倒立二輪車
【課題】モータの負荷が高い場合であっても、安定した動作を行うことができる。
【解決手段】倒立二輪車は、駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、駆動手段にかかる負荷と、姿勢情報取得手段により取得された姿勢角と、に基づいて、倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、駆動手段を駆動制御する制御部と、を備える。制御部は、現在の姿勢角が警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う。
【解決手段】倒立二輪車は、駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、駆動手段にかかる負荷と、姿勢情報取得手段により取得された姿勢角と、に基づいて、倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、駆動手段を駆動制御する制御部と、を備える。制御部は、現在の姿勢角が警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立二輪車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、倒立状態を維持して走行する倒立二輪車の研究がされている。倒立二輪車は、前後方向のバランスをとることにより動的に安定性を確保し、搭乗者の重心移動に基づいて走行状態を変化させる。
【０００３】
従来の倒立二輪車は、フィードバック制御を行うことにより、倒立状態を維持しつつ走行するよう制御される。図４は、従来の倒立二輪車が走行する場合の動作フローチャートである。
移動体（倒立二輪車）２０は、車体２１０と、ステップ部２２０と、駆動輪２３０と、を備える。車体２１０は、車体２１０の姿勢角を検知する姿勢角センサ２１１と、駆動輪２３０を駆動する駆動手段２１４と、駆動手段２１４の回転角を取得する回転角センサ２１５と、駆動手段２１４の動作を制御する制御部２１７と、姿勢角から車速を演算する演算部２１８と、を備える。駆動手段２１４は、以下ではモータとする。
【０００４】
処理をスタートする（ＳＴ１０）。このとき、移動体２０には、すでにステップ部２２０に人が搭乗している状態とする。また、移動体２０は、倒立制御が行われているものとする。
【０００５】
移動体２０は、姿勢角センサ２１１による姿勢角の観測を行う（ＳＴ２０）。例えば、姿勢角センサ２１１は、搭乗者の重心移動による、車体２１０の傾動を検出する。
【０００６】
次に、モータの回転速度を観測する（ＳＴ３０）。回転角センサ２１５は、モータの回転角や回転数を取得する。
【０００７】
次に、必要な車速を計算する（ＳＴ４０）。具体的には、演算部２１８は、観測された搭乗者の重心の移動に基づいて、必要な車速を求める。
【０００８】
次に、制御部２１７はモータに速度を指令する（ＳＴ５０）。すなわち、制御部２１７はモータの動作を制御する。これにより、モータは、移動体２０が必要な車速で走行するよう、駆動輪２３０を動作させる。その後、ＳＴ１０の処理に戻る。
このようにして、移動体２０では、車体２１０の姿勢に応じ、走行状態の制御が行われる。
【０００９】
特許文献１には、センサの故障等で車体の傾斜状態が取得できない場合に、駆動手段のトルク及び回転数から、車体の傾斜状態を推測する移動体について記載されている。また、該移動体は、推測した値とセンサで検出した値を比較することで、センサの故障の検出を行うことができる。
【００１０】
特許文献２には、搭乗者を個体識別して、搭乗者の身体的特徴、習熟度などに基づいて走行制御を行う移動体について記載されている。これにより、該移動体は、搭乗者に応じた安定性を得ることができる。
【００１１】
特許文献３には、最大出力と現出力の間の差によって決定されるヘッドルームが指定限界に落ちるときに警告を行う移動体について記載されている。これによると、移動体は、平坦でない路面において、電力が供給されない場合の転倒を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−１７０４５７号公報
【特許文献２】特開２００８−０８７６７４号公報
【特許文献２】特開２００３−５０２００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の倒立二輪車では、路面状況や搭乗者の体重によってモータの負荷が高まる場合がある。例えば、図５（ａ）に示すように、勾配が急な路面を登坂する場合には、許容できる姿勢変動量が小さくなるとともに、モータにかかる負荷が高くなる。図５（ｂ）に示すように勾配が緩やかな路面を登坂する場合には、許容できる姿勢変動量が大きくなるとともに、モータにかかる負荷が低くなる。
