JP5018039B2 - 車両 - Google Patents
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Description
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で提案され、また、特許文献2においても各種倒立振り子車両について指摘されている。
そして、姿勢を制御するための技術として、錘やカウンタウェイト等のバランサを配置し、車両の姿勢(傾斜状態)や加減速の要求に応じてバランサを移動することで車両全体の重心位置を移動させながら姿勢制御を行う技術について提案されている。
そしてバランサとしての充分な性能を発揮させるためにはバランサを充分な重さにする必要がある。このため、車体全体の重量増となり、アクチュエータを駆動するために使用するエネルギーが多く必要になると共に、車両の燃費を悪くすることになる。
また、2輪、3輪、4輪で、ホイールベースの短い車両の場合、安定走行時には前後の車輪により安定した姿勢を維持することが可能であるが、加減速時に、各輪にそれぞれかかる荷重を調節できないため、車両が不安定になる。
一方、バランサを配置しない倒立車両の場合には、荷重増加の問題は存在しないが、車体の傾斜により加減速等を行うため、車体を水平に維持する姿勢制御を行うことができない。
(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、走行要求を受領する走行要求受領手段と、前記受領した走行要求に対応する、前記搭乗部に対する前記駆動部の目標相対位置を決定する目標相対位置決定手段と、を備え、前記姿勢制御手段は、前記駆動モータの出力を増減することで、前記目標相対位置となるように前記移動機構を制御する、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、前記移動機構は、前記搭乗部に対する前記駆動部の位置を固定し、及び固定状態を開放する固定開放手段を備え、前記姿勢制御手段は、前記固定開放手段による固定状態を開放させた状態で、前記駆動モータの出力を増減することで、前記駆動部と前記搭乗部との相対的位置関係を制御する、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、前記搭乗部に対する前記駆動部の相対位置を検出する相対位置検出手段を備え、前記固定開放手段は、前記検出した相対位置と前記目標相対位置との差が所定値以下となった場合に前記搭乗部に対する前記駆動部の位置を固定す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3又は請求項4に記載の車両において、前記固定開放手段は、無励磁動作ブレーキで構成される、ことを特徴とする。
(6)請求項6に記載した発明では、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において、前記移動機構は、搭乗部と駆動部のいずれか一方が配設される案内レールと、他方が配設されるスライダにより構成されることを特徴とする。
(7)請求項7に記載した発明では、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において、摩擦力による制動力を発生させる補助制動手段を備え、前記補助制動手段は、所定以上の制動力を必要とする急ブレーキの場合に作動することを特徴とする。
(1)実施形態の概要
本実施形態の車両では、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両において、駆動モータと駆動輪を有する駆動部を、搭乗部を含む車体に対して移動可能に取り付けることにより、車体全体をバランサとして使用して姿勢制御を行うものである。
これにより、別途バランサを準備することなく姿勢制御を行なうことができる。
移動機構としては、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、駆動モータの駆動力により車体と駆動部との相対的な位置を変更することで、車体にバランサと同様の効果を持たせる。
これにより、別途駆動モータ等を準備することなくバランサ機能を備えることが可能になる。
また、車体の動き(特に、制動動作)を補助するために、車両前方の下部に、収納可能な補助車輪を設ける。
本実施形態の車両は、倒立振り子車両により構成されており、搭乗部の姿勢を感知し、その姿勢に応じて、駆動輪の駆動方向で前後方向のバランスを保持するように姿勢制御を行いながら走行するものである。
本実施形態における姿勢制御の方法としては、例えば、米国特許第6,302,230号明細書、特開昭63−35082号公報、特開2004−129435公報、特開2004−276727公報で開示された各種制御方法が使用可能である。
