JP2010173611A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】緊急停止時に車体を特定方向に確実に傾斜させることで、緊急停止時における乗員の不安感や不便さを解消するのと共に、逆側の車体傾斜制限機構が不要となるので、車両の軽量・小型化が可能であり、その結果、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、移動可能に前記車体に取り付けられた可動質量と、可動質量を特定方向に付勢する付勢手段と、可動質量を固定する固定手段と、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、車体の姿勢制御実行時に可動質量を固定し、また、車体の姿勢制御停止時に可動質量を解放するように、固定手段を制御する固定解放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、緊急停止時に、車体が通常降車時とは逆方向に傾斜してしまうことがある。倒立制御の実行時には、車体は常にどちらにも倒れない状態に維持されているので、緊急停止時に必ず車体が特定の方向に傾斜するように倒立制御を実行することは困難である。例えば、車体に座席を具備して搭乗者が着座するような車両の場合、後方へ車体が傾斜すると乗員に非常に大きな不安感を与えるのとともに、その後の降車が著しく困難になり、モビリティとして使い勝手が悪い。この課題に対して、車両の前後両側に車体傾斜を制限する機構を配設すると、車両の重量や占有面積が大きくなり、やはり使い勝手が悪い。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、前後方向に移動可能な可動質量を車体に配設し、通常走行時には、前記可動質量を特定方向へ付勢するとともに、固定状態と解放状態の切替が可能な固定手段によって駆動輪接地点を通る鉛直線上に前記可動質量の重心を固定し、緊急停止時には、車両の状態や制御に応じて前記固定手段を開放して前記可動質量の重心を特定方向に移動させ、車体を特定方向に確実に傾斜させることで、緊急停止時における乗員の不安感や不便さを解消すると共に、逆側の車体傾斜制限機構が不要となるため、車両の軽量・小型化が可能であり、その結果、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、移動可能に前記車体に取り付けられた可動質量と、該可動質量を特定方向に付勢する付勢手段と、前記可動質量を解放可能に固定する第１固定手段と、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、前記車体の姿勢の制御の実行時に前記可動質量を固定し、また、前記車体の姿勢の制御の停止時に前記可動質量を解放するように、前記第１固定手段を制御する固定解放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、前記可動質量は、前記車体の姿勢の制御の実行時には前記付勢手段による付勢力と前記第１固定手段による抗力が釣り合った状態で固定され、前記車体の姿勢の制御の停止時には前記付勢手段の付勢力によって鉛直軸及び前記駆動輪の回転軸に垂直な特定方向に所定の量だけ重心位置が変化するように移動する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記第１固定手段は、電力が供給されない時に前記可動質量を解放する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記可動質量を固定可能な第２固定手段と、前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する停止要求取得手段と、を更に備え、前記固定解放制御手段は、前記停止要求取得手段が停止を要求する信号を取得すると前記車体の姿勢の制御を停止する前に前記可動質量を固定するように、前記第２固定手段を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記可動質量を固定可能な第３固定手段と、を更に備え、前記車両制御装置は、前記車体の前記車体の姿勢の制御の停止時に前記車体が傾斜する方向を予測する傾斜方向予測手段と、を更に備え、前記固定解放制御手段は、前記傾斜方向予測手段が前記車体の特定方向への傾斜を予測したときに前記可動質量を固定するように、前記第３固定手段を制御する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記第２固定手段及び／又は前記第３固定手段は、電力の供給が停止される直前における解放状態又は固定状態のいずれかの状態を電力の供給の停止後に維持する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記可動質量は、該可動質量の重心の高さが前記駆動輪の車軸よりも下方に位置するように配設されている。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記可動質量は、前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段を含む。

本発明の更に他の車両においては、さらに、乗員及び／又は重量物を搭載する搭乗部を更に備え、前記可動質量は、前記搭乗部を含む。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体の姿勢の制御の停止時は、前記車体の電源が遮断された時である。

請求項１の構成によれば、付勢手段と固定手段によって可動質量を制御することで、倒立制御停止時の車体を望ましい方向に確実に傾斜させることを可能とし、緊急停止時における乗員の不安感やその後の降車時の不便さを解消することができる。

請求項２の構成によれば、可動質量の重心移動量を考慮して、可動重量や付勢手段を適切に配設することで、より確実に、姿勢制御停止時の車体を望ましい方向に傾斜させることができる。

請求項３の構成によれば、電源遮断を可動質量が動作する条件とすることで、バッテリのエネルギが枯渇した時や操縦者が誤って車両の電源を遮断した時にも、確実に車体を望ましい方向に傾斜させることができる。

