JP4794327B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は車両に関し、例えば倒立振り子の姿勢制御を利用した車両の姿勢制御に関する。

倒立振り子の姿勢制御を利用した車両（以下、単に倒立振り子車両という）が注目され、現在実用化されつつある。
例えば、同軸上に配置された２つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による駆動輪の姿勢を感知して駆動する技術が特許文献１で提案されている。
また、従来の円形状の駆動輪１つや、球体状の駆動輪１つの姿勢を制御しながら移動する車両が特許文献２において提案されている。

このような、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両では、運転者の重心移動量やリモコン操作量に応じた駆動力を発生させ、姿勢制御を行いながら走行するようになっている。
特許文献記載の技術では、車両の重心位置を移動させてバランスを保持するために、錘やカウンタウェイト（以下単にバランサという）を配置し、これを移動させることで重心移動を行う技術について開示されている。
特開２００４−２７６７２７公報 特開２００４−１２９４３５公報

上記した両特許文献では、車両の重心移動方向と反対方向にバランサを移動させるようにしている。
しかし、バランサを移動すると、その移動方向と反対方向の反力が車両に作用し、バランサと反対方向に車両重心（バランサの重心を除く）が移動することになる。
このため、バランサ重心を除いた車両重心が例えば前方に移動した場合に、バランサを後方に移動させると、反力により車両重心はさらに前方に移動してしまいバランスをとることができない。
特許文献に記載された車両重心とバランサ重心は、両重心を合成した全重心が車軸の鉛直線上に位置したバランス状態、言い換えれば静的な安定状態における重心位置を表現したに過ぎず、この静的安定状態は、車両重心の移動方向と反対方向にバランサを移動させることによっては実現することはできない。

そこで、本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両において、バランサの移動により車両の姿勢を動的に制御することが可能な車両を提供することを目的とする。

（１）請求項１記載の発明では、一軸上に配置された駆動輪と、搭乗部と、前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、搭乗者による駆動指令に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、前記検出した搭乗部の物理量に応じて前記検出した搭乗部の傾斜方向に前記バランサを移動し、これにより生じる反力トルクで前記搭乗部を元の姿勢位置に戻すことで前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、を車両に具備させて前記目的を達成する。
（２）請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の車両において、前記姿勢制御手段は、前記バランサを、前記検出した物理量に対するトルクＴ１以上のトルクＴ２を発生させる角加速度又は角速度で移動させることを特徴とする。
（３）請求項３に記載した発明では、請求項２に記載の車両において、前記バランサを移動させるバランサモータを備え、前記姿勢制御手段は、前記バランサモータにより前記バランサを前記搭乗部の傾斜方向に移動させることを特徴とする。
（４）請求項４に記載した発明では、請求項３に記載の車両において、前記姿勢制御手段は、前記バランサと共に前記バランサモータを、前記搭乗部の傾斜方向に移動させることを特徴とする。
（５）請求項５に記載した発明では、請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の車両において、前記バランサは、前記バランサモータに電力を供給する電源であることを特徴とする。

本発明では、搭乗部の傾斜に基づく角加速度等の物理量を検出し、検出した物理量に応じて、バランサを搭乗部の傾斜方向に移動させることで姿勢制御を行うようにしたので、駆動輪が一軸上に配置された車両の姿勢を動的に制御することができる。

以下、本発明の車両における好適な実施の形態について、図１から図１６を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
本実施形態では、ジャイロセンサで搭乗部（車体）の傾斜を検出し、その傾斜する角加速度から、搭乗部の傾斜に対するトルクＴ１を算出し、そのトルクＴ１を打ち消して傾斜方向と反対の方向に搭乗部を戻すためのトルクＴ２をバランサの移動により発生させる。
すなわち、バランサを搭乗部の傾斜方向にトルクＴ２（＞Ｔ１）で駆動することにより、トルクＴ２に対する反力トルク−Ｔ２を搭乗部に作用させる。
この反力トルク−Ｔ２により、搭乗部は最初に傾斜した方向と反対方向に押し戻される。
搭乗部が反対方向に押し戻されることで、鉛直線に対する反対側に搭乗部が傾斜した際の角加速度をジャイロセンサで検出し、その角加速度に対応したトルクＴ２でバランサを反対方向（搭乗部の移動方向で、最初にバランサを移動した方向と逆の方向）に再度移動する。

このように、本実施形態では、搭乗部の傾斜方向にバランサを移動し、その反力トルクで搭乗部を反対方向に移動する。この動作が繰り返されることで搭乗部の傾斜角度は徐々に小さくなり、搭乗部とバランサとの全体の重心が鉛直線上に戻るまで繰り返される。

（２）実施形態の詳細
図１は本実施形態にかかる倒立振り子車両の外観構成を例示したものである。
図１に示されるように、倒立振り子車両は、同軸に配置された２つの駆動輪１１ａ、１１ｂを備えている。
両駆動輪１１ａ、１１ｂは、それぞれ駆動モータ（ホイールモータ）１２で駆動されるようになっている。

駆動輪１１ａ、１１ｂ（以下、両駆動輪１１ａと１１ｂを指す場合には駆動輪１１という）及び駆動モータ１２の上部には運転者が搭乗する搭乗部１３が配置されている。
搭乗部１３は、運転者が座る座面部１３１、背もたれ部１３２、及びヘッドレスト１３３で構成されている。
搭乗部１３は、駆動モータ１２が収納されているホイールモータ筐体１２１に固定された支持部材１４により支持されている。

搭乗部１３の左脇には操縦装置１５が配置されている。この操縦装置１５は、運転者の操作により、倒立振り子車両の加速、減速、旋回、回転、停止、制動等の指示を行う為のものである。
本実施形態における操縦装置１５は、座面部１３１に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設けその上部に操縦装置を配置するようにしてもよい。

なお本実施形態において、操縦装置１５の操作により出力される操作信号によって加減速等の制御が行われるが、例えば、特許文献１に示されるように、運転者が車両に対する前傾きモーメントや前後の傾斜角を変更することで、その傾斜角に応じた車両の姿勢制御及び走行制御を行うように切替可能にしてもよい。
なお、運転者による傾きモーメントによる姿勢制御及び走行制御を行う場合には、本実施形態による姿勢制御は行わない。
但し、傾きモーメントによる姿勢制御等を行う場合であっても、運転者の動きによる傾きモーメントと、外力による傾きモーメントとを別々に検出するセンサを配置する場合には、外力による傾きモーメントを打ち消すために本実施形態による姿勢制御を適用するようにしてもよい。

搭乗部１３と駆動輪１１との間には制御ユニット１６が配置されている。
本実施形態において制御ユニット１６は、搭乗部１３の座面部１３１の下面に取り付けられているが、支持部材１４に取り付けるようにしてもよい。

制御ユニット１６の下部には、本実施形態におけるバランサ駆動部１８が配置されている。
バランサ駆動部１８は、両駆動輪１１間の略中心上で、駆動輪に挟まれる位置に配置されている。

図２は、バランサ駆動部１８の構成を表したものである。
図２に示されるようにバランサ駆動部１８は、制御ユニット１６の下部に取り付けられたバランサモータ１８１、バランサ１８２、及びバランサ駆動機構１８３から構成されている。

バランサ駆動機構１８３は、互いに歯合するバランサ歯車１８４、軸受け１８５、歯車支持部１８６、及びモータ歯車１８７を備えている。
バランサ歯車１８４は、半円形状に形成され、その長さ方向の中心にはバランサ１８２が固定されている。

軸受け１８５は、静圧軸受け等の各種軸受けを使用することが可能であるが、本実施形態では転がり軸受けで構成されている。
軸受け１８５の内輪はホイールモータ筐体１２１の外面に固定されており、外輪には３本の歯車支持部１８６を介してバランサ歯車１８４が固定されている。これにより、半円形状のバランサ歯車１８４は駆動輪１１と同軸（回転軸１１１）で回動することになる。

本実施形態において、バランサ歯車１８４を半円形状とすることで、バランサ歯車１８４自体をバランサ１８２の荷重の一部として使用することができる。
本実施形態では、バランサ１８２がバランサ歯車１８４の長さ方向の中心に固定されることで、約１８０度の範囲で移動可能になっている。

モータ歯車１８７は、バランサモータ１８１の回転軸に取り付けられている。
モータ歯車１８７は、バランサ歯車１８４と歯合しており、バランサモータ１８１の駆動力で回動することで、バランサ歯車１８４を回動させる。これにより、バランサ１８２が、その回動軸１１１を中心に駆動輪１１と平行な面内を移動する。

バランサモータ１８１は、制御ユニット１６に固定されることで、間接的に搭乗部１３（本実施形態では座面部１３１）に固定されている。
これにより、バランサモータ１８１によりバランサ１８２を所定トルクＴで回動（移動）させる、その反力がバランサモータ１８１から搭乗部２２に作用することになる。

図３は、倒立振り子車両の制御ユニット１６の構成を表したものである。
制御ユニット１６は、バッテリ１６０、主制御装置１６１、ジャイロセンサ１６２、モータ制御装置１６３を備えている。
バッテリ１６０は、駆動モータ１２及びバランサモータ１８１に電力を供給する。また、主制御装置１６１にも制御用の低電圧の電源を供給するようになっている。

