WO2007001083A1

WO2007001083A1 - 移動台車の制御方法及び移動台車

Info

Publication number: WO2007001083A1
Application number: PCT/JP2006/313201
Authority: WO
Inventors: Toshio Fuwa; Issei Nakashima
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2007-01-04
Also published as: EP1788469B1; KR100950952B1; US8155828B2; CN101040233A; EP1788469A4; KR20080011705A; JP2007011634A; US20090030597A1; CN100530018C; EP1788469A1; JP4760162B2

Abstract

駆動手段であるモータ４・５により駆動される車輪２・３と、該車輪２・３に支持される車体１と、モータ４・５に制御指令値を与える制御手段としての制御コンピュータ１０とを備え、車体１の重心が車輪２・３の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、制御コンピュータ１０は、車体１に加わる外力により発生する車輪２・３の回転軸回りの慣性モーメントである外力モーメントを推定し、車体１の重心の前記回転軸回りの重力モーメントが、外力モーメントと釣り合う車体１の傾斜角度を目標車体傾斜角度として設定し、この目標車体傾斜角度に基づき、モータ４・５へのトルク指令値を算出する構成としている。

Description

移動台車の制御方法及び移動台車技術分野

本発明は、車体の重心が車輪の回転軸より上方に位置する倒立振子型の移動台車の制御方法及び移動台車に関する。背景技術明

倒立振子型の移動台車及びその制御方法としては、例えば、日本特開 2 0 0 4 - 2 9 5 4 3 0号公報に記載の技術が知ら書れている。

日本特開 2 0 0 4— 2 9 5 4 3 0号公報には、車輪と、この車輪に支持される車体とを備え、その重心が車輪の回転軸より上方に位置する移動台車が開示されている。この移動台車において、倒立振子制御及び位置制御が行われる台車並進方向（車軸と直交方向）の制御と、位置制御のみが行われる台車回転方向（車軸旋回方向）の制御とが行われている。

この移動台車は、車体が倒立を維持するように車輪の駆動手段への制御指令値 (モータへのトルク指令値）を算出する制御手段を有しており、この制御手段は、車体が外乱に対して安定倒立可能なようにロバスト性を有している。これにより、台車設置面が傾斜していたり、荷重の変動が生じたりしても、安定して車体の倒立を維持することができるとしている。

そして、台車並進方向の制御においては、その状態量（観測量）として、車輪角度（車体に対する車輪の回転角度）、この車輪角度の 1回微分である車輪角速度、車体傾斜角度（鉛直方向からの車体の傾き）、この車体傾斜角度の 1回微分である車体傾斜角速度が用いられている。ここで、車体傾斜角度は不安定性を有しているため、フィードバック制御を加えないと安定に倒立することはできない。このため、台車並進方向の位置制御では前記の状態量を全て 0にするよう制御入力が決定される。しかし、日本特開 2 0 0 4— 2 9 5 4 3 0号公報に開示されている台車並進方向の制御については、モータへのトルク指令値を算出するために車輪角度と車体傾斜角度を用いる 1入力（車軸トルク） 2出力（車輪角度 ·車体傾斜角度）であるため、その 2つの出力の制御性にはトレードオフ（一方の条件を満たそうとすると他方が不利になる関係）が存在し、台車に加わる外乱が大きくなると次のような不具合が生じることがあった。

すなわち、前述の如く台車並進方向の制御については 1入力 2出力であるため、搭乗者の乗車形態の重心移動、荷物搭載による重心位置変動、搭乗者の乗り降り等の外乱により外力が車体に加わると、まず、外力により変動した車体傾斜角度を 0に戻す方向へ車軸ドルクをかけて移動する。そうして、車体傾斜角度を安定させてから、車輪角度が 0となるように、移動した台車が元の位置に戻る方向へ車軸トルクをかける。

外乱が小さい場合は、このような制御でも台車はほとんど動かずにその位置での静止を可能とする。しカゝし、例えば、車体に加わる外乱が、定常的なものゃ大 ' きく過渡変化するもの等の大きな外乱である場合、その外乱による外力が車体に加わると、車体傾斜角度と車輪角度を同時に 0にすることができず、元の位置（外乱が加わる前の位置）を中心とした振動の収束性が悪化することとなる。これにより、車輪位置が大きく移動（車輪角度が大きく変化）してしまう。また、同じ理由から、移動台車に対して、搭乗者が車体に飛び乗るといった動作が行われた場合、車輪位置の大きな移動は避けられず搭乗性の悪化が発生する。 ' つまり、台車並進方向において車体の重心位置と異なる位置に重量物を搭載したり、台車の上部に設けられる腕などの懸架機構を用いて人が車体に搭乗して重量物を持ち上げたりした場合、車体の重心位置の変動が発生するため、その場で立ち止まることができなくなる。

このような移動台車を、人が搭乗したり物の運搬をする移動体として考えたとき、外乱により車輪位置の大きな移動が発生するのは、人の搭乗性や物の積載性の悪化をともなうこととなる。