請求項４の構成によれば、正常な降車の手続きに伴う倒立制御の停止時には可動質量を移動させないことで、車体を降車時の姿勢へ移行する制御時に可動質量の移動を考慮する必要が無くなり、その制御の設計が容易になる。また、正常な降車後に毎度、移動した可動質量を再び固定位置まで戻す作業の手間やエネルギの浪費を無くすことができる。

請求項５の構成によれば、車体の特定方向への傾斜を促す必要がない場合には可動質量を固定することで、車体を特定方向へ傾斜させるモーメントが過剰に発生することを避け、車体が接地するときに搭乗者が受ける衝撃力を抑えるのと共に、接地点を回転中心として車体が更に傾斜することを防ぐ。

請求項６の構成によれば、電源遮断直前の状態を保持することで、車両電源の遮断後に不要な可動重量の移動が生じることを防ぐのと共に、バッテリのエネルギが枯渇した時や操縦者が誤って車両の電源を遮断した時にも、可動質量の状態を適切に制御できる。

請求項７の構成によれば、可動質量移動時の反力が車体の特定方向への傾斜を促進させる方向に作用する構造とすることで、小さな可動質量でも車体を確実に望ましい方向に傾斜させることができる。

請求項８の構成によれば、姿勢制限手段を可動質量として活用することで、緊急停止後の車体傾斜方向制御のために可動質量としての要素を付加する必要が無く、より軽量、小型、安価な車両を実現できる。また、姿勢制限手段の接地点を車体の傾斜方向に移動させることで、接地状態にある車体姿勢の安定性が増加し、安全性が増すのと共に乗り降りが容易になる。

請求項９の構成によれば、小型の車両における最大の重量物である乗員や積載物を可動質量として有効に利用することで、可動質量としての要素を追加する必要が無いのと共に、可動重量の可動域を短く設定できるため、より軽量、小型、安価な車両を実現できる。

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実質車体傾斜角と前方傾斜確率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傾斜方向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車両の構成を示す概略図である。 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、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。

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の軸としての車軸１２ａは図１に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪１２はその車軸１２ａ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、停止要求取得手段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停止要求取得手段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。

さらに、支持部１３には、姿勢制限手段としてのストッパ１６が取り付けられている。図に示される例において、前記ストッパ１６は、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、及び、該前方部１６ｆの前端に形成された前方接地部１６ａを有する。そして、倒立制御を停止した時には、前方接地部１６ａ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。

本実施の形態において、車両１０は、車軸１２ａより下方に配設された可動質量としてのウェイト７１を備える。該ウェイト７１は、車体の前後方向に延在するガイド部材７２に沿って車体の前後方向に移動可能である。前記ウェイト７１及びガイド部材７２は、例えば、リニアガイドのような構造を備え、ガイド部材７２が案内レールであり、ウェイト７１が案内レールに沿ってスライドするキャリッジであって、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体が配設されているような構造を備える。また、例えば、ボールねじのような構造を備え、ガイド部材７２が螺（ら）旋溝を備えるねじ軸であり、ウェイト７１がねじ軸に螺合するナットを備え、ねじ軸とナットとの間に介在するボール、コロ等の転動体が配設されているような構造を備える。なお、前記ガイド部材７２の前端は、ストッパ１６の前方部１６ｆに固定された前方ブラケット７３に取り付けられ、前記ガイド部材７２の後端は、ストッパ１６の中心部１６ｃに固定された後方ブラケット７４に取り付けられている。

また、ウェイト７１と後方ブラケット７４との間には付勢手段としてばね部材７５が配設され、ウェイト７１を特定方向としての前方へ付勢する。前記ばね部材７５は、例えば、圧縮コイルばねであり、ウェイト７１に対し、前方へ向けて押し出す力を付与する。

さらに、ストッパ１６の中心部１６ｃには、第１固定手段としての電源対応ホルダ７６ａが取り付けられ、後方ブラケット７４には、第２固定手段及び第３固定手段としての制御対応ホルダ７６ｂが取り付けられている。前記電源対応ホルダ７６ａ及び制御対応ホルダ７６ｂは固定状態と解放状態との切替が可能な固定手段であり、解放状態においてはウェイト７１の前後方向への移動を許し、固定状態ではウェイト７１の前後方向への移動を妨げる。

