JP7449570B2

JP7449570B2 - コントロールモーメントジャイロ及びドライブ・バイ・ワイヤ式ステアリングシステムを用いて二輪車をバランスさせる統合制御方法

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Publication number: JP7449570B2
Application number: JP2020546951A
Authority: JP
Inventors: デイヴィッドアーサーベイリー; ダニエルキーヨンキム
Original assignee: リットモーターズコーポレイション
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: KR20200118907A; EP3762801A1; EP3762801A4; US20210107573A1; WO2019173597A1; JP2021515340A; US11648994B2; CN112292647A

Description

（関連出願）
本出願は、２０１８年３月７日出願の米国仮出願第６２／６３９，９４２号「コントロールモーメントジャイロ及びドライブ・バイ・ワイヤ式ステアリングシステムを用いて二輪車をバランスさせる統合制御方法」の優先権を主張するものであり、その開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。
（技術分野）
本発明の実施形態は、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）ベースの二輪車バランス制御に関する。

本発明の実施形態は、２０１６年３月１７日出願の米国仮出願第６２／３０９，８９３号の優先権を主張する、２０１７年３月１７日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１７／２３０２５「セルフバランス二輪車の制御」の優先権を主張する、２０１８年９月７日出願の米国出願第１６／０８５，９７５号に記載されたようなコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）ベースの二輪車バランス制御に関し、その開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。従来、ＣＭＧベースの二輪車バランス制御は、１又は２以上のＣＭＧを使用して、制御のみがバランストルクを引き起こすように、車輪の地面接触線に平行な軸線周りのトルクを提供する。

一実施形態によるセルフバランス二輪車用の制御ブロック図である。時速２５マイル（ＭＰＨ）の速度での二輪車のロールトルク成分の図である。二輪車の作動時のフロントホイールレート及びＣＭＧジンバルレートを示す。一実施形態による二輪車のＣＭＧジンバルレート及びステアリング導関数を示す。一実施形態による二輪車を制御するためのステアリング補償と共にＣＭＧジンバルレートを示す。一実施形態による補償前のＣＭＧジンバル角偏位を示す。一実施形態による補償後のＣＭＧジンバル角偏位を示す。セルフバランス二輪車用の制御システムの構成要素を示す。本発明の一実施形態を示す。本発明の一実施形態の態様を示す。本発明の一実施形態の態様を示す。本発明の一実施形態によるシミュレーションされた９０度コーナーセットを示す。本発明の一実施形態による時間の関数としての速度のプロットを示す。図４に示すような時間の関数としての速度のプロットに基づいた結果として生じるロール角を示す。本発明の一実施形態による、コーナーに進入し脱出する場合に二輪車に対してバランストルクを提供するためのＣＭＧの動きに関するジンバルレートを示す。本発明の一実施形態による、角度センサにバイアスをかけることで記憶された角運動量（Ｈ）をゼロにすることを示す。本発明の一実施形態によるステアリング角、運転者入力、及び制御トリムのグラフである。本発明の一実施形態によるジンバルレートに比例するトルクを生成するコントロールモーメントジャイロの概略図である。

本発明の一実施形態は、セルフバランス二輪車を制御するための方法、装置、及びシステムを説明する。以下の説明において、実施形態の完全な理解を可能にするために多くの特定の詳細内容が記載されている。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載された技術を、１又は２以上の特定の詳細内容なしで、又は他の方法、構成要素、材料などで実施できることを認識できるであろう。場合によっては、特定の態様が曖昧になるのを避けるために、周知の構造、材料、又は工程は詳細に記載されていない。

図１は、一実施形態によるセルフバランス二輪車の制御ブロック図である。一部の実施形態において、制御フローは、ノイズフィルタ１０２に供給され車両のＩＭＵ交差軸加速度１００を提供する。また、制御値Ｈｃｍｇ１５２は記憶制御値Ｈ１５０に適用され、次に補償フィルタ１５４（ノイズフィルタ１０２と同じ次数とすることができる）によってフィルタ処理される。ノイズフィルタ１０２の出力は、補償フィルタ１５４からの出力から差し引かれ、差分が第１の利得１０４を受け、次に記憶制御値Ｈ１５０にｋ×（ｓ＋１）/ｓ（要素１１０、ｋは定数、ｓはラプラス演算子である）を乗じたものに加えられる。結果として得られた値には、第２の利得１０６が乗じられ、次に補償１０８が加えられる。

一部の実施形態において、ＩＭＵロールレート１２０は、第２の補償フィルタ１２２（この補償フィルタは、ノイズフィルタ未満の次数とすることができる）によってフィルタ処理され、補償１２４が加えられる。その結果は補償１０８から差し引かれ、差分を生成する。一部の実施形態において、この差分にステアリング増強１２８が加えられ、ステアリング増強は以下で詳細に説明する。

一部の実施形態において、この結果は、値ｋ×（τｓ＋１）/ｓ（要素１３０、τは、伝達関数の先頭項の時定数である）が乗じられる。次に、ＣＭＧ利得は、１/ｃｏｓ（β）（要素１３２）で線形化され、ＣＭＧレートコマンド１４０を生成し、このコマンドは第１のＣＭＧ制御１４２及び第２のＣＭＧ制御１４４に提供され、ＣＭＧジンバル角δを生成する。ジンバル角の総和は、ＣＭＧレートコマンドの生成にフィードバックされ、各ＣＭＧジンバル角の間の差分は、記憶Ｈ制御値１５０を生成する。図示のように、ＣＭＧ制御１４２－１４４からのδ（ドット）値をＣＭＧの角運動量であるｈｃｍｇ１４６値及びｈｃｍｇ１４８値に乗じたものの総和は、ＣＭＧロールトルク１６０である。

