JP5064779B2 - 姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、姿勢制御装置に係り、詳しくは、自動車、大型トラック・トレーラ等の連結車両、鉄道車両などの車両の運動中の姿勢を制御する装置に関するものである。

車両などの省エネルギ化のために、回収したブレーキエネルギーなどの一時的なエネルギ貯蔵デバイスが注目されている。その一つに、高速回転する回転体の回転エネルギとして貯蔵するフライホイール装置がある。フライホイールは、車両の駆動力伝達系から得たエネルギをフライホイールの回転のエネルギとして蓄え、必要に応じてこれを放出するエネルギ貯蔵装置を構成することができる。例えば、車両の減速時に、車両の運動エネルギを駆動力伝達系を介して回収し、車両の加速時に、蓄えていたエネルギを駆動力伝達系へと返還して、加速を補助する。また、蓄えられたエネルギにより、動力源補機を駆動する。例えば、フライホイールを備えたハイブリッド型電気自動車として、フライホイールを回転駆動しかつフライホイールの回転により発電するフライホイール駆動発電機と、車軸を回転駆動しかつ車軸の制動エネルギにより発電する車軸駆動発電機と、始動時の電気エネルギを貯蔵するバッテリと、車軸駆動発電機を回転駆動する電気を発電する発電装置と、フライホイール駆動発電機及び車軸駆動発電機を制御するパワーコトローラと、を備え、該パワーコトローラにより、車両駆動電力が発電装置の発電出力より大きい場合にはフライホイール駆動発電機により発電し、車両駆動電力が発電出力より小さい場合及び車両制動時には余剰電力及び制動時の発電電力によりフライホイールにエネルギを貯蔵するものが提案されている。

しかしながら、フライホイール装置は高速で回転する回転質量を有するため、ジャイロモーメントが発生し、このジャイロモーメントは車体を傾ける力及び車体の向きを変更させる力となることから、車両の運動に悪影響を与えることが懸念され、ダブルジンバル装置のように車両の運動や動揺に対してジャイロ効果を打ち消す装置が提案されている。一方、フライホイールは、その質量と大きさの観点から課題もあり、エネルギ貯蔵以外の付加価値が求められている。

特許文献１には、フライホイールでのジャイロモーメントの発生を抑制してエネルギ貯蔵の効率化及び車両の走行安定性の向上を図る車両用駆動装置が開示されている。具体的には、発電電動機制御部がアクセル信号及びブレーキ信号に基づいて第１発電電動機への供給電力を制御し、余剰電力はバッテリに蓄電したり、フライホイールにエネルギとして貯蔵する一方、不足電力はフライホイールに貯蔵されたエネルギを第２発電電動機によって電力に変換して第１発電電動機へ供給するようにし、フライホイールをダブルジンバル軸受にて支持し、フライホイール姿勢制御部が車両の揺れに応じてサーボモータを駆動し、フライホイールが絶対座標上で揺れないように姿勢を制御する。このものは、「フライホイールの姿勢」を制御することで、フライホイールの悪影響を排除して車両の走行安定性を向上させようとするものであり、フライホイールをエネルギ貯蔵として用いるに過ぎない。

特許文献２には、車載用フライホイール式電力貯蔵装置及びこれを用いた車両の車体姿勢制御システムが開示されおり、フライホイールの慣性力が車両の車体挙動に悪影響を及ぼすのを防ぎつつ、車体制御を行う技術手段を開示している。具体的には、発電可能な電動モータにより回転駆動されるフライホイールを有するフライホイール部と、このフライホイール部を互いに直交するＸ軸及びＹ軸の各軸まわりに回転自在にそれぞれ支持する二つの回転支持部を備えたジンバル構造とを車載用フライホイール式電力貯蔵装置に設け、さらに、上記二つの回転支持部でのフライホイール部の各回転角を検出する回転角センサ（回転角検出手段）を設置して、制御ユニットに設けた挙動検知部によってこれらのセンサの検出結果から車両の車体挙動を検知させる。より具体的には、フライホイールをジャイロスコープのこまとして機能させると共に、検知した車体挙動に基づいてステアリングシステムやサスペンションシステムに指示信号を出力することで、操向車輪やショックアブソーバ等がローリング（例えば）を解消するように駆動する。このものは、フライホイールをエネルギ機能に加えて、ジャイロスコープのこま（検知手段）として機能させるものに留まるものである。
特開平１１−６９５１１ 特開２００５−６５４１１

本発明は、車両の運動への悪影響を排除しつつ、エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールが生成するジャイロモーメントを能動的に用いることで、車両のロール運動制御を行うことを目的とするものである。

本発明の他の目的は、フライホイールが生成するジャイロモーメントを能動的に用いることを可能とするフライホイールの支持構造を提供することにある。

本発明が採用した第１の技術手段は、エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールを搭載した車両の姿勢制御装置であって、前記フライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されており、前記第１軸が車体の前後方向に延出するように車体に搭載されており、前記装置は、前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段を備えており、前記回動固定手段により前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定することで、車両のロール運動制御を行う、車両の姿勢制御装置、である。

一つの好ましい態様では、前記装置は前記第２軸回りにフライホイールを回動させる回動駆動手段を備えている。さらなる態様では、前記回動駆動手段は、第１軸回りの回動を前記回動固定手段により固定した状態で、前記第２軸回りの回動駆動を行う。一つの好ましい態様では、前記装置は、前記第２軸回りのフライホイールの回動を固定する手段を備えている。

