移動体、倒立型移動体、及びその制御方法
【課題】高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上すること。
【解決手段】本発明に係る移動体１は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する。そして、生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける。速度制限は、算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する。そして、算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、各駆動輪の駆動制御量を算出し、算出した駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動する。
【解決手段】本発明に係る移動体１は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する。そして、生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける。速度制限は、算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する。そして、算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、各駆動輪の駆動制御量を算出し、算出した駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動体、倒立型移動体、及びその制御方法に関し、特に高速移動時においても旋回性能を確保して移動可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体本体の移動方向に対して両側に駆動輪を設け、それら駆動輪を各々独立して回転制御可能な移動体では、左右の駆動輪に対してそれぞれ異なる回転数を指令することにより、旋回走行を行う。このような移動体に目標とする進行方向の速度（目標並進速度）と旋回方向の速度（目標旋回角速度）とを指令した場合には、通常、指令したこれらの目標速度が移動体の性能を考慮した実現可能な範囲内に収まるように、これら目標速度に対して何らかの速度制限を掛ける必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１〜特許文献３には、倒立状態で移動する倒立車輪式移動体において、限界横方向加速度に着目して、直進速度と旋回角速度の少なくとも一つを制限することで、旋回目標にできるだけ近い状態で旋回可能とする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００８−５６０６４号公報
【特許文献２】特開２００８−５６０６５号公報
【特許文献３】特開２００８−５６０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術において、指令した目標速度に旋回成分が含まれるときに、左右の駆動輪を回転駆動する各モータに対してそれぞれ速度制限処理を実施した場合には、各駆動輪の回転成分に対しても制限がかかることになる。結果として、両駆動輪の回転成分は旋回を行うために互いに異なる成分としたにもかかわらず、両駆動輪間の回転成分の差が減少してしまい、旋回性能が犠牲となる。このため、とっさの回避運動が行いにくくなる場合がある。特に、高速移動中においては旋回がしにくい状態となり、障害物を回避できないといった問題が生じる。
【０００５】
また、特許文献１などに記載の手法では、制限を行うための処理が複雑なものである。さらに、特許文献１などに記載の手法では、実際の路面摩擦係数が未知であるなどの課題が残されている。
【０００６】
従って、本発明は、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる移動体、倒立型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る移動体は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、を備える移動体であって、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限するものである。
【０００８】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【０００９】
また、前記速度制限手段は、前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限するようにしてもよい。
【００１０】
さらにまた、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させるようにしてもよい。
【００１１】
また、前記速度制限手段は、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算すると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００１２】
さらにまた、前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００１４】
本は発明に係る倒立型移動体は、左右の駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、前記駆動輪を支持する移動体本体と、移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、を備え、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御することで前記移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体であって、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限するものである。
【００１５】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００１６】
また、前記速度制限手段は、前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限するようにしてもよい。
【００１７】
さらにまた、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記速度制限手段は、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算すると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記倒立型移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００１９】
さらにまた、前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段を更に備え、前記速度制限手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００２０】
また、前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段と、並進方向の移動に必要な前記各駆動輪の並進制御量を算出する並進制御手段と、旋回方向の移動に必要な前記各駆動輪の旋回制御量を算出する旋回制御手段と、を更に備え、前記速度制限手段は、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、前記並進速度制御手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、前記旋回制御手段は、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、前記駆動制御量算出手段は、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出するようにしてもよい。
【００２１】
さらにまた、前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００２３】
本発明に係る移動体の制御方法は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動するものである。
【００２４】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００２５】
本発明に係る倒立型移動体の制御方法は、左右の駆動輪を独立に回転駆動して移動する倒立型移動体の制御方法であって、前記倒立型移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、前記倒立型移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出し、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御するものである。
【００２６】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる移動体、倒立型移動体、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
発明の実施の形態１．
以下、図面を参照しながら本実施の形態１に係る移動体について説明する。図１（ａ）は、本実施の形態にかかる移動体の構成を模式的に示す上面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態にかかる移動体の構成を模式的に示す側面図である。本実施の形態では、移動体を、一対の駆動輪を移動体本体の移動方向に対向して設け、これら駆動輪をそれぞれ独立に駆動する独立２輪型の移動体として説明する。
【００２９】
移動体１は、非ホロノミックな２輪型自律移動体である。車体２の側面下方には、右駆動輪３及び左駆動輪４が設けられている。右駆動輪３及び左駆動輪４は、車体２の対向する側面にそれぞれ設けられている。車体２の前方中央部には、キャスタ等の従動輪７が設けられている。２つの右駆動輪３及び左駆動輪４は、モータ等を有する右駆動機構５及び左駆動機構６によって、独立して回転する。即ち、右駆動機構５及び左駆動機構６が右駆動輪３及び左駆動輪４を回転させることによって、移動体１が移動する。２つの右駆動輪３及び左駆動輪４は、それぞれ異なる右駆動機構５及び左駆動機構６に接続されている。したがって、右駆動輪３及び左駆動輪４を異なる回転方向、回転速度で回転させることにより、移動体１の移動方向、移動速度を制御することができる。具体的には、右駆動輪３及び左駆動輪４を同じ方向、異なる速度で回転させることにより、移動体１の移動方向が変化しながら、移動する。即ち、２つの右駆動輪３及び左駆動輪４の距離、及び回転速度の差に応じて、移動体１が旋回しながら移動する。また、右駆動輪３及び左駆動輪４を反対方向に同じ速度で回転させることによって、移動体１がその場で旋回する。さらに、右駆動輪３及び左駆動輪４を同じ方向、同じ速度で回転させることにより、移動体１が直進移動する。
【００３０】
制御部８は、所定のＣＰＵやメモリなどの図示しない記憶領域を備える小型のコンピュータであり、この記憶領域には、入力される信号に基づいて右駆動輪３及び左駆動輪４を駆動する駆動制御量を決定するための所定のプログラムとともに、移動する移動領域に関するマップ情報などが記憶されている。
【００３１】
制御部８は、記憶領域に記憶したマップ情報などに基づいて、その移動経路を自律的に作成する。このマップ情報は、移動する床面Ｐの全体形状に、略一定間隔に配置された格子点を結ぶグリッド線を仮想的に描写することで得られるグリッドマップから構成されており、このグリッド線で囲まれたグリッド単位を用いて、移動体１の自己位置に相当する場所や目標地点である移動終了点、及び移動終了点における移動体１の移動方向などが特定される。尚、グリッドマップにおける格子点の間隔は、移動体１の移動可能な曲率や絶対位置を認識する精度などの条件に応じて、適宜変更可能である。そして、制御部８は、このグリッドマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目的地である移動終点までの目標経路を設定するとともに、右駆動輪３及び左駆動輪４の回転数などから求めた移動速度や移動距離からリアルタイムに自己位置を算出し、設定された目標経路に沿って移動を行うように移動制御を行う。
