使用旋轉裝置推算陀螺儀的安裝角誤差的方法和對應的旋轉裝置制造方法
【專利摘要】獲取靜止狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的偏差值和側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述靜止狀態(tài)下，兩輪倒立擺車輛本體(2)的基準橫擺軸(Z)平行于豎直方向靜止。獲取旋轉狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的偏差值和側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述旋轉狀態(tài)下，兩輪倒立擺車輛(1)在兩輪倒立擺車輛本體(2)的基準橫擺軸(Z)保持平行于豎直方向的狀態(tài)下以預定旋轉角速度旋轉?；趥鞲衅髟陟o止狀態(tài)下的偏差值、傳感器在旋轉狀態(tài)下的偏差值以及預定旋轉角速度，推算縱傾軸角速度傳感器相對于兩輪倒立擺車輛本體(2)的安裝角誤差和側傾軸角速度傳感器相對于兩輪倒立擺車輛本體的安裝角誤差。
【專利說明】使用旋轉裝置推算陀螺儀的安裝角誤差的方法和對應的旋轉裝置
[0001]發(fā)明背景【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種推算安裝角誤差的方法和一種旋轉裝置。
【背景技術】
[0003]作為這種類型的技術，日本專利申請公布N0.2010-271918 (JP2010-271918A)說明了使用角速度傳感器(陀螺儀傳感器)和加速度傳感器對兩輪倒立擺機器人進行姿態(tài)控制。因為角速度傳感器的輸出值隨著時間而劣化，所以在JP2010-271918A中，例如通過用特定夾具支撐兩輪倒立擺機器人然后兩輪倒立擺機器人以設定轉速從最靠后的傾斜位置轉動到最靠前的傾斜位置，來獲得角速度傳感器的校正值。
[0004]順便提及，如果用于對兩輪倒立擺車輛執(zhí)行倒立擺控制的縱傾軸角速度傳感器相對于本體的基準軸的安裝角有誤差，則當兩輪倒立擺車輛旋轉(圍繞其橫擺軸旋轉)時，誤差的旋轉分量可以由縱傾軸角速度傳感器檢測到，并且因此，倒立擺基準角會逐漸偏離。結果，當在兩輪倒立擺車輛停止旋轉時兩輪倒立擺車輛向前或向后傾斜的狀態(tài)下，兩輪倒立擺車輛倒立。這使得乘員感覺不舒服。
[0005]另外，類似地，如果側傾軸角速度傳感器相對于本體的基準軸的安裝角有誤差，則當兩輪倒立擺車輛 旋轉時，兩輪倒立擺車輛的向前或向后傾斜搖擺改變。類似地，這使得乘員感覺不舒服。
[0006]針對這個問題，在現(xiàn)有技術中，采取措施將各個角速度傳感器相對于本體的基準軸的安裝角誤差盡可能設定為零。在這個措施中，例如，因為需要確保各種精確度的高精確度的框架，所以在減小兩輪倒立擺車輛的本體的尺寸和重量方面存在問題，其中所述各種精確度例如是在每個角速度傳感器和用作水平基準軸的傾斜傳感器之間的安裝精確度以及在包括角速度傳感器和傾斜傳感器的傳感器塊與兩輪倒立擺車輛的本體之間的安裝精確度。
[0007]將進一步說明由于安裝誤差所產(chǎn)生的上述問題。例如，假設用于對兩輪倒立擺車輛執(zhí)行倒立擺控制的縱傾軸角速度傳感器相對于旋轉平面(即，橫擺旋轉平面)圍繞側傾軸的安裝誤差是Ptl[弧度]，并且車輛以角速度Y點旋轉。在這種情況下，Y點Xsin(^tl)[弧度/秒]是縱傾軸角速度傳感器的作為誤差的輸出。具體地，當縱傾軸角速度傳感器相對于旋轉軸的安裝誤差是0.5[度]時，則圍繞縱傾軸的轉動通過一圈360[度]被認識是就好像車輛圍繞縱傾軸轉動了約3[度]的累積量。
