CN101573250A - 行驶装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在有斜坡的路面也能够静止的行驶装置及其控制方法。在步骤S2中静止开关(SW)接通(ON)时,在步骤S4读入从开关接通时起的轮胎旋转角度变化值,计算姿势指令补正角度θadj。进而,在步骤S5中更新姿势指令角度,使θREFpitch=θREFpitch0+θadj。此外,在步骤S2中静止开关(SW)断开(OFF)时,在步骤S6中使姿势指令补正角度θadj为0。因而,θREFpitch=θREFpitch0。进而,在步骤S7中进行姿势控制运算,在步骤S8中输出马达转矩指令Tref。
Description
技术领域
本发明涉及适用于例如各自独立地被驱动的两个车轮平行地设置、以使得在两个车轮之间保持前后的稳定的方式被控制而行驶的车辆的行驶装置及其控制方法。详细而言,涉及在斜面等停车时,使装置不会发生意外的运动的行驶装置及其控制方法。
背景技术
在以往的行驶装置中,通过对应于支撑平台的斜度而移动接地组件,维持支撑平台相对于接地组件的平衡(例如参照专利文献1)。
此外,通过根据姿势传感器的输出对同轴配置的左右的驱动轮进行控制驱动,进行用于保持前后方向的平衡的姿势控制和行驶控制(例如参照专利文献2)。
然而,在上述技术中,都无法在倾斜路面静止,要与倾斜角成比例地提高速度而行驶。因此,在斜坡路面,需要通过人的操作来使其静止。此外,在坡道上无人乘车时无法自律(自动)保持姿势也成为问题。
专利文献1日本特表2004-500271号公报
专利文献2日本特开2004-074814号公报
发明内容
例如,作为用于人乘载而以二轮行驶的交通工具,本发明申请人在先提出了如下所述的行驶装置(日本特愿2005-117365号)。首先,使用图7A、B和图8对本发明申请人提出的同轴二轮车的一个实施方式进行说明。
如图7A、B所示,本发明申请人在先提出的同轴二轮车10具有平行地设置的两个车轮11L、11R,这两个车轮11L、11R分别由独立的马达12L、12R驱动。此外,这两个马达12L、12R由控制装置13控制其驱动。而且,由陀螺仪等构成的姿势传感器14连接于该控制装置13,根据来自该姿势传感器14的检测信号计算马达12L、12R的控制所需要的驱动转矩(马达转矩)的值。
另一方面,在车轮11L、11R的附近设置有表示驾驶者乘载的乘载部的一个具体例子的分离台15L、15R。该分离台15L、15R相互由连杆机构(未图示)保持为预定的姿势。此外,在分离台15L、15R的中间设置有向上方延伸的操纵杆16,在其基部设置有成为装置整体的驱动电力源的电池(蓄电池)17和横摇轴(ロ一ル軸,侧倾轴)角度检测器(参照图8)21。此外,在操纵杆16的上部设置有具备电力开关(动力开关)18的握持部19。
如图8所示,驾驶者20将两脚放在分离台15L、15R上并起立,握住操纵杆16的上部的握持部19,操作电力开关18和操纵杆16的横摇轴角度。该操作由横摇轴角度检测器21检测。此外,乘载于分离台15L、15R的驾驶者的重心位置由内置的压力传感器(未图示)检测。这些检测信号和来自图7所示的姿势传感器14的检测信号供给至控制装置13而控制同轴二轮车10的行驶。
此外,图9中以框图表示控制系统的构成。即,在该图9中,包括上述控制装置13和其外围电路的控制系统的构成由框图示出。
在该图9中,来自各种开关30的操作信号向中央控制装置31供给,由中央控制装置31形成左右的旋转角度指令信号θref1、θref2。这些旋转角度指令信号θref1、θref2分别向马达控制装置32L、32R供给。进而,由这些马达控制装置32L、32R形成的马达电流Im1、Im2分别向马达12L、12R供给。然后,这些马达12L、12R的旋转经由减速器33L、33R传递至车轮11L、11R。
另一方面,马达12L、12R的旋转角分别由检测器34L、34R检测。该检测出的旋转角度信号θm1、θm2分别向马达控制装置32L、32R供给并且向中央控制装置31供给,进行旋转角度指令信号θref1、θref2的反馈控制。进而,来自内置于分离台15L、15R的压力传感器35和横摇轴角度检测器(PM)21的检测信号向包括姿势传感器14的电路36供给,横摇轴角度检测信号PM、所形成的台姿势检测信号θ0(由θroll、θpitch、θyaw、ωroll、ωpitch、ωyaw构成)向控制装置13供给。
此外,图10中示意性地表示单轮模型的控制装置的具体构成。另外,实际的二轮车辆中,分离台的传感器共用。此外,在图示的模型中,连结于车轮的马达控制在各车轮中由独立的控制装置来控制。
