KR20080059293A

KR20080059293A - 전도방지 제어장치

Info

Publication number: KR20080059293A
Application number: KR1020087011180A
Authority: KR
Inventors: 아츠히코 히라타
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-06-26
Also published as: CN101296838B; CN101296838A; WO2007063665A1; US20080228357A1; EP1955936A1; EP1955936B1; JPWO2007063665A1; EP1955936A4; US7643933B2; JP4605227B2; KR100958531B1

Abstract

본 발명은 균형이 잡힌 상태로부터의 경사각을 정확하게 추정할 수 있으면서 소음이나 오프셋이 누적하지 않고, 경사각 추정과 전도방지 제어를 계속할 수 있도록 하는 것이다.

좌우로 자유롭게 기울어질 수 있는 자전거로봇에게 대략 전후방향으로 검출축을 향해서 장착한 각속도센서와, 본체에 대략 전후방향으로 회전축을 향해서 장착한 모터와, 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 회전센서와, 모터의 회전축에 연결된 관성로터를 구비하고, 모터로 관성로터를 회전시켜 관성로터의 회전에 수반하는 반동토크를 이용하여 자전거로봇의 기울기를 보정하는 전도방지 제어장치로서, 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)과 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)으로부터 평형상태에 대한 경사각을 추정하는 경사각 추정수단(25)을 구비하여 경사각 추정치를 이용해 자전거로봇의 기울기를 보정한다.

각속도센서, 모터, 회전센서, 관성로터, 반동토크, 토크지령, 경사각 추정수단

Description

전도방지 제어장치{FALL-PREVENTION CONTROL DEVICE}

본 발명은 예컨대 이륜차나 두발 보행 로봇과 같이 좌우로 자유롭게 기울어질 수 있는 본체를 전도(轉倒)되지 않도록 균형 제어하는 전도방지 제어장치에 관한 것이다.

특허문헌 1에는 조종부와, 조종부에 의해 조종가능한 앞바퀴와, 뒷바퀴와, 앞바퀴(핸들)의 방향에 따라 요동하는 플라이휠(flywheel)과, 플라이휠을 구동시키는 제1구동부와, 뒷바퀴를 구동시키는 제2구동부를 구비한 이륜차 주행 완구가 제안되어 있다. 이 이륜차에서는 앞바퀴의 방향에 따라 플라이휠의 방향을 바꿈으로써 플라이휠에 의한 자이로 효과에 의해 주행 중에 잘 전도되기 않게 한 것이다.

그러나 상기 이륜차 주행 완구의 경우는 앞바퀴의 방향에 따라 플라이휠의 방향을 바꾸는데 지나지 않기 때문에, 통상 주행 중이라면 핸들조작에 의해 전도는 방지할 수는 있어도 정지시나 미속으로 진행시에는 핸들조작만으로 균형을 잡는 것이 곤란하여 전도를 유효하게 방지할 수 없다는 문제가 있다.

특허문헌 2에서는 기울기 검출센서로 검출한 기울기를 제어회로에 입력하고, 제어회로에 의해 모터를 구동하여, 모터로 관성이 큰 회전체를 회전시켜 기울기를 보정하는 방향과 반대방향으로 회전체의 회전수를 늘려서 반작용 우력(짝힘;couple forces)을 발생시킴으로써 전도를 방지하는 도립(倒立) 제어 완구가 제공되어 있다. 이러한 도립 제어 완구에서는 회전체의 회전을 제어함으로써 균형을 잡기 때문에 정지시나 미속 진행시에도 전도를 방지하는 것이 가능하다.

상기 도립 제어 완구에서는 완구의 기울기를 검출하는 기울기 검출센서로서, 발광소자로부터 송출되어 바닥면에서 반사된 빛을 수광(受光)소자로 받음으로써 기울기를 검출하는 광센서를 이용하고 있다. 그러나 실제로 기울기를 정확하게 측정하는 것은 용이하지 않다. 즉 발광소자와 수광소자를 이용한 기울기센서의 경우에는, 빛을 반사해야 할 바닥면이 평탄하다면 문제가 없지만, 바닥면에 요철이 있거나 양 측부에 바닥면이 존재하지 않을 경우(폭이 좁은 다리 위를 건너는 경우 등)에는 기울기를 정확하게 검출할 수 없다.

