JP2005094858A - 走行装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率の良い回生電力の充電を行う。
【解決手段】 ジャイロセンサ２０１及び加速度センサ２０２によってテーブル (図示せず)の角度θ_０が検出され、中央制御装置３０１に供給される。そして形成された位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)が、それぞれ左右のモータ１０６及び１０７の駆動の制御を行うモータ制御装置３０２及び３０３に供給される。さらにロータリエンコーダ１１６及び１１７では、それぞれモータ１０６及び１０７の回転位置θm1及びθm2が検出され、これらの検出信号がモータ制御装置３０２及び３０３にフィードバックされて、中央制御装置３０１で形成された位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)に応じたものとなるように制御が行われる。それと共に、回転位置θm1及びθm2と位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)との比較によって回生状態の検出が行われ、この情報がシリアル通信で回生充電回路１１４に伝達されて、二次電池(バッテリ)１１５の放電と充電の制御が行われる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物に使用して好適な走行装置及びその制御方法に関する。詳しくは、例えば減速時や下り坂を走行する際に発生する回生エネルギを効率の良く充電して、良好な走行を実現できるようにしたものである。

例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また電気自動車においては、回生エネルギを充電するものもある（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、上述の技術で回生エネルギの充電を行う場合には、例えばアクセルとブレーキの信号を用いて切り替え制御を行っているために、この技術をアクセルとブレーキの無いシステムには適用することができないものである。
米国特許第６２８８５０５号明細書 特開２０００−２５３５０３号公報

例えば、人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物として、本願出願人が先に以下に述べるような走行装置を提案（特願２００３−１６８２２４号）した。

先ず、本願出願人が提案した同軸二輪車の一実施形態の外観斜視図を図６に示す。図６に示す同軸二輪車１において、車輪軸２の両端には一対の車輪３（右車輪３Ｒ及び左車輪３Ｌ）が止着されている。この車輪３は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪３の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。

また、車輪軸２には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース４が、車輪軸２回りに傾動可能に支持されている。なお、以下の説明においては、両輪を結ぶ車輪軸２の中間点をＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点Ｏと仮定し、この原点Ｏを通りベース４の主面と平行で且つ車輪軸２に垂直な方向をＸ軸又はロール軸、原点Ｏを通る車輪軸方向をＹ軸又はピッチ軸、原点Ｏを通りベース４の主面と垂直な方向をＺ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車１の前方をＸ軸の正方向、左方をＹ軸の正方向、上方をＺ軸の正方向とそれぞれ定義する。

ベース４には、図７に示すように、正逆回転可能なモータ１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）が装着されており、モータ１０に隣接して、モータ１０の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１１（１１Ｒ及び１１Ｌ）が設けられている。また、モータ１０と車輪３との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器１２（１２Ｒ及び１２Ｌ）が介在されており、モータ１０の回転がこの減速器１２及びジョイント（図示せず）を介して車輪３に伝達される。

さらに、ベース４には、ベース４のピッチ軸、ヨー軸回りの角速度ωｐ、ωyawを検出するためのジャイロセンサ１３のほか、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ及びピッチ軸、ロール軸、ヨー軸回りの角加速度αｐ、αｒ、αyawを検出するための加速度センサ１４や、ベース４上の負荷重量を検出するための圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されている。

このうち、圧力センサ１５は、図８のＡの平面図及び図８のＢの側面図に示すようにベース４の板状体を構成する支持台４ａと可動台４ｂとの間の四隅に設けられており、この４つの圧力センサ１５_１、１５_２、１５_３、１５_４のセンサ信号から、ベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出することができる。

すなわち、圧力センサ１５_１〜１５_４のセンサ信号がそれぞれＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４であり、無荷重状態で圧力センサ１５_１〜１５_４にかかる自重がＷ_０である場合、負荷重量Ｗｇは、以下の式（１）のように求められる。

また、圧力センサ１５_１、１５_２、１５_３、１５_４の座標が、それぞれ（Ｘ_ｐｓ，Ｙ_ｐｓ）、（−Ｘ_ｐｓ，Ｙ_ｐｓ）、（―Ｘ_ｐｓ，―Ｙ_ｐｓ）、（Ｘ_ｐｓ，―Ｙ_ｐｓ）である場合に、重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。

この式（２）において、Ｗ_１４は無荷重状態で圧力センサ１５_１、１５_４にかかる自重を示し、Ｗ_２３は無荷重状態で圧力センサ１５_２、１５_３にかかる自重を示し、Ｗ_１２は無荷重状態で圧力センサ１５_１、１５_２にかかる自重を示し、Ｗ_３４は無荷重状態で圧力センサ１５_３、１５_４にかかる自重を示す。

このようにして、圧力センサ１５によりベース４上の負荷による負荷荷重トルクＴ_１が計算できるため、モータ１０にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース４上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。

さらにまた、ベース４の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置１６が搭載されており、この制御装置１６に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置１６は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース４のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。

また、この同軸二輪車１は、図９に示すように、車輪軸２回りに傾動可能とされるベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図９ではベース４の上面の高さが車輪軸２よりも高くなっているが、ベース４の上面が車輪軸２より低くなっていても構わない。

ここで、ベース４上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図１０に示すように、ベース４上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクＴ_１に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクＴｍを制御すると、ベース４はシーソーのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸２回りの回転モーメントがゼロとなる点をＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ぶ。このＺＭＰが車輪３の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース４上で姿勢を保つことができる。

この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図１１に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４の重量中心Ｍが車輪軸２を中心に傾く。このとき、車輪軸２がバランスをとるための車輪軸トルクＴ_０は以下の式（３）で表され、姿勢を保つためのモータトルクＴｍは減速器１２の減速比をＮ：１としてＴ_０／Ｎで表される。

このようにして、上述の同軸二輪車１では、上述の如くベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されているため、式（３）のように、人間の体重Ｗｈによるモーメントとベース４の重量Ｗｍによるモーメントとの差分を車輪軸トルクＴ_０として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。

