車両
【課題】段差昇降時における車両加速度の限界値を適切に評価し、その限界値で車両加速度の目標値を制限することによって、高い段差に進入した場合であっても常に安定した車両動作を維持することができ、高い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、該駆動輪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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限する。
【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、該駆動輪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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限する。
【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、運転者が段差を上るように指令したが段差が高くて上りきれなかった場合や、急加速しながら段差を上ったり急減速しながら段差を下ったりするような動作を運転者が指令した場合に、車体が大きく傾いたり、運転者が不自然に感じるような車両の加減速が生じたりすることがある。このとき、運転者は、これらの動作を不快に感じたり、車両の安定性や安全性について不安に感じたりする可能性がある。
【０００５】
このような現象が発生する原因として、車両加速度目標値の上限値や下限値を路面の状態に依らない一定な値とし、段差による車両の加減速性能への影響を考慮していないことが考えられる。
【０００６】
また、この問題を解決する手段の一つとして、例えば段差が高くて上りきれなかった場合に、通常走行時の制御方法から別の特別な制御方法に切り換える方法があるが、制御方法の切り換え時に運転者に与える違和感、制御アルゴリズム及びプログラムの煩雑化、制御方法を切り換える閾（しきい）値付近で断続的に切換が繰り返される現象の発生などが問題になることが多い。そのため、できる限り簡単で安定した制御方法によって、車体姿勢と走行状態の安定制御を実現することが望ましい。
【０００７】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、段差昇降時における車両加速度の限界値を適切に評価して、その限界値で車両加速度の目標値を制限することによって、高い段差に進入した場合であっても常に安定した車両動作を維持することができ、高い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】
【０００８】
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、該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限する。
【０００９】
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、前記段差による抵抗である段差抵抗トルクに応じて決定される前記車両加速度の限界値に応じて、車両加速度の目標値を制限する。
【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、前記段差を昇降するときの車両走行制御の限界と車体姿勢制御の限界とに基づいて前記車両加速度の限界値を決定する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、前記車両制御装置は、前記能動重量部の移動限界位置に応じて前記車両加速度の限界値を決定する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、段差を昇降するときに車両加速度の目標値を制限することで、例えばとても高い段差を加速しながら通過するというような、実現不可能な目標走行状態が設定されることが無くなり、適切な目標に対する制御によって安定した車両動作を維持することができる。例えば、減速しながら段差を上っていくことになったり、段差を上りきれずに折り返すことになった場合でも、安定した車両動作を維持することができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、段差抵抗トルクを考慮することで、より適切に車両加速度目標値を制限することができる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、車両走行制御と車体姿勢制御の限界を考慮することで、より正確に車両加速度の限界を決定することで、車両の走行状態や車体の姿勢を確実に安定状態に保つのと共に、車両の段差昇降性能を最大限に発揮することができる。
【００１５】
請求項４の構成によれば、必要な車体重心の移動量を、車体の傾斜を伴うことなく達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
「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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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〕
【００５１】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
【数１】
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【００７０】
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。
【００７１】
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 とに基づき、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。
【００７２】
【数２】
【００７３】
【数３】
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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、更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、更に車体を後方へ傾ける。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
【数４】
【００８５】
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。
【００８６】
【数５】
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
【数６】
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
【数７】
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
【数８】
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
【数９】
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
【数１０】
【０１４９】
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（相対駆動輪回転角）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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
【数１１】
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
図２６は本発明の第４の実施の形態における段差乗り上げ時の車体と段差の幾何学的関係を示す図、図２７は本発明の第４の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１６８】
