JP5013256B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両に係り、例えば、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する。

倒立振り子の姿勢制御を利用した車両（以下、単に倒立車両という）が注目され、例えば、特許文献のように人が搭乗することを想定した倒立車両が提案されている。
特許文献１では車体の傾斜角に応じてカウンタウェイト（バランサ）を移動させることにより倒立制御を行う技術が記載され、特許文献２では制動時に錘を移動させることで、急減速を可能にする技術が記載されている。
特開２００４−１２９４３５公報 特開２００４−２７６７２７公報

倒立車両に乗員が搭乗して走行する場合、車両の運動性能に対する要求から、ある程度の加速度（減速度）を達成できる車両が望まれる。
倒立姿勢制御を行う車両では、加速度に応じて車体の重心位置を移動させる必要があるが、それを車体傾斜により達成するためには車体を大きく傾けなければならない場合があり、乗り心地が悪く不快である。一方、車体を傾けないと、倒立姿勢の維持ができなくなる。
このため、倒立姿勢の維持と快適性の確保を両立させるためには、最大の加速度を抑える必要があった。

これに対して、特許文献記載の倒立車両では、バランサの移動により重心を移動することが可能であるが、車両全体の質量（搭乗者の重量を含めた場合は特に）や重心位置の高さを考慮すると車両全体の重さに対してバランサ自体が小さ過ぎるため、重心位置の微調整程度にしか効果が得られない。
一方、質量の小さいバランサでも移動量を大きくすることで重心移動量を大きくすることは可能であるが、車両サイズに収まるだけの移動量、例えば、特許文献２の錘２７程度のバランササイズ、移動量では、車両静止時の外乱などに対する姿勢制御の微調整程度には使用可能でも、加減速に対する車体の傾斜角を大きく減少させるほどの重心移動の効果は得ることはできない。

そこで、本発明は、運転の快適性を維持しつつ、より大きな最大加減速度が得られる倒立車両を提供することを目的とする。

（１）前記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、駆動輪と、前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λを先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、ｍ≧（Ｌ／λ）αＭに従って決定することを特徴とする車両を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、駆動輪と、前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θを先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、ｍ≧｛（Ｌ／λ）α−（Ｌ₁／λ）θ｝Ｍに従って決定することを特徴とする車両を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、駆動輪と、前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θ、前記車体と前記バランサの合計質量Ｍ ₁ 、前記駆動輪の回転慣性換算質量を含む車両総質量Ｍ ^~ 、前記駆動輪の接地半径Ｒ _W を先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、ｍ≧（（Ｍ₁Ｌ₁＋Ｍ^~Ｒ_W）／λ）α−（Ｍ₁Ｌ₁／λ）θに従って決定することを特徴とする車両を提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、駆動輪と、前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θ、前記車体と前記バランサの合計質量Ｍ ₁ 、前記駆動輪の回転慣性換算質量を含む車両総質量Ｍ ^~ 、前記駆動輪の接地半径Ｒ _W を先に設定し、当該設定した値から、φ＝tan^-1αとして、前記バランサの質量ｍを、次の数式、ｍ≧（Ｍ₁Ｌ₁／λ）tan（φ−θ）＋（Ｍ^~Ｒ_W／λ）（sinφ／（cos（φ−θ）））に従って決定することを特徴とする車両を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、車両総質量Ｍ及びバランサの質量ｍは、搭乗部とその搭乗部に重畳する乗員の質量ｍ_Mを含める、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を提供する。
（６）請求項６に記載の発明では、目標走行状態を取得する目標取得手段を備え、乗員と該乗員が搭乗する搭乗部を含めて前記バランサを構成し、前記走行制御手段は、前記目標走行状態に応じて、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記搭乗部の移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する、ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１の請求項に記載の車両を提供する。
（７）請求項７に記載の発明では、前記走行制御手段は、前記取得した目標走行状態に応じて、前記駆動輪の駆動トルクと、前記搭乗部を移動させる移動推力を決定する決定手段と、前記決定手段で決定した駆動トルクを前記駆動輪に与える駆動手段と、前記決定手段で決定した移動推力を前記搭乗部に与える搭乗部移動手段と、を有することを特徴とする請求項６記載の車両を提供する。
（８）請求項８に記載の発明では、前記目標走行状態に応じて、前記車体を回動させる目標傾斜角を決定する目標傾斜角決定手段と、前記目標走行状態と前記目標傾斜角に基づいて、前記搭乗部を移動させる目標位置を決定する目標位置決定手段と、を備え、前記走行制御手段は、前記目標走行状態と、前記目標傾斜角、前記目標位置に応じて、前記車体の回動と前記搭乗部の移動を制御して、前記車体の重心を調整しながら走行を制御することを特徴とする請求項７に記載の車両を提供する。