在图10中,来自内置于台15的压力传感器(未图示)的压力检测信号PS1、2、3、4和来自包括陀螺仪传感器(gyro sensor)、加速度传感器的姿势传感器14的台姿势检测信号θ0向控制装置13内的姿势控制部31供给。而且,对这些检测信号PS1~4和θ0以及乘载者等发出的来自外部的台姿势指令信号θREFpitch、θREFyaw、ωREF pitch、ωREFyaw进行运算,将算出的旋转指令θref向马达控制部32供给。
此外,车轮11和马达12经由减速器33连接,旋转角检测器34设置于马达12。而且,来自旋转角检测器34的马达旋转角度位置信号θm向控制装置13内的马达控制部32供给。由此,根据上述的旋转指令θref形成的对马达12的驱动电流被反馈控制,车轮11的驱动稳定化。这样一来,车轮11被稳定地驱动,并且其驱动由来自压力传感器(未图示)的压力检测信号PS1~4、来自姿势传感器的检测信号θ0等进行控制。
另外,在图11中表示系统的相互的连接关系。在图11中,来自压力传感器35的压力检测信号PS1~4、来自操纵杆16的横摇轴角度器(电位计(ポテンシヨメ一タ,分压计))21的横摇轴角度检测信号PM向姿势传感器电路36供给。该姿势传感器电路36内置有陀螺仪传感器41和加速度传感器42。由此,从姿势传感器电路36取出压力检测信号PS1~4和横摇轴角度检测信号PM以及台姿势检测信号θ0。
这些压力检测信号PS1~4、横摇轴角度检测信号PM以及台姿势检测信号θ0向控制装置13内的中央控制装置43供给。此外,来自电力开关18的操作信号向中央控制装置43供给。由此,由中央控制装置43计算左右的车轮的旋转指令θref1、θref2,向马达控制部32L、32R供给。此外,来自各旋转检测器34L、34R的信号向马达控制部32L、32R供给,进行马达12L、12R的驱动。
此外,来自电池17的电力向电源电路44供给。来自该电源电路44的例如24V马达用电源向马达控制部32L、32R供给,例如5V控制用电源向姿势传感器电路36和中央控制装置43供给。另外,电源电路44中设置有电源开关45,控制对各部的电源的供给。这样一来,进行马达12L、12R的驱动,由这些马达12L、12R驱动车轮11L、11R,进行同轴二轮车10的行驶。
即,本发明的对象是如图7所示的二轮车,其特征在于:是将马达装入独立的各车轮,检测本体姿势而保持平衡的控制构造。该二轮车具有通过控制马达转矩而进行行驶控制的行驶机构和控制装置,在基部内置有陀螺仪传感器和加速度传感器,通过向车轮给与回转转矩,一边将基部俯仰角度、横摆角度(ヨ一角度)保持为由控制装置确定的稳定姿势,一边使得本体进行前进、后退、转弯行驶地,控制车辆。
但是,在如图7所示的具有由于平行连杆构造产生的横摇轴旋转自由度的车辆中,或者在也适合于一轮、三轮以上的交通工具的车辆中,通过按照倒立摆(倒立振子)的原理进行驱动的控制方法,无法在斜坡路面静止。此外,专利文献1、2中记载的技术,也无法在斜坡路面静止,要与倾斜角成比例地提高速度来行驶。因此,在斜坡路面需要通过人的操作使其静止,而且在坡路上没有人乘车时无法自律地保持姿势。
本申请是鉴于这些方面而做出的,所要解决的问题点是在以往的装置中无法在斜坡路面静止。此外,专利文献1、2中记载的技术,也无法在斜坡路面静止,要与倾斜角成比例地提高速度来行驶。因此,在斜坡路面需要通过人的操作使其静止,而且在坡路上没有人乘车时无法自律地保持姿势。
因此,在本发明中,设计出了下述控制,即,伺服马达的控制系统具有由倒立摆进行的控制和马达位置控制这双重的控制系统,并与由制动杆进行的制动相兼顾。由此,能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止。因而,本发明提供在具有斜坡的路面也能够静止的行驶装置及其控制方法。
根据技术方案1、2、3的发明,通过进行下述控制,即,伺服马达的控制系统具有由倒立摆进行的控制和马达位置控制这双重的控制系统,并与由制动杆进行的制动相兼顾的控制,能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止。
此外,根据技术方案1、4的发明,能够良好地进行通常的行驶模式下的控制。另外,根据技术方案1、5的发明,能够良好地进行非乘车时的牵引模式下的控制。
此外,根据技术方案1、6的发明,通过进行控制使得马达转矩τ0和车轮的滚动转矩τ1相平衡,能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止。
