JP2010006207A

JP2010006207A - 車両

Info

Publication number: JP2010006207A
Application number: JP2008167060A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Shimakawa; 憲一島川; Munehiro Takahashi; 宗裕高橋; Masanori Okada; 真規岡田; Tsukasa Hosokawa; 司細川
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】広い制御範囲に亘って、車体の姿勢制御の応答性及び精度を高めることができ、かつ、エネルギ消費量を抑制することができ、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、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複数のアクチュエータと、走行指令を入力する操作装置と、該操作装置から入力された走行指令に応じ、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、制御パラメータの区分に応じて前記複数のアクチュエータを使い分ける。
【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、重量物をスライドさせて車両のバランスを保つようになっている。
特開２００４−３４５０３０号公報

しかしながら、前記従来の車両においては、単一のモータが重量物をスライドさせるための駆動力を発生するので、姿勢制御の応答性が悪く、精度が低く、かつ、エネルギ消費量が多大となってしまう。仮に、高出力のモータを使用すると、重量物を迅速にスライドさせることができ、姿勢制御の応答性を改善することができるが、一般に、高出力のモータでは微小回転角の制御性が低いので、重量物の位置決め精度が低くなり、姿勢制御の精度が低くなってしまう。また、高出力のモータは常時大きな電力を消費するので、エネルギ消費量が多くなってしまう。また、仮に、低出力のモータを使用すると、小さな電力しか消費しないのでエネルギ消費を改善することができ、また、微小回転角の制御性が高いので、重量物の位置決め精度が高くなる。しかし、重量物を迅速にスライドさせることができないので、姿勢制御の応答性が悪くなってしまう。

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制御するアクチュエータを複数配設し、制御パラメータの区分に応じて複数のアクチュエータを使い分けることによって、広い制御範囲に亘（わた）って、車体の姿勢制御の応答性及び精度を高めることができ、かつ、エネルギ消費量を抑制することができ、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複数のアクチュエータと、走行指令を入力する操作装置と、該操作装置から入力された走行指令に応じ、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、制御パラメータの区分に応じて前記複数のアクチュエータを使い分ける。

本発明の他の車両においては、さらに、前記制御パラメータは、前記能動重量部を変位させるための推力を指令する能動重量部推力指令、前記能動重量部の変位量を指令する能動重量部変位指令、又は、前記操作装置から入力された走行指令である。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記制御パラメータは、絶対値の大きさ又は周波数に基づいて複数の区分に区分けされる。

請求項１の構成によれば、複数のアクチュエータを各アクチュエータの特性に合わせて使い分けることができるので、広い制御範囲に亘って、車体の姿勢制御の応答性及び精度を高めることができる。また、エネルギ消費量を抑制することもできる。

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。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、多段アクチュエータである能動重量部用アクチュエータの第１段アクチュエータとしての第１制御用モータ５２ａを備え、該第１制御用モータ５２ａ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、能動重量部用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、出力が高い回転式の電気モータと該電気モータの回転を往復動に変換するボールねじ機構とを含むユニットを第１制御用モータ５２ａとして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、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、多段アクチュエータである多段能動重量部用アクチュエータの第２段アクチュエータとしての第２制御用モータ５２ｂを備え、該第２制御用モータ５２ｂ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、搭乗部部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、回転式の電気モータと該電気モータの回転を往復動に変換するボールねじ機構とを含むユニット等を使用することもできるが、ここでは、出力は低いが、応答性が高く、位置決め精度が高いリニアモータを第２制御用モータ５２ｂとして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、前記第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。

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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、車体基本制御システム２１及びモータ指令値分担システム２２を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに車体基本制御システム２１及びモータ指令値分担システム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及びモータ指令値分担システム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並びに第１制御用モータ５２ａ及び第２制御用モータ５２ｂの動作を制御する。なお、第１制御用モータ５２ａ及び第２制御用モータ５２ｂを統合的に説明する場合には、制御用モータ５２として説明する。

また、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モータ指令値分担システム２２を介して、能動重量部アクチュエータとして機能する制御用モータ５２に送信する。すると、該制御用モータ５２は、前記能動重量部推力指令値に従って搭乗部１４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モータ指令値分担システム２２を介して、制御用モータ５２に送信する。

また、モータ指令値分担システム２２は、能動重量部推力指令値を第１制御用モータ５２ａと第２制御用モータ５２ｂとに分配し、これにより、前記第１制御用モータ５２ａと第２制御用モータ５２ｂとを制御パラメータの区分に応じて使い分ける。

ここで、制御パラメータは、例えば、能動重量部アクチュエータに搭乗部１４を移動させる、すなわち、変位させるための推力を指令する能動重量部推力指令、搭乗部１４の移動量、すなわち、変位量を指令する能動重量部変位指令、操作装置３１から入力された走行指令等である。

また、前記制御パラメータは、絶対値の大きさ又は周波数に基づいて複数の区分に区分けされる。具体的には、あらかじめ設定された単数又は複数の閾（しきい）値によって複数の区分に区分けされる。

例えば、能動重量部推力指令は、その絶対値をＮ個の閾値と比較することによって、大から小までＮ＋１個の区分に区分けすることができる。また、例えば、能動重量部推力指令は、その周波数成分を、Ｎ個の閾値と比較することによって、低い周波数成分から高い周波数成分までＮ＋１個の区分に区分けすることができる。ここでは、説明の都合上、単数の閾値と比較することによって、制御パラメータを２つの区分に区分けした例についてのみ説明することとする。

次に、制御パラメータの区分に応じて、多段アクチュエータとしての第１制御用モータ５２ａと第２制御用モータ５２ｂとを使い分ける動作について説明する。まず、制御パラメータが搭乗部１４を移動させる推力の大きさである場合について説明する。

