专利名称：倒立型移动体的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及倒立型移动体的控制装置(control portion，控制部)。具体涉及包括车轮驱动单元和杆状的负荷体、并在进行使杆状的负荷体倒立的平衡控制的状态下移动的倒立型移动体的控制装置。
背景技术：
公知有包括同轴设置的左右一对车轮、并在维持倒立状态的情况下行驶的移动装置。例如，专利文献1(日本专利文献特开2006-123014号公报)公开了在维持倒立状态的情况下自动行驶的倒立二轮行驶机器人。另外，专利文献2 (日本专利文献特开 2006-315666号公报)公开了在人以站立姿态搭乘在踏板上的状态下保持平衡并行驶的同
轴二轮车。图10是示出专利文献1所公开的倒立二轮行驶机器人的控制器的构成的图。在图10中，附图标记1001是摩擦估计器(friction observer)，1002是目标状态生成器(target state generator), 1003 是状态反馈增益(state feedback gains), 1004 是倒立机器人(inverted robot)。角速度指令值(angular speed reference input)被输入给摩擦估计器1001， 摩擦估计器1001计算并输出马达的摩擦、以及车轮与路面的摩擦，作为摩擦估计值 (estimated friction)0所述加速度指令值和所述摩擦估计值被输入给目标状态生成器1002输入，目标状态生成器1002计算并输出作为控制对象(plant)的倒立机器人1004的目标状态 (target state)0从所述目标状态减去倒立机器人1004的状态变量的信号被输入给状态反馈增益 1003，状态反馈增益1003基于该输入信号来计算使倒立机器人1004进行期望的(desired) 动作的状态反馈信号(state feedback signals)并输出该状态反馈信号。倒立机器人1004通过所述摩擦估计值和所述状态反馈信号的相加值而被驱动。这样，在现有技术(conventional method)的倒立二轮行驶机器人的控制中，基于将作为控制对象的倒立机器人1004在期望姿态的附近(in the vicinity of)线性化了的线性化模型来控制倒立机器人1004的动作。现有技术文献专利文献专利文献1 日本专利文献特开2006-123014号公报(图4)。
发明内容
发明要解决的问题如上所述，在现有的倒立控制中进行简单的线性反馈控制，但倒立机器人和同轴二轮车具有在同轴车轮上设置有长杆的构造，因此有作为负荷的杆部分不能以目标姿态保持稳定而容易晃动的特点。对于这样的构成，如果如以往那样持续施加与相对于目标姿态的偏差相应的反馈，则会导致不能稳定地保持目标姿态而在目标附近发生摆动的问题。以往，针对上述的在目标附近的摆动，调整了反馈增益以抑制振动，但仅通过简单地调整反馈增益，难以进行下述控制一方面在大幅度偏离目标时迅速恢复到目标姿态以免跌倒，而另一方面在目标附近防止振动。本发明的目的在于，提供一种能够进行不导致振动而稳定的倒立平衡控制、并且使倒立型移动体以期望的水平速度行驶的倒立型移动体的控制装置。用于解决问题的手段为了解决上述问题，本发明如下构成。S卩，本发明的倒立型移动体的控制装置在使移动体主体(inverted vehicle)倒立的状态下控制该移动体主体的行驶，所述移动体主体包括具有车轮的驱动单元、以及经由连杆在所述车轮上被倒立控制的负荷，所述倒立型移动体的控制装置的特征在于，将连结所述负荷的重心和所述车轮的重心(center of gravity)的直线与竖直线所形成的角定义为负荷角度，如果所述负荷角度接近负荷角度指令(load angular position reference input)，则所述控制装置进行控制以向所述移动体主体仅施加衰减(damping)，其中所述负荷角度指令是期望的所述负荷角度。在本发明中，优选通过对所述负荷角度指令的绝对值乘以预定系数来计算作为所述负荷角度指令的附近的宽度的衰减范围。