JP2010167992A

JP2010167992A - 車両

Info

Publication number: JP2010167992A
Application number: JP2009014300A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Doi; 克則土井
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】段差が存在する場所であっても、いつ倒立制御を停止しても車体を安定した状態に維持することを可能とし、異常時における緊急停止や乗員による降車要求に即時に対応することができ、使い勝手がよく、かつ、安全に使用することができるようにする。
【解決手段】回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、駆動輪に付与する駆動トルク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、段差形状として段差までの距離及び段差の高低差を取得する段差形状取得手段と、姿勢制限手段の制御に要する時間に相当する走行距離である事前準備走行距離を車速に応じて決定する事前準備走行距離決定手段と、段差までの距離と事前準備走行距離との差に応じて、姿勢制限手段の位置及び／又は角度及び／又は形状の制御を実行する姿勢制限制御手段とを備える。
【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、倒立制御を行って、車両を移動させる。また、乗員が降車するときや車両の電源を遮断したときには、倒立制御を停止するのと同時にストッパを作動させ、該ストッパを接地させることによって車体の姿勢を維持するようになっている。

特開２００４−２９１７９９号公報

しかしながら、前記従来の車両においては、路面形状によって倒立制御を停止させることができない場合がある。例えば、平坦（たん）路で倒立制御を停止させてストッパを接地させた状態が力学的に安定であるようなストッパを具備しても、車両の近傍に段差が存在すると、ストッパを接地させても車体が力学的に不安定な状態になり、倒立制御を停止できない場合がある。

また、この解決手段として路面形状に応じてストッパの状態を変化させる場合、段差のような不連続な路面形状の変化に対して、ストッパの制御に遅れが生じる可能性がある。これは、ストッパが段差にかかる領域に入った瞬間に条件が不連続に変化するためである。同様に、車両が段差を昇降する前後においても条件が不連続に変化する。

このように、段差の近傍において倒立制御を停止することができないと、倒立制御を停止させた状態で乗員が乗車及び降車する車両において、段差近傍での乗員の乗降が不可能になる。また、システムの故障等に起因する緊急の倒立制御停止時における安全性を考慮すると、たとえ車両が十分な段差走行性能を備えていても、実際に車両を段差のある場所で走行させることは難しい。そのため、モビリティとして、使い勝手が悪い。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、倒立制御の実行時において、車両近傍の段差を検出し、その位置と高さに応じてストッパを制御すること、特に、段差の影響下に入る前にストッパをある程度制御して段差昇降に備えることによって、段差が存在する場所であっても、いつ倒立制御を停止しても車体を安定した状態に維持することを可能とし、異常時における緊急停止や乗員による降車要求に即時に対応することができ、使い勝手がよく、かつ、安全に使用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、回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、前記駆動輪に付与する駆動トルク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、段差形状として段差までの距離及び該段差の高低差を取得する段差形状取得手段と、事前準備走行距離を車速に応じて決定する事前準備走行距離決定手段と、前記段差までの距離と前記事前準備走行距離との差に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は角度及び／又は形状の制御を実行する姿勢制限制御手段とを備える。

本発明の他の車両においては、さらに、前記姿勢制限制御手段は、下り段差接近時には前記車体の進行方向側への傾斜を制限する前記姿勢制限手段の制御のみを実行し、及び／又は、上り段差接近時には前記車体の進行方向逆側への傾斜を制限する前記姿勢制限手段の制御のみを実行する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記事前準備走行距離に応じて、前記段差の高低差が前記段差までの距離の変化に対して連続的に変化するように前記段差形状取得手段によって取得された前記段差形状を補正する段差形状補正手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、前記補正された段差形状に基づいて前記姿勢制限手段を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記段差形状取得手段によって取得された段差形状に応じて前記姿勢角度の制限値を予測する制限値予測手段を更に有し、前記姿勢制限制御手段は、前記制限値予測手段によって予測された前記制限値に応じて前記姿勢制限手段の位置及び／又は角度及び／又は形状を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、前記姿勢制限制御手段は、前記姿勢制限手段が路面に接地した状態における車両の重心を通る鉛直線が路面と交わる位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する。

請求項１の構成によれば、段差の近傍で倒立制御を停止しても、段差の接近に対して遅れることなく適切に制御された姿勢制限手段によって、常に車体を安定した状態に維持することができる。

請求項２の構成によれば、姿勢制限手段の接地点が駆動輪の接地点よりも低い状態に備えて予め制御を実行することで、姿勢制限手段の接地点を支点にして車体が更に傾斜することを確実に回避できる。また、このような状態を優先的に対象とすることで、姿勢制限手段の制御に要する出力やエネルギ消費量を低減できる。

請求項３の構成によれば、高低差が連続的に変化する仮想的な路面に対して姿勢制限手段を制御することで、姿勢制限手段の滑らかな動作を実現し、チャタリングを防止すると共に、最大出力やエネルギ消費量を低減できる。また、路面形状データの修正のみで実現できるため、制御のアルゴリズムやそのプログラムの簡素化やモジュール化が容易になる。

請求項４の構成によれば、段差形状に応じて姿勢制限手段を適切に制御するので、倒立制御停止時の車体を安定した状態に維持することができる。

請求項５の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、より確実に車体を安定化させることができる。また、車体が傾斜して姿勢制限手段が接地した後に、車体が更に同じ方向に傾斜し続けることを防ぐのと共に、乗員の移動等に伴って車体が逆方向に傾斜することも防ぐことができる。

請求項６の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に、かつ、定量的に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、更に確実に車体を安定化させることができる。また、接地荷重偏心度の目標値を所定範囲内とすることで、安定な範囲内で細かく姿勢制限手段を制御するような不要な動作、及び、それに伴うエネルギの浪費や振動、騒音等を防ぐことができる。

請求項７の構成によれば、段差に到達する前に、あらかじめ姿勢制限手段を適切な状態に設定することができる。

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ストッパが接地した状態を示す図である。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。本発明の第１の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における下り段差接近時のストッパの動作と仮想路面の設定を説明する図である。本発明の第１の実施の形態における上り段差接近時のストッパの動作と仮想路面の設定を説明する図である。本発明の第１の実施の形態における段差形状値の補正を示す図である。本発明の第１の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図である。本発明の第１の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるストッパ目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態における車両の構成を示す概略図でありストッパが接地した状態を示す図である。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である。本発明の第２の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態におけるストッパ目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。

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ストッパが接地した状態を示す図、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。

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、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。また、図１に示される例において、車両１０は段差の手前にある。

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。

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には搭乗部１４が取り付けられている。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗部１４に搭乗してい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、背もたれ部及びヘッドレストを備える。

