專利名稱：移動臺車的控制方法及移動臺車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車體重心位于車輪旋轉(zhuǎn)軸上方的倒立振子型的移動臺車的控制方法及移動臺車。
背景技術：
作為倒立振子型的移動臺車及其控制方法，公知有例如日本特開2004-295430號公報所記載的技術。
在該日本特開2004-295430號公報中，公開了下述一種移動臺車具有車輪和支撐在該車輪上的車體，其重心處于車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方。在該移動臺車中，進行下述控制在進行倒立振子控制及位置控制的臺車并進方向(與車軸正交方向)上的控制、在僅進行位置控制的臺車旋轉(zhuǎn)方向(車軸旋轉(zhuǎn)方向)上的控制。
該移動臺車，具有控制單元，該控制單元計算出向車輪驅(qū)動單元發(fā)出的控制指令值(向發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩指令值)，以使車體維持倒立，因而該控制單元具有即使相對于干擾也仍然可以使車體穩(wěn)定倒立的魯棒性(robust，穩(wěn)健性)。由此，當臺車設置面傾斜或載荷發(fā)生變動時，也可以穩(wěn)定地使車體維持倒立。
而且，在臺車并進方向的控制中，作為其狀態(tài)量(觀測量)，可以采用車輪角度(車輪相對于車體的旋轉(zhuǎn)角度)；作為該車輪角度的一次微分的車輪角速度、車體傾斜角度(車體相對于鉛垂方向的傾斜)；作為該車體傾斜角度的一次微分的車體傾斜角速度。在這里，由于車體傾斜角度具有不穩(wěn)定性，所以如果不增加反饋控制，則無法穩(wěn)定地倒立。因此，在臺車并進方向的位置控制中，可以確定控制輸入，使得所述狀態(tài)量全部為0。
但是，在日本特開2004-295430號公報所公開的臺車并進方向的控制中，由于為了計算出向發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩指令值，是采用車輪角度和車輪傾斜角度的一輸入(車軸轉(zhuǎn)矩)二輸出(車輪角度、車體傾斜角度)方式，所以這兩個輸出的控制性能存在折衷(trade off，如果要滿足其中一方的條件、則另一方成為不利因素的關系)，施加給臺車的干擾增大時，會導致產(chǎn)生下述缺點。
即，如上所述，由于臺車并進方向的控制是一輸入二輸出方式，所以當由于搭乘者的乘車形態(tài)的重心移動、搭載貨物而產(chǎn)生的重心位置變動、搭乘者的上下車等干擾向車體施加外力時，首先，向使因外力而發(fā)生變動的車體傾斜角度返回到0的方向施加車軸轉(zhuǎn)矩，進行移動。這樣一來，在使車體傾斜角度穩(wěn)定之后，向使移動后的臺車返回到原來位置的方向施加車軸轉(zhuǎn)矩。
當干擾較小時，即使采用這種控制也可以使臺車幾乎不會移動地靜止在其位置上。但是，例如當施加給車體的干擾為固定干擾或者大幅度過渡變化的干擾等較大干擾時，如果該干擾所產(chǎn)生的外力施加到車體上，則無法使車體傾斜角度與車輪角度同時為0，導致以原來位置(施加干擾之前的位置)為中心的振動收斂性惡化。由此，導致車輪位置大幅度移動(車輪角度大幅度變化)。而且，由于相同的原因，對于移動臺車，在搭乘者跳上車體等情況下，車輪位置不可避免地大幅度移動，因而使搭乘性惡化。
即，當在臺車并進方向上將重物裝載到與車體重心位置不同的位置上，或采用設置在臺車上部的懸臂等懸架機構(gòu)使人員搭乘到車體上并抬起重物時，由于車體重心位置發(fā)生變動，所以此時無法停住。
考慮將這種移動臺車作為搭乘人員或搬運貨物的移動體時，因干擾使車輪位置產(chǎn)生較大移動，導致人員的搭乘性和貨物的裝載性的惡化。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種移動臺車的控制方法及移動臺車，即使對車體施加較大外力，也可以將臺車(車輪位置)的移動控制在最小限度，在此時進行穩(wěn)定的位置控制，從而可以提高人員的搭乘性和貨物的裝載性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述控制單元，推定因施加在所述車體上的外力而產(chǎn)生的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的慣性力矩、即外力力矩，根據(jù)所推定的外力力矩，將使所述車體重心的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的重力力矩與所述外力力矩相平衡的所述車體的傾斜角度，設定為目標車體傾斜角度，根據(jù)所述目標車體傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種方法，基于根據(jù)所推定的外力力矩而導出的目標車體傾斜角度，計算出向驅(qū)動單元發(fā)出的控制指令值，從而可以使表面上的車體傾斜角度為0，即使產(chǎn)生外力也可以在此時保持靜止。即，即使向車體施加較大外力，也可以在此時進行穩(wěn)定地位置控制，而不會使臺車(車輪位置)移動，因而可以提高人員的搭乘性和貨物的裝載性。