請求項１記載の発明では、車両の総質量に対するバランサ質量を適切な値に設定することで、車両の最大加速度向上と運転の快適性確保を両立させることができる。
請求項２記載の発明では、車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離をＬ₁、車体の最大傾斜角をθとし、車体傾斜による重心移動分を考慮しているので、より適切なバランサ質量の設定によって、さらなる車両の最大加速度向上と運転の快適性確保を実現できる。
請求項３記載の発明では、車体と前記バランサの合計質量をＭ₁、駆動輪の回転慣性換算質量を含む車両総質量をＭ^〜、駆動輪の接地半径をＲ_Wとし、駆動輪の回転慣性も考慮しているので、より適切なバランサ質量の設定によって、さらなる車両の最大加速度向上と運転の快適性確保を実現できる。
請求項４記載の発明では、φ＝tan^-1αとし、非線形要素を考慮しているので、より適切なバランサ質量の設定によって、さらなる車両の最大加速度向上と運転の快適性確保を実現できる。
請求項５記載の発明では、車両の総質量に対するバランサの最大移動量を適切な値に設定することによって、さらなる車両の最大加速度向上と運転の快適性確保を実現できる。
請求項６記載の発明では、走行状態における質量をより正確に考慮し、車両総質量Ｍとバランサの質量ｍを、搭乗物の想定質量ｍ_Mを含めた値とするので、バランサの質量をより適切な値に設定することができる。
請求項７記載の発明では、乗員と該乗員が搭乗する搭乗部を含めて前記バランサを構成し、目標走行状態に応じて、回転軸に対する車体の回動と車体に対する搭乗部の移動により、車体の重心を調整しながら走行を制御するので、車体の傾斜角を小さく抑えることができ、搭乗者にとって乗り心地のよい車両を提供することができる。
請求項８記載の発明では、目標走行状態に応じて、駆動輪の駆動トルクと搭乗部を移動させる移動推力を決定し、駆動トルクを駆動輪に与え、移動推力を搭乗部に与えることで、車体傾斜量と搭乗部位置を適切に制御することができる。
請求項９記載の発明では、車体の目標傾斜角に応じて搭乗部の目標位置と駆動トルクを決定することで、任意の車体傾斜角を保った状態での加減速が可能となり、搭乗者にとって、さらに乗り心地のよい車両を提供することができる。

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７を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
図１は、本実施形態のバランサを含む車両姿勢制御系の力学モデルを図示したものである。
本実施形態では、乗員や荷物なども含む車両総質量をＭ、乗員や荷物なども含む車両全体の重心である車両重心の車体直立時における地面からの高さをＬ、車両の要求走行性能として設定される最大加速度をα、車体中心から相対的に移動するバランサの最大移動量をλ、バランサの質量をｍとするとき、次の数式１を満足するように、バランサの質量ｍ又はバランサの最大移動量λを決定する。

本実施形態におけるバランサは、各数式から決定した質量ｍのバランサ、及び最大移動量λを決定するために設定した質量ｍのバランサとするために、搭乗部と他の部分により構成される。
しかし、バランサの主要部は搭乗部で構成されるので、本実施形態では、質量ｍのバランサを便宜上搭乗部として説明する。

（数式１）
（ｍ／Ｍ）（λ／Ｌ）＝α

数式１により、車両総質量Ｍ、車両重心高さＬ、および、車両の最大加速度αに対し、バランサの質量ｍ及び最大移動量λを決定することができる。

本実施形態では、車両の最大加速度と最大減速度が等しいこと、および、バランサの前方最大移動量と後方最大移動量が等しいことを仮定しているが、それぞれについて、両者は異なってもよい。その場合には、数式１において、最大加速度と最大前方移動量、最大減速度と最大後方移動量を対応させて、各々の条件を求め、その両条件を満足するように、バランサの質量ｍ、最大前方移動量、最大後方移動量を決定する。なお、この仮定、および、等しくないときの対応方法は、以下の説明においても同様である。

また、バランサ（能動重量部）を、搭乗者を含めた搭乗部全体で構成する。車両総質量Ｍとバランサ質量ｍは、乗員として予め想定される質量ｍ_Mを含めた値とする。バランサ質量ｍが、搭乗部と乗員質量ｍ_Mでは不十分な場合には、制御部、又は／及びバッテリを含めてバランサを構成する。
このように構成することで、車両重量に対するバランサ重量が大きくなり、最大加減速の限界が大幅に向上しつつ、運転の快適性を確保することが可能となる。

本実施形態により、例えば、車体を１０度傾けると、０．１Ｇの加減速度まで対応可能な車両において、バランサが存在しない場合、あるいは、前記特許文献に示されているような小さいバランサを搭載している場合、０．４Ｇで制動するためには、車体を後ろに４０度傾ける必要がある。
これに対して、本実施形態の車両では、車両総質量Ｍに対して質量割合の大きい搭乗部を移動させるように構成しているので、搭乗部の移動により大きな重心移動の効果を得ることができ、例えば、車体を傾けなくても、搭乗部を１０ｃｍ移動させることによって、０．１Ｇの加減速に対応することができる。
このため、例えば、シートを後ろに３０ｃｍ移動させれば、車体を後ろに１０度傾けるだけで、０．４Ｇの制動に対応することが可能である。

図２は、本実施形態において、搭乗部の移動により小さな傾斜角で加速する状態を表したものである。
本実施形態では、搭乗者を含む搭乗部を車両の前後方向に相対的に並進移動させることにより、車体のバランス（倒立状態）を保つ。
すなわち、図２（ａ）に示すように、搭乗者操作に基づく目標走行状態（加速、減速、停止など）に応じた加減速により車体に作用する駆動輪の反トルクと加速度に伴う慣性力とのバランスを保つために、搭乗者を含む搭乗部を加速度方向に並進移動させる。
これにより、加減速度に対する車体の傾斜角を小さくすることができ、快適で安全な倒立型車両を提供することができる。