더욱이 상기 도립 제어 완구에서는 바로 선 상태의 수광량을 표준치로 하여 차이분을 취해 기울기를 검출하고 있으나, 바로 선 상태(연직방향)가 균형이 잡힌 상태라고는 할 수 없다. 예컨대 완구의 중심위치가 중심위치로부터 좌우로 벗어나 있는 경우나 측면에서 부는 바람을 맞고 있는 경우에는, 연직방향에 대하여 조금 기울어진 상태가 균형이 잡힌 상태이며, 그 균형이 잡힌 상태(각도)를 표준위치로 해야 하는데도 불구하고 상기의 방법에서는 연직방향을 표준위치로 하고 있으므로 균형을 유지할 수 없고 전도될 가능성이 있다.

그런데 본체의 기울기를 검출하는 방법으로서, 각속도센서를 이용해서 각속도를 검출하고 그 검출값을 적분함으로써 기울기를 추정하는 것도 가능하다. 그러나 각속도 출력을 적분하는 방법에서는 소음이나 오프셋이 누적되어 경사각 추정과 전도방지 제어를 계속할 수 없다는 문제가 발생한다. 또한 다른 기울기 검출장치로서 웨이팅(weighting)을 이용한 기울기센서도 있으나, 이 경우에도 균형상태에 대한 기울기는 검출할 수 없고, 게다가 응답성이 나쁠 뿐더러 삽시간에 기울기를 검출할 수 없다는 결점이 있다.

특허문헌 1:일본국 공개특허 2003-190654호 공보

특허문헌 2:일본국 공개특허 평11-47454호 공보

그래서 본 발명의 목적은 균형이 잡힌 상태로부터의 경사각을 정확하게 추정할 수 있고, 또한 소음이나 오프셋이 누적되지 않으며, 경사각 추정과 전도방지 제어를 계속할 수 있는 전도방지 제어장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 좌우로 자유롭게 기울어질 수 있는 본체와, 상기 본체에 대략 전후방향으로 검출축을 향해서 장착한 각속도센서와, 상기 본체에 대략 전후방향으로 회전축을 향해서 장착한 모터와, 상기 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 회전센서와, 상기 모터의 회전축에 연결된 관성로터를 구비하고, 상기 모터로 관성로터(inertia rotor)를 회전시켜 상기 관성로터의 회전에 수반하는 반동토크를 이용해 상기 본체의 기울기를 보정하는 전도방지 제어장치로서, 상기 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)과 상기 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)으로부터 평형상태에 대한 상기 본체의 경사각을 추정하는 경사각 추정수단을 구비하여, 상기 경사각 추정수단에 의해 추정된 경사각 추정치를 이용해 상기 본체의 기울기를 보정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 전도방지 제어장치의 작동원리는 특허문헌 2와 마찬가지로 모터로 관성로터를 회전시켜 상기 관성로터의 회전에 수반하는 반동토크를 이용해 상기 본체의 기울기를 보정하는 것으로, 보정시에 경사각을 정밀도 있게 검출할 필요가 있다. 본 발명에서는 경사각을 센서로 직접 검출하는 것이 아니며, 또한 각속도센서의 각속도 출력을 적분해서 구하는 것도 아니다. 즉 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)과 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)으로부터 경사각을 추정한다. 여기서 경사각이란, 중력에 따른 토크 및 커브주행에 따른 원심력이나, 측면에서 부는 바람 등에 의한 외란(外亂)토크의 합계가 제로가 되는 평형상태에서의 본체의 자세로부터의 편차각도이다. 경사각 추정치를 이용해 관성로터의 회전을 제어하고, 경사각이 0으로 수렴되도록 모터토크 제어를 반복한다. 예컨대 본체의 균형축에 대하여 경사각이 본체 정면에서 봤을 때 왼쪽방향인 경우에는, 균형자세를 유지하기 위해서 본체 정면에서 봤을 때 좌회전 방향으로 관성로터를 가속한다. 반대로 경사각이 본체 정면에서 봤을 때 오른쪽방향인 경우에는 균형자세를 유지하기 위해서 본체 정면에서 봤을 때 우회전 방향으로 관성로터를 가속한다.

