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システムの構成を示すブロック図である。なお、図1において、(a)は車両の正面図、(b)は車両の側面図、(c)はジョイスティックの側面図、(d)はジョイスティックの上面図である。
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、車体を前後左右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(b)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(後進)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の回転軸は図1(b)に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪12はその回転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、車両10の運転者である乗員15が搭乗する搭乗部14が取り付けられている。
本実施の形態においては、説明の都合上、搭乗部14には乗員15が搭乗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、貨物等の搭載物が積載されていてもよい。なお、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、足置き部、座面部、背もたれ部及びヘッドレストを備える。
また、前記車両10は、車体を左右に傾斜させる車体左右傾斜機構としてのリンク機構60を有し、旋回時には、図1(a)に示されるように、左右の駆動輪12の路面に対する角度、すなわち、キャンバー角を変化させるとともに、搭乗部14及び本体部11を含む車体を旋回内輪側へ傾斜させることによって、旋回性能の向上と乗員15の快適性の確保とを図ることができるようになっている。すなわち、前記車両10は車体を横方向(左右方向)にも傾斜させることができる。
前記リンク機構60は、左右の駆動輪12に駆動力を付与する駆動モータ52を支持するモータ支持部材としても機能する左右の縦リンクユニット65と、該左右の縦リンクユニット65の上端同士を連結する上側横リンクユニット63と、左右の縦リンクユニット65の下端同士を連結する下側横リンクユニット64とを有する。また、左右の縦リクユニット65と上側横リンクユニット63及び下側横リンクユニット64とは回転可能に連結されている。さらに、上側横リンクユニット63の中央及び下側横リンクユニット64の中央には、上下方向に延在する支持部13が回転可能に連結されている。
そして、61は、傾斜用のアクチュエータとしてのリンクモータであって、固定子としての円筒状のボディと、該ボディに回転可能に取り付けられた回転子としての回転軸とを備えるものであり、ボディが上側横リンクユニット63に固定され、回転軸が支持部13に固定されている。なお、前記ボディが支持部13に固定され、回転軸が上側横リンクユニット63に固定されていてもよい。そして、リンクモータ61を駆動して回転軸をボディに対して回転させると、上側横リンクユニット63に対して支持部13が回転し、リンク機構60が屈伸する。なお、前記リンクモータ61の回転軸は、支持部13と上側横リンクユニット63との連結部分の回転軸と同軸になっている。これにより、リンク機構60を屈伸させて本体部11を傾斜させることが可能となる。
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。
図1(c)及び(d)に示されるように、ジョイスティック31は、基部31a、該基部31aに傾動可能に取り付けられ、前後及び左右に傾斜させることで入力する手段である第1入力手段としてのレバー31b、及び、該レバー31bの基準軸周りに所定の角度範囲内で自由に回転させることができ、回転させることで入力する手段である第2入力手段としての回転部31cを備える。
そして、操縦者としての乗員15は、レバー31bを、図1(c)及び(d)において矢印で示されるように、前後及び左右に傾斜させることで走行指令を入力する。すると、ジョイスティック31は、レバー31bの前後(x軸方向)及び左右(y軸方向)の傾斜量に相当する状態量を計測し、その計測値を操縦者の入力した前後操作量及び左右操作量として、図2に示される主制御ECU(Electronic Control Unit)21に送信する。
なお、本実施の形態における以降の説明は、搭乗部14の座面が水平であるときに、駆動輪12の回転軸に垂直な方向にx軸、平行な方向にy軸、鉛直上向きにz軸を採る座標系に基づくものとする。
また、乗員15は、回転部31cを、図1(c)及び(d)において矢印で示されるように、レバー31bの基準軸周りに回転させることで走行指令を入力する。すると、ジョイスティック31は、回転部31cの回転角(レバー31bの基準軸周り)に相当する状態量を計測し、その計測値を操縦者の入力した回転操作量として、主制御ECU21に送信する。
このように、ジョイスティック31が備える2つの入力手段を活用することにより、操縦装置を追加することなく、操縦者の多様な操縦意図の入力を可能とし、より直感的に自由に操ることができる車両10を実現できる。
