JP2016512882A - 車両の自律制御および平衡、並びに試験目的のためにロールおよびヨーモーメントを車両に付与するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

車両試験の間、ドライバなしで車両を自律制御する、自動二輪車（例えば、１００）または全地形車両（ＡＴＶ）等の車両上での使用のための自律車両制御システム（例えば、１０５および６００）が、提供される。車両制御システムは、車両に結合可能であり、第１の方向および第２の方向のいずれかにおいてモーメントを選択的に発生させるように構成される、モーメント発生器（例えば、１１０）を含む。車両制御システムはまた、モーメント発生器に動作可能に結合され、モーメント発生器を制御し、モーメントを車両に選択的に付与し、車両を安定させる、または外乱を車両に導入するように構成される、制御システム（例えば、１１２、１２０、および８００）を含む。

Description

（分野）
開示される実施形態は、自動二輪車および他の車両の耐久性および性能試験に関する。より具体的には、開示される実施形態は、ヒトドライバの必要性を伴わず、車両が、耐久性および／または性能に関して試験されることを可能にする様式において、車両の自律制御を提供する装置および方法に関する。

（背景）
自動二輪車および全地形車両（ＡＴＶ）等の車両は、多くの場合、厳しい条件の下、性能または耐久試験を受ける。これらの条件は、高温または低温、起伏のある試験コース、および車両の連続または略連続動作の長い持続時間を含み得る。多くの場合、これらの性能または耐久試験は、非常に極端であるため、それらは、結局、車両自体を試験するよりも、車両のドライバを試験することになる。例えば、そのような試験のために自動二輪車を適切に暖機するために、ドライバが、長期間、低速で自動二輪車を動作させることが、必要であり得る。ライダは、典型的には、ドライバの冷却を制限する防護服を装着するであろうため、およびそのような試験は、一般的に、砂漠または他の温暖な天候の場所で行われるため、試験ドライバは、比較的わずかな時間のみ、この困難な試験環境を耐えることが可能であり得る。

耐久性または性能試験の間、自動二輪車を駆動する身体的な需要に起因して、ドライバが休憩を要求するまでわずか数時間しか作業することが可能ではないことは、一般的である。これは、試験のコストを増加させる可能性がある。また、自動二輪車のドライバが、耐久性または性能試験の間、それらを受けた身体的な需要の結果として、作業関連の損傷を被ることも、一般的である。多くの場合、自動二輪車試験は、試験ライダに短期間および長期間との両方の身体的な障害をもたらす。人的犠牲に加えて、これらの要因はまた、試験のコストを増加させる。さらに、自動二輪車、ＡＴＶ、または類似する車両上で電子安定性制御システムまたはアンチロックブレーキシステムを適切に試験するために、ドライバは、有意な危険に追い込まれ得、これは、被ることが妥当な危険ではない場合がある。

試験ドライバの身体的な犠牲、また、関連付けられるコストを回避するために、
ヒトドライバなしのそのような車両を試験することは、いくつかの事例において、望ましいことを証明するであろう。しかしながら、非常に低速（例えば、速度（例えば、約１メートル／秒未満）において、自動二輪車は、非常に不安定であり、任意の自動二輪車のステアリングの自動制御を困難にさせる。動作のこのいわゆる「キャプサイズモード」では、ヒトドライバは、体の位置を操作し、自動二輪車を安定させる。ヒトドライバなしでは、ステアリング入力のみを使用する、そのような安定化は、非常に困難である。さらに、時として、「ウィーブモード」（自動二輪車が、その幾何学形状、質量分布、および車輪のジャイロスコープ効果に起因して、より安定する）と称される、より高速（例えば、約１メートル／秒よりも速い速度）でさえも、ヒトドライバなしでは、ヒトドライバが、外乱の間（例えば、突風）、かつ正常旋回等の間、補償するために体の位置付けを使用するであろう状況において、自動二輪車の性能および耐久性を試験することは、困難である。キャプサイズからウィーブへの遷移が生じる速度は、車両の質量、すくい角、およびホイールベース等に依存する。

上記の議論は、単に、一般的な背景情報のために提供され、請求される主題の範囲を判定する際、補助として使用されることを意図しない。

（要約）
この概要は、さらに、詳述な説明で下記に説明される簡略化された形態における概念の選択を導入するために提供される。この概要は、請求される主題の重要な特徴または本質的特徴を識別することを意図せず、また、請求される主題の範囲を判定する際、補助として使用されることを意図しない。

車両試験の間、ドライバなしで車両を自律制御する、自動二輪車または全地形車両（ＡＴＶ）等の車両上での使用のための自律車両制御システムが、提供される。車両制御システムは、車両に結合可能であり、第１の方向および第２の方向のいずれかにおいてモーメントを選択的に発生させるように構成される、モーメント発生器を含む。車両制御システムはまた、モーメント発生器に動作可能に結合され、モーメント発生器を制御し、モーメントを車両に選択的に付与し、車両を安定させる、または外乱を車両に導入するように構成される、制御システムを含む。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、リアクションホイールと、リアクションホイールを回転させるためのモータとを備える。

