JP5318216B2 - 倒立振子型車両 - Google Patents

Description

本発明は、床面上を移動可能な倒立振子型車両に関する。

床面上を移動する移動動作部と、この移動動作部を駆動するアクチュエータ装置とが組み付けられた基体に、鉛直方向に対して傾動自在な運搬対象物体の搭載部が組み付けられた倒立振子型車両が提案されている。たとえば、本出願人により倒立振子型車両として機能し得る車両が提案されている（国際公開公報ＷＯ／２００８／１３２７７８（先行技術文献２）およびＷＯ／２００８／１３２７７９（先行技術文献３）参照）。この車両においては、搭載部の傾斜角度をある目標傾斜角度に保つために（搭乗部が傾倒しないようにするために）、倒立振子の支点を動かすような形態で、移動動作部を移動させる必要がある。

そこで、本出願人により、倒立振子型車両の制御技術が本出願人により提案されている（日本国 特許第３０７００１５号（先行技術文献１）参照）。

具体的には、運搬対象物体の搭載部としての乗員の搭乗部が組み付けられた車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後方向の軸まわりと左右方向の軸まわりとの２軸まわりに傾動自在に設けられた倒立振子型車両が制御対象とされている。また、基体の傾斜角度（＝搭乗部の傾斜角度）の計測値と目標傾斜角度との偏差を０に近づけるとともに、アクチュエータ装置としてのモータの速度（ひいては移動動作部の移動速度）の計測値と目標速度との偏差を０に近づけるようにモータの駆動トルクが逐次決定される。そして、その決定された駆動トルクに応じて、移動動作部の移動動作がモータを介して制御される。

しかし、車両の目標移動速度はアクチュエータ装置としての回転角速度の限界に応じて制限されていただけである。このため、車両の移動方向によっては乗員に違和感を覚えさせるような速度で車両が移動する可能性があった。

そこで、本発明は、乗員の乗心地に鑑みて適当な形態で移動することができる倒立振子型車両を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明の第１態様としての倒立振子型車両は、床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、前記制御装置は、前記車両の所定の代表点の移動速度を許容範囲に基づいて制限する代表点速度制限部を有し、前記第１の方向についての代表点の移動速度に応じて前記第２の方向についての代表点の移動速度の許容範囲が変化するよう構成されることを特徴とする（第１発明）。

本発明の第１態様としての倒立振子型車両によれば、移動方向の相違に応じて最高移動速度が相違するという速度異方性がある形態で車両の動作が制御される。この速度異方性は、車両の並進の速さが同じであっても、並進方向の相違に応じて、車両に搭乗している乗員が覚える乗心地が異なるという乗心地の異方性に適合するように設定されうる。

このため、並進速度が高くなった場合に乗員が違和感を覚えやすい方向について、車両の移動速度が過剰に高くなる等、乗員の乗心地を悪くする可能性が高い形態で車両が移動することが防止される。この結果、車両が乗員の乗心地に鑑みて適当な形態で移動することができる。

第１発明の倒立振子型車両において、前記第１の方向は車両の前後方向であり、前記第２の方向は車両の左右方向であってもよい（第２発明）。

第１発明の倒立振子型車両において、前記乗員の前方および後方のそれぞれへの移動速度成分が、第１乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現されるとともに、当該乗員の左方向および右方向のそれぞれへの移動速度成分が、第２乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される乗員速度座標系において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸の正座標の最大絶対値が、前記第１乗員速度座標軸の負座標の最大絶対値よりも大きくなるように画定されていてもよい（第３発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、搭乗部に搭乗した際の乗員の後方に一致する方向への最高速度成分が、当該乗員の前方に一致する方向への最高速度成分よりも低く抑制される。これにより、並進の速さが同じでも、乗員にとっては前方よりも後方に並進する場合のほうが、当該並進方向への視野の向け難さまたは違和感を覚えやすいことに鑑みて、この乗員の乗心地を損ねない適当な形態で車両の動作が制御されうる。

第３発明の倒立振子型車両において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸の少なくとも一部の座標値範囲において、前記第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が連続的または断続的に縮小するように画定されていてもよい（第４発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、乗員の前方または後方に対する車両の移動速度成分が高くなるほど、乗員の横方向に対する車両の最高速度成分が低下するような形態で車両が移動しうる。これにより、乗員の前後方向について車両の速度成分が変化した場合に、車両の速度が著しく変化する事態が防止されうる。

このため、乗員の乗心地を損ねるような形態で車両が移動することが防止されうる。また、乗員の前後方向について車両の速度成分が比較的高い状況で、乗員の横方向への車両の速度成分の変化分が小さく抑制されうるため、車両の移動安定性が維持されうる。

第３発明の倒立振子型車両において、前記速度許容範囲が、前記速度座標系において下底が前記第２乗員速度座標軸に重なり、上底の位置が前記第１乗員速度座標軸の正座標により表現される正側の台形と、前記正側の台形と下底を共通にし、上底の位置が前記第１乗員速度座標軸の負座標により表現される負側の台形とを有する形状に画定されていてもよい（第５発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、乗員の前方または後方への車両の移動速度成分が高くなるほど、乗員の横方向への車両の最高速度成分が低下するような形態で車両が移動しうる。これにより、乗員の前後方向について車両が加速または減速した場合に、車両の並進速度が著しく変化する事態が防止されうるため、乗員の乗心地を損ねるような形態で車両が移動することが防止されうる。

第２発明の倒立振子型車両において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸における所定の値よりも大きい領域において、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が一定の値となる、もしくは前記第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、連続的または断続的に縮小するように画定されるとともに、前記第１乗員速度座標軸における前記所定の値よりも小さくかつ“０”より大きい領域においては、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が前記第１乗員速度座標軸における前記所定の値での幅よりも大きくなるよう画定されてもよい（第６発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、乗員の前方への車両の速度成分が所定の値よりも高い状況で、乗員の横方向への車両の速度成分の変化分が小さく抑制されうるため、車両の直進移動時の安定性が維持されうる。

第１発明の倒立振子型車両において、前記乗員の前方および後方のそれぞれへの前記車両の速度成分が、第１乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現されるとともに、当該乗員の左方向および右方向のそれぞれへの前記車両の速度成分が、第２乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される乗員速度座標系において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有するように画定されていてもよい（第７発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、乗員にとって左右のいずれか一方への最高速度成分が、他方への最高速度成分と異なっているために乗心地が悪くなるような事態が防止されうる。

第３発明の倒立振子型車両において、前記許容速度範囲が、前記第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有するように画定されていてもよい（第８発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、乗員にとって左右のいずれか一方への最高速度成分が、他方への最高速度成分と異なっているために乗心地が悪くなるような事態が防止されうる。

第１発明の倒立振子型車両において、前記制御装置は、さらに前記基体の傾斜を検出する手段を備え、前記代表点は、接地点より上方の所定の点であり、前記代表点の移動速度が、前記移動動作部の速度と前記検出された基体の傾斜から決定される速度であってもよい（第９発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、単に移動動作部の移動速度に制限をかける、すなわち、基体の傾斜安定性が低下する可能性が高い形態で車両の移動速度が制限されるのではなく、代表点速度に制限をかけることにより、基体の傾斜安定性を保ったまま車両の移動速度の制限を行うことができる。

第１発明の倒立振子型車両において、前記代表点速度制限部は、前記代表点の移動速度の許容範囲を有するとともに、前記代表点の移動速度が前記許容範囲を超過する場合には、超過量を“0”に近づけるように前記アクチュエータ装置の制御を行ってもよい（第１０発明）。

当該構成の倒立振子型車両によれば、代表点速度がその許容範囲から逸脱した場合、当該許容範囲の境界値に近づくようにアクチュエータ装置の動作が制御されることにより、基体の傾斜安定性を保ったまま移動動作部の移動速度の制限を行うことができる。

前記課題を解決するための本発明の第２態様としての倒立振子型車両は、床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記基体に組付けられた乗員の搭乗部と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、前記制御装置は、前記第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、前記乗員が第２の方向に重心を移動させた場合に発生する第２の方向の代表点の移動速度が小さくなるように前記アクチュエータ装置を制御することを特徴とする（第１１発明）。

本発明の第２態様としての倒立振子型車両によれば、第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、車両の乗員が第２の方向に重心を移動させた場合に発生する第２の方向の代表点の移動速度が小さくなるようにアクチュエータ装置の動作が制御される。これにより、車両の代表点が第１の方向に移動しているときに、乗員の重心が第２の方向にずれたことによる車両の代表点の第２の方向に対するぶれが抑制されるので、車両の移動安定性が維持されうる。

前記課題を解決するための本発明の第３態様としての倒立振子型車両は、床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、前記制御装置は、前記第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、前記代表点の第２の方向の移動速度の変化に対する前記移動動作部の第２の方向の速度または加速度のいずれかの変化の比率が大きくなるように前記アクチュエータ装置を制御することを特徴とする（第１２発明）。

本発明の第３態様としての倒立振子型車両によれば、第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、第２の方向の代表点の移動速度の変化に対する前記移動動作部の第２の方向の速度または加速度のいずれかの変化の比率が大きくなるようにアクチュエータ装置の動作が制御される。これにより、車両の代表点が第１の方向に移動しているときに、車両の代表点の第２の方向に対するぶれが抑制されるので、車両の移動安定性が維持されうる。

実施形態の倒立振子型車両の正面図。 実施形態の倒立振子型車両の側面図。 実施形態の倒立振子型車両の下部を拡大して示す図。 実施形態の倒立振子型車両の下部の斜視図。 実施形態の倒立振子型車両の移動動作部（車輪体）の斜視図。 実施形態の倒立振子型車両の移動動作部（車輪体）とフリーローラとの配置関係を示す図。 実施形態の倒立振子型車両の制御ユニットの処理を示すフローチャート。 実施形態の倒立振子型車両の動力学的挙動を表現する倒立振子モデルを示す図。 図７のＳＴＥＰ９の処理に係わる処理機能を示すブロック図。 図９に示すゲイン調整部の処理機能を示すブロック図。 図１０に示すリミット処理部（または図１２に示すリミット処理部）の処理機能を示すブロック図。 図９に示す重心速度制限部７６の処理機能を示すブロック図。 図９に示す姿勢制御演算部８０の処理機能を示すブロック図。 ゲイン係数の設定方法に関する説明図

