JP5316336B2 - Inverted type moving body, its control method and control program - Google Patents

Inverted type moving body, its control method and control program Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverted moving body stably traveling; and to provide method and program for controlling the same. <P>SOLUTION: The inverted moving body 100 includes a moving body 140 having a load body 201 and a wheel 202 rotatably connected to the load body 201, and performs inversion control of the load body 201 by controlling the drive of the wheel 202. The inverted moving body 100 also includes: a detection means for detecting a state amount of the moving body 140; a command means for creating a command value to bring the moving body 140 into a desired traveling state; an estimation means for estimating a load wheel inter-gravity-center distance L that is the distance between the center of gravity of the load body 201 and the center of gravity of the wheel 202, based on the state amount detected by the detection means; and a control means for performing inversion control by creating a torque command value for driving the wheel 202 based on the state amount detected by the detection means, the command value created by the command means, and the load wheel inter-gravity-center distance L estimated by the estimation means. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムに関するものである。   The present invention relates to an inverted moving body that travels while maintaining an inverted state, a control method thereof, and a control program.

倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ走行する倒立型移動体が知られている。例えば、倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、自立的に走行する倒立二輪走行ロボットが開示されている(特許文献1参照)。この倒立二輪走行ロボットにおいては、制御対象である倒立型ロボットを所望の姿勢の近傍で線形化した線形化モデルに基づいて、倒立型ロボットの動作を制御している。   2. Description of the Related Art An inverted moving body that travels while performing an inverted control that maintains an inverted state is known. For example, an inverted two-wheeled robot that travels autonomously while performing inverted control to maintain the inverted state is disclosed (see Patent Document 1). In this inverted two-wheeled robot, the operation of the inverted robot is controlled based on a linearized model obtained by linearizing an inverted robot to be controlled in the vicinity of a desired posture.

特開2006−123014号公報JP 2006-123014 A

しかしながら、上記倒立二輪走行ロボットにおいては、例えば、倒立型ロボットに搭乗する搭乗者がしゃがんだり、或いは積載する荷物が荷崩れしたとき等の重心位置が大きく変化した場合に、倒立型ロボットが振動的な動作をしたり、不安定となり転倒するなどの問題が生じ得る。   However, in the above-described inverted two-wheeled robot, the inverted robot vibrates when the position of the center of gravity changes greatly, for example, when an occupant boarding the inverted robot squats down or when the load to be loaded collapses. Problems such as erratic movements and instability and falling.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、より安定的に走行することができる倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and a main object of the present invention is to provide an inverted moving body that can travel more stably, a control method thereof, and a control program.

上記目的を達成するための本発明の一態様は、負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体であって、前記移動体本体の状態量を検出する検出手段と、前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する指令手段と、前記検出手段により検出された状態量に基づいて、前記負荷体の重心と前記車輪の重心との距離である負荷車輪重心間距離を推定する推定手段と、前記検出手段により検出された状態量と、前記指令手段により生成された指令値と、前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成し、前記倒立制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする倒立型移動体である。   One aspect of the present invention for achieving the above object includes a mobile body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, and controls driving of the wheel to control the load body. An inverted moving body that performs an inverted control, comprising: a detecting means for detecting a state quantity of the moving body main body; a command means for generating a command value for causing the moving body main body to enter a desired running state; and the detecting means. Based on the detected state quantity, an estimation means for estimating a distance between the load wheel center of gravity, which is a distance between the center of gravity of the load body and the center of gravity of the wheel, a state quantity detected by the detection means, and the command means Control means for generating a torque command value for driving the wheel based on the command value generated by the estimation means and the distance between the load wheel centers of gravity estimated by the estimation means, and performing the inversion control. Defeat characterized by providing It is the type mobile.

この一態様において、前記推定手段は、前記検出手段により検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の水平方向への移動速度である車輪水平速度を算出する水平速度演算部と、前記検出手段により検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の垂直方向への加速度である車輪垂直加速度を算出する垂直加速度演算部と、前記水平速度演算部により算出された車輪水平速度と、前記垂直加速度演算部により算出された車輪垂直加速度と、に基づいて、前記移動体本体の運動方程式を前記負荷車輪重心間距離の多項式として表し、該多項式の係数を算出する多項式係数演算部と、前記多項式係数演算部により算出された前記多項式の係数に基づいて、前記負荷車輪重心間距離を算出する重心間距離演算部と、を有していてもよい。   In this aspect, the estimating means calculates a wheel horizontal speed that is a moving speed in the horizontal direction of the wheel based on a state quantity of the moving body detected by the detecting means; Based on the state quantity of the moving body detected by the detection means, a vertical acceleration calculation unit that calculates a wheel vertical acceleration that is an acceleration in the vertical direction of the wheel, and a wheel horizontal calculated by the horizontal speed calculation unit. Based on the speed and the wheel vertical acceleration calculated by the vertical acceleration calculation unit, the equation of motion of the moving body is represented as a polynomial in the distance between the centers of gravity of the loaded wheels, and a polynomial coefficient calculation for calculating the coefficient of the polynomial A center-of-gravity distance calculation unit that calculates the distance between the load wheel centers of gravity based on the coefficients of the polynomial calculated by the polynomial coefficient calculation unit. There.

また、この一態様において、前記多項式係数演算部は、下記(14)式により前記多項式の係数a、a、aを算出してもよい。さらに、この一態様において、前記重心間距離演算部は、前記検出手段により検出された負荷体の傾斜角加速度に応じて、前記負荷車輪重心間距離の算出方法を切換えてもよい。さらにまた、この一態様において、前記重心間距離推定部は、下記(15)式により負荷車輪重心間距離lを算出してもよい。なお、この一態様において、前記重心間距離演算部は、前記算出した負荷車輪重心間距離に対してローパスフィルタを適用してもよい。 In this aspect, the polynomial coefficient calculation unit may calculate the coefficients a 2 , a 1 , and a 0 of the polynomial according to the following equation (14). Further, in this aspect, the center-of-gravity distance calculation unit may switch the calculation method of the distance between the load wheel centers of gravity according to the inclination angular acceleration of the load body detected by the detection unit. Furthermore, in this one aspect, the center-of-gravity distance estimation unit may calculate the distance l between the load wheel centers of gravity by the following equation (15). In this aspect, the center-of-gravity distance calculation unit may apply a low-pass filter to the calculated load wheel center-of-gravity distance.

さらに、この一態様において、前記制御手段は、前記検出手段により検出された状態量と、前記指令手段により生成された指令値と、前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記移動体本体の車輪を駆動するためのトルク指令値を算出するトルク指令演算部と、前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離に基づいて、前記トルク指令演算部の制御を調整する制御調整部と、を有していてもよい。さらにまた、この一態様において、前記トルク指令演算部は、前記検出手段により検出された負荷体の傾斜角加速度に応じて、トルク指令値の算出方法を切換えてもよい。さらにまた、この一態様において、前記トルク指令演算部は、下記(18)又は(20)式により前記トルク指令値Trefを算出してもよい。 Furthermore, in this one aspect, the control means is based on the state quantity detected by the detection means, the command value generated by the command means, and the distance between the load wheel centers of gravity estimated by the estimation means. And adjusting the control of the torque command calculation unit based on the torque command calculation unit for calculating the torque command value for driving the wheels of the mobile body and the distance between the load wheel centers of gravity estimated by the estimation means And a control adjustment unit that performs. Furthermore, in this one aspect, the torque command calculation unit may switch the calculation method of the torque command value according to the inclination angular acceleration of the load body detected by the detection means. Furthermore, in this one aspect, the torque command calculation unit may calculate the torque command value T ref by the following equation (18) or (20).

なお、この一態様において、前記推定手段が前記負荷車輪重心間距離を推定する間、前記トルク指令演算部は、前記トルク指令値を一定値としてもよい。また、この一態様において、前記指令手段は、前記車輪の水平方向への移動速度である水平速度指令値を生成する水平速度指令生成部と、前記車輪水平速度が前記水平速度指令値に追従するような前記負荷体の傾斜角度である負荷角度指令値を算出する負荷角度指令演算部と、を有していてもよい。   In this aspect, the torque command calculation unit may set the torque command value as a constant value while the estimation unit estimates the distance between the load wheel centers of gravity. Further, in this aspect, the command means includes a horizontal speed command generation unit that generates a horizontal speed command value that is a moving speed of the wheel in the horizontal direction, and the wheel horizontal speed follows the horizontal speed command value. A load angle command calculation unit that calculates a load angle command value that is an inclination angle of the load body.