さらに、ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図１２に示すＸ−Ｚ座標系を用いて詳細に説明する。ここで図１２では簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。また、車輪３、ベース４、及びベース４上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ（ｘ_０，ｚ_０）、（ｘ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｚ_２）とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれｍ_０、ｍ_１、ｍ_２とし、慣性モーメントをＩ_０、Ｉ_１、Ｉ_２とする。

定義した点Ω（σ，φ）回りの第ｉリンク（ｉ＝０，１，２）の各運動量は、重心位置座標を（ｘ_ｉ，ｚ_ｉ）とすると、以下の式（４）で表される。ここで、式（４）においてｘ、ｚの上に付されている１つの点は、ｘ、ｚの１階微分であることを示している。

したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式（５）で表される。ここで、式（５）においてｘ、ｚの上に付されている２つの点は、ｘ、ｚの２階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をｇとして以下の式（６）で表される。

この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式（７）に示すように、点Ω（σ，φ）回りのモーメントＭΩが与えられる。

質量ｍ_０である車輪３の重力によるモーメントを除けば、点Ω（σ，φ）を原点にとることで、上述のモーメントＭΩは車輪軸２回りのモーメントＭａとなる。この車輪軸２回りのモーメントＭａは、以下の式（８）で表される。

このモーメントＭａを用いて上述のモーメントＭΩを表せば、ｘ_０＝０であるとき、すなわち車輪３の重心位置が車輪軸２上にあるとき、以下の式（９）で与えられる。

ここで、ＺＭＰはモーメントＭΩが０である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸２の高さをｈ、ＺＭＰの座標を（σzmp，−ｈ）として式（７）に代入すると、以下の式（１０）のようになる。この式（１０）をσzmpについて解くことで、ＺＭＰをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。

また、上述した式（９）にＺＭＰの座標（σzmp，−ｈ）を代入すると、以下の式（１１）のようになる。なお、この式（１１）は、車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を示す。

ここで、ＺＭＰに作用する力を図１３に図示する。図１３において、ＦＮは床反力、ＦＴは転がり摩擦力、ＦはＦＮとＦＴとの合成ベクトルを表す。なお、床反力ＦＮは実際には車輪３の接地面全体に分布するが、図１３ではＺＭＰに集約するものとして表している。この図から車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式（１２）のようになる。

なお、この式（１２）に、以下の式（１３）〜（１５）を代入すると、上述した式（１１）と同じものになる。

ベース４上の姿勢が安定するには、式（１２）においてσzmp＝０となればよい。すなわち、車輪軸トルクＴ_０＝−ＦＴ＊ｈが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、Ｔ_０＝ＦＴ＝０を満たす以下の式（１６）に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。

このとき、ｘ_０、ｘ_１は、機構構造により一意に定まるが、ｍ_２、Ｉ_２、ｘ_２、ｚ_２は、人間であるため不定値である。このｍ_２、Ｉ_２、ｘ_２、ｚ_２によるベース４上でのモーメントＭｔは、以下の式（１７）で与えられる。但し、ベース４は、図１４のように水平に保たれるものとする。

ここで、負荷が人間である場合には角速度ω_２が十分に小さいため、ω_２≒０と近似すると、式（１８）においてｘ_２とその２階微分値をゼロにするときモーメントＭｔがゼロになる。ｘ_２とその２階微分値をゼロにすることは、ベース４上での負荷荷重トルクＴ_１がゼロとなるようにｘ_０及びｘ_１を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクＴ_１によるモーメントＭｔは、力Ｆ２でベース４上の作用点（ｘｆ，Ｌ）に作用することと等価である。したがって、このｘｆをゼロにするｘ_０、ｘ_１を与えることができればＴ_１＝０となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。

図１４に示すように、ベース４上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクＴｍを与えることによりｘ_０＝ｘ_１を保つように制御されているとき、ｘｆ＝ｘ_０となるようにモータトルクＴｍを制御することで姿勢を安定に保つことができる。

具体的には、誤差Ｅｆ＝ｘｆ−ｘ_０とするとき、Ｅｆ＞０であればｘ_０を正の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを負として機体を前進させ、Ｅｆ＜０であればｘ_０を負の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを正として機体を後退させることで、誤差Ｅｆをゼロに収束させることができる。すなわち、Ａ_０を正の定数として、Ｔｍ＝−Ａ_０＊ＥｆとなるモータトルクＴｍを与えることでＥｆをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。

実際には、例えば図１５のようにベース４がピッチ軸回りに角度θ_０だけ傾いた場合、体重Ｍの人間によりＴ_１（＝Ｍτ×Ｌ）の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクＴ_１と逆方向の車輪軸トルクＴ_０を与えるようにモータトルクＴｍを制御することで、ＺＭＰを車輪３の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。

ここで、ベース４上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常１〜２秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクＴ_１は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ１０に加算し、負荷変動に対してベース４の角度を一定に保つ必要がある。

そこで、上述の同軸二輪車１は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置１６内に図１６に示すような制御機構を有している。図１６において、減算器２０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ_０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器２１に供給される。姿勢制御器２１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０とからモータトルク電流値Ｔgyr［Ａ］を計算する。

また、調整器２２では、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４を用いて負荷荷重トルクＴ_１を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値Ｔ_１′／Ｋｍ［Ａ］を計算する。ここでＫｍはモータ定数［Ｎｍ/Ａ］である。負荷の重心座標が（Ｘｇ、Ｙｇ）であり、負荷重量がＷｇである場合、推定負荷荷重トルクＴ_１′は、以下の式（１８）のように与えられる。

そして減算器２３では、モータトルク電流値Ｔgyrと推定負荷荷重トルク電流値Ｔ_１′／Ｋｍとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流Ｉ［Ａ］としてモータ２４に与えられる。モータ２４はこのモータ電流Ｉによって回転することによりモータトルクＴｍを発生し、加算器２５では、このモータトルクＴｍと負荷荷重トルクＴ_１とが加算されてベース２６に伝えられる。