而且，在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，由干擾觀測器求出所述外力力矩。即，通過采用將干擾推定為狀態(tài)量的干擾觀測器，將因干擾向車體施加外力而產(chǎn)生的外力力矩推定為狀態(tài)量，可以在控制上將參數(shù)變動中所包含的該推定干擾。
若采用這種方法，為了檢測狀態(tài)量，不必另行設置傳感器等，可以利用已有的傳感器等求出外力力矩。
在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述移動臺車，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車體的傾斜角度或傾斜角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種方法，即使由于干擾向車體施加外力，也可以縮短移動臺車達到穩(wěn)定靜止時的移動距離。由此，例如可以提高在移動臺車的二輪狀態(tài)下裝卸重物的裝載性和人員的搭乘性。
而且，在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述控制單元，根據(jù)由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度的絕對值的大小，增減所述目標傾斜角度的增減值。
若采用這種方法，可以防止在車體傾斜角度或車體傾斜角速度絕對值較小的區(qū)域、即車體的平衡位置附近產(chǎn)生輕微振動。
而且，在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述控制單元，將所述車體的傾斜角度或傾斜角速度中的至少一方作為評價指標，逐步學習所述目標傾斜角度的增減值，以減小所述車體傾斜角度的大小、和傾斜角速度的變動。
若采用這種方法，可以更為有效地防止在車體平衡位置附近產(chǎn)生輕微振動。
而且，在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述移動臺車，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪的角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車輪的角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種方法，即使由于干擾向車體施加外力，也可以縮短移動臺車達到穩(wěn)定靜止時的移動距離。由此，例如可以提高在移動臺車的二輪狀態(tài)下裝卸重物的裝載性和人員的搭乘性。
而且，在本發(fā)明所述的移動臺車的控制方法中，所述控制單元，根據(jù)由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪角速度的絕對值大小，增減所述目標傾斜角度的增減值。
若采用這種方法，可以防止在車體傾斜角度或車體傾斜角速度絕對值較小的區(qū)域、即車體的平衡位置附近產(chǎn)生輕微振動。
在本發(fā)明的移動臺車的控制方法中，所述控制單元，將所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度或角速度中的至少一方作為評價指標，逐步學習所述目標傾斜角度的增減值，以減小所述車輪旋轉(zhuǎn)角度的大小、和角速度的變動。
若采用這種方法，可以更為有效地防止在車體平衡位置附近產(chǎn)生輕微振動。
本發(fā)明的移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，所述控制單元，推定因施加在所述車體上的外力而產(chǎn)生的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的慣性力矩、即外力力矩，根據(jù)所推定的外力力矩，將使所述車體重心的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的重力力矩與所述外力力矩相平衡的所述車體的傾斜角度，設定為目標車體傾斜角度，根據(jù)所述目標車體傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種移動臺車，基于根據(jù)所推定的外力力矩而導出的目標車體傾斜角度，計算出向驅(qū)動單元發(fā)出的控制指令值，從而可以使表面上的車體傾斜角度為0，即使產(chǎn)生外力也可以在此時保持靜止。即，即使向車體施加較大外力，也可以在此時進行穩(wěn)定地位置控制，而不會使臺車(車輪位置)移動，因而可以提高人員的搭乘性和貨物的裝載性。
本發(fā)明的移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車體的傾斜角度或傾斜角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種移動臺車，即使由于干擾向車體施加外力，也可以縮短移動臺車達到穩(wěn)定靜止時的移動距離。由此，例如可以提高在移動臺車的二輪狀態(tài)下裝卸重物的裝載性和人員的搭乘性。
