運動制御システム
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、運動体の加速度の微分値即ち、加々速度情報を用いて物体の運動を制御する運動制御システム、車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機及び、コントローラ、そしてこれらのシステムの運動を評価する運動評価装置および加々速度を検出するセンサの構造、角加速度を検出するセンサおよび運動物体の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の運動を記述する物理量として、通常、位置、速度（あるいは角速度）、加速度（あるいは角加速度）の諸量を挙げることができる。そして各々の物理量に対し、それを検出するセンサが考案され、実用されている。ところで人間は、位置と速度については、視覚により知的に検出するのみであり、体感として感覚的に検出できるのは、加速度、及びそれより高次の物理量である。例えば、自動車、鉄道車両あるいは、エレベ−タ等の移動体に搭乗している際には、加速あるいは、減速したときにその状態変化を体感的に意識することができる。
【０００３】ここで「自動車用加速度センサの開発（日産技報第２３号、昭６２−１２）」などの文献によれば、人間は加速度よりさらにその微分値である加々速度に敏感に反応することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この事実は、人間が感じる快、不快の感覚に加々速度が深く関与しているのを示すものである。従って自動車や鉄道車両、エレベータといった運動を伴う乗り物をより快適に制御していくためには、この加速度のみならず、その微分値である加々速度の情報を検出し、その情報を用いて制御することが必要となる。
【０００５】また、人間が自分自身の運動を制御している際に、これらの加々速度情報を利用していると考えるのが自然であり、これを物体の各種運動制御に置き換えてみると、物体の高精度の運動制御を達成するためには、その物体の加々速度情報を用いた制御が必要となる。
【０００６】また、自動車運転時を想定してみると、路面状況の急変により不意の車両の挙動変化発生時には運転者は、これを加速度の変化、即ち加々速度として感じることができ、熟練運転者であれば、運転操作により車両の挙動変化を低減したりすることが可能である。このことは、一般の運転者が運転した場合にも熟練運転者並の運転が可能である車両を実現するためには、車両の加々速度情報を検出し、その情報を用いて車両運動を制御することが必要となる。
【０００７】また、以上の各種、加々速度情報を用いた制御に加え、従来の位置、速度、加速度情報による制御を併用する制御でも、現在よりも飛躍的な制御効果の向上を図ることができる。
【０００８】ところで、加々速度情報は、種々実用化されている加速度センサの出力を微分フィルタ回路回路を通過させることにより得ることができる。しかも、上述のような理由で必要となる、加速度、加々速度の同時検出も可能である。
【０００９】しかし、高周波域の加々速度を得ようとする場合には、ノイズ、位相の遅れが問題となってしまう場合もある。従って、低周波域の加々速度情報が必要なときは、加速度センサと微分回路を用い、高周波、あるいは、高精度の加々速度情報が必要なときは、他の検出方法が必要となる。また、加々速度のみではなく、加速度も同時に検出できることが望ましい。
【００１０】本発明の目的は、運動性能を向上させ、高機能の運動制御性を有する運動制御システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の運動制御システムは、物体の加速度を検出する加速度検出手段と、物体の加加速度を検出する加加速度検出手段と、物体の運動を操作するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラとを備え、前記加加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記加加速度検出手段で検出された加加速度が前記加速度検出手段で検出された加速度と逆向きの加加速度である場合は、前記コントローラにより前記アクチュエータの操作量を小さくするように制御すると共に、前記加加速度検出手段として、第１の部材と、前記第１の部材に対して相対的に可動である第２の部材と、前記第１の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、前記磁石の磁束中であって前記第２の部材に固定された少なくとも１つのコイルと、前記第１の部材に対する第２の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第１の部材に対し第２の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、前記電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えた。
【００１２】上記の加加速度検出手段において、第１の部材に相対的な第２の部材の動きを検出する前記手段が、第１の部材、第２の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板を備え、第１の部材に対する第２の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものであるとよい。
【００１３】
【作用】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した物理量である加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【００１４】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材（第２の部材）を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出し、コイルに流れるフィードバック電流と磁石の磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値（加々速度）に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる。
【００１５】
【実施例】本発明の第１の実施例を図１から図１３に従って説明する。図１は、加々速度情報を用いた運動制御システムの概念を示す全体構成図、図２は加々速度センサの全体構成図、図３は加速度が作用したときの釣合状態を示す図、図４はコイルの回路方程式の説明図、図５は内部抵抗を有する場合のコイルの回路方程式の説明図、図６は信号処理部分の回路構成図、図７は加々速度センサの他の全体構成図、図８はアナログ回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図９はデジタル回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図１０は加々速度センサの出力と加速度の微分回路出力とを比較して示した図、図１１は加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図、図１２は加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図、図１３は加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【００１６】図１に示すように、本実施例の運動制御システムは、物体５０に固定され、物体５０の加々速度を検出する加々速度検出装置５１と、物体５０の運動を制御するコントロ−ラ５２と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ５３で構成されている。コントロ−ラ５２は、加々速度検出装置５１により検出された加々速度情報を入力し、コントロ−ラ５２からの出力によりアクチェ−タ５３を用いて物体５０の運動を制御する。
【００１７】加々速度検出装置５１を構成する加々速度センサは、図２に示すようにケ−シング１０ａに継手１３によって１自由度の運動が可能なように取付けられた振子１と、振子１に固定されたコイル３と、振子１の他端側の運動方向に取付けられた可動電極４１と、マグネット２が取付けられたケ−シング１０と、ケ−シング１０に可動電極４１と対面するように形成された固定電極４２と、振子1の釣り合い位置からの変位を検出する振子変位検出器４０と、振子変位検出器４０の出力側に直列に接続されさらにその出力側が前記コイル３の一方の側に接続するように配線されたサ−ボアンプ５と、一方が接地され他方がコイル３の他方に接続されるように配線された読み取り抵抗６などから構成されている。そして、検出された加々速度情報は、図２に示すように、コイル３の端子電圧として取り出すように構成されている。
【００１８】前述したように、振子１は、１自由度の運動（紙面に水平方向）を行うように構成されているので、この方向がセンサ感度方向となる。又、振子１の両側に配置された可動電極４１とケ−シング１０に固定されている固定電極４２とで２組の平板コンデンサを形成している。平板コンデンサの静電容量Ｃは、数式１で示されるように空隙の大きさに反比例する。
【００１９】
【数１】
【００２０】ここで、εは空気の誘電率、Ｓは電極の面積、ｄは空隙寸法である。従って、可動電極４１と固定電極４２とで形成されている２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣを振子変位検出器４０で検出することにより振子１の変位が検出できる。
【００２１】また、振子１には、コイル３が配置されており、このコイル３に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング１０に固定されたマグネット２による磁界により力を受ける。したがって、サーボアンプ５により上述の振子変位検出器４０で検出した２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣがΔＣ＝０となるように、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル３に流れる電流をフィードバック制御することにより、外力の大きさにかかわらず振子１の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【００２２】ここで、加々速度センサが、ある運動をしている物体５０に固定されている場合を考える。図３に示すように、時刻ｔにおいて左方向（センサ感度方向）からセンサ全体に加速度α（ｔ）が作用したとすれば、振子１の質量をＭとすると振子１には右向きにＦ（ｔ）＝Ｍ・α（ｔ）の慣性力が働く。振子１について運動方程式を考えると数式２のようになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】ここで、Ｍは振子１の質量、ｘ（ｔ）は時刻ｔにおける振子１の釣合位置からの変位、Ｆ（ｔ）は振子１に働く慣性力、ｆ（ｔ）は位置フィードバックによる制御力である。制御力ｆ（ｔ）は、コイル３に流れる電流Ｉ（ｔ）に比例するので数式３、数式４が成り立つ。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】ここで、φは電磁鎖交係数、ｒはコイル３の半径、Ｂはマグネット２の磁束密度、Ｎはコイル３の巻き数で与えられる。
【００２８】時々刻々変動するＦ（ｔ）に対して、振子１が釣合位置にあるように制御力ｆ（ｔ）を追従させれば、数式２の左辺はゼロとなり、その結果、数式５が成立する。
【００２９】
【数５】
【００３０】したがって、加々速度センサ全体に働く加速度は、数式６となり、コイルを流れる電流値を測定することにより検出できる。
【００３１】
【数６】
【００３２】これに対し、加々速度センサ全体に働く加々速度をη（ｔ）とすると、数式７となる。
【００３３】
【数７】
【００３４】いま、図４に示すようにコイル３に流れる電流について回路方程式をたてると、数式８となる。
【００３５】
【数８】
【００３６】ここで、Ｌはコイルのインダクタンスである。従って加々速度センサ全体に働く加々速度η（ｔ）は、数式９となり、コイル３の両端の端子電圧を検出することにより、測定することができる。
【００３７】
【数９】
