JP2014088054A - 倒立型移動体及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが容易に搭乗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。
【解決手段】本発明にかかる移動体１は、車体の搭乗部に設けられ、搭乗者の一方及び他方の足の載置を個別検出するステップセンサ部１３２と、倒立制御により、車体が移動したことを検出する車両状態演算部１４０と、搭乗者の一方の足の載置が検出されているときに、車体の移動が検出された場合、車体の移動が検出されたときの目標姿勢に対して車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、目標姿勢を補正する倒立制御演算部１０３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関する。

車輪に対して本体部が起立した状態を維持して走行可能に構成された車両（以下、倒立型移動体と呼ぶこともある）は、コンパクト構成であることに加えて、搭乗の容易さ・迅速さを利点とする。この利点を更に進展させるため、従来から、倒立移動体に対する搭乗者の搭乗手順を改良し、よりユーザ志向の製品を提供することが求められている。

例えば、特許文献１には、搭乗者の搭乗の前後において、倒立制御のゲインを調整する車両が開示されている。具体的には、車両は、搭乗者の片足が車両に載置したことを検知して、始動制御を開始する。そして、車両は、搭乗者の両足が車両に載置したことを検知して、始動制御時よりも大きなゲインで車輪を制御する。これにより、車両始動時においては、両足が載置した状態よりも小さいゲインで車両が制御されるため、車両が搭乗者に接近することを抑制できる。

特開２０１２−２５０８４８号公報

特許文献１の技術においては、車両始動時において、両足が載置した状態よりも小さいゲインで車両が制御される。しかし、搭乗動作中のユーザが予め定められた範囲を超えてハンドルを傾けた場合には、車両がユーザに接近し続ける可能性がある。そのため、搭乗に不慣れなユーザにとっては、車両への搭乗（車両に両足を載置すること）が難しいという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ユーザが容易に搭乗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している。

本発明の一態様にかかる倒立型移動体は、車輪と、前記車輪に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、前記車体の搭乗部に設けられ、前記搭乗者の一方又は他方の足の一方が前記搭乗部に載置されたことを検出する載置検出手段と、予め設定された目標姿勢に対して前記車体が傾斜した方向に、前記車体を移動させることで、前記車体の倒立状態を維持する倒立制御手段と、前記倒立制御手段の倒立制御により、前記車体が移動したことを検出する移動検出手段と、前記搭乗者の一方又は他方の足の一方の載置が検出されているときに、前記車体の移動が検出された場合、前記車体の移動が検出されたときの前記目標姿勢に対して前記車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、前記目標姿勢を補正する目標姿勢補正手段と、を備えるものである。これにより、搭乗時に車体が傾いていても、倒立型移動体は、バランスが取れている状態であると認識する。その結果、倒立型移動体は静止するため、搭乗者は容易に搭乗することができる。

また、前記目標姿勢補正手段は、前記目標姿勢の補正処理として、少なくとも前記車体のピッチ角の目標値の補正を行ってもよい。

また、前記目標姿勢補正手段は、前記搭乗者の両方の足の載置が検出されるまで、前記目標姿勢の補正処理を行ってもよい。これにより、搭乗者の搭乗が完了するまでは、目標姿勢の補正処理が行われる。

また、前記目標姿勢補正手段は、前記搭乗者の両方の足の載置が検出された場合、補正後の前記目標姿勢を、前記予め設定された目標姿勢に変化させてもよい。これにより、倒立型移動体は、搭乗完了後において、予め設定された目標姿勢に基づく倒立走行を実現できる。

また、前記目標姿勢補正手段は、前記目標姿勢を前記予め設定された目標姿勢まで変化させた場合、前記目標姿勢を固定してもよい。これにより、移動体１は、安定した倒立走行を実現できる。

また、前記予め設定された目標姿勢は、前記車体の軸が鉛直方向の軸と略平行な姿勢であってもよい。これにより、車体軸線が鉛直方向を向くため、安定した倒立状態を維持できる。

また、前記移動検出手段は、前記車輪の角速度を検出し、検出した前記車輪の角速度の変化に基づいて、前記車体の移動を検出してもよい。

また、前記目標姿勢補正手段は、前記車輪の現在の角速度と目標角速度の差に応じて、前記目標姿勢の補正量を決定してもよい。これにより、車体姿勢に対して最適な補正量を用いて補正処理を行うことができる。

前記目標姿勢の補正量には、上限が設定されていてもよい。これにより、目標姿勢の急な変化を抑制し、倒立型移動体の不安定な動作を抑制できる。

本発明の一態様にかかる倒立型移動体の制御方法は、車輪と、前記車輪に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、予め設定された目標姿勢に対して前記車体が傾斜した方向に、前記車体を移動させることで、前記車体の倒立状態を維持する倒立制御手段と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、前記車体の搭乗部に、前記搭乗者の一方又は他方の足の一方が載置されたことを検出しているときに、前記倒立制御手段の倒立制御により、前記車体が移動したことを検出した場合、前記車体が移動したことを検出したときの前記目標姿勢に対して前記車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、前記目標姿勢を補正するものである。これにより、搭乗時に車体が傾いていても、倒立型移動体は、バランスが取れている状態であると認識する。その結果、倒立型移動体は静止するため、搭乗者は容易に搭乗することができる。

