KR20080059645A

KR20080059645A - 이륜차의 전도방지 제어장치

Info

Publication number: KR20080059645A
Application number: KR1020087011492A
Authority: KR
Inventors: 아츠히코 히라타; 시게루 쯔지; 토모나리 와타나베; 시게키 후쿠나가; 코이치 요시카와; 코지 카와이
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-06-30
Also published as: US8548679B2; WO2007086176A1; EP1977964A4; US20080249684A1; EP1977964A1; KR100958532B1; JPWO2007086176A1; CN101312874A; JP4743212B2; CN101312874B

Abstract

비교적 간단한 제어 루프로 제로세트 오차나 오프셋·노이즈가 있어도 안정된 자립주행이 가능하도록 한다.

차체와, 앞바퀴와, 앞바퀴를 조종하는 작동기(7)와, 뒷바퀴와, 뒷바퀴 구동부를 갖는 이륜차로서, 검출축이 차체 전방보다도 소정 각도 아래쪽으로 경사지도록 차체에 장착되어 검출축 주위의 각속도(ω)를 검출하는 각속도 센서(8)와, 작동기를 제어하기 위한 조종각 지령신호(δ_r)를 출력하는 제어수단을 구비하고, 각속도 센서에 의해 검출되는 각속도(ω)에는 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)와 방위각 방향의 각속도(ω₂)가 포함되어 있으며, 제로세트 오차나 오프셋·노이즈가 방위각 지령에 투입되기 때문에 이륜차의 전도를 방지할 수 있다.

이륜차의 전도방지 제어장치, 각속도 센서, 조종각 지령신호, 제로세트 오차, 오프셋·노이즈.

Description

이륜차의 전도방지 제어장치{OVERTURN PREVENTION CONTROLLER FOR TWO-WHEELED VEHICLE}

본 발명은 이륜차의 전도(轉倒)방지 제어장치, 특히 무인으로 자립주행할 수 있는 이륜차의 전도방지 제어장치에 관한 것이다.

종래에 전동 모터나 내연 기관을 원동기로서 이용하여 무선조종이나 자동조종에 의해 주행이 컨트롤되는 무인 자립주행 이륜차가 알려져 있다. 직진 주행하는 경우 차체가 오른쪽으로 기울었을 때에는 핸들을 오른쪽으로 꺾고, 차체가 왼쪽으로 기울었을 때에는 핸들을 왼쪽으로 꺾음으로써 균형을 유지할 수 있다. 또한, 커브를 주행하는 경우에는 차체의 경사각의 목표값을 수직방향에서 경사진 방향으로 설정하여, 그 각도를 기준으로 해서 차체가 오른쪽으로 기울었을 때에는 핸들을 오른쪽으로 꺾고, 차체가 왼쪽으로 기울었을 때에는 핸들을 왼쪽으로 꺾으면 된다. 어느 경우든지 차체의 경사각을 추정할 필요가 있다.

특허문헌 1에는, 저속에서 고속까지 안정되고 다양한 모드에서 항상 실기(實機)에 유사한 주행을 가능하게 한 무인 자립주행 이륜차가 제안되어 있다. 이 무인 자립주행 이륜차는 차체를 구성하는 프레임과, 이 프레임의 한쪽 끝에 배치되어 원동기에 의해 회전 구동되는 구동 바퀴와, 프레임의 다른쪽 끝에 장착되어 조종 바 퀴를 자유자재로 회전하도록 지지하는 포크(fork)를 가지는 것으로, 차체의 전도각의 각속도 신호를 출력하는 각속도 센서와, 조종각 제어신호를 생성하는 연산기와, 연산기에서 출력되는 조종각 제어신호에 의해 조종 바퀴의 주행 각도를 변화시키는 작동기를 구비하고 있다. 연산기는 외부로부터 주어지는 조종 바퀴의 주행 각도를 지령하는 주행 제어신호에 근거하여 각속도 지령값을 작성하는 각속도 지령값 작성수단과, 각속도 센서의 검출신호인 각속도 신호와 각속도 지령값 작성수단의 출력인 각속도 지령값의 편차값에 근거하여 작동기로의 조종각 제어신호를 생성하는 제어신호 생성수단과, 제어신호 생성수단으로 생성된 조종각 제어신호를 각속도 지령값 작성수단으로 귀환하는 귀환수단으로 구성된다. 그리고, 작동기는 연산기의 조종각 제어신호에 의해 주행 중의 차체의 전도각속도 편차를 감소시키는 방향으로 조종 바퀴를 제어하는 조종 제어신호를 생성하는 것이다.

