JP4240114B2 - 走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば同一軸心線上に配置された２個の車輪を備えた同軸二輪車に使用して好適な走行装置に関する。詳しくは、ステッププレート及び／またはハンドルの傾斜を、傾斜駆動手段を用いて積極的に制御することにより、安定な走行が行われるようにする。なお、本発明は３個以上の車輪を有する走行装置にも適用できる。

従来の同軸二輪車では、複数のジャイロ等により車両の傾きを検出して、主にピッチ軸方向の車両の姿勢制御を行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ばね等の復元力により中立位置に拘束されたハンドル若しくはステップを設け、それらの重力軸に対する絶対傾斜角度、若しくは車両のベースに対する相対傾斜角度を検出して、その大きさに応じた旋回動作が実現されるように各車輪を制御する装置もある（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、上述の特許文献には、いずれも本願発明の要旨とするステッププレート及び／またはハンドルの傾斜を積極的に制御して、安定な走行が行われるようにする技術については記載されていないものである。
米国特許第５９７１０９１号公報 特願２００５−１１７３６５号

例えば、人を搭乗させて二輪で走行する乗り物として、従来から上記の特許文献１，２等に開示されているような同軸二輪車が知られている。この内、特許文献２では、例えばばねの復元力により中立位置に拘束されたハンドルもしくはステップを用いて、それらの、重力軸に対する絶対傾斜角度、もしくは車両のベースに対する相対傾斜角度を検出し、この大きさに応じた旋回動作が実現されるように各車輪を制御している。

ところが、このような車両により、例えば横勾配を有するカント路面を傾斜方向と直交の方向に直進走行しようとした場合には、以下に述べるような問題が生じる。

まず、絶対傾斜角度を旋回制御に用いる場合、ばね等の復元力によるハンドルの中立位置は、図２１のＡに示すような位置となる。そこで、車両が直進するようにハンドルの絶対角度をゼロとするためには、搭乗者がばね力に反してハンドルを能動的に傾け、図２１のＢに示すような状態を実現する必要がある。従ってこのような操作には、ばね力に反してハンドルを傾け続けるための体力や熟練を要する。また、搭乗者によるハンドルのコントロールが適切に行われないと、車両が意図しない挙動を行ってしてしまう問題もあった。

一方、相対傾斜角度を旋回制御に用いる場合、搭乗者がハンドルに力を加えない図２１のＡに示すような状態で車両は直進するが、車両が重力軸に対して傾斜した姿勢となるため、路面の横勾配が大きい場合には搭乗者が左右のバランスをとるのが容易はでない。さらに、坂道でその場旋回動作を行おうとした場合には、車両のベース部分のロール軸方向の傾きの変化に従ってハンドルの中立角度が地面に対して変化するため、搭乗者が自身の体とハンドルとの相対位置を変化させながら車両を操作する必要が生じる。

また、同様の車両において、乗降時に片足をステップに乗せた場合には、図２１のＣに示すようにステップに対する左右の荷重のアンバランスによりステップおよびハンドルが傾斜することになり、この傾斜によって旋回制御が行われてしまうことになる。このため、上述の車両には、搭乗者が乗り降りを容易に行えないという問題もあった。

この出願はこのような点に鑑みて成されたものであって、解決しようとする問題点は、従来の装置では、例えば横勾配を有するカント路面を傾斜方向と直交の方向に直進走行しようとした場合に、熟練を要するなど操作を容易に行うことができない。また、搭乗者の乗り降りも容易に行うことができなかったというものである。

このため本発明においては、ステップ若しくはハンドルのロール軸方向の傾斜を制御可能なようにサーボモータを実装し、本体に実装された姿勢センサおよび位置センサから重力軸に対するステップ若しくはハンドルのロール軸の傾きを算出して、ステップ若しくはハンドルの傾きが常に重力軸上に平行になるよう制御する。

これによって、搭乗者は、路面の傾きがある場合にもハンドルに操作力を与えずに自分自身の姿勢を水平面に対して垂直に保つことができ、自然な旋回、直進を実施することができるようになる。

本発明の走行装置は、平行に配置された複数の車輪と、複数の車輪の間に設けられて運転者が搭乗するステッププレートと、ステッププレートに垂直に設けられたハンドルとを有する走行装置であって、ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜可能とし、ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜駆動する傾斜駆動手段及びその制御手段を設け、ステッププレート及び／またはハンドルを水平または鉛直に保つように傾斜駆動手段を制御し、前記ステッププレート及び／またはハンドルの前記傾斜駆動手段によって保たれる前記水平または鉛直の中立位置からの移動操作を測定する測定手段が設けられ、前記測定手段の測定値に応じて前記複数の車輪による走行の方向転換を行うことを特徴とする。

本発明では、ステッププレート及び／またはハンドルの移動操作に対する抵抗力を、傾斜駆動手段を制御する制御手段の制御パラメータによって調整可能とすると共に、ステッププレートに掛かる荷重を検知する荷重検知手段を設け、荷重検知手段で検知した荷重の値に応じて制御パラメータを調整することが好ましい。

本発明では、荷重検知手段での荷重の検知により運転者の乗降を判断した際には抵抗力が最大値となるように制御手段の制御パラメータを調整することが好ましい。

また、請求項６に記載の走行装置においては、制御手段を模擬する数学モデルを用いてステッププレート及び／またはハンドルに掛かるトルクを推定する推定手段を設け、推定手段で推定したトルクの値に応じてステッププレート及び／またはハンドルが変位するように傾斜駆動手段を制御するものである。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図１のＡ，Ｂには、本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を正面図及び側面図で示す。なお、この図１において、全体の主な構成は特許文献２に示された装置とほぼ等しいものである。