倒立二輪車は、モータの負荷を調整することで倒立状態を維持するが、想定よりも厳しい斜度の路面の走行時や、体重の重い人が搭乗することによってモータの負荷の高まると、倒立制御を維持するモータ負荷の限界に近づき、倒立二輪車の挙動が不安定になる場合があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明にかかる倒立二輪車は、同軸上に配置され、独立して回転駆動する左右一対の駆動手段と、駆動手段に取りつけられた駆動輪を備え、前記駆動輪の駆動によって姿勢を制御する倒立二輪車であって、前記駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、前記倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、前記負荷取得手段により取得された駆動手段にかかる負荷に基づいて、前記倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、前記駆動手段を駆動制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記姿勢情報取得手段により取得された現在の姿勢角が前記警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う。
これにより、倒立状態が維持できない状態が近付いた場合には搭乗者に警告を発し、倒立状態が維持できない状態となった場合には緩やかに停止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
モータの負荷が高い場合であっても、安定した動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１にかかる移動体のブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかる移動体の動作フローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかる移動体の概略図である。
【図４】従来の移動体の動作フローチャートである。
【図５】従来の移動体の走行状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１
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。図１は、移動体１０のブロック図である。移動体１０は、倒立二輪車である。移動体１０は、車体１１０と、ステップ部１２０と、駆動輪１３０と、ハンドル部１４０と、を備える。
【００１８】
車体１１０は、姿勢角センサ１１１と、駆動手段１１４と、回転角センサ１１５と、旋回センサ１１６と、制御部１１７と、を備える。車体１１０は、車体１１０の左右に設けられた一対の駆動輪１３０により支持されている。車体１１０には、ステップ部１２０と、ハンドル部１４０が連結している。
【００１９】
姿勢角センサ１１１は、角速度センサ１１２と、加速度センサ１１３と、を備える。姿勢角センサ１１１は、角速度センサ１１２と、加速度センサ１１３を用いて、移動体１０の状態を検知する、姿勢情報取得手段である。
【００２０】
角速度センサ１１２は、車体１１０の傾動状態を取得する。より具体的には、角速度センサ１１２は、搭乗者が前方に重心を掛けるよう姿勢を変化させることにより生じる、車体１１０のピッチ方向（車軸周り）の傾動角の変化量を求める。角速度センサ１１２は、取得した値を、制御部１１７に出力する。
【００２１】
加速度センサ１１３は、移動体１０の加速度を取得する加速度計である。例えば、加速度センサ１１３は、移動体１０の走行方向の加速度と、旋回する場合にかかる遠心力により生じる加速度と、地軸の方向の加速度と、のそれぞれを取得する。加速度センサ１１３は、取得した値を、制御部１１７に出力する。
【００２２】
駆動手段１１４は、制御部１１７から供給された制御信号に基づき、駆動輪１３０を駆動させる。典型的には、駆動手段１１４は、モータである。例えば、駆動手段１１４は、車体１１０の左右に設けられた駆動輪１３０をそれぞれ独立して駆動させるために、複数のモータであっても良い。駆動手段１１４は、回転角センサ１１５と接続している。
【００２３】
回転角センサ１１５は、駆動手段１１４に接続しているエンコーダであり、回転角センサ１１５は、駆動手段１１４として用いられているモータの、単位時間あたりの回転角や、回転数をエンコーダ値として検知する。なお、回転角センサ１１５は、駆動手段１１４のトルクを取得する機能を有するのが望ましい。
回転角センサ１１５は、取得したエンコーダ値を演算部１１８に出力することで、駆動手段１１４にかかる負荷を算出する、負荷情報取得手段である。
【００２４】
旋回センサ１１６は、移動体１０の旋回角度を決めるためのセンサである。例えば、旋回センサ１１６は、搭乗者によるハンドル部１４０の傾動や、車体１１０をロール方向（走行方向に平行な移動体１０の前後軸周り）に傾けたことによる旋回指示を取得する。旋回センサ１１６は、取得した旋回指示を、制御部１１７に出力する。
【００２５】
制御部１１７は、各構成要素の動作を制御する。制御部１１７は、演算を行う演算部１１８を有する。
制御部１１７は、姿勢角センサ１１１と、回転角センサ１１５と、旋回センサ１１６により取得された、センサ値が供給される。また、制御部１１７は、搭乗者によるステップ部１２０と、ハンドル部１４０の操作に基づく情報が供給される。制御部１１７は、移動体１０が該車速で走行するよう、駆動手段１１４に制御信号を出力する。制御部１１７は、移動体１０の姿勢角が、駆動手段１１４に倒立状態が維持困難となる負荷状態を要求する姿勢角（倒立限界姿勢角）となった場合には、表示部１４１や音声出力部１４２が警告を発するように制御するとともに、駆動手段１１４の負荷を低減するよう制御する。また、制御部１１７は、移動体１０の姿勢角が、倒立限界姿勢角に達する前に警告を行う姿勢角（警告姿勢角）となった場合には、表示部１４１や音声出力部１４２が警告を発するように制御する。制御部１１７の動作については、後に詳述する。