図1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。
以下、両駆動輪11aと11bを指す場合に、両駆動モータ12aと12bを指す場合には、それぞれ符号a、bを付けずに駆動輪11、駆動モータ12という。他の要素も同様とする。
車両本体は、荷物や乗員等の重量体が搭乗する搭乗部13(シート部)と、搭乗部13が固定される本体フレーム70を備えている。
駆動部は、駆動輪11と駆動モータ12を備えている。駆動部は、車両の進行方向前後方向に移動可能な状態で、後述する移動機構を介して本体フレーム70に配設されている。
本実施形態における操縦装置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操縦装置30を配置するようにしてもよい。
また、制御ユニット16及び駆動モータ12の電源としてのバッテリ(図示しない)も、制御ユニットと同様に本体フレーム70に固定されているが、搭乗部13の座面部131の裏側に固定されるように構成してもよい。
リニアガイド装置81は案内レール、スライダ、及び転動体を備えており、案内レールが本体フレーム70の支持部材71に固定され、スライダが駆動モータ12に固定されている。
スライダはその幅方向に沿う断面がコ字状に形成されており、その相対向する二つの内側側面部には、2本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対対向して形成されている。
転動体は前述した軌道溝間に組み込まれて、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を転動するようになっている。
なお、スライダには、スライダの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運動するようになっている。
このブレーキにより、案内レールとスライダとの相対的位置を固定、解除することで、案内レールが固定されている本体フレーム70を含む車両本体と、スライダが固定されている駆動部との相対的位置の固定と移動が行われる。すなわち、車両本体の基準位置と、駆動部の基準位置との距離が、姿勢制御の状況に応じた所定値となるように制御されることになる。
補助制動部63は、補助制動車輪631と、本体フレーム70に固定された補助制動機構本体632と、補助制動車輪631の位置を変化させるための伸縮機構(アーム)633を備えている。
補助制動車輪631は、伸縮機構633を伸縮することで接地、非接地の制御が行われるようになっている。伸縮機構633は、例えば油圧制御や電磁制御等により伸縮するように構成される。
なお、補助制動車輪の出し入れは、伸縮に限らず、回転アームのように出し入れしても良い。また、補助制動部63は、車両に制動をかけるものであるから、必ずしも車輪を用いなくてもよく、摩擦材でも良い。
また、補助制動部63は、車両停止時において補助制動車輪631を接地させることにより、両駆動輪11a、11bの三点で車両を安定的に停止させるための、第3の接地手段として機能する。
車両停止時においては、車両本体を前方に移動するすることで、補助制動車輪631と駆動輪12の間隔が広がると共に、車両本体の重心が補助制動車輪631の回転軸と駆動輪12の回転軸の間に移動するので、安定的に停止させておくことができる。
制御ユニット16は、車両の走行、本実施形態における車両本体の移動による姿勢制御、車両本体の移動によらない通常の姿勢制御、補助制動部63による制動制御等の各種制御を行うECU(電子制御装置)20を備えている。
制御ECU20には、操縦装置30、走行制御用センサ40、駆動アクチュエータ61、リニアガイド装置81、補助制動部63、及びバッテリ等のその他の装置が電気的に接続されている。
ジョイスティック31は直立した状態をニュートラル位置とし、前後方向に傾斜させることで前後進を指示し、左右に傾斜させることで左右方向の旋回を指示するようになっている。傾斜角度に応じて、要求速度、旋回曲率が大きくなる。
本実施形態におけるポジションセンサ41は、リニアガイド装置81に配置され、案内レールの基準位置に対する、スライダの基準位置の距離を距離lnowとして検出するように成っているが、駆動部に対する車両本体の両基準位置の距離を直接検出するようにしてもよい。
車両本体の重心位置は、予め設計された車両本体の形状及び、車両本体の重量と標準的搭乗者の体重とから予め決められてた位置が使用される。
なお、車両本体の基準位置を決める重心位置については、座面部131に搭乗者の体重計を配設し、測定した体重から、重心位置を補正するようにしてもよい。
なお、駆動部の加速度、車速にかえて車両本体の加速度と車速を検出するようにしてもよい。
走行制御部21は、走行制御及び姿勢制御に応じて出力指令値を、駆動アクチュエータ61、リニアガイド装置81及び補助制動部63に供給するようになっている。