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、操縦装置であるジョイスティック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３１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目標走行状態取得装置として使用することもできる。

また、前記入力装置３０は、制御指令取得装置としての制御切替スイッチ３２を備える。そして、乗員１５が走行開始や降車を希望する場合には、制御切替スイッチ３２を操作することによって、倒立制御の実行や停止の指令を入力するようになっている。

ここで、乗員１５が操作して倒立制御の実行や停止を入力することができる装置であれば、制御切替スイッチ３２に代えて他の装置、例えば、押しボタンやタッチパネル、操作レバー、音声認識システム等の装置を制御指令取得装置として使用することもできる。また、これらは実行又は停止の一方のみを指令する装置であってもよい。

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及び制御切替スイッチ３２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及び制御切替スイッチ３２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。

支持部１３には、姿勢制限手段としてのストッパ１６が駆動輪１２の回転軸周りに回転可能に取り付けられ、ストッパモータ６２によって回転させられる。図に示される例において、前記ストッパ１６は、略八の字状の側面形状を備え、支持部１３の下端に枢支された中心部１６ｃ、該中心部１６ｃの前端から前方斜め下方向に延出する前方部１６ｆ、該前方部１６ｆの前端に形成された前方接地部１６ａ、前記中心部１６ｃの後端から後方斜め下方向に延出する後方部１６ｒ、及び、該後方部１６ｒの後端に形成された後方接地部１６ｂを有する。ストッパ１６の各部の位置、角度及び形状について、前方部１６ｆと後方部１６ｒは面対称の関係にあり、その平面上に駆動輪１２の回転軸があるように取り付けられる。すなわち、前方部１６ｆと後方部１６ｒとは同一の寸法及び形状を備える。そして、倒立制御を停止した時には、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地することによって車体の姿勢角度を制限し、車体が所定角度以上に傾斜することを防止する。

なお、前記ストッパモータ６２は、図示されないストッパブレーキを備え、電源が遮断された時には、ストッパブレーキが作動してストッパ１６の回転状態を固定するようになっている。前記ストッパブレーキは、例えば、無励磁作動型の電磁ブレーキである。

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、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及びストッパ制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及びストッパ制御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及びストッパ制御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。

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。

また、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、車体傾斜センサ４１及び駆動モータ５２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に送信する。

さらに、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御ＥＣＵ２３、ストッパセンサ６１及びストッパモータ６２とともに、ストッパ１６の動作を制御するストッパ制御システム６０の一部として機能する。前記ストッパセンサ６１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、姿勢制限手段計測装置として機能し、ストッパ１６の回転状態を示すストッパ回転角及び／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、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信し、該ストッパ制御ＥＣＵ２３は、受信したストッパトルク指令値に相当する入力電圧をストッパモータ６２に供給する。そして、該ストッパモータ６２は、入力電圧に従ってストッパ１６に駆動トルクを付与し、これにより、姿勢制限手段アクチュエータとして機能する。

さらに、主制御ＥＣＵ２１は、段差センサ７１とともに、車両１０の周囲の段差を検知して計測する段差計測システム７０の一部として機能する。前記段差センサ７１は、超音波センサ、レーザレーダ、ステレオカメラ等から成り、車両１０の近傍の路面上に存在する段差を検知し、その高さ及び／又は位置を計測する。そして、段差形状として、段差の高さ及び／又は位置を主制御ＥＣＵ２１に送信する。

なお、該主制御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、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。

また、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車体傾斜角速度とを決定してもよい。

本実施の形態において、制御ＥＣＵ２０は、倒立制御を実行している間に、倒立制御を停止した時の状態を予測し、予測した状態が倒立制御停止時の目標状態に一致するように、ストッパ１６の回転状態を補正する事前適応制御を実行する。

そして、車両１０が段差の周囲にいる場合に制御ＥＣＵ２０が倒立制御を停止すると、図１に示されるように、ストッパ１６が路面に接地する。図１において、１７は乗員１５も含む車両１０の重心を示し、白抜きの三角は、駆動輪１２の接地点としての駆動輪接地点を示し、白抜きの丸は、重心１７からの鉛直線が路面と交わる点としての接地荷重中心点を示し、白抜きの星は、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地する点としてのストッパ接地点を示している。なお、図１に示されるｂ、ｈ、ｘ_C、ｘ_S、Ｈ_f、Ｘ_f、θ_s等の記号については、後で説明する。

つまり、制御ＥＣＵ２０は、段差近傍におけるストッパ事前適応制御を実行し、車両１０の近傍に存在する段差に応じて、接地荷重中心点とストッパ接地点とを予測し、補正する。具体的には、倒立制御実行時、すなわち、ストッパ１６が浮上している時において、常に、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時の車体姿勢を予測し、それが安定状態であるようにストッパ１６の状態をあらかじめ制御して倒立制御停止に備える。

以下の説明において、表記の簡略化のため、駆動輪１２の回転軸に垂直な平面に投影した駆動輪接地点を、省略して、単に、駆動輪接地点と表記する。また、ストッパ接地点や接地荷重中心点も同様に表記する。また、同様の理由から、倒立制御の実行時に予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点を、それぞれストッパ接地予測点及び接地荷重中心予測点と表記する。

車体姿勢の安定性については、予測される倒立制御停止時における駆動輪接地点とストッパ接地点と接地荷重中心点との位置関係によって判断する。まず、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点に接地荷重中心点がある状態を最安定状態とする。そして、前記中点から接地荷重中心点までの水平方向の距離に相当する接地荷重偏心度の予測値を小さくするように、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。具体的には、ストッパ１６の状態を変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。

前述のように、ストッパ１６は、車両１０の前後の前方部１６ｆと後方部１６ｒとが結合され、車軸を中心に回転可能となっている。そこで、ストッパ１６の回転角をストッパモータ６２で変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御することができる。

また、前述のように、ストッパモータ６２が電源遮断時にストッパ１６の状態を固定するストッパブレーキを備えており、倒立制御停止時には電源を遮断する。倒立制御を停止するのは、例えば、システム異常に対する緊急停止時や、乗員１５が降車又は駐車を希望する時である。

さらに、ストッパ接地点と接地荷重中心点とを予測する際に、段差の形状を考慮する。この場合、段差センサ７１によって計測された段差の高さと位置とから、段差の形状を取得する。

また、ストッパ１６の制御の遅れを考慮して、段差に進入する手前からストッパ１６が適切な状態に変化するように制御する。まず、制御の時間遅れに相当する走行距離である事前準備走行距離を車両の走行速度に基づいて算出する。次に、段差から事前準備走行距離だけ手前から段差の高低差が連続的に変化するような仮想路面を想定して路面形状値を補正する。そして、補正した路面形状値に応じてストッパ１６の制御を実行することで、段差に進入する前に余裕を持ってストッパ１６を段差に適した状態に移行させる。