他方、上記目的を達成するための本発明の他の態様は、負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体の制御方法であって、前記移動体本体の状態量を検出する工程と、前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する工程と、前記検出された状態量に基づいて、前記負荷体の重心と前記車輪の重心との距離である負荷車輪重心間距離を推定する工程と、前記検出された状態量と、前記生成された指令値と、前記推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成する工程と、を含むことを特徴とする倒立型移動体の制御方法であってもよい。   On the other hand, another aspect of the present invention for achieving the above object includes a mobile body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, and controls driving of the wheel, An inverted moving body control method for performing inversion control of a load body, the step of detecting a state quantity of the moving body main body, and the step of generating a command value for the moving body main body to be in a desired running state; Estimating a distance between the load wheel center of gravity, which is a distance between the center of gravity of the load body and the center of gravity of the wheel, based on the detected state quantity, the detected state quantity, and the generated command value And a step of generating a torque command value for driving the wheel based on the estimated distance between the load wheel centers of gravity, and a control method for an inverted moving body, comprising: Also good.

また、上記目的を達成するための本発明の他の態様は、負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体の制御プログラムであって、前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する処理と、前記移動体本体の状態量に基づいて、前記負荷体の重心と前記車輪の重心との距離である負荷車輪重心間距離を推定する処理と、前記移動体本体の状態量と、前記生成された指令値と、前記推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成する処理と、をコンピュータに実行させる倒立型移動体の制御プログラムであってもよい。   Further, another aspect of the present invention for achieving the above object includes a moving body main body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, and controlling the driving of the wheel, An inverted moving body control program for performing inversion control of a load body, wherein the load body is based on a process for generating a command value for the mobile body body to enter a desired running state, and a state quantity of the mobile body body. A process of estimating the distance between the load wheel centers of gravity, which is the distance between the center of gravity of the body and the center of gravity of the wheels, the state quantity of the mobile body, the generated command value, and the estimated distance between the center of gravity of the load wheels And a program for generating a torque command value for driving the wheel based on the control program for causing the computer to execute the process.

本発明によれば、より安定的に走行することができる倒立型移動体、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inverted type mobile body which can drive | work more stably, its control method, and a control program can be provided.

本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic system configuration of an inverted moving body according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る倒立型の移動体本体をモデル化したモデル図である。It is the model figure which modeled the inverted type mobile body main body which concerns on one Embodiment of this invention. 推定器により推定される負荷車輪重心間距離の推定値に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation result regarding the estimated value of the distance between load wheel centroids estimated with an estimator. 本発明の一実施形態に係る倒立型移動体と従来技術とにおいて負荷体の傾斜角度θの時間変化を比較した図である。It is the figure which compared the time change of inclination-angle (theta) 1 of a load body in the inverted type mobile body which concerns on one Embodiment of this invention, and a prior art. 移動体本体の一具体例である同軸二輪車を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the coaxial two-wheeled vehicle which is one specific example of a mobile body main body. 移動体本体の一具体例である倒立型自律走行ロボットを概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the inverted autonomous traveling robot which is a specific example of a mobile body main body. 移動体本体の他の具体例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other specific example of a moving body main body. 本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の制御処理フローの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control processing flow of the inverted type mobile body which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る倒立型移動体100は、制御対象としての移動体本体140と、移動体本体140の状態量を検出する検出器150と、移動体本体140が所望の走行状態となる指令値を生成する指令器110と、移動体本体140における後述の負荷車輪重心間距離lを推定する推定器120と、負荷車輪重心間距離lに基づいて、移動体本体140の制御を実行する制御器130と、を備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic system configuration of an inverted moving body according to an embodiment of the present invention. The inverted moving body 100 according to the present embodiment includes a moving body main body 140 as a control target, a detector 150 that detects a state quantity of the moving body main body 140, and a command value at which the moving body main body 140 is in a desired running state. , An estimator 120 for estimating the distance l between the load wheel centers of gravity described later in the moving body main body 140, and a controller for executing control of the moving body main body 140 based on the distance l between the load wheel centers of gravity. 130.

移動体本体140は、単数又は複数の(例えば、二輪の)車輪を駆動して、任意の位置に移動可能な移動体であり、倒立状態を維持して走行を行う。移動体本体140としては、例えば、図5に示すように、搭乗者の重心移動によって走行操作を行う同軸二輪車や、図6に示すように、倒立状態を維持しつつ胴体を傾斜させて走行する倒立型自律走行ロボットなどが適用可能であるが、これに限らず、車輪を用いた走行手段と、走行手段に連結された負荷体とを備え、負荷体の倒立状態を維持する倒立制御を行う任意の車両に適用可能である。   The mobile body 140 is a mobile body that can move to an arbitrary position by driving one or a plurality of (for example, two) wheels, and travels while maintaining an inverted state. As the mobile body 140, for example, as shown in FIG. 5, a coaxial two-wheeled vehicle that performs a traveling operation by moving the center of gravity of the occupant, or as shown in FIG. 6, the body is inclined while maintaining an inverted state. Inverted autonomous traveling robots and the like are applicable. However, the present invention is not limited to this, and includes a traveling means using wheels and a load body connected to the traveling means, and performs an inverted control for maintaining the inverted state of the load body. It can be applied to any vehicle.

例えば、移動体本体140は、図7に示すように、4輪の走行手段701上に揺動可能にリンク機構702が連結された構成であってもよい。また、リンク機構702の上部にカゴ状部材703を取付け、このカゴ状部材703上に物品等を載置して運搬してもよい。   For example, as shown in FIG. 7, the moving body main body 140 may have a configuration in which a link mechanism 702 is swingably connected to a four-wheel traveling means 701. Further, a cage member 703 may be attached to the upper portion of the link mechanism 702, and articles or the like may be placed on the cage member 703 and transported.

図2は、図7に示す倒立型の移動体本体140をモデル化したモデル図である。図2において、移動体本体140は路面203上を、倒立状態を維持して走行するものであり、車輪202と、車輪202に連結された負荷体201と、を有している。   FIG. 2 is a model diagram modeling the inverted mobile body 140 shown in FIG. In FIG. 2, the moving body main body 140 travels while maintaining an inverted state on a road surface 203, and includes a wheel 202 and a load body 201 connected to the wheel 202.

負荷体201は、例えば、ロボットのボディや、移動体本体140に乗車する人または積載する荷物等を含んでいる。また、車輪202は、負荷体201を乗せた状態で、回転することにより路面203との摩擦力を利用して移動することができる。さらに、移動体本体140は、例えば、負荷体201を前傾又は後傾させたときの負荷体201の傾斜角度θに応じて、前進又は後進するように構成されている。 The load body 201 includes, for example, a robot body, a person who rides on the moving body main body 140, or a load to be loaded. Further, the wheel 202 can move using the frictional force with the road surface 203 by rotating with the load body 201 placed thereon. Furthermore, the mobile body 140, for example, the load 201 before傾又is configured to in response to the inclination angle theta 1 of the load body 201 when the inclined rearwards to forward or reverse.

図1に示すように、検出手段の一具体例である検出器150は、移動体本体140に設けられており、移動体本体140の状態量を検出することができる。検出器150は、例えば、負荷体201の傾斜角度θを検出する姿勢センサ、車輪202の回転角度θを検出する回転センサ、などの移動体本体140の状態量を検出できる任意のセンサを含んでいる。検出器150は、検出した負荷体201の傾斜角度θ、車輪202の回転角度θ等を、移動体本体140の状態量として推定器120及び制御器130に対して出力する。 As shown in FIG. 1, a detector 150, which is a specific example of detection means, is provided in the moving body main body 140, and can detect the state quantity of the moving body main body 140. Detector 150, for example, the attitude sensor for detecting an inclination angle theta 1 of the load body 201, the rotation sensor for detecting a rotational angle theta 2 of the wheel 202, any sensor capable of detecting a state quantity of the moving body 140 such as Contains. The detector 150 outputs the detected inclination angle θ 1 of the load body 201, rotation angle θ 2 of the wheel 202, and the like as state quantities of the moving body main body 140 to the estimator 120 and the controller 130.

指令手段の一具体例である指令器110は、例えば、搭乗者による走行操作(ハンドル操作、スイッチ操作、重心移動操作等)に応じて、移動体本体140が所望の走行状態(前後進、加減速、左右旋回、停止等)となる指令値を生成する。また、指令器110は、水平速度指令生成部111と、負荷角度指令演算部112と、を有している。   The command device 110, which is a specific example of the command means, is configured so that the mobile body 140 is in a desired travel state (forward / reverse travel, acceleration, etc.) in response to a travel operation (handle operation, switch operation, center of gravity movement operation, etc.) by the passenger. A command value for decelerating, turning left and right, stopping, etc.) is generated. In addition, the command device 110 includes a horizontal speed command generation unit 111 and a load angle command calculation unit 112.