車両１０が高い段差を上り下りする場合、段差が高すぎて上りきれなかった場合、急加速しながら段差を上ったり急減速しながら段差を下ったりするような動作を乗員１５がジョイスティック３１によって指令した場合などにおいて、車体が大きく傾いたり、乗員１５が不自然と感じるような車両１０の加減速が生じたりすることがある。
【０１６９】
このような現象は、乗員１５がジョイスティック３１によって要求する車両加速度の目標値が、その限界を超えた値、すなわち、実現不能な値である場合、想定される車両１０の状態と実際の車両１０の状態との差が大きくなり、実際の状態に適した車両走行状態及び車体姿勢の制御が実行されない場合に発生する。
【０１７０】
また、車両加速度の限界値は、車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界とによって決定され、それぞれの限界は段差に応じて変化する。車両走行性能の限界は、段差の昇降又は加減速に必要な駆動トルクの限界値に相当し、車両走行性能の限界に基づく車両加速度の限界値は、段差抵抗トルクに応じて変化する。また、車体姿勢制御の限界は、段差の昇降又は加減速に必要な駆動トルクに伴って車体に作用する反トルク、及び、加減速に伴って車体に作用する慣性力に対して、車体姿勢を保持するために必要な車体重心移動量（車体傾斜角と能動重量部移動量）の限界に相当し、車体姿勢制御の限界に基づく車両加速度の限界値は、段差抵抗トルク及び段差高さに応じて変化する。
【０１７１】
例えば、高い段差を上がる場合、大きな段差抵抗トルクに比べて駆動モータ５２の最大トルクが低い場合、駆動モータ５２が最大トルクを発生させても、車両１０は減速する。すなわち、車両加速度は、車両走行性能の限界により、ある負の値を上限として制限される。また、大きな段差抵抗トルクに対抗する段差昇降トルクを発生させたとき、その反作用として車体に作用する反トルクを打ち消すために、車体の重心を前方に大きく移動させる必要があるが、能動重量部の前方への移動量には車体構造上の限界があり、また、車体の前方への傾斜は路面との接触を回避するために制限される。特に、段差が高い場合には、その段差との接触を避ける必要があるため、車体傾斜はより厳しく制限される。したがって、車体の重心移動による重力トルクだけではなく、車両１０を減速させ、減速に伴う慣性力によって反トルクに対抗する必要がある。すなわち、車両加速度は、車体姿勢制御の限界により、ある負の値を上限として制限される。
【０１７２】
したがって、高い段差の昇降時においても安定した車両動作を実現するためには、段差によって複雑に変化する車両加速度の限界値を適切に評価し、その限界値により車両加速度の目標値を適切に制限する必要がある。
【０１７３】
そこで、本実施の形態では、段差昇降時において、段差抵抗トルクに基づいて車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界を評価し、それらに応じて車両加速度の限界値を決定し、その限界値で車両加速度の目標値を制限する。なお、車体姿勢制御の限界を評価するときには、段差の存在による車体傾斜角可変域の変化を考慮する。
【０１７４】
これにより、車両１０が高い段差に進入した場合であっても、常に安定した車両動作を維持することができ、乗員１５にとって安全で快適な走行を実現することができる。
【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、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、目標走行状態の決定処理についてのみ説明する。
【０１７６】
まず、主制御ＥＣＵ２１は、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。
【０１７７】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量及び段差抵抗トルクに基づいて、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（１６）により、車両加速度の目標値α* を決定する。
【０１７８】
【数１２】
【０１７９】
また、αMax 及びαMin は、それぞれ、車両加速度の上限値及び下限値であり、次の式（１７）及び（１８）により決定される。
【０１８０】
【数１３】
【０１８１】
【数１４】
【０１８２】
一方、前記式（１７）及び式（１８）における第２式及び第３式の条件式は、二つの許容範囲に重複域が存在しない、すなわち、二つの安定制御の両立が不可能である条件を意味する。この条件を満足する場合には、車体姿勢制御の限界の方を重視し、車体姿勢制御の限界に基づく許容範囲内で、かつ、車両走行性能の限界に基づく許容範囲に最も近い値を最適値と判断し、車両加速度の上限値と下限値を共にその最適値に設定することで、車両加速度の目標値を自動的に最適値に設定する。
【０１８３】
車両走行性能の限界に基づく車両加速度の上限値αMax,W 及び下限値αMin,W は、それぞれ、次の式（１９）及び（２０）により決定される。
【０１８４】
【数１５】
【０１８５】
なお、前記式（１９）及び（２０）における右辺第２項が車両走行性能へ段差が及ぼす影響を表す。段差抵抗トルクτD が正である場合、すなわち、前方の段差を上るときには、段差抵抗トルクτD の大きさに応じて車両加速度の上限値αMax,W と下限値αMin,W を共に低くし、段差抵抗トルクτD が負である場合、すなわち、前方の段差を下るときには、段差抵抗トルクτD の大きさに応じて車両加速度の上限値αMax,W と下限値αMin,W を共に高くする。
【０１８６】
【数１６】
【０１８７】
また、Δθ1,f 及びΔθ1,b は、それぞれ、段差による前方車体傾斜角制限量及び後方車体傾斜角制限量であり、段差の無い路面における最大車体傾斜角と、段差昇降時に上段側の面に車体の下端が接触する車体傾斜角との差で定義される。すなわち、どの程度車体傾斜を抑えれば車体が段差に接触しないか、その車体傾斜角の低減量を表す。これらの値は幾何学的条件によって決定され、例えば、次の式（２５）及び（２６）のように表される。
【０１８８】
【数１７】
【０１８９】
ここで、ｈは実質段差高さであり、段差昇降途中における駆動輪の底面（路面に平行で、駆動輪の下側で接する平面）と段差上面との距離を表す。また、ｌは車体傾斜中心から路面接触点までの距離であり、車体傾斜中心である車軸から、実際に車体が傾いたときに段差に最初に接触する車体表面の点までの距離（車軸に平行な方向の成分を除く）を表す。なお、図２６に示される例において、車両１０の搭乗部１４は、乗員１５の足を載置するステップ部１４ｄを備え、該ステップ部１４ｄの下端が路面接触点に相当する。なお、ｈは、段差抵抗トルクの値から推定することが可能であり、次の式（２７）により表される。
ｈ＝ＲW （１−ｃｏｓη） ・・・式（２７）
ここで、ηは仮想登坂角であり、次の式（２８）により表される。
【０１９０】
【数１８】
【０１９１】
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。
【０１９２】
なお、ここでは、車両１０の前方に位置する段差に前進して進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進入する場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０１９３】
このようにして、目標走行状態の決定処理において、車両加速度の目標値及び駆動輪回転角速度の目標値が決定されると、次に実行される目標車体姿勢の決定処理において、前記車両加速度の目標値に対応する車体姿勢の目標値、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が決定される。そして、次に実行されるアクチュエータ出力の決定処理において、目標走行状態の決定処理及び目標車体姿勢の決定処理において決定された各目標値を実現するのに必要なアクチュエータ、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力が決定される。
【０１９４】
以上の方法により、車両１０がいかなる段差昇降状態にあっても、段差の影響を考慮した車両加速度の限界値で車両加速度の目標値を適切に制限することで、車両１０の走行状態や車体姿勢を安定に保つことができる。例えば、乗員１５が段差を上るように指令したが、段差が非常に高くて上りきれなかった場合でも、安定した車両動作を維持することができる。
