JP2010006201A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】乗員の個人差による車体全体の重心位置の変化を容易に、かつ、迅速に補正することができ、制御プログラムが複雑化することなく、乗員に不快感や不安感を与えることがなく、車体の姿勢が安定に保たれ、安全に、かつ、快適に走行することができるようにする。
【解決手段】車体と、車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、前後方向に移動可能に車体に取り付けられた能動重量部と、能動重量部を移動させる第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、駆動輪に付与する駆動トルク及び能動重量部の位置を制御して車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、車両制御装置は、車体の姿勢を制御する場合に第１アクチュエータを作動させ、重心位置の初期調整を行う場合に第２アクチュエータを作動させる。
【選択図】図１

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。

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、同軸上に配設された２つの駆動輪を有し、乗員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取り付けられた車体の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。）。

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ながら、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。
特開２００７−１６０９５６号公報

しかしながら、前記従来の車両においては、各乗員の体重、体形、姿勢等に関する個人差が車体全体のバランスに与える影響を修正するために、乗員が車両に搭乗した時に初期トルクを駆動輪に付与し、それに対応する車体傾斜角の応答波形に基づいて制御プログラムを修正するようになっている。そのため、制御プログラムが複雑化するとともに、応答波形の計測及び制御プログラムの修正に時間がかかってしまう。また、初期トルクを駆動輪に付与することによって車体姿勢が変化するので、乗員が不快に感じたり、車両の安定性や安全性に不安を抱いたりする可能性がある。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部の位置を第１アクチュエータによって制御するとともに、前記能動重量部における搭乗部の初期位置を第２アクチュエータによって調整することにより、乗員の個人差による車体全体の重心位置の変化を容易に、かつ、迅速に補正することができ、制御プログラムが複雑化することなく、乗員に不快感や不安感を与えることがなく、車体の姿勢が安定に保たれ、安全に、かつ、快適に走行することができる車両を提供することを目的とする。

そのために、本発明の車両においては、車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、前後方向に移動可能に前記車体に取り付けられた能動重量部と、該能動重量部を移動させる第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、前記駆動輪に付与する駆動トルク及び前記能動重量部の位置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、前記車体の姿勢を制御する場合に前記第１アクチュエータを作動させ、重心位置の初期調整を行う場合に前記第２アクチュエータを作動させる。

本発明の他の車両においては、さらに、前記能動重量部は、乗員を搭載する乗員搭載部を備え、前記車両制御装置は、乗員の重量を計測することで重心位置を推定し、当該重心位置に基づいて前記第２アクチュエータを作動させることで初期調整を行う。

請求項１の構成によれば、第１アクチュエータを作動させることなく重心位置の初期調整を行うことができるので、制御プログラムを簡素化することができる。また、能動重量部の制御領域が変化することがない。

請求項２の構成によれば、乗員の重量や姿勢に対して重心位置の初期調整を行うことができるので、より正確な調整が可能となる。

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。

図１は本発明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を示す図、図２は本発明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。

図１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、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。そして、倒立振り子の姿勢制御と同様に車体の姿勢を制御する。図１に示される例においては、車両１０は右方向に前進し、左方向に後退することができる。

前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３に対して回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしてのタイヤ用モータ５１によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１に示す平面に垂直な方向に存在し、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は個別のタイヤ用モータ５１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、電気モータであるタイヤ用モータ５１を使用するものとして説明する。

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。本実施の形態では、このように構成されているが、特にこの構成に限られるものではなく、例えば、本体部１１が駆動輪１２の上方でなく、駆動輪１２の間に設定されていても成立する。

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の前後方向へ本体部１１と相対的に移動可能となるように、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。

ここで、能動重量部は、ある程度の質量を有し、本体部１１に対して前後に移動させることによって、車両１０の重心位置４６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本体部１１に対して移動可能に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本体部１１に対して移動可能に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。

また、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。

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、移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。