此外,根据技术方案7、8、9的发明,通过进行下述控制,即,伺服马达的控制系统具有由倒立摆进行的控制和马达位置控制这双重的控制系统,并与由制动杆进行的制动相兼顾的控制,能够实现不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止的控制方法。
此外,根据技术方案7、10的发明,能够实现良好地进行通常的形式模式下的控制的控制方法。另外,根据技术方案7、11的发明,能够实现良好地进行非乘车时的牵引模式下的控制的控制方法。
根据技术方案7、12的发明,通过进行控制使得马达转矩τ0和车轮的滚动转矩τ1相平衡,能够实现不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止的控制方法。
由此,在以往的装置中,在斜坡路面无法静止。此外,专利文献1、2所记载的技术也无法在斜坡路面静止,要与倾斜角成比例地提高速度而行驶。因此,在斜坡路面需要通过人的操作使其静止,而且在坡路上没有人乘车时无法自律地保持姿势。对此,根据本发明,能够提供容易地消除这些问题点的手段。
附图说明
图1是应用了本发明所涉及的行驶装置及其控制方法的静止姿势控制用的构成的一个实施方式的框图。
图2是用于对其进行说明的图。
图3是用于对其进行说明的图。
图4是用于对其进行说明的图。
图5A是用于对其进行说明的图。
图5B是用于对其进行说明的图。
图6是用于对其动作进行说明的流程图。
图7A是表示本发明适用的行驶装置的一个实施方式的构成图。
图7B是表示本发明适用的行驶装置的一个实施方式的构成图。
图8是用于对其进行说明的图。
图9是用于对其进行说明的图。
图10是用于对其进行说明的图。
图11是用于对其进行说明的图。
符号说明
100姿势控制运算部
101稳定姿势角度指令的值θREFpitch0的设定部
102姿势角速度指令的值ωREFpitch的设定部
103、106加法器
104、107减法器
105、108控制器
109增益Kamp的放大器
110马达常数(Km)
114系统
119运算器
120开关
具体实施方式
即,本发明的行驶装置是是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置,具有:控制单元,其计算驱动车轮的马达转矩、生成马达转矩指令信号;检测单元,其检测通过生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;姿势指令补正值计算单元,其用旋转角度变化值计算姿势指令补正值;乘载者输入姿势指令角度的操作单元;静止模式的选择开关;和判定有无乘载者的判定单元,控制单元,根据姿势指令角度和姿势指令补正值进行马达转矩的计算,当通过选择开关选择了静止模式时,进行将姿势指令补正值与姿势指令角度相加的控制。
此外,本发明的行驶装置的控制方法,是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置的控制方法,根据供给的旋转指令,计算马达转矩,生成马达转矩指令信号;检测通过生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;根据从操作单元输入的姿势指令角度和用旋转角度变化值计算出的姿势指令补正值,进行马达转矩的计算;在选择了静止模式时,进行将姿势指令补正值与姿势指令角度相加的控制。
下面,参照附图对本发明进行说明。图1中用框图表示用于应用了本发明所涉及的行驶装置及其控制方法的静止姿势控制的构成的一个实施方式。
在图1中,姿势控制运算部100中具有例如稳定姿势角度指令的值θREFpitch0的设定部101和姿势角速度指令的值ωREFpitch的设定部102。而且,来自设定部101的值θREFpitch0通过加法器103、减法器104向控制器105供给,乘以系数Kp而向加法器106供给。此外,来自设定部102的值ωREFpitch通过减法器107向控制器108供给,乘以系数Kd而向加法器106供给。由此,从加法器106取出马达转矩指令Tref[Nm]。
进而,马达转矩指令Tref[Nm]向增益Kamp的放大器109供给,变换成马达电流Im[A],供给至马达。该马达由马达常数(Km)110表示。由此,从马达常数110取出马达转矩输出Tm[Nm]。该马达转矩输出Tm[Nm]输入到由乘载者和车辆构成的系统114。
从系统114检测出台姿势θ0,其中俯仰角速度ωpitch供给至减法器107而从值ωREFpitch中减去该值,俯仰角度θpitch供给至减法器104而从值θREFpitch中减去该值。
