KR101234302B1 - 전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

간편한 구성으로 노이즈, 오프셋 등이 누적되는 일 없이, 전후방향으로의 이동을 확보하면서 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여, 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있는 전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램을 제공한다.
차륜과, 차륜의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체로 구성되고, 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하는 전지/후퇴지시 접수부(42)와, 접수한 지시 및 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표 피치각을 산출하는 목표 피치각 계산부(44)와, 검출된 피치 각속도와 목표 피치각에 기초하여 생성되는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태로부터의 피치 경사각을 추정하는 피치 경사각 추정부(47)와, 목표 피치각과 피치 경사각에 기초하여 피치용 토크 지령을 생성하는 피치용 토크 지령 생성부(49)를 구비한다.

Description

전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램{FALL PREVENTION CONTROLLER AND COMPUTER PROGRAM}
본 발명은 일륜차이어도 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있는 전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
종래에 이륜차, 이족 보행 로봇 등은 이동할 경우에 본체가, 대략 전후방향을 축으로 하는 회전(롤)방향으로 요동하므로, 롤방향의 균형을 제어함으로써 전도하지 않고 이동 또는 정지하도록 동작을 제어할 필요가 있었다. 롤방향의 전도를 방지할 경우, 롤방향의 경사를 정확하게 검출할 필요가 있다. 롤방향의 균형을 제어하기 위해 본체의 경사를 검출하는 방법으로서, 각속도 센서를 이용해서 각속도를 검출하고, 검출한 값을 적분함으로써 경사를 추정하는 방법, 웨이트(추)를 이용해서 경사를 검출하는 방법 등이 있다.
그러나 각속도 센서를 이용해서 각속도를 적분하는 방법에서는 각속도 센서에 의해 검출된 각속도 출력에 노이즈, 오프셋이 포함될 경우, 적분함으로써 노이즈, 오프셋 등이 증폭된다. 증폭된 노이즈, 오프셋 등은 누적되어 가므로, 목표값으로부터의 차이가 증대되어 경사각 추정 및 전도 방지 제어를 계속할 수 없게 된다는 문제가 있었다.
한편, 웨이트를 이용해서 경사를 검출하는 방법에서는 중력의 영향을 받아 순식간에 경사를 반영할 수 없으므로 응답성이 나쁘고, 또한 연직방향에서의 경사를 검출하므로 균형상태로부터의 경사를 검출할 수 없다는 문제가 있었다. 예를 들면 중심위치가 롤방향으로 어긋나 있을 경우, 옆에서 불어 오는 바람을 맞을 경우 등에는 연직방향이 균형상태라고 단정할 수 없다. 전도하지 않도록 하기 위해서는 기울어진 상태를 균형상태로 되돌릴 필요가 있어, 균형상태로부터의 경사를 검출할 필요가 있다.
예를 들면 특허문헌 1에서는, 본체의 대략 전후방향으로 검출축을 향하게 한 각속도 센서와, 본체의 대략 전후방향으로 회전축을 향하게 한 모터와, 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 회전 센서와, 모터의 회전축에 연결된 관성 로터를 구비하고, 각속도 센서의 각속도 출력과 모터에 부여하는 토크(torque) 지령으로부터, 균형상태에 대한 본체의 경사각을 추정하여, 추정한 경사각을 이용해서 본체의 경사를 보정하는 전도 방지 제어장치가 제안되어 있다.
특허문헌 1에서는 각속도 출력을 적분할 필요가 없으므로 노이즈, 오프셋 등이 누적되지 않고, 또한 균형상태에 대한 경사각을 추정할 수 있으므로, 추정한 경사각을 이용해서 좌우방향의 균형상태로 보정할 수 있다. 그러나 이륜차 등에서는 좌우방향의 균형을 제어할 수 있다면 전도를 방지할 수 있지만, 일륜차 등에서는 좌우방향의 균형을 제어해도 전후방향의 균형을 제어하지 않으면 전후방향으로 전도하게 된다.
일륜차의 전후방향의 경사를 추정하기 위해, 비특허문헌 1에서는 자이로 센서와 2개의 가속도 센서를 이용하고 있다. 가속도 센서가 회전축으로부터 멀어질 수록 가속도 센서에 진동이 가해지므로, 2개의 가속도 센서를 이용함으로써 진동에 의한 가속도를 소거하여 올바른 값을 추정하고 있다. 2개의 가속도 센서로부터 산출된 각도(θa)와, 자이로 센서로 얻어진 각속도의 적분값의 각도(θz)를 출력하고, θa와 θz에 포함되는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 필터링하고, 필터링된 값의 편차(e)를 입력하여 옵저버 게인(observer gain)을 곱한 출력을 dθz라고 하고, dθz로 각도(θz)를 수정한 추정값(θz) 해트(hat)를 제어에 이용하고 있다.
비특허문헌 1에서는 자이로 센서로 얻어진 각속도를 단순히 적분한 각도(θz)는 시간이 경과함에 따라 어긋나 가지만, 각도(θz)를 수정한 추정값(θz) 해트는 일정값을 유지할 수 있으므로, 수정한 추정값(θz) 해트를 이용함으로써, 자이로 센서로 얻어진 각속도로부터 산출되는 각도의 오프셋의 차이를 수정할 수 있다.
국제공개 2007/063665호
카사이 타카시 저, '일륜차의 자세 제어', 츠쿠바대학 대학원 박사과정 시스템정보공학연구과 석사 논문, 2005년 1월, p.1-37
그러나 비특허문헌 1의 일륜차에서는 가속도 센서에 의해 중력방향(연직방향)에 대한 경사를 계측하였지만, 상술한 좌우방향과 마찬가지로 전후방향으로도 연직방향이 균형상태라고는 단정할 수 없다. 그 때문에, 연직방향이 균형상태가 아닐 경우에는 균형상태로 보정할 수 없다는 문제점이 있었다. 또한 경사를 추정하기 위해 자이로 센서 외에 2개의 가속도 센서를 필요로 하므로, 전도 방지 제어장치의 구성의 간소화 및 소형화가 곤란해진다는 문제점도 있었다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 간편한 구성으로, 노이즈, 오프셋 등이 누적되는 일 없이, 전후방향으로의 이동을 확보하면서 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여, 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있는 전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 제1발명에 따른 전도 방지 제어장치는, 전후방향으로 회전하여 이동하는 차륜과, 상기 차륜의 회전축에 연결되어 상기 차륜의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체로 구성되고, 상기 본체에, 피치방향의 경사각도의 각속도인 피치 각속도를 검출하는 피치용 각속도 센서와, 상기 차륜의 회전과 연동하여 상기 차륜을 회전시키는 피치용 모터와, 상기 피치용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 피치용 회전 센서를 구비하며, 상기 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서 상기 본체의 피치방향의 경사를 보정하는 전도 방지 제어장치로서, 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하는 전진/후퇴지시 접수부와, 접수한 전진 또는 후퇴지시 및 상기 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출하는 목표 피치각 계산부와, 상기 피치용 각속도 센서로 검출된 피치 각속도와, 상기 목표 피치각에 기초하여 생성되는 상기 피치용 모터에 부여하는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정하는 피치 경사각 추정부와, 상기 목표 피치각과 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 피치용 토크 지령 생성부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 제2발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제1발명에 있어서, 상기 전진/후퇴지시 접수부는 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수하는 것을 특징으로 한다.
또한 제3발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제1 또는 제2발명에 있어서, 상기 목표 피치각으로부터 상기 피치 경사각을 뺀 피치각도 편차로부터, 목표로 하는 피치방향의 경사각도의 각속도인 목표 피치 각속도를 산출하는 목표 피치 각속도 계산부를 구비하고, 상기 피치용 토크 지령 생성부는 상기 목표 피치 각속도와 검출된 상기 피치 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 제4발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제1 내지 제3발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 본체를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정하는 피치방향 외부 토크 추정부와, 추정된 상기 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 상기 피치용 토크 지령을 보정하는 토크 보정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 제5발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제1 내지 제4발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 본체에, 롤방향의 경사각도의 각속도인 롤 각속도를 검출하는 롤용 각속도 센서와, 롤방향으로 회전하는 관성 로터와, 상기 관성 로터의 회전과 연동하여 상기 관성 로터를 회전시키는 롤용 모터와, 상기 롤용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 롤용 회전 센서를 구비하고, 상기 롤용 회전 센서로 검출된 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출하는 목표 롤각 계산부와, 상기 롤용 각속도 센서로 검출된 롤 각속도와, 상기 목표 롤각에 기초하여 생성되는 상기 롤용 모터에 부여하는 롤용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정하는 롤 경사각 추정부와, 상기 목표 롤각에서 상기 롤 경사각을 뺀 롤각도 편차로부터, 목표로 하는 롤방향의 경사각도의 각속도인 목표 롤 각속도를 산출하는 목표 롤 각속도 계산부와, 상기 목표 롤 각속도와 검출된 상기 롤 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 롤용 토크 지령을 생성하는 롤용 토크 지령 생성부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 제6발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제5발명에 있어서, 상기 롤용 각속도 센서의 검출축은 상기 본체가 상기 차륜의 회전축과 교차하는 연직선상에 중심(重心)을 가지는 상태로 전후방향 및 수평방향을 향해 있는 것을 특징으로 한다.