【００３８】図２に示す第１例の加々速度センサは、上記のように構成しているので、振子１の運動方向に沿って加速度が加わると振子１が変位し、この変位を変位検出器４０で電圧信号として検出し、サ−ボアンプ５で増幅する。さらにサ−ボアンプ５では、この電圧信号を電流指令に変換する。この電流は、振子１に取付けられたコイル３に流れマグネット２との間に力が発生し、変位検出器４０の出力が０となるように、即ち振子１を平衡位置になるように流れ続ける。上記したようにこのときコイル３に流れる電流値は、加わった加速度に比例追従し、コイル３の両端の電圧は、電流の微分値、すなわち加々速度に比例して追従した値となる。
【００３９】図５は、コイル３が内部抵抗Ｒを含んでいる場合の、加々速度情報を検出する方法を示したものである。図５に示すような回路について、回路方程式をたてると、数式１０となる。
【００４０】
【数１０】
【００４１】ここで、ｅはコイル３の両端の電圧、Ｒはコイル３の内部抵抗、Ｌはコイルのインダクタンスである。図５に示すようにコイル３を流れた電流は、すべて読みとり抵抗６を流れるとすると、数式１１が成り立つ。
【００４１】
【数１１】
【００４２】ここで、ｅｒは読み取り抵抗６の両端の電圧、ｒは取り抵抗６の内部抵抗である。したがって、図４R>４に示した場合と同様に、加々速度センサに作用する加々速度は、数式１２に示すように、コイル３の両端の電圧と、読み取り抵抗６両端の電圧を測定することにより検出可能である。
【００４３】
【数１２】
【００４４】また、図６は、数式１１で表される加々速度センサの信号処理部分をオペアンプを用いて構成したものである。このような構成とすることにより、コイル３の抵抗分が無視できないときでも、加々速度センサに作用する加々速度を検出することができる。
【００４５】図７は、第２の例である加々速度センサの全体構成を示す図である。図２に示す加々速度センサと同様な構成であるが、この加々速度センサは、振子１１と、振子１１に固定されたマグネット１２と、可動電極１４１と、ケーシング１０と、ケーシング１０に固定されたコイル１３０と、固定電極１４２と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器１４０とサーボアンプ１５と、読みとり抵抗１６で構成されている。すなわち、コイル１３０は、ケ−シング１０側に、マグネット１２は振子１１側に設けられている。この場合も図２R>２に示す加々速度センサと同様に加々速度情報は、図７に示すようにコイル１３０の端子電圧として取り出すことによって得られる。
【００４６】以上述べたことから分かるように、図２又は図７に示す加々速度センサにおいて、マグネット２、１２は、永久磁石であっても、磁束密度を一定に保った電磁石であっても良い。また、本実施例においては、振子の変位検出に振子とケ−シングで構成された静電容量の差分を用いた方法について言及したが、これに限定されるものではなく、例えば発光素子、レンズ、受光素子等を用いて光学的に検出する等の方法を用いてもよい。
【００４７】また、数式８、数式１２からわかるように、振子１の素材、構造的な特性（ヤング率、断面モーメントなど）は、考慮する必要がないので高精度の加々速度検出が可能となる。
【００４８】また、数式６及び数式１１より数式１３が成立するので、読み取り抵抗６、１６の端子電圧ｅｒは、電流、即ち加速度に比例した値となる。
【００４９】
【数１３】
【００５０】以上のように、本実施例の加々速度センサは、加速度と加々速度を同時に検出可能である。
【００５１】尚、上記した加々速度センサは、その検出方向が１軸に限定されているものについて言及したが、多軸方向の加々速度検出が必要でかつ、部品点数、コストを低減するなどの必要がある場合は、以下のような方法を用いて多軸加々速度センサを実現することができる。多軸方向の加速度に応じて、多軸方向に変位できる軸方向分の磁石、あるいはコイルを具備した振子を用い、この振子の磁石あるいは、コイルに各軸方向の力を独立して発生するような位置に軸方向分のコイル、あるいは磁石を設け、振子の基準位置からの各軸方向の変位を独立して検出する変位検出器と各軸方向のコイルに流れる電流を制御する各軸方向のサ−ボアンプを設けて、各軸方向の変位検出器により検出される、各軸方向の振子に作用する加速度によって生じる各軸方向の可動部材の各軸方向の変位が零になるように、各軸方向のコイルに流れる電流を各軸方向のサ−ボアンプにより制御し、その際に、各軸方向の誘導起電力検出器により検出される各軸方向のコイルの両端に生じる誘導起電力から、振子に作用する各軸方向の加々速度を検出すればよい。
【００５２】図８、図９により、加々速度検出装置５１の別の例を説明する。図８に示すように、加々速度検出装置５１は加速度センサとアナログ微分回路を用いて構成することができ、一般の加速度センサにアナログ微分手段（フィルタ）を付加することにより、加々速度を検出することができる。また、図９は、本実施例に用いられる加々速度検出装置５１のさらに別の例であり、加速度センサとディジタル微分回路を用いて構成している。すなわち、一般の加速度センサにＡ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によって加々速度情報を得ることもできる。このように、加々速度微分情報は、加々速度センサ出力の一階の微分回路出力として用いることができる。
【００５３】図２、図７で示す本実施例の加々速度センサで検出された加速度と加々速度、加速度のアナログ微分回路出力を一例として比較して示すと図１０のようになる。図１０の（ａ）が本実施例の加々速度センサで検出された加速度出力で、（ｂ）が（ａ）で示される加速度出力をアナログ微分回路に通した後の出力、（ｃ）が本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力を示している。（ｃ）で示される加速度アナログ微分出力と本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力は、共に（ａ）で示される加速度の微分出力となっており、非常に良く合致していることが分かる。
【００５４】図１１、図１２は、それぞれコントロ−ラ５２を含めた加速度、加々速度情報検出方法の違いを示す図であり、図１１は、本実施例の加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図であり、図１２は図９R>９に示すように、加速度センサとコントロ−ラ５２内部に微分手段を設け、その微分手段によりディジタル演算処理加々速度情報を得る構成を示している。図１１の方法では、直接加々速度情報と加速度情報を得られるが入力ポ−ト５２１、５２２とＡ／Ｄコンバ−タ５２４、５２５が２組必要であるのに対し、図１２に示す方法では入力ポ−ト５２３とＡ／Ｄコンバ−タ５２６は、１組で良いが加々速度情報を得るためには、ある程度の演算５２７が必要である。以上のことより実際に適用する場合は、ハ−ド構成とコントロ−ラ５２の演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。
【００５５】さて、図１に示す加々速度情報を用いた運動制御システムにおいて、一般的な運動形態としては、図１２に示すように物体５０が仮想的な固定面５４にダンパ要素５５とバネ要素５６と拘束されている運動モデルを考える。
【００５６】図１２に示すように、物体の質量をＭ、物体の変位をｘ、アクチュエ−タ５３の発生する力をＦc（ｔ）、物体５０に作用する外力をｆg（ｔ）、ダンパ要素５５の粘性減衰定数をＣ、バネ要素５６のバネ定数をＫとすると、物体５０は以下の数式１４に示す運動方程式に従って運動する。
【００５７】
【数１４】
【００５８】今、図１２に示される運動モデルでの位置制御を考え、コントロ−ラ５２の制御則が数式１５のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１３に示す。
【００５８】
【数１５】
【００５９】ここで、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、おのおの加速度、速度、変位のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と変位との間の伝達関数を求めると、数式１６となる。
【００６０】
【数１６】
【００６１】数式１６から分かるように、加速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、位置フィ−ドバックは、位置制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００６２】次に、図１２に示される運動モデルでの速度制御を考える。数式１４の両辺を時間ｔで微分すると数式１７となる。
【００６３】
【数１７】
【００６４】数式１７について、数式１８のごとき置換を行うと数式１９となる。
【００６５】
【数１８】
【００６６】
【数１９】
【００６７】コントロ−ラ５２の制御則が数式２０のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１４に示す。
【００６８】
【数２０】
【００６９】ここでＫ１、Ｋ２、Ｋ３は、おのおの加々速度、加速度、速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と速度との間の伝達関数を求めると、数式２１となる。
【００７０】
【数２１】
【００７１】数式２１からわかるように、加々速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００７２】次に、図１２に示される運動モデルでの加速度制御を考える。数式２０の両辺を時間ｔで微分すると数式２２となる。
【００７３】
【数２２】
【００７４】数式２２について、数式２３のごとき置換を行うと数式２４となる。
【００７５】
【数２３】
【００７６】
【数２４】
【００７７】コントロ−ラ５２の制御則が数式２５のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１５に示す。
【００７８】
【数２５】
【００７９】ここで、Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２、は、おのおの加々速度微分、加々速度、加速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と加速度との間の伝達関数を求めると、数式２６となる。
【００８０】
【数２６】
【００８１】数式２６からわかるように、加々速度微分フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加々速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００８２】以上、位置、速度、加速度の各運動制御について述べてきたが、従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【００８３】本発明の第２の実施例を図１７から図３０により説明する。図１７は、車両の１種である自動車の運動制御に用いた運動制御系の全体構成を示す図、図１８R>８は、限界走行時の車両制御を行う一例についての説明図、図１９は、車両の横滑りを検出した状態を示す図、図２０は、車両の横方向加々速度情報を用いた車両挙動変化を示す図、図２１は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の自転運動抑制方法の比較を示す図、図２２は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の公転運動抑制方法の比較を示す図、図２３は発進、加速時の車輪空転を検出する方法を示す図、図２４は制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図、図２５は６自由度の加々速度センサを取付けた状態を示す斜視図である。
【００８４】図１７は、加々速度情報を車両の１種である自動車の運動制御に適用した場合の運動制御系の全体構成を示す図であるが、図１７に示すように、車両１００は、４輪操舵車であって、主としてエンジン１０１（ミッション系を含む）、各車輪１０２、各車輪のブレ−キ１０３、ステアリング１０４、ステアリング１０４の舵角センサ１０５、アクセル１０６、ブレーキ１０７、後輪操舵モータ１０８、ブレーキ油圧制御部１０９、コントローラ１１０、横方向加々速度検出装置１１２と、前後方向加々速度検出装置１１１とで構成される。横方向加々速度検出装置１１２と、前後方向加々速度検出装置１１１は、それぞれ図２から図９、あるいは図１１に示すように構成されており、検出方向の加々速度以外に加速度を検出することができる。
