JPS63305082A - Attitude controlling method in coaxial two wheeler - Google Patents

Attitude controlling method in coaxial two wheeler

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JPS63305082A
JPS63305082A JP62142013A JP14201387A JPS63305082A JP S63305082 A JPS63305082 A JP S63305082A JP 62142013 A JP62142013 A JP 62142013A JP 14201387 A JP14201387 A JP 14201387A JP S63305082 A JPS63305082 A JP S63305082A
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JP
Japan
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control
vehicle body
drive motor
wheels
angle
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JP62142013A
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Kazuo Santo
山藤 和男
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CKD Corp
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0891Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To secure such a coaxial two wheeler that is travelable in a stable state by tilting a control arm in the reverse direction where a car body is tilted, and making it so as to give a restoring moment to the car body. CONSTITUTION:A pair of wheels 2, 3 are attached to both ends of an axle 1 and, in turn, a square frame-form car body 4 is tiltably supported on this axle 1. A fulcrum shaft 5 is rotatably installed and supported in an upper part of the car body 4, and in the center of the fulcrum shaft 5, an attitude control arm 6 with a weight 6a is hangingly clamped thereto. Rotary encoders 11, 14 are attached to the car body 4 and a wheel driving motor 7, detecting each turning angle of these wheels 2, 3 and a tilt angle to a vertical line. This detec tion signal is inputted into a microcomputer 16 which controls the wheel driving motor 7 and an attitude control arm driving motor 9 on the basis of these inputted signals, thus it aims at stabilization for the car body.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の目的 (産業上の利用分野) 本発明は同軸二輪車の姿勢制御方法に関するものである
。 (従来の技術) 同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車は四輪車あるい
は三輪車に比して平面形状のコンパクト化の上で有利で
あるが、姿勢の安定制御が克服されない限り実用化は不
可能である。そこで、このような姿勢の不安定な系を構
成する同軸二輪車の駆動軸上に支持された車体から制御
アームを吊下し、車体に対する制御アームの傾斜角を制
御する姿勢制御方式が従来より研究されている。 (発明が解決しようとする問題点) しかしながら、車体が傾く方向とは逆の方向へ制御アー
ムを傾動し、車体に復元モーメントを与える姿勢制御方
式では、制御アーム駆動用のモータの不感帯あるいは歯
車伝達系のバックラッシュ等の非線型要素に起因する制
御遅れが発生するのみならず、フィードバック制御に使
う車体横斜角度及び制御アームの横斜角度という状態量
の短時間サンプリングを基に行われる角速度計算に無視
できない雑音が介在し、実際のフィードバック制御では
車体の姿勢を安定制御することが極めて難しい。 発明の構成 (問題点を解決するための手段) そこで第1の発明では、両端に一対の車輪を備えた車軸
上に回動可能に支持された車体と、車体に装着された車
輪駆動用モータと、車輪駆動用モータに作動指令を送る
制御コンビエータと、車体の傾きを検出する角度検出手
段とから構成される同軸二輪車を対象とし、前記角度検
出手段により検出される車体の横斜角度を短時間間隔に
てサンプリングし、車体のサンプリング横斜角度を状態
変数、フィードバックゲインを係数として前記制御コン
ピュータ内に予め入力設定された制御入力算出式に前記
サンプリング値を代入して演算し、この演算に基づいて
前記車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、
この算出された制御トルク相当の作動を制御コンビエー
タから前記車輪駆動用モータに指令して同軸二輪車にお
ける姿勢を制御するようにした。 第2の発明では、第1の発明に車輪の回転角度を検出す
る第2の角度検出手段を付加した同軸二輪車を対象とし
、前記第1の角度検出手段により検出される車体の横斜
角度及び前記第2の角度検出手段により検出される車輪
の回転角度を短時間間隔にてサンプリングし、車体のサ
ンプリング横斜角度、車輪のサンプリング回転角度及び
これらサンプリング角度に基づいて算出される角速度を
状態変数、フィードバックゲインを係数として前記制御
コンピュータ内に予め入力設定された制御入力算出式に
前記サンプリング値を代入して演算し、この演算に基づ
いて前記車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共
に、この算出された制御トルク相当の作動を制御コンピ
ュータがら前記車輪駆動用モータに指令して同軸二輪車
における姿勢を制御するようにした。 そして、第3の発明では、第2の発明における同軸二輪
車を構成する車体に支軸を介して傾動可能に支持された
姿勢制御アームと、車体に装着された姿勢制御アーム駆
動用モータと、姿勢制御アームの傾きを検出する第3の
角度検出手段とを付加すると共に、車輪駆動用モータと
共に姿勢制御アーム駆動用モータに作動指令を送る機能
を制御コンピュータに組み込んで構成した同軸二輪車を
対象とし、前記第1の角度検出手段により検出される車
体の横斜角度、前記第2の角度検出手段により検出され
る車輪の回転角度及び前記第3の角度検出手段により検
出される姿勢制御アームの横斜角度を短時間間隔にてサ
ンプリングし、車体のサンプリング横斜角度、車輪のサ
ンプリング回転角度、姿勢制御アームのサンプリング横
斜角度及びこれらサンプリング角度に基づいて算出され
る角速度を状態変数、フィードバックゲインを係数とし
て前記制御コンピュータ内に予め入力設定された制御入
力算出式に前記サンプリング値を代入して演算し、この
演算に基づいて前記車輪駆動用モータ及び姿勢制御アー
ム駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、これら
算出された制御トルク相当の作動を制御コンピュータか
ら前記車輪駆動用モータ及び姿勢制御アーム駆動用モー
タに指令して同軸二輪車の姿勢を制御するようにした。 (作用) 即ち、第1の発明では前記第1の角度検出手段により検
出される車体の横斜角度を短時間間隔にてサンプリング
すると共に、このサンプリングに基づいて車輪駆動用モ
ータの制御トルクを算出し、この算出結果に基づいて車
輪駆動用モータのフィードバック制御を行なう。これに
より車輪が車体の傾動方向に向かって移動し、車体に対
して復元モーメントが与えられる。この発明ではサンプ
リングされた車体横斜角度のみから直ちに制御トルクが
算出されるにも関ねらず姿勢安定制御は良好である。 第2の発明では前記第1の角度検出手段により検出され
る車体の横斜角度及び前記第2の角度検出手段により検
出される車輪の回転角度を短時間間隔にてサンプリング
すると共に、それらの角速度を算出し、このサンプリン
グ値及び算出角速度に基づいて車輪駆動用モータの制御
トルクを算出し、この算出結果に基づいて車輪駆動用モ
ータのフィードバック制御を行なう、これにより車輪が
車体の傾動方向に向かって移動し、車体に対して復元モ
ーメントが与えられる。この発明では車体及び車輪のサ
ンプリング角度のみならずそれらより算出された角速度
を用いるため、姿勢安定制御は更に良好である。 第3の発明では、前記第1の角度検出手段により検出さ
れる車体の横斜角度、前記第2の角度検出手段により検
出される車輪の回転角度及び前記第3の角度検出手段に
より検出される姿勢制御アームの横斜角度を短時間間隔
にてサンプリングすると共に、このサンプリングに基づ
いて車輪駆動用モータ及び姿勢制御アーム駆動用モータ
の制御トルクを算出し、この算出結果に基づいて車輪駆
動用モータ及び姿勢制御アーム駆動用モータのフィード
バック制御を行なう。これにより車輪が車体の傾動方向
に向かって移動すると共に、制御アームが車体の傾動方
向と反対側へ回動し、車体に対して復元モーメントが与
えられる。この発明では姿勢制御用アームの制御が前記
第1.2の発明に比して一層安定した姿勢制御を可能と
する。 (実施例) 以下、本発明を具体化した一実施例を図面に基づいて説
明する。 第1図に示すように車軸1の両端には一対の車輪2.3
が止着されており、車軸1には四角枠形伏の車体4が傾
動可能に支持されている。車体4の上部には支軸5が回
動可能に架設支持されており、支軸5の中央には姿勢制
御アーム6が吊下固定されていると共に、姿勢制御アー
ム6の下端には重錘6aが取り付けられている。重錘6
a直下にて車体4には正逆転可能な車輪駆動用モータ7
が装着されており、第2図に示すようにその駆動軸7a
と車軸1との間には減速歯車列8が介在されている。こ
れにより車輪駆動用モータ7の回転駆動が減速して車軸
1に伝達され、車輪2.3が正逆回転する。支軸5の直
上にて車体4には正逆転可能な姿勢制御アーム駆動用モ
ータ9が装着されており、その駆動軸9aと支軸5との
間には減速歯車列10が介在されている。これにより姿
勢制御アーム駆動用モータ9の回転駆動が減速して支軸
5に伝達され、姿勢制御アーム6が前後に揺動する。 車体4の一側面には第1のロークリエンコーダ11が設
けられており、その回転軸11aが車軸1の延長線上に
設定されている。回転軸11aには一対の接触片12.
13が直角状態に取付けられており、それらの先端が床
面に摺動可能に接触している。これにより鉛直線に対す
る車体4の横斜角度が検出される。車輪駆動用モータ7
には第2のロータリエンコーダ14が装着されていると
共に、姿勢制御アーム駆動用モータ9には第3のロータ
リエンコーダ15が装着されており、両モータ7.9の
回転角度、即ち車輪2.3の回転角度及び鉛直線に対す
る横斜角度が検出される。 車体4の下部にはマイクロコンピュータからなる制御コ
ンビ県−夕16が搭載されており、前記各ロータリエン
コーダ11,14.15の検出信号が制御コンピュータ
16に入力される。制御コンビエータ16はこれら入力
信号に基づいて車輪駆動用モータ7及び姿勢制御アーム
駆動用モータ9の制御トルクを算出し、これら制御トル
ク相当の作動を車輪駆動用モータ7及び姿勢制御アーム
駆動用モータ9に指令する。
Object of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to a method for controlling the attitude of a coaxial two-wheeled vehicle. (Prior art) Coaxial two-wheeled vehicles, which have wheels at both ends of the same shaft, are advantageous in terms of compactness compared to four-wheeled vehicles or three-wheeled vehicles, but they cannot be put to practical use unless posture stability control is overcome. It's impossible. Therefore, research has been conducted into an attitude control method in which the control arm is suspended from the vehicle body supported on the drive shaft of the coaxial two-wheeled vehicle that constitutes such an unstable attitude system, and the inclination angle of the control arm with respect to the vehicle body is controlled. has been done. (Problem to be Solved by the Invention) However, in the attitude control method in which the control arm is tilted in the opposite direction to the direction in which the vehicle body is tilted to apply a restoring moment to the vehicle body, the dead zone of the motor for driving the control arm or the gear transmission Not only do control delays occur due to nonlinear elements such as backlash in the system, but angular velocity calculations are performed based on short-term sampling of state quantities such as the vehicle body slant angle and control arm slant angle used for feedback control. There is noise that cannot be ignored, and it is extremely difficult to stably control the attitude of the vehicle body using actual feedback control. Structure of the Invention (Means for Solving Problems) Therefore, the first invention provides a vehicle body rotatably supported on an axle having a pair of wheels at both ends, and a wheel drive motor attached to the vehicle body. The target is a coaxial two-wheeled vehicle consisting of a control combiator that sends an operation command to a wheel drive motor, and an angle detection means that detects the inclination of the vehicle body, and the lateral inclination angle of the vehicle body detected by the angle detection means is shortened. Sampling is performed at time intervals, and the sampling value is substituted into the control input calculation formula that has been input and set in the control computer in advance, using the sampled lateral slope angle of the vehicle body as a state variable and the feedback gain as a coefficient. Calculating the control torque of the wheel drive motor based on the
An operation corresponding to the calculated control torque is commanded from the control combinator to the wheel drive motor to control the attitude of the coaxial two-wheeled vehicle. A second invention is directed to a coaxial two-wheeled vehicle in which a second angle detection means for detecting the rotation angle of a wheel is added to the first invention, and the lateral inclination angle of the vehicle body detected by the first angle detection means and The rotation angle of the wheel detected by the second angle detection means is sampled at short intervals, and the sampled lateral inclination angle of the vehicle body, the sampled rotation angle of the wheel, and the angular velocity calculated based on these sampling angles are used as state variables. , calculate the sampling value by substituting the feedback gain into a control input calculation formula inputted in advance into the control computer as a coefficient, calculate the control torque of the wheel drive motor based on this calculation, and calculate the control torque of the wheel drive motor. The control computer commands the wheel drive motor to perform an operation corresponding to the calculated control torque, thereby controlling the attitude of the coaxial two-wheeled vehicle. In a third invention, a posture control arm tiltably supported by a vehicle body constituting the coaxial two-wheeled vehicle in the second invention via a support shaft, a posture control arm drive motor attached to the vehicle body, The object is a coaxial two-wheeled vehicle configured by adding a third angle detection means for detecting the inclination of the control arm and incorporating a function of sending an operation command to the attitude control arm drive motor together with the wheel drive motor into the control computer, The lateral inclination angle of the vehicle body detected by the first angle detection means, the rotation angle of the wheel detected by the second angle detection means, and the lateral inclination of the attitude control arm detected by the third angle detection means. The angle is sampled at short intervals, and the sampled lateral inclination angle of the vehicle body, the sampled rotation angle of the wheels, the sampled lateral inclination angle of the attitude control arm, and the angular velocity calculated based on these sampling angles are set as state variables, and the feedback gain is set as a coefficient. Substituting the sampling value into a control input calculation formula input and set in advance into the control computer and calculating the control torque of the wheel drive motor and the attitude control arm drive motor based on this calculation. The control computer instructs the wheel drive motor and the attitude control arm drive motor to perform operations corresponding to these calculated control torques, thereby controlling the attitude of the coaxial two-wheeled vehicle. (Operation) That is, in the first invention, the lateral inclination angle of the vehicle body detected by the first angle detection means is sampled at short intervals, and the control torque of the wheel drive motor is calculated based on this sampling. Based on this calculation result, feedback control of the wheel drive motor is performed. This causes the wheels to move in the direction in which the vehicle body is tilted, and a restoring moment is applied to the vehicle body. In this invention, although the control torque is immediately calculated only from the sampled vehicle body lateral inclination angle, the attitude stability control is good. In the second invention, the lateral inclination angle of the vehicle body detected by the first angle detection means and the rotation angle of the wheel detected by the second angle detection means are sampled at short intervals, and the angular velocities thereof are The control torque of the wheel drive motor is calculated based on the sampled value and the calculated angular velocity, and the wheel drive motor is feedback-controlled based on this calculation result. This applies a restoring moment to the vehicle body. In this invention, since not only the sampling angles of the vehicle body and wheels but also the angular velocities calculated from them are used, the attitude stability control is even better. In a third invention, the lateral inclination angle of the vehicle body is detected by the first angle detection means, the rotation angle of the wheel is detected by the second angle detection means, and the rotation angle is detected by the third angle detection means. The lateral inclination angle of the attitude control arm is sampled at short intervals, and based on this sampling, the control torque of the wheel drive motor and the attitude control arm drive motor is calculated, and the wheel drive motor is adjusted based on the calculation results. and performs feedback control of the attitude control arm drive motor. As a result, the wheels move toward the tilting direction of the vehicle body, and the control arm rotates in the opposite direction to the tilting direction of the vehicle body, thereby applying a restoring moment to the vehicle body. In this invention, the control of the attitude control arm enables more stable attitude control than in the above-mentioned invention 1.2. (Example) Hereinafter, an example embodying the present invention will be described based on the drawings. As shown in Figure 1, there are a pair of wheels 2.3 at both ends of the axle 1.