本発明によれば、ユーザが容易に搭乗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。

実施の形態にかかる倒立型移動体の概略斜視図である。 実施の形態にかかる倒立型移動体内部のブロック図である。 実施の形態にかかる演算ユニットのブロック図である。 実施の形態にかかる倒立型移動体への搭乗手順を示す模式図である。 実施の形態にかかる倒立型移動体の動作を示すフローチャートである。 実施の形態にかかる倒立型移動体の動作を説明するための模式図である。 参考例にかかる倒立型移動体の動作を説明するための模式図である。 変形例にかかる演算ユニットのブロック図である。

＜移動体１の構成＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。始めに、図１を参照して、本実施の形態にかかる移動体１の構成について説明する。図１は、移動体１の外観斜視図である。なお、移動体１の具体的外観構成は任意であり、図１に示すものに限定されるものではない。

図１に示すように、移動体１は、ハンドル部３０１と、支柱部３０２と、ベース収容部３０３と、ステップ部３０４と、車輪３０５と、を備える。ハンドル部３０１は、搭乗者２００によって自由な把持が可能となるように略三角形状の輪状体で構成される。支柱部３０２は、起立状態の搭乗者２００の足から胴部付近まで延在するように構成される。支柱部３０２の下端は、ベース収容部３０３に対して連結している。支柱部３０２の上端には、ハンドル部３０１が取り付けられている。ベース収容部３０３は、バッテリ、モータ、コンピュータ、ロジック回路、センサ、配線、機械機構等（図示省略）を内蔵する。ステップ部３０４（搭乗部）は、搭乗者２００の両足に対応して、左足用ステップ部３０４ａ、右足用ステップ部３０４ｂを有する。ステップ部３０４は、内側から外側へ、車輪３０５上まで延在する。一組の車輪３０５は、左車輪３０５ａ及び右車輪３０５ｂを有する。車輪３０５は、車体（ハンドル部３０１、支柱部３０２、ベース収容部３０３、及びステップ部３０４）を支持する。

搭乗者２００は、ハンドル部３０１を両手で把持した状態で重心移動する。これに応じて移動体１は平面移動する。例えば、搭乗者２００が前方に重心をかけると、ハンドル部３０１は前方に押され、支柱部３０２は前方へ傾斜する。移動体１は、支柱部３０２の前方への傾きに応じて、前方への移動指令を生成し、これに応じて前方へ移動する。つまり、移動体１は、目標姿勢に対して車体が傾斜した方向に、車体を移動させることで、移動体１の倒立状態を維持する倒立型移動体である。なお、目標姿勢とは、移動体１の車体が目標とする姿勢であり、予め設定されている。目標姿勢は、例えば、予め設定された車体のピッチ角の目標値（目標姿勢角度）を用いて設定される。

次に、図２に示したブロック図を参照して、移動体１の内部構成について説明する。図２に示すように、移動体１は、指令生成部１０１、加算部１０２、倒立制御演算部１０３、駆動／センサ系１１０、車両状態演算部１４０、及び情報入出力部１５０を有する。加算部１０２は、加算部１０２ａ〜１０２ｄを備える。駆動／センサ系１１０は、駆動系１２０、およびセンサ系１３０を有する。駆動系１２０は、アンプ部１２１、モータ部１２２、アンプ部１２３、 及びモータ部１２４を有する。なお、アンプ部１２１、モータ部１２２は、右車輪駆動系を構成する。アンプ部１２３、モータ部１２４は、左車輪駆動系を構成する。センサ系１３０は、電源スイッチ部１３１、ステップセンサ部１３２、回転量検出部１３３、及び角速度検出部１３４を有する。

上述の各機能部の接続関係について説明する。指令生成部１０１の第１出力は、加算部１０２ａの第１入力に接続される。指令生成部１０１の第２出力は、加算部１０２ｂの第１入力に接続される。指令生成部１０１の第３出力は、加算部１０２ｃの第１入力に接続される。加算部１０２ａの出力は、倒立制御演算部１０３の第１入力に接続される。加算部１０２ｂの出力は、倒立制御演算部１０３の第２入力に接続される。加算部１０２ｃの出力は、倒立制御演算部１０３の第３入力に接続される。加算部１０２ｄの出力は、倒立制御演算部１０３の第４入力に接続される。倒立制御演算部１０３の第１出力は、アンプ部１２１に接続される。倒立制御演算部１０３の第２出力は、アンプ部１２３に接続される。倒立制御演算部１０３の第３出力は、指令生成部１０１に接続される。アンプ部１２１の出力は、モータ部１２２に接続される。アンプ部１２３の出力は、モータ部１２４に接続される。

