JP7328628B2 - 車両 - Google Patents
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Description
車両であって、
車体と、
1以上の前輪と1以上の後輪とを含むN個(Nは2以上の整数)の車輪であって、前記車両の幅方向に回動可能な1以上の回動輪を含む、前記N個の車輪と、
ヨー角加速度を変化させる力を生成するように構成されている力生成装置と、
前記力生成装置を制御するように構成されている力制御装置と、
を備え、
前記車体の重心は、前記車両が旋回する場合の前記車両の自転中心から前側または後側に離れた位置に配置されており、
前記力制御装置は、前記車体に作用する前記幅方向のロールトルクを、前記力生成装置を制御することによって制御する、
車両。
適用例1に記載の車両であって、
前記力生成装置は、前記1以上の回動輪の前記幅方向の回動を制御するトルクである回動トルクを前記1以上の回動輪に付与するように構成されており、
前記1以上の回動輪の回動によって生じるヨー角加速度の成分と、前記重心と前記自転中心との間の位置の差異と、によって生じるロールトルクを、第1種ロールトルクと呼び、
前記力制御装置は、
前記車体に作用すべき前記第1種ロールトルクの方向の基準である基準方向と大きさの基準である基準大きさとを示す基準情報を特定し、
前記第1種ロールトルクの方向が、前記基準方向と同じであり、前記基準大きさが大きいほど前記第1種ロールトルクの大きさが大きくなるように、前記力生成装置に前記回動トルクを生成させる、
車両。
適用例2に記載の車両であって、
車速と、前記基準方向と、前記基準大きさと、前記車両のヨー角速度と、のそれぞれが一定に維持される条件を、第1条件と呼び、
前記力制御装置は、前記第1条件下で、前記1以上の回動輪の回動の角度と直進を示す回動の角度との間の差が大きいほど、小さい大きさを有する回動トルクを前記力生成装置に生成させる、
車両。
適用例2または3に記載の車両であって、
前記基準情報は、前記車体のロール角から基準のロール角へ向かう基準ロール方向と、前記車体の前記ロール角と前記基準のロール角との間の差の大きさである角差大きさと、を示し、
前記基準ロール方向は、前記基準方向を示し、
前記角差大きさは、前記基準大きさを示している、
車両。
適用例2または3に記載の車両であって、
前記基準情報は、前記車体のロール角加速度を示し、
前記ロール角加速度の大きさは、前記基準大きさを示し、
前記ロール角加速度の方向に反対の方向は、前記基準方向を示している、
車両。
適用例2から5のいずれかに記載の車両であって、
前記力制御装置は、
前記基準情報と、車速と、前記1以上の回動輪の回動の角度と、を用いて前記力生成装置を制御し、
前記回動トルクの大きさは、前記基準大きさが大きいほど大きく、前記車速が大きいほど小さく、前記1以上の回動輪の前記回動の前記角度と直進を示す回動の角度との間の差が大きいほど小さい
車両。
適用例2から6のいずれかに記載の車両であって、
前記1以上の前輪は、前記1以上の回動輪を含み、
前記車体の重心は、前記自転中心から前側に離れた位置に配置されており、
前記回動トルクの方向は、前記基準方向とは反対側の方向である、
車両。
A1.車両10の構成:
図1(A)-図1(C)、図2は、一実施例としての車両10を示す説明図である。図1(A)は、車両10の右側面図を示し、図1(B)は、車両10の上面図を示し、図1(C)は、車両10の下面図を示し、図2は、車両10の背面図を示している。図1(A)-図1(C)、図2には、水平な地面GL(図1(A))上に配置され、傾斜していない状態の車両10が、示されている。図1(A)-図1(C)、図2には、6つの方向DF、DB、DU、DD、DR、DLが示されている。前方向DFは、車両10の前方向(すなわち、前進方向)であり、後方向DBは、前方向DFの反対方向である。上方向DUは、鉛直上方向であり、下方向DDは、鉛直下方向(すなわち、上方向DUの反対方向)である。鉛直下方向は、重力の方向である。右方向DRは、前方向DFに走行する車両10から見た右方向であり、左方向DLは、右方向DRの反対方向である。方向DF、DB、DR、DLは、いずれも、水平な方向である。右と左の方向DR、DLは、前方向DFに垂直である。
(式1)F1=(M*V2)/R
(式2)F2=M*g
ここで、*は、乗算記号(以下、同じ)。
(式3)F1b=F1*cos(Ar)
(式4)F2b=F2*sin(Ar)
ここで、「cos()」は、余弦関数であり、「sin()」は、正弦関数である(以下、同じ)。
(式5)F1b=F2b
式5に上記の式1~式4を代入すると、旋回半径Rは、以下の式6で表される。
(式6)R=V2/(g*tan(Ar))
