JP2009040369A - Vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。 The present invention relates to a vehicle using posture control of an inverted pendulum.
従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。例えば、同軸上に配置された2つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による車体の姿勢変化を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪により姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, a technique related to a vehicle using posture control of an inverted pendulum has been proposed. For example, a vehicle that has two drive wheels arranged on the same axis and drives by sensing a change in the posture of the vehicle body due to the movement of the center of gravity of the driver, and moves while controlling the posture with a single spherical drive wheel. Technologies for vehicles and the like have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この場合、センサで車体のバランスや動作の状態を検出し、回転体の動作を制御して車両を停止又は移動させるようになっている。
しかしながら、前記従来の車両においては、坂道で停止状態を維持したり、安定して走行したりすることができなかった。例えば、坂道で車両を停止させておくためには、車両が下り方向に移動しないように駆動輪に駆動トルクを付与する必要があるが、駆動輪に駆動トルクを付与すると、その反作用が車体に作用し、該車体が下り方向に傾いてしまう。一方、車体を垂直に保持しようとすると、駆動輪に駆動トルクを付与することができないので、車両が下り方向に移動してしまう。 However, the conventional vehicle cannot maintain a stopped state on a slope or travel stably. For example, in order to stop the vehicle on a slope, it is necessary to apply a drive torque to the drive wheels so that the vehicle does not move in the downward direction, but when the drive torque is applied to the drive wheels, the reaction is applied to the vehicle body. The vehicle body is tilted in the downward direction. On the other hand, if an attempt is made to hold the vehicle body vertically, drive torque cannot be applied to the drive wheels, and the vehicle moves in the downward direction.
また、前記従来の車両において、平地でのフィードバック制御と同様のフィードバック制御を坂道で実行すると、車体が下り方向に傾いたままで、ずるずると下り方向に移動してしまうことになる。 Further, in the conventional vehicle, when feedback control similar to feedback control on a flat ground is executed on a slope, the vehicle body remains inclined in the downward direction, and if it slips, it moves in the downward direction.
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、路面の勾(こう)配に応じて能動重量部を移動させることにより、路面の勾配に関わらず、車両の安定した停止状態及び走行状態を実現することができる実用性の高い車両を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional vehicle and moves the active weight according to the slope of the road surface, so that the vehicle can be stably stopped and traveled regardless of the road surface gradient. An object is to provide a highly practical vehicle capable of realizing the state.
そのために、本発明の車両においては、回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部と、前記駆動輪に付与する駆動トルクと前記能動重量部の位置とのうち少なくとも1つを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、路面勾配を取得し、該路面勾配に応じて前記能動重量部を移動させることで前記車体の姿勢を制御する。 Therefore, in the vehicle of the present invention, a drive wheel that is rotatably attached to the vehicle body, an active weight portion that is movably attached to the vehicle body, a drive torque applied to the drive wheel, and the active weight A vehicle control device that controls the posture of the vehicle body by controlling at least one of the positions of the parts, the vehicle control device acquires a road surface gradient, and the active weight unit according to the road surface gradient The posture of the vehicle body is controlled by moving.
本発明の他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、車体傾斜トルクと重力の作用が釣り合うように、前記能動重量部を移動させる。 In another vehicle of the present invention, the vehicle control device further moves the active weight portion so that the action of the vehicle body tilting torque and the gravity are balanced.
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記路面勾配に応じた登坂トルクの反トルクを打ち消すように、前記能動重量部を移動させる。 In still another vehicle of the present invention, the vehicle control device further moves the active weight portion so as to cancel a counter-torque of an uphill torque according to the road surface gradient.
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、登坂時においては前記能動重量部を前方へ移動させ、降坂時においては前記能動重量部を後方へ移動させる。 In still another vehicle of the present invention, the vehicle control device further moves the active weight portion forward when climbing and moves the active weight portion rearward when descending.
請求項1の構成によれば、路面勾配に応じて能動重量部を移動させるので、坂道上でも、車体姿勢が安定した状態で、停止状態を維持することができ、また、坂道を安定して走行することができる。したがって、坂道の上でも安全で快適な車両を提供することができる。 According to the configuration of the first aspect, since the active weight portion is moved in accordance with the road surface gradient, the stopped state can be maintained in a state where the vehicle body posture is stable even on the slope, and the slope is stably stabilized. You can travel. Therefore, a safe and comfortable vehicle can be provided even on a slope.
請求項2及び3の構成によれば、車体が前後に傾斜しないので、乗員にとっての乗り心地が向上する。また、坂道の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員にとっての視界の確保が容易となる。 According to the structure of Claim 2 and 3, since a vehicle body does not incline back and forth, riding comfort for a passenger | crew improves. In addition, since the vehicle body is kept upright even on a slope, it is easy to ensure visibility for the occupant.
請求項4の構成によれば、坂道で車体を直立に保持することができ、急勾配にも対応することができる。 According to the configuration of the fourth aspect, the vehicle body can be held upright on a slope and can cope with a steep slope.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で前進している状態を示す図、図2は本発明の第1の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a vehicle in a first embodiment of the present invention, showing a state in which an occupant is moving forward while boarding, and FIG. 2 in the first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the structure of the control system of a vehicle.
