JP5447010B2 - Motion sickness suppression control device and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、倒立型移動体の搭乗者が乗り物酔いしないように制御する乗り物酔い抑制制御装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a motion sickness suppression control device and a control method therefor that control so that an occupant of an inverted moving body does not get motion sickness.
倒立型移動体を具現化するに際して、搭乗者が長時間乗り物酔いすることなく乗車できるようにすることは重要である。例えば、特許文献1には、搭乗者を乗せる搭乗スライダを磁性バネにより浮上させて支持し、倒立型移動体の旋回時に回転半径方向に発生する振動を減衰し、乗り心地を向上する制御装置及びその制御方法が開示されている。
When embodying an inverted type moving body, it is important to enable a passenger to get on without a motion sickness for a long time. For example,
特許文献1に例示されているように、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、及び検出器などを用いて、倒立型移動体の振動を抑制する装置及び手法は従来から知られていた。しかしながら、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、及び検出器などを付加する必要があり、装置及びその制御が複雑化するという問題点がある。
As exemplified in
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、乗り物酔いを誘発する上下方向の低周波数振動を抑制する乗り物酔い抑制制御装置及びその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a motion sickness suppression control device that suppresses low frequency vibration in the vertical direction that induces motion sickness and a control method thereof. To do.
本発明に係る乗り物酔い抑制制御装置は、1つ以上の車輪と、該車輪を回転させるトルクを伝達する減速機と、該トルクを発生するモータと、該モータを駆動するサーボアンプと、前記モータの所望の回転速度指令を入力する入力装置を備え、人及び荷物などの負荷のバランスをとりながら移動させる倒立型移動体を制御する倒立型移動体制御装置であって、路面から前記倒立型移動体に加わる上下方向の振動に含まれる、乗り物酔いを誘発する周波数成分を判定する乗り物酔い判定器と、その判定結果である振動判定結果に基づいて、前記乗り物酔いを誘発する周波数成分を抑制する負荷角度指令を出力する指令調整器とを備えるものである。 The motion sickness suppression control device according to the present invention includes one or more wheels, a speed reducer that transmits torque for rotating the wheels, a motor that generates the torque, a servo amplifier that drives the motor, and the motor. An inverted moving body control device that controls an inverted moving body that moves while balancing the load of people and luggage, etc., with an input device for inputting a desired rotational speed command. A motion sickness determination unit for determining a frequency component that induces motion sickness included in the vertical vibration applied to the body, and the frequency component that induces the motion sickness is suppressed based on the vibration determination result that is the determination result. And a command adjuster that outputs a load angle command.
本発明においては、倒立型移動体に路面から加わる振動が、乗り物酔いを誘発する上下方向の低周波数振動を含むかを判定し、その判定結果に基づいて乗り物酔いを抑制する負荷角度指令を生成することで、乗り物酔いを抑制することができる。 In the present invention, it is determined whether the vibration applied to the inverted mobile body from the road surface includes vertical low-frequency vibration that induces motion sickness, and a load angle command that suppresses motion sickness is generated based on the determination result By doing so, motion sickness can be suppressed.
また、前記支配周波数演算器は、前記倒立型移動体の負荷角度、負荷速度、及び負荷加速度の推定値である負荷状態推定値と、車輪角度、車輪速度、及び車輪加速度の推定値である車輪状態推定値とに基づいて、前記上下方向の振動を支配する周波数である支配周波数を算出することができる。 Further, the dominant frequency calculator is a load state estimated value that is an estimated value of a load angle, a load speed, and a load acceleration of the inverted mobile body, and a wheel that is an estimated value of a wheel angle, a wheel speed, and a wheel acceleration. Based on the estimated state value, it is possible to calculate a dominant frequency that is a frequency that governs the vibration in the vertical direction.
さらに、前記支配周波数演算器は、前記負荷状態推定値と前記車輪状態推定値とに基づいて車輪垂直位置推定値と車輪垂直加速度推定値とを演算し、その比に負号を付して平方根をとることにより前記支配周波数を演算することができる。 Further, the dominant frequency calculator calculates a wheel vertical position estimated value and a wheel vertical acceleration estimated value based on the load state estimated value and the wheel state estimated value, and adds a negative sign to the ratio to calculate the square root. The dominant frequency can be calculated by taking
さらにまた、前記乗り物酔い判定器は、前記支配周波数が、予め分かっている乗り物酔いを誘発する周波数の範囲に含まれるか否かを判定し、その判定結果を前記振動判定結果として出力することができる。 Furthermore, the motion sickness determination device may determine whether the dominant frequency is included in a frequency range that induces motion sickness that is known in advance, and outputs the determination result as the vibration determination result. it can.
また、前記指令調整器は、前記上下方向の振動がない場合に、前記倒立型移動体が搭乗者の所望の水平速度で移動するような負荷角度指令の余弦値と、前記車輪の回転軸から前記負荷の重心までの距離である車輪負荷重心間距離で乗算して得られた目標負荷垂直位置とから、前記車輪垂直位置を減算し、前記車輪負荷重心間距離で除算し、逆余弦を適用して得られた負荷角度指令を出力することができる。 Further, the command adjuster includes a cosine value of a load angle command that causes the inverted moving body to move at a passenger's desired horizontal speed when there is no vibration in the vertical direction, and a rotation axis of the wheel. Subtract the wheel vertical position from the target load vertical position obtained by multiplying by the distance between the wheel load center of gravity, which is the distance to the center of gravity of the load, divide by the distance between the wheel load center of gravity, and apply the inverse cosine The load angle command obtained in this way can be output.
