JP6693444B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両に関するものである。

全方向に移動可能な車両が、例えば、特許文献１に開示されている。詳しくは、特許文献１に開示の搬送車においては、一対の平行な駆動輪と、この駆動輪の方向と直交する方向に平行に配置された別の一対の駆動輪と、各車輪本体の外周部に駆動輪の外周円の接線と平行な軸を中心に自由回転可能なローラを備える。これにより、機台を前後又は左右に直進、斜方向に直進、旋回、カーブ走行を行うことが可能となる。

特開昭６３−１４９２７０号公報

ところで、全方向移動車両において、並進、旋回、斜行により自由な動作が可能であり、さらに、並進と旋回を組み合わせることで旋回しながら並進することも可能である。並進と旋回の動作を同時に実行している間、指令値が出力されてからモータが指令値に追従するまでの間に機台が旋回するため進行方向にずれが生じる。

本発明の目的は、並進と旋回の動作を同時に実行するときに目標の方向に進行することができる車両を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、機台と、前記機台に設けられた少なくとも３つの全方向車輪と、全方向車輪毎に設けられ、前記全方向車輪を駆動する少なくとも３つのモータと、目標の車両速度、旋回角速度となるように各モータを制御する制御回路と、を備え、全方向に移動可能な車両において、前記制御回路は、並進と旋回の動作を同時に実行している間、絶対２軸座標の機台の旋回方向の姿勢を推定する自己姿勢推定部と、前記姿勢を補正する補正部と、を有し、前記補正部は、指令に対する動作の応答遅れにより機台が旋回する分だけ前記旋回角速度に応じて前記姿勢を補正し、前記制御回路は、前記補正後の姿勢で各モータを制御して並進と旋回の動作を同時に実行させることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、制御回路の自己姿勢推定部により、並進と旋回の動作を同時に実行している間、絶対２軸座標の機台の旋回方向の姿勢が推定される。補正部により、指令に対する動作の応答遅れにより機台が旋回する分だけ旋回角速度に応じて姿勢が補正される。そして、制御回路により、補正後の姿勢で各モータが制御されて並進と旋回の動作が同時に実行される。よって、並進と旋回の動作を同時に実行するときに目標の方向に進行することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の車両において、前記姿勢を推定するのにかかる時間は、指令に対する動作の応答遅れよりも短いとよい。

本発明によれば、並進と旋回の動作を同時に実行するときに目標の方向に進行することができる。

実施形態における４輪オムニホイール車両の概略平面図。 車両のブロック図。 ４輪オムニホイール車両の概略平面図。 作用を説明するためのフローチャート。 作用を説明するための機能ブロック図。 作用を説明するためのタイムチャート。 （ａ）〜（ｅ）は４輪オムニホイール車両の動作を説明するための概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、車両１０は、全方向に移動可能な車両である。車両１０は、機台２０と４つの車輪３０，３１，３２，３３を備えている。４つの車輪３０，３１，３２，３３は、機台２０に設けられている。詳しくは、平面視において機台２０の中心に対し９０°毎に車輪３０，３１，３２，３３が配置されている。各車輪３０，３１，３２，３３は、それぞれ全方向車輪であって、具体的にはオムニホイールであり、各車輪３０，３１，３２，３３は、全方向に回転可能に構成された全方向車輪である。即ち、各車輪において、車輪の円周方向において自由回転するローラ（樽型を有する小輪）が複数設けられ、前後・左右に自由に動くことができる。このように構成された車輪を４つ用いて車軸を変動させないで機台を全方向に可動できるようになっている。

図２に示すように、車両１０は、車輪毎に設けられたモータ４０，４１，４２，４３と、各モータを制御する制御回路５０と、目標となる車両速度値及び旋回角速度を受信する受信部６５を備える。各モータ４０，４１，４２，４３としてＤＣモータを使用している。モータ４０，４１，４２，４３、制御回路５０及び受信部６５は機台２０に搭載されている。モータ４０の出力軸が車輪３０と駆動連結されており、モータ４０により車輪３０を駆動することができる。同様に、モータ４１の出力軸が車輪３１と駆動連結されており、モータ４１により車輪３１を駆動することができる。モータ４２の出力軸が車輪３２と駆動連結されており、モータ４２により車輪３２を駆動することができる。モータ４３の出力軸が車輪３３と駆動連結されており、モータ４３により車輪３３を駆動することができる。

制御回路５０は、モータ４０，４１，４２，４３を制御して機台２０を前後方向、左右方向及び回転方向に移動させるためのものである。制御回路５０は、コントローラ６０と駆動回路６１，６２，６３，６４を有する。コントローラ６０は受信部６５から目標となる車両速度値、旋回角速度を入力する。コントローラ６０は駆動回路６１を介してモータ４０を制御して車輪３０の回転速度を制御する。コントローラ６０は駆動回路６２を介してモータ４１を制御して車輪３１の回転速度を制御する。コントローラ６０は駆動回路６３を介してモータ４２を制御して車輪３２の回転速度を制御する。コントローラ６０は駆動回路６４を介してモータ４３を制御して車輪３３の回転速度を制御する。

