JP5181923B2

JP5181923B2 - 車両

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Publication number: JP5181923B2
Application number: JP2008212239A
Authority: JP
Inventors: 克則土井; 敏男福田; 隆幸松野; 剣黄
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP2010047095A

Description

本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。

従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。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車体の姿勢変化を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪により姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この場合、センサで車体のバランスや動作の状態を検出し、回転体の動作を制御して車両を停止又は移動させるようになっている。
特開２００４−１２９４３５号公報

しかしながら、前記従来の車両においては、車体の傾斜状態及び回転体の回転状態の線形フィードバック制御を行うことによって、倒立状態を維持しながら走行するようになっているが、線形フィードバック制御の場合、安定性及びロバスト性が低いので、走行条件が大きく制限されてしまう。例えば、加減速のときに、車体が必要以上に大きく傾いてしまうことがある。また、搭乗者や積載物の重量等の違いによって、走行や車体姿勢の動作が大きく変化してしまう。さらに、路面の凹凸による抵抗等の外乱によって、車体が大きく傾くことがある。

一般に、線形フィードバック制御では、ある状態から目標とする状態への遷移経路（どのように変化させるか）を詳細に指令したり、制御したりすることができないため、一時的に車体が大きく傾く等の問題が発生することがある。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両の走行及び姿勢制御にスライディングモード制御を適用し、走行状態及び車体姿勢を目標状態に誘導するスライディング平面を設定して、安定的かつ滑らかに目標とする状態に近づけることによって、走行及び姿勢制御の安定性及びロバスト性をより高めることができ、様々な走行条件に対して、安全に、かつ、快適に走行することができる車両を提供することを目的とする。

そのために、本発明の車両においては、車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、操縦装置の操縦操作量に基づいて前記駆動輪又は前記車体の目標状態を決定し、決定した目標状態に基づいてスライディング平面を決定し、実状態と前記目標状態と前記スライディング平面との位置関係によって前記駆動トルクを決定し、前記スライディング平面は、制御の遷移経路を前記目標状態へ誘導する平面であり、前記実状態及び目標状態の各状態量を座標とする空間に設定された超平面である。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、前記スライディング平面は、前記駆動輪の回転角速度と前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記目標状態は、前記車体の傾斜角が目標値となる状態であり、前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体の傾斜角の目標値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値に基づいて決定される基準値と、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差に基づいて決定される補正値と、の和であり、前記補正値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差が所定の閾値よりも大きい場合にのみ、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差を小さくする方向に前記車体を余分に傾けるように与えられる。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、前記車両制御装置は、前記駆動トルクと前記能動重量部の位置とのうち少なくとも１つを制御して前記車体の姿勢を制御し、前記実状態と前記目標状態とスライディング平面との位置関係によって前記駆動トルク及び能動重量部の推力を決定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、前記スライディング平面は、前記駆動輪の回転角速度と前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度と前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とのうち少なくとも２つを座標とする空間に設定される２つの平面から成る。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される第１スライディング平面及び前記駆動輪の回転角速度と前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とを座標とする空間に設定される第２スライディング平面から成る。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記目標状態は、前記能動重量部の位置が目標値となる状態であり、前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される第１スライディング平面及び前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とを座標とする空間に設定される第２スライディング平面から成る。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記能動重量部の位置の目標値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値に基づいて決定される基準値と、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差に基づいて決定される補正値と、の和であり、前記補正値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差が所定の閾値よりも大きい場合にのみ、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差を小さくする方向に前記能動重量部を余分に移動させるように与えられる。

請求項１の構成によれば、制御の簡易性を維持しつつ、高い安定性及びロバスト性を得ることができ、様々な走行条件においても安全に、かつ、快適に走行することができる。

請求項２の構成によれば、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を抑えることができ、乗員の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現することができる。

請求項３の構成によれば、凹凸路面の走行等においても、車体の振動を抑えることができる。また、車両速度や車体姿勢を高精度に制御することができる。

請求項４の構成によれば、車両の加減速性能を確保しつつ、車体姿勢を安定に制御することができる。

請求項５及び６の構成によれば、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角や搭乗部の位置の変化を抑えることができ、乗員の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現することができる。

請求項７の構成によれば、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を更に抑えることができる。

請求項８の構成によれば、凹凸路面の走行等においても、車体の振動をより小さく抑えることができる。また、車両速度や車体姿勢をより高精度に制御することができる。

請求項９の構成によれば、車両の加減速性能を確保しつつ、車体姿勢をより安定に制御することができる。

以下、本発明の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。

図１は本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。

図１において、１０は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部１１、駆動輪１２、支持部１３及び乗員１５が搭乗する搭乗部１４を有し、前記車両１０は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。そして、倒立振り子の姿勢制御と同様に車体の姿勢を制御する。図１に示される例においては、車両１０は矢印Ａで示される方向に加速中であり、車体が進行方向に傾斜した状態が示されている。

前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３に対して回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ５２によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪１２はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪１２は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪１２が２つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪１２は個別の駆動モータ５２によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ５２を使用するものとして説明する。

また、車体の一部である本体部１１は、支持部１３によって下方から支持され、駆動輪１２の上方に位置する。そして、本体部１１には搭乗部１４が取り付けられている。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗部１４に搭乗している例について説明するが、搭乗部１４には必ずしも乗員１５が搭乗している必要はなく、例えば、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部１４に乗員１５が搭乗していなくてもよいし、乗員１５に代えて、貨物が積載されていてもよい。前記搭乗部１４は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、座面部１４ａ、背もたれ部１４ｂ及びヘッドレスト１４ｃを備える。