本發(fā)明的移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪的角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車輪的角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
若采用這種移動臺車，即使由于干擾向車體施加外力，也可以縮短移動臺車達到穩(wěn)定靜止時的移動距離。由此，例如可以提高在移動臺車的二輪狀態(tài)下裝卸重物的裝載性和人員的搭乘性。


圖1是表示本發(fā)明的移動臺車的簡略結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖2是表示移動臺車的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的控制框圖。
圖3是在并進方向上將移動臺車模型化的圖。
圖4是表示由控制計算機執(zhí)行的處理順序的流程圖。
具體實施例方式
首先，利用圖1對本發(fā)明的移動臺車的一個示例的簡略結(jié)構(gòu)進行說明。
本發(fā)明的移動臺車，具有設置在臺車主體(下稱車體)1的下部的左右車輪2、3，其中該臺車主體的框架組成大致形成立方體狀。兩個車輪2、3，左右對稱地配置在同一旋轉(zhuǎn)軸上，車體1可以在與該旋轉(zhuǎn)軸線正交的方向上傾動(傾斜移動)。
在右車輪2上連接有作為驅(qū)動單元的電動機4，同樣地，在左車輪3上連接有作為驅(qū)動單元的電動機5。在各個電動機4、5上，安裝用于檢測各個電動機的旋轉(zhuǎn)角度的編碼器4a、5a(參照圖2)。
在與兩車輪2、3的旋轉(zhuǎn)軸線正交的方向(車體1的傾動方向)上配置有單軸陀螺傳感器(single-shaft gyro sensor)。從而，利用該陀螺傳感器7檢測車體1的傾斜角速度(以下稱作“車體傾斜角速度”)。另外，作為用于測定車體傾斜角速度的傳感器，不限于陀螺傳感器，例如還可以采用重力加速度傳感器或重量懸吊型傾斜角度計等可以用于測量傾斜角或傾斜角速度的各種測量儀器。
在車體1的內(nèi)部(收容部)，裝載用于驅(qū)動兩個電動機4、5的電動機驅(qū)動器6、電池8以及作為控制單元的控制計算機10。
控制計算機10，根據(jù)陀螺傳感器7的輸出和電動機4、5的編碼器輸出，計算出電動機4、5的控制指令值即轉(zhuǎn)矩指令值。將控制計算機10所計算出的轉(zhuǎn)矩指令值輸出給電動機驅(qū)動器6，電動機驅(qū)動器6根據(jù)該轉(zhuǎn)矩指令值來控制電動機4、5。
而且，在車體1的上部1a放置機器人的主體(省略圖示)。
接著，利用圖2對上述結(jié)構(gòu)的移動臺車的控制系統(tǒng)進行說明。
如圖2所示，移動臺車的控制是由作為控制單元的控制計算機10執(zhí)行的?？刂朴嬎銠C10，由CPU、ROM、RAM等構(gòu)成，通過執(zhí)行存儲在ROM中的控制程序，而作為用于計算關于臺車并進方向(與車輪2、3的旋轉(zhuǎn)軸線正交的方向)的控制指令值的臺車并進方向控制指令值計算單元11(以下簡稱為“控制指令值計算單元11”)和用于設定后述的目標車體傾斜角度的目標值設定單元12發(fā)揮功能。另外，控制計算機10，通過執(zhí)行所述控制程序，而作為用于計算關于臺車旋轉(zhuǎn)方向(車輪2、3的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向)的控制指令值的臺車旋轉(zhuǎn)方向控制指令值計算單元發(fā)揮功能。
即，如圖1所示，在具有配置在同一旋轉(zhuǎn)軸線上的兩個車輪2、3的移動臺車中，進行臺車并進方向的控制和臺車旋轉(zhuǎn)方向的控制，通過獨立地驅(qū)動各個車輪2、3使臺車旋轉(zhuǎn)(回轉(zhuǎn))。另外，本發(fā)明的移動臺車不限于此，只要具有一個或配置在同一旋轉(zhuǎn)軸線上的兩個以上車輪即可。即，本發(fā)明的移動臺車只要可以進行臺車并進方向的控制即可。
在控制計算機10上連接陀螺傳感器7，將該陀螺傳感器7的輸出(車體傾斜角速度)輸入給控制計算機10。即，陀螺傳感器7是第一檢測單元的一個示例。
而且，在控制計算機10上連接作為電動機驅(qū)動器6的一部分的電動機驅(qū)動電路6a及電動機驅(qū)動電路6b。電動機驅(qū)動電路6a，與電動機4相連，根據(jù)來自控制計算機10的轉(zhuǎn)矩指令值驅(qū)動電動機4。同樣地，電動機驅(qū)動電路6b，與電動機5相連，根據(jù)來自控制計算機10的轉(zhuǎn)矩指令值驅(qū)動電動機5。各個電動機4、5的編碼器4a、5a，連接到控制計算機10上，將來自各個編碼器4a、5a的輸出(各個電動機4、5的旋轉(zhuǎn)角度)輸入給控制計算機10。即，編碼器4a、5a是第二檢測單元的一個示例。
接著，對控制指令值計算單元11進行說明?？刂浦噶钪涤嬎銌卧?1計算出向電動機4、5發(fā)出的用于控制臺車并進方向的轉(zhuǎn)矩指令值。
說明控制指令值計算單元11的設計順序的一個示例。
