移动体以及移动体的控制方法

专利名称：移动体以及移动体的控制方法
技术领域：
本发明涉及倒立摆型移动体，特别是涉及将由搭乘者等指定的速度作 为控制目标值而执行倒立稳定化控制和行驶控制的倒立摆型移动体。
背景技术：
本说明书中的倒立摆型移动体是指以下移动体具有车身和与车身连 结且截面为圆形的旋转体(车轮等)，在车身可以向移动体的前后方向倾 斜的状态下将车身和旋转体连结起来，并且可以在维持车身的重心或车身 和支承在车身上的搭乘者等对象的合计总质量的重心与旋转体的旋转中心 位置相比位于上方的状态的情况下通过旋转体的旋转而移动。
以往提出了关于倒立摆型移动体的控制方法的方案。以往的倒立摆型 移动体通常通过设置在移动体上的倾斜角传感器来检测车身相对于铅垂方 向的倾斜角，并将检测出的倾斜角作为输入变量来执行倒立稳定化控制和 行驶控制。在专利文献1中公开了采用这种控制方法的倒立摆型移动体。
在专利文献1所公开的倒立摆型移动体中，在车身的左右安装有车 轮，并具有独立驱动左右车轮的两个马达。另外，专利文献1所公开的倒 立摆型移动体包括检测移动体的前后方向上的车身的倾斜角度的倾斜角 传感器(具体而言即加速度传感器)、检测倾斜角速度的倾斜角速度传感 器(具体而言即速率陀螺)、以及将由倾斜角传感器和倾斜角速度传感器 检测出的倾斜角和倾斜角速度作为输入变量来进行用于维持车身的倒立的 倒立稳定化控制和前后方向上的行驶控制的控制部。
艮口，在专利文献1所公开的倒立摆型移动体中，与搭乘者移动重心而 使车身倾斜相对应地来控制移动体的前后方向上的行驶。这样，在通过搭 乘者对车身的倾斜角进行操作而行驶的倒立摆型移动体中，执行用于获得
在力学上取得了平衡的倒立状态的控制环(control loop)并由此决定了移
动体的加速度，作为移动体以该加速度行驶的结果而确定了速度。即，由 于由搭乘者指示的控制量为车身的倾斜角，因此移动体容易产生与搭乘者 的意图不符的举动。由于这种对倒立摆型移动体的基于车身的倾斜角的操 作与通过操作者对加速器开度进行调整来控制移动体的速度的乘用车的操 作方法之间的差异非常大，因此这样的对移动体的操作通常非常困难。
针对该问题，也提出了不将车身的倾斜角作为输入变量而是将搭乘者 等输入的速度目标值作为输入变量来执行倒立稳定化控制和行驶控制的倒
立摆型移动体(例如，参照专利文献2和3)。
在专利文献2中公开了以下倒立摆型移动体具有用于输入模拟成包
括车身的倾斜角和倾斜角速度中的至少一者在内的倾斜参数的模拟信号的 操纵杆，通过搭乘者对操纵杆进行操作来控制移动体的前后方向上的行
驶。在专利文献2中，作为与根据操纵杆的操作量而生成的模拟信号相对 应的具体的参数，公开了车身的倾斜角目标值和平动速度目标值。
在专利文献2所公开的倒立摆型移动体中，当使操纵杆操作量与移动 体的平动速度或车轮的旋转角速度等速度目标值相对应时，同时执行根据 通过操纵杆操作而给出的速度目标值来生成对马达的转矩指令值以产生与 该速度目标值相等的平动速度或车轮的旋转角速度的行驶控制、以及将车 身的倾斜角和倾斜角速度作为输入变量来生成转矩指令值以维持车身的倒 立的倒立稳定化控制，由此可以使移动体根据通过操纵杆操作而输入的速 度目标值而在前后方向上行驶。
专利文献3所公开的倒立摆型移动体对车身的倾斜角和倾斜角速度中 的至少一者进行检测，并将检测出的倾斜角或倾斜角速度或这两者作为输 入值而对倒立摆型移动体进行倒立稳定化控制。具体地说，专利文献3所 公开的倒立摆型移动体具有检测倾斜角速度的陀螺传感器，进行使陀螺传 感器检测出的倾斜角速度为零的倒立稳定化控制。并且，专利文献3所公 开的倒立摆型移动体可以输入移动体的速度目标值，在执行上述倒立稳定 化控制的同时执行驶移动体的速度成为输入的速度目标值的行驶控制。
