(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面を縦走する乗物のピッチ状態を推定するシステムであって、
前記乗物に接続されて基準Ｅフレーム回りの前記乗物の推定ピッチ角を表すピッチ信号を生成する傾斜センサと、
前記乗物に接続されて基準Ｖフレーム回りの内部方位角信号を生成する少なくとも１つの内部基準センサと、
前記ピッチ信号及び前記内部方位角信号を受け取って前記内部方位角信号及び前記ピッチ信号からピッチ状態信号を演算する状態推定器モジュールとを備え、
前記ピッチ状態信号が、前記乗物の前後面における安定性を動的に保持するように前記乗物の制御ループへ与えられるシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、ピッチ角エラー信号が前記ピッチ信号及び前記内部方位角信号に基づいて演算されて、前記内部方位角信号を調整するように前記状態推定器モジュールへフィードバックされるシステム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの内部基準センサが、ジャイロスコープであるシステム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの内部基準センサが、少なくとも３つのジャイロスコープであるシステム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムにおいて、前記少なくとも３つのジャイロスコープの前記内部方位信号を受け取って、前記状態推定器モジュールへ３つの回転率信号を 出力する仮想ジャイロ構造体モジュールを更に備え、各回転率信号は３つの直交軸の１つの軸の回りの回転を示すシステム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、前記状態推定器モジュールが、 ３つの回転率信号を変換して、３つの基準Ｅフレーム回転率信号を生成 する回転変換モジュールと、 前記３つの回転率信号に基づいて方位角を生成する積分器モジュールとを更に含むシステム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、前記回転変換モジュールが、小角オイラー変換を実行するシステム。
【請求項８】
請求項７記載のシステムにおいて、前記状態推定器が、前記方位角を受け取る加算器と、傾斜センサとを更に含み、前記加算器がエラー信号を出力するシステム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記状態推定器が、前記エラー信号及び前記方位角を受け取って、分配されたエラー信号を生成する小角逆オイラー変換モジュールを更に含むシステム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムにおいて、前記状態推定器モジュールが、少なくとも前記分配されたエラー信号及び前記方位角に基づいてバイアス信号を演算するジャ イロバイアス積分器を更に含み、前記バイアス信号は加算器へ出力され、その加算器からの出力信号は前記回転変換モジュールへフィードバックされるシステ ム。
【請求項１１】
請求項１記載のシステムにおいて、前記乗物が少なくとも２つのホイールを含み、前記状態推定器モジュールが相対的ホイール速度を表すホイール速度信号を受け取って、前記状態推定器は前記ホイール速度信号を用いて前記乗物の偏揺れを演算するシステム。
【請求項１２】
請求項１記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの内部基準センサにより生成された誤内部方位信号を検出する不具合検出モジュールを更に備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載のシステムにおいて、前記不具合検出モジュールが、誤内部方位信号の検出に応答して不具合信号を発生するシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記不具合検出モジュールにより不具合信号が生成されたならば、前記状態推定モジュールが、前記ピッチ状態の推定を３軸推定から単軸推定へ自動的に切換えるシステム。
【請求項１５】
地面を縦走する乗物の制御に用いられるピッチ状態信号を生成する方法であって、
傾斜センサを用いて重力に関する前記乗物の傾きを測定する段階と、
前記傾き測定値をディジタル傾き信号に変換する段階と、
前記乗物上の少なくとも３つの共線方位に配置された少なくとも３つの内部センサを用いて前記乗物の内部方位率を測定する段階と、
前記少なくとも３つの内部方位センサの前記内部方位率測定値を少なくとも３つのディジタル内部方位信号に変換する段階と、
前記ディジタル内部方位信号及び前記ディジタル傾き信号に部分的に基づいて、状態推定器モジュールにおいてピッチ状態信号を演算する段階と、