在本发明中，优选将所述衰减定义为粘性摩擦(viscous friction) 0在本发明中，优选将作为所述粘性摩擦的衰减参数定义为负荷角度跟踪偏差 (tracking error)和所述负荷角度指令的函数来计算，所述负荷角度跟踪偏差是从所述负荷角度指令减去所述负荷角度而得的值。在本发明中，优选通过从所述负荷角度跟踪偏差减去将所述负荷角度指令的绝对值除以2而得的值，并且将该差的绝对值除以所述负荷角度指令的绝对值并乘以常数，来计算所述衰减参数。在本发明中，优选将作为所述粘性摩擦的衰减参数定义为恒定值。在本发明中，优选包括情况区分(switching)线性转矩计算器，其计算衰减转矩和线性反馈转矩，所述衰减转矩是向所述负荷速度和所述衰减参数的乘积值添上负号而得到的，所述线性反馈转矩是对位置偏差(position tracking error)、速度偏差(speed tracking error)以及力口速度偏差(acceleration tracking error)中的一个以上偏差乘以预定增益而得到的；以及控制切换器，其切换并输出通过所述情况区分线性转矩计算器算出的所述衰减转矩和所述线性反馈转矩。在本发明中优选如下所述控制切换器如果0彡sgn ( θ广)· e < h，则输出所述衰减转矩，否则输出所述线性反馈转矩，其中，e = θ θ ； θ ；是负荷角度指令；θ工是负荷角度；sgn( ·)是·为正数时取+1、·为负数时取-1、·为零时取0值的符号函数；h是通过向所述负荷角度指令的绝对值乘以预定系数而算出的衰减范围。CN 102405449 A
说明书
3/13 页发明效果根据上述的本发明，能够使得移动体的负荷角度不在期望值的附近振动。并且，能够使移动体的负荷角度不振动地快速收敛于期望值，使移动体以期望的速度安全行驶。
图1是示出本发明倒立型移动体涉及的第一实施方式的图；图2是将移动体主体模型化了的图；图3是示出负荷角度的仿真结果的图；图4是示出车轮水平速度的仿真结果的图；图5是示出变形例1的图；图6是示出变形例2的图；图7是示出作为倒立型移动体的同轴二轮车的图；图8是示出作为倒立型移动体的倒立型自动行驶机器人的图；图9是示出在四轮的车轮驱动单元上可摆动地设置有杆机构的倒立型移动体的图；图10是示出现有的倒立二轮行驶机器人的控制器的构成的图。
具体实施例方式以下，参照附图来说明本发明的实施方式。(第一实施方式)图1是示出本发明倒立型移动体涉及的第一实施方式的图。倒立型移动体包括作为控制对象的移动体主体141 ；状态传感器(sensors) 142， 其检测移动体主体141的状态；指令部(reference portion) 100，其指示期望的目标状态； 以及控制装置110，其基于状态传感器142检测的检测信号(measurement signal)和来自指令部100的指令值来执行移动体主体141的控制。作为移动体主体141，可举出同轴二轮车(图7)、倒立型自动行驶机器人(图8)
等一般的例子。不限于此，只要是包括基于车轮的驱动单元以及杆状的负荷体、并进行使杆状的负荷体倒立的平衡控制的移动体即可。例如，也可以是图9所示的构成。图9是在四轮的车轮驱动单元901上可摆动地设置有杆机构902的构成。例如，也可以将杆机构902的上部做成篮筐状903，以装载物品来运送。此外在以下的说明中，将上述的移动体主体141如图2那样模型化。这里，在图2中，附图标记201是负荷，202是车轮，203是路面。如图2所示，移动体主体141倒立行驶。负荷201是机器人的机身、搭乘在移动体141上的人或货物。车轮202通过承载负荷201并旋转，从而利用与路面203的摩擦力而移动。状态传感器142检测负荷201的角度(θ 以及车轮202的角度(θ 2)。指令部100包括车轮水平速度指令生成器(wheel horizontal speed referenceinput generator) 101 以及负荷角度指令计算器(load angle reference input unit)102。