WO2021145229A1 - Mobile body and control method - Google Patents

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洋司 黒田
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Abstract

This mobile body is an autonomous mobile type, and comprises: a body; two drive wheels that are driven by an electric motor and move the body; a differential mechanism that turns the body by giving a difference in the rotation angle velocity between the drive wheels; and a steering mechanism that changes the steering angle of the drive wheel for each drive wheel.

Description

移動体および制御方法Mobile and control method
 本発明は、移動体および制御方法に関する。本願は、2020年 1月14日に、米国に出願された米国仮特許出願第62/960699号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a moving body and a control method. This application claims priority based on US Provisional Patent Application No. 62/960699 filed in the United States on January 14, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference.
 近年、無人運転車等の自律移動型の移動体(例:自律移動型ロボット)開発が盛んである。車道を走る無人運転車の場合、道路、車線、信号機などのように、動作すべき決められた場所や規則がある。一方、人間が往来する環境で、特別な誘導なく、静的・動的障害物を回避しつつ移動しなくてはならないロボットもある。例えば、警備・案内用ロボット、清掃用ロボット、荷物運搬用ロボット、パーソナルモビリティ(人一人を輸送する)などの場合である。このような人間が往来する環境で移動するロボットの場合、より複雑な環境の中で人間の活動を邪魔せずに動くことができる柔軟性ある移動制御が必要となる。
 人間が往来する環境で移動するロボットには、サイズ・形状の制約がある。例えば、屋内では、人間が利用するドア、エレベータなどをロボットも利用できる方がよいため、ロボットの横幅は、人間の体の横幅以下にする必要がある。また、人間が存在する環境で走行するため、人間から認識されやすい、ある程度の高さも必要である。そこで、警備・案内用のロボット等は、人間の体型に準じたサイズの縦長形状となることが多い。
In recent years, the development of autonomous mobile bodies such as unmanned vehicles (eg, autonomous mobile robots) has been active. In the case of unmanned vehicles driving on the road, there are fixed places and rules to operate, such as roads, lanes, and traffic lights. On the other hand, there are robots that have to move while avoiding static and dynamic obstacles in an environment where humans come and go without any special guidance. For example, it is a case of a security / guidance robot, a cleaning robot, a cargo carrying robot, a personal mobility (transporting one person), and the like. In the case of a robot that moves in such an environment where humans come and go, flexible movement control that can move in a more complicated environment without disturbing human activities is required.
Robots that move in an environment where humans come and go have size and shape restrictions. For example, indoors, it is better for robots to be able to use doors, elevators, etc. used by humans, so the width of the robot must be less than or equal to the width of the human body. In addition, since it runs in an environment where humans exist, it needs to have a certain height that is easily recognized by humans. Therefore, security / guidance robots and the like often have a vertically long shape having a size conforming to the human body shape.
 このため、人間が往来する環境で移動するロボットは、機構が複雑でなく小型にしやすい差動二輪機構で構成されることが多い。差動二輪機構は、左右二つの車輪をロボットに取り付け、それぞれを独立に駆動し、左右の車輪回転速度に差をつけることで、進路の方向を変えるものである。例えば、特許文献1には、差動二輪機構で動く移動体システムが開示されている。 For this reason, robots that move in an environment where humans come and go are often composed of a differential two-wheel mechanism that is not complicated and easy to miniaturize. The differential two-wheel mechanism changes the direction of the course by attaching two left and right wheels to the robot, driving each independently, and making a difference in the rotation speeds of the left and right wheels. For example, Patent Document 1 discloses a mobile system operated by a differential two-wheel mechanism.
特開2019-105901号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-105901
 人間が往来する環境には、机,椅子,壁などの静的障害物や、歩行する人間などの動的障害物が存在する。このため、ロボットは動的障害物を俊敏に避け、移動経路を変更する必要がある。しかし、差動二輪機構では、モーターが高速作動中に、左右二輪の車輪回転速度を変化させようとしても、反応が遅く、ゆっくりと大回りにしか曲がることができない。
 本発明者は、人が集散する空間でのロボットの運用を検討するにあたり、人が集散する空間では障害物を回避することに困難が伴うこと、これにより、移動ロボットの停止頻度が増加するという課題を見出した。
 また、この課題が、差動二輪を備える移動ロボットの目標軌道に追従する能力がモーターによる制御に依存しており、DCモーターの特性上、高回転数時にトルクが減少するため、走行時における目標軌道に追従する能力が劣化するという構造的な問題を有することが要因であることを見出した。
 このような課題があるため、現在、都市中心部のような人が密集する空間でのロボットの運用には至っていない。
 本発明は前記の点に鑑みてなされたものであり、目標軌道に追従する能力を向上できる移動体および制御方法を提供することを目的とする。
In the environment where humans come and go, there are static obstacles such as desks, chairs, and walls, and dynamic obstacles such as walking humans. Therefore, the robot needs to quickly avoid dynamic obstacles and change the movement route. However, in the differential two-wheel mechanism, even if an attempt is made to change the wheel rotation speeds of the left and right two wheels while the motor is operating at high speed, the reaction is slow and the motor can only slowly turn around.
The present inventor states that when considering the operation of a robot in a space where people gather, it is difficult to avoid obstacles in the space where people gather, and as a result, the frequency of stopping of the mobile robot increases. I found a problem.
In addition, the problem is that the ability of a mobile robot equipped with two differential wheels to follow the target trajectory depends on the control by the motor, and due to the characteristics of the DC motor, the torque decreases at high speeds, so the target during running It was found that the factor was that it had a structural problem that the ability to follow the orbit deteriorated.
Due to these issues, robots have not yet been operated in a crowded space such as a city center.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a moving body and a control method capable of improving the ability to follow a target trajectory.
(1)本発明の一態様は、自律移動型の移動体であって、本体と、電動機によって駆動され前記本体を移動させる二つの駆動輪と、前記駆動輪同士の回転角速度に差を与えることにより前記本体を回頭させる差動機構と、前記駆動輪の舵角を前記駆動輪ごとに変化させる転舵機構と、を備える移動体である。
(2)本発明の一態様は、上記(1)に記載の移動体において、前記差動機構は、前記駆動輪の接地面内の位置を旋回中心とする舵角を前記駆動輪ごとに変化させる。
(3)本発明の一態様は、上記(1)又は(2)に記載の移動体において、目標軌道に沿って前記差動機構と前記転舵機構とを同時に制御する制御部をさらに備える。
(4)本発明の一態様は、上記(3)に記載の移動体において、前記制御部は、移動体の目標進路を示す進路情報と、前記駆動輪の移動速度と、前記本体の回頭速度と、前記駆動輪の舵角とに基づいて、前記駆動輪の目標回転角速度と、前記駆動輪の目標舵角とを算出する。
(5)本発明の一態様は、上記(3)に記載の移動体において、前記制御部は、前記目標軌道上の第1目標点と前記本体の方位との方位誤差をなくすよう前記駆動輪の目標方位角速度を決め、前記目標軌道上の第2目標点に向けて前記駆動輪の目標舵角を決める。
(6)本発明の一態様は、上記(5)に記載の移動体において、前記制御部は、前記方位誤差、前記目標方位角速度及び前記目標舵角を、方位誤差をα、第1目標点を(xt1,yt1)、第2目標点を(xt2,yt2)、Ψをヨー角、wdを目標ヨーレート、Lを追跡長、前進速度をv、δを舵の切り角(ステア角)とした場合に、式(1)から式(3)
 α=arctan((yt1-y)/(xt1-x))-Ψ (1)
 ωd=(1/L)vα      (2)
 δ=arctan((yt2-y)/(xt2-x))-Ψ (3)
 に従って決める。
(7)本発明の一態様は、上記(1)から上記(6)のいずれか一項に記載の移動体において、移動方向視した場合の前記本体の投影面積が、鉛直視した場合の前記本体の投影面積よりも大きい。
(8)本発明の一態様は、上記(1)から上記(7)のいずれか一項に記載の移動体において、高さが、前記二の駆動輪をつなぐ軸の幅よりも長い。
(9)本発明の一態様は、上記(1)から上記(8)のいずれか一項に記載の移動体において、前記本体の姿勢を制御する姿勢制御装置をさらに備える。
(10)本発明の一態様は、自律移動型の移動体の制御方法であって、目標進路を示す進路情報に基づいて、駆動輪どうしの回転角速度に差を与えることにより本体を回頭させることと、前記進路情報に基づいて、前記駆動輪の舵角を前記駆動輪ごとに変化させることと、を有する制御方法である。
(1) One aspect of the present invention is an autonomously moving moving body, in which a main body, two driving wheels driven by an electric motor to move the main body, and a difference in rotational angular velocity between the driving wheels are given. It is a moving body including a differential mechanism for turning the main body and a steering mechanism for changing the steering angle of the driving wheels for each driving wheel.
(2) In one aspect of the present invention, in the moving body according to (1) above, the differential mechanism changes the steering angle with the position of the drive wheels in the contact patch as the turning center for each drive wheel. Let me.
(3) One aspect of the present invention further includes a control unit that simultaneously controls the differential mechanism and the steering mechanism along a target trajectory in the moving body according to the above (1) or (2).
(4) In one aspect of the present invention, in the moving body according to the above (3), the control unit has a course information indicating a target course of the moving body, a moving speed of the driving wheels, and a turning speed of the main body. The target rotation angular velocity of the drive wheels and the target steering angle of the drive wheels are calculated based on the steering angle of the drive wheels.
(5) In one aspect of the present invention, in the moving body according to the above (3), the control unit has the driving wheel so as to eliminate an orientation error between the first target point on the target orbit and the orientation of the main body. The target directional angle speed of the above is determined, and the target steering angle of the drive wheels is determined toward the second target point on the target orbit.
(6) In one aspect of the present invention, in the moving body according to the above (5), the control unit sets the orientation error, the target azimuth angular velocity and the target steering angle, the orientation error α, and the first target point. Was (xt1, yt1), the second target point was (xt2, yt2), Ψ was the yaw angle, wd was the target yaw rate, L was the tracking length, forward speed was v, and δ was the steering angle (steering angle). In some cases, equations (1) to (3)
α = arctan ((yt1-y) / (xt1-x))-Ψ (1)
ωd = (1 / L) vα (2)
δ = arctan ((yt2-y) / (xt2-x))-Ψ (3)
Decide according to.
(7) In one aspect of the present invention, in the moving body according to any one of (1) to (6) above, the projected area of the main body when viewed in the moving direction is the said when viewed vertically. It is larger than the projected area of the main body.
(8) In one aspect of the present invention, in the moving body according to any one of (1) to (7) above, the height is longer than the width of the shaft connecting the two drive wheels.
(9) One aspect of the present invention further includes an attitude control device for controlling the posture of the main body of the moving body according to any one of (1) to (8) above.
(10) One aspect of the present invention is an autonomous moving type moving body control method, in which the main body is rotated by giving a difference in the rotational angular velocities of the drive wheels based on the course information indicating the target course. This is a control method including changing the steering angle of the driving wheels for each driving wheel based on the course information.
 本発明の実施形態によれば、目標軌道に追従する能力を向上できる移動体および制御方法を提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a moving body and a control method capable of improving the ability to follow a target trajectory.
本発明の一実施形態に係る移動体の模式図である。It is a schematic diagram of the moving body which concerns on one Embodiment of this invention. 本実施形態に係る移動体の駆動方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the driving method of the moving body which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る移動体を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the moving body which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る移動体の動作の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the operation of the moving body which concerns on this embodiment. 移動体の軌道追跡性能の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the trajectory tracking performance of a moving body. 本実施形態に係る移動体の軌道追跡性能の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the trajectory tracking performance of the moving body which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る移動体の舵角制御の一例を示す図である。図It is a figure which shows an example of the steering angle control of the moving body which concerns on this embodiment. figure モデル式の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of a model formula. モデル式の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of a model formula. 移動体の軌跡の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the locus of a moving body. 本実施形態に係る移動体の軌跡の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the locus of a moving body which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る移動体の他の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the moving body which concerns on this embodiment. 実施形態の変形例に係る移動体の外観図である。It is external drawing of the moving body which concerns on the modification of embodiment. 実施形態の変形例に係る移動体を示す図である。It is a figure which shows the moving body which concerns on the modification of embodiment. 実施形態の変形例に係る移動体の動作の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the operation of the moving body which concerns on the modification of embodiment. 移動体が受ける加速度の例1を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 1 of the acceleration received by a moving body. 移動体が受ける加速度の例2を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 2 of the acceleration received by a moving body. 移動体が受ける加速度の例3を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 3 of the acceleration received by a moving body. 移動体の姿勢角の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the posture angle of a moving body.
 次に、本実施形態に係る移動体および制御方法を、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施形態に限られない。
 なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。
 また、本願でいう「XXに基づいて」とは、「少なくともXXに基づく」ことを意味し、XXに加えて別の要素に基づく場合も含む。また、「XXに基づいて」とは、XXを直接に用いる場合に限定されず、XXに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「XX」は、任意の要素(例えば、任意の情報)である。
Next, the moving body and the control method according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. The embodiments described below are merely examples, and the embodiments to which the present invention is applied are not limited to the following embodiments.