本発明に係る乗り物酔い抑制制御装置の制御方法は、1つ以上の車輪と、該車輪を回転させるトルクを伝達する減速機と、該トルクを発生するモータと、該モータを駆動するサーボアンプと、前記モータの所望の回転速度指令を入力する入力装置を備え、人及び荷物などの負荷のバランスをとりながら移動させる倒立型移動体を制御する倒立型移動体制御装置の制御方法であって、路面から前記倒立型移動体に加わる上下方向の振動に含まれる、乗り物酔いを誘発する周波数成分を判定する乗り物酔い判定工程と、その判定結果である振動判定結果に基づいて、前記乗り物酔いを誘発する周波数成分を抑制する負荷角度指令を出力する指令調整工程とを備える。 A control method of the motion sickness suppression control device according to the present invention includes one or more wheels, a speed reducer that transmits torque that rotates the wheels, a motor that generates the torque, a servo amplifier that drives the motor, A control method for an inverted mobile control device comprising an input device for inputting a desired rotational speed command of the motor and controlling an inverted mobile body that moves while balancing the load of people and luggage, Inducing the motion sickness based on the motion sickness determination step for determining the frequency component that induces the motion sickness included in the vertical vibration applied to the inverted moving body from the road surface, and the vibration determination result that is the determination result And a command adjustment step of outputting a load angle command for suppressing the frequency component to be performed.
本発明によれば、乗り物酔いを誘発する上下方向の低周波数振動を抑制する乗り物酔い抑制制御装置及びその制御方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the motion sickness suppression control apparatus which suppresses the low frequency vibration of the up-down direction which induces motion sickness, and its control method can be provided.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、検出器などを付加することなく、搭乗者の乗り物酔いを抑制する乗り物抑制装置に適用したものである。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a vehicle suppression device that suppresses motion sickness of a passenger without adding an actuator, damper, detector, or the like dedicated to vibration control.
ここで、本明細書における「倒立型移動体」とは、車輪などを備えた移動体と、人や荷物などの負荷を載せるステップを備え、移動体を動作させることにより負荷が倒立した状態を保って移動する移動体を意味する。図1は、一般的な倒立移動体を示す図である。図1に示すように、倒立移動体200は、ホイール201、プラットホーム202、ハンドル203、グリップ204から構成され、ユーザ205を搬送する。このような2輪倒立ロボットは倒立型移動体の典型である。
Here, the “inverted moving body” in the present specification includes a moving body having wheels and the like and a step of placing a load such as a person or a baggage, and a state in which the load is inverted by operating the moving body. It means a moving body that keeps moving. FIG. 1 is a diagram showing a general inverted moving body. As shown in FIG. 1, the inverted moving body 200 includes a
ところで、上記したように、従来、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、検出器などを付加することなく、搭乗者の乗り物酔いを抑制する制御方法が、倒立型移動体の乗り物酔い抑制の用途に適用されていなかった理由は次の通りである。乗り物酔いを誘発する振動は0.2[Hz]程度の低周波数であるため、FFTなどの周波数解析を用いても検出に時間がかかるため、リアルタイムでの振動抑制が困難であると考えられていた。 By the way, as described above, conventionally, a control method for suppressing motion sickness of a passenger without adding an actuator, a damper, a detector, etc. dedicated to vibration control is applied to the application of motion sickness suppression of an inverted mobile body. The reason why it was not done is as follows. The vibration that induces motion sickness is a low frequency of about 0.2 [Hz], and it takes time to detect even if frequency analysis such as FFT is used, so it is considered difficult to suppress vibration in real time. It was.
そこで、本願の発明者は鋭意実験研究し、負荷と車輪の角度、速度及び加速度の推定値を用いて、車輪垂直位置及び車輪垂直加速度を演算することにより、倒立型移動体が路面から受ける振動のうち支配的な低周波数振動の周波数をリアルタイムで検出し、その検出結果に基づいて乗り物酔いに関連性の強い上下方向の振動のみを抑制することにより、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、検出器などを付加することなく、搭乗者の乗り物酔いを効果的に抑制することができることを見出した。 Therefore, the inventors of the present application have conducted extensive experimental research and calculated the vertical position of the wheel and the vertical acceleration of the wheel using the estimated values of the load, the angle of the wheel, the speed, and the acceleration, so that the inverted mobile body receives vibration from the road surface. Actuators, dampers, and detectors dedicated to vibration control by detecting the dominant low-frequency vibration frequency in real time and suppressing only the vertical vibration that is strongly related to motion sickness based on the detection result It was found that the motion sickness of the passenger can be effectively suppressed without adding the above.
本明細書は、振動制御専用のアクチュエータ、ダンパ、検出器を用いることなく、上下方向の低周波数振動をリアルタイムで検出し、抑制する機能を備えた乗り物酔い抑制制御装置及びその制御方法を開示する。 The present specification discloses a motion sickness suppression control device having a function of detecting and suppressing low frequency vibration in the vertical direction in real time without using an actuator, a damper, and a detector dedicated to vibration control, and a control method thereof. .
