JP5659710B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両、例えば、一組の車輪に対して本体部が起立した状態を維持して走行可能に構成された車両に関する。

一組の車輪に対して本体部が起立した状態を維持して走行可能に構成された車両（以下、倒立二輪型車両と呼ぶこともある）は、コンパクト構成であることに加えて、搭乗の容易さ・迅速さを利点とする。この利点を更に進展させるため、従来から、倒立二輪型車両に対する搭乗者の搭乗手順を改良し、よりユーザー志向の製品を提供することが求められている。

特許文献１には、搭乗者が車両に搭乗していない状態で車両の倒立制御を開始する車両が開示されている。より具体的には、同文献の段落００３８に記載のように、自立・空車状態のとき、目標ピッチ軸角度θｒｅｆを自立姿勢角度θｊ（同文献の図５参照）に設定して倒立制御する点が記載されている。なお、同文献の段落００４７には、姿勢ピッチ軸角度の移行の完了後、車両の動作状態を規定する関数のゲイン係数を変化させる点が開示されている。

特許文献２には、車両への搭乗者の搭乗の検出に応じて、該車両の姿勢制御を開始する車両が開示されている。より具体的には、搭乗者の両足が車両の搭乗部に載せられたことを検出し、車両の姿勢制御を開始している。

特許文献３には、不規則な表面を有する地面上で個人を輸送する車両が開示されている。特許文献４には、同軸二輪車における姿勢制御方法が開示されている。これら各特許文献は、姿勢制御技術に関する具体的方法を開示している。

なお、未公開の特願２００９−２０７１０５には、車両への搭乗者の搭乗の開始の検出に応じて、倒立制御を行いつつ、車両への搭乗者の搭乗が容易となる位置に車両本体を移動させる制御をおこなう車両が開示されている。なお、本公報及び本説明は、先行技術を構成するものではない。

特開２００７−３３１４４３号公報 特開２０１０−２３７０５号公報 特開２００４−２６７００号公報 特開２００８−７４００号公報

上述の説明から明らかなように、倒立二輪型車両に対する搭乗者の搭乗手順を従来よりも改善することが強く望まれている。

本発明にかかる車両は、一組の車輪に対する本体部の起立状態を維持しつつ走行可能に構成された車両であって、前記本体部に設けられた足載せ部に対する搭乗者の一方及び他方の足の載置を個別検出し、前記搭乗者による操作に応じた一組の前記車輪に対する前記本体部の起立過程において、当該車両の車両軸線（但し、当該車両軸線は、一組の前記車輪に対して前記本体部が起立状態であるのか否かを示すべく設定されている）が基準軸線に対して成す姿勢角度が閾値角度以下となることを検出し、前記足載せ部に前記搭乗者の一方の足が載せられ、かつ前記姿勢角度が前記閾値角度以下となったことの検出に応じて、一組の前記車輪に対して前記本体部を実効的に起立させる始動制御を開始し、前記足載せ部に前記搭乗者の他方の足が載せられたことの検出に応じて、前記始動制御時よりも大きなゲインで一組の前記車輪を制御する。

前記足載せ部に前記搭乗者の一方の足が載せられたことを検出した後、前記姿勢角度が前記閾値角度以下となったことを検出する、と良い。前記大きなゲインを１としたとき、前記始動制御時のゲインは、０．３以上０．５以下である、と良い。複数の前記閾値角度が設定されており、時分割してゲイン調整する、と良い。前記基準軸線は、鉛直方向に対して平行な軸線であり、前記閾値角度は、−１５°以上１５°以下である、と良い。

意図されたように前記搭乗者が当該車両に搭乗する一連の過程に対応づけられた目標軌跡に対して、前記搭乗者が実際に当該車両に搭乗する過程に応じて検出される当該車両の状態値の乖離の程度を評価し、当該評価結果に応じてゲイン調整する、と良い。前記状態値は、前記車両軸線が前記基準軸線に対して成す姿勢角度、前記車輪の回転速度、及び前記車輪の回転量のいずれか一つである、と良い。

本発明によれば、従来よりも改善された車両搭乗手順を提供することができる。

実施の形態１にかかる倒立二輪型車両への搭乗手順を示す模式図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略ブロック図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型車両の始動時の動作を示す概略フローチャートである。 実施の形態１にかかる倒立二輪型車両の始動時のゲイン調整過程を示す概略図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型車両の始動時のゲイン調整過程を示す概略図である。 実施の形態１にかかる倒立二輪型車両の概略斜視図である。 実施の形態２にかかる倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略的ブロック図である 実施の形態２にかかる倒立二輪型車両の始動動作を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる倒立二輪型車両の始動時のゲイン調整過程を示す概略図である。 実施の形態３にかかる倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略的ブロック図である 実施の形態３にかかる倒立二輪型車両の始動動作を示す概略図である。 実施の形態３にかかる倒立二輪型車両の始動動作を示す概略図である。 実施の形態３にかかる倒立二輪型車両の始動動作を示す概略図である。 実施の形態３にかかるゲイン調整原理を示す概略図である。 参考例にかかる倒立二輪型車両への搭乗手順を示す模式図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、倒立二輪型車両への搭乗手順を示す模式図である。図２は、倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略ブロック図である。図３は、倒立二輪型車両の始動動作を示す概略フローチャートである。図４、５は、倒立二輪型車両の始動時のゲイン調整過程を示す概略図である。図６は、倒立二輪型車両の概略斜視図である。なお、図１に示すｘｙｚ座標は、ｘ軸は、接地面４００に対して平行な軸線であり、ｙ軸は、鉛直方向に対して平行な軸線であり、ｚ軸は、ｘ軸とｙ軸に対して直交する軸線である。

