JP2012126224A - 倒立振子型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら走行制御が行われる倒立振子型移動体において、搭乗者の意思に基づく操縦モードと、搭乗者の意思に基づかない自動運転モードとを実現することができる倒立振子型移動体を提供する。
【解決手段】搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら車体の走行制御が行われる倒立振子型移動体において、制御装置から出力される操作信号に従って搭乗者の重心位置を調節するための重心位置調節手段を備え、制御装置は、搭乗者の意思に基づかないで所定の走行制御を行う自動運転モードへの切り換え指令が生成されたときに、目標となる走行状態が実現される重心位置となるように重心位置調節手段を制御し、重心位置に基づく走行指令に従って車輪駆動手段の制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら走行制御が行われる倒立振子型移動体に関するものである。

従来、転倒しやすい不安定車両を、バランスを保ちながら安定して走行するように構成した倒立振子型移動体が知られている。この倒立振子型移動体の一態様として、同一軸線上に配置された一対の車輪を備え、搭乗者による重心移動に基づいて一対の車輪を回転駆動させる電動モータの出力を制御して、車体のバランスを保ちながら走行する同軸二輪車がある。

このような同軸二輪車は、搭乗者の重心移動に基づいて生成される前進又は後進のための走行目標値に追従する並進運動制御と、不安定車両が転倒しないようにフィードバック制御あるいはロバスト制御が行われる倒立制御との重ね合わせによって走行制御が実行されるようになっている。（例えば、特許文献１及び２を参照）。

特開昭６３−３０５０８２号公報 特開２００４−２９５４３０号公報

ところで、上述のような同軸二輪車をはじめとしてこれまでに開発されている倒立振子型移動体は、搭乗者の体重移動に基づいて走行制御が行われる操縦モードで制御されるものとなっている。一方、このような倒立振子型移動体において、他の移動体との通信や、走行情報の入力、あるいは、センサ等による環境認知などに基づき、何らかのアルゴリズムで生成された走行目標値を用いて、搭乗者の意思によらないで走行制御を行う自動運転モードを切り換えながら利用することが可能となれば、倒立振子型移動体の使用場面が格段に広げられ、さらに有用なものとなる。

しかしながら、上述したとおり、倒立振子型移動体の走行制御は、並進運動制御と倒立制御との重ね合わせによって行われるために、自動運転モードでの走行制御中に搭乗者が体重移動すると、それに応じて車体が転倒しないように倒立制御が実行されて並進運動制御に影響を及ぼすこととなる。例えば、自動運転モードにおいて生成された走行目標値が、減速あるいは停止せよという目標値であった場合に、搭乗者が前方に傾動して重心が前方に移動すると、倒立制御では車体が転倒しないように前進の指令が出力される。

このように、自動運転モードにおいて並進運動制御と倒立制御とが矛盾した指令を出力する可能性がある状態では、操縦モードと自動運転モードとを切換可能な倒立振子型移動体を実現することは困難であった。

そこで、本発明の発明者らはこのような問題に鑑みて、自動運転モードでの走行制御が実行される期間においては、搭乗者の重心位置が、目標となる走行状態を実現するための重心位置となるように、重心位置を調節可能にすることによりこのような問題を解決することができることを見出し、本発明を完成させたものである。
したがって、本発明は、搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら走行制御が行われる倒立振子型移動体において、搭乗者の意思に基づく操縦モードと、搭乗者の意思に基づかない自動運転モードとを実現することができる倒立振子型移動体を提供することを目的とする。

本発明によれば、搭乗者が搭乗する搭乗部を有する車体と、同一軸線上に配置されるとともに車体に回転可能に支持された一対の車輪と、車輪を回転駆動させる車輪駆動手段と、搭乗者の重心位置を検出するための重心位置検出手段と、搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら車体を走行させるために車輪駆動手段の制御を行う制御装置と、を備えた倒立振子型移動体において、制御装置から出力される操作信号に従って搭乗者の重心位置を調節するための重心位置調節手段を備え、制御装置は、搭乗者の意思に基づかないで所定の走行制御を行う自動運転モードへの切り換え指令が生成されたときに、目標となる走行状態が実現される重心位置となるように重心位置調節手段を制御し、重心位置に基づく走行指令に従って車輪駆動手段の制御を行うことを特徴とする倒立振子型移動体が提供され、上述した問題を解決することができる。

すなわち、本発明の倒立振子型移動体は、重心位置を調節する重心位置調節手段を備えており、自動運転モード中には、重心位置に従って出力される車輪駆動手段の制御信号が目標走行状態に応じた値となるように、制御装置によって重心位置調節手段の制御が行われる。そのために、移動体の転倒を防ぐための倒立制御の出力と、所定の走行状態を得るための並進運動制御の出力との矛盾を生じさせることなく、倒立振子型移動体を自動運転モードで走行制御することができる。したがって、操縦モードと自動運転モードとを切換可能な倒立振子型移動体を実現することができる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、制御装置は、目標となる走行状態を実現するための目標重心位置と、重心位置検出手段を用いて検出される重心位置と、に基づいて、重心位置調節手段の操作量を決定することが好ましい。

