倒立型移動体及びその制御方法
【課題】特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、良好な制御を実現可能とする。
【解決手段】倒立型移動体２０１は、車輪１０６と、プラットフォーム１０１と、プラットフォーム１０１の鉛直方向に対する傾斜角と、車輪１０６の回転角度と、車輪１０６の回転駆動トルク指令と、車輪１０６の質量と、車輪１０６の半径と、車輪１０６の回転軸に関する慣性モーメントと、搭乗者２０２の質量と、プラットフォーム１０１と搭乗者１０２の重心との間の距離と、に基づいて、搭乗者１０２の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器１０８と、プラットフォーム１０１の鉛直方向に対する傾斜角と、搭乗者姿勢推定器１０８で推定した搭乗者姿勢推定値と、車輪１０６の回転角度と、に基づいて、車輪１０６の回転駆動を制御する制御器１０３と、を備える。
【解決手段】倒立型移動体２０１は、車輪１０６と、プラットフォーム１０１と、プラットフォーム１０１の鉛直方向に対する傾斜角と、車輪１０６の回転角度と、車輪１０６の回転駆動トルク指令と、車輪１０６の質量と、車輪１０６の半径と、車輪１０６の回転軸に関する慣性モーメントと、搭乗者２０２の質量と、プラットフォーム１０１と搭乗者１０２の重心との間の距離と、に基づいて、搭乗者１０２の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器１０８と、プラットフォーム１０１の鉛直方向に対する傾斜角と、搭乗者姿勢推定器１０８で推定した搭乗者姿勢推定値と、車輪１０６の回転角度と、に基づいて、車輪１０６の回転駆動を制御する制御器１０３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、搭乗者を搭乗させた上で倒立状態を維持しながら移動する倒立型移動体が開発されている。このような倒立型移動体としては、搭乗者を搭乗させるプラットフォームと、プラットフォームの倒立状態を維持して移動体を移動させる車輪と、車輪を駆動するモータと、モータへのモータ電流を出力する制御器と、プラットフォームの傾斜角を検出する検出器と、制御器などへ電源供給するバッテリと、を備えたものが良く知られている（例えば特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
図６を参照して、特許文献１に開示された倒立型移動体について簡単に説明する。図６は、特許文献１（段落００６６や図１１）に示される倒立型移動体の概略構成図である。図に示すように、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１及び車輪１０６を備えている。倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１に搭乗者２０２が搭乗し、車輪１０６をモータ（不図示）駆動して回転することで、プラットフォーム１０１の倒立状態を維持して移動する。倒立型移動体２０１では、プラットフォーム１０１の傾斜角を搭乗者２０２が変化させることにより、モータが発生するモータトルクが変化し、検出器（不図示）により検出された傾斜角に応じて求められる方向と速度に従って移動する。
【０００４】
また特許文献２には、台車設置面が傾いた場合や荷重の変動等があった場合においても、安定した倒立制御を可能とする倒立型移動体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５０２００２号公報
【特許文献２】特開２００４−２９５４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の倒立型移動体の制御では、プラットフォームと搭乗者とを一体とみなし、プラットフォームの傾きのみに基づいた制御を行うものであった。すなわち、従来の倒立型移動体の制御では、搭乗者の姿勢自体を考慮した制御を行っていないものであった。
【０００７】
しかし、実際には、搭乗者はプラットフォームとは必ずしも一体ではない。このため、プラットフォームの傾きのみに基づいて制御すると、搭乗者の安全の確保が困難となることがある。その一例として、プラットフォームを搭乗者が前傾させた時に搭乗者の重心が後方に位置する場合には、そのプラットフォームの傾きに応じて倒立型移動体が前方に加速し続けてしまい、搭乗者が後方へと引っ張られて安全に搭乗することが困難になるおそれがある。従って、例えばこのような場合おいても搭乗者の安全性を確保するために、安全性の観点から、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。
【０００８】
また、倒立型移動体のように前後揺動する不安定な移動体においては、搭乗者がより快適に搭乗して移動できるように、その乗り心地を向上させることが求められている。すなわち、乗り心地の観点からも、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。
【０００９】
ところで、搭乗者の姿勢を計測（検出）するためには、ジャイロセンサや加速度センサなどのセンサを搭乗者に配置すればよいとも考えられる。
しかし、このようなセンサを追加すると、コストの増加、搭乗者への取り付けの手間、配線構成の複雑化などを招いてしまう。
【００１０】
従って、本発明は、上述した課題を解決して、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る第一の態様の倒立型移動体は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させ断面が円形の回転体と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、を備えるものである。
【００１２】
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。
【００１３】
また、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する後方転倒条件判定器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うようにしてもよい。これにより、搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定することができ、後方転倒条件を満足する場合において、搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うことが可能となる。
【００１４】
さらにまた、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢の時間微分値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する後方転倒回避トルク指令演算器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うようにしてもよい。これにより、後方転倒回避トルク指令を演算することができ、後方転倒条件を満足する場合において、後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うことが可能となる。
【００１５】
また、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者姿勢の時間微分値を搭乗者姿勢時間微分推定値として推定する搭乗者姿勢時間微分推定器を更に備え、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。これにより、搭乗者姿勢時間微分を推定することができ、これに基づいて後方転倒回避トルク指令を演算することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、前記搭乗者姿勢推定器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍ：前記回転体の回転駆動トルク指令、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式（３１）を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定するようにしてもよい。
【数１】
【００１７】
また、前記後方転倒条件判定器は、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式（３２）を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定するようにしてもよい。
【数２】
【００１８】
さらにまた、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、として、以下の式（３４）を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。
【数３】
【００１９】
また、前記搭乗者姿勢時間微分推定器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、以下の式（３３）を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定するようにしてもよい。
【数４】
【００２０】
さらにまた、前記回転体が、対向する２つの車輪であるようにしてもよい。
【００２１】
本発明に係る第二の態様の倒立型移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、を有するものである。
【００２２】
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１に係る倒立型移動体の制御装置の機能ブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る倒立型移動体の側面図である。
【図３】実施の形態１に係るシミュレーション結果におけるプラットフォーム傾斜角と搭乗者姿勢を示すグラフである。
【図４】実施の形態１に係るシミュレーション結果における車輪速度を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係るシミュレーション結果におけるトルク指令を示すグラフである。
【図６】本発明に関連する倒立型移動体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。なお、以下では、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の側面図を示す。
図に示すように、倒立型移動体２０１は、搭乗者２０２が搭乗するプラットフォーム１０１と、プラットフォーム１０１を移動させる一対の車輪１０６と、を備えている。倒立型移動体２０１は、搭乗者２０２がプラットフォーム１０１に搭乗して移動する。なお、以下では、搭乗者２０２及びプラットフォーム１０１を合わせて負荷体と称する場合がある。
【００２７】
図２において、一対の車輪１０６は同軸上に配置されており、各車輪１０６は、一対の車輪１０６をそれぞれ独立に駆動するモータ１０４（後述する図１に示す。）と、減速機１０５（図１に示す。）と、を介して連結されている。
【００２８】
また、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２（図１に示す。）と、車輪角度検出器１０７（図１に示す。）と、制御装置１００（図１に示す。）と、を備えている。
【００２９】
プラットフォーム傾斜角検出器１０２は、プラットフォーム１０１が車軸と回転可能に連結する部分に設置されている。車輪角度検出器１０７は、車軸に設置されている。詳細は後述するが、制御装置１００の制御器１０３（図１に示す。）は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２からのプラットフォーム傾斜角検出値と、車輪角度検出器１０７からの車輪角度検出値と、を用いて、倒立型移動体２０１の倒立状態を維持しながら走行させるように、モータ１０４の回転を制御する。