倒立二輪型車両３００（以下、単に車両３００と呼ぶ場合がある）への搭乗者２００の搭乗手順を図１に示す。なお、車両３００は、ハンドル部３０１、支柱部３０２、ベース収容部３０３、一組のステップ（足載せ部）３０４、及び一組の車輪３０５を有する。車両３００は、一組の車輪３０５を個別に回転制御することで、倒立状態を維持しつつ走行可能に構成されている。車両３００の本体部は、ハンドル部３０１、支柱部３０２、ベース収容部３０３、及び一組のステップ３０４から構成される。

まず、図１（ａ）に示すように、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を把持し、車両３００への搭乗を開始する。車両３００の車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１に対して成す角度をθ９１とする（以下、車両３００の車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１に対して成す角度を単に姿勢角度と呼ぶこともある）。なお、鉛直軸線（基準軸線）Ｘ１は、鉛直方向に対して平行な軸線である。車両軸線Ｘ２は、一組の車輪３０５に対して上記した本体部が起立状態であるのか否かを示すべく設定されている。より具体的には、車両軸線Ｘ２は、車両３００が備える車輪３０５の回転軸に対して直交し、かつ支柱部３０２に沿って延在する軸線である。車両軸線Ｘ２は、ステップ３０４のステップ面に対して直交する。

次に、図１（ｂ）に示すように、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を把持しつつ、ステップ３０４に片足を載せる。これと同時又は並行して、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を前方へ押し、車輪部３０５に対して支柱部３０２を起立させる。なお、搭乗者２００が車両３００へ乗り込む過程にて、ハンドル部３０１は自然に前方へ押される。従って、搭乗者２００が意識的にハンドル部３０１を前方に押すことは必要要件ではない。この過程で、姿勢角度θ９１は、図１（ａ）の時よりも小さな角度になる。

車両３００は、ステップ３０４上への搭乗者２００の足の載置を検出する。車両３００は、図１（ａ）から図１（ｂ）に示すように姿勢角度が小さくなる過程で、姿勢角度が閾値角度以下となることを検出する。これら各検出に応じて、車両３００は、実効的に倒立制御を開始する。つまり、車両３００は、ステップ３０４上への搭乗者２００の載置及び姿勢角度が閾値角度以下となることの２つの条件が満たされたことの検知に応じて倒立制御を実効的に開始する。

後述のように、始動ゲイン（始動時の入力に対する出力比）は、通常ゲイン（通常動作時の入力に対する出力比）よりも小さい。これによって、車両３００への搭乗者２００の搭乗時、車両３００が搭乗者２００に対して接触する確率を効果的に低減することができる。また、仮に、車両３００が搭乗者２００に接触したとしても、その接触によって搭乗者２００が受ける力を効果的に低減することができる。また、仮に、車両３００が揺れる動作をしたとしても、その揺れ周期を長くすることができ、車両３００への搭乗者２００の搭乗の容易さが劣化することを効果的に回避することができる。仮に車両３００が揺れる動作をしていたとしても、その揺れ周期が長いため、搭乗者２００は、簡易に車両３００に搭乗することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、搭乗者２００は、他方の足を他方のステップ３０４へ載せる。このようにして、車両３００への搭乗者２００の搭乗が完了する。車両３００は、既に倒立制御を開始しているため、搭乗者２００は、安心感を持って、接地面４００から他方の足を持ち上げて他方のステップ３０４へ載せることができる。

車両３００は、他方のステップ３０４上への搭乗者２００の他方の足の載置を検出し、これに応じて、始動時に低下させていたゲインを通常ゲインに戻す。これによって、車両３００は、始動時モードから通常動作モードへの移行が完了する。

本実施形態では、上述のように、搭乗者２００は、その片足をステップ３０４に載せ、ハンドル部３０１を前方へ押しつつ、車両３００へ乗り込む段階にて、車両３００は、小さなゲインにて倒立制御を開始する。このように車両３００を構成することで、搭乗者２００が他方の足をステップ３０４へ載せる前、車両３００は、通常ゲインよりも小さいゲインにて倒立制御することになり、車両３００への搭乗者２００の搭乗時、車両３００が搭乗者２００に対して接触することを効果的に抑制することができる。また、搭乗者２００は、車両３００が倒立制御状態にあるため、安心感を持って、他方の足を接地面からステップ３０４へ移すことができる。また、車両３００は、搭乗者２００の他方の足がステップ３０４へ載せられると、ゲインを上昇させて通常ゲインで倒立制御するように構成されている。従って、車両３００の応答性が損なわれることはない。このような手順の採用によって、車両３００への搭乗者２００の搭乗を効果的に簡素化し、これに併せて時間短縮、安全性の向上等も図ることができる。

