車両
【課題】段差の昇降途中では、走行指令に係わらず、車両加速度の目標値を固定することによって、段差の昇降途中で折り返し動作を行うことがなく、段差に乗り上げるときにも、段差を降りるときにも走行状態や車体の姿勢を安定に保つことができ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができるようにする。
【解決手段】車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪１２と、走行指令を入力する入力装置３０と、該入力装置３０から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪１２に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定する。
【解決手段】車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪１２と、走行指令を入力する入力装置３０と、該入力装置３０から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪１２に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。例えば、同軸上に配置された２つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による車体の姿勢変化を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪に取り付けられた車体の姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この場合、センサで車体のバランスや動作の状態を検出しながら、回転体の動作を制御して車両を停止又は移動させるようになっている。
【特許文献１】特開２００７−２１９９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の車両においては、段差を乗り降りする際に、途中で折り返し動作を行ってしまうことがある。ここで、折り返し動作とは、段差を上がる場合であれば、段差の途中まで上がって下がる動作のことであり、段差を下がる場合であれば、段差の途中まで下がって上がる動作のことである。このような折り返し動作を行うと、車両が不必要に加減速したり、車体が大きく傾いたりしてしまうことがある。このとき、搭乗者が不快に感じたり、車両の安定性や安全性に不安を抱いたりする可能性がある。そして、この折り返し動作は、車両が段差を乗り降りしている途中で逆方向への走行や急な加減速を指令するような、運転者の不適切な操作によって起こることが考えられる。
【０００５】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、段差の昇降途中では走行指令に係わらず、車両加速度の目標値を固定することによって、段差の昇降途中で折り返し動作を行うことがなく、段差に乗り上げるときにも、段差を降りるときにも、走行状態や車体の姿勢が安定に保たれ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる車両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】
【０００６】
そのために、本発明の車両においては、車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、走行指令を入力する入力装置と、該入力装置から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定する。
【０００７】
本発明の他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときに、前記車体の姿勢によって前記段差による抵抗である段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段を備え、前記段差抵抗トルクに応じて前記駆動トルクを制御する。
【０００８】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記段差抵抗トルクの推定値に基づいて前記段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段を備え、該昇降状態判断手段は、前記段差抵抗トルクの推定値が所定の閾（しきい）値以上である場合に、前記段差の昇降途中であると判断する。
【０００９】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記車両加速度の目標値を前記段差への進入直前の値に固定する。
【００１０】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を開始したと判断したら前記車両加速度の目標値を固定する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した後、前記車両加速度の目標値と前記走行指令に応じて決定される車両加速度の目標値との差を、時間経過と共に徐々に小さくする。
【００１２】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時刻から前記車両加速度の目標値の固定を解除するまでに時間遅れを設ける。
【００１３】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記時間遅れは、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時刻における前記駆動輪の回転角速度に応じて決定される。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１及び２の構成によれば、段差の昇降途中で折り返し動作を行うことがなく、段差に乗り上げるときにも、段差を降りるときにも、走行状態や車体の姿勢を安定に保持し、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【００１５】
請求項３の構成によれば、外乱等に伴う微小な段差抵抗トルクの推定値に対する誤認識を防止することができ、段差の昇降途中であることを正確に判断することができる。
【００１６】
請求項４及び５の構成によれば、段差の昇降開始から昇降終了までの間、車両加速度の目標値を適切な値に固定し、車体の走行状態及び車体の姿勢を安定に保つことができる。
【００１７】
請求項６の構成によれば、段差の昇降終了直後において、車両加速度の目標値が急激に変化することを防ぎ、走行状態や車体の姿勢を安定に保つことができる。
【００１８】
請求項７及び８の構成によれば、段差の昇降終了直後における運転者の不適切な操作によって車両が再び段差に向かうような動作を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１において、１０は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部１１、駆動輪１２、支持部１３及び乗員１５が搭乗する搭乗部１４を有し、前記車両１０は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。そして、倒立振り子の姿勢制御と同様に車体の姿勢を制御する。図１に示される例においては、車両１０は矢印Ａで示される方向に加速中であり、車体が進行方向に傾斜した状態が示されている。
【００２２】
前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３に対して回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ５２によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪１２はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪１２は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪１２が２つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪１２は個別の駆動モータ５２によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ５２を使用するものとして説明する。
【００２３】
また、車体の一部である本体部１１は、支持部１３によって下方から支持され、駆動輪１２の上方に位置する。そして、本体部１１には、能動重量部として機能する搭乗部１４が、車両１０の前後方向へ本体部１１と相対的に移動可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、取り付けられている。
【００２４】
ここで、能動重量部は、ある程度の質量を有し、本体部１１に対して前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部１４である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘（おもり）、バランサ等の専用の重量部材を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部１４、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。
【００２５】
また、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗した状態の搭乗部１４が能動重量部として機能する例について説明するが、搭乗部１４には必ずしも乗員１５が搭乗している必要はなく、例えば、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部１４に乗員１５が搭乗していなくてもよいし、乗員１５に代えて、貨物が積載されていてもよい。
【００２６】
前記搭乗部１４は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、座面部１４ａ、背もたれ部１４ｂ及びヘッドレスト１４ｃを備え、図示されない移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。
【００２７】
前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ６２を備え、該能動重量部モータ６２によって搭乗部１４を駆動し、本体部１１に対して車両進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ６２を使用するものとして説明する。
【００２８】
リニアガイド装置は、例えば、本体部１１に取り付けられている案内レールと、搭乗部１４に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、案内レールには、その左右側面部に２本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する２つの側面部内側には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。転動体は、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。なお、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。
【００２９】
また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ又はクラッチを備える。車両１０が停車しているときのように搭乗部１４の動作が不要であるときには、ブレーキによって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部１１と搭乗部１４との相対的位置関係を保持する。そして、動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、本体部１１側の基準位置と搭乗部１４側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。
【００３０】
前記搭乗部１４の脇（わき）には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック３１を備える入力装置３０が配設されている。乗員１５は、操縦装置であるジョイスティック３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員１５が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック３１に代えて他の装置、例えば、ペダル、ハンドル、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。
【００３１】
なお、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両１０があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。
【００３２】
また、車両１０は、車両制御装置としての制御ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部１１に配設されるが、支持部１３や搭乗部１４に配設されていてもよい。また、前記主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。
【００３３】
そして、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動輪センサ５１及び駆動モータ５２とともに、駆動輪１２の動作を制御する駆動輪制御システム５０の一部として機能する。前記駆動輪センサ５１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角及び／又は回転角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、該駆動輪制御ＥＣＵ２２は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ５２に供給する。そして、該駆動モータ５２は、入力電圧に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。
【００３４】
また、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２とともに、能動重量部である搭乗部１４の動作を制御する能動重量部制御システム６０の一部として機能する。前記能動重量部センサ６１は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部１４の移動状態を示す能動重量部位置及び／又は移動速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信し、該能動重量部制御ＥＣＵ２３は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ６２に供給する。そして、該能動重量部モータ６２は、入力電圧に従って搭乗部１４を並進移動させる推力を搭乗部１４に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。
【００３５】
さらに、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、能動重量部制御ＥＣＵ２３、車体傾斜センサ４１、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３６】
なお、主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０のジョイスティック３１から走行指令が入力される。そして、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３７】
また、前記制御ＥＣＵ２０は、車両１０の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段として機能する。また、目標走行状態及び段差抵抗トルクに応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び／又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両１０の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び段差抵抗トルクに応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。具体的には、段差抵抗トルクに応じて追加する駆動トルクを決定する段差昇降トルク決定手段、及び、段差昇降トルクに応じて車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。
【００３８】
なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と車体傾斜角速度を決定してもよい。
【００３９】
次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。
【００４０】
図３は本発明の第１の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図、図４は本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図３（ａ）は比較のための従来技術による動作例を示し、図３（ｂ）は本実施の形態による動作を示している。
【００４１】
「背景技術」の項で説明したような従来の車両の場合、図３（ａ）に示されるように、段差に乗り上げるために駆動輪１２に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が後方に傾いてしまう。そのため、段差に乗り上げるときに、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。
【００４２】
これに対し、本実施の形態においては、搭乗部１４が能動重量部として機能し、図３（ｂ）に示されるように、搭乗部１４を前方に移動させることによって、車両１０の重心位置を前方に移動させる。これにより、車体を前方に傾けようとする重力トルクが作用するため、段差に乗り上げるための駆動トルクを駆動輪１２に付与したときの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、前記重力トルクによって作用を打ち消されるため、車体が後方に傾いてしまうことがない。したがって、段差に乗り上げるときにも安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができる。
【００４３】
なお、本実施の形態は、停止状態及び低速走行状態から段差に進入する場合、すなわち、段差との接触による車両の減速に伴い車体に作用する慣性力が小さい場合において、特に効果的である。
【００４４】
また、段差に乗り上げるための駆動トルクを、乗り上げ動作の間、リアルタイムで推定して駆動輪１２に付与する。これにより、任意の段差形状及び車両速度に対して、安定した乗り上げが可能となる。
【００４５】
すなわち、本実施の形態においては、車両１０の重心位置補正や駆動トルクの付与を含む走行及び姿勢制御処理を実行することによって、車両１０は安定して段差を昇降することができる。
【００４６】
走行及び姿勢制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、状態量の取得処理を実行し（ステップＳ１）、各センサ、すなわち、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１及び能動重量部センサ６１によって、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態を取得する。
【００４７】