水平速度指令生成部111は、例えば、搭乗者による走行操作に応じて、車輪202の水平方向への移動速度の指令値である水平速度指令値を生成する。水平速度指令生成部111は、生成した水平速度指令値を負荷角度指令演算部112に対して出力する。   For example, the horizontal speed command generation unit 111 generates a horizontal speed command value that is a command value of the moving speed of the wheels 202 in the horizontal direction in accordance with a traveling operation by the passenger. The horizontal speed command generation unit 111 outputs the generated horizontal speed command value to the load angle command calculation unit 112.

負荷角度指令演算部112は、例えば、移動体本体140が走行する路面203が水平である場合に、後述の水平速度演算部121により算出された車輪水平速度が水平速度指令生成部111により生成された水平速度指令値に追従するような負荷体201の傾斜角度θである負荷角度指令値を算出する。負荷角度指令演算部112は、算出した負荷角度指令値を制御器130に対して出力する。 For example, when the road surface 203 on which the mobile body 140 travels is horizontal, the load angle command calculation unit 112 generates the wheel horizontal speed calculated by the horizontal speed calculation unit 121 described later by the horizontal speed command generation unit 111. The load angle command value that is the inclination angle θ 1 of the load body 201 that follows the horizontal speed command value is calculated. The load angle command calculation unit 112 outputs the calculated load angle command value to the controller 130.

推定手段の一具体例である推定器120は、検出器150からの移動体本体140の状態量に基づいて、移動体本体140の負荷車輪重心間距離lを推定する。ここで、負荷車輪重心間距離lとは、負荷体201の重心と車輪202の重心との間の距離を指す。また、推定器120は、水平速度演算部121と、垂直加速度演算部122と、多項式係数演算部123と、重心間距離演算部124と、を有している。   The estimator 120, which is a specific example of the estimation unit, estimates the distance l between the load wheel centers of gravity of the mobile body 140 based on the state quantity of the mobile body 140 from the detector 150. Here, the load wheel center-of-gravity distance l indicates the distance between the center of gravity of the load body 201 and the center of gravity of the wheel 202. The estimator 120 includes a horizontal velocity calculation unit 121, a vertical acceleration calculation unit 122, a polynomial coefficient calculation unit 123, and a center-of-gravity distance calculation unit 124.

水平速度演算部121は、例えば、検出器150からの車輪202の回転角度θに基づいて、車輪202の水平方向への移動速度である車輪水平速度を算出する。水平速度演算部121は、算出した車輪水平速度を多項式係数演算部123に対して出力する。 For example, the horizontal speed calculation unit 121 calculates a wheel horizontal speed that is a moving speed of the wheel 202 in the horizontal direction based on the rotation angle θ 2 of the wheel 202 from the detector 150. The horizontal speed calculation unit 121 outputs the calculated wheel horizontal speed to the polynomial coefficient calculation unit 123.

垂直加速度演算部122は、検出器150からの移動体本体140の状態量に基づいて、下記(12)式を用いて車輪202の垂直方向への加速度である車輪垂直加速度を算出する。このように、加速度センサを用いることなく車輪垂直加速度を算出することで、コスト低減に繋がる。なお、垂直加速度演算部122は、加速度センサにより検出された車輪202の加速度を用いて、車輪垂直加速度を求めてもよい。垂直加速度演算部122は、算出した車輪垂直加速度を多項式係数演算部123に対して出力する。   Based on the state quantity of the moving body main body 140 from the detector 150, the vertical acceleration calculation unit 122 calculates wheel vertical acceleration, which is acceleration in the vertical direction of the wheel 202, using the following equation (12). Thus, calculating the wheel vertical acceleration without using an acceleration sensor leads to cost reduction. Note that the vertical acceleration calculation unit 122 may obtain the wheel vertical acceleration using the acceleration of the wheel 202 detected by the acceleration sensor. The vertical acceleration calculation unit 122 outputs the calculated wheel vertical acceleration to the polynomial coefficient calculation unit 123.

多項式係数演算部123は、水平速度演算部121からの車輪水平速度と、垂直加速度演算部122からの車輪垂直加速度と、に基づいて、移動体本体140の運動方程式を負荷車輪重心間距離lの多項式として表し、その多項式の係数である重心間距離係数を算出する。多項式係数演算部123は、算出した重心間距離係数を、重心間距離演算部124に対して出力する。   The polynomial coefficient calculation unit 123 calculates the equation of motion of the mobile body 140 based on the wheel horizontal speed from the horizontal speed calculation unit 121 and the wheel vertical acceleration from the vertical acceleration calculation unit 122 as Expressed as a polynomial, a distance coefficient between the centers of gravity, which is a coefficient of the polynomial, is calculated. The polynomial coefficient calculation unit 123 outputs the calculated center-of-gravity distance coefficient to the center-of-gravity distance calculation unit 124.

重心間距離演算部124は、多項式係数演算部123からの重心間距離係数を用いて、移動体本体140の運動方程式を負荷車輪重心間距離lについて解き、負荷車輪重心間距離lを算出する。重心間距離演算部124は、算出した負荷車輪重心間距離lを制御器130に対して出力する。   The center-of-gravity distance calculation unit 124 solves the equation of motion of the moving body 140 with respect to the load wheel center-of-gravity distance l using the distance coefficient between the center of gravity from the polynomial coefficient calculation unit 123, and calculates the load wheel center-of-gravity distance l. The center-of-gravity distance calculation unit 124 outputs the calculated load wheel center-of-gravity distance l to the controller 130.

制御手段の一具体例である制御器130は、検出器150からの状態量と、指令器110からの負荷角度指令値と、推定器120からの負荷車輪重心間距離lと、に基づいて、移動体本体140の駆動を制御する。制御器130は、制御調整部131と、トルク指令演算部132と、を有している。   Based on the state quantity from the detector 150, the load angle command value from the command device 110, and the load wheel center-of-gravity distance l from the estimator 120, the controller 130, which is a specific example of the control means, The driving of the mobile body 140 is controlled. The controller 130 includes a control adjustment unit 131 and a torque command calculation unit 132.

制御調整部131は、推定器120の重心間距離演算部124からの負荷車輪重心間距離lに基づいて、トルク指令演算部132の制御パラメータや制御則を調整する。   The control adjustment unit 131 adjusts control parameters and control laws of the torque command calculation unit 132 based on the load wheel center-of-gravity distance l from the center-of-gravity distance calculation unit 124 of the estimator 120.

トルク指令演算部132は、検出器150からの移動体本体140の状態量と、指令器110からの負荷角度指令値と、推定器120からの負荷車輪重心間距離lと、に基づいて、例えば、移動体本体140が走行する路面203が水平な場合に、車輪水平速度が水平速度指令値に追従するようなトルク指令値Trefを算出する。制御器130は、トルク指令演算部132により算出されたトルク指令値Trefに基づいて、移動体本体140の車輪202の駆動を制御する。 Based on the state quantity of the moving body 140 from the detector 150, the load angle command value from the commander 110, and the load wheel center-of-gravity distance l from the estimator 120, the torque command calculation unit 132, for example, When the road surface 203 on which the mobile body 140 travels is horizontal, a torque command value T ref is calculated so that the wheel horizontal speed follows the horizontal speed command value. The controller 130 controls driving of the wheels 202 of the mobile body 140 based on the torque command value T ref calculated by the torque command calculation unit 132.

なお、指令器110、推定器120、及び制御器130は、例えば、制御処理、演算処理等を行うCPU(Central Processing Unit)、CPUによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたROM(Read Only Memory)、処理データ等を一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)等からなるマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成することができる。   The command unit 110, the estimator 120, and the controller 130 include, for example, a CPU (Central Processing Unit) that performs control processing, arithmetic processing, and the like, and a ROM ( It is possible to configure a hardware configuration centering on a microcomputer including a read only memory (RAM) and a RAM (random access memory) that temporarily stores processing data.

次に、図2に示す倒立型の移動体本体140のモデルを用いて、本実施形態に係る倒立型移動体100の具体的な倒立制御について説明する。なお、図2において、負荷体201の質量をm、負荷体201の慣性モーメントをJ、車輪202の質量をm、車輪202の慣性モーメントをJ、負荷車輪重心間距離をl、車輪202の半径をr、負荷体201の傾斜角度をθ、車輪202の回転角度をθ、トルク指令演算部132が出力するトルク指令値をTref、とする。 Next, specific inversion control of the inverted mobile body 100 according to the present embodiment will be described using the model of the inverted mobile body 140 shown in FIG. 2, the mass of the load body 201 is m 1 , the inertia moment of the load body 201 is J 1 , the mass of the wheel 202 is m 2 , the inertia moment of the wheel 202 is J 2 , and the distance between the load wheel centers of gravity is l, The radius of the wheel 202 is r, the inclination angle of the load body 201 is θ 1 , the rotation angle of the wheel 202 is θ 2 , and the torque command value output by the torque command calculation unit 132 is T ref .

