JP2014156216A - 車輪型移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回過渡期間に大きなロールモーメントが発生する場合であっても、車体の姿勢（ロール角）を安定化することを可能とする。
【解決手段】 車輪が回転することで路面を走行する車輪型移動体であって、車輪が取付けられると共にロール軸の周りに回転可能とされている車体と、車体のロール軸周りのロール角を調整するロール角調整装置と、車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値に少なくとも基づいてロール角調整装置を駆動する制御装置と、を有する。
【選択図】図４

Description

本明細書は、車輪が回転することで路面を走行する車輪型移動体に関する。

この種の移動体においては、車体のロール軸周りのロール角を制御することで、旋回時における車体の姿勢を安定化する技術が開発されている（例えば、特許文献１，非特許文献１等）。

特開２０１１−１１５７５号公報 Robin Hibbard and Dean Kamppo, "Twenty First Century Transportation System Solution - a New Type of Small , Relatively Tall and Narrow Active Tilting Commuter Vehicle", Vehicle System Dynamics, 25(1996), pp.321-347

従来の技術では、旋回動作を開始してから旋回動作が安定するまでの期間や、旋回動作から直進動作に移行する期間（以下、これらの期間を旋回過渡期間という。）を考慮していない。このため、旋回過渡期間にヨー加速度に起因する大きなロールモーメントが発生する場合（例えば、高速で走行している状態から素早い旋回動作を行う場合等）には、車体のロール角と目標ロール角とが一致せず、車体姿勢の安定性を損なう虞がある。本明細書は、旋回過渡期間に大きなロールモーメントが発生する場合であっても、車体の姿勢を安定化することを可能とする技術を開示する。

本明細書に開示する車輪型移動体は、車輪が回転することで路面を走行する。この車輪型移動体は、車輪が取付けられると共にロール軸の周りに姿勢を変化可能な車体と、車体のロール軸周りのロール角を調整するロール角調整装置と、車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値に少なくとも基づいてロール角調整装置を駆動する制御装置とを有している。

上記の車輪型移動体は、車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値に少なくとも基づいてロール角調整装置を駆動する。本発明者が鋭意検討したところ、旋回過渡期間においては、車体の旋回運動は重心位置まわりでなく、ヨー角加速度に基づくロールモーメントが無視できないことが判明した。上記の車輪型移動体では、ヨー角加速度又はヨー角加速度指令値に少なくとも基づいてロール角調整装置を駆動するため、ヨー角加速度に基づくロールモーメントを打ち消すことができる。このため、旋回過渡期間にヨー加速度に起因する大きなロールモーメントが発生する場合であっても、車体の姿勢を安定化することを可能とする。

実施例に係る車両の構成を模式的に示す正面図。 図１に示す車両の側面図。 実施例に係る車両の制御系の構成を示すブロック図。 実施例に係る車両のロール運動を制御する制御系の制御ブロック図。 比較例に係る車両について行った数値シミュレーションの一例（旋回過渡期におけるロール角変化）。 実施例に係る車両について行った数値シミュレーションの一例（旋回過渡期におけるロール角変化）。 第２実施例に係る車両のロール運動を制御する制御系の制御ブロック図。 第３実施例に係る車両のロール運動を制御する制御系の制御ブロック図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１） 本明細書に開示する車輪型移動体では、制御装置は、車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値と、車体のヨー軸−ロール軸に関する慣性乗積との積に応じたトルク成分を有するトルク目標値を算出してもよい。ロール角調整装置は、制御装置で算出されたトルク目標値に基づいて、ロール軸周りにトルクを発生させてもよい。この構成によると、制御装置は、ヨー角加速度（又はヨー角加速度指令値）と慣性乗積との積、すなわち、ヨー角加速度に基づくロールモーメントに応じたトルク成分を含むトルク目標値を算出する。このため、ロール角調整装置は、ヨー角加速度に基づくロールモーメントを打ち消すトルクを発生することができ、旋回過渡期間の車体の姿勢を安定化することができる。