（２）第１実施形態の詳細
図３は、本実施形態における車両について、乗員が乗車して前方に走行している状態の外観構成を例示したものである。
図３に示されるように、車両は、同軸上に配置された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１２ａ、１２ｂで駆動されるようになっている。
なお、車両の駆動輪及び駆動モータについては、同軸上に２つ配置する場合だけでなく、それぞれ１つ、又は３つ以上を配置するようにしてもよい。

駆動輪１１ａ、１１ｂ（両駆動輪１１ａと１１ｂを指す場合には駆動輪１１という。以下他の構成も同様）及び駆動モータ１２の上部には、重量体である荷物や乗員等が搭乗する搭乗部１３（シート）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。

本実施形態において、搭乗部１３及び搭乗者（想定質量ｍ_M）によりバランサが構成されている。
本実施形態の搭乗部１３（バランサ）の質量ｍは、車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、バランサの最大移動量λの各値から、前記数式１による次の数式２に従って決定される。
数式２においてバランサの最大移動量λは、車体が直立した状態において、駆動輪１１の回転軸を通る鉛直線を基準とする車体前後方向の相対移動量である。
また搭乗部質量ｍと車両総質量Ｍは、搭乗者の想定質量ｍ_Mを含む値である。

（数式２）
ｍ＝（Ｌ／λ）αＭ

搭乗部１３は、移動機構６３を介して支持部材１４により支持されている。支持部材１４は駆動モータ１２が収納されている駆動モータ筐体に固定されている。
移動機構６３としては、例えばリニアガイド装置のような低抵抗の線形移動機構を用い、搭乗部駆動モータの駆動トルクにより搭乗部１３と、支持部材１４との相対的な位置を変更するようになっている。

リニアガイド装置は、支持部材１４に固定された案内レールと、搭乗部駆動モータに固定されたスライダと、転動体を備えている。
案内レールには、その左右側面部に２本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。
スライダの断面はコ字状に形成されており、その対向する二つの側面部内側には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。
転動体は、前述した軌道溝の間に組み込まれて、案内レールとスライダとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。
なお、スライダには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝と戻し通路を循環するようになっている。
リニアガイド装置には、リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ（クラッチ）が配設されている。車両が停車している時のように搭乗部の動作が不要であるときには、ブレーキにより、案内レールにスライダを固定することで、案内レールが固定されている支持部材１４と、スライダが固定されている搭乗部１３との相対的位置を保持する。そして、動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、支持部材１４側の基準位置と搭乗部１３側の基準位置との距離が所定値となるように制御する。

搭乗部１３の脇には入力装置３０が配置され、入力装置３０にはジョイスティック３１が配置されている。
運転者は、ジョイスティック３１を操作することにより、車両の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の指示を行うようになっている。
本実施形態における入力装置３０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入力装置３０を配置するようにしてもよい。

また、本実施形態の車両には、入力装置３０が配置されているが、予め決められた走行指令データに従って自動走行する車両の場合には、入力装置３０に代えて走行指令データ取得部が配設される。走行指令データ取得部は、例えば、半導体メモリ等の各種記憶媒体から走行指令データを取得する読み取り手段、または／及び、無線通信により外部から走行指令データを取得する通信制御手段で構成してもよい。

なお、図３において、搭乗部１３には人が搭乗している場合について示しているが、必ずしも人が運転する車両には限定されず、荷物だけを乗せた状態、あるいは、何も搭載していない状態で、外部からのリモコン操作や走行指令データに従って走行や停止をさせてもよい。

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、支持部材１４に取り付けられている。
なお、制御ユニット１６は、搭乗部１３の座面部１３１の下面に取り付けるようにしてもよい。この場合、制御ユニットは移動機構６３によって搭乗部１３と共に前後に移動する。

本実施形態の車両は、その他の装置としてバッテリを備えている。バッテリは支持部材１４に配設されており、駆動モータ１２、搭乗部駆動モータ、制御ＥＣＵ２０等に駆動用及び演算用の電力を供給する。

以下の説明において、駆動輪１１、および、これに固定されて共に回転する部分を「駆動輪」、搭乗者を含む車両全体から駆動輪を除いた部分を「車体」、搭乗部１３、および、これに固定されて共に並進移動する部分（搭乗者を含む）を「搭乗部」とする。
本実施形態において、「搭乗部」は、搭乗部１３、入力装置３０、移動機構６３（リニアガイド）の一部により構成されるが、制御ユニット１６やバッテリを搭乗部１３に配設することで、「搭乗部」に加えてもよい。これにより、「搭乗部」の重量、および、その移動による効果を大きくすることができる。

図４は、本実施形態における制御システムの構成を表したものである。
制御システムは、走行姿勢制御手段として機能する制御ＥＣＵ（電子制御装置）２０、ジョイスティック３１、車体傾斜センサ４１、駆動輪センサ５１、駆動モータ５２（駆動モータ１２と同じ）、搭乗部センサ６１、搭乗部モータ６２（搭乗部駆動モータ）、その他の装置を備えている。

制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２、搭乗部制御ＥＣＵ２３を備えており、駆動輪制御、車体制御（倒立制御）等により、車両の走行、姿勢制御等の各種制御を行う。
制御ＥＣＵ２０は、本実施形態における走行・姿勢制御処理プログラム等の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。

主制御ＥＣＵ２１には、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１、搭乗部センサ６１、及び、入力装置３０としてジョイスティック３１が接続されている。
ジョイスティック３１は、搭乗者の操作に基づく走行指令（操縦操作量）を主制御ＥＣＵ２１に供給する。
ジョイスティック３１は直立した状態を中立位置とし、前後方向に傾斜させることで加減速を指示し、左右に傾斜させることで旋回走行時の横方向加速度を指示する。傾斜角度に応じて、要求加減速度、横方向加速度が大きくなる。