【００３２】
以下、図２〜図４を参照して、本実施の形態１に係る移動体の移動制御方法について詳細に説明する。図２は、図１に示した移動体１を示す概念的なモデル図である。図２において、Ｖｌｉｎは移動体１の進行方向の速度（並進速度）を示す。Ｖｒｏｔは移動体１の旋回方向の角速度（旋回角速度）を示す。ｖＬは左駆動輪（左タイヤ）の並進速度を示す。ｖＲは右駆動輪（右タイヤ）の並進速度を示す。ωＬは左駆動輪の回転角速度を示す。ωＲは右駆動輪の回転角速度を示す。ｒｔは両駆動輪の半径を示す。ｌｔは移動体１のトレッド距離（駆動輪間の距離）を示す。
【００３３】
すると、移動体１の並進速度Ｖｌｉｎ及び旋回角速度Ｖｒｏｔと、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲとの関係を、以下の数１により表すことができる。
【数１】
【００３４】
従って、数１より、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲを、以下の数２により求めることができる。即ち、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲは、「移動体１の並進速度成分±旋回角速度成分」により構成される。図３は、例えば移動体が並進しながら左側に旋回する場合において、算出した左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲの一例を示す図である。
【数２】
【００３５】
本実施の形態１に係る移動体１の制御部８は、まず、設定された目標経路に追従するように移動体１の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを生成する。次いで、制御部８は、生成した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する。次いで、制御部８は、算出した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲに基づいて、各駆動輪の駆動制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。次いで、制御部８は、算出した駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動することで、移動体１の移動制御を行う。
【００３６】
一般的に、独立２輪型の車輪移動ロボットに用いられるモータには、その回転角速度に関して速度制限のあるものが多い。このため、通常は、駆動輪の回転角速度を、その速度制限値ωｌｍｔ以下になるように速度制限が行われる。しかし、従来の制御方法では、このような速度制限処理の結果、その制限を超過した超過成分（以下、超過成分をΔωとして説明する。）が失われることになり、目標とした回転角速度を達成することができないという問題があった。
【００３７】
図４は従来技術による速度制限処理の結果、旋回性能が低下する様子を説明するための図である。例えば、従来の制御方法では、数２を用いて、図４（ａ）に示す各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出した場合に、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行う。図４（ａ）に示す例では、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えているため、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲから減算することにより、速度制限処理を行う。この結果、両駆動輪で異なる成分とした回転角速度に対して制限がかかることになり、左右の駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差が減少する。このため、高速移動時には旋回がしにくい状態に陥ってしまう。結果として、旋回性能の低下を招き、とっさの回避運動が行いにくくなるといった問題が生じてしまう。
【００３８】
これに対して、本実施の形態１に係る移動体は、算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合には、算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下となるように制限処理を行うと共に、さらに、各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限処理を行う。
【００３９】
図５は本実施の形態１に係る移動体による速度制限処理の様子を説明するための図である。本実施の形態１に係る移動体は、数２を用いて、図５（ａ）に示す各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出した場合に、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行うと共に、速度制限を超過していない駆動輪に対しても制限処理を行う。図５（ａ）に示す例では、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えているため、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲからも減算することにより、速度制限処理を行う。さらに、本実施の形態１に係る移動体は、速度制限値ωｌｍｔを超えていない左駆動輪の目標回転角速度ωＬに対しても、超過成分Δωに係数αを乗じた値であるα・Δω分の減算処理を行う。これにより、左右の駆動輪の目標回転角速度について十分な回転角速度差を確保することができる。結果として、高速移動中においても旋回性能を犠牲にすることがなく、旋回しやすくなる。従って、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００４０】
尚、係数αは非負の値であり、αの値に応じて左右の駆動輪の目標回転角速度差を拡大又は縮小することができる。係数αの値は、予め定めた所定の値を設定するものとしてもよいし、ユーザからの入力や、移動体の周囲の状況のセンシング結果に応じて変更する構成としてもよい。例えば、係数αの値をα＝１とした場合には、本実施の形態１に係る移動体は、左右の駆動輪の目標回転角速度差を維持するように速度制限を行う。このため、予め与えた目標旋回角速度はそのまま保持して、並進方向についてのみ速度を制限する。また、係数αの値をα>１の値とした場合には、本実施の形態１に係る移動体は、左右の駆動輪の目標回転角速度差を更に拡大するように速度制限を行う。このため、予め与えた目標旋回角速度以上の旋回をさせることが可能となる。従って、通常の移動時には係数αの値をα＝１として移動制御を行い、移動体の並進方向に存在する障害物を緊急回避させる場合には、係数αの値をα>１の値へと切替えることで、予め与えた目標旋回角速度以上の旋回をさせ、障害物の回避性能をより向上させることができる。
【００４１】
以下、移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、係数αの値を決定する方法について説明する。図６に示すように、移動体１の移動方向に障害物が存在するものとし、障害物との距離をＬ＿ｏｂｓとする。図７に示すように、横軸をＬ＿ｏｂｓ、縦軸を係数αとしてマップに従って、係数αを決定することができる。
【００４２】
ここで、障害物の距離Ｌ＿ｏｂｓは、移動体１の中央付近を基準として算出してもよいが、図８に示すように、移動体１の左右の端（車輪や車体）と障害物との距離を各々Ｌ＿ｏｂｓ＿ｌｅｆｔ、Ｌ＿ｏｂｓ＿ｒｉｇｈｔとして計測し、計測した値のいずれか小さいほうの値を距離Ｌ＿ｏｂｓとしてもよい。これにより、正確に障害物を回避できることが期待される。即ち、Ｌ＿ｏｂｓ＝ｍｉｎ（Ｌ＿ｏｂｓ＿ｌｅｆｔ，Ｌ＿ｏｂｓ＿ｒｉｇｈｔ）により計算すると好適である。
【００４３】
図７において、障害物の距離Ｌ＿ｏｂｓに関する閾値Ｌ＿ｏと、係数αの最大値α＿ｍａｘは、移動体１の運動性能や安全性を考慮して予め決定するパラメータである。例えば、閾値Ｌ＿ｏの値を小さくした場合には、係数αによる旋回成分の補正は移動体１が障害物に十分近づくまでは有効とはならないが、閾値Ｌ＿ｏの値を大きくした場合には、移動体１と障害物とが離れたところからでも係数αによる旋回成分の補正は有効となり、余裕を持って障害物との衝突を回避することができる。また、同一の閾値Ｌ＿ｏを設定する場合であっても、α＿ｍａｘの値を大きくすることで、与えられた指令旋回性能以上の旋回動作を行って、安全を確保することが可能となる。
【００４４】
図９に示すように、移動体１が障害物に接近する状況を想定する。図９において、点Ａ（Ｌ＿ｏｂｓ>Ｌ＿ｏ）、点Ｂ（Ｌ＿ｏｂｓ<Ｌ＿ｏ）、点Ｃ（Ｌ＿ｏｂｓ>Ｌ＿ｏ）は、図７に示す各点Ａ、Ｂ、Ｃに対応する点（移動体１の各地点での状態）を示す。点Ａでは、移動体１は障害物から十分離れているものと判断し、移動体１は指令値（点線の軌道）に応じて走行を続ける。点Ｂでは、移動体１と障害物との距離が閾値Ｌ＿ｏを下回ったために、移動体１は障害物に対して想定以上に接近しており、障害物と衝突の危険があるものと判断して、係数αによる旋回成分の補正を開始する。点Ｃでは、回避動作の結果、障害物との距離が離れたため、移動体１は指令値通りの速度で走行する。これら一連の動作では、係数αは連続的に変化するため、滑らかな回避動作を実現することができる。
【００４５】
発明の実施の形態２．
続いて、本実施の形態２に係る倒立型移動体について説明する。本実施の形態では、左右の駆動輪をそれぞれ独立に駆動し、移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体について説明する。図１０は、移動領域である床部上を、搭乗者を載置した状態で、該搭乗者の操作により移動制御可能な倒立型移動体１００を概略的に示す概略図であり、図１１は、図１０に示す倒立型移動体１００を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概念図である。以下、詳細に説明する。
【００４６】
図１０に示すように、倒立型移動体１００は、搭乗者を載置する搭乗台１１を備える移動体本体１０と、1対の対向する右駆動輪３１及び左駆動輪３２と、移動体本体１０に接続され、右駆動輪３１及び左駆動輪３２の回転駆動を制御する制御ボックス２０と、を備えている。この制御ボックス２０は、後述するようにこれらの駆動輪を車軸Ｃ１、Ｃ２を中心として回転駆動するための、駆動部としてのモータ２１、２２と、該モータに電力を供給するバッテリー２５と、倒立型移動体１００の移動をコントロールする制御部２３をその内部に備えている。
【００４７】
移動体本体１０は、所定形状のフレームで構成された搭乗台１１と、この搭乗台１１を制御ボックス２０とを接続する接続部材１８とを備えている。この搭乗台１１は、搭乗者が着座するための平面板状の座席１２と、搭乗者の背面を支持するための背当て部１３と、脚支持部１４と、足載置部１５とを備えている。
【００４８】
背当て部１３は座席１２に対して上方に向けて略垂直方向に起立するように固定され、着座した搭乗者が後方に向かって重心をかけた際に背中全体と接触し、その体重を支持する。同様に、脚支持部１４は、着座した搭乗者の脚部に接触し、その重量を部分的に支持するように、座席１２に対して略鉛直下方に伸びるように一端が固定されており、その他端に足載置部１５が固定されている。そして、足載置部１５は、着座した搭乗者の脚部の膝部分が略垂直に曲がった状態で足平底面が面接触するように、所定の形状及び大きさに設計されている。
【００４９】
また、前記接続部材１８は、制御ボックス２０に対して一端が固定されるとともに、他端が搭乗台１１を移動体の前後方向（移動体の進行方向）に対して回動自在となるように接続されている。そして、図示しないモータ等の駆動手段により、制御部２３からの信号によって搭乗台１１を回動するタイミングや回動量が制御されている。
【００５０】
また、この接続部材１８には、移動体本体の加速度を検出するための加速度センサ１８ａと、移動体本体１０の鉛直方向（図１１において示す線分Ｌの伸びる方向）に対する傾斜角度及び傾斜角速度を測定するためのジャイロ１８ｂとが取り付けられている。加速度センサ１８ａは、移動体本体に作用する力により生じる進行方向についての加速度を検出し、検出した加速度に基づく信号（加速度信号）を制御部２３に送信する。
【００５１】
