加々速度検出手段を有する運動制御システム、運動物体、車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機、振動台、運動シミュレ−タ、コントローラ、運動評価装置および加々速度センサ、角加々速度センサおよび運動物体の制御方法
【目的】物体の加速度の微分値である加々速度を検出し、その情報を利用して物体の高精度の運動制御を可能とする。
【構成】物体50に固定され、物体50の加々速度を検出する加々速度検出装置51と、物体50の運動を制御するコントロ−ラ52と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ53で構成されている。コントロ−ラ52は、加々速度検出装置51により検出された加々速度情報に従って、アクチェ−タ53を用いて、物体50の運動を制御する。
【効果】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【構成】物体50に固定され、物体50の加々速度を検出する加々速度検出装置51と、物体50の運動を制御するコントロ−ラ52と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ53で構成されている。コントロ−ラ52は、加々速度検出装置51により検出された加々速度情報に従って、アクチェ−タ53を用いて、物体50の運動を制御する。
【効果】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、運動体の加速度の微分値即ち、加々速度情報を用いて物体の運動を制御する運動制御システム、車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機及び、コントローラ、そしてこれらのシステムの運動を評価する運動評価装置および加々速度を検出するセンサの構造、角加速度を検出するセンサおよび運動物体の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】物体の運動を記述する物理量として、通常、位置、速度(あるいは角速度)、加速度(あるいは角加速度)の諸量を挙げることができる。そして各々の物理量に対し、それを検出するセンサが考案され、実用されている。ところで人間は、位置と速度については、視覚により知的に検出するのみであり、体感として感覚的に検出できるのは、加速度、及びそれより高次の物理量である。例えば、自動車、鉄道車両あるいは、エレベ−タ等の移動体に搭乗している際には、加速あるいは、減速したときにその状態変化を体感的に意識することができる。
【0003】ここで「自動車用加速度センサの開発(日産技報第23号、昭62−12)」などの文献によれば、人間は加速度よりさらにその微分値である加々速度に敏感に反応することが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この事実は、人間が感じる快、不快の感覚に加々速度が深く関与しているのを示すものである。従って自動車や鉄道車両、エレベータといった運動を伴う乗り物をより快適に制御していくためには、この加速度のみならず、その微分値である加々速度の情報を検出し、その情報を用いて制御することが必要となる。
【0005】また、人間が自分自身の運動を制御している際に、これらの加々速度情報を利用していると考えるのが自然であり、これを物体の各種運動制御に置き換えてみると、物体の高精度の運動制御を達成するためには、その物体の加々速度情報を用いた制御が必要となる。
【0006】また、自動車運転時を想定してみると、路面状況の急変により不意の車両の挙動変化発生時には運転者は、これを加速度の変化、即ち加々速度として感じることができ、熟練運転者であれば、運転操作により車両の挙動変化を低減したりすることが可能である。このことは、一般の運転者が運転した場合にも熟練運転者並の運転が可能である車両を実現するためには、車両の加々速度情報を検出し、その情報を用いて車両運動を制御することが必要となる。
【0007】また、以上の各種、加々速度情報を用いた制御に加え、従来の位置、速度、加速度情報による制御を併用する制御でも、現在よりも飛躍的な制御効果の向上を図ることができる。
【0008】ところで、加々速度情報は、種々実用化されている加速度センサの出力を微分フィルタ回路回路を通過させることにより得ることができる。しかも、上述のような理由で必要となる、加速度、加々速度の同時検出も可能である。
【0009】しかし、高周波域の加々速度を得ようとする場合には、ノイズ、位相の遅れが問題となってしまう場合もある。従って、低周波域の加々速度情報が必要なときは、加速度センサと微分回路を用い、高周波、あるいは、高精度の加々速度情報が必要なときは、他の検出方法が必要となる。また、加々速度のみではなく、加速度も同時に検出できることが望ましい。
【0010】本発明の第1の目的は、運動性能を向上させ、高機能の運動制御性を有する運動制御システム、車両等を提供することにある。
【0011】本発明の第2の目的は、過度の挙動変化を防止できる車両を提供することにある。
【0012】本発明の第3の目的は、乗り心地のよい車両、エレベ−タ等を提供することにある。
【0013】本発明の第4の目的は、振動低減効果の大きい車両、磁気浮上列車、ビル制振システムを提供することにある。
【0014】本発明の第5の目的は、脱線しにくい鉄道車両振動台を提供することにある。
【0015】本発明の第6の目的は、振動加速度等を忠実に再現でき、応答性のよい振動台、地震シミュレ−タを提供することにある。
【0016】本発明の第7の目的は、位置決め精度のよいステ−ジ、ロボットア−ムを提供することにある。
【0017】本発明の第8の目的は、運動制御性を評価できる装置を提供することにある。
【0018】本発明の第9の目的は、少なくとも加々速度情報を用いて、高精度の運動制御を達成するコントロ−ラを提供することにある。
【0019】本発明の第10の目的は、加々速度を直接検出できるセンサを提供することである。
【0020】本発明の第11の目的は、少なくとも加速度と加々速度を同時に検出できるセンサを提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成するために本発明の運動制御システムは、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該コントローラにより前記物体の運動を制御することを特徴とするものである。
【0022】又、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の位置制御を行うことを特徴とするものである。
【0023】又、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の速度制御を行うことを特徴とするものである。
【0024】また、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の加速度制御を行うことを特徴とするものである。
【0025】又、本発明の運動物体は、少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とするものである。
【0026】又、少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加速度と加々速度を検出するための検出手段と、該検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とするものである。
【0027】また、前記加々速度検出手段が加速度センサと加速度センサ出力微分手段であるものである。又、前記加速度センサ出力微分手段が、アナログ電気回路であるものである。又、前記加速度センサ出力微分手段が、ディジタル微分装置であるものである。
【0028】又、本発明の運動物体の制御方法は、運動物体の動きを検出し、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を導きだし、該加速度の微分値に対応した制御信号を生成し、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0029】又、本発明の航空機は、機体もしくは主翼に加々速度検出手段を備え、該加々速度検出手段の出力をコントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより水平カナ−ド、フラッペロン、垂直カナ−ド、水平スタビライザ、垂直スタビライザあるいはエンジンの出力を制御することを特徴とするものである。
【0030】上記第2の目的を達成するために本発明の車両は、操舵装置と、該操舵装置の操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記操舵装置を制御するためのコントローラを備え、前記操舵角を検出する手段と加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記操舵装置を制御することを特徴とするものである。
【0031】又、原動機と、該原動機の出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記原動機を制御するコントローラを備え、前記原動機の出力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記原動機の出力を制御することを特徴とするものである。
【0032】又、車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車輪制動装置を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して車輪制動装置を制御することを特徴とするものである。
【0033】又、車体懸架装置と、車体懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体前後方向、車体横方向、車体上下方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車体懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記車体懸架装置を制御することを特徴とするものである。
【0034】又、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向、ロ−ル方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記エンジン懸架装置を制御することを特徴とするものである。
【0035】又、前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により該コントローラにより制御信号を生成するものである。
【0036】上記第3の目的を達成するために本発明の車両は、前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により乗り心地評価関数を求め、該乗り心地評価関数に基づいてコントローラにより制御信号を生成するものである。
【0037】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点における車体加速度の大きさ、車体加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0038】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエンジンのロ−ル方向の加速度の大きさ、、エンジンのロ−ル方向の加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をei、fiとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ei・|Gi|+fi・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0039】又、本発明のエレベ−タは、人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつつり下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、前記かごに取付けられ該かごの加々速度を検出するための加々速度検出手段とを備え、該かご加々速度検出手段により検出された加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするものである。
【0040】又、前記かごがかごの加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御するものである又、前記コントロ−ラが前記加速度および加々速度情報により乗り心地評価関数を求めるものであって、該乗り心地評価関数に基づいて前記コントロ−ラにより前記モ−タを制御するものである。
【0041】又、前記かごがかごの速度を検出するための速度検出手段を備えるものである。
【0042】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエレベ−タ加速度の大きさ、エレベ−タ加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0043】又、前記速度、加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるかごの速度の大きさ、かごの加速度の大きさ、かごの加々速度の大きさをそれぞれVi、Gi、Ji、重み付け定数をj、k、lとしたとき、乗り心地評価関数が、Ψi=(j・|Vi|−k・|Gi|−l・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0044】又、人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつ下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、該モ−タの回転速度、回転加速度および回転加々速度を検出するためのモ−タ回転速度検出手段、モ−タ回転加速度検出手段とモ−タ回転加々速度検出手段を備え、該モ−タ回転速度検出手段により検出されたモ−タ回転速度情報と該モ−タ回転加速度検出手段により検出されたモ−タ回転加速度情報および該モ−タ回転加々速度検出手段により検出されたモ−タ回転加々速度情報を該コントローラに入力し、該モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度およびモ−タ回転加々速度情報により乗り心地評価関数を求め、該評価関数に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするものである。
【0045】又、前記乗り心地評価関数が、モ−タの回転速度をVm、モ−タの回転加速度の大きさをGm、モ−タの回転加々速度の大きさをJm、、重み付け定数をl、m、nとしたとき、Ψ=(l・|Vm|−m・|Gm|−n・|Jm|)で定義されているものである。
【0046】上記第4の目的を達成するために、本発明の磁気浮上列車は、車体と、浮上用地上コイルと、車上の超電導磁石と、前記車体に具備された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記超電導磁石の磁力を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0047】又、本発明の車両は、エンジンと、少なくとも該エンジンのロール方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、エンジンのコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記エンジンの失火を検出することを特徴とするものである。
【0048】又、本発明のビルのビル制振システムは、フロアに設置された油圧アクチュエ−タと、該油圧アクチュエ−タに具備されビルに対して相対運動するアクティブマスと、前記ビルのフロアに設置された加々速度検出手段と、前記油圧アクチュエ−タを制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段の出力を前記コントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより前記ビルの振動が小さくなるように前記油圧アクチュエ−タを制御することを特徴とするものである。
【0049】上記第5の目的を達成するために、本発明の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タを備えた台車の上に車体が設けられ、該台車が車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タを介して車輪により支持されるものであって、車体の配置された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記枕バネアクチュエ−タおよび軸バネアクチュエ−タを制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0050】上記第6の目的を達成するために、本発明の振動台は、X軸およびY軸に設けられ変位検出器が具備された油圧アクチュエ−タにより駆動される振動台と、該振動台にX軸およびY軸方向に設けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し、地震加速度、地震加々速度あるいは変位の目標値に追従させるように制御する制御信号を生成するコントロ−ラを備えたことを特徴とするものである。
【0051】又、本発明の運動シミュレ−タは、車両、飛行物体などの運動を模擬した運動シミュレ−タにおいて、該運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段と、運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度検出手段からの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御することを特徴とする。
【0052】上記第7の目的を達成するために、本発明のステ−ジは、リニアアクチュエ−タによって駆動される少なくとも1つのステ−ジと、リニアアクチュエ−タに具備された変位検出器と、前記ステ−ジに取り付けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し予め入力されている位置の目標値に位置決めするための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0053】又、本発明のロボットア−ムは、回転位置検出手段を具備した関節駆動用モ−タにより駆動されるマニピュレ−タと、該マニピュレ−タの手先に取り付けられた複数の加々速度検出手段と、前記回転位置検出手段と加々速度検出手段との出力を入力し位置決めを行うための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0054】上記第8の目的を達成するために、本発明の運動評価装置は、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能を評価することを特徴とするものである。
【0055】又、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の運動を評価することを特徴とするものである。
【0056】又、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて乗り心地評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の乗り心地を評価することを特徴とするものである。
【0057】又、ビルの少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいてビルの運動を計算して該計算結果を出力しビルの運動を評価することを特徴とするものである。又、前記運動が振動であるものである。
【0058】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価することを特徴とするものである。
【0059】又、前記運動評価装置が加速度検出手段を備え、該加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点において観測された加速度の大きさ、加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をai、biとしたとき、前記評価関数が、Ψi=(ai・|Gi|+bi・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0060】上記第9の目的を達成するために、本発明のコントロ−ラは、運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するための第2の手段と、該微分値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0061】又、前記第2の手段が前記物体の動きから直接運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するものである。
【0062】又、前記第2の手段が前記加速度の微分を行う手段を備えるものであって、該微分手段により前記運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するものである。
【0063】又、前記第1の手段が第1の部材と、該第1の部材に対して可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段を備えたものである。
【0064】又、前記第2の手段が、前記電流により前記コイル間の電圧を検出する手段を備え、該電圧が前記加速度の微分値に対応しているものである。
【0065】又、第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、該静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである。
【0066】又、運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度を示す第1の値と加速度の微分値に対応した第2の値を検出するための第2の手段と、該第1の値と第2の値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0067】又、物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該物体の運動を制御することを特徴とするものである。
【0068】上記第10の目的を達成するために、本発明のセンサは、第1の部材と、該第1の部材に対して相対的に可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、該電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【0069】又、第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、第1の部材に対する第2の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである。
【0070】又、加速度に応じて変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に作用する電磁力を発生する電磁力発生手段と、前記電磁力を制御する電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記電磁力発生手段の電気回路に発生する誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記可動部材に作用する電磁力を前記電磁力制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0071】又、コイルを具備し加速度に応じて変位する可動部材と、前記コイルに流した電流により前記可動部材のコイルに力を発生するような位置に固定された磁石と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0072】又、加速度に応じて変位する磁石を具備した可動部材と、流した電流により前記可動部材の磁石に力を発生するような位置に固定されたコイルと、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0073】又、多軸方向の加速度に応じて多軸方向の変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に多軸方向に作用する電磁力を発生する多軸方向の電磁力発生手段と、前記多軸方向の電磁力を制御する多軸方向の電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの多軸方向の変位を検出する多軸方向の変位検出手段と、前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に発生する各誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記多軸方向の変位検出手段により検出される前記可動部材の多軸方向の変位が零になるように、前記可動部材に作用する多軸方向の電磁力を前記多軸方向の電磁力制御手段により制御するものであって、前記各誘導起電力検出手段により検出される前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に生じる各誘導起電力から前記可動部材に作用する多軸方向の加速度の変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。又、前記可動部材が角加速度に応じて角変位するものである。
【0074】上記第11の目的を達成するために、本発明のセンサは、前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記電流検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出するものである。
【0075】又、前記コイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記コイル電流検出手段により検出される前記コイルに流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出するものである。
【0076】
【作用】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した物理量である加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【0077】加々速度情報を用いて制御しているので、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCV(Control Configured Vehicleの略)をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御(direct force controlの略)、首振り制御(airplane pointing controlの略)、遷移制御(airplane translation controlの略)等が可能となる。
【0078】また、主翼にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度センサが具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【0079】加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車両の運動を制御しているので、車両に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となると同時に、運転者が意図しない不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる。
【0080】また、操舵装置と、操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、操舵装置を制御するコントローラを備え、該操舵角を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより操舵装置を制御しており、車両が横方向に滑り始める瞬間を検出すると同時に、舵角装置を制御することができるので挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる。
【0081】また、原動機と、原動機出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、原動機を制御するコントローラを備え、該原動機出力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより原動機を制御しているので原動機により駆動される車輪が空転を始め、進行方向の加速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の加速度が減少した瞬間を検出できるため、駆動輪にブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪の空転を減少させ、車両の挙動変化を効果的に防止することが可能となる。
【0082】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、車輪制動力を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車輪制動装置を制御しているので車輪がロックし始め、進行方向の減速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の減速度が減少した瞬間を検出できるため、車輪のロックが始まる前に車輪制動力を低減させるため、制動時の車輪のロックを減少させ、車両の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【0083】また、加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報に基づいて該コントローラにより車両の運動を制御しているので、加々速度情報の他に、加速度情報に基づいた制御が行えるので、より高度な制御ができる。
【0084】また、懸架装置と、懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記懸架装置を制御するので乗り心地の最適化がはかれる。
【0085】また、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記エンジン懸架装置を制御するので、乗り心地の最適化がはかれる。
【0086】また、エレベ−タにおいては、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかごの加々速度情報を直接検出し、コントロ−ラに入力されモ−タの制御指令に用いることにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。
【0087】また、磁気浮上車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【0088】また、エンジンと、少なくともエンジンロール方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサとエンジンコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該エンジンコントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいてエンジンの失火を検出するので高精度の失火検出が可能となる。
【0089】ビル制振システムにおいては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、油圧アクチュエ−タの制御を正確にでき、より振動低減効果の大きいビル制振システムを実現できる。
【0090】鉄道車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。また、進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができる。
【0091】また、精密な位置決めを要するステ−ジ(例えばXY−ステ−ジ)においても、加々速度情報を用いることにより加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる。
【0092】また、運動シミュレ−タの一例として、地震シミュレ−タにおいても加々速度情報を用いることにより、加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【0093】また、ビル制振システムにおいても、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【0094】また、加々速度情報を用いることにより、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タ(ロボットア−ム)を実現することができる。
【0095】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数、評価関数、乗り心地評価関数、運動を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能、制御対象物体の運動、乗り心地、運動、振動を評価しているので、制御対象物の性能、運動、乗り心地、振動を分析できる。
【0096】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価するので、運動シミュレ−タの評価を行うことができる。
【0097】コンロ−ラにより物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、物体の運動を制御しているので、加々速度情報を加えて制御することができ、制御効果が一段と向上できる。
【0098】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出器を設け、この変位検出器は、可動部材変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値(加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる。
【0099】また、センサ内に、発生する角加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの角変位を検出する角変位検出器を設け、この角変位検出器は、可動部材角変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる角加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従って、この電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる角加速度の微分値(角加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、角加速度も同時に検出できる。
【0100】
【実施例】本発明の第1の実施例を図1から図13に従って説明する。図1は、加々速度情報を用いた運動制御システムの概念を示す全体構成図、図2は加々速度センサの全体構成図、図3は加速度が作用したときの釣合状態を示す図、図4はコイルの回路方程式の説明図、図5は内部抵抗を有する場合のコイルの回路方程式の説明図、図6は信号処理部分の回路構成図、図7は加々速度センサの他の全体構成図、図8はアナログ回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図9はデジタル回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図10は加々速度センサの出力と加速度の微分回路出力とを比較して示した図、図11は加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図、図12は加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図、図13は加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【0101】図1に示すように、本実施例の運動制御システムは、物体50に固定され、物体50の加々速度を検出する加々速度検出装置51と、物体50の運動を制御するコントロ−ラ52と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ53で構成されている。コントロ−ラ52は、加々速度検出装置51により検出された加々速度情報を入力し、コントロ−ラ52からの出力によりアクチェ−タ53を用いて物体50の運動を制御する。
