JP2007118806A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な仕組みにより倒立振り子車両の旋回特性を向上させる。
【解決手段】左右の駆動輪により走行する倒立振り子車両を、左右の駆動輪の外径サイズを個別に制御することにより旋回を行わせる。左右の駆動輪は同軸に固定してあり、車両は、旋回方向に対して外輪となる駆動輪の外径が内輪となる駆動輪の外径よりも大きくなるように駆動輪の外径を変化させることにより旋回する。また、内外輪の外径差により旋回方向に車両が傾くため、車両に作用する遠心力と重力の合力を車両の高さ方向に向けることができ、これによって車両の姿勢が安定する他、搭乗者が横方向に感じる遠心力を緩和することができる。駆動輪の外径の制御は、駆動輪のタイヤに充填されている空気の圧力を制御することにより行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に関し、例えば、倒立振り子車両における旋回制御に関する。

一軸上に配設された左右の駆動輪の上に運転者が搭乗し、一輪車のようにバランスを保持しながら走行する倒立振り子車両が注目を集めている。
これら倒立振り子車両は、例えば、特許文献１に示されるように、車輪型倒立振り子の原理を用いてバランスを保持するようになっている。

このような倒立振り子車両では、外輪の回転速度（角速度）が内輪の回転速度よりも大きくなるように左右輪の回転速度を変化させて旋回を行っている。
このような制御を行うために、例えば図９（ａ）のように、駆動輪１１ａ、１１ｂ毎に別々のモータを配設している。そして、それぞれのモータの速度を制御することにより、駆動輪１１ａ、１１ｂのうち、外輪側の駆動輪の回転速度が内輪側の駆動輪の回転速度よりも大きくなるように制御している。

図９（ｂ）は、従来の旋回制御についての他の例を示したものである。
この例では、ディファレンシャルギアを介してモータの回転が駆動輪１１ａ、１１ｂに伝達されるようになっている。ディファレンシャルギアは、モータから伝達された回転の回転速度を、駆動輪１１ａ、１１ｂで異なるように変換することができ、これによって、外輪の回転速度が内輪の回転速度よりも大きくなるように制御するようになっている。
なお、この図に示されるように、制動を行うためのブレーキも配設されてる。

また、倒立車両における旋回方法として特許文献２に記載の技術が提案されている。
この車両では、搭乗者の体重移動により、左右の駆動輪の外径を変化させるようになっている。
すなわち、左右の駆動輪内の流体（空気）が配管により自由に行き来できるように連通しており、搭乗者が体重を左右の何れかに移動すると、移動した側の駆動輪内の流体が反対側の駆動輪に押し出される。これによって、内輪側（体重を移動した側）の駆動輪の外径が外輪側の駆動輪の外径よりも小さくなり車両が旋回するようになっている。

特開２００５−０９４８９８公報 特開２００４−３４５６０８公報

しかし、図９（ａ）に示した方法では、モータを２台搭載する必要があり、図９（ｂ）に示した方法では、ディファレンシャルギアを搭載する必要がある。
このため、何れの方式も車重が重くなると共に製造コストも高くなってしまうという問題があった。また、旋回中も車体は水平を保つため、重心の位置が高い場合は、遠心力により姿勢が不安定になる場合があった。
また、特許文献２記載の技術では、体重移動による駆動輪の外径差の調節が搭乗者の身体全体の感覚に任せられており、操作性や安定性が必ずしもよくなかった。

そこで、本発明は、簡単な仕組みにより倒立振り子車両を旋回させることを目的とする。

請求項１に記載の発明では、同一軸線上に配設された左右の駆動輪を駆動する駆動手段と、運転者からの旋回指示を受け付ける旋回指示受付手段と、前記受け付けた旋回指示で指定された旋回量に対応して、内輪側の駆動輪の外径が外輪側の駆動輪の外径よりも小さくなるように、前記左右の駆動輪のうち少なくとも一方の外径を制御する外径制御手段と、を車両に具備させて前記目的を達成する。
請求項２に記載した発明では、請求項１に記載の車両において、前記駆動輪は、流体を充填した弾性体で構成されており、前記外径制御手段は、前記流体の圧力を変化させて前記弾性体を伸縮させることにより前記駆動輪の外径を変化させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１、又は請求項２に記載の車両において、前記受け付けた旋回量に対応する車両の目標傾斜角を算出する目標傾斜角算出手段を具備し、前記外径制御手段は、車両の傾きが前記算出した目標傾斜角となるように、前記駆動輪の外径を制御することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の車両において、車速を検出する車速検出手段を具備し、前記目標傾斜角算出手段は、前記検出した車速を用いて前記目標傾斜角を算出することを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項３、又は請求項４に記載の車両において、前記目標傾斜角算出手段は、前記駆動輪の外径の変化による車両の傾きにより、当該車両に作用する遠心力と重力の合力が前記軸線に垂直となるような傾斜角を算出することを特徴とする。

本発明では、指定された旋回量に対応して、内輪側の駆動輪の外径が外輪側の駆動輪の外径よりも小さくなるように、前記左右の駆動輪のうち少なくとも一方の外径を制御するようにしたので、簡単な仕組みにより倒立振り子車両を旋回させることができる。

