專利名稱：倒立型移動體的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及倒立型移動體的控制裝置(control portion，控制部)。具體涉及包括車輪驅動單元和桿狀的負荷體、并在進行使桿狀的負荷體倒立的平衡控制的狀態下移動的倒立型移動體的控制裝置。
背景技術：
公知有包括同軸設置的左右一對車輪、并在維持倒立狀態的情況下行駛的移動裝置。例如，專利文獻1(日本專利文獻特開2006-123014號公報)公開了在維持倒立狀態的情況下自動行駛的倒立二輪行駛機器人。另外，專利文獻2 (日本專利文獻特開 2006-315666號公報)公開了在人以站立姿態搭乘在踏板上的狀態下保持平衡并行駛的同
軸二輪車。圖10是示出專利文獻1所公開的倒立二輪行駛機器人的控制器的構成的圖。在圖10中，附圖標記1001是摩擦估計器(friction observer)，1002是目標狀態生成器(target state generator), 1003 是狀態反饋增益(state feedback gains), 1004 是倒立機器人(inverted robot)。角速度指令值(angular speed reference input)被輸入給摩擦估計器1001， 摩擦估計器1001計算并輸出馬達的摩擦、以及車輪與路面的摩擦，作為摩擦估計值 (estimated friction)0所述加速度指令值和所述摩擦估計值被輸入給目標狀態生成器1002輸入，目標狀態生成器1002計算并輸出作為控制對象(plant)的倒立機器人1004的目標狀態 (target state)0從所述目標狀態減去倒立機器人1004的狀態變量的信號被輸入給狀態反饋增益 1003，狀態反饋增益1003基于該輸入信號來計算使倒立機器人1004進行期望的(desired) 動作的狀態反饋信號(state feedback signals)并輸出該狀態反饋信號。倒立機器人1004通過所述摩擦估計值和所述狀態反饋信號的相加值而被驅動。這樣，在現有技術(conventional method)的倒立二輪行駛機器人的控制中，基于將作為控制對象的倒立機器人1004在期望姿態的附近(in the vicinity of)線性化了的線性化模型來控制倒立機器人1004的動作。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本專利文獻特開2006-123014號公報(圖4)。
發明內容
發明要解決的問題如上所述，在現有的倒立控制中進行簡單的線性反饋控制，但倒立機器人和同軸二輪車具有在同軸車輪上設置有長桿的構造，因此有作為負荷的桿部分不能以目標姿態保持穩定而容易晃動的特點。對于這樣的構成，如果如以往那樣持續施加與相對于目標姿態的偏差相應的反饋，則會導致不能穩定地保持目標姿態而在目標附近發生擺動的問題。以往，針對上述的在目標附近的擺動，調整了反饋增益以抑制振動，但僅通過簡單地調整反饋增益，難以進行下述控制一方面在大幅度偏離目標時迅速恢復到目標姿態以免跌倒，而另一方面在目標附近防止振動。本發明的目的在于，提供一種能夠進行不導致振動而穩定的倒立平衡控制、并且使倒立型移動體以期望的水平速度行駛的倒立型移動體的控制裝置。用于解決問題的手段為了解決上述問題，本發明如下構成。S卩，本發明的倒立型移動體的控制裝置在使移動體主體(inverted vehicle)倒立的狀態下控制該移動體主體的行駛，所述移動體主體包括具有車輪的驅動單元、以及經由連桿在所述車輪上被倒立控制的負荷，所述倒立型移動體的控制裝置的特征在于，將連結所述負荷的重心和所述車輪的重心(center of gravity)的直線與豎直線所形成的角定義為負荷角度，如果所述負荷角度接近負荷角度指令(load angular position reference input)，則所述控制裝置進行控制以向所述移動體主體僅施加衰減(damping)，其中所述負荷角度指令是期望的所述負荷角度。