ここで、「tan()」は、正接関数である(以下、同じ)。
式6は、車体90の質量Mに依存せずに、成立する。ここで、式6の「Ar」を、左方向と右方向とを区別せずにロール角Arの大きさを表すパラメータAra(ここでは、ロール角Arの絶対値)に置換することによって得られる以下の式6aは、車体90の傾斜方向に拘わらずに、成立する。
(式6a)R=V2/(g*tan(Ara))
Aw = arctan(Lh/R) (式7)
ここで「arctan()」は、正接関数の逆関数である(以下、同じ)。
(式A1)tan(Aw)=Lh/Rx
式A1は、式A2に変形される。
(式A2)1/Rx=tan(Aw)/Lh
車両10がヨー角速度Ay’で旋回している場合、式A3が成立する。
(式A3)V=Rx*Ay’
式A3は、式A4に変形される。
(式A4)Ay’=V/Rx
式A4に式A2を代入することによって、式A5が導かれる。
(式A5)Ay’=(V*tan(Aw))/Lh
式A5の両辺を時間で微分することによって、式A6が導かれる。
(式A6)Ay’’=(V/Lh)*(1/cos2(Aw))*Aw’
図6(B)、図6(C)で説明したように、ヨー角加速度Ay’’に起因して、ロールトルクが車体90に作用する。第1種ロールトルクは、式A6のヨー角加速度Ay’’に起因するロールトルクである。第1種ロールトルクTqaの大きさは、図6(C)のロールトルクTq1の大きさの計算式のヨー角加速度Ay’’に、式A6を代入することによって導かれ、式A7で表される。
(式A7)Tqa=M*X*Z*Ay’’
=(M*X*Z*V*Aw’)/(Lh*cos2(Aw))
以上のように、車輪角Awの角速度Aw’を用いて、車体90に第1種ロールトルクTqaを付与することができる。第1種ロールトルクTqaの方向(回動ロール方向とも呼ぶ)は、車輪角Awの角速度Aw’の方向とは反対の方向である。例えば、車輪角Awが右方向DRに回動する場合(Aw’>ゼロ)、第1種ロールトルクTqaの方向は、左方向である。
(式A8)Aw’=(Tqa*Lh*cos2(Aw))/(M*X*Z*V)
式A8は、第1種ロールトルクTqaを生成するために必要な車輪角Awの角速度Aw’の大きさを示している。
図8は、操舵モータ65の制御処理の例を示すフローチャートである。本実施例では、ロール角Arを目標のロール角に近づけるロールトルクが車輪角Awの変化によって生成されるように、操舵モータ65が制御される。以下、フローチャートでは、各ステップに、文字「S」と、文字「S」に続く数字と、を組み合わせた符号が、付与される。図8は、車両10が前進している場合の処理を示している。後述するように、制御処理では、種々のパラメータが用いられる。なお、車体90の質量Mと、重力加速度gと、距離Xと、距離Zと、ホイールベースLhと、のそれぞれは、実験的に測定可能である。本実施例では、これらのパラメータM、g、X、Z、Lhのそれぞれとしては、予め決められた値が用いられる(基準値M、g、X、Z、Lhとも呼ぶ)。なお、車体90の質量Mは、いわゆるバネ上質量に相当する。
図11は、リーンモータ25の制御処理の例を示すフローチャートである。本実施例では、ロール角Arを目標のロール角に近づけるロールトルクを生成するように、リーンモータ25が制御される。S510では、主制御部110(図7)のプロセッサ110pは、センサ123、126から、信号を取得する。そして、プロセッサ110pは、現行の情報、具体的には、入力角AIと、ロール角Arとを、特定する。
図12は、第2実施例の車両の斜視図である。本実施例では、車両10aは、2個の前輪FRa、FLaと、2個の後輪RRa、RLaとを有する四輪車である。2個の前輪FRa、FLaは、回動輪であり、車両10aの幅方向に回動可能である。2個の後輪RRa、RLaは、駆動輪である。車両10aは、さらに、車体90aと、サスペンションFRs、FLs、RRs、RLsと、操舵装置42と、ハンドル42aと、駆動モータ51aと、制御装置100aと、を有している。車輪FRa、FLa、RRa、RLaは、それぞれ、サスペンションFRs、FLs、RRs、RLsによって、車体90aに連結されている。サスペンションFRs、FLs、RRs、RLsは、ダブルウィッシュボーンサスペンション、トーションビームサスペンションなどの、種々のサスペンションであってよい。後輪RRa、RLaには、駆動モータ51aが接続されている。後輪RRa、RLaは、駆動モータ51aの動力によって、回転する。前輪FRa、FLaには、操舵装置42が接続されている。操舵装置42の構成は、ラック・アンド・ピニオン型などの種々の構成であってよい。操舵装置42には、ハンドル42aが接続されている。運転者は、ハンドル42aを回転させることによって、前輪FRa、FLaの進行方向を右または左に回動させることができる。