accumulation of noise, offset, etc., and the reaction torque generated by the rotation of the inertia rotor 64 Can be used to accurately correct the inclination in the roll direction from the balanced state and prevent the roll from falling down.

−ロール方向外部トルクフィードフォワード−
(式22)で推定された偏差角(ロール傾斜角)によって、ロール方向外部トルクを補償する。
-Roll direction external torque feed forward-
The roll direction external torque is compensated by the deviation angle (roll inclination angle) estimated by (Equation 22).

Figure 0005240365
Figure 0005240365

(式23)のロール方向外部トルクを、トルクに加えておく。   The external torque in the roll direction of (Equation 23) is added to the torque.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

(式24)とすれば、運動方程式(式18)は、(式25)となるから、ロール方向外部トルクを補償することができる。釣合い状態から本体3がロール方向へ傾斜している角度であるロール傾斜角を推定した(式22)によって、釣合い状態からのロール方向への傾斜角度によって生じるロール方向外部トルクを推定することができるので、推定したロール方向外部トルクを相殺する補正トルクを算出することができる。したがって、ロール方向外部トルクによる影響を加味してロール用モータ62の回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からのロール方向の傾斜をより精度良く補正してロール方向の転倒を防止することができる。特に、傾斜角ループ、傾斜角速度ループの応答周波数が低い場合でも、ロール方向外部トルクをフィードフォワード制御で補償することにより、ロール方向の転倒を防止する制御ルーチンを正常に実行することができるため、安定した制御が可能となる。   If (Equation 24) is used, the equation of motion (Equation 18) becomes (Equation 25), so that the external torque in the roll direction can be compensated. By estimating the roll inclination angle, which is the angle at which the main body 3 is inclined in the roll direction, from the balanced state (Equation 22), it is possible to estimate the roll direction external torque generated by the inclination angle in the roll direction from the balanced state. Therefore, it is possible to calculate a correction torque that cancels the estimated roll direction external torque. Accordingly, since the rotation of the roll motor 62 can be controlled more appropriately in consideration of the influence of the external torque in the roll direction, the roll direction tilt from the balanced state can be corrected more accurately to prevent the roll direction from falling. can do. In particular, even when the response frequency of the inclination angle loop and the inclination angular velocity loop is low, by compensating the roll direction external torque by feedforward control, it is possible to normally execute a control routine that prevents the roll direction from falling. Stable control is possible.

Figure 0005240365
Figure 0005240365

図11は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1の制御基板35のコントローラによるロール方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。図11に示すように制御基板35のコントローラは、ロール用モータ62の回転速度を検出したロール用エンコーダ63の出力パルス(パルス信号)のパルス数を計数する(ステップS1101)。   FIG. 11 is a flowchart showing a roll direction overturn prevention processing procedure by the controller of the control board 35 of the unicycle robot 1 to which the movement direction control device according to the embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 11, the controller of the control board 35 counts the number of pulses of the output pulse (pulse signal) of the roll encoder 63 that detects the rotation speed of the roll motor 62 (step S1101).

コントローラは、計数したパルス数からロール方向の回転速度を算出する(ステップS1102)。具体的には、計数したパルス数を回転角度に変換したあと、微分して回転速度を算出する。コントローラは、ロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する(ステップS1103)。   The controller calculates the rotational speed in the roll direction from the counted number of pulses (step S1102). Specifically, after converting the counted number of pulses into a rotation angle, the rotation speed is calculated by differentiating. The controller calculates a target roll angle, which is a target tilt angle in the roll direction, based on the rotational speed in the roll direction (step S1103).

コントローラは、算出した目標ロール角から後述するステップS1111で推定したロール傾斜角を減じてロール角度偏差を算出し(ステップS1104)、算出したロール角度偏差に比例ゲインを乗算して目標ロール角速度ω2rを算出する(ステップS1105)。The controller calculates a roll angle deviation by subtracting a roll inclination angle estimated in step S1111 described later from the calculated target roll angle (step S1104), and multiplies the calculated roll angle deviation by a proportional gain to obtain a target roll angular velocity ω 2r. Is calculated (step S1105).

