2​輪​型​倒立​振子​車​「2WV」​の​開発

高橋 貴​大 氏, 神奈川​工科大学 創造​工学部 自動車​システム​開発​工学科 石​濱​研究室

"LabVIEW​を​用いる​こと​により、​データ​測定、​車体​情報​の​グラフ​表示、​プログラム​の​値​(サンプリング​時間​や​ゲイ​ン​値)​を​容易​に​変更​できる​システム​を​作る​こと​が​でき​ま​した。" ​

- 高橋 貴​大 氏, 神奈川​工科大学 創造​工学部 自動車​システム​開発​工学科 石​濱​研究室

課題:

以下​の​条件​を​含む​2​輪​型​倒立​振子​車​(2WV)​を​制作​する。 ​• ​本体​の​構想、​設計、​製作​を​8​ヵ月​間、​制御​プログラム​開発​を​約​2​ヶ月​間​で​完成​させる ​• ​走行​実験​等​における​各種​データ​の​取り出し​(保存)​や、​試走​後に​制御​ゲイ​ン​の​チューニング​を​容易​に​行える ​• ​稼働​中​の​車体​の​情報​を​リアルタイム​に​グラフ​表示​でき、​稼働​状態​によって​サンプリング​時間​や​ゲイ​ン​値​を​リアルタイム​に​変更​できる ​• ​アスファルト​地面​で​の​走行​でも​制御​システム​の​安全​性​を​確保​する

ソリューション:

制御​システム​の​開発​に​は、​直観​的​な​インタフェース​(グラフィカル)​で​システム​を​構築​でき、 しかも​実機​が​なく​て​も​開発​が​可能​な​LabVIEW​を、​また、​実機​を​コントロール​する​段階​では、​開発​した​システム​を​そのまま​2WV​へ​実装​可能​で​あり、​スタンドアロン​で​動作​する​CompactRIO​を​用​い​て、​2WV​制御​システム​の​マシン​インター​フェイス、​データ​測定、​制御​プログラム​を​開発​しま​した。 ​

1.​背景

大学​3​年​次に​履修​した​プロジェクト​授業​において、​人​が​乗車​可能​な​移動​体​を​製作​する​という​課題​が​与​え​ら​れ​ま​した。​私​たち​は​この​課題​について​議論​を​行い、​2​輪​型​倒立​振子​車​(以下、​2WV​と​称​し​ます)​を​製作​する​ことに​決定​しま​した。​2WV​は​人​の​体重​移動​による​車体​の​角度​変化​等​を​センサー​で​検出、​倒立​振子​の​原理​を​用​い​て​操作​量​を​算出​し、​左右​の​モーター​を​コントロール​する​こと​により​移動​する​こと​が​でき​ます。​2WV​は​不安定​で​制御​システム​が​必須​ですが、​制御​回路​を​製作​する​知識​や​技能​も​特に​なく、​限​ら​れ​た​期間​内​で、​車両​本体​の​設計​製作​と​制御​システム​の​開発​等​を​すべて​行​わな​け​れ​ば​なら​なり​ま​せん​で​した。​そこで、​制御​システム​の​開発​では、​直観​的​な​インタフェース​(グラフィカル)​で​システム​を​構築​でき、​しかも​実機​が​なく​て​も​開発​が​可能​な​LabVIEW​を​用いる​ことに​しま​した。​また、​実機​を​コントロール​する​段階​では、​開発​した​システム​を​そのまま​2WV​へ​実装​可能​で​あり、​スタンドアロン​で​動作​する​CompactRIO​を​用いる​ことに​しま​した。
​これら​を​用​い​て​2WV​制御​システム​の​マシン​インター​フェイス、​データ​測定、​制御​プログラム​を​開発​しま​した。

 

2.​課題

2WV​を​制作​する​うえ​で、​課題​として​次​の​5​点​が​挙​げ​ら​れ​ま​した。

(1) 本体​の​構想​(コンセプト)、​設計、​製作​が​8​ヵ月​間、​制御​プログラム​開発​約​2​ヶ月間という期間で完成させなくてはならなかった。
​(2) 従来、​制御​プログラム​を​開発​する​際、​PIC​マイコン等を使った複雑な制御回路を開発しなくてはならなかったため多くの時間と専門的な知識が必要だった。​また​実機​の​モデル​を​PIC​に組み込むことが容易に行えないと推測された。
​(3) 走行​実験​等​における​各種​データ​の​取り出し​(保存)​や、​試走​後に​制御​ゲイ​ン​の​チューニング​を​容易​に​行える。
​(4) 稼働​中​の​車体​の​情報​を​リアルタイム​に​グラフ​表示​でき、​稼働​状態​によって​サンプリング​時間​や​ゲイ​ン​値​を​リアルタイム​に​変更​できる。
​(5) 坂道​を​除く​アスファルト​地面​で​の​走行​でも​制御​システム​の​安全​性​を​確保​する。