【００３０】
ここで、図２に示す各記号の定義を説明する。
θ１:プラットフォーム傾斜角（プラットフォーム１０１の法線が鉛直方向と時計回りになす角度）
θ２：車輪角度（鉛直方向と時計回りになす車輪１０６の回転角度）
θ３：搭乗者姿勢（搭乗者２０２の重心を通る体の中心線が、鉛直方向と時計回りになす角度）
ｒ：車輪半径
ｌｃ：プラットフォーム搭乗者重心間距離（プラットフォーム１０１と、搭乗者２０２の重心との間の距離であって、より詳細には、搭乗者２０２の体の中心線とプラットフォーム１０１の交点と、搭乗者２０２の重心と、の間の距離）
【００３１】
なお、図２では図示は省略するが、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１が設けられる移動体本体を備えるものとしてもよい。また、一対の車輪１０６は、移動体本体に対して一体的に固定された車軸に対して各々独立して回転可能としてもよい。
【００３２】
次に、図１を参照して、図２に示した倒立型移動体の制御装置の構成を説明する。
図１は、本実施の形態に係る倒立型移動体の制御装置の機能ブロック図である。
図に示すように、制御装置１００は、制御器１０３と、搭乗者姿勢推定器１０８と、後方転倒条件判定器１０９と、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０と、後方転倒回避トルク指令演算器１１１と、を備えている。なお、プラットフォーム１０１と、プラットフォーム傾斜角検出器１０２と、モータ１０４と、減速機１０５と、車輪１０６と、車輪角度検出器１０７と、については図２を参照して既に説明したため、以下では、その詳細な説明を省略する。
【００３３】
搭乗者姿勢推定器１０８は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２からのプラットフォーム傾斜角検出値θ１（以下では、図２で説明したプラットフォーム傾斜角と同じ記号を用いて簡単に説明する。）と、車輪角度検出器１０７からの車輪角度検出値θ２（以下では、図２で説明した車輪角度と同じ記号を用いて簡単に説明する。）と、制御器１０３からのモータトルク指令Ｔｍと、が入力され、搭乗者姿勢θ３を推定し、搭乗者姿勢推定値θ３＾として出力する（以下、記号ハット「＾」は、推定値であることを示す。）。なお、搭乗者姿勢推定器１０８による搭乗者姿勢推定の原理の詳細については後述する。
【００３４】
後方転倒条件判定器１０９は、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、が入力され、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定し、後方転倒条件判定結果を出力する。なお、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件の詳細については、後述する。
【００３５】
搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、搭乗者姿勢時間微分を推定して、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））として出力する（以下、記号ドット「・」は、時間微分を示す。「（・）」は１階時間微分を、「（・・）」は２階時間微分をそれぞれ示す。）。なお、後方転倒条件が満たされていない場合には、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、何も実行しない。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０による搭乗者姿勢時間微分推定の原理の詳細については後述する。
【００３６】
後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを演算して出力する。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件が満たされていない場合には、何も実行しない。後方転倒回避トルク指令演算器１１１による後方転倒回避トルク指令演算の原理の詳細については後述する。
【００３７】
なお、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは、搭乗者２０２の後方転倒回避動作を倒立型移動体２０１に実行させる際に必要とする、モータトルクＴｍの目標値となる。また、モータトルクＴｍは、減速機１０５により減速した後、車輪１０６の車軸に伝達されるトルクである（Ｔｍは、モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、以下では、モータトルクとモータトルク指令は、共に同じ記号Ｔｍを用いて簡単に説明する。）。
【００３８】
制御器１０３は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、後方転倒条件判定結果と、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐと、が入力され、モータトルク指令Ｔｍを算出し、モータ１０４に対してモータ電流を出力する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクＴｍが後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに追従するように、モータ電流を出力する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされていない場合には、倒立型移動体２０１と搭乗者２０２の両方の倒立状態を維持するように、プラットフォーム傾斜角検出値θ１に応じたモータトルク指令Ｔｍを算出して、モータ電流を出力する。
【００３９】
なお、制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、通常の倒立制御（プラットフォーム１０１の傾斜角のみを考慮する制御）から、搭乗者２０２の後方転倒を回避することを目的とした、搭乗者２０２の姿勢を重視した制御に切り替えるため、後方転倒回避のための制御を実行した結果、プラットフォーム１０１が地面と接触することも考えられる。
【００４０】
例えば、プラットフォーム１０１が前方に傾いており、かつ、搭乗者２０２が後に倒れている状況において後方転倒条件が満たされた場合には、制御器１０３が搭乗者２０２の姿勢を重視して制御した結果、前方の地面に接地するほどプラットフォーム１０１が前方に傾くことがある。ここで、仮にプラットフォーム１０１が地面に接地したとしても、プラットフォーム１０１の前方へのそれ以上の回転は停止し、搭乗者２０２が前方へと進む速度も０となる。この結果、搭乗者２０２の姿勢は上に向いた状態となるため、搭乗者２０２は、プラットフォーム１０１から安全かつ容易に降車することができる。すなわち、後方転倒回避のための制御を実行した結果、仮にプラットフォーム１０１が地面と接触したとしても、搭乗者２０２は、倒立型移動体２０１から安全かつ容易に降車することができる。
【００４１】
なお、制御装置１００は、電気・電子・プログラマブル電子制御系として実現されている。例えば、制御装置１００は、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアにより、制御装置１００の各器を実現してもよい。
【００４２】
続いて以下では、上述した搭乗者姿勢推定器１０８などの具体的な動作原理を導出し、その詳細を説明する。
まず、上述した図２を参照しながら、倒立型移動体２０１と搭乗者２０２についての運動方程式を導出する。倒立型移動体２０１及び搭乗者２０２の運動エネルギーＫと、ポテンシャルエネルギーＵとは、以下の式（１）及び式（２）を用いてそれぞれ表される。
【００４３】
【数５】
【数６】
【００４４】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
ｍ１：搭乗者質量
ｍ２：車輪質量
Ｊ１：搭乗者２０２とプラットフォーム１０１とを合わせた負荷体についての車軸に関する慣性モーメント（以下、「車軸に関する負荷体慣性モーメント」と称する。）
Ｊ２：車輪１０６の車軸に関する慣性モーメント（以下、「車軸に関する車輪慣性モーメント」と称する。）
ｘ１：搭乗者２０２の重心の水平位置（以下、「搭乗者重心水平位置」と称する。）
ｙ１：搭乗者２０２の重心の垂直位置（以下、「搭乗者重心垂直位置」と称する。）
ｘ２：車輪１０６の水平位置（以下、「車輪水平位置」と称する。）
【００４５】
図２に示したように、搭乗者重心水平位置ｘ１、搭乗者重心垂直位置ｙ１、車輪水平位置ｘ２は、以下の式（３）、式（４）、式（５）を用いてそれぞれ表される。
【００４６】
【数７】
【数８】
【数９】
また、車軸に関する負荷体慣性モーメントＪ１は以下の（６）を用いて表される。
【数１０】
【００４７】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
Ｊ１０：搭乗者２０２の重心に関する負荷体の慣性モーメント
ｌ：車軸と搭乗者２０２の重心との間の距離
【００４８】
上述した式（３）から式（６）を、式（１）及び式（２）に代入することで、以下の式（７）及び式（８）をそれぞれ得る。
【００４９】
【数１１】
【数１２】
【００５０】
倒立型移動体２０１及び搭乗者２０２の運動方程式は、ラグランジアンＬ＝Ｋ−Ｕを用いて、以下の式（９）から式（１１）を用いて表される。なお、ｄは、外乱トルクを示す。
【００５１】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００５２】
上述した式（７）及び式（８）を、式（９）から式（１１）に代入することで、以下の式（１２）から式（１４）に示す運動方程式をそれぞれ得る。
【００５３】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【００５４】
次に、搭乗者姿勢推定器１０８の動作原理について説明する。以下、上述した運動方程式から、搭乗者姿勢推定のために用いる式を導出する。
まず、上述した運動方程式のうち式（１３）を、以下の式（１５）に示すように書き換える。
【数１９】
【００５５】
搭乗者２０２が倒立型移動体２０１に搭乗してその動作を開始する際には、プラットフォーム傾斜角θ１、車輪角度θ２、搭乗者姿勢θ３、及びそれぞれの時間微分値を、全て０［ｒａｄ］であると想定することができる。この想定において、上述した式（１５）を２階時間積分することで、以下の式（１６）を得る。
【００５６】
【数２０】
【００５７】
この式（１６）を搭乗者姿勢θ３について解くことで、以下の式（１７）を得る。
【００５８】
【数２１】
【００５９】
搭乗者姿勢θ３についての式（１６）から、搭乗者姿勢推定値θ３＾について以下の式（１８）を得る。これにより、搭乗者姿勢推定器１０８は、式（１８）を用いて、搭乗者姿勢推定値θ３＾を算出する。
【００６０】
【数２２】
【００６１】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
Ｔｍ：モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、モータトルクとトルク指令は、共に同じ記号Ｔｍを用いて簡単に説明する。
【００６２】
従って、搭乗者姿勢推定器１０８は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、モータトルク指令Ｔｍと、に基づいて、搭乗者姿勢推定値θ３＾を式（１８）により算出することができる。なお、入力されるＴｍは、制御器１０２で算出された１制御周期前のトルク指令値（Ｔｍ又はＴｍｐ）を示す。
【００６３】
次に、後方転倒条件判定器１０９の動作原理について説明する。
搭乗者２０２の姿勢と車輪角度との関係において、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件は、以下の式（１９）を用いて表すことができる。