is fixedly attached to the axle 1, and a rectangular frame-shaped vehicle body 4 is tiltably supported on the axle 1. A support shaft 5 is rotatably supported on the upper part of the vehicle body 4. An attitude control arm 6 is suspended and fixed at the center of the support shaft 5, and a weight is attached to the lower end of the attitude control arm 6. 6a is attached. Weight 6
A wheel drive motor 7 capable of forward and reverse rotation is mounted on the vehicle body 4 directly below a.
is mounted on the drive shaft 7a as shown in FIG.
A reduction gear train 8 is interposed between the axle 1 and the axle 1 . As a result, the rotational drive of the wheel drive motor 7 is decelerated and transmitted to the axle 1, causing the wheels 2.3 to rotate in forward and reverse directions. Directly above the support shaft 5, a posture control arm drive motor 9 that is capable of forward and reverse rotation is mounted on the vehicle body 4, and a reduction gear train 10 is interposed between the drive shaft 9a and the support shaft 5. . As a result, the rotational drive of the attitude control arm drive motor 9 is decelerated and transmitted to the support shaft 5, and the attitude control arm 6 swings back and forth. A first rotary encoder 11 is provided on one side of the vehicle body 4, and its rotation axis 11a is set on an extension of the axle 1. A pair of contact pieces 12.
13 are mounted at right angles, and their tips are slidably in contact with the floor surface. As a result, the lateral inclination angle of the vehicle body 4 with respect to the vertical line is detected. Wheel drive motor 7
is equipped with a second rotary encoder 14, and a third rotary encoder 15 is mounted on the posture control arm drive motor 9, which determines the rotation angle of both motors 7.9, that is, the wheels 2.3. The angle of rotation and the angle of lateral inclination with respect to the vertical line are detected. A control combination 16 consisting of a microcomputer is mounted on the lower part of the vehicle body 4, and detection signals from the rotary encoders 11, 14, and 15 are input to the control computer 16. The control combinator 16 calculates control torques for the wheel drive motor 7 and attitude control arm drive motor 9 based on these input signals, and controls the wheel drive motor 7 and attitude control arm drive motor 9 to perform operations corresponding to these control torques. command.

【1】 第3図は第2図を略体化した力学モデルであり
、車軸1及び車輪2,3からなる車輪部19、車体4に
装着支持されたモータ7.9、制御コンピュータ16等
と車体4とからなる車輪部17が車軸1から距離11の
位置に質点として表され、姿勢制御アーム6及び重錘6
aからなるアーム部18が支軸5から距離12の位置に
質点として表されている。車軸1及び車輪2,3からな
る車輪部19は車軸1上に重心を持つものと見なし、車
軸lと支軸5との距離はEである。 この力学モデルの運動エネルギーに、は車体部17の運
動エネルギーに1、アーム部18の運動エネルギーに2
及び車輪部19の運動エネルギーに3の総和であり、各
運動エネルギーK1、に2゜K3は車体部17の質量を
m1、アーム部18の質量をm2、車輪部19の質量を
maとした場合の第2図に示すx−y座標の座標成分で
次のように表される。但し、K3に関しては質ff1m
aの質点が重心上にあるものとまず仮定する。 Kl =(1/2) mt(xt2+ yt2)K2 
=(1/2) m2(x22+ )’22)K3 =(
1/2) ma xa2 −及びシはX及びyの1階微分を表す。 鉛直線に対する車体部17及びアーム部18の傾きを各
々θ1.θ2、車輪部19の回転角度をδ3、車輪2.
3の半径をr、車体部17の車軸1回りの慣性モーメン
トをJ1、アーム部18の支軸5回りの慣性モーメント
をJ2とすると、Kt = (1/2) m I X ((r a3+181・cosθり2+l12θ1
2・5in2θ1)=(1/2) mx ×(r2δ32+2rj!1 δ3 /71  ・CO
3θ1+ 112e 12)=(1/2) ml  r
2 θ32 +ml r211 a3θ1・CO3θt+(1/2)
 J t δ12に2 =(1/2) m2 =(1/2) m2r219a2 +m2rθa(lθ1 °cos θ1−12θ2’C
O5δ2)−m2j!12 θ1θ2 °cos (θ
1−θ2)+ (1/2) m2120 t”+(1/
2) J 2 e 2”但し、■1、■2.b3はθ1
.θ2.θ3の1階微分である。 車輪部19の運動エネルギーに3に関しては重心回りの
慣性モーメントに基づく回転エネルギーが有り、この慣
性モーメントをJ3とすると運動エネルギーに3は次の
ようになる。 従って、運動エネルギーには次のようになる。 K、=Kl +に2 +に3 + (1/2)・(ml r”+m2 r”4m3 r
”+J3)δ32−m2 N21 #1 #2  ・C
O3(θ1−02)+< m211+m2 jり r 
810B ・cosθ1−m2 ff12 rf12 
$3  、cos δ2・ ・ ・ (1) 位置エネルギーPはgを重力加速度として次のように表
される。 P=(m11t+m21 )g −cos 01m21
2 g ’CoS 02 ・・・ (2) 損失エネルギーDは、車体部17の回動に関する粘性摩
擦係数をf1、アーム部18の回動に関する粘性摩擦係
数をf2、車輪部19の回転に関する粘性摩擦係数をf
3とすると次のように表される。 アーム部18及び車輪部19にはトルクT2 。 T3がそれぞれ働いていることにより次のラグランシュ
(Lagrange)運動方程式が成り立つ。 d/d t *δ/δit1 *に一δ/δθl*に+
δ/δθl *P+δ/δθl  *D=TlO=1.
 2. 3) ・ ・ ・ (4) 但し、d/d tは常微分演算子、δ/δθi。 δ/δθiは偏微分演算子である。 式(4)に式(1)、  (2)、  (3)を代入し
て整理すれば次のようになる。 B1 ′C03(θ1−02)θ1十B2θ2+B2 
 °sinθ2+f2θ2−T2・・・ (6) C1°cos  O1θ1+C2°cos  O2θ2
+C3θ3=T3 ・ ・ ・ (7) 但し、 Al  −J1+m2 12 f31=−m2 12 12 C1= (ml  1  +m2 1)rpl  =−
m2 12 1 El  =   (ml  1!1+m2 1)  g
2−J2 C2= −m2 12  r p2 =−m2 12 1! B2 ”−m2 12  g Ca −(ml + m2 + m3 )  r2+J
3D3= −(ml  11  +m2  N)  r
Eel −−m2  l1i2  r
[1] FIG. 3 is a dynamic model that is a simplified version of FIG. A wheel portion 17 consisting of the vehicle body 4 is represented as a mass point at a distance 11 from the axle 1, and the attitude control arm 6 and the weight 6
An arm portion 18 consisting of a is shown as a mass point at a distance of 12 from the support shaft 5. The wheel portion 19 consisting of the axle 1 and wheels 2 and 3 is assumed to have its center of gravity on the axle 1, and the distance between the axle 1 and the support shaft 5 is E. The kinetic energy of this dynamic model is 1 for the kinetic energy of the vehicle body 17 and 2 for the kinetic energy of the arm 18.
and the kinetic energy of the wheel part 19 is the sum of 3, and each kinetic energy K1 and 2° K3 is the mass of the vehicle body part 17, m1, the mass of the arm part 18, m2, and the mass of the wheel part 19, ma. It is expressed by the coordinate components of the x-y coordinates shown in FIG. 2 as follows. However, regarding K3, the quality is ff1m
First, assume that the mass point of a is on the center of gravity. Kl = (1/2) mt(xt2+yt2)K2
=(1/2) m2(x22+ )'22)K3 =(
1/2) ma xa2 - and shi represent the first-order differential of X and y. The inclinations of the vehicle body part 17 and the arm part 18 with respect to the vertical line are each θ1. θ2, the rotation angle of the wheel portion 19 is δ3, the wheel 2.
If the radius of 3 is r, the moment of inertia of the vehicle body 17 around the axle 1 is J1, and the moment of inertia of the arm 18 around the support shaft 5 is J2, then Kt = (1/2) m I X ((r a3 + 181・cosθri2+l12θ1
2・5in2θ1)=(1/2) mx ×(r2δ32+2rj!1 δ3 /71 ・CO
3θ1+ 112e 12)=(1/2) ml r
2 θ32 +ml r211 a3θ1・CO3θt+(1/2)
J t δ12 2 = (1/2) m2 = (1/2) m2r219a2 + m2rθa(lθ1 °cos θ1−12θ2'C
O5δ2)−m2j! 12 θ1θ2 °cos (θ
1-θ2)+ (1/2) m2120 t"+(1/2)
2) J 2 e 2” However, ■1, ■2.b3 is θ1
.. θ2. This is the first differential of θ3. Regarding 3, the kinetic energy of the wheel portion 19 includes rotational energy based on the moment of inertia around the center of gravity.If this moment of inertia is J3, the kinetic energy 3 is as follows. Therefore, the kinetic energy is: K, = Kl + 2 + 3 + (1/2)・(ml r”+m2 r”4m3 r
”+J3) δ32-m2 N21 #1 #2 ・C
O3(θ1-02)+< m211+m2 jri r
810B ・cosθ1-m2 ff12 rf12
$3, cos δ2・・・・(1) Potential energy P is expressed as follows, where g is the gravitational acceleration. P=(m11t+m21)g-cos 01m21
2 g 'CoS 02 (2) Loss energy D is the viscous friction coefficient related to the rotation of the vehicle body part 17 f1, the viscous friction coefficient related to the rotation of the arm part 18 f2, and the viscous friction related to the rotation of the wheel part 19. coefficient f
3, it is expressed as follows. Torque T2 is applied to the arm portion 18 and wheel portion 19. The following Lagrange equation of motion holds true due to the operation of T3. d/d t *δ/δit1 *to δ/δθl*+
δ/δθl *P+δ/δθl *D=TlO=1.