コントローラは、目標ロール角速度ω2rと、後述するステップS1110で算出したロール角速度ω1rとのロール角速度偏差を算出し(ステップS1106)、算出したロール角速度偏差に対してPI制御等によりロール用トルク指令τ0rを生成する(ステップS1107)。The controller calculates a roll angular velocity deviation between a target roll angular velocity ω 2r and a roll angular velocity ω 1r calculated in step S1110 described later (step S1106), and a roll torque command by PI control or the like for the calculated roll angular velocity deviation. τ 0r is generated (step S1107).

コントローラは、生成したロール用トルク指令τ0rを後述するステップS1112で推定したロール方向外部トルクτ3rで補正し、ロール用トルク指令τ2rを生成する(ステップS1108)。The controller corrects the generated roll torque command τ 0r with a roll direction external torque τ 3r estimated in step S1112 described later, and generates a roll torque command τ 2r (step S1108).

コントローラは、ロール用ジャイロセンサ61が出力したロール角速度をA/D変換して取得する(ステップS1109)。コントローラは、取得したロール角速度に変換係数を乗算してロール角速度ω1rを算出する(ステップS1110)。The controller acquires the roll angular velocity output from the roll gyro sensor 61 by A / D conversion (step S1109). The controller multiplies the acquired roll angular velocity by the conversion coefficient to calculate the roll angular velocity ω 1r (step S1110).

コントローラは、(式22)を用いて、算出したロール角加速度ω1rドットと、上述したステップS1108で生成したロール用トルク指令τ2rとから、釣合い状態に対して本体3がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定する(ステップS1111)。コントローラは、推定したロール傾斜角に基づいて、本体3をロール方向に傾斜させるロール方向外部トルクを推定する(ステップS1112)。Using (Equation 22), the controller uses the calculated roll angular acceleration ω 1r dot and the roll torque command τ 2r generated in step S1108 described above to tilt the main body 3 in the roll direction with respect to the balanced state. The roll inclination angle which is the angle at which the angle is set is estimated (step S1111). Based on the estimated roll inclination angle, the controller estimates a roll direction external torque that causes the main body 3 to tilt in the roll direction (step S1112).

コントローラは、ステップS1108でロール用トルク指令τ2rを生成したか否かを判断する(ステップS1113)。The controller determines whether or not a roll torque command τ 2r has been generated in step S1108 (step S1113).

コントローラが、ロール用トルク指令τ2rを生成したと判断した場合(ステップS1113:YES)、コントローラは、生成したロール用トルク指令τ2rに変換係数を乗算して指令電圧を算出する(ステップS1114)。コントローラは、算出した指令電圧をD/A変換し、ロール用モータ62を回転駆動するドライバに出力する(ステップS1115)。コントローラは、処理をステップS1101及びステップS1109に戻し、上述した処理を繰り返す。When the controller determines that the roll torque command τ 2r has been generated (step S1113: YES), the controller multiplies the generated roll torque command τ 2r by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S1114). . The controller performs D / A conversion on the calculated command voltage, and outputs it to the driver that rotationally drives the roll motor 62 (step S1115). The controller returns the process to step S1101 and step S1109, and repeats the above-described process.

一方、コントローラが、ロール用トルク指令τ2rを生成していないと判断した場合(ステップS1113:NO)、本体3は釣合い状態であり、コントローラは、処理を終了する。On the other hand, when the controller determines that the roll torque command τ 2r is not generated (step S1113: NO), the main body 3 is in a balanced state, and the controller ends the process.

このようにすることで、ヨー方向の回転制御のためにロール用の慣性ロータ64を回転させた場合であっても、ロール方向制御によりロール方向の釣り合いを維持した状態で一輪車ロボット1は方向転換することが可能となる。   In this way, even when the roll inertia rotor 64 is rotated to control the rotation in the yaw direction, the unicycle robot 1 changes its direction while maintaining the balance in the roll direction by the roll direction control. It becomes possible to do.