次に、作用について説明する。
まず、全方向移動車両である４輪オムニホイール車両における走行の際の動きを説明する。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、４輪オムニホイール車両の駆動例である。
図７（ａ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を正転させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を逆転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を前進させることができる。

図７（ｂ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を停止させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を停止させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を斜行させることができる。

図７（ｃ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を逆転させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を正転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を横行させることができる。

図７（ｄ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を正転させ、車輪３１を正転させ、車輪３２を正転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を旋回させることができる。

このようにして、並進、旋回、斜行により自由な動作が可能である。
さらに、図７（ｅ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を正転させ、車輪３１を所定の速度で回転させ、車輪３２を所定の速度で回転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を前進させながら旋回させるといった並進と旋回を組み合わせることで旋回しながら並進することも可能である。

図２の制御回路５０は、図３に示すように、目標の絶対２軸座標での車両速度Ｖｘ，Ｖｙ及び旋回角速度Ωを入力して機台２０を並進と旋回の動作を同時に実行している間、相対２軸座標Ｖｘ＊，Ｖｙ＊の機台の旋回方向の姿勢（自己姿勢）θを推定する。また、制御回路５０は、指令に対する動作の応答遅れにより機台が旋回する分だけ旋回角速度Ωに応じて姿勢（自己姿勢）θを補正する。つまり、各車輪３０，３１，３２，３３への速度指令値を算出する際、自己姿勢θの推定値に補正をかけて、車両を目標の方向に進行させる。

即ち、並進しつつ旋回する動作を実行するとき、指令に対する動作の応答遅れ、具体的には、モータ応答遅れや駆動回路等の動作遅れを含めた応答遅れによる進行方向のずれを補正する制御を実行する。

具体的には、コントローラ６０は一定周期で図４に示す処理を実行する。
コントローラ６０は、ステップＳ１で自己姿勢θを推定する。具体的には、例えば、エンコーダ信号とジャイロ信号とを用いて自己姿勢を求める。他にも、マップとレーザレンジファインダとを用いて自己姿勢を求めればよい。このようにして、自己姿勢推定手段として、エンコーダ信号とジャイロ信号とを用いて自己姿勢を求めることができる。他にも、マップデータとレーザレンジファインダによる周囲の環境の認識情報を用いて自己姿勢を求めることができる。

コントローラ６０は、ステップＳ２で車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）、旋回角速度指令（Ω）を入力する。
コントローラ６０は、ステップＳ３で並進と旋回の動作を同時に実行させるか否か判定する。即ち、車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）及び旋回角速度指令（Ω）がゼロでないか否か判定する。コントローラ６０は、並進と旋回の動作を同時に実行させる場合には、ステップＳ４に移行して、推定した自己姿勢θを補正する。

その後、コントローラ６０は、ステップＳ５で車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）、旋回角速度指令（Ω）及び補正後の自己姿勢θから、式（１）で各車輪の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４で分解し、ステップＳ６でモータ速度制御を実行して各車輪を速度制御する。図３に示すように、速度指令値ｖ１は車輪３０の速度であり、速度指令値ｖ２は車輪３１の速度であり、速度指令値ｖ３は車輪３２の速度であり、速度指令値ｖ４は車輪３３の速度である。Ｒは機台２０の中心から各車輪３０〜３３の中心までの距離である。

・・・（１）
つまり、速度指令値ｖ１、ｖ２、ｖ３、ｖ４は、
ｖ１＝−ｓｉｎ（θ＋π／４）・Ｖｘ＋ｃｏｓ（θ＋π／４）・Ｖｙ＋Ｒ・Ω
ｖ２＝−ｃｏｓ（θ＋π／４）・Ｖｘ−ｓｉｎ（θ＋π／４）・Ｖｙ＋Ｒ・Ω
ｖ３＝ｓｉｎ（θ＋π／４）・Ｖｘ−ｃｏｓ（θ＋π／４）・Ｖｙ＋Ｒ・Ω
ｖ４＝ｃｏｓ（θ＋π／４）・Ｖｘ＋ｓｉｎ（θ＋π／４）・Ｖｙ＋Ｒ・Ω
で表される。

