車両
【課題】車両の走行速度に依らず、いつ倒立制御を停止しても車体を安定した状態に維持することを可能とし、異常時における緊急停止に即時に対応することができ、高い走行性能や利便性を備え、かつ、安全に使用することができるようにとする。高い走行性能や利便性を備え、且つ、安全に使用することができるようにする。
【解決手段】車両制御装置は、車両の走行速度に応じて減速度の時間変化を予測する減速度予測手段と、減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化に応じて、前記姿勢制限手段の位置や形状を制御する姿勢制限制御手段とを備える。
【解決手段】車両制御装置は、車両の走行速度に応じて減速度の時間変化を予測する減速度予測手段と、減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化に応じて、前記姿勢制限手段の位置や形状を制御する姿勢制限制御手段とを備える。
【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、同軸上に配設された２つの駆動輪を有し、乗員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、倒立制御を行って、車両を移動させる。また、乗員が降車するときや車両の電源を遮断したときには、倒立制御を停止するのと同時にストッパを作動させ、該ストッパを接地させることによって車体の姿勢を維持するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の車両においては、走行中に倒立制御を停止できない場合がある。例えば、ストッパの接地時に路面との摩擦力で車両が制動される場合、減速に伴って車両に作用する慣性力により接地荷重中心点が前方に移動し、安定性が低下する可能性がある。また、倒立制御の停止と共に、駆動輪に対して自動的にブレーキが作動する場合も同様である。
【０００６】
このような場合の安全性を確実に保証するためには、非常停止時の減速度を軽減させる構造又は制御を用いればよいが、車両の緊急停止時のように急制動を必要とする場合には対応できない。また、車両の最高速度を制限する方法もあるが、利便性や快適性は損なわれる。あるいは、常に十分な安定領域を確保できるよう大きなストッパを装着した場合には、車両の小型化が困難になる。
【０００７】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、倒立制御の実行時に、車両の走行速度に応じて倒立制御停止時における減速度の時間変化を予測し、該減速度の時間変化に基づいてストッパの形状等を制御し、倒立制御を停止する前にあらかじめ姿勢制限手段を適切な状態で待機させることによって、車両の走行速度に依らず、いつ倒立制御を停止しても車体を安定した状態に維持することを可能とし、高い走行性能や利便性を備え、且つ、安全に使用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、回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、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、車両の走行速度に応じて減速度を予測する減速度予測手段と、該減速度予測手段によって予測された減速度に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は形状を制御する姿勢制限制御手段とを備える。
【０００９】
本発明の他の車両においては、さらに、前記減速度予測手段は、車両が停止するまでの時間である車両制動時間を予測し、前記車両制御装置は、前記姿勢制限手段が機能するまでの時間である車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、前記減速度予測手段によって予測された前記車両制動時間と前記傾斜時間予測手段によって予測された前記車体傾斜時間に応じて、前記姿勢制限手段を制御する。
【００１０】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限制御手段は、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも短い場合には、第１の状態に前記姿勢制限手段を制御し、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも長い場合には、第１の状態と異なる第２の状態に前記姿勢制限手段を制御する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記傾斜時間予測手段は、前記車体の姿勢角度に応じて前記車体傾斜時間を予測する。
【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、前記減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化から接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段と、を更に備え、前記姿勢制限手段は、該接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点に応じて、前記姿勢制限手段を制御する。
【００１３】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、前記姿勢制限制御手段は、前記接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点の位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する。
【００１４】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する。
【００１５】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記制限値制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する。
【００１６】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体の姿勢の制御の続行が可能か不可能かを判定する制御可能判定手段と、前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する制御指令取得手段と、を更に備え、前記車両制御装置は、前記制御可能判定手段が不可能と判定した時、又は、前記制御指令取得手段が停止を指令する信号を取得した時に、前記姿勢制限手段を固定する。
【００１７】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限手段は、前記駆動輪の回転軸に平行で前記駆動輪に接する所定の平面である基準面について、前記車体の姿勢角度を固定したとき、常に前記基準面に分断されること無く、前記基準面に接した状態を維持したまま位置及び／又は形状を変化させる機構を備える。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の構成によれば、車両の走行速度によって推定された減速度の時間変化に基づいて車体の安定性に及ぼす慣性の影響を考慮し、その影響を補償するように姿勢制限手段を制御することで、車両の走行状態及びその後の減速状態に依らず、車体姿勢を安定な状態に保つことができる。したがって、倒立制御停止時の安全性を憂慮することなく、高速で走行することができる。
【００１９】
請求項２の構成によれば、姿勢制限手段が機能するまでの時間を考慮することで、減速度が車体姿勢の安定性に及ぼす影響を正確に評価し、必要に応じた姿勢制限手段の制御を実行できる。
【００２０】
請求項３の構成によれば、姿勢制限手段機能後も減速状態が続いているか否か、すなわち、慣性力が安定性に影響するか否かを判断し、姿勢制限手段を各々の状態に適した状態に制御することで、確実に安全性を保障するのと共に、過剰な動作に伴うエネルギの浪費や部材の劣化、騒音等を低減させることができる。
【００２１】
請求項４の構成によれば、倒立制御停止直前の車体傾斜角を考慮することで、その後の車体傾斜時間をより正確に予測することができる。
【００２２】
請求項５の構成によれば、倒立制御停止時の車体姿勢の安定性を決定する要素である接地荷重中心点を予測し、その結果に基づいて姿勢制限手段を制御することで、確実に車体を安定化させることができる。
【００２３】
請求項６の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、より確実に車体を安定化させることができる。また、車体が傾斜して姿勢制限手段が接地した後に、車体が更に同じ方向に傾斜し続けることを防ぐのと共に、乗員の移動等に伴って車体が逆方向に傾斜することも防ぐことができる。
【００２４】
請求項７の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に、かつ、定量的に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、更に確実に車体を安定化させることができる。また、接地荷重偏心度の目標値を所定範囲内とすることで、安定な範囲内で細かく姿勢制限手段を制御するような不要な動作、及び、それに伴うエネルギの浪費や振動、騒音等を防ぐことができる。
【００２５】
請求項８の構成によれば、姿勢制限手段を使用する前に、あらかじめ姿勢制限手段を適切な状態に設定することができる。
【００２６】
請求項９の構成によれば、異常時における緊急停止や乗員による駐車要求等に即時且つ確実に対応することができる。また、姿勢制限手段を必要とする状態を容易に判断できるのと共に、倒立制御停止後における姿勢制限手段の誤動作を確実に防止できる。
【００２７】
請求項１０の構成によれば、姿勢制限手段の制御に依らず、車体傾斜角の最大値を一定に保つような機構を用いることで、車体傾斜による加減速や登降坂等の運動性能と高速走行時の安全性を両立させることができる。すなわち、安全で便利な倒立型車両を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明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を示す図である。
【図２】本発明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】本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態におけるストッパ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６】本発明の実施の形態における車両の減速時間と有効減速度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態におけるストッパの接地予測状態を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるストッパ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１３】本発明の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１は本発明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を示す図、図２は本発明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１において、（ａ）は事前適応制御未実行の場合における倒立制御実行時の状態、（ｂ）は事前適応制御未実行の場合における倒立制御停止後の状態、（ｃ）は事前適応制御実行の場合における倒立制御停止後の状態、（ｄ）は事前適応制御実行の場合における倒立制御実行時の状態である。
【００３１】
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、車両１０は右方向に前進し、左方向に後退することができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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には搭乗部１４が取り付けられている。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗部１４に搭乗してい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。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、背もたれ部及びヘッドレストを備える。
【００３４】
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、その場転回、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。
【００３５】
また、前記入力装置３０は、停止要求取得手段としての制御切替スイッチ３２を備える。そして、乗員１５が走行開始や降車を希望する場合には、制御切替スイッチ３２を操作することによって、倒立制御の実行や停止の指令を入力するようになっている。ここで、乗員１５が操作して倒立制御の実行や停止を入力することができる装置であれば、制御切替スイッチ３２に代えて他の装置、例えば、押しボタンやタッチパネル、操作レバー、音声認識システム等の装置を停止要求取得手段として使用することもできる。また、これらは実行又は停止の一方のみを指令する装置であってもよい。
【００３６】
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及び制御切替スイッチ３２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及び制御切替スイッチ３２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。
【００３７】
図１に示されるように、車両１０の支持部１３には、姿勢制限手段としてのストッパ１６が伸縮可能に取り付けられ、ストッパモータ７２によって前後独立に伸縮させられる。図に示される例において、前記ストッパ１６は、Ｖ字形の側面形状を備え、支持部１３の下端に固定され、下方に向けて延出する中心部１６ｃ、該中心部１６ｃの下端から前方斜め上方向に延出する前方部１６ｆ、該前方部１６ｆの前端に形成された接地部としての前方接地部１６ａ、前記中心部１６ｃの下端から後方斜め上方向に延出する後方部１６ｒ、及び、該後方部１６ｒの後端に形成された接地部としての後方接地部１６ｂを有する。そして、前記前方部１６ｆ及び後方部１６ｒは、互いに独立に伸縮可能に構成され、伸縮軸として機能する。
【００３８】
図１（ａ）に示されるような前方部１６ｆと後方部１６ｒの長さが等しい状態において、ストッパ１６の各部の位置、角度及び形状について、前方部１６ｆと後方部１６ｒは面対称の関係にあり、その平面上に駆動輪１２の回転軸があるように取り付けられる、すなわち、前方部１６ｆと後方部１６ｒとは同一の寸法及び形状を備える。
