JPWO2007086176A1 - 二輪車の転倒防止制御装置 - Google Patents

Abstract

比較的簡単な制御ループで、ゼロセット誤差やオフセット・ノイズがあっても、安定した自立走行ができるようにするする。車体と、前輪と、前輪を操舵させるアクチュエータ（７）と、後輪と、後輪駆動部とを持つ二輪車であって、検出軸が車体前方よりも所定角度下方に傾斜するように車体に取り付けられ、検出軸回りの角速度ωを検出する角速度センサ（８）と、アクチュエータを制御するための操舵角指令信号δｒを出力する制御手段とを備え、角速度センサにより検出される角速度ωには左右傾き方向の角速度ω１と方位角方向の角速度ω２とが含まれており、ゼロセット誤差やオフセット・ノイズが方位角指令に繰り込まれるため、二輪車の転倒を防止できる。

Description

本発明は二輪車の転倒防止制御装置、特に無人で自立走行できる二輪車の転倒防止制御装置に関するものである。

従来、電動モータや内燃機関を原動機として用い、無線操縦や自動操縦によって走行がコントロールされる無人自走二輪車が知られている。直進走行する場合、車体が右に傾いたときにはハンドルを右に切り、車体が左に傾いたときにはハンドルを左に切ることで、バランスを保つことができる。また、カーブを走行する場合には、車体の傾き角の目標値を垂直方向から傾斜した方向に設定し、その角度を基準として車体が右に傾いたときにはハンドルを右に切り、車体が左に傾いたときにはハンドルを左に切ればよい。いずれにせよ、車体の傾き角を推定する必要がある。

特許文献１には、低速から高速まで、安定かつ様々なモードで常に実機に近似した走行を可能とした無人自走二輪車が提案されている。この無人自走二輪車は、車体を構成するフレームと、このフレームの一端に配置されて原動機により回転駆動される駆動車輪と、フレームの他端に取り付けられて操舵車輪を回転自在に支持するフォークとを有するものであって、車体の倒れ角の角速度信号を出力する角速度センサと、操舵角制御信号を生成する演算器と、演算器から出力される操舵角制御信号により操舵車輪の走行角度を変化させるアクチュエータとを備えている。演算器は、外部から与えられる操舵車輪の走行角度を指令する走行制御信号に基づいて角速度指令値を作成する角速度指令値作成手段と、角速度センサの検出信号である角速度信号と角速度指令値作成手段の出力である角速度指令値との偏差値に基づいてアクチュエータへの操舵角制御信号を生成する制御信号生成手段と、制御信号生成手段で生成された操舵角制御信号を角速度指令値作成手段に帰還する帰還手段とから構成される。そして、アクチュエータは演算器の操舵角制御信号により走行中の車体の倒れ角速度偏差を減少させる方向に操舵車輪を制御する操舵制御信号を生成するものである。

車体が倒れた場合に、その倒れ角速度が減少する向きに操舵車輪の方向を制御するのは当然であるが、上記無人自走二輪車の場合には、角速度センサの検出信号と、外部から与えられる操舵車輪の走行角度を指令する走行制御信号に基づいて作成した角速度指令値との偏差に基づいてアクチュエータへの操舵角制御信号を生成している。しかし、操舵車輪の走行角度から適正な角速度指令値を求めること、および角速度検出値と角速度指令値との偏差から直接的に操舵角を求めることは、複雑な演算や多数のパラメータが必要であり、制御が複雑になるため、安定した自立走行を行うことは難しい。

比較的簡単な二輪車の転倒防止制御方法として、図７に示す方法が考えられる。この方法は、角速度センサ２０で車体の左右傾き方向の角速度ω₁ を検出し、この角速度ω₁ を積分器２１で積分して車体の左右傾き方向の傾斜角θ_ｆを求め、この傾斜角θ_ｆと傾斜角指令値θ_ｒとの偏差を比例ゲインＧ₁ を持つ演算手段２２に入力して操舵角指令値δ_ｒを生成し、この指令値δ_ｒをアクチュエータ２３に出力する方法である。この制御方法は、傾斜角の偏差から比例ゲインＧ₁ を用いて操舵角を求める方法であるから、演算が簡単であり、多数のパラメータを必要としないので、比較的簡単に実施できる利点がある。