【０１９５】
以下に、本実施の形態による具体的な車両動作の例として、車両１０が緩やかに加速しながら高い段差に進入したが、駆動トルクの限界によって前記段差を上りきれなかった場合について説明する。
【０１９６】
図２８は本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の各状態量を示す図である。また、図２９は本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の段差昇降状態及び車体姿勢を示す図である。なお、図２８において、（ａ）は段差抵抗トルク、（ｂ）は車両加速度の目標値、（ｃ）は駆動輪回転角速度、（ｄ）は能動重量部位置の目標値を示す。また、図２９において、（ａ）〜（ｃ）は一連の動作を示す。
【０１９７】
本動作例では、車両１０が前進して段差に進入し、時刻ｔ＝ｔ1 で段差の乗り上げを開始し、時刻ｔ＝ｔ2 で最高地点に到達したが、駆動トルクの限界によってそれ以上前進することができずに降下を開始し、時刻ｔ＝ｔ3 で再び下段に着地するまでの動作を示す。なお、本動作例は、減速に伴う慣性力が車体に及ぼす影響が、駆動トルクの反トルクが車体に及ぼす影響に比べて小さく、かつ、そのときに必要な車体重心の移動量が、車体の傾斜を伴うことなく、能動重量部の移動のみで達成することができる場合を想定している。
【０１９８】
車両１０の駆動輪が段差に接触する前（ｔ＜ｔ1 ）、乗員１５が一定のジョイスティック入力量を与えることで、図２８（ｂ）に示すような一定の車両加速度の目標値α* ＝αd * が設定される。そして、その目標状態を実現するように駆動トルクが付加されることで、図２８（ｃ）に示すように、車両１０は一定の加速度で加速する。同時に、図２８ （ｄ）に示すように、車両加速度の目標値に応じて能動重量部位置の目標値を適切に設定することで、加速に伴う慣性力や反トルクを、能動重量部が前方に移動することで発生する重力トルクによって打ち消し、安定した車体姿勢を維持することができる。
【０１９９】
車両１０の駆動輪が段差に接触すると（ｔ＝ｔ1 ）、図２８（ａ）に示すように、段 差抵抗トルクが急激に上昇する。この段差抵抗トルクが駆動トルク最大値を上回ると、図２８（ｂ）に示すように、乗員１５が段差接触前から車両加速度αd * を指令し続けても、車両加速度の目標値は、車両走行性能の限界に基づく上限αMax によって制限され、α* ＝αMax ＜αd * となる。すなわち、乗員１５が加速を指令しても、主制御ＥＣＵ２１は車両１０の減速に相当する負の車両加速度の目標値を設定する。そして、図２８（ｃ）に示すように、その車両加速度の目標値と一致するように駆動トルクを発生させて駆動輪の減速を制御すると共に、図２８（ｄ）に示すように、減速を指令する車両加速度の目標値に応じて、その減速度に伴って車体を前方に傾けるように作用する慣性力を打ち消すように能動重量部を後方に移動させる能動重量部位置の目標値を設定する。このように、物理的に実現不可能な車両加速度αd * ではなく、実現可能な車両加速度αMax を目標値とすることで、通常走行時と同様に、適切な走行状態と車体姿勢の安定制御が自動的に実行される。
【０２００】
段差接触後、車両１０は、図２８（ｂ）及び図２８（ｃ）に示すように、車両走行性能の限界に基づいて制限された車両加速度の目標値α* ＝αMax に従って減速し、段差の乗り上げを完遂する前に一時的に停止した（ｔ＝ｔ2 ）後、駆動輪を逆方向に回転させながら段差を降下する。ちなみに、段差接触直後から段差抵抗トルクが徐々に減少しているのは、車両１０が段差を上るのに従って、実質的な段差高さ（乗り上げまでの残りの高さ）が小さくなるためである。
【０２０１】
車両１０が再び段差の下段に着地して段差から離れると（ｔ＝ｔ3 ）、図２８（ａ）に示すような段差抵抗トルクの低下に伴い、図２８（ｂ）に示すように車両加速度の上限値αMax が増加し、車両加速度の目標値の制限が緩和される。そして、乗員１５が要求する正の車両加速度の目標値αd * に再び従い、段差からの降下に伴う後方への車両速度を低減させるのと同時に、その目標値に従って、能動重量部を前方に動かすように能動重量部位置の目標値を決定する。
【０２０２】
このように、車両１０が段差を途中まで上った後に折り返して降下するような複雑な段差昇降状態においても、車両１０の走行状態と車体姿勢を安定に制御することができる。
【０２０３】
このような制御を実現する別の手段の一つとして、例えば、段差が高くて上りきれなかった場合に、通常走行時の制御方法から別の特別な制御方法に切り換える手段があるが、段差昇降可否の誤判定、制御方法の切り換え時に運転者に与える違和感、制御アルゴリズム及びプログラムの煩雑化、制御方法を切り換える閾値付近で断続的に切換が繰り返される現象の発生など、その制御手段を導入することにより発生する課題も多い。
【０２０４】
これに対して、本実施の形態は、車両１０のいかなる段差昇降状態においても、通常走行時の制御に目標車両加速度の適切な制限を加えるだけで、車両１０の走行状態と車体姿勢を安定に制御することができる、かつ、簡単でロバストな制御を実現している。
【０２０５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降時において、車両の段差昇降状態によって変化する車両加速度の限界値を正しく評価する。
【０２０６】
具体的には、段差抵抗トルクに基づいて、車両加速度上限値と下限値を決定する。これにより、段差が車両動作に及ぼす影響を考慮し、段差昇降状態に応じた車両加速度制限値を設定することができる。
【０２０７】
そして、車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界を考慮して、車両加速度限界値を決定する。すなわち、各々の限界について車両加速度限界値を求め、走行性能の限界及び車体姿勢制御の限界のうち、より厳しい条件の値を車両加速度段差昇降の限界値とする。具体的には、車両走行性能の限界による車両加速度上限値と車体姿勢制御の限界による車両加速度上限値を比較し、低い方を車両加速度上限値とする。また、車両走行性能の限界による車両加速度下限値と車体姿勢制御の限界による車両加速度下限値を比較し、高い方を車両加速度下限値とする。これにより、段差昇降中の走行状態と車体姿勢を安定に保つことが可能なように、車両加速度の制限値を設定することができる。
【０２０８】
さらに、駆動モータの駆動トルク限界である駆動トルク最大値と段差抵抗トルクに基づいて、車両走行性能の限界による車両加速度上限値と下限値を決定する。具体的には、段差の無い水平な路面上における車両加速度限界値（基準値）から、段差抵抗トルクに比例した量だけ減少させた値を、車両走行性能の限界に基づく車両加速度限界値とする。これにより、段差による走行性能限界の変化を考慮し、段差昇降時における車両加速度限界値を正しく評価することができる。
【０２０９】
例えば、段差を上るとき、上る段差が高いほど、加速が困難になるのと同時に減速が容易になる。また、段差の高さがある値よりも大きくなると、車両加速度上限値が負の値になる。すなわち、最大の駆動トルクを与えても車両は減速する。そして、段差進入時の車両速度が低いと、車両は、段差乗り上げ中に減速した結果、停止した後に後退を始める。本実施の形態では、このような現象及びそのメカニズムを車両加速度とその限界値に基づいて考慮することで、任意の段差昇降状態において、その走行状態と車体姿勢を安定に保つことを実現している。
【０２１０】
また、車体重心移動量の限界を決定する能動重量部移動量最大値と車体傾斜角最大値、車体傾斜トルクに関係する段差抵抗トルク、及び、段差による車体傾斜角制限量に基づいて、車体姿勢制御の限界による車両加速度上限値と下限値を決定する。具体的には、段差の無い水平な路面上における車両加速度限界値（基準値）から、段差抵抗トルクに比例した量だけ減少させた値を、車体姿勢制御の限界による車両加速度限界値とする。これにより、段差による姿勢制御限界の変化を考慮し、段差昇降時における車両加速度限界値を正しく評価することができる。
【０２１１】
加えて、段差の高さと車体下部形状に応じて、車体姿勢制御の限界による車両加速度限界値を修正する。具体的には、前方の上り段差に進入する場合、段差と車体との接触を避けるために、車体傾斜角上限値を車体傾斜角制限量だけ減少させ、その減少量に応じて車両加速度上限値も減少させる。また、前方の下り段差に侵入する場合、段差と車体との接触を避けるために、車体傾斜角下限値を車体傾斜角制限量だけ減少させ、その減少量に応じて車両加速度下限値も減少させる。なお、本実施の形態では、段差抵抗トルクの推定値に基づいて実質段差高さを推定し、それに基づいて段差接触回避に必要な車体傾斜角軽減量を求める。これにより、車体が段差と接触することを確実に防ぐことができる。