【００３９】
ストッパ１６の具体的な寸法等は、車体傾斜角の制限値に基づいて決定される。まず、水平面を駆動輪１２の回転軸まわりに車体傾斜角制限値に等しい角度だけ回転させた平面であり、かつ、駆動輪１２に接する平面を基準面とする。なお、基準面は全部で４面考えられるが、駆動輪１２の前方下部で接する面を前方部１６ｆに対応する基準面とし、駆動輪１２の後方下部で接する面を後方部に対応する基準面とする。そして、車体が直立状態にあるとき、すなわち、車体傾斜角が零であるとき、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮方向が各々対応する基準面に平行であるように設計する。つまり、前方接地部１６ａ及び後方接地部１６ｂが水平面から車体傾斜角制限値だけ上方に傾いた方向に移動可能な構造とする。また、車体が直立状態にあるとき、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮状態に関わらず、前方接地部１６ａ及び後方接地部１６ｂが前記基準面に接するように設計する。
【００４０】
そして、倒立制御を停止した時には、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地することによって車体の姿勢角度を制限し、車体が所定角度、すなわち、車体傾斜角制限値以上に傾斜することを防止する。
【００４１】
このように、本実施の形態においては、車体直立時におけるストッパ１６の伸縮軸、すなわち、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの傾きであるストッパ伸縮軸偏角ΨSTが、所定の車体傾斜角の最大値θ1,MFと等しくなるような伸縮型ストッパ構造が採用されている。そして、ストッパ１６の伸縮軸に平行で、かつ、駆動輪１２に接する平面上にストッパ接地点が位置する。これにより、ストッパ長さによって、車体傾斜角制限値、すなわち、車両１０の加減速や登降坂等の限界性能が変化しない。したがって、車両１０の運動性能を低下させることなく、車両１０の安全性を向上させることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態においては、ストッパの伸縮に対して車体傾斜角制限値が一定であるような構造を用いているが、ストッパが伸びると同方向の車体傾斜角制限値が大きくなるような構造を用いてもよい。この場合、安定性を確保するために必要なストッパ伸長量が増加する代わりに、運動限界性能を更に高めることができる。一方、ストッパが伸びると同方向の車体傾斜角制限値が小さくなるような構造を用いてもよい。この場合、運動限界性能が低下する代わりに、より短いストッパ伸長量で安定性を確保することができる。
【００４３】
次に、前記ストッパモータ６２は、すべりねじ伝動装置を介して、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる。つまり、互いに螺（ら）合するスクリュ及びナットのいずれか一方をストッパモータ６２によって回転させることによって他方を軸方向に移動させることにより、ストッパモータ６２の回転往復運動を直線往復運動に変換し、この直線往復運動によって、ロッド状の前方部１６ｆにおける前後端の間隔、及び、ロッド状の後方部１６ｒにおける前後端の間隔を変化させる。したがって、ストッパブレーキを別段具備していなくても、電源が遮断されてストッパモータ６２の回転が停止すると、スクリュ及びナット間の摩擦によって、直線往復運動にブレーキがかかり、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒが伸縮不能となる。
【００４４】
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及びストッパ制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及びストッパ制御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及びストッパ制御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。
【００４５】
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。
【００４６】
また、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、車体傾斜センサ４１及び駆動モータ５２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に送信する。
【００４７】
さらに、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御ＥＣＵ２３、ストッパセンサ６１及びストッパモータ６２とともに、ストッパ１６の動作を制御するストッパ制御システム６０の一部として機能する。前記ストッパセンサ６１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、姿勢制限手段計測装置として機能し、ストッパ１６の形状を示すストッパ長さ、すなわち、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さを検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信し、該ストッパ制御ＥＣＵ２３は、受信したストッパトルク指令値に相当する入力電圧をストッパモータ６２に供給する。そして、該ストッパモータ６２は、入力電圧に従ってストッパ１６に駆動トルクを付与し、これにより、姿勢制限手段アクチュエータとして機能する。
【００４８】
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に送信する。
【００４９】
また、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とを決定してもよい。
【００５０】
本実施の形態において、制御ＥＣＵ２０は、図１（ａ）に示されるように、倒立制御を実行している間に、図１（ｂ）に示されるような倒立制御を停止した時の状態を予測し、予測した状態が図１（ｃ）に示されるような倒立制御停止時の目標状態に一致するように、ストッパ１６の回転状態を図１（ｄ）に示されるように補正する事前適応制御を実行する。
【００５１】
なお、図１において、１７は乗員１５も含む車両１０の重心を示し、白抜きの三角は、駆動輪１２の接地点としての駆動輪接地点を示し、白抜きの丸は、重心１７を通り重力と慣性力の合力ベクトルに平行な直線が路面と交わる点としての接地荷重中心点を示し、白抜きの星は、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地する点としてのストッパ接地点を示している。
【００５２】
つまり、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ事前適応制御を実行し、接地荷重中心点とストッパ接地点とを予測し、補正する。具体的には、倒立制御実行時、すなわち、ストッパ１６が浮上している時において、常に、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時の車体姿勢を予測し、それが安定状態であるようにストッパ１６の状態をあらかじめ制御して倒立制御停止に備える。
【００５３】
また、倒立制御停止後における車両１０の減速度の変化を考慮して、接地荷重中心点を予測する。具体的には、車両１０の走行速度に基づいて倒立制御停止後の減速度の変化を予測し、その減速度に伴う慣性力の影響を考慮して接地荷重中心点の位置を予測する。そして、予測された接地荷重中心点の位置に応じてストッパ１６を適切な状態に制御する。
【００５４】
以下の説明において、表記の簡略化のため、駆動輪１２の回転軸に垂直な平面に投影した駆動輪接地点を、省略して、単に、駆動輪接地点と表記する。また、ストッパ接地点や接地荷重中心点も同様に表記する。また、同様の理由から、倒立制御の実行時に予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点を、それぞれストッパ接地予測点及び接地荷重中心予測点と表記する。
【００５５】
車体姿勢の安定性については、予測される倒立制御停止時における駆動輪接地点とストッパ接地点と接地荷重中心点との位置関係によって判断する。まず、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点に接地荷重中心点がある状態を最安定状態とする。そして、前記中点から接地荷重中心点までの水平方向の距離に相当する接地荷重偏心度の予測値を小さくするように、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。具体的には、ストッパ１６の状態を変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。
【００５６】
前述のように、ストッパ１６は、車両１０の前後の前方部１６ｆと後方部１６ｒとが結合され、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒが伸縮可能となっている。そこで、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さをストッパモータ６２で変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御することができる。
【００５７】
また、倒立制御停止時には電源が遮断されるため、ストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮運動に制動力が作用し、倒立制御停止直前の伸縮状態で固定される。倒立制御を停止するのは、例えば、システム異常に対する緊急停止時や、乗員１５が降車又は駐車を希望する時である。
【００５８】
なお、制御ＥＣＵ２０は、機能の観点から、減速度の時間変化を予測する減速度予測手段、車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段、停止時の接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段、及び、ストッパ１６の形状を制御する姿勢制限制御手段を備える。
【００５９】
このように、倒立制御実行時、すなわち、車体の姿勢制御が行われている時であってストッパ１６を使用する前に、あらかじめストッパ１６を適切な状態に設定しておくので、異常時における緊急停止、乗員１５による駐車要求等にも即時に対応することができる。また、車両１０の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいてストッパ１６を制御するため、倒立制御停止時であっても、確実に車体を安定化させることができる。さらに、車両１０の減速状態を予測し、減速に伴う慣性力の影響を考慮して車両１０の力学的状態を予測するため、緊急停止時の安定性低下を憂慮することなく車両１０の有する走行性能を最大限発揮できる。さらに、必要に応じてストッパ１６の状態を制御するため、ストッパ１６による安定領域の過度なマージンが不要であり、ストッパ１６、すなわち、車両１０を小型化及び軽量化することができる。
【００６０】
以上のように、高い走行性能、並びに、車両１０の小型化によって、安全で使い勝手のよい倒立型の車両１０を提供することができる。
【００６１】
次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、車両制御処理の概要について説明する。
【００６２】
図３は本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。
【００６３】
車両制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、システム異常判定を行い、異常発生か否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、例えば、バッテリのエネルギ枯渇やセンサの故障等の原因によって、倒立制御の維持が不可能な状態となっているか否かを判断する。
【００６４】
そして、異常発生はないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、降車希望判定を行い、降車希望であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この場合、入力装置３０の制御切替スイッチ３２から入力された実行／停止指令の信号を取得し、乗員１５が降車を望んでいるか否かを判断する。具体的には、実行指令の場合には乗員１５が降車を望んでいない、停止指令の場合には乗員１５が降車を望んでいると判断する。
【００６５】
そして、降車を望んでいないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、倒立制御を実行し（ステップＳ３）、車体の倒立姿勢を維持しつつ、乗員１５が指令する走行状態を実現する。なお、倒立制御の内容については、通常の倒立型車両における倒立制御と同様であるので、説明を省略する。また、本実施の形態においては、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮構造がすべりねじを備えるものであるので、ストッパブレーキを備えておらず、そのため、ストッパブレーキ操作は不要である。
【００６６】
続いて、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ制御処理を実行し（ステップＳ４）、倒立制御の停止に備えてストッパ１６を適切な状態に制御し、車両制御処理を終了する。なお、該車両制御処理は、所定の時間間隔（例えば、１００〔μｓ〕毎）で繰り返し実行される。
【００６７】
一方、システム異常判定において異常が発生していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、電源遮断、すなわち、緊急停止を行い（ステップＳ５）、車両１０のシステムの電源を遮断し、車両制御処理を終了する。
【００６８】
また、降車希望判定において降車を希望していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、着地制御を実行し（ステップＳ６）、車体を緩やかに前方に傾け、ストッパ１６の前方接地部１６ａを路面に接地させ、車両制御処理を終了する。
【００６９】
なお、本実施の形態では、車両制御処理において、異常時を除いて、必ず制御切替スイッチ３２の入力に基づく乗員１５の降車希望を判断しているが、一度降車希望の信号を受信したら、それ以降は制御切替スイッチ３２の入力に係わらず、常に降車を望んでいると判断してもよい。これにより、無駄な制御処理が軽減されるのと共に、一度降車希望を送信した直後に撤回された場合に適応することが困難な姿勢制御の実行、及び、それに伴う危険性を簡単に回避することができる。
【００７０】
次に、ストッパ制御処理について説明する。
【００７１】
