JP6243217B2 - Suspension control device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば鉄道車両等に好適に用いられるサスペンション制御装置に関する。 The present invention relates to a suspension control device suitably used for, for example, a railway vehicle.
従来の鉄道の振動制御装置では、車両の乗り心地を向上するために、車体の左右振動低減を制御目標にスカイフック制御やH∞制御等の演算を行い、これら制御演算から求められる制御指令値を基にダンパやアクチュエータを制御するシステムが実用化されている。これらの振動制御装置は、床の左右振動を効果的に低減することができる。 In conventional railway vibration control devices, in order to improve the ride comfort of the vehicle, calculations such as skyhook control and H∞ control are performed with the aim of reducing left and right vibration of the vehicle body, and control command values obtained from these control calculations Based on this, a system for controlling dampers and actuators has been put into practical use. These vibration control devices can effectively reduce the left-right vibration of the floor.
また、鉄道や自動車の分野においては、車両の上下方向の乗り心地を向上するために、車体の上下振動低減を制御目標にスカイフック制御やH∞制御等の演算を行い、これらの制御演算から求められる制御指令値を基にダンパやアクチュエータを制御するシステムが実用化されている。これらの振動制御装置は、床の上下振動を効果的に低減することができる。 In the field of railways and automobiles, in order to improve the ride comfort in the vertical direction of the vehicle, calculations such as skyhook control and H∞ control are performed with the aim of reducing vertical vibration of the vehicle body as a control target. Systems that control dampers and actuators based on required control command values have been put into practical use. These vibration control devices can effectively reduce the vertical vibration of the floor.
さらに、上下方向の振動低減に注目したシステムにおいては、自動車の座席に着座した人間の体の振動を抑えることに注目した制御方法が考案されている(例えば、特許文献1参照)。このような制御方法には、着座した人体を質点とばねとダンパの組合せで表現し、人間の頭部における振動を最小化するように制御器を構成したものがある。また、これと同様に着座姿勢の乗員の左右方向の振動を低減することも考えられる。 Furthermore, in a system focused on vertical vibration reduction, a control method has been devised that focuses on suppressing vibration of a human body seated in a car seat (see, for example, Patent Document 1). In such a control method, there is one in which a controller is configured to represent a seated human body by a combination of a mass point, a spring, and a damper, and to minimize vibration in a human head. Similarly, it is also conceivable to reduce left-right vibration of the occupant in the sitting posture.
ところで、鉄道車両の乗客は立位で乗車することが多い。立位の人体は、着座時と異なり人体が車体にホールドされていないため、人間が無意識に姿勢制御を行わない限り倒れてしまう。このように、立位の人体は、座位の人体に比べて、不安定な状態にある。 By the way, there are many cases where passengers of railway vehicles ride in a standing position. Since the human body in the standing position is not held by the vehicle body unlike when sitting, the human body falls down unless the human performs unconscious control of posture. As described above, the standing human body is in an unstable state as compared to the sitting human body.
つり革につかまっていない立位の乗客にとって、車体と人体の接点は足元のみである。このとき、特に車体の左右の振動が乗客に対しては人体の重心回りのモーメントとして作用するため、左右の振動を受けると、人体には転倒する方向に力が作用する。 For standing passengers who are not holding the strap, the contact point between the vehicle body and the human body is only the foot. At this time, especially the left and right vibrations of the vehicle body act on the passenger as a moment around the center of gravity of the human body. Therefore, when the left and right vibrations are received, a force acts on the human body in the direction of falling.
一度床から左右の振動が入力された立位の人体は、直後に床の左右振動が収まったとしても、そのままでは転倒してしまう。実際は人間の無意識のバランス制御により転倒までは至らないことが多いが、左右の振動入力が大きいと踏ん張りきれずに、大きな移動が生じることがある。 A human body in a standing position where left and right vibrations have been input from the floor once falls even if the left and right vibrations of the floor subside immediately. Actually, it is often not possible to fall by the unconscious balance control of human beings, but if the left and right vibration inputs are large, it cannot be fully squeezed and a large movement may occur.
一方、着座している人体は座席の背もたれを介して車体にホールドされているため、床の左右振動が収まることで、人体の振動も収束する。つまり、立位と座位で人体の振る舞いが全く異なり、立位の場合、車体の横揺れ低減が必ずしも人体の安定に直結しない。そのため、立位の人間に対する乗り心地向上を試みる場合、従来の振動制御の対象や方法は最適ではなかった。 On the other hand, since the seated human body is held by the vehicle body via the seat back, the vibration of the human body converges when the left-right vibration of the floor is settled. In other words, the behavior of the human body is completely different between the standing position and the sitting position, and in the standing position, the reduction of rolling of the vehicle body does not necessarily directly affect the stability of the human body. Therefore, when trying to improve the riding comfort for standing humans, conventional vibration control objects and methods have not been optimal.
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、立位の人体の乗り心地を向上させることができるサスペンション制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a suspension control device that can improve the riding comfort of a standing human body.
上述した課題を解決するため、本発明は、車両の車体と台車との間に設けられる制御ダンパと、前記車体に設けられ、前記車体の振動を検出する振動検出手段と、前記制御ダンパへの制御指令を出すコントローラと、を備えたサスペンション制御装置であって、前記コントローラには、前記車体に乗車している立位の人の重心変動を推定する重心変動推定手段を備え、前記重心変動推定手段による推定値と前記振動検出手段の検出値とから制御指令を求めることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a control damper provided between a vehicle body and a carriage of a vehicle, vibration detection means provided on the vehicle body for detecting vibrations of the vehicle body, and the control damper. And a controller that issues a control command, the controller including a center-of-gravity variation estimation unit that estimates a center-of-gravity variation of a standing person riding on the vehicle body, and the center-of-gravity variation estimation The control command is obtained from the estimated value by the means and the detected value of the vibration detecting means.
本発明によれば、立位の人体の乗り心地を向上させることができる。 According to the present invention, the riding comfort of a standing human body can be improved.