首先，如圖3(a)所示，從正橫向觀察移動臺車，作為單輪的倒立振子而將其模型化，設車體1的重心(以下稱為“車體重心”)為1C，設車輪的旋轉(zhuǎn)軸為S。而且，在圖3(b)中，表示電動機4(或5)與車輪2(或3)的連接狀態(tài)。
在圖3中，設m1為車體1的質(zhì)量，J1為車體1的圍繞重心旋轉(zhuǎn)的慣性力矩，mw為車輪的質(zhì)量，Jw為車輪的圍繞車軸旋轉(zhuǎn)的慣性力矩、Jm為電動機轉(zhuǎn)子的慣性力矩，n為齒輪比，車體重心1C距旋轉(zhuǎn)軸(車軸)S的距離為1，車輪半徑為r。
可以通過計算或?qū)崪y來求出上述各個參數(shù)m1、J1、mw、JW、Jm、n、l、r。而且，設車體1相對于鉛垂方向(通過旋轉(zhuǎn)軸S的鉛垂線x)的傾斜(以下稱為“車體傾斜角度”)為η，設車輪相對于鉛垂方向的旋轉(zhuǎn)角度(以下稱為“車輪角度”)為θ，重力加速度為g。
然后，對于圖3(a)所示的單輪的倒立振子生成運動方程式。即，生成用于向該控制模型輸入轉(zhuǎn)矩指令值u的運動方程式，其運動方程式如下。
(m1l2+J1+n2Jm)η··+(m1rlcosη-n2Jm)θ··-m1glsinη+fr(η·-θ·)=-nu···(1)]]>(m1rlcosη-n2Jm)η··+{(m1+mw)r2+Jw+n2Jm}θ··-m1rlη·2sinη+fr(θ·-η·)=nu···(2)]]>而且，當由于搭乘者的移動或裝載貨物等的干擾向車體1施加外力時，由該外力的臺車并進方向上的分力產(chǎn)生圍繞車輪旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的慣性力矩。將該外力所產(chǎn)生的使臺車1圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的慣性力矩(以下稱為“外力力矩f”)變換為具有質(zhì)量mf的質(zhì)點P圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的重力力矩時，該外力力矩f如下式所示。
f＝mfglfsin(ηf) ……(3)在這里，設lf為從旋轉(zhuǎn)軸S到質(zhì)點P的距離，ηf為質(zhì)點P的相對于以旋轉(zhuǎn)軸S為中心的鉛垂線x的角度(以下稱為“質(zhì)點傾斜角度”)。
在本控制中，推定所述外力力矩f，將車體重心1C圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的重力力矩與外力力矩f相平衡的車體傾斜角度η設定為目標車體傾斜角度ηc，根據(jù)該目標車體傾斜角度ηc計算出作為控制指令值的轉(zhuǎn)矩指令值u。
即，由于將車體重心1C圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的重力力矩表示成m1gl1sin(ηc)，所以根據(jù)上述數(shù)學式(3)設定目標車體傾斜角度ηc，以滿足下述公式。
mfglfsin(ηf)＝m1gl1sin(ηc)……(4)如上所述，基于根據(jù)所推定的外力力矩f由上述數(shù)學式(4)所導出的目標車體傾斜角度ηc，計算出轉(zhuǎn)矩指令值u，從而使表面上的車體傾斜角度η變成0(車體重心1C位于x軸上)，即使在產(chǎn)生外力的情況下也可以靜止。即，即使在向車體1施加較大外力的情況下，臺車(車輪位置)也不會移動，可以進行穩(wěn)定的位置控制，從而提高人員的搭乘性和貨物的裝載性。
以下，對外力力矩f的推定方法進行說明。
設上述數(shù)學式(1)和數(shù)學式(2)所示的運動方程式中的η較小并將其線性化，進行矩陣顯示，導出下述公式。
Mη·θ·η··θ··f·=A0ηθη·θ·f+B0u···(5)]]>在這里，數(shù)學式(5)中的M為M=100000100000m1l2+J1+n2Jmm1rl-n2Jm000m1rl-n2Jm(m1+mw)r2+Jw+n2Jm000001···(6),]]>此外，A0為A0=0010000010m1gl0-frfr100fr-fr000000···(7),]]>進而，B0為B0=00-nn0···(8).]]>因此，根據(jù)上述數(shù)學式(5)～(8)導出下述的狀態(tài)方程式。
MX·=A0X+B0u···(9)]]>
其中，狀態(tài)量X如下式所示。
X=ηθη·θ·f···(10)]]>在上述數(shù)學式(9)的兩邊從左乘以M-1，導出下式。
M-1MX·=M-1A0X+M-1B0u···(11)]]>在這里，M-1M＝1，M-1A0＝A，M-1B0＝B，因此得到下述公式。
X·=AX+Bu···(12)]]>在這里，可以通過陀螺傳感器7測量出上述控制系統(tǒng)所觀測的狀態(tài)量(觀測量)X中的車體傾斜角速度dη/dt，通過編碼器4a、5a測量出車輪角度θ。因此，可以通過微分、積分操作，計算出車體傾斜角速度dη/dt的一次積分即車體傾斜角η、和車輪角度θ的一次微分即車輪角速度dθ/dt。
而且，作為上述狀態(tài)量X，還可以采用車體傾斜角度η與車輪角度θ、或車體傾斜角度η與車輪角速度dθ/dt的組合。
如上所述，可以根據(jù)下式構(gòu)成上述數(shù)學式(12)中的未知狀態(tài)量即用于推定外力力矩f的干擾觀測器。