目標車体位置ltgtの算出に必要な目標加速度atは、操縦装置30の検出値が走行制御部21から供給される。
図3において、pは車両本体Aの基準位置を表し、qは駆動部Bの基準位置を表す。
車両本体Aの基準位置pは車両本体の重心を通る鉛直線であり、駆動部Bの基準位置qは駆動輪11の中心軸を通る鉛直線である。
なお、図1、図3に示した車両では、補助制動部63の補助制動車輪631が接地している状態について記載されているが、所定の制動が必要な場合や停止時を除いて補助制動車輪631は伸縮機構633により車両本体側(上側)に退避した状態である。
(a)車両停止状態から加速時
加速時、ドライバーが操縦装置30で加速を指令すると、車体位置演算部22が、その目標加速度atで車体を水平に保つための目標車体位置ltgtを算出する。
通常、前方への加速時は、車両本体Aの重心を前方に移動させる必要がある。そのため、図3(c)に示されるように、車両本体Aの基準位置pを駆動部Bの基準位置qよりも相対的に前方に位置させる必要がある。
その後、走行制御部21は、駆動アクチュエータ61に対して、駆動部Bが車両本体Aの重心位置と逆方向(ドライバーの指令方向と逆方向)に進むように指令する。
このとき、車両本体Aと駆動部Bを固定するブレーキが開放されているので、図3(c)に示されるように、車両本体Aは地面に対して同一位置を保持した状態(ほぼ動かない状態)のまま、駆動部Bは後方に高速移動する。
その後、走行制御部21は、駆動部Bに対する車両本体Aの位置が相対的に前方に移動したことで車両重心が前方に移動した状態で、搭乗者が操縦装置30で指令した方向に、指令された加速を開始する。
なお、リニアガイド装置81のブレーキの締結は、締結時のショックを和らげるため、ブレーキを徐々に利かせるようにしてもよい。
搭乗者からの指令に基づき、加速走行から定速走行に移行する場合、車体位置演算部22で算出する目標車体位置ltgtに近づくよう、走行制御部21は、ポジションセンサ41の出力を監視し、リニアガイド装置81のブレーキの締結力と駆動部B(駆動アクチュエータ61)の出力を調節する。
重心を前方に移動させるときは駆動部B出力を減少させ、重心を後方に移動させるときは駆動部Bの出力を増加させることにより調整を行なう。
このとき、同時にリニアガイドブレーキの締結力を弱め、駆動部Bが車体に対して移動可能なように制御する。
そして目標車体位置ltgt=0の場合には、図3(b)のように両基準位置p、qが一致することになる。
一方、減速時において重心を後方に移動させる場合には、駆動部Bの出力を増加することで、図3(a)に示すように、車両本体Aの基準位置pを駆動部Bの基準位置qよりも相対的に後方に移動した状態になる。
走行中の再加速では、重心を前方に移動させる必要がある点では、停止から加速する場合と同様である。
しかし、停止からの加速と異なり、車両本体Aの慣性を利用できるので、駆動部Bの出力を減少させ、あるいは制動(回生)させることによって車体を前方に移動させることで図3(c)の状態にすることができる。
走行制御部21は、車体位置演算部22からの目標車体位置ltgtとなるよう、リニアガイド装置81のブレーキの締結量と駆動部Bの出力を調節する。
目標車体位置ltgtに到達後、ドライバー指令値に従い加速を開始する。
本実施形態では、駆動部Bの出力調整(出力の増減)とリニアガイド装置81のブレーキ制御とにより、両基準位置p、qの相対的位置関係を変更するようにしている。すなわち、現在の走行状態や加速状態を維持するために必要な駆動部Bの出力(駆動アクチュエータ61からの出力)比べ、駆動部Bの出力を増加することで駆動部Bの基準位置qを前方に移動させ、逆に減少させることで後方に移動させるものである。
そして、減速時において重心(基準位置p)を後方に移動(駆動部Bの基準位置qを前方に移動)させることが要求される。
しかし、走行制御部21が、搭乗者の意図する減速度を実現するには、駆動部Bの出力調整だけでは十分な車体移動量が確保できない場合がある。
この場合走行制御部21は、補助制動車輪制御部24に制動指令を供給し、補助制動車輪制御部24は制動指令を受けて補助制動部63の伸縮機構633を伸ばして補助制動車輪631を接地させることで車両に対する制動力を得る。
この状況は、走行制御部21がポジションセンサ41の検出値から監視し、車体位置演算部22の算出した目標車体位置ltgtになると、走行制御部21は、補助制動車輪制御部24に格納指令を供給し、補助制動部63の伸縮機構633を縮めて補助制動車輪631を格納することで、無駄な走行抵抗を生じさせないようにする。
走行制御部21は、同時にリニアガイド装置81のブレーキを作用させ固定する。
その後、駆動部Bに減速指令を行ない、回生動作により減速を行なう。これにより減速時のエネルギーを無駄なく回収することができる。
倒立車両の場合、停止時は、重心を前に移動させるように駆動部Bが後方に向かって動き、車両本体の前方を接地させることにより、乗降を行ないやすくする。