次に、制御ＥＣＵ２０は、段差昇降トルクの決定処理を実行し（ステップＳ２）、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び又は搭乗部１４の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ５２及び／又は能動重量部モータ６２の出力値に基づき、オブザーバによって段差抵抗トルクを推定し、段差昇降トルクを決定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。
【００４８】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標走行状態の決定処理を実行し（ステップＳ３）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両１０の加速度の目標値、及び、駆動輪１２の回転角速度の目標値を決定する。
【００４９】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標車体姿勢の決定処理を実行し（ステップＳ４）、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルクと、目標走行状態の決定処理によって決定された車両１０の加速度の目標値に基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。
【００５０】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し（ステップＳ５）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルク、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。
【００５１】
次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【００５２】
図５は本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００５３】
本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。なお、図５には状態量やパラメータの一部が示されている。
θW ：駆動輪回転角（２つの駆動輪の平均）〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λS ：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
ＳS ：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ2 〕
ｍW ：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
ＲW ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
ＩW ：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ2 〕
ＤW ：駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ｎｍｓ／ｒａｄ〕
ｍ1 ：車体質量（能動重量部を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ1 ：車体慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
Ｄ1 ：車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ｎｍｓ／ｒａｄ〕
ｍS ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌS ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
ＩS ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
ＤS ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
【００５４】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【００５５】
図７は本発明の第１の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００５６】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力に基づき、次の式（１）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【００５７】
【数１】
【００５８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−２）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【００５９】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての車両並進加速度を示す駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体姿勢の変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体姿勢の変化を考慮している。
【００６０】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、段差抵抗トルクの推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して段差抵抗トルクを推定するので、大きな誤差が生じることがなく、高い精度で段差抵抗トルクを推定することができる。
【００６１】
一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから段差抵抗トルクを高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高く、かつ、段差昇降動作中の姿勢変化が大きいので、このような影響が大きくなる。
【００６２】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に変化する段差抵抗トルクを常に推定している。例えば、段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。そこで、本実施の形態においては、段差昇降状態と共に変化する段差抵抗トルクの推定をリアルタイムで行い、その値を常に更新することで、常に段差の昇降動作に適した段差昇降トルクを付与するようになっている。
【００６３】
なお、段差抵抗トルクの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【００６４】
本実施の形態においては、駆動トルクと慣性力のみを考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを副次的な影響として考慮してもよい。
【００６５】
また、本実施の形態においては、駆動輪１２の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００６６】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【００６７】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【００６８】
図８は本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００６９】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ３−１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【００７０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両加速度の目標値とする。
【００７１】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【００７２】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【００７３】
図９は本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図１０は本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００７４】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、段差昇降トルクの決定処理によって取得された段差昇降トルクτC に基づき、次の式（２）及び（３）により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００７５】
【数２】
【００７６】
【数３】
【００７７】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。
【００７８】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC に伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００７９】
このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が段差を上るときには、搭乗部１４を前方へ移動させ、あるいは、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両１０が段差を下るときには、搭乗部１４を後方へ移動させ、あるいは、さらに車体を後方へ傾ける。
【００８０】
本実施の形態においては、図９に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部１４を移動させ、該搭乗部１４が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員１５にとっての乗り心地が向上する。また、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員１５にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に接触することが防止される。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方の限界よりも遠くに設定する必要がある。
【００８２】
また、本実施の形態においては、加速度が低いときや段差が低いときには、搭乗部１４の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員１５に作用する前後方向の慣性力を軽減することができる。
【００８３】
さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００８４】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【００８５】
図１１は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００８６】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１）。この場合、各目標値と段差昇降トルクτC とから、次の式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式（５）により能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。
【００８７】
【数４】
【００８８】
このように、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC を自動的に追加することにより、つまり、段差抵抗トルクτD に応じて駆動トルクを補正することにより、段差の昇降の際にも、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、平地と同様の操縦操作で段差を乗り降りすることができる。また、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、段差の昇降の際に、車両１０が不必要に加減速することがない。
【００８９】
【数５】
【００９０】
このように、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現する。
【００９１】
なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【００９２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（６）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定し、また、次の式（７）により能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。
【００９３】
【数６】
【００９４】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2、ＫW3及びＫS5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【００９５】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００９６】
このように、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD をオブザーバによって推定し、段差昇降トルクτC を与えるとともに、搭乗部１４を段差の上段方向に移動させる。そのため、段差の上でも車体を直立に保持することができ、段差の昇降にも対応することができる。また、段差を計測する装置が不要となり、システム構成を簡素化してコストを低減することができる。
【００９７】
さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS を考慮して段差昇降トルクτC を推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で段差昇降トルクτC を推定することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態は、段差を上るときだけでなく、段差を降りるときにも有効であることを注記する。段差昇降トルクの付与によって段差降下時の車両の加速を抑えるのと共に、搭乗部１４を後方に移動させることにより車体を直立に保持する。これは、以降で説明する他の実施の形態でも同様である。
【００９９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１００】
図１２は本発明の第２の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図、図１３は本発明の第２の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【０１０１】
前記第１の実施の形態においては、搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように取り付けられ、能動重量部として機能する。この場合、能動重量部モータ６２を備える移動機構が配設され、これにより搭乗部１４を並進させるので、構造の複雑化、コストや重量の増加と共に、制御システムも複雑化する。また、前記第１の実施の形態は、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することは不可能である。
【０１０２】
そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４を移動させる移動機構が省略されている。また、図１２に示されるように、制御システムからも、能動重量部制御システム６０が省略され、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２が省略されている。なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０３】
そして、本実施の形態においては、図１３に示されるように、段差を昇降する際には、段差を昇降するための駆動輪１２に付与する駆動トルク、すなわち、段差昇降トルクの反作用として車体に作用する反トルクとしての車体傾斜トルクに対し、車体を段差昇降トルクに応じた角度だけ段差の上段方向に傾けることにより、車体傾斜トルクを重力の作用で打ち消してバランスを保つようになっている。
【０１０４】
なお、「背景技術」の項でも説明したように、例えば、段差に乗り上げるとき、必要な駆動トルクを駆動輪に付与すると、その反作用が車体に働くので、車体が段差と逆の方向、すなわち、段差の下段方向に大きく傾いてしまう。一方、車体の姿勢を直立に維持しようとすると、必要な駆動トルクを駆動輪に付与することができないので、段差に乗り上げることができなくなってしまう。また、段差を降りるときにも同様の現象が発生し、車体が前方に傾いてしまう。
【０１０５】
これに対し、本実施の形態においては、段差の高さに適した角度だけ車体を段差の上段方向に意図的に傾けるので、段差の昇降の際にも、安定した車体の姿勢を保つことができ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１０６】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要及び目標走行状態の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、状態量の取得処理、段差昇降トルクの決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【０１０７】
図１４は本発明の第２の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【０１０８】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１０９】
図１５は本発明の第２の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１１０】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−１１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（８）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【０１１１】
【数７】
【０１１２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−１２）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１１３】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度及び車体傾斜角加速度に基づいて段差抵抗トルクを推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体姿勢の変化を示す車体傾斜角加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体姿勢の変化を考慮している。
【０１１４】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定するため、特に車体の姿勢が大きく変化するとき、段差抵抗トルクの推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度を考慮して段差抵抗トルクを推定するので、大きな誤差が生じることがなく、高い精度で段差抵抗トルクを推定することができる。
【０１１５】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に変化する段差抵抗トルクを常に推定している。例えば、段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。そこで、本実施の形態においては、段差昇降状態と共に変化する段差抵抗トルクの推定をリアルタイムで行い、その値を常に更新することで、常に段差の昇降動作に適した段差昇降トルクを付与するようになっている。