本明細書が開示する技術的思想は次の通りである。倒立型移動体の走行中に路面より加わる上下方向の振動が含む周波数成分のうち周波数の低いものがより支配的となるので、路面より加わる振動は支配周波数成分の正弦波に近似できる。すなわち、車輪垂直位置は正弦波に近似できる。車輪垂直加速度は車輪垂直位置と符号が逆で振幅が支配周波数の2乗倍となるので、両者の振幅の比を用いて支配周波数を演算できる。車輪垂直位置と車輪垂直加速度は負荷角度、負荷速度、負荷加速度及び車輪角度、車輪加速度に基づいて演算する。倒立型移動体の負荷角度と車輪角度のみ検出できる場合、負荷速度、負荷加速度、車輪速度は負荷状態推定器と車輪状態推定器を用いて推定し、その推定値を用いて車輪垂直位置及び車輪垂直加速度を演算する。上記支配周波数が、あらかじめ分かっている乗り物酔いを誘発する周波数範囲に含まれるかを判定し、含まれれば乗り物酔いを誘発する上下方向の振動を相殺する負荷角度指令に、それ以外の場合は搭乗者が入力した所望の動作をするような負荷角度指令に負荷角度が追従するように制御し走行する。 The technical idea disclosed in this specification is as follows. Of the frequency components included in the vertical vibration applied from the road surface during the traveling of the inverted moving body, the one having a lower frequency becomes more dominant, so the vibration applied from the road surface can be approximated to a sine wave of the dominant frequency component. That is, the wheel vertical position can be approximated to a sine wave. Since the wheel vertical acceleration has the opposite sign to the wheel vertical position and the amplitude is the square of the dominant frequency, the dominant frequency can be calculated using the ratio of the amplitudes of the two. The wheel vertical position and wheel vertical acceleration are calculated based on the load angle, load speed, load acceleration, wheel angle, and wheel acceleration. When only the load angle and wheel angle of an inverted moving body can be detected, the load speed, load acceleration, and wheel speed are estimated using the load state estimator and wheel state estimator, and the wheel vertical position and wheel are estimated using the estimated values. Calculate the vertical acceleration. Determine whether the dominant frequency is in the frequency range that induces motion sickness in advance, and if it is included, the load angle command cancels the vertical vibration that induces motion sickness. The vehicle travels in such a manner that the load angle follows the load angle command that performs a desired operation input by the person.
本明細書が開示する新規な乗り物酔い抑制制御装置を、図2を用いて具体的に説明する。図2は、本発明の第1の実施の形態にかかる乗り物酔い抑制制御装置のブロック図を示す図である。図中の各ブロックは、プログラム可能な電子システムにより構成し、ブロック間でやりとりされる信号は電気信号(デジタルまたはアナログ)とする。 The novel motion sickness suppression control device disclosed in this specification will be specifically described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram of the motion sickness suppression control device according to the first embodiment of the present invention. Each block in the figure is configured by a programmable electronic system, and signals exchanged between the blocks are electrical signals (digital or analog).
図2に示すように、乗り物酔い抑制制御装置200は、指令入力器201、指令調整器202、制御器203、倒立型移動体204、検出器205、負荷状態推定器206、車輪状態推定器207、支配周波数演算器208、及び乗り物酔い判定器209を有する。
As shown in FIG. 2, the motion sickness suppression control device 200 includes a
搭乗者が、指令入力器201により、倒立型移動体204の所望の速度である水平移動速度指令を入力する。水平移動速度指令は、たとえば図5のグリップ104に設置したスライダスイッチにより入力してもよく、またハンドル103を所望の進行方向に倒すことによって、プラットホームに接地したポテンショメータなどを介して入力してもよい。
A passenger inputs a horizontal movement speed command, which is a desired speed of the inverted moving
指令調整器202は、水平速度指令と乗り物酔い判定器209の乗り物酔い判定結果に基づいて、搭乗者が乗り物酔いを起こす可能性が高い場合には、乗り物酔いを誘発する上下方向の振動を抑制するような負荷角度指令を出力する。一方、それ以外の場合には水平速度指令通りに倒立型移動体204を水平移動させるような負荷角度指令を出力する。乗り物酔いを誘発する上下方向の振動を抑制するような負荷角度指令とは、乗り物酔いを誘発する0.2[Hz]程度の上下方向の振動を相殺し、かつ水平速度指令通りに倒立型移動体204が水平移動するような負荷角度指令である。
Based on the horizontal speed command and the motion sickness determination result of the motion
制御器203は、倒立型移動体204の負荷角度が負荷角度指令に追従するように車輪に加えるモータトルクの目標値であるトルク指令を演算し出力する。トルク指令は、線形制御、非線形制御など任意の制御則によって演算してもよい。
The
倒立型移動体204は、トルク指令に一致するモータトルクにより車輪を回転させ、負荷角度が負荷角度指令に一致した状態で走行する。
The inverted moving
検出器205は、負荷角度と車輪角度を検出し出力する。検出器205は、例えば、負荷角度を検出するポテンショメータ、車輪角度を検出するレゾルバなどから構成される。
The