进而,从系统114检测出轮胎旋转角度θt。
轮胎旋转角度θt被供给至运算器119,乘以增益Ki而形成θadj。该值θadj通过开关120供给至加法器103,与来自设定部101的稳定姿势角度指令的值θREFpitch0相加。
于是,关于用于上述的静止姿势控制的构成,下面说明保持二轮车构造的角动量和地面压力以及ZMP(Zero Moment Point,零力矩点)中的平衡的姿势力学。
在图2所示的表示各力点的图中,如果将各连杆的重心位置坐标设为(xi、zi),则绕第i连杆的定义点Ω(σ、φ)的角动量能够计算为[数1]。
[数1]
此外,由所有连杆的惯性力产生的力矩为
[数2]
接下来,如果考虑由所有连杆的重力产生的力矩,则为
[数3]
于是,通过它们之和,绕Ω的力矩由[数4]给出。
[数4]
进而,如果除去由车轮的质量m0的重力产生的力矩,则力矩成为绕车轮轴的力矩。如果将其设为Ma,则
[数5]
此外,使用Ma表示先前的绕Ω的力矩MΩ,则得到下式。即,因为X0=0,所以成为下面的[数6]。
[数6]
另一方面,如图3所示,ZMP是地面上的点,力矩MΩ被定义为零点。将车轮轴的高度设为h、ZMP的坐标设为(σzmp、-h)代入[数4],则得到
[数7]
关于σzmp解出该式,则ZMP能够由连杆位置、加速度以及重力表示。此外,将ZMP的坐标代入[数6],则得到[数8]。
[数8]
在此,[数8]是绕车轮轴力矩的平衡式。即,F是地面反力(反作用力)和滚动摩擦力的矢量,FN是地面反力、FT是滚动摩擦力。反力实际上分布于轮胎底,但在图中总括地表示为作用于一点的点。这样表示的作用点是ZMP。
如果从该式表示绕车轮轴点的力矩的平衡,则成为
[数9]
FN*σzmp+FT*h+τ0=0,将
[数10]
代入其中,则式9与式8相同。
另一方面,车轮上的姿势稳定的条件是满足σzmp=0的式9即可,所以如果τ0=-FT*h成立,则能够保持姿势。因而,通过控制满足τ0=FT=0的条件的[数11]的状态变量,能够使姿势稳定。
[数11]
根据以上的原理,如图4、图5所示的斜坡路面上,轮胎接地点为图示的位置。为了在这样的接地状态下保持姿势,只要满足ZMP为轮胎接地点的关系即可。在此,如图4、图5所示那样倾斜的情况下,通过利用马达转矩τ0使ZMP为路面接地点,能够保持姿势。利用图1的静止姿势控制用的构成产生这样的马达驱动转矩。
即,如图4所示,在路面倾斜状态下,轮胎接地点位于重心矢量上时,该系统能够保持静止姿势。图5中表示实际的车辆在斜坡路面上时,通过由图1的控制将重心位置控制在轮胎接地点上,系统能够平衡而保持静止状态。
此外,在图6中,表示用于由图1的构成进行静止控制的动作的流程图。即,在图6所示的静止控制中,首先在步骤S1中设定控制参数。在此,根据系统重量,设定控制增益Kp、Ki。然后,在步骤S2中判断静止开关SW120是否接通。即,判断是否选择了静止控制。
当在步骤S2中静止开关SW接通(ON)时,在步骤S4中读入从开关接通时起的轮胎旋转角度变化值,计算姿势指令补正角度θadj。然后,在步骤S5中更新姿势指令角度,设为θREFpitch=θREFpitch0+θadj。
此外,当在步骤S2中静止开关SW断开(OFF)时,在步骤S6中使姿势指令补正角度θadj为0。因而,θREFpitch=θREFpitch0。然后,在步骤S7中进行姿势控制运算,在步骤S8中输出马达转矩指令Tref。接着,在步骤S9中发生姿势变化,返回至步骤S1。
因而,在上述的实施方式中,设计出了这样的控制,即,使伺服马达的控制系统具有利用倒立摆进行的控制和马达位置控制这双重的控制系统,并与由制动杆进行的制动兼顾的控制。由此,能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止。因而,本发明提供即使在有斜度的路面也能够静止的行驶装置及其控制方法。
根据本发明的行驶装置,是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置,具有:控制单元,其计算驱动车轮的马达转矩、生成马达转矩指令信号;检测单元,其检测通过生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;姿势指令补正值计算单元,其用旋转角度变化值计算姿势指令补正值;乘载者输入姿势指令角度的操作单元;静止模式的选择开关;和判定有无乘载者的判定单元,控制单元,根据输入于操作单元的姿势指令角度和由姿势指令补正值计算单元计算出的姿势指令补正值进行马达转矩的计算,当通过选择开关选择了静止模式时,进行将姿势指令补正值与姿势指令角度相加的控制,由此能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止。
