JP2018047778A - 倒立二輪型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の倒立二輪型移動体は、スリップ状態を回転異常と誤検知する問題があった。【解決手段】本発明の倒立二輪型移動体は、左右輪から個別に取得した回転数測定値と、左右輪に対して別々に与えられる回転数指令値と、に基づき左右輪の異常回転を検出する実回転数取得部３１と、倒立二輪型移動体の方向変位量の異常を判断し、倒立二輪型移動体の方向変位量に異常が発生したと判断した場合に目標移動量決定部３０に停止指示を行う方向変位量取得部３２と、を有し、実回転数取得部３１は、左右輪それぞれについて、回転数測定値と回転数指令値との差を示す車輪誤差の差の絶対値を示す誤差相違量が第１の閾値を超えた場合に異常回転を検出し、方向変位量取得部３２は、誤差相違量と、倒立二輪型移動体の方向変位量を計測した実方向変位量と、の差が予め定めた第２の閾値を超えた場合に、目標移動量決定部３０に停止指示を行う。【選択図】図２

Description

本発明は倒立二輪型移動体に関する。

ユーザーが登場して操作することが可能な倒立二輪型移動体が提案されている。例えば、このような倒立二輪型移動体の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の倒立二輪型移動体は、倒立制御により倒立状態を維持しつつ、右車輪及び左車輪をモータによって独立に駆動させ、前記右車輪と前記左車輪との速度差に応じて旋回を行う倒立二輪型移動体である。そして、特許文献１に記載の倒立二輪型移動体は、前記倒立二輪型移動体のピッチ方向の角度を計測する角度計測センサと、前記右車輪及び前記左車輪の速度を検出する速度検出センサと、前記角度計測センサが計測した前記角度の絶対値が第１の所定値未満であり、かつ前記速度検出センサが検出した前記右車輪の速度と前記左車輪の速度の和の絶対値が第２の所定値よりも大きい場合に、前記右車輪と前記左車輪のうち、検出した前記速度の大きさが大きい方の車輪の速度を減速させる制御部と、を備える。

特開２０１６−０８８３０７号公報

しかしながら、倒立二輪型移動体では、車輪がスリップした場合においても、特許文献１において片側の車輪が意図した速度よりも遅くなっている状態として設定された条件を満たすことがある。車輪のスリップ状態に対して、特許文献１に記載の倒立二輪型移動体では、スリップにより一時的に回転数が高まっているものの倒立二輪型移動体の姿勢としては正しい状態であるにも関わらず、スリップが生じた車輪の速度を低下させる制御が行われる。このような制御が行われた場合、倒立二輪型移動体が意図しない姿勢となってしまう問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、倒立二輪型移動体の姿勢をより安定して制御することを目的とするものである。

本発明の一態様にかかる倒立二輪型移動体は、モータで駆動される２つの車輪が取り付けられ、左右輪に対して別々に回転数指令値を与えることで倒立制御を行う倒立二輪型移動体であって、前記左右輪に対して個別に前記回転数指令値を与える目標移動量決定部と、前記左右輪から個別に車輪の回転数を測定した回転数測定値と、前記左右輪に対して別々に与えられる前記回転数指令値と、を取得し、前記左右輪の異常回転を検出する実回転数取得部と、前記実回転数取得部において前記異常回転が検出された場合に、前記倒立二輪型移動体の方向変位量の異常を判断し、前記倒立二輪型移動体の方向変位量に異常が発生したと判断した場合に前記目標移動量決定部に停止指示を行う方向変位量取得部と、を有し、前記実回転数取得部は、前記左右輪それぞれについて、前記回転数測定値と前記回転数指令値との差を示す車輪誤差を算出し、前記左右輪の前記車輪誤差の差の絶対値を示す誤差相違量が予め定めた第１の閾値を超えた場合に前記異常回転を検出し、前記方向変位量取得部は、前記誤差相違量と、前記回転数測定値以外の指標に基づき前記倒立二輪型移動体の方向変位量を計測した実方向変位量と、の差が予め定めた第２の閾値を超えた場合に、前記目標移動量決定部に停止指示を行う。