なお、前記レバー31bは、基部31aに対して傾動可能なものでなく、並進可能なものであってもよい。すなわち、前後に傾斜させず、前後に移動させることで走行指令を入力するものであってもよい。また、図1(c)及び(d)に示される例において、回転部31cは、レバー31bの上端にレバー31bに対して回転可能に取り付けられているが、レバー31b全体の周囲を覆うようにレバー31bに対して回転可能に取り付けられていてもよいし、レバー31bと別個に基部31aに回転可能に取り付けられていてもよいし、レバー31b自体が基準軸周りに回転することによって回転部31cとして機能してもよい。さらに、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が図示されないリモートコントローラに配設され、レバー31b及び回転部31cの操作量は、リモートコントローラから、有線又は無線によって車両10に配設される受信装置に送信される。この場合、ジョイスティック31の操縦者は乗員15以外の者である。
また、レバー31b及び回転部31cは、それぞれ、図示されない中立状態復帰用のばね部材によって付勢され、操縦者が手を放して解放すると、自動的に零入力に相当する中立状態に復帰する。これにより、操縦者の不測の事態等により、操縦操作の継続が不可能になった場合でも、車両10の適切な制御が可能となる。
車両システムは、図2に示されるように、車両制御装置としての制御ECU20を有し、該制御ECU20は、主制御ECU21、駆動輪制御ECU22及びリンク制御ECU23を備える。前記制御ECU20並びに主制御ECU21、駆動輪制御ECU22及びリンク制御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及びリンク制御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、駆動モータ52及びリンクモータ61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。また、前記主制御ECU21は、リンクトルク指令値をリンク制御ECU23に送信し、該リンク制御ECU23は、受信したリンクトルク指令値に相当する入力電圧をリンクモータ61に供給する。そして、該リンクモータ61は、入力電圧に従ってリンク機構60に駆動トルクを付与し、これにより、傾斜用のアクチュエータとして機能する。
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。
また、主制御ECU21には、入力装置30のジョイスティック31から走行指令として、レバー31b及び回転部31cの操作量が入力される。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に送信し、リンクトルク指令値をリンク制御ECU23に送信する。
主制御ECU21は、操作量を最大操作量で正規化した入力率を入力量として扱う。レバー31bの前後入力量については、レバー31bの前方への傾斜又は移動、すなわち、前方への入力を正の値で表し、レバー31bの後方への傾斜又は移動、すなわち、後方への入力を負の値で表す。そして、前方への最大入力量を1、後方への最大入力量を−1として表す。
また、レバー31bの左右入力量については、車両10の後方から見て、レバー31bの左方への傾斜又は移動、すなわち、左方への入力を正の値で表し、レバー31bの右方への傾斜又は移動、すなわち、右方への入力を負の値で表す。そして、左方への最大入力量を1、右方への最大入力量を−1として表す。
さらに、回転部31cの回転入力量については、車両10の上方から見て、回転部31cの反時計回り方向への回転、すなわち、反時計回り方向への入力を正の値で表し、回転部31cの時計回り方向への回転、すなわち、時計回り方向への入力を負の値で表す。そして、反時計回り方向への最大入力量を1、時計回り方向への最大入力量を−1として表す。
なお、本実施の形態においては、操縦者の直感的な操縦を簡易な装置で実現するために、回転部31cを備えるジョイスティック31を用いているが、他の操縦装置を用いてもよい。例えば、アクセルペダル、ブレーキペダル、ハンドル等を備え、各々の操作量を操縦者の操縦意図として、前後加減速や旋回の程度を決定してもよい。
そして、車両システムは、レバー31bの入力量に応じてヨーレート及び左右加速度を決定し、車両速度に応じてヨーレート及び左右加速度の少なくとも一方を補正し、補正したヨーレート及び左右加速度で旋回する。
次に、本実施の形態における車両10の他の例について説明する。
図3は本発明の第1の実施の形態における車両の他の例の構成を示す概略図、図4は本発明の第1の実施の形態における車両システムの他の例の構成を示すブロック図である。なお、図3において、(a)は背面図、(b)は側面図、(c)は車体を傾斜させた状態の背面図である。
本実施の形態における車両10は、3輪以上の車輪を有するものであってもよい。つまり、前記車両10は、例えば、前輪が1輪であり後輪が2輪である3輪車、前輪が2輪であり後輪が1輪である3輪車、前輪及び後輪が2輪である4輪車等であるが、3輪以上の車輪を有するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
ここでは、説明の都合上、図3に示されるように、前記車両10が、車体の前方に配設され、操舵(だ)輪として機能する1つの前輪である車輪12Fと、車体の後方に配設され、駆動輪12として機能する左右2つの後輪である車輪12L及び12Rとを有する3輪車である例についてのみ説明する。