図において、10は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部11、駆動輪12、支持部13、及び、乗員15が搭乗する搭乗部14を有し、倒立振り子の姿勢制御を利用して車体の姿勢を制御する。そして、前記車両10は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。図1に示される例においては、車両10は矢印Aで示される方向に加速中であり、車体が進行方向前方に向かって傾斜した状態が示されている。
In the figure,
前記駆動輪12は、車体の一部である支持部13によって回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ52によって駆動される。なお、駆動輪12の軸は図1の図面に垂直な方向に延在し、駆動輪12はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪12は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪12が2つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪12は個別の駆動モータ52によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ52を使用するものとして説明する。
The
また、車体の一部である本体部11は、支持部13によって下方から支持され、駆動輪12の上方に位置する。そして、本体部11には、能動重量部として機能する搭乗部14が、車両10の前後方向に本体部11に対して相対的に並進可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、取り付けられている。
The main body 11 that is a part of the vehicle body is supported from below by the
ここで、能動重量部は、ある程度の質量を備え、本体部11に対して並進する、すなわち、前後に移動させることによって、車両10の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部14である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を並進可能に本体部11に対して取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘(おもり)、バランサ等の専用の重量部材を並進可能に本体部11に対して取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部14、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。
Here, the active weight portion has a certain amount of mass and translates with respect to the main body portion 11, that is, actively moves the front and rear to correct the position of the center of gravity of the
本実施の形態においては、説明の都合上、乗員15が搭乗した状態の搭乗部14が能動重量部として機能する例について説明するが、搭乗部14には必ずしも乗員15が搭乗している必要はなく、例えば、車両10がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部14に乗員15が搭乗していなくてもよいし、乗員15に代えて、貨物が積載されていてもよい。
In the present embodiment, for the sake of explanation, an example will be described in which the
前記搭乗部14は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、座面部14a、背もたれ部14b及びヘッドレスト14cを備え、図示されない移動機構を介して本体部11に取り付けられている。
The
前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ62を備え、該能動重量部モータ62によって搭乗部14を駆動し、本体部11に対して進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ62を使用するものとして説明する。
The moving mechanism includes a low-resistance linear moving mechanism such as a linear guide device and an active
リニアガイド装置は、例えば、本体部11に取り付けられている案内レールと、搭乗部14に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、案内レールには、その左右側面部に2本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する2つの側面部内側には、2本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。転動体は、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。なお、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。
The linear guide device includes, for example, a guide rail attached to the main body 11, a carriage attached to the
また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ又はクラッチを備える。車両10が停車しているときのように搭乗部14の動作が不要であるときには、ブレーキによって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部11と搭乗部14との相対的位置関係を保持する。そして、動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、本体部11側の基準位置と搭乗部14側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。
The linear guide device includes a brake or a clutch that fastens the movement of the linear guide device. When the operation of the
前記搭乗部14の脇(わき)には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック31を備える入力装置30が配設されている。乗員15は、ジョイスティック31を操作することによって、車両10の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員15が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック31に代えて他の装置、例えば、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。
An
なお、車両10がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック31に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両10があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック31に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。
In addition, when the
また、車両10は、車両制御装置としての制御ECU(Electronic Control Unit)20を有し、該制御ECU20は、主制御ECU21、駆動輪制御ECU22及び能動重量部制御ECU23を備える。前記制御ECU20並びに主制御ECU21、駆動輪制御ECU22及び能動重量部制御ECU23は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両10の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部11に配設されるが、支持部13や搭乗部14に配設されていてもよい。また、前記主制御ECU21、駆動輪制御ECU22及び能動重量部制御ECU23は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。
In addition, the
そして、主制御ECU21は、駆動輪制御ECU22、駆動輪センサ51及び駆動モータ52とともに、駆動輪12の動作を制御する駆動輪制御システム50の一部として機能する。前記駆動輪センサ51は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪12の回転状態を示す駆動輪回転角及び/又は回転角速度を検出し、主制御ECU21に送信する。また、該主制御ECU21は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ECU22に送信し、該駆動輪制御ECU22は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ52に供給する。そして、該駆動モータ52は、入力電圧に従って駆動輪12に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。
The main control ECU 21 functions as a part of the drive
また、主制御ECU21は、能動重量部制御ECU23、能動重量部センサ61及び能動重量部モータ62とともに、能動重量部である搭乗部14の動作を制御する能動重量部制御システム60の一部として機能する。前記能動重量部センサ61は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部14の移動状態を示す能動重量部位置及び/又は移動速度を検出し、主制御ECU21に送信する。また、該主制御ECU21は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ECU23に送信し、該能動重量部制御ECU23は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ62に供給する。そして、該能動重量部モータ62は、入力電圧に従って搭乗部14を並進移動させる推力を搭乗部14に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。
The main control ECU 21 functions as a part of the active weight
さらに、主制御ECU21は、駆動輪制御ECU22、能動重量部制御ECU23、車体傾斜センサ41、駆動モータ52及び能動重量部モータ62とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム40の一部として機能する。前記車体傾斜センサ41は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び/又は傾斜角速度を検出し、主制御ECU21に送信する。そして、該主制御ECU21は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ECU22に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ECU23に送信する。
Further, the main control ECU 21 functions as a part of the vehicle
なお、主制御ECU21には、入力装置30のジョイスティック31から走行指令が入力される。そして、該主制御ECU21は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ECU22に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ECU23に送信する。
The main control ECU 21 receives a travel command from the
また、前記制御ECU20は、車両10の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて路面勾配を推定する路面勾配推定手段として機能する。また、目標走行状態及び路面勾配に応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び/又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両10の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び路面勾配に応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。さらに、車両10の前後方向の路面勾配を取得する路面勾配取得手段として機能する。さらに、路面勾配に応じて付加する駆動トルクを決定する登坂トルク決定手段として機能する。さらに、登坂トルクに応じて、車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。
The
なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ41として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と傾斜角速度とを決定するようにしてもよい。 Each sensor may acquire a plurality of state quantities. For example, an acceleration sensor and a gyro sensor may be used in combination as the vehicle body tilt sensor 41, and the vehicle body tilt angle and the tilt angular velocity may be determined from both measured values.