上記本発明の一態様によれば、倒立二輪型移動体は、スリップ状態を車輪のロック或いは車輪の異常回転と誤検知することを防止して、車体姿勢の異常検出精度を向上させることができる。

本発明にかかる倒立二輪型移動体によれば、より安定した姿勢制御を行うことができる。

実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の外観を説明する概略図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体のブロック図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の制御方法を説明するフローチャートである。 実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体において用いられる誤差相違量を説明するグラフである。 実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体において実姿勢の計測に用いる値の一例となる回転数トルク特性を説明するグラフである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、車体にモータで駆動される２つの車輪が取り付けられ、左右輪に対して別々に回転数指令値を与えることで倒立制御を行う。また、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、搭乗者の体重移動に基づく荷重変化を移動体の移動方向或いは移動速度に対する移動量指令値として入力を受け付け、当該移動量指令値に応じて左右輪に与える回転数指令値を変化させる。また、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、左右輪に回転速度差を与えることで左旋回或いは右旋回を行う。

続いて、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の構成の概略について説明する。図１に実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の外観を説明する概略図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、本体部と車体変位量検出部とにより構成される。搭乗者ＨＭＮは本体部に搭乗する。また、車体変位量検出部は本体部に対して付属的に設けられる。この車体変位量検出部は、本体部内の構成とすることもできる。

図１に示すように、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の本体部は、車体１０、支柱１１、ハンドル１２、車輪１３ａ、１３ｂ、モータ１４ａ、１４ｂを有する。また、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の車体変位量検出部は吊り具２０、姿勢センサ２１、ワイヤ２２ａ、２２ｂ、２３を有する。

車体１０は、倒立二輪型移動体の姿勢制御を行う制御部、及び、制御部及びモータ１４ａ、１４ｂの電源となるバッテリが搭載される。車体１０には、支柱１１を介してハンドル１２が設けられる。ハンドル１２は、搭乗者が握ることで搭乗者の姿勢を安定させる。車体１０の左右には、車輪１３ａ、１３ｂが設けられる。車輪１３ａ、１３ｂは、車輪１３ａ、１３ｂに対応して設けられるモータ１４ａ、１４ｂに固定されており、モータ１４ａ、１４ｂが回転に応じて回転する。

吊り具２０は、搭乗者とワイヤ２２ａ、２２ｂで接続されるとともにワイヤ２３により天井に接続される。吊り具２０は、搭乗者の転倒を防止するとともに本体部の実際の変位量を検出する。姿勢センサ２１は、吊り具２０上に設けられ、本体部の実際の変位量を示す実姿勢計測値を生成して、生成した実姿勢計測値を車体１０に送信する。

なお、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体では、実姿勢計測値を車体変位量検出部として吊り具２０に設けたが、例えば、車体１０内においてモータの回転速度とトルクとの関係に基づき実姿勢計測値を算出するように車体１０内に車体変位量検出部を設ける構成も考えられる。また、車体変位量検出部は、倒立二輪型移動体の本体部を外部から撮影したデータから実姿勢計測値を算出する構成、レーザー計測等の非接触計測手法を用いて実姿勢計測値を算出する構成等、様々な構成で実現することができる。

続いて、車体１０内の構成について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体のブロック図を示す。図２に示すように、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の車体１０は、目標移動量決定部３０、実回転数取得部３１、方向変異量取得部３２を有する。なお、図２では、車体１０に取り付けられる車輪１３ａ、１３ｂ及びモータ１４ａ、１４ｂも車体１０の説明のために示した。

目標移動量決定部３０は、左右輪に対して駆動力を与えるモータ１４ａ、１４ｂに対して個別に回転数指令値を与える。また、目標移動量決定部３０は、搭乗者の体重移動に基づく荷重変化を移動体の移動方向或いは移動速度に対する移動量指令値として入力を受け付け、当該移動量指令値に応じて左右輪に与える回転数指令値を変化させる。なお、図２では、移動量指令値を生成する加重センサ等の構成は図示を省略した。