このように、負荷荷重トルクＴ_１を相殺するためのモータトルクＴｍをモータ２４に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。

以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、上述の同軸二輪車１は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二輪構造の制御機構を有している。

このような二輪構造の制御機構の物理モデルを図１７に示す。なお、この図１７においても、簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。図１７に示すように、ベース４にはジャイロセンサ１３、加速度センサ１４、圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ３０、ロータリエンコーダ３１、モータロータ３２が存在し、モータロータ３２の回転は減速器３３及びジョイント３４を介して車輪３に伝達される。

姿勢制御／調整器４０は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ_０、及び圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４から、上述したモータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ_１′を計算する。また、モータ制御器４１は、走行指令であるモータロータ３２の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ３１によって検出したモータロータ３２の現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算する。

そして、加算器４２において、モータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ_１′と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ３２に供給される。

ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、Ｘ軸加速度Ａｘがゼロのときベース４が水平になるように、Ｘ軸加速度Ａｘが正のときベース４を前方に傾けるように、Ｘ軸加速度Ａｘが負のときベース４を後方に傾けるように、それぞれ設定される。

そこで、例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図１８に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にＺＭＰが位置するようにベース４を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、Ｘ軸加速度Ａｘに比例して変化する。

制御機構のブロック図を図１９に示す。減算器５０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３（及び加速度センサ１４）によって検出した現在のベース角度θ_０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器５１に供給される。姿勢制御器５１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０とからモータトルクＴgyrを計算し、このモータトルクＴgyrを加算器５４に供給する。

一方、減算器５２では、走行指令であるモータロータ５７の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ５８によって検出したモータロータ５７の現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器５３に供給される。モータ制御器５３は、この回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器５４に供給する。

また、ベース４に負荷荷重トルクＴ_１が加えられると、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４が調整器５５に供給され、調整器５５は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクＴ_１′を計算する。

加算器５４では、姿勢制御器５１からのモータトルクＴgyrとモータ制御器５３からのモータトルクとが加算され、減算器５６では、この加算値から推定負荷荷重トルクＴ_１′が減算される。これが最終的なモータトルクＴｍとなり、モータロータ５７に与えられる。加算器５９では、このモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ_１とが加算され、この加算値がモータステータ／ベース６０に与えられる。

モータロータ５７は、モータトルクＴｍに応じて回転制御される。このモータロータ５７の回転位置θｒは、減速比Ｎ：１の減速器６１によって１／Ｎに変換され車輪３に伝達される。すなわち、車輪３の回転位置θｗは、モータロータ５７の回転位置θｒの１／Ｎである。ロータリエンコーダ５８は、このモータロータ５７の回転位置θｒを検出し、検出信号を減算器５２に供給する。

一方、モータステータ／ベース６０には、上述したように、モータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ_１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ／ベース６０の傾動は抑えられる。

図２０は、図１９に示したブロック図における処理を、ラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器５１には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０との偏差が与えられ、モータ制御器５３には、モータロータ５７の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差が与えられる。この姿勢制御器５１及びモータ制御器５３では、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。

すなわち、Ｋｐ_０、Ｋｐ_１が比例ゲインとなり、Ｋｉ_０、Ｋｉ_１が積分ゲインとなり、Ｋｄ_０、Ｋｄ_１が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Ｐrefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ５７は、比例ゲインＫｐ_０，Ｋｐ_１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫｐ_０、Ｋｐ_１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Ｐrefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。

また、モータロータ５７には、姿勢制御器５１からのモータトルクとモータ制御器５３からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクＴ_１′が減算されたモータトルクＴｍが与えられ、回転角度θｒだけ回転する。ここで、Ｊｒはモータロータ５７のイナーシャ（inertia）であり、Ｄｒはモータロータ５７の粘性抵抗（ダンパ係数）である。

一方、モータステータ／ベース６０には、上述の如くモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ_１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Ｊはモータステータ／ベース６０のイナーシャであり、Ｄはモータステータ／ベース６０の粘性抵抗（ダンパ係数）である。

この図２０に示した数学モデルは、より詳細には例えば図２１に示すようになる。図２１に示すように、姿勢制御器７０は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０との偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクＴgyrを生成し、モータ制御器７１は、モータ１０の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。

また、調整器７２は、圧力センサ１５のセンサ信号から推定負荷荷重トルクＴ_１′を生成する。加算器７３ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクＴｍがモータ１０に与えられる。モータ１０は、このモータトルクＴｍにより回転駆動され、その回転が減速比１６：１の減速器７４によって１／１６に変換され車輪３に伝達される。

以上、図１７乃至図２１では、簡単のため車輪３が１つであるものとして説明したが、左右２つの車輪３Ｒ，３Ｌを有する実際の同軸二輪車１では、例えば図１９における姿勢制御器５１が左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通に用いられる一方で、モータ制御器５３が左右独立に設けられる。

この場合の制御機構のブロック図を図２２に示す。ジャイロセンサ１３からのセンサ値ωｐは例えば通過帯域が０．１〜５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８０を介して角度算出器８２に送られ、加速度センサ１４からのセンサ値αｐは例えば遮断周波数が０．１Ｈｚのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を介して角度算出器８２に送られる。角度算出器８２では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ０が算出される。

また、減算器８３では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器８４に供給される。姿勢制御器８４は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ_０とから、上述したモータトルクＴgyrを計算する。

一方、減算器８５Ｒでは、右車輪３Ｒ用の走行指令であるモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ９３Ｒによって検出したモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器８６Ｒに供給される。位置比例制御器８６Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器８７Ｒに供給する。

