JP5083265B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。

従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。例えば、同軸上に配設された２つの駆動輪を有し、乗員の重心移動による車体の姿勢変化を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪に取り付けられた車体の姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この場合、カウンタウェイトとしての能動重量部を前後に移動させることで、倒立制御を行って、車両を移動させるようになっている。

特開２００４−１２９４３５号公報

しかしながら、前記従来の車両においては、能動重量部を固定することにより、該能動重量部が自由に移動して倒立制御の妨げになることを防ぐことが必要な場合がある。例えば、能動重量部を移動させるアクチュエータの異常時には、ブレーキを作動して能動重量部を固定する必要がある。このような場合、安全性や快適性を十分に保障できない可能性がある。

能動重量部の固定によって、車両の加減速性能の実質的な限界値が低下する。つまり、能動重量部の固定によって重心の移動が可能な範囲が変化するため、正常時と同様に加減速するために駆動トルクを付加すると、車体の倒立姿勢を維持できないことがある。このような場合、安全性を十分に保障できない可能性がある。

また、能動重量部が固定された位置によって、加速性能と減速性能で限界値の低下量が異なる。例えば、搭乗部が大きく前方に偏った位置で固定された場合、加速性能に対して減速性能が大幅に低下するため、不適切な操縦によっては操縦性が悪化することがある。このような場合、安全性や操縦性を十分に保障できない可能性がある。

もっとも、これらの条件に対して安全性を保障するために車両を強制停止させると、非常時に道路外や路肩に退避するような走行等が不可能となり、安全性や利便性に支障をきたす可能性がある。

本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、能動重量部を固定した場合に車両加速度及び車両減速度の制限値を減少させることによって、能動重量部が中立位置から大きく外れた位置で固定されたときであっても、可能な限りの運動性能を確保することができるとともに、十分な安全性を保障することができ、使い勝手がよく、かつ、安全で快適に使用することができる車両を提供することを目的とする。

そのために、本発明の車両においては、回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部と、該能動重量部を車体に対して固定する能動重量部ブレーキと、前記駆動輪に与える駆動トルク及び前記能動重量部の位置を制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、前記能動重量部を車体に対して固定した場合に、車両加速度及び車両減速度の制限値を能動重量部を車体に対して固定する直前の車両加速度及び車両減速度より減少させる。

本発明の他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、車両加速度及び車両減速度の目標値に対する制限値を能動重量部を車体に対して固定する直前の車両加速度の目標値及び車両減速度の目標値より減少させる。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記能動重量部の固定位置に応じて前記制限値の減少量を決定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記能動重量部の可動域前縁から前記固定位置までの距離に応じて車両加速度の制限値の減少量を決定し、前記能動重量部の可動域後縁から前記固定位置までの距離に応じて車両減速度の制限値の減少量を決定する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、車両減速度の制限値に応じて車両加速度の制限値を更に減少させる。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、車両加速度の制限値が車両減速度の制限値よりも小さくなるように補正する。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、車両減速度の制限値に応じて駆動輪回転角速度の制限値を減少させる。

本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記能動重量部の固定位置に応じて目標車体傾斜角を補正する。

請求項１の構成によれば、能動重量部が中立位置から大きく外れた位置で固定されたときであっても、可能な限りの運動性能を確保することができるとともに、十分な安全性を保障することができる。

請求項２の構成によれば、車両の姿勢を維持することができる範囲内で目標値を設定することができる。

請求項３及び４の構成によれば、現状で車両が有する実際の加減速性能の限界に応じた制限値を決定することができ、安全な範囲内で車両の性能を最大限に発揮することができる。

請求項５及び６の構成によれば、現状の最大減速度に対して適切な最大加速度に制限することができ、乗員に違和感を与えることなく、安全性と操縦性を保障することができる。

請求項７の構成によれば、現状の最大減速度に対して適切な最高速度に制限することができ、乗員に違和感を与えることなく、安全性と操縦性を保障することができる。

請求項８の構成によれば、能動重量部が中立位置から大きく外れた位置で固定されたときであっても、安全性と操縦性を保障することができる。

本発明の実施の形態における車両の姿勢変化を示す概略図である。 本発明の実施の形態における車両システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における通常走行・姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における非常走行・姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における車両の姿勢変化を示す概略図、図２は本発明の実施の形態における車両システムの構成を示すブロック図である。なお、図１において、（ａ）は加速走行中、（ｂ）は加速終了後の静止状態を示す。