前記乗物の前後面における安定性を動的に保持するように前記乗物の制御ループへ前記ピッチ状態信号を与える段階とを含む方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、 前記ディジタル傾き信号及び前記ディジタル内部方位信号に部分的に基づいて、状態推定器モジュールにおいて角度エラー信号を演算する段階と、 前記状態推定器モジュールへ前記角度エラー信号をフィードバックする段階とを更に含む方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法において、前記演算段階が、 前記内部方位信号を３軸内部方位信号へ変換して、各信号を３つの直交軸のうちの１つの軸の方位に対応させる段階と、 ３軸内部方位信号を重力に基づく方位信号へ変換して、各信号を重力に基づく方位系に対応させる段階と、 前記３つの重力に基づく方位信号を３つの角度信号に変換し、１つの信号は前記ピッチを表す段階と、 前記乗物の制御ループへ前記乗物の安定性を動的に保持するために前記ピッチを与える段階を含む方法。
【請求項１８】
地面を縦走する乗物のピッチ状態を決定するコンピュータプログラムであって、前記乗物においては、傾斜センサが前記乗物に接続されて基準Ｅフレーム回りの前記乗物の推定ピッチ角を表すピッチ信号を生成するようにされ、且つ、少なくとも１つの内部基準センサが前記乗物に接続されて基準Ｖフレーム回りの内部方位角信号を生成するようにされており、前記コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行され、
前記ピッチ信号及び前記内部方位角信号を受け取る段階と、
前記内部方位角信号及び前記ピッチ信号からピッチ状態信号を演算する段階と、
前記ピッチ状態信号を前記乗物の前後面における安定性を動的に保持するように前記乗物の制御ループへ与える段階とを含むコンピュータプログラム。
【請求項１９】
請求項１８記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、 内部方位センサが前記内部方位信号に部分的に基づく不具合を有するか否かを判断し、内部方位センサが不具合であれば、３軸ピッチ状態推定から単軸ピッチ状態推定へ切り換える段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２０】
請求項１９記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、 前記内部方位信号を３つの直交軸の各々における投射内部方位信号を表す信号へ変換する段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２１】
請求項１９記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、 前記ピッチ信号及び前記内部方位信号に基づいてピッチ角エラー信号を演算して、このピッチ角エラー信号を、前記ピッチ信号及び前記内部方位信号を受け取る前記段階へフィードバックして、前記内部方位信号を調節する段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２２】
請求項１９記載のコンピュータプログラムにおいて、前記内部方位信号を受け取る前記段階が、３つの内部方位信号を受け取り、一つの内部方位信号はそれぞれ３つの内部方位センサからのものであり、 前記コンピュータプログラムが、前記コンピュータにより実行され、前記３つの内部方位信号に基づき３つの回転率信号を演算する段階を更に含み、各回転率信号は３つの直交軸の１つの軸の回りの回転率を示すコンピュータプログラム。
【請求項２３】
請求項２２記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、方位角信号を生成するように前記回転率信号を積分する段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２４】
請求項２２記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、 少なくとも前記ピッチ信号及び前記内部方位信号に基づいてバイアス信号を演算して、このバイアス信号は、信号を受け取る前記コンピュータコードへ出力される段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２５】
請求項２３記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、  誤内部方位信号を検出すると共に、誤内部方位信号の検出に応答して不具合信号を形成する段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２６】
請求項２５記載のコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータにより実行され、  不具合信号が検出されたならば、前記ピッチ状態の３軸推定から前記ピッチ状態の単軸推定へ切り換える段階を更に含むコンピュータプログラム。
