JP5110416B2 - vehicle - Google Patents
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Description
本発明は車両に関し、例えば、姿勢制御を行う倒立振り子車両に関する。 The present invention relates to a vehicle, for example, an inverted pendulum vehicle that performs posture control.
一軸上に配置された駆動輪の上に運転者が搭乗し、一輪車のようにバランスを保持しながら走行する倒立振り子車両が注目を集めている。
これら倒立振り子車両は、例えば、次の特許文献1に示されたように、車輪型倒立振り子の原理を用いてバランスを保持するようになっている。
倒立振り子車両では、重心が車軸より上方にあるため、如何にしてバランスを保持するかが重要となってくる。バランスの保持は、重心の移動する方向(車両が傾斜する方向)に車両を移動することによって実現することができるが、バランサを併用するとより効果的である。
An inverted pendulum vehicle, in which a driver gets on a drive wheel arranged on one axis and travels while maintaining a balance like a unicycle, has attracted attention.
These inverted pendulum vehicles are configured to maintain a balance by using the principle of a wheel-type inverted pendulum as shown in the following
In an inverted pendulum vehicle, the center of gravity is above the axle, so how to maintain balance is important. The balance can be maintained by moving the vehicle in the direction in which the center of gravity moves (the direction in which the vehicle inclines), but it is more effective to use a balancer together.
特許文献2では、バランスの保持を補助するためのバランサを備えた倒立振り子車両が提案されている。
この特許文献2で提案されている技術は、駆動輪が球体で構成されている場合のバランス方法であるが、その原理は図6に示したとおりである。
すなわち、駆動輪11、搭乗部13、及びバランサ101で構成され、図示した走行方向と垂直な方向に車軸を有する車両100があった場合、搭乗部13の傾斜に対してバランサ101を逆方向に移動させてバランスを保持するものである。
Patent Document 2 proposes an inverted pendulum vehicle including a balancer for assisting in maintaining balance.
The technique proposed in Patent Document 2 is a balance method in the case where the drive wheels are formed of a sphere, and the principle thereof is as shown in FIG.
That is, when there is a
バランサ101のように、有限のストローク内でバランサを移動させて姿勢制御を行う場合、バランサの効果を発揮させるにはバランサの質量をある程度大きくする必要があった。
そのため、バランサの制御系の強度を保つために、バランサ系の重量も大きくなり、燃費の向上に不利である。
また、バランサが車軸に対して不対称な形状をしているため、バランサを車軸の回りに回転させると車両の重心が移動してしまい、姿勢制御が複雑になってしまった。
また、バランサを車軸の上部で動作させるため、バランサの動作スペースが必要であった。
さらに、乗車位置をバランサよりも上部に配置する必要から車高が高くなり車両全体が大きくなっていた。
加えて、バランサを重力に逆らって保持するため、エネルギーの消費量が大きくなるという問題もあった。
When the balance control is performed by moving the balancer within a finite stroke like the
Therefore, in order to maintain the strength of the balancer control system, the weight of the balancer system also increases, which is disadvantageous in improving fuel consumption.
Further, since the balancer has an asymmetric shape with respect to the axle, if the balancer is rotated around the axle, the center of gravity of the vehicle moves, and posture control becomes complicated.
Moreover, since the balancer is operated at the upper part of the axle, an operation space for the balancer is required.
Furthermore, since the boarding position needs to be arranged above the balancer, the vehicle height is increased and the entire vehicle is enlarged.
In addition, since the balancer is held against gravity, there is a problem that energy consumption increases.
そこで、本発明は、姿勢制御の容易化、高性能化、車両の小型化を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to facilitate posture control, improve performance, and reduce the size of a vehicle.
請求項1記載の発明では、一軸の車軸上に配置された駆動輪を駆動する駆動輪駆動手段と、前記駆動輪の上方に配置され、前記駆動輪の運転操作を行う運転操作部と、前記車軸と同一軸上の回転軸の回りに回転するフライホイールと、前記フライホイールの回転を加速し、その際に生じる反力により前記運転操作部の姿勢を所定の位置に制御する姿勢制御手段と、車両に具備させて前記目的を達成する。
請求項2に記載した発明では、請求項1に記載の車両において、前記姿勢制御手段は、前記運転操作部が前記所定の位置から前記車軸の回りに傾いた方向と同じ方向に前記フライホイールを加速することを特徴とする。
請求項3に記載した発明では、請求項1、又は請求項2に記載の車両において、前記姿制御持手段は、前記運転操作部が前記所定の位置にあり、前記反力を必要としない場合、前記フライホイールを自由回転させることを特徴とする。
In the first aspect of the present invention, a driving wheel driving means for driving a driving wheel disposed on a single axle, a driving operation unit disposed above the driving wheel and performing a driving operation of the driving wheel, A flywheel that rotates about a rotation axis on the same axis as the axle, and attitude control means for accelerating the rotation of the flywheel and controlling the attitude of the driving operation unit to a predetermined position by a reaction force generated at that time The vehicle is equipped with a vehicle to achieve the object.
According to a second aspect of the present invention, in the vehicle according to the first aspect, the attitude control means moves the flywheel in the same direction as the direction in which the driving operation unit is tilted around the axle from the predetermined position. It is characterized by acceleration.
In the invention according to claim 3, in the vehicle according to
本発明によれば、車軸と同一軸上の回転軸の回りに回転するフライホイールを加速させることで姿勢制御を行うので、姿勢制御を容易、高性能とし、車両を小型化することができる。 According to the present invention, posture control is performed by accelerating the flywheel that rotates about the rotation axis on the same axis as the axle, so that posture control can be easily performed with high performance, and the vehicle can be downsized.