2. 3) ・ ・ ・ (4) However, d/d t is an ordinary differential operator, and δ/δθi. δ/δθi is a partial differential operator. By substituting equations (1), (2), and (3) into equation (4), we get the following. B1 'C03 (θ1-02) θ1 + B2 θ2 + B2
°sinθ2+f2θ2−T2... (6) C1°cos O1θ1+C2°cos O2θ2
+C3θ3=T3 ・ ・ ・ (7) However, Al −J1+m2 12 f31=−m2 12 12 C1= (ml 1 +m2 1)rpl =−
m2 12 1 El = (ml 1!1+m2 1) g
2-J2 C2=-m2 12 r p2 =-m2 12 1! B2”-m2 12 g Ca-(ml + m2 + m3) r2+J
3D3= −(ml 11 +m2 N) r
Eel --m2 l1i2 r

【2】 次に、第3図の力学モデルの線型制御系の設計
について説明する。 O1及びO2が常に余り大きくならないように第3図の
力学モデルが制御されるものとして以下の近似を行なう
。 sin θ1#θ1    sin θ2#θ2cos
 θl =CO3θ2xcos(01−O2)−1=s
in  (θ1−θ2)B22=0上記近似に基づいて
式(5)、  <6)、  (7)は次のように線型化
される。 ・・・ (8) ’tiz −A21θ1+A22θNA23’ i+A
24&2+B2+T2・・・ (9) 但し、 A11−EI B2/Δ   A12−−B2 Bt/
ΔA13− f IB2/Δ   A14−− f 2
 Bt/ΔA21−−EI Bl/Δ  A22−−B
2 At/ΔA23−−rl Bl/Δ  A24−−
 r 2 As/ΔB!!=B1/Δ      Bz
t−−ks/ΔΔ   −B12−、AI   B2 X1 ”O1・x2 =θ2・x3−O1・×4−B2
として次のベクトル及び行列表示を行なう。 u=T2 前記ベクトル及び行列表示を用いて次の状態方程式及び
出力方程式が得られる。 X (t)  =τ−X (t)  +B−u、(1)
・ ・ ・ (10) Y  (t)  りで・X  (t) ・ ・ ・ (11) 状態方程式(10)をラプラス変換すると次のようにな
る。 =sX (s)=A・X (s)+B=u (s)従っ
て、 −−−1→ X (s) = (s I −A) B−u (s)・
・・ (12) 一−1 但し、Tは単位行列、(sl−A)は(sl−τ)の逆
行列である。 式(12)を出力方程式(11)に代入すると次のよう
になる。 Y  (s)  =τ(sl−τ)B−u(s)Y (
S) /u (s)で表される関数は制御理論において
伝達関数と呼ばれるものであり、次のような多項式形式
で表現される。 Y (s) /u (s) =k (s−1Fl)(S−σ2)(s −σ3)(5
−a4>÷(S−A1)(s−A2)(S−A3)(3
−A4)・・・ (14) 式(14)の(S−A1)(S−A2)(S−A3)(
S−A4)は特性多項式、kはゲイン、A1(i=1.
2,3.4)は極と呼ばれる。極λiが複素平面上の右
半面、即ち実数値が正の場合には式(10) 、  (
11)で表される系が不安定、極λiが複素平面上の左
半面、即ち実数値が負の場合には安定であることが制御
理論において周知であり、第3図の力学モデルのシステ
ムパラメータが例えば次のような値をとる場合には極が
複素平面上の右半面に存在することが確かめられる。 mx−2,59kg    1  =0.318mm2
−1.52kg    11=0.17  mm3 =
0.36kg    [2−0,20mJs−0,10
8kgm J2−7.01X10kgm Ja =5.OOxlOkgm fl”6.OXiONms f2”4.40X1ONms fa−4,40xlONms 第3図の力学モデルを安定させるには制御人力u (t
)を加えて不安定な状態から安定な状態へ移行させなけ
ればならないが、そのためにはU(t)の存在が保証さ
れていなければならない、U(1)が存在すれば式(1
0) 、  (11)で表される第3図の力学モデルは
可制御であり、そのための必要十分条件が可制御行列と
呼ばれる行列[B、AB、A2 B、13B]のランク
(階数)が状態変数x1+ X 2+ xL x4の数
と一致することが制御理論において周知である0式(1
0)、(11)で表される系はこの必要十分条件を満た
し、制御可能である。 式(10) 、  (11)で表される系を状態フィー
ドバック制御を加えた系への変換は次のように行われる
。 但し、Kは状態フィードバックゲインと呼ばれるベクト
ル、Cはスカラーである。 式(15)を式(10) 、  (11)に代入すると
次の状態方程式及び出力方程式が得られる。 +cB−V(t) ・ ・ ・ (16) Y  (t)  ■C−X  (t) ・ ・ ・ (17) 状態方程式(16)をラプラス変換すると次のようにな
る。 X (s) = (s I −A−BK) cB−V 
(s)・・・ (18) 式(1日)を出力方程式(17)に代入すると次のよう
になる。 Y (s) −C(s I −A−BK) cB−V 
(s)・・・ (19) 従って、行列(τ+BK>の固有多項式が特性多項式に
一致し、行列(A + B K)の固有値が極に一致す
る。 式(19)’の特性多項式を任意に与えられたモニツク
多項式に一致させること、即ち行列(τ十BK)の固有
値を任意に設定するための必要十分条件は式(16)、
  (17)が可制御であることが制御理論において周
知である。これにより状態フィードバックゲインKを適
宜設定することにより複素平面の左半面の適宜位置に極
を配置し、系の安定化を図ることができる。 第3図の可制御系を表す状態方程式(16)は%式% 式(20)のフィードバックゲインには以下のように求
められる。 N)望ましい4つの相異なる対称な極5t(i=1.2
,3.4)を選択する。 く2〉すべての極Stが実数のときには実数giを選択
し、次の式を計算する。 ft  ”  (Si −1−一入一)Bglく3〉す
べての極Siが複素数α+βj (jは虚数)のときに
はS i+1をStの共役板αl−βijとし、実数g
 t、 g i+lを適当に選び、次の式を計算する。 fi=((αl  I −A) Bgl+βlBg++
11+((αII−τ)2+β12丁) ÷((αII−τ)2+β12丁) この計算によりフィードバックゲインには次のようにな
る。 ”  [gl l g2 、 g3+g4  コ  [
f  1+  f  2+  f  3+  f  4
  ]・・・ (21)
[2] Next, the design of the linear control system for the dynamic model shown in FIG. 3 will be explained. The following approximation is made assuming that the dynamic model of FIG. 3 is controlled so that O1 and O2 do not always become too large. sin θ1#θ1 sin θ2#θ2cos
θl = CO3θ2xcos(01-O2)-1=s
in (θ1-θ2)B22=0 Based on the above approximation, equations (5), <6), and (7) are linearized as follows. ... (8) 'tiz -A21θ1+A22θNA23' i+A
24&2+B2+T2... (9) However, A11-EI B2/Δ A12--B2 Bt/
ΔA13- f IB2/Δ A14-- f 2
Bt/ΔA21--EI Bl/ΔA22--B
2 At/ΔA23--rl Bl/ΔA24--
r 2 As/ΔB! ! =B1/ΔBz
t--ks/ΔΔ-B12-, AI B2 X1 ”O1・x2 =θ2・x3-O1・×4-B2
The following vector and matrix representations are performed as . u=T2 Using the vector and matrix representations, the following state and output equations are obtained. X (t) = τ−X (t) +B−u, (1)
・ ・ ・ (10) Y (t) Ride・X (t) ・ ・ ・ ・ (11) When the equation of state (10) is Laplace transformed, it becomes as follows. = sX (s)=A・X (s)+B=u (s) Therefore, ---1→
... (12) 1-1 However, T is a unit matrix, and (sl-A) is an inverse matrix of (sl-τ). Substituting equation (12) into output equation (11) yields the following. Y (s) = τ(sl-τ)B-u(s)Y (
The function represented by S) /u (s) is called a transfer function in control theory, and is expressed in the following polynomial form. Y (s) /u (s) =k (s-1Fl)(S-σ2)(s-σ3)(5
-a4>÷(S-A1)(s-A2)(S-A3)(3
-A4)... (14) (S-A1)(S-A2)(S-A3)( of formula (14)
S-A4) is the characteristic polynomial, k is the gain, and A1 (i=1.
2, 3.4) are called poles. When the pole λi is on the right half plane on the complex plane, that is, when the real value is positive, Equation (10), (
It is well known in control theory that the system expressed by For example, when the parameters take the following values, it is confirmed that the pole exists on the right half of the complex plane. mx-2,59kg 1 =0.318mm2
-1.52kg 11=0.17 mm3=
0.36kg [2-0,20mJs-0,10
8kgm J2-7.01X10kgm Ja =5. OOxlOkgm fl”6.OXiONms f2”4.40X1ONms fa-4,40xlONms To stabilize the dynamic model in Fig. 3, control human power u (t
) must be added to transition from an unstable state to a stable state, but in order to do so, the existence of U(t) must be guaranteed.If U(1) exists, equation (1
0), (11) is controllable, and the necessary and sufficient condition for this is that the rank (rank) of the matrix [B, AB, A2 B, 13B] called the controllable matrix is Equation 0 (1
0) and (11) satisfy this necessary and sufficient condition and are controllable. The system expressed by equations (10) and (11) is converted into a system to which state feedback control is added as follows. However, K is a vector called state feedback gain, and C is a scalar. By substituting equation (15) into equations (10) and (11), the following state equation and output equation are obtained. +cB-V(t) ・ ・ ・ (16) Y (t) ■C-X (t) ・ ・ ・ ・ (17) When the equation of state (16) is Laplace transformed, it becomes as follows. X (s) = (s I -A-BK) cB-V
(s)... (18) Substituting equation (1 day) into output equation (17) yields the following. Y (s) -C(s I -A-BK) cB-V
(s)... (19) Therefore, the characteristic polynomial of the matrix (τ + BK> matches the characteristic polynomial, and the eigenvalue of the matrix (A + B K) corresponds to the pole. The characteristic polynomial of equation (19)' is arbitrary. The necessary and sufficient condition for matching the Monik polynomial given by , that is, for arbitrarily setting the eigenvalues of the matrix (τ0BK), is shown in equation (16).
It is well known in control theory that (17) is controllable. Thereby, by appropriately setting the state feedback gain K, the pole can be placed at an appropriate position on the left half of the complex plane, and the system can be stabilized. The state equation (16) representing the controllable system in FIG. N) Desired four different symmetrical poles 5t (i=1.2
, 3.4). (2) When all poles St are real numbers, select a real number gi and calculate the following equation. ft ” (Si −1 − 1 in 1) Bgl 3〉When all the poles Si are complex numbers α+βj (j is an imaginary number), let S i+1 be the conjugate plate αl−βij of St, and the real number g
t, g i+l are selected appropriately and the following formula is calculated. fi=((αl I −A) Bgl+βlBg++
11+((αII-τ)2+β12 units) ÷((αII-τ)2+β12 units) With this calculation, the feedback gain is as follows. ” [gl l g2, g3+g4 ko [
f 1+ f 2+ f 3+ f 4
]... (21)

【3】 第3図の力学モデルの特別の場合、即ち姿勢制
御アーム6を取り外した同軸二輪車が第4図に示されて
おり、その力学モデルが第5図に示されている。第5図
の力学モデルのラグランジェ運動方程式は式(5)、(
6)、  (7)を利用して次のように得られる。 +fl θ1=0 ・・・ (22) C1°cosθ! θ1+C3θ3 +D3  ・sin gl θ12+f3 θ3=T3
・・・ (23) 式(8)、  (9)に対して次の近似を行なう。 sin θ1#θ1  cosθ1 #1sin gl
 θ1250この近似により式(22)、  (23)
は次のように線型化される。 ・・・ (24) θ3  ”A21θ1+ A 23θl+ A 24θ
3+B21Ta・ ・ ・ (25) 但し、 A11−EI  C3/Δ   Ata−−f t  
Ca/ΔA14=f3 Ct/Δ   A21=EI 
 C1/ΔA23− f I  Ct/Δ   A24
= −f a Al/ΔBtt=−C1/Δ     
B21=AI/ΔEl  =+’lJ  g 11C1
=m1 11  rC3= (m1+m3)r2 +J
3 Al  =J1Δ =A、  C3−C32 xl−θ1.8□=θ3、x3=δ1 、X4 =δ3
として次のベクトル及び行列表示を行なう。 u−T3 前記ベクトル及び行列表示を用いて次の状態方程式及び
出力方程式が得られる。 ・・・ (26) ・・・ (27) 前記く1〉〜く3〉に従って計算設定された式(21)
で表されるフィードバックゲインKを用いて式(26)
、(27)に対して行われたコンピュータシミュレーシ
ョン結果が第6図(a)、(b)に示されており、この
シミュレーションでは後述する数値微分法が使われる。 第6図(a)の曲線C1は車体部17の横斜角度θ1の
変移、曲線C2は車輪部19の回転角度θ3の変移を示
し、第6図(b)の曲線C3は車体部17の傾斜角速度
b1の変移、曲線C4は車輪部19の回転速度b3の変
移を示す、このときのパラメータ及び条件が以下のよう
に設定されている。 mt−2,79kg    l  =0.318mm2
 ”Okg    j!1 =0. 19  mm3 
=0.36kg    12 =OmJl−0,122
37kgm J2 =Okgm J3 =5.00xlQkgm fz =6.86X1ONms f2=Q       Nm5 f3 =4.40X1ONms Si=(−5±4j 、−6±5j) (i−1,2,3,4) K−[4,88,1,31,5,37,6,00]X 
(0)−[0,0,π/10.01なお、X (0) 
−[0,O,π/10.0]は初期条件を表し、車体部
17に対してπ/10(ra d / s )の外乱が
与えられており、シミュレーシッン時間間隔Δtとして
は5asが採用されている。第6図(a)、  (b)
に示すシミュレーション結果は第4図に鎖線で示す平衡
位置(θ1−〇)へ車体部17を復帰させ、以後この平
衡状態を維持し得ることを示している。又、この平衡制
御において複素平面の左半面の左方へ極を配置するほど
制御入力が太き(はなるが、制御系が速く安定化するこ
とが見出されている。
[3] A special case of the dynamic model of FIG. 3, ie, a coaxial two-wheeled vehicle with the attitude control arm 6 removed, is shown in FIG. 4, and its dynamic model is shown in FIG. The Lagrange equation of motion of the dynamic model in Figure 5 is expressed by Equation (5), (
6) and (7) can be obtained as follows. +fl θ1=0... (22) C1° cos θ! θ1+C3θ3 +D3 ・sin gl θ12+f3 θ3=T3
... (23) The following approximations are made to equations (8) and (9). sin θ1#θ1 cosθ1 #1sin gl
θ1250 Using this approximation, equations (22), (23)
is linearized as follows. ... (24) θ3 ”A21θ1+ A 23θl+ A 24θ
3+B21Ta・・・・(25) However, A11−EI C3/Δ Ata−−ft
Ca/ΔA14=f3 Ct/ΔA21=EI
C1/ΔA23- f I Ct/ΔA24
= -f a Al/ΔBtt=-C1/Δ
B21=AI/ΔEl=+'lJ g 11C1
=m1 11 rC3= (m1+m3)r2 +J
3 Al = J1Δ = A, C3-C32 xl-θ1.8□ = θ3, x3 = δ1, X4 = δ3
The following vector and matrix representations are performed as . u-T3 Using the above vector and matrix representations, the following state equation and output equation are obtained. ... (26) ... (27) Formula (21) calculated and set according to 1) to 3) above
Formula (26) using feedback gain K expressed as
, (27) are shown in FIGS. 6(a) and 6(b), and the numerical differential method described later is used in this simulation. A curve C1 in FIG. 6(a) shows a change in the lateral inclination angle θ1 of the vehicle body portion 17, a curve C2 shows a change in the rotation angle θ3 of the wheel portion 19, and a curve C3 in FIG. The curve C4 shows the change in the inclination angular velocity b1, and the curve C4 shows the change in the rotational speed b3 of the wheel portion 19. The parameters and conditions at this time are set as follows. mt-2,79kg l =0.318mm2
”Okg j!1 = 0.19 mm3
=0.36kg 12 =OmJl-0,122
37kgm J2 = Okgm J3 = 5.00xlQkgm fz = 6.86X1ONms f2=Q Nm5 f3 = 4.40X1ONms Si = (-5±4j, -6±5j) (i-1, 2, 3, 4) K-[ 4,88,1,31,5,37,6,00]X
(0)-[0,0,π/10.01 Note that X (0)
−[0, O, π/10.0] represents the initial condition, a disturbance of π/10 (rad/s) is applied to the vehicle body 17, and the simulation time interval Δt is 5 as has been adopted. Figure 6 (a), (b)
The simulation results shown in FIG. 4 show that the vehicle body 17 can be returned to the equilibrium position (θ1-0) shown by the chain line in FIG. 4, and that this equilibrium state can be maintained thereafter. It has also been found that in this equilibrium control, the further the pole is placed to the left of the left half of the complex plane, the thicker the control input becomes, but the faster the control system stabilizes.

