JP5261081B2 - Inverted wheel type moving body and control method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverted wheel type mobile body having a controller with excellent controllability and traveling property, and a method for controlling the same. <P>SOLUTION: A control unit 80 of the inverted wheel type mobile body 100 calculates the posture deviation between the acquired angle of inclination and the acquired inclined angular velocity and the target angle of inclination and the target inclined angular velocity, the wheel deviation between the driving amount acquired by a first measurement unit and the target driving amount, the slider deviation between the driving amount acquired by a second measurement unit and the target driving amount, and the arm deviation between the driving amount acquired by a third measurement unit and the target driving amount. and further calculates the wheel torque command for driving the wheels, the slider force command for driving the slider mechanism, and the arm torque command for driving the arm mechanism by multiplying the four calculated deviations by the predetermined gain. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は倒立車輪型移動体、及びその制御方法に関する。   The present invention relates to an inverted wheel type moving body and a control method thereof.

倒立二輪車両などの倒立車輪型移動体は、通常、左右の駆動輪を駆動して安定状態を維持するように重心位置を修正しつつ、移動を行なうように制御している。さらに、倒立状態を安定させるため、車輪上方に設けられた慣性体を駆動する構成が開示されている(特許文献1)。この倒立車輪型移動体では、走行中に、慣性体をスライド移動させている。これにより、重心位置が車軸の鉛直線上に速やかに移動するため、倒立を安定させることができる。
特開2006−205839号公報
An inverted wheel type moving body such as an inverted two-wheeled vehicle is normally controlled to move while correcting the center of gravity so as to maintain the stable state by driving the left and right drive wheels. Furthermore, in order to stabilize an inverted state, the structure which drives the inertial body provided above the wheel is disclosed (patent document 1). In this inverted wheel type moving body, the inertial body is slid and moved during traveling. Thereby, since a gravity center position moves rapidly on the vertical line of an axle, inversion can be stabilized.
JP 2006-205839 A

しかしながら、従来技術では、このような多自由度を有する倒立車輪型移動体の制御コントローラの設計は、各事由度の動作に着目して制御コントローラを設計し、設計したそれら複数の制御コントローラを結合することにより行われるものであった。このため、従来の制御コントローラでは、各自由度の動作が干渉しあい、動作計画を適切に調整しないと、良好な動作制御を実現することができないという問題があった。また、各自由度の干渉を意識しすぎることで、各制御コントローラの制御性能を十分に発揮することができなくなるという問題があった。   However, in the prior art, the controller design of the inverted wheel type mobile body having such a multi-degree of freedom is designed by focusing on the operation of each reason and combining the designed control controllers. It was done by doing. For this reason, the conventional control controller has a problem that the operations of the respective degrees of freedom interfere with each other, and good operation control cannot be realized unless the operation plan is appropriately adjusted. In addition, there is a problem that the control performance of each control controller cannot be sufficiently exhibited by being too conscious of the interference of each degree of freedom.

特許文献1記載の倒立車輪型移動体では、台車並進方向に関する車輪の制御を行う制御コントローラと、台車並進方向にスライド可能な制御アームの制御を行う制御コントローラとを有している。例えば、特許文献1記載の倒立車輪型移動体が加減速を行う場合には、加減速を行うための車輪のトルク指令値に合わせて制御アームの動作を適切に制御する必要がある。しかし、特許文献1記載の倒立車輪型移動体では、各制御コントローラは互いに独立しているため、車輪と制御アームとの制御を協調させて行わせるためのさらに他の演算器(CPUなど)が必要となる。   The inverted wheel type moving body described in Patent Document 1 includes a control controller that controls a wheel in the cart translation direction and a control controller that controls a control arm that can slide in the cart translation direction. For example, when the inverted wheel type moving body described in Patent Document 1 performs acceleration / deceleration, it is necessary to appropriately control the operation of the control arm in accordance with the torque command value of the wheel for performing acceleration / deceleration. However, in the inverted wheel type moving body described in Patent Document 1, since each control controller is independent of each other, there is still another arithmetic unit (CPU or the like) for performing the control of the wheel and the control arm in a coordinated manner. Necessary.

本発明は、多自由度を有する制御対象に対して良好な動作制御を実現可能な制御コントローラを設計し、制御性及び走行性に優れた当該制御コントローラを有する倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention designs a control controller capable of realizing good motion control for a controlled object having multiple degrees of freedom, and has an inverted wheel type moving body having the control controller excellent in controllability and traveling performance, and control thereof It aims to provide a method.

本発明に係る倒立車輪型移動体は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第2の駆動部と、前記車体部の高さを変化させる第3の駆動部と、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、前記車体部の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度を取得する姿勢傾斜測定部と、前記第1の駆動部の駆動量を取得する第1の測定部と、前記第2の駆動部の駆動量を取得する第2の測定部と、前記第3の駆動部の駆動量を取得する第3の測定部と、を備える倒立車輪型移動体であって、前記制御部が、前記姿勢傾斜測定部により取得した前記傾斜角度及び傾斜角速度と目標傾斜角度及び目標傾斜角速度との姿勢偏差、前記第1の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第1の偏差、前記第2の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第2の偏差、及び前記第3の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第3の偏差を算出し、当該算出した4つの偏差に所定のゲインを乗じて、前記第1の駆動部を駆動する第1の制御量、前記第2の駆動部を駆動する第2の制御量、及び前記第3の駆動部を駆動する第3の制御量を算出するものである。   The inverted wheel type moving body according to the present invention is rotatably supported with respect to the chassis via a chassis that rotatably supports the wheel, a first drive unit that rotationally drives the wheel, and a support member. A vehicle body portion, a second drive portion that drives the vehicle body portion, a third drive portion that changes the height of the vehicle body portion, the first drive portion, the second drive portion, A control unit that controls the three driving units, a posture inclination measuring unit that acquires an inclination angle and an inclination angular velocity with respect to a vertical direction of the vehicle body unit, and a first measuring unit that acquires a driving amount of the first driving unit; An inverted wheel type moving body comprising: a second measuring unit that obtains the driving amount of the second driving unit; and a third measuring unit that obtains the driving amount of the third driving unit, The control unit obtains the tilt angle, the tilt angular velocity, the target tilt angle, Attitude deviation from target inclination angular velocity, first deviation between drive amount and target drive amount acquired by first measurement unit, second difference between drive amount and target drive amount acquired by second measurement unit A deviation and a third deviation between the drive amount acquired by the third measurement unit and the target drive amount are calculated, and the calculated four deviations are multiplied by a predetermined gain to drive the first drive unit. A first control amount, a second control amount for driving the second drive unit, and a third control amount for driving the third drive unit.

このように、第1の駆動部、第2の駆動部、及び第3の駆動部に関する制御を一つの制御コントローラにより実現することで、多自由度を有する倒立車輪型移動体に対して良好な動作制御を実現することができる。   As described above, the control relating to the first drive unit, the second drive unit, and the third drive unit is realized by a single controller, which is favorable for an inverted wheel type moving body having multiple degrees of freedom. Operation control can be realized.

また、前記第3の偏差に積分演算値を含むことで、第3の駆動部に関する重力補償を行うことができる。さらに、前記姿勢偏差に積分演算値を含むことで、姿勢偏差に関する定常偏差を解消することができる。また、前記制御部は、重力を含む加速度による非線形負荷を補償するフィードフォワード量を算出し、当該算出したフィードフォワード量を前記第1の制御量、前記第2の制御量、及び前記第3の制御量に加算することで、重力を含む非線形項の補償を行うことができる。   Further, by including an integral calculation value in the third deviation, gravity compensation for the third drive unit can be performed. Furthermore, by including an integral calculation value in the posture deviation, it is possible to eliminate a steady deviation related to the posture deviation. In addition, the control unit calculates a feedforward amount that compensates for a nonlinear load due to acceleration including gravity, and the calculated feedforward amount is used as the first control amount, the second control amount, and the third control amount. By adding to the control amount, nonlinear terms including gravity can be compensated.

さらにまた、前記ゲインのゲインパターンを予め複数設定し、前記第3の測定部により取得した前記第3の駆動部の駆動量に応じて、前記ゲインパターンを切替えるようにしてもよい。このように、単一の制御コントローラであっても、影響度の大きな駆動量に応じてゲインのゲインパターンを切替えることで、制御性能の低下を抑制することができる。   Furthermore, a plurality of gain patterns of the gain may be set in advance, and the gain pattern may be switched according to the driving amount of the third driving unit acquired by the third measuring unit. Thus, even with a single control controller, it is possible to suppress a decrease in control performance by switching the gain pattern of the gain according to the driving amount having a large influence.

また、前記第3の駆動部が前記車体部を支持しながら鉛直方向に伸縮するアーム機構を有しており、前記第3の測定部は、前記アーム機構の変化量を前記第3の駆動部の駆動量として取得すると好適である。   In addition, the third drive unit includes an arm mechanism that extends and contracts in a vertical direction while supporting the vehicle body, and the third measurement unit determines the amount of change in the arm mechanism as the third drive unit. It is preferable to acquire as the driving amount.

さらにまた、前記第2の駆動部が前記車体部を前後にスライドさせるスライド機構を有し、前記第3の駆動部が前記車体部を支持しながら鉛直方向に伸縮するアーム機構を有し、前記制御部は、前記算出した第1の制御量としての車輪トルク指令を前記車輪に出力し、前記算出した第2の制御量としてのスライド力指令を前記スライド機構に出力し、前記算出した第3の制御量としてのアームトルク指令を前記アーム機構に出力すると好適である。   Furthermore, the second drive unit has a slide mechanism that slides the vehicle body part back and forth, and the third drive unit has an arm mechanism that extends and contracts in the vertical direction while supporting the vehicle body unit, The control unit outputs a wheel torque command as the calculated first control amount to the wheel, outputs a slide force command as the calculated second control amount to the slide mechanism, and calculates the calculated third It is preferable to output an arm torque command as a control amount to the arm mechanism.