In all the drawings for explaining the embodiment, the same reference numerals are used for those having the same function, and the repeated description will be omitted.
Further, "based on XX" in the present application means "based on at least XX", and includes a case where it is based on another element in addition to XX. Further, "based on XX" is not limited to the case where XX is used directly, but also includes the case where XX is calculated or processed. "XX" is an arbitrary element (for example, arbitrary information).
 (実施形態)
 (移動体)
 図1は、本発明の一実施形態に係る移動体の模式図である。本実施形態に係る移動体100は、予め設定した経路又は自動生成した経路を、予め与えられた速度プロファイル又は自動生成された速度プロファイルに追従して自律走行を行う。移動体100の一例は、ロボットである。
 移動体100は、本体105とコントローラ130と駆動機構140とを備える。
 本体105は、移動体100の筐体であり、コントローラ130と駆動機構140とを格納する。本体105の形状の一例は、楕円をその長軸を水平面(地面)に垂直にして載置した状態で長軸を回転軸として回転したときに得られる回転体(長球)である。本体105は、移動方向視した場合のその形状は楕円形であり、鉛直視した場合のその形状は円形である。本体105の高さは、例えば1m以上である。本体105は、移動方向視した場合のその投影面積は、鉛直視した場合のその投影面積よりも大きい(広い)。このように構成することによって、人間が存在する環境で走行する場合に、人間から認識されやすくできる。
(Embodiment)
(Mobile)
FIG. 1 is a schematic view of a moving body according to an embodiment of the present invention. The moving body 100 according to the present embodiment autonomously travels on a preset route or an automatically generated route by following a preset speed profile or an automatically generated speed profile. An example of the mobile body 100 is a robot.
The moving body 100 includes a main body 105, a controller 130, and a drive mechanism 140.
The main body 105 is a housing of the moving body 100, and houses the controller 130 and the drive mechanism 140. An example of the shape of the main body 105 is a rotating body (prolate spheroid) obtained when an ellipse is placed on a horizontal plane (ground) with its long axis perpendicular to the horizontal plane (ground) and rotated with the long axis as the rotation axis. The main body 105 has an elliptical shape when viewed in the moving direction, and a circular shape when viewed vertically. The height of the main body 105 is, for example, 1 m or more. The projected area of the main body 105 when viewed in the moving direction is larger (wider) than the projected area when viewed vertically. With such a configuration, when traveling in an environment in which a human exists, it can be easily recognized by the human.
 駆動機構140は、本体105を移動させる。駆動機構140は、二つの駆動輪と舵角機構とを含んで構成される。
 二つの駆動輪の各々は、異なる電動機などの動力によって駆動される。本実施形態では一例として、二つの駆動輪の各々が異なる電動機によって駆動される場合について説明を続ける。
 移動体100の高さは、二つの駆動輪をつなぐ幅(二つの駆動輪を結んだ線の長さ)よりも長い。
 舵角機構は、移動体100の進行方向を変化させる。
 図1において、二つの駆動輪を結んだ線の方向をY軸とし、移動体100の長手方向をZ軸とし、Y軸及びZ軸に垂直な方向をX軸とする場合について説明を続ける。移動体100の長手方向において鉛直上向きをZ軸のプラス方向とする。
 コントローラ130は、二つの駆動輪の各々を制御する。コントローラ130は、本体105を回頭させる場合に、駆動輪同士の回転速度に差を与える。つまり、コントローラ130は、本体105を回頭させる場合に、二つの駆動輪の各々を異なる回転速度に制御する。コントローラ130は、舵角機構に対して、駆動輪の舵角を駆動輪ごとに変化させる。つまり、コントローラ130は、本体105を回頭させる場合に、舵角機構に対して、二つの駆動輪の各々を異なる舵角に制御する。
The drive mechanism 140 moves the main body 105. The drive mechanism 140 includes two drive wheels and a steering angle mechanism.
Each of the two drive wheels is driven by the power of different motors and the like. In the present embodiment, as an example, a case where each of the two drive wheels is driven by a different motor will be described.
The height of the moving body 100 is longer than the width connecting the two driving wheels (the length of the line connecting the two driving wheels).
The steering angle mechanism changes the traveling direction of the moving body 100.
In FIG. 1, the case where the direction of the line connecting the two drive wheels is the Y-axis, the longitudinal direction of the moving body 100 is the Z-axis, and the Y-axis and the direction perpendicular to the Z-axis are the X-axis will be continued. The vertical upward direction in the longitudinal direction of the moving body 100 is defined as the positive direction of the Z axis.
The controller 130 controls each of the two drive wheels. The controller 130 gives a difference in the rotation speed between the drive wheels when the main body 105 is turned. That is, the controller 130 controls each of the two drive wheels to a different rotation speed when the main body 105 is rotated. The controller 130 changes the steering angle of the driving wheels for each driving wheel with respect to the steering angle mechanism. That is, when the main body 105 is turned, the controller 130 controls each of the two drive wheels to a different steering angle with respect to the steering angle mechanism.
 図2は、本実施形態に係る移動体の駆動方法の一例を示す図である。
 図2は、移動体100の駆動機構140をZ軸のプラス側から見た模式図である。前述したように駆動機構140は、二つの駆動輪(駆動輪A、駆動輪B)と舵角機構とを含んで構成される。二つの駆動輪は、それぞれ異なる電動機で駆動する。二つの駆動輪を結んだ長さは、例えば1m以内である。このように構成することによって、人間が利用するドア、エレベータなどを移動体100も利用させることができる。移動体100の最小回転半径は、例えば0.5m以内である。以下、角度については時計回りをプラスとして説明する。
 図2の最上図は、移動体100がX軸のプラスの方向へ移動するときの駆動輪の状態を示す図である。図2の最上図には、本体105と駆動輪Aと駆動輪Bと車軸γと軸αとが示されている。移動体100がX軸のプラスの方向へ移動するときには、車軸γが軸αと同じ向きとなる。軸αは、本体105の重心付近を通ることが望ましい。
 図2の上から二段目の図は、移動体100が右方向、換言すればY軸のプラス方向側へ移動するときの駆動輪の状態を示す図である。移動体100がY軸のプラス方向側へ移動するときには、コントローラ130は、駆動輪Aにおいて軸αに垂直な方向とX軸とのなす角度を角度aに制御し、駆動輪Bにおいて軸αに垂直な方向とX軸とのなす角度を角度bに制御する。移動体100をY軸のプラス方向側へ移動させるときに、コントローラ130は、角度aと角度bとを個別に設定する。角度aは、駆動輪Aが地面に接する面(以下「接地面」という)内の位置を旋回中心として設定される。角度bは、駆動輪Bが地面に接する接地面内の位置を旋回中心として設定される。なお、接地面とは、移動体を水平面上に置いた場合、駆動輪がその水平面と接する場所であり、接地点またはその近傍を意味する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a method of driving a moving body according to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic view of the drive mechanism 140 of the moving body 100 as viewed from the positive side of the Z axis. As described above, the drive mechanism 140 includes two drive wheels (drive wheels A and drive wheels B) and a steering angle mechanism. The two drive wheels are driven by different motors. The length connecting the two drive wheels is, for example, within 1 m. With this configuration, the moving body 100 can also use the doors, elevators, and the like used by humans. The minimum turning radius of the moving body 100 is, for example, 0.5 m or less. Hereinafter, the angle will be described with clockwise as a plus.
The uppermost view of FIG. 2 is a diagram showing a state of drive wheels when the moving body 100 moves in the positive direction of the X-axis. In the uppermost view of FIG. 2, the main body 105, the drive wheel A, the drive wheel B, the axle γ, and the shaft α are shown. When the moving body 100 moves in the positive direction of the X-axis, the axle γ is in the same direction as the axis α. It is desirable that the axis α passes near the center of gravity of the main body 105.
The second figure from the top of FIG. 2 is a diagram showing the state of the drive wheels when the moving body 100 moves to the right, in other words, to the plus direction side of the Y axis. When the moving body 100 moves in the positive direction of the Y-axis, the controller 130 controls the angle formed by the X-axis and the direction perpendicular to the axis α in the drive wheel A to the angle a, and becomes the axis α in the drive wheel B. The angle formed by the vertical direction and the X-axis is controlled to the angle b. When moving the moving body 100 to the plus direction side of the Y axis, the controller 130 sets the angle a and the angle b individually. The angle a is set with the position in the surface where the drive wheels A are in contact with the ground (hereinafter referred to as "ground contact surface") as the turning center. The angle b is set with the position in the ground contact surface where the drive wheels B are in contact with the ground as the turning center. The ground contact surface is a place where the drive wheels come into contact with the horizontal plane when the moving body is placed on the horizontal plane, and means a ground contact point or its vicinity.
 図2の上から三段目の図は、移動体100が左方向、換言すればY軸のマイナス方向側へ移動するときの駆動輪の状態を示す図である。移動体100がY軸のマイナス方向側へ移動するときには、コントローラ130は、駆動輪Aにおいて軸αに垂直な方向とX軸とのなす角度を角度-cに制御し、駆動輪Bにおいて軸αに垂直な方向とX軸とのなす角度を角度-dに制御する。移動体100をY軸のマイナス方向側へ移動させるときに、コントローラ130は、角度-cと角度-dとを個別に設定する。角度-cは、駆動輪Aが地面に接する接地面内の位置を旋回中心として設定される。角度-dは、駆動輪Bが地面に接する接地面内の位置を旋回中心として設定される。
 図2の最下図は、移動体100がさらに車輪を備えてもよいことを示す図である。駆動機構140は、軸αに垂直な方向に全方向に移動可能な車輪Cを一以上備える。図2の最下図に示される例では、軸αに垂直な方向で、Y軸を挟んだ二か所に全方向に移動可能な車輪C1と車輪C2とを備える場合を示す。ここでは、車輪C1と車輪C2とを備える場合について説明したが、車輪C1と車輪C2とのいずれかを備えるようにしてもよい。このように構成することによって、移動体100の走行を安定させることができる。
The third figure from the top of FIG. 2 is a diagram showing the state of the drive wheels when the moving body 100 moves to the left, in other words, to the minus direction side of the Y axis. When the moving body 100 moves to the minus direction side of the Y axis, the controller 130 controls the angle formed by the direction perpendicular to the axis α and the X axis in the drive wheel A to an angle −c, and the axis α in the drive wheel B. The angle between the direction perpendicular to the X-axis and the X-axis is controlled to the angle −d. When moving the moving body 100 to the minus direction side of the Y axis, the controller 130 sets the angle −c and the angle −d individually. The angle −c is set with the position in the ground contact surface where the drive wheels A are in contact with the ground as the turning center. The angle −d is set with the position in the ground contact surface where the drive wheels B are in contact with the ground as the turning center.
The bottom view of FIG. 2 is a diagram showing that the moving body 100 may further include wheels. The drive mechanism 140 includes one or more wheels C that can move in all directions in a direction perpendicular to the axis α. In the example shown in the lowermost figure of FIG. 2, a case is shown in which wheels C1 and wheels C2 that can move in all directions are provided at two locations sandwiching the Y axis in a direction perpendicular to the axis α. Here, the case where the wheels C1 and the wheels C2 are provided has been described, but either the wheels C1 and the wheels C2 may be provided. With this configuration, the traveling of the moving body 100 can be stabilized.
 図3は、本実施形態に係る移動体を示すブロック図である。前述したように、本実施形態に係る移動体100は、本体105と、コントローラ130と、駆動機構140とを備える。
 コントローラ130は、制御装置131と、走行条件取得部132とを備える。
 駆動機構140は、電動機141-1と、電動機141-2と、エンコーダ142-1とエンコーダ142-2と、操舵機構143-1と、操舵機構143-2とを備える。
 電動機141-1は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-1は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Aを駆動させる。
 電動機141-2は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-2は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Bを駆動させる。
 エンコーダ142-1は、電動機141-1の回転速度n1を検出する。エンコーダ142-1は、電動機141-1の回転速度n1を示す情報を走行条件取得部132へ出力する。
 エンコーダ142-2は、電動機141-2の回転速度n2を検出する。エンコーダ142-2は、電動機141-2の回転速度n2を示す情報を走行条件取得部132へ出力する。
 操舵機構143-1は、駆動輪Aの操舵角を変更するためのステアリングアクチュエータ(図示なし)を備える。操舵機構143-1は、予め設定した経路又は自動生成した経路を追従するように駆動輪Aのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。操舵機構143-1は、制御装置131が出力する駆動輪Aの舵角(以下「目標舵角A」という)を示す情報を取得する。操舵機構143-1は、取得した目標舵角Aを示す情報に基づいて、駆動輪Aのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
 操舵機構143-2は、駆動輪Bの操舵角を変更するためのステアリングアクチュエータ(図示なし)を備える。操舵機構143-2は、予め設定した経路又は自動生成した経路を追従するように駆動輪Bのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。操舵機構143-2は、制御装置131が出力する駆動輪Bの舵角(以下「目標舵角B」という)を示す情報を取得する。操舵機構143-2は、取得した目標舵角Bを示す情報に基づいて、駆動輪Bのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
FIG. 3 is a block diagram showing a moving body according to the present embodiment. As described above, the mobile body 100 according to the present embodiment includes a main body 105, a controller 130, and a drive mechanism 140.