以下、本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を、添付図面に従って詳細に説明する。 Hereinafter, a suspension control apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1ないし図4は本発明の第1の実施の形態を示している。図1および図2において、鉄道車両1(車両)は、例えば乗客P0等が乗車する車体2と、車体2の下側に設けられた前側および後側の台車3F,3Rとを備えている。これらの台車3F,3Rは、車体2の前部側と後部側とに離間して配置される。また、各台車3F,3Rには、車軸の両端に車輪4が設けられた輪軸が2個ずつ取付けられる。このため、各台車3F,3Rには、それぞれ4個の車輪4が設けられている。鉄道車両1は、各車輪4が左,右のレール(図示せず)上を回転することにより、レールに沿って走行駆動する。なお、以下では、前側の台車3Fおよび後側の台車3Rを総称するときには、台車3iという。
1 to 4 show a first embodiment of the present invention. 1 and 2, a railway vehicle 1 (vehicle) includes, for example, a
車体2と各台車3F,3Rとの間には、複数の空気ばね5FL,5FR,5RL,5RRが設けられる。空気ばね5FL,5FRは、台車3Fの左右方向の両側にそれぞれ配置される。空気ばね5RL,5RRは、台車3Rの左右方向の両側にそれぞれ配置される。これらの空気ばね5FL,5FR,5RL,5RRは、台車3F,3Rに対して車体2を上下方向に弾性的に支持する。
A plurality of air springs 5 FL , 5 FR , 5 RL , 5 RR are provided between the
また、車体2と各台車3F,3Rとの間には、車体2の左右方向の振動を抑えるための制御力を発生させる制御ダンパとしての減衰力可変ダンパ6F,6R(以下、左右動ダンパ6F,6Rという)が設けられる。左右動ダンパ6F,6Rは、減衰力を個別に調整可能なシリンダ装置(例えば、セミアクティブダンパと呼ばれる減衰力調整式の油圧緩衝器)を用いて構成される。左右動ダンパ6F,6Rは、例えば比例ソレノイド等からなる減衰力調整バルブ(図示せず)を備え、この減衰力調整バルブは、車体2の振動を低減するため減衰力特性をハードな特性とソフトな特性との間で任意な特性に調整する。
Further, between the
即ち、左右動ダンパ6F,6Rは、台車3F,3Rに対する車体2の左右方向の振動を緩衝して低減させるように、後述のコントローラ8から出力される制御信号(指令電流)に従って減衰力が可変に制御される。これにより、左右動ダンパ6F,6Rは、車体2の左右方向の振動を抑えるための制御力uを発生させる。
That is, the left and
なお、左右動ダンパ6F,6Rは、ハードな特性とソフトな特性との間で減衰力特性を連続的に調整する構成でもよく、2段階または複数段階で調整可能な構成であってもよい。以下では、左右動ダンパ6F,6Rを総称するときには、左右動ダンパ6iという。
The left and right
加速度センサ7F,7Rは、車体2の前側および後側にそれぞれ位置して設けられる。これらの加速度センサ7F,7Rは、ヨーやスウェー等の車体2の左右方向の運動を検出する。このとき、加速度センサ7F,7Rは、車体2の振動を検出する振動検出手段を構成する。以下では、加速度センサ7F,7Rを総称するときには、加速度センサ7iという。
The acceleration sensors 7 F and 7 R are provided on the front side and the rear side of the
コントローラ8は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、その入力側には加速度センサ7F,7Rが接続されている。また、コントローラ8の出力側には、鉄道車両1の前側と後側にそれぞれ配置された2個の左右動ダンパ6F,6Rが接続されている。そして、コントローラ8は、加速度センサ7F,7Rからの検出信号に基づいて、車体2の中に乗車している立位の乗客P0の運動を低減させるように左右動ダンパ6iの減衰力指令信号を生成し、左右動ダンパ6iの減衰力を制御する。
The
具体的には、コントローラ8は、加速度センサ7F,7Rが出力する加速度の検出信号から車体2の中に乗車している立位の乗客P0の運動を取得する。そして、コントローラ8は、後述の制御則に従って左右動ダンパ6iが発生すべき制御力uを演算し、左右動ダンパ6iのソレノイドに指令電流を流す。これにより、左右動ダンパ6iに任意の減衰力を発生させて車体2の左右方向の振動を制御し、車体2に乗車している立位の乗客P0の運動を低減させることができる。即ち、立位の乗客P0の乗り心地を向上させることができる。
Specifically, the
次に、前述した構成を有する鉄道車両1において、加速度センサ7iの出力に基づいて、左右動ダンパ6iの減衰力を制御するときの制御則について説明する。
Next, a control rule for controlling the damping force of the left and right
本発明の第1の実施の形態における鉄道車両1の運動モデルを図2に示す。第1の実施の形態においては鉄道車両1を、図2に示すような左右の運動方向のみに着目した1/2車体モデルで近似する。
FIG. 2 shows a motion model of the
図2中の紙面奥行き方向が本モデルの進行方向であり、車体2の左右方向にY軸をとっている。本モデルでは、車体2の弾性振動は考慮せず、車体2および台車3F,3Rはいずれも剛体として扱う。
The depth direction of the paper surface in FIG. 2 is the traveling direction of this model, and the Y axis is taken in the left-right direction of the
モデリングで用いる主な記号は、以下の表1に示す通りである。なお、式中のドットは、時間tによる1階微分(d/dt)を意味する。ドットが2つであれば2階微分(d2/dt2)を意味する。 The main symbols used in modeling are as shown in Table 1 below. In addition, the dot in a type | formula means the 1st-order differentiation (d / dt) by time t. If there are two dots, it means second order differentiation (d 2 / dt 2 ).
まず、車両1のモデリングについて説明する。車体2と台車3iの運動方程式は次式で表される。
First, modeling of the
これらから、次の状態方程式が得られる。 From these, the following equation of state is obtained.
次に、立位の人体(乗客P0)が無意識に行うバランスを取る制御や、人体の運動について説明する。 Next, control that takes the balance unconsciously performed by the standing human body (passenger P0) and movement of the human body will be described.
立位の人体の運動モデルは、例えば技術文献1(杉原知道,「最良重心−ZMPレギュレータに基づく二脚運動の立位可安定性と踏み出し」,第14回ロボティクスシンポジウム,pp.435-440)に記載されたように、例えば人体の重心xまわりに発生するトルクとゼロモーメントポイントxz周りに発生するトルクに着目した図3のような運動モデルで表現される。 The motion model of the standing human body is, for example, Technical Document 1 (Tomochi Sugihara, "Best Center of Gravity-Standing Stability and Stepping of Biped Motion Based on ZMP Regulator", 14th Robotics Symposium, pp.435-440) 3, for example, it is expressed by a motion model as shown in FIG. 3 paying attention to the torque generated around the center of gravity x of the human body and the torque generated around the zero moment point xz .
ここで、ゼロモーメントポイント(以下、ZMPという)とは、左右の足裏にかかる圧力(床反力)の圧力中心、即ち、左右の足裏にかかる力を1つの力に置き換えて考えるときに、仮想的に力がかかっているとみなされる点(作用点)のことをいう。ZMPの位置は、左右の足の位置内[xzmin,xzmax]に拘束される。ZMPにおける力のつり合いの方程式は、次式で表される。 Here, the zero moment point (hereinafter referred to as ZMP) is the center of pressure of the pressure (floor reaction force) applied to the left and right soles, that is, when the force applied to the left and right soles is replaced with one force. This refers to the point (action point) that is considered to be virtually applied with force. The position of ZMP is constrained within the positions of the left and right feet [x zmin , x zmax ]. The equation of force balance in ZMP is expressed by the following equation.
また、人体の重心回りの運動方程式は、次式で表される。 The equation of motion around the center of gravity of the human body is expressed by the following equation.
数5の式に、数4の式を代入すると、数6の式のようになる。
Substituting the equation of
ここで、xは左右方向の重心の位置、xzは左右方向のZMPの位置、zは重心の上下方向の位置、zzは上下方向のZMPの位置、gは重力加速度、mは立位乗客P0の質量、Iyは立位乗客P0の慣性モーメントである。また、ωを次式で定義する。 Here, x is the position of the center of gravity in the left-right direction, x z is the position of the ZMP in the left-right direction, z is the position of the center of gravity in the up-and-down direction, z z is the position of the ZMP in the up-and-down direction, g is gravitational acceleration, and m is the standing position. mass passenger P0, the I y is the moment of inertia of standing passengers P0. Also, ω is defined by the following equation.
これにより、人間の左右運動に関する運動方程式は、次式で表される。 As a result, the equation of motion related to the left-right motion of the human is expressed by
図2で示したように、左右方向のみにしか変位しない車体2上に人間が存在すると仮定すると、zは一定、かつ、zz=0と仮定できる。この仮定に基づいて、人間の左右運動に関して次の状態方程式を得ることができる。
As shown in FIG. 2, if it is assumed that a human is present on the
続いて、立位の人間がバランスをとるために無意識に行っている姿勢制御について、技術文献1を参考に検討する。
Next, the posture control that is performed unconsciously by a standing human being to balance is examined with reference to the
重心およびZMPは、人間がバランスを取る動作の中で位置が変化していくものである。このため、固定点(重心参照点)xrefを基準に人間の動きを検討できるように、重心およびZMPの位置を重心参照点xrefに対する相対位置として次式の通りに定義し直す。但し、重心参照点xrefは、人体が直立して静止している場合の人体の重心位置にとる。 The position of the center of gravity and the ZMP change while the human balances. For this reason, the positions of the center of gravity and the ZMP are redefined as relative positions with respect to the center of gravity reference point x ref as follows so that human movement can be examined based on the fixed point (center of gravity reference point) x ref . However, the center-of-gravity reference point x ref is set at the position of the center of gravity of the human body when the human body is standing upright and stationary.
続いて、ZMPを、ゲインk1,k2を用いて次のように定義する。 Subsequently, ZMP is defined as follows using gains k 1 and k 2 .