X‾·=AX‾+Bu+L(y-CX‾)]]>X狀態(tài)推定量(位移/速度)…(13)在這里，X表示狀態(tài)量(位移/速度)，C表示阻尼項(ダンパ項)，L表示觀測器增益。而且，y為觀測量，此時，表示車體傾斜角度η、車體傾斜角速度dη/dt、車輪角度θ以及車輪角速度dθ/dt，雖然有時所有的狀態(tài)量都未知，但是此時可以通過近似微分或積分等計算得出。
例如，當由陀螺傳感器7所檢測出的車體傾斜角速度dη/dt、由編碼器4a、5a所測量出的車輪角度θ、車體傾斜角速度dη/dt的一次積分即車體傾斜角度η、以及車輪角度θ的一次微分即車輪角速度dθ/dt這四個狀態(tài)量已知時，上述數(shù)學式(13)中的C如下述矩陣式所示。
C=1000001000001000001000000···(14)]]>因此，根據(jù)數(shù)學式(13)推定外力力矩f，上述數(shù)學式(4)的關系成立。
如上所述，只要將數(shù)學式(4)中的目標車體傾斜角度ηc設定成與由推定未知狀態(tài)量的干擾觀測器所推定的外力力矩f相平衡即可。本來，為了穩(wěn)定圖3(a)所示的倒立振子，將目標車體傾斜角度設定為0，但是在本控制中，為了抵消外力影響即外力力矩f，可以根據(jù)下式設定由數(shù)學式(4)所導出的目標車體傾斜角度ηc。
ηc=sin-1(fm1gl1)···(15)]]>如上所述，由用于推定未知狀態(tài)量的干擾觀測器求出外力力矩f，從而不必另行設置用于檢測狀態(tài)量的傳感器等，利用已有的陀螺傳感器7和編碼器4a、5a即可求出外力力矩f。
接著，利用圖4所示的流程圖說明通過上述結(jié)構(gòu)的控制計算機10進行的處理。
如圖4所示，控制計算機10，首先，作為狀態(tài)量X，讀入由陀螺傳感器7所檢測出的車體傾斜角速度dη/dt、和各個電動機4、5的編碼器4a、5a的值(車輪2、3的車輪角度θ)，利用上述值以及其微分、積分值由數(shù)學式(13)推定外力力矩f(步驟S10)。
接著，根據(jù)數(shù)學式(15)計算出使車體重心1C的重力力矩與由步驟S10所推定的外力力矩f相平衡的車體傾斜角度η(步驟S20)。
在目標值設定單元12中將由步驟S20計算出的車體傾斜角度η設定為目標車體傾斜角度ηc(步驟S30)。
然后，控制指令值計算單元11，根據(jù)由步驟S30所設定的目標車體傾斜角度ηc，計算出對于各個電動機4、5的電動機驅(qū)動電路6a、6b的轉(zhuǎn)矩指令值u(步驟S40)。將這里所計算出的轉(zhuǎn)矩指令值u提供給各個電動機驅(qū)動電路6a、6b，以控制各個電動機4、5。當步驟S40結(jié)束時，返回步驟S10，開始下一個控制時序的處理。即，隨時計算出目標車體傾斜角度ηc以與由施加給車體1的干擾而產(chǎn)生的外力力矩f相平衡的，并進行反饋控制。
另外，以預定時間間隔(例如10ms)進行上述步驟S10～S40的處理。
此外，如上所述，不必直接求出外力力矩f，還可以根據(jù)車體傾斜角度η間接地推定施加給車體1的外力。
當向車體1施加外力時，車體1傾斜，車體傾斜角度η變成0以外的值。即，例如在搭乘者未進行操作時等的車體1的穩(wěn)定靜止狀態(tài)(車體傾斜角度η為0的狀態(tài))下，并且未從控制計算機10發(fā)出對臺車并進方向及臺車旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令值的狀態(tài)、即車體1既未向前后方向也未向旋轉(zhuǎn)方向移動的靜止狀態(tài)下，車體傾斜角度η取0以外的值，意味著向車體1施加了外力。因此，當由于施加給車體1的外力使車體傾斜角度η變成0以外的值時，向抵消該車體傾斜角度η的方向(η變成0的方向)調(diào)整車體傾斜角度η。
即，控制計算機10，在未向電動機驅(qū)動器6發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令值中的用于使車體1移動的指令值(對于臺車并進方向及臺車旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令值)的狀態(tài)(車體1靜止的狀態(tài))下，當根據(jù)陀螺傳感器7的檢測值計算出的車體傾斜角度η變成0以外的值時，增減車體1的目標傾斜角度(目標車體傾斜角度ηc)直至該車體傾斜角度η變成0，并且根據(jù)該目標車體傾斜角度ηc計算出轉(zhuǎn)矩指令值u。
具體而言，當由于干擾向車體1施加外力，使車體傾斜角度η變成0以外的值時，在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη，直至車體傾斜角度變成0。在這里，如圖3(a)所示，設施加給車體1的外力的臺車并進方向上的分力F的方向為正。這時，由于干擾使車體重心1C的位置向前方變動，車體傾斜角度η向正向增加。設這里所產(chǎn)生的車體傾斜角度η為與上述相同的質(zhì)點傾斜角度ηf，在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη，以抵消該干擾的影響。即，當由干擾所產(chǎn)生的車體傾斜角度η為質(zhì)點傾斜角度ηf時，加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη為負值。