電源スイッチ部１３１の出力は、情報入出力部１５０に接続される。ステップセンサ部１３２の出力は、情報入出力部１５０に接続される。回転量検出部１３３の出力は、車両状態演算部１４０に接続される。角速度検出部１３４の出力は、車両状態演算部１４０に接続される。車両状態演算部１４０の第１出力は、加算部１０２ａの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第２出力は、加算部１０２ｂの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第３出力は、加算部１０２ｃの第２入力に接続される。車両状態演算部１４０の第４出力は、加算部１０２ｄの第２入力に接続される。

なお、図２では、図示の便宜上、電源スイッチ部１３１とステップセンサ部１３２の出力を結線させているが、実際は、各出力が個別に情報入出力部１５０へ供給されるものとする。回転量検出部１３３の出力と角速度検出部１３４の出力間の結線についても同様である。

指令生成部１０１（目標姿勢補正手段）は、移動体１に具備された入力装置を介して入力される搭乗者２００の入力指示を処理し、車体の姿勢角度の目標値（Ｖ１）、車***置の目標値（Ｖ２）、車体の姿勢角速度の目標値（Ｖ３）、及び車輪３０５の角速度の目標値（Ｖ１１）を生成する。すなわち、指令生成部１０１は、移動体１の目標姿勢を生成する。

加算部１０２は、指令生成部１０１から供給された各目標値を車両状態演算部１４０から供給される補正値を加算し、実質的に、目標値から補正値を減算する処理をする（例えば、目標値が正の値であれば、補正値が負の値であるため）。加算部１０２ａは、目標値Ｖ１から補正値Ｖ４を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。加算部１０２ｂは、目標値Ｖ２から補正値Ｖ５を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。加算部１０２ｃは、目標値Ｖ３から補正値Ｖ６を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。加算部１０２ｄは、目標値Ｖ１１から補正値Ｖ１２を減算し、倒立制御演算部１０３に出力する。なお、各補正値については後述する。

倒立制御演算部１０３（倒立制御手段、目標姿勢補正手段）は、加算部１０２から供給される各出力値に基づいて、トルク値Ｖ２０、トルク値Ｖ２１、及び車体角度（ピッチ角）の目標値を補正するための値Ｖ１３（以下、補正目標姿勢角度と称す場合もある）を生成する。

ここで、加算部１０２と倒立制御演算部１０３とが協調してトルク値を演算する工程について説明する。以下、加算部１０２と倒立制御演算部１０３とを演算ユニットと呼ぶ。演算ユニットは、適宜、次の数１〜数３にてトルクを算出し、算出したトルクを合算する。

以下に示す数１は、倒立状態を維持するためのピッチ角制御を規定する。数２は、接地面上の車体の位置を制御するためのＸ軸制御を規定する。数３は、接地面上における車体の旋回を制御するためのヨー軸制御を規定する。数４は、数１〜３にて個別に算出したトルクを合算して出力トルクを算出する際に用いられる。なお、搭乗時（搭乗者２００が片足乗車してから両足乗車するまでの期間）には数１に基づく制御（車体のピッチ角の制御）で必要十分のため、演算ユニットは、搭乗時、数２、数３に基づく制御は実行しない。

数１〜４に含まれる記号、Kpp、Kdp、Kip、Kpx、Kdx、Kix、Kpy、Kdy、Kiyは、ゲイン係数である。θrefは、目標ピッチ角である（その微分値は、目標角速度である）。θは、車両状態演算部１４０から供給される現在のピッチ角である（その微分値は、現在のピッチ角である）。Ｘrefは、進行方向における目標位置である（その微分値は、目標車両速度である）。Ｘは、車両状態演算部１４０から供給される現在の位置である（その微分値は、現在の車体速度である）。γrefは、目標ヨー角である（その微分値は、目標ヨー角速度である）。γは、車両状態演算部１４０から供給される現在のヨー角である（その微分値は、現在のヨー角速度である）。

上記した数式及び図２のブロック図から明らかなように、各式１〜３に含まれる（）内の減算処理は、加算部１０２で実行されている。

また、加算部１０２と倒立制御演算部１０３とが協調して補正目標姿勢角度を演算する工程について説明する。図３に補正目標姿勢角度を算出する演算ユニット４００のブロック図を示す。演算ユニット４００は、積分演算部４０１と、微分演算部４０２と、Ｐゲイン演算部４０３と、Ｉゲイン演算部４０４と、Ｄゲイン演算部４０５と、加算部４０６と、を有する。図３に示す演算ユニット４００は、次の数５を用いて補正目標姿勢角度を算出し、算出した値を指令生成部１０１に出力する。

数５に含まれる記号Ｐ、Ｉ、Ｄは、補正目標姿勢角度を算出する際のゲイン係数である。Δθrefは、補正目標姿勢角度（Ｖ１３）である。θ_ｗrefは、目標車輪角である（その微分値は、目標車輪角速度である（Ｖ１１））。θ_ｗは、車両状態演算部１４０から供給される現在の車輪角度（実車輪角度）である（その微分値は、現在の車輪角速度（Ｖ１２）である）。

