(57)【要約】【課題】簡単にジャイロセンサの校正作業を行うことができる倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法は、倒立移動体１が空車か否かを判定する工程と、倒立移動体１が空車の場合、倒立移動体１を校正エリアである路面で旋回させる工程と、倒立移動体１を路面で旋回させた際の当該倒立移動体１における駆動車輪４のピークトルク値と、予め測定された傾斜角度と当該傾斜角度での駆動車輪４のトルク値との関係と、に基づいて、路面の傾斜角度を算出する工程と、倒立移動体１を路面で旋回させた際に駆動車輪４のトルク値がおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体の旋回角度でのジャイロセンサ５２の検出値と、算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、ジャイロセンサ５２の校正値を算出する工程と、を備える。【選択図】図４
2017043260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
倒立移動体のジャイロセンサの校正方法であって、
前記倒立移動体が空車か否かを判定する工程と、
前記倒立移動体が空車の場合、前記倒立移動体を校正エリアである路面で旋回させる工程と、
前記倒立移動体を前記路面で旋回させた際の当該倒立移動体における駆動車輪のピークトルク値と、予め測定された傾斜角度と当該傾斜角度での前記駆動車輪のトルク値との関係と、に基づいて、前記路面の傾斜角度を算出する工程と、
前記倒立移動体を前記路面で旋回させた際に前記駆動車輪のトルク値がおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体の旋回角度での前記ジャイロセンサの検出値と、前記算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、前記ジャイロセンサの校正値を算出する工程と、
を備える倒立移動体のジャイロセンサの校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立移動体のジャイロセンサの校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な倒立移動体は、倒立移動体における台車部の傾斜に基づいて、倒立移動体が前後進、左右旋回する構成である。このとき、倒立移動体における台車部の傾斜を検出するために、例えば、ジャイロセンサを用いるが、ジャイロセンサの検出精度が低下すると、倒立移動体を精度良く制御することができない。そのため、ジャイロセンサを適時校正する必要がある。
特許文献１には、ジャイロセンサを校正するための２回転軸直交ダブルターンテーブルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７９８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的には、ジャイロセンサを校正する場合、特許文献１に開示されているような専用の校正装置を用いる必要がある。そのため、ジャイロセンサの校正作業が大掛かりである。
【０００５】
上記課題に鑑み本発明は、簡単にジャイロセンサの校正作業を行うことができる倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法は、倒立移動体のジャイロセンサの校正方法であって、
前記倒立移動体が空車か否かを判定する工程と、
前記倒立移動体が空車の場合、前記倒立移動体を校正エリアである路面で旋回させる工程と、
前記倒立移動体を前記路面で旋回させた際の当該倒立移動体における駆動車輪のピークトルク値と、予め測定された傾斜角度と当該傾斜角度での前記駆動車輪のトルク値との関係と、に基づいて、前記路面の傾斜角度を算出する工程と、
前記倒立移動体を前記路面で旋回させた際に前記駆動車輪のトルク値がおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体の旋回角度での前記ジャイロセンサの検出値と、前記算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、前記ジャイロセンサの校正値を算出する工程と、
を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、簡単にジャイロセンサの校正作業を行うことができる倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る倒立移動体を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る倒立移動体のシステム構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る制御装置のシステム構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】実施の形態１に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を示すフローチャート図である。