数11の式中の左辺部分(χzの上に「〜」が付されたもの)を模擬ZMPと呼ぶ。数11の式によると、人体の重心xが重心参照点xrefから離れているほど模擬ZMPは人体の重心xと反対側の位置に設定されることを意味する。即ち、模擬ZMPはχ−χzをゼロに近付ける方向に定義される。
The left-hand side part of the equation (11) (where “˜” is added on χ z ) is called a simulated ZMP. According to the
数8、数10の式より、χ−χzがゼロに近付くことは人間の左右方向の加速度(横加速度)がゼロに近付くことを意味する。即ち、模擬ZMPは、立位の人間がバランスを取るために無意識に行っている姿勢制御を簡易的に表現したものである。 From the equations (8) and (10), the fact that χ−χ z approaches zero means that the human lateral acceleration (lateral acceleration) approaches zero. That is, the simulated ZMP is a simple representation of posture control that is performed unconsciously by a standing person in order to balance.
但し、この模擬ZMPは、ZMPの位置が左右の足の位置内[xzmin,xzmax]に拘束されることが考慮されておらず、必ずしも実際の支持状態と一致しない。そのため、ZMPの拘束条件を考慮し、ZMPを次のように表す。 However, this simulated ZMP does not consider that the position of the ZMP is constrained within the positions of the left and right feet [x zmin , x zmax ], and does not necessarily match the actual support state. Therefore, the ZMP is expressed as follows in consideration of the constraint condition of the ZMP.
これが、立位の人間がバランスをとるために無意識に行っている姿勢制御を、数式上で表現する場合に、操作目標(目標ZMP)となる値である。人間が無意識に行うバランス制御は、実ZMPを目標ZMPに追従させるようなフィードバック制御と見ることができる。このフィードバックが成立しているとき、数9、数10、数11、数12の式から重心のダイナミクスは、次の状態方程式で表される自律システムとなる。 This is a value that becomes an operation target (target ZMP) when the posture control that is performed unconsciously by a standing person in order to balance is expressed in a mathematical expression. Balance control performed unconsciously by humans can be regarded as feedback control that causes the actual ZMP to follow the target ZMP. When this feedback is established, the dynamics of the center of gravity from the equations (9), (10), (11), and (12) becomes an autonomous system expressed by the following equation of state.
状態S2における極をωq1,ωq2に配置すると、k1,k2は次のように表される。 When the poles in the state S2 are arranged at ωq 1 and ωq 2 , k 1 and k 2 are expressed as follows.
支持状態を変えない乗客P0にとっては、重心の参照位置xrefは、車体変位y2となる。そのため、数13の式の外乱は、車体の左右加速度となる。 For the passengers P0 without changing the supporting condition, the reference position x ref of the center of gravity is a vehicle body displacement y 2. Therefore, the disturbance in the equation (13) is the lateral acceleration of the vehicle body.
次に、図1、図2の構成を有する鉄道車両1において、加速度センサ7iの出力から左右動ダンパ6iの減衰力を制御する際の制御則について説明する。
Next, a control rule for controlling the damping force of the left and right
数3の式で表される車体2の状態方程式と、数13の式で表される姿勢制御を含む人体の状態方程式とを組み合わせてまとめると、次の状態方程式が得られる。
When the state equation of the
続いて、LQ制御に基づいて、この状態方程式を用いて制御則を導出する。このとき、例えば状態方程式に対して次の式で表せる評価関数Jを最小にするように、状態フィードバックKを与えてあげればよい。 Subsequently, a control law is derived using this state equation based on LQ control. At this time, for example, the state feedback K may be given so as to minimize the evaluation function J that can be expressed by the following equation with respect to the state equation.
但し、数16および数17の式中のベクトルpは、以下の通りとする。 However, the vector p in the equations 16 and 17 is as follows.
そして、数17の式が人体と車体2の振動を制御するための制御器である。以上の制御則によれば、制御対象を車体2の左右振動と、車体2上で立位姿勢を保とうと体を動かすことも考慮された乗客P0とし、各左右動ダンパ6iの制御力uを決定するため、車体2の左右振動の抑制と立位乗客P0にとっての乗り心地向上を両立させることができる。
Equation 17 is a controller for controlling the vibrations of the human body and the
なお、状態フィードバックKは前述のLQ制御に限らず、LQG制御やH∞制御等の各種制御理論から求めてよい。 The state feedback K is not limited to the above-described LQ control, but may be obtained from various control theories such as LQG control and H∞ control.
次に、第1の実施の形態における制御系の構成について、制御系のブロック図を図4に示す。 Next, FIG. 4 shows a block diagram of the control system with respect to the configuration of the control system in the first embodiment.
車両1には軌道狂いや横風などの外乱と制御サスペンション(左右動ダンパ6i)による制御力uが入力され、乗客P0には車体2の左右方向の加速度が入力される。また、コントローラ8は、車両挙動を取得する車両挙動取得手段9、車両挙動取得手段9で取得した車体2の挙動を基に立位乗客P0の挙動を推定する立位乗客挙動推定用のオブザーバ10、乗客P0と車体2の振動を低減するための制御演算を行う制御器11を備える。
A disturbance such as a trajectory error or a crosswind and a control force u by the control suspension (left-right motion damper 6 i ) are input to the
前述した加速度センサ7F,7Rを含めて車両挙動を演算する部分が車両挙動取得手段9に相当し、数13の式を演算する部分が立位乗客挙動推定用のオブザーバ10に相当する。即ち、オブザーバ10が、車両1の動きから車体2に乗車している立位乗客P0の重心変動を推定する重心変動推定手段を構成している。数17の式を演算する部分が振動を抑制するための制御器11である。このように、本発明の特徴は、立位の乗客P0がバランスを取る動きを推定するオブザーバ10を備えたことにある。また、本発明の特徴は、オブザーバ10に、立位の乗客が無意識に行っているバランスを取るための制御を組み込んだことにある。
The portion for calculating the vehicle behavior including the acceleration sensors 7 F and 7 R described above corresponds to the vehicle behavior acquisition means 9, and the portion for calculating the equation (13) corresponds to the
次に、上述した制御則における振動制御の効果を確認するために、レールの分岐点を通過するときの乗客P0および車体2の左右方向(横方向)加速度をシミュレーションに基づいて検討した。その結果を図5乃至図7に示す。ここで、図5は乗客P0の左右方向の加速度を示し、図6は車体2の左右方向の加速度(横加速度)を示し、図7は左右動ダンパ6iに対する制御入力を示している。シミュレーション結果における破線は、比較例として、車体の振動のみの低減を狙った制御則(スカイフック制御)によるものであり、実線は本発明を適用した場合の制御則によるものである。それぞれ左右動ダンパ6iは、任意の制御力uを発生可能なアクティブサスペンションと仮定した。
Next, in order to confirm the effect of the vibration control in the above-mentioned control law, the left and right (lateral) accelerations of the passenger P0 and the
図6に示すように、車体2の左右方向の加速度(横加速度)の最大値は、本発明と比較例で同等である。一方、図5に示すように、本発明のほうが、比較例に比べて、乗客P0の左右方向の加速度の最大値が20〜30%低減できている。また、図7に示すように、図5、図6の制御効果を少ない制御力uで得られていることが分かる。
As shown in FIG. 6, the maximum value of the lateral acceleration (lateral acceleration) of the
以上より、人間が無意識に行うバランスを取る制御を考慮することで、車体2の運動と人間(立位乗客P0)の乗り心地を向上することができることが分かる。
From the above, it can be seen that the movement of the
かくして、第1の実施の形態では、コントローラ8は、車両1の動きから立位乗客P0の挙動を推定する立位乗客挙動推定用のオブザーバ10を備え、このオブザーバ10による推定値と加速度センサ7F,7Rの検出値とに基づいて制御指令を求めた。このため、立位の乗客P0がバランスを取る動きを考慮して、車体2の左右方向の振動を制御することができ、立位の乗客P0の乗り心地を向上させることができる。
Thus, in the first embodiment, the
即ち、第1の実施の形態では、従来の車体2の運動方程式に加えて、人間が無意識に行うバランスを取る制御を考慮することで、車体2の運動と人間の乗り心地の両方を向上することができる。
That is, in the first embodiment, in addition to the conventional equation of motion of the
なお、第1の実施の形態では、数6の式から数8の式を導出する過程で、人体の重心周りの傾きθyの変化率(d2θy/dt2)をゼロと仮定し、人体の左右方向のみの運動に着目した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、人体の傾きを考慮して人体の運動を定義してもよい。 In the first embodiment, in the process of deriving the equation (8) from the equation ( 6 ), it is assumed that the change rate (d 2 θy / dt 2 ) of the inclination θy around the center of gravity of the human body is zero. We focused on the movement only in the left-right direction. However, the present invention is not limited to this, and the movement of the human body may be defined in consideration of the inclination of the human body.