차체가 전도된 경우에 그 전도각속도가 감소하는 방향으로 조종 바퀴의 방향을 제어하는 것은 당연하나, 상기 무인 자립주행 이륜차의 경우에는 각속도 센서의 검출신호와, 외부로부터 주어지는 조종 바퀴의 주행 각도를 지령하는 주행 제어신호에 근거하여 작성한 각속도 지령값의 편차에 근거하여 작동기로의 조종각 제어신호를 생성하고 있다. 그러나 조종 바퀴의 주행 각도로부터 적정한 각속도 지령값을 구하는 것, 및 각속도 검출값과 각속도 지령값의 편차로부터 직접적으로 조종각을 구하는 것은 복잡한 연산이나 다수의 변수가 필요해 제어가 복잡해지기 때문에 안정된 자립주행이 어렵다.

비교적 간단한 이륜차의 전도방지 제어방법으로서 도 7에 나타내는 방법을 생각할 수 있다. 이 방법은 각속도 센서(20)로 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)를 검출하여, 이 각속도(ω₁)를 적분기(21)로 적분해서 차체의 좌우 경사 방향의 경사각(θ_f)을 구하고, 이 경사각(θ_f)과 경사각 지령값(θ_r)의 편차를 비례 이득(G₁)을 갖는 연산수단(22)에 입력하여 조종각 지령값(δ_r)을 생성해서 이 지령값(δ_r)을 작동기(23)에 출력하는 방법이다. 이 제어방법은 경사각의 편차로부터 비례 이득(G₁)을 이용하여 조종각을 구하는 방법이므로, 연산이 간단하고 다수의 변수를 필요로 하지 않아 비교적 간단하게 실시할 수 있다는 이점이 있다.

그러나 일반적으로 각속도 센서는 환경온도의 변화나 시간의 경과에 따른 검출신호의 편차(드리프트)를 가져 이들이 오프셋으로서 악영향을 끼친다. 또한, 각속도 센서(20)에 들어가는 외부 노이즈는 오프셋과 함께 각속도 검출신호에 영향을 끼친다. 또한, 주행 시작시에 차체에 이미 경사가 있는 경우에는 제로세트 오차(θ₀)로서 경사각(θ_f)에 영향을 끼친다. 이러한 문제는 도 7에 나타내는 제어방법에 한정되지 않으며 특허문헌 1에 나타난 제어방법에서도 동일하게 발생할 수 있다.

도 8은 도 7의 블록선도에 오차 요인(제로세트 오차(θ₀) 및 오프셋·노이즈(Δ))을 더한 실제의 제어 블록선도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이 제로세트 오차(θ₀)는 경사각(θ_f)에 인가되고, 오프셋·노이즈(Δ)는 각속도(ω₁)에 인가된다.

도 9는 도 8에 있어서의 블록선도를 등가(等價)의 블록선도로 고쳐 쓴 것이 다. 도 9에 나타내는 바와 같이 제로세트 오차(θ₀)는 경사각 지령값(θ_r)에 직접 인가되고, 오프셋·노이즈(Δ)의 적분값도 경사각 지령값(θ_r)에 인가된다. 그 때문에, 제로세트 오차에 의해 경사각 지령(θ_r)=0인 경우에도 차체는 기울려고 하여 이륜차는 곡선을 그리게 된다. 또한, 오프셋·노이즈(Δ)의 적분값은 경사각 지령(θ_r)에 영향을 주어, 오프셋·노이즈(Δ)의 적분값을 포함한 경사각 지령(θ_r)에 추종되어 버리므로 실제 경사각은 계속 증대하여 결국 이륜차는 전도해 버린다. 이와 같이, 도 7에 나타내는 제어방법은 간단한 제어방법이지만, 실제 제어에서는 제로세트 오차(θ₀)나 오프셋·노이즈(Δ) 때문에 안정된 자립주행을 할 수 없다는 문제가 있었다.

