專利名稱：移動體以及移動體的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及倒立擺型移動體，特別是涉及將由搭乘者等指定的速度作 為控制目標(biāo)值而執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的倒立擺型移動體。
背景技術(shù)：
本說明書中的倒立擺型移動體是指以下移動體具有車身和與車身連 結(jié)且截面為圓形的旋轉(zhuǎn)體(車輪等)，在車身可以向移動體的前后方向傾 斜的狀態(tài)下將車身和旋轉(zhuǎn)體連結(jié)起來，并且可以在維持車身的重心或車身 和支承在車身上的搭乘者等對象的合計總質(zhì)量的重心與旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)中心 位置相比位于上方的狀態(tài)的情況下通過旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)而移動。
以往提出了關(guān)于倒立擺型移動體的控制方法的方案。以往的倒立擺型 移動體通常通過設(shè)置在移動體上的傾斜角傳感器來檢測車身相對于鉛垂方 向的傾斜角，并將檢測出的傾斜角作為輸入變量來執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和 行駛控制。在專利文獻(xiàn)1中公開了采用這種控制方法的倒立擺型移動體。
在專利文獻(xiàn)1所公開的倒立擺型移動體中，在車身的左右安裝有車 輪，并具有獨立驅(qū)動左右車輪的兩個馬達(dá)。另外，專利文獻(xiàn)1所公開的倒 立擺型移動體包括檢測移動體的前后方向上的車身的傾斜角度的傾斜角 傳感器(具體而言即加速度傳感器)、檢測傾斜角速度的傾斜角速度傳感 器(具體而言即速率陀螺)、以及將由傾斜角傳感器和傾斜角速度傳感器 檢測出的傾斜角和傾斜角速度作為輸入變量來進(jìn)行用于維持車身的倒立的 倒立穩(wěn)定化控制和前后方向上的行駛控制的控制部。
艮口，在專利文獻(xiàn)1所公開的倒立擺型移動體中，與搭乘者移動重心而 使車身傾斜相對應(yīng)地來控制移動體的前后方向上的行駛。這樣，在通過搭 乘者對車身的傾斜角進(jìn)行操作而行駛的倒立擺型移動體中，執(zhí)行用于獲得
在力學(xué)上取得了平衡的倒立狀態(tài)的控制環(huán)(control loop)并由此決定了移
動體的加速度，作為移動體以該加速度行駛的結(jié)果而確定了速度。即，由 于由搭乘者指示的控制量為車身的傾斜角，因此移動體容易產(chǎn)生與搭乘者 的意圖不符的舉動。由于這種對倒立擺型移動體的基于車身的傾斜角的操 作與通過操作者對加速器開度進(jìn)行調(diào)整來控制移動體的速度的乘用車的操 作方法之間的差異非常大，因此這樣的對移動體的操作通常非常困難。
針對該問題，也提出了不將車身的傾斜角作為輸入變量而是將搭乘者 等輸入的速度目標(biāo)值作為輸入變量來執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的倒
立擺型移動體(例如，參照專利文獻(xiàn)2和3)。
在專利文獻(xiàn)2中公開了以下倒立擺型移動體具有用于輸入模擬成包
括車身的傾斜角和傾斜角速度中的至少一者在內(nèi)的傾斜參數(shù)的模擬信號的 操縱桿，通過搭乘者對操縱桿進(jìn)行操作來控制移動體的前后方向上的行
駛。在專利文獻(xiàn)2中，作為與根據(jù)操縱桿的操作量而生成的模擬信號相對 應(yīng)的具體的參數(shù)，公開了車身的傾斜角目標(biāo)值和平動速度目標(biāo)值。
在專利文獻(xiàn)2所公開的倒立擺型移動體中，當(dāng)使操縱桿操作量與移動 體的平動速度或車輪的旋轉(zhuǎn)角速度等速度目標(biāo)值相對應(yīng)時，同時執(zhí)行根據(jù) 通過操縱桿操作而給出的速度目標(biāo)值來生成對馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩指令值以產(chǎn)生與 該速度目標(biāo)值相等的平動速度或車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的行駛控制、以及將車 身的傾斜角和傾斜角速度作為輸入變量來生成轉(zhuǎn)矩指令值以維持車身的倒 立的倒立穩(wěn)定化控制，由此可以使移動體根據(jù)通過操縱桿操作而輸入的速 度目標(biāo)值而在前后方向上行駛。
專利文獻(xiàn)3所公開的倒立擺型移動體對車身的傾斜角和傾斜角速度中 的至少一者進(jìn)行檢測，并將檢測出的傾斜角或傾斜角速度或這兩者作為輸 入值而對倒立擺型移動體進(jìn)行倒立穩(wěn)定化控制。具體地說，專利文獻(xiàn)3所 公開的倒立擺型移動體具有檢測傾斜角速度的陀螺傳感器，進(jìn)行使陀螺傳 感器檢測出的傾斜角速度為零的倒立穩(wěn)定化控制。并且，專利文獻(xiàn)3所公 開的倒立擺型移動體可以輸入移動體的速度目標(biāo)值，在執(zhí)行上述倒立穩(wěn)定 化控制的同時執(zhí)行駛移動體的速度成為輸入的速度目標(biāo)值的行駛控制。