図3に示される例の車両10は、図3(c)に示されるように、リンク機構72によって左右の車輪12L及び12Rのキャンバー角を変化させるとともに、搭乗部14及び本体部11を含む車体を旋回内輪側へ傾斜させることによって、つまり、車体を横方向(左右方向)に傾斜させることによって、旋回性能の向上と乗員15の快適性の確保とを図ることができるようになっている。前記リンク機構72については、図1に示される例の車両10が有するリンク機構60と同様の構成を備えるものなので、その説明を省略する。なお、倒立振り子の姿勢制御のような姿勢制御は行わないものとする。すなわち、前後方向の姿勢制御は行わないものとする。
また、図3に示される例の車両10において、車輪12Fは、サスペンション装置(懸架装置)の一部である前輪フォーク17を介して本体部11に接続されている。前記サスペンション装置は、例えば、一般的なオートバイ、自転車等において使用されている前輪用のサスペンション装置と同様の装置であり、前記前輪フォーク17は、例えば、スプリングを内蔵したテレスコピックタイプのフォークである。そして、一般的なオートバイ、自転車等の場合と同様に、操舵輪としての車輪12Fは舵角を変化させ、これにより、車両10の進行方向が変化する。
具体的には、図3に示されるように、本体部11の前端上方に操舵部18が配設され、該操舵部18によって前輪フォーク17の回転軸が回転可能に支持されている。また、前記操舵部18は、操舵用アクチュエータとしてのステアリングアクチュエータ71と、操舵量検出器としての操舵角センサ32とを備える。前記ステアリングアクチュエータ71は、ジョイスティック31から走行指令に応じて前記前輪フォーク17の回転軸を回転させ、操舵輪としての車輪12Fは舵角を変化させる。つまり、車両10の操舵は、いわゆるバイワイヤによって行われる。また、操舵角センサ32は、前記前輪フォーク17の回転軸の角度変化を検出することによって車輪12Fの舵角、すなわち、操舵装置の操舵量を検出することができる。
なお、図3に示される例の車両10は、図4に示されるような車両システムを有する。ここで、制御ECU20は、操舵制御ECU24を更に有する。そして、主制御ECU21は、ジョイスティック31から走行指令に応じて操舵指令値を操舵制御ECU24に送信し、該操舵制御ECU24は、受信した操舵指令値に相当する入力電圧をステアリングアクチュエータ71に供給する。そして、操舵角センサ32の検出した舵角は、主制御ECU21に送信される。
また、車体制御システム40は、横加速度センサ42を備える。該横加速度センサ42は、一般的な加速度センサ、ジャイロセンサ等から成るセンサであって、車両10の横加速度を検出する。
なお、図3に示される例の車両10におけるその他の点の構成については、図1に示される例の車両10と同様であるので、その説明を省略する。
次に、前記構成の車両10の動作について詳細に説明する。まず、走行及び姿勢制御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は、状態量、パラメータ等を次のような記号によって表す。
θWR:右駆動輪回転角〔rad〕
θWL:左駆動輪回転角〔rad〕
θW :平均駆動輪回転角〔rad〕;θW =(θWR+θWL)/2
ΔθW :駆動輪回転角左右差〔rad〕;ΔθW =θWR−θWL
θ1 :車体傾斜ピッチ角(鉛直軸基準)〔rad〕
Ψ:車体ヨー角〔rad〕
φ1 :車体傾斜ロール角(鉛直軸基準)〔rad〕
τL :リンクトルク〔Nm〕
τWR:右駆動トルク〔Nm〕
τWL:左駆動トルク〔Nm〕
τW :総駆動トルク〔Nm〕;τW =τWR+τWL
ΔτW :駆動トルク左右差〔Nm〕;ΔτW =τWR−τWL
g:重力加速度〔m/s2 〕
RW :駆動輪接地半径〔m〕
D:2輪間距離〔m〕
m1 :車体質量(搭乗部を含む)〔kg〕
mW :駆動輪質量(2輪合計)〔kg〕
l1 :車体重心距離(車軸から)〔m〕
IW :駆動輪慣性モーメント(2輪合計)〔kgm2 〕
α:車両加速度〔m/s2 〕
V:車両速度〔m/s〕
走行及び姿勢制御処理において、主制御ECU21は、まず、センサから各状態量を取得する(ステップS1)。具体的には、駆動輪センサ51から左右の駆動輪回転角又は回転角速度を取得し、車体傾斜センサ41から車体傾斜ピッチ角又はピッチ角速度及び車体傾斜ロール角又はロール角速度を取得する。
なお、図3に示される例の車両10においては、車体の前後方向の姿勢制御を行わないので、車体傾斜ピッチ角又はピッチ角速度の取得は不要である。
続いて、主制御ECU21は、残りの状態量を算出する(ステップS2)。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。例えば、取得した状態量が駆動輪回転角、車体傾斜ピッチ角及び車体傾斜ロール角である場合には、これらを時間微分することによって、回転角速度、ピッチ角速度及びロール角速度を得ることができる。また、例えば、取得した状態量が回転角速度、ピッチ角速度及びロール角速度である場合には、これらを時間積分することによって、駆動輪回転角、車体傾斜ピッチ角及び車体傾斜ロール角を得ることができる。
続いて、主制御ECU21は、操縦者の操縦操作量を取得する(ステップS3)。この場合、操縦者が、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ジョイスティック31の操作量を取得する。
続いて、主制御ECU21は、走行状態目標値決定処理を実行し(ステップS4)、取得したジョイスティック31の操作量等に基づいて、車両10の走行状態目標値、例えば、車両速度、前後加速度、左右加速度、ヨーレート(ヨー角速度)等の目標値を決定する。