本発明の一実施形態を以下に説明する。

（車両の基本的構成）
まず、図１〜図６を参照して、本実施形態における倒立振子型車両の構造を説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態における倒立振子型車両１は、乗員（運転者）の搭乗部３と、床面に接地しながら該床面上を全方向（前後方向および左右方向を含む２次元的な全方向）に移動可能な移動動作部５と、この移動動作部５を駆動する動力を該移動動作部５に付与するアクチュエータ装置７と、これらの搭乗部３、移動動作部５およびアクチュエータ装置７が組付けられた基体９とを備える。

ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、搭乗部３に標準的な姿勢で搭乗した乗員の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、搭乗部３に関して設計的に想定されている姿勢であり、乗員の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。

この場合、図１においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図２においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「Ｒ」，「Ｌ」は、それぞれ車両１の右側、左側に対応するものという意味で使用する。

基体９は、移動動作部５およびアクチュエータ装置７とが組付けられた下部フレーム１１と、この下部フレーム１１の上端から上方に延設された支柱フレーム１３とを備える。

支柱フレーム１３の上部には、該支柱フレーム１３から前方側に張り出したシートフレーム１５が固定されている。そして、このシートフレーム１５上に、乗員が着座するシート３が装着されている。本実施形態では、このシート３が乗員の搭乗部となっている。従って、本実施形態における倒立振子型車両１（以降、単に車両１という）は、乗員がシート３に着座した状態で、床面上を移動するものである。

また、シート３の左右には、シート３に着座した乗員が必要に応じて把持するためのグリップ１７Ｒ，１７Ｌが配置され、これらのグリップ１７Ｒ，１７Ｌがそれぞれ、支柱フレーム１３（またはシートフレーム１５）から延設されたブラケット１９Ｒ，１９Ｌの先端部に固定されている。

下部フレーム１１は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌを備える。これらのカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの上端部（二股の分岐部分）は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸２３を介して連結され、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸２３のまわりに揺動可能となっている。この場合、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示を省略するバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。

また、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌのそれぞれの外面部には、前記シート３に着座した乗員の右足を載せるステップ２５Ｒと左足を載せるステップ２５Ｌとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。

移動動作部５およびアクチュエータ装置７は、下部フレーム１１のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置されている。これらの移動動作部５およびアクチュエータ装置７の構造を図３〜図６を参照して説明する。

なお、本実施形態で例示する移動動作部５およびアクチュエータ装置７は、例えば前記先行技術文献２の図１に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部５およびアクチュエータ装置７の構成に関して、前記先行技術文献２に記載された事項については、簡略的な説明に留める。

本実施形態では、移動動作部５は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部５（以降、車輪体５という）は、その弾性変形によって、図５および図６の矢印Ｙ１で示す如く、円形の横断面の中心Ｃ１（より詳しくは、円形の横断面中心Ｃ１を通って、車輪体５の軸心と同心となる円周線）のまわりに回転可能となっている。

この車輪体５は、その軸心Ｃ２（車輪体５全体の直径方向に直交する軸心Ｃ２）を左右方向に向けた状態で、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置され、該車輪体５の外周面の下端部にて床面に接地する。

そして、車輪体５は、アクチュエータ装置７による駆動（詳細は後述する）によって、図５の矢印Ｙ２で示す如く車輪体５の軸心Ｃ２のまわりに回転する動作（床面上を輪転する動作）と、車輪体５の横断面中心Ｃ１のまわりに回転する動作とを行なうことが可能である。その結果、車輪体５は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。

アクチュエータ装置７は、車輪体５と右側のカバー部材２１Ｒとの間に介装される回転部材２７Ｒおよびフリーローラ２９Ｒと、車輪体５と左側のカバー部材２１Ｌとの間に介装される回転部材２７Ｌおよびフリーローラ２９Ｌと、回転部材２７Ｒおよびフリーローラ２９Ｒの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｒと、回転部材２７Ｌおよびフリーローラ２９Ｌの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｌとを備える。

電動モータ３１Ｒ，３１Ｌは、それぞれのハウジングがカバー部材２１Ｒ，２１Ｌに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの電源（蓄電器）は、支柱フレーム１３等、基体９の適所に搭載されている。

回転部材２７Ｒは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｒを介してカバー部材２１Ｒに回転可能に支持されている。同様に、回転部材２７Ｌは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｌを介してカバー部材２１Ｌに回転可能に支持されている。この場合、回転部材２７Ｒの回転軸心（支軸３３Ｒの軸心）と、回転部材２７Ｌの回転軸心（支軸３３Ｌの軸心）とは同軸心である。

回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、それぞれ電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌからそれぞれ伝達される動力（トルク）によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図３に示す如く、回転部材２７Ｒは、プーリ３５Ｒとベルト３７Ｒとを介して電動モータ３１Ｒの出力軸に接続されている。同様に、回転部材２７Ｌは、プーリ３５Ｌとベルト３７Ｌとを介して電動モータ３１Ｌの出力軸に接続されている。

なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを、それぞれの出力軸が各回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心になるように各回転部材２７Ｒ，２７Ｌに対向させて配置し、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸を回転部材２７Ｒ，２７Ｌに各々、減速機（遊星歯車装置等）を介して連結するようにしてもよい。

各回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、車輪体５側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面３９Ｒ，３９Ｌとなっている。

回転部材２７Ｒのテーパ外周面３９Ｒの周囲には、回転部材２７Ｒと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ２９Ｒが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｒは、それぞれ、ブラケット４１Ｒを介してにテーパ外周面３９Ｒに取付けられ、該ブラケット４１Ｒに回転自在に支承されている。

同様に、回転部材２７Ｌのテーパ外周面３９Ｌの周囲には、回転部材２７Ｌと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数（フリーローラ２９Ｒと同数）のフリーローラ２９Ｌが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｌは、それぞれ、ブラケット４１Ｌを介してにテーパ外周面３９Ｌに取付けられ、該ブラケット４１Ｌに回転自在に支承されている。

前記車輪体５は、回転部材２７Ｒ側のフリーローラ２９Ｒと、回転部材２７Ｌ側のフリーローラ２９Ｌとの間に挟まれるようにして、回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心に配置されている。

この場合、図１および図６に示すように、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌは、その軸心Ｃ３が車輪体５の軸心Ｃ２に対して傾斜すると共に、車輪体５の直径方向（車輪体５をその軸心Ｃ２の方向で見たときに、該軸心Ｃ２と各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌとを結ぶ径方向）に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌのそれぞれの外周面が車輪体５の内周面に斜め方向に圧接されている。

より一般的に言えば、右側のフリーローラ２９Ｒは、回転部材２７Ｒが軸心Ｃ２のまわりに回転駆動されたときに、車輪体５との接触面で、軸心Ｃ２まわりの方向の摩擦力成分（車輪体５の内周の接線方向の摩擦力成分）と、車輪体５の前記横断面中心Ｃ１のまわり方向の摩擦力成分（円形の横断面の接線方向の摩擦力成分）とを車輪体５に作用させ得るような姿勢で、車輪体５の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ２９Ｌについても同様である。

この場合、前記したように、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示しないバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ２９Ｒと左側のフリーローラ２９Ｌとの間に車輪体５が挟持されると共に、車輪体５に対する各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌの圧接状態（より詳しくはフリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間で摩擦力が作用し得る圧接状態）が維持される。

（車両の基本的動作）
以上説明した構造を有する車両１においては、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌによりそれぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体５が回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同方向に軸心Ｃ２のまわりに回転することとなる。これにより、車輪体５が床面上を前後方向に輪転して、車両１の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１のまわりには回転しない。

また、例えば、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１のまわりに回転することとなる。これにより、車輪体５がその軸心Ｃ２の方向（すなわち左右方向）に移動し、ひいては、車両１の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その軸心Ｃ２のまわりには回転しない。

さらに、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを、互いに異なる速度（方向を含めた速度）で、同方向または逆方向に回転駆動した場合には、車輪体５は、その軸心Ｃ２のまわりに回転すると同時に、その横断面中心Ｃ１のまわりに回転することとなる。

この時、これらの回転動作の複合動作（合成動作）によって、前後方向および左右方向に対して傾斜した方向に車輪体５が移動し、ひいては、車両１の全体が車輪体５と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体５の移動方向は、回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転方向を含めた回転速度（回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル）の差に依存して変化するものとなる。

以上のように車輪体５の移動動作が行なわれるので、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転速度（回転方向を含む）を制御し、ひいては回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転速度を制御することによって、車両１の移動速度および移動方向を制御できることとなる。

（車両の制御装置の構成）
次に、本実施形態の車両１の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図１および図２に示すように、前後方向の水平軸をＸ軸、左右方向の水平軸をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と言うことがある。

まず、車両１の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート３に着座した乗員がその上体を傾けた場合（詳しくは、乗員と車両１とを合わせた全体の重心点の位置（水平面に投影した位置）を動かすように上体を傾けた場合）に、該上体を傾けた側に基体９がシート３と共に傾動する。そして、この時、基体９が傾いた側に車両１が移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。例えば、乗員が上体を前傾させ、ひいては、基体９をシート３と共に前傾させると、車両１が前方に移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。

すなわち、本実施形態では、乗員が上体を動かし、ひいては、シート３と共に基体９を傾動させるという動作が、車両１に対する１つの基本的な操縦操作（車両１の動作要求）とされ、その操縦操作に応じて車輪体５の移動動作がアクチュエータ装置７を介して制御される。

ここで、本実施形態の車両１は、その全体の接地面としての車輪体５の接地面が、車両１とこれに搭乗する乗員との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体９が傾倒しないようにするためには、乗員および車両１の全体の重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体５を動かす必要がある。

そこで、本実施形態では、乗員および車両１の全体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体５の移動動作が制御される。

さらに、車両１に乗員が搭乗していない状態では、車両１の単体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、該基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体９が傾倒することなく車両１が自立するように、車輪体５の移動動作が制御される。

また、車両１に乗員が搭乗している状態と搭乗していない状態とのいずれの状態においても、基体９の実際の姿勢の目標姿勢からずれが大きいほど、車両１の移動速度が速くなると共に、基体９の実際の姿勢の目標姿勢に一致する状態では、車両１の移動が停止するように車輪体５の移動動作が制御される。

本実施形態では、以上の如き車両１の動作制御を行なうために、図１および図２に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット５０と、基体９の所定の部位の鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角θbおよびその変化速度（＝dθb/dt）を計測するための傾斜センサ５２と、車両１に乗員が搭乗しているか否かを検知するための荷重センサ５４と、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸の回転角度および回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌがそれぞれ、車両１の適所に搭載されている。