まず、移動体本体140の運動エネルギーT及びポテンシャルエネルギーVを、下記(1)及び(2)式を用いて、下記(3)及び(4)式のように表すことができる。ここで、下記(1)及び(2)式において、車輪202の水平位置をx、車輪202の垂直位置をy、負荷体201の水平位置をx、負荷体201の垂直位置をyとする。

Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
First, the kinetic energy T and the potential energy V of the moving body 140 can be expressed by the following equations (3) and (4) using the following equations (1) and (2). Here, in the following (1) and (2), x 2 horizontal position of the wheel 202, y 2 the vertical position of the wheel 202, x 1 the horizontal position of the load body 201, the vertical position of the load body 201 y Set to 1 .
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336

また、上記(3)及び(4)式と、オイラーラグランジュ方程式とを用いて、移動体本体140の運動方程式を、下記(5)乃至(8)式のように求めることができる。但し、下記(8)式において、gは重力加速度である。

Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Further, using the above equations (3) and (4) and the Euler-Lagrange equation, the equation of motion of the moving body 140 can be obtained as the following equations (5) to (8). However, in the following formula (8), g is a gravitational acceleration.
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336
Figure 0005316336

さらに、車輪202と路面203の間の粘性摩擦を考慮して、上記(6)及び(7)式を、下記(9)及び(10)式のように書き換えることができる。なお、下記(9)及び(10)式において、Dは粘性摩擦係数とする。

Figure 0005316336
Figure 0005316336
Further, considering the viscous friction between the wheel 202 and the road surface 203, the above equations (6) and (7) can be rewritten as the following equations (9) and (10). In the following equations (9) and (10), D is a viscous friction coefficient.
Figure 0005316336
Figure 0005316336

また、上記(9)及び(10)式を用いて、下記(11)式を求めることができる。

Figure 0005316336
Moreover, the following (11) Formula can be calculated | required using said (9) and (10) Formula.
Figure 0005316336

さらに、上記(5)式から上記(11)式を減算し、下記(12)式を得ることができる。

Figure 0005316336
Further, the following equation (12) can be obtained by subtracting the above equation (11) from the above equation (5).
Figure 0005316336

なお、上記(12)式において、Nは車輪202の水平位置xをパラメータとした非線形項であり、Nは車輪202の垂直位置yをパラメータとした非線形項である。また、負荷体201の慣性モーメントJは、負荷車輪重心間距離lの2乗に比例する部分とそれ以外の和として表すことができるので、負荷体201の慣性モーメント定数cを用いて、下記(13)式のように表すことができる。

Figure 0005316336
In the above equation (12), N x is a nonlinear term using the horizontal position x 2 of the wheel 202 as a parameter, and N y is a nonlinear term using the vertical position y 2 of the wheel 202 as a parameter. Further, the moment of inertia J 1 of the load body 201, so can be represented as a partial sum of the others in proportion to the square of the load wheel distance between centers of gravity l, using the moment of inertia constants c J of the load 201, It can be expressed as the following equation (13).
Figure 0005316336

さらに、上記(13)式を上記(12)式に代入し、下記(14)式を得ることができる。ここで、トルク指令値Trefは、負荷車輪重心間距離lの関数でないものとする。

Figure 0005316336
Furthermore, the following equation (14) can be obtained by substituting the above equation (13) into the above equation (12). Here, it is assumed that the torque command value T ref is not a function of the load wheel center-of-gravity distance l.
Figure 0005316336

多項式係数演算部123は、検出器150からの負荷体201の傾斜角度θと、車輪202の回転角度θと、に基づいて、車輪202の水平位置x及び垂直位置yを算出する。そして、多項式係数演算部123は、検出器150からの負荷体201の傾斜角度θ及び車輪202の回転角度θと、算出した車輪202の水平位置x及び垂直位置yと、に基づいて、上記(14)式を用いて、重心間距離係数a、a、aを算出する。多項式係数演算部123は、算出した重心間距離係数a、a、aを、重心間距離演算部124に対して出力する。 The polynomial coefficient calculation unit 123 calculates the horizontal position x 2 and the vertical position y 2 of the wheel 202 based on the inclination angle θ 1 of the load body 201 from the detector 150 and the rotation angle θ 2 of the wheel 202. . Then, the polynomial coefficient calculator 123, the rotation angle theta 2 of the inclination angle theta 1 and the wheel 202 of the load 201 from the detector 150, the horizontal position x 2 and vertical position y 2 of the wheel 202, which is calculated, based on the Then, the center-of-gravity distance coefficients a 0 , a 1 , and a 2 are calculated using the above equation (14). The polynomial coefficient calculation unit 123 outputs the calculated center-of-gravity distance coefficients a 0 , a 1 , and a 2 to the center-of-gravity distance calculation unit 124.

重心間距離演算部124は、多項式係数演算部123からの重心間距離係数a、a、aを用いて、移動体本体140の運動方程式である上記(14)式を負荷車輪重心間距離lについて解き、下記(15)式を求め、この(15)式に基づいて、負荷車輪重心間距離lを算出する。

Figure 0005316336
The center-of-gravity distance calculation unit 124 uses the center-of-gravity distance coefficients a 0 , a 1 , a 2 from the polynomial coefficient calculation unit 123 to express the above equation (14), which is the equation of motion of the moving body 140, between the load wheel center of gravity. Solving for the distance l, the following equation (15) is obtained, and the distance l between the load wheel centers of gravity is calculated based on the equation (15).
Figure 0005316336

なお、上記(15)式において、δは負荷車輪重心間距離lの算出方法(推定式)を切り替えるための、負荷体201の傾斜角加速度(傾斜角度θの2回時間微分)の閾値である負荷体加速度切替値である。上述したように、重心間距離演算部124は、上記(15)式において、負荷体201の傾斜角加速度(以下、負荷体加速度と称す)に応じて、負荷車輪重心間距離lの算出方法を切り替える。これにより、負荷体加速度が小さい場合でも精度よく負荷車輪重心間距離lを算出することができる。 In the above equation (15), δ 1 is a threshold value of the inclination angular acceleration (two-time differential of the inclination angle θ 1 ) of the load body 201 for switching the calculation method (estimation expression) of the load wheel center-of-gravity distance l. Is a load body acceleration switching value. As described above, the center-of-gravity distance calculation unit 124 calculates the load wheel center-of-gravity distance l in the equation (15) according to the inclination angular acceleration of the load body 201 (hereinafter referred to as load body acceleration). Switch. Thereby, even when the load body acceleration is small, the distance l between the load wheel centers of gravity can be accurately calculated.

また、重心間距離演算部124は、下記(16)式に示すように、算出した負荷車輪重心間距離lに対してローパスフィルタLPF()を適用することで、負荷車輪重心間距離lを算出してもよい。これにより、負荷体加速度が負荷体加速度切替値δを通過する時に、負荷車輪重心間距離lは滑らかに変化し、結果として制御調整部131によって制御パラメータが滑らかに変化する。したがって、例えば、移動体本体140に乗車した搭乗者がしゃがんだり、或いは積載した荷物が荷崩れした場合でも、移動体本体140が振動することなく滑らかに走行を継続することができる。すなわち、移動体本体140は、より安定的に走行することができる。

Figure 0005316336
Further, as shown in the following equation (16), the center-of-gravity distance calculation unit 124 applies the low-pass filter LPF () to the calculated load wheel center-of-gravity distance 10 to obtain the load wheel center-of-gravity distance l. It may be calculated. Thereby, when the load body acceleration passes through the load body acceleration switching value δ 1 , the load wheel center-of-gravity distance l changes smoothly, and as a result, the control parameter is smoothly changed by the control adjustment unit 131. Therefore, for example, even when a passenger who rides on the mobile body 140 squats down or the loaded luggage collapses, the mobile body 140 can continue to travel smoothly without vibration. That is, the mobile body 140 can travel more stably.
Figure 0005316336

なお、上記(16)式において、lは負荷車輪重心間距離lの調整前の値であり、LPF()はローパスフィルタ関数である。このように、重心間距離演算部124は、負荷車輪重心間距離lに対してローパスフィルタを適用することにより、上記(16)式の切替時においても負荷車輪重心間距離lが滑らかに変化するため、移動体本体140の動作をより滑らかに継続させることができる。 In the above equation (16), l 0 is a value before adjustment of the load wheel center-of-gravity distance l, and LPF () is a low-pass filter function. Thus, the distance between the centers of gravity calculation unit 124, the load by applying a low-pass filter to the wheel center of gravity distance l 0, Equation (16) smoothly varying load wheel distance between the centers of gravity l even when switching Therefore, the operation of the moving body main body 140 can be continued more smoothly.

重心間距離演算部124は、上述のようにして求めた負荷車輪重心間距離lを、制御器130に対して出力する。   The center-of-gravity distance calculation unit 124 outputs the load wheel center-of-gravity distance l obtained as described above to the controller 130.