（特徴２） 本明細書に開示する車輪型移動体は、車体に取付られる操舵輪と、入力される目標操舵角となるように操舵輪の操舵角を調整する操舵角調整装置をさらに有していてもよい。制御装置は、操舵角調整装置に入力される目標操舵角から算出されるヨー角加速度指令値を用いてトルク指令値を算出してもよい。または、制御装置は、操舵角調整装置に入力される目標操舵角又は操舵角と、車体速度とを引数としたヨー角速度マップを予め持ち、車体速度と目標操舵角又は操舵角から算出されるヨー角加速度指令値を用いてトルク指令値を算出してもよい。このような構成によると、運転者等によって入力される操舵角からヨー角加速度指令値が算出され、このヨー角加速度指令値に基づいてロール角調整装置が駆動される。したがって、ヨー角加速度を実際に検出しなくても、ヨー角加速度に基づくロールモーメントを補償し、旋回過渡期間の車体の姿勢を安定化することができる。ただし、ここで示したヨー角速度指令値の算出方法は一例であって、これに限定されるものではない。

（特徴３） 本明細書に開示する車輪型移動体は、車体のヨー軸周りのヨー角速度を検出するヨー角速度センサをさらに有していてもよい。制御装置は、ヨー角速度センサで検出されたヨー角速度から特定されるヨー角加速度を用いてトルク指令値を算出してもよい。このような構成によると、センサによって車体のヨー角速度を実際に検出し、その検出したヨー角速度に基づいてヨー角加速度によるロールモーメントを補償する。このような構成によっても、旋回過渡期間の車体の姿勢を安定化することができる。

（特徴４） 本明細書に開示する移動体では、制御装置は、ヨー角速度センサで検出されたヨー角速度と目標操舵角又は操舵角と車輪型移動体の運動モデルに基づいてヨー角加速度を推定し、その推定値を用いてトルク指令値を算出してもよい。このような構成によると、ヨー角速度センサで検出されるヨー角速度に誤差（ノイズ成分）が含まれていても、運動モデルに基づいてヨー角加速度が推定される。このため、精度よく車体の姿勢を制御することができる。なお、ヨー角加速度の推定は、ヨー角速度センサで検出されたヨー角速度と目標操舵角又は操舵角と車輪型移動体の運動モデルに基づいてヨー角速度を推定し、その推定値を微分することでヨー角加速度を推定してもよい。

本実施例の車両（車輪型移動体の一例）について、図面を参照しながら説明する。本実施例の車両は、車体のロール軸周りのロール角制御に特徴があり、ロール角制御に関係のない構成については、従来技術と同様としている。このため、以下の説明では、ロール角制御に関係する構成を主に説明し、それ以外の構成については適宜説明を省略する。図１，２に示すように、車両１００は、左右に配置された前輪１２ａ，１２ｂと、中央に配置された後輪１９と、車輪１２ａ，１２ｂ，１９が取付けられた車体１０を備えている。

前輪１２ａ，１２ｂは、車体１０の前方の側面に回転可能に取付けられている。具体的には、前輪１２ａ，１２ｂは、車軸１３の両端に取付けられている。車軸１３は、車体１０の車幅方向（ｙ軸方向）と平行に伸びており、車体１０に回転可能に支持されている。各前輪１２ａ，１２ｂは、モータ１４ａ，１４ｂにより独立して駆動される。車輪１２ａ，１２ｂを駆動することで、車両１０は走行面Ｒを走行する。各車輪１２ａ，１２ｂの回転角は、エンコーダ１５ａ，１５ｂ（図３に図示）によって検出される。エンコーダ１５ａ，１５ｂで検出された各車輪１２ａ，１２ｂの回転角は、制御装置２０（図３に図示）に入力される。

後輪１９は、車体１０の後方であって車幅方向（ｙ軸方向）の略中央に回転可能に取付けられている。後輪１９は操舵輪であり、後輪１９は操舵装置１７によって駆動される。操舵装置１７は、制御装置２０（図３に図示）によって制御される。

