JP2017043222A - Moving device and control method of moving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,移動装置及び移動装置の制御方法に係り,特に,自転車やバイクのように回転方向が一致するように車輪が一直線上に配置されており走行中に転倒することなく姿勢を変更可能な姿勢安定制御に好適な移動装置及び移動装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a moving device and a method of controlling the moving device, and in particular, the wheels are arranged in a straight line so that the rotation directions coincide with each other as in a bicycle or a motorcycle, and the posture can be changed without falling down during traveling. The present invention relates to a moving apparatus suitable for stable posture control and a method for controlling the moving apparatus.
複数の車輪を備えて自転車やバイクのように例えば各車輪の回転方向が一致するように一列的に車輪が配置された移動装置(以下,直列2輪移動機構と称する)がある。この移動装置は,例えば移動ロボット等に利用される。直列2輪移動機構は進行方向と垂直な方向(ロール方向)に対する姿勢制御が必要であり,姿勢安定制御手法として走行車輪を操舵する手法がある。この手法では,車輪操舵により直列2輪移動機構のロール方向に生じる遠心力を用いて姿勢安定化を図る。そのため,直列2輪移動機構が所望の経路に従って走行する場合,常にロール方向の姿勢を変更しながら走行することになる。すなわち,緩やかな経路変化の場合,車輪操舵角度が小さくロール方向の姿勢変化も小さいが,急激な経路変化の場合,車輪操舵角度が大きくロール方向の姿勢変化も大きい。 There is a moving device (hereinafter referred to as an in-line two-wheel moving mechanism) in which a plurality of wheels are provided and the wheels are arranged in a line such that the rotation directions of the wheels coincide with each other as in a bicycle or a motorcycle. This moving device is used for a mobile robot, for example. The in-line two-wheel moving mechanism requires posture control in the direction perpendicular to the traveling direction (roll direction), and there is a method of steering the traveling wheels as a posture stability control method. In this method, posture stabilization is achieved by using centrifugal force generated in the roll direction of the in-line two-wheel moving mechanism by wheel steering. Therefore, when the in-line two-wheel moving mechanism travels according to a desired route, it always travels while changing the posture in the roll direction. That is, in the case of a gentle route change, the wheel steering angle is small and the posture change in the roll direction is small, but in the case of a sudden route change, the wheel steering angle is large and the posture change in the roll direction is large.
このように,走行中の姿勢変化により生じる荷重抜けを抑制するために,重心位置変化を抑制することは非常に重要である。従来,このような直列2輪移動機構に関する重心位置の調整技術,制御技術は,例えば,特開2005-271815号公報(特許文献2)に示すように提案されているように,自律走行型二輪車では,前輪と後輪が水平方向に揺動可能なスイングアームで連結されており,水平方向の重心位置をスイングアームで調整して安定な姿勢制御を実現するものが知られている。 As described above, it is very important to suppress the change in the center of gravity in order to suppress the load drop caused by the posture change during traveling. Conventionally, the center-of-gravity position adjustment technology and control technology related to such an in-line two-wheel moving mechanism have been proposed as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-271815 (Patent Document 2). In this, the front wheel and the rear wheel are connected by a swing arm that can swing in the horizontal direction, and a stable posture control is realized by adjusting the horizontal center of gravity position by the swing arm.
しかしながら,上記の従来技術では,走行中において水平方向のみの重心位置を制御できるものの,鉛直方向における重心位置変化が考慮されていない。 However, although the above-described prior art can control the position of the center of gravity only in the horizontal direction during traveling, the change in the position of the center of gravity in the vertical direction is not taken into consideration.
車輪操舵による姿勢安定制御手法の場合,車輪に荷重が働いていることが重要であるが,先述のように姿勢を変更しながら走行するために車輪への荷重が抜け易い。特に,ロール方向に倒れた姿勢で旋回走行している状態から起き上がる方向の姿勢変化の場合である。直列2輪移動機構の重心が鉛直方向において上向きに移動してロール方向の姿勢角加速度に応じた力が直列2輪移動機構に上向きに働くため,姿勢変化時に走行車輪への荷重が小さくなる。このとき,抜け荷重が大きいと,車輪操舵による力が直列2輪移動機構に働かなくなり走行中に直列2輪移動機構が転倒することになる。 In the case of the attitude stabilization control method using wheel steering, it is important that a load is applied to the wheel. However, since the vehicle travels while changing the attitude as described above, the load on the wheel is easily lost. In particular, this is the case of a posture change in the direction of getting up from a state where the vehicle is turning in a posture that falls in the roll direction. Since the center of gravity of the in-line two-wheel moving mechanism moves upward in the vertical direction and the force corresponding to the posture angular acceleration in the roll direction works upward on the in-line two-wheel moving mechanism, the load on the traveling wheel is reduced when the posture changes. At this time, if the unloading load is large, the force due to the wheel steering does not act on the in-line two-wheel moving mechanism, and the in-line two-wheel moving mechanism falls over while traveling.