具体的には、加算部１０２ｄは、指令生成部１０１から入力されたθ_ｗrefの微分値（目標車輪角速度Ｖ１１）からθ_ｗの微分値（現在の車輪角速度Ｖ１２）を減算し、その計算結果を倒立制御演算部１０３に出力する。倒立制御演算部１０３では、Ｐゲイン演算部４０３が、目標車輪角速度と現在の車輪角速度の差分にゲイン係数Ｐを乗算し、加算部４０６に出力する。また、積分演算部４０１が、目標車輪角速度と現在の車輪角速度の差分を積分し、Ｉゲイン演算部４０４に出力する。Ｉゲイン演算部４０４は、入力された値にゲイン係数Ｉを乗算して、加算部４０６に出力する。さらに、微分演算部４０２は、目標車輪角速度と現在の車輪角速度の差分を微分し、Ｄゲイン演算部４０４に出力する。Ｄゲイン演算部４０５は、入力された値にゲイン係数Ｄを乗算して、加算部４０６に出力する。加算部４０６は入力された３つの値を合計する。これにより、倒立制御演算部１０３は、補正目標姿勢角度Ｖ１３を算出する。

アンプ部１２１は、倒立制御演算部１０３から供給されるトルク値Ｖ２０を増幅し、モータ部１２２へ出力する。アンプ部１２３は、倒立制御演算部１０３から供給されるトルク値Ｖ２１を増幅し、モータ部１２４へ出力する。モータ部１２２は、アンプ部１２１から供給された駆動電圧波形に応じて、その回転軸を回転させる。モータ部１２４は、アンプ部１２３から供給された駆動電圧波形に応じて、その回転軸を回転させる。モータ部１２２の駆動に応じて、右車輪が回転し、モータ部１２４の駆動に応じて、左車輪が回転する。

センサ系１３０は、車体の現動作状態を検出し、この検出結果を移動体１の駆動にフィードバックさせるために設けられている。

電源スイッチ部１３１は、移動体１をオン／オフ切り替えするためのスイッチである。電源スイッチ部１３１をオンとすることで、移動体１がオン状態（移動体１に電力が供給された状態）となる。電源スイッチ部１３１をオフとすることで、移動体１がオフ状態（移動体１に電力が供給されていない状態）となる。

ステップセンサ部１３２（載置検出手段）は、搭乗者２００の足がステップ部３０４に載置を個別検出する。つまり、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の一方又は他方の足の一方がステップ部３０４に載置されたことを検出する。例えば、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の片方の足がステップ部３０４に載った時、検出値"００"を情報入出力部１５０に出力する。ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の両方の足がステップ部３０４に載った時、検出値"０１"を情報入出力部１５０に出力する。つまり、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００が片足乗車（一方の足がステップ部３０４に載置された状態）または両足乗車（両方の足がステップ部３０４に載置された状態）を検出できる。なお、ステップセンサ部１３２は、光学的、磁気的、電気的等の様々な手法にて構成することが可能であり、その具体的な構成は任意である。

回転量検出部１３３は、一組の車輪３０５に個別に設けられており、各車輪３０５ａ、３０５ｂの回転量を検出する。例えば、ロータリーエンコーダを採用すれば良い。ロータリーエンコーダの種類は任意である。

角速度検出部１３４は、移動体１の車体部分（例えば、ハンドル部３０１、支柱部３０２等）に設けられ、センサ自身の空間変位を検出する。角速度検出部１３４は、ｘ軸方向における角速度を検出するユニット、ｙ軸方向における角速度を検出するユニット、およびｚ軸方向における角速度を検出するユニットを有する。角速度検出部１３４は、各軸方向における角速度を検出し、これを車両状態演算部１４０へ出力する。

角速度検出部１３４は、機械式、ガス式、光学式等のタイプがある。角速度検出部１３４は、例えば、ＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)を活用したジャイロセンサから構成される。

車両状態演算部１４０（移動検出手段）は、様々な入力に応じて車体の状態を示す値を演算する。例えば、車両状態演算部１４０は、角速度検出部１３４から入力される角速度を積分して現在の姿勢角度を算出する。車両状態演算部１４０は、回転量検出部１３３から入力する回転量の単位時間当たりの変化量を算出し、現在の車輪の角速度を算出する。なお、時間計測方法は任意であり、例えば、車輪の回転と同時にカウント動作を開始するタイマー等を活用すれば良い。また、車両状態演算部１４０は、算出した移動速度を積分し、移動距離（現状の位置）も算出する。

車両状態演算部１４０は、現在の車体の姿勢角度を補正値Ｖ４として加算部１０２ａに出力する。車両状態演算部１４０は、現在の車体の位置を補正値Ｖ５として加算部１０２ｂに出力する。車両状態演算部１４０は、現在の車体の角速度（ピッチ方向の角速度）を補正値Ｖ６として加算部１０２ｃに出力する。車両状態演算部１４０は、現在の車輪３０５の角速度を補正値Ｖ１２として加算部１０２ｄに出力する。