【００２６】
演算部１１８は、制御部１１７の制御に基づいて演算を行う。例えば、演算部１１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えており、プログラムに基づいて動作することで演算を行う。
例えば、演算部１１８は、姿勢角センサ１１１から供給されたセンサ値と、駆動手段１１４の駆動状態に基づいて、倒立限界姿勢角と、警告姿勢角を算出する。また、姿勢角センサ１１１で取得された姿勢角と、倒立限界姿勢角および警告姿勢角との比較を行う。演算部１１８の動作については、後に詳述する。
【００２７】
ステップ部１２０は、搭乗者が足を乗せるステッププレートである。ステップ部１２０は、ステップスイッチ１２１を備える。
【００２８】
ステップスイッチ１２１は、人がステップ部１２０に搭乗したか否かを検知する。例えば、ステップスイッチ１２１は、人の搭乗によるステップ部への荷重を検知することで、移動体１０への人の搭乗を検知する感圧センサである。ステップスイッチ１２１は、検知の結果を制御部１１７に出力する。
【００２９】
駆動輪１３０は、駆動手段１１４から駆動力を受けて駆動する、一対の車輪である。駆動輪１３０は、車体１１０の左右に同軸上に設けられており、車体の走行方向に直交した軸を中心に回転する
【００３０】
ハンドル部１４０は、端部が車体１１０に連結している。典型的には、ハンドル部１４０は、搭乗者により把持され操作が行われる。ハンドル部１４０は、表示部１４１と、音声出力部１４２と、降車ボタン１４３と、旋回ボタン１４４と、を備える。
【００３１】
表示部１４１は、例えば液晶パネルである。表示部１４１は、姿勢角が、警告姿勢角や倒立限界姿勢角となった場合に、警告を表示する。また、表示部１４１は、移動体１０の倒立制御を開始しているか否かの表示や、降車ボタン１４３の操作により降車モードとなった場合に、降車モードである旨の表示を行う。
【００３２】
音声出力部１４２は、例えばブザーである。音声出力部１４２は、姿勢角が警告姿勢角や倒立限界姿勢角となった場合に、警告音を発生させる。
【００３３】
降車ボタン１４３は、搭乗者が降車しやすい状態となるように、移動体１０を操作するボタンである。例えば、降車ボタン１４３は、搭乗者の操作に基づき、制御部１１７に降車するための信号を出力する。降車のための信号を供給された制御部１１７は、移動体１０を停止させ、車体１１０の後方部を設置させる方向に傾動させることで、搭乗者が降車しやすい状態となるよう、移動体１０を制御する。
【００３４】
旋回ボタン１４４は、移動体１０を旋回走行するためのボタンである。例えば、旋回ボタン１４４は、搭乗者の操作に基づき、制御部１１７に旋回するための信号を出力する。ここで、旋回ボタン１４４では、旋回角度を任意に定められるのが望ましい。旋回するための信号を供給された制御部１１７は、移動体１０が旋回して走行するように、駆動手段１１４の制御を行う。
【００３５】
次に、移動体１０が倒立制御状態で走行し、駆動手段１１４の負荷に応じて、倒立状態が維持困難となる姿勢を検出し、ユーザへの警告等を行う処理フローについて説明する。図２は、移動体１０の動作のフローチャートである。なお、以下では駆動手段１１４は、モータとして説明する。
【００３６】
処理を開始する（ＳＴ１００）。このとき移動体１０は、人が搭乗している状態であり、倒立制御状態とする。制御部１１７が、搭乗者の重心移動による車体１１０の傾動に基づいて、モータの動作状態を制御することで、移動体１０の走行が開始する。
このとき、表示部１４１は、移動体１０が倒立制御状態である旨の表示を行う。
【００３７】
モータの負荷を求める（ＳＴ１１０）。より具体的には、回転角センサ１１５は、モータの単位時間あたりの回転角や回転数を取得し、エンコーダ値として演算部１１８に出力する。演算部１１８は、エンコーダ値に基づいて、モータにかかっている負荷を算出する。
【００３８】
モータにかかる負荷から、倒立限界姿勢角を求める（ＳＴ１２０）。具体的には、演算部１１８は、ＳＴ１１０で算出したモータの負荷に基づき、モータにかかる負荷を原因として倒立制御が不可能となるときの姿勢角を、倒立限界姿勢角として算出する。例えば、モータの負荷が１００％となる姿勢角を倒立限界姿勢角とする場合に、現在のモータの負荷が７０％であれば、演算部１１８は、さらに３０％分だけモータに負荷がかかる姿勢角を、倒立限界姿勢角として算出する。
図３は、移動体１０が、登坂するよう走行している状態を示す概略図である。図３では、鉛直方向を短破線で示し、倒立限界姿勢角を長破線で示す。
【００３９】
次に、警告姿勢角を求める（ＳＴ１３０）。警告姿勢角は、姿勢角が倒立限界姿勢角に達する前に、ユーザに警告を発するための姿勢角である。具体的には、演算部１１８は、ＳＴ１２０で倒立限界姿勢角に基づいて警告姿勢角を算出する。例えば、演算部１１８は、倒立限界姿勢角から３°後方に傾動させた姿勢角を、警告姿勢角として算出する。
なお、演算部１１８は、警告姿勢角を、倒立限界姿勢角を算出した方法と同様の方法で求めても良い。例えば、モータの負荷が９０％となる姿勢角を警告姿勢角とする場合に、現在のモータの負荷が７０％であれば、演算部１１８は、さらに２０％分だけモータに負荷がかかる姿勢角を、警告姿勢角として算出する。図３において、警告姿勢角を一点鎖線で示す。