本発明の目的は,走行中において姿勢変化時に生じる荷重抜けを防止するために,鉛直方向における重心位置を調整可能な開脚部を有し,姿勢変化時において重心位置変化を抑制することが可能な移動装置及び移動装置の制御方法を提供することにある。 It is an object of the present invention to have an open leg portion that can adjust the center of gravity position in the vertical direction in order to prevent a load drop that occurs when the posture changes during running, and to suppress the change in the center of gravity position when the posture changes And a method for controlling the mobile device.
上記目的を達成するために,請求項1に係る発明では,少なくとも2個の車輪を直列的に配置可能な構成の移動装置において,前記車輪の少なくとも1個を走行方向に回転駆動する走行駆動機構と,前記走行駆動機構を制御する走行制御部と,前記車輪の少なくとも1個を操舵する操舵駆動機構と,前記操舵駆動機構を制御する操舵制御部と,鉛直方向成分を有する方向に構成物の一部を移動させて重心位置を変更する重心位置変更機構と,前記重心位置変更機構を制御する重心位置制御部とを有し,前記重心位置変更機構は,或る姿勢から他の姿勢に姿勢が変化したときに,前記或る姿勢で構成される鉛直方向の重心位置に,前記他の姿勢で構成される鉛直方向の重心位置を近付けるように前記重心位置変更機構を制御することを特徴とする移動装置を構成する。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the moving device having a configuration in which at least two wheels can be arranged in series, a travel drive mechanism that rotationally drives at least one of the wheels in the travel direction. A travel control unit that controls the travel drive mechanism, a steering drive mechanism that steers at least one of the wheels, a steering control unit that controls the steering drive mechanism, and a component in a direction having a vertical component. A center-of-gravity position changing mechanism that changes a center-of-gravity position by moving a part thereof, and a center-of-gravity position control unit that controls the center-of-gravity position changing mechanism; The center-of-gravity position changing mechanism is controlled so that the vertical center-of-gravity position configured in the certain posture approaches the vertical center-of-gravity position configured in the other posture You Configuring the mobile device.
請求項2記載の発明は,前記重心位置変更機構は,前記車輪に接続される脚の開脚角度を変更可能な開脚駆動部として構成され,重心位置制御部は開脚制御部として構成されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the center-of-gravity position changing mechanism is configured as an open leg drive unit capable of changing an open leg angle of a leg connected to the wheel, and the center of gravity position control unit is configured as an open leg control unit. It is characterized by that.
請求項3記載の発明は,前記走行制御部,前記操舵制御部。前記開脚制御部は,上記制御部から制御指令を受けることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the travel control unit and the steering control unit. The leg opening control unit receives a control command from the control unit.
請求項4記載の発明は,姿勢角度を検出する姿勢角度検出部を有し,前記開脚制御部は前記姿勢角度に基づいて開脚制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a posture angle detection unit for detecting a posture angle, and the leg opening control unit performs leg opening control based on the posture angle.
請求項5記載の発明は,上記開脚制御部における開脚目標角度が,上記姿勢角度検出部で検出される進行方向に対して垂直方向の姿勢角度を基に,上位制御部で算出される開脚角度指令に対応する鉛直方向の重心位置に対して,この重心位置の変化を抑制するように算出されることを特徴とする。 In the fifth aspect of the invention, the target leg opening angle in the leg opening control unit is calculated by the host control unit based on the posture angle perpendicular to the traveling direction detected by the posture angle detection unit. It is calculated so as to suppress the change of the center of gravity position with respect to the center of gravity position in the vertical direction corresponding to the leg angle command.
請求項6記載の発明は,上記開脚制御部における開脚目標角度の算出方法が姿勢角度検出部で検出される進行方向に対して垂直方向の姿勢角度,角速度および角加速度の条件により異なり,所定の重心位置変化を抑制するように開脚目標角度が算出されることを特徴とする。
請求項7記載の発明は,進行方向における上体姿勢の倒れ角度を変更可能な上体駆動部とこの上体駆動部を制御する上体制御部を備え,走行中に鉛直方向における重心位置変化を抑制するように,上体角度を制御することを特徴とする。
The invention according to claim 6 is that the method for calculating the target leg angle in the leg opening control unit differs depending on the posture angle, angular velocity, and angular acceleration conditions perpendicular to the traveling direction detected by the posture angle detecting unit, The target leg opening angle is calculated so as to suppress a predetermined change in the center of gravity position.