続いて、主制御ECU21は、走行状態目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する(ステップS5)。具体的には、下記の式によって平均駆動輪回転角速度の目標値を決定する。
なお、本実施の形態における説明において、上付き添字*は目標値であることを表し、記号上の1ドットは1階時間微分した値、すなわち、速度であることを表し、記号上の2ドットは2階時間微分した値、すなわち、加速度であることを表すものとする。
また、下記の式によって駆動輪回転角速度左右差の目標値を決定する。
このように、走行状態目標値に相当する駆動輪回転角速度の目標値を決定する。つまり、車両速度の目標値から、平均駆動輪回転角速度の目標値を決定し、ヨーレートの目標値から、駆動輪回転角速度左右差の目標値を決定する。
なお、本実施の形態においては、駆動輪接地点と路面との間に滑りが存在しないという仮定の下で、車両速度やヨーレートを駆動輪12の回転角速度に換算しているが、滑りを考慮して駆動輪回転角速度の目標値を決定してもよい。また、車両速度やヨーレート自体をフィードバックして制御してもよい。
続いて、主制御ECU21は、車体傾斜角の目標値を決定する(ステップS6)。具体的には、車両加速度の目標値と車体パラメータとから、下記の式によって車体傾斜ピッチ角の目標値を決定する。
なお、図3に示される例の車両10においては、前後方向の姿勢制御を行わないので、車体傾斜ピッチ角の目標値を決定する必要はない。そして、下記の式によって車体傾斜ロール角の目標値を決定する。
なお、本実施の形態における説明において、下付き文字のXは前後(x軸方向)であることを表し、下付き文字のYは左右(y軸方向)であることを表すものとする。
このように、車両加速度の目標値に応じて車体傾斜角の目標値を決定する。つまり、車体傾斜ピッチ角については、前後の車体姿勢と走行状態に関する倒立振り子の力学的構造を考慮して、前後加速度で与えられる走行目標を達成できる車体姿勢を目標値として与える。また、車体傾斜ロール角については、接地荷重中心が2つの駆動輪12の接地点間である安定領域に存在する範囲で、自由に目標姿勢を設定できるが、本実施の形態では乗員15の負荷が最も少ない姿勢を目標値として与える。
なお、車体傾斜ロール角の目標値として他の値を与えてもよい。例えば、目標左右加速度の絶対値が所定の閾値よりも小さい場合には目標車体傾斜ロール角を零として、小さな左右加速度に対しては直立姿勢を維持させてもよい。
続いて、主制御ECU21は、残りの目標値を算出する(ステップS7)。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って、駆動輪回転角及び車体傾斜角速度の目標値をそれぞれ算出する。
続いて、主制御ECU21は、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S8)。具体的には、下記の式によって、フィードフォワード出力として、総駆動トルクのフィードフォワード量τW,FF、駆動トルク左右差のフィードフォワード量ΔτW,FF及びリンクトルクのフィードフォワード量τL,FFを決定する。
このように、目標とする走行状態や車体姿勢を実現するのに必要なアクチュエータ出力を力学モデルより予測し、その分をフィードフォワード的に付加することで、車両10の走行及び姿勢制御を高精度に実行する。つまり、前後方向の走行目標を達成できるように、車両前後加減速目標値に応じた駆動トルクを付加する。また、左右方向の車体姿勢目標を達成できるように、車体傾斜ロール角目標値に応じた駆動トルクを付加する。なお、車体に作用する遠心力(左右加速度)の影響を考慮する。
続いて、主制御ECU21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S9)。具体的には、下記の式によって、フィードバック出力として、総駆動トルクのフィードバック量τW,FB、駆動トルク左右差のフィードバック量ΔτW,FB及びリンクトルクのフィードバック量τL,FBを決定する。
このように、状態フィードバック制御により、実際の状態を目標とする状態に近付けるようにフィードバック出力を与える。なお、各フィードバックゲインK**の値は、例えば、最適レギュレータの値を予め設定しておく。また、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してもよい。さらに、より簡単な制御として、KW2、KW3、Kd2及びKL1を除くゲインのいくつかを零にしてもよい。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。なお、図3に示される例の車両10においては、前後方向の姿勢制御を行わないので、総駆動トルクのフィードバック量τW,FBの項、及び、駆動トルク左右差のフィードバック量ΔτW,FBの項は不要である。すなわち、リンクトルクのフィードバック量τL,FBのみを決定する。
最後に、主制御ECU21は、各要素制御システムに指令値を与えて(ステップS10)、走行及び姿勢制御処理を終了する。具体的には、主制御ECU21は、駆動輪制御ECU22及びリンク制御ECU23に、下記の式によって決定される指令値として、右駆動トルク指令値τWR、左駆動トルク指令値τWL、総駆動トルク指令値τW 、駆動トルク左右差指令値ΔτW 及びリンクトルク指令値τL を与える。