본 발명에서는 본체의 경사각을 검출하기 위해서 기울기 검출센서를 이용하지 않기 때문에, 바닥면에 요철이 있는 경우나 평균대와 같이 양 측부에 바닥면이 존재하지 않는 경우에도 정확하게 기울기를 추정할 수 있다. 또한 각속도센서의 각속도 출력을 적분할 필요가 없기 때문에, 각속도센서의 출력에 소음이나 오프셋이 포함되는 경우에도 경사각 추정을 계속할 수 있어 전도방지 제어를 계속할 수 있다. 나아가 종래의 웨이팅을 이용한 기울기센서에 비해 훨씬 응답성이 좋으므로 기울기를 정밀도 있게 추정할 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는, 균형축으로부터의 본체의 경사각을 높은 정밀도로, 그리고 응답성 좋게 추정할 수 있으므로 이 경사각에 따라 모터에 가하는 토크를 높은 정밀도로 제어할 수 있다. 모터에 의해 관성로터에 가해지는 토크의 반동토크로 본체의 전도를 막는 방향으로 본체의 경사각을 정밀도 있게 제어할 수 있다. 그 결과 정지상태나 미속 진행상태에서도 넘어지지 않는 전도 불가체를 만들 수 있다.

바람직한 실시의 형태에 따르면, 목표 경사각에서 상기 경사각 추정치를 뺀 경사각 편차신호를 이용해 경사각속도지령(ω₂)을 생성하는 경사각속도지령 생성수단과, 상기 경사각속도지령(ω₂)에서 상기 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)을 뺀 경사각속도 편차신호(ω₂-ω₁)를 이용해 상기 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)을 생성하는 토크지령 생성수단을 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 우선 목표 경사각을 설정하고 이 목표 경사각에서 경사각 추정치를 차감해 경사각 편차신호를 구하며, 이 편차신호로부터 본체에 대한 경사각속도지령(ω₂)을 생성한다. 다음으로 경사각속도지령(ω₂)으로부터 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)을 뺀 경사각속도 편차신호(ω₂-ω₁)를 이용해 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)을 생성할 수 있다.

바람직한 실시의 형태에 따르면, 경사각 추정치로부터 본체를 넘어뜨리려는 외부토크를 추정하는 외부토크 추정수단과, 외부토크 추정치(τ₃)를 이용해 토크지령(τ₀)을 외부토크가 상쇄되는 방향으로 보정하는 토크 보정수단을 구비하는 것이 좋다. 외부토크란, 본체가 균형축으로부터 기울어짐으로써 본체에 가해지는 중력 및 외란에 의한 기울기 방향의 토크를 말하는 것이다. 외부토크를 피드포워드(feedforward) 제어로 보상함으로써, 경사각 루프와 경사각속도 루프의 응답주파수가 낮을 경우에도 전도방지 제어를 계속할 수 있기 때문에 안정된 제어가 가능해진다.

바람직한 실시의 형태에 따르면, 목표 경사각을 모터의 회전속도를 이용하면서, 동시에 회전속도가 감소하는 방향으로 생성하는 목표 경사각 생성수단을 구비하는 것이 좋다. 중력토크를 이용하여 관성로터가 갖는 각운동량을 방출할 수 있기 때문에 모터의 회전속도가 포화되지 않고 제어를 계속할 수 있다.

본 발명에 따른 전도방지 제어장치를 자립 주행 이륜차에 적용할 수 있다. 이 이륜차는 조종부와, 조종부에 의해 조종가능한 앞바퀴와, 뒷바퀴와, 뒷바퀴를 구동시키는 뒷바퀴 구동부와, 앞바퀴 및 뒷바퀴를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하는 프레임을 갖는데, 이 이륜차의 전도방지 제어에 본 발명을 적용함으로써 주행 중에는 물론 정지시나 미속 진행시에도 넘어지지 않는 이륜차를 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 전도방지 제어를 정지시나 미속 진행시에만 사용하고, 주행 중에는 관성로터를 회전시키지 않고 조종부를 조작함으로써 균형을 잡는 것이 가능하다.