【０２１２】
例えば、段差を上るとき、段差抵抗トルクに対抗する段差昇降トルクを付加すると、その反トルクが車体に作用するので、これを打ち消すために車体重心を前方に移動させる必要がある。車体重心移動量は，搭乗部の可動域、及び、車体が路面に接触する傾斜限界によって制限されるため、段差昇降トルクが大きくなると、すなわち、上る段差が高いほど、車両が加速するため（加速に必要な駆動トルクの反作用と加速度に伴う慣性力を打ち消すため）に必要な車体重心移動許容量の余剰分が少なくなる。そして、段差の高さがある値よりも大きくなると、車体重心の移動が不十分になり、車体が後方に大きく傾いてしまう。そこで、車両を減速させ、車体を前方に傾けようとする慣性力を作用させることで、反トルクを打ち消して車体姿勢を安定に保つことができる。すなわち、高い段差を上るとき、車体姿勢保持のためには、車両加速度上限値を負の値で制限する必要がある。本実施例では、このような現象、及び、そのメカニズムを車両加速度とその限界値に基づいて考慮することで、任意の段差昇降状態において、その走行状態と車体姿勢を安定に保つことができる。
【０２１３】
そして、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降時において、車両加速度の目標値を適切に制限する。
【０２１４】
具体的には、段差抵抗トルクに応じて決定された車両加速度限界値によって、乗員の操縦装置操作量に応じた車両加速度の目標値を制限する。すなわち、乗員の要求する車両加速度が車両加速度上限値よりも高い場合には、車両加速度の目標値を車両加速度上限値とする。また、乗員の要求する車両加速度が車両加速度下限値よりも低い場合には、車両加速度の目標値を車両加速度下限値とする。これにより、車体姿勢を安定に保持できる範囲内で、乗員の要求に最も近い車両走行状態を実現することができる。
【０２１５】
また、車両走行性能の限界による車両加速度の制限条件と、車体姿勢制御の限界による車両加速度の制限条件のどちらか一方を満足できない場合には、完全制御不可と判断し、車体姿勢制御の限界による制限条件のみを考慮して、車両加速度の目標値を決定する。すなわち、車両走行性能の限界による車両加速度の上限値が車体姿勢制御の限界による車両加速度の下限値以下である場合には、車両加速度の目標値を車体姿勢制御の限界による車両加速度の下限値とする。また、車両走行性能の限界による車両加速度の下限値が車体姿勢制御の限界による車両加速度の上限値以上である場合には、車両加速度の目標値を車体姿勢制御の限界による車両加速度の上限値とする。これにより、特に高い段差の昇降時において、車体傾斜の乱れを最小限に抑えることができる。
【０２１６】
ここで、完全制御不可の状態は、駆動トルクによって調整することができる車両加速度の範囲において、能動重量部移動及び車体傾斜の限界によって、その加速度に伴う慣性力に対応できるような車体重心移動量を達成できない状態に相当する。言い換えれば、駆動トルクの限界によって、車体姿勢制御（重心位置制御）が対応できるような車両加速度を達成できない状態に相当する。例えば、車両がとても高い段差に接触した場合、段差接触と共に車両は急減速を余儀なくされ、限界まで車体重心を移動させても急減速に伴う慣性力の作用を打ち消すことができないときには、車体は前方に傾く。本実施の形態においては、このような状態において、車体姿勢制御の限界による車両加速度の限界値を車両加速度の目標値とすることで、車体姿勢制御の能力を最大限発揮させる。例えば、前述の例においては、車体重心を限界まで後方に移動させることで、前方への車体傾斜をできるだけ抑えることができる。
【０２１７】
なお、本実施の形態においては、乗員のジョイスティック操作量に基づいて乗員が要求する車両加速度の目標値を決定しており、ジョイスティック操作量を乗員要求車両加速度目標値に変換する関係式は車両の段差昇降状態に依らないが、この関係式自体を段差昇降状態又は車両加速度限界値によって変化させてもよい。例えば、ジョイスティックの前方への最大入力量を段差の影響を考慮した車両加速度上限値に、ジョイスティックの後方への最大入力量を同下限値に設定してもよい。これにより、乗員の要求する車両加速度目標値が常に許容範囲内にあるのと同時に、乗員が操縦できる自由度をより大きく確保することができる。
【０２１８】
また、本実施の形態においては、完全制御不可判定時において、姿勢制御を優先させるような目標車両加速度に決定することで車体姿勢の乱れを最小限に抑えているが、完全制御不可判定時に他の制御を実行あるいは追加してもよい。例えば、完全制御不可判定が所定時間以上継続した場合、警告音などによる乗員への危険状態の報知や車体接触防止用ストッパの突出による車体と路面との接触回避制御を実行してもよい。
【０２１９】
さらに、本実施の形態においては、段差による車体傾斜角制限量について、実質段差高さと車体傾斜中心から路面接触点までの距離との比によって評価しているが、より厳密な方法を用いてもよい。例えば、各段差高さに対して車体の一部が実際に接触する車体傾斜角を実際に計測し、あるいは、図面から求め、それによって得られた車体傾斜角制限量の関数をマップとしてあらかじめ具備し、それを用いて車体傾斜角制限量を決定してもよい。
【０２２０】
さらに、本実施の形態においては、段差による車体傾斜角制限量の決定に必要な実質段差高さを、段差抵抗トルクに基づいて理論的に推定しているが、段差を計測するセンサを有し、その計測値を用いて決定してもよい。また、その計測値に基づいて段差抵抗トルクの値を推定してもよい。さらに、上り段差進入時において、駆動輪が段差に接触する前に、センサの計測値に基づいて段差による車体傾斜角制限量を決定してもよい。これにより、車体を大きく前方に傾けて加速しながら上り段差に進入した場合に、駆動輪が段差に接触する前に車体が段差に接触することを防止することができる。
【０２２１】
さらに、本実施の形態においては、各条件に基づく車両加速度限界値を決定する際に線形の関数を用いているが、より厳密な非線形の関数を用いても良い。一方、実質段差高さを決定する際に非線形の関数を用いているが、それを近似した線形の関数を用いることで計算を簡単化してもよい。また、マップの形で非線形の関数を適用してもよい。
【０２２２】
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】
【０２２３】
【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乗り上げ時の車体と段差の幾何学的関係を示す図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２８】本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の各状態量を示す図である。
【図２９】本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の段差昇降状態及び車体姿勢を示す図である。
【符号の説明】
【０２２４】
１０ 車両
１２ 駆動輪
１４ 搭乗部
２０ 制御ＥＣＵ
【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、運転者が段差を上るように指令したが段差が高くて上りきれなかった場合や、急加速しながら段差を上ったり急減速しながら段差を下ったりするような動作を運転者が指令した場合に、車体が大きく傾いたり、運転者が不自然に感じるような車両の加減速が生じたりすることがある。このとき、運転者は、これらの動作を不快に感じたり、車両の安定性や安全性について不安に感じたりする可能性がある。
【０００５】
このような現象が発生する原因として、車両加速度目標値の上限値や下限値を路面の状態に依らない一定な値とし、段差による車両の加減速性能への影響を考慮していないことが考えられる。
【０００６】
また、この問題を解決する手段の一つとして、例えば段差が高くて上りきれなかった場合に、通常走行時の制御方法から別の特別な制御方法に切り換える方法があるが、制御方法の切り換え時に運転者に与える違和感、制御アルゴリズム及びプログラムの煩雑化、制御方法を切り換える閾（しきい）値付近で断続的に切換が繰り返される現象の発生などが問題になることが多い。そのため、できる限り簡単で安定した制御方法によって、車体姿勢と走行状態の安定制御を実現することが望ましい。