負荷状態推定器206は、負荷角度、負荷速度及び負荷加速度である負荷状態を推定し出力する。負荷状態の推定は、制御理論で一般的に知られている状態推定器などを用いて実施する。
The
車輪状態推定器207は、車輪角度、車輪速度及び車輪加速度である車輪状態を推定し出力する。車輪状態の推定は、制御理論で一般的に知られている状態推定器などを用いて実施する。
The
支配周波数演算器208は、負荷状態推定値と車輪状態推定値に基づいて倒立型移動体204に路面から加わる振動を支配する周波数である支配周波数を演算し出力する。支配周波数は、負荷状態推定値と車輪状態推定値を、倒立型移動体204の運動方程式に代入し、車輪垂直加速度を推定し、車輪垂直加速度推定値とその2階積分である車輪垂直位置推定値の比に負号を付して平方根演算することにより演算する。
乗り物酔い判定器209は、支配周波数があらかじめ分かっている乗り物酔いを誘発する0.2[Hz]周辺の周波数範囲に含まれるかを判定し、その結果を振動判定結果として出力する。
The
The motion
以下、本発明の実施の形態について更に詳細に説明する。先ず、本第1の実施の形態にかかる乗り物酔い抑制制御装置が、乗り物酔いの主要因である低周波数の上下振動を検出し、搭乗者の重心位置が低周波数で上下振動しないように制御する仕組みの詳細を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. First, the motion sickness suppression control device according to the first embodiment detects a low frequency vertical vibration, which is a main factor of motion sickness, and controls so that the center of gravity position of the passenger does not vibrate at a low frequency. Details of the mechanism will be described.
図3に第1の実施の形態の倒立型移動体の模式的側面図を示す。倒立型移動体204は同軸上に配置した2つの車輪302を備え、その軸を回転の中心として自由に回転できるように結合した負荷301の倒立状態を維持し、且つ図の左右に所望の速度で移動するように車輪を回転させるものである。負荷301は搭乗者、荷物及びそれを支持するステップから構成される。
FIG. 3 shows a schematic side view of the inverted moving body according to the first embodiment. The inverted moving
倒立型移動体204の運動方程式について説明する。以下、運動方程式を解析力学の手法を用いて導出する。まず、運動エネルギーTとポテンシャルエネルギーVはそれぞれ式(1)と式(2)と表される。
The equation of motion of the inverted moving
式(1)及び式(2)で用いた記号の意味は次の通りである。
m1:負荷質量
J1:負荷慣性モーメント
m2:車輪質量
J2:車輪慣性モーメント
d^2(y2)/dt^2:車輪垂直加速度
l:負荷重心と車軸の距離
r:車輪半径
g:重力加速度
The meanings of symbols used in the formulas (1) and (2) are as follows.
m1: Load mass J1: Load inertia moment m2: Wheel mass J2: Wheel inertia moment d ^ 2 (y2) / dt ^ 2: Wheel vertical acceleration l: Distance between load center of gravity and axle r: Wheel radius g: Gravity acceleration
式(1)と式(2)を用いてラグランジアンL=T−Vを算出し、オイラー・ラグランジュ方程式を用いると運動方程式は式(3)と式(4)と求められる。 Using equations (1) and (2) to calculate Lagrangian L = T−V and using Euler-Lagrange equations, equations of motion are obtained as equations (3) and (4).
式(3)で用いた記号の意味は次の通りである。
Tm:モータトルク
The meanings of the symbols used in Equation (3) are as follows.
Tm: Motor torque
次に、倒立型移動体に搭乗中に乗り物酔いを起こす主要因である上下方向の低周波数振動の周波数を検出し、その検出結果に基づいて乗り物酔いしにくい負荷角度指令θ1*を生成する原理の詳細を説明する。まず、車輪垂直位置y2を、基底周波数がω0であるフーリエ級数展開すると式(5)と表される。 Next, the principle of detecting the frequency of low frequency vibration in the vertical direction, which is the main factor causing motion sickness while riding an inverted mobile body, and generating a load angle command θ1 * that is less likely to cause motion sickness based on the detection result Details will be described. First, when the wheel vertical position y2 is expanded in a Fourier series with a base frequency of ω0, it is expressed as equation (5).
式(5)における符号の意味は以下の通りである。
Ak、k=1、2、3、…:車輪垂直位置y2のk次フーリエ係数
The meanings of the symbols in formula (5) are as follows.
Ak, k = 1, 2, 3,...: K-th order Fourier coefficient of wheel vertical position y2.
倒立型移動体の走行時に路面から加わる振動の周波数成分のうち、低周波数の成分がより支配的となる(Ak<<Ak+1)。よって、式(5)のフーリエ級数展開においてk次の項が路面からの振動に含まれる最低次の項である場合(A1=A2=...=Ak−1=0、Ak、Ak+1、...≠0)、車輪垂直加速度d^2(y2)/dt^2は式(6)と表される。
Of the frequency components of vibration applied from the road surface during the traveling of the inverted mobile body, the low frequency component becomes more dominant (Ak << Ak + 1). Therefore, when the k-th order term is the lowest order term included in the vibration from the road surface in the Fourier series expansion of Equation (5) (A1 = A2 =... = Ak-1 = 0, Ak, Ak + 1,. .. ≠ 0), and the wheel vertical acceleration d 2 (y2) /
車輪垂直位置y2を支配する周波数kω0は、式(5)と式(6)より式(7)と求められる。 The frequency kω0 that dominates the wheel vertical position y2 is obtained as Expression (7) from Expression (5) and Expression (6).