そこで、本発明は、車体に大きな外力が加わっても、台車（車輪位置）の移動を最小限にして、その場での安定した位置制御を可能とすることにより、人の搭乗性や物の搭載性を向上することができる移動台車の制御方法及び移動台車を提供することを目的とする。，

発明の開示

本発明の移動台車の制御方法においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記制御手段は、前記車体に加わる外力により発生する前記回転軸回りの慣性モーメントである外力モーメントを推定し、推定した外力モーメントに基づいて、前記車体の重心の前記回転軸回りの重力モーメントが、前記外力モーメントと釣り合う前記車体の傾斜角度を目標車体傾斜角度として設定し、前記目標車体傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出するものである。

このことによって、推定した外力モーメントから導かれる目標車体^!斜角度に基づき、駆動手段への制御指令値を算出することにより、見かけ上の車体傾斜角度は 0となり、外力が発生してもその場で静止することが可能となる。つまり、車体に大きな外力が加わっても、台車（車輪位置）が移動することなく、その場での安定した位置制御が可能となり、人の搭乗性や物の搭載性を向上することができる。

また、本発明の移動台車の制御方法においては、前記外力モーメントを；外乱オブザーバにて求めるものである。つまり、外乱を状態量として推定する外乱ォブザーバを用いることで、外乱による外力が車体に加わることにより発生する外力モ一メントを状態量として推定し、パラメータ変動に含まれるこの推定外乱を制御的に相殺するものである。，

このことによって、，状態量の検出用として新たにセンサ等を設けることなく、既設のセンサ等を利用して、外力モーメントを求めることができる。

また、本発明の移動台車の制御方法においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記移動台車が、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角享及ぴ角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角度または傾斜角速度が 0以外の値となった場合、その傾斜角度または傾斜角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出するものである。

このことによって、車体に外乱による外力が加わってから、移動台車が安定静止するまでの移動距離が短くなる。これにより、例えば、移動台車の二輪状態での、重量物の積み下ろし等の積載性や人の搭乗性を向上することができる。また、本発明の移動台車の制御方法においては、前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角度または傾斜角速度の絶対値の大小に^じて増減するものである。

このことによって、車体の傾斜角度または車体傾斜角速度の絶対値が小さい領域、つまり車体の釣り合い位置近傍での微振動を防止することができる。

さらに、本発明の移動台車の制御方法においては、前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記車体の傾斜角度または傾斜角速度の少なくとも一方を評価指標として、前記車体の傾斜角度の大きさ及び傾斜角速度の変動を小さくするように逐次学習するものである。

このことによって、車体の釣り合レ、位置近傍での微振動をより効果的に防止することが可能となる。

また、本発明の移動台車の制御方法においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持きれる車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記移動台車が、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度が 0以の値となった場合、その角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出すものである。

このことによって、車体に外乱による外力が加わってから、移動台車が安定静止するまでの移動距離が短くなる。これにより、例えば、移動台車の二輪状態での、重量物の積み下ろし等の積載性や人の搭乗性を向上することができる。また、本発明の移動台車の制御方法においては、前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度の絶対値の大小に応じて増減するものである。

このことによって、車輪の角速度の絶対値が小さい領域、つまり車体の釣り合い位置近傍での微振動を防止すること,ができる。

さらに、本発明の移動台車の制御方法においては、前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記車輪の回転角度または角速度の少なくとも一方を評価指標として、前記車輪の回転角度の大きさ及び角速度の変動を小さくするように逐次学習するものである。

本発明の移動台車においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記制御手段は、前記車体に加わる外力により発生する前記回転軸回りの慣性モーメントである外力モーメントを推定し、推定した外力モーメントに基づいて、前記車体の重心の前記回転軸回りの重力モーメントが、前記外力モーメントと釣り合う前記車体の傾斜角度を目標車体傾斜角度として設定し、前記目標車体傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出するものである。

このことによって、推定した外力モーメントから導かれる目標車体傾斜角度に基づき、駆動手段への制御指令値を算出することにより、.見かけ上の車体傾斜角' 度は 0となり、外力が発生してもその場で静止することが可能となる。つまり、車体に大きな外力が加わっても、台車（車輪位置）が夢動することなく、その場での安定した位置制御が可能となり、人の搭乗性や物の搭載性を向上することができる。

また、本発明の移動台車においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角度または傾斜角速度が 0以外のィ直となつた場合、その傾斜角度または傾斜角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出するものである。

このことによって、車体に外乱による外力が加わってから、移動台車が安定静止するまでの移動距離が短くなる。これにより、例えば、移動台車の二輪状態での、重量物の積み下ろし等の積載性や人の搭乗性を向上することができる。

また、本発明の移動台車においては、駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度が 0以外の値となった場合、その角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出するものである。このことによって、車体に外乱による外力が加わってから、移動台車が安定静' 止するまでの移動距離が短くなる。これにより、例えば、移動台車の二輪状態での、重量物の積み下ろし等の積載性や人の搭乗性を向 ±することができる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明に係る移動台車の概略構成を示す斜視図である。