モーメント発生器が、リアクションホイールを回転させるためのモータを含む、自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モータはさらに、リアクションホイールの回転を減速させるためのブレーキを備え、それによって、モーメントを車両に選択的に付与する。さらに、いくつかの実施形態では、モータは、２つの方向の両方において、リアクションホイールの回転を選択的に加速させるように構成され、それによって、２つの方向のいずれかにおいて、モーメントを選択的に発生させる。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、第２のリアクションホイールと、第１のリアクションホイールの回転の反対方向において第２のリアクションホイールを回転させるためのモータとを備える。これらの例示実施形態のいくつかでは、制御システムは、第１のリアクションホイールと第２のリアクションホイールとの両方の回転加速度を制御し、それによって、第１の方向および第２の方向のいずれかにおいて、モーメントを選択的に発生させるように構成される。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、第１の方向および第２の方向のいずれかにおいて、モーメントを選択的に発生させる作動振子を備える。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、ロールモーメントを車両に付与するように構成されるロールモーメント発生器と、ヨーモーメントを車両に付与するように構成されるヨーモーメント発生器とを備える。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、第１の軸を中心に回転するように構成されるリアクションホイールと、リアクションホイールを第１の軸を中心に回転させるように構成されるモータと、リアクションホイールおよびモータを支持する支持フレームと、リアクションホイール、モータ、および支持フレームを第１の軸に垂直である第２の垂直軸を中心に回転させるように構成されるアクチュエータとを備える。第２の垂直軸を中心とする、リアクションホイール、モータ、および支持フレームの角加速度が、第２の垂直軸を中心に車両の上にヨーモーメントを付与し、それによって、ヨーモーメント発生器は、リアクションホイール、モータ、支持フレーム、およびアクチュエータを備えることができる。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、第１の軸を中心に回転するように構成されるリアクションホイールと、リアクションホイールを第１の軸を中心に回転させるように構成されるモータと、リアクションホイールを車両の進行方向に対して側方に移動させ、モーメントを発生させ、車両の垂直軸を中心とする持続的ロール外乱または不均一な質量分布を補償するように構成される、側方平行移動機構とを備える。いくつかの実施形態では、側方平行移動機構は、車両に対する固定位置において結合可能である固定フレームと、リアクションホイールを支持する平行移動フレームと、平行移動フレームおよびリアクションホイールを固定フレームに対して、かつ車両の進行方向に対して側方に移動させるように構成されるアクチュエータとを備える。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、リアクションホイールと、リアクションホイールを回転させるためのモータとを備え、制御システムは、車両上での過渡ロール外乱の補償のためにモータからの最大トルク可用性を提供するために、リアクションホイールの最低回転速度を維持するように構成される最適なコントローラを備える。

自律車両制御システムのいくつかの例示的実施形態では、モーメント発生器は、自動二輪車の自律制御を提供するために、自動二輪車に結合されるように構成される。

種々の例示的実施形態の上記に説明される側面および特徴は、任意の組み合わせにおいて使用されることができ、一例示的実施形態における１つ以上の特徴の例証が、他の実施形態における、かつ／または他の開示される特徴と組み合わせた１つ以上の特徴の使用の開示を提供する。

図１は、例示的実施形態による、自律制御システムを伴う自動二輪車の概略図である。 図２−１および図２−２は、自律制御システムの例示的構成要素のさらなる詳細を示す、ブロック例証図である。 図２−１および図２−２は、自律制御システムの例示的構成要素のさらなる詳細を示す、ブロック例証図である。 図３−１〜図３−３は、自律制御システム内において使用されることができる、モーメント発生システムの種々の例示的実施形態の概略例証図である。 図４−１、図４−２、図４−３、および図５は、リアクションホイールを側方移動させるための側方平行移動能力を含む、モーメント発生システム実施形態の例示的実施形態の例証図である。 図４−１、図４−２、図４−３、および図５は、リアクションホイールを側方移動させるための側方平行移動能力を含む、モーメント発生システム実施形態の例示的実施形態の例証図である。 図４−１、図４−２、図４−３、および図５は、リアクションホイールを側方移動させるための側方平行移動能力を含む、モーメント発生システム実施形態の例示的実施形態の例証図である。 図４−１、図４−２、図４−３、および図５は、リアクションホイールを側方移動させるための側方平行移動能力を含む、モーメント発生システム実施形態の例示的実施形態の例証図である。 図６は、例示的実施形態による、仮想試験ライダシステムのブロック図である。 図７は、例示的実施形態による、リアクションホイールコントローラのブロック図である。 図８は、例示的実施形態による、制御システムのブロック図である。

（実施形態の詳細な説明）
開示される実施形態は、試験トラックまたは高速道路での自動二輪車、ＡＴＶ、または他の車両の自律性能および耐久試験を促進する。以下の説明は、自動二輪車を参照して提供されるが、当業者は、開示される実施形態が、これらの他の車両種類を用いて、使用される、または使用されるために適合されることができることを理解するであろう。自律システムを用いて、性能試験は、ライダを危険に曝さずに、車両の動的能力の限界において生じることができる（低摩擦係数の環境（湿潤路面）でさえも）。多くの場合、自動二輪車試験は、試験ライダに短期間と長期間との両方の身体的な障害をもたらす。開示されるような自律自動二輪車制御システムを使用して、典型的には、試験ライダによって被られる身体的な損傷を伴わずに、これらの車両を改善するために必要とされる耐久性および性能データを提供するであろう。

