JP2009534770A - ドライバーレス車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

例えば乗客高速輸送（ＰＲＴ）システムのためのドライバーレス車両は、操舵モータ（３８）によって駆動されるトラックロッド（１４）を備えたリンケージ手段と、駆動モータ（２０，２２）によって付与されるトルク差の両方で操舵可能である操舵輪（２，４）を備えている。モータ（２０，２２及び３８）は、所望経路から車両の逸脱を表す信号に応答して制御される。モータ（３８）又はモータ（２０，２２）のいずれか１つが故障しても、操舵は残りのモータによって維持される。
【選択図】図１

Description

本発明はドライバーレス車両用操舵装置に関し且つ、詳細には、これに限定されるものではないが、個人高速輸送（ＰＲＴ）システムで使用されるドライバーレス車両に関する。

一般に、ＰＲＴシステムは、個々のドライバーレス車両が駅の間を走行する専用の軌道を備えている。各車両は、一人又は複数の乗客を収容し、車両は中間駅で停車することなく出発地と目的地との間を連続的に走行する。この結果、ＰＲＴシステムは、バス、電車、メトロシステムのような従来の大量輸送システムと、個人用の乗用車の中間物を提供することになる。

典型的なＰＲＴシステムでは、車両を案内するレールシステムが使用される。これはモノレール、又はデュアルレールでもよく、且つ通常の鉄道のポイントと同様のポイントが、分岐点で車両の方向付けるため使用される。

軌道建設費用が、従来のＰＲＴシステムの実用化する際の大きな障害となる。英国特許第2384223号明細書は、車両と、レール又は他の誘導構造体との間の接触に依存しない比較的低コストな軌道構造体を開示する。代わりに、軌道構造体上を走行するドライバーレス車両は操舵可能な車輪を有し、この車輪が、あらかじめ決定された走行経路を表す信号、及び/又は所望経路を維持することを可能にする位置検出装置に応答して制御される。

パワーアシスト操舵システムが、ドライバーレス車両、及び運転者が運転する車両の両方においてよく知られている。運転者が運転する車両では、パワーアシスト操舵システムは、車両を操舵する必要な力を減少させて運転者を助けるために使用されるのが典型的である。しかしながら、運転者が運転する全ての車両では、運転者が、通常はステアリングホイールで操舵要求を入力することを必要とする。ドライバーレス車両では、操舵要求入力は、自動的に生成された低レベルの機械的又は電気的操舵制御信号によって提供されるのが典型的である。パワーアシスト操舵システムは、車両の操舵のために必要な力を生じさせるために、これらの自動的に生成された信号を増幅する。

操舵機能は、車両の安全にとって重要である。運転者が運転する道路を走行する車両では、操舵システムのフェールセーフ機能が、運転者のステアリングホイールと操舵輪との間の直接な機械的結合を用いて提供されている。したがって、パワーアシストシステムの故障は、運転者が車両を安全に操舵するのを妨げることはないが、身体的な負荷がより大きな操舵を強いることになる。

製造業において使用される自動的誘導車両（ＡＧＶ）のような低速度のドライバーレス車両では、操舵システムの故障を検知し且つ車両を止めることが適当である。しかしながら、高速のドライバーレス乗客車両では、操舵システムに代理機能を設け、操舵システムの一部分に影響する故障が生じた場合でも、操舵機能が維持されるようにすることが必要である。

本発明は、進行方向の車輪力を操舵に利用することによって、そのような代理機能をドライバーレス車両の操舵システムに提供することに関する。

本明細書では、状況が許す場合、車両車輪の駆動、車両車輪に付与される駆動力およびトルクは、正の力とトルク（すなわち駆動すること）と、負の力とトルク（すなわちブレーキをすること）の両方を含むものと一般的に解釈される。ブレーキ力及びトルクは、車輪の駆動モータにブレーキをかけることによって、又は車輪に作用する別のブレーキシステムによって付与される。

車両の左側と右側との間でトルクを異ならせることを車両に作用する全ヨーモーメントに直接影響を与えることによって車輪付き車両を操舵するために利用できることはよく知られている。また、適当な幾何学的配置をもつ操舵システムが、操舵された車輪によって駆動されたとき、車両の左側の操舵される車輪と右側の操舵される車輪との間に付与される異なるトルクが操舵角を変化させ、この結果、車両を直接的に操舵できることが分かっている。