本発明において、目標重心位置と現在の重心位置とに基づき重心位置調節手段の操作量が決定されるように制御装置を構成することにより、目標重心位置とのずれに応じて重心位置が調節され、重心位置を目標重心位置に速やかに移動させることができる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、自動運転モードが障害回避運転を自動で行う自動障害回避運転モードを含み、倒立振子型移動体は、周囲に存在する障害情報を検知するための障害検出手段を備え、制御装置は、倒立振子型移動体の走行情報及び障害情報に基づいて自動障害回避運転モードに切り換え、障害回避のための操作信号を出力することが好ましい。

本発明において、自動運転モードとして自動障害回避運転モードで走行制御できるように倒立振子型移動体を構成することにより、走行中に、人や障害物、段差等が迫ってきた場合に、それらの障害を回避する運転が行われ、衝突や転倒を防ぐことができる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、自動運転モードが他の移動体との協調運転を自動で行う自動協調運転モードを含み、制御装置は、協調運転を開始する指令を受けて自動協調運転モードに切り換え、他の移動体の走行情報に応じて操作信号を出力することが好ましい。

本発明において、自動運転モードとして自動協調運転モードで走行制御できるように倒立振子型移動体を構成することにより、搭乗者自ら重心移動をすることなく、他の移動体に追従して走行することができるようになる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、自動運転モードが目的地までの自動ガイド運転を行う自動ガイド運転モードを含み、制御装置は、自動ガイド運転を開始する指令を受けて自動ガイド運転モードに切り換え、セットされた目標走行情報に応じて操作信号を出力することが好ましい。

本発明において、自動運転モードとして自動ガイド運転で走行制御できるように倒立振子型移動体を構成することにより、搭乗者自ら重心移動をすることなく、所定の目的地に向けて走行することができるようになる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、重心位置調節手段が、操作信号に基づいて水平方向に対する搭乗部の傾斜角度を調節する手段を有する搭乗部傾斜角可変機構によって構成されることが好ましい。

本発明において、水平方向に対する搭乗部の傾斜角度を変えられる機構によって重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部が平面方向に移動することがないために移動体の平面方向の大きさが大きくなることを防ぐことができるとともに、重心位置を様々な方向に移動させることができる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、重心位置調節手段が、操作信号に基づいて前記車体に対する搭乗部の位置を調節とする手段を有する搭乗部位置可変機構によって構成されることが好ましい。

本発明において、車体に対する搭乗部の位置を変えられる機構によって重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部を平面的にスライドさせて重心位置を直接移動させることができるようになり、重心位置の調節を容易に行うことができる。

また、本発明の倒立振子型移動体を構成するにあたり、重心位置調節手段が、車体に対する位置が可変に構成された慣性体と、操作信号に基づいて慣性体の位置を調節する位置調節手段と、によって構成されることが好ましい。

本発明において、車体に対する位置が可変な慣性体を用いて重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部を動かすことなく重心位置を移動させることができ、搭乗者への違和感を低減することができる。

第１の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の正面図及び側面図である。 第１の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御回路図である。 本発明にかかる倒立振子型移動体の制御方法の一例を説明するためのフローチャート図である。 第１の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御方法における自動運転切換判定の一例を説明するためのフローチャート図である。 第１の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御方法における目標走行状態の決定方法の一例を説明するためのフローチャート図である。 第２の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の正面図及び側面図である。 第２の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御回路図である。 第２及び第３の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御方法における自動運転切換判定の一例を説明するためのフローチャート図である。 第３の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の正面図及び側面図である。 第３の実施の形態にかかる倒立振子型移動体の制御回路図である。 構成の異なる重心位置検出手段を備えた倒立振子型移動体の正面図及び側面図である。 構成の異なる重心位置検出手段を備えた倒立振子型移動体の正面図及び側面図である。

以下、適宜図面を参照して、本発明にかかる倒立振子型移動体に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであって本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材が示され、適宜説明が省略されている。

［第１の実施の形態］
まず、本発明にかかる第１の実施の形態の倒立振子型移動体（以下、単に「移動体」と称する場合がある。）として、自動運転モードとしての自動障害回避運転モードでの走行制御を実行可能に構成された倒立振子型移動体について説明する。

１．倒立振子型移動体の構成
図１（ａ）は本実施形態の移動体１０の正面図を示し、図１（ｂ）は移動体１０の側面図を示している。また、図２は本実施形態の移動体１０の制御回路図を示している。

この移動体１０は、車体１１と、左右一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒと、ハンドル１５とを備えた同軸二輪車として構成されている。一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒは、移動体１０の前後方向に対して直交する左右方向の両側において同一軸線上に配置されるとともに、車体１１に対して回転可能に支持されている。また、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒは、モータボックス１７内に収容された車輪駆動手段としての左輪駆動モータ３１、右輪駆動モータ３２に接続されている。