또한 제7발명에 따른 전도 방지 제어장치는 제1 내지 제6발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 차륜의 회전은 상기 피치용 모터의 회전에 대하여 회전비가 낮게 되어 있는 것을 특징으로 한다.
다음으로 상기 목적을 달성하기 위해 제8발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 전후방향으로 회전하여 이동하는 차륜과, 상기 차륜의 회전축에 연결되어 상기 차륜의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체로 구성되고, 상기 본체에, 피치방향의 경사각도의 각속도인 피치 각속도를 검출하는 피치용 각속도 센서와, 상기 차륜의 회전과 연동하여 상기 차륜을 회전시키는 피치용 모터와, 상기 피치용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 피치용 회전 센서를 구비하며, 상기 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서 상기 본체의 피치방향의 경사를 보정하는 전도 방지 제어장치에 탑재되어 있는 컴퓨터로 실행하는 것이 가능한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터를, 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하는 전진/후퇴지시 접수수단, 접수한 전진 또는 후퇴지시 및 상기 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출하는 목표 피치각 계산수단, 상기 피치용 각속도 센서로 검출된 피치 각속도와, 상기 목표 피치각에 기초하여 생성되는 상기 피치용 모터에 부여하는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정하는 피치 경사각 추정수단, 및 상기 목표 피치각과 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 피치용 토크 지령 생성수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
또한 제9발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 제8발명에 있어서, 상기 전진/후퇴지시 접수수단을, 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수하는 수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
또한 제10발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 제8 또는 제9발명에 있어서, 상기 컴퓨터를, 상기 목표 피치각에서 상기 피치 경사각을 뺀 피치각도 편차로부터, 목표로 하는 피치방향의 경사각도의 각속도인 목표 피치 각속도를 산출하는 목표 피치 각속도 계산수단으로서 기능시키고, 상기 피치용 토크 지령 생성수단을, 상기 목표 피치 각속도와 검출된 상기 피치 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
또한 제11발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 제8 내지 제10발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 컴퓨터를, 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 본체를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정하는 피치방향 외부 토크 추정수단, 및 추정된 상기 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 상기 피치용 토크 지령을 보정하는 토크 보정수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
또한 제12발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 제8 내지 제11발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 본체에, 롤방향의 경사각도의 각속도인 롤 각속도를 검출하는 롤용 각속도 센서와, 롤방향으로 회전하는 관성 로터와, 상기 관성 로터의 회전과 연동하여 상기 관성 로터를 회전시키는 롤용 모터와, 상기 롤용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 롤용 회전 센서를 구비하고, 상기 컴퓨터를, 상기 롤용 회전 센서로 검출된 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출하는 목표 롤각 계산수단, 상기 롤용 각속도 센서로 검출된 롤 각속도와, 상기 목표 롤각에 기초하여 생성되는 상기 롤용 모터에 부여하는 롤용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정하는 롤 경사각 추정수단, 상기 목표 롤각에서 상기 롤 경사각을 뺀 롤각도 편차로부터, 목표로 하는 롤방향의 경사각도의 각속도인 목표 롤 각속도를 산출하는 목표 롤 각속도 계산수단, 및 상기 목표 롤 각속도와 검출된 상기 롤 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 롤용 토크 지령을 생성하는 롤용 토크 지령 생성수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 한다.
제1발명 및 제8발명에서는 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하고, 접수한 전진 또는 후퇴지시 및 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여, 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출한다. 피치용 각속도 센서로 검출된 피치 각속도와, 목표 피치각에 기초하여 생성되는 피치용 모터에 부여하는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 본체가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정한다. 목표 피치각과 피치 경사각에 기초하여 피치용 토크 지령을 생성한다. 이로 인해, 균형상태에 대하여 본체가 피치방향으로 경사져 있는 피치 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있는 동시에, 피치용 각속도 센서에 의한 피치 각속도를 적분할 일이 없으므로, 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 피치각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
여기서 '피치 경사각'이란, 피치방향의 균형상태를 기본위치로 했을 경우의, 기본위치에서의 본체와 피치방향으로 경사진 본체와의 편차각이다. '균형상태'란, 피치방향에서의 본체 등에 부하되는 중력에 의해 발생하는 토크, 역풍, 순풍 등에 의해 발생하는 토크 등의 외부 토크의 합계가 0(제로)이 되는 상태이다.
제2발명 및 제9발명에서는 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수함으로써, 접수한 차륜의 전진 또는 후퇴지시 및 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표 피치각을 산출하므로, 지시된 이동을 위한 회전속도를 확보하면서 피치방향의 경사를 보정할 수 있다. 또한 가속도 센서 등을 별개로 필요로 하지 않아, 차륜의 구동에 필요한 모터 등의 외에는 각속도 센서를 추가했을 뿐인 간편한 구성으로 전도 방지 제어장치를 간소화 및 소형화하는 것이 가능하다.
제3발명 및 제10발명에서는 목표 피치각에서 피치 경사각을 뺀 피치각도 편차로부터, 목표로 하는 피치방향의 경사각도의 각속도인 목표 피치 각속도를 산출하고, 목표 피치 각속도와 검출된 피치 각속도와의 편차에 기초하여 피치용 토크 지령을 생성함으로써, 오차의 누적을 억제하면서 본체의 피치방향의 경사를 적정하게 보정하는 피치용 토크 지령을 생성할 수 있다.
제4발명 및 제11발명에서는 피치 경사각에 기초하여, 본체를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정하고, 토크 보정부에서 추정된 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 피치용 토크 지령을 보정함으로써, 피치방향 외부 토크에 의한 영향을 가미하여 피치용 모터의 회전을 보다 적정하게 제어할 수 있으므로, 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 보다 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
여기서 '피치방향 외부 토크'란, 균형상태로부터 피치방향으로 본체가 기울어짐으로써 본체 등에 부하되는 중력에 의해 발생하는 토크와, 역풍, 순풍 등에 의해 본체가 기우는 방향(피치방향)의 토크를 합한 토크이다. 또한 '토크 보정부'란, 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 피치용 토크 지령을 보정하는 기능을 가지고 있으며, 후술하는 피치용 모터 토크 지령 전압 계산부(50)는 그 일부이다.
제5발명 및 제12발명에서는 롤용 회전 센서로 검출된 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출한다. 롤용 각속도 센서로 검출된 롤 각속도와, 목표 롤각에 기초하여 생성되는 롤용 모터에 부여하는 롤용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 본체가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정한다. 목표 롤각에서 롤 경사각을 뺀 롤각도 편차로부터, 목표로 하는 롤방향의 경사각도의 각속도인 목표 롤 각속도를 산출하고, 목표 롤 각속도와 검출된 롤 각속도와의 편차에 기초하여 롤용 토크 지령을 생성한다. 이로 인해, 균형상태에 대하여 본체가 롤방향으로 경사져 있는 롤 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있는 동시에, 롤용 각속도 센서에 의한 롤 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 롤각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 관성 로터의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 롤방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 롤방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
제6발명에서는, 롤용 각속도 센서의 검출축은 차륜의 회전축과 교차하는 연직선상에 본체의 중심을 가지는 상태로 전후방향 및 수평방향을 향하게 함으로써, 롤용 각속도 센서는 롤방향의 정확한 각속도를 검출할 수 있으므로 롤방향의 경사를 정밀도 좋게 보정할 수 있다. 진동자를 사용한 롤용 각속도 센서는 진동자의 진동방향과 직교하는 방향의 힘에 따른 신호를 검출함으로써 각속도를 구한다. 롤용 각속도 센서의 검출축은 대략 전후방향을 향해 본체에 장착되므로, 롤용 각속도 센서가 검출하는 힘의 방향은 대략 전후방향의 검출축과 직교하는 대략 연직방향이 된다. 롤용 각속도 센서의 검출축이, 전후방향 및 수평방향을 향하는 상태에서 각속도를 검출할 경우, 연직방향의 힘을 검출할 수 있으므로, 롤방향으로 실제로 생긴 각속도(ω)를 정확하게 구할 수 있다. 그러나 본체의 중심에 치우침이 있어, 롤용 각속도 센서의 검출축이 예를 들면 수평방향보다 앞쪽이 낮게 앞으로 기울어진 상태에서 각속도를 검출할 경우에는, 연직방향으로부터 소정 각도(θ)만큼 어긋난 방향의 힘을 검출하여 각속도(ωcosθ)가 구해지므로, 실제의 각속도(ω)보다 늦은 각속도를 검출하게 된다.