車体１０は、図示しない運転席を備えており、運転者が乗車可能となっている。運転者が図示しない運転装置（例えば、アクセルペダル、ステアリング等）を操作することで、車両１００は走行面Ｒを走行することができる。本実施例では、車体１０はロール軸周りに回転可能となっている。ロール軸は、車軸１３に直交しており、車軸１３の車幅方向の略中央を通過し、ｘ軸方向と平行に伸びている。車体１０の重心Ｇは車軸１３（すなわち、ロール軸）より高い位置にある。車体１０には、車体１０のロール角度を検出する姿勢角センサ１６と、後輪１９を駆動する操舵装置１７と、車体１０のロール角度を制御するためのアクチュエータ１８と、モータ１４ａ，１４ｂ及び操舵装置１７を制御する制御装置２０（図３に図示）を備えている。

姿勢角センサ１６は、車体１０のロール角度を検出する姿勢角センサである。図３に示すように、姿勢角センサ１６は、制御装置２０に電気的に接続されている。姿勢角センサ１６から出力されるロール角信号は、制御装置２０に入力される。

操舵装置１７は、車体１０の後方に配置されており、後輪１９と接続されている。操舵装置１７は、後輪１９を駆動し、後輪１９の操舵角を変化させる。具体的には、運転者が運転装置（例えば、ステアリング、ジョイスティック等）を操作すると、制御装置２０は、その操作入力から目標操舵角指令値を決定し、決定した目標操舵角指令値を操舵装置１７に入力する。操舵装置１７は、入力された目標操舵角指令値に基づいて後輪１９を駆動する。これにより、運転者が意図した方向に車両１００の進行方向が変化する。

アクチュエータ１８は、車体１０のロール角度を調整するための装置である。アクチュエータ１８は、車体１０に対してロール軸周りのトルクτを付与する。すなわち、アクチュエータ１８は、請求項でいう「ロール角調整装置」の一例である。図３に示すように、アクチュエータ１８は、制御装置２０に電気的に接続されている。制御装置２０から出力される制御指令値に基づいてアクチュエータ１８は、ロール軸周りにトルクτを発生する。アクチュエータ１８には、例えば、ギア付きサーボモータを用いることができる。制御装置２０は、アクチュエータ１８を制御することで、車体１０のロール角を制御する。これにより、旋回時の走行安定性の向上が図られている。なお、車体１０のロール角制御については後で詳述する。

制御装置２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えたコンピュータによって構成されている。制御装置２０は、車体１０に設置されている。制御装置２０は、姿勢角センサ１６と操舵装置１７とアクチュエータ１８とモータ１４ａ，１４ｂとエンコーダ１５ａ，１５ｂに電気的に接続されている。上述したように、制御装置２０がアクチュエータ１８を駆動することで、車体１０のロール軸周りの姿勢角（ロール角）が制御される。以下、制御装置２０について詳細に説明する。

図４に示すように、制御装置２０は、車体１０のロール角が目標ロール角となるようにトルク指令値を算出するフィードバック補償器２６と、目標ロール角と求心加速度からトルク指令値を算出するフィードフォワード補償器２４と、ヨー角加速度に基づいてトルク指令値を算出するヨー角加速度補償器２２を有している。フィードバック補償器２６は、車体１０のロール角と目標ロール角の偏差が入力され、その偏差に応じたトルク指令値が算出される。フィードバック補償器２６は、公知の設計手法（例えば、ＰＩＤ補償、Ｈ∞補償等）によって設計することができる。

フィードフォワード補償器２４から出力されるトルク指令値とヨー角加速度補償器２２から出力されるトルク指令値は、車体１０の運動モデルをロール軸周りのトルクについて整理し導出される。すなわち、車体１０の慣性乗積項を考慮すると、車体１０のロール軸周りの運動方程式は、下記の式（１）となる。