【０１１６】
なお、前記第１の実施の形態と同様に、段差抵抗トルクの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【０１１７】
本実施の形態においては、慣性力のみを考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。
【０１１８】
また、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１１９】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【０１２０】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【０１２１】
図１６は本発明の第２の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１２２】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、段差昇降トルクの決定処理によって取得された段差昇降トルクτC とに基づき、次の式（９）により、車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１２３】
【数８】
【０１２４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−１２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角及び車体傾斜角速度の目標値を算出する。
【０１２５】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC に伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１２６】
このとき、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が加速するとき及び段差を上るときには車体を前方へ傾ける。また、車両１０が減速するとき及び段差を下るときには車体を後方へ傾ける。
【０１２７】
なお、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１２８】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【０１２９】
図１７は本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１３０】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１１）。この場合、目標値と段差昇降トルクτC とから、前記第１の実施の形態において説明した前記式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。
【０１３１】
前記式（４）に表されるように、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC を自動的に追加することにより、段差の昇降の際にも、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、平地と同様の操縦操作で段差を乗り降りすることができる。また、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、段差の昇降の際に、車両１０が不必要に加減速することがない。
【０１３２】
なお、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現するが、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【０１３３】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−１２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（１０）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定する。
【０１３４】
【数９】
【０１３５】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2及びＫW3を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【０１３６】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−１３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。
【０１３７】
このように、本実施の形態においては、車体を段差の上段方向に傾けて、段差の昇降の際にバランスを保つことができる。したがって、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することができ、構造及び制御システムを簡素化することで、安価で軽量な倒立型車両でも安定した段差の乗り降りを実現することができる。
【０１３８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１３９】
図１８は本発明の第３の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり段差手前で段差を検出している状態を示す図、図１９は本発明の第３の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図、図２０は本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図１８において、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、図１９において、（ａ）〜（ｃ）は一連の動作を示す図である。
【０１４０】
段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。
【０１４１】
そこで、本実施の形態においては、車両１０の進行方向の段差をセンサによって検出し、該センサによって計測した段差の位置と高さ、及び、段差の昇降状態に相当する駆動輪回転角に応じて、段差昇降トルクを変化させるようになっている。
【０１４２】
そのため、本実施の形態において、車両１０は、図１８に示されるように、段差計測センサとしての距離センサ７１を有する。該距離センサ７１は、例えば、レーザ光を利用したものであるが、いかなる種類のセンサであってもよい。図１８に示される例においては、２つの距離センサ７１が、互いに前後に離れて、搭乗部１４の下面に配設され、各々が下面から前方及び後方の路面までの距離を計測する。そして、各距離センサ７１の計測値の変化から、路面の段差を検出し、検出した段差の位置及び高さを取得することができる。望ましくは、一方の距離センサ７１が駆動輪１２の路面に接地する部位よりも前方に位置し、他方の距離センサ７１が駆動輪１２の路面に接地する部位よりも後方に位置するように配設される。このように、２つの距離センサ７１が駆動輪１２の接地点から前後に離れた位置において路面までの距離を計測するので、車両１０の前後の段差を検出することができる。
【０１４３】
また、車両１０は、図２０に示されるように、距離センサ７１を含む段差計測システム７０を有する。そして、距離センサ７１は、前後の２点において、路面までの距離としての対地距離を検出して主制御ＥＣＵ２１に送信する。
【０１４４】
これにより、例えば、段差に乗り上げる場合、図１９に示されるように、車両１０が上昇するのに応じて搭乗部１４の移動量、段差に乗り上げるための駆動トルク等を変化させ、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができる。
【０１４５】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標走行状態の決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、段差昇降トルクの決定処理についてのみ説明する。
【０１４６】
図２１は本発明の第３の実施の形態における上りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図、図２２は本発明の第３の実施の形態における上りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図、図２３は本発明の第３の実施の形態における下りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図、図２４は本発明の第３の実施の形態における下りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図、図２５は本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１４７】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、距離センサ７１の計測値を取得する（ステップＳ２−２１）。この場合、前後２つの距離センサ７１から対地距離の計測値を取得する。
【０１４８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差の位置と高さとを決定する（ステップＳ２−２２）。この場合、各距離センサ７１から取得した対地距離の時間履歴と、車体傾斜角θ1 と、搭乗部１４の位置、すなわち、能動重量部位置λS とに基づき、段差の位置と高さとを決定する。
【０１４９】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクτD を決定する（ステップＳ２−２３）。この場合、段差抵抗トルクτD を、次の式（１１）により算出する。
τD ＝ξτD,Max ・・・式（１１）
ここで、τD,Max は最大段差抵抗トルクであり、ξは段差昇降抵抗率である。
【０１５０】
図２１に示されるように、段差が上り、すなわち、昇段である場合、最大段差抵抗トルクτD,Max 及び段差昇降抵抗率ξは、次の式（１２）及び（１３）で表される。なお、図２１において、Ｘは段差検出時における段差までの距離であり、Ｈは段差の高さである。昇段の場合、Ｈはゼロ以上となる。
【０１５１】
【数１０】
【０１５２】
なお、η0 は、仮想登坂角であり、段差を上るために必要な駆動輪回転角に相当する。また、θW,S は駆動輪１２が段差に接触した時点の駆動輪回転角であり、θW,0 は段差を検出した時点の駆動輪回転角である。さらに、ΔθW は段差接触以降の駆動輪回転角であり、その値は、駆動輪１２が段差に接触した時点でゼロになる。
【０１５３】
そして、段差抵抗トルクτD の値は、図２２に示されるように変化する。すなわち、駆動輪１２が段差に接触した時点で最大値であるτD,Max となり、昇段中に徐々に減少し、昇段を終了した時点で最小値であるゼロになる。
【０１５４】
また、図２３に示されるように、段差が下り、すなわち、降段である場合、最大段差抵抗トルクτD,Max 及び段差昇降抵抗率ξは、次の式（１４）及び（１５）で表される。なお、図２３においても、Ｘは段差検出時における段差までの距離であり、Ｈは段差の高さであるが、降段の場合、Ｈはゼロ未満、すなわち、マイナスとなる。
【０１５５】
【数１１】
【０１５６】
そして、段差抵抗トルクτD の値は、図２４に示されるように変化する。すなわち、駆動輪１２が段差に接触した時点で最小値であるゼロであり、降段中に徐々に減少し、降段を終了する時点の直前で最大値であるτD,Max となる。
【０１５７】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−２４）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１５８】
このように、段差昇降トルクの決定処理においては、段差の高さＨに応じて段差抵抗トルクτD の大きさを変えるようになっている。つまり、段差の高さＨの値が大きいほど段差抵抗トルクτD の値を大きくする。
【０１５９】
また、車両１０の段差昇降状態に応じて段差抵抗トルクτD の大きさを変えるようになっている。つまり、駆動輪回転角θW から車両１０の昇降状態を推定し、段差昇降抵抗率ξの値を変化させる。これにより、車両１０の速度変化にも対応することができる。
【０１６０】
具体的には、段差を上る場合、すなわち、段差の高さＨがゼロ以上の場合、駆動輪回転角θW の増加とともに、段差抵抗トルクτD （段差昇降抵抗率ξ）を減少させる。これは、段差を上るにつれて、車両１０を支持するために必要な駆動トルクが減少するからである。
【０１６１】
一方、段差を下る場合、すなわち、段差の高さＨがゼロ未満の場合、駆動輪回転角θW の増加とともに、段差抵抗トルクτD （段差昇降抵抗率ξ）を増加させる。これは、段差を下るにつれて、車両１０を支持するために必要な駆動トルクが増加するからである。
【０１６２】
これにより、段差昇降時における車両１０の走行状態を安定的に制御することができる。
【０１６３】
なお、本実施の形態においては、車両１０の前方に位置する段差に前進して突入した場合についてのみ説明したが、車両１０の後方に位置する段差に後進して突入した場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０１６４】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に距離センサ７１を使用しない場合について説明したが、車両１０の段差昇降状態をより正確に把握するために、距離センサ７１の計測値を利用することもできる。これにより、駆動輪１２がスリップしても安定した制御を行うことが可能となる。
【０１６５】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降抵抗率ξの決定式に不連続な関数を使用した場合について説明したが、不連続部分を連続に修正した関数を使用することもできる。また、不連続部分における制御のチャタリング又は車両動作のハンチングを防止するために、ヒステリシス制御（例えば、２つの閾値を設定し、駆動輪１２の回転方向に応じて閾値を変える制御）を導入してもよい。
【０１６６】
さらに、本実施の形態においては、非線形の力学モデルに基づく決定式を使用した場合について説明したが、簡略化のために、線形近似した式を使用してもよい。また、駆動輪１２の変形、転がり摩擦、スリップ条件等を考慮した、より高度な決定式を使用してもよい。
【０１６７】
このように、本実施の形態においては、車両１０の進行方向の段差を距離センサ７１によって検出し、該距離センサ７１によって計測した段差の位置及び高さＨ並びに駆動輪回転角θW に応じて、段差昇降トルクτC の値を変化させるようになっている。したがって、段差の昇降時にも車体の倒立姿勢を安定に保つことができる。これにより、車両１０は、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１６８】
なお、本実施の形態においては、２つの距離センサ７１によって段差の検出、並びに、段差の位置及び高さＨを計測した場合について説明したが、他の装置や方法を使用することもできる。例えば、カメラによって車両１０の進行方向の画像を取得し、取得した画像を解析することによって、段差の検出、並びに、段差の位置及び高さＨを計測してもよい。また、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して車両１０の位置を取得する車両位置取得システムと、路面と段差に関する情報を含む地図データとに基づいて、車両１０の周囲に存在する段差の情報を取得してもよい。
【０１６９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１７０】
図２６は本発明の第４の実施の形態における段差昇降度の変化を示す図、図２７は本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルク追加量の変化を示す図であり、両図では段差を乗り上げる時の時間変化の一例を示している。また、図２８は本発明の第４の実施の形態におけるトルク追加率の変化を示す図、図２９は本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１７１】
車両１０が段差を上るときや下るとき、車両が段差を上りきらずに下ってしまったり、段差を下りきらずに上ってしまったりすることがある。このような車両１０の折り返し動作は、段差の昇降中に、乗員１５がジョイスティック３１によって逆方向への走行や急な加減速を指令するような不適切な操作が行われたり、段差抵抗トルクτD の推定値と実際の値との差が大きかったり、車体の姿勢制御に必要な駆動トルクが走行状態に大きく影響したりすることによって起こる。そして、この折り返し動作に伴い、車両１０が不必要に加減速したり、車体が大きく傾いたりしてしまうことがある。
【０１７２】
そこで、本実施の形態においては、段差昇降途中での折り返し動作を防止するための制御を行う。具体的には、車両制御装置としての制御ＥＣＵ２０は、段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段と、段差抵抗トルクの推定値に基づいて段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段とを備える。該昇降状態判定手段は、段差抵抗トルクτD の推定値が所定の２つの閾値で定義される範囲から外れた場合に段差昇降途中であると判断する。そして、段差昇降途中において、駆動輪回転角速度が段差進入のときに比べて所定の割合よりも低下したときには段差昇降τC を追加する。また、段差昇降途中においては、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するジョイスティック３１の操作量の変化を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する。
【０１７３】
これにより、段差の昇降途中における折り返し動作を防ぎ、段差の昇降を確実に実行することができる。また、段差の昇降途中でも、車両１０の走行状態や車体の姿勢を安定に保つことができ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１７４】
なお、本実施の形態においては、段差昇降途中において、（ａ）駆動輪回転角速度が段差進入のときよりも小さいときには段差昇降トルクτC を追加する制御、及び、（ｂ）ジョイスティック３１の操作量を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御の両方を実行する場合について説明するが、前記（ａ）の制御と前記（ｂ）の制御のいずれか一方のみを実行することもできる。
【０１７５】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、ここでは、段差昇降トルクの決定処理及び目標走行状態の決定処理についてのみ説明する。
【０１７６】
まず、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１７７】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−３１）。この場合、前記第１の実施の形態と同様に、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、前記式（１）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【０１７８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降度βを決定する（ステップＳ２−３２）。この場合、段差抵抗トルクτD の時間履歴に基づき、次の式（１６）及び（１７）により、段差昇降度βを決定する。該段差昇降度βは、車両１０が段差昇降中であるか否かを示す指標であり、β＝０は段差昇降中でないことを示し、β＝１は段差昇降中であることを示している。なお、ここでは、説明の都合上、段差を上がる場合についてのみ説明し、段差を下がる場合についての説明は省略するが、段差を下がる場合の制御処理も段差を上がる場合の制御処理と同様である。
