JP2014121890A - 倒立二輪車 - Google Patents

Abstract

【課題】より安全性を向上させた倒立二輪車を提供すること。
【解決手段】倒立二輪車は、車体のピッチ軸周りの角速度を検出する単軸角速度検出手段を備えている。倒立二輪車は、単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいて倒立状態を維持しつつ、操作ハンドルの傾斜角度に応じて旋回を行う。単軸角速度検出手段は、操作ハンドルの傾斜する方向と反対方向に傾斜する車体の部分に配置されている。単軸角速度検出手段は、パラレルリンク機構の車体下部材又は車体上部材に取付けられていてもよい。
【選択図】図７

Description

本発明は、倒立状態を維持しつつ旋回を行う倒立二輪車に関するものである。

倒立二輪車において、システムに異常が発生した場合でも安全に搭乗者が降車できるようにすることは、重要な事項の１つである。倒立二輪車は、センサからの出力に基づいて倒立制御を行っている。そのため、センサの故障及び故障したセンサを精度良く検出し、故障したセンサからの出力に基づいた倒立制御を抑止することが、安全性を担保する上で非常に重要となってくる。

これに対し、ヨー軸、ロール軸、及びピッチ軸の角速度を検出する３軸角速度センサからの出力に基づいた倒立制御と、ピッチ軸のみの角速度を検出する単軸角速度センサからの出力に基づいた倒立制御と、を切替える倒立型移動体が知られている（特許文献１参照）。当該倒立二輪車は、操作ハンドルの傾斜角度に応じて旋回を行うように構成されている。

特表２００３−５０４６００号公報

上記特許文献１に示す倒立二輪車において、例えば、上記単軸角速度センサが操作ハンドルの傾斜する方向と同方向に傾斜する部分に配置されているとする。この場合、単軸角速度センサは、倒立二輪車の旋回によって生じる角速度までも余分に検出するため、単軸角速度センサからの出力値に基づいたピッチ角度が後傾方向にオフセットされることとなる。一方で、倒立二輪車の倒立制御においては、この後傾方向のオフセットをキャンセルしようと、車体をより大きく前傾方向に傾斜させることとなる。この前傾に応じて、倒立二輪車が搭乗者の意図する以上の速度を出力する虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、より安全性を向上させた倒立二輪車を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、車体のピッチ軸周りの角速度を検出する単軸角速度検出手段を備え、該単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいて倒立状態を維持しつつ、操作ハンドルの傾斜角度に応じて旋回を行う倒立二輪車であって、前記単軸角速度検出手段は、前記操作ハンドルの傾斜する方向と反対方向に傾斜する前記車体の部分に配置されている、ことを特徴とする倒立二輪車である。
この一態様において、前記車体は、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、互いに平行をなして左右に配置されると共に前記車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結され、上端に搭乗者が搭乗するステッププレートが取り付けられた一対の側面部材と、を有し、前記操作ハンドルの傾斜に応じて傾斜するパラレルリンク機構を備え、前記単軸角速度検出手段は、前記パラレルリンク機構の車体下部材又は車体上部材に取付けられていてもよい。
この一態様において、前記車体のピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの角速度を検出する３軸角速度検出手段と、前記３軸角速度検出手段により検出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの角速度と、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ軸周りの角速度と、に基づいて前記倒立状態を維持する倒立制御を行う制御手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記３軸角速度検出手段が故障していると判断したとき、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいて前記倒立制御を継続してもよい。
この一態様において、当該倒立二輪車の旋回時に、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいた前記車体のピッチ角度を後方向へオフセットして認識することで、当該倒立二輪車を制動してもよい。

本発明によれば、より安全性を向上させた倒立二輪車を提供することができる。

実施の形態１にかかる倒立二輪車の概要構成を示す図である。 実施の形態１にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１にかかるセンサが検出する角速度及び加速度を示す図である。 実施の形態１で検出・算出されるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の加速度を示す図である。 実施の形態１で検出・算出される角速度を示す図である。 実施の形態１にかかるセンサ故障検出処理を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る倒立二輪車を示す正面図である。

実施の形態１．
図１を参照して、本発明の実施の形態１にかかる倒立二輪車１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる倒立二輪車１の概要構成を示す図である。

倒立二輪車１は、ステッププレート３に搭乗した搭乗者が、倒立二輪車１の前後方向に荷重を作用させた際における、前後方向への倒立二輪車１の姿勢角（ピッチ角）をセンサで検出し、この検出結果に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように左右の車輪２を駆動するモータを制御する。すなわち、倒立二輪車１は、ステッププレート３に搭乗した搭乗者が前方に荷重を作用させて倒立二輪車１を前方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように前方に加速し、搭乗者が後方に荷重を作用させて倒立二輪車１を後方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように後方に加速するように、左右の車輪２を駆動するモータを制御する。さらに、倒立二輪車１は、操作ハンドル４及びステッププレート３の傾斜方向に応じて、左右旋回を行うように構成されている。例えば、操作ハンドル４及びステッププレート３を左側に傾斜させると倒立二輪車１は左旋回を行い、操作ハンドル４及びステッププレート３を右側に傾斜させる右旋回を行う。倒立二輪車１は、制御の安定性を確保するために、モータを制御する制御系が２重化されている。

なお、上述のモータの制御は、倒立二輪車１に搭載された制御装置１０によって行われる。次に、図２を参照して制御装置１０について説明する。

続いて、図２を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の構成について説明する。図２を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の構成を示すブロック図である。

