JP4428008B2 - Drive body and attitude control method and apparatus for traveling vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、コントロールモーメントジャイロを用いてなる走行車両の走行制御技術に関するものである。 The present invention relates to a traveling control technique for a traveling vehicle using a control moment gyro.
従来のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を用いた姿勢制御技術として、特開平３−２１８５６７号公報（特許文献１）に記載のものが存在する。この従来例は、球面ステータの内面側に複数個の電磁石を配設して制御器より電流を供給し、この電磁石が発生した電磁力を球面ロータの外表面に設けられた複数個の磁極要素に作用させて球面ロータに回転力を与えるものとすることにより、多自由度モータを形成し、この多自由度モータでフライホイール回転用のスピンモータとジンバル駆動用モータの共用化を図ることによって、従来のＣＭＧに比べて、装置の小型化、高信頼性化、簡素化を可能としたものである。
しかしながら、地上を走行する車両の走行姿勢の制御について、コントロールモーメントジャイロを利用することについての配慮はされていない。そこで、本発明はコントロールモーメントジャイロを利用して、走行車両の姿勢制御を円滑に行う技術を提供することを目的とするものである。 However, no consideration is given to using a control moment gyro for controlling the running posture of a vehicle traveling on the ground. Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for smoothly controlling the attitude of a traveling vehicle using a control moment gyro.
前記目的を達成する本発明は、姿勢制御を必要とする駆動体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、当該駆動体の駆動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした駆動体の姿勢制御方法、及び、移動体の車体に対して、複数のコントロールモーメントジャイロ機構を均等に配置し、車体の移動姿勢の変化を前記コントロールモーメントジャイロに生じる慣性モーメントによって補償するようにした車体の姿勢制御方法であることを特徴とするものである。 The present invention that achieves the above object provides a moment of inertia that causes a plurality of control moment gyro mechanisms to be evenly arranged for a drive body that requires attitude control, and causes a change in the drive attitude of the drive body to the control moment gyro. The method of controlling the attitude of the driving body compensated by the above, and the moment of inertia generated in the control moment gyro by uniformly arranging a plurality of control moment gyro mechanisms on the vehicle body of the moving body This is a vehicle body attitude control method that compensates for the above.
さらに他の発明は、このような特徴を備えた駆動体の姿勢制御装置及び車両の姿勢制御装置であることを特徴とする。
前記コントロールモーメントジャイロは、フライホイールと、フライホール支持する支持手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出手段の出力値に基づいてフライホイールの回転速度及び前記支持手段の傾斜角速度を制御するように構成される。
Still another invention is a drive attitude control device and a vehicle attitude control device having such characteristics.
The control moment gyro includes a flywheel and support means for supporting a flyhole, and the control means controls the rotational speed of the flywheel and the inclination angular velocity of the support means based on the output value of the detection means. Configured as follows.
本発明によれば、駆動体/車両の走行姿勢制御にジャイロ機構を用いたので、非線形の急激な外乱に対して車両の走行姿勢を円滑に制御できる。さらに、ジャイロ機構の角度を制御するのにピエゾ機構を用いたこともこの効果をより向上する。 According to the present invention, since the gyro mechanism is used to control the driving posture of the driving body / vehicle, the driving posture of the vehicle can be smoothly controlled against a nonlinear sudden disturbance. Furthermore, the use of a piezo mechanism to control the angle of the gyro mechanism further improves this effect.
次に本発明を実施するための好適な形態を図面に基づいて説明する。図１は、所謂電動車椅子の全体図（（１）は側面図、（２）は平面図）を示すものである。符号１０は車体であり、人が着座する座席１０Ａの下に前後左右に回転ジャイロ装置１１を４基均等に設けている。図１において、符号１２は車輪である。図２は車体の平面図（模式図）であり、４台の回転ジャイロ装置１１Ａ−Ｄが均等に配置されている。なお、図示しない電動駆動機構によって左右輪１２が別個に回転駆動されて車体を走行させる。
回転ジャイロ装置は、図３の模式図に示すように、フライホイール（質量部）３０を備え、フライホイールは図示しないジンバルに支持されて軸３２の回りを回転可能に支持されている。図４は、コントロールモーメントジャイロの側面図であり、超音波モータ３６のピエゾ駆動によって、軸３２が軸誘導手段（ガイド）３５に沿って移動（回転）するように構成されている。
Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view of a so-called electric wheelchair ((1) is a side view, (2) is a plan view). Reference numeral 10 denotes a vehicle body, and four rotating gyro devices 11 are equally provided on the front, rear, left and right under a seat 10A on which a person sits. In FIG. 1, reference numeral 12 denotes a wheel. FIG. 2 is a plan view (schematic diagram) of the vehicle body, in which four rotating gyro devices 11A-D are evenly arranged. The left and right wheels 12 are separately rotated by an electric drive mechanism (not shown) to drive the vehicle body.