특허문헌 1: 일본국 실용신안등록 제2577593호 공보

그리하여 본 발명의 바람직한 실시형태의 목적은 비교적 간단한 제어 루프로, 제로세트 오차나 오프셋·노이즈가 있어도 안정된 자립주행을 할 수 있는 이륜차의 전도방지 제어장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 차체와, 상기 차체의 전단부(前端部)에 형성된 조종 가능한 앞바퀴와, 상기 앞바퀴를 조종하는 작동기와, 상기 차체의 후단부에 형성된 뒷바퀴와, 상기 뒷바퀴를 구동시키는 뒷바퀴 구동부를 갖는 이륜차에 있어서, 검출축이 차체 전방보다도 소정 각도 아래쪽으로 경사지도록 상기 차체에 장착되어 상기 검출축 주위의 각속도(ω)를 검출하는 각속도 센서와, 상기 작동기를 제어하기 위한 조종각 지령신호(δ_r)를 출력하는 제어수단을 구비하고, 상기 제어수단은 상기 각속도(ω)를 적분하여 제1각도신호를 얻는 적분수단과, 외부로부터 지령되는 제2각도신호와 상기 제1각도신호의 편차를 이용하여 조종각 지령신호(δ_r)를 생성하는 조종각 신호 생성수단을 구비하여, 상기 조종각 지령신호(δ_r)를 상기 작동기에 입력함으로써 상기 제1각도를 제2각도에 근접하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 이륜차의 전도방지 제어장치이다.

종래의 각속도 센서는 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)만을 검출하기 때문에 그 검출축이 차체 전방(차체의 진행 방향의 수평축)을 향해 장착되어 있다. 이에 반해, 본 발명에서는 각속도 센서를 그 검출축이 차체 전방보다도 아래쪽으로 경사지도록 차체에 장착함으로써, 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁) 성분과 방위각 방향의 각속도(ω₂) 성분을 포함하는 각속도(ω)를 검출하고 있다. 이 각속도(ω)를 적분하여 제1각도신호를 얻는 동시에, 외부로부터 지령되는 제2각도신호와 제1각도신호의 편차를 이용하여 조종각 지령신호(δ_r)를 생성하여 이 조종각 지령신호(δ_r)를 작동기에 입력하면, 경사각 루프의 외측에 방위각 루프를 설정한 것과 동일한 효과가 얻어진다. 제로세트 오차는 방위각 지령의 초기값에 편차를 부여할 뿐이며, 오프셋과 노이즈는 적분되어 방위각 지령에 영향을 줄 뿐이다. 즉, 제로세트 오차나 오프셋·노이즈는 방위각 지령에 투입되고, 좌우 경사 방향의 경사각은 내부 루프(경사각 루프)로 자동적으로 제어되므로 이륜차의 전도를 방지할 수 있다. 여기서, 경사각이란 차체의 좌우 경사 방향의 각도이고, 조종각이란 앞바퀴의 방향을 나타내는 각도이다. 또한, 방위각이란 차체의 진행 방향을 나타내는 각도이고, 설치각이란 각속도 센서의 검출축의 전방 수평축에 대한 아래쪽으로의 경사각을 의미한다. 또한, 각속도 센서의 검출축은 전후 방향으로 연장되므로 검출축을 후방 수평축에 대한 위쪽으로의 경사각으로 설정해도 등가가 된다.

바람직한 실시형태에 따르면, 각속도 센서의 검출축의 수평축에 대한 설치각(φ)은 각속도(ω)로부터 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)와 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 추출할 수 있는 각도로 하는 것이 좋다. 설치각(φ)은 차체구조(중량이나 중심위치 등)나 이륜차의 주행속도 등에 의해 최적값이 변화하는데, 적어도 각속도(ω)로부터 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)와 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 추출할 수 있는 각도로 하는 것이 좋다. 설치각(φ)이 지나치게 작으면 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 추출하기 어려워지고, 한편 설치각(φ)이 지나치게 크면 방위각 루프 이득이 과대해져 제어가 불안정해진다.

바람직한 실시형태에 따르면 각속도 센서로 검출되는 각속도(ω)는 검출축의 수평축에 대한 설치각을 φ, 차체의 좌우 경사 방향의 각속도를 ω₁, 방위각 방향의 각속도를 ω₂라 하면,

ω=ω₁ cosφ + ω₂ sinφ

로 나타낼 수 있다.