【請求項２７】
請求項１８乃至２６の何れか一項に記載のコンピュータプログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、個人用乗物の制御のために個人用乗物のピッチ状態を評価するデバイス及び方法に関する。
【０００２】
発明の背景技術
乗物のピッチを測定する様々な方法及びデバイスが存在する。ピッチは、乗物に固定された所定の実質的垂直軸Ｒと、重力により規定される真の鉛直軸との間の角度Θとして定義される。Ｒは、例えばシートバック又は乗物に固定された他の構造体により規定できる。用語「ピッチ」とは以下の説明及び添付の請求項においては傾斜と同義である。ピッチ検出デバイスは、加速度計、傾斜計、振子基準センサ（傾斜センサとしても公知である）、及び距離プローブを含む。
【０００３】
単軸状態推定器(Single axis state estimators;SASE)は、大概の場合に予想される状態において、定常な面上にある乗物の推定ピッチを与えることができる。このピッチ状態は、乗物が所定の方向転換、例えば勾配面に沿った旋回をするときには不正確になる。このような状況においては、乗物が下向き状態にあって、即ち傾斜計が負のピッチを表示せねばならない場合でさえも、傾斜計は乗物が依然として正のピッチを持っているように表示してしまうことがある。ピッチが突然に変化して、デバイスが変化を測定できる時間的しきい値を上回るピッチ率になると、センサは飽和してしまう。
【０００４】
発明の概要
本発明の一実施形態によれば、ピッチ状態推定器のための装置及び方法が与えられる。ピッチ状態推定器は、地面を縦走する乗物の制御に用いられる方位を確立するためにピッチ状態信号を生成する。乗物は、負荷（好ましくは乗客）を支持する支持体を有する。一実施形態においては、ピッチ状態推定器は、乗物に取り付けられて乗物の推定ピッチ角を表すピッチ信号を生成するピッチセンサを含む。ピッチ角は、重力を基準とする座標系に関連している。ピッチ状態推定器は、乗物に接続されてこの乗物に関する慣性方位信号を生成する少なくとも一つの慣性基準センサも含む。状態推定モジュールも含まれており、これはピッチ信号及び慣性方位信号を受け取って、慣性方位信号及びピッチ信号センサからピッチ状態信号を計算する。ピッチ状態信号は、乗物の安定性を動的に保持するために乗物の制御ループへ与えられる。
【０００５】
別の実施形態においては、ピッチ角エラー信号は、ピッチ信号及び慣性方位信号に基づいて計算されて、慣性方位信号を調整するために状態推定モジュールへフィードバックされる。他の実施形態においては、少なくとも一つの慣性基準センサは、ジャイロスコープである。
【０００６】
ピッチ状態推定器は仮想ジャイロ構造体モジュールを更に含んでもよく、これはジャイロスコープの慣性方位信号を受け取って状態推定モジュールへ三つの回転率信号を出力する。各回転率信号は、乗物の重心に起点を有する三つの垂直軸の一つの軸の回りの回転率を表す。
【０００７】
状態推定モジュールは、回転補正モジュールを更に含んでもよく、このモジュールは、三つの補正回転率を生じる三つの回転率信号を変換して、三つの回転率信号をピッチ信号の座標系に対応させる。また状態推定モジュールは、三つの補正回転率信号に基づく方位角度を生成する積分モジュールと、慣性方位信号を受け取る加算器を含んでもよい。状態推定器は更にジャイロバイアス積分器を含んでもよく、これは少なくともピッチ信号及び方位角に基づいてバイアス信号を計算し、このバイアス信号は加算器へ出力される。この実施形態においては、加算器の出力信号は回転補正モジュールへフィードバックされる。
【０００８】
他の関連実施形態においては、不具合検出モジュールが含まれており、これは慣性基準センサにより生成された誤慣性方位信号を検出する。誤慣性方位信号が検出されると、不具合検出モジュールはジャイロスコープが不具合であると判断する。
【０００９】
他の実施形態においては、状態推定モジュールは、ジャイロスコープが不具合であるならば、ピッチ状態の単軸推定を実行する。
【００１０】
ピッチ状態信号は一実施形態においては傾斜センサを用いて重力に関する乗物の推定ピッチを先ず測定することにより生成される。
【００１１】
推定ピッチ測定値はディジタル推定ピッチ信号へ変換されて、次いで乗物の慣性方位率が、乗物の三つ以上の別々の方位に配置された少なくとも三つの慣性センサを用いて測定される。最後に、ピッチ状態信号が、状態推定モジュールにおいて、ディジタル慣性方位信号及びディジタルピッチ信号に部分的に基づいて計算される。
【００１２】
本発明は、添付図面に関連してなされる以下の説明を参照することにより一層容易に理解されよう。
【００１３】
実施形態の詳細な説明
米国特許第５，７０１，９６５号及び５，７９１，４２５号は、乗物の安定性の能動制御のために瞬間ピッチ状態の測定を必要とする個人用乗物を説明している。これらの特許は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。乗物のピッチ状態推定のために本明細書に開示された方法及び装置の様々な実施形態は、上述の特許の乗物と共に用いてもよい。本明細書及び添付の請求項で用いられるように「ピッチ状態」は、前後面におけるピッチと乗物のピッチ率、即ちΘ及びΘｒ（ここでΘｒはΘの時間変化率）の両方を含む。
