JP5904175B2

JP5904175B2 - 倒立二輪装置

Info

Publication number: JP5904175B2
Application number: JP2013176425A
Authority: JP
Inventors: 一誠中島; 真弘上村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: CN104417686B; JP2015044473A; US20150066276A1; CN104417686A

Description

本発明は倒立二輪装置に関する。

倒立状態を維持しながら走行する倒立二輪装置がある。

例えば、特許文献１では、車輪を駆動するモータと、モータの駆動によるトルクを制御するためのトルク指令値を生成する制御部と、倒立二輪装置自体の姿勢情報を検出する姿勢検出手段とを備える倒立二輪装置が開示されている。

国際公開第２０１１／１０８０２９号

ところで、搭乗者が乗車しようとする際に、倒立二輪装置を搭乗者側に過剰に傾けることがある。すると、特許文献１で開示される倒立二輪装置が、倒立状態を維持するために、搭乗者に向かって走行する。この走行によって、倒立二輪装置が搭乗者の足に接触し、搭乗者の足を押し続けることがあった。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、搭乗者が乗車しようとする際に、倒立二輪装置を搭乗者側に過剰に傾けても、搭乗者の足を押し続けることを抑制する倒立二輪装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる倒立二輪装置は、
車輪を駆動するモータと、
前記モータの角速度を制御するための目標角速度を生成する角速度制御手段と、
前記モータの検出角速度を検出する角速度検出部と、
前記目標角速度と前記検出角速度との差分が角速度閾値以上であると、前記モータの回転を抑制する停止制御手段と、
を備える。

このような構成によれば、搭乗者が乗車しようとする際に、倒立二輪装置を搭乗者側に過剰に傾けても、搭乗者の足を押し続けることを抑制する。

また、搭乗者の搭乗作業の開始を検知する搭乗開始検知手段と、前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知する搭乗完了検知手段と、をさらに備え、前記停止制御手段は、前記搭乗者の搭乗作業の開始を検知してから、前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知するまでに、実行される、ことを特徴としてもよい。また、前記搭乗者の一方の足を支持する第１ステップと、前記搭乗者の他方の足を支持する第２ステップと、荷重情報を検知する荷重センサと、を備え、前記搭乗開始検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップのうち一方のみにかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の開始を判定し、前記搭乗完了検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップの両方にかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の完了を判定する、ことを特徴としてもよい。

他方、本発明にかかる倒立二輪装置は、
車輪を駆動するモータと、
前記モータの検出トルクを検出するトルクセンサと、
前記検出トルクを微分して、検出トルク微分値を求め、前記検出トルク微分値がトルク微分閾値以上であると、前記モータの回転を抑制する停止制御手段と、
を備える。

実施の形態１にかかる倒立二輪装置の側面図である。実施の形態１にかかる倒立二輪装置の構成図である。実施の形態１にかかる制御方法を示すフローチャートである。実施の形態１にかかる制御方法を示す模式図である。時間に対する角速度を示すグラフである。実施の形態２にかかる倒立二輪装置の構成図である。実施の形態２にかかる制御方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、図１を参照して実施の形態１にかかる倒立二輪装置について説明する。図１は、実施の形態１にかかる倒立二輪装置の側面図である。

図１に示すように、倒立二輪装置１は、車輪部２と、足部３と、ハンドル４とを備える。

車輪部２は、車輪２１と、モータ２２と、モータ回転角センサ２３と、を含む。モータ２２は、車輪２１を駆動する。モータ回転角センサ２３は、車輪２１の角度を検出することができる。モータ回転角センサ２３は、例えば、レゾルバやエンコーダを備える。モータ回転角センサ２３は、検出した角度を微分して、角速度ω（図２参照。）を算出し、角速度ωについての信号を出力する。