바람직한 실시형태에 따르면 제2각도신호를 목표방위각×sinφ로 부여할 수 있다. 즉, 지령신호인 제2각도신호는 방위각 성분 뿐이므로 차체의 진행 방향이 목표 방향(방위)을 향할 수 있다. 즉, 진행 방향의 제어도 가능해진다. 또한, 방위각 지령은 오프셋과 노이즈의 영향을 받으므로 다른 위치인식수단으로 보정함으로써 목표위치로 정확하게 제어할 수도 있다.

<발명의 효과>

이상과 같이 본 발명에 따른 이륜차의 전도방지 제어장치에 따르면, 각속도 센서를 그 검출축이 차체 전방보다도 아래쪽으로 경사지도록 차체에 장착하였으므로 경사각 루프의 외측에 방위각 루프를 설정한 것과 동일한 효과가 얻어지고, 이로 인해 제로세트 오차나 오프셋·노이즈는 방위각 지령에 투입되고, 좌우 경사 방향의 경사각은 내부 루프(경사각 루프)로 자동적으로 제어되므로 이륜차의 전도를 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 조종각 지령신호를 출력하는 제어수단을 적분수단과, 비례 이득을 갖는 간단한 연산기로 구성할 수 있으므로 구성이 간단해져 용이하게 실현할 수 있다.

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

도 2는 자전거 로봇의 측면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전도방지 제어장치를 설명하기 위한 각 기호의 정의 를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 전도방지 제어장치의 블록선도이다.

도 5는 도 4의 블록선도를 각속도성분으로 분해하여 나타낸 등가 블록선도이다.

도 6A는 도 5의 블록선도를 다시 고쳐 쓴 등가 블록선도이다.

도 6B는 도 6A에 대하여 정상주행 상태에 있어서의 자전거를 덧붙여 쓴 제어계 전체의 블록선도이다.

도 7은 참고예인 전도방지 제어장치의 이상적인 블록선도이다.

도 8은 도 7의 블록선도에 오차요인을 추가한 실제 블록선도이다.

도 9는 도 8의 블록선도를 고쳐 쓴 등가 블록선도이다.

<부호의 설명>

A 자전거 로봇(본체)

1 조종용 핸들(조종부)

2 앞바퀴

3 뒷바퀴

4 뒷바퀴 구동 모터(뒷바퀴 구동부)

5 프레임

6 인형

7 조종용 작동기

8 각속도 센서

8a 검출축

9 관성 로터

10 밸런스용 모터

11 인코더(회전 센서)

12 제어 기판

13 전지

이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

(제1실시형태)

도 1∼도 3은 본 발명에 따른 전도방지 제어장치를 자전거 로봇에 적용한 제1실시형태를 나타낸다. 이 자전거 로봇(A)은 조종용 핸들(1)과, 조종용 핸들(1)에 의해 조타 가능한 앞바퀴(2)와, 뒷바퀴(3)와, 뒷바퀴(3)를 구동시키는 뒷바퀴 구동 모터(4)와, 앞바퀴(2) 및 뒷바퀴(3)를 자유자재로 회전하도록 지지하는 프레임(5)과, 프레임(5) 상에 탑재된 인형(6)과, 핸들(1)(앞바퀴(2))을 조종하는 작동기(7)를 구비하고 있다.

이 예에서는 작동기(7)를 핸들(1)의 중심부에 형성하였으나 앞바퀴(2)를 조종할 수 있는 것이라면 어떠한 위치, 어떠한 형식이어도 된다. 예를 들면 인형(6)의 팔이 핸들(1)을 개재하여 앞바퀴(2)를 조종해도 된다. 또한, 뒷바퀴 구동 모터(4)가 롤러(4a)를 개재하여 뒷바퀴(3)를 구동하는 예를 나타내었으나 이에 한정되는 것은 아니며 뒷바퀴 구동 모터(4)가 뒷바퀴(3)의 축을 구동해도 되고, 인 형(6)이 페달을 밟음으로써 체인을 개재하여 뒷바퀴(3)를 구동해도 된다. 또한, 구동 모터(4)를 대신하여 내연 기관 등을 이용해도 된다.