好ましくは、前記第１軸と前記第２軸との交点が前記フライホイールの重心と一致している。車体に搭載されるフライホイールは一つ以上であり、複数のフライホイールを一つの車体に搭載してもよい。一つの好ましい態様では、前記装置は、互いに異なる方向に回転する二つのフライホイールからなる一つ以上のフライホイール組を備えており、フライホイール組を構成する第２軸同士は、互いに異なる方向に回動するように伝動連結されている。一つの好ましい態様では、フライホイール組を構成する各フライホイールの第２軸同士は、互いに異なる方向に同量だけ回動するように伝動連結されている。

前記車両の好ましい態様例としては、トラクタとトレーラとを備えた連結車両、大型トラック、車体傾斜機能を有する車両（例えば、自然振子車両）が挙げられる。より具体的な適用例としては、大型トラックやトレーラの横転防止、鉄道車両の傾斜制御、鉄道車両の横転防止、鉄道車両の左右の輪重不均衡の制御、が挙げられる。

本発明が採用した第２の技術手段は、エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールを搭載した車体傾斜機能を有する車両の姿勢制御装置であって、前記フライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されており、前記第１軸が車体の前後方向に延出するように車体に搭載されており、前記装置は、前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段と、前記第２軸回りにフライホイールを回動させる回動駆動手段と、を備えており、前記回動固定手段により第１軸回りのフライホイールの回動を固定し、前記回動駆動手段により第２軸回りのフライホイールを回動駆動することで車体を傾斜させる、車体傾斜機能を有する車両の姿勢制御装置、である。一つの好ましい態様では、前記装置は、前記第２軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段を備えている。第２軸回りの回動駆動手段と固定手段とを同じ装置から構成してもよい。

車体傾斜機能を有する車両は典型的な例では、自然振子車両である。自然振子車両の傾斜制御としては次のような制御が例示される。曲線前の直線区間において前記回動固定手段により第１軸回りのフライホイールの回動を固定し、前記回動駆動手段により第２軸回りのフライホイールを第１方向に回動駆動して車両を傾斜させる。曲線部では、定曲率の場合には、前記回動固定手段により第１軸・第２軸回りのフライホイールの回動を固定する。あるいは、曲率に応じて傾斜制御する。曲線出口で前記回動駆動手段により第２軸回りのフライホイールを第１方向と反対方向の第２方向に回動駆動して、車両及びフライホイールの姿勢を初期状態に戻すように、車両のロール運動制御を行う。また、前記車両のロール運動制御は、例えば、フィードフォワード・フィードバック制御により行われる。フライホイールの回動固定のタイミング、フライホイールの回動駆動のタイミングは、様々な条件によって最適化されることは当業者に容易に理解される。

一つの好ましい態様では、前記フライホイールは、互いに異なる方向に回転する二つのフライホイールからなる一つ以上のフライホイール組であり、フライホイール組を構成する各フライホイールの第２軸同士は、互いに異なる方向に回動するように伝動連結されている。一つの好ましい態様では、前記装置は、前記第２軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段を備えている。第２軸回りの回動駆動手段と固定手段とを同じ装置から構成してもよい。

本発明が採用した第３の技術手段は、エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールを搭載した車両の姿勢制御装置であって、前記フライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されており、前記第１軸が車体の前後方向に延出するように車体に搭載されており、前記装置は、前記車両の横転危険度を検出する手段と、前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定する手段と、を備えており、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記回動固定手段により前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定することで車両のロール運動制御を行う、車両の姿勢制御装置、である。好ましい態様例では、前記車両は、トラクタとトレーラからなる連結車両、あるいは、大型トラックである。前者においては、フライホイールは荷台側、すなわちトレーラに設けられ、後者においては、フライホイールは荷台側に設けられる。また、フライホイールは、好ましくは、車両重心よりも下方に設けられる。

前記車両の横転危険度を検出する手段は、典型的には、ロール角またはロールレイトを検出するジャイロセンサ（姿勢角、角速度を検出）、横加速度を検出する加速度センサが例示される。例えば、検出手段により検出された値が予め設定された所定値を超えた時に、前記回動固定手段により前記第１軸回りのフライホイールの回転を固定することで、車両のロール運動制御を行う。横転危険度を検出する手段を構成するジャイロセンサを、フライホイールから構成してもよい。

一つの態様では、前記装置は前記第２軸回りにフライホイールを回動させる回動駆動手段を備えており、前記回動駆動手段は、前記フライホイールを、前記回動固定手段により前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定した時にフライホイールが第２軸回りに回動する方向に、回動させることで、車両のロール運動制御を行う。第１軸回りのフライホイールの回動を固定した時にフライホイールが第２軸回りに回動する方向は、フライホイールの回転方向、車体への力が作用する方向（横転可能性方向）から、決定される。フライホイールの回転方向は既知であり、横転可能性方向は検出手段から取得することができる。

本発明が採用した第４の技術手段は、第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されたフライホールの支持構造において、前記支持構造は、前記第１軸および／あるいは前記第２軸周回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段と、前記第１軸および／あるいは前記第２軸回りのフライホイールの回動を能動的に駆動する回動駆動手段と、を備えている、フライホイール支持構造、である。好適には、第１軸及び第２軸は互いに直交している。