車体傾斜センサ４１は、車体の傾斜角を検出する傾斜検出手段として機能し、駆動輪１１の車軸を回転中心とする車体の前後方向の傾斜状態を検出する。
車体傾斜センサ４１は、加速度を検出する加速度センサと車体傾斜角速度を検出するジャイロセンサを備えている。検出した加速度から車体傾斜角θ₁を算出するのと同時に検出した車体傾斜角速度から車体傾斜角θ₁を算出することで、その精度を高めるようにしている。なお、いずれか一方のセンサのみを配置し、その検出値から車体傾斜角や角速度を算出するようにしてもよい。

主制御ＥＣＵ２１は、目標とする目標走行状態を取得する目標走行状態取得手段として機能する。更に、取得した目標走行状態に応じて、駆動輪の駆動トルクと搭乗部の移動推力を決定する出力決定手段として機能する。

主制御ＥＣＵ２１は、ジョイスティック３１からの信号に基づく目標走行状態に応じて、目標とする車体傾斜角と、目標とする搭乗部位置を決定する目標姿勢決定手段として機能する。
また、主制御ＥＣＵ２１は、目標走行状態と目標姿勢（目標車体傾斜角と目標搭乗部位置）に応じて、各アクチュエータ（駆動モータ５２と搭乗部モータ６２）のフィードフォワード出力を決定する、フィードフォワード出力決定手段として機能する。
更に、主制御ＥＣＵ２１は、車体傾斜角の目標値と実測値との偏差に応じて駆動モータ５２のフィードバック出力を決定すると共に、搭乗部位置の目標値と実測値との偏差に応じて搭乗部モータ６２のフィードバック出力を決定する、フィードバック出力決定手段として機能する。

主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動モータ５２と共に駆動手段として機能し、更に駆動輪センサ５１を含めて駆動輪制御システム５０を構成する。
駆動輪センサ５１は、駆動輪１１の回転状態である駆動輪回転角（回転角速度）を検出し、主制御ＥＣＵ２１に供給する。本実施形態の駆動輪センサ５１は、レゾルバで構成され、駆動輪回転角を検出する。この駆動輪回転角から回転角速度が計算により算出される。
主制御ＥＣＵ２１は駆動輪制御ＥＣＵ２２に駆動トルク指令値を供給し、駆動輪制御ＥＣＵ２２は駆動モータ５２に駆動トルク指令値に相当する入力電圧（駆動電圧）を供給する。駆動モータ５２は、入力電圧に従って、駆動輪１１に駆動トルクを与える駆動輪アクチュエータとして機能する。

また、主制御ＥＣＵ２１は、搭乗部制御ＥＣＵ２３、搭乗部センサ６１、搭乗部モータ６２と共に搭乗部制御システム６０を構成する。
搭乗部センサ６１は、搭乗部の相対位置を検出する位置検出手段として機能し、検出した搭乗部位置（移動速度）のデータを主制御ＥＣＵ２１に供給する。本実施形態の搭乗部センサ６１は、エンコーダで構成され、搭乗部位置を検出する。この搭乗部位置の検出値から搭乗部の移動速度が算出される。
主制御ＥＣＵ２１は、搭乗部制御ＥＣＵ２３に搭乗部推力指令値を供給し、搭乗部制御ＥＣＵ２３は搭乗部モータ６２に搭乗部推力指令値に相当する入力電圧（駆動電圧）を供給する。搭乗部モータ６２は、入力電圧に従って、搭乗部１３を並進移動させるための推力を与える搭乗部アクチュエータとして機能する。

次に、以上の通り構成された車両による走行・姿勢制御処理について説明する。
図５は、走行・姿勢制御処理の内容を表したフローチャートである。
まずこの走行・姿勢制御処理による処理全体の概要を説明する。
本実施形態における走行・姿勢制御では、加減速、停止など、目標とする走行状態に応じて、車体傾斜や搭乗部位置を制御し、車体のバランスを保ちつつ、目標とする走行状態を実現する。

主制御ＥＣＵ２１は、初めに、搭乗者の意志に従って、車両をどのように動かすのか、すなわち、車両の走行目標を決定する（ステップ１１０〜ステップ１３０）。

次いで主制御ＥＣＵ２１は、決定した走行目標に対して車体のバランスを保つ（倒立姿勢をとる）ような車体目標姿勢（目標車体傾斜角と目標搭乗部位置）を決定する（ステップ１４０）。
このように、車体傾斜量と搭乗部位置を最適化することにより、車体傾斜を小さくして乗り心地の悪化を防止しつつ、搭乗者に適切な加速感を与えることができる。

そして主制御ＥＣＵ２１は、目標とする車両走行状態と車体姿勢を実現するために必要な駆動モータ５２、搭乗部モータ６２の出力値を決定する。その値に応じて、駆動モータ５２と搭乗部モータ６２の実際の出力を駆動輪制御ＥＣＵ２２と搭乗部制御ＥＣＵ２３で制御する（ステップ１５０〜ステップ２００）。