前記移動機構は、本体部１１の上面に取り付けられた第１ガイド部４１と、該第１ガイド部４１の上に移動可能に取り付けられた第１移動部４２とを含む第１移動機構、及び、前記第１移動部４２の上面に取り付けられた第２ガイド部４３と、該第２ガイド部４３の上に移動可能に取り付けられた第２移動部４４とを含む第２移動機構を有する。

ここで、前記第１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、能動重量部用アクチュエータの第１アクチュエータとしての制御用モータ５２を備え、該制御用モータ５２によって第１移動部４２を駆動し、第１ガイド部４１に沿って前後方向にスライドさせるようになっている。なお、第１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制御用モータ５２を使用するものとして説明する。

前記リニアガイド装置は、例えば、第１ガイド部４１に取り付けられている案内レールと、第１移動部４２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。

さらに、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、第１ガイド部４１と第１移動部４２との相対的位置関係を保持する。そして、搭乗部１４の動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、第１ガイド部４１の基準位置からの距離が所定値となるように制御される。

また、前記第２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、能動重量部用アクチュエータの第２アクチュエータとしての調整用モータ５３を備え、該調整用モータ５３によって第２移動部４４を駆動し、第２ガイド部４３に沿って前後方向にスライドさせるようになっている。なお、第２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調整用モータ５３を使用するものとして説明する。

前記リニアガイド装置は、例えば、第２ガイド部４３に取り付けられている案内レールと、第２移動部４４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。さらに、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。その他の点については、第１移動機構におけるリニアガイド装置と同様であるので、その説明を省略する。

なお、第２移動機構は、重心位置の初期調整に使用されるものであるので、第１移動機構と比較して、より簡素な構成のより安価なものであってもよい。

そして、前記第２移動部４４の上には、重心位置測定用センサ３６を含む重心位置測定部４５を介して、搭乗部１４が取り付けられている。前記重心位置測定用センサ３６は、例えば、ロードセル等の荷重を計測するセンサであり、乗員１５が搭乗部１４に搭乗したことによる荷重の変化を測定するとともに、重心位置４６の変位を測定するために使用される。

前記搭乗部１４の脇（わき）には、ジョイスティックから成る操作装置３１が配設されている。乗員１５は、操作装置３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、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、ジョイスティックに代えて他の装置、例えば、ペダル、ハンドル、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を操作装置３１として使用することもできる。

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、前記操作装置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、前記操作装置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。

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、車体基本制御システム２１及び初期重心位置計測システム２２を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに車体基本制御システム２１及び初期重心位置計測システム２２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、前記車体基本制御システム２１及び初期重心位置計測システム２２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。

そして、車体基本制御システム２１は、操作装置３１からの走行指令とともに走行、姿勢制御用センサ３２の信号を受信し、タイヤ用モータ５１及び制御用モータ５２の動作を制御する。なお、前記走行、姿勢制御用センサ３２は、駆動輪回転状態計測装置としての車輪回転計３３、車体傾斜状態計測装置としての車体傾斜角度計３４、及び、能動重量部移動状態計測装置としてのスライド用位置センサ３５を備える。

前記車輪回転計３３は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、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、車体基本制御システム２１に送信する。そして、該車体基本制御システム２１は、駆動トルク指令値をタイヤ用モータ５１に送信する。すると、該タイヤ用モータ５１は、駆動アクチュエータとして機能し、前記駆動トルク指令値に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与する。

また、前記スライド用位置センサ３５は、エンコーダ等から成り、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、車体基本制御システム２１に送信する。そして、該車体基本制御システム２１は、能動重量部推力指令値を制御用モータ５２に送信する。すると、該制御用モータ５２は、能動重量部アクチュエータとして機能し、前記能動重量部推力指令値に従って第１移動部４２を並進移動させる推力を発生する。

さらに、前記車体傾斜角度計３４は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、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、車体基本制御システム２１に送信する。そして、該車体基本制御システム２１は、駆動トルク指令値をタイヤ用モータ５１に送信し、能動重量部推力指令値を制御用モータ５２に送信する。