【０１７９】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD が図２６（ａ）に示されるように変化するとき、段差昇降度βの値を図２６（ｂ）に示されるように変化させる。なお、図２６（ａ）及び（ｂ）の横軸である時間軸は互いに対応しており、双方の軸上の同位置は同時刻を表す。
【０１８０】
まず、段差昇降開始条件として、段差昇降度βがβ＝０であり、かつ、段差抵抗トルクの推定値τD がτD ≧τD0,MaxあるいはτD ≦τD0,Minを満足するとき、段差昇降を開始したと判定する。ここで、τD0,Max及びτD0,Minは、段差昇降状態にないと判定する段差抵抗トルク推定値の上限及び下限を定義する閾値である。
【０１８１】
そして、段差昇降開始条件が満たされた時刻をｔS とすると、段差昇降度βは次の式（１６）で表される。
【０１８２】
【数１２】
【０１８３】
また、段差昇降終了条件として、段差昇降度βがβ＞０であり、かつ、段差抵抗トルクの推定値τD がτD0,Min＜τD ＜D0,Maxを満足するとき、段差昇降を終了したと判定する。そして、段差昇降終了条件が満たされた時刻をｔE とすると、段差昇降度βは次の式（１７）で表される。
【０１８４】
【数１３】
【０１８５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクの推定値τD に基づいて、車両１０が段差昇降状態にあるか否かを判断する。具体的には、段差抵抗トルクτD を２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minと比較して段差昇降状態を判断する。
【０１８６】
まず、車両１０が段差を昇降していない状態、すなわち、非段差昇降状態（β＝０）において、段差抵抗トルクの推定値τD がτD ≧τD0,Max又はτD ≦τD0,Minである場合、段差昇降を開始したと判断して、段差昇降度βの値を０から１に遷移させる。また、車両１０が段差を昇降中である状態、すなわち、段差昇降状態（β＝１）において、τD0,Min＜τD ＜D0,Maxである場合、段差昇降を終了したと判断して段差昇降度βの値を１から０に遷移させる。このように、２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minによって非段差昇降状態と判定する段差抵抗トルクの推定値τD に幅を持たせることによって、外乱等に伴う微小な段差抵抗トルクの推定値τD に対する誤認識を防止することができる。
【０１８７】
また、非段差昇降状態（β＝０）と段差昇降状態（β＝１）との間に遷移状態（０＜β＜１）を設け、両状態間の遷移を滑らかに実行する。すなわち、段差昇降度βを所定の状態遷移時間Δｔtrで線形に遷移させる。本実施の形態で実行する折り返し動作防止の制御のように、段差昇降度βに基づいて両状態間の遷移に適応する制御の切替を実行する場合、これによって制御の切替が滑らかになり、走行状態や車体姿勢の急激な変化を防止することができる。
【０１８８】
さらに、段差昇降終了の判断に対して段差昇降終了時間遅れΔｔdel を与えて、段差昇降状態から非段差昇降状態への遷移開始を意図的に遅延させる。すなわち、段差昇降終了条件が満たされてから、段差昇降終了時間遅れΔｔdel （＝所定時間）が経過するまで、段差昇降度βの値を減少させないようにする（＝目標値の固定を解除しない）。なお、段差昇降終了時間遅れΔｔdel は、段差昇降終了時における車両１０の走行速度で所定の段差離脱距離ΔＸE を走行するのに要する時間とする。つまり、Δｔdel は車両の走行速度に応じて決定され、車両１０の走行速度が低いほど、段差昇降終了時間遅れΔｔdel を長くする。車両１０が段差からある程度離れるまで、折り返し動作防止の制御を続行することによって、段差昇降終了判定の直後に再び段差に向かうこと、すなわち、段差を上がり切った直後に同じ段差を下がることを防止することができる。
【０１８９】
さらに、段差昇降終了の判断の後、一定時間が経過するまでは、段差昇降再開始の判断を行わない。すなわち、段差昇降度βがβ＞０の場合には、段差昇降度βがβ＝０に戻らないと次の段差昇降再開始の判断を行わない。これによって、折り返し動作防止の制御が短い周期で断続的に実行されるのを防止することができる。
【０１９０】
一方、段差昇降度βがβ＜１の場合には、常に段差終了の判断を行う。これによって、誤った判定で増加した段差昇降度βを素早くβ＝０に戻し、不必要な折り返し動作防止の制御が実行されるのを防止することができる。
【０１９１】
なお、本実施の形態においては、段差昇降終了時における駆動輪回転角速度に基づく段差昇降終了時間遅れΔｔdel によって間接的に段差離脱距離ΔＸE を考慮する例について説明したが、段差離脱距離ΔＸE をより直接的に考慮することもできる。例えば、段差昇降終了後に所定の駆動輪回転角増加量が計測されるまで、段差昇降度βを減少させないようにしてもよい。これにより、段差昇降終了を判断した時に車両１０の走行速度が低い場合であっても、非段差昇降状態への遷移を適切に設定することができる。
【０１９２】
また、本実施の形態においては、非段差昇降状態と段差昇降状態との間の遷移を、段差昇降度βについての線形の関数を用いて実現させているが、線形の関数に代えて非線形の関数を用いることによって、より滑らかな遷移を実現させてもよい。
【０１９３】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降状態の判断に使用する２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minにあらかじめ所定の値を与えているが、この値を適宜修正してもよい。例えば、段差抵抗トルクτD の推定値の時間履歴における統計学的特性量に基づいて、前記２つの閾値を自動的に修正してもよい。
【０１９４】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−３３）。この場合、段差抵抗トルクτD に基づいて、次の式（１８）により段差昇降トルクτC を決定する。
τC ＝τD ＋ΔτC ・・・式（１８）
ここで、ΔτC は、段差昇降トルク追加量であり、段差昇降度βと駆動輪回転角速度とに基づいて決定される。
【０１９５】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD 及び段差昇降度βの値が図２７（ａ）及び（ｂ）に示されるように変化するとき、駆動輪回転角速度の変化に対する段差昇降トルク追加量ΔτC を図２７（ｃ）に示されるように設定する。なお、図２７の横軸である時間軸は互いに対応しており、各横軸上の同位置は同時刻を表す。また、図２７（ａ）及び（ｂ）は、図２６（ａ）及び（ｂ）と同じ図である。
【０１９６】
具体的には、段差昇降トルク追加量ΔτC は、次の式（１９）により決定される。
【０１９７】
【数１４】
【０１９８】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降途中での折り返し動作を防止するような駆動トルクを段差抵抗トルクτD に加算して、段差昇降トルクτC を決定する。
【０１９９】
すなわち、段差昇降中において、車両１０の走行速度が、段差昇降開始時の車両１０の走行速度を大きく下回った場合、段差昇降を補助する方向に段差昇降トルク追加量ΔτC を追加する。具体的には、段差昇降中の駆動輪回転角速度を段差昇降開始時の駆動輪回転角速度と比較し、両者の比νが所定の閾値であるトルク追加開始速度率νlim を下回った場合、その差に比例した段差昇降トルク追加量ΔτC を加算する。
【０２００】
なお、図２７（ｃ）では、点線で示される段差昇降中の駆動輪回転角速度が、段差昇降開始時の駆動輪回転角速度にトルク追加開始速度率νlim を乗じた値を下回った場合に、実線で示される段差昇降トルク追加量ΔτC が追加されることを表している。
【０２０１】
加えて、該段差昇降トルク追加量ΔτC を、所定の上限値である最大トルク追加量ΔτC,Max で制限する。これにより、駆動トルクの過剰な付加による車体姿勢制御への悪影響を抑える。
【０２０２】
このように、車両１０の走行速度の低下を適切に判断し、それに応じた段差昇降トルク追加量ΔτC を段差抵抗トルクτD に加算して、段差昇降トルクτC を決定する。
【０２０３】
また、段差昇降度βに応じて段差昇降トルク追加量ΔτC を決定する。具体的には、段差昇降開始の判断の後、段差昇降度βとともに、段差昇降トルク追加量ΔτC の基準値（ν＜ν1 における段差昇降トルク追加量ΔτC ）を線形に増加させる。これにより、非段差昇降状態と段差昇降状態との間の遷移に伴う段差昇降トルクτC 、及び、走行状態や車体姿勢の急激な変化を防止することができる。
【０２０４】
さらに、段差昇降終了の判断の後、所定の時間、すなわち、段差昇降終了時間遅れΔｔdel が経過するまでは、段差昇降度βとともに段差昇降トルク追加量ΔτC の基準値を一定とし、その後、線形に減少させる。これにより、段差昇降トルク追加量ΔτC の追加をある程度継続して、車両１０を段差から確実に離脱させることができる。
【０２０５】
なお、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値とは無関係にあらかじめ設定された所定値を最大トルク追加量ΔτC,Max としているが、該最大トルク追加量ΔτC,Max の値を段差抵抗トルクτD の推定値に応じて変化させることもできる。例えば、段差抵抗トルクτD の推定値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記推定値に所定の係数を乗じた値を最大トルク追加量ΔτC,Max とすることによって、より適切な段差昇降トルク追加量ΔτC の追加を行うことができる。
【０２０６】
また、本実施の形態においては、段差昇降終了時間遅れΔｔdel によって段差近傍からの車両１０の確実な離脱を実現しているが、段差昇降終了後に所定の駆動輪回転角増加量が計測されるまで、段差昇降トルク追加量ΔτC の追加を終了しないようにしてもよい。これにより、段差昇降終了を判断した時に車両１０の走行速度が極端に低い場合であっても、車両１０を段差から確実に離脱させることができる。
【０２０７】
次に、本実施の形態における目標走行状態の決定処理について説明する。
【０２０８】
図３０は本発明の第４の実施の形態における目標車両加速度の変化を示す図であり、段差を乗り上げる時の時間変化の一例を示している。また、図３１は本発明の第４の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０２０９】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ３−３１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【０２１０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量及び段差昇降度βに基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−３２）。この場合、次の式（２１）により、車両加速度の目標値α* を決定する。
【０２１１】
【数１５】
【０２１２】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD 及び修正段差昇降度の値が図３０（ａ）及び（ｂ）に示されるように変化するとき、ジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値αd * の変化に対する車両加速度の目標値α* は図３１（ｃ）に示すように設定される。なお、図３１の横軸である時間軸は互いに対応しており、各横軸上の同位置は同時刻を表す。また、図３１（ａ）は、図２６（ａ）と同じ図である。
【０２１３】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降動作中、乗員１５によるジョイスティック３１の操作を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する。図３０（ｃ）では、点線が段差昇降動作中のジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値を示している。
【０２１４】
そして、段差昇降終了の判断の後、車両加速度の目標値を、ジョイスティック３１の操作量に応じて決定される車両加速度の目標値に徐々に近付ける。この場合、段差抵抗トルクτD の推定値に基づいて段差昇降を終了したと判断し、さらに、所定の時間、すなわち、段差昇降終了時間遅れΔｔdel が経過した後、減少する段差昇降度βに応じて、車両加速度の目標値を、段差昇降開始時における車両加速度の目標値からジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値へ、所定の状態遷移時間Δｔtrで近付ける。これにより、車両加速度の目標値の急激な変化に伴う走行状態及び車体姿勢の急激な変化を防止することができるとともに、段差昇降終了直後における乗員１５の不適切なジョイスティック３１の操作に起因する同じ段差への再進入を防止することができる。
【０２１５】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【０２１６】
なお、本実施の形態においては、段差昇降開始の判断の後、乗員１５のいかなるジョイスティック３１の操作も無視して車両加速度の目標値を固定した例について説明したが、ジョイスティック３１の特定の操作に対しては、車両加速度の目標値の固定を解除し、ジョイスティック３１の操作量に応じて車両加速度の目標値を決定してもよい。例えば、ジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値が所定の負の閾値よりも小さい場合、乗員１５が段差昇降の中断を要求しているものと判断し、車両加速度の目標値の固定を解除し、ジョイスティック３１の操作量に応じて車両加速度の目標値を決定してもよい。これにより、例えば、緊急時における乗員１５の特殊な危険回避操作を感知し、適切な走行状態を実現することができる。
【０２１７】
また、本実施の形態においては、車両速度（駆動輪回転角速度）やその目標値と無関係に車両加速度の目標値を固定した例について説明したが、車両速度やその目標値及びジョイスティック３１の操作量に応じて、車両加速度の目標値の固定を解除してもよい。例えば、駆動輪回転角速度やその目標値が所定の閾値より低く、段差昇降中に車両加速度の目標値を増加させるようなジョイスティック３１の操作が行われた場合、該ジョイスティック３１の操作量に応じた値を車両加速度の目標値として決定してもよい。これにより、段差昇降動作をより確実に完遂することができる。
【０２１８】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降開始時の車両加速度の目標値がいかなる値であってもその値に固定した例について説明したが、その値と異なる値に固定してもよい。例えば、車両速度（駆動輪回転角速度）やその目標値が所定の閾値より低い場合、段差昇降開始時の車両加速度の目標値に対し、所定の負の値又はゼロを下限値として、その後の車両加速度の目標値の固定値を制限してもよい。また、例えば、段差昇降動作中に、固定された負の車両加速度の目標値によって車両速度の目標値が所定の正の閾値を下回った場合、車両加速度の目標値をゼロとして、車両速度の目標値を前記閾値に固定するようにしてもよい。これにより、車両速度が極端に低下することを避け、段差昇降途中での折り返し動作をより確実に防止することができる。
【０２１９】
さらに、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値によって段差昇降状態を判断し、段差昇降トルクτC を追加する制御及び車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御を実行する例について説明したが、前記第３の実施の形態において説明したように距離センサ７１等の段差計測センサを使用し、該段差計測センサの計測結果に基づいて、段差昇降トルクτC を追加する制御及び車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御を実行してもよい。
【０２２０】
さらに、本実施の形態においては、車両１０の前方に位置する段差に前進して突入した場合についてのみ説明したが、車両１０の後方に位置する段差に後進して突入した場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０２２１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第２の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり段差手前で段差を検出している状態を示す図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態における上りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態における上りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態における下りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態における下りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２６】本発明の第４の実施の形態における段差昇降度の変化を示す図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルク追加量の変化を示す図である。
【図２８】本発明の第４の実施の形態におけるトルク追加率の変化を示す図である。
【図２９】本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図３０】本発明の第４の実施の形態における目標車両加速度の変化を示す図である。
【図３１】本発明の第４の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２２３】
１０ 車両
１２ 駆動輪
２０ 制御ＥＣＵ
３０ 入力装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。例えば、同軸上に配置された２つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による車体の姿勢変化を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪に取り付けられた車体の姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この場合、センサで車体のバランスや動作の状態を検出しながら、回転体の動作を制御して車両を停止又は移動させるようになっている。
【特許文献１】特開２００７−２１９９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の車両においては、段差を乗り降りする際に、途中で折り返し動作を行ってしまうことがある。ここで、折り返し動作とは、段差を上がる場合であれば、段差の途中まで上がって下がる動作のことであり、段差を下がる場合であれば、段差の途中まで下がって上がる動作のことである。このような折り返し動作を行うと、車両が不必要に加減速したり、車体が大きく傾いたりしてしまうことがある。このとき、搭乗者が不快に感じたり、車両の安定性や安全性に不安を抱いたりする可能性がある。そして、この折り返し動作は、車両が段差を乗り降りしている途中で逆方向への走行や急な加減速を指令するような、運転者の不適切な操作によって起こることが考えられる。
【０００５】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、段差の昇降途中では走行指令に係わらず、車両加速度の目標値を固定することによって、段差の昇降途中で折り返し動作を行うことがなく、段差に乗り上げるときにも、段差を降りるときにも、走行状態や車体の姿勢が安定に保たれ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる車両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】