図１において、１０は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部１１、駆動輪１２、支持部１３及び乗員１５が搭乗する搭乗部１４を有し、前記車両１０は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。そして、倒立振り子の姿勢制御と同様に車体の姿勢を制御する。図１に示される例において、車両１０は右方向に前進し、左方向に後退することができる。

前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３に対して回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ５２によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪１２はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪１２は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪１２が２つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪１２は個別の駆動モータ５２によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ５２を使用するものとして説明する。

また、車体の一部である本体部１１は、支持部１３によって下方から支持され、駆動輪１２の上方に位置する。そして、本体部１１には、能動重量部として機能する搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、取り付けられている。

ここで、能動重量部は、ある程度の質量を備え、本体部１１に対して並進する、すなわち、前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部１４である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を並進可能に本体部１１に対して取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘（おもり）、バランサ等の専用の重量部材を並進可能に本体部１１に対して取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部１４、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。

本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗する搭乗部１４が能動重量部として機能する例について説明するが、搭乗部１４には必ずしも乗員１５が搭乗している必要はなく、例えば、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部１４に乗員１５が搭乗していなくてもよいし、乗員１５に代えて、貨物が積載されていてもよい。前記搭乗部１４は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、足置き部、座面部、背もたれ部及びヘッドレストを備え、図示されない移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。

また、前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ６２を備え、該能動重量部モータ６２によって搭乗部１４を駆動し、本体部１１に対して進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ６２を使用するものとして説明する。

リニアガイド装置は、例えば、本体部１１に取り付けられている案内レールと、搭乗部１４に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、案内レールには、その左右側面部に２本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する２つの側面部内側には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。転動体は、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。なお、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。

また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ装置としての能動重量部ブレーキ６３を備える。該能動重量部ブレーキ６３は、電力供給時に開放されるもの、例えば、無励磁作動型の電磁ブレーキであることが望ましい。車両１０が停車しているときのように搭乗部１４の動作が不要であるときには、能動重量部ブレーキ６３によって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部１１と搭乗部１４との相対的位置関係を保持する。そして、動作が必要であるときには、能動重量部ブレーキ６３を解除し、本体部１１側の基準位置と搭乗部１４側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。

前記搭乗部１４の脇（わき）には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック３１を備える入力装置３０が配設されている。乗員１５は、操縦装置であるジョイスティック３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員１５が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック３１に代えて他の装置、例えば、ペダル、ハンドル、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。

なお、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両１０があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。

また、車両システムは、図２に示されるように、車両制御装置２０を有し、該車両制御装置２０は主制御ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。前記主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部１１に配設されるが、支持部１３や搭乗部１４に配設されていてもよい。また、前記主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。

そして、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動輪センサ５１及び駆動モータ５２とともに、駆動輪１２の動作を制御する駆動輪制御システム５０の一部として機能する。前記駆動輪センサ５１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角及び／又は回転角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、該駆動輪制御ＥＣＵ２２は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ５２に供給する。そして、該駆動モータ５２は、入力電圧に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。

また、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１、能動重量部モータ６２及び能動重量部ブレーキ６３とともに、能動重量部である搭乗部１４の動作を制御する能動重量部制御システム６０の一部として機能する。前記能動重量部センサ６１は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部１４の移動状態を示す能動重量部位置及び／又は移動速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。すると、該主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信し、該能動重量部制御ＥＣＵ２３は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ６２に供給する。また、主制御ＥＣＵ２１は、作動電圧を能動重量部ブレーキ６３に供給する。そして、前記能動重量部モータ６２は、入力電圧に従って搭乗部１４を並進移動させる推力を搭乗部１４に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。また、前記能動重量部ブレーキ６３は、作動電圧に従って搭乗部１４を本体部１１に対して移動不能に保持するブレーキ装置として機能する。