【0102】加々速度検出装置51を構成する加々速度センサは、図2に示すようにケ−シング10aに継手13によって1自由度の運動が可能なように取付けられた振子1と、振子1に固定されたコイル3と、振子1の他端側の運動方向に取付けられた可動電極41と、マグネット2が取付けられたケ−シング10と、ケ−シング10に可動電極41と対面するように形成された固定電極42と、振子1の釣り合い位置からの変位を検出する振子変位検出器40と、振子変位検出器40の出力側に直列に接続されさらにその出力側が前記コイル3の一方の側に接続するように配線されたサ−ボアンプ5と、一方が接地され他方がコイル3の他方に接続されるように配線された読み取り抵抗6などから構成されている。そして、検出された加々速度情報は、図2に示すように、コイル3の端子電圧として取り出すように構成されている。
【0103】前述したように、振子1は、1自由度の運動(紙面に水平方向)を行うように構成されているので、この方向がセンサ感度方向となる。又、振子1の両側に配置された可動電極41とケ−シング10に固定されている固定電極42とで2組の平板コンデンサを形成している。平板コンデンサの静電容量Cは、数式1で示されるように空隙の大きさに反比例する。
【0104】
【数1】
【0105】ここで、εは空気の誘電率、Sは電極の面積、dは空隙寸法である。従って、可動電極41と固定電極42とで形成されている2組のコンデンサの静電容量の差ΔCを振子変位検出器40で検出することにより振子1の変位が検出できる。
【0106】また、振子1には、コイル3が配置されており、このコイル3に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング10に固定されたマグネット2による磁界により力を受ける。したがって、サーボアンプ5により上述の振子変位検出器40で検出した2組のコンデンサの静電容量の差ΔCがΔC=0となるように、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル3に流れる電流をフィードバック制御することにより、外力の大きさにかかわらず振子1の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【0107】ここで、加々速度センサが、ある運動をしている物体50に固定されている場合を考える。図3に示すように、時刻tにおいて左方向(センサ感度方向)からセンサ全体に加速度α(t)が作用したとすれば、振子1の質量をMとすると振子1には右向きにF(t)=M・α(t)の慣性力が働く。振子1について運動方程式を考えると数式2のようになる。
【0108】
【数2】
【0109】ここで、Mは振子1の質量、x(t)は時刻tにおける振子1の釣合位置からの変位、F(t)は振子1に働く慣性力、f(t)は位置フィードバックによる制御力である。制御力f(t)は、コイル3に流れる電流I(t)に比例するので数式3、数式4が成り立つ。
【0110】
【数3】
【0111】
【数4】
【0112】ここで、φは電磁鎖交係数、rはコイル3の半径、Bはマグネット2の磁束密度、Nはコイル3の巻き数で与えられる。
【0113】時々刻々変動するF(t)に対して、振子1が釣合位置にあるように制御力f(t)を追従させれば、数式2の左辺はゼロとなり、その結果、数式5が成立する。
【0114】
【数5】
【0115】したがって、加々速度センサ全体に働く加速度は、数式6となり、コイルを流れる電流値を測定することにより検出できる。
【0116】
【数6】
【0117】これに対し、加々速度センサ全体に働く加々速度をη(t)とすると、数式7となる。
【0118】
【数7】
【0119】いま、図4に示すようにコイル3に流れる電流について回路方程式をたてると、数式8となる。
【0120】
【数8】
【0121】ここで、Lはコイルのインダクタンスである。従って加々速度センサ全体に働く加々速度η(t)は、数式9となり、コイル3の両端の端子電圧を検出することにより、測定することができる。
【0122】
【数9】
【0123】図2に示す第1例の加々速度センサは、上記のように構成しているので、振子1の運動方向に沿って加速度が加わると振子1が変位し、この変位を変位検出器40で電圧信号として検出し、サ−ボアンプ5で増幅する。さらにサ−ボアンプ5では、この電圧信号を電流指令に変換する。この電流は、振子1に取付けられたコイル3に流れマグネット2との間に力が発生し、変位検出器40の出力が0となるように、即ち振子1を平衡位置になるように流れ続ける。上記したようにこのときコイル3に流れる電流値は、加わった加速度に比例追従し、コイル3の両端の電圧は、電流の微分値、すなわち加々速度に比例して追従した値となる。
【0124】図5は、コイル3が内部抵抗Rを含んでいる場合の、加々速度情報を検出する方法を示したものである。図5に示すような回路について、回路方程式をたてると、数式10となる。
【0125】
【数10】
【0126】ここで、eはコイル3の両端の電圧、Rはコイル3の内部抵抗、Lはコイルのインダクタンスである。図5に示すようにコイル3を流れた電流は、すべて読みとり抵抗6を流れるとすると、数式11が成り立つ。
【0127】
【数11】
【0128】ここで、erは読み取り抵抗6の両端の電圧、rは取り抵抗6の内部抵抗である。したがって、図4に示した場合と同様に、加々速度センサに作用する加々速度は、数式12に示すように、コイル3の両端の電圧と、読み取り抵抗6両端の電圧を測定することにより検出可能である。
【0129】
【数12】
【0130】また、図6は、数式11で表される加々速度センサの信号処理部分をオペアンプを用いて構成したものである。このような構成とすることにより、コイル3の抵抗分が無視できないときでも、加々速度センサに作用する加々速度を検出することができる。
【0131】図7は、第2の例である加々速度センサの全体構成を示す図である。図2に示す加々速度センサと同様な構成であるが、この加々速度センサは、振子11と、振子11に固定されたマグネット12と、可動電極141と、ケーシング10と、ケーシング10に固定されたコイル130と、固定電極142と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器140とサーボアンプ15と、読みとり抵抗16で構成されている。すなわち、コイル130は、ケ−シング10側に、マグネット12は振子11側に設けられている。この場合も図2に示す加々速度センサと同様に加々速度情報は、図7に示すようにコイル130の端子電圧として取り出すことによって得られる。
【0132】以上述べたことから分かるように、図2又は図7に示す加々速度センサにおいて、マグネット2、12は、永久磁石であっても、磁束密度を一定に保った電磁石であっても良い。また、本実施例においては、振子の変位検出に振子とケ−シングで構成された静電容量の差分を用いた方法について言及したが、これに限定されるものではなく、例えば発光素子、レンズ、受光素子等を用いて光学的に検出する等の方法を用いてもよい。
【0133】また、数式8、数式12からわかるように、振子1の素材、構造的な特性(ヤング率、断面モーメントなど)は、考慮する必要がないので高精度の加々速度検出が可能となる。
【0134】また、数式6及び数式11より数式13が成立するので、読み取り抵抗6、16の端子電圧erは、電流、即ち加速度に比例した値となる。
【0135】
【数13】
【0136】以上のように、本実施例の加々速度センサは、加速度と加々速度を同時に検出可能である。
【0137】尚、上記した加々速度センサは、その検出方向が1軸に限定されているものについて言及したが、多軸方向の加々速度検出が必要でかつ、部品点数、コストを低減するなどの必要がある場合は、以下のような方法を用いて多軸加々速度センサを実現することができる。多軸方向の加速度に応じて、多軸方向に変位できる軸方向分の磁石、あるいはコイルを具備した振子を用い、この振子の磁石あるいは、コイルに各軸方向の力を独立して発生するような位置に軸方向分のコイル、あるいは磁石を設け、振子の基準位置からの各軸方向の変位を独立して検出する変位検出器と各軸方向のコイルに流れる電流を制御する各軸方向のサ−ボアンプを設けて、各軸方向の変位検出器により検出される、各軸方向の振子に作用する加速度によって生じる各軸方向の可動部材の各軸方向の変位が零になるように、各軸方向のコイルに流れる電流を各軸方向のサ−ボアンプにより制御し、その際に、各軸方向の誘導起電力検出器により検出される各軸方向のコイルの両端に生じる誘導起電力から、振子に作用する各軸方向の加々速度を検出すればよい。
【0138】図8、図9により、加々速度検出装置51の別の例を説明する。図8に示すように、加々速度検出装置51は加速度センサとアナログ微分回路を用いて構成することができ、一般の加速度センサにアナログ微分手段(フィルタ)を付加することにより、加々速度を検出することができる。また、図9は、本実施例に用いられる加々速度検出装置51のさらに別の例であり、加速度センサとディジタル微分回路を用いて構成している。すなわち、一般の加速度センサにA/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によって加々速度情報を得ることもできる。このように、加々速度微分情報は、加々速度センサ出力の一階の微分回路出力として用いることができる。
【0139】図2、図7で示す本実施例の加々速度センサで検出された加速度と加々速度、加速度のアナログ微分回路出力を一例として比較して示すと図10のようになる。図10の(a)が本実施例の加々速度センサで検出された加速度出力で、(b)が(a)で示される加速度出力をアナログ微分回路に通した後の出力、(c)が本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力を示している。(c)で示される加速度アナログ微分出力と本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力は、共に(a)で示される加速度の微分出力となっており、非常に良く合致していることが分かる。
【0140】図11、図12は、それぞれコントロ−ラ52を含めた加速度、加々速度情報検出方法の違いを示す図であり、図11は、本実施例の加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図であり、図12は図9に示すように、加速度センサとコントロ−ラ52内部に微分手段を設け、その微分手段によりディジタル演算処理加々速度情報を得る構成を示している。図11の方法では、直接加々速度情報と加速度情報を得られるが入力ポ−ト521、522とA/Dコンバ−タ524、525が2組必要であるのに対し、図12に示す方法では入力ポ−ト523とA/Dコンバ−タ526は、1組で良いが加々速度情報を得るためには、ある程度の演算527が必要である。以上のことより実際に適用する場合は、ハ−ド構成とコントロ−ラ52の演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。
【0141】さて、図1に示す加々速度情報を用いた運動制御システムにおいて、一般的な運動形態としては、図12に示すように物体50が仮想的な固定面54にダンパ要素55とバネ要素56と拘束されている運動モデルを考える。
【0142】図12に示すように、物体の質量をM、物体の変位をx、アクチュエ−タ53の発生する力をFc(t)、物体50に作用する外力をfg(t)、ダンパ要素55の粘性減衰定数をC、バネ要素56のバネ定数をKとすると、物体50は以下の数式14に示す運動方程式に従って運動する。
【0143】
【数14】
【0144】今、図12に示される運動モデルでの位置制御を考え、コントロ−ラ52の制御則が数式15のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図13に示す。
【0145】
【数15】
【0146】ここで、K2、K3、K4は、おのおの加速度、速度、変位のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と変位との間の伝達関数を求めると、数式16となる。
【0147】
【数16】
【0148】数式16から分かるように、加速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、位置フィ−ドバックは、位置制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0149】次に、図12に示される運動モデルでの速度制御を考える。数式14の両辺を時間tで微分すると数式17となる。
【0150】
【数17】
【0151】数式17について、数式18のごとき置換を行うと数式19となる。
【0152】
【数18】
【0153】
【数19】
【0154】コントロ−ラ52の制御則が数式20のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図14に示す。
【0155】
【数20】
【0156】ここでK1、K2、K3は、おのおの加々速度、加速度、速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と速度との間の伝達関数を求めると、数式21となる。
【0157】
【数21】
【0158】数式21からわかるように、加々速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0159】次に、図12に示される運動モデルでの加速度制御を考える。数式20の両辺を時間tで微分すると数式22となる。
【0160】
【数22】
【0161】数式22について、数式23のごとき置換を行うと数式24となる。
【0162】
【数23】
【0163】
【数24】
【0164】コントロ−ラ52の制御則が数式25のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図15に示す。
【0165】
【数25】
【0166】ここで、K0、K1、K2、は、おのおの加々速度微分、加々速度、加速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と加速度との間の伝達関数を求めると、数式26となる。
【0167】
【数26】
【0168】数式26からわかるように、加々速度微分フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加々速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0169】以上、位置、速度、加速度の各運動制御について述べてきたが、従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【0170】本発明の第2の実施例を図17から図30により説明する。図17は、車両の1種である自動車の運動制御に用いた運動制御系の全体構成を示す図、図18は、限界走行時の車両制御を行う一例についての説明図、図19は、車両の横滑りを検出した状態を示す図、図20は、車両の横方向加々速度情報を用いた車両挙動変化を示す図、図21は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の自転運動抑制方法の比較を示す図、図22は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の公転運動抑制方法の比較を示す図、図23は発進、加速時の車輪空転を検出する方法を示す図、図24は制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図、図25は6自由度の加々速度センサを取付けた状態を示す斜視図である。
【0171】図17は、加々速度情報を車両の1種である自動車の運動制御に適用した場合の運動制御系の全体構成を示す図であるが、図17に示すように、車両100は、4輪操舵車であって、主としてエンジン101(ミッション系を含む)、各車輪102、各車輪のブレ−キ103、ステアリング104、ステアリング104の舵角センサ105、アクセル106、ブレーキ107、後輪操舵モータ108、ブレーキ油圧制御部109、コントローラ110、横方向加々速度検出装置112と、前後方向加々速度検出装置111とで構成される。横方向加々速度検出装置112と、前後方向加々速度検出装置111は、それぞれ図2から図9、あるいは図11に示すように構成されており、検出方向の加々速度以外に加速度を検出することができる。
【0172】車両100は、通常の運転時には、一般の車両と同様に運転者のステアリング104、あるいはアクセル106、あるいはブレーキ107を操作するのに伴い、4輪が操舵され、エンジンの回転が変化し、ブレーキがかかる等の操作が行われる。そして、車両運動の限界域近辺においては、横方向、前後方向の加々速度情報に基づいてコントローラ110により、後輪操舵モータ108、エンジン101、ブレーキ油圧制御部109を制御することにより、車両の運動性能を向上させることができる。
【0173】限界走行時の車両100の挙動変化が生じた場合に、加々速度情報に基づいて車両制御を行う一例についての説明図である図18に示すように、定常状態で旋回している車両100の旋回中心方向の運動について着目すると、遠心力M・αと路面反力Fとの間で力の釣合いが保たれている。もし、この状態で路面状況の急な変化等により車両100が挙動変化を起こすと、力の釣合いは破綻する。
【0174】従来の車両運動制御においては、この力の釣合いの破綻点(限界域)の検出が不可能であったため、限界域からはるかに低い領域における制御しかなされていなかった。このことは、従来、熟練運転者が運転する競技車両には、ABS(Anti−lock Braking Systemの略)、TCS(Traction Control Systemの略)、4WS(4Wheel Systemの略)等の車両運動制御装置が用いられなかったことからも容易に推察できる。運転者が視覚情報以外に検出・認識できる情報として、加速度、加々速度が挙げられる。このうち、上述したように力の釣合いの破綻が生じたことは、加速度の瞬時変化、即ち加々速度を検出することにより可能である。従って、加速度情報、さらには加々速度情報を用いることにより、さらに高機能の車両運動制御が可能である。
【0175】横方向加々速度情報に基づいて、車両の横滑りを検出する方法を説明している図19に示すように、検出方法の対象として想定している道路は、緩やかな右廻りのコースであるが、このとき図19に示す(a)点で排水路が道路を横断しているとすると、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。このようなコースを車両100で走行した際のステアリング角、ステアリング角速度、車両横加速度、車両横加々速度は図19に示すようになる。車両100の車輪102のタイヤに働くコーナリングフォースは、ステアリング舵角に比例して増加するのが一般的であるから、ステアリング舵角が一定(すなわち、ステアリング角速度がゼロ)のときは、旋回に伴う遠心力とコーナリングフォースは、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。今、排水路(a)点を通過するとき、車両100は一瞬横滑りを起こす。これに伴って、ステアリング舵角一定(ステアリング角速度ゼロ)にもかかわらず、車両100の横方向の加速度が一瞬小さくなり、車両100の横方向の加々速度に左向きの大きなピークが検出されることになる。従って、ステアリング角速度、車両100の横方向の加々速度を検出しておき、ステアリング角の増加分に対する車両100の横方向の加々速度を検出することにより車両100が滑り始める瞬間を検出することができる。
【0176】図20は、車両100の横方向加々速度情報に基づいて後輪102の操舵機構108により修正舵をあてることにより、車両100の著しい挙動変化を防止する例を示しているが、ステアリング角速度と車両100の横方向の加々速度情報をフィードバックしてやり、後輪102c、102dをわずかに前輪操舵方向に転舵してやることにより、過度の挙動変化を防止することができる。
【0177】図21に、車両100のヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制する方法と、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する方法を比較して示す。図21では、図面の下側から上側方向に車両100が進行するにつれて車両100が時計まわりに回転を始めた場合に、上記したそれぞれの方法によって制御された場合の自転運動の抑制について示している。
【0178】車両100のヨ−レイトをコントロ−ラ110に入力し、車両100のヨ−レイトと反対の向きに(この場合をネガティブにともいう)制御力(あるいはトルクともいう)を発生させるように後輪102c、102dをわずかに右方向に転舵してやることにより、反時計回りの制御力を発生させることができ、自転運動を抑制することができる。
【0179】同様に、車両100が時計まわりに回転を始めると、車両100には左向きの横加々速度と加速度が発生する。この車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(右向きに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(左向きに)制御力(トルク)を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより、後輪102c、102dをわずかに右方向に転舵して反時計回りの制御力を発生させることができ、ヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制する方法と同様に自転運動を抑制することができる。
【0180】図22に、車両100のヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制するする制御が働いている状態で公転運動(通常の旋回運動)をした場合の車両100の運動と、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する制御が働いている状態で公転運動(通常の旋回運動)をした場合の車両100の運動を比較して示す。図21では、車両100が右回りのカ−ブに進入進行する場合の、それぞれの制御を行った場合の車両100の運動について示している。
【0181】図21に示した場合と同様に、ヨ−レイト情報に基づいた制御においては、車両100のヨ−レイトをコントロ−ラ110に入力し、車両100のヨ−レイトと反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させるように転舵制御を行っている。今、運転者は右回りのカ−ブに進入しようと、右方向にステアリング104を操舵する。これにより車両100には時計回りのヨ−レイトが発生する。これに対して、制御実行時には反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。運転者がさらにステアリング104の舵角を増加させてカ−ブを曲がろうとしても、時計回りのヨ−レイトが発生した途端に反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。このようにヨ−レイト情報を用いた制御においては、運転者の操作により発生したヨ−レイトも抑制してしまい、運転者からみると舵角に対して回頭運動が追従しない車両となってしまう。このように、ヨ−レイト情報を用いた自転運動の抑制制御では、公転運動(通常の旋回運動)の促進を目指した制御が実現できなく、ヨ−レイト情報を用いた制御と自転運動の抑制制御との両立は不可能である。
【0182】これに対して、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(ポジティブに)制御力(トルク)を発生させるような制御を行った場合について、コ−ナリングの各段階における運転者のステアリング104の操作と、車両100の運動と、それに起因する制御内容について述べる。カ−ブの入口において運転者は、右側にステアリング104を操作する。これにより車両100は旋回を開始し、向心力が回転中心方向に働き車両100に右方向の加々速度と加速度が発生する。この場合には、加速度ゼロからある値の加速度が発生するので、加々速度は、その変化率として大きな値をもつ。従って制御力としては、右側即ちカ−ブの内側に制御力が働き、車両100は俊敏にコ−ナリングを開始する。
【0183】次にコ−ナリング中は、向心力と遠心力が釣り合い安定状態になる。この時、車両100で検出される横方向加速度は安定しており、その変化率である加々速度はゼロに近づく。従って制御力は、左側、即ち車両の過度の時計回りのヨ−イングの発生を押さえる方向に働き、車両100の安定度を向上させることになる。最後にカ−ブの出口において運転者は、右側に切っていたステアリング104を中立位置へと操作する。これにより車両100は旋回を終了し、回転中心方向に働いていた向心力が減少し、車両100の右方向の加速度が減少し、右側に負の、即ち左方向に正の加々速度が発生する。この場合も、ある値の加速度から加速度ゼロに減少するので、加々速度は大きな値をもつ。従って、制御力としては左側即ちカ−ブの外側に制御力が働き、車両100は俊敏にコ−ナリングを終了する。この一連のコ−ナリングは、コ−ナ−の最速脱出法として良く知られているアウト・イン・アウト(すなわち、コ−ナ−外側から進入し、素早くコ−ナ−内側に車両を寄せ、素早くコ−ナ−外側に脱出する方法)が実現していることになる。これにより車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(ポジティブに)制御力(トルク)を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより自転運動の抑制制御と、公転運動(通常の旋回運動)の促進を目指した制御とが両立可能となる。
【0184】尚、横方向の制御力発生法には、4輪操舵の他、ブレ−キ103の前後・左右のバランスを制御したり、タイヤ102による駆動力の前後・左右のバランスを制御しても良い。
【0185】図23に、車両100の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両100の発進・加速時の車輪、特に駆動輪の空転を検出する方法を示す。図23に示すものは、道路が直線コースの場合を想定し、(a)点で排水路が道路を横断している場合を示しているが、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。図23は、このようなコースを車両100で加速走行した際のアクセル開度、アクセル速度、駆動輪速、車両100の前後加速度、車両100の前後加々速度をそれぞれ示している。車両100の車輪102のタイヤに働くトラクションフォースはエンジントルクに比例して増加するのが一般的であるから、アクセル開度がゼロでないときは、エンジン101によってタイヤを駆動したときに生じるトラクションフォースと路面反力は、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路(a)点を通過するとき、駆動輪は空転(ホイルスピンともいう)を始める。この時、アクセル開度が正にもかかわらず、車両100の前後方向の加速度が一瞬小さくなり、車両100の前後加々速度に後ろ向きの大きなピークが検出できる。
【0186】従って、アクセル速度を検出しておき、アクセル開度の変化に対する車両100の前後方向の加々速度を検出することにより、駆動輪が滑り始める瞬間を検出することができる。その結果、コントローラ110により車両100の前後方向の加々速度情報に基づいてエンジン101の出力を減少させて、駆動輪102c、102dの空転を減少させ、車両100の著しい挙動変化を防止することができる。それに対して、従来提案されていた駆動輪の空転防止装置では、従動輪の回転数に対して駆動輪の回転数が増加すると空転を開始したと判断していたため、駆動輪空転の検出が遅くなってしまい、また、車輪100の慣性モーメントのため、1度空転を開始するとなかなか空転が停止せず、駆動輪にブレーキをかける必要があったり、車両100の著しい挙動変化を防止するという目的を達成するのは困難であった。
【0187】このように本実施例では、車両100の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪102c、102dが空転を始める瞬間、あるいは最大摩擦力を越えた瞬間を検出できるため、駆動輪102c、102dの空転が始まる前にエンジン101のトルクをコントロ−ラ110により低減させることができ、駆動輪102c、102dにブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪102c、102dの空転を減少させ、車両100挙動変化を防止することを効果的に行うことが可能となる。
【0188】また、図24に示すように、車両100の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両100の減速時の車輪ロックを検出することもできる。図24では、直線コースの道路を想定し、(a)点で排水路が道路を横断しており、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる場合を示している。また、図24には、このようなコースを車両100で減速走行した際のブレーキ油圧、ブレーキ油圧の変動、車輪102の回転速度、車両100の前後方向の加速度、車両100の前後方法の加々速度をそれぞれ示している。車両100の車輪102のタイヤに働く減速力はブレーキトルクに比例して増加するのが一般的であるから、ブレーキ油圧がゼロでないときは、ブレーキ107によるタイヤ制動により生じる減速力と路面反力は、路面状況が変化しない限り、釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路(a)点を通過するとき、駆動輪はロック(このとき車輪102の回転速度はゼロである)を始める。この時、ブレーキ油圧がゼロでないにもかかわらず、車両100の減速度が一瞬小さくなり、車両100の前後方向の加々速度に前方向の大きなピークが検出できる。
【0189】従って、ブレーキ油圧変動を検出しておき、ブレーキ油圧の変化に対する、車両100の前後方向の加々速度を検出することにより車輪102がロックし始める瞬間を検出することができる。従ってコントローラ110により車両100の前後方向の加々速度情報に基づいてブレーキ油圧制御部109を制御し、ブレーキ油圧を減少させ、車輪のロックを減少させ、車両挙動変化の防止を行うことができる。従来のABSにみられる車輪のロック防止装置では、従動輪の回転速度により推定される推定車体速度に対して車輪の回転数が極端に減少すると、車輪ロックしたと判断していたため、車輪ロックの検出が遅くなってしまったり、推定車体速度の精度不足のため高精度の制御が行えず、タイヤの性能を十分に使いきっているとは言えなかった。これに対して、本実施例では車両100の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪102がロックを始める瞬間、あるいは、最大摩擦力を越える瞬間を検出できるため、車輪102のロックが始まる前にブレーキ油圧を低減させるため、制動時の車輪102のロックを減少させて、車両100の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【0190】以上、3つの例を用いて車両100の前後方向、左右方向の加々速度情報を用いた各種制御について述べたが、車両100には、前後方向、左右方向、上下方向の3つの並進運動とローリング、ヨーイング、ピッチングの3つの回転運動の6自由度の運動が考えられるため、図25に示すように、加々速度検出装置を6自由度の運動が検出できるように6個配置し、それぞれの検出手段の出力値を用いてそれぞれの自由度の加々速度情報を検出しても良い。
【0191】このように、加々速度情報を用いた車両100の運動制御を行った場合、車両100に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となる。また同時に、運転操作情報と照らし合わせることにより、運転者が意図しない、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0192】なお、上述した3つの例では、加々速度情報と運転操作情報のみを用いた車両運動制御について言及したが、従来の車両運動制御で用いていた車輪速情報等の各種情報に加え、加々速度情報を用いてさらに高機能・高精度の制御が可能であることは言うまでもない。
【0193】本発明の第3の実施例を図26から図30により説明する。図26は車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図、図27はエンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図、図28はエンジン失火検出を示す図、図29は正常燃焼時のエンジン振動を示す図、図30は失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【0194】図26に示すように、本実施例の車両300は、可変サスペンション機構301a、301bをもつ車両であり、その他の構成は図17に示すものと同様である。車両300には、複数個の加々速度検出装置(図26では、302a、302bの2個のみを取付けた場合を示しているが、これに限られるものではなく、又、場合によっては1個でもよい。)が取付けられ、i番目の加々速度検出装置の加速度出力をGi、加々速度出力をJiとし、数式27のように乗り心地評価関数Ψsを定義する。
【0195】
【数式27】
【0196】ただし、di、eiは、それぞれi番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0197】乗り心地評価関数Ψsを最も小さくするようにサスペンション機構301a、301bを制御することにより、車両300の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。また、評価関数Ψsは、数式27に限定されるものではなく、運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【0198】ここで、コントロ−ラ303は、サスペンション機構301a、301bを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ303単体として車両300の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0199】また、図26に示すような構成に加え、車体300の前後方向、横方向の加々速度検出装置を設け、これら車体300の前後方向、横方向の加々速度に従ってコントロ−ラ303によりサスペンション機構301a、301bを制御することにより車両運動性能の向上に役立てることもできる。
【0200】図27は、加々速度情報を用いて、エンジン振動に起因する車体振動をより効果的に低減させる実施例の全体構成を示す図である。この場合、車両は、可変エンジンマウント機構402a、402bをもつ車両である。今、エンジン401及び車体には、複数個の加々速度検出装置(図27では、403a、404a、404bの3個のみが取付けられた場合を示しているが、これに限られるものではなく、場合によっては1個でもよい。)が取付けられ、i番目の加々速度検出装置の加速度出力をGi、加々速度出力をJiとし、数式27と同様に乗り心地評価関数Ψmを数式28のように定義する。
【0201】
【数式28】
【0202】ただし、dj、ejは、それぞれj番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0203】乗り心地評価関数Ψmを最も小さくするように可変エンジンマウント機構402a、402bを制御することにより、車両の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。
