使用旋转装置推算陀螺仪的安装角误差的方法和对应的旋转装置制造方法
【专利摘要】获取静止状态下的纵倾轴角速度传感器的偏差值和侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述静止状态下，两轮倒立摆车辆本体(2)的基准横摆轴(Z)平行于竖直方向静止。获取旋转状态下的纵倾轴角速度传感器的偏差值和侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述旋转状态下，两轮倒立摆车辆(1)在两轮倒立摆车辆本体(2)的基准横摆轴(Z)保持平行于竖直方向的状态下以预定旋转角速度旋转。基于传感器在静止状态下的偏差值、传感器在旋转状态下的偏差值以及预定旋转角速度，推算纵倾轴角速度传感器相对于两轮倒立摆车辆本体(2)的安装角误差和侧倾轴角速度传感器相对于两轮倒立摆车辆本体的安装角误差。
【专利说明】使用旋转装置推算陀螺仪的安装角误差的方法和对应的旋转装置
[0001]发明背景【技术领域】
[0002]本发明涉及一种推算安装角误差的方法和一种旋转装置。
【背景技术】
[0003]作为这种类型的技术，日本专利申请公布N0.2010-271918 (JP2010-271918A)说明了使用角速度传感器(陀螺仪传感器)和加速度传感器对两轮倒立摆机器人进行姿态控制。因为角速度传感器的输出值随着时间而劣化，所以在JP2010-271918A中，例如通过用特定夹具支撑两轮倒立摆机器人然后两轮倒立摆机器人以设定转速从最靠后的倾斜位置转动到最靠前的倾斜位置，来获得角速度传感器的校正值。
[0004]顺便提及，如果用于对两轮倒立摆车辆执行倒立摆控制的纵倾轴角速度传感器相对于本体的基准轴的安装角有误差，则当两轮倒立摆车辆旋转(围绕其横摆轴旋转)时，误差的旋转分量可以由纵倾轴角速度传感器检测到，并且因此，倒立摆基准角会逐渐偏离。结果，当在两轮倒立摆车辆停止旋转时两轮倒立摆车辆向前或向后倾斜的状态下，两轮倒立摆车辆倒立。这使得乘员感觉不舒服。
[0005]另外，类似地，如果侧倾轴角速度传感器相对于本体的基准轴的安装角有误差，则当两轮倒立摆车辆 旋转时，两轮倒立摆车辆的向前或向后倾斜摇摆改变。类似地，这使得乘员感觉不舒服。
[0006]针对这个问题，在现有技术中，采取措施将各个角速度传感器相对于本体的基准轴的安装角误差尽可能设定为零。在这个措施中，例如，因为需要确保各种精确度的高精确度的框架，所以在减小两轮倒立摆车辆的本体的尺寸和重量方面存在问题，其中所述各种精确度例如是在每个角速度传感器和用作水平基准轴的倾斜传感器之间的安装精确度以及在包括角速度传感器和倾斜传感器的传感器块与两轮倒立摆车辆的本体之间的安装精确度。
[0007]将进一步说明由于安装误差所产生的上述问题。例如，假设用于对两轮倒立摆车辆执行倒立摆控制的纵倾轴角速度传感器相对于旋转平面(即，横摆旋转平面)围绕侧倾轴的安装误差是Ptl[弧度]，并且车辆以角速度Y点旋转。在这种情况下，Y点Xsin(^tl)[弧度/秒]是纵倾轴角速度传感器的作为误差的输出。具体地，当纵倾轴角速度传感器相对于旋转轴的安装误差是0.5[度]时，则围绕纵倾轴的转动通过一圈360[度]被认识是就好像车辆围绕纵倾轴转动了约3[度]的累积量。
[0008]在旋转一周的过程中，这种纵倾角速度的误差在相对较低的频带中发生，所以可以想到的是通过高通滤波器或通过使用死区(中性区)来消除误差。然而，例如，当旋转方向不断地向左或向右改变时，高通滤波器根本无法使用，所以在通过对纵倾角速度积分来获取纵倾角的计算过程中误差会累积，并且纵倾角会无限制地偏离。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种用于推算纵倾轴角速度传感器和侧倾轴角速度传感器中的每一个相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差的技术。
