JPWO2014033789A1 - 倒立型移動体及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明にかかる倒立型移動体は、多重化された複数の制御系を備え、複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する。制御系は、複数の制御系のうち、少なくとも１つの制御系を縮退した倒立制御に切り替えられたことを検出する切替検出部と、切替検出部によって倒立制御の切り替えが検出された場合、倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して倒立型移動体の倒立制御を行う倒立制御部と、を有する。

Description

本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関し、特に、多重化された複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する倒立型移動体を制御する技術に関する。

人間を運ぶための車両として、特許文献１及び特許文献２に開示されるような２つの車輪を有する車両が検討されてきている。このような倒立二輪車では、制御の安定性を確保する必要がある。

特表２００４−５１０６３７号公報 特表２００３−５０２００２号公報

倒立二輪車には、倒立二輪車における制御系を二重化することで、制御の安定性を確保しているものがある。しかしながら、倒立二輪車における構成部品の故障等によって、その影響を受ける制御系を縮退して、単一系（片系）によって制御を行っている場合には、制御の安定性を確保することは難しくなってしまう。

その理由は、単一系によって制御を行っている場合には、車輪にトルクを与えるモータを駆動するための駆動電流を１つの制御系からしか供給することができなくなってしまうからである。そのため、モータから車輪に対して与えることができるトルクが減少し、制御の安定性を確保することは難しくなってしまうという課題がある。

本発明は、上述した知見に基づいてなされたものであって、多重化された複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する倒立型移動体において、制御の安定性を、より向上することが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目的とする。

本発明の第１の態様にかかる倒立型移動体は、多重化された複数の制御系を備え、当該複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する倒立型移動体であって、前記制御系は、前記複数の制御系のうち、少なくとも１つの制御系を縮退した前記倒立制御に切り替えられたことを検出する切替検出部と、前記切替検出部によって前記倒立制御の切り替えが検出された場合、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して前記倒立型移動体の倒立制御を行う倒立制御部と、を有するものである。

本発明の第２の態様にかかる制御方法は、多重化された複数の制御系によって、車輪にトルクを与えて駆動することで倒立型移動体を倒立制御して移動させる制御方法であって、前記複数の制御系のうち、少なくとも１つの制御系を縮退した前記倒立制御に切り替えられたことを検出する切替検出ステップと、前記倒立制御の切り替えが検出された場合、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して前記倒立型移動体の倒立制御を行う倒立制御ステップと、を備えたものである。

上述した本発明の各態様によれば、多重化された複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する倒立型移動体において、制御の安定性を、より向上することが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にかかる倒立二輪車を概要構成に示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかるモータ制御の概念図である。 運動方程式を説明するための倒立振子を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる制御装置の構成を示すブロック図である。

＜発明の実施の形態１＞
図１を参照して、本発明の実施の形態１にかかる倒立二輪車１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる倒立二輪車１を概要構成に示す図である。

倒立二輪車１は、ステッププレート３に搭乗した搭乗者が、倒立二輪車１の前後方向に荷重を作用させた際における、前後方向への倒立二輪車１の姿勢角をセンサで検出し、この検出結果に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように左右の車輪２を駆動するモータを制御する。すなわち、倒立二輪車１は、ステッププレート３に搭乗した搭乗者が前方に荷重を作用させて倒立二輪車１を前方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように前方に加速し、搭乗者が後方に荷重を作用させて倒立二輪車１を後方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように後方に加速するように、左右の車輪２を駆動するモータを制御する。倒立二輪車１は、制御の安定性を確保するために、モータを制御する制御系が２重化されている。

なお、これらのモータの制御は、倒立二輪車１に搭載された制御装置によって行われる。制御装置については、図２を参照して後述する。

続いて、図２を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の構成について説明する。図２を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の構成を示すブロック図である。

制御装置１０は、マイクロコントローラ１１、１２（以下、「マイコン」とも呼ぶ）、ＤＣＤＣコンバータ（以下、「ＤＣＤＣ」とも呼ぶ）１３、１４、バッテリ１５、１６、インバータ１７〜２０、リレー回路（以下、「リレー」とも呼ぶ）２１〜２４、モータ２５、２６、回転角センサ２７〜３０、姿勢角センサ３１、３２、及び荷重センサ３３、３４を有する。

制御装置１０は、倒立二輪車１の制御の安定性を確保するために、１系の制御系と２系の制御系とに二重化させた二重系システムとなっている。１系は、マイコン１１、ＤＣＤＣコンバータ１３、バッテリ１５、インバータ１７、１８、リレー２１、２２、回転角センサ２７、２８、姿勢角センサ３１、及び荷重センサ３３を含む。２系は、マイコン１２、ＤＣＤＣコンバータ１４、バッテリ１６、インバータ１９、２０、リレー２３、２４、回転角センサ２９、３０、姿勢角センサ３２、及び荷重センサ３４を含む。