【００８５】車両１００は、通常の運転時には、一般の車両と同様に運転者のステアリング１０４、あるいはアクセル１０６、あるいはブレーキ１０７を操作するのに伴い、４輪が操舵され、エンジンの回転が変化し、ブレーキがかかる等の操作が行われる。そして、車両運動の限界域近辺においては、横方向、前後方向の加々速度情報に基づいてコントローラ１１０により、後輪操舵モータ１０８、エンジン１０１、ブレーキ油圧制御部１０９を制御することにより、車両の運動性能を向上させることができる。
【００８６】限界走行時の車両１００の挙動変化が生じた場合に、加々速度情報に基づいて車両制御を行う一例についての説明図である図１８に示すように、定常状態で旋回している車両１００の旋回中心方向の運動について着目すると、遠心力Ｍ・αと路面反力Ｆとの間で力の釣合いが保たれている。もし、この状態で路面状況の急な変化等により車両１００が挙動変化を起こすと、力の釣合いは破綻する。
【００８７】従来の車両運動制御においては、この力の釣合いの破綻点（限界域）の検出が不可能であったため、限界域からはるかに低い領域における制御しかなされていなかった。このことは、従来、熟練運転者が運転する競技車両には、ＡＢＳ（Ａｎｔｉ−ｌｏｃｋ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍの略）、ＴＣＳ（Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍの略）、４ＷＳ（４Ｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍの略）等の車両運動制御装置が用いられなかったことからも容易に推察できる。運転者が視覚情報以外に検出・認識できる情報として、加速度、加々速度が挙げられる。このうち、上述したように力の釣合いの破綻が生じたことは、加速度の瞬時変化、即ち加々速度を検出することにより可能である。従って、加速度情報、さらには加々速度情報を用いることにより、さらに高機能の車両運動制御が可能である。
【００８８】横方向加々速度情報に基づいて、車両の横滑りを検出する方法を説明している図１９に示すように、検出方法の対象として想定している道路は、緩やかな右廻りのコースであるが、このとき図１９に示す（ａ）点で排水路が道路を横断しているとすると、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。このようなコースを車両１００で走行した際のステアリング角、ステアリング角速度、車両横加速度、車両横加々速度は図１９１９に示すようになる。車両１００の車輪１０２のタイヤに働くコーナリングフォースは、ステアリング舵角に比例して増加するのが一般的であるから、ステアリング舵角が一定（すなわち、ステアリング角速度がゼロ）のときは、旋回に伴う遠心力とコーナリングフォースは、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。今、排水路（ａ）点を通過するとき、車両１００は一瞬横滑りを起こす。これに伴って、ステアリング舵角一定（ステアリング角速度ゼロ）にもかかわらず、車両１００の横方向の加速度が一瞬小さくなり、車両１００の横方向の加々速度に左向きの大きなピークが検出されることになる。従って、ステアリング角速度、車両１００の横方向の加々速度を検出しておき、ステアリング角の増加分に対する車両１００の横方向の加々速度を検出することにより車両１００が滑り始める瞬間を検出することができる。
【００８９】図２０は、車両１００の横方向加々速度情報に基づいて後輪１０２の操舵機構１０８により修正舵をあてることにより、車両１００の著しい挙動変化を防止する例を示しているが、ステアリング角速度と車両１００の横方向の加々速度情報をフィードバックしてやり、後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに前輪操舵方向に転舵してやることにより、過度の挙動変化を防止することができる。
【００９０】図２１に、車両１００のヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制する方法と、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する方法を比較して示す。図２１では、図面の下側から上側方向に車両１００が進行するにつれて車両１００が時計まわりに回転を始めた場合に、上記したそれぞれの方法によって制御された場合の自転運動の抑制について示している。
【００９１】車両１００のヨ−レイトをコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００のヨ−レイトと反対の向きに（この場合をネガティブにともいう）制御力（あるいはトルクともいう）を発生させるように後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに右方向に転舵してやることにより、反時計回りの制御力を発生させることができ、自転運動を抑制することができる。
【００９２】同様に、車両１００が時計まわりに回転を始めると、車両１００には左向きの横加々速度と加速度が発生する。この車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（右向きに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（左向きに）制御力（トルク）を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより、後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに右方向に転舵して反時計回りの制御力を発生させることができ、ヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制する方法と同様に自転運動を抑制することができる。
【００９３】図２２に、車両１００のヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制するする制御が働いている状態で公転運動（通常の旋回運動）をした場合の車両１００の運動と、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する制御が働いている状態で公転運動（通常の旋回運動）をした場合の車両１００の運動を比較して示す。図２１では、車両１００が右回りのカ−ブに進入進行する場合の、それぞれの制御を行った場合の車両１００の運動について示している。
【００９４】図２１に示した場合と同様に、ヨ−レイト情報に基づいた制御においては、車両１００のヨ−レイトをコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００のヨ−レイトと反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させるように転舵制御を行っている。今、運転者は右回りのカ−ブに進入しようと、右方向にステアリング１０４を操舵する。これにより車両１００には時計回りのヨ−レイトが発生する。これに対して、制御実行時には反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。運転者がさらにステアリング１０４の舵角を増加させてカ−ブを曲がろうとしても、時計回りのヨ−レイトが発生した途端に反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。このようにヨ−レイト情報を用いた制御においては、運転者の操作により発生したヨ−レイトも抑制してしまい、運転者からみると舵角に対して回頭運動が追従しない車両となってしまう。このように、ヨ−レイト情報を用いた自転運動の抑制制御では、公転運動（通常の旋回運動）の促進を目指した制御が実現できなく、ヨ−レイト情報を用いた制御と自転運動の抑制制御との両立は不可能である。
【００９５】これに対して、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（ポジティブに）制御力（トルク）を発生させるような制御を行った場合について、コ−ナリングの各段階における運転者のステアリング１０４の操作と、車両１００の運動と、それに起因する制御内容について述べる。カ−ブの入口において運転者は、右側にステアリング１０４を操作する。これにより車両１００は旋回を開始し、向心力が回転中心方向に働き車両１００に右方向の加々速度と加速度が発生する。この場合には、加速度ゼロからある値の加速度が発生するので、加々速度は、その変化率として大きな値をもつ。従って制御力としては、右側即ちカ−ブの内側に制御力が働き、車両１００は俊敏にコ−ナリングを開始する。
【００９６】次にコ−ナリング中は、向心力と遠心力が釣り合い安定状態になる。この時、車両１００で検出される横方向加速度は安定しており、その変化率である加々速度はゼロに近づく。従って制御力は、左側、即ち車両の過度の時計回りのヨ−イングの発生を押さえる方向に働き、車両１００の安定度を向上させることになる。最後にカ−ブの出口において運転者は、右側に切っていたステアリング１０４を中立位置へと操作する。これにより車両１００は旋回を終了し、回転中心方向に働いていた向心力が減少し、車両１００の右方向の加速度が減少し、右側に負の、即ち左方向に正の加々速度が発生する。この場合も、ある値の加速度から加速度ゼロに減少するので、加々速度は大きな値をもつ。従って、制御力としては左側即ちカ−ブの外側に制御力が働き、車両１００は俊敏にコ−ナリングを終了する。この一連のコ−ナリングは、コ−ナ−の最速脱出法として良く知られているアウト・イン・アウト（すなわち、コ−ナ−外側から進入し、素早くコ−ナ−内側に車両を寄せ、素早くコ−ナ−外側に脱出する方法）が実現していることになる。これにより車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（ポジティブに）制御力（トルク）を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより自転運動の抑制制御と、公転運動（通常の旋回運動）の促進を目指した制御とが両立可能となる。
【００９７】尚、横方向の制御力発生法には、４輪操舵の他、ブレ−キ１０３の前後・左右のバランスを制御したり、タイヤ１０２による駆動力の前後・左右のバランスを制御しても良い。
【００９８】図２３に、車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両１００の発進・加速時の車輪、特に駆動輪の空転を検出する方法を示す。図２３に示すものは、道路が直線コースの場合を想定し、（ａ）点で排水路が道路を横断している場合を示しているが、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。図２３は、このようなコースを車両１００で加速走行した際のアクセル開度、アクセル速度、駆動輪速、車両１００の前後加速度、車両１００の前後加々速度をそれぞれ示している。車両１００の車輪１０２のタイヤに働くトラクションフォースはエンジントルクに比例して増加するのが一般的であるから、アクセル開度がゼロでないときは、エンジン１０１によってタイヤを駆動したときに生じるトラクションフォースと路面反力は、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路（ａ）点を通過するとき、駆動輪は空転（ホイルスピンともいう）を始める。この時、アクセル開度が正にもかかわらず、車両１００の前後方向の加速度が一瞬小さくなり、車両１００の前後加々速度に後ろ向きの大きなピークが検出できる。