前記搭乗部１４の脇（わき）には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック３１を備える入力装置３０が配設されている。乗員１５は、操縦装置であるジョイスティック３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員１５が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック３１に代えて他の装置、例えば、ペダル、ハンドル、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。

なお、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両１０があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。

また、車両１０は、車両制御装置としての制御ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１及び駆動輪制御ＥＣＵ２２を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１及び駆動輪制御ＥＣＵ２２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部１１に配設されるが、支持部１３や搭乗部１４に配設されていてもよい。また、前記主制御ＥＣＵ２１及び駆動輪制御ＥＣＵ２２は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。

そして、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動輪センサ５１及び駆動モータ５２とともに、駆動輪１２の動作を制御する駆動輪制御システム５０の一部として機能する。前記駆動輪センサ５１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角及び／又は駆動輪回転角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、該駆動輪制御ＥＣＵ２２は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ５２に供給する。そして、該駆動モータ５２は、入力電圧に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。

さらに、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、車体傾斜センサ４１及び駆動モータ５２とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は車体傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。

なお、主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０のジョイスティック３１から走行指令が入力される。そして、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。

また、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と車体傾斜角速度とを決定してもよい。

次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。

図３は線形フィードバック制御とスライディングモード制御の相違を説明する図、図４は本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図３（ａ）は線形フィードバック制御を示し、図３（ｂ）はスライディングモード制御を示している。

「背景技術」の項で説明したような従来の車両の場合、線形フィードバック制御を行うので、目標状態への遷移経路が設定されずに目標状態のみが設定される結果、図３（ａ）に示されるように状態が変化する。

図３（ａ）に示される遷移経路から、従来の車両における線形フィードバック制御の場合、車体傾斜角θ₁の変化が非常に大きく、安定性が低いことが分かる。また、前記線形フィードバック制御の場合、ロバスト性が低いので、例えば、乗員１５の重量が想定値から大きく相違したり、路面の凹凸等による外乱を受けたりすると、適切な制御が困難になる。

もっとも、駆動輪１２の加速度によって走行及び姿勢制御を行い、設定された目標状態に応じて理想的な目標経路を設定し、遷移経路が前記目標経路に沿って変化するような制御を行うようにすれば、安定性及びロバスト性を高めることができる。しかし、制御プログラムが複雑化するとともに制御処理量が増大し、制御の簡易性が失われてしまう。

そこで、スライディングモード制御を行い、図３（ｂ）に示されるように、目標状態へ誘導するスライディング平面（図に示される例では、２次元のユークリッド空間における超平面であるので、直線となっている。）を設定し、状態を前記目標経路に沿って遷移させる。これにより、制御の簡易性を維持しつつ、高い安定性及びロバスト性を得ることができる。

なお、ここでは、簡略化のため、数学において定義される「ユークリッド空間」を「空間」と称し、「超平面」を「平面」と称することとする。

本実施の形態においては、具体的には、駆動輪回転角速度、車体傾斜角、及び、車体傾斜角速度に対して、スライディング平面を設定する。そして、スライディング平面に沿って状態を変化させるように駆動トルクを与える。つまり、車両１０の現在の状態としての実状態、目標状態、及び、スライディング平面の位置関係によって駆動トルクを決定する。

これにより、線形フィードバック制御の問題点を解決することができる。線形フィードバック制御の場合、急な加減速時において、車体が必要以上に大きく傾くことがある。乗員１５の指令する車両速度を駆動輪回転角速度のフィードバック制御によって実現しようとすると、車両１０の加減速に伴う慣性力や駆動トルクの反トルクが車体の姿勢制御に影響する。例えば、急発進する場合、車体を大きく傾けた後、車体を起こしながら加速していく。すなわち、車体傾斜角のオーバーシュートが発生する。また、路面の凹凸による抵抗等の外乱によって，車体が大きく振動することがある。さらに、乗員１５の重量等が制御設計時の想定値と大きく異なる場合、車両１０の動作が大きく変化する。このように、車体姿勢が不安定になることがあるため、使用条件が厳しく制約される。つまり、モビリティとして、乗り心地や使い勝手が悪い。

これに対し、本実施の形態においては、スライディングモード制御を行うので、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を抑えることができる。また、乗員１５の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現することができる。これにより、乗り心地や使い勝手のよい車両１０を提供することができる。

すなわち、本実施の形態においては、スライディングモード制御によって走行及び姿勢制御処理を実行することにより、車両１０は安定して走行することができる。

走行及び姿勢制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、状態量の取得処理を実行し（ステップＳ１）、各センサ、すなわち、駆動輪センサ５１及び車体傾斜センサ４１によって、駆動輪１２の回転状態及び車体の傾斜状態を取得する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、目標状態の決定処理を実行し（ステップＳ２）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、駆動輪１２の回転角速度の目標値を決定する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、スライディング平面の決定処理を実行し（ステップＳ３）、目標状態の決定処理によって決定された目標状態に基づいて、スライディング平面を決定する。

最後に、制御ＥＣＵ２０は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し（ステップＳ４）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、目標状態の決定処理によって決定された目標状態、及び、スライディング平面の決定処理によって決定されたスライディング平面に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２の出力を決定する。