【００１４】
このような乗物は図１に示すような制御ループを含むことができ、この制御ループは前後面における乗物の安定性を動的に保持して、乗物を直立姿勢に保つようにする。この制御ループは、入力としてピッチ状態を必要とする。
【００１５】
図１のプラントは、単独のモータにより駆動される移動システムの運動方程式に等しい。Ｔはホイールのトルクを示す。符号Θはピッチに加えて前後の傾斜、即ちピッチ角を示し、Ｘは基準点に関して表面に沿った前後置換を示し、添字ｒは時間に関する可変微分を示す。図の残りの部分は平衡を達成するために用いられた制御を示す。ボックス６２及び６３は微分を示す。システムの動的制御を達成して安定性を保証すると共に、システムを面上の基準点の近傍に保持するために、本実施形態におけるホイールトルクＴは次式を満たすように設定される。
【００１６】
Ｔ＝Ｋ１Θ＋Ｋ２Θ＋Ｋ３Ｘ＋Ｋ４Ｘｒ
利得Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びＫ４は、制御ループの設定、システムの物理的パラメータ、及び他の影響（例えば重力など）に依存する。
【００１７】
乗物の動的な振る舞いは、座標系の参照によって記述し得る。このような二つの座標系、即ち地球基準フレーム（Ｅフレーム）及び乗物基準フレーム（Ｖフレーム）が、非平坦な面に関する乗物の運動を記述するのに用いられる。
【００１８】
Ｅフレームは垂直軸Ｚを規定し、これは図２に示すように、重力の方向に対して共線形をなしており、負荷搭載状態にある乗物の重心と交わる。
【００１９】
重心に関する軸の起点の位置は任意の選択とされており、この起点を乗物上の他の位置に関して配置してもよいことは当業者には明白である。Ｅフレームは、垂直軸に直交し且つ負荷搭載状態にある乗物の重心と交わる移動方向における成分としてのロール軸Ｘを規定する。またＥフレームは、Ｚ軸とＸ軸との両方に直交して負荷搭載状態にある乗物の重心と交わるピッチ軸Ｙを規定する。Ｚ軸の回りの回動は、偏揺れ角としても知られる角度Ψで記述される。Ｘ軸の回りの回動は、ロール角としても知られる角度Φで記述される。Ｙ軸の回りの回動は、ピッチ角としても知られる角度Θで記述される。
【００２０】
Ｖフレームに関連する軸は、乗物の重心に位置する起点を有する。他の実施形態においては、軸の起点を乗物上の他の位置に配置してもよい。これらの軸は乗物に関して固定されている。想定的垂直軸Ｒは、乗物に固定された実質的に垂直な特定の軸であり、これは乗物の重心及び乗物の支持体／背もたれ／操縦者の頭部と交わる線によって規定し得る。相対的水平軸Ｐは相対的垂直軸に直交し、乗物の移動方向に平行な成分を有する。第３の軸ＱはＲ軸とＰ軸との両方に直交する。Ｒ、Ｐ、Ｑフレームの相対的方位は、乗物が傾くにつれてＺ、Ｘ、Ｙフレームに関して変化する。図２示すように、Ｑ軸とＹ軸とは共線形であるが、Ｒ軸とＺ軸とは共線関係にはなく、Ｘ軸とＰ軸も共線関係にはない。
【００２１】
このような場合、乗物は「ピッチング（揺れ）」状態にあるので、Θについては零でない値を有する。図３は、Ｐ軸とＸ軸とが共線形であり、Ｒ軸とＺ軸、Ｑ軸とＹ軸は、それぞれ共腺関係にないことを示している。この形態においては、零でないロール角が存在する。
【００２２】
下式は、添字ｒにより示される各回動率のための小さな角度近似の下でのＥフレームとＶフレームとの間の率変換を表す。これらの変換はそれぞれ、小角オイラー変換(SAET)、小角オイラー逆変換と称される。
【００２３】
【数１】
0004612980.tif 000002
【００２４】
率センサ、例えば角度率センサ又はレートジャイロスコープ（以下、ジャイロ）は、乗物へピッチ状態情報を与えるように用いられている。この率センサは、Ｖフレームに関する乗物の方位の変化率を測定し、乗物のピッチ、ロール及び偏揺れ角の変化率を示す信号を生成する。この率センサはセンサドリフトに起因して角度的な調整をなす必要がある。従って、傾きセンサが安定角度値を与えるためにシステムへ組み込まれており、その安定角度値から率センサのバイアスエラーを補償し得る。本発明の一つの好適実施形態においては、率センサはジャイロであるが、他の実施形態においては、他の慣性測定デバイスである。以下に説明するような様々な信号変換を通じて、方位センサから得られたピッチ率信号及び傾斜計からのピッチ信号に部分的に基づいてピッチ状態を正確に測定する系を計算できる。
【００２５】
図４は本発明の一実施形態のシステム設計を示す。絶対基準センサ４００は変換モジュール４０１へ信号を送り、センサにより生成された信号は有益なディジタルデータフォーマットへ変換されて、既知のエラー生成源のために調整される。絶対基準センサ４００は加速計の特殊な場合であり、Ｅフレームに関する量を測定するセンサ、例えば振子センサ（傾きセンサとしても知られている）などを含む。絶対基準センサは、乗物のホイールの回転を測定してホイール速度の差信号を生成するように乗物のホイールの回転を測定するセンサも含む。