本明細書に説明される実施形態は、性能試験と耐久試験との両方にとって有益である２つの作用を促進する。第１に、開示されるのは、ロール外乱の存在下において、かつアウトトリガまたは他の身体的安定化機構（すなわち、「訓練ホイール」）の使用を伴わない、ゼロまたは低速（主たる不安定性モードが、キャプサイズである場合）において、自動二輪車を安定させるために必要とされる純粋な機械的ロールモーメントを提供する、方法および装置である。アウトトリガおよび他の機械的安定化デバイスの使用は、自動二輪車のロールおよびヨーダイナミクスを変化させ、耐久試験および性能試験が実行されるであろう忠実性を減少させる。開示される実施形態は、アウトトリガのこの制限を克服する。

第２に、開示される方法および装置は、純粋なロールモーメントと、（随意に）ヨーモーメントとの両方を、自動二輪車がキャプサイズモードの動作よりも比較的安定する「ウィーブ」動作モード（例えば、約１メートル／秒よりも速い速度）で動作している車両に提供する。「ウィーブ」モードでは、速度は、自動二輪車が、ライダなしで、わずかに安定するように、十分に速い。このモードでは、わずかに安定した自動二輪車は、ある時間周期の間、ライダなしで、平衡かつ進行するであろうが、最終的に、不安定になる、ぐらつく、かつ衝突するであろう。わずかに安定したウィーブモード方式では、ステアリング入力を通して、ロール制御および安定性を提供する、安定化フィードバックコントローラが、設計された。自動二輪車を安定させ、かつそれを制御するためにステアリングを使用することによって、開示される実施形態は、純粋なロールモーメント（ロール軸における自動二輪車ライダの上半身の回転をシミュレートする）および／または純粋なヨーモーメント（ヨー軸における自動二輪車ライダの上半身の回転をシミュレートする）との両方を自動二輪車に自由に付与し、これは、自動二輪車が、試験下、特定のシミュレートされたライダロールおよびヨー挙動に暴露されることができる、再現可能な手段をもたらす。再現可能性は、耐久試験と性能試験との両方にとって重要である。

ここで、図１を参照すると、示されるのは、自動二輪車１００が、ヒトドライバの必要性を伴わず、性能および／または耐久試験を受けることを可能にする、設置された自律制御システム１０５を有する自動二輪車１００である。自律制御システム１０５は、モーメント発生システム１１０と、ナビゲーションおよび制御システム１１５とを含む。ナビゲーションおよび制御システム１１５は、下記に説明される、多数のサブシステムおよび構成要素を含む。ナビゲーションおよび制御システム１１５の構成要素は、モーメント発生システム１１０と作用することができ、いくつかの実施形態では、モーメント発生システム１１０に含まれることが検討される可能性がある。さらに、システム１１５の例証される構成要素は全て、全ての実施形態に含まれる必要はない。例証かつ議論の目的のために、ナビゲーションおよび制御システム１１５の構成要素は、ここでは、コンピュータ関連構成要素１２０と、センサおよび測定構成要素１２５と、通信回路１３０と、測位、ナビゲーション、および衝突回避構成要素１３５と、作動構成要素１４０ととして分類される。これらの構成要素は、位置判定、ベースまたは制御ステーションあるいは試験トラックでの他の自律動作車両との通信、ならびにシフト、ブレーキ、およびステアリング等の自動二輪車動作機能を制御する。

さしあたり、図２−１を参照すると、示されるのは、いくつかの実施形態における、ナビゲーションおよび制御システム１１５のさらなる詳細な例示的構成要素である。示されるように、センサおよび測定構成要素１２５は、ステアリング角度センサ２０２と、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）および選択式傾斜計２０４と、ロールレートジャイロ２０６と、他のセンサ２０８とを含むことができる。測位、ナビゲーション、および衝突回避構成要素１３５は、全地球測位システム（ＧＰＳ）または他の種類の全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信機２１５と、レーダ２２０とを含むことができる。作動構成要素１４０は、ステアリングアクチュエータ２３０と、クラッチアクチュエータ２３２と、シフタ２３４と、ブレーキアクチュエータ２３６とを含むことができる。通信回路１３０は、制御またはベースステーション等における遠隔位置との通信、試験トラックの他の車両との通信、差動ＧＰＳシステムが改善された位置判定等のために使用されるときのＧＰＳベースステーションとの通信等を提供する、任意の種類の通信デバイス（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、携帯電話、無線周波数伝送機、および受信機等）であることができる。