制御装置１０は、マイクロコントローラ１１、１２（制御手段の一具体例であり、以下、「マイコン」と称す）、インバータ１３〜１６、モータ１７、１８、及び、３軸角速度センサ１９〜２１と単軸角速度センサ２２からなる姿勢センサユニット２３を有する。

制御装置１０は、倒立二輪車１の制御の安定性を確保するために、１系システム１００と２系システム２００とに二重化された二重系システムとなっている。すなわち、通常時には両方のシステム１００、２００によって倒立二輪車１の制御を行い、片方のシステムで異常が検出された場合には、他方のシステムによって倒立二輪車１の倒立制御を継続し、安全停止させるように制御する。１系システム１００は、マイコン１１、インバータ１３、１４、及び３軸角速度センサ（３軸角速度検出手段の一具体例）１９〜２１を含む。２系システム２００は、マイコン１２、インバータ１５、１６、及び単軸角速度センサ（単軸角速度検出手段の一具体例）２２を含む。例えば、１系システム１００の３軸角速度センサ１９〜２１に異常が生じた場合は、２系システム２００の単軸角速度センサ２２により倒立制御を継続し、倒立二輪車１を安全に停止させることができる。

以下、倒立二輪車１のロール軸をＸ軸とも呼び、倒立二輪車１のピッチ軸をＹ軸とも呼び、倒立二輪車１のヨー軸をＺ軸とも呼んで説明する。１系システム１００では、３軸角速度センサ１９及び２０は、それぞれの検出軸が、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれからヨー軸と直交する平面上で４５°の角度をなして対向するように配置されている。すなわち、３軸角速度センサ１９及び２０は、それぞれの検出軸が、ピッチ軸に対して対称的となるように異なる向きに４５°傾斜するように配置される。また、１系システム１００では、３軸角速度センサ２１は、その検出軸がヨー軸と一致するように配置されている。２系システム２００では、単軸角速度センサ２２は、その検出軸がピッチ軸と一致するように配置されている。

マイコン１１、１２のそれぞれは、３軸角速度センサ１９〜２１及び単軸角速度センサ２２のそれぞれから出力される角速度信号に基づいて、上述したように、倒立二輪車１が倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御するＥＣＵ（Electric Control Unit）である。マイコン１１、１２のそれぞれは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶部を有し、記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、本実施の形態１におけるマイコン１１、１２のそれぞれとしての処理を実行する。すなわち、マイコン１１、１２のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、本実施の形態１におけるマイコン１１、１２のそれぞれにおける処理を、ＣＰＵに実行させるためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、ＣＰＵにおける処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。

マイコン１１は、モータ１７を制御する指令値を生成し、インバータ１３に出力する。また、マイコン１１は、モータ１８を制御する指令値を生成し、インバータ１４に出力する。ここで、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０から出力される角速度信号に基づいて倒立二輪車１の姿勢角を算出し、算出した姿勢角に基づいて倒立二輪車１の倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御する指令値を生成する。

具体的には、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力される角速度信号が示す角速度から、ピッチ軸周りの角速度を算出する。マイコン１１は、算出したピッチ軸周りの角速度を積分することで倒立二輪車１の前後方向の姿勢角（ピッチ角）を算出し、算出した姿勢角（ピッチ角）に基づいて倒立二輪車１の倒立状態を維持するように、モータ１７、１８を制御する指令値を生成する。ここで、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力される角速度信号が示す角速度は、上述したようにピッチ軸から４５°傾斜した軸周りにおける角速度となる。そのため、マイコン１１は、後述するように、それらの角速度に対して回転行列計算を行うことで、ピッチ軸周りの角速度を算出し、算出したピッチ軸周りの角速度に基づいて倒立二輪車１の前後方向の姿勢角（ピッチ角）を算出する。

また、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力される角速度信号が示す角速度から、ロール軸周りの角速度を算出する。マイコン１１は、算出したロール軸周りの角速度を積分することで倒立二輪車１の左右方向の姿勢角（ロール角）を算出し、算出した姿勢角（ロール角）に基づいて倒立二輪車１を旋回させるように、モータ１７、１８を制御する指令値を生成する。ここで、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力される角速度信号が示す角速度は、ロール軸から４５°傾斜した軸周りにおける角速度ともなる。そのため、マイコン１１は、後述するように、それらの角速度に対して回転行列計算を行うことで、ロール軸周りの角速度を算出し、算出したロール軸周りの角速度に基づいて倒立二輪車１の左右方向の姿勢角（ロール角）を算出する。

また、マイコン１１は、３軸角速度センサ２１から出力される角速度信号が示すヨー軸周りの角速度に基づいて、任意の倒立二輪車１の制御を行うようにしてもよい。例えば、マイコン１１は、倒立二輪車１の急激な旋回を防止するために、３軸角速度センサ２１から出力される角速度信号が示す角速度が所定の角速度を超えていると判断した場合に、それ以上の角速度で倒立二輪車１が旋回しないように、モータ１７、１８を制御する指令値を生成するようにしてもよい。

マイコン１２は、モータ１７を制御する指令値を生成し、インバータ１５に出力する。また、マイコン１２は、モータ１８を制御する指令値を生成し、インバータ１６に出力する。ここで、マイコン１２は、単軸角速度センサ２２から出力される角速度信号に基づいて倒立二輪車１の姿勢角を算出し、算出した姿勢角に基づいて倒立二輪車１の倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御する指令値を生成する。