제7발명에서는, 차륜의 회전은 피치용 모터의 회전에 대하여 회전비가 낮아지도록, 예를 들면 피치용 모터로부터 베벨 기어(bevel gear), 풀리(pulley), 벨트를 통해 차륜을 구동하고, 피치용 모터측의 풀리를 차륜측의 풀리에 대하여 감속비를 3배 높임으로써, 피치용 모터에 의한 토크의 1/3의 토크로 차륜을 제어할 수 있다. 또한 피치용 모터에 의한 토크에 대하여 낮은 토크비로 차륜을 제어할 수 있음으로 인해, 실질적인 모터의 한계 토크가 높아져 전도를 방지할 수 있는 경사각의 허용각을 크게 할 수 있게 된다.
상기 구성에 의하면, 본체가 균형상태에 대하여 피치방향으로 경사져 있는 피치 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있는 동시에, 피치용 각속도 센서에 의한 피치 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 피치각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다. 또한 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하고, 접수한 지시 및 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표 피치각을 산출함으로써, 지시된 이동을 위한 회전속도를 확보하면서 피치방향의 경사를 보정할 수 있다. 또한 가속도 센서 등을 별개로 필요로 하지 않아, 차륜의 구동에 필요한 모터 등의 외에는 각속도 센서를 추가했을 뿐인 간편한 구성으로 전도 방지 제어장치를 간소화 및 소형화하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 전도 방지 제어장치를 적용한 일륜차 로봇의 구성을 모식적으로 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 2는 피치방향, 롤방향 및 요(yaw)방향을 설명하는 모식도이다.
도 3은 일륜차 로봇의 피치방향의 전도를 방지하는 제어의 일례를 나타내는 제어 블록도이다.
도 4는 일륜차 로봇의 모델을 측면에서 본 모식도이다.
도 5는 피치용 모터로부터 베벨 기어, 풀리, 벨트를 통해 차륜을 구동하는 구성을 나타내는 모식도이다.
도 6은 피치용 모터로부터 기어를 통해 직접 차륜을 구동하는 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 7은 피치용 모터로부터 기어를 통해 직접 차륜을 구동하는 구성의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
도 8은 피치용 모터로부터 베벨 기어, 기어를 통해 차륜을 구동하는 구성을 나타내는 모식도이다.
도 9는 도 5에 나타내는 구동 구성을 채용하는 현실적인 일륜차 로봇의 예시도이다.
도 10은 일륜차 로봇의 롤방향의 전도를 방지하는 제어의 일례를 나타내는 제어 블록도이다.
도 11은 일륜차 로봇을 정면에서 본 모식도이다.
도 12는 본체의 중심위치에 의한 롤용 각속도 센서로 검출되는 각속도의 감도를 설명하는 모식도이다.
도 13은 일륜차 로봇의 제어 기판의 컨트롤러에 의한 피치방향의 전도 방지 처리 수순을 나타내는 플로우 차트이다.
도 14는 일륜차 로봇의 제어 기판의 컨트롤러에 의한 롤방향의 전도 방지 처리 수순을 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 전도 방지 제어장치에 대하여, 일륜차의 위쪽에 탑재되어 있는 본체가 요동하면서 일륜차의 회전에 의해 전도하지 않고 전후로 이동하는 일륜차 로봇에 적용한 예를 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 전도 방지 제어장치를 적용한 일륜차 로봇의 구성을 모식적으로 나타내는 정면도 및 측면도이다. 도 1(a)는 정면도, 도 1(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 본 실시형태에 따른 전도 방지 제어장치는 일륜차 로봇 본체의 피치방향 및 롤방향으로의 전도를 방지하도록 기능한다.
도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 일륜차 로봇(1)은 전후방향으로 회전하여 이동하는 차륜(2)과, 차륜(2)의 회전축에 연결되어 차륜(2)의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체(3)로 구성되어 있다. 도 1(a), (b)의 예에서는 본체(3)를 인간형 로봇으로 했지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서 피치방향 및 롤방향을 명확히 해 둔다. 도 2는 피치방향, 롤방향 및 요방향을 설명하는 모식도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 일륜차 로봇(1)이 xy면상을 x축의 (+)방향으로 전진 또는 x축의 (-)방향으로 후퇴하도록 이동할 경우, y축 둘레의 회전방향이 피치방향이다. y축의 (+)방향을 향해 반시계방향으로 회전했을 경우에는 본체(3)가 전방으로 경사지고, y축의 (+)방향을 향해 시계방향으로 회전했을 경우에는 본체(3)가 후방으로 경사진다. 또한 x축 둘레의 회전방향이 롤방향이며, 본체(3)가 좌우방향으로 요동할 경우의 회전방향이다. 또한 z축 둘레의 회전방향이 요방향이며, 차륜(2)의 방향을 x축방향으로부터 기울일 경우의 회전방향이다.
도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 본체(3)에는 피치방향의 경사각도의 각속도인 피치 각속도를 검출하는 피치용 각속도 센서(31), 차륜(2)의 회전과 연동하여 차륜(2)을 회전시키는 피치용 모터(32), 및 피치용 모터(32)의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 피치용 회전 센서(33)를 구비한다. 피치용 각속도 센서(31)는 피치 각속도를 검출하는 도시하지 않는 검출축을 대략 좌우방향을 향하게 하여 본체(3)에 장착되어 있다. 여기서 대략 좌우방향이란, 엄밀한 좌우방향에 대하여 위아래로 약간의 각도 차이가 있어도 되는 것을 의미한다. 본체(3)와 차륜(2)은, 차륜(2)이 회전 자유롭도록 지지하는 프레임(4)으로 연결되고, 피치용 모터(32)에 의한 회전은 본체(3)에 구비된 베벨 기어(5)와 벨트(6)를 통해 차륜(2)에 전달된다. 프레임(4)은 본체(3)의 일부분이며, 도 1(a), (b)의 예에서는 프레임(4)은 본체(3)인 인간형 로봇의 발이 되고 있다. 또한 피치용 각속도 센서는 피치 각속도를 검출할 수 있으면 되고, 자이로 센서에 한정되는 것은 아니다.
또한 본체(3)인 인간형 로봇의 등에는 피치용 모터(32)를 제어하는 제어 기판(35) 및 전지(36)가 장비되어 있다. 제어 기판(35)에는 피치용 모터(32)를 회전 구동하는 드라이버, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 카운터, 컨트롤러 등이 탑재되어 있다. 컨트롤러는 구체적으로는 마이크로 프로세서, CPU, LSI 등이다. 일륜차 로봇(1)은 피치방향의 균형을 맞추기 위해, 차륜(2)을 구동할 때의 반동을 이용해서 균형을 맞추도록 제어하고 있다. 도 3은 일륜차 로봇(1)의 피치방향의 전도를 방지하는 제어의 일례를 나타내는 제어 블록도이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 피치용 카운터부(41)에서는 피치용 회전 센서(33)의 출력 펄스가 계수된다. 전진/후퇴지시 접수부(42)에서는 차륜(2)의 전진지시 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수한다. 전진지시 또는 후퇴지시가 회전각도로서 출력되었을 경우, 피치용 회전속도 계산부(43)에서는 전진지시 또는 후퇴지시의 펄스 신호의 펄스수로부터 피치용 카운터부(41)에서 계수된 펄스수를 감산하고, 감산해서 얻은 펄스수를 회전각도로 변환한 후 미분하여 피치용 모터(32)의 회전속도를 구한다. 노이즈 제거를 위한 LPF(로우패스 필터)를 장비해도 된다.
