JP6020386B2 - 移動体及び制御方法、制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、移動体及び制御方法、制御プログラムに関する。

従来から、倒立状態を維持して走行する移動体が知られている。ここで、図９は、従来の移動体の制御系のブロック図である。図９に示すように、従来の移動体は、右側の車輪のフィードバック制御と、左側の車輪のフィードバック制御と、が個別に行われている。

すなわち、右側モーター１０１の制御系において、右側モーター１０１の角速度の指令値と右側モーター１０１の角速度の測定値とが比較部１０２に入力され、比較部１０２で算出された、右側モーター１０１の角速度の指令値と右側モーター１０１の角速度の測定値との偏差が右側モーター制御部１０３に入力される。右側モーター制御部１０３は、当該偏差に基づいて右側モーター１０１を制御する。

一方、左側モーター１０４の制御系において、左側モーター１０４の角速度の指令値と左側モーター１０４の角速度の測定値とが比較部１０５に入力され、比較部１０５で算出された、左側モーター１０４の角速度の指令値と左側モーター１０４の角速度の測定値との偏差が左側モーター制御部１０６に入力される。左側モーター制御部１０６は、当該偏差に基づいて左側モーター１０４を制御する。

ちなみに、特許文献１には、搭乗者の体重等によって駆動部にかかる負荷が変化しても、安全に走行することができる移動体が開示されている。

特開２０１２−１３６２０７号公報

従来の移動体は、右側モーターの制御系と左側モーターの制御系とが個別にフィードバック制御しているので、図１０に示すように、左右のモーターにかかる負荷が異なると、指令値に対する追従性が左右で異なってしまう。

そのため、左右のモーターに同じ指令値が入力されても負荷が大きい側のモーターの追従が遅れてしまい、左右のモーターの角速度に差が生じ、その結果、意図しない旋回が発生する。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、意図しない旋回を抑制することができる移動体及び制御方法、制御プログラムを提供する。

本発明の一形態に係る移動体は、移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体であって、前記制御指令情報と検出される前記第１の車輪の駆動情報との差と、前記制御指令情報と検出される前記第２の車輪の駆動情報との差と、が無くなるように前記制御指令情報を補正する。

本発明の一形態に係る移動体の制御方法は、移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体の制御方法であって、前記制御指令情報と検出した前記第１の車輪の駆動情報との差と、前記制御指令情報と検出した前記第２の車輪の駆動情報と、の差が無くなるように前記制御指令情報を補正する。

本発明の一形態に係る移動体の制御プログラムは、移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体の制御プログラムであって、コンピュータに、前記制御指令情報と検出した前記第１の車輪の駆動情報との差と、前記制御指令情報と検出した前記第２の車輪の駆動情報と、の差が無くなるように前記制御指令情報を補正させる。

以上、説明したように、意図しない旋回を抑制することができる移動体及び制御方法、制御プログラムを提供することができる。

一般的な移動体を示す模式図である。 実施の形態１の移動体の制御系のブロック図である。 補正量計算部の処理を示す図である。 指令値の補正を説明する図である。 モーター制御部の処理を示す図である。 実施の形態２の移動体の制御系のブロック図である。 右側モーター制御部の処理を示す図である。 左側モーター制御部の処理を示す図である。 従来の移動体の制御系のブロック図である。 従来の指令値に対するモーターの追従性を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
本実施の形態の移動体及び制御方法、制御プログラムを説明する。先ず、本実施の形態の移動体の基本構成を説明する。なお、本実施の形態の移動体の基本構成は、一般的な移動体の基本構成と略等しいので、簡単に説明する。

図１は、一般的な移動体を示す模式図である。図１に示すように、移動体１は、車体２、ステッププレート３、ハンドル４、右側車輪５及び左側車輪６等を備えている。車体２は、後述する制御系等が搭載されている。また、車体２には、ステッププレート３及びハンドル４が設けられている。

ステッププレート３には、搭乗者が例えば立位姿勢で搭乗する。ハンドル４の下端部は、車体２に回転可能に連結されている。ハンドル４の上端部は、搭乗者が把持する把持部として機能する。