制御器130は、重心間距離演算部124からの負荷車輪重心間距離lを用いて、移動体本体140の駆動を制御する。ここで、上記(12)式を用いて、非線形トルクN+Nを下記(17)式のように表すことができる。なお、下記(17)及び(18)式において、d及びdは負荷体201の傾斜角度θ及び車輪202の回転角度θの関数である。また、dは、移動体本体140の運動方程式における非線形項のうち、負荷体201の傾斜角速度に比例する項の係数であり、dは、移動体本体140の運動方程式における非線形項のうち、負荷体201の傾斜角速度に比例しない項の係数である。

Figure 0005316336
The controller 130 controls the driving of the moving body 140 using the load wheel center-of-gravity distance l from the center-of-gravity distance calculation unit 124. Here, the non-linear torque N x + N y can be expressed by the following equation (17) using the above equation (12). In the following equations (17) and (18), d 1 and d 0 are functions of the inclination angle θ 1 of the load body 201 and the rotation angle θ 2 of the wheel 202. Further, d 1 is a coefficient of a term proportional to the inclination angular velocity of the load body 201 among the nonlinear terms in the equation of motion of the moving body main body 140, and d 0 is among the nonlinear terms in the equation of motion of the moving body main body 140. The coefficient of the term not proportional to the inclination angular velocity of the load body 201.
Figure 0005316336

トルク指令演算部132は、下記(18)式を用いて、移動体本体140の車輪202を駆動するためのトルク指令値Trefを算出する。

Figure 0005316336
The torque command calculation unit 132 calculates a torque command value T ref for driving the wheels 202 of the mobile body 140 using the following equation (18).
Figure 0005316336

なお、上記(18)式において、δは、上記算出式(算出方法)を切り替える際の負荷体加速度の閾値であり、dm0は、負荷体201の傾斜角度θと車輪202の回転角度θの関数である。また、σは、負荷体201の傾斜角度θが負荷角度指令演算部112により算出された負荷角度指令値に収束する速さを表す収束度であり、uは、移動体本体140の運動方程式の線形部分であり、下記(19)式を収束度σで安定化するための線形化トルク指令値である。

Figure 0005316336
In the equation (18), δ a is a threshold value of the load body acceleration when the calculation equation (calculation method) is switched, and d m0 is the inclination angle θ 1 of the load body 201 and the rotation angle of the wheel 202. it is a function of θ 2. Also, σ is a degree of convergence representing the speed at which the inclination angle θ 1 of the load body 201 converges to the load angle command value calculated by the load angle command calculation unit 112, and u is the equation of motion of the mobile body 140. Is a linearized torque command value for stabilizing the following expression (19) with the convergence degree σ.
Figure 0005316336

制御調整部131は、上記(18)式においてδaの判定を行い、トルク指令値Trefを求めるための上記算出式の切替を指示する。また、制御調整部131は、重心間距離演算部124からの負荷車輪重心間距離lを用いて、トルク指令演算部132の比例制御等における制御ゲイン(負荷車輪重心間距離lの関数)の設定を行う。 The control adjustment unit 131 determines δ a in the above equation (18) and instructs switching of the above calculation equation for obtaining the torque command value T ref . Further, the control adjustment unit 131 uses the load wheel center-of-gravity distance l from the center-of-gravity distance calculation unit 124 to set a control gain (function of the load wheel center-of-gravity distance l) in the proportional control of the torque command calculation unit 132 or the like. I do.

このように、トルク指令演算部132は、上記(18)式を用いて、負荷体加速度の大きさに応じてトルク指令値Trefの上記算出式を切替える。これにより、例えば、移動体本体140が加減速していない時において、トルク指令値Trefの算出が簡単となり、CPUの負荷を軽減でき、電気ハードの発熱量等も低減することができる。 Thus, the torque command calculation unit 132 switches the calculation formula of the torque command value T ref according to the magnitude of the load body acceleration using the formula (18). Thereby, for example, when the mobile body 140 is not accelerating / decelerating, the calculation of the torque command value T ref can be simplified, the load on the CPU can be reduced, and the amount of heat generated by the electrical hardware can also be reduced.

なお、トルク指令演算部132は、上記(18)式の代わりに下記(20)式を用いて、トルク指令値Trefを算出してもよい。

Figure 0005316336
The torque command calculation unit 132 may calculate the torque command value T ref using the following equation (20) instead of the above equation (18).
Figure 0005316336

制御器130は、トルク指令演算部132により算出されたトルク指令値Trefに基づいて、移動体本体140に設けられたモータ等の駆動手段を制御することで、車輪202の駆動を制御する。 The controller 130 controls driving of the wheels 202 by controlling driving means such as a motor provided in the movable body main body 140 based on the torque command value T ref calculated by the torque command calculation unit 132.

上述のように、制御器130は、(18)又は(20)式のように、負荷車輪重心間距離lを用いてトルク指令値Trefを算出することにより、例えば、移動体本体140の搭乗者がしゃがんだり立ったりして姿勢を変化させ、あるいは移動体本体140に積載した荷物等が荷崩れして、その重心位置が大きく変化した場合でも、負荷体201の傾斜角度θは常に収束度σで負荷角度指令値に収束する。したがって、移動体本体140を安定的に走行させることができる。 As described above, the controller 130 calculates the torque command value T ref using the load wheel center-of-gravity distance l as shown in the equation (18) or (20), for example, the boarding of the mobile body 140. Even when a person squats down or stands up, changes his posture, or a load loaded on the movable body 140 collapses and its center of gravity changes greatly, the inclination angle θ 1 of the load body 201 always converges. It converges to the load angle command value at degree σ. Therefore, the movable body main body 140 can travel stably.

なお、推定器120が負荷車輪重心間距離lを推定する間、制御器130のトルク指令演算部132は、トルク指令値Trefを一定値として算出してもよい。これにより、負荷車輪重心間距離lがトルク指令値Trefに含まれるノイズによって影響を受けるのを低減でき、負荷車輪重心間距離lの推定精度を向上させることができる。例えは、トルク指令演算部132は、推定器120が負荷車輪重心間距離lの推定を開始したときのトルク指令値Trefを、上記一定値としてもよく、実質的に0を一定値としてもよい。 In addition, while the estimator 120 estimates the load wheel center-of-gravity distance l, the torque command calculation unit 132 of the controller 130 may calculate the torque command value T ref as a constant value. Thereby, it can reduce that the distance l between load wheel centroids is influenced by the noise contained in torque command value Tref , and can improve the estimation precision of the distance l between load wheel centroids. For example, the torque command calculation unit 132 may set the torque command value T ref when the estimator 120 starts estimating the load wheel center-of-gravity distance l as the above-mentioned constant value, or even if substantially 0 is set as the constant value. Good.

次に、図2に示す倒立型の移動体本体140のモデルを用いて行ったシミュレーションについて、説明する。   Next, the simulation performed using the model of the inverted movable body main body 140 shown in FIG. 2 will be described.

なお、本シミュレーションにおいて、m=70[kg]、r=0.6[m]、c=1/12*m*4[kg]、c=1/12*m*3*r [kg]、l=0.9[m]、J=(m+c)*l+c、r=0.1[m]、m=15[kg]、J=m*r/2[kg*m]、g=9.8[m/s]、T=1×10−3[s]、K=10[s−1]、K=10*2*π[s−1]、Kvj=K*J、とする。 In this simulation, m 1 = 70 [kg], r 1 = 0.6 [m], c J = 1/12 * m 1 * 4 [kg], c 0 = 1/12 * m 1 * 3 * R l 2 [kg], l 0 = 0.9 [m], J 1 = (m 1 + c J ) * l 2 + c 0 , r = 0.1 [m], m 2 = 15 [kg], J 2 = m 2 * r 2 /2 [kg * m 2], g = 9.8 [m / s 2], T = 1 × 10 -3 [s], K p = 10 [s -1], Let K v = 10 * 2 * π [s −1 ] and K vj = K v * J 1 .

また、mは負荷体201の質量、rは搭乗者の肩幅の半分、cは搭乗者を円筒に近似したときの上記(13)式における負荷車輪重心間距離lの2乗に比例する項の係数、cは搭乗者を円筒に近似したときの上記(13)式における負荷車輪重心間距離lによらない項、lは初期状態での負荷車輪重心間距離l、Jは負荷体201の慣性モーメント、mは車輪202の質量、rは車輪202の半径、Jは車輪202の慣性モーメント、gは重力加速度、Tは制御周期、Kは位置比例制御ゲイン、Kは正規化速度比例制御ゲイン、Kvjは速度比例制御ゲイン、である。 M 1 is the mass of the load body 201, r l is half of the shoulder width of the occupant, c J is proportional to the square of the distance l between the load wheel centers of gravity in the equation (13) when the occupant is approximated to a cylinder C 0 is a term that does not depend on the load wheel center-of-gravity distance l in the above equation (13) when the passenger is approximated to a cylinder, and l 0 is the load wheel center-of-gravity distance l in the initial state, J 1 moment of inertia of the load 201, the mass m 2 of the wheel 202, r is the radius of the wheel 202, the moment of inertia of J 2 are wheels 202, g is the gravitational acceleration, T is the control cycle, K p is a position proportional control gain, Kv is a normalized speed proportional control gain, and Kvj is a speed proportional control gain.