図１のＡ，Ｂにおいて、平行に配置された２個の車輪１Ｌ，１Ｒが設けられ、これらの車輪１Ｌ，１Ｒにはそれぞれ独立に駆動手段（モータ）２Ｌ，２Ｒが設けられる。また、これらの駆動手段２Ｌ，２Ｒの間が上下に分割された車両本体３Ｕ，３Ｄによって連結される。さらにこれらの車両本体３Ｕ，３Ｄには、図示していないがジャイロ等のセンサで検出された車両の傾きや、車両への荷重等の情報に応じて駆動手段２Ｌ，２Ｒの駆動を制御するための制御手段などの回路装置が設けられている。

また、車両本体３Ｕ，３Ｄの上側には、運転者が搭乗するステッププレートが設けられる。このステッププレートは左右に分割されたステップ４Ｌ，４Ｒで表され、これらのステップ４Ｌ，４Ｒは常に平行になるようにリンク機構（図示せず）で連結されている。さらに、ステップ４Ｌ，４Ｒの間にハンドル５が設けられる。このハンドル５は車両本体３Ｕ，３Ｄに対してロール軸方向に傾斜可能にされると共に、ハンドル５とステップ４Ｌ，４Ｒとの間は、互いに垂直となるようにリンク機構（図示せず）で連結されている。

さらに、ハンドル５と車両本体３Ｕ，３Ｄの接続部の内、例えば車両本体３Ｕとの接続部にハンドル５をロール軸方向に傾斜駆動する傾斜駆動手段としての駆動用モータ６が設けられる。また、ハンドル５と車両本体３Ｄとの接続部７は回動自在とされる。これにより、ハンドル５は車両本体３Ｕ，３Ｄの左右にずらせることで傾斜可能とされる。そして、上述の車両本体３Ｕ，３Ｄに設けられる制御手段（図示せず）によって、ハンドル５が常に鉛直となるように駆動用モータ６の制御が行われている。

次に、一輪モデルの制御装置の具体構成を図２の模式図を用いて説明する。なお実際の二輪車両では、ステップ４のセンサは共通となる。また、図示のモデルで車輪１に連結したモータ２の制御は、図１に示した車輪１Ｌ，１Ｒでは、それぞれ独立した制御装置により行われているものである。

この図２において、ステップ４に内蔵された圧力センサ（図示せず）からの圧力検出信号ＰＳ１，２，３，４と、ステップ４に連結されたジャイロセンサや加速度センサからなる姿勢センサ８からのテーブル角度検出信号θ０とが、制御装置９内の中央制御装置９１に供給される。そしてこれらの検出信号ＰＳ１〜４及びθ０と、搭乗者等が発する外部からのテーブル姿勢指令信号θＲＥＦ〔ｄ（θＲＥＦ）／ｄｔ〕とが演算され、算出された回転指令ωrefがモータ制御装置９２に供給される。

さらに車輪１とモータ２とは減速機９３を介して接続され、モータ２には回転角検出器９４が設けられる。そして、回転角検出器９４からのロータ回転角度位置信号Θrが制御装置９内のモータ制御部９２に供給される。これにより、上述の回転指令ωrefに応じて形成されるモータ２への駆動電流がフィードバック制御され、車輪１の駆動が安定化される。このようにして、車輪１が安定に駆動されると共に、その駆動が圧力センサ（図示せず）からの圧力検出信号ＰＳ１〜４等によって制御される。

また、図３には、システムの相互の接続関係を示す。図３において、上述の圧力検出信号ＰＳ１〜４と、例えばハンドル５の接続部７に設けられるロール軸角度器（ポテンショメータ）１２からのロール軸角度検出信号ＰＭとが姿勢センサ回路１３に供給される。この姿勢センサ回路１３にはジャイロセンサ２１と加速度センサ２２が内蔵されている。これにより、姿勢センサ回路１３からは、上述の信号ＰＳ１〜４と信号ＰＭ、及びピッチ角ωp、ヨー角ωyawと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各角度信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚが取り出される。

これらの信号ＰＳ１〜４、ＰＭ、ωp、ωyaw、Ａｘ，Ａｙ，Ａｚが、制御装置９内の中央制御装置９１に供給される。また、例えばハンドル５の把持部に設けられるパワースイッチ１４からの操作信号が中央制御装置９１に供給される。これにより、中央制御装置９１では左右の車輪１Ｌ，１Ｒ（図示せず）の回転指令ωref1，ωref２が算出され、モータ制御部９２Ｌ，９２Ｒに供給される。また、回転角検出器９４Ｌ，９４Ｒからの信号がモータ制御部９２Ｌ，９２Ｒに供給されて、モータ２Ｌ，２Ｒの駆動が行われる。

さらに、バッテリ１５からの電力は電源回路９５に供給される。この電源回路９５からの例えば２４Ｖモータ用電源がモータ制御部９２Ｌ，９２Ｒに供給され、例えば５Ｖ制御用電源が姿勢センサ回路１３と中央制御装置９１に供給される。なお、電源回路９５には電源スイッチ１６が設けられて、各部への電源の供給が制御される。このようにして、モータ２Ｌ，２Ｒの駆動が行われ、これらのモータ２Ｌ，２Ｒにより車輪１Ｌ，１Ｒが駆動されて、同軸二輪車の走行が行われる。