【００６４】
【数２３】
【００６５】
式（１９）では、搭乗者姿勢θ３が負であり、かつ、車輪角度θ２の加速度が正である状態（すなわち、搭乗者２０２の重心が後方にあり、かつ、倒立型移動体２０１が前方に加速している状態）を示している。このような状況では、車輪の加速度が前向きであることから搭乗者２０２は相対的に後方へと引っ張られてしまうため、後方転倒の可能性が高いと考えられるからである。
【００６６】
従って、後方転倒条件判定器１０９は、入力される搭乗者姿勢推定値θ３＾及び車輪角度θ２の加速度に基づいて、後方転倒条件を満足するか否かを以下の式（２０）により判定することができる。後方転倒条件判定器１０９は、後方転倒条件を満足するか否かを示す信号を、後方転倒条件判定結果として出力する。
【００６７】
【数２４】
【００６８】
次に、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０の動作原理について説明する。
まず、上述した運動方程式のうち式（１４）を、以下の式（２１）に示すように書き換える。
【００６９】
【数２５】
【００７０】
この式（２１）に対する推定器を、以下の式（２２）により実現する。
【００７１】
【数２６】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。なお、記号チルダ「〜」は、推定誤差であることを示す。
ｓ：搭乗者姿勢推定誤差θ３〜
ｃ：搭乗者姿勢推定誤差θ３〜が０に収束する速さ
Ｍ：推定器パラメータ
ｓｇｎ（・）：シグナム関数
【００７２】
この式（２２）を上述した式（２１）から減算することで、以下の式（２３）に示す推定誤差方程式を得る。
【００７３】
【数２７】
【００７４】
この式（２３）において、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓを０に収束させると、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜はｅｘｐ（−ｃ・ｔ）の速さで０に収束する。すなわち、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜は、ｅｘｐ（−ｃ・ｔ）の速さで搭乗者姿勢θ３に収束する。
【００７５】
搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓを０に収束させるような推定器パラメータＭを決定するため、以下の式（２４）に示すリアプノフ関数候補Ｖを導入する。
【００７６】
【数２８】
【００７７】
この式（２４）を１階時間微分することで、以下の式（２５）を得る。
【００７８】
【数２９】
【００７９】
この式（２５）により求まる値に関して、推定器パラメータＭが、以下の式（２６）に示す条件を満足する場合には、全てのｓに対して負値をとることが分かる。
【００８０】
【数３０】
【００８１】
従って、式（２６）により式（２５）が負値をとるため、式（２４）のリアプノフ関数候補Ｖは、正値をとりながら単調減少し、０に収束する。リアプノフ関数候補Ｖが０に減少すると、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓが０に収束するため、以下に示す式（２７）が成立する。
【００８２】
【数３１】
【００８３】
従って、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、に基づいて、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を、式（２２）及び式（２６）により算出することができる。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合にのみ搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を算出し、後方転倒条件（式（２０））が満たされていない場合には、何も実行しない。
【００８４】
なお、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０を用いずに、上述した式（１８）により算出した搭乗者姿勢推定値θ３＾を直接時間微分することにより、搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を算出することも可能である。しかし、このようにして搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を算出すると、ノイズを多く含む値が得られることがある。このようなノイズを多く含む値を用いて後方転倒回避のための制御を実施すると、後方転倒を回避する効果が半減する可能性がある。従って、本実施の形態では、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０を用いることで、ノイズをほとんど含まない搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を推定可能としている。
【００８５】
次に、後方転倒回避トルク指令演算器１１２の動作原理について説明する。
まず、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合には、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に向けて単調増加させることで、搭乗者２０２の後方転倒を回避することができる。すなわち、以下の式（２８）が成立するようなモータトルクＴｍによって、倒立型移動体２０１の動作を制御する。
【００８６】
【数３２】
【００８７】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
ｔｐ：後方転倒回避トルク指令演算器１１１が、後方転倒条件判定器１０９から後方転倒条件（式（２０））を満足したという後方転倒条件判定結果を受信した時間
σ：正数であり、搭乗者姿勢θ３が、負の方向から０［ｒａｄ］に収束する速さ
【００８８】
上述した式（２８）と式（１３）を用いることで、以下の式（２９）を得る。
【００８９】
【数３３】
【００９０】
従って、後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを以下に示す式（３０）により算出することができる。これにより、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに基づく制御を行うことで、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させることができ、搭乗者２０２の転倒を回避することができる。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合にのみ後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを算出し、後方転倒条件（式（２０））が満たされていない場合には、何も実行しない。
【００９１】
【数３４】
【００９２】
以上説明した動作原理に従って、搭乗者姿勢推定器１０８は、式（１８）に基づいて搭乗者姿勢推定値θ３＾を算出する。後方転倒条件判定器１０９は、式（２０）に基づいて後方転倒条件が満たされているか否かを判定する。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、後方転倒条件が満たされている場合、式（２２）と式（２６）に基づいて搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を算出する。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件が満たされている場合、式（３０）に基づいて後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを算出する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクＴｍが後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに追従するように、モータ１０４の回転を制御する。
【００９３】
なお、式（１８）などの計算に用いる各種パラメータ（搭乗者質量ｍ１、プラットフォーム搭乗者重心間距離ｌｃ、車輪質量ｍ２、車輪半径ｒ、車軸に関する車輪慣性モーメントＪ２など）は、それぞれ適当な値が設定される。これらパラメータのうち、搭乗者質量ｍ１及びプラットフォーム搭乗者重心間距離ｌｃについては、ユーザが適当な値を予め設定するものとしてもよいし、搭乗時などに倒立型移動体２０１が公知の手法により自動で推定・設定するものとしてもよい。
【００９４】
このようにして、本実施の形態によれば、倒立型移動体２０１の走行中に搭乗者２０２の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。そして、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて、後方転倒する可能性が高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合には、搭乗者２０２が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体２０１の動作を制御することができる（倒立型移動体２０１の倒立状態を維持することに比べて、搭乗者２０２を後方転倒させないことをより重視した制御を実施する）。
【００９５】
続いて、以下では、本実施の形態についてのシミュレーション結果を説明する。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
ｍ１＝７０［ｋｇ］、
Ｊ１０＝２５．２［ｋｇ・ｍ２］、
ｍ２＝５［ｋｇ］、
Ｊ２＝０．０２５［ｋｇ・ｍ２］、
ｌｃ＝０．８［ｍ］、
ｒ＝０．１［ｍ］、
ｇ＝９．８［ｍ／ｓ２］、
σ＝０．２（２π）［ｒａｄ／ｓ］、
ｄ＝０［Ｎ・ｍ］、
θ１（０）＝π／４［ｒａｄ］、
θ１（・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ］、
θ１（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］、
θ２（０）＝０［ｒａｄ］、
θ２（・）（０）＝６０［ｒａｄ／ｓ］、
θ２（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］、
θ３（０）＝−π／４［ｒａｄ］、
θ３（・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ］、
θ３（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］
【００９６】
ここで、各記号は、以下の通り定義される。
θ１（０）：プラットフォーム傾斜角θ１の初期値
θ１（・）（０）：プラットフォーム傾斜角速度θ１（・）の初期値
θ１（・・）（０）：プラットフォーム傾斜角加速度θ１（・・）の初期値
θ２（０）：車輪角度θ２の初期値
θ２（・）（０）：車輪角速度θ２（・）の初期値
θ２（・・）（０）：車輪角加速度θ２（・・）の初期値
θ３（０）：搭乗者姿勢θ３の初期値
θ３（・）（０）：搭乗者姿勢θ３の１階時間微分値θ３（・）の初期値
θ３（・・）（０）：搭乗者姿勢θ３の２階時間微分値θ３（・・）の初期値
【００９７】
本シミュレーションでは、上述の数値例に対する、搭乗者２０２の後方転倒を回避する際の数値計算例を示す。本シミュレーションでは、倒立型移動体２０１が一定速度で前進中に、搭乗者２０２が後方にバランスを崩した状況を模擬している。なお、この状況では、搭乗者２０２が後方にバランスを崩した際には、搭乗者２０２の上体は後向けに仰け反っているが、搭乗者２０２の足裏はプラットフォーム１０１から離れずに着いたままであるとする。
【００９８】
