JP5913766B2 - 姿勢制御付き無人二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、転倒することなく無人で走行できる姿勢制御付き無人二輪車に関するものである。

本件発明の発明者及び出願人は、先にこの二輪車を下記特許文献１として特許を得ている。この二輪車が無人で走行できるのは、駆動電動機で駆動車輪（後輪）を駆動し、制御・演算装置で操舵車輪（前輪）を転倒を防ぐように操舵するものである。つまり、ハンドル操作のみでバランスを取りながら走行するものである。

その原理は、走行を直進走行と旋回走行とに分け、直進走行のときに車体がバランスを崩して傾斜し、転倒モーメント（転倒力）が発生すると、操舵車輪をその方向に操舵して旋回走行させ、それに基づく遠心力のモーメント（遠心力）を転倒力に釣り合わせて転倒を防ぐものである。つまり、操舵車輪を傾斜角が限りなくゼロに近づくように操舵するのである。

一方、旋回走行のときは、車体が内傾していないと円滑な旋回はできない。そこで、車体が垂直（直立している）な場合でも、制御・演算装置に車体が傾斜していると判断させ（初期設定を変える）、操舵車輪を操舵してこの内傾姿勢を取らせている。このため、車体には転倒力が発生するから、これと均衡する遠心力が発生するように、操舵車輪を内傾側に操作させてバランスを取っている。これにより、車体は通常の二輪車のように内傾姿勢のままで設定された旋回半径を走行するのである。

ところで、先の発明では、傾斜は傾斜角速度センサで、旋回は旋回角速度センサで検出し、角度、角速度、角加速度を計算していた。これら各センサは安価に入手できるとともに、角速度は角度や角加速度の中間にあたり、そのいずれの計算も迅速に計算できるとともに、誤差を少なくできるからである。とはいうものの、傾斜角や傾斜角加速度は角加速度センサの出力を積分や微分で求めていたから、どうしても誤差が生ずる。また、操舵車輪を操舵（転舵）するときの慣性力についてはあまり考慮していなかった。これらが存在すると、いずれも蛇行と意と反する旋回の原因となり、安定した走行に欠けることになる。

特許第４９３６４８０号公報

本発明は、先の発明の改良に係るもので、直進走行のときには傾斜角速度センサの検出値から計算した傾斜角に旋回角速度センサで求めた旋回角に基づく傾斜角を補正してより適切な操舵角を求めるとともに、旋回走行のときには、旋回角速度センサで求めた旋回角に旋回時における操舵車輪の始動や車体速度の加減速に基づく慣性力に基づく旋回角を補正してこれもより適切な操舵角を求めることで蛇行と意と反する旋回を極力小さくして長時間に亘って安定した走行ができるようにしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、車体に操舵電動機で操舵される操舵車輪と、駆動電動機で駆動される駆動車輪を取り付け、かつ、車体の傾斜角を検出する傾斜角速度センサと旋回角を検出する旋回角速度センサと車体の走行速度を検出する速度センサを取り付け、制御・演算装置で車体の傾斜に基づく転倒力に均衡する遠心力を発生させるように操舵車輪を操舵して転倒することなく走行させる姿勢制御付き無人二輪車において、直進走行時、車体に傾斜が生ずると、その傾斜角を傾斜角速度センサの出力を積分することで求め、傾斜に基づく転倒力と均衡する遠心力が発生するように操舵車輪を転倒側に操舵して転倒を防ぐが、直進走行にもかかわらず何らかの原因で旋回角速度センサが出力を発生すると、これを傾斜角速度センサの誤差に起因する旋回と判断し、旋回角速度センサの出力がゼロになるように傾斜角速度センサの出力を補正するとともに、旋回走行時、旋回角速度センサの出力を積分することで旋回角を求める他、車体の旋回開始時には、目的方向と逆方向の操舵を一時的に行い、車体を内傾させて転倒力を発生させ、この転倒力に均衡する遠心力を発生させるように操舵車輪を内傾側に操舵し、このときの操舵角に操舵始動時及び加減速時の車体の慣性力に基づく遠心力を補正したことを特徴とする姿勢制御付き無人二輪車を提供したものである。

また、本発明は、請求項２に記載した、旋回角速度センサの出力による傾斜角速度の補正はその出力をＰＩＤ処理して行うものである手段、請求項３に記載した、旋回角速度センサの出力による傾斜角速度の補正はその出力をＰＩＤ処理して行うものである手段、請求項４に記載した、旋回走行時の車体の慣性力による遠心力の補正は操舵角と速度センサから求めた車体の加減速値を極性付乗算したものである手段を提供する。

請求項１の発明によると、直進走行時及び旋回走行時ともにより適切な、つまり、転倒しない操舵角を求めることができることになり、意と反する旋回や蛇行の少ない安定した走行が長時間に亘ってできるようになる。特に、請求項２の直進走行のとき、車体の旋回量がゼロになるように旋回角速度センサの検出値をＰＩＤ処理したもので傾斜角を補正するものであるから、最適な操舵角の計算が可能になる。したがって、直線や設定された旋回半径に係る円弧を正確に走行することが可能になった。