次に、前記構成の車両10の動作について説明する。まず、走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。
Next, the operation of the
図3は本発明の第1の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図、図4は本発明の第1の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図3(a)は比較のための従来技術による動作例を示し、図3(b)は本実施形態による動作を示している。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation on the slope of the vehicle in the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the vehicle traveling and attitude control processing in the first embodiment of the present invention. . FIG. 3A shows an operation example according to the prior art for comparison, and FIG. 3B shows an operation according to the present embodiment.
本実施の形態においては、搭乗部14が能動重量部として機能し、図3(b)に示されるように、並進させる、すなわち、前後に移動させることによって、車両10の重心位置を能動的に補正するようになっている。これにより、坂道で車両10を停止させるため、該車両10が下り方向に移動しないように駆動輪12に駆動トルクを付与し、その反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、車体が下り方向に傾いてしまうことがない。また、坂道を走行する場合にも、車体が下り方向に傾いてしまうことがなく、安定して走行することができる。
In the present embodiment, the
これに対し、仮に、「背景技術」の項で説明した従来の車両のように、路面勾配に応じた重心位置補正を行わない場合、図3(a)に示されるように、坂道で車両10を停止させておくために駆動輪12に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が下り方向に傾いてしまう。そして、坂道を走行する場合にも、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。
On the other hand, if the center of gravity position correction according to the road surface gradient is not performed as in the conventional vehicle described in the section “Background Art”, the
そこで、本実施の形態においては、走行及び姿勢制御処理を実行することによって、路面の勾配に関わらず、車両10は安定して停止及び走行することができるようになっている。
Therefore, in the present embodiment, the
走行及び姿勢制御処理において、制御ECU20は、まず、状態量の取得処理を実行し(ステップS1)、各センサ、すなわち、駆動輪センサ51、車体傾斜センサ41及び能動重量部センサ61によって、駆動輪12の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部14の移動状態を取得する。
In the running and posture control process, the
次に、制御ECU20は、路面勾配の取得処理を実行し(ステップS2)、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪12の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部14の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ52及び能動重量部モータ62の出力値とに基づき、オブザーバによって路面勾配を推定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法及び状態観測器であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。
Next, the
次に、制御ECU20は、目標走行状態の決定処理を実行し(ステップS3)、ジョイスティック31の操作量に基づいて、車両10の加速度の目標値、及び、駆動輪12の回転角速度の目標値を決定する。
Next, the
次に、制御ECU20は、目標車体姿勢の決定処理を実行し(ステップS4)、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配と、目標走行状態の決定処理によって決定された車両10の加速度の目標値に基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。
Next, the
最後に、制御ECU20は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し(ステップS5)、状態量の取得処理によって取得された各状態量、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ52及び能動重量部モータ62の出力を決定する。
Finally, the
次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。 Next, details of the traveling and attitude control processing will be described. First, the state quantity acquisition process will be described.
図5は本発明の第1の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図、図6は本発明の第1の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a diagram showing a vehicle dynamic model and its parameters according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a flowchart showing an operation of state quantity acquisition processing according to the first embodiment of the present invention.
本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。なお、図5には状態量やパラメータの一部が示されている。
θW :駆動輪回転角〔rad〕
θ1 :車体傾斜角(鉛直軸基準)〔rad〕
λS :能動重量部位置(車体中心点基準)〔m〕
τW :駆動トルク(2つの駆動輪の合計)〔Nm〕
SS :能動重量部推力〔N〕
g:重力加速度〔m/s2 〕
η:路面勾配〔rad〕
mW :駆動輪質量(2つの駆動輪の合計)〔kg〕
RW :駆動輪接地半径〔m〕
IW :駆動輪慣性モーメント(2つの駆動輪の合計)〔kgm2 〕
DW :駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ns/rad〕
m1 :車体質量(能動重量部を含む)〔kg〕
l1 :車体重心距離(車軸から)〔m〕
I1 :車体慣性モーメント(重心周り)〔kgm2 〕
D1 :車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ns/rad〕
mS :能動重量部質量〔kg〕
lS :能動重量部重心距離(車軸から)〔m〕
IS :能動重量部慣性モーメント(重心周り)〔kgm2 〕
DS :能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ns/rad〕
状態量の取得処理において、主制御ECU21は、まず、センサから各状態量を取得する(ステップS1−1)。この場合、駆動輪センサ51から駆動輪回転角θW 及び/又は回転角速度θW を取得し、車体傾斜センサ41から車体傾斜角θ1 及び/又は傾斜角速度θ1 を取得し、能動重量部センサ61から能動重量部位置λS 及び/又は移動速度λS を取得する。
In the present embodiment, state quantities and parameters are represented by the following symbols. FIG. 5 shows some of the state quantities and parameters.