さらに、本シミュレーションにおいて、トルク指令演算部132は、位置比例制御ゲインKと速度比例制御ゲインKvjをパラメータとした位置比例/速度比例制御により、上記(19)式の線形化トルク指令値uを算出して、移動体本体140の車輪202を駆動制御する。以下、負荷車輪重心間距離lを下記(21)式のように変化させた場合において、本発明に係る倒立制御を適用した場合と適用しない場合との比較を示す。 Further, in this simulation, the torque command computation unit 132, the position proportional / speed proportional control in which the position proportional control gain K p and velocity proportional control gain K vj as parameters, the equation (19) linearized torque command value u Is calculated and the wheel 202 of the mobile body 140 is driven and controlled. Hereinafter, a comparison between the case where the inverted control according to the present invention is applied and the case where the inverted control according to the present invention is not applied in the case where the distance l between the load wheel centers of gravity is changed as in the following equation (21) will be shown.

Figure 0005316336
Figure 0005316336

図3は、推定器により推定される負荷車輪重心間距離の推定値に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。なお、図3において、実線は負荷車輪重心間距離lの真値を示し、破線は推定器120により推定された負荷車輪重心間距離lの推定値を示す。図3に示すように、負荷車輪重心間距離lの推定値は、負荷車輪重心間距離lの真値に対して追従し、これら推定値と真値は重複しており、良好な結果が得られていることが分かる。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a simulation result regarding the estimated value of the distance between the centers of gravity of the loaded wheels estimated by the estimator. In FIG. 3, the solid line indicates the true value of the load wheel center-of-gravity distance l, and the broken line indicates the estimated value of the load wheel center-of-gravity distance l estimated by the estimator 120. As shown in FIG. 3, the estimated value of the load wheel center-of-gravity distance l follows the true value of the load wheel center-of-gravity distance l, and the estimated value and the true value overlap with each other, and a good result is obtained. You can see that

図4は、本実施形態に係る倒立型移動体100と従来技術とにおいて、負荷体201の傾斜角度θの時間変化を比較した図である。なお、図4において、実線(1)は本実施形態に係る負荷体201の傾斜角度θの時間変化を示し、一点鎖線(2)は従来技術に係る負荷体の傾斜角度θの時間変化を示し、点線(3)は指令器110の負荷角度指令値を示している。また、この従来技術においては、同一の制御ゲインを用いて位置比例/速度比例制御のみが実行されているものとする。 Figure 4 is the inverted vehicle 100 according to this embodiment and the prior art and is a graph comparing the time variation of the inclination angle theta 1 of the load body 201. In FIG. 4, a solid line (1) shows the time variation of the inclination angle theta 1 of the load body 201 according to this embodiment, one-dot chain line (2) the time change of the inclination angle theta 1 of the load body according to the prior art The dotted line (3) indicates the load angle command value of the command device 110. In this prior art, it is assumed that only position proportional / velocity proportional control is executed using the same control gain.

図4に示すように、従来技術(一点鎖線(2))においては、約3[s]後に負荷体の傾斜角度θが発散し、移動体本体が転倒していることが分かる。一方で、本実施形態(実線(1))においては、負荷体201の傾斜角度θは0.1rad以下に抑えられおり、、移動体本体140は、指令器110からの負荷角度指令値に応じて、常時安定的に動作していることが分かる。このように、本実施形態に係る倒立型移動体100においては、移動体本体140の搭乗者や積載荷物等の重心位置が大きく変化した場合でも、振動的な動作をすることなく、また、不安定となり転倒することなく、安全に走行または停止の状態を継続させることができる。 As shown in FIG. 4, it can be seen that in the conventional technique (dashed line (2)), the inclination angle θ 1 of the load body diverges after about 3 [s], and the mobile body is overturned. Meanwhile, in the present embodiment (solid line (1)), load body 201 inclined angle theta 1 is suppressed to have ,, mobile body 140 in the following 0.1rad of, the load angle command value from the command unit 110 Accordingly, it can be seen that the operation is always stable. As described above, in the inverted mobile body 100 according to the present embodiment, even if the position of the center of gravity of the passenger of the mobile body 140, the loaded baggage, or the like changes significantly, the mobile body 140 does not vibrate and is not defective. It is stable and can continue to run or stop safely without falling.

次に、本実施形態に係る倒立型移動体100の制御方法について、詳細に説明する。図8は、本実施形態に係る倒立型移動体の制御処理フローの一例を示すフローチャートである。   Next, a method for controlling the inverted moving body 100 according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of a control processing flow of the inverted moving body according to the present embodiment.

検出器150は、負荷体201の傾斜角度θ、車輪202の回転角度θ等の移動体本体140の状態量を検出し(ステップS101)、推定器120及び制御器130に対して出力する。 The detector 150 detects state quantities of the moving body main body 140 such as the inclination angle θ 1 of the load body 201 and the rotation angle θ 2 of the wheel 202 (step S101), and outputs them to the estimator 120 and the controller 130. .

また、指令器110の水平速度指令生成部111は、搭乗者による走行操作に応じて、車輪202の水平方向への移動速度である水平速度指令値を生成し(ステップS102)、生成した水平速度指令値を負荷角度指令演算部112に対して出力する。   Further, the horizontal speed command generation unit 111 of the command device 110 generates a horizontal speed command value that is a moving speed of the wheel 202 in the horizontal direction in accordance with the traveling operation by the passenger (step S102), and the generated horizontal speed. The command value is output to the load angle command calculation unit 112.

次に、負荷角度指令演算部112は、水平速度指令生成部111からの水平速度指令値に基づいて、負荷角度指令値を算出し(ステップS103)、算出した負荷角度指令値を制御器130に対して出力する。   Next, the load angle command calculation unit 112 calculates a load angle command value based on the horizontal speed command value from the horizontal speed command generation unit 111 (step S103), and sends the calculated load angle command value to the controller 130. Output.

一方、推定器120の水平速度演算部121は、例えば、検出器150からの車輪202の回転角度θに基づいて車輪水平速度を算出し(ステップS104)、算出した車輪水平速度を多項式係数演算部123に対して出力する。 On the other hand, the horizontal speed calculation unit 121 of the estimator 120 calculates a wheel horizontal speed based on, for example, the rotation angle θ 2 of the wheel 202 from the detector 150 (step S104), and calculates the calculated wheel horizontal speed using a polynomial coefficient. Output to the unit 123.

また、垂直加速度演算部122は、上記(12)式を用いて車輪垂直加速度を算出し(ステップS105)、算出した車輪垂直加速度を多項式係数演算部123に対して出力する。   Further, the vertical acceleration calculation unit 122 calculates the wheel vertical acceleration using the equation (12) (step S105), and outputs the calculated wheel vertical acceleration to the polynomial coefficient calculation unit 123.

その後、多項式係数演算部123は、水平速度演算部121からの車輪水平速度と、垂直加速度演算部122からの車輪垂直加速度と、に基づいて、重心間距離係数を算出し(ステップS106)、算出した重心間距離係数を、重心間距離演算部124に対して出力する。   Thereafter, the polynomial coefficient calculation unit 123 calculates the center-of-gravity distance coefficient based on the wheel horizontal speed from the horizontal speed calculation unit 121 and the wheel vertical acceleration from the vertical acceleration calculation unit 122 (step S106). The center-of-gravity center distance coefficient is output to the center-of-gravity distance calculation unit 124.

そして、重心間距離演算部124は、多項式係数演算部123からの重心間距離係数に基づいて、負荷車輪重心間距離lを算出し(ステップS107)、算出した負荷車輪重心間距離lを制御器130に対して出力する。   The center-of-gravity distance calculation unit 124 calculates the load wheel center-of-gravity distance l based on the center-of-gravity distance coefficient from the polynomial coefficient calculation unit 123 (step S107), and calculates the calculated load wheel center-of-gravity distance l as a controller. To 130.

次に、制御器130の制御調整部131は、重心間距離演算部124からの負荷車輪重心間距離lに基づいて、トルク指令演算部132の制御パラメータや制御則を調整する(ステップS108)。   Next, the control adjustment unit 131 of the controller 130 adjusts the control parameter and the control law of the torque command calculation unit 132 based on the load wheel center-of-gravity distance l from the center-of-gravity distance calculation unit 124 (step S108).