なお、静摩擦トルクを摩擦トルクTrとして用いる場合、制御基板35のコントローラは、摩擦トルク情報取得部304aとして機能する。図12は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1の制御基板35のコントローラによる静摩擦トルクの算出処理の手順を示すフローチャートである。   When the static friction torque is used as the friction torque Tr, the controller of the control board 35 functions as the friction torque information acquisition unit 304a. FIG. 12 is a flowchart showing the procedure of the static friction torque calculation process by the controller of the control board 35 of the unicycle robot 1 to which the moving direction control apparatus according to the embodiment of the present invention is applied.

図12において、制御基板35のコントローラは、図9のステップS903の処理を実行した後、車輪2のヨー方向の回転角を検出する(ステップS1201)。コントローラは、ヨー方向の回転角が変動を開始したか否かを判断し(ステップS1202)、コントローラが、ヨー方向の回転角が変動を開始していないと判断した場合(ステップS1202:NO)、コントローラは、ヨー方向の回転角の変動開始の検知待ち状態となる。   In FIG. 12, the controller of the control board 35 detects the rotation angle of the wheel 2 in the yaw direction after executing the process of step S903 of FIG. 9 (step S1201). The controller determines whether or not the yaw direction rotation angle has started to change (step S1202), and if the controller determines that the yaw direction rotation angle has not started to change (step S1202: NO), The controller waits for detection of the start of fluctuation of the rotation angle in the yaw direction.

コントローラが、ヨー方向の回転角が変動を開始したと判断した場合(ステップS1202:YES)、コントローラは、ヨー方向の回転角の変動開始を検知した時点、すなわちヨー方向の回転角が変動を開始した時刻(図6の時刻t1)におけるヨー方向のトルクを検出し(ステップS1203)、検出したヨー方向のトルクに基づく静摩擦トルクを、指定を受け付ける摩擦トルクTrとして算出して(ステップS1204)、処理を図9のステップS905へ進める。   When the controller determines that the rotation angle in the yaw direction has started to change (step S1202: YES), the controller detects the start of change in the rotation angle in the yaw direction, that is, the rotation angle in the yaw direction starts to change. The torque in the yaw direction at the time (time t1 in FIG. 6) is detected (step S1203), and the static friction torque based on the detected yaw direction torque is calculated as the friction torque Tr that accepts the designation (step S1204). Advances to step S905 in FIG.

また、動摩擦トルクを摩擦トルクTrとして用いる場合、制御基板35のコントローラは、摩擦トルク情報取得部304bとして機能する。図13は、本発明の実施の形態に係る移動方向制御装置を適用した一輪車ロボット1の制御基板35のコントローラによる動摩擦トルクの算出処理の手順を示すフローチャートである。   Further, when the dynamic friction torque is used as the friction torque Tr, the controller of the control board 35 functions as the friction torque information acquisition unit 304b. FIG. 13 is a flowchart showing the procedure of the calculation process of the dynamic friction torque by the controller of the control board 35 of the unicycle robot 1 to which the moving direction control apparatus according to the embodiment of the present invention is applied.

図13において、制御基板35のコントローラは、図9のステップS903の処理を実行した後、車輪2のヨー方向の回転角を検出する(ステップS1301)。コントローラは、ヨー方向の回転角が収束したか否かを判断し(ステップS1302)、コントローラが、ヨー方向の回転角が収束していないと判断した場合(ステップS1302:NO)、コントローラは、ヨー方向の回転角の収束の検知待ち状態となる。   In FIG. 13, the controller of the control board 35 detects the rotation angle of the wheel 2 in the yaw direction after executing the process of step S903 of FIG. 9 (step S1301). The controller determines whether or not the rotation angle in the yaw direction has converged (step S1302), and when the controller determines that the rotation angle in the yaw direction has not converged (step S1302: NO), the controller It becomes the detection waiting state of the convergence of the rotation angle of the direction.