第 2図は、移動台車の制御系の構成を示す制御ブロック図である。

第 3図は、移動台車を並進方向に関してモデル化した図である。

第 4図は、制御コンピュータにより行われる処理手順を示すフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

まず.、本発明に係'る移動台車の一例'の概略構成について、第 1図を用いて説明する。

本発明に係る移動台車は、略直方体状に枠組み形成された台車本体（以下、「車体」という。） 1の下部に配設される左右の車輪 2 · 3を有している。両車輪 2 · 3は、同一回転軸線上に左右対称に配され、この回転軸線に対して直交する方向に車体 1が傾動可能となっている。

右車輪 2には駆動手段としてのモータ 4が接続されており、左車輪 3には同じく駆動手段としてのモータ 5が接続されている。各モータ 4 · 5には、それぞれのモータの回転角度を検出するエンコーダ 4 a · 5 a (第 2図参照）が取り付けられている。

両車輪 2 · 3の回転軸線と直交する方向（車体 1の傾動方向）には、 1軸ジャイロセンサ 7が配置されている。従って、このジャイロセンサ 7により車体 1の傾斜角速度（以下、，「車体傾斜角速度」という。）が検出される。なお、車体傾斜角速度を測定するセンサとしてはジャイロセンサに限られず、例えば、重力加速度センサゃ重り吊り下げ型傾斜角度計などの、傾斜角や傾斜角速度の計測に用いることができる種々の計測器を用いることができる。車体 1の内部（収納部）には、両モータ 4 · 5を駆動するためのモータドライノ 6、パッテリ 8及び制御手段としての制御コンピュータ 1 0が搭載されている制御コンピュータ 1 0は、ジャイロセンサ 7の出力、モータ 4 · 5のェンコ一ダ出力に基づいてモータ 4 · 5の制御指令値であるトルク指令値を算出する。制御コンピュータ 1 0で算出されたトルク指令値はモータドライバ 6に出力され、モータドライバ 6はこのトルク指令値に基づいてモータ 4 · 5を制御する。また、車体 1の上部 l aには、例えばロボットのボディー（図示省略）が載置される。

次に、上述したように構成される移動台車の制御系について、第 2図を用いて説明する。

第 2図に示すように、移動台車の制御は制御手段としての制御コンピュータ 1 0により行われる。 '制御コンピュータ 1 0は、 C P U、 R OM, R AM等により構成され、 R OMに格納された制御プログラムを実行することで、台車並進方向 (車輪 2 · 3の回転軸線と直交方向）に関する制御指令値を算出する台車並進方向制御指令値算出手段 1 1 (以下、単に「制御指令値算出手段 1 1」という。）と、後述する目標車体傾斜角度を設定する目標値設定手段 1 2として機能する。なお、制御コンピュータ 1 0は、前記制御プログラムを実行することで、台車回転方向（車輪 2 · 3の回転軸旋回方向）に関する制御指令値を算出する台車回転方向制御指令値算出手段としても機能する。

すなわち、第 1図に示すように、同一回転軸線上に配される二つの車輪 2 · 3 を有する移動台車においては、台車並進方向の制御と、台車回転方向の制御とが行われ、各車輪 2 · 3を独立して駆動することで台車を回転（旋回）させる。ただし、本発明に係る移動台車はこれに限定されずに、一または同一回転軸線上に配される二以上の車輪を有していればよい。つまり、本発明に係る移動台車は、台車並進方向の制御が行われるものであればよい。

制御コンピュータ 1 0には、ジャイロセンサ 7が接続され、このジャイロセンサ 7の出力（車体傾斜角速度）が入力されるようになっている。つまり、ジャィ口センサ 7は、第一検出手段の一例である。

また、制御コンピュータ 1 0には、モータドライバ 6の一^ 5であるモータ駆動回路 6 a及びモータ駆動回路 6 bが接続されている。ータ駆動回路 6 aは、モ —タ 4と接続され、制御コンピュータ 1 0からのトルク指令値に応じてモータ 4 を駆動する。同様に、モータ駆動回路 6 bは、モータ 5と接続され、制御コンビユータ 1 0からのトルク指令値に応じてモータ 5を駆動する。各モータ 4 · 5のエンコーダ 4 a · 5 aは、制御コンピュータ 1 0に接続され、各エンコーダ 4 a • 5 aからの出力（各モータ 4 · 5の回転角度）が制御コンピュータ 1 0に入力されるようになつている。つまり、エンコーダ 4 a · 5 aは、第二検出手段の一例である。

次に、制御指令値算出手段 1 1について説明する。制御指令値算出手段 1 1は、台車並進方向を制御するためのモータ 4 · 5へのトルク指令値を算出する。制御指令値算出手段 1 1の設計手順の一例を説明する。