于是，通過在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη，直至車體傾斜角度η變成0，當車體傾斜角速度dη/dt變成0時，數(shù)學式(4)成立。即，變成由施加給車體1的外力所產(chǎn)生的外力力矩f與車體重心1C的圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的重力力矩相平衡的狀態(tài)。此外，Δη的加算結(jié)束。
如上所述，根據(jù)車體傾斜角度η間接地推定施加給車體1的外力，通過增減目標車體傾斜角度ηc以抵消該外力，在因干擾而對車體1施加外力時，可以縮短移動臺車達到穩(wěn)定靜止時的移動距離。由此，例如可以提高在移動臺車的二輪狀態(tài)(僅由車輪2、3支撐車體1的狀態(tài))下裝卸重物等的裝載性或人員的搭乘性。
另外，當間接地推定施加給車體1的外力時，可以采用車體傾斜角速度dη/dt代替車體傾斜角度η。此時，控制計算機10，在未向電動機驅(qū)動器6發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令值中的用于使車體1移動的指令值的狀態(tài)下，當由陀螺傳感器7所檢測出的車體傾斜角速度dη/dt變成0以外的值時，增減目標車體傾斜角度ηc直至其車體傾斜角速度dη/dt變成0，并且根據(jù)該目標車體傾斜角度ηc計算出轉(zhuǎn)矩指令值u。
而且，當根據(jù)車體傾斜角度η或車體傾斜角速度dη/dt間接地推定施加給車體1的外力，增減目標車體傾斜角度ηc時，優(yōu)選根據(jù)車體傾斜角度η或車體傾斜角速度dη/dt的絕對值大小增減其增減值Δη。
即，當施加給車體1的外力較大，由此而產(chǎn)生的車體傾斜角度η或車體傾斜角速度dη/dt的絕對值較大時，增大Δη的絕對值。于是，隨著可以抵消干擾影響的目標車體傾斜角度ηc與干擾抵消并且車體傾斜角度η的值減小，減小Δη的絕對值。
如此，根據(jù)車體傾斜角度η或車體傾斜角速度dη/dt的絕對值的大小，增減加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη，由此可以防止在車體傾斜角度η或車體傾斜角速度dη/dt的絕對值較小的區(qū)域、即車體1的平衡位置附近的輕微振動。
由此，即使施加給車體1的外力較大時，也可以使車體1迅速靜止，并且可以通過目標車體傾斜角度ηc的逐漸變動而降低或消除車體1的擺動。
而且，可以逐步學習加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη。即，例如將向車體1施加外力時的車體傾斜角度η的大小和車體傾斜角速度dη/dt的變動作為評價指標，為了減小上述車體傾斜角度η的大小和車體傾斜角速度dη/dt的變動而學習Δη。
例如，為了減小向車體1施加外力時的車體傾斜角度η，增大加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη即可。但是，雖然隨著增大Δη，目標車體傾斜角度ηc立即達到與外力相平衡的狀態(tài)(數(shù)學式(4)成立的狀態(tài))，變成車體重心1C的重力力矩與外力力矩f相平衡的狀態(tài)，但是在達到該平衡的過程中車體1的平衡位置附近的輕微振動增大。
因此，由于在向車體1施加外力之后，隨著在目標車體傾斜角度ηc加上Δη，車體傾斜角速度dη/dt變小，所以隨著該車體傾斜角速度dη/dt的減小而減小Δη。由此，車體傾斜角速度dη/dt的變動變小。
如上所述，逐步將在向車體1施加外力時加在目標車體傾斜角度ηc的Δη和車體傾斜角速度dη/dt對應存儲到控制計算機10的RAM等中。由此，可以逐步學習最終同時減小車體傾斜角度η和車體傾斜角速度dη/dt的Δη，可以更為有效地防止在車體1的平衡位置附近的輕微振動。
而且，還可以根據(jù)車輪角速度dθ/dt間接地推定施加給車體1的外力。另外，對于根據(jù)車體傾斜角度η間接地推定施加給車體1的外力時的重復部分，省略其說明。
當向車體1施加外力時，車體1傾斜，為了使車體1穩(wěn)定，使車輪2、3向抵消車體的傾斜的方向(外力方向)移動，使車輪角速度dθ/dt變成0以外的值。即，例如在搭乘者未進行操作時等的車體1的穩(wěn)定靜止狀態(tài)(車輪角速度dθ/dt為0的狀態(tài))下，并且未從控制計算機10發(fā)出對臺車并進方向及臺車旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令值的狀態(tài)，車輪角速度dθ/dt取0以外的值，意味著向車體1施加了外力。因此，當由于施加給車體1的外力使車輪角速度dθ/dt變成0以外的值時，向抵消該車輪角速度dθ/dt的方向(dθ/dt變成0的方向)調(diào)整車體傾斜角度η。
即，控制計算機10，在未向電動機驅(qū)動器6發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令值中的用于使車體1移動的指令值的狀態(tài)下，當根據(jù)編碼器4a、5a所測量的車輪角度θ計算出的車輪角速度dθ/dt變成0以外的值時，增減目標車體傾斜角度ηc直至該車輪角速度dθ/dt變成0，并且根據(jù)該目標車體傾斜角度ηc計算出轉(zhuǎn)矩指令值u。