接続部材１８に取り付けられたジャイロ１８ｂは、自身の位置が鉛直方向から所定時間の間に傾斜する量、例えば傾斜角速度を検出し、検出した角速度を電気信号に変換して出力可能に構成されており、検出した傾斜角速度に基づいた傾斜角速度信号をフィルタ（図示せず）を介してノイズ等を除去した後に、制御部２３に送信する。制御部２３においては、倒立型移動体１００の移動中に微小時間間隔で検出される、接続部材１８（即ち、移動体本体１０）の傾斜角速度を積分することで、移動体本体１０の傾斜角度及び傾斜角速度を求めることができる。
【００５２】
また、本実施の形態では移動体本体１０の移動方向（前後方向）についての傾斜角のみを検出するものを用いているが、左右方向についての傾斜角を検出するセンサを用いることも可能である。
【００５３】
さらに、移動体本体１０の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度は、このようなジャイロを用いずに、前述の加速度センサ１８ａにより得られる加速度信号により測定することもできる。したがって、ジャイロを用いることなく、前述の加速度センサ１８ａのみを用いて、移動体本体の傾斜角度、傾斜角速度、移動体の速度を検出することもできる。
【００５４】
搭乗台１１においては制御部２３に操作信号を送信するためのジョイスティック等の操作レバーを備える操作部が設けられており、搭乗台１１に搭乗する搭乗者が該操作部を操作することで、倒立型移動体１００の移動方向や移動速度が制御される。
【００５５】
また、制御ボックス２０は、図１２に示すように、箱型形状をなすフレームの内部において右駆動輪３１及び左駆動輪３２を支持する支持軸Ｃ１，Ｃ２を備え、これらの支持軸を駆動する駆動部としてのモータ２１，２２と、これらのモータの回転駆動動作を制御するための制御部２３と、駆動輪の回転角度及び回転角速度を検出するための回転角センサ２４と、これらの構成要素に電力を供給するためのバッテリー２５と、前方に配置され、移動する床面の形状等や障害物等を光学的に認識するための検出部２６、２６を備えている。
【００５６】
モータ２１、２２は、前述の駆動輪を各々独立して駆動するものであり、これらの駆動輪に回転トルクを与えることで、駆動輪の回転数を制御部２３からの制御信号により変化させ、倒立型移動体１００の進行方向を変化させたり、旋回動作を行ったりすることを可能とする。尚、モータには、電力供給により過熱状態となることを検出するための図示しない温度センサが設けられ、この温度センサにより過熱状態を検出し、後述する制御部２３に検出信号を出力することで、モータによる最大トルクの出力ができなくなるといった状態を回避することができる。
【００５７】
制御部２３は、所定のＣＰＵやメモリなどの記憶領域２３ａを備える小型のコンピュータであり、この記憶領域２３ａには、入力される信号に基づいて駆動輪を駆動する駆動量を決定するための所定のプログラムとともに、移動する移動領域に関するマップ情報などが記憶されている。
【００５８】
回転角センサ２４は、駆動輪の回転角速度を検出し、検出した回転角速度に基づく電気信号（回転角速度信号）を前記制御部２３に対して送信する。制御部２３は、この回転角速度信号に基づいて、駆動輪の回転角度及び回転角速度を取得する。
【００５９】
バッテリー２５は、制御ボックス２０の表面から突出して設けられた図示しない被充電用端子に対して電気的に導通しており、充電ステーションに設けられた充電用端子と、前述の被充電用端子とを接触させることで、電力を供給され、充電される。
【００６０】
検出部２６、２６は、制御ボックス２０の下方前面について左右対称に設置された、検出手段としてのセンサであり、各々のセンサに設けられた光源から赤外線レーザを照射するとともに、そのレーザの照射方向を水平方向及び鉛直方向について揺動するように変化させ、その反射光を受光することで、制御ボックス２０の前面下方の床面形状を検出するものである。制御部２３は、この検出部２６により検出された床面形状に関する情報によって、床面上に存在する段差部や障害物等の存在を検知し、これらの障害物等を回避するための経路探索の作成等を行う。
【００６１】
次に、制御部２３による、移動体１の倒立状態を維持しつつ移動を行うための制御について、図１３に示す制御部２３の内部構成を示すブロック図を用いつつ説明する。上位コントローラ２３１は、制御部２３に記憶されたマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目的地である移動終点までの目標経路を設定する機能を有する。目標速度生成部２３２は、設定された目標経路に追従するように倒立型移動体１００の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを生成する。
【００６２】
速度制限部２３３は、生成した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、上述した数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する。速度制限部２３３は、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限部２３３は、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行うと共に、速度制限を超過していない駆動輪に対しても制限処理を行う。
【００６３】
次いで、速度制限部２３３は、制限処理を施した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲから、上述した数１を用いて、制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する。即ち、速度制限部２３３は、速度制限処理を施した後の制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する。
【００６４】
姿勢演算部２３５は、上述したジャイロ１８ｂの出力に基づいて、移動体本体１００の姿勢角度としての傾斜角度と、姿勢角速度としての傾斜角速度を算出する。並進速度制御部２３６は、算出した姿勢情報に従って倒立型移動体１００を倒立状態に維持した上で、各駆動輪を算出した制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔに追従させるための並進制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。
【００６５】
より具体的には、並進速度制御部２３６は、目標となる状態量（移動体本体１０の傾斜角／傾斜角速度、制限目標並進速度など）を取得したのち、これらの状態量に基づいて、倒立走行を行うように駆動輪の回転駆動を制御する倒立制御と、倒立型移動体１００の並進方向の速度により駆動輪の回転駆動を制御する並進速度制御とを行っている。ここで、前記倒立制御は、移動体本体１０の傾斜状態（移動体本体１０の傾斜角度η）に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる制御量を算出する制御理論により設計されている。一方、前記並進速度制御は、駆動輪の径とその回転速度とから取得した倒立型移動体１００の実速度に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる制御量を算出する。そして、算出された各々の制御量を合算することで得られた値を、床面に対して接地する駆動輪の並進制御量として出力し、前記駆動輪の回転駆動を制御する。尚、前記倒立制御は、既知のＰＩＤ制御などの制御系に置き換えても構成することができる。
【００６６】
旋回制御部２３７は、算出した制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔに追従させるための旋回制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。即ち、旋回制御部２３７は、倒立型移動体１００の旋回方向の旋回角速度により駆動輪の回転駆動を制御する旋回制御を行っている。前記旋回角速度制御は、駆動輪の径とその回転速度とから取得した倒立型移動体１００の実速度に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる旋回制御量を算出する。
【００６７】
駆動制御量算出手段としての制御量合成部２３８は、算出した並進制御量及び旋回制御量から各駆動輪の駆動制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。即ち、並進制御量及び旋回制御量を合成し、合成した駆動制御量を各駆動輪に対して振り分ける。右車輪駆動部２１及び左車輪駆動部２２は、駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動することで、倒立型移動体１００の移動制御を行う。
【００６８】
このように構成された倒立型移動体１００は、移動体本体１０の傾斜している方向に対して、右駆動輪３１、左動輪３２を進め、倒立型移動体１００の重心位置を駆動輪の車軸の鉛直上方に戻すように制御される。そして、床面に対して接地する一対の駆動輪に適切なトルクが付与されることで、移動体本体１０が鉛直方向に対してなす傾斜角度がある一定の値を超えて増加しないように倒立状態が保たれ、かつ、その倒立状態を維持するように、前進、後退、停止、右折、左折、左旋回、右旋回等の移動動作を行うことができる。
【００６９】
次に、制御部２３による移動制御の詳細について、図１４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００７０】
まず、制御部２３は、倒立型移動体１００に追従させる目標経路を決定する（Ｓ１０１）。次いで、制御部２３は、決定した目標経路を安定して追従可能な倒立型移動体１００の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを算出する（Ｓ１０２）。
【００７１】
次いで、制御部２３は、算出した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する（Ｓ１０３）。そして、制御部２３は、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する（Ｓ１０４）。
【００７２】
Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲのいずれか一つでも速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、制御部２３は、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行う（Ｓ１０５）。例えば、右駆動輪の目標回転角速度ωＲのみが速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、速度制限部２３３は、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲからも減算することにより、速度制限処理を行う。そして、制御部２３は、速度制限を超過していない駆動輪に対しても回転角速度の制限処理を行う（Ｓ１０６）。例えば、制御部２３は、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、速度制限値ωｌｍｔを超えていない左駆動輪の目標回転角速度ωＬからも、超過成分Δωに係数αを乗じた成分α・Δωを減算する。さらに、制御部２３は、Ｓ１０５及びＳ１０６において速度制限処理を施した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲから、数１を用いて、制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する（Ｓ１０７）。
【００７３】
次いで、制御部２３は、Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪に駆動輪に対して速度制限処理が実行された場合には、Ｓ１０７において算出した制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを目標並進速度及び目標旋回角速度として決定し、一方、Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪に駆動輪に対して速度制限処理が実行されなかった場合には、Ｓ１０２において算出した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを目標並進速度及び目標旋回角速度として決定する（Ｓ１０８）。
【００７４】