足部３は、ステップ３１Ｒ、３１Ｌと、姿勢角検知センサ３２と、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒとを有する。ステップ３１Ｒは、車輪部２の上方に設置されており、搭乗者の右足を支持するための支持板である。また、ステップ３１Ｌは、車輪部２の上方に設置されており、搭乗者の左足を支持するための支持板である。姿勢角検知センサ３２は、足部３及びハンドル４の姿勢角を検出するセンサである。姿勢角検知センサ３２は、例えば、ジャイロセンサや加速度センサである。姿勢角検知センサ３２は、検出姿勢角度η（図２参照。）を検出し、検出姿勢角度ηについての信号を出力する。荷重センサ３３Ｌは、ステップ３１Ｌにかかる荷重を検出し、荷重センサ３３Ｒは、ステップ３１Ｒにかかる荷重を検出する。また、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒは、ステップ３１Ｌ、３１Ｒにかかる荷重の重心の位置、ピッチ角度、ロール角度を検出することができる。また、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒは、荷重情報ｍ（図２参照。）についての信号を生成する。荷重情報ｍは、ステップ３１Ｌ、３１Ｒにかかる荷重の大きさや重心の位置などを含む。荷重情報ｍは、例えば、ステップ３１Ｌ、３１Ｒのピッチ角度やロール角度などを含んでいてもよい。

ハンドル４は、足部３から上方に延びる棒部４１と、棒部４１の上端に支持される把持部４２を有する。把持部４２は、搭乗者の両手によって把持される形状を有する。なお、把持部４２の形状は、搭乗者の足等に挟まれることで搭乗者に把持されるように、変更してもよい。また、この変更に伴って、棒部４１の長さは、適宜変更してもよい。

次に、図２を参照して、倒立二輪装置の構成について説明する。図２は、実施の形態１にかかる倒立二輪装置の構成図である。

図２に示すように、制御部５０は、目標生成部５１と、偏差算出部５２と、フィードバック補償制御部５３と、モータドライバ５４と、判定部５５と、を有する。制御部５０は、図示しない電源に接続されており、必要に応じて、電流を供給される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等を備えている。

目標生成部５１は、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒから荷重情報ｍについての信号を入力される。目標生成部５１は、荷重情報ｍに基づいて、目標角速度ω＊及び目標姿勢角度η＊を算出し、目標角速度ω＊及び目標姿勢角度η＊についての信号を出力する。

偏差算出部５２は、目標生成部５１から目標角速度ω＊、目標姿勢角度η＊についての信号を入力される。また、偏差算出部５２は、モータ回転角センサ２３から検出角速度ω、姿勢角検知センサ３２から検出姿勢角度ηについての信号も入力される。偏差算出部５２は、目標角速度ω＊と検出角速度ωとの差分（偏差角速度Δω）、及び、目標姿勢角度η＊と検出姿勢角度ηとの差分（偏差姿勢角度Δη）を算出し、偏差角速度Δω及び偏差姿勢角度Δηについての信号を出力する。

フィードバック補償制御部５３は、判定部５５を含む。判定部５５は、偏差角速度Δωが角速度閾値Δω１以上であるか未満かを判定する。ここで、角速度閾値Δω１は判定部５５に予め記憶されている。フィードバック補償制御部５３は、偏差角速度Δω、偏差姿勢角度Δηについての信号を入力される。フィードバック補償制御部５３は、目標トルクＴ＊についての信号を出力する。

偏差角速度Δωが角速度閾値Δω１未満であると、フィードバック補償制御部５３は、倒立制御トルクＴｔ＊についての信号を、目標トルクＴ＊についての信号として出力する。倒立制御トルクＴｔ＊は、倒立状態を維持しつつ荷重情報ｍに基づいて走行するためのトルク値である。つまり、倒立制御トルクＴｔ＊は、倒立制御を行うためのトルク値である。

一方、偏差角速度Δωが角速度閾値Δω１以上であると、フィードバック補償制御部５３は、停止トルクＴｓ＊についての信号を目標トルクＴ＊についての信号として出力する。停止トルクＴｓ＊は、車輪２１の回転が停止するようにモータ２２のトルクを制御するためのトルク値である。つまり、停止トルクＴｓ＊は、停止制御を行うためのトルク値である。なお、停止トルクＴｓ＊は、倒立二輪装置１自体を搭乗者側へ走行することを抑制させるような方向及び大きさのトルク値であればよい。