【0204】また、評価関数は、数式28に限定されるものではなく、エンジン振動が密接な関係がある燃焼周波数に相当するエンジン回転情報等を付加し、さらに運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。さらに図27では加々速度検出装置は、エンジン、ステアリング、シ−トの振動を検出できるように設置したがこれに限定されるものではない。
【0205】ここで、コントロ−ラ407は、可変エンジンマウント機構402a、402bを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ407単体として車両の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0206】図28は、加々速度情報をエンジン失火検出に適用した実施例を示す図である。エンジン401は間欠的に燃焼しているため、燃焼に同期したトルク変動が発生する。このトルク変動の反作用がエンジン振動を引き起こし、この振動がエンジンマウント402を介して車体に伝達され車両全体の振動を引き起こす。ここで、エンジン401の振動に着目すると、エンジン401は燃焼周波数に同期したトルク変動により強制加振されており、燃焼周波数で振動している。したがって、この振動を検出することによりエンジンの燃焼状態が検出できる。
【0207】正常燃焼時のエンジン401のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図29と失火発生時のエンジン401のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図30との比較から分かるように、失火が発生すると、図30に示されるように、エンジン401のロール方向の加速度に変化がみられ、エンジン401のロール方向の加々速度には、大きなピークが観察される。失火検出装置503は、これら複数の信号を検出し、適当なフィルタリング演算を行うことにより、エンジン失火の検出が可能である。
【0208】また、エンジン401のロ−ル方向の加速度、加々速度情報のみではなく、エンジンの他の自由度の加速度、加々速度情報や、車体振動、あるいはエンジン回転情報等を付加し、さらに高精度の失火検出を行うようにしても良い。
【0209】また、失火検出装置503に、可変エンジンマウント機構等を制御する機能をもたせ、エンジン401の失火に起因する乗り心地の悪化を低減するような乗り心地制御システムとしても良い。
【0210】本発明の第4の実施例を図31、図32により説明する。図31は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの概念図、図32は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの全体構成を示す図である。
【0211】図31、図32に示すように、エレベ−タかご201は、ワイヤ206でつり下げられ、コントロ−ラ204によりモ−タ203が制御されワイヤ205を巻き上げ、巻き下げて運転される。205は重りで、エレベ−タかご201の重さと、ほぼ釣り合うようになっており、モ−タ203の負荷を軽減する働きがある。モ−タ203には、コントロ−ラ204より制御指令が入力され、コントロ−ラ204には、モ−タ203の回転情報が入力される。モ−タ203の回転情報としては、モ−タ回転角度、モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等があるが、これらの情報は、モ−タ203に付随しているエンコ−ダ(図示せず)の出力パルスを検出し、各種演算を行うことにより可能である。
【0212】従来のエレベ−タでは、モ−タの回転情報よりエレベ−タかごの運動を推定し、各種乗り心地制御を行っていたが、モ−タとエレベ−タかごを結ぶワイヤが弾性体であり、ワイヤが伸び縮みするため、モ−タの回転情報がエレベ−タかごの運動を反映したものとは言えず、十分な性能を発揮できなかった。
【0213】本実施例においては、エレベ−タかご201に、複数の加々速度検出装置(図31では、202x、202yの2個を示している。)が搭載されており、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかご201の加々速度情報を直接検出できるようになっている。これらの加々速度情報は、コントロ−ラ204に入力されモ−タ203の制御指令に用いられる。これらの複数個の加々速度検出装置のうち、k番目の加々速度検出装置の加速度出力をGk、加々速度出力をJkとし、モ−タの回転速度をVとしたとき、数式29のように乗り心地評価関数Ψeを定義する。
【0214】
【数29】
【0215】ただし、aは、エレベ−タ巻き上げ巻き下げ速度に対する重み付け定数、bk、ckは、それぞれi番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、搭乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0216】乗り心地評価関数Ψeを最も小さくするようにモ−タ203のを制御することにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。また、評価関数は、数式29に限定されるものではなく、搭乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【0217】ここで、コントロ−ラ204は、モ−タ203を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ204単体としてエレベ−タかご201の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、エレベ−タの乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。また、環境的な問題より加々速度情報の検出が困難な場合は、モ−タ回転情報(モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等)を数式29にあてはめる方法でもよい。
【0218】本発明の第5の実施例を図33から図35により説明する。図33は、加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図34は、ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図35は、加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【0219】図33に示すように、本実施例の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タ541、542を中心にして自由に転向できる前後2組の台車551、552の上に長い車体501をかけ渡した様式になっている。台車551、552は、車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タ543、544、545、546、547、548、549、550を介して車輪521、522、523、524により支持されている。車体501には、複数の加々速度検出装置(図33では531、532、533のことをいう。)が具備され、車体501の上下方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ506は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体501に配置される複数の加々速度検出装置(図33では531、532、533のことをいう。)からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ506は、これらの情報に基づいて車両の走行に際して軌道に多少の不整があっても、乗り心地が低下しないように枕バネアクチュエ−タ541、542、軸バネアクチュエ−タ543、544、545、546、547、548、549、550を制御する。
【0220】加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の鉄道車両より振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。
【0221】また、図34に示す鉄道車両は、図33に示す鉄道車両と同様な構成であるが、より乗り心地のよい制御を可能とするために車体501、台車555、軸受け551、552の加々速度を検出するように構成したものである。車体501、台車555、軸受け551、552には、複数の加々速度検出装置(図34では、それぞれ531、534、535、536のことをいう)が設置されている。通常、車体、台車、軸受けは、それぞれ異なる共振点を持っており、これらの振動を加々速度検出装置で検出し、コントロ−ラ506側にフィ−ドバックすることにより、より乗り心地の良い制御が達成される。
【0222】ここで、コントロ−ラ506は、各アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ506単体として鉄道車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、鉄道車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0223】図35に示す鉄道車両は、特に始動、制動時を考慮して加々速度情報を用いることにより鉄道車両の動力を制御した場合の構成を示している。図35に示すように、動輪521、522は、コントロ−ラ506により制御されるモ−タ503により駆動され、制動輪523、524は、コントロ−ラ506により制御されるブレ−キ504により制動される。
【0224】車体501には、複数の加々速度検出装置(図35では505のみを図示している。)が具備され、車体501の進行方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ506は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【0225】図36では、鉄道車両501の運転状態として、車輪521、522、523、524がレ−ル面上を転がろうとする状態を示している。車輪とレ−ルとの間の粘着係数をμ、軸重をWで表すと、この車輪とレ−ルの摩擦力により出すことのできる引張力の最大値Fは、数式30のようになる。
【0226】
【数30】
【0227】したがって、引張力の最大値以上の引張力を得ようとして回転力を大きくしても動輪が空転するだけである。今、動輪の回転力をゼロから徐々に増加させると車体の加速度は増加していく。しかし、上記のように動輪が空転を開始すると一気に加速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、モ−タ503を制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【0228】制動についても同様なことが言える。引張力の最大値Fを越えるような制動力を得ようとして制動トルクを大きくしても制動輪がスリップするだけである。今、制動輪の制動トルクをゼロから徐々に増加させると、車体の減速度は増加していく。しかし、上記のように制動輪がスリップ(ロックともいう)を開始すると一気に減速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【0229】また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができるのは、自動車と同様である。上述の実施例では、駆動輪、制動輪を別に考えているが、同一車輪が駆動輪、制動輪を兼ねている場合にも適用できる。
【0230】本発明の第6の実施例を図37により説明する。図37は、加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【0231】図37に示すように、磁気浮上車両は、車体601は浮上用地上コイル673、674と超電動磁石633、634の磁気的な同極反発力により浮上している。そして、地上の推進案内用コイル671、672に電流を流し、車上の超電動磁石631、632と引き合う力が生じるのでその力を利用して前進する。
【0232】車体601には、複数の加々速度検出装置(図37では621、622、623、624、625のことをいう)が具備され、車体601の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。コントロ−ラ604は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体601に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ604は、これらの情報にもとづいて超電動磁石633、634の磁力を制御すると同時に、この情報をアンテナ605より地上側コントロ−ラ606に向けて発信する。地上側コントロ−ラ6ではこれらの情報に基づいて推進案内用地上コイル671、672、浮上用地上コイル673、674に流入する電流を制御し、磁力を制御することにより車体の浮上姿勢、位置、速度、加速度を正確に制御することができる。
【0233】また、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、より振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【0234】ここで、コントロ−ラ606は、各磁力発生手段を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ606単体として磁気浮上車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、磁気浮上車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0235】本発明の第6の実施例を図38により説明する。図38は、加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【0236】図38に示すように、地震シミュレ−タは、あらかじめコントロ−ラ703に入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力を忠実に再現するように、振動台700の動きを制御するものである。振動台700は、コントロ−ラ703により駆動される油圧アクチュエ−タ741、742によってX軸方向の動きを、油圧アクチュエ−タ743、744によってy軸方向の動きを制御される。油圧アクチュエ−タ743、744内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ703に入力される。振動台700上の加々速度検出装置(図38では、701、702のことをいう)からは、振動台700のx軸、y軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器761、762、763、764によりそれぞれ、振動台700のx軸、y軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラ703に入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することにより位置情報を得るようにしてもよい。これら各自由度に対して4種類の信号は、コントロ−ラ703にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ703にあらかじめ入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力と比較され、振動台は、目標値どおりに駆動(加振ともいう)される。
【0237】このようなシステム構成により、従来のシミュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。また、この実施例では2次元の地震シミュレ−タについて述べているが、1次元、3次元の地震シミュレ−タでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【0238】ここで、コントロ−ラ703は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ703単体として振動台の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、地震シミュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0239】また、人間が搭乗したかごを車両、あるいは飛行物体の運動を模して外部アクチュエ−タを用いて動揺させることにより、かご内の人間の運転訓練を行ったり、アミュ−ズメントを与える運動シミュレ−タにおいても、従来の情報に加え、このかごの加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた運動シミュレ−タを実現することができる。
【0240】本発明の第7の実施例を図39により説明する。図39は、加々速度情報を用いたXYステ−ジの構成を示す図である。
【0241】本実施例のXYステ−ジは、図39に示すように、あらかじめコントロ−ラ803に入力されている位置入力に忠実に追従するように、ステ−ジ800の動きを制御するものである。ステ−ジ800は、コントロ−ラ3により駆動されるリニアアクチュエ−タ841、842によってX軸方向の動きを、リニアアクチュエ−タ843、844によってy軸方向の動きを制御される。リニアアクチュエ−タ内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ803に入力される。ステ−ジ800上の複数の加々速度検出装置(図39では、801、802のことをいう)からは、ステ−ジ800のx軸、y軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器861、862、863、864により、それぞれステ−ジのx軸、y軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラに入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することによりステ−ジ800の位置情報を得るようにしてもよい。また、コントロ−ラ内部でこれらの積分動作を行ってもよい。これら各自由度に対して4種類の信号は、コントロ−ラ803にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ803にあらかじめ入力されている位置入力と比較され、ステ−ジ800は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のXYステ−ジに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性ともいう)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる。
【0242】また、本実施例では、2次元のXYステ−ジについて述べているが、1次元のリニアステ−ジ、3次元のステ−ジでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性(即応性)、安定性に優れたステ−ジを実現することができる。ここで、コントロ−ラ803は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ803単体としてステ−ジの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、XY−ステ−ジの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0243】本発明の第8の実施例を図40により説明する。図40は、加々速度情報を用いた制振装置つきビルの構成を示す図である。
【0244】図38に示すように、ビルの適当なフロア−には、油圧アクチュエ−タ903とアクティブマス904が具備されている。油圧アクチュエ−タ903はビルに固定されており、アクティブマスはビルに対して相対的に可動可能に設置されている。コントロ−ラ902は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、各フロアに複数個(図40では、911、912、913、914の4個設置した場合を示している。)配置される加々速度検出装置からの情報より従来と同様な加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ902は、これらの情報にもとづいてビル全体の振動が小さくなるように油圧アクチュエ−タ903の油圧を制御する。加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。また、アクティブマス904の加々速度情報を検出するような加々速度検出装置(図示せず)を用いて正確にアクティブマス904の運動を制御することにより、さらに振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【0245】ここで、コントロ−ラ902は、油圧アクチュエ−タ903を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ902単体としてビルの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、制振装置つきビルの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0246】本発明の第9の実施例を図41により説明する。図41は、加々速度情報を用いたロボットア−ムのマニピュレ−タの構成を示す図である。
【0247】図41に示すように、マニピュレ−タ1001は、あらかじめコントロ−ラ1003に入力されている位置入力に忠実に追従するように、マニピュレ−タ1001の動きを制御するものである。マニピュレ−タ1001は、コントロ−ラ1003により駆動される関節駆動用DDモ−タ(Direct Drive モ−タの略)1041、1042、1043により動きを制御される。各々のDDモ−タ内にはエンコ−ダ(図示せず)が具備され、回転角度位置情報がコントロ−ラ1003に入力される。マニピュレ−タ手先1011に具備された複数の加々速度検出装置(図41では、1021、1022、1023のことをいう)からは、マニピュレ−タ手先1011の座標系におけるx'軸、y'軸、z'軸方向の加々速度が検出される。コントロ−ラ1003は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【0248】これら4種類の信号は、コントロ−ラ1003にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ1003にあらかじめ入力されている位置、速度、加速度入力と比較され、マニピュレ−タ1001は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のマニピュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タを実現することができる。なお、図41では、マニピュレ−タ手先1011に具備された加々速度検出装置は、1021、1022、1023の3つの場合を示しているが、図25に車両の6自由度の加々速度情報の検出方法として示したものと同様に、マニピュレ−タ手先1011の6自由度の運動を検出してさらに高精度の制御を行ってもよい。
【0249】ここで、コントロ−ラ1003は、各モ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ1003単体としてマニピュレ−タ手先の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、マニピュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0250】本発明の第10の実施例を図42、図43により説明する。図42、図43は、それぞれ加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【0251】図42、図43に示すように、機体1101には、複数の加々速度検出装置(図42、図43では1121、1122、1123のことをいう)が具備され、機体の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。また、主翼1142にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置1124、1125が具備されている。コントロ−ラ1103は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、機体に配置される各加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。加々速度情報を用いることにより、機体に加わる微妙な力の変化を加速度の微妙な変化として検出できる。コントロ−ラ1103は、これらの情報にもとづいて水平カナ−ド1141、フラッペロン1142、垂直カナ−ド1143、水平スタビライザ1144、垂直スタビライザ1145、さらには、エンジン(図示せず)の出力を制御する。これにより、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCV(Control Configured Vehicleの略)をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御(direct force controlともいう)、首振り制御(airplane pointing controlともいう)、遷移制御(airplane translation controlともいう)等が可能となる。
【0252】また、主翼1142にも主翼1142の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置が具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【0253】本発明の第11の実施例を図44、図45により説明する。図44は、角加々速度センサの全体構成を示す図、角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【0254】図44、図45に示されるように本実施例の角加々速度センサは、回転振子1201と、回転振子1201に固定されたコイル1202と、可動電極1204と、ケーシング1200と、ケーシング1200に固定されたマグネット1203と、固定電極1205と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器1206とサーボアンプ1207と、読みとり抵抗1208で構成されている。角加々速度情報は、図44に示すように、コイル1202の端子電圧として取り出す。
【0255】振子1201は、図44、図45の紙面に垂直な軸回りに回転できる(この方向を以下では、センサ感度方向という。)。また、振子1201の両側に配置された可動電極1204と、ケーシング1200に固定されている固定電極1205とは、2組の平板コンデンサを形成している。可動電極1204と固定電極1205とで形成されている2組のコンデンサの静電容量の差ΔCを振子変位検出器1206で検出することにより振子1201の変位が検出できる。
【0256】また、振子1201には、コイル1202が配置されており、このコイル1202に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング1200に固定されたマグネット1203による磁界によりトルクを受ける。したがって、サーボアンプ7により振子変位検出器1206で検出し、ΔC=0、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル1202に流れる電流をフィードバック制御することにより、慣性力によるモ−メントにかかわらず振子1201の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【0257】ここで、本発明の角加々速度センサが、ある回転運動をしている物体に固定されている場合を考える。図45に示すように、時刻tにおいて反時計回りにセンサ全体に角加速度β(t)が作用したとすれば、慣性質量Iの回転振子1201には数式31で表される慣性力によるモ−メントが右向きに働く。
【0258】
【数31】
【0259】回転振子1201について運動方程式を考えると数式32のようになる。
【0260】
【数32】
【0261】ここで、Jは回転振子1の慣性質量、θ(t)は時刻tにおける回転振子1201の釣合位置からの変位角、W(t)は回転振子1201に働く慣性力によるモ−メント、w(t)は位置フィードバックによる制御力である。制御力w(t)は、コイル1203に流れる電流I(t)に比例するので数式33、数式34が成り立つ。
【0262】
【数33】
【0263】
【数34】
【0264】ここで、φは電磁鎖交係数、rはコイル1203の半径、Bはマグネット1203の磁束密度、Nはコイル1202の巻き数で与えられる。
【0265】時々刻々変動するW(t)に対して、回転振子1が釣合位置にあるように制御力w(t)が追従すれば、数式32の左辺はゼロとなり、結局数式35が成立する。
【0266】
【数35】
【0267】したがって、センサ全体に働く角加速度は、数式36のようになり、コイル1203を流れる電流より検出できる。
【0268】
【数36】
【0269】ここで、センサ全体に働く角加々速度をγ(t)とすると、数式37となる。
【0270】
【数37】
【0271】いま、図のようにコイル3に流れる電流について回路方程式をたてると、数式38となる。
【0272】
【数38】
【0273】ここで、Lはコイルのインダクタンスである。従ってセンサ全体に働く角加々速度γ(t)は数式39となり、コイル1203の両端の端子電圧を検出することにより測定することができる。
【0274】
【数39】
【0275】本実施例においては、回転振子にコイルが具備され、ケ−シングに磁石が具備されている例について言及しているが、回転振子に磁石が具備され、ケ−シングにコイルが具備され、あるいは、磁石が永久磁石であっても電磁石であっても、変わらず角加々速度を検出できる。
【0276】尚、角加々速度情報は、加々速度情報と同様に、一般の角速度センサに2階のアナログ微分手段(フィルタ)を付加する、あるいは、A/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。また、角加速度センサに1階のアナログ微分手段(フィルタ)を付加する、あるいは、A/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。
【0277】従って、ハ−ド構成とコントロ−ラの演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。また、本発明の他の実施例の中で示した加々速度情報を用いた各種制御に加え、角加々速度情報を用いることにより、さらに高精度の運動制御、運動制御装置が実現されたり、高性能な評価試験装置が実現される。
【0278】以上、本発明の各実施例について、加々速度の検出方法、加々速度を用いた一般的な運動モデルに対する運動制御の優位性、加々速度情報を用いた車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機の運動制御及び運動評価装置、そして、角加々速度センサについて述べてきた。上述したように、従来用いられていなかった物体の運動を記述する新たなる物理量である加々速度あるいは角加々速度が検出可能となり、従来の運動制御で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動制御に用いることにより従来の運動制御に対し、さらに高精度の運動制御が実現される。また、従来の運動評価で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動評価に用いることにより、従来の運動評価試験装置に対し、さらに、高性能な運動評価試験装置が実現される。
【0279】
【発明の効果】本発明によれば、加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる効果がある。
【0280】加々速度情報を用いて制御しているので、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCVをさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御、首振り制御、遷移制御等が可能となる効果がある。
【0281】また、主翼にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度センサが具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる効果がある。
【0282】加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車両の運動を制御しているので、車両に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となると同時に、運転者が意図しない不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0283】また、車両が横方向に滑り始める瞬間を検出すると同時に、舵角装置を制御することができるので挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0284】また、原動機と、原動機出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、原動機を制御するコントローラを備え、該原動機出力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより原動機を制御しているので原動機により駆動される車輪が空転を始め、進行方向の加速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の加速度が減少した瞬間を検出できるため、駆動輪にブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪の空転を減少させ、車両の挙動変化を効果的に防止することが可能となる効果がある。
【0285】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、車輪制動力を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車輪制動装置を制御しているので車輪がロックし始め、進行方向の減速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の減速度が減少した瞬間を検出できるため、車輪のロックが始まる前に車輪制動力を低減させるため、制動時の車輪のロックを減少させ、車両の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる効果がある。
【0286】また、加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報に基づいて該コントローラにより車両の運動を制御しているので、加々速度情報の他に、加速度情報に基づいた制御が行えるので、より高度な制御ができる効果がある。
【0287】また、懸架装置と、懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記懸架装置を制御するので乗り心地の最適化がはかれる効果がある。
【0288】また、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記エンジン懸架装置を制御するので、乗り心地の最適化がはかれる効果がある。
【0289】また、エレベ−タにおいては、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかごの加々速度情報を直接検出し、コントロ−ラに入力されモ−タの制御指令に用いることにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる効果がある。