次に、図５のブロック図で制御回路５０を説明する。
制御回路５０は、目標の車両速度Ｖｘ，Ｖｙ、旋回角速度Ωとなるように各モータを制御するものであり、制御回路５０は、指令値分解部７０と、モータ速度制御部７１と、自己姿勢推定部７２と、姿勢（自己姿勢）θを補正する補正部としての車両姿勢推定補償部７３を有する。指令値分解部７０は、車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）、旋回角速度指令（Ω）を入力して各車輪の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４で分解する。モータ速度制御部７１は、各車輪の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４でモータ速度を制御する。

自己姿勢推定部７２は、並進と旋回の動作を同時に実行している間、絶対２軸座標の機台２０の旋回方向の姿勢（自己姿勢）θを推定する。補正部としての車両姿勢推定補償部７３は、指令に対する動作の応答遅れτにより機台２０が旋回する分だけ旋回角速度Ωに応じて姿勢（自己姿勢）θを補正する。詳しくは、補正部としての車両姿勢推定補償部７３は、推定した自己姿勢θを、車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）、旋回角速度指令（Ω）に基づいて補正して、補正後の自己姿勢θを指令値分解部７０に送る。並進と旋回の動作を同時に実行している間は、指令値分解部７０においては、補正後の自己姿勢θ、車両速度指令値（Ｖｘ，Ｖｙ）、旋回角速度指令（Ω）を入力して各車輪の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４で分解する。その結果を受けてモータ速度制御部７１において各車輪の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４でモータ速度を制御する。このように、制御回路５０は、補正後の姿勢（自己姿勢）θで各モータを制御して並進と旋回の動作を同時に実行させる。姿勢（自己姿勢）θを推定するのにかかる時間は、指令に対する動作の応答遅れよりも短い。

次に、指令値分解部７０での処理について言及する。
４輪オムニホイール車両において、上記式（１）に示すように車両の絶対座標速度ＶｘとＶｙは各車輪の速度ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４へ分解できる。

図３を用いて説明すると、４つの車輪（ホイール）３０，３１，３２，３３が正回転し、車両は正面側（図３においてΔで示す）を有し、Ｖｘは絶対座標軸Ｘでの速度［ｍ／ｓ］、Ｖｙは絶対座標軸Ｙでの速度［ｍ／ｓ］、Ｖｘ＊は車両相対座標軸Ｘでの速度［ｍ／ｓ］、Ｖｙ＊は車両相対座標軸Ｙでの速度［ｍ／ｓ］である。また、Ωは旋回角速度［ｒａｄ／ｓ］、θは自己姿勢［ｒａｄ］である。なお、旋回角速度は、絶対座標軸及び車両相対座標軸のいずれを基準にしても一致する値である。

制御の観点から見ると、車両の並進速度を指令値として与え、上記式（１）で各車輪の速度指令値で分解し、各車輪を速度制御する。
上記式（１）から明らかに、絶対座標並進速度ＶｘやＶｙを固定値とした場合、すなわち車両の外から見て一定方向へ動作する場合、各車輪の速度ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４は自己姿勢θに依存する。並進と旋回の動作を同時に実行する場合、自己姿勢θはΩ×ｔ（ｔ：時間）となり、時間とともに変化するため、各モータ４０，４１，４２，４３の回転速度は図６に示すようにサイン波状になる。

各車輪３０，３１，３２，３３を速度制御するとき、指令に対する動作の応答遅れ（モータ応答遅れや駆動回路等の動作遅れを含めた応答遅れ）が発生すると、回転速度指令値のサイン波に対して出力回転数は位相が遅れる。この位相遅れは、車両の並進方向のずれと一致する。つまり、指令値は、現在の自己姿勢θを考慮し、絶対座標での直進を指令するが、出力回転数は、位相が遅れているため、車両の相対速度は、現在より以前の指令値と同じになっているので、現在の絶対座標速度は、現在の指令値と方向が異なる。

このように、４輪オムニホイール車両等においては、制御の際に、並進と旋回の動作を同時に実行すると、進行方向にずれが生じる。
図６で説明する。図６の横軸は時間をとっている。図６の縦軸は車輪（オムニホイール）の周速度幾何分解値、即ち、図５の指令値分解部７０の出力をとるとともに、実際のモータの出力値（モータ回転速度）をとっている。

図６において、３つのカーブＬ１，Ｌ２，Ｌ３は指令カーブであり、３つのカーブのうちの第１のサインカーブＬ１は、指令値（狙いのカーブ）であり、現在の自己姿勢をもとに算出したホイール周速度幾何分解値［ｍ／ｓ］である。第２のサインカーブＬ２は、第１のサインカーブＬ１に対し遅れが発生したときのカーブであり、幾何分解値に対して遅れたホイール周速度出力値［ｍ／ｓ］である。第３のサインカーブＬ３は、補正により要求をずらしたときのカーブであり、自己姿勢補正したホイール周速度指令値［ｍ／ｓ］である。