なお、警告姿勢角の算出方法は、上記の方法に限られない。
【００４０】
姿勢角を観測する（ＳＴ１４０）。具体的には、姿勢角センサ１１１は、車体１１０の傾動や加速度を取得し、現在の姿勢角を取得する。姿勢角センサ１１１は、取得した姿勢角を、制御部１１７に出力する。
このとき、旋回センサ１１６は、搭乗者による旋回の操作を検出し、検出信号を制御部１１７に出力するのが望ましい。
【００４１】
次に、検出された姿勢角と、倒立限界姿勢角の比較を行う（ＳＴ１５０）。より具体的には、演算部１１８は、姿勢角センサ１１１により取得された現在の姿勢角が、ＳＴ１２０で算出した倒立限界姿勢角より傾動した状態であるか否かを、比較して判定する。
【００４２】
現在の姿勢角が、倒立限界姿勢角以上に傾動している場合には（ＳＴ１５０でＹＥＳ）、すでにモータに過負荷がかかった状態であり、倒立制御が破綻することが予見される。そこで、制御部１１７は、表示部１４１および音声出力部１４２が警告を発するよう制御する。また、制御部１１７は、モータのゲインを弱めるよう制御する（ＳＴ１６０）。これにより、移動体１０は、減速動作を行い、倒立制御の破綻後の暴走を予防する。
その後、例えばステップスイッチ１２１により人の降車が確認された場合には、制御部１１７は、移動体１０の動作を停止させる（ＳＴ１６１）。
【００４３】
現在の姿勢角が、倒立限界姿勢角に達していない場合には（ＳＴ１５０でＮＯ）、現在の姿勢角と、警告姿勢角の比較を行う（ＳＴ１７０）。
【００４４】
現在の姿勢角が、警告姿勢角以上に傾動している場合には（ＳＴ１７０でＹＥＳ）、制御部１１７は、表示部１４１および音声出力部１４２が警告を発するよう制御する（ＳＴ１８０）。なお、この場合の姿勢角は、警告姿勢角に達しているが、倒立限界姿勢角には達していない。したがって、表示部１４１および音声出力部１４２は、姿勢角が倒立限界姿勢角とならないよう警告を発する。その後、ＳＴ１９０に進む。
【００４５】
現在の姿勢角が、警告姿勢角に達していない場合には（ＳＴ１７０でＮＯ）、ＳＴ１９０に進む。
【００４６】
モータの回転速度を観測する（ＳＴ１９０）。具体的には、回転角センサ１１５は、モータの回転を取得する。回転角センサ１１５は、取得したエンコーダ値を制御部１１７に出力する。
【００４７】
必要な車速を計算する（ＳＴ２００）。姿勢角センサ１１１は、現在の姿勢角を取得し、制御部１１７に姿勢角の値を出力する。制御部１１７は、演算部１１８において、供給された姿勢角の値に基づいて必要な車速を算出する。
【００４８】
モータへ速度を指令する（ＳＴ２１０）。すなわち、制御部１１７は、移動体１０がＳＴ２００で算出された車速で走行するよう、モータの動作を制御する。これにより、モータから駆動輪１３０に必要な駆動力が与えられ、移動体１０の走行速度が調整される。
その後ＳＴ１１０に戻り、移動体１０の走行が終了するまで、処理を繰り返し行う。
【００４９】
移動体１０は、倒立状態が維持困難となる姿勢角に近づいた場合には警告を発し、倒立状態が維持困難となる姿勢角となった場合には警告を発するとともに、倒立状態の破綻後の暴走を予防するため、減速動作を行う。これにより、移動体１０は、倒立制御状態が維持困難となる状態が近付いた場合に、警告を発することで倒立状態の破綻をあらかじめ回避することができる。また、移動体１０の倒立状態が、維持困難となった場合であっても、柔軟に停止することができる。
したがって、移動体１０は、路面の斜度や搭乗者の体重を測定するためのセンサを設けることなく、駆動手段１１４の負荷に応じて、安定した動作を行うことができる。
【００５０】
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。例えば、姿勢角センサ１１１は、車体１１０に備えられているものとして記載したが、ハンドル部１４０などの、車体１１０以外の箇所に備えられていても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 移動体
２０ 移動体
１１０ 車体
１１１ 姿勢角センサ
１１２ 角速度センサ
１１３ 加速度センサ
１１４ 駆動手段
１１５ 回転角センサ
１１６ 旋回センサ
１１７ 制御部
１１８ 演算部
１２０ ステップ部
１２１ ステップスイッチ
１３０ 駆動輪
１４０ ハンドル部
１４１ 表示部
１４２ 音声出力部
１４３ 降車ボタン
１４４ 旋回ボタン
２１０ 車体
２１１ 姿勢角センサ
２１４ 駆動手段
２１５ 回転角センサ
２１７ 制御部
２１８ 演算部
２２０ ステップ部
２３０ 駆動輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立二輪車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、倒立状態を維持して走行する倒立二輪車の研究がされている。倒立二輪車は、前後方向のバランスをとることにより動的に安定性を確保し、搭乗者の重心移動に基づいて走行状態を変化させる。
【０００３】
従来の倒立二輪車は、フィードバック制御を行うことにより、倒立状態を維持しつつ走行するよう制御される。図４は、従来の倒立二輪車が走行する場合の動作フローチャートである。