The invention according to claim 7 includes a body drive unit capable of changing a tilt angle of the body posture in the traveling direction and a body control unit for controlling the body drive unit, and changes in the center of gravity position in the vertical direction during traveling It is characterized by controlling the body angle so as to suppress.
請求項8記載の発明は,上記上体制御部における上体目標角度が,上記姿勢角度検出部で検出される進行方向に対して垂直方向の姿勢角度を基に,上記上位制御部で算出される上体角度指令に対応する鉛直方向の重心位置に対して,この重心位置の変化を抑制するように算出されることを特徴とする。 In the eighth aspect of the invention, the upper body control unit calculates the body target angle in the body control unit based on a posture angle perpendicular to the traveling direction detected by the posture angle detection unit. It is calculated so as to suppress the change of the center of gravity position with respect to the center of gravity position in the vertical direction corresponding to the body angle command.
請求項9記載の発明は,上記上体制御部における上体目標角度の算出方法が上記姿勢角度検出部で検出される進行方向に対して垂直方向の姿勢角度,角速度および角加速度の条件により異なり,所定の重心位置変化を抑制するように上体目標角度が算出されることを特徴とする。 In the ninth aspect of the invention, the calculation method of the body target angle in the body control unit differs depending on the posture angle, angular velocity, and angular acceleration conditions perpendicular to the traveling direction detected by the posture angle detecting unit. The body target angle is calculated so as to suppress a predetermined change in the center of gravity position.
請求項10記載の発明は,上記開脚制御部における開脚目標角度と上体制御部における上体目標角度が,重み係数により分配されていることを特徴とする。 The invention according to claim 10 is characterized in that the target leg angle for the leg control unit and the target body angle for the body control unit are distributed by weighting factors.
本発明によれば,姿勢変化に伴う鉛直方向における重心位置変化を抑制することで,走行車輪に生じる荷重抜けを防止できる。従って,姿勢変化を伴う走行中においても姿勢を安定化が可能となる。 According to the present invention, it is possible to prevent a load drop from occurring on a traveling wheel by suppressing a change in the center of gravity position in the vertical direction accompanying a change in posture. Therefore, it is possible to stabilize the posture even while traveling with a posture change.
以下,図面を用いて実施例を説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.
本発明に関する姿勢安定制御装置の第1実施例として,まず,図1に直列2輪移動機構1の側面図を示す。胴体2の下に脚3aと3bが配置され,それぞれの脚先に走行車輪7aと7bが取り付けられている。走行車輪7a,7bは回転方向が一致するように一列に配置されている。また,各走行車輪7a,7bには車輪走行用駆動部6a,6bが取り付けられており,走行車輪の回転すなわち走行速度を調整可能である。さらに,各走行車輪7a,7bにはそれぞれ車輪操舵用駆動部4a,4bが取り付けられており,走行方向に対する走行車輪の操舵角度が調整可能である。図中の脚3aと3bは胴体2近傍で接続部を介して連動しており,開脚駆動部8により脚が開脚し,その開脚角度を調整可能である。x軸,y軸,z軸周りの回転をそれぞれピッチ,ロール(バンク),ヨーと定義する。
As a first embodiment of the posture stabilization control apparatus according to the present invention, first, FIG.