（１）実施形態の概要
本実施形態では、左右の駆動輪により走行する倒立振り子車両を、左右の駆動輪の外径を個別に制御することにより旋回を行わせる。
左右の駆動輪は同軸線上に固定配設されており、車両は、旋回方向に対して外輪となる駆動輪の外径が内輪となる駆動輪の外径よりも大きくなるように駆動輪の外径を変化させることにより旋回する。
このように、内外輪の外径差により旋回方向（内輪側）に車両が傾くため、車両に作用する遠心力と重力の合力を車両の高さ方向（座面と垂直な方向）に向けることができる。これによって旋回に際しての車両の姿勢が安定する他、搭乗者が横方向に感じる遠心力（横Ｇ）を緩和することができる。
駆動輪の外径の制御は、駆動輪のタイヤに充填されている空気の圧力を制御することにより行う。このため、車両は、空気を圧縮するコンプレッサと、圧縮空気を駆動輪に供給する空気流路、及び駆動輪内の空気を大気中に放出する空気路を備えており、電磁弁の操作によってタイヤ圧力を調節する。

（２）実施形態の詳細
図１は、本実施形態の車両の外観構成を例示したものである。
本実施形態の車両は、進行方向に対して左右に駆動輪を備えた倒立振り子車両により構成されており、搭乗部の姿勢を感知し、その姿勢に応じて、駆動輪の駆動方向（前後方向）のバランスを保持するように姿勢制御を行いながら走行するものである。
本実施形態における姿勢制御の方法としては、例えば、米国特許第６，３０２，２３０号明細書、特開昭６３−３５０８２号公報、特開２００４−１２９４３５公報、特開２００４−２７６７２７公報で開示された各種制御方法が使用可能である。

図１に示されるように、倒立振り子車両は、同一軸線上に配設された２つの駆動輪１１ａ、１１ｂを備えている。
両駆動輪１１ａ、１１ｂは、それぞれ駆動モータ（ホイールモータ）１２で駆動されるようになっている。

駆動輪１１ａ、１１ｂ（以下、両駆動輪１１ａと１１ｂを区別しない場合は単に駆動輪１１と記す）及び駆動モータ１２の上部には運転者が搭乗する搭乗部１３が配設されている。
搭乗部１３は、運転者が座る座面部１３１、背もたれ部１３２、及びヘッドレスト１３３で構成されている。
搭乗部１３は、駆動モータ１２が収納されているホイールモータ筐体１２１に固定された支持部材１４により支持されている。

搭乗部１３の左脇には操縦装置１５が配設されている。この操縦装置１５は、運転者の操作により、倒立振り子車両の加速、減速、旋回、回転、停止、制動等の指示を行うためのものである。
本実施形態における操縦装置１５は、座面部１３１に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設け、その上部に操縦装置を配設するようにしてもよい。

なお本実施形態において、操縦装置１５の操作により出力される操作信号によって旋回・加減速等の制御が行われるが、例えば、特開平１０−６７２５４号公報に示されるように、運転者が車両に対する前傾きモーメントや前後の傾斜角を変更することで、その傾斜角に応じた車両の姿勢制御及び走行制御を行うように切替可能にしてもよい。

搭乗部の右脇には、表示・操作部１７が配設されている。この表示・操作部１７は、液晶表示装置（図示せず）からなる表示部１７２と、この表示部１７２の表面に配設されたタッチパネル及び専用の機能キーで構成される入力部１７１を備えている。
なお、表示・操作部１７は、操縦装置１５と同様に又は同一のリモコンにより構成するようにしてもよい。また表示・操作部１７と操縦装置１５と左右の配設を逆にしてもよく、両者を同一の側に配設するようにしてもよい。

搭乗部１３と駆動輪１１との間には制御ユニット１６が配設されている。
本実施形態において制御ユニット１６は、搭乗部１３の座面部１３１の下面に取り付けられているが、支持部材１４に取り付けるようにしてもよい。
また、図１に図示しないが、制御ユニット１６の下部には、電力を供給するバッテリ、駆動輪１１の空気圧を調節するためのコンプレッサ、電磁弁、配管などの配管系が収納されている。

図２の各図は、本実施形態の車両が旋回を行う原理を説明するための図である。
本実施形態の車両は、駆動輪１１ａ、１１ｂとシャフトが一体となって回転するようになっており、両駆動輪の回転速度は常に等しくなるようになっている。
図２（ａ）は、車両が直線走行を行っている場合の駆動輪１１を示したものである。この場合、駆動輪１１ａ、１１ｂの外径は等しくなっている。駆動輪１１ａ、１１ｂの回転速度は等しいため、車両は直進する。

図２（ｂ）は、車両が旋回する場合の駆動輪１１を示したのである。
図に示した例では、駆動輪１１ｂの外径が駆動輪１１ａの外径よりも小さくなっている。駆動輪１１ａ、１１ｂの回転速度は等しいため、外径の大きい駆動輪１１ａが外輪側、外径の小さい駆動輪１１ｂが内輪側となって、車両は旋回する。
また、逆方向に旋回する場合は、駆動輪１１ａの外径が駆動輪１１ｂの外径よりも小さくなるように駆動輪１１の外径の大きさを制御する。

