JP6079661B2

JP6079661B2 - 倒立型移動体

Info

Publication number: JP6079661B2
Application number: JP2014026470A
Authority: JP
Inventors: 貴裕中山; 浩司尾藤; 平　哲也; 哲也平; 祐介木田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: JP2015151003A

Description

本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体に関するものである。

搭載された複数の同一センサから出力されるセンサ値を比較することで、各センサの故障を検知する倒立型移動体が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−０６８１８９号公報

上記倒立型移動体は、例えば、センサの故障を検知した場合、正常なセンサへの復帰処理を行う。このとき、倒立制御に使用されていた故障センサのセンサ値と、復帰処理で使用される正常センサのセンサ値と、の間の誤差が大きいと、そのセンサ値の切替時に倒立制御が不安定となる虞がある。
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、各センサのセンサ値間の誤差を低減し安定的な倒立制御が継続できる倒立型移動体を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、同一検出対象の検出信号を出力する３つ以上のセンサと、前記各センサから出力される各センサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ値に基づいて、倒立制御を行う制御手段と、を備える倒立型移動体であって、当該倒立型移動体の起動時又は停止状態において前記各センサから出力される各センサ値の絶対値が閾値以下であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記各センサのセンサ値の絶対値が閾値以下であると判定されたとき、前記起動時又は停止状態におけるセンサ中央値と前記各センサのセンサ値との差分の平均値を算出する平均算出手段と、前記各センサのセンサ値から、前記平均算出手段により算出された差分の平均値を減算又は加算することで、前記各センサのセンサ値を補正する補正手段と、を備える、ことを特徴とする倒立型移動体である。

本発明によれば、各センサのセンサ値間の誤差を低減し安定的な倒立制御が継続できる倒立型移動体を提供することができる。

実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的構成を示す斜視図である。実施の形態１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。実施の形態１に係る倒立型移動体の制御方法における制御処理フローを示すフローチャートである。実施の形態２に係る倒立移動体の制御システム構成を示すブロック図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体１は、搭乗者が搭乗する車両本体２と、車両本体２に回転可能に連結された左右一対の車輪３と、車両本体２に操作可能に設けられた操作ハンドル４と、を備えている。倒立型移動体１は、例えば、倒立状態を維持しつつ搭乗者の重心移動に応じて、前後進、左右旋回、加減速などの走行を行うことができる倒立二輪車として構成されている。

図２は、本発明の実施の形態１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。本実施の形態１に係る倒立型移動体１は、各車輪３を駆動する一対の車輪駆動ユニット５と、同一検出対象の検出信号を出力する第１乃至第３センサ６と、各車輪駆動ユニット５を制御する制御装置７と、を備えている。

各車輪駆動ユニット５は、制御装置７から出力された制御信号に基づいて各車輪３を駆動する。各車輪駆動ユニット５は、例えば、モータと、モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギアと、を有している。

第１乃至第３センサ６は、例えば、同一軸周りの検出を行うジャイロセンサであり冗長性を有している。第１乃至第３センサ６は、例えば、車両本体２に設けられており、車両本体２のピッチ方向、ロール方向、及びヨー方向の角速度を検出する。第１乃至第３センサ６は、検出したセンサ値を制御装置７に出力する。

制御装置７は、第１乃至第３センサ６から出力されたセンサ値に基づいて、車両本体２の姿勢を算出する。制御装置７は、算出した車両本体２の姿勢に基づいて、倒立状態を維持するため各車輪駆動ユニット５に対するトルク指令値を算出する。制御装置７は、算出したトルク指令値に応じた制御信号を各車輪駆動ユニット５に出力することで、上記倒立状態を維持する倒立制御を行う。

制御装置７は、例えば、制御処理、演算処理等と行う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されている。

ところで、従来、倒立型移動体は、いずれかのセンサ故障（例えば、センサ値のハイレベル及びローレベルの張付き、オフセット、発振など）を検知した場合、正常なセンサへの復帰処理（切替処理）を行う。また、一般に各センサのセンサ値間には誤差が存在している。したがって、倒立制御に使用されていた故障センサのセンサ値と、復帰処理で使用される正常センサのセンサ値と、の間の誤差が大きいと、そのセンサ値の切替時に大きくセンサ値が変化するため、倒立制御が不安定となる虞がある。

これに対し、本実施の形態１に係る制御装置７は、各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値と各センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出し、各センサ６のセンサ値からその差分の平均値を夫々減算することで、各センサ６のセンサ値の誤差を補正する。そして、制御装置７は、補正した各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値に基づいて倒立制御を行う。これにより、各センサ６のセンサ値間の誤差を低減し安定的な倒立制御が継続できる。