次いで、制御部２３は、Ｓ１０８において決定された目標並進速度及び目標旋回角速度や、ジャイロ１８ｂの出力などから、各駆動輪を駆動するための駆動制御量を算出する（Ｓ１０９）。そして、制御部２３から駆動制御信号を出力し、算出した駆動制御量に基づいて各駆動輪を回転駆動する（Ｓ１１０）。
【００７５】
ここで、係数αの値は、予め定めた所定の値を設定するものとしてもよいし、ユーザからの入力や、移動体の姿勢情報に応じて変更する構成としてもよい。さらに、上述したように障害物との距離に応じて決定した係数αと、後述する姿勢情報に応じて決定した係数αとを乗算することにより、最終的な係数αを決定するようにしてもよい。
【００７６】
以下、移動体の姿勢情報に応じて、係数αの値を決定する方法について説明する。ここでは、移動体の姿勢情報としての倒立傾斜角（η）に応じて、係数αを決定する。図１５に示すように、倒立二輪型移動体の姿勢角（鉛直方向に対する重心位置の傾き）は、並進加速度ｄｄＸに略比例している。また、図１６に示すように、重心位置が車軸上から前後オフセットした位置にある場合には旋回軸周りの慣性モーメント（イナーシャ）が増大し、旋回性能が低下しやすい。さらに、遠心力によって移動体の進行方向に加速することでも、旋回性能が低下しやすい。これらのことから、図１７に示すように、走行中の姿勢角ηの値に応じて係数αを決定することで、障害物回避性能を向上させる手法が考えられる。例えば、姿勢角ηが十分小さい場合には（加減速が略ゼロの場合には）、旋回方向の慣性モーメントや、遠心力は十分小さいため、係数α＝１として、指令値通りの走行を実施する。一方で、姿勢角ηが大きく閾値η＿ｏを超過した場合には（加減速中の場合には）、姿勢角ηに応じて係数αによる旋回成分の補正を実施し、旋回方向の慣性モーメント増加や遠心力による旋回性能の低下を補うことができる。
【００７７】
このように、本実施の形態に係る倒立型移動体は、目標経路に対して生成した「並進速度成分」及び「旋回角速度成分」のうち、旋回角速度成分を確保した上で、並進速度成分から優先的に速度制限処理を行う。従って、高速移動中においても旋回性能を確保することができるため、障害物回避性能を向上することができる。
【００７８】
また、移動中の状況に応じて旋回角速度成分を増加させることで、目標経路に基づいて指示した旋回角速度以上の旋回角速度で旋回することができる。一般的に、倒立型移動体は、慣性の影響によって並進方向の制御ゲインは低くなるのに対して、旋回方向の制御ゲインは高くなるという特徴を有している。即ち、障害物を回避する際に、旋回方向の指令に対する応答性が高いという特徴を利用することで、安全性向上が期待できる。さらに、障害物を回避する際には、車輪の横方向には移動できないという非ホロノミック拘束を利用することで、スキーやスケートのようにエッジを立てて急停止することも可能となるため、障害物回避性能が向上するという効果も奏する。
【００７９】
尚、上述した実施の形態においては、設定した目標経路に追従するように目標並進速度及び目標旋回角速度を生成するものとして説明したが本発明はこれに限定されない。即ち、移動体及び倒立型移動体の移動体を操作する操作手段を更に備え、操作手段の操作量に応じて目標並進速度及び目標旋回角速度を生成するものとしてもよい。
【００８０】
また、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る移動体の構成を示す上面図及び側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る移動体の概念的な構成を示すモデル図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る移動体の左右の駆動輪の目標回転角速度の一例を示す図である。
【図４】従来技術による速度制限処理の結果、旋回性能が低下する様子を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る速度制限処理の様子を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体１００を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概念図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の内部構成を概念的に示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の制御部の内部構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の制御部による移動制御を示すフローチャート図である。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 移動体、 ２ 車体、 ３ 右駆動輪、 ４ 左駆動輪、
５ 右駆動機構、 ６ 左駆動機構、 ７ 従動輪、
１００ 倒立型移動体、 １０ 移動体本体、 １１ 搭乗台、 １２ 座席、
１３ 背当て部、 １４ 脚支持部、 １５ 足載置部、 １８ 接続部材、
１８ａ 加速度センサ、 １８ｂ ジャイロ、 ２０ 制御ボックス、
２１，２２ モータ、 ２３ 制御部、 ２３ａ 記憶領域、 ２４ 回転角センサ、
２５ バッテリー、 ２６ 検出部、 ３１，３２ 駆動輪、 Ｐ 床面
２３１ 上位コントローラ、 ２３２ 目標速度生成部、 ２３３ 速度制限部、
２３４ 並進制御部、 ２３５ 姿勢演算部、 ２３６ 旋回制御部、
２３７ 制御量合成部、
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動体、倒立型移動体、及びその制御方法に関し、特に高速移動時においても旋回性能を確保して移動可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体本体の移動方向に対して両側に駆動輪を設け、それら駆動輪を各々独立して回転制御可能な移動体では、左右の駆動輪に対してそれぞれ異なる回転数を指令することにより、旋回走行を行う。このような移動体に目標とする進行方向の速度（目標並進速度）と旋回方向の速度（目標旋回角速度）とを指令した場合には、通常、指令したこれらの目標速度が移動体の性能を考慮した実現可能な範囲内に収まるように、これら目標速度に対して何らかの速度制限を掛ける必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１〜特許文献３には、倒立状態で移動する倒立車輪式移動体において、限界横方向加速度に着目して、直進速度と旋回角速度の少なくとも一つを制限することで、旋回目標にできるだけ近い状態で旋回可能とする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００８−５６０６４号公報
【特許文献２】特開２００８−５６０６５号公報
【特許文献３】特開２００８−５６０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術において、指令した目標速度に旋回成分が含まれるときに、左右の駆動輪を回転駆動する各モータに対してそれぞれ速度制限処理を実施した場合には、各駆動輪の回転成分に対しても制限がかかることになる。結果として、両駆動輪の回転成分は旋回を行うために互いに異なる成分としたにもかかわらず、両駆動輪間の回転成分の差が減少してしまい、旋回性能が犠牲となる。このため、とっさの回避運動が行いにくくなる場合がある。特に、高速移動中においては旋回がしにくい状態となり、障害物を回避できないといった問題が生じる。
【０００５】
また、特許文献１などに記載の手法では、制限を行うための処理が複雑なものである。さらに、特許文献１などに記載の手法では、実際の路面摩擦係数が未知であるなどの課題が残されている。
【０００６】
従って、本発明は、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる移動体、倒立型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る移動体は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、を備える移動体であって、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限するものである。
【０００８】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【０００９】
また、前記速度制限手段は、前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限するようにしてもよい。
【００１０】
さらにまた、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させるようにしてもよい。
【００１１】
また、前記速度制限手段は、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算すると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００１２】
さらにまた、前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００１４】
本は発明に係る倒立型移動体は、左右の駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、前記駆動輪を支持する移動体本体と、移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、を備え、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御することで前記移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体であって、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限するものである。
【００１５】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００１６】
また、前記速度制限手段は、前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限するようにしてもよい。
【００１７】
さらにまた、前記速度制限手段は、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記速度制限手段は、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算すると好適である。さらに、前記速度制限手段は、前記倒立型移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００１９】
さらにまた、前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段を更に備え、前記速度制限手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に応じて、前記係数の値を変更するようにしてもよい。
【００２０】
また、前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段と、並進方向の移動に必要な前記各駆動輪の並進制御量を算出する並進制御手段と、旋回方向の移動に必要な前記各駆動輪の旋回制御量を算出する旋回制御手段と、を更に備え、前記速度制限手段は、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、前記並進速度制御手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、前記旋回制御手段は、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、前記駆動制御量算出手段は、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出するようにしてもよい。
【００２１】
さらにまた、前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成するようにしてもよい。
【００２３】
本発明に係る移動体の制御方法は、車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動するものである。
【００２４】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００２５】