また、微分器８８Ｒは、ロータリエンコーダ９３Ｒから供給されたモータロータ９２Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器８７Ｒに供給する。そして減算器８７Ｒでは、位置比例制御器８６Ｒからの比例制御結果と微分器８８Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器８９Ｒに供給される。速度比例制御器８９Ｒは、この偏差に対して速度比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を加算器９０Ｒに供給する。

加算器９０Ｒでは、この比例制御結果とモータトルクＴgyrと調整器９４において圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４から求めた推定負荷荷重トルクＴ_１′とが加算され、加算値が電流制御アンプ９１Ｒに供給される。電流制御アンプ９１Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ９２Ｒを駆動する。このモータロータ９２Ｒの回転位置は、減算器８５Ｒと共に微分器８８Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。

このように、上述の同軸二輪車１では、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。

次に、上述の同軸二輪車１における速度制御について説明する。

上述したように、上述の同軸二輪車１では、ベース４の四隅に設けられた４つの圧力センサ１５_１〜１５_４のセンサ信号ＰＳ_１、ＰＳ_２、ＰＳ_３、ＰＳ_４からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出し、負荷荷重トルクＴ１を求めているが、さらに、この重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）を走行する方向、速度の制御指令として用いる。具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合に、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき速度指令Ｖｘを変化させる。

その様子を図２３に示す。ここで図２３において、Ｘ_３からＸ_１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Ｗｇが大きいときや車輪３のガス圧が低いときには車輪３の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。

Ｘ座標がＸ_１以上になると、前進最大速度ＳfMAX に達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、Ｘ座標がＸ_２以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。

同様に、Ｘ座標がＸ_３以下になると、後退最大速度ＳbMAXに達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度ＳbMAXは、前進最大速度ＳfMAXよりも小さいことが好ましい。また、Ｘ座標がＸ_４以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。

Ｘ座標がＸ_１からＸ_２まで、或いはＸ_３からＸ_４までの間では、そのＸ座標Ｘｇに応じて、例えば以下の式（１９）により、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｐrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｐreflとが生成される。ここで、式（１９）において、Ｇ_０は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。

なお、時刻ｔ＝０での速度指令がＶｘ_０であり、時刻ｔ＝ｔ_１での速度指令がＶｘ_１である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Ｖｘ_１に到達するまでの時間をΔｔとすると、時刻ｔ（０≦ｔ≦ｔ_１）での走行速度指令Ｖref(ｔ)は、例えば以下の式（２０）により算出することができる。

このとき、モータ１０の回転位置指令Ｐref(ｔ)は、式（２０）の走行速度指令Ｖref(ｔ)を積分した値となり、以下の式（２１）に示すような５次関数で与えられる。ここで、式（２１）において、Ｐref_０は時刻ｔ＝０での回転位置指令である。

また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき、例えば図２４に示すように旋回速度指令Ｖｒを変化させることもできる。ここで図２４において、−Ｙ_１からＹ_１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。

なお、この停止領域は、原点Ｏ近傍で任意に設定することができる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Ｙ座標がＹ_１以上になると、右回り最大速度ＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Ｙ座標が−Ｙ_１以下になると、左回り最大速度ＣＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。

Ｙ座標がＹ_１以上又は−Ｙ_１以下では、そのＹ座標Ｙｇに応じて、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２２）に示すような逆位相指令となる。ここで、式（２２）において、Ｇ_１は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。

一方、走行速度がゼロでない場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２３）,（２４）に示すような同位相指令となる。ここで、式（２３）,（２４）において、Ｇ２は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。

ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いにより車輪３の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。

そこで、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。

一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、図２５に示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw_１［rad/sec］が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflの加算平均をＶref_０としたとき、以下の式（２５）、（２６）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式（２５）、（２６）において、Ｋ_０は正の定数である。

また、目標方向としてＤref［rad/sec］が与えられている場合には、以下の式（２７）、（２８）に示すように左右の車輪に回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflを与える。

このようにして得られた回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflは、それぞれ以下の式（２９）、（３０）により車輪の回転位置指令Ｐrefr、Ｐreflに変換される。ここで、式（２９）、（３０）において、ｋはサンプリング回数を表す整数であり、Ｐref(ｋ)はｋサンプリングでの回転位置指令を示す。

同様に、旋回する場合についても、左右の車輪３Ｒ、３Ｌのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。

一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw_２［rad/sec］が検出されている場合について説明する。右車輪３Ｒの回転位置指令Ｒrefr及び左車輪３Ｌの回転位置指令Ｒreflを微分した信号をそれぞれＶrefr、Ｖreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式（３１）で表される。

この場合、以下の式（３２）、（３３）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転位置指令Ｒrefr、Ｒreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式（３２）、（３３）において、Ｇ_３は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。

このように、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。

このような同軸二輪車による走行装置を、本願出願人は先に提案した。
ところで上述の機構において、エネルギ源を二次電池とモータによる走行する制御装置により構成されるシステムを設けることで、システムが加速するときにはモータはエネルギを消費し、減速するときは機械系の慣性エネルギによりモータが回転され、回生エネルギとして電力が発生される。同様に車両が下り坂を下るときにも同様に回生エネルギが生じて電力が発生される。

また、こうして得られる回生エネルギを検出してコンデンサに蓄え、その電気エネルギを二次電池に充電する装置を車両に内蔵されたシステムを設けることで、この制御装置は回生エネルギをリアルタイムに検出し、コンデンサに回生エネルギを自動的に蓄積し二次電池に充電することができる。

しかしながら、例えば特許文献２で述べた技術で回生エネルギの充電を行う場合には、例えばアクセルとブレーキの信号を用いて切り替え制御を行っているために、この技術をアクセルとブレーキの無いシステムには適用することができないものである。これに対して、モータの端子電圧を判別し、印加電圧より高くなったときに回生エネルギが発生していると判断して充電に切り替える方法も考えられるが、応答速度が遅く、効率の良い充電を行うことのできるものではなかった。