移動体（倒立二輪車）２０は、車体２１０と、ステップ部２２０と、駆動輪２３０と、を備える。車体２１０は、車体２１０の姿勢角を検知する姿勢角センサ２１１と、駆動輪２３０を駆動する駆動手段２１４と、駆動手段２１４の回転角を取得する回転角センサ２１５と、駆動手段２１４の動作を制御する制御部２１７と、姿勢角から車速を演算する演算部２１８と、を備える。駆動手段２１４は、以下ではモータとする。
【０００４】
処理をスタートする（ＳＴ１０）。このとき、移動体２０には、すでにステップ部２２０に人が搭乗している状態とする。また、移動体２０は、倒立制御が行われているものとする。
【０００５】
移動体２０は、姿勢角センサ２１１による姿勢角の観測を行う（ＳＴ２０）。例えば、姿勢角センサ２１１は、搭乗者の重心移動による、車体２１０の傾動を検出する。
【０００６】
次に、モータの回転速度を観測する（ＳＴ３０）。回転角センサ２１５は、モータの回転角や回転数を取得する。
【０００７】
次に、必要な車速を計算する（ＳＴ４０）。具体的には、演算部２１８は、観測された搭乗者の重心の移動に基づいて、必要な車速を求める。
【０００８】
次に、制御部２１７はモータに速度を指令する（ＳＴ５０）。すなわち、制御部２１７はモータの動作を制御する。これにより、モータは、移動体２０が必要な車速で走行するよう、駆動輪２３０を動作させる。その後、ＳＴ１０の処理に戻る。
このようにして、移動体２０では、車体２１０の姿勢に応じ、走行状態の制御が行われる。
【０００９】
特許文献１には、センサの故障等で車体の傾斜状態が取得できない場合に、駆動手段のトルク及び回転数から、車体の傾斜状態を推測する移動体について記載されている。また、該移動体は、推測した値とセンサで検出した値を比較することで、センサの故障の検出を行うことができる。
【００１０】
特許文献２には、搭乗者を個体識別して、搭乗者の身体的特徴、習熟度などに基づいて走行制御を行う移動体について記載されている。これにより、該移動体は、搭乗者に応じた安定性を得ることができる。
【００１１】
特許文献３には、最大出力と現出力の間の差によって決定されるヘッドルームが指定限界に落ちるときに警告を行う移動体について記載されている。これによると、移動体は、平坦でない路面において、電力が供給されない場合の転倒を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−１７０４５７号公報
【特許文献２】特開２００８−０８７６７４号公報
【特許文献２】特開２００３−５０２００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の倒立二輪車では、路面状況や搭乗者の体重によってモータの負荷が高まる場合がある。例えば、図５（ａ）に示すように、勾配が急な路面を登坂する場合には、許容できる姿勢変動量が小さくなるとともに、モータにかかる負荷が高くなる。図５（ｂ）に示すように勾配が緩やかな路面を登坂する場合には、許容できる姿勢変動量が大きくなるとともに、モータにかかる負荷が低くなる。
倒立二輪車は、モータの負荷を調整することで倒立状態を維持するが、想定よりも厳しい斜度の路面の走行時や、体重の重い人が搭乗することによってモータの負荷の高まると、倒立制御を維持するモータ負荷の限界に近づき、倒立二輪車の挙動が不安定になる場合があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明にかかる倒立二輪車は、同軸上に配置され、独立して回転駆動する左右一対の駆動手段と、駆動手段に取りつけられた駆動輪を備え、前記駆動輪の駆動によって姿勢を制御する倒立二輪車であって、前記駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、前記倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、前記負荷取得手段により取得された駆動手段にかかる負荷に基づいて、前記倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、前記駆動手段を駆動制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記姿勢情報取得手段により取得された現在の姿勢角が前記警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う。
これにより、倒立状態が維持できない状態が近付いた場合には搭乗者に警告を発し、倒立状態が維持できない状態となった場合には緩やかに停止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
モータの負荷が高い場合であっても、安定した動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１にかかる移動体のブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかる移動体の動作フローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかる移動体の概略図である。
【図４】従来の移動体の動作フローチャートである。
【図５】従来の移動体の走行状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１