なお、車両３００が倒立制御を実効的に始動するという意味は、例えば、車両３００が、その場付近で倒立状態を維持することに必要十分な条件で倒立制御することを意味する。車両３００が始動時、一組の車輪３０５を前方又は後方へ回転させることで支柱部３０２を起立させる。ゲインが極端に小さな場合、車両３００は、そのような倒立状態にはなり得ない。従って、始動時ゲインは、ある程度の大きさに設定することが望ましい。逆に言えば、始動時ゲインが極端に小さい場合、車両３００は、その場付近で倒立状態を維持することはできない。従って、このような場合は、車両３００が倒立制御を実効的に始動しているという意味範囲には属さない。図１では、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を前方へ押しつつ搭乗しているが、これに限られるべきではない。搭乗者２００は、ハンドル部３０１を手前に引きつつ搭乗しても良い。これらの違いは、搭乗時の車両３００が前方に傾いているか、又は後方へ傾いているかの違いであり、従って、本質的な問題ではない。

以下、図２乃至図６を参照してより詳細に説明する。なお、車両３００の具体的な構成は任意である。本実施形態では、車両３００は、コンピュータを活用して、一組の車輪３０５に対して割り当てられた一組の駆動系を個別制御して倒立制御及び走行制御する。このような動作を具現化する具体的手段は、他にも様々な態様が考えられる。従って、本願発明の技術的範囲が、以下の開示により狭く解釈されることは許されない。なお、本願に含まれる図面は、技術常識を踏まえて、適宜、簡略化されている。

図２に示すように、車両３００は、指令生成部１０１、加算部１０２、倒立制御演算部１０３、駆動／センサ系１１０、車両状態演算部１４０、情報入出力部１５０、判定部１６０、および閾値格納部１７０を有する。加算部１０２は、加算部１０２ａ〜１０２ｃを備える。駆動／センサ系１１０は、駆動系１２０、およびセンサ系１３０を有する。駆動系１２０は、アンプ部１２１、モータ部１２２、アンプ部１２３、およびモータ部１２４を有する。なお、アンプ部１２１、モータ部１２２は、右車輪駆動系を構成する。アンプ部１２３、モータ部１２４は、左車輪駆動系を構成する。センサ系１３０は、電源スイッチ部１３１、ステップセンサ部１３２、回転量検出部１３３、及び角速度検出部１３４を有する。

上述の各機能部の接続関係について説明する。指令生成部１０１の第１出力は、加算部１０２ａの第１入力に接続される。指令生成部１０１の第２出力は、加算部１０２ｂの第１入力に接続される。指令生成部１０１の第３出力は、加算部１０２ｃの第１入力に接続される。加算部１０２ａの出力は、倒立制御演算部１０３の第１入力に接続される。加算部１０２ｂの出力は、倒立制御演算部１０３の第２入力に接続される。加算部１０２ｃの出力は、倒立制御演算部１０３の第３入力に接続される。倒立制御演算部１０３の第１出力は、アンプ部１２１に接続される。倒立制御演算部１０３の第２出力は、アンプ部１２３に接続される。アンプ部１２１の出力は、モータ部１２２に接続される。アンプ部１２３の出力は、モータ部１２４に接続される。電源スイッチ部１３１の出力は、情報入出力部１５０に接続される。ステップセンサ部１３２の出力は、情報入出力部１５０に接続される。回転量検出部１３３の出力は、車両状態演算部１４０に接続される。角速度検出部１３４の出力は、車両状態演算部１４０に接続される。車両状態演算部１４０の第１出力は、加算部１０２ａの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第２出力は、加算部１０２ｂの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第３出力は、加算部１０２ｃの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第２出力は、判定部１６０にも接続される。情報入出力部１５０の出力は、判定部１６０に接続される。閾値格納部１７０の出力は、判定部１６０に接続される。判定部１６０の出力は、倒立制御演算部１０３に接続される。

なお、図１では、図示の便宜上、電源スイッチ部１３１とステップセンサ部１３２の出力を結線させているが、実際は、各出力が個別に情報入出力部１５０へ供給されるものとする。回転量検出部１３３の出力と角速度検出部１３４の出力間の結線についても同様である。

指令生成部１０１は、車両３００に具備された入力装置を介して入力される搭乗者２００の入力指示を処理し、右左車輪の車輪回転速度の目標値（Ｖ１）、姿勢角度の目標値（Ｖ２）、および姿勢角速度の目標値（Ｖ３）を生成する。

加算部１０２は、指令生成部１０１から供給された各目標値を車両状態演算部１４０から供給される補正値を加算し、実質的に、目標値から補正値を減算する処理をする（例えば、目標値が正の値であれば、補正値が負の値であるため）。加算部１０２ａは、目標値Ｖ１から補正値Ｖ４を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。加算部１０２ｂは、目標値Ｖ２から補正値Ｖ５を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。加算部１０２ｃは、目標値Ｖ３から補正値Ｖ６を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。なお、各補正値については後述する。