図４は本発明の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。
【００７２】
ストッパ制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、ストッパ状態量の取得処理を実行し（ステップＳ４−１）、ストッパセンサ６１によって、ストッパ１６の状態量を取得する。
【００７３】
次に、制御ＥＣＵ２０は、変動特性量の取得処理を実行し（ステップＳ４−２）、車体の安定性に影響を及ぼす要素についての特性量、具体的に本実施の形態においては、有効減速度を取得する。
【００７４】
次に、制御ＥＣＵ２０は、接地状態の予測処理を実行し（ステップＳ４−３）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及び変動特性量の取得処理によって取得された特性量に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車両１０の力学的状態を予測する。
【００７５】
次に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ目標状態の決定処理を実行し（ステップＳ４−４）、接地状態の予測処理によって予測された車両１０の力学的状態に応じてストッパ状態量の目標値を決定する。
【００７６】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ出力の制御処理を実行し（ステップＳ４−５）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及びストッパ目標状態の決定処理によって決定されたストッパ状態量の目標値に応じて、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に与える。
【００７７】
次に、ストッパ制御処理の詳細について説明する。まず、ストッパ状態量の取得処理について説明する。
【００７８】
図５は本発明の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００７９】
ストッパ状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ１６の状態量を取得する（ステップＳ４−１−１）。この場合、ストッパセンサ６１からストッパ長さ及び／又はストッパ伸縮速度を取得する。
【００８０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ４−１−２）。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することによって、残りの状態量を算出する。取得した状態量がストッパ長さである場合には、これを時間微分することによって、ストッパ伸縮速度を得ることができる。また、取得した状態量がストッパ伸縮速度である場合には、これを時間積分することによって、ストッパ長さを得ることができる。
【００８１】
次に、変動特性量の取得処理について説明する。
【００８２】
図６は本発明の実施の形態における車両の減速時間と有効減速度との関係を示す図、図７は本発明の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００８３】
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。
θW ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
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 〕
ｍ1 ：車体質量（乗員を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
【００８４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、有効減速度を予測する（ステップＳ４−２−２）。この場合、駆動輪１２及び車体の状態量から、次の式（１）によって有効減速度αD を予測する。
【００８５】
【数１】
【００８６】
このようにして予測された有効減速度αD は、車両制動時間に応じて、図６に示されるように変化する。
【００８７】
なお、制動トルクの予測値には、次の（ａ）及び（ｂ）の仮定の下で所定の値を予め与えておく。
（ａ）緊急停止時、駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用する場合、性能予想値又は制御指令値であるブレーキトルクの値を与える。
（ｂ）緊急停止時、駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用しない場合、駆動モータ５２の逆起電力や駆動輪１２の転がり抵抗などを考慮して、制動トルクに相当する値を与える。
【００８８】
このように、本実施の形態においては、車両１０の走行速度に応じて、減速度の影響をどの程度考慮すべきかを評価し、考慮すべき減速度を有効減速度として決定する。この場合、緊急停止時のブレーキ性能と車両総重量によって予測される減速度を基準値、かつ、最大値とする。
【００８９】
また、緊急制動時に車両１０がある走行速度から停止状態に至るまでの時間である車両制動時間と、倒立制御停止時に車体がある角度から傾斜してストッパ１６が接地するまでの時間である車体傾斜時間とを比較することにより、考慮すべき減速度の程度を表す減速度有効率を決定する。
【００９０】
具体的には、車両制動時間が車体傾斜時間よりもはるかに短い場合、減速度有効率を零とする。このような場合には、車体が傾斜してストッパ１６が路面に接地する前に減速は終了してしまうため、減速の影響を考慮する必要がない。
【００９１】
また、車両制動時間が車体傾斜時間よりも長い場合、減速度有効率を１とする。このような場合には、車体が傾斜してストッパ１６が路面に接地してから所定の時間、車両１０の減速が継続されるため、その影響を確実に考慮する必要がある。
【００９２】
さらに、車両制動時間が車体傾斜時間よりも少し短い場合、所定の減速度有効率を与える。これは、関数の不連続を回避することだけでなく、慣性力による車体傾斜角速度の増加に伴い、車体傾斜の勢い（慣性）で安定領域から外れる危険性を考慮する役割を果たす。
【００９３】
さらに、現在の車両速度によって、車両減速時間を予測する。車両速度が高いほど、減速を続ける時間は長くなるため、減速度の影響が大きいと評価する。
【００９４】
さらに、現在の車体傾斜角によって、車体傾斜時間を予測する。すでに車体が車両進行方向側に大きく傾いている場合、ストッパ１６が接地するまでの時間は短いため、減速度の影響は大きいと評価する。なお、車体が大きく逆側に傾いている場合には、倒立制御停止後も逆側のストッパ１６が接地すると想定して、その接地までの時間を車体傾斜時間として与える。
【００９５】
このように、本実施の形態においては、緊急停止時における減速度がストッパ接地後の車体姿勢の安定性に及ぼす影響を正しく、かつ、効率的に考慮することで、必要最小限のストッパ長さ及び接地点移動量で十分な安全性を保証できる。
【００９６】
なお、本実施の形態においては、慣性力によって車体傾斜運動が付勢される影響を、有効減速度の漸増によって簡単に考慮しているが、より厳密に考慮してもよい。例えば、力学モデルに基づいてストッパ接地時の車体傾斜角速度を予測し、そのときの運動エネルギに基づいて有効減速度を補正することで、勢いによる車体の更なる傾斜をより確実に防ぐことができる。
【００９７】
また、本実施の形態においては、基準となる減速度の予測値を求める際、制動トルク及び車両総重量として所定の値を予め与えているが、状況に応じて値を変えてもよい。例えば、緊急停止時における車両１０の状態や乗員１５の意思に応じて、制動システムの動作状態を変更される場合、その変更結果に応じて予測される減速度の値に修正してもよい。また、乗員１５や搭載物の重量を取得できる場合には、その値に応じて減速度の予測値を変えてもよい。
【００９８】
さらに、本実施の形態においては、制動力として駆動輪１２で発生する制動トルクのみを考慮しているが、ストッパ接地点で発生する制動力を考慮してもよい。例えば、ストッパ接地点に作用する摩擦力を考慮した力学モデルにより、全制動力及び減速度を予測してもよい。また、接地荷重移動による摩擦力限界の変化も考慮して予測してもよい。ちなみに、ストッパ接地点での制動力のみで制動する場合には、ストッパの接地と同時に減速を開始するため、ストッパ接地の時間遅れ、換言すれば、減速の先行時間に相当する車体傾斜時間の値を零、あるいは、ストッパの制御を開始する車両速度の閾値に相当する所定値に設定してもよい。
【００９９】
さらに、本実施の形態においては、有効減速度の決定過程の一部で非線形の関数を用いているが、線形近似した簡単な関数を用いてもよい。また、より複雑な非線形の関数やモデルを導入して、より詳細に有効減速度を決定してもよい。
【０１００】
次に、接地状態の予測処理について説明する。
【０１０１】
図８は本発明の実施の形態におけるストッパの接地予測状態を示す図、図９は本発明の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図、図１０は本発明の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。
【０１０２】
接地状態の予測処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ接地点を予測する（ステップＳ４−３−１）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さに基づき、ストッパ接地点を予測する。なお、図８には、ストッパ１６の前方接地部１６ａが路面に接地した予測状態が示されている。
【０１０３】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘS,f と、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘS,r は、次の式（２）で表される。なお、以降の説明において、ｘS,f 及びｘS,r を統合的に説明する場合には、駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの距離をｘS として説明する。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重中心点を予測する（ステップＳ４−３−２）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さ及び変動特性量の取得処理で取得した有効減速度に基づき、接地荷重中心点を予測する。
【０１０６】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘC,f と、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘC,r は、次の式（３）で表される。なお、以降の説明において、ｘC,f 及びｘC,r を統合的に説明する場合には、駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの距離をｘC として説明する。
【０１０７】
【数３】
【０１０８】
このように、本実施の形態においては、有効減速度とストッパ１６の状態に基づいて、倒立制御停止時の車体姿勢及び力学的状態を予測する。つまり、有効減速度αD とストッパ長さλST,f及びλST,rに基づいて、ストッパ接地点と接地荷重中心点を予測する。また、ストッパ長さによるストッパ接地点の位置変化を考慮して、駆動輪接地点からストッパ接地点までの距離ｘS を求める。さらに、有効減速度及びストッパ長さによる車体傾斜角の変化を考慮して、駆動輪接地点から接地荷重中心点までの距離ｘC を求める。このように、倒立制御停止時における車両１０の状態を詳細に考慮することで、その安定性をより高い精度で評価できる。
【０１０９】
また、車体が前傾してストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合と車体が後傾してストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合を考慮し、各々の場合におけるストッパ接地点と接地荷重中心点を求める。したがって、倒立制御の緊急停止時において車体がどちらの方向に傾斜しても、その安定性を保証できる。
【０１１０】
なお、車両進行方向逆側のストッパ１６については、有効減速度の影響を考慮しない。倒立制御停止時に車体が進行方向逆側に傾斜した場合、減速中に車体が進行方向へ再傾斜して乗員１５に不安感を与える可能性よりも、車両停止後に車体が後方に倒れる危険性を重要視することで、より安全なシステムを実現できる。
【０１１１】
また、本実施の形態においては、非線形の評価式によって、ストッパ接地点と接地荷重中心点の相対位置を予測しているが、より簡単な線形式により予測してもよい。あるいは、駆動輪１２の変形や車体傾斜の慣性等を考慮したより詳細なモデルに基づく評価式によって予測してもよい。さらに、関数をマップとして具備し、それを用いて予測してもよい。
【０１１２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重偏心度を予測する（ステップＳ４−３−３）。具体的には、予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点に基づき、次の式（４）により、倒立制御の停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における接地荷重偏心度を算出する。なお、図９には、ストッパ接地点、接地荷重中心点及び駆動輪接地点の位置と、駆動輪接地点からストッパ接地点及び接地荷重中心点までの水平距離と、接地荷重偏心度との関係も示されている。
【０１１３】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の接地荷重偏心度をγf とし、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の接地荷重偏心度をγr とすると、γf 及びγr は、次の式（４）で表される。なお、以降の説明において、γf 及びγr を統合的に説明する場合には、接地荷重偏心度γとして説明する。
【０１１４】
【数４】
【０１１５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、予測した駆動輪接地点、ストッパ接地点及び接地荷重中心点の位置関係に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車体姿勢の安定性を評価する。具体的には、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点を基準とした接地荷重中心点のずれを駆動輪接地点及びストッパ接地点間距離の半分で無次元化した値である接地荷重偏心度によって、安定性を評価する。
【０１１６】