以下、本発明の車両における好適な実施の形態について、図1から図5を参照して詳細に説明する。
(1)実施の形態の概要
本実施形態の車両では、姿勢制御を行うバランサを、車軸と同軸の回りに回転するフライホイールで構成する。
すなわち、バランサを回転あるいは制動すると、回転数の増減によるバランサに角加速度が生じる。この際にバランサの有する慣性により、バランサの軸の回りにバランサの加速の方向と逆方向に車両を回転させるトルク(反力トルク)が生じる。このトルクにより車両の姿勢制御を行う。
本実施の形態の車両は、バランサの回転数の増減により車両の姿勢が安定した後は、バランサを自由回転させる(回転数一定状態)。
Hereinafter, a preferred embodiment of a vehicle of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
(1) Outline of Embodiment In the vehicle of the present embodiment, a balancer that performs posture control is configured by a flywheel that rotates about the same axis as the axle.
That is, when the balancer is rotated or braked, an angular acceleration is generated in the balancer due to an increase or decrease in the rotational speed. At this time, due to the inertia of the balancer, a torque (reaction torque) that rotates the vehicle in the direction opposite to the acceleration direction of the balancer is generated around the balancer axis. The vehicle attitude is controlled by this torque.
The vehicle according to the present embodiment freely rotates the balancer (a state where the rotational speed is constant) after the posture of the vehicle is stabilized by increasing or decreasing the rotational speed of the balancer.
このように、バランサをフライホイールで構成することによりストロークを無限とすることができる。
また、バランサの駆動による重心移動が無くなるため、姿勢制御が容易になる。
また、バランサをコンパクト化及び軽量化することができ、車両も小型化することができる。
更に、バランサを重力に逆らわずに保持するためエネルギーの消費を軽減することができる。
Thus, the stroke can be made infinite by configuring the balancer with a flywheel.
Further, since the center of gravity is not moved by driving the balancer, posture control is facilitated.
In addition, the balancer can be reduced in size and weight, and the vehicle can be reduced in size.
Furthermore, energy consumption can be reduced because the balancer is held against gravity.
(2)実施の形態の詳細
図1は、車両の外観構成の一例を例示したものである。
本実施形態の車両は、倒立振り子車両により構成されており、搭乗部の姿勢を感知し、その姿勢に応じて、駆動輪の駆動方向で前後方向のバランスを保持するように姿勢制御を行いながら走行するものである。
本実施形態における姿勢制御の方法としては、例えば、米国特許第6,302,230号明細書、特開昭63−35082号公報、特開2004−129435公報、特開2004−276727公報で開示された各種制御方法が使用可能である。
(2) Details of Embodiment FIG. 1 illustrates an example of an external configuration of a vehicle.
The vehicle of the present embodiment is composed of an inverted pendulum vehicle, which senses the posture of the riding section and performs posture control so as to maintain the balance in the front-rear direction in the driving direction of the drive wheels according to the posture. It is something to run.
The attitude control method in the present embodiment is disclosed in, for example, US Pat. No. 6,302,230, JP-A 63-35082, JP-A 2004-129435, and JP-A 2004-276727. Various control methods can be used.
図1に示されるように、倒立振り子車両は、同軸に配置された2つの駆動輪11a、11bを備えている。
両駆動輪11a、11bは、それぞれホイールモータ筐体121内に収納された駆動モータ(ホイールモータ)12で駆動されるようになっている。
また、駆動輪11a、11bの間には、図示しないフライホイールで構成したバランサと、このバランサの回転を加速するバランサモータがホイールモータ筐体121内に、駆動輪11a、11bと同軸に設けられている。
As shown in FIG. 1, the inverted pendulum vehicle includes two drive wheels 11a and 11b arranged coaxially.
Both the drive wheels 11 a and 11 b are driven by a drive motor (wheel motor) 12 housed in a
Further, between the drive wheels 11a and 11b, a balancer constituted by a flywheel (not shown) and a balancer motor for accelerating the rotation of the balancer are provided in the
駆動輪11a、11b(以下、両駆動輪11aと11bを指す場合には駆動輪11という)及び駆動モータ12の上部には運転者が搭乗する搭乗部13が配置されている。
搭乗部13は、運転者が座る座面部131、背もたれ部132、及びヘッドレスト133で構成されている。
搭乗部13は、ホイールモータ筐体121に固定された支持部材14(フレーム)により支持されている。
A
The
The
搭乗部13の左脇には操縦装置15が配置されている。この操縦装置15は、運転者の操作により、倒立振り子車両の加速、減速、旋回、回転、停止、制動等の指示を行う運転操作部である。
本実施形態における操縦装置15は、座面部131に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設けその上部に操縦装置を配置するようにしてもよい。
A
The
なお本実施形態において、操縦装置15の操作により指示される走行指令によって加減速などの制御が行われるが、例えば、特開平10−67254号公報に示されるように、運転者が車両に対する前傾きモーメントや前後の傾斜角を変更することで、その傾斜角に応じた車両の姿勢制御及び走行制御を行うように切替可能にしてもよい。
In this embodiment, control such as acceleration / deceleration is performed by a travel command instructed by operation of the
搭乗部の右脇には、表示・操作部17が配置されている。この表示・操作部17は、図示しない液晶表示装置からなる表示部172と、この表示部172の表面に配置されたタッチパネル及び専用の機能キーで構成される入力部171を備えている。
なお、表示・操作部17は、操縦装置15と同様に又は同一のリモコンにより構成するようにしてもよい。また表示・操作部17と操縦装置15と左右の配置を逆にしてもよく、両者を同一の側に配置するようにしてもよい。
A display /
The display /
搭乗部13と駆動輪11との間には制御ユニット16が配置されている。
本実施形態において制御ユニット16は、搭乗部13の座面部131の下面に取り付けられているが、支持部材14に取り付けるようにしてもよい。
A
In the present embodiment, the
次に、フライホイールで構成したバランサによる姿勢制御の原理について説明する。
図2(a)は、本実施の形態の車両をモデル化した模式図であり、車両を前進方向から見た正面図を示している。
このモデルでは、車両を、搭乗部13と、フレームを介して搭乗部13と接続する駆動モータ12、駆動モータ12で駆動される駆動輪11、及びフレームを介して搭乗部13と接続するバランサモータ22、バランサモータ22で駆動されるバランサ21で構成している。ただし、フレームの質量は無視する。
図1に示した車両との対応では、図1の車両から、駆動モータ12、駆動輪11、バランサモータ22、バランサ21を除いた部分の重心が図2(a)の搭乗部13に該当する。
Next, the principle of attitude control by a balancer configured with a flywheel will be described.