米国特許第5323866号明細書及び米国特許第5469928号明細書は、運転者が運転する乗用車用のパワーアシスト操舵システムを開示している。これらのシステムでは、左車輪と右車輪との間の駆動トルクの分配は、原則として、ステアリングホイールの角度及び/又はトルクから測定された運転者操舵要求に支配されている。システムの目的は、車両の運転を容易にするように、操舵力を減少させ、車両の操舵特性に影響を及ぼすことである。ステアリングホイールに運転者からの入力がない、又はステアリングホイールとパワーアシストシステムとの間の接続が分断されると、車輪は操舵されなくなる。

これに対し、本発明による車両では、操舵制御の代理機能が提供され、左車輪と右車輪との間の駆動トルクの分配が、所望の経路、及び所望の経路からの全てのズレに応答する車両の自動制御システムによって支配される。

本発明によれば、それぞれの駆動軸を中心に駆動可能であり、操舵機構によってそれぞれの操舵軸を中心に操舵可能である少なくとも２つの操舵輪を備え、車輪の操舵ジオメトリは操舵輪に付与される駆動トルク差が操舵軸を中心に実操舵トルクを発生させるようなものであり、操舵機構及び操舵輪の各々に付与される駆動トルクを制御する制御手段を備え、制御手段は各操舵輪の操舵角、車両の所望走行経路と車両の実走行経路を表す信号に応答することを特徴とするドライバーレス車両を提供する。

好ましい実施形態では、制御手段は、所望経路と車両の実際に検出した経路又は予測経路との差と、所望の経路の曲率とに基づいて所望操舵角を生成する。所望操舵角は実操舵角と比較され、操舵角エラーが算出される。操舵角エラーは、要求操舵アクチュエータ力（典型的には力学的補償を利用して）を計算するために使用される。この要求操舵アクチュエータ力は、それだけで、臨界的な方法によって車両の操舵をするのに十分である。しかしながら、さらに、操舵角エラーは、要求駆動力差（力学的補償をさらに使用する）を計算するため使用される。この要求駆動力差は、（実車速と所望車速との誤差（エラー）から計算できる）要求実駆動力を修正し、左車輪及び右車輪に対する異なった要求駆動力を生じさせるように、適用される。駆動力が車両の操舵軸からオフセットした作用線に沿って作用する操舵ジオメトリでは、これらの駆動力は、操舵軸を中心とするモーメントを生じ、その結果として、操舵アクチュエータ力に付加される、操舵機構への実際の力を生じさせる。この追加の力は、操舵アクチュエータが故障したとしても、臨界的な方法で安全かつ正確に車両を操舵するに十分である。この結果、操舵操作代理機能が提供される。

本発明による実際の実施形態では、操舵輪は、前輪駆動の４輪車両の前輪である。独立した電気駆動装置を、前輪に別々に制御可能な駆動トルクを与えるために利用できる。

本発明をより良く理解し、本発明をどのように実施するかをより明らかに示すために、例示として、添付図面が参照される。

図１に示されている車両は、ＰＲＴネットワークで使用される車両の１台である。このネットワークは、例えば、本願出願人による”車両案内システム”という名称の英国特許出願で開示されたようなシステムによって、車両が案内される軌道を備えてもよい。このように、各車両は、自動操舵される車輪の制御の下、非接触手段によって軌道に沿って案内されてもよい。

図１に示す車両は、操舵前輪２，４及び後輪６，８を備える。操舵輪２，４は、キングピン軸即ち操舵軸１０、１２を中心に操舵運動できるように車両の台に取付けられる。２つの車輪２、４の操舵運動は、従来の方法で車輪２，４の操舵アーム１６，１８を相互に連絡するトラックロッド１４によって調整される。

車輪２、４は、電気モータ２０，２２によって回転駆動される。

車両の案内は、コンピュータのような制御手段２８の制御のもとで行われる。コンピュータ２８のメモリが、車両が通る経路、例えば、車両が運行するＰＲＴシステムの出発駅と終着駅との間の経路を記憶している。また、コンピュータは、コンピュータ２８に車両の現在の実際位置を認識させることを可能にする位置検出手段３０から信号を受ける。位置検出手段３０は、コンピュータ２８の一部でもよいが、明確するべく別に示す。