トルク指令演算部132は、検出器150からの移動体本体140の状態量と、指令器110からの負荷角度指令値と、重心間距離演算部124からの負荷車輪重心間距離lと、に基づいて、上記(18)又は(20)式を用いて、トルク指令値Trefを算出する(ステップS109)。 The torque command calculation unit 132 is based on the state quantity of the moving body main body 140 from the detector 150, the load angle command value from the commander 110, and the load wheel center-of-gravity distance l from the center-of-gravity distance calculation unit 124. Then, the torque command value T ref is calculated using the above formula (18) or (20) (step S109).

制御器130は、トルク指令演算部132により算出されたトルク指令値Trefに基づいて、移動体本体140の車輪202の駆動を制御する(ステップS110)。 The controller 130 controls the driving of the wheels 202 of the moving body main body 140 based on the torque command value T ref calculated by the torque command calculation unit 132 (step S110).

以上、本実施形態に係る倒立型移動体100において、推定器120は負荷車輪重心間距離lを推定し、制御器130はこの負荷車輪重心間距離lに基づいてトルク指令値Trefを算出し、倒立制御を行う。これにより、例えば、移動体本体140の搭乗者が姿勢を変更した場合や、積載荷物などが崩れた場合等の重心位置が大きく変化した場合でも、振動的な動作をすることなく、また不安定となり転倒することなく、安全に走行または停止の状態を継続させることができる。すなわち、倒立型移動体100はより安定的に走行することができる。 As described above, in the inverted movable body 100 according to the present embodiment, the estimator 120 estimates the load wheel center-of-gravity distance l, and the controller 130 calculates the torque command value T ref based on the load wheel center-of-gravity distance l. Invert control. As a result, for example, even when the position of the center of gravity greatly changes, such as when the passenger of the mobile body 140 changes the posture or the loaded luggage collapses, it is not unstable and unstable. Thus, it is possible to continue running or stopping safely without falling. That is, the inverted moving body 100 can travel more stably.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、上述の実施形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の通信媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。また、記憶媒体には、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD、ROMカートリッジ、バッテリバックアップ付きRAMメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性RAMカートリッジ等が含まれる。また、通信媒体には、電話回線等の有線通信媒体、マイクロ波回線等の無線通信媒体等が含まれる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. In the above-described embodiment, the present invention has been described as a hardware configuration, but the present invention is not limited to this. The present invention can also realize arbitrary processing by causing a CPU (Central Processing Unit) to execute a computer program. In this case, the computer program can be provided by being recorded on a recording medium, or can be provided by being transmitted via the Internet or another communication medium. The storage medium includes, for example, a flexible disk, hard disk, magnetic disk, magneto-optical disk, CD-ROM, DVD, ROM cartridge, RAM memory cartridge with battery backup, flash memory cartridge, and nonvolatile RAM cartridge. The communication medium includes a wired communication medium such as a telephone line, a wireless communication medium such as a microwave line, and the like.

本発明は、例えば、2輪倒立で走行するロボット、電動車椅子、自動搬送装置、災害時の人命救助など狭い場所で作業するロボット、振動に弱い電子部品の組立装置などに広く適用できる。   The present invention can be widely applied to, for example, a robot that runs with two wheels inverted, an electric wheelchair, an automatic transfer device, a robot that works in a narrow place such as lifesaving in a disaster, and an assembly device for electronic components that are vulnerable to vibration.

100 倒立型移動体
110 指令器
111 水平速度指令生成部
112 負荷角度指令演算部
120 推定器
121 水平速度演算部
122 垂直加速度演算部
123 多項式係数演算部
124 重心間距離演算部
130 制御器
131 制御調整部
132 トルク指令演算部
140 移動体本体
150 検出器
201 負荷体
202 車輪
203 路面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Inverted type mobile body 110 Command device 111 Horizontal speed command generation part 112 Load angle command calculation part 120 Estimator 121 Horizontal speed calculation part 122 Vertical acceleration calculation part 123 Polynomial coefficient calculation part 124 Center of gravity distance calculation part 130 Controller 131 Control adjustment Unit 132 torque command calculation unit 140 moving body main body 150 detector 201 load body 202 wheel 203 road surface

Claims (12)