FIG. 2A is a schematic diagram that models the vehicle of the present embodiment, and shows a front view of the vehicle as viewed from the forward direction.
In this model, the vehicle is connected to the
In correspondence with the vehicle shown in FIG. 1, the center of gravity of the portion of the vehicle shown in FIG. 1 excluding the
ここでは、進行方向に対して水平面上の垂直な方向(運転者から見て左右方向)のバランスは保たれているものとし、進行方向のバランスを制御することを考える。
図2(b)は、モデル化した車両をバランサ21側から見た側面図を示している。ただし、バランサモータ22は省略してある。
以下では、図2(b)に示したように、車軸25を中心として搭乗部13が車両の前進方向に回転する(傾斜する)方向を正の方向とし、逆の方向を負の方向として説明する。
Here, it is assumed that the balance in the direction perpendicular to the horizontal plane with respect to the traveling direction (left and right direction as viewed from the driver) is maintained, and the balance in the traveling direction is controlled.
FIG. 2B shows a side view of the modeled vehicle viewed from the
In the following, as shown in FIG. 2B, the direction in which the
バランサ21は、質量を持った回転体であり、その重心は車軸25上にある。バランサモータ22の回転軸は車軸25と同軸になっており、バランサモータ22は、バランサ21を指定された方向、及び指定された角加速度にて回転させる。
すなわち、バランサモータ22は、指定された角加速度が正の値の場合はバランサ21を正の方向に当該角加速度で回転し、負の値の場合はバランサ21を負の方向に当該角加速度で回転する。
The
That is, the
バランサモータ22が、バランサ21の回転を加速すると、バランサ21の有する慣性により、バランサモータ22のステータ側にバランサ21の加速方向と逆方向に回転させるトルクが生じる。
バランサモータ22は、車両に固定されているため、このトルクは、搭乗部13をバランサ21の加速方向と逆方向に回転させるトルクとして作用する。本実施形態では、このトルクを反力と呼ぶことにする。
すなわち、反力は、バランサモータ22がバランサ21にトルクを作用させたことにより生じる反作用である。
この原理により、バランサ21の回転を正の方向に加速すると、搭乗部13には負の方向に傾く反力が作用し、バランサ21の回転を負の方向に加速すると、搭乗部13には正の方向に傾く反力が作用することになる。
When the
Since the
That is, the reaction force is a reaction that occurs when the
According to this principle, when the rotation of the
このようにバランサ21の加速に対する反力は、搭乗部13を前進方向、あるいは後退方向に傾ける力として作用するため、これを車両の姿勢制御に利用することができる。
すなわち、目標とする車軸25回りの傾斜角度(目標傾斜角)の位置から、搭乗部13が外力等により傾斜した場合、搭乗部の傾斜方向にバランサ21の回転を加速する。これにより、搭乗部13を目標傾斜角度に近づける方向に反力が作用し、搭乗部の傾きを目的地傾斜角度に近づけるように位置制御することができる。
As described above, the reaction force against the acceleration of the
That is, when the
図3は、倒立振り子車両における姿勢制御の原理について説明したものである。
図3(a)に示されるように、乗員Aの重量をm1、駆動輪11の車輪中心(回転軸)から、乗員の重心までの距離をr1とする。
なお、本明細書において角加速度は{θ}、{ω}で表し、図面においてはθの上部に2つのドットを付したθドット・ドット、ωの上部に1つのドットを付したωドットで表示する。
また、乗員Aの重量m1は、搭乗者が搭乗し、駆動輪11を固定した状態で回転部分の全重量Mからバランサ21の重量を減じた値であり、搭乗部13と乗員の体重とで近似できる。
FIG. 3 explains the principle of attitude control in an inverted pendulum vehicle.
As shown in FIG. 3A, the weight of the occupant A is m1, and the distance from the wheel center (rotary shaft) of the
In this specification, the angular acceleration is represented by {θ} and {ω}. In the drawing, θ dots and dots with two dots added above θ, and ω dots with one dot added above ω. indicate.
