JP2007045331A - 走行装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な手段で加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行う。
【解決手段】 ロータ角度検出部を有する右車輪駆動モータ１７、左車輪駆動モータ１８はそれぞれ駆動回路１９、２０を介して演算装置２１に接続される。またバッテリー１６からの電力が演算装置２１及び駆動回路１９、２０に供給されると共に、駆動回路１９、２０への電力供給路には非常停止スイッチ２５が設けられる。さらに、演算装置２１には搬送装置の姿勢状態（ジャイロによる角速度検出軸ピッチ、ヨー、ロール、加速度センサーによる加速度検出軸Ｘ、Ｙ、Ｚ）を検出する姿勢検出センサーユニット２２、ハンドル角度検出センサー２３、旋回操作レバー２４が接続される。そしてこれらの信号から、演算装置２１は所定の走行状態を維持するための信号を算出して駆動回路１９、２０に出力し、右車輪駆動モータ１７、左車輪駆動モータ１８を介して車輪を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば同一軸心線上に配置された２個の車輪を備えた同軸二輪車に適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、車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求めて、走行装置の制御が良好に行われ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。）。

米国特許第６２８８５０５号明細書

例えば、人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物としては、上記の特許文献１に記載のような装置が提案されている。このような装置において、車両を前進、後退若しくは旋回走行させようとする場合には、車両の全体を前進、後退若しくは旋回走行しようとする方向に傾けて、その傾きをセンサーによって検出し、その検出値に基づいて車両が前進、後退若しくは旋回走行するように制御が行われる。

ところが、上述の車両の傾斜角度を、例えば多軸加速度センサーを用いて計測している場合に、加速度センサーを搭載した車両が走行することによって生じる車両自身の加速、減速、若しくは旋回による遠心力のために、正しい傾斜角度が計測できなくなってしまう恐れがある。従って従来の技術では、静止しているとき、若しくは等速度で直進しているときしか正しい角度を計測できないものであった。

また、加速度の影響を受けない他の種類のセンサー（例えばジャイロセンサー）を併用する方法も考えられるが、例えばジャイロセンサーでは、ジャイロのドリフトや積分誤差の蓄積などで静止しているときの正しい角度を計測できないため、加速度センサーから求められた傾斜角度とジャイロセンサーの出力を積分した角度とをフィルター処理などで合成することが行われるものであり、このような処理では充分な精度で計測を行うことができない。

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、従来の技術では、車両自身の加速、減速、若しくは旋回による遠心力のために、正しい傾斜角度が計測できなくなってしまう恐れがあるというものである。

このため本発明においては、車体の駆動の制御に関わる値から車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求めるようにしたものであって、こうして求められた加減速度及び／または遠心力を用いることによって、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行うことができる。

請求項１の発明によれば、それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、２つの車輪の間で前後の安定を保つように制御されて走行される走行装置であって、車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、駆動の制御に関わる値から、車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求める手段を有することにより、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御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、走行の制御を行うためのピッチ角度センサーを有している場合に、車体の車輪の回転速度の制御値から車体に掛かる加減速度の値を求め、この算出された加減速度の値によりピッチ角度センサーの出力を補正して正しいピッチ角度を算出する手段を設けることにより、補正されたピッチ角度を用いて良好な車両の制御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、走行の制御を行うためのロール角度センサーを有している場合に、車体の２つの車輪の回転速度の制御値の差から車体の旋回速度を算出し、この旋回速度と車輪の回転速度の制御値から車体に掛かる遠心力の値を求め、この算出された遠心力の値によりロール角度センサーの出力を補正して正しいロール角度を算出する手段を設けることにより、特に旋回走行時において良好な車両の制御を行うことができるものである。

さらに請求項４の発明によれば、それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、２つの車輪の間で前後の安定を保ちつつ走行される走行装置の制御方法であって、車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、駆動の制御に関わる値から、車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求めることにより、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行うことができるものである。

また、請求項５の発明によれば、走行の制御を行うためのピッチ角度センサーを有している場合に、車体の車輪の回転速度の制御値から車体に掛かる加減速度の値を求め、この算出された加減速度の値によりピッチ角度センサーの出力を補正して正しいピッチ角度を算出することにより、補正されたピッチ角度を用いて良好な車両の制御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、走行の制御を行うためのロール角度センサーを有している場合に、車体の２つの車輪の回転速度の制御値の差から車体の旋回速度を算出し、この旋回速度と車輪の回転速度の制御値から車体に掛かる遠心力の値を求め、この算出された遠心力の値によりロール角度センサーの出力を補正して正しいロール角度を算出することにより、特に旋回走行時において良好な車両の制御を行うことができるものである。