モータドライバ５４は、フィードバック補償制御部５３から目標トルクＴ＊についての信号を入力される。モータドライバ５４は、目標トルクＴ＊についての信号に基づいて、電流をモータ２２に供給する。

モータ２２は、モータドライバ５４からの電流の供給を受けて、車輪２１を駆動する。モータ回転角センサ２３は、車輪２１の角度を検出し、検出角速度ωを求め、検出角速度ωについての信号を偏差算出部５２に出力する。また、姿勢角検知センサ３２は、検出姿勢角度ηを検出し、検出姿勢角度ηについての信号を偏差算出部５２に出力する。

制御方法．
次に、図３〜５を参照して実施の形態１にかかる倒立二輪装置の制御方法について説明する。図３は、実施の形態１にかかる制御方法を示すフローチャートである。図４は、実施の形態１にかかる制御方法を示す模式図である。図５は、時間に対する角速度を示すグラフである。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、搭乗作業の開始を検知する（搭乗開始検知ステップＳ１）。詳細には、図４（ａ）に示すように、把持部４２が搭乗者により両手で把持される。続いて、図４（ｂ）に示すように、搭乗者の片足をステップ３１Ｌ、３１Ｒのいずれかに支持させ易くするために、倒立二輪装置１の姿勢角が変更される。例えば、棒部４１の長手方向が略鉛直方向に沿うように、倒立二輪装置１の姿勢角が変更される。続いて、図４（ｃ）に示すように、ステップ３１Ｌ、３１Ｒのいずれか一方が搭乗者の片足を支持し、その一方が荷重を検出する（搭乗開始検知ステップＳ１：ＹＥＳ）。

続いて、倒立制御を開始する（倒立制御ステップＳ２）。さらに、モータ回転角センサ２３が検出角速度ωを計測し（モータ角速度計測ステップＳ３）、検出角速度ωと目標角速度ω＊との差分を算出し、偏差角速度Δωが角速度閾値Δω１を超えるか否かを確認する（偏差角速度確認ステップＳ４）。

続いて、図４（ｄ）に示すように、例えば、ハンドル４が搭乗者により搭乗者側に引かれると、倒立二輪装置１の姿勢が搭乗者側に向かって傾く。

続いて、図４（ｅ）に示すように、倒立二輪装置１が、倒立制御により、倒立状態を維持しつつ走行する。具体的には、倒立二輪装置１は、倒立状態を維持するために、搭乗者側に向かって走行する。

続いて、図４（ｆ）に示すように、倒立二輪装置１が搭乗者の足に接触し、倒立二輪装置１の走行速度が低下していく。すると、図５に示すように、時点Ｔ１から時点Ｔ２にかけて検出角速度ωと目標角速度ω＊とが大きく乖離する。すなわち、偏差角速度Δωが増加していく。時間が時点Ｔ２に達すると、偏差角速度Δωが角速度閾値Δω１以上になる（偏差角速度確認ステップＳ４：ＮＯ）。すると、倒立制御を一旦止めて、停止制御を開始し、車輪２１を停止させる（車輪停止ステップＳ４１）。図４（ｇ）に示すように、倒立二輪装置１は、搭乗者の足に接触したまま、搭乗者側に向かって走行することなく、停止する。

続いて、例えば、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒの両方が荷重を検出すると、搭乗作業の完了を検知する（搭乗完了検知ステップＳ５）まで、モータ角速度計測ステップＳ３から偏差角速度確認ステップＳ４又は車輪停止ステップＳ４１までのステップを繰り返す。詳細には、搭乗作業の完了を検知すると、倒立制御を再開する（倒立制御再開ステップＳ６）。

最後に、搭乗者が降車したことを検知すると（降車検知ステップＳ７）、倒立二輪装置１の制御が完了する。詳細には、搭乗者の降車の検知は、例えば、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒにかかる荷重が所定値を下回る、又は、検出されなくなることをもって、判定される。