Further, the weight m1 of the occupant A is a value obtained by subtracting the weight of the
いま図3(a)の状態から、何かの外力が加わって図3(b)に示されるように、乗員Aの重心(以下乗員重心という)が前方に角加速度{θ1}で傾斜したものとする。
この乗員重心の傾斜による傾斜角度θ1と角加速度{θ1}がジャイロセンサ162で検出される。
乗員重心の傾斜を検出すると、図3(c)に示されるように、バランサ21の回転を乗員Aの傾斜方向に角加速度{ω2}で加速させる。
加速の方向傾斜方向については、基準線(図3の例では車軸25を通る鉛直線)に対する傾斜角θの正負で判断され、通常車両の前方進行方向への回転を正、その逆を負とする。
As shown in FIG. 3 (b) due to the application of some external force from the state of FIG. 3 (a), the center of gravity of the occupant A (hereinafter referred to as the occupant's center of gravity) is inclined forward by angular acceleration {θ1}. And
The
When the inclination of the occupant's center of gravity is detected, the rotation of the
Acceleration direction The inclination direction is determined by whether the inclination angle θ with respect to the reference line (the vertical line passing through the
このバランサ21を動かす角加速度{ω2}は、{ω2}>K{θ1}である。Kは常数で、その導出については後述する。
なお、バランサ21の加速は、バランサ21の回転数を検出し、その回転方向が正方向(加速しようとしている方向と同方向に回転している場合)であれば回転数を増加させることで正方向の加速度{ω2}を得る。
そして、バランサ21が加速しようとしている方向と逆方向に回転している場合であれば、回転数を減少させることによる正又は負の加速を行う。回転数が減少して0になった場合には、それ以前と逆方向の回転を増加させる。
The angular acceleration {ω2} for moving the
The
If the
バランサ21を、角加速度{ω2}で回転させると、図3(c)に示されるように、バランサ21を動かすためのトルクに対する反力によって乗員Aが後方(最初の傾斜方向と反対方向)に移動する。
When the
乗員Aが後方に移動することで鉛直線を越えて角度θ3(<0)になったこと、すなわち、鉛直線に対する傾斜角θが反転したことを検出すると、バランサ21を角度θ3方向(反対方向)に加速(負の方向に加速)させる。
すなわち、乗員Aの傾斜角度が反転した際の角加速度{θ3}もジャイロセンサ162で検出され、角加速度{θ3}に応じた角加速度{ω4}({ω4}>K{θ3})でバランサ21を加速させる。
この場合の加速は、図3の例の場合、負方向の加速となる。すなわち、直前までバランサ21は正方向(図面右回り方向)に回転させているので、バランサ21に回転数を減少(減速)させることにより負方向の加速を行う(回転数が減少していき0になったら逆回転させることになる)。
これにより、図3(d)に示されるように、バランサ21を後方に動かすためのトルクに対する反力によって乗員Aが再度前方に角加速度{θ5}で移動する。
When it is detected that the occupant A moves backward to reach the angle θ3 (<0) beyond the vertical line, that is, the inclination angle θ with respect to the vertical line is reversed, the
That is, the angular acceleration {θ3} when the inclination angle of the occupant A is reversed is also detected by the
The acceleration in this case is a negative acceleration in the example of FIG. That is, the
As a result, as shown in FIG. 3D, the occupant A moves forward again with angular acceleration {θ5} by the reaction force against the torque for moving the
以後、同様に乗員Aの鉛直線に対する傾斜角の反転を検出した際の角加速度{θ}に対応した角加速度{ω}でバランサ21を傾斜角方向に加速し、そのバランサ21の移動による反力で乗員Aを鉛直線方向に戻す動作を繰り返す。このような乗員Aの振り子運動を通して、鉛直線を中心とした傾斜角θが徐々に0に収束し、図3(a)に示す正常状態の姿勢に戻すことができる。
なお、図3に示した乗員Aの傾斜角は説明のため大きく表示しているが実際には、傾斜角θ1又は角加速度{θ1}の検出により直ちにバランサ21を加速させるので、乗員Aにとってわずかな動きでしかない。
Thereafter, similarly, the
Although the inclination angle of the occupant A shown in FIG. 3 is shown large for the sake of explanation, the
車両は、図3(a)に示すように、搭乗部13の位置が目標とする鉛直線上(目標傾斜角)に戻った場合、すなわち、搭乗部13が所定の位置にあり、反力を必要としない場合、バランサモータ22がバランサ21に加えるトルクをゼロとし、バランサ21を自由回転(フリーラン)させる。
このようにバランサ21の反力を利用するとき以外の場合にバランサ21を自由回転させるのは、バランサ21を制御(例えば制動)することで不要な反力が発生するのを防ぐためである。
バランサ21を自由回転させても電力を消費したり、車両の重心を移動させたりしないので、車両の運用上何ら不都合は生じない。
As shown in FIG. 3A, the vehicle needs a reaction force when the position of the
The reason why the
Even if the
自由回転しているバランサ21は、軸受などによる摩擦で徐々に停止するか、あるいは、停止する前に、再度バランサモータ22によって加速される。
このため、バランサモータ22がバランサ21の回転を加速する際に、前回の加速により既にバランサ21が回転している場合がある。
バランサ21の回転を加速する際にバランサ21が既に回転している場合、バランサモータ22は、その回転速度からバランサ21を加速する。
The freely rotating
For this reason, when the
When the
例えば、バランサ21が正の方向に自由回転している場合に、バランサ21を正の方向に加速する場合、バランサモータ22は、バランサ21の回転を加速して更に高速で回転させる。逆に、バランサ21の回転を負の方向に加速する場合は、バランサ21を減速してバランサ21の回転速度を低下させる。
For example, when the
以上のように、本実施の形態では、バランサ21の負の方向の加速をバランサモータ22で行うように構成したが、例えば、ブレーキなどの物理的な制動手段を用いて負の方向の加速を行うように構成することもできる。
例えば、バランサ21にブレーキ装置を設置した場合を考える。バランサ21が正の方向に回転している際に、これを負の方向に加速したい場合、バランサ21にブレーキ装置を作用させると、バランサ21の回転が減速し(すなわち、負の方向に加速し)、これによって反力を発生させることができる。
As described above, in the present embodiment, the
For example, consider a case where a brake device is installed on the
ここで、上記常数Kについて説明する。
今、乗員Aが前方に角加速度{θ1}で移動するのに必要なトルクをT1は次の式(1)により求まる。
Here, the constant K will be described.