【図５】空車状態の倒立移動体を水平面で倒立させて静止させた状態を模式的に示す図である。
【図６】空車状態の倒立移動体における駆動車輪の回転トルクと路面の傾斜角度との関係を示す図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、空車状態の倒立移動体を路面で旋回させた状態を模式的に示す図である。
【図８】空車状態の倒立移動体を路面で旋回させた際の駆動車輪の回転トルクと当該倒立移動体の旋回角度との関係を示す図である。
【図９】実施の形態２に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。先ず、本実施の形態に係る倒立移動体の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係る倒立移動体を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係る倒立移動体のシステム構成を模式的に示すブロック図である。本実施の形態に係る倒立移動体１は、乗車したユーザの重心移動に応じて倒立状態を維持しつつ所望の走行を行う、例えば、倒立二輪車として構成されている。
【００１０】
倒立移動体１は、ユーザが操作する操作ハンドル２と、操作ハンドル２に連結されユーザが乗る台車部３と、台車部３の両側に回転可能に設けられた左右一対の駆動車輪４と、を備えている。倒立移動体１は、乗車したユーザの重心移動による操作ハンドル２及び台車部３の傾斜に応じて、駆動車輪４を回転させて、前後進、左右旋回、加減速、停止などの所望の走行を行うことができる。台車部３は、例えば、ユーザが乗り左右方向に重心移動を行うと、その重心移動に応じて左右方向に傾斜するように構成されている。
【００１１】
例えば、ユーザはその重心を前後方向に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を前後方向に傾斜させることで、倒立移動体１を前後進させることができる。ユーザはその重心を左右方向に移動させ、操作ハンドル２及び台車部３を左右方向に傾斜させることで倒立移動体１を左右旋回させることができる。
【００１２】
図２に示すように、本実施の形態に係る倒立移動体１は、姿勢角ユニット５と、左右一対の回転センサ６と、左右一対の車輪駆動ユニット７と、制御装置８と、を備えている。
【００１３】
姿勢角ユニット５は、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ軸回りの角度（ピッチ角度）、ピッチ軸回りの角速度（ピッチ角速度）、ロール軸回りの角度（ロール角度）、ロール軸回りの角速度（ロール角速度）、等の姿勢情報を検出する。姿勢角ユニット５は、例えば、ユーザが重心を前後へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）を検出することができる。また、姿勢角ユニット５は、ユーザが重心を左右へ移動させることで生じた操作ハンドル２及び台車部３のロール角度（傾斜角度）を検出することができる。ここで、ピッチ軸とは、一対の駆動車輪４の車軸に相当する軸である。ロール軸とは、台車部３の重心を通り、倒立移動体１の走行方向と平行をなす軸である。
【００１４】
姿勢角ユニット５は、制御装置８に接続されており、検出した操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報を制御装置８に対して出力する。姿勢角ユニット５は、台車部３の加速度を検出する加速度センサ５１と、台車部３の角速度を検出するジャイロセンサ５２と、を有している。
【００１５】
一対の回転センサ６は、各駆動車輪４の回転角度、回転角速度、回転角加速度等の回転情報を夫々検出する。各回転センサ６は、制御装置８に接続されており、検出した各駆動車輪４の回転情報を制御装置８に対して出力する。
【００１６】
一対の車輪駆動ユニット７は、各駆動車輪４を駆動することで、倒立移動体１を走行させる。各車輪駆動ユニット７は、例えば、電動モータと、その電動モータの回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア列等によって構成することができる。各車輪駆動ユニット７は、駆動回路１０を介して制御装置８に接続されている。各駆動回路１０は、制御装置８から出力されるトルク指令値に応じて、各車輪駆動ユニット７に駆動信号を出力する。
【００１７】