図１に戻って参照すると、モーメント発生システム１１０は、いくつかの一意の目的を果たす。まず、モーメント発生システム１１０は、センサ駆動コンピュータ制御リアクションホイール／移動可能質量システムを使用して、ゼロおよび低速において（キャプサイズ方式において）、自動二輪車１００を安定させる。すなわち、「典型的な」自動二輪車ライダの上半身体重を表す質量である、リアクションホイール１５０は、車軸または軸１６０を中心にスピンされることができ、自動二輪車がリアクションホイールの加速または減速によってもたらされたロールモーメントを通して受ける過渡ロール外乱に応答して、ロールモーメント１０２（自動二輪車進行の接線である軸１０２’を中心とするモーメント）の安定化を提供するために、ブレーキ３０２（図３−１〜３−３に示される）を有するドライブモータ１５５によって加速または減速される。リアクションホイールおよびモーメント発生システム１１０の他の構成要素は、いくつかの実施形態では、リアクションホイールコントローラ１１２によって制御される。例示的実施形態では、必ずしも、全ての実施形態ではないが、リアクションホイールにまた、ヨー軸１０３’を中心に回転させるための能力が提供される場合、ヨーモーメント１０３の安定化もまた、低速においてロール安定性を改善するために、自動二輪車に供給されることができる。いくつかの例示的実施形態では、ヨーモーメント発生器またはアクチュエータ１６５は、垂直軸１７０を中心にリアクションホイール１５０を回転させ、ヨーモーメントをもたらす。ヨー機構およびロール機構が、自動二輪車の側方軸（例証される３次元座標系では、軸１０４’によって表されるが、２次元表現では、軸１０２’および１０３’によって画定される平面に法線である）における直線運動を提供する別の機構上に搭載される場合、リアクションホイールおよびヨー機構の質量は、側方に移動されることができ、持続的ロール外乱に曝されるとき、自動二輪車１００を安定させるための機構をもたらす。キャプサイズモードにおいて使用されるセンサ一式１２５は、車両ロール角度を測定する、ロールレートジャイロ２０６および傾斜計２０４を含む。

ここでは、キャプサイズモードまたは方式と称される、ゼロまたは低速において、自動二輪車にハンドルバーの使用を通して付与されたモーメントは、最初の条件および過渡外乱の小さな空間のみにわたって自動二輪車を安定させることができる。ロバスト制御方策が、実質的安定化モーメントが、自動二輪車が直立するように、自動二輪車に印加されることを要求する。いくつかの例示的実施形態は、過渡外乱に応答して、この実質的安定化モーメントを提供するために、使用されることができる。

ここで、図２−２を参照すると、示されるのは、試験施設において、自律的に自動二輪車または他の車両を動作させるために使用されることができる、インフラおよび搭載機器の別の実施例である。示されるように、自動二輪車または他のローブ車両１００は、モーメント発生システム１１０を含み、これは、ロールモーメント発生器２６０およびヨーモーメント発生器２６５として例証的に示される。上記に議論されるように、ロールモーメント発生器２６０は、ヨーモーメントを生成する際、使用されることができ、したがって、いくつかの実施形態では、ヨーモーメント発生器２６５の一部と見なされ得る。図２−１を参照して、上記に議論される他の構成要素もまた示されるが、ここでは、議論されない。ＩＭＵ／傾斜計２０４およびＧＰＳ受信機２１５（例えば、差動ＧＰＳ受信機）は、含まれ、一体化ＩＭＵ／ＧＰＳまたはＩＭＵ／ＧＮＳＳシステムまたはデバイスの形態であることができる。Ｗｉ−Ｆｉ回路、ＲＦモデム、および携帯電話モデム等の形態の通信回路１３０は、ベースステーション２４０における通信回路２５５と通信し、ベース受信機２５０から差動測位信号を受信し、自動二輪車１００上の測位受信機２１５の正確性を増加させる。

正確に誘導される自律車両は、既定の軌道（動作方式に応じた、速度、位置、加速、および随意的ロール角度）に精密に追従するように使用されることができる。位置測定システムとしてセンチメートル単位で正確なＧＰＳを使用して、ライダなしの自動二輪車が、既定の軌道に繰り返して追従することができ、これは、低分散および少数の外れ値を呈する、耐久性データの発生を促進する。

図３−１に図式的に表される第１の実施形態では、モーメント発生システム１１０は、安定化ロールモーメント１０２（図１に示される）をもたらすために、モータ１５５および／またはブレーキ３０２を使用して加速または減速される、単一の公称上固定式または低速移動リアクションホイール１５０を含む。この実施形態では、単一のリアクションホイール１５０は、安定化ロールモーメントを付与する、および／または過渡ロール外乱（例えば、自動二輪車等に印加される突風および側方力等）を阻止する、機構として、電気、油圧、または他の種類のサーボモータ１５５によって駆動される。モータ１５５は、２つの方向のいずれかにおいて、リアクションホイール１５０を回転させるように構成され、それによって、２つの方向のいずれかにおいて、トルクを発生させる。線形２乗形式最適化コントローラまたは他の最適な制御技術が、モータの公称速度をゼロに保ち、次の過渡ロール外乱を補償するために必要とされるサーボモータによって提供される可用性モーメントを最大限にするために使用される。

図３−２に図式的に表される第２の実施形態では、モーメント発生システム１１０は、１対のリアクションホイール１５０を含む。この実施形態では、モータ１５５は、反対回転方向における公称速度において、一対のリアクションホイールをスピンさせるために使用される１対のモータであり、これは、リアクションホイールの一方または他方を減速させ、必要な方向において所望のロールモーメントを発生させるために使用される、外部または他のブレーキ３０２を伴う。概して、ブレーキは、サーボモータよりも、スピン慣性にはるかに高い過渡モーメントをかけ、したがって、より短期間において、より大きいロールモーメントを促進させることができる。いったん制動イベントが完了すると、制動モータは、来たるロール外乱のための準備において、公称回転率に戻すようにそのリアクションホイールを加速させる。

