JP6036453B2 - 倒立型移動体及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体及びその制御方法に関するものである。

倒立状態を維持して走行する倒立型移動体は、その故障などにより停止すると不安定状態となるため、一般的に多重化システムが採用されている。一方で、多重化システムを採用した場合でも、そのシステムの最大出力トルクを超える動作を行った場合には転倒に繋がる虞がある。ここで、倒立型移動体の特性上、加速時の転倒は前方への転倒となるため、搭乗者は前方に足を着地させて降車することができる。一方で、減速時の転倒は後方への転倒となるため、搭乗者の降車がより不安定なものとなる。そこで、倒立型移動体においては、減速側の出力トルクマージンをより大きく確保する必要が生じる。これに対し、例えば、倒立状態を維持して走行する倒立型移動体が知られている（特許文献１参照）。

特許第４８６６５２１号

上記特許文献１に示す倒立型移動体においては、上述した出力トルクマージンの大きな減速時の出力トルクに合わせて加速側の出力トルクを設定し、バッテリの容量を決定することとなる。そのため、バッテリの大型化に繋がる虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、バッテリを小型化できる倒立型移動体及びその制御方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、駆動車輪を駆動するモータと、前記モータに対して電力を供給するバッテリと、当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体であって、当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力し、当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費する、ことを特徴とする倒立型移動体である。
この一態様において、前記倒立型移動体の移動速度に対する前記モータの最大減速トルクの絶対値は、前記移動速度に対する前記モータの最大加速トルクの絶対値と比較して大きく設定されていてもよい。
この一態様において、前記モータ制御部は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、前記倒立型移動体の移動速度が実質的に０となる前記制御指令値を生成してもよい。
この一態様において、前記インバータは、前記モータから出力される回生電力を消費する内部抵抗を有していてもよい。
この一態様において、前記制御装置は、一対の前記モータ制御部と、一対の前記インバータと、を有する二重システムとして構成されていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、駆動車輪を駆動するモータと、前記モータに対して電力を供給するバッテリと、当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体の制御方法であって、当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力するステップと、当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を消費するステップと、を含むことを特徴とする倒立型移動体の制御方法であってもよい。

本発明によれば、バッテリを小型化できる倒立型移動体及びその制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的構成を示す斜視図である。 本実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。 加減速時におけるモータ出力トルクと移動速度との関係の一例を示す図である。 前後進及び加減速時におけるモータ出力トルクと移動速度との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の制御方法による制御処理フローを示すフローチャートである。

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、本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的構成を示す斜視図である。本実施の形態１に係る倒立型移動体１は、例えば、車両本体２と、車両本体２に取り付けられ搭乗者が登場する左右一対のステップ部３と、車両本体２に傾動可能に取り付けられ搭乗者が把持する操作ハンドル４と、車両本体２に回転可能に取り付けられた左右一対の駆動車輪５と、を備えている。

本実施の形態１に係る倒立型移動体１は、例えば、各駆動車輪５が同軸状に配置され、倒立状態を維持して走行する同軸二輪車として構成されている。倒立型移動体１は、搭乗者の重心を前後に移動させ、車両本体２の各ステップ部３を前後に傾斜させることで前後進を行い、搭乗者の重心を左右に移動させ、車両本体２のステップ部３を左右に傾斜させることで左右旋回を行うように構成されている。なお、倒立型移動体１としては、上述したような同軸二輪車が適用されているが、これに限らず、倒立状態を維持して走行する任意の移動体に適用可能である。

図２は、本実施の形態１に係る倒立型移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る倒立型移動体１は、各駆動車輪５を駆動する一対の車輪駆動ユニット６と、車両本体２の姿勢を検出する姿勢センサ７と、各駆動車輪５の回転情報を検出する一対の回転センサ８と、各車輪駆動ユニット６を制御する制御装置９と、車輪駆動ユニット６及び制御装置９に電力を供給するバッテリ１０と、を備えている。