[발명의 효과]

이상과 같이 본 발명에 따르면, 각속도센서의 각속도 출력과 모터토크지령으로부터 평형상태에 대한 경사각을 추정하도록 했기 때문에, 종래의 기울기 검출센서를 이용한 경우와 다르게, 바닥면에 요철이 있거나 평균대와 같이 주위에 바닥면이 존재하지 않더라도 혹은 바닥면이 약간 경사져 있어도 정확하게 평형상태에 대한 경사각을 추정할 수 있다. 또한 각속도센서의 각속도 출력을 적분할 필요가 없기 때문에, 각속도센서의 출력에 소음이나 오프셋이 포함되는 경우에도 경사각 추정을 계속할 수 있어 전도방지 제어를 계속할 수 있다. 나아가 종래의 웨이팅을 이용한 기울기센서에 비해 훨씬 응답성이 좋아 기울기를 정밀도 있게 추정할 수 있다. 따라서, 모터토크에 가하는 토크를 높은 정밀도로 제어할 수 있어 정지상태나 미속 진행상태에도 넘어지지 않는 전도방지 제어장치를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전도방지 제어장치를 적용한 자전거로봇의 한 실시형태의 사시도이다.

도 2는 자전거로봇의 측면도이다.

도 3은 자전거로봇의 제어 블록도이다.

도 4는 자전거로봇의 정면에서 본 모델도이다.

도 5는 외란 인가시의 자이로센서에 의한 본체 각속도 측정치이다.

도 6은 외란 인가시의 모터토크지령이다.

도 7은 외란 인가시의 본체 경사각도 추정치이다.

[부호의 설명]

A 자전거로봇(본체)

1 조종용 핸들(조종부)

2 앞바퀴

3 뒷바퀴

4 뒷바퀴 구동모터(뒷바퀴 구동부)

5 프레임

6 인형

7 자이로센서(각속도센서)

8 관성로터

9 균형용 모터

10 엔코더(회전센서)

11 제어기판

12 전지

20 카운터부

21 모터속도 계산부

22 목표 경사각 생성부

23 A/D부

24 경사각속도 계산부

25 경사각 추정부

26 보정토크지령 생성부

27 목표 경사각속도 생성부

28 토크지령 생성부

29 모터토크지령 전압계산부

30 D/A부

O₁ 접지점

O₂ 관성로터 중심

m₁ 본체 질량

m₂ 관성로터 질량

I₁ O₁ 주위의 본체의 관성 모멘트

I₂ O₂ 주위의 관성로터의 관성 모멘트

θ₁ 수직축에 대한 본체의 경사각도

θ₂ 본체에 대한 관성로터의 회전각도

τ₁ 본체에 작용하는 O₁ 주위의 외란토크

τ₂ 관성로터에 작용하는 모터토크

l_G O₁로부터 본체 중심위치까지의 거리

l O₁로부터 O₂까지의 거리

g 중력 가속도

이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.

(제1의 실시형태)

도 1∼도 3은 본 발명에 따른 전도방지 제어장치를 자전거로봇에 적용한 제1의 실시형태를 나타낸다.