[0010]本发明的一方面提供一种在包括倒立摆移动单元本体、纵倾轴角速度传感器和侧倾轴角速度传感器的倒立摆移动单元中推算纵倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差以及侧倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差的方法。所述方法包括:通过获取静止状态下的纵倾轴角速度传感器的输出和侧倾轴角速度传感器的输出，获取静止状态下的纵倾轴角速度传感器的偏差值和侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述静止状态下，倒立摆移动单元本体的基准横摆轴沿着竖直方向静止；通过获取旋转状态下的纵倾轴角速度传感器的输出和侧倾轴角速度传感器的输出，获取所述旋转状态下的纵倾轴角速度传感器的偏差值和侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述旋转状态下，倒立摆移动单元在倒立摆移动单元本体的基准横摆轴保持平行于竖直方向的状态下以预定旋转角速度旋转；和基于所述传感器在所述静止状态下的偏差值、所述传感器在所述旋转状态下的偏差值以及所述预定旋转角速度，推算纵倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差和侧倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差。在旋转状态下，倒立摆移动单元本体可以在被水平地保持的同时就地旋转。倒立摆移动单元可以在倒立状态下在枢轴上旋转。可以使用旋转装置使倒立摆移动单元在枢轴上旋转，所述旋转装置包括:支撑基部，所述支撑基部支撑倒立摆移动单元；多个支柱，所述多个支柱的高度是可调节的，并且所述多个支柱连接到支撑基部；和旋转夹具，所述旋转夹具具有连接到支撑基部的第一构件和连接到倒立摆移动单元本体的第二构件，其中，第一构件联接到第二构件，使得第一构件能够平行于支撑基部转动。
[0011]本发明的另一方面提供一种旋转装置。所述旋转装置包括:支撑基部，所述支撑基部支撑倒立摆移动单元；多个支柱，所述多个支柱的高度是可调节的，并且所述多个支柱连接到支撑基部；和旋转夹具，所述旋转夹具具有连接到支撑基部的第一构件和连接到倒立摆移动单元本体的第二构件，其中，第一构件联接到第二构件，使得第一构件能够平行于支撑基部转动。上述旋转装置可以在上述方法中使用。
[0012]根据本发明的上述方面，能够推算纵倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差和侧倾轴角速度传感器相对于倒立摆移动单元本体的安装角误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下文中将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优势和技术以及工业意义，在所述附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:
[0014]图1是根据第一实施例的两轮倒立摆车辆的外观的透视图；
[0015]图2是根据第一实施例的两轮倒立摆车辆的功能框图；
[0016]图3是根据第一实施例的水平旋转装置的透视图；
[0017]图4是示出了两轮倒立摆车辆设定在根据第一实施例的水平旋转装置上的状态的透视图；
[0018]图5是根据第一实施例的调节模式的控制流程；和[0019]图6是根据第二实施例的调节模式的控制流程。
【具体实施方式】
[0020]在下文中，将参照图1至图5说明本发明的第一实施例。
[0021]图1中所示的两轮倒立摆车辆I (倒立摆移动单元)是用于沿着期望的方向运输骑乘在两轮倒立摆车辆I上的人(乘员)的车辆。两轮倒立摆车辆I响应于骑乘在两轮倒立摆车辆I上的乘员的操作而运动。