しかしながら、一般に角速度センサは環境温度の変化や、時間の経過に伴う検出信号の偏差（ドリフト）を持ち、これらがオフセットとして悪影響を及ぼす。また、角速度センサ２０に入る外部ノイズはオフセットと共に角速度検出信号に影響を及ぼす。さらに、走行開始時に車体に既に傾きがある場合には、ゼロセット誤差θ₀ として傾斜角θ_ｆに影響を及ぼす。このような問題は、図７に示す制御方法に限らず、特許文献１に示された制御方法でも同様に発生し得る。

図８は、図７のブロック線図に誤差要因（ゼロセット誤差θ₀ およびオフセット・ノイズΔ）を加えた実際の制御ブロック線図である。図８に示すように、ゼロセット誤差θ₀ は傾斜角θ_ｆに印加され、オフセット・ノイズΔは角速度ω₁ に印加される。

図９は、図８におけるブロック線図を等価なブロック線図に書き換えたものである。図９に示すように、ゼロセット誤差θ₀ は傾斜角指令値θ_ｒに直接印加され、オフセット・ノイズΔの積分値も傾斜角指令値θ_ｒに印加される。そのため、ゼロセット誤差により、傾斜角指令θ_ｒ＝０の場合でも車体は傾こうとし、二輪車は曲線を描くことになる。また、オフセット・ノイズΔの積分値は、傾斜角指令θ_ｒに影響を与え、オフセット・ノイズΔの積分値を含んだ傾斜角指令θ_ｒに追従してしまうので、実際の傾斜角は増大し続け、やがて二輪車は転倒してしまう。このように、図７に示す制御方法は簡単な制御方法であるが、実際の制御ではゼロセット誤差θ₀ やオフセット・ノイズΔのために、安定した自立走行ができないという問題があった。
実用新案登録第２５７７５９３号公報

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、比較的簡単な制御ループで、ゼロセット誤差やオフセット・ノイズがあっても、安定した自立走行ができる二輪車の転倒防止制御装置を提供することにある。

本発明は、車体と、上記車体の前端部に設けられた操舵可能な前輪と、上記前輪を操舵させるアクチュエータと、上記車体の後端部に設けられた後輪と、上記後輪を駆動させる後輪駆動部と、を持つ二輪車において、検出軸が車体前方よりも所定角度下方に傾斜するように上記車体に取り付けられ、上記検出軸回りの角速度ωを検出する角速度センサと、上記アクチュエータを制御するための操舵角指令信号δ_ｒを出力する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記角速度ωを積分して第１角度信号を得る積分手段と、外部から指令される第２角度信号と上記第１角度信号との偏差を用いて操舵角指令信号δ_ｒを生成する操舵角信号生成手段とを備え、上記操舵角指令信号δ_ｒを上記アクチュエータに入力することにより、上記第１角度を第２角度に近づけるよう制御することを特徴とする二輪車の転倒防止制御装置である。