【００９９】従って、アクセル速度を検出しておき、アクセル開度の変化に対する車両１００の前後方向の加々速度を検出することにより、駆動輪が滑り始める瞬間を検出することができる。その結果、コントローラ１１０により車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいてエンジン１０１の出力を減少させて、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転を減少させ、車両１００の著しい挙動変化を防止することができる。それに対して、従来提案されていた駆動輪の空転防止装置では、従動輪の回転数に対して駆動輪の回転数が増加すると空転を開始したと判断していたため、駆動輪空転の検出が遅くなってしまい、また、車輪１００の慣性モーメントのため、１度空転を開始するとなかなか空転が停止せず、駆動輪にブレーキをかける必要があったり、車両１００の著しい挙動変化を防止するという目的を達成するのは困難であった。
【０１００】このように本実施例では、車両１００の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪１０２ｃ、１０２ｄが空転を始める瞬間、あるいは最大摩擦力を越えた瞬間を検出できるため、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転が始まる前にエンジン１０１のトルクをコントロ−ラ１１０により低減させることができ、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄにブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転を減少させ、車両１００挙動変化を防止することを効果的に行うことが可能となる。
【０１０１】また、図２４に示すように、車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両１００の減速時の車輪ロックを検出することもできる。図２４では、直線コースの道路を想定し、（ａ）点で排水路が道路を横断しており、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる場合を示している。また、図２４には、このようなコースを車両１００で減速走行した際のブレーキ油圧、ブレーキ油圧の変動、車輪１０２の回転速度、車両１００の前後方向の加速度、車両１００の前後方法の加々速度をそれぞれ示している。車両１００の車輪１０２のタイヤに働く減速力はブレーキトルクに比例して増加するのが一般的であるから、ブレーキ油圧がゼロでないときは、ブレーキ１０７によるタイヤ制動により生じる減速力と路面反力は、路面状況が変化しない限り、釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路（ａ）点を通過するとき、駆動輪はロック（このとき車輪１０２の回転速度はゼロである）を始める。この時、ブレーキ油圧がゼロでないにもかかわらず、車両１００の減速度が一瞬小さくなり、車両１００の前後方向の加々速度に前方向の大きなピークが検出できる。
【０１０２】従って、ブレーキ油圧変動を検出しておき、ブレーキ油圧の変化に対する、車両１００の前後方向の加々速度を検出することにより車輪１０２がロックし始める瞬間を検出することができる。従ってコントローラ１１０により車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいてブレーキ油圧制御部１０９を制御し、ブレーキ油圧を減少させ、車輪のロックを減少させ、車両挙動変化の防止を行うことができる。従来のＡＢＳにみられる車輪のロック防止装置では、従動輪の回転速度により推定される推定車体速度に対して車輪の回転数が極端に減少すると、車輪ロックしたと判断していたため、車輪ロックの検出が遅くなってしまったり、推定車体速度の精度不足のため高精度の制御が行えず、タイヤの性能を十分に使いきっているとは言えなかった。これに対して、本実施例では車両１００の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪１０２がロックを始める瞬間、あるいは、最大摩擦力を越える瞬間を検出できるため、車輪１０２のロックが始まる前にブレーキ油圧を低減させるため、制動時の車輪１０２のロックを減少させて、車両１００の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【０１０３】以上、３つの例を用いて車両１００の前後方向、左右方向の加々速度情報を用いた各種制御について述べたが、車両１００には、前後方向、左右方向、上下方向の３つの並進運動とローリング、ヨーイング、ピッチングの３つの回転運動の６自由度の運動が考えられるため、図２５に示すように、加々速度検出装置を６自由度の運動が検出できるように６個配置し、それぞれの検出手段の出力値を用いてそれぞれの自由度の加々速度情報を検出しても良い。
【０１０４】このように、加々速度情報を用いた車両１００の運動制御を行った場合、車両１００に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となる。また同時に、運転操作情報と照らし合わせることにより、運転者が意図しない、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【０１０５】なお、上述した３つの例では、加々速度情報と運転操作情報のみを用いた車両運動制御について言及したが、従来の車両運動制御で用いていた車輪速情報等の各種情報に加え、加々速度情報を用いてさらに高機能・高精度の制御が可能であることは言うまでもない。
【０１０６】本発明の第３の実施例を図２６から図３０により説明する。図２６は車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図、図２７はエンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図、図２８はエンジン失火検出を示す図、図２９は正常燃焼時のエンジン振動を示す図、図３０は失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【０１０７】図２６に示すように、本実施例の車両３００は、可変サスペンション機構３０１ａ、３０１ｂをもつ車両であり、その他の構成は図１７に示すものと同様である。車両３００には、複数個の加々速度検出装置（図２６では、３０２ａ、３０２ｂの２個のみを取付けた場合を示しているが、これに限られるものではなく、又、場合によっては１個でもよい。）が取付けられ、ｉ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧｉ、加々速度出力をＪｉとし、数式２７のように乗り心地評価関数Ψｓを定義する。
【０１０８】
【数２７】
【０１０９】ただし、ｄｉ、ｅｉは、それぞれｉ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１１０】乗り心地評価関数Ψｓを最も小さくするようにサスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御することにより、車両３００の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。また、評価関数Ψｓは、数式２７に限定されるものではなく、運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【０１１１】ここで、コントロ−ラ３０３は、サスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ３０３単体として車両３００の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１１２】また、図２６に示すような構成に加え、車体３００の前後方向、横方向の加々速度検出装置を設け、これら車体３００の前後方向、横方向の加々速度に従ってコントロ−ラ３０３によりサスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御することにより車両運動性能の向上に役立てることもできる。
【０１１３】図２７は、加々速度情報を用いて、エンジン振動に起因する車体振動をより効果的に低減させる実施例の全体構成を示す図である。この場合、車両は、可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂをもつ車両である。今、エンジン４０１及び車体には、複数個の加々速度検出装置（図２７では、４０３ａ、４０４ａ、４０４ｂの３個のみが取付けられた場合を示しているが、これに限られるものではなく、場合によっては１個でもよい。）が取付けられ、ｉ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧｉ、加々速度出力をＪｉとし、数式２７と同様に乗り心地評価関数Ψｍを数式２８のように定義する。
【０１１４】
【数２８】
【０１１５】ただし、ｄｊ、ｅｊは、それぞれｊ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１１６】乗り心地評価関数Ψｍを最も小さくするように可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂを制御することにより、車両の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。
【０１１７】また、評価関数は、数式２８に限定されるものではなく、エンジン振動が密接な関係がある燃焼周波数に相当するエンジン回転情報等を付加し、さらに運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。さらに図２７では加々速度検出装置は、エンジン、ステアリング、シ−トの振動を検出できるように設置したがこれに限定されるものではない。
【０１１８】ここで、コントロ−ラ４０７は、可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ４０７単体として車両の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１１９】図２８は、加々速度情報をエンジン失火検出に適用した実施例を示す図である。エンジン４０１は間欠的に燃焼しているため、燃焼に同期したトルク変動が発生する。このトルク変動の反作用がエンジン振動を引き起こし、この振動がエンジンマウント４０２を介して車体に伝達され車両全体の振動を引き起こす。ここで、エンジン４０１の振動に着目すると、エンジン４０１は燃焼周波数に同期したトルク変動により強制加振されており、燃焼周波数で振動している。したがって、この振動を検出することによりエンジンの燃焼状態が検出できる。
【０１２０】正常燃焼時のエンジン４０１のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図２９と失火発生時のエンジン４０１のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図３０との比較から分かるように、失火が発生すると、図３０に示されるように、エンジン４０１のロール方向の加速度に変化がみられ、エンジン４０１のロール方向の加々速度には、大きなピークが観察される。失火検出装置５０３は、これら複数の信号を検出し、適当なフィルタリング演算を行うことにより、エンジン失火の検出が可能である。
【０１２１】また、エンジン４０１のロ−ル方向の加速度、加々速度情報のみではなく、エンジンの他の自由度の加速度、加々速度情報や、車体振動、あるいはエンジン回転情報等を付加し、さらに高精度の失火検出を行うようにしても良い。
【０１２２】また、失火検出装置５０３に、可変エンジンマウント機構等を制御する機能をもたせ、エンジン４０１の失火に起因する乗り心地の悪化を低減するような乗り心地制御システムとしても良い。
【０１２３】本発明の第４の実施例を図３１、図３２により説明する。図３１は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの概念図、図３２は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの全体構成を示す図である。