θ W : Drive wheel rotation angle [rad]
θ 1 : Body tilt angle (vertical axis reference) [rad]
λ S : Active weight part position (vehicle center point reference) [m]
τ W : Driving torque (total of two driving wheels) [Nm]
S S : Active weight part thrust [N]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
η: Road surface slope [rad]
m W : Drive wheel mass (total of two drive wheels) [kg]
R W : Driving wheel contact radius [m]
I W : Moment of inertia of driving wheel (total of two driving wheels) [kgm 2 ]
D W : Viscosity damping coefficient [Ns / rad] with respect to drive wheel rotation
m 1 : Body mass (including active weight) [kg]
l 1 : Body center-of-gravity distance (from axle) [m]
I 1 : Body inertia moment (around the center of gravity) [kgm 2 ]
D 1 : Viscous damping coefficient with respect to vehicle body tilt [Ns / rad]
m S : Active weight part mass [kg]
l S : Active weight part center of gravity distance (from axle) [m]
I S : Active weight part inertia moment (around the center of gravity) [kgm 2 ]
D S : Viscosity damping coefficient [Ns / rad] for active weight part translation
In the state quantity acquisition process, the main control ECU 21 first acquires each state quantity from the sensor (step S1-1). In this case, the driving wheel rotation angle θ W and / or the rotation angular velocity θ W is acquired from the
続いて、主制御ECU21は、残りの状態量を算出する(ステップS1−2)。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することにより、残りの状態量を算出する。例えば、取得した状態量が駆動輪回転角θW 、車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS である場合には、これらを時間微分することにより、回転角速度θW 、傾斜角速度θ1 及び移動速度λS を得ることができる。また、例えば、取得した状態量が回転角速度θW 、傾斜角速度θ1 及び移動速度λS である場合には、これらを時間積分することにより、駆動輪回転角θW 、車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS を得ることができる。 Subsequently, the main control ECU 21 calculates the remaining state quantity (step S1-2). In this case, the remaining state quantity is calculated by time differentiation or time integration of the acquired state quantity. For example, when the acquired state quantities are the drive wheel rotation angle θ W , the vehicle body inclination angle θ 1 and the active weight portion position λ S , these are time-differentiated to obtain the rotation angular velocity θ W , the inclination angular velocity θ 1 and A moving speed λ S can be obtained. Further, for example, when the acquired state quantities are the rotational angular velocity θ W , the tilt angular velocity θ 1, and the moving velocity λ S , these are integrated over time, thereby driving wheel rotational angle θ W , vehicle body tilt angle θ 1 and An active weight part position λ S can be obtained.
次に、路面勾配の取得処理について説明する。 Next, the road surface gradient acquisition process will be described.
図7は本発明の第1の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the road surface gradient acquisition process in the first embodiment of the present invention.
路面勾配の取得処理において、主制御ECU21は、路面勾配ηを推定する(ステップS2−1)。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回(1つ前の時間ステップ)の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式(1)により、路面勾配ηを推定する。 In the road surface gradient acquisition process, the main control ECU 21 estimates the road surface gradient η (step S2-1). In this case, based on each state quantity acquired in the state quantity acquisition process and the output of each actuator determined in the actuator output determination process in the previous (previous time step) travel and posture control process, The road surface gradient η is estimated from equation (1).
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて路面勾配を推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、路面勾配の推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して路面勾配を推定するので、大きな誤差が生じることがなく、極めて高い精度で路面勾配を推定することができる。 Conventionally, since the road surface gradient is estimated based on the driving torque and the driving wheel rotation angular acceleration, a large error may occur in the estimated value of the road surface gradient particularly when the posture of the vehicle body is changing. However, in the present embodiment, the road surface gradient is estimated in consideration of the vehicle body inclination angle acceleration indicating the posture change of the vehicle body and the active weight portion movement acceleration, so that no large error occurs and the road surface is extremely accurate. The gradient can be estimated.
一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから路面勾配を高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高いので、特に車両停止時には、このような影響が大きくなる。 Generally, in an inverted type vehicle, the center of gravity of the vehicle body moves back and forth relative to the drive wheels, so that the center of gravity of the vehicle may move back and forth even when the drive wheels are stopped. Therefore, in order to estimate the road gradient with high accuracy from the acceleration of the center of gravity and the driving force or the driving torque, it is necessary to consider such influence. In a general inverted type vehicle, since the weight ratio of the vehicle body to the entire vehicle is high, such an influence becomes large particularly when the vehicle is stopped.
なお、路面勾配ηの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。 Note that the high-frequency component of the estimated value can be removed by applying a low-pass filter to the estimated value of the road surface gradient η. In this case, a time delay occurs in the estimation, but the vibration caused by the high frequency component can be suppressed.
本実施の形態においては、駆動力、慣性力と路面勾配による外力を考慮しているが、駆動輪の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。 In the present embodiment, driving force, inertial force and external force due to road surface gradient are taken into account, but the rolling resistance of the driving wheel, the viscous resistance due to the friction of the rotating shaft, the air resistance acting on the vehicle, etc. It may be considered as the next effect.
また、本実施の形態においては、駆動輪12の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
In the present embodiment, a linear model related to the rotational motion of the
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。 Further, in order to simplify the calculation, it is not necessary to consider the change in the body posture.
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。 Next, the target travel state determination process will be described.
図8は本発明の第1の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the target travel state determination process in the first embodiment of the present invention.
目標走行状態の決定処理において、主制御ECU21は、まず、操縦操作量を取得する(ステップS3−1)。この場合、乗員15が、車両10の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック31の操作量を取得する。
In the determination process of the target travel state, the main control ECU 21 first acquires a steering operation amount (step S3-1). In this case, the
続いて、主制御ECU21は、取得したジョイスティック31の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する(ステップS3−2)。例えば、ジョイスティック31の前後方向への操作量に比例した値を車両加速度の目標値とする。
Subsequently, the main control ECU 21 determines a target value for vehicle acceleration based on the acquired operation amount of the joystick 31 (step S3-2). For example, a value proportional to the amount of operation of the
続いて、主制御ECU21は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する(ステップS3−3)。例えば、加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径RW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。 Subsequently, the main control ECU 21 calculates the target value of the drive wheel rotational angular velocity from the determined target value of the vehicle acceleration (step S3-3). For example, by integrating the target value of the acceleration time, the value obtained by dividing the driving wheel contact radius R W and the target value of the drive wheel rotation angular velocity.
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。 Next, the target vehicle body posture determination process will be described.
