JP2024521986A

JP2024521986A - 二輪セルフバランシング車両用のヨーダンパ

Info

Publication number: JP2024521986A
Application number: JP2023566828A
Authority: JP
Inventors: デイヴィッドアーサーベイリー; ダニエルキーヤングキム
Original assignee: リットモーターズコーポレイション
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2024-06-05
Also published as: EP4330114A1; WO2022232655A1; CA3217134A1; US20220348272A1; US12012156B2; KR20240015079A

Abstract

制御経路は、操舵増強及びロールバランスのためのＣＭＧ又はリアクションホイールアクチュエータを有する二輪セルフバランシング車両に追加される。これらのアクチュエータは、制御経路上で受信したヨーレート外乱信号に基づいて、ロール外乱を防止しながらヨー外乱を減衰させるために使用される。【選択図】図６

Description

（関連出願に対する相互参照）
この米国特許出願は、米国仮特許出願第６３／１８１，７９５号の利益を請求するものであり、当該仮特許出願の開示内容は、引用により全体が本明細書に組み込まれる。本米国特許出願は、２０１８年９月１７日に出願された、名称が「ＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＴｗｏ－ＷｈｅｅｌｅｄＳｅｌｆ－ＢａｌａｎｃｉｎｇＶｅｈｉｃｌｅ」の米国特許出願第１６／０８５，９７５号の関連出願であり、その開示内容は、引用により全体が本明細書に組み込まれる。本米国特許出願は、２０１９年９月３０日に出願された、名称が「ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＴｉｒｅＴｒａｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＴｗｏ－ＷｈｅｅｌｅｄＶｅｈｉｃｌｅ」の米国特許出願第１６／４９９，８３３号の関連出願であり、その開示内容は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。本米国特許出願は、２０２０年０９月０８日に出願された、名称が「ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒＢａｌａｎｃｉｎｇａＴｗｏ－ＷｈｅｅｌｅｄＶｅｈｉｃｌｅＵｓｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＭｏｍｅｎｔＧｙｒｏｓｃｏｐｅｓａｎｄＤｒｉｖｅ－ｂｙ－ＷｉｒｅＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ」の米国特許出願第１６／９７９，０９４号の関連出願であり、その開示内容は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本発明は、二輪セルフバランシング車両に関する。詳細には、本発明は、二輪セルフバランシング車両におけるヨー外乱の減衰に関する。

二輪セルフバランシング車両は、車両のバランスをとるために使用されるアクチュエータの２つのセットを有する。主アクチュエータは、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）である。ＣＭＧは、ロール軸にトルク（「ロール軸トルク」、又は単に「ロールトルク」）を与え、車両のバランスをとる。第２のアクチュエータは操舵を増強する。ドライバー指令の操舵にトルクを加えるか、又はそこからトルクを差し引くことにより、第２のアクチュエータは、車両の運転範囲を広げる追加のロールトルクを提供する。増強された操舵アクチュエータは、操舵角、及び従って二輪セルフバランシング車両のヨーレート、及びそれに続く遠心力の値を変化させる。遠心力は車両の重心に作用し、ロール軸トルクの変化を生み出す。これら２つのアクチュエータが協働して、二輪セルフバランシング車両のバランスをとる際に所望のロール軸トルクを生み出す。また、車両のヨーレートに影響を与えながら、合計ロールトルクを打ち消すように働くことができる。

二輪車両は、ヨー方向に低減衰の振動モードを有することができ、ウォブル及び／又はウィーブと呼ばれることもある。これは、ヨー軸周りの捩れモードを修正できるシャーシダンパーが存在しないことに起因する。主たる減衰は、タイヤの水平ばねダンパ特性に由来する。シャーシのばね定数はまた、ヨー方向の振動に寄与するが、結果として生じる外乱はほとんど減衰しない。通常、車両設計者は、タイヤの水平ばね定数及び減衰性についての選択肢は極めて制限されている。タイヤは、主として、進行方向のロードハンドリング性能に合わせて選択される。

添付図を参照して詳細な説明が記載される。図において、参照番号の最も左の桁は、参照番号が最初に現れる図を特定している。異なる図において同じ参照番号を使用することは、類似又は同一の項目又は特徴を示す。