此外,本发明的行驶装置的控制方法,是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置的控制方法,根据供给的旋转指令,计算马达转矩,生成马达转矩指令信号;检测通过生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;根据旋转角度变化值计算姿势指令补正值,根据输入于操作单元的姿势指令角度和计算出的姿势指令补正值,进行马达转矩的计算;在选择了静止模式时,进行将姿势指令角度与姿势指令补正值相加的控制。由此能够实现能够不依存于路面的斜度而自律地保持姿势而静止的控制方法。
另外,本发明不限定于上述说明的实施方式,只要不脱离本发明的主旨,能够进行各种变形。
Claims (12)
1.一种行驶装置,是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置,其特征在于,具有:
控制单元,其计算驱动车轮的马达转矩、生成马达转矩指令信号;
检测单元,其检测通过所述生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;
姿势指令补正值计算单元,其用所述旋转角度变化值计算姿势指令补正值;
乘载者输入姿势指令角度的操作单元;
静止模式的选择开关;和
判定有无所述乘载者的判定单元,
所述控制单元,根据所述姿势指令角度和所述姿势指令补正值进行所述马达转矩的计算。
2.如权利要求1所述的行驶装置,其特征在于,
当通过所述选择开关选择了静止模式时,无论所述判定单元的有无乘载者的判定如何,都进行将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加的控制。
3.如权利要求1所述的行驶装置,其特征在于,
当未通过所述选择开关选择静止模式、且由所述判定单元判定为无乘载者时,进行将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加的控制。
4.如权利要求1所述的行驶装置,其特征在于,
当未通过所述选择开关选择静止模式、且由所述判定单元判定为有乘载者时,将所述姿势指令补正值设定为0。
5.如权利要求1所述的行驶装置,其特征在于,
当未通过所述选择开关选择静止模式、且由所述判定单元判定为无乘载者时,将所述姿势指令补正值设定为0。
6.如权利要求1所述的行驶装置,其特征在于,
通过将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加,进行控制使得所述马达转矩和所述车轮的滚动转矩相平衡。
7.一种行驶装置的控制方法,是一边控制车轮的驱动一边进行行驶的行驶装置的控制方法,其特征在于,
根据供给的旋转指令,计算马达转矩,生成马达转矩指令信号;
检测通过所述生成的马达转矩指令信号驱动的车轮驱动系统的旋转角度变化值;
根据从操作单元输入的姿势指令角度和用所述旋转角度变化值计算出的姿势指令补正值,进行所述马达转矩的计算;
在选择了静止模式时,进行将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加的控制。
8.如权利要求7所述的行驶装置的控制方法,其特征在于,
当选择了所述静止模式时,无论有无所述乘载者的判定如何,都进行将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加的控制。
9.如权利要求7所述的行驶装置的控制方法,其特征在于,
当未选择所述静止模式、且判定为无所述乘载者时,进行将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加的控制。
10.如权利要求7所述的行驶装置的控制方法,其特征在于,
当未选择所述静止模式、且判定为有所述乘载者时,将所述姿势指令补正值设定为0。
11.如权利要求7所述的行驶装置的控制方法,其特征在于,
当未选择所述静止模式、且判定为无所述乘载者时,将所述姿势指令补正值设定为0。
12.如权利要求7所述的行驶装置的控制方法,其特征在于,
通过将所述姿势指令补正值与所述姿势指令角度相加,进行控制使得所述马达转矩和所述车轮的滚动转矩相平衡。
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