実回転数取得部３１は、左右輪を駆動するモータ１４ａ、１４ｂから個別に車輪の回転数を測定した回転数測定値と、左右輪に対して別々に与えられる回転数指令値と、を取得し、左右輪の異常回転を検出する。具体的には、実回転数取得部３１は、左右輪それぞれについて、回転数測定値と回転数指令値との差を示す車輪誤差を算出し、左右輪の車輪誤差の差の絶対値を示す誤差相違量が予め定めた第１の閾値を超えた場合に異常回転を検出する。そして、モータ１４は、異常回転が検出された場合には、誤差相違量を含む回転異常通知信号を方向変異量取得部３２に出力する。

方向変異量取得部３２は、実回転数取得部３１において異常回転が検出された場合に、倒立二輪型移動体の方向変位量の異常を判断し、倒立二輪型移動体の方向変位量に異常が発生したと判断した場合に目標移動量決定部に停止指示を行う。より具体的には、方向変異量取得部３２は、誤差相違量と、回転数測定値以外の指標に基づき倒立二輪型移動体の方向変位量を計測した実方向変位量（例えば、実姿勢計測値）と、の差が予め定めた第２の閾値を超えた場合に、目標移動量決定部に停止指示を行う。

続いて、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の制御方法について詳細に説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の制御方法を説明するフローチャートを示す。

図３に示すように、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、搭乗者が車体に乗車したことにより動作が開始される。動作を開始すると、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、目標移動量決定部３０において本体部の移動方向及び移動速度を示す目標移動量を決定する（ステップＳ１）。また、目標移動量決定部３０は、決定した目標移動量に基づきモータ１４ａ、１４ｂに与える回転数指令値を決定する（ステップＳ２ａ、Ｓ２ｂ）。これにより、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体の車輪１３ａ、１３ｂの回転速度が制御される（ステップＳ３ａ、Ｓ３ｂ）。

続いて、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、実回転数取得部３１において、右車輪の回転数指令値と右車輪を駆動するモータ１４ａから出力される回転数実測値（例えば、右車輪回転数実測値）との差を示す右車輪誤差と、左車輪の回転数指令値と左車輪を駆動するモータ１４ｂから出力される回転数実測値（例えば、左車輪回転数実測値）との差を示す左車輪誤差と、を算出する。また、実回転数取得部３１は、右車輪誤差と左車輪誤差との差の絶対値を示す誤差相違量を算出する。そして、実回転数取得部３１は、誤差相違量と第１の閾値とを比較する（ステップＳ４）。実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、ステップＳ４において、誤差相違量が第１の閾値よりも小さければ、回転異常は発生していないと判断して、再度ステップＳ１の処理を行う（ステップＳ４のＮＯの枝）。一方、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、ステップＳ４において、誤差相違量が第１の閾値以上であれば、回転異常が発生している判断して、ステップＳ６の処理を行う（ステップＳ４のＹＥＳの枝及びステップＳ５）。

ここで、ステップＳ４の処理についてより詳細に説明する。そこで、図４に実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体において用いられる誤差相違量を説明するグラフを示す。図４（ａ）は、右車輪に関する右車輪誤差のグラフである。図４（ｂ）は、左車輪に関する左車輪誤差のグラフである。図４（ｃ）は、誤差相違量のグラフである。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、車輪の実測値は、各車輪の回転数指令値に沿うように遷移する。しかしながら、図４（ｂ）に示す例では、ある時点から左車輪に対する回転数指令値と回転数実測値との差が大きくなっている。これは、左車輪にスリップが生じることで左車輪の回転数が回転数指令値となってしまうためである。

また、図４（ｃ）に示すように、誤差相違量は、車体１０が左旋回をしている場合には正の側に大きくなり、右旋回をしている場合には負の側に大きくなる。そして、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体では、旋回角度が０となる誤差相違量が絶対値で同じになる位置に第２の閾値を設定する。そして、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体では、誤差位相量が第２の閾値を超えた時点で回転異常を検出する。