【００２６】
乗物が（重力の作用及びホイールの速度差によるものを除いては）加速されないときに、変換モジュール４０１は状態推定器４０２へピッチ角及びロール角に対応する情報を与える。ホイールの速度差は、ホイールがスリップしていないと見なせる偏揺れ率についての絶対値を与える。
【００２７】
相対的基準センサ４０３はＶフレームに関する量を測定し、機械的又は固体ジャイロスコープなどのジャイロスコープを含んでもよい．三つの方位に関する情報を与える目的で、少なくとも三つの単軸ジャイロスコープが必要である。付加的なジャイロスコープを障害許容差能力を与えるために用いてもよい。図４は本発明の一実施形態を示し、ここでは相対的基準センサ４０３は、ジャイロＬ  ４０４、ジャイロＤ  ４０５、ジャイロＥ  ４０６及びジャイロＦ  ４０７からなる。好適実施形態においては、自由度１のジャイロスコープを４台用いている。ジャイロＬ  ４０４は乗物のＱｒを測定するように乗物に装着できる。このような実施形態においては、残りの３台のジャイロ４０５，４０６，４０７は別々の方位で乗物に装着されて、Ｑｒ、Ｐｒ及びＲｒの組合せを測定する。装着方位の選択は、センサ信号範囲及び精度などの要因を平衡させる。ジャイロスコープは乗物の主軸上に配置してもよいが、好適実施形態においては、これらのジャイロスコープは、オフ軸に、且つ互いに非共線形に配置されている。このことは、これらのジャイロスコープの間に多重性を与える。１つのジャイロスコープに障害が生じたとしても、他のジャイロスコープがＰｒ、Ｑｒ及びＲｒ成分を測定するので、Ｐｒ、Ｑｒ又はＲｒが依然として計算される。更に、好適実施形態においては、ジャイロスコープはオフ軸に設定されている。これは乗物の性能がジャイロスコープの測定レンジよりも非常に大きいこともあり得るためである。例えば、急旋回中の角度率はジャイロスコープの測定レンジを越えてしまう。ジャイロスコープを傾かせることにより、測定率は回転軸と傾斜軸との間の角度の余弦で表すことができ、他の直交率成分の交差結合をもたらす。
【００２８】
相対的基準センサ４０３は、検出された角度率を、角度率を示すディジタル信号へ変換して、この信号を仮想ジャイロ構造体モジュール４０８へ送る。ジャイロスコープの方位がＱ、Ｐ及びＲ軸に整合しないので、ジャイロスコープにより生成された各信号は複数の軸回りの率情報からなる。仮想ジャイロ構造モジュール４０８は信号を三つの出力信号を生成するように変換し、これら三つの信号は、三つの仮想ジャイロがＰ、Ｑ及びＲ軸回りの回転を測定するように方位付けられている際に生成されるであろう信号に対応する。ジャイロ信号における操作は仮想ジャイロＱｒ、Ｐｒ及びＲｒ情報を生成する。仮想ジャイロ構造体モジュールは次の行列式を実行する。Ｖ＝ＭＧ、但しＶは仮想ジャイロベクトル、Ｇはジャイロ出力ベクトル、ＭはＧにおける４つのジャイロ信号を仮想ジャイロベクトルＶに変換する３×４構造行列である。構造行列は特有ではなく、逆最小二乗解、又はジャイロ４台のうちの３台についての４つの組合せの何れか１つの出力か、或いは解の何れかの組合せとすることができる。構造行列の係数は乗物の較正の間に決定されて、ジャイロ整合についての較正と、個々のジャイロ特性についての較正との双方を含む。好適実施形態においては、構造体行列は、最小二乗解及び３ジャイロスコープの４つの組合せから選択された解の組合せを通じてジャイロスコープＤ、Ｅ及びＦについての大きな不具合許容差を与える。
【００２９】
ジャイロ不具合検出モジュール４０９からのジャイロ不具合検出信号は、状態推定器４０２へ送られた生の信号からも生成される。ジャイロ不具合検出モジュール図５を参照して以下に説明される。
【００３０】
状態推定器４０２は仮想ジャイロ構造体モジュール４０８、ジャイロ不具合検出モジュール４０９、及び較正変換モジュール４０１から信号を受け取って、乗物のピッチ状態を推定する。状態推定器４０２は乗物のロール状態及び偏揺れ状態をも推定するが、本発明の好適実施形態においては、乗物のピッチ状態のみが、乗物の重心について乗物を平衡させるために制御ループへ送られる。
【００３１】
図４には本発明の一実施形態における４台のジャイロの使用をしたが、３台よりも多くの台数を用いて、システムに対する不具合許容差能力を高めるためようにしてもよい。
【００３２】
図５は複数の不具合検出器を示す不具合検出モジュール４０９の詳細図である。４つのジャイロスコープの各々が、ジャイロスコープからの生の信号である信号を生成する。この生の信号は、フィルタ（符号８０５，８０６，８０７及び８０８で示される）を通過する。フィルタの効率は、加算器８０９において合成和が零に等しくなるようにアセンブリに応じて形態付けされる。ジャイロスコープがアライメントを外れたり、仕様のドリフトを外れたり、或るいは故障すると、和は零に等しくならない。好適実施形態においては、加算器への入力は２つのピッチ率の間の差である。ピッチ率は４台のジャイロスコープの３台のピッチ成分の選択に応じて決定される。８０９からもたらされる和は８１０において率エラーしきい値８１１と比較される。ピッチ率が最悪の場合のピッチエラー率を越えるならば、ジャイロスコープの不具合が宣言されて、システムは単軸状態推定器モードをデフォールトにする。