なお、厳密には、駆動輪１１の表面（タイヤの表面）は丸みを帯びるなど立体的な形状を有しているため、車両が傾くとタイヤ表面と地面の接している箇所が変化する。この地面と接している箇所の外径を有効径という。
このように、本実施形態では、内外輪の有効径を変化させることにより車両を旋回させる。

図３は、駆動輪１１の内部構造を説明するための図である。
駆動輪１１は、円盤状のホイール２１の周囲に円環状のタイヤ２０を配設することにより構成されている。
ホイール２１は、例えば、アルミニウムなどの金属や樹脂などの非弾性部材で形成されており、外周部はタイヤ２０の内周部を勘合させるために凹形状となっている。
タイヤ２０は、例えば、ゴムなどの弾性体で形成された厚膜により構成されており、タイヤ内部２４には空気が充填されている。
ホイール２１は、中心軸上でシャフト２２と接続しており、シャフト２２と共に回転するようになっている。

また、シャフト２２、ホイール２１の内部には、タイヤ内部２４に至る空気流路２３が設けられており。
ホイール２１とタイヤ２４の接合部は気密性が保たれており、このため、空気流路２３内の圧力を増減することにより、タイヤ内部２４の圧力を調節することができる。
タイヤ内部２４の圧力が高まると、タイヤ２０は外周部方向に膨張し、駆動輪１１の外径が増大する。一方、タイヤ内部２４の圧力が低下すると、タイヤ２０は内周方向に収縮し、駆動輪１１の外径が減少する。
このように、駆動輪１１は、タイヤ内部２４の圧力（以下、タイヤ圧力）を増減することにより弾性体を伸縮させることにより外径を変化させることができる。

図４は、本実施形態の車両の配管系の一例を示したブロック図である。
本実施形態の配管系は、コンプレッサ３１で圧縮した空気をアキュムレータ３２に蓄え、アキュムレータ３２に蓄えた圧縮空気を駆動輪１１ａ、１１ｂに供給するようになっている。
コンプレッサ３１は、例えば、レシプロ型やスクリュー型のものを使用することができる。
アキュムレータ３２は、例えば、金属製の容器であって、配管系での急激な圧力の変化や圧力の脈動を緩和する作用を有している。
このように、制御ユニット１６は、高圧源（アキュムレータ３２）と低圧源（大気）を用いてタイヤ圧力を調節する。

コンプレッサ３１とアキュムレータ３２の間には、電磁弁３３と圧力センサＰ１が配設されている。
コンプレッサ３１は、制御ユニット１６からの指令により起動・停止され、電磁弁３３は制御ユニット１６の指令により開閉される。圧力センサＰ１は、アキュムレータ３２の圧力を計測し、制御ユニット１６に供給する。

制御ユニット１６は、アキュムレータ３２内の圧力の上限値と下限値を記憶しており、圧力センサＰ１で検出した圧力が下限値を下回ると、コンプレッサ３１を起動すると共に電磁弁３３を開く。そして、制御ユニット１６は、アキュムレータ３２内の圧力が上限値に達すると、電磁弁３３を閉じると共にコンプレッサ３１を停止させる。
このようにして、アキュムレータ３２内の圧力は、上限値と下限値の間となるように管理されている。アキュムレータ３２内圧の下限値は、駆動輪１１ａ、１１ｂの最大圧力よりも大きい値となっている。

駆動輪１１ａは、電磁弁３４ａと圧力センサＰ２を介してアキュムレータ３２に接続されている。圧力センサＰ２は、電磁弁３４ａと駆動輪１１ａの間に配設されており、制御ユニット１６が駆動輪１１ａのタイヤ圧力（即ち、タイヤ内部２４の圧力）を検出するのに用いられる。
更に、駆動輪１１ａに接続する配管の他端側は開放端となっており、電磁弁３４ｂが配設されている。なお、配管の他端側に駆動輪１１ａを配設し、駆動輪１１ａとアキュムレータ３２との間のいずれかの位置に電磁弁３４を配設するようにしてもよい。

電磁弁３４ａ、３４ｂは、何れも制御ユニット１６の指令により開閉される。
制御ユニット１６が、電磁弁３４ｂを閉じたまま電磁弁３４ａを開くと、アキュムレータ３２内の空気が駆動輪１１ａに供給され、駆動輪１１ａのタイヤ圧力が増大する。これによって、駆動輪１１ａの外径が増大する。
一方、制御ユニット１６が電磁弁３４ａを閉じた状態で電磁弁３４ｂを開くと、駆動輪１１ａの空気が放出され、タイヤ圧力が減少する。これによって駆動輪１１ａの外径が減少する。
このように、制御ユニット１６は、電磁弁３４ａ、３４ｂを開閉してタイヤ圧力を調節し、駆動輪１１ａの外径を変化させることができる。
なお、制御ユニット１６は、駆動輪１１ａのタイヤ圧力の上限値と下限値を記憶しており、駆動輪１１ａのタイヤ圧力がこの範囲で制御されるように、圧力センサＰ２でタイヤ圧力を監視している。