この場合、制御ユニット５０および傾斜センサ５２は、例えば、基体９の支柱フレーム１３の内部に収容された状態で該支柱フレーム１３に取付けられている。また、荷重センサ５４は、シート３に内蔵されている。また、ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌと一体に設けられている。なお、ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌに装着してもよい。

上記傾斜センサ５２は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ（角速度センサ）とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、傾斜センサ５２の加速度センサおよびレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理（これは公知の演算処理でよい）を実行することによって、傾斜センサ５２を搭載した部位（本実施形態では支柱フレーム１３）の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度（微分値）である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。

この場合、計測する傾斜角度θb（以降、基体傾斜角度θbということがある）は、より詳しくは、それぞれ、Ｙ軸まわり方向（ピッチ方向）の成分θb_xと、Ｘ軸まわり方向（ロール方向）の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot（以降、基体傾斜角速度θbdotということがある）も、Ｙ軸まわり方向（ピッチ方向）の成分θbdot_x（＝dθb_x/dt）と、Ｘ軸まわり方向（ロール方向）の成分θbdot_y（＝dθb_y/dt）とから成る。

なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、Ｘ軸およびＹ軸の各方向（または各軸まわり方向）の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”または“_y”を付加する。

この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのＸ軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｙ軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。

一方、角度、回転速度（角速度）、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Ｙ軸まわり方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｘ軸まわり方向の成分に添え字“_y”を付加する。

さらに、Ｘ軸方向の成分（またはＹ軸まわり方向の成分）と、Ｙ軸方向の成分（またはＸ軸まわり方向の成分）との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Ｙ軸まわり方向の成分θb_xとＸ軸まわり方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。

前記荷重センサ５４は、乗員がシート３に着座した場合に該乗員の重量による荷重を受けるようにシート３に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、この荷重センサ５４の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両１に乗員が搭乗しているか否かを判断する。

なお、荷重センサ５４の代わりに、例えば、乗員がシート３に着座したときにＯＮとなるようなスイッチ式のセンサを用いてもよい。

ロータリエンコーダ５６Ｒは、電動モータ３１Ｒの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、そのパルス信号を基に、電動モータ３１Ｒの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率（微分値）を電動モータ３１Ｒの回転角速度として計測する。電動モータ３１Ｌ側のロータリエンコーダ５６Ｌについても同様である。

制御ユニット５０は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令を決定し、その速度指令に従って、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。

なお、電動モータ３１Ｒの出力軸の回転角速度と、回転部材２７Ｒの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材２７Ｒとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ３１Ｒの回転角速度は、回転部材２７Ｒの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ３１Ｌの回転角速度は、回転部材２７Ｌの回転角速度を意味するものとする。

（車両の制御方法の概要）
以下に、制御ユニット５０の制御処理をさらに詳細に説明する。

制御ユニット５０は、所定の制御処理周期で図７のフローチャートに示す処理（メインルーチン処理）を実行する。

まず、ＳＴＥＰ１において、制御ユニット５０は、傾斜センサ５２の出力を取得する。

次いで、ＳＴＥＰ２に進んで、制御ユニット５０は、取得した傾斜センサ５２の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。

なお、以降の説明では、上記計測値θb_xy_sなど、変数（状態量）の実際の値の観測値（計測値または推定値）を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。

次いで、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ３において、荷重センサ５４の出力を取得した後、ＳＴＥＰ４の判断処理を実行する。この判断処理においては、制御ユニット５０は、取得した荷重センサ５４の出力が示す荷重計測値があらかじめ設定された所定値よりも大きいか否かによって、車両１に乗員が搭乗しているか否か（シート３に乗員が着座しているか否か）を判断する。

そして、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ４の判断結果が肯定的である場合には、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータ（各種ゲインの基本値など）の値を設定する処理とを、それぞれＳＴＥＰ５、６で実行する。

ＳＴＥＰ５においては、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた搭乗モード用の目標値を設定する。

ここで、「搭乗モード」は、車両１に乗員が搭乗している場合での車両１の動作モードを意味する。この搭乗モード用の目標値θb_xy_objは、車両１とシート３に着座した乗員との全体の重心点（以降、車両・乗員全体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致またはほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。

また、ＳＴＥＰ６においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた搭乗モード用の値を設定する。なお、定数パラメータは、後述するｈx，ｈy，Ｋi_a_x，Ｋi_b_x，Ｋi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）等である。

一方、ＳＴＥＰ４の判断結果が否定的である場合には、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータの値を設定する処理とを、ＳＴＥＰ７、８で実行する。

ＳＴＥＰ７においては、制御ユニット５０は、傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた自立モード用の目標値を設定する。

ここで、「自立モード」は、車両１に乗員が搭乗していない場合での車両１の動作モードを意味する。この自立モード用の目標値θb_xy_objは、車両１単体の重心点（以降、車両単体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致またはほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。この自立モード用の目標値θb_xy_objは、搭乗モード用の目標値θb_xy_objと一般的には異なる。

また、ＳＴＥＰ８においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた自立モード用の値を設定する。この自立モード用の定数パラメータの値は、搭乗モード用の定数パラメータの値と異なる。

搭乗モードと自立モードとで、上記定数パラメータの値を異ならせるのは、それぞれのモードで上記重心点の高さや、全体質量等が異なることに起因して、制御入力に対する車両１の動作の応答特性が互いに異なるからである。

以上のＳＴＥＰ４〜８の処理によって、搭乗モードおよび自立モードの各動作モード毎に各別に、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objと定数パラメータの値とが設定される。

なお、ＳＴＥＰ５，６の処理、またはＳＴＥＰ７，８の処理は、制御処理周期毎に実行することは必須ではなく、ＳＴＥＰ４の判断結果が変化した場合にだけ実行するようにしてもよい。

補足すると、搭乗モードおよび自立モードのいずれにおいても、基体傾斜角速度θbdotのＹ軸まわり方向の成分θbdot_xの目標値とＸ軸まわり方向の成分θbdot_yの目標値とは、いずれも“０”である。このため、基体傾斜角速度θbdot_xyの目標値を設定する処理は不要である。

以上の如くＳＴＥＰ５，６の処理、またはＳＴＥＰ７，８の処理を実行した後、制御ユニット５０は、次にＳＴＥＰ９において、車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令を決定する。この車両制御演算処理の詳細は後述する。

次いで、ＳＴＥＰ１０に進んで、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ９で決定した速度指令に応じて電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの動作制御処理を実行する。この動作制御処理では、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ９で決定した電動モータ３１Ｒの速度指令と、ロータリエンコーダ５６Ｒの出力に基づき計測した電動モータ３１Ｒの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“０”に収束させるように電動モータ３１Ｒの出力トルクの目標値（目標トルク）を決定する。そして、制御ユニット５０は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ３１Ｒに出力させるように該電動モータ３１Ｒの通電電流を制御する。左側の電動モータ３１Ｌの動作制御についても同様である。

以上が、制御ユニット５０が実行する全体的な制御処理である。

（車両の制御方法の詳細）
次に、上記ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理の詳細を説明する。

なお、以降の説明においては、前記搭乗モードにおける車両・乗員全体重心点と、前記自立モードにおける車両単体重心点とを総称的に、車両系重心点という。該車両系重心点は、車両１の動作モードが搭乗モードである場合には、車両・乗員全体重心点を意味し、自立モードである場合には、車両単体重心点を意味する。

また、以降の説明では、制御ユニット５０が各制御処理周期で決定する値（更新する値）に関し、現在の（最新の）制御処理周期で決定する値を今回値、その１つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。

また、Ｘ軸方向の速度および加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Ｙ軸方向の速度および加速度に関しては、左向きを正の向きとする。

本実施形態では、前記車両系重心点の動力学的な挙動（詳しくは、Ｙ軸方向からこれに直交する面（ＸＺ平面）に投影して見た挙動と、Ｘ軸方向からこれに直交する面（ＹＺ平面）に投影して見た挙動）が、近似的に、図８に示すような、倒立振子モデルの挙動（倒立振子の動力学的挙動）によって表現されるものとして、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理が行なわれる。

なお、図８において、括弧を付していない参照符号は、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。

この場合、Ｙ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両系重心点に位置する質点６０_xと、Ｙ軸方向に平行な回転軸６２a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_x（以降、仮想車輪６２_xという）とを備える。そして、質点６０_xが、仮想車輪６２_xの回転軸６２a_xに直線状のロッド６４_xを介して支持され、該回転軸６２a_xを支点として該回転軸６２a_xのまわりに揺動自在とされている。

この倒立振子モデルでは、質点６０_xの運動が、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_xの傾斜角度θbe_xがＹ軸まわり方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s（＝θb_x_s−θb_x_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_xの傾斜角度θbe_xの変化速度（＝dθbe_x/dt）がＹ軸まわり方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x（Ｘ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＸ軸方向の移動速度に一致するものとされる。

同様に、Ｘ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル（図８の括弧付きの符号を参照）は、車両系重心点に位置する質点６０_yと、Ｘ軸方向に平行な回転軸６２a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_y（以降、仮想車輪６２_yという）とを備える。そして、質点６０_yが、仮想車輪６２_yの回転軸６２a_yに直線状のロッド６４_yを介して支持され、該回転軸６２a_yを支点として該回転軸６２a_yのまわりに揺動自在とされている。

この倒立振子モデルでは、質点６０_yの運動が、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_yの傾斜角度θbe_yがＸ軸まわり方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s（＝θb_y_s−θb_y_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_yの傾斜角度θbe_yの変化速度（＝dθbe_y/dt）がＸ軸まわり方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y（Ｙ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＹ軸方向の移動速度に一致するものとされる。

なお、仮想車輪６２_x，６２_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Ｒw_x，Ｒw_yの半径を有するものとされる。

また、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yと、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L（より正確には、回転部材２７Ｒ，２７Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L）との間には、次式０１ａ，０１ｂの関係が成立するものとされる。

ωw_x＝（ω_Ｒ＋ω_L）／２ ……式０１ａ
ωw_y＝Ｃ・（ω_Ｒ−ω_L）／２ ……式０１ｂ

なお、式０１ｂにおける“Ｃ”は、前記フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。また、ωw_x，ω_R，ω_Lの正の向きは、仮想車輪６２_xが前方に向かって輪転する場合の該仮想車輪６２_xの回転方向、ωw_yの正の向きは、仮想車輪６２_yが左向きに輪転する場合の該仮想車輪６２_yの回転方向である。

ここで、図８に示す倒立振子モデルの動力学は、次式０３ｘ，０３ｙにより表現される。なお、式０３ｘは、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式、式０３ｙは、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。