專利文獻(xiàn)1:日本專利文獻(xiàn)特開2005 — 94898號公報；
專利文獻(xiàn)2:日本專利文獻(xiàn)特開平4一201793號公報；
專利文獻(xiàn)3:日本專利文獻(xiàn)特開2004—295430號公報。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題
如上所述，專利文獻(xiàn)2和3所公開的倒立擺型移動體將與搭乘者的操 縱桿操作相對應(yīng)的速度目標(biāo)值或為了進(jìn)行自動行駛而預(yù)先存儲在存儲器中 的速度目標(biāo)值作為輸入變量來進(jìn)行控制，使由譯碼器等檢測出的移動體的 當(dāng)前速度成為該速度目標(biāo)值。但是，如果將速度目標(biāo)值作為輸入變量來對 倒立擺型移動體進(jìn)行控制，則為了使車身維持倒立的狀態(tài)，傾斜角相應(yīng)于 速度目標(biāo)值的變動而會產(chǎn)生急劇的變化，因此移動體的動作不平穩(wěn)并會給 搭乘者帶來不快感。
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于在將速度目標(biāo)值作為 輸入變量并根據(jù)該速度目標(biāo)值來執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的倒立擺 型移動體中，使行駛時所產(chǎn)生的車身的傾斜角的變化平穩(wěn)。
用于解決問題的手段
本發(fā)明的第一方式的移動體包括截面為圓形的至少一個旋轉(zhuǎn)體和由所 述旋轉(zhuǎn)體支承的車身，在所述移動體行駛的狀態(tài)下，所述車身至少可以在 該移動體的前后方向上擺動。所述移動體還包括驅(qū)動部、目標(biāo)值生成部、 以及控制部。所述驅(qū)動部驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)體。所述目標(biāo)值生成部生成對所述 移動體的速度目標(biāo)值和對所述車身的傾斜角速度目標(biāo)值，使所述速度目標(biāo) 值對時間的二階微分是連續(xù)的，使所述傾斜角速度目標(biāo)值對時間是連續(xù) 的。所述控制部將所述速度目標(biāo)值和所述傾斜角速度目標(biāo)值作為控制目標(biāo) 而計算出對所述驅(qū)動部的控制指令值，使所述移動體能夠在維持所述車身 的重心或所述車身和支承在所述車身上的對象的合計總質(zhì)量的重心與所述 旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)中心位置相比位于上方的狀態(tài)的情況下按照所述速度目標(biāo)值 而行駛。
根據(jù)該構(gòu)成，本發(fā)明的第一方式的移動體除了速度目標(biāo)值以外還將對 時間是連續(xù)的傾斜角目標(biāo)值作為控制目標(biāo)，因此能夠抑制傾斜角速度的不 連續(xù)的變化、即傾斜角速度在短時間內(nèi)發(fā)生急劇的變化。由此，本發(fā)明的
第一方式的移動體盡管是根據(jù)速度目標(biāo)值而被控制的倒立擺型移動體，但 是可以使行駛時產(chǎn)生的車身的傾斜角的變化平穩(wěn)。
在上述本發(fā)明的第一方式的移動體中，所述傾斜角速度目標(biāo)值可以是 通過使所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分乘以預(yù)先確定的增益而計算出來 的。
上述本發(fā)明的第一方式的移動體也可以如下構(gòu)成還包括操作量生成 部，該操作量生成部接受操作者的操作輸入，輸出與操作者的操作量相對 應(yīng)的操作量信號，所述目標(biāo)值生成部根據(jù)所述操作量信號而生成所述速度 目標(biāo)值和所述傾斜角速度目標(biāo)值。另外，所述目標(biāo)值生成部也可以將修正 信號作為所述速度目標(biāo)值，所述修正信號是通過將所述操作量信號修正成 對時間的二階微分是連續(xù)的而得到的。
在上述本發(fā)明的第一方式的移動體中，所述目標(biāo)值生成部也可以生成 所述操作量信號對時間的二階微分并使該二階微分對時間是連續(xù)的，并且 通過使生成的二階微分與預(yù)先確定的增益相乘而輸出所述傾斜角速度目標(biāo) 值。由此，可以容易地得到對時間是連續(xù)的傾斜角速度目標(biāo)值。另外，所 述目標(biāo)值生成部也可以通過對所述二階微分進(jìn)行二階積分而輸出所述速度 目標(biāo)值。由此，可以容易地得到對時間的二階微分是連續(xù)的速度目標(biāo)值。