コントローラが、ヨー方向の回転角が収束したと判断した場合(ステップS1302:YES)、コントローラは、ヨー方向の回転角が収束した時刻、すなわち図6の時刻t2におけるヨー方向のトルクを検出する(ステップS1303)。コントローラは、検出したヨー方向のトルクに基づく動摩擦トルクを、指定を受け付ける摩擦トルクTrとして算出する(ステップS1304)。   When the controller determines that the rotation angle in the yaw direction has converged (step S1302: YES), the controller detects the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction has converged, that is, at time t2 in FIG. Step S1303). The controller calculates a dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque Tr that accepts the designation (step S1304).

以上のように、本実施の形態によれば、ピッチ方向に傾斜していない場合にはロール方向の傾斜角制御にしか用いることができない慣性ロータ64を、ピッチ方向に傾斜させることによりヨー方向のトルクを発生させることができ、別個にヨー方向制御用の慣性ロータを設けることなく方向転換することが可能となる。すなわち、算出したヨー方向の必要トルクを生じさせるモータの回転指令を、ピッチ角に応じて生成することにより、指定を受け付けたヨー角を生じさせるために必要な慣性ロータ64の回転数を、ピッチ角に応じて変動させることができ、確実に所望の方向へ方向転換することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the inertia rotor 64, which can be used only for the tilt angle control in the roll direction when not tilted in the pitch direction, is tilted in the pitch direction so as to be adjusted in the yaw direction. Torque can be generated, and the direction can be changed without separately providing an inertia rotor for controlling the yaw direction. That is, by generating a rotation command of the motor that generates the necessary torque in the calculated yaw direction according to the pitch angle, the number of rotations of the inertia rotor 64 required to generate the specified yaw angle can be expressed as the pitch. It can be changed according to the angle, and the direction can be reliably changed to a desired direction.

なお、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えば摩擦トルクTrとして、粘性摩擦係数μに基づく静摩擦トルク、動摩擦トルクの指定を受け付けることに限定されるものではなく、例えば図6に示す時刻t1までは静摩擦トルクを、時刻t1経過後は動摩擦トルクを、というように指定を受け付ける摩擦トルクTrを可変としても良い。   In addition, it cannot be overemphasized that embodiment mentioned above can be changed in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, the friction torque Tr is not limited to accepting designation of the static friction torque and the dynamic friction torque based on the viscous friction coefficient μ. For example, the static friction torque is displayed until the time t1 shown in FIG. Thus, the friction torque Tr that receives the designation may be variable.

1 一輪車ロボット(移動方向制御装置)
2 車輪
3 本体
35 制御基板
36 電池
61 ロール用ジャイロセンサ(ロール用角速度センサ)
62 ロール用モータ
63 ロール用エンコーダ(ロール用回転センサ)
64 慣性ロータ
1 、O2 回転中心
1 本体質量
2 慣性ロータ質量
1r1 まわりの本体の慣性モーメント
2r2 まわりの慣性ロータの慣性モーメント
θ1 垂直軸に対する本体のピッチ方向の傾斜角度
θ1r 垂直軸に対する本体のロール方向の傾斜角度
θ2r 本体に対する慣性ロータの回転角度
r1 からO2 までの距離
Gr1 から本体重心位置までの距離
g 重力加速度
1 Unicycle robot (movement direction control device)
2 Wheel 3 Body 35 Control board 36 Battery 61 Roll gyro sensor (Roll angular velocity sensor)
62 Roll motor 63 Roll encoder (roll rotation sensor)
64 Inertia rotor O 1 , O 2 rotation center m 1 body mass m 2 inertia rotor mass I 1r O 1 body inertia moment around I 1r O 1 inertia rotor inertia moment around I 2r O 2 θ 1 distance g gravitational acceleration from the distance l Gr O 1 from the rotation angle l r O 1 of the inertia rotor with respect to the inclination angle theta 2r body in the roll direction of the main body with respect to the inclination angle theta 1r vertical axis to O 2 to the main body gravity center position

Claims (9)