专利文献1:日本专利文献特开2005 — 94898号公报；
专利文献2:日本专利文献特开平4一201793号公报；
专利文献3:日本专利文献特开2004—295430号公报。

发明内容
发明所要解决的问题
如上所述，专利文献2和3所公开的倒立摆型移动体将与搭乘者的操 纵杆操作相对应的速度目标值或为了进行自动行驶而预先存储在存储器中 的速度目标值作为输入变量来进行控制，使由译码器等检测出的移动体的 当前速度成为该速度目标值。但是，如果将速度目标值作为输入变量来对 倒立摆型移动体进行控制，则为了使车身维持倒立的状态，倾斜角相应于 速度目标值的变动而会产生急剧的变化，因此移动体的动作不平稳并会给 搭乘者带来不快感。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于在将速度目标值作为 输入变量并根据该速度目标值来执行倒立稳定化控制和行驶控制的倒立摆 型移动体中，使行驶时所产生的车身的倾斜角的变化平稳。
用于解决问题的手段
本发明的第一方式的移动体包括截面为圆形的至少一个旋转体和由所 述旋转体支承的车身，在所述移动体行驶的状态下，所述车身至少可以在 该移动体的前后方向上摆动。所述移动体还包括驱动部、目标值生成部、 以及控制部。所述驱动部驱动所述旋转体。所述目标值生成部生成对所述 移动体的速度目标值和对所述车身的倾斜角速度目标值，使所述速度目标 值对时间的二阶微分是连续的，使所述倾斜角速度目标值对时间是连续 的。所述控制部将所述速度目标值和所述倾斜角速度目标值作为控制目标 而计算出对所述驱动部的控制指令值，使所述移动体能够在维持所述车身 的重心或所述车身和支承在所述车身上的对象的合计总质量的重心与所述 旋转体的旋转中心位置相比位于上方的状态的情况下按照所述速度目标值 而行驶。
根据该构成，本发明的第一方式的移动体除了速度目标值以外还将对 时间是连续的倾斜角目标值作为控制目标，因此能够抑制倾斜角速度的不 连续的变化、即倾斜角速度在短时间内发生急剧的变化。由此，本发明的
第一方式的移动体尽管是根据速度目标值而被控制的倒立摆型移动体，但 是可以使行驶时产生的车身的倾斜角的变化平稳。
在上述本发明的第一方式的移动体中，所述倾斜角速度目标值可以是 通过使所述速度目标值对时间的二阶微分乘以预先确定的增益而计算出来 的。
上述本发明的第一方式的移动体也可以如下构成还包括操作量生成 部，该操作量生成部接受操作者的操作输入，输出与操作者的操作量相对 应的操作量信号，所述目标值生成部根据所述操作量信号而生成所述速度 目标值和所述倾斜角速度目标值。另外，所述目标值生成部也可以将修正 信号作为所述速度目标值，所述修正信号是通过将所述操作量信号修正成 对时间的二阶微分是连续的而得到的。
在上述本发明的第一方式的移动体中，所述目标值生成部也可以生成 所述操作量信号对时间的二阶微分并使该二阶微分对时间是连续的，并且 通过使生成的二阶微分与预先确定的增益相乘而输出所述倾斜角速度目标 值。由此，可以容易地得到对时间是连续的倾斜角速度目标值。另外，所 述目标值生成部也可以通过对所述二阶微分进行二阶积分而输出所述速度 目标值。由此，可以容易地得到对时间的二阶微分是连续的速度目标值。
在上述本发明的第一方式的移动体中，优选的是所述目标值生成部 在输出根据同一信号生成的所述速度目标值和所述倾斜角速度目标值时， 使所述速度目标值滞后于所述倾斜角速度目标值而输出给所述控制部。根 据该构成，可以在使移动体产生平动方向的加速度和速度时更有效地产生 需要的车身的倾斜角度。