[0022]两轮倒立摆车辆I由两轮倒立摆车辆本体2、右轮3、左轮4和把柄本体5形成。右轮3和左轮4用作可转动地连接到两轮倒立摆车辆本体2的一对车轮。把柄本体5用作操作输入单元。
[0023]两轮倒立摆车辆本体2由本体下部部分6、一对搁脚部7和控制装置8形成。在本体下部部分6处安装有电池或类似物。一对搁脚部7设置在本体下部部分6上。控制装置8设置在本体下部部分6上。把柄本体5连接到两轮倒立摆车辆本体2的本体下部部分6。把柄本体5安装在两轮倒立摆车辆本体2的本体下部部分6的主要行进方向侧。在把柄本体5的上端部处设置有握把9。乘员抓住握把9。在右轮3处设置有右轮马达3a。在左轮4处设置有左轮马达4a。
[0024]用作两轮倒立摆车辆本体2的基准横摆轴的基准横摆轴Z例如定义为与搁脚部7的搁脚面7a垂直。类似地，用作两轮倒立摆车辆本体2的基准纵倾轴的基准纵倾轴Y例如定义为与可转动地连接到两轮倒立摆车辆本体2的本体下部部分6的一对右轮3和左轮4共用的转动轴线。另外，用作两轮倒立摆车辆本体2的基准侧倾轴的基准侧倾轴X例如定义为与基准横摆轴Z垂直且与基准纵倾轴Y垂直的轴线。
[0025]如图2中所示,控制装置8包括传感器单元10、命令值计算单元11、驱动单元12、误差校正单元13和输入单元14。
[0026]传感器单元10由角速度传感器15和加速度传感器16形成。角速度传感器15例如由陀螺仪传感器形成。即，角速度传感器15由横摆轴角速度传感器、纵倾轴角速度传感器和侧倾轴角速度传感器形成。横摆轴角速度传感器输出两轮倒立摆车辆本体2的横摆角速度值。纵倾轴角速度传感器输出两轮倒立摆车辆本体2的纵倾角速度值。侧倾轴角速度传感器输出两轮倒立摆车辆本体2的侧倾角速度值。另外，加速度传感器16输出两轮倒立摆车辆本体2的三轴加速度值。
[0027]输入单元14由把柄单元17形成。把柄单元17输出从图1中所示的把柄本体5的初始安装状态开始的倾角值。即，乘员通过使把柄单元17沿着期望的方向倾斜来控制两轮倒立摆车辆I的运动。
[0028]命令值计算单元11由姿态角计算单元18和倒立摆控制计算单元19形成。
[0029]姿态角计算单元18是这样的模块，即，所述模块通过使用卡尔曼滤波器或类似物对从角速度传感器15输出的各个轴的角速度值和从加速度传感器16输出的各个轴的加速度值执行传感器融合，来计算两轮倒立摆车辆本体2的当前姿态角值。
[0030]倒立摆控制计算单元19是这样的模块，即，所述模块基于由姿态角计算单元18计算出的两轮倒立摆车辆本体2的姿态角值计算并产生保持两轮倒立摆车辆I倒立的状态所需的控制信息。另外，倒立摆控制计算单元19基于由姿态角计算单元18计算出的两轮倒立摆车辆本体2的姿态角值和从输入单元14的把柄单元17接收到的输入信息计算并产生致使两轮倒立摆车辆I在保持两轮倒立摆车辆I的倒立状态的同时执行期望的运动所需的控制信息。
[0031]驱动单元12由右轮驱动单元20和左轮驱动单元21形成。右轮驱动单元20和左轮驱动单元21基于从命令值计算单元11的倒立摆控制计算单元19接收到的控制信息分别驱动右轮马达3a和左轮马达4a。
[0032]误差校正单元13由角速度存储单元22、安装角误差计算单元23、安装角误差存储单元24和角速度校正单元25形成。角速度存储单元22存储从角速度传感器15输出的各个轴角速度值。安装角误差计算单元23基于存储在角速度存储单元22中的各个轴角速度值计算两轮倒立摆车辆本体2上的角速度传感器15的安装角误差值。安装角误差存储单元24存储由安装角误差计算单元23计算出的安装角误差值。角速度校正单元25基于存储在安装角误差存储单元24中的安装角误差值校正从角速度传感器15输出的各个轴角速度，并且将校正过的轴角速度输出到姿态角计算单元18。
[0033]上述控制装置8包括中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。存储在ROM中的控制程序通过CPU加载并且在CPU上执行。这样，控制程序致使诸如CPU的硬件起到命令值计算单元11、误差校正单元13等的功能。