【００３３】
加算器８０９からの和は加算器８１２へ送られて、ピッチエラーを生成するように積分される。次いでピッチ角が角度比較器８１４で８１５の角度エラーしきい値と比較される。角度エラーしきい値８１５は、ジャイロスコープのエージングまたは何らかの角度バイアスに起因し、許容できないが較正が可能なエラーを許容し、一方、エラーが較正できないものであれば、依然としてジャイロスコープの不具合を宣言する。以下に説明するように、ジャイロスコープのドリフトは、信号減衰器５６０を含む図６のフィードバックフィルタにより全時間に亘って減少される。ドリフトエラーの場合と同様に、エージングに起因する角度エラーは、同一のフィードバックループを通じて緩慢に削減される。好適実施形態においては、フィードバックループは数分間に亘る精度不良を補償するように設計されている。ジャイロスコープが、その検知性を過度に損なって非常に不正確になると、ピッチ角は、フィルタが精度不良を補償する数分間に亘ってユーザにとって不快か、或いは危険なものになるおそれがある。従ってエラーが所定の充分に長い時間について補償できるとしても、システムは、大きなピッチ角はジャイロスコープの不具合を示すものと認識する。好適実施形態においては、エラー角度しきい値は、ユーザの快適性の配慮や安全性により決定されて、３．２度に設定されるが、システムは乗物の方位に基づいたエラー角度しきい値を可変に調整できる。より低いレンジに設定されるしきい値は、より正確な成分を要求するか、或いは更なるジャイロスコープの不具合をもたらす。より高いしきい値は、ジャイロスコープの不具合の低減をもたらすが、搭乗者にとってもはっきりと解るものになる。エラー角度が過剰であるならば、ジャイロの不具合が宣言されて、システムは単軸状態推定モードになる。
【００３４】
２つの付加的なフィルタがモジュール８１６及び８１７内に配置されている。これら２つフィルタは、それぞれ図５の信号減衰器５４０及び５６０と同様である。次いで角度出力はゲイン８１７で減衰されて、バイアス調整を与える積分器８１８で積分される。フィルタ８１７は長時間バイアスドリフトを相殺する。フィルタ８１６は角度信号の減衰を与え、これは加算器８１２へ戻されて２次フィルタを安定化させて振動を防止する。
【００３５】
多重率バイアス補正信号は、以下に説明される状態推定器から与えられており、積分器５７０からの信号Ｐ、Ｑ、及びＲと、局所的ジャイロバイアスエラーモジュール６５０からの局所的ジャイロスコープバイアスエラーとを含む。率バイアス補正信号はバイアス比較器８１９において最大補正率と比較される。率バイアス補正信号が最大補正率を越えると、ジャイロスコープの不具合が宣言される。緩慢に不具合になるか、或いは既に仕様を外れたジャイロスコープは、この比較により識別される。好適実施形態においては、許容される最大補正率は、毎秒１０度以上であるが、他の最大補正率を用いてもよい。しきい値を越えたならば、ジャイロスコープの不具合が宣言されて、システムは単軸推定モードになる。
【００３６】
図６は状態推定器４０２の機能的ブロック図を示す。仮想ジャイロ構造体４０８からのＰｒ、Ｑｒ、及びＲｒで示される回転率信号５０１は先ず加算器５０２へ与えられ、この加算器はフィードバックループを通じてバイアスエラーを補正する。補正回転率は小角オイラー変換(SAET)５０３を用いてＶフレームからＥフレームへ座標変換されるので、Θｒ、Φｒ、Ψｒで示されるＥフレームピッチ率、ロール率及び偏揺れ率情報５０４が生成される。次いでΘｒは乗物の制御ループへ与えられる。ＳＡＥＴ５０３からのＥフレーム回転率は加算器５２０へ送られて、積分モジュール５０５において積分されてΘ、Φで示されるＥフレーム方位角５０６が生成される。次いでΘｒは乗物の図１の制御ループへ与えられる。Θ、ΦもＳＡＥＴモジュール５０３での後続の小角オイラー変換における使用のために戻される。加算器５２５における積分器モジュール５０５は、Θとピッチ角度との差、Φとロール角度５０７との差をそれぞれとって、ピッチ及びロールエラー信号５３０を生成する。ピッチ角度及びロール角度５０７は傾斜センサ４００により与えられている。次いでエラー信号５３０はＥフレーム方位角Θ、Φ５０６に従って逆オイラー変換５０８へ与えられる。ピッチ及びロールエラー信号５３０もフィードバックされて、信号強度を減衰させるフィルタ５４０を通過する。減衰信号は加算器５２０へ与えられる。フィードバックループは遷移に起因する不正確さを補正するように与えられており、５０６の出力読み取りを傾斜センサの方向へ動かすようにする。信号減衰器５４０の減衰は、Ｅフレーム方位角への絶対基準センサ値の大きなエラーの影響を制限する。絶対基準センサ値の大きなエラーは、例えば乗物が急な悪路上にきたときに起こり得る。乗物が悪路上を進むにつれて、絶対基準センサは、ピッチ率及びピッチ角度を不正確に反映する遷移の形式で外来信号を生成する。