右側車輪５及び左側車輪６は、回転軸を共通にするように、車体２に設けられている。これらの右側車輪５及び左側車輪６は、個別にモーターによって回転駆動する。

このような移動体１は、移動体１の前後方向への傾きに対して当該移動体１の倒立状態を維持するように前後方向に移動し、ハンドル４の左右方向への傾きに基づいて左右方向に旋回する。

次に、本実施の形態の移動体１の制御系を説明する。図２は、本実施の形態の移動体１の制御系のブロック図である。図３は、補正量計算部の処理を示す図である。図４は、指令値の補正を説明する図である。図５は、モーター制御部の処理を示す図である。

本実施の形態の移動体１の制御系は、右側モーター７、左側モーター８、姿勢検出部９、角度検出部１０、右側モーター角速度検出部１１、左側モーター角速度検出部１２、演算処理部１３、第１のアンプ１４及び第２のアンプ１５を備えている。ここで、本実施の形態の移動体１の制御系は、演算処理部１３によってプログラムが実行されることで動作が実現されるが、ハードウェア資源を用いて実現してもよい。

右側モーター７は、第１のアンプ１４から入力される電流に基づいて動作する。右側モーター７は、図示を省略した減速機を介して増幅した回転駆動力を右側車輪５に伝達する。

左側モーター８は、第２のアンプ１５から入力される電流に基づいて動作する。左側モーター８は、図示を省略した減速機を介して増幅した回転駆動力を左側車輪６に伝達する。

姿勢検出部９は、移動体１の前後方向への傾斜角度を検出する。姿勢検出部９は、一般的な姿勢検出部と同様に、例えばジャイロセンサや加速度センサ等を備えている。姿勢検出部９は、検出した移動体の傾斜角度値を演算処理部１３に出力する。

角度検出部１０は、ハンドル４の左右方向への回転角度を検出する。角度検出部１０は、一般的な角度検出部と同様に、例えばエンコーダー等を備えている。角度検出部１０は、検出したハンドル４の回転角度値を演算処理部１３に出力する。

右側モーター角速度検出部１１は、右側モーター７の角速度を検出する。右側モーター角速度検出部１１は、一般的な角速度検出部と同様に、例えばエンコーダー等を備えている。右側モーター角速度検出部１１は、検出した右側モーター７の角速度実測値を演算処理部１３に出力する。

左側モーター角速度検出部１２は、左側モーター８の角速度を検出する。左側モーター角速度検出部１２も、一般的な角速度検出部と同様に、例えばエンコーダー等を備えている。左側モーター角速度検出部１２は、検出した左側モーター８の角速度実測値を演算処理部１３に出力する。

演算処理部１３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えており、図示を省略した記憶部からプログラムを読み出して実行する。演算処理部１３は、指令値生成部１６、第１の比較部１７、第２の比較部１８、第３の比較部１９、補正量計算部２０、第４の比較部２１、第５の比較部２２、右側モーター制御部２３及び左側モーター制御部２４を備えている。

指令値生成部１６は、入力された移動体１の傾斜角度値及びハンドル４の回転角度値に基づいて、移動体１の前後方向への傾きに対して当該移動体１の倒立状態を維持し、必要に応じて所定の方向に旋回するように制御指令値（制御指令情報）を生成する。指令値生成部１６は、生成した制御指令値を第１の比較部１７及び第２の比較部１８に夫々出力する。

第１の比較部１７は、入力される制御指令値と右側モーター７の角速度実測値との偏差を算出する。つまり、第１の比較部１７は、右側モーター７の角速度実測値に対して制御指令値がどれ位異なるかを算出する。第１の比較部１７は、算出した偏差を第３の比較部１９及び第４の比較部２１に出力する。

第２の比較部１８は、入力される制御指令値と左側モーター８の角速度実測値との偏差を算出する。つまり、第２の比較部１８は、左側モーター８の角速度実測値に対して制御指令値がどれ位異なるかを算出する。第２の比較部１８は、算出した偏差を第３の比較部１９及び第５の比較部２２に出力する。