前記第１から第４の技術手段において、第１軸をｘ軸、第２軸をｙ軸とすると、フライホイールの回転軸はｘｙ平面に対して鉛直方向のｚ軸となる。また、上記回動固定手段は、一つの好ましい態様では、前記回動固定手段は、ブレーキ手段である。ブレーキ手段としては、摩擦ブレーキ、電磁ブレーキが例示される。上記回動駆動手段は、一つの好ましい態様では、モータである。

本発明のフライホイールは、互いに直交する２軸回りに回動自在の支持構造を有することから車両の運動への悪影響を排除することができ、しかも、エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールが生成するジャイロモーメントを能動的に用いることで車両のロール制御を行う。

フライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されており、前記第１軸が車体の前後方向に延出するように車体に搭載すると共に、車両の移動中に当該第１軸の回動を固定することで、簡便な機構で車両のロール制御を行うことができる。

姿勢制御装置に、さらに、前記第２軸回りにフライホイールを回動させる回動駆動手段を設けることで、車両を積極的に傾斜制御することができる。したがって、本発明は、車体傾斜機能を有する車両の姿勢制御に有利に適用することができる。

姿勢制御装置に、車両の横転危険度を検出する手段を設け、当該検出手段の検出結果に基づいて、第１軸回りのフライホイールの回動を固定することで車両のロール運動制御を行って車両の横転を未然に防止することができる。

第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されたフライホールの支持構造に、前記第１軸および／あるいは前記第２軸周回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段と、前記第１軸および／あるいは前記第２軸回りのフライホイールの回動を能動的に駆動する回動駆動手段と、を設けたものでは、フライホイールが生成するジャイロモーメントを能動的に用いることを可能とするフライホイールの支持構造が提供される。

［Ａ］フライホイールの支持・配置構成
［Ａ−１］フライホイールによる構成されるエネルギ貯蔵装置
本発明に係るフライホイールは、車両に搭載される時には、エネルギ貯蔵装置として機能する。フライホイールに電動機兼発電機を取り付けることでフライホイールからエネルギ貯蔵装置を構成することができる。電動機兼発電機は、フライホイールと別体でも、あるいは、フライホイールのハウジング内に内蔵されてもよい。フライホイールの運動エネルギによってエネルギ貯蔵を行う。電動機兼発電機は外部とのエネルギ授受に作用する。エネルギ貯蓄時には、フライホイール回転軸に取り付けられたモータが電動機となる。エネルギ放出時には、フライホイール回転軸に取り付けられたモータが発電機となる。背景技術に記載したように、フライホイールを用いてエネルギ貯蔵装置が構成し得ることは当業者において周知である。また、フライホイールから構成されるエネルギ貯蔵装置は、特許文献１，２にも開示されている。本発明の姿勢制御装置のフライホイールは、エネルギ貯蔵装置として従来の構成を採用し得るため、後述する実施形態の記載において、エネルギ貯蔵装置の具体的な構造の説明は省略する。

［Ａ−２］フライホイールによる制振・姿勢制御
フライホイールの利用形式としては、受動形式と能動形式がある。受動形式では、剛体に加えられるトルクが剛体の角運動量変化によりフライホイールの角運動量変化に作用することで、外乱トルクの吸収効果をもたらす。能動形式では、強制的にフライホイールの角運動量を変化させることで、フライホイールの角運動量変化が剛体に加えられるトルク（一般にフライホイールに加えられたトルクよりも剛体に加えられるトルクが大きくなる）となることでトルクの増幅効果をもたらす。

［Ａ−３］フライホイールの支持構造
本発明にかかるフライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸により回転自在に支持された、いわゆるダブルジンバル支持である。フライホイールをダブルジンバル支持することで、フライホイールが車両へ与える影響を低減することができる。

ダブルジンバル支持されたフライホイールの構造を図１に示す。フライホイールは、回転軸を中心として高速で回転する円板状の回転質量と、回転質量を収容するハウジングと、を備えており、ハウジングは内部ジンバル軸を介して内部ジンバルに回転可能に支持されており、内部ジンバル軸は外部ジンバル軸を介して外部ジンバルに回転自在に支持されている。内部ジンバル軸と外部ジンバル軸とは互いに直交する方向に延出しており、内部ジンバル軸と外部ジンバル軸との仮想交点はフライホイールの重心と一致している。ジンバル軸中心とフライホイール重心を一致させることで、車両の並進運動とフライホイールの運動との連成を回避する。内部ジンバル軸と外部ジンバル軸とはｘｙ平面上を延出しており、回転質量の回転軸はｘｙ平面に鉛直なｚ軸方向に延出している。車両は平面運動が主であり、回転軸と車両のｚ軸を一致させることで、ジンバルロックを回避する。図１では、内部ジンバル軸の延出方向をｘ軸、外部ジンバル軸の延出方向をｙ軸としているが、内部ジンバル軸の延出方向をｙ軸、外部ジンバル軸の延出方向をｘ軸としてもよい（図４（Ａ）参照）。