ｄ²θbe_x／dt²＝α_x・θbe_x＋β_x・ωwdot_x ……式０３ｘ
ｄ²θbe_y／dt²＝α_y・θbe_y＋β_y・ωwdot_y ……式０３ｙ

式０３ｘにおけるωwdot_xは仮想車輪６２_xの回転角加速度（回転角速度ωw_xの１階微分値）、α_xは、質点６０_xの質量や高さｈ_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪６２_xのイナーシャ（慣性モーメント）や半径Ｒw_xに依存する係数である。式０３ｙにおけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。

これらの式０３ｘ，０３ｙから判るように、倒立振子の質点６０_x，６０_yの運動（ひいては車両系重心点の運動）は、それぞれ、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。

そこで、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。

そして、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット５０は、Ｘ軸方向で見た質点６０_xの運動と、Ｙ軸方向で見た質点６０_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x，ωwdot_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdとして決定する。

そして、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度（＝Ｒw_x・ωw_x_cmd）と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度（＝Ｒw_y・ωw_y_cmd）とを、それぞれ、車両１の車輪体５のＸ軸方向の目標移動速度、Ｙ軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdを決定する。

なお、本実施形態では、操作量（制御入力）としての上記仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdは、それぞれ、後述する式０７ｘ，０７ｙに示す如く、３個の操作量成分を加え合わせることによって決定される。

補足すると、本実施形態における操作量（制御入力）としての上記仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdのうち、ωwdot_x_cmdは、Ｘ軸方向に移動する仮想車輪６２_xの回転角速度であるから、車輪体５をＸ軸方向に移動させるために該車輪体５に付与すべき駆動力を規定する操作量として機能するものとなる。また、ωwdot_y_cmdは、Ｙ軸方向に移動する仮想車輪６２_yの回転角速度であるから、車輪体５をＹ軸方向に移動させるために該車輪体５に付与すべき駆動力を規定する操作量として機能するものとなる。

制御ユニット５０は、上記の如き、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理を実行するための機能として、図９のブロック図で示す機能を備えている。

すなわち、制御ユニット５０は、基体傾斜角度計測値θb_xy_sと基体傾斜角度目標値θb_xy_objとの偏差である基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sを算出する偏差演算部７０と、前記車両系重心点の移動速度である重心速度Ｖb_xyの観測値としての重心速度推定値Ｖb_xy_sを算出する重心速度算出部７２と、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度の許容範囲に応じた制限を加味して、重心速度Ｖb_xyの目標値としての制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdを決定する重心速度制限部７６と、後述する式０７ｘ，０７ｙのゲイン係数の値を調整するためのゲイン調整パラメータＫr_xyを決定するゲイン調整部７８とを備える。

制御ユニット５０は、さらに、前記仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部８０と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmd（回転角速度の指令値）と左側の電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmd（回転角速度の指令値）との組に変換するモータ指令演算部８２とを備える。

なお、図９中の参照符号８４を付したものは、姿勢制御演算部８０が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素８４は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。

ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。

すなわち、制御ユニット５０は、まず、偏差演算部７０の処理と重心速度算出部７２の処理とを実行する。

偏差演算部７０には、ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角度計測値θb_xy_s（θb_x_sおよびθb_y_s）と、ＳＴＥＰ５またはＳＴＥＰ７で設定された目標値θb_xy_obj（θb_x_objおよびθb_y_obj）とが入力される。そして、偏差演算部７０は、θb_x_sからθb_x_objを減算することによって、Ｙ軸まわり方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s（＝θb_x_s−θb_x_obj）を算出すると共に、θb_y_sからθb_y_objを減算することによって、Ｘ軸まわり方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_s（＝θb_y_s−θb_y_obj）を算出する。

なお、偏差演算部７０の処理は、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理の前に行なうようにしてもよい。例えば、ＳＴＥＰ５または７の処理の中で、偏差演算部７０の処理を実行してもよい。

前記重心速度算出部７２には、ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s（θbdot_x_sおよびθbdot_y_s）の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p（ωw_x_cmd_pおよびωw_y_cmd_p）が遅延要素８４から入力される。そして、重心速度算出部７２は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_sおよびＶb_y_s）を算出する。

具体的には、重心速度算出部７２は、次式０５ｘ，０５ｙにより、Ｖb_x_sおよびＶb_y_sをそれぞれ算出する。

Ｖb_x_s＝Ｒw_x・ωw_x_cmd_p＋ｈ_x・θbdot_x_s ……０５ｘ
Ｖb_y_s＝Ｒw_y・ωw_y_cmd_p＋ｈ_y・θbdot_y_s ……０５ｙ

これらの式０５ｘ，０５ｙにおいて、Ｒw_x，Ｒw_yは、前記したように、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、ｈ_x，ｈ_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点６０_x，６０_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両系重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、ｈ_x，ｈ_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。補足すると、高さｈ_x，ｈ_yは、ＳＴＥＰ６または８において値を設定する定数パラメータに含まれるものである。

上記式０５ｘの右辺の第１項は、仮想車輪６２_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体５のＸ軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、式０５ｘの右辺の第２項は、基体９がＹ軸まわり方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のＸ軸方向の移動速度（車輪体５に対する相対的な移動速度）の現在値に相当するものである。これらのことは、式０５ｙについても同様である。

なお、ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌの出力を基に計測される電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の計測値（今回値）の組を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式０５ｘ、０５ｙのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。

次に、制御ユニット５０は、重心速度制限部７６の処理とゲイン調整部７８の処理とを実行する。この場合、重心速度制限部７６およびゲイン調整部７８には、それぞれ、重心速度算出部７２で上記の如く算出された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_sおよびＶb_y_s）が入力される。

そして、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_sおよびＶb_y_s）を基に、前記ゲイン調整パラメータＫr_xy（Ｋr_xおよびＫr_y）を決定する。

このゲイン調整部７８の処理を図１０および図１１を参照して以下に説明する。

図１０に示すように、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをリミット処理部８６に入力する。このリミット処理部８６では、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに、シート３に着座した際の乗員の姿勢に鑑みて設計された制限を適宜、加えることによって、出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1を生成する。出力値Ｖb_x_lim1は、前記仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度Ｖw_xの制限後の値、出力値Ｖb_y_lim1は、前記仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度Ｖw_yの制限後の値としての意味を持つ。

このリミット処理部８６の処理を、図１１を参照してさらに詳細に説明する。

重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sは、図１１（ａ）（ｂ）において二点鎖線により囲まれている第２速度許容範囲（本発明の「速度許容範囲」に相当する。）を超えないように制限される。第２速度許容範囲は、一点鎖線により囲まれている第１速度許容範囲を超えないように画定されている。

「第１速度許容範囲」は、仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度を、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sに一致させ、かつ、仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度を、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sに一致させたと仮定した場合における、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_Lの許容範囲に基づいて画定されている。

仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yは、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_Lに基づき、関係式０１ａ，０１ｂにしたがって表現される。重心速度Ｖb_x，Ｖb_yは、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yと、仮想車輪６２_x，６２_xのそれぞれの半径Ｒw_x，Ｒw_xとの積によって表現される。これらの関係にしたがって、第１速度許容範囲は、図１１（ａ）（ｂ）に示されているように車両速度座標系において原点を中心とする菱形に画定されている。

車両１の前方速度成分（第１の方向の重心速度成分Ｖb_x＞０）および後方速度成分（第１の方向の重心速度成分Ｖb_x＜０）のそれぞれは、車両座標系において、第１車両速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される。車両１の左方向速度成分（第２の方向の重心速度成分Ｖb_y＞０）および右方向速度成分（第２の方向の重心速度成分Ｖb_y＜０）のそれぞれは、車両座標系において、「第２車両速度座標軸」の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される。

「第２速度許容範囲」は、シート３に着座した乗員の姿勢に応じて、この乗員が覚える乗心地を考慮して画定されている。第２速度許容範囲は、乗員速度座標系において画定されている。乗員速度座標系および車両速度座標系は、それぞれの原点まわりの回転対称性を有している。

シート３に着座した乗員の前方並進速度成分および後方並進速度成分のそれぞれは、乗員速度座標系において、「第１乗員速度座標軸」の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される。当該乗員の右方向速度成分および左方向速度成分のそれぞれは、乗員速度座標系において、「第２乗員速度座標軸」の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される。

本実施形態では図１１（ａ）に示されているように車両速度座標系および乗員速度座標系が一致するように車両１が構成されている。すなわち、車両１の前後方向の並進方向（第１の方向）と、シート３に着座した際の乗員の前後方向とが一致するとともに、車両１の左右方向の並進方向（第２の方向）と、当該乗員の左右方向とが一致するように車両１が構成されている。そのほか、図１１（ｂ）に示されているように両座標系が異なるように車両１が構成されてもよい。

第２速度許容範囲は、図１１（ａ）（ｂ）に示されているように、舌片Ｓ０と、正側の台形Ｓ１と、負側の台形Ｓ２とを有するように画定されている。

正側の台形Ｓ１は、第２乗員速度座標軸に下底が位置し、下底の中心が原点に一致し、かつ、下底よりも短い上底の位置が第１乗員速度座標軸の正座標により表現されている。負側の台形Ｓ２は、正側の台形Ｓ１の下底を上底とし、上底より短い下底の位置が第１乗員速度座標軸の負座標により表現されている。舌片Ｓ０は、正側の台形Ｓ１の上底を底辺として第１乗員速度座標軸の正側（第１正方向の高速成分側）に延びる矩形状に画定されている。

図１１（ａ）（ｂ）に示されている第２速度許容範囲は、次の性質０１〜０３を有している。

（性質０１）
舌片Ｓ０の上端位置を表わす第１乗員速度座標軸の座標値の絶対値が、負側の台形Ｓ２の下底位置を表わす第１乗員速度座標軸の座標値の絶対値よりも大きい。

（性質０２）
正側の台形Ｓ１において、第１乗員速度座標軸の正座標値の絶対値が大きくなるほど、第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が連続的に縮小している。負側の台形Ｓ２において、第１乗員速度座標軸の負座標値の絶対値が大きくなるほど、第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が連続的に縮小している。

（性質０３）
第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有する。

第２速度許容範囲は、前記性質０１〜０３を有していることから明らかなように、次の条件０１〜０３のすべてを満たしている。

（条件０１）
第１乗員速度座標軸の正座標値の最大絶対値が、第１乗員速度座標軸の負座標値の最大絶対値よりも大きいこと。

（条件０２）
第１乗員速度座標軸の少なくとも一部の座標値範囲において、第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が連続的または断続的に縮小していること。