【4] 式(22)、  (23)で表される力学モデ
ルにおいて姿勢制御アーム6を取り外し、車輪1がほと
んど静止しているものと仮定して車輪1に関する運動を
無視すると共に、sinθl!=Iθ1の近似を行なっ
た場合の運動方程式は以下のようになる。 A1θ1+f1θ1+E1  ・sinθ1=Jt θ
1+f1θ1−m1g1θ1=0・・・ (59) 式(59)で表される系に対してu (t) =T3の
フィードバック制御を加える。 Jl θ1+f1 θt−mtgj!θs  −u  
(t)−一ξにθ1 (t) ・ ・ ・ (60) 但し、車輪駆動用モータ7のトルク係数、駆動系の減速
比等によって決まる定数である。 横斜角度θ1の検出、制御コンピュータ16内での演算
時間、車輪駆動用モータ7への指令入力、減速歯車列8
における伝達遅れ等からなる全体的な制御遅れ時間をΔ
Tを考慮すると、式(60)%式% 雪−ξにθ1  (t−ΔT) ・・・ (61) θl (t−ΔT)をティラー(Taylor)展開し
て2次以上の微小量を無視すると次のようになる。 θ1  (を−ΔT)#θ1(t)−ΔTθ1(t)こ
れにより式(61)は次のようになる。 + (Kξ−mtgl) θ1=0 ・・・ (62) 式(62)をラプラス変換して得られる特性方程式は次
のようになる。 Jl  s2+ (fl−1(ξΔT)  s+ (K
ξ−ml gl)=0 ・・・ (63) 式(63)で表される制御系の安定条件が制御理論にお
いて周知のルースーハーウィフッ(Reuth−Hur
wi tz)の安定条件に基づいて次のように得られる
。 ml gl/ξ<K<ξΔT ・ ・ ・ (64) 式(64)によれば、フィードバックゲインにの下附は
一定であるが、上限は遅れ時間ΔTによって変化するこ
とが分かる。即ち、遅れ時間ΔTが小さければフィード
バンクゲインにの選択範囲が拡がり、適切なフィードバ
ックゲインにの選択自由度が高くなる。 式(64)から選択されるフィードバックゲインKを用
いて式(62)に対して行われたコンピュータシミュレ
ーション結果は【3】における線型制御系における安定
した姿勢制御と略同様の姿勢安定制御を示し、例えばΔ
T=3ms、に= 10゜0とした場合の姿勢安定性は
極めて良い。 なお、遅れ時間ΔTとしてサンプリング時間Δtを採用
しても同等不都合が生じないことは式(62)で表され
る制御系の実験結果から明らかにされている。
[4] In the dynamic model expressed by equations (22) and (23), remove the attitude control arm 6, assume that the wheel 1 is almost stationary, ignore the motion related to the wheel 1, and calculate sinθl! The equation of motion when approximating =Iθ1 is as follows. A1θ1+f1θ1+E1 ・sinθ1=Jt θ
1+f1θ1−m1g1θ1=0 (59) Feedback control of u (t) =T3 is applied to the system expressed by equation (59). Jl θ1+f1 θt−mtgj! θs −u
(t) - 1ξ θ1 (t) . . . (60) However, this is a constant determined by the torque coefficient of the wheel drive motor 7, the reduction ratio of the drive system, etc. Detection of lateral inclination angle θ1, calculation time in control computer 16, command input to wheel drive motor 7, reduction gear train 8
The overall control delay time consisting of transmission delay etc. at Δ
Considering T, equation (60)%Formula % Snow - ξ is θ1 (t-ΔT)... (61) θl (t-ΔT) is expanded by Taylor and minute quantities of second order or higher are ignored. Then it becomes as follows. θ1 (−ΔT) #θ1(t)−ΔTθ1(t) Accordingly, equation (61) becomes as follows. + (Kξ−mtgl) θ1=0 (62) The characteristic equation obtained by Laplace transform of equation (62) is as follows. Jl s2+ (fl-1(ξΔT) s+ (K
ξ−ml gl)=0 (63) The stability condition of the control system expressed by equation (63) is the well-known Reuth-Hur in control theory.
Based on the stability conditions of ml gl/ξ<K<ξΔT (64) According to equation (64), it can be seen that the lower limit of the feedback gain is constant, but the upper limit changes depending on the delay time ΔT. That is, if the delay time ΔT is small, the selection range for the feed bank gain is expanded, and the degree of freedom in selecting an appropriate feedback gain is increased. The computer simulation results performed on equation (62) using the feedback gain K selected from equation (64) show attitude stability control that is almost the same as the stable attitude control in the linear control system in [3], For example, Δ
Postural stability is extremely good when T = 3 ms and T = 10°0. Note that it has been made clear from the experimental results of the control system expressed by equation (62) that the same inconvenience does not occur even if the sampling time Δt is adopted as the delay time ΔT.

【5】 これまでに述べたフィードバック制御は極配置
法によるが、次に最適制御法によるフィードバック制御
について説明する。 第3図の制御系は式(10)で表される。 □   → X (む)=A−X  (t)+B−u  (t)・・
・ (10) 式(10)に対して次の評価関数J (u)を最小にす
るように制御人力u (t)を決める。 +u (t) RU (t) ) d t・・・ (2
8) 但し、iは4×4、Rは1×1の圧定対称行列とする。 J (u)を最小にすることは可及的に小さい制御エネ
ルギーで初期状態を安定状態へ可及的に近付けることを
意味する。 J (u)を最小にする最適人力UO(t
)は次のりカッチ(Ri c ca t i)方程式(
29)の解丁から式(30)。 (31)として得られる。 T       、  −1−+−− A P+PA−PBRBP+Q干0 ・・・ (29) uo(t)=に−X (t)    ・・・ (31)
従って、Kを求めることにより最適人力uO(t)は状
態フィードバックの形で生成することができる。 第3図の可制御系を表す状態方程式(16)のフィード
バックゲインには以下のように求められる。 <1>対角行列Q、  Rを適当に選ぶ。 (2)i−0のときのKをA+BKが安定になるように
選ぶ(簡単化のために前記極配置法で計算したKを用い
る)。 (3)τl −A+BKl として次のりャプノフ(L
yapnov)方程式(32)の4×4半正定対称行列
解丁を求める。 ・・・ (32) −1−*T− (4) Ki+1 =−RB  Pl とおき、i−i
+1として(3)に戻る。 れる。 評価関数式(28)の中の重みQ、 Hの取り方は制御
系の制御性能に強い影響を及ぼし、百に比べてRを小さ
くすればするほど制御系を迅速に安定化できることが本
願発明者により見出されている。又、第3図の力学モデ
ルでは車体部17の安定がアーム部18の安定よりも重
要であるので、xlに対応するiの対角要素に他よりも
大きな重みをつけるといった百の選択が可能である。こ
の意味において最適制御法が極配置法よりも優れている
と言える。この最適制御法によるシミュレーション結果
は前記極配置法におけるシミュレーション結果と同様に
第4図に鎖線で示す平衡位置(θ1=O)へ車体部17
を復帰させ、以後この平衡状態を維持し得ることを示し
ている。
[5] The feedback control described so far is based on the pole placement method, but feedback control based on the optimal control method will be explained next. The control system in FIG. 3 is expressed by equation (10). □ → X (mu)=A-X (t)+B-u (t)...
- (10) Determine control human power u (t) so as to minimize the following evaluation function J (u) for equation (10). +u (t) RU (t) ) d t... (2
8) However, i is a 4×4 and R is a 1×1 fixed symmetric matrix. Minimizing J (u) means bringing the initial state as close to a stable state as possible with as little control energy as possible. The optimal human power UO(t
) is the following Ri c cat i equation (
29), formula (30) is obtained. It is obtained as (31). T, -1-+-- A P+PA-PBRBP+Q 0... (29) uo(t)=-X (t)... (31)
Therefore, by determining K, the optimal human power uO(t) can be generated in the form of state feedback. The feedback gain of the state equation (16) representing the controllable system in FIG. 3 is determined as follows. <1> Select diagonal matrices Q and R appropriately. (2) Select K when i-0 so that A+BK becomes stable (for simplicity, use K calculated by the above-mentioned pole placement method). (3) As τl −A+BKl, the following Ryapunov (L
Find a 4×4 positive semi-definite symmetric matrix solution of equation (32). ... (32) -1-*T- (4) Ki+1 =-RB Pl, i-i
Return to (3) as +1. It will be done. The present invention shows that how to take the weights Q and H in the evaluation function formula (28) has a strong influence on the control performance of the control system, and the smaller R is compared to 100, the more quickly the control system can be stabilized. It has been discovered by the person. Furthermore, in the dynamic model shown in Fig. 3, the stability of the vehicle body part 17 is more important than the stability of the arm part 18, so a hundred choices are possible, such as giving greater weight to the diagonal element of i corresponding to xl than others. It is. In this sense, it can be said that the optimal control method is superior to the pole placement method. The simulation results based on this optimal control method are the same as the simulation results using the pole placement method described above.
This shows that it is possible to restore this state of equilibrium and maintain this equilibrium state thereafter.