なお、制御ＥＣＵ２０は、機能の観点から、段差センサ７１によって計測された段差の高さと位置とから、段差の形状を取得する段差形状取得手段、車速に応じて事前準備走行距離を決定する事前準備走行距離決定手段、決定した事前準備走行距離に応じて段差形状を補正する段差形状補正手段、補正した段差形状に応じて姿勢角度の制限値を予測する制限値予測手段、予測された制限値に応じてストッパ１６の角度を制御する姿勢制限制御手段、及び、接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を備える。

このように、倒立制御実行時、すなわち、車体の姿勢制御が行われている時であってストッパ１６を使用する前に、あらかじめストッパ１６を適切な状態に設定しておくので、異常時における緊急停止、乗員１５による駐車要求等にも即時に対応することができる。また、車体の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいてストッパ１６を制御するため、倒立制御停止時であっても、確実に車体を安定化させることができる。さらに、必要に応じてストッパ１６の状態を制御するため、ストッパ１６による安定領域の過度なマージンが不要であり、ストッパ１６、すなわち、車両１０を小型化及び軽量化することができる。

以上のように、走行環境への適応、及び、車両１０の小型化によって、駐車可能な範囲が広がり、使い勝手のよい倒立型の車両１０を提供することができる。

また、乗員１５は段差近傍上での緊急停止時の危険性を気にする必要がなく、車両１０が有する段差走行性能の限界まで、安全に、安心して利用することができる。

さらに、ストッパ１６の制御機構を簡単な回転型の機構とすることにより、過剰に複雑な機構や多数のアクチュエータ、複雑な制御則を必要とせず、簡単に制御することが可能であり、ストッパ１６の適応制御システム化に伴う不要な重量増やコスト増を低減することができる。

加えて、段差への進入に備えてあらかじめストッパ１６を段差に適した状態に移行させることで、不連続な段差進入時におけるストッパ１６の素早い制御やそれを実現するための高トルク及び高出力のアクチュエータが不要であり、更に高い安全性を保障するのと共に、車両の重量増やコスト増を更に低減できる。

すなわち、本実施の形態により、段差がある場所でも安全に使用することができる倒立型の車両１０を安価に提供することができる。

次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、車両制御処理の概要について説明する。

図３は本発明の第１の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。

車両制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、システム異常判定を行い、異常発生か否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、例えば、バッテリのエネルギ枯渇やセンサの故障等の原因によって、倒立制御の維持が不可能な状態となっているか否かを判断する。

そして、異常発生はないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、降車希望判定を行い、降車希望であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この場合、入力装置３０の制御切替スイッチ３２から入力された実行／停止指令の信号を取得し、乗員１５が降車を望んでいるか否かを判断する。具体的には、実行指令の場合には乗員１５が降車を望んでいない、停止指令の場合には乗員１５が降車を望んでいると判断する。

そして、降車を望んでいないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、ストッパブレーキ開放を行い（ステップＳ３）、ストッパモータ６２が備えるストッパブレーキに電源を投入し、ストッパブレーキの開放状態を維持し、ストッパ１６にブレーキがかからないようにする。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、倒立制御を実行し（ステップＳ４）、車体の倒立姿勢を維持しつつ、乗員１５が指令する走行状態を実現する。なお、倒立制御の内容については、通常の倒立型車両における倒立制御と同様であるので、説明を省略する。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ制御処理を実行し（ステップＳ５）、倒立制御の停止に備えてストッパ１６を適切な状態に制御し、車両制御処理を終了する。なお、該車両制御処理は、所定の時間間隔（例えば、１００〔μｓ〕毎）で繰り返し実行される。

一方、システム異常判定において異常が発生していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、電源遮断、すなわち、緊急停止を行い（ステップＳ６）、車両１０のシステムの電源を遮断し、車両制御処理を終了する。なお、遮断される電源には、ストッパモータ６２が備えるストッパブレーキの電源も含まれる。

また、降車希望判定において降車を希望していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、ストッパブレーキ作動を行い（ステップＳ７）、ストッパモータ６２が備えるストッパブレーキの電源を遮断し、ストッパブレーキを作動させて、ストッパ１６を固定する。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、着地制御を実行し（ステップＳ８）、車体を緩やかに前方に傾け、ストッパ１６の前方接地部１６ａを路面に接地させ、車両制御処理を終了する。

なお、本実施の形態では、車両制御処理において、異常時を除いて、必ず制御切替スイッチ３２の入力に基づく乗員１５の降車希望を判断しているが、一度降車希望の信号を受信したら、それ以降は制御切替スイッチ３２の入力に係わらず、常に降車を望んでいると判断してもよい。これにより、無駄な制御処理が軽減されるのと共に、一度降車希望を送信した直後に撤回された場合に適応することが困難な姿勢制御の実行、及び、それに伴う危険性を簡単に回避することができる。

次に、ストッパ制御処理について説明する。

図４は本発明の第１の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、ストッパ状態量の取得処理を実行し（ステップＳ５−１）、ストッパセンサ６１によって、ストッパ１６の状態量を取得する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、変動特性量の取得処理を実行し（ステップＳ５−２）、車体の安定性に影響を及ぼす要素についての特性量、具体的に本実施の形態においては、段差形状値を取得する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、接地状態の予測処理を実行し（ステップＳ５−３）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及び変動特性量の取得処理によって取得された特性量に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車両１０の力学的状態を予測する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ目標状態の決定処理を実行し（ステップＳ５−４）、接地状態の予測処理によって予測された車両１０の力学的状態に応じてストッパ状態量の目標値を決定する。

最後に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ出力の制御処理を実行し（ステップＳ５−５）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及びストッパ目標状態の決定処理によって決定されたストッパ状態量の目標値に応じて、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に与える。

次に、ストッパ制御処理の詳細について説明する。まず、ストッパ状態量の取得処理について説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ１６の状態量を取得する（ステップＳ５−１−１）。この場合、ストッパセンサ６１からストッパ回転角及び／又は回転角速度を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ５−１−２）。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って、残りの状態量を算出する。取得した状態量がストッパ回転角である場合には、これを時間微分することによって、ストッパ回転角速度を得ることができる。また、取得した状態量がストッパ回転角速度である場合には、これを時間積分することによって、ストッパ回転角を得ることができる。