主制御装置１６１は、メインＣＰＵを備え、図示しない各種プログラムやデータが格納されたＲＯＭ、作業領域として使用されるＲＡＭ、外部記憶装置、インターフェイス部等を備えたコンピュータシステムで構成されている。
倒立振り子車両の姿勢を保持する姿勢制御プログラム、操縦装置１５からの各種指示信号に基づいて走行を制御する走行制御プログラム等の各種プログラムがＲＯＭ（又は外部記憶装置）に格納されており、主制御装置１６１は、これら各種プログラムを実行することで対応する処理を行う。

ジャイロセンサ１６２は、搭乗部１３の姿勢を感知する姿勢感知センサとして機能する。
ジャイロセンサ１６２は、搭乗部１３の傾斜に基づく物理量として、搭乗部１３の角加速度と傾斜角度θを検出する。
なお、本明細書において角加速度は｛θ｝で表し、図面においてはθの上部に２つのドットを付したθドット・ドットで表示する。

ジャイロセンサ１６２で検出される傾斜角度θは、車両前方に傾斜する場合がθ＞０、後に傾斜する場合がθ＜０である。
主制御装置１６１は、ジャイロセンサ１６２で検出される傾斜角度から傾斜方向を認識する。

なお、本実施形態のジャイロセンサ１６２では、角加速度と傾斜角を検出して主制御装置１６１に供給するが、角加速度だけを検出するようにしてもよい。
この場合、主制御装置１６１は、ジャイロセンサ１６２から供給される角加速度を蓄積することで、角速度と角度を算出して傾斜角を取得するようにする。

また、姿勢感知センサとしてはジャイロセンサ１６２以外に、液体ロータ型角加速度計、渦電流式の角加速度計等の搭乗部１３が傾斜する際の角加速度に応じた信号を出力する各種センサを使用することができる。
液体ロータ型角加速度計は、サーボ型加速度計の振り子の代わりに液体の動きを検出し、この液体の動きをサーボ機構によりバランスさせるときのフィードバック電流から角加速度を測定するものである。一方、渦電流を利用した角加速度計は、永久磁石を用いて磁気回路を構成し、この回路内に円筒形のアルミニウム製のロータを配置し、このロータの回転速度の変化に応じて発生する磁気起電力に基づき、角加速度を検出するものである。

モータ制御装置１６３は、駆動モータ１２、及びバランサ駆動部１８のバランサモータ１８１を制御する。
すなわち、主制御装置１６１から供給される駆動トルク、速度、回転向きの各指示信号に応じて駆動モータ１２を制御する。
また、主制御装置１６１から供給される回転方向指令とトルク指令値Ｔ２に応じたトルクを出力するようにバランサモータ１８１を、指令された方向に駆動制御する。

モータ制御装置１６３は、駆動モータ１２用のトルク−電流マップと、バランサモータ１８１用のトルク−電流マップを備えている。
このトルク−電流マップに従って、モータ制御装置１６３は、主制御装置１６１から供給される駆動トルクに対応する電流を駆動モータ１２に対して出力し、供給されるトルク指令値Ｔ２に対応する電流をバランサモータ１８１に対して出力するように制御する。
なお、主制御装置１６１から供給される駆動トルクは、車両が停止している場合には、姿勢制御のためのトルク指令値Ｔ３であり、走行中は運転者の駆動要求に応じたトルク指令値から姿勢制御のためのトルク指令値Ｔ３を加減算した値である。

主制御装置１６１には、駆動モータ１２、操縦装置１５、及びジャイロセンサ１６２から各装置、機器に応じた情報が供給されるようになっており、これらの情報に応じて姿勢、走行、制動の各制御が行われるようになっている。
すなわち、駆動モータ１２からトルクとロータ位置を示す情報が供給され、操縦装置１５から加速指示情報、減速指示情報、旋回方向を示す旋回情報が供給され、ジャイロセンサ１６２からは搭乗部の角加速度｛θ｝が供給されるようになっている。

以上のように構成された倒立振り子車両による姿勢制御処理の動作について説明する。なお、この姿勢制御処理は、車両が停止している（走行していない）場合、加減速中、及び定速走行中、すなわち、車両が取りうるの全ての状態において行われる。

図４は、倒立振り子車両における姿勢制御の原理について説明したものである。
図４（ａ）に示されるように、乗員Ａの重量をｍ１、バランサＢの重量をｍ２とし、駆動輪１１の車輪中心（回転軸）から、乗員の重心までの距離をｒ１、バランサの重心までの距離をｒ２とする。

なお、バランサＢの重量ｍ２は、バランサ１８２だけでなくバランサ１８２と一体となって駆動するバランサ歯車１８４等の重量である。
また、乗員Ａの重量ｍ１は、搭乗者が搭乗し、駆動輪１１を固定した状態で回転部分の全重量Ｍからバランサ重量ｍ２を減じた値である。

いま図４（ａ）の状態から、何かの外力が加わって図４（ｂ）に示されるように、乗員Ａの重心（以下乗員重心という）が前方に角加速度｛θ１｝で傾斜したものとする。
この乗員重心の傾斜による傾斜角度θ１と角加速度｛θ１｝がジャイロセンサ１６２で検出される。
乗員重心の傾斜を検出すると、図４（ｃ）に示されるように、バランサＢを乗員Ａの傾斜方向に角加速度｛θ２｝で移動させる。傾斜方向については、傾斜角θの正負で判断される。
このバランサＢを動かす角加速度｛θ２｝は、｛θ２｝＞Ｋ｛θ１｝である。Ｋは常数で、その導出については後述する。

バランサＢを、角加速度｛θ２｝で動かすと、図４（ｃ）に示されるように、バランサＢを動かすためのトルクに対する反力によって乗員Ａが後方（最初の傾斜方向と反対方向）に移動する。

乗員Ａが後方に移動することで鉛直線を越えて角度θ３（＜０）になったこと、すなわち、鉛直線に対する傾斜角θが反転したことを検出すると、バランサＢを角度θ３方向（反対方向）に再度移動させる。
すなわち、乗員Ａの傾斜角度が反転した際の角加速度｛θ３｝もジャイロセンサ１６２で検出され、角速度｛θ３｝に応じた角速度｛θ４｝（｛θ４｝＞Ｋ｛θ３｝）でバランサＢを後方（乗員Ａの移動方向）に移動させる。
これにより、図４（ｄ）に示されるように、バランサＢを後方に動かすためのトルクに対する反力によって乗員Ａが再度前方に角加速度｛θ５｝で移動する。

以後、同様に乗員Ａの鉛直線に対する傾斜角の反転を検出した際の角速度に対応した角速度でバランサＢを傾斜角方向に移動し、そのバランサＢの移動による反力で乗員Ａを鉛直線方向に戻す動作を繰り返すことで、鉛直線を中心とした傾斜角θが徐々に０に収束し、図４（ａ）に示す正常状態の姿勢に戻すことができる。
なお、図４に示した乗員Ａの傾斜角は説明のため大きく表示しているが実際には、傾斜角θ１又は角加速度｛θ１｝の検出により直ちにバランサＢを移動させるので、乗員Ａにとってわずかな動きでしかない。

ここで、上記常数Ｋについて説明する。
今、乗員Ａが前方に角加速度｛θ１｝で移動するのに必要なトルクをＴ１とし、バランサＢを前方に動かす際に必要なトルクをＴ２とすると、両トルクＴ１、Ｔ２は次の式（１）、（２）により求まる。

Ｔ１＝ｍ１×（ｒ１×ｒ１）×｛θ１｝…（１）
Ｔ２＝ｍ２×（ｒ２×ｒ２）×｛θ２｝…（２）

このトルクＴ２がＴ１よりも大きければ、トルクＴ２の反力−Ｔ２により乗員Ａが反対方向（後方）に戻されることになる。
（１）（２）式から、｛θ２｝＞（（ｍ１×ｒ１×ｒ１）／（ｍ２×ｒ２×ｒ２））｛θ１｝となる。
従って、Ｋ＝（ｍ１×ｒ１×ｒ１）／（ｍ２×ｒ２×ｒ２）となる。

実際の制御では、バランサモータ１８１によるバランサＢの駆動トルクをＴ２とし、Ｔ２＞Ｔ１となるように、バランサモータ１８１を駆動制御することになる。
角加速度｛θ１｝はジャイロセンサ１６２で検出する。
乗員Ａの重量ｍ１は、装置の重量ｍ１ａ＋搭乗者の重量ｍ１ｂであるが、このうち装置重量ｍ１ａは車両毎に既知である。搭乗者の重量ｍ１ｂは、予想される搭乗者の予想最大体重、例えば、９０ｋｇを設定しておく。予想最大体重を設定しておき、その値に基づいてＴ２を決定すれば、それ以下の体重であっても、Ｔ２＞Ｔ１の条件を満たし、バランサＢの移動によって乗員Ａを反対方向に戻すことができる。

なお、搭乗部１３の運転者が座る座面部１３１に搭乗者の体重を測定する体重計（体重計測手段）を配置しておき、その測定値を搭乗者の重量ｍ１ｂとして使用するようにしてもよい。