これによって、従来の技術では、車両自身の加速、減速、若しくは旋回による遠心力のために、正しい傾斜角度が計測できなくなってしまう恐れがあったものを、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。

まず始めに、本発明が適用される本願出願人が先に提案（特願２００５-１１７３６５号）した新規な同軸二輪車について、図７、図８を参照して説明する。ただし、本発明はこの先願の同軸二輪車に限定されるものではない。

〔走行装置構成の概要〕
図７には走行装置（同軸二輪車）の外観を正面図及び側面図で示し、図８にはその要部を拡大して示す。この図７において、走行装置１００には、平行に配置された一対の車輪１Ａ、１Ｂと、車輪１Ａ、１Ｂを独立に回転駆動する駆動手段２Ａ、２Ｂと、これらの駆動手段２Ａ、２Ｂを支持し搭乗者が搭乗するステッププレート３Ａ、３Ｂを有する左右それぞれのステップユニット４Ａ、４Ｂが設けられる。

また、これらのステップユニット４Ａ、４Ｂには、左右それぞれのステップユニット４Ａ、４Ｂを互いに平行に可動可能に連結するための、上下に分割された車体が設けられ、この車体上部５が回転支持ピン６Ａ、６Ｂを介してステッププレート３Ａ、３Ｂに連結され、また車体下部７も回転支持ピン８Ａ、８Ｂを介してステッププレート３Ａ、３Ｂに連結されて、平行リンクを形成している。

さらにハンドルポスト１１も、回転支持ピン９（図８のピン１２を含む）、及び回転支持ピン１０を介して車体上部５、及び車体下部７に連結され、ステップユニット４Ａ、４Ｂと平行に可動する。この時、ハンドルポスト１１が自立するよう上下に分割された車体上部５と車体下部７との間にはバネ３５が配置され、図７の状態を保っている。

また、図８は側面より見た断面図であって、車体下部７の内部には、走行装置本体の走行時の角速度及び加速度を検出して走行装置本体の角速度及び走行加速度を制御するための、ピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の少なくともいずれかの軸の角速度を検出するジャイロセンサーと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の少なくともいずれかの軸の加速度を検出する加速度センサーからなる姿勢センサーユニット１３が設けられている。

そして、姿勢センサーユニット１３の各姿勢検出センサーからの信号から、演算装置１４を介して所定の走行状態を維持するための信号を車体上部５の内部に配置された駆動回路１５に出力し、駆動手段２Ａ（２Ｂ）によって車輪１Ａ（１Ｂ）を駆動する走行装置１００が形成される。なお、ハンドルポスト１１下端付近には、走行装置１００全体の電力源となるバッテリー１６が配置されている。

本発明による走行装置及びその制御方法は、上記の走行装置１００に適用される。そこで、以下に図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明を適用した走行装置１００の回路構成を示すブロック図である。

〔装置構成〕
すなわち図１において、ロータ角度検出部を有する右車輪駆動モータ１７、左車輪駆動モータ１８は、それぞれ駆動回路１９、２０を介して、演算回路（ＣＰＵ）及び記憶装置（メモリー）の内蔵された演算装置２１に接続される。なお、バッテリー１６からの電力が演算装置２１及び駆動回路１９、２０に供給されると共に、駆動回路１９、２０への電力供給路には、例えば図７に示したハンドルグリップ３１に内蔵される非常停止スイッチ２５が設けられる。

さらに、演算装置２１には搬送装置の姿勢状態（ジャイロによる角速度検出軸ピッチ、ヨー、ロール、加速度センサーによる加速度検出軸Ｘ、Ｙ、Ｚ）を検出する姿勢検出センサーユニット２２、ハンドル角度検出センサー２３、旋回操作レバー２４が接続される。そしてこれらの信号から、演算装置２１は所定の走行状態を維持するための信号を算出して駆動回路１９、２０に出力し、右車輪駆動モータ１７、左車輪駆動モータ１８を介して車輪（図示せず）を駆動する。