式(7)においてkω0があらかじめ分かっている乗り物酔いを誘発する周波数範囲に含まれる場合、その振動を抑制するように制御する。式(7)の車輪垂直位置y2は直接計測できないので計測可能な負荷角度θ1と車輪角度θ2に基づいて推定する方法を以下に示す。 When kω0 is included in the frequency range inducing motion sickness that is known in advance in Expression (7), control is performed to suppress the vibration. Since the wheel vertical position y2 in Expression (7) cannot be directly measured, a method of estimating based on the load angle θ1 and the wheel angle θ2 that can be measured will be described below.
式(3)と式(4)より車輪角度θ2を除去すると式(8)が得られる。 When the wheel angle θ2 is removed from Expression (3) and Expression (4), Expression (8) is obtained.
同様に式(3)と式(4)より負荷角度θ1を除去すると式(9)が得られる。 Similarly, when the load angle θ1 is removed from Expression (3) and Expression (4), Expression (9) is obtained.
式(8)と式(9)においてf(・、・)、g(・)、h(・)はそれぞれ非線形関数である。負荷角度θ1と車輪角度θ2は計測可能であるが、その2階時間微分はノイズを多く含むので、負荷角度θ1と車輪角度θ2を推定する推定器を構成し、その推定器よりノイズをほとんど含まない負荷加速度d^2(θ1)/dt^2と車輪加速度d^2(θ2)/dt^2を得る方法を以下に示す。 In equations (8) and (9), f (•, •), g (•), and h (•) are nonlinear functions. Although the load angle θ1 and the wheel angle θ2 can be measured, since the second-order time derivative includes a lot of noise, an estimator for estimating the load angle θ1 and the wheel angle θ2 is configured, and the noise is included more than the estimator. A method for obtaining the load acceleration d ^ 2 (θ1) / dt ^ 2 and the wheel acceleration d ^ 2 (θ2) / dt ^ 2 is described below.
まず、負荷角度θ1を推定するために式(10)に示す負荷状態推定器206を構成する。
First, the
式(10)に用いた記号の意味は以下の通りである。
θ1^:負荷角度推定値
θ1〜:負荷角度推定誤差
c1:負荷角度推定誤差が0に収束する速さ
s1:中間変数
sgn(・):シグナム関数(符号関数)
L1:負荷状態推定器ゲイン
The meanings of the symbols used in equation (10) are as follows.
θ1 ^: Load angle estimation value θ1: Load angle estimation error c1: Speed at which the load angle estimation error converges to 0 s1: Intermediate variable sgn (·): Signum function (sign function)
L1: Load state estimator gain
式(8)と式(10)の差をとることにより負荷角度推定誤差方程式は式(11)と求められる。 By calculating the difference between Expression (8) and Expression (10), the load angle estimation error equation is obtained as Expression (11).
負荷角度推定誤差θ1〜を0に収束させる式(11)の第1推定器ゲインL1を設定する方法を以下に示す。式(12)に示すリアプノフ関数候補V1を導入する。 A method for setting the first estimator gain L1 of Expression (11) for converging the load angle estimation errors θ1 to 0 will be described below. A Lyapunov function candidate V1 shown in Expression (12) is introduced.
式(12)の1階時間微分は式(13)と表される。 The first-order time derivative of Equation (12) is expressed as Equation (13).
式(13)の右辺が∀s1≠0において負となる第1推定器ゲインL1は式(14)と表される。 The first estimator gain L1 in which the right side of Expression (13) is negative when ∀s1 ≠ 0 is expressed as Expression (14).
負荷状態推定器ゲインL1を式(14)のように設定すると、負荷角度推定誤差θ1〜は0に収束し、負荷角度推定値θ1^が負荷角度θ1に収束する。式(10)の負荷状態推定器206よりノイズをほとんど含まない負荷加速度d^2(θ1)/dt^2を直接得ることができる。
When the load state estimator gain L1 is set as shown in Equation (14), the load angle estimation error θ1 converges to 0, and the load angle estimation value θ1 ^ converges to the load angle θ1. The load acceleration d ^ 2 (θ1) / dt ^ 2 containing almost no noise can be directly obtained from the
次に、車輪角度θ2を推定するために式(15)に示す車輪状態推定器を構成する。 Next, a wheel state estimator shown in Expression (15) is configured to estimate the wheel angle θ2.
式(15)に使用した記号の意味は次の通りである。
θ2^:車輪角度推定値
θ2〜:車輪角度推定誤差
c2:車輪角度推定誤差が0に収束する速さ
s2:中間変数
L2:車輪状態推定器ゲイン
The meanings of the symbols used in equation (15) are as follows.