목표 피치각 계산부(44)에서는 피치용 회전속도 계산부(43)에서 구한 피치용 모터(32)의 회전속도로부터, 피치용 모터(32)의 회전이 차륜(2)이 전진하는 방향으로 회전할 경우에는 목표 피치각을 차륜(2)이 전진하는 방향이 되도록, 피치용 모터(32)의 회전이 차륜(2)이 후퇴하는 방향으로 회전할 경우에는 목표 피치각을 차륜(2)이 후퇴하는 방향이 되도록, 피치용 모터(32)의 회전속도에 비례 계수를 승산하여 구한다. 이로 인해, 지시된 이동을 위한 회전속도를 확보하면서 피치방향의 경사를 보정할 수 있다.
한편, 피치용 AD 컨버터부(45)에서는 피치용 각속도 센서(31)의 피치 각속도 출력을 측정한다. 피치 각속도 계산부(46)에서는 피치 각속도 출력에 변환 계수를 승산하여 피치 각속도(ω1p)를 산출한다.
피치 경사각 추정부(47)에서는 피치 각속도(ω1p)와, 후술하는 피치용 토크 지령(τ2p)으로부터, 본체(3)와 차륜(2)을 포함한 계의 경사각방향(피치방향)의 운동 방정식에 기초하여 도출된 후술하는 (식 18)로 피치 경사각을 산출한다. 더욱 적절한 추정속도를 부여하여 루프(loop)를 안정화시키기 위한 1차 지연요소를 직렬로 더함으로써 피치 경사각의 추정값을 산출하고 있다. 구체적으로는 (식 18)을 이용한 계산값에, 1차 지연요소로서 예를 들면 1/(0.1S+1)을 직렬로 더하게 되는데, 이들에 한정되는 것은 아니며, 적절한 추정속도가 되는 임의의 지연요소를 더할 수 있다.
피치방향 외부 토크 추정부(52)에서는 피치 경사각의 추정값에 변환 계수를 승산하여, 본체(3)에 작용하고 있는 피치방향 외부 토크의 추정값을 산출하고, 피치용 보정 토크(피치방향 외부 토크의 추정값에 상당)(τ3p)를 생성한다.
목표 피치 각속도 계산부(48)에서는 목표 피치각에서 피치 경사각의 추정값을 뺀 피치각도 편차에 비례 게인을 승산하여 목표 피치 각속도(ω2p)를 산출한다. 피치용 토크 지령 생성부(49)에서는 목표 피치 각속도(ω2p)와 피치 각속도(ω1p)의 편차에 대하여, 예를 들면 PI 제어에 의해 피치용 토크 지령(τ0p) 을 생성한다. 피치용 모터 토크 지령 전압 계산부(50)에서는 피치용 토크 지령(τ0p)과 피치용 보정 토크(τ3p)를 더한 피치용 토크 지령(τ2p)에 대하여 변환 계수를 승산하여 지령 전압을 생성한다. 마지막으로, 피치용 DA 컨버터부(51)에서는 드라이버에 지령 전압을 출력하고, 피치용 모터(32)의 회전을 제어한다.
여기서 (식 18)로 표시되는 피치 경사각의 계산식의 도출방법에 대하여 이하에 설명한다. 도 4는 일륜차 로봇(1) 모델을 측면에서 본 모식도이다. 도 4에서는 차륜(2), 본체(3) 및 본체(3)에 장착된 피치용 각속도 센서(31)만을 모식적으로 나타내고, 화살표방향이 전진방향이며, 본체(3)가 앞으로 기울어진 상태를 나타내고 있다. 먼저 라그랑쥬(Lagrange) 방정식에 의해 운동 방정식을 도출한다. 본체(3)와 차륜(2)을 합한 전체 운동에너지(T) 및 위치에너지(U)는 아래와 같이 된다.
Figure 112011017679220-pct00001
일반화 좌표와 일반화 속도에 의한 미분량은 아래와 같이 된다.
Figure 112011017679220-pct00002
라그랑쥬 방정식 (식 9), (식 10)에 (식 3)∼(식 8)을 대입한다.
Figure 112011017679220-pct00003
이 결과, 운동 방정식으로서 다음 (식 11), (식 12)를 얻는다.
Figure 112011017679220-pct00004
(식 12)를 변형하면 (식 13)이 된다.
Figure 112011017679220-pct00005
(식 13)을 (식 11)에 대입하여 sinθ1p를 θ1p로 근사하면 (식 14)를 얻는다. (식 14)에 따라, 본체(3)의 운동은 차륜(2)의 각도 및 각속도에는 무관하게 된다.
Figure 112011017679220-pct00006
-피치 경사각의 추정-
피치 경사각은 피치용 각속도 센서(31)의 출력의 적분으로 구할 수도 있지만, 편차가 누적되어 부정확해지기 때문에 다른 방법으로 구할 필요가 있다. 그러므로 도 4에 나타내는 모델의 운동 방정식을 이용해서 피치용 각속도 센서(31)가 출력하는 피치 각속도(ω1p)와, 피치용 토크 지령(τ2p)으로부터 피치 경사각을 추정한다. 운동 방정식 (식 14)를 변형하면 (식 15)가 된다.
Figure 112011017679220-pct00007
한편, 피치용 각속도 센서(31)가 출력하는 피치 각속도(ω1p)는 (식 16)으로 표시된다.
Figure 112011017679220-pct00008
또한 역풍, 순풍 등에 의해 본체(3)가 기우는 방향(피치방향)의 토크(τ1p)가 발생했을 경우, 겉보기의 균형 경사각(θ0p)은 (식 17)이 된다.
Figure 112011017679220-pct00009
따라서 겉보기의 균형 경사각에 대한 현재의 피치방향의 경사각(θ1p)의 편차각(피치 경사각)은 상기 (식 15), (식 16), (식 17)로부터 (식 18)을 도출하여 산출함으로써 추정할 수 있다. 단, 적절한 추정속도를 부여하여 루프를 안정화시키기 위해, 1차 지연요소를 직렬로 더해 두는 것이 좋다. 또한 (식 18)은 피치 경사각을 추정하는 계산식의 일례이며, 대상 모델에 따라 피치 경사각을 추정하는 계산식이 다를 경우가 있다.
Figure 112011017679220-pct00010
피치용 각속도 센서(31)로 출력된 피치 각속도(ω1p)와, 목표 피치각에 기초하여 생성되는 피치용 모터(32)에 부여하는 피치용 토크 지령(τ2p)으로부터, 균형상태에 대하여 본체(3)가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정함으로써 피치 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있다. 또한 피치용 각속도 센서(31)에 의한 피치 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 피치각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 차륜(2)의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
-피치방향 외부 토크 피드포워드(feed forward)-
(식 18)로 추정된 편차각(피치 경사각)에 의해 피치방향 외부 토크를 보상한다.
Figure 112011017679220-pct00011
(식 19)로서, 토크에 더해 둔다.
Figure 112011017679220-pct00012
(식 20)으로 하면, 운동 방정식 (식 14)는 (식 21)이 되므로 피치방향 외부 토크를 보상할 수 있다. 균형상태로부터 본체(3)가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정한 (식 18)에 의해, 균형상태로부터의 피치방향으로의 경사각도에 의해 발생하는 피치방향 외부 토크를 추정할 수 있으므로, 추정한 피치방향 외부 토크를 상쇄하는 보정 토크를 산출할 수 있다. 따라서 피치방향 외부 토크에 의한 영향을 가미하여 피치용 모터(32)의 회전을 보다 적정하게 제어할 수 있으므로, 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 보다 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다. 특히 경사각 루프, 경사각속도 루프의 응답 주파수가 낮은 경우라도, 피치방향 외부 토크를 피드포워드 제어로 보상함으로써, 전도 방지 제어를 계속해 나갈 수 있기 때문에 안정된 제어가 가능해진다.
Figure 112011017679220-pct00013
보정된 피치용 토크 지령은 피치용 DA 컨버터부(51)를 통해 드라이버에 출력되고 피치용 모터(32)의 회전이 제어된다. 피치용 모터(32)에 의한 회전은 차륜(2)에 전달된다. 도 5는 피치용 모터(32)로부터 베벨 기어(5), 풀리, 벨트(6)를 통해 차륜(2)을 구동하는 구성을 나타내는 모식도이다. 도 5(a)는 정면도, 도 5(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 도 5는 일륜차 로봇(1)에 있어서 차륜(2)의 구동에 관계되는 차륜(2) 및 본체(3)의 차륜(2)측 부분만을 나타내고 있다.
도 5(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 피치용 모터(32)에 의한 회전은 순서대로 모터축(321), 베벨 기어(5, 5), 본체(3)측의 풀리(7), 벨트(6), 차륜(2)측의 풀리(8)를 통해 차륜(2)에 전달된다. 일륜차 로봇(1)에서는, 차륜(2)의 회전은 피치용 모터(32)의 회전에 대하여 회전비가 낮아지도록 하고 있다. 구체적으로는, 피치용 모터(32)측, 즉 본체(3)측의 풀리(7)를 차륜(2)측의 풀리(8)에 대하여 감속비를 높게 하고 있다.