【０００６】
そのために、本発明の車両においては、車体と、該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、走行指令を入力する入力装置と、該入力装置から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定する。
【０００７】
本発明の他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときに、前記車体の姿勢によって前記段差による抵抗である段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段を備え、前記段差抵抗トルクに応じて前記駆動トルクを制御する。
【０００８】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記段差抵抗トルクの推定値に基づいて前記段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段を備え、該昇降状態判断手段は、前記段差抵抗トルクの推定値が所定の閾（しきい）値以上である場合に、前記段差の昇降途中であると判断する。
【０００９】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記車両加速度の目標値を前記段差への進入直前の値に固定する。
【００１０】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を開始したと判断したら前記車両加速度の目標値を固定する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した後、前記車両加速度の目標値と前記走行指令に応じて決定される車両加速度の目標値との差を、時間経過と共に徐々に小さくする。
【００１２】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時刻から前記車両加速度の目標値の固定を解除するまでに時間遅れを設ける。
【００１３】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記時間遅れは、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時刻における前記駆動輪の回転角速度に応じて決定される。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１及び２の構成によれば、段差の昇降途中で折り返し動作を行うことがなく、段差に乗り上げるときにも、段差を降りるときにも、走行状態や車体の姿勢を安定に保持し、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【００１５】
請求項３の構成によれば、外乱等に伴う微小な段差抵抗トルクの推定値に対する誤認識を防止することができ、段差の昇降途中であることを正確に判断することができる。
【００１６】
請求項４及び５の構成によれば、段差の昇降開始から昇降終了までの間、車両加速度の目標値を適切な値に固定し、車体の走行状態及び車体の姿勢を安定に保つことができる。
【００１７】
請求項６の構成によれば、段差の昇降終了直後において、車両加速度の目標値が急激に変化することを防ぎ、走行状態や車体の姿勢を安定に保つことができる。
【００１８】
請求項７及び８の構成によれば、段差の昇降終了直後における運転者の不適切な操作によって車両が再び段差に向かうような動作を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１において、１０は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部１１、駆動輪１２、支持部１３及び乗員１５が搭乗する搭乗部１４を有し、前記車両１０は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。そして、倒立振り子の姿勢制御と同様に車体の姿勢を制御する。図１に示される例においては、車両１０は矢印Ａで示される方向に加速中であり、車体が進行方向に傾斜した状態が示されている。
【００２２】
前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３に対して回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ５２によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１に示す平面に垂直な方向に存在し、駆動輪１２はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪１２は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪１２が２つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪１２は個別の駆動モータ５２によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ５２を使用するものとして説明する。
【００２３】
また、車体の一部である本体部１１は、支持部１３によって下方から支持され、駆動輪１２の上方に位置する。そして、本体部１１には、能動重量部として機能する搭乗部１４が、車両１０の前後方向へ本体部１１と相対的に移動可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、取り付けられている。
【００２４】
ここで、能動重量部は、ある程度の質量を有し、本体部１１に対して前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部１４である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘（おもり）、バランサ等の専用の重量部材を本体部１１に対して移動可能に取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部１４、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。
【００２５】
また、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗した状態の搭乗部１４が能動重量部として機能する例について説明するが、搭乗部１４には必ずしも乗員１５が搭乗している必要はなく、例えば、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部１４に乗員１５が搭乗していなくてもよいし、乗員１５に代えて、貨物が積載されていてもよい。
【００２６】
前記搭乗部１４は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、座面部１４ａ、背もたれ部１４ｂ及びヘッドレスト１４ｃを備え、図示されない移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。
【００２７】
前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ６２を備え、該能動重量部モータ６２によって搭乗部１４を駆動し、本体部１１に対して車両進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ６２を使用するものとして説明する。
【００２８】
リニアガイド装置は、例えば、本体部１１に取り付けられている案内レールと、搭乗部１４に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、案内レールには、その左右側面部に２本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する２つの側面部内側には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。転動体は、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。なお、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。
【００２９】
また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ又はクラッチを備える。車両１０が停車しているときのように搭乗部１４の動作が不要であるときには、ブレーキによって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部１１と搭乗部１４との相対的位置関係を保持する。そして、動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、本体部１１側の基準位置と搭乗部１４側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。
【００３０】
前記搭乗部１４の脇（わき）には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック３１を備える入力装置３０が配設されている。乗員１５は、操縦装置であるジョイスティック３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員１５が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック３１に代えて他の装置、例えば、ペダル、ハンドル、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。
【００３１】
なお、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両１０があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。
【００３２】
また、車両１０は、車両制御装置としての制御ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部１１に配設されるが、支持部１３や搭乗部１４に配設されていてもよい。また、前記主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。
【００３３】
そして、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動輪センサ５１及び駆動モータ５２とともに、駆動輪１２の動作を制御する駆動輪制御システム５０の一部として機能する。前記駆動輪センサ５１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角及び／又は回転角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、該駆動輪制御ＥＣＵ２２は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ５２に供給する。そして、該駆動モータ５２は、入力電圧に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。
【００３４】
また、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２とともに、能動重量部である搭乗部１４の動作を制御する能動重量部制御システム６０の一部として機能する。前記能動重量部センサ６１は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部１４の移動状態を示す能動重量部位置及び／又は移動速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信し、該能動重量部制御ＥＣＵ２３は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ６２に供給する。そして、該能動重量部モータ６２は、入力電圧に従って搭乗部１４を並進移動させる推力を搭乗部１４に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。
【００３５】
さらに、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、能動重量部制御ＥＣＵ２３、車体傾斜センサ４１、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３６】
なお、主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０のジョイスティック３１から走行指令が入力される。そして、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３７】
また、前記制御ＥＣＵ２０は、車両１０の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段として機能する。また、目標走行状態及び段差抵抗トルクに応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び／又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両１０の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び段差抵抗トルクに応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。具体的には、段差抵抗トルクに応じて追加する駆動トルクを決定する段差昇降トルク決定手段、及び、段差昇降トルクに応じて車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。
【００３８】
なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と車体傾斜角速度を決定してもよい。
【００３９】
次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。
【００４０】
図３は本発明の第１の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図、図４は本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図３（ａ）は比較のための従来技術による動作例を示し、図３（ｂ）は本実施の形態による動作を示している。
【００４１】
「背景技術」の項で説明したような従来の車両の場合、図３（ａ）に示されるように、段差に乗り上げるために駆動輪１２に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が後方に傾いてしまう。そのため、段差に乗り上げるときに、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。
【００４２】
これに対し、本実施の形態においては、搭乗部１４が能動重量部として機能し、図３（ｂ）に示されるように、搭乗部１４を前方に移動させることによって、車両１０の重心位置を前方に移動させる。これにより、車体を前方に傾けようとする重力トルクが作用するため、段差に乗り上げるための駆動トルクを駆動輪１２に付与したときの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、前記重力トルクによって作用を打ち消されるため、車体が後方に傾いてしまうことがない。したがって、段差に乗り上げるときにも安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができる。
【００４３】
なお、本実施の形態は、停止状態及び低速走行状態から段差に進入する場合、すなわち、段差との接触による車両の減速に伴い車体に作用する慣性力が小さい場合において、特に効果的である。
【００４４】
また、段差に乗り上げるための駆動トルクを、乗り上げ動作の間、リアルタイムで推定して駆動輪１２に付与する。これにより、任意の段差形状及び車両速度に対して、安定した乗り上げが可能となる。
【００４５】
すなわち、本実施の形態においては、車両１０の重心位置補正や駆動トルクの付与を含む走行及び姿勢制御処理を実行することによって、車両１０は安定して段差を昇降することができる。
【００４６】
走行及び姿勢制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、状態量の取得処理を実行し（ステップＳ１）、各センサ、すなわち、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１及び能動重量部センサ６１によって、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態を取得する。
【００４７】
次に、制御ＥＣＵ２０は、段差昇降トルクの決定処理を実行し（ステップＳ２）、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び又は搭乗部１４の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ５２及び／又は能動重量部モータ６２の出力値に基づき、オブザーバによって段差抵抗トルクを推定し、段差昇降トルクを決定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。
【００４８】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標走行状態の決定処理を実行し（ステップＳ３）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両１０の加速度の目標値、及び、駆動輪１２の回転角速度の目標値を決定する。
【００４９】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標車体姿勢の決定処理を実行し（ステップＳ４）、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルクと、目標走行状態の決定処理によって決定された車両１０の加速度の目標値に基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。
【００５０】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し（ステップＳ５）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルク、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。
【００５１】
次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【００５２】
図５は本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００５３】
本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。なお、図５には状態量やパラメータの一部が示されている。
θW ：駆動輪回転角（２つの駆動輪の平均）〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λS ：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
ＳS ：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ2 〕
ｍW ：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
ＲW ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
ＩW ：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ2 〕
ＤW ：駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ｎｍｓ／ｒａｄ〕
ｍ1 ：車体質量（能動重量部を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ1 ：車体慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