θ2 ^: Wheel angle estimation value θ2: Wheel angle estimation error c2: Speed at which the wheel angle estimation error converges to 0 s2: Intermediate variable L2: Wheel state estimator gain
式(12)と同様に式(16)に示すリアプノフ関数候補V2を導入する。 Like the equation (12), the Lyapunov function candidate V2 shown in the equation (16) is introduced.
式(16)の1階時間微分は式(17)と表される。 The first-order time derivative of Equation (16) is expressed as Equation (17).
式(17)の右辺が∀s2≠0に対して負となれば車輪角度推定誤差θ2〜は0に収束するので、その条件を求めると式(18)となる。 If the right side of Expression (17) becomes negative with respect to ∀s2 ≠ 0, the wheel angle estimation error θ2 converges to 0. Therefore, when the condition is obtained, Expression (18) is obtained.
式(18)のように第2推定器ゲインL2を設定すると、車輪角度推定値θ2^が車輪角度θ2に収束する。式(15)の車輪状態推定器207よりノイズをほとんど含まない車輪加速度d^2(θ1)/dt^2を直接得ることができる。
When the second estimator gain L2 is set as in Expression (18), the estimated wheel angle value θ2 ^ converges to the wheel angle θ2. The wheel acceleration d ^ 2 (θ1) / dt ^ 2 containing almost no noise can be directly obtained from the
支配周波数演算器208において、式(10)から得られた負荷角度θ1、負荷速度dt(θ1)/dt、負荷加速度d^2(θ1)/dt^2と、式(15)から得られた車輪角度θ2、車輪加速度d^2(θ2)/dt^2を式(3)に代入し、d^2(y2)/dt^2について解き、その結果を式(7)に代入して、支配周波数kω0を推定できる。支配周波数kω0があらかじめ分かっている乗り物酔いを誘発する周波数ωに含まれる場合、乗り物酔い判定器209においてその旨を判定し、振動状態判定結果を指令調整器202へ出力する。指令調整器202は、振動状態判定結果に基づいて乗り物酔いを抑制する負荷角度指令θ1*を出力する。
In the
以下、指令調整器202が乗り物酔いを抑制する負荷角度指令θ1*を演算する原理の詳細を説明する。負荷301の重心垂直位置y1は式(19)と表される。
Hereinafter, the details of the principle by which the
指令調整器202は式(20)により負荷角度指令θ1*を演算する。式(20)において、一定値y1*は式(19)においてy2=0とし搭乗者が入力した所望の負荷角度をθ1に代入した場合の負荷垂直位置y1である。
The
次に、倒立型移動体204の負荷角度θ1が負荷角度指令θ1*に追従するように制御する一例を説明する。式(21)のモータトルクTmにより式(8)の負荷角度θ1を負荷角度指令θ1*に追従させることを考える。
Next, an example of controlling so that the load angle θ1 of the inverted moving
式(21)で用いた記号の意味は次の通りである。
M:制御振幅
s:中間変数
c:負荷角度θ1が負荷角度指令θ1*に収束する速さ
The meanings of the symbols used in Equation (21) are as follows.
M: Control amplitude s: Intermediate variable c: Speed at which the load angle θ1 converges to the load angle command θ1 *
式(21)のモータトルクTmにより負荷角度θ1を負荷角度指令θ1*に収束させる制御振幅Mの十分条件を導出する。負荷角度θ1を負荷角度指令θ1*に収束させるためには、中間変数sを0に収束させればよいので、式(22)をリアプノフ関数の候補として用いる。 A sufficient condition of the control amplitude M for deriving the load angle θ1 to the load angle command θ1 * is derived from the motor torque Tm of the equation (21). In order to converge the load angle θ1 to the load angle command θ1 *, the intermediate variable s should be converged to 0. Therefore, Expression (22) is used as a Lyapunov function candidate.
全てのs≠0においてV>0である。Vの1階時間微分が、全てのs≠0において負となれば中間変数sは0に収束する。すなわち式(23)が成り立てばよい。 V> 0 for all s ≠ 0. If the first-order time derivative of V becomes negative at all s ≠ 0, the intermediate variable s converges to zero. That is, equation (23) may be established.
式(23)の十分条件は式(24)となる。 The sufficient condition of Expression (23) is Expression (24).
制御ゲインMを式(24)のように設定すると、式(23)が成り立ち、中間変数sは0に収束する。sが0に収束すると式(21)より負荷角度θ1は負荷角度指令θ1*にcの速さで収束する。このように、乗り物酔いを誘発する振動が路面から搭乗者に伝わらないように、倒立型移動体204の負荷角度θ1を制御することができる。
When the control gain M is set as in Expression (24), Expression (23) is established, and the intermediate variable s converges to zero. When s converges to 0, the load angle θ1 converges to the load angle command θ1 * at a speed of c from the equation (21). In this way, the load angle θ1 of the inverted
図4を用いて、倒立型移動体に路面から加わる乗り物酔いを誘発する低周波数振動を抑制する処理を説明する。図4は第1の実施の形態にかかる乗り物酔い抑制制御方法のフローチャートを示す。 A process for suppressing low-frequency vibrations that induce motion sickness applied to the inverted moving body from the road surface will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of the motion sickness suppression control method according to the first embodiment.