図１に示される状態では、電源対応ホルダ７６ａ及び制御対応ホルダ７６ｂがともに固定状態となっており、ばね部材７５の付勢力に抗して、ウェイト７１の前方への移動を禁止している。これにより、ウェイト７１は、その重心が駆動輪接地点を通る鉛直線上にある位置で固定される。なお、前記電源対応ホルダ７６ａ及び制御対応ホルダ７６ｂは、必ずしも、ストッパ１６の中心部１６ｃ及び後方ブラケット７４に取り付けられる必要はなく、車体のいかなる部位に取り付けられていてもよい。

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及びホルダ制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及びホルダ制御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及びホルダ制御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、ホルダ制御ＥＣＵ２３及びホルダモータ６２とともに、制御対応ホルダ７６ｂの動作を制御する制御対応ホルダシステム６０の一部として機能する。前記ホルダモータ６２は、制御対応ホルダ７６ｂを作動させ、固定状態及び解放状態を切り換える。

本実施の形態において、電源対応ホルダ７６ａは、電源投入時には自動的に固定状態に、電源遮断時には自動的に解放状態になる。また、制御対応ホルダ７６ｂは、電源投入時には主制御ＥＣＵ２１からのホルダ切り換え指令に応じて、固定状態及び解放状態が切り換わり、電源遮断時にはその直前の状態を維持する。

なお、ホルダ制御ＥＣＵ２３を省略して、ホルダモータ６２の入力電圧を主制御ＥＣＵ２１から直接供給するようにしてもよい。

さらに、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。

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車体傾斜角速度とを決定してもよい。

なお、制御ＥＣＵ２０は、機能の観点から、倒立制御の停止時に車体の傾斜する方向を予測する傾斜方向予測手段、及び、固定手段の状態を制御する固定解放制御手段とを備える。

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、倒立制御を実行し（ステップＳ３）、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、傾斜方向予測処理を実行し（ステップＳ４）、倒立制御停止時における車体の傾斜方向の予測として、車体が前方に傾斜する確率を決定する。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、傾斜方向予測処理の結果に基づき、傾斜方向判定を行い、前方傾斜であるか否かを判定する（ステップＳ５）。この場合、車体が確実に前方に傾斜するか否かを、前方傾斜確率により判断する。具体的には、前方傾斜確率が所定の閾（しきい）値以上である場合に前方傾斜と判断する。

そして、前方傾斜でない場合、制御ＥＣＵ２０は、ウェイト解放を行って（ステップＳ６）、処理を終了する。具体的は、ホルダ制御ＥＣＵ２３に解放指令信号を送信することによって、制御対応ホルダ７６ｂを解放状態に切り換える。これにより、ウェイト７１の前方への移動は電源対応ホルダ７６ａのみによって阻止されている状態となる。

また、前方傾斜の場合、制御ＥＣＵ２０は、ウェイト固定を行って（ステップＳ７）、処理を終了する。具体的には、ホルダ制御ＥＣＵ２３に固定指令信号を送信することによって制御対応ホルダ７６ｂを固定状態に切り換える。これにより、ウェイト７１の前方への移動は、電源対応ホルダ７６ａ及び制御対応ホルダ７６ｂの両方によって阻止されている状態となる。

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Ｓ８）、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。前述のように、電源対応ホルダ７６ａは、電源投入時には自動的に固定され、電源遮断時には自動的に解放される。したがって、ステップＳ６でウェイト解放を行い、制御対応ホルダ７６ｂが解放状態に切り換えられている場合には、ばね部材７５の付勢力によってウェイト７１が前方へ移動する。これにより、車体全体の重心が前方に移動するので、車体が確実に前方に傾斜する。また、ウェイト７１を前方に移動させるばね部材７５の反力が車軸１２ａの下方に位置する後方ブラケット７４に作用することにより、該後方ブラケット７４を後方に移動させるような回転モーメント、すなわち、搭乗部１４を前方に傾斜させるような回転モーメントが作用し、車体が前方に傾斜するのを補助する。なお、ステップＳ７でウェイト固定を行い、制御対応ホルダ７６ｂが固定状態に切り換えられている場合には、電源対応ホルダ７６ａが解放されても、ウェイト７１は前方へ移動しない。

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、ウェイト固定を行い（ステップＳ９）、ホルダ制御ＥＣＵ２３に固定指令信号を送信することによって制御対応ホルダ７６ｂを固定状態に切り換える。

続いて、制御ＥＣＵ２０は、着地制御を実行し（ステップＳ１０）、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、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。