このとき、リニアガイド装置81のブレーキは、締結力を十分弱め、車体が必要量前方に移動した後に固定して停止する。
停止の際に前方に傾斜した車両を支える必要があるが、その支えのために本実施形態では、補助制動部63の補助制動車輪631で行う。この場合の伸縮機構633の伸縮状態は、車体が傾斜している状態で補助制動車輪631が接地する状態とする。
この場合、車両支持部材は、補助制動車輪631が格納された状態よりも下側となるように形成する。
走行制御部21は、走行制御用センサ40から駆動部速度VBと駆動部加速度aBを取得する(ステップ11)。
また、走行制御部21は、操縦装置30からドライバ入力値(目標加速度at)を取得し、車体位置演算装置22に供給する(ステップ12)。
さらに走行制御部21は、lnowを取得する(ステップ13)。
すなわち、駆動輪の中心と通る鉛直線(基準位置q)からの距離を目標車体位置ltgtとし、目標加速度atとすると、基本的に次の数式(a)に従って算出される。
差分dが閾値h以下、即ち僅かである場合(ステップ15;Y)には、車両本体を相対的に移動しなくても姿勢制御されるので、補助制動車輪331を格納状態とし(ステップ16)、さらにリニアガイド装置81のブレーキを作動(固定)し(ステップ17)、ステップ23に移行する。
即ち走行制御部21は、ステップ15で算出した差分dを入力として、目標距離(=d)を実現するために駆動部に必要な加速度aBtを次の数式(b)から算出する。
すなわち、走行制御部21は、算出した加速度aBtを実現するように差分トルクτdiffを次の数式(c)から算出する。
この差分トルクτdiffは、現在の走行状態や加速状態を維持するために必要な駆動部Bの出力に対して、駆動部を前後に移動させるために必要な出力の増減分である。
また、C3〜C5は実験的に設定される定数であるが、物理モデルより求めた値でも良い。Mは駆動部の重量である。
すなわち、走行制御部21は、加速を+、減速を−とした場合に、ステップ12で取得した目標加速度a1が所定の閾値x(<0)よりも小さい場合に急減速と判断する。
急減速である場合(ステップ20;Y)、走行制御部21は、補助制動車輪制御部24を介して、補助制動車631を接地させることで制動力を得る(ステップ21)。
この通常制御トルクτ1に、ステップ19で算出した車両本体と駆動部との相対位置を実現するための差分トルクτdiffに加算することで、最終出力トルクτ(=τ1+τdiff)を算出し、駆動部出力トルク指令値として駆動アクチュエータ61に供給し(ステップ23)、メインルーチンにリターンする。
なお、走行制御部21は、この最終出力トルクτの値が、例えば倒立制御に対して影響を与えるような場合、ある一定値以上の値をとらないように最大値で規制しても良い。
そして、次移行のルーチンにおいて、目標車体位置ltgtと現在の車体位置lnowとの差分dが所定の閾値h以下となった場合に(ステップ15;Y)、走行制御部21は、補助制動車輪631を格納状態にすると共に(ステップ16)、ステップ22で解除状態にあるリニアガイド装置81のブレーキを作動(固定)する。
駆動部を除いた、搭乗部や制御部等の車体全体がバランサとなるため、バランサ機能の付加に伴う重量増加を少なくすることが可能になり、車両全体の燃費も良好となる。
補助車輪を使用する場合は、減速のためではなく、車体バランサを効果的に機能させるために最小限の時間使用するだけで済み、基本的に回生ブレーキで減速するので、回生効率が良い。補助輪は、必須の要素ではない。
車両駆動用のモータとリニアガイド、リニアガイドの動きを制御するクラッチを使用して車体と車輪の相対位置を変更するため、別途バランサ駆動用モータ等を準備する必要がない。
例えば、説明した実施形態では、リニアガイド装置81により車両本体と駆動部の前後方向における相対的位置を移動する場合について説明したが、前後方向だけでなく車両の上下方向に対する相対的位置を移動するようにしてもよい。
図5(a)では車両本体のうち本体フレーム70について表し、搭乗部については省略している。
図5(b)に示されるように、本体フレーム70には、駆動部を進行方向前後に移動するための第1軌道76と、上下方向に移動するための第2軌道78が形成されている。
第1軌道76は、本体フレーム70の下側に水平に形成されている。
第2軌道78は、第1軌道76の途中から後上方向に向かう傾斜部とそれに続く水平部で形成されている。
なお、衝撃緩衝材は第1軌道76の前方側及び/第2軌道78の前方側にも配置するようにしてもよい。
切替部材79は、走行制御部21からの切替指令に従い、図示しない切替アクチュエータによって車両後方側(図面右側)を中心に回動するように構成されている。
切替部材79は、駆動部の前後方向の相対位置を変更する場合第1軌道76と平行になるように上側に切り替えられ、上下方向の相対位置を変更する場合には第2軌道78と平行になるように下側に切り替えられる。