そしてこのような装置において、中央制御装置９１では、ハンドル５を鉛直に保持するための回転角指令θref0が算出され、駆動用モータ６の駆動を制御するモータ制御部９２Ｈに供給される。また、駆動用モータ６に関連して設けられた回転角検出器９４Ｈからの信号がモータ制御部９２Ｈに供給される。これによって、中央制御装置９１では、重力に対する４Ｌ，４Ｒ等の傾きが把握されているので、それを相殺するようにステップ駆動用モータ６の駆動が制御されることで、ハンドル５は常に鉛直に保持される。

すなわち図３の制御装置において、回転検出器９４Ｌ，９４Ｒ，９４Ｈを有するモータモータ２Ｌ，２Ｒ，６に接続されるモータ制御装置９２Ｌ，９２Ｒ，９２Ｈには、モータ回転検出器９４Ｌ，９４Ｒ，９４Ｈからのモータ回転角度と、中央制御装置９１に供給される信号ＰＳ１〜４、ＰＭ、ωp、ωyaw、Ａｘ，Ａｙ，Ａｚに応じた制御指令データが供給される。これによって当該モータの回転速度を算出し、その算出された回転速度に相当するトルクとなるモータ電流を形成し、タイヤ回転トルクを発生する。

また、上記制御装置は、車両に実装されたジャイロセンサと加速度センサ信号から車両姿勢を検出するものであり、倒立振子による姿勢を制御する原理、もしくは二足歩行ロボット制御のＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）制御の原理、あるいは、本願発明者が先に特開２００５−９４８５８号公報に開示した方法により、車両が姿勢を保つようにモータへの回転指令を演算し、モータ制御装置へ回転指令データを送信する。こうしたフィードバック制御により車両は姿勢を保ち、人の重心姿勢変化により走行することができる。

さらにこの装置による旋回方法としては、ハンドル５のロール軸角度変化を検出し、ロール角度変化に比例して左右の車輪１Ｌ，１Ｒの回転速度に差を与えて制御することにより、旋回を行うことができる。

これにより、図１に示すような構造を有する車両においては、ハンドル５とステップ４Ｌ，４Ｒの傾きが連動しており、ハンドル５の傾斜角度が旋回制御に用いられることから、図４のＡに示すように平地における走行はもちろんのこと、図４のＢに示すような横傾斜面での走行や、図４のＣに示すような段差部での走行においても、通常走行ではハンドル５を鉛直に保って、その状態からのハンドル５の操作によって旋回走行等の制御を容易に行うことができる。

さらに、図５のＡには、上述したハンドル制御装置の概観を示す。この図５のＡにおいて、回転角度検出器９４Ｈを伴うモータ６は車両本体３に連結されている。モータ６の出力軸はハンドル５に連結されており、ハンドル５のロール傾斜角度を変化させられるような構造となっている。車両本体３に対するハンドル５の相対角度θbは、モータ５の回転角度検出器９４Ｈにより測定される。このように、本発明におけるモータ６を用いてハンドル５を地面に対して垂直に保つ制御を、「アクティブハンドル制御」と呼ぶ。

このアクティブハンドル制御装置の制御システム構成を、図５のＢに示す。図において中央制御装置９１は、姿勢センサ１３から得られる車両本体３のロール軸傾斜角度θrolと、モータ６の回転角度検出器９４Ｈで測定される車両本体３に対するハンドル５の相対角度θbにより、地平面の垂直軸に対するハンドル５のロール軸方向の絶対角度θhを算出する。そしてこの絶対角度θhがゼロ、つまりハンドル５が水平面に対して垂直になるように、モータ６を制御するためのトルク指令をモータ制御装置９２Ｈに与える。

この結果、ハンドル５は車体のロール軸方向の傾きθrolによらず、常に水平面に垂直な状態が中立位置となる。
これにより、例えば走行時に路面の横勾配が、図４のＡ→Ｂ、またはＡ→Ｃのように、ゼロからある角度に変化した場合には、搭乗者がハンドルに力を加えなくても、ハンドルおよびステップはモータトルクにより水平面に対して垂直な姿勢に変化する。従って、搭乗者も体を左右に傾斜させることなく、安定した直立姿勢を保ったまま直進走行を行うことができる。

また、旋回操作を行おうとした場合には、図５のＢにおける位置制御ゲイン[Kp]と角度偏差[-θh]に応じたモータトルクによる仮想ばね力がハンドルに与えられる。このため、搭乗者は、仮想ばね力に対抗して任意の方向にハンドルを操作することにより、所望の旋回動作を実現することができる。すなわち、仮想ばね力に対抗してハンドルを操作するということは、搭乗者が意思を持ってその操作を行っていることであり、これにより、搭乗者の意図しない挙動が行われる恐れを減少させることができる。

すなわち本発明の走行装置によれば、図５のシステムを用いることによって、ハンドルの中立位置は路面の傾斜角度に依存して変化することがなくなり、横勾配のある路面においても、容易、且つ安定した直進走行を可能することが出来る。これに加え、旋回レバーもしくはハンドルの操作により、傾斜路面においてその場旋回等の旋回動作を行う場合にも、搭乗者は体を垂直に保ったまま旋回動作を実現できるため、車両走行時の安定性を極めて向上させることができる。

また、上述の図５のＢにおける位置制御ゲイン[Kp]は、仮想ばね力のばね定数に相当するものである。そこでこのゲインの大きさを変化させることによって、ハンドルの曲げにくさを制御することが可能になる。これにより、例えば図６に示すような車両の乗り降り時の車体の傾斜を、ステップ部に設置した荷重センサ等を利用して防止し、乗降を円滑に行えるようにすることが可能である。図７には、そのような処理を実現するための、乗降時の車体傾斜防止制御のフローチャートを示す。