以上、実施の形態１によれば、倒立状態を維持したまま倒立二輪装置１自体を走行させるように倒立制御を行うことができる。また、偏差角速度Δωの大きさに基づいて停止制御を行なって、搭乗者の搭乗作業時において、倒立二輪装置１が搭乗者の足を押し続けることを抑制することができる。また、荷重センサ３３Ｌ、３３Ｒにより、搭乗者の搭乗作業の開始及び完了を検知し、倒立二輪装置１の停止制御を適切に行うことができる。

実施の形態２．
次に、図６を参照して、実施の形態２にかかる倒立二輪装置について説明する。実施の形態２にかかる倒立二輪装置は、実施の形態１にかかる倒立二輪装置と比較して、トルクセンサを有することが異なり、他の構成については同一の符号を付して、説明する。

図６に示すように、倒立二輪装置２０１は、トルクセンサ２４を有する。トルクセンサ２４は、車輪２１の検出トルクＴを検出する。なお、トルクセンサ２４は、モータ２２に供給される電流から検出トルクＴを算出してもよい。トルクセンサ２４は、検出トルクＴをフィードバック補償制御部２５３に出力する。

フィードバック補償制御部２５３は、判定部２５５を含む。判定部２５５は、検出トルクＴを微分して、トルク微分値ＤＴを算出する。さらに判定部２５５は、算出したトルク微分値ＤＴがトルク微分閾値ＤＴ１以上であるかを判定する。ここで、トルク微分閾値ＤＴ１は、予め判定部２５５に記憶されている。フィードバック補償制御部２５３は、偏差角速度Δω、偏差姿勢角度Δηについての信号を入力される。フィードバック補償制御部５３は、目標トルクＴ＊についての信号を出力する。

フィードバック補償制御部２５３は、トルク微分値ＤＴがトルク微分閾値ＤＴ１未満であると、倒立制御トルクＴｔ＊を目標トルクＴ＊として出力する。倒立制御トルクＴｔ＊は、倒立状態を維持しつつ荷重情報ｍに基づいて走行するためのトルク値である。

一方、トルク微分値ＤＴがトルク微分閾値ＤＴ１以上であると、フィードバック補償制御部２５３は、停止トルクＴｓ＊を目標トルクＴ＊として出力する。

制御方法２．
次に、図４、図５及び図７を参照して、実施の形態２にかかる制御方法２について説明する。実施の形態１にかかる制御方法（図３参照。）と同じステップについては、同一の符号を付して、説明する。

上記した実施の形態１にかかる制御方法と同様に、搭乗作業開始検知ステップＳ１、倒立制御ステップＳ２を経る。続いて、モータ回転角センサ２３が検出トルクＴを計測し（トルク計測ステップＳ３）、判定部２５５が検出トルクＴから検出トルク微分値ＤＴを算出し、検出トルク微分値ＤＴがトルク微分閾値を超えるか否かを確認する（検出トルク微分値確認ステップＳ４）。

続いて、図４（ｄ）に示すように、例えば、ハンドル４が搭乗者により搭乗者側に引かれると、倒立二輪装置２０１の姿勢が搭乗者側に向かって傾く。

続いて、図４（ｅ）に示すように、倒立二輪装置２０１が、倒立制御により、倒立状態を維持しつつ搭乗者側に向かって走行する。

続いて、図４（ｆ）に示すように、倒立二輪装置２０１が搭乗者の足に接触し、倒立二輪装置２０１の走行速度が低下していく。すると、図５に示すように、検出角速度ωと目標角速度ω＊とが大きく乖離する。すなわち、偏差角速度Δωが増加していく。偏差角速度Δωが増加すると、フィードバック補償制御部２５３は、倒立状態を維持しつつ走行するために、目標トルクＴ＊（倒立制御トルクＴｔ＊）を大きなトルク値でモータドライバ５４に出力する。検出トルクＴが大きく増加し、検出トルク微分値ＤＴが閾値ＤＴ１を超える（検出トルク微分値確認ステップＳ２４：ＮＯ）。すると、倒立制御を一旦止めて、停止トルクＴｓ＊についての信号を出力して、車輪２１を停止させる（車輪停止ステップＳ２４１）。図４（ｇ）に示すように、倒立二輪装置２０１は、搭乗者の足に接触したまま、搭乗者側に向かって走行することなく、停止する。