本発明に係る倒立型移動体の制御方法は、左右の駆動輪を独立に回転駆動して移動する倒立型移動体の制御方法であって、前記倒立型移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、前記倒立型移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出し、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御するものである。
【００２６】
これにより、両駆動輪間の回転成分の差を維持することができ、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる移動体、倒立型移動体、及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
発明の実施の形態１．
以下、図面を参照しながら本実施の形態１に係る移動体について説明する。図１（ａ）は、本実施の形態にかかる移動体の構成を模式的に示す上面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態にかかる移動体の構成を模式的に示す側面図である。本実施の形態では、移動体を、一対の駆動輪を移動体本体の移動方向に対向して設け、これら駆動輪をそれぞれ独立に駆動する独立２輪型の移動体として説明する。
【００２９】
移動体１は、非ホロノミックな２輪型自律移動体である。車体２の側面下方には、右駆動輪３及び左駆動輪４が設けられている。右駆動輪３及び左駆動輪４は、車体２の対向する側面にそれぞれ設けられている。車体２の前方中央部には、キャスタ等の従動輪７が設けられている。２つの右駆動輪３及び左駆動輪４は、モータ等を有する右駆動機構５及び左駆動機構６によって、独立して回転する。即ち、右駆動機構５及び左駆動機構６が右駆動輪３及び左駆動輪４を回転させることによって、移動体１が移動する。２つの右駆動輪３及び左駆動輪４は、それぞれ異なる右駆動機構５及び左駆動機構６に接続されている。したがって、右駆動輪３及び左駆動輪４を異なる回転方向、回転速度で回転させることにより、移動体１の移動方向、移動速度を制御することができる。具体的には、右駆動輪３及び左駆動輪４を同じ方向、異なる速度で回転させることにより、移動体１の移動方向が変化しながら、移動する。即ち、２つの右駆動輪３及び左駆動輪４の距離、及び回転速度の差に応じて、移動体１が旋回しながら移動する。また、右駆動輪３及び左駆動輪４を反対方向に同じ速度で回転させることによって、移動体１がその場で旋回する。さらに、右駆動輪３及び左駆動輪４を同じ方向、同じ速度で回転させることにより、移動体１が直進移動する。
【００３０】
制御部８は、所定のＣＰＵやメモリなどの図示しない記憶領域を備える小型のコンピュータであり、この記憶領域には、入力される信号に基づいて右駆動輪３及び左駆動輪４を駆動する駆動制御量を決定するための所定のプログラムとともに、移動する移動領域に関するマップ情報などが記憶されている。
【００３１】
制御部８は、記憶領域に記憶したマップ情報などに基づいて、その移動経路を自律的に作成する。このマップ情報は、移動する床面Ｐの全体形状に、略一定間隔に配置された格子点を結ぶグリッド線を仮想的に描写することで得られるグリッドマップから構成されており、このグリッド線で囲まれたグリッド単位を用いて、移動体１の自己位置に相当する場所や目標地点である移動終了点、及び移動終了点における移動体１の移動方向などが特定される。尚、グリッドマップにおける格子点の間隔は、移動体１の移動可能な曲率や絶対位置を認識する精度などの条件に応じて、適宜変更可能である。そして、制御部８は、このグリッドマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目的地である移動終点までの目標経路を設定するとともに、右駆動輪３及び左駆動輪４の回転数などから求めた移動速度や移動距離からリアルタイムに自己位置を算出し、設定された目標経路に沿って移動を行うように移動制御を行う。
【００３２】
以下、図２〜図４を参照して、本実施の形態１に係る移動体の移動制御方法について詳細に説明する。図２は、図１に示した移動体１を示す概念的なモデル図である。図２において、Ｖｌｉｎは移動体１の進行方向の速度（並進速度）を示す。Ｖｒｏｔは移動体１の旋回方向の角速度（旋回角速度）を示す。ｖＬは左駆動輪（左タイヤ）の並進速度を示す。ｖＲは右駆動輪（右タイヤ）の並進速度を示す。ωＬは左駆動輪の回転角速度を示す。ωＲは右駆動輪の回転角速度を示す。ｒｔは両駆動輪の半径を示す。ｌｔは移動体１のトレッド距離（駆動輪間の距離）を示す。
【００３３】
すると、移動体１の並進速度Ｖｌｉｎ及び旋回角速度Ｖｒｏｔと、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲとの関係を、以下の数１により表すことができる。
【数１】
【００３４】
従って、数１より、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲを、以下の数２により求めることができる。即ち、各駆動輪の回転角速度ωＬ及びωＲは、「移動体１の並進速度成分±旋回角速度成分」により構成される。図３は、例えば移動体が並進しながら左側に旋回する場合において、算出した左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲの一例を示す図である。
【数２】
【００３５】
本実施の形態１に係る移動体１の制御部８は、まず、設定された目標経路に追従するように移動体１の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを生成する。次いで、制御部８は、生成した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する。次いで、制御部８は、算出した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲに基づいて、各駆動輪の駆動制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。次いで、制御部８は、算出した駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動することで、移動体１の移動制御を行う。
【００３６】
一般的に、独立２輪型の車輪移動ロボットに用いられるモータには、その回転角速度に関して速度制限のあるものが多い。このため、通常は、駆動輪の回転角速度を、その速度制限値ωｌｍｔ以下になるように速度制限が行われる。しかし、従来の制御方法では、このような速度制限処理の結果、その制限を超過した超過成分（以下、超過成分をΔωとして説明する。）が失われることになり、目標とした回転角速度を達成することができないという問題があった。
【００３７】
図４は従来技術による速度制限処理の結果、旋回性能が低下する様子を説明するための図である。例えば、従来の制御方法では、数２を用いて、図４（ａ）に示す各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出した場合に、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行う。図４（ａ）に示す例では、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えているため、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲから減算することにより、速度制限処理を行う。この結果、両駆動輪で異なる成分とした回転角速度に対して制限がかかることになり、左右の駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差が減少する。このため、高速移動時には旋回がしにくい状態に陥ってしまう。結果として、旋回性能の低下を招き、とっさの回避運動が行いにくくなるといった問題が生じてしまう。
【００３８】
これに対して、本実施の形態１に係る移動体は、算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合には、算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下となるように制限処理を行うと共に、さらに、各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限処理を行う。
【００３９】
図５は本実施の形態１に係る移動体による速度制限処理の様子を説明するための図である。本実施の形態１に係る移動体は、数２を用いて、図５（ａ）に示す各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出した場合に、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行うと共に、速度制限を超過していない駆動輪に対しても制限処理を行う。図５（ａ）に示す例では、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えているため、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲからも減算することにより、速度制限処理を行う。さらに、本実施の形態１に係る移動体は、速度制限値ωｌｍｔを超えていない左駆動輪の目標回転角速度ωＬに対しても、超過成分Δωに係数αを乗じた値であるα・Δω分の減算処理を行う。これにより、左右の駆動輪の目標回転角速度について十分な回転角速度差を確保することができる。結果として、高速移動中においても旋回性能を犠牲にすることがなく、旋回しやすくなる。従って、高速移動中においても旋回性能を確保し、障害物回避性能を向上することができる。
【００４０】
尚、係数αは非負の値であり、αの値に応じて左右の駆動輪の目標回転角速度差を拡大又は縮小することができる。係数αの値は、予め定めた所定の値を設定するものとしてもよいし、ユーザからの入力や、移動体の周囲の状況のセンシング結果に応じて変更する構成としてもよい。例えば、係数αの値をα＝１とした場合には、本実施の形態１に係る移動体は、左右の駆動輪の目標回転角速度差を維持するように速度制限を行う。このため、予め与えた目標旋回角速度はそのまま保持して、並進方向についてのみ速度を制限する。また、係数αの値をα>１の値とした場合には、本実施の形態１に係る移動体は、左右の駆動輪の目標回転角速度差を更に拡大するように速度制限を行う。このため、予め与えた目標旋回角速度以上の旋回をさせることが可能となる。従って、通常の移動時には係数αの値をα＝１として移動制御を行い、移動体の並進方向に存在する障害物を緊急回避させる場合には、係数αの値をα>１の値へと切替えることで、予め与えた目標旋回角速度以上の旋回をさせ、障害物の回避性能をより向上させることができる。
【００４１】
以下、移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、係数αの値を決定する方法について説明する。図６に示すように、移動体１の移動方向に障害物が存在するものとし、障害物との距離をＬ＿ｏｂｓとする。図７に示すように、横軸をＬ＿ｏｂｓ、縦軸を係数αとしてマップに従って、係数αを決定することができる。
【００４２】
ここで、障害物の距離Ｌ＿ｏｂｓは、移動体１の中央付近を基準として算出してもよいが、図８に示すように、移動体１の左右の端（車輪や車体）と障害物との距離を各々Ｌ＿ｏｂｓ＿ｌｅｆｔ、Ｌ＿ｏｂｓ＿ｒｉｇｈｔとして計測し、計測した値のいずれか小さいほうの値を距離Ｌ＿ｏｂｓとしてもよい。これにより、正確に障害物を回避できることが期待される。即ち、Ｌ＿ｏｂｓ＝ｍｉｎ（Ｌ＿ｏｂｓ＿ｌｅｆｔ，Ｌ＿ｏｂｓ＿ｒｉｇｈｔ）により計算すると好適である。
【００４３】
図７において、障害物の距離Ｌ＿ｏｂｓに関する閾値Ｌ＿ｏと、係数αの最大値α＿ｍａｘは、移動体１の運動性能や安全性を考慮して予め決定するパラメータである。例えば、閾値Ｌ＿ｏの値を小さくした場合には、係数αによる旋回成分の補正は移動体１が障害物に十分近づくまでは有効とはならないが、閾値Ｌ＿ｏの値を大きくした場合には、移動体１と障害物とが離れたところからでも係数αによる旋回成分の補正は有効となり、余裕を持って障害物との衝突を回避することができる。また、同一の閾値Ｌ＿ｏを設定する場合であっても、α＿ｍａｘの値を大きくすることで、与えられた指令旋回性能以上の旋回動作を行って、安全を確保することが可能となる。
【００４４】