Ｄ1 ：車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ｎｍｓ／ｒａｄ〕
ｍS ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌS ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
ＩS ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
ＤS ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
【００５４】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【００５５】
図７は本発明の第１の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００５６】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力に基づき、次の式（１）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【００５７】
【数１】
【００５８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−２）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【００５９】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての車両並進加速度を示す駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体姿勢の変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体姿勢の変化を考慮している。
【００６０】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、段差抵抗トルクの推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して段差抵抗トルクを推定するので、大きな誤差が生じることがなく、高い精度で段差抵抗トルクを推定することができる。
【００６１】
一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから段差抵抗トルクを高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高く、かつ、段差昇降動作中の姿勢変化が大きいので、このような影響が大きくなる。
【００６２】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に変化する段差抵抗トルクを常に推定している。例えば、段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。そこで、本実施の形態においては、段差昇降状態と共に変化する段差抵抗トルクの推定をリアルタイムで行い、その値を常に更新することで、常に段差の昇降動作に適した段差昇降トルクを付与するようになっている。
【００６３】
なお、段差抵抗トルクの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【００６４】
本実施の形態においては、駆動トルクと慣性力のみを考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを副次的な影響として考慮してもよい。
【００６５】
また、本実施の形態においては、駆動輪１２の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００６６】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【００６７】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【００６８】
図８は本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００６９】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ３−１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【００７０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両加速度の目標値とする。
【００７１】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【００７２】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【００７３】
図９は本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図１０は本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００７４】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、段差昇降トルクの決定処理によって取得された段差昇降トルクτC に基づき、次の式（２）及び（３）により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００７５】
【数２】
【００７６】
【数３】
【００７７】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。
【００７８】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC に伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００７９】
このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が段差を上るときには、搭乗部１４を前方へ移動させ、あるいは、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両１０が段差を下るときには、搭乗部１４を後方へ移動させ、あるいは、さらに車体を後方へ傾ける。
【００８０】
本実施の形態においては、図９に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部１４を移動させ、該搭乗部１４が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員１５にとっての乗り心地が向上する。また、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員１５にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に接触することが防止される。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方の限界よりも遠くに設定する必要がある。
【００８２】
また、本実施の形態においては、加速度が低いときや段差が低いときには、搭乗部１４の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員１５に作用する前後方向の慣性力を軽減することができる。
【００８３】
さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００８４】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【００８５】
図１１は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００８６】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１）。この場合、各目標値と段差昇降トルクτC とから、次の式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式（５）により能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。
【００８７】
【数４】
【００８８】
このように、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC を自動的に追加することにより、つまり、段差抵抗トルクτD に応じて駆動トルクを補正することにより、段差の昇降の際にも、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、平地と同様の操縦操作で段差を乗り降りすることができる。また、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、段差の昇降の際に、車両１０が不必要に加減速することがない。
【００８９】
【数５】
【００９０】
このように、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現する。
【００９１】
なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【００９２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（６）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定し、また、次の式（７）により能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。
【００９３】
【数６】
【００９４】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2、ＫW3及びＫS5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【００９５】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００９６】
このように、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD をオブザーバによって推定し、段差昇降トルクτC を与えるとともに、搭乗部１４を段差の上段方向に移動させる。そのため、段差の上でも車体を直立に保持することができ、段差の昇降にも対応することができる。また、段差を計測する装置が不要となり、システム構成を簡素化してコストを低減することができる。
【００９７】
さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS を考慮して段差昇降トルクτC を推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で段差昇降トルクτC を推定することができる。
【００９８】
なお、本実施の形態は、段差を上るときだけでなく、段差を降りるときにも有効であることを注記する。段差昇降トルクの付与によって段差降下時の車両の加速を抑えるのと共に、搭乗部１４を後方に移動させることにより車体を直立に保持する。これは、以降で説明する他の実施の形態でも同様である。
【００９９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１００】
図１２は本発明の第２の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図、図１３は本発明の第２の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【０１０１】
前記第１の実施の形態においては、搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように取り付けられ、能動重量部として機能する。この場合、能動重量部モータ６２を備える移動機構が配設され、これにより搭乗部１４を並進させるので、構造の複雑化、コストや重量の増加と共に、制御システムも複雑化する。また、前記第１の実施の形態は、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することは不可能である。
【０１０２】
そこで、本実施の形態においては、搭乗部１４を移動させる移動機構が省略されている。また、図１２に示されるように、制御システムからも、能動重量部制御システム６０が省略され、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２が省略されている。なお、その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０３】
そして、本実施の形態においては、図１３に示されるように、段差を昇降する際には、段差を昇降するための駆動輪１２に付与する駆動トルク、すなわち、段差昇降トルクの反作用として車体に作用する反トルクとしての車体傾斜トルクに対し、車体を段差昇降トルクに応じた角度だけ段差の上段方向に傾けることにより、車体傾斜トルクを重力の作用で打ち消してバランスを保つようになっている。
【０１０４】
なお、「背景技術」の項でも説明したように、例えば、段差に乗り上げるとき、必要な駆動トルクを駆動輪に付与すると、その反作用が車体に働くので、車体が段差と逆の方向、すなわち、段差の下段方向に大きく傾いてしまう。一方、車体の姿勢を直立に維持しようとすると、必要な駆動トルクを駆動輪に付与することができないので、段差に乗り上げることができなくなってしまう。また、段差を降りるときにも同様の現象が発生し、車体が前方に傾いてしまう。
【０１０５】
これに対し、本実施の形態においては、段差の高さに適した角度だけ車体を段差の上段方向に意図的に傾けるので、段差の昇降の際にも、安定した車体の姿勢を保つことができ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１０６】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要及び目標走行状態の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、状態量の取得処理、段差昇降トルクの決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理についてのみ説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【０１０７】
図１４は本発明の第２の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【０１０８】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１０９】
図１５は本発明の第２の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１１０】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−１１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（８）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【０１１１】
【数７】
【０１１２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−１２）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１１３】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度及び車体傾斜角加速度に基づいて段差抵抗トルクを推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体姿勢の変化を示す車体傾斜角加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体姿勢の変化を考慮している。
【０１１４】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定するため、特に車体の姿勢が大きく変化するとき、段差抵抗トルクの推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度を考慮して段差抵抗トルクを推定するので、大きな誤差が生じることがなく、高い精度で段差抵抗トルクを推定することができる。
【０１１５】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に変化する段差抵抗トルクを常に推定している。例えば、段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。そこで、本実施の形態においては、段差昇降状態と共に変化する段差抵抗トルクの推定をリアルタイムで行い、その値を常に更新することで、常に段差の昇降動作に適した段差昇降トルクを付与するようになっている。
【０１１６】
なお、前記第１の実施の形態と同様に、段差抵抗トルクの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【０１１７】
本実施の形態においては、慣性力のみを考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを、副次的な影響として考慮してもよい。
【０１１８】
また、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１１９】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【０１２０】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【０１２１】
図１６は本発明の第２の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１２２】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、段差昇降トルクの決定処理によって取得された段差昇降トルクτC とに基づき、次の式（９）により、車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１２３】
【数８】
【０１２４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−１２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角及び車体傾斜角速度の目標値を算出する。
【０１２５】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC に伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１２６】
このとき、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が加速するとき及び段差を上るときには車体を前方へ傾ける。また、車両１０が減速するとき及び段差を下るときには車体を後方へ傾ける。
【０１２７】
なお、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１２８】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【０１２９】
図１７は本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１３０】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１１）。この場合、目標値と段差昇降トルクτC とから、前記第１の実施の形態において説明した前記式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定する。
【０１３１】