図５は、主制御装置１６１による姿勢制御動作を表したフローチャートである。
主制御装置１６１は、ジャイロセンサ１６２から搭乗部１３の傾斜角θと傾斜角加速度｛θ｝を取得し（ステップ５０）、傾斜角θが反転したか否かを判断する（ステップ５１）。
ここで、傾斜角θの反転は、図４（ｂ）から（ｃ）への乗員Ａの状態変化、（ｃ）から（ｄ）への乗員Ａの変化のように、傾斜角θ＞０の状態と傾斜角θ＜０の状態間の変化が該当する。
また、本出願において、図４（ａ）から（ｂ）への乗員Ａの状態変化のように、傾斜角θ＝０（安定状態）から傾斜角θ＞０やθ＜０への状態変化も、傾斜角θの反転に含まれるものとする。

主制御装置１６１は、傾斜角θの反転が無ければ（ステップ５１；Ｎ）、ステップ５０に戻って引き続き姿勢の監視を継続する。

一方、傾斜角θの反転が検出された場合（ステップ５１；Ｙ）、主制御装置１６１は、ステップ５０で取得した搭乗部１３の角加速度｛θ｝から上記式（１）に従って、乗員Ａを角加速度｛θ｝で傾斜させるためのトルクＴ１を算出する（ステップ５２）。

ついで、バランサモータ１８１に出力トルクＴ２を指令する（ステップ５３）。
すなわち、主制御装置１６１は、モータ制御装置１６３に対して、算出したトルクＴ１よりも大きいトルクＴ２（＞Ｔ１）をトルク指令値とし供給すると共に、傾斜角θに対応したバランサ１８２の移動方向の情報（θ＞０：前方、θ＜後方）を供給する。
これにより、モータ制御装置１６３は、主制御装置１６１から指示された方向にトルクＴ２でバランサモータ１８１を駆動する。

これにより、バランサ１８２が指示方向に移動し、その駆動トルクＴ２と釣り合う反力トルク−Ｔ２が搭乗部１３（乗員Ａ）に作用し、反対方向に戻される。

ついで、主制御装置１６１は、電源がオフされたか判断し（ステップ５４）、オフされれば（；Ｙ）処理を終了し、オフされていなければ（；Ｎ）、ステップ５０に戻って姿勢制御を継続する。

図６は、他の倒立振り子車両の外観を表したものである。
この倒立振り子車両は、同軸上に配置された２つの駆動輪１１ａ、１１ｂと、両駆動輪１１ａ、１１ｂをそれぞれ独立して駆動するホイール駆動モータ１２ａ、１２ｂを備えている。
そして、両ホイール駆動モータ１２の筐体上に、運転者が立った姿勢で搭乗するための搭乗部４０が配置されている。なお、搭乗部４０は、駆動軸上又は駆動軸より下方に配置するようにしてもよく、何れの場合も、ホイール駆動モータ１２ａとホイール駆動モータ１２ｂを接続する機能を備えている。

搭乗部４０の前方中央には、支持部４１が配置されている。
支持部４１の上端部には、ハンドル４２が取り付けられている。ハンドル４２には、操縦装置１５が取り付けられている。
なお、原動機付き自転車等と同様に、アクセルとブレーキで操縦装置１５を構成するようにしてもよい。ハンドルの回転角度から駆動力指令を取得し、ブレーキ操作で停止指令を取得するようにしてもよい。

搭乗部４０の下面には制御ユニット１６が固定され、制御ユニット１６の下部にはバランサ駆動部１８が配置されている。
バランサ駆動部１８の基本的構成は図２に示した構成と同一であるが、以下異なる点を中心に説明する。
バランサ駆動部１８は、バランサモータ１８１が制御ユニット１６に固定され、ホイール駆動モータ１２ａの筐体にバランサ駆動機構１８３が配設されている。

バランサ駆動機構１８３のバランサ歯車１８４の長さ方向の中心位置にバランサ１８２が取り付けられている。バランサ歯車１８４は、内歯歯車で構成され、バランサモータ１８１の回転軸に取り付けられたモータ歯車１８７と歯合するようになっている。
この変形例におけるバランサ駆動機構１８３では、バランサ歯車１８４が内歯歯車になっているので、歯車支持部は、半円形状のバランサ歯車１８４の両端で軸受けの外輪に支持されている。図２と同様に中央にも歯車支持部を配設する場合には、モータ歯車１８７を軸方向に避けた位置に配設する。
軸受けの内輪は、ホイール駆動モータ１２ａの駆動軸と同軸となるように、ホイール駆動モータ１２ａの筐体に固定されている。

なお、図６に示した車両におけるバランサ駆動機構１８３では、バランサ１８２とバランサ歯車１８４を、ホイール駆動モータ１２ａの駆動軸の上側となるように配置したが、下側となるように配置してもよい。この場合バランサ１８２は、乗員Ａが傾斜していない（θ＝０）状態で、駆動軸の鉛直線上下側に位置することになる。そして、内歯歯車と歯合するようにモータ歯車の径を大きくするか、モータ取り付け位置を調整する（両者でもよい）。
このようにバランサ１８２とバランサ歯車１８４を下側に配置することで、バランサの重心までの距離ｒ２（図４参照）を大きくすることができる。

また図６に示した車両では、バランサ駆動機構１８３をホイール駆動モータ１２ａ側に配置したが、バランサ駆動機構１８３をホイール駆動モータ１２ａとホイール駆動モータ１２ｂの中央部に配置するようにしてもよい。

また、バランサ駆動機構１８３をホイール駆動モータ１２ａ側だけでなく、他方のホイール駆動モータ１２ｂ側にも配置するようにしてもよい。
この場合、バランサモータ１８１を共通化し、バランサ１８２ａ、１８２ｂ、バランサ駆動機構１８３ａ、１８３ｂをそれぞれホイール駆動モータ１２ａ、１２ｂに配置するようにしてもよい。

図６で説明した他の倒立振り子車両に対する制動処理については、図５のフローチャートで説明した制動処理と同様である。

以上説明したように本実施形態の車両によれば、搭乗部１３の姿勢変化（乗員Ａの傾斜）を検出すると、乗員Ａが傾斜した角加速度｛θ｝から乗員Ａの傾斜に要したトルクＴ１を算出し、このトルクＴ１より大きなトルクＴ２でバランサＢを乗員Ａの傾斜方向に移動することで、その反力−Ｔ２を乗員Ａに作用させ、乗員Ａのバランスをとること（姿勢を定常状態に維持すること）が可能になる。

（３）第２の実施形態の概要
第１の実施形態では、乗員Ａが傾斜した方向にバランサＢを移動させることで搭乗部の姿勢制御を行う場合について説明した。
これに対して、第２の実施形態では、姿勢制御を行うために、バランサＢの移動による反力に加えて、駆動輪１１の駆動による反力を使用する。
すなわち、乗員部（乗員Ａ）の安定制御（姿勢制御）において、車両の停止／走行／制動／旋回時に乗員部をより安定させるために、バランサの移動による反力トルクと、駆動輪１１の駆動トルクを加減することによる反力トルクを使用する。
駆動輪１１の駆動トルクはバランサＢの移動によるトルクを補完するために補助的に使用する。

具体的には、乗員Ａの移動トルクＴ１が所定トルク値以下の場合はバランサＢの移動による姿勢制御をする。
一方、乗員Ａの移動トルクＴ１が所定トルク値よりも大きくなった場合には、バランサＢを所定トルク値に対応する反力を発生させる角加速度で移動し、乗員Ａを鉛直線方向に戻すために不足している反力トルク分を駆動輪１１のトルクを加減させることで、乗員Ａの姿勢を制御する。
本実施形態では、所定トルク値としてバランサＢの移動により得られる最大トルク値Ｔ２ｍａｘが使用される。

なお、第２実施形態で使用する車両は、駆動輪１１に対する姿勢制御の部分を除いて、第１実施形態及びその変形例（図６を含む）で説明した構成と同様である。
また、本実施形態を含む全ての実施形態及び及び各変形例において、乗員ＡとバランサＢについては、第１実施形態の説明と同様に、乗員Ａは搭乗者が車両に搭乗し、駆動輪１１の回転を固定した状態で回転する部分の全体からバランサＢを除いた部分を指し、バランサＢは、バランサ１８２だけでなくバランサ１８２と一体となって重心位置が移動する部分全体、例えば、バランサ歯車１８４等を含めた部分を指す。

（４）第２実施形態の詳細
図７は、第２実施形態における、倒立振り子車両のトルクバランスについて表したものである。
図７に示されるように、乗員Ａが点線で表した鉛直線上にいる状態から、外力によって、図７に示されるように、角加速度｛θ１｝で移動した場合、この移動による乗員ＡのトルクＴ１は上記式（１）で表される。
そして、この乗員Ａの動きに対して、乗員Ａの姿勢を鉛直線上に戻すために、バランサＢを角加速度｛θ２｝で動かした時のトルクＴ２は上記（２）で表される。

これに対して、駆動輪１１を駆動モータ１２で駆動するために必要なトルクＴ３は次のＴ３で表される。

Ｔ３＝Ｉ３×｛θ３｝＋（Ｆ×ｒ３）…（３）

ここで、ｒ３は駆動輪の半径、｛θ３｝は駆動輪１１の回転角加速度である。
また、Ｉ３はタイヤのイナーシャ（慣性モーメント）で、駆動輪１１の重量をｍ３とした場合にｍ３×（ｒ３×ｒ３）で表される。