이 자전거로봇(A)은 조종용 핸들(1)과, 조종용 핸들(1)에 의해 조종가능한 앞바퀴(2)와, 뒷바퀴(3)와, 뒷바퀴(3)를 구동시키는 뒷바퀴 구동모터(4)와, 앞바퀴(2) 및 뒷바퀴(3)를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하는 프레임(5)과, 프레임(5) 위에 탑재된 인형(6)을 구비하고 있다. 프레임(5)에는 경사각속도를 측정하는 자이로센서(각속도센서)(7)가 그 검출축을 자전거(A)의 대략 전후방향을 향해 장착되어 있다. 인형(6)의 흉부에는 관성로터(8)와, 관성로터(8)를 구동하는 균형용 모터(9)와, 균형용 모터(9)의 회전각도를 측정하는 엔코더(encoder)(10)가 장착되어 있다. 관성로터(8) 및 모터(9)의 회전축도 자전거(A)의 대략 전후방향을 향해 장착되어 있다. 여기서 대략 전후방향은 엄밀한 전후방향에 대해 상하로 약간 각도가 어긋나 있어도 된다. 인형(6)의 등에는 균형용 모터(9)를 제어하는 제어기판(11) 및 전지(12)가 장비되어 있다. 제어기판(11)에는 모터(9)를 구동하는 드라이버, A/D컨버터, D/A컨버터, 카운터, 컨트롤러 등이 탑재되어 있다.

통상 주행 중에는 핸들(1)을 조종함으로써 균형을 잡아 전도를 방지한다. 한편 정지상태나 미속 진행상태에서는 핸들(1)의 조종만으로 균형을 잡는 것은 곤란 하기 때문에 관성로터(8)를 구동할 때의 반동을 이용해서 균형을 잡도록 제어하고 있다.

자전거로봇(A)은 도 3에 나타내는 제어블록에 의해 제어된다. 이 제어블록은 제어기판(11)에 저장된 블록의 일례이다. 우선 카운터부(20)에서는 엔코더(10)의 출력펄스가 계측된다. 모터속도 계산부(21)에서는 카운터부(20)의 출력을 회전각도로 변환한 다음 미분해서 균형용 모터(9)의 회전속도를 구한다. 소음제거를 위한 LPF(low-pass filter)를 장비해도 된다.

목표 경사각 생성부(22)는 균형용 모터(9)의 회전속도가 자전거 정면에서 봤을 때 좌회전인 경우에는 목표 경사각을 자전거 정면에서 봤을 때 오른쪽방향으로, 균형용 모터(9)의 회전속도가 자전거 정면에서 봤을 때 우회전인 경우에는 목표 경사각을 자전거 정면에서 봤을 때 왼쪽방향이 되도록 균형용 모터(9)의 회전속도에 비례계수를 곱해서 구한다. 또한 적분기를 추가하여 관성로터(8)에 정상 회전이 잔류하지 않도록 하는 것이 좋다.

한편 A/D부(23)에서는 자이로센서(7)의 각속도 출력을 측정한다. 경사각속도 계산부(24)에서는 각속도 출력에 변환계수를 곱하여 경사각속도(ω₁)를 계산한다.

경사각 추정부(25)에서는 경사각속도(ω₁)와 모터토크지령(τ₂)으로부터 자전거 본체(관성로터 이외의 부분)와 관성로터(8)를 포함한 계의 경사각 방향의 운동방정식에 기초하여 도출된, 후술하는 (식 18)로 표현되는 경사각을 계산하고, 나아가 적절한 추정속도를 갖게 해 루프를 안정화시키기 위한 일차 지연요소를 직렬 로 부가함으로써 경사각 추정치를 산출하고 있다. 구체적으로는 (식 18)을 이용한 계산치에 일차 지연요소로서 예컨대 1/(0.1S+1)을 직렬로 부가하게 되는데, 이에 한정되는 것은 아니고 적절한 추정속도가 되는 임의의 지연요소를 부가할 수 있다. 여기서 경사각이란, 중력에 따른 토크 및 커브주행에 따른 원심력이나 측면에서 부는 바람 등에 의한 외란토크의 합계가 제로가 되는 평형상태에서의 본체의 자세로부터의 편차각도이다.

보정토크지령 생성부(26)에서는 경사각 추정치에 변환계수를 곱해 자전거에 작용하고 있는 외부토크 추정치를 산출하여 보정토크(=외부토크 추정치)(τ₃)를 생성한다.

목표 경사각속도 생성부(27)에서는 목표 경사각과 경사각 추정치의 편차에 비례 이익(gain)을 곱해 목표 경사각속도(ω₂)를 생성한다.