具体的には、マイコン１２は、単軸角速度センサ２２から出力される角速度信号が示すピッチ軸周りの角速度を積分することで倒立二輪車１の前後方向の姿勢角（ピッチ角）を算出し、算出した姿勢角（ピッチ角）に基づいて倒立二輪車１の倒立状態を維持するように、モータ１７、１８を制御する指令値を生成する。

インバータ１３は、マイコン１１から出力された指令値に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことで、指令値に従ったモータ制御を行う駆動電流を生成し、モータ１７に供給する。インバータ１４は、マイコン１１から出力された指令値に基づいてＰＷＭ制御を行うことで、指令値に従ったモータ制御を行う駆動電流を生成し、モータ１８に供給する。インバータ１５は、マイコン１２から出力された指令値に基づいてＰＷＭ制御を行うことで、指令値に従ったモータ制御を行う駆動電流を生成し、モータ１７に供給する。インバータ１６は、マイコン１２から出力された指令値に基づいてＰＷＭ制御を行うことで、指令値に従ったモータ制御を行う駆動電流を生成し、モータ１８に供給する。

モータ１７、１８のそれぞれは、二重巻のモータである。モータ１７は、インバータ１３から供給される駆動電流と、インバータ１５から供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ１７を駆動することによって、倒立二輪車１の左側の車輪２が回転する。モータ１８は、インバータ１４から供給される駆動電流と、インバータ１６から供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ１８を駆動することによって、倒立二輪車１の右側の車輪２が回転する。

次に、図３を参照して３軸角速度センサ１９〜２１及び単軸角速度センサ２２のそれぞれについて説明する。図３は、３軸角速度センサ１９〜２１及び単軸角速度センサ２２のそれぞれが検出する角速度及び加速度を示す図である。ここで、３軸角速度センサ１９〜２１のそれぞれは、１軸の角速度と２軸の加速度を検出可能な複合型センサチップを含む。すなわち、３軸角速度センサ１９〜２１のそれぞれは、ジャイロセンサ及び加速度センサとして機能する。また、単軸角速度センサ２２は、１軸の角速度を検出するセンサチップである。すなわち、単軸角速度センサ２２は、ジャイロセンサとして機能する。

３軸角速度センサ１９は、上述の通り、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれと４５°傾斜した軸周りの角速度ω０を検出し、検出した角速度ω０を示す角速度信号を生成してマイコン１１に出力する。また、３軸角速度センサ１９は、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれと４５°傾斜した軸向の加速度Acc_leftを検出し、検出した加速度Acc_leftを示す傾斜軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。角速度ω０の検出軸と加速度Acc_leftの検出軸は直交するように配置される。また、３軸角速度センサ１９は、Ｚ軸の加速度AccZ_0を検出し、検出した加速度AccZ_0を示すＺ軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。

３軸角速度センサ２０は、上述の通り、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれと４５°傾斜した軸周りの角速度ω１を検出し、検出した角速度ω１を示す角速度信号を生成してマイコン１１に出力する。また、３軸角速度センサ２０は、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれと４５°傾斜した軸の加速度Acc_rightを検出し、検出した加速度Acc_rightを示す傾斜軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。角速度ω１の検出軸と加速度Acc_ rightの検出軸は直交するように配置される。すなわち、角速度ω０の検出軸と加速度Acc_ rightの検出軸は同一軸となり、角速度ω１の検出軸と加速度Acc_leftの検出軸は同一軸となる。また、３軸角速度センサ２０は、Ｚ軸の加速度AccZ'_0を検出し、検出した加速度AccZ_0を示すＺ軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。

３軸角速度センサ２１は、ヨー軸周りの角速度ω２を検出し、検出した角速度ω２を示す角速度信号を生成してマイコン１１に出力する。また、３軸角速度センサ２１は、Ｘ向の加速度AccX_0を検出し、検出した加速度AccX_0を示すＸ軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。また、３軸角速度センサ２１は、Ｙ軸方向の加速度AccY_0を検出し、検出した加速度AccY_0を示すＹ軸加速度信号を生成してマイコン１１に出力する。

単軸角速度センサ２２は、ピッチ軸周りの角速度ω３を検出し、検出した角速度ω３を示す角速度信号を生成してマイコン１２に出力する。

続いて、図４を参照して、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれにおける加速度の算出方法について説明する。図４は、本実施の形態において検出・算出されるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の加速度を示す図である。

上述したように、３軸角速度センサ２１は、その２つの加速度の検出軸のそれぞれが、Ｘ軸及びＹ軸と一致している。また、３軸角速度センサ１９、２０は、その１つの加速度の検出軸が、Ｚ軸と一致している。そのため、マイコン１１は、式（１）〜（３）に示すように、Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれの加速度AccX、AccYを、３軸角速度センサ２１が検出したＸ軸及びＹ軸のそれぞれの加速度AccX_0、AccY_0とし、Ｚ軸の加速度AccZを、３軸角速度センサ１９が検出したＺ軸の加速度AccZ_0又は３軸角速度センサ２０が検出したＺ軸の加速度AccZ'_0とする。なお、本実施の形態では、Ｚ軸の加速度AccZとして、３軸角速度センサ１９が検出したＺ軸の加速度AccZ_0を使用する場合について説明する。