本発明に係る姿勢制御付き無人二輪車の側面図である。 本発明に係る姿勢制御付き無人二輪車の背面図である。 前輪と後輪の関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る姿勢制御付き無人二輪車（以下、二輪車）の側面図、図２は背面図、図３は前輪と後輪の関係を示す説明図であるが、この二輪車は、車体１に操舵電動機２で操舵軸３を介して操舵される操舵車輪（前輪）４と駆動電動機５でチェン、タイミングベルト等の減速、伝動装置６を介して駆動される駆動車輪（後輪）７を取り付けたものである。

この他、各電動機２、５の電源であるバッテリ８、車体１の傾斜角を算出するための傾斜角速度センサ９、操舵時の旋回角を算出するための旋回角速度センサ１０、車体１の速度を検出する速度センサ１１、各センサの検出値を読み取って計算し、上記の駆動機構や操舵機構に指令を発する制御・演算装置１２、遠隔操縦のための指令を受信する無線受信機も設けられている。

二輪車が走行するときの制御は先の発明と同様であるから、詳細は省略するが、本発明は、直進走行時に傾斜角速度センサから求めた傾斜角に旋回角速度センサから求めた旋回角に基づく傾斜角を補正することと旋回走行時に旋回角速度センサから求めた旋回角に操舵車輪の始動や加減速による慣性力に基づく旋回角を補正するようにしたものである。以下、これについて説明する。

［直進補正］
二輪車が直進走行している場合でも、わずかなバランスの狂い、接地部の不陸等があってどうしても車体が傾斜することがある。車体が傾斜角θで傾いた場合、その重心では、式（１）に示すような転倒力Ｆ_p が発生する。なお、θは傾斜角速度センサの出力を時間で積分して求めたものである。
Ｆ_p ＝ｍ・ｇ・ｔａｎθ［Ｎ］‥‥（１）
［ｍ：二輪車の質量、ｇ：重力の加速度］
このとき、操舵車輪を操舵角μで操舵すると、式（２）に示すような遠心力Ｆ_f が発生する。
Ｆ_f ＝Ｋ₁ ・ｍ・Ｖ² ・μ［Ｎ］‥‥（２）
［Ｋ₁ ：定数、Ｖ：速度］

そこで、転倒力Ｆ_p と遠心力Ｆ_f とを式（３）のように等しくすると、二輪車は転倒することなく走行する。
ｍ・ｇ・ｔａｎθ＝Ｋ₁ ・ｍ・Ｖ² ・μ‥‥（３）
式（３）からμを求めると式（４）のようになる。
μ＝Ｋ₂ ・ｔａｎθ／Ｖ² ‥‥（４）
［Ｋ₂ ：定数］

ところで、転倒力Ｆ_p ＝遠心力Ｆ_f の制御を行えば、二輪車は転倒しないが、この姿勢制御の要素である傾斜角θを計測する傾斜角速度センサのオフセットやドリフトによる誤差があり、また、積分を行って傾斜角としていることから、誤差の累積は避けられず、特に、長時間に亘って蛇行のない走行は難しい。特に、スタートのときに車体が傾斜したりしていると（実際問題、直立させるのは無理）、傾斜角速度センサは車体が傾斜していると判断して操舵車輪をその方向に操舵し、場合によっては旋回してしまうことがある。

この対策として旋回角速度センサを用いて傾斜角速度センサだけによる不十分さを補正することで直進走行性能の向上を図ることができる。具体的には式（５）、（６）のように旋回角速度センサの検出値をＰＩＤ処理したもの（ω補正値）で傾斜角を補正するようにしている。ここで、ＰＩＤ処理とは、比例制御、積分制御、微分制御を組み入れたものであり、最適制御を行うためによく用いられる手法である。
μ＝Ｋ₂ ・［ｔａｎ（θ＋ω補正値）］／Ｖ² ‥‥（５）
［Ｋ₂ ：定数、ω：旋回角速度、ω補正値：補正された傾斜角］
ω補正値＝Ｋ₃ ・ω＋Ｋ₄ ・∫ωｄｔ＋Ｋ₅ ・ｄω／ｄｔ‥‥（６）
［Ｋ₃ 、Ｋ₄ 、Ｋ₅ ；定数］
ω補正値はＰＩＤ処理を行うために旋回角と旋回角速度と旋回角加速度の成分を含むものになっている。このμが補正された操舵角であり、このμを採用することで驚くほど真っ直ぐに走行する（蛇行がない、つまり、不必要な旋回をしない）ようになった。また、スタート時に厳密な直立姿勢も必要なくなった。

[操舵角の旋回始動に基づく慣性力補正]
上記したように、旋回時には、車体が傾斜していると制御・演算装置に判断させ、車体を内傾させるとともに、これによる転倒力と均衡する遠心力を発生させるように添田するのであるが、このときの旋回角にも補正を加える。図３のようにハンドルを左に操作した瞬間に路面に接している操舵車輪の下部はハンドル角(操舵角)と速度に関連して左へ旋回を開始するが、車体上部には現在の位置に留まろうとする慣性力が存在し、車体は右へ傾斜しょうとする。その後、ハンドルが一定角で停止すると、この慣性力は消失する。
この慣性力F_hは式７のようになる。
Ｆ_ｈ＝Ｋ₆・ｍ・(dμ/dt)・Ｖ ・・・・・(７)
［Ｋ_６:定数]
これは、操舵角の角速度と車体の速度の積に比例する値となる。この慣性力Ｆ_ｈを式５で算出される操舵角μに以下の表の方向性に合わせて極性付(＋か−を付ける)乗算を行うことで滑らかに設定された旋回半径を維持できる旋回走行となる。