第1軌道76に駆動部がある状態での地面と、この支持部材90の下側端面との距離をLとすると、第1軌道76と、第2軌道78の水平部との間隔はLに形成されている。
従って、駆動部が第2軌道78の水平部に移動すると支持部材90が接地するため、車両を安定的に停止させることができる。
通常停車時は減速するために重心を後方に移動する必要がある。このため、停車する場合には、駆動部を第1軌道76に沿って前方に移動して減速し、その後停車するために第2軌道を後方に向かって移動する。
このように第2軌道78の傾斜部が後上方向に傾斜しているので、減速から停車を一連の動作としてスムーズに行うことができる。
図6は、常時接地している補助輪を備えた車両の搭乗部と駆動部の状態を表したものである。
図6では、駆動輪11よりも後方に補助輪121が1つ又は2つ配置されているが、補助輪121は駆動輪11の前方に配置されるように構成してもよい。
そこで、図6(a)〜(b)に示されるように、本実施形態で説明したと同様に車両本体Aと駆動部Bとの相対位置を制御することで、駆動輪11と補助輪121の各輪に効果的に荷重を配分することで、安定した加減速を行うことが可能になる。
そこでドライバーが操縦装置30で指令した加速度において、最も効果的かつ安全に加速できる車体位置をあらかじめ実験的に求めておき、この値に基づいて車体位置を移動させるようにする。
また、減速時には、制動の効果のみを考えると、制動輪に最も荷重がかかることが望ましいが、加速時と同様の直進安定性の確保や、転倒の危険を回避するため、加速時と同様、最も効果的かつ安全に減速できる車体位置をあらかじめ実験的に求めておき、同様に車体位置を移動させる。
また、駆動部Bに対して少なくとも搭乗部30が相対的に移動する構成であればよく、搭乗部30と共に制御ユニット16及び/又はバッテリが移動するようにしてもよい。
例えば、スライダ型のアクチュエータや、ロッド型アクチュエータを利用することで相対位置を移動させるようにしてもよい。
12 駆動モータ
13 搭乗部
16 制御ユニット
20 ECU
21 走行制御部
22 車体位置演算部
23 リニアガイドブレーキ制御部
24 補助制動車輪制御部
30 操縦装置
31 ジョイスティック
40 走行制御用センサ
41 ポジションセンサ
41 走行制御用センサ
42 加速度センサ
43 車速センサ
61 駆動アクチュエータ
63 補助制動部
70 本体フレーム
71 支持部材
81 リニアガイド装置
Claims (7)
- 一軸上に配置された駆動輪と該駆動輪を駆動する駆動モータを有する駆動部と、
搭乗部と、
前記搭乗部に対して、前記駆動部を前後方向に移動させる移動機構と、
前記移動機構により、前記駆動部と前記搭乗部との相対的位置関係を制御することで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、前記駆動モータの出力を増減することで、前記移動機構による、前記駆動部と前記搭乗部との相対的位置関係を制御する、
ことを特徴とする車両。 - 走行要求を受領する走行要求受領手段と、
前記受領した走行要求に対応する、前記搭乗部に対する前記駆動部の目標相対位置を決定する目標相対位置決定手段と、を備え、
前記姿勢制御手段は、前記駆動モータの出力を増減することで、前記目標相対位置となるように前記移動機構を制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の車両。 - 前記移動機構は、前記搭乗部に対する前記駆動部の位置を固定し、及び固定状態を開放する固定開放手段を備え、
前記姿勢制御手段は、前記固定開放手段による固定状態を開放させた状態で、前記駆動モータの出力を増減することで、前記駆動部と前記搭乗部との相対的位置関係を制御する、ことを特徴とする請求項2に記載の車両。 - 前記搭乗部に対する前記駆動部の相対位置を検出する相対位置検出手段を備え、
前記固定開放手段は、前記検出した相対位置と前記目標相対位置との差が所定値以下となった場合に前記搭乗部に対する前記駆動部の位置を固定することを特徴とする請求項3に記載の車両。 - 前記固定開放手段は、無励磁動作ブレーキで構成される、ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の車両。
- 前記移動機構は、搭乗部と駆動部のいずれか一方が配設される案内レールと、他方が配設されるスライダにより構成され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。
- 摩擦力による制動力を発生させる補助制動手段を備え、
前記補助制動手段は、所定以上の制動力を必要とする急ブレーキの場合に作動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。
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