The controller 130 includes a control device 131 and a traveling condition acquisition unit 132.
The drive mechanism 140 includes an electric motor 141-1, an electric motor 141-2, an encoder 142-1 and an encoder 142-2, a steering mechanism 143-1 and a steering mechanism 143-2.
The electric motor 141-1 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-1 drives the drive wheels A based on the acquired control information.
The electric motor 141-2 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-2 drives the drive wheels B based on the acquired control information.
The encoder 142-1 detects the rotation speed n1 of the electric motor 141-1. The encoder 142-1 outputs information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1 to the traveling condition acquisition unit 132.
The encoder 142-2 detects the rotation speed n2 of the electric motor 141-2. The encoder 142-2 outputs information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2 to the traveling condition acquisition unit 132.
The steering mechanism 143-1 includes a steering actuator (not shown) for changing the steering angle of the drive wheels A. The steering mechanism 143-1 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel A so as to follow a preset path or an automatically generated path. The steering mechanism 143-1 acquires information indicating the steering angle of the drive wheels A (hereinafter referred to as “target steering angle A”) output by the control device 131. The steering mechanism 143-1 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel A based on the acquired information indicating the target steering angle A.
The steering mechanism 143-2 includes a steering actuator (not shown) for changing the steering angle of the drive wheels B. The steering mechanism 143-2 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel B so as to follow a preset path or an automatically generated path. The steering mechanism 143-2 acquires information indicating the steering angle of the drive wheels B (hereinafter referred to as “target steering angle B”) output by the control device 131. The steering mechanism 143-2 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel B based on the acquired information indicating the target steering angle B.
 走行条件取得部132は、エンコーダ142-1と、エンコーダ142-2と、操舵機構143-1と、操舵機構143-2と、制御装置131とに接続される。走行条件取得部132は、エンコーダ142-1が出力した電動機141-1の回転速度n1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、エンコーダ142-2が出力した電動機141-2の回転速度n2を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、操舵機構143-1が出力した駆動輪Aの舵角(ステア角)δ1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、操舵機構143-2が出力した駆動輪Bの舵角(ステア角)δ2を示す情報を取得する。
 走行条件取得部132は、取得した電動機141-1の回転速度n1を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Aの前進速度V1と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω1とを導出する。走行条件取得部132は、取得した電動機141-2の回転速度n2を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Bの前進速度V2と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω2とを導出する。
 走行条件取得部132は、導出した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報とを制御装置131に出力する。走行条件取得部132は、取得した駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを制御装置131に出力する。
The traveling condition acquisition unit 132 is connected to the encoder 142-1, the encoder 142-2, the steering mechanism 143-1, the steering mechanism 143-2, and the control device 131. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1 output by the encoder 142-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2 output by the encoder 142-2. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ1 of the drive wheels A output by the steering mechanism 143-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ2 of the drive wheels B output by the steering mechanism 143-2.
The traveling condition acquisition unit 132 has a turning speed ω1 which is a speed at which the forward speed V1 of the drive wheel A of the moving body 100 and the moving body 100 are turned based on the acquired information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1. And derive. Based on the acquired information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2, the traveling condition acquisition unit 132 advances the forward speed V2 of the drive wheels B of the moving body 100 and the turning speed ω2 which is the speed at which the moving body 100 is turned. And derive.
The traveling condition acquisition unit 132 sends the derived information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and the information indicating the turning speed ω2 to the control device 131. Output. The traveling condition acquisition unit 132 outputs the acquired information indicating the steering angle δ1 of the drive wheels A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheels B to the control device 131.
 制御装置131は、舵角制御部135と、回転角速度制御部136とを備える。
 舵角制御部135は、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。舵角制御部135は、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とに基づいて、駆動輪Aの舵角(以下「目標舵角A」という)と駆動輪Bの舵角(以下「目標舵角B」という)とを導出する。舵角制御部135は、導出した目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する。
 回転角速度制御部136は、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。回転角速度制御部136は、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とに基づいて、駆動輪Aの回転角速度(以下「目標回転角速度A」という)と駆動輪Bの回転角速度(以下「目標回転角速度B」という)とを導出する。回転角速度制御部136は、導出した目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する。
 制御装置131において、舵角制御部135が目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する制御と、回転角速度制御部136が目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する制御とは同時に行われる。
 制御装置131において、舵角制御部135が目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する制御と、回転角速度制御部136が目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する制御とは、移動体100が走行しているときに任意にタイミングで行われる。
The control device 131 includes a steering angle control unit 135 and a rotation angular velocity control unit 136.
The steering angle control unit 135 outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The rudder angle control unit 135 includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the rudder of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1 and the information indicating the steering angle δ2 of the driving wheels B, the steering angle of the driving wheels A (hereinafter referred to as “target steering angle A”) and the steering angle of the driving wheels B (hereinafter referred to as “target steering angle”). B ”) and are derived. The steering angle control unit 135 outputs the derived information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and outputs the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2.
The rotation angular velocity control unit 136 outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The rotation angular velocity control unit 136 includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1 and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B, the rotation angular velocity of the drive wheel A (hereinafter referred to as “target rotation angular velocity A”) and the rotation angular velocity of the drive wheel B (hereinafter referred to as “target rotation angular velocity”). B ”) and are derived. The rotation angular velocity control unit 136 outputs the derived control information for controlling at the target rotation angular velocity A to the motor 141-1 and outputs the control information for controlling at the target rotation angular velocity B to the motor 141-2.
In the control device 131, the steering angle control unit 135 outputs the information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2, and the rotational angular velocity control. The control is performed simultaneously with the control in which the unit 136 outputs the control information for controlling at the target rotational angular velocity A to the electric motor 141-1 and the control information for controlling at the target rotational angular velocity B to the electric motor 141-2.
In the control device 131, the steering angle control unit 135 outputs the information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2, and the rotational angular velocity control. The control in which the unit 136 outputs the control information for controlling at the target rotational angular velocity A to the electric motor 141-1 and the control information for controlling at the target rotational angular velocity B to the electric motor 141-2 means that the moving body 100 outputs the control information. It is done at an arbitrary timing while driving.
 (移動体の動作)
 図4は、本実施形態に係る移動体の動作の一例を示す図である。図4を参照して、移動体100が目標軌道に追従する場合の処理について説明する。
 (ステップS1-1)
 走行条件取得部132は、エンコーダ142-1が出力した電動機141-1の回転速度n1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、エンコーダ142-2が出力した電動機141-2の回転速度n2を示す情報を取得する。
 (ステップS2-1)
 走行条件取得部132は、操舵機構143-1が出力した駆動輪Aの舵角(ステア角)δ1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、操舵機構143-2が出力した駆動輪Bの舵角(ステア角)δ2を示す情報を取得する。
 (ステップS3-1)
 走行条件取得部132は、取得した電動機141-1の回転速度n1を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Aの前進速度V1と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω1とを導出する。走行条件取得部132は、取得した電動機141-2の回転速度n2を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Bの前進速度V2と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω2とを導出する。
 (ステップS4-1)
 走行条件取得部132は、導出した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報とを制御装置131に出力する。走行条件取得部132は、取得した駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを制御装置131に出力する。
 舵角制御部135は、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。舵角制御部135は、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とに基づいて、駆動輪Aの目標舵角Aと駆動輪Bの目標舵角Bを導出する。
(Movement of moving body)
FIG. 4 is a diagram showing an example of the operation of the moving body according to the present embodiment. A process when the moving body 100 follows the target trajectory will be described with reference to FIG.
(Step S1-1)
The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1 output by the encoder 142-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2 output by the encoder 142-2.
(Step S2-1)
The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ1 of the drive wheels A output by the steering mechanism 143-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ2 of the drive wheels B output by the steering mechanism 143-2.
(Step S3-1)
The traveling condition acquisition unit 132 has a turning speed ω1 which is a speed at which the forward speed V1 of the drive wheel A of the moving body 100 and the moving body 100 are turned based on the acquired information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1. And derive. Based on the acquired information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2, the traveling condition acquisition unit 132 advances the forward speed V2 of the drive wheels B of the moving body 100 and the turning speed ω2 which is the speed at which the moving body 100 is turned. And derive.
(Step S4-1)
The traveling condition acquisition unit 132 sends the derived information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and the information indicating the turning speed ω2 to the control device 131. Output. The traveling condition acquisition unit 132 outputs the acquired information indicating the steering angle δ1 of the drive wheels A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheels B to the control device 131.
The steering angle control unit 135 outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The steering angle control unit 135 includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheels A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheels B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheels A. Based on the information indicating the angle δ1 and the information indicating the steering angle δ2 of the driving wheels B, the target steering angle A of the driving wheels A and the target steering angle B of the driving wheels B are derived.
 (ステップS5-1)
 舵角制御部135は、導出した目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する。
 操舵機構143-1は、制御装置131が出力する駆動輪Aの目標舵角Aを示す情報を取得する。操舵機構143-1は、取得した目標舵角Aを示す情報に基づいて、駆動輪Aのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
 操舵機構143-2は、制御装置131が出力する駆動輪Bの目標舵角Bを示す情報を取得する。操舵機構143-2は、取得した目標舵角Bを示す情報に基づいて、駆動輪Bのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
 (ステップS6-1)
 回転角速度制御部136は、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。回転角速度制御部136は、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とに基づいて、駆動輪Aの目標回転角速度Aと駆動輪Bの目標回転角速度Bを導出する。回転角速度制御部136は、導出した目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する。
 (ステップS7-1)
 電動機141-1は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-1は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Aを駆動させる。
 電動機141-2は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-2は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Bを駆動させる。
(Step S5-1)
The steering angle control unit 135 outputs the derived information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and outputs the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2.
The steering mechanism 143-1 acquires information indicating the target steering angle A of the drive wheels A output by the control device 131. The steering mechanism 143-1 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel A based on the acquired information indicating the target steering angle A.
The steering mechanism 143-2 acquires information indicating a target steering angle B of the drive wheels B output by the control device 131. The steering mechanism 143-2 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel B based on the acquired information indicating the target steering angle B.
(Step S6-1)
The rotation angular velocity control unit 136 outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The rotation angular velocity control unit 136 includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1 and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B, the target rotation angular velocity A of the drive wheel A and the target rotation angular velocity B of the drive wheel B are derived. The rotation angular velocity control unit 136 outputs the derived control information for controlling at the target rotation angular velocity A to the motor 141-1 and outputs the control information for controlling at the target rotation angular velocity B to the motor 141-2.
(Step S7-1)
The electric motor 141-1 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-1 drives the drive wheels A based on the acquired control information.
The electric motor 141-2 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-2 drives the drive wheels B based on the acquired control information.
 (移動体の性能)
 移動体100の軌道追跡性能について説明する。従来の移動体(ステア付き差動二輪台車)と移動体100との軌道追跡性能を比較するために、モデル式に基づくシミュレーションを行った。ここでは、一例としてPure Pursuit則による差動二輪型台車の軌道追跡結果を示す。Pure Pursuit則による差動二輪型台車の軌道追跡は、ロボットの分野で一般的に使用されている。Pure Pursuit則は、軌道上の目標(キャロット)を追いかける方式である。軌道上のキャロットを追いかける方式は、carrot seekとも言われる。このシミュレーションでは、ロボットの運動モデルを差動二輪型台車、目標(キャロット)までの距離を2[m]に設定している。目標速度は、3[m/s](約11[km/h])であり、一般的な歩行速度よりもかなり速く、小走りするくらいの速度とした。
 図5は、移動体の軌道追跡性能の一例を示す図である。図5において、横軸はx座標であり、縦軸はy座標である。図5において、目標となる軌道(course)(以下「目標軌道」という)を太線で示し、従来の移動体の軌道(trajectory)を細線で示す。目標軌道は、振幅1[m]、周期約6[m]の小さな回避行動を内包したものである。このような軌道を想定することによって、人混みを避けることを想定できる。目標軌道は、時々刻々と変化する動的障害物(人)の将来の位置によって決まる。従って、移動体が目標軌道に追従できないことは、移動体が動的障害物(人)に衝突することを意味する。
 図5によれば、移動体の走行速度が速いために回転半径を小さくできていないことが分かる。その結果、移動体は、目標軌道には全く沿えてないどころか、位相が逆転してしまっているところもある。位相が逆転するということは、避けるべき人がいると想定される場所を通過していることになるので、回避に失敗していることに相当する。
 図6は、本実施形態に係る移動体の軌道追跡性能の一例を示す図である。図6では、Pure Pursuit則による軌道追跡に加え、ステアリングを切ることのできる台車(CCV)を用い、ステア制御により第2のキャロットを同時に追跡させた。図6において、横軸はx座標であり、縦軸はy座標である。図6において、目標軌道(course)を太線で示し、移動体100の軌道(trajectory)を細線で示す。目標軌道は、図5と同様に振幅1[m]、周期約6[m]の小さな回避行動を内包したものである。第1キャロットの追跡パラメータは、図5と同じ設定である。第2キャロットまでの距離は、0.5[m]、ステア角の最大値は24[deg](=0.42[rad])に設定した。
 図6によれば、位相遅れもなく軌道追跡ができていることが分かる。
 図7は、本実施形態に係る移動体の舵角制御の一例を示す図である。図7において、横軸は時間であり、縦軸は舵角である。図7によれば、移動体100が、目標軌道の振動に合わせて盛んに舵を切っているのが分かる。
(Performance of mobile body)
The trajectory tracking performance of the moving body 100 will be described. In order to compare the trajectory tracking performance of the conventional moving body (differential two-wheeled trolley with steering) and the moving body 100, a simulation based on a model formula was performed. Here, as an example, the track tracking result of the differential two-wheeled bogie according to the Pure Pursuit rule is shown. Tracking the trajectory of a differential two-wheeled trolley according to the Pure Pursuit law is commonly used in the field of robots. The Pure Pursuit law is a method of chasing a target (carrot) in orbit. The method of chasing carrots in orbit is also called carrot seek. In this simulation, the motion model of the robot is set to a differential two-wheeled trolley, and the distance to the target (carrot) is set to 2 [m]. The target speed was 3 [m / s] (about 11 [km / h]), which was considerably faster than the general walking speed, and was set to a speed sufficient for a short run.