なお、本実施の形態においては、主制御ＥＣＵ２１から能動重量部ブレーキ６３に作動電圧を直接入力しているが、主制御ＥＣＵ２１が能動重量部制御ＥＣＵ２３にブレーキ動作信号を送信し、能動重量部制御ＥＣＵ２３が能動重量部ブレーキ６３に作動電圧を与えるようにしてもよい。

さらに、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、能動重量部制御ＥＣＵ２３、車体傾斜センサ４１、駆動モータ５２、能動重量部モータ６２及び能動重量部ブレーキ６３とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。

なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と車体傾斜角速度とを決定してもよい。

また、車両制御装置２０は、機能の観点から、車両加速度及び車両減速度を制限する車両加速度制限手段と、車両加速度及び車両減速度の制限値を補正する加速度制限値補正手段とを備える。

前記車両制御装置２０によって姿勢制御が行われることで、車両１０は、加速走行時には、図１（ａ）に示されるように、搭乗部１４を前方に移動した状態で加速する。そして、加速走行中に能動重量部モータ６２に異常が発生すると、すなわち、アクチュエータ異常が発生すると、能動重量部ブレーキ６３を作動させる。すると、加速終了後、車体の倒立姿勢を保つために、図１（ｂ）に示されるように、車体を後方に傾ける。

このように、搭乗部１４を能動重量部ブレーキ６３で固定した場合、車体重心の可動量が低下するため、加速性能と減速性能が共に低下する。また、車体傾斜角が所定値で制限される場合、前方への重心可動量に比べて、後方への重心可動量が大幅に低下する結果、加速性能に比べて、減速性能が大幅に低下する。

そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４を固定した場合に車両加速度及び車両減速度の制限値を減少させるようになっている。

次に、前記構成の車両１０の動作について詳細に説明する。まず、車両制御処理の概要について説明する。

図３は本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。

車両制御処理において、車両制御装置２０は、まず、モータ正常判定を行い、モータが正常であるか否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、能動重量部モータ６２が推力を発生可能であるか否かを判定する。具体的には、能動重量部制御ＥＣＵ２３がモータ診断手段を備え、能動重量部モータ６２が推力を発生不能、すなわち、異常と診断した場合に所定の信号を主制御ＥＣＵ２１に送信する。すると、該主制御ＥＣＵ２１は、その信号を受信した場合に、モータが正常ではないと判定する。

そして、モータが正常であると判定すると、車両制御装置２０は、ブレーキ解除を行う（ステップＳ２）。この場合、能動重量部ブレーキ６３を解除して、能動重量部としての搭乗部１４を移動可能とする。具体的には、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部ブレーキ６３に作動電圧を入力する。

続いて、車両制御装置２０は、通常走行・姿勢制御処理を実行し（ステップＳ３）、搭乗部１４を適切に移動させながら、車体の姿勢を保持しつつ、乗員１５からの走行指令を実現して車両制御処理を終了する。なお、該車両制御処理は、所定の時間間隔（例えば、１００〔μｓ〕毎）で繰り返し実行される。

一方、モータが正常であるか否かを判定して異常である場合、車両制御装置２０は、ブレーキ作動を行う（ステップＳ４）。この場合、能動重量部ブレーキ６３を作動して、能動重量部としての搭乗部１４を車体に固定する。具体的には、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部ブレーキ６３への作動電圧の入力を停止する。

続いて、車両制御装置２０は、非常走行・姿勢制御処理を実行し（ステップＳ５）、搭乗部１４が固定された状態で、車体の姿勢を保持しつつ、乗員１５からの走行指令を実現して車両制御処理を終了する。

次に、通常走行・姿勢制御処理について説明する。

図４は本発明の実施の形態における通常走行・姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。
θ_W ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ₁ ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λ_S ：搭乗部位置（能動重量部位置）〔ｍ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ² 〕
Ｒ_W ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
ｍ_S ：搭乗部質量（能動重量部質量：搭載物を含む）〔ｋｇ〕

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、乗員１５の操縦操作量を取得する（ステップＳ３−３）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−４）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を前後車両加速度の目標値とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車両加速度の目標値を補正する（ステップＳ３−５）。具体的には、下記の式によって補正する。

