JP4296853B2 - 同軸二輪車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車は、四輪車或いは三輪車はもとより、自転車のような個々の車輪の回転軸が異なる異軸二輪車と比較しても平面形状のコンパクト化の観点から有利であるため、従来から研究が進められているが、このような同軸二輪車では、姿勢の安定制御の問題が克服されない限り実用化は不可能である。
【０００３】
このような理由から、姿勢を安定制御する手法として、例えば下記の特許文献１には、ロータリエンコーダ等により検出される車体の傾斜角度を短時間間隔でサンプリングし、サンプリング値に基づいて車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この制御トルク相当の作動を車輪駆動用モータに指令することにより、車体が傾動した際に車輪をその傾動方向に直ちに移動し、車体の復元を行う技術が提案されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、複数のジャイロセンサにより車体の傾斜角度を検出し、このジャイロセンサ信号が水平になるようにモータの制御装置の状態をフィードバックすることにより、車体を水平に保ったまま走行する技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第５９７１０９１号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような特許文献１，２に記載の同軸二輪車では、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退してしまう問題があり、また、重心位置が前方又は後方に大きく移動すると、機体速度が上がり過ぎ転倒してしまう虞があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、搭乗者の重心位置の移動があっても安全且つ安定に走行することが可能な同軸二輪車を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の停止領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、上記負荷の位置が上記停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０００９】
このような同軸二輪車は、ベース上の負荷の位置が所定の停止領域内、例えば車輪軸に垂直な方向の範囲が上記一対の車輪が路面と接する接地領域の車輪軸に垂直な方向の範囲内であるような領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、その停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を送る。
【００１０】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の減速領域内にある場合には、減速停止させる指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記負荷の位置が上記減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【００１１】
このような同軸二輪車は、ベース上の負荷の位置が所定の減速領域内、例えば上記負荷検出手段による負荷検出可能範囲の境界近傍の領域内にある場合には減速停止させる指令走行速度を送り、その減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を送る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に適用したものである。
【００１３】
先ず、本実施の形態における同軸二輪車の外観斜視図を図１に示す。図１に示す同軸二輪車１において、車輪軸２の両端には一対の車輪３（右車輪３Ｒ及び左車輪３Ｌ）が止着されている。この車輪３は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪３の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。また、図示しないが、車輪３の表面には凹凸形状の溝が形成されており、凹凸のある路面を走行する際や段差を乗り越える際に高い摩擦力を保持することができる。
【００１４】
また、車輪軸２には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース４が、車輪軸２回りに傾動可能に支持されている。このベース４上には、例えば人間が搭乗した際に両手で把持するためのハンドル５が設けられる。
【００１５】
以下、本明細書においては、両輪を結ぶ車輪軸２の中間点をＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点Ｏと仮定し、この原点Ｏを通りベース４の主面と平行で且つ車輪軸２に垂直な方向をＸ軸又はロール軸、原点Ｏを通る車輪軸方向をＹ軸又はピッチ軸、原点Ｏを通りベース４の主面と垂直な方向をＺ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車１の前方をＸ軸の正方向、左方をＹ軸の正方向、上方をＺ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００１６】
ベース４には、図２に示すように、正逆回転可能なモータ１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）が装着されており、モータ１０に隣接して、モータ１０の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１１（１１Ｒ及び１１Ｌ）が設けられている。また、モータ１０と車輪３との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器１２（１２Ｒ及び１２Ｌ）が介在されており、モータ１０の回転がこの減速器１２及びジョイント（図示せず）を介して車輪３に伝達される。
【００１７】
この減速器１２は、バックラッシュ量が１分以下であり、車輪３側の出力軸から外力により回転トルクが加わるとモータ１０側の入力軸にも回転トルクが伝達されて容易に回転する特性（バックドライバビレィティ性）を有する。このようなバックドライバビレィティ性を有する減速器１２を使用することにより、例えば空中状態から着地する際に、路面の反作用力をモータ１０が吸収して減衰し、安定に着地することができる。また、電源が遮断された場合であっても、機体に外力を加えてモータ１０を回転させ、容易に移動させることができる。さらに、坂道を重力に従って下るような場合には、モータ１０に回転トルクが伝達されて逆起電力が生じるが、この逆起電力を利用してバッテリ（図示せず）の充電を行い、バッテリ駆動時間を長くすることができる。なお、バッテリが完全に充電された場合には、回生抵抗により回生電力を熱として放出する制御を行う。また、下り坂に限らず、減速時に生じる回生電力もバッテリに充電するような電源管理回路（後述）が内蔵される。
【００１８】
さらに、ベース４には、ベース４のピッチ軸，ヨー軸回りの角速度ωｐ，ωyawを検出するためのジャイロセンサ１３のほか、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度αｐ，αｒ，αyawを検出するための加速度センサ１４や、ベース４上の負荷重量を検出するための圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されている。
【００１９】
このうち、圧力センサ１５は、図３（Ａ）の平面図及び同図（Ｂ）の側面図に示すようにベース４の板状体を構成する支持台４ａと可動台４ｂとの間の四隅に設けられており、この４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出することができる。すなわち、圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号がそれぞれＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４であり、無荷重状態で圧力センサ１５１〜１５４にかかる自重がＷ０である場合、負荷重量Ｗｇは、以下の式（１）のように求められる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
また、圧力センサ１５１，１５４及び圧力センサ１５２，１５３のＸ座標がそれぞれＸｐｓ，−Ｘｐｓ、圧力センサ１５１，１５２及び圧力センサ１５３，１５４のＹ座標がそれぞれＹｐｓ，−Ｙｐｓである場合、重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。ここで、式（２）において、Ｗ１４は無荷重状態で圧力センサ１５１，１５４にかかる自重を示し、Ｗ２３は無荷重状態で圧力センサ１５２，１５３にかかる自重を示し、Ｗ１２は無荷重状態で圧力センサ１５１，１５２にかかる自重を示し、Ｗ３４は無荷重状態で圧力センサ１５３，１５４にかかる自重を示す。
【００２２】
【数２】
【００２３】
この圧力センサ１５によりベース４上の負荷による負荷荷重トルクＴ１が計算できるため、モータ１０にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース４上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。
【００２４】
さらにまた、ベース４の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置１６が搭載されており、この制御装置１６に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置１６は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース４のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。
【００２５】
また、この同軸二輪車１は、図４に示すように、車輪軸２回りに傾動可能とされるベース４（及びハンドル５）の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図４ではベース４の上面の高さが車輪軸２よりも高くなっているが、ベース４の上面が車輪軸２より低くなっていても構わない。
【００２６】
ここで、ベース４上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図５に示すように、ベース４上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクＴ１に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクＴｍを制御すると、ベース４はシーソのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸２回りの回転モーメントがゼロとなる点をＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ぶ。このＺＭＰが車輪３の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース４上で姿勢を保つことができる。
【００２７】
この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図６に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４及びハンドル５の重量中心Ｍが車輪軸２を中心に傾く。このとき、車輪軸２がバランスをとるための車輪軸トルクＴ０は以下の式（３）で表され、姿勢を保つためのモータトルクＴｍは減速器１２の減速比をＮ：１としてＴ０／Ｎで表される。
【００２８】
【数３】
【００２９】
本実施の形態における同軸二輪車１では、上述の如くベース４及びハンドル５の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されているため、式（３）のように、人間の体重Ｗｈによるモーメントとベース４及びハンドル５の重量Ｗｍによるモーメントとの差分を車輪軸トルクＴ０として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。
【００３０】
ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図７に示すＸ−Ｚ座標系を用いてさらに詳細に説明する。ここで図７では簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。また、車輪３、ベース４、及びベース４上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ（ｘ０、ｚ０），（ｘ１、ｚ１），（ｘ２、ｚ２）とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれｍ０，ｍ１，ｍ２とし、慣性モーメントをＩ０，Ｉ１，Ｉ２とする。
【００３１】
定義した点Ω（σ、φ）回りの第ｉリンク（ｉ＝０，１，２）の各運動量は、重心位置座標を（ｘｉ、ｚｉ）とすると、以下の式（４）で表される。ここで、式（４）においてｘ，ｚの上に付されている１つの点は、ｘ，ｚの１階微分であることを示している。
【００３２】
【数４】
【００３３】
したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式（５）で表される。ここで、式（５）においてｘ，ｚの上に付されている２つの点は、ｘ，ｚの２階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をｇとして以下の式（６）で表される。
【００３４】
【数５】
【００３５】
この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式（７）に示すように、点Ω（σ、φ）回りのモーメントＭΩが与えられる。
【００３６】
【数６】
【００３７】
質量ｍ０である車輪３の重力によるモーメントを除けば、点Ω（σ、φ）を原点にとることで、上述のモーメントＭΩは車輪軸２回りのモーメントＭａとなる。この車輪軸２回りのモーメントＭａは、以下の式（８）で表される。
【００３８】
【数７】
【００３９】
このモーメントＭａを用いて上述のモーメントＭΩを表せば、ｘ０＝０であるとき、すなわち車輪３の重心位置が車輪軸２上にあるとき、以下の式（９）で与えられる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
ここで、ＺＭＰはモーメントＭΩが０である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸２の高さをｈ、ＺＭＰの座標を（σzmp、−ｈ）として式（７）に代入すると、以下の式（１０）のようになる。この式（１０）をσzmpについて解くことで、ＺＭＰをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。
【００４２】
【数９】
【００４３】
また、上述した式（９）にＺＭＰの座標（σzmp、−ｈ）を代入すると、以下の式（１１）のようになる。なお、この式（１１）は、車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を示す。
【００４４】
【数１０】
【００４５】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図８に図示する。図８において、ＦＮは床反力、ＦＴは転がり摩擦力、ＦはＦＮとＦＴとの合成ベクトルを表す。なお、床反力ＦＮは実際には車輪３の接地面全体に分布するが、図８ではＺＭＰに集約するものとして表している。この図から車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式（１２）のようになる。
【００４６】
【数１１】
【００４７】
なお、この式（１２）に以下の式（１３）〜（１５）を代入すると、上述した式（１１）と同じものになる。
【００４８】
【数１２】
【００４９】
ベース４上の姿勢が安定するには、式（１２）においてσzmp＝０となればよい。すなわち、車輪軸トルクＴ０＝−ＦＴ＊ｈが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、Ｔ０＝ＦＴ＝０を満たす以下の式（１６）に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。
【００５０】
【数１３】
【００５１】
このとき、ｘ０，ｘ１は、機構構造により一意に定まるが、ｍ２，Ｉ２，ｘ２，ｚ２は、人間であるため不定値である。このｍ２，Ｉ２，ｘ２，ｚ２によるベース４上でのモーメントＭｔは、以下の式（１７）で与えられる。但し、ベースは、図９のように水平に保たれるものとする。
【００５２】
【数１４】
【００５３】
ここで、負荷が人間である場合には角速度ω２が十分に小さいため、ω２≒０と近似すると、式（１８）においてｘ２とその２階微分値をゼロにするときモーメントＭｔがゼロになる。ｘ２とその２階微分値をゼロにすることは、ベース４上での負荷荷重トルクＴ１がゼロとなるようにｘ０及びｘ１を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクＴ１によるモーメントＭｔは、力Ｆ２でベース４上の作用点（ｘｆ、Ｌ）に作用することと等価である。したがって、このｘｆをゼロにするｘ０，ｘ１を与えることができればＴ１＝０となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。
【００５４】