ここで、Ｊ_ｘｘは車体１０のロール軸周りの慣性モーメントであり、Ｊ_ｙｚは車体１０のピッチ軸‐ヨー軸に関する慣性乗積であり、Ｊ_ｚｘは車体１０のヨー軸‐ロール軸に関する慣性乗積であり、Ｍは車体１０の重量であり、ｈは車体１０の重心の高さであり、ｇは重力加速度であり、θ_ｐ（ｔ）は車体１０のピッチ角であり、θ_ｒ（ｔ）は車体１０のロール角であり、θ_ｙ（ｔ）は車体１０のヨー角であり、τ（ｔ）はアクチュエータ１８が発生するトルクであり、ａ（ｔ）は車体１０の求心加速度である。なお、上記の式では、ロール軸の位置が路面Ｒに十分に近いと仮定し、重心位置の高さとロール軸から重心までの距離とが一致するとしている。

上記の式において、ロール角θ_ｒ（ｔ）は十分に小さい（＜＜１）とすると、ｓｉｎθ_ｒ（ｔ）＝θ_ｒ（ｔ）となり、ｃｏｓθ_ｒ（ｔ）＝１となる。すると、上記の式（１）は、下記の式で表される。

また、本実施例の車両１００では、前輪１２ａ，１２ｂと後輪１９を備え、車体１０のピッチ軸周りのピッチ角加速度は略０と仮定することができる。したがって、車体１０のロール軸周りの運動方程式は、次の式（３）で表される。

したがって、フィードフォワード補償器２４から出力されるトルク指令値とヨー角加速度補償器２２から出力されるトルク指令値の和をτ_ＦＦとし、ロール角指令値をθ_ｒ ^ｒｅｆとし、ヨー角指令値をθ_ｙ ^ｒｅｆとすると、上記の式（３）は下記の式（４）となる。

上記の式（４）より明らかなようにトルク指令値τ_ＦＦは、フィードフォワード補償器２４から出力されるトルク指令値［Ｊ_ＸＸ・（ｄ^２θ_ｒ ^ｒｅｆ／ｄｔ^２）−ｈＭｇθ_ｒ ^ｒｅｆ（ｔ）＋ｈＭａ（ｔ）］と、ヨー角加速度補償器２２から出力されるトルク指令値［Ｊ_ｚＸ・（ｄ^２θ_ｙ ^ｒｅｆ／ｄｔ^２）］との和となっている。なお、ロール角指令値θ_ｒ ^ｒｅｆとヨー角指令値θ_ｙ ^ｒｅｆは、車両１００の走行情報（旋回動作時の車両の走行速度、運転者が入力した操舵角）から定められる。

次に、上述した制御装置２０によるロール角制御をシミュレーションした結果について説明する。シミュレーションでは、車両１００が直進している状態で旋回動作を開始し、その旋回動作が安定するまでの期間（旋回過渡期間）におけるロール角とヨーレート（ヨー角速度）を算出した。具体的には、車両１００が直進している状態からロール角指令値θ_ｒ ^ｒｅｆとヨー角速度指令値ｄθ_ｙ ^ｒｅｆ／ｄｔを与え、そのときのロール角とヨーレート（ヨー角速度）をシミュレーションした。比較例として、図４の制御構成からヨー角加速度補償器２２を削除した制御構成（すなわち、ヨー角加速度に基づくロールモーメントを補償しない場合）についても、同様のシミュレーションを行った。

図５，６において、左側は車体１０のロール角であり、右側は車体１０のヨーレートである。また、左側のグラフ内の点線は目標値（指令値）であり、実線はシミュレーションで得られた計算値である。図５に示す比較例では、車体１０のロール角（計算値）が目標値から大きくずれて不安定となるが、図６に示す実施例では、車体１０のロール角（計算値）が目標値と略一致している。したがって、本実施例によると、車体１０のロール角を目標ロール角に精度よく制御できることが確認された。