同様に、駆動輪１１ｂは、電磁弁３５ａと圧力センサＰ３を介してアキュムレータ３２に接続されている。更に、駆動輪１１ｂに接続する配管の他端側は開放端となっており、電磁弁３５ｂが配設されている。
これらの構成要素の動作は、駆動輪１１ａの場合と同じである。

なお、本実施形態では、一例として、駆動輪１１の外径を空気圧により制御したが、この他に、炭酸ガスなどの他の気体を用いたり、水などの液体を用いるなど、各種の流体を用いることができる。
また、空気以外の流体を用いる場合は、駆動輪１１を減圧した際に放出される流体を回収し、再度利用する配管系を追加することにより、流体を再利用することができる。

図５は、倒立振り子車両の制御ユニット１６について説明するための図である。
制御ユニット１６は、主制御装置１６１、モータ制御装置１６３、電磁弁制御装置１６５、コンプレッサ制御装置１６６、ジャイロセンサ１６２、記憶部１６４などを備えている。
制御ユニット１６には、操縦装置１５、入力部１７１、表示部１７２、圧力センサＰ１〜Ｐ３、駆動モータ１２、電磁弁３３、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、コンプレッサ３１などの周辺装置が接続されている。
バッテリ１６０は、駆動モータ１２に接続されており、駆動用の電力を供給する他、制御ユニット１６などに対しても制御用の低電圧の電力を供給するようになっている。

主制御装置１６１は、メインＣＰＵを備え、図示しない各種プログラムやデータが格納されたＲＯＭ、作業領域として使用されるＲＡＭ、外部記憶装置、インターフェイス部等を備えたコンピュータシステムで構成されている。
ＲＯＭ（又は記憶部１６４）には、倒立振り子車両の姿勢を保持する姿勢制御プログラム、操縦装置１５からの各種指示信号に基づいて走行を制御する走行制御プログラム（操縦装置１５からの旋回指示に基づいて旋回を制御するプログラムも含まれている）などの各種プログラムが格納されている。
主制御装置１６１は、これら各種プログラムを実行することで対応する処理を行う。

ジャイロセンサ１６２は、車両の傾き（搭乗部１３の姿勢）を検出する傾斜角センサとして機能する。
ジャイロセンサ１６２は、車両の傾斜に基づく物理量として、車両の傾きと角加速度を計測し、主制御装置１６１に供給する。
車両の傾斜角は、搭乗部１３の走行方向への傾斜角（ピッチ角）と、走行方向に垂直な方向への傾斜角（ロール角）があり、角加速度も走行方向への角加速度と、走行方向に垂直な方向への角加速度がある。
以下本実施形態では、車両のロール角を傾斜角Φといい、この傾斜角Φを旋回制御において検出される車両の傾きとして検出する。

これら傾斜角のうち、ロール角は、車両が旋回する際に、主制御装置１６１が後述の式（２）で求める目標傾斜角φを用いて駆動輪１１の内外輪差を制御するのに用いられる。
なお、ジャイロセンサ１６２は、角加速度のみ検出し、主制御装置１６１がこれらを時間で積分することにより車両の傾斜角Φを算出するように構成してもよい。

また、傾斜角センサとしてはジャイロセンサ１６２以外に、液体ロータ型角加速度計、渦電流式の角加速度計等の車両が傾斜する際の角加速度に応じた信号を出力する各種センサを使用することができる。
液体ロータ型角加速度計は、サーボ型加速度計の振り子の代わりに液体の動きを検出し、この液体の動きをサーボ機構によりバランスさせるときのフィードバック電流から角加速度を測定するものである。一方、渦電流を利用した角加速度計は、永久磁石を用いて磁気回路を構成し、この回路内に円筒形のアルミニウム製のロータを配設し、このロータの回転速度の変化に応じて発生する磁気起電力に基づき、角加速度を検出するものである。

モータ制御装置１６３は、主制御装置１６１からの指令（駆動トルク、速度、回転向きの各指示信号）に基づいて駆動モータ１２を制御する。
モータ制御装置１６３は、駆動モータ１２用のトルク−電流マップを備えている。
このトルク−電流マップに従って、モータ制御装置１６３は、主制御装置１６１から供給される駆動トルクに対応する電流を駆動モータ１２に対して出力するように制御する。
このように、主制御装置１６１、モータ制御装置１６３、駆動モータ１２は、駆動輪１１を駆動する駆動輪制御手段として機能する。

なお、主制御装置１６１から供給される駆動トルクの指令値は、車両が停止している場合には、姿勢制御のためのトルク指令値（Ｔとする）であり、走行中は運転者の駆動要求に応じたトルク指令値から姿勢制御のためのトルク指令値Ｔを加減算した値である。
主制御装置１６１は、モータ制御装置１６３から供給される、駆動モータ１２のロータの回転速度の検出値によって車速Ｖを検出する。この車速Ｖは、後述の式（２）で目標傾斜角φを算出するのに用いられる。