프레임(5)에는 각속도 센서(8)가 그 검출축(8a)을 자전거(A)의 차체 전방보다도 소정 각도(φ)만큼 아래쪽으로 경사지게 장착되어 있다. 각속도 센서(8)는 그 검출축(8a) 주위의 각속도(ω)를 검출할 수 있다. 각속도 센서(8)의 설치각(φ)(검출축(8a)의 수평축에 대한 경사각)은 각속도(ω)로부터 차체(프레임(5), 인형(6) 등을 포함)의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)와 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 추출할 수 있는 각도로 하는 것이 좋으며, 예를 들면 4°∼8°정도가 좋다. 또한, 설치각(φ)은 차체구조(중량이나 중심위치 등)나 주행속도 등에 의해 최적값이 변화하므로 상기 각도범위에 한정되지 않는다.

여기서, 이하의 설명에 있어서 이용하는 각 기호에 대하여 정의한다. 도 3에 나타내는 바와 같이 경사각(θ)이란 연직방향에 대한 차체(뒷바퀴(3))의 좌우 경사 방향의 각도이고, 조종각(δ)이란 차체의 진행 방향에 대한 앞바퀴의 방향을 나타내는 각도이며, 방위각(φ)이란 기준이 되는 방위(예를 들면 북쪽)에 대한 차체의 진행 방향을 나타내는 각도이고, 설치각(φ)이란 상술한 바와 같이 수평축(전방)에 대한 검출축(8a)의 경사각을 의미한다. 또한, 각속도(ω)란 검출축(8a) 주위의 각속도, ω₁란 차체의 좌우 경사 방향의 각속도, ω₂란 방위각 방향의 각속도이다.

인형(6)의 흉부에는 관성 로터(9)와, 관성 로터(9)를 구동하는 밸런스용 모터(10)와, 밸런스용 모터(10)의 회전 각도를 측정하는 인코더(11)가 장착되어 있 다. 관성 로터(9) 및 모터(10)의 회전축은 자전거(A)의 대략 전후 방향을 향해 장착되어 있다. 여기서, 대략 전후 방향이란 엄밀한 전후 방향을 포함하여 상하로 약간 각도가 벗어나 있어도 된다는 것을 나타낸다. 인형(6)의 등에는 뒷바퀴 구동 모터(4), 조종용 작동기(7), 밸런스용 모터(10) 등을 제어하는 제어 기판(12) 및 전지(13)가 구비되어 있다.

통상의 주행 중에는 핸들(1)(앞바퀴(2))을 조종함으로써 균형을 잡아 전도를 방지한다. 구체적으로는 차체가 기우는 방향으로 핸들(1)을 조종함으로써 전도를 방지한다. 한편, 정지 상태나 미속 진행 상태에서는 핸들(1)의 조종만으로 균형을 잡는 것은 곤란하기 때문에 관성 로터(9)를 구동할 때의 반동을 이용하여 균형을 잡도록 제어하고 있다. 이 중, 관성 로터(9)를 이용한 전도방지 제어에 대해서는 본원 출원인에 의한 일본국 특허출원 2005-348373호에 나타나 있으므로 여기서는 생략한다.

도 4는 자전거 로봇(A)의 주행 중에 있어서의 전도방지 제어를 실시하기 위한 제어 블록의 일례를 나타낸다. 이 제어 블록은 도 8과 마찬가지로 각속도 센서의 출력을 적분한 값을 피드백신호로 한 것으로, 도 8과 동일 부분에는 동일 부호를 부여하고 중복 설명을 생략한다.

각속도 센서(8)가 검출하는 각속도(ω)는 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁) 성분과 방위각 방향의 각속도(ω₂) 성분을 포함하고 있으며, 설치각을 φ라 하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

ω=ω₁ cosφ + ω₂ sinφ

도 4로부터 명백하듯이, 각속도 신호(ω)에는 오프셋·노이즈 신호(Δ)가 가산되어 이들이 적분기(21)로 적분된다. 적분된 신호에 제로세트 오차(θ₀)가 가산되어 피드백신호(R_f)가 된다. 입력되는 지령신호(R_r)와 피드백신호(R_f)의 편차가 연산수단(22)에 입력되어 조종각 지령값(δ_r)이 생성된다. 이 지령값(δ_r)은 작동기(7)에 출력되어 핸들(1)(앞바퀴(2))이 조종된다. 한편, 지령신호(R_r)에 대해서는 후술한다.