在上述本发明的第一方式的移动体中，优选的是所述目标值生成部 生成对时间的三阶微分是连续的所述速度目标值，并生成可对时间进行一 阶微分的所述倾斜角速度目标值。根据该构成，能够确保作为倾斜角速度 的时间微分的倾斜角加速度的连续性，因此可以使车身在倾斜时平稳地加 减速度。即，可以使车身的倾斜动作更加平稳。
本发明的第二方式的移动体的控制方法是包括截面为圆形的至少一个 旋转体和由所述旋转体支承的车身的倒立摆型移动体的控制方法。具体地
说，执行以下控制环首先生成对所述移动体的速度目标值和对所述车身 的倾斜角速度目标值，使所述速度目标值对时间的二阶微分是连续的，使
所述倾斜角速度目标值对时间是连续的；然后，将所述速度目标值和所述
倾斜角速度目标值作为控制目标而计算出对所述驱动部的控制指令值，使 所述移动体能够在维持所述车身的重心或所述车身和支承在所述车身上的 对象的合计总质量的重心与所述旋转体的旋转中心位置相比位于上方的状 态的情况下按照所述速度目标值而行驶。
根据上述本发明的第二方式的移动体的控制方法，除了速度目标值以 外，还将对时间是连续的倾斜角目标值作为控制目标来控制移动体的行 驶，因此能够抑制倾斜角速度的不连续的变化、即倾斜角速度在短时间内 发生急剧的变化。由此，尽管是根据速度目标值而被控制的倒立摆型移动 体，但是可以使行驶时产生的车身的倾斜角的变化平稳。
根据本发明，在将速度目标值作为输入变量并根据该速度目标值来执 行倒立稳定化控制和行驶控制的倒立摆型移动体中，可以使行驶时所产生 的车身的倾斜角的变化平稳。


图1A是本发明的实施方式的倒立摆型移动体的外观图1B是本发明的实施方式的倒立摆型移动体的外观图2是本发明的实施方式的倒立摆型移动体的控制系统的整体图3是表示本发明的实施方式的振动摆型移动体所具有的目标值生成
部的构成示例的图4是表示由本发明的实施方式的振动摆型移动体所具有的计算机执
行的处理的流程图5是本发明的实施方式的倒立摆型移动体的模型图6是表示本发明的实施方式的倒立摆型移动体的平动速度的图7是表示本发明的实施方式的倒立摆型移动体的平动加速度的图。
标号说明
1移动体
10a、 b车轮
11车身
12座椅
13操纵杆
14计算机
15a、 b马达
16a、 b马达驱动器
17a、 b译码器
18速率陀螺
19电池
20罩
100目标值生成部
101加加速度(jerk)值生成部
102 二阶积分器
103乘法器
104控制量计算部
105、 106加法器
107稳定化及行驶控制器
301车轴
302连线
201加法器
203、 204积分器
201、 205、 206乘法器
具体实施例方式
以下，参照附图来详细地说明应用了本发明的具体实施方式
。在各图 中对于同一要素标注相同的标号，并且为了明确地进行说明而根据需要省 略了重复的说明。
发明的实施方式l
本实施方式的倒立摆型移动体1是可以按照搭乘者的操作而行驶的车
辆。图1A和图1B表示了本实施方式的倒立摆型移动体1 (以下简称为移 动体1)的外观。图1A是移动体1的侧视图，图1B是移动体1的正视图。
如图1A和图1B所示，在移动体1的下部设置有左右车轮10a和b。 车轮10a和b配置在同一旋转轴上，车身ll可以在与该旋转轴正交的移动 体1的前后方向上倾斜。车身11具有座椅12、操纵杆13、计算机14、马 达15、马达驱动器16、译码器17、速率陀螺18、电池19、以及罩20。
操纵杆13接受坐在座椅12上的搭乘者的操作输入，输出与搭乘者对 操纵杆13的操作量相对应的操作量信号。在本实施方式中，操作量信号 与移动体1的速度目标值成比例，并且搭乘者意图达到的移动体1的平动 速度由搭乘者经由操纵杆13输入。