本発明に係る倒立車輪型移動体の制御方法は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第1の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、前記車体部を駆動する第2の駆動部と、前記車体部の高さを変化させる第3の駆動部と、を備える倒立車輪型移動体の制御方法であって、前記車体部の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度を取得し、前記第1の駆動部の駆動量、前記第2の駆動部の駆動量、及び前記第3の駆動部の駆動量を取得し、前記取得した前記傾斜角度及び傾斜角速度と目標傾斜角度及び目標傾斜角速度との姿勢偏差、前記取得した駆動量と目標駆動量との第1の偏差、前記取得した駆動量と目標駆動量との第2の偏差、及び前記取得した駆動量と目標駆動量との第3の偏差を算出し、当該算出した4つの偏差に所定のゲインを乗じて、前記第1の駆動部を駆動する第1の制御量、前記第2の駆動部を駆動する第2の制御量、及び前記第3の駆動部を駆動する第3の制御量を算出するものである。   The control method for an inverted wheel type moving body according to the present invention is a vehicle body that rotatably supports a wheel, a first drive unit that rotationally drives the wheel, and a rotatable member with respect to the vehicle body via a support member. And a third drive unit for changing the height of the vehicle body part, and a method for controlling an inverted wheel type moving body comprising: a vehicle body part supported by the vehicle body; a second drive part that drives the vehicle body part; and a third drive part that changes a height of the vehicle body part. , Obtaining an inclination angle and an inclination angular velocity with respect to a vertical direction of the vehicle body, and obtaining a driving amount of the first driving unit, a driving amount of the second driving unit, and a driving amount of the third driving unit. , Attitude deviation between the acquired inclination angle and inclination angular velocity and target inclination angle and target inclination angular velocity, a first deviation between the acquired driving amount and target driving amount, and the acquired driving amount and target driving amount. A second deviation and a third of the acquired drive amount and target drive amount Calculating a deviation, multiplying the calculated four deviations by a predetermined gain, a first control amount for driving the first drive unit, a second control amount for driving the second drive unit, and A third control amount for driving the third drive unit is calculated.

このように、第1の駆動部、第2の駆動部、及び第3の駆動部に関する制御を一つの制御コントローラにより実現することで、多自由度を有する倒立車輪型移動体に対して良好な動作制御を実現することができる。   As described above, the control relating to the first drive unit, the second drive unit, and the third drive unit is realized by a single controller, which is favorable for an inverted wheel type moving body having multiple degrees of freedom. Operation control can be realized.

本発明によれば、多自由度を有する制御対象に対して良好な動作制御を実現可能な倒立車輪型移動体、及びその制御方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inverted wheel type mobile body which can implement | achieve favorable operation control with respect to the control object which has many degrees of freedom, and its control method can be provided.

発明の実施の形態1.
本実施の形態にかかる移動体は倒立振子制御によって移動する倒立車輪型移動体である。移動体は、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置まで移動する。さらに、ジャイロセンサ等からの出力に応じて車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。また、移動体は、倒立状態を維持したまま、操作者が操作する操作量に応じて移動する。
Embodiment 1 of the Invention
The moving body according to the present embodiment is an inverted wheel type moving body that moves by the inverted pendulum control. The moving body moves to a predetermined position by driving a wheel grounded on the ground. Furthermore, the inverted state can be maintained by driving the wheel according to the output from the gyro sensor or the like. Further, the moving body moves according to the operation amount operated by the operator while maintaining the inverted state.

図1及び図2を用いて、本実施の形態にかかる移動体100の構成について説明する。図1は移動体100の構成を模式的に示す側面図であり、図2は移動体100の構成を模式的に示す正面図である。   The configuration of the moving body 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a side view schematically showing the configuration of the moving body 100, and FIG. 2 is a front view schematically showing the configuration of the moving body 100.

図2に示されるように、移動体100は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、右駆動輪18と、左駆動輪20と、右スイングアーム17と、左スイングアーム19と、車体12と、を備えている。車体12は、右駆動輪18、及び左駆動輪20の上方に配置された移動体100の上体部の一部である。ここで、移動体100の進行方向(図2の紙面と垂直方向)を前後方向とし、水平面において前後方向に垂直な方向を左右方向(横方向)とする。よって、図2は、進行方向前側から移動体100を見た図であり、図1は、左側から移動体100を見た図である。   As shown in FIG. 2, the moving body 100 is an inverted wheel type moving body (running body), and includes a right driving wheel 18, a left driving wheel 20, a right swing arm 17, a left swing arm 19, A vehicle body 12. The vehicle body 12 is a part of the upper body portion of the moving body 100 disposed above the right drive wheel 18 and the left drive wheel 20. Here, the traveling direction of the moving body 100 (perpendicular to the paper surface of FIG. 2) is defined as the front-rear direction, and the direction perpendicular to the front-rear direction on the horizontal plane is defined as the left-right direction (lateral direction). Therefore, FIG. 2 is a view of the moving body 100 viewed from the front side in the traveling direction, and FIG. 1 is a view of the moving body 100 viewed from the left side.

走行時において、右スイングアーム17、及び左スイングアーム19は、車高を調整する。さらに、一方、又は両方のスイングアームを駆動して、車体12の地面に対する左右の傾斜角度を調整する。例えば、水平な地面を走行中に、右駆動輪18のみが段差に乗り上げたり、地面が右上がりの傾斜面に変わったりしたとする。この場合、右駆動輪18が左駆動輪20よりも高くなる。このため、右スイングアーム17の関節を駆動して右駆動輪18を車体12の方向により近づけるようにする。これにより、右駆動輪18が高くなった分を吸収でき、横方向(左右方向)において車体12を水平にすることができる。即ち、右スイングアーム17及び左スイングアーム19が、第3の駆動部に相当する。   During traveling, the right swing arm 17 and the left swing arm 19 adjust the vehicle height. Furthermore, one or both swing arms are driven to adjust the left and right inclination angles of the vehicle body 12 with respect to the ground. For example, it is assumed that only the right drive wheel 18 rides on a step while traveling on a horizontal ground, or the ground changes to an upwardly inclined surface. In this case, the right drive wheel 18 is higher than the left drive wheel 20. For this reason, the joint of the right swing arm 17 is driven so that the right driving wheel 18 is brought closer to the direction of the vehicle body 12. As a result, the height of the right drive wheel 18 can be absorbed, and the vehicle body 12 can be leveled in the lateral direction (left-right direction). That is, the right swing arm 17 and the left swing arm 19 correspond to a third drive unit.

右スイングアーム17側端側には右マウント26が固定され、車軸30を介して右駆動輪18を回転可能に支持する。右駆動輪18は、車軸30を介して右輪駆動モータ34の回転軸C1に固定されている。右輪駆動モータ34は、右マウント26内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。   A right mount 26 is fixed to the right swing arm 17 side end side, and the right drive wheel 18 is rotatably supported via an axle 30. The right drive wheel 18 is fixed to the rotation shaft C <b> 1 of the right wheel drive motor 34 via the axle 30. The right wheel drive motor 34 is fixed in the right mount 26 and functions as a wheel drive unit (actuator).

左スイングアーム19の側端側には左マウント28が固定され、車軸32を介して左駆動輪20を回転可能に支持する。左駆動輪20は、車軸32を介して左輪駆動モータ36の回転軸C2に固定されている。左輪駆動モータ36は、左マウント28内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。右駆動輪18と左駆動輪20は、地面と接地し、略同軸上で回転する一対の車輪である。   A left mount 28 is fixed to the side end side of the left swing arm 19 and supports the left driving wheel 20 via an axle 32 so as to be rotatable. The left drive wheel 20 is fixed to the rotation shaft C <b> 2 of the left wheel drive motor 36 via the axle 32. The left wheel drive motor 36 is fixed in the left mount 28 and functions as a wheel drive unit (actuator). The right driving wheel 18 and the left driving wheel 20 are a pair of wheels that are in contact with the ground and rotate substantially coaxially.

右駆動輪18と左駆動輪20が、回転することによって、移動体100が移動する。また、右輪駆動モータ34と左輪駆動モータ36が、車輪を駆動させる駆動輪モータとなる。即ち、右輪駆動モータ34と左輪駆動モータ36が、第1の駆動部に相当する。右マウント26と左マウント28が、左右の駆動輪を回転可能に支持する車台となる。   As the right driving wheel 18 and the left driving wheel 20 rotate, the moving body 100 moves. Further, the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 are drive wheel motors for driving the wheels. That is, the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 correspond to the first drive unit. The right mount 26 and the left mount 28 serve as a chassis that rotatably supports the left and right drive wheels.

右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36(以下、モータ34、36と称することもある。)は例えば、サーボモータである。尚、車輪用アクチュエータは、電気的なモータに限らず、空圧、油圧を使用したアクチュエータでもよい。なお、以下の説明において、右駆動輪18と左駆動輪20をまとめて、駆動輪と呼ぶこともある。   The right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 (hereinafter also referred to as motors 34 and 36) are, for example, servo motors. The wheel actuator is not limited to an electric motor, and may be an actuator using pneumatic pressure or hydraulic pressure. In the following description, the right driving wheel 18 and the left driving wheel 20 may be collectively referred to as driving wheels.

また、右マウント26は、右輪エンコーダ52を備えている。右輪エンコーダ52は、右駆動輪18の回転量としての回転角を検出する。左マウント28は、左輪エンコーダ54を備えている。左輪エンコーダ54は、左駆動輪20の回転量としての回転角を検出する。   The right mount 26 includes a right wheel encoder 52. The right wheel encoder 52 detects a rotation angle as a rotation amount of the right drive wheel 18. The left mount 28 includes a left wheel encoder 54. The left wheel encoder 54 detects a rotation angle as a rotation amount of the left drive wheel 20.

右スイングアーム17は、右上リンク21と、右スイング軸62と、右スイングアーム駆動モータ60を有している。左スイングアーム19は、左上リンク22と、左スイング軸66と、左スイングアーム駆動モータ64を有している。車体12の下部には、右上リンク21及び左上リンク22が固定されている。右上リンク21には、右スイングアーム駆動モータ60が固定され、右スイング軸62を介して、回転軸C4回りに、右スイングアーム17を駆動する。左スイング軸66には、左スイングアーム駆動モータ64が固定され、左スイング軸66を介して、回転軸C5周りに左スイングアーム19を駆動する。このように、右スイングアーム17には、回転軸C4回りに回転する回転関節が設けられ、左スイングアーム19には、回転軸C5回りに回転する回転関節が設けられている。右スイングアーム17及び左スイングアーム19(以下、スイングアーム17、19と称することもある。)に設けられた関節をスイングアーム関節とする。   The right swing arm 17 includes an upper right link 21, a right swing shaft 62, and a right swing arm drive motor 60. The left swing arm 19 includes an upper left link 22, a left swing shaft 66, and a left swing arm drive motor 64. An upper right link 21 and an upper left link 22 are fixed to the lower portion of the vehicle body 12. A right swing arm drive motor 60 is fixed to the upper right link 21 and drives the right swing arm 17 around the rotation axis C4 via the right swing shaft 62. A left swing arm drive motor 64 is fixed to the left swing shaft 66, and drives the left swing arm 19 around the rotation axis C5 via the left swing shaft 66. Thus, the right swing arm 17 is provided with a rotary joint that rotates about the rotation axis C4, and the left swing arm 19 is provided with a rotary joint that rotates about the rotation axis C5. The joints provided on the right swing arm 17 and the left swing arm 19 (hereinafter also referred to as swing arms 17 and 19) are referred to as swing arm joints.