この出願はこのような点に鑑みて成されたものであって、解決しようとする問題点は、従来の装置では、回生エネルギの充電を行う場合に、例えばアクセルとブレーキの信号を用いて切り替え制御を行っていることから、この技術をアクセルとブレーキの無いシステムに適用することができなかったというものである。

このため本発明においては、車輪の回転数を設定すると共に、車輪の回転数を検出して検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に回生電力を充電する制御を行うようにしたものであって、これによれば、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができる。

請求項１の発明によれば、輪の回転数を設定すると共に、車輪の回転数を検出して検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に回生電力を充電する制御を行うようにしたことによって、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができるものである。

また、請求項２の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。

請求項３の発明によれば、回生エネルギの充電は複数の二次電池セルを直列に接続した充電池に対して行い、二次電池セルのそれぞれに充電端子を設けると共に、回生エネルギの量が少ないときは充電端子を選択して任意の二次電池セルに充電する制御を制御手段で行うことによって、回生エネルギの量が少ないときにも良好な充電を行うことができるものである。

請求項４の発明によれば、回生エネルギの充電は回生エネルギから形成される電圧を所定の充電電圧に昇圧または降圧して行うことによって、回生エネルギの量の多少によらず良好な充電を行うことができるものである。

請求項５の発明によれば、回生エネルギの充電が満充電のときは回生抵抗を作動させて過充電を防止する安全保護回路を内蔵することによって、常に安全な充電を行うことができるものである。

請求項６の発明によれば、温度センサを設け、二次電池の温度に応じた充電電圧を算出して充電電圧を調整する制御を制御手段で行うことによって、広い温度範囲で１００パーセントの充電を可能にすることができるものである。

請求項７の発明によれば、複数の車輪の回転数の設定と回生エネルギの充電の制御とは、それぞれ個別に制御手段を設けて行うと共に、これら個別の制御手段の間で相互に高速のデータ通信を行うことによって、安定かつ良好な走行及び充電を行うことができるものである。

さらに請求項８の発明によれば、輪の回転数を設定すると共に、車輪の回転数を検出して検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に回生電力を充電する制御を行うようにしたことによって、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができるものである。

また、請求項９の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。

請求項１０の発明によれば、回生エネルギの充電は複数の二次電池セルを直列に接続した充電池に対して行い、二次電池セルのそれぞれに充電端子が設けられ、回生エネルギの量が少ないときは充電端子を選択して任意の二次電池セルに充電する制御を行うことによって、回生エネルギの量が少ないときにも良好な充電を行うことができるものである。

請求項１１の発明によれば、回生エネルギの充電は回生エネルギから形成される電圧を所定の充電電圧に昇圧または降圧して行うことによって、回生エネルギの量の多少によらず良好な充電を行うことができるものである。

請求項１２の発明によれば、回生エネルギの充電が満充電のときは回生抵抗を作動させて過充電を防止することによって、常に安全な充電を行うことができるものである。

請求項１３の発明によれば、二次電池の温度に応じた充電電圧を算出して充電電圧を調整する制御を行うことによって、広い温度範囲で１００パーセントの充電を可能にすることができるものである。

請求項１４の発明によれば、複数の車輪の回転数の設定と回生エネルギの充電の制御には、それぞれ個別に制御手段を設けると共に、これら個別の制御手段の間で相互に高速のデータ通信を行うことによって、安定かつ良好な走行及び充電を行うことができるものである。

これによって、従来の装置では、回生エネルギの充電を行う場合に、例えばアクセルとブレーキの信号を用いて切り替え制御を行っていることから、この技術をアクセルとブレーキの無いシステムに適用することができなかったものを、本発明によればこれらの問題点を容易に解消することができるものである。

すなわち本発明においては、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、記検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、複数の車輪の回転数を検出する手段が設けられ、検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より多い時に、複数の車輪を駆動する手段からの回生エネルギを充電する制御を行う制御手段を有してなるものである。

また、本発明においては、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、複数の車輪の回転数を検出し、検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に複数の車輪を駆動する手段からの回生電力を充電する制御を行うことを特徴とするものである。

以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１は本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。

図１において、例えば左右２個の車輪１０１、１０２が設けられる。これらの左右の車輪１０１、１０２は、テーブル(筐体)１０３によって、それぞれの車軸１０４、１０５が一直線上になるように配置される。さらにテーブル１０３には、左右のモータ１０６、１０７がそれぞれ車輪１０１、１０２に近接して配置され、これらの左右のモータ１０６、１０７の回転軸１０８、１０９がそれぞれ伝達部(減速機)１１０、１１１を通じて車軸１０４、１０５に連結されて、車輪１０１、１０２が回転駆動されるようになっている。

また、テーブル１０３には、搭乗者の姿勢を検出するためのジャイロセンサや加速度センサ等のセンサ回路１１２が搭載される。そしてこのセンサ回路１１２にて検出されたセンサ信号が制御装置１１３に供給されてモータ１０６、１０７の駆動の制御が行われ、ロール軸及びピッチ軸に対するテーブル１０３の姿勢の制御が行われると共に、この制御装置１１３に併設される充電回路１１４(図示せず)による二次電池１１５(図示せず)への回生エネルギの充電の制御が行われる。

さらに図２には、本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の装置全体のシステム構成を示す。

図２において、上述のセンサ回路１１２に含まれるジャイロセンサ２０１及び加速度センサ２０２のセンサ信号によってテーブル１０３(図示せず)の角度θ_０が検出され、この検出信号が上述の制御装置１１３に含まれる中央制御装置(姿勢制御装置)３０１に供給される。そしてこの中央制御装置３０１で形成された位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)が、それぞれ左右のモータ制御装置３０２及び３０３に供給されて、上述の左右のモータ１０６及び１０７の駆動の制御が行われる。