【0290】また、磁気浮上車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる効果がある。また、車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる効果がある。
【0291】また、エンジンと、少なくともエンジンロール方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサとエンジンコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該エンジンコントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいてエンジンの失火を検出するので高精度の失火検出が可能となる効果がある。
【0292】又、ビル制振システムにおいては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、油圧アクチュエ−タの制御を正確にでき、より振動低減効果の大きいビル制振システムを実現できる効果がある。
【0293】鉄道車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる効果がある。また、進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる効果がある。また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができる効果がある。
【0294】また、精密な位置決めを要するステ−ジ(例えばXY−ステ−ジ)においても、加々速度情報を用いることにより加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる効果がある。
【0295】また、運動シミュレ−タの一例として、地震シミュレ−タにおいても加々速度情報を用いることにより、加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる効果がある。
【0296】また、ビル制振システムにおいても、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる効果がある。
【0297】また、加々速度情報を用いることにより、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タ(ロボットア−ム)を実現することができる効果がある。
【0298】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数、評価関数、乗り心地評価関数、運動を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能、制御対象物体の運動、乗り心地、運動、振動を評価しているので、制御対象物の性能、運動、乗り心地、振動を分析できる効果がある。
【0299】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価するので、運動シミュレ−タの評価を行うことができる効果がある。
【0300】コンロ−ラにより物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、物体の運動を制御しているので、加々速度情報を加えて制御することができ、制御効果が一段と向上できる効果がある。
【0301】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出器を設け、この変位検出器は、可動部材変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値(加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる効果がある。
【0302】また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる効果がある。
【0303】また、センサ内に、発生する角加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの角変位を検出する角変位検出器を設け、この角変位検出器は、可動部材角変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる角加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従って、この電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる角加速度の微分値(角加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる効果がある。また、この時の電流値を検出すれば、角加速度も同時に検出できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】加々速度情報を用いた運動制御システムの全体構成を示す図である。
【図2】加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図3】加速度が作用したときの振子の釣り合いを示す図である。
【図4】コイルの回路方程式の説明図である。
【図5】内部抵抗Rを有する場合のコイルの回路方程式の説明図である。
【図6】信号処理部分の回路構成図である。
【図7】他の加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図8】アナログ微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図9】デジタル微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図10】で検出された加速度・加々速度と、加速度の微分回路出力を示した図である。
【図11】加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図12】加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図13】加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【図14】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(位置制御の場合)である。
【図15】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(速度制御の場合)である。
【図16】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(加速度制御の場合)である。
【図17】車両の運動制御系の全体構成を示す図である。
【図18】加々速度情報の説明図である。
【図19】横滑り検出の説明図である。
【図20】横加々速度情報を用いた横滑り抑制の説明図である。
【図21】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の自転運動抑制方法の比較を示す図である。
【図22】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の公転運動の比較を示す図である。
【図23】発進あるいは加速時の車輪空転を検出する方法を示す図である。
【図24】制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図である。
【図25】6自由度の加々速度情報検出手段の取付状態を示す斜視図である。
【図26】車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図である。
【図27】エンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図である。
【図28】エンジン失火検出の全体構成を示す図である。
【図29】正常燃焼時のエンジン振動を示す図である。
【図30】失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【図31】エレベ−タ乗り心地制御を行う場合の概念を示す図である。
【図32】エレベ−タ乗り心地制御の全体構成を示す図である。
【図33】加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図34】ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図35】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図36】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図37】加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【図38】加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【図39】加々速度情報を用いたX−Yステ−ジの構成を示す図である。
【図40】加々速度情報を用いた制振装置付きビルの構成を示す図である。
【図41】加々速度情報を用いたロボットア−ムの構成を示す斜視図である。
【図42】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図43】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図44】角加々速度センサの構成を示す図である。
【図45】角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【符号の説明】
50…物体、51…加々速度検出装置、52、303、407、204、506、604…コントロ−ラ、53…アクチュエ−タ、1…振子、2…磁石、3…コイル、40…振子変位検出器、41…可動電極、42…固定電極、5、1207…サ−ボアンプ、6、1208…読み取り抵抗、13…つぎ手、521、522、523…入力ポ−ト、524…加々速度情報用A/Dコンバ−タ、525…加速度情報用A/Dコンバ−タ、526…加速度/加々速度用A/Dコンバ−タ、527…デジタル微分演算、54…仮想固定ベ−ス、55…仮想バネ要素、56…仮想ダンパ−要素、100、300…車両、101…エンジン系、102…車輪、103…車輪ブレ−キ、104、406…ステアリング、ステアリング舵角センサ、106…アクセル、107…ブレ−キ、108…後輪操舵用アクチュエ−タ、111…横方向加々速度検出装置、112…前後方向加々速度検出装置、111a、111b…前後方向、ヨ−加々速度検出装置、112a、112b…横方向、ロ−ル加々速度検出装置、111a、111b…上下方向、ピッチ加々速度検出装置、301a、301b…可変サスペンション機構、302a、302b…車体加々速度検出装置、401…エンジン本体、402a、402b…可変エンジンマウント、403、403a…エンジン加々速度検出装置、404a、404b…車体側加々速度検出装置、405…座席、503…失火検出装置、201…かご、202x、202y…エレベ−タかご加々速度検出装置、203…モ−タ、205…重り、206…ロ−プ、501…鉄道車両車体、521、522、523、524…鉄道車両車輪、531、532、533…鉄道車両加々速度検出装置、541、542…枕バネアクチュエ−タ、543、544、545、546、547、548、549、550…軸バネアクチュエ−タ、551、552、553、554…軸受、555、556…台車、、534…台車加々速度検出装置、535、536…軸受加々速度検出装置、521、522…動輪、523、524…制動輪、503…モ−タ、504…ブレ−キ、505…鉄道車両前後方向加々速度検出装置、601…磁気浮上車両車体、621、622、623、624…磁気浮上車両加々速度検出装置、631、632、633、634…超電動磁石、605…送信用アンテナ、606…地上側コントロ−ラ、671、672…推進案内用地上コイル、673、674…浮上用地上コイル、700…振動台701…振動台のy軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、702…振動台のx軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、703…振動台コントロ−ラ、741、742、743、744…油圧アクチュエ−タ、705…固定フレ−ム、761、762、763、764…積分器、800…ステ−ジ、801…ステ−ジy軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、802…ステ−ジのx軸方向加々速度検出用加々速度検出装置、803…振動台コントロ−ラ、841、842、843、844…リニアアクチュエ−タ、845…固定フレ−ム、861、862、863、864…積分器、900…ビル、911、912、913、914…ビル加々速度検出装置、902…ビル制振コントロ−ラ、903…油圧アクチュエ−タ、904…アクティブマス、1001…マニピュレ−タ、1011…マニピュレ−タ手先、1021、1022、1023…手先加々速度検出装置、1003…ア−ムコントロ−ラ、1041、1042、1043…関節駆動用DDモ−タ、1121、1122、1123、1124、1125…航空機機体加々速度検出装置、1103…航空機コントロ−ラ、1141…水平カナ−ド、1142…フラッペロン、1143…垂直カナ−ド、1144…水平スタビライザ、1145…垂直スタビライザ、1200…ケ−シング、1201…回転振子、1202…コイル、1203…マグネット、1204…可動電極、1205…固定電極、1206…振り子変位角検出装置。
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、運動体の加速度の微分値即ち、加々速度情報を用いて物体の運動を制御する運動制御システム、車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機及び、コントローラ、そしてこれらのシステムの運動を評価する運動評価装置および加々速度を検出するセンサの構造、角加速度を検出するセンサおよび運動物体の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】物体の運動を記述する物理量として、通常、位置、速度(あるいは角速度)、加速度(あるいは角加速度)の諸量を挙げることができる。そして各々の物理量に対し、それを検出するセンサが考案され、実用されている。ところで人間は、位置と速度については、視覚により知的に検出するのみであり、体感として感覚的に検出できるのは、加速度、及びそれより高次の物理量である。例えば、自動車、鉄道車両あるいは、エレベ−タ等の移動体に搭乗している際には、加速あるいは、減速したときにその状態変化を体感的に意識することができる。
【0003】ここで「自動車用加速度センサの開発(日産技報第23号、昭62−12)」などの文献によれば、人間は加速度よりさらにその微分値である加々速度に敏感に反応することが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この事実は、人間が感じる快、不快の感覚に加々速度が深く関与しているのを示すものである。従って自動車や鉄道車両、エレベータといった運動を伴う乗り物をより快適に制御していくためには、この加速度のみならず、その微分値である加々速度の情報を検出し、その情報を用いて制御することが必要となる。
【0005】また、人間が自分自身の運動を制御している際に、これらの加々速度情報を利用していると考えるのが自然であり、これを物体の各種運動制御に置き換えてみると、物体の高精度の運動制御を達成するためには、その物体の加々速度情報を用いた制御が必要となる。
【0006】また、自動車運転時を想定してみると、路面状況の急変により不意の車両の挙動変化発生時には運転者は、これを加速度の変化、即ち加々速度として感じることができ、熟練運転者であれば、運転操作により車両の挙動変化を低減したりすることが可能である。このことは、一般の運転者が運転した場合にも熟練運転者並の運転が可能である車両を実現するためには、車両の加々速度情報を検出し、その情報を用いて車両運動を制御することが必要となる。
【0007】また、以上の各種、加々速度情報を用いた制御に加え、従来の位置、速度、加速度情報による制御を併用する制御でも、現在よりも飛躍的な制御効果の向上を図ることができる。
【0008】ところで、加々速度情報は、種々実用化されている加速度センサの出力を微分フィルタ回路回路を通過させることにより得ることができる。しかも、上述のような理由で必要となる、加速度、加々速度の同時検出も可能である。
【0009】しかし、高周波域の加々速度を得ようとする場合には、ノイズ、位相の遅れが問題となってしまう場合もある。従って、低周波域の加々速度情報が必要なときは、加速度センサと微分回路を用い、高周波、あるいは、高精度の加々速度情報が必要なときは、他の検出方法が必要となる。また、加々速度のみではなく、加速度も同時に検出できることが望ましい。
【0010】本発明の第1の目的は、運動性能を向上させ、高機能の運動制御性を有する運動制御システム、車両等を提供することにある。
【0011】本発明の第2の目的は、過度の挙動変化を防止できる車両を提供することにある。
【0012】本発明の第3の目的は、乗り心地のよい車両、エレベ−タ等を提供することにある。
【0013】本発明の第4の目的は、振動低減効果の大きい車両、磁気浮上列車、ビル制振システムを提供することにある。
【0014】本発明の第5の目的は、脱線しにくい鉄道車両振動台を提供することにある。
【0015】本発明の第6の目的は、振動加速度等を忠実に再現でき、応答性のよい振動台、地震シミュレ−タを提供することにある。
【0016】本発明の第7の目的は、位置決め精度のよいステ−ジ、ロボットア−ムを提供することにある。
【0017】本発明の第8の目的は、運動制御性を評価できる装置を提供することにある。
【0018】本発明の第9の目的は、少なくとも加々速度情報を用いて、高精度の運動制御を達成するコントロ−ラを提供することにある。
【0019】本発明の第10の目的は、加々速度を直接検出できるセンサを提供することである。
【0020】本発明の第11の目的は、少なくとも加速度と加々速度を同時に検出できるセンサを提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成するために本発明の運動制御システムは、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該コントローラにより前記物体の運動を制御することを特徴とするものである。
【0022】又、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の位置制御を行うことを特徴とするものである。
【0023】又、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の速度制御を行うことを特徴とするものである。
【0024】また、少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の加速度制御を行うことを特徴とするものである。
【0025】又、本発明の運動物体は、少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とするものである。
【0026】又、少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加速度と加々速度を検出するための検出手段と、該検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とするものである。
【0027】また、前記加々速度検出手段が加速度センサと加速度センサ出力微分手段であるものである。又、前記加速度センサ出力微分手段が、アナログ電気回路であるものである。又、前記加速度センサ出力微分手段が、ディジタル微分装置であるものである。
【0028】又、本発明の運動物体の制御方法は、運動物体の動きを検出し、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を導きだし、該加速度の微分値に対応した制御信号を生成し、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0029】又、本発明の航空機は、機体もしくは主翼に加々速度検出手段を備え、該加々速度検出手段の出力をコントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより水平カナ−ド、フラッペロン、垂直カナ−ド、水平スタビライザ、垂直スタビライザあるいはエンジンの出力を制御することを特徴とするものである。
【0030】上記第2の目的を達成するために本発明の車両は、操舵装置と、該操舵装置の操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記操舵装置を制御するためのコントローラを備え、前記操舵角を検出する手段と加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記操舵装置を制御することを特徴とするものである。
【0031】又、原動機と、該原動機の出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記原動機を制御するコントローラを備え、前記原動機の出力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記原動機の出力を制御することを特徴とするものである。
【0032】又、車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車輪制動装置を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して車輪制動装置を制御することを特徴とするものである。
【0033】又、車体懸架装置と、車体懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体前後方向、車体横方向、車体上下方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車体懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記車体懸架装置を制御することを特徴とするものである。
【0034】又、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向、ロ−ル方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記エンジン懸架装置を制御することを特徴とするものである。
【0035】又、前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により該コントローラにより制御信号を生成するものである。
【0036】上記第3の目的を達成するために本発明の車両は、前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により乗り心地評価関数を求め、該乗り心地評価関数に基づいてコントローラにより制御信号を生成するものである。
【0037】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点における車体加速度の大きさ、車体加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0038】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエンジンのロ−ル方向の加速度の大きさ、、エンジンのロ−ル方向の加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をei、fiとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ei・|Gi|+fi・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0039】又、本発明のエレベ−タは、人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつつり下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、前記かごに取付けられ該かごの加々速度を検出するための加々速度検出手段とを備え、該かご加々速度検出手段により検出された加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするものである。
【0040】又、前記かごがかごの加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御するものである又、前記コントロ−ラが前記加速度および加々速度情報により乗り心地評価関数を求めるものであって、該乗り心地評価関数に基づいて前記コントロ−ラにより前記モ−タを制御するものである。
【0041】又、前記かごがかごの速度を検出するための速度検出手段を備えるものである。
【0042】又、前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエレベ−タ加速度の大きさ、エレベ−タ加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0043】又、前記速度、加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるかごの速度の大きさ、かごの加速度の大きさ、かごの加々速度の大きさをそれぞれVi、Gi、Ji、重み付け定数をj、k、lとしたとき、乗り心地評価関数が、Ψi=(j・|Vi|−k・|Gi|−l・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0044】又、人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつ下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、該モ−タの回転速度、回転加速度および回転加々速度を検出するためのモ−タ回転速度検出手段、モ−タ回転加速度検出手段とモ−タ回転加々速度検出手段を備え、該モ−タ回転速度検出手段により検出されたモ−タ回転速度情報と該モ−タ回転加速度検出手段により検出されたモ−タ回転加速度情報および該モ−タ回転加々速度検出手段により検出されたモ−タ回転加々速度情報を該コントローラに入力し、該モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度およびモ−タ回転加々速度情報により乗り心地評価関数を求め、該評価関数に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするものである。
【0045】又、前記乗り心地評価関数が、モ−タの回転速度をVm、モ−タの回転加速度の大きさをGm、モ−タの回転加々速度の大きさをJm、、重み付け定数をl、m、nとしたとき、Ψ=(l・|Vm|−m・|Gm|−n・|Jm|)で定義されているものである。
【0046】上記第4の目的を達成するために、本発明の磁気浮上列車は、車体と、浮上用地上コイルと、車上の超電導磁石と、前記車体に具備された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記超電導磁石の磁力を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0047】又、本発明の車両は、エンジンと、少なくとも該エンジンのロール方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、エンジンのコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記エンジンの失火を検出することを特徴とするものである。
【0048】又、本発明のビルのビル制振システムは、フロアに設置された油圧アクチュエ−タと、該油圧アクチュエ−タに具備されビルに対して相対運動するアクティブマスと、前記ビルのフロアに設置された加々速度検出手段と、前記油圧アクチュエ−タを制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段の出力を前記コントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより前記ビルの振動が小さくなるように前記油圧アクチュエ−タを制御することを特徴とするものである。
【0049】上記第5の目的を達成するために、本発明の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タを備えた台車の上に車体が設けられ、該台車が車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タを介して車輪により支持されるものであって、車体の配置された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記枕バネアクチュエ−タおよび軸バネアクチュエ−タを制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0050】上記第6の目的を達成するために、本発明の振動台は、X軸およびY軸に設けられ変位検出器が具備された油圧アクチュエ−タにより駆動される振動台と、該振動台にX軸およびY軸方向に設けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し、地震加速度、地震加々速度あるいは変位の目標値に追従させるように制御する制御信号を生成するコントロ−ラを備えたことを特徴とするものである。
【0051】又、本発明の運動シミュレ−タは、車両、飛行物体などの運動を模擬した運動シミュレ−タにおいて、該運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段と、運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度検出手段からの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御することを特徴とする。
【0052】上記第7の目的を達成するために、本発明のステ−ジは、リニアアクチュエ−タによって駆動される少なくとも1つのステ−ジと、リニアアクチュエ−タに具備された変位検出器と、前記ステ−ジに取り付けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し予め入力されている位置の目標値に位置決めするための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0053】又、本発明のロボットア−ムは、回転位置検出手段を具備した関節駆動用モ−タにより駆動されるマニピュレ−タと、該マニピュレ−タの手先に取り付けられた複数の加々速度検出手段と、前記回転位置検出手段と加々速度検出手段との出力を入力し位置決めを行うための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするものである。
【0054】上記第8の目的を達成するために、本発明の運動評価装置は、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能を評価することを特徴とするものである。
【0055】又、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の運動を評価することを特徴とするものである。
【0056】又、制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて乗り心地評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の乗り心地を評価することを特徴とするものである。
【0057】又、ビルの少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいてビルの運動を計算して該計算結果を出力しビルの運動を評価することを特徴とするものである。又、前記運動が振動であるものである。
【0058】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価することを特徴とするものである。
【0059】又、前記運動評価装置が加速度検出手段を備え、該加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点において観測された加速度の大きさ、加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をai、biとしたとき、前記評価関数が、Ψi=(ai・|Gi|+bi・|Ji|)の和で定義されているものである。
【0060】上記第9の目的を達成するために、本発明のコントロ−ラは、運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するための第2の手段と、該微分値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0061】又、前記第2の手段が前記物体の動きから直接運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するものである。
【0062】又、前記第2の手段が前記加速度の微分を行う手段を備えるものであって、該微分手段により前記運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するものである。
【0063】又、前記第1の手段が第1の部材と、該第1の部材に対して可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段を備えたものである。
【0064】又、前記第2の手段が、前記電流により前記コイル間の電圧を検出する手段を備え、該電圧が前記加速度の微分値に対応しているものである。
【0065】又、第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、該静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである。
【0066】又、運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度を示す第1の値と加速度の微分値に対応した第2の値を検出するための第2の手段と、該第1の値と第2の値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とするものである。
【0067】又、物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該物体の運動を制御することを特徴とするものである。
【0068】上記第10の目的を達成するために、本発明のセンサは、第1の部材と、該第1の部材に対して相対的に可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、該電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とするものである。
【0069】又、第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、第1の部材に対する第2の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである。
【0070】又、加速度に応じて変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に作用する電磁力を発生する電磁力発生手段と、前記電磁力を制御する電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記電磁力発生手段の電気回路に発生する誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記可動部材に作用する電磁力を前記電磁力制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0071】又、コイルを具備し加速度に応じて変位する可動部材と、前記コイルに流した電流により前記可動部材のコイルに力を発生するような位置に固定された磁石と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0072】又、加速度に応じて変位する磁石を具備した可動部材と、流した電流により前記可動部材の磁石に力を発生するような位置に固定されたコイルと、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。