（条件０３）
第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有するように画定されていること。

条件０１〜０３のうち好ましくはすべて、または、少なくとも一部が満たされるように、第２許容範囲の形状は任意に変更されうる。

たとえば、第２乗員速度座標軸に底辺を有するとともに、頂点位置が第１乗員速度座標軸の正座標値により表現される「正側の三角形」と、当該正側の三角形と共通の底辺を有し、頂点位置が第１乗員速度座標軸の負座標値により表現され、正側の三角形よりも高さが小さい「負側の三角形」とにより第２速度許容範囲が構成されていてもよい。長軸が第１乗員速度座標軸に一致し、中心位置が第１乗員速度座標軸の正座標値により表現される楕円により第２速度許容範囲が画定されていてもよい。

なお、第２速度許容範囲は、性質０１〜０３に加えて次の性質０４を有していてもよい。

（性質０４）第１乗員速度座標軸における所定値（図１１の舌辺Ｓ０と台形Ｓ１との境界線参照）よりも大きい領域において、第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が一定の値となる、または、第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、連続的または断続的に縮小するとともに（舌片Ｓ０が連続的または断続的な先細りの形状である）、第１乗員速度座標軸における所定値よりも小さくかつ“０”より大きい領域においては、第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が前記第１乗員速度座標軸における所定の値での幅よりも大きくなる（台形Ｓ１の第２乗員速度座標軸方向の幅が、任意の第１乗員速度座標値において、舌片Ｓ０の根元の第２乗員速度座標軸方向の幅より広い）。

性質０４を有するように第２速度許容範囲が画定されることにより、乗員の前方への車両１の速度成分が所定の値よりも高い状況で、乗員の横方向への車両の速度成分の変化分が小さく抑制されうるため、車両１の直進移動時の安定性が維持されうる。

以上のリミット処理部８６の処理によって、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sが、両方とも、第２速度許容範囲内に収まっている場合には、Ｖb_x_s，Ｖb_y_sにそれぞれ一致する出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。

一方、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sの両方または一方が第２速度許容範囲から逸脱している場合には、その両方または一方の重心速度推定値が強制的に第２速度許容範囲内に制限された上で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の移動速度Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。

したがって、リミット処理部８６は、その出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の組に対応する重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sが第２速度許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1をそれぞれＶb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように、出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の組を生成する。

図１０の説明に戻って、ゲイン調整部７８は、次に、演算部８８_x，８８_yの処理を実行する。演算部８８_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖb_x_lim1とが入力される。そして、演算部８８_xは、Ｖb_x_lim1からＶb_x_sを減算してなる値Ｖover_xを算出して出力する。また、演算部８８_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖb_y_lim1とが入力される。そして、演算部８８_yは、Ｖb_y_lim1からＶb_y_sを減算してなる値Ｖover_yを算出して出力する。

この場合、リミット処理部８６での出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合には、Ｖb_x_lim1＝Ｖb_x_s、Ｖb_y_lim1＝Ｖb_y_sとなるので、演算部８８_x，８８_yのそれぞれの出力値Ｖover_x，Ｖover_yはいずれも“０”となる。

一方、リミット処理部８６の出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合には、Ｖb_x_lim1のＶb_x_sからの修正量（＝Ｖb_x_lim1−Ｖb_x_s）と、Ｖb_y_lim1のＶb_y_sからの修正量（＝Ｖb_y_lim1−Ｖb_y_s）とがそれぞれ、演算部８８_x，８８_yから出力される。

次いで、ゲイン調整部７８は、演算部８８_xの出力値Ｖover_xを処理部９０_x，９２_xに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_xを決定する。また、ゲイン調整部７８は、演算部８８_yの出力値Ｖover_yを処理部９０_y，９２_yに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_yを決定する。なお、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yは、いずれも“０”から“１”までの範囲内の値である。

上記処理部９０_xは、入力されるＶover_xの絶対値を算出して出力する。また、処理部９２_xは、その出力値Ｋr_xが入力値｜Ｖover_x｜に対して単調に増加し、且つ、飽和特性を有するようにＫr_xを生成する。該飽和特性は、入力値がある程度大きくなると、入力値の増加に対する出力値の変化量が“０”になるか、もしくは、“０”に近づく特性である。

この場合、本実施形態では、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜があらかじめ設定された所定値以下である場合には、該入力値｜Ｖover_x｜に所定値の比例係数を乗じてなる値をＫr_xとして出力する。また、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜が所定値よりも大きい場合には、“１”をＫr_xとして出力する。なお、上記比例係数は、｜Ｖover_x｜が所定値に一致するときに、｜Ｖover_x｜と比例係数との積が“１”になるように設定されている。

また、処理部９０_y，９２_yの処理は、それぞれ上記した処理部９０_x，９２_xの処理と同様である。

以上説明したゲイン調整部７８の処理によって、リミット処理部８６での出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sが第２速度許容範囲内に収まるような場合には、第１ゲイン調整パラメータＫr1_x，Ｋr1_yはいずれも“０”に決定される。したがって、通常は、Ｋr１_x＝Ｋr1_y＝０である。

一方、リミット処理部８６の出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sのいずれかが第２速度許容範囲を逸脱してしまう場合には、前記修正量Ｖover_x，Ｖover_yのそれぞれの絶対値に応じて、第１ゲイン調整パラメータＫr1_x，Ｋr1_yの値がそれぞれ決定される。この場合、Ｋr1_xは、“１”を上限値して、修正量Ｖover_xの絶対値が大きいほど、大きな値になるように決定される。このことは、Ｋr1_yについても同様である。

また、前記重心速度制限部７６は、入力された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_sおよびＶb_y_s）を使用して、図１２のブロック図で示す処理を実行することによって、制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfd（Ｖb_x_mdfdおよびＶb_y_mdfd）を決定する。

具体的には、重心速度制限部７６は、まず、定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行する。

この場合、定常偏差算出部９４_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sが入力されると共に、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdの前回値Ｖb_x_mdfd_pが遅延要素９６_xを介して入力される。そして、定常偏差算出部９４_xは、まず、入力されるＶb_x_sが比例・微分補償要素（ＰＤ補償要素）９４a_xに入力する。この比例・微分補償要素９４_xは、その伝達関数が１＋Ｋd・Ｓにより表される補償要素であり、入力されるＶb_x_sと、その微分値（時間的変化率）に所定値の係数Ｋdを乗じてなる値とを加算し、その加算結果の値を出力する。

次いで、定常偏差算出部９４_xは、入力されるＶb_x_mdfd_pを、比例・微分補償要素９４_xの出力値から減算してなる値を演算部９４b_xにより算出した後、この演算部９４b_xの出力値を、位相補償機能を有するローパスフィルタ９４c_xに入力する。このローパスフィルタ９４c_xは、伝達関数が（１＋Ｔ2・Ｓ）／（１＋Ｔ1・Ｓ）により表されるフィルタである。そして、定常偏差算出部９４_xは、このローパスフィルタ９４c_xの出力値Ｖb_x_prdを出力する。

また、定常偏差算出部９４_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sが入力されると共に、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdの前回値Ｖb_y_mdfd_pが遅延要素９６_yを介して入力される。

そして、定常偏差算出部９４_yは、上記した定常偏差算出部９４_xと同様に、比例・微分補償要素９４a_y、演算部９４b_yおよびローパスフィルタ９４c_yの処理を順次実行し、ローパスフィルタ９４c_yの出力値Ｖb_y_prdを出力する。

ここで、定常偏差算出部９４_xの出力値Ｖb_x_prdは、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＹ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動状態）から推測される、将来のＸ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。同様に、定常偏差算出部９４_y出力値Ｖb_y_prdは、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＸ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動状態）から推測される、将来のＹ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。以降、定常偏差算出部９４_x，９４_yのそれぞれの出力値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdを重心速度定常偏差予測値という。

重心速度制限部７６は、上記の如く定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行した後、上記重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdをリミット処理部１００に入力する。そして、移動速度Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2がリミット処理部１００から出力される。このリミット処理部１００の処理は、前記したゲイン調整部７８のリミット処理部８６の処理と同じである。この場合、図１１に括弧付きに参照符号で示す如く、リミット処理部１００の各処理部の入力値および出力値だけがリミット処理部８６と相違する。

以上のリミット処理部１００の処理によって、リミット処理部１００は、リミット処理部８６と同様に、その出力値Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2の組に対応する重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdが第２速度許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2をそれぞれＶb_x_t，Ｖb_y_tに一致させるように、出力値Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2の組を生成する。

なお、リミット処理部１００における第２速度許容範囲は、リミット処理部８６における第２速度許容範囲と同一である必要はなく、互いに異なる許容範囲に設定されていてもよい。

図１２の説明に戻って、重心速度制限部７６は、次に、演算部１０２_x，１０２_yの処理を実行することによって、それぞれ制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdを算出する。この場合、演算部１０２_xは、リミット処理部１００の出力値Ｖb_x_lim2から、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdを減算してなる値をＸ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして算出する。同様に、演算部１０２_yは、リミット処理部１００の出力値Ｖb_y_lim2から、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdを減算してなる値をＹ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして算出する。

以上のようにして決定される制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdは、リミット処理部１００での出力値Ｖ_x_lim2，Ｖ_y_lim2の強制的な制限が行なわれなかった場合、すなわち、重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdが第２速度許容範囲内に収まるような場合には、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdはいずれも“０”に決定される。したがって、通常は、Ｖb_x_mdfd＝Ｖb_y_mdfd＝０である。

一方、リミット処理部１００の出力値Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2が、入力値Ｖb_x_t，Ｖb_y_tに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdが第２速度許容範囲を逸脱してしまう場合には、Ｘ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖb_x_lim2の入力値Ｖb_x_prdからの修正量（＝Ｖb_x_lim2−Ｖb_x_prd）が、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして決定される。

また、Ｙ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖb_y_lim2の入力値Ｖb_y_prdからの修正量（＝Ｖb_y_lim2−Ｖb_y_prd）が、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして決定される。

この場合において、例えばＸ軸方向の速度に関し、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdは、定常偏差算出部９４_xが出力するＸ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdと逆向きの速度となる。このことは、Ｙ軸方向の速度に関しても同様である。

以上が、重心速度制限部７６の処理である。

図９の説明に戻って、制御ユニット５０は、以上の如く重心速度制限部７６、ゲイン調整部７８、および偏差演算部７０の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部８０の処理を実行する。