次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。なお、図５には状態量やパラメータの一部が示されている。
θ_W：駆動輪回転角（２つの駆動輪の平均）〔ｒａｄ〕
θ₁：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λ_S：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τ_W：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
Ｓ_S：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ²〕
ｍ_W：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
Ｒ_W：駆動輪接地半径〔ｍ〕
Ｉ_W：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ²〕
Ｄ_W：駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ｎｍｓ／ｒａｄ〕
ｍ₁：車体質量（能動重量部を含む）〔ｋｇ〕
ｌ₁：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ₁：車体慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ²〕
ｍ_S：能動重量部質量〔ｋｇ〕
Ｉ_S：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ²〕
ここで、本発明の第１の実施の形態においては、能動重量部は移動しない、すなわち、λ_S＝０である。

次に、目標状態の決定処理について説明する。

図７は本発明の第１の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ２−１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ２−２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両速度の目標値とし、該車両速度の目標値を駆動輪接地半径Ｒ_Wで除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

次に、スライディング平面の決定処理について説明する。

図８は本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面を示す図、図９は本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。

スライディング平面の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、目標状態の決定処理によって決定された駆動輪回転角速度の目標値に基づき、図８に示されるようなスライディング平面を決定する（ステップＳ３−１）。

図８に示されるスライディング平面は、駆動輪回転角速度、車体傾斜角、及び、車体傾斜角速度を座標軸とする３次元空間における２次元平面であって、次の式（１）によって決定される。

また、スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は、次の式（２）によって表される。

この場合、空間において目標状態を示す点である目標点を通り、かつ、力学的構造に適したスライディング平面を設定する。該スライディング平面の傾きを決定する単位法線ベクトルは、極配置法等によって、あらかじめ適切な値となるように設定する。

また、目標状態は、車両１０が一定の速度で走行し、車体が傾斜せずに安定している状態であるから、白丸で示される目標点は、車体傾斜角及び車体傾斜角速度がゼロであって、駆動輪回転角速度が駆動輪回転角速度目標値である点である。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図１０は本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面によって駆動トルクを決定する方法を示す図、図１１は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、アクチュエータの出力を決定する（ステップＳ４−１）。この場合、各目標値と、現在の状態（実状態）を示す実状態量と、スライディング平面とから、次の式（３）によって駆動モータ５２の出力を決定する。なお、図１０において、白丸は目標点であり、黒丸は実値点であり、点線の丸は、実値点を投影したスライディング平面上の点である。つまり、実値点、目標点、及び、スライディング平面の相対位置関係によって駆動トルクを決定する。

前記式（４）の右辺における第１項は、スライディング平面内目標点収束出力を示す項であり、状態偏差（実状態と目標状態との差）の水平方向成分（スライディング平面に平行な成分）に比例した駆動トルクを与えることで、スライディング平面上を滑らせるように実値点を目標点に収束させる。

また、第２項は、スライディング平面収束出力を示す項であり、実値点のスライディング平面からの距離に比例した駆動トルクを与えることで、実値点をスライディング平面に近づけて拘束する。

さらに、第３項は、スライディング平面収束付加出力を示す項であり、スライディング平面と実値点との相対位置に応じて、絶対値が一定の正又は負の出力を加えることで、スライディング平面への拘束力を高める。

なお、フィードバックゲイン等の各制御パラメータは、極配置法等によってあらかじめ決定される。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ４−２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、決定した駆動トルクの値を駆動トルク指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。

このように、本実施の形態においては、駆動輪回転角速度、車体傾斜角、及び、車体傾斜角速度に対して、スライディング平面を設定し、設定したスライディング平面に沿って状態を変化させるように駆動トルクを与える。したがって、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を抑えることができる。また、乗員１５の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現できる。これにより、乗り心地や使い勝手のよい車両１０を提供することができる。

なお、本実施の形態は、スライディング平面に収束させる出力を、距離に比例する出力（式（３）の右辺における第２項）と一定出力（式（３）の右辺における第３項）との和によって決定しているが、いずれか一方のみであってもよい。また、これと異なる非線形関数を用いてもよい。例えば、スライディング平面収束付加出力のσ＝０付近に２つの閾値を設けてヒステリシス特性を与えることで、出力値のハンチング（振動）を抑えるようにしてもよい。さらに、スライディング平面内目標点収束出力についても、非線形関数を用いてもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１２は本発明の第２の実施の形態における車体傾斜角目標値付加量を示す図、図１３は本発明の第２の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

駆動輪回転角速度を直接的に制御すると、車体が大きく振動することがある。例えば、路面の凹凸などの影響によって駆動輪回転角速度が変動した場合、それを軽減させようとする制御が、車体の姿勢制御に強く影響する。また、車両速度が高くなると、駆動輪１２の粘性抵抗が車体の姿勢制御に影響するため、車両速度や車体姿勢を高精度に制御できないことがある。そのため、モビリティとして、乗り心地や使い勝手が悪くなってしまう。

そこで、本実施の形態においては、駆動輪１２の粘性抵抗を考慮するとともにそれを利用したスライディングモード制御を行う。すなわち、車体傾斜角の目標値を与えることによって車両速度を制御する。具体的には、車体傾斜角及び車体傾斜角速度のみに対して、スライディング平面を設定する。また、駆動輪回転角速度の目標値に基づいて、車体傾斜角の目標値を与える。このとき、駆動輪回転角速度（車両速度）に伴って作用する粘性抵抗を、車体傾斜に伴う重力トルクによって打ち消すように車体傾斜角を決定する。さらに、駆動輪回転角速度の実値と目標値との差が所定の閾（しきい）値以上の場合、その差を小さくする方向へ車体を余分に傾けるように車体傾斜角の目標値を修正する。