このように、本実施の形態においては、緊急停止としてシステムの電源が遮断されると、車両１０の状況に応じて、可動質量としてのウェイト７１が自動的に前方へ移動するようになっている。まず、電源遮断時、電源対応ホルダ７６ａは解放状態になる。したがって、電源遮断による倒立制御の停止時においても、車体を確実に前方に傾斜させることができる。また、制御対応ホルダ７６ｂは倒立制御実行時の設定状態を保持する。そのため、倒立制御実行時の傾斜方向予測処理においてウェイト７１の前方移動が不要であるとあらかじめ判断されていた場合には、緊急停止に関わらず、ウェイト７１は中立位置で保持される。したがって、倒立制御再開時に、再びウェイト７１を中立位置まで移動させる作業の手間を省くことができる。

また、乗員１５の降車希望による通常の倒立制御停止時には、ウェイト７１を移動させない。具体的には、乗員１５による倒立制御停止指令を受けると、着地制御に移行する前に、制御対応ホルダ７６ｂを固定状態にする。これにより、倒立制御再開時に、再びウェイト７１を中立位置まで移動させる作業の手間を省くことができる。また、車体を前方に傾ける制御がウェイト７１の前方移動によって乱されることが無くなり、着地制御の設計が容易になる。

なお、本実施の形態では、緊急停止に伴い前方に移動したウェイト７１を、倒立制御再開前に手動で中立位置まで復帰させるシステムを想定しているが、復帰用のアクチュエータを具備し、該アクチュエータを用いてウェイト７１を自動的に復帰させてもよい。この場合においても、本実施の形態は、エネルギの浪費低減及び起動時間の短縮の点で非常に効果的である。

また、本実施の形態では、乗員１５の降車希望に伴う車体前方傾斜動作時の快適性を保障するために、特別な着地制御を実行するが、緊急停止時と同様に、電源を遮断してもよい。これにより、制御系の設計が更に容易になる。

次に、傾斜方向予測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実質車体傾斜角と前方傾斜確率の関係を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における傾斜方向予測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。
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 〕
Ｒ_W ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
Ｉ₁ ：車体慣性モーメント〔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、前方傾斜確率を決定する（ステップＳ４−２）。この場合、取得した各状態量に応じて、次の式（１）によって、前方傾斜確率Ｐを決定する。

図４には前方傾斜確率と実質車体傾斜角との関係が示されている。

なお、制動トルクの予測値には、次の仮定の下で所定の値を予め与えておく。まず、緊急停止時に駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用する場合、性能予想値又は制御指令値であるブレーキトルクの値を与える。また、緊急停止時に駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用しない場合、駆動モータ５２の逆起電力や駆動輪１２の転がり抵抗などを考慮して制動トルクに相当する値を与える。

このように、本実施の形態においては、車両１０の状態に基づいて、倒立制御を停止した時に車体が計測する方向の予測として、車体の前方傾斜確率を決定する。

具体的には、車体傾斜角と車体傾斜角速度に基づいて、前方傾斜確率を決定する。この場合、車体が前方に傾いているほど、また、車体の前方への傾斜速度が大きいほど、前方傾斜確率を大きくする。たとえ車体が後方に傾いていても、前方への車体傾斜角速度が大きければ、前方へ傾斜すると判断する。このように、車体傾斜角速度まで考慮することで、より高精度に傾斜方向を予測できる。

また、緊急停止時における車両１０の減速に伴う慣性力の影響を考慮する。具体的には、予測される車両１０の減速度と減速時間に基づいて、前方傾斜確率を決定する。また、車両速度又は駆動輪回転角速度に基づいて、減速時間を予測する。この場合、車両速度が高いほど、車両１０が停止するまでの時間が長く、車体傾斜に及ぼす影響が大きい、すなわち、前方傾斜確率が大きいと判断する。このように、緊急停止後の慣性力を考慮することで、より高精度に傾斜方向を予測できる。

さらに、車体傾斜方向の予測結果を確率値として決定する。具体的には、釣り合い状態（車体がどちらにも傾かない状態）を予測した場合の前方傾斜確率を１／２とし、車体を前方へ傾けようとする力学的作用が大きいほど、前方傾斜確率を大きくする。車体傾斜方向の予測結果が前方であっても、前方へ傾けようとする作用が小さい場合には、前方傾斜確率を１よりも小さな値とし、場合によっては前方への傾斜を促すように制御対応ホルダ７６ｂを制御する。このように、傾斜方向予測結果を定量的な値として出力することで、その予測結果を柔軟に、かつ、適切に扱うことを可能とする。