ジャイロは、回転フライホイールを中心として構築された角運動量保存要素である。フライホイールは、ＣＭＧアレイ（ロールトルクを提供する１又は２以上のＣＭＧを備える）から車両に角運動量を伝えることでトルクアクチュエータとして機能する。角運動量ベクトルが回転すると、回転方向でありかつ角運動量ベクトルに垂直なトルクが発生する。この発生したトルクに対する反トルクは車両に加わる。一方の角運動量ベクトルが上向きで他方の角運動量が下向きであり、これらの回転方向が反対方向の一対のＣＭＧを使用すると、単一軸のトルクがもたらされる。対象の軸はロール軸である。角運動量ベクトルは、上下である必要はないが、公称ベクトル和がゼロであるように配置され、高い精度でもって、角運動量ベクトルの和が車両のロール軸に沿って方向性をもって増大でき維持されるように配置される。対称性は、車両に伝えられる等しくて反対方向の角度モーメントをもたらす。角運動量ベクトルの長さが変わると車両に加えられるトルクが生じる。「ＣＭＧ」は、一般に、剛体の高度制御に特に適用されたジャイロを表す（従来、衛星及び宇宙船に使用された）。以下に説明するように、様々な構成で、ＣＭＧシステムは、セルフバランス二輪車に適用される。

セルフバランス二輪車（本明細書ではバイクとも呼ばれる）の制御は、ロケットの例よりも非常に複雑な力を伴う。路面上の接地点に対する重心（ＣＧ）を示すためにセンサが必要である。バイクがコーナーを横切る際に、重力で打ち消すことが必要な大きな遠心力がかかる。座標系原点が、後ろのタイヤの路面との接点にある場合、ｘ軸は後ろのタイヤから前のタイヤの方向である。そのとき、ｙ軸は進行方向に垂直であり、地面と平行であり、進行方向の右側を示し、ｚ軸は路面の中にある。

一部の実施形態において、加速度計が、二輪車制御システムの角度を測定するために用いられる。このような実施構造において、車体座標系（二輪車に関して不変の座標系）のｙ軸の加速度を検出する加速度計が、ワールド座標系（地球に関する座標系）に基づいて姿勢を測定するジャイロよりも有用なセンサとなる。慣性計測装置（ＩＭＵ）がロール軸である路面の直上に取り付けられる場合、ｙ軸加速度に対して５つの主要成分が存在する。３つの大きな成分は、遠心力に起因する加速度、重力に起因する加速度、及びＣＭＧに起因する加速度である。公称速度での２つの小さな加速度は、前輪及び後輪の角運動量の方向での変化に起因する。

バランス制御自体はｙ軸加速度を用いることはできないが、ＣＭＧ加速度を除く全ての加速度の総和は、バランスを制御するのに必要な物理量である。ｙ軸加速度を合力ベクトルの角度に転換するためには、特定の計算が必要である。直線加速度は、ＩＭＵが車両の中心に置かれる場合、ロール軸（地面）から加速度計までの距離で除算することでロール加速度に転換される。車両が横滑り状態にない場合、重力及び遠心力からの力は、舗装道路とタイヤとの間の力によって打ち消される。タイヤ－舗装道路接触面の力は、ロール軸を介して作用するのでトルクを引き起こさない。ロール加速度に関して、ロールトルクは、ロール軸慣性モーメントで除算することで求めることができる。ＣＭＧが発生したトルクを除去した後の正味トルクは、外乱トルクである。正味トルクは、舗装道路に対するＣＧからの距離に所望のロール角の正弦を乗じた力である。小さな角度に関して、角度の正弦は角度に近似できる。この角度は、バイクが停止した場合又は真っ直ぐ走っている場合の垂直線からの変動である。また、これは、完全に調和されたカーブの周りを進む場合とバイクのロールが始まる場合との間の誤差の角度でもある。

ＩＭＵからの姿勢に関するロール角は、タイヤがスリップしていない場合、前タイヤの方向、及びバイクの前進速度から計算することができる。

一部の実施形態において、加速ユニットを利用する改善された測定は、横加速度が変化するのでタイヤがスリップしていることを即座に検出するための制御を可能にし、結果的に制御はスリップに反応することができる。これは、カーブして進む場合に倒れるのを防止することができる。以下の式で示すように、

［１］
φ：ロール角
ｍ_tf：前タイヤ質量
Ｒ_tfc：前タイヤ接触点での半径
ｍ_f：フレーム質量
ｈ_cg：フレーム重心高さ
ｍ_tr：後タイヤ質量
Ｒ_trc：後タイヤ接触点での半径
ｇ：重力定数
δ ＣＭＧ：ジンバル角
Ｈ_CMG：ＣＭＧの角運動量
Ｑ_rtc：遠心ロールトルクからのトルク
Ｑ_trx：角運動量変化に起因する後タイヤのｘ軸周りのトルク
Ｑ_tfx：角運動量変化に起因する前タイヤのｘ軸周りのトルク
Ｊ_xxeft：ｘ軸周りの有効慣性モーメント
である。