在上述本發(fā)明的第一方式的移動體中，優(yōu)選的是所述目標(biāo)值生成部 在輸出根據(jù)同一信號生成的所述速度目標(biāo)值和所述傾斜角速度目標(biāo)值時， 使所述速度目標(biāo)值滯后于所述傾斜角速度目標(biāo)值而輸出給所述控制部。根 據(jù)該構(gòu)成，可以在使移動體產(chǎn)生平動方向的加速度和速度時更有效地產(chǎn)生 需要的車身的傾斜角度。
在上述本發(fā)明的第一方式的移動體中，優(yōu)選的是所述目標(biāo)值生成部 生成對時間的三階微分是連續(xù)的所述速度目標(biāo)值，并生成可對時間進(jìn)行一 階微分的所述傾斜角速度目標(biāo)值。根據(jù)該構(gòu)成，能夠確保作為傾斜角速度 的時間微分的傾斜角加速度的連續(xù)性，因此可以使車身在傾斜時平穩(wěn)地加 減速度。即，可以使車身的傾斜動作更加平穩(wěn)。
本發(fā)明的第二方式的移動體的控制方法是包括截面為圓形的至少一個 旋轉(zhuǎn)體和由所述旋轉(zhuǎn)體支承的車身的倒立擺型移動體的控制方法。具體地
說，執(zhí)行以下控制環(huán)首先生成對所述移動體的速度目標(biāo)值和對所述車身 的傾斜角速度目標(biāo)值，使所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分是連續(xù)的，使
所述傾斜角速度目標(biāo)值對時間是連續(xù)的；然后，將所述速度目標(biāo)值和所述
傾斜角速度目標(biāo)值作為控制目標(biāo)而計算出對所述驅(qū)動部的控制指令值，使 所述移動體能夠在維持所述車身的重心或所述車身和支承在所述車身上的 對象的合計總質(zhì)量的重心與所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)中心位置相比位于上方的狀 態(tài)的情況下按照所述速度目標(biāo)值而行駛。
根據(jù)上述本發(fā)明的第二方式的移動體的控制方法，除了速度目標(biāo)值以 外，還將對時間是連續(xù)的傾斜角目標(biāo)值作為控制目標(biāo)來控制移動體的行 駛，因此能夠抑制傾斜角速度的不連續(xù)的變化、即傾斜角速度在短時間內(nèi) 發(fā)生急劇的變化。由此，盡管是根據(jù)速度目標(biāo)值而被控制的倒立擺型移動 體，但是可以使行駛時產(chǎn)生的車身的傾斜角的變化平穩(wěn)。
根據(jù)本發(fā)明，在將速度目標(biāo)值作為輸入變量并根據(jù)該速度目標(biāo)值來執(zhí) 行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的倒立擺型移動體中，可以使行駛時所產(chǎn)生 的車身的傾斜角的變化平穩(wěn)。


圖1A是本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的外觀圖1B是本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的外觀圖2是本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的控制系統(tǒng)的整體圖3是表示本發(fā)明的實施方式的振動擺型移動體所具有的目標(biāo)值生成
部的構(gòu)成示例的圖4是表示由本發(fā)明的實施方式的振動擺型移動體所具有的計算機執(zhí)
行的處理的流程圖5是本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的模型圖6是表示本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的平動速度的圖7是表示本發(fā)明的實施方式的倒立擺型移動體的平動加速度的圖。
標(biāo)號說明
1移動體
10a、 b車輪
11車身
12座椅
13操縱桿
14計算機
15a、 b馬達(dá)
16a、 b馬達(dá)驅(qū)動器
17a、 b譯碼器
18速率陀螺
19電池
20罩
100目標(biāo)值生成部
101加加速度(jerk)值生成部
102 二階積分器
103乘法器
104控制量計算部
105、 106加法器
107穩(wěn)定化及行駛控制器
301車軸
302連線
201加法器
203、 204積分器
201、 205、 206乘法器
具體實施例方式
以下，參照附圖來詳細(xì)地說明應(yīng)用了本發(fā)明的具體實施方式
。在各圖 中對于同一要素標(biāo)注相同的標(biāo)號，并且為了明確地進(jìn)行說明而根據(jù)需要省 略了重復(fù)的說明。
發(fā)明的實施方式l
本實施方式的倒立擺型移動體1是可以按照搭乘者的操作而行駛的車
輛。圖1A和圖1B表示了本實施方式的倒立擺型移動體1 (以下簡稱為移 動體1)的外觀。圖1A是移動體1的側(cè)視圖，圖1B是移動體1的正視圖。