すなわち、マイコン１１は、式（１）に示すように、３軸角速度センサ２１から出力されたＸ軸加速度情報が示すＸ軸の加速度AccX_0を、Ｘ軸の加速度AccXとする。また、マイコン１１は、式（２）に示すように、３軸角速度センサ２１から出力されたＹ軸加速度情報が示すＹ軸の加速度AccY_0を、Ｙ軸の加速度AccYとする。また、マイコン１１は、式（３）に示すように、３軸角速度センサ１９から出力されたＺ軸加速度情報が示すＺ軸の加速度AccZ_0を、Ｚ軸の加速度AccZとする。

また、マイコン１１は、後述するように、３軸角速度センサ１９〜２１の加速度検出に関する故障を検出するための比較に用いられる加速度AccX'_0、AccY'_0も算出する。ここで、上述したように、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれは、その１つの加速度の検出軸が、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれに対して４５°の角度をなしている。そのため、マイコン１１は、式（４）に示すように、Ｘ軸の加速度AccX'_0を、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれが検出した加速度Acc_left、Acc_rightのそれぞれにおけるＸ軸成分の加速度を合成することで算出する。

具体的には、Ｘ軸の角速度AccX'_0は、式（４）に示すように、３軸角速度センサ１９が検出した加速度Acc0_leftと３軸角速度センサ２０が検出した加速度Acc0_rightの合計値（加算値）から、２の平方根を除算することで算出される。すなわち、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９から出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_leftと、３軸角速度センサ２０から出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_rightの合計値から、２の平方根を除算して、Ｘ軸の角速度AccX'_0を算出する。

また、マイコン１１は、式（５）に示すように、Ｙ軸方向の加速度AccY'_0を、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれが検出した加速度Acc_left、Acc_rightのそれぞれにおけるＹ軸成分の加速度を合成することで算出する。

具体的には、Ｙ軸の角速度AccY'_0は、式（５）に示すように、３軸角速度センサ１９が検出した加速度Acc0_leftと３軸角速度センサ２０が検出した加速度Acc0_rightの差分値（減算値）から、２の平方根を除算することで算出される。すなわち、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９から出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_leftと、３軸角速度センサ２０から出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_rightの差分値から、２の平方根を除算して、Ｙ軸の角速度AccY'_0を算出する。

続いて、図５を参照して、ロール軸及びピッチ軸における角速度の算出方法について説明する。図５は、本実施の形態１において検出・算出される角速度を示す図である。

上述したように、１系のシステム１００における３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれは、その角速度の検出軸が、ピッチ軸及びロール軸のそれぞれに対して４５°の角度をなしている。そのため、マイコン１１は、式（６）に示すように、ロール軸周りの角速度Roll_0を、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれが検出した角速度ω０、ω１のそれぞれにおけるロール軸成分の角速度を合成することで算出する。

具体的には、１系のシステム１００において検出されるロール軸周りの角速度Roll_0は、式（６）に示すように、３軸角速度センサ１９が検出した角速度ω０と３軸角速度センサ２０が検出した角速度ω１の差分値（減算値）から、２の平方根を除算することで算出される。すなわち、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９から出力された角速度情報が示す角速度ω０と、３軸角速度センサ２０から出力された角速度情報が示す角速度ω１の差分値から、２の平方根を除算して、ロール軸周りの角速度Roll_0を算出する。

また、マイコン１１は、式（７）に示すように、ピッチ軸周りの角速度Pitch_0を、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれが検出した角速度ω０、ω１のそれぞれにおけるピッチ軸成分の角速度を合成することで算出する。

具体的には、１系システム１００において検出されるピッチ軸周りの角速度Pitch_0は、式（７）に示すように、３軸角速度センサ１９が検出した角速度ω０と３軸角速度センサ２０が検出した角速度ω１の合計値（加算値）から、２の平方根を除算することで算出される。すなわち、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９から出力された角速度情報が示す角速度ω０と、３軸角速度センサ２０から出力された角速度情報が示す角速度ω１の合計値から、２の平方根を除算して、ピッチ軸周りの角速度Pitch_0を算出する。

上述したように、２系システム２００における単軸角速度センサ２２は、その角速度の検出軸がピッチ軸と一致している。そのため、マイコン１１は、式（８）に示すように、ピッチ軸周りの角速度Pitch_1を、単軸角速度センサ２２が検出した角速度ω３とする。

すなわち、マイコン１１は、式（８）に示すように、２系システム２００において検出されるピッチ軸周りの角速度Pitch_1を、単軸角速度センサ２２から出力された角速度情報が示す角速度ω３とする。

また、マイコン１１は、後述するように、３軸角速度センサ１９、２０、及び単軸角速度センサ２２の角速度検出に関する故障を検出するための比較に用いられる角速度Pitch_Accも算出する。マイコン１１は、式（９）に示すように、ピッチ軸周りの角速度Pitch_Accを、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の加速度AccX、AccY、AccZに基づいて近似的に算出する。

具体的には、マイコン１１は、式（９）に示すように、Ｘ軸の加速度AccXの二乗、Ｙ軸の加速度AccYの二乗、及びＺ軸の加速度AccZの二乗の合計値（加算値）の平方根を、Ｘ軸の加速度AccXから除算した値の逆正弦関数の値を、ピッチ軸周りの角速度Pitch_Accとして算出する。