このように、フィードフォワード出力とフィードバック出力の和を指令値として与える。また、平均駆動トルクと駆動トルク左右差が要求する値になるように、右駆動トルクと左駆動トルクの指令値を与える。なお、図3に示される例の車両10においては、前後方向の姿勢制御を行わないので、総駆動トルクのフィードバック量τW,FBの項、及び、駆動トルク左右差のフィードバック量ΔτW,FBの項は不要であり、削除される。
また、走行及び姿勢制御処理は、所定の時間間隔(例えば、100〔μs〕毎)で繰り返し実行される。
次に、走行状態目標値決定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第1旋回走行目標値と車両速度の目標値との関係を示す図、図7は本発明の第1の実施の形態における第2旋回走行目標値と車両速度の目標値との関係を示す図、図8は本発明の第1の実施の形態における前後加速度目標値補正量と車両速度の目標値との関係を示す図、図9は本発明の第1の実施の形態における走行状態目標値決定処理の動作を示すフローチャートである。なお、図6において、(a)は第1左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係を示し、(b)は第1ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係を示し、図7において、(a)は第2左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係を示し、(b)は第2ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係を示す。
走行状態目標値決定処理において、主制御ECU21は、まず、車両速度目標値を決定する(ステップS4−1)。具体的には、車両加速度の目標値を時間積分して車両速度の目標値V* を決定する。この場合、車両加速度の目標値には、1つ前の制御ステップにおいて決定された値を用いる。
続いて、主制御ECU21は、第1旋回走行目標値を決定する(ステップS4−2)。具体的には、操縦装置であるジョイスティック31の左右操作量、すなわち、第1入力手段であるレバー31bの左右入力量と車両速度の目標値とから、下記の式によって第1左右加速度目標値を決定する。
そして、第1左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係は、図6(a)に示されるようになる。なお、図6(a)のグラフは、レバー31bの左右入力量が正の値である場合を表しており、レバー31bの左右入力量が負の値である場合には、図6(a)のグラフを横軸(V* 軸)に対して対称移動させたグラフになる。
また、レバー31bの左右入力量と車両速度の目標値とから、下記の式によって第1ヨーレート目標値を決定する。
そして、第1ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係は、図6(b)に示されるようになる。なお、図6(b)のグラフは、図6(a)のグラフと同様に、レバー31bの左右入力量が正の値である場合を表しており、レバー31bの左右入力量が負の値である場合には、図6(b)のグラフを横軸に対して対称移動させたグラフになる。また、図6(a)及び(b)のグラフは、所定の入力量を与えた場合を示している。
このように、本実施の形態においては、操縦装置の左右入力量と車両速度の目標値によって、旋回走行の目標値を決定する。この場合、車両速度の目標値に応じて、操縦装置の左右入力率を左右加速度又はヨーレートのいずれか一方に対応させる。
具体的には、車両速度の目標値が所定の閾値(図6に示される例において、第2速度閾値)以上である場合、操縦装置の左右入力率に比例した値を左右加速度の目標値とし、車両速度と左右加速度の目標値に相当するヨーレートの値をその目標値とする。また、車両速度の目標値が前記閾値未満である場合、操縦装置の左右入力率に比例した値をヨーレートの目標値とし、車両速度とヨーレートの目標値に相当する左右加速度の値をその目標値とする。このように、高速走行時には左右加速度を、低速走行時にはヨーレートを、それぞれ、旋回走行状態の程度として認識する傾向が強い人間の特性に適した方を用いることで、操縦性や操縦感を向上させる。
また、操縦装置の左右入力率に応じて決定された左右加速度とヨーレートの目標値を各々の基準値として、左右加速度の基準値と、ヨーレートの基準値を車両速度の目標値によって左右加速度に換算した値とを比較して、より小さい方を左右加速度の目標値とし、ヨーレートの基準値と、左右加速度の基準値を車両速度の目標値によってヨーレートに換算した値とを比較して、より小さい方をヨーレートの目標値とする。このように、左右加速度を基準とする操縦特性とヨーレートを基準とする操縦特性との間の切替を適切かつ滑らかに行うことで、操縦性や快適性をより向上させることができる。
さらに、本実施の形態において、操縦装置であるジョイスティック31は、第1入力手段としてのレバー31bを備え、該レバー31bの左右入力方向と左右加速度の方向が一致するように目標値を決定する。そして、同じレバー31bの入力方向に対して、車両10の前進時と後進時とで、目標とするヨーレートの正負を反転させる。このように、レバー31bの並進方向を車両10の並進方向と対応させることで、より直感的な操縦を可能とする。