また、α_Max,A は車両加速度制限値、α_Max,D は車両減速度制限値であり、各々、
α_Max,A ＝α_Max,A,0
α_Max,D ＝α_Max,D,0
である。さらに、α_Max,A,0 は標準車両加速度制限値、α_Max,D,0 は標準車両減速度制限値であり、各々、下記のように表される。

また、θ_1,Max,f は前方への最大傾斜角、λ_S,Max,f は搭乗部１４の基準位置から可動域前縁までの距離、θ_1,Max,r は後方への最大傾斜角、λ_S,Max,r は搭乗部１４の基準位置から可動域後縁までの距離である。

このように、車両加速度制限値及び車両減速度制限値によって、車両加速度の目標値を補正する。具体的には、車両加速度の目標値が車両加速度制限値以下、かつ、車両減速度制限値以上であるように補正する。そして、車両加速度の目標値が車両加速度制限値以上である場合には、車両加速度の目標値を車両加速度制限値とする。また、車両加速度の目標値が車両減速度制限値以下である場合には、車両加速度の目標値を車両減速度制限値とする。

さらに、車両加速度制限値及び車両減速度制限値は、車両１０の力学的パラメータで決定される所定値とする。そして、車体の重心移動によって倒立状態を保持できる限界、すなわち、姿勢制御の限界を各制限値として与える。これにより、車体の倒立姿勢を保持できる範囲内で、車両加速度の目標値が設定される。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−６）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、所定の駆動輪接地半径で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪回転角速度の目標値を補正する（ステップＳ３−７）。具体的には、下記の式によって補正する。

このように、駆動輪回転角速度制限値によって、駆動輪回転角速度の目標値を補正する。具体的には、駆動輪回転角速度目標値が駆動輪回転角速度制限値以下であるように補正する。そして、駆動輪回転角速度目標値が駆動輪回転角速度制限値以上である場合には、駆動輪回転角速度目標値を駆動輪回転角速度制限値とする。また、駆動輪回転角速度制限値は所定値とする。

なお、駆動輪回転角速度が補正された場合、すなわち、上記式の第１行又は第３行の条件に該当する場合、車両加速度目標値との整合性を満たすために、車両加速度目標値を零に補正する。

また、説明の簡略化のため、本実施の形態においては、車両１０が停止及び前進する場合のみについて説明するが、車両１０が後進する場合についても、同様の制御を導入することにより、同様の効果を得ることができる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車体傾斜角と搭乗部位置の目標値を決定する（ステップＳ３−８）。具体的には、車両加速度の目標値と車両速度の目標値から、下記の式によって搭乗部位置の目標値を決定する。

また、車両加速度の目標値と車両速度の目標値から、下記の式によって車体傾斜角の目標値を決定する。

このように、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力と駆動モータ反トルクを考慮して、車体傾斜角と搭乗部位置の目標値を決定する。そして、これらの車体傾斜トルクを、重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を動かす。具体的には、車両１０が加速するときには、搭乗部１４を前方へ動かす及び／又は車体を前方に傾ける。一方、車両１０が減速するときには、搭乗部１４を後方へ動かす及び／又は車体を後方に傾ける。また、搭乗部移動が限界に達したら、車体を傾け始める。

これにより、細かい加減速に対する前後の車体傾斜がなくなり、乗員１５にとって乗り心地が向上する。また、ある程度の高速走行時でも直立状態を保つため、乗員１５にとって視界の変化が小さくなる。

なお、本実施の形態においては、低加速度時及び／又は低速走行時に、搭乗部移動のみで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体傾斜で対応させてもよい。車体を傾けることによって、乗員１５に作用する前後方向の力を軽減させることができる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ３−９）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することによって、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び搭乗部移動速度の目標値をそれぞれ算出する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ３−１０）。具体的には、下記の式によって駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。