図9は本発明の第1の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図10は本発明の第1の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 9 is a graph showing changes in the target value of the active weight portion position and the target value of the vehicle body tilt angle in the first embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows the target vehicle body posture in the first embodiment of the present invention. It is a flowchart which shows the operation | movement of a determination process.
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ECU21は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する(ステップS4−1)。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配ηとに基づき、次の式(2)及び(3)により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。 In the target body posture determination process, the main control ECU 21 first determines the target value of the active weight portion position and the target value of the vehicle body tilt angle (step S4-1). In this case, based on the target value of the vehicle acceleration determined by the target travel state determination process and the road surface gradient η acquired by the road surface gradient acquisition process, the active weight is calculated by the following equations (2) and (3). The target value of the part position and the target value of the vehicle body inclination angle are determined.
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、路面勾配ηに応じた登坂トルクに伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。 As described above, in the present embodiment, not only the inertial force and drive motor reaction torque acting on the vehicle body in accordance with the vehicle acceleration, but also the reaction torque acting on the vehicle body in accordance with the climbing torque according to the road surface gradient η is considered. Thus, the target value of the vehicle body posture, that is, the target value of the active weight portion position and the target value of the vehicle body tilt angle are determined.
このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両が加速するとき及び坂を上るときには、搭乗部14を前方へ移動させ、あるいは、更に車体を前方へ傾ける。また、車両が減速するとき及び坂を下るときには、搭乗部14を後方へ移動させ、あるいは、更に車体を後方へ傾ける。
At this time, the center of gravity of the vehicle body is moved so that the torque that acts on the vehicle body to tilt the vehicle body, that is, the vehicle body tilt torque is canceled out by the action of gravity. For example, when the vehicle accelerates or climbs a hill, the
本実施の形態においては、図9に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部14を移動させ、搭乗部14が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員15にとっての乗り心地が向上する。また、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員15にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に当接することが防止される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, first, the
なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方よりも遠くに設定する必要がある。 In the present embodiment, it is assumed that the active weight part movement limit is equal between the front and the rear, but when the front and rear are different, the inclination of the vehicle body is changed according to each limit. The presence or absence may be switched. For example, when the braking performance is set higher than the acceleration performance, it is necessary to set the rear active weight portion movement limit farther than the front.
また、本実施の形態においては、加速度が低いときや勾配が緩やかなときには、搭乗部14の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員15に作用する前後方向の力を軽減することができる。
In this embodiment, when the acceleration is low or the gradient is gentle, only the movement of the
さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。 Furthermore, in the present embodiment, an expression based on a linearized dynamic model is used, but an expression based on a more accurate nonlinear model or a model considering viscous resistance may be used. Note that if the equation is nonlinear, the function can be applied in the form of a map.
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。 Next, the actuator output determination process will be described.
図11は本発明の第1の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 11 is a flowchart showing the operation of the actuator output determination process in the first embodiment of the present invention.
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ECU21は、まず、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する(ステップS5−1)。この場合、各目標値と路面勾配ηとから、次の式(4)により駆動モータ52のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式(5)により能動重量部モータ62のフィードフォワード出力を決定する。
In the actuator output determination process, the main control ECU 21 first determines the feedforward output of each actuator (step S5-1). In this case, the feedforward output of the
なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。 Note that the feed-forward output can be omitted as necessary. In this case, the feedback control indirectly gives a value close to the feedforward output with a steady deviation. Further, the steady deviation can be reduced by applying an integral gain.
続いて、主制御ECU21は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する(ステップS5−2)。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式(6)により駆動モータ52のフィードバック出力を決定し、また、次の式(7)により能動重量部モータ62のフィードバック出力を決定する。
Subsequently, the main control ECU 21 determines the feedback output of each actuator (step S5-2). In this case, the feedback output of the
最後に、主制御ECU21は、各要素制御システムに指令値を与える(ステップS5−3)。この場合、主制御ECU21は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ECU22及び能動重量部制御ECU23に送信する。
Finally, the main control ECU 21 gives a command value to each element control system (step S5-3). In this case, the main control ECU 21 transmits the sum of the feedforward output and the feedback output determined as described above to the drive
このように、本実施の形態においては、路面勾配ηをオブザーバによって推定し、登坂トルクを与えるとともに、搭乗部14を上り側に移動させる。そのため、坂道で車体を直立に保持することができ、急勾配にも対応することができる。また、路面勾配ηを計測する装置が不要となり、構造を簡素化してコストを低減することができる。
As described above, in the present embodiment, the road surface gradient η is estimated by the observer, the climbing torque is applied, and the
さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS をも考慮して路面勾配ηを推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で路面勾配ηを推定することができる。 Further, since the road surface gradient η is estimated in consideration of the vehicle body inclination angle θ 1 indicating the vehicle body posture and the active weight portion position λ S , the road surface gradient η can be estimated with extremely high accuracy without causing a large error. Can do.
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.
図12は本発明の第2の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図、図13は本発明の第2の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図である。 FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the vehicle control system according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a schematic diagram showing the operation on the slope of the vehicle according to the second embodiment of the present invention.