図３乃至図５は、上述した状況での、本実施の形態にかかるシミュレーション結果を示すグラフである。図３は、プラットフォーム傾斜角（platform angle）と、搭乗者姿勢（passenger posture angel）の時間変化を示すグラフである。図４は、車輪角速度（wheel speed）の時間変化を示すグラフである。図５は、トルク指令（torque reference input）の時間変化を示すグラフである。
【００９９】
図３では、本実施の形態にかかる搭乗者姿勢θ３及び搭乗者姿勢推定値θ３＾を、実線を用いて示し、プラットフォーム傾斜角θ１を、破線を用いて示している。なお、搭乗者姿勢推定器１０８が式（１８）に基づいて算出した搭乗者姿勢推定値θ３＾は、搭乗者姿勢θ３に良く一致するために、搭乗者姿勢θ３に重なって示されている。
【０１００】
図３において、上述したように搭乗者２０２が後方にバランスを崩したタイミングを０［ｓ］とする。このとき、プラットフォーム傾斜角θ１はπ／４［ｒａｄ］であり、搭乗者姿勢θ３は−π／４［ｒａｄ］である（すなわち、プラットフォーム１０１は前傾しているが、搭乗者２０１の姿勢は後傾している）。そして、この０［ｓ］において、後方転倒条件が満たされたものとする。
【０１０１】
従来技術では、図２に例示したプラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを一つの負荷体と見なして、その負荷体の倒立状態を維持しようとする。しかし、実際にはプラットフォーム１０１と搭乗者２０２とは一体ではないために、従来技術によると、プラットフォーム１０１の倒立状態のみを維持しようとする結果、搭乗者２０２が後方へと引っ張られて安全な搭乗が困難となるおそれがある（すなわち、図３に示す状況に対して、搭乗者姿勢θ３が、−π／４［ｒａｄ］から単調減少する。）。
【０１０２】
これに対して本実施の形態では、搭乗者２０２の後方転倒を回避するために、搭乗者姿勢推定器１０８により搭乗者姿勢推定値θ３＾（図３において実線で示す。）を推定し、その推定した搭乗者姿勢推定値θ３＾に基づいて、搭乗者２０２が後方にバランスを崩しているか否か（後方転倒条件（式（２０））を満足するか否か）を後方転倒条件判定器１０９により判定し、搭乗者２０２が後方にバランスを崩している場合には、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させるように制御している。
【０１０３】
本実施の形態では、図３において、車輪角速度θ２の時間変化に伴ってプラットフォーム傾斜角θ１は徐々に減少する。また、搭乗者姿勢θ３が０［ｒａｄ］に収束すると、搭乗者２０２は後方にバランスを崩していないものと判定され、プラットフォーム傾斜角θ１のみに基づいた通常の倒立制御を実施する。
【０１０４】
図４に示すように、車輪角速度（wheel speed）は、後方にバランスを崩している搭乗者２０２に前向きの加速度を加えるために、０［ｓ］から１．５［ｓ］の間には急減減速し、それ以降は、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させるように徐々に加速している。すなわち、一旦速度を落とすことで、後向きの搭乗者２０２に前向きの力を加え、搭乗者２０２の姿勢がある程度戻ってきた後は、その慣性により搭乗者２０２の姿勢を戻してやればよいために、以後では、車輪を加速して速度を上げるように制御している。
【０１０５】
図５では、既に搭乗者２０２が後方にバランスを崩しているものと判定されているために、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐがトルク指令Ｔｍとして算出されている。図５において、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは、後方にバランスを崩している搭乗者２０２に対して前向きの加速度を加えるために、最初は、比較的大きな値をとる。そして、搭乗者姿勢θ３が０［ｒａｄ］に近づくにつれて後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは徐々に減少してゆき、プラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを合わせた負荷体の慣性力に応じた値へと収束する。
【０１０６】
以上説明したように、本発明によれば、倒立型移動体２０１の走行中に搭乗者２０２の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。従って、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とすることができる。
【０１０７】
安全性の観点からは、例えば、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて後方転倒する可能性の高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合、搭乗者２０２が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体２０１の動作を制御する（倒立型移動体２０１の倒立状態を維持することよりも搭乗者２０２を後方転倒させないことを重視した制御を実施する）ことができる。
【０１０８】
また、乗り心地の観点からは、搭乗者２０２の姿勢を考慮した制御が可能となるため、例えば、搭乗者２０２の姿勢に応じて倒立型移動体２０１の移動速度を調整することで、乗り物酔い等を抑制して搭乗者の乗り心地を向上させることができる。
【０１０９】
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、上述した実施の形態１においては、倒立型移動体２０１の備える回転体が、１対の対向する車輪１０６である場合を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、回転体を、１又は３輪以上の車輪により構成するものとしてもよいし、１又は複数の球形状の駆動輪を用いてもよい。
【０１１０】
また、搭乗者２０２が搭乗するプラットフォーム１０１の形状についても限定されず、搭乗者２０２が搭乗可能な任意の形状を採用することができる。なお、本発明は、倒立型移動体２０１に搭乗者２０２が把持可能なハンドルを備えているか否かに関わらず適用可能であるが、ハンドルを備えていない倒立型移動体２０１のほうが、プラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを確実に一体として扱うことができないために、本発明による効果をより強く発揮することができる。
【０１１１】
さらにまた、上述した実施の形態１においては、後方転倒する可能性が高いか否かを判定して、後方転倒を回避するための倒立型移動体２０１の動作制御を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて、前方転倒する可能性が高いか否かを判定して、前方転倒を回避するための倒立型移動体２０１の動作制御を行うことも可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０１ プラットフォーム、
１０２ プラットフォーム傾斜角検出器、
１０３ 制御器、
１０４ モータ、
１０５ 減速機、
１０６ 車輪、
１０７ 車輪角度検出器、
１０８ 搭乗者姿勢推定器、
１０９ 後方転倒条件判定器、
１１０ 搭乗者姿勢時間微分推定器、
１１１ 後方転倒回避トルク指令演算器、
２０１ 倒立型移動体、
２０２ 搭乗者、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立型移動体及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、搭乗者を搭乗させた上で倒立状態を維持しながら移動する倒立型移動体が開発されている。このような倒立型移動体としては、搭乗者を搭乗させるプラットフォームと、プラットフォームの倒立状態を維持して移動体を移動させる車輪と、車輪を駆動するモータと、モータへのモータ電流を出力する制御器と、プラットフォームの傾斜角を検出する検出器と、制御器などへ電源供給するバッテリと、を備えたものが良く知られている（例えば特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
図６を参照して、特許文献１に開示された倒立型移動体について簡単に説明する。図６は、特許文献１（段落００６６や図１１）に示される倒立型移動体の概略構成図である。図に示すように、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１及び車輪１０６を備えている。倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１に搭乗者２０２が搭乗し、車輪１０６をモータ（不図示）駆動して回転することで、プラットフォーム１０１の倒立状態を維持して移動する。倒立型移動体２０１では、プラットフォーム１０１の傾斜角を搭乗者２０２が変化させることにより、モータが発生するモータトルクが変化し、検出器（不図示）により検出された傾斜角に応じて求められる方向と速度に従って移動する。
【０００４】
また特許文献２には、台車設置面が傾いた場合や荷重の変動等があった場合においても、安定した倒立制御を可能とする倒立型移動体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５０２００２号公報
【特許文献２】特開２００４−２９５４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の倒立型移動体の制御では、プラットフォームと搭乗者とを一体とみなし、プラットフォームの傾きのみに基づいた制御を行うものであった。すなわち、従来の倒立型移動体の制御では、搭乗者の姿勢自体を考慮した制御を行っていないものであった。
【０００７】
しかし、実際には、搭乗者はプラットフォームとは必ずしも一体ではない。このため、プラットフォームの傾きのみに基づいて制御すると、搭乗者の安全の確保が困難となることがある。その一例として、プラットフォームを搭乗者が前傾させた時に搭乗者の重心が後方に位置する場合には、そのプラットフォームの傾きに応じて倒立型移動体が前方に加速し続けてしまい、搭乗者が後方へと引っ張られて安全に搭乗することが困難になるおそれがある。従って、例えばこのような場合おいても搭乗者の安全性を確保するために、安全性の観点から、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。
【０００８】
また、倒立型移動体のように前後揺動する不安定な移動体においては、搭乗者がより快適に搭乗して移動できるように、その乗り心地を向上させることが求められている。すなわち、乗り心地の観点からも、搭乗者の姿勢を推定可能とすることが強く求められている。
【０００９】
ところで、搭乗者の姿勢を計測（検出）するためには、ジャイロセンサや加速度センサなどのセンサを搭乗者に配置すればよいとも考えられる。
しかし、このようなセンサを追加すると、コストの増加、搭乗者への取り付けの手間、配線構成の複雑化などを招いてしまう。
【００１０】
従って、本発明は、上述した課題を解決して、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る第一の態様の倒立型移動体は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させ断面が円形の回転体と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、を備えるものである。
【００１２】
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。
【００１３】
また、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する後方転倒条件判定器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うようにしてもよい。これにより、搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定することができ、後方転倒条件を満足する場合において、搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行うことが可能となる。