車体１１の上面には、搭乗者が搭乗時に両足を載せる搭乗部１９が設けられている。この搭乗部１９には重心位置調節手段が設けられている。本実施形態の移動体１０では、水平方向に対する傾斜角度を調節することによって重心位置を調節できるようになっている。

図１（ａ）及び（ｂ）に示す移動体１０の例では、弾性的に搭乗部１９を支持する複数のコイルスプリング２３と、それぞれ垂直方向に伸縮可能な複数のシリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・によって搭乗部１９が支持され、各シリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・の伸縮量をそれぞれ調節することによって搭乗部１９の傾斜角度が可変とされた機構となっている。このように重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部１９が平面方向に移動しない構成となり、移動体１０の平面方向の大きさが大きくなることを防ぐことができる。

この重心位置調節手段としての複数のシリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・は、電動式、油圧式、空圧式等の公知のシリンダを用いることができる。また、傾斜角度を可変とする機構の構成は、上述の例に制限されるものではない。

また、車体１１には搭乗者の重心位置を検出するための重心位置検出手段２５が備えられている。重心位置検出手段２５は、例えば、搭乗部１９の上面あるいは内部に設けられた感圧センサが用いられる。感圧センサを用いる場合には、検出される圧力分布に基づいて搭乗者の重心位置を検出することができる。重心位置検出手段２５は、感圧センサ以外にも、重心位置に応じた静電容量を検知することで重心位置を検出するように構成される歪ゲージや、角速度センサを用いて構成されて搭乗部１９の水平方向に対する傾斜角度を検出することで重心位置を検出するように構成される傾斜角センサ又はジャイロセンサを用いることもできる。

また、本実施形態の移動体１０には、周囲に存在する障害の情報を検知するための障害検出手段２７が備えられている。この障害物検出手段２７は、移動体１０の走行方向に存在する人や障害物、段差等、移動体１０の走行に障害となるものの情報を検出するために用いられる。障害検出手段２７の代表的な例としては、超音波や赤外線、レーザ、レーダー、ミリ波等の電磁波や光学波を送受信することで障害を検知するセンサ等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。

また、倒立振子型移動体１０には、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒを駆動する左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２や、搭乗部１９の傾斜角を調節するシリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・の駆動制御を行う制御装置５０が備えられている。制御装置５０は、基本的に、重心位置検出手段２５を用いて検出される搭乗者の重心位置に従って、バランスを保ちながら移動体１０が前進又は後退するように左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２の出力を制御するように構成されている。これらの左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２の出力を決定する基となる搭乗者の重心位置は、操縦モードにおいては搭乗者がその意思に基づいて所望の位置に置かれる一方、自動運転モードにおいては制御装置５０がシリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・の伸縮量を調節することによって移動させられる。

制御装置５０は、例えば、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）を有する演算回路５１と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭやＲＯＭを有する記憶手段５３等を備えて構成されている。この制御装置５０は、障害情報を検出する障害検出手段２７からの検出信号と、重心位置検出手段２５からの検出信号とを受信可能になっている。また、制御装置５０には、左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２をそれぞれ駆動するモータ駆動回路４１，４２と、搭乗部１９の傾斜角度を調節するためのシリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・をそれぞれ駆動するシリンダ駆動回路４５，４６，４７・・・とが接続されている。

モータ駆動回路４１，４２は、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒの回転速度や回転方向等を個別に制御するものであり、左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２が個別に接続されている。シリンダ駆動回路４５，４６，４７・・・は、シリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・の伸縮を個別に制御するものであり、シリンダＡ３５、シリンダＢ３６、シリンダＣ３７・・・が個別に接続されている。

２．倒立振子型移動体の制御方法
次に、本実施形態の倒立振子型移動体１０の制御方法を、図３〜図５のフローチャート図に基づいて説明する。

まず、図３のステップＳ１において、制御装置５０は、移動体１０の制御モードを自動運転モードに切り換えるか否かを判定する。ここで、図４は、自動障害回避運転モードでの走行制御を実行可能な本実施形態の移動体１０による、自動障害回避運転モードへの切り換え判定の具体的なフローの一例を示している。

図４において、まず、ステップＳ１１では、制御装置５０は障害検出手段の検出信号に基づいて、移動体１０から障害までの距離を算出する。次いで、ステップＳ１２において、制御装置５０は各車輪の回転速度や回転方向等の現在の移動体１０の走行状態を読み込む。その後、ステップＳ１３において、制御装置５０は、ステップＳ１１で検出された距離と、ステップＳ１２で読み込まれた走行状態とに基づいて演算を行い、障害までの到達時間を予測する。

到達予測時間が得られると、ステップＳ１４において、制御装置５０は到達予測時間が閾値Ｔａ以下であるか否かを判定する。このときの閾値Ｔａは、自動障害回避運転モードに切り換える時期を規定するものであり、あらかじめ安全性等を考慮して適宜設定することができる。