マイコン１１、１２のそれぞれは、姿勢角センサ３１、３２から出力される姿勢角信号に基づいて、上述したように、倒立状態を維持するようにモータ２５、２６を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）である。マイコン１１、１２のそれぞれは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶部を有し、記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、本実施の形態におけるマイコン１１、１２のそれぞれとしての処理を実行する。すなわち、マイコン１１、１２のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、本実施の形態におけるマイコン１１、１２のそれぞれにおける処理を、ＣＰＵに実行させるためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、ＣＰＵにおける処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。

マイコン１１は、モータ２５を制御する指令値をインバータ１７に出力する。また、マイコン１１は、モータ２６を制御する指令値をインバータ１８に出力する。マイコン１２は、モータ２５を制御する指令値をインバータ１９に出力する。また、マイコン１２は、モータ２６を制御する指令値をインバータ２０に出力する。

ここで、マイコン１１は、回転角センサ２７から出力される、モータ２５の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ２５をフィードバック制御するように、インバータ１７に対する指令値を生成する。また、マイコン１１は、回転角センサ２８から出力される、モータ２６の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ２６をフィードバック制御するように、インバータ１８に対する指令値を生成する。マイコン１２は、回転角センサ２９から出力される、モータ２５の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ２５をフィードバック制御するように、インバータ１９に対する指令値を生成する。また、マイコン１２は、回転角センサ３０から出力される、モータ２６の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ２６をフィードバック制御するように、インバータ２０に対する指令値を生成する。

なお、マイコン１１は、ＤＣＤＣ１３から供給される電力に基づいて動作する。また、マイコン１２は、ＤＣＤＣ１４から供給される電力に基づいて動作する。

ＤＣＤＣ１３は、バッテリ１５から供給される電力における電圧を、マイコン１１への供給に適した電圧に変圧して、その電力をマイコン１１に供給する。ＤＣＤＣ１４は、バッテリ１６から供給される電力における電圧を、マイコン１２への供給に適した電圧に変圧して、その電力をマイコン１２に供給する。

バッテリ１５、１６のそれぞれは、制御装置１０に対して、その動作に必要な電力を供給する。具体的には、バッテリ１５は、マイコン１１の動作に必要な電力をＤＣＤＣ１３に供給する。また、バッテリ１６は、マイコン１２の動作に必要な電力をＤＣＤＣ１４に供給する。

インバータ１７は、マイコン１１から出力された指令値に基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことで、バッテリ１５から供給される電力から、モータ２５を駆動する駆動電流を生成し、リレー２１を介してモータ２５に供給する。インバータ１８は、マイコン１１から出力された指令値に基づいて、ＰＷＭ制御を行うことで、バッテリ１５から供給される電力から、モータ２６を駆動する駆動電流を生成し、リレー２２を介してモータ２６に供給する。インバータ１９は、マイコン１２から出力された指令値に基づいて、ＰＷＭ制御を行うことで、バッテリ１６から供給される電力から、モータ２５を駆動する駆動電流を生成し、リレー２３を介してモータ２５に供給する。インバータ２０は、マイコン１２から出力された指令値に基づいて、ＰＷＭ制御を行うことで、バッテリ１６から供給される電力から、モータ２６を駆動する駆動電流を生成し、リレー２４を介してモータ２６に供給する。

リレー２１は、マイコン１１による１系の構成部品の故障検出に応じて行われる、マイコン１１からの制御に応じて、インバータ１７とモータ２５とを分離する。リレー２２は、マイコン１１による１系の構成部品の故障検出に応じて行われる、マイコン１１からの制御に応じて、インバータ１８とモータ２６とを分離する。リレー２３は、マイコン１２による２系の構成部品の故障検出に応じて行われる、マイコン１２からの制御に応じて、インバータ１９とモータ２５とを分離する。リレー２４は、マイコン１２による２系の構成部品の故障検出に応じて行われる、マイコン１２からの制御に応じて、インバータ２０とモータ２６とを分離する。このように、故障した制御系をモータ２５、２６から分離することによって、誤制御を防止し、制御における安全性を担保する。

モータ２５、２６のそれぞれは、二重巻のモータである。モータ２５は、インバータ１７からリレー２１を介して供給される駆動電流と、インバータ１９からリレー２３を介して供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ２５を駆動することによって、倒立二輪車１の左側の車輪２が回転する。モータ２６は、インバータ１８からリレー２２を介して供給される駆動電流と、インバータ２０からリレー２４を介して供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ２６を駆動することによって、倒立二輪車１の右側の車輪２が回転する。

回転角センサ２７は、モータ２５の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してマイコン１１に出力する。回転角センサ２８は、モータ２６の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してマイコン１１に出力する。回転角センサ２９は、モータ２５の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してマイコン１１に出力する。回転角センサ３０は、モータ２６の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してマイコン１１に出力する。

姿勢角センサ３１、３２のそれぞれは、搭乗者がステッププレート３に対して、倒立二輪車１の前後方向に荷重を作用させた際における、倒立二輪車１の前後方向に対する姿勢角を検出し、検出した姿勢角を示す姿勢角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。姿勢角センサ３１、３２のそれぞれは、例えば、加速度センサ及びジャイロセンサによって、倒立型移動体１の姿勢角を検出するように構成される。