【００１４】
さらにまた、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢の時間微分値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する後方転倒回避トルク指令演算器を更に備え、前記制御器は、前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うようにしてもよい。これにより、後方転倒回避トルク指令を演算することができ、後方転倒条件を満足する場合において、後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行うことが可能となる。
【００１５】
また、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者姿勢の時間微分値を搭乗者姿勢時間微分推定値として推定する搭乗者姿勢時間微分推定器を更に備え、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。これにより、搭乗者姿勢時間微分を推定することができ、これに基づいて後方転倒回避トルク指令を演算することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、前記搭乗者姿勢推定器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍ：前記回転体の回転駆動トルク指令、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式（３１）を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定するようにしてもよい。
【数１】
【００１７】
また、前記後方転倒条件判定器は、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、以下の式（３２）を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定するようにしてもよい。
【数２】
【００１８】
さらにまた、前記後方転倒回避トルク指令演算器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、として、以下の式（３４）を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算するようにしてもよい。
【数３】
【００１９】
また、前記搭乗者姿勢時間微分推定器は、θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、θ２：前記回転体の回転角度、θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、ｒ：前記回転体の半径、ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、ｍ１：前記搭乗者の質量、ｍ２：前記回転体の質量、Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、以下の式（３３）を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定するようにしてもよい。
【数４】
【００２０】
さらにまた、前記回転体が、対向する２つの車輪であるようにしてもよい。
【００２１】
本発明に係る第二の態様の倒立型移動体の制御方法は、搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、を有するものである。
【００２２】
これにより、搭乗者の姿勢計測用の特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定することができ、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、特別なセンサを用いずに搭乗者の姿勢を推定可能とし、良好な制御を実現可能とする倒立型移動体及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１に係る倒立型移動体の制御装置の機能ブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る倒立型移動体の側面図である。
【図３】実施の形態１に係るシミュレーション結果におけるプラットフォーム傾斜角と搭乗者姿勢を示すグラフである。
【図４】実施の形態１に係るシミュレーション結果における車輪速度を示すグラフである。
【図５】実施の形態１に係るシミュレーション結果におけるトルク指令を示すグラフである。
【図６】本発明に関連する倒立型移動体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。なお、以下では、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る倒立型移動体の側面図を示す。
図に示すように、倒立型移動体２０１は、搭乗者２０２が搭乗するプラットフォーム１０１と、プラットフォーム１０１を移動させる一対の車輪１０６と、を備えている。倒立型移動体２０１は、搭乗者２０２がプラットフォーム１０１に搭乗して移動する。なお、以下では、搭乗者２０２及びプラットフォーム１０１を合わせて負荷体と称する場合がある。
【００２７】
図２において、一対の車輪１０６は同軸上に配置されており、各車輪１０６は、一対の車輪１０６をそれぞれ独立に駆動するモータ１０４（後述する図１に示す。）と、減速機１０５（図１に示す。）と、を介して連結されている。
【００２８】
また、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２（図１に示す。）と、車輪角度検出器１０７（図１に示す。）と、制御装置１００（図１に示す。）と、を備えている。
【００２９】
プラットフォーム傾斜角検出器１０２は、プラットフォーム１０１が車軸と回転可能に連結する部分に設置されている。車輪角度検出器１０７は、車軸に設置されている。詳細は後述するが、制御装置１００の制御器１０３（図１に示す。）は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２からのプラットフォーム傾斜角検出値と、車輪角度検出器１０７からの車輪角度検出値と、を用いて、倒立型移動体２０１の倒立状態を維持しながら走行させるように、モータ１０４の回転を制御する。
【００３０】
ここで、図２に示す各記号の定義を説明する。
θ１:プラットフォーム傾斜角（プラットフォーム１０１の法線が鉛直方向と時計回りになす角度）
θ２：車輪角度（鉛直方向と時計回りになす車輪１０６の回転角度）
θ３：搭乗者姿勢（搭乗者２０２の重心を通る体の中心線が、鉛直方向と時計回りになす角度）
ｒ：車輪半径
ｌｃ：プラットフォーム搭乗者重心間距離（プラットフォーム１０１と、搭乗者２０２の重心との間の距離であって、より詳細には、搭乗者２０２の体の中心線とプラットフォーム１０１の交点と、搭乗者２０２の重心と、の間の距離）
【００３１】
なお、図２では図示は省略するが、倒立型移動体２０１は、プラットフォーム１０１が設けられる移動体本体を備えるものとしてもよい。また、一対の車輪１０６は、移動体本体に対して一体的に固定された車軸に対して各々独立して回転可能としてもよい。
【００３２】
次に、図１を参照して、図２に示した倒立型移動体の制御装置の構成を説明する。
図１は、本実施の形態に係る倒立型移動体の制御装置の機能ブロック図である。
図に示すように、制御装置１００は、制御器１０３と、搭乗者姿勢推定器１０８と、後方転倒条件判定器１０９と、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０と、後方転倒回避トルク指令演算器１１１と、を備えている。なお、プラットフォーム１０１と、プラットフォーム傾斜角検出器１０２と、モータ１０４と、減速機１０５と、車輪１０６と、車輪角度検出器１０７と、については図２を参照して既に説明したため、以下では、その詳細な説明を省略する。
【００３３】
搭乗者姿勢推定器１０８は、プラットフォーム傾斜角検出器１０２からのプラットフォーム傾斜角検出値θ１（以下では、図２で説明したプラットフォーム傾斜角と同じ記号を用いて簡単に説明する。）と、車輪角度検出器１０７からの車輪角度検出値θ２（以下では、図２で説明した車輪角度と同じ記号を用いて簡単に説明する。）と、制御器１０３からのモータトルク指令Ｔｍと、が入力され、搭乗者姿勢θ３を推定し、搭乗者姿勢推定値θ３＾として出力する（以下、記号ハット「＾」は、推定値であることを示す。）。なお、搭乗者姿勢推定器１０８による搭乗者姿勢推定の原理の詳細については後述する。
【００３４】
後方転倒条件判定器１０９は、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、が入力され、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定し、後方転倒条件判定結果を出力する。なお、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件の詳細については、後述する。
【００３５】
搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、搭乗者姿勢時間微分を推定して、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））として出力する（以下、記号ドット「・」は、時間微分を示す。「（・）」は１階時間微分を、「（・・）」は２階時間微分をそれぞれ示す。）。なお、後方転倒条件が満たされていない場合には、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、何も実行しない。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０による搭乗者姿勢時間微分推定の原理の詳細については後述する。
【００３６】
後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））と、後方転倒条件判定結果と、が入力され、後方転倒条件が満たされている場合には、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを演算して出力する。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件が満たされていない場合には、何も実行しない。後方転倒回避トルク指令演算器１１１による後方転倒回避トルク指令演算の原理の詳細については後述する。
【００３７】
なお、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは、搭乗者２０２の後方転倒回避動作を倒立型移動体２０１に実行させる際に必要とする、モータトルクＴｍの目標値となる。また、モータトルクＴｍは、減速機１０５により減速した後、車輪１０６の車軸に伝達されるトルクである（Ｔｍは、モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、以下では、モータトルクとモータトルク指令は、共に同じ記号Ｔｍを用いて簡単に説明する。）。
【００３８】