これにより、例えば凹凸路面走行時でも、車体の振動を抑えることができる。また、車両速度や車体姿勢を高精度に制御することができる。したがって、乗り心地や使い勝手のよい車両を提供することができる。

次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要と状態量の取得処理とについては、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、目標状態の決定処理、スライディング平面の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、目標状態の決定処理について説明する。

目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ２−１１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ２−１２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両速度の目標値とし、該車両速度の目標値を駆動輪接地半径Ｒ_Wで除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、算出された駆動輪回転角速度の目標値から、車体傾斜角の目標値を算出する（ステップＳ２−１３）。この場合、車体傾斜角の目標値は、次の式（８）によって算出される。

車体傾斜角の目標値は、駆動輪回転角速度の目標値を達成することができるような値となるように決定される。

まず、駆動輪回転角速度に伴って作用する粘性抵抗トルクの反トルクが、車体傾斜に伴う重力トルクと釣り合うように車体傾斜角の目標値を設定する（式（８）の右辺における第１項）。

そして、駆動輪回転角速度の実値がその目標値と大きく離れている場合、車体傾斜角の目標値を補正する（式（８）の右辺における第２項）。具体的には、駆動輪回転角速度の実値がその目標値よりも所定の閾値以上小さい場合、車体傾斜角の目標値を大きくすることによって、車体をより前方に傾けて、車両１０を加速させる。一方、駆動輪回転角速度の実値がその目標値よりも所定の閾値以上大きい場合、車体傾斜角の目標値を小さくすることによって、車体をより後方に傾けて、車両１０を減速させる。

なお、本実施の形態においては、粘性抵抗が駆動輪回転角速度に比例する、という仮定に基づいて車体傾斜角の目標値を決定しているが、粘性抵抗の非線形成分についても考慮し、それに適した車体傾斜角の目標値を与えるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、駆動輪回転角速度の目標値をそのまま用いて車体傾斜角の目標値及び車体傾斜角付加量を決定しているが、駆動輪回転角速度の目標値にローパスフィルタをかけて、その時間変化を滑らかにしてもよい。若しくは、時間変化を滑らかにするスムージング関数を適用してもよい。これにより、車体傾斜角の急激な変化を抑えることができ、乗り心地を向上させることができる。

さらに、本実施の形態においては、駆動輪回転角速度偏差の正負に依らず、その絶対値が所定の閾値以上の場合に車体傾斜角付加量を一定の増加率で与えているが、正負に応じて閾値又は増加率を変化させてもよい。例えば、駆動輪回転角速度偏差が負の場合には、正の場合に比べて閾値を小さくし、かつ、増加率を大きくすることによって、加速性能に比べて減速性能を高めることができ、安全性が向上する。また、本実施の形態においては、車体傾斜角付加量を複数の線形関数によって定義しているが、非線形関数を用いることで、より理想的な加減速特性を実現することもできる。

次に、スライディング平面の決定処理について説明する。

図１４は本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面を示す図、図１５は本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のスライディング平面の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、目標状態の決定処理によって決定された車体傾斜角の目標値に基づき、図１４に示されるようなスライディング平面を決定する（ステップＳ３−１１）。

図１４に示されるスライディング平面は、車体傾斜角、及び、車体傾斜角速度を座標軸とする２次元空間における１次元平面、すなわち、直線であって、次の式（１０）によって決定される。また、スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は、次の式（１１）によって表される。

この場合、目標点を通り、かつ、力学的構造に適したスライディング平面を設定する。該スライディング平面の傾きを決定する単位法線ベクトルは、極配置法等によって、あらかじめ適切な値となるように設定する。

また、目標状態は、車体が傾斜せずに安定している状態であるから、白丸で示される目標点は、車体傾斜角速度がゼロであって、車体傾斜角が車体傾斜角目標値である点である。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図１６は本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面によって駆動トルクを決定する方法を示す図、図１７は本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のアクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、アクチュエータの出力を決定する（ステップＳ４−１１）。この場合、各目標値と、現在の状態を示す実状態量と、スライディング平面とから、次の式（１２）によって駆動モータ５２の出力を決定する。つまり、実値点、目標点、及び、スライディング平面の相対位置関係によって駆動トルクを決定する。

前記式（１２）の右辺における第１項は、スライディング平面内目標点収束出力を示す項であり、状態偏差（実状態と目標状態との差）の水平方向成分（スライディング平面に平行な成分）に比例した駆動トルクを与えることで、スライディング平面上を滑らせるように実値点を目標点に収束させる。

さらに、第３項は、スライディング平面収束付加出力を示す項であり、スライディング平面と実値点の相対位置に応じて、絶対値が一定の正又は負の出力を加えることで、スライディング平面への拘束力を高める。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ４−１２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、決定した駆動トルクの値を駆動トルク指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。

このように、本実施の形態においては、駆動輪１２の粘性抵抗を考慮するとともにそれを利用したスライディングモード制御を行う。すなわち、車体傾斜角の目標値を与えることによって車両速度を制御する。これにより、駆動輪１２を直接コントロールすることなく、車体の姿勢制御に必要な駆動トルクによって間接的に車両速度をコントロールすることができる。そのため、例えば凹凸路面走行時でも、車体の振動を抑えることができる。また、車両速度や車体姿勢を高精度に制御することができる。したがって、乗り心地や使い勝手のよい車両を提供することができる。

