JP2007038962A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 姿勢制御を容易、高性能とし、車両を小型化する。
【解決手段】 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。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。車両の姿勢が安定した後は、バランサを自由回転させる。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、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。更に、バランサをコンパクト化することができると共に、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。
【選択図】 図２

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。

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。

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。

特開２００５−０９４８９８公報 特開２００４−１２９４３５公報

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。

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。

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回転体と、前記回転体の回転を加速し、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回転体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、前記姿勢維持手段は、前記前記運転操作部が前記所定の位置にある場合、前記回転体を自由回転させることを特徴とする。

本発明によれば、車軸と平行な回転軸の回りに回転する回転体を回転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。

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）。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、このように協働して動作し、駆動輪駆動手段を構成している。

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。

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。

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。

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。

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１７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。

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の角速度をもとめ、バランサ２１の回転方向を確認する。
そして、主制御装置１６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。

次に、図７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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施形態における車両の外観構成図である。 バランサによる姿勢制御の原理についての説明図である。 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。 車両のハードウェア的な構成についての説明図である。 制御ユニットによる姿勢制御の処理を表すフローチャートである。 従来のバランサを用いた姿勢制御の説明図である。

符号の説明

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 アーム
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 バランサモータ駆動装置
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

Claims (3)

1. 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回転体と、
   前記回転体の回転を加速し、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。
   
2. 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回転体を加速することを特徴とする請求項１に記載の車両。
   
3. 前記姿勢維持手段は、前記前記運転操作部が前記所定の位置にある場合、前記回転体を自由回転させることを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の車両。

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