前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、
該本体に、
本体の略前後方向を回転中心軸とした慣性ロータと、
該慣性ロータを回転させるモータと
を備え、
ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生じる、前記慣性ロータの回転によるヨー方向のトルクにより前記本体のヨー方向の回転角を制御することを特徴とする移動方向制御装置。
It is composed of a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and a main body that is connected to the rotation shaft of the wheel and swings in the pitch direction and the roll direction above the wheel.
In the main body,
An inertia rotor having a rotation center axis in a substantially longitudinal direction of the main body;
A motor for rotating the inertial rotor,
A movement direction control device that controls a rotation angle in a yaw direction of the main body by a torque in a yaw direction caused by rotation of the inertia rotor, which is generated according to a pitch angle that is a predetermined inclination angle in the pitch direction.
移動方向の目標とする前記車輪のヨー角の指定を受け付けるヨー角指定受付部と、
摩擦トルクの大きさ及び方向を含む摩擦トルクに関する情報を取得する摩擦トルク情報取得部と、
指定を受け付けたヨー角に基づいて、ヨー方向の回転角加速度を算出するヨー方向角加速度算出部と、
算出したヨー方向の回転角加速度に基づいて、ヨー方向のトルクを算出するヨー方向トルク算出部と、
算出したヨー方向のトルクと取得した摩擦トルクに関する情報とに基づいて、ヨー方向の必要トルクを算出するヨー方向必要トルク算出部と、
算出したヨー方向の必要トルクを生じさせる前記モータの回転指令を、前記ピッチ角に応じて生成するモータ回転指令生成部と
を備えることを特徴とする請求項1記載の移動方向制御装置。
A yaw angle designation accepting unit that accepts designation of the yaw angle of the wheel as a target in the moving direction;
A friction torque information acquisition unit for acquiring information on the friction torque including the magnitude and direction of the friction torque;
A yaw direction angular acceleration calculation unit that calculates a rotational angular acceleration in the yaw direction based on the yaw angle for which the designation is received;
Based on the calculated rotational angular acceleration in the yaw direction, a yaw direction torque calculation unit that calculates the torque in the yaw direction;
Based on the calculated yaw direction torque and the acquired information on the friction torque, the yaw direction required torque calculation unit that calculates the necessary torque in the yaw direction;
The movement direction control device according to claim 1, further comprising: a motor rotation command generation unit that generates a rotation command of the motor that generates the necessary torque in the calculated yaw direction according to the pitch angle.
前記摩擦トルク情報取得部は、
摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付ける摩擦トルク受付部を備えることを特徴とする請求項2記載の移動方向制御装置。
The friction torque information acquisition unit
The moving direction control device according to claim 2, further comprising a friction torque receiving unit that receives designation of the magnitude and direction of the friction torque.
前記摩擦トルク情報取得部は、
前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出部と、
ヨー方向の回転角が変動を開始する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する変動トルク検出部と、
検出したヨー方向のトルクに基づいて、静摩擦トルクを算出する静摩擦トルク算出部と
を備え、
算出した静摩擦トルクを前記摩擦トルクとして取得するようにしてあることを特徴とする請求項2記載の移動方向制御装置。
The friction torque information acquisition unit
A yaw rotation angle detector that detects a rotation angle of the wheel in the yaw direction;
A fluctuating torque detector for detecting a torque in the yaw direction at a time when the rotation angle in the yaw direction starts fluctuating;
A static friction torque calculating unit that calculates a static friction torque based on the detected torque in the yaw direction,
3. The moving direction control device according to claim 2, wherein the calculated static friction torque is acquired as the friction torque.
前記摩擦トルク情報取得部は、
前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出部と、
ヨー方向の回転角が収束する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する収束トルク検出部と、
検出したヨー方向のトルクに基づいて、動摩擦トルクを算出する動摩擦トルク算出部と
を備え、
算出した動摩擦トルクを前記摩擦トルクとして取得するようにしてあることを特徴とする請求項2記載の移動方向制御装置。
The friction torque information acquisition unit
A yaw rotation angle detector that detects a rotation angle of the wheel in the yaw direction;
A convergence torque detector for detecting the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction converges;
A dynamic friction torque calculating unit for calculating a dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction,
3. The moving direction control device according to claim 2, wherein the calculated dynamic friction torque is acquired as the friction torque.
前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、
該本体に、
本体の略前後方向を回転中心軸とした慣性ロータと、