[0008]在旋轉一周的過程中，這種縱傾角速度的誤差在相對較低的頻帶中發(fā)生，所以可以想到的是通過高通濾波器或通過使用死區(qū)(中性區(qū))來消除誤差。然而，例如，當旋轉方向不斷地向左或向右改變時，高通濾波器根本無法使用，所以在通過對縱傾角速度積分來獲取縱傾角的計算過程中誤差會累積，并且縱傾角會無限制地偏離。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種用于推算縱傾軸角速度傳感器和側傾軸角速度傳感器中的每一個相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差的技術。
[0010]本發(fā)明的一方面提供一種在包括倒立擺移動單元本體、縱傾軸角速度傳感器和側傾軸角速度傳感器的倒立擺移動單元中推算縱傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差以及側傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差的方法。所述方法包括:通過獲取靜止狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的輸出和側傾軸角速度傳感器的輸出，獲取靜止狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的偏差值和側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述靜止狀態(tài)下，倒立擺移動單元本體的基準橫擺軸沿著豎直方向靜止；通過獲取旋轉狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的輸出和側傾軸角速度傳感器的輸出，獲取所述旋轉狀態(tài)下的縱傾軸角速度傳感器的偏差值和側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述旋轉狀態(tài)下，倒立擺移動單元在倒立擺移動單元本體的基準橫擺軸保持平行于豎直方向的狀態(tài)下以預定旋轉角速度旋轉；和基于所述傳感器在所述靜止狀態(tài)下的偏差值、所述傳感器在所述旋轉狀態(tài)下的偏差值以及所述預定旋轉角速度，推算縱傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差和側傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差。在旋轉狀態(tài)下，倒立擺移動單元本體可以在被水平地保持的同時就地旋轉。倒立擺移動單元可以在倒立狀態(tài)下在樞軸上旋轉?？梢允褂眯D裝置使倒立擺移動單元在樞軸上旋轉，所述旋轉裝置包括:支撐基部，所述支撐基部支撐倒立擺移動單元；多個支柱，所述多個支柱的高度是可調(diào)節(jié)的，并且所述多個支柱連接到支撐基部；和旋轉夾具，所述旋轉夾具具有連接到支撐基部的第一構件和連接到倒立擺移動單元本體的第二構件，其中，第一構件聯(lián)接到第二構件，使得第一構件能夠平行于支撐基部轉動。