情報入出力部１５０は、Ｉ／Ｏ（Input/Output）を制御する機能部であり、上述のように各種センサの出力が入力される。ステップセンサ部１３２の出力値は、情報入出力部１５０を介して、倒立制御演算部１０３へ伝送される。

＜移動体１の動作＞
続いて、本実施の形態にかかる移動体１の動作について説明する。始めに、移動体１への搭乗動作について、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、搭乗者２００が移動体１に搭乗する際の模式図である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）においては、移動体１の車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１に対して成すピッチ角度（姿勢角度）をθとする。このとき、鉛直軸線Ｘ１は、鉛直方向に対して平行な軸線である。車両軸線Ｘ２は、移動体１が備える車輪３０５の回転軸に対して略直交し、かつ支柱部３０２に沿って延在する軸線である。言い換えると、車両軸線Ｘ２は、ステップ部３０４のステップ面１４１に対して略直交する。

まず、図４（ａ）に示すように、搭乗者２００は、停車中（姿勢角度が略０°の状態）の移動体１のハンドル部３０１を把持する。このとき、車両軸線Ｘ２は、鉛直軸線Ｘ１に対して略平行である。なお、図４（ａ）においては、未だ移動体１の倒立制御は開始されていない。

次に、図４（ｂ）に示すように、搭乗者２００は、移動体１を自らに近づけようと、移動体１を自らの方向に傾ける。つまり、姿勢角度θが０°から変化する。なお、図４（ｂ）においても、未だ移動体１の倒立制御は開始されていない。

その後、図４（ｃ）に示すように、搭乗者２００は、いずれか一方の足をステップ部３０４に載せる。ステップ部３０４に足が載ると、ステップセンサ部１３２は、搭乗者２００の足の一方がステップ部３０４に載置したことを検出する。これにより、移動体１のサーボ系がＯＮ状態となり、倒立制御が開始される。

最後に、図４（ｄ）に示すように、搭乗者２００は、他方の足もステップ部３０４に載せ、ステップ部３０４上に起立する。そして、移動体１の倒立制御によって、移動体１の姿勢角度は略０°になる。

なお、搭乗者２００の搭乗手順は、図４（ａ）〜（ｄ）に示した手順に限られない。搭乗者２００が、姿勢角度θが０°の状態で、一方の足を載せ、その後、ハンドル部３０１を手前に引いて、移動体１を傾ける場合もある。また、図４（ａ）〜（ｄ）においては、搭乗者２００は、ハンドル部３０１を手前に引きつつ搭乗しているが、これに限られるものではない。搭乗者２００が、ハンドル部３０１を前方に押しつつ（移動体１を前方に傾けつつ）搭乗する場合もある。

続いて、本実施の形態にかかる移動体１の具体的な動作例について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。初期状態として、移動体１のサーボ系はＯＦＦ状態である（ステップＳ１０１）。つまり、図２に示した倒立制御演算部１０３や駆動系１２０はＯＦＦ状態となっており、移動体１の倒立制御は行われない。

次に、移動体１は搭乗者２００が片足乗車したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。具体的には、ステップセンサ部１３２が、移動体１のステップ部３０４に搭乗者２００の足のいずれか一方が載置されたか否かを検出する。搭乗者２００が片足乗車していない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、移動体１のサーボ系はＯＦＦ状態を維持する。

一方、搭乗者２００が片足乗車した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、ステップセンサ部１３２は、ステップ部３０４に搭乗者２００の足のいずれか一方が載置されたことを示す検出値を情報入出力部１５０に出力する。これにより、倒立制御演算部１０３は、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。それと共に、駆動系１２０もＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。これにより、移動体１のサーボ系がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる（ステップＳ１０３）。つまり、ステップ部３０４に搭乗者２００の足のいずれか一方が載置されたことに応じて、移動体１のサーボ系がＯＮ状態となる。

サーボ系がＯＮ状態となると、移動体１は、倒立制御を実行する。つまり、回転量検出部１３３及び角速度検出部１３４の検出値に基づいて、車両状態演算部１４０が、車体の現在の姿勢角度を算出する。そして、現在の姿勢角度が目標姿勢角度に近づくように、倒立制御演算部１０３は、モータ部１２２、１２４を駆動させるトルクを算出し、モータ部１２２、１２４を駆動させる。これにより、移動体１は倒立状態を維持する。

なお、移動体１の目標姿勢角度（姿勢角度の目標値）は、初期値として予め０°に設定されているものとする。姿勢角度が０°とは、車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１に対して平行になる状態である。つまり、移動体１の目標姿勢は、車両軸線Ｘ２が鉛直軸線Ｘ１と平行になる姿勢に予め設定されている。

このとき、図４（ｃ）に示したように、搭乗者２００は片足をステップ部３０４に載せた状態で、移動体１を手前に傾ける。つまり、現在の姿勢角度が０°（目標姿勢角度の初期値）ではない状態でサーボ系がＯＮ状態となる。このため、移動体１は、現在の姿勢角度を目標姿勢角度（０°）に近づけようと、車輪３０５を駆動させて、搭乗者２００の方向へ移動する。