制御装置８は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）８ａ、ＣＰＵ８ａによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）８ｂ、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）８ｃ、等からなるマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成されている。
【００１８】
制御装置８は、倒立移動体１が、例えば、倒立状態を維持する倒立制御を行いつつ、所望の走行（前進、後進、加速、減速、停止、左旋回、右旋回等）を行うように、各車輪駆動ユニット７を制御する。また、制御装置８は、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３の姿勢情報と、各回転センサ６により検出された各駆動車輪４の回転情報と、に基づいて、フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御を行う。
【００１９】
例えば、制御装置８は、ユーザが重心を前後に移動させたときに、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立移動体１を倒立状態で前進又は後進させる。また、制御装置８は、ユーザが重心を左右に移動させたときに、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のロール角度に応じて、各車輪駆動ユニット７を制御することで、倒立移動体１を左旋回又は右旋回させる。
【００２０】
制御装置８は、例えば、姿勢角ユニット５により検出された操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度（傾斜角度）に、倒立制御における各車輪駆動ユニット７の駆動トルクを決める倒立制御ゲインを乗算して、各駆動車輪４のトルク指令値を算出する。制御装置８は、算出したトルク指令値に応じた回転トルクが各駆動車輪４に生じるように、各車輪駆動ユニット７を制御する。
【００２１】
これにより、制御装置８は、操作ハンドル２及び台車部３が傾斜している方向へ各駆動車輪４を回動させ、倒立移動体１の重心位置を各駆動車輪４の車軸を通る鉛直線上へ戻すような倒立制御を行う。さらに、制御装置８は、各駆動車輪４に対して適切な回転トルクを夫々付加することで、操作ハンドル２及び台車部３のピッチ角度がある一定値を超えないような倒立状態を維持しつつ、さらに、姿勢角ユニット５からの姿勢情報に応じて、前進、後進、停止、減速、加速等の倒立移動体１の移動制御を行う。
【００２２】
なお、倒立移動体１は、倒立二輪車として構成されているが、これに限定されない。倒立移動体１は、例えば、倒立一輪車として構成されてもよく、任意の倒立型車両として構成できる。
【００２３】
ところで、上述のように、倒立移動体は、姿勢角ユニット５から出力される姿勢情報に基づいて倒立制御を実行している。この姿勢角ユニット５のジャイロセンサ５２において、例えば、経年劣化や取付部のメカ的な劣化によりその出力値に誤差が生じる。このために、ジャイロセンサ５２の校正を行うことが重要となる。一般的には、このジャイロセンサ５２の校正を行うために、例えば、専用の校正装置を用意する必要があった。
【００２４】
これに対して、本実施の形態に係る倒立移動体１は、上述したような専用の校正装置を用いることなく、姿勢角ユニット５のジャイロセンサ５２の校正を簡易に行うことができるものである。
【００２５】
図３は、本実施の形態に係る制御装置のシステム構成を模式的に示すブロック図である。図３に示すように、本実施の形態に係る制御装置８は、空車状態判定部８１と、傾斜角度算出部８２と、校正部８３と、を備えている。
【００２６】
空車状態判定部８１は、ユーザが台車部３に乗車していない空車状態を判定する。空車状態判定部８１は、例えば、駆動車輪４の回転トルク（トルク値）に基づいて、上記空車状態の判定を行う。台車部３にユーザが乗車している乗車状態の場合、空車状態の場合と比較して、駆動車輪４の回転トルクが増加する。したがって、空車状態判定部８１は、駆動車輪４の回転トルクの増加量に基づいて、上記空車状態の判定を行うことができる。空車状態判定部８１は、例えば、駆動回路１０からフィードバックされる電流値に基づいて、上記各駆動車輪４の回転トルクを算出する。
【００２７】
空車状態判定部８１は、台車部３に設けられたステップセンサの信号に基づいて上記空車状態の判定を行ってもよい。ステップセンサは、台車部３に掛かる荷重を検出したときオン信号を出力し、荷重を検出しないときオフ信号を出力する。空車状態判定部８１は、ステップセンサからオフ信号を受信すると上記空車状態であると判定する。
【００２８】