[0034]图3示出了本实施例中的水平旋转装置30 (旋转装置)，其用于推算角速度传感器15相对于两轮倒立摆车辆本体2的安装角误差。水平旋转装置30由支撑基部31、四个支柱32和旋转夹具33形成。四个支柱32的高度是可调节的，并且这四个支柱32连接到支撑基部31。通过调节四个支柱32中的每一个的高度，能够将支撑基部31调节到基本水平的状态。旋转夹具33包括下夹具34 (第一构件)和上夹具35 (第二构件)。下夹具34连接到支撑基部31。上夹具35连接到两轮倒立摆车辆本体2。下夹具34联接到上夹具35，使得上夹具35可相对于支撑基部31水平地转动。
[0035]图4示出了设置在水平旋转装置30上的两轮倒立摆车辆I。在图4中所示的状态下，两轮倒立摆车辆I的右轮3和左轮4以适当的压力与水平旋转装置30的支撑基部31接触。在这种状态下，当右轮3和左轮4沿着相反的方向转动时，两轮倒立摆车辆I以预定的旋转角速度枢转旋转(通过使两个轮以相同的速度沿着相反的方向转动而旋转)。
[0036]接下来，将参照图5说明两轮倒立摆车辆I的控制装置8的控制流程。两轮倒立摆车辆I的控制装置8除了具有用于运输乘员的正常行驶模式以外还具有图5中所示的调节模式。调节模式是用于推算角速度传感器15相对于两轮倒立摆车辆I的两轮倒立摆车辆本体2的安装角误差的模式。
[0037]首先，将说明在调节模式的背景下的分解理论，随后将说明用于实际使用该理论推算误差的图5的控制流程。
[0038]为了测量两轮倒立摆车辆的姿态，使用测量纵倾轴角和侧倾轴角的倾斜传感器(其对应于加速度传感器16)和测量纵倾角速度、侧倾角速度和横摆角速度的角速度传感器(其对应于角速度传感器15)。倾斜传感器通常通过利用三轴加速度传感器执行以下计算，并且继而获取纵倾轴角Citla。。和侧倾轴角纵倾轴角Citla。。是三轴加速度传感器相对于本体围绕纵倾轴的安装角误差。侧倾轴角β %。。是三轴加速度传感器相对于本体围绕侧倾轴的安装角误差。然而，如果按照原样使用小型三轴加速度传感器的话，则适于安装在两轮倒立摆车辆上的小型三轴加速度传感器通常具有较大的噪音，并且对于倒立摆控制而言是不适当的。这是因为如果使用低通滤波器来减小噪音，则倒立摆控制会由于滤波器的相位延迟而变得不稳定。
[0039]相比之下，作为角速度传感器的陀螺仪(也可以称为陀螺仪传感器)需要进行积分以便获取角度，所以在长时间执行的倒立摆控制中出现漂移，并且基准角逐渐偏离。这是因为没有被严格地获取陀螺仪传感器的零点，这个零点根据温度等而改变。
[0040]因而，对这两种类型的传感器执行传感器融合，并且每个传感器的非专长部分被另一个传感器补充。这样，得到具有期望特征的传感器单元。例如，卡尔曼滤波器等用于传感器融合。当使用卡尔曼滤波器时，能够推算陀螺仪传感器的零点误差，即，陀螺仪传感器的偏差值。推算出的偏差值自动地改变，使得通过陀螺仪传感器的积分所得到的角度收敛于通过加速度传感器测量到的角度。
[0041]这里，将考虑三轴加速度传感器X(侧倾轴方向)的安装误差、Y(纵倾轴方向)的安装误差和Z (横摆轴方向)的安装误差以及侧倾角速度传感器、纵倾角速度传感器和横摆角速度传感器的安装误差。
[0042]加速度传感器的测量值的偏差是各个轴传感器的零点偏移\、Y0和Ztl,并且加速度传感器相对于两轮倒立摆车辆 的车辆本体基准轴(例如，两轮倒立摆车辆I的两轮倒立摆车辆本体2的基准横摆轴Z)的安装角偏差是α %。。(其对应于围绕两轮倒立摆车辆I的两轮倒立摆车辆本体2的基准侧倾轴X的偏差)、β 0acc (其对应于围绕两轮倒立摆车辆I的两轮倒立摆车辆本体2的基准纵倾轴Y的偏差)和Y(la。。。这样，总共有六个偏差。在这六个偏差中，执行倒立摆控制仅需要Qcia。。和β。.。在倒立摆控制状态下，加速度传感器的Z轴输出是约1G，并且零点的偏移Ztl可以忽略。沿着旋转方向的安装角偏差Ytla。。也不用于倒立摆控制。XO和YO可以通过Citlae。和Ptlae。代表性地考虑。以下使用两个角度的旋转矩阵(I)和(2)是加速度传感器基准坐标系(后缀“s”)和车辆本体基准坐标系(后缀“b”)的变换矩阵。