そして、ステップＳ１４においてＹｅｓと判定された場合、すなわち、障害到達予測時間が閾値Ｔａ以下となっている場合には、ステップＳ１５に進み、制御装置５０は自動運転モードを選択して自動運転切換判定を終了する。一方、ステップＳ１４においてＮｏと判定された場合、すなわち、障害到達予測時間が閾値Ｔａを超えている場合には、ステップＳ１６に進み、制御装置５０は操縦モードを選択して自動運転切換判定を終了する。このような例によって、図３のステップＳ１の判定が行われる。

図３に戻り、ステップＳ１の判定結果がＮｏであった場合には、ステップＳ１０に進み、制御装置５０は制御モードを操縦モードに切り換え、あるいは、維持する。この場合には、制御装置５０は、ステップＳ７に進んで重心位置検出手段２５の検出信号に基づき現在の搭乗者の重心位置を検出する。このときの重心位置は、搭乗者の意思に基づいて所望の位置に調節されたものとなっている。

重心位置が検出された後、制御装置５０は、ステップＳ８において、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒを駆動する左輪駆動モータ３１、右輪駆動モータ３２の目標出力を演算によって求める。例えば、あらかじめ制御装置５０の記憶手段５３に記憶された出力マップ情報に基づいて目標出力を算出する。このとき、重心位置だけでなく、さらに単位時間当たりの重心の移動量（重心移動速度）を考慮して、目標出力を算出するようにしてもよい。

次いで、ステップＳ９において、ステップＳ８で求められた左輪駆動モータ３１、右輪駆動モータ３２の目標出力を、電流値を表す制御信号に変換して、モータ駆動回路４１，４２に対して出力する。その結果、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒがそれぞれ左輪駆動モータ３１，右輪駆動モータ３２によって回転駆動され、搭乗者の意思に応じた走行状態が実現される。

一方、ステップＳ１の判定結果がＹｅｓであった場合には、ステップＳ２に進み、制御装置５０は制御モードを自動運転モードに切り換え、あるいは、維持する。この場合には、制御装置５０は、ステップＳ３に進んで目標走行状態に基づく目標重心位置を演算により求める。ここで、図５は、自動障害回避運転モードでの走行制御を実行可能な本実施形態の移動体１０における、目標走行状態の決定方法の具体的なフローの一例を示している。

図５において、まずステップＳ２１では、制御装置５０は、図４のステップＳ１３で算出された到達予測時間が閾値Ｔｂ以上であるか否かを判定する。このときの閾値Ｔｂは、移動体１０が障害にどの程度近づいているかを判定するためのものであって、自動回避運転によって移動体１０を一旦減速させるか、あるいは速やかに停止させるかを切り分けるための基準として用いられる。この閾値Ｔｂについても、あらかじめ安全性等を考慮して適宜設定される。

ステップＳ２１においてＹｅｓと判定された場合にはステップＳ２２に進み、制御装置５０は、移動体１０を減速させる制御の実行を選択して、目標走行状態の設定を行う。減速のさせ方は特に制限されるものではなく、種々の態様が考えられる。例えば、移動体１０の速度があらかじめ決められた速度となるように制御したり、現在の移動体１０の速度を基準として所定割合又は所定量まで減速されるように制御したりすることができる。さらには、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒをそれぞれ異なる出力で制御して、移動体１０を旋回させるようにしてもよい。

一方、ステップＳ２１においてＮｏと判定された場合にはステップＳ２３に進み、制御装置５０は、移動体１０を速やかに停止させる制御の実行を選択して、目標走行状態の設定を行う。停止のさせ方についても特に制限されるものではなく、種々の態様が考えられる。

図３に戻り、ステップＳ３では、図５の例のようにして設定された目標走行状態が実現されるための目標重心位置が求められる。例えば、あらかじめ制御装置５０の記憶手段５３に記憶された重心位置マップ情報に基づいて目標重心位置を算出する。この重心位置マップ情報は、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒを駆動する左輪駆動モータ３１、右輪駆動モータ３２の目標出力と、移動体１０のバランスとに従って目標重心位置が決定されるものとなっている。あるいは、所定の計算式によって目標重心位置を算出するようにしてもよい。

次いで、制御装置５０は、ステップＳ４において、重心位置検出手段２５の検出信号に基づいて現在の重心位置を検出した後、ステップＳ５において、現在の重心位置が目標重心位置にずらされるように、各シリンダ３５，３６，３７・・・の操作量を演算によって求める。このときの演算方法については特に制限されるものではないが、例えば、水平方向に延在するＸＹ平面上におけるＸ軸方向への移動量とＹ軸方向への移動量とを求め、これらの情報に基づいて各シリンダ３５，３６，３７・・・の操作量を決定することができる。

次いで、ステップＳ６において、制御装置５０は、各シリンダ３５，３６，３７・・・の操作量を、それぞれのシリンダ３５，３６，３７・・・の駆動部の制御信号に変換して、シリンダ駆動回路４５，４６，４７・・・に対して出力する。その結果、重心位置が移動し始める。