図９に示すように、移動体１が障害物に接近する状況を想定する。図９において、点Ａ（Ｌ＿ｏｂｓ>Ｌ＿ｏ）、点Ｂ（Ｌ＿ｏｂｓ<Ｌ＿ｏ）、点Ｃ（Ｌ＿ｏｂｓ>Ｌ＿ｏ）は、図７に示す各点Ａ、Ｂ、Ｃに対応する点（移動体１の各地点での状態）を示す。点Ａでは、移動体１は障害物から十分離れているものと判断し、移動体１は指令値（点線の軌道）に応じて走行を続ける。点Ｂでは、移動体１と障害物との距離が閾値Ｌ＿ｏを下回ったために、移動体１は障害物に対して想定以上に接近しており、障害物と衝突の危険があるものと判断して、係数αによる旋回成分の補正を開始する。点Ｃでは、回避動作の結果、障害物との距離が離れたため、移動体１は指令値通りの速度で走行する。これら一連の動作では、係数αは連続的に変化するため、滑らかな回避動作を実現することができる。
【００４５】
発明の実施の形態２．
続いて、本実施の形態２に係る倒立型移動体について説明する。本実施の形態では、左右の駆動輪をそれぞれ独立に駆動し、移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体について説明する。図１０は、移動領域である床部上を、搭乗者を載置した状態で、該搭乗者の操作により移動制御可能な倒立型移動体１００を概略的に示す概略図であり、図１１は、図１０に示す倒立型移動体１００を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概念図である。以下、詳細に説明する。
【００４６】
図１０に示すように、倒立型移動体１００は、搭乗者を載置する搭乗台１１を備える移動体本体１０と、1対の対向する右駆動輪３１及び左駆動輪３２と、移動体本体１０に接続され、右駆動輪３１及び左駆動輪３２の回転駆動を制御する制御ボックス２０と、を備えている。この制御ボックス２０は、後述するようにこれらの駆動輪を車軸Ｃ１、Ｃ２を中心として回転駆動するための、駆動部としてのモータ２１、２２と、該モータに電力を供給するバッテリー２５と、倒立型移動体１００の移動をコントロールする制御部２３をその内部に備えている。
【００４７】
移動体本体１０は、所定形状のフレームで構成された搭乗台１１と、この搭乗台１１を制御ボックス２０とを接続する接続部材１８とを備えている。この搭乗台１１は、搭乗者が着座するための平面板状の座席１２と、搭乗者の背面を支持するための背当て部１３と、脚支持部１４と、足載置部１５とを備えている。
【００４８】
背当て部１３は座席１２に対して上方に向けて略垂直方向に起立するように固定され、着座した搭乗者が後方に向かって重心をかけた際に背中全体と接触し、その体重を支持する。同様に、脚支持部１４は、着座した搭乗者の脚部に接触し、その重量を部分的に支持するように、座席１２に対して略鉛直下方に伸びるように一端が固定されており、その他端に足載置部１５が固定されている。そして、足載置部１５は、着座した搭乗者の脚部の膝部分が略垂直に曲がった状態で足平底面が面接触するように、所定の形状及び大きさに設計されている。
【００４９】
また、前記接続部材１８は、制御ボックス２０に対して一端が固定されるとともに、他端が搭乗台１１を移動体の前後方向（移動体の進行方向）に対して回動自在となるように接続されている。そして、図示しないモータ等の駆動手段により、制御部２３からの信号によって搭乗台１１を回動するタイミングや回動量が制御されている。
【００５０】
また、この接続部材１８には、移動体本体の加速度を検出するための加速度センサ１８ａと、移動体本体１０の鉛直方向（図１１において示す線分Ｌの伸びる方向）に対する傾斜角度及び傾斜角速度を測定するためのジャイロ１８ｂとが取り付けられている。加速度センサ１８ａは、移動体本体に作用する力により生じる進行方向についての加速度を検出し、検出した加速度に基づく信号（加速度信号）を制御部２３に送信する。
【００５１】
接続部材１８に取り付けられたジャイロ１８ｂは、自身の位置が鉛直方向から所定時間の間に傾斜する量、例えば傾斜角速度を検出し、検出した角速度を電気信号に変換して出力可能に構成されており、検出した傾斜角速度に基づいた傾斜角速度信号をフィルタ（図示せず）を介してノイズ等を除去した後に、制御部２３に送信する。制御部２３においては、倒立型移動体１００の移動中に微小時間間隔で検出される、接続部材１８（即ち、移動体本体１０）の傾斜角速度を積分することで、移動体本体１０の傾斜角度及び傾斜角速度を求めることができる。
【００５２】
また、本実施の形態では移動体本体１０の移動方向（前後方向）についての傾斜角のみを検出するものを用いているが、左右方向についての傾斜角を検出するセンサを用いることも可能である。
【００５３】
さらに、移動体本体１０の鉛直方向に対する傾斜角度及び傾斜角速度は、このようなジャイロを用いずに、前述の加速度センサ１８ａにより得られる加速度信号により測定することもできる。したがって、ジャイロを用いることなく、前述の加速度センサ１８ａのみを用いて、移動体本体の傾斜角度、傾斜角速度、移動体の速度を検出することもできる。
【００５４】
搭乗台１１においては制御部２３に操作信号を送信するためのジョイスティック等の操作レバーを備える操作部が設けられており、搭乗台１１に搭乗する搭乗者が該操作部を操作することで、倒立型移動体１００の移動方向や移動速度が制御される。
【００５５】
また、制御ボックス２０は、図１２に示すように、箱型形状をなすフレームの内部において右駆動輪３１及び左駆動輪３２を支持する支持軸Ｃ１，Ｃ２を備え、これらの支持軸を駆動する駆動部としてのモータ２１，２２と、これらのモータの回転駆動動作を制御するための制御部２３と、駆動輪の回転角度及び回転角速度を検出するための回転角センサ２４と、これらの構成要素に電力を供給するためのバッテリー２５と、前方に配置され、移動する床面の形状等や障害物等を光学的に認識するための検出部２６、２６を備えている。
【００５６】
モータ２１、２２は、前述の駆動輪を各々独立して駆動するものであり、これらの駆動輪に回転トルクを与えることで、駆動輪の回転数を制御部２３からの制御信号により変化させ、倒立型移動体１００の進行方向を変化させたり、旋回動作を行ったりすることを可能とする。尚、モータには、電力供給により過熱状態となることを検出するための図示しない温度センサが設けられ、この温度センサにより過熱状態を検出し、後述する制御部２３に検出信号を出力することで、モータによる最大トルクの出力ができなくなるといった状態を回避することができる。
【００５７】
制御部２３は、所定のＣＰＵやメモリなどの記憶領域２３ａを備える小型のコンピュータであり、この記憶領域２３ａには、入力される信号に基づいて駆動輪を駆動する駆動量を決定するための所定のプログラムとともに、移動する移動領域に関するマップ情報などが記憶されている。
【００５８】
回転角センサ２４は、駆動輪の回転角速度を検出し、検出した回転角速度に基づく電気信号（回転角速度信号）を前記制御部２３に対して送信する。制御部２３は、この回転角速度信号に基づいて、駆動輪の回転角度及び回転角速度を取得する。
【００５９】
バッテリー２５は、制御ボックス２０の表面から突出して設けられた図示しない被充電用端子に対して電気的に導通しており、充電ステーションに設けられた充電用端子と、前述の被充電用端子とを接触させることで、電力を供給され、充電される。
【００６０】
検出部２６、２６は、制御ボックス２０の下方前面について左右対称に設置された、検出手段としてのセンサであり、各々のセンサに設けられた光源から赤外線レーザを照射するとともに、そのレーザの照射方向を水平方向及び鉛直方向について揺動するように変化させ、その反射光を受光することで、制御ボックス２０の前面下方の床面形状を検出するものである。制御部２３は、この検出部２６により検出された床面形状に関する情報によって、床面上に存在する段差部や障害物等の存在を検知し、これらの障害物等を回避するための経路探索の作成等を行う。
【００６１】
次に、制御部２３による、移動体１の倒立状態を維持しつつ移動を行うための制御について、図１３に示す制御部２３の内部構成を示すブロック図を用いつつ説明する。上位コントローラ２３１は、制御部２３に記憶されたマップ上において特定された自己位置を移動始点とし、この移動始点から目的地である移動終点までの目標経路を設定する機能を有する。目標速度生成部２３２は、設定された目標経路に追従するように倒立型移動体１００の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを生成する。
【００６２】
速度制限部２３３は、生成した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、上述した数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する。速度制限部２３３は、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する。そして、いずれか一つでも超えていた場合には、速度制限部２３３は、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行うと共に、速度制限を超過していない駆動輪に対しても制限処理を行う。
【００６３】
次いで、速度制限部２３３は、制限処理を施した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲから、上述した数１を用いて、制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する。即ち、速度制限部２３３は、速度制限処理を施した後の制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する。
【００６４】
姿勢演算部２３５は、上述したジャイロ１８ｂの出力に基づいて、移動体本体１００の姿勢角度としての傾斜角度と、姿勢角速度としての傾斜角速度を算出する。並進速度制御部２３６は、算出した姿勢情報に従って倒立型移動体１００を倒立状態に維持した上で、各駆動輪を算出した制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔに追従させるための並進制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。
【００６５】
より具体的には、並進速度制御部２３６は、目標となる状態量（移動体本体１０の傾斜角／傾斜角速度、制限目標並進速度など）を取得したのち、これらの状態量に基づいて、倒立走行を行うように駆動輪の回転駆動を制御する倒立制御と、倒立型移動体１００の並進方向の速度により駆動輪の回転駆動を制御する並進速度制御とを行っている。ここで、前記倒立制御は、移動体本体１０の傾斜状態（移動体本体１０の傾斜角度η）に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる制御量を算出する制御理論により設計されている。一方、前記並進速度制御は、駆動輪の径とその回転速度とから取得した倒立型移動体１００の実速度に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる制御量を算出する。そして、算出された各々の制御量を合算することで得られた値を、床面に対して接地する駆動輪の並進制御量として出力し、前記駆動輪の回転駆動を制御する。尚、前記倒立制御は、既知のＰＩＤ制御などの制御系に置き換えても構成することができる。
【００６６】
旋回制御部２３７は、算出した制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔに追従させるための旋回制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。即ち、旋回制御部２３７は、倒立型移動体１００の旋回方向の旋回角速度により駆動輪の回転駆動を制御する旋回制御を行っている。前記旋回角速度制御は、駆動輪の径とその回転速度とから取得した倒立型移動体１００の実速度に基づいて得られる信号に、所定のゲインを乗じて得られる旋回制御量を算出する。
【００６７】
駆動制御量算出手段としての制御量合成部２３８は、算出した並進制御量及び旋回制御量から各駆動輪の駆動制御量（回転角度、回転角速度、トルク）を算出する。即ち、並進制御量及び旋回制御量を合成し、合成した駆動制御量を各駆動輪に対して振り分ける。右車輪駆動部２１及び左車輪駆動部２２は、駆動制御量に応じて各駆動輪を独立に回転駆動することで、倒立型移動体１００の移動制御を行う。
【００６８】