図３−３に図式的に示される第３の実施形態では、単一のリアクションホイール１５０は、ロールモーメントを自動二輪車に提供し、ロール外乱に対抗するために、作動振子３０５から懸架される。ロールモーメントは、質量１５０の振子運動によって純粋に提供されることができ、質量１５０の回転のためのモータ１５５と、質量１５０の回転を減速させるためのブレーキ３０２は、全ての実施形態で要求されるわけではない。しかしながら、他の実施形態では、リアクションホイール１５０は、両方の機構がロールモーメント発生に貢献するように、モータ１５５（図１）によって回転され、作動振子３０５のアクチュエータ３０７によって両方とも移動される。アクチュエータ３０７および振子ブレーキ３０９は、振子運動を加速かつ減速させるために使用される。図３−１および図３−３に示される実施形態のように、リアクションホイールは、ロールモーメントの方向を制御するために、両方向において回転されることができる。

自動二輪車が、持続的ロール外乱（垂直軸１０３’を中心とする質量不均衡、定常側風等）に曝される場合、ロールモーメントおよびヨーモーメント発生システム１１０は、持続的外乱を補償するために、側方に平行移動される可能性がある。自動二輪車垂直軸からのこの質量のオフセットは、自動二輪車が曝される持続的ロールモーメントを補償することができるロールモーメントをもたらす。ここで、図４−１、４−２、４−３、および５を参照すると、示されるのは、リアクションホイールを側方に移動させるための側方平行移動構成要素を含む、モーメント発生システム１１０の例示的実施形態である。一実施形態では、固定フレーム４０５は、平行移動フレーム４１０を支持し、これは、順に、リアクションホイール１５０を支持する（他の構成要素との結合を通して支持することを含む）。直線アクチュエータ５０５または他の種類のアクチュエータが、平行移動フレームおよびリアクションホイールを軸１０４’に沿って側方に移動させる。ロールモーメント１０２およびヨーモーメント１０３を発生させるための能力を用いて（図１に示されるアクチュエータ１６５を使用して）、かつこれらのモーメントを自動二輪車のロール軸に対して側方に平行移動する能力を用いて、自動二輪車垂直軸１０３’を中心とする、持続的ロール外乱および／または不均一な質量分布のための補償が、実装されることができる。いくつかの実施形態では、固定フレーム４０５に対する平行移動フレームの垂直移動または調節を提供する様式において、平行移動フレーム４１０を支持する支持フレーム４０７が、含まれるが、支持フレーム４０７の含有および／または平行移動フレームの垂直移動（およびリアクションホイール）は、全ての実施形態で要求されるわけではない。

上記に議論されるように、モーメント発生システム１１０はまた、ヨーモーメント発生システムを含むことができる。これは、リアクションホイールフレーム（例えば、フレーム４１０または４０７、および垂直軸１０３’の周囲にあるその構成要素）を回転させることによって実装されることができる。ヨーモーメントアクチュエータ１６５（図１に示される）は、そのような回転のために使用されることができる。リアクションホイールの軸は、地面に対して平行であるが、進行方向に対して回転する。例示的実施形態では、フレームは、リアクションホイールを支持するベアリングを通した軸が、車両縦軸から車両側方軸に向かって回転するように回転される。ヨーモーメントは、リアクションホイールを保持するフレームと、垂直軸を中心としてリアクションホイールを駆動させるモータとを加速させる（垂直軸を中心とする回転において）ことによって発生される。リアクションホイールは、この回転の間、不動であることができる。その質量の角加速度は、ヨーモーメントを発生させることである。図４−３は、そのようなヨーモーメントをもたらすために、垂直またはヨー軸を中心として回転しながら加速されるリアクションホイール１５０を図式的に例証する。

図４−２は、リアクションホイールが、水平軸の代わりに、垂直軸上で移動されている、代替ヨーモーメント発生器構成のためのリアクションホイール構成を例証する。

ここで、図６を参照すると、ブロック図形態に示されるのは、図１−５を参照して上記に開示される概念を使用した仮想試験ライダシステム６００である。上記に議論されるようなモーメント発生システム１１０ならびにコントローラおよびアクチュエータ等の他の構成要素を含む、仮想ライダが、ギアシフトコマンド６０２、ハンドルバーコマンド６０４、スロットルコマンド６０６、ブレーキコマンド６０８、およびクラッチコマンド６１０を発生させ、自動二輪車１００上の対応する構成要素を制御する。ハンドルバーコマンドは、ステアリング角度を制御し、自動二輪車を意図される経路に誘導する。センサは、次いで、速さ６１２、位置６１４、姿勢６１６、および加速６１８等の出力を提供する。相関的な地理空間のマップデータベースおよび対応する処理回路を使用して、自動二輪車の位置および速度等が、所望の状態から逸脱し、誤差出力が、発生される可能性があるかどうか、判定されることができる。実施例として、図６では、速さ誤差６２２、位置誤差６２４、姿勢誤差６２６、および加速誤差６２８は全て、発生される可能性があるが、全て、全ての実施形態で要求されるわけではない。コントローラ６３０が、これらの誤差信号または値を受信し、仮想ライダ６１０に、コマンド６０２、６０４、６０６、６０８および／または６１０の値を補償させ、ならびにロールモーメント１０２および／またはヨーモーメント１０３を発生させることによって補償させる、コマンド６３２を発生させる。また、コントローラ６３０は、コマンド６３２を発生させ、仮想ライダに、ヒトドライバの挙動の外乱またはシミュレーションの導入の目的のために、ロールモーメントまたはヨーモーメントを発生させることができる。