なお、本実施の形態は、スライディング平面に収束させる出力を、距離に比例する出力（式（１２）の右辺における第２項）と一定出力（式（１２）の右辺における第３項）との和によって決定しているが、いずれか一方のみであってもよい。また、これと異なる非線形関数を用いてもよい。例えば、スライディング平面収束付加出力のσ＝０付近に２つの閾値を設けてヒステリシス特性を与えることで、出力値のハンチング（振動）を抑えるようにしてもよい。さらに、スライディング平面内目標点収束出力についても、非線形関数を用いてもよい。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１８は本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。

搭乗部１４の可動機構を有する車両において、急な加減速の際には、必要以上に車体が傾いたり、搭乗部１４が移動したりすることがある。乗員１５が指令する車両速度を駆動輪回転角速度のフィードバック制御によって実現する場合、車両１０の加減速に伴う慣性力又は駆動トルクの反トルクが車体の姿勢制御に影響する。例えば、急発進をする場合、車体を大きく傾けたり、搭乗部１４を大きく移動させたりした後、車体を起こしたり、搭乗部１４を元に戻したりしながら、加速してゆく。また、路面の凹凸による抵抗等の外乱によって、車体や搭乗部１４が大きく振動することがある。さらに、乗員１５の重量等が制御設計時の設定値と大きく異なる場合、車両１０の動作が大きく変化し、車体姿勢が不安定になることがあるので、使用条件が厳しく制約される。そのため、モビリティとして、乗り心地や使い勝手が悪くなってしまう。

そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４の可能機構を有する車両において、スライディングモード制御を適用することによって、走行及び姿勢制御のロバスト安定性を向上させる。具体的には、駆動輪回転角速度、車体傾斜角、車体傾斜角速度、能動重量部位置及び能動重量部移動速度に対して、２つのスライディング平面を設定する。そして、各スライディング平面に沿って状態を変化させるように駆動トルク及び能動重量部推力を与える。つまり、実状態、目標状態、及び、２つのスライディング平面の相対位置関係によって駆動トルク及び能動重量部推力を決定する。

これにより、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角や搭乗部１４の位置の変化を抑えることができる。また、乗員１５の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現することができる。

本実施の形態において、搭乗部１４は、能動重量部として機能し、車両１０の前後方向へ本体部１１と相対的に移動可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、本体部１１に取り付けられている。

ここで、能動重量部は、ある程度の質量を有し、本体部１１に対して前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部１４である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘（おもり）、バランサ等の専用の重量部材を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部１４、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗した状態の搭乗部１４が能動重量部として機能する例について説明する。

そして、前記搭乗部１４は、図示されない移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ６２を備え、該能動重量部モータ６２によって搭乗部１４を駆動し、本体部１１に対して車両進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ６２を使用するものとして説明する。

リニアガイド装置は、例えば、本体部１１に取り付けられている案内レールと、搭乗部１４に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、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。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する２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、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジ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、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。

また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ又はクラッチを備える。車両１０が停車しているときのように搭乗部１４の動作が不要であるときには、ブレーキによって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部１１と搭乗部１４との相対的位置関係を保持する。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、本体部１１側の基準位置と搭乗部１４側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。

図に示されるように、本実施の形態における制御ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムである能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。

そして、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２とともに、能動重量部である搭乗部１４の動作を制御する能動重量部制御システム６０の一部として機能する。前記能動重量部センサ６１は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部１４の移動状態を示す能動重量部位置及び／又は能動重量部移動速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信し、該能動重量部制御ＥＣＵ２３は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ６２に供給する。そして、該能動重量部モータ６２は、入力電圧に従って搭乗部１４を並進移動させる推力を搭乗部１４に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。

また、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、能動重量部制御ＥＣＵ２３、車体傾斜センサ４１、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は車体傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

さらに、主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０のジョイスティック３１から走行指令が入力される。そして、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

なお、その他の点の構成については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、本実施の形態における車両１０の動作について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要と目標状態の決定処理とについては、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、状態量の取得処理、スライディング平面の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。

図１９は本発明の第３の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。

次に、スライディング平面の決定処理について説明する。

図２０は本発明の第３の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のスライディング平面の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、目標状態の決定処理によって決定された駆動輪回転角速度の目標値に基づき、次の式（１７）及び（１８）によって表される２つのスライディング平面を決定する（ステップＳ３−２１）。なお、本実施の形態において、スライディング平面は、駆動輪回転角速度、車体傾斜角、車体傾斜角速度、能動重量部位置及び能動重量部移動速度を座標軸とする５次元空間における４次元平面であり、第１スライディング平面は式（１７）によって表され、第２スライディング平面は式（１８）によって表される。また、第１スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（１９）によって表され、第２スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（２０）によって表される。

この場合、目標点を通り、かつ、力学的構造に適した第１及び第２スライディング平面を設定する。これら第１及び第２スライディング平面の傾きを決定する単位法線ベクトルは、極配置法等によって、あらかじめ適切な値となるように設定する。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図２１は本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のアクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータの出力を決定する（ステップＳ４−２１）。この場合、各目標値と、現在の状態を示す実状態量と、２つのスライディング平面とから、次の式（２１）及び（２２）によって駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。つまり、実状態、目標状態、及び、２つのスライディング平面の相対位置関係によって駆動トルク及び能動重量部推力を決定する。なお、駆動モータ５２の出力である駆動トルクは次の式（２１）によって決定され、能動重量部モータ６２の出力である能動重量部推力は次の式（２２）によって決定される。