その後、制御装置５０は、上述したステップＳ７〜ステップＳ９の手順に沿って、一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒを駆動する左輪駆動モータ３１、右輪駆動モータ３２の出力を重心位置に応じて求めるとともに、電流値を表す制御信号に変換して、モータ駆動回路４１，４２に対して出力する。このときの重心位置は、搭乗者の意思に基づかないものであって、制御装置５０によって調節されたものとなっている。

ステップＳ９でモータ駆動回路４１，４２に対して制御信号が出力された後は、再びステップＳ１に戻り、これまで説明した手順に沿って演算処理が繰り返される。
なお、ステップＳ２で移動体１０の制御モードを自動運転モードに切り換える際に、同時に、移動体１０が障害に接近していることを搭乗者に対して知らせるために、操作盤等への表示や警告ランプの点灯を行ったり、警報音を発生させたりしてもよい。

以上説明した本実施形態の移動体１０によれば、搭乗者の意思に基づいて移動体１０が走行している間に、移動体１０が人や障害物に衝突したり、段差等に乗り上げたりする状況が予測される場合には、制御モードが自動運転モードに切り換えられる。この自動運転モードは、目標走行状態に基づいて重心位置を移動させて、左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２の出力を制御するものであるために、並進運転制御の出力と倒立制御の出力とが矛盾を生じた状態になることはない。したがって、搭乗者の意思に基づく走行中に、衝突等を自動で回避することができる移動体１０を実現することができるようになる。

また、移動体１０を減速、旋回、又は停止させる制御を実行することによって、障害を回避するだけでなく、仮に移動体１０が障害に衝突等する場合であっても、衝突時の被害を軽減することができるようになる。

また、本実施形態の移動体１０では、現在の重心位置を目標重心位置に移動させるために、水平方向に延在するＸＹ平面上におけるＸ軸方向の移動量とＹ軸方向の移動量とに基づいて重心位置調節手段の操作量を決定するように構成されているために、重心位置を速やかに、かつ、正確に目標重心位置へと移動させることができる。したがって、衝突等を回避するための走行状態を精度よく実現することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明にかかる第２の実施の形態の倒立振子型移動体として、自動運転モードとしての自動協調運転モードでの走行制御を実行可能に構成された倒立振子型移動体について説明する。

１．倒立振子型移動体の構成
図６（ａ）は本実施形態の移動体１００の正面を示し、図６（ｂ）は移動体１００の側面図を示している。また、図７は本実施形態の移動体１００の制御回路図を示している。

移動体１００の外観構成に関し、移動体１００には第１の実施の形態の移動体１０における障害検出手段２７が備えられていない一方で、自動運転切換スイッチ１０３と、通信用アンテナ１０１とが備えられている。

自動運転切換スイッチ１０３は、自動協調運転を実行する指令を入力するためのスイッチであって、搭乗者等によってスイッチング操作が行われる。この自動運転切換スイッチ１０３はスイッチボタン式のものや、タッチパネル式のもの等、種々の態様のものによって構成され、その態様は特に制限されるものではない。さらに、切換スイッチを用いないで、外部からの指令信号によって自動協調運転を実行する指令が生成されるようにすることもできる。ただし、搭乗者によって操作可能な切換スイッチであれば、自動協調運転の開始又は停止を搭乗者の意思によって決定することができる。

通信用アンテナ１０１は、自動協調運転を実行するにあたって、他の移動体から送信される走行情報を受信する。走行情報としては、例えば、他の移動体における一対の車輪の駆動状態に関する情報や、車輪を回転駆動するための制御信号あるいは駆動信号などが挙げられる。また、他の移動体も本実施形態の移動体１００として構成されている場合には、目標重心位置の情報を用いることもできる。さらに、他の移動体は倒立振子型移動体に限られるものではないため、その他の情報を用いてもよい。

なお、移動体１００が自動協調運転を実行する際の主たる移動体となる場合には、通信用アンテナ１０１を介して、他の移動体に向けて自車の走行情報が送信される。

これらの自動運転切換スイッチ１０３及び通信用アンテナ１０１は制御装置５０に接続されており、制御装置５０は、自動運転切換スイッチ１０３のスイッチ操作によって生成される指令信号が入力されるようになっているとともに、通信用アンテナ１０１によって受信される他の移動体の走行情報を検出可能になっている。

これ以外の外観構成に関する構成要素については、第１の実施の形態の移動体１０と同様に構成することができるためにここでの説明は省略する。

２．倒立振子型移動体の制御方法
次に、本実施形態の倒立振子型移動体１００の制御方法について説明する。
本実施形態の移動体１００の制御方法は、基本的に図３のフローチャートに示す手順に沿って実行される。ただし、自動協調運転モードでの走行制御を実行可能な本実施形態の移動体１００による自動協調運転モードへの切換判定を行うステップＳ１と、目標走行状態に基づく目標重心位置の演算を行うステップＳ３とについては、第１の実施の形態の移動体１０で実施される演算処理とは異なっている。