本実施例では,走行車輪7a,7bの回転により操舵がない状態で各走行車輪7aから7bの方向,あるいは,各走行車輪7bから7aの方向に移動する。y軸が移動方向である。この走行車輪7a,7bは常にy軸方向に間隔を持って配置されていても良く,或いは,所定の条件下で走行車輪7a,7bがx軸方向に揃っていて,その状態からy軸方向に間隔を持って配置されるように広げられても良い。
In this embodiment, the
また,本実施例では,走行車輪7a,7bにはそれぞれ車輪走行用駆動部6a,6bが取り付けられているが,走行車輪7a,7bの一方のみに車輪走行用駆動部6a,6bいずれかが取り付けられるようにしても良い。例えば,走行車輪7a,7bのうちの操舵されない走行車輪にのみに車輪走行用駆動部6a,6bのいずれかを取り付けても良い。
In the present embodiment, the
図2に直列2輪移動機構1の簡略モデルを示す。図において,直列2輪移動機構1の重心200が走行車輪7a,7bの接地面から機体に沿って距離202の位置に,鉛直方向においては重心位置207に存在し,走行車輪7aは走行方向に対して操舵角度201だけ回転されている。また,脚3aと3bは開脚角度203だけ開脚され,走行車輪7aと7bは接地距離(ホイールベース長)204だけ離れる。さらに,直列2輪移動機構1はロール方向に傾いた角度を表すバンク角度206だけ傾いた状態になっている。
FIG. 2 shows a simplified model of the in-line two-wheel moving mechanism 1. In the figure, the center of
直列2輪移動機構システム100を図3に示す。図において,直列2輪移動機構システム100は主に上位制御部20,走行制御部30および直列2輪移動機構1で構成される。上位制御部20,走行制御部30は直列2輪移動機構1と一体的に構成してもよく,あるいは,上位制御部20,走行制御部30と直列2輪移動機構1とは無線等で遠隔的に接続しても良い。また,走行制御部30は走行速度補償器31,操舵補償器32および開脚補償器33から成る。ここで,走行制御部30は計算機で構成され,走行速度補償器31,操舵補償器32および開脚補償器33の各機能は計算機上でソフトウエアとして演算が実行されてもよい。
An in-line two-wheel
直列2輪移動機構40は,車輪操舵用駆動部4a(車輪操舵用駆動部4b),車輪走行用駆動部6a(車輪走行用駆動部6b)と走行車輪7a(走行車輪7b)からなる前輪部41,車輪操舵用駆動部4b(車輪操舵用駆動部4a),車輪走行用駆動部6b(車輪走行用駆動部6a)と走行車輪7b(走行車輪7a)からなる後輪部42,開脚駆動部8と脚3a,3bからなる開脚部49および姿勢角度検出部60で構成される(胴2の記載は省略)。さらに,図4に示すように前輪部41と後輪部42は共に,車輪走行用駆動部6a(車輪走行用駆動部6b)としての走行駆動装置43,走行モータ44,走行エンコーダ45,車輪操舵用駆動部4 a (車輪操舵用駆動部4 b)としての操舵駆動装置46,操舵モータ47,操舵エンコーダ48でそれぞれ構成され,図5に示すように開脚部49は,開脚駆動部8としての開脚駆動装置50,開脚モータ51,開脚エンコーダ52で構成される。本実施例では,走行速度,操舵角度,開脚角度を検出するためにそれぞれ走行エンコーダ45,操舵エンコーダ48,開脚エンコーダ52を用いているが,別の検出手段を用いても良い。また,力学モデルを用いて推定しても良い。
The in-line two-wheel moving mechanism 40 includes a front wheel portion including a wheel
上位制御部20では,図示されていないステレオカメラやレーザ等で構成される障害物検出部の検出結果を基に,直列2輪移動機構1が走行するのに適した経路が決定され,走行速度指令vref,姿勢(バンク)角度指令θref,開脚角度指令α0が算出され,それぞれ走行速度補償器31,操舵補償器32,開脚補償器33に出力される。
The
走行速度補償器31では,直列2輪移動機構1の走行速度制御が実施される。走行速度指令vrefと前輪部41と後輪部42の走行エンコーダ45でそれぞれ検出した走行速度vF,vRを基に次式を用いて走行出力電圧VvF,VvRが算出される。
In the
式中のKvmn(m=F,R,n=f,p,d,i)は走行制御ゲインを表す。算出された走行出力電圧VvF,VvRが前輪部41と後輪部42の走行駆動装置43にそれぞれ入力され,増幅された電圧が走行モータ44にそれぞれ印加される。すなわち,走行速度指令vrefに対する偏差evF,evRに基づいて比例,微分,積分のフィードバックを掛けて制御する。走行モータ44の回転角度が走行エンコーダ45により検出され,走行速度補償器31にフィードバックされる。走行制御ゲインを調整することで走行速度指令vrefに対して所望の追従性能を調整できる。
In the equation, K vmn (m = F, R, n = f, p, d, i) represents a traveling control gain. The calculated travel output voltages V vF and V vR are input to the
操舵補償器32では,直列2輪移動機構1の姿勢制御(バンク角度制御)が実施される。バンク角度指令θrefと姿勢角度検出部60により検出された姿勢角度(バンク角度)θを基に,次式を用いて走行中の姿勢安定化を図る車輪操舵角度出力VsF,VsRが算出される。
In the