车轮水平速度指令生成器101生成并输出车轮水平速度指令，该车轮水平速度指令是移动体主体141的车轮202的期望的水平移动速度。负荷角度指令计算器102将车轮水平速度指令作为输入，计算并输出负荷角度指令，该负荷角度指令是在移动体主体141所行驶的路面203水平时使得车轮水平速度跟踪 (track)车轮水平速度指令的负荷角度。控制装置110包括情况区分线性控制部(switching linear control portion) 120、非线性控制部(nonlinear control portion) 130、以及转矩指令(torque reference input)计算器 111。情况区分线性控制部120包括衰减范围计算器(damping range unit) 121、衰减参数计算器(damping parameter unit) 122、情况区分线性转矩计算器(switching linear torque unit) 123、以及控制切换器(control switching unit) 124。来自负荷角度指令计算器102的负荷角度指令、以及作为状态传感器142的检测信号的负荷角度(θ J和车轮角度(θ 2)被输入给衰减范围计算器121。衰减范围计算器121基于输入信号来计算并输出在移动体主体141的动作控制中仅施加利用了粘性摩擦的衰减的负荷角度的范围，作为衰减范围。来自负荷角度指令计算器102的负荷角度指令(θ广)、以及作为状态传感器142的检测信号的负荷角度(θ J和车轮角度(θ 2)被输入给衰减参数计算器122。衰减参数计算器122基于输入信号来计算并输出在所述衰减范围中的控制中使用的衰减参数。来自负荷角度指令计算器102的负荷角度指令(θ广)、来自衰减参数计算器122的衰减参数、以及作为状态传感器142的检测信号的负荷角度(θ J和车轮角度(θ 2)被输入给情况区分线性转矩计算器123。情况区分线性转矩计算器123计算并输出衰减转矩以及线性反馈转矩，该衰减转矩是向负荷速度和衰减参数的乘积值添加负号而得到的，该线性反馈转矩是对位置偏差、 速度偏差以及加速度偏差中的一个以上偏差乘以预定增益而得到的。通过衰减范围计算器121算出的衰减范围、状态传感器142检测到的检测信号、以及通过情况区分线性转矩计算器123算出的情况区分线性转矩被输入给控制切换器124。控制切换器IM切换并输出通过情况区分线性转矩计算器123算出的情况区分线性转矩。非线性控制部130包括车轮垂直加速度估计器(wheel vertical acceleration observer) 131、车轮水平速度估计器(wheel horizontal speed observer) 132、非线性转矩计算器(nonlinear torque unit) 133。来自状态传感器142的检测信号被输入给车轮垂直加速度估计器131，车轮垂直加速度估计器131基于该输入信号来估计车轮202的垂直加速度，并将其作为车轮垂直加速度估计值而输出。来自状态传感器142的检测信号被输入给车轮水平速度估计器132，车轮水平速度估计器132基于该输入信号来估计车轮202的水平速度，并将其作为车轮水平速度估计值而输出。所述车轮垂直加速度估计值和所述车轮水平速度估计值被输入给非线性转矩计算器133，非线性转矩计算器133计算并输出非线性转矩，该非线性转矩表示移动体主体 141的非线性动态。通过控制切换器IM被切换输出的所述情况区分线性转矩以及从非线性转矩计算器133输出的所述非线性转矩被输入给转矩指令计算器(torque reference input unit) 111，转矩指令计算器111输出将这些输入信号的相加值除以所述车轮202的半径而得到的转矩指令。移动体主体141根据所述转矩指令而被驱动。以下，对由本第一实施方式涉及的控制装置110控制移动体主体141的动作的详细的控制机制进行说明。在图2中，如下设定参数。Iii1为负荷质量，J1为负荷惯性矩，m2为车轮质量，J2为车轮惯性矩，I为作为负荷与车轮的重心间距离的负荷车轮重心间距离，r为车轮半径，θ工为负荷角度，θ 2为车轮角度，Tref为转矩指令。并且，当将车轮水平位置作为&、将车轮垂直位置作为y2时，负荷水平位置X1和负荷垂直位置Y1如下分别通过式(1)和式( 表示。[式1]X1 = Isin θ j+χ2(1)[式2]
