JP5223265B2 - 車両 - Google Patents

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、坂道で停止状態を維持したり、安定して走行したりすることができなかった。例えば、坂道で車両を停止させておくためには、車両が下り方向に移動しないように駆動輪に駆動トルクを付与する必要があるが、駆動輪に駆動トルクを付与すると、その反作用が車体に作用し、該車体が下り方向に傾いてしまう。一方、車体を垂直に保持しようとすると、駆動輪に駆動トルクを付与することができないので、車両が下り方向に移動してしまう。

また、前記従来の車両において、平地でのフィードバック制御と同様のフィードバック制御を坂道で実行すると、車体が下り方向に傾いたままで、ずるずると下り方向に移動してしまうことになる。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、車体の姿勢も考慮して路面の勾（こう）配を推定することにより、路面の勾配を高精度で推定することができ、路面の勾配に関わらず、車両の安定した停止状態及び走行状態を実現することができる実用性の高い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、回転可能に車体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、前記駆動トルク、前記駆動輪の回転角加速度及び前記車体の傾斜角加速度に基づいて路面勾配を推定し、該路面勾配に応じて前記駆動トルクを補正する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、路面勾配に比例して車体に作用する外力が前記駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記慣性力は、駆動輪並進慣性力及び車体傾斜慣性力から成る。

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するとともに、前記車体の傾斜角及び前記能動重量部の位置を車体の姿勢として考慮して路面勾配を推定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記駆動トルク、前記駆動輪の回転角加速度、前記車体の傾斜角加速度及び前記能動重量部の移動加速度に基づいて路面勾配を推定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、路面勾配に比例して車体に作用する外力が前記駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記慣性力は、前記駆動輪並進慣性力、車体傾斜慣性力及び能動重量部移動慣性力から成る。

請求項１の構成によれば、駆動トルク、駆動輪の回転角加速度及び車体の傾斜角加速度に基づいて路面勾配を推定するので、路面勾配を高い精度で推定することができる。これにより、坂道の上でも安全で快適な車両を提供することができる。また、路面勾配を計測する装置が不要となるので、車両の構造を簡素化してコストを低減することができる。

請求項２及び３の構成によれば、路面勾配に比例して車体に作用する外力が駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定するので、路面勾配を高い精度で推定することができる。

請求項４の構成によれば、車体の傾斜角及び能動重量部の位置を車体の姿勢として考慮して路面勾配を推定するので、路面勾配を極めて高い精度で推定することができる。

請求項５の構成によれば、駆動トルク、駆動輪の回転角加速度、車体の傾斜角加速度及び能動重量部の移動加速度に基づいて路面勾配を推定するので、路面勾配を極めて高い精度で推定することができる。

請求項６及び７の構成によれば、路面勾配に比例して車体に作用する外力が駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定するので、路面勾配を極めて高い精度で推定することができる。

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、倒立振り子の姿勢制御を利用して車体の姿勢を制御する。そして、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。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、車体が進行方向前方に向かって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によっ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の図面に垂直な方向に延在し、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、能動重量部として機能する搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように、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、取り付けられている。

ここで、能動重量部は、ある程度の質量を備え、本体部１１に対して並進する、すなわち、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並進可能に本体部１１に対して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並進可能に本体部１１に対して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、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。

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、ジョイスティック３１を操作することによって、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、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（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３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、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３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。

また、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。

さらに、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。

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、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。

また、前記制御ＥＣＵ２０は、車両１０の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて路面勾配を推定する路面勾配推定手段として機能する。また、目標走行状態及び路面勾配に応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び／又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両１０の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び路面勾配に応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。さらに、車両１０の前後方向の路面勾配を取得する路面勾配取得手段として機能する。さらに、路面勾配に応じて付加する駆動トルクを決定する登坂トルク決定手段として機能する。さらに、登坂トルクに応じて、車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。

なお、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傾斜角速度とを決定するようにしてもよい。

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は本発明の第１の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図、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）は比較のための従来技術による動作例を示し、図３（ｂ）は本実施形態による動作を示している。

本実施の形態においては、搭乗部１４が能動重量部として機能し、図３（ｂ）に示されるように、並進させる、すなわち、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ようになっている。これにより、坂道で車両１０を停止させるために、該車両１０が下り方向に移動しないように駆動輪１２に駆動トルクを付与し、その反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、車体が下り方向に傾いてしまうことがない。また、坂道を走行する場合にも、車体が下り方向に傾いてしまうことがなく、安定して走行することができる。

これに対し、仮に、「背景技術」の項で説明した従来の車両のように、路面勾配に応じた重心位置補正を行わない場合、図３（ａ）に示されるように、坂道で車両１０を停止させておくために駆動輪１２に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が下り方向に傾いてしまう。そして、坂道を走行する場合にも、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。

そこで、本実施の形態においては、走行及び姿勢制御処理を実行することによって、路面の勾配に関わらず、車両１０は安定して停止及び走行することができるようになっている。

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、車体傾斜センサ４１及び能動重量部センサ６１によって、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態を取得する。