本発明に係る装置は、フライホイールのｘ軸回りの回転を固定する回動固定手段を備えている。フライホイールのｘ軸回りの回転は、回動固定手段によってＯＮ−ＯＦＦ固定される。回動固定手段は典型的にはブレーキ手段から構成される。図２に、ブレーキ手段としての摩擦ブレーキを例示する。フライホイールを回動自在に支持する軸の軸受に近接して、摩擦ブレーキが設けてある。摩擦ブレーキはブレーキパッドと、ブレーキパッドを軸の周面に圧接させるピストンと、を備えており、ピストンを駆動させることで当該軸の回動を固定する。図３に、ブレーキ手段としての電磁ブレーキを例示する。図３に例示する電磁ブレーキでは、発電機で電圧（誘導起電力）が生じ、抵抗で熱エネルギとして消費することでブレーキとして作用するものである。

本発明に係る装置は、フライホイールのｙ軸回りの回転を能動的に駆動する回転駆動手段を備えている。回転駆動手段はいわゆるアクチュエータであり、アクチュエータとしてはモータが例示される。また、ｘ軸回りの回転、ｙ軸回りの回転の両方について、回動固定手段及び回転駆動手段を設けても良い。

［Ａ−３］フライホイールの配置構成
本発明に係るフライホイールは、ｘ軸方向が車両の進行方向、すなわち車体の前後方向と一致するようにして車両に搭載される。内部ジンバル軸及び外部ジンバル軸は、一つの好ましい態様では、軸受を介して回転自在に支持されており、フライホイールはｘ軸回り、及び、ｙ軸回りに回動自在に支持されている。

フライホイールの配置構成を表１に示す。

フライホイールは１基１単位で車両に搭載されてもよいが、複数のフライホイールから１単位を構成して、複数のフライホイールを車両に搭載してもよい。２基１単位の対称構造を採用することで、車両のｚ軸まわりの回転運動への影響を少なくすることができる。これを２基１単位の配置構造に基づいて説明すると、互いに異なる方向に回転する回転質量を備えた二つのフライホイールを用意し、図５に示すように、二つのフライホイールを前後配置（ｘ軸方向）、あるいは、左右配置（ｙ軸方向）する。ｘ軸回りのジンバル軸は回動固定手段を備えている。各フライホイールのｙ軸回りのジンバル軸は、互いに１：１で逆回転するように伝動連結されている。伝動連結手段としては、平歯車が例示される。

本発明に係る装置は、上記回動固定手段、上記回動駆動手段をそれぞれ制御する制御部を備えている。検知手段に基づく制御部からの指令によって上記回動固定手段がフライホイールの回動を規制し、また、上記回動駆動手段がフライホイールの回動駆動を行う。検知手段に基づいた制御部による制御は、姿勢制御の目的によって異なる。例えば、自然振子車両の姿勢制御では、曲線位置検知手段による検知に基づいて制御部からの指令で、回動固定手段がフライホイールの進行方向の軸（ｘ軸）回りの回動を規制し、回動駆動手段がフライホイールをｙ軸回りに回動駆動する。また、大型トラックや連結車両の横転防止制御では、横加速度検出手段による検知に基づいて制御部からの指令で、回動固定手段がフライホイールの進行方向の軸（ｘ軸）回りの回動を規制し、あるいは、さらに、回動駆動手段がフライホイールをｙ軸回りに回動駆動する。なお、フライホイールが検出手段の部分を構成してもよい。フライホイール（回転質量）の回転方向及びｙ軸回りの回動方向と車両の傾斜方向（ｘ軸回り）の関係を表２に示す。フライホイール（回転質量）の回転方向に依存して、制御部によりｙ軸回りの回動方向を選択することで、車両の傾斜方向を決定することができる。

［Ａ−４］フライホイールの適用例
本発明に係るフライホイールの好適な適用例としては、自然振子車両への適用、大型トラックや連結車両への適用が挙げられる。鉄道車両では、回生失効や架線レスを考慮すると、車載可能なエネルギ貯蔵装置が必要である。また、曲線走行速度向上に伴う乗り心地の悪化に対応するべく、振子車両（自然振子車両、強制振子車両）が実用化されており、自然振子車両における振り遅れの問題を解消するべく空気圧シリンダなどでアクティブに振子制御することが行われている。フライホイール式エネルギ貯蔵装置を用いて自然振子車両の傾斜制御を行うことで、エネルギ貯蔵、自然振子車両における振り遅れの二つの課題を同時に解決することができる。

大型車・トレーラ等の連結車両では、制動エネルギの大きさから制動エネルギの回生ができれば有利である。連結車両においては、トレッド長に対する重心高さ、トラクタ・トレーラ構造ではトレーラの状態把握が困難であることから、ロールオーバの危険性が高い。従来の横転防止方法としては、アクティブ・スタビライザを用いたものがあるが、相対変位に作用するため物理的限界が低い。また、アクティブ・ステアリング、ブレーキ制御を用いたものがあるが、横加速度、外側タイヤの横力を低減するものであり、車両のｚ軸回転を阻害することになる。フライホイール式エネルギ貯蔵装置を採用することで、エネルギ貯蔵、連結車両の横転防止の二つの課題を同時に解決することができる。

本発明に係るフライホイールの鉄道車両、大型車・トレーラへの適用態様を表３に示す。自然振子車両でジンバル角を曲線通過前後で０ｄｅｇにするため対称構造の２基１単位を用いることが望ましい。車両には単位ごとに複数配置してもよい。詳細な構成は後述する。