まず、第 3図（a ) に示すように、移動台車を真横から見て、 1輪の倒立振子としてモデル化し、車体 1の重心（以下、「車体重心」という。）を 1 C、車輪の回転軸を Sとする。また、同図（b ) には、モータ 4 (または 5 ) と車輪 2 ( または 3 ) との連結を示している。

第 3図中、 m iは車体 1の質量、 J ！は車体 1の重心回りの慣性モーメント、 m _wは車輪の質量、 J _wは車輪の軸回りの慣性モーメント、 J _mはモータロータの慣性モーメント、 nはギヤ比とし、車体重心 1 Cの回転軸（車軸） Sがらの距離を 1、車輪の半径を rとする。

これら各パラメータ mい J ！ , J _w 、 J _m、 n、 1 、 rは、計算または実測により求めることができる。また、鉛直方向（回転軸 Sを通る鉛直線 X ) からの車体 1の傾き（以下、「車体傾斜角度」という。）を ηとし、鉛直方向からの車輪の回転角度，（以下、「車輪角度」という。）を 0とし、重力加速度を g とする。

そして、第 3図（a ) に示す 1輪の倒立振子に対し運動方程式を作成する。すなわち、この制御モデルに対してトルク指令値 uが入力されるとして運動方程式を作成すると、その運動方程式は次のようになる。 + + " J + ,r/ cos n-n j)e -i gl m + fe— =—簡 / cos -n J rj ⁺ h ⁺ m ⁺J_w+n J_m -rrnrl η sin "" -、⁼聽

■■■(2) また、車体 1に、搭乗者の移動や荷物搭載などの外乱により外力が加わった場合、その外力の台車並進方向の成分 Fにより発生する車輪の回転軸 S回りの慣性モーメントが発生する。この外力による台車 1の回転軸 S回りの慣性モーメント (以下、「外力モーメント f 」という。）を、質量 m _f を有する質点 Pの、回転軸 S回りの重力モーメントと置き換えると、外力モーメント f は、次の式で表される。 '

ここで、 1 _f は回転軸 Sから質点 Pまでの距離、 η _f は質点 Ρの回転軸 Sを中心とした鉛直線 Xからの角度（以下、「質点傾斜角度」という。）とする。

そして、本制御においては、前記'外力モーメント f を推定し、車体重心 1 C(D 回転軸 S回りの重力モーメントが、外力モーメント f と釣り合う車体傾斜角度 77 を目標車体傾斜角度 η 。として設定し、この目標車体傾斜角度 η _cに基づき、制御指令値であるトルク指令値 Uを算出する。

すなわち、車体重心 1 Cの回転軸 S回りの重力モーメントは、 m i g 1 i s i n (η _c ) と表されるため、上記数式（3) より、次の式を満たすように、目標車体傾斜角度 η 。を設定する。， m_fgl_fsm l_fh m、 gl、 sin l) …（4) このように、推定した外力モーメント f から前記数式（4) により導かれる目標車体傾斜角度 77 _eに基づき、トルク指令値 Uを算出することにより、見かけ上の車体傾斜角度は 0となり（車体重心 1 Cが X軸上に位置し）、外力が発生してもその場で静止することが可能となる。つまり、車体 1に大きな外力が加わつても、台車（車輪位置）が移動することなく、その場の安定した位置制御が可能となり、人の搭乗性や物の搭載性を向上することができる

以下、外力モーメント f の推定方法について説明する。

前述した数式（1 ) 及び数式（2 ) に示す運動方程式中のが小さいとして線形化し、行列表示を行うと次の式が導かれる。

で、数式（5') における Μは、

0

0 •■(6)

0

1 であり、

また、 A。は、

であり、

さらに、

である。

従って、上記の数式（5) 〜数式（8) から次の状態方程式が導出される ₍

MX =A。X +B。u (9) ここで、状態量 Xは次式となる。

前記数式（9) の両辺に左から M一 ¹を掛けると、次式が導かれる。

M 'M X

+ M -、 B。u ·'·(11) ここで、 M - ¹ M= I となり、また、 Μ一。 =八、 Μ— ο ^Βとおくと、次式のようになる。

X =AX +Bu (12) ここで、上記制御系で観測される状態量（観測量） Xのうち、車体傾斜角速度 ά η/d tはジャイロセンサ 7により、車輪角度 Θはエンコーダ 4 a · 5 aにより、それぞれ計測可能である。従って、 '微分，積分操作により、車体傾斜角速度 d 77 / d tの 1回積分である車体傾斜角 ηと、車輪角度 Θの 1回微分である車輪角速度 d θ/d tを算出することができる。

また、前記状態量 Xとしては、車体傾斜角度 ηと車輪角度 θ、あるいは車体傾斜角 ηと車輪角速度 d θ/d tといった組合せを用いることもできる。 W 以上より、前記数式（1 2) 中の未知の状態量である外力モーメント f を推定 · する外乱オブザーバは、次式に基づいて構成される。