计算机14执行控制，使移动体1可以在维持车身11的倒立的情况下 按照速度目标值vref来行驶。具体地说，计算机14计算出与操纵杆13的 操作量的大小相对应的移动体1的速度目标值Vref和从牟身11的铅垂方 向偏离的倾斜角的变化速度的目标值(以下表示为倾斜角速度目标值"
ref)，执行将速度目标值vref和倾斜角速度目标值"ref作为输入变量并 将移动体1的平动速度Vw和车身11的倾斜角速度"n作为控制量的倒立
稳定化控制和行驶控制。后面将详细地说明这些控制。
马达15a和b分别与车轮10a和b连结。马达驱动器16a和b按照计 算机14输出的转矩指令值t coM而分别驱动马达15a和b。通过由马达15a 和b驱动车轮10a和b，使移动体1可以在前后方向上行驶。
译码器17a和b是用于分别计测马达15a和b的旋转角9的传感器。 通过使用译码器17a和b的输出来计算车轮10a和b的每单位时间的旋转 角而得到车轮10a和b的旋转角速度。另外，通过计算车轮10a和b的旋 转角速度与车轮10a和b的半径的长度的积而得到移动体1的平动速度 VN。艮卩，译码器17a和b是用于得到移动体1的当前的平动速度Vn的侍 感器。另一方面，速率陀螺18是用于检测移动体1的当前的倾斜角速度
"n的倾斜角速度传感器。
接着，以下对本实施方式的移动体1的控制系统进行说明。图2表示 了移动体1的控制系统的整体构成。在图2中，目标值生成部100输入操 纵杆13输出的操作量信号，并计算出移动体1的速度目标值Vref和牢身
ll的倾斜角速度目标值"ref。
加加速度值生成部101输入从操纵杆13输出的操作量信号，并根据 该信号计算出对移动体1的连续的加加速度目标值Jref。在这里，加加速
度目标值jref是移动体1的平动方向的加速度的时间微分。即，即使在从
操纵杆13输出的操作量信号对时间的二阶微分不连续的情况下，也通过 加加速度值生成部101来生成连续的加加速度目标值Jref。具体地说，可 以通过将操作量信号输入三次滞后过滤器来生成加加速度目标值Jref。由 于该构成会使滞后时间变大，因此也可以使用非线性的函数。
二阶积分器102通过使连续的加加速度目标值jref对时间进行二阶积 分而生成速度目标值VreF，该速度目标值vref对时间的二阶微分是连续的。
乘法器103通过使加加速度目标值Jref乘以増益Wl而生成车身11的 倾斜角速度目标值"ref。应当赋予加加速度目标值Jref的増益Wl在理论
上为1/g。 g为重力加速度。
这里，对在本说明书中使用的"连续"和"可微分"的用语的定义进
行补充说明。在数学上，函数f (x)在某点a连续是指点a处的函数f (x)的极限值为f (a)。另一方面，当点a处的f (x)的左侧极限值和 右侧极限值不同时，称为函数f (x)在点a不连续。另外，函数f (x)在 某点a可微分是指在点a附近左侧微分系数和右侧微分系数均存在并且它 们相等的情况。
这里，作为目标值生成部100或后述的稳定化及行驶控制器107的处
理对象的加加速度目标值JrEF、速度目标值VREF、以及倾斜角速度目标值 o)ref是时间的函数，但它们是仅对离散的采样点具有有意义的函数值的数
字信号。因此，对于加加速度目标值JreF、速度目标值vref、以及倾斜角 速度目标值co 来说，无法应用数学上的严密的连续性和可微分的概念。
因此，在本说明书中，当时间的函数f (t)作为数字信号而给出时，如果
某采样点a的函数值与和该采样点相邻的采样点的函数值的差分收敛在预 先确定的阈值范围之内，则f (t)被定义为在采样点a连续。