各車輪駆動ユニット６は、車両本体２に内蔵されており、左右一対の駆動車輪５を夫々駆動する。各車輪駆動ユニット６は、一対の駆動車輪５を独立して回転駆動することができる。各車輪駆動ユニット６は、例えば、モータ６１と、モータ６１の回転軸に動力伝達可能に連結された減速ギア６２と、によって構成することができる。

姿勢センサ７は、車両本体２に設けられ、車両本体２や操作ハンドル４等の姿勢情報を検出し出力する。姿勢センサ７は、倒立型移動体１の走行時における姿勢情報を検出するのもで、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサなどから構成される。搭乗者が操作ハンドル４を前方または後方に傾けると、各ステップ部３が同方向に傾くことになるが、この姿勢センサ７は、かかる傾斜に対応した姿勢情報を検出する。姿勢センサ７は、検出した姿勢情報を制御装置９に対して出力する。

各回転センサ８は、各駆動車輪５などに夫々設けられ、各駆動車輪５の回転角度、回転角速度、回転角加速度など回転情報を検出できる。各回転センサ８は、例えば、ロータリーエンコーダ、レゾルバ、などで構成されている。各回転センサ８は、検出した回転情報を制御装置９に出力する。

バッテリ１０は、例えば、車両本体２に内蔵されており、リチウムイオン蓄電池などにより構成されている。バッテリ１０は、各車輪駆動ユニット６、制御装置９、その他の電子機器等に電力を供給する。

制御装置９は、倒立型移動体に搭載された各種センサから出力される検出値に基づいて、各車輪駆動ユニット６を駆動制御するための制御信号を生成し、出力する。制御装置９は、例えば、姿勢センサ７から出力される姿勢情報、各回転センサ８から出力される各駆動車輪５の回転情報等に基づいて所定の演算処理を実行し、必要な制御信号を各車輪駆動ユニット６に対して出力する。制御装置９は、各車輪駆動ユニット６を制御することで、例えば、倒立型移動体１の倒立状態を維持する倒立制御を実行する。

図３は、本実施の形態１に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る制御装置９は、一対のモータ制御部９１と、一対のインバータ９２と、を含む、電子制御装置（ＥＣＵ：Electrical Control Unit）として構成されている。このようにモータ制御部９１及びインバータ９２を２重化することで、倒立型移動体１の制御システムの信頼性を向上させ、その安全性の向上を図っている。

制御装置９の各モータ制御部９１は、姿勢センサ７から出力された姿勢情報と、各回転センサ８から出力された回転情報と、に基づいて、各車輪駆動ユニット６を駆動制御するための制御指令値を生成する。各モータ制御部９１は、生成した制御指令値を各インバータ９２に対して夫々出力する。

各モータ制御部９１は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）、などからなるマイクロコンピュータを、中心にしてハードウェア構成されている。ＣＰＵ、メモリ、及びインターフェイス部は、データバスなどを介して相互に接続されている。

制御装置９の各インバータ９２は、各モータ制御部９１から出力される制御指令値に基づいて、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行い、バッテリ１０からの電力を用いてその制御指令値に応じた駆動電流を生成する。各インバータ９２は、生成した駆動電流を各車輪駆動ユニット６のモータ６１に対して出力する。各車輪駆動ユニット６のモータ６１は、制御装置９の各インバータ９２から出力される駆動電流に応じて、各駆動車輪５を回転駆動する。これにより、倒立型移動体１は、例えば、前後進、左右旋回などの所望走行を行うことができる。

倒立型移動体１が減速状態のときに、各車輪駆動ユニット６のモータ６１は回転することで、回生電力を発生させる。これに対し、制御装置９の各インバータ９２は、この各車輪駆動ユニット６のモータ６１から出力される回生電力を消費する内部抵抗９２１を有している。