X =AX +Bu +L [y -CX) X-状態推定量（変位 · 速度） ---(13) ここで、 Xは状態量（変位 '速度'）、 Cはダンバ項、 Lはオブザーバゲインをそれぞれ示している。また、 yは観測量であり、この場合、車体傾斜角度、車体傾斜角速度 d / d t、車輪角度 Θ及び車輪角速度 d 0 / d tを表し、全ての状態量がわからない場合もあるが、その場合は近似微分や積分などで算出する。例えば、ジャイロセンサ 7により検出される車体傾斜角速度 d ₇₇Zd t、ェンコーダ 4 a · 5 aにより計測される.車輪角度 Θ、車体傾斜角速度 d Z d tの 1 回積分である車体傾斜角度 η及び車輪角度 Θの 1回微分である車輪角速度 d Θ / d tの 4つの状態量が分かる場合、前記数式（1 3) における Cは次の行列となる。 '

1 0 0 0 0

0 1 0 0 0

0 0 1 0 0

0 0 0 1 0

0 0 0 0 0

従って、数式（1 3) により、外力モーメント ίは推定され、前記数式（4) の関係が成立する。 .

このように、未知の状態量を推定する外乱オブザーバにより推定される外力モ一メント f と釣り合うように、数式（4) における目標車体傾斜角度 cを設定すればよいこととなる。本来、第 3図（a) に示すような倒立振子を安定させるためには、目標車体傾斜角度としては 0と設定されるが、本制御においては、外力の影響である外力モーメント f を打ち消すために、数式（4) から導かれる目標車体傾斜角度 _η cは次の式により与えられる。

このように、外力モーメント f を、未知の状態量を推定する外乱オブザーバにて求めることにより、状態量の検出用として新たにセンサ等を設けることなく、既設のジャイロセンサ 7やエンコーダ 4 a · 5 aを利用して、外力モーメント f を求めることができる。

次に、上述のように構成される制御コンピュータ 1 0によって行われる処理について第 4図に示すフローチャートを用いて説明する。

第 4図に示すように、制御コンピュータ 1 0は、まず、状態量 Xとして、ジャイロセレサ 7により検出される車体傾斜角速度 d / d tと、各モータ 4 · 5のエンコーダ 4 a ' 5 &の値（車輪 2 · 3の車輪角度 0 ) を読み込み、これらの値及びこれらの微分 ·積分値を用いて数式（1 3 ) から外力モーメント f を推定する（ステップ S 1 0 ) 。

次に、車体重心 1 Cの重力モーメントが、ステップ S 1 0にて推定した外力モ一メント f と釣り合う車体傾斜角度を、数式（1 5 ) から算出する（ステップ S 2 0 ) 。

ステップ S 2 0にて算出した車体傾斜角 ηを、目標車体傾斜角度 η _c として目標値設定手段 1 2に設定する（ステップ S 3 0 ) 。

そして、ステップ S 3 0にて設定された目標車体傾斜角度 77 _cに基づき、制御指令値算出手段 1 1として、各モータ 4 · 5のモータ駆動回路 6 a · 6 bに対するトルク指令値 uを算出する（ステップ S 4 0 ) 。ここで算出されたトルク指令値 u力、各モータ駆動回路 6 a · 6 bに与えられ、各モータ 4 · 5が制御される。ステップ S 4 0が終わると、ステップ S 1 0に戻り、次の制御タイミングにおける処理が開始される。すなわち、車体 1に加わる外乱により発生する外力モーメント f と釣り合うように、目標車体傾斜角度 _cを随時算出してフィードバック制御を行う。

なお、上述したステップ S 1 0〜ステップ S 4 0までの処理は、所定の時間間隔（例えば、 1 0 m s ) で行われる。

ところで、車体 1に加わる外力は、前述のように直接外力モーメント f を求めることなく、車体傾斜角度 77から間接的に推定することもできる。車体 1に外力が加わると、車体 1が傾斜し車体傾斜角度 ηが 0以外の値となる。つまり、例えば搭乗者が操作していない時のように、車体 1の安定静止状態（車体傾斜角度 ηが 0の状態）で、かつ、制御コンビュ τ "タ 1 0から台車並進方向及び台車回転方向に対するトルク指令値が発せられてない状態、即ち車体 1が前後方向にも旋回方向にも移動しておらず静止している状態において、車体傾斜角度 77が 0以外の値をとるということは、車体 1に外力が加わったことを意味する。そこで、車体 1に加わる外力により、車体傾斜角度 ηが 0以外の値となった場合、この車体傾斜角度を打ち消す方向（が 0となる方向）に車体傾斜角度 ₇₇ を調整する。

すなわち、制御コンピュータ 1 0は、モータドライバ 6に、トルク指令値のうち、車体 1を移動させるための指令値（台車並進方向及び台車回転方向に対するトルク指令値）を発していない状態（車体 1が静止している状態）で、ジャイロセンサ 7の検出値がら算出される車体傾斜角度 ηが 0以外の値となった場合、その車体傾斜角度 ηが 0となるまで、車体 1の目標傾斜角度（目標車体傾斜角度 η c ) を増減するとともに、この目標車体傾斜角度 77 cに基づき、トル'ク指令値 u を算出する。 '