従来の角速度センサは、車体の左右傾き方向の角速度ω₁ のみを検出するため、その検出軸を車体前方（車体の進行方向の水平軸）に向けて取り付けてある。これに対し、本発明では、角速度センサをその検出軸が車体前方よりも下方に傾斜するように車体に取り付けることで、車体の左右傾き方向の角速度ω₁ の成分と方位角方向の角速度ω₂ の成分とを含む角速度ωを検出している。この角速度ωを積分して第１角度信号を得るとともに、外部から指令される第２角度信号と第１角度信号との偏差を用いて操舵角指令信号δ_ｒを生成し、この操舵角指令信号δ_ｒをアクチュエータに入力すれば、傾斜角ループの外側に方位角ループを設定したのと同様の効果が得られる。ゼロセット誤差は方位角指令の初期値に偏差を与えるだけであり、オフセットとノイズは積分されて方位角指令に影響を与えるだけである。つまり、ゼロセット誤差やオフセット・ノイズは、方位角指令に繰り込まれ、左右傾き方向の傾斜角は、内部ループ（傾斜角ループ）で自動的に制御されるので、二輪車の転倒を防止できる。ここで、傾斜角とは車体の左右傾き方向の角度のことであり、操舵角とは前輪の向きを表す角度である。さらに、方位角とは車体の進行方向を表す角度であり、取付角とは角速度センサの検出軸の前方水平軸に対する下方への傾き角のことである。なお、角速度センサの検出軸は前後方向に延びるので、検出軸を後方水平軸に対する上方への傾き角で設定しても等価となる。

好ましい実施の形態によれば、角速度センサの検出軸の水平軸に対する取付角φは、角速度ωから車体の左右傾き方向の角速度ω₁ と方位角方向の角速度ω₂ とが抽出できる角度とするのがよい。取付角φは、車体構造（重量や重心位置など）や二輪車の走行速度等によって最適値は変わるが、少なくとも角速度ωから車体の左右傾き方向の角速度ω₁ と方位角方向の角速度ω₂ とが抽出できる角度とするのがよい。取付角φが小さ過ぎると、方位角方向の角速度ω₂ を取り出し難くなり、一方取付角φが大き過ぎると、方位角ループゲインが過大となり、制御が不安定になる。

好ましい実施の形態によれば、角速度センサで検出される角速度ωは、検出軸の水平軸に対する取付角をφ、車体の左右傾き方向の角速度をω₁ 、方位角方向の角速度をω₂ とすると、
ω＝ω₁ cos φ＋ω₂ sin φ
で表すことができる。

好ましい実施の形態によれば、第２角度信号を目標方位角×sin φで与えることができる。つまり、指令信号である第２角度信号は方位角成分のみであるから、車体の進行方向を目標の方向（方位）に向けることができる。つまり、進行方向の制御も可能になる。なお、方位角指令はオフセットとノイズの影響を受けるので、他の位置認識手段によって補正することで、目標位置へ正確に制御することも可能である。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明に係る二輪車の転倒防止制御装置によれば、角速度センサをその検出軸が車体前方よりも下方に傾斜するように車体に取り付けたので、傾斜角ループの外側に方位角ループを設定したのと同様の効果が得られ、これによりゼロセット誤差やオフセット・ノイズは方位角指令に繰り込まれ、左右傾き方向の傾斜角は、内部ループ（傾斜角ループ）で自動的に制御されるので、二輪車の転倒を確実に防止できる。また、操舵角指令信号を出力する制御手段を、積分手段と比例ゲインを持つ簡単な演算器とで構成できるので、構成が簡単となり、容易に実現できる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１〜図３は本発明にかかる転倒防止制御装置を自転車ロボットに適用した第１実施形態を示す。この自転車ロボットＡは、操舵用ハンドル１と、操舵用ハンドル１によって操舵可能な前輪２と、後輪３と、後輪３を駆動させる後輪駆動モータ４と、前輪２および後輪３を回転自在に支持するフレーム５と、フレーム５上に搭載された人形６と、ハンドル１（前輪２）を操舵するアクチュエータ７とを備えている。

この例ではアクチュエータ７をハンドル１の中心部に設けたが、前輪２を操舵できるものであれば如何なる位置、如何なる形式でもよい。例えば人形６の腕がハンドル１を介して前輪２を操舵してもよい。また、後輪駆動モータ４がローラ４ａを介して後輪３を駆動する例を示したが、これに限るものではなく、後輪駆動モータ４が後輪３の軸を駆動してもよく、人形６がペダルを踏むことで、チェーンを介して後輪３を駆動してもよい。さらに、駆動モータ４に代えて内燃機関などを用いてもよい。