ところで、倒立型移動体は、その倒立状態を維持して走行するという特性上、安全性の観点から減速側のモータ出力トルクのマージンを十分に確保するのが望ましい。これに対し、従来は、その減速側のモータ出力トルクに合わせて加速側のモータ出力トルクを設定し、バッテリの容量を設定している。このため、バッテリが必要以上に大型化する虞がある。

そこで、本実施の形態１に係る倒立型移動体１においては、加速制御状態のときは、制御装置９の各インバータ９２は各モータ制御部９１からの制御指令値と、バッテリ１０からの電力と、に基づいて駆動電流を生成し、各車輪駆動ユニット６のモータ６１を制御する。一方、減速制御状態のときは、制御装置９の各インバータ９２は各車輪駆動ユニット６のモータ６１から出力される回生電力を消費する。これにより、減速時のモータ出力トルクを、制御装置９の各インバータ９２の内部抵抗９２１を用いて十分なマージンを確保して設定できる。そのため、バッテリ１０の容量を、減速時のモータ出力トルクを考慮せずに、加速時の出力トルクのみを考慮して設定できる（図４）。このため、バッテリ１０の容量を必要十分な大きさに設定でき、バッテリ１０の小型軽量化が可能となる。なお、バッテリ１０の小型軽量化を図ることにより、倒立型移動体１の小型軽量化も容易に実現できる。

図５に示すように、本実施の形態１に係る倒立型移動体１が前進状態及び後進状態にあるとき、倒立型移動体１の移動速度に対する各車輪駆動ユニット６のモータ６１の最大減速トルク（出力制限トルク）Ｔ１_ｍａｘの絶対値は、移動速度に対する各車輪駆動ユニット６のモータ６１の最大加速トルク（出力制限トルク）Ｔ２_ｍａｘの絶対値と比較して大きく設定されている。このように、各車輪駆動ユニット６のモータ６１の出力制限トルクを４象限（加減速及び前後進）を夫々最適に設定することができる。

図６は、本実施の形態１に係る倒立型移動体の制御方法による制御処理フローを示すフローチャートである。例えば、搭乗者が倒立型移動体１において加速操作（各ステップ部３を前方へ傾斜させる操作など）を行うと（ステップＳ１０１）、制御装置９の各モータ制御部９１は、姿勢センサ７から出力された姿勢情報と、各回転センサ８から出力された回転情報と、に基づいて、各車輪駆動ユニット６に対する制御指令値を生成し（ステップＳ１０２）、制御装置９の各インバータ９２に対して出力する。

制御装置９の各インバータ９２は、各モータ制御部９１から出力される制御指令値と、バッテリ１０からの電力と、に基づいてその制御指令値に応じた駆動電流を生成し（ステップＳ１０３）、各車輪駆動ユニット６のモータ６１に対して出力する。各車輪駆動ユニット６のモータ６１は、制御装置９の各インバータ９２からの駆動電流に応じて各駆動車輪５を回転駆動させ、倒立型移動体１を加速させる（ステップＳ１０４）。

一方で、搭乗者が倒立型移動体１において、減速操作（各ステップ部３を後方へ傾斜させる操作）を行うと（ステップＳ１０５）、各車輪駆動ユニット６のモータ６１は回生電力を制御装置９の各インバータ９２に出力する（ステップＳ１０６）。各インバータ９２の内部抵抗９２１は、各車輪駆動ユニット６のモータ６１から出力される電力を消費する（ステップＳ１０７）。これにより、各駆動車輪５は、各車輪駆動ユニット６のモータ６１から抵抗力を受け、その回転を減速させるため、倒立型移動体１は減速する（ステップＳ１０８）。このように、倒立型移動体１が加速状態のときは、バッテリ１０と、制御装置９の各モータ制御部９１及び各インバータ９２とを用いて各車輪駆動ユニット６のモータ６１を駆動させる。一方で、倒立型移動体１が減速状態のときは、バッテリ１０を用いることなく、制御装置９の各インバータ６２のみを用いて各車輪駆動ユニット６のモータ６１を駆動させる。