図７において、アクティブハンドル制御が開始されると、ステップＳ１でハンドル絶対角度（θh＝θrol＋θb)が算出される。そして、ステップＳ２で左右の荷重センサは共にＯＮであるか否か判断される。ここで共にＯＮであるとき(Ｙｅｓ)は、ステップＳ３で位置制御ゲイン[Kp]が小さい値、例えばKp＝５にされる。これに対して、ステップＳ２で荷重センサが共にＯＦＦ、もしくは一方のみＯＮのとき（Ｎｏ）は、ステップＳ４で位置制御ゲイン[Kp]が大きい値、例えばKp＝５００にされる。

さらに、ステップＳ５でハンドル駆動用モータへの指令（τref＝Kp×(θd−θh)）が実行される。これにより、位置制御ゲイン[Kp]は、Kp＝５またはKp＝５００にされる。また、ステップＳ６ではサーボがＯＦＦとされたか否か判断される。ここでサーボがＯＦＦとされたとき(Ｙｅｓ)は、アクティブハンドル制御が終了される。一方、ステップＳ６でサーボがＯＦＦとされていないとき(Ｎｏ)は、ステップＳ１に戻されて動作が繰り返される。このようにして、乗降時の車体傾斜防止制御の処理が実現される。

従って、本発明の走行装置によれば、荷重センサの出力より、センサ出力が共にＯＮではない場合には、搭乗者が乗降動作を行っていると判断し、位置制御ゲイン[Kp]の値を大きく設定する。これにより、同じ大きさの外力をステップもしくはハンドルに加えても、ゲインが小さい場合と比較して、ハンドル及びステップは車体に対して回転し難くなる。よって、図６のような乗降時の左右の荷重のアンバランスによるステップ及びハンドルの傾斜を軽減することができ、搭乗者は安定して車両の乗降を行うことができる。

また、図１に示した走行装置では、電源のＯＦＦ時にもハンドル５が垂直となるようにばね１０Ｌ，１０Ｒを用いてハンドル５を支持している。このような構成は、従来の装置でも用いられているものであるが、その場合に、ばね１０Ｌ，１０Ｒのばね定数は不変である。このため、搭乗者の体重や筋力によらず、ハンドルをロール軸方向に傾斜させるために必要な力は等しくなり、特に非力な搭乗者では所望の操作を行うのに多くの体力が消耗される恐れがある。

これに対して、本発明の走行装置によれば、搭乗者の特性に従ってハンドルのロール軸方向の剛性を変化させることにより、各人に適した操縦しやすさを提供することが可能である。すなわち、例えば荷重センサにより搭乗者の体重を検出し、この大きさに従って位置制御ゲイン[Kp]の大きさを変化させる。これにより、例えば体重が軽く、力が弱いと考えられる搭乗者に対しては、位置制御ゲイン[Kp]の値を小さくして、ハンドルを小さな力で傾けられるようにすることが可能である。

ところで、図１に示すような車両でばね１０Ｌ，１０Ｒがない場合には、平坦路面での旋回時におけるハンドル操作に対しても、常にモータトルクにより復元力を発生させる必要が生じる。一方、図１のような車両でばね１０Ｌ，１０Ｒを併用している場合には、ばね力に抗してモータの制御を行う必要がある。このため、いずれの場合においてもバッテリの消費量が大きくなる問題が生じていた。これに対して、図８には、モータと機械的なばねを併用してハンドルを任意の中立位置に拘束するようにした実施形態の構成を示す。

すなわち図８のＡは正面図を示し、ハンドル５の下端に設けられるハンドルピン３１の左右にばね３２Ｌ，３２Ｒが設けられる。さらに、図８のＢは下面図を示し、上述のばね３２Ｌ，３２Ｒはユニット３３に設けられ、このユニット３３はガイドレール３４によって左右に移動可能に配置されている。そして、このユニット３３に対してボールねじ３５を介してモータ６が設けられる。従って、モータ６が正逆に回転されることにより、ボールねじ３５を介してユニット３３が左右に移動されるものである。

この構成において、ステップ４Ｌ，４Ｒはハンドル５にリンクされている。そして、旋回時のハンドル５の操作に対する復元力は、ハンドルピン３１の左右に設置されたばね３２Ｌ，３２Ｒが発生する。このとき、ガイドレール３４により移動方向を拘束されたばねユニット３３には左右方向の力が加わるが、バックドライブ不能なボールねじ３５によりばねユニット３３の左右位置は固定されているため、ハンドル駆動用モータ６にトルクを与える必要はない。

逆に、ハンドル制御用モータ６にトルクを与えて駆動することにより、ばねユニット３３を左右に変位させ、ハンドルピン３１の中立位置（左右のばね力の和がゼロとなるハンドル位置）を制御することができる。よって、例えば図４のように路面の横勾配が変化した場合、ハンドルの中立位置が水平面に対して垂直となるようにハンドル制御用モータ６を駆動することにより、搭乗者がハンドルおよびステップに意図的に操作力を与えなかった場合にはステップは水平に保たれ、搭乗者は安定した走行を行うことができる。

このように、図８の実施形態では、横勾配路面等においてハンドルの中立位置を変化させる場合にのみモータ６を駆動する車体構造としているので、図１に示したような実施形態の場合と比較してモータ６で消費される電力が削減され、バッテリの消費量が軽減される。また、ボールねじ３５によりハンドル駆動用モータ６が減速されるため、小型のモータを使用しても大きな並進力を得ることができるようになる。