如圖1A和圖1B所示，在移動體1的下部設(shè)置有左右車輪10a和b。 車輪10a和b配置在同一旋轉(zhuǎn)軸上，車身ll可以在與該旋轉(zhuǎn)軸正交的移動 體1的前后方向上傾斜。車身11具有座椅12、操縱桿13、計算機14、馬 達(dá)15、馬達(dá)驅(qū)動器16、譯碼器17、速率陀螺18、電池19、以及罩20。
操縱桿13接受坐在座椅12上的搭乘者的操作輸入，輸出與搭乘者對 操縱桿13的操作量相對應(yīng)的操作量信號。在本實施方式中，操作量信號 與移動體1的速度目標(biāo)值成比例，并且搭乘者意圖達(dá)到的移動體1的平動 速度由搭乘者經(jīng)由操縱桿13輸入。
計算機14執(zhí)行控制，使移動體1可以在維持車身11的倒立的情況下 按照速度目標(biāo)值vref來行駛。具體地說，計算機14計算出與操縱桿13的 操作量的大小相對應(yīng)的移動體1的速度目標(biāo)值Vref和從牟身11的鉛垂方 向偏離的傾斜角的變化速度的目標(biāo)值(以下表示為傾斜角速度目標(biāo)值"
ref)，執(zhí)行將速度目標(biāo)值vref和傾斜角速度目標(biāo)值"ref作為輸入變量并 將移動體1的平動速度Vw和車身11的傾斜角速度"n作為控制量的倒立
穩(wěn)定化控制和行駛控制。后面將詳細(xì)地說明這些控制。
馬達(dá)15a和b分別與車輪10a和b連結(jié)。馬達(dá)驅(qū)動器16a和b按照計 算機14輸出的轉(zhuǎn)矩指令值t coM而分別驅(qū)動馬達(dá)15a和b。通過由馬達(dá)15a 和b驅(qū)動車輪10a和b，使移動體1可以在前后方向上行駛。
譯碼器17a和b是用于分別計測馬達(dá)15a和b的旋轉(zhuǎn)角9的傳感器。 通過使用譯碼器17a和b的輸出來計算車輪10a和b的每單位時間的旋轉(zhuǎn) 角而得到車輪10a和b的旋轉(zhuǎn)角速度。另外，通過計算車輪10a和b的旋 轉(zhuǎn)角速度與車輪10a和b的半徑的長度的積而得到移動體1的平動速度 VN。艮卩，譯碼器17a和b是用于得到移動體1的當(dāng)前的平動速度Vn的侍 感器。另一方面，速率陀螺18是用于檢測移動體1的當(dāng)前的傾斜角速度
"n的傾斜角速度傳感器。
接著，以下對本實施方式的移動體1的控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。圖2表示 了移動體1的控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成。在圖2中，目標(biāo)值生成部100輸入操 縱桿13輸出的操作量信號，并計算出移動體1的速度目標(biāo)值Vref和牢身
ll的傾斜角速度目標(biāo)值"ref。
加加速度值生成部101輸入從操縱桿13輸出的操作量信號，并根據(jù) 該信號計算出對移動體1的連續(xù)的加加速度目標(biāo)值Jref。在這里，加加速
度目標(biāo)值jref是移動體1的平動方向的加速度的時間微分。即，即使在從
操縱桿13輸出的操作量信號對時間的二階微分不連續(xù)的情況下，也通過 加加速度值生成部101來生成連續(xù)的加加速度目標(biāo)值Jref。具體地說，可 以通過將操作量信號輸入三次滯后過濾器來生成加加速度目標(biāo)值Jref。由 于該構(gòu)成會使滯后時間變大，因此也可以使用非線性的函數(shù)。
二階積分器102通過使連續(xù)的加加速度目標(biāo)值jref對時間進(jìn)行二階積 分而生成速度目標(biāo)值VreF，該速度目標(biāo)值vref對時間的二階微分是連續(xù)的。
乘法器103通過使加加速度目標(biāo)值Jref乘以増益Wl而生成車身11的 傾斜角速度目標(biāo)值"ref。應(yīng)當(dāng)賦予加加速度目標(biāo)值Jref的増益Wl在理論
上為1/g。 g為重力加速度。
這里，對在本說明書中使用的"連續(xù)"和"可微分"的用語的定義進(jìn)
行補充說明。在數(shù)學(xué)上，函數(shù)f (x)在某點a連續(xù)是指點a處的函數(shù)f (x)的極限值為f (a)。另一方面，當(dāng)點a處的f (x)的左側(cè)極限值和 右側(cè)極限值不同時，稱為函數(shù)f (x)在點a不連續(xù)。另外，函數(shù)f (x)在 某點a可微分是指在點a附近左側(cè)微分系數(shù)和右側(cè)微分系數(shù)均存在并且它 們相等的情況。
這里，作為目標(biāo)值生成部100或后述的穩(wěn)定化及行駛控制器107的處
理對象的加加速度目標(biāo)值JrEF、速度目標(biāo)值VREF、以及傾斜角速度目標(biāo)值 o)ref是時間的函數(shù)，但它們是僅對離散的采樣點具有有意義的函數(shù)值的數(shù)