第３の比較部１９は、第１の比較部１７から入力される偏差と、第２の比較部１８から入力される偏差と、の差分値を算出する。つまり、第３の比較部１９は、例えば左側モーター８の制御系の偏差に対して右側モーター７の制御系の偏差がどれ位異なるかを算出する。第３の比較部１９は、算出した差分値を補正量計算部２０に出力する。

補正量計算部２０は、入力される差分値に基づいて、右側モーター７の制御系の偏差と左側モーター８の制御系の偏差との差分が無くなるように補正値を算出する。本実施の形態の補正量計算部２０は、図３に示すように、Ｐ（比例）Ｉ（積分）制御部を構成している。ちなみに、Ｃｐは比例係数、Ｃｉは積分係数である。ここで、図３では、ＰＩ制御部を示しているが、微分係数を０としたＰＩＤ制御部としてもよい。補正量計算部２０は、算出した補正値を第４の比較部２１及び第５の比較部２２に夫々出力する。

第４の比較部２１は、第１の比較部１７から入力される右側モーター７の制御系の偏差と、補正量計算部２０から入力される補正値と、の差分値を算出する。ここで、第４の比較部２１には、右側モーター７の制御系の偏差が第３の比較部１９に入力されたときの符号に対して異なる符号で、補正量計算部２０から補正値が入力される。第４の比較部２１は、算出した差分値を右側モーター制御部２３に出力する。

第５の比較部２２は、第２の比較部１８から入力される左側モーター８の制御系の偏差と、補正量計算部２０から入力される補正値と、の加算値を算出する。ここで、第５の比較部２２には、左側モーター８の制御系の偏差が第３の比較部１９に入力されたときの符号に対して異なる符号で、補正量計算部２０から補正値が入力される。第５の比較部２２は、算出した加算値を左側モーター制御部２４に出力する。

これにより、図４に示すように、右側モーター７の制御系の偏差と、左側モーター８の制御系の偏差と、の差分が略無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令値を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令値を下げることができる。

右側モーター制御部２３は、入力される差分値に基づいて、右側モーター７を制御する電流値を算出し、算出した電流値を第１のアンプ１４に出力する。

左側モーター制御部２４は、入力される加算値に基づいて、左側モーター８を制御する電流値を算出し、算出した電流値を第２のアンプ１５に出力する。

ここで、右側モーター制御部２３及び左側モーター制御部２４は、図５に示すように、Ｐ（比例）Ｄ（微分）制御部を構成している。ちなみに、Ｋｐは比例係数、Ｋｄは微分係数である。ここで、図５では、ＰＤ制御部を示しているが、積分係数を０としたＰＩＤ制御部としてもよい。

第１のアンプ１４は、入力された電流値に基づいて、図示を省略した電源から所定の電流を右側モーター７に出力する。

第２のアンプ１５も、入力された電流値に基づいて、図示を省略した電源から所定の電流を左側モーター８に出力する。

このような制御系は、右側モーター角速度検出部１１がリアルタイムに右側モーター７の角速度を検出しつつ、左側モーター角速度検出部１２がリアルタイムに左側モーター８の角速度を検出し、右側モーター７及び左側モーター８をフィードバック制御する。

本実施の形態の移動体１及び制御方法、制御プログラムは、右側モーター７の制御系の偏差と、左側モーター８の制御系の偏差と、の差分が略無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令値を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令値を下げる、即ち制御指令値を補正する。これにより、搭乗者の足を置く位置や重心位置の左右の偏り等により、左右のモーターにかかる負荷が異なっても、左右のモーターの追従性の差を吸収することができ、意図しない旋回を抑制することができる。

特に、移動体１を片麻痺患者やバランス機能が低下した患者のトレーニング車両として使用したとき、常に左右均等に搭乗者がステッププレート３に荷重をかけることができないが、このような場合でも搭乗者の意図しない旋回を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の演算処理部１３は、第４の比較部２１及び第２の比較部２２を備えているが省略することもできる。ここで、図６は、本実施の形態の移動体の制御系のブロック図である。図７は、右側モーター制御部の処理を示す図である。図８は、左側モーター制御部の処理を示す図である。