そして、乗員Ａの外力による移動に対して、バランサＢを移動したことによるトルクＴ２に対する反力トルク−Ｔ２と、駆動輪１１に加えたトルクＴ３に対する反力トルク−Ｔ３が乗員Ａに作用することで、乗員Ａは鉛直線方向に戻されることになる。
なお、乗員Ａを鉛直方向（外力により移動した方向と反対方向）に戻すためには、次の式（４）を満たす必要がある。

（Ｔ２＋Ｔ３）＞Ｔ１…（４）

図８は、第２実施形態において、主制御装置１６１の姿勢制御動作を表したフローチャートである。
なお、図８において第１実施形態と同一の部分には同一のステップ番号を付してその説明を適宜省略する。

第２実施形態の姿勢制御において、主制御装置１６１は、搭乗部１３の角加速度｛θ｝から乗員Ａを角加速度｛θ｝で傾斜させるためのトルクＴ１を算出（ステップ５２）した後、算出したＴ１が、バランサＢの移動で得られるトルクＴ２（反力トルク−Ｔ２）の最大値Ｔ２ｍａｘ以下であるか否かを判断する（ステップ５２ａ）。
Ｔ１≦Ｔ２ｍａｘである場合（ステップ５２ａ；Ｙ）、主制御装置１６１はステップ５３に移行し、第１実施形態と同様の制御を行う。

一方、Ｔ１＞Ｔ２ｍａｘである場合（ステップ５２ａ；Ｎ）、主制御装置１６１は、バランサモータ１８１に出力トルクＴ２ｍａｘと、加減トルク値Ｔ３＞Ｔ１−Ｔ２ｍａｘをモータ制御装置１６３に供給することで、出力トルクを指令する（ステップ５３ａ）。

モータ制御装置１６３では、第１実施形態の場合と同様に、バランサモータ１８１用のトルク−電流マップに基づいて、供給された出力トルクＴ２ｍａｘに対応する電流値をバランサ駆動部１８に供給することで必要な反力トルク−Ｔ２ｍａｘを得る。
一方、モータ制御装置１６３は、駆動モータ１２用のトルク−電流マップに基づいて、供給された加減トルクＴ３に対応する電流値で駆動モータ１２（駆動輪１１）を駆動することで、必要な反力トルク−Ｔ３を得る。

なお、主制御装置１６１は、モータ制御装置１６３に対して、車両が停車している場合には、加減トルクＴ３を供給する。
一方、車両が走行中である場合、主制御装置１６１は、操縦装置１５から出力される操作信号に対応した出力を得るために必要な駆動モータ１２の駆動トルクＴＭに加減トルクＴ３を加えた値（ＴＭ＋Ｔ３）をモータ制御装置１６３に供給する。
モータ制御装置１６３は、実際には、主制御装置１６１から供給されるトルク値（Ｔ３、ＴＭ＋Ｔ３、ＴＭ（駆動モータによる姿勢制御を行わない場合））に対応する電流で駆動モータ１２を駆動することになる。

以上、バランサＢの移動による反力トルク−Ｔ２と、駆動モータ１２（駆動輪１１）の駆動による反力トルク−Ｔ３とにより、乗員Ａが鉛直線方向に戻されることになる。
以下、第１実施形態と同様に、図８のステップ５０からステップ５４を繰り返すことで、乗員Ａの姿勢制御が行われる。

この第２実施形態によれば、車両停止又は走行時（特に定速走行時）の搭乗部Ａの安定制御において、駆動モータトルクを補助的に利用する事で、許容外力を向上する事が可能となり、更には起動時の乗員傾斜許容角度を向上する事が可能となる。

（５）第３実施形態の概要
第１実施形態、第２実施形態、及び本実施形態では、乗員部（乗員Ａ）の安定制御（姿勢制御）において、バランサは、次の（ａ）、（ｂ）の２つの効果を得るために使用される。
（ａ）バランサＢを移動することにより反力トルク−Ｔ２を乗員Ａに作用させる。
（ｂ）バランサの位置を鉛直線上から前方又は後方に位置させることにより重心位置を移動させる。

しかし、これらは同時に発生する物理現象の為、その制御則は複雑にならざるをえない。これは、バランサ駆動トルクの反力を得る場合、同時に重心移動も発生するためである。

そこで、本実施形態では、第２実施形態による制御は車両が停止している場合に実行する。
そして、車両が走行している場合には、バランサＢの移動を上記（ｂ）の重心位置の制御用に使用し、反力トルクを得るためには使用しない。
一方、乗員Ａの外力による移動に対する走行中の姿勢制御については、駆動モータ１２（駆動輪１１）の駆動トルクの加減によるものとする。

（６）第３実施形態の詳細
図９は、第３実施形態における、車両走行中の各部の状態を表したものである。
図９（ａ）には、車両走行中に乗員Ａが鉛直線上に姿勢制御されている状態を表したものである。
車両走行中は、車両全体の重心（乗員ＡとバランサＢの合成重心）位置を進行方向に傾けることで、走行抵抗分の駆動トルクとバランスさせる必要がある。

本実施形態では、この図９（ａ）に示されるように、バランサＢを進行方向前方にθ２だけ傾けた位置に位置させる。
この場合、駆動モータ１２で駆動輪１１を駆動することにより発生する駆動トルクＴＭによる反力トルク−ＴＭと、θ２だけ傾けた位置にあるバランサＢの重力によるトルクＴ２（Ｇ）とを一致さることで、乗員Ａの位置を鉛直線上に位置させながら走行することが可能になる。
ここで、重力加速度をＧとした場合に、トルクＴ２（Ｇ）は、次の式（５）で表される。

Ｔ２（Ｇ）＝ｒ２×ｍ２×Ｇ×ｓｉｎθ２…（５）

図９（ａ）のように安定走行している状態で、図９（ｂ）に示すように外力によって乗員Ａが鉛直線からずれた場合、乗員Ａの姿勢を鉛直線方向に戻すために、駆動モータ１２の駆動トルクを、走行に必要な駆動トルクＴＭに加減トルクＴ３を加えたＴＭ＋Ｔ３に変更する。
ここで加減トルクＴ３の値として、Ｔ３＞Ｔ１とすることで、乗員Ａは反力トルク−Ｔ３により鉛直線方向に戻されることになる。

図１０は、第３実施形態において、主制御装置１６１の姿勢制御動作を表したフローチャートである。
なお、図１０において第２実施形態と同一の部分には同一のステップ番号を付してその説明を適宜省略する。

第３実施形態の姿勢制御において、主制御装置１６１は、搭乗部１３の角加速度｛θ｝から乗員Ａを角加速度｛θ｝で傾斜させるためのトルクＴ１を算出（ステップ５２）した後、車両が走行中か否かを判断する（ステップ５２ｂ）。
車両が走行中か否かについては、例えば、車速センサからの出力が０より大きいか否か、駆動モータ１２に駆動トルクＴＭを供給しているか否か等により判断される。
またこの判断は、徐行の速度以下か否か、すなわち、車速センサからの出力が、例えば５ｋｍ／ｈより大きいか否かで判断してもよい。

車両が走行中でない、すなわち、車両が停車中であると判断された場合（ステップ５２ｂ；Ｎ）、主制御装置１６１は、ステップ５２ａに移行し、以後ステップ５４まで第２実施形態と同様に処理する。

一方、車両が走行中であると判断された場合（ステップ５２；Ｙ）、主制御装置１６１は、ステップ５２で算出したＴ１よりも大きいトルク値を加減トルク値Ｔ３としてモータ制御装置１６３に供給することで、出力トルクを指令し（ステップ５３ｂ）、ステップ５４に移行する。

なお、車両走行のための駆動トルクＴＭが指令されているので、主制御装置１６１からは、操縦装置１５から出力される操作信号に対応した出力を得るために必要な駆動モータ１２の駆動トルクＴＭに加減トルクＴ３を加えた値（ＴＭ＋Ｔ３）がモータ制御装置１６３に供給される。
そして、モータ制御装置１６３は、実際には、主制御装置１６１から供給されるトルク値（ＴＭ＋Ｔ３）に対応する電流で駆動モータ１２を駆動することになる。

以上説明したように、第３実施形態では、車両走行中においては、バランサ位置を姿勢制御のためには移動させず、駆動モータ１２（駆動輪１１）の加減トルクＴ３による反力トルク−Ｔ３を制御することで姿勢制御を行う。
このように、車両走行中はバランサ位置を姿勢制御用に移動させないので、バランサ位置の移動による重心の移動を考慮しなくてよいため制御が簡略化される。

なお、本実施形態では、走行中においてバランサ移動による反力を利用せず、車輪の駆動トルクを変化させるため、車速に変化が発生する。
しかし、車両の走行中であるため、停車中に比べて、乗員が車両の揺れとして感じる程度は小くて済むという効果がある。

次に、本実施形態における車両による発進時、及び加減速時の動作について説明する。
ここで発進時とは車両が停止している状態から前方又は後方に発進するする場合をいい、加減速時とは車両の走行中において加速又は減速する場合をいう。