【０１２４】図３１、図３２に示すように、エレベ−タかご２０１は、ワイヤ２０６でつり下げられ、コントロ−ラ２０４によりモ−タ２０３が制御されワイヤ２０５を巻き上げ、巻き下げて運転される。２０５は重りで、エレベ−タかご２０１の重さと、ほぼ釣り合うようになっており、モ−タ２０３の負荷を軽減する働きがある。モ−タ２０３には、コントロ−ラ２０４より制御指令が入力され、コントロ−ラ２０４には、モ−タ２０３の回転情報が入力される。モ−タ２０３の回転情報としては、モ−タ回転角度、モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等があるが、これらの情報は、モ−タ２０３に付随しているエンコ−ダ（図示せず）の出力パルスを検出し、各種演算を行うことにより可能である。
【０１２５】従来のエレベ−タでは、モ−タの回転情報よりエレベ−タかごの運動を推定し、各種乗り心地制御を行っていたが、モ−タとエレベ−タかごを結ぶワイヤが弾性体であり、ワイヤが伸び縮みするため、モ−タの回転情報がエレベ−タかごの運動を反映したものとは言えず、十分な性能を発揮できなかった。
【０１２６】本実施例においては、エレベ−タかご２０１に、複数の加々速度検出装置（図３１では、２０２ｘ、２０２ｙの２個を示している。）が搭載されており、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかご２０１の加々速度情報を直接検出できるようになっている。これらの加々速度情報は、コントロ−ラ２０４に入力されモ−タ２０３の制御指令に用いられる。これらの複数個の加々速度検出装置のうち、ｋ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧk、加々速度出力をＪkとし、モ−タの回転速度をＶとしたとき、数式２９のように乗り心地評価関数Ψeを定義する。
【０１２７】
【数２９】
【０１２８】ただし、ａは、エレベ−タ巻き上げ巻き下げ速度に対する重み付け定数、ｂk、ｃkは、それぞれｉ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、搭乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１２９】乗り心地評価関数Ψｅを最も小さくするようにモ−タ２０３のを制御することにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。また、評価関数は、数式２９に限定されるものではなく、搭乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【０１３０】ここで、コントロ−ラ２０４は、モ−タ２０３を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ２０４単体としてエレベ−タかご２０１の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、エレベ−タの乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。また、環境的な問題より加々速度情報の検出が困難な場合は、モ−タ回転情報（モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等）を数式２９にあてはめる方法でもよい。
【０１３１】本発明の第５の実施例を図３３から図３５により説明する。図３３は、加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図３４は、ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図３５は、加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【０１３２】図３３に示すように、本実施例の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タ５４１、５４２を中心にして自由に転向できる前後２組の台車５５１、５５２の上に長い車体５０１をかけ渡した様式になっている。台車５５１、５５２は、車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タ５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０を介して車輪５２１、５２２、５２３、５２４により支持されている。車体５０１には、複数の加々速度検出装置（図３３では５３１、５３２、５３３のことをいう。）が具備され、車体５０１の上下方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ５０６は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体５０１に配置される複数の加々速度検出装置（図３３では５３１、５３２、５３３のことをいう。）からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ５０６は、これらの情報に基づいて車両の走行に際して軌道に多少の不整があっても、乗り心地が低下しないように枕バネアクチュエ−タ５４１、５４２、軸バネアクチュエ−タ５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０を制御する。
【０１３３】加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の鉄道車両より振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。
【０１３４】また、図３４に示す鉄道車両は、図３３に示す鉄道車両と同様な構成であるが、より乗り心地のよい制御を可能とするために車体５０１、台車５５５、軸受け５５１、５５２の加々速度を検出するように構成したものである。車体５０１、台車５５５、軸受け５５１、５５２には、複数の加々速度検出装置（図３４では、それぞれ５３１、５３４、５３５、５３６のことをいう）が設置されている。通常、車体、台車、軸受けは、それぞれ異なる共振点を持っており、これらの振動を加々速度検出装置で検出し、コントロ−ラ５０６側にフィ−ドバックすることにより、より乗り心地の良い制御が達成される。
【０１３５】ここで、コントロ−ラ５０６は、各アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ５０６単体として鉄道車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、鉄道車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１３６】図３５に示す鉄道車両は、特に始動、制動時を考慮して加々速度情報を用いることにより鉄道車両の動力を制御した場合の構成を示している。図３５に示すように、動輪５２１、５２２は、コントロ−ラ５０６により制御されるモ−タ５０３により駆動され、制動輪５２３、５２４は、コントロ−ラ５０６により制御されるブレ−キ５０４により制動される。
【０１３７】車体５０１には、複数の加々速度検出装置（図３５では５０５のみを図示している。）が具備され、車体５０１の進行方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ５０６は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【０１３８】図３６では、鉄道車両５０１の運転状態として、車輪５２１、５２２、５２３、５２４がレ−ル面上を転がろうとする状態を示している。車輪とレ−ルとの間の粘着係数をμ、軸重をＷで表すと、この車輪とレ−ルの摩擦力により出すことのできる引張力の最大値Ｆは、数式３０のようになる。
【０１３９】
【数３０】
【０１４０】したがって、引張力の最大値以上の引張力を得ようとして回転力を大きくしても動輪が空転するだけである。今、動輪の回転力をゼロから徐々に増加させると車体の加速度は増加していく。しかし、上記のように動輪が空転を開始すると一気に加速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、モ−タ５０３を制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【０１４１】制動についても同様なことが言える。引張力の最大値Ｆを越えるような制動力を得ようとして制動トルクを大きくしても制動輪がスリップするだけである。今、制動輪の制動トルクをゼロから徐々に増加させると、車体の減速度は増加していく。しかし、上記のように制動輪がスリップ（ロックともいう）を開始すると一気に減速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【０１４２】また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができるのは、自動車と同様である。上述の実施例では、駆動輪、制動輪を別に考えているが、同一車輪が駆動輪、制動輪を兼ねている場合にも適用できる。
【０１４３】本発明の第６の実施例を図３７により説明する。図３７は、加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【０１４４】図３７に示すように、磁気浮上車両は、車体６０１は浮上用地上コイル６７３、６７４と超電動磁石６３３、６３４の磁気的な同極反発力により浮上している。そして、地上の推進案内用コイル６７１、６７２に電流を流し、車上の超電動磁石６３１、６３２と引き合う力が生じるのでその力を利用して前進する。
【０１４５】車体６０１には、複数の加々速度検出装置（図３７では６２１、６２２、６２３、６２４、６２５のことをいう）が具備され、車体６０１の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。コントロ−ラ６０４は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体６０１に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ６０４は、これらの情報にもとづいて超電動磁石６３３、６３４の磁力を制御すると同時に、この情報をアンテナ６０５より地上側コントロ−ラ６０６に向けて発信する。地上側コントロ−ラ６ではこれらの情報に基づいて推進案内用地上コイル６７１、６７２、浮上用地上コイル６７３、６７４に流入する電流を制御し、磁力を制御することにより車体の浮上姿勢、位置、速度、加速度を正確に制御することができる。
【０１４６】また、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、より振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【０１４７】ここで、コントロ−ラ６０６は、各磁力発生手段を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ６０６単体として磁気浮上車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、磁気浮上車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１４８】本発明の第６の実施例を図３８により説明する。図３８は、加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【０１４９】図３８に示すように、地震シミュレ−タは、あらかじめコントロ−ラ７０３に入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力を忠実に再現するように、振動台７００の動きを制御するものである。振動台７００は、コントロ−ラ７０３により駆動される油圧アクチュエ−タ７４１、７４２によってＸ軸方向の動きを、油圧アクチュエ−タ７４３、７４４によってｙ軸方向の動きを制御される。油圧アクチュエ−タ７４３、７４４内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ７０３に入力される。振動台７００上の加々速度検出装置（図３８では、７０１、７０２のことをいう）からは、振動台７００のｘ軸、ｙ軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器７６１、７６２、７６３、７６４によりそれぞれ、振動台７００のｘ軸、ｙ軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラ７０３に入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することにより位置情報を得るようにしてもよい。これら各自由度に対して４種類の信号は、コントロ−ラ７０３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ７０３にあらかじめ入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力と比較され、振動台は、目標値どおりに駆動（加振ともいう）される。