ここで、ステップセンサ部１３２は、ステップ部３０４に搭乗者の両足が載置したか否かを検出する（ステップＳ１０４）。ステップ部３０４に搭乗者の両足が載置していない場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、車両状態演算部１４０は、移動体１が移動したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。例えば、車両状態演算部１４０は、車輪３０５の回転量や現在の角速度に基づいて、移動体１が移動したか否かを判定する。このとき、車両状態演算部１４０は、車輪３０５の回転方向（移動体１の移動方向）を取得する。そして、車両状態演算部１４０は、移動体１の移動の有無及び移動方向を倒立制御演算部１０３に出力する。

移動体１が移動していない場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、ステップセンサ部１３２は、再度ステップ部３０４に搭乗者の両足が載置したか否かを検出する（ステップＳ１０４）。

移動体１が移動した場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、倒立制御演算部１０３は、車輪３０５の現在の角速度及び目標角速度に基づいて、上記した数５を用いて補正目標姿勢角度を計算する（ステップＳ１０６）。倒立制御演算部１０３は、算出した補正目標姿勢角度を、指令生成部１０１に出力する。

なお、搭乗時においては、移動体１が静止していることが好ましい。このため、目標車輪角速度（数５のθ_ｗrefの微分値）は予め０に設定されている。また、数５の式から明らかなように、現在の車輪角速度と目標車輪角速度（＝０）との差が大きい程、補正目標姿勢角度Δθrefも大きくなる。逆に、現在の車輪角速度と目標車輪角速度（＝０）との差が小さい程、補正目標姿勢角度Δθrefも小さくなる。つまり、倒立制御演算部１０３は、現在の車輪角速度と目標車輪角速度との差に応じて、補正目標姿勢角速度（目標姿勢の補正量）を決定する。

指令生成部１０１は、入力された補正目標姿勢角度を用いて、目標姿勢角度を補正する（ステップＳ１０７）。具体的には、指令生成部１０１は、入力された補正目標姿勢角度Δθrefを予め設定された目標姿勢角度θrefから減算する。そして、指令生成部１０１は、Δθrefを減算した値を新たな目標姿勢角度θrefとして設定する。例えば、最初の補正処理の場合、指令生成部１０１は、目標姿勢角度の初期値である０°から補正目標姿勢角度を減算する。これにより、新たな目標となる車両軸線は、鉛直軸線に対して傾いた線となる。そして、ステップセンサ部１３２は、再度ステップ部３０４に搭乗者の両足が載置したか否かを検出する（ステップＳ１０４）。つまり、搭乗者の両足がステップ部３０４に載置するまで、目標姿勢角度の補正処理（ステップＳ１０５〜Ｓ１０７）が繰り返される。なお、２回目以降の補正処理の場合、指令生成部１０１は、既に補正された目標姿勢角度に補正目標姿勢角度を加算する。

一方、移動体１のステップ部３０４に搭乗者の両足が載置した場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、倒立制御演算部１０３は、ステップＳ１０７において補正した目標姿勢角度を初期値（０°）に戻す（ステップＳ１０８）。このとき、目標姿勢角度を補正後の値から初期値へ一気に戻すと、急に目標姿勢角度が変化してしまうため、倒立制御が不安定になるおそれがある。そのため、倒立制御演算部１０３は、一定の速度で（例えば、所定時間毎に１°ずつ）目標姿勢角度を補正後の値から初期値に戻すことが好ましい。

その後、倒立制御演算部１０３は、目標姿勢角度が初期値と一致したか否かを判定する（ステップＳ１０９）。未だ目標姿勢角度が初期値と一致していない場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、倒立制御演算部１０３は、継続して目標姿勢角度を一定速度で初期値に近づける（ステップＳ１０８）。

一方、目標姿勢角度が初期値と一致した場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、倒立制御演算部１０３は、倒立走行状態へと移行する。具体的には、目標姿勢角度を初期値に固定したまま、倒立走行制御を実行する。

ここで、図６（ａ）〜（ｄ）を参照して、目標姿勢角度の補正処理の一例を説明する。まず、図６（ａ）に示す状態は、搭乗者２００がステップ部３０４に片足を載せて移動体１を−１０°傾けた状態で、サーボ系がＯＮになった場合を示している（図４（ｃ）に示した搭乗過程に対応する）。このとき、移動体１の目標姿勢角度は０°である。つまり、目標とする車両軸線Ｘ３（目標姿勢）は鉛直方向の軸線であるである。しかし、搭乗者２００により移動体１の車両軸線Ｘ２は目標車両軸線Ｘ３に対して搭乗者２００側に、１０°傾いている。つまり、移動体１の現在の姿勢角度は−１０°である。

そのため、移動体１は、現在の姿勢角度を目標姿勢角度である０°にするために、車輪３０５を駆動させて搭乗者２００の方向へ移動しようとする。これにより、図６（ｂ）に示すように、移動体１は、搭乗者２００の方向へわずかに移動する。つまり、車輪３０５が図６（ｂ）の矢印ｄで示した方向にわずかに回転する。