荷重センサ３３、３４のそれぞれは、ステッププレート３に作用する搭乗者からの荷重を検出し、検出した荷重を示す荷重信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。

ここで、図３を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御の安定性を向上する方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態１にかかるモータ制御の概念図である。

モータ２５、２６のそれぞれは、上述したように、二重巻となっている。具体的には、モータ２５は、コイル２５１とコイル２５２との二重巻となっており、モータ２６は、コイル２６１とコイル２６２との二重巻となっている。モータ２５は、マイコン１１からリレー２１を介してコイル２５１に対して供給される駆動電流と、マイコン１２からリレー２３を介して供給されるコイル２５２に対して供給される駆動電流によって駆動される。モータ２６は、マイコン１１からリレー２２を介してコイル２６１に供給される駆動電流と、マイコン１２からリレー２４を介して供給されるコイル２６２に駆動電流によって駆動される。

このように、二重系での動作時には、モータ２５、２６に対して、２つの制御系から駆動電流を供給して駆動することができるため、モータ２５、２６から倒立二輪車１の車輪に対して大きなトルクを与えて駆動することが可能である。それに対して、片方の制御系を縮退して単一系で動作している場合には、モータ２５、２６に対して、１つの制御系のみから駆動電流を供給して駆動することになるため、二重系での動作時と比較して、半分のトルクでしかモータ２５、２６を駆動することができないことになる。

また、ここで、式（１）（２）として、倒立二輪車の運動方程式を示す。なお、式（１）（２）は、厳密には、図４に示すような倒立振子の運動方程式となるが、ほぼ同様に考えることができる。式（１）（２）は、一般的な倒立振子の式となるため、その導出方法については説明を省略する。式（１）は、倒立二輪車の加速度を示す運動方程式となり、式（２）は、倒立二輪車における姿勢角の角加速度を示す運動方程式である。ｖは倒立二輪車の速度を示す。θは姿勢角を示す。ｕ（ｔ）はトルクを示す。Ｄは倒立二輪車の摩擦係数を示す。ｍは振子（搭乗者）の質量（体重）を示す。ｍｃは倒立二輪車の質量を示す。Ｍは４ｍｃ＋ｍを示す。ｇは重力加速度を示す。ｌは振子（搭乗者）の重心からの長さを示す。

この運動方程式によれば、搭乗者の体重が増加すると、倒立維持に必要なトルクが増大することが分かる。したがって、単一系で動作している状況下で、ステッププレート３に対する搭乗者からの荷重が大きい場合には、トルク不足によって制御が不安定となるリスクが増大することになる。

一方で、この運動方程式によれば、姿勢角θが倒れれば倒れるほど倒立維持に必要なトルクが大きくなる（いわゆる、物理特性）ことが分かる。また、速度ｖが大きくなれば大きくなるほど倒立維持に必要なトルクが大きくなる（いわゆる、粘性の影響）ことが分かる。すなわち、姿勢角θ及び速度ｖの少なくとも１つを制限することで倒立維持に必要なトルクを抑えることが可能となる。

そこで、本実施の形態１では、マイコン１１、１２のそれぞれは、単一系で動作しているときに、荷重センサ３３、３４のそれぞれから出力される荷重信号に基づいて、搭乗者からの荷重（搭乗者が有する荷物の荷重も含む）が重いと判定される場合には、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があるものと判定する。そして、この場合には、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して倒立二輪車１の倒立制御を行うことで、倒立維持に必要なトルクを低減して、倒立二輪車１の制御の安定性を確保する。以下、その処理について説明する。

続いて、図５を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の処理について説明する。図５を参照して、本発明の実施の形態１にかかる制御装置１０の処理を示すフローチャートである。

マイコン１１、１２は、１系と２系の制御系のいずれも縮退していない二重系モードか否かを判定する（Ｓ１）。具体的には、マイコン１１又はマイコン１２は、自制御系における異常（自制御系に含まれる構成部品の故障等）を検出した場合に、自制御系を縮退するとともに、その旨を通知する情報を、他方の制御系のマイコン（マイコン１１又はマイコン１２）に出力する。この情報を受けた場合、マイコン（マイコン１１又はマイコン１２）は、他方の制御系が縮退されており、二重系モードで動作していない（単一系モードで動作している）と判定する（Ｓ１：Ｎｏ）。この情報を受けていない場合、マイコン１１、１２は、二重系モードで動作していると判定する（Ｓ１：Ｙｅｓ）。

なお、上述したように、マイコン１１、１２のそれぞれは、自制御系を縮退する場合には、自制御系に含まれるリレー（リレー２１、２２又はリレー２３、２４）を切り替えることで、自制御系に含まれるインバータ（インバータ１７、１８又はインバータ１９、２０）とモータ２５、２６とを分離する。このように、故障した制御系をモータ２５、２６から分離することによって、誤制御を防止し、制御における安全性を担保する。