また、初期重心位置計測システム２２は、重心位置測定用センサ３６の信号を受信し、重心位置指令値を調整用モータ５３に送信する。この場合、前記重心位置測定用センサ３６は、乗員１５が搭乗部１４に搭乗すると、該搭乗部１４の受ける荷重を測定し、測定データを初期重心位置計測システム２２に送信する。そして、該初期重心位置計測システム２２は、重心位置測定用センサ３６の測定データに基づき、重心位置４６の基準位置からの偏差を算出し、該偏差が零となるような重心位置指令値を調整用モータ５３に送信する。すると、該調整用モータ５３は、重心位置初期調整用アクチュエータとして機能し、第２移動部４４を並進移動させる推力を発生する。

次に、前記重心位置測定用センサ３６の測定データに基づき重心位置４６の基準位置からの偏差、すなわち、重心位置４６のずれを算出する方法の概要について説明する。

図３は本発明の実施の形態における重心位置のずれを算出する方法の概要を示す図である。なお、図において、（ａ）は重心位置測定用センサの配置態様を示し、（ｂ）は乗員の重心位置と車両全体の重心位置との関係を示している。

ここでは、重心位置測定用センサ３６が複数個、例えば、５個の個別のロードセル３６ａ〜３６ｅから成り、搭乗部１４の座面部１４ａの下に、図３（ａ）に示されるような態様で配置されている場合について説明する。この場合、前記ロードセル３６ａ〜３６ｅは、座面部１４ａの下の四隅及び中央の５箇所に配置されている。

これにより、乗員１５の姿勢が変化して、例えば、背もたれ部１４ｂにもたれても、また、乗員１５に代えて、荷物を座面部１４ａに乗せても、荷重を測定することができる。なお、乗員１５を除く車体自体の重量、すなわち、質量と重心位置とは、あらかじめ決定されているので、重心位置測定用センサ３６の測定対象外である。

そして、車体自体の重心位置と、ロードセル３６ａ〜３６ｅの各々の測定値とから、乗員１５も含む車両全体の重心位置４６が算出される。具体的には、まず、ロードセル３６ａ〜３６ｅの測定した荷重の総和によって乗員１５の重量、すなわち、質量が算出され、また、ロードセル３６ａ〜３６ｅの各々の測定値と前記ロードセル３６ａ〜３６ｅの各々のＸ座標の値とから、乗員１５の重心位置４６ａが算出される。そして、車体自体の質量と乗員１５の質量との比、及び、車体自体の重心位置と乗員１５の重心位置４６ａとの位置関係から、乗員１５も含む車両全体の重心位置４６が算出される。

なお、１次元（車両１０の前後方向、すなわち、Ｘ方向）の重心位置４６を特定するには、ロードセルの数は最低２つであればよいが、より多数のロードセル３６ａ〜３６ｅを使用することによって重心位置をより高精度に特定することができる。

また、重心位置測定用センサ３６が面圧の測定が可能なロードセルから成る場合には、何ら計算を行うことなく、乗員１５の重心位置４６ａを取得することができる。

次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、重心位置の初期調整を行う動作について説明する。ここでは、説明の都合上、重心位置４６に関しては、１次元（車両１０の前後方向、すなわち、Ｘ方向）についてのみ考慮するものとする。

図４は比較例における重心位置の初期調整を説明する図、図５は本発明の実施の形態における重心位置の初期調整を説明する図、図６は本発明の実施の形態における重心位置の初期調整の動作を説明するフローチャートである。なお、図４及び５において、（ａ）は標準的な乗員が搭乗した状態を示し、（ｂ）は標準外の乗員が搭乗した状態を示し、（ｃ）は重心位置の初期調整が終了した状態を示している。