本実施の形態１では、以上に説明したようにして得られたピッチ軸周りの角速度Pitch_0、Pitch_1、Pitch_Accに基づいて、ピッチ軸周りの角速度検出に関するセンサ故障の検出、及び、故障センサの特定を行う。このように、３軸角速度センサ１９、２０、及び単軸角速度センサ２２によって検出された角速度に基づいて得られたピッチ軸周りの角速度Pitch_0、Pitch_1に加えて、加速度に基づいて得られたピッチ軸周りの角速度Pitch_Accも利用して追加的に検証を行うことで、故障センサの特定精度を向上することを可能としている。

続いて、図６を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０のセンサ故障検出処理について説明する。図６を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０のセンサ故障検出処理を示すフローチャートである。

本実施の形態１におけるセンサ故障検出では、上述したように加速度に基づいて得られたピッチ軸周りの角速度Pitch_Accも利用する。そのため、まず、マイコン１１は、そのピッチ軸周りの角速度Pitch_Accを用いて、ピッチ軸周りの角速度検出に関するセンサ故障を判断する前に、加速度検出に関するセンサ故障を検出する処理を開始する（Ｓ１）。

マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_left、Acc0_rightに基づいて、Ｘ軸の加速度AccX'_0を算出する。そして、マイコン１１は、３軸角速度センサ２１から出力されたＸ軸加速度情報が示すＸ軸の加速度AccXと、算出したＸ軸の加速度AccX'_0とを比較し、それぞれの加速度AccX、AccX'_0が所定範囲内で一致するか否かを判断する（Ｓ２）。ここで、「所定範囲内で一致」とは、完全一致する場合としてもよく、少し値が異なっていてもその差が所定値よりも小さい場合（完全一致を含む）としてもよい。

加速度AccX、AccX'_0が所定範囲内で一致していないと判断した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、３軸角速度センサ１９、２０、もしくは、２１において、ピッチ軸と４５°傾斜する軸又はＸ軸の加速度が正常に検出できない故障が発生していると判断する（Ｓ３）。この場合、マイコン１１は、倒立二輪車１に対して、加速度検出に関する異常に応じた所定の安全機能を発動する。例えばマイコン１１、１２は、倒立二輪車１を停止させるように制動制御を行う。具体的には、マイコン１１は、マイコン１２にセンサの故障を通知する信号を出力するとともに、その信号を受けたマイコン１２とともに倒立二輪車１を停止させるように指令値を生成してインバータ１３、１４に出力する。また、警告音を発しての警告や、物理的なブレーキを掛ける制動制御を行うようにしてもよい。

加速度AccX、AccX'_0が所定範囲内で一致していると判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力された傾斜軸加速度情報が示す加速度Acc0_left、Acc0_rightに基づいて、Ｙ軸の加速度AccY'_0を算出する。そして、マイコン１１は、３軸角速度センサ２１から出力されたＹ軸加速度情報が示すＹ軸の加速度AccYと、算出したＹ軸の加速度AccY'_0とを比較し、それぞれの加速度AccY、AccY'_0が所定範囲内で一致するか否かを判断する（Ｓ４）。

加速度AccY、AccY'_0が所定範囲内で一致していないと判断した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、３軸角速度センサ１９、２０、もしくは、２１において、ピッチ軸と４５°傾斜する軸又はＹ軸の加速度が正常に検出できない故障が発生していると判断する（Ｓ５）。この場合、マイコン１１は、倒立二輪車１に対して、加速度検出に関する異常に応じた所定の安全機能を発動する。例えばマイコン１１は、上述したように倒立二輪車１を停止させる等する。

加速度AccY、AccY'_0が所定範囲内で一致していると判断した場合（Ｓ４：ＮＯ）、マイコン１１は、３軸角速度センサ１９から出力されたＺ軸加速度情報が示すＺ軸の加速度AccZと、３軸角速度センサ２０から出力されたＺ軸加速度情報が示すＺ軸の加速度AccZ'_0とを比較し、それぞれの加速度AccZ、AccZ'_0が所定範囲内で一致するか否かを判断する（Ｓ６）。

加速度AccZ、AccZ'_0が所定範囲内で一致していないと判断した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、３軸角速度センサ１９又は２０において、Ｚ軸方向の加速度が正常に検出できない故障が発生していると判断する（Ｓ７）。この場合、マイコン１１は、倒立二輪車１に対して、加速度検出に関する異常に応じた所定の安全機能を発動する。例えばマイコン１１は、上述したように倒立二輪車１を停止させる等する。

加速度AccZ、AccZ'_0が所定範囲内で一致していると判断した場合（Ｓ６：ＮＯ）、３軸角速度センサ１９〜２１による加速度検出が正常に行われていると判断する。そのため、マイコン１１は、ピッチ軸周りの角速度検出に関するセンサ故障を検出する処理を開始する（Ｓ８）。

マイコン１１は、３軸角速度センサ１９、２０のそれぞれから出力された角速度情報が示す角速度ω０、ω１に基づいて、ピッチ軸周りの角速度Pitch_0を算出する。また、マイコン１２は、単軸角速度センサ２２から出力された角速度情報をマイコン１１に出力する。マイコン１１は、算出したピッチ軸周りの角速度Pitch_0と、マイコン１２から出力された角速度情報が示すピッチ軸周りの角速度Pitch_1とを比較し、それぞれの角速度Pitch_0、Pitch_1が所定範囲内で一致するか否かを判断する（Ｓ９）。