[0011]本發(fā)明的另一方面提供一種旋轉裝置。所述旋轉裝置包括:支撐基部，所述支撐基部支撐倒立擺移動單元；多個支柱，所述多個支柱的高度是可調(diào)節(jié)的，并且所述多個支柱連接到支撐基部；和旋轉夾具，所述旋轉夾具具有連接到支撐基部的第一構件和連接到倒立擺移動單元本體的第二構件，其中，第一構件聯(lián)接到第二構件，使得第一構件能夠平行于支撐基部轉動。上述旋轉裝置可以在上述方法中使用。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的上述方面，能夠推算縱傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差和側傾軸角速度傳感器相對于倒立擺移動單元本體的安裝角誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下文中將參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施例的特征、優(yōu)勢和技術以及工業(yè)意義，在所述附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，并且其中:
[0014]圖1是根據(jù)第一實施例的兩輪倒立擺車輛的外觀的透視圖；
[0015]圖2是根據(jù)第一實施例的兩輪倒立擺車輛的功能框圖；
[0016]圖3是根據(jù)第一實施例的水平旋轉裝置的透視圖；
[0017]圖4是示出了兩輪倒立擺車輛設定在根據(jù)第一實施例的水平旋轉裝置上的狀態(tài)的透視圖；
[0018]圖5是根據(jù)第一實施例的調(diào)節(jié)模式的控制流程；和[0019]圖6是根據(jù)第二實施例的調(diào)節(jié)模式的控制流程。
【具體實施方式】
[0020]在下文中，將參照圖1至圖5說明本發(fā)明的第一實施例。
[0021]圖1中所示的兩輪倒立擺車輛I (倒立擺移動單元)是用于沿著期望的方向運輸騎乘在兩輪倒立擺車輛I上的人(乘員)的車輛。兩輪倒立擺車輛I響應于騎乘在兩輪倒立擺車輛I上的乘員的操作而運動。
[0022]兩輪倒立擺車輛I由兩輪倒立擺車輛本體2、右輪3、左輪4和把柄本體5形成。右輪3和左輪4用作可轉動地連接到兩輪倒立擺車輛本體2的一對車輪。把柄本體5用作操作輸入單元。
[0023]兩輪倒立擺車輛本體2由本體下部部分6、一對擱腳部7和控制裝置8形成。在本體下部部分6處安裝有電池或類似物。一對擱腳部7設置在本體下部部分6上?？刂蒲b置8設置在本體下部部分6上。把柄本體5連接到兩輪倒立擺車輛本體2的本體下部部分6。把柄本體5安裝在兩輪倒立擺車輛本體2的本體下部部分6的主要行進方向側。在把柄本體5的上端部處設置有握把9。乘員抓住握把9。在右輪3處設置有右輪馬達3a。在左輪4處設置有左輪馬達4a。
[0024]用作兩輪倒立擺車輛本體2的基準橫擺軸的基準橫擺軸Z例如定義為與擱腳部7的擱腳面7a垂直。類似地，用作兩輪倒立擺車輛本體2的基準縱傾軸的基準縱傾軸Y例如定義為與可轉動地連接到兩輪倒立擺車輛本體2的本體下部部分6的一對右輪3和左輪4共用的轉動軸線。另外，用作兩輪倒立擺車輛本體2的基準側傾軸的基準側傾軸X例如定義為與基準橫擺軸Z垂直且與基準縱傾軸Y垂直的軸線。
[0025]如圖2中所示,控制裝置8包括傳感器單元10、命令值計算單元11、驅(qū)動單元12、誤差校正單元13和輸入單元14。
[0026]傳感器單元10由角速度傳感器15和加速度傳感器16形成。角速度傳感器15例如由陀螺儀傳感器形成。即，角速度傳感器15由橫擺軸角速度傳感器、縱傾軸角速度傳感器和側傾軸角速度傳感器形成。橫擺軸角速度傳感器輸出兩輪倒立擺車輛本體2的橫擺角速度值?？v傾軸角速度傳感器輸出兩輪倒立擺車輛本體2的縱傾角速度值。側傾軸角速度傳感器輸出兩輪倒立擺車輛本體2的側傾角速度值。另外，加速度傳感器16輸出兩輪倒立擺車輛本體2的三軸加速度值。
[0027]輸入單元14由把柄單元17形成。把柄單元17輸出從圖1中所示的把柄本體5的初始安裝狀態(tài)開始的傾角值。即，乘員通過使把柄單元17沿著期望的方向傾斜來控制兩輪倒立擺車輛I的運動。