前記式（４）に表されるように、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC を自動的に追加することにより、段差の昇降の際にも、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、平地と同様の操縦操作で段差を乗り降りすることができる。また、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、段差の昇降の際に、車両１０が不必要に加減速することがない。
【０１３２】
なお、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現するが、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【０１３３】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−１２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（１０）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定する。
【０１３４】
【数９】
【０１３５】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2及びＫW3を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【０１３６】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−１３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信する。
【０１３７】
このように、本実施の形態においては、車体を段差の上段方向に傾けて、段差の昇降の際にバランスを保つことができる。したがって、搭乗部１４を移動させる移動機構を有していない倒立型車両に適用することができ、構造及び制御システムを簡素化することで、安価で軽量な倒立型車両でも安定した段差の乗り降りを実現することができる。
【０１３８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１３９】
図１８は本発明の第３の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり段差手前で段差を検出している状態を示す図、図１９は本発明の第３の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図、図２０は本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。なお、図１８において、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、図１９において、（ａ）〜（ｃ）は一連の動作を示す図である。
【０１４０】
段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。
【０１４１】
そこで、本実施の形態においては、車両１０の進行方向の段差をセンサによって検出し、該センサによって計測した段差の位置と高さ、及び、段差の昇降状態に相当する駆動輪回転角に応じて、段差昇降トルクを変化させるようになっている。
【０１４２】
そのため、本実施の形態において、車両１０は、図１８に示されるように、段差計測センサとしての距離センサ７１を有する。該距離センサ７１は、例えば、レーザ光を利用したものであるが、いかなる種類のセンサであってもよい。図１８に示される例においては、２つの距離センサ７１が、互いに前後に離れて、搭乗部１４の下面に配設され、各々が下面から前方及び後方の路面までの距離を計測する。そして、各距離センサ７１の計測値の変化から、路面の段差を検出し、検出した段差の位置及び高さを取得することができる。望ましくは、一方の距離センサ７１が駆動輪１２の路面に接地する部位よりも前方に位置し、他方の距離センサ７１が駆動輪１２の路面に接地する部位よりも後方に位置するように配設される。このように、２つの距離センサ７１が駆動輪１２の接地点から前後に離れた位置において路面までの距離を計測するので、車両１０の前後の段差を検出することができる。
【０１４３】
また、車両１０は、図２０に示されるように、距離センサ７１を含む段差計測システム７０を有する。そして、距離センサ７１は、前後の２点において、路面までの距離としての対地距離を検出して主制御ＥＣＵ２１に送信する。
【０１４４】
これにより、例えば、段差に乗り上げる場合、図１９に示されるように、車両１０が上昇するのに応じて搭乗部１４の移動量、段差に乗り上げるための駆動トルク等を変化させ、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができる。
【０１４５】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標走行状態の決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、段差昇降トルクの決定処理についてのみ説明する。
【０１４６】
図２１は本発明の第３の実施の形態における上りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図、図２２は本発明の第３の実施の形態における上りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図、図２３は本発明の第３の実施の形態における下りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図、図２４は本発明の第３の実施の形態における下りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図、図２５は本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１４７】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、距離センサ７１の計測値を取得する（ステップＳ２−２１）。この場合、前後２つの距離センサ７１から対地距離の計測値を取得する。
【０１４８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差の位置と高さとを決定する（ステップＳ２−２２）。この場合、各距離センサ７１から取得した対地距離の時間履歴と、車体傾斜角θ1 と、搭乗部１４の位置、すなわち、能動重量部位置λS とに基づき、段差の位置と高さとを決定する。
【０１４９】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクτD を決定する（ステップＳ２−２３）。この場合、段差抵抗トルクτD を、次の式（１１）により算出する。
τD ＝ξτD,Max ・・・式（１１）
ここで、τD,Max は最大段差抵抗トルクであり、ξは段差昇降抵抗率である。
【０１５０】
図２１に示されるように、段差が上り、すなわち、昇段である場合、最大段差抵抗トルクτD,Max 及び段差昇降抵抗率ξは、次の式（１２）及び（１３）で表される。なお、図２１において、Ｘは段差検出時における段差までの距離であり、Ｈは段差の高さである。昇段の場合、Ｈはゼロ以上となる。
【０１５１】
【数１０】
【０１５２】
なお、η0 は、仮想登坂角であり、段差を上るために必要な駆動輪回転角に相当する。また、θW,S は駆動輪１２が段差に接触した時点の駆動輪回転角であり、θW,0 は段差を検出した時点の駆動輪回転角である。さらに、ΔθW は段差接触以降の駆動輪回転角であり、その値は、駆動輪１２が段差に接触した時点でゼロになる。
【０１５３】
そして、段差抵抗トルクτD の値は、図２２に示されるように変化する。すなわち、駆動輪１２が段差に接触した時点で最大値であるτD,Max となり、昇段中に徐々に減少し、昇段を終了した時点で最小値であるゼロになる。
【０１５４】
また、図２３に示されるように、段差が下り、すなわち、降段である場合、最大段差抵抗トルクτD,Max 及び段差昇降抵抗率ξは、次の式（１４）及び（１５）で表される。なお、図２３においても、Ｘは段差検出時における段差までの距離であり、Ｈは段差の高さであるが、降段の場合、Ｈはゼロ未満、すなわち、マイナスとなる。
【０１５５】
【数１１】
【０１５６】
そして、段差抵抗トルクτD の値は、図２４に示されるように変化する。すなわち、駆動輪１２が段差に接触した時点で最小値であるゼロであり、降段中に徐々に減少し、降段を終了する時点の直前で最大値であるτD,Max となる。
【０１５７】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−２４）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１５８】
このように、段差昇降トルクの決定処理においては、段差の高さＨに応じて段差抵抗トルクτD の大きさを変えるようになっている。つまり、段差の高さＨの値が大きいほど段差抵抗トルクτD の値を大きくする。
【０１５９】
また、車両１０の段差昇降状態に応じて段差抵抗トルクτD の大きさを変えるようになっている。つまり、駆動輪回転角θW から車両１０の昇降状態を推定し、段差昇降抵抗率ξの値を変化させる。これにより、車両１０の速度変化にも対応することができる。
【０１６０】
具体的には、段差を上る場合、すなわち、段差の高さＨがゼロ以上の場合、駆動輪回転角θW の増加とともに、段差抵抗トルクτD （段差昇降抵抗率ξ）を減少させる。これは、段差を上るにつれて、車両１０を支持するために必要な駆動トルクが減少するからである。
【０１６１】
一方、段差を下る場合、すなわち、段差の高さＨがゼロ未満の場合、駆動輪回転角θW の増加とともに、段差抵抗トルクτD （段差昇降抵抗率ξ）を増加させる。これは、段差を下るにつれて、車両１０を支持するために必要な駆動トルクが増加するからである。
【０１６２】
これにより、段差昇降時における車両１０の走行状態を安定的に制御することができる。
【０１６３】
なお、本実施の形態においては、車両１０の前方に位置する段差に前進して突入した場合についてのみ説明したが、車両１０の後方に位置する段差に後進して突入した場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０１６４】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に距離センサ７１を使用しない場合について説明したが、車両１０の段差昇降状態をより正確に把握するために、距離センサ７１の計測値を利用することもできる。これにより、駆動輪１２がスリップしても安定した制御を行うことが可能となる。
【０１６５】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降抵抗率ξの決定式に不連続な関数を使用した場合について説明したが、不連続部分を連続に修正した関数を使用することもできる。また、不連続部分における制御のチャタリング又は車両動作のハンチングを防止するために、ヒステリシス制御（例えば、２つの閾値を設定し、駆動輪１２の回転方向に応じて閾値を変える制御）を導入してもよい。
【０１６６】
さらに、本実施の形態においては、非線形の力学モデルに基づく決定式を使用した場合について説明したが、簡略化のために、線形近似した式を使用してもよい。また、駆動輪１２の変形、転がり摩擦、スリップ条件等を考慮した、より高度な決定式を使用してもよい。
【０１６７】
このように、本実施の形態においては、車両１０の進行方向の段差を距離センサ７１によって検出し、該距離センサ７１によって計測した段差の位置及び高さＨ並びに駆動輪回転角θW に応じて、段差昇降トルクτC の値を変化させるようになっている。したがって、段差の昇降時にも車体の倒立姿勢を安定に保つことができる。これにより、車両１０は、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１６８】
なお、本実施の形態においては、２つの距離センサ７１によって段差の検出、並びに、段差の位置及び高さＨを計測した場合について説明したが、他の装置や方法を使用することもできる。例えば、カメラによって車両１０の進行方向の画像を取得し、取得した画像を解析することによって、段差の検出、並びに、段差の位置及び高さＨを計測してもよい。また、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して車両１０の位置を取得する車両位置取得システムと、路面と段差に関する情報を含む地図データとに基づいて、車両１０の周囲に存在する段差の情報を取得してもよい。
【０１６９】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１７０】
図２６は本発明の第４の実施の形態における段差昇降度の変化を示す図、図２７は本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルク追加量の変化を示す図であり、両図では段差を乗り上げる時の時間変化の一例を示している。また、図２８は本発明の第４の実施の形態におけるトルク追加率の変化を示す図、図２９は本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１７１】
車両１０が段差を上るときや下るとき、車両が段差を上りきらずに下ってしまったり、段差を下りきらずに上ってしまったりすることがある。このような車両１０の折り返し動作は、段差の昇降中に、乗員１５がジョイスティック３１によって逆方向への走行や急な加減速を指令するような不適切な操作が行われたり、段差抵抗トルクτD の推定値と実際の値との差が大きかったり、車体の姿勢制御に必要な駆動トルクが走行状態に大きく影響したりすることによって起こる。そして、この折り返し動作に伴い、車両１０が不必要に加減速したり、車体が大きく傾いたりしてしまうことがある。
【０１７２】
そこで、本実施の形態においては、段差昇降途中での折り返し動作を防止するための制御を行う。具体的には、車両制御装置としての制御ＥＣＵ２０は、段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段と、段差抵抗トルクの推定値に基づいて段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段とを備える。該昇降状態判定手段は、段差抵抗トルクτD の推定値が所定の２つの閾値で定義される範囲から外れた場合に段差昇降途中であると判断する。そして、段差昇降途中において、駆動輪回転角速度が段差進入のときに比べて所定の割合よりも低下したときには段差昇降τC を追加する。また、段差昇降途中においては、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するジョイスティック３１の操作量の変化を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する。
【０１７３】
これにより、段差の昇降途中における折り返し動作を防ぎ、段差の昇降を確実に実行することができる。また、段差の昇降途中でも、車両１０の走行状態や車体の姿勢を安定に保つことができ、段差のある場所でも安全に、かつ、快適に走行することができる。
【０１７４】
なお、本実施の形態においては、段差昇降途中において、（ａ）駆動輪回転角速度が段差進入のときよりも小さいときには段差昇降トルクτC を追加する制御、及び、（ｂ）ジョイスティック３１の操作量を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御の両方を実行する場合について説明するが、前記（ａ）の制御と前記（ｂ）の制御のいずれか一方のみを実行することもできる。
【０１７５】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、ここでは、段差昇降トルクの決定処理及び目標走行状態の決定処理についてのみ説明する。
【０１７６】
まず、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１７７】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ２−３１）。この場合、前記第１の実施の形態と同様に、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、前記式（１）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【０１７８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降度βを決定する（ステップＳ２−３２）。この場合、段差抵抗トルクτD の時間履歴に基づき、次の式（１６）及び（１７）により、段差昇降度βを決定する。該段差昇降度βは、車両１０が段差昇降中であるか否かを示す指標であり、β＝０は段差昇降中でないことを示し、β＝１は段差昇降中であることを示している。なお、ここでは、説明の都合上、段差を上がる場合についてのみ説明し、段差を下がる場合についての説明は省略するが、段差を下がる場合の制御処理も段差を上がる場合の制御処理と同様である。
【０１７９】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD が図２６（ａ）に示されるように変化するとき、段差昇降度βの値を図２６（ｂ）に示されるように変化させる。なお、図２６（ａ）及び（ｂ）の横軸である時間軸は互いに対応しており、双方の軸上の同位置は同時刻を表す。
【０１８０】
まず、段差昇降開始条件として、段差昇降度βがβ＝０であり、かつ、段差抵抗トルクの推定値τD がτD ≧τD0,MaxあるいはτD ≦τD0,Minを満足するとき、段差昇降を開始したと判定する。ここで、τD0,Max及びτD0,Minは、段差昇降状態にないと判定する段差抵抗トルク推定値の上限及び下限を定義する閾値である。
【０１８１】
そして、段差昇降開始条件が満たされた時刻をｔS とすると、段差昇降度βは次の式（１６）で表される。
【０１８２】
【数１２】
【０１８３】
また、段差昇降終了条件として、段差昇降度βがβ＞０であり、かつ、段差抵抗トルクの推定値τD がτD0,Min＜τD ＜D0,Maxを満足するとき、段差昇降を終了したと判定する。そして、段差昇降終了条件が満たされた時刻をｔE とすると、段差昇降度βは次の式（１７）で表される。
【０１８４】
【数１３】
【０１８５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差抵抗トルクの推定値τD に基づいて、車両１０が段差昇降状態にあるか否かを判断する。具体的には、段差抵抗トルクτD を２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minと比較して段差昇降状態を判断する。
【０１８６】
まず、車両１０が段差を昇降していない状態、すなわち、非段差昇降状態（β＝０）において、段差抵抗トルクの推定値τD がτD ≧τD0,Max又はτD ≦τD0,Minである場合、段差昇降を開始したと判断して、段差昇降度βの値を０から１に遷移させる。また、車両１０が段差を昇降中である状態、すなわち、段差昇降状態（β＝１）において、τD0,Min＜τD ＜D0,Maxである場合、段差昇降を終了したと判断して段差昇降度βの値を１から０に遷移させる。このように、２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minによって非段差昇降状態と判定する段差抵抗トルクの推定値τD に幅を持たせることによって、外乱等に伴う微小な段差抵抗トルクの推定値τD に対する誤認識を防止することができる。
【０１８７】
また、非段差昇降状態（β＝０）と段差昇降状態（β＝１）との間に遷移状態（０＜β＜１）を設け、両状態間の遷移を滑らかに実行する。すなわち、段差昇降度βを所定の状態遷移時間Δｔtrで線形に遷移させる。本実施の形態で実行する折り返し動作防止の制御のように、段差昇降度βに基づいて両状態間の遷移に適応する制御の切替を実行する場合、これによって制御の切替が滑らかになり、走行状態や車体姿勢の急激な変化を防止することができる。
【０１８８】