負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体であって、
前記移動体本体の状態量を検出する検出手段と、
前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する指令手段と、
前記検出手段により検出された状態量に基づいて、前記負荷体の重心と前記車輪の重心との距離である負荷車輪重心間距離を推定する推定手段と、
前記検出手段により検出された状態量と、前記指令手段により生成された指令値と、前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成し、前記倒立制御を行う制御手段と、
を備え
前記推定手段は、
前記検出手段により検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の水平方向への移動速度である車輪水平速度を算出する水平速度演算部と、
前記検出手段により検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の垂直方向への加速度である車輪垂直加速度を算出する垂直加速度演算部と、
前記水平速度演算部により算出された車輪水平速度と、前記垂直加速度演算部により算出された車輪垂直加速度と、に基づいて、前記移動体本体の運動方程式を前記負荷車輪重心間距離の多項式として表し、該多項式の係数を算出する多項式係数演算部と、
前記多項式係数演算部により算出された前記多項式の係数に基づいて、前記負荷車輪重心間距離を算出する重心間距離演算部と、
を有することを特徴とする倒立型移動体。
A moving body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, an inverted moving body for controlling the driving of the wheel and performing an inversion control of the load body,
Detecting means for detecting a state quantity of the mobile body;
Command means for generating a command value at which the mobile body is in a desired running state;
Estimating means for estimating a distance between the load wheel center of gravity, which is a distance between the center of gravity of the load body and the center of gravity of the wheel, based on the state quantity detected by the detection unit;
Torque command value for driving the wheel based on the state quantity detected by the detection means, the command value generated by the command means, and the distance between the load wheel centers of gravity estimated by the estimation means And control means for performing the inversion control,
Equipped with a,
The estimation means includes
A horizontal speed calculation unit that calculates a wheel horizontal speed, which is a moving speed of the wheel in the horizontal direction, based on a state quantity of the movable body detected by the detection unit;
A vertical acceleration calculation unit that calculates a wheel vertical acceleration that is an acceleration in the vertical direction of the wheel, based on a state quantity of the moving body detected by the detection unit;
Based on the wheel horizontal speed calculated by the horizontal speed calculation unit and the wheel vertical acceleration calculated by the vertical acceleration calculation unit, the equation of motion of the mobile body is expressed as a polynomial in the distance between the load wheel centers of gravity. A polynomial coefficient calculation unit for calculating coefficients of the polynomial;
Based on the coefficient of the polynomial calculated by the polynomial coefficient calculation unit, the center-of-gravity distance calculation unit that calculates the load wheel center-of-gravity distance,
An inverted mobile body characterized by comprising:
請求項記載の倒立型移動体であって、
前記多項式係数演算部は、次式により前記多項式の係数a、a、aを算出することを特徴とする倒立型移動体。
Figure 0005316336
但し、mは前記負荷体の質量を表し、cは前記負荷体の慣性モーメント定数を表し、mは前記車輪の質量を表し、Jは前記車輪の慣性モーメントを表し、xは前記車輪の水平位置を表し、yは前記車輪の垂直位置を表し、rは前記車輪の半径を表し、θは前記負荷体の傾斜角度を表し、θは前記車輪の回転角度を表し、Trefは前記トルク指令値を表す。
The inverted mobile body according to claim 1 ,
The polynomial coefficient calculator calculates the coefficients a 2 , a 1 , a 0 of the polynomial according to the following equation, and is an inverted mobile body.
Figure 0005316336
Where m 1 represents the mass of the load body, c J represents the moment of inertia constant of the load body, m 2 represents the mass of the wheel, J 2 represents the moment of inertia of the wheel, and x 2 represents the horizontal position of the wheel, y 2 represents the vertical position of the wheel, r is represents the radius of the wheel, theta 1 represents the inclination angle of the load body, theta 2 represents the rotation angle of the wheel , T ref represents the torque command value.
請求項1又は2記載の倒立型移動体であって、
前記重心間距離演算部は、前記検出手段により検出された負荷体の傾斜角加速度に応じて、前記負荷車輪重心間距離の算出方法を切換える、ことを特徴とする倒立型移動体。
The inverted mobile body according to claim 1 or 2 ,
The center-of-gravity distance calculation unit switches the calculation method of the distance between the load wheel centers of gravity according to the inclination angular acceleration of the load body detected by the detection means.
請求項記載の倒立型移動体であって、
前記重心間距離推定部は、次式により負荷車輪重心間距離lを算出することを特徴とする倒立型移動体。
Figure 0005316336
但し、a、a、aは前記多項式の係数を表し、δは負荷車輪重心間距離lの前記算出方法を切り替えるための前記負荷体の傾斜角加速度の閾値を表す。
An inverted mobile object according to claim 3 ,
The center-of-gravity distance estimation unit calculates the distance l between load wheel centers of gravity according to the following equation.
Figure 0005316336
However, a 2, a 1, a 0 represents the coefficient of the polynomial, [delta] 1 represents the threshold of the tilt angular acceleration of the load member for switching the calculation method of the load wheel distance between center of gravity l.
請求項1乃至4のうちいずれか1項記載の倒立型移動体であって、
前記重心間距離演算部は、前記算出した負荷車輪重心間距離に対してローパスフィルタを適用する、ことを特徴とする倒立型移動体。
The inverted mobile body according to any one of claims 1 to 4 ,
The center-of-gravity distance calculation unit applies a low-pass filter to the calculated load wheel center-of-gravity distance.
請求項1乃至のうちいずれか1項記載の倒立型移動体であって、
前記制御手段は、
前記検出手段により検出された状態量と、前記指令手段により生成された指令値と、前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記移動体本体の車輪を駆動するためのトルク指令値を算出するトルク指令演算部と、
前記推定手段により推定された負荷車輪重心間距離に基づいて、前記トルク指令演算部の制御を調整する制御調整部と、
を有することを特徴とする倒立型移動体。
The inverted mobile body according to any one of claims 1 to 5 ,
The control means includes
Based on the state quantity detected by the detection means, the command value generated by the command means, and the load wheel center-of-gravity distance estimated by the estimation means, to drive the wheels of the mobile body. A torque command calculation unit for calculating the torque command value of
A control adjustment unit for adjusting the control of the torque command calculation unit based on the distance between the load wheel centers of gravity estimated by the estimation unit;
An inverted mobile body characterized by comprising:
請求項記載の倒立型移動体であって、
前記トルク指令演算部は、前記検出手段により検出された負荷体の傾斜角加速度に応じて、トルク指令値の算出方法を切換える、ことを特徴とする倒立型移動体。
An inverted mobile object according to claim 6 ,
The inverted moving body characterized in that the torque command calculation unit switches a calculation method of a torque command value according to the inclination angular acceleration of the load body detected by the detecting means.
請求項記載の倒立型移動体であって、
前記トルク指令演算部は、次式により前記トルク指令値Trefを算出することを特徴とする倒立型移動体。
Figure 0005316336
但し、dは前記移動体本体の運動方程式における非線形項のうち、前記負荷体の傾斜角速度に比例する項の係数であり、dは前記移動体本体の運動方程式における非線形項のうち、前記負荷体の傾斜角速度に比例しない項の係数であり、δは前記算出方法を切り替える際の前記負荷体の傾斜角加速度の閾値であり、dm0は前記負荷体の傾斜角度θと前記車輪の回転角度θの関数であり、uは前記移動体本体の運動方程式の線形部分を安定化するための線形化トルク指令値であり、σは前記負荷体の傾斜角度θが前記指令値に収束する速さを表す収束度である。
The inverted moving body according to claim 7 ,
The torque command calculation unit calculates the torque command value T ref according to the following formula, and is an inverted moving body.
Figure 0005316336
However, d 1 among the nonlinear terms in the equation of motion of said mobile body, a coefficient term proportional to the inclination angular speed of the load body, d 0 is out of the non-linear terms in the equation of motion of said mobile body, wherein Is a coefficient of a term that is not proportional to the inclination angle velocity of the load body, δ a is a threshold value of the inclination angle acceleration of the load body when switching the calculation method, and d m0 is the inclination angle θ 1 of the load body and the wheel of the rotation angle theta is the second function, u is the linearized torque command value to stabilize the linear part of the equation of motion of said mobile body, sigma is the inclination angle theta 1 is the command value of the load body Is the degree of convergence representing the speed of convergence.
請求項6乃至8のうちいずれか1項記載の倒立型移動体であって、
前記推定手段が前記負荷車輪重心間距離を推定する間、前記トルク指令演算部は、前記トルク指令値を一定値とする、ことを特徴とする倒立型移動体。
The inverted mobile body according to any one of claims 6 to 8 ,
While the estimating means estimates the distance between the load wheel centers of gravity, the torque command calculation unit sets the torque command value to a constant value.
請求項1乃至のうちいずれか1項記載の倒立型移動体であって、
前記指令手段は、
前記車輪の水平方向への移動速度である水平速度指令値を生成する水平速度指令生成部と、
前記車輪水平速度が前記水平速度指令値に追従するような前記負荷体の傾斜角度である負荷角度指令値を算出する負荷角度指令演算部と、
を有することを特徴とする倒立型移動体。
The inverted mobile body according to any one of claims 1 to 9 ,
The command means includes
A horizontal speed command generating unit that generates a horizontal speed command value that is a moving speed of the wheel in the horizontal direction;
A load angle command calculation unit that calculates a load angle command value that is an inclination angle of the load body such that the wheel horizontal speed follows the horizontal speed command value;
An inverted mobile body characterized by comprising:
負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体の制御方法であって、
前記移動体本体の状態量を検出する工程と、
前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する工程と、
前記検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の水平方向への移動速度である車輪水平速度を算出する工程と、
前記検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の垂直方向への加速度である車輪垂直加速度を算出する工程と、
前記算出された車輪水平速度と、前記算出された車輪垂直加速度と、に基づいて、前記移動体本体の運動方程式を前記負荷車輪重心間距離の多項式として表し、該多項式の係数を算出する工程と、
前記算出された前記多項式の係数に基づいて、前記負荷車輪重心間距離を算出する工程と、
前記検出された状態量と、前記生成された指令値と、前記推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成する工程と、
を含むことを特徴とする倒立型移動体の制御方法。
An inverted moving body control method comprising a moving body main body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, wherein the driving of the wheel is controlled to perform an inversion control of the load body. ,
Detecting a state quantity of the mobile body;
Generating a command value at which the mobile body is in a desired running state;
Calculating a wheel horizontal speed, which is a moving speed of the wheel in the horizontal direction, based on the detected state quantity of the moving body,
Calculating wheel vertical acceleration, which is acceleration in the vertical direction of the wheel, based on the detected state quantity of the mobile body;
Based on the calculated wheel horizontal speed and the calculated wheel vertical acceleration, expressing the equation of motion of the mobile body as a polynomial in the distance between the load wheel centers of gravity, and calculating the coefficient of the polynomial; ,
Calculating the load wheel center-of-gravity distance based on the calculated coefficient of the polynomial;
Generating a torque command value for driving the wheel based on the detected state quantity, the generated command value, and the estimated load wheel center-of-gravity distance;
A method for controlling an inverted moving body comprising:
負荷体と該負荷体に回転可能に連結された車輪とを有する移動体本体を備え、前記車輪の駆動を制御して、前記負荷体の倒立制御を行う倒立型移動体の制御プログラムであって、
前記移動体本体が所望の走行状態となる指令値を生成する処理と、
前記検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の水平方向への移動速度である車輪水平速度を算出する処理と、
前記検出された移動体本体の状態量に基づいて、前記車輪の垂直方向への加速度である車輪垂直加速度を算出する処理と、
前記算出された車輪水平速度と、前記算出された車輪垂直加速度と、に基づいて、前記移動体本体の運動方程式を前記負荷車輪重心間距離の多項式として表し、該多項式の係数を算出する処理と、
前記算出された前記多項式の係数に基づいて、前記負荷車輪重心間距離を算出する処理と、
前記移動体本体の状態量と、前記生成された指令値と、前記推定された負荷車輪重心間距離と、に基づいて、前記車輪を駆動するためのトルク指令値を生成する処理と、
をコンピュータに実行させる倒立型移動体の制御プログラム。
A control program for an inverted mobile body comprising a mobile body having a load body and a wheel rotatably connected to the load body, wherein the drive of the wheel is controlled and the load body is inverted. ,
Processing for generating a command value for the mobile body to be in a desired running state;
Based on the detected state quantity of the moving body, a process of calculating a wheel horizontal speed that is a moving speed of the wheel in the horizontal direction;
Based on the detected state quantity of the moving body, a process of calculating a wheel vertical acceleration that is an acceleration in the vertical direction of the wheel;
Based on the calculated wheel horizontal speed and the calculated wheel vertical acceleration, the equation of motion of the mobile body is represented as a polynomial in the distance between the load wheel centers of gravity, and the coefficient of the polynomial is calculated. ,
Based on the calculated coefficient of the polynomial, a process of calculating the distance between the load wheel center of gravity,
A process of generating a torque command value for driving the wheel based on the state quantity of the mobile body, the generated command value, and the estimated distance between the load wheel centers of gravity.
A program for controlling an inverted moving body that causes a computer to execute.
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