以下、マイコン１１が、自制御系における異常を検出して、１系の制御系を縮退するとともに、１系に属するマイコン１１が、その旨をマイコン１２に通知した場合について例示する。すなわち、マイコン１２において、二重系モードでないと判定された場合について例示する。なお、言うまでもなく、マイコン１２によって２系の制御系の異常が検出されて、２系の制御系が縮退された場合も、マイコン１１によって同様にして処理を行うことが可能である。

二重系モードでないと判定した場合、マイコン１２は、単一系でトルク不足となるリスクが増加する要因をチェックする（Ｓ２）。具体的には、本実施の形態１では、マイコン１２は、荷重センサ３４から出力される荷重信号に基づいて、ステッププレート３に作用する荷重が、所定の閾値（荷重）よりも大きいか否かを判定する。すなわち、マイコン１２は、荷重信号が示す荷重が、所定の閾値（荷重）よりも大きいか否かを判定する。そして、荷重信号が示す荷重が所定の閾値よりも大きいと判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題があると判定する（Ｓ３：Ｎｏ）。また、荷重信号が示す荷重が所定の閾値以下であると判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題がないと判定する（Ｓ３：Ｙｅｓ）。

マイコン１２は、ステップＳ２におけるチェックで問題があると判定した場合（Ｓ３：Ｎｏ）、倒立維持に必要なトルクが低減するように、倒立二輪車１の制御内容を制限する（Ｓ４）。具体的には、以下の（１）及び（２）の制限方法のうち、少なくとも１つによって、倒立二輪車１の制御内容を制限する。

（１）倒立二輪車１の速度を制限する
（２）倒立二輪車１の許容姿勢角を制限する

これは、式（１）及び（２）を参照して説明したように、倒立二輪車１の姿勢角θ及び速度ｖの少なくとも１つを制限することで倒立維持に必要なトルクを抑えることが可能となるからである。

まず、（１）の制限方法について説明する。（１）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度の上限値を、荷重信号が示す荷重に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、倒立二輪車１に対する荷重が増加するに従って、倒立制御に必要なトルクも増加するが、倒立二輪車１の速度を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、荷重が大きくなるに従って、より小さくなるように速度の上限値を決定する。なお、荷重の大きさに応じた速度の上限値は、例えば、荷重の大きさから、その荷重に適した速度の上限値を特定可能なテーブル、又は、荷重の大きさから、その荷重に適した速度の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度が、決定した上限値以下の速度となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

例えば、二重系モード時において、搭乗者によって倒立二輪車１の姿勢角が、ある姿勢角Θとされた場合には、２つの制御系におけるマイコン１１、１２は、倒立二輪車１の速度が２Ｖとなるように、モータ２５、２６に駆動電流を供給するものと仮定して説明する。また、搭乗者からの倒立二輪車１に対する荷重に基づいて、倒立二輪車１の速度の上限値がＶに決定されたものと仮定して説明する。

この場合、搭乗者によって倒立二輪車１の姿勢角がΘとされたときに、単一系モード時でも倒立二輪車１の速度が２Ｖとなるように、モータ２５、２６に駆動電流を供給することが可能な場合であっても、倒立二輪車１の速度がＶ以下に制限されるように、モータ２５、２６に供給する駆動電流を制限する。言い換えると、マイコン１２は、インバータ１７、１８からモータ２５、２６に供給される駆動電流によって、倒立二輪車１の速度がＶ以下に制限されるように、インバータ１７、１８に対して出力する指令値を制御する。すなわち、マイコン１２は、回転角センサ２９、３０のそれぞれから出力される回転角信号が示す回転角から算出される倒立二輪車１の速度が、上限値Ｖを超えてしまうと判定した場合、モータ２５、２６に供給する駆動電流を減少させることで、倒立二輪車１の加速を抑制して、倒立二輪車１の速度が上限値Ｖ以下に維持されるようにする。

続いて、（２）の制限方法について説明する。（２）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角の上限値を、荷重信号が示す荷重に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、倒立二輪車１に対する荷重が増加するに従って、倒立制御に必要なトルクも増加するが、倒立二輪車１の姿勢角を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、荷重が大きくなるに従って、より小さくなるように姿勢角の上限値を決定する。なお、荷重の大きさに応じた姿勢角の上限値は、例えば、荷重の大きさから、その荷重に適した姿勢角の上限値を特定可能なテーブル、又は、荷重の大きさから、その荷重に適した姿勢角の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角が、決定した上限値以下の姿勢角となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