角速度Pitch_0、Pitch_1が所定範囲内で一致していると判断した場合（Ｓ９：ＮＯ）、３軸角速度センサ１９、２０において角速度検出が正常に行われており、正常なピッチ軸周りの角速度Pitch_0、Pitch_1が得られていることになる（Ｓ１０）。そのため、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１の倒立制御を維持する。すなわち、マイコン１１は、算出したピッチ軸周りの角速度Pitch_0に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように指令値を生成してインバータ１３、１４に出力する。また、マイコン１２は、単軸角速度センサ２２から出力された角速度情報が示すピッチ軸周りの角速度Pitch_1に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように指令値を生成してインバータ１５、１６に出力する。これによって、マイコン１１、１２は、倒立二輪車１を倒立制御する。

角速度Pitch_0、Pitch_1が所定範囲内で一致していないと判断した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、３軸角速度センサ１９又は２０において、ピッチ軸と４５°傾斜した軸又はピッチ軸の角速度が正常に検出できない故障が発生している可能性があると判断する。この場合、マイコン１１は、３軸角速度センサ２１から出力されたＸ軸加速度情報及びＹ軸加速度情報のそれぞれが示すＸ軸の加速度AccX及びＹ軸の加速度AccYと、３軸角速度センサ１９から出力されたＺ軸加速度情報が示すＺ加速度AccZとに基づいて、ピッチ軸周りの角速度Pitch_Accを算出する。そして、マイコン１１は、ピッチ軸周りの角速度Pitch_0とピッチ軸周りの角速度Pitch_Accとの差分値と、ピッチ軸周りの角速度Pitch_1とピッチ軸周りの角速度Pitch_Accとの差分値とを比較し、角速度Pitch_1と角速度Pitch_Accの差分値が、角速度Pitch_0と角速度Pitch_Accの差分値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１）。

角速度Pitch_1と角速度Pitch_Accの差分値が、角速度Pitch_0と角速度Pitch_Accの差分値よりも大きい場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、２系のシステム２００の３軸角速度センサ２１においてピッチ軸の角速度が正常に検出できない故障が発生していると判断する（Ｓ１２）。

この場合、マイコン１１は、２系システム２００における角速度検出に関する異常に応じた所定の安全機能を発動する。例えばマイコン１１は、上述の通りにして得たピッチ軸周りの角速度Pitch_0に基づいて倒立二輪車１の倒立を維持しつつ、上述したように倒立二輪車１を停止させるように制御する等する。具体的には、マイコン１１は、倒立二輪車１を停止させるように指令値を生成してインバータ１３、１４に出力する。また、マイコン１１は、２系システム２００のインバータ１５、１６からのモータ１７、１８への出力を遮断するようにしてもよい。これは、例えばインバータ１５、１６とモータ１７、１８の間にリレー回路を備えるようにして、リレー回路に対してインバータ１５、１６とモータ１７、１８の接続を遮断する信号を出力することで実現する。また、マイコン１１が、マイコン１２にセンサの故障を通知する信号を出力するようにして、マイコン１２が、その信号に応じて、上記のようにリレー回路に信号を出力する等して、２系システム２００からのモータ１７、１８の制御を抑止するようにしてもよい。また、これによれば、一方の系の故障が確定した場合に、倒立二輪車１を即座に停止させなくても、他方の系から倒立制御を維持することも可能である。

角速度Pitch_1と角速度Pitch_Accの差分値が、角速度Pitch_0と角速度Pitch_Accの差分値よりも大きくない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、１系システム１００の３軸角速度センサ１９又は２０においてピッチ軸と４５°傾斜する軸の角速度が正常に検出できない故障が発生していると判断する（Ｓ１３）。

この場合、マイコン１２は、１系システム１００における角速度検出に関する異常に応じた所定の安全機能を発動する。例えばマイコン１２は、上述の通りにして得たピッチ軸周りの角速度Pitch_1に基づいて倒立二輪車１の倒立を維持しつつ、上述したように倒立二輪車１を停止させるように制御する等する。具体的には、マイコン１１は、マイコン１２にセンサの故障を通知する信号を出力する。マイコン１２は、その信号に応じて、倒立二輪車１を停止させるように指令値を生成してインバータ１５、１６に出力する。また、マイコン１２は、１系システム１００のインバータ１３、１４からのモータ１７、１８への出力を遮断するようにしてもよい。これは、例えばインバータ１３、１４とモータ１７、１８の間にリレー回路を備えるようにして、リレー回路に対してインバータ１３、１４とモータ１７、１８の接続を遮断する信号を出力することで実現する。また、マイコン１１が、上記のようにリレー回路に信号を出力する等して、１系システム１００からのモータ１７、１８の制御を抑止するようにしてもよい。また、これによれば、一方の系の故障が確定した場合に、倒立二輪車１を即座に停止させなくても、他方の系から倒立制御を維持することも可能である。

以上に説明したように、本実施の形態１によれば、「ハの字」型に配置した２つの３軸角速度センサ１９、２０によって検出した角速度から、ピッチ軸及びロール軸の角速度のそれぞれを合成して導出可能とするとともに、もう１つの単軸角速度センサ２２によって検出したピッチ軸の角速度による比較によって、センサの故障及び故障したセンサの検出を可能としている。これによれば、それぞれがピッチ軸を検出軸として角速度を検出する３つのセンサで構成されるシステムと比較して、同じ故障診断能力を有するとともに、ロール軸の角速度も検出することができる。すなわち、ロール軸を検出軸として角速度を検出するセンサが不要となり、コストを低減することができる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る倒立二輪車を示す正面図である。本実施の形態２において、姿勢センサユニット２３は操作ハンドル４の傾斜する方向と反対方向に傾斜する部分に配置されている点を特徴とする。姿勢センサユニット２３は、例えば、搭乗者が搭乗する車体のパラレルリンク機構３０に配置されている。