フレーム５には、角速度センサ８が、その検出軸８ａを自転車Ａの車体前方よりも所定角度φだけ下方に傾斜させて取り付けられている。角速度センサ８はその検出軸８ａ回りの角速度ωを検出することができる。角速度センサ８の取付角φ（検出軸８ａの水平軸に対する傾き角）は、角速度ωから車体（フレーム５、人形６などを含む）の左右傾き方向の角速度ω₁ と方位角方向の角速度ω₂ とを抽出できる角度とするのがよく、例えば４°〜８°程度がよい。なお、取付角φは車体構造（重量や重心位置など）や走行速度等によって最適値は変わるので、上記角度範囲に限るものではない。

ここで、以下の説明において用いる各記号について定義する。図３に示すように、傾斜角θとは鉛直方向に対する車体（後輪３）の左右傾き方向の角度のことであり、操舵角δとは車体の進行方向に対する前輪の向きを表す角度であり、方位角ψとは基準となる方位（例えば北）に対する車体の進行方向を表す角度であり、取付角φとは上述のように水平軸（前方）に対する検出軸８ａの傾き角のことである。また、角速度ωとは検出軸８ａ回りの角速度、ω₁ とは車体の左右傾き方向の角速度、ω₂ とは方位角方向の角速度のことである。

人形６の胸部には慣性ロータ９と、慣性ロータ９を駆動するバランス用モータ１０と、バランス用モータ１０の回転角度を測定するエンコーダ１１とが取り付けられている。慣性ロータ９およびモータ１０の回転軸は自転車Ａの略前後方向に向けて取り付けられている。ここで、略前後方向とは、厳密な前後方向を含んで、上下に若干角度ずれていてもよいことを表している。人形６の背中には、後輪駆動モータ４、操舵用アクチュエータ７、バランス用モータ１０などを制御する制御基板１２および電池１３が装備されている。

通常の走行中は、ハンドル１（前輪２）を操舵することでバランスをとり、転倒を防止する。具体的には、車体が傾く方向にハンドル１を操舵することで、転倒を防止する。一方、停止状態や微速進行状態では、ハンドル１の操舵だけでバランスをとることは困難であるため、慣性ロータ９を駆動するときの反動を利用してバランスをとるように制御している。このうち、慣性ロータ９を用いた転倒防止制御については、本願出願人による特願２００５−３４８３７３号に示されているため、ここでは省略する。

図４は自転車ロボットＡの走行中における転倒防止制御を実施するための制御ブロックの一例を示す。この制御ブロックは、図８と同様に、角速度センサの出力を積分した値をフィードバック信号としたものであり、図８と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

角速度センサ８が検出する角速度ωは、車体の左右傾き方向の角速度ω₁ の成分と方位角方向の角速度ω₂ の成分とを含んでおり、取付角をφとすると、次式で表すことができる。
ω＝ω₁ cos φ＋ω₂ sin φ

図４から明らかなように、角速度信号ωには、オフセット・ノイズ信号Δが加算され、これらが積分器２１で積分される。積分された信号にゼロセット誤差θ₀ が加算され、フィードバック信号Ｒ_ｆとなる。入力される指令信号Ｒ_ｒとフィードバック信号Ｒ_ｆとの偏差が演算手段２２に入力され、操舵角指令値δ_ｒが生成される。この指令値δ_ｒはアクチュエータ７に出力され、ハンドル１（前輪２）が操舵される。なお、指令信号Ｒ_ｒについては後述する。

図５は、図４のブロック線図における角速度ωを、左右傾き方向の角速度ω₁ の成分と方位角方向の角速度ω₂ の成分に分けて表した等価ブロック線図である。図５から明らかなように、ゼロセット誤差θ₀ は入力された指令信号Ｒ_ｒに直接印加され、オフセット・ノイズΔを積分器２１ａで積分した値も指令信号Ｒ_ｒに印加される。方位角方向の角速度ω₂ に対しゲイン（＝sin φ）を掛け算２４し、これを積分器２１ｂで積分して方位角のフィードバック信号ψ_ｆを得る。同様に、左右傾き方向の角速度ω₁ に対しゲイン（＝cos φ）を掛け算２５し、これを積分器２１ｃで積分して左右傾き方向のフィードバック信号θ_ｆを得る。