図９に示すように、ベース４上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクＴｍを与えることによりｘ０＝ｘ１を保つように制御されているとき、ｘｆ＝ｘ０となるようにモータトルクＴｍを制御することで姿勢を安定に保つことができる。
【００５５】
具体的には、誤差Ｅｆ＝ｘｆ−ｘ０とするとき、Ｅｆ＞０であればｘ０を正の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを負として機体を前進させ、Ｅｆ＜０であればｘ０を負の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを正として機体を後退させることで、誤差Ｅｆをゼロに収束させることができる。すなわち、Ａ０を正の定数として、Ｔｍ＝−Ａ０＊ＥｆとなるモータトルクＴｍを与えることでＥｆをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００５６】
実際には、例えば図１０のようにベース４がピッチ軸回りに角度θ０だけ傾いた場合、体重Ｍの人間によりＴ１（＝Ｍτ×Ｌ）の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクＴ１と逆方向の車輪軸トルクＴ０を与えるようにモータトルクＴｍを制御することで、ＺＭＰを車輪３の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００５７】
ここで、ベース４上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常１〜２秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクＴ１は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ１０に加算し、負荷変動に対してベース４の角度を一定に保つ必要がある。
【００５８】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車１は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置１６内に図１１に示すような制御機構を有している。図１１において、減算器２０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器２１に供給される。姿勢制御器２１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルク電流値Ｔgyr［A］を計算する。また、調整器２２では、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を用いて負荷荷重トルクＴ１を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１'／Ｋｍ［A］を計算する。ここでＫｍはモータ定数［Nm/A］である。負荷の重心座標が（Ｘｇ、Ｙｇ）であり、負荷重量がＷｇである場合、推定負荷荷重トルクＴ１'は、以下の式（１８）のように与えられる。
【００５９】
【数１５】
【００６０】
そして減算器２３では、モータトルク電流値Ｔgyrと推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１'／Ｋｍとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流Ｉ［A］としてモータ２４に与えられる。モータ２４はこのモータ電流Ｉによって回転することによりモータトルクＴｍを発生し、加算器２５では、このモータトルクＴｍと負荷荷重トルクＴ１とが加算されてベース２６に伝えられる。
【００６１】
このように、負荷荷重トルクＴ１を相殺するためのモータトルクＴｍをモータ２４に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。
【００６２】
以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二重構造の制御機構を有している。
【００６３】
このような二重構造の制御機構の物理モデルを図１２に示す。なお、この図１２においても、簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。図１２に示すように、ベース４にはジャイロセンサ１３、加速度センサ１４、圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ３０、ロータリエンコーダ３１、モータロータ３２が存在し、モータロータ３２の回転は減速器３３及びジョイント３４を介して車輪３に伝達される。
【００６４】
姿勢制御／調整器４０は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０、及び圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４から、上述したモータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１'を計算する。また、モータ制御器４１は、走行指令であるモータロータ３２の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ３１によって検出したモータロータ３２の現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算する。
【００６５】
そして、加算器４２において、モータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１'と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ３２に供給される。
【００６６】
ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、Ｘ軸加速度Ａｘがゼロのときベース４が水平になるように、Ｘ軸加速度Ａｘが正のときベース４を前方に傾けるように、Ｘ軸加速度Ａｘが負のときベース４を後方に傾けるように、それぞれ設定される。例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図１３に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にＺＭＰが位置するようにベース４を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、Ｘ軸加速度Ａｘに比例して変化する。
【００６７】
制御機構のブロック図を図１４に示す。減算器５０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３（及び加速度センサ１４）によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器５１に供給される。姿勢制御器５１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルクＴgyrを計算し、このモータトルクＴgyrを加算器５４に供給する。
【００６８】
一方、減算器５２では、走行指令であるモータロータ５７の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ５８によって検出したモータロータ５７の現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器５３に供給される。モータ制御器５３は、この回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器５４に供給する。
【００６９】
また、ベース４に負荷荷重トルクＴ１が加えられると、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が調整器５５に供給され、調整器５５は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクＴ１'を計算する。
【００７０】
加算器５４では、姿勢制御器５１からのモータトルクＴgyrとモータ制御器５３からのモータトルクとが加算され、減算器５６では、この加算値から推定負荷荷重トルクＴ１'が減算される。これが最終的なモータトルクＴｍとなり、モータロータ５７に与えられる。加算器５９では、このモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１とが加算され、この加算値がモータステータ／ベース６０に与えられる。
【００７１】
モータロータ５７は、モータトルクＴｍに応じて回転制御される。このモータロータ５７の回転位置θｒは、減速比Ｎ：１の減速器６１によって１／Ｎに変換され車輪３に伝達される。すなわち、車輪３の回転位置θｗは、モータロータ５７の回転位置θｒの１／Ｎである。ロータリエンコーダ５８は、このモータロータ５７の回転位置θｒを検出し、検出信号を減算器５２に供給する。
【００７２】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述したように、モータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ／ベース６０の傾動は抑えられる。
【００７３】
図１５は、図１４に示したブロック図における処理をラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器５１には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差が与えられ、モータ制御器５３には、モータロータ５７の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差が与えられる。この姿勢制御器５１及びモータ制御器５３では、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。すなわち、Ｋｐ０，Ｋｐ１が比例ゲインとなり、Ｋｉ０，Ｋｉ１が積分ゲインとなり、Ｋｄ０，Ｋｄ１が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Ｐrefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ５７は、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Ｐrefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。
【００７４】
また、モータロータ５７には、姿勢制御器５１からのモータトルクとモータ制御器５３からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクＴ１'が減算されたモータトルクＴｍが与えられ、回転角度θｒだけ回転する。ここで、Ｊｒはモータロータ５７のイナーシャ（inertia）であり、Ｄｒはモータロータ５７の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７５】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述の如くモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Ｊはモータステータ／ベース６０のイナーシャであり、Ｄはモータステータ／ベース６０の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７６】
この図１５に示した数学モデルは、より詳細には例えば図１６に示すようになる。図１６に示すように、姿勢制御器７０は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクＴgyrを生成し、モータ制御器７１は、モータ１０の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。また、調整器７２は、圧力センサ１５のセンサ信号から推定負荷荷重トルクＴ１'を生成する。加算器７３ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクＴｍがモータ１０に与えられる。モータ１０は、このモータトルクＴｍにより回転駆動され、その回転が減速比１６：１の減速器７４によって１／１６に変換され車輪３に伝達される。
【００７７】
以上、図１２乃至図１６では、簡単のため車輪３が１つであるものとして説明したが、左右２つの車輪３Ｒ，３Ｌを有する実際の同軸二輪車１では、例えば図１４における姿勢制御器５１が左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通に用いられる一方で、モータ制御器５３が左右独立に設けられる。
【００７８】
この場合の制御機構のブロック図を図１７に示す。ジャイロセンサ１３からのセンサ値ωｐは例えば通過帯域が０．１〜５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８０を介して角度算出器８２に送られ、加速度センサ１４からのセンサ値αｐは例えば遮断周波数が０．１Ｈｚのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を介して角度算出器８２に送られる。角度算出器８２では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ０が算出される。また、減算器８３では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器８４に供給される。姿勢制御器８４は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とから、上述したモータトルクＴgyrを計算する。
【００７９】
一方、減算器８５Ｒでは、右車輪３Ｒ用の走行指令であるモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ９３Ｒによって検出したモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器８６Ｒに供給される。位置比例制御器８６Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器８７Ｒに供給する。また、微分器８８Ｒは、ロータリエンコーダ９３Ｒから供給されたモータロータ９２Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器８７Ｒに供給する。そして減算器８７Ｒでは、位置比例制御器８６Ｒからの比例制御結果と微分器８８Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器８９Ｒに供給される。速度比例制御器８９Ｒは、この偏差に対して速度比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を加算器９０Ｒに供給する。加算器９０Ｒでは、この比例制御結果とモータトルクＴgyrと調整器９４において圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４から求めた推定負荷荷重トルクＴ１'とが加算され、加算値が電流制御アンプ９１Ｒに供給される。電流制御アンプ９１Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ９２Ｒを駆動する。このモータロータ９２Ｒの回転位置は、減算器８５Ｒと共に微分器８８Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【００８０】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【００８１】
次に、本実施の形態における同軸二輪車１の速度制御について説明する。
上述したように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ベース４の四隅に設けられた４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出し、負荷荷重トルクＴ１を求めているが、さらに、この重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）を走行する方向、速度の制御指令として用いる。
【００８２】
具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき、例えば図１８に示すように速度指令Ｖｘを変化させる。ここで図１８において、Ｘ３からＸ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Ｗｇが大きいときや車輪３のガス圧が低いときには車輪３の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。
【００８３】
Ｘ座標がＸ１以上になると、前進最大速度ＳfMAX に達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、Ｘ座標がＸ２以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。同様に、Ｘ座標がＸ３以下になると、後退最大速度ＳbMAXに達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度ＳbMAXは、前進最大速度ＳfMAXよりも小さいことが好ましい。また、Ｘ座標がＸ４以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。
【００８４】