次に、走行・姿勢制御処理の詳細を説明する。
主制御ＥＣＵ２１は、搭乗者によるジョイスティック３１の操縦操作量（走行指令）を取得する（ステップ１１０）。
そして、主制御ＥＣＵ２１は、取得した操作量に基づいて車両加速度の目標値（車両目標加速度）α^*を決定する（ステップ１２０）。例えば、ジョイスティック３１の前後操作量に比例した値を車両目標加速度α^*の値とする。

主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両目標加速度α^*から、駆動輪角速度の目標値（駆動輪目標角速度）[θω^*]を算出する（ステップ１３０）。
なお、記号[ｎ]は、ｎの時間微分を表すものとする。例えば、車両目標加速度α^*を時間積分し、所定の駆動輪接地半径で除した値を駆動輪目標角速度[θω^*]として算出する。

次に主制御ＥＣＵ２１は、車体傾斜角と搭乗部位置の目標値を決定する（ステップ１４０）。すなわち、ステップ１２０で決定した車両目標加速度α^*の大きさに応じた次の数式３〜数式５により車体傾斜角の目標値（目標車体傾斜角）θ₁ ^*を決定する。
そして、決定した目標車体傾斜角θ₁ ^*に基づき、車両目標加速度α^*の大きさに応じた数式６〜数式８により搭乗部位置の目標値（搭乗部目標位置）λ_S ^*を決定する。

（数式３） θ₁ ^*＝φ^*−β_Max＋sin^-1（γsinφ^*cosβ_Max） （α^*＜−α_Max）
（数式４） θ₁ ^*＝（１−Ｃ_Sense）φ^* （−α_Max≦α^*≦α_Max）
（数式５） θ₁ ^*＝φ^*＋β_Max＋sin^-1（γsinφ^*cosβ_Max） （α^*＞α_Max）

（数式６） λ_S ^*＝−λ_S,Max （α^*＜−α_Max）
（数式７） λ_S ^*＝ｌ₁（ｍ₁／ｍ_S）｛tan（φ^*−θ₁ ^*）＋γ（sinφ^*／cos（φ^*−θ₁ ^*））｝ （−α_Max≦α^*≦α_Max）
（数式８） λ_S ^*＝λ_S,Max （α^*＞α_Max）

数式３〜数式８において、φ^*、β_Max、γは、次の通りである。
φ^*＝tan^-1α^*
β_Max＝tan^-1（ｍ_Sλ_S,Max／ｍ₁ｌ₁）
γ＝Ｍ^〜Ｒ_W／ｍ₁ｌ₁、Ｍ^〜＝ｍ₁＋ｍ_W＋Ｉ_W／Ｒ_W ²

α^*は車両目標加速度（Ｇ）である。また、λ_S,Maxは搭乗部移動量最大値で設定値である。
閾値α_Maxは、数式７においてλ^*＝λ_S,Maxとしたとき、すなわち、搭乗部を限界まで動かしたときの車両目標加速度α^*である。この閾値α_Maxは、既定値であるが、解析的に求めることが出来ないため、繰り返し計算や近似式等を用いることで決定する。

図６は、数式３〜数式８で与えられる車両目標加速度α^*（横軸）と目標車体傾斜角θ₁ ^*および搭乗部目標位置λ_S ^*の関係を図示したものである。
車両目標加速度α^*が閾値±α_Maxの間にある場合（−α_Max≦α^*≦α_Max）、目標車体傾斜角θ₁ ^*は数式４により決定し、搭乗部目標位置λ_S ^*は数式７により決定する。
これにより、−α_Max≦α^*≦α_Maxの範囲では、車体をθ₁ ^*に傾けながら、搭乗部もλ_S ^*に動かすことにより、車体のバランスを保ちつつ、搭乗者に適切な加速度を感じさせることができる。

このように、閾値±α_Maxの範囲内において、車両目標加速度α^*の実現に必要な重心位置の移動を、車体傾斜と搭乗部移動の両者により行うが、その重心移動の分担を決定するのが、数式４と数式７における搭乗者加速度感受係数Ｃ_Senseである。Ｃ_Senseの値は０≦Ｃ_Sense≦１であり、予め設定しておく。
ある車両目標加速度α^*に対して、設定値Ｃ_Senseの値を大きくすると、目標車体傾斜角θ₁ ^*は大きくなり（数式４）、搭乗部目標位置λ_S ^*は小さくなる（数式７）。

Ｃ_Senseは、搭乗者が加速度を感じる程度に相当する。
すなわち、Ｃ_Sense＝１とすると、目標車体傾斜角θ₁ ^*＝０（数式４）となり、車体を全く傾けないため、搭乗者は車両の加減速による慣性力をそのまま感じる。
一方、Ｃ_Sense＝０とすると、θ₁ ^*＝φ^*＝tan^-1α^*となり、車体を平衡傾斜角（重力と慣性力の合力の角度）まで傾けるため、搭乗者は慣性力を感じない（ただし、搭乗者にとって下向きの力は増加する）。

本実施形態では、搭乗者に最適な加速度を感じさせる値として、Ｃ_Sense＝ｐが予め設定される。
例えば、Ｃ_Sense＝１とした場合、車両目標加速度α^*の実現に必要な重心位置の移動の全てを搭乗部１３の移動で実現することになり、車体を直立状態に維持するように制御しながら走行する。

搭乗部移動量が限界±λ_S,Maxに達したとき、すなわち、車両目標加速度α^*＜−α_Max、又は、α^*＞α_Maxの場合、図６に示すように、車体をより大きく傾けてバランスを保つことになる（数式３、５）。
なお、搭乗部移動量に余裕のある場合には、車体傾斜角の方を制限してもよい。