次に、変動特性量の取得処理について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における下り段差接近時のストッパの動作と仮想路面の設定を説明する図、図７は本発明の第１の実施の形態における上り段差接近時のストッパの動作と仮想路面の設定を説明する図、図８は本発明の第１の実施の形態における段差形状値の変化を示す図、図９は本発明の第１の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。なお、図６及び７において、（ａ）はストッパを事前に回転させた状態を示す図、（ｂ）は仮想路面を示す図であり、図８において、（ａ）は下り段差接近時における前方段差形状値、（ｂ）は上り段差接近時における後方段差形状値をそれぞれ表す。

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。
θ_W：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ₁：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
τ_W：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
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〕
ｍ₁：車体質量（乗員を含む）〔ｋｇ〕
ｌ₁：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差形状を取得する（ステップＳ５−２−２）。この場合、段差センサ７１によって計測された段差の高さ及び位置を取得する。図１において、Ｈ_fは車両の前方に存在する段差の高さであり、Ｘ_fは該段差の位置である。なお、図示されていないが、後方の段差の高さはＨ_r、後方の段差の位置はＸ_rとする。そして、以降の説明において、Ｈ_f及びＨ_rを統合的に説明する場合には、段差高さＨとして説明し、Ｘ_f及びＸ_rを統合的に説明する場合には、段差位置Ｘとして説明する。

なお、段差高さＨの値は、上り段差を正の値とし、下り段差を負の値とする。また、段差位置Ｘの値は、駆動輪接地点から段差までの距離とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差形状値を補正する（ステップＳ５−２−３）。なお、簡略化のため、段差形状値の補正に関する以下の説明は、車両１０が前進又は停止している場合に限る。ただし、車両１０が後退している場合についても、変数の正負を変更することで同様の制御を適用することができる。

まず、段差形状値の補正を開始する位置に相当する事前準備走行距離Ｘ_dを決定する。この場合、駆動輪回転角速度に基づき、次の式（１）によって与える。

本実施の形態においては、ストッパ１６の制御をなるべく複雑にしないために、図６及び７に示されるように、段差の形状を補正する。

そして、下り段差の場合、前方段差形状値及び後方段差形状値は、次の式（２）及び（３）で表され、段差の高さ及び位置の関係は図８（ａ）に示すように与えられる。また、上り段差の場合、前方段差形状値及び後方段差形状値は、次の式（４）及び（５）で表され、段差の高さ及び位置の関係は図８（ｂ）に示すように与えられる。

このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差計測値である段差位置と段差高さの値を補正する。具体的には、仮想的なストッパ接地面として、段差の手前から高さが連続的に変化する下り勾配路面を想定し、その路面に基づいて、段差位置と段差高さの値を補正する。

下り段差に接近する時には、ストッパ１６の前方接地部１６ａの接地面が実際の路面よりも下方にあると想定し、その路面に前方接地部１６ａが接地したときの接地点の位置と高さを前側の段差位置と段差高さとする。なお、ストッパ１６の後方接地部１６ｂの接地面は実際の路面とし、後側の段差計測値は補正しない。

また、上り段差に接近する時には、ストッパ１６の後方接地部１６ｂの接地面が実際の路面よりも下方にあると想定し、その路面に後方接地部１６ｂが接地したときの接地点の位置と高さを後側の段差位置と段差高さとする。なお、ストッパ１６の前方接地部１６ａの接地面は実際の路面とし、前側の段差計測値は補正しない。

これにより、倒立制御停止時における車体の安定性に影響を及ぼす領域内に下り段差が突然現れる場合、すなわち下り段差を通過する直前及び上り段差を通過した直後について、その場面を事前に予測して備えることでストッパ動作の時間遅れを補償し、ストッパの接地時にストッパの接地点を回転中心として車体がさらに傾斜する危険性をより確実に回避できる。

また、主制御ＥＣＵ２１は、車両１０の速度に応じて、段差計測値の補正を開始する位置を決定する。具体的には、ストッパ１６が段差に適した状態まで変化させる制御に要する時間、すなわち、ストッパ動作遅れ時間に車両１０が移動する距離である事前準備走行距離を算出し、その距離だけ手前から段差計測値の補正を行う。これにより、車両１０の動作状況や段差への到達時間に応じて適切に段差計測値を補正することができ、確実なストッパ１６の事前準備を実行できる。また、例えば段差の近傍で車両が停止している際に不要な事前準備動作が実行されることを防止できる。

なお、本実施の形態においては、より危険性の高い下り段差の方向に車体が傾斜する場合のみを考慮しているが、上り段差の方向に車体が傾斜する場合を考慮してもよい。例えば、下り段差接近時のストッパ１６の後方接地部１６ｂや上り段差接近時のストッパ１６の前方接地部１６ａの仮想接地面を実際の路面よりも上方にあると仮定して、段差形状値の補正を行うことで、上り段差の方向に車体が傾斜する場合にも対応できる。

また、本実施の形態においては、ストッパ動作遅れ時間にあらかじめ所定値を与えているが、段差形状に応じて変化させてもよい。例えば、段差が高いほどストッパ動作遅れ時間を長くすることで、ストッパ１６の動作時間をより確実に確保できる。

次に、接地状態の予測処理について説明する。

図１０は本発明の第１の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図、図１１は本発明の第１の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。

接地状態の予測処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ接地点を予測する（ステップＳ５−３−１）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ回転角及び変動特性量の取得処理で取得した段差の高さと位置に基づき、次の式（６）及び（７）によって、ストッパ接地点を予測する。

式（６）は前側接地時、すなわち、前方接地部１６ａが接地する場合に相当し、ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘ_S,fを与える。また、式（７）は後側接地時、すなわち、後方接地部１６ｂが接地する場合に相当し、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘ_S,rを与える。ちなみに、図１は、ストッパ１６の前方接地部１６ａが路面に接地した予測状態を示す。

なお、以降の説明において、ｘ_S,f及びｘ_S,rを統合的に説明する場合には、駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの距離をｘ_Sとして説明する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重中心点を予測する（ステップＳ５−３−２）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ回転角及び変動特性量の取得処理で取得した段差の高さと位置に基づき、次の式（８）及び（９）によって、接地荷重中心点を予測する。

式（８）は前側接地時、すなわち、前方接地部１６ａが接地する場合に相当し、ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘ_C,fを与える。また、式（９）は後側接地時、すなわち、後方接地部１６ｂが接地する場合に相当し、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離をｘ_C,rを与える。なお、以降の説明において、ｘ_C,f及びｘ_C,rを統合的に説明する場合には、駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの距離をｘ_Cとして説明する。

式中のθ_sはストッパ回転角である。また、Ｌは車両重心位置であり、車軸からの距離を表す。なお、Ｈは前述のように段差高さであり、その値は上り段差を正の値とし、下り段差を負の値とする。また、Ｘは前述のように段差位置であり、駆動輪接地点から段差までの距離を表す。

このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差形状値とストッパ１６の状態に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における車体姿勢及び力学的状態を予測する。段差位置Ｘ及び段差高さＨとストッパ回転角θ_sに基づいて、ストッパ接地点と接地荷重中心点を予測する。この場合、段差との接触によるストッパ接地点の位置変化を考慮して、駆動輪接地点からストッパ接地点までの距離ｘ_Sを求める。また、段差形状とストッパ回転角による車体傾斜角の変化を考慮して、駆動輪接地点から接地荷重中心点までの距離ｘ_Cを求める。このように、倒立制御停止時における車両１０の状態を詳細に考慮することで、その安定性をより高い精度で評価できる。

また、主制御ＥＣＵ２１は、車体が前傾してストッパ１６の前方部１６ｆの前方接地部１６ａが接地した場合と、車体が後傾してストッパ１６の後方部１６ｒの後方接地部１６ｂが接地した場合とを考慮し、各々の場合におけるストッパ接地点及び接地荷重中心点を求める。これにより、倒立制御の緊急停止時において車体がどちらの方向に傾斜しても、その安定性をあらかじめ評価しておくことができる。

なお、本実施の形態においては、非線形の評価式によって、ストッパ接地点と接地荷重中心点との相対位置を予測しているが、より簡単な線形式によって予測してもよい。また、タイヤの変形や車体傾斜の慣性等を考慮したより詳細なモデルに基づく評価式によって予測してもよい。さらに、関数をマップとして具備し、それを用いて予測してもよい。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重偏心度を予測する（ステップＳ５−３−３）。具体的には、予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点に基づき、次の式（１０）により、倒立制御の停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における接地荷重偏心度を算出する。なお、図１０には、ストッパ接地点、接地荷重中心点及び駆動輪接地点の位置と、駆動輪接地点からストッパ接地点及び接地荷重中心点までの水平距離と、接地荷重偏心度との関係も示されている。

ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の接地荷重偏心度をγ_fとし、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の接地荷重偏心度をγ_rとすると、γ_f及びγ_rは、次の式（１０）で表される。なお、以降の説明において、γ_f及びγ_rを統合的に説明する場合には、接地荷重偏心度γとして説明する。

このように、主制御ＥＣＵ２１は、予測した駆動輪接地点、ストッパ接地点及び接地荷重中心点の位置関係に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車体姿勢の安定性を評価する。具体的には、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点を基準とした接地荷重中心点のずれを駆動輪接地点及びストッパ接地点間距離の半分で無次元化した値である接地荷重偏心度によって、安定性を評価する。

接地荷重偏心度が、γ＞１の場合、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側に位置するので、ストッパ接地点を中心として車体が回転し、場合によっては転倒する危険性があるため、危険な「不安定」であると評価する。また、γ＜−１の場合、接地荷重中心点が駆動輪接地点の外側に位置するので、ストッパ接地時の車体姿勢を維持することができず、やがて車体は逆側に傾斜するため、不便な「不安定」であると評価する。さらに、γ＝０の場合、接地荷重中心点が上記の２領域から最も離れた位置にあるので、この点が「最安定」であると評価し、この位置に接地荷重中心点があることを理想とする。

これにより、転倒の危険だけでなく、逆側への車体再傾斜も回避させることができ、安定した車体姿勢の維持を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、前後一体型のストッパ１６を使用しているため、両接地荷重予測偏心度を独立に制御することができない。したがって、以下の手法でこれ以降の制御を行う。

｜γ_f｜≧｜γ_r｜の場合、前側接地、すなわち、車体が前傾してストッパ１６の前方部１６ｆの前方接地部１６ａが接地した場合の車体姿勢がより不安定であると判断し、前側接地を想定した接地荷重偏心度γ＝γ_fに基づいて、以降のストッパ１６の制御を実行する。

｜γ_f｜＜｜γ_r｜の場合、後側接地、すなわち、車体が後傾してストッパ１６の後方部１６ｒの後方接地部１６ｂが接地した場合の車体姿勢がより不安定であると判断し、後側接地を想定した接地荷重偏心度γ＝γ_rに基づいて、以降のストッパ１６の制御を実行する。

また、本実施の形態においては、接地荷重中心点が駆動輪接地点とストッパ接地点との中点にある場合を最安定としているが、異なる点にある場合を最安定としてもよい。例えば、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側にある状態の方が、駆動輪接地点の外側にある状態よりも重大な不安定状態にあることを考慮し、所定量だけ駆動輪接地点に接近した位置を最安定点とすることで、より転倒しにくい制御を実現してもよい。

さらに、前側接地を想定した接地荷重中心点と後側接地を想定した接地荷重中心点について異なる値を最安定としてもよい。また、走行状態等で異なる値を最安定としてもよい。例えば、走行中の非常停止時には車体が前方に勢いよく傾斜する可能性があるため、走行中は前側の最安定点を駆動輪接地点側に走行速度に応じた量だけ近付けてもよい。また、降車時には前傾接地した後に乗員１５が降車すると重心位置が後方に移動するため、停止中は前側の最安定点をストッパ接地点側に乗員１５の体重に応じた量だけ近付けてもよい。

次に、ストッパ目標状態の決定処理について説明する。

図１２は本発明の第１の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図、図１３は本発明の第１の実施の形態におけるストッパ目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、接地荷重偏心度の目標値を決定する（ステップＳ５−４−１）。具体的には、接地状態の予測処理によって予測した接地荷重偏心度の値に基づき、次の式（１１）によって、接地荷重偏心度の目標値を決定する。なお、上付きの符号＊は目標値であることを示す符号である。また、図１２には、接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係が示されている。

ここでは、接地荷重偏心度が安定な範囲にあるように、かつ、緩やかに最安定な値に収束するように、目標値を決定する。そのために、接地荷重偏心度の推定値に基づいて、接地荷重偏心度の目標値を決定する。

具体的には、接地荷重偏心度が不安定な範囲にある場合、すなわち、γ＜γ_Min又はγ＞γ_Maxである場合、安定な範囲内の所定値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を迅速に安定な範囲内まで変化させ、不安定な状態を回避する。また、接地荷重偏心度が安定な範囲にある場合、すなわち、γ_Min＜γ＜γ_Maxである場合、推定値よりも少し小さな値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を緩やかに最安定点へ誘導し、その安定度を強くする。