ここで、パラレルリンク機構３０は、互いに平行をなして上下に配置された車体上部材３１及び車体下部材３２と、互いに平行をなして左右に配置されると共に車体上部材３１及び車体下部材３２と回動可能に連結された一対の側面部材３３と、を有するリンク機構として構成されている。各側面部材３３の上端には、夫々、ステッププレート３が取付けられている。パラレルリンク機構３０の車体上部材３１と車体下部材３２との間には、車体上部材３１及び車体下部材３２と、一対の側面部材３３と、が成す角度を夫々直角に維持するようにばね力を発生する、一対のコイルばね３４が介在されている。

搭乗者が重心を左右方向に移動させて、ステッププレート３及び操作ハンドル４を左右方向へ傾斜させる。このステッププレート３及び操作ハンドル４の左右方向への傾斜に従って、パラレルリンク機構３０は左右方向へ平行に傾斜する。

本実施の形態２において上記実施の形態１と同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。

例えば、従来、上記姿勢センサユニットの単軸角速度センサが操作ハンドルの傾斜する方向と同方向に傾斜する部分（操作ハンドルの基部など）に配置されているとする（図７）。２系システムの単軸角速度センサに故障が生じ、１系システムの単軸角速度センサにより倒立制御を継続するとする。この場合、従来、２系のシステムの単軸角速度センサは、倒立型移動体の旋回によって生じる角速度までも余分に検出するため、単軸角速度センサからの出力値に基づいたピッチ角度が後方向にオフセットされることとなる。一方で、倒立型移動体の倒立制御においては、この後方向のオフセットをキャンセルしようと、車体をより前方向に傾斜させることとなる。この前傾斜により、倒立型移動体が搭乗者の意図する以上の速度になり不安定な走行状態となる虞がある。

これに対し、本実施の形態２に係る倒立二輪車１において、姿勢センサユニット２３は上述の如く、操作ハンドル４の傾斜する方向と反対方向に傾斜する部分に配置されている。これにより、単軸角速度センサ２２からの出力値に基づいたピッチ角度は、上記従来とは逆に、前方向にオフセットされることとなる。そして、倒立型移動体１の倒立制御においては、この前方向のオフセットをキャンセルしようと、車体をより後方向に傾斜させることとなる。この後傾斜により、搭乗者が意図するよりも倒立型移動体１を減速させ、安全に停止させることができる。

次に、本実施の形態２において、姿勢センサユニット２３は操作ハンドル４の傾斜する方向と反対方向に傾斜する部分に配置する理由について更に具体例を挙げて詳細に説明する。

例えば、従来、姿勢センサユニットが操作ハンドルの基部に配置されている場合、姿勢センサユニットのセンサは操作ハンドルの傾斜する方向と同方向に傾斜することとなる。１系システムの３軸角速度センサに故障が生じていると判定された場合、２系システムの単軸角速度センサにより倒立制御を継続しつつ、旋回を行うこととなる。この場合に、単軸角速度センサの水平面（地面）に対するロール軸周りの傾斜角度は、図７に示すようにθｈとなる。倒立型移動体の進行方向から見てロール軸の反時計周りを正値とすると、θｈは負値となる。

旋回ゲインをＫＴとするとヨー軸周りの旋回速度γｄｏｔは、ＫＴ・θｈとなる。倒立二輪車を上方から見てヨー軸の反時計周りを正値とすると、旋回ゲインＫＴは負値とならなければならない。したがって、ロール軸周りにθｈだけ傾斜した単軸角速度センサによって検出されるピッチ角速度βｄｏｔは、γｄｏｔ・ｓｉｎθｈ＝ＫＴ・θｈ・ｓｉｎθｈとなり、βｄｏｔは負値となる。ここで、旋回ゲインＫＴとは、例えば、操作ハンドルの操作量に乗じることで車両のヨー角度指令値を設定するためのゲインである。

操作ハンドルの傾斜角θｈとパラレルリンク機構の変形角度（側面部材の傾斜角度）θｐは、幾何学的に比例関係にある。なお、操作ハンドルの回転軸に取付けられた回転角度センサでこの変形角度θｐを測定し、これをθｈの代わりに用いることもできる。このとき、θｈ＝θｐ＋θｇという関係が成立する。例えば、θｈ＝−５[ｄｅｇ]、θｐ＝−６[ｄｅｇ]、θｇ＝１[ｄｅｇ]とする。θｐをθｈで代用する場合、旋回ゲインＫＴはθｈとθｐとの比例係数１．２（θｐ／θｈ）で調整する必要がある。

操作ハンドルの傾斜角θｈが−５[ｄｅｇ]とし、このときのヨー軸周りの旋回角速度が３６[ｄｅｇ／ｓｅｃ]（上方から見て反時計周りに１０[ｓｅｃ]で元の位置に戻る円を描く旋回角速度）とする。この場合、姿勢センサユニットのセンサにより検出される角速度は、−３．１[ｄｅｇ／ｓｅｃ]となる。５[ｓｅｃ]、すなわち、半周するまでに−１５．７[ｄｅｇ]だけ後方へ傾斜しているとして、実際の位置からより後方へ傾斜しているという間違った推定をしてしまうこととなる。