また、図７のステップＳ５で実行されるハンドル駆動用モータの制御則、
τref＝Kp×（θref−θh） （1.1）
に微積分項を加え、
τref＝Kp×（θref−θh）＋Kd×d/dt（θref−θh）＋Ki×∫（θref−θh）dt
（1.2）
とすることにより、ハンドルの挙動を改善することができる。

すなわち、例えば旋回のためにハンドルを傾斜させた後に搭乗者がハンドルを離した場合には、従来の車両ではばね力によりハンドルが急激に戻されて中立位置付近で振動し、車両が左右に旋回して挙動が不安定となる恐れがある。しかし本発明の装置を搭載した車両で、（1.2）式右辺の第２項（微分項）を加えたアクティブハンドル制御を行った場合には、ハンドルは上記の微分項の作用により緩やかに中立位置（垂直）に復帰するため、車両の挙動が安定することになる。

また、（1.1）式による制御を行っている場合には、ハンドルの自重により一旦傾いたハンドルは元の垂直位置に復帰できないが、（1.2）式第３項の積分項を加えることにより、自重の影響をキャンセルしてハンドルを垂直に復帰させることが可能となる。このように、本発明の走行装置によれば、アクティブハンドル制御を実施することによって、安定、かつ良好な走行装置を実現することができるものである。

さらに従来の同軸二輪車においては、搭乗者を乗せた状態で車両の自律走行を行った場合に、旋回時の遠心力により搭乗者が外側への力を受けるため、大きな旋回速度を発生させることができない。これに対して本発明の走行装置では、アクティブハンドル制御により、自律走行時の旋回動作に合わせて車両のハンドルもしくはステップを傾斜させることができ、これにより搭乗者の重心を内側に移動させて、車両の安定性を向上させることが可能となる。

また、図１０以下には、本発明による走行装置の他の実施形態を示す。まず図１０は、上述した図１〜図９の実施形態では主にハンドル５をアクティブ制御して、ステップ４Ｌ，４Ｒはリンク機構を介した制御としていたものを、主にステップ４Ｌ，４Ｒをアクティブ制御する「アクティブステップ制御」とする場合の実施形態を示している。

そこで、図１０の実施形態においては、車両本体３Ｕの下部に設けられたステップ駆動用モータ６１を用いて、このモータ６１によりベルト６２を介して左右のステップ４Ｌ，４Ｒが連結された縦の部材６３Ｌ，６３Ｒを車両本体３Ｕに対して回転させる。これにより、ステップ４Ｌ，４Ｒが車両本体３Ｕに対して回転され、ステップ４Ｌ，４Ｒのアクティブ駆動が実現される。なおハンドル５は、ステップ４Ｌ，４Ｒの駆動に伴いリンク機構を介して制御される。

さらに、図１１〜図１４には、ハンドル５及びステップ４をそれぞれ単独で動かす場合の実施形態を示す。これらによっても、ハンドル５及びステップ４はそれぞれアクティブ制御され、搭乗者は路面の傾きがある場合にもハンドルに操作力を与えずに自分自身の姿勢を水平面に対して垂直に保つことができるなど、所期の目的は達成されるものである。

すなわち、図１１はハンドル５を制御するものであって、この実施形態ではステップ４に設けられたモータ６によりハンドル５が駆動されている。これにより図１２のＡ，Ｂに示すように、モータ６を駆動することでハンドル５をステップ４に対して任意の角度に制御することができる。従って搭乗者は、路面の傾きがある場合にもハンドルに操作力を与えずに自分自身の姿勢を水平面に対して垂直に保つことができ、自然な旋回、直進を実施することができるようになる。

また、図１３はステップ４を制御するものであって、この実施形態ではハンドル５に設けられたモータ６によりステップ４が駆動されている。これにより図１４のＡ，Ｂに示すように、モータ６を駆動することでステップ４をハンドル５に対して任意の角度に制御することができる。従って搭乗者は、路面の傾きがある場合にもハンドルに操作力を与えずに自分自身の姿勢を水平面に対して垂直に保つことができ、自然な旋回、直進を実施することができるようになる。

ところで、上述のハンドルが駆動されているときのハンドル慣性モーメントIsは、例えば図１５のＡに示すように表される。また、このハンドル慣性モーメントIsに関わる制御回路の各部の信号は図１５のＢに示される。さらにこのようなハンドルシステムの制御モデルは、例えば図１６に示すように表すことができる。

しかしながら、このような制御装置では、外力トルクとしてハンドルトルクThが加わると、モータ制御装置によりモータは回転角度指令と一致するようフィードバックトルクが生じてハンドルを指令角度に維持するトルクを生じさせるため、ハンドルトルクを与えてもハンドル角度変位は小さくなる。また、図１５のようにハンドルとモータの間に減速機を持つ場合には、摩擦等の影響で ハンドルトルクに対する角度変位が小さくなる。

そこでため、以下に述べる数学モデルを使った制御が必要となるものであり、本発明を用いることによって、外力により容易にハンドル角度を変位させることができる制御装置を提供することができる。以下には、そのような実施形態について説明する。

図１７において、図の上部は図１６に示したハンドルシステムの制御モデルと同じである。すなわち、図１７の入力端子１０００には回転指令ωrefが供給され、この回転指令ωrefはモータ制御装置１００の減算器１０１を通じて速度制御器１０２に供給される。速度制御器１０２は、ＰＩ（Proportional（比例）／Integral（積分））制御を行うもので、図中に記載のように〔Kp〕の特性を有する。

この速度制御器１０２の出力信号はハンドルトルク補正器１０３に供給される。ハンドルトルク補正器１０３は供給された信号に後述するコンプライアンスゲイン[Kcomp]を加算する。これによりハンドルトルク補正器１０３からはモータトルク指令Tref[Nm]が取り出され、このモータトルク指令Tref[Nm]が利得[Kamp]のアンプ１０４でモータ電流Im[A]に変換される。

さらにアンプ１０４で変換されたモータ電流Im[A]は、実モデル２００のモータに供給される。このモータはモータ定数[Km]２０１で表され、モータ定数２０１からはモータトルク出力Tm[Nm]が取り出される。モータトルク出力Tm[Nm]は減算器２０２に供給され、外力トルクTd[Nm]が減算されてロータトルクTr[Nm]が取り出される。

ロータトルクTr[Nm]は、〔１／(JmS＋Dm)〕の特性を有するモータロータ２０３に供給され、ロータ回転角速度ωm[rad/esc]が取り出される。そしてロータ回転角速度ωm[rad/esc]は、〔１／Ｓ〕の特性を有する演算器２０４に供給され、ロータ回転角Θm[rad]が算出される。この算出されたロータ回転角Θm[rad]が、出力端子２０００に取り出されると共に、減算器１０１にフィードバックされる。

また、演算器２０４からのロータ回転角Θm[rad]は、減速比Ｎ：１の減速機を構成する〔１／Ｎ〕の変換器２０５に供給され、減速された信号が減算器２０６を通じてバネ定数[Ks]２０７に供給されてハンドルトルクTw[Nm]に変換される。そしてバネ定数[Ks]２０７からのハンドルトルクTw[Nm]が、減速機を構成する〔Ｎ〕の変換器２０８を通じて外力トルクTd[Nm]として減算器２０２に供給される。

さらに、バネ定数[Ks]２０７からのタイヤトルクTw[Nm]は、加算器２０９でハンドルトルクTh[Nm]を加算され、〔１／(JtS＋Dt)〕の特性を有するハンドル２１０に供給される。このハンドル２１０の回転角速度が〔１／Ｓ〕の演算器２１１に供給され、ハンドル回転角度θt[rad]が取り出されて減算器２０６に供給される。

これにより、実モデル２００では、モータ電流Im[A]に応じてモータ定数２０１が駆動されると共に、モータトルク出力Tm[Nm]から外力トルクTd[Nm]が減算され、減算されたロータトルクTr[Nm]に基づいてロータ回転角Θm[rad]が取り出される。そしてこの場合に、モータトルク出力Tm[Nm]から減算される外力トルクTd[Nm]は、路面摩擦トルクFdr×r[Nm]の影響を受けており、出力端子２０００には、ハンドルトルクTh[Nm]の影響を受けた状態でのモータ電流Im[A]に対するロータ回転角Θm[rad]が取り出されている。

このような実モデル２００に対して、モータ制御装置１００の中に、上述の実モデル２００を模擬する数学モデル３００が設けられる。この数学モデル３００は、実モデル２００の機能を解析し、その機能をコンピュータシミュレーションにより実現するプログラムである。従って、このようなプログラムの実施形態はプログラムリスト等の形態を採るが、以下の説明は、理解をし易くする目的で、図１７に示す機能ブロックを用いて行う。

この数学モデル３００において、上述のアンプ１０４で変換されたモータ電流Im[A]は、数学モデル３００のモータモデル定数[Kmm]３０１に供給され、モータモデル定数３０１からモータトルク出力Tmm[Nm]が取り出される。モータトルク出力Tmm[Nm]は減算器３０２に供給され、外力推定トルクTmd[Nm]が減算されてロータモデルトルクTmr[Nm]が取り出される。

ロータモデルトルクTmr[Nm]は、〔１／(JmmS＋Dmm)〕の特性を有するモータロータモデル３０３に供給され、ロータモデル回転角速度ωmm[rad/esc]が取り出される。そしてロータ回転モデル角速度ωmm[rad/esc]は、〔１／Ｓ〕の特性を有する演算器３０４に供給され、ロータモデル回転角Θmm[rad]が算出される。この算出されたロータモデル回転角Θmm[rad]が出力端子３に取り出される。

また、演算器３０４からのロータモデル回転角Θmm[rad]は、減速比Ｎ：１の減速機モデルを構成する〔１／Ｎm〕（ただし、Ｎm＝Ｎ）の変換器３０５に供給され、減速された信号が減算器３０６を通じてバネモデル定数[Kms]３０７に供給されてハンドルモデルトルクTmw[Nm]に変換される。そしてバネモデル定数[Kms]３０７からのハンドルモデルトルクTmw[Nm]が、減速機モデルを構成する〔Ｎ〕の変換器３０８を通じて外力推定トルクTmd[Nm]として減算器３０２に供給される。

さらに、バネモデル定数３０７からのハンドルモデルトルクTmw[Nm]は、加算器３０９でハンドルトルク推定値Tidr[Nm]を加算され、〔１／(JmtS＋Dmt)〕の特性を有するハンドルモデル３１０に供給される。このハンドルモデル３１０の回転角速度が〔１／Ｓ〕の演算器３１１に供給され、ハンドルモデル回転角度θmt[rad]が取り出されて減算器３０６に供給される。

これにより、数学モデル３００では、モータ電流Im[A]に応じてモータモデル定数３０１が駆動されると共に、モータモデルトルク出力Tmm[Nm]から外力推定トルクTmd[Nm]が減算され、減算されたロータモデルトルクTmr[Nm]に基づいてロータモデル回転角Θmm[rad]が取り出される。

そしてこの場合に、モータモデルトルク出力Tmm[Nm]から減算される外力推定トルクTmd[Nm]は、ハンドルトルク推定値Tidr[Nm]の影響を受けており、出力端子３０００には、ハンドルトルク推定値Tidr[Nm]の影響を受けた状態でのモータ電流Im[A]に対するロータモデル回転角Θmm[rad]が取り出される。

すなわち、この数学モデル３００の出力端子３０００には、ハンドルトルク推定値Tidr[Nm]の影響を受けた状態でのモータ電流Im[A]に対するロータモデル回転角Θmm[rad]が取り出されている。一方、実モデル２００の出力端子２０００には、ハンドルトルクTh[Nm]の影響を受けた状態でのモータ電流Im[A]に対するロータ回転角Θm[rad]が取り出されている。

そこで、これらのロータモデル回転角Θmm[rad]とロータ回転角Θm[rad]とが等しくなるようにハンドルトルク推定値Tidr[Nm]を制御する。これによって、制御されたハンドルトルク推定値Tidr[Nm]をハンドルトルクFdr×r[Nm]と等しくすることができる。

何故なら、上述の実モデル２００と数学モデル３００においては、ハンドルトルクTh[Nm]とハンドルトルク推定値Tidr[Nm]以外の要件は全く同じであると考えられ、ロータ回転角Θm[rad]とロータモデル回転角Θmm[rad]との差分はハンドルトルクFdr×r[Nm]とハンドルトルク推定値Tidr[Nm]との差によってのみ生じると考えられるからである。

ただし、上述の実モデル２００と数学モデル３００の関係において、各要素の値は、Kmm＝Km[Nm/A]、Jmm＝Jm[kg/sec²]、Dmm＝Dm[Nm/(rad/sec)]、Nm＝N、Kms＝Ks[Nm/rad]、Jmt＝Jt[kg/sec²]、Dmt＝Dt[Nm/(rad/sec)]とする。なおこのような制御は、モデル規範型適応制御〔Model Reference Adaptive Control〕と呼ばれているものである。

そして上述の制御を実現するため、図１７の構成では、ロータモデル回転角Θmm[rad]とロータ回転角Θm[rad]とを減算器１０６に供給して差分のモデルエラーEmを取り出す。そしてこのモデルエラーEmをゲイン〔Kadp＋(Kadi/S)〕の推定器４００に供給し、この推定器４００で形成されるハンドルトルク推定値Tidr[Nm]の値を制御する。

これにより、ハンドルトルクTh[Nm]と等しいハンドルトルク推定値Tidr[Nm]が取り出される。さらに図１７の構成では、この取り出されたハンドルトルク推定値Tidr[Nm]を、ハンドルトルク補正器１０３に供給されるコンプライアンスゲインKcompの設定器１０７に供給し、コンプライアンスゲインKcompの設定を行う。そこで図１８には、コンプライアンスゲインKcompの設定までに至るモータ制御装置１００で実行される処理の実施形態をフローチャートで示す。

図１８において、ハンドルトルク制御が開始されると、最初のステップＳ１１では制御パラメータの設定を行い、ハンドル慣性モーメントにより制御ゲインKp，Kiを設定する。次にステップＳ１２では、モータ制御装置の位置制御器とハンドルトルク補正器からモータトルク指令Twを算出する。さらにステップＳ１３で、モータ制御装置１００の速度制御器１０２とスリップ防止調整器１０３によりモータトルク指令Trefを算出モータトルク指令Trefにより実モータを駆動する。

また、ステップＳ１４では、実モータのエンコーダ信号（ロータ回転角Θm[rad]）と数学モデル信号（ロータモデル回転角Θmm[rad]）とを比較してモデルエラーEmを算出する。そしてステップＳ１５で、推定器４００での処理によりハンドルトルク推定値Tidr[Nm]を算出する。そしてステップＳ１６では、コンプライアンスゲインKcmp演算結果を算出する。

従って、上述の実施形態において、ハンドル駆動の数学モデルの任意の部位の回転値と、実際のハンドル駆動の対応する部位の模擬された回転値とが等しくなるように数学モデルに印加されるハンドルトルク推定値を制御し、ハンドル駆動のモータトルクが印加されるハンドルトルク推定値を超えないようにモータトルク指令信号の大きさを制限することにより、良好にハンドルの制御を行うことができる。

これによって、従来の装置では、例えば外力トルクとしてハンドルトルクThが加わると、モータ制御装置によりモータは回転角度指令と一致するようフィードバックトルクが生じてハンドルを指令角度に維持するトルクを生じさせるため、ハンドルトルクを与えてもハンドル角度変位は小さいなどの問題も生じていたものを、本発明によればこれらの問題点を容易に解消する手段を提供することができる。

さらに図１９には、シミュレーションによる本発明の装置の信号の様子を示す。なお図１９においては、シミュレーション上でハンドルトルクを変化したとき、推定器によりハンドルトルク推定する変化を示す。本発明の装置によりハンドルトルクを正しく推定する様子を示した。

すなわち図１９において、モータ制御装置１００は、減算器１５１、アンプ１５２、１５３、積分器１５４、加算器１５５、微分器１５６で構成される。また、実モデル２００は、減算器２５１、２５２、アンプ２５３、２５４、２５５、演算器２５６、２５７、積分器２５８、２５９、加算器２６０で構成される。

さらに数学モデル３００も、減算器３５１、３５２、アンプ３５３、３５４、３５５、演算器３５６、３５７、積分器３５８、３５９、加算器３６０で構成される。そして推定器４００は、減算器４５１、アンプ４５２、４５３、積分器４５４、加算器４５５で構成される。この図１９で、数学モデルの各係数は実モデルと同じ値とする。

すなわち
Kmm=Km [Nm/A]
Jmm=Jm [kg/sec^2]
Dmm=Dm [Nm/(rad/sec)]
Nm=N
Kms=Ks [Nm/rad]
Jmt=Jt [kg/sec^2]
Dmt=Dt [Nm/(rad/sec)]
Kadp,Kadiは推定器比例、積分ゲイン
である。

このシステムでモデル誤差Emがゼロになるよう推定器を設計する。この例ではPI制御器で推定ゲインをKadp,Kadiにより推定器を設計している。こうして算出されたハンドルトルク推定値ThiはハンドルトルクThと一致する値となる。

そして、このような装置において、例えば図中の波形図Ａに示すような正弦波の信号を減算器１５１に供給し、図中の波形図Ｂの上側に示すようなステップ波形の路面摩擦トルクFdr×r[Nm]を加算器２６０に供給すると、図中の波形図Ｃに示すようなモータトルク指令Tref[Nm]が形成され、図中の波形図Ｄに示すようなロータ回転角Θm[rad]が取り出される。これによって、路面摩擦力推定値Tidr[Nm]は図中の波形図Ｂの上側に示すように変化される。

従って、このような制御が行われた場合には、例えば図２０において、ハンドル回転角度θ0[rad]をθ1[rad]に変化させた場合に、従来は図２０のＡに示すようにハンドルトルクThdr0[Nm]を大きくしても、ハンドル回転角度にはあまり反映されなかったものを、本発明によれば、図２０のＢに示すようにハンドルトルクThdr0[Nm]に応じたハンドル回転角度θ2[rad]が得られ、ハンドル回転角度が所望の大きさに制御される。

こうして本発明の走行装置によれば、平行に配置された複数の車輪と、複数の車輪の間に設けられて運転者が搭乗するステッププレートと、ステッププレートに垂直に設けられたハンドルとを有する走行装置であって、ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜可能とし、ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜駆動する傾斜駆動手段及びその制御手段を設け、ステッププレート及び／またはハンドルを水平または鉛直に保つように傾斜駆動手段を制御することにより、良好にハンドル及びステップの所定の角度とする制御を行うことができる。

なお本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。

本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す正面図及び側面図である。 一輪車モデルの制御構造図である。 その説明のためのシステム構成図である。 その動作の説明のための図である。 アクティブハンドル制御装置の説明のための図である。 その説明のための図である。 その説明のためのフローチャート図である。 同軸二輪走行車両の要部の構造図である。 その説明のための図である。 本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の他の実施形態の構成を示す正面図及び側面図である。 本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の他の実施形態の構成を示す正面図及び側面図である。 その説明のための図である。 本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の他の実施形態の構成を示す正面図及び側面図である。 その説明のための図である。 減速機を用いたアクティブハンドル制御システムの構成図である。 その制御方法の説明のための図である。 ハンドルトルク推定器とハンドルコンプライアンス制御と行うシステムの構成図である。 その説明のためのフローチャート図である。 その説明のための図である。 その説明のための波形図である。 従来の技術の説明のための図である。

符号の説明

１Ｌ，１Ｒ…車輪、２Ｌ，２Ｒ…駆動手段（モータ）、３Ｕ，３Ｄ…車両本体、４Ｌ，４Ｒ…ステップ、５…ハンドル、６…駆動用モータ、１０Ｌ，１０Ｒ…ばね、３１…ハンドルピン、３２Ｌ，３２Ｒ…ばね、３３…ユニット、３４…ガイドレール、３５…ボールねじ

Claims (3)

1. 平行に配置された複数の車輪と、前記複数の車輪の間に設けられて運転者が搭乗するステッププレートと、前記ステッププレートに垂直に設けられたハンドルとを有する走行装置であって、
   前記ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜可能とし、
   前記ステッププレート及び／またはハンドルをロール軸方向に傾斜駆動する傾斜駆動手段及びその制御手段を設け、
   前記ステッププレート及び／またはハンドルを水平または鉛直に保つように前記傾斜駆動手段を制御し、
   前記ステッププレート及び／またはハンドルの前記傾斜駆動手段によって保たれる前記水平または鉛直の中立位置からの移動操作を測定する測定手段が設けられ、
   前記測定手段の測定値に応じて前記複数の車輪による走行の方向転換を行う
   ことを特徴とする走行装置。
2. 請求項１記載の走行装置において、
   前記ステッププレート及び／またはハンドルの移動操作に対する抵抗力を、前記傾斜駆動手段を制御する前記制御手段の制御パラメータによって調整可能とすると共に、前記ステッププレートに掛かる荷重を検知する荷重検知手段を設け、
   前記荷重検知手段で検知した荷重の値に応じて前記制御パラメータを調整する
   ことを特徴とする走行装置。
3. 請求項２記載の走行装置において、
   前記荷重検知手段での荷重の検知により前記運転者の乗降を判断した際には前記抵抗力が最大値となるように前記制御手段の制御パラメータを調整する
   ことを特徴とする走行装置。

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