Now, T1 is obtained from the following equation (1) as the torque required for the occupant A to move forward with angular acceleration {θ1}.
T1=m1×(r1×r1)×{θ1}…(1) T1 = m1 × (r1 × r1) × {θ1} (1)
一方、バランサ21を正の方向に加速した場合、乗員A(搭乗部13)に対して負の方向に作用するトルクT2(反力)の大きさは、次の式(2)により求まる。
ただし、バランサ21は、直径D、厚さL、質量mの円板とし、加速度(角加速度)をdω/dtとする。なお、ωはバランサ21の角速度である。
On the other hand, when the
However, the
T2=m・(D×D/16+L×L/12)×{ω}…(2) T2 = m · (D × D / 16 + L × L / 12) × {ω} (2)
このトルクT2がT1よりも大きければ、(トルクT2の反力−T1)のトルクで乗員A(搭乗部13)を傾斜した方向と反対方向(後方)に戻すことができる。
(1)(2)式から、次の式(3)となる。
{ω2}>((m1×r1×r1)/m・(D×D/16+L×L/12)){θ1}…(3)
従って、K=(m1×r1×r1)/(m・(D×D/16+L×L/12))となる。
If this torque T2 is greater than T1, the occupant A (carrying part 13) can be returned to the direction opposite to the inclined direction (rearward) by the torque (reaction force of torque T2-T1).
(1) From the equation (2), the following equation (3) is obtained.
{Ω2}> ((m1 × r1 × r1) / m · (D × D / 16 + L × L / 12)) {θ1} (3)
Therefore, K = (m1 × r1 × r1) / (m · (D × D / 16 + L × L / 12)).
実際の制御では、バランサモータ22によるバランサ21の駆動トルクをT2とし、T2>T1となるように、バランサモータ22を駆動制御することになる。
角加速度{θ1}はジャイロセンサ162で検出する。
乗員Aの重量m1は、装置の重量m1a+搭乗者の重量m1bであるが、このうち装置重量m1aは車両毎に既知である。搭乗者の重量m1bは、予想される搭乗者の予想最大体重、例えば、90kgを設定しておく。予想最大体重を設定しておき、その値に基づいてT2を決定すれば、それ以下の体重であっても、T2>T1の条件を満たし、バランサ21の移動によって乗員Aを反対方向に戻すことができる。
In actual control, the
Angular acceleration {θ1} is detected by the
The weight m1 of the occupant A is the weight m1a of the device + the weight m1b of the passenger, and the device weight m1a is known for each vehicle. As the passenger's weight m1b, an expected maximum body weight of the passenger, for example, 90 kg is set. If the expected maximum weight is set and T2 is determined based on that value, the condition of T2> T1 is satisfied even if the weight is less than that, and the occupant A is returned in the opposite direction by the movement of the
なお、搭乗部13の運転者が座る座面部131に搭乗者の体重を測定する体重計(体重計測手段)を配置しておき、その測定値を搭乗者の重量m1bとして使用するようにしてもよい。
It should be noted that a weight scale (weight measurement means) for measuring the weight of the passenger is placed on the
以上に述べたように、車両は、バランサ21の回転の加速に伴う反力によって姿勢制御を行うことができる。
ところで、搭乗部13に加わった外力が大きく、搭乗部13が傾斜する角加速度が大きい場合、バランサ21で発生させ得る最大反力Tbmaxでは姿勢制御に必要な反力が不足する場合がある。
この場合、本実施形態の車両では、駆動モータ12による傾斜駆動トルクによって反力の不足分を補う。
As described above, the vehicle can perform posture control by the reaction force accompanying the acceleration of the rotation of the
By the way, when the external force applied to the
In this case, in the vehicle of the present embodiment, the deficiency of the reaction force is compensated by the tilt driving torque by the
例えば、正方向に大きな外力(大きな角加速度)で傾いた搭乗部13を垂直方向に立て直す場合、バランサ21で最大のバランサトルクを発生させると共に、駆動モータ12を駆動して車両を前進方向に加速させる。
車両を前進方向に加速すると、慣性の法則により車両は前進方向と逆方向に回転しようとするため、搭乗部13に逆方向のトルクが発生する。このように、駆動モータ12が車両を前進方向、あるいは後退方向に傾けるために駆動輪11に対して発生するトルクを傾斜駆動トルクと呼ぶことにする。
このように、搭乗部13には、バランサ21による負方向の最大反力Tbmaxと、傾斜駆動トルクを合成した反力が作用し、最初の傾斜方向と逆方向に戻される。その後、図3で説明したと同様に振り子運動の後、搭乗部13は鉛直位置に制御される。
なお、振り子運動の途中で搭乗部13(乗員A)の角加速度{θ}が小さくなり、バランサ21の加速による反力で足りる状態になった以降は、駆動モータ12による傾斜駆動トルクによる制御は不要である。
For example, when the
When the vehicle is accelerated in the forward direction, the vehicle tries to rotate in the direction opposite to the forward direction due to the law of inertia, and thus a reverse torque is generated in the
As described above, the negative reaction force Tbmax by the
Note that after the angular acceleration {θ} of the riding section 13 (occupant A) is reduced during the pendulum movement and the reaction force due to the acceleration of the
次に、図4を用いて車両のハードウェア構成について説明する。
図4は、制御ユニット16の構成を表したものである。
制御ユニット16は、車両がバランサ21を用いて姿勢制御を行いながら倒立振り子走行を行う機能を有している。
以下、制御ユニット16を構成する各構成要素について説明する。
Next, the hardware configuration of the vehicle will be described with reference to FIG.