接地荷重偏心度が、γ＞１の場合、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側に位置するので、ストッパ接地点を中心として車体が回転し、場合によっては転倒する危険性があるため、危険な「不安定」であると評価する。また、γ＜−１の場合、接地荷重中心点が駆動輪接地点の外側に位置するので、ストッパ接地時の車体姿勢を維持することができず、やがて車体は逆側に傾斜するため、不便な「不安定」であると評価する。さらに、γ＝０の場合、接地荷重中心点が上記の２領域から最も離れた位置にあるので、この点が「最安定」であると評価し、この位置に接地荷重中心点があることを理想とする。
【０１１７】
これにより、転倒の危険だけでなく、逆側への車体再傾斜も回避させることができ、安定した車体姿勢の維持を実現することができる。
【０１１８】
また、本実施の形態においては、接地荷重中心点が駆動輪接地点とストッパ接地点との中点にある場合を最安定としているが、異なる点にある場合を最安定としてもよい。例えば、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側にある状態の方が、駆動輪接地点の外側にある状態よりも重大な不安定状態にあることを考慮し、所定量だけ駆動輪接地点に接近した位置を最安定点とすることで、より転倒しにくい制御を実現してもよい。
【０１１９】
さらに、前側接地を想定した接地荷重中心点と後側接地を想定した接地荷重中心点について異なる値を最安定としてもよい。また、降車時には前傾接地した後に乗員１５が降車すると重心位置が後方に移動するため、停止中は前側の最安定点をストッパ接地点側に乗員１５の体重に応じた量だけ近付けてもよい。
【０１２０】
次に、ストッパ目標状態の決定処理について説明する。
【０１２１】
図１１は本発明の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図、図１２は本発明の実施の形態におけるストッパ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。
【０１２２】
ストッパ目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、接地荷重偏心度の目標値を決定する（ステップＳ４−４−１）。具体的には、接地状態の予測処理によって予測した接地荷重偏心度の値に基づき、次の式（５）によって、接地荷重偏心度の目標値を決定する。なお、上付きの符号＊は目標値であることを示す符号である。また、図１１には、接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係が示されている。
【０１２３】
【数５】
【０１２４】
ここでは、接地荷重偏心度が安定な範囲にあるように、かつ、緩やかに最安定な値に収束するように、目標値を決定する。そのために、接地荷重偏心度の推定値に基づいて、接地荷重偏心度の目標値を決定する。
【０１２５】
具体的には、接地荷重偏心度が不安定な範囲にある場合、すなわち、γ＜γMin 又はγ＞γMax である場合、安定な範囲内の所定値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を迅速に安定な範囲内まで変化させ、不安定な状態を回避する。また、接地荷重偏心度が安定な範囲にある場合、すなわち、γMin ＜γ＜γMax である場合、推定値よりも少し小さな値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を緩やかに最安定点へ誘導し、その安定度を強くする。
【０１２６】
このように、緊急度に応じて対応を変えることで、非緊急時の過剰な制御に伴うエネルギの浪費や振動発生を回避することができる。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、単純な線形関数を組み合わせた関数で接地荷重偏心度の目標値を設定しているが、より複雑な非線形の関数を用いてもよい。例えば、式（５）における閾（しきい）値付近の不連続な変化を滑らかにすることで、同閾値付近でのストッパ１６や車体の動作の急な変化を軽減させることができる。また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の予測値が正の場合と負の場合で同様の関数から目標値を設定しているが、その特性が異なってもよい。例えば、正の場合の目標値の関数の勾（こう）配をより小さく設定することで、車体転倒の防止をより強くすることができる。さらに、本実施の形態では、前側接地を想定した場合と後側接地を想定した場合で同じ関数を用いているが、それが異なっていてもよい。例えば、前側接地想定時の目標値の関数の最大値をより小さく設定することで、緊急停止時に可能性が高くなる前側への車体転倒の防止をより強く実行することができる。
【０１２８】
また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の目標値を同予測値に基づいて設定することで収束速度などの制御特性を調整しているが、後述のフィードバック制御において特性を調整してもよい。例えば、接地荷重偏心度の予測値が所定の閾値を超過している場合にはフィードバックゲインを大きくし、同閾値以下の場合には同ゲインを小さくすることで、本実施の形態と同様の効果を実現できる。
【０１２９】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ状態量の目標値を決定する（ステップＳ４−４−２）。具体的には、接地荷重偏心度の目標値及び変動特性量の取得処理によって取得した車両重心位置に基づき、次の式（６）及び（７）によって、ストッパ長さの目標値を決定する。なお、式（６）はストッパ１６の前方部１６ｆの長さの目標値を示し、式（７）はストッパ１６の後方部１６ｒの長さの目標値を示している。
【０１３０】
【数６】
【０１３１】
【数７】
【０１３２】
このように、接地荷重偏心度の目標値に応じて、ストッパ１６の目標状態を決定する。つまり、接地荷重偏心度の目標値と有効減速度とによって、ストッパ長さの目標値を決定する。この場合、ストッパ接地点及び接地荷重中心点が接地荷重偏心度の目標値を実現する配置になるようなストッパ長さを幾何学的条件等に基づいて算出し、それを目標値として設定する。
【０１３３】
なお、ストッパ長さを接地荷重偏心度と有効減速度との陽関数で表すこと、すなわち、直接求めることは困難であることから、本実施の形態においては、数値的な方程式の解法（ニュートン法）を用いている。
【０１３４】
【数８】
【０１３５】
なお、本実施の形態においては、非線形の陰関数によってストッパ長さの目標値を決定しているが、より簡単な線形式又は陽関数によって決定してもよい。また、関数をマップとして具備し、それを用いて決定してもよい。
【０１３６】
また、本実施の形態においては、接地荷重偏心度という指標を用いることによって車体の姿勢安定性の扱いを容易にしているが、有効減速度及びストッパ長さから直接的にストッパ長さの目標値を設定してもよい。さらに、接地荷重偏心度の目標値を、一度、接地荷重中心点及びストッパ接地点の相対位置の目標値に置き換えた後に、ストッパ長さの目標値を決定してもよい。
【０１３７】
次に、ストッパ出力の制御処理について説明する。
【０１３８】
図１３は本発明の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。
【０１３９】
ストッパ出力の制御処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する（ステップＳ４−５−１）。具体的には、ストッパ長さ及びストッパ伸縮速度の目標値と計測値との偏差に基づき、次の式（１２）によって、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する。なお、τS,f は前方部１６ｆを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値であり、τS,r は後方部１６ｒを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値である。また、以降の説明において、τS,f 及びτS,r を統合的に説明する場合には、ストッパトルク指令値τS として説明する。
【０１４０】
【数９】
【０１４１】
このように、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）によって、ストッパ１６の目標状態を実現するようにストッパトルク指令値を決定する。
【０１４２】
なお、本実施の形態においては、ストッパ長さを制御対象としたフィードバック制御を実行しているが、他の状態量を対象としてもよい。例えば、ストッパ接地点、接地荷重中心点、又は、接地荷重偏心度を制御量としたフィードバック制御を実行してもよい。さらに、スライディングモード制御等の他のフィードバック制御、又は、フィードフォワード制御を導入してもよい。
【０１４３】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御システム６０に指令値を与える（ステップＳ４−５−２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したストッパモータ６２のストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信する。
【０１４４】
このように、本実施の形態においては、走行速度を考慮してストッパ事前適応制御を行う。つまり、倒立制御実行時において、車両１０の走行速度に応じてストッパ１６を制御する。具体的には、車両制御停止時における減速度の時間変化を予測し、その減速度に伴う慣性力に対して車体姿勢を安定に保持できるように、あらかじめストッパ１６を制御する。また、車両速度に基づいて車両制動時間を予測するのと共に、車体傾斜角に基づいて車体傾斜時間を予測し、両時間を比較することで減速の影響を評価する。なお、車両進行方向側のストッパ１６についてのみ、慣性力の影響を考慮する。
【０１４５】
これにより、高速走行中の緊急停止における安全性を保障し、常に安全に、安心して、快適に利用できる倒立型の車両１０を提供することができる。
【０１４６】
なお、本実施の形態においては、伸縮型ストッパによる構成を説明したが、他の種類のストッパを用いてもよい。
【０１４７】
例えば、支持部１３とストッパ１６がモータを介して相対的に回転可能な状態で結合された構造とし、モータのトルクによってストッパ１６の回転角のみを制御することで、ストッパ接地時の車体傾斜角を調整して車体姿勢の安定化を達成してもよい。この場合、前後各々の制御はできないが、伸縮型に比べて簡素なシステムで倒立制御停止時における車体姿勢の安定性を実現できる。
【０１４８】
また、ストッパスライダ機構を具備し、該スライダ機構の相対的に並進移動する部分の一方を支持部１３に固定し、他方をストッパ１６に固定することで、ストッパ１６が支持部１３と相対的に並進移動する構造を用いてもよい。この場合、ストッパ１６を駆動輪１２の回転軸から遠ざけるほど、遠ざけた側のストッパ１６が接地した時の車体の傾斜角が小さくなり、その方向に転倒する可能性が低下する。
【０１４９】
また、本実施の形態においては、すべりねじ伝動装置を介してストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる構造であるが、これに加えて、前方部１６ｆと前方接地部１６ａの間、及び、後方部１６ｒと後方接地部１６ｂの間にそれぞれコイルばねを介し、また、電源投入時に各コイルばねが所定のひずみ量で固定されるのと共に電源遮断時に解放される係合装置を具備した構造を用いてもよい。この場合、倒立制御の停止と共に電源を遮断した時にコイルばねの付与力により突出した前方接地部１６ａ及び／又は後方接地部１６ｒが接地した状態における車体姿勢の安定性を倒立制御実行時に予測し、不安定であると判定した場合にはすべりねじ伝動装置を動作させて、予測される接地状態を安定化させることができる。
【０１５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に適用することができる。
【符号の説明】
【０１５２】
１０ 車両
１２ 駆動輪
１６ ストッパ
１６ａ 前方接地部
１６ｂ 後方接地部
１６ｆ 前方部
１６ｒ 後方部
１７ 重心
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、同軸上に配設された２つの駆動輪を有し、乗員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、倒立制御を行って、車両を移動させる。また、乗員が降車するときや車両の電源を遮断したときには、倒立制御を停止するのと同時にストッパを作動させ、該ストッパを接地させることによって車体の姿勢を維持するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の車両においては、走行中に倒立制御を停止できない場合がある。例えば、ストッパの接地時に路面との摩擦力で車両が制動される場合、減速に伴って車両に作用する慣性力により接地荷重中心点が前方に移動し、安定性が低下する可能性がある。また、倒立制御の停止と共に、駆動輪に対して自動的にブレーキが作動する場合も同様である。
【０００６】
このような場合の安全性を確実に保証するためには、非常停止時の減速度を軽減させる構造又は制御を用いればよいが、車両の緊急停止時のように急制動を必要とする場合には対応できない。また、車両の最高速度を制限する方法もあるが、利便性や快適性は損なわれる。あるいは、常に十分な安定領域を確保できるよう大きなストッパを装着した場合には、車両の小型化が困難になる。
【０００７】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、倒立制御の実行時に、車両の走行速度に応じて倒立制御停止時における減速度の時間変化を予測し、該減速度の時間変化に基づいてストッパの形状等を制御し、倒立制御を停止する前にあらかじめ姿勢制限手段を適切な状態で待機させることによって、車両の走行速度に依らず、いつ倒立制御を停止しても車体を安定した状態に維持することを可能とし、高い走行性能や利便性を備え、且つ、安全に使用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、回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、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、車両の走行速度に応じて減速度を予測する減速度予測手段と、該減速度予測手段によって予測された減速度に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は形状を制御する姿勢制限制御手段とを備える。
【０００９】
本発明の他の車両においては、さらに、前記減速度予測手段は、車両が停止するまでの時間である車両制動時間を予測し、前記車両制御装置は、前記姿勢制限手段が機能するまでの時間である車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、前記減速度予測手段によって予測された前記車両制動時間と前記傾斜時間予測手段によって予測された前記車体傾斜時間に応じて、前記姿勢制限手段を制御する。
