JP4789061B2 - 車両 - Google Patents
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Description
これら倒立振り子車両は、例えば、次の特許文献1に示されたように、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。
倒立振り子車両では、重心が車軸より上方にあるため、如何にしてバランスを保持するかが重要となってくる。バランスの保持は、重心の移動する方向(車両が傾斜する方向)に車両を移動することによって実現することができるが、バランサを併用するとより効果的である。
この特許文献2で提案されている技術は、駆動輪が球体で構成されている場合のバランス方法であるが、その原理は図7に示したとおりである。
すなわち、駆動輪11、搭乗部13、及びバランサ101で構成され、図示した走行方向と垂直な方向に車軸を有する車両100があった場合、搭乗部13の傾斜に対してバランサ101を逆方向に移動させてバランスを保持するものである。
図7を用いて説明すると、バランサ101を車軸の回りに回転(傾斜)させる際に、バランサ101の回転方向と逆方向に搭乗部13を回転させるトルク(反力トルク)が発生することを利用するものである。
この方式では、搭乗部13が前方に傾斜させる外力が働いた場合、搭乗部の傾斜方向にバランサ101を回転させることで、バランサの回転方向と逆方向、すなわち、外力による傾斜方向と逆方向のトルクを搭乗部に作用させることで姿勢を制御するものである。
また、搭乗部13が目標値よりも前傾しすぎているとする。これを立て直す場合、搭乗部13を立て直す方向と逆の方向、すなわち、前傾方向にバランサ101を回転することで、バランサ101を加速した際に生じる反力トルクにより搭乗部13が立ち直る方向に移動する。
例えば、図7において、バランサ101を矢線B方向に加速すると、その反力トルクにより搭乗部13を矢線A方向に移動させることができる。
そして、バランサ101を動かす量は、搭乗部13を動かしたい量によって決まってしまうため、全体の重心を直接制御できないという問題がある。
このように、バランサ101の駆動に伴って全体の重心が移動すると、車両の姿勢制御が複雑化することになる。
請求項2に記載の発明では、前記複数のバランサは、前記車軸の回りに移動可能に配置されており、前記姿勢制御手段は、前記複数のバランサを前記車軸の回りに個別に回転させることにより移動させることを特徴とする請求項1に記載の車両を提供する。
請求項3に記載の発明では、前記車両の重心位置を所定位置に保つような前記複数のバランサの個々の角加速度を計算する角加速度計算手段を具備し、前記姿勢制御手段は、前記計算した角加速度にて前記個々のバランサを前記車軸の回りに回転することを特徴とする請求項2に記載の車両を提供する。
(1)実施形態の概要
本実施形態の車両は、搭乗部とは別体で、前後(走行方向)に自由に移動可能で、各々独立制御が可能なバランサを複数設けることにより、車両全体の重心位置を所定位置に保つものである。
バランサは2個以上あればよいが、本実施形態では、一例として、車両に、車軸の回りに個別に回転可能な第1バランサと第2バランサを備えている
そして、車両は、搭乗部を所定の位置に姿勢制御する際に、姿勢制御に必要な反力トルクを計算すると共に、当該反力トルクを発生させ、かつ、車両の重心の位置を所定位置に保つような第1バランサと第2バランサの角加速度を計算する。
これによって、車両は、全体の重心位置を所定位置に保ちながら姿勢制御に必要な反力トルクを発生させることができる。
また、このように姿勢制御することにより、動作時及び停止時において搭乗部の傾斜を抑制し、搭乗部を鉛直線上に保持することが可能となる。
更に、移動動作時に搭乗部の揺れを抑制することができるほか、搭乗部の安定性を向上させることができる。
図1は、車両の外観構成の一例を例示したものである。
本実施形態の車両は、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、駆動輪の駆動方向で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。
両駆動輪11a、11bは、それぞれホイールモータ筐体121内に収納された駆動モータ(ホイールモータ)12で駆動されるようになっている。
また、駆動輪11a、11bの間には、図示しない2つの第1バランサ、第2バランサと、それぞれのバランサを車軸の回りに加速する第1バランサモータ、第2バランサモータがホイールモータ筐体121内に、駆動輪11a、11bと同軸に設けられている。
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、ホイールモータ筐体121に固定された支持部材14(フレーム)により支持されている。
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置するようにしてもよい。