具體而言，當由于干擾向車體1施加外力，使車輪角速度dθ/dt變成0以外的值時，在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη，直至車輪角速度dθ/dt變成0。在這里，如圖3(a)所示，設施加給車體1的外力的臺車并進方向上的分力F的方向為正。這時，由于干擾使車體重心1C的位置向前方變動，車體傾斜角度η向正向增加。設這里所產(chǎn)生的車體傾斜角度η為與上述相同的質(zhì)點傾斜角度ηf，在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη，以抵消該干擾的影響。即，當由干擾所產(chǎn)生的車體傾斜角度η為質(zhì)點傾斜角度ηf時，加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη為負值。
并且，通過在目標車體傾斜角度ηc上加上Δη直至車輪角速度dθ/dt變成0，當車體傾斜角速度dη/dt變成0時，數(shù)學式(4)成立。即，變成由施加給車體1的外力所產(chǎn)生的外力力矩f與車體重心1C的圍繞旋轉(zhuǎn)軸S旋轉(zhuǎn)的重力力矩相平衡的狀態(tài)。此外，Δη的加算結(jié)束。
如上所述，根據(jù)車輪角速度dθ/dt間接地推定施加給車體1的外力，通過增減目標車體傾斜角度ηc以抵消該外力，也可以得到與上述相同的效果。
而且，當根據(jù)車輪角速度dθ/dt間接地推定施加給車體1的外力，增減目標車體傾斜角度ηc時，優(yōu)選根據(jù)車輪角速度dθ/dt的絕對值大小增減其增減值Δη。
即，當施加給車體1的外力較大，由此而產(chǎn)生的車輪角速度dθ/dt的絕對值較大時，增大Δη的絕對值。并且，隨著可以抵消干擾影響的目標車體傾斜角度ηc與干擾抵消并且車體傾斜角度η的值減小，減小Δη的絕對值。
如上所述，通過根據(jù)車輪角速度dθ/dt的絕對值大小增減加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη，可以防止在車輪角速度dθ/dt的絕對值較小的區(qū)域、即車體1的平衡位置附近產(chǎn)生輕微振動。
由此，即使施加給車體1的外力較大時，也可以使車體1迅速靜止，并且可以通過目標車體傾斜角度ηc的逐漸變動而降低或消除車體1的擺動。
而且，在這種情況下，同樣地也可以逐步學習加在目標車體傾斜角度ηc上的Δη。即，例如將向車體1施加外力時的車輪角度θ的大小(車輪的移動距離)和車輪角速度dθ/dt的變動作為評價指標，為了減小車輪角度θ的大小和車輪角速度dθ/dt的變動而學習Δη。
例如，為了減小向車體1施加外力時的車輪移動距離，增大加在車體傾斜角度η上的Δη即可。但是，雖然隨著增大Δη，目標車體傾斜角度ηc立即達到與外力相平衡的狀態(tài)(數(shù)學式(4)成立的狀態(tài))，變成車體重心1C的重力力矩與外力力矩f相平衡的狀態(tài)，但是在達到該平衡的過程中車體1的平衡位置附近的輕微振動增大。
因此，由于在向車體1施加外力之后，隨著在目標車體傾斜角度ηc加上Δη，車輪角速度dθ/dt變小，所以隨著該車輪角速度dθ/dt的減小而減小Δη。由此，車輪角速度dθ/dt的變動變小。
如上所述，逐步將向車體1施加外力時加在目標車體傾斜角度ηc的Δη和車輪角速度dθ/dt的對應存儲到控制計算機10的RAM等中。由此，可以逐步學習最終同時減小車輪移動距離和車輪角速度dθ/dt的Δη，可以更為有效地防止在車體1的平衡位置附近的輕微振動。
工業(yè)適用性本發(fā)明的移動臺車的控制方法及移動臺車，即使在向車體施加較大外力時，也可以將臺車(車輪位置)的移動抑制在最小限度，此時可以進行穩(wěn)定的位置控制，從而提高人員的搭乘性和貨物的裝載性，因而在工業(yè)上適用。
權(quán)利要求
1.一種移動臺車的控制方法，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述控制單元，推定因施加在所述車體上的外力而產(chǎn)生的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的慣性力矩、即外力力矩，根據(jù)所推定的外力力矩，將使所述車體重心的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的重力力矩與所述外力力矩相平衡的所述車體的傾斜角度，設定為目標車體傾斜角度，根據(jù)所述目標車體傾斜角度計算出所述控制指令值。
2.如權(quán)利要求1所述的移動臺車的控制方法，其中，由干擾觀測器求出所述外力力矩。
3.一種移動臺車的控制方法，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述移動臺車，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車體的傾斜角度或傾斜角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