図８は、自動協調運転モードでの走行制御を実行可能な本実施形態の移動体１００による、自動協調運転モードへの切換判定の具体的なフローの一例を示している。図８において、まず、ステップＳ３１では、制御装置５０は、自動協調運転モードへの切換指令信号が入力されているか否かを判定する。このステップＳ３１でＹｅｓと判定された場合には、ステップＳ３２に進み、制御装置５０は自動運転モードを選択して自動運転切換判定を終了する。一方、ステップＳ３１でＮｏと判定された場合には、ステップＳ３３に進み、制御装置５０は操縦モードを選択して自動運転切換判定を終了する。本実施形態の移動体１００では、このような例によって、図３のステップＳ１の判定が行われる。

また、本実施形態の移動体１００では、通信用アンテナ１０１を介して受信される他の移動体の走行状態が目標走行状態とされ、これに応じた目標重心位置がステップＳ３で求められるようになっている。このとき、目標走行状態に応じた目標重心位置を求める際に参照される重心位置マップ情報は、静止状態（移動体１００の速度＝ゼロ）において一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒが配置された軸線上に重心位置が位置するとともに、走行方向や旋回方向、加速度に応じて重心位置が決定されるものとなっている。これ以外の各ステップでの演算処理については、第１の実施の形態と同様の方法によって実行される。

以上説明した本実施形態の移動体１００によれば、搭乗者の意思に基づいて移動体１００の走行制御を行う操縦モードと、他の移動体に協調して走行制御を行う自動運転モードとを選択的に実行することができる。この自動運転モードは、他の移動体の走行情報に基づく目標走行状態に基づいて重心位置を移動させて、左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２の出力を制御するものであるために、並進運転制御の出力と倒立制御の出力とが矛盾を生じた状態になることはない。

また、本実施形態の移動体１００においても、現在の重心位置を目標重心位置に移動させるために、水平方向に延在するＸＹ平面上におけるＸ軸方向の移動量とＹ軸方向の移動量とに基づいて重心位置調節手段の操作量を決定するように構成されることで、重心位置を速やかに、かつ、正確に目標重心位置へと移動させることができ、他の移動体との協調運転を精度よく実現することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明にかかる第３の実施の形態の倒立振子型移動体として、自動運転モードとしての自動ガイド運転モードでの走行制御を実行可能に構成された倒立振子型移動体について説明する。

１．倒立振子型移動体の構成
図９（ａ）は本実施形態の移動体１５０の正面を示し、図９（ｂ）は移動体１５０の側面図を示している。また、図１０は本実施形態の移動体１５０の制御回路図を示している。

移動体１５０の外観構成に関し、移動体１５０には第１の実施の形態の移動体１０における障害検出手段２７が備えられていない一方で、自動運転切換スイッチ１５３と、ＧＰＳアンテナ１５１と、目的地設定操作パネル１５５とが備えられている。

自動運転切換スイッチ１５３は、自動ガイド運転を実行する指令を入力するためのスイッチであって、搭乗者等によってスイッチング操作が行われる。この自動運転切換スイッチ１５３は、第２の実施の形態と同様に、スイッチボタン式のものや、タッチパネル式のもの等、種々の態様のものによって構成され、その態様は特に制限されるものではない。さらに、切換スイッチを用いないで、外部からの指令信号によって自動ガイド運転を実行する指令が生成されるようにすることもできる。ただし、搭乗者によって操作可能な切換スイッチであれば、自動ガイド運転の開始又は停止を搭乗者の意思によって決定することができる。

ＧＰＳアンテナ１５１は、自動ガイド運転を実行するにあたって、移動体１５０の現在位置を検出するために用いられるものであって、公知のＧＰＳアンテナを使用することができる。

目的地設定操作パネル１５５は、例えばタッチパネルによって構成され、搭乗者等によって目的地や走行ルート、速度等の走行状態をあらかじめ設定するために用いられる。さらに、目的地設定操作パネル１５５による設定によらずに、あらかじめ目的地までの走行状態を設定したデータ情報を制御装置５０に記憶させることができるように構成することもできる。

これらの自動運転切換スイッチ１５３、ＧＰＳアンテナ１５１及び目的地設定操作パネル１５５はそれぞれ制御装置５０に接続されており、制御装置５０は、自動運転切換スイッチ１５３のスイッチ操作によって生成される指令信号が入力されるようになっているとともに、ＧＰＳアンテナ１５１によって受信される位置情報及び目的地設定操作パネル１５５を用いて設定された走行情報を検出可能になっている。

これ以外の外観構成に関する構成要素については、第１の実施の形態の移動体１０と同様に構成することができるためにここでの説明は省略する。

２．倒立振子型移動体の制御方法
次に、本実施形態の倒立振子型移動体１５０の制御方法について説明する。
本実施形態の移動体１５０の制御方法は、基本的に図３のフローチャートに示す手順に沿って実行される。ただし、自動ガイド運転モードでの走行制御を実行可能な本実施形態の移動体１５０による自動ガイド運転モードへの切換判定を行うステップＳ１と、目標走行状態に基づく目標重心位置の演算を行うステップＳ３とについては、第１の実施の形態の移動体１０で実施される演算処理とは異なっている。