さらにモータ１０６及び１０７には、それぞれロータリエンコーダ１１６及び１１７が設けられる。そしてこれらのロータリエンコーダ１１６及び１１７では、それぞれモータ１０６及び１０７の回転位置θm1及びθm2が検出され、これらの検出信号がモータ制御装置３０２及び３０３にフィードバックされて、それぞれモータ１０６及び１０７の回転位置θm1及びθm2が中央制御装置３０１で形成された位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)に応じたものとなるようにフィードバック制御が行われる。

それと共に、モータ制御装置３０２及び３０３では、回転位置θm1及びθm2と位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)との比較によって回生状態の検出が行われる。すなわちモータ制御装置３０２及び３０３では、位置指令信号Ｐref1(t)及びＰref2(t)からそれぞれの車輪に設定された回転数を知ることができ、また回転位置θm1及びθm２からは実際の車輪の回転数を知ることができる。そして検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に回生エネルギが発生していると判断することができる。

そこで、これらの回生状態のデータをそれぞれシリアル通信で回生充電回路１１４に伝達し、二次電池(バッテリ)１１５の放電と充電の制御を行う。すなわち、回生エネルギが発生していない状態では、二次電池１１５に充電された電力を放電させ、モータ制御装置３０２及び３０３に供給してモータ１０６及び１０７を駆動する。また回生エネルギが発生している状態では、モータ１０６及び１０７で発生する回生エネルギをモータ制御装置３０２及び３０３から取り出して二次電池１１５に充電する制御を行う。

従ってこの実施形態において、車輪の回転数を設定すると共に、車輪の回転数を検出して検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に回生電力を充電する制御を行うようにしたものであって、これによれば、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができる。

これによって、従来の装置では、回生エネルギの充電を行う場合に、例えばアクセルとブレーキの信号を用いて切り替え制御を行っていることから、この技術をアクセルとブレーキの無いシステムに適用することができなかったものを、本発明によればこれらの問題点を容易に解消することができるものである。

すなわち、上述の実施形態によれば、アクセルやブレーキの信号を用いて切り替え制御を行うものではないので、アクセルやブレーキの無い同軸二輪車等のシステムに適用することができる。また、例えばモータの端子電圧を判別し、印加電圧より高くなったときに回生エネルギが発生していると判断して充電に切り替える方法に比しては、応答速度を早くすることができて、効率の良い充電を実現することのできるものである。

さらに図３には、回生充電回路及びその周辺回路の具体的な回路接続図を示す。図３において、回生充電回路１１４にはマイクロコンピュータ(マイコン)４０１と定電圧定電流制御回路４０２と複数の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ４０３が設けられる。また、二次電池１１５は直列に接続された複数のセルで構成される。これらの複数のセルは、それぞれ例えば４．２Ｖの充電電圧で構成される。

ここで、上述の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ４０３を、二次電池１１５を構成するセル数と同数を実装し、各セルに充電電圧を供給する構成とすることにより、充電回路は低い電圧で動作することができるようになる。すなわちこの構成とすることにより、例えばセルの数が４個の場合には１６．８Ｖを必要としたものが、個々のセルの電圧は４．２Ｖとなり、回生電圧が低くても回路は動作することができるものである。

また、モータ制御装置３０２、３０３には、マイクロコンピュータ(マイコン)からなるモータ制御回路３１０と電流制御回路３１１が設けられる。そして、ロータリエンコーダ１１６及び１１７で検出されたモータ１０６及び１０７の回転数がモータ制御回路３１０に供給され、中央制御装置１１３で設定された回転数との誤差が求められて、その誤差を解消する方向に、電流制御回路３１１にてモータ１０６及び１０７の駆動が制御される。

それと同時に、モータ制御回路３１０のマイコンにはモータ１０６及び１０７が減速して回生エネルギを充電できる状態をシリアル通信により回生充電回路１１４のマイコン４０１に送信する回路を有する。そして、充電回路１１４のマイコン４０１は、上述のシリアル通信によるモータ情報を受信して、回生エネルギをコンデンサＣ_２に蓄積するように後述するトランジスタ等を制御する。

すなわち、モータ制御回路３１０は、モータ１０６及び１０７に実装されたロータリエンコーダ１１６及び１１７の出力を取り込んで速度フィードバック制御する装置を内蔵し、中央制御装置１１３から発生される速度指令信号と実際のモータ速度信号を入力して、速度指令以上に実際の速度が大きいとき、機械エネルギが電気エネルギに変換される回生エネルギ状態を検出し、その情報を充電回路１１４のマイコン４０１へ通信データとして送信する。

そして、充電回路１１４のマイコン４０１は、モータ制御回路３１０から送られた回生状態の通信データを受信して回生エネルギをコンデンサＣ_２に蓄積する。コンデンサＣ_２に蓄積した電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ４０３により二次電池１１５の充電電圧に変換して二次電池１１５に充電する。以下にさらに詳細に説明する。

ここで、モータ１０６及び１０７は減速するとき発電作用により機械エネルギは電気エネルギに変換される。例えば図４に示すように減速時間が短い程、機械エネルギが大きくなるため回生電流は大きく流れる。この機械エネルギＪはモータロータから見た車両本体の質量ｍ[ｋｇ]と減速度の大きさＤ[ｍ／Sec^２]に比例する。
Ｊ＝Ｋ_０×ｍ×Ｄ[ｊ] ただし、Ｋ_０はモータによって定まる正の定数。

さらに、この機械エネルギＪはモータ１０６及び１０７により電気エネルギ（回生電圧と回生電流）に変換される。こうして得られた回生電力をコンデンサＣ_２に蓄積し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０３により一定電圧に制御された電源により二次電池１１５に充電する。また、モータ１０６及び１０７が加速するときは機械エネルギを消費するため二次電池１１５のエネルギが放出して図４に示すように電流と共に電圧が低下する。

このようにして、モータ１０６及び１０７が減速するとき機械エネルギが電気エネルギに変換するためモータコイル電圧は印加電圧よりも大きくなる。この回生電圧を回生コンデンサＣ_２に蓄積してこの電気エネルギを二次電池１１５に充電する。すなわちこの実施形態では、モータ１０６及び１０７の減速期間を充電エネルギとしてコンデンサＣ_２に蓄積するように回路により制御することを特徴とする。