具体的には、車体 1に外乱による外力が加わり、車体傾斜角度 ηが 0以外の値となつた場合、車体傾斜角度が 0になるまで、目標車体傾斜角度 _{77 e}に Δ を積算していく。ここで、第 3図（a ) に示すように、車体 1に加わる外力の台車並進方向の成分 Fの向きを正とする。この場合、外乱により、車体重心 l 'Cの位置が前方向に変動したこととなり、正の向きに車体傾斜角度 ηが増加する。ここで発生した車体傾斜角度 77を前述と同様質点傾斜角度 η _f とすると、この外乱の影響を打ち消すように、目標車体傾斜角度 77 cに Δ ηが積算されることとなる。つまり、外乱により発生した車体傾斜角度 TJが質点傾斜角度 77 _f である場合、目標車体傾斜角度 77 _cに積算される Δ は、負の値となる。

そして、車体傾斜角度が 0になるまで、目標車体傾斜角度 η 。に Δ 77を積算していくことで、車体傾斜角速度 d 77 / d tが 0になったところで、数式（4 ) が成立することとなる。つまり、車体 1に加わる外力により発生する外力モーメント f と、車体重心 1 Cの回転軸 S回りの重力モーメントとが釣り合った状態となる。この時点で、 Δ ηの積算は終了する。

このように、車体 1に加わる外力を車体傾斜角度 η ら間接的に推定し、それを打ち消すように目標車体傾斜角度 r? 。を増減することで、車体 1に外乱による外力が加わってから、移動台車が安定静止するまでの移動距離が短くなる。これにより、例えば、移動台車の二輪状態（車体 1の支持が車輪 2 · 3のみの状態）での、重量物の積み下ろし等の積載性や人の搭乗性を向上することができる。なお、車体 1に加わる外力を間接的に推定するに際し、車体傾斜角度 77の代わりに、車体傾斜角速度 d 77 / d tを用いてもよい。この場合、制御コンピュータ 1 0は、モータドライバ 6に、トルク指令値のうち、車体 1を移動させるための指令値を発していない状態で、ジャイロセンサ 7により検出される車体傾斜角速度 d 77 Z d tが 0以外の値となった場合、その車体.傾斜角速度 d η /' d tが 0となるまで目標車体傾斜角度 77 _eを増減 ^ "るとともに、この目標車体傾斜角度 77 _c に基づいて、トルク指令値 Uを算出することとなる。

また、車体 1に加わる外力を事体傾斜角度 ηまたは車体傾斜角速度 d Z d t から間接的に推定し、目標車体傾斜角度 77 cを増減するに際し、その増減値厶 77 を、車体傾斜角度 ηまたは車体傾斜角速度 d 77 / d tの絶対値の大小に応じて増減することが好ましい。

すなわち、車体 1に加わる外力が大きく、これにより発生する車体傾斜角度 η または車体傾斜角速度 d 77 Z d tの絶対値が大きい場合は、 Δ ηの絶対値を大きくする。そして、外乱の影響を打ち消すような目標車体傾斜角度 η 。が外乱を打ち消して車体傾斜角度 ηの値が減少するに従って、 Δ ηの絶対値を小さくする。このように、車体傾斜角度 ηまたは車体傾斜角速度 d η / d tの絶対値の大小に応じて目標車体傾斜角度 η _cに積算する Δ ηを増減することにより、車体傾斜角度 77または車体傾斜角速度 d η d tの絶対値が小さレヽ領域、つまり車体 1の釣り合い位置近傍での微振動を防止することができる。

これにより、車体 1に加わる外力が大きい場合にも、車体 1の速やかな静止を実現することができるとともに、目標車体傾斜角度 77 。の逐次変動による車体 1 の揺れを低減もしくは無くすことが可能となる。

また、目標車体傾斜角度 77 _eに積算されるは、逐次学習させていくことができる。すなわち、例えば、車体 1に外力が加わった揚合の車体傾斜角度の大きさと車体傾斜角速度 d η / d tの変動とを評価指標にして、これら車体傾斜角度 ηの大きさと車体傾斜角速度 d η / ά tの変動を小さくするために Δ を学習していく。

例えば、車体 1に外力が加わった場合の車体傾斜角度 ηを小さくするには、目標車体傾斜角度 ₇₇ 。に積算する Δ を大きくすればよい。し力し、 Δ ηを大きくする程、目標車体傾斜角度 η 。は即座に外力と釣り合う状態（数式（4 ) が成立する状態）に到達し、車体重心 1 Cの重力モーメントと外力モーメント f とが釣り合う状態となるが、この釣り合うまでの過程における車体 1の釣り合レヽ位置近傍での微振動が大きくなる。