本実施形態の車両では、発進時、及び加減速時において、全体重心（乗員Ａの重心とバランサＢの重心の合成重心）の傾斜角αを変化させる必要がある。
すなわち、発進、加減速直前における、車輪中心（回転軸）と全体重心を結ぶ線を基準線とした場合に、発進時と加速時には全体重心を進行方向に、減速時には全体重心を進行方向と逆方向に傾斜（傾斜角α）させる必要がある。
ここで、発進時には鉛直線が基準線であり、鉛直線から加減速直前の状態での走行に必要な傾斜角αだけ傾斜した線が基準線となる。

本実施形態では、発進、加減速のために全体重心を基準線に対して前方又は後方に移動させる方法として、駆動輪による第１動作と、バランサＢの移動による第２動作とがある。
図１１は、（ａ）が第１動作の概要を、（ｂ）が第２動作の概要を表したものである。
この図１１では、車両の発進時の動作について表しているが、基準線が異なる点、減速の場合に傾斜の方向が逆（減少させる方向）である点を除き同一である。

（ａ）第１動作
この第１動作では、発進直前において、乗員Ａ（の重心）、バランサＢ（の重心）及び全体重心Ｚは、姿勢制御によって全て基準線（鉛直線）Ｐ上にある状態にバランスが取られている。
この状態で、図１１（ａ）（イ）に示すように、進行方向と逆方向に駆動輪１１を回転（図では進行方向右方向に対して左方向に回転）させることで、駆動輪１１を後退させる。

すると、図１１（ａ）（ロ）に示すように、基準線Ｐ上にあった乗員Ａ、バランサＢ、全体重心Ｚは、同一の位置関係（角度関係）を保持したまま重力によって前傾（傾斜角α）する。
そして、図１１（ａ）（ハ）に示すように、所定の傾斜角α（全体重心Ｚの傾斜角）の姿勢を保持しながら、指定された方向に加速することで発進（前進、後進）が行われる。

（ｂ）第２動作
この第１動作では、発進直前において、乗員Ａ（の重心）、バランサＢ（の重心）及び全体重心Ｚは、姿勢制御によって全て基準線（鉛直線）Ｐ上にある状態にバランスが取られている。
なお、加減速の場合には、加減速直前において基準線Ｐは鉛直線に対してα０だけ傾斜しており、全体重心Ｚはこの基線上に位置する。乗員ＡとバランサＢは、一方が基準線Ｐ上の前方に、他方は後方に存在するか、又は両者とも基準線Ｐ上に位置している。

この状態で、図１１（ｂ）（イ）に示すように、バランサＢを進行方向と逆方向、すなわち、後方に移動させる。
すると、図１１（ｂ）（ロ）に示すように、バランサＢが後方に移動したことによる反力トルクにより、乗員ＡはバランサＢと反対方向（進行方向）に傾斜する。
また、全体重心Ｚも、乗員ＡはバランサＢと反対方向（進行方向）で、基準線Ｐと乗員Ａの間に移動する。
そして、図１１（ｂ）（ハ）に示すように、バランサＢを徐々に前に戻しながら加速が行われる。

以上説明した第２動作では、バランサＢを移動させた場合にその反力で乗員ＡがバランサＢと反対方向に移動するが、両者の全体重心ＺについてもバランサＢと反対方向に移動する場合について説明した。
このようにバランサＢと全体重心Ｚが反対方向に移動するための条件は、次の式（６）で示される。

ｍ１×ｒ１／（Ｉ１＋ｍ１×｛ｒ１｝）＞ｍ２×ｒ２／（Ｉ２＋ｍ２×｛ｒ２｝） （６）

この式（６）において、ｍ１は乗員Ａの重量、ｒ１は駆動輪１１の車輪中心（車軸）から乗員Ａの重心までの距離、｛ｒ１｝は、乗員Ａの角加速度、Ｉ１は乗員Ａの重心回りのイナーシャ、式（６）中のｍ１×｛ｒ１｝は、乗員Ａの車軸周りのイナーシャである。
また、ｍ２はバランサＢの重量、ｒ２は駆動輪１１の車軸からバランサＢの重心までの距離、｛ｒ２｝は、バランサＢの角加速度、Ｉ２はバランサＢの重心回りのイナーシャ、式（６）中のｍ２×｛ｒ２｝はバランサＢの車軸周りのイナーシャである。

なお、式（６）において不等号の向きが逆である場合、バランサＢを移動した場合、乗員ＡについてはバランサＢと反対方向に移動するが、全体重心Ｚはバランサと同一方向に移動する。この場合、バランサＢを進行方向、加速方向、減速方向と反対方向に移動することで、全体重心Ｚを所望方向に移動することができるが、乗員Ａが重心の移動方向と逆方向となり、通常の乗車感覚と逆になるため、式（６）による方がこのましい。

ただし、第１〜第３実施形態等で説明した姿勢制御を行う場合については、乗員ＡはバランサＢと逆方向に移動するので、式（６）の関係でも、不等号が逆の関係でもよい。

次に、第１動作及び第２動作による、発進時、及び加減速時の制御動作について説明する。
ここで、発進時、及び加減速時の制御動作において使用される運動方程式について説明する。
なお、各式において｛θ｝は角加速度を、「θ」は角速度を表し、添え字ｗは駆動輪を意味し、添え字１は乗員Ａを表し、添え字２はバランサを表すものとする。またｇは重力加速度を、Ｒｗは駆動輪の半径を表す。

（ａ）駆動輪１１の運動方程式は、ホイルモータトルクをＴ３とした場合、次の式（７）で表される。
Ｔ３＝Ｉｗ｛θｗ｝
＋Ｒｗ［ｍｗ×Ｒｗ×｛θｗ｝＋［（ｍ１×Ｒｗ×｛θｗ｝)＋(ｍ１×ｒ１｛θ１｝×ｃｏｓθ１)−(ｍ１×ｒ１×「θ１」×「θ１」×ｓｉｎθ１）］＋［（ｍ２×Ｒｗ×｛θｗ｝)＋(ｍ２×ｒ２｛θ２｝×ｃｏｓθ２)−(ｍ２×ｒ２×「θ２」×「θ２」×ｓｉｎθ２）］］
＋（Ｒｗ×Ｄｘｗ＋Ｄθｗ）×「θｗ」 （７）

式（７）は、次のように表される。
Ｔ３＝Ｔ３１＋Ｔ３２＋Ｔ３３
Ｔ３２＝Ｒｗ×（Ｔ３２ａ＋Ｔ３２ｂ＋Ｔ３２ｂ）
Ｔ３３＝（Ｔ３３ａ＋Ｔ３３ｂ）×「θｗ」

Ｔ３１は駆動輪１１の慣性である。
Ｔ３２は地面との摩擦力によるモーメントである。
Ｒｗ×Ｔ３２ａはタイヤの慣性（並進）である。
Ｒｗ×Ｔ３２ｂは車体の慣性（並進方向加速度＋周方向加速度−半径方向加速度）である。
Ｒｗ×Ｔ３２ｃはバランサの慣性（並進方向加速度＋周方向加速度−半径方向加速度）である。
Ｔ３３は減衰力である。
Ｔ３３ａ×「θｗ」は、空気抵抗による減衰力である
Ｔ３３ｂ×「θｗ」は、摩擦による減衰力である。
Ｒｗは駆動輪１１の半径である。

（ｂ）車体の運動方程式は次の式（８）で表される。
Ｔ１＝−（Ｔ２＋Ｔ３）
＝（ｍ１×ｒ１×ｒ１＋Ｉ１）×｛θ１｝
＋（ｍ１×Ｒｗ×｛θｗ｝×ｒ１×ｃｏｓθ１）
−（ｍ１×ｇ×ｒ１×ｓｉｎθ１）＋（Ｄθ１×「θ１」） （８）

式（８）は次のように表される。
Ｔ１＝車体（乗員Ａの）慣性＋車体の慣性力によって働く偶力−重力＋減衰力

（ｃ）バランサの運動方程式は、バランサモータトルクをＴ２とした場合、次の式（９）で表される。
Ｔ２＝（ｍ２×ｒ２×ｒ２＋Ｉ２）×｛θ２｝
＋（ｍ２×Ｒｗ×｛θｗ｝×ｒ２×ｃｏｓθ２）
−（ｍ２×ｇ×ｒ２×ｓｉｎθ２）（Ｄθ２×「θ２」） （９）

式（９）は次のように表される。
Ｔ２＝バランサの慣性＋バランサの慣性力によって働く偶力−重力＋減衰力

なお、上記式（７）〜（９）を線形近似すると共に、粘性摩擦を無視（省略）することで、Ｔ３、Ｔ１、Ｔ２をそれぞれＴ３’、Ｔ１’、Ｔ２’で近似することも可能である。
Ｔ３’＝Ｉｗ’×｛θｗ｝＋Ｒｗ（ｍ１×Ｒ１×｛θ１｝＋ｍ２×Ｒ１×｛θ１｝)
Ｔ１’＝Ｉ１’×｛θ１｝＋ｍ１×Ｒｗ×｛θｗ｝×ｒ１−ｍ１×ｇ×ｒ１×θ１
Ｔ２’＝Ｉ２’×｛θ１｝＋ｍ２×Ｒｗ×｛θｗ｝×ｒ２−ｍ２×ｇ×ｒ２×θ２