記憶部１６４は、例えば、ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置が用いられる。
記憶部１６４には、例えば、走行制御プログラム、ナビゲーションプログラムといった各種のプログラムや、ナビゲーションに用いる地図データなどの各種データが記憶されている。
主制御装置１６１は、インターフェイスを介して外部のコンピュータと接続し、記憶部１６４に記憶されたプログラムやデータを更新したり、あるいは新たに記憶させることができるようになっている。

電磁弁制御装置１６５は、主制御装置１６１からの指令に従って、電磁弁３３、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂを個別に開閉する。
主制御装置１６１から電磁弁制御装置１６５へは、電磁弁を特定する電磁弁特定情報と、電磁弁を開く開命令又は電磁弁を閉じる閉命令が電磁弁制御装置１６５に供給される。
電磁弁制御装置１６５は、電磁弁特定情報により開閉する電磁弁を認識し、開命令、又は閉命令により、この電磁弁を開くのかあるいは閉じるのかを認識する。
そして、電磁弁制御装置１６５は、電磁弁を構成するコイルに通電するなどしてこれを開閉する。

コンプレッサ制御装置１６６は、主制御装置１６１からの指令に従ってコンプレッサ３１を作動させる。
主制御装置１６１からコンプレッサ制御装置１６６へは、コンプレッサ３１を作動させる作動命令やコンプレッサ３１を停止させる停止命令が送信され、コンプレッサ制御装置１６６は、これらの命令に従って、コンプレッサ３１の起動スイッチをオンオフする。
このように、電磁弁制御装置１６５、電磁弁３３、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、コンプレッサ制御装置１６６は、駆動輪１１の少なくとも一方の外径を制御する外径制御手段として機能する。

圧力センサＰ１〜Ｐ３は、例えば、ダイアフラムやベローズなどを用いて構成されており、主制御装置１６１は、圧力センサＰ１によりアキュムレータ３２内の圧力を監視し、圧力センサＰ２、Ｐ３により、それぞれ駆動輪１１ａと駆動輪１１ｂのタイヤ圧力を監視する。

入力部１７１は、表示・操作部１７（図１参照）に配設され、各種データや指示、選択をするための入力手段として機能する。
入力部１７１は、表示部１７２上に配設されたタッチパネルと、専用の選択ボタンで構成される。タッチパネル部分は、表示部１７２に表示された各種選択ボタンに対応して搭乗者が押下（タッチ）した位置が検出され、その押下位置と表示内容とから選択内容が取得される。

操縦装置１５は、運転者が加速・減速・旋回を指示する装置であって、例えば、ジョイスティック状の操作棒を運転者が傾斜させることにより指示するようになっている。操作棒の操作方法は概略次のとおりである。
車両を前進・後退させる場合は、操作棒をそれぞれ前後に倒すことにより指示する。その際の操作棒の傾斜角度が速度に対応する。

車両を旋回させる場合は、操作棒を旋回方向に倒す（進行方向に向かって右旋回する場合は右に倒し、左旋回する場合は左に倒す）。そして、その際の操作棒の傾斜角度が旋回半径Ｒに対応している。
このように、操縦装置１５では、操作棒の倒された方向により旋回方向が指示され、倒した量により旋回量（旋回半径Ｒ）が指示される。なお、操作棒を倒した量（傾斜角）が大きいほど旋回半径は小さくなる。
操縦装置１５と主制御装置１６１は、運転者からの旋回指示を受け付ける旋回指示受付手段として機能する。

なお、操縦装置１５では、操作棒の他に、ハンドル操作で旋回方向と旋回量を指定するように構成したり、あるいはタッチパネルにタッチすることにより旋回方向と旋回量を指定するように構成するなど、各種の方式が可能である。
更に、操縦装置１５を用いずに運転者が旋回方向に体重を移動することにより、旋回方向と旋回量を指示するように構成することもできる。この場合、運転者は、自転車を運転している場合と同様の体重移動により車両に旋回を行わせることができ、運転者の体感にとって自然な旋回制御を行うことができる。

図６は、駆動輪１１の外径と旋回半径の関係の一例を説明するための図である。
この例では、駆動輪１１ａの外径が５５０ｍｍ、駆動輪１１ｂの外径が５００ｍｍで、駆動輪１１ａと駆動輪１１ｂの距離が５００ｍｍとなっている。
この場合、旋回半径は５．５ｍとなる。この旋回半径は、小型車で実現できる旋回半径と同程度である。このように、外径差５０ｍｍ程度で実用的な旋回能力を得ることができ、この程度であればタイヤ２０の伸縮（膨張収縮）で実現することができる。

図７（ａ）は、旋回時に、車両に作用する力を説明するための図である。
本実施形態の車両は、車両に作用する遠心力と重力の合力が車軸（座面部１３１）と垂直になるように車両を傾ける。
以下に、このような条件を満たす車両の傾きを目標傾斜角φとして求める。
まず、重心に作用する遠心力Ｆｃは、外輪側（外径の大きい方の駆動輪１１側）に水平に作用し、その大きさは、車両の質量をＭ（搭乗者の質量を含める）、車速をＶ、旋回半径をＲとすると次の式（１）で表される。