【０１５０】このようなシステム構成により、従来のシミュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。また、この実施例では２次元の地震シミュレ−タについて述べているが、1次元、３次元の地震シミュレ−タでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【０１５１】ここで、コントロ−ラ７０３は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ７０３単体として振動台の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、地震シミュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５２】また、人間が搭乗したかごを車両、あるいは飛行物体の運動を模して外部アクチュエ−タを用いて動揺させることにより、かご内の人間の運転訓練を行ったり、アミュ−ズメントを与える運動シミュレ−タにおいても、従来の情報に加え、このかごの加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた運動シミュレ−タを実現することができる。
【０１５３】本発明の第７の実施例を図３９により説明する。図３９は、加々速度情報を用いたＸＹステ−ジの構成を示す図である。
【０１５４】本実施例のＸＹステ−ジは、図３９に示すように、あらかじめコントロ−ラ８０３に入力されている位置入力に忠実に追従するように、ステ−ジ８００の動きを制御するものである。ステ−ジ８００は、コントロ−ラ３により駆動されるリニアアクチュエ−タ８４１、８４２によってＸ軸方向の動きを、リニアアクチュエ−タ８４３、８４４によってｙ軸方向の動きを制御される。リニアアクチュエ−タ内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ８０３に入力される。ステ−ジ８００上の複数の加々速度検出装置（図３９では、８０１、８０２のことをいう）からは、ステ−ジ８００のｘ軸、ｙ軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器８６１、８６２、８６３、８６４により、それぞれステ−ジのｘ軸、ｙ軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラに入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することによりステ−ジ８００の位置情報を得るようにしてもよい。また、コントロ−ラ内部でこれらの積分動作を行ってもよい。これら各自由度に対して４種類の信号は、コントロ−ラ８０３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ８０３にあらかじめ入力されている位置入力と比較され、ステ−ジ８００は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のＸＹステ−ジに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性（即応性ともいう）、安定性に優れたＸＹステ−ジを実現することができる。
【０１５５】また、本実施例では、２次元のＸＹステ−ジについて述べているが、1次元のリニアステ−ジ、３次元のステ−ジでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性（即応性）、安定性に優れたステ−ジを実現することができる。ここで、コントロ−ラ８０３は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ８０３単体としてステ−ジの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、ＸＹ−ステ−ジの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５６】本発明の第８の実施例を図４０により説明する。図４０は、加々速度情報を用いた制振装置つきビルの構成を示す図である。
【０１５７】図３８に示すように、ビルの適当なフロア−には、油圧アクチュエ−タ９０３とアクティブマス９０４が具備されている。油圧アクチュエ−タ９０３はビルに固定されており、アクティブマスはビルに対して相対的に可動可能に設置されている。コントロ−ラ９０２は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、各フロアに複数個（図４０では、９１１、９１２、９１３、９１４の４個設置した場合を示している。）配置される加々速度検出装置からの情報より従来と同様な加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ９０２は、これらの情報にもとづいてビル全体の振動が小さくなるように油圧アクチュエ−タ９０３の油圧を制御する。加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。また、アクティブマス９０４の加々速度情報を検出するような加々速度検出装置（図示せず）を用いて正確にアクティブマス９０４の運動を制御することにより、さらに振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【０１５８】ここで、コントロ−ラ９０２は、油圧アクチュエ−タ９０３を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ９０２単体としてビルの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、制振装置つきビルの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５９】本発明の第９の実施例を図４１により説明する。図４１は、加々速度情報を用いたロボットア−ムのマニピュレ−タの構成を示す図である。
【０１６０】図４１に示すように、マニピュレ−タ１００１は、あらかじめコントロ−ラ１００３に入力されている位置入力に忠実に追従するように、マニピュレ−タ１００１の動きを制御するものである。マニピュレ−タ１００１は、コントロ−ラ１００３により駆動される関節駆動用ＤＤモ−タ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ モ−タの略）１０４１、１０４２、１０４３により動きを制御される。各々のＤＤモ−タ内にはエンコ−ダ（図示せず）が具備され、回転角度位置情報がコントロ−ラ１００３に入力される。マニピュレ−タ手先１０１１に具備された複数の加々速度検出装置（図４１では、１０２１、１０２２、１０２３のことをいう）からは、マニピュレ−タ手先１０１１の座標系におけるｘ'軸、ｙ'軸、ｚ'軸方向の加々速度が検出される。コントロ−ラ１００３は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【０１６１】これら４種類の信号は、コントロ−ラ１００３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ１００３にあらかじめ入力されている位置、速度、加速度入力と比較され、マニピュレ−タ１００１は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のマニピュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性（即応性）、安定性に優れたマニピュレ−タを実現することができる。なお、図４１では、マニピュレ−タ手先１０１１に具備された加々速度検出装置は、１０２１、１０２２、１０２３の３つの場合を示しているが、図２５に車両の６自由度の加々速度情報の検出方法として示したものと同様に、マニピュレ−タ手先１０１１の６自由度の運動を検出してさらに高精度の制御を行ってもよい。
【０１６２】ここで、コントロ−ラ１００３は、各モ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ１００３単体としてマニピュレ−タ手先の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、マニピュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１６３】本発明の第１０の実施例を図４２、図４３により説明する。図４２、図４３は、それぞれ加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【０１６４】図４２、図４３に示すように、機体１１０１には、複数の加々速度検出装置（図４２、図４３では１１２１、１１２２、１１２３のことをいう）が具備され、機体の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。また、主翼１１４２にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置１１２４、１１２５が具備されている。コントロ−ラ１１０３は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、機体に配置される各加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。加々速度情報を用いることにより、機体に加わる微妙な力の変化を加速度の微妙な変化として検出できる。コントロ−ラ１１０３は、これらの情報にもとづいて水平カナ−ド１１４１、フラッペロン１１４２、垂直カナ−ド１１４３、水平スタビライザ１１４４、垂直スタビライザ１１４５、さらには、エンジン（図示せず）の出力を制御する。これにより、機体の６自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のＣＣＶ(Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅの略）をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御（ｄｉｒｅｃｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）、首振り制御（ａｉｒｐｌａｎｅ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）、遷移制御（ａｉｒｐｌａｎｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）等が可能となる。
【０１６５】また、主翼１１４２にも主翼１１４２の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置が具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【０１６６】本発明の第１１の実施例を図４４、図４５により説明する。図４４は、角加々速度センサの全体構成を示す図、角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【０１６７】図４４、図４５に示されるように本実施例の角加々速度センサは、回転振子１２０１と、回転振子１２０１に固定されたコイル１２０２と、可動電極１２０４と、ケーシング１２００と、ケーシング１２００に固定されたマグネット１２０３と、固定電極１２０５と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器１２０６とサーボアンプ１２０７と、読みとり抵抗１２０８で構成されている。角加々速度情報は、図４４に示すように、コイル１２０２の端子電圧として取り出す。