前記式（２１）及び（２２）の右辺における第１項は、スライディング平面内目標点収束出力を示す項であり、状態偏差（実状態と目標状態との差）の水平方向成分（スライディング平面に平行な成分）に比例した駆動トルク又は能動重量部推力を与えることで、スライディング平面上を滑らせるように実値点を目標点に収束させる。

また、第２項は、スライディング平面収束出力を示す項であり、実値点のスライディング平面からの距離に比例した駆動トルク又は能動重量部推力を与えることで、実値点をスライディング平面に近づけて拘束する。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ４−２２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、決定した駆動トルクの値及び能動重量部推力を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

このように、本実施の形態においては、搭乗部１４が移動可能な車両に対して、スライディングモード制御を適用することによって、走行及び姿勢制御のロバスト安定性を向上させる。そのため、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角や搭乗部１４の位置の変化を抑えることができる。また、乗員１５の重量等の変化に対して、ほぼ一定の車両動作を実現することができる。したがって、乗り心地や使い勝手のよい車両を提供することができる。

なお、本実施の形態は、スライディング平面に収束させる出力を、距離に比例する出力（式（２１）及び（２２）の右辺における第２項）と一定出力（式（２１）及び（２２）の右辺における第３項）との和によって決定しているが、いずれか一方のみであってもよい。また、これと異なる非線形関数を用いてもよい。例えば、スライディング平面収束付加出力のσ＝０付近に２つの閾値を設けてヒステリシス特性を与えることで、出力値のハンチング（振動）を抑えるようにしてもよい。さらに、スライディング平面内目標点収束出力についても、非線形関数を用いてもよい。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図２２は本発明の第４の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。

スライディングモード制御を適用しても、車体傾斜と搭乗部移動とによって車体のバランスをとるので、ある程度車体が傾いてしまう。そのため、モビリティとして、乗り心地が悪くなってしまう。したがって、できる限り車体を傾斜させず、搭乗部の平行移動のみによってバランスをとることが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４が移動可能な車両に対してスライディングモード制御を適用する際に、駆動輪１２の影響を搭乗部１４の移動機構に負担させることによって、車体の傾斜を抑える。具体的には、車体傾斜角及び車体傾斜角速度に対して第１スライディング平面を設定し、同状態量が第１スライディング平面に沿って変化するように駆動トルクを与える。また、駆動輪回転角速度、能動重量部位置及び能動重量部移動速度に対して第２スライディング平面を設定し、同状態量が第２スライディング平面に沿って変化するように能動重量部推力を与える。車体傾斜の制御を駆動輪１２の制御から切り離すことによって、直立姿勢維持の制御をより簡単に、かつ、強固に行うことができる。実際には、能動重量部推力によって直接的に駆動輪１２を制御することはできないが、能動重量部推力によって搭乗部１４が移動し、それによる車体傾斜を抑えようとする駆動トルクの反トルクで、走行制御が結果的に達成される。

これにより、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を更に抑えることができ、より快適に走行可能な車両を提供することができる。

次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要と、状態量の取得処理と、目標状態の決定処理とについては、前記第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、スライディング平面の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、スライディング平面の決定処理について説明する。

本実施の形態のスライディング平面の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、目標状態の決定処理によって決定された駆動輪回転角速度の目標値に基づき、次の式（３０）及び（３１）によって表される２つのスライディング平面を決定する（ステップＳ３−３１）。なお、本実施の形態において、第１スライディング平面は、車体傾斜角及び車体傾斜角速度を座標軸とする２次元空間における１次元平面、すなわち、直線であって、次の式（３０）によって表される。また、第２スライディング平面は、駆動輪回転角速度、能動重量部位置及び能動重量部移動速度を座標軸とする３次元空間における２次元平面であって、次の式（３１）によって表される。また、第１スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（３２）によって表され、第２スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（３３）によって表される。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図２３は本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のアクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータの出力を決定する（ステップＳ４−３１）。この場合、各目標値と、現在の状態を示す実状態量と、２つのスライディング平面とから、次の式（３４）及び（３５）によって駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。つまり、実状態、目標状態、及び、２つのスライディング平面の相対位置関係によって駆動トルク及び能動重量部推力を決定する。なお、駆動モータ５２の出力である駆動トルクは次の式（３４）によって決定され、能動重量部モータ６２の出力である能動重量部推力は次の式（３５）によって決定される。

前記式（３４）及び（３５）の右辺における第１項は、スライディング平面内目標点収束出力を示す項であり、状態偏差（実状態と目標状態との差）の水平方向成分（スライディング平面に平行な成分）に比例した駆動トルク又は能動重量部推力を与えることで、スライディング平面上を滑らせるように実値点を目標点に収束させる。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ４−３２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、決定した駆動トルクの値及び能動重量部推力を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

このように、本実施の形態においては、搭乗部１４が移動可能な車両に対して、さらに、スライディングモード制御を適用する場合、駆動輪１２の影響を搭乗部１４の移動機構に負担させることによって、車体傾斜を抑える。つまり、車体傾斜の制御を駆動輪１２の制御から切り離すことによって、直立姿勢維持の制御をより簡単に、かつ、強固に行うことができる。そのため、能動重量部推力によって搭乗部１４が移動し、それによって車体傾斜を抑えようとする駆動トルクの反トルクで、走行制御が達成される。したがって、加減速時や外乱作用時における車体傾斜角の変化を更に抑えることができ、より快適に走行可能な車両を提供することができる。