在本發明中，優選通過對所述負荷角度指令的絕對值乘以預定系數來計算作為所述負荷角度指令的附近的寬度的衰減范圍。在本發明中，優選將所述衰減定義為粘性摩擦(viscous friction) 0在本發明中，優選將作為所述粘性摩擦的衰減參數定義為負荷角度跟蹤偏差 (tracking error)和所述負荷角度指令的函數來計算，所述負荷角度跟蹤偏差是從所述負荷角度指令減去所述負荷角度而得的值。在本發明中，優選通過從所述負荷角度跟蹤偏差減去將所述負荷角度指令的絕對值除以2而得的值，并且將該差的絕對值除以所述負荷角度指令的絕對值并乘以常數，來計算所述衰減參數。在本發明中，優選將作為所述粘性摩擦的衰減參數定義為恒定值。在本發明中，優選包括情況區分(switching)線性轉矩計算器，其計算衰減轉矩和線性反饋轉矩，所述衰減轉矩是向所述負荷速度和所述衰減參數的乘積值添上負號而得到的，所述線性反饋轉矩是對位置偏差(position tracking error)、速度偏差(speed tracking error)以及力口速度偏差(acceleration tracking error)中的一個以上偏差乘以預定增益而得到的；以及控制切換器，其切換并輸出通過所述情況區分線性轉矩計算器算出的所述衰減轉矩和所述線性反饋轉矩。在本發明中優選如下所述控制切換器如果0彡sgn ( θ廣)· e < h，則輸出所述衰減轉矩，否則輸出所述線性反饋轉矩，其中，e = θ θ ； θ ；是負荷角度指令；θ工是負荷角度；sgn( ·)是·為正數時取+1、·為負數時取-1、·為零時取0值的符號函數；h是通過向所述負荷角度指令的絕對值乘以預定系數而算出的衰減范圍。CN 102405449 A
說明書
3/13 頁發明效果根據上述的本發明，能夠使得移動體的負荷角度不在期望值的附近振動。并且，能夠使移動體的負荷角度不振動地快速收斂于期望值，使移動體以期望的速度安全行駛。
圖1是示出本發明倒立型移動體涉及的第一實施方式的圖；圖2是將移動體主體模型化了的圖；圖3是示出負荷角度的仿真結果的圖；圖4是示出車輪水平速度的仿真結果的圖；圖5是示出變形例1的圖；圖6是示出變形例2的圖；圖7是示出作為倒立型移動體的同軸二輪車的圖；圖8是示出作為倒立型移動體的倒立型自動行駛機器人的圖；圖9是示出在四輪的車輪驅動單元上可擺動地設置有桿機構的倒立型移動體的圖；圖10是示出現有的倒立二輪行駛機器人的控制器的構成的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖來說明本發明的實施方式。(第一實施方式)圖1是示出本發明倒立型移動體涉及的第一實施方式的圖。倒立型移動體包括作為控制對象的移動體主體141 ；狀態傳感器(sensors) 142， 其檢測移動體主體141的狀態；指令部(reference portion) 100，其指示期望的目標狀態； 以及控制裝置110，其基于狀態傳感器142檢測的檢測信號(measurement signal)和來自指令部100的指令值來執行移動體主體141的控制。作為移動體主體141，可舉出同軸二輪車(圖7)、倒立型自動行駛機器人(圖8)
等一般的例子。不限于此，只要是包括基于車輪的驅動單元以及桿狀的負荷體、并進行使桿狀的負荷體倒立的平衡控制的移動體即可。例如，也可以是圖9所示的構成。圖9是在四輪的車輪驅動單元901上可擺動地設置有桿機構902的構成。例如，也可以將桿機構902的上部做成籃筐狀903，以裝載物品來運送。此外在以下的說明中，將上述的移動體主體141如圖2那樣模型化。這里，在圖2中，附圖標記201是負荷，202是車輪，203是路面。如圖2所示，移動體主體141倒立行駛。負荷201是機器人的機身、搭乘在移動體141上的人或貨物。車輪202通過承載負荷201并旋轉，從而利用與路面203的摩擦力而移動。狀態傳感器142檢測負荷201的角度(θ 以及車輪202的角度(θ 2)。指令部100包括車輪水平速度指令生成器(wheel horizontal speed referenceinput generator) 101 以及負荷角度指令計算器(load angle reference input unit)102。