さらに、第1の実施の形態では、人間が無意識に行うバランス制御をZMPという指標を基に定義したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば人間がバランスを取るための動作パターンを予め計算しておく方法等のように、人間がバランスを取るための動作を予測できるものであれば、いかなる方法を用いてもよい。 Furthermore, in the first embodiment, the balance control that is unconsciously performed by humans is defined based on an index called ZMP. However, the present invention is not limited to this. For example, an operation pattern for humans to balance is defined in advance. Any method may be used as long as it can predict an action for a person to balance, such as a method of calculating.
次に、図8および図9は本発明の第2の実施の形態を示している。第2の実施の形態の特徴は、車体の前方と後方の各点に乗客が立っていることを前提に運動方程式およびオブザーバを構築し、各乗客の乗り心地を向上させるように制御器を構成したことにある。なお、第2の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 8 and FIG. 9 show a second embodiment of the present invention. The feature of the second embodiment is that the controller is configured to improve the riding comfort of each passenger by constructing an equation of motion and an observer on the assumption that passengers are standing at the front and rear points of the vehicle body. It is to have done. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第2の実施の形態による鉄道車両21は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ22等を備える。
但し、コントローラ22は、後述の制御則に従って、加速度センサ7F,7Rによって検出した加速度に基づいて、左右動ダンパ6F,6Rが発生すべき制御力uを演算し、左右動ダンパ6F,6Rに任意の減衰力を発生させる。この点で、第1の実施の形態によるコントローラ8とは異なる。
However, the
次に、第2の実施の形態による鉄道車両21において、加速度センサ7F,7Rの出力に基づいて、左右動ダンパ6F,6Rの減衰力を制御するときの制御則について説明する。
Next, a control rule for controlling the damping force of the left and right
第2の実施の形態における鉄道車両21の運動モデルを図9に示す。第2の実施の形態では、図8の構成の鉄道車両21を、左右の運動方向のみに着目した1/1車体モデルで近似する。1/1車両モデルを用いると、車両1のスェー、ヨー、車両前端部の乗客P0、車両後端部の乗客P0の振動を考慮することができる。
FIG. 9 shows a motion model of the
なお、本モデルにおいても、第1の実施の形態と同様に、車体2の弾性振動は考慮せず、車体2および台車3iはいずれも剛体として扱う。また、モデリングで用いる主な記号は表2に示す通りである。
Also in this model, as in the first embodiment, the elastic vibration of the
まず、車両21のモデリングについて説明する。図8と図9の車体2と台車3iの運動方程式に基づいて、次の状態方程式を得られる。
First, modeling of the
数19に示す車体2の状態方程式に、数13に示す姿勢制御を含む人体の状態方程式を組み合わせることによって、次の状態方程式を得る。
The following equation of state is obtained by combining the equation of state of the
ここで、S1Fは車体2の前側に乗っている乗客P0についての拘束条件であり、S1Rは車体2の後側に乗っている乗客P0についての拘束条件である。S1F,S1Rは、数12の式で定義した状態S1の範囲である。同様に、S2F,S2Rは、数12の式で定義した状態S2の範囲であり、S3F,S3Rは、数12の式で定義した状態S3の範囲である。
Here, S1F is a constraint condition for the passenger P0 riding on the front side of the
第1の実施の形態と同様に、この状態方程式を用いて制御則を導出するためには、例えば、状態方程式に対して数16の式で表せる評価関数Jを最小にするように、数17の式に示す状態フィードバックKを与えてあげればよい。但し、数16および数17中のベクトルpは、以下の通りとする。そして、数17の式が人体(乗客P0)と車体2の振動を制御するための制御器である。また、第2の実施の形態によるコントローラ22でも、第1の実施の形態と同様に、数13の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。
As in the first embodiment, in order to derive the control law using this state equation, for example, the evaluation function J that can be expressed by the equation 16 is minimized with respect to the equation 17 What is necessary is just to give the state feedback K shown to the type | formula. However, the vector p in the equations 16 and 17 is as follows. The equation (17) is a controller for controlling the vibrations of the human body (passenger P0) and the
以上の制御則によれば、制御対象を車体2のヨー、スウェーと、車体2上で立位姿勢を保持しようと体を動かすことも考慮された車両前側および車両後側の乗客P0とし、各左右動ダンパ6iの制御力uを決定する。このため、車体2の振動モードの抑制と、立位乗客P0にとっての乗り心地向上を両立することができる。
According to the above control law, the control targets are the yaw and sway of the
かくして、第2の実施の形態では、第1の実施の形態による車体2の運動方程式に加えて、車体2の前側と後側のそれぞれにおいて、人間が無意識に行うバランスを取る制御を考慮することで、車体2の運動と人間(立位乗客P0)の乗り心地の両方を乗客P0の乗車位置に拘らず向上することができる。
Thus, in the second embodiment, in addition to the equation of motion of the
次に、図10ないし図13は本発明の第3の実施の形態を示している。第3の実施の形態の特徴は、車体の左右方向の動きと上下方向の動きの両方を用いて、立位の乗客の運動を抑えることにある。なお、第3の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIGS. 10 to 13 show a third embodiment of the present invention. A feature of the third embodiment resides in that the movement of the standing passenger is suppressed by using both the left-right movement and the vertical movement of the vehicle body. Note that in the third embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第3の実施の形態による鉄道車両31は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右方向の減衰力(制御力uy)を発生する左右動ダンパ6F,6R、左右方向の加速度を検出する加速度センサ7F,7R、コントローラ34等を備える。これに加えて、鉄道車両31は、車体2の上下方向の振動を抑えるための制御力uzを発生させる制御ダンパとしての減衰力可変ダンパ32FL,32FR,32RL,32RR(以下、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRという)と、車体2の右側および左側に配置されローリングやバウンシング等の車体2の上下方向の加速度を検出する加速度センサ33L,33Rとを備える。
The
上下動ダンパ32FL,32FRは、前側の台車3Fの左側と右側にそれぞれ位置して、車体2と台車3Fとの間に設けられる。上下動ダンパ32RL,32RRは、後側の台車3Rの左側と右側にそれぞれ位置して、車体2と台車3Rとの間に設けられる。これらの上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRは、左右動ダンパ6iとほぼ同様に、減衰力を個別に調整可能なシリンダ装置(例えば、セミアクティブダンパと呼ばれる減衰力調整式の油圧緩衝器)を用いて構成される。このため、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRは、例えば比例ソレノイド等からなる減衰力調整バルブ(図示せず)を備え、この減衰力調整バルブは、車体2の振動を低減するため減衰力特性をハードな特性とソフトな特性との間で任意な特性に調整する。
Vertically moving the damper 32 FL, 32 FR is positioned respectively on the left and right side of the
即ち、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRは、ローリングやバウンシング等のような車体2の上下方向の振動を緩衝して低減させるように、後述のコントローラ34から出力される制御信号(指令電流)に従って減衰力が可変に制御される。これにより、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRは、車体2の上下方向の振動を抑えるための制御力uzを発生させる。
That is, the vertical motion dampers 32 FL , 32 FR , 32 RL , 32 RR are controls output from a
なお、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRは、ハードな特性とソフトな特性との間で減衰力特性を連続的に調整する構成でもよく、2段階または複数段階で調整可能な構成であってもよい。以下では、上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRを総称するときには、上下動ダンパ32ijという。 The vertical motion dampers 32 FL , 32 FR , 32 RL , 32 RR may be configured to continuously adjust the damping force characteristics between the hard characteristics and the soft characteristics, and can be adjusted in two or more stages. It may be a simple configuration. Hereinafter, the vertical motion dampers 32 FL , 32 FR , 32 RL , and 32 RR will be collectively referred to as the vertical motion damper 32 ij .