制御器１０３は、プラットフォーム傾斜角検出値θ１と、車輪角度検出値θ２と、後方転倒条件判定結果と、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐと、が入力され、モータトルク指令Ｔｍを算出し、モータ１０４に対してモータ電流を出力する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクＴｍが後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに追従するように、モータ電流を出力する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされていない場合には、倒立型移動体２０１と搭乗者２０２の両方の倒立状態を維持するように、プラットフォーム傾斜角検出値θ１に応じたモータトルク指令Ｔｍを算出して、モータ電流を出力する。
【００３９】
なお、制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、通常の倒立制御（プラットフォーム１０１の傾斜角のみを考慮する制御）から、搭乗者２０２の後方転倒を回避することを目的とした、搭乗者２０２の姿勢を重視した制御に切り替えるため、後方転倒回避のための制御を実行した結果、プラットフォーム１０１が地面と接触することも考えられる。
【００４０】
例えば、プラットフォーム１０１が前方に傾いており、かつ、搭乗者２０２が後に倒れている状況において後方転倒条件が満たされた場合には、制御器１０３が搭乗者２０２の姿勢を重視して制御した結果、前方の地面に接地するほどプラットフォーム１０１が前方に傾くことがある。ここで、仮にプラットフォーム１０１が地面に接地したとしても、プラットフォーム１０１の前方へのそれ以上の回転は停止し、搭乗者２０２が前方へと進む速度も０となる。この結果、搭乗者２０２の姿勢は上に向いた状態となるため、搭乗者２０２は、プラットフォーム１０１から安全かつ容易に降車することができる。すなわち、後方転倒回避のための制御を実行した結果、仮にプラットフォーム１０１が地面と接触したとしても、搭乗者２０２は、倒立型移動体２０１から安全かつ容易に降車することができる。
【００４１】
なお、制御装置１００は、電気・電子・プログラマブル電子制御系として実現されている。例えば、制御装置１００は、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。また、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアにより、制御装置１００の各器を実現してもよい。
【００４２】
続いて以下では、上述した搭乗者姿勢推定器１０８などの具体的な動作原理を導出し、その詳細を説明する。
まず、上述した図２を参照しながら、倒立型移動体２０１と搭乗者２０２についての運動方程式を導出する。倒立型移動体２０１及び搭乗者２０２の運動エネルギーＫと、ポテンシャルエネルギーＵとは、以下の式（１）及び式（２）を用いてそれぞれ表される。
【００４３】
【数５】
【数６】
【００４４】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
ｍ１：搭乗者質量
ｍ２：車輪質量
Ｊ１：搭乗者２０２とプラットフォーム１０１とを合わせた負荷体についての車軸に関する慣性モーメント（以下、「車軸に関する負荷体慣性モーメント」と称する。）
Ｊ２：車輪１０６の車軸に関する慣性モーメント（以下、「車軸に関する車輪慣性モーメント」と称する。）
ｘ１：搭乗者２０２の重心の水平位置（以下、「搭乗者重心水平位置」と称する。）
ｙ１：搭乗者２０２の重心の垂直位置（以下、「搭乗者重心垂直位置」と称する。）
ｘ２：車輪１０６の水平位置（以下、「車輪水平位置」と称する。）
【００４５】
図２に示したように、搭乗者重心水平位置ｘ１、搭乗者重心垂直位置ｙ１、車輪水平位置ｘ２は、以下の式（３）、式（４）、式（５）を用いてそれぞれ表される。
【００４６】
【数７】
【数８】
【数９】
また、車軸に関する負荷体慣性モーメントＪ１は以下の（６）を用いて表される。
【数１０】
【００４７】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
Ｊ１０：搭乗者２０２の重心に関する負荷体の慣性モーメント
ｌ：車軸と搭乗者２０２の重心との間の距離
【００４８】
上述した式（３）から式（６）を、式（１）及び式（２）に代入することで、以下の式（７）及び式（８）をそれぞれ得る。
【００４９】
【数１１】
【数１２】
【００５０】
倒立型移動体２０１及び搭乗者２０２の運動方程式は、ラグランジアンＬ＝Ｋ−Ｕを用いて、以下の式（９）から式（１１）を用いて表される。なお、ｄは、外乱トルクを示す。
【００５１】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００５２】
上述した式（７）及び式（８）を、式（９）から式（１１）に代入することで、以下の式（１２）から式（１４）に示す運動方程式をそれぞれ得る。
【００５３】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【００５４】
次に、搭乗者姿勢推定器１０８の動作原理について説明する。以下、上述した運動方程式から、搭乗者姿勢推定のために用いる式を導出する。
まず、上述した運動方程式のうち式（１３）を、以下の式（１５）に示すように書き換える。
【数１９】
【００５５】
搭乗者２０２が倒立型移動体２０１に搭乗してその動作を開始する際には、プラットフォーム傾斜角θ１、車輪角度θ２、搭乗者姿勢θ３、及びそれぞれの時間微分値を、全て０［ｒａｄ］であると想定することができる。この想定において、上述した式（１５）を２階時間積分することで、以下の式（１６）を得る。
【００５６】
【数２０】
【００５７】
この式（１６）を搭乗者姿勢θ３について解くことで、以下の式（１７）を得る。
【００５８】
【数２１】
【００５９】
搭乗者姿勢θ３についての式（１６）から、搭乗者姿勢推定値θ３＾について以下の式（１８）を得る。これにより、搭乗者姿勢推定器１０８は、式（１８）を用いて、搭乗者姿勢推定値θ３＾を算出する。
【００６０】
【数２２】
【００６１】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
Ｔｍ：モータトルクの目標値であるトルク指令を表し、モータトルクとトルク指令は、共に同じ記号Ｔｍを用いて簡単に説明する。
【００６２】
従って、搭乗者姿勢推定器１０８は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、モータトルク指令Ｔｍと、に基づいて、搭乗者姿勢推定値θ３＾を式（１８）により算出することができる。なお、入力されるＴｍは、制御器１０２で算出された１制御周期前のトルク指令値（Ｔｍ又はＴｍｐ）を示す。
【００６３】
次に、後方転倒条件判定器１０９の動作原理について説明する。
搭乗者２０２の姿勢と車輪角度との関係において、搭乗者２０２が後方転倒する可能性が高い条件は、以下の式（１９）を用いて表すことができる。
【００６４】
【数２３】
【００６５】
式（１９）では、搭乗者姿勢θ３が負であり、かつ、車輪角度θ２の加速度が正である状態（すなわち、搭乗者２０２の重心が後方にあり、かつ、倒立型移動体２０１が前方に加速している状態）を示している。このような状況では、車輪の加速度が前向きであることから搭乗者２０２は相対的に後方へと引っ張られてしまうため、後方転倒の可能性が高いと考えられるからである。
【００６６】
従って、後方転倒条件判定器１０９は、入力される搭乗者姿勢推定値θ３＾及び車輪角度θ２の加速度に基づいて、後方転倒条件を満足するか否かを以下の式（２０）により判定することができる。後方転倒条件判定器１０９は、後方転倒条件を満足するか否かを示す信号を、後方転倒条件判定結果として出力する。
【００６７】
【数２４】
【００６８】
次に、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０の動作原理について説明する。
まず、上述した運動方程式のうち式（１４）を、以下の式（２１）に示すように書き換える。
【００６９】
【数２５】
【００７０】
この式（２１）に対する推定器を、以下の式（２２）により実現する。
【００７１】
【数２６】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。なお、記号チルダ「〜」は、推定誤差であることを示す。
ｓ：搭乗者姿勢推定誤差θ３〜
ｃ：搭乗者姿勢推定誤差θ３〜が０に収束する速さ
Ｍ：推定器パラメータ
ｓｇｎ（・）：シグナム関数
【００７２】
この式（２２）を上述した式（２１）から減算することで、以下の式（２３）に示す推定誤差方程式を得る。
【００７３】
【数２７】
【００７４】
この式（２３）において、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓを０に収束させると、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜はｅｘｐ（−ｃ・ｔ）の速さで０に収束する。すなわち、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜は、ｅｘｐ（−ｃ・ｔ）の速さで搭乗者姿勢θ３に収束する。
【００７５】
搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓを０に収束させるような推定器パラメータＭを決定するため、以下の式（２４）に示すリアプノフ関数候補Ｖを導入する。
【００７６】
【数２８】
【００７７】
この式（２４）を１階時間微分することで、以下の式（２５）を得る。
【００７８】
【数２９】
【００７９】
この式（２５）により求まる値に関して、推定器パラメータＭが、以下の式（２６）に示す条件を満足する場合には、全てのｓに対して負値をとることが分かる。
【００８０】
【数３０】
【００８１】
従って、式（２６）により式（２５）が負値をとるため、式（２４）のリアプノフ関数候補Ｖは、正値をとりながら単調減少し、０に収束する。リアプノフ関数候補Ｖが０に減少すると、搭乗者姿勢推定誤差θ３〜のダイナミクスを表すパラメータｓが０に収束するため、以下に示す式（２７）が成立する。
【００８２】
【数３１】
【００８３】
従って、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、に基づいて、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を、式（２２）及び式（２６）により算出することができる。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合にのみ搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を算出し、後方転倒条件（式（２０））が満たされていない場合には、何も実行しない。
【００８４】
なお、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０を用いずに、上述した式（１８）により算出した搭乗者姿勢推定値θ３＾を直接時間微分することにより、搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を算出することも可能である。しかし、このようにして搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を算出すると、ノイズを多く含む値が得られることがある。このようなノイズを多く含む値を用いて後方転倒回避のための制御を実施すると、後方転倒を回避する効果が半減する可能性がある。従って、本実施の形態では、搭乗者姿勢時間微分推定器１１０を用いることで、ノイズをほとんど含まない搭乗者姿勢推定値θ３＾の時間微分値を推定可能としている。
【００８５】
次に、後方転倒回避トルク指令演算器１１２の動作原理について説明する。
まず、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合には、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に向けて単調増加させることで、搭乗者２０２の後方転倒を回避することができる。すなわち、以下の式（２８）が成立するようなモータトルクＴｍによって、倒立型移動体２０１の動作を制御する。