車輪水平速度指令生成器101生成并輸出車輪水平速度指令，該車輪水平速度指令是移動體主體141的車輪202的期望的水平移動速度。負荷角度指令計算器102將車輪水平速度指令作為輸入，計算并輸出負荷角度指令，該負荷角度指令是在移動體主體141所行駛的路面203水平時使得車輪水平速度跟蹤 (track)車輪水平速度指令的負荷角度。控制裝置110包括情況區分線性控制部(switching linear control portion) 120、非線性控制部(nonlinear control portion) 130、以及轉矩指令(torque reference input)計算器 111。情況區分線性控制部120包括衰減范圍計算器(damping range unit) 121、衰減參數計算器(damping parameter unit) 122、情況區分線性轉矩計算器(switching linear torque unit) 123、以及控制切換器(control switching unit) 124。來自負荷角度指令計算器102的負荷角度指令、以及作為狀態傳感器142的檢測信號的負荷角度(θ J和車輪角度(θ 2)被輸入給衰減范圍計算器121。衰減范圍計算器121基于輸入信號來計算并輸出在移動體主體141的動作控制中僅施加利用了粘性摩擦的衰減的負荷角度的范圍，作為衰減范圍。來自負荷角度指令計算器102的負荷角度指令(θ廣)、以及作為狀態傳感器142的檢測信號的負荷角度(θ J和車輪角度(θ 2)被輸入給衰減參數計算器122。衰減參數計算器122基于輸入信號來計算并輸出在所述衰減范圍中的控制中使用的衰減參數。來自負荷角度指令計算器102的負荷角度指令(θ廣)、來自衰減參數計算器122的衰減參數、以及作為狀態傳感器142的檢測信號的負荷角度(θ J和車輪角度(θ 2)被輸入給情況區分線性轉矩計算器123。情況區分線性轉矩計算器123計算并輸出衰減轉矩以及線性反饋轉矩，該衰減轉矩是向負荷速度和衰減參數的乘積值添加負號而得到的，該線性反饋轉矩是對位置偏差、 速度偏差以及加速度偏差中的一個以上偏差乘以預定增益而得到的。通過衰減范圍計算器121算出的衰減范圍、狀態傳感器142檢測到的檢測信號、以及通過情況區分線性轉矩計算器123算出的情況區分線性轉矩被輸入給控制切換器124。控制切換器IM切換并輸出通過情況區分線性轉矩計算器123算出的情況區分線性轉矩。非線性控制部130包括車輪垂直加速度估計器(wheel vertical acceleration observer) 131、車輪水平速度估計器(wheel horizontal speed observer) 132、非線性轉矩計算器(nonlinear torque unit) 133。來自狀態傳感器142的檢測信號被輸入給車輪垂直加速度估計器131，車輪垂直加速度估計器131基于該輸入信號來估計車輪202的垂直加速度，并將其作為車輪垂直加速度估計值而輸出。來自狀態傳感器142的檢測信號被輸入給車輪水平速度估計器132，車輪水平速度估計器132基于該輸入信號來估計車輪202的水平速度，并將其作為車輪水平速度估計值而輸出。所述車輪垂直加速度估計值和所述車輪水平速度估計值被輸入給非線性轉矩計算器133，非線性轉矩計算器133計算并輸出非線性轉矩，該非線性轉矩表示移動體主體 141的非線性動態。通過控制切換器IM被切換輸出的所述情況區分線性轉矩以及從非線性轉矩計算器133輸出的所述非線性轉矩被輸入給轉矩指令計算器(torque reference input unit) 111，轉矩指令計算器111輸出將這些輸入信號的相加值除以所述車輪202的半徑而得到的轉矩指令。移動體主體141根據所述轉矩指令而被驅動。以下，對由本第一實施方式涉及的控制裝置110控制移動體主體141的動作的詳細的控制機制進行說明。在圖2中，如下設定參數。Iii1為負荷質量，J1為負荷慣性矩，m2為車輪質量，J2為車輪慣性矩，I為作為負荷與車輪的重心間距離的負荷車輪重心間距離，r為車輪半徑，θ工為負荷角度，θ 2為車輪角度，Tref為轉矩指令。并且，當將車輪水平位置作為&、將車輪垂直位置作為y2時，負荷水平位置X1和負荷垂直位置Y1如下分別通過式(1)和式( 表示。[式1]X1 = Isin θ j+χ2(1)[式2]