この近似式において、Ｉｗ’、Ｉ１’、Ｉ２’は次の通りである。
Ｉｗ’＝Ｉｗ＋（ｍ１＋ｍ２＋ｍｗ）×Ｒｗ×Ｒｗ
Ｉ１’＝Ｉ１＋ｍ１×ｒ１×ｒ１
Ｉ２’＝Ｉ２＋ｍ２×ｒ２×ｒ２

図１２は、第２動作による発進時、加減速時の制御動作を表したフローチャートである。
この図１２に示されるように、主制御装置１６１は、発進、加減速（以下発進等という）直前における車両（乗員Ａ）とバランサＢの現状状態を検出する（ステップ２１〜ステップ２５）。

すなわち、主制御装置１６１は、車両速度を測定する（ステップ２１）。
この車両速度は後述のステップ２３で車両傾斜角速度の検出精度を上げるために使用される。
また、上記式（８）における慣性及び重力の値を車速を用いたより精度の高い値を算出する場合にも使用可能である。
ただし、車速の検出は省略することも可能である。

ついで主制御装置１６１は、車両（乗員Ａ）の傾斜角と傾斜角速度を測定する（ステップ２２、２３）。
なお、車両の傾斜角加速度は、測定した傾斜角速度から算出される。

さらに主制御装置１６１は、バランサＢの角度（傾斜角度）と角速度を測定する。
バランサＢの角加速度は、測定した角速度から算出される。

以上により車両とバランサＢの現状状態の測定が完了すると、主制御装置１６１は、操縦装置１５から出力される走行指令（操作信号）を読み取る（ステップ２６）。

次に主制御装置１６１は、ステップ２１〜２５で検出した車両とバランサＢの現状状態と、ステップ２６で読み取った走行指令とに対応する、発進又は加減速後における全体重心Ｚの目標傾斜角αを算出する（ステップ２７）。

次に主制御装置１６１は、全体重心Ｚを算出した目標傾斜角αとするために必要な、車両（乗員Ａ）の目標傾斜角と目標傾斜角速度を算出する（ステップ２８、２９）。
目標傾斜角αとするために必要な車両の目標傾斜角と目標傾斜角速度は、上記運動方程式と、車両（乗員Ａ）及びバランサＢの重量や重心までの距離ｒ１、ｒ２、イナーシャ等から求まる。

次に主制御装置１６１は、車体を算出した目標傾斜角と目標傾斜角速度にするために必要なバランサトルクＴ３を算出し、モータ制御装置１６３に出力指令を出す（ステップ３０）。
モータ制御装置１６３では、バランサモータ１８１用のトルク−電流マップに基づいて、出力されたバランサトルクＴ３に対応する電流値をバランサ駆動部１８に供給することで、車両（乗員Ａ）及び全体重心Ｚを移動させる。

ついで、主制御装置１６１は、車両を現状状態から発進又は加減速させるために必要な駆動モータトルクＴ１を算出し、モータ制御装置１６３に出力指令を出す（ステップ３１）。
モータ制御装置１６３では、駆動モータ１２用のトルク−電流マップに基づいて、供給された駆動モータトルクＴ１に対応する電流値で駆動モータ１２（駆動輪１１）を駆動することで、発進又は加減速を行う。

以上により、発進又は加減速を行った後主制御装置１６１は、姿勢安定制御（姿勢制御）を行い（ステップ３２）、メインルーチンにリターンする。

以上、第２動作による発進時、加減速時の制御動作について説明したが、第１動作による発進等の制御動作を行う場合には次のようにする。
すなわち、バランサＢを移動させないので車両（乗員Ａ）、バランサＢ、全体重心Ｚの位置関係は変化しない。
そこで、ステップ２７で算出した目標傾斜角αと発進等直前の全体重心Ｚの傾斜角α０との差分Δαを、ステップ２２で測定した車両傾斜角に加算した角度が目標車両傾斜角となる（ステップ２８、２９）。
そして、主制御装置１６１は、車体を算出した目標傾斜角と目標傾斜角速度にして発進又は加減速に必要な駆動モータトルクの算出と指令を出力する（ステップ３２）。
なお、この場合には当然にステップ３０は省略される。

以上説明したように、第１及び第２動作によれば、車両（乗員Ａ）は、発進及び加速時において発進方向に傾斜（前進の場合には前傾）し、減速時において発進方向と逆方向に傾斜するので、違和感のない乗車感覚を得ることができる。

次に、本実施形態及び各種変形例で使用するバランサの他の構成について図１３〜図１５を用いて説明する。
なお、図１３〜図１５に示した構成図は、バランサの構成を説明するためのものであり、図１に示した操縦装置１５や制御ユニット１６等については適宜省略してある。制御ユニット１６については、座面部１３１の下部等に適宜配置される。

図１３は、３６０度回転可能なバランサ１８２の構成を表したものである。
この図１３に示されるように、駆動輪１１ａ用の駆動モータ１２ａと駆動輪１１ｂ用の駆動モータ１２ｂとの間にバランサモータ１８１が配置されている。
このバランサモータ１８１のバランサ駆動軸１８８は、駆動輪１１ａ、１１ｂの回転軸１１１と同軸上に配置され、バランサ駆動軸１８８にはバランサ指示部材１８７を介してバランサ１８２が配置されている。

なお、図１３では、バランサ支持部材１８７は、バランサモータ１８１の一方側のバランサ駆動軸１８８に配置されているが、両側のバランサ駆動軸１８８にバランサモータ１８１を挟むように配置し、２つのバランサ支持部材１８７、１８７でバランサを支持するようにしても良い。

図１４は、バランサモータ１８１で構成したバランサ１８２を表したものである。
図１４に示されるように、駆動モータ１２ｂの筐体には駆動輪１１と同軸線上に軸１８９ａが配置され、この軸１８９ａには軸受けを介してバランサ支持部材１８９ｂが配置され、バランサ支持部材１８９ｂにバランサとして機能するバランサモータ１８１が取り付けられている。
バランサモータ１８１の回転軸にはモータ歯車１８７ａが配置されており、モータ歯車１８７ａは、駆動モータ１２ａの駆動輪１１ａと反対側の筐体に配置されている固定歯車１８７ｂと歯合している。

このバランサモータ１８１を駆動すると、モータ歯車１８７ａが回転し、固定歯車１８７ｂと歯合しながら固定歯車１８７ｂの周囲をバランサモータ１８１と共に回転移動する。
その際バランサモータ１８１は、バランサ支持部材１８９ｂを介して軸１８９ａを回転軸として軸支されて、回転する。

このようにバランサモータ１８１でバランサを構成したので、バランサを機能させるために必要な部材を小さくすることができるので、搭乗部１３下部の空間を有効に活用できる。
また、搭乗部Ａの重量となっていたバランサモータの重量をバランサの重量とすることができる。

図１５は、回転軸１１１を中心として回転するのではなく、水平面を車両の前後方向に移動するバランサ１８２を表したものである。
この図１５に示されるように、座面部１３１の座面と反対側に固定され、車両の前後方向を長手方向とする長さを持った固定部１８１ｃが配置されている。
そして、バランサ１８２は、固定部１８１ｃに案内されながら、矢印ｑで示されるように、車両の前後方向に移動するように構成されている。

この固定部１８１ｃとバランサ１８２による駆動は、ボールネジ式及び、リニアモータ式のいずれとしてもよい。
ボールネジ式の場合には、図示しないバランサモータでボールネジが回転され、その回転によりバランサ１８２が前後に移動するようにする。
また、リニアモータ式の場合には、固定部１８１ｃに固定子、バランサ１８２に可動子が配置され、バランサ１８２は、固定部１８１ｃの長手方向に形成されたガイドに沿って前後に移動する。

次に第４の実施形態について説明する。
この第４の実施形態では、前後方向の姿勢制御ではなく、左右方向の姿勢制御を行う物である。
すなわち、以上説明した実施形態では、前後方向の倒立制御（姿勢制御）にバランサ１８２を使用する場合について説明したが、第４実施形態では、左右方向にバランサを移動することで、左右方向の姿勢制御を行うようにしたものである。
なお、第４実施形態の車両の場合、左右方向の傾斜に対する姿勢制御としてバランサを使用するので、駆動輪１１は１つである。

図１６は、第４実施形態におけるバランサの動きについて表したものである。
図１６（ａ）に示した実施形態では、バランサＢは、駆動輪１１の回転軸１１１を中心として車両の前後方向の円弧上を矢印ｐ１で示すように移動すると共に、回転軸１１１を中心とした左右方向の円弧上を矢印ｐ２で示すように移動する。

一方、図１６（ｂ）に示した実施形態では、バランサＢは水平面上を前後方向に矢印ｐ３で示すように移動すると共に、左右方向に矢印ｐ４で示すように移動する。

なお、図１６（ａ）（ｂ）では、前後、左右方向に決められたラインｐ１〜ｐ４上をバランサが移動する場合について説明したが、回転軸１１１を中心とする曲面上の任意の位置や、水平面上の任意の位置を所定範囲内で移動するように構成してもよい。