水平方向の力の大きさとダウンフォースの大きさの比であるＭｕ、μのグラフである。ヨー外乱のグラフであり、ヨー外乱に対するタイヤの反力が位相ずれであることを示している。車両が静止状態から時速３０ｋｍまで加速する際に、ヨーレートがゼロから始まり、毎秒１．５度まで上昇することを示すヨーレートのグラフである。外乱信号を取り込むためにフルヨーレート信号に適用されたバンドパスフィルタのグラフである。ヨーダンパ制御を適用する前のヨーレート及びフィルタ応答を示すグラフである。ヨー外乱が二輪セルフバランシング車両のロールレートにほとんど影響しないことを示すグラフである。本発明の実施形態による、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）から得られる測定されたヨーレートを制御信号として用いるヨーダンパ制御のブロック図である。本発明の実施形態による、ヨー外乱を低減するため操舵のみへのヨーダンパ制御の適用を示す図である。ＣＭＧを利用せず、従って操舵制御だけの実施形態におけるロール外乱を示すグラフである。本発明の実施形態によるＣＭＧ補償結果を加えた後、ヨー外乱周波数が除去されたロールレートを示すグラフである。２次制御経路が、バランスを維持するために操舵のみを利用し、車両の特性変化に起因する固有周波数の変動を補償しながらヨー減衰を達成するためのアクティブチューニングを有する、ＣＭＧを有しない本発明の実施形態によるブロック図である。

上述したように、二輪セルフバランシング車両は、ロールトルクを発生する２つのアクチュエータ：ＣＭＧ及び安定性増強操舵アクチュエータを有する。これは、本発明の実施形態による、協働して使用されたときに、車両にかかるロールトルクに影響を与えることなく、ヨー減衰性を強化する機構を提供する。

（理論）
前輪の操舵角に起因するロール軸周りの定常回転トルクについて、Ｐは車両のホイールベース、ψは車輪の操舵角である。

Ｘは進行方向の車両の位置である。

Ｍは車両の質量である。

遠心力は、タイヤ接地力に反応してトルクを発生する。

前輪及びψの変化によって発生するトルクは、ＣＭＧによって与えられるトルクによって相殺することができる。

（例示的な実施形態）
二輪セルフバランシング車両のモデルから始めて、時速３０ｋｍで旋回率が毎秒１．５度になるようにステアリングホイールをセットする。車両は静止状態からスタートして時速３０ｋｍまで加速し、これは２．５秒で始まる。７秒では、ヨー外乱１０２が存在している。図１Ａのグラフ１００に示すＭｕ、μは、水平方向の力の大きさとダウンフォースの大きさの比である。Ｍｕの最大限界は、それぞれの前タイヤ１０５及び後タイヤ１１０と車道との間の摩擦係数によって支配される。この例では、タイヤのＭｕは、円経路を移動することによってゼロからオフセットされる。これにより、ヨー外乱の影響の視覚化が容易になるが、本発明の実施形態によるヨーダンパ制御は、何れかの経路を仮定してもヨー外乱を減衰させるのに有効である。ヨー外乱１０２は、図１Ｂのグラフ１００において強調表示されており、ヨー外乱に対するタイヤの反力が位相ずれしていることを示している。

図２のグラフ２００は、ヨーレート２０２がゼロから始まり、車両が静止状態から時速３０ｋｍまで加速するにつれて毎秒１．５度まで上昇することを描いている。ヨーレート２０２の値は、２０４で描かれているように、路面によって誘起されるヨーインパルスによって乱される。ヨー外乱２０４は、遠心加速度及び操舵輪のキャスターによって発生する操舵トルクの変動に起因して、ステアリングホイールにおいて感じることができる。この例における操舵輪は前輪であるが、実施形態によっては、操舵輪は後輪又は両輪である可能性がある。ほとんどの量産型モーターサイクルは、この現象に起因して、操舵システムのどこかに機械式ダンパを組み込んでいる。本発明の実施形態による、ヨーダンパ制御は、この現象を管理するために、ＣＭＧ及び操舵アクチュエータを利用して、操舵システム内の機械式ダンパを増強又は完全に置き換える。

本発明の実施形態によるヨーダンパ制御は、ヨー共振の固有周波数におけるヨーレート信号を利用する。幾つかの実施形態において、図３のグラフ３００に描かれているように、外乱信号３０４を捕捉するために、バンドパスフィルタ３０２が完全ヨーレート信号に適用される。図４のグラフ４００は、ヨーダンパ制御を適用する前のヨーレート４０２及びフィルタ応答４０４を描いている。