【００１０】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限制御手段は、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも短い場合には、第１の状態に前記姿勢制限手段を制御し、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも長い場合には、第１の状態と異なる第２の状態に前記姿勢制限手段を制御する。
【００１１】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記傾斜時間予測手段は、前記車体の姿勢角度に応じて前記車体傾斜時間を予測する。
【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、前記減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化から接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段と、を更に備え、前記姿勢制限手段は、該接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点に応じて、前記姿勢制限手段を制御する。
【００１３】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、前記姿勢制限制御手段は、前記接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点の位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する。
【００１４】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する。
【００１５】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記制限値制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する。
【００１６】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車体の姿勢の制御の続行が可能か不可能かを判定する制御可能判定手段と、前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する制御指令取得手段と、を更に備え、前記車両制御装置は、前記制御可能判定手段が不可能と判定した時、又は、前記制御指令取得手段が停止を指令する信号を取得した時に、前記姿勢制限手段を固定する。
【００１７】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記姿勢制限手段は、前記駆動輪の回転軸に平行で前記駆動輪に接する所定の平面である基準面について、前記車体の姿勢角度を固定したとき、常に前記基準面に分断されること無く、前記基準面に接した状態を維持したまま位置及び／又は形状を変化させる機構を備える。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の構成によれば、車両の走行速度によって推定された減速度の時間変化に基づいて車体の安定性に及ぼす慣性の影響を考慮し、その影響を補償するように姿勢制限手段を制御することで、車両の走行状態及びその後の減速状態に依らず、車体姿勢を安定な状態に保つことができる。したがって、倒立制御停止時の安全性を憂慮することなく、高速で走行することができる。
【００１９】
請求項２の構成によれば、姿勢制限手段が機能するまでの時間を考慮することで、減速度が車体姿勢の安定性に及ぼす影響を正確に評価し、必要に応じた姿勢制限手段の制御を実行できる。
【００２０】
請求項３の構成によれば、姿勢制限手段機能後も減速状態が続いているか否か、すなわち、慣性力が安定性に影響するか否かを判断し、姿勢制限手段を各々の状態に適した状態に制御することで、確実に安全性を保障するのと共に、過剰な動作に伴うエネルギの浪費や部材の劣化、騒音等を低減させることができる。
【００２１】
請求項４の構成によれば、倒立制御停止直前の車体傾斜角を考慮することで、その後の車体傾斜時間をより正確に予測することができる。
【００２２】
請求項５の構成によれば、倒立制御停止時の車体姿勢の安定性を決定する要素である接地荷重中心点を予測し、その結果に基づいて姿勢制限手段を制御することで、確実に車体を安定化させることができる。
【００２３】
請求項６の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、より確実に車体を安定化させることができる。また、車体が傾斜して姿勢制限手段が接地した後に、車体が更に同じ方向に傾斜し続けることを防ぐのと共に、乗員の移動等に伴って車体が逆方向に傾斜することも防ぐことができる。
【００２４】
請求項７の構成によれば、車体の力学的状態を厳密に、かつ、定量的に考慮して安定性を予測した結果に基づいて姿勢制限手段を制御するため、更に確実に車体を安定化させることができる。また、接地荷重偏心度の目標値を所定範囲内とすることで、安定な範囲内で細かく姿勢制限手段を制御するような不要な動作、及び、それに伴うエネルギの浪費や振動、騒音等を防ぐことができる。
【００２５】
請求項８の構成によれば、姿勢制限手段を使用する前に、あらかじめ姿勢制限手段を適切な状態に設定することができる。
【００２６】
請求項９の構成によれば、異常時における緊急停止や乗員による駐車要求等に即時且つ確実に対応することができる。また、姿勢制限手段を必要とする状態を容易に判断できるのと共に、倒立制御停止後における姿勢制限手段の誤動作を確実に防止できる。
【００２７】
請求項１０の構成によれば、姿勢制限手段の制御に依らず、車体傾斜角の最大値を一定に保つような機構を用いることで、車体傾斜による加減速や登降坂等の運動性能と高速走行時の安全性を両立させることができる。すなわち、安全で便利な倒立型車両を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明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を示す図である。
【図２】本発明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】本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態におけるストッパ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６】本発明の実施の形態における車両の減速時間と有効減速度との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態におけるストッパの接地予測状態を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるストッパ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１３】本発明の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１は本発明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を示す図、図２は本発明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１において、（ａ）は事前適応制御未実行の場合における倒立制御実行時の状態、（ｂ）は事前適応制御未実行の場合における倒立制御停止後の状態、（ｃ）は事前適応制御実行の場合における倒立制御停止後の状態、（ｄ）は事前適応制御実行の場合における倒立制御実行時の状態である。
【００３１】
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、車両１０は右方向に前進し、左方向に後退することができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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には搭乗部１４が取り付けられている。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗部１４に搭乗してい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。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、背もたれ部及びヘッドレストを備える。
【００３４】
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、その場転回、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。
【００３５】
また、前記入力装置３０は、停止要求取得手段としての制御切替スイッチ３２を備える。そして、乗員１５が走行開始や降車を希望する場合には、制御切替スイッチ３２を操作することによって、倒立制御の実行や停止の指令を入力するようになっている。ここで、乗員１５が操作して倒立制御の実行や停止を入力することができる装置であれば、制御切替スイッチ３２に代えて他の装置、例えば、押しボタンやタッチパネル、操作レバー、音声認識システム等の装置を停止要求取得手段として使用することもできる。また、これらは実行又は停止の一方のみを指令する装置であってもよい。
【００３６】
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及び制御切替スイッチ３２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及び制御切替スイッチ３２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。
【００３７】
図１に示されるように、車両１０の支持部１３には、姿勢制限手段としてのストッパ１６が伸縮可能に取り付けられ、ストッパモータ７２によって前後独立に伸縮させられる。図に示される例において、前記ストッパ１６は、Ｖ字形の側面形状を備え、支持部１３の下端に固定され、下方に向けて延出する中心部１６ｃ、該中心部１６ｃの下端から前方斜め上方向に延出する前方部１６ｆ、該前方部１６ｆの前端に形成された接地部としての前方接地部１６ａ、前記中心部１６ｃの下端から後方斜め上方向に延出する後方部１６ｒ、及び、該後方部１６ｒの後端に形成された接地部としての後方接地部１６ｂを有する。そして、前記前方部１６ｆ及び後方部１６ｒは、互いに独立に伸縮可能に構成され、伸縮軸として機能する。
【００３８】
図１（ａ）に示されるような前方部１６ｆと後方部１６ｒの長さが等しい状態において、ストッパ１６の各部の位置、角度及び形状について、前方部１６ｆと後方部１６ｒは面対称の関係にあり、その平面上に駆動輪１２の回転軸があるように取り付けられる、すなわち、前方部１６ｆと後方部１６ｒとは同一の寸法及び形状を備える。
【００３９】
ストッパ１６の具体的な寸法等は、車体傾斜角の制限値に基づいて決定される。まず、水平面を駆動輪１２の回転軸まわりに車体傾斜角制限値に等しい角度だけ回転させた平面であり、かつ、駆動輪１２に接する平面を基準面とする。なお、基準面は全部で４面考えられるが、駆動輪１２の前方下部で接する面を前方部１６ｆに対応する基準面とし、駆動輪１２の後方下部で接する面を後方部に対応する基準面とする。そして、車体が直立状態にあるとき、すなわち、車体傾斜角が零であるとき、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮方向が各々対応する基準面に平行であるように設計する。つまり、前方接地部１６ａ及び後方接地部１６ｂが水平面から車体傾斜角制限値だけ上方に傾いた方向に移動可能な構造とする。また、車体が直立状態にあるとき、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮状態に関わらず、前方接地部１６ａ及び後方接地部１６ｂが前記基準面に接するように設計する。
【００４０】
そして、倒立制御を停止した時には、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地することによって車体の姿勢角度を制限し、車体が所定角度、すなわち、車体傾斜角制限値以上に傾斜することを防止する。
【００４１】
このように、本実施の形態においては、車体直立時におけるストッパ１６の伸縮軸、すなわち、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの傾きであるストッパ伸縮軸偏角ΨSTが、所定の車体傾斜角の最大値θ1,MFと等しくなるような伸縮型ストッパ構造が採用されている。そして、ストッパ１６の伸縮軸に平行で、かつ、駆動輪１２に接する平面上にストッパ接地点が位置する。これにより、ストッパ長さによって、車体傾斜角制限値、すなわち、車両１０の加減速や登降坂等の限界性能が変化しない。したがって、車両１０の運動性能を低下させることなく、車両１０の安全性を向上させることができる。
【００４２】
なお、本実施の形態においては、ストッパの伸縮に対して車体傾斜角制限値が一定であるような構造を用いているが、ストッパが伸びると同方向の車体傾斜角制限値が大きくなるような構造を用いてもよい。この場合、安定性を確保するために必要なストッパ伸長量が増加する代わりに、運動限界性能を更に高めることができる。一方、ストッパが伸びると同方向の車体傾斜角制限値が小さくなるような構造を用いてもよい。この場合、運動限界性能が低下する代わりに、より短いストッパ伸長量で安定性を確保することができる。
【００４３】
次に、前記ストッパモータ６２は、すべりねじ伝動装置を介して、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる。つまり、互いに螺（ら）合するスクリュ及びナットのいずれか一方をストッパモータ６２によって回転させることによって他方を軸方向に移動させることにより、ストッパモータ６２の回転往復運動を直線往復運動に変換し、この直線往復運動によって、ロッド状の前方部１６ｆにおける前後端の間隔、及び、ロッド状の後方部１６ｒにおける前後端の間隔を変化させる。したがって、ストッパブレーキを別段具備していなくても、電源が遮断されてストッパモータ６２の回転が停止すると、スクリュ及びナット間の摩擦によって、直線往復運動にブレーキがかかり、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒが伸縮不能となる。
【００４４】
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及びストッパ制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及びストッパ制御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及びストッパ制御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。