例えば、搭乗者からの倒立二輪車１に対する荷重に基づいて、倒立二輪車１の姿勢角の上限値がΘに決定されたものと仮定して説明する。この場合、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角がΘ以下に制限するようにモータ２５、２６に供給する駆動電流を制限する。言い換えると、マイコン１２は、インバータ１７、１８からモータ２５、２６に供給される駆動電流によって、倒立二輪車１の姿勢角がΘ以下に制限されるように、インバータ１７、１８に対して出力する指令値を制御する。すなわち、マイコン１２は、姿勢角センサ３１から出力される姿勢角信号が示す姿勢角が、上限値Θを超えてしまうと判定した場合、モータ２５、２６に供給する駆動電流を増加させることで、倒立二輪車１を加速させて、倒立二輪車１の姿勢角が上限値Θ以下に維持されるようにする。

上述したように、倒立二輪車１の制御内容を制限することで、単一系モードにおいて、搭乗者からの荷重が重い場合であっても、縮退されていない制御系のみからの制御で、トルク不足が発生しないようにして安定性を確保することが可能となる。例えば、単一系モード時において、体重の重い搭乗者を乗せて巡航中に、急ブレーキが行われた場合であっても、倒立二輪車１を安定して制御することが可能となる。

一方、マイコン１２は、ステップＳ２におけるチェックで問題がないと判定した場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、倒立二輪車１の制御内容の制限は行わない（Ｓ５）。

以上に説明したように、本実施の形態１では、制御系を縮退した倒立制御に切り替えられたことを検出し、倒立制御の切り替えを検出した場合に、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して倒立二輪車１の倒立制御を行うようにしている。これによれば、制御系が縮退されて、倒立二輪車１の車輪２に付与可能なトルクが減少した場合であっても、車輪２の駆動に必要なトルクも減少させることができる。したがって、倒立二輪車１の制御の安定性を、より向上することができる。

本実施の形態１では、さらに、荷重センサによって倒立二輪車１に搭乗するものからの荷重を検出し、検出した荷重が所定の閾値よりも大きい場合に、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定して、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限するように倒立二輪車１の倒立制御を行うようにしている。これによれば、倒立二輪車１に搭乗するものからの荷重が大きい場合であっても、車輪２の駆動に必要なトルクの増加を抑制することができる。したがって、倒立二輪車１の制御の安定性を、より向上することができる。

＜発明の実施の形態２＞
続いて、本発明の実施の形態２にかかる倒立二輪車１について説明する。なお、本発明の実施の形態２にかかる倒立二輪車１の概略構成については、図１を参照して説明した、実施の形態１にかかる倒立二輪車１の概要構成と同様であるため、その説明を省略する。

図６を参照して、本発明の実施の形態２にかかる制御装置１０の構成について説明する。図６を参照して、本発明の実施の形態２にかかる制御装置１０の構成を示すブロック図である。

本実施の形態２にかかる制御装置１０は、傾斜角センサ３５、３６を有する。傾斜角センサ３５は、１系に含まれ、傾斜角センサ３６は、２系に含まれる。

傾斜角センサ３５、３６のそれぞれは、倒立二輪車１の前後方向に対する、倒立二輪車１が走行する走行面（例えば、路面）の傾斜角を検出し、検出した傾斜角を示す傾斜角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。傾斜角センサ３５、３６のそれぞれは、例えば、加速度センサによって、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜を検出するように構成される。

ここで、倒立二輪車１が斜面を走行するときにも、倒立維持に必要なトルクが増大することが知られている。しかしながら、上述したように、単一系で動作している場合には、車輪２に付与可能なトルクは半減する。したがって、単一系で動作している状況下で、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が大きい場合には、トルク不足によって制御が不安定となるリスクが増大することになる。

そこで、本実施の形態２では、マイコン１１、１２のそれぞれは、単一系で動作しているときに、傾斜角センサ３５、３６のそれぞれから出力される傾斜角信号に基づいて、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が大きいと判定される場合には、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があるものと判断する。そして、この場合には、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して倒立二輪車１の倒立制御を行うことで、倒立維持に必要なトルクを低減して、倒立二輪車１の制御の安定性を確保する。以下、その処理について説明する。

続いて、本発明の実施の形態２にかかる制御装置１０の処理について説明する。ここで、本発明の実施の形態２にかかる制御装置１０の処理は、図５を参照して説明した、実施の形態１にかかる制御装置１０の処理と比較して、ステップＳ２においてチェックされる要因が異なる。すなわち、本実施の形態２では、上述したように、単一系だとトルク不足となるリスクが増加する要因として、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角をチェックする。また、本実施の形態２では、倒立二輪車１の制御内容を制限する上限値を、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角に応じて決定する。その他の実施の形態１と同様の処理については、その説明を省略する。

以下、実施の形態１における説明と同様に、１系の制御系が縮退されたものとして説明する。なお、言うまでもなく、２系の制御系が縮退された場合も、マイコン１１によって同様にして処理を行うことが可能である。

この場合、本実施の形態２では、マイコン１２は、傾斜角センサ３６から出力される傾斜角信号に基づいて、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が、所定の閾値（傾斜角）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２）。すなわち、マイコン１２は、傾斜角信号が示す傾斜角が、所定の閾値（傾斜角）よりも大きいか否かを判定する。そして、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が所定の閾値よりも大きいと判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題があると判定する（Ｓ３：Ｎｏ）。また、倒立二輪車１が走行する路面の傾斜角が所定の閾値以下であると判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題がないと判定する（Ｓ３：Ｙｅｓ）。