このように構成された倒立型移動体１００は、移動体本体１０の傾斜している方向に対して、右駆動輪３１、左動輪３２を進め、倒立型移動体１００の重心位置を駆動輪の車軸の鉛直上方に戻すように制御される。そして、床面に対して接地する一対の駆動輪に適切なトルクが付与されることで、移動体本体１０が鉛直方向に対してなす傾斜角度がある一定の値を超えて増加しないように倒立状態が保たれ、かつ、その倒立状態を維持するように、前進、後退、停止、右折、左折、左旋回、右旋回等の移動動作を行うことができる。
【００６９】
次に、制御部２３による移動制御の詳細について、図１４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００７０】
まず、制御部２３は、倒立型移動体１００に追従させる目標経路を決定する（Ｓ１０１）。次いで、制御部２３は、決定した目標経路を安定して追従可能な倒立型移動体１００の目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇと、目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを算出する（Ｓ１０２）。
【００７１】
次いで、制御部２３は、算出した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇから、数２を用いて、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲを算出する（Ｓ１０３）。そして、制御部２３は、算出した各目標回転角速度ωＬ及びωＲのうちいずれか一つが速度制限値ωｌｍｔを超えているか否かを判定する（Ｓ１０４）。
【００７２】
Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲのいずれか一つでも速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、制御部２３は、速度制限を超過した駆動輪に対して回転角速度の制限処理を行う（Ｓ１０５）。例えば、右駆動輪の目標回転角速度ωＲのみが速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、速度制限部２３３は、その超過成分Δωを右駆動輪の目標回転角速度ωＲからも減算することにより、速度制限処理を行う。そして、制御部２３は、速度制限を超過していない駆動輪に対しても回転角速度の制限処理を行う（Ｓ１０６）。例えば、制御部２３は、右駆動輪の目標回転角速度ωＲが速度制限値ωｌｍｔを超えていた場合には、速度制限値ωｌｍｔを超えていない左駆動輪の目標回転角速度ωＬからも、超過成分Δωに係数αを乗じた成分α・Δωを減算する。さらに、制御部２３は、Ｓ１０５及びＳ１０６において速度制限処理を施した各駆動輪の目標回転角速度ωＬ及びωＲから、数１を用いて、制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを算出する（Ｓ１０７）。
【００７３】
次いで、制御部２３は、Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪に駆動輪に対して速度制限処理が実行された場合には、Ｓ１０７において算出した制限目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｌｍｔ及び制限目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｌｍｔを目標並進速度及び目標旋回角速度として決定し、一方、Ｓ１０４における比較判定の結果、左右の駆動輪に駆動輪に対して速度制限処理が実行されなかった場合には、Ｓ１０２において算出した目標並進速度Ｖｌｉｎ＿ｏｒｇ及び目標旋回角速度Ｖｒｏｔ＿ｏｒｇを目標並進速度及び目標旋回角速度として決定する（Ｓ１０８）。
【００７４】
次いで、制御部２３は、Ｓ１０８において決定された目標並進速度及び目標旋回角速度や、ジャイロ１８ｂの出力などから、各駆動輪を駆動するための駆動制御量を算出する（Ｓ１０９）。そして、制御部２３から駆動制御信号を出力し、算出した駆動制御量に基づいて各駆動輪を回転駆動する（Ｓ１１０）。
【００７５】
ここで、係数αの値は、予め定めた所定の値を設定するものとしてもよいし、ユーザからの入力や、移動体の姿勢情報に応じて変更する構成としてもよい。さらに、上述したように障害物との距離に応じて決定した係数αと、後述する姿勢情報に応じて決定した係数αとを乗算することにより、最終的な係数αを決定するようにしてもよい。
【００７６】
以下、移動体の姿勢情報に応じて、係数αの値を決定する方法について説明する。ここでは、移動体の姿勢情報としての倒立傾斜角（η）に応じて、係数αを決定する。図１５に示すように、倒立二輪型移動体の姿勢角（鉛直方向に対する重心位置の傾き）は、並進加速度ｄｄＸに略比例している。また、図１６に示すように、重心位置が車軸上から前後オフセットした位置にある場合には旋回軸周りの慣性モーメント（イナーシャ）が増大し、旋回性能が低下しやすい。さらに、遠心力によって移動体の進行方向に加速することでも、旋回性能が低下しやすい。これらのことから、図１７に示すように、走行中の姿勢角ηの値に応じて係数αを決定することで、障害物回避性能を向上させる手法が考えられる。例えば、姿勢角ηが十分小さい場合には（加減速が略ゼロの場合には）、旋回方向の慣性モーメントや、遠心力は十分小さいため、係数α＝１として、指令値通りの走行を実施する。一方で、姿勢角ηが大きく閾値η＿ｏを超過した場合には（加減速中の場合には）、姿勢角ηに応じて係数αによる旋回成分の補正を実施し、旋回方向の慣性モーメント増加や遠心力による旋回性能の低下を補うことができる。
【００７７】
このように、本実施の形態に係る倒立型移動体は、目標経路に対して生成した「並進速度成分」及び「旋回角速度成分」のうち、旋回角速度成分を確保した上で、並進速度成分から優先的に速度制限処理を行う。従って、高速移動中においても旋回性能を確保することができるため、障害物回避性能を向上することができる。
【００７８】
また、移動中の状況に応じて旋回角速度成分を増加させることで、目標経路に基づいて指示した旋回角速度以上の旋回角速度で旋回することができる。一般的に、倒立型移動体は、慣性の影響によって並進方向の制御ゲインは低くなるのに対して、旋回方向の制御ゲインは高くなるという特徴を有している。即ち、障害物を回避する際に、旋回方向の指令に対する応答性が高いという特徴を利用することで、安全性向上が期待できる。さらに、障害物を回避する際には、車輪の横方向には移動できないという非ホロノミック拘束を利用することで、スキーやスケートのようにエッジを立てて急停止することも可能となるため、障害物回避性能が向上するという効果も奏する。
【００７９】
尚、上述した実施の形態においては、設定した目標経路に追従するように目標並進速度及び目標旋回角速度を生成するものとして説明したが本発明はこれに限定されない。即ち、移動体及び倒立型移動体の移動体を操作する操作手段を更に備え、操作手段の操作量に応じて目標並進速度及び目標旋回角速度を生成するものとしてもよい。
【００８０】
また、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る移動体の構成を示す上面図及び側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る移動体の概念的な構成を示すモデル図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る移動体の左右の駆動輪の目標回転角速度の一例を示す図である。
【図４】従来技術による速度制限処理の結果、旋回性能が低下する様子を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る速度制限処理の様子を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体１００を側方から見た様子を概念的なモデルを用いて示す概念図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の内部構成を概念的に示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の制御部の内部構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る倒立型移動体の制御部による移動制御を示すフローチャート図である。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る係数の決定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ 移動体、 ２ 車体、 ３ 右駆動輪、 ４ 左駆動輪、
５ 右駆動機構、 ６ 左駆動機構、 ７ 従動輪、
１００ 倒立型移動体、 １０ 移動体本体、 １１ 搭乗台、 １２ 座席、
１３ 背当て部、 １４ 脚支持部、 １５ 足載置部、 １８ 接続部材、
１８ａ 加速度センサ、 １８ｂ ジャイロ、 ２０ 制御ボックス、
２１，２２ モータ、 ２３ 制御部、 ２３ａ 記憶領域、 ２４ 回転角センサ、
２５ バッテリー、 ２６ 検出部、 ３１，３２ 駆動輪、 Ｐ 床面
２３１ 上位コントローラ、 ２３２ 目標速度生成部、 ２３３ 速度制限部、
２３４ 並進制御部、 ２３５ 姿勢演算部、 ２３６ 旋回制御部、
２３７ 制御量合成部、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、を備える移動体であって、
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する
ことを特徴とする移動体。
【請求項２】
前記速度制限手段は、
前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、
前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限する
ことを特徴とする請求項１記載の移動体。
【請求項３】
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項１記載の移動体。
【請求項４】
前記速度制限手段は、
前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項３記載の移動体。
【請求項５】
前記速度制限手段は、
前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算する
ことを特徴とする請求項１又は３記載の移動体。
【請求項６】
前記速度制限手段は、
前記移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項５記載の移動体。
【請求項７】
前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の移動体。
【請求項８】
前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の移動体。
【請求項９】
左右の駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、
前記駆動輪を支持する移動体本体と、
移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、を備え、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御することで前記移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体であって、
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する
ことを特徴とする倒立型移動体。
【請求項１０】
前記速度制限手段は、
前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、
前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限する
ことを特徴とする請求項９記載の倒立型移動体。
【請求項１１】
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項９記載の倒立型移動体。
【請求項１２】
前記速度制限手段は、
前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項１１記載の倒立型移動体。
【請求項１３】
前記速度制限手段は、
前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算する
ことを特徴とする請求項９又は１１記載の倒立型移動体。