空車状態判定部８１は、倒立移動体１の機械的な誤差やセンサ誤差の設計値に基づいて算出したピッチ角度を用いて、上記空車状態の判定を行ってもよい。倒立移動体１は、設計時に機械的な誤差の最大値及びセンサ誤差の最大値を考慮して設計されている。したがって、倒立移動体１が空車状態から乗車状態になると、この誤差の最大値の範囲を超えてピッチ角度が大きく変化し、倒立制御が実行される。この特性を利用して上記空車状態の判定を行うことができる。例えば、空車状態判定部８１は、ピッチ角度が空車状態のときに想定される上記最大誤差を考慮した所定角度を超えたとき、乗車状態（空車状態でない）と判定する。空車状態判定部８１は、空車状態の判定結果を校正部８３に出力する。
【００２９】
傾斜角度算出部８２は、倒立状態における駆動車輪４の回転トルクに基づいてジャイロセンサ５２の校正エリアである路面の傾斜角度（即ち、水平面に対する路面の傾斜角度）を算出する。詳細には、傾斜角度算出部８２は、倒立移動体１を路面で旋回させた際の当該倒立移動体１における駆動車輪４のピークトルク値と、予め導き出した路面の傾斜角度と当該傾斜角度での駆動車輪４の回転トルクとの関係と、に基づいて、路面の傾斜角度を算出する。
【００３０】
校正部８３は、空車状態の倒立移動体１を路面で旋回させた際に駆動車輪４の回転トルクがおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体１の旋回角度でのジャイロセンサ５２の検出値と、傾斜角度算出部８２で算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、ジャイロセンサ５２における検出値の校正値を算出する。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る倒立移動体１のジャイロセンサ５２の校正方法を説明する。図４は、本実施の形態に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を示すフローチャート図である。図５は、空車状態の倒立移動体を水平面で倒立させて静止させた状態を模式的に示す図である。図６は、空車状態の倒立移動体における駆動車輪の回転トルクと路面の傾斜角度との関係を示す図である。図７は、空車状態の倒立移動体を路面で旋回させた状態を模式的に示す図であり、図７（ａ）は空車状態の倒立移動体を路面で９０°旋回させた状態、図７（ｂ）は空車状態の倒立移動体を路面で１８０°旋回させた状態を模式的に示す図である。図８は、空車状態の倒立移動体を路面で旋回させた際の駆動車輪の回転トルクと当該倒立移動体の旋回角度との関係を示す図である。
【００３２】
ここで、前処理１として、ＣＡＤモデル等を利用して、図５に示すように空車状態の倒立移動体１を水平面で倒立させて静止させた状態での当該水平面に対する倒立移動体１の基準面の傾斜角度（θｉ）を算出する。このとき、空車状態の倒立移動体１のヨー軸（旋回軸）は、水平面（路面）と直交し、倒立移動体１の基準面と直交する線Ｌに対して前方にθｉ傾斜することになる。なお、倒立移動体１の基準面は、例えば、路面に対する台車部３のロール角度が０°の状態での当該台車部３におけるユーザが乗る搭乗面である。
【００３３】
そして、前処理２として、空車状態での倒立移動体１における駆動車輪４の回転トルクと路面の傾斜角度との関係を取得する。例えば、空車状態での倒立移動体１を路面の傾斜方向に向かって倒立させて静止させた状態での駆動車輪４の回転トルクと路面の傾斜角度との関係を取得して、図６に示すような駆動車輪４の回転トルクと路面の傾斜角度との関係グラフを作成し、当該関係グラフから回帰式を導き出す。これにより、駆動車輪４の回転トルクを検出できれば路面の傾斜角度を導き出すことができる。
【００３４】
先ず、ユーザが路面に倒立移動体１を配置して、例えば、図示を省略した校正開始スイッチを入力すると、制御装置８は、倒立移動体１が路面で倒立して静止するように、駆動車輪４を制御する（Ｓ１）。
【００３５】
次に、制御装置８の空車状態判定部８１は、駆動車輪４の回転トルクに基づいて、空車状態であるか否かの判定を行う（Ｓ２）。
【００３６】
次に、制御装置８は、倒立移動体１が空車状態であると（Ｓ２のＹＥＳ）、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、ヨー軸を中心として倒立移動体１が路面で旋回するように駆動車輪４を制御する（Ｓ３）。このとき、路面に対する台車部３のロール角度は０°である。
【００３７】
次に、制御装置８の傾斜角度算出部８２は、倒立移動体１を旋回させた際の駆動車輪４の回転トルクに対応する路面の傾斜角度を算出すると共に、駆動車輪４の回転トルクがおよそ０Ｎ・ｍになった際の倒立移動体の旋回角度（ヨー角度）を算出する（Ｓ４）。
【００３８】