字信號。因此，對于加加速度目標(biāo)值JreF、速度目標(biāo)值vref、以及傾斜角 速度目標(biāo)值co 來說，無法應(yīng)用數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密的連續(xù)性和可微分的概念。
因此，在本說明書中，當(dāng)時間的函數(shù)f (t)作為數(shù)字信號而給出時，如果
某采樣點a的函數(shù)值與和該采樣點相鄰的采樣點的函數(shù)值的差分收斂在預(yù) 先確定的閾值范圍之內(nèi)，則f (t)被定義為在采樣點a連續(xù)。
另外，在本說明書中，當(dāng)時間的函數(shù)f (t)作為數(shù)字信號而給出時， 如果在某采樣點a附近通過差分近似而計算出的左側(cè)微分系數(shù)與右側(cè)微分 系數(shù)之間的差分收斂在預(yù)先確定的閾值范圍之內(nèi)，則f (t)被定義為在采 樣點a "可微分"。
圖3表示了目標(biāo)值生成部100的具體構(gòu)成的一個示例。在圖3中，乘 法器20K 205以及206賦予輸入信號與采樣率相應(yīng)的增益。加法器202根 據(jù)乘法器201、 205以及206的輸出信號計算出加加速度目標(biāo)值jref。積分 器203和204分別進(jìn)行一階積分。
返回到圖2，控制量計算部104輸入由譯碼器17a和b計測的馬達(dá)15a 和b的旋轉(zhuǎn)角e ，計算出作為圖2所示的控制系統(tǒng)的控制量的移動體1的 平動速度VN。并且，控制量計算部104對由速率陀螺18計測的車身11的 傾斜角速度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，生成作為數(shù)字量的傾斜角速度"N。
加法器105計算出速度目標(biāo)值Vref與當(dāng)前的平幼速度Vw的偏差A(yù)
V。加法器106計算出傾斜角速度目標(biāo)值"ref與當(dāng)前的傾斜角速度"n的
偏差△ o 。
穩(wěn)定化及行駛控制器107輸入控制偏差A(yù)V和A"，并計算出使控制 偏差A(yù) V和A co均接近零的馬達(dá)驅(qū)動器16a和b的轉(zhuǎn)矩指令值t com。
表示控制系統(tǒng)的構(gòu)成的圖2為了簡化說明而僅記載了移動體1的前后 方向上的倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制所需的要素。即，除了圖2所示的要 素以外，當(dāng)然還可以根據(jù)需要對移動體1追加用于控制移動體的位置、姿 勢等的控制器或傳感器。
可以使用計算機14來實現(xiàn)上述控制量計算部104和穩(wěn)定化及行駛控 制器107的處理。具體地說，按照以固定的時間間隔發(fā)生的定時中斷來執(zhí) 行用于使計算機14進(jìn)行圖4所示的處理的程序即可。
在圖4的流程圖中的步驟Sll中，輸入由譯碼器17a和b計測的譯碼 器值(具體地說即車輪10a和b的旋轉(zhuǎn)角9 )、速率陀螺18的輸出信號。 在步驟S12中，根據(jù)譯碼器值和速率陀螺18的輸出而計算出當(dāng)前的平動
速度Vw和傾斜角速度"w。在步驟S13中，計算出使從目標(biāo)值生成部100 輸出的速度目標(biāo)值Vref與當(dāng)前的平幼速度Vw之間的控制偏差A(yù)V、以及
傾斜角速度目標(biāo)值"與當(dāng)前的傾斜角速度CO N之間的控制偏差A(yù) 6)均接
近零的轉(zhuǎn)矩指令值
接著，以下為了便于理解上述目標(biāo)值生成部100的構(gòu)成，使用圖5對
平動方向的加加速度目標(biāo)值jref和傾斜角速度目標(biāo)值o reF的關(guān)系進(jìn)行補充說明。
圖5是與移動體1相對應(yīng)的倒立擺型移動體的模型。在圖5中，X是 移動體1的平動方向的位移。m是車輪10a和b的質(zhì)量。r是車輪10a和b 的半徑。e是車輪10a和b的旋轉(zhuǎn)角。G是包括車身11、搭乘者、以及其 他裝載物在內(nèi)的總質(zhì)量M的重心。ri是重心G從鉛垂方向偏離的傾斜 角。車軸301是車輪10a和b的車軸。另外，連線302是連結(jié)車軸301和 重心G的連線。
在圖5的模型中，通過以下的數(shù)學(xué)式1和數(shù)學(xué)式2來表示移動體1平 動加速時的重心G的平動方向的速度Vcx和作為其時間微分的加速度 Acx。以下的數(shù)學(xué)式中的變量上的點意味著時間微分。數(shù)學(xué)式l
數(shù)學(xué)式2
4 =》GX =f+々cos 7-
另外，由于重心G的平動加速度Acx與重力加速度g的正切為傾斜角 ri ，因此可以通過數(shù)學(xué)式3來表示傾斜角ri 。數(shù)學(xué)式3
〃 =arctan("^)