続いて、実施の形態１にかかる制御方法と同様に、搭乗完了検知ステップＳ５〜降車検知ステップＳ７を経て、倒立二輪装置２０１の制御が完了する。

以上、実施の形態２によれば、倒立状態を維持したまま倒立二輪装置２０１自体を走行させるように倒立制御を行うことができる。また、検出トルク微分値ＤＴに基づいて停止制御を行なって、搭乗者の搭乗作業時において、倒立二輪装置２０１が搭乗者の足を押し続けることを抑制することができる。

１、２０１倒立二輪装置、２車輪部、２１車輪、
２２モータ、２３モータ回転角センサ、２４トルクセンサ、
３足部、ステップ３１Ｌ、３１Ｒ、３２姿勢角検知センサ、
３３Ｌ、３３Ｒ荷重センサ、４ハンドル、４１棒部、
４２把持部、５０制御部、５１目標生成部、
５２偏差算出部、５３、２５３フィードバック補償制御部、
５４モータドライバ、５５、２５５判定部

Claims

倒立制御により倒立状態を維持しながら走行する倒立二輪装置であって、
車輪を駆動するモータと、
前記モータの角速度を制御するための目標角速度を生成する角速度制御手段と、
前記モータの検出角速度を検出する角速度検出部と、
搭乗者の搭乗作業の開始を検知する搭乗開始検知手段と、
前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知する搭乗完了検知手段と、
前記搭乗者の一方の足を支持する第１ステップと、
前記搭乗者の他方の足を支持する第２ステップと、
前記第１ステップ及び前記第２ステップにかかる荷重を検出し、荷重情報についての信号を生成する荷重センサと、
前記モータの回転を抑制する停止制御手段と、を備え
前記搭乗開始検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップのうち一方のみにかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の開始を判定し、
前記搭乗完了検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップの両方にかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の完了を判定し、
前記搭乗者の搭乗作業の開始を検知してから、前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知するまでに、前記倒立状態を維持するために前記搭乗者側に向かって走行する場合、前記停止制御手段は、前記目標角速度と前記検出角速度との差分が角速度閾値以上であると、前記モータの回転を抑制して前記搭乗者側への走行を抑制する
倒立二輪装置。
倒立制御により倒立状態を維持しながら走行する倒立二輪装置であって、
車輪を駆動するモータと、
前記モータの検出トルクを検出するトルクセンサと、
搭乗者の搭乗作業の開始を検知する搭乗開始検知手段と、
前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知する搭乗完了検知手段と、
前記搭乗者の一方の足を支持する第１ステップと、
前記搭乗者の他方の足を支持する第２ステップと、
前記第１ステップ及び前記第２ステップにかかる荷重を検出し、荷重情報についての信号を生成する荷重センサと、
前記モータの回転を抑制する停止制御手段と、を備え、
前記搭乗開始検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップのうち一方のみにかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の開始を判定し、
前記搭乗完了検知手段は、荷重が前記第１ステップ及び前記第２ステップの両方にかかっているとの荷重情報に基づいて、搭乗者の搭乗作業の完了を判定し、
前記搭乗者の搭乗作業の開始を検知してから、前記搭乗者の搭乗作業の完了を検知するまでに、前記倒立状態を維持するために前記搭乗者側に向かって走行する場合、前記停止制御手段は、前記検出トルクを微分して、検出トルク微分値を求め、前記検出トルク微分値がトルク微分閾値以上であると、前記モータの回転を抑制して前記搭乗者側への走行を抑制する
倒立二輪装置。