このように、力学モデルによって推定された慣性力を打ち消すように駆動トルクを付加することで、制御の精度を高めることができる。

また、下記の式によって能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。

このように、力学モデルによって推定された重力や慣性力を打ち消すように推力を付加することで、制御の精度を高めることができる。

なお、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現しているが、上記のフィードフォワード出力は与えなくてもよい。その場合には、フィードバック制御によって、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、その定常偏差は、積分ゲインを適用することで、低減させることもできる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ３−１１）。具体的には、下記の式によって駆動モータ５２のフィードバック出力を決定する。

また、下記の式によって能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。

なお、各フィードバックゲインＫ_**の値は、例えば、最適レギュレータの値を予め設定しておく。また、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入してもよい。さらに、より簡単な制御として、Ｋ_W2、Ｋ_W3及びＫ_S5を除くゲインのいくつかを零にしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ３−１２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に、フィードフォワード出力とフィードバック出力との和を指令値として送信する。

次に、非常走行・姿勢制御処理について説明する。

図５は本発明の実施の形態における非常走行・姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。

なお、本実施の形態においては、能動重量部ブレーキ６３の作動後は、搭乗部位置計測値を再取得・更新せず、能動重量部ブレーキ６３の作動直前の搭乗部位置に基づいて制御を実行しているが、能動重量部ブレーキ６３の作動後も作動前と同様に搭乗部位置を取得してもよい。これにより、能動重量部ブレーキ６３の故障等によって搭乗部１４が移動した場合にも、適切に制御を実行できる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、乗員１５の操縦操作量を取得する（ステップＳ５−３）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ５−４）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を前後車両加速度の目標値とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車両加速度の目標値を補正する（ステップＳ５−５）。具体的には、１次補正を行った後に、その結果を用いて２次補正を行う。まず、車両加速度の目標値の１次補正を下記の式によって行う。

また、α_Max,A は車両加速度制限値、α_Max,D は車両減速度制限値であり、各々、下記のように表される。

さらに、α_Max,A,0 は標準車両加速度制限値、α_Max,D,0 は標準車両減速度制限値、Δα_Max は車両加速度制限値最大減少量であり、各々、下記のように表される。

また、θ_1,Max,f は前方への最大傾斜角、λ_S,Max,f は搭乗部１４の基準位置から可動域前縁までの距離、θ_1,Max,r は後方への最大傾斜角、λ_S,Max,r は搭乗部１４の基準位置から可動域後縁までの距離である。さらに、λ_S,Max,L は搭乗部可動域全長であり、
λ_S,Max,L ＝λ_S,Max,f ＋λ_S,Max,r
である。

このように、能動重量部ブレーキ６３の作動時に、車両加速度及び車両減速度の制限値を減少させる。まず、搭乗部１４の固定位置に応じて、車両加速度制限値と車両減速度制限値の減少量を決定する。

具体的には、搭乗部１４の可動域前縁から固定位置までの距離に比例した量だけ、車両加速度制限値を減少させる。なお、搭乗部１４が可動域前縁で固定された場合には、車両加速度制限値は変更しない。また、搭乗部１４が可動域後縁で固定された場合には、車両減速度制限値を最大減少量だけ減少させる。

また、搭乗部１４の可動域後縁から固定位置までの距離に比例した量だけ、車両減速度制限値を減少させる。なお、搭乗部１４が可動域前縁で固定された場合には、車両減速度制限値を最大減少量だけ減少させる。また、搭乗部１４が可動域後縁で固定された場合には、車両減速度制限値は変更しない。

このように、搭乗部１４の固定位置に基づいて制限値を補正することで、現状の車両１０が有する実際の加減速性能の限界に応じた制限値の補正が可能となり、能動重量部モータ６２の故障時においても、安全な範囲内で車両１０の性能を最大限に発揮することができる。

また、力学モデルに基づいて、制限値の減少率又は減少量を決定する。具体的には、車両１０の加減速に伴って車体に作用する慣性力と駆動モータ反トルクを重力の作用によって打ち消すことができる限界、すなわち、現状の車体重心の移動限界を考慮して、制限値の減少量を決定する。

このように、車体姿勢制御における加減速の限界をより正確に考慮することで、更に高い安全性と走行性能を実現できる。

なお、本実施の形態においては、線形の関数によって制限値を決定しているが、より厳密な非線形関数によって決定してもよい。その際、非線形関数をマップとして具備し、それを用いて決定してもよい。