マイコン１２は、ステップＳ２におけるチェックで問題があると判定した場合（Ｓ３：Ｎｏ）、倒立維持に必要なトルクが低減するように、上述した（１）及び（２）の動作抑制方法のうち、少なくとも１つによって、倒立二輪車１の動作を抑制する（Ｓ４）。ただし、本実施の形態２では、傾斜角信号が示す傾斜角に応じて、倒立二輪車１の速度又は姿勢角の上限値を決定する。

すなわち、（１）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度の上限値を、傾斜角信号が示す傾斜角に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が増加するに従って、倒立制御に必要なトルクも増加するが、倒立二輪車１の速度を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、傾斜角が大きくなるに従って、より小さくなるように速度の上限値を決定する。なお、傾斜角の大きさに応じた速度の上限値は、例えば、傾斜角の大きさから、その傾斜角に適した速度の上限値を特定可能なテーブル、又は、傾斜角の大きさから、その傾斜角に適した速度の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度が、決定した上限値以下の速度となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

また、（２）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角の上限値を、傾斜角信号が示す傾斜角に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、倒立二輪車１に対する傾斜角が増加するに従って、倒立制御に必要なトルクも増加するが、倒立二輪車１の姿勢角を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、傾斜角が大きくなるに従って、より小さくなるように姿勢角の上限値を決定する。なお、傾斜角の大きさに応じた姿勢角の上限値は、例えば、傾斜角の大きさから、その傾斜角に適した姿勢角の上限値を特定可能なテーブル、又は、傾斜角の大きさから、その傾斜角に適した姿勢角の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角が、決定した上限値以下の姿勢角となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

上述したように、倒立二輪車１の制御内容を制限することで、単一系モードにおいて、倒立二輪車１が走行する走行面の傾斜角が大きい場合であっても、縮退されていない制御系のみからの制御で、トルク不足が発生しないようにして安定性を確保することが可能となる。例えば、単一系モード時において、傾斜角の大きい下り坂を巡航中に急ブレーキが行われた場合、又は、傾斜角の大きい上り坂を巡航中に急加速が行われた場合であっても、倒立二輪車１を安定して制御することが可能となる。

以上に説明したように、本実施の形態２では、傾斜角センサによって倒立二輪車１が移動する移動面（走行面）の傾斜角を検出し、検出した傾斜角が所定の閾値よりも大きい場合に、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定して、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限するように倒立二輪車１の倒立制御を行うようにしている。これによれば、倒立二輪車１が移動する移動面の傾斜角が大きい場合であっても、車輪２の駆動に必要なトルクの増加を抑制することができる。したがって、倒立二輪車１の制御の安定性を、より向上することができる。

＜発明の実施の形態３＞
続いて、本発明の実施の形態３にかかる倒立二輪車１について説明する。なお、本発明の実施の形態３にかかる倒立二輪車１の概略構成については、図１を参照して説明した、実施の形態１にかかる倒立二輪車１の概要構成と同様であるため、その説明を省略する。

図７を参照して、本発明の実施の形態３にかかる制御装置１０の構成について説明する。図７を参照して、本発明の実施の形態３にかかる制御装置１０の構成を示すブロック図である。

本実施の形態３にかかる制御装置１０は、温度センサ３７、３８を有する。温度センサ３７は、１系に含まれ、温度センサ３８は、２系に含まれる。

温度センサ３７、３８のそれぞれは、バッテリ１５、１６のそれぞれにおける温度を検出し、検出した温度を示す温度信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。

ここで、バッテリは、その温度が低下するに従って、その出力が低下することが知られている。すなわち、バッテリ１５、１６の温度が低下すると、その出力電流に基づいてインバータ１７、１８において生成される駆動電流も低下して、車輪２に対して付与可能なトルクも低下してしまうことになる。しかしながら、上述したように、単一系で動作している場合には、車輪２に付与可能なトルクは半減する。したがって、単一系で動作している状況下で、バッテリの温度が低下した場合には、トルク不足によって制御が不安定となるリスクが増大することになる。

そこで、本実施の形態３では、マイコン１１、１２のそれぞれは、単一系で動作しているときに、温度センサ３７、３８のそれぞれから出力される温度信号に基づいて、バッテリ１５、１６のそれぞれにおける温度が低いと判定される場合には、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があるものと判断する。そして、この場合には、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して倒立二輪車１の倒立制御を行うことで、倒立維持に必要なトルクを低減して、倒立二輪車１の制御の安定性を確保する。以下、その処理について説明する。