式中のKsmn(m=F,R,n=f,p,d,i)は操舵制御ゲインを表し,VsF0,VsR0は走行車輪7a,7bの操舵中央を表すオフセット出力電圧である。算出された操舵角度出力が図4に示す前輪部41と後輪部42の操舵駆動装置46にそれぞれ入力され,増幅された車輪操舵角度出力VsF,VsRが操舵モータ47に印加される。すなわちバンク角度指令θrefに対する偏差esに基づいて比例,微分,積分のフィードバックを掛けて制御する。操舵モータ47の回転角度が操舵エンコーダ48によりそれぞれ検出され,操舵補償器にフィードバックされる。数式2に表す操舵制御ゲイン調整することで所望の姿勢角度を達成できる。本実施例では,後述するが走行中に直列2輪移動機構の開脚角度が変化するため,開脚角度に応じて操舵制御ゲインKsmn(m=F,R,n=f,p,d,i)は変化する。また,開脚角度が変化すると前輪部41と後輪部42で回転方向が一致する角度に偏差が生じるが,開脚角度αを基にVsF0,VsR0を算出して調整可能である。さらに,数式2において,操舵エンコーダ48で検出された回転角度は用いられていないが,算出される車輪操舵角度出力VsF,VsRとの偏差に対してフィードバック制御を実施することで,精度よく走行車輪を操舵可能である。
In the equation, K smn (m = F, R, n = f, p, d, i) represents a steering control gain, and V sF0 and V sR0 are offset output voltages representing the steering center of the traveling
開脚補償器33では直列2輪移動機構1における脚3a,3bが成す開脚角度の制御が実施される。本実施例では,上位制御部20で算出された開脚角度指令α0に対応する鉛直方向における重心位置207が変化しないように開脚角度を変更する。すなわち,開脚角度指令α0に相当する重心位置207Hを算出し,バンク角度θが変化したとしても,その重心位置207Hを維持する開脚角度を開脚目標角度αrefとして算出するものである。
In the
姿勢角度検出部60で検出されたバンク角度θを基に開脚目標角度αrefが算出され,開脚エンコーダ52で検出された開脚角度αを基に,次式を用いて開脚出力電圧VCが算出される。
A leg opening target angle α ref is calculated based on the bank angle θ detected by the
式中のHは重心位置207,h0は開脚しても変化しない部分の総合距離,LWは脚3a,3bの長さ208 である。また, Kcn(n=f,p,d,i)は開脚制御ゲインを表す。算出された開脚出力電圧VCが開脚部の開脚駆動装置50に入力され,増幅された出力電圧が開脚モータ51に印加される。開脚角度αが開脚エンコーダ52により検出され,操舵補償器32と開脚補償器33にフィードバックされる。開脚補償器33により開脚角度αを変更するため,走行中において,鉛直方向における重心位置偏差dHは抑制されるが,ホイールベース長204は変化する。先述した通り操舵補償器32では,開脚エンコーダ52で検出した開脚角度αを基にホイールベース長204を算出して,走行制御ゲインを変更する。
H in the formula is the center of
本実施例の開脚補償器33の1つの変形例を説明する。開脚補償器33を除いた部分は同じであるため,説明は省略する。変形例では,開脚補償器33の状態変数SWcに応じて,開脚目標角度αrefの算出方法を変更する。初期の状態変数SWcはOFFである。図6に開脚補償器33における開脚目標角度αrefの算出フローチャートを示す。
One modification of the
まず,フロー301において,開脚補償器33の状態変数SWcを確認する。この状態変数SWcは初期値がONとなっており前回のフローで,フロー307においてバンク角加速度の絶対値が閾値Bより大きいと判断された場合に状態変数SWcはOFFに設定されている。ONならばフロー307に遷移し,OFFならばフロー302に遷移する。フロー302では,バンク角度θと角速度(dθ/dt)の積θ×(dθ/dt)を算出して,正負を判断する。すなわち,直列2輪移動機構1がバンクした姿勢から起き上がる方向に姿勢が変化するか,もしくは倒れる方向に姿勢が変化するかを判断する。起き上がる方向に姿勢が変化する場合(負の場合)はフロー303に遷移して,倒れる方向に姿勢が変化する場合(正の場合)はフロー304に遷移する。フロー303では,図中に示す数式X1の2つの不等式を同時に満たすかどうかを判断する。式中のFは算出時における機体に生じる鉛直上向きの力を表し,FPは1サンプリング前の力を表す。すなわち,1サンプリング前は閾値Aより小さいが,現時点で閾値Aを越えているかどうかを判断し,機体に生じる鉛直上向きの力が閾値を越えるタイミングを判断する。数式X1を満たす場合はフロー305に遷移して,満たさない場合はフロー304に遷移する。フロー305では状態変数SWcはONとなり,フロー306に遷移する。フロー306では,数式X2により,保持する開脚角度αs(検出値),バンク角度θs(検出値),鉛直方向における重心位置HSが設定され,フロー309に遷移する。すなわち,変形例では,検出された開脚角度αs(検出値),検出されたバンク角度θs(検出値)に基づいて重心位置HSを算出して,その算出された重心位置HSを維持するように開脚目標角度αrefを算出する。フロー307では,バンク角加速度の絶対値が閾値Bより大きいかどうかを判断する。大きい場合はフロー309に遷移し,小さい場合はフロー308に遷移する。フロー308では,状態変数SWcはOFFに設定され,フロー304に遷移する。
First, in the