また、本実施の形態においては、標準的な乗員１５や搭載物の搭載時における車体や搭乗部１４の重量や重心位置に基づいて、制限値を補正しているが、乗員１５や搭載物の重量や重心位置に応じて、制限値を補正してもよい。例えば、搭載重量センサを備え、その計測値に基づいて、車体や搭乗部１４の重量や重心位置の値、及び、制限値の補正量を決定してもよい。

次に、主制御ＥＣＵ２１は、車両加速度の目標値の２次補正を下記の式によって行う。

このように、車両減速度制限値に応じて、車両加速度制限値を更に減少させる。つまり、車両加速度制限値が車両減速度制限値よりも小さくなるように、車両減速度制限値を補正する。具体的には、搭乗部固定時における車両加速度制限値と車両減速度制限値の比が、搭乗部解放時における車両加速度制限値と車両減速度制限値の比よりも小さくなるように、搭乗部固定時の車両加速度制限値の値を補正する。このように、車両１０の最大加速度と最大減速度を適切な比率に補正することで、例えば、加速後に制動できなくなるような状態に陥ることを確実に防止し、過剰に運動性能を制限することなく、安全性と操縦性を保障できる。

なお、本実施の形態においては、加速性能と減速性能が所定の比率となるように制限値を補正しているが、最低限の減速性能を保障するようにしてもよい。例えば、車両減速度制限値が所定の閾（しきい）値以下である場合には、車両加速度制限値を零とすることで加速を禁止し、一度車両１０を停止させた後は再び走行できないようにしてもよい。これにより、更に安全性を高めることができる。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ５−６）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、所定の駆動輪接地半径で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪回転角速度の目標値を補正する（ステップＳ５−７）。具体的には、下記の式によって補正する。

このように、車両減速度制限値に応じて、駆動輪回転角速度制限値を減少させる。つまり、最高速度からの最小制動距離が所定の制限値以下になるように、駆動輪回転角速度制限値を補正する。具体的には、搭乗部固定時における最高速度からの最小制動距離が、搭乗部解放時における最高速度からの最小制動距離以下になるように、駆動輪回転角速度制限値の値を補正する。このように、車両１０の最高速度を現状の制動性能に応じた速度に補正することで、例えば、加速後に制動できなくなるような状態に陥ることを確実に防止し、過剰に運動性能を制限することなく、安全性と操縦性を保障できる。

なお、本実施の形態においては、制動距離が所定の範囲内となるように制限値を補正しているが、最低限の減速性能を保障するようにしてもよい。例えば、車両減速度制限値が所定の閾値以下である場合には、駆動輪回転角速度制限値を零とすることで走行を禁止し、車両１０を停止させるようにしてもよい。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ５−８）。具体的には、車両加速度の目標値と車両速度の目標値から、下記の式によって車体傾斜角の目標値を決定する。

このように、車両加速度の目標値と搭乗部１４の固定位置に応じて、車体傾斜角の目標値を決定する。まず、車両加速度目標値に応じて、車体傾斜角目標値を決定する。具体的には、車両加速度目標値に対応するために必要な車体重心移動量に対して、搭乗部可動時に搭乗部１４の移動が担っていた重心移動量の分を搭乗部固定時には車体傾斜による重心移動によって補うように、車体傾斜角目標値を補正する。

また、搭乗部１４の固定位置に応じて、車体傾斜角目標値を補正する。具体的には、搭乗部１４の基準位置からのずれに伴う重力トルクを打ち消すために、搭乗部１４のずれ方向と逆側に車体を余分に傾けるように、車体傾斜角目標値を補正する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ５−９）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することによって、駆動輪回転角及び車体傾斜角速度の目標値をそれぞれ算出する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１０）。具体的には、通常走行・姿勢制御処理の場合と同様に、図４におけるステップＳ３−１０で使用した式によって駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。

続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−１１）。具体的には、下記の式によって駆動モータ５２のフィードバック出力を決定する。

