JP4789061B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は車両に関し、例えば、姿勢制御を行う倒立振り子車両に関する。

一軸上に配置された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、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。

特許文献２では、バランスの保持を補助するためのバランサを備えた倒立振り子車両が提案されている。
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。

このようなバランサ１０１を使用して姿勢制御を行う場合、バランサ１０１を加速することで発生する反力（反力トルク）で姿勢制御を行うことも考えられる。
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。

特開２００５−０９４８９８公報 特開２００４−１２９４３５公報

しかし、図７に示した車両において、バランサ１０１を加速してその反力トルクにより搭乗部１３の姿勢制御を行うことが可能であるが、バランサ１０１と搭乗部１３が移動することにより、車両全体の重心の位置が移動してしまうことになる。
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。

そこで、本発明は、車両の重心位置を所定位置に保つようにバランサを駆動することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、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（反力トルク）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を提供する。
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。

本発明によれば、複数のバランサを個別に駆動することで姿勢制御を行うので、車両の重心位置を所定位置に保つことができる。

以下、本発明の車両における好適な実施形態について、図１から図６を参照して詳細に説明する。
（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。

第１バランサと第２バランサは、それぞれ個別の駆動モータに接続されており、車両は、両バランサが算出した角加速度となるように個々の駆動モータを駆動する。
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。

（２）実施形態の詳細
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。

図１に示されるように、倒立振り子車両は、同軸に配置された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。

駆動輪１１ａ、１１ｂ（以下、両駆動輪１１ａと１１ｂを指す場合には駆動輪１１という）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が配置されている。
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、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。

搭乗部１３の左脇には操縦装置１５が配置されている。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運転操作部である。
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置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の操作により指示される走行指令によって加減速など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が配置されている。この表示・操作部１７は、図示しない液晶表示装置からなる表示部１７２と、この表示部１７２の表面に配置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。

搭乗部１３と駆動輪１１との間には制御ユニット１６が配置されている。
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。

次に、図２と図３を用いて第１バランサと第２バランサを用いた姿勢制御の原理について説明する。
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。

図３は、図２のモデル化した車両を進行方向に対して、その側面から見た状態を表している。
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。

ここで、搭乗部１３の質量をｍ１、重心回りの慣性モーメントをＩ１、重心から支点までの長さをｒ１とし、搭乗部１３の垂直方向からの傾斜角をθ１とする。なお、これらの値は、搭乗部１３に着席している運転者を含めた値とする。
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。

バランサに関しても同様にして、第１バランサ２０の質量をｍ２、重心回りの慣性モーメントをＩ２、重心から支点までの長さをｒ２、垂直方向からの傾斜角をθ２とし、第２バランサ２１の質量をｍ３、重心回りの慣性モーメントをＩ３、重心から支点までの長さをｒ３、垂直方向からの傾斜角をθ３とする。
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、搭乗部１３に姿勢制御のための角加速度α１＝｛｛θ１｝｝を与えることを目標とし、この際に重心２６に加速度を生じないような第１バランサ２０、第２バランサ２１の加速条件を求める。
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。

まず、第１バランサ２０に角加速度α２、第２バランサ２１に角加速度α３を与えた場合、次の式（１）が成り立つ。
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。

（Ｉ２＋ｍ２（ｒ２＾２））α２＋（Ｉ３＋ｍ３（ｒ３＾２））α３＝−（Ｉ１＋ｍ１（ｒ１＾２））α1 （１）

ここで、（Ｉ２＋ｍ２（ｒ２＾２））α２は、第１バランサモータ２２が第１バランサ２０に加えるバランサトルクτ２に該当し、（Ｉ３＋ｍ３（ｒ３＾２））α３は、第２バランサモータ２３が第２バランサ２１に加えるバランサトルクτ３に対応する。
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。

ａＧ＝Ａ１ｃｏｓ（θＧ−θ１−β１）＋Ａ２ｃｏｓ（θＧ−θ２−β２）＋Ａ３ｃｏｓ（θＧ−θ３−β３）＝０ （２）

ここで、Ａｉ（ｉ＝１、２、３、以下同様）は、
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。

このように、式（２）が成立するα２、α３を与えると重心の周方向の加速度ａＧ＝０となり、全体の重心を車軸の周方向に動かさずに搭乗部１３を位置制御することができる。
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。

次に、図４を用いて車両のハードウェア構成について説明する。
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。

制御ユニット１６は、主制御装置１６１、ジャイロセンサ１６２、駆動モータ制御装置１６３、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、記憶部１６４を備えている。
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。

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、インターフェース部などを備えたコンピュータシステムで構成されている。
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の姿勢を感知する姿勢感知センサとして機能する。
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。

なお、本実施形態のジャイロセンサ１６２では、角加速度α１と傾斜角度θ１を検出して主制御装置１６１に供給するが、角速度だけを検出するようにしてもよい。
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。

また、姿勢感知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などの搭乗部１３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は駆動モータ用インバータ３１を制御し、これによって駆動モータ１２を制御する。
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。

駆動モータ用インバータ３１は、図示しないバッテリに接続されており、バッテリが供給する直流電流を駆動モータ制御装置１６３の指示に従って交流に変換して駆動モータ１２に供給する。
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バランサモータ用インバータ３２を制御し、これによって第１バランサモータ２２を制御する。
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。