Ｆｃ＝Ｍ×Ｖ×Ｖ／Ｒ ・・・（１）

一方、重力は鉛直方向に作用し、重力加速度をｇとするとその大きさはＭｇとなる。
そのため、遠心力と重力の合力Ｆが車軸に垂直となる条件は、次の式（２）で表される。
ただし、φは、駆動輪１１の外径差による車体の傾斜角である。

φ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｖ×Ｖ／（ｇＲ）｝・・・（２）

式（２）において、旋回半径Ｒは、搭乗者が操縦装置１５を操作することにより指示される。主制御装置１６１は、このようにして指示された旋回半径Ｒと車速Ｖを式（２）に代入してφを求め、このφを目標値（目標傾斜角）として駆動輪１１の外径を変化させる。
このように、主制御装置１６１は、式（２）によって旋回量に対応する車両の目標傾斜角φを算出する目標傾斜角算出手段として機能する。

このように車両をφだけ傾けると、合力Ｆの方向は車軸と垂直となるため、搭乗者は身体に、遠心力による横方向の力（横Ｇ）を感じることがない。そのため、搭乗者は快適に旋回することができる。
また、この合力Ｆの作用の方向は、自転車に乗っていて旋回する場合と同様であり、このため、搭乗者は、自転車に乗っているかのような体感にて車両を操縦することができる。
更に、車両を転覆させる方向のモーメントが発生せず、内輪と外輪に等しく加重を分散させるため、安全に旋回を行うことができる。

図７（ｂ）は、従来の車両で旋回した場合の力の作用を、本実施形態と比較するために示した図である。
従来は、車両を傾けずに旋回していたため、車両の重心に作用する遠心力Ｆｃを打ち消す力が作用しない。
そのため、搭乗者は遠心力を水平方向に感じてしまう。
また、この遠心力Ｆｃは、外輪側に加重が偏るため、図７（ａ）の例に比べると、旋回時における車両の安定性が低下する。

なお、本実施形態の車両では、遠心力Ｆｃと重力Ｍｇの合力が車軸と垂直になるように構成したが、この条件を緩めて、車軸と垂直にならない範囲で車両を傾けるように構成することもできる。
この場合、図７（ｃ）に示したように、合力Ｆの方向が、図に示した重心と外輪・内輪の接地点を結んだ点線の範囲となるようにすると、車両を転覆させずに旋回することができる。
この場合は、合力Ｆの方向が図７（ｃ）の点線内となる範囲で旋回を行うことが可能である。
このように条件を緩和すると、旋回半径Ｒと車両の傾きを対応させる必要がなくなり、例えば、低速で小さな旋回半径Ｒを旋回する（条件を緩めない場合、旋回半径が小さい場合、車速を高速にする必要がある）ことができる。

次に、図８のフローチャートを用いて、旋回制御について説明する。
なお、このフローチャートは、車両が行う各種制御のうち旋回制御の部分を示しており、車両は、走行方向の姿勢制御などの走行に必要な他の制御を旋回制御と並行して行っている。

主制御装置１６１は、旋回指示が入力された否か、即ち操作棒が運転者によって旋回方向に傾けられたか否かを監視している（ステップ５）。
旋回指示が入力されない場合（ステップ５；Ｎ）、主制御装置１６１は引き続き監視を継続する。
旋回指示が入力された場合（ステップ５；Ｙ）、主制御装置１６１は、操縦装置１５からの旋回指示の入力を受け付ける（ステップ１０）。この旋回指示は、操作棒が倒された方向と倒された角度などから構成されている。

主制御装置１６１は、操作棒が傾けられた方向により旋回方向を特定し、これによって駆動輪１１ａ、１１ｂのうち何れが内輪となり、何れが外輪となるかを特定する。
なお、右側に旋回する場合は、進行方向に向かって操作棒が右側に傾けられ、進行方向に向かって右側（駆動輪１１ａ）が内輪となる。逆に、左側に旋回する場合は、操作棒が左側に傾けられ、進行方向に向かって左側（駆動輪１１ｂ）が内輪となる。

次に、主制御装置１６１は、操作棒が傾けられた角度により旋回半径Ｒを算出する（ステップ１５）。
ここで、旋回半径Ｒは、Ｒ＝ｆ（ｒ）といった関数によって走行制御プログラム中に定義されており、主制御装置１６１は、これによってＲを算出する。ここで、ｒは操作棒が傾けられた角度である。一般にｆは、ｒが大きいと旋回半径Ｒが小さくなるような関数である。
なお、Ｒ＝ｆ（ｒ、Ｖ）とし、Ｒの算出に操作棒の傾斜角ｒと車速Ｖを用いることもできる。例えば、高速で走向している場合、急激に旋回すると遠心力が大きくなり車両の安定性が低下する。そのため、操作棒の傾きが同じ角度であっても、車速Ｖが大きいほどＲが大きくなるようにＲの関数を規定すると高速での急旋回を抑制することができ、安全性が向上する。