車体12には、搭乗席駆動モータ70、ラックアンドピニオン72、ジャイロセンサ48、及び搭乗席74が取り付けられている。また、車体12には、対向して、右上リンク21及び左上リンク22が取り付けられている。   A passenger seat drive motor 70, a rack and pinion 72, a gyro sensor 48, and a passenger seat 74 are attached to the vehicle body 12. Further, an upper right link 21 and an upper left link 22 are attached to the vehicle body 12 so as to face each other.

車体12の中央近傍には、ラックアンドピニオン72が設けられている。ラックアンドピニオンのラックは、前後方向に沿って設けられている。ラックアンドピニオン72によって、搭乗席74が支持されている。即ち、搭乗席74は、ラックアンドピニオン72を介して車体12に取り付けられている。搭乗席74は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。なお、ラックアンドピニオン72の代わりにボールネジなどを用いてスライドさせてもよい。   A rack and pinion 72 is provided near the center of the vehicle body 12. The rack of the rack and pinion is provided along the front-rear direction. The boarding seat 74 is supported by the rack and pinion 72. That is, the boarding seat 74 is attached to the vehicle body 12 via the rack and pinion 72. The passenger seat 74 has a shape of a chair on which a passenger can sit. Instead of the rack and pinion 72, it may be slid using a ball screw or the like.

車体12の上部には、搭乗席駆動モータ70が固定されている。搭乗席74と搭乗席駆動モータ70は、ラックアンドピニオン72によって連結されている。搭乗席駆動モータ70は、回転軸C3回りに回転する。これにより、ラックアンドピニオン72のピニオンに回転力が加えられる。搭乗席駆動モータ70の回転運動は、ラックアンドピニオン72によって、直線運動に変換される。すなわち、搭乗席駆動モータ70を駆動すると、車体12に対する搭乗席74の位置が前後にスライドする。即ち、搭乗席駆動モータ70が第2の駆動部に相当する。このとき、搭乗席74と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置が、車体12に対して前後に変化する。なお、車体12に対して、搭乗席74と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置を変化させる手段としては、スライド機構の他に、回転軸機構、旋回機構などで実現することも可能である。また、搭乗席駆動モータ70の動力をギアやベルトやプーリなどを介して、搭乗席74に伝達してもよい。ここで、搭乗席駆動モータ70によって前後に移動する構成全体を車体部77とする。車体部77には、搭乗席74や操作モジュール46等が含まれる。もちろん、車体12を駆動するアクチュエータを備える場合は、車体部77に車体12も含まれる。また、搭乗席駆動モータ70には、スライド位置を計測するためのエンコーダ(図示せず)が設けられている。   A passenger seat drive motor 70 is fixed to the upper portion of the vehicle body 12. The passenger seat 74 and the passenger seat drive motor 70 are connected by a rack and pinion 72. The passenger seat drive motor 70 rotates about the rotation axis C3. Thereby, a rotational force is applied to the pinion of the rack and pinion 72. The rotational motion of the passenger seat drive motor 70 is converted into a linear motion by the rack and pinion 72. That is, when the passenger seat drive motor 70 is driven, the position of the passenger seat 74 with respect to the vehicle body 12 slides back and forth. That is, the passenger seat drive motor 70 corresponds to the second drive unit. At this time, the position of the center of gravity of the passenger seat 74 and the occupant or the vehicle changes forward and backward with respect to the vehicle body 12. As a means for changing the position of the center of gravity of the passenger seat 74 and the occupant or the vehicle with respect to the vehicle body 12, in addition to the slide mechanism, a rotating shaft mechanism, a turning mechanism, or the like can be realized. . Further, the power of the passenger seat drive motor 70 may be transmitted to the passenger seat 74 via a gear, a belt, a pulley, or the like. Here, the entire structure that moves back and forth by the passenger seat drive motor 70 is referred to as a vehicle body portion 77. The vehicle body portion 77 includes a boarding seat 74, an operation module 46, and the like. Of course, when an actuator for driving the vehicle body 12 is provided, the vehicle body 12 is also included in the vehicle body portion 77. The passenger seat drive motor 70 is provided with an encoder (not shown) for measuring the slide position.

回転軸C3は回転軸C1及びC2と平行であり、回転軸C1及びC2の上方に位置する。回転軸C3と回転軸C1との間に右スイングアーム17が設けられ、回転軸C3と回転軸C2との間に左スイングアーム19が設けられている。右スイングアーム駆動モータ60は、右スイングアーム17を回転軸C4回りに回転させ、左スイングアーム駆動モータ64は、左スイングアーム19を回転軸C5回りに回転させる。通常の走行時には、回転軸C1〜回転軸C5は水平になっている。   The rotation axis C3 is parallel to the rotation axes C1 and C2, and is located above the rotation axes C1 and C2. A right swing arm 17 is provided between the rotation axis C3 and the rotation axis C1, and a left swing arm 19 is provided between the rotation axis C3 and the rotation axis C2. The right swing arm drive motor 60 rotates the right swing arm 17 around the rotation axis C4, and the left swing arm drive motor 64 rotates the left swing arm 19 around the rotation axis C5. During normal travel, the rotation axis C1 to the rotation axis C5 are horizontal.

さらに、移動体100には、転倒を防止するために、2つの補助輪51が設けられている。補助輪51は、補助輪支持ブロック55に対して回転可能に支持されている。そして、補助輪支持ブロック55は車体12に取り付けられている。ここでは、一方の補助輪51は、駆動輪の前方側に配置され、他方の補助輪51は駆動輪の後方側に配置されている。補助輪51は、従動輪であり、移動体100の移動にしたがって回転する。   Furthermore, the moving body 100 is provided with two auxiliary wheels 51 in order to prevent the mobile body 100 from falling. The auxiliary wheel 51 is rotatably supported with respect to the auxiliary wheel support block 55. The auxiliary wheel support block 55 is attached to the vehicle body 12. Here, one auxiliary wheel 51 is disposed on the front side of the driving wheel, and the other auxiliary wheel 51 is disposed on the rear side of the driving wheel. The auxiliary wheel 51 is a driven wheel and rotates as the moving body 100 moves.

一方の補助輪51の回転軸は、回転軸C1、C2よりも前側上方にあり、他方の補助輪51の回転軸は、回転軸C1,C2よりも後側上方にある。すなわち、補助輪51の一方は、駆動輪の車軸よりも前方に配置され、他方は、駆動輪の車軸よりも後方に配置される。これにより、移動体100が前後に転倒するのを防止することができる。なお、補助輪以外の転倒防止部材によって、転倒を防止してもよい。例えば、前後方向に突出したストッパなどで転倒を防止することができる。   The rotation axis of one auxiliary wheel 51 is located on the front side above the rotation axes C1 and C2, and the rotation axis of the other auxiliary wheel 51 is located on the rear side above the rotation axes C1 and C2. That is, one of the auxiliary wheels 51 is disposed in front of the axle of the driving wheel, and the other is disposed in the rear of the axle of the driving wheel. Thereby, it can prevent that the mobile body 100 falls forward and backward. In addition, you may prevent a fall by the fall prevention member other than an auxiliary wheel. For example, the fall can be prevented by a stopper or the like protruding in the front-rear direction.

車体12には、バッテリーモジュール44と、センサ58が収納されている。センサ58は、例えば、光学式の障害物検知センサであり、移動体100の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。また、センサ58は、障害物センサ以外のセンサであってもよい。例えば、センサ58として、加速度センサを用いることも可能である。もちろん、センサ58として、2以上のセンサが用いられていてもよい。センサ58は移動体100の状態に応じて変化する変化量を検出する。バッテリーモジュール44は、センサ58、ジャイロセンサ48、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、搭乗席駆動モータ70、及び制御部80等に対して電力を供給する。   A battery module 44 and a sensor 58 are housed in the vehicle body 12. The sensor 58 is an optical obstacle detection sensor, for example, and outputs a detection signal when an obstacle is detected in front of the moving body 100. The sensor 58 may be a sensor other than the obstacle sensor. For example, an acceleration sensor can be used as the sensor 58. Of course, two or more sensors may be used as the sensor 58. The sensor 58 detects a change amount that changes in accordance with the state of the moving body 100. The battery module 44 has a sensor 58, a gyro sensor 48, a right wheel drive motor 34, a left wheel drive motor 36, a right swing arm drive motor 60, a left swing arm drive motor 64, a passenger seat drive motor 70, a control unit 80, and the like. Supply power.

車体12上には、ジャイロセンサ48が設けられている。ジャイロセンサ48は、車体12の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体12の傾斜角は、移動体100の重心位置が車軸30、32の鉛直上方に伸びる軸からの傾斜度合いであり、例えば移動体100の進行方向前方に車体12が傾斜している場合を「正」とし、移動体100の進行方向後方に車体12が傾斜している場合を「負」として表わす。したがって、車体12が水平になっている状態では、傾斜角度が0°になる。そして、通常の走行時には、傾斜角度の制御目標値が0°なっている。この制御目標値に追従するように、フィードバック制御されている。また、前後方向における傾斜角度を移動体100の姿勢の傾斜角度とする。   A gyro sensor 48 is provided on the vehicle body 12. The gyro sensor 48 detects an angular velocity with respect to the inclination angle of the vehicle body 12. Here, the inclination angle of the vehicle body 12 is a degree of inclination from the axis at which the center of gravity of the moving body 100 extends vertically above the axles 30 and 32. For example, the vehicle body 12 is inclined forward in the traveling direction of the moving body 100. The case is represented as “positive”, and the case where the vehicle body 12 is inclined rearward in the traveling direction of the moving body 100 is represented as “negative”. Therefore, when the vehicle body 12 is horizontal, the tilt angle is 0 °. During normal traveling, the control target value of the tilt angle is 0 °. Feedback control is performed so as to follow the control target value. Further, the inclination angle in the front-rear direction is set as the inclination angle of the posture of the moving body 100.

また、進行方向の前後方向に加えて、左右方向の傾斜角速度はロール、ピッチ、ヨーの3軸のジャイロセンサ48を用いて測定される。このように、ジャイロセンサ48は、車体12の傾斜角の変化を、車体12の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ48は他の箇所に取り付けられていてもよい。ジャイロセンサ48で測定された傾斜角速度は、移動体100の姿勢の変化に応じて変化する。即ち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体12の重心位置に応じて変化する変化量である。従って、外乱などによって、姿勢の傾斜角度が急激に変化すると、傾斜角速度の値が大きくなる。   In addition to the front-rear direction of the traveling direction, the tilt angular velocity in the left-right direction is measured using a three-axis gyro sensor 48 of roll, pitch, and yaw. Thus, the gyro sensor 48 measures the change in the tilt angle of the vehicle body 12 as the tilt angular velocity of the vehicle body 12. Of course, the gyro sensor 48 may be attached to another location. The tilt angular velocity measured by the gyro sensor 48 changes according to the change in the posture of the moving body 100. That is, the inclination angular velocity is a change amount that changes according to the position of the center of gravity of the vehicle body 12 with respect to the position of the axle. Therefore, when the inclination angle of the posture changes suddenly due to disturbance or the like, the value of the inclination angular velocity increases.