FIG. 5 is a diagram showing an example of the trajectory tracking performance of the moving body. In FIG. 5, the horizontal axis is the x-coordinate and the vertical axis is the y-coordinate. In FIG. 5, the target trajectory (hereinafter referred to as “target trajectory”) is indicated by a thick line, and the trajectory of a conventional moving body is indicated by a thin line. The target orbit includes a small avoidance behavior with an amplitude of 1 [m] and a period of about 6 [m]. By assuming such an orbit, it can be assumed that crowds will be avoided. The target trajectory is determined by the future position of the dynamic obstacle (person), which changes from moment to moment. Therefore, the inability of the moving body to follow the target trajectory means that the moving body collides with a dynamic obstacle (person).
According to FIG. 5, it can be seen that the turning radius cannot be reduced because the traveling speed of the moving body is high. As a result, the moving body does not follow the target orbit at all, and in some cases, the phase is reversed. The fact that the phase is reversed means that the person has passed the place where it is assumed that there is a person to avoid, and thus it corresponds to the failure to avoid.
FIG. 6 is a diagram showing an example of the trajectory tracking performance of the moving body according to the present embodiment. In FIG. 6, in addition to the track tracking according to the Pure Pursuit rule, a dolly (CCV) capable of turning the steering wheel was used, and the second carrot was simultaneously tracked by steering control. In FIG. 6, the horizontal axis is the x-coordinate and the vertical axis is the y-coordinate. In FIG. 6, the target trajectory is shown by a thick line, and the trajectory of the moving body 100 is shown by a thin line. The target trajectory includes a small avoidance behavior having an amplitude of 1 [m] and a period of about 6 [m] as in FIG. The tracking parameters of the first carrot have the same settings as in FIG. The distance to the second carrot was set to 0.5 [m], and the maximum value of the steer angle was set to 24 [deg] (= 0.42 [rad]).
According to FIG. 6, it can be seen that the trajectory can be tracked without a phase delay.
FIG. 7 is a diagram showing an example of steering angle control of the moving body according to the present embodiment. In FIG. 7, the horizontal axis is time and the vertical axis is the rudder angle. According to FIG. 7, it can be seen that the moving body 100 is actively steering in accordance with the vibration of the target trajectory.
 ここで、シミュレーションに使用したモデル式の一例について説明する。
 図8は、モデル式の一例を説明するための図である。ここでは、一例として一輪車モデルについて説明する。
 図8は、目標軌道TTに対して、座標(x,y)に位置する移動体100が、所定の距離の点を目標点(carrot1(第1目標点)、carrot2(第2目標点))として、その点に到達するために、旋回制御を行う様子を示す。
 移動体100において、制御装置131が、carrot1を設定する方法について説明する。
 ロボットの速度V[m/s]のとき、T[s]経過後に到達可能な距離はV×T[m]である。このため、制御装置131は、一般的にL1[m]≒VTとなるように設定する。ここで、時間Tの間で差動により回頭可能な方位角変化量αは、最大回頭速度をωmaxとして、α=ωmax×Tで表される。αが目標軌道の最大曲率ρmaxよりも大きければ(α>ρmax)目標軌道をトレースできることになる。
 ロボット(移動体100)の前進速度Vが小さい場合にはこれを満たす解はあるが、Vが大きくなると満たす解がない場合がある。このため、トレーサビリティを上げるためにcarrot2を設定する。
 移動体100において、制御装置131が、carrot2を設定する方法について説明する。
 現在の位置からcarrot1までの距離をL1とし、現在の位置からcarrot2までの距離をL2とする。ロボット(移動体100)の舵角は、相対的に高速に変更可能である。このため、この目標までの距離L2は相対的に近くに置くことが可能である。つまり、L2<<L1が成り立つ。ただし、L2を近くしすぎる場合(L2が所定の閾値以下である場合)には、舵の切り方が激しく(大きく)なりすぎるため、ロボット(移動体100)が受ける加速度も大きくなるた。このため、制御装置131は、carrot2を、0<<L2<<L1を満たす適当な場所(位置)に設定する。
 Pure pursuitでは、図8に示すように、目標軌道TTの任意の点cxに対して、carrot1(xt1,yt1)と、carrot2(xt2,yt2)とが設定される。移動体100は、carrot1と、carrot2とを同時に追跡する。移動体100の目標速度は、前進速度vである。図8において、Ψはヨー角であり、δは舵の切り角(ステア角)である。
Here, an example of the model formula used for the simulation will be described.
FIG. 8 is a diagram for explaining an example of the model formula. Here, a unicycle model will be described as an example.
In FIG. 8, the moving body 100 located at the coordinates (x, y) with respect to the target trajectory TT sets a point at a predetermined distance as a target point (carrot 1 (first target point), carrot 2 (second target point)). A state in which turning control is performed in order to reach that point is shown.
A method in which the control device 131 sets the carrot 1 in the mobile body 100 will be described.
When the speed of the robot is V [m / s], the distance that can be reached after the elapse of T [s] is V × T [m]. Therefore, the control device 131 is generally set so that L1 [m] ≈VT. Here, the azimuth angle change amount α that can be turned differentially during the time T is represented by α = ωmax × T, where the maximum turning speed is ωmax. If α is larger than the maximum curvature ρmax of the target trajectory (α> ρmax), the target trajectory can be traced.
When the forward speed V of the robot (moving body 100) is small, there is a solution that satisfies this, but when V is large, there may be no solution that satisfies this. Therefore, carrot2 is set in order to improve traceability.
A method in which the control device 131 sets the carrot 2 in the mobile body 100 will be described.
Let L1 be the distance from the current position to carrot1 and L2 be the distance from the current position to carrot2. The steering angle of the robot (moving body 100) can be changed at a relatively high speed. Therefore, the distance L2 to this target can be placed relatively close. That is, L2 << L1 holds. However, when L2 is too close (when L2 is equal to or less than a predetermined threshold value), the rudder is turned too violently (larger), so that the acceleration received by the robot (moving body 100) also increases. Therefore, the control device 131 sets the carrot 2 to an appropriate place (position) that satisfies 0 << L2 << L1.
In the Pure pursuit, as shown in FIG. 8, carrot1 (xt1, yt1) and carrot2 (xt2, yt2) are set for an arbitrary point cx of the target orbit TT. The mobile 100 tracks carrot 1 and carrot 2 at the same time. The target speed of the moving body 100 is the forward speed v. In FIG. 8, Ψ is the yaw angle and δ is the steering angle (steering angle).
 更新式は、式(1)から式(4)で表される。ただし、|δ|≦|δmax|である。
 x=x+vcos(Ψ+δ)dt   (1)
 y=y+vsin(Ψ+δ)dt   (2)
 Ψ=Ψ+(dΨ/dt)dt   (3)
 v=v+adt   (4)
 carrot1に対して、回転角速度制御部136は、目標軌道上の第1目標点と本体105の方位との方位誤差をなくすように駆動輪の目標方位角速度を設定し、設定した目標方位角速度に基づいて差動による姿勢方位制御を行う。つまり、回転角速度制御部136は、目標軌道上の第1目標点と本体105の方位との方位誤差を減少させる駆動輪の目標方位角速度を設定し、設定した目標方位角速度に基づいて差動による姿勢方位制御を行う。
 carrot1に対して、移動体100との方位誤差αは、式(4)で表される。
 α=arctan((yt1-y)/(xt1-x))-Ψ   (4)
 carrot1と移動体100の中心と円で結んだ場合、旋回半径Rは、R=L/(2sinα)で表される。
 したがって、前進速度vを使用して、目標ヨーレートωdは式(5)で表される。ただし、Lはpursuit長(追跡長)、つまり現在地の位置から目標値までの距離である。
 ωd=(1/L)vα   (5)
 carrot2に対して、舵角制御部135は、目標軌道上の第2目標点に向けて駆動輪の目標舵角を設定し、設定した目標舵角に基づいてステアを調整することによる速度ベクトルの方向制御を行う。
 舵の切り角δは、式(6)で表される。ただし、δ≦δmaxである。
 δ=arctan((yt2-y)/(xt2-x))-Ψ   (6)
 移動体100は、差動による姿勢方位制御(ゆっくり大きな動き)と、ステアによる速度ベクトルの方向制御(高速で小さな動き)との2つの制御を共存させて同時に実施する。このように構成することによって、姿勢方位制御と、速度ベクトルの方向制御との2つの制御を共存させない場合と比較して、高い軌道追従性能を発揮できる。
The update formula is represented by formulas (1) to (4). However, | δ | ≤ | δmax |.
x = x + vcos (Ψ + δ) dt (1)
y = y + vsin (Ψ + δ) dt (2)
Ψ = Ψ + (dΨ / dt) dt (3)
v = v + dat (4)
With respect to carrot 1, the rotation angular velocity control unit 136 sets the target directional angular velocity of the drive wheels so as to eliminate the directional error between the first target point on the target orbit and the directional of the main body 105, and is based on the set target directional angular velocity. The attitude and direction are controlled by differential. That is, the rotation angular velocity control unit 136 sets the target directional angular velocity of the drive wheel that reduces the directional error between the first target point on the target orbit and the orientation of the main body 105, and differentially performs based on the set target directional angular velocity. Attitude Direction control is performed.
The orientation error α with respect to the moving body 100 with respect to carrot 1 is expressed by the equation (4).
α = arctan ((yt1-y) / (xt1-x))-Ψ (4)
When the carrot 1 and the center of the moving body 100 are connected by a circle, the turning radius R is represented by R = L / (2 sin α).
Therefore, using the forward speed v, the target yaw rate ωd is expressed by equation (5). However, L is the pursuit length (tracking length), that is, the distance from the current position to the target value.
ωd = (1 / L) vα (5)
With respect to carrot2, the steering angle control unit 135 sets the target steering angle of the drive wheels toward the second target point on the target trajectory, and adjusts the steering based on the set target steering angle to obtain the speed vector. Control the direction.
The turning angle δ of the rudder is expressed by the equation (6). However, δ ≦ δmax.
δ = arctan ((yt2-y) / (xt2-x))-Ψ (6)
The moving body 100 simultaneously performs two types of control, that is, the attitude and direction control by differential (slow and large movement) and the direction control of the velocity vector by steering (high speed and small movement). With this configuration, higher trajectory tracking performance can be exhibited as compared with the case where the attitude / direction control and the direction control of the velocity vector do not coexist.