加速度センサ33L,33Rは、例えば車体2の進行方向の中央付近に位置して左側と右側にそれぞれ配設される。これらの加速度センサ33L,33Rは、ローリングやバウンシング等の車体2の上下方向の運動を検出する。このとき、加速度センサ33L,33Rは、加速度センサ7F,7Rと共に、車体2の振動を検出する振動検出手段を構成する。以下では、加速度センサ33L,33Rを総称するときには、加速度センサ33jという。
The acceleration sensors 33 L and 33 R are located, for example, near the center in the traveling direction of the
コントローラ34は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、その入力側には加速度センサ7F,7Rおよび加速度センサ33L,33Rが接続されている。また、コントローラ34の出力側には、鉄道車両31に設けられた2個の左右動ダンパ6F,6Rと4個の上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRが接続されている。そして、コントローラ34は、加速度センサ7iが出力する左右方向の加速度と、加速度センサ33jが出力する上下方向の加速度とに基づいて、車体2の中に乗車している立位の乗客P0の発生する力や運動を得て、後述の制御則に従って左右動ダンパ6iと上下動ダンパ32ijが発生すべき制御力uy,uzを演算し、各ダンパ6i,32ijに任意の減衰力を発生させる。
The
次に、第3の実施の形態による鉄道車両31において、加速度センサ7F,7R,33L,33Rの出力に基づいて、左右動ダンパ6F,6Rの減衰力と上下動ダンパ32FL,32FR,32RL,32RRの減衰力とを制御するときの制御則について説明する。
Next, in the
第3の実施の形態における鉄道車両31の運動モデルを図11に示す。第3の実施の形態では、図10の鉄道車両31を、車体2の左右方向とロール方向に着目した1/2車体モデルで近似する。モデリングで用いる主な記号は表3の通りである。
FIG. 11 shows a motion model of the
まず、車両31のモデリングについて説明する。図11の車体2と台車3iの運動方程式は次式で表される。
First, modeling of the
これらから、次の状態方程式が得られる。 From these, the following equation of state is obtained.
次に、立位の人体(乗客P0)が無意識に行うバランスを取る制御や、人体の運動について説明する。第3の実施の形態では、人間が無意識に行うバランス制御を台車型倒立振子の制御に置き換えて説明する。 Next, control that takes the balance unconsciously performed by the standing human body (passenger P0) and movement of the human body will be described. In the third embodiment, the balance control that is performed unconsciously by humans is replaced with the control of a cart-type inverted pendulum.
図12に示すような平面内に拘束された台車型倒立振子の運動方程式は、台車P2の質量が無視できるという仮定の元に、次式で表される。 The equation of motion of the cart-type inverted pendulum constrained in the plane as shown in FIG. 12 is expressed by the following equation on the assumption that the mass of the cart P2 can be ignored.
但し、θは倒立振子P1と鉛直軸とのなす角であり、Lは軸長であり、xcは水平軸上の台車P2の位置である。先端位置[x,z]は次式で表される。 However, theta is the angle between the vertical axis and the inverted pendulum P1, L is the axial length, x c is the position of the carriage P2 on the horizontal axis. The tip position [x, z] is expressed by the following equation.
数28、数29の式を数27に代入すると、次式のようになる。 Substituting Equations 28 and 29 into Equation 27 gives the following equation.
また、θは十分小さい値と仮定すると、数28および数29に基づいて、θとzは以下のように近似することができる。 Assuming that θ is a sufficiently small value, θ and z can be approximated as follows based on Equations 28 and 29.
これらを数30の式に代入すると、次式を得る。 Substituting these into the formula 30 yields the following formula.
ここで、数33の式と第1の実施の形態における数8の式が同じ形をしていることが分かる。即ち、ZMPxzを台車P2の位置xcに置き換えて考えることで、人間のバランスに関する問題は、台車型倒立振子のバランス問題と考えることができる。 Here, it can be seen that the equation (33) and the equation (8) in the first embodiment have the same shape. That is, by considering replacing ZMPx z to the position x c of the carriage P2, the problem with human balance, can be considered as carriage inverted pendulum balance problems.
次に、車体2の上に乗っている乗客P0のバランス制御を、台車型倒立振子の制御として検討するために、傾斜路面上での台車型倒立振子の制御について図13に示すような台車型倒立振子モデルにおいて検討する。
Next, in order to examine the balance control of the passenger P0 riding on the
図13において台車P2の質量が無視でき、また、振子P1の回転部(台車P2上の振子P1の支持部)に粘性が存在しないと仮定すると、システムの運動エネルギーK、位置エネルギーP、散逸関数Vは、次式に示すようになる。但し、式中の主な記号は、表4に示す通りである。 Assuming that the mass of the cart P2 is negligible in FIG. 13 and that there is no viscosity in the rotating part of the pendulum P1 (supporting part of the pendulum P1 on the cart P2), the kinetic energy K, potential energy P, and dissipation function of the system V is as shown in the following equation. However, main symbols in the formula are as shown in Table 4.
また、このシステムに対するラグランジュ方程式は、次のようになる。 The Lagrangian equation for this system is:
φがほぼ0であるとして、数34、数35、数36の式を、数37、数38の式に代入して原点近傍で線形化して整理すると、次の状態方程式が得られる。
Assuming that φ is substantially 0, the following equation of state is obtained by substituting the equations of
また、操作量fは、φとθがいずれもほぼ0である場合に、次の運動方程式で近似できる。 The manipulated variable f can be approximated by the following equation of motion when both φ and θ are substantially zero.
よって、式39の式は、次式にまとめられる。 Therefore, the equation 39 is summarized as the following equation.
第1の実施の形態と同様に、台車型倒立振子の台車P2の位置を、参照点xrefに対する相対位置として次式の通りに定義し直す。 Similar to the first embodiment, the position of the carriage P2 of the carriage-type inverted pendulum is redefined as a relative position with respect to the reference point xref as follows.
すると、数41の式は、以下のように表すことができる。
Then,
続いて、台車位置χcを、ゲインkを用いて次のように定義する。 Subsequently, the carriage position χ c is defined as follows using the gain k.
このχcを模擬台車位置と呼び、立位の人体がバランスを取るために無意識に行っている姿勢制御を、台車方倒立振子を用いて模擬したものである。 This χ c is called a simulated trolley position, and the posture control that is unconsciously performed to balance the standing human body is simulated using a trolley-side inverted pendulum.
ZMPの制御と台車型倒立振子の制御と等価とみなすには、台車型倒立振子の制御においても模擬台車位置を人間の左右の足の位置[xcmin,xcmax]に拘束する必要がある。拘束条件および数44の式を考慮すると、数43の式は、次の状態方程式となる。 In order to regard the ZMP control and the cart-type inverted pendulum control as equivalent, it is necessary to constrain the simulated cart position to the positions [x cmin , x cmax ] of the human right and left legs also in the cart-type inverted pendulum control. Considering the constraint condition and the formula 44, the formula 43 is the following state equation.
数45の式で定義した人体の状態方程式と、数26の式で定義した車体の状態方程式とをy2=xref,θ2=φとしてまとめる。例えばLQ制御によれば、これらから得た制御器用の状態方程式に対して、第1の実施の形態と同様に、数16の式で表される評価関数Jを最小にするように、数17の式における状態フィードバックKを与えてあげればよい。そして、数17の式が人体(乗客P0)と車体2の振動を制御するための制御器である。
The state equation of the human body defined by Expression 45 and the state equation of the vehicle body defined by Expression 26 are summarized as y 2 = x ref and θ 2 = φ. For example, according to the LQ control, for the controller state equation obtained from these, as in the first embodiment, the evaluation function J represented by the equation 16 is minimized so that the equation 17 is satisfied. The state feedback K in the above equation may be given. The equation (17) is a controller for controlling the vibrations of the human body (passenger P0) and the
以上の制御則によれば、制御対象を左右方向とロール方向に自由度を持つ車体2と、この車体2上で立位姿勢を保とうと体を動かすことも考慮された乗客P0とし、上下動ダンパ32ijおよび左右動ダンパ6iの制御力uz,uyを決定する。このため、車体2の左右動およびロールの制御と、立位乗客P0にとっての乗り心地向上を両立することができる。特に、第3の実施の形態では、上下動ダンパ32ijおよび左右動ダンパ6iの両方を用いて、立位乗客P0にとっての乗り心地向上を図ることができる。
According to the above control law, the object to be controlled is the
なお、数45の式は、拘束条件毎に次数が異なる式となっている。実際に制御装置に組み込む際には次数を統一するために、例えば数40の式を数46の式のように記述し、数45の式を次数のそろった形として数47の式にまとめてもよい。 In addition, the formula of Formula 45 is a formula with different orders for each constraint condition. In order to unify the orders when actually incorporating them into the control device, for example, the formula 40 is described as the formula 46, and the formula 45 is compiled into the formula 47 as a uniform form. Also good.