搭乗席74の側面には、操作モジュール46が設けられている。操作モジュール46には、操作レバー(図示せず)及びブレーキレバー(図示せず)が設けられている。操作レバーは、搭乗者が移動体100の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である、搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって移動体100の移動速度を調整することができる。また、搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって移動体100の移動方向を指定することができる。移動体100は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、移動体100を制動することができる。移動体100の進行方向は、水平面内において、車軸30、32と垂直な方向になる。また、操作モジュール46には、制御モードを切換えるスイッチが設けられている。   An operation module 46 is provided on the side surface of the boarding seat 74. The operation module 46 is provided with an operation lever (not shown) and a brake lever (not shown). The operating lever is an operating member for the passenger to adjust the traveling speed and traveling direction of the moving body 100. The passenger adjusts the moving speed of the moving body 100 by adjusting the operation amount of the operating lever. Can do. Moreover, the passenger can specify the moving direction of the moving body 100 by adjusting the operating direction of the operating lever. The moving body 100 can make forward, stop, reverse, left turn, right turn, left turn, and right turn according to the operation applied to the operation lever. The moving body 100 can be braked when the passenger tilts the brake lever. The traveling direction of the moving body 100 is a direction perpendicular to the axles 30 and 32 in the horizontal plane. The operation module 46 is provided with a switch for switching the control mode.

さらに、搭乗席74の背もたれ部分には、制御部80が実装されている。制御部80は、搭乗者が操作モジュール46に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御し、移動体100の走行(移動)を制御する。制御部80は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御する。これにより、操作モジュール46での操作に応じた加速度、速度指令値で右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36が駆動する。   Further, a control unit 80 is mounted on the backrest portion of the passenger seat 74. The control unit 80 controls the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 in accordance with the operation performed by the occupant on the operation module 46, and controls the travel (movement) of the moving body 100. The control unit 80 controls the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 in accordance with an operation on the operation module. As a result, the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 are driven with the acceleration and speed command values according to the operation of the operation module 46.

制御部80は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、移動体100の各種動作を制御する。そして、この制御部80は、例えばROMに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御部80は、操作モジュール46での操作に応じて、所望の加速度、及び目標速度になるように、また、移動体100が倒立を維持するように、ロバスト制御、状態フィードバック制御、PID制御などの周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御する。これにより、移動体100が、操作モジュール46での操作に応じて加減速しながら走行する。   The control unit 80 includes a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), a communication interface, and the like, and controls various operations of the mobile unit 100. And this control part 80 performs various control according to the control program stored, for example in ROM. The control unit 80 performs robust control, state feedback control, PID control, or the like so as to achieve a desired acceleration and target speed according to an operation in the operation module 46, and so that the moving body 100 is maintained upside down. The right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 are controlled by the known feedback control. As a result, the moving body 100 travels while accelerating / decelerating in accordance with the operation of the operation module 46.

すなわち、操作モジュール46は、搭乗者の操作によって与えられた操作量を取得し、この操作量を操作信号として、制御部80に出力する。そして、制御部80は、操作信号に基づいて、移動体100の目標加速度や、目標速度を算出し、これに追従するように、移動体100をフィードバック制御する。これにより、移動体100を倒立させつつ、移動させることができる。   That is, the operation module 46 acquires the operation amount given by the passenger's operation, and outputs this operation amount to the control unit 80 as an operation signal. Then, the control unit 80 calculates a target acceleration and a target speed of the moving body 100 based on the operation signal, and feedback-controls the moving body 100 so as to follow the target acceleration and target speed. Thereby, the moving body 100 can be moved while being inverted.

また、制御部80は、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、及び搭乗席駆動モータ70を制御する。ここで、搭乗席駆動モータ70が右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36と協調して動作するよう、制御部80が制御を行う。すなわち、倒立を安定させるように、駆動輪を回転駆動するとともに搭乗席74をスライド移動させる。これにより、車体12の傾斜角度が小さくなり、倒立を安定させることができる。このようにして、搭乗席駆動モータ70が右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、及び搭乗席駆動モータ70と協調して動作する。   Further, the control unit 80 controls the right wheel drive motor 34, the left wheel drive motor 36, the right swing arm drive motor 60, the left swing arm drive motor 64, and the passenger seat drive motor 70. Here, the control unit 80 performs control so that the passenger seat drive motor 70 operates in cooperation with the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36. That is, the driving wheel is rotated and the boarding seat 74 is slid so as to stabilize the inversion. Thereby, the inclination angle of the vehicle body 12 becomes small, and the inversion can be stabilized. In this manner, the passenger seat drive motor 70 operates in cooperation with the right swing arm drive motor 60, the left swing arm drive motor 64, and the passenger seat drive motor 70.

以下、制御部80による制御目標値の算出方法について具体的に説明する。図3は、以下の説明において使用する変数の定義を表す図である。図3Aは、本実施の形態にかかる移動体の構成を概念的に示す図であり、長さに関する変数の定義を表す図である。図3Bは、本実施の形態にかかる移動体の構成を概念的に示す図であり、角度に関する変数の定義を表す図である。   Hereinafter, a method for calculating the control target value by the control unit 80 will be specifically described. FIG. 3 is a diagram illustrating definitions of variables used in the following description. FIG. 3A is a diagram conceptually illustrating the configuration of the moving object according to the present embodiment, and is a diagram illustrating the definition of variables related to length. FIG. 3B is a diagram conceptually showing the configuration of the moving object according to the present embodiment, and is a diagram showing the definition of variables related to angles.

図3Aに示すように、搭乗席駆動モータ70によりスライドする搭乗席74に関して、搭乗席74の重心をmとし、車体12に設けた原点Oからの重心mの位置を、x軸方向のスライド位置Pgx、y軸方向のスライド位置Pgy、z軸方向のスライド位置Pgzとして示す。また、右スイングアーム17及び左スイングアーム19を原点Oからの距離lに設け、その重心mは、スイングアームの端部から距離lに位置するものとする。また、車体12の重心をmとし、原点Oからのその重心mの位置をx軸方向の距離Bgx、y軸方向の距離Bgy、z軸方向の距離Bgzとして示す。また、右駆動輪18及び左駆動輪20の半径をRとし、その重心mを、スイングアームの重心mから距離lに設ける。 As shown in FIG. 3A, with respect to the passenger seat 74 to slide the passenger seat drive motor 70, the center of gravity of the passenger seat 74 and m p, the position of the center of gravity m p from the origin O which is provided on the vehicle body 12, the x-axis direction slide position location P gx, y-axis direction of the slide position location P gy, shown as slide position location P gz z-axis direction. Further, it provided the right swing arm 17 and the left swing arm 19 at a distance l w from the origin O, the center of gravity m A, shall be located at a distance l a from the end portion of the swing arm. Further, the center of gravity of the vehicle body 12 and m B, indicating the position of its center of gravity m B from the origin O x axis direction of the distance B gx, y-axis direction of the distance B gy, as the distance B gz in the z-axis direction. Moreover, the radius of the right driving wheel 18 and the left driving wheel 20 and R T, the center of gravity m t, provided from the center of gravity m A of the swing arm at a distance l A.

図3Bに示すように、鉛直方向に対する車体12の傾斜角をθby、水平方向に対する右スイングアーム17及び左スイングアーム19の回転角度をそれぞれθar及びθal、右駆動輪18及び左駆動輪20の回転角度をそれぞれθtr及びθtlとして示す。 As shown in FIG. 3B, the inclination angle of the vehicle body 12 with respect to the vertical direction is θ by , the rotation angles of the right swing arm 17 and the left swing arm 19 with respect to the horizontal direction are θ ar and θ al , the right driving wheel 18 and the left driving wheel, respectively. The rotation angles of 20 are indicated as θ tr and θ tl respectively.

図3に示した移動体は、右駆動輪18及び左駆動輪20の2軸、右スイングアーム17及び左スイングアーム19の2軸、及び搭乗席駆動モータ70のスライド機構の1軸からなる合計で5軸の自由度を有する、3次元5軸モデルである。図3に示したモデルについて、以下の数1に示す5つの釣り合いの式を得ることができる。数1は、図3のモデルに関する逆動力学を示す。尚、τtrは右駆動輪18のトルク、τtlは左駆動輪20のトルク、τarは右スイングアーム17のトルク、τalは左スイングアーム19のトルク、Fは搭乗席駆動モータ70のスライド機構に作用するスライド力を示す。変数上のドット(・)は、時間に関する一階微分であることを示し、ダブルドット(・・)は、時間に関する二階微分であることを示す。即ち、θby (・)は車体12の傾斜角速度、θar (・)は右スイングアーム17の回転角速度、θal (・)は左スイングアーム19の回転角速度、θtr (・)は右駆動輪18の回転角速度、θtl (・)は左駆動輪20の回転角速度、Pgx (・)はスライドの移動速度を示す。θby (・・)は車体12の傾斜角加速度、θar (・・)は右スイングアーム17の回転角加速度、θal (・・)は左スイングアーム19の回転角加速度、θtr (・・)は右駆動輪18の回転角加速度、θtl (・・)は左駆動輪20の回転角加速度、Pgx (・・)はスライドの移動加速度を示す。