そこで上述の装置において、前傾した状態で加速を行った場合の真実の傾きθ_Pと加速度センサーで計測されるピッチ角度α_P、車両加速度ｘ″によって発生する傾きβ_Pの関係を図２のＡに示す。すなわちこの図２のＡは、車両の加速、減速時における影響を説明するものである。

すなわち、この図２のＡは、前傾しながら加速している車両を横から見た場合（ピッチ軸）であって、この場合に、真実の傾きθ_Pは、
θ_P＝α_P＋β_P ………（１）
で表される。一方、車両加速度ｘ″によって発生する傾きβ_Pは、重力加速度を値ｇと置いて、
β_P＝tan^-1（ｘ″／ｇ） ………（２）
で表される。

従って、式（１）に式（２）を代入すると
θ_P＝α_P＋tan^-1（ｘ″／ｇ） ………（３）
となり、計測されたピッチ角度α_Pと車両加速度ｘ″とから、真実の傾きθ_Pを求めることができる。そして、この求められた真実の傾きθ_Pを姿勢演算に使用することによって、加速、減速時にも安定な車両の制御を行うことができる。

さらに、ハンドルを左に傾けながら（センサーが取り付けられている車体下部は右に傾く）前進しつつ左に旋回する場合の真実の傾きθ_rと加速度センサーで計測されるロール角度α_r、遠心力−ｙ″によって発生する傾き−β_rの関係を図２のＢに示す。すなわちこの図２のＢは、車両の旋回時における遠心力の影響を説明するものである。

すなわち、この図２のＢは、ハンドルを左に傾けながら（プラットフォームは右に傾く）左旋回している車両を後ろから見た場合（ロール軸）であって、この場合に、真実の傾きθ_rは、
θ_r＝α_r＋β_r ………（４）
で表される。

一方、車両速度ｘ′によって発生する傾きβ_rは、重力加速度を値ｇと置いて、
β_r＝tan^-1（ｙ″／ｇ） ………（５）
で表され、この遠心力ｙ″は、旋回半径を値ｒ、ヨーレートを値θ_yと置いて、
ｙ″＝ｒ・θ_y ^２＝ｘ′・θ_y ………（６）
で表される。

従って、式（４）に式（５）を代入すると
θ_r＝α_r＋tan^-1（ｙ″／ｇ） ………（７）
となり、計測されたロール角度α_rと遠心力ｙ″とから、真実の傾きθ_rを求めることができる。そして、この求められた真実の傾きθ_rを姿勢演算に使用することによって、旋回時の遠心力が発生しているときにも安定な車両の制御を行うことができる。

なおこのとき、車両加速度ｘ″と遠心力ｙ″は車輪の回転速度の平均と差分から正確な値を求めることができるものであるが、車輪の車両中心と加速度センサーの取り付け位置がずれている場合は、以下に述べるように補正を行う必要がある。

すなわち図２のＣにおいて、加速度センサーにかかる加速度を値ｘ″、遠心力を値ｙ″と置くと、加速度の補正値Ｘ″、遠心力の補正値−Ｙ″は、それぞれ、
Ｘ″＝ｒ_acc・θ_y ^２・sinα_acc＝θ_y ^２・ｘ_acc
Ｙ″＝ｒ_acc・θ_y ^２・cosα_acc＝θ_y ^２・ｙ_acc
で表される。

ただし、
ｘ″＝ｘ_c″＋Ｘ″＝ｘ_c″＋θ_y ^２・ｘ_acc
ｙ″＝ｘ′・θ_y−θ_y ^２・ｙ_acc
なお、ｘ_c″：車両中心の加速度、ｘ′：車両中心の速度、θ_y：ヨーレート、ｙ_acc,ｘ_acc：車両中心から加速度センサーまでの距離
である。

従って図２のＣに示す関係により車両加速度ｘ″と遠心力ｙ″の補正を行い、車両の運動によって加速度センサーに生じる加速度と遠心力を求めて上記の演算に使用することができる。これによって、車輪の車両中心（三角形の左下の頂点）と加速度センサーの取り付け位置（三角形の右上の頂点）がずれている場合にも、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行うことが可能となる。

そこで図３には、上述した全ての処理を含む全体の処理の流れを機能ブロック図で示す。すなわち図３において、加速度センサー６１で検出されたＸ、Ｙ、Ｚ軸の加速度が、角度演算部６２に供給されてピッチ及びロールの角度が算出される。また、車輪速度検出部６３で検出された左右の車輪速度が、車両速度及び旋回速度演算部６４に供給されて車両速度及び旋回速度が算出される。