如果通過數(shù)學(xué)式3的時間微分來計算傾斜角速度"(dil/dt)，則計 算會變得非常復(fù)雜。因此，當(dāng)假定H足夠地小、傾斜角速度"與重心G的 平動速度Vcx相比足夠地小、作為傾斜角速度co的時間微分的傾斜角加速 度與重心G的平動加速度A(jx相比足夠地小時，可以通過數(shù)學(xué)式4和數(shù)學(xué) 式5來近似地表示傾斜角il和傾斜角速度"。
數(shù)學(xué)式4
數(shù)學(xué)式5
艮P，傾斜角速度co成為重心G的平動方向的加加速度Jcjx除以重力加 速度g而得到的值。因此，在圖2所示的目標(biāo)值生成部100中，通過使加 加速度目標(biāo)值JreF與預(yù)先確定的增益相乘而生成傾斜角速度目標(biāo)值"ref。
如上所述，本實施方式的移動體1將操縱桿13作為基于搭乘者的操 作量生成部，并根據(jù)操縱桿13的操作量來生成對時間的二階積分是連續(xù)
的速度目標(biāo)值vref和對時間是連續(xù)的傾斜角速度目標(biāo)值"ref。即，在移
動體1中，不直接將與由搭乘者輸入的操縱桿13的操作量成比例的速度 信號(以下稱為指示速度)作為速度目標(biāo)值Vref，而是將修正成對時間的
二階微分是連續(xù)的速度信號作為速度目標(biāo)值VreF。并且，執(zhí)行將這樣生成 的速度目標(biāo)值Vref和傾斜角速度目標(biāo)值0) ref作為控制目標(biāo)的反饋控制。
將速度目標(biāo)值作為輸入變量而執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的以往 的倒立擺型移動體存在無法確保由搭乘者等輸入的速度目標(biāo)值的二階可微 分性的問題。更詳細(xì)地說，例如如果是在使操縱桿等控制桿的操作量與速 度目標(biāo)值相對應(yīng)的情況下，由于搭乘者對操縱桿的操作在時間上是連續(xù) 的，因此可以認(rèn)為速度目標(biāo)值對時間的連續(xù)性和一階可微分性得到了保 證。但是，速度指令值的二階可微分性和二階微分的連續(xù)性未得到保證。 因此，有時會出現(xiàn)與速度目標(biāo)值的二階微分成比例的車身的傾斜角速度不 連續(xù)地變化的情況。傾斜角速度的不連續(xù)的、換言之就時間而言的急劇的 變化是導(dǎo)致車身的不平穩(wěn)的運動的原因。
與此相對，移動體1可以通過除了速度目標(biāo)值vref以外還將對時間連 續(xù)的傾斜角目標(biāo)值"reF作為控制目標(biāo)來抑制傾斜角速度的不連續(xù)的變化、 即傾斜角速度在短時間內(nèi)發(fā)生急劇的變化。由此，盡管移動體1是搭乘者
對操縱桿13的操作量與速度目標(biāo)值相對應(yīng)的倒立擺型移動體，但是可以
使行駛時產(chǎn)生的車身11的傾斜角平穩(wěn)地變化。
圖6表示了與由搭乘者輸入的操縱桿13的操作量成比例的速度信號 (指示速度)與移動體1的平動速度Vw的關(guān)系。圖6的虛線Ll表示指示 速度，實線L2表示移動體1的平動速度VN。另外，虛線L3表示當(dāng)將虛 線Ll表示的指示速度直接作為速度目標(biāo)值時產(chǎn)生的移動體的速度。艮P， 虛線L3表示執(zhí)行以往的速度控制的倒立擺型移動體的動作。
根據(jù)圖6可知，虛線L3表示的以往的移動體的速度變化特別是在由 圓A至C包圍的區(qū)間內(nèi)表示出了對指示速度Ll的"過度舉動"。與此相 對，在由實線L2表示的移動體1的速度變化中，在由虛線L3表示的以往 的移動體的速度變化中觀察到的"過度舉動"被抑制了。
移動體1為了按照搭乘者的指示前進(jìn)，在產(chǎn)生了正的傾斜角n之后， 需要產(chǎn)生向移動體1的前進(jìn)方向的加速度。因此，如圖6的圓A所示，當(dāng) 從停止?fàn)顟B(tài)開始前進(jìn)時，暫時通過產(chǎn)生負(fù)的加速度和負(fù)的速度使移動體1 后退而產(chǎn)生正的傾斜角n，然后通過正的加速度使移動體1前進(jìn)。為了有 效地進(jìn)行這樣的控制，優(yōu)選在根據(jù)通過操縱桿13的操作而輸入的指示速
度而生成的速度目標(biāo)值vref和傾斜角目標(biāo)值"ref中，先將傾斜角目標(biāo)值 "ref輸入穩(wěn)定化及行駛控制器107，然后設(shè)置滯后時間而將速度目標(biāo)值 vref輸入穩(wěn)定化及行駛控制器107。因此，在圖2和圖3所示的目標(biāo)值生 成部100中，通過使二階積分器102的滯后量比乘法器103的滯后量大， 可以在速度目標(biāo)值VreF與傾斜角目標(biāo)值"reF之間產(chǎn)生輸出時間差。