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と左右の配置を逆にしてもよく、両者を同一の側に配置するようにしてもよい。
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。
図2は、本実施形態の車両をモデル化した模式図であり、車両を前進方向から見た正面図を示している。
このモデルでは、車両を、搭乗部13と、フレームを介して搭乗部13と接続する駆動モータ12、駆動モータ12で駆動される駆動輪11、及びフレームを介して搭乗部13と接続する第1バランサモータ22、第1バランサモータ22で駆動される第1バランサ20、及びフレームを介して搭乗部13と接続する第2バランサモータ23、第2バランサモータ23で駆動される第2バランサ21で構成している。ただし、フレームの質量は無視する。
第1バランサモータ22、第2バランサモータ23の回転軸は車軸25と同軸となるように配設されている。
第1バランサ20と第2バランサ21は、それぞれ回転軸よりも上方に質量が分布するように構成されており、第1バランサモータ22、第2バランサモータ23により有限なストローク内でそれぞれ独立に双方向に回転可能となっている。
このように、質量分布が回転軸に対して非対称となるようにバランサを構成することにより、バランサの回転によって重心の移動を生じさせることができる。
なお、簡単化のため第1バランサモータ22、第2バランサモータ23などは省略してある。
また、図3では、運転者を含めた車両全体の重心を重心26で示している。
すなわち、車両は、運転者の体重などを計測し、m1、I1、r1を運転者込みの値に補正する機能を備えているものとする。
又は、運転者の標準的な体重などを予め想定しておき、この値を用いた計算値を固定的に用いるようにしてもよい。
以下の計算式では、時間微分を記号{}で表すことにする。この表記法に従い、角速度ωは角度θの時間微分でありω={θ}で表され、角加速度αは角速度の時間微分であり、α={ω}={{θ}}で表される。
ここで、角加速度α1は、搭乗部13に外力が加わることで搭乗部13が傾斜する際の角加速度であり、後述のジャイロセンサ162で検出される。
なお、以下の式では、累乗数nを(^n)で表し、例えば、pの3乗は、p×p×p=(p^3)で表すこととする。
一方、重心の周方向加速度aGが0となる条件は、次の式(2)で表される。
Ai=(mi/M)ri√((αi^2)+(ωi^4))
であり、αiの関数である。
なお、ωi={θi}、M=Σmiである。
Σはiに関する和を表し、M=Σmi=m1+m2+m3となる。
また、tanθGはθG=Σmirisinθi/Σmiricosθiにより規定される。
また、βiは、tanβi=(ωi^2)/αiにより規定される。
ただし、Σはiに関する和を表す。
このようにβiはαiの関数で表される。
そこで、式(1)及び式(2)の両式を満たすα2、α3を数値解析により算出し、第1バランサモータ22にバランサトルクτ2=(I2+m2(r2^2))α2を出力させ、第2バランサモータ23にバランサトルクτ3=(I3+m3(r3^2))α3を出力させれば、車両全体の重心を周方向に回転せずに搭乗部13を位置制御することができる。
図4は、制御ユニット16の構成を表したものである。
制御ユニット16は、車両が第1バランサ20、第2バランサ21を用いて姿勢制御を行いながら倒立振り子走行を行う機能を有している。
以下、制御ユニット16を構成する各構成要素について説明する。
そして、制御ユニット16は、周辺の装置を構成する操縦装置15、入力部171、表示部172、バランサ検出部173、タイヤ角度検出部174、駆動モータ用インバータ31、駆動モータ12、第1バランサモータ用インバータ32、第1バランサモータ22、第2バランサモータ用インバータ33、第2バランサモータ23、及び図示しないバッテリなどと接続されている。
ROMには、バランサ20、21を用いて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からの各種走行指令に基づいて走行を制御する走行制御プログラムなどの各種プログラムが格納されており、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。なお、これらプログラムは、記憶部164に記憶しておき、メインCPUがこれを読み出すように構成することもできる。
姿勢制御プログラムは、後述のセンサから車両の傾斜角度や傾斜角速度を検出し、運転者が指示する走行指令に従って車両が走行するように、これらの検出値を用いて先のバランサトルクτ1、τ2を計算し、駆動モータ12や第1バランサモータ22、第2バランサモータ23を制御する。
ジャイロセンサ162は、搭乗部13の傾斜に基づく物理量として、搭乗部13の傾斜角度θ1と角加速度α1を検出する。