前記第1の実施の形態においては、搭乗部14が、車両10の前後方向に本体部11に対して相対的に並進可能となるように取り付けられ、能動重量部として機能する。この場合、能動重量部モータ62を備える移動機構が配設され、これにより搭乗部14を並進させるので、構造が複雑化し、コストが高くなり、重量が増加し、制御システムも複雑化する。また、搭乗部14を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することは不可能である。
In the first embodiment, the riding
そこで、本実施の形態においては、搭乗部14を移動させる移動機構が省略されている。また、図12に示されるように、制御システムからも、能動重量部制御システム60が省略され、能動重量部制御ECU23、能動重量部センサ61及び能動重量部モータ62が省略されている。なお、その他の点の構成については、前記第1の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
Therefore, in the present embodiment, a moving mechanism for moving the
そして、本実施の形態においては、図13に示されるように、坂道の上で車両10を停止させるための駆動輪12に付与する駆動トルク、すなわち、登坂トルクの反作用として車体に作用する反トルクとしての車体傾斜トルクに対し、車体を路面勾配η、又は、登坂トルクに応じた角度だけ傾けることにより、車体傾斜トルクを重力の作用で打ち消してバランスを保つようになっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the drive torque applied to the
なお、「背景技術」の項で説明した従来の車両であっても、車体が坂の上り方向に傾くことがあるが、それはバランスを崩した結果であり、例えば、車両を坂道の上で停車させようとすると、車体を傾けたまま、車両がゆっくりと坂を下ってしまうことがある。 Note that even with the conventional vehicle described in the “Background Art” section, the vehicle body may tilt in the upward direction of the hill, but this is a result of loss of balance. For example, the vehicle is stopped on a hill. If you try to do this, the vehicle may slowly go down the hill with the vehicle body tilted.
これに対し、本実施の形態においては、路面勾配ηに適した傾斜を意図的に車体に与えるので、バランスを適切に保つことができ、例えば、坂道の上でも安定して停車することができる。 On the other hand, in the present embodiment, the vehicle body is intentionally given a slope suitable for the road surface gradient η, so that the balance can be appropriately maintained, for example, the vehicle can be stably stopped even on a slope. .
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要及び目標走行状態の決定処理については、前記第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、状態量の取得処理、路面勾配の取得処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。 Next, details of the traveling and posture control processing in the present embodiment will be described. The outline of the travel and attitude control process and the determination process of the target travel state are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted, and the state quantity acquisition process, the road surface gradient acquisition process, and the target will be omitted. Only the vehicle body posture determination process and the actuator output determination process will be described. First, the state quantity acquisition process will be described.
図14は本発明の第2の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the state quantity acquisition process in the second embodiment of the present invention.
状態量の取得処理において、主制御ECU21は、まず、センサから各状態量を取得する(ステップS1−11)。この場合、駆動輪センサ51から駆動輪回転角θW 及び/又は回転角速度θW を取得し、車体傾斜センサ41から車体傾斜角θ1 及び/又は傾斜角速度θ1 を取得する。
In the state quantity acquisition process, the main control ECU 21 first acquires each state quantity from the sensor (step S1-11). In this case, the drive wheel rotation angle θ W and / or the rotation angular velocity θ W are acquired from the
続いて、主制御ECU21は、残りの状態量を算出する(ステップS1−12)。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することにより、残りの状態量を算出する。例えば、取得した状態量が駆動輪回転角θW 及び車体傾斜角θ1 である場合には、これらを時間微分することにより、回転角速度θW 及び傾斜角速度θ1 を得ることができる。また、例えば、取得した状態量が回転角速度θW 及び傾斜角速度θ1 である場合には、これらを時間積分することにより、駆動輪回転角θW 及び車体傾斜角θ1 を得ることができる。 Subsequently, the main control ECU 21 calculates the remaining state quantity (step S1-12). In this case, the remaining state quantity is calculated by time differentiation or time integration of the acquired state quantity. For example, when the acquired state quantities are the drive wheel rotation angle θ W and the vehicle body inclination angle θ 1 , the rotation angular velocity θ W and the inclination angular velocity θ 1 can be obtained by time differentiation. Further, for example, when the acquired state quantities are the rotational angular velocity θ W and the tilt angular velocity θ 1 , the driving wheel rotational angle θ W and the vehicle body tilt angle θ 1 can be obtained by time integration of these.
次に、路面勾配の取得処理について説明する。 Next, the road surface gradient acquisition process will be described.
図15は本発明の第2の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 15 is a flowchart showing the operation of the road surface gradient acquisition process according to the second embodiment of the present invention.
路面勾配の取得処理において、主制御ECU21は、路面勾配ηを推定する(ステップS2−11)。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回(1つ前の時間ステップ)の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式(8)により、路面勾配ηを推定する。 In the road surface gradient acquisition process, the main control ECU 21 estimates the road surface gradient η (step S2-11). In this case, based on each state quantity acquired in the state quantity acquisition process and the output of each actuator determined in the actuator output determination process in the previous (previous time step) travel and posture control process, The road surface gradient η is estimated from equation (8).
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて路面勾配を推定するため、特に車体の姿勢が大きく変化するとき、路面勾配の推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度をも考慮して路面勾配を推定するので、大きな誤差が生じることがなく、極めて高い精度で路面勾配を推定することができる。 Conventionally, since the road surface gradient is estimated based on the drive torque and the driving wheel rotation angular acceleration, a large error may occur in the estimated value of the road surface gradient, particularly when the posture of the vehicle body changes greatly. However, in the present embodiment, since the road surface gradient is estimated in consideration of the vehicle body inclination angle acceleration indicating the change in the posture of the vehicle body, a large error does not occur and the road surface gradient can be estimated with extremely high accuracy. it can.
なお、前記第1の実施の形態と同様に、路面勾配ηの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。 As in the first embodiment, a high-frequency component of the estimated value can be removed by applying a low-pass filter to the estimated value of the road surface gradient η. In this case, a time delay occurs in the estimation, but the vibration caused by the high frequency component can be suppressed.
本実施の形態においては、駆動力、慣性力と路面勾配による外力を考慮しているが、駆動輪の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。 In the present embodiment, driving force, inertial force and external force due to road surface gradient are taken into account, but the rolling resistance of the driving wheel, the viscous resistance due to the friction of the rotating shaft, the air resistance acting on the vehicle, etc. It may be considered as the next effect.