 図8では、一輪車モデルに置き換えた場合について説明した。一輪車モデルは、4輪車におけるbicycle modelに相当する。実際には、移動体100には左右に駆動輪があるので、二つの駆動輪の各々について舵角を決定しなければならない。次に、二つの駆動輪について、舵角を決定する場合について説明する。
 図9は、モデル式の一例を説明するための図である。
 舵がない一般的な差動二輪台車が走行しながら回頭する場合には、その回転(旋回)中心は必ず左右の車輪の中心を結ぶ線の延長線上にある。しかし、移動体100は、舵を備えるため、実際の舵角がとりうる限界値に応じて、旋回中心は図9において、斜線で示された範囲の中にある。-δmax以上δmax以下である場合には、斜線で示された範囲に回転中心を置くことができる。図9において、舵の切り角δiと舵の切り角δ0は式(7)と式(8)で表される。ただし、|δi|<|δmax|である。
 δi=arctan(r×sinδ/(r×cosδ-(B/2))   (7)
 δ0=arctan(r×sinδ/(r×cosδ+(B/2))   (8)
 また、式(9)と式(10)とが成り立つ。
 ω=(1/L1)vα   (9)
 r=v/ω   (10)
 斜線で示された範囲に置かれた旋回中心をそれぞれの車輪の車軸が貫くように舵角を決定する。このように構成することによって、移動体100は、舵角による(その瞬間での)走行方位の決定と、ある回転中心を周る方位角速度(ヨーレート)の発生とを同時に行うことができる。
In FIG. 8, a case where the model is replaced with a unicycle model has been described. The unicycle model corresponds to the bicycle model in a four-wheeled vehicle. In reality, since the moving body 100 has drive wheels on the left and right, it is necessary to determine the steering angle for each of the two drive wheels. Next, a case where the steering angles of the two drive wheels are determined will be described.
FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the model formula.
When a general differential two-wheeled trolley without a rudder turns while traveling, its rotation (turning) center is always on an extension of the line connecting the centers of the left and right wheels. However, since the moving body 100 includes a rudder, the turning center is within the range shown by the diagonal line in FIG. 9, depending on the limit value that the actual rudder angle can take. When it is −δmax or more and δmax or less, the center of rotation can be placed in the range indicated by the diagonal line. In FIG. 9, the rudder turning angle δi and the rudder turning angle δ0 are represented by the equations (7) and (8). However, | δi | << | δmax |.
δi = arctan (r × sin δ / (r × cos δ- (B / 2)) (7)
δ0 = arctan (r × sin δ / (r × cos δ + (B / 2)) (8)
Further, the equation (9) and the equation (10) are established.
ω = (1 / L1) vα (9)
r = v / ω (10)
The steering angle is determined so that the axles of each wheel penetrate the turning center placed in the range indicated by the diagonal line. With this configuration, the moving body 100 can simultaneously determine the traveling direction (at that moment) by the steering angle and generate the directional angular velocity (yaw rate) around a certain rotation center.
 図10は、移動体の軌跡の一例を示す図である。図10は、一般的に用いられる差動二輪型台車などの移動体の軌跡の一例を示す。図10において、横軸は移動体の速度であり縦軸は移動体のY軸方向の軌跡である。黒色の実線は移動体の軌跡であり、薄い黒色の破線は黒色で示される移動体と比較して速度を1.5倍にした移動体の軌跡である。
 一般的に用いられる移動体は、左右の車輪の走行速度差によって方向を制御している。このため、一般的に用いられる移動体は、速度差をどれだけ早くつけられるかによって方位転換の速度が決定される。換言すれば、一般的に用いられる移動体は、トルクの大きさによって方位転換の速度が決定される。
 また、移動体の駆動には、DCモーター使用される。DCモーターは速度の増加に従って、リニアにトルクが減少する。図10に示すように、速度が1.5倍になった場合には、移動体100の軌跡の領域が減少する。よって、移動体の移動速度が高速になるほど、目標軌道への追従が困難になることが分かる。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a locus of a moving body. FIG. 10 shows an example of the locus of a moving body such as a commonly used differential two-wheeled trolley. In FIG. 10, the horizontal axis is the velocity of the moving body and the vertical axis is the locus of the moving body in the Y-axis direction. The solid black line is the locus of the moving body, and the light black broken line is the locus of the moving body whose speed is 1.5 times that of the moving body shown in black.
A commonly used moving body controls its direction by the difference in traveling speed between the left and right wheels. For this reason, in a commonly used moving body, the speed of directional change is determined by how fast the speed difference can be applied. In other words, in a commonly used moving body, the speed of directional change is determined by the magnitude of torque.
A DC motor is used to drive the moving body. The torque of the DC motor decreases linearly as the speed increases. As shown in FIG. 10, when the speed is increased by 1.5 times, the region of the locus of the moving body 100 decreases. Therefore, it can be seen that the higher the moving speed of the moving body, the more difficult it is to follow the target trajectory.
 図11は、本実施形態に係る移動体の軌跡の一例を示す図である。図11には、比較のために一般的に用いられる差動二輪型台車などの移動体の軌跡の一例も示す。図11において、横軸は移動体の速度であり縦軸は移動体のY軸方向の軌跡である。薄い黒色の破線は図10に黒色の実線で示した移動体と比較して速度を1.5倍にした移動体の軌跡であり、図11の黒色の実線は移動体100の軌跡である。移動体100は、ステアを調整する機構(操舵機構143-1と操舵機構143-2)を備える。図11に示すように、ステアによって移動体100の進行方向を任意に変えた場合には、移動体100の軌跡の領域が増大する。移動体100は、差動二輪と比較して、侵入可能な領域が格段に増加する。つまり、移動体100は、ステアによって舵角の制限はあるが、移動体の移動速度に関わらず、目標軌道への追従が容易になることが分かる。 FIG. 11 is a diagram showing an example of the locus of the moving body according to the present embodiment. FIG. 11 also shows an example of the locus of a moving body such as a differential two-wheeled trolley that is generally used for comparison. In FIG. 11, the horizontal axis is the velocity of the moving body and the vertical axis is the locus of the moving body in the Y-axis direction. The light black broken line is the locus of the moving body whose speed is 1.5 times that of the moving body shown by the black solid line in FIG. 10, and the black solid line in FIG. 11 is the locus of the moving body 100. The moving body 100 includes a mechanism for adjusting steering (steering mechanism 143-1 and steering mechanism 143-2). As shown in FIG. 11, when the traveling direction of the moving body 100 is arbitrarily changed by steering, the region of the locus of the moving body 100 increases. Compared with the differential two wheels, the mobile body 100 has a significantly increased area in which it can penetrate. That is, it can be seen that the moving body 100 can easily follow the target trajectory regardless of the moving speed of the moving body, although the steering angle is limited by the steering.
 前述した実施形態では、駆動機構140が、軸αに垂直な方向に全方向に移動可能な車輪Cを一以上備える場合について説明したが、この例に限られない。例えば、車輪Cの代わりに支持機構を一以上備えるようにしてもよい。
 前述した実施形態では、駆動輪の方向を変える場合に車軸γが軸αと同じ向きである場合について説明したが、この例に限られない。例えば、駆動輪の方向を変える場合に車軸γに連結された車輪γの方向を変化させてもよい。
 前述した実施形態において、移動体100が二つの駆動輪(駆動輪A、駆動輪B)に加えて、補助輪を備えてもよい。
 図12は、本実施形態に係る移動体の他の例を示す図である。図12は、移動体100に補助輪150を備えたものである。二つの駆動輪に加えて補助輪150を備えることによって、二つの駆動輪を備える場合と比較して、移動体100を安定させて移動させることができる。このため、移動体100が転倒してしまうことを減少させることができる。
 前述した実施形態では、一例としてPure Pursuit則を使用して制御される差動二輪型台車の軌道追跡結果について説明したが、この例に限られない。例えば、LQR(Linear Quadratic Regulator)、モデル予測制御などを使用して、移動体100を制御することも可能である。
 本実施形態に係る移動体100によれば、移動体100は、自律移動型であり、本体105と、電動機(電動機141-1、電動機141-2)によって駆動され本体105を移動させる二つの駆動輪(駆動輪A、駆動輪B)と、駆動輪同士の回転角速度に差を与えることにより本体105を回頭させる差動機構としての回転角速度制御部136と、駆動輪の舵角を駆動輪ごとに変化させる転舵機構としての舵角制御部135とを備える。このように構成することによって、駆動輪どうしの回転角速度に差を与えることにより本体105を回頭させるとともに、駆動輪の舵角を駆動輪ごとに変化させることができるため、移動体100の目標軌道に追従する能力を向上できる。
 また、差動機構は、駆動輪の接地面内の位置を旋回中心とする舵角を駆動輪ごとに変化させる。このように構成することによって、駆動輪の接地面内の位置を旋回中心としない場合と比較して、小さいトルクで迅速に舵を切ることができるため、移動体100のエネルギー効率を向上できる。
 また、目標軌道に沿って差動機構と転舵機構とを同時に制御する制御装置131としての制御部をさらに備える。このように構成することによって、移動体100において、差動機構は二つの駆動輪(駆動輪A、駆動輪B)の各々を異なる目標舵角で制御し、転舵機構は二つの駆動輪(駆動輪A、駆動輪B)の各々を異なる目標回転角速度で制御する。このため、移動体100に、迅速かつ小回りで障害物を回避させることができる。
 また、制御部は、目標軌道上の第1目標点と本体105の方位との方位誤差をなくすように駆動輪の目標方位角速度を設定し、目標軌道上の第2目標点に向けて駆動輪の目標舵角を設定する。このように構成することによって、第1目標点と第2目標点との2種類の異なる目標点において、第1目標点に対して目標方位角速度を設定し、第2目標点に対して目標舵角を設定できるため、差動機構と転舵機構とを同時に制御できる。
 また、制御部は、方位誤差、目標方位角速度及び目標舵角を、方位誤差をα、第1目標点を(xt1,yt1)、第2目標点を(xt2,yt2)、Ψをヨー角、wdを目標ヨーレート、Lを追跡長、前進速度をv、δを舵の切り角(ステア角)とした場合に、式(1)から式(3)
 α=arctan((yt1-y)/(xt1-x))-Ψ (1)
 ωd=(1/L)vα      (2)
 δ=arctan((yt2-y)/(xt2-x))-Ψ (3)
 に従って決める。ここで、vaを車体の前方向速度とした場合は、舵をδ切った車輪が走る速度vを用いて、va=v×cosδとなる。このように構成することによって、第1目標点に対して目標方位角速度を設定し、第2目標点に対して目標舵角を設定できる。
 また、移動方向視した場合の本体105の投影面積が、鉛直視した場合の本体105の投影面積よりも大きい。
 また、高さが、二つの駆動輪をつなぐ軸の幅よりも長い。このように構成することによって、人間が存在する環境で走行する場合に、人間から認識されやすくできる。
In the above-described embodiment, the case where the drive mechanism 140 includes one or more wheels C that can move in all directions in the direction perpendicular to the axis α has been described, but the present invention is not limited to this example. For example, one or more support mechanisms may be provided instead of the wheel C.
In the above-described embodiment, the case where the axle γ is in the same direction as the axis α when the direction of the drive wheels is changed has been described, but the present invention is not limited to this example. For example, when changing the direction of the drive wheels, the direction of the wheels γ connected to the axle γ may be changed.
In the above-described embodiment, the moving body 100 may include training wheels in addition to the two drive wheels (drive wheels A and drive wheels B).
FIG. 12 is a diagram showing another example of the moving body according to the present embodiment. FIG. 12 shows a moving body 100 provided with training wheels 150. By providing the auxiliary wheels 150 in addition to the two drive wheels, the moving body 100 can be stably moved as compared with the case where the two drive wheels are provided. Therefore, it is possible to reduce the possibility that the moving body 100 falls over.
In the above-described embodiment, the track tracking result of the differential two-wheeled trolley controlled by using the Pure Pursuit law has been described as an example, but the present invention is not limited to this example. For example, it is also possible to control the moving body 100 by using LQR (Linear Quadratic Regulator), model prediction control, or the like.
According to the moving body 100 according to the present embodiment, the moving body 100 is an autonomous moving type, and is driven by a main body 105 and an electric motor (electric motor 141-1, electric motor 141-2) to move the main body 105. The wheels (drive wheels A, drive wheels B), the rotational angular velocity control unit 136 as a differential mechanism that turns the main body 105 by giving a difference in the rotational angular velocities between the drive wheels, and the steering angle of the drive wheels for each drive wheel. It is provided with a steering angle control unit 135 as a steering mechanism that changes the steering angle to. With this configuration, the main body 105 can be turned by giving a difference in the rotational angular velocities of the drive wheels, and the steering angle of the drive wheels can be changed for each drive wheel. Therefore, the target trajectory of the moving body 100 can be changed. Can improve the ability to follow.
Further, the differential mechanism changes the steering angle with the position of the drive wheels in the contact patch as the turning center for each drive wheel. With such a configuration, the energy efficiency of the moving body 100 can be improved because the steering can be quickly turned with a small torque as compared with the case where the position of the drive wheel in the contact patch is not set as the turning center.
Further, a control unit as a control device 131 that simultaneously controls the differential mechanism and the steering mechanism along the target trajectory is further provided. With this configuration, in the moving body 100, the differential mechanism controls each of the two drive wheels (drive wheels A and drive wheels B) at different target steering angles, and the steering mechanism controls the two drive wheels (drive wheels A and drive wheels B). Each of the drive wheels A and the drive wheels B) is controlled at different target rotational angular velocities. Therefore, the moving body 100 can avoid obstacles quickly and in a small turn.