なお、本実施の形態は、スライディング平面に収束させる出力を、距離に比例する出力（式（３４）及び（３５）の右辺における第２項）と一定出力（式（３４）及び（３５）の右辺における第３項）との和によって決定しているが、いずれか一方のみであってもよい。また、これと異なる非線形関数を用いてもよい。例えば、スライディング平面収束付加出力σ＝０付近に２つの閾値を設けてヒステリシス特性を与えることで、出力値のハンチング（振動）を抑えるようにしてもよい。さらに、スライディング平面内目標点収束出力についても、非線形関数を用いてもよい。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図２４は本発明の第５の実施の形態における能動重量部位置目標値付加量を示す図、図２５は本発明の第５の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

駆動輪回転角速度を直接的に制御すると、車体や搭乗部１４が大きく振動することがある。例えば、路面の凹凸などの影響によって駆動輪回転角速度が変動した場合、それを軽減させようとする制御が、車体の姿勢制御に強く影響する。また、車両速度が高くなると、駆動輪１２の粘性抵抗が車体の姿勢制御に影響するため、車両速度や車体姿勢を高精度に制御できないことがある。そのため、モビリティとして、乗り心地や使い勝手が悪くなってしまう。

そこで、本実施の形態においては、駆動輪１２の粘性抵抗を考慮するとともにそれを利用したスライディングモード制御を行いう。すなわち、能動重量部位置の目標値を与えることによって、車両速度を制御する。具体的には、能動重量部位置及び能動重量部移動速度のみに対して、第２スライディング平面を設定する。また、駆動輪回転角速度の目標値に基づいて、能動重量部位置の目標値を与える。このとき、駆動輪回転角速度（車両速度）に伴って作用する粘性抵抗を、能動重量部のずれに伴う重力トルクによって打ち消すように能動重量部位置を決定する。さらに、駆動輪回転角速度の実値と目標値との差が所定の閾値以上の場合、その差を小さくする方向へ能動重量部を余分に移動させるように能動重量部位置の目標値を修正する。

次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要と状態量の取得処理とについては、前記第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、目標状態の決定処理、スライディング平面の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、目標状態の決定処理について説明する。

本実施の形態の目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ２−２１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ２−２２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両速度の目標値とし、該車両速度の目標値を駆動輪接地半径Ｒ_Wで除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、算出された駆動輪回転角速度の目標値から、能動重量部位置の目標値を算出する（ステップＳ２−２３）。この場合、能動重量部の位置の目標値は、次の式（４３）によって算出される。

能動重量部位置の目標値は、駆動輪回転角速度の目標値を達成することができるような値となるように決定される。

まず、駆動輪回転角速度に伴って作用する粘性抵抗トルクの反トルクが、能動重量部位置のずれに伴う重力トルクと釣り合うように車体傾斜角の目標値を設定する（式（４３）の右辺における第１項）。

そして、駆動輪回転角速度の実値がその目標値と大きく離れている場合、能動重量部位置の目標値を補正する（式（４３）の右辺における第２項）。具体的には、駆動輪回転角速度の実値がその目標値よりも所定の閾値以上小さい場合、能動重量部位置の目標値を大きくすることによって、能動重量部をより前方に移動させて、車両１０を加速させる。一方、駆動輪回転角速度の実値がその目標値よりも所定の閾値以上大きい場合、能動重量部位置の目標値を小さくすることによって、能動重量部位置をより後方に移動させて、車両１０を減速させる。

なお、本実施の形態においては、粘性抵抗が駆動輪回転角速度に比例する、という仮定に基づいて能動重量部位置の目標値を決定しているが、粘性抵抗の非線形成分についても考慮し、それに適した能動重量部位置の目標値を与えるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、駆動輪回転角速度の目標値をそのまま用いて能動重量部位置の目標値及び能動重量部位置付加量を決定しているが、駆動輪回転角速度の目標値にローパスフィルタをかけて、その時間変化を滑らかにしてもよい。若しくは、時間変化を滑らかにするスムージング関数を適用してもよい。これにより、能動重量部位置の急激な変化を抑えることができ、乗り心地を向上させることができる。

さらに、本実施の形態においては、駆動輪回転角速度偏差の正負に依らず、その絶対値が所定の閾値以上の場合に能動重量部位置付加量を一定の増加率で与えているが、正負に応じて閾値又は増加率を変化させてもよい。例えば、駆動輪回転角速度偏差が負の場合には、正の場合に比べて閾値を小さくし、かつ、増加率を大きくすることによって、加速性能に比べて減速性能を高めることができ、安全性が向上する。また、本実施の形態においては、能動重量部位置付加量を複数の線形関数によって定義しているが、非線形関数を用いることで、より理想的な加減速特性を実現することもできる。

次に、スライディング平面の決定処理について説明する。

図２６は本発明の第５の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のスライディング平面の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、目標状態の決定処理によって決定された駆動輪回転角速度の目標値に基づき、次の式（４５）及び（４６）によって表される２つのスライディング平面を決定する（ステップＳ３−４１）。なお、本実施の形態において、第１スライディング平面は、車体傾斜角及び車体傾斜角速度を座標軸とする２次元空間における１次元平面、すなわち、直線であって、次の式（４５）によって表される。また、第２スライディング平面は、能動重量部位置及び能動重量部移動速度を座標軸とする２次元空間における１次元平面、すなわち、直線であって、次の式（４６）によって表される。また、第１スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（４７）によって表され、第２スライディング平面の単位法線ベクトルの各成分は次の式（４８）によって表される。