FIG. 4 shows the configuration of the
The
Hereinafter, each component which comprises the
制御ユニット16は、主制御装置161、ジャイロセンサ162、駆動モータ制御装置163、バランサモータ制御装置165、記憶部164を備えている。
そして、制御ユニット16は、周辺の装置を構成する操縦装置15、入力部171、表示部172、バランサ検出部173、タイヤ角度検出部174、駆動モータ用インバータ31、駆動モータ12、バランサモータ用インバータ32、バランサモータ22、及び図示しないバッテリなどと接続されている。
The
The
主制御装置161は、メインCPUを備え、図示しない各種プログラムやデータが格納されたROM、作業領域として使用されるRAM、外部記憶装置、インターフェース部などを備えたコンピュータシステムで構成されている。
ROMには、バランサ21を用いて倒立振り子車両の姿勢を保持する姿勢制御プログラム、操縦装置15からの各種走行指令に基づいて走行を制御する走行制御プログラムなどの各種プログラムが格納されており、主制御装置161は、これら各種プログラムを実行することで対応する処理を行う。なお、これらプログラムは、記憶部164に記憶しておき、メインCPUがこれを読み出すように構成することもできる。
姿勢制御プログラムは、後述のセンサから車両の傾斜角度や傾斜角速度を検出し、運転者が指示する走行指令に従って車両が走行するように、これらの検出値を用いて駆動モータ12やバランサモータ22を制御する。
The
The ROM stores various programs such as a posture control program for maintaining the posture of the inverted pendulum vehicle using the
The attitude control program detects the tilt angle and tilt angular velocity of the vehicle from sensors described later, and uses these detected values to control the
ジャイロセンサ162は、搭乗部13の姿勢を感知する姿勢感知センサとして機能する。
ジャイロセンサ162は、搭乗部13の傾斜に基づく物理量として、搭乗部13の傾斜角度と角加速度を検出する。
主制御装置161は、ジャイロセンサ162で検出される傾斜角度から傾斜方向を認識するようになっている。
The
The
The
なお、本実施形態のジャイロセンサ162では、角加速度と傾斜角度を検出して主制御装置161に供給するが、角加速度だけを検出するようにしてもよい。
この場合、主制御装置161は、ジャイロセンサ162から供給される角速度を蓄積することで、角加速度と角度を算出して傾斜角を取得するようにする。
In the
In this case, the
また、姿勢感知センサとしてはジャイロセンサ162以外に、液体ロータ型角加速度計、渦電流式の角加速度計などの搭乗部13が傾斜する際の角加速度に応じた信号を出力する各種センサを使用することができる。
液体ロータ型角加速度計は、サーボ型加速度計の振り子の代わりに液体の動きを検出し、この液体の動きをサーボ機構によりバランスさせるときのフィードバック電流から角加速度を測定するものである。一方、渦電流を利用した角加速度計は、永久磁石を用いて磁気回路を構成し、この回路内に円筒形のアルミニウム製のロータを配置し、このロータの回転速度の変化に応じて発生する磁気起電力に基づき、角加速度を検出するものである。
In addition to the
The liquid rotor type angular accelerometer detects the movement of the liquid instead of the pendulum of the servo type accelerometer, and measures the angular acceleration from a feedback current when the movement of the liquid is balanced by the servo mechanism. On the other hand, an angular accelerometer that uses eddy currents generates a magnetic circuit using a permanent magnet, a cylindrical aluminum rotor is arranged in the circuit, and is generated in accordance with changes in the rotational speed of the rotor. The angular acceleration is detected based on the magnetic electromotive force.