As shown in the schematic diagram of FIG. 3, the rotary gyro device includes a flywheel (mass part) 30, and the flywheel is supported by a gimbal (not shown) so as to be rotatable around a shaft 32. FIG. 4 is a side view of the control moment gyro, which is configured such that the shaft 32 moves (rotates) along the shaft guiding means (guide) 35 by the piezo drive of the ultrasonic motor 36.
スピンモータによりフライホイールに角運動量を与え、このフライホイールを支えるジンバルをある角度で傾けることによってジャイロモーメントが発生する。ジャイロモーメントは、ジャイロの回転運動ベクトルと角移動ベクトルによってジャイロモーメントが定まる。このジャイロモーメントを車両に与えて車両の姿勢制御や制振制御を行うことができる。この制御システムの詳細について、図５を利用して説明する。 A gyro moment is generated by giving an angular momentum to the flywheel by a spin motor and tilting the gimbal supporting the flywheel at an angle. The gyro moment is determined by the rotational motion vector and the angular movement vector of the gyro. This gyro moment can be applied to the vehicle to perform vehicle attitude control and vibration control. Details of this control system will be described with reference to FIG.
図５は制御システムの機能ブロック図であり、例えば、ＥＣＵ（エレクトロニック コントロール ユニット）によって構成される。車体の走行姿勢は、ＸＹＺ軸角度センサ５０によって検出される。符号５２は、ＡＢＣＤの各コントロールジャイロユニットに対する、フライホイールの回転制御部／角度制御回路である。制御回路５２は各ジャイロのフライホイール３０Ａ−３０Ｄの駆動ドライバ５４Ａ−５４Ｄに制御された制御信号を供給する。 FIG. 5 is a functional block diagram of the control system, which is configured by, for example, an ECU (Electronic Control Unit). The traveling posture of the vehicle body is detected by the XYZ axis angle sensor 50. Reference numeral 52 denotes a flywheel rotation control unit / angle control circuit for each control gyro unit of ABCD. The control circuit 52 supplies control signals to the drive drivers 54A-54D of the flywheels 30A-30D of each gyro.
制御回路５２は、各ジャイロの超音波モータ５６Ａ−５６Ｄの駆動ドライバ５８Ａ−５８Ｄに制御信号を供給する。ＣＰＵシステム６０は制御回路５２をコントロールする。制御回路には角度センサの他、速度センサ、加速度センサ（前後Ｇ、横Ｇ、左右Ｇ）、車輪の操舵角センサなど車両の走行状態を検出するための各種センサからの信号が供給されても良い。制御回路には車両の走行状態に合わせて、各ジャイロ部を制御するための制御特性が制御テーブルの形でメモリに予め設定記憶されている。
既述の図４はジャイロ部の制御状態の一例であり左右及前後でそれぞれ逆方向にフライホイールの回転方向が制御される。進行方向左前と右後のジャイロは時計方向に回転、右前と左後のジャイロは反時計方向に回転。ジャイロの傾きは前後左右でそれぞれ個別に制御可能である。図４は車両が定速度走行状態にあるときのジャイロの傾斜制御態様である、前後方向でジャイロ部が同じ角度分逆方向に傾斜されている。
The control circuit 52 supplies control signals to the drive drivers 58A-58D of the ultrasonic motors 56A-56D of each gyro. The CPU system 60 controls the control circuit 52. In addition to the angle sensor, the control circuit is supplied with signals from various sensors for detecting the running state of the vehicle, such as a speed sensor, an acceleration sensor (front and rear G, lateral G, left and right G), and a wheel steering angle sensor. good. In the control circuit, control characteristics for controlling each gyro unit according to the running state of the vehicle are preset and stored in the memory in the form of a control table.