フロー304では,開脚目標角度αrefが数式Y1に従って算出される。ここでは,開脚補償器33による重心位置変化dHが小さく,姿勢安定化に対する影響が小さいと判断するため,開脚目標角度αrefは上位制御部20から出力された開脚角度指令α0と同じである。フロー309では,開脚補償器33による重心位置変化dHが大きく姿勢安定化に対する影響が大きいため,抑制が必要である。ここでは,数式Y2に従って開脚目標角度αrefが算出される。算出された開脚目標角度αrefと開脚エンコーダ52で検出した開脚角度αを基に開脚出力電圧Vcを算出する。算出方法は先述した方法と同じである。
In
以上のように,走行中において直列2輪移動機構1のバンク角度に応じて開脚角度を制御して鉛直方向における重心位置変化を抑制することで,走行車輪への荷重抜けによる転倒防止が可能となる。したがって,走行車輪操舵により安定した姿勢制御を実現できる。本実施例では,各補償器において,基本的なフィードバック補償器とフィードフォーワード補償器で構成したが,状態フィードバックの別の補償器で構成しても同様の結果が得られる。 As described above, by controlling the leg angle according to the bank angle of the in-line two-wheel moving mechanism 1 during running and suppressing the change in the center of gravity position in the vertical direction, it is possible to prevent the vehicle from falling due to load loss on the running wheel. It becomes. Therefore, stable posture control can be realized by traveling wheel steering. In this embodiment, each compensator is composed of a basic feedback compensator and a feedforward compensator, but the same result can be obtained even if it is composed of another compensator for state feedback.
本発明に関する姿勢安定制御装置の他の実施例を説明する。該実施例は第1の実施例と異なる部分を説明する。よって,説明されない部分は原則的に第1の実施例と同様である。第2実施例として,まず,図7に直列2輪移動機構1の側面図を示す。図において,胴2に上体駆動部9が取り付けられており,ピッチ方向の上体回転角度(ピッチ角度)を調整することができる。図7の簡略モデルを図8に示す。図において,重心200は車輪7a,7bの接地面から鉛直方向における重心位置207に存在し,また,重心200はピッチ方向に上体回転角度209だけ傾いている。図7,8において,他の部分に関しては実施例1と同じであるため,説明は省略する。
Another embodiment of the posture stabilization control apparatus according to the present invention will be described. This embodiment will be described with respect to differences from the first embodiment. Therefore, the parts not described are basically the same as those in the first embodiment. As a second embodiment, a side view of the in-line two-wheel moving mechanism 1 is shown in FIG. In the figure, a
本実施例における直列2輪移動機構システム101を図9に示す。実施例1との主な相違点は走行制御部30に上体補償器34が存在して,直列2輪移動機構1に上体部53が存在することである。図10に示すように上体部53は上体駆動装置54,上体モータ55,上体エンコーダ56で構成される。図9における他の部分は同じであるため,ここでは説明は省略する。
A serial two-wheel
上位制御部20において,図示されていない障害物検出部の検出結果を基に,直列2輪移動機構1の適した走行経路が算出され,上体角度指令(ピッチ角度指令)φ0が上体補償器に出力される。
The
走行制御部30を構成する上体補償器34では,走行中におけるピッチ角度制御が実施される。上位制御部20で算出された上体角度指令φ0に対応する鉛直方向における重心位置207の位置変化を抑制できるように上体角度を調整する。すなわち,姿勢角度検出部60で検出されたバンク角度θを基に上体目標角度φrefが算出され,同じく姿勢角度検出部60で検出されたピッチ角度φを基に次式を用いて上体出力電圧Vuが算出される。
The body compensator 34 constituting the
式中のHは重心位置207,h1はピッチ角度に依存せずに変化しない部分の総合距離,Luは上体の長さである。また, Kun(n=f,p,d,i)は上体制御ゲインを表す。算出された上体出力電圧Vuが上体部の上体駆動装置54に入力され,増幅された出力電圧が上体モータ55に印加される。上体角度が上体エンコーダ56により検出され,上体補償器34にフィードバックされる。数式4の上体制御ゲインを調整することで所望のピッチ角度を達成できる。上体は走行車輪7a,7bのどちら側に傾けても鉛直方向の重心位置は変更可能であるが,車輪を操舵している側に傾けることが望ましい。逆側に傾けると走行車輪の荷重抜けを誘発することがある。
H in the formula is the center of