【6】 次に、第3図の力学モデルの非線型制御系の設
計について説明する。 線型制御系の設計の際にはθ1及びθ2が常に余り大き
くならないように第3図の力学モデルが制御されるとい
う仮定を行なったが、非線型制御系の設計に際しては以
下の仮定をおく。 ■車体部17の横斜角度θ1は常にあまり大きくならな
いように制御される。 ■車輪部19の回転加速度θ3は非常に小さい。 ■車体部17の横斜角度θ1が大きいとき、その角速度
θ1は小さい。 ■アーム部18の横斜角度θ2が大きいとき、その角速
度θ2は小さい。 ■車体部17の角速度blが大きいとき、横斜角度θ1
は小さい。 ■アーム部18の角速度b2が大きいとき、横斜角度θ
2は小さい。 ■〜■の仮定により第3図の力学モデルを表す式(5)
、  (6)、(7)が次のように僅かに簡単化される
。 B1 °cos θ2 θ1+B2 θ2+E2  l
5in θ2+r2 θ2=T2 ・・・ (34) ・・・ (35) 式(33)、  (34)を次のように書き換える。 ・・・ (36) 但し、 ・ ・ ・ (37) T2°=T2−B2 ・sinθ2−f2#2・ ・ 
・ (38) さらに、次のようにベクトル及び行列表示を行なう。 これにより式(34)は次の状態方程式(39)に書き
換えられる。 θ(t)=A・θ(t)+B−72  ’  (t)・
・・ (39) 式(39)におけるτは時間的に変化する(時変)係数
であるため、極が時間的に変動すると共に、少なくとも
1つの極が複素平面の右半面にあり、式(39)で表さ
れる系は非常に不安定であることが分かっている。この
ような不安定な系における時変な極を複素平面の左半面
の望ましい位置に固定して系の安定化を図るため、式(
39)で表される系に対して次のフィードバック制御を
行なう。 T2 “−[kll k2+ ka+ k+ ]  [
θ1.θ2.θ3.θ4]−にθ ・・・ (40) これにより式(39)は次のようになる。 式(41)の特性多項式、即ち(A+BK)の固有多項
式は次のようになる。 D (λ) =det(λI−(A+BK )1 =1λI−A−BKI =λ’  +  (a f 1−b k2−c k4)
λ3+  (aEl−bJ−ck3−[1k4/Δ)λ
2−(ft  k3+E1  k4)λ/Δ−Etka
/Δ・ ・ ・ (42) 但し、Δ=ac−b2である。 式(4工)で表される系の橿はすべて固定されているも
のと仮定しているため、式(42)の係数は時間的に不
変(時不変)でなければならず、A、Bが時変係数であ
ることからKも必然的に時変となる。この時変なK(以
下、KLと表す)を求めるために次の式(43)で示す
1つの望ましい安定な線型時不変モデルを選ぶことにす
る。 X(t)=A’ −X (t)   ・−・ (43)
式(41)で表される制御系を常に式(43)に一致さ
せること、即ち式(41)で表される系の極を式(43
)で表される系の極に一致固定させることができれば式
(41)で表される制御系の安定化が可能である0式(
43)の極を次のように表す。 一α1 +βij(α>O,t−1,2,3,4)この
特性多項式は次のように表される。 D(λ)−1λI−A’1 = λ4+d 3  λ8+d2  λ2+d 1  
λ + d。 ・・・ (44) 式(41)の特性多項式(42)の係数を式(43)の
特性多項式の係数に常に一致させることにすると、Kt
の各要素に1.に2.に3.に4は次のようになる。 kr −11b ・(aEl−d2+fl dx/Ex
−CΔdo/El−f 12dO/E12)・・・ (
45) k2 =l/b ・(a f 1−d3+cΔdl/E
l+rl cΔd o/ E x2) ・・・ (46) k3 =−Δd o/ E t ・・・ (47) k4−(Δ/Er) ・(ft do/Et−dt )
・・・ (48) これらの演算により時変系を表す式(39)の極は常に
安定した線型な時不変モデル(41)の極(−αl+β
lj)に一致し、時変系(39)のフィードバック係数
Ktは式(45)〜(48)により各サンプリング時刻
において時変量となる。 即ち、このフィードバックは一種の適応制御となってお
り、時変なシステムパラメータに対するモデルマツチン
グである。 アーム部18の制御人力T2は式(38)から次のよう
に得られる。 T2 =72  ’ +E2 −5in θ2+f2θ
2−KLθ+E2  ・sin θ2+f2θ2・・・
 (49) 車輪部19の制御人力T3は式(35)力1ら次のよう
に得られる。 式(37)、  (40)を代入すれば・ ・ ・ (
50) 車輪2.3を等速度で移動させるには車輪2゜3の角速
度b3を目標角速度δ3 °に近付けさせるような制御
入力を加えればよい。従って、車輪部19の制御入力は
次のようになる。 各時刻のサンプリング状態量θ1.θ2.θ3から時変
フィードバックゲインKtを算出し、この算出値を用い
て式(39)に対して行われたコンピュータシミュレー
ション結果が第7図(a)、(b)、(C)に示されて
いる。第7図(a)、(b)、  (c)の曲線C5,
C17,C9は車体部19の横斜角度θ1の変移を示し
、曲線C6,C8゜CIOはアーム部18の横斜角度θ
2の変移を示す。このときのパラメータ及び条件が以下
のように設定されている。 ml =2.79kg    j!  =0.318m
m2=1.40kg    ls =0.17  mm
a =0.36kg    12 =0.20  mJ
l=0.108   kgm J2 ”7.OIXlokgm J3 ”5.OOXlokgm r  =4. 5  xto・m fl=6.0XIONm5 f2=4.40xlONms fa =4.40xlONms Kt = [4,8B、 1,31.5.37.6.0
0 1X (0)= [0,π/10.0.01なお、
X (0)= [0,π/10.O,OFは初期条件を
表し、車体部17に対してπ/10(r a d / 
s )の外乱が与えられており、シミュレーション時間
間隔Δtとしては10+msが採用されている。第7図
(a)における極Siは5t−(−3±4j、−4±5
3) (i=1. 2. 3. 4) 第7図(b)における極Stは Si冨(−5±4j、−6±53) 第7図(c)における極Siは 5t−(−7±43.−8±53) に設定されている。 第7図(a)、(b)、(c)に示すシミュレーション
結果は第2図に鎖線で示す平衡位置(θ1−〇)へ車体
部17を復帰させ、以後この平衡状態を維持し得ること
を示している。又、この平衡制御において複素平面の左
半面の左方へ極を配置するほど制御入力が大きくはなる
が、制御系が速く安定化することが見出される。 以上
[6] Next, the design of the nonlinear control system of the dynamic model shown in FIG. 3 will be explained. When designing the linear control system, it was assumed that the dynamic model shown in FIG. 3 would be controlled so that θ1 and θ2 would not become too large, but when designing the nonlinear control system, the following assumptions were made. (2) The lateral inclination angle θ1 of the vehicle body portion 17 is always controlled so as not to become too large. (2) The rotational acceleration θ3 of the wheel portion 19 is very small. (2) When the lateral inclination angle θ1 of the vehicle body portion 17 is large, its angular velocity θ1 is small. (2) When the lateral inclination angle θ2 of the arm portion 18 is large, its angular velocity θ2 is small. ■When the angular velocity bl of the vehicle body part 17 is large, the lateral inclination angle θ1
is small. ■When the angular velocity b2 of the arm portion 18 is large, the lateral inclination angle θ
2 is small. Equation (5) expressing the dynamic model in Figure 3 based on the assumptions of ■~■
, (6) and (7) are slightly simplified as follows. B1 °cos θ2 θ1+B2 θ2+E2 l
5in θ2+r2 θ2=T2 (34) (35) Rewrite equations (33) and (34) as follows.・・・ (36) However, ・ ・ ・ (37) T2°=T2−B2 ・sinθ2−f2#2・ ・
(38) Furthermore, perform vector and matrix display as follows. As a result, equation (34) is rewritten into the following state equation (39). θ(t)=A・θ(t)+B-72' (t)・
... (39) Since τ in equation (39) is a time-varying (time-varying) coefficient, the poles change over time and at least one pole is on the right half of the complex plane, and the equation ( The system represented by 39) is known to be very unstable. In order to stabilize the system by fixing the time-varying pole in such an unstable system at a desired position on the left half of the complex plane, the formula (
The following feedback control is performed on the system represented by 39). T2 “−[kll k2+ ka+ k+ ] [
θ1. θ2. θ3. θ4]− to θ (40) As a result, equation (39) becomes as follows. The characteristic polynomial of equation (41), that is, the characteristic polynomial of (A+BK), is as follows. D (λ) = det(λI-(A+BK)1 = 1λI-A-BKI =λ' + (a f 1-b k2-c k4)
λ3+ (aEl-bJ-ck3-[1k4/Δ)λ
2-(ft k3+E1 k4)λ/Δ-Etka
/Δ・・・・(42) However, Δ=ac−b2. Since it is assumed that all the rods of the system expressed by equation (4) are fixed, the coefficients of equation (42) must be time-invariant (time-invariant), and A, B Since is a time-varying coefficient, K is also necessarily time-varying. In order to obtain this time-varying K (hereinafter referred to as KL), we will select one desirable stable linear time-invariant model expressed by the following equation (43). X(t)=A' −X (t) ・−・ (43)
The control system expressed by equation (41) should always match equation (43), that is, the poles of the system expressed by equation (41) should be made to match equation (43).
), it is possible to stabilize the control system expressed by equation (41).
43) is expressed as follows. -α1 +βij (α>O, t-1, 2, 3, 4) This characteristic polynomial is expressed as follows. D(λ)-1λI-A'1 = λ4+d 3 λ8+d2 λ2+d 1
λ + d. ... (44) If we always make the coefficients of the characteristic polynomial (42) in equation (41) match the coefficients of the characteristic polynomial in equation (43), then Kt
1 for each element. 2. 3. 4 becomes as follows. kr -11b ・(aEl-d2+fl dx/Ex
-CΔdo/El-f 12dO/E12)... (
45) k2 = l/b ・(a f 1-d3+cΔdl/E
l+rl cΔd o/E x2) ... (46) k3 = -Δd o/Et ... (47) k4-(Δ/Er) ・(ft do/Et-dt)
... (48) Through these operations, the pole of equation (39) representing the time-varying system is always the pole of the stable linear time-invariant model (41) (-αl+β
lj), and the feedback coefficient Kt of the time-varying system (39) becomes a time variable at each sampling time according to equations (45) to (48). That is, this feedback is a type of adaptive control, which is model matching for time-varying system parameters. The control human power T2 of the arm portion 18 can be obtained from equation (38) as follows. T2 =72' +E2 -5in θ2+f2θ
2-KLθ+E2 ・sin θ2+f2θ2...
(49) The control human force T3 of the wheel portion 19 is obtained from the force 1 of equation (35) as follows. By substituting equations (37) and (40), we get...
50) To move the wheels 2.3 at a constant speed, it is sufficient to apply a control input that causes the angular velocity b3 of the wheels 2.3 to approach the target angular velocity δ3°. Therefore, the control input for the wheel section 19 is as follows. Sampling state quantity θ1 at each time. θ2. The time-varying feedback gain Kt was calculated from θ3, and the computer simulation results performed for equation (39) using this calculated value are shown in FIGS. 7(a), (b), and (C). . Curve C5 in Fig. 7 (a), (b), (c),
C17 and C9 indicate the change in the lateral inclination angle θ1 of the vehicle body part 19, and curves C6 and C8° CIO indicate the lateral inclination angle θ1 of the arm part 18.