遠心力項は全て共通項を有する。

［２］
Ｐｓｉ（ψ）は前タイヤの角度、ｐはホイールベースである。３つの遠心力は、この項に各タイヤの質量及びフレーム質量を乗じたものである。生成された各トルクは、各成分の重心の高さにロール角の余弦を乗じたものである。ステアリング角が一定の場合、遠心トルクは、速度の２乗で増加し、ロール角が増加してトーションアームがより短くなることによって減少する。車輪からの角運動量トルクは、各車輪の角運動量ベクトルである。これは、後輪のロール角、ステアリング角、及び前輪のロール角の関数である。回転角速度ベクトルと角運動量ベクトルの外積は、トルクベクトルをもたらし、ロール軸に関するこのベクトルの成分は、車輪角運動量の方向の変化に起因するロールトルクである。

加速度計の項は、ロール軸角加速度に、道路上の接触点からＩＭＵへのレバーアームを乗じたものである。バイクに組み込まれたｙ軸は、バイクと共にロールする。ｙ軸加速度をＩＭＵ高さで除算し、バイクＣＧ高さで乗算してこの加速度を重心に対してスケール調整する。次に、ＣＭＧトルクに起因する加速度成分を除去し、これにロール軸周りの有効慣性モーメントを乗じ、これは力成分をもたらす。この結果は、バイクＣＧに作用する合力に、力の方向とロール軸の方向との間の角度の正弦を乗じたものである。これは制御に必要なパラメータであり、このようなパラメータは、即座に車輪スリップを検出し、バイク動力学の幾何学を正確に計算する。この項は、ＩＭＵ姿勢を用いるよりも及びバイク動力学のためにＩＭＵ姿勢を補正しようとする試みよりも高速かつより正確である。

図２は、時速２５マイル（ＭＰＨ）での二輪車のロールトルク成分を示す。ステアリングフィードフォワードは、バイクロールトルク成分の検討から生じる新しい項である。２５ＭＰＨにおいて、積極的なドッグレッグ旋回を行うのに、ロールトルク成分を組み合わせることが図２に示されている。

本例において、遠心力トルクは、ＣＭＧが遠心力を相殺するためにバイクをロールさせることができる前にバイクが完全に旋回するのでオーバーシュートする。理想的には、重力トルクは、遠心トルクと一致し、ＣＭＧトルクを差し引いた全てのトルクの総和はゼロである。この場合、ＣＭＧは、バイクを制御するために２００フィートポンドをはるかに超えるトルクを生成する必要がある。

遠心力につながるこの項を特定するために、前輪角が区別されＣＭＧジンバルレートコマンドに対してプロットされる。

図３は、二輪車の作動時のフロントホイールレート及びＣＭＧジンバルレートを示す。前輪角Ｐｓｉが遠心力を発生させる。補正スケール係数で、ステアリング導関数は、ＣＭＧジンバルレートコマンドをプッシュしてバイクを高速で横転させることができる。さらに、バイクがより速く横転する場合、重力トルクは、遠心トルクを良好に補償することができる。

図４は、実施形態による二輪車に関するＣＭＧジンバルレート及びステアリング導関数を示す。図４において、ｐｓｉドット項は、図３に示すものと同じであるが、ＣＭＧレートコマンドはより速く、一方で振幅はより小さい。ステアリング補償は、遠心力トルク及び重力トルクをより厳密に一致させ、より小さなＣＭＧトルク要求をもたらす。一部の実施形態において、ステアリングレート測定値は、セルフバランス二輪車の制御を改善するために用いることができる。

図５は、実施形態による二輪車のためのステアリング補償（ｐｓｉドット又は

）と共にＣＭＧジンバルレートを示す。図５において、ＣＭＧジンバルレートは、ＣＭＧトルクを反映し、導かれたテアリングレート（φ）は、バイクをより迅速に押し倒すのを助け、非常に小さなＣＭＧ補償要求につながる。遠心トルク及び重力トルクは互いに殆ど鏡映である。前輪及び後輪の回転角運動量からのトルクは、小さいままである。

図６Ａ及び図６Ｂは、実施形態による補償の前後でのＣＭＧジンバル角の偏位を示す。補償後の図６Ｂにおいて、図６Ａに示す補償前の要求に比べて、補償によりＣＭＧジンバル角偏位が著しく低減する。これは、ＣＭＧが一般にプラス又はマイナス７０度の有効範囲しかないので重要である。遠心力誘発トルクの補償は、考慮すべき速度項を有する。

遠心力の式は、

［３］
である。

遠心力は、速度の２乗及び一定の幾何学的カーブに比例し、加力は速度項に比例する。これは、カーブを進む困難性が速度の３乗に比例して高くなることを意味する。オートバイの場合、カーブの半径は、ステアリング角（ｐｓｉ）の関数である。

［４］

［５］

［６］

力を予測するために、力の時間導関数を適用することができる。

［７］
速度が一定であれば時間導関数はゼロである。

［８］
固定幾何学的形状に関して、旋回ｐｓｉドットは速度に比例し、力は速度の３乗に比例する。その結果、理想的な補償は以下のように表すことができる。

［９］
作動の線形領域でのｋは、ＣＭＧジンバルレートコマンドが飽和した場合に必要なｋよりも大きい。中間速度及び極端なロール角につながる速度に関するｋを計算すると、補償は以下の形に適合する。