数式4では上体エンコーダ56で検出された上体角度は用いられていないが,姿勢角度検出部60で検出されたピッチ角度の代用として用いられても良い。上体補償器34によりピッチ角度φを変更するため,走行中において,鉛直方向における重心位置偏差dHは抑制される。
In
本実施例の上体補償器34において,第1の変形例を説明する。
第1の変形例では,上体補償器34の状態変数SWuに応じて,上体目標角度φrefの算出方法が変更される。初期の状態変数SWuはOFFである。図11に上体補償器34における上体目標角度φrefの算出フローチャートを示す。
A first modification of the
In the first modification, the calculation method of the body target angle φ ref is changed according to the state variable SWu of the
まず,フロー401において,開脚補償器34の状態変数SWuを確認する。ONならばフロー407に遷移し,OFFならばフロー402に遷移する。フローにおいて,バンク角度θ,角速度(dθ/dt),バンク角加速度(d2θ/dt2)を検出および算出して,各姿勢条件に従ってフローが遷移する。フロー404では,上体目標角度φrefが数式Y3に従って算出される。このフローでは,上位制御部20で算出された上体指令角度φ0と同じである。フロー406では,状態変数SWuがONに設定された時のピッチ角度φS,バンク角度θsおよび鉛直方向における重心位置Hsが保持されて,フロー409に遷移する。フロー409では,上体目標角度φrefが数式Y4に従って算出される。図11に示すフローチャートに従って算出された上体目標角度φrefと姿勢角度検出部60で検出したピッチ角度φを基に上体出力電圧Vuを算出する。算出方法は先述した方法と同じである。
First, in
続いて,第2の変形例を説明する。ここでは,第1の変形例に対する変更点のみを説明する。第2の変形例では,開脚補償器33と上体補償器34を共に用いて,鉛直方向における重心位置変化が抑制される。開脚目標角度αrefと上体目標角度φrefは次式で算出される。
Subsequently, a second modification will be described. Here, only the changes to the first modification will be described. In the second modification, both the
また,各姿勢状態に従って開脚目標角度αrefと上体目標角度φrefの算出方法を変更する場合の算出フローチャートを図12に示す。フロー504,506,509が異なっており,フロー504では,開脚目標角度αrefと上体目標角度φrefが数式Y5に従って算出される。このフローでは,上位制御部20で算出された開脚角度指令α0と上体指令角度φ0と同じである。フロー506では,状態変数SWuがONに設定された時の開脚角度αs,ピッチ角度φs,バンク角度θsおよび鉛直方向における重心位置HSが保持されて,フロー509に遷移する。フロー509では,開脚目標角度αrefと上体目標角度φrefが数式Y6に従って算出される。
FIG. 12 shows a calculation flowchart in the case where the calculation method of the target leg opening angle α ref and the upper body target angle φ ref is changed according to each posture state. Flow 504,506,509 are different, the
以上のように,走行中において直列2輪移動機構1のバンク角度に応じて上体角度もしくは開脚角度と上体角度の両方を制御して鉛直方向における重心位置変化を抑制することで,走行車輪への荷重抜けを防止することができる。すなわち,走行中における姿勢変化時の転倒防止が可能となる。したがって,走行車輪操舵により安定した姿勢制御を実現できる。本実施例では,各補償器において,基本的なフィードバック補償器とフィードフォーワード補償器で構成したが,状態フィードバックの別の補償器で構成しても同様の結果が期待できる。 As described above, by controlling the body angle or both the leg angle and the body angle according to the bank angle of the in-line two-wheel moving mechanism 1 while traveling, It is possible to prevent the load from being lost to the wheel. That is, it is possible to prevent the vehicle from falling when the posture changes during traveling. Therefore, stable posture control can be realized by traveling wheel steering. In this embodiment, each compensator is composed of a basic feedback compensator and a feedforward compensator, but the same result can be expected even if it is composed of another compensator for state feedback.