本実施形態の移動体１５０では、第２の実施の形態の移動体１００と同様に、図８のフローチャートで示される手順に沿って、図３のステップＳ１の切換判定が行われる。すなわち、制御装置５０は、自動ガイド運転モードへの切換指令信号が入力されている場合には、自動運転モードを選択して自動運転切換判定を終了する。一方、制御装置５０は、自動ガイド運転モードへの切換指令信号が入力されていない場合には、操縦モードを選択して自動運転切換判定を終了する。

また、本実施形態の移動体１５０において、ステップＳ３では、目的地設定操作パネル１５５を用いて設定された目的地、走行ルート、速度等や、ＧＰＳアンテナ１５１によって検出される現在地情報に基づく演算処理によって目標走行状態が求められるとともに、これに応じた目標重心位置が求められるようになっている。このとき、目標走行状態に応じた目標重心位置を求める際に参照される重心位置マップ情報は、静止状態（移動体１５０の速度＝ゼロ）において一対の車輪１３Ｌ，１３Ｒが配置された軸線上に重心位置が位置するとともに、走行方向や旋回方向、加速度に応じて重心位置が決定されるものとなっている。これ以外の各ステップでの演算処理については、第１の実施の形態と同様の方法によって実行される。

以上説明した本実施形態の移動体１５０によれば、搭乗者の意思に基づいて移動体１５０の走行制御を行う操縦モードと、あらかじめ設定された目的地までの走行制御を行う自動運転モードとを選択的に実行することができる。この自動運転モードは、あらかじめ設定される目的地や走行ルート等に基づく目標走行状態に基づいて重心位置を移動させて、左輪駆動モータ３１及び右輪駆動モータ３２の出力を制御するものであるために、並進運転制御の出力と倒立制御の出力とが矛盾を生じた状態になることはない。

また、本実施形態の移動体１５０においても、現在の重心位置を目標重心位置に移動させるために、水平方向に延在するＸＹ平面上におけるＸ軸方向の移動量とＹ軸方向の移動量とに基づいて重心位置調節手段の操作量を決定するように構成されることで、重心位置を速やかに、かつ、正確に目標重心位置へと移動させることができ、目的地までのガイド運転を精度よく実現することができる。

［他の実施の形態］
これまでに説明した本発明の実施の形態は、以下のように変形して構成することもできる。

これまでの実施の形態の移動体１０，１００，１５０では、重心位置調節手段として、水平方向に対する搭乗部１９の傾斜角度を調節することによって重心位置を調節する機構を用いているが、重心位置調節手段の具体的な構成はこの例に限られるものではない。

例えば、図１１は、車体１１に対する搭乗部１９の位置を相対的に移動させて重心位置調節する機構によって構成された重心位置調節手段を備えた移動体の例を示している。この重心位置調節手段は、複数の球体７３によって搭乗部１９を支持するとともに、制御装置５０からの操作信号によって互いに直交する方向に伸縮可能な駆動部７１，７２によって車体１１に対する搭乗部１９の位置を調節するように構成されている。

このように重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部１９を平面的にスライドさせて重心位置を直接移動させることができるようになり、重心位置の調節を容易に行うことができる。そして、このような重心位置調節手段によっても、目標走行状態に見合った位置に重心位置を移動させて移動体の自動運転を行うことができるようになり、操縦モードと自動運転モードとを切換可能な移動体を実現することができる。

また、重心位置調節手段の別の例として、図１２は、車体に対する位置を相対的に移動可能な慣性体８３と、慣性体８３の位置を調節する駆動部８１，８２とによって構成された重心位置調節手段を備えた移動体の例を示している。この重心位置調節手段は、移動体の左右方向に延びる回転軸８４に慣性体８３を懸下させ、回転軸８４を軸回転させることで移動体の前後方向に移動させる駆動部８１と、回転軸８４を移動体の左右方向に移動させることで慣性体８３を左右方向に移動させる駆動部８２とによって、慣性体８３の位置を調節し、重心位置を調節するように構成されている。

このように重心位置調節手段を構成することにより、搭乗部１９を動かすことなく重心位置を移動させることができ、搭乗者への違和感を低減することができる。そして、このような重心位置調節手段によっても、目標走行状態に見合った位置に重心位置を移動させて移動体の自動運転を行うことができるようになり、操縦モードと自動運転モードとを切換可能な移動体を実現することができる。

また、これまでに説明した実施の形態においては、重心位置を検出する手段として、感圧センサ２５や歪ゲージ以外に、搭乗部１９の傾斜角度を検出する傾斜角度センサ又はジャイロセンサを例示したが、ハンドル１５の傾斜角度を検出する傾斜角度センサやジャイロセンサ等を用いて重心位置を検出するようにしてもよい。