次に、主制御装置１６１は、駆動モータ１２の回転速度から車速Ｖを検出する（車速検出手段）（ステップ２０）。駆動モータ１２は、ロータの位置を主制御装置１６１に対して出力するので、主制御装置１６１は、これを時間微分するなどして車速Ｖを算出することができる。
また、駆動モータ１２にロータの回転速度を検出するセンサを取り付け、主制御装置１６１が車速を直接検出できるようにしてもよい。

次に、主制御装置１６１は、式（２）を用いて車両の傾斜の方向（進行方向に対して左右の何れか）と傾斜角度を算出する（ステップ２５）。
主制御装置１６１は、傾斜の方向に関しては旋回する側が傾斜の方向であると判断する。即ち、右側に旋回する場合は、車両を傾斜させる方向は右側であり、左側に旋回する場合は、車両を傾斜させる方向は左側である。
そして、傾斜角度に関しては、ステップ１５で算出した旋回半径Ｒと、ステップ２０で検出した車速Ｖを式（２）に代入して算出する。

このようにして、車両を傾ける方向、及び目標傾斜角φを算出した後、主制御装置１６１は、駆動輪１１の外径の制御を行って外径を変化させる（ステップ２７）。
本実施形態では、内輪となる側の駆動輪１１の空気を放出してタイヤ圧力を低下させて内輪の外径を小さくし、これによって内外輪の外径差を形成する。

本実施形態では、通常の直線走行時はアキュムレータ３２の内圧と駆動輪１１のタイヤ圧力を等しくし、旋回する場合に内輪側の空気を放出するように構成してある。
これにより、主制御装置１６１は、タイヤ圧力を減圧する場合は、電磁弁３４ａ、３５ａを閉じたまま電磁弁３４ｂ又は電磁弁３５ｂのうち、該当するものを開状態にし、減圧したタイヤ圧を復元するには、電磁弁３４ｂ、３５ｂを閉じた状態で、電磁弁３４ａ、３５ａのうち、該当するものを開状態にする。

なお、外輪のタイヤ圧を高めて外輪の外径を大きくするように構成することも可能である。
この場合アキュムレータ３２の最少の内圧を駆動輪１１のタイヤ圧力よりも高く維持する必要がある。
ただし、旋回に際して外輪のタイヤ圧を加圧し、これと同時に内輪のタイヤ圧を減圧するように制御すると、内外輪の外径差をより大きくすることができ、旋回半径Ｒ最小値をより小さくすることが可能になる。
何れの方式を採用するかは、車両の仕様や用途などにより決定される。

このようにして、主制御装置１６１は、電磁弁３４ｂ、電磁弁３５ｂのうち、内輪となる側の電磁弁に対する開命令を電磁弁制御装置１６５に供給し、電磁弁制御装置１６５は当該電磁弁を開く。
これによって、内輪のタイヤ圧力が低下し、車両が旋回方向に傾き始める。
主制御装置１６１は、車両の傾斜角Φをジャイロセンサ１６２によって検出し、これと目標傾斜角φとを比較する。そして、主制御装置１６１は、車両の傾斜角Φが目標傾斜角φに到達したか否かを判断する（ステップ３０）。
なお、主制御装置１６１は、車両の傾斜角Φの検出を所定のサンプリングレートにより行い、逐次検出している。

このようにして主制御装置１６１は、車両の傾斜角Φを検出しながら、傾斜角Φがまだ目標傾斜角φに達していない場合（ステップ３０；Ｎ）、開いた電磁弁（３４ｂ又は３５ｂ）の開状態を維持し、空気圧の調整（減圧）を引き続き行う（ステップ３５）。そして、主制御装置１６１は、ステップ３０に戻って車両の傾斜角Φが目標傾斜角φに到達したかを確認する。
一方、車両傾斜角Φが目標傾斜角φに到達した場合（ステップ３０）、主制御装置１６１は、運手者の操作により旋回半径が変更されたか確認する（ステップ４０）。

旋回半径Ｒが変更されている場合（ステップ４０；Ｙ）、主制御装置１６１の処理は、ステップ１０に戻って再度目標傾斜角φの算出を行い、内輪のタイヤ圧力を調節する。
旋回半径Ｒが変更されていない場合（ステップ４０；Ｎ）、主制御装置１６１は、旋回制御を終了する。

通常、道路のカーブ区間は、クロソイド曲線と呼ばれる曲線に沿って形成されており、カーブ区間の両端では旋回半径Ｒが大きく、カーブ区間の中間では旋回半径Ｒが小さく設定されている。
そのため、運転者は、カーブ区間に進入しながら操作棒を徐々に旋回方向に倒し、カーブ区間を出ながら操作棒を徐々に戻すことになる。
このように、旋回半径Ｒがカーブ区間の通行に伴って刻々と変化するため、本実施形態では、ステップ４０で逐次旋回半径Ｒの変更を確認し、内輪のタイヤ圧を調節するようになっている。