［１０］
この形ではｋは一定であり、ｎは整数ではなく有理数である。

一部の実施形態において、最後の制御トポロジー考察はステアリング増強である。コンピュータ補償のステアリングを用いると、ＣＭＧ上の負荷が低減し、同様に同じ走行で両方のＣＭＧが故障した起こりそうにない状況でバックアップ制御を提供する。ステアリングホイールのｐｓｉドットを取り除いてステアリングホイールと前輪との間でステアリング増強を加えることで、ステアリング増強は、ＣＭＧジンバルレートコマンドへのフィードフォワードを低減することはない。ステアリング増強は命令されたステアリングに対する補正であり、バイクの補正方向へのロールを開始させる。このように、ステアリング増強は、ステアリングコマンドに比べて逆方向である。これは、リードラグ補償項を用いることで達成され、リードは右側複素平面にある。

図７は、実施形態によるセルフバランス二輪車用の制御システムの要素を示す。一部の実施形態において、制御システム７００は、以下を含むセンサ及びセルフバランス二輪車用の制御要素を含む。
７０５：車両制御のためのデータを処理するための処理要素
７１０：車両に関する特定の力及び角速度を測定するための慣性計測装置（ＩＭＵ）
７１５：車両の横加速度を測定するための加速度計
７２０：車両に関するステアリングコマンドを増強するためのステアリング増強要素
７２５：反対方向を指し示す角運動量ベクトルを有する第１のＣＭＧ及び第２のＣＭＧを含むことができる、１又は２以上のＣＭＧ
７３０：１又は２以上のＣＭＧに関するジンバルレートを制御するための１又は２以上のＣＭＧコントローラ

一部の実施形態において、
（１）二輪車用の制御システムは、ＩＭＵ角の代わりにｙ軸加速度を用いてロール軸角を求める。
（２）二輪車用の制御システムは、ステアリングレートを用いて早期に動かすためにＣＭＧジンバルレートをもたらす。
（３）二輪車用の制御システムは、前輪転向レートの代わりにステアリングホイールコマンドのステアリングレートを求め、次に、レート補償を生じるためにオペレータの操作を車輪の動きから切り離す。これは、ステアリング増強とＣＭＧジンバルレート補償との間の干渉を低減する。

一部の実施形態において、二輪車用の制御システムは、慣性計測装置（ＩＭＵ）；１又は２以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）；１又は２以上のＣＭＧを制御するための１又は２以上のＣＭＧコントローラ；車両の関するｙ軸加速度を測定するための加速度計であって、車両のｙ軸は車両の進行方向に垂直で地面に対して平行である；少なくとも部分的に加速度計で測定したｙ軸加速度に基づいて車両に関するロール角を計算し、少なくとも部分的に計算したロール角に基づいて力成分を決定し、少なくとも部分的に決定した力成分に基づいてＣＭＧジンバルレートに関するＣＭＧコマンドを生成するための処理要素と、を含む。

一部の実施形態において、力成分は、車両の重心上の合力に、力の方向とロール軸の方向との間の角度の正弦を乗じたものである。

一部の実施形態において、加速度計によるｙ軸加速度の測定値によって、横加速度の変化に基づく車両のタイヤの滑りを検出することができる。

一部の実施形態において、１又は２以上のＣＭＧは、角運動量ベクトルが反対方向の２つのＣＭＧを含む。

一部の実施形態において、処理要素は、車両用のステアリングコマンドを修正するためのステアリング増強値をさらに決定し、処理要素は、ステアリング増強値に基づいて力成分及びＣＭＧコマンドを修正する。

一部の実施形態において、二輪車用の制御システムは、慣性計測装置（ＩＭＵ）と；１又は２以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）と；１又は２以上のＣＭＧを制御するための１又は２以上のＣＭＧコントローラと；決定したステアリング増強値によってステアリングコマンドを増強するためのステアリング増強ユニットと；少なくとも部分的にステアリング増強値の適用に基づいて１又は２以上のＣＭＧコントローラに関するＣＭＧコマンドの決定を修正するための処理要素と、を含む。

一部の実施形態において、ステアリング増強値の適用は、ＣＭＧジンバルレートを早める。

一部の実施形態において、ステアリング増強値の適用は、車両を制御するのに必要なＣＭＧ補償量を低減する。

一部の実施形態において、ステアリング増強は、補正方向での車両のロールを開始させ、ステアリング増強は、ステアリングコマンドとは逆の方向である。

一部の実施形態において、ステアリング増強は、１又は２以上のＣＭＧの故障時のバックアップＣＭＧ制御として作動する。

一部の実施形態において、方法は、加速度計を用いて二輪車のｙ軸加速度を測定するステップであって、車両のｙ軸は、車両の進行方向に垂直で地面に対して平行であり、車両が１又は２以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を含む、ステップと；少なくとも部分的に加速度計で測定したｙ軸加速度に基づいて車両に関するロール角を計算するステップと；少なくとも部分的に計算したロール角に基づいて力成分を決定するステップと；少なくとも部分的に決定した力成分に基づいてＣＭＧジンバルレートに関するＣＭＧコマンドを生成するステップと、を含む。