토크지령 생성부(28)에서는 목표 경사각속도(ω₂)와 경사각속도(ω₁)의 편차에 대하여, 예컨대 PI제어에 의해 토크지령(τ₀)을 생성한다. 모터토크지령 전압계산부(29)에서는 토크지령(τ₀)과 보정토크(τ₃)를 부가한 모터토크지령(τ₂)에 대하여 변환계수를 곱해 지령전압을 생성한다. 마지막으로 D/A부(30)에서는 드라이버에 지령전압을 출력하여 균형용 모터(9)의 회전을 제어한다.

여기서 (식 18)로 표현되는 추정 경사각의 계산식 도출방법에 대해서 이하에 설명한다.

도 4는 관성로터(8)를 포함하는 자전거로봇(A)을 전방에서 본 모델을 나타낸다. 우선 라그랑즈(Lagrange) 방정식에 의해 운동방정식을 도출한다. 자전거 본체(관성로터 이외의 부분)와 관성로터(8)를 합친, 전체 운동에너지(T)와 위치에너지(U)는 이하와 같이 된다.

일반화 좌표와 일반화 속도에 의한 미분 양은 이하와 같이 된다.

라그랑즈 방정식 (식 9), (식 10)에 (식 3)∼(식 8)을 대입한다.

이 결과, 운동방정식으로서 다음의 (식 11), (식 12)를 얻는다.

(식 12)를 변형하면 (식 13)이 된다.

이것을 (식 11)에 대입하여 sinθ₁을 θ₁로 근사하면,

를 얻는다. (식 14)로부터 본체의 운동은 관성로터(8)의 각도와 각속도에는 관계가 없다.

-본체 경사각의 추정-

본체 경사각은 자이로센서(7)의 출력 적분으로 구하는 것도 가능하지만, 편차가 누적하여 부정확해지기 때문에 다른 방법으로 구할 필요가 있다. 그래서 모델의 운동방정식을 이용하여 자이로센서(7)가 출력하는 본체 경사각속도 측정치와 모터토크로부터 현재의 경사각을 추정한다. 운동방정식 (식 14)를 변형하면,

이 된다.

한편, 자이로센서(7)가 출력하는 본체 경사각속도 측정치를 ω₁로 하면,

이고, 또한 외란토크(τ₁)가 있을 때의 외관상 평형 경사각도는,

이다. 따라서 외관상 평형 경사각도에 대한 현재 경사각도의 편차는 (식 15)로부터,

로 추정할 수 있다. 단, 적절한 추정속도를 갖게 해 루프를 안정화시키기 위해서는 일차 지연요소를 직렬로 부가해 두는 것이 좋다.

-외부토크 피드포워드-

(식 18)에서 추정된 편차각도에 의해 외부토크를 보상한다.

로 하여 토크를 부가해 둔다.

로 하면 운동방정식 (식 14)은,

이 되므로 외부토크를 보상할 수 있다.

-목표 경사각도 생성-

운동방정식 제2식(식 13)을 적분한 형태로 관성로터(8)의 회전속도(

)가 누적되어 간다. 모터의 회전속도에 한계가 있기 때문에 축적된 회전속도를 중력토크를 이용하여 방출하도록 위치제어에 의한 보상을 행할 필요가 있다. 그래서 목표 경사각을 이하와 같이 결정했다.

중력토크에 의해 회전속도를 방출하고 있는 동안 만일 경사각이 일정했다면,

이므로 운동방정식 (식 14), (식 13)은 각각 (식 23), (식 24)가 된다.

축적된 회전속도(

)를 시간(T_A)으로 방출하려고 하는 경우, 필요한 각(角) 가속도는,

이므로 (식 24)와 (식 25)를 비교하여,

인 것이 구해진다. 따라서 위치루프의 목표치(목표 경사각)로서 (식 27)을 설정하면 된다.

방출시간(T_A)은 예컨대 T_A=1sec 등으로 하면 된다.