【0073】又、多軸方向の加速度に応じて多軸方向の変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に多軸方向に作用する電磁力を発生する多軸方向の電磁力発生手段と、前記多軸方向の電磁力を制御する多軸方向の電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの多軸方向の変位を検出する多軸方向の変位検出手段と、前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に発生する各誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記多軸方向の変位検出手段により検出される前記可動部材の多軸方向の変位が零になるように、前記可動部材に作用する多軸方向の電磁力を前記多軸方向の電磁力制御手段により制御するものであって、前記各誘導起電力検出手段により検出される前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に生じる各誘導起電力から前記可動部材に作用する多軸方向の加速度の変化に比例した物理量を検出することを特徴とするものである。又、前記可動部材が角加速度に応じて角変位するものである。
【0074】上記第11の目的を達成するために、本発明のセンサは、前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記電流検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出するものである。
【0075】又、前記コイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記コイル電流検出手段により検出される前記コイルに流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出するものである。
【0076】
【作用】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した物理量である加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【0077】加々速度情報を用いて制御しているので、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCV(Control Configured Vehicleの略)をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御(direct force controlの略)、首振り制御(airplane pointing controlの略)、遷移制御(airplane translation controlの略)等が可能となる。
【0078】また、主翼にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度センサが具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【0079】加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車両の運動を制御しているので、車両に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となると同時に、運転者が意図しない不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる。
【0080】また、操舵装置と、操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、操舵装置を制御するコントローラを備え、該操舵角を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより操舵装置を制御しており、車両が横方向に滑り始める瞬間を検出すると同時に、舵角装置を制御することができるので挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる。
【0081】また、原動機と、原動機出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、原動機を制御するコントローラを備え、該原動機出力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより原動機を制御しているので原動機により駆動される車輪が空転を始め、進行方向の加速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の加速度が減少した瞬間を検出できるため、駆動輪にブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪の空転を減少させ、車両の挙動変化を効果的に防止することが可能となる。
【0082】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、車輪制動力を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車輪制動装置を制御しているので車輪がロックし始め、進行方向の減速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の減速度が減少した瞬間を検出できるため、車輪のロックが始まる前に車輪制動力を低減させるため、制動時の車輪のロックを減少させ、車両の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【0083】また、加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報に基づいて該コントローラにより車両の運動を制御しているので、加々速度情報の他に、加速度情報に基づいた制御が行えるので、より高度な制御ができる。
【0084】また、懸架装置と、懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記懸架装置を制御するので乗り心地の最適化がはかれる。
【0085】また、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記エンジン懸架装置を制御するので、乗り心地の最適化がはかれる。
【0086】また、エレベ−タにおいては、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかごの加々速度情報を直接検出し、コントロ−ラに入力されモ−タの制御指令に用いることにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。
【0087】また、磁気浮上車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【0088】また、エンジンと、少なくともエンジンロール方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサとエンジンコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該エンジンコントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいてエンジンの失火を検出するので高精度の失火検出が可能となる。
【0089】ビル制振システムにおいては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、油圧アクチュエ−タの制御を正確にでき、より振動低減効果の大きいビル制振システムを実現できる。
【0090】鉄道車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。また、進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができる。
【0091】また、精密な位置決めを要するステ−ジ(例えばXY−ステ−ジ)においても、加々速度情報を用いることにより加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる。
【0092】また、運動シミュレ−タの一例として、地震シミュレ−タにおいても加々速度情報を用いることにより、加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【0093】また、ビル制振システムにおいても、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【0094】また、加々速度情報を用いることにより、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タ(ロボットア−ム)を実現することができる。
【0095】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数、評価関数、乗り心地評価関数、運動を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能、制御対象物体の運動、乗り心地、運動、振動を評価しているので、制御対象物の性能、運動、乗り心地、振動を分析できる。
【0096】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価するので、運動シミュレ−タの評価を行うことができる。
【0097】コンロ−ラにより物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、物体の運動を制御しているので、加々速度情報を加えて制御することができ、制御効果が一段と向上できる。
【0098】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出器を設け、この変位検出器は、可動部材変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値(加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる。
【0099】また、センサ内に、発生する角加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの角変位を検出する角変位検出器を設け、この角変位検出器は、可動部材角変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる角加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従って、この電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる角加速度の微分値(角加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、角加速度も同時に検出できる。
【0100】
【実施例】本発明の第1の実施例を図1から図13に従って説明する。図1は、加々速度情報を用いた運動制御システムの概念を示す全体構成図、図2は加々速度センサの全体構成図、図3は加速度が作用したときの釣合状態を示す図、図4はコイルの回路方程式の説明図、図5は内部抵抗を有する場合のコイルの回路方程式の説明図、図6は信号処理部分の回路構成図、図7は加々速度センサの他の全体構成図、図8はアナログ回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図9はデジタル回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図10は加々速度センサの出力と加速度の微分回路出力とを比較して示した図、図11は加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図、図12は加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図、図13は加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【0101】図1に示すように、本実施例の運動制御システムは、物体50に固定され、物体50の加々速度を検出する加々速度検出装置51と、物体50の運動を制御するコントロ−ラ52と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ53で構成されている。コントロ−ラ52は、加々速度検出装置51により検出された加々速度情報を入力し、コントロ−ラ52からの出力によりアクチェ−タ53を用いて物体50の運動を制御する。
【0102】加々速度検出装置51を構成する加々速度センサは、図2に示すようにケ−シング10aに継手13によって1自由度の運動が可能なように取付けられた振子1と、振子1に固定されたコイル3と、振子1の他端側の運動方向に取付けられた可動電極41と、マグネット2が取付けられたケ−シング10と、ケ−シング10に可動電極41と対面するように形成された固定電極42と、振子1の釣り合い位置からの変位を検出する振子変位検出器40と、振子変位検出器40の出力側に直列に接続されさらにその出力側が前記コイル3の一方の側に接続するように配線されたサ−ボアンプ5と、一方が接地され他方がコイル3の他方に接続されるように配線された読み取り抵抗6などから構成されている。そして、検出された加々速度情報は、図2に示すように、コイル3の端子電圧として取り出すように構成されている。
【0103】前述したように、振子1は、1自由度の運動(紙面に水平方向)を行うように構成されているので、この方向がセンサ感度方向となる。又、振子1の両側に配置された可動電極41とケ−シング10に固定されている固定電極42とで2組の平板コンデンサを形成している。平板コンデンサの静電容量Cは、数式1で示されるように空隙の大きさに反比例する。
【0104】
【数1】
【0105】ここで、εは空気の誘電率、Sは電極の面積、dは空隙寸法である。従って、可動電極41と固定電極42とで形成されている2組のコンデンサの静電容量の差ΔCを振子変位検出器40で検出することにより振子1の変位が検出できる。
【0106】また、振子1には、コイル3が配置されており、このコイル3に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング10に固定されたマグネット2による磁界により力を受ける。したがって、サーボアンプ5により上述の振子変位検出器40で検出した2組のコンデンサの静電容量の差ΔCがΔC=0となるように、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル3に流れる電流をフィードバック制御することにより、外力の大きさにかかわらず振子1の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【0107】ここで、加々速度センサが、ある運動をしている物体50に固定されている場合を考える。図3に示すように、時刻tにおいて左方向(センサ感度方向)からセンサ全体に加速度α(t)が作用したとすれば、振子1の質量をMとすると振子1には右向きにF(t)=M・α(t)の慣性力が働く。振子1について運動方程式を考えると数式2のようになる。
【0108】
【数2】
【0109】ここで、Mは振子1の質量、x(t)は時刻tにおける振子1の釣合位置からの変位、F(t)は振子1に働く慣性力、f(t)は位置フィードバックによる制御力である。制御力f(t)は、コイル3に流れる電流I(t)に比例するので数式3、数式4が成り立つ。
【0110】
【数3】
【0111】
【数4】
【0112】ここで、φは電磁鎖交係数、rはコイル3の半径、Bはマグネット2の磁束密度、Nはコイル3の巻き数で与えられる。
【0113】時々刻々変動するF(t)に対して、振子1が釣合位置にあるように制御力f(t)を追従させれば、数式2の左辺はゼロとなり、その結果、数式5が成立する。
【0114】
【数5】
【0115】したがって、加々速度センサ全体に働く加速度は、数式6となり、コイルを流れる電流値を測定することにより検出できる。
【0116】
【数6】
【0117】これに対し、加々速度センサ全体に働く加々速度をη(t)とすると、数式7となる。
【0118】
【数7】
【0119】いま、図4に示すようにコイル3に流れる電流について回路方程式をたてると、数式8となる。
【0120】
【数8】
【0121】ここで、Lはコイルのインダクタンスである。従って加々速度センサ全体に働く加々速度η(t)は、数式9となり、コイル3の両端の端子電圧を検出することにより、測定することができる。
【0122】
【数9】
【0123】図2に示す第1例の加々速度センサは、上記のように構成しているので、振子1の運動方向に沿って加速度が加わると振子1が変位し、この変位を変位検出器40で電圧信号として検出し、サ−ボアンプ5で増幅する。さらにサ−ボアンプ5では、この電圧信号を電流指令に変換する。この電流は、振子1に取付けられたコイル3に流れマグネット2との間に力が発生し、変位検出器40の出力が0となるように、即ち振子1を平衡位置になるように流れ続ける。上記したようにこのときコイル3に流れる電流値は、加わった加速度に比例追従し、コイル3の両端の電圧は、電流の微分値、すなわち加々速度に比例して追従した値となる。
【0124】図5は、コイル3が内部抵抗Rを含んでいる場合の、加々速度情報を検出する方法を示したものである。図5に示すような回路について、回路方程式をたてると、数式10となる。
【0125】
【数10】
【0126】ここで、eはコイル3の両端の電圧、Rはコイル3の内部抵抗、Lはコイルのインダクタンスである。図5に示すようにコイル3を流れた電流は、すべて読みとり抵抗6を流れるとすると、数式11が成り立つ。
【0127】
【数11】
【0128】ここで、erは読み取り抵抗6の両端の電圧、rは取り抵抗6の内部抵抗である。したがって、図4に示した場合と同様に、加々速度センサに作用する加々速度は、数式12に示すように、コイル3の両端の電圧と、読み取り抵抗6両端の電圧を測定することにより検出可能である。
【0129】
【数12】
【0130】また、図6は、数式11で表される加々速度センサの信号処理部分をオペアンプを用いて構成したものである。このような構成とすることにより、コイル3の抵抗分が無視できないときでも、加々速度センサに作用する加々速度を検出することができる。
【0131】図7は、第2の例である加々速度センサの全体構成を示す図である。図2に示す加々速度センサと同様な構成であるが、この加々速度センサは、振子11と、振子11に固定されたマグネット12と、可動電極141と、ケーシング10と、ケーシング10に固定されたコイル130と、固定電極142と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器140とサーボアンプ15と、読みとり抵抗16で構成されている。すなわち、コイル130は、ケ−シング10側に、マグネット12は振子11側に設けられている。この場合も図2に示す加々速度センサと同様に加々速度情報は、図7に示すようにコイル130の端子電圧として取り出すことによって得られる。
【0132】以上述べたことから分かるように、図2又は図7に示す加々速度センサにおいて、マグネット2、12は、永久磁石であっても、磁束密度を一定に保った電磁石であっても良い。また、本実施例においては、振子の変位検出に振子とケ−シングで構成された静電容量の差分を用いた方法について言及したが、これに限定されるものではなく、例えば発光素子、レンズ、受光素子等を用いて光学的に検出する等の方法を用いてもよい。
【0133】また、数式8、数式12からわかるように、振子1の素材、構造的な特性(ヤング率、断面モーメントなど)は、考慮する必要がないので高精度の加々速度検出が可能となる。
【0134】また、数式6及び数式11より数式13が成立するので、読み取り抵抗6、16の端子電圧erは、電流、即ち加速度に比例した値となる。
【0135】
【数13】
【0136】以上のように、本実施例の加々速度センサは、加速度と加々速度を同時に検出可能である。
【0137】尚、上記した加々速度センサは、その検出方向が1軸に限定されているものについて言及したが、多軸方向の加々速度検出が必要でかつ、部品点数、コストを低減するなどの必要がある場合は、以下のような方法を用いて多軸加々速度センサを実現することができる。多軸方向の加速度に応じて、多軸方向に変位できる軸方向分の磁石、あるいはコイルを具備した振子を用い、この振子の磁石あるいは、コイルに各軸方向の力を独立して発生するような位置に軸方向分のコイル、あるいは磁石を設け、振子の基準位置からの各軸方向の変位を独立して検出する変位検出器と各軸方向のコイルに流れる電流を制御する各軸方向のサ−ボアンプを設けて、各軸方向の変位検出器により検出される、各軸方向の振子に作用する加速度によって生じる各軸方向の可動部材の各軸方向の変位が零になるように、各軸方向のコイルに流れる電流を各軸方向のサ−ボアンプにより制御し、その際に、各軸方向の誘導起電力検出器により検出される各軸方向のコイルの両端に生じる誘導起電力から、振子に作用する各軸方向の加々速度を検出すればよい。
【0138】図8、図9により、加々速度検出装置51の別の例を説明する。図8に示すように、加々速度検出装置51は加速度センサとアナログ微分回路を用いて構成することができ、一般の加速度センサにアナログ微分手段(フィルタ)を付加することにより、加々速度を検出することができる。また、図9は、本実施例に用いられる加々速度検出装置51のさらに別の例であり、加速度センサとディジタル微分回路を用いて構成している。すなわち、一般の加速度センサにA/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によって加々速度情報を得ることもできる。このように、加々速度微分情報は、加々速度センサ出力の一階の微分回路出力として用いることができる。
【0139】図2、図7で示す本実施例の加々速度センサで検出された加速度と加々速度、加速度のアナログ微分回路出力を一例として比較して示すと図10のようになる。図10の(a)が本実施例の加々速度センサで検出された加速度出力で、(b)が(a)で示される加速度出力をアナログ微分回路に通した後の出力、(c)が本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力を示している。(c)で示される加速度アナログ微分出力と本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力は、共に(a)で示される加速度の微分出力となっており、非常に良く合致していることが分かる。
【0140】図11、図12は、それぞれコントロ−ラ52を含めた加速度、加々速度情報検出方法の違いを示す図であり、図11は、本実施例の加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図であり、図12は図9に示すように、加速度センサとコントロ−ラ52内部に微分手段を設け、その微分手段によりディジタル演算処理加々速度情報を得る構成を示している。図11の方法では、直接加々速度情報と加速度情報を得られるが入力ポ−ト521、522とA/Dコンバ−タ524、525が2組必要であるのに対し、図12に示す方法では入力ポ−ト523とA/Dコンバ−タ526は、1組で良いが加々速度情報を得るためには、ある程度の演算527が必要である。以上のことより実際に適用する場合は、ハ−ド構成とコントロ−ラ52の演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。
【0141】さて、図1に示す加々速度情報を用いた運動制御システムにおいて、一般的な運動形態としては、図12に示すように物体50が仮想的な固定面54にダンパ要素55とバネ要素56と拘束されている運動モデルを考える。
【0142】図12に示すように、物体の質量をM、物体の変位をx、アクチュエ−タ53の発生する力をFc(t)、物体50に作用する外力をfg(t)、ダンパ要素55の粘性減衰定数をC、バネ要素56のバネ定数をKとすると、物体50は以下の数式14に示す運動方程式に従って運動する。
【0143】
【数14】
【0144】今、図12に示される運動モデルでの位置制御を考え、コントロ−ラ52の制御則が数式15のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図13に示す。
【0145】
【数15】
【0146】ここで、K2、K3、K4は、おのおの加速度、速度、変位のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と変位との間の伝達関数を求めると、数式16となる。
【0147】
【数16】
【0148】数式16から分かるように、加速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、位置フィ−ドバックは、位置制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0149】次に、図12に示される運動モデルでの速度制御を考える。数式14の両辺を時間tで微分すると数式17となる。
【0150】
【数17】
【0151】数式17について、数式18のごとき置換を行うと数式19となる。
【0152】
【数18】
【0153】
【数19】
【0154】コントロ−ラ52の制御則が数式20のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図14に示す。
【0155】
【数20】
【0156】ここでK1、K2、K3は、おのおの加々速度、加速度、速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と速度との間の伝達関数を求めると、数式21となる。
【0157】
【数21】
【0158】数式21からわかるように、加々速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0159】次に、図12に示される運動モデルでの加速度制御を考える。数式20の両辺を時間tで微分すると数式22となる。
【0160】
【数22】
【0161】数式22について、数式23のごとき置換を行うと数式24となる。
【0162】
【数23】
【0163】
【数24】
【0164】コントロ−ラ52の制御則が数式25のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図15に示す。
【0165】
【数25】
【0166】ここで、K0、K1、K2、は、おのおの加々速度微分、加々速度、加速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と加速度との間の伝達関数を求めると、数式26となる。
【0167】
【数26】
【0168】数式26からわかるように、加々速度微分フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加々速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように3つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【0169】以上、位置、速度、加速度の各運動制御について述べてきたが、従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【0170】本発明の第2の実施例を図17から図30により説明する。図17は、車両の1種である自動車の運動制御に用いた運動制御系の全体構成を示す図、図18は、限界走行時の車両制御を行う一例についての説明図、図19は、車両の横滑りを検出した状態を示す図、図20は、車両の横方向加々速度情報を用いた車両挙動変化を示す図、図21は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の自転運動抑制方法の比較を示す図、図22は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の公転運動抑制方法の比較を示す図、図23は発進、加速時の車輪空転を検出する方法を示す図、図24は制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図、図25は6自由度の加々速度センサを取付けた状態を示す斜視図である。
【0171】図17は、加々速度情報を車両の1種である自動車の運動制御に適用した場合の運動制御系の全体構成を示す図であるが、図17に示すように、車両100は、4輪操舵車であって、主としてエンジン101(ミッション系を含む)、各車輪102、各車輪のブレ−キ103、ステアリング104、ステアリング104の舵角センサ105、アクセル106、ブレーキ107、後輪操舵モータ108、ブレーキ油圧制御部109、コントローラ110、横方向加々速度検出装置112と、前後方向加々速度検出装置111とで構成される。横方向加々速度検出装置112と、前後方向加々速度検出装置111は、それぞれ図2から図9、あるいは図11に示すように構成されており、検出方向の加々速度以外に加速度を検出することができる。
【0172】車両100は、通常の運転時には、一般の車両と同様に運転者のステアリング104、あるいはアクセル106、あるいはブレーキ107を操作するのに伴い、4輪が操舵され、エンジンの回転が変化し、ブレーキがかかる等の操作が行われる。そして、車両運動の限界域近辺においては、横方向、前後方向の加々速度情報に基づいてコントローラ110により、後輪操舵モータ108、エンジン101、ブレーキ油圧制御部109を制御することにより、車両の運動性能を向上させることができる。
【0173】限界走行時の車両100の挙動変化が生じた場合に、加々速度情報に基づいて車両制御を行う一例についての説明図である図18に示すように、定常状態で旋回している車両100の旋回中心方向の運動について着目すると、遠心力M・αと路面反力Fとの間で力の釣合いが保たれている。もし、この状態で路面状況の急な変化等により車両100が挙動変化を起こすと、力の釣合いは破綻する。
【0174】従来の車両運動制御においては、この力の釣合いの破綻点(限界域)の検出が不可能であったため、限界域からはるかに低い領域における制御しかなされていなかった。このことは、従来、熟練運転者が運転する競技車両には、ABS(Anti−lock Braking Systemの略)、TCS(Traction Control Systemの略)、4WS(4Wheel Systemの略)等の車両運動制御装置が用いられなかったことからも容易に推察できる。運転者が視覚情報以外に検出・認識できる情報として、加速度、加々速度が挙げられる。このうち、上述したように力の釣合いの破綻が生じたことは、加速度の瞬時変化、即ち加々速度を検出することにより可能である。従って、加速度情報、さらには加々速度情報を用いることにより、さらに高機能の車両運動制御が可能である。
【0175】横方向加々速度情報に基づいて、車両の横滑りを検出する方法を説明している図19に示すように、検出方法の対象として想定している道路は、緩やかな右廻りのコースであるが、このとき図19に示す(a)点で排水路が道路を横断しているとすると、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。このようなコースを車両100で走行した際のステアリング角、ステアリング角速度、車両横加速度、車両横加々速度は図19に示すようになる。車両100の車輪102のタイヤに働くコーナリングフォースは、ステアリング舵角に比例して増加するのが一般的であるから、ステアリング舵角が一定(すなわち、ステアリング角速度がゼロ)のときは、旋回に伴う遠心力とコーナリングフォースは、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。今、排水路(a)点を通過するとき、車両100は一瞬横滑りを起こす。これに伴って、ステアリング舵角一定(ステアリング角速度ゼロ)にもかかわらず、車両100の横方向の加速度が一瞬小さくなり、車両100の横方向の加々速度に左向きの大きなピークが検出されることになる。従って、ステアリング角速度、車両100の横方向の加々速度を検出しておき、ステアリング角の増加分に対する車両100の横方向の加々速度を検出することにより車両100が滑り始める瞬間を検出することができる。
【0176】図20は、車両100の横方向加々速度情報に基づいて後輪102の操舵機構108により修正舵をあてることにより、車両100の著しい挙動変化を防止する例を示しているが、ステアリング角速度と車両100の横方向の加々速度情報をフィードバックしてやり、後輪102c、102dをわずかに前輪操舵方向に転舵してやることにより、過度の挙動変化を防止することができる。
【0177】図21に、車両100のヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制する方法と、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する方法を比較して示す。図21では、図面の下側から上側方向に車両100が進行するにつれて車両100が時計まわりに回転を始めた場合に、上記したそれぞれの方法によって制御された場合の自転運動の抑制について示している。
【0178】車両100のヨ−レイトをコントロ−ラ110に入力し、車両100のヨ−レイトと反対の向きに(この場合をネガティブにともいう)制御力(あるいはトルクともいう)を発生させるように後輪102c、102dをわずかに右方向に転舵してやることにより、反時計回りの制御力を発生させることができ、自転運動を抑制することができる。
【0179】同様に、車両100が時計まわりに回転を始めると、車両100には左向きの横加々速度と加速度が発生する。この車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(右向きに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(左向きに)制御力(トルク)を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより、後輪102c、102dをわずかに右方向に転舵して反時計回りの制御力を発生させることができ、ヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制する方法と同様に自転運動を抑制することができる。
【0180】図22に、車両100のヨ−レイト情報に基づいて車両100の自転運動を抑制するする制御が働いている状態で公転運動(通常の旋回運動)をした場合の車両100の運動と、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する制御が働いている状態で公転運動(通常の旋回運動)をした場合の車両100の運動を比較して示す。図21では、車両100が右回りのカ−ブに進入進行する場合の、それぞれの制御を行った場合の車両100の運動について示している。
【0181】図21に示した場合と同様に、ヨ−レイト情報に基づいた制御においては、車両100のヨ−レイトをコントロ−ラ110に入力し、車両100のヨ−レイトと反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させるように転舵制御を行っている。今、運転者は右回りのカ−ブに進入しようと、右方向にステアリング104を操舵する。これにより車両100には時計回りのヨ−レイトが発生する。これに対して、制御実行時には反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。運転者がさらにステアリング104の舵角を増加させてカ−ブを曲がろうとしても、時計回りのヨ−レイトが発生した途端に反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。このようにヨ−レイト情報を用いた制御においては、運転者の操作により発生したヨ−レイトも抑制してしまい、運転者からみると舵角に対して回頭運動が追従しない車両となってしまう。このように、ヨ−レイト情報を用いた自転運動の抑制制御では、公転運動(通常の旋回運動)の促進を目指した制御が実現できなく、ヨ−レイト情報を用いた制御と自転運動の抑制制御との両立は不可能である。