一部の実施形態において、力成分は、車両の重心上の合力に力の方向とロール軸の方向との角度の正弦を乗じたものである。

一部の実施形態において、本方法は、加速度計による測定値を用いて横加速度の変化に基づいて車両のタイヤの滑りを検出するステップをさらに含む。

一部の実施形態において、本方法は、ステアリングコマンドを修正するためのステアリング増強を決定するステップをさらに含む。

一部の実施形態において、ＣＭＧコマンドを生成するステップは、さらに少なくとも部分的にステアリング増強に基づく。

一部の実施形態において、ステアリング増強の適用は、ＣＭＧジンバルレートを早める。

一部の実施形態において、ステアリング増強の適用は、車両を制御するのに必要なＣＭＧ補償量を低減する。

一部の実施形態において、本方法は、１又は２以上のＣＭＧの故障時にステアリング増強を用いるバックアップＣＭＧ制御を提供することを含む。

一部の実施形態において、ステアリング増強は、補正方向での車両のロールを開始させ、ステアリング増強は、ステアリングコマンドとは逆方向である。

本発明のさらなる実施形態は、例えば、自転車、電動自転車（ｅ－バイク）、スクーター、電動スクーター、モーターサイクルなどの二輪車のバランス制御を増強するためにステアリングを利用する能力を付加する。本実施形態による制御アーキテクチャにより、二輪車は、同時に又は交互にメカトロニクス姿勢制御システムを用いて、静止時に又はメカトロニクスコマンドで動的に駆動される間に自立的にバランスすることができる。１又は複数の車輪ステアリングの角度を変更することで生じるトルクは、車両の速度の２乗で増加する。従って、速度ゼロでは影響がなく、車両の最高速度では大きなトルクをもたらす。車両バランス制御用のドライブ・バイ・ワイヤステアリングシステムによるステアリング作動を追加すると、大きな力が必要な場合に高速で車両の安定性が向上し、小型、軽量、ＣＭＧを用いた安定制御が可能になり及び／又は制御車両の俊敏性が向上する。

図８を参照すると、本発明の実施形態８００は、制御対象の二輪車８２５及びシステム構成要素８０１を備え、システム構成要素８０１は、１又は２以上の姿勢センサ（慣性計測装置８０５内）、１又は２以上の平衡状態（ｓｔａｔｅｂａｌａｎｃｅｄ）ノイズフィルタ８１０、制御システム８１５、及び１又は２以上のバランス制御アクチュエータ８２０を含む。

慣性計測装置（ＩＭＵ）１０５は、１又は２以上の姿勢センサから信号を受け取り、二輪車のｙ軸方向の横加速度、及び二輪車のｘ軸方向の回転速度及び回転位置を測定する。本実施形態において、座標系の原点は、後輪が地面と接触する場所であり、ｘ軸は、後輪から前輪の方向における車両のロール軸であり、ｙ軸は、進行方向に垂直で地面に平行であり、進行方向の左側（又は右側）を指し示し、ｚ軸は、進行方向に垂直で上方を指し示す（又は地面の中を指し示す）。

実施形態によれば、二輪車のバランス制御に用いられる２つの測定値、ロールレート及び有効ロール角が存在する。ロールレートは、直接用いることができる。有効ロール角は、２つのベクトル、遠心力及び重力の合力、及び重心から地面に接触する車輪の中心線への方向から成る。有効ロール角は、この２つのベクトルの差分である。

横加速度もジャイロ計算ロール角も二輪車のバランス制御のために直接用いることができない。横加速度は、ｙ軸方向に作用する力のロール成分を測定する。この力は３つの大きな項と３つの小さな項（一次制御では無視できる）を有する。これらのトルク項は、発生源に応じて２つのグループに分けることができる。加速度計は、真空中の自由落下でゼロ加速度を計測する。地面からの上向きの力は、自由落下を妨げる加速力である。この力がＩＭＵのｚ軸に対して平行であると仮定すると、ｙ軸成分は全くない。ｙ軸加速度の力成分は、この力及びこの力を釣り合い状態に至らせる角度の正弦に比例する。

第２種の構成要素は、ＩＭＵ８０５の中の姿勢センサ（例えば加速度計）であり、二輪車に作用するトルクを測定する。トルクは、車輪（タイヤ）の地面接触で発生した力に作用を及ぼす。トルクは、ロール軸の慣性モーメントを加速させ、ＩＭＵをｙ軸方向で加速させる。空力トルクは、１つの実施形態において、二輪車（例えば、モーターサイクル）のほぼ対称性に起因して、遠心力が発生したトルクに比べて小さい。また、車輪の回転角度モーメントによって生じたトルクは、図２及び４に示すように小さい。図２及び４から分かるように、１又は２以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）によるトルクは有意であり、測定値内のノイズ成分は適切に調整されたＣＭＧジンバルレート信号を差し引くことで除去することができる。これにより、直進又は旋回中に関わらず作動点の周りでの二輪車のアンバランス状態の測定値である信号が得られる。

姿勢センサで行われる他の姿勢測定は、車体角度のジャイロ測定である。これは、二輪車が垂直方向に真っ直ぐであるか否かの情報を提供し、これは車両が直線上を進んでいる間に卓越するが、車両が曲がり角を進む場合にエラーになる。速度の関数として適切なロール角に関する計算値は、ジャイロ角度測定値と比較するために用いることができるが、タイヤが舗装道路上でスリップする場合、速度測定値に誤差がある。