倒立制御演算部１０３は、加算部１０２から供給される各出力値に基づいて、トルク値Ｖ２０、トルク値Ｖ２１を生成する。

ここで、加算部１０２と倒立制御演算部１０３とが協調してトルク値を演算する工程について説明する。以下、加算部１０２と倒立制御演算部１０３とを演算ユニットと呼ぶ。演算ユニットは、適宜、次の数１〜数３にてトルクを算出し、算出したトルクを合算する。

以下に示す数１は、倒立状態を維持するためのピッチ軸制御を規定する。数２は、接地面上の車両の位置を制御するためのＸ軸制御を規定する。数３は、接地面上における車両の旋回を制御するためのヨー軸制御を規定する。数４は、数１〜３にて個別に算出したトルクを合算して出力トルクを算出する際に用いられる。なお、始動時には数１に基づく制御で必要十分のため、演算ユニットは、始動時、数２、数３に基づく制御は実行しない。

数１〜４に含まれる記号、Kpp、Kdp、Kip、Kpx、Kdx、Kix、Kpy、Kdy、Kiyは、ゲイン係数である。θrefは、目標ピッチ軸角度である（その微分値は、目標角速度である）。θは、車両状態演算部１４０から供給される現在のピッチ軸角度である（その微分値は、現在のピッチ軸角速度である）。Ｘrefは、進行方向における目標位置である（その微分値は、目標車両速度である）。Ｘは、車両状態演算部１４０から供給される現在の位置である（その微分値は、現在の車両速度である）。γrefは、目標ヨー軸角度である（その微分値は、目標ヨー軸角速度である）。γは、車両状態演算部１４０から供給される現在のヨー軸角度である（その微分値は、現在のヨー軸角速度である）。

（数４）
τ＝τｐ＋τｘ＋τｙ

上記した数式及び図２のブロック図から明らかなように、各式１〜４に含まれる（）内の減算処理は、加算部１０２で実行されている。

アンプ部１２１は、倒立制御演算部１０３から供給されるトルク値Ｖ２０を増幅し、モータ部１２２へ出力する。アンプ部１２３は、倒立制御演算部１０３から供給されるトルク値Ｖ２１を増幅し、モータ部１２４へ出力する。モータ部１２２は、アンプ部１２１から供給された駆動電圧波形に応じて、その回転軸を回転させる。モータ部１２４は、アンプ部１２３から供給された駆動電圧波形に応じて、その回転軸を回転させる。モータ部１２２の駆動に応じて、右車輪が回転し、モータ部１２４の駆動に応じて、左車輪が回転する。

センサ系１３０は、車両３００の現動作状態を検出し、この検出結果を車両３００の駆動にフィードバックさせるために設けられている。

電源スイッチ部１３１は、車両３００をオン／オフ切り替えするためのスイッチである。電源スイッチ部１３１をオンとすることで、車両３００がオン状態（車両３００に電力が供給された状態）となる。電源スイッチ部１３１をオフとすることで、車両３００がオフ状態（車両３００に電力が供給されていない状態）となる。

ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の足がステップ３０４に載せられたことを検出する。例えば、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の片方の足がステップ３０４に載せられた時、検出値"００"を情報入出力部１５０に出力する。ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の両方の足がステップ３０４に載せられた時、検出値"０１"を情報入出力部１５０に出力する。なお、ステップセンサ部１３２は、光学的、磁気的、電気的等の様々な手法にて構成することが可能であり、その具体的な構成は任意である。重量センサで構成することが最も簡便であるが、ヒトの体重に個体差がある点を考慮すれば、光学的手法によりステップセンサ部１３２を構成することが好ましい。

回転量検出部１３３は、一組の車輪３０５に個別に設けられており、各車輪３０５の回転量を検出する。例えば、ロータリーエンコーダを採用すれば良い。ロータリーエンコーダの種類は任意である。例えば、車輪の回転軸の回転量に応じた数のパルスを出力するタイプのロータリーエンコーダを採用しても良い。車輪の回転軸の絶対的な回転位置をコード出力するアブソリュートタイプのロータリーエンコーダを採用しても良い。

角速度検出部１３４は、車両３００の本体部分（例えば、ハンドル部３０１、支柱部３０２等）に設けられ、センサ自身の空間変位を検出する。角速度検出部１３４は、ｘ軸方向における角速度を検出するユニット、ｙ軸方向における角速度を検出するユニット、およびｚ軸方向における角速度を検出するユニットを有する。角速度検出部１３４は、各軸方向における角速度を検出し、これを車両状態演算部１４０へ出力する。

角速度検出部１３４は、機械式、ガス式、光学式等のタイプがある。角速度検出部１３４は、例えば、ＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)を活用したジャイロセンサから構成される。ジャイロセンサは、半導体プロセス技術を活用して、半導体、ガラス等の基板上に３次元構造を高精細に形成して製造される。ジャイロセンサは、基板上に配置された振動体の空間的な変位を電気的に検出することによって、コリオリの力を電気的に検出する。例えば、ジャイロセンサは、振動体を振動状態とし、振動体と検出電極間の容量値の変化を検出することによって、コリオリの力を電気的に検出する。なお、ジャイロセンサの具体的な構造、コリオリの力の検出方法は任意である。