主制御装置161は、ジャイロセンサ162で検出される傾斜角度θ1から傾斜方向を認識するようになっている。
この場合、主制御装置161は、ジャイロセンサ162から供給される角速度を蓄積することで、角加速度α1と角度θ1を算出して傾斜角を取得するようにする。
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置し、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。
駆動モータ制御装置163は、駆動モータ12用のトルク−電流マップを備えており、このトルク−電流マップに従って、主制御装置161から指令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駆動モータ用インバータ31を制御する。
このように、主制御装置161、駆動モータ制御装置163、駆動モータ用インバータ31、及び駆動モータ12は、このように協働して動作し、駆動輪駆動手段を構成している。
第1バランサモータ制御装置165は、第1バランサモータ22用のトルク−電流マップを備えており、このトルク−電流マップに従って、主制御装置161から指令されるバランサトルクτ1に対応する電流を第1バランサモータ22に対して出力するように第1バランサモータ用インバータ32を制御する。
これによって、第1バランサモータ22は、第1バランサモータ制御装置165に指示された回転方向に、指示された角加速度で回転する。
第2バランサモータ制御装置166は、第2バランサモータ23用のトルク−電流マップを備えており、このトルク−電流マップに従って、主制御装置161から指令されるバランサトルクτ2に対応する電流を第2バランサモータ23に対して出力するように第2バランサモータ用インバータ33を制御する。
これによって、第2バランサモータ23は、第2バランサモータ制御装置166に指示された回転方向に、指示された角加速度で回転する。
このように、主制御装置161、第1バランサモータ制御装置165、第1バランサモータ用インバータ32、第1バランサモータ22、第1バランサ20、第2バランサモータ制御装置166、第2バランサモータ用インバータ33、第2バランサモータ23、第2バランサ21は、協働して動作し、車両の姿勢(運転操作部の姿勢)を所定位置に制御する姿勢制御手段を構成している。
入力部171は、表示・操作部17(図1参照)に配置され、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。
表示部172は、表示・操作部17に配置される。表示部172は、入力部171からの選択や入力対象となるボタンや説明などが表示されるようになっている。
主制御装置161は、タイヤ角度検出部174から供給された角度を時間で微分することにより駆動輪の角速度を得ることができ、更にこれを時間で微分することにより角加速度を得ることができる。
主制御装置161は、このようにして得た駆動輪の角加速度と、目標とする角加速度とを比較することで、駆動モータ制御装置163をフィードバック制御することができる。
第1バランサ20と第2バランサ21のストロークは有限であるため、この角度を超えて第1バランサ20、第2バランサ21を回転させることはできない。
そのため、主制御装置161は、第1バランサ20、第2バランサ21を駆動した後、バランサ検出部173の検出値を参照しながら車両の姿勢制御に影響を与えない程度の低回転速度で第1バランサ20、第2バランサ21を駆動した方向と逆の方向に回転させて所定の定位置に復帰させる。これによって、第1バランサ20と第2バランサ21は、次回の姿勢制御用のストロークを確保することができる。
制御ユニット16は、タイヤ角度検出部174の検出値から車両速度を測定する(ステップ15)。
次に制御ユニット16は、操縦装置15から運転者が行った入力(走行指令)を読み取る(ステップ20)。走行指令では、運転者が指示した車速などが指令される。
この重心位置は、搭乗部13を垂直に保ったまま第1バランサ20、第2バランサ21を移動して実現してもよいし、あるいは、車両を進行方向に傾斜させて実現してもよいし、あるいは、両者を組み合わせてもよい。
次に、制御ユニット16は、走行指令で指定された車速にて走行するために駆動モータ12で発生させる走行駆動トルクの目標値を算出する(ステップ30)。
制御ユニット16は、ジャイロセンサ162から搭乗部13の傾斜角θ1と傾斜角加速度α1を取得し(ステップ60)、傾斜角が反転したか否かを判断する(ステップ65)。
ここで、傾斜角θ1は、駆動輪11a、11bの車軸を通る所定の基準線に対する傾斜角度が検出され、傾斜角の反転は、傾斜角θ1>0の状態と傾斜角θ1<0の状態間の変化が該当する。また、傾斜角θ1=0(安定状態)から傾斜角θ1>0やθ1<0への状態変化も、傾斜角の反転に含まれるものとする。