【０１６８】振子１２０１は、図４４、図４５の紙面に垂直な軸回りに回転できる（この方向を以下では、センサ感度方向という。）。また、振子１２０１の両側に配置された可動電極１２０４と、ケーシング１２００に固定されている固定電極１２０５とは、２組の平板コンデンサを形成している。可動電極１２０４と固定電極１２０５とで形成されている２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣを振子変位検出器１２０６で検出することにより振子１２０１の変位が検出できる。
【０１６９】また、振子１２０１には、コイル１２０２が配置されており、このコイル１２０２に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング１２００に固定されたマグネット１２０３による磁界によりトルクを受ける。したがって、サーボアンプ７により振子変位検出器１２０６で検出し、ΔＣ＝０、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル１２０２に流れる電流をフィードバック制御することにより、慣性力によるモ−メントにかかわらず振子１２０１の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【０１７０】ここで、本発明の角加々速度センサが、ある回転運動をしている物体に固定されている場合を考える。図４５に示すように、時刻ｔにおいて反時計回りにセンサ全体に角加速度β（ｔ）が作用したとすれば、慣性質量Ｉの回転振子１２０１には数式３１で表される慣性力によるモ−メントが右向きに働く。
【０１７１】
【数３１】
【０１７２】回転振子１２０１について運動方程式を考えると数式３２のようになる。
【０１７３】
【数３２】
【０１７４】ここで、Ｊは回転振子１の慣性質量、θ（ｔ）は時刻ｔにおける回転振子１２０１の釣合位置からの変位角、Ｗ（ｔ）は回転振子１２０１に働く慣性力によるモ−メント、ｗ（ｔ）は位置フィードバックによる制御力である。制御力ｗ（ｔ）は、コイル１２０３に流れる電流Ｉ（ｔ）に比例するので数式３３、数式３４が成り立つ。
【０１７５】
【数３３】
【０１７６】
【数３４】
【０１７７】ここで、φは電磁鎖交係数、ｒはコイル１２０３の半径、Ｂはマグネット１２０３の磁束密度、Ｎはコイル１２０２の巻き数で与えられる。
【０１７８】時々刻々変動するＷ（ｔ）に対して、回転振子１が釣合位置にあるように制御力ｗ（ｔ）が追従すれば、数式３２の左辺はゼロとなり、結局数式３５が成立する。
【０１７９】
【数３５】
【０１８０】したがって、センサ全体に働く角加速度は、数式３６のようになり、コイル１２０３を流れる電流より検出できる。
【０１８１】
【数３６】
【０１８２】ここで、センサ全体に働く角加々速度をγ（ｔ）とすると、数式３７となる。
【０１８３】
【数３７】
【０１８４】いま、図のようにコイル３に流れる電流について回路方程式をたてると、数式３８となる。
【０１８５】
【数３８】
【０１８６】ここで、Ｌはコイルのインダクタンスである。従ってセンサ全体に働く角加々速度γ（ｔ）は数式３９となり、コイル１２０３の両端の端子電圧を検出することにより測定することができる。
【０１８７】
【数３９】
【０１８８】本実施例においては、回転振子にコイルが具備され、ケ−シングに磁石が具備されている例について言及しているが、回転振子に磁石が具備され、ケ−シングにコイルが具備され、あるいは、磁石が永久磁石であっても電磁石であっても、変わらず角加々速度を検出できる。
【０１８９】尚、角加々速度情報は、加々速度情報と同様に、一般の角速度センサに２階のアナログ微分手段（フィルタ）を付加する、あるいは、Ａ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。また、角加速度センサに１階のアナログ微分手段（フィルタ）を付加する、あるいは、Ａ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。
【０１９０】従って、ハ−ド構成とコントロ−ラの演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。また、本発明の他の実施例の中で示した加々速度情報を用いた各種制御に加え、角加々速度情報を用いることにより、さらに高精度の運動制御、運動制御装置が実現されたり、高性能な評価試験装置が実現される。
【０１９１】以上、本発明の各実施例について、加々速度の検出方法、加々速度を用いた一般的な運動モデルに対する運動制御の優位性、加々速度情報を用いた車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機の運動制御及び運動評価装置、そして、角加々速度センサについて述べてきた。上述したように、従来用いられていなかった物体の運動を記述する新たなる物理量である加々速度あるいは角加々速度が検出可能となり、従来の運動制御で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動制御に用いることにより従来の運動制御に対し、さらに高精度の運動制御が実現される。また、従来の運動評価で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動評価に用いることにより、従来の運動評価試験装置に対し、さらに、高性能な運動評価試験装置が実現される。
【０１９２】
【発明の効果】加々速度情報を用いた物体の運動制御を行った場合、物体に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、物体の限界域での挙動変化を瞬時に検出できる。また同時に、操作情報と照らし合わせることにより、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。可動部材（第２の部材）に固定されたコイル両端の電圧を検出することにより、可動部材に加わる加速度の微分値（加々速度）に比例した物理量を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加々速度情報を用いた運動制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図３】加速度が作用したときの振子の釣り合いを示す図である。
【図４】コイルの回路方程式の説明図である。
【図５】内部抵抗Ｒを有する場合のコイルの回路方程式の説明図である。
【図６】信号処理部分の回路構成図である。
【図７】他の加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図８】アナログ微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図９】デジタル微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図１０】で検出された加速度・加々速度と、加速度の微分回路出力を示した図である。
【図１１】加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図１２】加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図１３】加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【図１４】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（位置制御の場合）である。
【図１５】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（速度制御の場合）である。
【図１６】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（加速度制御の場合）である。
【図１７】車両の運動制御系の全体構成を示す図である。
【図１８】加々速度情報の説明図である。
【図１９】横滑り検出の説明図である。
【図２０】横加々速度情報を用いた横滑り抑制の説明図である。
【図２１】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の自転運動抑制方法の比較を示す図である。
【図２２】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の公転運動の比較を示す図である。
【図２３】発進あるいは加速時の車輪空転を検出する方法を示す図である。
【図２４】制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図である。
【図２５】６自由度の加々速度情報検出手段の取付状態を示す斜視図である。
【図２６】車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図である。
【図２７】エンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図である。
【図２８】エンジン失火検出の全体構成を示す図である。
【図２９】正常燃焼時のエンジン振動を示す図である。
【図３０】失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【図３１】エレベ−タ乗り心地制御を行う場合の概念を示す図である。
【図３２】エレベ−タ乗り心地制御の全体構成を示す図である。
【図３３】加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図３４】ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図３５】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図３６】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図３７】加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【図３８】加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【図３９】加々速度情報を用いたＸ−Ｙステ−ジの構成を示す図である。
【図４０】加々速度情報を用いた制振装置付きビルの構成を示す図である。
【図４１】加々速度情報を用いたロボットア−ムの構成を示す斜視図である。
【図４２】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図４３】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図４４】角加々速度センサの構成を示す図である。
【図４５】角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【符号の説明】