FIG. 4 described above is an example of the control state of the gyro part, and the rotation direction of the flywheel is controlled in the opposite direction before and after the right and left. Front left and right rear gyros rotate clockwise, right front and left rear gyros rotate counterclockwise. The inclination of the gyro can be individually controlled in front, rear, left and right. FIG. 4 is a gyro tilt control mode when the vehicle is in a constant speed running state, and the gyro section is tilted in the reverse direction by the same angle in the front-rear direction.
図６は車両が制動状態にあるときに、車体に生じる前後Ｇによってノーズダウンする姿勢変化を補償するようにジャイロ部が傾斜されている状態を示したものである。前後のジャイロは同じ方向に傾斜されている。その他、加速状態（車体のフロントが浮き上がる状態）、ローリング（左右の車輪の一方が沈み込んだ状態）などによる姿勢変化を、制御回路は角度センサによって検出し、これが緩衝される方向にジャイロ部の傾斜角やフライホイールの回転速度が制御される。各ジャイロの傾斜角とその方向、さらにフライホイールの回転速度とその方向が制御部によって決定制御される。制御回路は角度センサ５０によって車体の傾き角およびその方向を検出する。制御回路は速度センサ、加速度センサ、操舵方向など所望によって適宜選択される制御用パラメータを検出し、これらパラメータに基づいて制御テーブルを参照して各フライホイールの回転方向、回転速度、傾斜方向、傾斜角、及傾斜角速度を決定し、各駆動ドライバに制御信号を出力する。 FIG. 6 shows a state where the gyroscope is tilted so as to compensate for a posture change that nose-downs due to the longitudinal G generated in the vehicle body when the vehicle is in a braking state. The front and rear gyros are inclined in the same direction. In addition, the control circuit detects the change in posture due to acceleration state (state where the front of the vehicle body is lifted), rolling (state where one of the left and right wheels is sinking), etc. by the angle sensor, and in the direction where this is buffered, The tilt angle and flywheel rotation speed are controlled. The control unit determines and controls the inclination angle and direction of each gyro, and the rotational speed and direction of the flywheel. The control circuit detects the inclination angle and direction of the vehicle body by the angle sensor 50. The control circuit detects parameters for control such as a speed sensor, an acceleration sensor, and a steering direction, which are appropriately selected as desired, and refers to the control table based on these parameters to determine the rotational direction, rotational speed, tilt direction, and tilt of each flywheel. The angle and tilt angular velocity are determined, and a control signal is output to each drive driver.
制御部による制御は角度センサの検出値に基づいて、パッシブにジャイロ部を制御する方式の他、速度センサ、操舵方向センサ、加速度センサなどの走行状態を指標するパラメータを取り込んで、ジャイロ部をアクティブに制御する方式のものでも良い。なお、図５の実施態様では、ジャイロ機構の回転と角度を制御するシステムについて説明したが、どちらか一方を制御するものであっても良い。 The control by the control unit is based on the detection value of the angle sensor, and in addition to the method of passively controlling the gyro unit, the gyro unit is activated by taking in parameters such as speed sensor, steering direction sensor, acceleration sensor, etc. It is also possible to use a method of controlling the speed. In the embodiment of FIG. 5, the system for controlling the rotation and angle of the gyro mechanism has been described, but either one may be controlled.
図７は、ジャイロ制御による角度変位と時間との特性図を示したものである。ジャイロ制御により角度がリアルタイムに変動する。この角度変動をさらに補償するために角度制御が受動的に実行されていた。図７において、図中の（×）がジャイロ制御の現時点を示し、それより以前の制御態様から現時点以後の姿勢変化を予測することにより、角度制御をパッシッブからアクティブに実行できる。 FIG. 7 shows a characteristic diagram of angular displacement and time by gyro control. The angle fluctuates in real time by gyro control. In order to further compensate for this angular variation, angle control has been carried out passively. In FIG. 7, (x) in the drawing indicates the current time of gyro control, and angle control can be actively executed from passive by predicting a posture change after the current time from a control mode before that.
図８は、ジャイロの回転速度と車両の走行速度の関係を示す特性図である。車両の走行開始時では、ジャイロを急速に回転させて必要な慣性モーメント（向心力）を発生させてジャイロをバランスがとれた状態まで回転させる。車両の走行速度が高まるにつれて、姿勢制御により安定領域となるので、ジャイロの回転数を下げれば良い。 FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed of the gyro and the traveling speed of the vehicle. When the vehicle starts to travel, the gyro is rapidly rotated to generate a necessary moment of inertia (centripetal force), and the gyro is rotated to a balanced state. As the traveling speed of the vehicle increases, the attitude control results in a stable region, so the gyro rotation speed may be reduced.