ここで、図７を参照すると、示されるのは、駆動リアクションホイールを公称上ゼロ速度に、かつ自動二輪車を直立に保つために、いくつかの実施形態において、リアクションホイールコントローラ１１２（図１に示される）によって実装されるリアクションホイール制御スキームである。角度データと角速度データとの両方が、自動二輪車を安定させ、リアクションホイール速度を最小限にするために使用される。リアクションホイールコントローラ１１２は、線形２次調節器（ＬＱＲ）または他の最適なコントローラを使用し、リアクションモータ１５５を制御するために使用されるトルク制御信号Ｔ_Ｒｘｎを発生させる。図７では、リアクションモータダイナミクス７１０が、出力として、リアクションモータ１５５の角度θおよび回転率θ−ｄｏｔを提供する、傾斜計２０４と組み合わせて、リアクションモータ１５５を表す。自動二輪車ロールダイナミクス７１５が、出力として、自動二輪車の感知されたロール角度Φおよび感知されたロール角速度Φ−ｄｏｔを提供する、傾斜計２０４と組み合わせて、自動二輪車１００を表す。トルク制御信号Ｔ_Ｒｘｎを発生させるＬＱＲコントローラによって使用されることができる、方程式が、図７に示され、ｋ_Φ、ｋ_Φ’、ｋ_θ、およびｋ_θ’は、定数である。

ここで、図８を参照すると、ブロック図形態に示されるのは、試験トラックの周囲に、かつ種々の段階を通して自動二輪車を誘導するために、内側ループロール安定化制御と外側ループ制御との両方を使用する、制御システム８００である。軌道コントローラ８１０が、マップデータベースに従って、試験トラックの周囲において自動二輪車を駆動させるために、ギアシフトコマンド８１２、スロットルコマンド８１４、ブレーキコマンド８１６、クラッチコマンド８１８、およびハンドルバー角度コマンド８１８を発生させる。外乱コントローラ８６０は、モーメント発生システム１１０を含み、マップデータベースマネージャ８４０からヨーコマンド８５０およびロールコマンド８５２を受信する。マップデータベースマネージャ８４０はまた、マップデータベースマネージャと外乱コントローラ８６０との間で分散されることができる、リアクションホイール制御１１２の一部等のモーメント発生システム１１０の一部を実装することができる。ヨーコマンド８５０およびロールコマンド８５２に応答して、外乱コントローラ８６０は、上記に議論されるリアクションホイールの特徴を使用し、ヨーモーメント１０３および／またはロールモーメント１０２を発生させる。キャプサイズモードの動作での非常に低速において、これらのモーメントは、自動二輪車を安定させ、これを直立に保つために使用される。自動二輪車が十分な速度を達成し、ステアリングを通して完全にまたは主として安定された後に、ヨーコマンド８５０およびロールコマンド８５２は、大きい外乱を導入し、困難な条件（例えば、突風）等をシミュレートすることにより、典型的なヒトドライバの体の位置付けおよび移動をシミュレートする（例えば、カーブを切るとき）ことによって、耐久性および性能を試験する目的のために、外乱を導入するために使用される。

自動二輪車ダイナミクスブロック８３０は、自動二輪車１００と、速度８３２、ロール角度ファイΦ（車両の側方軸に沿って搭載される傾斜計または２本のＧＰＳアンテナによって測定される）、ならびに位置Ｙ８３６およびＸ８３８を測定する、センサとの両方を表し、したがって、自動二輪車１００が道路上で物理的に行うことの表現である。これらの出力信号値は、次いで、コマンド速度と測定速度との間の差異に基づく速度誤差信号８４２と、意図されるロール角度と測定ロール角度との間の差異に基づくロール角度誤差信号８４４と、測定位置値と意図される位置値との間の差異に基づく位置Ｙ誤差信号８４６および位置Ｘ誤差信号８４８とを計算かつ出力するマップデータベースマネージャ８４０に対する外側フィードバックループ内において提供される。軌道コントローラ８１０は、次いで、閉ループフィードバックシステムにおいてこれらの誤差信号を使用し、適宜、信号８１２、８１４、８１６、８１８、および８２０を調節する。