仮に、「背景技術」の項で説明した従来の車両のように、車両１０が搭乗部１４の初期位置を調整するための調整用モータ５３を有していない場合、すなわち、第２ガイド部４３及び第２移動部４４を有しておらず、第１ガイド部４１及び第１移動部４２のみを有している場合、重心位置の初期調整は、図４に示されるように行われる。

まず、車両１０の設計時点で想定された標準的な体格の者、例えば、体重がＡの者である乗員１５ａが搭乗すると、図４（ａ）に示されるように、乗員１５ａも含む車両全体の重心位置４６は基準位置となる。そのため、重心位置の初期調整を行う必要がなく、車体の姿勢制御のために第１ガイド部４１に対して第１移動部４２を前後にスライドさせることのできる範囲、すなわち、搭乗部１４を前方向及び後方向に移動させる制御領域の値は、あらかじめ設定されたＬｆ及びＬｒのままである。

一方、車両１０の設計時点で想定された標準的な体格でない者、例えば、体重が標準より重いＢ（Ａ＜Ｂ）である乗員１５ｂが搭乗すると、図４（ｂ）に示されるように、乗員１５ｂも含む車両全体の重心位置４６が基準位置より後方にずれた状態、すなわち、基準位置より後方に重心位置４６の偏差が生じた状態となる。

そこで、重心位置の初期調整を行い、第１ガイド部４１に対して第１移動部４２を前にスライドさせる。これにより、図４（ｃ）に示されるように、乗員１５ｂも含む車両全体の重心位置４６が基準位置に一致した状態、すなわち、重心位置４６のずれがない状態となる。

しかし、重心位置の初期調整で第１ガイド部４１に対して第１移動部４２を前にスライドさせたため、車体の姿勢制御のために搭乗部１４を前方向及び後方向に移動させる制御領域の値は、Ｌｆ’及びＬｒ’（Ｌｆ＞Ｌｆ’、Ｌｒ＜Ｌｒ’）となる。このように、搭乗部１４を前方向に移動させる制御領域が減少するので、車体の姿勢制御を適切に行うことができなくなる可能性がある。

これに対し、本実施の形態における車両１０は、搭乗部１４の初期位置を調整するための調整用モータ５３を有している。すなわち、図５に示されるように、第１ガイド部４１及び第１移動部４２に加えて、第２ガイド部４３及び第２移動部４４を有している。なお、説明の都合上、重心位置測定部４５の図示は省略されている。

まず、車両１０の設計時点で想定された標準的な体格の者、例えば、体重がＡの者である乗員１５ａが搭乗すると、図５（ａ）に示されるように、乗員１５ａも含む車両全体の重心位置４６は基準位置となる。そのため、重心位置の初期調整を行う必要がなく、第２ガイド部４３に対して第２移動部４４を前後にスライドさせる必要がない。また、第１ガイド部４１に対して第１移動部４２を前後にスライドさせる必要もない。したがって、車体の姿勢制御のために搭乗部１４を前方向及び後方向に移動させる制御領域の値は、あらかじめ設定されたＬｆ及びＬｒのままである。

一方、車両１０の設計時点で想定された標準的な体格でない者、例えば、体重が標準より重いＢ（Ａ＜Ｂ）である乗員１５ｂが搭乗すると、図５（ｂ）に示されるように、乗員１５ｂも含む車両全体の重心位置４６が基準位置より後方にずれた状態、すなわち、基準位置より後方に重心位置４６の偏差が生じた状態となる。

そこで、重心位置の初期調整を行い、第２ガイド部４３に対して第２移動部４４を前にスライドさせる。これにより、図５（ｃ）に示されるように、乗員１５ｂも含む車両全体の重心位置４６が基準位置に一致した状態、すなわち、重心位置４６のずれがない状態となる。この場合、第１ガイド部４１に対して第１移動部４２を前後にスライドさせる必要がないので、車体の姿勢制御のために搭乗部１４を前方向及び後方向に移動させる制御領域の値は、あらかじめ設定されたＬｆ及びＬｒのままである。したがって、重心位置の初期調整を行っても、車体の姿勢制御のために搭乗部１４を前方向及び後方向に移動させる制御領域の値が影響を受けることがなく、車体の姿勢制御を適切に行うことができる。