【００３７】
逆ＳＡＥＴ５０８において、ピッチ、ロール及び偏揺れエラー情報に逆ＳＡＥＴが実行される。この逆変換において、ピッチ及びロールのエラー信号５３０がΘｒ、Φｒにて逆方程式へ挿入されて、偏揺れエラー信号５８０がΨｒにて挿入されて、各率が解ると期待される。
【００３８】
Ψｒは、Ｒｒとホイール５５０の速度差との間の差に応じて加算器６２０から与えられる。率がエラー情報の分割の影響を有するのではなく、逆ＳＡＥＴがエラー信号に実行される。逆ＳＡＥＴはＥフレーム信号をＶフレーム座標系へ変換する。信号は減衰フィルタ５６０を通過する。減衰フィルタ５６０の後、信号は積分器５７０へ与えられてから加算器５０２へ戻される。このフィードバックループはジャイロスコープの長時間バイアスドリフトを相殺する。減衰フィルタ５６０は、ジャイロスコープには依然として短時間の変化の制御を可能とさせつつ、傾斜センサには、長時間に亘ってより安定でジャイロスコープのドリフト補正の支援を可能とさせる。
【００３９】
エラー信号に比例するＰｒ及びＱｒ補正とは異なり、偏揺れ率Ｒｒ補正は、Ｘで示されるプリセットエラーレベルまでのみに実行される。
【００４０】
この比較は比較器６１０で実行される。偏揺れ率エラー信号がプリセットエラーレベルＸより大きくなると、ホイールは偏揺れ率を示しておらず、且つ休止タイマーが開始されたという仮定の下で、Ｒｒに対する補正が中止される。ジャイロ率値Ｒｒは休止中に依然としてデルタホイール率５５０と比較されて、偏揺れエラー信号５８０を計算する。所定時間の後に、Ｒｒの値とデルタホイールの値との差がプリセットレベルを下回らなければ、警報発生６００となり、この警報は一実施形態においては可視的な信号である。休止タイマーにおける第２の所定時間の後、差がプリセットエラーレベルより下がらなければ、偏揺れ補正が遮断されて、警報音がシステムは障害とジャイロスコープのドリフトとを識別できないことを示す。第２時間の限度に達すると、システムはリセットさせねばならない。プリセットエラー限界は、例えば乗物が、旋回する可動プラットホーム上で静止しているときに、誤ったＲデータがピッチ状態推定に組み込まれることを防ぐようにされている。
【００４１】
ピッチ状態の正確な読み取りを与えるために、初期化の際には、ピッチ状態推定器は、システムが非加速状態にある限りはジャイロスコープを傾斜センサに整合させるように試みる。これはシステムを傾斜センサへ指向させる２つの信号減衰器５４０及び５６０を通じてコーナー周波数を調整することにより達成される。好適実施形態においては、これはエラー信号に対する応答におけるゲインを適合可能に調整することにより達成される。初期化中にジャイロスコープと傾斜センサとが整合されないならば、システムは一時停止して、傾斜センサ及びジャイロスコープが整合しているか否かを検知するために、これら両者のための値を再測定する。これらが整合していないならば、システムは、アライメントが達成されるまで処理を反復して再開させることができる。
【００４２】
ジャイロの不具合が検出されたならば、状態推定器４０２は米国特許第５，７０１，９６５号及び５，７９１，４２５号に説明されたピッチ状態の単軸推定を実行する。３軸状態推定器の同一の部品及びフィルタは、図６に示す単軸評価に用いられる。単軸推定の場合に、仮想ジャイロ構造体モジュール４０８から選択されたジャイロスコープのためのピッチ率のみがボックス５０１へ送られる。更なる差異は、単軸状態推定器において、偏揺れ率と３軸状態推定器の率とを与えるホイールの速度差が、単軸状態推定器においてピッチ角についてのジャイロスコープの誤アライメントを補償することを支援するためのみで用いられる。ホイールがスリップする状況に打ち勝つために、この偏揺れ率にはリミッタが設けられている。単軸状態推定器において、デルタホイール速度から得られた偏揺れ角が、この成分を計算から除去するために加算器へ送られて、ボックス５０１へ送られる。付加的に、ボックス５０１において、較正モジュールが追加されており、これはジャイロスコープの誤アライメントを補正する。３軸状態推定器と単軸状態推定器との間の円滑な推移を与えるために、局所的ジャイロバイアスインジケータ６５０は、単軸モードで５７０の積分器のための初期状態を与える。３軸状態推定器と単軸状態推定器との間の他の差異は、ＳＡＥＴモジュール５０３及び逆ＳＡＥＴ５０８がないことであり、これはシステムが３次元に対向する単独面で操作されているときは、Ｅフレームにおけるピッチに対するＶフレームにおけるピッチを位置付ける必要が無い限り、単軸状態推定器はＱ＝θｒであると仮定せねばならないためである。更に、傾斜センサ、好ましくはピッチとロールとの双方についての信号を与える２軸振子センサがピッチ信号のためのみに用いられて、ロール信号は無視される。
【００４３】