權利要求
1.一種倒立型移動體的控制裝置，該控制裝置在使移動體主體倒立的狀態下控制該移動體主體的行駛，所述移動體主體包括具有車輪的驅動單元、以及經由連桿在所述車輪上被倒立控制的負荷，所述倒立型移動體的控制裝置的特征在于，將連結所述負荷的重心和所述車輪的重心的直線與豎直線所形成的角定義為負荷角度，如果所述負荷角度接近負荷角度指令，則所述控制裝置進行控制以向所述移動體主體僅施加衰減，其中所述負荷角度指令是期望的所述負荷角度。
2.如權利要求1所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于，通過對所述負荷角度指令的絕對值乘以預定系數來計算作為所述負荷角度指令的附近的寬度的衰減范圍。
3.如權利要求1或2所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于， 將所述衰減定義為粘性摩擦。
4.如權利要求3所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于，將作為所述粘性摩擦的衰減參數作為負荷角度跟蹤偏差和所述負荷角度指令的函數來計算，所述負荷角度跟蹤偏差是從所述負荷角度指令減去所述負荷角度而得的值。
5.如權利要求4所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于，通過從所述負荷角度跟蹤偏差減去將所述負荷角度指令的絕對值除以2而得的值，并且將該差的絕對值除以所述負荷角度指令的絕對值并乘以常數，來計算所述衰減參數。
6.如權利要求3所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于， 將作為所述粘性摩擦的衰減參數定義為恒定值。
7.如權利要求4至6中任一項所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于，包括 情況區分線性轉矩計算器，其計算衰減轉矩和線性反饋轉矩，所述衰減轉矩是向所述負荷速度與所述衰減參數的乘積值添上負號而得到的，所述線性反饋轉矩是對位置偏差、 速度偏差以及加速度偏差中的一個以上偏差乘以預定增益而得到的；以及控制切換器，其切換并輸出通過所述情況區分線性轉矩計算器算出的所述衰減轉矩和所述線性反饋轉矩。
8.如權利要求7所述的倒立型移動體的控制裝置，其特征在于， 所述控制切換器如果0彡sgn( θ 1*) · e < h，則輸出所述衰減轉矩， 否則輸出所述線性反饋轉矩，其中，e = θ θ ； θ ；是負荷角度指令；θ i是負荷角度；sgn( ·)是·為正數時取 +1、·為負數時取-1、·為零時取0值的符號函數；h是通過對所述負荷角度指令的絕對值乘以預定系數而算出的衰減范圍。
全文摘要
當負荷角度θ1接近負荷角度指令θ1*時，進行控制以向移動體主體(141)僅施加衰減。即，控制裝置(110)包括情況區分線性轉矩計算器(123)以及控制切換器(124)。情況區分線性轉矩計算器(123)計算衰減轉矩和線性反饋轉矩，所述衰減轉矩是向負荷速度和衰減參數的乘積值添上負號而得到的，所述線性反饋轉矩是對位置偏差、速度偏差以及加速度偏差中的一個以上偏差乘以預定增益而得到的。控制切換器(124)切換并輸出所述衰減轉矩和所述線性反饋轉矩。控制切換器(124)在負荷角度θ1接近負荷角度指令θ1*時，輸出衰減轉矩，否則輸出所述線性反饋轉矩。由此，倒立型移動體能夠不振動而穩定地以期望的速度行駛。
文檔編號B62K3/00GK102405449SQ20108001760
公開日2012年4月4日 申請日期2010年2月26日 優先權日2009年4月28日
發明者安藤玄 申請人:豐田自動車株式會社