次に、制御ＥＣＵ２０は、路面勾配の取得処理を実行し（ステップＳ２）、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力値とに基づき、オブザーバによって路面勾配を推定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法及び状態観測器であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。

次に、制御ＥＣＵ２０は、目標走行状態の決定処理を実行し（ステップＳ３）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両１０の加速度の目標値、及び、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、目標車体姿勢の決定処理を実行し（ステップＳ４）、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配と、目標走行状態の決定処理によって決定された車両１０の加速度の目標値に基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。

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Ｓ５）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２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〔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 〕
η：路面勾配〔ｒａｄ〕
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〔Ｎｓ／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 〕
Ｄ₁ ：車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
ｍ_S ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌ_S ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ_S ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ² 〕
Ｄ_S ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、センサから各状態量を取得する（ステップＳ１−１）。この場合、駆動輪センサ５１から駆動輪回転角θ_W 及び／又は回転角速度θ_W を取得し、車体傾斜センサ４１から車体傾斜角θ₁ 及び／又は傾斜角速度θ₁ を取得し、能動重量部センサ６１から能動重量部位置λ_S 及び／又は移動速度λ_S を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ１−２）。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することにより、残りの状態量を算出する。例えば、取得した状態量が駆動輪回転角θ_W 、車体傾斜角θ₁ 及び能動重量部位置λ_S である場合には、これらを時間微分することにより、回転角速度θ_W 、傾斜角速度θ₁ 及び移動速度λ_S を得ることができる。また、例えば、取得した状態量が回転角速度θ_W 、傾斜角速度θ₁ 及び移動速度λ_S である場合には、これらを時間積分することにより、駆動輪回転角θ_W 、車体傾斜角θ₁ 及び能動重量部位置λ_S を得ることができる。

次に、路面勾配の取得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路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。

路面勾配の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、路面勾配ηを推定する（ステップＳ２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（１）により、路面勾配ηを推定する。

このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて路面勾配を推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体の姿勢を考慮している。

従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて路面勾配を推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、路面勾配の推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して路面勾配を推定するので、大きな誤差が生じることがなく、極めて高い精度で路面勾配を推定することができる。

一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから路面勾配を高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高いので、特に車両停止時には、このような影響が大きくなる。

なお、路面勾配の推定値に、ローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。

本実施の形態においては、駆動力、慣性力と路面勾配による外力を考慮しているが、駆動輪の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。

また、本実施の形態においては、駆動輪１２の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。

次に、目標走行状態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目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。

目標走行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Ｓ３−１）。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、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−２）。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加速度の目標値とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３）。例えば、加速度の目標値を時間積分し、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、目標車体姿勢の決定処理について説明する。

図９は本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図１０は本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。

目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配ηとに基づき、次の式（２）及び（３）により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。

このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、路面勾配ηに応じた登坂トルクに伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。

このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両が加速するとき及び坂を上るときには、搭乗部１４を前方へ移動させ、あるいは、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両が減速するとき及び坂を下るときには、搭乗部１４を後方へ移動させ、あるいは、さらに車体を後方へ傾ける。

本実施の形態においては、図９に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部１４を移動させ、搭乗部１４が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員１５にとっての乗り心地が向上する。また、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員１５にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に当接することが防止される。

なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方よりも遠くに設定する必要がある。

また、本実施の形態においては、加速度が低いときや勾配が緩やかなときには、搭乗部１４の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員１５に作用する前後方向の力を軽減することができる。

さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。

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、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Ｓ５−１）。この場合、各目標値と路面勾配ηとから、次の式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式（５）により能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。

このように、路面勾配ηに応じた登坂トルクを自動的に付加することにより、つまり、路面勾配ηに応じて駆動トルクを補正することにより、坂道であっても、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、坂道で停止した後、乗員１５がジョイスティック３１から手を放しても、車両１０は動くことがない。また、坂道の上であっても、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、平地と同様の加減速を行うことができる。

このように、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現する。

なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。

続いて、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Ｓ５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（６）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定し、また、次の式（７）により能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。

なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、Ｋ_W2、Ｋ_W3及びＫ_S5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和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、路面勾配ηをオブザーバによって推定し、登坂トルクを与えるとともに、搭乗部１４を上り側に移動させる。そのため、坂道で車体を直立に保持することができ、急勾配にも対応することができる。また、路面勾配ηを計測する装置が不要となり、構造を簡素化してコストを低減することができる。

さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ₁ 及び能動重量部位置λ_S をも考慮して路面勾配ηを推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で路面勾配ηを推定することができる。

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両の制御システムの構成を示すブロック図、図１３は本発明の第２の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図である。

前記第１の実施の形態においては、搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように取り付けられ、能動重量部として機能する。この場合、能動重量部モータ６２を備える移動機構が配設され、これにより搭乗部１４を並進させるので、構造が複雑化し、コストが高くなり、重量が増加し、制御システムも複雑化する。また、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することは不可能である。

そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４を移動させる移動機構が省略されている。また、図１２に示されるように、制御システムからも、能動重量部制御システム６０が省略され、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が省略されている。なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