図５のグラフ５００に示されるように、ヨー外乱は、二輪セルフバランシング車両のロールレート５０２に対して、又はバランス制御が正しく実行される能力に対して、ほとんど影響を及ぼさない。５０４で描かれたプロットの冒頭は、レートセンサのオン（０．０３３秒）を示している。これにより、ロールセンサのオフセット較正が開始される。０．７５秒にて、ドライバーは、５０６に描かれているように、４度の角度からランディングギアを離昇するように車両に命令する。２．４秒後、５０８で描かれているように、車両がスタートし、時速３０ｋｍまで加速して、毎秒１．５度のヨーレートを発生させることになる円で走行する。これは、５１０に描かれているように、旋回率と速度が変化していることで、車両がバランスを維持するようロールしているので、２．８秒～５秒の間でロールレートの傾斜を発生する。７秒では、５１２で描かれているヨー外乱が導入される。

一実施形態では、図６のブロック図６００に示されるように、ヨーダンパ制御は、制御信号として、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）６０２から得られる測定されたヨーレートを使用する。制御ブロック図は、車両バランス制御で最も一般的なセンサ及びアクチュエータを使用して、ヨー共振外乱を低減する二次制御経路を追加した単純なものである。ＩＭＵによって測定されたヨーレートは、ノッチフィルタ６０４に通され、車両の固有ヨー周波数におけるヨー外乱を分離する。他の実施形態では、センサの異なるセットを使用して、車両の前部及び後部の差分加速度計、操舵角のフィードバック、操舵アクチュエータの力測定など、ヨー信号を生成することができることは理解される。固有の位相シフトを有するノッチフィルタ６０４は、制御に組み込まれる固定条件用に設計することができ、又は、年齢、タイヤ空気圧等による車両ダイナミクスの変動を許容するための自己調整フィルタとすることができる。ゲイン６０６は、車両速度の逆数として変化し、その結果は、６０８で出力され、増強操舵アクチュエータ６１０へのコマンドとなる。操舵によって発生するヨートルクは、速度の２乗として増加するので、ゲインの変化は有用である。同じ信号は、操舵アクチュエータ、ＣＭＧジンバルアクチュエータ、及びタイヤダイナミクスの位相遅れの応答の差を補償するために、信号の位相を変更するフィルタ６１２に通される。操舵によるロールトルクは速度の２乗に比例し、ＣＭＧによって生成されるトルクはＣＭＧジンバルレートに比例するため、ゲイン６１４は速度の２乗で変化する。

ＩＭＵヨーレート６０２は、６０４でフィルタリングされて、ヨー共振周波数を捕捉する。操舵角コマンドとＣＭＧジンバルレートコマンド間の位相シフトは、６１２のフィルタにおいて達成される。

図７のグラフ７００に描かれているように、操舵にのみヨーダンパ制御を適用することで、ヨー外乱が低減される。例えば、図４のヨーレート４０２と図７のヨーレート７０２を比較し、図４のフィルタ応答４０４と図７のフィルタ応答７０４を比較する。ＣＭＧを利用しない実施形態では、操舵制御のみを実施することができる。しかしながら、図８のグラフ８００に描かれているように、結果として生じるロール外乱がある。ヨー外乱を減衰させるために前タイヤを回転させると、車両ロールレートの外乱が生じることになる。この外乱は、コントロールモーメントジャイロを使用してロールトルクを生成し、操舵ヨー減衰性によって引き起こされるロール外乱を相殺することによって補償することができる。ＣＭＧ補償を追加すると、図９のグラフ９００に描かれているように、ヨー外乱周波数が除去されたロールレートが得られる。この実施形態は、ヨー外乱を減衰させるだけでなく、ドライバーの快適性を向上させる。これは、機械式ダンパだけではできないことである。

従って、上述したように、本発明の実施形態は、操舵増強及びロールバランスのためのＣＭＧ又はリアクションホイールアクチュエータを有する二輪セルフバランシング車両に二次制御経路を追加することを企図している。これらのアクチュエータは、ロール外乱を防止しながらヨー外乱を減衰させるのに使用される。

一実施形態によれば、二次制御経路は、ノッチフィルタ及びゲインを使用して、車両の固有ヨー周波数又は他の何れかの望ましくない振動を適切な位相遅れ及びゲインで分離して、車両の１又は複数の操舵されたホイールを変化させてヨー外乱を減衰させる。この実施形態によれば、二次制御経路は、増強された操舵コマンドを使用して、適切なゲイン及び位相を有するＣＭＧジンバルレート又はリアクションホイール速度レートコマンドを生成し、ヨー減衰操舵コマンドによって生成されたロールトルクを相殺する。