【0182】これに対して、車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(ポジティブに)制御力(トルク)を発生させるような制御を行った場合について、コ−ナリングの各段階における運転者のステアリング104の操作と、車両100の運動と、それに起因する制御内容について述べる。カ−ブの入口において運転者は、右側にステアリング104を操作する。これにより車両100は旋回を開始し、向心力が回転中心方向に働き車両100に右方向の加々速度と加速度が発生する。この場合には、加速度ゼロからある値の加速度が発生するので、加々速度は、その変化率として大きな値をもつ。従って制御力としては、右側即ちカ−ブの内側に制御力が働き、車両100は俊敏にコ−ナリングを開始する。
【0183】次にコ−ナリング中は、向心力と遠心力が釣り合い安定状態になる。この時、車両100で検出される横方向加速度は安定しており、その変化率である加々速度はゼロに近づく。従って制御力は、左側、即ち車両の過度の時計回りのヨ−イングの発生を押さえる方向に働き、車両100の安定度を向上させることになる。最後にカ−ブの出口において運転者は、右側に切っていたステアリング104を中立位置へと操作する。これにより車両100は旋回を終了し、回転中心方向に働いていた向心力が減少し、車両100の右方向の加速度が減少し、右側に負の、即ち左方向に正の加々速度が発生する。この場合も、ある値の加速度から加速度ゼロに減少するので、加々速度は大きな値をもつ。従って、制御力としては左側即ちカ−ブの外側に制御力が働き、車両100は俊敏にコ−ナリングを終了する。この一連のコ−ナリングは、コ−ナ−の最速脱出法として良く知られているアウト・イン・アウト(すなわち、コ−ナ−外側から進入し、素早くコ−ナ−内側に車両を寄せ、素早くコ−ナ−外側に脱出する方法)が実現していることになる。これにより車両100の横方向の加速度、車両100の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ110に入力し、車両100の横方向の加速度と反対の向きに(ネガティブに)制御力(トルク)を発生させ、車両100の横方向の加々速度と同じ向きに(ポジティブに)制御力(トルク)を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより自転運動の抑制制御と、公転運動(通常の旋回運動)の促進を目指した制御とが両立可能となる。
【0184】尚、横方向の制御力発生法には、4輪操舵の他、ブレ−キ103の前後・左右のバランスを制御したり、タイヤ102による駆動力の前後・左右のバランスを制御しても良い。
【0185】図23に、車両100の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両100の発進・加速時の車輪、特に駆動輪の空転を検出する方法を示す。図23に示すものは、道路が直線コースの場合を想定し、(a)点で排水路が道路を横断している場合を示しているが、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。図23は、このようなコースを車両100で加速走行した際のアクセル開度、アクセル速度、駆動輪速、車両100の前後加速度、車両100の前後加々速度をそれぞれ示している。車両100の車輪102のタイヤに働くトラクションフォースはエンジントルクに比例して増加するのが一般的であるから、アクセル開度がゼロでないときは、エンジン101によってタイヤを駆動したときに生じるトラクションフォースと路面反力は、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路(a)点を通過するとき、駆動輪は空転(ホイルスピンともいう)を始める。この時、アクセル開度が正にもかかわらず、車両100の前後方向の加速度が一瞬小さくなり、車両100の前後加々速度に後ろ向きの大きなピークが検出できる。
【0186】従って、アクセル速度を検出しておき、アクセル開度の変化に対する車両100の前後方向の加々速度を検出することにより、駆動輪が滑り始める瞬間を検出することができる。その結果、コントローラ110により車両100の前後方向の加々速度情報に基づいてエンジン101の出力を減少させて、駆動輪102c、102dの空転を減少させ、車両100の著しい挙動変化を防止することができる。それに対して、従来提案されていた駆動輪の空転防止装置では、従動輪の回転数に対して駆動輪の回転数が増加すると空転を開始したと判断していたため、駆動輪空転の検出が遅くなってしまい、また、車輪100の慣性モーメントのため、1度空転を開始するとなかなか空転が停止せず、駆動輪にブレーキをかける必要があったり、車両100の著しい挙動変化を防止するという目的を達成するのは困難であった。
【0187】このように本実施例では、車両100の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪102c、102dが空転を始める瞬間、あるいは最大摩擦力を越えた瞬間を検出できるため、駆動輪102c、102dの空転が始まる前にエンジン101のトルクをコントロ−ラ110により低減させることができ、駆動輪102c、102dにブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪102c、102dの空転を減少させ、車両100挙動変化を防止することを効果的に行うことが可能となる。
【0188】また、図24に示すように、車両100の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両100の減速時の車輪ロックを検出することもできる。図24では、直線コースの道路を想定し、(a)点で排水路が道路を横断しており、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる場合を示している。また、図24には、このようなコースを車両100で減速走行した際のブレーキ油圧、ブレーキ油圧の変動、車輪102の回転速度、車両100の前後方向の加速度、車両100の前後方法の加々速度をそれぞれ示している。車両100の車輪102のタイヤに働く減速力はブレーキトルクに比例して増加するのが一般的であるから、ブレーキ油圧がゼロでないときは、ブレーキ107によるタイヤ制動により生じる減速力と路面反力は、路面状況が変化しない限り、釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路(a)点を通過するとき、駆動輪はロック(このとき車輪102の回転速度はゼロである)を始める。この時、ブレーキ油圧がゼロでないにもかかわらず、車両100の減速度が一瞬小さくなり、車両100の前後方向の加々速度に前方向の大きなピークが検出できる。
【0189】従って、ブレーキ油圧変動を検出しておき、ブレーキ油圧の変化に対する、車両100の前後方向の加々速度を検出することにより車輪102がロックし始める瞬間を検出することができる。従ってコントローラ110により車両100の前後方向の加々速度情報に基づいてブレーキ油圧制御部109を制御し、ブレーキ油圧を減少させ、車輪のロックを減少させ、車両挙動変化の防止を行うことができる。従来のABSにみられる車輪のロック防止装置では、従動輪の回転速度により推定される推定車体速度に対して車輪の回転数が極端に減少すると、車輪ロックしたと判断していたため、車輪ロックの検出が遅くなってしまったり、推定車体速度の精度不足のため高精度の制御が行えず、タイヤの性能を十分に使いきっているとは言えなかった。これに対して、本実施例では車両100の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪102がロックを始める瞬間、あるいは、最大摩擦力を越える瞬間を検出できるため、車輪102のロックが始まる前にブレーキ油圧を低減させるため、制動時の車輪102のロックを減少させて、車両100の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【0190】以上、3つの例を用いて車両100の前後方向、左右方向の加々速度情報を用いた各種制御について述べたが、車両100には、前後方向、左右方向、上下方向の3つの並進運動とローリング、ヨーイング、ピッチングの3つの回転運動の6自由度の運動が考えられるため、図25に示すように、加々速度検出装置を6自由度の運動が検出できるように6個配置し、それぞれの検出手段の出力値を用いてそれぞれの自由度の加々速度情報を検出しても良い。
【0191】このように、加々速度情報を用いた車両100の運動制御を行った場合、車両100に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となる。また同時に、運転操作情報と照らし合わせることにより、運転者が意図しない、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0192】なお、上述した3つの例では、加々速度情報と運転操作情報のみを用いた車両運動制御について言及したが、従来の車両運動制御で用いていた車輪速情報等の各種情報に加え、加々速度情報を用いてさらに高機能・高精度の制御が可能であることは言うまでもない。
【0193】本発明の第3の実施例を図26から図30により説明する。図26は車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図、図27はエンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図、図28はエンジン失火検出を示す図、図29は正常燃焼時のエンジン振動を示す図、図30は失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【0194】図26に示すように、本実施例の車両300は、可変サスペンション機構301a、301bをもつ車両であり、その他の構成は図17に示すものと同様である。車両300には、複数個の加々速度検出装置(図26では、302a、302bの2個のみを取付けた場合を示しているが、これに限られるものではなく、又、場合によっては1個でもよい。)が取付けられ、i番目の加々速度検出装置の加速度出力をGi、加々速度出力をJiとし、数式27のように乗り心地評価関数Ψsを定義する。
【0195】
【数式27】
【0196】ただし、di、eiは、それぞれi番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0197】乗り心地評価関数Ψsを最も小さくするようにサスペンション機構301a、301bを制御することにより、車両300の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。また、評価関数Ψsは、数式27に限定されるものではなく、運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【0198】ここで、コントロ−ラ303は、サスペンション機構301a、301bを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ303単体として車両300の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0199】また、図26に示すような構成に加え、車体300の前後方向、横方向の加々速度検出装置を設け、これら車体300の前後方向、横方向の加々速度に従ってコントロ−ラ303によりサスペンション機構301a、301bを制御することにより車両運動性能の向上に役立てることもできる。
【0200】図27は、加々速度情報を用いて、エンジン振動に起因する車体振動をより効果的に低減させる実施例の全体構成を示す図である。この場合、車両は、可変エンジンマウント機構402a、402bをもつ車両である。今、エンジン401及び車体には、複数個の加々速度検出装置(図27では、403a、404a、404bの3個のみが取付けられた場合を示しているが、これに限られるものではなく、場合によっては1個でもよい。)が取付けられ、i番目の加々速度検出装置の加速度出力をGi、加々速度出力をJiとし、数式27と同様に乗り心地評価関数Ψmを数式28のように定義する。
【0201】
【数式28】
【0202】ただし、dj、ejは、それぞれj番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0203】乗り心地評価関数Ψmを最も小さくするように可変エンジンマウント機構402a、402bを制御することにより、車両の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。
【0204】また、評価関数は、数式28に限定されるものではなく、エンジン振動が密接な関係がある燃焼周波数に相当するエンジン回転情報等を付加し、さらに運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。さらに図27では加々速度検出装置は、エンジン、ステアリング、シ−トの振動を検出できるように設置したがこれに限定されるものではない。
【0205】ここで、コントロ−ラ407は、可変エンジンマウント機構402a、402bを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ407単体として車両の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0206】図28は、加々速度情報をエンジン失火検出に適用した実施例を示す図である。エンジン401は間欠的に燃焼しているため、燃焼に同期したトルク変動が発生する。このトルク変動の反作用がエンジン振動を引き起こし、この振動がエンジンマウント402を介して車体に伝達され車両全体の振動を引き起こす。ここで、エンジン401の振動に着目すると、エンジン401は燃焼周波数に同期したトルク変動により強制加振されており、燃焼周波数で振動している。したがって、この振動を検出することによりエンジンの燃焼状態が検出できる。
【0207】正常燃焼時のエンジン401のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図29と失火発生時のエンジン401のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図30との比較から分かるように、失火が発生すると、図30に示されるように、エンジン401のロール方向の加速度に変化がみられ、エンジン401のロール方向の加々速度には、大きなピークが観察される。失火検出装置503は、これら複数の信号を検出し、適当なフィルタリング演算を行うことにより、エンジン失火の検出が可能である。
【0208】また、エンジン401のロ−ル方向の加速度、加々速度情報のみではなく、エンジンの他の自由度の加速度、加々速度情報や、車体振動、あるいはエンジン回転情報等を付加し、さらに高精度の失火検出を行うようにしても良い。
【0209】また、失火検出装置503に、可変エンジンマウント機構等を制御する機能をもたせ、エンジン401の失火に起因する乗り心地の悪化を低減するような乗り心地制御システムとしても良い。
【0210】本発明の第4の実施例を図31、図32により説明する。図31は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの概念図、図32は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの全体構成を示す図である。
【0211】図31、図32に示すように、エレベ−タかご201は、ワイヤ206でつり下げられ、コントロ−ラ204によりモ−タ203が制御されワイヤ205を巻き上げ、巻き下げて運転される。205は重りで、エレベ−タかご201の重さと、ほぼ釣り合うようになっており、モ−タ203の負荷を軽減する働きがある。モ−タ203には、コントロ−ラ204より制御指令が入力され、コントロ−ラ204には、モ−タ203の回転情報が入力される。モ−タ203の回転情報としては、モ−タ回転角度、モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等があるが、これらの情報は、モ−タ203に付随しているエンコ−ダ(図示せず)の出力パルスを検出し、各種演算を行うことにより可能である。
【0212】従来のエレベ−タでは、モ−タの回転情報よりエレベ−タかごの運動を推定し、各種乗り心地制御を行っていたが、モ−タとエレベ−タかごを結ぶワイヤが弾性体であり、ワイヤが伸び縮みするため、モ−タの回転情報がエレベ−タかごの運動を反映したものとは言えず、十分な性能を発揮できなかった。
【0213】本実施例においては、エレベ−タかご201に、複数の加々速度検出装置(図31では、202x、202yの2個を示している。)が搭載されており、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかご201の加々速度情報を直接検出できるようになっている。これらの加々速度情報は、コントロ−ラ204に入力されモ−タ203の制御指令に用いられる。これらの複数個の加々速度検出装置のうち、k番目の加々速度検出装置の加速度出力をGk、加々速度出力をJkとし、モ−タの回転速度をVとしたとき、数式29のように乗り心地評価関数Ψeを定義する。
【0214】
【数29】
【0215】ただし、aは、エレベ−タ巻き上げ巻き下げ速度に対する重み付け定数、bk、ckは、それぞれi番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、搭乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【0216】乗り心地評価関数Ψeを最も小さくするようにモ−タ203のを制御することにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。また、評価関数は、数式29に限定されるものではなく、搭乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【0217】ここで、コントロ−ラ204は、モ−タ203を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ204単体としてエレベ−タかご201の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、エレベ−タの乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。また、環境的な問題より加々速度情報の検出が困難な場合は、モ−タ回転情報(モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等)を数式29にあてはめる方法でもよい。
【0218】本発明の第5の実施例を図33から図35により説明する。図33は、加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図34は、ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図35は、加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【0219】図33に示すように、本実施例の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タ541、542を中心にして自由に転向できる前後2組の台車551、552の上に長い車体501をかけ渡した様式になっている。台車551、552は、車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タ543、544、545、546、547、548、549、550を介して車輪521、522、523、524により支持されている。車体501には、複数の加々速度検出装置(図33では531、532、533のことをいう。)が具備され、車体501の上下方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ506は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体501に配置される複数の加々速度検出装置(図33では531、532、533のことをいう。)からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ506は、これらの情報に基づいて車両の走行に際して軌道に多少の不整があっても、乗り心地が低下しないように枕バネアクチュエ−タ541、542、軸バネアクチュエ−タ543、544、545、546、547、548、549、550を制御する。
【0220】加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の鉄道車両より振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。
【0221】また、図34に示す鉄道車両は、図33に示す鉄道車両と同様な構成であるが、より乗り心地のよい制御を可能とするために車体501、台車555、軸受け551、552の加々速度を検出するように構成したものである。車体501、台車555、軸受け551、552には、複数の加々速度検出装置(図34では、それぞれ531、534、535、536のことをいう)が設置されている。通常、車体、台車、軸受けは、それぞれ異なる共振点を持っており、これらの振動を加々速度検出装置で検出し、コントロ−ラ506側にフィ−ドバックすることにより、より乗り心地の良い制御が達成される。
【0222】ここで、コントロ−ラ506は、各アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ506単体として鉄道車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、鉄道車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0223】図35に示す鉄道車両は、特に始動、制動時を考慮して加々速度情報を用いることにより鉄道車両の動力を制御した場合の構成を示している。図35に示すように、動輪521、522は、コントロ−ラ506により制御されるモ−タ503により駆動され、制動輪523、524は、コントロ−ラ506により制御されるブレ−キ504により制動される。
【0224】車体501には、複数の加々速度検出装置(図35では505のみを図示している。)が具備され、車体501の進行方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ506は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【0225】図36では、鉄道車両501の運転状態として、車輪521、522、523、524がレ−ル面上を転がろうとする状態を示している。車輪とレ−ルとの間の粘着係数をμ、軸重をWで表すと、この車輪とレ−ルの摩擦力により出すことのできる引張力の最大値Fは、数式30のようになる。
【0226】
【数30】
【0227】したがって、引張力の最大値以上の引張力を得ようとして回転力を大きくしても動輪が空転するだけである。今、動輪の回転力をゼロから徐々に増加させると車体の加速度は増加していく。しかし、上記のように動輪が空転を開始すると一気に加速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、モ−タ503を制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【0228】制動についても同様なことが言える。引張力の最大値Fを越えるような制動力を得ようとして制動トルクを大きくしても制動輪がスリップするだけである。今、制動輪の制動トルクをゼロから徐々に増加させると、車体の減速度は増加していく。しかし、上記のように制動輪がスリップ(ロックともいう)を開始すると一気に減速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【0229】また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができるのは、自動車と同様である。上述の実施例では、駆動輪、制動輪を別に考えているが、同一車輪が駆動輪、制動輪を兼ねている場合にも適用できる。
【0230】本発明の第6の実施例を図37により説明する。図37は、加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【0231】図37に示すように、磁気浮上車両は、車体601は浮上用地上コイル673、674と超電動磁石633、634の磁気的な同極反発力により浮上している。そして、地上の推進案内用コイル671、672に電流を流し、車上の超電動磁石631、632と引き合う力が生じるのでその力を利用して前進する。
【0232】車体601には、複数の加々速度検出装置(図37では621、622、623、624、625のことをいう)が具備され、車体601の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。コントロ−ラ604は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体601に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ604は、これらの情報にもとづいて超電動磁石633、634の磁力を制御すると同時に、この情報をアンテナ605より地上側コントロ−ラ606に向けて発信する。地上側コントロ−ラ6ではこれらの情報に基づいて推進案内用地上コイル671、672、浮上用地上コイル673、674に流入する電流を制御し、磁力を制御することにより車体の浮上姿勢、位置、速度、加速度を正確に制御することができる。
【0233】また、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、より振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【0234】ここで、コントロ−ラ606は、各磁力発生手段を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ606単体として磁気浮上車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、磁気浮上車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0235】本発明の第6の実施例を図38により説明する。図38は、加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【0236】図38に示すように、地震シミュレ−タは、あらかじめコントロ−ラ703に入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力を忠実に再現するように、振動台700の動きを制御するものである。振動台700は、コントロ−ラ703により駆動される油圧アクチュエ−タ741、742によってX軸方向の動きを、油圧アクチュエ−タ743、744によってy軸方向の動きを制御される。油圧アクチュエ−タ743、744内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ703に入力される。振動台700上の加々速度検出装置(図38では、701、702のことをいう)からは、振動台700のx軸、y軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器761、762、763、764によりそれぞれ、振動台700のx軸、y軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラ703に入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することにより位置情報を得るようにしてもよい。これら各自由度に対して4種類の信号は、コントロ−ラ703にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ703にあらかじめ入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力と比較され、振動台は、目標値どおりに駆動(加振ともいう)される。
【0237】このようなシステム構成により、従来のシミュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。また、この実施例では2次元の地震シミュレ−タについて述べているが、1次元、3次元の地震シミュレ−タでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【0238】ここで、コントロ−ラ703は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ703単体として振動台の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、地震シミュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0239】また、人間が搭乗したかごを車両、あるいは飛行物体の運動を模して外部アクチュエ−タを用いて動揺させることにより、かご内の人間の運転訓練を行ったり、アミュ−ズメントを与える運動シミュレ−タにおいても、従来の情報に加え、このかごの加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた運動シミュレ−タを実現することができる。
【0240】本発明の第7の実施例を図39により説明する。図39は、加々速度情報を用いたXYステ−ジの構成を示す図である。
【0241】本実施例のXYステ−ジは、図39に示すように、あらかじめコントロ−ラ803に入力されている位置入力に忠実に追従するように、ステ−ジ800の動きを制御するものである。ステ−ジ800は、コントロ−ラ3により駆動されるリニアアクチュエ−タ841、842によってX軸方向の動きを、リニアアクチュエ−タ843、844によってy軸方向の動きを制御される。リニアアクチュエ−タ内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ803に入力される。ステ−ジ800上の複数の加々速度検出装置(図39では、801、802のことをいう)からは、ステ−ジ800のx軸、y軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器861、862、863、864により、それぞれステ−ジのx軸、y軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラに入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することによりステ−ジ800の位置情報を得るようにしてもよい。また、コントロ−ラ内部でこれらの積分動作を行ってもよい。これら各自由度に対して4種類の信号は、コントロ−ラ803にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ803にあらかじめ入力されている位置入力と比較され、ステ−ジ800は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のXYステ−ジに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性ともいう)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる。
【0242】また、本実施例では、2次元のXYステ−ジについて述べているが、1次元のリニアステ−ジ、3次元のステ−ジでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性(即応性)、安定性に優れたステ−ジを実現することができる。ここで、コントロ−ラ803は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ803単体としてステ−ジの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、XY−ステ−ジの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0243】本発明の第8の実施例を図40により説明する。図40は、加々速度情報を用いた制振装置つきビルの構成を示す図である。
【0244】図38に示すように、ビルの適当なフロア−には、油圧アクチュエ−タ903とアクティブマス904が具備されている。油圧アクチュエ−タ903はビルに固定されており、アクティブマスはビルに対して相対的に可動可能に設置されている。コントロ−ラ902は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、各フロアに複数個(図40では、911、912、913、914の4個設置した場合を示している。)配置される加々速度検出装置からの情報より従来と同様な加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ902は、これらの情報にもとづいてビル全体の振動が小さくなるように油圧アクチュエ−タ903の油圧を制御する。加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。また、アクティブマス904の加々速度情報を検出するような加々速度検出装置(図示せず)を用いて正確にアクティブマス904の運動を制御することにより、さらに振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【0245】ここで、コントロ−ラ902は、油圧アクチュエ−タ903を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ902単体としてビルの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、制振装置つきビルの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0246】本発明の第9の実施例を図41により説明する。図41は、加々速度情報を用いたロボットア−ムのマニピュレ−タの構成を示す図である。
【0247】図41に示すように、マニピュレ−タ1001は、あらかじめコントロ−ラ1003に入力されている位置入力に忠実に追従するように、マニピュレ−タ1001の動きを制御するものである。マニピュレ−タ1001は、コントロ−ラ1003により駆動される関節駆動用DDモ−タ(Direct Drive モ−タの略)1041、1042、1043により動きを制御される。各々のDDモ−タ内にはエンコ−ダ(図示せず)が具備され、回転角度位置情報がコントロ−ラ1003に入力される。マニピュレ−タ手先1011に具備された複数の加々速度検出装置(図41では、1021、1022、1023のことをいう)からは、マニピュレ−タ手先1011の座標系におけるx'軸、y'軸、z'軸方向の加々速度が検出される。コントロ−ラ1003は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【0248】これら4種類の信号は、コントロ−ラ1003にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ1003にあらかじめ入力されている位置、速度、加速度入力と比較され、マニピュレ−タ1001は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のマニピュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タを実現することができる。なお、図41では、マニピュレ−タ手先1011に具備された加々速度検出装置は、1021、1022、1023の3つの場合を示しているが、図25に車両の6自由度の加々速度情報の検出方法として示したものと同様に、マニピュレ−タ手先1011の6自由度の運動を検出してさらに高精度の制御を行ってもよい。