幾何分解値に対する出力値に遅れ量τ１［ｒａｄ］が発生するので、遅れを考慮した自己姿勢補正量τ２［ｒａｄ］とする。τ１，τ２（＝τ）は、指令に対する動作の応答遅れ（モータ応答遅れや駆動回路等の動作遅れを含めた応答遅れ）、即ち、制御回路５０とモータ４０，４１，４２，４３を合成した系の時定数［ｓ］である。

つまり、ある時刻のホイール周速度出力値は、ホイール周速度幾何分解値に対してτ（＝τ１＝τ２）だけ遅れて出力され、遅れτ（＝τ１＝τ２）の後には車両の姿勢は（Ω・τ）だけ変化している。ホイール回転速度幾何分解値は、現在の自己姿勢推定値をもとに算出しているため、変化した自己姿勢（Ω・τ）分だけ車両の並進方向がずれるので、自己姿勢推定値に対し（Ω・τ）分だけ加算して補正をかける。例えば、図３において現在の車両位置から並進と旋回とを同時に実行する場合、自己姿勢θに対し旋回方向と同一方向に補正値Δθ（＝Ω・τ）だけ加算して自己姿勢θを補正する。

このようにして、全方向移動車両において、従来の制御では、並進と旋回の動作を同時に実行すると、進行方向にずれが生じてしまうが、本実施形態では、進行方向のずれを発生させることなく並進と旋回の動作を同時に実行することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）車両１０の構成として、機台２０と、機台２０に設けられた少なくとも３つの車輪（全方向車輪）３０〜３３と、車輪（全方向車輪）毎に設けられ、車輪（全方向車輪）を駆動する少なくとも３つのモータ４０〜４３と、目標の車両速度Ｖｘ，Ｖｙ、旋回角速度Ωとなるように各モータを制御する制御回路５０と、を備え、全方向に移動可能な車両である。制御回路５０は、並進と旋回の動作を同時に実行している間、絶対２軸座標の機台２０の旋回方向の姿勢（自己姿勢）θを推定する自己姿勢推定部７２と、姿勢（自己姿勢）θを補正する補正部としての車両姿勢推定補償部７３を有する。補正部としての車両姿勢推定補償部７３は、指令に対する動作の応答遅れτにより機台２０が旋回する分だけ旋回角速度Ωに応じて姿勢（自己姿勢）θを補正し、制御回路５０は、補正後の姿勢（自己姿勢）θで各モータを制御して並進と旋回の動作を同時に実行させる。

よって、従来、並進と旋回の動作を同時に実行している間、指令値が出力されてからモータが指令値に追従するまでの間に機台が旋回するため進行方向にずれが生じる（車両の目的の方向に進まずずれた方向に進んでしまっていた）が、本実施形態では、モータの応答遅れを含めた指令に対する動作の応答遅れに起因する進行方向がずれることが抑制できる。その結果、並進と旋回の動作を同時に実行するときに目標の方向に進行することができる。

（２）自己姿勢を推定するのにかかる時間は、指令に対する動作の応答遅れよりも短い。よって、より正確に目標の方向に進行することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 車両は４つの車輪（全方向車輪）３０，３１，３２，３３を備えていたが、３つの車輪（全方向車輪）、又は、５つ以上の車輪（全方向車輪）を備えていてもよい。つまり、４輪オムニホイール車両以外にも、例えば３輪オムニホイール車両に適用してもよい。要は、車両は、機台に設けられた少なくとも３つの全方向車輪を備えるものであればよい。

○ オムニホイール車両以外にも、例えばオムニボール車両やメカナムホイール車両に適用してもよい。

１０…車両、２０…機台、３０，３１，３２，３３…車輪（全方向車輪）、４０，４１，４２，４３…モータ、５０…制御回路、７２…自己姿勢推定部、７３…車両姿勢推定補償部（補正部）。

Claims (2)

1. 機台と、
   前記機台に設けられた少なくとも３つの全方向車輪と、
   全方向車輪毎に設けられ、前記全方向車輪を駆動する少なくとも３つのモータと、
   目標の車両速度、旋回角速度となるように各モータを制御する制御回路と、
   を備え、全方向に移動可能な車両において、
   前記制御回路は、
   並進と旋回の動作を同時に実行している間、絶対２軸座標の機台の旋回方向の姿勢を推定する自己姿勢推定部と、
   前記姿勢を補正する補正部と、
   を有し、
   前記補正部は、指令に対する動作の応答遅れにより機台が旋回する分だけ前記旋回角速度に応じて前記姿勢を補正し、
   前記制御回路は、前記補正後の姿勢で各モータを制御して並進と旋回の動作を同時に実行させることを特徴とする車両。
2. 前記姿勢を推定するのにかかる時間は、指令に対する動作の応答遅れよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の車両。
   

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