図６Ａは図５のブロック線図をさらに書き換えた等価ブロック線図である。図６Ｂは、図６Ａに対して定常走行状態（入力Ｒ_ｒは一定速度で増加するランプ状入力）における自転車を書き加えた、制御系全体のブロック線図を示す。

図６Ｂにおいて、自転車Ａはハンドル操舵用アクチュエータ７を含む自転車モデルであり、ハンドル操舵角指令δ_ｒに対してハンドル１を操舵し、自転車Ａがそれに反応して何らかの運動をすることによって、傾斜角θが決まる。傾斜角＝θの時、カーブを曲がろうとする求心力は、
ｍｇtan θ≒ｍｇθ（ｍ：自転車質量、ｇ：重力加速度）
で表される。一方、自転車Ａの速度をｖ、方位角速度をω₂ とすると、遠心力はｍｖω₂ で表され、この２つの力が釣り合っているので、
ω₂ ＝ｇθ／ｖ
で表される。従って、図６Ｂのように、方位角ループの内部に傾斜角ループがあるように描くことができ、傾斜角ループ、方位角ループの両方とも安定化できる。

図６Ｂについて、さらに詳しく説明する。指令信号Ｒ_ｒにゼロセット誤差θ₀ およびオフセット・ノイズΔの積分値が印加されたあと、この指令値にゲイン（＝１／sin φ）が掛け算２６されて方位角指令ψ_ｒが得られる。この方位角指令ψ_ｒと、方位角方向の角速度ω₂ を積分器２１ｂで積分して得られたフィードバック信号ψ_ｆとの偏差が求められる。この偏差（＝ψ_ｒ−ψ_ｆ）に、方位角ループゲイン（＝tan φ) が掛け算２７されて傾斜角指令θ_ｒが得られる。この傾斜角指令θ_ｒと、左右傾き方向の角速度ω₁ を積分器２１ｃで積分して得られたフィードバック信号θ_ｆとの偏差が求められる。この偏差（＝θ_ｒ−θ_ｆ）に、ゲイン（＝cos φ）を掛け算２８するとともに、ゲインＧ₁ を掛け算２２することで、操舵角指令δ_ｒを得る。この場合、cos φとＧ₁ との積が傾斜角ループゲインとなる。ゲインＧ₁ の演算器２２は図７における傾斜角ループゲインＧ₁ の演算器２２と基本的に同じでよい。

操舵角指令δ_ｒは自転車Ａ（アクチュエータ７を含む）に入力され、出力された左右傾き方向の傾斜角θは微分器２９によって角速度ω₁ に変換される。傾斜角θにゲインｇ／ｖを掛け算３０することにより、方位角方向の角速度ω₂ が得られ、角速度ω₂ を積分器３１で積分すれば、方位角が得られる。

図６Ｂから明らかなように、方位角指令ψ_ｒが定数ならば、傾斜角θは０度に収束する。方位角ループゲイン（＝tan φ) は、角速度センサ８の取付角φによって任意に設定可能であり、方位角方向の応答を自在に変更可能である。入力される指令信号Ｒ_ｒとして、目標方位角×sin φを入力すれば、方位を制御することが可能になる。但し、オフセットとノイズの影響を受けるので、必要であれば他の位置認識手段、例えば搭載カメラを用いた画像認識による位置の補正を行うことで、目的の位置へ二輪車を誘導することができる。

