[发明专利]防摔倒控制装置及计算机程序

说明书

技术领域

本发明涉及即使是单轮车、也能防止朝俯仰方向(pitch direction)摔倒的防摔倒控制装置及计算机程序。

背景技术

以往，对于双轮车、两足步行机器人等，由于在移动时，主体朝以大体前后方向为轴的旋转(roll：摇摆)方向摇动，因此，需要控制动作，使得通过控制摇摆方向的平衡，进行移动或停止而不摔倒。在防止朝摇摆方向摔倒时，需要正确检测摇摆方向的倾斜。作为为了控制摇摆方向的平衡而检测主体的倾斜的方法，具有通过利用角速度传感器检测角速度并对检测出的值进行积分以推定倾斜的方法、利用重物(砝码)检测倾斜的方法等。

但是，在利用角速度传感器并对角速度进行积分的方法中，在通过角速度传感器检测出的角速度输出中含有噪声、偏移的情况下，噪声、偏移等因积分而放大。由于放大后的噪声、偏移等不断积累，因此，存在与目标值的偏差增大、无法继续进行倾斜角推定及防摔倒控制的问题。

另一方面，在利用重物检测倾斜的方法中，由于受到重力的影响而无法瞬时反映倾斜，因此，响应性差，此外，由于检测偏离垂直方向的倾斜，因此，存在无法检测从平衡状态的倾斜的问题。例如，对于重心位置偏离摇摆方向的情况、受到侧风的情况等，垂直方向未必是平衡状态。为了使其不会摔倒，需要使倾斜状态返回至平衡状态，并检测从平衡状态的倾斜。

例如，在专利文献1中，提出了如下防摔倒控制装置，包括：使检测轴朝向主体的大体前后方向的角速度传感器、使旋转轴朝向主体的大体前后方向的电动机、检测电动机的旋转位置或旋转速度的旋转传感器、以及与电动机的旋转轴相连接的惯性转子，根据角速度传感器的角速度输出和提供给电动机的转矩指令，推定主体相对于平衡状态的倾斜角，利用所推定的倾斜角对主体的倾斜进行修正。

在专利文献1中，由于无需对角速度输出进行积分，因此，噪声、偏移等不会积累，此外，由于能推定相对于平衡状态的倾斜角，因此，能利用所推定的倾斜角来修正成左右方向的平衡状态。但是，对于双轮车等，只要能控制左右方向的平衡就能防止摔倒，而对于单轮车等，即使控制左右方向的平衡，若不控制前后方向的平衡，则还会朝前后方向摔倒。

为了推定单轮车的前后方向的倾斜，在非专利文献1中，利用了陀螺传感器和两个加速度传感器。由于加速度传感器越远离旋转轴，振动越会施加到加速度传感器上，因此，通过利用两个加速度传感器，消除振动所产生的加速度而推定正确值。将从两个加速度传感器计算出的角度θa、和由陀螺传感器得到的角速度的积分值的角度θz输出，为了消除θa和θz中包含的高频噪声而附加滤波器，设输入滤波后的值的偏差e并乘以观测增益(observer gain)后的输出为dθz，将利用dθz对角度θz进行了修正的推定值用于控制。

在非专利文献1中，虽然单纯对由陀螺传感器得到的角速度进行积分而得到的角度θz随时间而发生偏差，但由于对角度θz进行了修正的推定值可以保持固定值，因此，通过利用修正得到的推定值能对根据由陀螺传感器得到的角速度而计算出的角度偏移的偏差进行修正。

专利文献1：国际公开2007/063665号

非专利文献1：笠井崇史著，“单轮车的姿势控制”，筑波大学研究生院博士课程系统信息工学研究科硕士论文，2005年1月，p.1-37

发明内容

但是，在非专利文献1的单轮车中，虽然通过加速度传感器测量相对于重力方向(垂直方向)的倾斜，但与上述左右方向相同，对于前后方向，垂直方向也未必是平衡状态。因此，在垂直方向不是平衡状态的情况下，存在无法修正成平衡状态的问题。此外，为了推定倾斜，由于除了陀螺传感器之外，还需要两个加速度传感器，因此，也存在难以使防摔倒控制装置结构简化并小型化的问题。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种防摔倒控制装置及计算机程序，该防摔倒控制装置结构简单，噪声、偏移等不会积累，能确保向前后方向的移动并高精度地修正从平衡状态朝俯仰方向的倾斜，防止朝俯仰方向摔倒。