該慣性ロータを回転させるモータと
を備えた移動方向制御装置に搭載してあり、
ピッチ方向の所定の傾斜角度であるピッチ角に応じて生じる、前記慣性ロータの回転によるヨー方向のトルクにより前記本体のヨー方向の回転角を制御するコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータを、
移動方向の目標とする前記車輪のヨー角の指定を受け付けるヨー角指定受付手段、
摩擦トルクの大きさ及び方向を含む摩擦トルクに関する情報を取得する摩擦トルク情報取得手段、
指定を受け付けたヨー角に基づいて、ヨー方向の回転角加速度を算出するヨー方向角加速度算出手段、
算出したヨー方向の回転角加速度に基づいて、ヨー方向のトルクを算出するヨー方向トルク算出手段、
算出したヨー方向のトルクと取得した摩擦トルクに関する情報とに基づいて、ヨー方向の必要トルクを算出するヨー方向必要トルク算出手段、及び
算出したヨー方向の必要トルクを生じさせる前記モータの回転指令を、前記ピッチ角に応じて生成するモータ回転指令生成手段
として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
It is composed of a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and a main body that is connected to the rotation shaft of the wheel and swings in the pitch direction and the roll direction above the wheel.
In the main body,
An inertia rotor having a rotation center axis in a substantially longitudinal direction of the main body;
Mounted on a moving direction control device having a motor for rotating the inertial rotor,
A computer program that can be executed by a computer that controls a rotation angle in a yaw direction of the main body by a torque in a yaw direction caused by rotation of the inertia rotor, which is generated according to a pitch angle that is a predetermined inclination angle in the pitch direction. And
The computer,
A yaw angle designation accepting means for accepting designation of a yaw angle of the wheel as a target in the moving direction;
Friction torque information acquisition means for acquiring information on the friction torque including the magnitude and direction of the friction torque;
Yaw direction angular acceleration calculating means for calculating the rotational angular acceleration in the yaw direction based on the yaw angle that has received the designation;
A yaw direction torque calculating means for calculating a torque in the yaw direction based on the calculated rotational angular acceleration in the yaw direction;
Based on the calculated torque in the yaw direction and the acquired information on the friction torque, the yaw direction required torque calculating means for calculating the required torque in the yaw direction, and the rotation command of the motor for generating the calculated necessary torque in the yaw direction A computer program that functions as a motor rotation command generation unit that generates the pitch according to the pitch angle.
前記摩擦トルク情報取得手段を、
摩擦トルクの大きさ及び方向の指定を受け付ける摩擦トルク受付手段として機能させることを特徴とする請求項6記載のコンピュータプログラム。
The friction torque information acquisition means,
7. The computer program according to claim 6, wherein the computer program functions as a friction torque receiving means for receiving designation of the magnitude and direction of the friction torque.
前記摩擦トルク情報取得手段を、
前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出手段、
ヨー方向の回転角が変動を開始する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する変動トルク検出手段、及び
検出したヨー方向のトルクに基づく静摩擦トルクを、前記摩擦トルクとして算出する静摩擦トルク算出手段
として機能させることを特徴とする請求項6記載のコンピュータプログラム。
The friction torque information acquisition means,
A yaw rotation angle detecting means for detecting a rotation angle of the wheel in the yaw direction;
Fluctuation torque detecting means for detecting the torque in the yaw direction at the time when the rotation angle in the yaw direction starts to fluctuate, and a static friction torque calculating means for calculating the static friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque The computer program according to claim 6.
前記摩擦トルク情報取得手段を、
前記車輪のヨー方向の回転角を検出するヨー回転角検出手段、
ヨー方向の回転角が収束する時刻におけるヨー方向のトルクを検出する収束トルク検出手段、及び
検出したヨー方向のトルクに基づく動摩擦トルクを、前記摩擦トルクとして算出する動摩擦トルク算出手段
として機能させることを特徴とする請求項6記載のコンピュータプログラム。
The friction torque information acquisition means,
A yaw rotation angle detecting means for detecting a rotation angle of the wheel in the yaw direction;
A convergence torque detecting means for detecting a torque in the yaw direction at a time when a rotation angle in the yaw direction converges, and a dynamic friction torque calculating means for calculating a dynamic friction torque based on the detected torque in the yaw direction as the friction torque. The computer program according to claim 6.
JP2011529845A 2009-09-04 2010-07-07 Moving direction control device and computer program Expired - Fee Related JP5240365B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011529845A JP5240365B2 (en) 2009-09-04 2010-07-07 Moving direction control device and computer program