【0249】ここで、コントロ−ラ1003は、各モ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ1003単体としてマニピュレ−タ手先の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、マニピュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【0250】本発明の第10の実施例を図42、図43により説明する。図42、図43は、それぞれ加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【0251】図42、図43に示すように、機体1101には、複数の加々速度検出装置(図42、図43では1121、1122、1123のことをいう)が具備され、機体の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。また、主翼1142にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置1124、1125が具備されている。コントロ−ラ1103は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、機体に配置される各加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。加々速度情報を用いることにより、機体に加わる微妙な力の変化を加速度の微妙な変化として検出できる。コントロ−ラ1103は、これらの情報にもとづいて水平カナ−ド1141、フラッペロン1142、垂直カナ−ド1143、水平スタビライザ1144、垂直スタビライザ1145、さらには、エンジン(図示せず)の出力を制御する。これにより、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCV(Control Configured Vehicleの略)をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御(direct force controlともいう)、首振り制御(airplane pointing controlともいう)、遷移制御(airplane translation controlともいう)等が可能となる。
【0252】また、主翼1142にも主翼1142の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置が具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【0253】本発明の第11の実施例を図44、図45により説明する。図44は、角加々速度センサの全体構成を示す図、角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【0254】図44、図45に示されるように本実施例の角加々速度センサは、回転振子1201と、回転振子1201に固定されたコイル1202と、可動電極1204と、ケーシング1200と、ケーシング1200に固定されたマグネット1203と、固定電極1205と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器1206とサーボアンプ1207と、読みとり抵抗1208で構成されている。角加々速度情報は、図44に示すように、コイル1202の端子電圧として取り出す。
【0255】振子1201は、図44、図45の紙面に垂直な軸回りに回転できる(この方向を以下では、センサ感度方向という。)。また、振子1201の両側に配置された可動電極1204と、ケーシング1200に固定されている固定電極1205とは、2組の平板コンデンサを形成している。可動電極1204と固定電極1205とで形成されている2組のコンデンサの静電容量の差ΔCを振子変位検出器1206で検出することにより振子1201の変位が検出できる。
【0256】また、振子1201には、コイル1202が配置されており、このコイル1202に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング1200に固定されたマグネット1203による磁界によりトルクを受ける。したがって、サーボアンプ7により振子変位検出器1206で検出し、ΔC=0、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル1202に流れる電流をフィードバック制御することにより、慣性力によるモ−メントにかかわらず振子1201の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【0257】ここで、本発明の角加々速度センサが、ある回転運動をしている物体に固定されている場合を考える。図45に示すように、時刻tにおいて反時計回りにセンサ全体に角加速度β(t)が作用したとすれば、慣性質量Iの回転振子1201には数式31で表される慣性力によるモ−メントが右向きに働く。
【0258】
【数31】
【0259】回転振子1201について運動方程式を考えると数式32のようになる。
【0260】
【数32】
【0261】ここで、Jは回転振子1の慣性質量、θ(t)は時刻tにおける回転振子1201の釣合位置からの変位角、W(t)は回転振子1201に働く慣性力によるモ−メント、w(t)は位置フィードバックによる制御力である。制御力w(t)は、コイル1203に流れる電流I(t)に比例するので数式33、数式34が成り立つ。
【0262】
【数33】
【0263】
【数34】
【0264】ここで、φは電磁鎖交係数、rはコイル1203の半径、Bはマグネット1203の磁束密度、Nはコイル1202の巻き数で与えられる。
【0265】時々刻々変動するW(t)に対して、回転振子1が釣合位置にあるように制御力w(t)が追従すれば、数式32の左辺はゼロとなり、結局数式35が成立する。
【0266】
【数35】
【0267】したがって、センサ全体に働く角加速度は、数式36のようになり、コイル1203を流れる電流より検出できる。
【0268】
【数36】
【0269】ここで、センサ全体に働く角加々速度をγ(t)とすると、数式37となる。
【0270】
【数37】
【0271】いま、図のようにコイル3に流れる電流について回路方程式をたてると、数式38となる。
【0272】
【数38】
【0273】ここで、Lはコイルのインダクタンスである。従ってセンサ全体に働く角加々速度γ(t)は数式39となり、コイル1203の両端の端子電圧を検出することにより測定することができる。
【0274】
【数39】
【0275】本実施例においては、回転振子にコイルが具備され、ケ−シングに磁石が具備されている例について言及しているが、回転振子に磁石が具備され、ケ−シングにコイルが具備され、あるいは、磁石が永久磁石であっても電磁石であっても、変わらず角加々速度を検出できる。
【0276】尚、角加々速度情報は、加々速度情報と同様に、一般の角速度センサに2階のアナログ微分手段(フィルタ)を付加する、あるいは、A/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。また、角加速度センサに1階のアナログ微分手段(フィルタ)を付加する、あるいは、A/Dコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。
【0277】従って、ハ−ド構成とコントロ−ラの演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。また、本発明の他の実施例の中で示した加々速度情報を用いた各種制御に加え、角加々速度情報を用いることにより、さらに高精度の運動制御、運動制御装置が実現されたり、高性能な評価試験装置が実現される。
【0278】以上、本発明の各実施例について、加々速度の検出方法、加々速度を用いた一般的な運動モデルに対する運動制御の優位性、加々速度情報を用いた車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機の運動制御及び運動評価装置、そして、角加々速度センサについて述べてきた。上述したように、従来用いられていなかった物体の運動を記述する新たなる物理量である加々速度あるいは角加々速度が検出可能となり、従来の運動制御で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動制御に用いることにより従来の運動制御に対し、さらに高精度の運動制御が実現される。また、従来の運動評価で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動評価に用いることにより、従来の運動評価試験装置に対し、さらに、高性能な運動評価試験装置が実現される。
【0279】
【発明の効果】本発明によれば、加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる効果がある。
【0280】加々速度情報を用いて制御しているので、機体の6自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のCCVをさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御、首振り制御、遷移制御等が可能となる効果がある。
【0281】また、主翼にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度センサが具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる効果がある。
【0282】加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車両の運動を制御しているので、車両に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となると同時に、運転者が意図しない不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0283】また、車両が横方向に滑り始める瞬間を検出すると同時に、舵角装置を制御することができるので挙動変化に対しても瞬時の補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【0284】また、原動機と、原動機出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、原動機を制御するコントローラを備え、該原動機出力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより原動機を制御しているので原動機により駆動される車輪が空転を始め、進行方向の加速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の加速度が減少した瞬間を検出できるため、駆動輪にブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪の空転を減少させ、車両の挙動変化を効果的に防止することが可能となる効果がある。
【0285】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも前後方向の加々速度を検出するための加々速度センサと、車輪制動力を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と、該加々速度センサからの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより車輪制動装置を制御しているので車輪がロックし始め、進行方向の減速度が減少した瞬間、あるいは最大摩擦力を越え、進行方向の減速度が減少した瞬間を検出できるため、車輪のロックが始まる前に車輪制動力を低減させるため、制動時の車輪のロックを減少させ、車両の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる効果がある。
【0286】また、加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと車両の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報に基づいて該コントローラにより車両の運動を制御しているので、加々速度情報の他に、加速度情報に基づいた制御が行えるので、より高度な制御ができる効果がある。
【0287】また、懸架装置と、懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記懸架装置を制御するので乗り心地の最適化がはかれる効果がある。
【0288】また、エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下加速度および加々速度を検出するための加々速度センサと懸架装置を制御するコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて乗り心地評価関数を求め、該コントローラにより前記乗り心地評価関数に基づいて前記エンジン懸架装置を制御するので、乗り心地の最適化がはかれる効果がある。
【0289】また、エレベ−タにおいては、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかごの加々速度情報を直接検出し、コントロ−ラに入力されモ−タの制御指令に用いることにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる効果がある。
【0290】また、磁気浮上車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる効果がある。また、車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる効果がある。
【0291】また、エンジンと、少なくともエンジンロール方向の加速度および加々速度を検出するための加々速度センサとエンジンコントローラを備え、該加々速度センサからの加速度および加々速度情報の出力を該エンジンコントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいてエンジンの失火を検出するので高精度の失火検出が可能となる効果がある。
【0292】又、ビル制振システムにおいては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、油圧アクチュエ−タの制御を正確にでき、より振動低減効果の大きいビル制振システムを実現できる効果がある。
【0293】鉄道車両においては、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるのでより振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる効果がある。また、進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる効果がある。また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができる効果がある。
【0294】また、精密な位置決めを要するステ−ジ(例えばXY−ステ−ジ)においても、加々速度情報を用いることにより加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性(即応性)、安定性に優れたXYステ−ジを実現することができる効果がある。
【0295】また、運動シミュレ−タの一例として、地震シミュレ−タにおいても加々速度情報を用いることにより、加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる効果がある。
【0296】また、ビル制振システムにおいても、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる効果がある。
【0297】また、加々速度情報を用いることにより、応答性(即応性)、安定性に優れたマニピュレ−タ(ロボットア−ム)を実現することができる効果がある。
【0298】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数、評価関数、乗り心地評価関数、運動を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能、制御対象物体の運動、乗り心地、運動、振動を評価しているので、制御対象物の性能、運動、乗り心地、振動を分析できる効果がある。
【0299】又、運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価するので、運動シミュレ−タの評価を行うことができる効果がある。
【0300】コンロ−ラにより物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、物体の運動を制御しているので、加々速度情報を加えて制御することができ、制御効果が一段と向上できる効果がある。
【0301】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出器を設け、この変位検出器は、可動部材変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値(加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる効果がある。
【0302】また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる効果がある。
【0303】また、センサ内に、発生する角加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの角変位を検出する角変位検出器を設け、この角変位検出器は、可動部材角変位を電気信号に変換し、サーボ増幅器に送り、サーボ増幅器は、変位検出器から受けた電気信号を増幅し、フィードバック電流として可動部材のコイルに送り、コイルに流れるサーボ増幅器からのフィードバック電流とマグネットの磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる角加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従って、この電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる角加速度の微分値(角加々速度)に比例した物理量を高精度に検出することができる効果がある。また、この時の電流値を検出すれば、角加速度も同時に検出できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】加々速度情報を用いた運動制御システムの全体構成を示す図である。
【図2】加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図3】加速度が作用したときの振子の釣り合いを示す図である。
【図4】コイルの回路方程式の説明図である。
【図5】内部抵抗Rを有する場合のコイルの回路方程式の説明図である。
【図6】信号処理部分の回路構成図である。
【図7】他の加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図8】アナログ微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図9】デジタル微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図10】で検出された加速度・加々速度と、加速度の微分回路出力を示した図である。
【図11】加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図12】加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図13】加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【図14】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(位置制御の場合)である。
【図15】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(速度制御の場合)である。
【図16】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図(加速度制御の場合)である。
【図17】車両の運動制御系の全体構成を示す図である。
【図18】加々速度情報の説明図である。
【図19】横滑り検出の説明図である。
【図20】横加々速度情報を用いた横滑り抑制の説明図である。
【図21】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の自転運動抑制方法の比較を示す図である。
【図22】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の公転運動の比較を示す図である。
【図23】発進あるいは加速時の車輪空転を検出する方法を示す図である。
【図24】制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図である。
【図25】6自由度の加々速度情報検出手段の取付状態を示す斜視図である。
【図26】車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図である。
【図27】エンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図である。
【図28】エンジン失火検出の全体構成を示す図である。
【図29】正常燃焼時のエンジン振動を示す図である。
【図30】失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【図31】エレベ−タ乗り心地制御を行う場合の概念を示す図である。
【図32】エレベ−タ乗り心地制御の全体構成を示す図である。
【図33】加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図34】ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図35】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図36】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図37】加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【図38】加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【図39】加々速度情報を用いたX−Yステ−ジの構成を示す図である。
【図40】加々速度情報を用いた制振装置付きビルの構成を示す図である。
【図41】加々速度情報を用いたロボットア−ムの構成を示す斜視図である。
【図42】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図43】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図44】角加々速度センサの構成を示す図である。
【図45】角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【符号の説明】
50…物体、51…加々速度検出装置、52、303、407、204、506、604…コントロ−ラ、53…アクチュエ−タ、1…振子、2…磁石、3…コイル、40…振子変位検出器、41…可動電極、42…固定電極、5、1207…サ−ボアンプ、6、1208…読み取り抵抗、13…つぎ手、521、522、523…入力ポ−ト、524…加々速度情報用A/Dコンバ−タ、525…加速度情報用A/Dコンバ−タ、526…加速度/加々速度用A/Dコンバ−タ、527…デジタル微分演算、54…仮想固定ベ−ス、55…仮想バネ要素、56…仮想ダンパ−要素、100、300…車両、101…エンジン系、102…車輪、103…車輪ブレ−キ、104、406…ステアリング、ステアリング舵角センサ、106…アクセル、107…ブレ−キ、108…後輪操舵用アクチュエ−タ、111…横方向加々速度検出装置、112…前後方向加々速度検出装置、111a、111b…前後方向、ヨ−加々速度検出装置、112a、112b…横方向、ロ−ル加々速度検出装置、111a、111b…上下方向、ピッチ加々速度検出装置、301a、301b…可変サスペンション機構、302a、302b…車体加々速度検出装置、401…エンジン本体、402a、402b…可変エンジンマウント、403、403a…エンジン加々速度検出装置、404a、404b…車体側加々速度検出装置、405…座席、503…失火検出装置、201…かご、202x、202y…エレベ−タかご加々速度検出装置、203…モ−タ、205…重り、206…ロ−プ、501…鉄道車両車体、521、522、523、524…鉄道車両車輪、531、532、533…鉄道車両加々速度検出装置、541、542…枕バネアクチュエ−タ、543、544、545、546、547、548、549、550…軸バネアクチュエ−タ、551、552、553、554…軸受、555、556…台車、、534…台車加々速度検出装置、535、536…軸受加々速度検出装置、521、522…動輪、523、524…制動輪、503…モ−タ、504…ブレ−キ、505…鉄道車両前後方向加々速度検出装置、601…磁気浮上車両車体、621、622、623、624…磁気浮上車両加々速度検出装置、631、632、633、634…超電動磁石、605…送信用アンテナ、606…地上側コントロ−ラ、671、672…推進案内用地上コイル、673、674…浮上用地上コイル、700…振動台701…振動台のy軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、702…振動台のx軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、703…振動台コントロ−ラ、741、742、743、744…油圧アクチュエ−タ、705…固定フレ−ム、761、762、763、764…積分器、800…ステ−ジ、801…ステ−ジy軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、802…ステ−ジのx軸方向加々速度検出用加々速度検出装置、803…振動台コントロ−ラ、841、842、843、844…リニアアクチュエ−タ、845…固定フレ−ム、861、862、863、864…積分器、900…ビル、911、912、913、914…ビル加々速度検出装置、902…ビル制振コントロ−ラ、903…油圧アクチュエ−タ、904…アクティブマス、1001…マニピュレ−タ、1011…マニピュレ−タ手先、1021、1022、1023…手先加々速度検出装置、1003…ア−ムコントロ−ラ、1041、1042、1043…関節駆動用DDモ−タ、1121、1122、1123、1124、1125…航空機機体加々速度検出装置、1103…航空機コントロ−ラ、1141…水平カナ−ド、1142…フラッペロン、1143…垂直カナ−ド、1144…水平スタビライザ、1145…垂直スタビライザ、1200…ケ−シング、1201…回転振子、1202…コイル、1203…マグネット、1204…可動電極、1205…固定電極、1206…振り子変位角検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項1】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該コントローラにより前記物体の運動を制御することを特徴とする運動制御システム。
【請求項2】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の位置制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項3】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の速度制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項4】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の加速度制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項5】少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とする運動物体。
【請求項6】少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加速度と加々速度を検出するための検出手段と、該検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とする運動物体。
【請求項7】前記加々速度検出手段が加速度センサと加速度センサ出力微分手段である請求項5に記載の運動物体。
【請求項8】前記加速度センサ出力微分手段が、アナログ電気回路である請求項7に記載の運動物体。
【請求項9】前記加速度センサ出力微分手段が、ディジタル微分装置である請求項7に記載の運動物体。
【請求項10】運動物体の動きを検出し、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を導きだし、該加速度の微分値に対応した制御信号を生成し、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体の制御方法。
【請求項11】車両、飛行物体などの運動を模擬した運動シミュレ−タにおいて、該運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段と、運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度検出手段からの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御することを特徴とする運動シミュレ−タ。
【請求項12】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項13】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の運動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項14】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて乗り心地評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の乗り心地を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項15】ビルの少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいてビルの運動を計算して該計算結果を出力しビルの運動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項16】前記運動が振動である請求項15に記載の運動評価装置。
【請求項17】運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項18】前記運動評価装置が加速度検出手段を備え、該加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点において観測された加速度の大きさ、加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をai、biとしたとき、前記評価関数が、Ψi=(ai・|Gi|+bi・|Ji|)の和で定義されている請求項12から16のいずれかに記載の運動評価装置。
【請求項19】操舵装置と、該操舵装置の操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記操舵装置を制御するためのコントローラを備え、前記操舵角を検出する手段と加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記操舵装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項20】原動機と、該原動機の出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記原動機を制御するコントローラを備え、前記原動機の出力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記原動機の出力を制御することを特徴とする車両。
【請求項21】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車輪制動装置を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して車輪制動装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項22】車体懸架装置と、車体懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体前後方向、車体横方向、車体上下方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車体懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記車体懸架装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項23】エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向、ロ−ル方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記エンジン懸架装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項24】エンジンと、少なくとも該エンジンのロール方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、エンジンのコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記エンジンの失火を検出することを特徴とする車両。
【請求項25】前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により該コントローラにより制御信号を生成する請求項19から24のいずれかに記載の車両。
【請求項26】前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により乗り心地評価関数を求め、該乗り心地評価関数に基づいてコントローラにより制御信号を生成する請求項19から24のいずれかに記載の車両。
【請求項27】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点における車体加速度の大きさ、車体加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されている請求項26に記載の車両。
【請求項28】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエンジンのロ−ル方向の加速度の大きさ、、エンジンのロ−ル方向の加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をei、fiとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ei・|Gi|+fi・|Ji|)の和で定義されている請求項26に記載の車両。
【請求項29】人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつつり下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、前記かごに取付けられ該かごの加々速度を検出するための加々速度検出手段とを備え、該かご加々速度検出手段により検出された加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするエレベータ。
【請求項30】前記かごがかごの加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御する請求項29に記載のエレベータ。
【請求項31】前記コントロ−ラが前記加速度および加々速度情報により乗り心地評価関数を求めるものであって、該乗り心地評価関数に基づいて前記コントロ−ラにより前記モ−タを制御する請求項30に記載のエレベ−タ。