【００４５】
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。
【００４６】
また、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、車体傾斜センサ４１及び駆動モータ５２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に送信する。
【００４７】
さらに、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御ＥＣＵ２３、ストッパセンサ６１及びストッパモータ６２とともに、ストッパ１６の動作を制御するストッパ制御システム６０の一部として機能する。前記ストッパセンサ６１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、姿勢制限手段計測装置として機能し、ストッパ１６の形状を示すストッパ長さ、すなわち、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さを検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信し、該ストッパ制御ＥＣＵ２３は、受信したストッパトルク指令値に相当する入力電圧をストッパモータ６２に供給する。そして、該ストッパモータ６２は、入力電圧に従ってストッパ１６に駆動トルクを付与し、これにより、姿勢制限手段アクチュエータとして機能する。
【００４８】
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に送信する。
【００４９】
また、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とを決定してもよい。
【００５０】
本実施の形態において、制御ＥＣＵ２０は、図１（ａ）に示されるように、倒立制御を実行している間に、図１（ｂ）に示されるような倒立制御を停止した時の状態を予測し、予測した状態が図１（ｃ）に示されるような倒立制御停止時の目標状態に一致するように、ストッパ１６の回転状態を図１（ｄ）に示されるように補正する事前適応制御を実行する。
【００５１】
なお、図１において、１７は乗員１５も含む車両１０の重心を示し、白抜きの三角は、駆動輪１２の接地点としての駆動輪接地点を示し、白抜きの丸は、重心１７を通り重力と慣性力の合力ベクトルに平行な直線が路面と交わる点としての接地荷重中心点を示し、白抜きの星は、前方接地部１６ａ又は後方接地部１６ｂが路面に接地する点としてのストッパ接地点を示している。
【００５２】
つまり、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ事前適応制御を実行し、接地荷重中心点とストッパ接地点とを予測し、補正する。具体的には、倒立制御実行時、すなわち、ストッパ１６が浮上している時において、常に、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時の車体姿勢を予測し、それが安定状態であるようにストッパ１６の状態をあらかじめ制御して倒立制御停止に備える。
【００５３】
また、倒立制御停止後における車両１０の減速度の変化を考慮して、接地荷重中心点を予測する。具体的には、車両１０の走行速度に基づいて倒立制御停止後の減速度の変化を予測し、その減速度に伴う慣性力の影響を考慮して接地荷重中心点の位置を予測する。そして、予測された接地荷重中心点の位置に応じてストッパ１６を適切な状態に制御する。
【００５４】
以下の説明において、表記の簡略化のため、駆動輪１２の回転軸に垂直な平面に投影した駆動輪接地点を、省略して、単に、駆動輪接地点と表記する。また、ストッパ接地点や接地荷重中心点も同様に表記する。また、同様の理由から、倒立制御の実行時に予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点を、それぞれストッパ接地予測点及び接地荷重中心予測点と表記する。
【００５５】
車体姿勢の安定性については、予測される倒立制御停止時における駆動輪接地点とストッパ接地点と接地荷重中心点との位置関係によって判断する。まず、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点に接地荷重中心点がある状態を最安定状態とする。そして、前記中点から接地荷重中心点までの水平方向の距離に相当する接地荷重偏心度の予測値を小さくするように、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。具体的には、ストッパ１６の状態を変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御する。
【００５６】
前述のように、ストッパ１６は、車両１０の前後の前方部１６ｆと後方部１６ｒとが結合され、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒが伸縮可能となっている。そこで、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの長さをストッパモータ６２で変化させることによって、ストッパ接地予測点と接地荷重中心予測点とを制御することができる。
【００５７】
また、倒立制御停止時には電源が遮断されるため、ストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮運動に制動力が作用し、倒立制御停止直前の伸縮状態で固定される。倒立制御を停止するのは、例えば、システム異常に対する緊急停止時や、乗員１５が降車又は駐車を希望する時である。
【００５８】
なお、制御ＥＣＵ２０は、機能の観点から、減速度の時間変化を予測する減速度予測手段、車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段、停止時の接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段、及び、ストッパ１６の形状を制御する姿勢制限制御手段を備える。
【００５９】
このように、倒立制御実行時、すなわち、車体の姿勢制御が行われている時であってストッパ１６を使用する前に、あらかじめストッパ１６を適切な状態に設定しておくので、異常時における緊急停止、乗員１５による駐車要求等にも即時に対応することができる。また、車両１０の力学的状態を厳密に考慮して安定性を予測した結果に基づいてストッパ１６を制御するため、倒立制御停止時であっても、確実に車体を安定化させることができる。さらに、車両１０の減速状態を予測し、減速に伴う慣性力の影響を考慮して車両１０の力学的状態を予測するため、緊急停止時の安定性低下を憂慮することなく車両１０の有する走行性能を最大限発揮できる。さらに、必要に応じてストッパ１６の状態を制御するため、ストッパ１６による安定領域の過度なマージンが不要であり、ストッパ１６、すなわち、車両１０を小型化及び軽量化することができる。
【００６０】
以上のように、高い走行性能、並びに、車両１０の小型化によって、安全で使い勝手のよい倒立型の車両１０を提供することができる。
【００６１】
次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、車両制御処理の概要について説明する。
【００６２】
図３は本発明の実施の形態における車両制御処理の動作を示すフローチャートである。
【００６３】
車両制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、システム異常判定を行い、異常発生か否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、例えば、バッテリのエネルギ枯渇やセンサの故障等の原因によって、倒立制御の維持が不可能な状態となっているか否かを判断する。
【００６４】
そして、異常発生はないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、降車希望判定を行い、降車希望であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この場合、入力装置３０の制御切替スイッチ３２から入力された実行／停止指令の信号を取得し、乗員１５が降車を望んでいるか否かを判断する。具体的には、実行指令の場合には乗員１５が降車を望んでいない、停止指令の場合には乗員１５が降車を望んでいると判断する。
【００６５】
そして、降車を望んでいないと判定すると、制御ＥＣＵ２０は、倒立制御を実行し（ステップＳ３）、車体の倒立姿勢を維持しつつ、乗員１５が指令する走行状態を実現する。なお、倒立制御の内容については、通常の倒立型車両における倒立制御と同様であるので、説明を省略する。また、本実施の形態においては、前方部１６ｆ及び後方部１６ｒの伸縮構造がすべりねじを備えるものであるので、ストッパブレーキを備えておらず、そのため、ストッパブレーキ操作は不要である。
【００６６】
続いて、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ制御処理を実行し（ステップＳ４）、倒立制御の停止に備えてストッパ１６を適切な状態に制御し、車両制御処理を終了する。なお、該車両制御処理は、所定の時間間隔（例えば、１００〔μｓ〕毎）で繰り返し実行される。
【００６７】
一方、システム異常判定において異常が発生していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、電源遮断、すなわち、緊急停止を行い（ステップＳ５）、車両１０のシステムの電源を遮断し、車両制御処理を終了する。
【００６８】
また、降車希望判定において降車を希望していると判定した場合、制御ＥＣＵ２０は、着地制御を実行し（ステップＳ６）、車体を緩やかに前方に傾け、ストッパ１６の前方接地部１６ａを路面に接地させ、車両制御処理を終了する。
【００６９】
なお、本実施の形態では、車両制御処理において、異常時を除いて、必ず制御切替スイッチ３２の入力に基づく乗員１５の降車希望を判断しているが、一度降車希望の信号を受信したら、それ以降は制御切替スイッチ３２の入力に係わらず、常に降車を望んでいると判断してもよい。これにより、無駄な制御処理が軽減されるのと共に、一度降車希望を送信した直後に撤回された場合に適応することが困難な姿勢制御の実行、及び、それに伴う危険性を簡単に回避することができる。
【００７０】
次に、ストッパ制御処理について説明する。
【００７１】
図４は本発明の実施の形態におけるストッパ制御処理の動作を示すフローチャートである。
【００７２】
ストッパ制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、ストッパ状態量の取得処理を実行し（ステップＳ４−１）、ストッパセンサ６１によって、ストッパ１６の状態量を取得する。
【００７３】
次に、制御ＥＣＵ２０は、変動特性量の取得処理を実行し（ステップＳ４−２）、車体の安定性に影響を及ぼす要素についての特性量、具体的に本実施の形態においては、有効減速度を取得する。
【００７４】
次に、制御ＥＣＵ２０は、接地状態の予測処理を実行し（ステップＳ４−３）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及び変動特性量の取得処理によって取得された特性量に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車両１０の力学的状態を予測する。
【００７５】
次に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ目標状態の決定処理を実行し（ステップＳ４−４）、接地状態の予測処理によって予測された車両１０の力学的状態に応じてストッパ状態量の目標値を決定する。
【００７６】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、ストッパ出力の制御処理を実行し（ステップＳ４−５）、ストッパ状態量の取得処理によって取得されたストッパ１６の状態量及びストッパ目標状態の決定処理によって決定されたストッパ状態量の目標値に応じて、ストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に与える。
【００７７】
次に、ストッパ制御処理の詳細について説明する。まず、ストッパ状態量の取得処理について説明する。
【００７８】
図５は本発明の実施の形態におけるストッパ状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００７９】
ストッパ状態量の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ１６の状態量を取得する（ステップＳ４−１−１）。この場合、ストッパセンサ６１からストッパ長さ及び／又はストッパ伸縮速度を取得する。
【００８０】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの状態量を算出する（ステップＳ４−１−２）。この場合、取得した状態量を時間微分又は時間積分することによって、残りの状態量を算出する。取得した状態量がストッパ長さである場合には、これを時間微分することによって、ストッパ伸縮速度を得ることができる。また、取得した状態量がストッパ伸縮速度である場合には、これを時間積分することによって、ストッパ長さを得ることができる。
【００８１】
次に、変動特性量の取得処理について説明する。
【００８２】
図６は本発明の実施の形態における車両の減速時間と有効減速度との関係を示す図、図７は本発明の実施の形態における変動特性量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００８３】
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。
θW ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
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 〕
ｍ1 ：車体質量（乗員を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
【００８４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、有効減速度を予測する（ステップＳ４−２−２）。この場合、駆動輪１２及び車体の状態量から、次の式（１）によって有効減速度αD を予測する。
【００８５】
【数１】
【００８６】
このようにして予測された有効減速度αD は、車両制動時間に応じて、図６に示されるように変化する。
【００８７】
なお、制動トルクの予測値には、次の（ａ）及び（ｂ）の仮定の下で所定の値を予め与えておく。
（ａ）緊急停止時、駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用する場合、性能予想値又は制御指令値であるブレーキトルクの値を与える。