このように、緊急度に応じて対応を変えることで、非緊急時の過剰な制御に伴うエネルギの浪費や振動発生を回避することができる。

なお、本実施の形態では、単純な線形関数を組み合わせた関数で接地荷重偏心度の目標値を設定しているが、より複雑な非線形の関数を用いてもよい。例えば、式（１１）における閾（しきい）値付近の不連続な変化を滑らかにすることで、同閾値付近でのストッパ１６や車体の動作の急な変化を軽減させることができる。また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の予測値が正の場合と負の場合で同様の関数から目標値を設定しているが、その特性が異なってもよい。例えば、正の場合の目標値の関数の勾配をより小さく設定することで、車体転倒の防止をより強くすることができる。さらに、本実施の形態では、前側接地を想定した場合と後側接地を想定した場合で同じ関数を用いているが、それが異なっていてもよい。例えば、前側接地想定時の目標値の関数の最大値をより小さく設定することで、緊急停止時に可能性が高くなる前側への車体転倒の防止をより強く実行することができる。

また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の目標値を同予測値に基づいて設定することで収束速度などの制御特性を調整しているが、後述のフィードバック制御において特性を調整してもよい。例えば、接地荷重偏心度の予測値が所定の閾値を超過している場合にはフィードバックゲインを大きくし、同閾値以下の場合には同ゲインを小さくすることで、本実施の形態と同様の効果を実現できる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ状態量の目標値を決定する（ステップＳ５−４−２）。具体的には、接地荷重偏心度の目標値及び変動特性量の取得処理によって推定した段差の高さと位置に基づき、次の式（１２）によって、ストッパ回転角の目標値を決定する。なお、式（１２）中の正負の符号については、前側接地、すなわち、車体が前傾してストッパ１６の前方部１６ｆの前方接地部１６ａが接地した場合を想定した場合には上側の符号を、後側接地、すなわち、車体が後傾してストッパ１６の後方部１６ｒの後方接地部１６ｂが接地した場合を想定した場合には下側の符号をそれぞれ用いる。

ここでは、接地荷重偏心度の目標値に応じて、ストッパ１６の目標状態を決定する。具体的には、接地荷重偏心度の目標値γ^*と段差位置Ｘ及び段差高さＨとによって、ストッパ回転角の目標値を決定する。この場合、ストッパ接地点及び接地荷重中心点が接地荷重偏心度の目標値を実現する配置になるようなストッパ回転角を幾何学的条件等に基づいて算出し、それを目標値として設定する。

なお、本実施の形態においては、非線形の決定式によってストッパ回転角の目標値を決定しているが、より簡単な線形式によって決定してもよい。また、関数をマップとして具備し、それを用いて決定してもよい。

また、本実施の形態においては、接地荷重偏心度という指標を用いることによって車体の姿勢安定性の扱いを容易にしているが、段差形状値及びストッパ回転角から直接的にストッパ回転角の目標値を設定してもよい。さらに、接地荷重偏心度の目標値を、一度、接地荷重中心点及びストッパ接地点の相対位置の目標値に置き換えた後に、ストッパ回転角の目標値を決定してもよい。

次に、ストッパ出力の制御処理について説明する。

図１４は本発明の第１の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ出力の制御処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する（ステップＳ５−５−１）。具体的には、ストッパ回転角及び回転角速度の目標値と計測値との偏差に基づき、次の式（１３）によって、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する。

このように、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）によって、ストッパ１６の目標状態を実現するようにストッパトルク指令値を決定する。

なお、本実施の形態においては、ストッパ回転角を制御対象としたフィードバック制御を実行しているが、他の状態量を対象としてもよい。例えば、ストッパ接地点、接地荷重中心点、又は、接地荷重偏心度を制御量としたフィードバック制御を実行してもよい。さらに、スライディングモード制御等の他のフィードバック制御、又は、フィードフォワード制御を導入してもよい。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御システム６０に指令値を与える（ステップＳ５−５−２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したストッパモータ６２のストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信する。

このように、本実施の形態においては、車両１０近傍の段差を検出し、その位置と高さに応じてストッパ１６を制御する。また、段差の影響下に入る前に、ストッパ１６をある程度制御して、段差への進入に備える。具体的には、車両１０の走行速度に応じた距離だけ手前の地点からストッパの制御を開始し、下り段差接触前にはストッパ１６の前方部１６ｆの前方接地部１６ａを制御対象とし、上り段差接触前にはストッパ１６の後方部１６ｒの後方接地部１６ｂを制御対象とする。これにより、段差がある場所でも、安全に快適に走行することができる。

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。

図１５は本発明の第２の実施の形態における車両の構成を示す概略図でありストッパが接地した状態を示す図、図１６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である。

本実施の形態においては、伸縮型ストッパによって、接地荷重中心点及びストッパ接地点を補正する。

ストッパ１６が回転型ストッパである場合、車両１０の前方側及び後方側、すなわち、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの両方を最適な状態に制御することができない。例えば、車体が前方に傾斜した状態を想定し、最も安定する車体姿勢になるように一体回転型ストッパを動かした場合、車体が後方に傾斜したときの車体姿勢は最適な状態ではない。また、回転型ストッパの場合、動かす慣性が大きいため、姿勢制御に悪影響を及ぼす可能性がある。一般に、ストッパ１６を速く動かすことを要求されるときには、路面形状に適応するための急な車体姿勢変化を同時に要求される場合が多く、車体の姿勢制御を困難にする可能性がある。さらに、回転型ストッパの場合、ストッパモータ６２に付加するストッパブレーキを別途必要とする場合があり、車体の大型化や重量増につながる可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、ストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮可能とし、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さを独立に制御する。また、図示されないすべりねじ伝動装置を介してストッパモータ６２によって前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる機構とすることによって、伸縮動作と非常停止とを両立させる。

これにより、簡単なシステムでありながら、前方傾斜時及び後方傾斜時の両方をともに最適な状態にすることができるので、より安全で、使い勝手のよい倒立型の車両１０を提供することができる。

図１５に示されるように、車両１０の支持部１３には、姿勢制限手段としてのストッパ１６が伸縮可能に取り付けられ、ストッパモータ６２によって前後独立に伸縮させられる。図に示される例において、前記ストッパ１６は、略八の字状の側面形状を備え、支持部１３の下端に固定された中心部１６ｃ、該中心部１６ｃの前端から前方斜め下方向に延出する前方部１６ｆ、該前方部１６ｆの前端に形成された前方接地部１６ａ、前記中心部１６ｃの後端から後方斜め下方向に延出する後方部１６ｒ、及び、該後方部１６ｒの後端に形成された後方接地部１６ｂを有する。そして、前記前方部１６ｆ及び後方部１６ｒは、互いに独立に伸縮可能に構成されている。なお、図１５に示されるｂ₀、Ψ_ST、λ_ST,f等の記号については、後で説明する。