예를 들면 감속비를 3배 높임으로써, 피치용 모터(32)에 의한 토크, 즉 상술한 보정된 피치용 토크 지령에 의해 발생하는 토크의 1/3의 토크로 차륜(2)을 제어할 수 있다. 따라서 실질적인 피치용 모터(32)의 한계 토크를 높일 수 있어, 전도를 방지할 수 있는 경사각의 허용각을 크게 할 수 있게 된다.
도 6은 피치용 모터(32)로부터 기어를 통해 직접 차륜(2)을 구동하는 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 6(a)는 정면도, 도 6(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 도 6(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 피치용 모터(32)에 의한 회전은 피치용 모터(32)의 모터축(321)의 기어(322)와 맞물리는 기어(323)와 동축(同軸)으로 따라서 회전(co-rotation)하는 기어(324)에 의해 직접 차륜(2)의 타이어(325)에 전달된다.
도 7은 피치용 모터(32)로부터 기어를 통해 직접 차륜(2)을 구동하는 구성의 다른 예를 나타내는 모식도이다. 도 7(a)는 정면도, 도 7(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 또한 도 7(a)의 정면도에서는 설명을 위해 차륜(2)을 단면으로 나타내고 있다. 도 7(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 도 6의 구성과 마찬가지로 피치용 모터(32)에 의한 회전은 피치용 모터(32)의 모터축(321)의 기어(322)와 맞물리는 기어(323)와 동축으로 따라서 회전하는 기어(324)에 의해 직접 차륜(2)에 전달되는데, 도 6의 구성과 같이 차륜(2)의 타이어(325)에 전달되는 것이 아니라, 차륜(2)의 휠(326)에 형성된 기어에 전달되는 점에서 도 6의 구성과 다르다.
일륜차 로봇(1)에서는 도 6 또는 도 7에 나타내는 구동 구성을 채용해도 된다. 단, 도 6에 나타내는 구동 구성에서는 기어(324)를 직접 차륜(2)의 타이어에 닿게 해서 회전을 전달하기 때문에, 미끄러짐 등이 발생하면 정밀도 좋게 차륜(2)의 회전을 제어하기가 곤란해진다.
도 8은 피치용 모터(32)로부터 베벨 기어(5, 5), 기어(9)를 통해 차륜(2)을 구동하는 구성을 나타내는 모식도이다. 도 8(a)는 정면도, 도 8(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 도 8(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 피치용 모터(32)에 의한 회전은 피치용 모터(32)의 모터축(321)을 통해 베벨 기어(5)로부터 차륜(2)의 회전축과 따라서 회전하는 기어(9)에 의해 차륜(2)에 전달된다. 도 8에 나타내는 구동 구성에서는 도 5에 나타내는 구동 구성과 마찬가지로 기어(5) 또는 기어(9)의 맞물림의 이른바 백래쉬(backlash)가 발생하는 정도이며, 도 6 및 도 7에 나타내는 구동 구성과 같은 미끄러짐 등은 발생하지 않으므로 높은 정밀도로 차륜(2)의 회전을 제어할 수 있다. 또한 도 8에 나타내는 구동 구성은 베벨 기어(5)와 기어(9) 사이에 기어를 더 개재시켜 기어비(감속비)를 변경함으로써, 도 5에 나타내는 구동 구성과 같이 실질적인 피치용 모터(32)의 한계 토크를 높이는 것도 가능하다.
도 9는 도 5에 나타내는 구동 구성을 채용하는 현실적인 일륜차 로봇(1)의 예시도이다. 도 9(a)는 정면도, 도 9(b)는 우측면도를 나타내고 있다. 도 9(a), (b)에 나타내는 구동 구성은 도 5와 같으므로 구성에 대한 설명은 생략한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 베벨 기어(5), 풀리(7, 8) 및 벨트(6)를 프레임(4) 안으로 제한하여 측면에서 보이지 않도록 할 수 있으며, 도 8에 나타내는 구동 구성과 같이 기어(9) 등이 보이게 되는 구성과 비교해서 의장적인 효과도 얻어진다. 따라서 일륜차 로봇(1)에서는 도 5 내지 도 8에 나타내는 어떠한 구동 구성을 채용해도 되지만, 상술한 다양한 효과를 얻을 수 있는 도 5에 나타내는 구동 구성을 채용하는 것이 특히 바람직하다.
일륜차 로봇(1)은 상술한 바와 같이 피치방향 및 롤방향으로의 전도를 방지하도록 기능하므로, 이후 롤방향으로의 전도를 방지하는 구성에 대하여 설명한다.
도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 상술한 피치방향으로의 전도를 방지하는 구성에 더해, 본체(3)에는 롤방향의 경사각도의 각속도인 롤 각속도를 검출하는 롤용 각속도 센서(61), 롤방향으로 회전하는 관성 로터(64), 관성 로터(64)의 회전과 연동하여 관성 로터(64)를 회전시키는 롤용 모터(62), 및 롤용 모터(62)의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 롤용 회전 센서(63)를 구비한다. 롤용 각속도 센서(61)는 롤 각속도를 검출하는 도시하지 않는 검출축을 대략 전후방향으로 향하게 하여 본체(3)에 장착되어 있다. 여기서 대략 전후방향이란, 엄밀한 전후방향에 대하여 위아래로 약간의 각도 차이가 있어도 되는 것을 의미한다. 또한 롤용 각속도 센서(61)는 롤 각속도를 검출할 수 있으면 되고, 자이로 센서에 한정되는 것은 아니다.
또한 본체(3)인 인간형 로봇의 등에 장비되어 있는 상술한 제어 기판(35)은 피치용 모터(32)를 제어할 뿐만 아니라 롤용 모터(62)도 제어한다. 도 10은 일륜차 로봇(1)의 롤방향의 전도를 방지하는 제어의 일례를 나타내는 제어 블록도이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 롤용 카운터부(71)에서는 롤용 회전 센서(63)의 출력 펄스가 계수된다. 롤용 회전속도 계산부(73)에서는 롤용 카운터부(71)의 출력을 회전각도로 변환한 뒤, 미분하여 롤용 모터(62)의 회전속도를 구한다. 노이즈 제거를 위한 LPF(로우패스 필터)를 장비해도 된다.
목표 롤각 계산부(74)에서는, 롤용 모터(62)의 회전이 일륜차 로봇(1)의 정면에서 보아 좌회전일 경우에는 목표 롤각을 일륜차 로봇(1)의 정면에서 보아 오른쪽 방향으로, 롤용 모터(62)의 회전이 일륜차 로봇(1)의 정면에서 보아 우회전일 경우에는 목표 롤각을 일륜차 로봇(1)의 정면에서 보아 왼쪽 방향이 되도록, 롤용 모터(62)의 회전속도에 비례 계수를 승산하여 구한다. 또한 적분기를 추가하여 관성 로터(64)에 정상회전이 잔류하지 않도록 하는 것이 좋다.
한편, 롤용 AD 컨버터부(75)에서는 롤용 각속도 센서(61)의 롤 각속도 출력을 취득한다. 롤 각속도 계산부(76)에서는 롤 각속도 출력에 변환 계수를 승산하여 롤 각속도(ω1r)를 산출한다.
롤 경사각 추정부(77)에서는 롤 각속도(ω1r)와, 후술하는 롤용 토크 지령(τ2r)으로부터, 본체(3)(관성 로터(64) 이외의 부분)와 관성 로터(64)를 포함한 계의 경사각방향(롤방향)의 운동 방정식에 기초하여 도출된, 후술하는 (식 25)로 표시되는 롤 경사각을 산출한다. 더욱 적절한 추정속도를 부여하여 루프를 안정화시키기 위한 1차 지연요소를 직렬로 더함으로써 롤 경사각의 추정값을 산출하고 있다. 구체적으로는 (식 25)를 이용해서 산출한 계산값에, 1차 지연요소로서 예를 들면 1/(0.1S+1)을 직렬로 더하게 되는데, 이들에 한정되는 것은 아니며, 적절한 추정속도가 되는 임의의 지연요소를 더할 수 있다.
롤방향 외부 토크 추정부(82)에서는, 롤 경사각의 추정값에 변환 계수를 승산하여, 본체(3)에 작용하고 있는 롤방향 외부 토크의 추정값을 산출하여, 롤용 보정 토크(롤방향 외부 토크의 추정값에 상당)(τ3r)를 생성한다.