【０００７】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、段差昇降時における車両加速度の限界値を適切に評価して、その限界値で車両加速度の目標値を制限することによって、高い段差に進入した場合であっても常に安定した車両動作を維持することができ、高い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】
【０００８】
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、該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限する。
【０００９】
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、前記段差による抵抗である段差抵抗トルクに応じて決定される前記車両加速度の限界値に応じて、車両加速度の目標値を制限する。
【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、前記段差を昇降するときの車両走行制御の限界と車体姿勢制御の限界とに基づいて前記車両加速度の限界値を決定する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、前記車両制御装置は、前記能動重量部の移動限界位置に応じて前記車両加速度の限界値を決定する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、段差を昇降するときに車両加速度の目標値を制限することで、例えばとても高い段差を加速しながら通過するというような、実現不可能な目標走行状態が設定されることが無くなり、適切な目標に対する制御によって安定した車両動作を維持することができる。例えば、減速しながら段差を上っていくことになったり、段差を上りきれずに折り返すことになった場合でも、安定した車両動作を維持することができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、段差抵抗トルクを考慮することで、より適切に車両加速度目標値を制限することができる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、車両走行制御と車体姿勢制御の限界を考慮することで、より正確に車両加速度の限界を決定することで、車両の走行状態や車体の姿勢を確実に安定状態に保つのと共に、車両の段差昇降性能を最大限に発揮することができる。
【００１５】
請求項４の構成によれば、必要な車体重心の移動量を、車体の傾斜を伴うことなく達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
「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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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〕
【００５１】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
【数１】
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【００７０】
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。
【００７１】
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 とに基づき、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。
【００７２】
【数２】
【００７３】
【数３】
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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、更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、更に車体を後方へ傾ける。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
【数４】
【００８５】
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。
【００８６】
【数５】
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
【数６】
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
【数７】
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
【数８】
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
【数９】
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
【数１０】
【０１４９】
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（相対駆動輪回転角）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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
【数１１】
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
図２６は本発明の第４の実施の形態における段差乗り上げ時の車体と段差の幾何学的関係を示す図、図２７は本発明の第４の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１６８】
車両１０が高い段差を上り下りする場合、段差が高すぎて上りきれなかった場合、急加速しながら段差を上ったり急減速しながら段差を下ったりするような動作を乗員１５がジョイスティック３１によって指令した場合などにおいて、車体が大きく傾いたり、乗員１５が不自然と感じるような車両１０の加減速が生じたりすることがある。
【０１６９】
このような現象は、乗員１５がジョイスティック３１によって要求する車両加速度の目標値が、その限界を超えた値、すなわち、実現不能な値である場合、想定される車両１０の状態と実際の車両１０の状態との差が大きくなり、実際の状態に適した車両走行状態及び車体姿勢の制御が実行されない場合に発生する。
【０１７０】
また、車両加速度の限界値は、車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界とによって決定され、それぞれの限界は段差に応じて変化する。車両走行性能の限界は、段差の昇降又は加減速に必要な駆動トルクの限界値に相当し、車両走行性能の限界に基づく車両加速度の限界値は、段差抵抗トルクに応じて変化する。また、車体姿勢制御の限界は、段差の昇降又は加減速に必要な駆動トルクに伴って車体に作用する反トルク、及び、加減速に伴って車体に作用する慣性力に対して、車体姿勢を保持するために必要な車体重心移動量（車体傾斜角と能動重量部移動量）の限界に相当し、車体姿勢制御の限界に基づく車両加速度の限界値は、段差抵抗トルク及び段差高さに応じて変化する。
【０１７１】
例えば、高い段差を上がる場合、大きな段差抵抗トルクに比べて駆動モータ５２の最大トルクが低い場合、駆動モータ５２が最大トルクを発生させても、車両１０は減速する。すなわち、車両加速度は、車両走行性能の限界により、ある負の値を上限として制限される。また、大きな段差抵抗トルクに対抗する段差昇降トルクを発生させたとき、その反作用として車体に作用する反トルクを打ち消すために、車体の重心を前方に大きく移動させる必要があるが、能動重量部の前方への移動量には車体構造上の限界があり、また、車体の前方への傾斜は路面との接触を回避するために制限される。特に、段差が高い場合には、その段差との接触を避ける必要があるため、車体傾斜はより厳しく制限される。したがって、車体の重心移動による重力トルクだけではなく、車両１０を減速させ、減速に伴う慣性力によって反トルクに対抗する必要がある。すなわち、車両加速度は、車体姿勢制御の限界により、ある負の値を上限として制限される。