上述した説明から明らかなように、本実施例の車両１００では、車体１０のヨー角加速度指令値に基づいてアクチュエータ１８へのトルク指令値を補正するため、車体１０のロール角を目標ロール角に良好に制御することができる。これによって、車両１００に俊敏な旋回動作を安定して行わせることができる。車両１００では、通常、操舵しない前輪１２ａ，１２ｂの滑り角が操舵輪（後輪１９）の舵角に比べ十分に小さいため、車体１０の旋回運動は重心位置周りではなく、車軸１３よりの位置となる。このため、ヨー角加速度に基づくロールモーメント（ヨー角加速度と慣性乗積Ｊ_ｚｘの積）が発生し、このロールモーメントに基づいて車体１０のロール角が目標ロール角に対してずれることとなる（図５参照）。一方、本実施例では、ヨー角加速度に基づくロールモーメント（ヨー角加速度と慣性乗積Ｊ_ｚｘの積）を打ち消すようにアクチュエータ１８が駆動される。このため、車体１０のロール角を目標ロール角に良好に制御することができ、車両１００に俊敏な旋回動作を行わせることができる（図６参照）。

なお、ヨー角加速度補償器２２に入力されるヨー角加速度指令値は、種々の方法で算出することができる。例えば、制御装置１０は、操舵装置１７に入力される目標操舵角（又は後輪１９の操舵角）と、エンコーダ１５ａ，１５ｂの検出結果から算出される車体速度とを引数とするヨー角速度マップを予め記憶する。そして、ヨー角速度マップから特定されるヨー角速度を用いてヨー角加速度指令値を算出してもよい。

上述した実施例１では、車両１００の走行状態及び入力された目標操舵角から車体１０のヨー角加速度指令値を決定したが、車体１０のヨー角速度をセンサで検出し、その検出したヨー角速度から特定されるヨー角加速度を用いて制御系を構成してもよい。すなわち、実施例２の車両では、車体１０にジャイロセンサが設置され、そのジャイロセンサで車体１０のヨー角速度（ヨーレート）を検出する。そして、ジャイロセンサで検出された値を用いて制御系を構成してもよい。

具体的には、図７に示すように実施例２の制御装置２０は、車体１０のロール角が目標ロール角となるようにトルク指令値を算出するフィードバック補償器３０と、目標ロール角と求心加速度からトルク指令値を算出するフィードフォワード補償器３２と、ヨー角速度を微分する微分器３４と、微分器３４で得られたヨー角加速度に基づいてトルク指令値を算出するヨー角加速度補償器３６を有している。フィードバック補償器３０は、実施例１のフィードバック補償器２６と同様に構成することができ、また、フィードフォワード補償器３２は実施例１のフィードフォワード補償器２４と同様に構成することができる。

実施例２の車両でも、車体１０のヨー角速度を検出し、その検出したヨー角速度からヨー角加速度を取得し、その取得したヨー角加速度に基づくロールモーメント（ヨー角加速度と慣性乗積Ｊ_ｚｘの積）を打ち消すようにアクチュエータ１８が駆動される。このため、車体１０のロール角を目標ロール角に良好に制御することができ、車両１００に俊敏な旋回動作を行わせることができる。

上述した実施例２では、ジャイロセンサで検出した車体１０のヨー角速度から車体１０のヨー角加速度を取得した。しかしながら、ジャイロセンサで検出されるヨー角速度がノイズ成分を含む場合は、ジャイロセンサで検出されるヨー角速度からノイズ成分を除去したヨー角速度（推定値）を推定し、この推定値を用いてもよい。

すなわち、図８に示すように実施例３の制御装置２０では、ジャイロセンサで検出されたヨー角速度（実測値）が推定器４４によって、ノイズ成分が除去されたヨー角速度（推定値）に変換される。推定器４４によって得られたヨー角速度（推定値）は、実施例２と同様、微分器４６で微分されてヨー角加速度（推定値）となる。ヨー角加速度補償器４８は、微分器４６で得られたヨー角加速度に基づいてロールモーメントを補償する。なお、実施例３においても、フィードバック補償器４２は、実施例２のフィードバック補償器３０と同様に構成することができ、また、フィードフォワード補償器４０は実施例２のフィードフォワード補償器３２と同様に構成することができる。また、推定器４４は、公知の手法で設計することができ、例えば、カルマンフィルタを用いることができる。