さらに、車両速度の目標値が所定の閾値(図6に示される例において、第1速度閾値)未満である場合、車両速度に応じて旋回走行目標値を制限する。なお、車両速度の目標値が零であるときに旋回走行目標値が共に零になるように、車両速度に応じて制限する。これにより、前後進行方向を連続的に切り替えることが可能な車両10において、進行方向の切替時における車両10の回転方向及びヨーレートの急激な変化を防ぎ、操縦を容易にするのとともに、車両速度に不相応な車両回転速度が発生することによる操縦者の違和感や車両10周辺の他者に与える違和感や誤認識を防ぎ、より安全で快適に使用できる車両10を実現する。
なお、本実施の形態においては、操縦装置の入力量を左右加速度又はヨーレートのいずれかに対応させるかを決定する第2速度閾値を左右加速度目標値とヨーレート目標値の最大値に基づいて設定しているが、第2速度閾値の設定値に応じて、他の最大値を設定してもよい。例えば、人間の感受特性に適切な閾値を第2速度閾値とし、また、車体姿勢の安定限界に応じて左右加速度目標値の最大値を決定し、決定した両値からヨーレート目標値の最大値を設定してもよい。これにより、更に操縦性や操縦感のよい車両10を実現できる。
続いて、主制御ECU21は、第2旋回走行目標値を決定する(ステップS4−3)。具体的には、操縦装置であるジョイスティック31の回転操作量、すなわち、第2入力手段である回転部31cの回転入力量と車両速度の目標値とから、下記の式によって第2左右加速度目標値を決定する。
そして、第2左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係は、図7(a)に示されるようになる。なお、図7(a)のグラフは、回転部31cの回転入力量が正の値である場合を表しており、回転部31cの回転入力量が負の値である場合には、図7(a)のグラフを横軸(V* 軸)に対して対称移動させたグラフになる。
また、回転部31cの回転入力量と車両速度の目標値とから、下記の式によって第2ヨーレート目標値を決定する。
そして、第2ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係は、図7(b)に示されるようになる。なお、図7(b)のグラフは、図7(a)のグラフと同様に、回転部31cの回転入力量が正の値である場合を表しており、回転部31cの回転入力量が負の値である場合には、図7(b)のグラフを横軸に対して対称移動させたグラフになる。また、図7(a)及び(b)のグラフは、所定の入力量を与えた場合を示している。
このように、本実施の形態においては、操縦装置の回転入力量と車両速度の目標値によって、旋回走行の目標値を決定する。そして、車両速度の目標値が所定の閾値(図7に示される例において、第3速度閾値)未満である場合、操縦装置の回転入力率をヨーレートに対応させる。
つまり、第1入力手段であるレバー31bによる旋回走行指令に対して、低速走行時のヨーレート目標値を制限する一方で、第2入力手段である回転部31cによる旋回走行指令に対して、低速走行時のヨーレート目標値を許可する。このように、旋回走行の意図を指令する第1入力手段とは別に、車体方向転換の意図を指令する第2入力手段を具備することで、車体方向転換を指令する操縦者の操縦方法及び制御に必要な意図の識別を容易にし、操縦自由度や操縦性の高い車両10を実現する。
また、回転入力率に比例した値をヨーレートの目標値とし、車両速度とヨーレートの目標値に相当する左右加速度の値をその目標値とする。これにより、車体方向の転換速度を定量的に指令することを可能とし、より操縦性の高い車両10を実現する。
さらに、本実施の形態においては、第2入力手段としての回転部31cを備え、該回転部31cの回転入力方向とヨーレートの方向が一致するように目標値を決定する。そして、同じ回転部31cの入力方向に対して、車両10の前進時と後進時とで、目標とする左右加速度の正負を反転させる。このように、第1入力手段による旋回指令時の課題である、車両10の前後進行方向の切替時に車両10の回転方向及びヨーレートが急激に変化する現象を回避すると共に、回転部31cの回転方向を車両10の回転方向と対応させることで、より直感的な操縦を可能とする。
さらに、車両速度の目標値が前記閾値以上である場合、車両速度に応じて旋回走行目標値を制限する。この場合、車両速度の目標値が所定の閾値(図7に示される例において、第4速度閾値)以上のときに旋回走行目標値が共に零になるように、車両速度に応じて制限する。これにより、操縦者が旋回走行の指令時と車体方向転換の指令時で適切な入力手段を選択することを促し、操縦意図の識別を容易にするのと共に、第2入力手段からの旋回走行指令入力と車両10の制動指令入力を同時に操作できない操縦装置を用いる場合において、高速走行時からの緊急の車両制動指令が遅れるような操縦方法である第2入力手段による旋回走行指令入力を禁止し、より安全で快適に使用できる車両10を実現する。
続いて、主制御ECU21は、旋回走行目標値を決定する(ステップS4−4)。具体的には、第1旋回走行目標値と第2旋回走行目標値とから決定する。まず、操縦装置の左右入力量に応じて決定される第1左右加速度目標値と操縦装置の回転入力量に応じて決定される第2左右加速度目標値とから、下記の式によって左右加速度目標値を決定する。
また、操縦装置の左右入力量に応じて決定される第1ヨーレート目標値と操縦装置の回転入力量に応じて決定される第2ヨーレート目標値とから、下記の式によってヨーレート目標値を決定する。