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。図１は、移動体１０のブロック図である。移動体１０は、倒立二輪車である。移動体１０は、車体１１０と、ステップ部１２０と、駆動輪１３０と、ハンドル部１４０と、を備える。
【００１８】
車体１１０は、姿勢角センサ１１１と、駆動手段１１４と、回転角センサ１１５と、旋回センサ１１６と、制御部１１７と、を備える。車体１１０は、車体１１０の左右に設けられた一対の駆動輪１３０により支持されている。車体１１０には、ステップ部１２０と、ハンドル部１４０が連結している。
【００１９】
姿勢角センサ１１１は、角速度センサ１１２と、加速度センサ１１３と、を備える。姿勢角センサ１１１は、角速度センサ１１２と、加速度センサ１１３を用いて、移動体１０の状態を検知する、姿勢情報取得手段である。
【００２０】
角速度センサ１１２は、車体１１０の傾動状態を取得する。より具体的には、角速度センサ１１２は、搭乗者が前方に重心を掛けるよう姿勢を変化させることにより生じる、車体１１０のピッチ方向（車軸周り）の傾動角の変化量を求める。角速度センサ１１２は、取得した値を、制御部１１７に出力する。
【００２１】
加速度センサ１１３は、移動体１０の加速度を取得する加速度計である。例えば、加速度センサ１１３は、移動体１０の走行方向の加速度と、旋回する場合にかかる遠心力により生じる加速度と、地軸の方向の加速度と、のそれぞれを取得する。加速度センサ１１３は、取得した値を、制御部１１７に出力する。
【００２２】
駆動手段１１４は、制御部１１７から供給された制御信号に基づき、駆動輪１３０を駆動させる。典型的には、駆動手段１１４は、モータである。例えば、駆動手段１１４は、車体１１０の左右に設けられた駆動輪１３０をそれぞれ独立して駆動させるために、複数のモータであっても良い。駆動手段１１４は、回転角センサ１１５と接続している。
【００２３】
回転角センサ１１５は、駆動手段１１４に接続しているエンコーダであり、回転角センサ１１５は、駆動手段１１４として用いられているモータの、単位時間あたりの回転角や、回転数をエンコーダ値として検知する。なお、回転角センサ１１５は、駆動手段１１４のトルクを取得する機能を有するのが望ましい。
回転角センサ１１５は、取得したエンコーダ値を演算部１１８に出力することで、駆動手段１１４にかかる負荷を算出する、負荷情報取得手段である。
【００２４】
旋回センサ１１６は、移動体１０の旋回角度を決めるためのセンサである。例えば、旋回センサ１１６は、搭乗者によるハンドル部１４０の傾動や、車体１１０をロール方向（走行方向に平行な移動体１０の前後軸周り）に傾けたことによる旋回指示を取得する。旋回センサ１１６は、取得した旋回指示を、制御部１１７に出力する。
【００２５】
制御部１１７は、各構成要素の動作を制御する。制御部１１７は、演算を行う演算部１１８を有する。
制御部１１７は、姿勢角センサ１１１と、回転角センサ１１５と、旋回センサ１１６により取得された、センサ値が供給される。また、制御部１１７は、搭乗者によるステップ部１２０と、ハンドル部１４０の操作に基づく情報が供給される。制御部１１７は、移動体１０が該車速で走行するよう、駆動手段１１４に制御信号を出力する。制御部１１７は、移動体１０の姿勢角が、駆動手段１１４に倒立状態が維持困難となる負荷状態を要求する姿勢角（倒立限界姿勢角）となった場合には、表示部１４１や音声出力部１４２が警告を発するように制御するとともに、駆動手段１１４の負荷を低減するよう制御する。また、制御部１１７は、移動体１０の姿勢角が、倒立限界姿勢角に達する前に警告を行う姿勢角（警告姿勢角）となった場合には、表示部１４１や音声出力部１４２が警告を発するように制御する。制御部１１７の動作については、後に詳述する。
【００２６】
演算部１１８は、制御部１１７の制御に基づいて演算を行う。例えば、演算部１１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えており、プログラムに基づいて動作することで演算を行う。
例えば、演算部１１８は、姿勢角センサ１１１から供給されたセンサ値と、駆動手段１１４の駆動状態に基づいて、倒立限界姿勢角と、警告姿勢角を算出する。また、姿勢角センサ１１１で取得された姿勢角と、倒立限界姿勢角および警告姿勢角との比較を行う。演算部１１８の動作については、後に詳述する。
【００２７】
ステップ部１２０は、搭乗者が足を乗せるステッププレートである。ステップ部１２０は、ステップスイッチ１２１を備える。
【００２８】
ステップスイッチ１２１は、人がステップ部１２０に搭乗したか否かを検知する。例えば、ステップスイッチ１２１は、人の搭乗によるステップ部への荷重を検知することで、移動体１０への人の搭乗を検知する感圧センサである。ステップスイッチ１２１は、検知の結果を制御部１１７に出力する。
【００２９】
駆動輪１３０は、駆動手段１１４から駆動力を受けて駆動する、一対の車輪である。駆動輪１３０は、車体１１０の左右に同軸上に設けられており、車体の走行方向に直交した軸を中心に回転する
【００３０】
ハンドル部１４０は、端部が車体１１０に連結している。典型的には、ハンドル部１４０は、搭乗者により把持され操作が行われる。ハンドル部１４０は、表示部１４１と、音声出力部１４２と、降車ボタン１４３と、旋回ボタン１４４と、を備える。
【００３１】