そして、車両速度及び旋回速度演算部６４で算出された車両速度が、微分演算部６５に供給されて車両加速度が算出され、この車両加速度と、車両速度及び旋回速度演算部６４からの車両速度及び旋回速度が、加速度補正及び遠心力補正演算部６６に供給されて、角度演算部６２で算出されたピッチ及びロールの角度の値が補正される。さらにこれらの補正されたピッチ及びロールの角度の値がフィルタ演算部６７に供給される。

一方、角速度センサー６８でピッチ及びロールの角速度が検出される。また、ハンドル傾斜角検出部６９で検出されたハンドル傾斜角がリンク角演算部７０に供給され、算出されたリンク角と、車両速度及び旋回速度演算部６４で算出された旋回速度が旋回補正演算部７１に供給されて、角速度センサー６８で検出されたピッチ及びロールの角速度の旋回補正が行われる。

さらに、旋回補正演算部７１で旋回補正されたピッチの角速度が、斜面補正演算部７２に供給され、車両速度及び旋回速度演算部６４で算出された旋回速度によって斜面補正が行われる。この斜面補正演算部７２で斜面補正されたピッチの角速度と、旋回補正演算部７１で旋回補正されたロールの角速度とが積分演算部７３に供給される。そして、上述のフィルタ演算部６７との間で相互に補正が行われる。

これにより、積分演算部７３からはピッチ角度・ピッチ角速度、ロール角度・ロール角速度が取り出される。また、車両速度及び旋回速度演算部６４で算出された旋回速度はヨー角速度として取り出される。なお積分演算部７３からロール角度・ロール角速度が斜面補正演算部７２に供給されて、ピッチの角速度の斜面補正に用いられる。以上の処理によって、ピッチ、ロール及びヨーの角速度と、ピッチ及びロールの角度の補正が行われる。

〔走行時の車両状態〕
さらに図４には、このような走行装置１００の旋回走行時の車両状態を示す。この図４において、搭乗者（図示せず）がハンドル３０及び上体を旋回中心側（内側）に傾斜させる事により、ステップユニット４Ａ、４Ｂと車輪２Ａ、２Ｂはハンドル３０（ハンドルポスト１１）と平行に傾斜し、搭乗者を含めた車両全体が遠心力に対抗する状態になる。

そこで図４に示すような傾斜姿勢をとって旋回を行った場合には、図１の姿勢センサーユニット２２が旋回面に対して傾くことになり、旋回成分がヨー軸の角速度検出センサーだけでなくピッチ軸、ロール軸の角速度検出センサーに対しても感度を与えてしまう。その結果、旋回を続けていると「ピッチ軸が傾いた」という偽の信号を出力し、前後のバランスが取ることができなくなってしまうような望ましくない現象が発生する。

これに対して、上述した本発明による走行装置及びその制御方法によれば、計測されたロール角度α_rと遠心力ｙ″とから、真実の傾きθ_rを求めることができる。そして、この求められた真実の傾きθ_rを姿勢演算に使用することによって、旋回時の遠心力が発生しているときにも安定な車両の制御を行うことができる。

さらに、上述した本発明の走行装置及びその制御方法によれば、図５Ａ、５Ｂに示すように、片輪段差乗り上げやカント路面等ロール軸方向（進行方向に対し左右方向）の路面変化の場合で、直進走行時搭乗者がハンドル３０を垂直に保つことによりステッププレート３Ａ、３Ｂは左右に傾かず、水平のまま左右のステッププレート３Ａ、３Ｂの高さ方向で吸収出来、乗車状態が立位姿勢等重心の高い状態でも上体が左右に振られず安定して操縦および走行が可能となる。

ところがこの場合に、旋回速度成分をロール軸の検出角を元に決定している場合には、旋回をしようとするとロール軸の検出角が狂ってしまい、車体を傾けているのに旋回が止まってしまう、車体を傾けていないのに旋回が止まらなくなってしまう、などの望ましくない現象が発生する。

そこで上述したように計測されたピッチ角度α_Pと車両加速度ｘ″とから、真実の傾きθ_Pを求めることにより、ロール角速度センサーに混入するヨーレートが求められる。そして、これを引くことにより真実のロール角速度を求めることができ、これを積分することで真実のロール角度を計測することが可能となる。