[0028]命令值計算單元11由姿態(tài)角計算單元18和倒立擺控制計算單元19形成。
[0029]姿態(tài)角計算單元18是這樣的模塊，即，所述模塊通過使用卡爾曼濾波器或類似物對從角速度傳感器15輸出的各個軸的角速度值和從加速度傳感器16輸出的各個軸的加速度值執(zhí)行傳感器融合，來計算兩輪倒立擺車輛本體2的當前姿態(tài)角值。
[0030]倒立擺控制計算單元19是這樣的模塊，即，所述模塊基于由姿態(tài)角計算單元18計算出的兩輪倒立擺車輛本體2的姿態(tài)角值計算并產(chǎn)生保持兩輪倒立擺車輛I倒立的狀態(tài)所需的控制信息。另外，倒立擺控制計算單元19基于由姿態(tài)角計算單元18計算出的兩輪倒立擺車輛本體2的姿態(tài)角值和從輸入單元14的把柄單元17接收到的輸入信息計算并產(chǎn)生致使兩輪倒立擺車輛I在保持兩輪倒立擺車輛I的倒立狀態(tài)的同時執(zhí)行期望的運動所需的控制信息。
[0031]驅(qū)動單元12由右輪驅(qū)動單元20和左輪驅(qū)動單元21形成。右輪驅(qū)動單元20和左輪驅(qū)動單元21基于從命令值計算單元11的倒立擺控制計算單元19接收到的控制信息分別驅(qū)動右輪馬達3a和左輪馬達4a。
[0032]誤差校正單元13由角速度存儲單元22、安裝角誤差計算單元23、安裝角誤差存儲單元24和角速度校正單元25形成。角速度存儲單元22存儲從角速度傳感器15輸出的各個軸角速度值。安裝角誤差計算單元23基于存儲在角速度存儲單元22中的各個軸角速度值計算兩輪倒立擺車輛本體2上的角速度傳感器15的安裝角誤差值。安裝角誤差存儲單元24存儲由安裝角誤差計算單元23計算出的安裝角誤差值。角速度校正單元25基于存儲在安裝角誤差存儲單元24中的安裝角誤差值校正從角速度傳感器15輸出的各個軸角速度，并且將校正過的軸角速度輸出到姿態(tài)角計算單元18。
[0033]上述控制裝置8包括中央處理單元(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。存儲在ROM中的控制程序通過CPU加載并且在CPU上執(zhí)行。這樣，控制程序致使諸如CPU的硬件起到命令值計算單元11、誤差校正單元13等的功能。
[0034]圖3示出了本實施例中的水平旋轉裝置30 (旋轉裝置)，其用于推算角速度傳感器15相對于兩輪倒立擺車輛本體2的安裝角誤差。水平旋轉裝置30由支撐基部31、四個支柱32和旋轉夾具33形成。四個支柱32的高度是可調(diào)節(jié)的，并且這四個支柱32連接到支撐基部31。通過調(diào)節(jié)四個支柱32中的每一個的高度，能夠?qū)⒅位?1調(diào)節(jié)到基本水平的狀態(tài)。旋轉夾具33包括下夾具34 (第一構件)和上夾具35 (第二構件)。下夾具34連接到支撐基部31。上夾具35連接到兩輪倒立擺車輛本體2。下夾具34聯(lián)接到上夾具35，使得上夾具35可相對于支撐基部31水平地轉動。
[0035]圖4示出了設置在水平旋轉裝置30上的兩輪倒立擺車輛I。在圖4中所示的狀態(tài)下，兩輪倒立擺車輛I的右輪3和左輪4以適當?shù)膲毫εc水平旋轉裝置30的支撐基部31接觸。在這種狀態(tài)下，當右輪3和左輪4沿著相反的方向轉動時，兩輪倒立擺車輛I以預定的旋轉角速度樞轉旋轉(通過使兩個輪以相同的速度沿著相反的方向轉動而旋轉)。