 

3.​ソリューション

3-1 システム​構成

 

システム​構成​を​Fig.​2​に​示し​ます。​2WV​の​制御​システム​は​CompactRIO​+​C​モジュール​を​用いる​こと​により​非常​に​シンプル​な​もの​となり​ま​した。​車体​の​情報​を​得る​ため​の​センサー​として​ジャイロ​センサー​1​個、​傾斜角​センサー​1​個​の​計​2​個​を​搭載​し​てい​ます。​これらの​センサー​は​アナログ​電圧​で​情報​を​出力​する​ため​NI 9215​を​介​し​て​NI cRIO-9014​に​取り込み​ます。​NI cRIO-9014​では​センサー​から​の​入力​と​姿勢​の​目標​値​から​制御​ゲイ​ン​を​算出​し、​指令​電圧​を​NI 9263​を​介​し​て​モーター​ドライ​バ​に​出力​し​ます。​NI cRIO-9014​はボルトによる完全固定はせず、​本体​と​マジック​テープ​で​固定​しま​した。​システム​が​不安定​に​な​っ​た​場合​の​対策​として、​ハンドル​付近​に​制御​プログラム​の​緊急​停止​スイッチ​も​設置​し​てい​ます。​この​スイッチ​は​制御​プログラム​の​指令​電圧​の​ON/​OFF​を​切り替える​スイッチ​(VI)​と​接続​さ​れ​て​いる​ので​データ​計測​中でも​cRIO​の​電源​を​切る​こと​なく​モーター​を​停止​させる​こと​が​でき​ます。

 

3-2 ソフトウェア​構成

Fig.​4​に​フロント​パネル​に​示し​ます。​フロント​パネル​では​角度、​オフセット​後​の​角度、​角速度​の​表示​グラフ​が​3​個、​左右​モーター​へ​の​指令​電圧​の​表示​グラフ​が​2​個​あり​ます。​姿勢​センサー​の​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​を​プログラム​起動​時に​いつも​行う​こと​で​常に​正しい​角度​で​制御​を​実行​する​こと​が​でき​ます。​そして​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​(初期​姿勢​校正)​中​で​ある​か​を​確認​できる​よう、​LED​が​2​個​設置​し​て​あり​ます。​使用​した​モータードライバ​が​0​V​~​5​V​の​指令​電圧​で​あっ​た​ため、​計算​した​操作​量​を​変換​する​VI​を​作り​ま​した。

 

 

 

3-3 結果

・​課題​(1)​(2)
​プログラム​の​予定​開発​期間​2​ヶ月​の​間​で​完成​し、​走行​テスト​を​行う​こと​が​でき​ま​した。​本体​が​完成​する​前​に​Fig.​6 で​示す​実験​機​を​NI cRIO-9014​と​接続​し​て​使う​こと​で、​倒立​振子​の​シミュレーション​や​実際​に​プログラム​を​使​っ​た​制御​実験​を​行い、​大まか​な​挙動​や​ゲイ​ン​を​取得​し​て​おく​こと​が​でき​ま​した。​その​結果、​本体​の​製作​と​制御​プログラム​の​製作​を​同時​進行​で​行う​こと​で​開発​期間​を​短縮​する​こと​が​でき​た​と​思い​ます。

 

・​課題​(3)​(4)
​同様​に、​LabVIEW​を​用いる​こと​により、​データ​測定、​車体​情報​の​グラフ​表示、​プログラム​の​値​(サンプリング​時間​や​ゲイ​ン​値)​を​容易​に​変更​できる​システム​を​作る​こと​が​でき​ま​した。

 

・​課題​(5)
​NI cRIO-9014​を​本体​内部​に​固定​し​実装​する​こと​で、​坂道​を​除く​アスファルト​地面​で​の​走行​でも​制御​システム​の​安全​性​を​確保​する​こと​が​でき​ま​した。​スタンドアロン​で​の​制御​における​安全​性​に関して​も、​緊急​停止​スイッチ​を​プログラム​に​組み込む​こと​で​確保​する​こと​が​でき​ま​した。

 

 

 

Fig.​1  ​ ​2WV ​
Fig.​2  ​ ​システム​構成 ​
Fig.​3 ​  2WV​制御​部​拡大 ​
Fig.​4 ​ ​フロント​パネル ​
Fig.​5 ​  走行​風景 ​
Fig.​6 ​ ​実験​機 ​