경사각도 추정부(25)는 원리적으로 정상 편차가 남지 않으므로 목표 경사각 도의 생성에 적분요소는 필요 없지만, 실제로 관성로터(8)에 저속(低速)의 정상 회전이 남는 경우가 있다. 이는 D/A의 오프셋이 원인으로 생각된다. 그대로도 문제는 없지만, 목표 경사각도의 생성부분에 시정수(time constant) 10초 정도의 적분기를 추가하면 저속의 정상 회전을 해소할 수 있다.

상기의 원리에 기초한 관성로터를 포함하는 자전거로봇의 안정성에 대해서 측정한 결과를 도 5∼도 7에 나타낸다. 도 5∼도 7은 외란이 인가되지 않은 상태에 있는 자전거로봇에 손가락으로 본체를 가로방향으로 눌러서 외란이 인가되었을 때의 응답을 나타내고, 도 5는 자이로센서에 의한 본체 각속도, 도 6은 모터토크지령(정격토크/3V), 도 7은 본체 경사각 추정치를 나타낸다. 한편 샘플링 시간은 1ms이다.

도 7로부터 명백한 바와 같이, 외란이 인가될 때까지의 경사각 추정치는 ±0.05deg 이내로 안정되게 유지되고 있으며, 안정된 균형상태가 유지되고 있음을 알 수 있다. 나아가 외란을 부여한 경우에도 신속하게 안정위치로 수렴하고 있음을 알 수 있다. 이러한 실험결과로부터, 본 실시형태에 따른 자전거로봇은 넘어지지 않고 정지하는 것이 가능하며, 외란(정상적인 계단형상의 외란을 포함함)에 대해서도 대응할 수 있음이 확인되었다.

이하에 본 발명의 효과를 열거하여 기재한다.

(1)자이로센서(7)의 각속도 출력을 적분하지 않고 모델 베이스로 경사각을 추정하기 때문에, 자이로센서(7)의 출력에 소음이나 오프셋이 포함되는 경우에도 경사각 추정을 계속할 수 있어 자전거의 전도방지 제어를 계속할 수 있다. 따라서 정지상태나 미속 진행상태에도 넘어지지 않는 자전거를 만들 수 있다.

(2)자이로센서(7)의 출력에 기초해 경사각을 추정하고 균형용 모터로 관성로터(8)에 부가하는 토크의 반동을 이용하여 자전거의 경사각을 제어할 수 있다. 따라서 정지상태나 미속 진행상태에도 넘어지지 않는 자전거를 만들 수 있다.

(3)경사각 추정은 평형위치부터의 경사각을 구하기 때문에 중력토크에 더해서 커브주행 중의 원심력 등 외란토크가 있는 경우에도 항상 평형위치부터의 경사각도에 의해 생기는 외부토크를 추정할 수 있으므로, 이를 상쇄하는 보정토크를 산출할 수 있어 외란토크가 있는 경우에도 본체의 균형을 유지할 수 있다.

(4)외부토크를 피드포워드 제어로 보상함으로써, 경사각 루프와 경사각속도 루프의 응답주파수가 낮은 경우에도 전도방지 제어를 계속할 수 있기 때문에 안정된 제어가 가능해진다.

(5)관성로터의 회전속도 포화를 방지하도록 목표 경사각도를 생성하게 했기 때문에, 모터 회전속도가 포화되기 전에 경사각을 변화시켜 중력토크를 이용해 관성로터(8)가 갖는 각운동량을 방출할 수 있다. 이 때문에 정지상태나 미속 진행상태에도 전도방지 제어를 계속할 수 있는 제어장치를 제작할 수 있다.

더욱 상세하게 기술하면 이하와 같다.

경사각이 자전거 정면에서 봤을 때 왼쪽방향인 경우에는, 그 자세를 유지하기 위해서 자전거 정면에서 봤을 때 좌회전 방향으로 관성로터(8)를 가속할 필요가 있다. 경사각이 자전거 정면에서 봤을 때 오른쪽방향인 경우에는, 그 자세를 유지하기 위해서 자전거 정면에서 봤을 때 우회전 방향으로 관성로터(8)를 가속할 필요 가 있다. 이를 이용하여, 모터 회전속도가 커졌을 때는 적극적으로 자세를 기울게 하여 중력토크를 이용해 관성로터(8)가 갖는 각운동량을 방출하여 모터 회전속도를 줄일 수 있다. 관성로터(8)를 회전축에 장착함으로써 모터 회전속도가 포화될 때까지의 시간에 여유가 생기므로 이러한 제어가 가능해진다.