そこで、車体 1に外力が加わってから、目標車体傾斜角度。に Δ ηを積算していくにしたがい車体傾斜角速度 d 77 Z d tが小さくなるので、この車体傾斜角速度 d / d tの減少にともなて Δ ?7を小さくしていく。これにより、車体傾斜角速度 d 77 / d tの変動は小さくなる。

このように、車体 1に外力が加わった場合に目標車体傾斜角度 η _eに積算する厶 77と、車体傾斜角速度 d η / d t との対応を逐次制御コンピュータ 1 0の R A

M等に記憶させていく。これにより、最終的に車体傾斜角度 77と車体傾斜角速度 d ₇₇ Z d t との両者をともに小さくする Δ ηを逐次学習していくことがで'き、車体 1の釣り合い位置近傍での微振動をより効果的に防止することが可能となる。また、車体 1に加わる外力は、車輪角速度 d 0 Z d tから間接的に推定することもできる。なお、車体 1に加わる外力を車体傾斜角度)]から間接的に推定する場合と重複する部分については、その説明を省略する。

車体 1に外力が加わると、車体 1が傾斜するが、車体 1を安定させるため、車体 1の傾斜を打ち消す方向（外力の方向）に車輪 2 · 3が移動し、車輪角速度 d tが 0以外の値となる。つまり、例えば搭乗者が操作していない時のように、車体 1の安定静止状態（車輪角速度 d 0 / d tが 0の状態）で、かつ、制御コンピュータ 10から台車並進方向及び台車回転方向に対するトルク指令値が発せられてない状態において、車輪角速度 d θ/d tが 0以外の値をとるということは、車体 1に外力が加わったことを意味する。そこ、車体 1に加わる外力により、車輪角速度 d eZd tが 0以外の値となった場合、この車輪角速度 d ez d tを打ち消す方向（d 0Zd tが 0とる方向）に車体傾斜角度 ηを調整するすなわち、制御コンピュータ 10は、モータドライバ 6に、トルク指令値のうち、車体 1を移動させるための指令値を発していない状態で、エンコーダ 4 a · 5 aにより計測される車輪角度 Θから算出される車輪角速度 d θ/d tが 0以外の値となった場合、その車輪角速度 d θ/ά tが 0となるまで目標車体傾斜角度

77 。を増減するとともに、この目標車体傾斜角度 _cに基づき、トルク指令値 U を算出する。

具体的には、車体' 1に外乱による外力が加わり、車輪角速度 d θ/d tが 0以外の値となった場合、車輪角速度 d θ/d tが 0になるまで、目標車体傾斜角度 77 。に Δ 77を積算していく。ここで、第 3図（a) に示すように、車体 1に加わる外力の台車並進方向の成分 Fの向きを正とする。この場合、外乱により、車体重心 1 Cの位置が前方向に変動したこととなり、正の向きに車体傾斜角度 ηが増加する。ここで発生した車体傾斜角度を前述と同様質点傾斜角度 η _f とすると、この外乱の影響を打ち消すように、目標車体傾斜角度？ 7 。に Δ が積算されることとなる。つまり、外乱により発生した車体傾斜角度 ηが質点傾斜角度 _f である場合、目標車体傾斜角度 η 。に積算される Δ ηは、負の値となる。

そして、車輪角速度 d tが 0になるまで、目標車体傾斜角度 η 。に厶を積算していくことで、車体傾斜角速度 d 77/d tが 0になったところで、数式 (4) が成立することとなる。つまり、，車体 1に加わる外力により発生する外力モーメント f と、車体重心 1 Cの回転軸 S回りの重力モーメントとが釣り合った状態となる。この時点で、 Δ ηの積算は終了する。

このように、車体 1に加わる外力を車輪角速度 d θ/d tから間接的に推定し、それを打ち消すように目標車体傾斜角度 η 。を増減することによつても、前述と同様の効果得ることができる。

また、車体 1に加わる外力を車輪角速度 d e Z d tから間接的に推定し、目標車体傾斜角度 _eを増減するに際しても、その増減値 Δ ?7を、車輪角速度 d 0 Z d tの絶対値の大小に応じて増減することが好ましい。

すなわち、車体 1に加わる外力が大きく、これにより発生する車輪角速度 d 0 / d tの絶対値が大きい場合は、 Δ の絶対値を大きくする。そして、外乱の影響を打ち消すような目標車体傾斜角度 η 。が外乱を打ち消して車体傾斜角度 ηの値が減少するに従って、 Δ ηの絶対値を小さくする。

このように、車輪角速度 d θ / d tの絶対値の大小に応じて目標車体傾斜角度 η _cに積算する Δ ηを増減することにより、車輪角速度 d 0 / d tの絶対値が小さい領域、つまり車体 1の釣り合い位置近傍での微振動を防止することができるこれにより、車体 1に加わる外力が大きい場合にも、車体 1の速やかな静止を実現することができるとともに、目標車体傾斜角度 77 。の逐次変動による車体 1 の揺れを低減もしくは無くすことが可能となる。