목표 롤 각속도 계산부(78)에서는 목표 롤각으로부터 롤 경사각의 추정값을 뺀 롤각도 편차에 비례 게인을 승산하여 목표 롤 각속도(ω2r)를 생성한다. 롤용 토크 지령 생성부(79)에서는 목표 롤 각속도(ω2r)와 롤 각속도(ω1r)와의 편차에 대하여, 예를 들면 PI 제어에 의해 롤용 토크 지령(τ0r)을 생성한다. 롤용 모터 토크 지령 전압 계산부(80)에서는, 롤용 토크 지령(τ0r)과 롤용 보정 토크(τ3r)를 더한 롤용 토크 지령(τ2r)에 대하여 변환 계수를 승산하여 지령 전압을 생성한다. 마지막으로 롤용 DA 컨버터부(81)에서는 드라이버에 지령 전압을 출력하고, 롤용 모터(62)의 회전을 제어한다.
여기서 (식 25)로 표시되는 롤 경사각의 계산식의 도출방법에 대하여 아래에 설명한다. 도 11은 일륜차 로봇(1)을 정면에서 본 모식도이다. 도 11에서는 본체(3) 및 본체(3)에 장착된 관성 로터(64)만을 모식적으로 나타내고 있다. 먼저 라그랑쥬 방정식에 의해 운동 방정식을 도출한다. 본체(3)(관성 로터(64) 이외의 부분)와 관성 로터(64)를 합한 전체 운동에너지(T) 및 위치에너지(U)는 아래와 같이 된다.
Figure 112011017679220-pct00014
상술한 피치 경사각을 산출하는 계산식을 도출한 것과 같이 해서, (식 22), (식 23)으로부터 (식 24)가 얻어진다. (식 24)에 따라, 본체(3)의 운동은 관성 로터(64)의 각도 및 각속도에는 무관하게 된다.
Figure 112011017679220-pct00015
-롤 경사각의 추정-
상술한 피치 경사각과 마찬가지로 롤 경사각은 롤용 각속도 센서(61)의 출력의 적분으로 구할 수도 있지만, 편차가 누적되어 부정확해지기 때문에 다른 방법으로 구할 필요가 있다. 상술한 피치 경사각을 추정하는 경우와 마찬가지로 해서, 도 11에 나타내는 모델의 운동 방정식을 이용해서 롤용 각속도 센서(61)가 출력하는 롤 각속도(ω1r)와, 롤용 토크 지령(τ2r)으로부터 롤 경사각을 추정한다.
측면에서 불어 오는 바람, 커브 주행에 따른 원심력 등에 의해 본체(3)가 기우는 방향(롤방향)의 토크(τ1r)가 발생했을 경우, 겉보기의 균형 경사각에 대한 현재의 롤방향의 경사각(θ1r)의 편차(롤 경사각)는 운동 방정식 (식 24)를 변형한 식과, 롤용 각속도 센서(61)로 출력된 롤 각속도(ω1r)로부터 (식 25)로 추정할 수 있다. 또한 적절한 추정속도를 부여하여 루프를 안정화시키기 위해 1차 지연요소를 직렬로 더해 두는 것이 좋다. 또한 (식 25)는 롤 경사각을 추정하는 계산식의 일례이며, 대상 모델에 따라 롤 경사각을 추정하는 계산식이 다를 경우가 있다.
Figure 112011017679220-pct00016
롤용 각속도 센서(61)로 출력된 롤 각속도(ω1r)와, 목표 롤각에 기초하여 생성되는 롤용 모터(62)에 부여하는 롤용 토크 지령(τ2r)으로부터, 균형상태에 대하여 본체(3)가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정함으로써, 피치 경사각과 마찬가지로 롤 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있다. 또한 롤 각속도 센서에 의한 롤 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 롤각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 차륜(2)의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 롤방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 롤방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
-롤방향 외부 토크 피드포워드-
(식 25)로 추정된 편차각도에 의해 롤방향 외부 토크를 보상한다.
Figure 112011017679220-pct00017
(식 26)으로서, 토크에 더해 둔다.
Figure 112011017679220-pct00018
(식 27)로 하면, 운동 방정식 (식 24)는 (식 28)이 되므로 롤방향 외부 토크를 보상할 수 있다. 따라서 피치방향과 마찬가지로 롤방향 외부 토크에 의한 영향을 가미하여 롤용 모터(62)의 회전을 보다 적정하게 제어할 수 있으므로, 균형상태로부터의 롤방향의 경사를 보다 정밀도 좋게 보정하여 롤방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
Figure 112011017679220-pct00019
도 12는 본체(3)의 중심위치에 의한 롤용 각속도 센서(61)로 검출되는 각속도의 감도를 설명하는 모식도이다. 도 12는 일륜차 로봇(1)의 우측면에서 본 도면이고, 굵은 화살표 a가 전진방향을 나타내며, 일륜차 로봇(1)의 피치방향의 균형상태를 나타내고 있다. 롤용 각속도 센서(61)는 진동자를 사용한 각속도 센서이며, 진동자의 진동방향과 직교하는 방향의 힘에 따른 신호를 검출함으로써 각속도를 구한다. 또한 검출하는 힘의 방향은 대략 전후방향의 검출축과 직교하는 대략 연직방향이 된다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 본체(3)의 중심(G)은 본체(3)의 축(38)상에는 없고 본체(3)의 뒤에 치우쳐 있기 때문에, 일륜차 로봇(1)은 피치방향의 균형상태에서 본체(3)의 축(38)이 연직방향이 아니라 앞으로 기울어져 있다. 롤용 각속도 센서(61)는 본체(3)의 축(38)이 연직방향이 되는 상태에서, 검출축이 전후방향 및 수평방향을 향해, 연직방향의 힘에 따른 신호를 검출하도록 본체(3)에 장착되어 있다.
도 12에 나타내는 것과 같은 피치방향의 균형상태에서는 롤용 각속도 센서(61)의 검출축은 화살표 b를 향해 수평방향보다 앞쪽이 낮게 앞으로 기울어져 있다. 검출축이 앞으로 기울어진 상태에서, 롤용 각속도 센서(61)는 화살표 d로 나타내는 힘에 따른 신호를 검출하는데, 롤방향으로 실제로 생긴 각속도는 화살표 c로 나타내는 힘에 대응한다. 화살표 c로 나타내는 힘에 대응하는 각속도를 ω라고 하면, 화살표 d로 나타내는 힘에 대응하는 각속도는 ωcosθ가 되어, 롤용 각속도 센서(61)가 검출하는 각속도는 실제의 각속도보다 늦어진다. 롤용 각속도 센서(61)가 실제의 각속도를 정확하게 검출할 수 없다면, 롤 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 없어, 롤방향의 경사를 정밀도 좋게 보정할 수 없다.
따라서 롤방향으로 실제로 생긴 각속도를 정확하게 검출하기 위해서는 롤용 각속도 센서(61)의 검출축이, 도 12와 같은 피치방향의 균형상태, 즉 본체(3)가 차륜(2)의 축과 교차하는 연직선상에 중심(G)을 가지는 상태에서, 전후방향 및 수평방향을 향하게 해서, 롤용 각속도 센서(61)를 본체(3)에 장착하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 롤용 각속도 센서(61)는 피치방향의 균형상태에서 롤방향으로 실제로 생긴 각속도를 정확하게 검출할 수 있으며, 피치방향의 균형상태로부터 피치방향으로 미소각만큼 요동하는 상태라도, 실제의 롤 각속도와 작은 오차로 감도 좋게 롤 각속도를 검출할 수 있다.
다음으로 상술한 도 3에 나타내는 제어 블록으로 구성되는 일륜차 로봇(1)의 제어 동작에 대하여 플로우 차트에 기초하여 설명한다. 설명을 쉽게 하기 위해 피치방향의 전도 방지 제어와 롤방향의 전도 방지 제어를 나누어서 설명한다. 도 13은 일륜차 로봇(1)의 제어 기판(35)의 컨트롤러에 의한 피치방향의 전도 방지 처리 수순을 나타내는 플로우 차트이다.
도 13에 나타내는 바와 같이 제어 기판(35)의 컨트롤러는 피치용 모터(32)의 회전을 검지한 피치용 회전 센서(33)의 출력(펄스 신호)의 펄스수를 계수한다(스텝 S1201). 컨트롤러는 차륜(2)의 전진(또는 후퇴) 지시를 회전속도의 펄스 신호로서 접수한다(스텝 S1202).