权利要求
1.一种倒立型移动体的控制装置，该控制装置在使移动体主体倒立的状态下控制该移动体主体的行驶，所述移动体主体包括具有车轮的驱动单元、以及经由连杆在所述车轮上被倒立控制的负荷，所述倒立型移动体的控制装置的特征在于，将连结所述负荷的重心和所述车轮的重心的直线与竖直线所形成的角定义为负荷角度，如果所述负荷角度接近负荷角度指令，则所述控制装置进行控制以向所述移动体主体仅施加衰减，其中所述负荷角度指令是期望的所述负荷角度。
2.如权利要求1所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于，通过对所述负荷角度指令的绝对值乘以预定系数来计算作为所述负荷角度指令的附近的宽度的衰减范围。
3.如权利要求1或2所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于， 将所述衰减定义为粘性摩擦。
4.如权利要求3所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于，将作为所述粘性摩擦的衰减参数作为负荷角度跟踪偏差和所述负荷角度指令的函数来计算，所述负荷角度跟踪偏差是从所述负荷角度指令减去所述负荷角度而得的值。
5.如权利要求4所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于，通过从所述负荷角度跟踪偏差减去将所述负荷角度指令的绝对值除以2而得的值，并且将该差的绝对值除以所述负荷角度指令的绝对值并乘以常数，来计算所述衰减参数。
6.如权利要求3所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于， 将作为所述粘性摩擦的衰减参数定义为恒定值。
7.如权利要求4至6中任一项所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于，包括 情况区分线性转矩计算器，其计算衰减转矩和线性反馈转矩，所述衰减转矩是向所述负荷速度与所述衰减参数的乘积值添上负号而得到的，所述线性反馈转矩是对位置偏差、 速度偏差以及加速度偏差中的一个以上偏差乘以预定增益而得到的；以及控制切换器，其切换并输出通过所述情况区分线性转矩计算器算出的所述衰减转矩和所述线性反馈转矩。
8.如权利要求7所述的倒立型移动体的控制装置，其特征在于， 所述控制切换器如果0彡sgn( θ 1*) · e < h，则输出所述衰减转矩， 否则输出所述线性反馈转矩，其中，e = θ θ ； θ ；是负荷角度指令；θ i是负荷角度；sgn( ·)是·为正数时取 +1、·为负数时取-1、·为零时取0值的符号函数；h是通过对所述负荷角度指令的绝对值乘以预定系数而算出的衰减范围。
全文摘要
当负荷角度θ1接近负荷角度指令θ1*时，进行控制以向移动体主体(141)仅施加衰减。即，控制装置(110)包括情况区分线性转矩计算器(123)以及控制切换器(124)。情况区分线性转矩计算器(123)计算衰减转矩和线性反馈转矩，所述衰减转矩是向负荷速度和衰减参数的乘积值添上负号而得到的，所述线性反馈转矩是对位置偏差、速度偏差以及加速度偏差中的一个以上偏差乘以预定增益而得到的。控制切换器(124)切换并输出所述衰减转矩和所述线性反馈转矩。控制切换器(124)在负荷角度θ1接近负荷角度指令θ1*时，输出衰减转矩，否则输出所述线性反馈转矩。由此，倒立型移动体能够不振动而稳定地以期望的速度行驶。
文档编号B62K3/00GK102405449SQ20108001760
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年4月28日
发明者安藤玄 申请人:丰田自动车株式会社