表示部１４１は、例えば液晶パネルである。表示部１４１は、姿勢角が、警告姿勢角や倒立限界姿勢角となった場合に、警告を表示する。また、表示部１４１は、移動体１０の倒立制御を開始しているか否かの表示や、降車ボタン１４３の操作により降車モードとなった場合に、降車モードである旨の表示を行う。
【００３２】
音声出力部１４２は、例えばブザーである。音声出力部１４２は、姿勢角が警告姿勢角や倒立限界姿勢角となった場合に、警告音を発生させる。
【００３３】
降車ボタン１４３は、搭乗者が降車しやすい状態となるように、移動体１０を操作するボタンである。例えば、降車ボタン１４３は、搭乗者の操作に基づき、制御部１１７に降車するための信号を出力する。降車のための信号を供給された制御部１１７は、移動体１０を停止させ、車体１１０の後方部を設置させる方向に傾動させることで、搭乗者が降車しやすい状態となるよう、移動体１０を制御する。
【００３４】
旋回ボタン１４４は、移動体１０を旋回走行するためのボタンである。例えば、旋回ボタン１４４は、搭乗者の操作に基づき、制御部１１７に旋回するための信号を出力する。ここで、旋回ボタン１４４では、旋回角度を任意に定められるのが望ましい。旋回するための信号を供給された制御部１１７は、移動体１０が旋回して走行するように、駆動手段１１４の制御を行う。
【００３５】
次に、移動体１０が倒立制御状態で走行し、駆動手段１１４の負荷に応じて、倒立状態が維持困難となる姿勢を検出し、ユーザへの警告等を行う処理フローについて説明する。図２は、移動体１０の動作のフローチャートである。なお、以下では駆動手段１１４は、モータとして説明する。
【００３６】
処理を開始する（ＳＴ１００）。このとき移動体１０は、人が搭乗している状態であり、倒立制御状態とする。制御部１１７が、搭乗者の重心移動による車体１１０の傾動に基づいて、モータの動作状態を制御することで、移動体１０の走行が開始する。
このとき、表示部１４１は、移動体１０が倒立制御状態である旨の表示を行う。
【００３７】
モータの負荷を求める（ＳＴ１１０）。より具体的には、回転角センサ１１５は、モータの単位時間あたりの回転角や回転数を取得し、エンコーダ値として演算部１１８に出力する。演算部１１８は、エンコーダ値に基づいて、モータにかかっている負荷を算出する。
【００３８】
モータにかかる負荷から、倒立限界姿勢角を求める（ＳＴ１２０）。具体的には、演算部１１８は、ＳＴ１１０で算出したモータの負荷に基づき、モータにかかる負荷を原因として倒立制御が不可能となるときの姿勢角を、倒立限界姿勢角として算出する。例えば、モータの負荷が１００％となる姿勢角を倒立限界姿勢角とする場合に、現在のモータの負荷が７０％であれば、演算部１１８は、さらに３０％分だけモータに負荷がかかる姿勢角を、倒立限界姿勢角として算出する。
図３は、移動体１０が、登坂するよう走行している状態を示す概略図である。図３では、鉛直方向を短破線で示し、倒立限界姿勢角を長破線で示す。
【００３９】
次に、警告姿勢角を求める（ＳＴ１３０）。警告姿勢角は、姿勢角が倒立限界姿勢角に達する前に、ユーザに警告を発するための姿勢角である。具体的には、演算部１１８は、ＳＴ１２０で倒立限界姿勢角に基づいて警告姿勢角を算出する。例えば、演算部１１８は、倒立限界姿勢角から３°後方に傾動させた姿勢角を、警告姿勢角として算出する。
なお、演算部１１８は、警告姿勢角を、倒立限界姿勢角を算出した方法と同様の方法で求めても良い。例えば、モータの負荷が９０％となる姿勢角を警告姿勢角とする場合に、現在のモータの負荷が７０％であれば、演算部１１８は、さらに２０％分だけモータに負荷がかかる姿勢角を、警告姿勢角として算出する。図３において、警告姿勢角を一点鎖線で示す。
なお、警告姿勢角の算出方法は、上記の方法に限られない。
【００４０】
姿勢角を観測する（ＳＴ１４０）。具体的には、姿勢角センサ１１１は、車体１１０の傾動や加速度を取得し、現在の姿勢角を取得する。姿勢角センサ１１１は、取得した姿勢角を、制御部１１７に出力する。
このとき、旋回センサ１１６は、搭乗者による旋回の操作を検出し、検出信号を制御部１１７に出力するのが望ましい。
【００４１】
次に、検出された姿勢角と、倒立限界姿勢角の比較を行う（ＳＴ１５０）。より具体的には、演算部１１８は、姿勢角センサ１１１により取得された現在の姿勢角が、ＳＴ１２０で算出した倒立限界姿勢角より傾動した状態であるか否かを、比較して判定する。
【００４２】
現在の姿勢角が、倒立限界姿勢角以上に傾動している場合には（ＳＴ１５０でＹＥＳ）、すでにモータに過負荷がかかった状態であり、倒立制御が破綻することが予見される。そこで、制御部１１７は、表示部１４１および音声出力部１４２が警告を発するよう制御する。また、制御部１１７は、モータのゲインを弱めるよう制御する（ＳＴ１６０）。これにより、移動体１０は、減速動作を行い、倒立制御の破綻後の暴走を予防する。
その後、例えばステップスイッチ１２１により人の降車が確認された場合には、制御部１１７は、移動体１０の動作を停止させる（ＳＴ１６１）。
【００４３】
現在の姿勢角が、倒立限界姿勢角に達していない場合には（ＳＴ１５０でＮＯ）、現在の姿勢角と、警告姿勢角の比較を行う（ＳＴ１７０）。
【００４４】
現在の姿勢角が、警告姿勢角以上に傾動している場合には（ＳＴ１７０でＹＥＳ）、制御部１１７は、表示部１４１および音声出力部１４２が警告を発するよう制御する（ＳＴ１８０）。なお、この場合の姿勢角は、警告姿勢角に達しているが、倒立限界姿勢角には達していない。したがって、表示部１４１および音声出力部１４２は、姿勢角が倒立限界姿勢角とならないよう警告を発する。その後、ＳＴ１９０に進む。