バランス制御の第２のモジュールは、協調（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ）ノイズフィルタ８１０であり、ロールトルクからフィルタ出力までのシステム利得の大きさは、交差しない。二輪車のロール軸に加わるトルクから種々のノイズフィルタの出力までの利得は、高周波数ではボード線図と同じ傾きをもつ必要があり、高周波数では同じ位相シフトである。トルクからトルクは代数的であり、トルクからロールレートは単積分であり、トルクから位置は二重積分である。このことは、ロールレート用のノイズフィルタは位置フィルタよりも１つ多い極を有し、加速度ノイズフィルタは、位置フィルタよりも２つ多い極を有することを意味する。３つの並列ループを用いて、高周波数ボード線図は、並列補償デザインに起因して、高周波数でゼロになるのを防ぐために交差しない。ラプラス領域の左側平面でのゼロは安定するが、右側平面でのゼロは極をそれに向かって引き寄せ、不安定になる。従って、１つの実施形態では、フィルタは、実行できないように設計される。他の実施形態において、最大利得分岐に関するより緩やかな傾き、及び小利得分岐でのより大きな傾きは、高周波数でゼロが生じるのを防ぐ。

制御システム８１５は、協調ノイズフィルタ８１０の出力に接続され、制御される同じパラメータ作用する２つのアクチュエータを用いる位置制御を提供する。

図９Ａに示す実施形態９００を参照すると、角度誤差加速度計９０５は、加速度計信号を受け取り、角度誤差ｋｐ２１０を生成する。同様に、ＣＭＧジンバルレート生成加速度９１５は、角度成分１－ｋｐ９２０をもたらす。比例利得ｋｐの値は、ゼロから１の間であり、２つの等しい経路の総計を１にする。最適な性能は、ｋｐが１の場合である。誤差の総計は、利得ｋｐｈｉ９３０を通過し、１つの実施形態では、姿勢誤差のラジアン毎のレートコマンドの毎秒のラジアン単位を有する。加算器９２５の結果としてのロールレートコマンドは、フィルタ処理されたロールレート９３５と比較され、リード９４５、９５５、９５０、及び９６０を有する積分器を含むネットワークを通過する。その結果は出力９６５でのトルクコマンドである。

図９Ｂを参照すると、トルクコマンド９６５は２つの経路９６５Ａ及び９６５Ｂに分かれる。各経路は、ＣＭＧ制御のための二輪車動力学を通るループ利得が、ステアリング制御及びアクチュエータ経路に対して等しいように補償される。各制御経路は協調して動作するので、各々は、速度領域で支配され、ここで最良に動作する。

この制御構成は、車両制御における優れた改善をもたらす。ＣＭＧの特性は、ロールトルクアクチュエータとして用いるために、限定された角運動量が存在するようなものである。角運動量は、トルク秒のユニットをもち、このため限られた時間でトルクを生成する角運動量を転換することができる。二輪車の停車時又は低速度で旋回させることを含む低速移動時に、バイクをバランスさせるのに利用できる十分なトルクがある。速度が増加すると、遠心力が発生するトルクが速度の２乗で増加する。バランス制御のためにステアリング安定性増強を追加すると、同様に速度の２乗で増加するトルクが可能になる。ステアリング利得は低速では低減され、車両が停止すると無くなるが、高速挙動では完全に有効である。

本発明の実施形態による、増強されたステアリング制御システムは、図１０に示すように、シミュレーションした９０度のカーブセット１０００、１００５、１０１０、１０１５、及び１０２０を使用し、各々は、前に対して２倍の旋回半径を有する。

このシミュレーションは、安定性が車両の全速度範囲にわたって得られることを示した。全速度範囲の生成において、第１のカーブはロール角５度の速度を用い、第２のカーブはロール角１５度の速度を用い、第３のカーブは２５度、第４のカーブは３５度、第５のカーブは４５度であった。図１１を参照すると、時間の関数としての速度のプロットは、６つの速度段階を示し、例えば、時速１００マイルは第５旋回の後である。結果として得られたロール角は図１２に示されている。

コントロールモーメントジャイロは、図１６に示すジンバルレートに比例するトルクを生成する。フライホイール１６００は、スピン軸の周りを回転して角運動量Ｈ１６１０を生成する。スピン軸に垂直な軸Ｇ１６２０を有するジンバルは、角運動量ベクトルを回転させる。角運動量ベクトルＨが回転すると、トルクＱ１６３０が発生する。反力トルクＱＲ１６４０は、トルクＱ１６３０に等しく反対方向である。この反力トルクは、車両が受けるトルクである。ジンバルがより速く回転するとより大きなトルクが発生し、トルクベクトルがより速く歳差運動する。トルクは、各コーナーで加えられ、その内外に遷移する。図１３に示すジンバルレートは、曲がり角に入退出する場合のバランストルクを提供するためのＣＭＧの動きを示す。

ＣＭＧジンバル角は、図１の記憶された角運動量制御１４２、１４４、及び１５０、並びに図９Ｂの９７３を用いてゼロ（中心）位置に戻される。図１４から分かるように、記憶された角運動量（Ｈ）は、車両角度センサにバイアスをかけることでゼロに戻される。