Figure 0005261081
尚、数1におけるfij及びgは、以下の数2により示される関数f及びgを用いて計算される。関数fは、状態量に基づいて、係数fijを計算する。関数gは、状態量に基づいて、重力を含めた各非線形項gを計算する。
Figure 0005261081
The moving body shown in FIG. 3 includes a total of two axes of the right drive wheel 18 and the left drive wheel 20, two axes of the right swing arm 17 and the left swing arm 19, and one axis of the slide mechanism of the passenger seat drive motor 70. This is a three-dimensional five-axis model having five axes of freedom. For the model shown in FIG. 3, the following five balanced equations shown in Equation 1 can be obtained. Equation 1 shows the inverse dynamics for the model of FIG. Τ tr is the torque of the right drive wheel 18, τ tl is the torque of the left drive wheel 20, τ ar is the torque of the right swing arm 17, τ al is the torque of the left swing arm 19, and F p is the passenger seat drive motor 70. It shows the slide force acting on the slide mechanism. A dot (•) on the variable indicates a first-order derivative with respect to time, and a double dot (••) indicates a second-order derivative with respect to time. That is, θ by (•) is the tilt angular velocity of the vehicle body 12, θ ar (•) is the rotational angular velocity of the right swing arm 17, θ al (•) is the rotational angular velocity of the left swing arm 19, and θ tr (•) is the right drive. rotational angular velocity of the wheel 18, θ tl (·) is the rotational angular velocity of the left driving wheel 20, P gx (·) indicates the moving speed of the slide. θ by (··) is the inclination angular acceleration of the vehicle body 12, θ ar (··) is the rotational angular acceleration of the right swing arm 17, θ al (··) is the rotational angular acceleration of the left swing arm 19, and θ tr (· -) rotation angular acceleration of the right driving wheel 18, θ tl (··) is rotational angular acceleration of the left driving wheel 20, P gx (··) shows the movement acceleration of the slide.
Figure 0005261081
Note that f ij and g i in Equation 1 are calculated using functions f and g shown by Equation 2 below. The function f calculates a coefficient f ij based on the state quantity. Function g, on the basis of the state quantity, calculates the respective nonlinear terms g i, including gravity.
Figure 0005261081

数1に示す車体12の傾斜角θby、とスライド位置Pgxを線形化し、擬似逆行列H及び行列Hを用いることで、数1を以下の数3に示す行列形式により表現することができる。

Figure 0005261081
ここで、g´を関数gに線形化する。以下の数4から、θbyとPx0の比例項を含めた関数とする(θby0とPx0は、それぞれ線形化原点を示す)。また、擬似逆行列H及び行列Hは以下の数5により示され、行列中の各要素hijは、数1を変形することにより計算することができる。
Figure 0005261081
Figure 0005261081
Inclination angle theta By the vehicle body 12 shown in Expression 1, and a slide position location P gx linearized, by using the pseudo-inverse matrix H 1 and matrix H 2, represented by the matrix format showing the number 1 in the following equation (3) can do.
Figure 0005261081
Here, g ′ is linearized into a function g. From the following equation 4, a function including a proportional term of θ by and P x0 is assumed (θ by0 and P x0 indicate the linearization origin, respectively). Further, the pseudo inverse matrix H 1 and the matrix H 2 are expressed by the following formula 5, and each element h ij in the matrix can be calculated by modifying the formula 1.
Figure 0005261081
Figure 0005261081

に示した移動体のモデルを、以下の数6の状態方程式により表す。

Figure 0005261081
ここで、状態変数x、制御入力u、行列A、及び行列Bを、以下の数7に示す。尚、Iθalは左スイングアーム19の回転角度θalの時間積分値、Iθarは右スイングアーム17の回転角度θarの時間積分値、Iθbyは車体12の傾斜角θbyの時間積分値をそれぞれ示す。また、行列A及び行列Bの要素のうち、値を表示していない要素の値は0である。
Figure 0005261081
本実施の形態では、13個の状態量(Iθal、Iθar、Iθby、θal、θar、θby、Pgx、θtl (・)、θtr (・)、θal (・)、θar (・)、θby (・)、Pgx (・))を用いて、多自由度を有する移動体の制御系であって、その拡大系を生成する。ここで、状態量に積分値を追加することで、以下のような効果を得ることができる。即ち、スイングアームの回転角度に関する時間積分値Iθal及びIθarを追加することで、スイングアームの重力補償が可能になる。また、車体12の傾斜角に関する時間積分値Iθbyを追加することで、傾斜角について生じる定常偏差を解消することができる。尚、ここでは、傾斜角の時間積分値Iθbyを0に収束させやすくするために、スライド位置に関する時間積分値を設けていない。 The model of the moving body shown in FIG. 3 is expressed by the following equation (6).
Figure 0005261081
Here, the state variable x, the control input u, the matrix A, and the matrix B are shown in Equation 7 below. Incidentally, I θal the rotation angle theta time integral of al of the left swing arm 19, I θar the time integration value of the rotational angle theta ar right swing arm 17, I θby the inclination angle theta By the time integral value of the vehicle body 12 Respectively. In addition, among the elements of the matrix A and the matrix B, the value of the element not displaying the value is 0.
Figure 0005261081
In the present embodiment, 13 state quantities (I θal , I θar , I θby , θ al , θ ar , θ by , P gx , θ tl (•) , θ tr (•) , θ al (•) , Θ ar (•) , θ by (•) , P gx (•) ), a control system for a moving body having multiple degrees of freedom, and an expanded system thereof is generated. Here, by adding an integral value to the state quantity, the following effects can be obtained. That is, by adding the time integral values I θal and I θar related to the rotation angle of the swing arm, the gravity compensation of the swing arm can be performed. Further, by adding the time integral value I θby related to the tilt angle of the vehicle body 12, it is possible to eliminate the steady deviation that occurs with respect to the tilt angle. Here, in order to the time integral value I Shitaby tilt angle tends to converge to 0, it is not provided time integration values for slide position.

次いで、数6及び数7に示したシステムの状態方程式に基づいて、その制御系を設計する。ここでは、以下の数8に示すように、関数lqrを用いて、線形フィードバックコントローラのフィードバックゲインKを設計する。フィードバックゲインKは5×13の行列であり、上述した13個の状態量に対してゲイン行列Kを乗算することで、制御入力uを算出する。制御入力uは、右駆動輪18のトルク、左駆動輪20のトルク、右スイングアーム17のトルク、左スイングアーム19のトルク、搭乗席駆動モータ70のスライド機構に作用するスライド力から構成される。尚、関数lqrは、最適レギュレータによるフィードバックゲインKを設計する関数である。即ち、最適レギュレータは、2次形式の評価関数を最小にする状態フィードバックゲイン行列Kを定める方法である。A及びBは数7に示した行列である。Q及びRは評価関数に用いられる正定行列であり、シミュレーションにより定める。また、状態フィードバックゲインKの設計方法は最適レギュレータに限定されず、極配置法などの公知の制御理論により設計するものとしてもよい。

Figure 0005261081
Next, the control system is designed based on the state equation of the system shown in Equations 6 and 7. Here, as shown in the following equation 8, using the function lqr, designing the feedback gain K L of the linear feedback controller. The feedback gain K L is a 5 × 13 matrix, and the control input u is calculated by multiplying the 13 state quantities described above by the gain matrix K L. The control input u is configured a torque of the right driving wheel 18, the torque of left driving wheel 20, the torque of the right swing arm 17, the torque of the left swing arm 19, the slide force acting on the sliding mechanism of the passenger seat drive motor 70 The The function lqr is a function to design the feedback gain K L by optimal regulator. That is, the optimum regulator is a method for determining a state feedback gain matrix K that minimizes a quadratic evaluation function. A and B are matrices shown in Equation 7. Q and R are positive definite matrices used for the evaluation function and are determined by simulation. Moreover, the design method of the state feedback gain K L is not limited to the optimal regulator may alternatively be designed by known control theory, such as pole placement method.
Figure 0005261081

さらに、本実施の形態に係る制御系では、以下の数9に示すように、制御入力uに対して非線形補償項g´を追加することで、重力を含む加速度による非線形負荷を補償する。即ち、フィードフォワード的にgを与えることで、移動体の動作を滑らかにすることができる。尚、xrefは状態変数xの目標値、xnowは状態変数xの測定値を示す。eは状態量の偏差を示す。

Figure 0005261081
Furthermore, in the control system according to the present embodiment, a nonlinear load due to acceleration including gravity is compensated by adding a nonlinear compensation term g ′ to the control input u as shown in the following equation (9). That is, by giving g in a feed forward manner, the operation of the moving body can be made smooth. Note that x ref represents the target value of the state variable x, and x now represents the measured value of the state variable x. e x represents the deviation of the state quantity.
Figure 0005261081

また、本実施の形態に係る制御系では、フィードバックゲインのゲインパターンを予め複数設定し、影響度の大きな駆動量に応じてフィードバックゲインを切替えることで、制御性能の低下を抑制することができる。これにより、単一の制御コントローラであっても、影響度の大きな駆動量に応じてゲインのゲインパターンを切替えることで、制御性能の低下を抑制することができる。   Further, in the control system according to the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in control performance by setting a plurality of gain patterns of feedback gain in advance and switching the feedback gain according to the driving amount having a large influence. Thereby, even if it is a single control controller, the fall of control performance can be suppressed by switching the gain pattern of a gain according to the drive amount with a large influence degree.

上述した3次元モデルにおいて、上下移動(スイングアームによる車体の高さの変化)による影響と、前後移動(スライド機構の移動による、搭乗席のスライド変化)による影響を、姿勢加速度のグラフから判断する。本実施の形態に係る移動体では、上下移動による影響度が特に大きなものであるため、以下では、スイングアームのアーム角度に応じて制御コントローラのフィードバックゲインを切替える構成について説明する。   In the above-described three-dimensional model, the effect of vertical movement (change in the height of the vehicle body by the swing arm) and the effect of forward / backward movement (sliding change of the passenger seat due to movement of the slide mechanism) are determined from the posture acceleration graph. . Since the moving body according to the present embodiment has a particularly large influence due to vertical movement, a configuration in which the feedback gain of the control controller is switched according to the arm angle of the swing arm will be described below.

図4は、駆動輪に対して一定の車輪トルクが与えられている場合に、スイングアームの回転角度の変化が車体の傾斜角加速度に与える影響を示す概念図である。図4に示すように、スイングアームのアーム角度が小さな場合には車体の重心位置が低くなるため、移動体の重心周りの慣性モーメントが小さいものとなる。このため、同一の車輪トルクによりその移動を制御しようとすると応答性は高くなる。即ち、移動体の姿勢を所定の状態へと維持するために必要な車輪トルクは、スイングアームのアーム角度が大きな場合に比べて減少する。一方で、スイングアームのアーム角度が大きな場合には車体の重心位置が高くなるため、移動体の重心周りの慣性モーメントが大きい。このため、同一の車輪トルクに対して応答性は低くなる。従って、スイングアームの回転角度の増加に伴って車体の重心位置が変化し、これにより、姿勢制御に関する車輪トルクの影響が無視できなくなる。このため、姿勢制御をスイングアームの回転角度に応じて変更する。   FIG. 4 is a conceptual diagram showing the influence of a change in the rotation angle of the swing arm on the tilt angle acceleration of the vehicle body when a constant wheel torque is applied to the drive wheels. As shown in FIG. 4, when the arm angle of the swing arm is small, the position of the center of gravity of the vehicle body is lowered, so that the moment of inertia around the center of gravity of the moving body is small. For this reason, if it is going to control the movement by the same wheel torque, responsiveness will become high. That is, the wheel torque required to maintain the posture of the moving body in a predetermined state is reduced as compared with the case where the arm angle of the swing arm is large. On the other hand, when the arm angle of the swing arm is large, the position of the center of gravity of the vehicle body becomes high, so that the moment of inertia around the center of gravity of the moving body is large. For this reason, responsiveness becomes low with respect to the same wheel torque. Therefore, the position of the center of gravity of the vehicle body changes with an increase in the rotation angle of the swing arm, so that the influence of wheel torque related to posture control cannot be ignored. For this reason, posture control is changed according to the rotation angle of the swing arm.