【０１７２】
したがって、高い段差の昇降時においても安定した車両動作を実現するためには、段差によって複雑に変化する車両加速度の限界値を適切に評価し、その限界値により車両加速度の目標値を適切に制限する必要がある。
【０１７３】
そこで、本実施の形態では、段差昇降時において、段差抵抗トルクに基づいて車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界を評価し、それらに応じて車両加速度の限界値を決定し、その限界値で車両加速度の目標値を制限する。なお、車体姿勢制御の限界を評価するときには、段差の存在による車体傾斜角可変域の変化を考慮する。
【０１７４】
これにより、車両１０が高い段差に進入した場合であっても、常に安定した車両動作を維持することができ、乗員１５にとって安全で快適な走行を実現することができる。
【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、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、目標走行状態の決定処理についてのみ説明する。
【０１７６】
まず、主制御ＥＣＵ２１は、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。
【０１７７】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量及び段差抵抗トルクに基づいて、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（１６）により、車両加速度の目標値α* を決定する。
【０１７８】
【数１２】
【０１７９】
また、αMax 及びαMin は、それぞれ、車両加速度の上限値及び下限値であり、次の式（１７）及び（１８）により決定される。
【０１８０】
【数１３】
【０１８１】
【数１４】
【０１８２】
一方、前記式（１７）及び式（１８）における第２式及び第３式の条件式は、二つの許容範囲に重複域が存在しない、すなわち、二つの安定制御の両立が不可能である条件を意味する。この条件を満足する場合には、車体姿勢制御の限界の方を重視し、車体姿勢制御の限界に基づく許容範囲内で、かつ、車両走行性能の限界に基づく許容範囲に最も近い値を最適値と判断し、車両加速度の上限値と下限値を共にその最適値に設定することで、車両加速度の目標値を自動的に最適値に設定する。
【０１８３】
車両走行性能の限界に基づく車両加速度の上限値αMax,W 及び下限値αMin,W は、それぞれ、次の式（１９）及び（２０）により決定される。
【０１８４】
【数１５】
【０１８５】
なお、前記式（１９）及び（２０）における右辺第２項が車両走行性能へ段差が及ぼす影響を表す。段差抵抗トルクτD が正である場合、すなわち、前方の段差を上るときには、段差抵抗トルクτD の大きさに応じて車両加速度の上限値αMax,W と下限値αMin,W を共に低くし、段差抵抗トルクτD が負である場合、すなわち、前方の段差を下るときには、段差抵抗トルクτD の大きさに応じて車両加速度の上限値αMax,W と下限値αMin,W を共に高くする。
【０１８６】
【数１６】
【０１８７】
また、Δθ1,f 及びΔθ1,b は、それぞれ、段差による前方車体傾斜角制限量及び後方車体傾斜角制限量であり、段差の無い路面における最大車体傾斜角と、段差昇降時に上段側の面に車体の下端が接触する車体傾斜角との差で定義される。すなわち、どの程度車体傾斜を抑えれば車体が段差に接触しないか、その車体傾斜角の低減量を表す。これらの値は幾何学的条件によって決定され、例えば、次の式（２５）及び（２６）のように表される。
【０１８８】
【数１７】
【０１８９】
ここで、ｈは実質段差高さであり、段差昇降途中における駆動輪の底面（路面に平行で、駆動輪の下側で接する平面）と段差上面との距離を表す。また、ｌは車体傾斜中心から路面接触点までの距離であり、車体傾斜中心である車軸から、実際に車体が傾いたときに段差に最初に接触する車体表面の点までの距離（車軸に平行な方向の成分を除く）を表す。なお、図２６に示される例において、車両１０の搭乗部１４は、乗員１５の足を載置するステップ部１４ｄを備え、該ステップ部１４ｄの下端が路面接触点に相当する。なお、ｈは、段差抵抗トルクの値から推定することが可能であり、次の式（２７）により表される。
ｈ＝ＲW （１−ｃｏｓη） ・・・式（２７）
ここで、ηは仮想登坂角であり、次の式（２８）により表される。
【０１９０】
【数１８】
【０１９１】
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。
【０１９２】
なお、ここでは、車両１０の前方に位置する段差に前進して進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進入する場合についても、同様の制御を実施することができる。
【０１９３】
このようにして、目標走行状態の決定処理において、車両加速度の目標値及び駆動輪回転角速度の目標値が決定されると、次に実行される目標車体姿勢の決定処理において、前記車両加速度の目標値に対応する車体姿勢の目標値、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が決定される。そして、次に実行されるアクチュエータ出力の決定処理において、目標走行状態の決定処理及び目標車体姿勢の決定処理において決定された各目標値を実現するのに必要なアクチュエータ、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力が決定される。
【０１９４】
以上の方法により、車両１０がいかなる段差昇降状態にあっても、段差の影響を考慮した車両加速度の限界値で車両加速度の目標値を適切に制限することで、車両１０の走行状態や車体姿勢を安定に保つことができる。例えば、乗員１５が段差を上るように指令したが、段差が非常に高くて上りきれなかった場合でも、安定した車両動作を維持することができる。
【０１９５】
以下に、本実施の形態による具体的な車両動作の例として、車両１０が緩やかに加速しながら高い段差に進入したが、駆動トルクの限界によって前記段差を上りきれなかった場合について説明する。
【０１９６】
図２８は本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の各状態量を示す図である。また、図２９は本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の段差昇降状態及び車体姿勢を示す図である。なお、図２８において、（ａ）は段差抵抗トルク、（ｂ）は車両加速度の目標値、（ｃ）は駆動輪回転角速度、（ｄ）は能動重量部位置の目標値を示す。また、図２９において、（ａ）〜（ｃ）は一連の動作を示す。
【０１９７】
本動作例では、車両１０が前進して段差に進入し、時刻ｔ＝ｔ1 で段差の乗り上げを開始し、時刻ｔ＝ｔ2 で最高地点に到達したが、駆動トルクの限界によってそれ以上前進することができずに降下を開始し、時刻ｔ＝ｔ3 で再び下段に着地するまでの動作を示す。なお、本動作例は、減速に伴う慣性力が車体に及ぼす影響が、駆動トルクの反トルクが車体に及ぼす影響に比べて小さく、かつ、そのときに必要な車体重心の移動量が、車体の傾斜を伴うことなく、能動重量部の移動のみで達成することができる場合を想定している。
【０１９８】
車両１０の駆動輪が段差に接触する前（ｔ＜ｔ1 ）、乗員１５が一定のジョイスティック入力量を与えることで、図２８（ｂ）に示すような一定の車両加速度の目標値α* ＝αd * が設定される。そして、その目標状態を実現するように駆動トルクが付加されることで、図２８（ｃ）に示すように、車両１０は一定の加速度で加速する。同時に、図２８ （ｄ）に示すように、車両加速度の目標値に応じて能動重量部位置の目標値を適切に設定することで、加速に伴う慣性力や反トルクを、能動重量部が前方に移動することで発生する重力トルクによって打ち消し、安定した車体姿勢を維持することができる。
【０１９９】