Ｘ座標がＸ１からＸ２まで、或いはＸ３からＸ４までの間では、そのＸ座標Ｘｇに応じて、例えば以下の式（１９）により、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｐrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｐreflとが生成される。ここで、式（１９）において、Ｇ０は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００８５】
【数１６】
【００８６】
なお、時刻ｔ＝０での速度指令がＶｘ０であり、時刻ｔ＝ｔ１での速度指令がＶｘ１である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Ｖｘ１に到達するまでの時間をΔｔとすると、時刻ｔ（０≦ｔ≦ｔ１）での走行速度指令Ｖref(ｔ)は、例えば以下の式（２０）により算出することができる。
【００８７】
【数１７】
【００８８】
このとき、モータ１０の回転位置指令Ｐref(ｔ)は、式（２０）の走行速度指令Ｖref(ｔ)を積分した値となり、以下の式（２１）に示すような５次関数で与えられる。ここで、式（２１）において、Ｐref０は時刻ｔ＝０での回転位置指令である。
【００８９】
【数１８】
【００９０】
また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき、例えば図１９に示すように旋回速度指令Ｖｒを変化させることもできる。ここで図１９において、−Ｙ１からＹ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。なお、この停止領域は、原点Ｏ近傍で任意に設定することができる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Ｙ座標がＹ１以上になると、右回り最大速度ＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Ｙ座標が−Ｙ１以下になると、左回り最大速度ＣＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。
【００９１】
Ｙ座標がＹ１以上又は−Ｙ１以下では、そのＹ座標Ｙｇに応じて、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２２）に示すような逆位相指令となる。ここで、式（２２）において、Ｇ１は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９２】
【数１９】
【００９３】
一方、走行速度がゼロでない場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２３）,（２４）に示すような同位相指令となる。ここで、式（２３）,（２４）において、Ｇ２は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９４】
【数２０】
【００９５】
ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いにより車輪３の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。
【００９６】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、図２０に示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw１［rad/sec］が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflの加算平均をＶref０としたとき、以下の式（２５）,（２６）に示すように、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌに与える回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式（２５）,（２６）において、Ｋ０は正の定数である。
【００９７】
【数２１】
【００９８】
また、目標方向としてＤref［rad/sec］が与えられている場合には、以下の式（２７）,（２８）に示すように左右の車輪に回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflを与える。
【００９９】
【数２２】
【０１００】
このようにして得られた回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflは、それぞれ以下の式（２９）,（３０）により車輪の回転位置指令Ｐrefr，Ｐreflに変換される。ここで、式（２９）,（３０）において、ｋはサンプリング回数を表す整数であり、Ｐref(ｋ)はｋサンプリングでの回転位置指令を示す。
【０１０１】
【数２３】
【０１０２】
同様に、旋回する場合についても、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。
【０１０３】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw２［rad/sec］が検出されている場合について説明する。右車輪３Ｒの回転位置指令Ｒrefr及び左車輪３Ｌの回転位置指令Ｒreflを微分した信号をそれぞれＶrefr，Ｖreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式（３１）で表される。
【０１０４】
【数２４】
【０１０５】
この場合、以下の式（３２）,（３３）に示すように、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌに与える回転位置指令Ｒrefr，Ｒreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式（３２）,（３３）において、Ｇ３は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【０１０６】
【数２５】
【０１０７】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１０８】
また、段差のある路面を走行する場合には、車輪３が段差を乗り越えるときや段差を降りるときに機体に衝撃力が作用し、搭乗者が転倒してしまう虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合には指令走行速度を小さくすることで、機体への衝撃力を緩和する。
【０１０９】
一例として、図２１（Ａ）に示すような段差のある路面を走行する場合について説明する。図２１（Ｂ）に示すように走行速度Ｖｘ０で走行中、時刻ｔ１に段差を乗り越えるとＺ軸方向の加速度Ａｚが発生する。この加速度Ａｚの絶対値|Ａｚ|が閾値Ａ０以上になると減速を始める。すなわち、サンプリング回数を表す整数をｋとし、ｋサンプリングでの走行速度をＶｘ(ｋ)としたとき、走行速度Ｖｘ(ｋ)の絶対値|Ｖｘ(ｋ)|に基づいて設定された最小値に達するまで、例えば以下の式（３４）に従って減速する。ここで、式（３４）において、Ｋａ０は正の定数である。
【０１１０】
【数２６】
【０１１１】
また、減速後に加速度Ａｚの絶対値|Ａｚ|が閾値Ａ０を下回ると、走行速度Ｖｘ(ｋ)の絶対値|Ｖｘ(ｋ)|に基づいて設定された最大値に達するまで、例えば以下の式（３５）に従って加速する。ここで、式（３５）において、Ｋａ１は正の定数である。
【０１１２】
【数２７】
【０１１３】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。なお、加速度センサ１４の代わりにジャイロセンサ１３を用いるようにしても構わない。
【０１１４】
以上により、同軸二輪車１は、姿勢安定制御を行いながら走行することができるが、以下に説明するような画像認識手段及び音声認識手段を備えることで、さらに高次の機能を実現することができる。
【０１１５】
例えば、通常、搭乗者は視覚により走行方向を定めるが、走行速度が速くなると搭乗者の視点は遠くに向けられるため、足下の路面の状況が見えなくなり、路面の凹凸や段差により転倒する問題が発生する虞がある。また、同軸二輪車１を自律走行させる場合においても、路面の凹凸や路面上の障害物が検出できないと、障害物に衝突する問題や、機体が不安定になり転倒する問題が発生する虞がある。
【０１１６】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２２（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのＣＣＤカメラ１７（１７Ｒ及び１７Ｌ）を搭載しており、このＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌを用いて、図２２（Ｂ）に示すように、左右の画像の差分から３角測量法により近接した路面環境、例えば障害物ＯＢや路面の凹凸の大きさ及び位置を検出することができる。これにより、走行できない路面環境を回避したり、路面の障害物を非接触で回避したりすることが可能になる。
【０１１７】
また、画像認識により指定された対象物、例えば人間のような動く対象物を特定し、追従して走行させることも可能である。
【０１１８】
また、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２３（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのマイクロホン１８（１８Ｒ及び１８Ｌ）を搭載しており、この２つのマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌを用いて、図２３（Ｂ）に示すように、音源ＳＤの方向及び距離を推定することができる。これにより、例えば音源に反応したり、車輪３を回転させて音源方向に向くことが可能になる。また、機体が音源に接近している場合には、走行を停止することで音源への衝突を防止することができる。さらに、音声信号を用いた話者認識を応用し、例えば予め使用者の声を登録しておき、その声が認識された場合にＬＥＤを点灯させたり音声を発したりするようにすることで、盗難された場合の機体認識や、多数の同機種の機体が並べられたときに、使用者の音声による機体の選別が可能になる。
【０１１９】
なお、マイクロホン１８には、人間の声以外にも車輪３の回転時の騒音等も入力されるため、正確な音源推定や話者認識が困難になる虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、走行時に音声認識或いは話者認識を行う場合、騒音が重畳した音声信号から予めメモリに記憶された騒音信号の周波数成分を除去し、騒音の除去された音声信号に基づいて音源推定等を行う。これにより、走行時においても正確な音源推定、話者認識等が可能となる。
【０１２０】
具体的には、図２４に示すように、左右のマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌにより検出された音声信号は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１００Ｒ，１００Ｌにおいてデジタル信号に変換され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。一方、騒音信号データベース１０２には、予め種々の走行速度における騒音信号が記憶されており、この騒音信号データベース１０２に現在の走行速度信号が入力されると、走行速度に応じた騒音信号が読み出され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。減算器１０１Ｒ，１０１Ｌでは、アナログ／デジタル変換器１００Ｒ，１００Ｌから供給された音声信号からこの騒音信号の周波数成分が除去される。
【０１２１】
音声認識部１０３は、騒音信号の周波数成分が除去された音声信号を用いて音源の位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を求めるほか、話者データベース１０４を用いてその音声を発した話者を特定し、音源位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）や話者特定信号を目標座標変換部１０５に供給する。目標座標変換部１０５は、例えばＸ−Ｙ座標系における音源位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を目標位置（Ｘref、Ｙref）とし、この走行位置指令（Ｘref、Ｙref）と走行速度指令Ｖrefとを出力する。
【０１２２】
このような同軸二輪車１のソフトウェア構成を図２５を用いて説明する。図２５に示すように、最下位層のハードウェア・レイヤ１５０から順に、カーネル・レイヤ１５１、オンボディ・レイヤ１５２、ネットワーク・レイヤ１５３、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４という階層構造で構成される。
【０１２３】
ハードウェア・レイヤ１５０は、回路の階層であり、例えばモータ制御回路、中央制御回路、センサ回路の制御回路等が含まれる。カーネル・レイヤ１５１は、モータサーボ演算や姿勢制御演算、走行制御演算、或いはリアルタイム走行目標値演算等の各種演算を行う階層である。このハードウェア・レイヤ１５０及びカーネル・レイヤ１５１において、基本的な姿勢安定制御と走行制御とが実現される。
【０１２４】
オンボディ・レイヤ１５２は、音声認識や画像認識、走行目標値演算、障害物回避軌道の生成等を行う階層であり、図２２及び図２３で上述した障害物回避や対象物への追従、音源への走行などは、この階層で実行される。また、その上位のネットワーク・レイヤ１５３は、ネットワーク通信インターフェースや、走行制御情報、画像・音声情報のネットワーク通信、機体の走行計画管理、搭乗者とのマンマシンインターフェース、或いは３次元画像認識データベース管理等を含む。そして、最上位のアプリケーション・レイヤ１５４は、ネットワーク通信による遠隔走行制御や、搭乗者と機体との対話等を行う階層である。
【０１２５】
これらの各階層は、それぞれ異なるサンプリングの制御周期で実行され、上位階層ほどその周期は長くなる。例えば最下位層のハードウェア・レイヤ１５０では、その制御周期が０．１msecと短い周期であるのに対して、カーネル・レイヤ１５１では１msec、オンボディ・レイヤ１５２では１０msec、ネットワーク・レイヤ１５３では１００msec、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４では１sec〜１００msecと長い周期になっている。
【０１２６】
続いて、同軸二輪車１における回路の全体構成について説明する。図２６に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が供給される。センサ回路２００は、このセンサ信号のほか、ピッチ軸回り及びヨー軸回りの角速度を検出するジャイロセンサからのセンサ信号ωｐ，ωyawと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度を検出する加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawとを合わせて、制御装置１６に供給する。また、音声処理回路２０１には、マイクロホン１８Ｒ，１８Ｌからの音声信号が供給され、画像処理回路２０２には、ＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌからの画像信号が供給される。音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２は、この音声信号及び画像信号を制御装置１６に供給する。
【０１２７】
制御装置１６は、これらのセンサ信号や音声・画像信号に基づいて、上述したようにモータトルクＴgyrや、走行指令であるモータロータの回転位置指令Ｐrefを生成し、これらを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌは、このモータトルクＴgyr、モータロータの回転位置指令Ｐref等に基づいて、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒ，１０Ｌを駆動するための最適なモータ電流を算出し、モータ１０Ｒ，１０Ｌに供給する。このモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置は、ロータエンコーダ１１Ｒ，１１Ｌによって求められ、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにフィードバックされる。
【０１２８】
サーボオン／パワースイッチ２０４は、制御装置１６及び電源スイッチ２０５と接続されており、電源スイッチ２０５からの信号は電源管理回路２０６に供給される。この電源管理回路２０６は、バッテリ２０７と接続されており、制御装置１６、音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２に２４Ｖの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１２９】
図２６に示した全体構成の詳しい内部構成を図２７を用いて説明する。図２７に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４、ジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyaw、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawが供給される。センサ回路２００は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を例えば１０mv/Nの圧力ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、制御装置１６の重心演算部２１０に供給する。また、センサ回路２００は、ジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyawを例えば１．６V/radsec−１の姿勢ゲインでゲイン調整すると共に、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawを例えば１．６V/radsec−２の姿勢ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、信号前処理部２１１に供給する。この信号前処理部２１１は、入力された信号に対してデジタルフィルタを施したり、オフセット調整や姿勢位置すなわちベース角度θ０の算出をしたりする前処理を行う。