また、これまでに説明した第１〜第３の実施の形態の移動体１０，１００，１５０によって実行される自動運転モードのすべてを、あるいは、いずれか二つを実行可能な移動体として構成することもできる。自動運転の目的については特に制限されるものではない。

また、これまでの実施の形態で説明した移動体１０，１００，１５０は、搭乗者の意思に基づく走行制御が実行される操縦モードにおいても搭乗者の重心位置に基づいて走行制御が行われるように構成されているが、操縦モードにおける搭乗者の意思を走行指令として生成する手段はこれに限られるものではなく、例えば、搭乗者による操縦桿の操作に基づいて走行指令が生成されるものであってもよい。操縦モードでの走行制御が操縦桿の操作によって行われる移動体の場合には、自動運転モードへの切り換え後においては、重心位置調節手段を制御して重心位置を調節しながら、この重心位置に基づいて走行制御が行われるように構成される。

さらにまた、移動体の態様についても、本実施形態で例示した同軸二輪車以外にも、搭乗者の重心位置に従って走行制御が行われるものであれば、円筒状の一輪の回転体を用いた移動体や、球形の回転体を用いた移動体等、倒立振子型移動体全般に本発明を適用することができる。

１０：倒立振子型移動体、１１：車体、１３Ｌ，１３Ｒ：車輪、１５：ハンドル、１７：モータボックス、１９：搭乗部、２３：コイルスプリング、２５：重心位置検出手段、２７：障害検出手段、３１：左輪駆動モータ（車輪駆動手段）、３２：右輪駆動モータ（車輪駆動手段）、３５：シリンダＡ（重心位置調節手段）、３６：シリンダＢ（重心位置調節手段）、３７：シリンダＣ（重心位置調節手段）、４１，４２：モータ駆動回路、４５，４６，４７：シリンダ駆動回路、５０：制御装置、５１：演算回路、５３：記憶手段、７１，７２：駆動部、７３：球体、８１，８２：駆動部、８３：慣性体、８４：回転軸、１００：倒立振子型移動体、１０１：通信用アンテナ、１０３：自動運転切換スイッチ、１５０：倒立振子型移動体、１５１：ＧＰＳアンテナ、１５３：自動運転切換スイッチ、１５５：目的地設定操作パネル

Claims (8)

1. 搭乗者が搭乗する搭乗部を有する車体と、
   同一軸線上に配置されるとともに前記車体に回転可能に支持された一対の車輪と、
   前記車輪を回転駆動させる車輪駆動手段と、
   前記搭乗者の重心位置を検出するための重心位置検出手段と、
   前記搭乗者の意思に基づく走行指令に従ってバランスを保ちながら前記車体を走行させるために前記車輪駆動手段の制御を行う制御装置と、
   を備えた倒立振子型移動体において、
   前記制御装置から出力される操作信号に従って前記搭乗者の重心位置を調節するための重心位置調節手段を備え、
   前記制御装置は、前記搭乗者の意思に基づかないで所定の走行制御を行う自動運転モードへの切り換え指令が生成されたときに、目標となる走行状態が実現される重心位置となるように前記重心位置調節手段を制御し、前記重心位置に基づく走行指令に従って前記車輪駆動手段の制御を行うことを特徴とする倒立振子型移動体。
2. 前記制御装置は、前記目標となる走行状態を実現するための目標重心位置と、前記重心位置検出手段を用いて検出される重心位置と、に基づいて、前記重心位置調節手段の操作量を決定することを特徴とする請求項１に記載の倒立振子型移動体。
3. 前記自動運転モードが障害回避運転を自動で行う自動障害回避運転モードを含み、
   前記倒立振子型移動体は、周囲に存在する障害情報を検知するための障害検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記倒立振子型移動体の走行情報及び前記障害情報に基づいて前記自動障害回避運転モードに切り換え、障害回避のための前記操作信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の倒立振子型移動体。
4. 前記自動運転モードが他の移動体との協調運転を自動で行う自動協調運転モードを含み、
   前記制御装置は、前記協調運転を開始する指令を受けて前記自動協調運転モードに切り換え、前記他の移動体の走行情報に応じて前記操作信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の倒立振子型移動体。
5. 前記自動運転モードが目的地までの自動ガイド運転を行う自動ガイド運転モードを含み、
   前記制御装置は、前記自動ガイド運転を開始する指令を受けて前記自動ガイド運転モードに切り換え、セットされた目標走行情報に応じて前記操作信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の倒立振子型移動体。
6. 前記重心位置調節手段が、前記操作信号に基づいて水平方向に対する前記搭乗部の傾斜角度を調節する手段を有する搭乗部傾斜角可変機構によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の倒立振子型移動体。
7. 前記重心位置調節手段が、前記操作信号に基づいて前記車体に対する前記搭乗部の位置を調節とする手段を有する搭乗部位置可変機構によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の倒立振子型移動体。
8. 前記重心位置調節手段が、前記車体に対する位置が可変に構成された慣性体と、前記操作信号に基づいて前記慣性体の位置を調節する手段と、によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の倒立振子型移動体。

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