このとき、Aの値は、A≒0とみなせる値で、かつ0による割り算によって演算が破綻することのない程度の大きさのものを選定する。 At this time, the value of A is selected to be a value that can be regarded as A≈0 and large enough that the operation does not fail by division by zero.
第3の実施の形態によるコントローラ34では、数45または数47の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。
In the
かくして、第3の実施の形態でも、第1の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第3の実施の形態では、車体の上下方向と左右方向の両方の動きを同時に制御することから、第1の実施の形態と比較して、人体の運動量低減において高い効果を得ることができる。 Thus, in the third embodiment, it is possible to obtain the same operational effects as in the first embodiment. Further, in the third embodiment, since both the vertical and lateral movements of the vehicle body are controlled simultaneously, it is possible to obtain a high effect in reducing the amount of movement of the human body as compared with the first embodiment. it can.
なお、第3の実施の形態では、第1の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態に適用してもよい。 In the third embodiment, the case of applying to the first embodiment has been described as an example. However, the third embodiment may be applied to other embodiments.
次に、図10および図14は本発明の第4の実施の形態を示している。第4の実施の形態の特徴は、立位の人間がバランスを取るために無意識に行っている姿勢制御を、ばね要素と減衰要素に支えられた倒立振子として模擬したことにある。なお、第4の実施の形態では、前述した第3の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 10 and FIG. 14 show a fourth embodiment of the present invention. The feature of the fourth embodiment is that the posture control that a standing person unconsciously performs to balance is simulated as an inverted pendulum supported by a spring element and a damping element. Note that in the fourth embodiment, the same components as those in the third embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第4の実施の形態による鉄道車両41は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右方向の減衰力を発生する左右動ダンパ6F,6R、左右方向の加速度を検出する加速度センサ7F,7R、コントローラ42等を備える。但し、コントローラ42は、図14に示す人体モデルを前提に左右動ダンパ6F,6Rを制御する。この点で、第1の実施の形態と異なる。
The
次に、立位の人体(乗客P0)が無意識に行うバランスを取る制御や、人体の運動について説明する。第4の実施の形態では、人間が無意識に行うバランス制御をばね要素Sと減衰要素Dに支えられた倒立振子P1の制御に置き換えて説明する。図14の運動モデルにおける力の釣り合いは、次式に示す通りとなる。但し、式中の主な記号は、表5に示す通りである。 Next, control that takes the balance unconsciously performed by the standing human body (passenger P0) and movement of the human body will be described. In the fourth embodiment, balance control performed unconsciously by humans will be described by replacing it with control of an inverted pendulum P1 supported by a spring element S and a damping element D. The balance of forces in the motion model of FIG. 14 is as shown in the following equation. However, main symbols in the formula are as shown in Table 5.
数49、数50の式は、それぞれ次のようにまとめられる。 The expressions of Equations 49 and 50 are summarized as follows.
数51、数52の式を数48の式に代入して、次の状態方程式を得る。
Substituting
数53の式で定義した人体の状態方程式と、数3、数18、数26の式等で定義した車体2の状態方程式とをまとめる。例えばLQ制御によれば、これらから得た制御器用の状態方程式に対して、第1の実施の形態と同様に、数16の式で表される評価関数Jを最小にするように、数17の式における状態フィードバックKを与えてあげればよい。そして、数17の式が人体(乗客P0)と車体2の振動を制御するための制御器である。第4の実施の形態によるコントローラ42では、数53の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。
The state equation of the human body defined by Equation 53 and the state equation of the
以上の制御則によれば、制御対象を車体2と車体2上で振子P1に例えられた立位姿勢を保とうとする乗客P0とし、左右動ダンパ6iの制御力uを決定する。このため、車体2の振動制御と、立位乗客P0にとっての乗り心地向上を両立させることができる。
According to the above control law, the control target is the
なお、第4の実施の形態では、第3の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、第1,第2の実施の形態に適用してもよい。 In the fourth embodiment, the case of applying to the third embodiment has been described as an example. However, the fourth embodiment may be applied to the first and second embodiments.
次に、図15ないし図18は本発明の第5の実施の形態を示している。第5の実施の形態の特徴は、乗客が進行方向に限らず任意の方向を向いて立っていることを前提に、人体の動きをモデル化することにある。なお、第5の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIGS. 15 to 18 show a fifth embodiment of the present invention. The feature of the fifth embodiment is that the movement of the human body is modeled on the assumption that the passenger stands not only in the traveling direction but also in any direction. In the fifth embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第5の実施の形態による鉄道車両51は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ52等を備える。但し、コントローラ52は、図17および図18に示す人体モデルを前提に左右動ダンパ6F,6Rを制御する。この点で、第1の実施の形態と異なる。
第1の実施の形態では、図1および図3に示すように、乗客P0が車両の進行方向を向いて立っていることを前提に人体の左右方向の動きをZMPでモデル化した。これに対し、第5の実施の形態では、例えば図15および図17に示すように、乗客P0が進行方向に対して左側または右側を向いて立っていることを前提に、人体の前後方向の動きをZMPでモデル化する。 In the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the movement of the human body in the left-right direction is modeled by ZMP on the assumption that the passenger P0 is standing in the traveling direction of the vehicle. On the other hand, in the fifth embodiment, for example, as shown in FIGS. 15 and 17, on the assumption that the passenger P0 stands on the left side or the right side with respect to the traveling direction, Model the movement with ZMP.
第1の実施の形態では、ZMPの拘束条件を図3に示すように、人間の左右の足の位置としていた。これに対し、第5の実施の形態では、図17中のモデルに示すように、ZMPの拘束条件を人体のつま先から踵までとして定義する。 In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the ZMP constraint conditions are the positions of the left and right human legs. On the other hand, in the fifth embodiment, as shown in the model in FIG. 17, the constraint condition of ZMP is defined as from the toes of the human body to the heel.
具体的には、図17に示すように、人体が両足を揃えて立っている場合の拘束条件は、両足のつま先から踵までとなる。また、図18のように、人体が片方の足を踏み出して立っている場合の拘束条件は、前側の足つま先から後側の足の踵までとなる。 Specifically, as shown in FIG. 17, the constraint condition when the human body stands with both feet aligned is from the toes of both feet to the heel. In addition, as shown in FIG. 18, the constraint condition when the human body stands with one foot standing is from the front foot toe to the back foot heel.
このような拘束条件を適用することによって、第1の実施の形態による制御を、図15に示すように、乗客が進行方向に対して直交した左側または右側を向いて立っている場合にも適用できる。 By applying such constraint conditions, the control according to the first embodiment is also applied to a case where the passenger stands facing the left side or the right side perpendicular to the traveling direction as shown in FIG. it can.