操舵装置42は、操舵モータ65aを有している。操舵モータ65aは、操舵を補助するトルクを生成する。制御装置100aは、操舵モータ65aと駆動モータ51aとを制御する装置である。距離Lhは、いわゆるホイールベースである。本実施例でも、ロール軸AxLは、地面上の、車体90aの幅方向の中心位置に、位置している。前輪FRa、FLaが回動輪であり、後輪RRa、RLaは回動輪ではないので、自転中心Racは、後輪RRa、RLaの間の中心位置の近傍に位置している。車体90aの重心90acは、自転中心Racよりも前方向DF側に位置している。距離Xは、自転中心Racと車体90aの重心90acとの間の前方向DFの距離である。距離Zは、ロール軸AxLと重心90acとの間の距離である。距離Zは、重心90acの地面からの高さと同じである。
1)駆動装置制御部300は、駆動モータ51aを制御する。
2)操舵モータ制御部500は、操舵モータ65に代えて、操舵モータ65aを制御する。
3)リーンモータ制御部400とリーンモータ25とは、省略される。
(式B1)Tqr=(I+M*Z2)*Ar’’
ロールトルクTqrは、「I*Ar’’」と「M*Z2*Ar’’」との2つの成分で近似される。変数Iは、回転軸が重心90cを通る場合の車体90の慣性モーメントである(ここで、回転軸は、ロール軸AxLに平行である)。「M*Z2」は、回転軸が重心90cから距離Zだけ離れている場合の追加の項である。係数「I+M*Z2」は、ロールトルクTqrとロール角加速度Ar’’との比率を実験で測定することによって、予め決定される。プロセッサ110pは、車体90aのロール角加速度がAr’’である場合に車体90aに作用するロールトルクTqrを、上記の式B1によって算出する。そして、プロセッサ110pは、ロールトルクTqrの方向を反転して得られるロールトルクを、目標ロールトルクTqtとして採用する。
上記の実施例では、前輪12F、FRa、FLaが回動輪である。これに代えて、後輪が回動輪であってよい。図15(A)、図15(B)は、後輪が回動輪である場合のロールトルクTq1、Tqaの説明図である。図15(A)、図15(B)は、図6(B)、図6(C)と同様の説明図である。本実施例の車両10bは、2個の前輪(右前輪FRと左前輪FL)と、1個の後輪RRと、を有している。車両10bが右方向DRに旋回する場合、後輪RRは、左方向DLに回動する。
(1)回動駆動装置65、65aの制御処理は、図8、図13の実施例の制御処理に代えて、他の種々の処理であってよい。例えば、上記実施例の制御処理は、比例制御によって入力パラメータから出力パラメータを決定する処理を含んでいる(例えば、S250(図8)、S270a(図13)など)。ここで、比例制御に代えて、他の種々の制御が、採用されてよい(例えば、PD(Proportional-Differential)制御、または、PID(Proportional-Integral-Differential)制御)。
1)車体に作用する重力に起因するロールトルク
2)車体に作用する遠心力に起因するロールトルク
3)車両のヨー角加速度に起因するロールトルク(図6(B)、図6(C))
回動トルクの決定には、これらの3個のパラメータから選択される1以上のパラメータが、用いられてよい。回動トルクは、基準ロールトルクからこれらのロールトルクを減算して得られる残りのロールトルクを生成するように、構成されてよい。
1)車輪角Awの角速度Aw’
2)リーンモータ25のトルク
3)ロール角Arの角速度Ar’
4)ロール角Arの角加速度Ar’’
5)入力角AIの角速度AI’
6)入力角AIの角加速度AI’’
これらのパラメータの大きさが大きい場合には、車体のロールが速いので、これらのパラメータは、制御値の決定に適している。なお、上述したように、速度Vが大きい場合には、回動輪は、ジャイロモーメントによって、ロール方向に回動可能である。従って、ゲインは、速度Vが小さい場合に大きいことが好ましい。
Claims (8)
- 車両であって、
車体と、
1以上の前輪と1以上の後輪とを含むN個(Nは2以上の整数)の車輪であって、前記車両の幅方向に回動可能な1以上の回動輪を含む、前記N個の車輪と、
ヨー角加速度を変化させる力を生成するように構成されている力生成装置と、
前記力生成装置を制御するように構成されている力制御装置と、
を備え、
前記車体の重心は、前記車両が旋回する場合の前記車両の自転中心から前側または後側に離れた位置に配置されており、
前記力制御装置は、前記車体に作用する前記幅方向のロールトルクを、前記力生成装置を制御することによって制御し、
前記力生成装置は、前記1以上の回動輪の前記幅方向の回動を制御するトルクである回動トルクを前記1以上の回動輪に付与するように構成されており、