一実施形態では、二次制御経路は、ベースライン車両のセルフバランス制御のための既存の制御機械化にソフトウェア経路を追加することによって機械化される。一実施形態では、二次制御経路は、操舵アクチュエータ及び１又は２以上のＣＭＧ又は１又は２以上のリアクションホイールロールトルクアクチュエータであるロールトルクアクチュエータに制御信号を加える別個のデジタル又はアナログ制御を含むことができる。

上記の実施形態において、二次制御経路は、工場又は整備工場で達成される固定チューニングではなく、車両変化特性に起因する固有振動数の変動を補償しながらヨー減衰を達成するためのアクティブチューニングを有することができる。

図１０のブロック図１０００を参照すると、ＣＭＧを有していない実施形態では、二次制御経路は、バランスを維持するために操舵のみを利用し、工場又は整備工場で達成される固定チューニングを採用するのではなく、車両変化特性に起因する固有振動数の変動を補償しながらヨー減衰を達成するためのアクティブチューニングを有する。

このように、本発明の実施形態は、操舵増強及びロールバランスのためのＣＭＧ又はリアクションホイールアクチュエータを有するセルフバランシングの二輪セルフバランシング車両に二次制御経路を追加する。これらのアクチュエータは、ロール外乱を防止しながらヨー外乱を減衰させるのに使用される。

これらの実施形態は、ノッチフィルタ及びゲインを使用して、適切な位相遅延及びゲインで車両の固有ヨー周波数又は他の望ましくない振動を分離し、ヨー外乱を減衰させるために車両の１又は複数の操舵されたホイールを変化させる。

実施形態は、増強操舵コマンドを使用して、適切なゲイン及び位相でＣＭＧジンバルレート又はリアクションホイール速度レートコマンドを生成し、ヨー減衰操舵コマンドによって生成されたロールトルクを相殺することができる。

実施形態は、ベースライン車両のセルフバランス制御のための既存の制御機械化にソフトウェア経路を追加することによって機械化することができる。

実施形態は、別個のデジタル又はアナログ制御を使用して、操舵アクチュエータ及び１又は２以上のＣＭＧ又は１又は２以上のリアクションホイールロールトルクアクチュエータであるロールトルクアクチュエータに制御信号を加えることができる。

実施形態は、アクティブチューニングを使用して、工場又は整備工場で達成される固定チューニングではなく、車両変化特性に起因する固有振動数の変動を補償しながらヨー減衰を達成することができる。

実施形態は、バランスを維持するために操舵のみ（ＣＭＧなし）を使用し、またアクティブチューニングを使用して、工場又は整備工場で達成される固定チューニングではなく、車両変化特性に起因する固有振動数の変動を補償しながらヨー減衰を達成することができる。

従って、記載されるのは、二輪セルフバランシング車両（「車両」）を制御する方法であって、本方法は、車両に取り付けられた１又は２以上のセンサにより、車両のヨーレート信号を受信するステップと、１又は２以上のセンサに結合された信号フィルタにより、ヨーレート信号からヨーレート外乱信号を取得するステップと、ドライバー制御の操舵アクチュエータを増強する増強操舵アクチュエータへの制御入力として、ヨーレート外乱信号を受信するステップであって、ヨーレート外乱信号を使用して、車両のロールレート外乱を低減又は相殺する車両のロール軸周りのトルク（「ロールトルク」）を生成するようにする、ステップと、増強操舵アクチュエータにより、受信したヨーレート外乱信号に応じてロールトルクを発生させ、車両の前記ロールレート外乱を低減又は相殺するステップと、を含む。

実施形態によれば、増強操舵アクチュエータは、操舵角及びひいては車両のヨーレート及び遠心力を修正し、車両の遠心力は、車両の重心に作用し、車両のロールトルクの変化を生じさせる。

更なる実施形態によれば、ヨーレート外乱信号は、車両のバランスをとるために車両に結合されたコントロールモーメントジャイロスコープ（ＧＭＧ）への制御入力として受信され、ヨーレート外乱信号は、車両のヨーレート外乱を低減又は相殺する車両のロールトルクを生成するために使用され、ＣＭＧは、受信されたヨーレート外乱信号に応じてロールトルクを生成し、車両のヨーレート外乱を低減又は相殺する。