実施例３の車両でも、センサで検出された車体１０のヨー角速度からノイズ成分が除去されたヨー角速度を推定し、その推定値に基づいてヨー角加速度を取得し、そのヨー角加速度に基づくロールモーメント（ヨー角加速度と慣性乗積Ｊ_ｚｘの積）を打ち消すようにアクチュエータ１８が駆動される。このため、車体１０のロール角を目標ロール角に良好に制御することができ、車両１００に俊敏な旋回動作を行わせることができる。また、検出されたヨー角速度にノイズ成分が含まれる場合であっても、ノイズ成分の影響を除去して、ヨー角加速度に基づくロールモーメントを良好に補償することができる。

以上、本明細書に開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施例は、２つの前輪と、１つの後輪（操舵輪）を備える車両であったが、車輪の数はこのような例に限られない。例えば、２つの前輪（操舵輪）と２つの後輪を備える車両であってもよい。また、上述した実施例では、操舵輪によって車両の進行方向を変更したが、操舵輪を設けることなく左右の車輪１２ａ，１２ｂの回転数を変えることで、車両の進行方向を変更するようにしてもよい。また、アクチュエータ１８でロール姿勢を変化させるのではなく、左右の車輪１２ａ，１２ｂの高さを車体１０に対して変化させることで、車体１０のロール姿勢を変化させてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 車体
１２ａ，１２ｂ 車輪
１３ 車軸
１４ａ，１４ｂ モータ
１５ａ，１５ｂ エンコーダ
１６ 姿勢角センサ
１７ 操舵装置
１８ アクチュエータ
１９ 後輪
２０ 制御装置

Claims (6)

1. 車輪が回転することで路面を走行する車輪型移動体であって、
   車輪が取付けられると共にロール軸の周りに姿勢を変化可能な車体と、
   車体のロール軸周りのロール角を調整するロール角調整装置と、
   車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値に少なくとも基づいてロール角調整装置を駆動する制御装置と、
   を有する車輪型移動体。
2. 制御装置は、車体のヨー軸周りのヨー角加速度又はヨー角加速度指令値と、車体のヨー軸−ロール軸に関する慣性乗積との積に応じたトルク成分を有するトルク目標値を算出し、
   ロール角調整装置は、制御装置で算出されたトルク目標値に基づいて、ロール軸周りにトルクを発生させる、請求項１に記載の車輪型移動体。
3. 車体に取付られる操舵輪と、
   入力される目標操舵角となるように操舵輪の操舵角を調整する操舵角調整装置と、をさらに有しており、
   制御装置は、操舵角調整装置に入力される目標操舵角から算出されるヨー角加速度指令値を用いてトルク指令値を算出する、請求項２に記載の車輪型移動体。
4. 車体に取付られる操舵輪と、
   入力される目標操舵角となるように操舵輪の操舵角を調整する操舵角調整装置と、
   車体速度を検出する車体速度検出装置をさらに有しており、
   制御装置は、操舵角調整装置に入力される目標操舵角又は操舵角と、車体速度検出装置で検出される車体速度から算出されるヨー角加速度指令値を用いてトルク指令値を算出する、請求項２に記載の車輪型移動体。
5. 車体のヨー軸周りのヨー角速度を検出するヨー角速度センサをさらに有しており、
   制御装置は、ヨー角速度センサで検出されたヨー角速度から特定されるヨー角加速度を用いてトルク指令値を算出する、請求項２に記載の車輪型移動体。
6. 制御装置は、ヨー角速度センサで検出されたヨー角速度と車輪型移動体の運動モデルに基づいてヨー角加速度を推定し、その推定値を用いてトルク指令値を算出する、請求項５に記載の車輪型移動体。

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