倒立制御演算部１０３は、移動体１の移動方向に移動体１の目標車両軸線Ｘ３（目標姿勢）が傾くように、補正目標姿勢角度を算出する。つまり、図６（ｂ）に示すように、移動体１の目標車両軸線Ｘ３が、鉛直方向に対して移動体１の移動方向に傾くように、倒立制御演算部１０３は、補正目標姿勢角度を算出する。

より詳細には、回転量検出部１３３は、回転した車輪３０５の回転量を検出する。車両状態演算部１４０は、車輪３０５の回転量に基づいて、現在の車輪角速度を算出する。そして、倒立制御演算部１０３は、目標車輪角速度と現在の車輪角速度との差を用いて、数５により補正目標姿勢角度を計算する。本例においては、倒立制御演算部１０３は、補正目標姿勢角度として１０°を算出したとする。倒立制御演算部１０３は、算出した補正目標姿勢角度を、指令生成部１０１に出力する。つまり、倒立制御演算部１０３は、移動体１の移動が検出されたときの目標姿勢角度（０°）に対して移動体１の移動方向に傾斜した姿勢角度が新たな目標姿勢角度（−１０°）となるように、補正目標姿勢角度（１０°）を算出する。

指令生成部１０１は、予め設定された目標姿勢角度（０°）から、入力された補正目標姿勢角度を減算して、新たな目標姿勢角度を生成する。つまり、図６（ｃ）に示すように、新たな目標姿勢角度は、０°−１０°＝−１０°となる。言い換えると、目標車両軸線Ｘ３（目標姿勢）は、鉛直方向に対して、搭乗者２００側に１０°傾いた軸線となる。

そして、倒立制御演算部１０３は、移動体１の姿勢角度が新たな目標姿勢角度になるように、モータ部１２２、１２４を制御する。このとき、図６（ｃ）に示すように、移動体１の車両軸線Ｘ２は、鉛直方向に対して−１０°傾いている。つまり、移動体１の車両軸線Ｘ２は、目標車両軸線Ｘ３と一致する。言い換えると、移動体１の現在の姿勢角度は、新たな目標姿勢角度と一致する。そのため、倒立制御演算部１０３は、移動体１の現在の姿勢がバランスのとれた状態であると認識し、車輪３０５を駆動させない。したがって、移動体１はその場に静止する。

その後、搭乗者２００がステップ部３０４に両足を載せると、図６（ｄ）に示すように、倒立制御演算部１０３は、補正後の目標姿勢角度（−１０°）を、目標姿勢角度の初期値（０°）に一定の速度で戻す。目標姿勢角度が０°に戻ると（目標車両軸線Ｘ３が鉛直方向に戻ると）、移動体１は、倒立制御演算部１０３は、目標姿勢角度を０°に固定する。そして、移動体１は、倒立走行状態（車体の傾斜方向に走行する状態）に移行する。

以上のように、本実施の形態にかかる移動体１の構成によれば、車両状態演算部１４０が移動体１の移動を検出する。また、ステップセンサ部１３２が、搭乗者の搭乗動作の開始（一方の足の載置）を検出する。そして、倒立制御演算部１０３は、搭乗者の一方の足の載置が検出されているときに、車体の移動が検出された場合、車体の移動が検出されたときの目標姿勢に対して車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、補正目標姿勢を算出する。指令生成部１０１は、算出された補正目標姿勢に基づいて、目標姿勢を補正する。これにより、移動体１は移動方向側に傾いた姿勢でバランスをとろうとする。その結果、搭乗時にサーボ系がＯＮになった状態で搭乗者が移動体１を傾けた場合であっても、移動体１が移動することを抑制することができる。したがって、搭乗者は容易に移動体１に搭乗することができる。

＜参考例＞
ここで、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して参考例について説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、参考例にかかる移動体９の搭乗手順を説明するための模式図である。なお、図７（ａ）〜（ｃ）に示す移動体９は、搭乗動作の開始（一方の足の載置）が検出された場合でも、目標姿勢角度を初期値（０°）から変化させない。つまり、移動体９の目標姿勢は常に固定されている。

まず、図７（ａ）に示すように、搭乗者２００は、移動体９を手前に傾ける。そして、図７（ｂ）に示すように、搭乗者２００は、片足を移動体９に載せる。これにより、移動体９のサーボ系がＯＮ状態となる。

サーボ系がＯＮ状態となり、かつ、移動体９が搭乗者２００側に傾いているため、図７（ｂ）に示すように、移動体９は、現在の姿勢角度を目標姿勢角度に近づけようと、搭乗者２００の方向へ移動する。つまり、移動体９は、現在の車両軸線Ｘ２を目標車両軸線Ｘ３に近づけようと、搭乗者２００の方向へ移動する。このとき、目標姿勢角度（目標車両軸線Ｘ３）は変化しない。このため、図７（ｃ）に示すように、移動体９は、搭乗者２００への接近を続ける。その結果、搭乗者２００が移動体９に搭乗することが困難となる。