前記1以上の回動輪の回動によって生じるヨー角加速度の成分と、前記重心と前記自転中心との間の位置の差異と、によって生じるロールトルクを、第1種ロールトルクと呼び、
前記力制御装置は、
前記車体に作用すべき前記第1種ロールトルクの方向の基準である基準方向と大きさの基準である基準大きさとを示す基準情報を特定し、
車速が同じであり前記1以上の回動輪の回動の角度が同じである場合に、前記第1種ロールトルクの方向が、前記基準方向と同じであり、前記基準大きさが大きいほど、前記回動トルクの付与による前記1以上の回動輪の回動の追加角速度の大きさが大きくなるように、前記力生成装置を制御し、
前記基準大きさが同じであり前記1以上の回動輪の前記回動の前記角度が同じである場合に、前記第1種ロールトルクの方向が、前記基準方向と同じであり、前記車速が大きいほど、前記回動トルクの付与による前記1以上の回動輪の前記回動の前記追加角速度の大きさが小さくなるように、前記力生成装置を制御する、
車両。 - 請求項1に記載の車両であって、
前記基準情報は、前記車体のロール角から基準のロール角へ向かう基準ロール方向と、前記車体の前記ロール角と前記基準のロール角との間の差の大きさである角差大きさと、を示し、
前記基準ロール方向は、前記基準方向を示し、
前記角差大きさは、前記基準大きさを示している、
車両。 - 請求項1に記載の車両であって、
前記基準情報は、前記車体のロール角加速度を示し、
前記ロール角加速度の大きさは、前記基準大きさを示し、
前記ロール角加速度の方向に反対の方向は、前記基準方向を示している、
車両。 - 車両であって、
車体と、
1以上の前輪と1以上の後輪とを含むN個(Nは2以上の整数)の車輪であって、前記車両の幅方向に回動可能な1以上の回動輪を含む、前記N個の車輪と、
ヨー角加速度を変化させる力を生成するように構成されている力生成装置と、
前記力生成装置を制御するように構成されている力制御装置と、
を備え、
前記車体の重心は、前記車両が旋回する場合の前記車両の自転中心から前側または後側に離れた位置に配置されており、
前記力制御装置は、前記車体に作用する前記幅方向のロールトルクを、前記力生成装置を制御することによって制御し、
前記力生成装置は、前記1以上の回動輪の前記幅方向の回動を制御するトルクである回動トルクを前記1以上の回動輪に付与するように構成されており、
前記1以上の回動輪の回動によって生じるヨー角加速度の成分と、前記重心と前記自転中心との間の位置の差異と、によって生じるロールトルクを、第1種ロールトルクと呼び、
前記力制御装置は、
前記車体に作用すべき前記第1種ロールトルクの方向の基準である基準方向と大きさの基準である基準大きさとを示す基準情報を特定し、
前記第1種ロールトルクの方向が、前記基準方向と同じであり、前記基準大きさが大きいほど前記第1種ロールトルクの大きさが大きくなるように、前記力生成装置に前記回動トルクを生成させ、
前記基準情報は、前記車体のロール角加速度を示し、
前記ロール角加速度の大きさは、前記基準大きさを示し、
前記ロール角加速度の方向に反対の方向は、前記基準方向を示している、
車両。 - 請求項1から4のいずれかに記載の車両であって、
車速と、前記基準方向と、前記基準大きさと、前記車両のヨー角速度と、のそれぞれが一定に維持される条件を、第1条件と呼び、
前記力制御装置は、前記第1条件下で、前記1以上の回動輪の回動の角度と直進を示す回動の角度との間の差が大きいほど、小さい大きさを有する回動トルクを前記力生成装置に生成させる、
車両。 - 請求項1から5のいずれかに記載の車両であって、
前記力制御装置は、
前記基準情報と、車速と、前記1以上の回動輪の回動の角度と、を用いて前記力生成装置を制御し、
前記回動トルクの大きさは、前記基準大きさが大きいほど大きく、前記車速が大きいほど小さく、前記1以上の回動輪の前記回動の前記角度と直進を示す回動の角度との間の差が大きいほど小さい
車両。 - 請求項1から6のいずれかに記載の車両であって、
前記1以上の前輪は、前記1以上の回動輪を含み、
前記車体の重心は、前記自転中心から前側に離れた位置に配置されており、
前記回動トルクの方向は、前記基準方向とは反対側の方向である、
車両。 - 請求項1から7のいずれかに記載の車両であって、
前記力制御装置は、
前記基準大きさが同じであり車速が同じである場合に、前記第1種ロールトルクの方向が、前記基準方向と同じであり、前記1以上の回動輪の回動の角度と直進を示す回動の角度との間の差が大きいほど、前記回動トルクの付与による前記1以上の回動輪の前記回動の追加角速度の大きさが小さくなるように、前記力生成装置を制御する、
車両。
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