［加減速時に発生する慣性力補正]
図３のようにハンドルを左に操舵した状態で前進方向に加速すると、路面に接している操舵車輪の下部は左前方に走行しながら加速されるが、車体上部には現在の位置に留まろうと慣性力が存在する。このため、車体は右へ傾斜しょうとする。その後、一定速度に落ち着くと、加速力は消失する。一方、減速する場合は上記と逆になり、車体は左に傾斜しょうとする。
この慣性力F_ａは式８のようになる。
F_ａ＝Ｋ₇・ｍ・(dＶ/dt)・μ ・・・・・(８)
［Ｋ₇:定数]
これは、車体の加速度と操舵角の積に比例する値となる。この慣性力F_ａを式５で算出される操舵角μに以下の表１の方向性に合わせて極性付乗算を行うことで滑らかに設定された旋回半径を維持できる旋回走行となる。

［慣性力が作用する方向］
姿勢制御中の二輪車に作用する力をまとめると式９のようになる。この場合の変数Ｖ、μ、θは極性を付けて計算する。
ｍ・ｇ・ｔａｎθ＝Ｋ₁ ・ｍ・Ｖ² ・μ＋Ｋ₆ ・ｍ・ｄμ／ｄｔ・Ｖ＋Ｋ₇ ・ｍ・ｄＶ ／ｄｔ・μ‥‥（９）

式（９）を前進、後進、操舵角方向、遠心力、操舵角及び加減速時の慣性力方向と関連付けて表にすると、表１のようになる。なお、この表１では前進と後進を上段と下段に分けているが、後進は操舵車輪を後輪にした場合と同じであり、上段と下段は実質的には同じである。

転倒力と慣性力の作用する方向が同一の場合、補正は適正になるが、表１の太枠のように転倒力と慣性力の作用する方向が逆の場合、上記の変数Ｖ、μ、θはそれぞれディメンジョンが違うから、旋回半径（転倒力）や走行速度によっては各項の値が相殺され、転倒の原因となる車体の傾斜を矯正する力が失われる瞬間があり、その結果、転倒する虞がある。これを防ぐには、減速時には遠心力と慣性力の方向が逆になる条件では操舵角をゼロに戻す等、制御を行わないようにすることが考えられる。

１ 車体
２ 操舵電動機
３ 操舵軸
４ 操舵車輪
５ 駆動電動機
６ 減速、伝動装置
７ 駆動車輪
８ バッテリ
９ 傾斜角速度センサ
１０ 旋回角速度センサ
１１ 速度センサ
１２ 制御・演算装置
１３ 無線受信器

Claims (4)

1. 車体に操舵電動機で操舵される操舵車輪と、駆動電動機で駆動される駆動車輪を取り付け、かつ、車体の傾斜角を検出する傾斜角速度センサと旋回角を検出する旋回角速度センサと車体の走行速度を検出する速度センサを取り付け、制御・演算装置で車体の傾斜に基づく転倒力に均衡する遠心力を発生させるように操舵車輪を操舵して転倒することなく走行させる姿勢制御付き無人二輪車において、直進走行時、車体に傾斜が生ずると、その傾斜角を傾斜角速度センサの出力を積分することで求め、傾斜に基づく転倒力と均衡する遠心力が発生するように操舵車輪を転倒側に操舵して転倒を防ぐが、直進走行にもかかわらず何らかの原因で旋回角速度センサが出力を発生すると、これを傾斜角速度センサの誤差に起因する旋回と判断し、旋回角速度センサの出力がゼロになるように傾斜角速度センサの出力を補正するとともに、旋回走行時、旋回角速度センサの出力を積分することで旋回角を求める他、車体の旋回開始時には、目的方向と逆方向の操舵を一時的に行い、車体を内傾させて転倒力を発生させ、この転倒力に均衡する遠心力を発生させるように操舵車輪を内傾側に操舵し、このときの操舵角に操舵始動時及び加減速時の車体の慣性力に基づく遠心力を補正したことを特徴とする姿勢制御付き無人二輪車。
2. 旋回角速度センサの出力による傾斜角速度の補正はその出力をＰＩＤ処理して行うものである請求項１の姿勢制御付き無人二輪車。
3. 旋回走行時の操舵始動時の車体の慣性力による遠心力の補正は操舵車輪の操舵速度と車体の走行速度を極性付乗算したものである請求項１又は２の姿勢制御付き無人二輪車。
4. 旋回走行時の車体の慣性力による遠心力の補正は操舵角と速度センサから求めた車体の加減速値を極性付乗算したものである請求項１〜３いずれかの姿勢制御付き無人二輪車。