【０１３０】
重心演算部２１０は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４に基づいて前述したようにベース４上の負荷の重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを計算し、この重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）及び負荷重量Ｗｇの情報を走行指令算出器２１２に供給すると共に、重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇの情報を旋回指令発生器２１５に供給する。走行指令算出器２１２は、例えば図１８に示したような重心位置Ｘ座標−走行速度特性に基づき速度指令Ｖｘを生成し、回転速度指令発生器２１３は、この速度指令Ｖｘに基づいて前述した５次関数演算を行うことにより、回転速度指令Ｖref(ｔ)を生成する。回転速度指令発生器２１３は、回転位置指令Ｐref(ｔ)を回転位置指令発生器２１４、旋回指令発生器２１５、及び姿勢指令発生器２１６に供給する。
【０１３１】
旋回指令発生器２１５は、重心演算部２１０から供給された重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇ、信号前処理部２１１から供給されたヨー軸回りの回転角速度ωyaw、及び回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づいて旋回する際の位相指令、例えばＹｇ＊Ｇ１を生成し、この位相指令を回転位置指令発生器２１４に供給する。回転位置指令発生器２１４は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)を積分して回転位置指令Ｐref(ｔ)を生成し、左右のモータドライバに回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を供給する。この際、回転位置指令発生器２１４は、旋回指令発生器２１５からの位相指令を考慮して回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成する。
【０１３２】
ここで、音声処理回路２０１は、マイクロホン１８からの音声信号を制御装置１６の音声認識部２１９に供給する。音声認識部２１９は、この音声信号に基づいて例えば音源位置座標や話者を推定する処理を行い、その音源位置を走行目標とする走行位置指令を生成する。また、画像処理回路２０２は、ＣＣＤカメラ１７からの画像信号を制御装置１６の障害物回避部２２０に供給する。障害物回避部２２０は、この画像信号に基づいて路面の障害物を検出し、その障害物を回避するための走行位置指令を生成する。上述の回転位置指令発生器２１４は、この音声認識部２１９や障害物回避部２２０からの走行位置指令に基づいて回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成することもできる。
【０１３３】
姿勢指令発生器２１６は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づき、図１３を用いて説明したように姿勢指令であるベース角度指令θrefを計算し、このベース角度指令θrefを減算器２１７に供給する。減算器２１７では、このベース角度指令θrefから信号前処理部２１１で求められた現在のベース角度θ０が減算され、偏差が姿勢制御器２１８に供給される。姿勢制御器２１８は、この偏差を元にしてＰＩＤ制御を行い、モータトルクＴgyrを求める。なお、ＰＩＤ制御を行う際には、ベース４上の負荷重量Ｗｇに応じてＰＩゲインを変更するようにしてもよい。具体的には、負荷重量Ｗｇが大きくなると比例ゲインを大きくし、積分ゲインを小さくすることが好ましい。姿勢制御部２１８は、このモータトルクＴgyrを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。
【０１３４】
右車輪３Ｒ用のモータドライバ２０３Ｒにおいて、減算器２３０Ｒでは、モータ１０Ｒ用の走行指令である回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ１１Ｒによって検出したモータ１０Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器２３１Ｒに供給される。位置比例制御器２３１Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器２３２Ｒに供給する。また、微分器２３３Ｒは、ロータリエンコーダ１１Ｒから供給されたモータ１０Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器２３２Ｒに供給する。そして減算器２３２Ｒでは、位置比例制御器２３１Ｒからの比例制御結果と微分器２３３Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例・積分制御器２３４Ｒに供給される。速度比例・積分制御器２３４Ｒは、この偏差に対して速度比例・積分（ＰＩ）制御を行い、比例・積分制御結果を加算器２３５Ｒに供給する。加算器２３５Ｒでは、この比例・積分制御結果とモータトルクＴgyrとが加算され、加算値が電流制御アンプ２３６Ｒに供給される。電流制御アンプ２３６Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒを駆動する。このモータ１０Ｒの回転位置は、減算器２３０Ｒと共に微分器２３３Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【０１３５】
電源管理回路２０６は、例えば２４Ｖのバッテリ２０７と接続されており、制御装置１６に２４Ｖ，１Ａの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにそれぞれ２４Ｖ，３０Ａのモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１３６】
以上説明したように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４を用いてベース４の角度制御を行うモータトルクＴgyrと、圧力センサ１５を用いて負荷荷重トルクを相殺するモータトルクＴ１'とを生成する、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢制御器と、圧力センサ１５を用いて走行制御を行うモータトルクを生成する、左右独立なモータ制御器とを設け、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【０１３７】
また、本実施の形態における同軸二輪車１では、ベース４上の負荷の重心座標に応じて走行制御を行うが、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲、Ｙ座標範囲に停止領域（不感帯）を設けているため、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退・旋回することを防止することができる。
【０１３８】
さらに、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１３９】
さらにまた、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。
【０１４０】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１４１】
例えば、上述の実施の形態では、ベース４上の重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき旋回速度指令Ｖｒを変化させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ハンドル５に操舵性を持たせるようにしても構わない。この場合、ベース４にポテンショメータを内蔵し、この回転角度ＰＭを重心位置のＹ座標Ｙｇの代わりに用いることができる。この場合にも、前述と同様に停止領域（不感帯）を設けておくことが好ましい。
【０１４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の停止領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、上記負荷の位置が上記停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０１４３】
このような同軸二輪車によれば、ベース上の負荷の位置が所定の停止領域内、例えば車輪軸に垂直な方向の範囲が上記一対の車輪が路面と接する接地領域の車輪軸に垂直な方向の範囲内であるような領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、その停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を送ることにより、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退するのを防止することができる。
【０１４４】
また、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の減速領域内にある場合には、減速停止させる指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記負荷の位置が上記減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０１４５】
このような同軸二輪車によれば、ベース上の負荷の位置が所定の減速領域内、例えば上記負荷検出手段による負荷検出可能範囲の境界近傍の領域内にある場合には減速停止させる指令走行速度を送り、その減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を送ることにより、重心位置が大きくずれた場合であっても、再び姿勢を安定させることができ、安全性が保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における同軸二輪車を示す外観斜視図である。
【図２】同軸二輪車のベースを説明するための側断面図である。
【図３】同軸二輪車のべースに設けられた圧力センサを示す図であり、同図（Ａ）は平面図を示し、同図（Ｂ）は側面図を示す。
【図４】同軸二輪車の重量中心と車輪軸との位置関係を示す図である。
【図５】負荷荷重トルクとモータトルクとのつり合いを説明する図である。
【図６】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図７】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図８】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図９】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図１０】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図１１】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図１２】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示す図である。
【図１３】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図１４】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図１６】図１５に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図１７】車輪が２つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図１８】前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図１９】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図２０】直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号が検出される場合の制御方法を説明する図である。
【図２１】Ｚ軸方向の加速度信号が検出される場合の速度制御方法を説明する図であり、同図（Ａ）は機体が段差を乗り越える様子を示す図であり、同図（Ｂ）は走行速度及びＺ軸加速度の変化を示す図である。
【図２２】同軸二輪車における画像認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるＣＣＤカメラを示す図であり、同図（Ｂ）はこのＣＣＤカメラによる障害物検出の様子を示す図である。
【図２３】同軸二輪車における音声認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるマイクロホンを示す図であり、同図（Ｂ）はこのマイクロホンによる音源検出の様子を示す図である。
【図２４】走行中の音源検出等を実現する制御機構を示すブロック図である。
【図２５】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図２６】同軸二輪車１における各回路の全体構成を説明する図である。
【図２７】図２６に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。
【符号の説明】
１ 同軸二輪車、２ 車輪軸、３ 車輪、４ ベース、５ ハンドル、１０ モータ、１１ ロータリエンコーダ、１２ 減速器、１３ ジャイロセンサ、１４ 加速度センサ、１５ 圧力センサ、１６ 制御装置、１７ ＣＣＤカメラ、１８ マイクロホン、２１ 姿勢制御器、２２ 調整器、３０ モータステータ、３１ ロータリエンコーダ、３２ モータロータ、３４ ジョイント、４０ 姿勢制御／調整器、４１ モータ制御器、６０ モータステータ／ベース、１００Ｒ，１００Ｌ アナログ／デジタル変換器、１０２ 騒音信号データベース、１０３ 音声認識部、１０４ 話者データベース、１０５ 目標座標変換部、１５０ ハードウェア・レイヤ、１５１ カーネル・レイヤ、１５２ オンボディ・レイヤ、１５３ ネットワーク・レイヤ、１５４ アプリケーション・レイヤ、２００ センサ回路、２０１ 音声処理回路、２０２ 画像処理回路、２０３Ｒ，２０３Ｌ モータドライバ、２０４ サーボオン／パワースイッチ、２０５電源スイッチ、２０６ 電源管理回路、２０７ バッテリ、２１０ 重心演算部、２１１ 信号前処理部、２１２ 速度指令算出器、２１３ 回転速度指令発生器、２１４ 回転位置指令発生器、２１５ 旋回指令発生器、２１６ 姿勢指令発生器、２１８ 姿勢制御器、２１９ 音声認識部、２２０ 障害物回避部
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車は、四輪車或いは三輪車はもとより、自転車のような個々の車輪の回転軸が異なる異軸二輪車と比較しても平面形状のコンパクト化の観点から有利であるため、従来から研究が進められているが、このような同軸二輪車では、姿勢の安定制御の問題が克服されない限り実用化は不可能である。
【０００３】
このような理由から、姿勢を安定制御する手法として、例えば下記の特許文献１には、ロータリエンコーダ等により検出される車体の傾斜角度を短時間間隔でサンプリングし、サンプリング値に基づいて車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この制御トルク相当の作動を車輪駆動用モータに指令することにより、車体が傾動した際に車輪をその傾動方向に直ちに移動し、車体の復元を行う技術が提案されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、複数のジャイロセンサにより車体の傾斜角度を検出し、このジャイロセンサ信号が水平になるようにモータの制御装置の状態をフィードバックすることにより、車体を水平に保ったまま走行する技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第５９７１０９１号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような特許文献１，２に記載の同軸二輪車では、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退してしまう問題があり、また、重心位置が前方又は後方に大きく移動すると、機体速度が上がり過ぎ転倒してしまう虞があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、搭乗者の重心位置の移動があっても安全且つ安定に走行することが可能な同軸二輪車を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の停止領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、上記負荷の位置が上記停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０００９】