なお、各フィードバックゲインＫ_**の値は、搭乗部１４が固定された場合の力学モデルに基づいて決定された値、例えば、最適レギュレータの値を予め設定しておく。

また、本実施の形態においては、搭乗部１４の可動時と固定時で異なるフィードバックゲインの値を用いているが、両条件で同じ値を用いてもよい。これにより、搭乗部１４が固定される瞬間における制御の切り替わりに伴う違和感が軽減されると共に、制御プログラムを簡素化することができる。

最後に、主制御ＥＣＵ２１は、要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−１２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２にフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を指令値として送信する。

このように、本実施の形態においては、搭乗部１４を固定した場合に車両加速度及び車両減速度の制限値を減少させる。具体的には、車両加速度及び車両減速度の目標値に対する制限値を減少させる。すなわち、ジョイスティック３１の操作量に応じて決定される車両加速度及び車両減速度の目標値を制限する。また、搭乗部１４の固定位置に応じて、各制限値の減少量を決定する。この場合、搭乗部１４の可動域前縁から固定位置までの距離に比例係数を乗じた値を車両加速度の制限値の減少量とする。また、搭乗部１４の可動域後縁から固定位置までの距離に比例係数を乗じた値を車両減速度の制限値の減少量とする。

さらに、車両減速度の制限値に応じて、車両加速度の制限値を更に減少させる。すなわち、車両加速度の制限値が車両減速度の制限値よりも小さくなるように補正する。具体的には、搭乗部固定時の車両加速度の制限値と車両減速度の制限値との比が搭乗部可動時の車両加速度の制限値と車両減速度の制限値との比よりも小さくなるように、搭乗部固定時の車両加速度の制限値の値を補正する。さらに、車両減速度の制限値に応じて、駆動輪回転角速度の制限値を減少させる。すなわち、搭乗部固定時の最高速度からの制動距離が搭乗部可動時の最高速度からの制動距離以下になるように、搭乗部固定時の駆動輪回転角速度の制限値の値を補正する。また、搭乗部１４の固定位置に応じて、目標車体傾斜角を補正する。この場合、搭乗部１４の固定位置の座標値に負の係数を乗じた値を目標車体傾斜角の補正量とする。

これにより、能動重量部モータ６２の異常に伴い、搭乗部１４が中立位置から大きく外れた位置で停止して固定された場合であっても、可能な限りの運動性能と十分な安全性を保障することができ、安全で快適な倒立型の車両１０を提供することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に適用することができる。

１０ 車両
１２ 駆動輪
１４ 搭乗部
２０ 車両制御装置
６３ 能動重量部ブレーキ

Claims (8)

1. 回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、
   前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部と、
   該能動重量部を車体に対して固定する能動重量部ブレーキと、
   前記駆動輪に与える駆動トルク及び前記能動重量部の位置を制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
   該車両制御装置は、前記能動重量部を車体に対して固定した場合に、車両加速度及び車両減速度の制限値を能動重量部を車体に対して固定する直前の車両加速度及び車両減速度より減少させることを特徴とする車両。
2. 前記車両制御装置は、車両加速度及び車両減速度の目標値に対する制限値を能動重量部を車体に対して固定する直前の車両加速度の目標値及び車両減速度の目標値より減少させる請求項１に記載の車両。
3. 前記車両制御装置は、前記能動重量部の固定位置に応じて前記制限値の減少量を決定する請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記車両制御装置は、前記能動重量部の可動域前縁から前記固定位置までの距離に応じて車両加速度の制限値の減少量を決定し、前記能動重量部の可動域後縁から前記固定位置までの距離に応じて車両減速度の制限値の減少量を決定する請求項３に記載の車両。
5. 前記車両制御装置は、車両減速度の制限値に応じて車両加速度の制限値を更に減少させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両。
6. 前記車両制御装置は、車両加速度の制限値が車両減速度の制限値よりも小さくなるように補正する請求項５に記載の車両。
7. 前記車両制御装置は、車両減速度の制限値に応じて駆動輪回転角速度の制限値を減少させる請求項５に記載の車両。
8. 前記車両制御装置は、前記能動重量部の固定位置に応じて目標車体傾斜角を補正する請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両。

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