另外，在本说明书中，当时间的函数f (t)作为数字信号而给出时， 如果在某采样点a附近通过差分近似而计算出的左侧微分系数与右侧微分 系数之间的差分收敛在预先确定的阈值范围之内，则f (t)被定义为在采 样点a "可微分"。
图3表示了目标值生成部100的具体构成的一个示例。在图3中，乘 法器20K 205以及206赋予输入信号与采样率相应的增益。加法器202根 据乘法器201、 205以及206的输出信号计算出加加速度目标值jref。积分 器203和204分别进行一阶积分。
返回到图2，控制量计算部104输入由译码器17a和b计测的马达15a 和b的旋转角e ，计算出作为图2所示的控制系统的控制量的移动体1的 平动速度VN。并且，控制量计算部104对由速率陀螺18计测的车身11的 倾斜角速度进行A/D转换，生成作为数字量的倾斜角速度"N。
加法器105计算出速度目标值Vref与当前的平幼速度Vw的偏差A
V。加法器106计算出倾斜角速度目标值"ref与当前的倾斜角速度"n的
偏差△ o 。
稳定化及行驶控制器107输入控制偏差AV和A"，并计算出使控制 偏差A V和A co均接近零的马达驱动器16a和b的转矩指令值t com。
表示控制系统的构成的图2为了简化说明而仅记载了移动体1的前后 方向上的倒立稳定化控制和行驶控制所需的要素。即，除了图2所示的要 素以外，当然还可以根据需要对移动体1追加用于控制移动体的位置、姿 势等的控制器或传感器。
可以使用计算机14来实现上述控制量计算部104和稳定化及行驶控 制器107的处理。具体地说，按照以固定的时间间隔发生的定时中断来执 行用于使计算机14进行图4所示的处理的程序即可。
在图4的流程图中的步骤Sll中，输入由译码器17a和b计测的译码 器值(具体地说即车轮10a和b的旋转角9 )、速率陀螺18的输出信号。 在步骤S12中，根据译码器值和速率陀螺18的输出而计算出当前的平动
速度Vw和倾斜角速度"w。在步骤S13中，计算出使从目标值生成部100 输出的速度目标值Vref与当前的平幼速度Vw之间的控制偏差AV、以及
倾斜角速度目标值"与当前的倾斜角速度CO N之间的控制偏差A 6)均接
近零的转矩指令值
接着，以下为了便于理解上述目标值生成部100的构成，使用图5对
平动方向的加加速度目标值jref和倾斜角速度目标值o reF的关系进行补充说明。
图5是与移动体1相对应的倒立摆型移动体的模型。在图5中，X是 移动体1的平动方向的位移。m是车轮10a和b的质量。r是车轮10a和b 的半径。e是车轮10a和b的旋转角。G是包括车身11、搭乘者、以及其 他装载物在内的总质量M的重心。ri是重心G从铅垂方向偏离的倾斜 角。车轴301是车轮10a和b的车轴。另外，连线302是连结车轴301和 重心G的连线。
在图5的模型中，通过以下的数学式1和数学式2来表示移动体1平 动加速时的重心G的平动方向的速度Vcx和作为其时间微分的加速度 Acx。以下的数学式中的变量上的点意味着时间微分。数学式l
数学式2
4 =》GX =f+々cos 7-
另外，由于重心G的平动加速度Acx与重力加速度g的正切为倾斜角 ri ，因此可以通过数学式3来表示倾斜角ri 。数学式3
〃 =arctan("^)
如果通过数学式3的时间微分来计算倾斜角速度"(dil/dt)，则计 算会变得非常复杂。因此，当假定H足够地小、倾斜角速度"与重心G的 平动速度Vcx相比足够地小、作为倾斜角速度co的时间微分的倾斜角加速 度与重心G的平动加速度A(jx相比足够地小时，可以通过数学式4和数学 式5来近似地表示倾斜角il和倾斜角速度"。
数学式4