2 shows the transition. The parameters and conditions at this time are set as follows. ml = 2.79kg j! =0.318m
m2=1.40kg ls=0.17mm
a = 0.36 kg 12 = 0.20 mJ
l=0.108 kgm J2 ”7. OIXlokgm J3 ”5. OOXlokgm r =4. 5 xto・m fl=6.0XIONm5 f2=4.40xlONms fa=4.40xlONms Kt=[4,8B, 1,31.5.37.6.0
0 1X (0) = [0, π/10.0.01
X (0) = [0, π/10. O and OF represent initial conditions, and π/10(r a d /
A disturbance of s ) is given, and 10+ms is adopted as the simulation time interval Δt. The pole Si in Fig. 7(a) is 5t-(-3±4j, -4±5
3) (i = 1. 2. 3. 4) The pole St in Fig. 7(b) is Si rich (-5±4j, -6±53) The pole Si in Fig. 7(c) is 5t-(- 7±43.-8±53). The simulation results shown in FIGS. 7(a), (b), and (c) indicate that the vehicle body 17 can be returned to the equilibrium position (θ1-〇) shown by the chain line in FIG. 2, and that this equilibrium state can be maintained thereafter. It shows. It has also been found that in this equilibrium control, the further the pole is placed to the left of the left half of the complex plane, the greater the control input becomes, but the control system stabilizes more quickly. that's all

【2】〜[2]~

【6】の制御系設計に対するコンピュータ
シミュレーション結果はいずれも第3図及び第5図の力
学モデルの制御有効性を示しており、この理論的根拠に
基づいて第2図の同軸二輪車が構成されている。この同
軸二輪車における制御システムのブロック回路図が第1
0図に示されており、制御コンピュータ16には第11
図(a)、第11図(b)あるいは第11図(C)にフ
ローチャートで示す制御プログラムが組み込まれている
。第11図(a)、  (b)に示す制御プログラムは
線型制御系に対応するもの、第11図(C)に示す制御
プログラムは非線型制御系に対応するものである。 第11図(a)の線型制御プログラムでは、制御コンピ
ュータ16は制御開始信号入力に伴って第10図のカウ
ント回路、出力インターフェース回路、データラッチ回
路等の各制御回路を初期化し、ロークリエンコーダ11
から出力される検出信号をカウント回路を介して取り込
む、そして、制御コンピュータ16はサンプリング値θ
1及び予め入力設定されたフィードバックゲインKから
なる式(60)により制御トルクT3を算出し、この算
出された制御トルクT3を第10図のデータランチ回路
及びD/A変換器を介して駆動部に出力する。データラ
ンチ回路は制御コンピュータ16からの出力データを次
のサンプリング時点まで保持する機能をもっている。 第11図(b)の線型制御プログラムでは、制御コンピ
ュータ16は制御開始信号入力に伴って第10図のカウ
ント回路、出力インターフェース回路、データラッチ回
路等の各制御回路を初期化すると共に、各ロータリエン
コーダ11.14゜15から出力される検出信号をカウ
ント回路を介して取り込み、取り込まれた所定個nの組
(θl。 θ2.θa)(11(i= 1.2 ・・・n)のうち
n個目のサンプリング値(θ1.θ2.θ3)(n)の
微分値、叩ち角速度(δ1,112.8 a) (nl
を数値微分で算出する。 そして、制御コンピュータ16はサンプリング値(θ1
.θ2.θ3)(n)、算出値(θ1.θ2.θa)(
nl及び予め入力設定されたフィードバックゲインKか
らなる式(20)により制御トルクT2. Taを算出
し、この算出された制御トルクT2.T3を第10図の
データランチ回路及びD/A変換器を介して駆動部に出
力する。 第11図(c)の非線型制御プログラムでは、制御コン
ピュータ16は数値微分による角速度算出まで線型制御
プログラムの場合と同様に遂行し、次いで時変フィード
バックゲインKtを算出する。 そして、制御コンピュータ16はサンプリング角度(θ
1、θ2.θa)(n)、算出角速度(”l+’j2+
”3(n)及び予め算出時変フィードバックゲインKt
からなる式(49及び51)により制御トルクT2、T
aを算出し、この算出された制御トルクT2゜Taを第
8図のデータラッチ回路及びD/A変換器を介して駆動
部に出力する。 線型制御プログラム及び非線型制御プログラムにおいて
遂行される数値微分法を以下に説明する。 サンプリング時間Δt1即ち(θ1.θ2.θa) (
1)取り込み時刻と(θ1、θ2.θa) +t rn
取り込み時刻との間隔が十分に小さい場合、角度7i(
i=1.2.3)が次のように二次多項式により近似で
きるものとする。 Tt  (t)  #a+bt+ct2・ ・ ・ (
52) 式(52)を微分することにより次のように角速度すi
  (Bが求められる。 Ti  (t)=b+2ct  ・・・ (53)n個
のサンプリング時点(本実施例では5(固)tl =−
2Δt   t2−−Δt   t3=Qt4=Δt 
    t5−2Δt での観測角度θ1(1)、  δ1(2)、  δ1(
31,δ1(4)。 δ1(5)と、式(52)のTiとの差の2乗和εは次
のように表される。 ε−(Tl (1)−θi (1))+(Ti (2)
−θ1f2))+(Ti (3)−θi f31)+(
Ti (4)−θi (4))+(7−i (5)−θ
i (5)) = (θ1(11(a+2bΔ、t + 4 cΔt2
))2+(θ1(2)−(a+bΔt+cΔt2))2
+ (θ1(3)−a)2 + (θ1(4)   (a+bΔt+cΔt2))2
+ (θ1(5)−(a+2bΔt+4cΔt2))2
このεを最小にするように式(52)の係数a。 b、cが次のように決定される。 a = (1/70) ・(−6θi (1)+24 
θ1(2)+34 θi (3)+24 θ1(41−
60(5))b = (1/10Δt)・(−2θi 
(1)−θ1(2)÷θ1(41+2θ1(5)) c = (1/14Δt2)  ・(2θi 11)−
θ1(2)−2θ1(3)−θ1(4)−2θi (5
1)このように決定されたa、b、cを式(53)に代
入すれば各サンプリング点での角速度θt (nl(n
=1.2.3.4.5)を求めることができる。 例えばサンプリング時点tでの角速度は次のように表さ
れる。 θi (5) = b + 2 c・2Δt−(1/1
0 Δt)・(26θi (1)−27θ1(2)−4
0θi  (31−13θi  (4)+54  θ 
i  (5)  )・・・ (54) 即ち、過去の5個のサンプリング角度θi 11)〜θ
1(5)に基づいてサンプリング時点tの角度θiを平
滑化しながらサンプリング時点tの角速度θiを算出し
ており、この平滑化により算出角速度は実際の角速度に
精度良く一致する。 サンプリング時間間隔Δtの大小は制御系の安定制御を
左右するものであり、間隔Δtは小さいほどよいが、サ
ンプリング時点と次のサンプリング時点との間に行われ
る制御コンピュータ16の演算速度が間隔Δtを左右す
る。そこで、非線型系における時変フィードバックゲイ
ンKtの各要素を算出する式(45)〜(48)を次の
ように書き換える。 kl ”(1/ b)  ・(aEl−a2+rl d
l/El−CΔdo/El−f I”do/E1す”(
1/ b)  ・(aEl−d2−fl k4/Δ−c
k3)・・・ (55) k2=(1/ b)   (a fl−d3+cAd1
/El+rl  cΔdo/E12) =(1/ b)  ・(a fl−d3−c ka )
・・・ (56) k3 =−Δd o/ E 1 ・・・ (57) k4=(Δ/Es)・(ft  do/E1−dt )
=−(1/Et)・(d1Δ+fxka)・・・ (5
8) 式(45)〜(48)の代わりに式(55)〜(58)
を用いることにより時変フィードバックゲインKtの算
出時間の大幅な短縮が可能となる。 第5図の力学モデルを対象とした線型制御シミュレーシ
ヨンと同様のシステムパラメータ値及び初期外乱、設定
された各種5i=(−3±j、−4±23)に対して得
られる状態フィードバックゲインに−[4,8B、 1
.31.5.37.6.00 1に基づいて第4図の同
軸二輪車に対するフィードバック制御結果が第8図(a
)、  (b)、  (c)に示されている。第8図(
a)の曲線C1lは車体部17の横斜角度θ1の変移、
曲線C12は車輪部19の回転角度θ3の変移を示す、
第8図(b)の曲線C13は車体部17の角速度δ1の
変移を示し、第8図(c)の曲線C14は制御トルクT
3の変移を示す、第8図(a)〜(c)の結果は車輪2
.3の移動による頑強な安定性を示し、かなり大きな外
乱に対しても第4図に鎖線で示す平衡位置への車体部1
7の復帰が直ちに行われる。 第3図の力学モデルを対象・とした非線型制御シミニレ
−シランと同様のシステムパラメータ値をもつ第2図の
同軸二輪車を目標値θ3 w3radへ走行させる際の
フィードバック制御結果が第9図(a)、  (b)に
示されている。第9図(a)の曲線C15は車体部17
の横斜角度θ1の変移、第9図(a)、  (b)の曲
線C16は車輪部19の回転角度θ3の変移、第9図(
b)の曲線C17は車体部17の角速度θ1の変移を示
す。第9図(a)、(b)によれば、最初は車体部17
が若干揺動しているため、車輪2.3の移動による制御
は車体部17の姿勢安定を優先する方向に作用し、小刻
みな制御動作を行なっている。車輪2゜3が移動開始後
しばらくの間アーム部18も車体部17とほぼ同様の位
相で小刻みに揺動しており、7秒あたりで車体部17と
アーム部18との揺動が同期し、アーム部18が大きく
揺動する。この時点で車輪2.3が急速に目標位置に近
付くが、この加速による車体部17の安定性がアーム部
18の揺動を抑制している。9秒あたりで車輪2゜3が
減速し始め、この減速による車体部17の不安定性がア
ーム部18の中程度の揺動でカバーされている。同軸二
輪車は目標位置θ3 =3radの若干手前で停止して
いるが、これは車輪駆動系統の固体摩擦に起因するもの
のようである。 目標位置をθ3−0とした場合の制御結果は第9図(a
)、  (b)にて同軸二輪車の停止以後の様子と全く
同じであった。 同軸二輪車の静止状態における車体部17の揺動を第8
図(a)と第9図(a)との間で比較すると、車輪部1
9とアーム部18とを同時に駆動する姿勢制御方法は車
輪部19のみの駆動による姿勢制御に比べて車体部17
の揺動をはるかに小さく抑えることを可能とし、この意
味において第2図の姿勢制御アーム6付き同軸二輪車が
第4図の姿勢制御アーム6無し同軸二輪車に比して姿勢
制御に優れていることが判断される。 なお、本願発明者は姿勢制御アーム6のみによる姿勢制
御実験を行なってみたが、線型制御系及び非線型制御系
のいずれにおいても車体部17を平衡位置に安定維持し
得ないことを見出している。 これは、姿勢制御アーム駆動用モータ9の不感帯あるい
は歯車伝達系のバックラッシュ等の非線型要素に起因す
る制御遅れの発生、及びフィードバック制御に使う車体
横斜角度及び姿勢制御アーム6の横斜角度という状態量
の短時間サンプリングを・基に行われる角速度算出に介
在する雑音に専ら起因するようであり、姿勢制御アーム
6のみによる従来の姿勢制御方法の通用困難性が説明さ
れる。 本願発明は勿論前記実施例にのみ限定されるものではな
く、例えば一対の車輪2,3と車輪駆動用モータ7とを
差動歯車機構を介して接続することにより同軸二輪車に
操舵機能を持たせたり、あるいは一対の車輪2.3を互
いに独立して駆動して操舵機能を持たせることも可能で
ある。 (発明の効果) 以上詳述したように本願第1の発明によれば、車体の傾
きを検出する角度検出手段により検出される横斜角度を
短時間間隔にてサンプリングし、車体のサンプリング横
斜角度及びフィードバックゲインを係数として制御コン
ピュータ内に予め入力設定された制御入力算出式に前記
サンプリング値を代入して演算し、この演算に基づいて
車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この
算出された制御トルク相当の作動を制御コンピュータか
ら前記車輪駆動用モータに指令して同軸二輪車における
姿勢を制御するようにしたので、前記算出結果に基づい
て車輪駆動用モータのフィードバック制御が行われ、車
体が傾動すれば車輪が車体の傾動方向へ直ちに移動して
車体の復元が確実に行われる。 本願第2の発明によれば、車体の傾きを検出する第1の
角度検出手段により検出される横斜角度及び車輪の回転
角度を検出する第2の角度検出手段により検出される回
転角度を短時間間隔にてサンプリングし、車体のサンプ
リング横斜角度、車輪のサンプリング回転角度及びこれ
らサンプリング角度に基づいて算出される角速度を状態
変数、フィードバックゲインを係数として制御コンピュ
ータ内に予め入力設定された制御入力算出式に前記サン
プリング値を代入して演算し、この演算に基づいて車輪
駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この算出
された制御トルク相当の作動を制御コンピュータから前
記車輪駆動用モータに指令して同軸二輪車における姿勢
を制御するようにしたので、前記算出結果に基づいて車
輪駆動用モータのフィードバック制御が行われ、車体が
傾動すれば車輪が車体の傾動方向へ直ちに移動して車体
の復元が確実に行われる。 さらに本願第3の発明では、前記第1の角度検出手段に
より検出される車体の横斜角度、前記第2の角度検出手
段により検出される車輪の回転角度、及び前記第1の発
明の同軸二輪車に付加された姿勢制御アームの傾きを検
出する第3の角度検出手段により検出される横斜角度を
短時間間隔にてサンプリングし、車体のサンプリング横
斜角度、車輪のサンプリング回転角度、姿勢制御アーム
のサンプリング横斜角度及びこれらサンプリング角度に
基づいて算出される角速度を状態変数、フィードバック
ゲインを係数として前記制御コンピュータ内に予め入力
設定された制御入力算出式に前記サンプリング値を代入
して演算し、この演算に基づいて車輪駆動用モータ及び
姿勢制御アーム駆。 動用モータの制御トルクを算出すると共に、これら算出
された制御トルク相当の作動を制御コンビエータから前
記車輪駆動用モータ及び姿勢制御アーム駆動用モータに
指令して同軸二輪車の姿勢を制御するようにしたので、
前記算出結果に基づいて車輪駆動用モータ及び姿勢制御
アーム駆動用モータのフィードバック制御が行われ、車
体が傾動すれば車輪が車体の傾動方向に向かって移動す
ると共に、制御アームが車体の傾動方向と反対側へ回動
し、車体の復元が確実に行われる。第3の発明では姿勢
制御アームの姿勢制御作用により第1゜2の発明に比し
て平衡位置での車体維持安定性がさらに優れたものとな
る。
The computer simulation results for the control system design in [6] all show the control effectiveness of the dynamic models shown in Figures 3 and 5, and the coaxial two-wheeled vehicle shown in Figure 2 was constructed based on this theoretical basis. There is. The block circuit diagram of the control system in this coaxial two-wheeled vehicle is the first one.
0, and the control computer 16 has an 11th
A control program shown in a flowchart in FIG. 11(a), FIG. 11(b), or FIG. 11(C) is incorporated. The control programs shown in FIGS. 11(a) and 11(b) correspond to a linear control system, and the control program shown in FIG. 11(C) corresponds to a nonlinear control system. In the linear control program shown in FIG. 11(a), the control computer 16 initializes each control circuit such as the count circuit, output interface circuit, and data latch circuit shown in FIG.
The control computer 16 takes in the detection signal outputted from the sampling value θ via the counting circuit.