컨트롤러는 전진(또는 후퇴) 지시의 펄스 신호의 펄스수에서, 피치용 회전 센서(33)의 출력(펄스 신호)의 펄스수를 감산하여 얻은 펄스수로부터, 피치방향의 회전속도 편차를 산출한다(스텝 S1203). 구체적으로는, 감산하여 얻은 펄스수를 회전각도로 변환한 후 미분하여 회전속도 편차를 구한다. 컨트롤러는 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출한다(스텝 S1204).
컨트롤러는 산출한 목표 피치각에서 후술하는 스텝 S1212에서 추정한 피치 경사각을 빼서 피치각도 편차를 산출하고(스텝 S1205), 산출한 피치각도 편차에 비례 게인을 승산하여 목표 피치 각속도(ω2p)를 산출한다(스텝 S1206).
컨트롤러는 목표 피치 각속도(ω2p)와, 후술하는 스텝 S1211에서 산출한 피치 각속도(ω1p)와의 피치 각속도 편차를 산출하고(스텝 S1207), 산출한 피치 각속도 편차에 대하여 PI 제어 등에 의해 피치용 토크 지령(τ0p)을 생성한다(스텝 S1208).
컨트롤러는 생성한 피치용 토크 지령(τ0p)을 후술하는 스텝 S1213에서 추정한 피치방향 외부 토크(τ3p)로 보정하여 피치용 토크 지령(τ2p)을 생성한다(스텝 S1209).
컨트롤러는 피치용 각속도 센서(31)로 출력된 피치 각속도의 출력을 A/D 변환하여 취득한다(스텝 S1210). 컨트롤러는 취득한 피치 각속도의 출력에 변환 계수를 승산하여 피치 각속도(ω1p)를 산출한다(스텝 S1211).
컨트롤러는 (식 18)을 이용해서, 산출한 피치 각속도(ω1p)와, 상술한 스텝 S1209에서 생성한 피치용 토크 지령(τ2p)으로부터, 균형상태에 대하여 본체(3)가 피치방향으로 경사져 있는 피치 경사각을 추정한다(스텝 S1212). 컨트롤러는 추정한 피치 경사각에 기초하여, 본체(3)를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정한다(스텝 S1213).
컨트롤러는 스텝 S1209에서 피치용 토크 지령(τ2p)을 생성했는지 여부를 판단한다(스텝 S1214).
컨트롤러가 피치용 토크 지령(τ2p)을 생성했다고 판단했을 경우(스텝 S1214:YES), 컨트롤러는 생성한 피치용 토크 지령(τ2p)에 변환 계수를 승산하여 지령 전압을 산출한다(스텝 S1215). 컨트롤러는 산출한 지령 전압을 D/A 변환하여, 피치용 모터(32)를 회전 구동하는 드라이버에 출력한다(스텝 S1216). 컨트롤러는 처리를 스텝 S1201 및 스텝 S1210으로 되돌리고 상술한 처리를 반복한다.
한편, 컨트롤러가 피치용 토크 지령(τ2p)을 생성하지 않았다고 판단했을 경우(스텝 S1214:NO), 본체(3)는 균형상태로 전진/후퇴지시도 없는 상태에 있으며, 컨트롤러는 처리를 종료한다. 상술한 예는 전진지시 또는 후퇴지시로서 회전각도를 접수했을 경우의 처리 수순을 나타내고 있지만, 전진지시 또는 후퇴지시로서 회전속도를 접수한 경우라도, 각속도 편차를 구함으로써 동일한 처리 수순에 따라 피치방향의 전도 방지 제어가 가능해진다.
도 14는 일륜차 로봇(1)의 제어 기판(35)의 컨트롤러에 의한 롤방향의 전도 방지 처리 수순을 나타내는 플로우 차트이다. 도 14에 나타내는 바와 같이 제어 기판(35)의 컨트롤러는 롤용 모터(62)의 회전을 검지한 롤용 회전 센서(63)의 출력(펄스 신호)의 펄스수를 계수한다(스텝 S1301).
컨트롤러는 계수한 펄스수로부터 롤방향의 회전속도를 산출한다(스텝 S1302). 구체적으로는, 계수한 펄스수를 회전각도로 변환한 후 미분하여 회전속도를 산출한다. 컨트롤러는 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출한다(스텝 S1303).
컨트롤러는 산출한 목표 롤각에서 후술하는 스텝 S1311에서 추정한 롤 경사각을 빼서 롤각도 편차를 산출하고(스텝 S1304), 산출한 롤각도 편차에 비례 게인을 승산하여 목표 롤 각속도(ω2r)를 산출한다(스텝 S1305).
컨트롤러는 목표 롤 각속도(ω2r)와, 후술하는 스텝 S1310에서 산출한 롤 각속도(ω1r)와의 롤 각속도 편차를 산출하고(스텝 S1306), 산출한 롤 각속도 편차에 대하여 PI 제어 등에 의해 롤용 토크 지령(τ0r)을 생성한다(스텝 S1307).
컨트롤러는 생성한 롤용 토크 지령(τ0r)을 후술하는 스텝 S1312에서 추정한 롤방향 외부 토크(τ3r)로 보정하여 롤용 토크 지령(τ2r)을 생성한다(스텝 S1308).
컨트롤러는 롤용 각속도 센서(61)로 출력된 롤 각속도의 출력을 A/D 변환하여 취득한다(스텝 S1309). 컨트롤러는 취득한 롤 각속도의 출력에 변환 계수를 승산하여 롤 각속도(ω1r)를 산출한다(스텝 S1310).
컨트롤러는 (식 25)를 이용해서, 산출한 롤 각속도(ω1r)와, 상술한 스텝 S1308에서 생성한 롤용 토크 지령(τ2r)으로부터, 균형상태에 대하여 본체(3)가 롤방향으로 경사져 있는 롤 경사각을 추정한다(스텝 S1311). 컨트롤러는 추정한 롤 경사각에 기초하여, 본체(3)를 롤방향으로 경사시키는 롤방향 외부 토크를 추정한다(스텝 S1312).
컨트롤러는 스텝 S1308에서 롤용 토크 지령(τ2r)을 생성했는지 여부를 판단한다(스텝 S1313).
컨트롤러가, 롤용 토크 지령(τ2r)을 생성했다고 판단했을 경우(스텝 S1313:YES), 컨트롤러는 생성한 롤용 토크 지령(τ2r)에 변환 계수를 승산하여 지령 전압을 산출한다(스텝 S1314). 컨트롤러는 산출한 지령 전압을 D/A 변환하여, 롤용 모터(62)를 회전 구동하는 드라이버에 출력한다(스텝 S1315). 컨트롤러는 처리를 스텝 S1301 및 스텝 S1309로 되돌리고 상술한 처리를 반복한다.
한편 컨트롤러가, 롤용 토크 지령(τ2r)을 생성하지 않았다고 판단했을 경우(스텝 S1313:NO), 본체(3)는 균형상태이며, 컨트롤러는 처리를 종료한다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면, 균형상태에 대하여 본체가 피치방향으로 경사져 있는 피치 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있는 동시에, 피치용 각속도 센서에 의한 피치 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 피치각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 피치방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 피치방향으로의 전도를 방지할 수 있다. 또한 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하고, 접수한 지시 및 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표 피치각을 산출함으로써, 지시된 이동을 위한 회전속도를 확보하면서 피치방향의 경사를 보정할 수 있다. 또한 가속도 센서 등을 별개로 필요로 하지 않아, 차륜의 구동에 필요한 모터 등의 외에는 각속도 센서를 추가했을 뿐인 간편한 구성으로 전도 방지 제어장치를 간소화 및 소형화할 수 있다.
또한 균형상태에 대하여 본체가 롤방향으로 경사져 있는 롤 경사각을 정밀도 좋게 추정할 수 있는 동시에, 롤용 각속도 센서에 의한 롤 각속도를 적분할 일이 없으므로 노이즈, 오프셋 등의 누적에 의한 목표 롤각의 계산 오차가 발생하지 않으며, 관성 로터의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서, 균형상태로부터의 롤방향의 경사를 정밀도 좋게 보정하여 롤방향으로의 전도를 방지할 수 있다.