続いて、本発明の実施の形態３にかかる制御装置１０の処理について説明する。ここで、本発明の実施の形態３にかかる制御装置１０の処理は、図５を参照して説明した、実施の形態１にかかる制御装置１０の処理と比較して、ステップＳ２においてチェックされる要因が異なる。すなわち、本実施の形態３では、上述したように、単一系だとトルク不足となるリスクが増加する要因として、バッテリ１５、１６の温度をチェックする。また、本実施の形態３では、倒立二輪車１の制御内容を制限する上限値を、バッテリ１５、１６の温度に応じて決定する。その他の実施の形態１と同様の処理については、その説明を省略する。

以下、実施の形態１における説明と同様に、１系の制御系が縮退されたものとして説明する。なお、言うまでもなく、２系の制御系が縮退された場合も、マイコン１１によって同様にして処理を行うことが可能である。

この場合、本実施の形態３では、マイコン１２は、温度センサ３８から出力される温度信号に基づいて、バッテリ１６の温度が、所定の閾値（温度）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ２）。すなわち、マイコン１２は、温度信号が示す温度が、所定の閾値（温度）よりも小さいか否かを判定する。そして、バッテリ１６の温度が所定の閾値よりも小さいと判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題があると判定する（Ｓ３：Ｎｏ）。また、バッテリ１６の温度が所定の閾値以上であると判定した場合、マイコン１２は、チェックに問題がないと判定する（Ｓ３：Ｙｅｓ）。

マイコン１２は、ステップＳ２におけるチェックで問題があると判定した場合（Ｓ３：Ｎｏ）、倒立維持に必要なトルクが低減するように、上述した（１）及び（２）の動作抑制方法のうち、少なくとも１つによって、倒立二輪車１の動作を抑制する（Ｓ４）。ただし、本実施の形態２では、温度信号が示す温度に応じて、倒立二輪車１の速度又は姿勢角の上限値を決定する。

すなわち、（１）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度の上限値を、温度信号が示す温度に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、温度信号が示す温度が低下するに従って、車輪２に付与可能なトルクも低下するが、倒立二輪車１の速度を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、バッテリ１６の温度が小さくなるに従って、より小さくなるように速度の上限値を決定する。なお、バッテリ１６の温度の大きさに応じた速度の上限値は、例えば、バッテリ１６の温度の大きさから、そのバッテリ１６の温度に適した速度の上限値を特定可能なテーブル、又は、バッテリ１６の温度の大きさから、そのバッテリ１６の温度に適した速度の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の速度が、決定した上限値以下の速度となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

また、（２）の制限方法では、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角の上限値を、温度信号が示す温度に応じて、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生しないように決定する。ここで、上述したように、温度信号が示す温度が低下するに従って、車輪２に付与可能なトルクも低下するが、倒立二輪車１の姿勢角を低下させるに従って、倒立制御に必要なトルクも低下させることができる。したがって、マイコン１２は、バッテリ１６の温度が小さくなるに従って、より小さくなるように姿勢角の上限値を決定する。なお、バッテリ１６の温度の大きさに応じた姿勢角の上限値は、例えば、バッテリ３８の温度の大きさから、そのバッテリ１６の温度に適した姿勢角の上限値を特定可能なテーブル、又は、バッテリ１６の温度の大きさから、そのバッテリ１６の温度に適した姿勢角の上限値を算出可能な計算式を示す情報等を、マイコン１２のそれぞれの記憶部に格納しておき、マイコン１２のＣＰＵが、その情報を参照することで決定可能とすればよい。そして、マイコン１２は、倒立二輪車１の姿勢角が、決定した上限値以下の姿勢角となるように、倒立二輪車１の倒立制御を行う。

上述したように、倒立二輪車１の制御内容を制限することで、単一系モードにおいて、バッテリ１６の温度が低い場合であっても、縮退されていない制御系のみからの制御で、トルク不足が発生しないように安定性を確保して制御を行うことが可能となる。例えば、単一系モード時において、気温の低い環境下で巡航中に、急ブレーキが行われた場合であっても、倒立二輪車１を安定して停止されることが可能となる。

以上に説明したように、本実施の形態３では、温度センサによってバッテリ１６の温度を検出し、検出した温度が所定の閾値よりも小さい場合に、車輪２の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定して、倒立二輪車１の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限するように倒立二輪車１の倒立制御を行うようにしている。これによれば、バッテリ１６の温度が低い場合であっても、車輪２の駆動に必要なトルクを低下させて、トルク不足を解消することができる。したがって、倒立二輪車１の制御の安定性を、より向上することができる。

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。

上述した実施の形態では、制御系が二重化された場合について例示したが、多重化される制御系の数は、これに限られない。例えば、３つ以上の制御系が多重化されていてもよい。この場合、多重化された制御系のうち、少なくとも１つの制御系が縮退されたことを検出した場合に、残りの制御系のマイコンで、倒立二輪車の速度又は姿勢角を、上述したように制限すればよい。