上記のように、角速度センサ８の出力角速度ωが方位角成分ω₂ と傾斜角成分ω₁ とを持つので、傾斜角ループの外側に方位角ループを設定したのと同様の効果が得られる。ゼロセット誤差は方位角指令ψ_ｒの初期値に偏差を与えるだけであり、初期状態で車体が傾いていても、直ぐに直立状態（θ＝０°）へ復帰させることができる。また、オフセット・ノイズは積分されて方位角指令に影響を与えるだけである。つまり、ゼロセット誤差やオフセット・ノイズは、方位角指令ψ_ｒに繰り込まれ、傾斜角は内部ループ（傾斜角ループ）で自動的に制御されるので、二輪車の転倒を確実に防止できる。

上記実施形態では、自転車ロボットの転倒防止について説明したが、本発明はこれに限らず、有人の自動操縦二輪車などの転倒防止にも適用できる。また、上記実施形態では、停止状態や微速進行状態では慣性ロータ９を用いた転倒防止制御を実施する例について説明したが、このような慣性ロータ９を備えない二輪車にも適用できることは勿論である。但し、その場合には、走行開始時に車体に初期傾きがあると方位角に影響を与えるのに対し、停止状態で慣性ロータ９を用いてバランス制御を行う二輪車の場合、走行開始時に車体の初期傾斜角θがほぼ０°であり、ゼロセット誤差が殆ど発生しないので、目標とする方位へ正確に制御することができる。

本発明にかかる転倒防止制御装置を適用した自転車ロボットの一実施形態の斜視図である。 自転車ロボットの側面図である。 本発明にかかる転倒防止制御装置を説明するための各記号の定義を示す図である。 本発明にかかる転倒防止制御装置のブロック線図である。 図４のブロック線図を角速度成分に分解して表した等価ブロック線図である。 図５のブロック線図をさらに書き換えた等価ブロック線図である。 図６Ａに対して定常走行状態における自転車を書き加えた、制御系全体のブロック線図である。 参考例である転倒防止制御装置の理想的なブロック線図である。 図７のブロック線図に誤差要因を追加した実際のブロック線図である。 図８のブロック線図を書き換えた等価ブロック線図である。

符号の説明

Ａ 自転車ロボット（本体）
１ 操舵用ハンドル（操舵部）
２ 前輪
３ 後輪
４ 後輪駆動モータ（後輪駆動部）
５ フレーム
６ 人形
７ 操舵用アクチュエータ
８ 角速度センサ
８ａ 検出軸
９ 慣性ロータ
１０ バランス用モータ
１１ エンコーダ（回転センサ）
１２ 制御基板
１３ 電池

Claims (4)

1. 車体と、上記車体の前端部に設けられた操舵可能な前輪と、上記前輪を操舵させるアクチュエータと、上記車体の後端部に設けられた後輪と、上記後輪を駆動させる後輪駆動部と、を持つ二輪車において、
   検出軸が車体前方よりも所定角度下方に傾斜するように上記車体に取り付けられ、上記検出軸回りの角速度ωを検出する角速度センサと、上記アクチュエータを制御するための操舵角指令信号δ_ｒを出力する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、上記角速度ωを積分して第１角度信号を得る積分手段と、外部から指令される第２角度信号と上記第１角度信号との偏差を用いて操舵角指令信号δ_ｒを生成する操舵角信号生成手段とを備え、
   上記操舵角指令信号δ_ｒを上記アクチュエータに入力することにより、上記第１角度を第２角度に近づけるよう制御することを特徴とする二輪車の転倒防止制御装置。
2. 上記角速度センサの検出軸の水平軸に対する取付角φは、上記角速度ωから上記車体の左右傾き方向の角速度ω₁ と方位角方向の角速度ω₂ とが抽出できる角度であることを特徴とする請求項１に記載の二輪車の転倒防止制御装置。
3. 上記角速度センサで検出される角速度ωは、上記検出軸の水平軸に対する取付角をφ、車体の左右傾き方向の角速度をω₁ 、方位角方向の角速度をω₂ とすると、
   ω＝ω₁ cos φ＋ω₂ sin φ
   で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の二輪車の転倒防止制御装置。
4. 上記第２角度信号は、目標方位角×sin φで与えられることを特徴とする請求項３に記載の二輪車の転倒防止制御装置。

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