［Ｂ］フライホイールを用いた自然振子制御
鉄道車両においては、曲線走行速度の向上を実現する上で、カントで補償できない超過遠心加速度によって悪化する乗り心地の改善が課題となっている。解決手段の一つとして、自然振子車両がある。自然振子式では、車体の質量が大きいため緩和曲線での遠心力の変動に追従できず、振れ遅れが生じる。この現象は乗り心地を悪化させるため、空気圧シリンダなどにより振子の作用をアクティブにする制御付き振子装置が開発されている。制御付き振子装置については、例えば、小柳、岡本、藤森、寺田、檜垣、平石、車体の傾斜制御シミュレーション、日本機械学会論文集（Ｃ編）、５５巻５１０号（１９８９，３７３）に記載されている。また、振り子式電車の車体傾斜制御（湯川靖司、岡本勲、小柳志郎、藤森聡二、笠井健次郎、寺田勝之、日本機械学会論文集（Ｃ編）５３巻４９６号（昭６２−１２））に記載されている。制御付振り子装置は、コロ式自然振り子装置のコロ装置の部分に車体傾斜角制御用の空気シリンダを取り付け、走行中に曲線の位置を検出して、コンピュータからの指令で空気圧サーボ弁を動作させ、圧力空気を空気シリンダに送気して車体の傾斜を制御するものである。システム構成としては、曲線位置を検知するための指令制御装置を中心とする部分と、その曲線位置検知信号に基づいて車体傾斜に必要な制御信号を出力する振り子制御装置部分と、空気サーボ機構とを備えている。

上記文献では、曲線位置検出方法としては、ＡＴＳ地上子の位置と車輪の回転数から走行位置を算出する方式を採用している。すなわち、既設のＡＴＳ地上子と制御対象曲線の緩和曲線入口までの距離を、対象の線区の全曲線についてあらかじめ調査し、車上の指令制御装置内に曲線位置情報として記憶させておく。走行中に車両がある地上子を検知しこれを通過してからの距離は、車輪の回転数と、そのときの車輪直径から演算できるので、指令装置内の曲線位置情報とこの計算した距離を時々刻々比較することで、曲線の位置を正確に検知することができる。車体の傾斜方法は、曲線位置検知方法により、緩和曲線の入口から一定距離（２０ｍ〜５０ｍ）手前の位置を検知し、この地点を通過した時点で指令制御装置から振り子制御装置に振り子するタイミング信号と曲線情報（曲線半径、円曲線長、緩和曲線長、カント量など）を送る。振り子制御装置では、この曲線情報と走行速度から、所定の振り子制御モードに対応して車体に所定の傾きを与えるに必要な振り子制御信号の目標値を演算し、緩和曲線入口の手間でサーボアンプに振り子指令を出力する。出力信号によりサーボ弁を操作して空気シリンダを制御して車体を傾斜させる。台車に取り付けた振り子角度計からの信号をフィードバックし上記演算を時々刻々行うことで、車体のロール角を走行速度の変化に合わせて修正する。

本発明では、フライホイールを能動形式で利用することで、フライホイールを一種のモーメント増幅装置として機能させることを考え、それによって、車体を傾斜させる。フライホイールの構成としては、図７に例示するように、２基１単位のフライホイールを車両上部に配置する。２基１単位のフライホイールを複数組配置してもよい。２基のフライホイールは、ｘ軸方向、あるいはｙ軸方向に並設される。２基のフライホイールは、互いに異なる方向に回転している。２基１単位を構成する各フライホイールのｘ軸方向のジンバル軸には、回動固定手段が設けてあり、回動固定手段によりフライホイールのｘ軸まわりの回動を固定することができる。また、ｙ軸方向のジンバル軸も図示しない回動固定手段により固定可能に構成されている。各フライホイールのｙ軸は、平歯車等により互いに逆転するように結合されており、アクチュエータにより一方のジンバル軸を第１方向に回動させると、他方のジンバル軸は第１方向とは逆方向の第２方向に回動する。

具体的な姿勢制御手法は以下のとおりである。緩和曲線長の短い路線等において、緩和曲線前の直線部から車体を徐々に傾斜させかつ曲線出口において徐々に戻す。車体を振子させる区間では、曲線前の直線区間においてｘ軸回りのジンバルを固定し、ｙ軸回りのジンバルをアクチュエータにより回転させることで車体を傾斜させる。曲線部では両ジンバルを固定する。曲線出口でｙ軸回りのジンバルをアクチュエータで回転させ、車体傾斜及びジンバル角を初期状態に戻す。

傾斜制御系について説明する。緩和曲線における傾斜制御系は、いつも決められた路線を走行するという鉄道車両の特徴を用いることで、フィードフォワード及びフィードバック制御器により実現することができる。フィードフォワードトルクは、

で表される。ここでＪΩ：フライホイールの角運動量（フライホイール２つ分）、φ_ｒ：制御目標値である。そして、フィードバック制御により目標値とのずれを補償する。緩和曲線出口においては、ジンバル角は０ｄｅｇに復帰するようにする。これは、対称構造の２基１単位のフライホイールを用いることで実現される。また、定曲線における傾斜制御系では、ジンバル角の保持を行うことで行う。制御信号の受け取りについては、ＡＴＳ等の既存設備から曲線情報を受け取ることができる。傾斜角については、従来と同様に、台車との相対変化から計測することができる。