また、コンピュータ２８は、車輪２，４の操舵角を表す信号をライン３２から受ける。図１では、ライン３２は、車輪２のキングピン１０からのみ延びるように示されている。トラックロッド１４が車輪２と車輪４の操舵角の間に固定関係があることを保証するので、このことは適切であるが、変形例として車輪４の操舵角を表す別の信号がコンピュータ２８に入力されてもよい。

コンピュータ２８の出力は、操舵機構コントローラ３４及びトルクコントローラ３６に送られる。操舵機構コントローラ３４は制御信号を操舵モータ３８に供給し、トルクコントローラ３６は制御信号を車輪モータ２０，２２に供給する。

ＰＲＴシステムで車両の操作では、出発駅で車両に乗る乗客は、例えばタッチスクリーンで、所望の目的駅を指定することができる。次いで、旅程の詳細をコンピュータに入力し、コンピュータが、出発点から終点までのネットワークの軌道に沿った所望経路を生成する。

車両がこの経路に沿って進むと、位置検出手段３０は、車両の位置を経路方向と、道の横方向との両方でモニターする。例えば、車両の横方向の位置は、車両に取付けられ、例えば縁石である軌道の横の参照面との距離をモニタすることができる距離センサで確定される。これらのセンサからの信号、および場合によってはＧＰＳレシーバのような他の位置決定装置からの信号が位置決定手段３０に供給され、次いで、位置決定手段が３０が車両の現在位置を決定し、この位置を示す信号をコンピュータ２８に送る。コンピュータ２８は、現在位置と所望位置とを比較し、もし採用されたならば車両をあらかじめ決定された経路に戻す車輪２，４の操舵角を表す出力を生成する。この信号は、ライン３２からコンピュータ２８に入力された車輪２，４の実際の操舵角を表す信号と比較される。目標操舵角が実操舵角と異なっている場合には、訂正信号が、操舵機構コントローラ３４とトルクコントローラ３６に供給され、これらに操舵モータ３８及び電気モータ２０、２２のための制御信号を生成させ、車輪２，４を目標操舵角に移行させる。

操舵モータ３８が、トラックロッド１４に直接に作用し、車輪をキングピン軸１０、１２を中心に回転させることがわかる。操舵モータ３８が加える力は、図２において矢印Ｆで表される。通常の作動では、この運動は、モータ２０、２２が車輪２，４に加えるトルクの差によってアシストされる。従来の操舵機構のジオメトリを示す図２を参照すると、投影キングピン軸線１０、１２が、車輪２、４と地面４０との間の名目上の接触点４４からオフセットした位置４２で路面４０と交差している。その結果、それぞれの駆動モータ２０，２２によって作用線Ｔに沿って地面４０で発生したトラクションは、車輪２，４をキングピン軸１０、１２を中心に回転させることになる。両車輪が同じトルクを受けると、２つの車輪２，４の回転モーメントは、トラックロッド１４を経由して互いにバランスし、最終的な回転効果は生じない。しかし、駆動モータの一方、例えば、駆動モータ２０が、駆動モータ２２が車輪４に伝えるトルクより大きなトルクを車輪２に伝えるように制御されると、車輪２に加えられる回転モーメントが、図１に示すように、両車輪を左に回転させることになる。ある状況では、反対方向のトルクが車輪２，４に付与される、換言すれば、一方の車輪が駆動され他方の車輪にブレーキをかけられる。

通常の動作では、駆動モータ２０，２２によって付与された差動トルクによるこのターン効果が、操舵モータ３８による操舵運動を補う。しかしながら、仮に操舵モータ３８または操舵機構コントローラ３４が故障したとしても、トルクコントローラ３６による駆動モータ２０，２２の適切な制御によって操舵可能に維持される。もちろん、駆動モータ２０、２２のいずれか一方が故障した場合でも、駆動は他方のモータ（２０又は２２）によって維持され、操舵は操舵モータ３８によって維持することができる。

この結果、車両の２つの操舵システムは、必要であれば、独立して作動可能であり、一方が故障したときには、他方によって車両を終着駅まで進めることが可能である。車両は、点検及び修理のため運行から外される。

さらに、車輪が操舵されていないときには、車両の両側の駆動輪の間の速度差が車両の進行方向に影響を与えることがわかる。従って、システムの変更例では、トルクコントローラ３６を、コンピュータ２８から信号を受け各車輪２，４の速度を車両の操舵を助けるように制御する速度コントローラに交換、又はこのような速度コントローラでアシストしてもよい。