詳細には、傾斜角度算出部８２は、倒立移動体１を旋回させた際の駆動車輪４の回転トルクと倒立移動体１の旋回角度との関係を図８に示すように取得する。このとき、例えば、図７（ａ）に示す状態が倒立移動体１を９０°旋回させた状態であり、図７（ｂ）に示す状態が倒立移動体１を１８０°旋回させた状態である。但し、倒立移動体１の旋回角度０°は、キャリブレーションを開始する位置に応じて適宜変更される。
【００３９】
そして、傾斜角度算出部８２は、倒立移動体１を路面で旋回させた際の駆動車輪４の回転トルクのピーク値を取得し、前処理２で予め導き出した回帰式に当該ピーク値を代入して、路面の傾斜角度（φｇ）を算出する。
【００４０】
さらに、傾斜角度算出部８２は、取得した駆動車輪４の回転トルクと倒立移動体１の旋回角度との関係に基づいて、駆動車輪４の回転トルクがおよそ０Ｎ・ｍになった際の倒立移動体１の旋回角度を算出する。
【００４１】
次に、制御装置８は、もう一度、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、ヨー軸を中心として倒立移動体１が路面で旋回するように駆動車輪４を制御し、その時の倒立移動体１のロール角速度、ピッチ角速度及びヨー角速度をジャイロセンサ５２によって検出する（Ｓ５）。
【００４２】
次に、制御装置８の校正部８３は、倒立移動体１を路面で旋回させた際に駆動車輪４の回転トルクがおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体１の旋回角度でのジャイロセンサ５２の検出値と、算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、ジャイロセンサ５２における検出値の校正値を導き出す（Ｓ６）。
【００４３】
詳細には、校正部８３は、駆動車輪４の回転トルクがおよそ０Ｎ・ｍになる倒立移動体１の旋回角度の時における、Ｓ５の工程でジャイロセンサ５２によって検出した倒立移動体１のロール角速度、ピッチ角速度及びヨー角速度を抜き出す。
【００４４】
そして、校正部８３は、以下の式（１）のαに−θｇ、βに−θｉ、γに０、φｍに抜き出した倒立移動体１のロール角速度、θｍに抜き出した倒立移動体１のピッチ角速度、ψｍに抜き出した倒立移動体１のヨー角速度を代入して、φｍ’、θｍ’、ψｍ’を算出する。
【００４５】
【数１】
2017043260.tif 000003
【００４６】
次に、校正部８３は、以下の式（２）を使用して校正値θｃ及びφｃを算出する。
【００４７】
【数２】
2017043260.tif 000004
【００４８】
最終的に、校正部８３は、以下の式（３）を使用して倒立移動体１の旋回時のピッチ角速度及びロール角速度の補正処理を行う。
【００４９】
【数３】
2017043260.tif 000005
ここで、θｍ”は補正されたピッチ角速度、φｍ”は補正されたロール角速度である。
【００５０】
このように本実施の形態の倒立移動体１のジャイロセンサ５２の校正方法は、倒立移動体１を路面で旋回させ、倒立移動体１を路面で旋回させた際の当該倒立移動体１における駆動車輪４のピークトルク値と、予め測定された傾斜角度と当該傾斜角度での駆動車輪４のトルク値との関係と、に基づいて路面の傾斜角度を算出し、倒立移動体１を路面で旋回させた際に駆動車輪４のトルク値がおよそ０Ｎ・ｍになる当該倒立移動体１の旋回角度でのジャイロセンサ５２の検出値と、算出した路面の傾斜角度と、に基づいて、ジャイロセンサ５２の校正値を算出する。そのため、ジャイロセンサ５２を校正するために、専用の校正装置を用意する必要が無く、簡単にジャイロセンサ５２の校正作業を行うことができる。
【００５１】
＜実施の形態２＞
図９は、本実施の形態に係る倒立移動体のジャイロセンサの校正方法を示すフローチャート図である。実施の形態１では、Ｓ３の工程とＳ５の工程とで二度、倒立移動体１を旋回させているが、図９に示すように、Ｓ５の工程を省略し、Ｓ３の工程の際に、倒立移動体１のロール角速度、ピッチ角速度及びヨー角速度をジャイロセンサ５２によって検出してもよい。
【００５２】
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
１  倒立移動体
２  操作ハンドル
３  台車部
４  駆動車輪
５  姿勢角ユニット、５１  加速度センサ、５２  ジャイロセンサ
６  回転センサ
７  車輪駆動ユニット
８  制御装置、８１  空車状態判定部、８２  傾斜角度算出部、８３  校正部
１０  駆動回路
【図１】
2017043260.tif 000006
【図２】
2017043260.tif 000007
【図３】
2017043260.tif 000008
【図４】
2017043260.tif 000009
【図５】
2017043260.tif 000010
【図６】
2017043260.tif 000011
【図７】
2017043260.tif 000012
【図８】
2017043260.tif 000013
【図９】
2017043260.tif 000014