先ず、搭乗者が指令入力器201により、倒立型移動体204の所望の速度である水平移動速度指令を入力する(S401)。負荷状態推定器206は、負荷角度、負荷速度及び負荷加速度である負荷状態を推定し出力する(S402)。
First, a passenger inputs a horizontal movement speed command, which is a desired speed of the inverted moving
車輪状態推定器207は、車輪角度、車輪速度及び車輪加速度である車輪状態を推定し出力する(S403)。
支配周波数演算器208において、負荷状態と車輪状態に基づいて車輪垂直位置と車輪垂直加速度を演算する(S404)。支配周波数演算器208は、車輪垂直位置と車輪垂直加速度に基づいて倒立型移動体204に路面から加わる振動を支配する周波数である支配周波数を演算し出力する(S405)。
The
The
乗り物酔い判定器209は、支配周波数が予め分かっている乗り物酔いを誘発する周波数範囲に含まれるかを判定し、その結果を振動判定結果として出力する(S406)。指令調整器202は、水平速度指令と乗り物酔い判定器209の乗り物酔い判定結果に基づいて、搭乗者が乗り物酔いを起こす可能性が高い場合には、乗り物酔いを誘発する上下方向の振動を抑制するような負荷角度指令を出力する。一方、それ以外の場合には水平速度指令通りに倒立型移動体204を水平移動させるような負荷角度指令を出力する(S407)。
制御器203は、倒立型移動体204の負荷角度が負荷角度指令に追従するように制御する(S408)。
The motion
The
次に、倒立型移動体の乗り物酔いを誘発する低周波振動を抑制する効果を確かめるシミュレーション結果を説明する。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
m1=70[kg]
J1=25.2[kg・m^2]
m2=15[kg]
J2=0.075[kg・m^2]
l=0.9[m]
r=0.1[m]
g=9.8[m/s^2]
c=500[rad/s]
c1=500[rad/s]
c2=500[rad/s]
ω=0.2(2π)[rad/s]
ω0=0.1(2π)[rad/s]
T=1×10^−3[s]
Next, simulation results for confirming the effect of suppressing low-frequency vibration that induces motion sickness of an inverted mobile body will be described. The numerical values used for the simulation are as follows.
m1 = 70 [kg]
J1 = 25.2 [kg · m ^ 2]
m2 = 15 [kg]
J2 = 0.075 [kg · m ^ 2]
l = 0.9 [m]
r = 0.1 [m]
g = 9.8 [m / s ^ 2]
c = 500 [rad / s]
c1 = 500 [rad / s]
c2 = 500 [rad / s]
ω = 0.2 (2π) [rad / s]
ω0 = 0.1 (2π) [rad / s]
T = 1 × 10 ^ −3 [s]
上述の記号の意味は以下の通りである。
T:制御周期
The meanings of the above symbols are as follows.
T: Control cycle
本シミュレーションでは、乗り物酔いを誘発する0.2[Hz]の正弦波振動が路面から加わった時に、式(7)を用いて支配周波数が0.2[Hz]であることを検出し、負荷角度が式(20)の負荷角度指令に追従するように倒立制御する。 In this simulation, when a 0.2 [Hz] sinusoidal vibration that induces motion sickness is applied from the road surface, it is detected that the dominant frequency is 0.2 [Hz] using Equation (7), and the load Inverted control is performed so that the angle follows the load angle command of Expression (20).
図5A乃至図5Dは倒立型移動体の乗り物酔いを誘発する低周波振動を抑制する効果を確かめるシミュレーション結果を示す。図5Aは本シミュレーションに用いた、路面から上下方向に加わる外乱である。図5Aに示すように、周波数が0.2[Hz]である成分を含む波形としている。図5Bは、支配周波数検出結果を示す。図に示すように、支配周波数である0.2[Hz]が正しく検出されていることが分かる。図5Cには、路面からの外乱を考慮しない場合(従来技術)の負荷角度指令を破線で、本発明の負荷角度指令を実線で示している。本発明によると、式(20)に基づいて、路面からの振動を抑制する方向に、負荷角度指令が補正されていることが分かる。 5A to 5D show simulation results for confirming the effect of suppressing the low-frequency vibration that induces motion sickness of the inverted moving body. FIG. 5A shows the disturbance applied in the vertical direction from the road surface used in this simulation. As shown in FIG. 5A, the waveform includes a component having a frequency of 0.2 [Hz]. FIG. 5B shows the dominant frequency detection result. As shown in the figure, it can be seen that the dominant frequency of 0.2 [Hz] is correctly detected. In FIG. 5C, the load angle command when the disturbance from the road surface is not considered (prior art) is indicated by a broken line, and the load angle command of the present invention is indicated by a solid line. According to the present invention, it can be seen that the load angle command is corrected in the direction of suppressing the vibration from the road surface based on the equation (20).