数学式5
艮P，倾斜角速度co成为重心G的平动方向的加加速度Jcjx除以重力加 速度g而得到的值。因此，在图2所示的目标值生成部100中，通过使加 加速度目标值JreF与预先确定的增益相乘而生成倾斜角速度目标值"ref。
如上所述，本实施方式的移动体1将操纵杆13作为基于搭乘者的操 作量生成部，并根据操纵杆13的操作量来生成对时间的二阶积分是连续
的速度目标值vref和对时间是连续的倾斜角速度目标值"ref。即，在移
动体1中，不直接将与由搭乘者输入的操纵杆13的操作量成比例的速度 信号(以下称为指示速度)作为速度目标值Vref，而是将修正成对时间的
二阶微分是连续的速度信号作为速度目标值VreF。并且，执行将这样生成 的速度目标值Vref和傾斜角速度目标值0) ref作为控制目标的反馈控制。
将速度目标值作为输入变量而执行倒立稳定化控制和行驶控制的以往 的倒立摆型移动体存在无法确保由搭乘者等输入的速度目标值的二阶可微 分性的问题。更详细地说，例如如果是在使操纵杆等控制杆的操作量与速 度目标值相对应的情况下，由于搭乘者对操纵杆的操作在时间上是连续 的，因此可以认为速度目标值对时间的连续性和一阶可微分性得到了保 证。但是，速度指令值的二阶可微分性和二阶微分的连续性未得到保证。 因此，有时会出现与速度目标值的二阶微分成比例的车身的倾斜角速度不 连续地变化的情况。倾斜角速度的不连续的、换言之就时间而言的急剧的 变化是导致车身的不平稳的运动的原因。
与此相对，移动体1可以通过除了速度目标值vref以外还将对时间连 续的倾斜角目标值"reF作为控制目标来抑制倾斜角速度的不连续的变化、 即倾斜角速度在短时间内发生急剧的变化。由此，尽管移动体1是搭乘者
对操纵杆13的操作量与速度目标值相对应的倒立摆型移动体，但是可以
使行驶时产生的车身11的倾斜角平稳地变化。
图6表示了与由搭乘者输入的操纵杆13的操作量成比例的速度信号 (指示速度)与移动体1的平动速度Vw的关系。图6的虚线Ll表示指示 速度，实线L2表示移动体1的平动速度VN。另外，虚线L3表示当将虚 线Ll表示的指示速度直接作为速度目标值时产生的移动体的速度。艮P， 虚线L3表示执行以往的速度控制的倒立摆型移动体的动作。
根据图6可知，虚线L3表示的以往的移动体的速度变化特别是在由 圆A至C包围的区间内表示出了对指示速度Ll的"过度举动"。与此相 对，在由实线L2表示的移动体1的速度变化中，在由虚线L3表示的以往 的移动体的速度变化中观察到的"过度举动"被抑制了。
移动体1为了按照搭乘者的指示前进，在产生了正的倾斜角n之后， 需要产生向移动体1的前进方向的加速度。因此，如图6的圆A所示，当 从停止状态开始前进时，暂时通过产生负的加速度和负的速度使移动体1 后退而产生正的倾斜角n，然后通过正的加速度使移动体1前进。为了有 效地进行这样的控制，优选在根据通过操纵杆13的操作而输入的指示速
度而生成的速度目标值vref和倾斜角目标值"ref中，先将倾斜角目标值 "ref输入稳定化及行驶控制器107，然后设置滞后时间而将速度目标值 vref输入稳定化及行驶控制器107。因此，在图2和图3所示的目标值生 成部100中，通过使二阶积分器102的滞后量比乘法器103的滞后量大， 可以在速度目标值VreF与倾斜角目标值"reF之间产生输出时间差。
图7表示了将图6的虚线Ll所表示的指示速度赋予了移动体1时产 生的车身11的倾斜角度riw的举动。图7的实线L4表示车身11的倾斜角 度r^的时间变化。另一方面，虚线L5表示将同样的指示速度赋予了执行 以往的速度控制的倒立摆型移动体时的倾斜角度的时间变化。根据图7可 知，实线L4所表示的移动体1的倾斜角的变化与虚线L5所表示的以往的 移动体1的倾斜角的变化相比，倾斜角的变动幅度得到了抑制。S卩，可知 在本实施方式的移动体1中，车身11的倾斜角变化是平稳地进行的。