この姿勢制御演算部８０の処理を、以下に図１３を参照して説明する。なお、図１３において、括弧を付していない参照符号は、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdを決定する処理に係わる参照符号であり、括弧付きの参照符合は、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdを決定する処理に係わる参照符号である。

姿勢制御演算部８０には、偏差演算部７０で算出された基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sと、ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_sと、重心速度制限部７６で算出された目標重心速度Ｖb_xy_mdfdと、ゲイン調整部７８で算出されたゲイン調整パラメータＫr_xyとが入力される。

そして、姿勢制御演算部８０は、まず、これらの入力値を用いて、次式０７ｘ，０７ｙにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdを算出する。

ωwdot_x_cmd＝K1_x・θbe_x_s＋K2_x・θbdot_x_s
＋K3_x・(Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd) ……式０７ｘ
ωwdot_y_cmd＝K1_y・θbe_y_s＋K2_y・θbdot_y_s
＋K3_y・(Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd) ……式０７ｙ
従って、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動（ひいては、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdと、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動（ひいては、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdとは、それぞれ、３つの操作量成分（式０７ｘ，０７ｙの右辺の３つの項）を加え合わせることによって決定される。

この場合、式０７ｘにおける各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xは、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて可変的に設定され、式０７ｙにおける各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yは、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて可変的に設定される。以降、式０７ｘにおけるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xのそれぞれを第１ゲイン係数Ｋ1_x、第２ゲイン係数Ｋ2_x、第３ゲイン係数Ｋ3_xということがある。このことは、式０７ｙにおけるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yについても同様とする。

式０７ｘにおける第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）と、式０７ｙにおける第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）とは、図１３中にただし書きで示した如く、次式０９ｘ、０９ｙにより、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yに応じて決定される。

Ｋi_x＝（１−Ｋr_x）・Ｋi_a_x＋Ｋr_x・Ｋi_b_x ……式０９ｘ
Ｋi_y＝（１−Ｋr_y）・Ｋi_a_y＋Ｋr_y・Ｋi_b_y ……式０９ｙ
（ｉ＝１，２，３）

ここで、式０９ｘにおけるＫi_a_x、Ｋi_b_xは、それぞれ、第ｉゲイン係数Ｋi_xの最小側（“０”に近い側）のゲイン係数値、最大側（“０”から離れる側）のゲイン係数値としてあらかじめ設定された定数値である。このことは、式０９ｙにおけるＫi_a_y、Ｋi_b_yについても同様である。

従って、式０７ｘの演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_xの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_x、Ｋi_b_xにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて変化させられる。このため、Ｋr_x＝０である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_a_xとなり、Ｋr_x＝１である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_b_xとなる。そして、Ｋr_xが“０”から“１”に近づくに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_xはＫi_a_xからＫi_b_x近づいていく。

同様に、式０７ｙの演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_y、Ｋi_b_yの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_y、Ｋi_b_yにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて変化させられる。このため、Ｋi_xの場合と同様に、Ｋr_yの値が“０”から“１”の間で変化するに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_yの値が、Ｋi_a_yとＫi_b_yとの間で変化する。

なお、前記したように、Ｋr_x，Ｋr_yは、通常は（詳しくはゲイン調整部７８のリミット処理部８６での出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合）、“０”である。従って、通常は、第ｉゲイン係数Ｋi_x，Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）は、通常は、それぞれ、Ｋi_x＝Ｋi_a_x，Ｋi_y＝Ｋi_a_yとなる。

補足すると、上記定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_xおよびＫi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）は、ＳＴＥＰ６または８において値が設定される定数パラメータに含まれるものである。

姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１〜第３ゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xを用いて前記式０７ｘの演算を行なうことで、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

さらに詳細には、図１３を参照して、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sに第１ゲイン係数Ｋ1_xを乗じてなる操作量成分ｕ1_xと、基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに第２ゲイン係数Ｋ2_xを乗じてなる操作量成分ｕ2_xとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差（＝Ｖb_x_s−Ｖb_x_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_xを乗じてなる操作量成ｕ3_xを処理部８０ｃで算出する。そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_x，ｕ2_x，ｕ3_xを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

同様に、姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１〜第３ゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yを用いて前記式０７ｙの演算を行なうことで、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdを算出する。

この場合には、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_sに第１ゲイン係数Ｋ1_yを乗じてなる操作量成分ｕ1_yと、基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに第２ゲイン係数Ｋ2_yを乗じてなる操作量成分ｕ2_yとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_y_sと制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとの偏差（＝Ｖb_y_s−Ｖb_y_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_yを乗じてなる操作量成ｕ3_yを処理部８０ｃで算出する。そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_y，ｕ2_y，ｕ3_yを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

ここで、式０７ｘの右辺の第１項（＝第１操作量成分ｕ1_x）および第２項（＝第２操作量成分ｕ2_x）は、Ｘ軸まわり方向での基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sを、フィードバック制御則としてのＰＤ則（比例・微分則）により“０”に収束させる（基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。

また、式０７ｘの右辺の第３項（＝第３操作量成分ｕ3_x）は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差をフィードバック制御則としての比例則により“０”に収束させる（Ｖb_x_sをＶb_x_mdfdに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。

これらのことは、式０７ｙの右辺の第１〜第３項（第１〜第３操作量成分ｕ1_y，ｕ2_y，ｕ3_y）についても同様である。

なお、前記したように通常は（より詳しくは、前記重心速度制限部７６のリミット処理部１００での出力値Ｖ_x_lim2，Ｖ_y_lim2の強制的な制限が行なわれなかった場合）、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdは“０”である。そして、Ｖb_x_mdfd＝Ｖb_y_mdfd＝０となる通常の場合は、第３操作量成分ｕ3_x，ｕ3_yは、それぞれ、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに第３ゲイン係数Ｋ3_x，Ｋ3_yを乗じた値に一致する。

姿勢制御演算部８０は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを算出した後、次に、これらのωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分器８０ｆにより積分することによって、前記仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを決定する。

以上が姿勢制御演算部８０の処理の詳細である。

補足すると、式０７ｘの右辺の第３項を、Ｖb_x_sに応じた操作量成分（＝K3_x・Ｖb_x_s）と、Ｖb_x_mdfdに応じた操作量成分（＝−K3_x・Ｖb_x_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出するようにしてよい。同様に、式０７ｙの右辺の第３項を、Ｖb_y_sに応じた操作量成分（＝K3_y・Ｖb_y_s）と、Ｖb_y_mdfdに応じた操作量成分（＝−K3_y・Ｖb_y_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdを算出するようにしてよい。

また、本実施形態では、車両系重心点の挙動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_x，６２_yの回転角加速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを用いるようにしたが、例えば、仮想車輪６２_x，６２_yの駆動トルク、あるいは、この駆動トルクを各仮想車輪６２_x，６２_yの半径Ｒw_x，Ｒw_yで除算してなる並進力（すなわち仮想車輪６２_x，６２_yと床面との間の摩擦力）を操作量として用いるようにしてもよい。

図９の説明に戻って、制御ユニット５０は、次に、姿勢制御演算部８０で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdをモータ指令演算部８２に入力し、該モータ指令演算部８２の処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmdと電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmdとを決定する。

具体的には、モータ指令演算部８２は、前記式０１ａ，０１ｂのωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_cmd，ωw_y_cmd，ω_R_cmd，ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd，ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdを決定する。

以上によりＳＴＥＰ９の車両制御演算処理が完了する。

以上説明した如く制御ユニット５０が制御演算処理を実行することによって、前記搭乗モードおよび自立モードのいずれの動作モードにおいても、基本的には、シート３および基体９の姿勢が、前記基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s，θbe_y_sの両方が“０”となる姿勢（以下、この姿勢を基本姿勢という）に保たれている状態では、車両系重心点が静止するように操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdが決定される。そして、シート３および基体９の姿勢を前記基本姿勢に対して傾けると、換言すれば、車両系重心点（車両・乗員全体重心点または車両単体重心点）の水平方向位置を、車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態から変位させると、シート３および基体９の姿勢を基本姿勢に復元させるように（θbe_x_s，θbe_y_sを“０”に近づけるか、もしくは“０”に保持するように）、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_xy_cmdが決定される。

そして、ωwdot_xy_cmdの各成分を積分してなる仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを変換してなる電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdとして決定される。さらに、その速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdに従って、各電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転速度が制御される。ひいては車輪体５のＸ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれの移動速度が、ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度と、ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度とに各々一致するように制御される。

このため、例えば、Ｙ軸まわり方向で、実際の基体傾斜角度θb_xが目標値θb_x_objから前傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_x_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が前方に向かって移動する。同様に、実際のθb_xが目標値θb_x_objから後傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_x_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が後方に向かって移動する。

また、例えば、Ｘ軸まわり方向で、実際の基体傾斜角度θb_yが目標値θb_y_objから右傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_y_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が右向きに移動する。同様に、実際のθb_yが目標値θb_y_objから左傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_y_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が左向きに移動する。

さらに、実際の基体傾斜角度θb_x，θb_yの両方が、それぞれ目標値θb_x_obj，θb_y_objからずれると、θb_xのずれを解消するための車輪体５の前後方向の移動動作と、θb_yのずれを解消するための車輪体５の左右方向の移動動作とが合成され、車輪体５がＸ軸方向およびＹ軸方向の合成方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向に対して傾斜した方向）に移動することとなる。

このようにして、シート３および基体９の姿勢が前記基本姿勢から傾くと、その傾いた側に向かって、車輪体５が移動することとなる。従って、例えば前記搭乗モードにおいて、乗員が意図的にその上体をシート３および基体９と共に傾けると、その傾けた側に、車輪体５が移動することとなる。なお、本実施形態では、後述する理由によって、シート３および基体９を基本姿勢から傾けた場合における車両系重心点の水平面内の移動方向（Ｚ軸に直交する方向での移動方向）と、車輪体５の移動方向とは必ずしも一致しない。

そして、車輪体５の移動時（車両１全体の移動時）において、シート３および基体９の姿勢を、基本姿勢から傾けた一定の姿勢（基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sが一定となる姿勢）に保持すると、車両系重心点の移動速度（ひいては車輪体５の移動速度）は、制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdと一定の偏差を有し、且つ、その偏差が基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sに依存するものとなる移動速度に収束する。