前方部１６ｆと後方部１６ｒの長さが等しい状態において、ストッパ１６の各部の位置、角度及び形状について、前方部１６ｆと後方部１６ｒは面対称の関係にあり、その平面上に駆動輪１２の回転軸があるように取り付けられる、すなわち、前方部１６ｆと後方部１６ｒとは同一の寸法及び形状を備える。そして、倒立制御を停止した時には、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地することによって車体の姿勢角度を制限し、車体が所定角度以上に傾斜することを防止する。

なお、前記ストッパモータ６２は、すべりねじ伝動装置を介して、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる。つまり、互いに螺（ら）合するスクリュ及びナットのいずれか一方をストッパモータ６２によって回転させることによって他方を軸方向に移動させることにより、ストッパモータ６２の回転往復運動を直線往復運動に変換し、この直線往復運動によって、ロッド状の前方部１６ｆにおける前後端の間隔、及び、ロッド状の後方部１６ｒにおける前後端の間隔を変化させる。したがって、ストッパブレーキを別段具備していなくても、電源が遮断されてストッパモータ６２の回転が停止すると、スクリュ及びナット間の摩擦によって、直線往復運動にブレーキがかかり、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒが伸縮不能となる。

本実施の形態において、ストッパセンサ６１は、ストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さを検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、ストッパモータ６２は２つであり、各々が、ストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを、それぞれ、独立に伸縮させる。そして、ストッパ制御ＥＣＵ２３は、受信したストッパトルク指令値に相当する入力電圧を前方及び後方のストッパモータ６２、すなわち、前方部１６ｆのためのストッパモータ６２及び後方部１６ｒのためのストッパモータ６２に供給する。すると、前方及び後方のストッパモータ６２は、入力電圧に従って作動し、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを独立に伸縮させ、これにより、姿勢制限手段アクチュエータとして機能する。

そして、制御ＥＣＵ２０は、倒立制御を実行している間に、図１５に示されるような倒立制御を停止した時の状態を予測し、予測した状態が倒立制御停止時の目標状態に一致するように、ストッパ１６の伸縮状態を補正する事前適応制御を実行する。

なお、その他の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態における車両１０の動作について説明する。まず、車両制御処理の概要について説明する。

図１７は本発明の第２の実施の形態における車両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は、前述のように、ストッパブレーキを別段具備しておらず、ストッパモータ６２が回転を停止すると、すべりねじ伝動装置によって自動的にブレーキがかかるようになっている。

そのため、前記第１の実施の形態において説明したストッパブレーキ作動は省略されており、降車希望判定を行って（ステップＳ２）、降車を望んでいると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、そのまま、着地制御を実行し（ステップＳ８）、車体を緩やかに前方に傾け、ストッパ１６の前方接地部１６ａを路面に接地させ、車両制御処理を終了する。

なお、車両制御処理の概要におけるその他の点の動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態におけるストッパ制御処理について説明する。なお、ストッパ制御処理の概要、及び、変動特性量の取得処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので説明を省略し、ストッパ状態量の取得処理、接地状態の予測処理、ストッパ目標状態の決定処理、及び、ストッパ出力の制御処理についてのみ説明する。まず、ストッパ状態量の取得処理について説明する。

図１８は本発明の第２の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ１６の状態量を取得する（ステップＳ５−１−１１）。この場合、ストッパセンサ６１からストッパ長さ及び／又はストッパ伸縮速度を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ５−１−１２）。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って、残りの状態量を算出する。取得した状態量がストッパ長さである場合には、これを時間微分することによって、ストッパ伸縮速度を得ることができる。また、取得した状態量がストッパ伸縮速度である場合には、これを時間積分することによって、ストッパ長さを得ることができる。

次に、接地状態の予測処理について説明する。

図１９は本発明の第２の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。

接地状態の予測処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ接地点を予測する（ステップＳ５−３−１１）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さ及び変動特性量の取得処理で取得した段差の高さと位置に基づき、次の式（１４）及び（１５）によって、ストッパ接地点を予測する。

式（１４）は前側接地時、すなわち、前方接地部１６ａが接地する場合に相当し、ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘ_S,fを与える。また、式（１５）は後側接地時、すなわち、後方接地部１６ｂが接地する場合に相当し、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘ_S,rを与える。ちなみに、図１５はストッパ１６の前方接地部１６ａが路面に接地した予測状態を示す。

なお、ステップＳ５−３−１１の動作に関し、その他の点については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重中心点を予測する（ステップＳ５−３−１２）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さ及び変動特性量の取得処理で取得した段差の高さと位置に基づき、次の式（１６）及び（１７）によって、接地荷重中心点を予測する。

式（１６）は前側接地時、すなわち、前方接地部１６ａが接地する場合に相当し、ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘ_C,fを与える。また、式（１７）は後側接地時、すなわち、後方接地部１６ｂが接地する場合に相当し、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘ_C,rを与える。なお、以降の説明において、ｘ_C,f及びｘ_C,rを統合的に説明する場合には、駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの距離をｘ_Cとして説明する。

このように、主制御ＥＣＵ２１は、路面形状とストッパ１６の状態とに基づいて、倒立制御の停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における車体姿勢及び力学的状態を予測する。段差高さＨ及び位置Ｘとストッパ長さλ_ST,f及びλ_ST,rに基づいて、ストッパ接地点と接地荷重中心点を予測する。この場合、段差との接触によるストッパ接地点の位置変化を考慮して、駆動輪接地点からストッパ接地点までの距離ｘ_Sを求める。また、段差形状とストッパ長さによる車体傾斜角の変化を考慮して、駆動輪接地点から接地荷重中心点までの距離ｘ_Cを求める。このように、倒立制御停止時における車両の状態を詳細に考慮することで、その安定性をより高い精度で評価できる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重偏心度を予測する（ステップＳ５−３−１３）。具体的には、予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点に基づき、前記第１の実施の形態において説明した前記式（１０）によって、倒立制御の停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における接地荷重偏心度を算出する。

なお、ステップＳ５−３−１３の動作に関し、その他の点については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、ストッパ目標状態の決定処理について説明する。

図２０は本発明の第２の実施の形態におけるストッパ目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、接地荷重偏心度の目標値を決定する（ステップＳ５−４−１１）。具体的には、接地状態の予測処理によって予測した接地荷重偏心度の値に基づき、前記第１の実施の形態において説明した前記式（１１）によって、接地荷重偏心度の目標値を決定する。