最後に、図１５を参照すると、ステアリング角は、２つの項、運転者入力（図１５のＤｒｉｖｅｒ）及び制御トリム（図１５のｐｓｉｔｒｉｍ）で構成される。ステアリング角ｐｓｉ（ψ）は、図９Ｂのステアリング制御ループ９８０で生成されたトリム項を有する。ステアリングホイールの安定トリム運動は、ステアリングホイールの運動が速度の２乗に比例するトルクを生成するので、車両の速度が増加すると小さくなる。

運転者シミュレーションは、二輪車を前方の道路の好ましい位置に向ける運転者又は制御（例えば、遠隔制御）である。道路内の目標位置は、速度が高くなるにつれて車両に対して前方に移動する。運転者は二輪車をバランスさせるために何も試行せず、全てのバランスは制御によって達成される。１つの実施形態において、ステアリングは、ドライブ・バイ・ワイヤを含むいくつかの異なる方法で機械化することができ、ドライブ・バイ・ワイヤでは、機械的バックアップと運転者を切り離すクラッチによって制御ステアリングが可能になり、ステアリングの制御部は、ステアリングホイールを回転させるためのサーボアクチュエータを制御するコンピュータ又は処理要素によって遂行される。他の実施形態において、機械的差動装置は、ステアリングホイールの機械的動作とサーボアクチュエータによる制御動作とを合わせる。モータは、安定性増強制御のために電源オフされ、バックアップモードだけで機械的に係合するブレーキを有している。ステアリングは、前輪、後輪、又は両方とすることができる。従って、二輪車は、運転者が二輪車を安定させるとき考慮することなく、従来の自動車のような制御で運転することができる。

統合制御は、ＣＭＧバランス制御のみを備えたセルフバランスモータサイクル又は二輪車上でトラクション喪失からの回復を改善する。１つの実施形態において、スリップ時、ＣＭＧバランス制御は、二輪車を真っ直ぐにし始めることができ、低摩擦領域を通過して高摩擦面上への復帰が始まると、ステアリングの増強安定は、乾燥した舗装道路上でスリップしている車輪からの過大トルクを低減することができる。例えば氷上の滑材から乾燥した舗装道路に達すると、車輪及び運動方向は同じではなく、乾燥した舗装道路上でスリップしているタイヤの回復距離があり、全ての機構をローリング状態に戻すようになっている。

上述の説明は、例示であって、本発明を限定するものではないことを理解されたい。上述の説明を読んで理解すると、当業者には多くの他の実施形態が明らかであろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載された本発明の全均等範囲と共に、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきである。

上述の詳細な説明の幾つかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに基づきアルゴリズム及び演算の記号による表示によって提供されている。これらアルゴリズムによる記述及び表示は、データ処理技術における当業者によって用いられ、かかる当業者の仕事の実質的内容を他人に最も効果的に伝える手段である。アルゴリズムがここでは、一般に、所望の結果をもたらすつじつまの合う一連の演算であると考えられる。これら演算は、物理量の物理的操作を必要とする演算である。通常、必ずしも必要であるというわけではないが、これら物理量は、記憶可能であり、伝送可能であり、組み合わせ可能であり、比較可能であると共に違ったやり方で操作可能な電気信号又は磁気信号の形態を取っている。これら信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、数等として表すことは、主として共通使用の理由で場合によっては好都合であることが分かっている。

しかしながら、念頭に置くべきこととして、これらの用語及び類似の用語の全ては、適当な物理量と関連すべきでありしかもこれら物理量に付けられる都合の良いラベルであるに過ぎない。具体的な別段の指定がなければ、上述の説明から明らかなように、明細書全体を通じて、例えば「捕捉する」、「伝送する」、「受け取る」、「構文解析する」、「形成する」、「モニタする」、「開始する」、「実施する」、「追加する」等の用語を利用した説明がコンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理（例えば、電子）量として表されたデータを操作してこれらをコンピュータシステムメモリ若しくはレジスタ又は他のかかる情報格納、伝送又は表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータ計算装置の行為及びプロセスを意味していることは理解されよう。

また、本開示の実施形態は、本明細書において説明した演算又は操作を実施する電気回路、論理、又はプロセッサ実行ソフトウェアモジュールによる装置に関する。この装置は、必要な目的で特別に構成することができ、あるいは、コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に起動され又は再構成される汎用コンピュータで構成することでできる。このようなコンピュータプログラムは、非一過性コンピュータ可読記憶媒体、例えば、フロッピディスク、光ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ及び磁気－光ディスクを含む任意形式のディスク、読み取り専用記憶装置（ＲＯＭ）、読み取り書き込み記憶装置（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気、もしくは光カード又は電子命令を記憶するのに適した任意形式の媒体（これらには限られない）に記憶することができる。

上述の詳細な説明の幾つかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに基づきアルゴリズム及び演算の記号による表示によって提供されている。これらアルゴリズムによる記述及び表示は、データ処理技術における当業者によって用いられ、かかる当業者の仕事の実質的内容を他人に最も効果的に伝える手段である。アルゴリズムがここでは、一般に、所望の結果をもたらすつじつまの合う一連のステップであると考えられる。これらステップは、物理量の物理的操作を必要とするステップである。通常、必ずしも必要であるというわけではないが、これら物理量は、記憶可能であり、伝送可能であり、組み合わせ可能であり、比較可能であると共に違ったやり方で操作可能な電気信号又は磁気信号の形態を取っている。これら信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、数等として表すことは、主として共通使用の理由で場合によっては好都合であることが分かっている。