これに対して、上述の実施の形態では、図６（ａ）〜（ｄ）に示した手順によって搭乗者２００が移動体１に搭乗する。したがって、参考例のように、移動体が搭乗者２００に近づいてくることを抑制できる。その結果、搭乗者２００は、容易に移動体１に搭乗することができる。

＜変形例＞
本実施の形態の変形例について説明する。変形例にかかる移動体においては、補正目標姿勢角度の算出方法が上述した実施の形態とは異なる。なお、その他の構成、動作については、上記の移動体１と同様であるため、説明を省略する。

補正目標姿勢角度の算出に用いられる演算ユニットのブロック図を図８に示す。変形例にかかる演算ユニット４００は、図３に示したブロック図の構成に加えて、Ｉゲイン演算部４０４の後段及び加算部４０６の後段にリミッタ４０７、４０８を有する。リミッタ４０７は、Ｉゲイン演算部４０４の出力に上限を設ける。リミッタ４０８は、加算部４０６の出力に上限を設ける。

このような構成により、補正目標姿勢角度の大きな変動を抑制することができる。したがって、目標姿勢角度が急激に変化すること抑制することができる。その結果、移動体の不安定な動作を抑制でき、より安定した搭乗動作が可能となる。

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。倒立二輪型車両の具体的な構成は任意である。ソフトウェア制御に代えて、ワイヤードロジックにより機能部を具現化させても良い。また、目標姿勢を示す値として移動体１のピッチ角を用いて説明したが、移動体１のピッチ軸回りの姿勢を特定する値であれば、他のパラメータを用いてもよい。

１ 移動体
１０１ 指令生成部
１０２ 加算部
１０３ 倒立制御演算部
１１０ センサ系
１２０ 駆動系
１２１ アンプ部
１２２ モータ部
１２３ アンプ部
１２４ モータ部
１３０ センサ系
１３１ 電源スイッチ部
１３２ ステップセンサ部
１３３ 回転量検出部
１３４ 角速度検出部
１４０ 車両状態演算部
１５０ 情報入出力部
２００ 搭乗者
３０１ ハンドル部
３０２ 支柱部
３０３ ベース収容部
３０４ ステップ
３０５ 車輪

Claims (10)

1. 車輪と、
   前記車輪に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、
   前記車体の搭乗部に設けられ、前記搭乗者の一方又は他方の足の一方が前記搭乗部に載置されたことを検出する載置検出手段と、
   予め設定された目標姿勢に対して前記車体が傾斜した方向に、前記車体を移動させることで、前記車体の倒立状態を維持する倒立制御手段と、
   前記倒立制御手段の倒立制御により、前記車体が移動したことを検出する移動検出手段と、
   前記搭乗者の一方又は他方の足の一方の載置が検出されているときに、前記車体の移動が検出された場合、前記車体の移動が検出されたときの前記目標姿勢に対して前記車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、前記目標姿勢を補正する目標姿勢補正手段と、
   を備える倒立型移動体。
2. 前記目標姿勢補正手段は、前記目標姿勢の補正処理として、少なくとも前記車体のピッチ角の目標値の補正を行う請求項１に記載の倒立型移動体。
3. 前記目標姿勢補正手段は、前記搭乗者の両方の足の載置が検出されるまで、前記目標姿勢の補正処理を行う請求項１または２に記載の倒立型移動体。
4. 前記目標姿勢補正手段は、前記搭乗者の両方の足の載置が検出された場合、補正後の前記目標姿勢を、前記予め設定された目標姿勢に変化させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の倒立型移動体。
5. 前記目標姿勢補正手段は、前記目標姿勢を前記予め設定された目標姿勢まで変化させた場合、前記目標姿勢を固定する請求項４に記載の倒立型移動体。
6. 前記予め設定された目標姿勢は、前記車体の軸が鉛直方向の軸と略平行な姿勢である請求項４または５に記載の倒立型移動体。
7. 前記移動検出手段は、前記車輪の角速度を検出し、
   検出した前記車輪の角速度の変化に基づいて、前記車体の移動を検出する請求項１〜６のいずれか一項に記載の倒立型移動体。
8. 前記目標姿勢補正手段は、前記車輪の現在の角速度と目標角速度の差に応じて、前記目標姿勢の補正量を決定する請求項１〜７のいずれか一項に記載の倒立型移動体。
9. 前記目標姿勢の補正量には、上限が設定されている請求項８に記載の倒立型移動体。
10. 車輪と、前記車輪に支持され、搭乗者が搭乗可能な車体と、予め設定された目標姿勢に対して前記車体が傾斜した方向に、前記車体を移動させることで、前記車体の倒立状態を維持する倒立制御手段と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、
    前記車体の搭乗部に、前記搭乗者の一方又は他方の足の一方が載置されたことを検出しているときに、前記倒立制御手段の倒立制御により、前記車体が移動したことを検出した場合、
    前記車体が移動したことを検出したときの前記目標姿勢に対して前記車体の移動方向に傾斜した姿勢が新たな目標姿勢となるように、前記目標姿勢を補正する倒立型移動体の制御方法。

Images