Further, the control unit sets the target directional angle velocity of the drive wheels so as to eliminate the directional error between the first target point on the target orbit and the orientation of the main body 105, and the drive wheels are directed toward the second target point on the target orbit. Set the target steering angle of. With this configuration, at two different target points, the first target point and the second target point, the target azimuth angular velocity is set with respect to the first target point, and the target rudder is set with respect to the second target point. Since the angle can be set, the differential mechanism and the steering mechanism can be controlled at the same time.
Further, the control unit sets the azimuth error, the target azimuth angular velocity and the target rudder angle, the azimuth error is α, the first target point is (xt1, yt1), the second target point is (xt2, yt2), and Ψ is the yaw angle. Equations (1) to (3), where wd is the target yaw rate, L is the tracking length, forward speed is v, and δ is the steering angle (steering angle).
α = arctan ((yt1-y) / (xt1-x))-Ψ (1)
ωd = (1 / L) vα (2)
δ = arctan ((yt2-y) / (xt2-x))-Ψ (3)
Decide according to. Here, when va is the forward speed of the vehicle body, va = v × cos δ using the speed v at which the wheel with the rudder turned δ runs. With this configuration, the target azimuth angular velocity can be set for the first target point, and the target steering angle can be set for the second target point.
Further, the projected area of the main body 105 when viewed in the moving direction is larger than the projected area of the main body 105 when viewed vertically.
Also, the height is longer than the width of the shaft connecting the two drive wheels. With such a configuration, when traveling in an environment in which a human exists, it can be easily recognized by the human.
 (実施形態の変形例)
 (移動体)
 図13は、実施形態の変形例に係る移動体の外観図である。実施形態の変形例に係る移動体100aは、サーバ200が送信した進路情報を受信し、受信した進路情報を、予め与えられた速度プロファイル又は自動生成された速度プロファイルに追従するように自律走行を行う。
 移動体100aは、ネットワークNWを介して、サーバ200と接続される。ネットワークNWは、例えば、インターネット、WAN(Wide Area Network)、LAN(Local Area Network)、プロバイダ装置、無線基地局などを含む。
 移動体100aは、本体105と測距部110と通信部120とコントローラ130と駆動機構140と補助輪150と慣性計測部160と通信部170と撮像部180と奥行検出部190とを備える。
 本体105は、移動体100の筐体であり、測距部110と通信部120とコントローラ130と駆動機構140と慣性計測部160と通信部170と撮像部180と奥行検出部190とを格納する。
(Modified example of the embodiment)
(Mobile)
FIG. 13 is an external view of a moving body according to a modified example of the embodiment. The moving body 100a according to the modified example of the embodiment receives the course information transmitted by the server 200, and autonomously travels so that the received course information follows a speed profile given in advance or an automatically generated speed profile. conduct.
The mobile body 100a is connected to the server 200 via the network NW. The network NW includes, for example, the Internet, a WAN (Wide Area Network), a LAN (Local Area Network), a provider device, a radio base station, and the like.
The moving body 100a includes a main body 105, a distance measuring unit 110, a communication unit 120, a controller 130, a drive mechanism 140, training wheels 150, an inertial measurement unit 160, a communication unit 170, an imaging unit 180, and a depth detection unit 190.
The main body 105 is a housing of the moving body 100, and stores a distance measuring unit 110, a communication unit 120, a controller 130, a drive mechanism 140, an inertial measurement unit 160, a communication unit 170, an imaging unit 180, and a depth detection unit 190. ..
 測距部110は、移動体100aの周辺に存在する人、物などの障害物との間の距離を測定する。測距部110の一例は、三次元LiDAR(Light Detection and Ranging)である。三次元LiDARは、パルス状に発光するレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離やその対象の性質を分析する。
 通信部120は、通信モジュールによって実現される。通信部120は、ネットワークNWを介して、サーバ200などの外部の通信装置と通信する。通信部120は、例えばLTE(登録商標)などの無線通信方式で通信する。通信部120は、ネットワークNWを介してサーバ200と通信するために必要な通信情報を保持する。通信部120は、サーバ200が送信した進路情報通知を受信する。
 慣性計測部160は、移動体100aの角速度、加速度を検出して、移動体100aの速度、移動距離、位置を導出する。慣性計測部160の一例は、3軸のジャイロと3方向の加速度計とを備える。慣性計測部160は、3軸のジャイロと3方向の加速度計とによって3次元の角速度と加速度とを導出する。慣性計測部160は、導出した3次元の角速度と加速度とに基づいて、移動体100aの速度、移動距離、位置を導出する。
 通信部170は、通信モジュールによって実現される。通信部170は、ネットワークNWを介して、サーバ200などの外部の通信装置と通信する。通信部170は、例えば無線LAN、ブルートゥース(登録商標)などの無線通信方式で通信する。通信部170は、ネットワークNWを介してサーバ200と通信するために必要な通信情報を保持する。通信部170は、サーバ200が送信した進路情報通知を受信する。
 撮像部180は、移動体100aの周辺を撮像する。撮像部180の一例は、高精細カメラである。
 奥行検出部190は、移動体100aの周辺の人、物などの障害物の奥行きを検出する。奥行検出部190の一例は、360°デプスカメラである。
The distance measuring unit 110 measures the distance between an obstacle such as a person or an object existing around the moving body 100a. An example of the ranging unit 110 is a three-dimensional LiDAR (Light Detection and Ranging). Three-dimensional LiDAR measures scattered light with respect to laser irradiation that emits pulsed light, and analyzes the distance to an object at a long distance and the properties of the object.
The communication unit 120 is realized by a communication module. The communication unit 120 communicates with an external communication device such as the server 200 via the network NW. The communication unit 120 communicates by a wireless communication method such as LTE (registered trademark). The communication unit 120 holds communication information necessary for communicating with the server 200 via the network NW. The communication unit 120 receives the route information notification transmitted by the server 200.
The inertial measurement unit 160 detects the angular velocity and acceleration of the moving body 100a and derives the speed, moving distance, and position of the moving body 100a. An example of the inertial measurement unit 160 includes a three-axis gyro and a three-direction accelerometer. The inertial measurement unit 160 derives a three-dimensional angular velocity and acceleration by using a three-axis gyro and a three-direction accelerometer. The inertial measurement unit 160 derives the velocity, moving distance, and position of the moving body 100a based on the derived three-dimensional angular velocity and acceleration.
The communication unit 170 is realized by a communication module. The communication unit 170 communicates with an external communication device such as the server 200 via the network NW. The communication unit 170 communicates by a wireless communication method such as a wireless LAN or Bluetooth (registered trademark). The communication unit 170 holds communication information necessary for communicating with the server 200 via the network NW. The communication unit 170 receives the route information notification transmitted by the server 200.
The imaging unit 180 images the periphery of the moving body 100a. An example of the image pickup unit 180 is a high-definition camera.
The depth detection unit 190 detects the depth of obstacles such as people and objects around the moving body 100a. An example of the depth detection unit 190 is a 360 ° depth camera.
 図14は、実施形態の変形例に係る移動体を示す図である。前述したように、実施形態に係る移動体100aは、本体105と測距部110と通信部120とコントローラ130と駆動機構140と補助輪150と慣性計測部160と通信部170と撮像部180と奥行検出部190とを備える。
 コントローラ130は、制御装置131aと、走行条件取得部132aと、受付部133と、処理部134と、位置姿勢推定部137とを備える。
 位置姿勢推定部137は、測距部110から移動体100aの周辺に存在する机、椅子、壁などの静的障害物との間の距離の測定結果と、歩行する人間などの動的障害物との間の距離の測定結果とを取得する。位置姿勢推定部137は、慣性計測部160から移動体100aの速度、移動距離、位置を導出した結果を取得する。位置姿勢推定部137は、奥行検出部190から移動体100aの周辺に存在する人、物などの障害物の奥行きの検出結果を取得する。位置姿勢推定部137は、取得した移動体100aの周辺に存在する静的障害物との間の距離の測定結果と、動的障害物との間の距離の測定結果と移動体100aの速度、移動距離、位置を導出した結果と移動体100aの周辺に存在する障害物の奥行きの検出結果とに基づいて、移動体100aの位置と姿勢とを推定する。
 受付部133は、通信部120又は通信部170が受信した進路情報通知を取得し、取得した進路情報通知を受け付ける。
FIG. 14 is a diagram showing a moving body according to a modified example of the embodiment. As described above, the moving body 100a according to the embodiment includes the main body 105, the distance measuring unit 110, the communication unit 120, the controller 130, the drive mechanism 140, the training wheels 150, the inertial measurement unit 160, the communication unit 170, and the imaging unit 180. It is provided with a depth detection unit 190.
The controller 130 includes a control device 131a, a traveling condition acquisition unit 132a, a reception unit 133, a processing unit 134, and a position / orientation estimation unit 137.
The position / posture estimation unit 137 measures the distance between the distance measuring unit 110 and static obstacles such as desks, chairs, and walls existing around the moving body 100a, and dynamic obstacles such as walking humans. Obtain the measurement result of the distance between and. The position / orientation estimation unit 137 acquires the result of deriving the velocity, the moving distance, and the position of the moving body 100a from the inertial measurement unit 160. The position / orientation estimation unit 137 acquires the detection result of the depth of an obstacle such as a person or an object existing around the moving body 100a from the depth detection unit 190. The position / posture estimation unit 137 measures the distance between the acquired moving body 100a and the static obstacle, the measurement result of the distance between the moving body and the dynamic obstacle, and the speed of the moving body 100a. The position and posture of the moving body 100a are estimated based on the result of deriving the moving distance and the position and the detection result of the depth of the obstacle existing around the moving body 100a.
The reception unit 133 acquires the route information notification received by the communication unit 120 or the communication unit 170, and receives the acquired route information notification.
 制御装置131aは、舵角制御部135aと、回転角速度制御部136aとを備える。
 舵角制御部135aは、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。
 舵角制御部135aは、位置姿勢推定部137から移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果を取得する。舵角制御部135aは、受付部133から進路情報通知を取得する。舵角制御部135aは、取得した進路情報通知に含まれる進路情報を取得する。
 舵角制御部135aは、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報と移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果と進路情報とに基づいて、駆動輪Aの目標舵角Aと駆動輪Bの目標舵角Bを導出する。舵角制御部135は、導出した目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する。
The control device 131a includes a steering angle control unit 135a and a rotation angular velocity control unit 136a.
The steering angle control unit 135a outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired.
The steering angle control unit 135a acquires the result of estimating the position and attitude of the moving body 100a from the position / attitude estimation unit 137. The steering angle control unit 135a acquires the course information notification from the reception unit 133. The steering angle control unit 135a acquires the course information included in the acquired course information notification.
The steering angle control unit 135a includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1, the information indicating the steering angle δ2 of the driving wheel B, the result of estimating the position and orientation of the moving body 100a, and the course information, the target steering angle A of the driving wheel A and the driving wheel B The target rudder angle B is derived. The steering angle control unit 135 outputs the derived information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and outputs the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2.
 回転角速度制御部136aは、位置姿勢推定部137から移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果を取得する。舵角制御部135aは、受付部133から進路情報通知を取得する。回転角速度制御部136aは、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。
 回転角速度制御部136aは、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報と移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果と進路情報とに基づいて、駆動輪Aの目標回転角速度Aと駆動輪Bの目標回転角速度Bを導出する。回転角速度制御部136aは、導出した目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する。
The rotation angular velocity control unit 136a acquires the result of estimating the position and attitude of the moving body 100a from the position / orientation estimation unit 137. The steering angle control unit 135a acquires the course information notification from the reception unit 133. The rotation angular velocity control unit 136a outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired.
The rotation angular velocity control unit 136a includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1, the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B, the result of estimating the position and orientation of the moving body 100a, and the course information, the target rotational angular velocity A of the drive wheel A and the drive wheel B The target rotational angular velocity B is derived. The rotation angular velocity control unit 136a outputs the derived control information for controlling at the target rotation angular velocity A to the motor 141-1 and outputs the control information for controlling at the target rotation angular velocity B to the motor 141-2.
 (移動体の動作)
 図15は、実施形態の変形例に係る移動体の動作の一例を示す図である。ここでは、移動体100aが無線LANを使用できる環境に位置している場合について説明する。
 (ステップS1-2)
 サーバ200は、移動体100aの進路情報を取得する。
 (ステップS2-2)
 サーバ200は、取得した移動体100aの進路情報と含む、移動体100aを宛先とする進路情報通知を作成する。
 (ステップS3-2)
 サーバ200は、作成した進路情報通知を移動体100aへ送信する。
 (ステップS4-2)
 移動体100aにおいて、通信部170は、サーバ200が送信した進路情報通知を受信する。
 (ステップS5-2)
 移動体100aにおいて、受付部133は、通信部170が受信した進路情報通知を受け付ける。制御装置131aは、受付部133が受け付けた進路情報通知を取得する。制御装置131aは、取得した進路情報通知に含まれる進路情報を取得する。
 (ステップS6-2)
 移動体100aにおいて、位置姿勢推定部137は、測距部110から移動体100aの周辺に存在する静的障害物との間の距離の測定結果と、動的障害物との間の距離の測定結果とを取得する。位置姿勢推定部137は、慣性計測部160から移動体100aの速度、移動距離、位置を導出した結果を取得する。位置姿勢推定部137は、奥行検出部190から移動体100aの周辺に存在する人、物などの障害物の奥行きの検出結果を取得する。位置姿勢推定部137は、取得した移動体100aの周辺に存在する静的障害物との間の距離の測定結果と、動的障害物との間の距離の測定結果と移動体100aの速度、移動距離、位置を導出した結果と移動体100aの周辺に存在する障害物の奥行きの検出結果とに基づいて、移動体100aの位置と姿勢とを推定する。
(Movement of moving body)
FIG. 15 is a diagram showing an example of the operation of the moving body according to the modified example of the embodiment. Here, a case where the mobile body 100a is located in an environment where a wireless LAN can be used will be described.