車両１０の駆動輪が段差に接触すると（ｔ＝ｔ1 ）、図２８（ａ）に示すように、段 差抵抗トルクが急激に上昇する。この段差抵抗トルクが駆動トルク最大値を上回ると、図２８（ｂ）に示すように、乗員１５が段差接触前から車両加速度αd * を指令し続けても、車両加速度の目標値は、車両走行性能の限界に基づく上限αMax によって制限され、α* ＝αMax ＜αd * となる。すなわち、乗員１５が加速を指令しても、主制御ＥＣＵ２１は車両１０の減速に相当する負の車両加速度の目標値を設定する。そして、図２８（ｃ）に示すように、その車両加速度の目標値と一致するように駆動トルクを発生させて駆動輪の減速を制御すると共に、図２８（ｄ）に示すように、減速を指令する車両加速度の目標値に応じて、その減速度に伴って車体を前方に傾けるように作用する慣性力を打ち消すように能動重量部を後方に移動させる能動重量部位置の目標値を設定する。このように、物理的に実現不可能な車両加速度αd * ではなく、実現可能な車両加速度αMax を目標値とすることで、通常走行時と同様に、適切な走行状態と車体姿勢の安定制御が自動的に実行される。
【０２００】
段差接触後、車両１０は、図２８（ｂ）及び図２８（ｃ）に示すように、車両走行性能の限界に基づいて制限された車両加速度の目標値α* ＝αMax に従って減速し、段差の乗り上げを完遂する前に一時的に停止した（ｔ＝ｔ2 ）後、駆動輪を逆方向に回転させながら段差を降下する。ちなみに、段差接触直後から段差抵抗トルクが徐々に減少しているのは、車両１０が段差を上るのに従って、実質的な段差高さ（乗り上げまでの残りの高さ）が小さくなるためである。
【０２０１】
車両１０が再び段差の下段に着地して段差から離れると（ｔ＝ｔ3 ）、図２８（ａ）に示すような段差抵抗トルクの低下に伴い、図２８（ｂ）に示すように車両加速度の上限値αMax が増加し、車両加速度の目標値の制限が緩和される。そして、乗員１５が要求する正の車両加速度の目標値αd * に再び従い、段差からの降下に伴う後方への車両速度を低減させるのと同時に、その目標値に従って、能動重量部を前方に動かすように能動重量部位置の目標値を決定する。
【０２０２】
このように、車両１０が段差を途中まで上った後に折り返して降下するような複雑な段差昇降状態においても、車両１０の走行状態と車体姿勢を安定に制御することができる。
【０２０３】
このような制御を実現する別の手段の一つとして、例えば、段差が高くて上りきれなかった場合に、通常走行時の制御方法から別の特別な制御方法に切り換える手段があるが、段差昇降可否の誤判定、制御方法の切り換え時に運転者に与える違和感、制御アルゴリズム及びプログラムの煩雑化、制御方法を切り換える閾値付近で断続的に切換が繰り返される現象の発生など、その制御手段を導入することにより発生する課題も多い。
【０２０４】
これに対して、本実施の形態は、車両１０のいかなる段差昇降状態においても、通常走行時の制御に目標車両加速度の適切な制限を加えるだけで、車両１０の走行状態と車体姿勢を安定に制御することができる、かつ、簡単でロバストな制御を実現している。
【０２０５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降時において、車両の段差昇降状態によって変化する車両加速度の限界値を正しく評価する。
【０２０６】
具体的には、段差抵抗トルクに基づいて、車両加速度上限値と下限値を決定する。これにより、段差が車両動作に及ぼす影響を考慮し、段差昇降状態に応じた車両加速度制限値を設定することができる。
【０２０７】
そして、車両走行性能の限界と車体姿勢制御の限界を考慮して、車両加速度限界値を決定する。すなわち、各々の限界について車両加速度限界値を求め、走行性能の限界及び車体姿勢制御の限界のうち、より厳しい条件の値を車両加速度段差昇降の限界値とする。具体的には、車両走行性能の限界による車両加速度上限値と車体姿勢制御の限界による車両加速度上限値を比較し、低い方を車両加速度上限値とする。また、車両走行性能の限界による車両加速度下限値と車体姿勢制御の限界による車両加速度下限値を比較し、高い方を車両加速度下限値とする。これにより、段差昇降中の走行状態と車体姿勢を安定に保つことが可能なように、車両加速度の制限値を設定することができる。
【０２０８】
さらに、駆動モータの駆動トルク限界である駆動トルク最大値と段差抵抗トルクに基づいて、車両走行性能の限界による車両加速度上限値と下限値を決定する。具体的には、段差の無い水平な路面上における車両加速度限界値（基準値）から、段差抵抗トルクに比例した量だけ減少させた値を、車両走行性能の限界に基づく車両加速度限界値とする。これにより、段差による走行性能限界の変化を考慮し、段差昇降時における車両加速度限界値を正しく評価することができる。
【０２０９】
例えば、段差を上るとき、上る段差が高いほど、加速が困難になるのと同時に減速が容易になる。また、段差の高さがある値よりも大きくなると、車両加速度上限値が負の値になる。すなわち、最大の駆動トルクを与えても車両は減速する。そして、段差進入時の車両速度が低いと、車両は、段差乗り上げ中に減速した結果、停止した後に後退を始める。本実施の形態では、このような現象及びそのメカニズムを車両加速度とその限界値に基づいて考慮することで、任意の段差昇降状態において、その走行状態と車体姿勢を安定に保つことを実現している。
【０２１０】
また、車体重心移動量の限界を決定する能動重量部移動量最大値と車体傾斜角最大値、車体傾斜トルクに関係する段差抵抗トルク、及び、段差による車体傾斜角制限量に基づいて、車体姿勢制御の限界による車両加速度上限値と下限値を決定する。具体的には、段差の無い水平な路面上における車両加速度限界値（基準値）から、段差抵抗トルクに比例した量だけ減少させた値を、車体姿勢制御の限界による車両加速度限界値とする。これにより、段差による姿勢制御限界の変化を考慮し、段差昇降時における車両加速度限界値を正しく評価することができる。
【０２１１】
加えて、段差の高さと車体下部形状に応じて、車体姿勢制御の限界による車両加速度限界値を修正する。具体的には、前方の上り段差に進入する場合、段差と車体との接触を避けるために、車体傾斜角上限値を車体傾斜角制限量だけ減少させ、その減少量に応じて車両加速度上限値も減少させる。また、前方の下り段差に侵入する場合、段差と車体との接触を避けるために、車体傾斜角下限値を車体傾斜角制限量だけ減少させ、その減少量に応じて車両加速度下限値も減少させる。なお、本実施の形態では、段差抵抗トルクの推定値に基づいて実質段差高さを推定し、それに基づいて段差接触回避に必要な車体傾斜角軽減量を求める。これにより、車体が段差と接触することを確実に防ぐことができる。
【０２１２】
例えば、段差を上るとき、段差抵抗トルクに対抗する段差昇降トルクを付加すると、その反トルクが車体に作用するので、これを打ち消すために車体重心を前方に移動させる必要がある。車体重心移動量は，搭乗部の可動域、及び、車体が路面に接触する傾斜限界によって制限されるため、段差昇降トルクが大きくなると、すなわち、上る段差が高いほど、車両が加速するため（加速に必要な駆動トルクの反作用と加速度に伴う慣性力を打ち消すため）に必要な車体重心移動許容量の余剰分が少なくなる。そして、段差の高さがある値よりも大きくなると、車体重心の移動が不十分になり、車体が後方に大きく傾いてしまう。そこで、車両を減速させ、車体を前方に傾けようとする慣性力を作用させることで、反トルクを打ち消して車体姿勢を安定に保つことができる。すなわち、高い段差を上るとき、車体姿勢保持のためには、車両加速度上限値を負の値で制限する必要がある。本実施例では、このような現象、及び、そのメカニズムを車両加速度とその限界値に基づいて考慮することで、任意の段差昇降状態において、その走行状態と車体姿勢を安定に保つことができる。
【０２１３】
そして、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降時において、車両加速度の目標値を適切に制限する。
【０２１４】
具体的には、段差抵抗トルクに応じて決定された車両加速度限界値によって、乗員の操縦装置操作量に応じた車両加速度の目標値を制限する。すなわち、乗員の要求する車両加速度が車両加速度上限値よりも高い場合には、車両加速度の目標値を車両加速度上限値とする。また、乗員の要求する車両加速度が車両加速度下限値よりも低い場合には、車両加速度の目標値を車両加速度下限値とする。これにより、車体姿勢を安定に保持できる範囲内で、乗員の要求に最も近い車両走行状態を実現することができる。
【０２１５】