更に、図１６（ｃ）に示した実施形態では、バランサＢは回転軸１１１と搭乗者Ａ（の重心）を結ぶ車両線Ｙを中心に、該車両線Ｙの周囲を回転移動するように構成されている。図１６（ｃ）において、バランサＢの周囲に記載した点線の領域は、バランサの外形形状を概念的に表したものであり、バランサ全体が車両線Ｙに接する状態で配置されている。
この場合、車両（搭乗者Ａ）の傾斜に伴って車両線Ｙも傾斜し、バランサＢは水平面上ではなく、車両線Ｙと直交する平面上を車両線Ｙを中心として、矢印ｐ５で示すように回転する。
なお、バランサＢを車両の傾斜と関係なく水平面上を鉛直線を中心として回転するように構成してもよい。

以上説明したように、左右方向の姿勢をバランサで制御することにより、車両の走行安定性を向上させることができる。
また、バランサの移動により強制的に全体重心Ｚの位置を左右に移動させることで、全体重心Ｚの移動方向に進路変更することが可能になる。例えば、バランサを左方向に移動させ、その反力で全体重心及び車両（搭乗者Ａ）を右方向に傾斜させることで、右方向にカーブすることが可能になる。

なお、以上説明したバランサによる左右方向の姿勢制御については、第１〜第３実施形態で説明した姿勢制御と同様に制御され、全体重心Ｚの強制的移動については第２動作と同様に制御される。

以上、本発明の車両における１実施形態について説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種の変形を行うことが可能である。
例えば、説明した実施形態では、バランサ歯車を回動させるために駆動軸１１の鉛直線上で平行な軸線上にバランサモータ１８１の回転軸を配置するようにしたが、バランサ歯車１８４の回転軸と直交する軸線上にバランサモータ１８１の回転軸を配置し、ウォームギアによりバランサ歯車１８４を回動するようにしてもよい。
また、説明した実施形態では、バランサ歯車を外歯歯車としたが、内歯歯車としてもよい。

更に、バランサモータ１８１で発生させたトルクをバランサＢに伝達する機構としては、歯車の他に、ベルト等の各種伝達機構を使用してもよい。
また、バランサ１８２の移動方向を駆動輪１１の回転軸１１１を中心とした回動方向としたが、制御ユニット１６と平行な方向を往復動可能に構成してもよい。
この場合、バランサ駆動部１８として、特許文献２の図２９、３０で説明されているようにリニアモータを使用してバランサを移動するようにしてもよい。
また、特許文献１の図１３で説明されているように、モータの回転軸に配置したねじ軸の回転により軸方向にバランサを移動するようにしてもよい。

また、説明した実施形態では、車両の姿勢を定常状態に維持するために、乗員Ａの傾斜角加速度｛θ｝から求まるトルクＴ１を、バランサＢの移動トルクＴ２の反力−Ｔ２で相殺することで姿勢制御をする場合について説明した。
しかし、乗員Ａの傾斜によるトルクＴ１を相殺するために、バランサＢの移動トルクＴ２とホイール駆動モータ１２の駆動によるトルクＴ３で姿勢制御をするようにしてもよい。

すなわち、バランサＢの移動だけでは姿勢制御できない場合、例えば、バランサＢの最大出力トルクＴ２よりも乗員Ａの角加速度｛θ｝を発生させたトルクＴ１の方が大きい場合、ホイール駆動モータ１２を駆動し、駆動輪１１を駆動することで、姿勢制御をする。

具体的には、車両が停止状態の場合であれば、車両が乗員Ａの傾斜方向に移動するようにホイール駆動モータ１２を駆動することでトルクＴ３を発生させ、その反力−Ｔ３とバランサＢの移動による反力−Ｔ２の合計トルク−（Ｔ２＋Ｔ３）により乗員Ａの傾斜によるトルクを相殺するようにする。

また、車両が定常走行状態の場合、車両の前方への傾斜（θ＞０）であれば、ホイール駆動モータ１２が分担するトルクＴ３分だけ加速するようにホイル駆動モータ１２を制御する。
一方、車両の後方への傾斜（θ＜０）であれば、トルクＴ３分だけ減速するようにホイール駆動モータ１２を制御する。
このように、バランサＢの移動によるトルクの不足分をホイール駆動モータ１２の駆動トルクＴ３により補正することで、大きなトルクによる乗員Ａの傾斜にも対応することが可能になる。

また、説明した実施形態では、独立したバランサ１８２を配置するようにしたが、バランサモータ１８１をバランサとして使用するようにしてもよい。
この場合、バランサモータ１８１が駆動輪１１の回転軸を中心とする円弧上を往復動し、または、水平面上を往復道するように構成する。

また、バランサモータ１８１とバランサ１８２の両者が移動するようにしてもよい。この場合バランサモータ１８１とバランサ１８２とを一体として移動するようにしてもよく、通常バランサ１８２のみを移動し、所定以上のトルクが必要である場合にバランサモータを移動させるようにしてもよく、その逆でもよい。

また、バランサとして、独立したバランサ１８２を配置するのではなく、これに代えて、またはこれに加えて、車両搭載装置をバランサとして使用するようにしてもよい。
例えば、バッテリ１６０をバランサとして使用したり、さらにバッテリ１６を含む制御ユニットをバランサとして使用するようにしてもよい。

また、説明した実施形態では、鉛直線を基準として姿勢が鉛直線上となるように姿勢制御する場合について説明した。例えば、図５で説明した姿勢制御では、鉛直線を基準にした傾斜角θが０になるように姿勢を制御する場合について説明した。
これに対して、姿勢制御の基準線を鉛直線から所定角度Θだけ傾斜させるようにしてもよい。
例えば、走行（前進、行進を含む）している場合に、走行している方向に所定角Θだけ傾斜させることで、不自然な感覚を解消することができる。
この場合、車速が大きくなるほどΘを大きくすることで、車速Ｖの関数としてΘ（Ｖ）を規定するようにしてもよい。

そして、この場合、図５のステップ５１では、傾斜角θは、鉛直線からΘだけ進行方向に傾斜した角を基準にして反転があったか否かを判断する。
この場合においても、安定状態である傾斜角θ＝０（鉛直線からΘ傾斜）ら傾斜角θ＞０やθ＜０への状態変化も、傾斜角θの反転に含まれる。

また図１、図６で説明した両実施形態では、バランサ駆動部１８又はバランサ１８２（以下バランサ１８等という）を搭乗部１３の下側に配置した場合について説明したが、他の位置に配置するようにしてもよい。
この場合、乗員重心よりもバランサ重心が高い位置となるようにバランサ駆動部を配置するようにしてもよい。

例えば、搭乗部１３に肘掛けを配置してその内部にバランサ１８等を配置することができる。
また、本実施形態の車両をカバーする本体を設け、搭乗部をカバーするドア部分等の車両側面（一方、又は両方）内部にバランサ等を配置するようにしてもよい。
さらに、車両の上部に屋根部を配置し、この屋根部にバランサ１８等を配置するようにしてもよい。
これらの各場合において、バランサ１８２の駆動は、回転運動、直線運動のいずれの方式を採用するようにしてもよい。

このように、乗員重心よりもバランサ重心が高い位置にバランサ１８２を配置することで、説明した実施形態よりも、バランサを駆動する際の角加速度（回転運動の場合）、加速度（直線運動の場合）を小さくすることができる。その結果、小型のバランサモータを使用することが可能になる。

また説明した実施形態では、水平面に対して直角で進行方向と平行な平面内において、所定の軸を中心としてバランサ１８２を回動させる場合について説明したが、水平面内において所定の軸を中心としてバランサ１８２を回動させるようにしてもよい。
すなわち、制御ユニット１６の下部に、座面１３１の略中心部分となる所定位置を回転軸として水平面内で回転するバランサ１８２配置する。
また、車両の屋根部の水平面に、屋根の略中心部分となる所定位置回転軸として水平面内で回転するバランサ１８２を配置するようにしてもよい。
バランサ１８２を水平面上で回転させることで、車両内の空間を有効に使用することができる。

また、説明した姿勢制御では、ステップ５１（図５、図８、図１０）において傾斜角θの反転を検出したことを条件として、バランサ１８２を傾斜方向に移動させる場合について説明した。
これに対して、θ＝０になる直前の角度θ１でバランサ１８２を反対側（θ１の反対側）に移動させるようにしてもよい。
この場合のθ１は、バランサ１８２を反対側に動かさなかった場合に、θ＝０の基準線（鉛直線、又は鉛直線からΘ傾いた線）を通過する角加速度｛θｚ｝を算出し、その角加速度｛θｚ｝に応じて決定する。
この場合、角加速度｛θｚ｝が大きいほどθ１を大きくする。
これにより、より早く基準線上に姿勢を戻すことが可能になる。

また説明した実施形態では、ステップ５１において、傾斜角θ＝０からθ≠０になった場合に、傾斜角の反転がありと判断した。
これに対して、搭乗部（乗員Ａ）の傾斜角度θが所定の許容角度θａを超えた場合、すなわち、θ＞θａとなった場合に傾斜角の反転がありと判断して姿勢制御を行うようにしてもよい。
この場合、式（１）からＴ１を算出するための乗員Ａの角加速度｛θ１｝は、θ＞θａとなった際の角加速度とするが、θ≠０となった際の角加速度とすることも可能である。