なお、図18に示すように、人体が片方の足を踏み出して立っている状態は、乗客が進行方向と0度、90度以外の角度をなして立っていることと等価である。車体2の左右方向の揺れに対する乗客の安定性を向上するようにダンパの制御を行う場合には、乗客の前後方向の運動には注目しなくてよい。このため、斜めを向いて立っている乗客を、図18に示すような平面の運動モデルとして記述してよい。従って、乗客の向きに応じて拘束条件を変更することによって、第1の実施の形態による制御を、図16のように乗客が進行方向に対して斜め側を向いて立っている場合にも適用できる。即ち、進行方向を含めた任意の方向を向いて乗客が立っている場合にも、第5の実施の形態を適用することができる。
As shown in FIG. 18, the state where the human body stands on one foot is equivalent to the passenger standing at an angle other than 0 degrees and 90 degrees with respect to the traveling direction. When the damper is controlled so as to improve the stability of the passenger with respect to the left and right shaking of the
第5の実施の形態によるコントローラ52でも、第1の実施の形態と同様に、数13の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。また、第5の実施の形態では、第1の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態に適用してもよい。
Also in the
次に、図1は本発明の第6の実施の形態を示している。第6の実施の形態の特徴は、制御対象とする車両における立位乗客の「平均的な身長、体重、向いている方向」を制御に用いる人体のモデルとして用いることにある。なお、第6の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 1 shows a sixth embodiment of the present invention. The feature of the sixth embodiment resides in that the “average height, weight, direction facing” of standing passengers in a vehicle to be controlled is used as a human body model for control. Note that in the sixth embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第6の実施の形態による鉄道車両61は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ62等を備える。但し、コントローラ62は、立位乗客の「平均的な身長、体重、向いている方向」を制御に用いる人体のモデルとし、この人体モデルを前提に左右動ダンパ6F,6Rを制御する。この点で、第1の実施の形態と異なる。
Railway vehicle 61 according to the sixth embodiment, much like the
第1ないし第5の実施の形態では、1人または2人の人体(乗客P0)が特定の方向を向いていることを前提に乗客をモデル化した。これに対し、実際の鉄道車両においては異なる質量や身長を持つ複数の乗客が各々ばらばらの方向を向いて乗車している。 In the first to fifth embodiments, passengers are modeled on the assumption that one or two human bodies (passengers P0) are facing a specific direction. On the other hand, in an actual railway vehicle, a plurality of passengers having different masses and heights are riding in different directions.
第6の実施の形態では、制御対象とする車両61における立位乗客P0の「平均的な身長、体重、向いている方向」を制御に用いる人体のモデルとして用いる。例えば、制御対象とする車両61が通勤電車で、扉の近くに立位乗客P0が集中し、その多くが成人であったとする。そして、扉近くの立位乗客P0の多くが扉の方向、即ち進行方向と90度をなして立っているとする。 In the sixth embodiment, the “average height, weight, direction facing” of the standing passenger P0 in the vehicle 61 to be controlled is used as a human body model used for control. For example, it is assumed that the vehicle 61 to be controlled is a commuter train, standing passengers P0 are concentrated near the door, and many of them are adults. It is assumed that many standing passengers P0 near the door are standing 90 degrees with the direction of the door, that is, the traveling direction.
このような車両61では、人体モデルを乗客P0の平均身長と体重とし、また立位乗客P0の向きを図15のように定義することで、立位乗客P0の乗り心地を効果的に向上することができる。 In such a vehicle 61, the human body model is the average height and weight of the passenger P0, and the orientation of the standing passenger P0 is defined as shown in FIG. 15, thereby effectively improving the riding comfort of the standing passenger P0. be able to.
また、制御対象とする車両61がグリーン車などの指定席車両で、乗客P0が立位になるタイミングが車両61内を移動するときが主だったとする。このような車両61では立位乗客P0の向きを図1のように定義することで、立位乗客P0の乗り心地を効果的に向上することができる。 In addition, it is assumed that the vehicle 61 to be controlled is a reserved seat vehicle such as a green vehicle, and the timing when the passenger P0 is standing is mainly moved within the vehicle 61. In such a vehicle 61, by defining the direction of the standing passenger P0 as shown in FIG. 1, the riding comfort of the standing passenger P0 can be effectively improved.
なお、人体モデルは、前述したように車両61の種類に応じて決定してもよく、例えばカメラ等によって車両61内の立位乗客をモニタリングし、実際に乗車している立位乗客の「平均的な身長、体重、向いている方向」を特定してもよい。 Note that the human body model may be determined according to the type of the vehicle 61 as described above. For example, the standing passenger in the vehicle 61 is monitored by a camera or the like, and the “average” of standing passengers actually getting on the vehicle is measured. Specific height, weight, and direction ”may be specified.
第6の実施の形態によるコントローラ62でも、第1の実施の形態と同様に、数13の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。また、第6の実施の形態では、第1の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態に適用してもよい。 In the controller 62 according to the sixth embodiment, as in the first embodiment, the part that calculates the formula (13) corresponds to the gravity center variation estimation means. In the sixth embodiment, the case where the present invention is applied to the first embodiment has been described as an example. However, the sixth embodiment may be applied to other embodiments.
次に、図1は本発明の第7の実施の形態を示している。第7の実施の形態の特徴は、車体の横揺れの大きさや立位乗客の人数に合わせて、立位乗客の横揺れの低減のための制御ゲインと、車体の横揺れ低減のための制御ゲインとの重みを調整することにある。なお、第6の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 1 shows a seventh embodiment of the present invention. The feature of the seventh embodiment is that the control gain for reducing the rolling motion of the standing passenger and the control for reducing the rolling motion of the vehicle body according to the size of the rolling motion of the vehicle body and the number of standing passengers. It is to adjust the weight with the gain. Note that in the sixth embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第7の実施の形態による鉄道車両71は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ72等を備える。但し、コントローラ72は、車体2の横揺れや立位乗客P0の人数に合わせて、立位乗客P0の横揺れの低減のための制御ゲインと、車体2の横揺れ低減のための制御ゲインとの重みを調整する。この点で、第1の実施の形態と異なる。
The railway vehicle 71 according to the seventh embodiment is substantially the same as the
例えば高速鉄道車両においてトンネルを通過するときには、車体2への外乱入力が増加し、車体2の横揺れが大きく悪化する。このような場合は、人体の揺れの低減よりも車体2の横揺れの低減に左右動ダンパ6F,6Rの持てる力を集中する必要がある。また、乗車率が低く、立位乗客P0が見られないような車両においては、立位乗客P0の乗り心地を良くする必要はない。
For example, when passing through a tunnel in a high-speed railway vehicle, disturbance input to the
これらの点を考慮して、コントローラ72は、車体2の横揺れが通常より大きくなる場合や立位乗客P0が少ない場合に、立位乗客P0の横揺れの低減のための制御ゲインよりも、車体2の横揺れ低減のための制御ゲインの重みを増やす。
In consideration of these points, the controller 72 has a control gain for reducing the roll of the standing passenger P0 when the roll of the
具体的には、数16の式で表される評価関数Jでゲインを決定する際に、車体2と乗客P0の振動低減の重みの異なる複数通りのパラメータを準備しておく。そして、車体2の横揺れや立位乗客P0の人数に合わせて最適な重みのパラメータを選択する。
Specifically, when determining the gain with the evaluation function J expressed by the equation (16), a plurality of parameters having different weights for vibration reduction of the
なお、車体2の横揺れが通常より大きくなることの判定は、予め横揺れが大きくなる区間を記憶しておいてもよく、車体2の加速度センサ7iの情報から判断してもよい。また、立位乗客P0の有無の判定に関しても、車体2に設けた車重センサ(図示せず)によって推定してもよく、車体2の内部をカメラ(図示せず)等でモニタリングして直接測定してもよい。以上より、鉄道車両71の乗り心地を効果的に向上することができる。
The determination that the roll of the
第7の実施の形態によるコントローラ72でも、第1の実施の形態と同様に、数13の式を演算する部分が重心変動推定手段に相当する。また、第7の実施の形態では、第1の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態に適用してもよい。 Also in the controller 72 according to the seventh embodiment, as in the first embodiment, the part that calculates the equation (13) corresponds to the gravity center variation estimation means. Moreover, although the case where it applied to 1st Embodiment was mentioned as an example in 7th Embodiment, you may apply to another embodiment.