(Step S1-2)
The server 200 acquires the course information of the mobile body 100a.
(Step S2-2)
The server 200 creates a course information notification destined for the mobile body 100a, including the acquired course information of the mobile body 100a.
(Step S3-2)
The server 200 transmits the created route information notification to the mobile body 100a.
(Step S4-2)
In the mobile body 100a, the communication unit 170 receives the route information notification transmitted by the server 200.
(Step S5-2)
In the mobile body 100a, the reception unit 133 receives the route information notification received by the communication unit 170. The control device 131a acquires the course information notification received by the reception unit 133. The control device 131a acquires the course information included in the acquired course information notification.
(Step S6-2)
In the moving body 100a, the position / orientation estimation unit 137 measures the distance measurement result between the distance measuring unit 110 and the static obstacle existing around the moving body 100a and the distance between the dynamic obstacle and the moving body 100a. Get the result and. The position / orientation estimation unit 137 acquires the result of deriving the velocity, the moving distance, and the position of the moving body 100a from the inertial measurement unit 160. The position / orientation estimation unit 137 acquires the detection result of the depth of an obstacle such as a person or an object existing around the moving body 100a from the depth detection unit 190. The position / posture estimation unit 137 measures the distance between the acquired moving body 100a and the static obstacle, the measurement result of the distance between the moving body and the dynamic obstacle, and the speed of the moving body 100a. The position and posture of the moving body 100a are estimated based on the result of deriving the moving distance and the position and the detection result of the depth of the obstacle existing around the moving body 100a.
 (ステップS7-2)
 移動体100aにおいて、走行条件取得部132は、エンコーダ142-1が出力した電動機141-1の回転速度n1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、エンコーダ142-2が出力した電動機141-2の回転速度n2を示す情報を取得する。
 (ステップS8-2)
 移動体100aにおいて、走行条件取得部132は、操舵機構143-1が出力した駆動輪Aの舵角(ステア角)δ1を示す情報を取得する。走行条件取得部132は、操舵機構143-2が出力した駆動輪Bの舵角(ステア角)δ2を示す情報を取得する。
 (ステップS9-2)
 移動体100aにおいて、走行条件取得部132は、取得した電動機141-1の回転速度n1を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Aの前進速度V1と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω1とを導出する。走行条件取得部132は、取得した電動機141-2の回転速度n2を示す情報に基づいて、移動体100の駆動輪Bの前進速度V2と移動体100を回頭させる場合の速度である回頭速度ω2とを導出する。
 (ステップS10-2)
 移動体100aにおいて、走行条件取得部132は、導出した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報とを制御装置131aに出力する。走行条件取得部132は、取得した駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを制御装置131aに出力する。
 舵角制御部135aは、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。舵角制御部135aは、位置姿勢推定部137から移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果を取得する。舵角制御部135aは、進路情報を取得する。
 舵角制御部135aは、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報と移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果と進路情報とに基づいて、駆動輪Aの目標舵角Aと駆動輪Bの目標舵角Bを導出する。
(Step S7-2)
In the moving body 100a, the traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1 output by the encoder 142-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2 output by the encoder 142-2.
(Step S8-2)
In the moving body 100a, the traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ1 of the drive wheels A output by the steering mechanism 143-1. The traveling condition acquisition unit 132 acquires information indicating the steering angle (steering angle) δ2 of the drive wheels B output by the steering mechanism 143-2.
(Step S9-2)
In the moving body 100a, the traveling condition acquisition unit 132 rotates the forward speed V1 of the drive wheel A of the moving body 100 and the moving body 100 based on the acquired information indicating the rotation speed n1 of the electric motor 141-1. The turning speed ω1 is derived. Based on the acquired information indicating the rotation speed n2 of the electric motor 141-2, the traveling condition acquisition unit 132 advances the forward speed V2 of the drive wheels B of the moving body 100 and the turning speed ω2 which is the speed at which the moving body 100 is turned. And derive.
(Step S10-2)
In the moving body 100a, the traveling condition acquisition unit 132 includes the derived information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and the information indicating the turning speed ω2. Is output to the control device 131a. The traveling condition acquisition unit 132 outputs the acquired information indicating the steering angle δ1 of the drive wheels A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheels B to the control device 131a.
The steering angle control unit 135a outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The steering angle control unit 135a acquires the result of estimating the position and attitude of the moving body 100a from the position / attitude estimation unit 137. The steering angle control unit 135a acquires course information.
The steering angle control unit 135a includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1, the information indicating the steering angle δ2 of the driving wheel B, the result of estimating the position and orientation of the moving body 100a, and the course information, the target steering angle A of the driving wheel A and the driving wheel B The target rudder angle B is derived.
 (ステップS11-2)
 移動体100aにおいて、舵角制御部135aは、導出した目標舵角Aを示す情報を操舵機構143-1へ出力し、目標舵角Bを示す情報を操舵機構143-2へ出力する。
 操舵機構143-1は、制御装置131aが出力する駆動輪Aの目標舵角Aを示す情報を取得する。操舵機構143-1は、取得した目標舵角Aを示す情報に基づいて、駆動輪Aのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
 操舵機構143-2は、制御装置131aが出力する駆動輪Bの目標舵角Bを示す情報を取得する。操舵機構143-2は、取得した目標舵角Bを示す情報に基づいて、駆動輪Bのステアリングアクチュエータの操舵角を変更する。
 (ステップS12-2)
 回転角速度制御部136aは、走行条件取得部132が出力した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報とを取得する。舵角制御部135aは、位置姿勢推定部137から移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果を取得する。舵角制御部135aは、進路情報を取得する。
 回転角速度制御部136aは、取得した駆動輪Aの前進速度V1を示す情報と回頭速度ω1を示す情報と駆動輪Bの前進速度V2を示す情報と回頭速度ω2を示す情報と駆動輪Aの舵角δ1を示す情報と駆動輪Bの舵角δ2を示す情報と移動体100aの位置と姿勢とを推定した結果と進路情報とに基づいて、駆動輪Aの目標回転角速度Aと駆動輪Bの目標回転角速度Bを導出する。回転角速度制御部136は、導出した目標回転角速度Aで制御するための制御情報を電動機141-1へ出力し、目標回転角速度Bで制御するための制御情報を電動機141-2へ出力する。
 (ステップS13-2)
 電動機141-1は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-1は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Aを駆動させる。
 電動機141-2は、制御装置131が出力した制御情報を取得する。電動機141-2は、取得した制御情報に基づいて駆動輪Bを駆動させる。
(Step S11-2)
In the moving body 100a, the steering angle control unit 135a outputs the derived information indicating the target steering angle A to the steering mechanism 143-1 and outputs the information indicating the target steering angle B to the steering mechanism 143-2.
The steering mechanism 143-1 acquires information indicating the target steering angle A of the drive wheels A output by the control device 131a. The steering mechanism 143-1 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel A based on the acquired information indicating the target steering angle A.
The steering mechanism 143-2 acquires information indicating a target steering angle B of the drive wheels B output by the control device 131a. The steering mechanism 143-2 changes the steering angle of the steering actuator of the drive wheel B based on the acquired information indicating the target steering angle B.
(Step S12-2)
The rotation angular velocity control unit 136a outputs information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, information indicating the turning speed ω1, information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, and information indicating the turning speed ω2 output by the traveling condition acquisition unit 132. And the information indicating the steering angle δ1 of the drive wheel A and the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B are acquired. The steering angle control unit 135a acquires the result of estimating the position and attitude of the moving body 100a from the position / attitude estimation unit 137. The steering angle control unit 135a acquires course information.
The rotation angular velocity control unit 136a includes the acquired information indicating the forward speed V1 of the drive wheel A, the information indicating the turning speed ω1, the information indicating the forward speed V2 of the drive wheel B, the information indicating the turning speed ω2, and the steering of the drive wheel A. Based on the information indicating the angle δ1, the information indicating the steering angle δ2 of the drive wheel B, the result of estimating the position and orientation of the moving body 100a, and the course information, the target rotational angular velocity A of the drive wheel A and the drive wheel B The target rotational angular velocity B is derived. The rotation angular velocity control unit 136 outputs the derived control information for controlling at the target rotation angular velocity A to the motor 141-1 and outputs the control information for controlling at the target rotation angular velocity B to the motor 141-2.
(Step S13-2)
The electric motor 141-1 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-1 drives the drive wheels A based on the acquired control information.
The electric motor 141-2 acquires the control information output by the control device 131. The electric motor 141-2 drives the drive wheels B based on the acquired control information.
 ここで、移動体100aが受ける加速度と姿勢角制御について説明する。移動体100aは、走行速度の変化、旋回およびステアリングが制御されることにより並進加速度を受ける。移動体100aは、前後左右に姿勢角を調整する機能を有する。移動体100aは、この機能を用いてZMP(Zero Moment Point)制御を行う。移動体100aの回転角速度制御部136aは、加速度のx方向成分とy方向成分とを導出する。
 図16は、移動体が受ける加速度の例1を説明するための図である。図16において、移動体100aが向いている方向はNoseであり、駆動輪の舵角はδであり、移動体100aは速度v、走行加速度aでc2の方向に移動している。移動体100aの向心加速度をacとする。この場合、移動体100aの前後の揺れ方向であるSurge方向の加速度axは式(11)で表され、移動体100aの左右の揺れ方向であるSway方向の加速度ayは式(12)で表される。
 ax=a×cosδ-ac×sinδ   (11)
 ay=a×sinδ+ac×cosδ   (12)
 図17は、移動体が受ける加速度の例2を説明するための図である。図16において、Ψは移動体100aのヨー角を示し、ωは移動体100aの回頭速度である。移動体100aの向心角速度acは、式(13)で表される。
 ac=v×ω   (13)
Here, the acceleration received by the moving body 100a and the posture angle control will be described. The moving body 100a receives translational acceleration by controlling changes in traveling speed, turning, and steering. The moving body 100a has a function of adjusting the posture angle in the front-rear and left-right directions. The mobile body 100a uses this function to perform ZMP (Zero Moment Point) control. The rotation angular velocity control unit 136a of the moving body 100a derives the x-direction component and the y-direction component of the acceleration.
FIG. 16 is a diagram for explaining Example 1 of the acceleration received by the moving body. In FIG. 16, the direction in which the moving body 100a is facing is Nose, the steering angle of the drive wheels is δ, and the moving body 100a is moving in the direction of c2 at the speed v and the traveling acceleration a. Let ac be the centripetal acceleration of the moving body 100a. In this case, the acceleration ax in the Surge direction, which is the front-back shaking direction of the moving body 100a, is expressed by the equation (11), and the acceleration ay in the Way direction, which is the left-right shaking direction of the moving body 100a, is expressed by the equation (12). NS.
ax = a × cosδ-ac × sinδ (11)
ay = a × sinδ + ac × cosδ (12)
FIG. 17 is a diagram for explaining Example 2 of the acceleration received by the moving body. In FIG. 16, Ψ indicates the yaw angle of the moving body 100a, and ω is the turning speed of the moving body 100a. The centripetal angular velocity ac of the moving body 100a is represented by the equation (13).
ac = v × ω (13)
 図18は、移動体が受ける加速度の例3を説明するための図である。図18は、ステアリング角の変化と移動体100aが受ける加速度との関係を示す。図18において、上図は時間とステアリング角との関係を示す。上図において、横軸は時間[s]であり、縦軸はステアリング角(δ)[rad]である。下図は時間と加速度との関係を示す。下図において、横軸は時間[s]であり、縦軸は加速度[m/s2]である。加速度については、Surge成分(accel-x)とSway成分(accel-y)とを示す。図18によれば、Sway成分は、ステアリング角に追従していることが分かる。
 図19は、移動体の姿勢角の一例を説明するための図である。図19は、ZMPが移動体100aの中心に一致するときの姿勢角を示す。図19において、上図は時間とピッチ角との関係を示す。上図において、横軸は時間[s]であり、縦軸はピッチ角[deg]である。下図は時間とローリング各との関係を示す。下図において、横軸は時間[s]であり、縦軸はローリング角[deg]である。図19は、加速するときは前傾、減速するときは後傾、右旋回するときは右傾する等の様子が示されている。シミュレーションは、3m/sと、移動体100aとしては比較的高速に走行させたときの状態を示している。図19によれば、ピッチ角で最大約10度、ロール角で約20度という大きな姿勢角調節が必要となるのが分かる。
FIG. 18 is a diagram for explaining Example 3 of the acceleration received by the moving body. FIG. 18 shows the relationship between the change in the steering angle and the acceleration received by the moving body 100a. In FIG. 18, the upper figure shows the relationship between time and steering angle. In the above figure, the horizontal axis is the time [s] and the vertical axis is the steering angle (δ) [rad]. The figure below shows the relationship between time and acceleration. In the figure below, the horizontal axis is time [s] and the vertical axis is acceleration [m / s2]. Regarding the acceleration, a Surge component (accel-x) and a Sway component (accel-y) are shown. According to FIG. 18, it can be seen that the Way component follows the steering angle.