車両状態演算部１４０は、様々な入力に応じて車両の状態を示す値を演算する。例えば、車両状態演算部１４０は、角速度検出部１３４から入力される角速度を積分して現在の姿勢角度を算出する。車両状態演算部１４０は、回転量検出部１３３から入力する回転量の単位時間当たりの変化量を算出し、現在の車輪の回転速度を算出する。なお、時間計測方法は任意であり、例えば、車輪の回転と同時にカウント動作を開始するタイマー等を活用すれば良い。車両状態演算部１４０は、算出した移動速度を積分し、移動距離（現状の位置）も算出する。

車両状態演算部１４０は、現在の車輪の回転速度を補正値Ｖ４として加算部１０２ａに出力する。車両状態演算部１４０は、現在の車両の姿勢角度を補正値Ｖ５として加算部１０２ｂに出力する。車両状態演算部１４０は、現在の車両の角速度（ピッチ方向の角速度）を補正値Ｖ６として加算部１０２ｃに出力する。なお、車両状態演算部１４０は、現在の車両の姿勢角度θ９１を判定部１６０へ出力する。

情報入出力部１５０は、Ｉ／Ｏ（Input/Output）を制御する機能部であり、上述のように各種センサの出力が入力される。ステップセンサ部１３２の出力値は、情報入出力部１５０を介して、判定部１６０へ伝送される。

判定部１６０は、ステップ３０４への搭乗者２００の足の搭乗状態を判定し、かつ、姿勢角度が閾値角度以下となったか否かを判定する。判定部１６０は、ステップセンサ部１３２の出力に基づいて、搭乗者２００の片足がステップ３０４に載せられたことを検出すると、サーボ動作をオンするように倒立制御演算部１０３へ指示する。判定部１６０は、姿勢角度θ９１が閾値格納部１７０から供給される閾値角度θ９２以下となったか否かを判定する。判定部１６０は、姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となったとき、倒立制御演算部１０３に対して倒立制御を小さなゲイン（始動ゲイン）にて実行するように指示する。具体的には、判定部１６０は、倒立制御演算部１０３に対して、ゲイン係数が小さい条件で倒立制御開始するように指示する。好適には、−１５°≦閾値角度θ９１≦１５°である。より好適には、−６°≦閾値角度θ９１≦６°である。

判定部１６０は、ステップセンサ部１３２の出力に基づいて、搭乗者２００の両足がステップ３０４に載せられたことを検出すると、倒立制御演算部１０３に対して倒立制御を通常ゲインにて実行するように指示する。このように搭乗者２００の搭乗状態の検出に加えて、現在の姿勢角度が閾値姿勢角度以下となったことを検出することに応じて倒立制御を開始することによって、図１（ａ）〜（ｃ）に示した搭乗手順が好適に実施可能となる。また、搭乗者の両足がステップ３０４に載せられたことの検出に応じてゲインアップすることによって、車両３００の動作性能（応答性等）を十分に確保することができる。

なお、上述のように、車両３００は、コンピュータを活用して構成される。数式に用いられるパラメータ、判定に用いられる閾値等のデータは、メモリ等の記憶装置に記憶させておけばよい。ワイヤードロジック等によって各機能部を構成することもできるが、記憶装置に格納させたプログラムをＣＰＵ(Central Processing Unit)にて実行することによって機能部を具現化することが好適である。例えば、指令生成部１０１、倒立制御演算部１０３、判定部１６０、車両状態演算部１４０の各機能は、ＣＰＵによるプログラム処理によって実行される。

図３を参照して車両３００の始動動作について説明する。

搭乗者２００により電源スイッチ部１３１がオンされ、車両３００が動作状態となる（スタート）。なお、この時、車両３００に組み込まれたサーボ機構はオフ状態である（Ｓ１０）。

その後、搭乗者２００がステップ３０４に一方の足を載せることの検出（Ｓ１１）に応じて、サーボ機構がオン状態となる（Ｓ１２）。搭乗者の片足がステップ３０４に載せられると、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の片足がステップ３０４に載せられたことを検出し、この状態を示すステータス値を出力する。ステップセンサ部１３２の出力値は、判定部１６０へ供給され、判定部１６０は、倒立制御演算部１０３を始動開始状態とする。このようにしてサーボ機構がオン状態となる。なお、サーボ機構がオン状態となっても、倒立制御自体は実効的に開始されていない。サーボ機構は、例えば、加算部１０２、倒立制御演算部１０３、車両状態演算部１４０、情報入出力部１５０、判定部１６０を含む機構である。

ステップ３０４へ片足を乗せることと同時又は並行して、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を前方に押し、車両３００へ乗り込もうとする。これに応じて、車輪部３０５から見て、ハンドル部３０１、支柱部３０２、及びベース収容部３０３が前方へ回動し、ハンドル部３０１、支柱部３０２、及びベース収容部３０３が全体として車輪部３０５に対して起立した状態となる。つまり、図１（ａ）、（ｂ）に模式的に示したように、姿勢角度は小さな値となる。