また、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。 Further, a more accurate nonlinear model may be used, or a model for vehicle body tilt motion may be used. For nonlinear models, functions can also be applied in the form of maps. Further, in order to simplify the calculation, it is not necessary to consider the change in the body posture.
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。 Next, the target vehicle body posture determination process will be described.
図16は本発明の第2の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 16 is a flowchart showing the operation of target body posture determination processing in the second embodiment of the present invention.
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ECU21は、まず、車体傾斜角の目標値を決定する(ステップS4−11)。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配ηとに基づき、次の式(9)により、車体傾斜角の目標値を決定する。 In the determination process of the target vehicle body posture, the main control ECU 21 first determines a target value of the vehicle body inclination angle (step S4-11). In this case, based on the vehicle acceleration target value determined by the target travel state determination process and the road surface gradient η acquired by the road surface gradient acquisition process, the target value of the vehicle body inclination angle is calculated by the following equation (9). To decide.
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、路面勾配ηに応じた登坂トルクに伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角の目標値を決定する。 As described above, in the present embodiment, not only the inertial force and drive motor reaction torque acting on the vehicle body in accordance with the vehicle acceleration, but also the reaction torque acting on the vehicle body in accordance with the climbing torque according to the road surface gradient η is considered. Thus, the target value of the vehicle body posture, that is, the target value of the vehicle body tilt angle is determined.
このとき、車体傾斜トルクを重力の反作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両が加速するとき及び坂を上るときには車体を前方へ傾ける。また、車両が減速するとき及び坂を下るときには車体を後方へ傾ける。 At this time, the center of gravity of the vehicle body is moved so as to cancel the vehicle body inclination torque by the reaction of gravity. For example, when the vehicle accelerates and climbs a hill, the vehicle body is tilted forward. Further, when the vehicle decelerates and goes down the slope, the vehicle body is tilted backward.
なお、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。 In the present embodiment, an expression based on a linearized dynamic model is used, but an expression based on a more accurate nonlinear model or a model considering viscous resistance may be used. Note that if the equation is nonlinear, the function can be applied in the form of a map.
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。 Next, the actuator output determination process will be described.
図17は本発明の第2の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 17 is a flowchart showing the operation of the actuator output determination process in the second embodiment of the present invention.
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ECU21は、まず、アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する(ステップS5−11)。この場合、目標値と路面勾配ηとから、前記第1の実施の形態において説明した前記式(4)により駆動モータ52のフィードフォワード出力を決定する。
In the actuator output determination process, the main control ECU 21 first determines the feedforward output of the actuator (step S5-11). In this case, the feedforward output of the
前記式(4)に表されるように、路面勾配ηに応じた登坂トルクを自動的に付加することにより、坂道であっても、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、坂道で停止した後、乗員15がジョイスティック31から手を放しても、車両10は動くことがない。また、坂道の上であっても、ジョイスティック31の一定の操縦操作に対して、平地と同様の加減速を行うことができる。
As represented by the above formula (4), by automatically adding a climbing torque according to the road surface gradient η, it is possible to provide the same steering feeling as on a flat road even on a slope. That is, even if the
なお、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることにより、より高精度な制御を実現するが、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。 In this embodiment, more accurate control is realized by theoretically giving a feedforward output. However, the feedforward output can be omitted if necessary. In this case, the feedback control indirectly gives a value close to the feedforward output with a steady deviation. Further, the steady deviation can be reduced by applying an integral gain.
続いて、主制御ECU21は、アクチュエータのフィードバック出力を決定する(ステップS5−12)。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式(10)により駆動モータ52のフィードバック出力を決定する。
Subsequently, the main control ECU 21 determines the feedback output of the actuator (step S5-12). In this case, the feedback output of the
最後に、主制御ECU21は、要素制御システムに指令値を与える(ステップS5−13)。この場合、主制御ECU21は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値として、駆動輪制御ECU22に送信する。
Finally, the main control ECU 21 gives a command value to the element control system (step S5-13). In this case, the main control ECU 21 transmits the sum of the feedforward output and the feedback output determined as described above to the drive
このように、本実施の形態においては、車体を上り側に傾けて、坂道の上でバランスを保つ。したがって、搭乗部14を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することができる。また、構造及び制御システムを簡素化することができ、安価で軽量な倒立型車両を実現することができる。
Thus, in the present embodiment, the vehicle body is tilted upward and the balance is maintained on the slope. Therefore, the present invention can be applied to an inverted vehicle that does not have a moving mechanism for moving the
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. Also, the description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments is omitted.
図18は本発明の第3の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり坂道で停止している状態を示す図、図19は本発明の第3の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図18において(b)は(a)の要部拡大図である。 FIG. 18 is a schematic diagram showing the configuration of the vehicle according to the third embodiment of the present invention, showing a state where the vehicle is stopped on a slope, and FIG. 19 is a vehicle control system according to the third embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the structure of these. In addition, in FIG. 18, (b) is the principal part enlarged view of (a).