このように、本実施の形態においては、操縦装置の入力量に応じて決定された旋回走行目標値に基づいて、実際の制御での目標値を決定する。具体的には、第1入力手段であるレバー31bの左右入力量及び車両速度目標値によって決定された第1左右加速度目標値と、第2入力手段である回転部31cの回転入力量及び車両速度目標値によって決定された第2左右加速度目標値との和を左右加速度目標値とする。また、第1入力手段であるレバー31bの左右入力量及び車両速度目標値によって決定された第1ヨーレート目標値と、第2入力手段である回転部31cの回転入力量及び車両速度目標値によって決定された第2ヨーレート目標値との和をヨーレート目標値とする。このように、レバー31bと回転部31cの操作入力による操縦者の操縦意図を総合的に把握し、それに適合した旋回走行目標値を設定することで、操縦性及び操縦自由度の高い車両10を実現できる。
なお、本実施の形態においては、左右加速度及びヨーレートの目標値を設定しているが、いずれか一方のみの目標値を旋回走行目標値として設定してもよい。例えば、ヨーレートの目標値のみを旋回目標として決定してもよい。また、左右加速度が必要な場合にはヨーレートの目標値と車両速度の目標値から左右加速度を求めてもよい。さらに、旋回半径、曲率等の他の状態量によって旋回走行目標値を設定してもよい。これらの状態量は、上記の左右加速度やヨーレートから所定の関係式によって容易に決定される。
最後に、主制御ECU21は、前後走行の目標値を決定して(ステップS4−5)、走行状態目標値決定処理を終了する。具体的には、操縦装置の前後入力量と回転入力量とから、下記の式によって前後加速度目標値を決定する。
そして、前後加速度目標値補正量と車両速度の目標値との関係は、図8に示されるようになる。
このように、本実施の形態においては、操縦装置の回転入力量と車両速度の目標値とによって、前後加速度の目標値を補正する。この場合、操縦装置の回転入力率に応じて、車両10の走行速度を低下させるように前後加速度の目標値を補正する。具体的には、第2入力手段による旋回走行指令が許可される車両速度目標値の範囲内において、回転入力率に比例した減速度を前後加速度目標値の補正量とし、操縦装置の前後入力量に応じて決定された前後加速度操縦指令値を補正する。このように、車体方向転換を指令する第2入力手段からの入力に応じて車両速度を低下させることで、理想的な車体方向転換動作である超信地旋回(その場回転)の状態に速やかに誘導すると共に、第2入力手段からの旋回走行指令入力と車両10の制動指令入力を同時に操作できない操縦装置を用いる場合において、車両10を自動的に制動させることで、より安全で快適な使用を可能とする。
また、車両速度目標値が所定の閾値(図8に示される例において、Vsh,0)以下である場合、前後加速度目標値補正量を制限する。このように、車両10の前進と後進の切替に伴う前後加速度補正量の正負の切替を滑らかにすることで、走行状態や車体姿勢の振動を防止し、快適性を向上させる。
なお、本実施の形態においては、ステップS4−3の第2旋回走行目標値を決定するための式で用いた第3速度閾値及び第4速度閾値と、ステップS4−5の前後走行の目標値を決定するための式で用いた第3速度閾値及び第4速度閾値とに同じ値を設定しているが、異なる値を設定してもよい。例えば、ステップS4−5の前後走行の目標値を決定するための式で用いた第3速度閾値及び第4速度閾値の方をより大きな値とすることで、回転入力量による旋回走行指令が禁止される車両速度で回転入力量を与えた場合でも、自動的に車両速度が低下した後に、車体方向転換動作に移行させることができる。
また、本実施の形態においては、前後加速度目標値補正量を回転入力量に比例した値としているが、他の決定方法を用いてもよい。例えば、回転入力量が所定の閾値よりも大きい場合に限り、所定の減速度を与えるようにしてもよい。
さらに、本実施の形態においては、前後方向の車両加速度を補正しているが、車両速度を補正してもよい。例えば、車体速度の目標値を零とすることで、超信地旋回状態へのより速やかな移行を促してもよい。
このように、本実施の形態においては、第1入力手段の入力量に応じてヨーレート及び左右加速度を決定し、車両速度に応じてヨーレート又は左右加速度の少なくとも一方を補正し、補正したヨーレート及び/又は左右加速度で旋回する。
この場合、車両速度に応じて状態量であるヨーレート又は左右加速度の一方を選択し、一方の状態量の値を車両速度によって換算した値を、補正した他方の状態量とする。具体的には、車両速度が所定の閾値以上である場合には左右加速度を選択し、車両速度が所定の閾値未満である場合にはヨーレートを選択する。また、一方の状態量の値の絶対値が、他方の状態量の値を車両速度によって一方の状態量に換算した値である換算値の絶対値よりも小さい場合には一方の状態量を選択し、換算値の絶対値以上である場合には他方の状態量を選択する。
また、前進走行状態と後進走行状態の遷移状態において、第1入力手段の所定の入力量に対するヨーレートの正負を反転する。なお、第1入力手段はレバー31bであり、該レバー31bを駆動輪12の回転軸と平行な方向に傾斜又は移動させて入力する。
さらに、車両速度が所定の閾値以下であるときに、補正したヨーレートの絶対値を低減する。
また、本実施の形態においては、第2入力手段を更に備え、第1入力手段の入力量に応じて決定されたヨーレート及び左右加速度と、第2入力手段の入力量に応じて決定されたヨーレート及び左右加速度との和であるヨーレート及び左右加速度で旋回する。
この場合、第2入力手段の入力量に応じて決定されたヨーレートを車両速度によって左右加速度に換算した値を、第2入力手段に応じて決定された左右加速度に置き換える。
また、前進走行状態と後進走行状態の遷移状態において、第2入力手段の所定の入力量に対する左右加速度の正負を反転する。なお、第2入力手段は回転部31cであり、該回転部31cを駆動輪12の回転軸に垂直な直線を回転軸として回転させて入力する。