次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。

図２７は本発明の第５の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態のアクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータの出力を決定する（ステップＳ４−４１）。この場合、各目標値と、現在の状態を示す実状態量と、２つのスライディング平面とから、次の式（４９）及び（５０）によって駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。つまり、実状態、目標状態、及び、２つのスライディング平面の相対位置関係によって駆動トルク及び能動重量部推力を決定する。なお、駆動モータ５２の出力である駆動トルクは次の式（４９）によって決定され、能動重量部モータ６２の出力である能動重量部推力は次の式（５０）によって決定される。

前記式（４９）及び（５０）の右辺における第１項は、スライディング平面内目標点収束出力を示す項であり、状態偏差（実状態と目標状態との差）の水平方向成分（スライディング平面に平行な成分）に比例した駆動トルク又は能動重量部推力を与えることで、スライディング平面上を滑らせるように実値点を目標点に収束させる。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ４−４２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、決定した駆動トルクの値及び能動重量部推力を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

このように、本実施の形態においては、搭乗部１４が移動可能な車両に対して、スライディングモード制御を適用する場合、能動重量部位置の目標値を与えることによって、車両速度を制御する。これにより、駆動輪１２を直接コントロールすることなく、駆動トルクによって車両速度をコントロールすることができる。そのため、凹凸路面走行時でも、車体の振動を抑えることができる。また、車両速度や車体姿勢を高精度に制御することができる。したがって、乗り心地や使い勝手のよい車両を提供することができる。

なお、本実施の形態は、スライディング平面に収束させる出力を、距離に比例する出力（式（４９）及び（５０）の右辺における第２項）と一定出力（式（４９）及び（５０）の右辺における第３項）との和によって決定しているが、いずれか一方のみであってもよい。また、これと異なる非線形関数を用いてもよい。例えば、スライディング平面収束付加出力のσ＝０付近に２つの閾値を設けてヒステリシス特性を与えることで、出力値のハンチング（振動）を抑えるようにしてもよい。さらに、スライディング平面内目標点収束出力についても、非線形関数を用いてもよい。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図である。本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。線形フィードバック制御とスライディングモード制御の相違を説明する図である。本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図である。本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるスライディング平面によって駆動トルクを決定する方法を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態における車体傾斜角目標値付加量を示す図である。本発明の第２の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面を示す図である。本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態におけるスライディング平面によって駆動トルクを決定する方法を示す図である。本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第４の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第４の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第５の実施の形態における能動重量部位置目標値付加量を示す図である。本発明の第５の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第５の実施の形態におけるスライディング平面の決定処理の動作を示すフローチャートである。本発明の第５の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０車両
１２駆動輪
１４搭乗部
２０制御ＥＣＵ
３１ジョイスティック

Claims

車体と、
該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、
該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
該車両制御装置は、操縦装置の操縦操作量に基づいて前記駆動輪又は前記車体の目標状態を決定し、決定した目標状態に基づいてスライディング平面を決定し、実状態と前記目標状態と前記スライディング平面との位置関係によって前記駆動トルクを決定し、
前記スライディング平面は、制御の遷移経路を前記目標状態へ誘導する平面であり、前記実状態及び目標状態の各状態量を座標とする空間に設定された超平面であることを特徴とする車両。
前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、
前記スライディング平面は、前記駆動輪の回転角速度と前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される請求項１に記載の車両。
前記目標状態は、前記車体の傾斜角が目標値となる状態であり、
前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される請求項１に記載の車両。
前記車体の傾斜角の目標値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値により決定される基準値と、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差により決定される補正値との和であり、
前記補正値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差が所定の閾値よりも大きい場合に、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差を小さくする方向に前記車体を余分に傾ける値である請求項３に記載の車両。
前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、
前記車両制御装置は、前記駆動トルクと前記能動重量部の位置とのうち少なくとも１つを制御して前記車体の姿勢を制御し、前記実状態と前記目標状態とスライディング平面との位置関係によって前記駆動トルク及び能動重量部の推力を決定する請求項１に記載の車両。
前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、
前記スライディング平面は、前記駆動輪の回転角速度と前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度と前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とのうち少なくとも２つを座標とする空間に設定される２つの平面から成る請求項５に記載の車両。
前記目標状態は、前記駆動輪の回転角速度が目標値となる状態であり、
前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される第１スライディング平面及び前記駆動輪の回転角速度と前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とを座標とする空間に設定される第２スライディング平面から成る請求項５に記載の車両。
前記目標状態は、前記能動重量部の位置が目標値となる状態であり、
前記スライディング平面は、前記車体の傾斜角と前記車体の傾斜角速度とを座標とする空間に設定される第１スライディング平面及び前記能動重量部の位置と前記能動重量部の移動速度とを座標とする空間に設定される第２スライディング平面から成る請求項５に記載の車両。
前記能動重量部の位置の目標値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値により決定される基準値と、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差により決定される補正値との和であり、
前記補正値は、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差が所定の閾値よりも大きい場合にのみ、前記駆動輪の回転角速度の目標値と実値の差を小さくする方向に前記能動重量部を余分に移動させる値である請求項８に記載の車両。