ここで、重心位置の初期調整の動作を詳細に説明する。まず、乗員１５が搭乗すると、制御ＥＣＵ２０は、重心位置測定用センサ３６が測定した搭乗部１４の荷重を取得する、すなわち、ロードセル値を取得する（ステップＳ１）。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、搭乗部１４の荷重に基づいて乗員１５を含む車両全体の重心位置４６を計算する、すなわち、重心の前後位置Ｗを計算する（ステップＳ２）。続いて、制御ＥＣＵ２０は、重心の前後位置Ｗと基準位置Ｘとの比較を行い（ステップＳ３）、ＷとＸとの比較の結果を判断する（ステップＳ４）。

そして、ＷとＸとが等しい場合、すなわち、Ｗ＝Ｘの場合には処理を終了する。また、ＷとＸとの値が異なる場合、制御ＥＣＵ２０は、重心位置指令値を調整用モータ５３に送信して該調整用モータ５３を作動させ、重心位置４６の基準位置Ｘからの偏差が零となるように第２ガイド部４３に対して第２移動部４４を移動させる。

そして、ＷがＸより大きい場合、すなわち、Ｗ＞Ｘの場合には、重心位置４６が基準位置Ｘよりも前方にあるので、制御ＥＣＵ２０は、第２ガイド部４３に対して第２移動部４４を後方に移動させる、すなわち、モータ出力によって後方へ移動させる（ステップＳ５）。そして、再び、ロードセル値を取得する（ステップＳ１）。

また、ＷがＸより小さい場合、すなわち、Ｗ＜Ｘの場合には、重心位置４６が基準位置Ｘよりも後方にあるので、制御ＥＣＵ２０は、第２ガイド部４３に対して第２移動部４４を前方に移動させる、すなわち、モータ出力によって前方へ移動させる（ステップＳ６）。そして、再び、ロードセル値を取得する（ステップＳ１）。

このようにして、重心位置の初期調整を行うことによって、図１に示されるように、乗員１５が搭乗した状態において、乗員１５ｂも含む車両全体の重心位置４６が基準位置に一致した状態となる。

次に、車両１０の走行及び姿勢制御処理について説明する。

図７は本発明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。

本実施の形態において、重心位置の初期調整が終了した車両１０は、走行及び姿勢制御処理を実行することによって、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。

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Ｓ１１）、各センサ、すなわち、車輪回転計３３、車体傾斜角度計３４及びスライド用位置センサ３５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。

次に、制御ＥＣＵ２０は、路面勾（こう）配の取得処理を実行し（ステップＳ１２）、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、タイヤ用モータ５１及び制御用モータ５２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。

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Ｓ１３）、操作装置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。

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Ｓ１４）、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の加速度の目標値とに基づいて、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。

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Ｓ１５）、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、タイヤ用モータ５１及び制御用モータ５２の出力を決定する。

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。

図８は本発明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９は本発明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。

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８には状態量やパラメータの一部が示されている。
θ_W ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ₁ ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λ_S ：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τ_W ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
Ｓ_S ：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ² 〕
η：路面勾配〔ｒａｄ〕
ｍ_W ：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
Ｒ_W ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
Ｉ_W ：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ² 〕
Ｄ_W ：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〕
ｍ_S ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌ_S ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ_S ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ² 〕
Ｄ_S ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕

次に、路面勾配の取得処理について説明する。

図１０は本発明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。

路面勾配の取得処理において、制御ＥＣＵ２０は、路面勾配ηを推定する（ステップＳ１２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一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。

このように、本実施の形態においては、タイヤ用モータ５１が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて路面勾配を推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、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いる。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体の姿勢変化を考慮している。