そして、本実施形態における基準線は、車軸を通る鉛直線に設定されているが、基準線を鉛直線から所定角度Θだけ傾斜させるようにしてもよい。この場合、搭乗部13が鉛直線に対して所定角度Θだけ傾斜している状態がθ1=0となる。例えば、走行(前進、後進を含む)している場合に、走行している方向に所定角度Θだけ傾斜させることで、不自然な感覚を解消することができる。この場合、車速が大きくなるほど所定角度を大きくすることで、車速Vの関数としてΘ(V)を規定するようにしてもよい。
なお、mi、Ii、riなどのパラメータは予め記憶部164に記憶されている。
更に、搭乗部13のm1、I1、r1を運転者の体重などで補正する場合は、搭乗部13に体重計などの計測装置を装備し、制御ユニット16はこれらの計測装置による出力値を用いてこれらのパラメータを補正する。
すると第1バランサモータ制御装置165、第2バランサモータ制御装置166は、それぞれ第1バランサモータ用インバータ32、第2バランサモータ用インバータ33を制御し、第1バランサモータ22と第2バランサモータ23にそれぞれバランサトルクτ1、τ2を出力させる(ステップ75)。
すなわち、搭乗部13が外力により基準線に対して例えば車両進行方向にθ1だけ傾斜した場合には、車両全体の重心位置を移動することなく第1バランサ20、第2バランサ21を回転させることで、搭乗部13を基準線方向(外力により傾斜下方向と逆方向)に戻される。
以後、同様に搭乗部13の基準線に対する傾斜角の反転を検出した際の角加速度α1に対応したバランサトルクτ1、τ2でバランサ20、21を回転させ、そのバランサ21の移動による反力で搭乗部13を基準線方向に戻す動作を繰り返す。このような搭乗部13の振り子運動を通して、基準線を中心とした最大の傾斜角θ1が徐々に0に収束し正常状態の姿勢に戻すことができる。
(1)複数のバランサの反力トルクを組み合わせることにより、反力トルク方式の姿勢制御を車両全体の重心移動を伴わずに行うことが可能となる。
(2)重心移動を伴わずに反力トルクを発生することができるため、姿勢制御が容易になる。
(3)運転者の安定性が向上し、運転者の快適度を向上させることができる。
(4)走行時、停止時の運転者の走行方向への傾斜を低減することができ、運転者の快適度を向上させることができる。
例えば、第1バランサ20と第2バランサ21のうち、何れか一方をフライホイールにて構成することが可能である。バランサの一方をフライホイールにて構成することによりストロークによるバランサの移動制限はなくなる。
なお、第1バランサ20と第2バランサ21の両方をフライホイールとすると、第1バランサ20と第2バランサ21を駆動しても車両全体の重心位置を制御することができないため、少なくとも一方のバランサは、回転軸の回りに対して非対称な形状を有することが必要である。
この場合、重心バランサの慣性モーメントをカウンタバランサの慣性モーメントよりも大きくするなど、それぞれの役割を果たすのに効果的なパラメータを設定することができる。
更に、実施形態では、第1バランサ20と第2バランサ21の回転軸を車軸25と同軸としたが、必ずしも同一軸上でなくてもよい。
すなわち、車両がほぼ鉛直軸上で直立している場合はθ1、θ2、θ3、ω1、ω2、ω3が何れも約0となるため、式(2)は、次の式(3)で近似することができる。
この近似式(3)を使用することで、α2、α3の算出が容易になる。
12 駆動モータ
13 搭乗部
15 操縦装置
16 制御ユニット
17 表示・操作部
20 第1バランサ
21 第2バランサ
22 第1バランサモータ
23 第2バランサモータ
25 車軸
31 駆動モータ用インバータ
32 第1バランサモータ用インバータ
33 第2バランサモータ用インバータ
161 主制御装置
162 ジャイロセンサ
163 駆動モータ制御装置
164 記憶部
165 第1バランサモータ制御装置
166 第2バランサモータ制御装置
171 入力部
172 表示部
173 バランサ検出部
174 タイヤ角度検出部
Claims (3)
- 一軸の車軸上に配置された駆動輪を駆動する駆動輪駆動手段と、
前記駆動輪の上方に配置され、前記駆動輪の運転操作を行う運転操作部と、
前記運転操作部に対して移動可能に配置された複数のバランサと、
車両の重心位置を所定位置に保つように前記複数のバランサを個別に移動し、その際に生じる反力により前記運転操作部の姿勢を所定の位置に制御する姿勢制御手段と、
を具備したことを特徴とする車両。
- 前記複数のバランサは、前記車軸の回りに移動可能に配置されており、前記姿勢制御手段は、前記複数のバランサを前記車軸の回りに個別に回転させることにより移動させることを特徴とする請求項1に記載の車両。
- 前記車両の重心位置を所定位置に保つような前記複数のバランサの個々の角加速度を計算する角加速度計算手段を具備し、
前記姿勢制御手段は、前記計算した角加速度にて前記個々のバランサを前記車軸の回りに回転することを特徴とする請求項2に記載の車両。
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