목표 경사각 생성은 모터 회전속도가 자전거 정면에서 봤을 때 좌회전인 경우에는 목표 경사각을 자전거 정면에서 봤을 때 오른쪽방향으로, 모터 회전속도가 자전거 정면에서 봤을 때 우회전인 경우에는 목표 경사각을 자전거 정면에서 봤을 때 왼쪽방향이 되도록 모터 회전속도에 비례계수를 곱해서 구한다. 또한 적분기를 추가하고 있기 때문에 D/A컨버터의 오프셋 등의 원인으로 정상 회전이 잔류하는 일이 없다.

상기 실시형태에서는 자전거로봇의 전도방지 제어에 대해서 설명했으나, 본 발명은 이에만 한정되는 것은 아니고, 예컨대 특허문헌 2에 나타내는 바와 같은 도립 완구나, 두발 보행 로봇 등의 전도방지 제어에도 적용할 수 있다. 즉 두발 보행 로봇의 경우, 균형축으로부터의 경사각을 추정함으로써 항상 안정된 보행을 실현할 수 있다. 나아가 본 발명은 모터사이클 등 이륜차의 일단 정지시에 있어서의 전도방지 제어에도 적용할 수 있다. 또한 (식 18)로 경사각 편차를 추정하는 계산식을 나타냈으나, 이는 일례를 나타내는데 지나지 않으며 대상 모델에 의해 경사각 편차의 추정식은 (식 18)과 다를 수 있다.

Claims

좌우로 자유롭게 기울어질 수 있는 본체와, 상기 본체에 대략 전후방향으로 검출축을 향해서 장착한 각속도센서와, 상기 본체에 대략 전후방향으로 회전축을 향해서 장착한 모터와, 상기 모터의 회전위치 또는 회전속도를 검출하는 회전센서와, 상기 모터의 회전축에 연결된 관성로터를 구비하고, 상기 모터로 관성로터를 회전시켜 상기 관성로터의 회전에 수반하는 반동토크를 이용해 상기 본체의 기울기를 보정하는 전도방지 제어장치로서,

상기 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)과 상기 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)으로부터 평형상태에 대한 상기 본체의 경사각을 추정하는 경사각 추정수단을 구비하여, 상기 경사각 추정수단에 의해 추정된 경사각 추정치를 이용해 상기 본체의 기울기를 보정하는 것을 특징으로 하는 전도방지 제어장치.
제1항에 있어서,

목표 경사각으로부터 상기 경사각 추정치를 뺀 경사각 편차신호를 이용하여 경사각속도지령(ω₂)을 생성하는 경사각속도지령 생성수단과,

상기 경사각속도지령(ω₂)으로부터 상기 각속도센서의 각속도 출력(ω₁)을 뺀 경사각속도 편차신호(ω₂-ω₁)를 이용하여 상기 모터에 부여하는 토크지령(τ₀)을 생성하는 토크지령 생성수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전도방지 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 경사각 추정치로부터 상기 본체를 넘어뜨리려고 하는 외부토크를 추정하는 외부토크 추정수단과,

외부토크 추정치(τ₃)를 이용해 상기 토크지령(τ₀)을 상기 외부토크가 상쇄되는 방향으로 보정하는 토크 보정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전도방지 제어장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 목표 경사각을 상기 모터의 회전속도를 이용하면서, 동시에 상기 회전속도가 감소하는 방향으로 생성하는 목표 경사각 생성수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전도방지 제어장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 본체는 조종부, 상기 조종부에 의해 조종가능한 앞바퀴, 뒷바퀴, 상기 뒷바퀴를 구동시키는 뒷바퀴 구동부, 및 상기 앞바퀴와 뒷바퀴를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하는 프레임을 갖는 이륜차인 것을 특징으로 하는 전도방지 제어장치.