发明的实施方式2
上述发明的实施方式1的移动体1通过执行将对时间是连续的倾斜角 速度目标值"reF作为输入值的反馈控制，抑制了随着倾斜角速度不连续地变化而产生的车身11的突发性的运动，实现了车身11的平稳的倾斜动 作。
为了使车身11的倾斜角的变化更加平稳，除了倾斜角速度目标值" ref是连续的以外，优选作为倾斜角速度目标值的时间微分的倾斜角加速度 的目标值对时间是连续的，即倾斜角速度目标值"ref是可对时间微分的。
为了保证倾斜角加速度的目标值对时间是连续的，生成可对时间进行 三阶微分的速度目标值Vref即可。具体地说，使加加速度值生成部101生 成平滑地连续的加加速度目标值Jref即可。另外，也可以代替加加速度值 生成部101而如下来构成目标值生成部100:根据操纵杆13的操作信号，
生成对时间连续的加加速度的时间微分，通过对其进行三阶积分而计算出
速度目标值VreF，并通过对其进行一阶积分并乘以增益Wl而计算出倾斜 角速度目标值
根据本实施方式所述的构成，由于可以进一步保证倾斜角加速度的连 续性，因此可以使车身11平稳地进行倾斜时的加减速度。即，可以使车 身11的倾斜动作更加平稳。
其他实施方式
在发明的实施方式1和2中，根据搭乘者对操纵杆13的操作量来决定
移动体1的平动速度目标值vref。但是，用于决定平动速度目标值vref的
操作量生成部不限于上述操纵杆13。例如，在为自动行驶或无人驾驶的移
动体的情况下，也可以读出预先存储在存储器等中的速度目标值并输入加
加速度生成部101。另外，也可以利用通信手段从遥远的地方向移动体1
输入速度目标值。
在发明的实施方式1和2中，说明了将本发明应用于人类可以搭乘的 倒立摆型移动体的具体例子，但是本发明也可以应用于其他的移动体。例 如，也可以应用于作为仿人机器人的移动机构而组装到机器人的下半身的 移动体、即仿人机器人的上半身被搭乘在车身上的移动体，或搭载了货物
等装载物而移动的移动体等。
在发明的实施方式1和2中，为了计算出移动体1的平动速度Vn而 使用了译码器17a和b，但是也可以使用其他的速度传感器。另外，计测
倾斜角速度"N的传感器不限于速率陀螺18。例如，可以使用重力加速度 传感器或锤吊型加速度传感器等。
在本发明的实施方式1和2中，移动体1具有两个车轮10a和b，但 是本发明的应用不限于该构成的移动体。例如，也可以代替车轮而使用如 专利文献1所公开的球形的旋转体，或者也可以使用圆柱状的旋转体。
在发明的实施方式1和2中，使速度目标值VREF为移动体1的平动速
度，但是也可以将马达15a和b的旋转角速度、车轮10a和b的旋转角速 度等与移动体1的平动速度相对应的其他速度作为速度目标值来进行行驶 控制。
本发明不仅限于上述实施方式，勿庸置疑可以在不脱离上述本发明的 主旨的范围内进行各种变更。 产业实用性
本发明可以广泛地应用于倒立摆型移动体。
权利要求
1.一种移动体，包括截面为圆形的至少一个旋转体和由所述旋转体支承的车身，所述移动体的特征在于，在所述移动体行驶的状态下，所述车身至少可以在该移动体的前后方向上摆动，所述移动体还包括驱动部，驱动所述旋转体；目标值生成部，生成对所述移动体的速度目标值和对所述车身的倾斜角速度目标值，使所述速度目标值对时间的二阶微分是连续的，使所述倾斜角速度目标值对时间是连续的；以及控制部，将所述速度目标值和所述倾斜角速度目标值作为控制目标而计算出对所述驱动部的控制指令值，使所述移动体能够在维持所述车身的重心或所述车身和支承在所述车身上的对象的合计总质量的重心与所述旋转体的旋转中心位置相比位于上方的状态的情况下按照所述速度目标值而行驶。