このような同軸二輪車は、ベース上の負荷の位置が所定の停止領域内、例えば車輪軸に垂直な方向の範囲が上記一対の車輪が路面と接する接地領域の車輪軸に垂直な方向の範囲内であるような領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、その停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を送る。
【００１０】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の減速領域内にある場合には、減速停止させる指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記負荷の位置が上記減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【００１１】
このような同軸二輪車は、ベース上の負荷の位置が所定の減速領域内、例えば上記負荷検出手段による負荷検出可能範囲の境界近傍の領域内にある場合には減速停止させる指令走行速度を送り、その減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を送る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に適用したものである。
【００１３】
先ず、本実施の形態における同軸二輪車の外観斜視図を図１に示す。図１に示す同軸二輪車１において、車輪軸２の両端には一対の車輪３（右車輪３Ｒ及び左車輪３Ｌ）が止着されている。この車輪３は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪３の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。また、図示しないが、車輪３の表面には凹凸形状の溝が形成されており、凹凸のある路面を走行する際や段差を乗り越える際に高い摩擦力を保持することができる。
【００１４】
また、車輪軸２には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース４が、車輪軸２回りに傾動可能に支持されている。このベース４上には、例えば人間が搭乗した際に両手で把持するためのハンドル５が設けられる。
【００１５】
以下、本明細書においては、両輪を結ぶ車輪軸２の中間点をＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点Ｏと仮定し、この原点Ｏを通りベース４の主面と平行で且つ車輪軸２に垂直な方向をＸ軸又はロール軸、原点Ｏを通る車輪軸方向をＹ軸又はピッチ軸、原点Ｏを通りベース４の主面と垂直な方向をＺ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車１の前方をＸ軸の正方向、左方をＹ軸の正方向、上方をＺ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【００１６】
ベース４には、図２に示すように、正逆回転可能なモータ１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）が装着されており、モータ１０に隣接して、モータ１０の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１１（１１Ｒ及び１１Ｌ）が設けられている。また、モータ１０と車輪３との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器１２（１２Ｒ及び１２Ｌ）が介在されており、モータ１０の回転がこの減速器１２及びジョイント（図示せず）を介して車輪３に伝達される。
【００１７】
この減速器１２は、バックラッシュ量が１分以下であり、車輪３側の出力軸から外力により回転トルクが加わるとモータ１０側の入力軸にも回転トルクが伝達されて容易に回転する特性（バックドライバビレィティ性）を有する。このようなバックドライバビレィティ性を有する減速器１２を使用することにより、例えば空中状態から着地する際に、路面の反作用力をモータ１０が吸収して減衰し、安定に着地することができる。また、電源が遮断された場合であっても、機体に外力を加えてモータ１０を回転させ、容易に移動させることができる。さらに、坂道を重力に従って下るような場合には、モータ１０に回転トルクが伝達されて逆起電力が生じるが、この逆起電力を利用してバッテリ（図示せず）の充電を行い、バッテリ駆動時間を長くすることができる。なお、バッテリが完全に充電された場合には、回生抵抗により回生電力を熱として放出する制御を行う。また、下り坂に限らず、減速時に生じる回生電力もバッテリに充電するような電源管理回路（後述）が内蔵される。
【００１８】
さらに、ベース４には、ベース４のピッチ軸，ヨー軸回りの角速度ωｐ，ωyawを検出するためのジャイロセンサ１３のほか、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度αｐ，αｒ，αyawを検出するための加速度センサ１４や、ベース４上の負荷重量を検出するための圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されている。
【００１９】
このうち、圧力センサ１５は、図３（Ａ）の平面図及び同図（Ｂ）の側面図に示すようにベース４の板状体を構成する支持台４ａと可動台４ｂとの間の四隅に設けられており、この４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出することができる。すなわち、圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号がそれぞれＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４であり、無荷重状態で圧力センサ１５１〜１５４にかかる自重がＷ０である場合、負荷重量Ｗｇは、以下の式（１）のように求められる。
【００２０】
【数１】
また、圧力センサ１５１，１５４及び圧力センサ１５２，１５３のＸ座標がそれぞれＸｐｓ，−Ｘｐｓ、圧力センサ１５１，１５２及び圧力センサ１５３，１５４のＹ座標がそれぞれＹｐｓ，−Ｙｐｓである場合、重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。ここで、式（２）において、Ｗ１４は無荷重状態で圧力センサ１５１，１５４にかかる自重を示し、Ｗ２３は無荷重状態で圧力センサ１５２，１５３にかかる自重を示し、Ｗ１２は無荷重状態で圧力センサ１５１，１５２にかかる自重を示し、Ｗ３４は無荷重状態で圧力センサ１５３，１５４にかかる自重を示す。
【００２２】
【数２】
この圧力センサ１５によりベース４上の負荷による負荷荷重トルクＴ１が計算できるため、モータ１０にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース４上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。
【００２４】
さらにまた、ベース４の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置１６が搭載されており、この制御装置１６に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置１６は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース４のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。
【００２５】
また、この同軸二輪車１は、図４に示すように、車輪軸２回りに傾動可能とされるベース４（及びハンドル５）の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図４ではベース４の上面の高さが車輪軸２よりも高くなっているが、ベース４の上面が車輪軸２より低くなっていても構わない。
【００２６】
ここで、ベース４上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図５に示すように、ベース４上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクＴ１に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクＴｍを制御すると、ベース４はシーソのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸２回りの回転モーメントがゼロとなる点をＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ぶ。このＺＭＰが車輪３の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース４上で姿勢を保つことができる。
【００２７】
この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図６に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４及びハンドル５の重量中心Ｍが車輪軸２を中心に傾く。このとき、車輪軸２がバランスをとるための車輪軸トルクＴ０は以下の式（３）で表され、姿勢を保つためのモータトルクＴｍは減速器１２の減速比をＮ：１としてＴ０／Ｎで表される。
【００２８】
【数３】
本実施の形態における同軸二輪車１では、上述の如くベース４及びハンドル５の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されているため、式（３）のように、人間の体重Ｗｈによるモーメントとベース４及びハンドル５の重量Ｗｍによるモーメントとの差分を車輪軸トルクＴ０として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。
【００３０】
ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図７に示すＸ−Ｚ座標系を用いてさらに詳細に説明する。ここで図７では簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。また、車輪３、ベース４、及びベース４上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ（ｘ０、ｚ０），（ｘ１、ｚ１），（ｘ２、ｚ２）とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれｍ０，ｍ１，ｍ２とし、慣性モーメントをＩ０，Ｉ１，Ｉ２とする。
【００３１】
定義した点Ω（σ、φ）回りの第ｉリンク（ｉ＝０，１，２）の各運動量は、重心位置座標を（ｘｉ、ｚｉ）とすると、以下の式（４）で表される。ここで、式（４）においてｘ，ｚの上に付されている１つの点は、ｘ，ｚの１階微分であることを示している。
【００３２】
【数４】
したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式（５）で表される。ここで、式（５）においてｘ，ｚの上に付されている２つの点は、ｘ，ｚの２階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をｇとして以下の式（６）で表される。
【００３４】
【数５】
この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式（７）に示すように、点Ω（σ、φ）回りのモーメントＭΩが与えられる。
【００３６】
【数６】
質量ｍ０である車輪３の重力によるモーメントを除けば、点Ω（σ、φ）を原点にとることで、上述のモーメントＭΩは車輪軸２回りのモーメントＭａとなる。この車輪軸２回りのモーメントＭａは、以下の式（８）で表される。
【００３８】
【数７】
このモーメントＭａを用いて上述のモーメントＭΩを表せば、ｘ０＝０であるとき、すなわち車輪３の重心位置が車輪軸２上にあるとき、以下の式（９）で与えられる。
【００４０】
【数８】
ここで、ＺＭＰはモーメントＭΩが０である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸２の高さをｈ、ＺＭＰの座標を（σzmp、−ｈ）として式（７）に代入すると、以下の式（１０）のようになる。この式（１０）をσzmpについて解くことで、ＺＭＰをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。
【００４２】
【数９】
また、上述した式（９）にＺＭＰの座標（σzmp、−ｈ）を代入すると、以下の式（１１）のようになる。なお、この式（１１）は、車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を示す。
【００４４】
【数１０】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図８に図示する。図８において、ＦＮは床反力、ＦＴは転がり摩擦力、ＦはＦＮとＦＴとの合成ベクトルを表す。なお、床反力ＦＮは実際には車輪３の接地面全体に分布するが、図８ではＺＭＰに集約するものとして表している。この図から車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式（１２）のようになる。
【００４６】
【数１１】
なお、この式（１２）に以下の式（１３）〜（１５）を代入すると、上述した式（１１）と同じものになる。
【００４８】
【数１２】
ベース４上の姿勢が安定するには、式（１２）においてσzmp＝０となればよい。すなわち、車輪軸トルクＴ０＝−ＦＴ＊ｈが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、Ｔ０＝ＦＴ＝０を満たす以下の式（１６）に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。
【００５０】
【数１３】
このとき、ｘ０，ｘ１は、機構構造により一意に定まるが、ｍ２，Ｉ２，ｘ２，ｚ２は、人間であるため不定値である。このｍ２，Ｉ２，ｘ２，ｚ２によるベース４上でのモーメントＭｔは、以下の式（１７）で与えられる。但し、ベースは、図９のように水平に保たれるものとする。
【００５２】
【数１４】
ここで、負荷が人間である場合には角速度ω２が十分に小さいため、ω２≒０と近似すると、式（１８）においてｘ２とその２階微分値をゼロにするときモーメントＭｔがゼロになる。ｘ２とその２階微分値をゼロにすることは、ベース４上での負荷荷重トルクＴ１がゼロとなるようにｘ０及びｘ１を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクＴ１によるモーメントＭｔは、力Ｆ２でベース４上の作用点（ｘｆ、Ｌ）に作用することと等価である。したがって、このｘｆをゼロにするｘ０，ｘ１を与えることができればＴ１＝０となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。
【００５４】
図９に示すように、ベース４上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクＴｍを与えることによりｘ０＝ｘ１を保つように制御されているとき、ｘｆ＝ｘ０となるようにモータトルクＴｍを制御することで姿勢を安定に保つことができる。
【００５５】
具体的には、誤差Ｅｆ＝ｘｆ−ｘ０とするとき、Ｅｆ＞０であればｘ０を正の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを負として機体を前進させ、Ｅｆ＜０であればｘ０を負の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを正として機体を後退させることで、誤差Ｅｆをゼロに収束させることができる。すなわち、Ａ０を正の定数として、Ｔｍ＝−Ａ０＊ＥｆとなるモータトルクＴｍを与えることでＥｆをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００５６】
実際には、例えば図１０のようにベース４がピッチ軸回りに角度θ０だけ傾いた場合、体重Ｍの人間によりＴ１（＝Ｍτ×Ｌ）の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクＴ１と逆方向の車輪軸トルクＴ０を与えるようにモータトルクＴｍを制御することで、ＺＭＰを車輪３の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００５７】
ここで、ベース４上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常１〜２秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクＴ１は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ１０に加算し、負荷変動に対してベース４の角度を一定に保つ必要がある。
【００５８】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車１は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置１６内に図１１に示すような制御機構を有している。図１１において、減算器２０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器２１に供給される。姿勢制御器２１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルク電流値Ｔgyr［A］を計算する。また、調整器２２では、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を用いて負荷荷重トルクＴ１を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１'／Ｋｍ［A］を計算する。ここでＫｍはモータ定数［Nm/A］である。負荷の重心座標が（Ｘｇ、Ｙｇ）であり、負荷重量がＷｇである場合、推定負荷荷重トルクＴ１'は、以下の式（１８）のように与えられる。