도 5는 도 4의 블록선도에 있어서의 각속도(ω)를 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁) 성분과 방위각 방향의 각속도(ω₂) 성분으로 나누어 나타낸 등가 블록선도이다. 도 5로부터 명백하듯이 제로세트 오차(θ₀)는 입력된 지령신호(R_r)에 직접 인가되고, 오프셋·노이즈(Δ)를 적분기(21a)로 적분한 값도 지령신호(R_r)에 인가된다. 방위각 방향의 각속도(ω₂)에 대하여 이득(=sinφ)을 곱셈(24)하고 이것을 적분기(2lb)로 적분하여 방위각의 피드백신호(φ_f)를 얻는다. 마찬가지로, 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)에 대하여 이득(=cosφ)을 곱셈(25)하고, 이것을 적분기(21c)로 적분하여 좌우 경사 방향의 피드백신호(θ_f)를 얻는다.

도 6A는 도 5의 블록선도를 다시 고쳐 쓴 등가 블록선도이다. 도 6B는 도 6A 에 대하여 정상주행 상태(입력(R_r)은 일정 속도로 증가하는 램프 형상 입력)에 있어서의 자전거를 덧붙여 쓴 제어계 전체의 블록선도를 나타낸다.

도 6B에 있어서, 자전거(A)는 핸들 조종용 작동기(7)를 포함하는 자전거 모델로서, 핸들 조종각 지령(δ_r)에 대하여 핸들(1)을 조종하여 자전거(A)가 그것에 반응하여 어떠한 운동을 함으로써 경사각(θ)이 결정된다. 경사각=θ일 때 커브를 돌고자 하는 구심력은,

mgtanθ≒ mgθ(m: 자전거 질량, g: 중력 가속도)

로 표시된다. 한편 자전거(A)의 속도를 v, 방위각 속도를 ω₂라 하면 원심력은 mvω₂로 표시되고, 이 2개의 힘이 균형이 잡혀 있으므로,

ω₂= gθ/v

로 표시된다. 따라서, 도 6B와 같이 방위각 루프의 내부에 경사각 루프가 있는 것처럼 그릴 수 있어 경사각 루프, 방위각 루프의 양쪽 모두 안정화될 수 있다.

도 6B에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 지령신호(R_r)에 제로세트 오차(θ₀) 및 오프셋·노이즈(Δ)의 적분값이 인가된 후, 이 지령값에 이득(=1/sinφ)이 곱셈(26)되어 방위각 지령(φ_r)이 얻어진다. 이 방위각 지령(φ_r)과, 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 적분기(2lb)로 적분하여 얻어진 피드백신호(φ_f)의 편차가 구해진다. 이 편차(=φ_r-φ_f)에 방위각 루프 이득(=tanφ)이 곱셈(27)되어 경사각 지령(θ_r)이 얻어진다. 이 경사각 지령(θ_r)과, 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)를 적분기(21c)로 적분하여 얻어진 피드백신호(θ_f)의 편차가 구해진다. 이 편차(=θ_r-θ_f)에 이득(=cosφ)을 곱셈(28)하는 동시에, 이득(G₁)을 곱셈(22)함으로써 조종각 지령(δ_r)을 얻는다. 이 경우, cosφ와 G₁의 곱이 경사각 루프 이득이 된다. 이득(G₁)의 연산기(22)는 도 7에 있어서의 경사각 루프 이득(G₁)의 연산기(22)와 기본적으로 동일해도 된다.

조종각 지령(δ_r)은 자전거(A)(작동기(7)를 포함)에 입력되고, 출력된 좌우 경사 방향의 경사각(θ)은 미분기(29)에 의해 각속도(ω₁)로 변환된다. 경사각(θ)에 이득 g/V를 곱셈(30)함으로써 방위각 방향의 각속도(ω₂)가 얻어지고, 각속도(ω₂)를 적분기(31)로 적분하면 방위각이 얻어진다.