また、説明した第２実施形態及び、第３実施形態では、駆動モータ１２による加算トルクＴ３として特に閾値を設定しなかった。
しかし、駆動モータ１２から出力される駆動トルクは全て駆動輪１１の回転に使用される訳ではなく、その一部は、路面抵抗（転がり抵抗）及びタイヤ（ゴム）の変形に使用される。このため、駆動モータ１２を駆動したとしても、ただちに駆動輪１１が始動する訳ではない。

そこで、駆動輪１１が停止状態から駆動を開始する始動トルク値を第１閾値とし、乗員Ａの移動によるトルクＴ１が、この第１閾値よりも小さい場合には、駆動モータ１２による加減トルクＴ３＞Ｔ１（＜第１閾値）で姿勢制御を行うようにしてもよい。

この場合、トルクＴ１が第１閾値以上で第２閾値未満である場合、駆動モータ１２により加減トルクＴ３を第１閾値未満の所定値とし、バランサＢの移動によるトルクＴ２をＴ１−第１閾値とする。
ここで第２閾値は、Ｔｍａｘ＋第１閾値未満とする。

また、トルクＴ１が第２閾値以上である場合、バランサＢの移動によるトルクＴ２をＴｍａｘとし、駆動モータ１２による加減トルクＴ３をＴ３＞Ｔ１−Ｔ２ｍａｘとする。

この変形例により、トルクＴ１が第１閾値より小さい場合では、車両が移動したり（制止状態の場合）、走行速度が変わったり（走行状態の場合）することなく、姿勢制御を行うことができる。
また、バランサＢを動かさないので、その後の大きな外力にたいしてバランサＢの位置を鉛直線上等の所定位置に保持しておくことができる。

また、本実施形態では、走行状態による、バランサ駆動モータと車輪駆動モータの負荷や効率に応じ、安定制御（姿勢制御）に用いるモータを選択的に使用するようにしてもよい。
例えば、車両の停車中はバランサモータを優先的に使用し、車両の走行中は駆動モータの使用を優先的に使用する。

また、トルクＴ１がＴ２ｍａｘ以上である場合、バランサＢのトルクＴ２＝Ｔ２ｍａｘとする場合について説明したが、トルクＴ２がＴ２ｍａｘ未満となる範囲であれば、トルクＴ１を、トルクＴ２と加減トルクＴ３に所定割合で分担させるようにしてもよい。

なお、本実施形態の車両は次のように構成することも可能である。
（１）構成Ａ
一軸上に配置された駆動輪と、
搭乗部と、
前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、
前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、
搭乗者による駆動指令に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、
前記検出した搭乗部の物理量に応じて、前記バランサを該傾斜方向に移動させることで前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
を具備し、
前記姿勢制御手段は、前記検出した物理量が所定値を超える場合に、該所定値に対応する反力トルクが発生するように前記バランサを移動すると共に、姿勢制御に必要な前記駆動輪の加減トルク値を前記駆動制御部に供給し、
前記駆動制御部は、前記駆動指令及び前記加減トルク値に従って前記駆動輪を駆動制御する、ことを特徴とする車両。
（２）構成Ｂ
前記姿勢制御手段は、車速が所定値以下の場合は前記バランサの移動と前記加減トルク値の供給により、車速が前記所定値より大きい場合は前記加減トルク値の供給により、姿勢制御を行うことを特徴とする構成Ａに記載の車両。
（３）構成Ｃ
一軸上に配置された駆動輪と、
搭乗部と、
前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、
前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、
搭乗者による駆動指令に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、
前記検出した搭乗部の物理量に応じて前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
を具備し、
前記姿勢制御手段は、車両の発進時において、進行方向と逆方向に前記バランサを移動し、その反力トルクで車両全体の重心を進行方向に移動させる、ことを特徴とする車両。
（４）構成Ｄ
前記姿勢制御手段は、車両の加速時において進行方向と逆方向に前記バランサを移動し、減速時において進行方向に前記バランサを移動する、ことを特徴とする構成Ｃに記載の車両。
（５）構成Ｅ
一軸上に配置された１又は複数の駆動輪と、
搭乗部と、
前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、
前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、
搭乗者による駆動指令に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、
前記検出した搭乗部の物理量に応じて、前記バランサを該傾斜方向に移動させることで前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
を具備することを特徴とする車両。
（６）構成Ｆ
一軸上に配置された駆動輪と、
搭乗部と、
前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、
前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、
搭乗者による駆動指令と加減トルク値に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、
前記検出した搭乗部の物理量に応じて、
前記物理量が第１閾値よりも小さい場合に、姿勢制御に必要な前記駆動輪の第１の加減トルク値を前記駆動制御部に供給し、
前記物理量が第１閾値以上で第２閾値以下である場合に、前記物理量に対応する反力トルクが発生するように前記バランサを前記搭乗部の傾斜方向に移動させ、
該物理量が第２閾値より大きい場合、該第２閾値に対応する反力トルクが発生するように前記バランサを前記搭乗部の傾斜方向に移動させると共に、姿勢制御に必要な前記駆動輪の第２の加減トルク値を前記駆動制御部に供給する、
ことで前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
を具備することを特徴とする車両。
（７）構成Ｇ
前記第１の閾値は、前記駆動輪が停止状態から駆動を開始する始動トルク値に対応する物理量であることを特徴とする構成Ｅに記載の車両。

以上の構成Ａ〜構成Ｇの車両によれば、搭乗部の傾斜に基づく角加速度等の物理量を検出し、検出した物理量に応じて、バランサを搭乗部の傾斜方向に移動させることで姿勢制御を行うようにしたので、駆動輪が一軸上に配置された車両の姿勢を動的に制御することができる。
また、構成Ａ〜構成Ｅの車両によれば、物理量が所定値を超える場合に、所定値に対応する反力トルクが発生するように前記バランサを移動すると共に、姿勢制御に必要な駆動輪の加減トルク値を駆動制御部に供給することで、バランサと駆動輪による姿勢制御を行うようにしたので、より大きな外力に対しても車両の姿勢を動的に制御することができる。
また、構成Ｃ及び構成Ｄに記載した実施形態では、姿勢制御手段が、車両の発進時において、進行方向と逆方向に前記バランサを移動し、その反力トルクで車両全体の重心を進行方向に移動させるように構成したので、バランサの移動により発進ことができる。

本発明の車両における一実施例である倒立振り子車両の外観構成図である。 バランサ駆動部の構成図である。 倒立振り子車両の制御ユニットの構成図である。 倒立振り子車両における姿勢制御の原理についての説明図である。 姿勢制動処理の動作を表したフローチャートである。 他の倒立振り子車両の外観構成図である。 第２実施形態における、倒立振り子車両のトルクバランスについて表した説明図である。 第２実施形態において、主制御装置の姿勢制御動作を表したフローチャートである。 第３実施形態における、車両走行中の各部の状態を表した説明図である。 第３実施形態において、主制御装置の姿勢制御動作を表したフローチャートである。 発進又は加減速における第１動作の概要とが第２動作の概要を表した説明図である。 第２動作による発進時、加減速時の制御動作を表したフローチャートである。 ３６０度回転可能なバランサの構成を表した説明図である。 バランサモータでバランサを構成した場合の説明図である。 水平面を車両の前後方向に移動するバランサの説明図である。 第４実施形態におけるバランサの動きについて表した説明図である。

符号の説明

１１ 駆動輪
１２ ホイール駆動モータ
１３ 搭乗部
１３１ 座面部
１３２ 背もたれ部
１３３ ヘッドレスト
１４ 支持部材
１５ 操縦装置
１６ 制御ユニット
１６０ バッテリ
１６１ 主制御装置
１６２ ジャイロセンサ
１６３ モータ制御装置
１８ バランサ駆動部
１８１ バランサモータ
１８２ バランサ
１８３ バランサ駆動機構
１８４ バランサ歯車
１８５ 軸受け
１８６ 歯車支持部
１８７ モータ歯車

Claims (5)

1. 一軸上に配置された駆動輪と、
   搭乗部と、
   前記搭乗部の傾斜に基づく物理量を検出する姿勢感知センサと、
   前記搭乗部に対して移動可能に配置されたバランサと、
   搭乗者による駆動指令に従って前記駆動輪を駆動制御する駆動制御部と、
   前記検出した搭乗部の物理量に応じて前記検出した搭乗部の傾斜方向に前記バランサを移動し、これにより生じる反力トルクで前記搭乗部を元の姿勢位置に戻すことで前記搭乗部の姿勢制御を行う姿勢制御手段と、
   を具備することを特徴とする車両。
   
2. 前記姿勢制御手段は、前記バランサを、前記検出した物理量に対するトルクＴ１以上のトルクＴ２を発生させる角加速度又は角速度で移動させることを特徴とする請求項１に記載の車両。
   
3. 前記バランサを移動させるバランサモータを備え、
   前記姿勢制御手段は、前記バランサモータにより前記バランサを前記搭乗部の傾斜方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載の車両。
   
4. 前記姿勢制御手段は、前記バランサと共に前記バランサモータを、前記搭乗部の傾斜方向に移動させることを特徴とする請求項３に記載の車両。
   
5. 前記バランサは、前記バランサモータに電力を供給する電源であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の車両。

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