以上、本発明の車両における１実施形態について説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種の変形を行うことが可能である。
例えば、説明した実施形態では、主制御装置１６１は、車両傾斜角Φを検出し、これが目標傾斜角φと等しくなるようにタイヤ圧力を制御したが、旋回制御のプログラム中で目標傾斜角φと目標タイヤ圧力を対応付けておき、主制御装置１６１は、内輪のタイヤ圧力がこの目標タイヤ圧力に達するようにタイヤ圧力を減圧する構成としてもよい。

また、目標タイヤ圧力により傾斜角Φの粗調性を行い、車両の傾斜角Φと目標傾斜角φの差により微調整を行うように構成することもできる。
この場合、主制御装置１６１は、まず、タイヤ圧力を目標タイヤ圧力まで減圧した後、車両の傾斜角Φと目標傾斜角φの差からタイヤ圧力を微調整する。

以上に説明した本実施形態により次のような効果を得ることができる。
（１）空気圧によって駆動輪の外径（有効径）差を制御することにより自由な半径での車両の旋回が可能となる。
（２）内輪側の駆動輪１１の外径が外輪側の駆動輪１１の外径よりも小さくなるため、車両を旋回方向に傾けることができ、旋回時の車両の姿勢安定性を高めることができる。
（３）車両の旋回制御において、内外輪に回転速度の差を制御する機構が必要なく、システムがコンパクトとなり、軽量化を図ることができる。
（４）旋回方向に自動的に車両が傾斜するため、搭乗者が遠心力により受ける横方向の力を打ち消したり、あるいは緩和することができる。

なお、本実施形態では、駆動輪１１ａと駆動輪１１ｂが直結しており、駆動輪１１ａと駆動輪１１ｂの回転速度が等しくなるように構成したが、従来例のように、駆動輪１１ａ、１１ｂの回転速度を個別に制御する方式と、本実施形態のように駆動輪１１の外径を制御する方式を組み合わせることも可能である。
本実施形態では、駆動輪１１の外径差と旋回半径Ｒが対応しているが、駆動輪１１の外径差と共に回転速度を個別に制御することにより、旋回半径Ｒに対して様々な車両の傾きを採用することが可能となる。

また、車両に旋回半径Ｒに応じて車速Ｖを加減速する機能を備えるようにしてもよい。
この場合、運転者が操作棒を倒して旋回を指示すると、車両は、操作棒の傾斜角度に応じて決定される旋回半径Ｒに応じて車速Ｖを減速し、旋回から直線走行に復帰するのに応じて車速Ｖを加速するように構成する。
このように構成すると、車両は、カーブ区間に進入する際に減速し、カーブ区間から脱する際に加速することができ、円滑な旋回を行うことができる。

本実施形態における車両の外観構成図である。 車両が旋回を行う原理についての説明図である。 駆動輪の内部構造についての説明図である。 車両の配管系の一例を示したブロック図である。 車両の制御ユニットについての説明図である。 駆動輪の外径と旋回半径の関係についての説明図である。 車両に作用する力についての説明図である。 車両が行う旋回制御を表すフローチャートである。 従来例についての説明図である。

符号の説明

１１ 駆動輪
１２ 駆動モータ
１３ 搭乗部
１４ 支持部材
１５ 操縦装置
１６ 制御ユニット
１７ 表示・操作部
１７１ 入力部
１７２ 表示部
２０ タイヤ
２１ ホイール
２４ タイヤ内部
２２ シャフト
２３ 空気流路
３１ コンプレッサ
３２ アキュムレータ３２
３３、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ 電磁弁
１６０ バッテリ
１６１ 主制御装置
１６２ ジャイロセンサ
１６３ モータ制御装置
１６４ 記憶部
１６５ 電磁弁制御装置
１６６ コンプレッサ制御装置
Ｐ１〜Ｐ３ 圧力センサ

Claims (5)

1. 同一軸線上に配置された左右の駆動輪を駆動する駆動手段と、
   運転者からの旋回指示を受け付ける旋回指示受付手段と、
   前記受け付けた旋回指示で指定された旋回量に対応して、内輪側の駆動輪の外径が外輪側の駆動輪の外径よりも小さくなるように、前記左右の駆動輪のうち少なくとも一方の外径を制御する外径制御手段と、
   を具備したことを特徴とする車両。
2. 前記駆動輪は、流体を充填した弾性体で構成されており、前記外径制御手段は、前記流体の圧力を変化させて前記弾性体を伸縮させることにより前記駆動輪の外径を変化させることを特徴とする請求項１に記載の車両。
3. 前記受け付けた旋回量に対応する車両の目標傾斜角を算出する目標傾斜角算出手段を具備し、
   前記外径制御手段は、車両の傾きが前記算出した目標傾斜角となるように、前記駆動輪の外径を制御することを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の車両。
4. 車速を検出する車速検出手段を具備し、
   前記目標傾斜角算出手段は、前記検出した車速を用いて前記目標傾斜角を算出することを特徴とする請求項３に記載の車両。
5. 前記目標傾斜角算出手段は、前記駆動輪の外径の変化による車両の傾きにより、当該車両に作用する遠心力と重力の合力が前記軸線に垂直となるような傾斜角を算出することを特徴とする請求項３、又は請求項４に記載の車両。

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