本実施の形態に係る移動体では、特に、左右のスイングアームの回転角度の差(ロール方向の姿勢のずれ)が、倒立制御に影響を与える。このため、制御部80は、各スイングアームの回転角度に応じて、フィードバックゲインを切替えることにより、倒立制御の制御性能の低下を抑制する。図5は、各スイングアームの回転角度と、制御コントローラのフィードバックゲインとの関係を示すゲインマップである。各スイングアームの回転角度の可動範囲を例えば0degから70degとした場合に、各スイングアームの回転角度を所定の単位で複数段階の領域に分割する。そして、分割した各スイングアームの回転角度の各段階に対して、上述した手法によりフィードバックゲインKを算出する。図においては、10deg単位でスイングアームの回転角度を分割し、8段階のスイングアームの回転角度に対するフィードバックゲインKを算出している。さらに、各段階の間のフィードバックゲインKを、算出した各段階に対するフィードバックゲインKの値から線形補間することにより算出している。即ち、ゲインマップは、このようにして算出した複数のフィードバックゲインのゲインパターンから構成される。制御部80は、検出した各スイングアームの回転角度の組合せに応じてフィードバックゲインを切替え、切替えたフィードバックゲインを用いて制御量を算出する。 In the moving body according to the present embodiment, in particular, the difference in the rotation angle between the left and right swing arms (shift in the posture in the roll direction) affects the inversion control. For this reason, the control part 80 suppresses the fall of the control performance of inversion control by switching a feedback gain according to the rotation angle of each swing arm. FIG. 5 is a gain map showing the relationship between the rotation angle of each swing arm and the feedback gain of the controller. When the movable range of the rotation angle of each swing arm is, for example, 0 deg to 70 deg, the rotation angle of each swing arm is divided into a plurality of regions in a predetermined unit. Then, for each phase of the rotation angle of the swing arm divided, and calculates the feedback gain K L by the method described above. In FIG divides the rotation angle of the swing arm at 10deg units, and calculates the feedback gain K L with respect to the rotation angle of the swing arm 8 stages. Furthermore, the feedback gain K L between each stage is calculated by linear interpolation from the values of the feedback gain K L for each phase calculated. That is, the gain map is composed of a plurality of gain patterns of feedback gains calculated in this way. The control unit 80 switches the feedback gain according to the combination of the detected rotation angles of the swing arms, and calculates the control amount using the switched feedback gain.

尚、ゲインマップを参照して、フィードバックゲインを切替える実施例としては、スイングアームの回転角度に応じて切替える場合に限定されない。図6は、スイングアームの回転角度以外の駆動量に応じてフィードバックゲインを切替える実施例を示す図である。図6Aは及び図6Bは進行方向前方から移動体を示す概念図であり、図6Cは進行方向側方から移動体を示す概念図である。例えば、図6Aに示すように、駆動輪の幅の変化に応じて、フィードバックゲインを切替えるようにしてもよい。また、図6Bに示すように、例えば搭乗席を上下に変化させる上下移動機構の変化に応じて、フィードバックゲインを切替えるようにしてもよい。また、図6Cに示すように、前後移動機構(スライド機構)の変化に応じて、フィードバックゲインを切替えるようにしてもよい。   Note that the embodiment for switching the feedback gain with reference to the gain map is not limited to the case of switching according to the rotation angle of the swing arm. FIG. 6 is a diagram showing an embodiment in which the feedback gain is switched according to the drive amount other than the rotation angle of the swing arm. 6A and 6B are conceptual diagrams showing the moving body from the front in the traveling direction, and FIG. 6C is a conceptual diagram showing the moving body from the side in the traveling direction. For example, as shown in FIG. 6A, the feedback gain may be switched according to a change in the width of the drive wheel. Further, as shown in FIG. 6B, for example, the feedback gain may be switched in accordance with a change in a vertical movement mechanism that changes the boarding seat up and down. Further, as shown in FIG. 6C, the feedback gain may be switched in accordance with a change in the forward / backward movement mechanism (slide mechanism).

次に、上記の制御を行う移動体の制御系の構成について図7を用いて説明する。図7は、制御部80を含む制御系の構成を示すブロック図である。制御部80は、上述したようにして設計した制御コントローラとしての協調制御部91、指令値生成部92、及び非線形補償部93を備えている。移動体100には、各モータを駆動制御するアンプが設けられている。ここで、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、搭乗席駆動モータ70に設けられているアンプをそれぞれ、アンプ34a、アンプ36a、アンプ60a、アンプ64a、アンプ70aとする。各アンプは、協調制御部91からの制御信号に基づいて動作する。   Next, the configuration of the control system of the moving body that performs the above control will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of a control system including the control unit 80. The control unit 80 includes a cooperative control unit 91, a command value generation unit 92, and a nonlinear compensation unit 93 as a control controller designed as described above. The moving body 100 is provided with an amplifier that drives and controls each motor. Here, the amplifiers provided in the right wheel drive motor 34, the left wheel drive motor 36, the right swing arm drive motor 60, the left swing arm drive motor 64, and the passenger seat drive motor 70 are an amplifier 34a, an amplifier 36a, and an amplifier 60a, respectively. , Amplifier 64a and amplifier 70a. Each amplifier operates based on a control signal from the cooperative control unit 91.

センサ類83は、移動体100に設けられている各種センサを示すものであり、例えば、ジャイロセンサ48、右輪エンコーダ52、左輪エンコーダ54、センサ58等を含んでいる。即ち、センサ類83は、姿勢傾斜測定部、第1の測定部、第2の測定部、及び第3の測定部を含む。   The sensors 83 indicate various sensors provided in the moving body 100, and include, for example, a gyro sensor 48, a right wheel encoder 52, a left wheel encoder 54, a sensor 58, and the like. That is, the sensors 83 include a posture inclination measuring unit, a first measuring unit, a second measuring unit, and a third measuring unit.

指令値生成部92は、倒立制御計算を行い、各駆動部を駆動する制御目標値を算出する。そして、減算器により制御目標値と現在値との偏差が求められる。尚、現在値は、例えば、センサ類83からの出力に基づいて算出することができる。そして、協調制御部92は、この偏差に上述したフィードバックゲインKを乗じて、フィードバック制御を行う。倒立制御計算では、例えば、車体12の傾斜角度及び傾斜角速度などを制御目標値として算出する。車体12の傾斜角速度は、ジャイロセンサ48で測定される。そして、傾斜角速度を積分することによって、車体12の傾斜角度が求まる。例えば、倒立走行時には、姿勢の目標傾斜角度が0°になるようにフィードバック制御する。また、その場で停止させる場合は、目標傾斜角速度が0になるようにフィードバック制御する。 The command value generation unit 92 performs an inversion control calculation and calculates a control target value for driving each driving unit. Then, a deviation between the control target value and the current value is obtained by the subtracter. The current value can be calculated based on the output from the sensors 83, for example. The cooperative control unit 92, by multiplying the feedback gain K L as described above to this deviation, feedback control. In the inversion control calculation, for example, the tilt angle and the tilt angular velocity of the vehicle body 12 are calculated as control target values. The inclination angular velocity of the vehicle body 12 is measured by the gyro sensor 48. Then, the inclination angle of the vehicle body 12 is obtained by integrating the inclination angular velocity. For example, during inverted traveling, feedback control is performed so that the target inclination angle of the posture becomes 0 °. When stopping on the spot, feedback control is performed so that the target inclination angular velocity becomes zero.

より具体的には、指令値生成部92は、目標傾斜角度及び目標傾斜角速度、目標車輪回転角度及び目標車輪回転角速度、目標スライド位置及び目標スライド速度、目標スイングアーム角度及び目標スイングアーム速度を生成する。減算器を用いて、センサ類83の検出値から取得した傾斜角度及び傾斜角速度と目標傾斜角度及び目標傾斜角速度との姿勢偏差、センサ類83の検出値から取得した車輪回転角度及び車輪回転角速度と目標車輪回転角度及び目標車輪回転角速度との第1の偏差、センサ類83の検出値から取得したスライド位置及びスライド速度と目標スライド位置及び目標スライド速度との第2の偏差、センサ類83の検出値から取得したスイングアーム角度及びスイングアーム速度と目標スイングアーム角度及び目標スイングアーム速度との第3の偏差を算出する。   More specifically, the command value generation unit 92 generates a target inclination angle and a target inclination angular speed, a target wheel rotation angle and a target wheel rotation angular speed, a target slide position and a target slide speed, a target swing arm angle and a target swing arm speed. To do. Using the subtractor, the attitude deviation between the inclination angle and inclination angular velocity obtained from the detection value of the sensors 83 and the target inclination angle and target inclination angular velocity, the wheel rotation angle and wheel rotation angular velocity obtained from the detection value of the sensors 83, The first deviation between the target wheel rotation angle and the target wheel rotation angular speed, the slide position and the second deviation between the slide speed and the target slide position and the target slide speed acquired from the detection values of the sensors 83, the detection of the sensors 83 A third deviation between the swing arm angle and swing arm speed acquired from the value and the target swing arm angle and target swing arm speed is calculated.

尚、スイングアームに関する制御量を算出するための偏差には、積分演算値を含むものとしてもよい。即ち、センサ類83の検出値から取得したスイングアーム角度と目標スイングアーム角度との偏差を積分して算出する積分値を、協調制御部92に対して更に入力するものとしてもよい。これにより、スイングアームに関する重力補償を行うことができる。また、姿勢偏差には、積分演算値を含むものとしてもよい。即ち、センサ類83の検出値から取得した傾斜角と目標傾斜角との偏差を積分して算出する積分値を、協調制御部92に対して更に入力するものとしてもよい。これにより、スイングアームに関する重力補償を行うことができる。これにより、姿勢偏差に関する定常偏差を解消することができる。   The deviation for calculating the control amount related to the swing arm may include an integral calculation value. That is, an integrated value calculated by integrating the deviation between the swing arm angle acquired from the detection value of the sensor 83 and the target swing arm angle may be further input to the cooperative control unit 92. Thereby, the gravity compensation regarding a swing arm can be performed. Further, the posture deviation may include an integral calculation value. That is, an integrated value calculated by integrating the deviation between the inclination angle acquired from the detection value of the sensor 83 and the target inclination angle may be further input to the cooperative control unit 92. Thereby, the gravity compensation regarding a swing arm can be performed. Thereby, the steady-state deviation regarding the attitude deviation can be eliminated.