以上、本実施の形態１に係る倒立型移動体１において、加速制御状態のときは、制御装置９の各インバータ９２は各モータ制御部９１からの制御指令値と、バッテリ１０からの電力と、に基づいて駆動電流を生成し、各車輪駆動ユニット６のモータ６１を制御する。一方、減速制御状態のときは、制御装置９の各インバータ９２は各車輪駆動ユニット６のモータ６１から出力される回生電力を消費する。これにより、バッテリ１０の容量を、減速時のモータ出力トルクを考慮せずに、加速時の出力トルクのみを考慮して設定できる。このため、バッテリ１０の容量を必要十分な大きさに設定でき、バッテリ１０の小型化が可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２においては、上記実施の形態１に係る倒立型移動体１の構成に加えて、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、倒立型移動体１の移動速度が実質的に０となる制御指令値を生成することを特徴とする。

上記実施の形態１においては、倒立型移動体１が前進時の減速状態から後進時の加速状態に移行する際に、不連続領域が存在する。これは、四輪車両などにおいては、前進時の急減速から後進時の加速にそのまま移行する状態はあまり想定されない。一方で、倒立型移動体１においては、減速を行うとその倒立状態を維持するために、必ず一時的な後進が必要となり、上記不連続領域が発生する。

そこで、本実施の形態２に係る倒立型移動体１においては、制御装置９の各モータ制御部９１は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、倒立型移動体１の移動速度が実質的に０となる制御指令値を生成する。これにより、前進時の減速状態から後進時の加速状態に確実に移行することができ、倒立型移動体１のよりスムーズかつ安全な走行が可能となる。

なお、本実施の形態２において、他の構成は上記実施の形態１と略同一であるため、詳細な説明は省略する。また、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。

１ 倒立型移動体
２ 車両本体
３ ステップ部
４ 操作ハンドル
５ 駆動車輪
６ 車輪駆動ユニット
７ 姿勢センサ
８ 回転センサ
９ 制御装置
１０ バッテリ
９１ モータ制御部
９２ インバータ
９２１ 内部抵抗

Claims (4)

1. 駆動車輪を駆動するモータと、
   前記モータに対して電力を供給するバッテリと、
   当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、
   を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体であって、
   当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力し、
   当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を内部抵抗によって消費し、
   前記モータ制御部は、前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、前記倒立型移動体の移動速度が実質的に０となる前記制御指令値を生成する、
   ことを特徴とする倒立型移動体。
2. 請求項１記載の倒立型移動体であって、
   前記倒立型移動体の移動速度に対する前記モータの最大減速トルクの絶対値は、前記移動速度に対する前記モータの最大加速トルクの絶対値と比較して大きく設定されている、ことを特徴とする倒立型移動体。
3. 請求項１又は２記載の倒立型移動体であって、
   前記制御装置は、一対の前記モータ制御部と、一対の前記インバータと、を有する二重システムとして構成されている、ことを特徴とする倒立型移動体。
4. 駆動車輪を駆動するモータと、
   前記モータに対して電力を供給するバッテリと、
   当該倒立型移動体の姿勢状態に応じて制御指令値を生成するモータ制御部と、前記モータを駆動するための駆動電流を生成するインバータと、を有する制御装置と、
   を備え、倒立状態を維持して走行を行う倒立型移動体の制御方法であって、
   当該倒立型移動体が加速制御状態のときに、前記インバータは前記モータ制御部からの制御指令値と、前記バッテリからの電力と、に基づいて、前記駆動電流を生成し前記モータに出力するステップと、
   当該倒立型移動体が減速制御状態のときに、前記インバータは前記モータから出力される回生電力を内部抵抗によって消費するステップと、を含み、
   前進時の減速状態から後進時の加速状態に切り替わる前の所定期間において、当該倒立型移動体の移動速度が実質的に０となる前記制御指令値を生成する、
   ことを特徴とする倒立型移動体の制御方法。

Images