圖7表示了將圖6的虛線Ll所表示的指示速度賦予了移動體1時產(chǎn) 生的車身11的傾斜角度riw的舉動。圖7的實線L4表示車身11的傾斜角 度r^的時間變化。另一方面，虛線L5表示將同樣的指示速度賦予了執(zhí)行 以往的速度控制的倒立擺型移動體時的傾斜角度的時間變化。根據(jù)圖7可 知，實線L4所表示的移動體1的傾斜角的變化與虛線L5所表示的以往的 移動體1的傾斜角的變化相比，傾斜角的變動幅度得到了抑制。S卩，可知 在本實施方式的移動體1中，車身11的傾斜角變化是平穩(wěn)地進(jìn)行的。
發(fā)明的實施方式2
上述發(fā)明的實施方式1的移動體1通過執(zhí)行將對時間是連續(xù)的傾斜角 速度目標(biāo)值"reF作為輸入值的反饋控制，抑制了隨著傾斜角速度不連續(xù)地變化而產(chǎn)生的車身11的突發(fā)性的運動，實現(xiàn)了車身11的平穩(wěn)的傾斜動 作。
為了使車身11的傾斜角的變化更加平穩(wěn)，除了傾斜角速度目標(biāo)值" ref是連續(xù)的以外，優(yōu)選作為傾斜角速度目標(biāo)值的時間微分的傾斜角加速度 的目標(biāo)值對時間是連續(xù)的，即傾斜角速度目標(biāo)值"ref是可對時間微分的。
為了保證傾斜角加速度的目標(biāo)值對時間是連續(xù)的，生成可對時間進(jìn)行 三階微分的速度目標(biāo)值Vref即可。具體地說，使加加速度值生成部101生 成平滑地連續(xù)的加加速度目標(biāo)值Jref即可。另外，也可以代替加加速度值 生成部101而如下來構(gòu)成目標(biāo)值生成部100:根據(jù)操縱桿13的操作信號，
生成對時間連續(xù)的加加速度的時間微分，通過對其進(jìn)行三階積分而計算出
速度目標(biāo)值VreF，并通過對其進(jìn)行一階積分并乘以增益Wl而計算出傾斜 角速度目標(biāo)值
根據(jù)本實施方式所述的構(gòu)成，由于可以進(jìn)一步保證傾斜角加速度的連 續(xù)性，因此可以使車身11平穩(wěn)地進(jìn)行傾斜時的加減速度。即，可以使車 身11的傾斜動作更加平穩(wěn)。
其他實施方式
在發(fā)明的實施方式1和2中，根據(jù)搭乘者對操縱桿13的操作量來決定
移動體1的平動速度目標(biāo)值vref。但是，用于決定平動速度目標(biāo)值vref的
操作量生成部不限于上述操縱桿13。例如，在為自動行駛或無人駕駛的移
動體的情況下，也可以讀出預(yù)先存儲在存儲器等中的速度目標(biāo)值并輸入加
加速度生成部101。另外，也可以利用通信手段從遙遠(yuǎn)的地方向移動體1
輸入速度目標(biāo)值。
在發(fā)明的實施方式1和2中，說明了將本發(fā)明應(yīng)用于人類可以搭乘的 倒立擺型移動體的具體例子，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于其他的移動體。例 如，也可以應(yīng)用于作為仿人機器人的移動機構(gòu)而組裝到機器人的下半身的 移動體、即仿人機器人的上半身被搭乘在車身上的移動體，或搭載了貨物
等裝載物而移動的移動體等。
在發(fā)明的實施方式1和2中，為了計算出移動體1的平動速度Vn而 使用了譯碼器17a和b，但是也可以使用其他的速度傳感器。另外，計測
傾斜角速度"N的傳感器不限于速率陀螺18。例如，可以使用重力加速度 傳感器或錘吊型加速度傳感器等。
在本發(fā)明的實施方式1和2中，移動體1具有兩個車輪10a和b，但 是本發(fā)明的應(yīng)用不限于該構(gòu)成的移動體。例如，也可以代替車輪而使用如 專利文獻(xiàn)1所公開的球形的旋轉(zhuǎn)體，或者也可以使用圓柱狀的旋轉(zhuǎn)體。
在發(fā)明的實施方式1和2中，使速度目標(biāo)值VREF為移動體1的平動速
度，但是也可以將馬達(dá)15a和b的旋轉(zhuǎn)角速度、車輪10a和b的旋轉(zhuǎn)角速 度等與移動體1的平動速度相對應(yīng)的其他速度作為速度目標(biāo)值來進(jìn)行行駛 控制。
本發(fā)明不僅限于上述實施方式，勿庸置疑可以在不脫離上述本發(fā)明的 主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。 產(chǎn)業(yè)實用性
本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于倒立擺型移動體。
權(quán)利要求
1.一種移動體，包括截面為圓形的至少一個旋轉(zhuǎn)體和由所述旋轉(zhuǎn)體支承的車身，所述移動體的特征在于，在所述移動體行駛的狀態(tài)下，所述車身至少可以在該移動體的前后方向上擺動，所述移動體還包括驅(qū)動部，驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)體；目標(biāo)值生成部，生成對所述移動體的速度目標(biāo)值和對所述車身的傾斜角速度目標(biāo)值，使所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分是連續(xù)的，使所述傾斜角速度目標(biāo)值對時間是連續(xù)的；以及控制部，將所述速度目標(biāo)值和所述傾斜角速度目標(biāo)值作為控制目標(biāo)而計算出對所述驅(qū)動部的控制指令值，使所述移動體能夠在維持所述車身的重心或所述車身和支承在所述車身上的對象的合計總質(zhì)量的重心與所述旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)中心位置相比位于上方的狀態(tài)的情況下按照所述速度目標(biāo)值而行駛。