（目標車体傾斜角θ₁ ^*と搭乗部目標位置λ_S ^*の決定の変形例）
上記実施形態の説明では、車両目標加速度α^*と閾値±α_Maxとの関係から数式３〜数式５のいずれか、及び数式６〜数式８のいずれかを選択して目標車体傾斜角θ₁ ^*と、搭乗部目標位置λ_S ^*を決定する場合について説明した。
これに対して、図７に示す目標値決定処理によって目標車体傾斜角θ₁ ^*と、搭乗部目標位置λ_S ^*を決定してもよい。

図７は、第１実施形態における目標値決定処理の内容を表したフローチャートである。
主制御ＥＣＵ２１は、最初に数式４から車両目標加速度α^*に対応する目標車体傾斜角θ₁ ^*を算出する（ステップ１０）。
そして、決定したθ₁ ^*を用いて数式７から搭乗部目標位置λ_S ^*を算出し（ステップ１１）、算出値λ_S ^*が搭乗部の移動可能な−λ_S,Max≦λ_S ^*≦λ_S,Maxの範囲内であるか否かを判断する（ステップ１２）。
算出値λ_S ^*が搭乗部の移動可能な範囲内であれば（ステップ１２；Ｙ）、主制御ＥＣＵ２１は、ステップ１０で算出したθ₁ ^*を目標車体傾斜角に、ステップ１１で算出したλ_S ^*を搭乗部目標位置に、それぞれ決定し（ステップ１３）、処理を終了する。

一方、算出値λ_S ^*が搭乗部の移動可能な範囲外である場合（ステップ１２；Ｎ）、主制御ＥＣＵ２１は、搭乗部移動量最大値±λ_S,Maxを搭乗部目標位置λ_S ^*に決定する（ステップ１４）。
そして、数式３又は数式５を用いて車両目標加速度α^*に対応するθ₁ ^*を再度算出し、これを目標車体傾斜角θ₁ ^*に決定し（ステップ１５）、処理を終了する。

以上の目標値決定処理によれば、数式３〜数式５、数式６〜数式８のいずれの数式を使用するかを決定するための閾値α_Maxを用いることなく、目標車体傾斜角θ₁ ^*と搭乗部目標位置λ_S ^*を決定することができる。
本実施形態では、厳密な理論式である数式３〜数式８を用いて、車体目標姿勢を決定したが、より簡単な式を用いて決定してもよい。例えば、数式３〜数式８を線形化した式を使ってもよい。また、数式の代わりに、車両目標加速度α^*と車体目標姿勢の関係をマップとして予め用意して、それを使って車体目標姿勢を決定してもよい。
一方、より複雑な関係式を用いてもよい。例えば、車両目標加速度α^*の絶対値が所定の閾値以下の場合には、車体を全く傾けずに搭乗部のみを動かし、その閾値を超えた場合に車体を傾け始めるように、関係式を設定してもよい。
なお、本実施形態では、搭乗部の基準位置からの前方最大移動量と後方最大移動量が等しいとしているが、両者は異なってもよい。例えば、後方最大移動量の方を大きくすることにより、加速性能に比べて制動性能を高くすることができる。この場合には、閾値α_Maxを各々の限界値に対応するように修正することで、容易に同様の制御を実現できる。

走行・姿勢制御処理（図５）の説明に戻り、主制御ＥＣＵ２１は、決定した各目標値を用いて残りの目標値を算出する（ステップ１５０）。
すなわち、各目標値を時間微分、あるいは、時間積分することにより、駆動輪回転角目標値θ_W ^*、車体傾斜角速度目標値[θ₁ ^*]、搭乗部移動速度目標値[λ_S ^*]をそれぞれ算出する。

次に各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップ１６０）。
主制御ＥＣＵ２１は、次の数式９により、車両目標加速度α^*を実現するのに必要だと予想される駆動モータ５２のフィードフォワード出力τ_W,FFを決定する。ちなみに、数式９におけるＭ^〜は、駆動輪の回転慣性分も考慮した車両の総質量である。
また、数式３０により、各目標値から搭乗部モータ６２のフィードフォワード出力Ｓ_S,FFを決定する。このＳ_S,FFは、目標車体傾斜角θ₁ ^*に対して、搭乗部が重力によって移動せず、目標位置に留まるのに必要な搭乗部推力に相当する。

（数式９） τ_W,FF＝Ｍ^〜Ｒ_Wｇα^*
（数式３０） Ｓ_S,FF＝−ｍ_Sｇsinθ₁ ^*

数式９、３０のようなフィードフォワード出力を与えることにより、各状態量をより高精度で制御することができる。
なお、この方法は、特に状態量の定常偏差を減少させるのに有効であるが、この代わりとしてフィードバック制御（ステップ１９０）で積分ゲインを与えてもよい。

次に主制御ＥＣＵ２１は、各センサから各状態量を取得する（ステップ１７０）。すなわち、駆動輪センサ５１から駆動輪回転角（回転角速度）を、車体傾斜センサ４１から車体傾斜角（傾斜角速度）を、搭乗部センサ６１から搭乗部位置（移動速度）を、それぞれ取得する。
また主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップ１８０）。すなわち、駆動輪回転角（回転角速度）、車体傾斜角（傾斜角速度）、搭乗部位置（移動速度）を時間積分あるいは微分することにより、残りの状態量を算出する。