協調制御部92は、上述したようにして算出した各偏差にフィードバックゲインを乗じて、各駆動部を駆動する制御量としてのスライド力、右スイングアームトルク、左スイングアームトルク、右車輪トルク、左車輪トルクを算出する。協調制御部92は、算出したこれらの制御量を制御信号として出力し、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64、及び搭乗席駆動モータ70を協調して制御する。   The cooperative control unit 92 multiplies each deviation calculated as described above by a feedback gain, and slide force, right swing arm torque, left swing arm torque, right wheel torque, left wheel as control amounts for driving each drive unit. Calculate wheel torque. The cooperative control unit 92 outputs the calculated control amounts as control signals, and the right wheel drive motor 34, the left wheel drive motor 36, the right swing arm drive motor 60, the left swing arm drive motor 64, and the passenger seat drive motor 70. Are coordinated and controlled.

より具体的には、協調制御部92は制御信号を出力して、倒立状態を維持して安定して走行するように右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動する。協調制御部92は、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36に対する車輪トルクを指令値として出力する。即ち、モータ34、36のアンプ34a、36aに車輪トルクに応じた制御信号を出力する。制御部80からの制御信号は、アンプ34a、36aを介して、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36に入力され、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36が駆動する。   More specifically, the cooperative control unit 92 outputs a control signal to drive the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 so as to travel stably while maintaining an inverted state. The cooperative control unit 92 outputs the wheel torque for the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 as a command value. That is, a control signal corresponding to the wheel torque is output to the amplifiers 34a and 36a of the motors 34 and 36. A control signal from the control unit 80 is input to the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 via the amplifiers 34a and 36a, and the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 are driven.

また、協調制御部92は制御信号を出力して、スイングアームが車体部を支持しながら鉛直方向に伸縮するようにスイングアーム関節67を駆動する。協調制御部92は、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36に対する右スイングアームトルク及び左スイングアームトルクを指令値として出力する。これにより、補助輪51が接地している接地状態と、離地している離地状態とを切換えることができる。また、傾斜面を走行するときは、ジャイロセンサ48などの出力に基づいて、制御信号を出力する。これにより、傾斜面の角度が吸収され、車体12が水平になる。制御部80からの制御信号は、アンプ60a、64aを介して、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64に入力され、右スイングアーム駆動モータ60、左スイングアーム駆動モータ64が駆動する。   Further, the cooperative control unit 92 outputs a control signal, and drives the swing arm joint 67 so that the swing arm extends and contracts in the vertical direction while supporting the vehicle body. The cooperative control unit 92 outputs the right swing arm torque and the left swing arm torque for the right wheel drive motor 34 and the left wheel drive motor 36 as command values. Thereby, it is possible to switch between a grounded state where the auxiliary wheel 51 is grounded and a grounded state where the auxiliary wheel 51 is grounded. When traveling on an inclined surface, a control signal is output based on the output of the gyro sensor 48 or the like. Thereby, the angle of the inclined surface is absorbed and the vehicle body 12 becomes horizontal. A control signal from the control unit 80 is input to the right swing arm drive motor 60 and the left swing arm drive motor 64 via the amplifiers 60a and 64a, and the right swing arm drive motor 60 and the left swing arm drive motor 64 are driven. .

また、協調制御部92は制御信号を出力して、スライドが車体部を前後にスライドさせるように搭乗席駆動モータ70を駆動する。協調制御部92は、搭乗席駆動モータ70のアンプ70aに対する力を指令値として出力する。制御部80からの制御信号は、アンプ70aを介して、搭乗席駆動モータ70に入力され、搭乗席駆動モータ70が駆動する。   Further, the cooperative control unit 92 outputs a control signal to drive the passenger seat drive motor 70 so that the slide slides the vehicle body part back and forth. The cooperative control unit 92 outputs the force of the passenger seat drive motor 70 to the amplifier 70a as a command value. A control signal from the control unit 80 is input to the passenger seat drive motor 70 via the amplifier 70a, and the passenger seat drive motor 70 is driven.

尚、駆動輪78の回転速度は、右輪エンコーダ52、及び左輪エンコーダ54の出力によって、求めることができる。スイングアームの位置、スイングアームの速度は、スイングアームの各関節に設けられているエンコーダの出力によって求めることができる。搭乗席74のスライドの位置、スライドの速度は、搭乗席駆動モータ70に設けられているエンコーダの出力により求めることができる。また、スライド機構68のスライド力は、搭乗席駆動モータ70の回転トルクにより求めることができる。 The rotational speed of the drive wheel 78 can be obtained from the outputs of the right wheel encoder 52 and the left wheel encoder 54. The position of the swing arm and the speed of the swing arm can be obtained from the output of an encoder provided at each joint of the swing arm. The position of the slide of the passenger seat 74, the speed of the slide can be determined by the output of the encoder provided in the passenger seat drive motor 70. Further, the sliding force of the sliding mechanism 68 can be obtained from the rotational torque of the passenger seat drive motor 70.

また、協調制御部92は、予め複数設定したフィードバックゲインのゲインパターンから、センサ類83の検出値から取得したスイングアーム角度に応じて、ゲインパターンを切替える。これにより、単一の制御コントローラであっても、影響度の大きな駆動量に応じてゲインのゲインパターンを切替えることで、制御性能の低下を抑制することができる。   The cooperative control unit 92 switches the gain pattern according to the swing arm angle acquired from the detection values of the sensors 83 from a plurality of feedback gain gain patterns set in advance. Thereby, even if it is a single control controller, the fall of control performance can be suppressed by switching the gain pattern of a gain according to the drive amount with a large influence degree.

非線形補償部93は、重力を含む加速度による非線形負荷を補償するフィードフォワード量を算出する。算出したフィードフォワード量を、加算器により、協調制御部92で算出した制御量に加算する。これにより、摩擦を含む非線形項の補償を行うことができる。   The nonlinear compensator 93 calculates a feedforward amount that compensates for a nonlinear load due to acceleration including gravity. The calculated feedforward amount is added to the control amount calculated by the cooperative control unit 92 by an adder. This makes it possible to compensate for nonlinear terms including friction.

以上説明したように、協調制御部92により車輪とスイングアームとスライドに関する制御を実現することで、多自由度を有する倒立車輪型移動体に対しても良好な動作制御を実現することができる。   As described above, by realizing the control related to the wheels, the swing arm, and the slide by the cooperative control unit 92, it is possible to realize good operation control even for the inverted wheel type moving body having multiple degrees of freedom.

尚、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention already described.

本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the moving body concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the mobile body concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる移動体による制御目標値の算出方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the control target value by the moving body concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかる移動体のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the mobile body concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかるゲインマップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gain map concerning embodiment of this invention. スイングアームの回転角度以外の駆動量に応じてフィードバックゲインを切替える実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example which switches a feedback gain according to drive amounts other than the rotation angle of a swing arm. 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control system of the moving body concerning embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

12 車体、17 右スイングアーム、19 左スイングアーム、
18 右駆動輪、20 左駆動輪、21 右上リンク、22 左上リンク、
26 右マウント、28 左マウント、
30 車軸、32 車軸、34 右輪駆動モータ、36 左輪駆動モータ、
41 本体部、42 操作レバー、43 操作角センサ、44 バッテリーモジュール、
46 操作モジュール、48 ジャイロセンサ、51 補助輪、
52 右輪エンコーダ、54 左輪エンコーダ、55 補助輪支持ブロック、
58 センサ、60 右スイングアーム駆動モータ、62 右スイング軸
64 左スイングアーム駆動モータ、66 左スイング軸
67 スイングアーム関節、68 スライド機構、
70 搭乗席駆動モータ、72 ラックアンドピニオン、74 搭乗席、
76 上体部、77 車体部、78 駆動輪、
80 制御部、83 センサ類、
91 協調制御部、92 指令値生成部、93 非線形補償部、
100 移動体、
12 body, 17 right swing arm, 19 left swing arm,
18 right drive wheel, 20 left drive wheel, 21 upper right link, 22 upper left link,
26 Right mount, 28 Left mount,
30 axles, 32 axles, 34 right wheel drive motor, 36 left wheel drive motor,
41 main body, 42 operation lever, 43 operation angle sensor, 44 battery module,
46 operation module, 48 gyro sensor, 51 auxiliary wheel,
52 right wheel encoder, 54 left wheel encoder, 55 auxiliary wheel support block,
58 sensor, 60 right swing arm drive motor, 62 right swing shaft 64 left swing arm drive motor, 66 left swing shaft 67 swing arm joint, 68 slide mechanism,
70 Boarding seat drive motor, 72 Rack and pinion, 74 Boarding seat,
76 upper body part, 77 car body part, 78 drive wheel,
80 control units, 83 sensors,
91 cooperative control unit, 92 command value generation unit, 93 nonlinear compensation unit,
100 mobile,

Claims (8)