また、上述した実施の形態では、制御対象とする倒立型移動体が、２つの車輪を有する倒立二輪車である場合について例示したが、これに限られない。例えば、本発明は、１つ又は３つ以上の車輪を有する倒立型移動体に適用するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、制御系を縮退した制御に切り替えられたことを検出した場合に、さらに、予め定められた要因をセンサによって検出し、検出内容に基づいて、車輪を駆動するためのトルク不足が発生する可能性があると判定したときに、倒立二輪車の速度又は姿勢角を制限するように制御しているが、これに限られない。例えば、制御系を縮退した制御に切り替えられたことを検出した場合に、倒立二輪車の速度又は姿勢角を制限するように制御してもよい。このようにしても、制御系を縮退することによるトルク不足を全般的に解消することができるからである。なお、この場合は、倒立二輪車の速度又は姿勢角の上限値を、所定の速度又は所定の姿勢角とする等すればよい。

また、上述した実施の形態１〜３のうち、２つ以上を組み合わせて実施するようにしてもよい。この場合、組み合わせられた実施の形態のそれぞれにおける検出要因（荷重、傾斜角、温度の２つ以上）の全てにおいて閾値との比較によって問題があると判定された場合に、倒立二輪車の動作を制限するようにしてもよく、組み合わせられた実施の形態のそれぞれにおける検出要因の少なくとも１つにおいて閾値との比較によって問題があると判定された場合に、倒立二輪車の動作を制限するようにしてもよい。

１ 倒立二輪車
１０ 制御装置
１１、１２ マイコン
１３、１４ ＤＣＤＣ
１５、１６ バッテリ
１７、１８、１９、２０ インバータ
２１、２２、２３、２４ リレー
２５、２６ モータ
２７、２８、２９、３０ 回転角センサ
３１、３２ 姿勢角センサ
３３、３４ 荷重センサ
３５、３６ 傾斜角センサ
３７、３８ 温度センサ
２５１、２５２、２６１、２６２ コイル

Claims (10)

1. 多重化された複数の制御系を備え、当該複数の制御系によって車輪にトルクを与えて駆動することで倒立制御して移動する倒立型移動体であって、
   前記制御系は、
   前記複数の制御系のうち、少なくとも１つの制御系を縮退した前記倒立制御に切り替えられたことを検出する切替検出部と、
   前記切替検出部によって前記倒立制御の切り替えが検出された場合、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して前記倒立型移動体の倒立制御を行う倒立制御部と、
   を有する倒立型移動体。
2. 前記倒立型移動体は、さらに、前記車輪の駆動に必要なトルクの増加、又は、前記車輪に付与可能なトルクの減少に影響を及ぼすとして予め定められた要因を検出するセンサを備え、
   前記倒立制御部は、
   前記切替検出部によって前記倒立制御の切り替えが検出された場合に、前記車輪の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があるか否かを、前記センサによる検出内容に基づいて判定し、
   前記車輪の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定した場合に、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限するように前記倒立型移動体の倒立制御を行う、
   請求項１に記載の倒立型移動体。
3. 前記センサは、前記倒立型移動体に搭乗するものからの荷重を検出する荷重センサであり、
   前記倒立制御部は、前記荷重センサによって検出された荷重が所定の閾値よりも大きい場合に、前記車輪の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定する、
   請求項２に記載の倒立型移動体。
4. 前記センサは、前記倒立型移動体が移動する移動面の傾斜角を検出する傾斜角センサであり、
   前記倒立制御部は、前記傾斜角センサによって検出された傾斜角が所定の閾値よりも大きい場合に、前記車輪の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定する、
   請求項２又は３に記載の倒立型移動体。
5. 前記センサは、前記倒立型移動体に搭載された、前記車輪を駆動するための電力を供給するバッテリの温度を検出する温度センサであり、
   前記倒立制御部は、前記温度センサによって検出された温度が所定の閾値よりも低い場合、前記車輪の駆動におけるトルク不足が発生する可能性があると判定する、
   請求項２乃至４のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
6. 前記倒立制御部は、前記センサによる検出内容に応じて、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限する上限を決定する、
   請求項２乃至５のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
7. 前記複数の制御系は、二重化された２つの制御系であり、
   前記切替検出部は、前記二重化された制御系のうち、いずれかの制御系を縮退した前記倒立制御に切り替えられたことを検出する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
8. 前記倒立型移動体は、前記車輪を２つ有する倒立二輪車である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
9. 前記倒立型移動体は、前記複数の制御系によって、前記車輪にトルクを与えるモータに対して駆動電流を供給することで、前記車輪を駆動するものであって、
   前記倒立制御部は、自制御系における異常の検出に応じて自制御系を縮退する場合に、自制御系から前記モータに対する駆動電流の供給を遮断する、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
10. 多重化された複数の制御系によって、車輪にトルクを与えて駆動することで倒立型移動体を倒立制御して移動させる制御方法であって、
    前記複数の制御系のうち、少なくとも１つの制御系を縮退した前記倒立制御に切り替えられたことを検出する切替検出ステップと、
    前記倒立制御の切り替えが検出された場合、前記倒立型移動体の速度及び姿勢角の少なくとも１つを制限して前記倒立型移動体の倒立制御を行う倒立制御ステップと、
    を備えた制御方法。

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