本実施の形態においては、ストッパ１６の前側と後側を独立に制御できるため、前側接地時と後側接地時で、それぞれ接地荷重偏心度の目標値を設定する。具体的には、前側接地時の接地荷重予測偏心度γ_fを用いて、γ＝γ_fとして式（１１）から目標値γ^*を求め、この値を前側接地時の接地荷重偏心度の目標値γ_f ^*＝γ^*とする。また、後側接地時の接地荷重予測偏心度γ_rを用いて、γ＝γ_rとして式（１１）から目標値γ^*を求め、この値を後側接地時の接地荷重偏心度の目標値をγ_r ^*＝γ^*とする。

なお、ステップＳ５−４−１１の動作に関し、その他の点については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ状態量の目標値を決定する（ステップＳ５−４−１２）。具体的には、接地荷重偏心度の目標値及び変動特性量の取得処理によって推定した段差の高さと位置に基づき、次の式（１８）及び（１９）によって、ストッパ長さの目標値を決定する。なお、式（１８）はストッパ１６の前方部１６ｆの長さの目標値を示し、式（１９）はストッパ１６の後方部１６ｒの長さの目標値を示している。

このように、接地荷重偏心度の目標値に応じて、ストッパ１６の目標状態を決定する。つまり、接地荷重偏心度の目標値と段差の高さ及び位置とによって、ストッパ長さの目標値を決定する。この場合、ストッパ接地点及び接地荷重中心点が接地荷重偏心度の目標値を実現する配置になるようなストッパ長さを幾何学的条件等に基づいて算出し、それを目標値として設定する。

なお、ストッパ長さを接地荷重偏心度と段差形状値との陽関数で表すこと、すなわち、直接求めることは困難であることから、本実施の形態においては、数値的な方程式の解法（ニュートン法）を用いている。

なお、本実施の形態においては、非線形の陰関数によってストッパ長さの目標値を決定しているが、より簡単な線形式又は陽関数によって決定してもよい。また、関数をマップとして具備し、それを用いて決定してもよい。

また、本実施の形態においては、接地荷重偏心度という指標を用いることによって車体の姿勢安定性の扱いを容易にしているが、段差形状値及びストッパ長さから直接的にストッパ長さの目標値を設定してもよい。さらに、接地荷重偏心度の目標値を、一度、接地荷重中心点及びストッパ接地点の相対位置の目標値に置き換えた後に、ストッパ長さの目標値を決定してもよい。

次に、ストッパ出力の制御処理について説明する。

図２１は本発明の第２の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。

ストッパ出力の制御処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する（ステップＳ５−５−１１）。具体的には、ストッパ長さ及び伸縮速度の目標値と計測値との偏差に基づき、次の式（２４）によって、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する。なお、τ_S,fは前方部１６ｆを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値であり、τ_S,rは後方部１６ｒを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値である。また、以降の説明において、τ_S,f及びτ_S,rを統合的に説明する場合には、ストッパトルク指令値τ_Sとして説明する。

なお、本実施の形態においては、ストッパ長さを制御対象としたフィードバック制御を実行しているが、他の状態量を対象としてもよい。例えば、ストッパ接地点、接地荷重中心点、又は、接地荷重偏心度を制御量としたフィードバック制御を実行してもよい。さらに、スライディングモード制御等の他のフィードバック制御、又は、フィードフォワード制御を導入してもよい。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御システム６０に指令値を与える（ステップＳ５−５−１２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したストッパモータ６２のストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信する。

このように、本実施の形態においては、伸縮型ストッパによって、接地荷重中心点及びストッパ接地点を補正する。これにより、簡単なシステムでありながら、前方傾斜時及び後方傾斜時の両方をともに最適な状態にすることができる。

以上の実施の形態においては、第１の実施の形態として回転型ストッパ、第２の実施の形態として伸縮型ストッパによる構成を説明したが、他の種類のストッパを用いてもよい。

例えば、第１の実施の形態においては、支持部１３とストッパ１６がストッパモータ６２を介して相対的に回転する構造であるが、スライダ機構を具備し、該スライダ機構の相対的に並進移動する部分の一方を支持部１３に固定し、他方をストッパ１６に固定することで、ストッパ１６が支持部１３と相対的に並進移動する構造を用いてもよい。この場合、ストッパ１６を駆動輪１２の回転軸から遠ざけるほど、遠ざけた側のストッパ１６が接地した時の車体の傾斜角が小さくなり、その方向に転倒する可能性が低下する。

また、第２の実施の形態においては、すべりねじ伝動装置を介してストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる構造であるが、これに加えて、前方部１６ｆと前方接地部１６ａの間、及び、後方部１６ｒと後方接地部１６ｂの間にそれぞれコイルばねを介し、また、電源投入時に各コイルばねが所定のひずみ量で固定されるのと共に電源遮断時に解放される係合装置を具備した構造を用いてもよい。この場合、倒立制御の停止と共に電源を遮断した時にコイルばねの付与力により突出した前方接地部１６ａ及び／又は後方接地部１６ｒが接地した状態における車体姿勢の安定性を倒立制御実行時に予測し、不安定であると判定した場合にはすべりねじ伝動装置を動作させて、予測される接地状態を安定化させることができる。

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。

本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に適用することができる。

１０車両
１２駆動輪
１６ストッパ
１７重心
２０制御ＥＣＵ

Claims

回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、
前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、
前記駆動輪に付与する駆動トルク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、
段差形状として段差までの距離及び該段差の高低差を取得する段差形状取得手段と、
事前準備走行距離を車速に応じて決定する事前準備走行距離決定手段と、
前記段差までの距離と前記事前準備走行距離との差に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は角度及び／又は形状の制御を実行する姿勢制限制御手段とを備えることを特徴とする車両。
前記姿勢制限制御手段は、下り段差接近時には前記車体の進行方向側への傾斜を制限する前記姿勢制限手段の制御のみを実行し、及び／又は、上り段差接近時には前記車体の進行方向逆側への傾斜を制限する前記姿勢制限手段の制御のみを実行する請求項１に記載の車両。
前記事前準備走行距離に応じて、前記段差の高低差が前記段差までの距離の変化に対して連続的に変化するように前記段差形状取得手段によって取得された前記段差形状を補正する段差形状補正手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、前記補正された段差形状に基づいて前記姿勢制限手段を制御する請求項２に記載の車両。
前記段差形状取得手段によって取得された段差形状に応じて前記姿勢角度の制限値を予測する制限値予測手段を更に有し、
前記姿勢制限制御手段は、前記制限値予測手段によって予測された前記制限値に応じて前記姿勢制限手段の位置及び／又は角度及び／又は形状を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両。
前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、
前記姿勢制限制御手段は、前記姿勢制限手段が路面に接地した状態における車両の重心を通る鉛直線が路面と交わる位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する請求項４に記載の車両。
前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する請求項４又は５に記載の車両。
前記姿勢制限制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する請求項４〜６のいずれか１項に記載の車両。