1・・・直列2輪移動機構
2・・・胴
3a,3b・・・脚
4a,4b・・・車輪操舵用駆動部
6a,6b・・・車輪走行用駆動部
7a,7b・・・走行車輪
8・・・開脚駆動部
9・・・上体駆動部
20・・・上位制御部
30・・・走行制御部
31・・・走行速度補償器
32・・・操舵補償器
33・・・開脚補償器
34・・・上体補償器
41・・・前輪部
42・・・後輪部
43・・・走行駆動装置
44・・・走行モータ
45・・・走行エンコーダ
46・・・操舵駆動装置
47・・・操舵モータ
48・・・操舵エンコーダ
49・・・開脚部
50・・・開脚駆動装置
51・・・開脚モータ
52・・・開脚エンコーダ
53・・・上体部
54・・・上体駆動装置
55・・・上体モータ
56・・・上体エンコーダ
60・・・姿勢角度検出部
200・・・機構1の重心
201・・・車輪の操舵角度
202・・・機構に沿った接地面と重心位置の距離
203・・・開脚角度
204・・・ホイールベース長
206・・・バンク角度
207・・・鉛直方向における重心位置
208・・・脚の長さ
209・・・上体角度(ピッチ角度)
301〜309・・・実施例1の1変形例の各フロー
401〜409・・・実施例2の第1変形例の各フロー
501〜509・・・実施例2の第2変形例の各フロー
1 ... Series 2-wheel moving mechanism
2 ... trunk
3a, 3b ... Leg
4a, 4b ... Wheel steering drive
6a, 6b ... Wheel drive unit
7a, 7b ... traveling wheels
8 ... Leg drive unit
9 ... Upper body drive
20 ... Host control unit
30 ... Running control unit
31 ... Running speed compensator
32 ... Steering compensator
33 ・ ・ ・ Leg compensator
34 ... Upper body compensator
41 ・ ・ ・ Front wheel
42 ... Rear wheel
43 ・ ・ ・ Travel drive device
44 ・ ・ ・ Travel motor
45 ・ ・ ・ travel encoder
46 ... Steering drive
47 ... Steering motor
48 ・ ・ ・ Steering encoder
49 ... Open leg
50 ・ ・ ・ Leg driving device
51 ・ ・ ・ Leged motor
52 ・ ・ ・ Leg encoder
53 ... Upper body
54 ... Upper body drive device
55 ・ ・ ・ Upper motor
56 ・ ・ ・ Upper encoder
60 ... Attitude angle detector
200: Center of gravity of mechanism 1
201 ・ ・ ・ Wheel steering angle
202 ・ ・ ・ Distance between the ground plane and the center of gravity along the mechanism
203 ・ ・ ・ Leg angle
204 ・ ・ ・ Wheelbase length
206 ・ ・ ・ Bank angle
207 ... Vertical center of gravity
208 ・ ・ ・ Leg length
209 ... Body angle (pitch angle)
301 to 309... Each flow of one modification of the first embodiment
401 to 409 ... each flow of the first modification of the second embodiment
501 to 509: Each flow of the second modification of the second embodiment
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015167353A JP2017043222A (en) | 2015-08-27 | 2015-08-27 | Moving device and control method of moving device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015167353A JP2017043222A (en) | 2015-08-27 | 2015-08-27 | Moving device and control method of moving device |
Publications (1)
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JP2015167353A Pending JP2017043222A (en) | 2015-08-27 | 2015-08-27 | Moving device and control method of moving device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2017043222A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020200154A (en) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 三菱重工業株式会社 | Unmanned carrier, control device, and program |
KR20210093630A (en) * | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | Bicycle robot capable of controlling steering and balance and control method thereof |
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2015
- 2015-08-27 JP JP2015167353A patent/JP2017043222A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2020200154A (en) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 三菱重工業株式会社 | Unmanned carrier, control device, and program |
JP7220124B2 (en) | 2019-06-11 | 2023-02-09 | 三菱重工業株式会社 | Automatic guided vehicle, control device and program |
KR20210093630A (en) * | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | Bicycle robot capable of controlling steering and balance and control method thereof |
KR102315255B1 (en) * | 2020-01-20 | 2021-10-21 | 포항공과대학교 산학협력단 | Bicycle robot capable of controlling steering and balance and control method thereof |
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