しかしながら、念頭に置くべきこととして、これらの用語及び類似の用語の全ては、適当な物理量と関連すべきでありしかもこれら物理量に付けられる都合の良いラベルであるに過ぎない。具体的な別段の指定がなければ、上述の説明から明らかなように、明細書全体を通じて、例えば「捕捉する」、「決定する」、「分析する」、「駆動する」等の用語を利用した説明がコンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内で物理（例えば、電子）量として表されたデータを操作してこれらをコンピュータシステムメモリ若しくはレジスタ又は他のかかる情報格納、伝送又は表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに変換するコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータ計算装置の行為及びプロセスを意味していることは理解されよう。

上記において提供されたアルゴリズム及びディスプレイは、本来、任意特定のコンピュータ又は他の装置には関連していない。種々の汎用システムを本明細書において説明した教示に従ってプログラムに使用することができ、或いは、必要な方法ステップを実施するためにより専用の装置を構成することが好都合であると言える場合がある。種々のこれらのシステムに必要な構造は、以下の説明から明らかであろう。加うるに、本発明は、任意特定のプログラミング言語を用いて本発明を説明していない。理解されるように、本明細書において説明した本発明の教示を具体化するために種々のプログラミング言語を用いることができる。

本明細書全体を通じて「一実施形態」又は「実施形態」と言った場合、これは、この実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。従って、上記説明全体を通じて種々の場所で「一実施形態では」又は「実施形態では」という語句が記載されていることによっては、必ずしもこれらが全て同一の実施形態を意味するものではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性を１又は２以上の実施形態において何らかの適切な仕方で組み合わせることができる。

説明の目的で特定の実施形態を参照して上述の説明を行った。しかしながら、上述の説明は、網羅的ではなく、もしくは、本発明を開示した形態そのものに限定するものではない。上述の教示を考慮して多くの改造及び変形が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実用的用途を最も良く説明するために選択されると共に説明してあり、それにより、当業者は、想定される特定の用途に適合するように種々の実施形態に種々の改造を加えてこれら実施形態を最適利用することができる。

方法及びプロセスは、特定のシーケンス又は順番で示されているが、別段の指定がなければ、行為の順序を変更することができる。従って、上述の方法及びプロセスは、例示としてのみ理解されるべきであり、上述の方法及びプロセスは、別の順序で実施でき、幾つかの行為は、並行に実施できる。加えて、１又は２以上の行為は、本発明の種々の実施形態では省略可能であり、従って、全ての具体化において全ての行為が必要であるというわけではない。他のプロセスフローの採用が可能である。

Claims

二輪車用のバランス制御システムであって、
角運動量を生成する１又は２以上のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）と、
前記二輪車に関するｙ軸加速度を、遠心力による前記二輪車の加速度と、重力による前記二輪車の加速度と、前記１又は２以上のＣＭＧによる前記二輪車の加速度との組合わせに基づいて測定するための加速度計であって、前記二輪車のｙ軸は、前記二輪車の進行方向に垂直でありかつ地面に対して平行であり、該加速度計によって測定された前記ｙ軸加速度に少なくとも部分的に基づいて第１の角度誤差を生成する、加速度計と、
１又は２以上のＣＭＧに関するジンバルレートを制御する１又は２以上のＣＭＧコントローラと、
処理装置と、を備え、
前記処理装置は、
前記加速度計で測定された前記ｙ軸加速度に少なくとも部分的に基づいて前記二輪車に関するロール角を計算し、
前記計算されたロール角に少なくとも部分的に基づいて力成分を決定し、
前記決定された力成分と、所望車両ロールレートと前記ＣＭＧによって計測された車両ロールレートとの差とに基づいて前記１または２以上のＣＭＧに関するジンバルレートを制御するＣＭＧコントローラのためのＣＭＧコマンドを生成し、前記１または２以上のＣＭＧに関する前記ジンバルレートに基づいて第２の角度誤差を生成し、
前記第１の角度誤差と第２の角度誤差の合計を算出し、
前記第１の角度誤差と第２の角度誤差の合計に基づいてロールレートコマンドを生成し、
前記加速度計から受け取った測定値にノイズフィルタを適用することによってフィルタ処理されたロールレートを生成し、
前記ロールレートコマンドと、前記フィルタ処理されたロールレートとを比較し、
前記ロールレートコマンドと前記フィルタ処理されたロールレートとの比較に基づいてトルクコマンドを生成し、
前記１又は２以上のＣＭＧコントローラが前記１または２以上のＣＭＧに関するジンバルレートを制御し前記トルクコマンドに少なくとも部分的に応答して前記角運動量を変更し、さらに、
前記トルクコマンドに少なくとも部分的に応答してステアリングコマンドを増強するステアリング増強ユニットと、を備えている、
ことを特徴とするバランス制御システム。
二輪車用のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）によって記憶された角運動量を制御する方法であって、
前記ＣＭＧアレイによって記憶されている前記二輪車の角運動量の合計および合計角運動量の残部として、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）のアレイによって記憶されている角運動量を決定し、
前記ＣＭＧアレイに記憶された角運動量に基づいてロール角センサ内のオフセットを算出し、遠心力、重力を含む１または２以上の力からの外力の合計が、前記二輪車への外部トルクを生成するように前記ロール角センサにバイアスをかけ、前記CMGによって記憶されている角運動量をゼロに再記憶する、
ことを特徴とする方法。