ステップＳ６では、方向変異量取得部３２が、実姿勢計測値として姿勢センサ２１から与えられた姿勢角センサの値と実回転数取得部３１から得た誤差相違量とを比較する。そして、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、ステップＳ６において、姿勢角センサの値と誤差相違量との差が予め定めた第２の閾値以上であると判断された場合には、回転異常が発生していると判断して目標移動量決定部３０に停止指示を行う（ステップＳ６のＹＥＳの枝）。一方、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、ステップＳ６において、姿勢角センサの値と誤差相違量との差が予め定めた第２の閾値以下であると判断された場合には、ステップＳ４で検出された回転異常は誤検知であると判断する（ステップＳ７）。つまり、ステップＳ７では、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、車体を停止すべき車輪回転数異常は発生していないと判断して、ステップＳ１以降に行われる処理を継続する。

ここで、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体において用いられる実方向変位量として、回転数トルク特性を用いた場合の例について説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体において実姿勢の計測に用いる値の一例となる回転数トルク特性を説明するグラフを示す。図５に示すように、モータの回転数トルク特性では、モータの仕様により回転数に対して出力トルクが制限される回転数トルク限界カーブを有する。モータは、所定の回転数において回転数トルク限界カーブを超えるトルクを発生することは出来ない。そこで、車体１０内に、モータの実際の回転数と出力トルクとを測定する変位量検出部を設けることが考えられる。

そして、方向変異量取得部３２では、この変位量検出部により測定された回転数と出力トルクとの関係が回転数トルク限界カーブの範囲内（例えば、図５のＡ点）であれば、ステップＳ４、Ｓ５で検出された回転異常を異常状態であるとしてステップＳ５のＹＥＳの枝の判断を行う。一方、方向変異量取得部３２では、この変位量検出部により測定された回転数と出力トルクとの関係が回転数トルク限界カーブの範囲外（例えば、図５のＢ点）であれば、ステップＳ４、Ｓ５で検出された回転異常を異常状態は誤検知であるとしてステップＳ５のＮＯの枝及びステップＳ７の判断を行う。

上記説明より、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体では、左右輪の回転数の差に加えて、回転数の差から想定される倒立二輪型移動体の変位量と、回転数差以上の指標から想定される倒立二輪型移動体の変位量と、に基づき左右輪の回転数の差から想定される回転異常が正しいものであるか否かを判定する。

車輪にスリップが生じた場合、倒立二輪型移動体に想定外の姿勢変化が生じないにも関わらず、左右輪には実際の姿勢変化以上の変化が生じる。そこで、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体では、上記のような処理を行うことで、スリップ状態により生じる姿勢変化の誤検知を防止し、不要な動作停止を回避することができる。つまり、実施の形態１にかかる倒立二輪型移動体は、スリップ状態を車輪のロック或いは車輪の異常回転と誤検知することを防止して、車体姿勢の異常検出精度を向上させることができる。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０ 車体
１１ 支柱
１２ ハンドル
１３ 車輪
１４ モータ
２０ 吊り具
２１ 姿勢センサ
２２ ワイヤ
２３ ワイヤ
３０ 目標移動量決定部
３１ 実回転数取得部
３２ 方向変異量取得部

Claims (1)

1. モータで駆動される２つの車輪が取り付けられ、左右輪に対して別々に回転数指令値を与えることで倒立制御を行う倒立二輪型移動体であって、
   前記左右輪に対して個別に前記回転数指令値を与える目標移動量決定部と、
   前記左右輪から個別に車輪の回転数を測定した回転数測定値と、前記左右輪に対して別々に与えられる前記回転数指令値と、を取得し、前記左右輪の異常回転を検出する実回転数取得部と、
   前記実回転数取得部において前記異常回転が検出された場合に、前記倒立二輪型移動体の方向変位量の異常を判断し、前記倒立二輪型移動体の方向変位量に異常が発生したと判断した場合に前記目標移動量決定部に停止指示を行う方向変位量取得部と、を有し、
   前記実回転数取得部は、前記左右輪それぞれについて、前記回転数測定値と前記回転数指令値との差を示す車輪誤差を算出し、前記左右輪の前記車輪誤差の差の絶対値を示す誤差相違量が予め定めた第１の閾値を超えた場合に前記異常回転を検出し、
   前記方向変位量取得部は、前記誤差相違量と、前記回転数測定値以外の指標に基づき前記倒立二輪型移動体の方向変位量を計測した実方向変位量と、の差が予め定めた第２の閾値を超えた場合に、前記目標移動量決定部に停止指示を行う倒立二輪型移動体。

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