本実施の形態においては、路面勾配ηを計測し、その計測値に基づいて車両10の制御を行うようになっている。路面勾配ηを推定によって取得すると、誤差や時間遅れが生じることがある。また、車両10が障害物と接触したときに、それを上り坂であると誤認識してしまうことがある。
In the present embodiment, the road gradient η is measured, and the
そこで、本実施の形態においては、路面勾配ηをセンサによって計測し、その計測値に基づいて登坂トルクや能動重量部の移動量を決定するようになっている。そのため、車両10は、図18に示されるように、路面勾配計測センサとしての距離センサ71を有する。該距離センサ71は、例えば、レーザ光を利用したものであるが、いかなる種類のセンサであってもよい。図18に示される例においては、2つの距離センサ71が、互いに前後に離れて、搭乗部14の下面に配設され、各々が搭乗部14の下面から路面までの距離を計測する。望ましくは、一方の距離センサ71が駆動輪12の路面に接地する部位よりも前方に位置し、他方の距離センサ71が駆動輪12の路面に接地する部位よりも後方に位置するように配設される。このように、2つの距離センサ71が互いに前後に離れた位置において路面までの距離を計測するので、各距離センサ71によって計測された距離の差に基づいて路面勾配ηを算出することができる。
Therefore, in the present embodiment, the road surface gradient η is measured by a sensor, and the climbing torque and the moving amount of the active weight portion are determined based on the measured value. Therefore, the
また、車両10は、図19に示されるように、距離センサ71を含む路面勾配計測システム70を有する。そして、距離センサ71は、前後の2点において、路面までの距離としての対地距離を検出して主制御ECU21に送信する。
Further, the
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標走行状態の決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、路面勾配の取得処理についてのみ説明する。 Next, details of the traveling and posture control processing in the present embodiment will be described. The outline of the travel and attitude control process, the state quantity acquisition process, the target travel state determination process, the target vehicle body attitude determination process, and the actuator output determination process are the same as those in the first embodiment. The description will be omitted, and only the road gradient acquisition process will be described.
図20は本発明の第3の実施の形態における路面勾配取得時の幾何学的条件を示す図、図21は本発明の第3の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。 FIG. 20 is a diagram showing a geometric condition when a road surface gradient is acquired in the third embodiment of the present invention, and FIG. 21 is a flowchart showing an operation of a road surface gradient acquisition process in the third embodiment of the present invention. is there.
路面勾配の取得処理において、主制御ECU21は、まず、距離センサ71の計測値を取得する(ステップS2−21)。この場合、前後2つの距離センサ71から対地距離の計測値を取得する。
In the road surface gradient acquisition process, the main control ECU 21 first acquires the measurement value of the distance sensor 71 (step S2-21). In this case, the measured value of the ground distance is acquired from the two front and
続いて、主制御ECU21は、路面勾配ηを計算する(ステップS2−22)。この場合、前後の対地距離と車体傾斜角θ1 とから、次の式(11)により、路面勾配ηを算出する。 Subsequently, the main control ECU 21 calculates a road surface gradient η (step S2-22). In this case, the road surface gradient η is calculated from the front and back ground distance and the vehicle body inclination angle θ 1 by the following equation (11).
このように、本実施の形態においては、搭乗部14の下面の前後に配設された距離センサ71が計測した対地距離に基づいて路面勾配ηを決定する。なお、この場合、車体傾斜角θ1 を考慮して、路面勾配ηの値を補正するようになっている。
As described above, in the present embodiment, the road surface gradient η is determined based on the ground distance measured by the
また、本実施の形態においては、前記式(11)として、線形近似した式を使用しているが、より厳密な非線形の式を使用することもできる。さらに、車両10の移動速度や車体の傾斜角速度θ1 による影響を考慮してもよい。さらに、他の計測システムを使用して路面勾配ηを決定してもよい。例えば、カメラを配設し、その画像データに基づいて路面勾配ηを決定してもよいし、GPS(Global Positioning System)と地図データとに基づいて路面の勾配データを取得してもよい。
In the present embodiment, a linear approximation formula is used as the formula (11), but a more strict nonlinear formula can also be used. Further, the influence of the moving speed of the
さらに、車両10が停止している際に、搭乗部14を前後に移動させながら対地距離を連続して計測することによって、より正確に路面勾配ηを決定することができる。例えば、路面に石等の障害物が存在する場合に、たまたま一方の距離センサ71が障害物の真上に位置するときには、実際の対地距離よりも短い障害物までの距離が計測されてしまうことなるので、それによって決定された路面勾配ηは不正確なものになる。しかし、搭乗部14を前後に移動させながら対地距離を連続して計測すれば、障害物の前後において対地距離を計測することができ、障害物による影響を排除することが可能となる。
Furthermore, when the
このように、本実施の形態においては、路面勾配ηをセンサによって計測するようになっている。したがって、路面勾配ηの取得に際して時間遅れが生じることがない。また、車両10が障害物と接触したときに、上り坂であると誤認識してしまうことがない。
Thus, in the present embodiment, the road surface gradient η is measured by the sensor. Therefore, there is no time delay in obtaining the road surface gradient η. Further, when the
さらに、センサによる計測と推定とを併用して路面勾配ηを取得することもできる。例えば、センサによって計測した値と推定した値とを比較することにより、センサが正常であるか異常であるかを判別し、異常であるときには、推定した値を使用するようにしてもよい。 Furthermore, the road surface gradient η can be acquired by using both the measurement by the sensor and the estimation. For example, it is possible to determine whether the sensor is normal or abnormal by comparing the value measured by the sensor with the estimated value. When the sensor is abnormal, the estimated value may be used.
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
10 車両
12 駆動輪
14 搭乗部
20 制御ECU
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部と、
前記駆動輪に付与する駆動トルクと前記能動重量部の位置とのうち少なくとも1つを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
該車両制御装置は、路面勾配を取得し、該路面勾配に応じて前記能動重量部を移動させることで前記車体の姿勢を制御することを特徴とする車両。 A drive wheel rotatably mounted on the vehicle body,
An active weight portion movably attached to the vehicle body;
A vehicle control device for controlling the posture of the vehicle body by controlling at least one of a drive torque applied to the drive wheel and a position of the active weight portion;
The vehicle control device acquires a road surface gradient, and controls the posture of the vehicle body by moving the active weight portion according to the road surface gradient.
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