概要

回転するコマが傾いても倒れないという「ジャイロ効果」を利用した二輪車の姿勢制御（バランス制御）の試験を行いました。製作したのは、ジャイロバイクやジャイロモノレールと呼ばれるものの試験装置です。車輪は自転車やオートバイのように前後の二輪だけです（ハンドルはつけていません）。制御なしでは不安定で左右のどちらかに転倒します。ジャイロ効果とは、回転している物体が力を受けたときに、90度ずれた方向に力が働くことを言います。

説明

車体の下面には前後に二つの車輪がついています。前後二輪のため前後方向には安定していますが、左右方向には不安定で、左右のどちらかに倒れます。車体の中央にモータで回転する円板を配置します。この回転する円板は前後方向にのみ傾くジンバルにより支持されています。このジンバルの傾きはエンコーダで検出できます。ジンバルを傾けるために制御用のモータを取り付けています。

制御方法

車体が水平な状態を初期状態にします。車体の中央にある円板をモータを使って一定の回転速度でできるだけ高速に回転させます。車体が左右に傾くとジャイロ効果によりジンバルは前または後ろのどちらかに傾きます（円板の回転方向と車体の傾く方向による）。このジンバルの傾き（動き）をエンコーダで検出します。制御用モータを使って、ジンバルの動きを大きくする方向にジンバルに力を加えます。ジンバルが前（後ろ）に傾く方向に動き出したら、制御用モータを使ってジンバルをさらに前（後ろ）に動くように力を加えます。コマの効果によるジンバルの自然な傾きを阻害することなく、ジンバルの傾きが反対方向に動き出すとすぐに制御用モータにて手助けします。この制御手法により、車体の左右の傾きが元に戻る方向に動きます。

動画

ジャイロバイク（ジャイロモノレール）の姿勢制御（バランス制御）

 

参考

ジャイロモノレール研究所

森博嗣　著「ジャイロモノレール」幻冬舎新書・・・この本は大変参考になります。
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