FIG. 19 is a diagram for explaining an example of the posture angle of the moving body. FIG. 19 shows the posture angle when the ZMP coincides with the center of the moving body 100a. In FIG. 19, the upper figure shows the relationship between time and pitch angle. In the above figure, the horizontal axis is time [s] and the vertical axis is pitch angle [deg]. The figure below shows the relationship between time and rolling. In the figure below, the horizontal axis is time [s] and the vertical axis is rolling angle [deg]. FIG. 19 shows a state of tilting forward when accelerating, tilting backward when decelerating, tilting to the right when turning right, and the like. The simulation shows a state when the moving body 100a is driven at a relatively high speed of 3 m / s. According to FIG. 19, it can be seen that a large posture angle adjustment of a maximum of about 10 degrees for the pitch angle and about 20 degrees for the roll angle is required.
 前述した実施形態の変形例では、移動体100aが、サーバ200が送信した進路情報に追従するように自律走行を行う場合について説明したが、この例に限られない。例えば、移動体100aが、予め設定した経路又は自動生成した経路を、予め与えられた速度プロファイル又は自動生成された速度プロファイルに追従するように自律走行を行うように構成してもよい。
 前述した実施形態の変形例では、移動体100aの姿勢を変化させるときの反動としてのモーメントを考慮していないが、考慮してもよい。実際には移動体100aを傾斜させると、その反動としてのモーメントが発生する。高速に姿勢変化をする場合、無視できないほどの大きなモーメントが発生し、移動体100aが不安定になる可能性がある。
 前述した実施形態の変形例では、移動体100aの姿勢を変化させるときのコリオリ力を考慮していないが、考慮してもよい。移動体100aが旋回しながら姿勢を急激に変化させるとそれぞれの回転軸に直行する向きにモーメントが発生する(=コリオリの力)。例えば、旋回しながらピッチするとロールモーメントが旋回しながらロールするとピッチングモーメントがそれぞれ発生する。これにより急激に姿勢変化をさせると移動体100aが影響は比較的軽微だと思われるが不安定になる可能性がある。
 実施形態の変形例に係る移動体100aによれば、実施形態の移動体100において、制御部は、移動体100aの目標進路を示す進路情報と、駆動輪の移動速度と、本体105の回頭速度と、駆動輪の舵角とに基づいて、駆動輪の目標回転角速度と、駆動輪の目標舵角とを算出する。このように構成することによって、移動体100aの目標進路を示す進路情報にさらに基づいて、駆動輪の目標回転角速度と、駆動輪の目標舵角とを算出するできるため、移動体100aに目標進路を取らせることができる。
 さらに、本体105の姿勢を制御する姿勢制御装置としての位置姿勢推定部137および制御装置131aをさらに備える。このように構成することによって、移動体100aの姿勢を安定させることができる。
In the modified example of the above-described embodiment, the case where the mobile body 100a autonomously travels so as to follow the course information transmitted by the server 200 has been described, but the present invention is not limited to this example. For example, the moving body 100a may be configured to autonomously travel on a preset route or an automatically generated route so as to follow a preset speed profile or an automatically generated speed profile.
In the modified example of the above-described embodiment, the moment as a reaction when changing the posture of the moving body 100a is not considered, but it may be considered. Actually, when the moving body 100a is tilted, a moment as a reaction is generated. When the posture is changed at high speed, a large moment that cannot be ignored may be generated, and the moving body 100a may become unstable.
In the modified example of the above-described embodiment, the Coriolis force when changing the posture of the moving body 100a is not considered, but it may be considered. When the moving body 100a suddenly changes its posture while turning, a moment is generated in the direction perpendicular to each rotation axis (= Coriolis force). For example, when pitching while turning, a roll moment is generated, and when rolling while turning, a pitching moment is generated. As a result, if the posture is suddenly changed, the effect of the moving body 100a seems to be relatively minor, but it may become unstable.
According to the moving body 100a according to the modified example of the embodiment, in the moving body 100 of the embodiment, the control unit includes the course information indicating the target course of the moving body 100a, the moving speed of the driving wheels, and the turning speed of the main body 105. And the target rotation angular velocity of the drive wheels and the target steering angle of the drive wheels are calculated based on the steering angle of the drive wheels. With this configuration, the target rotation angular velocity of the driving wheels and the target steering angle of the driving wheels can be calculated based on the course information indicating the target course of the moving body 100a. Therefore, the target course of the moving body 100a can be calculated. Can be taken.
Further, a position / orientation estimation unit 137 and a control device 131a as an attitude control device for controlling the attitude of the main body 105 are further provided. With this configuration, the posture of the moving body 100a can be stabilized.
 以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組合わせを行うことができる。これら実施形態及びその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
 なお、前述した実施形態における移動体100と、実施形態の変形例における移動体100aに含まれる各装置の一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、訪問管理システムに含まれる各装置に内蔵されたコンピュータシステムであって、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and at the same time, are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
In addition, a part of each device included in the mobile body 100 in the above-described embodiment and the mobile body 100a in the modified example of the embodiment may be realized by a computer. In that case, the program for realizing this control function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read by the computer system and executed. The "computer system" referred to here is a computer system built into each device included in the visit management system, and includes hardware such as an OS and peripheral devices.
 また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また前述したプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。また、前述した実施形態における訪問管理システムに含まれる各装置の各機能ブロックの一部、または全部を、LSI等の集積回路として実現してもよい。訪問管理システムに含まれる各装置の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。 The "computer-readable recording medium" refers to a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, or a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system. Furthermore, a "computer-readable recording medium" is a medium that dynamically holds a program for a short period of time, such as a communication line when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In that case, a program may be held for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system serving as a server or a client. Further, the above-mentioned program may be a program for realizing a part of the above-mentioned functions, and may be a program capable of realizing the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system. .. Further, a part or all of each functional block of each device included in the visit management system in the above-described embodiment may be realized as an integrated circuit such as an LSI. Each functional block of each device included in the visit management system may be made into a processor individually, or a part or all of them may be integrated into a processor. Further, the method of making an integrated circuit is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. Further, when an integrated circuit technology that replaces an LSI appears due to advances in semiconductor technology, an integrated circuit based on this technology may be used.
100、100a…移動体、105…本体、110…測距部、120…通信部、130…コントローラ、131、131a…制御装置、132…走行条件取得部、133…受付部、134…処理部、135、135a…舵角制御部、136、136a…回転角速度制御部、137…位置姿勢推定部、140…駆動機構、141-1、141-2…電動機、142-1、142-2…エンコーダ、143-1、143-2…操舵機構、150…補助輪、160…慣性計測部、170…通信部、180…撮像部、190…奥行検出部、200…サーバ 100, 100a ... moving body, 105 ... main body, 110 ... ranging unit, 120 ... communication unit, 130 ... controller, 131, 131a ... control device, 132 ... traveling condition acquisition unit, 133 ... reception unit, 134 ... processing unit, 135, 135a ... Steering angle control unit, 136, 136a ... Rotation angular velocity control unit, 137 ... Position and orientation estimation unit, 140 ... Drive mechanism, 141-1, 141-2 ... Electric motor, 142-1, 142-2 ... Encoder, 143-1, 143-2 ... Steering mechanism, 150 ... Auxiliary wheels, 160 ... Inertial measurement unit, 170 ... Communication unit, 180 ... Imaging unit, 190 ... Depth detection unit, 200 ... Server

Claims (10)

  1.  自律移動型の移動体であって、
     本体と、
     電動機によって駆動され前記本体を移動させる二つの駆動輪と、
     前記駆動輪同士の回転角速度に差を与えることにより前記本体を回頭させる差動機構と、
     前記駆動輪の舵角を前記駆動輪ごとに変化させる転舵機構と、
     を備える移動体。
    It is an autonomous mobile type mobile body
    With the main body
    Two drive wheels that are driven by an electric motor to move the main body,
    A differential mechanism that rotates the main body by giving a difference in rotational angular velocity between the drive wheels, and
    A steering mechanism that changes the steering angle of the drive wheels for each drive wheel,
    A mobile body equipped with.
  2.  前記差動機構は、前記駆動輪の接地面内の位置を旋回中心とする舵角を前記駆動輪ごとに変化させる請求項1に記載の移動体。 The moving body according to claim 1, wherein the differential mechanism changes the steering angle with the position of the drive wheels in the contact patch as the turning center for each drive wheel.
  3.  目標軌道に沿って前記差動機構と前記転舵機構とを同時に制御する制御部
     をさらに備える、請求項1又は請求項2に記載の移動体。
    The moving body according to claim 1 or 2, further comprising a control unit that simultaneously controls the differential mechanism and the steering mechanism along a target trajectory.
  4.  前記制御部は、移動体の目標進路を示す進路情報と、前記駆動輪の移動速度と、前記本体の回頭速度と、前記駆動輪の舵角とに基づいて、前記駆動輪の目標回転角速度と、前記駆動輪の目標舵角とを算出する請求項3に記載の移動体。 The control unit determines the target rotation angular velocity of the driving wheels based on the course information indicating the target course of the moving body, the moving speed of the driving wheels, the turning speed of the main body, and the steering angle of the driving wheels. The moving body according to claim 3, wherein the target steering angle of the drive wheels is calculated.
  5.  前記制御部は、前記目標軌道上の第1目標点と前記本体の方位との方位誤差をなくすよう前記駆動輪の目標方位角速度を決め、
     前記目標軌道上の第2目標点に向けて前記駆動輪の目標舵角を決める、請求項3に記載の移動体。
    The control unit determines the target directional angular velocity of the drive wheels so as to eliminate the directional error between the first target point on the target trajectory and the directional of the main body.
    The moving body according to claim 3, wherein a target steering angle of the drive wheels is determined toward a second target point on the target trajectory.
  6.  前記制御部は、前記方位誤差、前記目標方位角速度及び前記目標舵角を、方位誤差をα、第1目標点を(xt1,yt1)、第2目標点を(xt2,yt2)、Ψをヨー角、wdを目標ヨーレート、Lを追跡長、前進速度をv、δを舵の切り角(ステア角)とした場合に、式(1)から式(3)に従って決める、
     α=arctan((yt1-y)/(xt1-x))-Ψ (1)
     ωd=(1/L)vα      (2)
     δ=arctan((yt2-y)/(xt2-x))-Ψ (3)
     請求項5に記載の移動体。
    The control unit sets the azimuth error, the target azimuth angular velocity and the target rudder angle, the azimuth error as α, the first target point as (xt1, yt1), the second target point as (xt2, yt2), and Ψ as yaw. When the angle and wd are the target yaw rate, L is the tracking length, the forward speed is v, and δ is the steering angle (steering angle), the determination is made according to equations (1) to (3).
    α = arctan ((yt1-y) / (xt1-x))-Ψ (1)
    ωd = (1 / L) vα (2)
    δ = arctan ((yt2-y) / (xt2-x))-Ψ (3)
    The mobile body according to claim 5.
  7.  移動方向視した場合の前記本体の投影面積が、鉛直視した場合の前記本体の投影面積よりも大きい
     請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の移動体。
    The moving body according to any one of claims 1 to 6, wherein the projected area of the main body when viewed in the moving direction is larger than the projected area of the main body when viewed vertically.
  8.  高さが、前記二つの駆動輪をつなぐ軸の幅よりも長い請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の移動体。 The moving body according to any one of claims 1 to 7, wherein the height is longer than the width of the shaft connecting the two drive wheels.
  9.  前記本体の姿勢を制御する姿勢制御装置
     をさらに備える請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の移動体。
    The moving body according to any one of claims 1 to 8, further comprising an attitude control device for controlling the posture of the main body.
  10.  自律移動型の移動体の制御方法であって、
     目標進路を示す進路情報に基づいて、駆動輪どうしの回転角速度に差を与えることにより本体を回頭させることと、
     前記進路情報に基づいて、前記駆動輪の舵角を前記駆動輪ごとに変化させることと、
     を有する制御方法。
    It is a control method for autonomous mobile objects.
    Based on the course information indicating the target course, turning the main body by giving a difference in the rotational angular velocity between the drive wheels, and
    To change the steering angle of the drive wheels for each drive wheel based on the course information.
    Control method having.
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