この場合、本実施系形態では、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度が高速になり過ぎないような移動速度で車輪体５の移動動作が行なわれる通常の場合（より正確には、重心速度制限部７６のリミット処理部１００の出力値Ｖb_x_lim2，Ｖb_y_lim2の強制的な制限がなされない場合）では、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_x_mdfdは、いずれも“０”に保たれる。そして、このようにＶb_x_mdfd，Ｖb_x_mdfdが一定に保たれる状況において、シート３および基体９の姿勢を、基本姿勢から傾けた一定の姿勢に保持すると、車両系重心点の移動速度（ひいては車輪体５の移動速度）は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sに依存する大きさおよび向きを有する移動速度に収束する。

このような作動に関してさらに詳説すると、基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s，θbe_y_sの両方がそれぞれ一定に保持される定常状態では、前記第２操作量成分ｕ2_x，ｕ2_yは“０”となる。このため、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdは、前記第１操作量成分ｕ1_xと第３操作量成分ｕ3_xとを加え合わせたものとなり、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdは、前記第１操作量成分ｕ1_yと第３操作量成分ｕ3_yとを加え合わせたものとなる。

そして、上記定常状態では、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_x_cmdは、車輪体５の移動速度を一定に保ち得る値に収束する。ひいては、重心速度Ｖb_x，Ｖb_yが一定値に収束することとなる。

この場合、前記式０７ｘにおける右辺の第２項（＝ｕ2_x）が“０”、右辺の第１項（＝ｕ1_x＝Ｋ1_x＊θbe_x_s）が一定値、左辺のωwdot_x_cmdが一定値となるので、Ｘ軸方向の重心速度Ｖb_xの収束値（重心速度推定値Ｖb_x_sの収束値。以降、定常時収束速度Ｖb_x_stbという）は、Ｙ軸まわり方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sに依存するものとなる。より詳しくは、Ｖb_x_stbは、Ｖb_x_stb＝（−Ｋ1_x＊Δθbe_x_s＋ωwdot_x_cmd）／Ｋ3_x＋Ｖb_x_mdfdとなるので、θbe_x_sに対して単調に変化する関数値となる。

同様に、前記式０７ｙにおける右辺の第２項（＝ｕ2_y）が“０”、右辺の第１項（＝ｕ1_y＝Ｋ1_y＊θbe_y_s）が一定値、左辺のωwdot_y_cmdが一定値となるので、Ｙ軸方向の重心速度Ｖb_yの収束値（重心速度推定値Ｖb_y_sの収束値。以降、定常時収束速度Ｖb_y_stbという）は、Ｘ軸まわり方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_sに依存するものとなる。より詳しくは、Ｖb_x_stbは、Ｖb_y_stb＝（−Ｋ1_y＊Δθbe_y_s＋ωwdot_y_cmd）／Ｋ3_y＋Ｖb_y_mdfdとなるので、θbe_y_sに対して単調に変化する関数値となる。

このようにＶb_x_mdfd，Ｖb_x_mdfdが一定に保たれる状況において、シート３および基体９の姿勢を、基本姿勢から傾けた一定の姿勢に保持すると、車両系重心点の移動速度（ひいては車輪体５の移動速度）は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sに依存する大きさおよび向きを有する移動速度に収束することとなる。

また、例えば、基体９およびシート３の前記基本姿勢からの傾き量（基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s，θbe_y_s）が比較的大きくなり、その傾き量が一定に保持された場合の車輪体５のＸ軸方向およびＹ軸方向の一方または両方の移動速度（これらの移動速度は、それぞれ、図１２に示した前記重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdに相当する）が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方または両方の回転角速度を前記リミット処理部１００での第２速度許容範囲から逸脱させてしまうような、過大な移動速度になるような状況では、該車輪体５の移動速度に対して逆向きとなる速度（詳しくは、Ｖb_x_lim2−Ｖb_x_prdおよびＶb_y_lim2−Ｖb_y_prd）が制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdとして決定される。そして、制御入力を構成する操作量成分のうちの第３操作量成分ｕ3_x，ｕ3_yが、この制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdに重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをそれぞれ収束させるように決定される。このため、車輪体５の増速が抑制され、ひいては電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方または両方の回転角速度が高速になり過ぎるのが防止される。

さらに、前記ゲイン調整部７８では、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sの一方または両方が大きくなり、ひいては、車輪体５のＸ軸方向およびＹ軸方向の一方または両方の移動速度が、リミット処理部８６の第２速度許容範囲から逸脱してしまうような、過大な移動速度になる状況では、その逸脱が顕著になるほど（詳しくは、図１２に示すＶover_x，Ｖover_yの絶対値が大きくなるほど）、前記第１ゲイン調整パラメータＫr1_x，Ｋr1_yの一方または両方が“０”から“１”に近づけられる。

この場合、前記式０９x1により算出される各第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）は、Ｋr1_xが“１”に近づくほど、Ｋi_a_x＊Ｋi_x_2からＫi_b_x＊Ｋi_x_2に近づく。ひいては、Ｋi_xの絶対値が大きくなる。このことは、前記式０９y1により算出される各第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）についても同様である。

そして、上記ゲイン係数の絶対値が大きくなることによって、基体９およびシート３の傾きの変化（基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sの変化）や、重心速度推定値Ｖb_xy_sの変化に対する操作量（仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_cmd，ωdotw_y_cmd）の感度が高まる。したがって、基体９およびシート３の基本姿勢からの傾き量が増加しようとしたり、重心速度推定値Ｖb_xy_sの大きさが増加しようとしたりすると、それらを素早く解消するように、車輪体５の移動速度が制御されることとなる。したがって、基体９が基本姿勢から大きく傾いたり、重心速度推定値Ｖb_xy_sが大きくなったりすることが強めに抑制され、ひいては、車輪体５のＸ軸方向およびＹ軸方向の一方または両方の移動速度が、リミット処理部８６の第２速度許容範囲から逸脱してしまうような、過大な移動速度になるのを防止することができる。

（本発明の作用効果）
本発明の倒立振子型車両によれば、移動方向の相違に応じて最高移動速度が相違するという速度異方性がある形態で車両１の動作が制御される（図１１（ａ）（ｂ）参照））。この速度異方性は、並進の速さが同じであっても、並進方向の相違に応じて乗員が覚える乗心地が異なるという乗心地の異方性に適合するように設定されうる。このため、並進速度が高くなった場合に乗員が違和感を覚えやすい方向について、車両１の移動速度が過剰に高くなる等、乗員の乗心地を悪くする可能性が高い形態で車両１が移動することが防止される。この結果、車両１が乗員の乗心地に鑑みて適当な形態で移動することができる。

具体的には、条件０１が満たされるように第２速度許容範囲が画定されることにより、シート３（搭乗部）に搭乗した際の乗員の後方に一致する方向への最高速度成分が、当該乗員の前方に一致する方向への最高速度成分よりも低く抑制される。これにより、並進の速さが同じでも、乗員にとっては前方よりも後方に並進する場合のほうが、当該並進方向への視野の向け難さまたは違和感を覚えやすいことに鑑みて、この乗員の乗心地を損ねない適当な形態で車両１の動作が制御されうる。

また、条件０２が満たされるように第２速度許容範囲が画定されることにより、乗員の前方または後方への車両１の移動速度成分が高くなるほど、乗員の横方向への車両１の最高速度成分が低下するような形態で車両１が移動しうる。これにより、乗員の前後方向について車両１の速度成分が変化した場合に、車両１の速度が著しく変化する事態が防止されうる。このため、乗員の乗心地を損ねるような形態で車両１が移動することが防止されうる。また、乗員の前後方向について車両１の速度成分が比較的高い状況で、乗員の横方向への車両１の速度成分の変化分が小さく抑制されうるため、車両１の移動安定性（直進安定性）が維持されうる。

さらに、条件０３が満たされるように第２速度許容範囲が画定されることにより、乗員にとって左右のいずれか一方への最高速度成分が、他方への最高速度成分と異なっているために（車両１の左右の最高速度成分に非対称性があるために）乗心地が悪くなるような事態が防止されうる。

（本発明の他の実施形態）
次に、以上説明した実施形態に係わる変形態様に関していくつか説明しておく。

第３ゲイン係数Ｋ3_yが代表点速度絶対値（重心速度絶対値）｜Ｖb_x｜の関数として設定されてもよい。この関数は、たとえば、代表点速度絶対値が増加するにつれ、図１４に一点鎖線で示されているように第２速度許容範囲の境界値の絶対値よりも小さい段階で断続的に増加率が高くなるような特性を示す。図１４に一点鎖線で示されている関数は、より具体的には、代表点速度絶対値｜Ｖb_x｜が０から第２速度許容範囲のＸ方向の境界値の絶対値｜Ｖb_x_lim｜よりも小さい基準値まで増加するにつれ、０から係数Ｃ_1（＞０）に応じて比例増加し、代表点速度絶対値｜Ｖb_x｜が基準値から増加するにつれ、係数Ｃ_1よりも大きい係数Ｃ_2に応じて比例増加する特性を示す。

さらに、この関数は、代表点速度絶対値が増加するにつれ、図１４に二点鎖線で示されているように第２速度許容範囲の境界値の絶対値よりも小さい段階で連続的に増加率が高くなるような特性を示してもよい。

当該構成が採用された車両１によれば、第１の方向（Ｘ方向）の代表点速度絶対値｜Ｖb_x｜が大きくなると、車両１の乗員が第２の方向に重心を移動させた場合に発生する第２の方向（Ｙ方向）の代表点速度Ｖb_yが小さくなるようにアクチュエータ装置７の動作が制御される。これにより、車両１の代表点が第１の方向に移動しているときに、乗員の重心が第２の方向にずれたことによる車両１の代表点の第２の方向に対するぶれが抑制されるので、車両１の移動安定性が維持されうる。

また、第１の方向（Ｘ方向）の代表点速度絶対値｜Ｖb_x｜が大きくなると、第２の方向（Ｙ方向）の代表点速度Ｖb_yの変化に対する移動動作部５の第２の方向の速度または加速度のいずれかの変化の比率が大きくなるようにアクチュエータ装置７の動作が制御される。これにより、車両１の代表点が第１の方向に移動しているときに、車両１の代表点の第２の方向に対するぶれが抑制されるので、車両１の移動安定性が維持されうる。

特に、第１の方向の代表点速度Ｖb_xが許容範囲内にある段階から、第１の方向の代表点速度Ｖb_xの変化に対する移動動作部５の第２の方向の速度または加速度のいずれかの変化の比率が少しずつ大きくなるようにアクチュエータ装置７が制御される（図１４「基準点」参照）。これにより、第１の方向の代表点速度Ｖb_xが許容範囲を超えた途端に当該比率が急に大きくされることによって走行状況が不安定になる事態が回避される。その結果、車両１の代表点が第１の方向に移動しているときに、車両１の代表点の第２の方向に対するぶれが抑制されるので、車両１の移動安定性が維持されうる。