本実施の形態１に係る制御装置７は、倒立制御を行う倒立制御部７１と、センサ値を判定するセンサ判定部７２と、センサ値の平均値を算出する平均算出部７３と、センサ値を補正する補正部７４と、を有している。

倒立制御部７１は、制御手段の一具体例であり、同一検出対象の検出信号を出力する３つ以上のセンサから出力される各センサ値を降順又は昇順に並べた際に、中央に位置するセンサ値（以下、中央センサ値と称す）に基づいて倒立制御を行う。常時正常となる中央に位置する中央センサ値に基づいて倒立制御を行うことで、より信頼性の高い倒立制御を行うことができる。

センサ判定部７２は、判定手段の一具体例であり、倒立型移動体１の起動時において各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値以下であるか否かを判定する。各センサ６のセンサ値が異常に大きい、あるいは小さい場合、倒立型移動体１の起動時における初期化エラーとなる。例えば、起動時に倒立型移動体１の車両本体２又は操作ハンドル４が大きく傾斜している場合、車両本体２、操作ハンドル４が揺さぶられ大きく搖動している場合など、初期化エラーとなる。

センサ判定部７２は、各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値以下であるとき、各センサ６のセンサ値（初期化処理）が正常であると判定する。センサ判定部７２は、各センサ６のセンサ値が正常であることを示す信号（以下、正常信号）を平均算出部７３に出力する。

一方、センサ判定部７２は、各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値より大きいとき、各センサ６のセンサ値（初期化処理）が異常であると判定する。センサ判定部７２は、例えば、各センサ６のセンサ値が異常（初期化処理の失敗）である旨をユーザに警告する。センサ判定部７２は、例えば、初期化エラーとして再起動を行う旨の警告をユーザに対して行う。

センサ判定部７２は、倒立型移動体１の停止状態において各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値以下であるか否かを判定してもよい。倒立型移動体１の停止状態とは、倒立型移動体１の移動速度が実質的に０となる状態であり、車両本体２の傾斜角と傾斜角速度が実質的に等しくなる状態、走行状態から随時停止する停止状態を含むものとする。

平均算出部７３は、平均算出手段の一具体例であり、センサ判定部７２から出力される正常信号に応じて、起動時又は停止状態における各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値を抽出する。

ここで、センサ数が奇数個の場合、平均算出部７３は、中央センサ値を、そのまま抽出できる。一方、センサ数が偶数個の場合、中央センサ値は２つ存在する。例えば、センサ数が４つの場合、中央センサ値は、降順あるいは昇順で２及び３番目のセンサ値となる。このため、平均算出部７３は、２つの中央センサ値のうち一方（予め設定された順位の高い又は低いセンサ値）、あるいは２つのセンサ値の平均値を、中央センサ値として抽出する。

平均算出部７３は、センサ中央値と各センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出する。平均算出部７３は、算出した差分の平均値を補正部７４に出力する。なお、平均算出部７３は、センサ中央値と全センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出しているが、これに限らず、センサ中央値と、予め設定した代表の各センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出してもよい。

補正部７４は、補正手段の一具体例であり、各センサ６のセンサ値から、平均算出部７３により算出された差分の平均値を夫々減算又は加算することで、各センサ６のセンサ値を補正する。これにより、各センサのセンサ値間に存在する誤差が低減される。

このように、同種センサのセンサ値のみを用いて各センサ６のセンサ値を補正することから処理が簡略化される。併せて、各センサ６は冗長系のセンサであり各センサ６の出力変化が類似しているため、補正を行う際の厳密な基準点が不要となる。したがって、補正を行う際の水平検出処理などが不要となるため処理が簡略化される。
また、常時正常となる中央に位置する中央センサ値に基づいて誤差補正を行うことで、より信頼性の高い誤差補正を行うことができる。さらに、一般に、センサのセンサ値の誤差は温度に依存している。一方で、倒立型移動体１は、一回の充電で走行できる範囲は限られているため、その周辺の温度環境は大きく変化しない。したがって、起動時又は停止状態における中央センサ値を用いて各センサ６のセンサ値を安定的に補正することができる。

補正部７４は、補正した各センサ６のセンサ値を倒立制御部７１に出力する。
倒立制御部７１は、補正部７４により補正された各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置する、又は各センサ６のセンサ値の平均値である、センサ中央値に基づいて倒立制御を行う。