また、マイコン４０１は二次電池１１５の電圧Ｖbatとモータコイル電源Ｖｍを同時に観測している。これによりマイコン４０１は、モータ１０６及び１０７が外力により回転されて生じる逆起電力電圧や減速時期に生じる回生電力により二次電池電圧以上に大きくなった場合、トランジスタＴＲ_２をオフして二次電池１１５と同じ電圧に設定されたツェナダイオードＺＤ_１の電圧以上の電圧のエネルギをコンデンサＣ_２に蓄積する。

さらに、二次電池１１５が放電状態で電圧が小さくなるとき、マイコン４０１はトランジスタＴＲ_２をオンし、モータ１０６及び１０７が低速回転で回転して生じる誘起電圧が低い電圧でもコンデンサＣ_２に充電する。こうしてコンデンサＣ_２に回生エネルギを常に蓄積することができる。すなわち、常に機械エネルギを電気エネルギに変換して蓄積できるため二次電池１１５は充電をすることができるようになる。

これに対して、もし二次電池１１５が完全に充電された状態で車両が下り坂を下るような場合には、機械エネルギが大きくなり充電することができなくなるとモータコイル電圧が上昇して回路を破損する危険が生じる。この問題を解説するため、充電できない状態ではトランジスタＴＲ_１をオンしてエネルギを回生抵抗Ｒｘにより熱により放電する制御をマイコン４０１で行う。

すなわち、内蔵マイコン４０１は二次電池１１５の充電状態を、抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２からなる電池電圧検出回路４０４により観測し、満充電の場合で回生電圧が大きくなるときトランジスタＴＲ_１をオンして回生抵抗Ｒｘを通じて放電する。また二次電池１１５のセルに付けた温度センサ４０５によりマイコンは最適な充電電圧を算出して温度に応じた充電電圧により充電することにより、温度が変化しても１００％充電が実現される。

さらに、モータ制御回路３１０は上位の中央制御装置１１３からのモータ回転指令とロータに実装されたロータリエンコーダ１１６及び１１７からの信号を比較して誤差がゼロになるようにフィードバック制御により駆動される装置で構成される。この装置では上位指令から回転角度指令から回転速度指令が算出される。このモータ制御回路３１０で、速度指令に比べ実際のモータ速度が小さいときは電池からのエネルギが放出されている状態となる。

逆に速度指令に比べ実際のモータ速度が大きいときはモータ１０６及び１０７は外力から機械エネルギが与えられて回転し、モータ１０６及び１０７から回生電圧が発生してコンデンサＣ_２に電気エネルギを充電する状態となる。このようにモータ１０６及び１０７の回生エネルギの状態が検出することができる。こうして検出された回生エネルギが充電される状態を、回生充電回路１１４のマイコン４０１にシリアル通信により伝達される。

これにより、マイコン４０１は回生エネルギを回生コンデンサＣ_２に蓄積するようトランジスタＴＲ_２をオンし、トランジスタＴＲ_３をオフする。また再び、加速してモータ１０６及び１０７がエネルギを消費するときトランジスタＴＲ_２をオフし、トランジスタＴＲ_３をオンする。このようにしてモータ１０６及び１０７のエネルギ消費状態は二次電池１１５のエネルギを用い、回生エネルギがあるときは回生電力をコンデンサＣ_２に蓄積をすることによりバッテリ（二次電池１１５）の消費を少なくすることができる。

このように蓄積された回生エネルギはＤＣ／ＤＣコンバータ４０３により二次電池１１５のセルに個別に充電される。こうして低い電圧で充電することにより回生エネルギが小さくても充電することが可能となる。

さらに二次電池１１５が十分に充電され、かつ車両が坂道を下るような状態で回生コンデンサＣ_２も充電されている状態では充電回路１１４のマイコン４０１はトランジスタＴＲ_１をオンにして回生エネルギを回生抵抗Ｒｘにより熱により放電する。こうして二次電池１１５が充電している状態でも回生抵抗Ｒｘにより電圧を制御して過充電を防ぐことができる。

これにより、従来は低速回転では誘起電圧が低いため充電するためＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧を昇圧しなければならず、一方、高速回転では誘起電圧が高くなり降圧しなければ成らず、このためＤＣ／ＤＣコンバータは入力電圧変動範囲が大きい設計をする必要があったものを、上述の実施形態によれば、低速回転から高速回転において回生エネルギを有効に二次電池に充電可能とした回路を提供することができる。

また、従来の車両用回生充電回路はアクセル信号とブレーキ信号により回生電力を充電する制御を行っており、例えば二輪走行車の場合のように、アクセル信号、ブレーキ信号が無いシステムにおいては適応が不可能であったが、上述の実施形態によれば、外力により回転される情報はモータ制御回路のマイコンにより検出され、この情報を充電回路に通信して充電することができる。

さらに、モータが外部から外力によりロータが回転された機械エネルギをモータによりモータコイルの誘起電圧に変換される電圧エネルギをコンデンサに蓄積し、その蓄積した電気エネルギを二次電池に充電することができ、このとき誘起電圧が低くても二次電池は複数のバッテリセルで構成されている構造であるため各々のセルごとに充電する電圧は低い電圧でも充電が可能となる。

さらに上述の動作を行うマイコンによる回生充電回路のトランジスタ制御のフローチャートを図５に示す。図５において、走行運転が行われている状態で、ステップ〔１００〕としてモータ制御装置３０２、３０３から回生状態のデータが送信される。そしてステップ〔１〕で回生状態のデータが受信される。さらにステップ〔２〕で
｜指令速度｜＞｜実際の速度｜
であるか否か判断される。