右側モーター制御部２５には、図６及び図７に示すように、第１の比較部１７から右側モーター７の制御系の偏差が入力されると共に、補正量計算部２０から補正量が入力される。そして、右側モーター制御部２５は、入力された偏差に基づいてＰＤ制御部で算出した電流値から補正量を差し引く。このとき、右側モーター制御部２５は、右側モーター７の制御系の偏差が第３の比較部１９に入力されたときの符号に対して異なる符号で補正量を足し引きする。右側モーター制御部２５は、補正量が差し引かれた電流値を第１のアンプ１４に出力する。

一方、左側モーター制御部２６には、図６及び図８に示すように、第２の比較部１８から左側モーター８の制御系の偏差が入力されると共に、補正量計算部２０から補正量が入力される。そして、左側モーター制御部２６は、入力された偏差に基づいてＰＤ制御部で算出した電流値に補正量を加える。このとき、左側モーター８の制御系の偏差が第３の比較部１９に入力されたときの符号に対して異なる符号で補正量を足し引きする。左側モーター制御部２６は、補正量が加えられた電流値を第２のアンプ１５に出力する。

このような移動体の制御系も実施の形態１の移動体の制御系と同様に、右側モーターの制御系の偏差と、左側モーターの制御系の偏差と、の差分が略無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令値を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令値を下げる、即ち制御指令値を補正するので、搭乗者の足を置く位置や重心位置の左右の偏り等により、左右のモーターにかかる負荷が異なっても、左右のモーターの追従性の差を吸収することができ、意図しない旋回を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

上述の実施の形態は、ハンドル４の回転角度値に基づいて移動体１が左右方向に旋回しているが、この限りでない。例えば、ステッププレート３の傾動角度やジョイスティック等の操作部の操作に基づいて、移動体１が左右方向に旋回してもよい。

上述の実施の形態は、搭乗者がステッププレート３に搭乗する構成とされているが、この限りでない。例えば、着座部に搭乗者が着座する構成でもよい。

上述の実施の形態では、モーターの角速度を検出しているが車輪の角速度を検出しても、同様に実施することができる。

１ 移動体
２ 車体
３ ステッププレート
４ ハンドル
５ 右側車輪
６ 左側車輪
７ 右側モーター
８ 左側モーター
９ 姿勢検出部
１０ 角度検出部
１１ 右側モーター角速度検出部
１２ 左側モーター角速度検出部
１３ 演算処理部
１４ 第１のアンプ
１５ 第２のアンプ
１６ 指令値生成部
１７ 第１の比較部
１８ 第２の比較部
１９ 第３の比較部
２０ 補正量計算部
２１ 第４の比較部
２２ 第５の比較部
２３ 右側モーター制御部
２４ 左側モーター制御部
２５ 右側モーター制御部
２６ 左側モーター制御部
１０１ 右側モーター
１０２、１０５ 比較部
１０３ 右側モーター制御部
１０４ 左側モーター
１０６ 左側モーター制御部

Claims (3)

1. 移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体であって、
   前記制御指令情報と検出される前記第１の車輪の駆動情報との偏差と、前記制御指令情報と検出される前記第２の車輪の駆動情報との偏差と、の差分が無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令情報を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令情報を下げる、移動体。
2. 移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体の制御方法であって、
   前記制御指令情報と検出される前記第１の車輪の駆動情報との偏差と、前記制御指令情報と検出される前記第２の車輪の駆動情報との偏差と、の差分が無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令情報を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令情報を下げる、移動体の制御方法。
3. 移動体の前後方向への傾きに対して前記移動体の倒立状態を維持するように制御指令情報を生成し、前記制御指令情報に基づいて、同軸に配置された第１の車輪と第２の車輪とを制御する移動体の制御プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記制御指令情報と検出される前記第１の車輪の駆動情報との偏差と、前記制御指令情報と検出される前記第２の車輪の駆動情報との偏差と、の差分が無くなるように、負荷が大きい側のモーターを制御する制御指令情報を上げ、負荷が小さい側のモーターを制御する制御指令情報を下げる処理を実行させる、移動体の制御プログラム。

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