[0043]【数学表达式I】
[0044]
【权利要求】
1.一种在包括倒立摆移动单元本体、纵倾轴角速度传感器和侧倾轴角速度传感器的倒立摆移动单元中推算所述纵倾轴角速度传感器相对于所述倒立摆移动单元本体的安装角误差以及所述侧倾轴角速度传感器相对于所述倒立摆移动单元本体的安装角误差的方法，所述方法包括: 通过获取静止状态下的所述纵倾轴角速度传感器的输出和所述侧倾轴角速度传感器的输出，获取所述静止状态下的所述纵倾轴角速度传感器的偏差值和所述侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述静止状态下，所述倒立摆移动单元本体的基准横摆轴沿着竖直方向静止； 通过获取旋转状态下的所述纵倾轴角速度传感器的输出和所述侧倾轴角速度传感器的输出，获取所述旋转状态下的所述纵倾轴角速度传感器的偏差值和所述侧倾轴角速度传感器的偏差值，其中，在所述旋转状态下，所述倒立摆移动单元在所述倒立摆移动单元本体的所述基准横摆轴保持平行于所述竖直方向的状态下以预定旋转角速度旋转；和 基于所述传感器在所述静止状态下的偏差值、所述传感器在旋转状态下的偏差值以及所述预定旋转角速度，推算所述纵倾轴角速度传感器相对于所述倒立摆移动单元本体的安装角误差和所述侧倾轴角速度传感器相对于所述倒立摆移动单元本体的安装角误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中， 在所述旋转状态下，所述倒立摆移动单元本体在被水平地保持的同时就地旋转。
3.根据权利要求2所述的方法，其中， 所述倒立摆移动单元在倒立状态下在枢轴上旋转。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中， 在所述静止状态下，在预定时间段或更长的时间段内，平均化所述纵倾轴角速度传感器的输出和所述侧倾轴角速度传感器的输出中的每一个。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中， 在所述旋转状态下，在预定时间段或更长的时间段内，平均化所述纵倾轴角速度传感器的输出和所述侧倾轴角速度传感器的输出中的每一个。
6.根据权利要求2所述的方法，其中， 利用旋转装置使所述倒立摆移动单元在枢轴上转动，所述旋转装置包括:支撑基部，所述支撑基部支撑所述倒立摆移动单元；多个支柱，所述多个支柱的高度能够调节，并且所述多个支柱连接到所述支撑基部；和旋转夹具，所述旋转夹具具有连接到所述支撑基部的第一构件和连接到所述倒立摆移动单元本体的第二构件，其中，所述第一构件联接到所述第二构件，使得所述第一构件能够平行于所述支撑基部转动。
7.一种在根据权利要求2所述的方法中使用的旋转装置，所述旋转装置包括: 支撑基部，所述支撑基部支撑所述倒立摆移动单元； 多个支柱，所述多个支柱的高度能够调节，并且所述多个支柱连接到所述支撑基部；和 旋转夹具，所述旋转夹具具有连接到所述支撑基部的第一构件和连接到所述倒立摆移动单元本体的第二构件，其中，所述第一构件联接到所述第二构件，使得所述第一构件能够平行于所述支撑基部转动。
8.一种旋转装置，所述旋转装置包括: 支撑基部，所述支撑基部支撑倒立摆移动单元；多个支柱，所述多个支柱的高度能够调节，并且所述多个支柱连接到所述支撑基部；和旋转夹具，所述旋转夹具具有连接到所述支撑基部的第一构件和连接到所述倒立摆移动单元本体的 第二构件，其中，所述第一构件联接到所述第二构件，使得所述第一构件能够平行于所述支撑基部转动。
【文档编号】G05D1/08GK103975224SQ201280059131
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年12月2日
【发明者】及川晋 申请人:丰田自动车株式会社