そしてステップ〔２〕でそうであるとき（Ｙｅｓ）は、ステップ〔３〕でトランジスタＴＲ_３をオン、ＴＲ_２をオフ、ＴＲ_１をオフにして、ステップ〔４〕で二次電池は放電される。さらにステップ〔１〕に戻されて動作が繰り返される。

これに対し、ステップ〔２〕でそうでないとき（Ｎｏ）は、ステップ〔５〕でトランジスタＴＲ_３をオフ、ＴＲ_２をオンする。さらにステップ〔６〕で
｜逆起電力Ｖｍ｜＞｜最大回生電圧｜
であるか否か判断される。

そしてステップ〔６〕でそうであるとき（Ｙｅｓ）は、ステップ〔７〕でトランジスタＴＲ_１をオンにして回生抵抗放電を行い、ステップ〔６〕でそうでないとき（Ｎｏ）は、ステップ〔８〕でトランジスタＴＲ_１をオフにして二次電池に充電を行う。さらにステップ〔１〕に戻されて動作が繰り返される。このようにして、回生充電回路のトランジスタ制御が行われる。

こうして上述の走行装置によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、記検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、複数の車輪の回転数を検出する手段が設けられ、検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より多い時に、複数の車輪を駆動する手段からの回生エネルギを充電する制御を行う制御手段を有することにより、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができるものである。

また、上述の走行装置の制御方法によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、複数の車輪の回転数を検出し、検出された車輪の回転数が設定された車輪の回転数より速い時に複数の車輪を駆動する手段からの回生電力を充電する制御を行うことにより、極めて効率の良い回生電力の充電を行うことができるものである。

なお、本発明は、重力中心が車輪の軸以下にある自律走行する車両で、姿勢センサ信号をフィードバックする姿勢制御装置により機体を安定に自律する車両に人が搭乗して体重の重心を変化させて車両を前進、後進、旋回する装置、また二足自律ロボットの装置で、ブレーキやアクセルの機構を持たない移動車両、またはロボットにも適応される。さらに本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。

本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。 本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の装置全体のシステム構成を示す構成図である。 回生充電回路及びその周辺回路の具体的な回路接続を示す接続図である。 その説明のための図である。 その動作の説明のためのフローチャート図である。 本願発明者が先に提案した同軸二輪車の実施形態を示す外観斜視図である。 同軸二輪車のベースを説明するための側断面図である。 同軸二輪車のべースに設けられた圧力センサを示す図であり、同図（Ａ）は平面図を示し、同図（Ｂ）は側面図を示す。 同軸二輪車の重量中心と車輪軸との位置関係を示す図である。 負荷荷重トルクとモータトルクとのつり合いを説明する図である。 人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。 ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。 ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。 ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。 同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。 姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。 車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示す図である。 同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。 車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。 図１９に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。 図２０に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。 車輪が２つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。 前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。 旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。 直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号が検出される場合の制御方法を説明する図である。

符号の説明

１１２…センサ回路、２０１…ジャイロセンサ、２０３…加速度センサ、１１３…制御装置、３０１…中央制御装置(姿勢制御装置) 、３０２，３０３…モータ制御装置、１０６，１０７…モータ、１１６，１１７…ロータリエンコーダ、１１４…回生充電回路、１１５…二次電池(バッテリ)

Claims (14)

1. 複数の車輪を独立に駆動する手段と、前記複数の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、
   前記複数の車輪の回転数を検出する手段が設けられ、
   前記検出された車輪の回転数が前記設定された車輪の回転数より多い時に、前記複数の車輪を駆動する手段からの回生エネルギを充電する制御を行う制御手段を有する
   ことを特徴とする走行装置。
2. 前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
   前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
3. 前記回生エネルギの充電は複数の二次電池セルを直列に接続した充電池に対して行い、
   前記二次電池セルのそれぞれに充電端子を設けると共に、
   前記回生エネルギの量が少ないときは前記充電端子を選択して任意の前記二次電池セルに充電する制御を前記制御手段で行う
   ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
4. 前記回生エネルギの充電は回生エネルギから形成される電圧を所定の充電電圧に昇圧または降圧して行う
   ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
5. 前記回生エネルギの充電が満充電のときは回生抵抗を作動させて過充電を防止する安全保護回路を内蔵する
   ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
6. 温度センサを設け、
   前記二次電池の温度に応じた充電電圧を算出して充電電圧を調整する制御を前記制御手段で行う
   ことを特徴とする請求項３記載の走行装置。
7. 前記複数の車輪の回転数の設定と前記回生エネルギの充電の制御とは、それぞれ個別に制御手段を設けて行うと共に、これら個別の制御手段の間で相互に高速のデータ通信を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
8. 複数の車輪を独立に駆動すると共に、前記複数の車輪を連結する筐体を有し、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、
   前記複数の車輪の回転数を検出し、
   前記検出された車輪の回転数が前記設定された車輪の回転数より速い時に前記複数の車輪を駆動する手段からの回生電力を充電する制御を行う
   ことを特徴とする走行装置の制御方法。
9. 前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
   前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
   ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
10. 前記回生エネルギの充電は複数の二次電池セルを直列に接続した充電池に対して行い、
    前記二次電池セルのそれぞれに充電端子が設けられ、
    前記回生エネルギの量が少ないときは前記充電端子を選択して任意の前記二次電池セルに充電する制御を行う
    ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
11. 前記回生エネルギの充電は回生エネルギから形成される電圧を所定の充電電圧に昇圧または降圧して行う
    ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
12. 前記回生エネルギの充電が満充電のときは回生抵抗を作動させて過充電を防止する
    ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
13. 前記二次電池の温度に応じた充電電圧を算出して充電電圧を調整する制御を行う
    ことを特徴とする請求項１０記載の走行装置の制御方法。
14. 前記複数の車輪の回転数の設定と前記回生エネルギの充電の制御には、それぞれ個別に制御手段を設けると共に、これら個別の制御手段の間で相互に高速のデータ通信を行う
    ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。

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