4.如權(quán)利要求3所述的移動臺車的控制方法，其中，所述控制單元，根據(jù)由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度的絕對值的大小，增減所述目標傾斜角度的增減值。
5.如權(quán)利要求4所述的移動臺車的控制方法，其中，所述控制單元，將所述車體的傾斜角度或傾斜角速度中的至少一方作為評價指標，逐步學習所述目標傾斜角度的增減值，以減小所述車體傾斜角度的大小、和傾斜角速度的變動。
6.一種移動臺車的控制方法，所述移動臺車包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，并且所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該控制方法的特征在于，所述移動臺車，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪的角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車輪的角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
7.如權(quán)利要求6所述的移動臺車的控制方法，其中，所述控制單元，根據(jù)由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪角速度的絕對值大小，增減所述目標傾斜角度的增減值。
8.如權(quán)利要求7所述的移動臺車的控制方法，其中，所述控制單元，將所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度或角速度中的至少一方作為評價指標，逐步學習所述目標傾斜角度的增減值，以減小所述車輪旋轉(zhuǎn)角度的大小、和角速度的變動。
9.一種移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，所述控制單元，推定因施加在所述車體上的外力而產(chǎn)生的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的慣性力矩、即外力力矩，根據(jù)所推定的外力力矩，將使所述車體重心的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的重力力矩與所述外力力矩相平衡的所述車體的傾斜角度，設定為目標車體傾斜角度，根據(jù)所述目標車體傾斜角度計算出所述控制指令值。
10.一種移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第一檢測單元檢測出的所述車體的傾斜角度或傾斜角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車體的傾斜角度或傾斜角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
11.一種移動臺車，包括由驅(qū)動單元驅(qū)動的車輪、支撐在該車輪上的車體、以及用于向所述驅(qū)動單元發(fā)出控制指令值的控制單元，所述車體的重心位于所述車輪旋轉(zhuǎn)軸的上方，該移動臺車的特征在于，包括第一檢測單元，用于檢測所述車體的傾斜角度和傾斜角速度中的至少一方；和第二檢測單元，用于檢測所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度和角速度中的至少一方，所述控制單元，在未發(fā)出所述控制指令值中的、用于使所述車體移動的指令值的狀態(tài)下，當由所述第二檢測單元檢測出的所述車輪的角速度為0以外的值時，增減所述車體的目標傾斜角度，直至所述車輪的角速度變成0，并且根據(jù)該目標傾斜角度計算出所述控制指令值。
全文摘要
一種移動臺車的控制方法，所述移動臺車包括由作為驅(qū)動單元的電動機(4、5)驅(qū)動的車輪(2、3)、支撐在該車輪(2、3)上的車體(1)以及作為用于向電動機(4、5)發(fā)出控制指令值的控制單元的控制計算機(10)，并且所述車體(1)的重心位于車輪(2、3)的旋轉(zhuǎn)軸上方，其中，控制計算機(10)，推定因施加在車體(1)上的外力而使車輪(2、3)產(chǎn)生的圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的慣性力矩即外力力矩，將車體(1)的重心的圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的重力力矩與外力力矩相平衡的車體(1)的傾斜角度設定為目標車體傾斜角度，根據(jù)該目標車體傾斜角度計算出向電動機(4、5)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩指令值。
文檔編號B60L15/20GK101040233SQ20068000099
公開日2007年9月19日 申請日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者不破稔夫, 中島一誠 申請人:豐田自動車株式會社