【００５９】
【数１５】
そして減算器２３では、モータトルク電流値Ｔgyrと推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１'／Ｋｍとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流Ｉ［A］としてモータ２４に与えられる。モータ２４はこのモータ電流Ｉによって回転することによりモータトルクＴｍを発生し、加算器２５では、このモータトルクＴｍと負荷荷重トルクＴ１とが加算されてベース２６に伝えられる。
【００６１】
このように、負荷荷重トルクＴ１を相殺するためのモータトルクＴｍをモータ２４に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。
【００６２】
以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二重構造の制御機構を有している。
【００６３】
このような二重構造の制御機構の物理モデルを図１２に示す。なお、この図１２においても、簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。図１２に示すように、ベース４にはジャイロセンサ１３、加速度センサ１４、圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ３０、ロータリエンコーダ３１、モータロータ３２が存在し、モータロータ３２の回転は減速器３３及びジョイント３４を介して車輪３に伝達される。
【００６４】
姿勢制御／調整器４０は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０、及び圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４から、上述したモータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１'を計算する。また、モータ制御器４１は、走行指令であるモータロータ３２の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ３１によって検出したモータロータ３２の現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算する。
【００６５】
そして、加算器４２において、モータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１'と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ３２に供給される。
【００６６】
ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、Ｘ軸加速度Ａｘがゼロのときベース４が水平になるように、Ｘ軸加速度Ａｘが正のときベース４を前方に傾けるように、Ｘ軸加速度Ａｘが負のときベース４を後方に傾けるように、それぞれ設定される。例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図１３に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にＺＭＰが位置するようにベース４を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、Ｘ軸加速度Ａｘに比例して変化する。
【００６７】
制御機構のブロック図を図１４に示す。減算器５０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３（及び加速度センサ１４）によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器５１に供給される。姿勢制御器５１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルクＴgyrを計算し、このモータトルクＴgyrを加算器５４に供給する。
【００６８】
一方、減算器５２では、走行指令であるモータロータ５７の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ５８によって検出したモータロータ５７の現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器５３に供給される。モータ制御器５３は、この回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器５４に供給する。
【００６９】
また、ベース４に負荷荷重トルクＴ１が加えられると、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が調整器５５に供給され、調整器５５は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクＴ１'を計算する。
【００７０】
加算器５４では、姿勢制御器５１からのモータトルクＴgyrとモータ制御器５３からのモータトルクとが加算され、減算器５６では、この加算値から推定負荷荷重トルクＴ１'が減算される。これが最終的なモータトルクＴｍとなり、モータロータ５７に与えられる。加算器５９では、このモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１とが加算され、この加算値がモータステータ／ベース６０に与えられる。
【００７１】
モータロータ５７は、モータトルクＴｍに応じて回転制御される。このモータロータ５７の回転位置θｒは、減速比Ｎ：１の減速器６１によって１／Ｎに変換され車輪３に伝達される。すなわち、車輪３の回転位置θｗは、モータロータ５７の回転位置θｒの１／Ｎである。ロータリエンコーダ５８は、このモータロータ５７の回転位置θｒを検出し、検出信号を減算器５２に供給する。
【００７２】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述したように、モータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ／ベース６０の傾動は抑えられる。
【００７３】
図１５は、図１４に示したブロック図における処理をラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器５１には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差が与えられ、モータ制御器５３には、モータロータ５７の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差が与えられる。この姿勢制御器５１及びモータ制御器５３では、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。すなわち、Ｋｐ０，Ｋｐ１が比例ゲインとなり、Ｋｉ０，Ｋｉ１が積分ゲインとなり、Ｋｄ０，Ｋｄ１が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Ｐrefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ５７は、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Ｐrefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。
【００７４】
また、モータロータ５７には、姿勢制御器５１からのモータトルクとモータ制御器５３からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクＴ１'が減算されたモータトルクＴｍが与えられ、回転角度θｒだけ回転する。ここで、Ｊｒはモータロータ５７のイナーシャ（inertia）であり、Ｄｒはモータロータ５７の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７５】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述の如くモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Ｊはモータステータ／ベース６０のイナーシャであり、Ｄはモータステータ／ベース６０の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７６】
この図１５に示した数学モデルは、より詳細には例えば図１６に示すようになる。図１６に示すように、姿勢制御器７０は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクＴgyrを生成し、モータ制御器７１は、モータ１０の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。また、調整器７２は、圧力センサ１５のセンサ信号から推定負荷荷重トルクＴ１'を生成する。加算器７３ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクＴｍがモータ１０に与えられる。モータ１０は、このモータトルクＴｍにより回転駆動され、その回転が減速比１６：１の減速器７４によって１／１６に変換され車輪３に伝達される。
【００７７】
以上、図１２乃至図１６では、簡単のため車輪３が１つであるものとして説明したが、左右２つの車輪３Ｒ，３Ｌを有する実際の同軸二輪車１では、例えば図１４における姿勢制御器５１が左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通に用いられる一方で、モータ制御器５３が左右独立に設けられる。
【００７８】
この場合の制御機構のブロック図を図１７に示す。ジャイロセンサ１３からのセンサ値ωｐは例えば通過帯域が０．１〜５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８０を介して角度算出器８２に送られ、加速度センサ１４からのセンサ値αｐは例えば遮断周波数が０．１Ｈｚのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を介して角度算出器８２に送られる。角度算出器８２では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ０が算出される。また、減算器８３では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器８４に供給される。姿勢制御器８４は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とから、上述したモータトルクＴgyrを計算する。
【００７９】
一方、減算器８５Ｒでは、右車輪３Ｒ用の走行指令であるモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ９３Ｒによって検出したモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器８６Ｒに供給される。位置比例制御器８６Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器８７Ｒに供給する。また、微分器８８Ｒは、ロータリエンコーダ９３Ｒから供給されたモータロータ９２Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器８７Ｒに供給する。そして減算器８７Ｒでは、位置比例制御器８６Ｒからの比例制御結果と微分器８８Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器８９Ｒに供給される。速度比例制御器８９Ｒは、この偏差に対して速度比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を加算器９０Ｒに供給する。加算器９０Ｒでは、この比例制御結果とモータトルクＴgyrと調整器９４において圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４から求めた推定負荷荷重トルクＴ１'とが加算され、加算値が電流制御アンプ９１Ｒに供給される。電流制御アンプ９１Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ９２Ｒを駆動する。このモータロータ９２Ｒの回転位置は、減算器８５Ｒと共に微分器８８Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【００８０】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【００８１】
次に、本実施の形態における同軸二輪車１の速度制御について説明する。
上述したように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ベース４の四隅に設けられた４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出し、負荷荷重トルクＴ１を求めているが、さらに、この重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）を走行する方向、速度の制御指令として用いる。
【００８２】
具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき、例えば図１８に示すように速度指令Ｖｘを変化させる。ここで図１８において、Ｘ３からＸ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Ｗｇが大きいときや車輪３のガス圧が低いときには車輪３の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。
【００８３】
Ｘ座標がＸ１以上になると、前進最大速度ＳfMAX に達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、Ｘ座標がＸ２以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。同様に、Ｘ座標がＸ３以下になると、後退最大速度ＳbMAXに達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度ＳbMAXは、前進最大速度ＳfMAXよりも小さいことが好ましい。また、Ｘ座標がＸ４以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。
【００８４】
Ｘ座標がＸ１からＸ２まで、或いはＸ３からＸ４までの間では、そのＸ座標Ｘｇに応じて、例えば以下の式（１９）により、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｐrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｐreflとが生成される。ここで、式（１９）において、Ｇ０は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００８５】
【数１６】
なお、時刻ｔ＝０での速度指令がＶｘ０であり、時刻ｔ＝ｔ１での速度指令がＶｘ１である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Ｖｘ１に到達するまでの時間をΔｔとすると、時刻ｔ（０≦ｔ≦ｔ１）での走行速度指令Ｖref(ｔ)は、例えば以下の式（２０）により算出することができる。
【００８７】
【数１７】
このとき、モータ１０の回転位置指令Ｐref(ｔ)は、式（２０）の走行速度指令Ｖref(ｔ)を積分した値となり、以下の式（２１）に示すような５次関数で与えられる。ここで、式（２１）において、Ｐref０は時刻ｔ＝０での回転位置指令である。
【００８９】
【数１８】
また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき、例えば図１９に示すように旋回速度指令Ｖｒを変化させることもできる。ここで図１９において、−Ｙ１からＹ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。なお、この停止領域は、原点Ｏ近傍で任意に設定することができる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Ｙ座標がＹ１以上になると、右回り最大速度ＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Ｙ座標が−Ｙ１以下になると、左回り最大速度ＣＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。
【００９１】
Ｙ座標がＹ１以上又は−Ｙ１以下では、そのＹ座標Ｙｇに応じて、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２２）に示すような逆位相指令となる。ここで、式（２２）において、Ｇ１は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９２】
【数１９】
一方、走行速度がゼロでない場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２３）,（２４）に示すような同位相指令となる。ここで、式（２３）,（２４）において、Ｇ２は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９４】