例えば、センサ判定部７２は、第１乃至第３ジャイロセンサ６から出力された第１乃至第３角速度Ｖ１〜Ｖ３の絶対値が閾値Ｔｈ以下（｜Ｖ１〜Ｖ３｜≦Ｔｈ）であるか否かを判定する。
センサ判定部７２は、第１乃至第３ジャイロセンサ６から出力される第１乃至第３角速度Ｖ１〜Ｖ３の絶対値が閾値以下であるとき、正常信号を平均算出部７３に出力する。

平均算出部７３は、センサ判定部７２から出力される正常信号に応じて、起動時又は停止状態における第１乃至第３ジャイロセンサ６から出力された第１乃至第３角速度Ｖ１〜Ｖ３を降順（例えば、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）に並べた際に中央に位置する第２角速度Ｖ２を中央センサ値として抽出する。平均算出部７３は、センサ中央値Ｖ２と第１乃至第３ジャイロセンサ６の第１乃至第３角速度Ｖ１〜Ｖ３との差分の平均値Ｘ１〜Ｘ３を算出し、算出した差分の平均値Ｘ１〜Ｘ３を補正部７４に出力する。

補正部７４は、例えば、第１乃至第３ジャイロセンサ６の第１乃至第３角速度Ｖ１〜Ｖ３から差分の平均値Ｘを夫々減算し、補正した第１乃至第３ジャイロセンサ６の第１乃至第３角速度Ｖａ１〜Ｖａ３を算出する。

倒立制御部７１は、補正部７４により補正された第１乃至第３ジャイロセンサ６の第１乃至第３角速度Ｖａ１〜Ｖａ３を降順（例えば、Ｖａ１＞Ｖａ２＞Ｖａ３）に並べた際に中央に位置する第２角速度Ｖａ２を抽出する。倒立制御部７１は、抽出した中央の第２角速度Ｖａ２に基づいて倒立制御を実行する。

なお、上記実施の形態においては、センサとして、ジャイロセンサを適用しているが、これに限られない。センサとして、例えば、角度センサ、加速度センサ、回転センサ、磁気センサ（方位センサ）などを適用してもよく、倒立型移動体１に搭載される任意のセンサに適用できる。また、上記実施の形態において、３つのジャイロセンサを用いた構成が適用されているが、これに限られない。同一検出対象の検出信号を出力する４つ以上のセンサを用いた構成にも適用可能である。

図３は、本実施の形態１に係る倒立型移動体の制御方法における制御処理フローを示すフローチャートである。なお、図３に示す制御処理は、所定の微小時間毎に繰返し実行される。

倒立型移動体１の電源がオン状態になり倒立型移動体１は起動する（ステップＳ１０１）。倒立型移動体１が起動すると、各センサ６は検出したセンサ値を制御装置７のセンサ判定部７２に出力する（ステップＳ１０２）。
センサ判定部７２は、倒立型移動体１の起動時において各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

センサ判定部７２は、各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値以下であるとき（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、各センサ６のセンサ値が正常であると判定し、正常信号を平均算出部７３に出力する。

平均算出部７３は、センサ判定部７２から出力される正常信号に応じて、起動時における各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値を抽出する（ステップＳ１０４）。そして、平均算出部７３は、センサ中央値と各センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出し（ステップＳ１０５）、算出した差分の平均値を補正部７４に出力する。

補正部７４は、各センサ６のセンサ値から、平均算出部７３により算出された差分の平均値を夫々減算することで、各センサ６のセンサ値を補正し（ステップＳ１０６）、補正した各センサ６のセンサ値を倒立制御部７１に出力する。
倒立制御部７１は、補正部７４により補正された各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値に基づいて倒立制御を行う（ステップＳ１０７）。

センサ判定部７２は、各センサ６から出力されるセンサ値の絶対値が閾値より大きいとき（ステップＳ１０３のＮＯ）、各センサ６のセンサ値が異常であると判定する（ステップＳ１０８）。センサ判定部７２は、各センサ６のセンサ値が異常である旨をユーザに警告する（ステップＳ１０９）。

以上、本実施の形態１に係る倒立型移動体１において、各センサ６のセンサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値と各センサ６のセンサ値との差分の平均値を算出し、算出された差分の平均値に基づいて各センサ６のセンサ値を補正する。これにより、各センサ６のセンサ値間の誤差を低減し安定的な倒立制御が継続できる。