【請求項32】前記かごがかごの速度を検出するための速度検出手段を備えるものである請求項30又は31に記載のエレベ−タ。
【請求項33】人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつ下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、該モ−タの回転速度、回転加速度および回転加々速度を検出するためのモ−タ回転速度検出手段、モ−タ回転加速度検出手段とモ−タ回転加々速度検出手段を備え、該モ−タ回転速度検出手段により検出されたモ−タ回転速度情報と該モ−タ回転加速度検出手段により検出されたモ−タ回転加速度情報および該モ−タ回転加々速度検出手段により検出されたモ−タ回転加々速度情報を該コントローラに入力し、該モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度およびモ−タ回転加々速度情報により乗り心地評価関数を求め、該評価関数に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするエレベータ。
【請求項34】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエレベ−タ加速度の大きさ、エレベ−タ加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されている請求項31に記載のエレベータ。
【請求項35】前記速度、加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるかごの速度の大きさ、かごの加速度の大きさ、かごの加々速度の大きさをそれぞれVi、Gi、Ji、重み付け定数をj、k、lとしたとき、乗り心地評価関数が、Ψi=(j・|Vi|−k・|Gi|−l・|Ji|)の和で定義されている請求項32に記載のエレベータ。
【請求項36】前記乗り心地評価関数が、モ−タの回転速度をVm、モ−タの回転加速度の大きさをGm、モ−タの回転加々速度の大きさをJm、、重み付け定数をl、m、nとしたとき、Ψ=(l・|Vm|−m・|Gm|−n・|Jm|)で定義されている請求項33に記載のエレベータ。
【請求項37】枕バネアクチュエ−タを備えた台車の上に車体が設けられ、該台車が車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タを介して車輪により支持されるものであって、車体の配置された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記枕バネアクチュエ−タおよび軸バネアクチュエ−タを制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とする鉄道車両。
【請求項38】車体と、浮上用地上コイルと、車上の超電導磁石と、前記車体に具備された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記超電導磁石の磁力を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とする磁気浮上車両。
【請求項39】リニアアクチュエ−タによって駆動される少なくとも1つのステ−ジと、リニアアクチュエ−タに具備された変位検出器と、前記ステ−ジに取り付けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し予め入力されている位置の目標値に位置決めするための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするステ−ジ。
【請求項40】回転位置検出手段を具備した関節駆動用モ−タにより駆動されるマニピュレ−タと、該マニピュレ−タの手先に取り付けられた複数の加々速度検出手段と、前記回転位置検出手段と加々速度検出手段との出力を入力し位置決めを行うための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするロボットア−ム。
【請求項41】機体もしくは主翼に加々速度検出手段を備え、該加々速度検出手段の出力をコントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより水平カナ−ド、フラッペロン、垂直カナ−ド、水平スタビライザ、垂直スタビライザあるいはエンジンの出力を制御することを特徴とする航空機。
【請求項42】X軸およびY軸に設けられ変位検出器が具備された油圧アクチュエ−タにより駆動される振動台と、該振動台にX軸およびY軸方向に設けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し、地震加速度、地震加々速度あるいは変位の目標値に追従させるように制御する制御信号を生成するコントロ−ラを備えたことを特徴とする振動台。
【請求項43】運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するための第2の手段と、該微分値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体を制御するためのコントロ−ラ。
【請求項44】前記第2の手段が前記物体の動きから直接運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出する請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項45】前記第2の手段が前記加速度の微分を行う手段を備えるものであって、該微分手段により前記運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出する請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項46】前記第1の手段が第1の部材と、該第1の部材に対して可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段を備えた請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項47】前記第2の手段が、前記電流により前記コイル間の電圧を検出する手段を備え、該電圧が前記加速度の微分値に対応している請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項48】第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、該静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである請求項46に記載のコントロ−ラ。
【請求項49】運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度を示す第1の値と加速度の微分値に対応した第2の値を検出するための第2の手段と、該第1の値と第2の値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体を制御するためのコントロ−ラ。
【請求項50】物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該物体の運動を制御することを特徴とするコントロ−ラ。
【請求項51】第1の部材と、該第1の部材に対して相対的に可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、該電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項52】第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、第1の部材に対する第2の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである請求項51に記載のセンサ。
【請求項53】加速度に応じて変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に作用する電磁力を発生する電磁力発生手段と、前記電磁力を制御する電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記電磁力発生手段の電気回路に発生する誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記可動部材に作用する電磁力を前記電磁力制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項54】前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記電流検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出する請求項53に記載の加々速度センサ。
【請求項55】コイルを具備し加速度に応じて変位する可動部材と、前記コイルに流した電流により前記可動部材のコイルに力を発生するような位置に固定された磁石と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項56】加速度に応じて変位する磁石を具備した可動部材と、流した電流により前記可動部材の磁石に力を発生するような位置に固定されたコイルと、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項57】前記コイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記コイル電流検出手段により検出される前記コイルに流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出する請求項55又は56に記載の加々速度センサ。
【請求項58】多軸方向の加速度に応じて多軸方向の変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に多軸方向に作用する電磁力を発生する多軸方向の電磁力発生手段と、前記多軸方向の電磁力を制御する多軸方向の電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの多軸方向の変位を検出する多軸方向の変位検出手段と、前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に発生する各誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記多軸方向の変位検出手段により検出される前記可動部材の多軸方向の変位が零になるように、前記可動部材に作用する多軸方向の電磁力を前記多軸方向の電磁力制御手段により制御するものであって、前記各誘導起電力検出手段により検出される前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に生じる各誘導起電力から前記可動部材に作用する多軸方向の加速度の変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項59】前記可動部材が角加速度に応じて角変位するものである請求項53から58のいずれかに記載の加々速度センサ。
【請求項60】ビルのフロアに設置された油圧アクチュエ−タと、該油圧アクチュエ−タに具備されビルに対して相対運動するアクティブマスと、前記ビルのフロアに設置された加々速度検出手段と、前記油圧アクチュエ−タを制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段の出力を前記コントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより前記ビルの振動が小さくなるように前記油圧アクチュエ−タを制御することを特徴とするビル制振システム。
【請求項1】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該コントローラにより前記物体の運動を制御することを特徴とする運動制御システム。
【請求項2】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の位置制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項3】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の速度制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項4】少なくとも物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該物体の運動を制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段からの出力を前記コントロ−ラに入力し、該加々速度に基づいてコントロ−ラにより前記物体の加速度制御を行うことを特徴とする運動制御システム。
【請求項5】少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とする運動物体。
【請求項6】少なくとも運動物体の動きに対応した運動物体の加速度と加々速度を検出するための検出手段と、該検出手段からの出力を入力し前記運動物体を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えことを特徴とする運動物体。
【請求項7】前記加々速度検出手段が加速度センサと加速度センサ出力微分手段である請求項5に記載の運動物体。
【請求項8】前記加速度センサ出力微分手段が、アナログ電気回路である請求項7に記載の運動物体。
【請求項9】前記加速度センサ出力微分手段が、ディジタル微分装置である請求項7に記載の運動物体。
【請求項10】運動物体の動きを検出し、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を導きだし、該加速度の微分値に対応した制御信号を生成し、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体の制御方法。
【請求項11】車両、飛行物体などの運動を模擬した運動シミュレ−タにおいて、該運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段と、運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御するコントローラを備え、該加々速度検出手段からの出力を該コントローラに入力し、該コントローラにより運動シミュレ−タの可動部分の運動を制御することを特徴とする運動シミュレ−タ。
【請求項12】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて制御性能評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の制御性能を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項13】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の運動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項14】制御対象物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて乗り心地評価関数を計算して該計算結果を出力し制御対象物体の乗り心地を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項15】ビルの少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいてビルの運動を計算して該計算結果を出力しビルの運動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項16】前記運動が振動である請求項15に記載の運動評価装置。
【請求項17】運動シミュレ−タの可動部分の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該加々速度に基づいて運動シミュレ−タの可動部分の振動を計算して該計算結果を出力し、運動シミュレ−タの可動部分の振動を評価することを特徴とする運動評価装置。
【請求項18】前記運動評価装置が加速度検出手段を備え、該加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点において観測された加速度の大きさ、加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をai、biとしたとき、前記評価関数が、Ψi=(ai・|Gi|+bi・|Ji|)の和で定義されている請求項12から16のいずれかに記載の運動評価装置。
【請求項19】操舵装置と、該操舵装置の操舵角を検出する手段と、少なくとも車体横方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記操舵装置を制御するためのコントローラを備え、前記操舵角を検出する手段と加々速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記操舵装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項20】原動機と、該原動機の出力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記原動機を制御するコントローラを備え、前記原動機の出力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して前記原動機の出力を制御することを特徴とする車両。
【請求項21】車輪制動装置と、車輪制動力を検出する手段と、少なくとも車体前後方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車輪制動装置を制御するコントローラを備え、該車輪制動力を検出する手段と加々速度検出手段からの出力をコントローラに入力し、前記コントローラにより制御信号を生成して車輪制動装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項22】車体懸架装置と、車体懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体前後方向、車体横方向、車体上下方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記車体懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記車体懸架装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項23】エンジン懸架装置と、エンジン懸架状態を検出する手段と、少なくとも車体上下方向、ロ−ル方向のいずれかの加々速度を検出するための加々速度検出手段と、前記懸架装置を制御するコントローラを備え、前記加々速度検出手段により検出された加々速度情報をコントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて、前記コントローラにより制御信号を生成して前記エンジン懸架装置を制御することを特徴とする車両。
【請求項24】エンジンと、少なくとも該エンジンのロール方向の加々速度を検出するための加々速度検出手段と、エンジンのコントローラを備え、前記加々速度検出手段からの加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記エンジンの失火を検出することを特徴とする車両。
【請求項25】前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により該コントローラにより制御信号を生成する請求項19から24のいずれかに記載の車両。
【請求項26】前記車体が加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、加々速度情報および加速度情報により乗り心地評価関数を求め、該乗り心地評価関数に基づいてコントローラにより制御信号を生成する請求項19から24のいずれかに記載の車両。
【請求項27】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点における車体加速度の大きさ、車体加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されている請求項26に記載の車両。
【請求項28】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエンジンのロ−ル方向の加速度の大きさ、、エンジンのロ−ル方向の加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をei、fiとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ei・|Gi|+fi・|Ji|)の和で定義されている請求項26に記載の車両。
【請求項29】人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつつり下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、前記かごに取付けられ該かごの加々速度を検出するための加々速度検出手段とを備え、該かご加々速度検出手段により検出された加々速度情報を前記コントローラに入力し、該加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするエレベータ。
【請求項30】前記かごがかごの加速度を検出するための加速度検出手段を備えるものであって、加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、該加速度および加々速度情報に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御する請求項29に記載のエレベータ。
【請求項31】前記コントロ−ラが前記加速度および加々速度情報により乗り心地評価関数を求めるものであって、該乗り心地評価関数に基づいて前記コントロ−ラにより前記モ−タを制御する請求項30に記載のエレベ−タ。
【請求項32】前記かごがかごの速度を検出するための速度検出手段を備えるものである請求項30又は31に記載のエレベ−タ。
【請求項33】人あるいは物が乗り降りするかごと、該かごをつり上げかつ下げるためのワイヤと、該ワイヤを巻き上げかつ巻き下げるためのモータと、該モータを制御するためのコントローラと、該モ−タの回転速度、回転加速度および回転加々速度を検出するためのモ−タ回転速度検出手段、モ−タ回転加速度検出手段とモ−タ回転加々速度検出手段を備え、該モ−タ回転速度検出手段により検出されたモ−タ回転速度情報と該モ−タ回転加速度検出手段により検出されたモ−タ回転加速度情報および該モ−タ回転加々速度検出手段により検出されたモ−タ回転加々速度情報を該コントローラに入力し、該モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度およびモ−タ回転加々速度情報により乗り心地評価関数を求め、該評価関数に基づいて前記コントローラにより前記モータを制御することを特徴とするエレベータ。
【請求項34】前記加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるエレベ−タ加速度の大きさ、エレベ−タ加々速度の大きさをそれぞれGi、Ji、重み付け定数をci、diとしたとき、前記乗り心地評価関数が、Ψi=(ci・|Gi|+di・|Ji|)の和で定義されている請求項31に記載のエレベータ。
【請求項35】前記速度、加速度および加々速度を検出する検出手段が少なくとも1自由度を有するものであって、i番目の観測点におけるかごの速度の大きさ、かごの加速度の大きさ、かごの加々速度の大きさをそれぞれVi、Gi、Ji、重み付け定数をj、k、lとしたとき、乗り心地評価関数が、Ψi=(j・|Vi|−k・|Gi|−l・|Ji|)の和で定義されている請求項32に記載のエレベータ。
【請求項36】前記乗り心地評価関数が、モ−タの回転速度をVm、モ−タの回転加速度の大きさをGm、モ−タの回転加々速度の大きさをJm、、重み付け定数をl、m、nとしたとき、Ψ=(l・|Vm|−m・|Gm|−n・|Jm|)で定義されている請求項33に記載のエレベータ。
【請求項37】枕バネアクチュエ−タを備えた台車の上に車体が設けられ、該台車が車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タを介して車輪により支持されるものであって、車体の配置された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記枕バネアクチュエ−タおよび軸バネアクチュエ−タを制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とする鉄道車両。
【請求項38】車体と、浮上用地上コイルと、車上の超電導磁石と、前記車体に具備された複数の加々速度検出手段と、該加々速度検出手段からの出力を入力し前記超電導磁石の磁力を制御するための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とする磁気浮上車両。
【請求項39】リニアアクチュエ−タによって駆動される少なくとも1つのステ−ジと、リニアアクチュエ−タに具備された変位検出器と、前記ステ−ジに取り付けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し予め入力されている位置の目標値に位置決めするための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするステ−ジ。
【請求項40】回転位置検出手段を具備した関節駆動用モ−タにより駆動されるマニピュレ−タと、該マニピュレ−タの手先に取り付けられた複数の加々速度検出手段と、前記回転位置検出手段と加々速度検出手段との出力を入力し位置決めを行うための制御信号を生成するコントローラを備えたことを特徴とするロボットア−ム。
【請求項41】機体もしくは主翼に加々速度検出手段を備え、該加々速度検出手段の出力をコントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより水平カナ−ド、フラッペロン、垂直カナ−ド、水平スタビライザ、垂直スタビライザあるいはエンジンの出力を制御することを特徴とする航空機。
【請求項42】X軸およびY軸に設けられ変位検出器が具備された油圧アクチュエ−タにより駆動される振動台と、該振動台にX軸およびY軸方向に設けられた加々速度検出手段と、前記変位検出器と加々速度検出手段との出力を入力し、地震加速度、地震加々速度あるいは変位の目標値に追従させるように制御する制御信号を生成するコントロ−ラを備えたことを特徴とする振動台。
【請求項43】運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出するための第2の手段と、該微分値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体を制御するためのコントロ−ラ。
【請求項44】前記第2の手段が前記物体の動きから直接運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出する請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項45】前記第2の手段が前記加速度の微分を行う手段を備えるものであって、該微分手段により前記運動物体の動きに対応した加速度の微分値を検出する請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項46】前記第1の手段が第1の部材と、該第1の部材に対して可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段を備えた請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項47】前記第2の手段が、前記電流により前記コイル間の電圧を検出する手段を備え、該電圧が前記加速度の微分値に対応している請求項43に記載のコントロ−ラ。
【請求項48】第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、該静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである請求項46に記載のコントロ−ラ。
【請求項49】運動物体の動きを検出するための第1の手段と、該運動物体の動きに対応した加速度を示す第1の値と加速度の微分値に対応した第2の値を検出するための第2の手段と、該第1の値と第2の値に対応した制御信号を発生する第3の手段を備え、該制御信号により前記運動物体を制御することを特徴とする運動物体を制御するためのコントロ−ラ。
【請求項50】物体の少なくとも加々速度を検出するための加々速度検出手段の出力を入力し、該物体の運動を制御することを特徴とするコントロ−ラ。
【請求項51】第1の部材と、該第1の部材に対して相対的に可動である第2の部材と、前記第1の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、該磁石の磁束中であって前記第2の部材に固定された少なくとも1つのコイルと、前記第1の部材に対する第2の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第1の部材に対し第2の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、該電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項52】第1の部材に相対的な第2の部材の動きを検出する前記手段が、第1の部材、第2の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板と、第1の部材に対する第2の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものである請求項51に記載のセンサ。
【請求項53】加速度に応じて変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に作用する電磁力を発生する電磁力発生手段と、前記電磁力を制御する電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記電磁力発生手段の電気回路に発生する誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記可動部材に作用する電磁力を前記電磁力制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項54】前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記電流検出手段により検出される前記電磁力発生手段の電気回路に流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出する請求項53に記載の加々速度センサ。
【請求項55】コイルを具備し加速度に応じて変位する可動部材と、前記コイルに流した電流により前記可動部材のコイルに力を発生するような位置に固定された磁石と、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項56】加速度に応じて変位する磁石を具備した可動部材と、流した電流により前記可動部材の磁石に力を発生するような位置に固定されたコイルと、前記可動部材の基準位置からの変位を検出する変位検出手段と、前記コイルに流れる電流を制御する電流制御手段と、前記コイルに電流を流すことにより前記コイルの両端に生じる誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記変位検出手段により検出される前記可動部材の変位が零になるように前記コイルに流れる電流を前記電流制御手段により制御するものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項57】前記コイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段を備えるものであって、前記誘導起電力検出手段により検出される前記コイルの両端に生じる誘導起電力から前記可動部材に作用する加速度の時間的変化に比例した物理量を検出するとともに、前記コイル電流検出手段により検出される前記コイルに流れる電流から前記可動部材に作用する加速度に比例した物理量を検出する請求項55又は56に記載の加々速度センサ。
【請求項58】多軸方向の加速度に応じて多軸方向の変位可能な可動部材と、電気回路と磁気回路で構成され前記可動部材に多軸方向に作用する電磁力を発生する多軸方向の電磁力発生手段と、前記多軸方向の電磁力を制御する多軸方向の電磁力制御手段と、前記可動部材の基準位置からの多軸方向の変位を検出する多軸方向の変位検出手段と、前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に発生する各誘導起電力を検出する誘導起電力検出手段とを有し、前記多軸方向の変位検出手段により検出される前記可動部材の多軸方向の変位が零になるように、前記可動部材に作用する多軸方向の電磁力を前記多軸方向の電磁力制御手段により制御するものであって、前記各誘導起電力検出手段により検出される前記多軸方向の電磁力発生手段の各電気回路に生じる各誘導起電力から前記可動部材に作用する多軸方向の加速度の変化に比例した物理量を検出することを特徴とする加々速度センサ。
【請求項59】前記可動部材が角加速度に応じて角変位するものである請求項53から58のいずれかに記載の加々速度センサ。
【請求項60】ビルのフロアに設置された油圧アクチュエ−タと、該油圧アクチュエ−タに具備されビルに対して相対運動するアクティブマスと、前記ビルのフロアに設置された加々速度検出手段と、前記油圧アクチュエ−タを制御するためのコントロ−ラを備え、前記加々速度検出手段の出力を前記コントロ−ラに入力し、該コントロ−ラにより前記ビルの振動が小さくなるように前記油圧アクチュエ−タを制御することを特徴とするビル制振システム。
【図1】
【図25】
【図26】
【図28】
【図2】
【図42】
【図3】
【図4】
【図27】
【図29】
【図30】
【図5】
【図6】
【図7】
【図36】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図34】
【図43】
【図18】
【図33】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図31】
【図35】
【図37】
【図32】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図44】
【図45】
【図25】
【図26】
【図28】
【図2】
【図42】
【図3】
【図4】
【図27】
【図29】
【図30】
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【図6】
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【図36】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図34】
【図43】
【図18】
【図33】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図31】
【図35】
【図37】
【図32】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図44】
【図45】
【公開番号】特開平5−313753
【公開日】平成5年(1993)11月26日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平5−26493
【出願日】平成5年(1993)2月16日
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成5年(1993)11月26日
【国際特許分類】
【出願日】平成5年(1993)2月16日
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
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