【数２０】
ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いにより車輪３の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。
【００９６】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、図２０に示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw１［rad/sec］が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflの加算平均をＶref０としたとき、以下の式（２５）,（２６）に示すように、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌに与える回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式（２５）,（２６）において、Ｋ０は正の定数である。
【００９７】
【数２１】
また、目標方向としてＤref［rad/sec］が与えられている場合には、以下の式（２７）,（２８）に示すように左右の車輪に回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflを与える。
【００９９】
【数２２】
このようにして得られた回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflは、それぞれ以下の式（２９）,（３０）により車輪の回転位置指令Ｐrefr，Ｐreflに変換される。ここで、式（２９）,（３０）において、ｋはサンプリング回数を表す整数であり、Ｐref(ｋ)はｋサンプリングでの回転位置指令を示す。
【０１０１】
【数２３】
同様に、旋回する場合についても、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。
【０１０３】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw２［rad/sec］が検出されている場合について説明する。右車輪３Ｒの回転位置指令Ｒrefr及び左車輪３Ｌの回転位置指令Ｒreflを微分した信号をそれぞれＶrefr，Ｖreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式（３１）で表される。
【０１０４】
【数２４】
この場合、以下の式（３２）,（３３）に示すように、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌに与える回転位置指令Ｒrefr，Ｒreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式（３２）,（３３）において、Ｇ３は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【０１０６】
【数２５】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１０８】
また、段差のある路面を走行する場合には、車輪３が段差を乗り越えるときや段差を降りるときに機体に衝撃力が作用し、搭乗者が転倒してしまう虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合には指令走行速度を小さくすることで、機体への衝撃力を緩和する。
【０１０９】
一例として、図２１（Ａ）に示すような段差のある路面を走行する場合について説明する。図２１（Ｂ）に示すように走行速度Ｖｘ０で走行中、時刻ｔ１に段差を乗り越えるとＺ軸方向の加速度Ａｚが発生する。この加速度Ａｚの絶対値|Ａｚ|が閾値Ａ０以上になると減速を始める。すなわち、サンプリング回数を表す整数をｋとし、ｋサンプリングでの走行速度をＶｘ(ｋ)としたとき、走行速度Ｖｘ(ｋ)の絶対値|Ｖｘ(ｋ)|に基づいて設定された最小値に達するまで、例えば以下の式（３４）に従って減速する。ここで、式（３４）において、Ｋａ０は正の定数である。
【０１１０】
【数２６】
また、減速後に加速度Ａｚの絶対値|Ａｚ|が閾値Ａ０を下回ると、走行速度Ｖｘ(ｋ)の絶対値|Ｖｘ(ｋ)|に基づいて設定された最大値に達するまで、例えば以下の式（３５）に従って加速する。ここで、式（３５）において、Ｋａ１は正の定数である。
【０１１２】
【数２７】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。なお、加速度センサ１４の代わりにジャイロセンサ１３を用いるようにしても構わない。
【０１１４】
以上により、同軸二輪車１は、姿勢安定制御を行いながら走行することができるが、以下に説明するような画像認識手段及び音声認識手段を備えることで、さらに高次の機能を実現することができる。
【０１１５】
例えば、通常、搭乗者は視覚により走行方向を定めるが、走行速度が速くなると搭乗者の視点は遠くに向けられるため、足下の路面の状況が見えなくなり、路面の凹凸や段差により転倒する問題が発生する虞がある。また、同軸二輪車１を自律走行させる場合においても、路面の凹凸や路面上の障害物が検出できないと、障害物に衝突する問題や、機体が不安定になり転倒する問題が発生する虞がある。
【０１１６】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２２（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのＣＣＤカメラ１７（１７Ｒ及び１７Ｌ）を搭載しており、このＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌを用いて、図２２（Ｂ）に示すように、左右の画像の差分から３角測量法により近接した路面環境、例えば障害物ＯＢや路面の凹凸の大きさ及び位置を検出することができる。これにより、走行できない路面環境を回避したり、路面の障害物を非接触で回避したりすることが可能になる。
【０１１７】
また、画像認識により指定された対象物、例えば人間のような動く対象物を特定し、追従して走行させることも可能である。
【０１１８】
また、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２３（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのマイクロホン１８（１８Ｒ及び１８Ｌ）を搭載しており、この２つのマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌを用いて、図２３（Ｂ）に示すように、音源ＳＤの方向及び距離を推定することができる。これにより、例えば音源に反応したり、車輪３を回転させて音源方向に向くことが可能になる。また、機体が音源に接近している場合には、走行を停止することで音源への衝突を防止することができる。さらに、音声信号を用いた話者認識を応用し、例えば予め使用者の声を登録しておき、その声が認識された場合にＬＥＤを点灯させたり音声を発したりするようにすることで、盗難された場合の機体認識や、多数の同機種の機体が並べられたときに、使用者の音声による機体の選別が可能になる。
【０１１９】
なお、マイクロホン１８には、人間の声以外にも車輪３の回転時の騒音等も入力されるため、正確な音源推定や話者認識が困難になる虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、走行時に音声認識或いは話者認識を行う場合、騒音が重畳した音声信号から予めメモリに記憶された騒音信号の周波数成分を除去し、騒音の除去された音声信号に基づいて音源推定等を行う。これにより、走行時においても正確な音源推定、話者認識等が可能となる。
【０１２０】
具体的には、図２４に示すように、左右のマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌにより検出された音声信号は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１００Ｒ，１００Ｌにおいてデジタル信号に変換され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。一方、騒音信号データベース１０２には、予め種々の走行速度における騒音信号が記憶されており、この騒音信号データベース１０２に現在の走行速度信号が入力されると、走行速度に応じた騒音信号が読み出され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。減算器１０１Ｒ，１０１Ｌでは、アナログ／デジタル変換器１００Ｒ，１００Ｌから供給された音声信号からこの騒音信号の周波数成分が除去される。
【０１２１】
音声認識部１０３は、騒音信号の周波数成分が除去された音声信号を用いて音源の位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を求めるほか、話者データベース１０４を用いてその音声を発した話者を特定し、音源位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）や話者特定信号を目標座標変換部１０５に供給する。目標座標変換部１０５は、例えばＸ−Ｙ座標系における音源位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を目標位置（Ｘref、Ｙref）とし、この走行位置指令（Ｘref、Ｙref）と走行速度指令Ｖrefとを出力する。
【０１２２】
このような同軸二輪車１のソフトウェア構成を図２５を用いて説明する。図２５に示すように、最下位層のハードウェア・レイヤ１５０から順に、カーネル・レイヤ１５１、オンボディ・レイヤ１５２、ネットワーク・レイヤ１５３、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４という階層構造で構成される。
【０１２３】
ハードウェア・レイヤ１５０は、回路の階層であり、例えばモータ制御回路、中央制御回路、センサ回路の制御回路等が含まれる。カーネル・レイヤ１５１は、モータサーボ演算や姿勢制御演算、走行制御演算、或いはリアルタイム走行目標値演算等の各種演算を行う階層である。このハードウェア・レイヤ１５０及びカーネル・レイヤ１５１において、基本的な姿勢安定制御と走行制御とが実現される。
【０１２４】
オンボディ・レイヤ１５２は、音声認識や画像認識、走行目標値演算、障害物回避軌道の生成等を行う階層であり、図２２及び図２３で上述した障害物回避や対象物への追従、音源への走行などは、この階層で実行される。また、その上位のネットワーク・レイヤ１５３は、ネットワーク通信インターフェースや、走行制御情報、画像・音声情報のネットワーク通信、機体の走行計画管理、搭乗者とのマンマシンインターフェース、或いは３次元画像認識データベース管理等を含む。そして、最上位のアプリケーション・レイヤ１５４は、ネットワーク通信による遠隔走行制御や、搭乗者と機体との対話等を行う階層である。
【０１２５】
これらの各階層は、それぞれ異なるサンプリングの制御周期で実行され、上位階層ほどその周期は長くなる。例えば最下位層のハードウェア・レイヤ１５０では、その制御周期が０．１msecと短い周期であるのに対して、カーネル・レイヤ１５１では１msec、オンボディ・レイヤ１５２では１０msec、ネットワーク・レイヤ１５３では１００msec、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４では１sec〜１００msecと長い周期になっている。
【０１２６】
続いて、同軸二輪車１における回路の全体構成について説明する。図２６に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が供給される。センサ回路２００は、このセンサ信号のほか、ピッチ軸回り及びヨー軸回りの角速度を検出するジャイロセンサからのセンサ信号ωｐ，ωyawと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度を検出する加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawとを合わせて、制御装置１６に供給する。また、音声処理回路２０１には、マイクロホン１８Ｒ，１８Ｌからの音声信号が供給され、画像処理回路２０２には、ＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌからの画像信号が供給される。音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２は、この音声信号及び画像信号を制御装置１６に供給する。
【０１２７】
制御装置１６は、これらのセンサ信号や音声・画像信号に基づいて、上述したようにモータトルクＴgyrや、走行指令であるモータロータの回転位置指令Ｐrefを生成し、これらを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌは、このモータトルクＴgyr、モータロータの回転位置指令Ｐref等に基づいて、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒ，１０Ｌを駆動するための最適なモータ電流を算出し、モータ１０Ｒ，１０Ｌに供給する。このモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置は、ロータエンコーダ１１Ｒ，１１Ｌによって求められ、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにフィードバックされる。
【０１２８】
サーボオン／パワースイッチ２０４は、制御装置１６及び電源スイッチ２０５と接続されており、電源スイッチ２０５からの信号は電源管理回路２０６に供給される。この電源管理回路２０６は、バッテリ２０７と接続されており、制御装置１６、音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２に２４Ｖの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１２９】
図２６に示した全体構成の詳しい内部構成を図２７を用いて説明する。図２７に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４、ジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyaw、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawが供給される。センサ回路２００は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を例えば１０mv/Nの圧力ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、制御装置１６の重心演算部２１０に供給する。また、センサ回路２００は、ジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyawを例えば１．６V/radsec−１の姿勢ゲインでゲイン調整すると共に、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawを例えば１．６V/radsec−２の姿勢ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、信号前処理部２１１に供給する。この信号前処理部２１１は、入力された信号に対してデジタルフィルタを施したり、オフセット調整や姿勢位置すなわちベース角度θ０の算出をしたりする前処理を行う。
【０１３０】
重心演算部２１０は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４に基づいて前述したようにベース４上の負荷の重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを計算し、この重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）及び負荷重量Ｗｇの情報を走行指令算出器２１２に供給すると共に、重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇの情報を旋回指令発生器２１５に供給する。走行指令算出器２１２は、例えば図１８に示したような重心位置Ｘ座標−走行速度特性に基づき速度指令Ｖｘを生成し、回転速度指令発生器２１３は、この速度指令Ｖｘに基づいて前述した５次関数演算を行うことにより、回転速度指令Ｖref(ｔ)を生成する。回転速度指令発生器２１３は、回転位置指令Ｐref(ｔ)を回転位置指令発生器２１４、旋回指令発生器２１５、及び姿勢指令発生器２１６に供給する。
【０１３１】
旋回指令発生器２１５は、重心演算部２１０から供給された重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇ、信号前処理部２１１から供給されたヨー軸回りの回転角速度ωyaw、及び回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づいて旋回する際の位相指令、例えばＹｇ＊Ｇ１を生成し、この位相指令を回転位置指令発生器２１４に供給する。回転位置指令発生器２１４は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)を積分して回転位置指令Ｐref(ｔ)を生成し、左右のモータドライバに回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を供給する。この際、回転位置指令発生器２１４は、旋回指令発生器２１５からの位相指令を考慮して回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成する。