システム８００はまた、安定性が外乱コントローラ８６０の要求される使用を伴わずに達成されることができる、高速ウィーブモードの動作において、ステアリングを制御するための安定性フィードバックシステムを実装する。このモードの動作では、自動二輪車の感知または測定されたヨー角速度Ψ−ｄｏｔ（プシー−ドット）８７２、自動二輪車の感知または測定されたロール角速度Φ−ｄｏｔ（ファイ−ドット）８７４、自動二輪車の感知または測定されたロール角度Φ（ファイ）８７６、およびリアフレームに対するフロントフレーム（ハンドルバー）の感知または測定された角度δ（デルタ）８７８（すなわち、主自動二輪車フレームに対するステアリングフロントホイールの角度）は、フィードバックステアリングまたはハンドルバーアクチュエータ位置信号８８０を発生させる、ロール安定化コントローラ８７０を通してフィードされる。ヨー角速度Ψ−ｄｏｔ ８７２およびロール角速度Φ−ｄｏｔ ８７４は、ＩＭＵ（例えば、図２におけるＩＭＵ２０４）によって測定される。角度δ（デルタ）８７８は、自動二輪車三重クランプ上での回転を測定することが可能である、エンコーダまたは他のセンサ（例えば、電位差計）によって測定されることができる。フィードバックハンドルバーアクチュエータ信号８８０は、ステアリングアクチュエータに、ハンドルバー位置を調節させ、ウィーブモードの動作において自動二輪車を安定させる小さなモーメントを発生させるであろう、フィードバック調節ハンドルバーコマンド信号８８４を発生させるために、総和ノード８８２においてコマンドハンドルバー信号８２０と組み合わされる。自動二輪車速度８３２はまた、自動二輪車の所望のロール角度を算出するパラメータである。

ロール安定化コントローラ８７０は、ハンドルバー力が自動二輪車を適切なロール角度に保つためにすべきことを判定する。自動二輪車が、直線状に進んでいる場合、ロール角度は、（垂直軸から測定されるように）ゼロであるはずである。自動二輪車が、角または曲線の周囲に進んでいる場合、所望のロール角度は、道路の速度および曲率の関数である。固定速度に関して、曲率が大きくなるほど（等価的に、半径が小さくなるほど）、角の周囲に進んでいるその自動二輪車上の向心加速度に起因する自動二輪車上のロールモーメントが、自動二輪車のロール角度によって発生される重力モーメントによって平衡されるように、ロール角度はより大きくなるはずである。公称上、これらの２つが角の周囲で平衡する場合、ニュートラル操作が、達成される。

ヨー角速度Ψ−ｄｏｔ８７２は、速度８３２と組み合わせて、曲率の推定を与え、そこから、向心加速度が、算出される。その向心加速度×自動二輪車の重心（ＣＧ）の高さ×バイクの質量×ロール角度の余弦は、向心加速度に起因するロールモーメントである。ＣＧの高さ×自動二輪車質量時間重力×ロール角度の正弦は、重力に起因するロールモーメントである。コントローラ８７０は、信号８８０を発生させ、ロール角度を調節し、角を通して平衡を達成する。

開示される実施形態は、自動二輪車、ＡＴＶ、スクータ、および他の類似する車両の試験において優れた潜在性を提供する。議論されるように、自動二輪車の耐久性は、より多くの場合、「バイクを試験すること」よりも「ライダを試験すること」を予定する。耐久試験のために使用される困難な乗車条件が、多くの場合、過度のライダ疲労、ライダ損傷、作業員の補償請求、早期退職、および試験ライダの募集することの困難さをもたらす。自律自動二輪車（合理的な動作範囲下において）は、雨および他の悪天候によって影響を受けないであろう。自律自動二輪車制御は、ライダを方程式から取り除き、それによって、耐久試験ライダと関連付けられる困難を排除する。

自動二輪車性能が、いくつかの理由のために、ヒトオペレータを伴うよりも自律コントローラを伴う性能範囲の境界において、潜在的により良好に評価されることができる。境界では、ライダの注意のパーセンテージの多くは、衝突しないように試みることに使用され、自動二輪車が、どのように感じるか、または対処するかの報告を返すために使用される精神能力は、わずかしか残されない。主観的評価ツールとしてのライダの有効性は、これらの条件下では低い。境界では、自動二輪車の軌道と自動二輪車に入力された外乱との両方の再現可能性が、ヒトライダを伴う場合、不良であり、２回以上の試験走行の比較を、最良でも困難にさせ、最悪では不可能にさせる。同様に、評価および分析のための主観的かつ再現可能なデータを発生させる手段としてのライダの有効性もまた、これらの条件下では低い。試験ライダの損傷を生じさせる可能性が高い、自動二輪車運転者が直面するいくつかの条件が存在し、倫理的に、試験ライダに、これらの高い危険条件において、自動二輪車を試験することを依頼することはできない。これらの条件のため、自律自動二輪車は、これらの条件が試験されることができる唯一の選択肢であり得る。

これらのプロセスを自動化させることによって、性能試験と耐久試験との両方の再現可能性は、有意に改善される。さらに、性能試験に関して、ロールモーメントおよびヨーモーメントの精密なレベルは、ヒトライダによって行われることができるものよりも有意により高い程度まで、試験施設での所望の場所、速度、および配向において車両上に付与された再現可能かつ正確なヨーモーメントであることができる。試験条件を複製するこの能力は、開発および検証プロセスを大幅に加速させる。