図３は、コンピュータ２８が実行する制御プロセスを表すフローチャートである。

位置検出手段３０が生成した信号から、経路に沿って走行した実距離が決定される。出発時間及び経過時間のような運行パラメータから、コンピュータ２８は、所望走行距離又は予定走行距離を計算することができる。所望走行距離及び実走行距離を表す信号が、あらかじめセットされた最高及び最小許容速度と加速レベルとを考慮して、所望速度を計算する所望速度計算ブロック５０に入力される。ブロック５０からの出力信号は、速度センサ５４からの実速度信号を第２入力として受けるサブトラクタに送られる。サブトラクタ５２の出力は速度エラーを表し、実駆動力要求計算ブロック５６に入力され、実駆動力要求計算ブロック５６は、駆動力要求信号を右車輪２と左車輪４とに関連するサブトラクタ５８，６０にそれぞれ出力する。

一方、所望経路および実経路と車両の速度を表す信号とが、所望操舵角計算ブロック６２に入力され、所望操舵角計算ブロック６２が、実経路を所望経路に合致させる車輪２，４の所望操舵角を計算する。ブロック６２の出力はサブトラクタ６４に入力され、サブトラクタ６４は、（ライン３２から）車輪の実操舵角を表す信号を受ける。サブトラクタ６４の出力信号は、操舵角エラーを表し、要求操舵アクチュエータ力計算ブロック６８と要求駆動力差計算ブロック７０の両方に入力される。

要求操舵アクチュエータ力計算ブロック６０は、操舵機構コントローラ３６に入力される操舵アクチュエータ力要求を計算し、操舵モータ３８を適切に作動させる。

要求駆動力差計算ブロック７０は、操舵角エラーを減少するために必要な車輪２，４によって使われる駆動力差を計算する。ブロック７０の出力は、サブトラクタ５８，６０にそれぞれ供給され、サブトラクタ５８，６０は、右側要求駆動力及び左側要求駆動力を表す出力信号を生成する。これらの信号はトルクコントローラ３６に入力され、必要な駆動力を発生させるようにモータ２０，２２を制御する。

ドライバーレス車両の概略構成を示す図面である。 図１の車両の操舵装置を示す。 図１及び図２の車両のための制御を表す概略図である。

Claims (9)

1. それぞれの駆動軸を中心に駆動可能であり且つ操舵機構によってそれぞれの操舵軸を中心に操舵可能である少なくとも２つの操舵輪を備えたドライバレス車両であって、
   前記車輪の前記操舵ジオメトリが、前記操舵輪に付与される駆動トルク差が前記操舵軸を中心に実操舵トルクを生成させ、
   前記操舵機構と前記操舵輪の各々に付与される前記駆動トルクとを制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、各操舵輪の操舵角と、前記車両の所望走行経路と、前記車両の実走行経路とを表す信号に応答する、
   ことを特徴とするドライバーレス車両。
2. 前記制御手段は、前記所望走行経路信号と前記実走行経路信号から所望操舵角を計算し、前記駆動トルクは、前記実操舵角と前記所望操舵角の差に基づいて計算される、
   請求項１に記載のドライバーレス車両。
3. 前記駆動トルクは、一部または全部が、電気モータによって付与される、
   請求項１又は２に記載のドライバーレス車両。
4. 前記制御手段は、前記車両の両側の駆動輪の間に前記速度差を制御し、前記車両の操舵を行う、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のドライバーレス車両。
5. 前記制御手段は、所望操舵トルクを計算し、前記操舵機構によって付与された前記実操舵トルクと前記所望操舵トルクとの差に応答して前記操舵輪に付与される前記駆動トルクを調節する、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のドライバーレス車両。
6. 前記操舵機構によって付与される要求操舵トルクは、要求駆動トルク分配又は実駆動トルク分配に応答して調節される、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載のドライバーレス車両。
7. 全てが操舵される４輪を備えている、
   請求項１乃至６の何れか１項に記載のドライバーレス車両。
8. 前記制御手段は、車速に応答して前記操舵輪に付与される前記駆動トルクを制御する、
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のドライバーレス車両。
9. 前記制御手段は、前記車両の所望速度を計算し、前記操舵輪に付与される前記駆動トルクは前記所望速度と前記車両の前記実速度の差に応答して制御される、
   請求項８に記載のドライバーレス車両。

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