【００８６】
【数３２】
【００８７】
ここで、上式における各記号は、以下の通り定義される。
ｔｐ：後方転倒回避トルク指令演算器１１１が、後方転倒条件判定器１０９から後方転倒条件（式（２０））を満足したという後方転倒条件判定結果を受信した時間
σ：正数であり、搭乗者姿勢θ３が、負の方向から０［ｒａｄ］に収束する速さ
【００８８】
上述した式（２８）と式（１３）を用いることで、以下の式（２９）を得る。
【００８９】
【数３３】
【００９０】
従って、後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、入力されるプラットフォーム傾斜角θ１と、車輪角度θ２と、搭乗者姿勢推定値θ３＾と、搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを以下に示す式（３０）により算出することができる。これにより、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに基づく制御を行うことで、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させることができ、搭乗者２０２の転倒を回避することができる。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件（式（２０））が満たされている場合にのみ後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを算出し、後方転倒条件（式（２０））が満たされていない場合には、何も実行しない。
【００９１】
【数３４】
【００９２】
以上説明した動作原理に従って、搭乗者姿勢推定器１０８は、式（１８）に基づいて搭乗者姿勢推定値θ３＾を算出する。後方転倒条件判定器１０９は、式（２０）に基づいて後方転倒条件が満たされているか否かを判定する。搭乗者姿勢時間微分推定器１１０は、後方転倒条件が満たされている場合、式（２２）と式（２６）に基づいて搭乗者姿勢時間微分推定値（θ３＾（・）、θ３＾（・・））を算出する。後方転倒回避トルク指令演算器１１１は、後方転倒条件が満たされている場合、式（３０）に基づいて後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐを算出する。制御器１０３は、後方転倒条件が満たされている場合には、モータトルクＴｍが後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐに追従するように、モータ１０４の回転を制御する。
【００９３】
なお、式（１８）などの計算に用いる各種パラメータ（搭乗者質量ｍ１、プラットフォーム搭乗者重心間距離ｌｃ、車輪質量ｍ２、車輪半径ｒ、車軸に関する車輪慣性モーメントＪ２など）は、それぞれ適当な値が設定される。これらパラメータのうち、搭乗者質量ｍ１及びプラットフォーム搭乗者重心間距離ｌｃについては、ユーザが適当な値を予め設定するものとしてもよいし、搭乗時などに倒立型移動体２０１が公知の手法により自動で推定・設定するものとしてもよい。
【００９４】
このようにして、本実施の形態によれば、倒立型移動体２０１の走行中に搭乗者２０２の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。そして、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて、後方転倒する可能性が高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合には、搭乗者２０２が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体２０１の動作を制御することができる（倒立型移動体２０１の倒立状態を維持することに比べて、搭乗者２０２を後方転倒させないことをより重視した制御を実施する）。
【００９５】
続いて、以下では、本実施の形態についてのシミュレーション結果を説明する。シミュレーションに用いた数値は以下の通りである。
ｍ１＝７０［ｋｇ］、
Ｊ１０＝２５．２［ｋｇ・ｍ２］、
ｍ２＝５［ｋｇ］、
Ｊ２＝０．０２５［ｋｇ・ｍ２］、
ｌｃ＝０．８［ｍ］、
ｒ＝０．１［ｍ］、
ｇ＝９．８［ｍ／ｓ２］、
σ＝０．２（２π）［ｒａｄ／ｓ］、
ｄ＝０［Ｎ・ｍ］、
θ１（０）＝π／４［ｒａｄ］、
θ１（・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ］、
θ１（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］、
θ２（０）＝０［ｒａｄ］、
θ２（・）（０）＝６０［ｒａｄ／ｓ］、
θ２（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］、
θ３（０）＝−π／４［ｒａｄ］、
θ３（・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ］、
θ３（・・）（０）＝０［ｒａｄ／ｓ２］
【００９６】
ここで、各記号は、以下の通り定義される。
θ１（０）：プラットフォーム傾斜角θ１の初期値
θ１（・）（０）：プラットフォーム傾斜角速度θ１（・）の初期値
θ１（・・）（０）：プラットフォーム傾斜角加速度θ１（・・）の初期値
θ２（０）：車輪角度θ２の初期値
θ２（・）（０）：車輪角速度θ２（・）の初期値
θ２（・・）（０）：車輪角加速度θ２（・・）の初期値
θ３（０）：搭乗者姿勢θ３の初期値
θ３（・）（０）：搭乗者姿勢θ３の１階時間微分値θ３（・）の初期値
θ３（・・）（０）：搭乗者姿勢θ３の２階時間微分値θ３（・・）の初期値
【００９７】
本シミュレーションでは、上述の数値例に対する、搭乗者２０２の後方転倒を回避する際の数値計算例を示す。本シミュレーションでは、倒立型移動体２０１が一定速度で前進中に、搭乗者２０２が後方にバランスを崩した状況を模擬している。なお、この状況では、搭乗者２０２が後方にバランスを崩した際には、搭乗者２０２の上体は後向けに仰け反っているが、搭乗者２０２の足裏はプラットフォーム１０１から離れずに着いたままであるとする。
【００９８】
図３乃至図５は、上述した状況での、本実施の形態にかかるシミュレーション結果を示すグラフである。図３は、プラットフォーム傾斜角（platform angle）と、搭乗者姿勢（passenger posture angel）の時間変化を示すグラフである。図４は、車輪角速度（wheel speed）の時間変化を示すグラフである。図５は、トルク指令（torque reference input）の時間変化を示すグラフである。
【００９９】
図３では、本実施の形態にかかる搭乗者姿勢θ３及び搭乗者姿勢推定値θ３＾を、実線を用いて示し、プラットフォーム傾斜角θ１を、破線を用いて示している。なお、搭乗者姿勢推定器１０８が式（１８）に基づいて算出した搭乗者姿勢推定値θ３＾は、搭乗者姿勢θ３に良く一致するために、搭乗者姿勢θ３に重なって示されている。
【０１００】
図３において、上述したように搭乗者２０２が後方にバランスを崩したタイミングを０［ｓ］とする。このとき、プラットフォーム傾斜角θ１はπ／４［ｒａｄ］であり、搭乗者姿勢θ３は−π／４［ｒａｄ］である（すなわち、プラットフォーム１０１は前傾しているが、搭乗者２０１の姿勢は後傾している）。そして、この０［ｓ］において、後方転倒条件が満たされたものとする。
【０１０１】
従来技術では、図２に例示したプラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを一つの負荷体と見なして、その負荷体の倒立状態を維持しようとする。しかし、実際にはプラットフォーム１０１と搭乗者２０２とは一体ではないために、従来技術によると、プラットフォーム１０１の倒立状態のみを維持しようとする結果、搭乗者２０２が後方へと引っ張られて安全な搭乗が困難となるおそれがある（すなわち、図３に示す状況に対して、搭乗者姿勢θ３が、−π／４［ｒａｄ］から単調減少する。）。
【０１０２】
これに対して本実施の形態では、搭乗者２０２の後方転倒を回避するために、搭乗者姿勢推定器１０８により搭乗者姿勢推定値θ３＾（図３において実線で示す。）を推定し、その推定した搭乗者姿勢推定値θ３＾に基づいて、搭乗者２０２が後方にバランスを崩しているか否か（後方転倒条件（式（２０））を満足するか否か）を後方転倒条件判定器１０９により判定し、搭乗者２０２が後方にバランスを崩している場合には、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させるように制御している。
【０１０３】
本実施の形態では、図３において、車輪角速度θ２の時間変化に伴ってプラットフォーム傾斜角θ１は徐々に減少する。また、搭乗者姿勢θ３が０［ｒａｄ］に収束すると、搭乗者２０２は後方にバランスを崩していないものと判定され、プラットフォーム傾斜角θ１のみに基づいた通常の倒立制御を実施する。
【０１０４】
図４に示すように、車輪角速度（wheel speed）は、後方にバランスを崩している搭乗者２０２に前向きの加速度を加えるために、０［ｓ］から１．５［ｓ］の間には急減減速し、それ以降は、搭乗者姿勢θ３を０［ｒａｄ］に収束させるように徐々に加速している。すなわち、一旦速度を落とすことで、後向きの搭乗者２０２に前向きの力を加え、搭乗者２０２の姿勢がある程度戻ってきた後は、その慣性により搭乗者２０２の姿勢を戻してやればよいために、以後では、車輪を加速して速度を上げるように制御している。
【０１０５】
図５では、既に搭乗者２０２が後方にバランスを崩しているものと判定されているために、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐがトルク指令Ｔｍとして算出されている。図５において、後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは、後方にバランスを崩している搭乗者２０２に対して前向きの加速度を加えるために、最初は、比較的大きな値をとる。そして、搭乗者姿勢θ３が０［ｒａｄ］に近づくにつれて後方転倒回避トルク指令Ｔｍｐは徐々に減少してゆき、プラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを合わせた負荷体の慣性力に応じた値へと収束する。
【０１０６】
以上説明したように、本発明によれば、倒立型移動体２０１の走行中に搭乗者２０２の姿勢を特別な検出器を付加することなく推定することができる。従って、安全性や乗り心地の観点から良好な制御を実現可能とすることができる。
【０１０７】
安全性の観点からは、例えば、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて後方転倒する可能性の高い条件を満たすか否かを判定し、後方転倒する可能性が高いと判定した場合、搭乗者２０２が後方転倒を回避しやすいように倒立型移動体２０１の動作を制御する（倒立型移動体２０１の倒立状態を維持することよりも搭乗者２０２を後方転倒させないことを重視した制御を実施する）ことができる。
【０１０８】
また、乗り心地の観点からは、搭乗者２０２の姿勢を考慮した制御が可能となるため、例えば、搭乗者２０２の姿勢に応じて倒立型移動体２０１の移動速度を調整することで、乗り物酔い等を抑制して搭乗者の乗り心地を向上させることができる。
【０１０９】
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、上述した実施の形態１においては、倒立型移動体２０１の備える回転体が、１対の対向する車輪１０６である場合を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、回転体を、１又は３輪以上の車輪により構成するものとしてもよいし、１又は複数の球形状の駆動輪を用いてもよい。
【０１１０】