さらに、車両速度が所定の閾値以上であるときに、第2入力手段に応じて決定されるヨーレートと左右加速度の値を零とする。
さらに、第2入力手段の入力量に応じて、車両10の前後加速度を補正する。具体的には、車両速度が所定の閾値以下であるとき、車両10の前後加速度を補正する。また、車両10が減速するように、前後加速度を補正する。
さらに、ヨーレートと左右加速度の目標値を決定し、それに応じた駆動トルクを左右の駆動輪12に与える。具体的には、ヨーレートの目標値を駆動輪回転角速度差に換算した値を駆動輪回転角速度差の目標値とし、該目標値と計測値との差に比例した大きさの差動トルクを駆動輪12に与える。
さらに、左右加速度に応じた量だけ、駆動輪12の接地点に対する車体重心の相対位置を移動させる。具体的には、車体左右傾斜機構としてのリンク機構60を備え、車両加速度に応じた量だけ車体を傾斜させる。
これにより、本実施の形態においては、操縦者の操作入力量に応じて、適切な旋回走行状態を実現することができる。そして、簡素な操縦装置で、容易かつ直感的に操縦可能な車両10を提供できる。
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10は本発明の第2の実施の形態における第1旋回走行目標値と車両速度の目標値との関係を示す図、図11は本発明の第2の実施の形態における第2旋回走行目標値と車両速度の目標値との関係を示す図である。なお、図10において、(a)は第1左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係を示し、(b)は第1ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係を示し、図11において、(a)は第2左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係を示し、(b)は第2ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係を示す。
前記第1の実施の形態において、ステップS4−2で用いた第1旋回走行目標値を決定するための式や、ステップS4−3で用いた第2旋回走行目標値を決定するための式は、変化率が不連続な点を含むので、旋回走行時に速度を変化させるとき、操縦者に違和感を与える可能性がある。また、式が複雑であるので、制御に必要な演算処理内容が多く、高価な演算手段を必要とする可能性がある。さらに、任意の定数を含むので、適切なパラメータ値を設定するのに時間を要する。すなわち、前記式は、簡素で、任意定数を含まず、変化率が連続である方が望ましい。
そこで、本実施の形態においては、第1旋回走行目標値を決定するための式及び第2旋回走行目標値を決定するための式として、簡素で、任意定数を含まず、かつ、変化率が連続である式を使用する。これにより、より操縦性が高く、操作感のよい安価な倒立型の車両10を提供することができる。
まず、第1旋回走行目標値を決定するための式について説明する。本実施の形態においては、下記の式によって第1左右加速度目標値を決定する。
これにより、本実施の形態における第1左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係は、図10(a)に示されるようになる。なお、図10(a)のグラフは、レバー31bの左右入力量が正の値である場合を表しており、レバー31bの左右入力量が負の値である場合には、図10(a)のグラフを横軸(V* 軸)に対して対称移動させたグラフになる。
また、下記の式によって第1ヨーレート目標値を決定する。
これにより、本実施の形態における第1ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係は、図10(b)に示されるようになる。なお、図10(b)のグラフは、図10(a)のグラフと同様に、レバー31bの左右入力量が正の値である場合を表しており、レバー31bの左右入力量が負の値である場合には、図10(b)のグラフを横軸に対して対称移動させたグラフになる。
次に、第2旋回走行目標値を決定するための式について説明する。本実施の形態においては、下記の式によって第2左右加速度目標値を決定する。
これにより、本実施の形態における第2左右加速度目標値と車両速度の目標値との関係は、図11(a)に示されるようになる。なお、図11(a)のグラフは、回転部31cの回転入力量が正の値である場合を表しており、回転部31cの回転入力量が負の値である場合には、図11(a)のグラフを横軸(V* 軸)に対して対称移動させたグラフになる。
また、下記の式によって第2ヨーレート目標値を決定する。
これにより、本実施の形態における第2ヨーレート目標値と車両速度の目標値との関係は、図11(b)に示されるようになる。なお、図11(b)のグラフは、図11(a)のグラフと同様に、回転部31cの回転入力量が正の値である場合を表しており、回転部31cの回転入力量が負の値である場合には、図11(b)のグラフを横軸に対して対称移動させたグラフになる。
なお、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。
このように、本実施の形態においては、簡素で、任意定数を含まず、かつ、変化率が連続である式を使用して、第1旋回走行目標値及び第2旋回走行目標値を決定するので、より操縦性が高く、操作感のよい安価な車両10を提供することができる。
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。