次に主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップ１９０）。
すなわち、各目標値と実際の状態量の偏差から、数式３１により駆動モータ５２のフィードバック出力τ_W,FBを、数式３２により搭乗部モータ６２のフィードバック出力Ｓ_S,FBを、それぞれ決定する。
なお、数式３１、数式３２におけるＫ_**はフィードバックゲインであり、各フィードバックゲインＫ_**は、例えば最適レギュレータの値を予め設定しておく。また、前述のように、定常偏差を無くすために、積分ゲインを導入してもよい。

（数式３１） τ_W,FB＝−Ｋ_W1（θ_W−θ_W ^*）−Ｋ_W2（[θ_W]−[θ_W ^*]）−Ｋ_W3（θ₁−θ₁ ^*）−Ｋ_W4（[θ₁]−[θ₁ ^*]）−Ｋ_W5（λ_S−λ_S ^*）−Ｋ_W6（[λ_S]−[λ_S ^*]）
（数式３２） Ｓ_S,FB＝−Ｋ_S1（θ_W−θ_W ^*）−Ｋ_S2（[θ_W]−[θ_W ^*]）−Ｋ_S3（θ₁−θ₁ ^*）−Ｋ_S4（[θ₁]−[θ₁ ^*]）−Ｋ_S5（λ_S−λ_S ^*）−Ｋ_S6（[λ_S]−[λ_S ^*]）

なお、いくつかのフィードバックゲインを零とすることで、簡素化してもよい。例えば、数式３１に代えてτ_W,FB＝−Ｋ_W2（[θ_W]−[θ_W ^*]）−Ｋ_W3（θ₁−θ₁ ^*）、また数式３２に代えてＳ_S,FB＝−Ｋ_S5（λ_S−λ_S ^*）をそれぞれ用いてもよい。

最後に主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与え（ステップ２００）、メインルーチンにリターンする。
すなわち、主制御ＥＣＵ２１は、ステップ１６０で決定したフィードフォワード出力τ_W,FFと、ステップ１９０で決定したフィードバック出力τ_W,FBの和（τ_W,FF＋τ_W,FB）を駆動トルク指令値τ_Wとして、駆動輪制御ＥＣＵ２２に供給する。また、フィードフォワード出力Ｓ_S,FFとフィードバック出力Ｓ_S,FBの和（Ｓ_S,FF＋Ｓ_S,FB）を搭乗部推力指令値Ｓ_Sとして、搭乗部制御ＥＣＵ２３に供給する。

これにより、駆動輪制御ＥＣＵ２２は、駆動トルク指令値τ_Wに対応する入力電圧（駆動電圧）を駆動モータ５２に供給することで、駆動輪に駆動トルクτ_Wを与える。
また、搭乗部制御ＥＣＵ２３は、搭乗部推力指令値Ｓ_Sに対応した入力電圧（駆動電圧）を搭乗部モータ６２に供給することで、搭乗部を移動させる。

以上説明した実施形態では、数式２に従って搭乗部（バランサ）の質量を決定したが、以下の各式から決定するようにしてもよい。
すなわち、車体とバランサの重心から駆動輪の回転軸までの距離をＬ₁、最大車体傾斜角をθとし、車体傾斜を考慮した次の数式１３からバランサ質量ｍを決定してもよい。
（数式１３）
ｍ＝｛（Ｌ／λ）α−（Ｌ₁／λ）θ｝Ｍ

更に、駆動輪の接地半径をＲ_W、駆動輪及びそれと共に回転する部分の質量をＭ_W、同質量部の回転軸回りの慣性モーメントをＩ_W、回転慣性換算質量を含む車両総質量をＭ^〜＝Ｍ＋Ｉ_W／Ｒ_W ²とし、駆動輪の回転慣性を考慮した次の数式１４からバランサ質量を決定してもよい。
（数式１４）
ｍ＝（（Ｍ₁Ｌ₁＋Ｍ^〜Ｒ_W）／λ）α−（Ｍ₁Ｌ₁／λ）θ

更に、φ＝tan^-1αとし、非線形要素まで考慮した厳密な値として次の数式１５からバランサ質量ｍを決定してもよい。
（数式１５）
ｍ＝（Ｍ₁Ｌ₁／λ）tan（φ−θ）＋（Ｍ^〜Ｒ_W／λ）sinφ／cos（φ−θ）

また、説明した実施形態及び上記変形例では、車両の総質量Ｍやバランサの最大移動量λ等を先に設定し、その値から数式２、数式１３〜１５に従って、最適なバランサ質量を決定する場合について説明した。
これに対して、車両の総質量Ｍやバランサ質量ｍ等を先に設定し、その値から、数式２を変形した次の数式１６に従って、バランサの最大移動量λを決定するようにしてもよい。
（数式１６）
λ＝ＬαＭ／ｍ

また、数式２を変形した数式１６と同様に、数式１３〜数式１５を変形した数式に従って、バランサの最大移動量λを決定するようにしてもよい。

また、説明した実施形態では、数式２、数式１３、数式１４、数式１５によりバランサ質量ｍを決定し、また数式１６によりバランサの最大移動量λを決定するようにしているが、該数式によるバランサｍの質量をミニマム値とし、それ以上の値を採用するようにしてもよい。
即ち、これらの数式２、数式１３、数式１４、数式１５、数式１６に変えて、次の数式１７〜数式２１を採用してもよい。