なお、本実施の形態においては、慣性と重力を考慮した力学モデルに基づいて、車体傾斜方向を予測しているが、他の影響を考慮してもよい。例えば、摩擦抵抗や空気抵抗、又は、車体の重心位置のずれを考慮して、車体傾斜方向を予測してもよい。さらに、車両１０が水平方向に相対移動する能動重量部を備える場合、その能動重量部の位置や速度を考慮して、車体傾斜方向を予測してもよい。

また、本実施の形態においては、非線形の関数によって前方傾斜確率を決定しているが、線形近似した簡単な関数によって決定してもよい。また、非線形の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。

さらに、本実施の形態においては、予測信頼度を所定値としているが、予測信頼度を車両の状況等に応じて変化させてもよい。例えば、車両の加速度や車体傾斜角加速度が所定の閾値よりも大きい場合、あるいは、坂路や凹凸路など路面形状が平坦ではない場合には、予測信頼度を低下させてもよい。これにより、車体傾斜方向予測の実際の信頼性に応じた妥当な予測結果が出力され、適切な制御が実行される。

また、前方傾斜確率が所定の閾値以上である場合に車体が前方へ傾斜すると予測するが、その閾値を車両の状況等に応じて変化させてもよい。例えば、予測信頼度と同様に、車両の加速度や車体傾斜角加速度が所定の閾値よりも大きい場合、あるいは、坂路や凹凸路など路面形状が平坦ではない場合には、閾値を低下させてもよい。これにより、車体傾斜方向予測の実際の信頼性に応じた適切な制御が実行される。

このように、常時車体の傾斜方向を予測し、車体の前方傾斜確率に応じて、制御対応ホルダ７６ｂを制御する。具体的には、車体傾斜状態と駆動輪回転状態に基づいて、前方傾斜確率を決定する。そして、前方傾斜確率が所定値以下の場合に、制御対応ホルダ７６ｂを解放状態とする。これにより、緊急停止時に車体を前方に傾斜させるモーメントが過剰に発生することを防ぎ、接地時の衝撃や車両転倒の危険性を低減することができる。

また、ウェイト７１が車軸１２ａよりも鉛直下方に位置するので、ウェイト７１を付勢するばね部材７５の反力によるモーメントが車体を前方に傾けるように作用する。これにより、ウェイト７１の質量が小さくても、車体をより確実に前方に傾斜させることができる。

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６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る。

本実施の形態においては、ストッパ１６がウェイト７１の代わりに可動質量として機能し、ガイド部材７２に沿って車体の前後方向に移動可能となっている。なお、支持部１３の下端には、前後に延在する補助部１３ａが固定され、該補助部１３ａの前端及び後端に前方ブラケット７３及び後方ブラケット７４が固定されている。また、電源対応ホルダ７６ａは、補助部１３ａに取り付けられている。

その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態においては、車両１０の必須の構成要素であるストッパ１６に可動質量としての付加的な役割を持たせるようになっている。これにより、あらためて可動質量を追加する必要が無いため、車両の重量を大きく増やすことなく、車体が必ず前方に傾斜する車両を実現できる。また、非常停止時にストッパが前方に移動するため、ストッパが接地した状態の車体の安定性が増し、より安全な車両を実現できる。

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。

図７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る。

本実施の形態においては、搭乗部１４がウェイト７１の代わりに可動質量として機能し、ガイド部材７２に沿って車体の前後方向に移動可能となっている。この場合、駆動輪１２の上方に位置する本体部１１の上に上方ブラケット７７が固定され、該上方ブラケット７７にガイド部材７２の前端及び後端が取り付けられている。そして、搭乗部１４から下方に向けて延出する搭乗脚部１４ａの下端部１４ｂが、ガイド部材７２に沿って車体の前後方向に移動可能に取り付けられている。これにより、搭乗部１４が可動質量として前後方向へ移動することができる。

なお、前記搭乗脚部１４ａの下端部１４ｂと上方ブラケット７７との間にばね部材７５が配設され、上方ブラケット７７に電源対応ホルダ７６ａ及び制御対応ホルダ７６ｂが取り付けられている。

その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態においては、大きな重量物である乗員１５を含む搭乗部１４に可動質量としての付加的な役割を持たせるようになっている。これにより、あらためて可動質量を追加する必要が無いため、車両の重量を大きく増やすことなく、車体が必ず前方に傾斜する車両を実現できる。また、小型の車両１０における最大の重量物である乗員１５を有効に活用することで、短い可動距離でも十分な効果が得られるため、より軽量・小型で、安価な車両１０を実現できる。また、非常停止時に搭乗部が前方に移動するため、停止後の乗員１５の降車が容易になる。