また、この場合においても、目標車体傾斜角度 77 _eに積算される Δ ?7は、逐次学習させていくことができる。すなわち、例えば、車体 1に外力が加わった場合の車輪角度 0の大きさ（車輪の移動距離）と車輪角速度 d 0 Z d tの変動とを評価指標にして、これら車輪角度 Θの大きさと車輪角速度 d θ / ά tの変動を小さくするために Δ ηを学習していく。 '

例えば、車体 1に外力が加わった場合の車輪の移動距離を小さくするには、車体傾斜角度 ηに積算する Δ ηを大きくすればよい。しかし、 Δ 77を大きくする程、目標車体傾斜角度 77 。は即座に外力と釣り合う状態（数式（4 ) が成立する状態）に到達し、車体重心 1 Cの重力モーメントと外力モーメント f とが釣り合う状態となるが、この釣り合うまでの過程における車体 1の釣り合い位置近傍での微振動が大きくなる。

そこで、車体 1に外力が加わってから、目標車体傾斜角度 7? cに Δ r?を積算していくにしたがい車輪角速度 d θ / d tが小さくなるので、この車輪角速度 d Θ ン d tの減少にともなって Δ ηを小さくしていく。これにより、車輪角速度 d e tの変動は小さくなる。

このように、車体 1に外力が加わった場合に目標車体傾斜角度 η 。に積算する Δ 77と、車輪角速度 d θ / d tとの対応を逐次制御コンピュータ 1 0の R AM等に記憶させていく。これにより、最終的 ^車輪の移動距離と車輪角速度 d θ / d tとの両者をともに小さく Δ T7を逐次学習していくことができ、車体 1の釣り合い位置近傍での微振動をより効果的に防止することが可能となる。産業上の利用可能性

本発明に係る移動台車の制御方法及び移動台車は、車体に大きな外力が加わつても、台車（車輪位置）の移動を最小限にして、その場での安定した位置制御を可能とすることにより、人の搭乗性や物の搭載性を向上することができるので、産業上有用である。 '

Claims

請求の範囲

駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記制御手段は、前記車体に加わる外力により発生する前記回転軸回りの慣性モーメントである外力モーメントを推定し、推定した外力モーメントに基づいて、前記車体の重心の前記回転軸回りの重力モーメントが、前記外力モーメントと釣り合う前記車体の傾斜角度を目標車体傾斜角度として設定し、前記目標車体傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車の制御方法前記外力モーメントを、外乱オブザーバにて求めることを特徴とする請求項 1記載の移動台車の制御方法。

駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記移動台車が、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角度または傾斜角速度が 0以外の値となった場合、その傾斜角度または傾斜角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車の制御方法。

前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角度または傾斜角速度の絶対値の大小に応じて増減することを特徴とする請求項 3.記載の移動台車の制御方法。

5 . 前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記車体の傾斜角度または傾斜角速度の少なくとも一方を評価指標として、前記車体の傾斜角度の大きさ及び傾斜角速度の変動を小さくするように逐次学習することを特徴とする請求項 4記載の移動台車の制御方法。

6 . 駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車の制御方法であって、前記移動台車が、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度が 0以外の値となった場合、その角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車の制御方法。 7 . 前記制御手段は、前記目標傾斜角度の増減値を、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度の絶対値の大小に応じて増減することを特徴とする請求項 6記載の移動台車の制御方法。

8 . 前記制御手段は、前記目標傾斜度の増減値を、前記車輪の回転角度または角速度の少なくとも一方を評価指標として、前記車輪の回転角度の大きさ及び角速度の変動を小さくするように逐次学習することを特徴とする請求項 7 記載の移動台車の制御方法。

9 . 駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記制御手段は、前記車体に加わる外力により発生する前記回転軸回りの慣性モーメントである外力モーメントを推定し、推定した外力モーメントに基づいて、前記車体の重心の前記回転軸回りの重力モーメントが、前記外力モーメントと釣り合う前記車体の傾斜角度を目標車体傾斜角度として設定し、前記目標車体傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車。

0 . 駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を検出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第一検出手段により検出される前記車体の傾斜角

' 度または傾斜角速度が 0以外の値となった場合、その傾斜角度または傾斜角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車。 1 . 駆動手段により駆動される車輪と、該車輪に支持される車体と、前記駆動手段に制御指令'値を与える制御手段とを備え、前記車体の重心が前記車輪の回転軸の上方に位置する移動台車であって、前記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも一方を検出する第一検出手段と、前記車輪の回転角度及び角速度の少なくとも一方を出する第二検出手段とを備えるものであり、前記制御手段は、前記制御指令値のうち、前記車体を移動させるための指令値を発してない状態で、前記第二検出手段により検出される前記車輪の角速度が 0以外の値となつた場合、その角速度が 0となるまで前記車体の目標傾斜角度を増減するとともに、該目標傾斜角度に基づき、前記制御指令値を算出することを特徴とする移動台車。