このようにして、カント路面や片輪段差乗り上げ等ロール軸方向（進行方向に対し左右方向）の路面変化では、ステッププレートは左右に傾かず、水平のまま左右のステッププレートの高さ方向で吸収することが出来、乗車状態が立位姿勢等重心の高い状態でも上体が左右に振られず安定して操縦および走行が可能である。しかも、斜め方向から段差を乗り上げようとした場合、歩行時の段差上りの如く左右の足にかける重心移動を行うことにより少ない駆動パワーで段差上りが可能である。

なお図６には、旋回走行時と、カント路面あるいは片輪段差乗り上げ走行時とにおけるハンドル倒れ角度(位置センサー検出)と車体傾斜角度(姿勢センサー検出)の関係を示す。

こうして本発明の走行装置によれば、それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、２つの車輪の間で前後の安定を保つように制御されて走行され、車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、駆動の制御に関わる値から、車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求める手段を有することにより、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行うことができるものである。

また、本発明の走行装置の制御方法によれば、それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、２つの車輪の間で前後の安定を保ちつつ走行される場合に、車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、駆動の制御に関わる値から、車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求めることにより、加速、減速、若しくは旋回走行時にも安定な車両の制御を行うことができるものである。

なお本発明は、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走行装置の回路構成を示すブロック図である。 その動作のアルゴリズムの説明のための線図である。 その全ての処理を行う場合の処理の流れを示す機能ブロック図である。 その説明のための線図である。 その説明のための線図である。 その説明のための線図である。 本願出願人が先に提案した新規な同軸二輪車の説明のための図である。 本願出願人が先に提案した新規な同軸二輪車の説明のための図である。

符号の説明

１６…バッテリー、１７…右車輪駆動モータ、１８…左車輪駆動モータ、１９，２０…駆動回路、２１…演算装置、２２…姿勢検出センサーユニット、２３…ハンドル角度検出センサー、２４…旋回操作レバー、２５…非常停止スイッチ

Claims (6)

1. それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、前記２つの車輪の間で前後の安定を保つように制御されて走行される走行装置であって、
   車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて前記車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、
   前記駆動の制御に関わる値から、前記車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求める手段を有する
   ことを特徴とする走行装置。
2. 請求項１記載の走行装置において、
   前記走行の制御を行うためのピッチ角度センサーを有している場合に、
   前記車体の車輪の回転速度の制御値から前記車体に掛かる加減速度の値を求め、この算出された加減速度の値により前記ピッチ角度センサーの出力を補正して正しいピッチ角度を算出する手段を設ける
   ことを特徴とする走行装置。
3. 請求項１記載の走行装置において、
   前記走行の制御を行うためのロール角度センサーを有している場合に、
   前記車体の２つの車輪の回転速度の制御値の差から前記車体の旋回速度を算出し、この旋回速度と前記車輪の回転速度の制御値から前記車体に掛かる遠心力の値を求め、この算出された遠心力の値により前記ロール角度センサーの出力を補正して正しいロール角度を算出する手段を設ける
   ことを特徴とする走行装置。
4. それぞれが独立に駆動される２つの車輪が平行に設けられ、前記２つの車輪の間で前後の安定を保ちつつ走行される走行装置の制御方法であって、
   車体の姿勢検出センサーを設けて、検出される車体の姿勢に応じて前記車体の姿勢及び駆動の制御を行っている場合に、
   前記駆動の制御に関わる値から、前記車体に掛かる加減速度及び／または遠心力を求める
   ことを特徴とする走行装置の制御方法。
5. 請求項４記載の走行装置の制御方法において、
   前記走行の制御を行うためのピッチ角度センサーを有している場合に、
   前記車体の車輪の回転速度の制御値から前記車体に掛かる加減速度の値を求め、この算出された加減速度の値により前記ピッチ角度センサーの出力を補正して正しいピッチ角度を算出する
   ことを特徴とする走行装置の制御方法。
6. 請求項４記載の走行装置の制御方法において、
   前記走行の制御を行うためのロール角度センサーを有している場合に、
   前記車体の２つの車輪の回転速度の制御値の差から前記車体の旋回速度を算出し、この旋回速度と前記車輪の回転速度の制御値から前記車体に掛かる遠心力の値を求め、この算出された遠心力の値により前記ロール角度センサーの出力を補正して正しいロール角度を算出する
   ことを特徴とする走行装置の制御方法。

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