図5Dは、本発明と従来技術を用いた場合の重心垂直位置である。図において、搭乗者の目標垂直位置を破線、従来技術による垂直位置を一点鎖線、本発明による垂直位置を実線で示す。目標垂直位置(破線)と本発明(実線)は一致しているのに対し、従来技術(一点鎖線)は路面からの振動により目標垂直位置よりずれていることが分かる。従来技術において、このずれが搭乗者の乗り物酔いを誘発していたが、本発明によると路面からの振動が搭乗者には影響せず、乗り物酔いを抑制できる。 FIG. 5D shows the vertical position of the center of gravity when the present invention and the prior art are used. In the figure, the target vertical position of the passenger is indicated by a broken line, the vertical position according to the prior art is indicated by a one-dot chain line, and the vertical position according to the present invention is indicated by a solid line. It can be seen that the target vertical position (broken line) and the present invention (solid line) coincide with each other, whereas the conventional technique (one-dot chain line) deviates from the target vertical position due to vibration from the road surface. In the prior art, this shift induces passenger motion sickness. However, according to the present invention, vibration from the road surface does not affect the passenger, and motion sickness can be suppressed.
上記した第1の実施の形態の留意点について述べる。
本実施例では倒立型移動体の垂直方向に路面から加わる振動を抑制する手法を示したが、倒立型移動体がロール(横)方向の自由度を持つ場合、ロール方向の振動を抑制し乗り心地を向上する場合にも好適である。
Points to be noted in the first embodiment described above will be described.
In this embodiment, the method of suppressing the vibration applied from the road surface in the vertical direction of the inverted moving body has been shown. However, when the inverted moving body has a degree of freedom in the roll (lateral) direction, the vibration in the roll direction is suppressed to It is also suitable for improving comfort.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
101 ホイール
102 プラットホーム
103 ハンドル
104 グリップ
105 ユーザ
200 乗り物酔い抑制制御装置
201 指令入力器
202 指令調整器
203 制御器
204 倒立型移動体
205 検出器
206 負荷状態推定器
207 車輪状態推定器
208 支配周波数演算器
209 乗り物酔い判定器
301 負荷
302 車輪
DESCRIPTION OF
Claims (10)
路面から前記倒立型移動体に加わる上下方向の振動に含まれる、乗り物酔いを誘発する周波数成分を判定する乗り物酔い判定器と、
その判定結果である振動判定結果に基づいて、前記乗り物酔いを誘発する周波数成分を抑制する負荷角度指令を出力する指令調整器とを備える、乗り物酔い抑制制御装置。 One or more wheels, a speed reducer that transmits torque for rotating the wheels, a motor that generates the torque, a servo amplifier that drives the motor, and an input device that inputs a desired rotational speed command of the motor An inverted moving body control device for controlling an inverted moving body that moves while balancing the load of people and luggage,
A motion sickness detector for determining a frequency component that induces motion sickness included in the vertical vibration applied to the inverted moving body from the road surface;
A motion sickness suppression control apparatus comprising: a command adjuster that outputs a load angle command that suppresses a frequency component that induces the motion sickness based on a vibration determination result that is the determination result.
前記支配周波数演算器は、前記倒立型移動体の負荷角度、負荷速度、及び負荷加速度の推定値である負荷状態推定値と、車輪角度、車輪速度、及び車輪加速度の推定値である車輪状態推定値とに基づいて、前記上下方向の振動を支配する周波数である支配周波数を算出する、請求項1記載の乗り物酔い抑制制御装置。 Further comprising a dominant frequency calculator,
The dominant frequency calculator includes a load state estimated value that is an estimated value of a load angle, a load speed, and a load acceleration of the inverted mobile body, and a wheel state estimate that is an estimated value of a wheel angle, a wheel speed, and a wheel acceleration. The motion sickness suppression control device according to claim 1, wherein a dominant frequency, which is a frequency that governs the vertical vibration, is calculated based on the value.
路面から前記倒立型移動体に加わる上下方向の振動に含まれる、乗り物酔いを誘発する周波数成分を判定する乗り物酔い判定工程と、
その判定結果である振動判定結果に基づいて、前記乗り物酔いを誘発する周波数成分を抑制する負荷角度指令を出力する指令調整工程とを備える、乗り物酔い抑制制御装置の制御方法。 One or more wheels, a speed reducer that transmits torque for rotating the wheels, a motor that generates the torque, a servo amplifier that drives the motor, and an input device that inputs a desired rotational speed command of the motor A control method for an inverted moving body control device that controls an inverted moving body that moves while balancing the load of people and luggage,
A motion sickness determination step for determining a frequency component that induces motion sickness included in the vertical vibration applied to the inverted moving body from the road surface;
A control method for a motion sickness suppression control device, comprising: a command adjustment step for outputting a load angle command for suppressing a frequency component that induces the motion sickness based on a vibration determination result that is the determination result.
前記支配周波数演算工程では、前記倒立型移動体の負荷角度、負荷速度、及び負荷加速度の推定値である負荷状態推定値と、車輪角度、車輪速度、及び車輪加速度の推定値である車輪状態推定値とに基づいて、前記上下方向の振動を支配する周波数である支配周波数を算出する、請求項6記載の乗り物酔い抑制制御装置の制御方法。 Further comprising a dominant frequency calculation step,
In the dominant frequency calculation step, a load state estimated value that is an estimated value of the load angle, load speed, and load acceleration of the inverted mobile body, and a wheel state estimate that is an estimated value of the wheel angle, wheel speed, and wheel acceleration. The control method of the motion sickness suppression control device according to claim 6, wherein a dominant frequency that is a frequency governing the vertical vibration is calculated based on the value.
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