実施の形態２
上記実施の形態１に係る倒立型移動体１は、１重系の制御システムとして構成されているが、本実施の形態２に係る倒立型移動体１は、２重系の制御システムとして構成されている点を特徴とする。図４は、本実施の形態２に係る倒立移動体の制御システム構成を示すブロック図である。本実施の形態２に係る倒立型移動体１は、信頼性向上を目的として２重系システムとして構成されており、第１及び第２システム１０、２０を備えている。これにより、センサ情報及び制御信号を伝達する通信、制御、及び電源を各システムで分離できるため、一方のシステムに異常が生じても他方の正常なシステムで制御を継続できる。

第１システム１０は、各車輪駆動ユニット５を制御する第１制御装置７と、第１及び第２ジャイロセンサ６と、を有している。第２システム２０は、第２制御装置７と、第３ジャイロセンサ６と、を有している。

第１及び第２制御装置７は、ＣＡＮ通信などを行い、相互にセンサ情報などのデータ送受信を行なっている。第１及び第２制御装置７は、上記実施の形態１に係る制御装置７と同様の中央センサ値に基づいた倒立制御を独立して行う。

第１制御装置７は、システム起動時、自システム系の第１及び第２ジャイロセンサ６から出力された角速度、および、他システム系の第２制御装置７から送信された第３ジャイロセンサ６の角速度の絶対値が閾値以下であるかを判定する。

第１制御装置７は、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度が閾値以下であると判定したとき、各第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値を抽出する。そして、第１制御装置７は、センサ中央値と第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度との差分の平均値を算出する。

第１制御装置７は、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度から、算出した差分の平均値を夫々減算することで、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を補正する。第１制御装置７は、補正した第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値に基づいて、倒立状態を維持するためのトルク指令値を算出する。第１制御装置７は、算出したそのトルク指令値に応じた制御信号を各車輪駆動ユニット５に出力する。

同時に、第２制御装置７は、システム起動時、自システム系の第３ジャイロセンサ６から出力された角速度、および、他システム系の第１制御装置７から送信された第１及び第２ジャイロセンサ６から出力された角速度、の絶対値が閾値以下であるかを判定する。

第２制御装置７は、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度が閾値以下であると判定したとき、各第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値を抽出する。そして、第２制御装置７は、センサ中央値と第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度との差分の平均値を算出する。

第２制御装置７は、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度から、算出した差分の平均値を夫々減算することで、第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を補正する。第２制御装置７は、補正した第１乃至第３ジャイロセンサ６の角速度を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値に基づいて、倒立状態を維持するためのトルク指令値を算出する。第２制御装置７は、算出したそのトルク指令値に応じた制御信号を各車輪駆動ユニット５に出力する。
各車輪駆動ユニット５は、第１及び第２制御装置７から出力された制御信号を合成し、合成した制御信号に応じて各車輪３を駆動する。

本実施の形態２に係る自律移動体１によれば、各ジャイロセンサ６の角速度を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ中央値と各ジャイロセンサ６の角速度との差分の平均値を算出し、算出された差分の平均値に基づいて各ジャイロセンサ６の角速度を補正する。これにより、各ジャイロセンサ６のセンサ値間の誤差を低減し安定的な倒立制御が継続できる。さらに、２重系システムとして構成されているため、第１及び第２システム１０、２０のいずれか一方に異常が生じた場合でも、倒立制御を安定的に継続できる。このため、倒立制御の信頼性を大幅に向上させることができる。

本実施の形態２において、他の構成は上記実施の形態１と同様であるため、同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。

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。

本発明は、例えば、図３に示す処理を、ＣＰＵ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。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭを含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１倒立型移動体、２車両本体、３車輪、４操作ハンドル、５車輪駆動ユニット、６第１乃至第３ジャイロセンサ、７制御装置、７１倒立制御部、７２センサ判定部、７３平均算出部、７４補正部

Claims

同一検出対象の検出信号を出力する３つ以上のセンサと、
前記各センサから出力される各センサ値を降順又は昇順に並べた際に中央に位置するセンサ値に基づいて、倒立制御を行う制御手段と、を備える倒立型移動体であって、
当該倒立型移動体の起動時又は停止状態において前記各センサから出力される各センサ値の絶対値が閾値以下であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記各センサのセンサ値の絶対値が閾値以下であると判定されたとき、前記起動時又は停止状態におけるセンサ中央値と前記各センサのセンサ値との差分の平均値を算出する平均算出手段と、
前記各センサのセンサ値から、前記平均算出手段により算出された差分の平均値を減算又は加算することで、前記各センサのセンサ値を補正する補正手段と、を備える、ことを特徴とする倒立型移動体。