駆動モータ制御装置163は駆動モータ用インバータ31を制御し、これによって駆動モータ12を制御する。
駆動モータ制御装置163は、駆動モータ12用のトルク−電流マップを備えており、このトルク−電流マップに従って、主制御装置161から指令される駆動トルクに対応する電流を駆動モータ12に対して出力するように駆動モータ用インバータ31を制御する。
The drive
The drive
駆動モータ用インバータ31は、図示しないバッテリに接続されており、バッテリが供給する直流電流を駆動モータ制御装置163の指示に従って交流に変換して駆動モータ12に供給する。
このように、主制御装置161、駆動モータ制御装置163、駆動モータ用インバータ31、及び駆動モータ12は、協働して動作し、駆動輪駆動手段を構成している。
The
As described above, the
バランサモータ制御装置165はバランサモータ用インバータ32を制御し、これによってバランサモータ22を制御する。
バランサモータ制御装置165は、バランサモータ22用のトルク−電流マップを備えており、このトルク−電流マップに従って、主制御装置161から指令される駆動トルクに対応する電流をバランサモータ22に対して出力するようにバランサモータ用インバータ32を制御する。
The balancer
The balancer
バランサモータ用インバータ32は、駆動モータ用インバータ31と共にバッテリに接続されており、バッテリが供給する直流電流をバランサモータ制御装置165の指示に従って交流に変換してバランサモータ22に供給する。
これによって、バランサモータ22は、バランサモータ制御装置165に指示された回転方向に、指示された角加速度で回転する。
このように、主制御装置161、バランサモータ制御装置165、バランサモータ用インバータ32、バランサモータ22は、協働して動作し、車両の姿勢(運転操作部の姿勢)を所定位置に制御する姿勢制御手段を構成している。
The
As a result, the
Thus, the
記憶部164には、プログラム類を記憶するほか、ナビゲーションを行う場合は、ナビゲーションプログラム、ナビゲーションを行うための地図データなどが記憶される。
入力部171は、表示・操作部17(図1参照)に配置され、各種データや指示、選択をするための入力手段として機能する。
In addition to storing programs, the
The
入力部171は、表示部172上に配置されたタッチパネルと、専用の選択ボタンで構成される。タッチパネル部分は、表示部172に表示された各種選択ボタンに対応して運転者が押下(タッチ)した位置が検出され、その押下位置と表示内容とから選択内容が取得される。
表示部172は、表示・操作部17に配置される。表示部172は、入力部171からの選択や入力対象となるボタンや説明などが表示されるようになっている。
The
The
タイヤ角度検出部174も例えばレゾルバなどで構成され、駆動輪11の角度を検出し、これを主制御装置161に供給する。
主制御装置161は、タイヤ角度検出部174から供給された角度を時間で微分することにより駆動輪の角速度を得ることができ、更にこれを時間で微分することにより角加速度を得ることができる。
主制御装置161は、このようにして得た駆動輪の角加速度と、目標とする角加速度とを比較することで、駆動モータ制御装置163をフィードバック制御することができる。
The tire
The
The
バランサ検出部173は、バランサ21の回転数と角度を検出し、これを主制御装置161に供給する。
主制御装置161は、バランサ検出部173から供給された角度を時間微分することでバランサ21の角速度を求め、バランサ21の回転方向を確認する。
そして、主制御装置161は、確認した回転方向と、バランサ検出部173から供給されるバランサ21の回転数とから、この回転数を初期値として搭乗部13の姿勢制御するために必要なバランサの角加速度を算出する。すなわち、バランサ21の回転数を初期値として回転数を増加(正方向の加速)、又は減少(負方向の加速)させる。
The
The
Then, the
次に、図5のフローチャートを用いて制御ユニット16が行う姿勢制御の手順を説明する。
車両が走行を開始した後、制御ユニット16は、ジャイロセンサ162の検出値から車両の傾斜角度{θ}を測定する(ステップ5)。
更に、制御ユニット16は、ジャイロセンサ162の検出値から車両の傾斜角加速度を測定する(ステップ10)。
そして、制御ユニット16は、タイヤ角度検出部174の検出値から車両速度を測定する(ステップ15)。
Next, the
After the vehicle starts traveling, the
Further, the
And the
次に制御ユニット16は、操縦装置15から運転者が行った入力(走行指令)を読み取る(ステップ20)。走行指令では、運転者が指示した車速などが指令される。
次に、制御ユニット16は、走行指令に従って車両を走行させるための車両の目標傾斜角を算出する(ステップ25)。
次に、制御ユニット16は、走行指令で指定された車速にて走行するために駆動モータ12で発生させる走行駆動トルクの目標値を算出する(ステップ30)。
Next, the
Next, the
Next, the
次に、制御ユニット16は、バランサ21の反力のみによって目標とする車両の傾斜を実現できるか否かを判断する(ステップ35)。
すなわち、制御ユニット16は、ステップ10で測定した搭乗部13の傾斜角加速度{θ}から上記数式(1)に従って、搭乗部13(乗員A)に加わったトルクT1を算出し、バランサ21の加速で発生させ得るの最大反力Tbmaxと比較する。
Next, the
That is, the
バランサ21の反力によってのみ目標とする車両の傾斜を実現できると判断した場合、すなわち、T1<Tbmaxである場合(ステップ35;Y)、制御ユニット16は、バランサ21に目標とする反力を発生させるための角加速度を算出し、更に、この角加速度を実現するためにバランサモータ22で発生させるトルク、すなわちバランサトルクTbを算出する(ステップ40)。
このバランサトルクTbは、式(1)に従って算出したトルクT1よりも大きな値、すなわち、Tb>T1となる値である。
When it is determined that the target vehicle inclination can be realized only by the reaction force of the
The balancer torque Tb is a value larger than the torque T1 calculated according to the equation (1), that is, a value that satisfies Tb> T1.
そして、制御ユニット16は、バランサモータ制御装置165で保持しているトルク−電流マップに従って、先に算出したバランサトルクTbに対応する電流をバランサモータ22に対して出力するようにバランサモータ用インバータ32を制御する(ステップ45)。
これによって、バランサ21の回転が加速し、その際の反力で目標とする車両の傾斜角が実現する。
Then, according to the torque-current map held by the balancer
Thereby, the rotation of the
このステップ45の動作と並行して、制御ユニット16は、駆動モータ制御装置163に指令して、先に算出した走行駆動トルクを駆動モータ12に出力させる(ステップ50)。
これによって、車両は、目標とする車速で走行することができる。
In parallel with the operation of
As a result, the vehicle can travel at the target vehicle speed.