2. 如權(quán)利要求1所述的移動體，其特征在于，所述傾斜角速度目標(biāo)值是通過使所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分乘 以預(yù)先確定的增益而計算出來的。
3. 如權(quán)利要求1所述的移動體，其特征在于，還包括操作量生成部，該操作量生成部接受操作者的操作輸入，輸出 與操作者的操作量相對應(yīng)的操作量信號，所述目標(biāo)值生成部根據(jù)所述操作量信號而生成所述速度目標(biāo)值和所述 傾斜角速度目標(biāo)值。
4. 如權(quán)利要求3所述的移動體，其特征在于，所述目標(biāo)值生成部將修正信號作為所述速度目標(biāo)值，所述修正信號是 通過將所述操作量信號修正成對時間的二階微分是連續(xù)的而得到的。
5. 如權(quán)利要求3所述的移動體，其特征在于， 所述目標(biāo)值生成部包括 二階微分生成部，生成所述操作量信號對時間的二階微分，使該二階微分對時間是連續(xù)的；以及乘法部，使所述二階微分生成部生成的二階微分與預(yù)先確定的增益相 乘而輸出所述傾斜角速度目標(biāo)值。
6. 如權(quán)利要求5所述的移動體，其特征在于，所述目標(biāo)值生成部還包括二階積分部，該二階積分部對所述二階微分 生成部生成的二階微分進(jìn)行二階積分而輸出所述速度目標(biāo)值。
7. 如權(quán)利要求1所述的移動體，其特征在于，所述目標(biāo)值生成部使根據(jù)所述操作量信號生成的速度目標(biāo)值滯后于根 據(jù)所述操作量信號生成的傾斜角速度目標(biāo)值而輸出給所述控制部。
8. 如權(quán)利要求1所述的移動體，其特征在于，所述目標(biāo)值生成部生成對時間的三階微分是連續(xù)的所述速度目標(biāo)值， 并生成可對時間進(jìn)行一階微分的所述傾斜角速度目標(biāo)值。
9. 一種控制方法，是包括截面為圓形的至少一個旋轉(zhuǎn)體和由所述旋轉(zhuǎn) 體支承的車身的倒立擺型移動體的控制方法，所述控制方法的特征在于， 執(zhí)行以下控制環(huán)生成對所述移動體的速度目標(biāo)值和對所述車身的傾斜角速度目標(biāo)值， 使所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分是連續(xù)的，使所述傾斜角速度目標(biāo)值 對時間是連續(xù)的，將所述速度目標(biāo)值和所述傾斜角速度目標(biāo)值作為控制目標(biāo)而計算出對 所述驅(qū)動部的控制指令值，使所述移動體能夠在維持所述車身的重心或所 述車身和支承在所述車身上的對象的合計總質(zhì)量的重心與所述旋轉(zhuǎn)體的旋 轉(zhuǎn)中心位置相比位于上方的狀態(tài)的情況下按照所述速度目標(biāo)值而行駛。
10. 如權(quán)利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述傾斜角速度目標(biāo)值是所述速度目標(biāo)值對時間的二階微分乘以預(yù)先 確定的增益而得到的值。
全文摘要
在將速度目標(biāo)值作為輸入變量并根據(jù)該速度目標(biāo)值來執(zhí)行倒立穩(wěn)定化控制和行駛控制的倒立擺型移動體中，使行駛時產(chǎn)生的車身的傾斜角的變化平穩(wěn)。倒立擺型移動體(1)所具有的目標(biāo)值生成部(100)生成對移動體(1)的速度目標(biāo)值V_REF和對車身(11)的傾斜角速度目標(biāo)值ω_REF，使V_REF對時間的二階微分是連續(xù)的，使ω_REF對時間是連續(xù)的。倒立擺型移動體(1)所具有的控制器(107)將所述V_REF和ω_REF作為控制目標(biāo)而計算出對馬達(dá)驅(qū)動器(16a)和(b)的轉(zhuǎn)矩指令值τ_COM，使得移動體(1)可以在維持車身(11)的重心或車身(11)和支承在所述車身上的對象的合計總質(zhì)量的重心與車輪(10a)和(b)的旋轉(zhuǎn)中心位置相比位于上方的狀態(tài)的情況下按照V_REF而行駛。
文檔編號G05D1/08GK101375226SQ20078000374
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者山田耕嗣 申請人:豐田自動車株式會社