The control torque T3 is calculated using equation (60) consisting of 1 and the feedback gain K inputted in advance, and the calculated control torque T3 is sent to the drive unit via the data launch circuit and D/A converter shown in FIG. Output to. The data launch circuit has a function of holding output data from the control computer 16 until the next sampling point. In the linear control program shown in FIG. 11(b), the control computer 16 initializes each control circuit such as the count circuit, output interface circuit, and data latch circuit shown in FIG. The detection signal output from the encoder 11.14゜15 is taken in through a counting circuit, and a predetermined set of n (θl. θ2.θa) (11 (i= 1.2...n) is Differential value of the n-th sampling value (θ1.θ2.θ3) (n), hitting angular velocity (δ1, 112.8 a) (nl
Calculate by numerical differentiation. Then, the control computer 16 controls the sampling value (θ1
.. θ2. θ3)(n), calculated value (θ1.θ2.θa)(
The control torque T2. Ta is calculated, and this calculated control torque T2. T3 is outputted to the drive unit via the data launch circuit and D/A converter shown in FIG. In the nonlinear control program shown in FIG. 11(c), the control computer 16 performs calculation of angular velocity by numerical differentiation in the same manner as in the linear control program, and then calculates the time-varying feedback gain Kt. Then, the control computer 16 controls the sampling angle (θ
1, θ2. θa) (n), calculated angular velocity ("l+'j2+
”3(n) and pre-calculated time-varying feedback gain Kt
The control torques T2, T
a is calculated, and the calculated control torque T2°Ta is output to the drive unit via the data latch circuit and D/A converter shown in FIG. The numerical differentiation method performed in the linear control program and the nonlinear control program will be described below. Sampling time Δt1, that is (θ1.θ2.θa) (
1) Intake time and (θ1, θ2.θa) +t rn
If the interval with the capture time is sufficiently small, the angle 7i (
i=1.2.3) can be approximated by a second-order polynomial as follows. Tt (t) #a+bt+ct2・ ・ ・ (
52) By differentiating equation (52), the angular velocity i
(B is calculated. Ti (t) = b + 2ct... (53) n sampling time points (5 (fixed) in this example) tl = -
2Δt t2−−Δt t3=Qt4=Δt
Observation angles θ1(1), δ1(2), δ1(
31, δ1(4). The sum of squares ε of the difference between δ1(5) and Ti in equation (52) is expressed as follows. ε−(Tl (1)−θi (1))+(Ti (2)
-θ1f2))+(Ti (3)-θi f31)+(
Ti (4)-θi (4))+(7-i (5)-θ
i (5)) = (θ1(11(a+2bΔ, t + 4 cΔt2
))2+(θ1(2)-(a+bΔt+cΔt2))2
+ (θ1(3)-a)2 + (θ1(4) (a+bΔt+cΔt2))2
+ (θ1(5)-(a+2bΔt+4cΔt2))2
The coefficient a of equation (52) is set so as to minimize this ε. b and c are determined as follows. a = (1/70) ・(-6θi (1)+24
θ1(2)+34 θi(3)+24 θ1(41-
60(5))b = (1/10Δt)・(-2θi
(1)-θ1(2)÷θ1(41+2θ1(5)) c = (1/14Δt2) ・(2θi 11)-
θ1(2)-2θ1(3)-θ1(4)-2θi (5
1) By substituting a, b, and c determined in this way into equation (53), the angular velocity θt (nl(n
=1.2.3.4.5) can be obtained. For example, the angular velocity at sampling time t is expressed as follows. θi (5) = b + 2 c・2Δt-(1/1
0 Δt)・(26θi (1)−27θ1(2)−4
0θi (31-13θi (4)+54 θ
i (5) )... (54) That is, the past five sampling angles θi 11) ~ θ
1(5), the angular velocity θi at the sampling time t is calculated while smoothing the angle θi at the sampling time t, and by this smoothing, the calculated angular velocity accurately matches the actual angular velocity. The size of the sampling time interval Δt affects the stable control of the control system, and the smaller the interval Δt, the better; however, the calculation speed of the control computer 16 performed between one sampling point and the next sampling point may Left and right. Therefore, equations (45) to (48) for calculating each element of the time-varying feedback gain Kt in the nonlinear system are rewritten as follows. kl ”(1/b) ・(aEl−a2+rl d
l/El-CΔdo/El-f I"do/E1" (
1/ b) ・(aEl-d2-fl k4/Δ-c
k3)... (55) k2=(1/b) (a fl-d3+cAd1
/El+rl cΔdo/E12) = (1/ b) ・(a fl-d3-c ka )
... (56) k3 = -Δd o/ E 1 ... (57) k4 = (Δ/Es)・(ft do/E1-dt)
=-(1/Et)・(d1Δ+fxka)... (5
8) Formulas (55) to (58) instead of formulas (45) to (48)
By using , it is possible to significantly shorten the calculation time of the time-varying feedback gain Kt. The state feedback gain obtained for the system parameter values, initial disturbance, and various set 5i = (-3 ± j, -4 ± 23) similar to the linear control simulation for the dynamic model shown in Figure 5. −[4,8B, 1
.. 31.5.37.6.00 Based on 1, the feedback control results for the coaxial two-wheeled vehicle shown in Fig. 4 are shown in Fig. 8 (a).
), (b), (c). Figure 8 (
The curve C1l in a) represents the change in the lateral inclination angle θ1 of the vehicle body portion 17;
A curve C12 indicates a change in the rotation angle θ3 of the wheel portion 19.
A curve C13 in FIG. 8(b) shows the change in the angular velocity δ1 of the vehicle body 17, and a curve C14 in FIG. 8(c) shows the change in the control torque T.
The results in Figures 8(a)-(c) showing the transition of wheel 2
.. The vehicle body 1 exhibits robust stability due to the movement of 3, and even in the face of quite large disturbances, the vehicle body 1 returns to the equilibrium position shown by the chain line in Figure 4.
7's reinstatement will take place immediately. Figure 9 (a) shows the feedback control results when the coaxial two-wheeled vehicle in Figure 2, which has the same system parameter values as the nonlinear control simulation target for the dynamic model in Figure 3, travels to the target value θ3 w3rad. ), (b). Curve C15 in FIG. 9(a) indicates the vehicle body portion 17.
The curve C16 in FIGS. 9(a) and (b) shows the change in the rotation angle θ3 of the wheel portion 19, and the curve C16 in FIGS.
The curve C17 in b) shows the change in the angular velocity θ1 of the vehicle body portion 17. According to FIGS. 9(a) and 9(b), initially the vehicle body part 17
is slightly oscillating, the control based on the movement of the wheels 2.3 acts in a direction that prioritizes the stability of the attitude of the vehicle body 17, and performs small control operations. For a while after the wheel 2.3 starts moving, the arm part 18 also swings little by little in almost the same phase as the car body part 17, and the swings of the car body part 17 and the arm part 18 synchronize around 7 seconds. , the arm portion 18 swings significantly. At this point, the wheels 2.3 rapidly approach the target position, but the stability of the vehicle body 17 due to this acceleration suppresses the swinging of the arm 18. At around 9 seconds, the wheels 2.degree. 3 begin to decelerate, and the instability of the vehicle body 17 due to this deceleration is compensated for by the moderate rocking of the arm 18. The coaxial two-wheeled vehicle stopped slightly before the target position θ3 = 3 rad, but this seems to be caused by solid friction in the wheel drive system. The control results when the target position is set to θ3-0 are shown in Figure 9 (a
) and (b), the situation was exactly the same as after the coaxial two-wheeled vehicle stopped. The rocking of the vehicle body 17 in the stationary state of the coaxial two-wheeled vehicle is
Comparing FIG. 9(a) and FIG. 9(a), wheel portion 1
9 and the arm portion 18 at the same time, the attitude control method that simultaneously drives the vehicle body portion 17
In this sense, the coaxial two-wheeled vehicle with the attitude control arm 6 shown in FIG. 2 has better attitude control than the coaxial two-wheeled vehicle without the attitude control arm 6 shown in FIG. 4. is judged. Incidentally, the inventor of the present application conducted an attitude control experiment using only the attitude control arm 6, but found that the vehicle body 17 could not be stably maintained at an equilibrium position in either the linear control system or the non-linear control system. . This is due to the occurrence of control delays due to non-linear factors such as the dead zone of the attitude control arm drive motor 9 or the backlash of the gear transmission system, as well as the lateral inclination angle of the vehicle body and the lateral inclination angle of the attitude control arm 6 used for feedback control. This seems to be caused exclusively by the noise present in the calculation of angular velocity based on the short-time sampling of the state quantity, which explains the difficulty in applicability of the conventional attitude control method using only the attitude control arm 6. The present invention is, of course, not limited to the above-mentioned embodiments. For example, a coaxial two-wheeled vehicle can be provided with a steering function by connecting a pair of wheels 2 and 3 and a wheel drive motor 7 via a differential gear mechanism. Alternatively, it is also possible to drive the pair of wheels 2.3 independently of each other to provide a steering function. (Effects of the Invention) As detailed above, according to the first invention of the present application, the lateral inclination angle detected by the angle detection means for detecting the inclination of the vehicle body is sampled at short intervals, and the sampling lateral inclination of the vehicle body is Calculate the sampling value by substituting the angle and feedback gain into a control input calculation formula input and set in advance in the control computer as coefficients, calculate the control torque of the wheel drive motor based on this calculation, and calculate the control torque of the wheel drive motor. Since the control computer commands the wheel drive motor to perform an operation corresponding to the calculated control torque to control the attitude of the coaxial two-wheeled vehicle, feedback control of the wheel drive motor is performed based on the calculation result, and the vehicle body When the vehicle tilts, the wheels immediately move in the direction in which the vehicle body is tilted, ensuring that the vehicle body is restored to its original position. According to the second invention of the present application, the lateral inclination angle detected by the first angle detection means for detecting the inclination of the vehicle body and the rotation angle detected by the second angle detection means for detecting the rotation angle of the wheels are shortened. Control inputs that are sampled at time intervals and input into the control computer in advance using the sampled lateral inclination angle of the vehicle body, the sampled rotation angle of the wheels, and the angular velocity calculated based on these sampled angles as state variables and the feedback gain as a coefficient. Substituting the sampling value into a calculation formula, calculating the control torque of the wheel drive motor based on this calculation, and instructing the wheel drive motor to perform an operation corresponding to the calculated control torque from the control computer. Since the posture of the coaxial two-wheeled vehicle is controlled by using the same axis, feedback control of the wheel drive motor is performed based on the above calculation result, and when the vehicle body tilts, the wheels immediately move in the direction of the tilting direction of the vehicle body, thereby restoring the vehicle body. will be carried out reliably. Furthermore, in the third invention of the present application, the lateral inclination angle of the vehicle body detected by the first angle detection means, the rotation angle of the wheel detected by the second angle detection means, and the coaxial two-wheeled vehicle of the first invention The lateral inclination angle detected by the third angle detection means for detecting the inclination of the attitude control arm added to the body is sampled at short intervals, and the sampled lateral inclination angle of the vehicle body, the sampled rotation angle of the wheel, and the attitude control arm are sampled at short intervals. calculation by substituting the sampling value into a control input calculation formula input and set in advance in the control computer with the sampling transverse angle and the angular velocity calculated based on these sampling angles as state variables and the feedback gain as a coefficient, Based on this calculation, the wheel drive motor and attitude control arm are driven. In addition to calculating the control torque of the drive motor, the control combinator controls the attitude of the coaxial two-wheeled vehicle by instructing the wheel drive motor and the attitude control arm drive motor to perform operations corresponding to these calculated control torques. ,
Feedback control of the wheel drive motor and the attitude control arm drive motor is performed based on the above calculation results, and when the vehicle body tilts, the wheels move in the direction of the tilt of the vehicle body, and the control arm moves in the direction of the tilt of the vehicle body. It rotates to the opposite side to ensure that the vehicle body is restored. In the third aspect of the invention, the stability of maintaining the vehicle body in the equilibrium position is even better than that of the first aspect of the invention due to the attitude control action of the attitude control arm.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は第3の発明を具体化した一実施例を示す斜視図
、第2図はその側面図、第3図は第2図を略体化した力
学モデルを示す側面図、第4図は第1.2の発明を具体
化した一実施例を示す側面図、第5図は第4図を略体化
した力学モデルを示す側面図、第6図(a)、  (b
)は第5図の力学モデルのコンピュータシミュレーショ
ン結果を示し、第6図(a)は車体部17の横斜角度θ
1及び車輪部19の回転角度θ3の変移を示すグラフ、
第6図(b)は車体部17の角速度θ及び車輪部19の
回転角速度θ3の変移を示すグラフ、第7図(a)、 
 (b)、(C)は第3図の力学モデルのコンピュータ
シミニレ−シラン結果を示し、第7図(a)は選択され
た極5i−(−3±4j。 −4±5j)に基づく車体部17及びアーム部18の横
斜角度θ1、θ2の変移を示すグラフ、第7図(b)は
選択された極5i=(−5±4j、−6±5j)に基づ
く横斜角度θ1.θ2の変移を示すグラフ、第7図(c
)は選択された極5t−(−7±4j、−8±5j)に
基づく横斜角度θ1゜θ2の変移を示すグラフ、第8図
(a)、  (b)。 (c)は第4図の同軸二輪車における線型制御結果を示
し、第8図(a)は車体部17の横斜角度θ1及び車輪
部19の回転角度θ3の変移を示すグラフ、第8図(b
)は車輪部19の回転角速度θ3の変移を示すグラフ、
第8図(c)は制御トルクT3の変移を示すグラフ、第
9図(a)、(b)は第1.2図の同軸二輪車における
非線型制御結果を示し、第9図(a)は車体部17の横
斜角度θ1及び車輪部19の回転角度θ3の変移を示す
グラフ、第9図(b)は回転角度θ3及びアーム部18
の横斜角度θ2の変移を示すグラフ、第1θ図は第1.