それぞれ左右に設けられた左右の車輪を回転可能に支持する車台と、
前記左右の車輪をそれぞれ回転駆動する左右の駆動モータに相当する第1の駆動部と、
支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
前記車体部に含まれる搭乗席の位置を前後にスライドさせる搭乗席駆動モータに相当する第2の駆動部と、
前記車体部を支持しながら鉛直方向に伸縮するアーム機構であって、前記車体の左右それぞれに設けられ、かつ、アームを回転軸周りに回転させる回転関節がそれぞれ設けられた、左右のスイングアームに相当する第3の駆動部と、
前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、
前記車体部の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度を取得する姿勢傾斜測定部と、
前記第1の駆動部の駆動量を取得する第1の測定部と、
前記第2の駆動部の駆動量を取得する第2の測定部と、
前記第3の駆動部の駆動量を取得する第3の測定部と、を備える倒立車輪型移動体であって、
前記制御部が、
前記倒立車輪型移動体のモデルを、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角度θ al 、θ ar に関する時間積分値I θal 、I θar と、前記車体の傾斜角θ by に関する時間積分値I θby と、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角度θ al 、θ ar と、前記車体の傾斜角θ by と、前記車体に設けた原点からの前記搭乗席の重心位置であってx軸方向におけるスライド位置P gx と、前記左右の車輪それぞれの回転角速度θ tl (・) 、θ tr (・) と、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角速度θ al (・) 、θ ar (・) と、前記車体の傾斜角速度θ by (・) と、前記スライド位置P gx の時間に関する一階微分であるスライドの移動速度P gx (・) と、を状態量として用いた状態方程式により表して、当該状態方程式に基づく線形フィードバックコントローラとして設計されており、
前記姿勢傾斜測定部により取得した前記傾斜角度及び傾斜角速度と目標傾斜角度及び目標傾斜角速度との姿勢偏差、前記第1の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第1の偏差、前記第2の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第2の偏差、及び前記第3の測定部により取得した駆動量と目標駆動量との第3の偏差を算出し、
当該算出した4つの偏差に前記線形フィードバックコントローラのフィードバックゲインを乗じて、前記第1の駆動部を駆動する第1の制御量、前記第2の駆動部を駆動する第2の制御量、及び前記第3の駆動部を駆動する第3の制御量を算出すると共に、前記フィードバックゲインのゲインパターンが予め複数設定されており、前記第3の測定部により取得した前記第3の駆動部の駆動量に応じて、前記ゲインパターンを切替える、
倒立車輪型移動体。
A chassis that rotatably supports the left and right wheels respectively provided on the left and right,
A first drive unit corresponding to left and right drive motors that respectively rotate and drive the left and right wheels;
A vehicle body part rotatably supported with respect to the chassis via a support member;
A second drive unit corresponding to a passenger drive motor that slides the position of the passenger seat included in the vehicle body part back and forth;
An arm mechanism that extends and contracts in a vertical direction while supporting the vehicle body portion, and is provided on each of the left and right swing arms, provided on each of the left and right sides of the vehicle body, and provided with a rotation joint that rotates the arm around a rotation axis. A corresponding third drive,
A control unit for controlling the first drive unit, the second drive unit, and the third drive unit;
A posture inclination measuring unit for acquiring an inclination angle and an inclination angular velocity with respect to a vertical direction of the vehicle body part;
A first measuring unit for obtaining a driving amount of the first driving unit;
A second measuring unit for obtaining a driving amount of the second driving unit;
A third measuring unit that obtains a driving amount of the third driving unit, and an inverted wheel type moving body comprising:
The control unit is
A model of the inverted wheel type moving body is obtained by integrating time integrated values I θal and I θar with respect to the rotation angles θ al and θ ar of the left and right swing arms , and a time integrated value I θby with respect to the inclination angle θ by of the vehicle body , The rotational angles θ al and θ ar of the left and right swing arms , the inclination angle θ by of the vehicle body, and the gravity center position of the passenger seat from the origin provided on the vehicle body, and the slide position P gx in the x-axis direction Rotation angular velocities θ tl (•) and θ tr (•) of the left and right wheels, rotational angular velocities θ al (•) and θ ar (•) of the left and right swing arms , and the tilt angular velocity of the vehicle body, respectively. represents theta by the (-), and the slide position is first-order differential with respect to time of the P gx sliding movement speed P gx (·), the equation of state was used as the state quantity Is designed as a linear feedback controller based on the state equation,
Attitude deviation between the inclination angle and inclination angular velocity and the target inclination angle and target inclination angular velocity acquired by the attitude inclination measurement unit, a first deviation between the drive amount and target drive amount acquired by the first measurement unit, Calculating a second deviation between the driving amount and the target driving amount acquired by the second measuring unit, and a third deviation between the driving amount and the target driving amount acquired by the third measuring unit;
The calculated four deviations are multiplied by the feedback gain of the linear feedback controller, the first control amount for driving the first drive unit, the second control amount for driving the second drive unit, and the A third control amount for driving the third drive unit is calculated, a plurality of gain patterns of the feedback gain are set in advance, and the drive amount of the third drive unit acquired by the third measurement unit Depending on the, the gain pattern is switched,
Inverted wheel type moving body.
前記第3の偏差に積分演算値を含む
ことを特徴とする請求項1記載の倒立車輪型移動体。
The inverted wheel type moving body according to claim 1, wherein the third deviation includes an integral calculation value.
前記第姿勢偏差に積分演算値を含む
ことを特徴とする請求項1又は2記載の倒立車輪型移動体。
The inverted wheel type moving body according to claim 1 or 2, wherein the first posture deviation includes an integral calculation value.
前記制御部は、
重力を含む加速度による非線形負荷を補償するフィードフォワード量を算出し、当該算出したフィードフォワード量を前記第1の制御量、前記第2の制御量、及び前記第3の制御量に加算する
ことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の倒立車輪型移動体。
The controller is
Calculating a feedforward amount that compensates for a non-linear load due to acceleration including gravity, and adding the calculated feedforward amount to the first control amount, the second control amount, and the third control amount. The inverted wheel type moving body according to any one of claims 1 to 3.
それぞれ左右に設けられた左右の車輪を回転可能に支持する車台と、
前記左右の車輪をそれぞれ回転駆動する左右の駆動モータに相当する第1の駆動部と、
支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された車体部と、
前記車体部に含まれる搭乗席の位置を前後にスライドさせる搭乗席駆動モータに相当する第2の駆動部と、
前記車体部を支持しながら鉛直方向に伸縮するアーム機構であって、前記車体の左右それぞれに設けられ、かつ、アームを回転軸周りに回転させる回転関節がそれぞれ設けられた、左右のスイングアームに相当する第3の駆動部と、
前記第1の駆動部、前記第2の駆動部、及び第3の駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部が、
前記倒立車輪型移動体のモデルを、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角度θ al 、θ ar に関する時間積分値I θal 、I θar と、前記車体の傾斜角θ by に関する時間積分値I θby と、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角度θ al 、θ ar と、前記車体の傾斜角θ by と、前記車体に設けた原点からの前記搭乗席の重心位置であってx軸方向におけるスライド位置P gx と、前記左右の車輪それぞれの回転角速度θ tl (・) 、θ tr (・) と、前記左右のスイングアームそれぞれの回転角速度θ al (・) 、θ ar (・) と、前記車体の傾斜角速度θ by (・) と、前記スライド位置P gx の時間に関する一階微分であるスライドの移動速度P gx (・) と、を状態量として用いた状態方程式により表して、当該状態方程式に基づく線形フィードバックコントローラとして設計されている倒立車輪型移動体の制御方法であって、
前記車体部の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度を取得し、
前記第1の駆動部の駆動量、前記第2の駆動部の駆動量、及び前記第3の駆動部の駆動量を取得し、
前記取得した前記傾斜角度及び傾斜角速度と目標傾斜角度及び目標傾斜角速度との姿勢偏差、前記取得した前記第1の駆動部の駆動量と目標駆動量との第1の偏差、前記取得した前記第2の駆動部の駆動量と目標駆動量との第2の偏差、及び前記取得した前記第3の駆動部の駆動量と目標駆動量との第3の偏差を算出し、
当該算出した4つの偏差に前記線形フィードバックコントローラのフィードバックゲインを乗じて、前記第1の駆動部を駆動する第1の制御量、前記第2の駆動部を駆動する第2の制御量、及び前記第3の駆動部を駆動する第3の制御量を算出すると共に、前記フィードバックゲインのゲインパターンが予め複数設定されており、前記第3の測定部により取得した前記第3の駆動部の駆動量に応じて、前記ゲインパターンを切替える、
倒立車輪型移動体の制御方法。
A chassis that rotatably supports the left and right wheels respectively provided on the left and right,
A first drive unit corresponding to left and right drive motors that respectively rotate and drive the left and right wheels;
A vehicle body part rotatably supported with respect to the chassis via a support member;
A second drive unit corresponding to a passenger drive motor that slides the position of the passenger seat included in the vehicle body part back and forth;
An arm mechanism that extends and contracts in a vertical direction while supporting the vehicle body portion, and is provided on each of the left and right swing arms, provided on each of the left and right sides of the vehicle body, and provided with a rotation joint that rotates the arm around a rotation axis. A corresponding third drive,
A control unit for controlling the first drive unit, the second drive unit, and the third drive unit,
The control unit is
A model of the inverted wheel type moving body is obtained by integrating time integrated values I θal and I θar with respect to the rotation angles θ al and θ ar of the left and right swing arms , and a time integrated value I θby with respect to the inclination angle θ by of the vehicle body , The rotational angles θ al and θ ar of the left and right swing arms , the inclination angle θ by of the vehicle body, and the gravity center position of the passenger seat from the origin provided on the vehicle body, and the slide position P gx in the x-axis direction Rotation angular velocities θ tl (•) and θ tr (•) of the left and right wheels, rotational angular velocities θ al (•) and θ ar (•) of the left and right swing arms , and the tilt angular velocity of the vehicle body, respectively. represents theta by the (-), and the slide position is first-order differential with respect to time of the P gx sliding movement speed P gx (·), the equation of state was used as the state quantity A control method of the inverted wheel type moving body which is designed as a linear feedback controller based on the state equation,
Obtain the tilt angle and tilt angular velocity with respect to the vertical direction of the vehicle body,
Obtaining a driving amount of the first driving unit, a driving amount of the second driving unit, and a driving amount of the third driving unit;
Attitude deviation between the acquired inclination angle and inclination angular velocity and target inclination angle and target inclination angular velocity, the first deviation between the acquired driving amount of the first driving unit and the target driving amount, the acquired first Calculating a second deviation between the driving amount of the second driving unit and the target driving amount, and a third deviation between the acquired driving amount of the third driving unit and the target driving amount;
The calculated four deviations are multiplied by the feedback gain of the linear feedback controller, the first control amount for driving the first drive unit, the second control amount for driving the second drive unit, and the A third control amount for driving the third drive unit is calculated, a plurality of gain patterns of the feedback gain are set in advance, and the drive amount of the third drive unit acquired by the third measurement unit Depending on the, the gain pattern is switched,
Control method of an inverted wheel type moving body.
前記第3の偏差に積分演算値を含む
ことを特徴とする請求項5記載の倒立車輪型移動体の制御方法。
The method of controlling an inverted wheel type moving body according to claim 5, wherein the third deviation includes an integral calculation value.
前記第姿勢偏差に積分演算値を含む
ことを特徴とする請求項5又は6記載の倒立車輪型移動体の制御方法。
The method for controlling an inverted wheel type moving body according to claim 5 or 6, wherein the first posture deviation includes an integral calculation value.
重力を含む加速度による非線形負荷を補償するフィードフォワード量を算出し、当該算出したフィードフォワード量を前記第1の制御量、前記第2の制御量、及び前記第3の制御量に加算する
ことを特徴とする請求項5乃至7いずれか1項記載の倒立車輪型移動体の制御方法。
Calculating a feedforward amount that compensates for a non-linear load due to acceleration including gravity, and adding the calculated feedforward amount to the first control amount, the second control amount, and the third control amount. The method for controlling an inverted wheel type moving body according to any one of claims 5 to 7.
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