【０１３２】
ここで、音声処理回路２０１は、マイクロホン１８からの音声信号を制御装置１６の音声認識部２１９に供給する。音声認識部２１９は、この音声信号に基づいて例えば音源位置座標や話者を推定する処理を行い、その音源位置を走行目標とする走行位置指令を生成する。また、画像処理回路２０２は、ＣＣＤカメラ１７からの画像信号を制御装置１６の障害物回避部２２０に供給する。障害物回避部２２０は、この画像信号に基づいて路面の障害物を検出し、その障害物を回避するための走行位置指令を生成する。上述の回転位置指令発生器２１４は、この音声認識部２１９や障害物回避部２２０からの走行位置指令に基づいて回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成することもできる。
【０１３３】
姿勢指令発生器２１６は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づき、図１３を用いて説明したように姿勢指令であるベース角度指令θrefを計算し、このベース角度指令θrefを減算器２１７に供給する。減算器２１７では、このベース角度指令θrefから信号前処理部２１１で求められた現在のベース角度θ０が減算され、偏差が姿勢制御器２１８に供給される。姿勢制御器２１８は、この偏差を元にしてＰＩＤ制御を行い、モータトルクＴgyrを求める。なお、ＰＩＤ制御を行う際には、ベース４上の負荷重量Ｗｇに応じてＰＩゲインを変更するようにしてもよい。具体的には、負荷重量Ｗｇが大きくなると比例ゲインを大きくし、積分ゲインを小さくすることが好ましい。姿勢制御部２１８は、このモータトルクＴgyrを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。
【０１３４】
右車輪３Ｒ用のモータドライバ２０３Ｒにおいて、減算器２３０Ｒでは、モータ１０Ｒ用の走行指令である回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ１１Ｒによって検出したモータ１０Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器２３１Ｒに供給される。位置比例制御器２３１Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器２３２Ｒに供給する。また、微分器２３３Ｒは、ロータリエンコーダ１１Ｒから供給されたモータ１０Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器２３２Ｒに供給する。そして減算器２３２Ｒでは、位置比例制御器２３１Ｒからの比例制御結果と微分器２３３Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例・積分制御器２３４Ｒに供給される。速度比例・積分制御器２３４Ｒは、この偏差に対して速度比例・積分（ＰＩ）制御を行い、比例・積分制御結果を加算器２３５Ｒに供給する。加算器２３５Ｒでは、この比例・積分制御結果とモータトルクＴgyrとが加算され、加算値が電流制御アンプ２３６Ｒに供給される。電流制御アンプ２３６Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒを駆動する。このモータ１０Ｒの回転位置は、減算器２３０Ｒと共に微分器２３３Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【０１３５】
電源管理回路２０６は、例えば２４Ｖのバッテリ２０７と接続されており、制御装置１６に２４Ｖ，１Ａの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにそれぞれ２４Ｖ，３０Ａのモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１３６】
以上説明したように、本実施の形態における同軸二輪車１では、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４を用いてベース４の角度制御を行うモータトルクＴgyrと、圧力センサ１５を用いて負荷荷重トルクを相殺するモータトルクＴ１'とを生成する、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢制御器と、圧力センサ１５を用いて走行制御を行うモータトルクを生成する、左右独立なモータ制御器とを設け、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【０１３７】
また、本実施の形態における同軸二輪車１では、ベース４上の負荷の重心座標に応じて走行制御を行うが、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲、Ｙ座標範囲に停止領域（不感帯）を設けているため、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退・旋回することを防止することができる。
【０１３８】
さらに、本実施の形態における同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１３９】
さらにまた、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。
【０１４０】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１４１】
例えば、上述の実施の形態では、ベース４上の重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき旋回速度指令Ｖｒを変化させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ハンドル５に操舵性を持たせるようにしても構わない。この場合、ベース４にポテンショメータを内蔵し、この回転角度ＰＭを重心位置のＹ座標Ｙｇの代わりに用いることができる。この場合にも、前述と同様に停止領域（不感帯）を設けておくことが好ましい。
【０１４２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の停止領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、上記負荷の位置が上記停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０１４３】
このような同軸二輪車によれば、ベース上の負荷の位置が所定の停止領域内、例えば車輪軸に垂直な方向の範囲が上記一対の車輪が路面と接する接地領域の車輪軸に垂直な方向の範囲内であるような領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、その停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を送ることにより、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退するのを防止することができる。
【０１４４】
また、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の減速領域内にある場合には、減速停止させる指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記負荷の位置が上記減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０１４５】
このような同軸二輪車によれば、ベース上の負荷の位置が所定の減速領域内、例えば上記負荷検出手段による負荷検出可能範囲の境界近傍の領域内にある場合には減速停止させる指令走行速度を送り、その減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を送ることにより、重心位置が大きくずれた場合であっても、再び姿勢を安定させることができ、安全性が保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における同軸二輪車を示す外観斜視図である。
【図２】同軸二輪車のベースを説明するための側断面図である。
【図３】同軸二輪車のべースに設けられた圧力センサを示す図であり、同図（Ａ）は平面図を示し、同図（Ｂ）は側面図を示す。
【図４】同軸二輪車の重量中心と車輪軸との位置関係を示す図である。
【図５】負荷荷重トルクとモータトルクとのつり合いを説明する図である。
【図６】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図７】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図８】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図９】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図１０】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図１１】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図１２】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示す図である。
【図１３】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図１４】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図１６】図１５に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図１７】車輪が２つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図１８】前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図１９】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図２０】直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号が検出される場合の制御方法を説明する図である。
【図２１】Ｚ軸方向の加速度信号が検出される場合の速度制御方法を説明する図であり、同図（Ａ）は機体が段差を乗り越える様子を示す図であり、同図（Ｂ）は走行速度及びＺ軸加速度の変化を示す図である。
【図２２】同軸二輪車における画像認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるＣＣＤカメラを示す図であり、同図（Ｂ）はこのＣＣＤカメラによる障害物検出の様子を示す図である。
【図２３】同軸二輪車における音声認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるマイクロホンを示す図であり、同図（Ｂ）はこのマイクロホンによる音源検出の様子を示す図である。
【図２４】走行中の音源検出等を実現する制御機構を示すブロック図である。
【図２５】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図２６】同軸二輪車１における各回路の全体構成を説明する図である。
【図２７】図２６に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。
【符号の説明】
１ 同軸二輪車、２ 車輪軸、３ 車輪、４ ベース、５ ハンドル、１０ モータ、１１ ロータリエンコーダ、１２ 減速器、１３ ジャイロセンサ、１４ 加速度センサ、１５ 圧力センサ、１６ 制御装置、１７ ＣＣＤカメラ、１８ マイクロホン、２１ 姿勢制御器、２２ 調整器、３０ モータステータ、３１ ロータリエンコーダ、３２ モータロータ、３４ ジョイント、４０ 姿勢制御／調整器、４１ モータ制御器、６０ モータステータ／ベース、１００Ｒ，１００Ｌ アナログ／デジタル変換器、１０２ 騒音信号データベース、１０３ 音声認識部、１０４ 話者データベース、１０５ 目標座標変換部、１５０ ハードウェア・レイヤ、１５１ カーネル・レイヤ、１５２ オンボディ・レイヤ、１５３ ネットワーク・レイヤ、１５４ アプリケーション・レイヤ、２００ センサ回路、２０１ 音声処理回路、２０２ 画像処理回路、２０３Ｒ，２０３Ｌ モータドライバ、２０４ サーボオン／パワースイッチ、２０５電源スイッチ、２０６ 電源管理回路、２０７ バッテリ、２１０ 重心演算部、２１１ 信号前処理部、２１２ 速度指令算出器、２１３ 回転速度指令発生器、２１４ 回転位置指令発生器、２１５ 旋回指令発生器、２１６ 姿勢指令発生器、２１８ 姿勢制御器、２１９ 音声認識部、２２０ 障害物回避部
Claims (14)
- 一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置と、を備える同軸二輪車において、
上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、
上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の停止領域内にある場合には、指令走行速度及び指令旋回速度を０とし、上記負荷の位置が上記停止領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度及び指令旋回速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、
上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、
上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令する
ことを特徴とする同軸二輪車。 - 上記停止領域の上記車輪軸に垂直な方向の範囲は、上記一対の車輪が路面と接する接地領域の上記車輪軸に垂直な方向の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
- 上記負荷検出手段は、複数の圧力センサであることを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
- 上記ベースは、支持台と可動台とから構成されており、
上記複数の圧力センサは、少なくとも上記支持台の四隅に設けられ、その上に上記可動台が載置されていることを特徴とする請求項３記載の同軸二輪車。 - 上記角度検出手段は、ジャイロセンサ及び加速度センサであることを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
- 上記ベースの重量中心が上記車輪軸よりも下方に位置することを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
- 上記ベースには、前方の画像を撮影する撮像手段と、撮影された画像を処理する画像処理手段とがさらに設けられ、
上記制御装置は、上記画像処理手段の処理結果に応じた走行指令を上記一対の駆動用モータの各々に送る
ことを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。 - 上記画像処理手段は、上記撮影された画像から障害物の位置及び距離を検出する処理を行い、
上記制御装置は、上記障害物を回避する走行指令を上記一対の駆動用モータの各々に送る
ことを特徴とする請求項７記載の同軸二輪車。 - 上記画像処理手段は、上記撮影された画像から所定の対象物の位置及び距離を検出する処理を行い、
上記制御装置は、上記対象物に追従する走行指令を上記一対の駆動用モータの各々に送る
ことを特徴とする請求項７記載の同軸二輪車。 - 上記ベースには、周囲の音声を集音する集音手段と、集音された音声を処理する音声処理手段とがさらに設けられ、
上記制御装置は、上記音声処理手段の処理結果に応じた走行指令を上記一対の駆動用モータの各々に送る
ことを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。 - 上記音声処理手段は、上記集音された音声の音源位置を検出する処理を行い、
上記制御装置は、上記音源に追従し又は回避する走行指令を上記一対の駆動用モータの各々に送る
ことを特徴とする請求項１０記載の同軸二輪車。 - 上記音声処理手段は、予め走行速度に応じた騒音信号が記録された記憶手段を有し、上記集音された音声から集音時の走行速度に対応する騒音信号の周波数成分を除去した後、音声処理を行うことを特徴とする請求項１０記載の同軸二輪車。
- 一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、
上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段が設けられ、
上記制御装置は、上記負荷の位置が所定の減速領域内にある場合には、減速停止させる指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、上記負荷の位置が上記減速領域外にある場合には、その位置に応じた指令走行速度を上記一対の駆動用モータの各々に送り、
上記ベースには、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段がさらに設けられ、
上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令する
ことを特徴とする同軸二輪車。 - 上記減速領域は、上記負荷検出手段による負荷検出可能範囲の境界近傍の領域であることを特徴とする請求項１３記載の同軸二輪車。
Priority Applications (4)
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