[0036]接下來，將參照圖5說明兩輪倒立擺車輛I的控制裝置8的控制流程。兩輪倒立擺車輛I的控制裝置8除了具有用于運輸乘員的正常行駛模式以外還具有圖5中所示的調(diào)節(jié)模式。調(diào)節(jié)模式是用于推算角速度傳感器15相對于兩輪倒立擺車輛I的兩輪倒立擺車輛本體2的安裝角誤差的模式。
[0037]首先，將說明在調(diào)節(jié)模式的背景下的分解理論，隨后將說明用于實際使用該理論推算誤差的圖5的控制流程。
[0038]為了測量兩輪倒立擺車輛的姿態(tài)，使用測量縱傾軸角和側傾軸角的傾斜傳感器(其對應于加速度傳感器16)和測量縱傾角速度、側傾角速度和橫擺角速度的角速度傳感器(其對應于角速度傳感器15)。傾斜傳感器通常通過利用三軸加速度傳感器執(zhí)行以下計算，并且繼而獲取縱傾軸角Citla。。和側傾軸角縱傾軸角Citla。。是三軸加速度傳感器相對于本體圍繞縱傾軸的安裝角誤差。側傾軸角β %。。是三軸加速度傳感器相對于本體圍繞側傾軸的安裝角誤差。然而，如果按照原樣使用小型三軸加速度傳感器的話，則適于安裝在兩輪倒立擺車輛上的小型三軸加速度傳感器通常具有較大的噪音，并且對于倒立擺控制而言是不適當?shù)摹＿@是因為如果使用低通濾波器來減小噪音，則倒立擺控制會由于濾波器的相位延遲而變得不穩(wěn)定。
[0039]相比之下，作為角速度傳感器的陀螺儀(也可以稱為陀螺儀傳感器)需要進行積分以便獲取角度，所以在長時間執(zhí)行的倒立擺控制中出現(xiàn)漂移，并且基準角逐漸偏離。這是因為沒有被嚴格地獲取陀螺儀傳感器的零點，這個零點根據(jù)溫度等而改變。
[0040]因而，對這兩種類型的傳感器執(zhí)行傳感器融合，并且每個傳感器的非專長部分被另一個傳感器補充。這樣，得到具有期望特征的傳感器單元。例如，卡爾曼濾波器等用于傳感器融合。當使用卡爾曼濾波器時，能夠推算陀螺儀傳感器的零點誤差，即，陀螺儀傳感器的偏差值。推算出的偏差值自動地改變，使得通過陀螺儀傳感器的積分所得到的角度收斂于通過加速度傳感器測量到的角度。
[0041]這里，將考慮三軸加速度傳感器X(側傾軸方向)的安裝誤差、Y(縱傾軸方向)的安裝誤差和Z (橫擺軸方向)的安裝誤差以及側傾角速度傳感器、縱傾角速度傳感器和橫擺角速度傳感器的安裝誤差。
[0042]加速度傳感器的測量值的偏差是各個軸傳感器的零點偏移\、Y0和Ztl,并且加速度傳感器相對于兩輪倒立擺車輛 的車輛本體基準軸(例如，兩輪倒立擺車輛I的兩輪倒立擺車輛本體2的基準橫擺軸Z)的安裝角偏差是α %。。(其對應于圍繞兩輪倒立擺車輛I的兩輪倒立擺車輛本體2的基準側傾軸X的偏差)、β 0acc (其對應于圍繞兩輪倒立擺車輛I的兩輪倒立擺車輛本體2的基準縱傾軸Y的偏差)和Y(la。。。這樣，總共有六個偏差。在這六個偏差中，執(zhí)行倒立擺控制僅需要Qcia。。和β。.。在倒立擺控制狀態(tài)下，加速度傳感器的Z軸輸出是約1G，并且零點的偏移Ztl可以忽略。沿著旋轉方向的安裝角偏差Ytla。。也不用于倒立擺控制。XO和YO可以通過Citlae。和Ptlae。代表性地考慮。以下使用兩個角度的旋轉矩陣(I)和(2)是加速度傳感器基準坐標系(后綴“s”)和車輛本體基準坐標系(后綴“b”)的變換矩陣。
[0043]【數(shù)學表達式I】
[0044]
【權利要求】