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009204456 2009-09-04
JP2009204456 2009-09-04
JP2011529845A JP5240365B2 (en) 2009-09-04 2010-07-07 Moving direction control device and computer program
PCT/JP2010/061509 WO2011027615A1 (en) 2009-09-04 2010-07-07 Moving-direction control device and computer program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011027615A1 JPWO2011027615A1 (en) 2013-02-04
JP5240365B2 true JP5240365B2 (en) 2013-07-17

Family

ID=43649163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011529845A Expired - Fee Related JP5240365B2 (en) 2009-09-04 2010-07-07 Moving direction control device and computer program

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5240365B2 (en)
WO (1) WO2011027615A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435533B2 (en) 2021-04-21 2024-02-21 株式会社デンソー valve device

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012201254A (en) * 2011-03-25 2012-10-22 Osamu Furukawa Attitude control system of two-wheel vehicle
CN103645735B (en) * 2013-12-04 2016-01-20 桂林电子科技大学 A kind of wheelbarrow robot realizing self-equilibrating
CN114248804B (en) * 2021-12-08 2023-11-10 深圳市优必选科技股份有限公司 Gait planning method and device, electronic equipment and readable storage medium

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10268904A (en) * 1997-03-21 1998-10-09 V Uliyanov Sergei Method and device for self-organizing for optimally control nonlinear physical controlled system
WO2007063665A1 (en) * 2005-12-01 2007-06-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Fall-prevention control device
WO2007086176A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Murata Manufacturing Co., Ltd. Overturn prevention controller for two-wheeled vehicle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10268904A (en) * 1997-03-21 1998-10-09 V Uliyanov Sergei Method and device for self-organizing for optimally control nonlinear physical controlled system
WO2007063665A1 (en) * 2005-12-01 2007-06-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. Fall-prevention control device
WO2007086176A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Murata Manufacturing Co., Ltd. Overturn prevention controller for two-wheeled vehicle

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435533B2 (en) 2021-04-21 2024-02-21 株式会社デンソー valve device

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2011027615A1 (en) 2013-02-04
WO2011027615A1 (en) 2011-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4743347B2 (en) Fall prevention control device and computer program
JP5321681B2 (en) Moving direction control device and computer program
US8050837B2 (en) Mobile unit and control method of mobile unit
EP1955936B1 (en) Fall-prevention control device
EP2664528B1 (en) Inverted pendulum type vehicle
US9321498B2 (en) Method of estimating mounting angle error of gyroscopes by using a turning device, and corresponding turning device
JP2011500423A (en) Apparatus and method for controlling vehicle motion
JP4968297B2 (en) MOBILE BODY, MOBILE BODY CONTROL METHOD, AND PROGRAM
JP5240365B2 (en) Moving direction control device and computer program
EP2664462A1 (en) Inverted pendulum type vehicle
JP5336955B2 (en) Inverted pendulum type moving body and control method thereof
US8678124B2 (en) Inverted pendulum type vehicle
JP6058221B2 (en) Steering control device
JP5907037B2 (en) Moving body

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130305

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130318

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160412

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5240365

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees