JP4702414B2 - 同軸二輪車及び同軸二輪車の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は同軸二輪車及び同軸二輪車の制御方法に関し、特に、非乗車時の安定化技術に関する。

近年、ジャイロセンサや加速度センサなどを用いて自己の姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う移動体が開発されている。これらの移動体では、ジャイロセンサと加速度センサの検出信号から自己の姿勢情報を検出して、倒立振子による姿勢を制御する原理により、或いは、二足歩行ロボット制御のＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）制御の原理により、自己の姿勢を保つようにモータへの回転指令（具体的には、トルク指令、速度指令、位置指令）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自己の姿勢を保ち、搭乗者の重心姿勢変化により走行することができる。

例えば、人間を搭乗させて走行する走行装置であって、自己の姿勢情報を検出し、検出した姿勢情報に基づいて駆動制御を行う様々な車体構成、車両構造の走行装置が提案されている。例えば特許文献１と特許文献２には、同軸上に二車輪が配置された同軸二輪車が開示されている。このような同軸二輪車は構造上前後に不安定なものであり、姿勢センサからのフィードバックにより車輪の制御を行い姿勢を安定させる、という特徴を有している。また、前進、後退、左右旋回などの車両の操作については、乗員の重心移動による指示や、ステップの傾きによる指示や、操縦桿からの指示などにより行われている。或いは、外部からの指令入力による遠隔操作や、自己の軌道計画に基づく自律移動が行われる場合もある。

特開２００６−２１１８９９号公報 特開２００６−３１５６６６号公報

一般的な同軸二輪車は、乗員が同軸二輪車に乗る前や降りた後には、姿勢制御を行なわない。このため、乗員は、車両を手で支えたり、収納式のスタンドを引き出して立てるなどの作業を行う必要がある。また、坂道において同軸二輪車を使用する場合には、車両を支えるために大きな力を必要としたり、強度の高いスタンドが必要になったりする。さらに、乗員が車両から飛び降りたり、落車した場合には、車両だけがある程度の距離を勝手に走行して他人に衝突したり、車両が倒れて破損したりするという問題がある。ここで、乗員が車両に乗っているときと乗っていないときとでは、乗員を含めたシステムの重心位置は異なるため、目標ピッチ角度が同じでは、たとえ乗っていないときに姿勢制御を行なうとしても、うまく姿勢制御できない。

乗員が乗る前や降りた後に車両を牽引したい場合には、特許文献１に示されるように、姿勢制御を停止した状態で何らかの入力装置からの指令入力による牽引制御か、もしくは車輪の摩擦に抗した牽引が必要であり手間や労力が必要であった。

他方、乗員が乗車していないときに姿勢制御を停止させることは、問題である。同軸二輪車は、構造上不安定であるため、姿勢制御を停止させると自立できず、倒れてしまう。また走行中に乗員が降りてしまうと、惰性によりある程度の距離を走行した後で倒れてしまう。乗員が乗車している場合と、乗車していない場合とで目標ピッチ角度を変えないため、いずれか一方の場合のみ姿勢制御することは可能であるとしても、両方の場合に対応することができない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、非乗車時の安定性を高めた同軸二輪車及び同軸二輪車の制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる同軸二輪車は、同軸に配置された二輪を駆動する駆動手段と、乗員が乗車しているか否かを示す乗降情報と、車両の姿勢情報を取得する検出手段と、前記検出手段により取得された姿勢情報と指令値に基づき制御ゲインに応じて前記駆動手段による車輪の駆動を制御し、姿勢制御を行う制御手段と、を備えた同軸二輪車であって、前記制御手段は、前記検出手段が取得した乗降情報に基づいて乗車状態であると判定した場合には乗車状態に対して設定された制御ゲインを用いるモードに、空車状態であると判定した場合には空車状態に対して設定された制御ゲインを用いるモードにそれぞれ切り替えて前記駆動手段を制御し、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両ピッチ角度及び車両ピッチ角速度を取得し、前記制御手段は、乗車状態であると判定した場合には、乗車状態に対応する目標ピッチ角度に、空車状態であると判定した場合には、空車状態に対応する目標ピッチ角度に、それぞれ指令値を切り替えて取得した車両ピッチ角度に応じて前記駆動手段を制御し、空車状態であると判定した場合には、目標ピッチ角速度を実質的にゼロに指令値を設定して前記駆動手段を制御するものである。

また、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度を取得し、前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行したと判定した場合には、目標速度を減速させる指令値を設定して前記駆動手段を制御するようにしてもよい。

さらに、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度を取得し、前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるように前記駆動手段を制御するようにしてもよい。なお、このとき、停車位置にとどまるように、検出手段は、車両位置に関する情報を取得してもよく、制御手段において車両速度を積分して車両位置を算出するようにしてもよい。

さらに、また、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度及び車両位置を取得し、前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、降車位置まで戻るように前記駆動手段を制御するようにしてもよい。

また、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度及び車両位置を取得し、前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて前記駆動手段を制御し、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の場合には降車位置まで戻るモードを選択することが好ましい。このとき、制御手段は、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、降車位置まで戻るモードを選択し、所定値以下の場合には停車位置にとどまるモードを選択するようにしてもよい。

また、前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度、車両位置及び車両のヨー角度を取得し、前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて前記駆動手段を制御し、降車時のヨー角度と現在のヨー角度が所定値より大きく差がある場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の差の場合には降車位置まで戻るモードを選択するようにしてもよい。

本発明にかかる同軸二輪車の制御方法は、乗員が乗車しているかどうかを検出するステップと、乗車状態であると判定した場合は、乗車状態に対して設定された制御ゲインを用いて、姿勢制御を実行するステップと、空車状態であると判定した場合は、空車状態に対して設定された制御ゲインを用いて、姿勢制御するステップと、を備え、乗車状態であると判定した場合には、乗車状態に対応する目標ピッチ角度に設定して姿勢制御を実行し、空車状態であると判定した場合には、空車状態に対応する目標ピッチ角度に設定して姿勢制御を実行し、空車状態であると判定した場合には、目標ピッチ角速度を実質的にゼロに指令値を設定するものである。

さらに、乗車状態から空車状態に移行したと判定した場合には、車両速度が減速するように制御することが望ましい。

また、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるように、制御してもよい。

さらに、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、降車位置まで戻るように制御するようにしてもよい。

また、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて制御し、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の場合には降車位置まで戻るモードを選択することが望ましい。このとき、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には降車位置まで戻るモードを選択し、所定値以下の場合には停車位置にとどまるモードを選択するようにしてもよい。

また、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて制御し、降車時のヨー角度と現在のヨー角度が所定値より大きく差がある場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の差の場合には降車位置まで戻るモードを選択することが好ましい。

本発明によれば、非乗車時の安定性を高めた同軸二輪車及び同軸二輪車の制御方法を提供することができる。

発明の実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかる同軸二輪車の一構成例を示す図である。尚、図１のＡは正面図を示し、図１のＢは側面図を示す。図１において、本実施の形態１にかかる同軸二輪車は、乗員が立つ部分である本体１に対して、同軸芯線上に平行に車輪３Ａ、３Ｂを有する。

尚、以下の説明で用いる同軸二輪車の車両の全体に対する各座標系を、図中に記載のように、車軸に対して垂直方向をＸ軸、車軸方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸、車軸周り（Ｙ軸周り）をピッチ軸、車両上面視においてＸ−Ｙ平面上の回転方向をヨー軸とする。

本実施の形態１にかかる同軸二輪車は、本体１と、本体１に同軸上に取り付けられた１対の駆動ユニット２Ａ及び２Ｂと、駆動ユニット２Ａ及び２Ｂによりそれぞれ回転駆動される車輪３Ａ及び３Ｂと、乗員がつかまるＴ字型のハンドル４と、本体１の前後（Ｙ軸周り）の傾きである車両ピッチ角度、車両ピッチ角速度、車両位置、車両速度、乗員の乗降を検出する検出器５と、旋回操作を指示するための旋回操作装置６と、を備えている。また、本体１には、図示しないが、後述する車両の制御を行う制御装置が設けられている。

図２は、本実施の形態１にかかる同軸二輪車の車両制御の構成を示すブロック図である。検出器５は、車両ピッチ角度（姿勢角度）、車両ピッチ角速度（姿勢角速度）、車両位置、車両速度等の車両の姿勢情報および乗員の乗降を検出する。

旋回操作装置６は、車両の旋回角度指令及び旋回角速度指令を生成する。旋回操作装置６は、例えば、乗員によるハンドル４の操作や、乗員による旋回ハンドル（不図示）の操作などを受け、これら操作量に応じた旋回角度指令及び旋回角速度指令を生成する。また、旋回操作装置６としては、本出願人が既に提案している、乗員の重心移動により傾斜した車両のロール角度に応じて旋回指令を入力する技術(上記特許文献２参照)を適用するようにしてもよい。尚、以下では、旋回角度指令及び旋回角速度指令を、それぞれヨー角度指令及びヨー角速度指令として説明する。

制御装置１１は、車両を目標値である車両ピッチ角度指令、車両ピッチ角速度指令、車両位置指令や車両速度指令に対して、安定的に追従するように制御する。即ち、制御装置１１は、これら目標値と検出器５及び旋回操作装置６とから入力される情報とに基づいて、倒れないように全体系を安定化させるのに必要な駆動トルク、車両速度、車両位置を計算し、駆動ユニット２Ａ、２Ｂの各モータを駆動する。駆動ユニット２Ａ、２Ｂの各モータの回転に伴う車輪３Ａ、３Ｂの車輪角度及び車輪角速度が制御装置１１にフィードバックされる。このような車両制御の構成により、同軸二輪車は、乗員が重心を前後にずらすことで前進後退を行い、乗員が旋回操作装置６を操作することで左右旋回を行う。

以下、図３を参照して、車両の動作制御について詳細に説明する。図３は、本実施の形態１にかかる同軸二輪車の動作制御系を示す制御ブロック図である。

まず、以下の説明に用いる変数について説明する。βは車両ピッチ角度を示し、β′は車両ピッチ角速度を示す。ｘは車両位置を示し、ｘ′は車両速度を示す。これら車両ピッチ角度β、車両ピッチ角速度β′、車両位置ｘ、車両速度ｘ′は検出値を示す。また、β_ｒは車両ピッチ角度指令を示し、β′_ｒは車両ピッチ角速度指令を示す。ｘ_ｒは車両位置指令を示し、ｘ′_ｒは車両速度指令を示す。γ_ｒは車両のヨー角度指令を示し、γ′_ｒは車両のヨー角速度指令を示す。これら車両ピッチ角度指令β_ｒ、車両ピッチ角速度指令β′_ｒ、車両位置指令ｘ_ｒ、車両速度指令ｘ′_ｒは目標値である指令値を示す。即ち、下添え文字にｒが付いている変数は指令値を示し、rが付いていない変数は検出値を示す。さらに、ω_Ｌは左車輪速度、ω_Ｒは右車輪速度、２Ｌは車両のトレッド幅、Ｒ_ｗは車輪半径をそれぞれ示す。尚、本実施の形態１において、図３における車両の動作制御は通常走行時における動作制御を説明するものである。

図３において、駆動ユニット２Ａ，２Ｂは、同軸上に配置された複数の車輪３Ａ，３Ｂをそれぞれ独立に駆動するトルク制御器である。駆動ユニット２Ａ，２Ｂは、各車輪３Ａ，３Ｂを駆動するためのモータとアンプを含み、入力されるトルク指令を受けてトルク制御を行う。モータの回転に伴い車輪３Ａ，３Ｂにはトルクが加えられる。また、モータの回転に伴い車両本体１に対してトルクの反力が加わると共に、車輪３Ａ，３Ｂの回転に伴い車両本体１に対して反力としての力が加えられる。

図示しない車輪速度検出手段により、本体１と複数の車輪３Ａ，３Ｂとの相対角度及び相対角速度としての車輪角度及び車輪角速度を検出する。車輪速度検出手段は、例えば、エンコーダにより車両本体と車輪との相対角速度を取得し、さらに地面に対する車輪速度を求めるために、エンコーダで取得した車輪角速度をピッチ角速度で補正することによって、地面に対する車輪速度を求めることができる。即ち、次式が成り立つ。
対地車輪速度ω＝車輪角速度θｄ＋ピッチ角速度βｄ

また、車輪角速度検出手段により右車輪速度及び左車輪速度を検出し、ヨー制御器１３に出力する。３Ｂ車輪角速度検出手段は、例えば、モータの回転軸に設けられたエンコーダ情報から、車輪角度、車輪角速度、車輪速度を検出する。

検出器５は、本体１の車両ピッチ角度（姿勢角度）、車両ピッチ角速度（姿勢角速度）、車両位置、車両速度および乗員の乗降を検出し、制御器１２に出力する。検出器５は、ジャイロセンサや加速度センサを用いて車両ピッチ角度及び車両ピッチ角速度を検出する。また、検出器５は、例えば、オドメトリーを用いて車両の現在位置を求める。さらに検出器５は、例えば、センサやスイッチを用いて乗員の乗降を検出する。

制御器１２には、車両ピッチ角度指令、車両ピッチ角速度指令、車両位置指令、車両速度指令とともに、検出器５により検出された車両ピッチ角度、車両ピッチ角速度、車両位置、車両速度、乗降情報が入力される。制御器１２は、入力された車両ピッチ角度指令と車両ピッチ角度、車両ピッチ角速度指令と車両ピッチ角速度、車両位置指令と車両位置、車両速度指令と車両速度の差を算出し、差を０に収束させるように、制御ゲインを用いて例えば次の式１に従って状態フィードバック制御を行なう。

第１トルク指令＝Ｋ_１（β_ｒ−β）＋Ｋ_２（β′_ｒ−β′）＋Ｋ_３（ｘ_ｒ−ｘ）＋Ｋ_４（ｘ′_ｒ−ｘ′） ・・・式１

これらの制御ゲインによって、モータが車両ピッチ角度指令β_ｒ及び車両ピッチ角速度指令β′_ｒ等に対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータは、比例ゲインＫ_１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫ_１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、車両ピッチ角度指令β_ｒ及び車両ピッチ角速度指令β′_ｒ等の指令値と、実際に検出した車両ピッチ角度β及び車両ピッチ角速度β′等の検出値との誤差の大きさや応答時間を調整することが可能となる。

フィードバックゲインである制御ゲインＫ_１〜Ｋ_４は、乗員の身長・体重などによって変更してもよく、平均的な身長・体重の乗員を想定することにより設定してもよい。本実施の形態にかかる制御において、制御ゲインＫ_１〜Ｋ_４のそれぞれは、乗員が乗車した場合と、乗員が非乗車の場合、即ち空車の場合とで、異なる値が設定されており、それぞれの場合に応じた最適値が設定されている。
なお、制御器１２では、ＰＤ制御に限らず、Ｈ∞制御や、ファジィ制御などを用いて制御を行うようにしてもよい。

ヨー制御器１３は、旋回制御器として機能し、ヨー角速度指令γ′_ｒ、左車輪速度ω_Ｌ、右車輪速度ω_Ｒを入力し、旋回速度指令である第２トルク指令を生成する。ヨー角速度指令は、上述した旋回操作装置６により入力する。ヨー制御器１３は、入力した左車輪速度ω_Ｌ、右車輪速度ω_Ｒと、予め設定された車両のトレッド幅２Ｌ、車輪半径Ｒ_ｗから、次式に従って、実際のヨー角速度γ′を算出する。

γ′＝Ｒ_ｗ（ω_Ｒ−ω_Ｌ）／２Ｌ ・・・式２

次に実際のヨー角速度γ′がヨー角速度指令γ′_ｒに一致するように、ＰＩ（比例・微分）制御を行ない、例えば次式に基づき第２トルク指令を生成する。

第２トルク指令＝Ｋ_ｄｙ（γ′_ｒ−γ′）＋Ｋ_ｉｙ∫（γ′_ｒ−γ′）ｄｔ ・・・式３
ここで、Ｋ_ｄｙ，Ｋ_ｉｙはフィードバックゲイン（制御ゲイン）である。

次の式４に従い、制御器１２で生成した第１トルク命令から、ヨー制御器１３で生成した第２トルク命令を減算器により減算して、左車輪トルク指令を算出し、駆動ユニット２Ｂに入力する。

左車輪トルク指令＝第１トルク指令−第２トルク指令 ・・・式４

また、制御器１２で生成した第１トルク命令と、ヨー制御器１３で生成した第２トルク命令とを加算器により加算して、右車輪トルク指令を算出し、駆動ユニット２Ａに入力する。

右車輪トルク指令＝第１トルク指令＋第２トルク指令 ・・・式５
以上の制御系により、姿勢・位置・速度制御と、ヨー制御を両立することができる。

制御器１２は、検出器５から車両位置を取得し、過去の履歴情報として記憶手段に格納する。特に、本実施の形態において、制御器１２は、乗員が降車した時の位置情報を記憶している。

続いて、乗員の乗り降り動作に応じた、車両の動作制御について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。
全体制御を開始した後に、まず、姿勢・速度・位置制御（以下、空車姿勢・速度・位置制御モードとする）を開始する（Ｓ１０１）。この段階では、未だ乗員は車両に乗車していないので、非乗車、即ち空車の状態に対して設定された制御ゲインを用いて姿勢・位置・速度の制御を行なう。具体的には、制御器１２は、目標ピッチ角度は空車時に重心バランスの取れるピッチ角度、目標ピッチ角速度はゼロ、目標位置は制御開始時の位置、目標速度はゼロとする。このように空車状態に対応した制御ゲインを用い、かつ望ましい目標値を設定して姿勢・速度・位置制御を行うことにより、姿勢制御したまま現在の位置に留まることができ、押されても坂道でも走って行ってしまうことのない、安全な車両を提供できる。

次に、制御器１２は、検出器５から入力された乗降情報に基づいて、乗員が車両に乗車したかどうかを判定する（Ｓ１０２）。制御器１２は乗車が確認できない場合には、空車姿勢・速度・位置制御モード（Ｓ１０１）を継続して実行する。制御器１２は乗車を確認した場合には、ステップＳ１０３に移行する。なお、モードの切り替えは滑らかに切り替えることが望ましい。

ステップＳ１０３にかかる制御（以下、乗車姿勢制御モードとする）では、乗車状態に対して設定された制御ゲインを用いて姿勢制御を行なう。目標ピッチ角度としては、乗車時に重心バランスの取れるピッチ角度、目標ピッチ角速度としてはゼロとする。このとき、ピッチ角度は、通常、水平を示す角度（０度）である。

目標位置・目標速度としては、検出した現在の位置・速度をそのまま用いる。そうすると、式１における制御ゲインＫ_３，Ｋ_４の項が、すなわち位置制御項及び速度制御項がゼロとなり、速度及び位置制御は行わずに、姿勢制御とヨー制御のみが行われる。これにより、乗員による通常走行が行なえることになる。車両速度指令ｘ′_ｒが乗員のブレーキレバー操作に応じて、もしくは速度制限を越えたときには、自動的に現在の車両速度ｘ′より小さな値に変更されると、式１における制御ゲインＫ_４の項、すなわち速度制御項が有効となり、車両が減速する。

次に、制御器１２は、検出器５から入力された乗降情報に基づいて、乗員が車両から降車したかどうかを判定する（Ｓ１０４）。制御器１２は降車が確認できない場合には、乗車姿勢制御モード（Ｓ１０３）を継続して実行する。制御器１２は降車を確認した場合、即ち乗車状態から空車状態へ移行したと判定した場合には、ステップＳ１０５に移行する。

ステップＳ１０５にかかる制御（以下、空車姿勢・速度制御モードとする）では、空車状態に対して設定された制御ゲインを用いて姿勢・速度制御を行なう。目標ピッチ角度は、空車時に重心バランスの取れるピッチ角度、目標ピッチ角速度はゼロとする。目標位置としては計測した現在の車両位置をそのまま用い、目標速度としては、空車姿勢・速度制御モードによる制御（Ｓ１０５）の制御開始時の速度から速度０に向かって減速指令を生成する。これにより、降車が確認された時点の速度から０に減速する。

次に、制御器１２は、検出器５から入力された車両速度に基づいて、車両が停車したかどうかを判定する（Ｓ１０６）。制御器１２は停車が確認できない場合には、第３の制御（Ｓ１０５）を継続して実行する。制御器１２は停車を確認した場合には、ステップＳ１０７に移行する。

制御器１２は、停車、すなわち車両速度がゼロであることを確認すると、状況によって、あるいは予め選択しておいた、パターン１かパターン２に分岐する。パターン１は停車した位置に留まるモードであり、パターン２は降車位置まで戻るモードである。
状況による分岐とは、例えば、次のように制御器１２が判定する。

（１）降車位置と現在位置が、予め設定された距離よりも遠ければ、停車した位置に留まるモードを行い、近ければ降車位置に戻るモードを選択する。即ち、降車位置と現在位置間の距離の値が予め設定された値よりも大きい場合には、停車した位置（ここでは、現在位置）を目標位置として位置制御する。また、降車位置と現在位置間の距離の値が予め設定された値以下の場合には、後述のパターン２の制御を実行する。なお、降車位置情報は、記憶手段に格納されたものを読みだす。

（２）降車位置と現在位置が、予め設定された距離よりも遠ければ、降車した位置に戻るモードを行い、近ければ停車した位置に留まるモードを選択する。即ち、降車位置と現在位置間の距離の値が予め設定された値よりも大きい場合には、後述のパターン２の制御を実行する。また、降車位置と現在位置間の距離の値が予め設定された値以下の場合には、停車した位置（ここでは、現在位置）を目標位置として位置制御するか。なお、降車位置情報は、記憶手段に格納されたものを読みだす。

（３）降車したときのヨー角度と現在ヨー角度が異なっていれば、停車した位置に留まるモードを選択し、ほぼ同じであれば降車位置に戻るモードを選択する。即ち、降車したときのヨー角度と現在ヨー角度の差分を算出し、その値が所定値よりも大きい場合には、停車した位置（ここでは、現在位置）を目標位置として位置制御するか。また、その差分値が所定値以下の場合には、後述のパターン２の制御を実行する。

降車位置まで戻る制御であるパターン２の制御について説明する。この制御では、まず、空車状態に対して設定された制御ゲインを用いて姿勢・位置・速度の制御を行なう。目標ピッチ角度は、空車時に重心バランスの取れるピッチ角度、目標ピッチ角速度はゼロ、目標位置は制御開始時の位置を始点、降車位置を終点とする目標軌道上の位置、目標速度は目標軌道を微分した速度軌道上の速度である。目標位置・速度に追従させ、降車位置まで移動するよう、制御する。このように、降車してから車両がある程度の距離を走行してしまっても、降車した位置まで車両を戻すことで、インテリジェントで安全な車両を実現することができる。

本実施の形態にかかる制御方法によれば、乗員が乗っていないときに自立できるので、手で支えたり、スタンドを用いたりする必要がない。また坂道でも安定して自立停止できる。さらに乗員が飛び降りたり落車したりした場合にも暴走することなく、安全に停止できる。必要であれば落車した位置まで戻って来させることもできる。また、乗っていないときにスイッチによる指示、もしくはピッチ角度センサやピッチ角速度センサの出力からの判断で牽引モードに切り替えると、小さい力で姿勢変化を起こさせてやることで簡単に牽引できる。

ここで、乗員が乗車した場合と空車の場合のそれぞれにおける制御について、説明する。後に説明する物理モデルのＭ_Ｂ（車両本体の質量）とＪ_Ｂ（車両本体の慣性モーメント）として、乗車時は、車両＋乗員の合成質量と合成慣性モーメントを用いて線形化を行い、空車時は、車両のみの質量と慣性モーメントを用いて線形化までを行う。
この物理モデルは、いわゆるシステムの状態表現（ｘは状態変数、ｕは制御入力を示し、ＡとＢは行列を示す。）

を用いて、以下の状態表現により表すことができる。θ_ｗは車輪の角度を示し、θ_Ｂは車両本体の角度を示す。θ′_ｗは車輪の角速度を示し、θ′_Ｂは車両本体の角速度を示す。下付文字のｗは車輪に関する変数を示し、Ｂは車両本体に関する変数を示す。

ここで、制御入力uをトルクτとした場合の以下の状態フィードバックを行うことにより、システムを安定化させることができる。即ち、ゲインＫは、（Ａ−ＢＫ）の極配置や、最適レギュレータなどの手法により求めることができる。

次に、図５を用いて、一般的な車輪型倒立振子の物理モデルについて説明する。まず、以下の説明に用いる変数について説明する。Ｍはシステム（車両＋乗員）の質量［ｋｇ］を示す。乗員の乗車時は、Ｍ_Ｂは車両＋乗員の合成質量を示し、空車時は、車両のみの質量を示す。Ｊはシステムに加わる慣性モーメント［ｋｇｍ^２］を示す。乗員の乗車字は、Ｊ_Ｂは車両＋乗員の合成慣性モーメントを示し、空車時は、車両のみの慣性モーメントを示す。ｘは原点からの水平位置［ｍ］を示す。ｙは車軸からの垂直位置［ｍ］を示す。θは角度［ｒａｄ］を示す。ｌ_Ｂは車軸からステップボード（車両本体）の重心までの距離［ｍ］を示す。ｒ_ｗはホイール半径（車輪径）［ｍ］を示す。ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］を示す。

Ｄ_θはステップボードとホイールとの間の粘性摩擦係数（走行抵抗）［Ｎｍｓ］を示す。Ｄ_θｗはホイールと路面の間の粘性摩擦係数（走行抵抗）［Ｎｍｓ］を示す。尚、添え字ｗはホイールについて、Ｂはステップボードについての変数であることを示す。
まず、ホイールの運動エネルギーとポテンシャルエネルギーについて、次式を得る。

次に、ステップボードの運動エネルギーとポテンシャルエネルギーについて、次式を得る。

ここで、

として、以下の式に示すラグラジアンＬを、ホイールとステップボードそれぞれについて得る。

従って、以下の運動方程式を得る。

さらに、

として、上述した運動方程式を以下に示すように線形化することができる。

その他の実施の形態．
図４における制御から、スイッチ、ピッチ角速度センサからの判断により牽引モードに切り替えることもできる。牽引モードでは位置制御と速度制御を切り、姿勢制御のみにする。これによって、小さい力で姿勢を変えることで、簡単に牽引できる。

発明の実施の形態にかかる同軸二輪車の構成例を示す図である。 発明の実施の形態にかかる同軸二輪車の車両制御の構成を示す制御ブロック図である。 発明の実施の形態にかかる同軸二輪車の動作制御系の構成を示す制御ブロック図である。 発明の実施の形態にかかる同軸二輪車の動作制御の流れを示すフローチャートである。 一般的な車輪型倒立振子の物理モデルを説明するための図である。

符号の説明

１ 本体
２Ａ、Ｂ 駆動ユニット
３Ａ、Ｂ 車輪
４ ハンドル
５ 検出器
６ 旋回操作装置
１１ 制御装置
１２ 制御器
１３ ヨー制御器
１４ 旋回制御器

Claims (14)

1. 同軸に配置された二輪を駆動する駆動手段と、
   乗員が乗車しているか否かを示す乗降情報と、車両の姿勢情報を取得する検出手段と、
   前記検出手段により取得された姿勢情報と指令値に基づき制御ゲインに応じて前記駆動手段による車輪の駆動を制御し、姿勢制御を行う制御手段と、を備えた同軸二輪車であって、
   前記制御手段は、前記検出手段が取得した乗降情報に基づいて乗車状態であると判定した場合には乗車状態に対して設定された制御ゲインを用いるモードに、空車状態であると判定した場合には空車状態に対して設定された制御ゲインを用いるモードにそれぞれ切り替えて前記駆動手段を制御し、
   前記検出手段は、前記姿勢情報として車両ピッチ角度及び車両ピッチ角速度を取得し、
   前記制御手段は、
   乗車状態であると判定した場合には、乗車状態に対応する目標ピッチ角度に、空車状態であると判定した場合には、空車状態に対応する目標ピッチ角度に、それぞれ指令値を切り替えて取得した車両ピッチ角度に応じて前記駆動手段を制御し、
   空車状態であると判定した場合には、目標ピッチ角速度を実質的にゼロに指令値を設定して前記駆動手段を制御する同軸二輪車。
2. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行したと判定した場合には、目標速度を減速させる指令値を設定して前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の同軸二輪車。
3. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸二輪車。
4. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度及び車両位置を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、降車位置まで戻るように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸二輪車。
5. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度及び車両位置を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて前記駆動手段を制御し、
   降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の場合には降車位置まで戻るモードを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸二輪車。
6. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度及び車両位置を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて前記駆動手段を制御し、
   降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、降車位置まで戻るモードを選択し、所定値以下の場合には停車位置にとどまるモードを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸二輪車。
7. 前記検出手段は、前記姿勢情報として車両速度、車両位置及び車両のヨー角度を取得し、
   前記制御手段は、乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて前記駆動手段を制御し、
   降車時のヨー角度と現在のヨー角度が所定値より大きく差がある場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の差の場合には降車位置まで戻るモードを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の同軸二輪車。
8. 乗員が乗車しているかどうかを検出するステップと、
   乗車状態であると判定した場合は、乗車状態に対して設定された制御ゲインを用いて、姿勢制御を実行するステップと、
   空車状態であると判定した場合は、空車状態に対して設定された制御ゲインを用いて、姿勢制御するステップと、を備え、
   乗車状態であると判定した場合には、乗車状態に対応する目標ピッチ角度に設定して姿勢制御を実行し、空車状態であると判定した場合には、空車状態に対応する目標ピッチ角度に設定して姿勢制御を実行し、
   空車状態であると判定した場合には、目標ピッチ角速度を実質的にゼロに指令値を設定することを特徴とする同軸二輪車の制御方法。
9. 乗車状態から空車状態に移行したと判定した場合には、車両速度が減速するように制御することを特徴とする請求項８に記載の同軸二輪車の制御方法。
10. 乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるように、制御することを特徴とする請求項８又は９に記載の同軸二輪車の制御方法。
11. 乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、降車位置まで戻るように制御することを特徴とする請求項８又は９に記載の同軸二輪車の制御方法。
12. 乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて制御し、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の場合には降車位置まで戻るモードを選択することを特徴とする請求項８又は９に記載の同軸二輪車の制御方法。
13. 乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて制御し、降車位置と現在位置の間の距離が所定値より長い場合には降車位置まで戻るモードを選択し、所定値以下の場合には停車位置にとどまるモードを選択することを特徴とする請求項８又は９に記載の同軸二輪車の制御方法。
14. 乗車状態から空車状態に移行し、かつ減速して車両速度が実質的にゼロであると判定した場合には、停車位置にとどまるモード又は降車位置まで戻るモードのいずれかのモードに応じて制御し、降車時のヨー角度と現在のヨー角度が所定値より大きく差がある場合には、停車位置にとどまるモードを選択し、所定値以下の差の場合には降車位置まで戻るモードを選択することを特徴とする請求項８又は９に記載の同軸二輪車の制御方法。

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