直線走行時およびフェイルセーフについて説明する。通常時には、内部ジンバル軸および外部ジンバル軸は共に自由であり、フライホイールは、ｘ軸まわり・ｙ軸まわりに受動的に回動自在である。直線走行時の安定性を向上させるため、内部ジンバル軸固定による車両ｘ軸まわりの安定性を向上させることもできる。また、曲線走行時のフェイルセーフとして、ジンバル軸まわりのアクチュエータが故障した場合、ジャイロのｘ軸まわりの回動を自由とし、自然振子のもつフェイルセーフの状態としてもよい。

能動形式のジャイロ制振機構を自然振子車両に適用するために、低自由度力学モデルを導出し、ジャイロのパラメータに関する検討及び制御器の設計を行った。それを用いた数値シミュレーションによりシステムの有用性を示す。数値シミュレーションでは、説明の簡便等の理由から、１軸において回動可能に支持されたフライホイールに基づいて計算を行っているが、ここで説明される技術的思想を２軸支持構造に適用し得ることは当業者に理解される。

［力学モデル］一般に鉄道車両のダイナミクスを解析する際には、左右系の自由度として車体の左右・ローリング・ヨーイング、各台車枠の左右・ローリング・ヨーイング、及び各輪軸の左右・ヨーイングの自由度を与える。ここでは、簡単に取り扱うため、車体のローリングのみに自由度を与える。すなわち、輪軸及び台車は一体として軌道に拘束されるものとする。

ジャイロは、回転軸以外の直交する１軸をジンバルにより自由度を与えるシングルジンバル支持により、車両に取り付けられる。これは、既述のダブルシンバル支持構造において、一方の軸回りの回動を固定した状態に相当する。緩和曲線前の直線区間において回転軸は鉛直方向を向くものとし、車体の重心とジャイロの重心は一致するものとする。ジャイロの回転数は一定とし、考慮する自由度はジンバルの角変位のみとする。

［座標系］慣性座標系Ｏ−ＸＹＺに対し、振子回転中心を原点、車両進行方向、すなわち車体の前後方向をｘ軸、鉛直上向きをｚ軸とし、慣性座標系のＺ軸回りにΨ回転させる座標系o-xyzを設定する。座標系o-xyzを図８（ａ）に示す。車体重心を原点とし、座標系o-xyzをｘ軸回りにφ回転させる車体座標系をＧ−ξ₁η₁ζ₁を設定する。車体座標系Ｇ−ξ₁η₁ζ₁を図８（ｂ）に示す。車体座標系Ｇ−ξ₁η₁ζ₁をη₁回りにθ回転させるジンバル座標系Ｇ−ξ₂η₂ζ₂を設定する。ジンバル座標系Ｇ−ξ₂η₂ζ₂をζ₃軸回りにΩ_ｔ回転させるジャイロ座標系Ｇ−ξ₃η₃ζ₃を設定する。ジンバル座標系Ｇ−ξ₂η₂ζ₂およびジャイロ座標系Ｇ−ξ₃η₃ζ₃を図８（ｃ）に示す。

主な記号は以下のとおりである。

［運動方程式］ラグランジュの運動方程式により本力学モデルの運動方程式を導く。一般化座標はφ、θとする。運動エネルギに関して、車体及びジャイロの重心の並進に関する運動エネルギをＴ_１、車体の重心まわりの回転に関する運動エネルギをＴ_２、ジャイロの重心まわりの回転に関する運動エネルギをＴ_３とする。簡単のため、ジンバルの慣性テンソルは０としている。それぞれの運動エネルギは以下のとおりである。

ポテンシャルエネルギに関して、重心によるポテンシャルエネルギをＵ_１、ジンバル軸まわりのばねによるポテンシャルエネルギをＵ_２とすると以下のようになる。

ラグランジュの運動方程式を適用することで以下の運動方程式が導かれる。

ここで、非保存力を

としている。但し、簡単のためＩ_ξ３＝Ｉ_ζ３としている。角変位φ、θが十分小さいとして(1)(2)式を近似すると、次式で表される。

曲線の扱いについては緩和曲線部におけるカント量及びカーブ曲率に半波長正弦曲線を適用する。緩和曲線の起点からの距離に対するカーブ曲率及びカント量を次式で表す。

ここで、Ｒ_０：円曲線の曲線半径、Ｃ_０：円曲線カント量、Ｇ：軌間、Ｘ_Ｌ：緩和曲線長、ｘ：緩和曲線起点からの距離の記号を用いている。

［ジャイロのパラメータの調整］(3)式を一般化し整理すると、次式で表される。

ここで、記号を以下のように置き直している。

の記号を用いて変数変換し、無次元時間τ＝ω_φｔとして（４）式を無次元化すると、次式で表される。

ジャイロを用いて車体傾斜を実現するに際にジンバル角変位の抑制や過度特性の向上などの項目が要求されるため、車体、ジャイロ系のパラメータの調整についての検討を行う。

［ジンバル角変位の抑制］前節の運動方程式に示されるように、ジャイロモーメントはジンバル角の回転とともに、発生するトルクの方向も変化する。したがって、ジンバル角の角変位を抑制することが望ましい。そこで、周波数応答曲線からジンバル角変位の抑制について検討する。
減衰定数ζ_φ、ζ_θを０とした時、共振振動数は