（ｂ）緊急停止時、駆動輪１２に摩擦ブレーキが作用しない場合、駆動モータ５２の逆起電力や駆動輪１２の転がり抵抗などを考慮して、制動トルクに相当する値を与える。
【００８８】
このように、本実施の形態においては、車両１０の走行速度に応じて、減速度の影響をどの程度考慮すべきかを評価し、考慮すべき減速度を有効減速度として決定する。この場合、緊急停止時のブレーキ性能と車両総重量によって予測される減速度を基準値、かつ、最大値とする。
【００８９】
また、緊急制動時に車両１０がある走行速度から停止状態に至るまでの時間である車両制動時間と、倒立制御停止時に車体がある角度から傾斜してストッパ１６が接地するまでの時間である車体傾斜時間とを比較することにより、考慮すべき減速度の程度を表す減速度有効率を決定する。
【００９０】
具体的には、車両制動時間が車体傾斜時間よりもはるかに短い場合、減速度有効率を零とする。このような場合には、車体が傾斜してストッパ１６が路面に接地する前に減速は終了してしまうため、減速の影響を考慮する必要がない。
【００９１】
また、車両制動時間が車体傾斜時間よりも長い場合、減速度有効率を１とする。このような場合には、車体が傾斜してストッパ１６が路面に接地してから所定の時間、車両１０の減速が継続されるため、その影響を確実に考慮する必要がある。
【００９２】
さらに、車両制動時間が車体傾斜時間よりも少し短い場合、所定の減速度有効率を与える。これは、関数の不連続を回避することだけでなく、慣性力による車体傾斜角速度の増加に伴い、車体傾斜の勢い（慣性）で安定領域から外れる危険性を考慮する役割を果たす。
【００９３】
さらに、現在の車両速度によって、車両減速時間を予測する。車両速度が高いほど、減速を続ける時間は長くなるため、減速度の影響が大きいと評価する。
【００９４】
さらに、現在の車体傾斜角によって、車体傾斜時間を予測する。すでに車体が車両進行方向側に大きく傾いている場合、ストッパ１６が接地するまでの時間は短いため、減速度の影響は大きいと評価する。なお、車体が大きく逆側に傾いている場合には、倒立制御停止後も逆側のストッパ１６が接地すると想定して、その接地までの時間を車体傾斜時間として与える。
【００９５】
このように、本実施の形態においては、緊急停止時における減速度がストッパ接地後の車体姿勢の安定性に及ぼす影響を正しく、かつ、効率的に考慮することで、必要最小限のストッパ長さ及び接地点移動量で十分な安全性を保証できる。
【００９６】
なお、本実施の形態においては、慣性力によって車体傾斜運動が付勢される影響を、有効減速度の漸増によって簡単に考慮しているが、より厳密に考慮してもよい。例えば、力学モデルに基づいてストッパ接地時の車体傾斜角速度を予測し、そのときの運動エネルギに基づいて有効減速度を補正することで、勢いによる車体の更なる傾斜をより確実に防ぐことができる。
【００９７】
また、本実施の形態においては、基準となる減速度の予測値を求める際、制動トルク及び車両総重量として所定の値を予め与えているが、状況に応じて値を変えてもよい。例えば、緊急停止時における車両１０の状態や乗員１５の意思に応じて、制動システムの動作状態を変更される場合、その変更結果に応じて予測される減速度の値に修正してもよい。また、乗員１５や搭載物の重量を取得できる場合には、その値に応じて減速度の予測値を変えてもよい。
【００９８】
さらに、本実施の形態においては、制動力として駆動輪１２で発生する制動トルクのみを考慮しているが、ストッパ接地点で発生する制動力を考慮してもよい。例えば、ストッパ接地点に作用する摩擦力を考慮した力学モデルにより、全制動力及び減速度を予測してもよい。また、接地荷重移動による摩擦力限界の変化も考慮して予測してもよい。ちなみに、ストッパ接地点での制動力のみで制動する場合には、ストッパの接地と同時に減速を開始するため、ストッパ接地の時間遅れ、換言すれば、減速の先行時間に相当する車体傾斜時間の値を零、あるいは、ストッパの制御を開始する車両速度の閾値に相当する所定値に設定してもよい。
【００９９】
さらに、本実施の形態においては、有効減速度の決定過程の一部で非線形の関数を用いているが、線形近似した簡単な関数を用いてもよい。また、より複雑な非線形の関数やモデルを導入して、より詳細に有効減速度を決定してもよい。
【０１００】
次に、接地状態の予測処理について説明する。
【０１０１】
図８は本発明の実施の形態におけるストッパの接地予測状態を示す図、図９は本発明の実施の形態における駆動輪接地点、接地荷重中心点及びストッパ接地点の位置関係を説明する図、図１０は本発明の実施の形態における接地状態の予測処理の動作を示すフローチャートである。
【０１０２】
接地状態の予測処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパ接地点を予測する（ステップＳ４−３−１）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さに基づき、ストッパ接地点を予測する。なお、図８には、ストッパ１６の前方接地部１６ａが路面に接地した予測状態が示されている。
【０１０３】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘS,f と、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの水平線上の距離ｘS,r は、次の式（２）で表される。なお、以降の説明において、ｘS,f 及びｘS,r を統合的に説明する場合には、駆動輪接地点からストッパ接地予測点までの距離をｘS として説明する。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重中心点を予測する（ステップＳ４−３−２）。具体的には、ストッパ状態量の取得処理で取得したストッパ長さ及び変動特性量の取得処理で取得した有効減速度に基づき、接地荷重中心点を予測する。
【０１０６】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘC,f と、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの水平線上の距離ｘC,r は、次の式（３）で表される。なお、以降の説明において、ｘC,f 及びｘC,r を統合的に説明する場合には、駆動輪接地点から接地荷重中心予測点までの距離をｘC として説明する。
【０１０７】
【数３】
【０１０８】
このように、本実施の形態においては、有効減速度とストッパ１６の状態に基づいて、倒立制御停止時の車体姿勢及び力学的状態を予測する。つまり、有効減速度αD とストッパ長さλST,f及びλST,rに基づいて、ストッパ接地点と接地荷重中心点を予測する。また、ストッパ長さによるストッパ接地点の位置変化を考慮して、駆動輪接地点からストッパ接地点までの距離ｘS を求める。さらに、有効減速度及びストッパ長さによる車体傾斜角の変化を考慮して、駆動輪接地点から接地荷重中心点までの距離ｘC を求める。このように、倒立制御停止時における車両１０の状態を詳細に考慮することで、その安定性をより高い精度で評価できる。
【０１０９】
また、車体が前傾してストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合と車体が後傾してストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合を考慮し、各々の場合におけるストッパ接地点と接地荷重中心点を求める。したがって、倒立制御の緊急停止時において車体がどちらの方向に傾斜しても、その安定性を保証できる。
【０１１０】
なお、車両進行方向逆側のストッパ１６については、有効減速度の影響を考慮しない。倒立制御停止時に車体が進行方向逆側に傾斜した場合、減速中に車体が進行方向へ再傾斜して乗員１５に不安感を与える可能性よりも、車両停止後に車体が後方に倒れる危険性を重要視することで、より安全なシステムを実現できる。
【０１１１】
また、本実施の形態においては、非線形の評価式によって、ストッパ接地点と接地荷重中心点の相対位置を予測しているが、より簡単な線形式により予測してもよい。あるいは、駆動輪１２の変形や車体傾斜の慣性等を考慮したより詳細なモデルに基づく評価式によって予測してもよい。さらに、関数をマップとして具備し、それを用いて予測してもよい。
【０１１２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、接地荷重偏心度を予測する（ステップＳ４−３−３）。具体的には、予測したストッパ接地点及び接地荷重中心点に基づき、次の式（４）により、倒立制御の停止時、すなわち、ストッパ１６の接地時における接地荷重偏心度を算出する。なお、図９には、ストッパ接地点、接地荷重中心点及び駆動輪接地点の位置と、駆動輪接地点からストッパ接地点及び接地荷重中心点までの水平距離と、接地荷重偏心度との関係も示されている。
【０１１３】
ストッパ１６の前方接地部１６ａが接地した場合の接地荷重偏心度をγf とし、ストッパ１６の後方接地部１６ｂが接地した場合の接地荷重偏心度をγr とすると、γf 及びγr は、次の式（４）で表される。なお、以降の説明において、γf 及びγr を統合的に説明する場合には、接地荷重偏心度γとして説明する。
【０１１４】
【数４】
【０１１５】
このように、主制御ＥＣＵ２１は、予測した駆動輪接地点、ストッパ接地点及び接地荷重中心点の位置関係に基づいて、倒立制御停止時、すなわち、ストッパ接地時における車体姿勢の安定性を評価する。具体的には、駆動輪接地点とストッパ接地点との中点を基準とした接地荷重中心点のずれを駆動輪接地点及びストッパ接地点間距離の半分で無次元化した値である接地荷重偏心度によって、安定性を評価する。
【０１１６】
接地荷重偏心度が、γ＞１の場合、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側に位置するので、ストッパ接地点を中心として車体が回転し、場合によっては転倒する危険性があるため、危険な「不安定」であると評価する。また、γ＜−１の場合、接地荷重中心点が駆動輪接地点の外側に位置するので、ストッパ接地時の車体姿勢を維持することができず、やがて車体は逆側に傾斜するため、不便な「不安定」であると評価する。さらに、γ＝０の場合、接地荷重中心点が上記の２領域から最も離れた位置にあるので、この点が「最安定」であると評価し、この位置に接地荷重中心点があることを理想とする。
【０１１７】
これにより、転倒の危険だけでなく、逆側への車体再傾斜も回避させることができ、安定した車体姿勢の維持を実現することができる。
【０１１８】
また、本実施の形態においては、接地荷重中心点が駆動輪接地点とストッパ接地点との中点にある場合を最安定としているが、異なる点にある場合を最安定としてもよい。例えば、接地荷重中心点がストッパ接地点の外側にある状態の方が、駆動輪接地点の外側にある状態よりも重大な不安定状態にあることを考慮し、所定量だけ駆動輪接地点に接近した位置を最安定点とすることで、より転倒しにくい制御を実現してもよい。
【０１１９】
さらに、前側接地を想定した接地荷重中心点と後側接地を想定した接地荷重中心点について異なる値を最安定としてもよい。また、降車時には前傾接地した後に乗員１５が降車すると重心位置が後方に移動するため、停止中は前側の最安定点をストッパ接地点側に乗員１５の体重に応じた量だけ近付けてもよい。
【０１２０】
次に、ストッパ目標状態の決定処理について説明する。
【０１２１】
図１１は本発明の実施の形態における接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係を示す図、図１２は本発明の実施の形態におけるストッパ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。
【０１２２】
ストッパ目標状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、接地荷重偏心度の目標値を決定する（ステップＳ４−４−１）。具体的には、接地状態の予測処理によって予測した接地荷重偏心度の値に基づき、次の式（５）によって、接地荷重偏心度の目標値を決定する。なお、上付きの符号＊は目標値であることを示す符号である。また、図１１には、接地荷重偏心度の予測値と目標値との関係が示されている。
【０１２３】
【数５】
【０１２４】
ここでは、接地荷重偏心度が安定な範囲にあるように、かつ、緩やかに最安定な値に収束するように、目標値を決定する。そのために、接地荷重偏心度の推定値に基づいて、接地荷重偏心度の目標値を決定する。
【０１２５】
具体的には、接地荷重偏心度が不安定な範囲にある場合、すなわち、γ＜γMin 又はγ＞γMax である場合、安定な範囲内の所定値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を迅速に安定な範囲内まで変化させ、不安定な状態を回避する。また、接地荷重偏心度が安定な範囲にある場合、すなわち、γMin ＜γ＜γMax である場合、推定値よりも少し小さな値を目標値とする。これにより、接地荷重偏心度を緩やかに最安定点へ誘導し、その安定度を強くする。
【０１２６】
このように、緊急度に応じて対応を変えることで、非緊急時の過剰な制御に伴うエネルギの浪費や振動発生を回避することができる。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、単純な線形関数を組み合わせた関数で接地荷重偏心度の目標値を設定しているが、より複雑な非線形の関数を用いてもよい。例えば、式（５）における閾（しきい）値付近の不連続な変化を滑らかにすることで、同閾値付近でのストッパ１６や車体の動作の急な変化を軽減させることができる。また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の予測値が正の場合と負の場合で同様の関数から目標値を設定しているが、その特性が異なってもよい。例えば、正の場合の目標値の関数の勾（こう）配をより小さく設定することで、車体転倒の防止をより強くすることができる。さらに、本実施の形態では、前側接地を想定した場合と後側接地を想定した場合で同じ関数を用いているが、それが異なっていてもよい。例えば、前側接地想定時の目標値の関数の最大値をより小さく設定することで、緊急停止時に可能性が高くなる前側への車体転倒の防止をより強く実行することができる。
【０１２８】
また、本実施の形態では、接地荷重偏心度の目標値を同予測値に基づいて設定することで収束速度などの制御特性を調整しているが、後述のフィードバック制御において特性を調整してもよい。例えば、接地荷重偏心度の予測値が所定の閾値を超過している場合にはフィードバックゲインを大きくし、同閾値以下の場合には同ゲインを小さくすることで、本実施の形態と同様の効果を実現できる。
【０１２９】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ状態量の目標値を決定する（ステップＳ４−４−２）。具体的には、接地荷重偏心度の目標値及び変動特性量の取得処理によって取得した車両重心位置に基づき、次の式（６）及び（７）によって、ストッパ長さの目標値を決定する。なお、式（６）はストッパ１６の前方部１６ｆの長さの目標値を示し、式（７）はストッパ１６の後方部１６ｒの長さの目標値を示している。