2. 如权利要求1所述的移动体，其特征在于，所述倾斜角速度目标值是通过使所述速度目标值对时间的二阶微分乘 以预先确定的增益而计算出来的。
3. 如权利要求1所述的移动体，其特征在于，还包括操作量生成部，该操作量生成部接受操作者的操作输入，输出 与操作者的操作量相对应的操作量信号，所述目标值生成部根据所述操作量信号而生成所述速度目标值和所述 倾斜角速度目标值。
4. 如权利要求3所述的移动体，其特征在于，所述目标值生成部将修正信号作为所述速度目标值，所述修正信号是 通过将所述操作量信号修正成对时间的二阶微分是连续的而得到的。
5. 如权利要求3所述的移动体，其特征在于， 所述目标值生成部包括 二阶微分生成部，生成所述操作量信号对时间的二阶微分，使该二阶微分对时间是连续的；以及乘法部，使所述二阶微分生成部生成的二阶微分与预先确定的增益相 乘而输出所述倾斜角速度目标值。
6. 如权利要求5所述的移动体，其特征在于，所述目标值生成部还包括二阶积分部，该二阶积分部对所述二阶微分 生成部生成的二阶微分进行二阶积分而输出所述速度目标值。
7. 如权利要求1所述的移动体，其特征在于，所述目标值生成部使根据所述操作量信号生成的速度目标值滞后于根 据所述操作量信号生成的倾斜角速度目标值而输出给所述控制部。
8. 如权利要求1所述的移动体，其特征在于，所述目标值生成部生成对时间的三阶微分是连续的所述速度目标值， 并生成可对时间进行一阶微分的所述倾斜角速度目标值。
9. 一种控制方法，是包括截面为圆形的至少一个旋转体和由所述旋转 体支承的车身的倒立摆型移动体的控制方法，所述控制方法的特征在于， 执行以下控制环生成对所述移动体的速度目标值和对所述车身的倾斜角速度目标值， 使所述速度目标值对时间的二阶微分是连续的，使所述倾斜角速度目标值 对时间是连续的，将所述速度目标值和所述倾斜角速度目标值作为控制目标而计算出对 所述驱动部的控制指令值，使所述移动体能够在维持所述车身的重心或所 述车身和支承在所述车身上的对象的合计总质量的重心与所述旋转体的旋 转中心位置相比位于上方的状态的情况下按照所述速度目标值而行驶。
10. 如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述倾斜角速度目标值是所述速度目标值对时间的二阶微分乘以预先 确定的增益而得到的值。
全文摘要
在将速度目标值作为输入变量并根据该速度目标值来执行倒立稳定化控制和行驶控制的倒立摆型移动体中，使行驶时产生的车身的倾斜角的变化平稳。倒立摆型移动体(1)所具有的目标值生成部(100)生成对移动体(1)的速度目标值V_REF和对车身(11)的倾斜角速度目标值ω_REF，使V_REF对时间的二阶微分是连续的，使ω_REF对时间是连续的。倒立摆型移动体(1)所具有的控制器(107)将所述V_REF和ω_REF作为控制目标而计算出对马达驱动器(16a)和(b)的转矩指令值τ_COM，使得移动体(1)可以在维持车身(11)的重心或车身(11)和支承在所述车身上的对象的合计总质量的重心与车轮(10a)和(b)的旋转中心位置相比位于上方的状态的情况下按照V_REF而行驶。
文档编号G05D1/08GK101375226SQ20078000374
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年9月4日
发明者山田耕嗣 申请人:丰田自动车株式会社