そして、本実施の形態においては、図１３に示されるように、坂道の上で車両１０を停止させるための駆動輪１２に付与する駆動トルク、すなわち、登坂トルクの反作用として車体に作用する反トルクとしての車体傾斜トルクに対し、車体を路面勾配η、又は、登坂トルクに応じた角度だけ傾けることにより、車体傾斜トルクを重力の作用で打ち消してバランスを保つようになっている。

なお、「背景技術」の項で説明した従来の車両であっても、車体が坂の上り方向に傾くことがあるが、それはバランスを崩した結果であり、例えば、車両を坂道の上で停車させようとすると、車体を傾けたまま、車両がゆっくりと坂を下ってしまうことがある。

これに対し、本実施の形態においては、路面勾配ηに適した傾斜を意図的に車体に与えるので、バランスを適切に保つことができ、例えば、坂道の上でも安定して停車することができる。

次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要及び目標走行状態の決定処理については、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、路面勾配の取得処理、目標車体姿勢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１４は本発明の第２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。

状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、センサから各状態量を取得する（ステップＳ１−１１）。この場合、駆動輪センサ５１から駆動輪回転角θ_W 及び／又は回転角速度θ_W を取得し、車体傾斜センサ４１から車体傾斜角θ₁ 及び／又は傾斜角速度θ₁ を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ１−１２）。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することにより、残りの状態量を算出する。例えば、取得した状態量が駆動輪回転角θ_W 及び車体傾斜角θ₁ である場合には、これらを時間微分することにより、回転角速度θ_W 及び傾斜角速度θ₁ を得ることができる。また、例えば、取得した状態量が回転角速度θ_W 及び傾斜角速度θ₁ である場合には、これらを時間積分することにより、駆動輪回転角θ_W 及び車体傾斜角θ₁ を得ることができる。

次に、路面勾配の取得処理について説明する。

図１５は本発明の第２の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。

路面勾配の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、路面勾配ηを推定する（ステップＳ２−１１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（８）により、路面勾配ηを推定する。

このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度及び車体傾斜角加速度とに基づいて路面勾配を推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度をも考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体の姿勢をも考慮している。

従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて路面勾配を推定するため、特に車体の姿勢が大きく変化するとき、路面勾配の推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度をも考慮して路面勾配を推定するので、大きな誤差が生じることがなく、極めて高い精度で路面勾配を推定することができる。

なお、前記第１の実施の形態と同様に、路面勾配の推定値に、ローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。

本実施の形態においては、駆動力、慣性力と路面勾配による外力を考慮しているが、駆動輪の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。

また、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。

次に、目標車体姿勢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目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。

目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配ηとに基づき、次の式（９）により、車体傾斜角の目標値を決定する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−１２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角及び車体傾斜角速度の目標値を算出する。

このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、路面勾配ηに応じた登坂トルクに伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角の目標値を決定する。

このとき、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両が加速するとき及び坂を上るときには車体を前方へ傾ける。また、車両が減速するとき及び坂を下るときには車体を後方へ傾ける。

なお、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。

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。

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、アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１１）。この場合、目標値と路面勾配ηとから、前記第１の実施の形態において説明した前記式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。

前記式（４）に表されるように、路面勾配ηに応じた登坂トルクを自動的に付加することにより、坂道であっても、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、坂道で停止した後、乗員１５がジョイスティック３１から手を放しても、車両１０は動くことがない。また、坂道の上であっても、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、平地と同様の加減速を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることにより、より高精度な制御を実現するが、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、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Ｓ５−１２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（１０）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定する。

なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、Ｋ_W2及びＫ_W3を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。

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Ｓ５−１３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和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、車体を上り側に傾けて、坂道の上でバランスを保つ。したがって、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することができる。また、構造及び制御システムを簡素化することができ、安価で軽量な倒立型車両を実現することができる。

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。 本発明の第１の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図である。 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路面勾配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走行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能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢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２の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図である。 本発明の第２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２の実施の形態における路面勾配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２の実施の形態における目標車体姿勢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

Claims (7)

1. 回転可能に車体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、前記駆動トルク、前記駆動輪の回転角加速度及び前記車体の傾斜角加速度に基づいて路面勾配を推定し、該路面勾配に応じて前記駆動トルクを補正することを特徴とする車両。
2. 前記車両制御装置は、路面勾配に比例して車体に作用する外力が前記駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定する請求項１に記載の車両。
3. 前記慣性力は、駆動輪並進慣性力及び車体傾斜慣性力から成る請求項２に記載の車両。
4. 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するとともに、前記車体の傾斜角及び前記能動重量部の位置を車体の姿勢として考慮して路面勾配を推定する請求項１に記載の車両。
5. 前記車両制御装置は、前記駆動トルク、前記駆動輪の回転角加速度、前記車体の傾斜角加速度及び前記能動重量部の移動加速度に基づいて路面勾配を推定する請求項４に記載の車両。
6. 前記車両制御装置は、路面勾配に比例して車体に作用する外力が前記駆動輪の駆動力と慣性力との差に等しいものとして路面勾配を推定する請求項５に記載の車両。
7. 前記慣性力は、前記駆動輪並進慣性力、車体傾斜慣性力及び能動重量部移動慣性力から成る請求項６に記載の車両。

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