第１バランサモータ用インバータ３２は、駆動モータ用インバータ３１と共にバッテリに接続されており、バッテリが供給する直流電流を第１バランサモータ制御装置１６５の指示に従って交流に変換して第１バランサモータ２２に供給する。
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バランサモータ用インバータ３３を制御し、これによって第２バランサモータ２３を制御する。
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。

このように、バランサトルクτ１、τ２に対応する電流がバランサモータ２２、２３に供給されることで、バランサ２０、２１が角加速度α２、α３で駆動されるが、式（２）における重心の周方向加速度ａＧは０となり、全体の重心を車軸の周方向に動かさずに搭乗部１３を位置制御することができる。

第２バランサモータ用インバータ３３は、駆動モータ用インバータ３１、第１バランサモータ用インバータ３２と共にバッテリに接続されており、バッテリが供給する直流電流を第２バランサモータ制御装置１６６の指示に従って交流に変換して第２バランサモータ２３に供給する。
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。

記憶部１６４には、プログラム類を記憶するほか、ナビゲーションを行う場合は、ナビゲーションプログラム、ナビゲーションを行うための地図データなどが記憶される。
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。

入力部１７１は、表示部１７２上に配置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運転者が押下（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。
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。

タイヤ角度検出部１７４も例えばレゾルバなどで構成され、駆動輪１１の角度を検出し、これを主制御装置１６１に供給する。
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。

バランサ検出部１７３は、第１バランサ２０と第２バランサ２１の傾斜角を検出し、これを主制御装置１６１に供給する。
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。

次に図５のフローチャートを用いて制御ユニット１６が行う走行制御処理について説明する。
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。

次に、制御ユニット１６は、走行指令に従って車両を走行させるための車両の重心位置を算出する（ステップ２５）。
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）。

そして、制御ユニット１６は、第１バランサ２０、第２バランサ２１を回転させて、ステップ２５で算出した所定の重心位置に車両全体の重心を設定すると共に、ステップ３０で算出した走行駆動トルクにて駆動モータ１２を駆動して車両を走行させる（ステップ３５）。

制御ユニット１６は、走行を継続するか否かを判断し（ステップ４０）、走行を継続する場合は（ステップ４０；Ｙ）、ステップ１５に戻り、走行を継続しない場合は（ステップ４０；Ｎ）、車両を停車して処理を終了する。

次に図６のフローチャートを用いて制御ユニット１６が行う姿勢制御処理について説明する。
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。

制御ユニット１６は、傾斜角の反転が無ければ（ステップ６５；Ｎ）、ステップ６０に戻って引き続き姿勢の監視を継続する。

一方、傾斜角の反転が検出された場合（ステップ６５；Ｙ）、制御ユニット１６は、ステップ６０で取得した搭乗部１３の角加速度α１、及び、バランサ検出部１７３で検出したθ２、θ３を式（１）、及び（２）に代入して第１バランサモータ２２、第２バランサモータ２３に出力させるバランサトルクτ２、τ３を算出する（ステップ７０）。

より詳細には、バランサトルクτ２、τ３は、それぞれ第１バランサ２０、第２バランサ２１の角加速度α２、α３の関数であるため、制御ユニット１６は、これら角加速度を式（１）、式（２）で求め、これを用いてバランサトルクτ２、τ３を算出する。このように制御ユニット１６は、角加速度計算手段として機能する。
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。

次に、制御ユニット１６は、算出したバランサトルクτ１、τ２を出力するように第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に命じる。
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）。

これによって、車両全体の重心位置はステップ２５で算出した所定値に保ったまま搭乗部１３の姿勢が制御される。
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。

ついで、制御ユニット１６は、電源がオフされたか判断し（ステップ８０）、オフされれば（；Ｙ）処理を終了し、オフされていなければ（；Ｎ）、ステップ６０に戻って姿勢制御を継続する。

このように、基準線方向に戻された搭乗部１３は、そのまま基準線を越えて当初と反対方向に傾斜することになるが、ステップ６０に戻ることで、この基準線を越えた時点で傾斜角の反転がありと判断され（ステップ６５；Ｙ）、再び基準線方向への姿勢制御が行われる。
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。

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）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。

以上、本発明の実施形態について説明したが、次のような変形が可能である。
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。

また、説明した実施形態では、第１バランサ２０と第２バランサ２１を特に区別しなかったが、一方を反力トルク発生用の重心バランサとし、他方を重心位置の維持のためのカウンタバランサとすることも可能である。
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。

また、説明した実施形態では、姿勢制御において式（２）を用いて、α２、α３を算出するようにしたが、次の式（３）により近似してもよい。
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。

ａＧ＝ｍ１ｒ１α１／Ｍ＋ｍ２ｒ２α２／Ｍ＋ｍ３ｒ３α３／Ｍ （３）

本発明の実施形態における車両の外観構成図である。 バランサによる姿勢制御の原理についての説明図である。 バランサによる姿勢制御の原理についての説明図である。 車両のハードウェア的な構成についての説明図である。 制御ユニットによる走行制御の処理を表すフローチャートである。 制御ユニットによる姿勢制御の処理を表すフローチャートである。 従来のバランサを用いた姿勢制御の説明図である。

符号の説明

１１ 駆動輪
１２ 駆動モータ
１３ 搭乗部
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)

1. 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。
   
2. 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。
   
3. 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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