1.一種在包括倒立擺移動單元本體、縱傾軸角速度傳感器和側傾軸角速度傳感器的倒立擺移動單元中推算所述縱傾軸角速度傳感器相對于所述倒立擺移動單元本體的安裝角誤差以及所述側傾軸角速度傳感器相對于所述倒立擺移動單元本體的安裝角誤差的方法，所述方法包括: 通過獲取靜止狀態(tài)下的所述縱傾軸角速度傳感器的輸出和所述側傾軸角速度傳感器的輸出，獲取所述靜止狀態(tài)下的所述縱傾軸角速度傳感器的偏差值和所述側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述靜止狀態(tài)下，所述倒立擺移動單元本體的基準橫擺軸沿著豎直方向靜止； 通過獲取旋轉狀態(tài)下的所述縱傾軸角速度傳感器的輸出和所述側傾軸角速度傳感器的輸出，獲取所述旋轉狀態(tài)下的所述縱傾軸角速度傳感器的偏差值和所述側傾軸角速度傳感器的偏差值，其中，在所述旋轉狀態(tài)下，所述倒立擺移動單元在所述倒立擺移動單元本體的所述基準橫擺軸保持平行于所述豎直方向的狀態(tài)下以預定旋轉角速度旋轉；和 基于所述傳感器在所述靜止狀態(tài)下的偏差值、所述傳感器在旋轉狀態(tài)下的偏差值以及所述預定旋轉角速度，推算所述縱傾軸角速度傳感器相對于所述倒立擺移動單元本體的安裝角誤差和所述側傾軸角速度傳感器相對于所述倒立擺移動單元本體的安裝角誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中， 在所述旋轉狀態(tài)下，所述倒立擺移動單元本體在被水平地保持的同時就地旋轉。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中， 所述倒立擺移動單元在倒立狀態(tài)下在樞軸上旋轉。
4.根據(jù)權利要求1至3中的任一項所述的方法，其中， 在所述靜止狀態(tài)下，在預定時間段或更長的時間段內(nèi)，平均化所述縱傾軸角速度傳感器的輸出和所述側傾軸角速度傳感器的輸出中的每一個。
5.根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的方法，其中， 在所述旋轉狀態(tài)下，在預定時間段或更長的時間段內(nèi)，平均化所述縱傾軸角速度傳感器的輸出和所述側傾軸角速度傳感器的輸出中的每一個。
6.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中， 利用旋轉裝置使所述倒立擺移動單元在樞軸上轉動，所述旋轉裝置包括:支撐基部，所述支撐基部支撐所述倒立擺移動單元；多個支柱，所述多個支柱的高度能夠調(diào)節(jié)，并且所述多個支柱連接到所述支撐基部；和旋轉夾具，所述旋轉夾具具有連接到所述支撐基部的第一構件和連接到所述倒立擺移動單元本體的第二構件，其中，所述第一構件聯(lián)接到所述第二構件，使得所述第一構件能夠平行于所述支撐基部轉動。
7.一種在根據(jù)權利要求2所述的方法中使用的旋轉裝置，所述旋轉裝置包括: 支撐基部，所述支撐基部支撐所述倒立擺移動單元； 多個支柱，所述多個支柱的高度能夠調(diào)節(jié)，并且所述多個支柱連接到所述支撐基部；和 旋轉夾具，所述旋轉夾具具有連接到所述支撐基部的第一構件和連接到所述倒立擺移動單元本體的第二構件，其中，所述第一構件聯(lián)接到所述第二構件，使得所述第一構件能夠平行于所述支撐基部轉動。
8.一種旋轉裝置，所述旋轉裝置包括: 支撐基部，所述支撐基部支撐倒立擺移動單元；多個支柱，所述多個支柱的高度能夠調(diào)節(jié)，并且所述多個支柱連接到所述支撐基部；和旋轉夾具，所述旋轉夾具具有連接到所述支撐基部的第一構件和連接到所述倒立擺移動單元本體的 第二構件，其中，所述第一構件聯(lián)接到所述第二構件，使得所述第一構件能夠平行于所述支撐基部轉動。
【文檔編號】G05D1/08GK103975224SQ201280059131
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權日:2011年12月2日
【發(fā)明者】及川晉 申請人:豐田自動車株式會社