である。特に、ジンバル軸まわりにばねを有しない場合、共振振動数は１つになり、

である。(5)式から振幅倍率はそれぞれ以下の式で表される。

ここで、入力トルクに対する車体の静的角変位φ_ｓｔ＝μ／Ｋ、入力トルクに対するジンバルの静的角変位θ_ｓｔ＝μ／ｋ、強制振動数比λ＝ω／ω_φの記号を用いている。(6)式よりジンバル角の振幅倍率については車体の固有角振動数の近傍において反共振点を有することがわかる。ジンバル角変位の抑制を入力トルクからジンバル角へのゲインと入力トルクから車体傾斜角のへのゲインの比を小さくすることにより実現することを考える。ジンバル角へのゲインと入力トルクから車体傾斜角へのゲインの比は次式で表される。

(7)式の周波数応答曲線を図９に示す。シンバル角変位の抑制は、車両の慣性モーメントに対するジャイロの角運動量の比を大きくすること及び強制振動の角振動数を車体振子の固有角振動数に近づけることにより実現できることがわかる。

［過度特性の向上］自由応答を早く収束させるため、代表極の実部を負側に大きくする。ジンバル軸まわりの粘性減衰係数を変化させたときの根軌跡を図１０に示す。粘性減衰係数の増加とともに代表極の実部が負側に大きくなることがわかる。また、ジンバル軸まわりの粘性減衰係数は、(7)式に現れないのでジンバル角変位の抑制と過度応答の向上は独立に扱えることがわかる。

［制御目標］曲線走行時における車両の乗り心地基準としてという車体の左右定常加速度が０．８ｍ／ｓ^２以下という知見が得られている。本研究では、システムの力学的な有用性について議論するため、建築限界等の物理的制約については考慮せず、左右定常加速度（超過遠心加速度）を常に零とすることを制御目標とする。

［制御器の設計］鉄道の特徴である、いつも決められた路線を走るという点を活かし、フィード付フォワード及びフィードバック制御器により、傾斜制御系を構築する。車体傾斜角の目標値は、超過遠心加速度を零とするため、

とする。このとき(4)式においてｋ_φ≒Ｔ_φである。入力トルクから車体傾斜角φへの伝達関数はＫφ＝Ｔ_φ、Ｔ_θ＝０とすると次式で表される。

Ｐ^−１ _{Ｋφ＝Ｔφ}（ｓ）における支配的な項は、ジャイロの回転角速度が十分に大きい範囲において−ＪΩ_Ｓであるため、フィードフォワードにより

のトルクを与える。フィードバック制御器はＰＩ制御器により構成する。この傾斜制御系のブロック線図を図１１に示す。

［シミュレーション条件］シミュレーションに用いた条件を表５に示す。車両諸元は、弘津、平石、寺田、嶋田、山田、振子車両の曲線走行シミュレーション、機論Ｃ、６３−６１２，１９９７，２６７１を参考にした。曲線所元をＲ_０＝４００ｍ、Ｃ_０＝０．１０５ｍ、Ｇ＝１．０６７ｍ、Ｘ_Ｌ＝８０ｍとする。Ｒ０＝４００ｍの本則速度である７５ｋｍ／ｈに対し１００ｋｍ・／ｈでの走行を想定する。フィードフォワードで与えられるトルクの角振動数はω＝πＶ／Ｘ_Ｌで与えられるので、本シミュレーション条件では約１．１ｒａｄ／ｓである。一方、車体振子の固有角振動数ω_φの値は約１．６ｒａｄ／ｓである。(7)式から車両の慣性モーメントに対するジャイロの角運動量の比を大きくとらなくてもよいことがわかる。さらに、ジンバル角変位の抑制を行うには、車体振子の固有角振動数を小さくする必要がある。最も現実的かつ有効な手段は、車体振子中心と車体重心との距離の調整である。そこで、最適化した車体振子中心と車体重心長の距離ｌ＝０．２８６ｍについてもシミュレーションを行う。最適解としてｌ＝７．９７ｍもあるが、横変位が大きくなるためここでは扱わない。また、フィードバックゲインはそれぞれＫ_Ｉ＝−１０００００、Ｋ_Ｐ＝−５００００としている。

［シミュレーション結果］近似を行わない(1)(2)式で表されたモデルに制御器を適用し、車体傾斜角変位、ジンバル角変位及び入力されるトルクを求める。
図１２ (a) に車体傾斜角変位、図１２(b)にジンバル角変位、図１２(c)に入力されるトルクを示す。それぞれ上段にｌ＝０．９ｍ、下段にｌ＝０．２８６ｍの時の結果を示す。図１２(a)から車体傾斜角は目標値に対し、十分追従できていることがわかる。図１２(c)から必要なジンバル軸まわりに入力するトルクは最大で約１３００Ｎｍであることが示された。目標値に追従する際の慣性モーメントは、

であり、本シミュレーション条件における慣性によるモーメントの最大値の絶対値は、

である。したがって、ジャイロを用いることで超過遠心加速度を０にする際に必要な最大トルクを小さくできることが示された。フィードフォワード・フィードバック制御器により傾斜制御系の設計を行い、導出された力学モデルにおいて実車に則した値を用い数値シミュレーションを行った。目標値に十分追従でき、必要トルクの概算値が求められた。必要最大トルクはジャイロを用いて間接的にモーメントを作用させることでジャイロを用いない場合より小さくできることが示された。