一方、倒立制御においては、傾斜状態を元の垂直状態に戻す制御を実行する。このため、上記のようにより後方へ傾斜していると間違った推定を行った場合、倒立制御を行うことにより、逆により前方へ傾斜させることとなる。したがって、倒立型移動体が搭乗者の意図する以上の速度になる虞がある。

これに対し、本実施の形態に係る倒立型移動体１においては、上述の如く、姿勢センサユニット２３の単軸角速度センサ２２は操作ハンドル４の傾斜する方向と反対方向に傾斜する部分に配置されている。例えば、姿勢センサユニット２３のセンサ２２は、パラレルリンク機構３０の車体上部材３１、車体下部材３２、あるいは、これら部材に回動不能に固定された部材に配置されている。

この場合、操作ハンドル４の傾斜角θｈが−５[ｄｅｇ]になると、単軸角速度センサ２２はθｇ＝１[ｄｅｇ]だけ旋回外側（ロール軸の正方向）に傾斜することとなる。したがって、単軸角速度センサ２２により検出されるピッチ角速度βｄｏｔはγｄｏｔ・ｓｉｎθｇ＝ＫＴ・θｈ・ｓｉｎθｇとなる。したがって、図７に示す操作ハンドル４の傾斜方向へ旋回する場合、βｄｏｔは正値となる。このとき、旋回角速度が３６[ｄｅｇ／ｓｅｃ]（反時計周りに１０[ｓｅｃ]で１周回るような円の走行軌跡を描く）とする。この場合、単軸角速度センサ２２により検出される角速度は０．６[ｄｅｇ／ｓｅｃ]となり、５[ｓｅｃ]、すなわち、半周するまでに３．１[ｄｅｇ]だけ前方へ傾斜しているとして、実際の位置より前方へ傾斜しているという間違った推定を行うこととなる。

一方、倒立制御においては、傾斜状態を元の垂直状態に戻す制御を実行する。このため、上記のように前方へ傾斜していると間違った推定を行った場合、倒立制御を行うことになり、逆により後方へ傾斜させることとなる。結果として、倒立型移動体１を減速させることになり、最終的に安全に停止させることができる。

以上、本実施の形態に係る倒立二輪車１において、姿勢センサユニット２３は操作ハンドル４の傾斜する方向と反対方向に傾斜する部分に配置されている。これにより、例えば、上記実施の形態１に係るセンサ故障検出処理により、１系システム１００の３軸角速度センサ１９〜２１が故障していると判定され、２系システム２００の単軸角速度センサ２２のみを用いて倒立二輪車１の倒立制御を継続しつつ旋回を行う場合に、単軸角速度センサ２２から出力されるピッチ角速度に基づいたピッチ角度を後傾方向に意図的にオフセットさせることができる。したがって、倒立制御により、より後方へ傾斜させ、搭乗者が意図しなくとも倒立型移動体１を減速させ、安全に停止させることができる。

なお、上記実施の形態２において、上記実施の形態１に係るセンサ故障検出処理を用いて１系システム１００の３軸角速度センサ１９〜２１の故障を検出しているが、これに限らず、例えば、１系システム１００の３軸角速度センサ１９〜２１からの出力がないとき、１系システム１００の３軸角速度センサ１９〜２１の故障を検出してもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 倒立二輪車
１０ 制御装置
１１、１２ マイコン
１３、１４、１５、１６ インバータ
１７、１８ モータ
１９、２０、２１ ３軸角速度センサ
２２ 単軸角速度センサ
１００、２００ システム

Claims (4)

1. 車体のピッチ軸周りの角速度を検出する単軸角速度検出手段を備え、
   該単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいて倒立状態を維持しつつ、操作ハンドルの傾斜角度に応じて旋回を行う倒立二輪車であって、
   前記単軸角速度検出手段は、前記操作ハンドルの傾斜する方向と反対方向に傾斜する前記車体の部分に配置されている、ことを特徴とする倒立二輪車。
2. 請求項１記載の倒立二輪車であって、
   前記車体は、
   互いに平行をなして上下に配置された車体上部材及び車体下部材と、
   互いに平行をなして左右に配置されると共に前記車体上部材及び車体下部材と回動可能に連結され、上端に搭乗者が搭乗するステッププレートが取り付けられた一対の側面部材と、
   を有し、前記操作ハンドルの傾斜に応じて傾斜するパラレルリンク機構を備え、
   前記単軸角速度検出手段は、前記パラレルリンク機構の車体下部材又は車体上部材に取付けられている、ことを特徴とする倒立二輪車。
3. 請求項１又は２記載の倒立二輪車であって、
   前記車体のピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの角速度を検出する３軸角速度検出手段と、
   前記３軸角速度検出手段により検出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りの角速度と、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ軸周りの角速度と、に基づいて前記倒立状態を維持する倒立制御を行う制御手段と、
   を更に備え、
   前記制御手段は、前記３軸角速度検出手段が故障していると判断したとき、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいて前記倒立制御を継続する、ことを特徴とする倒立二輪車。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の倒立二輪車であって、
   当該倒立二輪車の旋回時に、前記単軸角速度検出手段により検出されたピッチ角速度に基づいた前記車体のピッチ角度を後方向へオフセットして認識することで、当該倒立二輪車を制動することを特徴とする倒立二輪車。

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