또한 상술한 실시형태는 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 변경할 수 있음은 말할 것도 없다. 상술한 실시형태에 따른 전도 방지 제어장치는 일륜차 로봇에의 적용에 한하지 않고, 예를 들면 이족 보행 로봇, 좌우방향의 1개의 축을 중심으로 전후방향으로 회전하여 이동하는 이륜차 등에 적용해도 되며, 상술한 효과와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
1 일륜차 로봇(전도 방지 제어장치)
2 차륜
3 본체
4 프레임
5 베벨 기어
6 벨트
31 피치용 각속도 센서
32 피치용 모터
33 피치용 회전 센서
35 제어 기판
36 전지
41 피치용 카운터부
42 전진/후퇴지시 접수부
43 피치용 회전속도 계산부
44 목표 피치각 계산부
45 피치용 AD 컨버터부
46 피치 각속도 계산부
47 피치 경사각 추정부
48 목표 피치 각속도 계산부
49 피치용 토크 지령 생성부
50 피치용 모터 토크 지령 전압 계산부
51 피치용 DA 컨버터부
52 피치방향 외부 토크 추정부
O, O1, O2 회전중심
m1 본체 질량
m2 관성 로터 질량
I1p O 둘레의 본체의 관성 모멘트
I2p O 둘레의 차륜의 관성 모멘트
I1r O1 둘레의 본체의 관성 모멘트
I2r O2 둘레의 관성 로터의 관성 모멘트
θ1p 수직축에 대한 본체의 피치방향의 경사각도
θ2p 본체에 대한 차륜의 회전각도
θ1r 수직축에 대한 본체의 롤방향의 경사각도
θ2r 본체에 대한 관성 로터의 회전각도
τ1p 본체에 작용하는 O 둘레의 외란(disturbance) 토크
τ2p 차륜에 작용하는 토크
lGp O에서 본체 중심위치까지의 거리
lr O1에서 02까지의 거리
lGr O1에서 본체 중심위치까지의 거리
r 차륜의 반경
g 중력 가속도

Claims (12)

  1. 전후방향으로 회전하여 이동하는 차륜과, 상기 차륜의 회전축에 연결되어 상기 차륜의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체로 구성되는 전도 방지 제어장치로서,
    상기 본체에,
    피치방향의 경사각도의 각속도인 피치 각속도를 검출하는 피치용 각속도 센서와,
    상기 차륜의 회전과 연동하여 상기 차륜을 회전시키는 피치용 모터와,
    상기 피치용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 피치용 회전 센서를 포함하며,
    상기 전도 방지 제어장치는 상기 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서 상기 본체의 피치방향의 경사를 보정하고,
    상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하는 전진/후퇴지시 접수부와,
    접수한 전진 또는 후퇴지시 및 상기 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출하는 목표 피치각 계산부와,
    상기 피치용 각속도 센서로 검출된 피치 각속도와, 상기 목표 피치각에 기초하여 생성되는 상기 피치용 모터에 부여하는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정하는 피치 경사각 추정부와,
    상기 목표 피치각과 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 피치용 토크 지령 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전진/후퇴지시 접수부는 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수하는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 목표 피치각에서 상기 피치 경사각을 뺀 피치각도 편차로부터, 목표로 하는 피치방향의 경사각도의 각속도인 목표 피치 각속도를 산출하는 목표 피치 각속도 계산부를 포함하고,
    상기 피치용 토크 지령 생성부는 상기 목표 피치 각속도와 검출된 상기 피치 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 본체를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정하는 피치방향 외부 토크 추정부와,
    추정된 상기 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 상기 피치용 토크 지령을 보정하는 토크 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 본체에,
    롤방향의 경사각도의 각속도인 롤 각속도를 검출하는 롤용 각속도 센서와,
    롤방향으로 회전하는 관성 로터와,
    상기 관성 로터의 회전과 연동하여 상기 관성 로터를 회전시키는 롤용 모터와,
    상기 롤용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 롤용 회전 센서를 포함하고,
    상기 롤용 회전 센서로 검출된 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출하는 목표 롤각 계산부와,
    상기 롤용 각속도 센서로 검출된 롤 각속도와, 상기 목표 롤각에 기초하여 생성되는 상기 롤용 모터에 부여하는 롤용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정하는 롤 경사각 추정부와,
    상기 목표 롤각에서 상기 롤 경사각을 뺀 롤각도 편차로부터, 목표로 하는 롤방향의 경사각도의 각속도인 목표 롤 각속도를 산출하는 목표 롤 각속도 계산부와,
    상기 목표 롤 각속도와 검출된 상기 롤 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 롤용 토크 지령을 생성하는 롤용 토크 지령 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 롤용 각속도 센서의 검출축은 상기 차륜의 회전축과 교차하는 연직선상에 상기 본체의 중심을 가지는 상태로, 전후방향 및 수평방향을 향해 있는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차륜의 회전은 상기 피치용 모터의 회전에 대하여 회전비가 낮게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전도 방지 제어장치.
  8. 전후방향으로 회전하여 이동하는 차륜과, 상기 차륜의 회전축에 연결되어 상기 차륜의 위쪽에서 피치방향 및 롤방향으로 요동하는 본체로 구성되는 전도 방지 제어장치에 탑재되어 있는 컴퓨터로 실행하는 것이 가능한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체로서,
    상기 본체에,
    피치방향의 경사각도의 각속도인 피치 각속도를 검출하는 피치용 각속도 센서와,
    상기 차륜의 회전과 연동하여 상기 차륜을 회전시키는 피치용 모터와,
    상기 피치용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 피치용 회전 센서를 포함하며,
    상기 컴퓨터 프로그램은 상기 차륜의 회전에 수반되는 반동 토크를 이용해서 상기 본체의 피치방향의 경사를 보정하고,
    상기 컴퓨터를,
    상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 접수하는 전진/후퇴지시 접수수단,
    접수한 전진 또는 후퇴지시 및 상기 피치용 회전 센서로 검출된 회전각도로부터 도출한 피치방향의 회전속도 편차에 기초하여 목표로 하는 피치방향의 경사각도인 목표 피치각을 산출하는 목표 피치각 계산수단,
    상기 피치용 각속도 센서로 검출된 피치 각속도와, 상기 목표 피치각에 기초하여 생성되는 상기 피치용 모터에 부여하는 피치용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 피치방향으로 경사져 있는 각도인 피치 경사각을 추정하는 피치 경사각 추정수단, 및
    상기 목표 피치각과 상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 피치용 토크 지령 생성수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전진/후퇴지시 접수수단을, 상기 차륜의 전진 또는 후퇴지시를 회전속도 또는 회전각도로서 접수하는 수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 컴퓨터를,
    상기 목표 피치각으로부터 상기 피치 경사각을 뺀 피치각도 편차로부터, 목표로 하는 피치방향의 경사각도의 각속도인 목표 피치 각속도를 산출하는 목표 피치 각속도 계산수단으로서 기능시키고,
    상기 피치용 토크 지령 생성수단을,
    상기 목표 피치 각속도와 검출된 상기 피치 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 피치용 토크 지령을 생성하는 수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 컴퓨터를,
    상기 피치 경사각에 기초하여, 상기 본체를 피치방향으로 경사시키는 피치방향 외부 토크를 추정하는 피치방향 외부 토크 추정수단, 및
    추정된 상기 피치방향 외부 토크가 상쇄되는 방향으로 상기 피치용 토크 지령을 보정하는 토크 보정수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 본체에,
    롤방향의 경사각도의 각속도인 롤 각속도를 검출하는 롤용 각속도 센서와,
    롤방향으로 회전하는 관성 로터와,
    상기 관성 로터의 회전과 연동하여 상기 관성 로터를 회전시키는 롤용 모터와,
    상기 롤용 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 롤용 회전 센서를 포함하고,
    상기 컴퓨터를,
    상기 롤용 회전 센서로 검출된 롤방향의 회전속도에 기초하여 목표로 하는 롤방향의 경사각도인 목표 롤각을 산출하는 목표 롤각 계산수단,
    상기 롤용 각속도 센서로 검출된 롤 각속도와, 상기 목표 롤각에 기초하여 생성되는 상기 롤용 모터에 부여하는 롤용 토크 지령으로부터, 균형상태에 대하여 상기 본체가 롤방향으로 경사져 있는 각도인 롤 경사각을 추정하는 롤 경사각 추정수단,
    상기 목표 롤각에서 상기 롤 경사각을 뺀 롤각도 편차로부터, 목표로 하는 롤방향의 경사각도의 각속도인 목표 롤 각속도를 산출하는 목표 롤 각속도 계산수단, 및
    상기 목표 롤 각속도와 검출된 상기 롤 각속도와의 편차에 기초하여, 상기 롤용 토크 지령을 생성하는 롤용 토크 지령 생성수단으로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터판독가능 기록매체.
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