次に、図19は本発明の第8の実施の形態を示している。第8の実施の形態の特徴は、人体の横揺れを、可視化技術を用いて直接観察することにある。なお、第8の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 19 shows an eighth embodiment of the present invention. The feature of the eighth embodiment resides in directly observing the roll of the human body using a visualization technique. In the eighth embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第8の実施の形態による鉄道車両81は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ82等を備える。第1の実施の形態によるコントローラ8は、人体の横揺れをオブザーバ10で推定しているが、第8の実施の形態によるコントローラ82は、立位乗客P0の横揺れを例えばカメラ等の可視化技術を用いて直接観察する。この点で、第1の実施の形態と異なる。
Railway vehicle 81 according to the eighth embodiment, substantially the same manner as the
この場合、例えばカメラの画像から人体の横揺れを抽出し制御に利用する。コントローラ82は、図19のブロック図に示す構成になる。即ち、コントローラ82は、カメラ等の可視化装置と人体の挙動を解析する画像解析手段を含む立位乗客挙動取得手段83により直接的に人体の横揺れを測定する。このとき、立位乗客挙動取得手段83が、車両81に乗車している立位乗客P0が車両81の動きにより発生する反力を推定する重心変動推定手段を構成している。
In this case, for example, the roll of the human body is extracted from the image of the camera and used for control. The
以上により、人間の横揺れの測定精度が高まり、一層の乗り心地向上効果が期待できる。 As a result, the measurement accuracy of human roll increases, and a further improvement in riding comfort can be expected.
なお、ここでいう可視化技術とは、可視光を扱う光学カメラでもよく、超音波による立体物の測位や、赤外線等の不可視光を扱う光学カメラ等、乗客の動きを観察できるものであればいかなるものでもよい。 The visualization technique here may be an optical camera that handles visible light, as long as it can observe the movement of passengers, such as positioning a three-dimensional object using ultrasonic waves and an optical camera that handles invisible light such as infrared rays. It may be a thing.
なお、第8の実施の形態では、第1の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、他の実施の形態に適用してもよい。 In the eighth embodiment, the case where the present invention is applied to the first embodiment has been described as an example. However, the present embodiment may be applied to other embodiments.
次に、図19および図20は本発明の第9の実施の形態を示している。第9の実施の形態の特徴は、ZMPを直接観察することにある。なお、第9の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。 Next, FIG. 19 and FIG. 20 show a ninth embodiment of the present invention. The feature of the ninth embodiment is that the ZMP is directly observed. Note that in the ninth embodiment, identical symbols are assigned to components identical to those in the first embodiment described above, and descriptions thereof are omitted.
第9の実施の形態による鉄道車両91は、第9の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3F,3R、左右動ダンパ6F,6R、加速度センサ7F,7R、コントローラ92等を備える。但し、第9の実施の形態によるコントローラ92は、第8の実施の形態のように人体の横揺れを定量化するのに加えて、ZMPを直接観察する。この点で、第8の実施の形態と異なる。
The railway vehicle 91 according to the ninth embodiment is substantially the same as the
第9の実施の形態による鉄道車両91には、第8の実施の形態で説明した人の横揺れを直接観察する手段に加えて、車体2の床面に床圧力センサが敷き詰められている。即ち、コントローラ92は、カメラ等の可視化装置と人体の挙動を解析する画像解析手段と、床圧力センサを含む重心変動推定手段としての立位乗客挙動取得手段93により、直接的にZMPを観察しつつ、人体の横揺れを測定する。
In the railway vehicle 91 according to the ninth embodiment, a floor pressure sensor is laid on the floor surface of the
図20にZMPの直接観察のイメージを示す。直接観察した足裏の圧力から左右の足裏にかかる圧力(床反力)の圧力中心、即ち、左右の足裏にかかる力を1つの力に置き換えて考えるときに、仮想的に力がかかっているとみなされる点を求める。これにより、人間の横揺れ(d2x/dt2)とZMPxzが分かるため、数8の式を用いれば、人間の重心位置(絶対位置)を完全に推定可能となる。 FIG. 20 shows an image of direct observation of ZMP. When considering the pressure center of the pressure (floor reaction force) applied to the left and right soles from the directly observed sole pressure, that is, the force applied to the left and right soles is replaced with one force, a virtual force is applied. Find points that are considered to be. As a result, since the human roll (d 2 x / dt 2 ) and ZMPx z are known, the position of the center of gravity (absolute position) of the human can be completely estimated using the equation (8).
以上により、観測量(制御入力)の測定精度が高まり、一層の乗り心地向上効果が期待できる。 As a result, the measurement accuracy of the observation amount (control input) is improved, and further ride comfort improvement effects can be expected.
また、前記各実施の形態では、左右動ダンパ6iおよび上下動ダンパ32ijがセミアクティブダンパである場合を例に挙げて説明したが、これに代えて、アクティブダンパ(電気アクチュエータ、油圧アクチュエータのいずれか)を用いるようにしてもよい。アクティブダンパを用いる場合には、より効果的に車体2の振動抑制と立位乗客の乗り心地向上を図ることができる。
Further, in each of the above-described embodiments, the case where the left and
次に、前記各実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明によれば、コントローラは、車両の動きから車体に乗車している立位乗客P0の重心変動を推定する重心変動推定手段を備え、前記重心変動推定手段による推定値と振動検出手段の検出値とから制御指令を求める。これにより、立位の人がバランスを取るために無意識に行っている姿勢制御を考慮して、車体の振動を制御することができる。このため、車体の振動の抑制と立位乗客にとっての乗り心地向上を両立させることができる。 Next, the invention included in each of the embodiments will be described. According to the present invention, the controller includes the center-of-gravity variation estimation unit that estimates the center-of-gravity variation of the standing passenger P0 riding on the vehicle body from the movement of the vehicle, and the estimated value and the vibration detection unit are detected by the center-of-gravity variation estimation unit The control command is obtained from the value. Accordingly, it is possible to control the vibration of the vehicle body in consideration of the posture control that the standing person performs unconsciously in order to balance. For this reason, it is possible to achieve both suppression of vibration of the vehicle body and improvement of riding comfort for standing passengers.
なお、本実施の形態では、ボギー台車式の車両を例に挙げて説明した。よって、車体と台車の相対運動を考慮しなければならないため、車体の動きから車体に乗車している立位乗客P0の重心変動を推定したが、車体と台車が剛で接続されている連接台車式の場合は台車の動きから乗車している立位乗客P0の重心変動を推定してもよい。 In the present embodiment, a bogie type vehicle has been described as an example. Therefore, since the relative motion between the vehicle body and the bogie must be taken into account, the fluctuation of the center of gravity of the standing passenger P0 riding on the vehicle body was estimated from the movement of the vehicle body. In the case of the equation, the center-of-gravity variation of the standing passenger P0 who is on board may be estimated from the movement of the carriage.
1,21,31,41,51,61,71,81,91 鉄道車両
2 車体
3F,3R 台車
4 車輪
6F,6R 減衰力可変ダンパ(左右動ダンパ)
7F,7R,33L,33R 加速度センサ(振動検出手段)
8,22,34,42,52,62,72,82,92 コントローラ
9 車両挙動取得手段
10 オブザーバ(重心変動推定手段)
11 制御器
32FL,32FR,32RL,32RR 減衰力可変ダンパ(上下動ダンパ)
83,93 立位乗客挙動取得手段(重心変動推定手段)
1, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91
7 F , 7 R , 33 L , 33 R acceleration sensor (vibration detection means)
8, 22, 34, 42, 52, 62, 72, 82, 92
11 Controller 32 FL , 32 FR , 32 RL , 32 RR damping force variable damper (vertical motion damper)
83,93 Standing passenger behavior acquisition means (center of gravity fluctuation estimation means)
Claims (1)
前記車体に設けられ、前記車体の振動を検出する振動検出手段と、
前記制御ダンパへの制御指令を出すコントローラと、を備えたサスペンション制御装置であって、
前記コントローラには、前記車体に乗車している立位の人の重心変動を推定する重心変動推定手段を備え、
前記重心変動推定手段による推定値と前記振動検出手段の検出値とから制御指令を求めることを特徴とするサスペンション制御装置。 A control damper provided between the vehicle body and the carriage,
Vibration detection means provided on the vehicle body for detecting vibrations of the vehicle body;
A suspension control device comprising: a controller that issues a control command to the control damper;
The controller includes a center-of-gravity variation estimating means for estimating a center-of-gravity variation of a standing person riding on the vehicle body,
A suspension control device, wherein a control command is obtained from an estimated value obtained by the gravity center fluctuation estimating means and a detected value obtained by the vibration detecting means.
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