なお、以上の実施の形態においては、前方に車体を傾けた方が利便性や快適性が高いという前提で、前方への傾斜を促す制御を実行しているが、後方に傾けてもよい。例えば、車両１０の前方にハンドルがあり、後方から搭乗する立ち乗り型の倒立型車両の場合、必ず後方に傾斜させることで、昇降時の利便性や快適性を高めることができる場合がある。

また、以上の実施の形態においては、倒立制御停止が正常であるか否かに応じて可動質量を制御する第２固定手段としての役割と傾斜方向の予測結果に応じて可動質量を制御する第３固定手段としての役割を制御対応ホルダ７６ｂが兼ねているが、各々の役割に対して別個のホルダを設けてもよい。これにより、その対応が明確になり、例えばホルダの動作異常時における原因解明が容易になる。

また、以上の実施の形態においては、電源対応ホルダ７６ａと制御対応ホルダ７６ｂの２つのホルダによって可動質量を制御しているが、これを１つに統一してもよい。この場合、制御対応ホルダ７６ｂによる制御切り替えの役割を、リレー等を含む電気回路の構成およびその制御により実現してもよい。これにより、車体を前方に傾斜させるのに必要な構造を更に簡素化し、軽量、小型、安価な車両を提供できる。

さらに、以上の実施の形態においては、付勢手段がばね部材７５である場合について説明したが、高圧ガスであってもよい。この場合、ガスボンベに取り付けられたガスを解放するバルブが第１固定手段として機能する。また、自動車用のエアバッグ装置用のガス発生器（インフレータ）を使用することもできる。この場合、ガス発生器自体が第１固定手段として機能する。

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
１２ａ 車軸
１４ 搭乗部
１６ ストッパ
２０ 制御ＥＣＵ
７１ ウェイト
７５ ばね部材
７６ａ 電源対応ホルダ
７６ｂ 制御対応ホルダ

Claims (10)

1. 回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、
   移動可能に前記車体に取り付けられた可動質量と、
   該可動質量を特定方向に付勢する付勢手段と、
   前記可動質量を解放可能に固定する第１固定手段と、
   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、
   前記車体の姿勢の制御の実行時に前記可動質量を固定し、また、前記車体の姿勢の制御の停止時に前記可動質量を解放するように、前記第１固定手段を制御する固定解放制御手段とを備えることを特徴とする車両。
2. 前記可動質量は、前記車体の姿勢の制御の実行時には前記付勢手段による付勢力と前記第１固定手段による抗力が釣り合った状態で固定され、前記車体の姿勢の制御の停止時には前記付勢手段の付勢力によって鉛直軸及び前記駆動輪の回転軸に垂直な特定方向に所定の量だけ重心位置が変化するように移動する請求項１に記載の車両。
3. 前記第１固定手段は、電力が供給されない時に前記可動質量を解放する請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記可動質量を固定可能な第２固定手段と、
   前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する停止要求取得手段と、を更に備え、
   前記固定解放制御手段は、前記停止要求取得手段が停止を要求する信号を取得すると前記車体の姿勢の制御を停止する前に前記可動質量を固定するように、前記第２固定手段を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両。
5. 前記可動質量を固定可能な第３固定手段と、を更に備え、
   前記車両制御装置は、前記車体の前記車体の姿勢の制御の停止時に前記車体が傾斜する方向を予測する傾斜方向予測手段と、を更に備え、
   前記固定解放制御手段は、前記傾斜方向予測手段が前記車体の特定方向への傾斜を予測したときに前記可動質量を固定するように、前記第３固定手段を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両。
6. 前記第２固定手段及び／又は前記第３固定手段は、電力の供給が停止される直前における解放状態又は固定状態のいずれかの状態を電力の供給の停止後に維持する請求項４又は５に記載の車両。
7. 前記可動質量は、該可動質量の重心の高さが前記駆動輪の車軸よりも下方に位置するように配設されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両。
8. 前記可動質量は、前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段を含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両。
9. 乗員及び／又は重量物を搭載する搭乗部を更に備え、
   前記可動質量は、前記搭乗部を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の車両。
10. 前記車体の姿勢の制御の停止時は、前記車体の電源が遮断された時である請求項１〜９のいずれか１項に記載の車両。

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