【０１３０】
【数６】
【０１３１】
【数７】
【０１３２】
このように、接地荷重偏心度の目標値に応じて、ストッパ１６の目標状態を決定する。つまり、接地荷重偏心度の目標値と有効減速度とによって、ストッパ長さの目標値を決定する。この場合、ストッパ接地点及び接地荷重中心点が接地荷重偏心度の目標値を実現する配置になるようなストッパ長さを幾何学的条件等に基づいて算出し、それを目標値として設定する。
【０１３３】
なお、ストッパ長さを接地荷重偏心度と有効減速度との陽関数で表すこと、すなわち、直接求めることは困難であることから、本実施の形態においては、数値的な方程式の解法（ニュートン法）を用いている。
【０１３４】
【数８】
【０１３５】
なお、本実施の形態においては、非線形の陰関数によってストッパ長さの目標値を決定しているが、より簡単な線形式又は陽関数によって決定してもよい。また、関数をマップとして具備し、それを用いて決定してもよい。
【０１３６】
また、本実施の形態においては、接地荷重偏心度という指標を用いることによって車体の姿勢安定性の扱いを容易にしているが、有効減速度及びストッパ長さから直接的にストッパ長さの目標値を設定してもよい。さらに、接地荷重偏心度の目標値を、一度、接地荷重中心点及びストッパ接地点の相対位置の目標値に置き換えた後に、ストッパ長さの目標値を決定してもよい。
【０１３７】
次に、ストッパ出力の制御処理について説明する。
【０１３８】
図１３は本発明の実施の形態におけるストッパ出力の制御処理の動作を示すフローチャートである。
【０１３９】
ストッパ出力の制御処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する（ステップＳ４−５−１）。具体的には、ストッパ長さ及びストッパ伸縮速度の目標値と計測値との偏差に基づき、次の式（１２）によって、ストッパモータ６２のストッパトルク指令値を決定する。なお、τS,f は前方部１６ｆを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値であり、τS,r は後方部１６ｒを伸縮させるストッパモータ６２のストッパトルク指令値である。また、以降の説明において、τS,f 及びτS,r を統合的に説明する場合には、ストッパトルク指令値τS として説明する。
【０１４０】
【数９】
【０１４１】
このように、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）によって、ストッパ１６の目標状態を実現するようにストッパトルク指令値を決定する。
【０１４２】
なお、本実施の形態においては、ストッパ長さを制御対象としたフィードバック制御を実行しているが、他の状態量を対象としてもよい。例えば、ストッパ接地点、接地荷重中心点、又は、接地荷重偏心度を制御量としたフィードバック制御を実行してもよい。さらに、スライディングモード制御等の他のフィードバック制御、又は、フィードフォワード制御を導入してもよい。
【０１４３】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、ストッパ制御システム６０に指令値を与える（ステップＳ４−５−２）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したストッパモータ６２のストッパトルク指令値をストッパ制御ＥＣＵ２３に送信する。
【０１４４】
このように、本実施の形態においては、走行速度を考慮してストッパ事前適応制御を行う。つまり、倒立制御実行時において、車両１０の走行速度に応じてストッパ１６を制御する。具体的には、車両制御停止時における減速度の時間変化を予測し、その減速度に伴う慣性力に対して車体姿勢を安定に保持できるように、あらかじめストッパ１６を制御する。また、車両速度に基づいて車両制動時間を予測するのと共に、車体傾斜角に基づいて車体傾斜時間を予測し、両時間を比較することで減速の影響を評価する。なお、車両進行方向側のストッパ１６についてのみ、慣性力の影響を考慮する。
【０１４５】
これにより、高速走行中の緊急停止における安全性を保障し、常に安全に、安心して、快適に利用できる倒立型の車両１０を提供することができる。
【０１４６】
なお、本実施の形態においては、伸縮型ストッパによる構成を説明したが、他の種類のストッパを用いてもよい。
【０１４７】
例えば、支持部１３とストッパ１６がモータを介して相対的に回転可能な状態で結合された構造とし、モータのトルクによってストッパ１６の回転角のみを制御することで、ストッパ接地時の車体傾斜角を調整して車体姿勢の安定化を達成してもよい。この場合、前後各々の制御はできないが、伸縮型に比べて簡素なシステムで倒立制御停止時における車体姿勢の安定性を実現できる。
【０１４８】
また、ストッパスライダ機構を具備し、該スライダ機構の相対的に並進移動する部分の一方を支持部１３に固定し、他方をストッパ１６に固定することで、ストッパ１６が支持部１３と相対的に並進移動する構造を用いてもよい。この場合、ストッパ１６を駆動輪１２の回転軸から遠ざけるほど、遠ざけた側のストッパ１６が接地した時の車体の傾斜角が小さくなり、その方向に転倒する可能性が低下する。
【０１４９】
また、本実施の形態においては、すべりねじ伝動装置を介してストッパ１６の前方部１６ｆ及び後方部１６ｒを伸縮させる構造であるが、これに加えて、前方部１６ｆと前方接地部１６ａの間、及び、後方部１６ｒと後方接地部１６ｂの間にそれぞれコイルばねを介し、また、電源投入時に各コイルばねが所定のひずみ量で固定されるのと共に電源遮断時に解放される係合装置を具備した構造を用いてもよい。この場合、倒立制御の停止と共に電源を遮断した時にコイルばねの付与力により突出した前方接地部１６ａ及び／又は後方接地部１６ｒが接地した状態における車体姿勢の安定性を倒立制御実行時に予測し、不安定であると判定した場合にはすべりねじ伝動装置を動作させて、予測される接地状態を安定化させることができる。
【０１５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に適用することができる。
【符号の説明】
【０１５２】
１０ 車両
１２ 駆動輪
１６ ストッパ
１６ａ 前方接地部
１６ｂ 後方接地部
１６ｆ 前方部
１６ｒ 後方部
１７ 重心
２０ 制御ＥＣＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、
前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、
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、
車両の走行速度に応じて減速度を予測する減速度予測手段と、
該減速度予測手段によって予測された減速度に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は形状を制御する姿勢制限制御手段とを備えることを特徴とする車両。
【請求項２】
前記減速度予測手段は、車両が停止するまでの時間である車両制動時間を予測し、
前記車両制御装置は、前記姿勢制限手段が機能するまでの時間である車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、前記減速度予測手段によって予測された前記車両制動時間と前記傾斜時間予測手段によって予測された前記車体傾斜時間に応じて、前記姿勢制限手段を制御する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記姿勢制限制御手段は、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも短い場合には、第１の状態に前記姿勢制限手段を制御し、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも長い場合には、第１の状態と異なる第２の状態に前記姿勢制限手段を制御する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記傾斜時間予測手段は、前記車体の姿勢角度に応じて前記車体傾斜時間を予測する請求項２又は３に記載の車両。
【請求項５】
前記車両制御装置は、前記減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化から接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段と、を更に備え、
前記姿勢制限手段は、該接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点に応じて、前記姿勢制限手段を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両。
【請求項６】
前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、
前記姿勢制限制御手段は、前記接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点の位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する請求項５に記載の車両。
【請求項７】
前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する請求項５又は６に記載の車両。
【請求項８】
前記制限値制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両。
【請求項９】
前記車体の姿勢の制御の続行が可能か不可能かを判定する制御可能判定手段と、
前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する制御指令取得手段と、を更に備え、
前記車両制御装置は、前記制御可能判定手段が不可能と判定した時、又は、前記制御指令取得手段が停止を指令する信号を取得した時に、前記姿勢制限手段を固定する請求項１〜８のいずれか１項に記載の車両。
【請求項１０】
前記姿勢制限手段は、前記駆動輪の回転軸に平行で前記駆動輪に接する所定の平面である基準面について、前記車体の姿勢角度を固定したとき、常に前記基準面に分断されること無く、前記基準面に接した状態を維持したまま位置及び／又は形状を変化させる機構を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の車両。
【請求項１】
回転可能に車体に取り付けられた駆動輪と、
前記車体の姿勢角度を制限する姿勢制限手段と、
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、
車両の走行速度に応じて減速度を予測する減速度予測手段と、
該減速度予測手段によって予測された減速度に応じて、前記姿勢制限手段の位置及び／又は形状を制御する姿勢制限制御手段とを備えることを特徴とする車両。
【請求項２】
前記減速度予測手段は、車両が停止するまでの時間である車両制動時間を予測し、
前記車両制御装置は、前記姿勢制限手段が機能するまでの時間である車体傾斜時間を予測する傾斜時間予測手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、前記減速度予測手段によって予測された前記車両制動時間と前記傾斜時間予測手段によって予測された前記車体傾斜時間に応じて、前記姿勢制限手段を制御する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記姿勢制限制御手段は、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも短い場合には、第１の状態に前記姿勢制限手段を制御し、前記車両制動時間が前記車体傾斜時間よりも長い場合には、第１の状態と異なる第２の状態に前記姿勢制限手段を制御する請求項２に記載の車両。
【請求項４】
前記傾斜時間予測手段は、前記車体の姿勢角度に応じて前記車体傾斜時間を予測する請求項２又は３に記載の車両。
【請求項５】
前記車両制御装置は、前記減速度予測手段によって予測された減速度の時間変化から接地荷重中心点を予測する接地荷重中心点予測手段と、を更に備え、
前記姿勢制限手段は、該接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点に応じて、前記姿勢制限手段を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両。
【請求項６】
前記姿勢制限手段は、路面に接地した状態で前記車体の姿勢を制限し、
前記姿勢制限制御手段は、前記接地荷重中心点予測手段によって予測された接地荷重中心点の位置である第１の位置と、前記駆動輪が路面に接地する位置である第２の位置と、前記姿勢制限手段が路面に接地する位置である第３の位置について、前記第１の位置が前記第２の位置と前記第３の位置との間にあるように前記姿勢制限手段を制御する請求項５に記載の車両。
【請求項７】
前記第２の位置と前記第３の位置から等しい距離にある第４の位置について、該第４の位置に対する前記第１の位置の相対位置を表す接地荷重偏心度を算出する接地荷重偏心度算出手段を更に備え、
前記姿勢制限制御手段は、算出された接地荷重偏心度が所定範囲内になるように前記姿勢制限手段を制御する請求項５又は６に記載の車両。
【請求項８】
前記制限値制御手段は、前記車体の姿勢の制御が行われている時に前記姿勢制限手段を制御する請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両。
【請求項９】
前記車体の姿勢の制御の続行が可能か不可能かを判定する制御可能判定手段と、
前記車体の姿勢の制御を続行するか停止するかを指令する信号を取得する制御指令取得手段と、を更に備え、
前記車両制御装置は、前記制御可能判定手段が不可能と判定した時、又は、前記制御指令取得手段が停止を指令する信号を取得した時に、前記姿勢制限手段を固定する請求項１〜８のいずれか１項に記載の車両。
【請求項１０】
前記姿勢制限手段は、前記駆動輪の回転軸に平行で前記駆動輪に接する所定の平面である基準面について、前記車体の姿勢角度を固定したとき、常に前記基準面に分断されること無く、前記基準面に接した状態を維持したまま位置及び／又は形状を変化させる機構を備える請求項１〜９のいずれか１項に記載の車両。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１７３６０４（Ｐ２０１０−１７３６０４Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５０９（Ｐ２００９−２１５０９）
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【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２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２日（２００９．２．２）
【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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