角速度検出部１３４は、所定間隔で角速度を車両状態演算部１４０へ出力し、車両状態演算部１４０は、角速度を積分して姿勢角度θ９１を算出し、算出した姿勢角度θ９１を判定部１６０へ出力する。判定部１６０は、入力した姿勢角度θ９１と閾値格納部１７０から供給される閾値角度θ９２とを比較し、姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となったか否かを判定する（Ｓ１３）。姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となると、判定部１６０は、倒立制御演算部１０３に対して小さいゲインにて倒立制御を開始するように指示する。これに応じて、倒立制御演算部１０３は、小さなゲインにて倒立制御を開始する。具体的には、倒立制御演算部１０３は、数１で示した式に基づいて駆動系に対して供給するゲイン値を生成する。このとき、車両３００を倒立状態にすれば必要十分であるため、ピッチ角制御以外について無視してゲイン値を生成する（つまり、数２、数３は活用しない）。このとき、数１に含まれるゲイン係数として小さな値の係数を導入する。これによって、小さなゲインにて倒立制御を実行することができる。ゲイン係数は、プログラムに組み込んでいても良いが、その都度、メモリ等からリードアウトしてＣＰＵにて処理しても良い。

その後、搭乗者２００は、他方の足をステップ３０４に載せ、車両３００への搭乗を完了する。搭乗者の両方の足がステップ３０４に載せられると、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の両足がステップ３０４に載せられたことを検出し、この状態を示すステータス値を出力する。ステップセンサ部１３２の出力値は、情報入出力部１５０を介して、判定部１６０へ供給される。判定部１６０は、ステップセンサ部１３２から供給されたステータス値に応じて、倒立制御演算部１０３に対して通常ゲインで倒立制御するように指示する。つまり、数１に含まれるゲイン係数の値を増加させ、より大きなゲインが得られるようにする。また、同時に、倒立制御演算部１０３は、数１〜３に基づく走行制御を開始する。これによって、搭乗者２００の両足がステップ３０４に載せられることに同期して車両３００を始動状態から通常動作状態へ推移させることができる。上述のようにゲインを増加させたとしても、搭乗者２００の両足は、既にステップ３０４に載せられているため、車両３００のベース収容部３０３が搭乗者２００に接触することは回避される。

なお、図３においては、ステップ１１の後、ステップ１３を行っている。しかしながら、ステップ１１の判定とステップ１３の判定を逆としても構わない。このような場合であっても、上述と同様の効果を得ることができる。ただし、ステップ１１の後、ステップ１３を行うほうが、より自然な態様にて搭乗することが可能になる。

ゲイン調整について図４、図５を参照して補足説明する。なお、図４の横軸は時間軸であり、その縦軸は、ゲインの大きさを示す軸である。

図４に示すように、時刻ｔ１０にて、搭乗者２００の片足がステップ３０４に載せられ、かつ姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となる。姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となることに応じて、車両３００は、小ゲインで倒立制御を開始する。そして、時刻ｔ１１にて、ゲインは、設定値０．３まで上昇する。時刻ｔ１２にて、搭乗者２００の両足がステップ３０４に載せられると、車両３００は、より大きなゲインで倒立制御を開始する。時刻ｔ１３では、ゲインは、０．３から１まで上昇する。

図５に示すように、ゲイン調整をしても良い。図３と異なる点は、小ゲインの設定値である。このような場合であっても、小ゲイン＝０．３と同様に考えることができる。

通常ゲイン＝１のとき、始動ゲインは０．５以下に設定すると良い。これによって、車両３００のベース収容部３０３が搭乗者に接触する確率を効果的に低減させることができる。また、仮に、始動時、車両３００が揺れる動作をしたとしても、この揺れ周期を長くすることができ、車両３００への搭乗者２００の搭乗の簡易さが劣化することは抑制される。より好ましくは、通常ゲイン＝１のとき、始動ゲインを０．３〜０．５に設定すると良い。

最後に、図６を参照して車両３００の概略的な斜視図を示す。なお、車両３００の具体的外観構成は任意であり、図６に示すものに限定されるべきものではない。図６に示すように、ハンドル部３０１は、搭乗者２００によって自由な把持が可能となるように略三角形状の輪状体で構成される。支柱部３０２は、起立状態の搭乗者２００の足から胴部付近まで延在するように構成されている。支柱部３０２の基端は、ベース収容部３０３に対して連結している。支柱部３０２の先端には、ハンドル部３０１が取り付けられている。ベース収容部３０３は、蓄電機、モータ、コンピュータ、ロジック回路、センサ、配線、機械機構等を内蔵する。ステップ３０４は、搭乗者２００の両足に対応して、左足用ステップ３０４ａ、右足用ステップ３０４ｂを有する。ステップ３０４は、内側から外側へ、車輪３０５上まで延在する。

搭乗者２００は、ハンドル部３０１を両手で把持した状態で重心移動し、これに応じて車両３００は平面移動する。例えば、搭乗者２００が前方に重心をかけると、ハンドル部３０１は前方に押され、支柱部３０２は前方へ傾斜する。車両３００は、支柱部３０２の前方への傾きに応じて、前方への移動指令を生成し、これに応じて前方へ移動する。なお、この場合、移動指令は、車輪の現在の回転速度を目標速度まで上昇させることに等しい。