2図の同軸二輪車における制御ブロック図、第11図(
a)は線型制御プログラムを示すフローチャート、第1
1図(b)は別の線型制御プログラムを示すフローチャ
ート、第11図(C)は非線型制御プログラムを示すフ
ローチャートである。 車軸1、車輪2.3、車体4、姿勢制御アーム6、重錘
6a、車輪駆動用モータ7、姿勢制御アーム駆動用モー
タ9、第1の角度検出手段としてのロータリエンコーダ
11、第2の角度検出手段としてのロータリエンコーダ
14、第3の角度検出手段としてのロータリエンコーダ
15、制御コンピュータ16、車体部17、アーム部1
8、車輪部19、角度θ1.θ2.θ3、角速度”1.
”2+93、制御トルクT2 、 T3 、フィードバ
ックゲインK。 K、Kt。 特許出願人   シーケーディ株式会社山藤 f口実
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment embodying the third invention, FIG. 2 is a side view thereof, FIG. 3 is a side view showing a mechanical model that is a simplified version of FIG. 2, and FIG. 1.2 is a side view showing an embodiment embodying the invention, FIG. 5 is a side view showing a mechanical model that is a simplified version of FIG. 4, and FIGS. 6(a) and (b)
) shows the computer simulation results of the dynamic model of FIG. 5, and FIG.
1 and a graph showing changes in the rotation angle θ3 of the wheel portion 19,
FIG. 6(b) is a graph showing changes in the angular velocity θ of the vehicle body portion 17 and the rotational angular velocity θ3 of the wheel portion 19, FIG. 7(a),
(b), (C) show the computer simulation results of the mechanical model of Fig. 3, and Fig. 7(a) is based on the selected poles 5i-(-3±4j. -4±5j). A graph showing changes in the lateral inclination angles θ1 and θ2 of the vehicle body part 17 and the arm part 18, FIG. 7(b) shows the lateral inclination angle θ1 based on the selected pole 5i=(-5±4j, -6±5j) .. Graph showing changes in θ2, Figure 7 (c
) are graphs showing changes in the lateral oblique angle θ1° θ2 based on the selected pole 5t-(-7±4j, -8±5j), FIGS. 8(a) and 8(b). (c) shows the linear control results for the coaxial two-wheeled vehicle shown in FIG. 4, and FIG. b
) is a graph showing changes in the rotational angular velocity θ3 of the wheel portion 19,
FIG. 8(c) is a graph showing the change in control torque T3, FIGS. 9(a) and (b) show the nonlinear control results for the coaxial two-wheeled vehicle of FIG. 1.2, and FIG. 9(a) is A graph showing changes in the lateral inclination angle θ1 of the vehicle body part 17 and the rotation angle θ3 of the wheel part 19, FIG. 9(b) shows the change in the rotation angle θ3 and the arm part 18.
A graph showing changes in the lateral inclination angle θ2 of 1.
The control block diagram of the coaxial two-wheeled vehicle shown in Fig. 2, and Fig. 11 (
a) is a flowchart showing a linear control program, the first
FIG. 1(b) is a flowchart showing another linear control program, and FIG. 11(C) is a flowchart showing a nonlinear control program. Axle 1, wheels 2.3, vehicle body 4, attitude control arm 6, weight 6a, wheel drive motor 7, attitude control arm drive motor 9, rotary encoder 11 as first angle detection means, second angle Rotary encoder 14 as a detection means, rotary encoder 15 as a third angle detection means, control computer 16, vehicle body part 17, arm part 1
8. Wheel portion 19, angle θ1. θ2. θ3, angular velocity "1.
"2+93, control torque T2, T3, feedback gain K. K, Kt. Patent applicant CKD Co., Ltd. Yamafuji f Pretext

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一対の車輪(2、3)と、両車輪(2、3)間に架
設された車軸(1)と、車軸(1)上に回動可能に支持
された車体(4)と、車体(4)に装着された車輪駆動
用モータ(7)と、車輪駆動用モータ(7)に作動指令
を送る制御コンピュータ(16)と、車体(4)の傾き
を検出する角度検出手段(11)とからなる同軸二輪車
において、前記角度検出手段(11)により検出される
車体(4)の傾斜角度(θ_1)を短時間間隔(Δt)
にてサンプリングし、車体(4)のサンプリング傾斜角
度(θ_1)を状態変数、フィードバックゲイン(K)
を係数として前記制御コンピュータ(16)内に予め入
力設定された制御入力算出式(60)に前記サンプリン
グ値(θ_1)を代入して演算し、この演算に基づいて
前記車輪駆動用モータ(7)の制御トルク(T_3)を
算出し、この算出された制御トルク(T_3)相当の作
動を制御コンピュータ(16)から前記車輪駆動用モー
タ(7)に指令する同軸二輪車における姿勢制御方法。 2 一対の車輪(2、3)と、両車輪(2、3)間に架
設された車軸(1)と、車軸(1)上に回動可能に支持
された車体(4)と、車体(4)に装着された車輪駆動
用モータ(7)と、車輪駆動用モータ(7)に作動指令
を送る制御コンピュータ(16)と、車体(4)の傾き
を検出する第1の角度検出手段(11)と、車輪(2、
3)の回転角度を検出する第2の角度検出手段(14)
とからなる同軸二輪車において、前記第1の角度検出手
段(11)により検出される車体(4)の横斜角度(θ
_1)及び前記第2の角度検出手段(14)により検出
される車輪(2、3)の回転角度(θ_3)を短時間間
隔(Δt)にてサンプリングし、車体(4)のサンプリ
ング傾斜角度(θ_1)、車輪(2、3)のサンプリン
グ回転角度(θ_3)及びこれらサンプリング角度(θ
_1、θ_3)に基づいて算出される角速度(■_1、
■_3)を状態変数、フィードバックゲイン(■、■t
)を係数として前記制御コンピュータ(16)内に予め
入力設定された制御入力算出式(20、49、51)に
前記サンプリング値(θ_1、θ_3、■_1、■_3
)を代入して演算し、この演算に基づいて前記車輪駆動
用モータ(7)の制御トルク(T_3)を算出し、この
算出された制御トルク(T_3)相当の作動を制御コン
ピュータ(16)から前記車輪駆動用モータ(7)に指
令する同軸二輪車における姿勢制御方法。 3 一対の車輪(2、3)と、両車輪(2、3)間に架
設された車軸(1)と、車軸(1)上に回動可能に支持
された車体(4)と、車体(4)に傾動可能に支持され
た姿勢制御アーム(6)と、車体(4)に装着された車
輪駆動用モータ(7)と、同じく車体(4)に装着され
た姿勢制御アーム駆動用モータ(9)と、車輪駆動用モ
ータ(7)及び姿勢制御アーム駆動用モータ(9)に作
動指令を送る制御コンピュータ(16)と、車体(4)
の傾きを検出する第1の角度検出手段(11)と、車輪
(2、3)の回転角度を検出する第2の角度検出手段(
14)と、姿勢制御アーム(6)の傾きを検出する第3
の角度検出手段(15)とからなる同軸二輪車において
、前記第1の角度検出手段(11)により検出される車
体(4)の傾斜角度(θ_1)、前記第2の角度検出手
段(14)により検出される車輪(2、3)の回転角度
(θ_3)及び前記第3の角度検出手段(15)により
検出される姿勢制御アーム(6)の傾斜角度(θ_2)
を短時間間隔(Δt)にてサンプリングし、車体(4)
のサンプリング傾斜角度(θ_1)、車輪(2、3)の
サンプリング回転角度(θ_3)、姿勢制御アーム(6
)のサンプリング傾斜角度(θ_2)及びこれらサンプ
リング角度(θ_1、θ_3、θ_2)に基づいて 算出される角速度(■_1、■_3、■_2)を状態変
数、フィードバックゲイン(■、■t)を係数として前
記制御コンピュータ(16)内に予め入力設定された制
御入力算出式(20、49、51)に前記サンプリング
値(θ_1、θ_3、θ_2、■_1、■_3、■_2
)を代入して演算し、この演算に基づいて前記車輪駆動
用モータ(7)及び姿勢制御アーム駆動用モータ(9)
の制御トルク(T_3、T_2)を算出し、これら算出
された制御トルク(T_3、T_2)相当の作動を制御
コンピュータ(16)から前記車輪駆動用モータ(7)
及び姿勢制御アーム駆動用モータ(9)に指令する同軸
二輪車における姿勢制御方法。
[Claims] 1. A pair of wheels (2, 3), an axle (1) installed between both wheels (2, 3), and a vehicle body (1) rotatably supported on the axle (1). 4), a wheel drive motor (7) mounted on the vehicle body (4), a control computer (16) that sends operating commands to the wheel drive motor (7), and an angle for detecting the inclination of the vehicle body (4). In a coaxial two-wheeled vehicle consisting of a detection means (11), the inclination angle (θ_1) of the vehicle body (4) detected by the angle detection means (11) is determined at short intervals (Δt).
The sampling inclination angle (θ_1) of the vehicle body (4) is used as a state variable, and the feedback gain (K)
is calculated by substituting the sampling value (θ_1) into the control input calculation formula (60) input and set in advance in the control computer (16) as a coefficient, and based on this calculation, the wheel drive motor (7) A posture control method for a coaxial two-wheeled vehicle, in which a control torque (T_3) of a coaxial two-wheeled vehicle is calculated, and a control computer (16) instructs the wheel drive motor (7) to perform an operation corresponding to the calculated control torque (T_3). 2 A pair of wheels (2, 3), an axle (1) installed between both wheels (2, 3), a vehicle body (4) rotatably supported on the axle (1), and a vehicle body ( 4), a control computer (16) that sends an operation command to the wheel drive motor (7), and a first angle detection means (1) that detects the inclination of the vehicle body (4). 11) and wheels (2,
3) second angle detection means (14) for detecting the rotation angle of
In a coaxial two-wheeled vehicle consisting of
_1) and the rotation angle (θ_3) of the wheels (2, 3) detected by the second angle detection means (14) are sampled at short intervals (Δt), and the sampling inclination angle ( θ_1), the sampling rotation angle (θ_3) of the wheels (2, 3), and these sampling angles (θ
Angular velocity (■_1, θ_3) calculated based on
■_3) is the state variable, feedback gain (■, ■t
) is used as a coefficient to input the control input calculation formula (20, 49, 51) into the control computer (16) in advance.
), the control torque (T_3) of the wheel drive motor (7) is calculated based on this calculation, and the operation corresponding to the calculated control torque (T_3) is controlled from the control computer (16). A posture control method in a coaxial two-wheeled vehicle that commands the wheel drive motor (7). 3 A pair of wheels (2, 3), an axle (1) installed between both wheels (2, 3), a vehicle body (4) rotatably supported on the axle (1), and a vehicle body ( An attitude control arm (6) tiltably supported by the vehicle body (4), a wheel drive motor (7) attached to the vehicle body (4), and an attitude control arm drive motor (7) also attached to the vehicle body (4). 9), a control computer (16) that sends operating commands to the wheel drive motor (7) and the attitude control arm drive motor (9), and the vehicle body (4).
a first angle detection means (11) for detecting the inclination of the wheels; and a second angle detection means (11) for detecting the rotation angle of the wheels (2, 3).
14) and a third arm that detects the tilt of the attitude control arm (6).
In the coaxial two-wheeled vehicle, the inclination angle (θ_1) of the vehicle body (4) detected by the first angle detection means (11) is determined by the second angle detection means (14). Rotation angle (θ_3) of the wheels (2, 3) detected and tilt angle (θ_2) of the attitude control arm (6) detected by the third angle detection means (15)
The vehicle body (4) is sampled at short intervals (Δt).
sampling inclination angle (θ_1) of wheels (2, 3), sampling rotation angle (θ_3) of wheels (2, 3), attitude control arm (6
) and the angular velocity (■_1, ■_3, ■_2) calculated based on these sampling angles (θ_1, θ_3, θ_2) are state variables, and the feedback gains (■, ■t) are coefficients. The sampling values (θ_1, θ_3, θ_2, ■_1, ■_3, ■_2
), and based on this calculation, the wheel drive motor (7) and the attitude control arm drive motor (9) are calculated.
The control torques (T_3, T_2) of the wheel drive motor (7) are calculated from the control computer (16) and the operation corresponding to these calculated control torques (T_3, T_2) is controlled by the control computer (16).
and a posture control method in a coaxial two-wheeled vehicle that commands a posture control arm drive motor (9).
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