図９は、ジャイロの回転速度と走行状態の関係を示す特性図である。車両の始動期間ではジャイロを急速に高速回転させて慣性モーメントを発生させてジャイロの回転のバランスをとる。走行状態（安定走行期間）ではジャイロの回転速度を下げて良い。車両走行の停止期間ではジャイロの回転を停止期間の最終段階（停止直前の速度/速度センサによって検出可能である。）ではジャイロの回転速度を急速に低下させて良い。 FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed of the gyro and the running state. During the start-up period of the vehicle, the gyro is rapidly rotated at high speed to generate moment of inertia to balance the rotation of the gyro. In the running state (stable running period), the rotational speed of the gyro may be lowered. In the stop period of the vehicle traveling, the gyro rotation speed may be rapidly decreased in the final stage of the stop period (which can be detected by the speed / speed sensor immediately before the stop).
以上の実施形態では、姿勢制御対象を２軸による姿勢制御によって説明したが、これを１軸による姿勢制御対象に本発明を適用することができる。また、既述の実施形態では、慣性モーメント円運動を地表面に対して水平位置で説明したが、機構によってはこれを垂直で行うものにも本発明を適用することができる。 In the above embodiment, the posture control target has been described by the posture control by two axes, but the present invention can be applied to the posture control target by one axis. In the above-described embodiments, the moment of inertia circular motion is described in the horizontal position with respect to the ground surface. However, the present invention can be applied to a mechanism in which this is performed vertically depending on the mechanism.
１０ 車体、１０Ａ 座席、１１Ａ−Ｄ 回転ジャイロ装置、１２ 車輪、３０ フライホイール（質量部）、３２ 軸、３６ 超音波モータ
10 body, 10A seat, 11A-D rotating gyro device, 12 wheels, 30 flywheel (mass part), 32 axes, 36 ultrasonic motor
Claims (4)
前記車体の移動状態の検出手段と、
前記検出手段の検出値に基づいて前記コントロールモーメントジャイロ機構の慣性モーメントをリアルタイムに制御する制御手段と、を備え、
前記コントロールモーメントジャイロ機構は、フライホイールと、フライホール支持する支持手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記検出手段によって検出される前記車体の走行開始時において、前記フライホイールの回転速度を所定の回転数まで上昇させ、
前記検出手段によって検出される前記車体の走行速度の高まりに対応して、前記フライホイールの回転速度を前記所定の回転数から下降させる制御をするように構成され、
前記慣性モーメントによって前記車体の走行姿勢の変化を補償するようにした車体の姿勢制御装置。 A plurality of control moment gyro mechanisms arranged evenly with respect to the vehicle body of the moving body;
And detecting means of the movement state of the vehicle body,
Control means for controlling the moment of inertia of the control moment gyro mechanism in real time based on the detection value of the detection means ,
The control moment gyro mechanism includes a flywheel and a support means for supporting the flyhole,
The control means includes
At the start of travel of the vehicle body detected by the detection means, the rotational speed of the flywheel is increased to a predetermined rotational speed,
In response to the increase in the traveling speed of the vehicle body detected by the detection means, the flywheel is configured to control the rotational speed of the flywheel to be lowered from the predetermined rotational speed.
Vehicle body attitude control apparatus adapted to compensate for the change in the running attitude of the vehicle body by the moment of inertia.
さらに、前記検出手段によって検出される前記車体の停止期間において、前記フライホイールの回転速度を再び上昇させる制御をするよう構成された請求項１記載の車体の姿勢制御装置。 2. The vehicle body posture control device according to claim 1, wherein the vehicle body posture control device is configured to control to increase the rotational speed of the flywheel again during the vehicle body stop period detected by the detection means.
さらに、前記検出手段の出力値に基づいて、フライホイールの傾斜角速度を制御するように構成された請求項１又は２記載の車体の姿勢制御装置。 The vehicle body attitude control device according to claim 1 or 2, wherein the vehicle body attitude control device is configured to control an inclination angular velocity of the flywheel based on an output value of the detection means.
前記フライホイールは、前記電動車椅子の座席の下に配置される請求項１乃至３のいずれか一項記載の車体の姿勢制御装置。 The vehicle body posture control apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the flywheel is disposed under a seat of the electric wheelchair.
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