さらに、段差昇降終了の判断に対して段差昇降終了時間遅れΔｔdel を与えて、段差昇降状態から非段差昇降状態への遷移開始を意図的に遅延させる。すなわち、段差昇降終了条件が満たされてから、段差昇降終了時間遅れΔｔdel （＝所定時間）が経過するまで、段差昇降度βの値を減少させないようにする（＝目標値の固定を解除しない）。なお、段差昇降終了時間遅れΔｔdel は、段差昇降終了時における車両１０の走行速度で所定の段差離脱距離ΔＸE を走行するのに要する時間とする。つまり、Δｔdel は車両の走行速度に応じて決定され、車両１０の走行速度が低いほど、段差昇降終了時間遅れΔｔdel を長くする。車両１０が段差からある程度離れるまで、折り返し動作防止の制御を続行することによって、段差昇降終了判定の直後に再び段差に向かうこと、すなわち、段差を上がり切った直後に同じ段差を下がることを防止することができる。
【０１８９】
さらに、段差昇降終了の判断の後、一定時間が経過するまでは、段差昇降再開始の判断を行わない。すなわち、段差昇降度βがβ＞０の場合には、段差昇降度βがβ＝０に戻らないと次の段差昇降再開始の判断を行わない。これによって、折り返し動作防止の制御が短い周期で断続的に実行されるのを防止することができる。
【０１９０】
一方、段差昇降度βがβ＜１の場合には、常に段差終了の判断を行う。これによって、誤った判定で増加した段差昇降度βを素早くβ＝０に戻し、不必要な折り返し動作防止の制御が実行されるのを防止することができる。
【０１９１】
なお、本実施の形態においては、段差昇降終了時における駆動輪回転角速度に基づく段差昇降終了時間遅れΔｔdel によって間接的に段差離脱距離ΔＸE を考慮する例について説明したが、段差離脱距離ΔＸE をより直接的に考慮することもできる。例えば、段差昇降終了後に所定の駆動輪回転角増加量が計測されるまで、段差昇降度βを減少させないようにしてもよい。これにより、段差昇降終了を判断した時に車両１０の走行速度が低い場合であっても、非段差昇降状態への遷移を適切に設定することができる。
【０１９２】
また、本実施の形態においては、非段差昇降状態と段差昇降状態との間の遷移を、段差昇降度βについての線形の関数を用いて実現させているが、線形の関数に代えて非線形の関数を用いることによって、より滑らかな遷移を実現させてもよい。
【０１９３】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降状態の判断に使用する２つの閾値τD0,Max及びτD0,Minにあらかじめ所定の値を与えているが、この値を適宜修正してもよい。例えば、段差抵抗トルクτD の推定値の時間履歴における統計学的特性量に基づいて、前記２つの閾値を自動的に修正してもよい。
【０１９４】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ２−３３）。この場合、段差抵抗トルクτD に基づいて、次の式（１８）により段差昇降トルクτC を決定する。
τC ＝τD ＋ΔτC ・・・式（１８）
ここで、ΔτC は、段差昇降トルク追加量であり、段差昇降度βと駆動輪回転角速度とに基づいて決定される。
【０１９５】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD 及び段差昇降度βの値が図２７（ａ）及び（ｂ）に示されるように変化するとき、駆動輪回転角速度の変化に対する段差昇降トルク追加量ΔτC を図２７（ｃ）に示されるように設定する。なお、図２７の横軸である時間軸は互いに対応しており、各横軸上の同位置は同時刻を表す。また、図２７（ａ）及び（ｂ）は、図２６（ａ）及び（ｂ）と同じ図である。
【０１９６】
具体的には、段差昇降トルク追加量ΔτC は、次の式（１９）により決定される。
【０１９７】
【数１４】
【０１９８】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降途中での折り返し動作を防止するような駆動トルクを段差抵抗トルクτD に加算して、段差昇降トルクτC を決定する。
【０１９９】
すなわち、段差昇降中において、車両１０の走行速度が、段差昇降開始時の車両１０の走行速度を大きく下回った場合、段差昇降を補助する方向に段差昇降トルク追加量ΔτC を追加する。具体的には、段差昇降中の駆動輪回転角速度を段差昇降開始時の駆動輪回転角速度と比較し、両者の比νが所定の閾値であるトルク追加開始速度率νlim を下回った場合、その差に比例した段差昇降トルク追加量ΔτC を加算する。
【０２００】
なお、図２７（ｃ）では、点線で示される段差昇降中の駆動輪回転角速度が、段差昇降開始時の駆動輪回転角速度にトルク追加開始速度率νlim を乗じた値を下回った場合に、実線で示される段差昇降トルク追加量ΔτC が追加されることを表している。
【０２０１】
加えて、該段差昇降トルク追加量ΔτC を、所定の上限値である最大トルク追加量ΔτC,Max で制限する。これにより、駆動トルクの過剰な付加による車体姿勢制御への悪影響を抑える。
【０２０２】
このように、車両１０の走行速度の低下を適切に判断し、それに応じた段差昇降トルク追加量ΔτC を段差抵抗トルクτD に加算して、段差昇降トルクτC を決定する。
【０２０３】
また、段差昇降度βに応じて段差昇降トルク追加量ΔτC を決定する。具体的には、段差昇降開始の判断の後、段差昇降度βとともに、段差昇降トルク追加量ΔτC の基準値（ν＜ν1 における段差昇降トルク追加量ΔτC ）を線形に増加させる。これにより、非段差昇降状態と段差昇降状態との間の遷移に伴う段差昇降トルクτC 、及び、走行状態や車体姿勢の急激な変化を防止することができる。
【０２０４】
さらに、段差昇降終了の判断の後、所定の時間、すなわち、段差昇降終了時間遅れΔｔdel が経過するまでは、段差昇降度βとともに段差昇降トルク追加量ΔτC の基準値を一定とし、その後、線形に減少させる。これにより、段差昇降トルク追加量ΔτC の追加をある程度継続して、車両１０を段差から確実に離脱させることができる。
【０２０５】
なお、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値とは無関係にあらかじめ設定された所定値を最大トルク追加量ΔτC,Max としているが、該最大トルク追加量ΔτC,Max の値を段差抵抗トルクτD の推定値に応じて変化させることもできる。例えば、段差抵抗トルクτD の推定値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記推定値に所定の係数を乗じた値を最大トルク追加量ΔτC,Max とすることによって、より適切な段差昇降トルク追加量ΔτC の追加を行うことができる。
【０２０６】
また、本実施の形態においては、段差昇降終了時間遅れΔｔdel によって段差近傍からの車両１０の確実な離脱を実現しているが、段差昇降終了後に所定の駆動輪回転角増加量が計測されるまで、段差昇降トルク追加量ΔτC の追加を終了しないようにしてもよい。これにより、段差昇降終了を判断した時に車両１０の走行速度が極端に低い場合であっても、車両１０を段差から確実に離脱させることができる。
【０２０７】
次に、本実施の形態における目標走行状態の決定処理について説明する。
【０２０８】
図３０は本発明の第４の実施の形態における目標車両加速度の変化を示す図であり、段差を乗り上げる時の時間変化の一例を示している。また、図３１は本発明の第４の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０２０９】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ３−３１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【０２１０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量及び段差昇降度βに基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−３２）。この場合、次の式（２１）により、車両加速度の目標値α* を決定する。
【０２１１】
【数１５】
【０２１２】
例えば、車両１０がある段差を上り、段差抵抗トルクの推定値τD 及び修正段差昇降度の値が図３０（ａ）及び（ｂ）に示されるように変化するとき、ジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値αd * の変化に対する車両加速度の目標値α* は図３１（ｃ）に示すように設定される。なお、図３１の横軸である時間軸は互いに対応しており、各横軸上の同位置は同時刻を表す。また、図３１（ａ）は、図２６（ａ）と同じ図である。
【０２１３】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降動作中、乗員１５によるジョイスティック３１の操作を無視し、車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する。図３０（ｃ）では、点線が段差昇降動作中のジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値を示している。
【０２１４】
そして、段差昇降終了の判断の後、車両加速度の目標値を、ジョイスティック３１の操作量に応じて決定される車両加速度の目標値に徐々に近付ける。この場合、段差抵抗トルクτD の推定値に基づいて段差昇降を終了したと判断し、さらに、所定の時間、すなわち、段差昇降終了時間遅れΔｔdel が経過した後、減少する段差昇降度βに応じて、車両加速度の目標値を、段差昇降開始時における車両加速度の目標値からジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値へ、所定の状態遷移時間Δｔtrで近付ける。これにより、車両加速度の目標値の急激な変化に伴う走行状態及び車体姿勢の急激な変化を防止することができるとともに、段差昇降終了直後における乗員１５の不適切なジョイスティック３１の操作に起因する同じ段差への再進入を防止することができる。
【０２１５】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【０２１６】
なお、本実施の形態においては、段差昇降開始の判断の後、乗員１５のいかなるジョイスティック３１の操作も無視して車両加速度の目標値を固定した例について説明したが、ジョイスティック３１の特定の操作に対しては、車両加速度の目標値の固定を解除し、ジョイスティック３１の操作量に応じて車両加速度の目標値を決定してもよい。例えば、ジョイスティック３１の操作量に応じた車両加速度の目標値が所定の負の閾値よりも小さい場合、乗員１５が段差昇降の中断を要求しているものと判断し、車両加速度の目標値の固定を解除し、ジョイスティック３１の操作量に応じて車両加速度の目標値を決定してもよい。これにより、例えば、緊急時における乗員１５の特殊な危険回避操作を感知し、適切な走行状態を実現することができる。
【０２１７】
また、本実施の形態においては、車両速度（駆動輪回転角速度）やその目標値と無関係に車両加速度の目標値を固定した例について説明したが、車両速度やその目標値及びジョイスティック３１の操作量に応じて、車両加速度の目標値の固定を解除してもよい。例えば、駆動輪回転角速度やその目標値が所定の閾値より低く、段差昇降中に車両加速度の目標値を増加させるようなジョイスティック３１の操作が行われた場合、該ジョイスティック３１の操作量に応じた値を車両加速度の目標値として決定してもよい。これにより、段差昇降動作をより確実に完遂することができる。
【０２１８】
さらに、本実施の形態においては、段差昇降開始時の車両加速度の目標値がいかなる値であってもその値に固定した例について説明したが、その値と異なる値に固定してもよい。例えば、車両速度（駆動輪回転角速度）やその目標値が所定の閾値より低い場合、段差昇降開始時の車両加速度の目標値に対し、所定の負の値又はゼロを下限値として、その後の車両加速度の目標値の固定値を制限してもよい。また、例えば、段差昇降動作中に、固定された負の車両加速度の目標値によって車両速度の目標値が所定の正の閾値を下回った場合、車両加速度の目標値をゼロとして、車両速度の目標値を前記閾値に固定するようにしてもよい。これにより、車両速度が極端に低下することを避け、段差昇降途中での折り返し動作をより確実に防止することができる。
【０２１９】
さらに、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値によって段差昇降状態を判断し、段差昇降トルクτC を追加する制御及び車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御を実行する例について説明したが、前記第３の実施の形態において説明したように距離センサ７１等の段差計測センサを使用し、該段差計測センサの計測結果に基づいて、段差昇降トルクτC を追加する制御及び車両加速度の目標値を段差進入直前の値に固定する制御を実行してもよい。
【０２２０】
さらに、本実施の形態においては、車両１０の前方に位置する段差に前進して突入した場合についてのみ説明したが、車両１０の後方に位置する段差に後進して突入した場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０２２１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第２の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり段差手前で段差を検出している状態を示す図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における車両の段差の昇降における動作を示す概略図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態における上りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態における上りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態における下りの段差を測定するときの幾何学的条件を示す図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態における下りの段差の段差昇降抵抗率の変化を示す図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２６】本発明の第４の実施の形態における段差昇降度の変化を示す図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルク追加量の変化を示す図である。
【図２８】本発明の第４の実施の形態におけるトルク追加率の変化を示す図である。
【図２９】本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図３０】本発明の第４の実施の形態における目標車両加速度の変化を示す図である。
【図３１】本発明の第４の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２２３】
１０ 車両
１２ 駆動輪
２０ 制御ＥＣＵ
３０ 入力装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、
走行指令を入力する入力装置と、
該入力装置から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定することを特徴とする車両。
【請求項２】
前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときに、前記車体の姿勢によって前記段差による抵抗である段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段を備え、前記段差抵抗トルクに応じて前記駆動トルクを制御する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車両制御装置は、前記段差抵抗トルクの推定値に基づいて前記段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段を備え、
該昇降状態判断手段は、前記段差抵抗トルクの推定値が所定の閾値以上である場合に、前記段差の昇降途中であると判断する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記車両制御装置は、前記車両加速度の目標値を前記段差への進入直前の値に固定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両。
【請求項５】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を開始したと判断したら前記車両加速度の目標値を固定する請求項３に記載の車両。
【請求項６】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した後、前記車両加速度の目標値と前記走行指令に応じて決定される車両加速度の目標値との差を、時間経過に伴い小さくする請求項３又は５に記載の車両。
【請求項７】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断してから所定時間後に前記目標値の固定を解除する請求項５又は６に記載の車両。
【請求項８】
前記所定時間は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時の前記駆動輪の回転角速度に応じて決定される請求項７に記載の車両。
【請求項１】
車体と、
該車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、
走行指令を入力する入力装置と、
該入力装置から入力された走行指令に基づき、前記駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
該車両制御装置は、路面の段差の昇降途中では、前記走行指令に係わらず車両加速度の目標値を固定することを特徴とする車両。
【請求項２】
前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときに、前記車体の姿勢によって前記段差による抵抗である段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段を備え、前記段差抵抗トルクに応じて前記駆動トルクを制御する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車両制御装置は、前記段差抵抗トルクの推定値に基づいて前記段差の昇降状態を判断する昇降状態判断手段を備え、
該昇降状態判断手段は、前記段差抵抗トルクの推定値が所定の閾値以上である場合に、前記段差の昇降途中であると判断する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記車両制御装置は、前記車両加速度の目標値を前記段差への進入直前の値に固定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両。
【請求項５】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を開始したと判断したら前記車両加速度の目標値を固定する請求項３に記載の車両。
【請求項６】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した後、前記車両加速度の目標値と前記走行指令に応じて決定される車両加速度の目標値との差を、時間経過に伴い小さくする請求項３又は５に記載の車両。
【請求項７】
前記車両制御装置は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断してから所定時間後に前記目標値の固定を解除する請求項５又は６に記載の車両。
【請求項８】
前記所定時間は、前記昇降状態判断手段が段差の昇降を終了したと判断した時の前記駆動輪の回転角速度に応じて決定される請求項７に記載の車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２００９−２２０５８８（Ｐ２００９−２２０５８８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４４５０５（Ｐ２００８−４４５０５）
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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