도 6B로부터 명백하듯이, 방위각 지령(φ_r)이 정수이면 경사각(θ)은 0도에 결속한다. 방위각 루프 이득(=tanφ)은 각속도 센서(8)의 설치각(φ)에 의해 임의로 설정 가능하여, 방위각 방향의 응답을 자유자재로 변경할 수 있다. 입력되는 지령신호(R_r)로서 목표방위각×sinφ를 입력하면 방위를 제어할 수 있게 된다. 단, 오프셋과 노이즈의 영향을 받으므로 필요하다면 다른 위치인식수단, 예를 들면 탑재 카메라를 이용한 화상인식에 의한 위치 보정을 행함으로써 목적하는 위치로 이륜차를 유도할 수 있다.

상기와 같이, 각속도 센서(8)의 출력 각속도(ω)가 방위각 성분(ω₂)과 경사각 성분(ω₁)을 가지므로 경사각 루프의 외측에 방위각 루프를 설정한 것과 동일한 효과가 얻어진다. 제로세트 오차는 방위각 지령(φ_r)의 초기값에 편차를 부여할 뿐이며, 초기 상태에서 차체가 기울어져 있어도 즉시 직립 상태(θ=0°)로 복귀시킬 수 있다. 또한, 오프셋·노이즈는 적분되어 방위각 지령에 영향을 줄 뿐이다. 즉, 제로세트 오차나 오프셋·노이즈는 방위각 지령(φ_r)에 투입되고, 경사각은 내부 루프(경사각 루프)로 자동적으로 제어되므로 이륜차의 전도를 확실하게 방지할 수 있다.

상기 실시형태에서는 자전거 로봇의 전도방지에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며 유인(有人) 자동조종 이륜차 등의 전도방지에도 적용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 정지 상태나 미속 진행 상태에서는 관성 로터(9)를 이용한 전도방지 제어를 실시하는 예에 대하여 설명하였으나, 이러한 관성 로터(9)를 구비하지 않는 이륜차에도 적용할 수 있음은 물론이다. 단, 그 경우에는 주행 시작시에 차체에 초기 경사가 있으면 방위각에 영향을 주는 데 반해, 정지 상태에서 관성 로터(9)를 이용하여 밸런스 제어를 행하는 이륜차의 경우 주행 시작시에 차체의 초기 경사각(θ)이 거의 0°이며, 제로세트 오차가 거의 발생하지 않으므로 목표로 하는 방향으로 정확하게 제어할 수 있다.

Claims

차체와, 상기 차체의 전단부(前端部)에 형성된 조종 가능한 앞바퀴와, 상기 앞바퀴를 조종하는 작동기와, 상기 차체의 후단부에 마련되어진 뒷바퀴와, 상기 뒷바퀴를 구동시키는 뒷바퀴 구동부를 갖는 이륜차에 있어서,

검출축이 차체 전방보다도 소정 각도 아래쪽으로 경사지도록 상기 차체에 장착되어 상기 검출축 주위의 각속도(ω)를 검출하는 각속도 센서와, 상기 작동기를 제어하기 위한 조종각 지령신호(δ_r)를 출력하는 제어수단을 구비하고,

상기 제어수단은 상기 각속도(ω)를 적분하여 제1각도신호를 얻는 적분수단과, 외부로부터 지령되는 제2각도신호와 상기 제1각도신호의 편차를 이용하여 조종각 지령신호(δ_r)를 생성하는 조종각 신호 생성수단을 구비하며,

상기 조종각 지령신호(δ_r)를 상기 작동기에 입력함으로써 상기 제1각도를 제2각도에 근접하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 이륜차의 전도(轉倒)방지 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 각속도 센서의 검출축의 수평축에 대한 설치각(φ)은 상기 각속도(ω)로부터 상기 차체의 좌우 경사 방향의 각속도(ω₁)와 방위각 방향의 각속도(ω₂)를 추출할 수 있는 각도인 것을 특징으로 하는 이륜차의 전도방지 제어장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 각속도 센서로 검출되는 각속도(ω)는 상기 검출축의 수평축에 대한 설치각을 φ, 차체의 좌우 경사 방향의 각속도를 ω₁, 방위각 방향의 각속도를 ω₂라 하면,

ω=ω₁ cosφ + ω₂ sinφ

로 표시되는 것을 특징으로 하는 이륜차의 전도방지 제어장치.
제3항에 있어서,

상기 제2각도신호는 목표방위각×sinφ로 부여되는 것을 특징으로 하는 이륜차의 전도방지 제어장치.