（１）基体傾斜角度計測値θb_xy_sに代えて、その将来における予測値と基体傾斜角度目標値θb_xy_objとの偏差に第１ゲイン係数Ｋ1_xyを乗じることにより得られる成分が操作量ωwdot_xy_cmdまたはωw_xy_cmdに含まれていてもよい。当該予測値は重心速度定常偏差予測値Ｖb_xy_prdと同様の手法によって算出されうる（図１２「定常偏差算出部」参照）。

（２）基体傾斜角度計測値θb_xy_sに代えて、その将来における予測値と基体傾斜角度目標値θb_xy_objとの偏差に第２ゲイン係数Ｋ2_xyを乗じることにより得られる成分が操作量ωwdot_xy_cmdまたはωw_xy_cmdに含まれていてもよい。当該予測値は重心速度定常偏差予測値Ｖb_xy_prdと同様の手法によって算出されうる（図１２「定常偏差算出部」参照）。

（３）重心速度推定値Ｖb_xy_sに代えて、その将来における予測値である重心速度定常偏差予測値Ｖb_xy_prdと目標重心速度Ｖb_xy_mdfdとの偏差に第１ゲイン係数Ｋ1_xyを乗じることにより得られる成分が操作量ωwdot_xy_cmdまたはωw_xy_cmdに含まれていてもよい。

前記実施形態では、車両系重心点（詳しくは車両・乗員全体重心点）を車両１の所定の代表点としたが、該代表点を例えば、車輪体５の中心点や、基体９の所定の部位（例えば支持フレーム１３）の点等に設定してもよい。

また、前記実施形態では、ゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ3_x，Ｋ1_y，Ｋ3_yは、常に、｜Ｋ3_x｜／｜Ｋ1_x｜＜｜Ｋ3_y｜／｜Ｋ1_y｜となるように決定される。ただし、本実施形態では、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方または両方の回転角速度がさほど高速とならない通常の場合（詳しくはゲイン調整部７８のリミット処理部８６での出力値Ｖb_x_lim1，Ｖb_y_lim1の強制的な制限が行なわれない場合）には、ゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ3_x，Ｋ1_y，Ｋ3_yは、それぞれ、定数値Ｋ1_a_x，Ｋ3_a_x，Ｋ1_a_y，Ｋ3_a_yに一致する。そして、例えば、このような通常の場合にだけ、｜Ｋ3_x｜／｜Ｋ1_x｜＜｜Ｋ3_y｜／｜Ｋ1_y｜となるように、ひいては、｜Ｖb_x_stb｜／｜θbe_x_s｜＞｜Ｖb_y_stb｜／｜θbe_y_s｜となるようにしてもよい。この場合には、｜Ｋ3_a_x｜／｜Ｋ1_a_x｜＜｜Ｋ3_a_y｜／｜Ｋ1_a_y｜となるように、定数値Ｋ1_a_x，Ｋ1_a_y，Ｋ3_a_x，Ｋ3_a_yを設定しておけばよい。

また、車両１の動作状況や動作環境、あるいは、乗員によるスイッチ操作等に応じて、適宜、上記と逆に、｜Ｋ3_x｜／｜Ｋ1_x｜＞｜Ｋ3_y｜／｜Ｋ1_y｜となるようにゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ3_x，Ｋ1_y，Ｋ3_yを決定してもよい。このようにした場合には、車両１のＹ軸方向に移動させようとした場合に、車輪体５の移動方向がＹ軸方向に対してばらつくのを抑制することができる。

また、前記実施形態では、前記ゲイン調整パラメータＫr_xyによって、ゲイン係数Ｋi_xy（ｉ＝１，２，３）を適宜変化させるようにしたが、搭乗モードおよび自立モードの両方または一方において、ゲイン係数Ｋi_xy（ｉ＝１，２，３）を一定に保持するようにしてもよい。このようにゲイン係数Ｋi_xy（ｉ＝１，２，３）を一定に保持する場合には、前記ゲイン調整部７８の処理は不要である。

また、前記各実施形態では、図１および図２に示した構造の車両１を例示したが、本発明における倒立振子型車両１は、本実施形態で例示した車両に限られるものではない。

具体的には、本実施形態の車両１の移動動作部としての車輪体５は一体構造のものであるが、例えば、前記先行技術文献３の図１０に記載されているような構造のものであってもよい。すなわち、剛性を有する円環状の軸体に、複数のローラをその軸心が該軸体の接線方向に向くようにして回転自在に外挿し、これらの複数のローラを軸体に沿って円周方向に配列させることによって、車輪体を構成してもよい。

さらに移動動作部は、例えば、先行技術文献２の図３に記載されているようなクローラ状の構造のものであってもよい。

あるいは、例えば、前記先行技術文献２の図５、先行技術文献３の図７、もしくは先行技術文献１の図１に記載されているように、移動動作部を球体により構成し、この球体を、アクチュエータ装置（例えば前記車輪体５を有するアクチュエータ装置）によりＸ軸まわり方向およびＹ軸まわり方向に回転駆動するように車両を構成してもよい。

また、本実施形態では、乗員の搭乗部としてシート３を備えた車両１を例示したが、本発明における倒立振子型車両は、例えば先行技術文献３の図８に見られるように、乗員が両足を載せるステップと、そのステップ上で起立した乗員が把持する部分とを基体に組付けた構造の車両であってもよい。

このように本発明は、前記先行技術文献１〜３等に見られる如き、各種の構造の倒立振子型車両に適用することが可能である。

さらには、本発明における倒立振子型車両は、床面上を全方向に移動可能な移動動作部を複数（例えば、左右方向に２つ、あるいは、前後方向に２つ、あるいは、３つ以上）備えていてもよい。

また、本発明における倒立振子型車両は、基体が乗員の搭乗部と共に傾動することは必須ではない。例えば、複数の移動動作部を有する場合に、これらの移動動作部を組付ける基体が床面に対して傾動しないようにすると共に、この基体に対して搭乗部を傾動自在に組付けるようにしてもよい。

１…倒立振子型全方向移動車両、３…シート（搭乗部）、５…車輪体（移動動作部）、７…アクチュエータ装置、９…基体。

Claims (12)

1. 床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、
   前記制御装置は、
   前記車両の所定の代表点の移動速度を許容範囲に基づいて制限する代表点速度制限部を有し、前記第１の方向についての代表点の移動速度に応じて前記第２の方向についての代表点の移動速度の許容範囲が変化するよう構成されることを特徴とする倒立振子型車両。
2. 請求項１記載の倒立振子型車両において、
   前記第１の方向は車両の前後方向であり、前記第２の方向は車両の左右方向であることを特徴とする倒立振子型車両。
3. 請求項１記載の倒立振子型車両において、
   前記乗員の前方および後方のそれぞれへの移動速度成分が、第１乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現されるとともに、当該乗員の左方向および右方向のそれぞれへの移動速度成分が、第２乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される乗員速度座標系において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸の正座標の最大絶対値が、前記第１乗員速度座標軸の負座標の最大絶対値よりも大きくなるように画定されていることを特徴とする倒立振子型車両。
4. 請求項３記載の倒立振子型車両において、
   前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸の少なくとも一部の座標値範囲において、前記第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が連続的または断続的に縮小するように画定されていることを特徴とする倒立振子型車両。
5. 請求項３記載の倒立振子型車両において、
   前記速度許容範囲が、前記速度座標系において下底が前記第２乗員速度座標軸に重なり、上底の位置が前記第１乗員速度座標軸の正座標により表現される正側の台形と、前記正側の台形と下底を共通にし、上底の位置が前記第１乗員速度座標軸の負座標により表現される負側の台形とを有する形状に画定されていることを特徴とする倒立振子型車両。
6. 請求項２記載の倒立振子型車両において、
   前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸における所定の値よりも大きい領域において、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が一定の値となる、もしくは前記第１乗員速度座標軸の座標絶対値が大きくなるほど、連続的または断続的に縮小するように画定されるとともに、前記第１乗員速度座標軸における前記所定の値よりも小さくかつ“０”より大きい領域においては、前記第２乗員速度座標軸に平行な方向の幅が前記第１乗員速度座標軸における前記所定の値での幅よりも大きくなるよう画定されることを特徴とする倒立振子型車両。
7. 請求項１記載の倒立振子型車両において、
   前記乗員の前方および後方のそれぞれへの前記車両の速度成分が、第１乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現されるとともに、当該乗員の左方向および右方向のそれぞれへの前記車両の速度成分が、第２乗員速度座標軸の正座標値および負座標値のそれぞれにより表現される乗員速度座標系において、前記速度許容範囲が、前記第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有するように画定されていることを特徴とする倒立振子型車両。
8. 請求項３記載の倒立振子型車両において、
   前記許容速度範囲が、前記第１乗員速度座標軸を基準として対称性を有するように画定されていることを特徴とする倒立振子型車両。
9. 請求項１記載の倒立振子型車両において、 前記制御装置は、さらに前記基体の傾斜を検出する手段を備え、
   前記代表点は、接地点より上方の所定の点であり、
   前記代表点の移動速度が、前記移動動作部の速度と前記検出された基体の傾斜から決定される速度であることを特徴とする倒立振子型車両。
10. 請求項１記載の倒立振子型車両において、
    前記代表点速度制限部は、前記代表点の移動速度の許容範囲を有するとともに、前記代表点の移動速度が前記許容範囲を超過する場合には、超過量を“0”に近づけるように前記アクチュエータ装置の制御を行うことを特徴とする倒立振子型車両。
11. 床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記基体に組付けられた乗員の搭乗部と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、
    前記制御装置は、
    前記第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、前記乗員が第２の方向に重心を移動させた場合に発生する第２の方向の代表点の移動速度が小さくなるように前記アクチュエータ装置を制御することを特徴とする倒立振子型車両。
12. 床面上を相互に直交する第１の方向および第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、前記移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、前記移動動作部および前記アクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記アクチュエータ装置を制御する制御装置とを備えている倒立振子型車両であって、
    前記制御装置は、
    前記第１の方向の代表点の移動速度の絶対値が大きくなると、前記代表点の第２の方向の移動速度の変化に対する前記移動動作部の第２の方向の速度または加速度のいずれかの変化の比率が大きくなるように前記アクチュエータ装置を制御することを特徴とする倒立振子型車両。

Images