６０２ＩＭＵヨーレート
６０４ノッチフィルタ
６０６速度の関数としてのゲイン
６１０操舵へ出力
６１２位相シフト
６１４速度の関数としてのゲイン

Claims

二輪セルフバランシング車両（「車両」）を制御する方法であって、
前記車両に取り付けられた１又は２以上のセンサにより、前記車両のヨーレート信号を受信するステップと、
前記１又は２以上のセンサに結合された信号フィルタにより、前記ヨーレート信号からヨーレート外乱信号を取得するステップと、
ドライバー制御の操舵アクチュエータを増強する増強操舵アクチュエータへの制御入力として、前記ヨーレート外乱信号を受信するステップであって、前記ヨーレート外乱信号を使用して、前記車両のロールレート外乱を低減又は相殺する前記車両のロール軸周りのトルク（「ロールトルク」）を生成するようにする、ステップと、
前記増強操舵アクチュエータにより、前記受信したヨーレート外乱信号に応じてロールトルクを発生させ、前記車両の前記ロールレート外乱を低減又は相殺するステップと、
を含む、方法。
前記増強操舵アクチュエータが、操舵角及びひいては前記車両のヨーレート及び遠心力を修正し、前記車両の遠心力が前記車両の重心に作用し、前記車両のロールトルクの変化を生じさせる、請求項１に記載の方法。
前記車両に取り付けられた前記１又は２以上のセンサにより、前記車両のヨーレート信号を受信するステップは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、差分加速度計、前記車両の操舵角のフィードバックセンサ、前記車両の前記増強操舵アクチュエータ上の力測定センサからなるセンサのグループから選択された前記１又は２以上のセンサにより、前記車両のヨーレート信号を受信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記ヨーレート信号は、前記車両のヨー共振の固有振動数を含む、請求項１に記載の方法。
前記１又は２以上のセンサに結合された前記信号フィルタにより、前記ヨーレート信号から前記ヨーレート外乱信号を取得するステップが、前記１又は２以上のセンサに結合されて車両ダイナミクスの変動を許容する自己調整フィルタにより、前記ヨーレート信号から前記ヨーレート外乱信号を取得するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記ヨーレート外乱信号が、前記車両が走行している道路によって誘起されるヨーインパルスによって引き起こされる、請求項１に記載の方法。
前記車両のバランスをとるために前記車両に結合されたコントロールモーメントジャイロスコープ（ＧＭＧ）への制御入力として、前記ヨーレート外乱信号を受信するステップであって、ヨーレート外乱信号を使用して、前記車両のヨーレート外乱を低減又は相殺する車両のロールトルクを生成するようにする、ステップと、
前記ＣＭＧにより、前記受信したヨーレート外乱信号に応じて前記ロールトルクを発生させ、前記車両のヨーレート外乱を低減又は相殺するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
二輪セルフバランシング車両（「車両」）であって、
前記車両にロールトルクを発生させる前記車両の増強操舵アクチュエータと、
前記車両のヨーレート信号を受信するために前記車両に取り付けられた１又は２以上のセンサと、
前記１又は２以上のセンサに結合され、前記ヨーレート信号からヨーレート外乱信号を取得し、前記増強操舵アクチュエータへの制御入力として前記ヨーレート外乱信号を提供する信号フィルタと、
を備え、
前記増強操舵アクチュエータは、前記ヨーレート外乱信号に応答して、前記車両のロールレート外乱を低減又は相殺するロールトルクを生成する、
ことを特徴とする二輪セルフバランシング車両。
前記増強操舵アクチュエータが、操舵角及びひいては前記車両のヨーレート及び遠心力を修正し、前記車両の遠心力が前記車両の重心に作用し、前記車両のロールトルクの変化を生じさせる、請求項８に記載の車両。
前記１又は２以上のセンサは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、差分加速度計、車両の操舵角のフィードバックセンサ、車両の増強操舵アクチュエータ上の力測定センサからなるセンサのグループから選択される、請求項８に記載の車両。
前記ヨーレート信号は、前記車両のヨー共振の固有振動数を含む、請求項８に記載の車両。
前記１又は２以上のセンサに結合され、前記ヨーレート信号からヨーレート外乱信号を取得する前記信号フィルタが、前記１又は２以上のセンサに結合され、前記車両ダイナミクスの変動を許容して、前記ヨーレート信号からヨーレート外乱信号を取得する自己調整フィルタを含む、請求項８に記載の車両。
前記ヨーレート外乱信号が、前記車両が走行している道路によって誘起されるヨーインパルスによって引き起こされる、請求項８に記載の車両。
前記車両に結合されて、車両のバランスをとるためにロールトルクを発生させる制御モーメントジャイロスコープ（ＧＭＧ）を更に備え、前記信号フィルタは、前記ヨーレート外乱信号に応答して前記車両のヨーレート外乱を低減又は相殺するロールトルクを発生させる前記ＣＭＧへの制御入力として、前記ヨーレート外乱信号を提供する、請求項８に記載の車両。