次に、目標走行状態の決定処理について説明する。

図１１は本発明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。

目標走行状態の決定処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ１３−１）。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操作装置３１の操作量を取得する。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、取得した操作装置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Ｓ１３−２）。例えば、操作装置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。

続いて、制御ＥＣＵ２０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Ｓ１３−３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径Ｒ_W で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。

図１２は本発明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１３は本発明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。

目標車体姿勢の決定処理において、制御ＥＣＵ２０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Ｓ１４−１）。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。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、残りの目標値を算出する（ステップＳ１４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。

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。

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１０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、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両１０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、さらに車体を後方へ傾ける。

本実施の形態においては、図１２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、該搭乗部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。

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。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図１４は本発明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。

アクチュエータ出力の決定処理において、制御ＥＣＵ２０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Ｓ１５−１）。この場合、各目標値と路面勾配ηとから、後述の式（４）によりタイヤ用モータ５１のフィードフォワード出力を決定し、また、同じく後述の式（５）により制御用モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。

このように、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、つまり、路面勾配ηに応じて駆動トルクを補正することにより、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が操作装置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、操作装置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。

このように、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って、より高精度な制御を実現する。

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。

続いて、制御ＥＣＵ２０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Ｓ１５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、後述の式（６）によりタイヤ用モータ５１のフィードバック出力を決定し、また、同じく後述の式（７）により制御用モータ５２のフィードバック出力を決定する。

なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、Ｋ_W2、Ｋ_W3及びＫ_S5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。

最後に、制御ＥＣＵ２０は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ１５−３）。この場合、制御ＥＣＵ２０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、タイヤ用モータ５１及び制御用モータ５２に送信する。

このように、本実施の形態においては、走行中及び停止中の車両１０の姿勢を制御するために搭乗部１４の位置を制御するための制御用モータ５２とは別個に、重心位置の初期調整を行うために搭乗部１４の位置を調整するための調整用モータ５３が配設されている。

これにより、制御用モータ５２を作動させることなく重心位置の初期調整を行うことができるので、制御プログラムを簡素化することができる。また、乗員１５の体重、体形、姿勢等に関する個人差によって搭乗部１４の位置を制御するための制御領域が変化することがない。

さらに、調整用モータ５３は、車両１０の姿勢を制御するためには使用されないので、応答性の低いものであってもよく、構成が簡素でコストの低いものを使用することができるので、車両１０のコストの増加を防止することができる。

さらに、重心位置の初期調整では搭乗部１４を迅速に移動させる必要がなく、緩やかに移動させることができるので、乗員１５は不快に感じたり、車両１０の安定性や安全性に不安を抱いたりすることがない。

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。

本発明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を示す図である。 本発明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。 本発明の実施の形態における重心位置のずれを算出する方法の概要を示す図である。 比較例における重心位置の初期調整を説明する図である。 本発明の実施の形態における重心位置の初期調整を説明する図である。 本発明の実施の形態における重心位置の初期調整の動作を説明するフローチャートである。 本発明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。 本発明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である。 本発明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。 本発明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。 本発明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。 本発明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である。 本発明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。 本発明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。

符号の説明

１０ 車両
１２ 駆動輪
１４ 搭乗部
２０ 制御ＥＣＵ
４６ 重心位置
５２ 制御用モータ
５３ 調整用モータ

Claims (2)

1. 車体と、
   該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、
   前後方向に移動可能に前記車体に取り付けられた能動重量部と、
   該能動重量部を移動させる第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、
   前記駆動輪に付与する駆動トルク及び前記能動重量部の位置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、前記車体の姿勢を制御する場合に前記第１アクチュエータを作動させ、重心位置の初期調整を行う場合に前記第２アクチュエータを作動させることを特徴とする車両。
2. 前記能動重量部は、乗員を搭載する乗員搭載部を備え、
   前記車両制御装置は、乗員の重量を計測することで重心位置を推定し、当該重心位置に基づいて前記第２アクチュエータを作動させることで初期調整を行う請求項１に記載の車両。

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