【請求項１４】
前記速度制限手段は、
前記倒立型移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項１３記載の倒立型移動体。
【請求項１５】
前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段を更に備え、
前記速度制限手段は、
前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項１３または１４記載の倒立型移動体。
【請求項１６】
前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段と、
並進方向の移動に必要な前記各駆動輪の並進制御量を算出する並進制御手段と、
旋回方向の移動に必要な前記各駆動輪の旋回制御量を算出する旋回制御手段と、を更に備え、
前記速度制限手段は、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、
前記並進速度制御手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、
前記旋回制御手段は、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、
前記駆動制御量算出手段は、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出する
ことを特徴とする請求項９、１１、１３いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１７】
前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項９乃至１６いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１８】
前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項９乃至１７いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１９】
車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する移動体の制御方法。
【請求項２０】
左右の駆動輪を独立に回転駆動して移動する倒立型移動体の制御方法であって、
前記倒立型移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、
前記倒立型移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出し、
前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、
前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、
前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、
前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御する
倒立型移動体の制御方法。
【請求項１】
車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、を備える移動体であって、
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する
ことを特徴とする移動体。
【請求項２】
前記速度制限手段は、
前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、
前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限する
ことを特徴とする請求項１記載の移動体。
【請求項３】
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項１記載の移動体。
【請求項４】
前記速度制限手段は、
前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項３記載の移動体。
【請求項５】
前記速度制限手段は、
前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算する
ことを特徴とする請求項１又は３記載の移動体。
【請求項６】
前記速度制限手段は、
前記移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項５記載の移動体。
【請求項７】
前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の移動体。
【請求項８】
前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の移動体。
【請求項９】
左右の駆動輪を独立に回転駆動する駆動手段と、
前記駆動輪を支持する移動体本体と、
移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成する目標速度生成手段と、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、当該算出した各駆動輪の目標回転角速度に制限をかける速度制限手段と、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて前記各駆動輪の駆動制御量を算出する駆動制御量算出手段と、を備え、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御することで前記移動体本体の倒立状態を維持して移動する倒立型移動体であって、
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限する
ことを特徴とする倒立型移動体。
【請求項１０】
前記速度制限手段は、
前記目標速度生成手段で生成した目標旋回角速度を増加させる場合には、
前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を更に拡大するように制限する
ことを特徴とする請求項９記載の倒立型移動体。
【請求項１１】
前記速度制限手段は、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうち前記所定の制限値を超える駆動輪の目標回転角速度を所定の制限値以下に制限すると共に、当該制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を維持するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項９記載の倒立型移動体。
【請求項１２】
前記速度制限手段は、
前記制限した駆動輪の目標回転角速度と他の駆動輪の目標回転角速度との相対的な回転角速度差を更に拡大するように前記他の駆動輪の目標回転角速度を減少させる
ことを特徴とする請求項１１記載の倒立型移動体。
【請求項１３】
前記速度制限手段は、
前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度が前記所定の制限値を超過した超過成分を算出し、前記所定の制限値を超えた駆動輪の目標回転角速度から当該算出した超過成分を減算すると共に、他の駆動輪の目標回転角速度から前記超過成分に係数を乗じた値を減算する
ことを特徴とする請求項９又は１１記載の倒立型移動体。
【請求項１４】
前記速度制限手段は、
前記倒立型移動体の移動方向に存在する障害物との距離に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項１３記載の倒立型移動体。
【請求項１５】
前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段を更に備え、
前記速度制限手段は、
前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に応じて、前記係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項１３または１４記載の倒立型移動体。
【請求項１６】
前記移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出する姿勢検出手段と、
並進方向の移動に必要な前記各駆動輪の並進制御量を算出する並進制御手段と、
旋回方向の移動に必要な前記各駆動輪の旋回制御量を算出する旋回制御手段と、を更に備え、
前記速度制限手段は、前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、
前記並進速度制御手段は、前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、
前記旋回制御手段は、前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、
前記駆動制御量算出手段は、前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出する
ことを特徴とする請求項９、１１、１３いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１７】
前記移動体が追従する目標経路を設定する目標経路設定手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記設定した目標経路に追従するように前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項９乃至１６いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１８】
前記移動体の移動を操作する操作手段を更に備え、
前記目標速度生成手段は、前記操作手段の操作量に応じて前記並進速度及び前記旋回角速度を生成する
ことを特徴とする請求項９乃至１７いずれか１項記載の倒立型移動体。
【請求項１９】
車両の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、
前記算出した各駆動輪の目標回転角速度に基づいて、前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪を独立に回転駆動する移動体の制御方法。
【請求項２０】
左右の駆動輪を独立に回転駆動して移動する倒立型移動体の制御方法であって、
前記倒立型移動体の目標並進速度及び目標旋回角速度を生成し、
前記生成した目標並進速度及び目標旋回角速度から左右の駆動輪の目標回転角速度を算出すると共に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度のうちいずれか一つが所定の制限値を超える場合に、前記算出した各駆動輪の目標回転角速度を、所定の制限値以下であって、かつ、前記各駆動輪の目標回転角速度間の相対的な回転角速度差を維持するように制限し、
前記倒立型移動体本体の姿勢角度及び姿勢角速度の少なくとも一つを含む姿勢情報を検出し、
前記制限した各駆動輪の目標回転角速度から、制限目標並進速度及び制限目標旋回角速度を算出し、
前記姿勢検出手段で検出した姿勢情報に従って前記移動体を倒立状態に維持した上で、前記算出した制限目標並進速度に追従させるための並進制御量を算出し、
前記算出した制限目標旋回角速度に追従させるための旋回制御量を算出し、
前記算出した並進制御量及び前記旋回制御量から前記各駆動輪の駆動制御量を算出し、
前記算出した駆動制御量に応じて前記各駆動輪の回転駆動を制御する
倒立型移動体の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−５８６０４（Ｐ２０１０−５８６０４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２５００９（Ｐ２００８−２２５００９）
【出願日】平成２０年９月２日（２００８．９．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２日（２００８．９．２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、文部科学省、科学技術総合研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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