また、搭乗者２０２が搭乗するプラットフォーム１０１の形状についても限定されず、搭乗者２０２が搭乗可能な任意の形状を採用することができる。なお、本発明は、倒立型移動体２０１に搭乗者２０２が把持可能なハンドルを備えているか否かに関わらず適用可能であるが、ハンドルを備えていない倒立型移動体２０１のほうが、プラットフォーム１０１と搭乗者２０２とを確実に一体として扱うことができないために、本発明による効果をより強く発揮することができる。
【０１１１】
さらにまた、上述した実施の形態１においては、後方転倒する可能性が高いか否かを判定して、後方転倒を回避するための倒立型移動体２０１の動作制御を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、搭乗者２０２の姿勢の推定値に基づいて、前方転倒する可能性が高いか否かを判定して、前方転倒を回避するための倒立型移動体２０１の動作制御を行うことも可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０１ プラットフォーム、
１０２ プラットフォーム傾斜角検出器、
１０３ 制御器、
１０４ モータ、
１０５ 減速機、
１０６ 車輪、
１０７ 車輪角度検出器、
１０８ 搭乗者姿勢推定器、
１０９ 後方転倒条件判定器、
１１０ 搭乗者姿勢時間微分推定器、
１１１ 後方転倒回避トルク指令演算器、
２０１ 倒立型移動体、
２０２ 搭乗者、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭乗者が搭乗する搭乗台と、
前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、
を備える倒立型移動体。
【請求項２】
前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する後方転倒条件判定器を更に備え、
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の倒立型移動体。
【請求項３】
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢の時間微分値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する後方転倒回避トルク指令演算器を更に備え、
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の倒立型移動体。
【請求項４】
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者姿勢の時間微分値を搭乗者姿勢時間微分推定値として推定する搭乗者姿勢時間微分推定器を更に備え、
前記後方転倒回避トルク指令演算器は、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する
ことを特徴とする請求項３に記載の倒立型移動体。
【請求項５】
前記搭乗者姿勢推定器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍ：前記回転体の回転駆動トルク指令、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式（３１）を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定する
【数３５】
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項６】
前記後方転倒条件判定器は、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式（３２）を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する
【数３６】
ことを特徴とする請求項２乃至５いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項７】
前記後方転倒回避トルク指令演算器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、
θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、として、
以下の式（３４）を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算する
【数３７】
ことを特徴とする請求項３乃至６いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項８】
前記搭乗者姿勢時間微分推定器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、
θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、
以下の式（３３）を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定する
【数３８】
ことを特徴とする請求項４乃至７いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項９】
前記回転体が、対向する２つの車輪である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項１０】
搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、
を有する倒立型移動体の制御方法。
【請求項１】
搭乗者が搭乗する搭乗台と、
前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定器と、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御器と、
を備える倒立型移動体。
【請求項２】
前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する後方転倒条件判定器を更に備え、
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記搭乗者の後方転倒を回避するように制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の倒立型移動体。
【請求項３】
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢の時間微分値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する後方転倒回避トルク指令演算器を更に備え、
前記制御器は、
前記後方転倒条件判定器で前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足していると判定された場合には、前記後方転倒回避トルク指令演算器で演算した後方転倒回避トルク指令に基づく制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の倒立型移動体。
【請求項４】
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者姿勢の時間微分値を搭乗者姿勢時間微分推定値として推定する搭乗者姿勢時間微分推定器を更に備え、
前記後方転倒回避トルク指令演算器は、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記搭乗者姿勢時間微分推定器で推定した搭乗者姿勢時間微分推定値と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、後方転倒回避トルク指令を演算する
ことを特徴とする請求項３に記載の倒立型移動体。
【請求項５】
前記搭乗者姿勢推定器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍ：前記回転体の回転駆動トルク指令、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式（３１）を用いて、前記搭乗者姿勢推定値を推定する
【数３５】
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項６】
前記後方転倒条件判定器は、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、として、
以下の式（３２）を用いて、前記搭乗者が後方転倒する可能性が高い条件を満足するか否かを判定する
【数３６】
ことを特徴とする請求項２乃至５いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項７】
前記後方転倒回避トルク指令演算器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、
θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢の時間微分推定値、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、として、
以下の式（３４）を用いて、前記後方転倒回避トルク指令を演算する
【数３７】
ことを特徴とする請求項３乃至６いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項８】
前記搭乗者姿勢時間微分推定器は、
θ１:前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角、
θ２：前記回転体の回転角度、
θ３＾：前記搭乗者姿勢推定値、
ｒ：前記回転体の半径、
ｌｃ：前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離、
ｍ１：前記搭乗者の質量、
ｍ２：前記回転体の質量、
Ｊ２：前記回転体の回転軸に関する慣性モーメント、
Ｔｍｐ：前記後方転倒回避トルク指令、
θ３＾（・）、θ３＾（・・）：前記搭乗者姿勢時間微分推定値、として、
以下の式（３３）を用いて、前記搭乗者姿勢時間微分推定値を推定する
【数３８】
ことを特徴とする請求項４乃至７いずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項９】
前記回転体が、対向する２つの車輪である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の倒立型移動体。
【請求項１０】
搭乗者が搭乗する搭乗台と、前記搭乗台を移動させる断面が円形の回転体と、を備える倒立型移動体の制御方法であって、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記回転体の回転角度と、前記回転体の回転駆動トルク指令と、前記回転体の質量と、前記回転体の半径と、前記回転体の回転軸に関する慣性モーメントと、前記搭乗者の質量と、前記搭乗台と前記搭乗者の重心との間の距離と、に基づいて、前記搭乗者の鉛直方向に対する搭乗者姿勢を搭乗者姿勢推定値として推定する搭乗者姿勢推定ステップと、
前記搭乗台の鉛直方向に対する傾斜角と、前記搭乗者姿勢推定器で推定した搭乗者姿勢推定値と、前記回転体の回転角度と、に基づいて、前記回転体の回転駆動を制御する制御ステップと、
を有する倒立型移動体の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２６２５７（Ｐ２０１２−１２６２５７Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７９３４５（Ｐ２０１０−２７９３４５）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【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５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【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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