実施の形態２
以下、図７乃至図９を参照して実施の形態２について説明する。図７は、倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略的ブロック図である。図８は、倒立二輪型車両の始動動作を示すフローチャートである。図９は、倒立二輪型車両の始動時のゲイン調整過程を示す概略図である。なお、実施の形態１と重複する説明は省略する。

実施の形態１とは異なり、本実施形態では、閾値格納部１７０には複数の閾値が格納され、時分割してより細かくゲイン調整をする。これによって、実施の形態１の場合よりも、ゲイン調整の変化を最適化することが容易となる。なお、以下の説明では、閾値の数が２つの場合について説明するが、３以上の閾値を活用して多段階的にゲイン調整をしても良い。

図７に模式的に示すように、閾値格納部１７０は、閾値角度θ９２、θ９３を格納している。図８に示すように、図３に示したステップＳ１４とＳ１５との間に、姿勢角度θ９１が閾値角度θ９３以下となったか否かを判定し（Ｓ２０）、姿勢角度θ９１が閾値角度θ９３以下となった場合にゲイン上昇させている（Ｓ２１）。なお、閾値角度θ９３＜閾値角度θ９２である。これによって図９に示すように、多段階的にゲイン調整することができる。

図９について補足的に説明する。搭乗者２００の片足がステップ３０４に載せられ、かつ姿勢角度θ９１が閾値角度θ９２以下となると、ゲイン上昇が開始する（時刻ｔ２０）。そして、ゲインは、０．３まで上昇する（時刻ｔ２１）。その後、姿勢角度θ９１が閾値角度θ９３以下となると、ゲイン上昇が開始する（時刻ｔ２２）。その後、ゲインは、０．５まで上昇する（時刻ｔ２３）。その後、搭乗者２００の他方の足がステップ３０４に載せられると、ゲインアップが再度開始される（時刻ｔ２４）。そして、ゲインは、１．０（通常動作ゲイン）まで上昇する（時刻ｔ２５）。このように多段階的にゲイン調整することによって、ユーザーの感覚的な志向も吸収し、例えば、車両への乗り込みの快適性を確保することが可能になる。

実施の形態３
以下、図１０乃至図１４を参照して実施の形態３について説明する。図１０は、倒立二輪型車両に組み込まれる装置の概略的ブロック図である。図１１乃至図１３は、倒立二輪型車両の始動動作を示す概略図である。図１４は、ゲイン調整原理を示す概略図である。なお、上述の実施形態と重複する説明は省略する。適宜、上述の実施形態と本実施形態とを組み合わせることが可能である。

本実施形態では、予め設定した軌跡データに対する測定値の乖離の程度を評価し、この評価結果に応じてゲイン調整する機構を追加的又は代替的に採用する。上述の実施形態に対して追加的に左記した機構を採用することで、上述の実施形態と同様の効果を得ることができ、かつ、上述の実施形態よりも搭乗態様を改善することができる。上述の実施形態に示したゲイン調整機構に対して代替的に左記した機構を採用しても良い。この場合であっても、本実施形態に特有の効果を得ることができる。

図１０に示すように、車両３００は、評価部３６０、及び軌跡データ格納部３７０を有する。なお、図１０では、判定部１６０、及び閾値格納部１７０の図示を省略している。車両状態演算部１４０から各出力が評価部３６０に供給されるものとする。

軌跡データ格納部３７０は、図１１乃至図１３に示す目標軌跡を示す目標軌跡データを格納している。評価部３６０は、目標軌跡に対する現在の車両の状態値の乖離の程度を評価し、この評価結果に応じて図１４に示すゲイン調整が行われるように、倒立制御演算部１０３を制御する。評価部３６０は、例えば、車両状態演算部１４０から供給される測定値と軌跡データ格納部３７０から供給される目標値間の差分を求め、この差分に基づいて現在設定すべきゲインの値を求める。なお、図１１に示す場合、状態値として、姿勢角度を採用している。図１２に示す場合、状態値として、車輪の回転速度を採用している。図１３に示す場合、車輪の回転量に応じた位置を採用している。

図１１を参照して説明する。時刻ｔ３１のとき、目標軌跡の値に対して測定した姿勢角度の乖離が始まる。時刻ｔ３２のとき、目標軌跡の値に対する測定姿勢角度の乖離の程度（偏差）が偏差閾値に到達する。時刻ｔ３１と時刻ｔ３２の期間、ゲインは、図１４に示すように調整される。すなわち、乖離の程度を示す偏差が増加するに応じてゲインが小さくなるようにゲイン調整される。また、偏差が閾値偏差に到達するとゲインがゼロになるようにゲイン調整される。図１２及び図１３に示す場合も、図１１と同様に考えることができる。なお、図１１〜図１３に示す各場合を、適宜、組み合わせることも可能である。

このような制御系を採用することによって、倒立二輪型車両への搭乗者の乗車中に何らかの要因によって姿勢角度が増大して倒立二輪型車両が大きく傾いたとしても、ゲインが小さくなっているため、倒立二輪型車両と搭乗者間の接触の回避／緩和が可能になる。また、この場合、搭乗者は、小ゲインで動作している倒立二輪型車両から容易に降車することができる。