（数式１７）ｍ≧（Ｌ／λ）αＭ
（数式１８）ｍ≧｛（Ｌ／λ）α−（Ｌ₁／λ）θ｝Ｍ
（数式１９）ｍ≧（（Ｍ₁Ｌ₁＋Ｍ^〜Ｒ_W）／λ）α−（Ｍ₁Ｌ₁／λ）θ
（数式２０）ｍ≧（Ｍ₁Ｌ₁／λ）tan（φ−θ）＋（Ｍ^〜Ｒ_W／λ）（sinφ／（cos（φ−θ）））
（数式２１）λ≧ＬαＭ／ｍ

本実施形態のバランサを含む車両姿勢制御系の力学モデルを図示した説明図である。 本実施形態において、搭乗部の移動により小さな傾斜角で加速する状態を表した説明図である。 本実施形態における車両について、乗員が乗車して前方に走行している状態の外観構成を例示した図である。 第１実施形態における制御システムの構成図である。 第１実施形態における走行・姿勢制御のフローチャートである。 車両目標加速度α^*（横軸）と目標車体傾斜角θ₁ ^*および、搭乗部目標位置λ_S ^*の関係図である。 第１実施形態の変形例における目標値決定処理のフローチャートである。

符号の説明

１１ 駆動輪
１２ 駆動モータ
１３ 搭乗部
１４ 支持部材
１３１ 座面部
１３２ 背もたれ部
１３３ ヘッドレスト
１６ 制御ユニット
２０ 制御ＥＣＵ
２１ 主制御ＥＣＵ
２２ 駆動輪制御ＥＣＵ
２３ 搭乗部制御ＥＣＵ
３０ 入力装置
３１ ジョイスティック
４１ 車体傾斜センサ
５０ 駆動輪制御システム
５１ 駆動輪センサ
５２ 駆動モータ
６０ 搭乗部制御システム
６１ 搭乗部センサ
６２ 搭乗部モータ
６３ 移動機構

Claims (8)

1. 駆動輪と、
   前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、
   前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、
   前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、
   車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λを先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、
   ｍ≧（Ｌ／λ）αＭ
   に従って決定することを特徴とする車両。
2. 駆動輪と、
   前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、
   前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、
   前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、
   車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θを先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、
   ｍ≧｛（Ｌ／λ）α−（Ｌ₁／λ）θ｝Ｍ
   に従って決定することを特徴とする車両。
3. 駆動輪と、
   前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、
   前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、
   前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、
   車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θ、前記車体と前記バランサの合計質量Ｍ ₁ 、前記駆動輪の回転慣性換算質量を含む車両総質量Ｍ ^~ 、前記駆動輪の接地半径Ｒ _W を先に設定し、当該設定した値から、前記バランサの質量ｍを、次の数式、
   ｍ≧（（Ｍ₁Ｌ₁＋Ｍ^~Ｒ_W）／λ）α−（Ｍ₁Ｌ₁／λ）θ
   に従って決定することを特徴とする車両。
4. 駆動輪と、
   前記駆動輪の回転軸に回動可能に支持された車体と、
   前記車体に相対移動可能に配設されたバランサと、
   前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記バランサの移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する走行制御手段と、を備えた車両であって、
   車両総質量Ｍ、車両全体の重心高さＬ、車両の最大加減速度α、前記バランサの最大移動量λ、前記車体と前記バランサの重心から前記駆動輪の回転軸までの距離Ｌ ₁ 、最大車体傾斜角θ、前記車体と前記バランサの合計質量Ｍ ₁ 、前記駆動輪の回転慣性換算質量を含む車両総質量Ｍ ^~ 、前記駆動輪の接地半径Ｒ _W を先に設定し、当該設定した値から、φ＝tan^-1αとして、前記バランサの質量ｍを、次の数式、
   ｍ≧（Ｍ₁Ｌ₁／λ）tan（φ−θ）＋（Ｍ^~Ｒ_W／λ）（sinφ／（cos（φ−θ）））
   に従って決定することを特徴とする車両。
5. 車両総質量Ｍ及びバランサの質量ｍは、搭乗部とその搭乗部に重畳する乗員の質量ｍ_Mを含める、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。
6. 目標走行状態を取得する目標取得手段を備え、
   乗員と該乗員が搭乗する搭乗部を含めて前記バランサを構成し、
   前記走行制御手段は、前記目標走行状態に応じて、前記回転軸に対する車体の回動と前記車体に対する前記搭乗部の移動により、前記車体の重心を調整しながら走行を制御する、ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１の請求項に記載の車両。
7. 前記走行制御手段は、
   前記取得した目標走行状態に応じて、前記駆動輪の駆動トルクと、前記搭乗部を移動させる移動推力を決定する決定手段と、
   前記決定手段で決定した駆動トルクを前記駆動輪に与える駆動手段と、
   前記決定手段で決定した移動推力を前記搭乗部に与える搭乗部移動手段と、
   を有することを特徴とする請求項６記載の車両。
8. 前記目標走行状態に応じて、前記車体を回動させる目標傾斜角を決定する目標傾斜角決定手段と、
   前記目標走行状態と前記目標傾斜角に基づいて、前記搭乗部を移動させる目標位置を決定する目標位置決定手段と、を備え、
   前記走行制御手段は、前記目標走行状態と、前記目標傾斜角、前記目標位置に応じて、前記車体の回動と前記搭乗部の移動を制御して、前記車体の重心を調整しながら走行を制御することを特徴とする請求項７に記載の車両。

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