図３は本発明の実施の形態における推力の大きさに応じて多段アクチュエータを使い分ける動作を説明するフローチャートである。

ここでは、能動重量部推力指令の絶対値の大きさｆ、すなわち、推力ｆをあらかじめ設定された閾値Ｆと比較するものとする。

まず、モータ指令値分担システム２２は、車体基本制御システム２１から制御計算結果を取得する（ステップＳ１）。該制御計算結果は、後述される走行及び姿勢制御処理において算出される制御用モータ５２の出力としての推力ｆである。

続いて、モータ指令値分担システム２２は、制御用モータ５２の出力としての推力ｆをあらかじめ設定された閾値Ｆと比較する、すなわち、閾値Ｆとの比較を行う（ステップＳ２）。

そして、推力ｆが閾値Ｆ以上である場合、すなわち、ｆ≧Ｆである場合には、高い出力を発生する必要があるので、モータ指令値分担システム２２は、第１制御用モータ５２ａを作動させる（ステップＳ３）。また、推力ｆが閾値Ｆ未満である場合、すなわち、ｆ＜Ｆである場合には、高い出力を発生する必要がないので、モータ指令値分担システム２２は、第２制御用モータ５２ｂを作動させる（ステップＳ４）。

次に、能動重量部推力指令を周波数に基づいて２つの区分に区分けする場合について説明する。

図４は本発明の実施の形態における制御パラメータを高周波成分と低周波成分とに分解する方法を説明する図、図５は本発明の実施の形態における制御パラメータの高周波成分と低周波成分とに応じて多段アクチュエータを使い分ける動作を説明するフローチャートである。なお、図４において、（ａ）は制御パラメータの波形を示し、（ｂ）はフーリエ変換の結果を示している。

車体基本制御システム２１が出力する能動重量部推力指令は、例えば、図４（ａ）に示されるような波形を有する時間の関数として表される。そして、該関数をフーリエ変換することによって、図４（ｂ）に示されるように、周波数成分に分解される。該周波数成分は、閾値として設定された所定の周波数以上の高周波成分と所定の周波数未満の低周波成分とに分けることができる。

まず、モータ指令値分担システム２２は、車体基本制御システム２１から能動重量部推力指令、すなわち、制御計算結果を取得する（ステップＳ１１）。

続いて、モータ指令値分担システム２２は、ローパスフィルタによって、前記能動重量部推力指令の低周波成分を抽出する、すなわち、低周波成分の抜き取りを行う（ステップＳ１２）。そして、モータ指令値分担システム２２は能動重量部推力指令の低周波成分によって、第１制御用モータ５２ａを作動させる（ステップＳ１３）。低周波成分の場合、高い精度の制御を必要としないので、比較的応答性が低く、位置決め精度が低い電気モータとボールねじ機構とを含むユニットである第１制御用モータ５２ａを作動させる。

また、モータ指令値分担システム２２は、ハイパスフィルタによって、前記能動重量部推力指令の高周波成分を抽出する、すなわち、高周波成分の抜き取りを行う（ステップＳ１４）。そして、モータ指令値分担システム２２は能動重量部推力指令の高周波成分によって、第２制御用モータ５２ｂを作動させる（ステップＳ１５）。高周波成分の場合、高い精度の制御を必要とするので、応答性が高く、位置決め精度が高いリニアモータである第２制御用モータ５２ｂを作動させる。

このように、本実施の形態においては、制御パラメータの区分に応じて、第１制御用モータ５２ａと第２制御用モータ５２ｂとを使い分けるので、出力が高い第１制御用モータ５２ａと、応答性が高く、位置決め精度が高く、かつ、消費するエネルギ量の少ない第２制御用モータ５２ｂとを適切に使用することができ、広い制御範囲に亘って、搭乗部１４の制御の応答性及び精度を高めることができ、かつ、エネルギ消費量を抑制することができる。

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６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Ｓ２１）、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Ｓ２２）、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Ｓ２３）、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Ｓ２４）、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Ｓ２５）、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７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８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７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９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Ｓ２２−１）。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１０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Ｓ２３−１）。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Ｓ２３−２）。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Ｓ２３−３）。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１１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１２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Ｓ２４−１）。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Ｓ２４−２）。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１１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１３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Ｓ２５−１）。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Ｓ２５−２）。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Ｓ２５−３）。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、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として、出力が高い第１制御用モータ５２ａと、応答性が高く、位置決め精度が高く、かつ、消費するエネルギ量の少ない第２制御用モータ５２ｂとが配設されている。そして、制御パラメータの区分に応じて第１制御用モータ５２ａと第２制御用モータ５２ｂとを使い分ける。

これにより、広い制御範囲に亘って、搭乗部１４の制御の応答性及び精度を高めることができ、かつ、エネルギ消費量を抑制することができる。

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推力の大きさに応じて多段アクチュエータを使い分ける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制御パラメータを高周波成分と低周波成分とに分解する方法を説明する図である。本発明の実施の形態における制御パラメータの高周波成分と低周波成分とに応じて多段アクチュエータを使い分ける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
３１操作装置

Claims

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複数のアクチュエータと、
走行指令を入力する操作装置と、
該操作装置から入力された走行指令に応じ、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、制御パラメータの区分に応じて前記複数のアクチュエータを使い分けることを特徴とする車両。
前記制御パラメータは、前記能動重量部を変位させるための推力を指令する能動重量部推力指令、前記能動重量部の変位量を指令する能動重量部変位指令、又は、前記操作装置から入力された走行指令である請求項１に記載の車両。
前記制御パラメータは、絶対値の大きさ又は周波数に基づいて複数の区分に区分けされる請求項１に記載の車両。