参考例
図１５を参照して参考例について説明する。図１５に示す場合、搭乗者は、倒立二輪型車両を一度起立させて、倒立二輪型車両に水平状態を認識させた後、倒立二輪型車両への搭乗を開始する。まず、搭乗者２００は、図１５（ａ）に示すように、ハンドル部３０１を把持する。次に、図１５（ｂ）に示すように、搭乗者２００は、車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１に一致する程度まで、ハンドル部３０１を前方へ押す。次に、図１５（ｃ）に示すように、搭乗者２００は、一方の足をステップ３０４に載せる。次に、搭乗者２００は、図１５（ｄ）に示すように、他方の足をステップ３０４に載せる。このようにして搭乗者２００は、車両３００への搭乗を完了する。この場合、車両３００がどのタイミングで倒立制御を実効的に始動するかに関わらず、搭乗者２００は、一度、車両３００を起立させる必要がある。また、図１５（ｂ）に示す段階で、車両３００に倒立制御を開始させたとしても通常ゲインで倒立制御してしまうため、ちょっとしたハンドル部３０１の前方又は後方傾斜に応じて、搭乗者２００からみて車両３００が前後に比較的大きく動いてしまい、車両３００への搭乗者２００の簡易な搭乗が損なわれてしまうおそれがある。

上述の実施形態１〜３では、図１に示した手順によって搭乗者２００は、車両３００へ乗車する。従って、参考例のように、乗車前、一度、車両３００を起立させる必要もなく、手間が省かれ、かつ乗車時間の短縮化が図られる。また、上述の実施形態１〜３では、搭乗者２００の片足がステップに載せられ、かつ姿勢角度が閾値角度以下となったタイミングで、小ゲインで倒立制御を開始する。従って、搭乗者２００からみて車両３００が大きく前後し、乗車の容易さが損なわれてしまうことを効果的に回避できる。更に、上述の実施形態１〜３では、搭乗者２００の他方の足が載せられると、始動モードから通常モードへ推移し、通常ゲインにて倒立制御／走行制御が開始される。これによって倒立二輪型車両の機敏さを損なうことなく、倒立二輪型車両への搭乗者の搭乗の最適化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。倒立二輪型車両の具体的な構成は任意である。ソフトウェア制御に代えて、ワイヤードロジックにより機能部を具現化させても良い。基準軸線、車両軸線の設定方法は任意である。

Ｘ１ 鉛直軸線（基準軸線）
Ｘ２ 車両軸線

θ９１ 姿勢角度

１０１ 指令生成部
１０２ 加算部
１０３ 倒立制御演算部

１１０ センサ系
１２０ 駆動系
１２１ アンプ部
１２２ モータ部
１２３ アンプ部
１２４ モータ部

１３０ センサ系
１３１ 電源スイッチ部
１３２ ステップセンサ部
１３３ 回転量検出部
１３４ 角速度検出部
１４０ 車両状態演算部
１５０ 情報入出力部
１６０ 判定部
１７０ 閾値格納部

２００ 搭乗者

３００ 倒立二輪型車両
３０１ ハンドル部
３０２ 支柱部
３０３ ベース収容部
３０４ ステップ
３０５ 車輪
４００ 接地面

３６０ 評価部
３７０ 軌跡データ格納部

Claims (6)

1. 一組の車輪に対する本体部の起立状態を維持しつつ走行可能に構成された車両であって、
   前記本体部に設けられた足載せ部に対する搭乗者の一方及び他方の足の載置を個別検出し、
   前記搭乗者による操作に応じた一組の前記車輪に対する前記本体部の起立過程において、当該車両の車両軸線（但し、当該車両軸線は、一組の前記車輪に対して前記本体部が起立状態であるのか否かを示すべく設定されている）が基準軸線に対して成す姿勢角度が、設定された複数の閾値角度のうちいずれかの閾値角度以下となることを検出し、
   前記足載せ部に前記搭乗者の一方の足が載せられ、かつ前記姿勢角度が前記閾値角度以下となったことの検出に応じて、一組の前記車輪に対して前記本体部を実効的に起立させる始動制御を開始し、
   前記設定された複数の閾値角度にしたがって時分割してゲイン調整を行って一組の前記車輪を制御し、
   前記足載せ部に前記搭乗者の他方の足が載せられたことの検出に応じて、前記始動制御時よりも大きなゲインで一組の前記車輪を制御する、車両。
2. 前記足載せ部に前記搭乗者の一方の足が載せられたことを検出した後、前記姿勢角度が前記閾値角度以下となったことを検出することを特徴とする請求項１に記載の車両。
3. 前記大きなゲインを１としたとき、前記始動制御時のゲインは、０．３以上０．５以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記基準軸線は、鉛直方向に対して平行な軸線であり、前記閾値角度は、−１５°以上１５°以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車両。
5. 意図されたように前記搭乗者が当該車両に搭乗する一連の過程に対応づけられた目標軌跡に対して、前記搭乗者が実際に当該車両に搭乗する過程に応じて検出される当該車両の状態値の乖離の程度を評価し、当該評価結果に応じてゲイン調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車両。
6. 前記状態値は、前記車両軸線が前記基準軸線に対して成す姿勢角度、前記車輪の回転速度、及び前記車輪の回転量のいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載の車両。

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