［Ｃ］フライホイールを用いたトレーラの横転防止
連結車では、トラクタとトレーラはキングピンと呼ばれるピンで拘束されている。車両重心が高いうえにトレーラ側の横加速度はトラクタ側に遅れて発生するため、急ハンドル時などの不測の場合、横転に対して不利な構造である。ここでは、フライホイールを用いたロールスタビリティを向上させる構造について説明する。

フライホイールはｘ、ｙ軸を自由としたダブルジンバルによって支持される。通常走行時には、車両に対する影響は軽微である。フライホイールは、ｘ軸方向を進行方向、すなわち車体の前後方向に一致させて、トレーラ（好ましい態様ではフレーム）に配置される。フライホイールは、１基１単位、２基１単位でもよく、これを複数単位で設置してもよい。

急ハンドル操作時など、横転の恐れがあると判断された場合、回動固定手段により進行方向ｘ軸のジンバル軸を固定し、ｙ軸のジンバル軸のみ自由とする。これにより、フライホイールがｙ軸回りに回転することで、トレーラに作用するロールモーメントを吸収し横転を防止する。あるいは、回動固定手段により進行方向ｘ軸のジンバル軸を固定すると共に、回動駆動手段によりｙ軸のジンバル軸を、トレーラに作用するロールモーメントを打ち消す方向に回動駆動させて、横転を防止する。

車両の横転危険度を検出する手段により横転危険度を検出する。典型的には、ロール角またはロールレイトを検出するジャイロセンサ（姿勢角、角速度を検出）、横加速度を検出する加速度センサが例示される。さらに、より正確な検出を行うため、操舵角センサ、車輪速センサ、ブレーキ圧センサなどが適宜用いられる。また、危険度は車両の重量によっても異なり、重量計測にエア圧センサなどが用いられる。具体的な態様例では、横転危険度が、横方向加速度検出手段により検知され、検出された値が予め設定された所定値よりも大きい場合に、制御部から回動固定手段に指令が送信されてｘ軸のジンバル軸を固定する。あるいは、さらに、制御部から回動駆動手段に指令が送信されてｙ軸のジンバル軸を回動駆動させる。横方向加速度検出手段の具体的構成は当業者に既知であって、例えば、山本明、新大型トラクタ用ロール・スタビリティ・アシスト（ＲＳアシスト）、自動車技術会 Motor Ring No.19、特開２０００−１５９０７９号、特開２００１−５８５６３号、特開２００３−４００９５に記載されている。

本発明は、自動車、大型トラック、トレーラ、鉄道車両などの運動中の姿勢を制御する装置として利用可能である。

フライホイールのダブルジンバル支持構造の概略図である。 フライホイールのジンバル軸の回動固定手段の実施例を示す概略図である。 フライホイールのジンバル軸の回動固定手段の他の実施例を示す概略図である。 一つのフライホイールの配置構成を示す図である。（Ａ）内部ジンバル軸の延出方向をｙ軸、外部ジンバル軸の延出方向をｘ軸と、フライホイールの回転軸をｚ軸とする配置を示す。（Ｂ）内部ジンバル軸の延出方向をｘ軸、外部ジンバル軸の延出方向をｙ軸と、フライホイールの回転軸をｚ軸とする配置を示す。 二つのフライホイールからなるフライホイール組の配置構成を示す図である。フライホイールは互いに異なる方向に回転している。ｘ軸まわりジンバル軸は回動固定装置を備えている。（Ａ）二つのフライホイールを前後配置したものである。（Ｂ）二つのフライホイールを左右配置したものである。 自然振子車両の構造を示す図である。 二つのフライホイールからなるフライホイール組の自然振子車両への配置構成を例示する図である。フライホイールは車体の上部に設けてある。（Ａ）二つのフライホイールを左右配置したものである。（Ｂ）二つのフライホイールを前後配置したものである。 鉄道車両の姿勢制御に用いる座標系を示す図である。 ゲイン比の周波数応答曲線を示す図である。 ジンバル軸まわりの粘性減衰係数を変化させたときの根軌跡を示す図である。 傾斜制御系のブロック線図である。 シミュレーション結果を示す図であり、(a)は車体傾斜角変位、(b)はジンバル角変位、(c)入力されるトルク、を示す。 フライホイールの連結車両への配置構成を例示する図である。 フライホイールの大型トラックへの配置構成を例示する図である。

Claims (3)

1. エネルギ貯蔵装置を構成するフライホイールを搭載した車体傾斜機能を有する車両の姿勢制御装置であって、
   前記フライホイールは、互いに直交する第１軸及び第２軸の回りに回動自在に支持されており、前記第１軸が車体の前後方向に延出するように車体に搭載されており、
   前記装置は、
   前記第１軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段と、
   前記第２軸回りにフライホイールを回動させる回動駆動手段と、
   を備えており、
   前記回動固定手段により第１軸回りのフライホイールの回動を固定し、前記回動駆動手段により第２軸回りのフライホイールを回動駆動することで車体を傾斜させる、
   車体傾斜機能を有する車両の姿勢制御装置。
2. 前記装置は、前記第２軸回りのフライホイールの回動を固定する回動固定手段を備えている、請求項１に記載の姿勢制御装置。
3. 前記フライホイールは、互いに異なる方向に回転する二つのフライホイールからなる一つ以上のフライホイール組であり、フライホイール組を構成する各フライホイールの第２軸同士は、互いに異なる方向に回動するように伝動連結されている、請求項１，２いずれかに記載の姿勢制御装置。

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