好適実施形態においては、６台のジャイロスコープがある。３台のジャイロスコープがＶフレームのピッチ軸の回りに構成されており、残りの３台のジャイロスコープがＶフレームのロール及び偏揺れ軸の組合せに沿って設定されている。このような形態においては、空間的三重多重性が与えられている。ピッチ軸の回りに配置された各ジャイロスコープは、関連するプロセッサ及び傾斜センサを有し、そのプロセッサは関連するジャイロスコープ及び傾斜センサから単軸状態推定を与える能力がある。プロセッサはそれに関連するジャイロスコープからの信号を、偏揺れ及びロール軸回りの回転を検知するように装着された３台のジャイロスコープからの信号と共に受け取る。この多重性は乗物のための他の安全機構システムを与える。３台のプロセッサの各々は、単軸状態推定のために関連するジャイロスコープのみを用いるか、或いは３軸状態推定のために関連するジャイロスコープと残りの３台のジャイロスコープとの双方を用いて、ピッチ状態を独立に推定する。全てのジャイロスコープが完全に作動するならば、３つのプロセッサにより生成された状態推定は全て容認できるであろう。しかしながら、関連するジャイロスコープの１つが不具合であるならば、３つのプロセッサにより生成された状態推定は容認できないであろう。決定(voting)機構を採用して、誤った推定を生成するプロセッサ自体を遮断するようにしてもよい。多重故障防止の更なる詳細については、米国仮特許出願第６０／１０５，０９６号（１９９８年１０月２１日出願、代理人整理番号１０６２／Ｂ６５、発明の名称"FAULT-TOLERANT ARCHITECTURE FOR A PERSONALVEHICLE"）を参照されたい。
【００４４】
本発明の他の実施形態においては、ジャイロの不具合が検出されたならば、ホイールモータに対する信号は自動的に覆われて乗物の旋回の最大率を制限する。旋回の最大率の制限は、偏揺れ率を制限して、単軸状態推定器の使用から生じるエラーを低減させる。
【００４５】
本発明の他の実施形態においては、ロール角は、零ピッチを維持するために要求されるトルクの軌跡を保持することにより推定される。その零ピッチは地面勾配の推定及び始動からの全旋回量に相当する。例えば、地面勾配が上方位１０°と推定されて、乗物が左に９０°旋回すると、ロールは左１０°と推定できる。
【００４６】
本発明の好適実施形態は、コンピュータシステム又はプロセッサと共に使用するためのコンピュータプログラム製品として実施されてもよい。そのような手段は、一連のコンピュータ指令を含んでもよく、この指令は、コンピュータ読み取り可能媒体（例えば、ディスケット、ＣＤ―ＲＯＭ、ＲＯＭ、又は固定ディスク）のような有形媒体上に、或いはモデム又は媒体上のネットワークヘ接続された通信アダプタのような他のインターフェースを介してコンピュータシステム又はプロセッサへ転送可能に置かれている。媒体は有形媒体（例えば光学的又はアナログ通信ライン）か、或いは無線技術（例えばマイクロ波、赤外線又は他の転送技術）が組み込まれた媒体の何れでもよい。一連のコンピュータ指令は、ピッチ推定器に関して本明細書で既に説明した機能の全て又は一部を具現する。当業者は、このようなコンピュータ指令は多くのコンピュータ設計又はオペレーティングシステムに使用するための多数のプログラミング言語で書くことができることを認識されたい。更に、このような指令は、半導体、磁気的、光学的、或いは他のメモリデバイスのような任意のデバイスに保存してもよく、また光学的、赤外線、マイクロ波又は他の転送技術などの通信技術を用いて転送してもよい。このようなコンピュータプログラム製品は、添付の印刷物又は電子的文書（例えばシュリンク包含(shrink wrapped)ソフトウェア）を有してコンピュータシステム（例えばシステム上又は固定ディスク）へ予め装填された取り外し可能媒体として頒布してもよく、或いはネットワーク（例えばインターネット又はWorld Wide Web）上のサーバー又は電子掲示板から頒布してもよい。
【００４７】
本発明について幾つかの好適実施形態を参照して説明したが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の要旨と目的から逸脱することなく、様々な変更例をなせることが当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、前後面における乗物の安定性を動的制御する従来技術の制御ループのブロック図である。
【図２】  図２は、地面に支えられている乗物と、地球の地軸（Ｅフレーム）座標軸に沿ったピッチ角の存在における対応する乗物軸（Ｖ軸）座標軸とを示す線図である。
【図３】  図３は、ピッチ角が零のときと、ロール角が零でないときとのＶ軸に対するＥフレームの関係を示す線図である。
【図４】  図４は、本発明の一実施形態のためのシステム設計を示すブロック図である。
【図５】  図５は、不具合検出モジュールのブロック図である。
【図６】  図６は、本発明の一実施形態における三軸推定モジュールのための機能的ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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