また、車両走行性能の限界による車両加速度の制限条件と、車体姿勢制御の限界による車両加速度の制限条件のどちらか一方を満足できない場合には、完全制御不可と判断し、車体姿勢制御の限界による制限条件のみを考慮して、車両加速度の目標値を決定する。すなわち、車両走行性能の限界による車両加速度の上限値が車体姿勢制御の限界による車両加速度の下限値以下である場合には、車両加速度の目標値を車体姿勢制御の限界による車両加速度の下限値とする。また、車両走行性能の限界による車両加速度の下限値が車体姿勢制御の限界による車両加速度の上限値以上である場合には、車両加速度の目標値を車体姿勢制御の限界による車両加速度の上限値とする。これにより、特に高い段差の昇降時において、車体傾斜の乱れを最小限に抑えることができる。
【０２１６】
ここで、完全制御不可の状態は、駆動トルクによって調整することができる車両加速度の範囲において、能動重量部移動及び車体傾斜の限界によって、その加速度に伴う慣性力に対応できるような車体重心移動量を達成できない状態に相当する。言い換えれば、駆動トルクの限界によって、車体姿勢制御（重心位置制御）が対応できるような車両加速度を達成できない状態に相当する。例えば、車両がとても高い段差に接触した場合、段差接触と共に車両は急減速を余儀なくされ、限界まで車体重心を移動させても急減速に伴う慣性力の作用を打ち消すことができないときには、車体は前方に傾く。本実施の形態においては、このような状態において、車体姿勢制御の限界による車両加速度の限界値を車両加速度の目標値とすることで、車体姿勢制御の能力を最大限発揮させる。例えば、前述の例においては、車体重心を限界まで後方に移動させることで、前方への車体傾斜をできるだけ抑えることができる。
【０２１７】
なお、本実施の形態においては、乗員のジョイスティック操作量に基づいて乗員が要求する車両加速度の目標値を決定しており、ジョイスティック操作量を乗員要求車両加速度目標値に変換する関係式は車両の段差昇降状態に依らないが、この関係式自体を段差昇降状態又は車両加速度限界値によって変化させてもよい。例えば、ジョイスティックの前方への最大入力量を段差の影響を考慮した車両加速度上限値に、ジョイスティックの後方への最大入力量を同下限値に設定してもよい。これにより、乗員の要求する車両加速度目標値が常に許容範囲内にあるのと同時に、乗員が操縦できる自由度をより大きく確保することができる。
【０２１８】
また、本実施の形態においては、完全制御不可判定時において、姿勢制御を優先させるような目標車両加速度に決定することで車体姿勢の乱れを最小限に抑えているが、完全制御不可判定時に他の制御を実行あるいは追加してもよい。例えば、完全制御不可判定が所定時間以上継続した場合、警告音などによる乗員への危険状態の報知や車体接触防止用ストッパの突出による車体と路面との接触回避制御を実行してもよい。
【０２１９】
さらに、本実施の形態においては、段差による車体傾斜角制限量について、実質段差高さと車体傾斜中心から路面接触点までの距離との比によって評価しているが、より厳密な方法を用いてもよい。例えば、各段差高さに対して車体の一部が実際に接触する車体傾斜角を実際に計測し、あるいは、図面から求め、それによって得られた車体傾斜角制限量の関数をマップとしてあらかじめ具備し、それを用いて車体傾斜角制限量を決定してもよい。
【０２２０】
さらに、本実施の形態においては、段差による車体傾斜角制限量の決定に必要な実質段差高さを、段差抵抗トルクに基づいて理論的に推定しているが、段差を計測するセンサを有し、その計測値を用いて決定してもよい。また、その計測値に基づいて段差抵抗トルクの値を推定してもよい。さらに、上り段差進入時において、駆動輪が段差に接触する前に、センサの計測値に基づいて段差による車体傾斜角制限量を決定してもよい。これにより、車体を大きく前方に傾けて加速しながら上り段差に進入した場合に、駆動輪が段差に接触する前に車体が段差に接触することを防止することができる。
【０２２１】
さらに、本実施の形態においては、各条件に基づく車両加速度限界値を決定する際に線形の関数を用いているが、より厳密な非線形の関数を用いても良い。一方、実質段差高さを決定する際に非線形の関数を用いているが、それを近似した線形の関数を用いることで計算を簡単化してもよい。また、マップの形で非線形の関数を適用してもよい。
【０２２２】
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】
【０２２３】
【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乗り上げ時の車体と段差の幾何学的関係を示す図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における目標状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２８】本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の各状態量を示す図である。
【図２９】本発明の第４の実施の形態における段差を上りきれなかった動作時の段差昇降状態及び車体姿勢を示す図である。
【符号の説明】
【０２２４】
１０ 車両
１２ 駆動輪
１４ 搭乗部
２０ 制御ＥＣＵ
【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、
該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限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、前記段差による抵抗である段差抵抗トルクに応じて決定される前記車両加速度の限界値に応じて、車両加速度の目標値を制限する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときの車両走行制御の限界と車体姿勢制御の限界とに基づいて前記車両加速度の限界値を決定する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、
前記車両制御装置は、前記能動重量部の移動限界位置に応じて前記車両加速度の限界値を決定する請求項２又は３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、
該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して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、路面の段差を昇降するときに、車両加速度の目標値を制限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、前記段差による抵抗である段差抵抗トルクに応じて決定される前記車両加速度の限界値に応じて、車両加速度の目標値を制限する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車両制御装置は、前記段差を昇降するときの車両走行制御の限界と車体姿勢制御の限界とに基づいて前記車両加速度の限界値を決定する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記車体に対して移動可能に取り付けられた能動重量部を更に有し、
前記車両制御装置は、前記能動重量部の移動限界位置に応じて前記車両加速度の限界値を決定する請求項２又は３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】
【公開番号】特開２００９−２４５２４６（Ｐ２００９−２４５２４６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９２１４２（Ｐ２００８−９２１４２）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【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２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【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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