一方、バランサ21の最大反力Tbmaxでも車両の傾斜を戻すことができないと判断した場合、すなわち、T1≧Tbmaxである場合(ステップ35;N)、制御ユニット16は、バランサ21の最大反力Tbmaxでは足りない分を補うための傾斜駆動トルク(=T1−最大反力Tbmax)を算出する(ステップ60)。
そして、制御ユニット16は、バランサモータ制御装置165で保持しているトルク−電流マップに従って、最大値Tbmaxに対応する電流をバランサモータ22に対して出力するようにバランサモータ用インバータ32を制御する(ステップ65)。
On the other hand, when it is determined that the vehicle inclination cannot be returned even with the maximum reaction force Tbmax of the
Then, the
このステップ65の動作と並行して、制御ユニット16は、駆動モータ用インバータ31に指令し、先に算出した走行駆動トルクと、先に算出した傾斜駆動トルクを加算した駆動トルクを駆動モータ12に出力させる(ステップ70)。
バランサの反力と傾斜駆動トルクにより目標とする車両の傾斜角が実現し、走行駆動トルクにより目標とする車速で走行することができる。
このように、バランサトルクのみによっては目標とする車両の傾斜角が実現できない場合は、バランサ21による反力と傾斜駆動トルクを組み合わせることにより目標値を実現することができる。
In parallel with the operation of step 65, the
The target vehicle inclination angle is realized by the reaction force of the balancer and the inclination driving torque, and the vehicle can travel at the target vehicle speed by the traveling driving torque.
As described above, when the target vehicle inclination angle cannot be realized only by the balancer torque, the target value can be realized by combining the reaction force by the
制御ユニット16は、ステップ50、又はステップ70にて所望の傾斜角度、及び車速を実現した後、走行を継続する場合は(ステップ55;Y)ステップ5に戻り、走行を継続しない場合は(ステップ55;N)、車両を停車して処理を終了する。
The
以上、本実施の形態について説明したが、次のような変形が可能である。
例えば、車軸25とバランサ21の回転軸を必ずしも同一軸上としなくてもよい。ただし、バランサ21の回転軸と車軸25を同軸とした方が姿勢制御処理が簡単になる。
また、バランサ21の回転軸と車軸25が垂直でなければ、必ずしもバランサ21の回転軸と車軸25が平行である必要はない。ただし、バランサ21の回転軸と車軸25が平行である方が反力の効果は大きくなる。
Although the present embodiment has been described above, the following modifications are possible.
For example, the rotating shafts of the
Further, if the rotation axis of the
以上に説明した本実施の形態により次のような効果を得ることができる。
(1)バランサのストロークを無限とすることができる。
(2)バランサの重心が回転軸上にあるため、バランサの駆動に伴う車両の重心移動が生じず、姿勢制御処理が容易になる。
(3)反力の利用後にホイールを自由回転させることにより、不要な反力の発生を防ぐことができる。
(4)ホイールを用いることにより回転軸の回りに質量を分布させることができるため、バランサをコンパクト化(小型化)及び軽量化することができる。
(5)バランサを重力に逆らって保持する必要がないため、バランサ保持に要するエネルギー消費を低減することができる。
The following effects can be obtained by the present embodiment described above.
(1) The stroke of the balancer can be infinite.
(2) Since the center of gravity of the balancer is on the rotation axis, the center of gravity of the vehicle is not moved as the balancer is driven, and the posture control process is facilitated.
(3) Generation of unnecessary reaction force can be prevented by freely rotating the wheel after use of the reaction force.
(4) Since the mass can be distributed around the rotation axis by using the wheel, the balancer can be made compact (downsized) and reduced in weight.
(5) Since it is not necessary to hold the balancer against gravity , energy consumption required for holding the balancer can be reduced.
11 駆動輪
12 駆動モータ
13 搭乗部
15 操縦装置
16 制御ユニット
17 表示・操作部
21 バランサ
22 バランサモータ
25 車軸
31 駆動モータ用インバータ
32 バランサモータ用インバータ
161 主制御装置
162 ジャイロセンサ
163 駆動モータ制御装置
164 記憶部
165 バランサモータ制御装置
171 入力部
172 表示部
173 バランサ検出部
174 タイヤ角度検出部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記駆動輪の上方に配置され、前記駆動輪の運転操作を行う運転操作部と、
前記車軸と同一軸上の回転軸の回りに回転するフライホイールと、
前記フライホイールの回転を加速し、その際に生じる反力により前記運転操作部の姿勢を所定の位置に制御する姿勢制御手段と、
を具備したことを特徴とする車両。
Driving wheel driving means for driving driving wheels arranged on a single axle;
A driving operation unit that is disposed above the driving wheel and performs a driving operation of the driving wheel;
A flywheel that rotates about a rotation axis on the same axis as the axle;
Attitude control means for accelerating the rotation of the flywheel and controlling the attitude of the driving operation unit to a predetermined position by a reaction force generated at that time;
A vehicle characterized by comprising:
2. The vehicle according to claim 1, wherein the attitude control unit accelerates the flywheel in the same direction as a direction in which the driving operation unit is tilted around the axle from the predetermined position.
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