【００４５】
現在の姿勢角が、警告姿勢角に達していない場合には（ＳＴ１７０でＮＯ）、ＳＴ１９０に進む。
【００４６】
モータの回転速度を観測する（ＳＴ１９０）。具体的には、回転角センサ１１５は、モータの回転を取得する。回転角センサ１１５は、取得したエンコーダ値を制御部１１７に出力する。
【００４７】
必要な車速を計算する（ＳＴ２００）。姿勢角センサ１１１は、現在の姿勢角を取得し、制御部１１７に姿勢角の値を出力する。制御部１１７は、演算部１１８において、供給された姿勢角の値に基づいて必要な車速を算出する。
【００４８】
モータへ速度を指令する（ＳＴ２１０）。すなわち、制御部１１７は、移動体１０がＳＴ２００で算出された車速で走行するよう、モータの動作を制御する。これにより、モータから駆動輪１３０に必要な駆動力が与えられ、移動体１０の走行速度が調整される。
その後ＳＴ１１０に戻り、移動体１０の走行が終了するまで、処理を繰り返し行う。
【００４９】
移動体１０は、倒立状態が維持困難となる姿勢角に近づいた場合には警告を発し、倒立状態が維持困難となる姿勢角となった場合には警告を発するとともに、倒立状態の破綻後の暴走を予防するため、減速動作を行う。これにより、移動体１０は、倒立制御状態が維持困難となる状態が近付いた場合に、警告を発することで倒立状態の破綻をあらかじめ回避することができる。また、移動体１０の倒立状態が、維持困難となった場合であっても、柔軟に停止することができる。
したがって、移動体１０は、路面の斜度や搭乗者の体重を測定するためのセンサを設けることなく、駆動手段１１４の負荷に応じて、安定した動作を行うことができる。
【００５０】
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。例えば、姿勢角センサ１１１は、車体１１０に備えられているものとして記載したが、ハンドル部１４０などの、車体１１０以外の箇所に備えられていても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 移動体
２０ 移動体
１１０ 車体
１１１ 姿勢角センサ
１１２ 角速度センサ
１１３ 加速度センサ
１１４ 駆動手段
１１５ 回転角センサ
１１６ 旋回センサ
１１７ 制御部
１１８ 演算部
１２０ ステップ部
１２１ ステップスイッチ
１３０ 駆動輪
１４０ ハンドル部
１４１ 表示部
１４２ 音声出力部
１４３ 降車ボタン
１４４ 旋回ボタン
２１０ 車体
２１１ 姿勢角センサ
２１４ 駆動手段
２１５ 回転角センサ
２１７ 制御部
２１８ 演算部
２２０ ステップ部
２３０ 駆動輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に配置され、独立して回転駆動する左右一対の駆動手段と、駆動手段に取りつけられた駆動輪を備え、前記駆動輪の駆動によって姿勢を制御する倒立二輪車であって、
前記駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、
前記倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、
前記負荷取得手段により取得された駆動手段にかかる負荷に基づいて、前記倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、
前記駆動手段を駆動制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記姿勢情報取得手段により取得された現在の姿勢角が前記警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う、倒立二輪車。
【請求項１】
同軸上に配置され、独立して回転駆動する左右一対の駆動手段と、駆動手段に取りつけられた駆動輪を備え、前記駆動輪の駆動によって姿勢を制御する倒立二輪車であって、
前記駆動手段にかかる負荷を取得する負荷情報取得手段と、
前記倒立二輪車の姿勢角の情報を取得する姿勢情報取得手段と、
前記負荷取得手段により取得された駆動手段にかかる負荷に基づいて、前記倒立二輪車が倒立状態を維持できる限界姿勢角と、姿勢角が限界姿勢角に達する前に警告を行うための警告姿勢角と、を求める演算部と、
前記駆動手段を駆動制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記姿勢情報取得手段により取得された現在の姿勢角が前記警告姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告を発する制御を行い、現在の姿勢角が前記限界姿勢角以上に傾動した場合には、ユーザに警告するとともに前記駆動手段の出力を下げる制御を行う、倒立二輪車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１３６２０７（Ｐ２０１２−１３６２０７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１７７３（Ｐ２０１０−２９１７７３）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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