６軸慣性測定ユニットと一体化されることができる、二重周波数キャリア位相ＤＧＰＳの出現は、耐久試験のための試験トラックを横断するにつれて、自動二輪車の位置、速度、および配向の正確な測定および制御を促進する。そのプロセスの自動化は、ライダが特に困難である経路の周囲にある「容易な経路」を辿ることを避け、試験によって収集されたデータが、試験ライダにとってあまり困難ではない軌道ではない、所望の試験軌道に基づくことを確実にする。性能試験に関して、自動二輪車は、試験ライダを衝突または損傷の危険に曝さずに、「限界において」動作させることができる。

全ての速度において、アウトトリガを使用せずに自動二輪車を制御し、安定させる能力は、より高い忠実性試験のための機構を提供する。自動二輪車が転覆することを防止するアウトトリガの使用は、車両ダイナミクスに影響を及ぼす（アウトトリガが下方等に触れると、ロールおよびヨー慣性を追加し、不要なヨーモーメントをもたらす）。アウトトリガの使用は、特に、比較的低いヨーおよびロール慣性を有するスポーツバイク上で悪影響をもたらす。

本発明は、好ましい 実施形態を参照して説明されているが、当業者は、変更が、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、形態および詳細に行われてもよいことを認識するであろう。

Claims (12)

1. 車両試験の間、ドライバなしで、車両を自律的に制御する前記車両上での使用のための自律車両制御システムであって、前記制御システムは、
   前記車両に結合可能であり、第１の方向および第２の方向のいずれかにおいてモーメントを選択的に発生させるように構成されている、モーメント発生器と、
   前記モーメント発生器に動作可能に結合可能であり、前記モーメント発生器を制御し、モーメントを選択的に前記車両に付与し、前記車両を安定させる、または不安定な外乱を前記車両に導入するように構成されている、制御システムと
   を備える、制御システム。
2. 前記モーメント発生器は、リアクションホイールと、前記リアクションホイールを回転させるためのモータとを備える、請求項１に記載の自律車両制御システム。
3. 前記モータはさらに、前記リアクションホイールの回転を減速させるためのブレーキを備え、それによって、前記モーメントを前記車両に選択的に付与する、請求項２に記載の自律車両制御システム。
4. 前記モータは、２つの方向の両方において、前記リアクションホイールの回転を選択的に加速させるように構成され、それによって、前記２つ方向のいずれかにおいて、モーメントを選択的に発生させる、請求項２または３に記載の自律車両制御システム。
5. 前記モーメント発生器はさらに、第２のリアクションホイールと、第１のリアクションホイールの回転の反対方向において前記第２のリアクションホイールを回転させるためのモータとを備え、前記制御システムは、前記第１のリアクションホイールと前記第２のリアクションホイールとの両方の回転加速度を制御し、それによって、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれかにおいて、前記モーメントを選択的に発生させるように構成されている、請求項２〜４のいずれかに記載の自律車両制御システム。
6. 前記モーメント発生器は、前記第１の方向および前記第２の方向のいずれかにおいて、前記モーメントを選択的に発生させる作動振子を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の自律車両制御システム。
7. 前記モーメント発生器は、ロールモーメントを前記車両に付与するように構成されているロールモーメント発生器と、ヨーモーメントを前記車両に付与するように構成されているヨーモーメント発生器とを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の自律車両制御システム。
8. 前記モーメント発生器は、第１の軸を中心に回転するように構成されているリアクションホイールと、前記リアクションホイールを前記第１の軸を中心に回転させるように構成されているモータと、前記リアクションホイールおよび前記モータを支持する支持フレームと、前記リアクションホイール、前記モータ、および前記支持フレームを前記第１の軸に垂直である第２の垂直軸を中心に回転させるように構成されているアクチュエータとを備え、前記第２の垂直軸を中心とする、前記リアクションホイール、前記モータ、および前記支持フレームの角加速度は、前記第２の垂直軸を中心に前記車両の上にヨーモーメントを付与し、それによって、前記ヨーモーメント発生器は、前記リアクションホイール、前記モータ、前記支持フレーム、および前記アクチュエータを備える、請求項７に記載の自律車両制御システム。
9. 前記モーメント発生器は、第１の軸を中心に回転するように構成されているリアクションホイールと、前記リアクションホイールを前記第１の軸を中心に回転させるように構成されているモータと、前記リアクションホイールを前記車両の進行方向に対して側方に移動させ、モーメントを発生させ、前記車両の垂直軸を中心とする持続的ロール外乱または不均一な質量分布を補償するように構成されている、側方平行移動機構とを備える、請求項７に記載の自律車両制御システム。
10. 前記側方平行移動機構は、前記車両に対する固定位置において結合可能である固定フレームと、前記リアクションホイールを支持する平行移動フレームと、前記平行移動フレームおよびリアクションホイールを前記固定フレームに対して、かつ前記車両の進行方向に対して側方に移動させるように構成されているアクチュエータとを備える、請求項９に記載の自律車両制御システム。
11. 前記モーメント発生器は、リアクションホイールと、前記リアクションホイールを回転させるためのモータとを備え、前記制御システムは、前記車両上での過渡ロール外乱の補償のために前記モータからの最大トルク可用性を提供するために、前記リアクションホイールの最低回転速度を維持するように構成されている最適なコントローラを備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の自律車両制御システム。
12. 前記モーメント発生器は、自動二輪車の自律制御を提供するために、前記自動二輪車に結合されるように構成されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の自律車両制御システム。