５０…物体、５１…加々速度検出装置、５２、３０３、４０７、２０４、５０６、６０４…コントロ−ラ、５３…アクチュエ−タ、１…振子、２…磁石、３…コイル、４０…振子変位検出器、４１…可動電極、４２…固定電極、５、１２０７…サ−ボアンプ、６、１２０８…読み取り抵抗、１３…つぎ手、５２１、５２２、５２３…入力ポ−ト、５２４…加々速度情報用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２５…加速度情報用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２６…加速度／加々速度用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２７…デジタル微分演算、５４…仮想固定ベ−ス、５５…仮想バネ要素、５６…仮想ダンパ−要素、１００、３００…車両、１０１…エンジン系、１０２…車輪、１０３…車輪ブレ−キ、１０４、４０６…ステアリング、ステアリング舵角センサ、１０６…アクセル、１０７…ブレ−キ、１０８…後輪操舵用アクチュエ−タ、１１１…横方向加々速度検出装置、１１２…前後方向加々速度検出装置、１１１ａ、１１１ｂ…前後方向、ヨ−加々速度検出装置、１１２ａ、１１２ｂ…横方向、ロ−ル加々速度検出装置、１１１ａ、１１１ｂ…上下方向、ピッチ加々速度検出装置、３０１ａ、３０１ｂ…可変サスペンション機構、３０２ａ、３０２ｂ…車体加々速度検出装置、４０１…エンジン本体、４０２ａ、４０２ｂ…可変エンジンマウント、４０３、４０３ａ…エンジン加々速度検出装置、４０４ａ、４０４ｂ…車体側加々速度検出装置、４０５…座席、５０３…失火検出装置、２０１…かご、２０２ｘ、２０２ｙ…エレベ−タかご加々速度検出装置、２０３…モ−タ、２０５…重り、２０６…ロ−プ、５０１…鉄道車両車体、５２１、５２２、５２３、５２４…鉄道車両車輪、５３１、５３２、５３３…鉄道車両加々速度検出装置、５４１、５４２…枕バネアクチュエ−タ、５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０…軸バネアクチュエ−タ、５５１、５５２、５５３、５５４…軸受、５５５、５５６…台車、、５３４…台車加々速度検出装置、５３５、５３６…軸受加々速度検出装置、５２１、５２２…動輪、５２３、５２４…制動輪、５０３…モ−タ、５０４…ブレ−キ、５０５…鉄道車両前後方向加々速度検出装置、６０１…磁気浮上車両車体、６２１、６２２、６２３、６２４…磁気浮上車両加々速度検出装置、６３１、６３２、６３３、６３４…超電動磁石、６０５…送信用アンテナ、６０６…地上側コントロ−ラ、６７１、６７２…推進案内用地上コイル、６７３、６７４…浮上用地上コイル、７００…振動台７０１…振動台のｙ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、７０２…振動台のｘ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、７０３…振動台コントロ−ラ、７４１、７４２、７４３、７４４…油圧アクチュエ−タ、７０５…固定フレ−ム、７６１、７６２、７６３、７６４…積分器、８００…ステ−ジ、８０１…ステ−ジｙ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、８０２…ステ−ジのｘ軸方向加々速度検出用加々速度検出装置、８０３…振動台コントロ−ラ、８４１、８４２、８４３、８４４…リニアアクチュエ−タ、８４５…固定フレ−ム、８６１、８６２、８６３、８６４…積分器、９００…ビル、９１１、９１２、９１３、９１４…ビル加々速度検出装置、９０２…ビル制振コントロ−ラ、９０３…油圧アクチュエ−タ、９０４…アクティブマス、１００１…マニピュレ−タ、１０１１…マニピュレ−タ手先、１０２１、１０２２、１０２３…手先加々速度検出装置、１００３…ア−ムコントロ−ラ、１０４１、１０４２、１０４３…関節駆動用ＤＤモ−タ、１１２１、１１２２、１１２３、１１２４、１１２５…航空機機体加々速度検出装置、１１０３…航空機コントロ−ラ、１１４１…水平カナ−ド、１１４２…フラッペロン、１１４３…垂直カナ−ド、１１４４…水平スタビライザ、１１４５…垂直スタビライザ、１２００…ケ−シング、１２０１…回転振子、１２０２…コイル、１２０３…マグネット、１２０４…可動電極、１２０５…固定電極、１２０６…振り子変位角検出装置。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、運動体の加速度の微分値即ち、加々速度情報を用いて物体の運動を制御する運動制御システム、車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機及び、コントローラ、そしてこれらのシステムの運動を評価する運動評価装置および加々速度を検出するセンサの構造、角加速度を検出するセンサおよび運動物体の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の運動を記述する物理量として、通常、位置、速度（あるいは角速度）、加速度（あるいは角加速度）の諸量を挙げることができる。そして各々の物理量に対し、それを検出するセンサが考案され、実用されている。ところで人間は、位置と速度については、視覚により知的に検出するのみであり、体感として感覚的に検出できるのは、加速度、及びそれより高次の物理量である。例えば、自動車、鉄道車両あるいは、エレベ−タ等の移動体に搭乗している際には、加速あるいは、減速したときにその状態変化を体感的に意識することができる。
【０００３】ここで「自動車用加速度センサの開発（日産技報第２３号、昭６２−１２）」などの文献によれば、人間は加速度よりさらにその微分値である加々速度に敏感に反応することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この事実は、人間が感じる快、不快の感覚に加々速度が深く関与しているのを示すものである。従って自動車や鉄道車両、エレベータといった運動を伴う乗り物をより快適に制御していくためには、この加速度のみならず、その微分値である加々速度の情報を検出し、その情報を用いて制御することが必要となる。
【０００５】また、人間が自分自身の運動を制御している際に、これらの加々速度情報を利用していると考えるのが自然であり、これを物体の各種運動制御に置き換えてみると、物体の高精度の運動制御を達成するためには、その物体の加々速度情報を用いた制御が必要となる。
【０００６】また、自動車運転時を想定してみると、路面状況の急変により不意の車両の挙動変化発生時には運転者は、これを加速度の変化、即ち加々速度として感じることができ、熟練運転者であれば、運転操作により車両の挙動変化を低減したりすることが可能である。このことは、一般の運転者が運転した場合にも熟練運転者並の運転が可能である車両を実現するためには、車両の加々速度情報を検出し、その情報を用いて車両運動を制御することが必要となる。
【０００７】また、以上の各種、加々速度情報を用いた制御に加え、従来の位置、速度、加速度情報による制御を併用する制御でも、現在よりも飛躍的な制御効果の向上を図ることができる。
【０００８】ところで、加々速度情報は、種々実用化されている加速度センサの出力を微分フィルタ回路回路を通過させることにより得ることができる。しかも、上述のような理由で必要となる、加速度、加々速度の同時検出も可能である。
【０００９】しかし、高周波域の加々速度を得ようとする場合には、ノイズ、位相の遅れが問題となってしまう場合もある。従って、低周波域の加々速度情報が必要なときは、加速度センサと微分回路を用い、高周波、あるいは、高精度の加々速度情報が必要なときは、他の検出方法が必要となる。また、加々速度のみではなく、加速度も同時に検出できることが望ましい。
【００１０】本発明の目的は、運動性能を向上させ、高機能の運動制御性を有する運動制御システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の運動制御システムは、物体の加速度を検出する加速度検出手段と、物体の加加速度を検出する加加速度検出手段と、物体の運動を操作するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラとを備え、前記加加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記加加速度検出手段で検出された加加速度が前記加速度検出手段で検出された加速度と逆向きの加加速度である場合は、前記コントローラにより前記アクチュエータの操作量を小さくするように制御すると共に、前記加加速度検出手段として、第１の部材と、前記第１の部材に対して相対的に可動である第２の部材と、前記第１の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、前記磁石の磁束中であって前記第２の部材に固定された少なくとも１つのコイルと、前記第１の部材に対する第２の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第１の部材に対し第２の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、前記電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えた。
【００１２】上記の加加速度検出手段において、第１の部材に相対的な第２の部材の動きを検出する前記手段が、第１の部材、第２の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板を備え、第１の部材に対する第２の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものであるとよい。
【００１３】
【作用】従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した物理量である加々速度情報を加えて制御することにより、速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【００１４】また、センサ内に、発生する加速度に応じて変位する、コイルを具備した可動部材（第２の部材）を配置し、このコイルに電流を流した際に、可動部材に力が生じるような位置に磁石を配置し、この可動部材の基準位置からの変位を検出し、コイルに流れるフィードバック電流と磁石の磁界により発生したトルクが可動部材を零位置に保つようにし、この発生電圧をセンサ出力として外部に取り出すようにしているので、このときコイルに流れるフィードバック電流量は、可動部材に加わる加速度に正確に比例した物理量を示す。また、このときコイル両端の電圧は、電磁誘導の法則よりフィードバック電流の微分値に比例した物理量を示す。従ってこの電圧を検出することにより、フィードバック電流の微分値、即ち可動部材に加わる加速度の微分値（加々速度）に比例した物理量を高精度に検出することができる。また、この時の電流値を検出すれば、加速度も同時に検出できる。
【００１５】
【実施例】本発明の第１の実施例を図１から図１３に従って説明する。図１は、加々速度情報を用いた運動制御システムの概念を示す全体構成図、図２は加々速度センサの全体構成図、図３は加速度が作用したときの釣合状態を示す図、図４はコイルの回路方程式の説明図、図５は内部抵抗を有する場合のコイルの回路方程式の説明図、図６は信号処理部分の回路構成図、図７は加々速度センサの他の全体構成図、図８はアナログ回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図９はデジタル回路を用いた加々速度検出方法を示す図、図１０は加々速度センサの出力と加速度の微分回路出力とを比較して示した図、図１１は加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図、図１２は加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図、図１３は加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【００１６】図１に示すように、本実施例の運動制御システムは、物体５０に固定され、物体５０の加々速度を検出する加々速度検出装置５１と、物体５０の運動を制御するコントロ−ラ５２と、物体に作用する力を発生するアクチェ−タ５３で構成されている。コントロ−ラ５２は、加々速度検出装置５１により検出された加々速度情報を入力し、コントロ−ラ５２からの出力によりアクチェ−タ５３を用いて物体５０の運動を制御する。
【００１７】加々速度検出装置５１を構成する加々速度センサは、図２に示すようにケ−シング１０ａに継手１３によって１自由度の運動が可能なように取付けられた振子１と、振子１に固定されたコイル３と、振子１の他端側の運動方向に取付けられた可動電極４１と、マグネット２が取付けられたケ−シング１０と、ケ−シング１０に可動電極４１と対面するように形成された固定電極４２と、振子1の釣り合い位置からの変位を検出する振子変位検出器４０と、振子変位検出器４０の出力側に直列に接続されさらにその出力側が前記コイル３の一方の側に接続するように配線されたサ−ボアンプ５と、一方が接地され他方がコイル３の他方に接続されるように配線された読み取り抵抗６などから構成されている。そして、検出された加々速度情報は、図２に示すように、コイル３の端子電圧として取り出すように構成されている。
【００１８】前述したように、振子１は、１自由度の運動（紙面に水平方向）を行うように構成されているので、この方向がセンサ感度方向となる。又、振子１の両側に配置された可動電極４１とケ−シング１０に固定されている固定電極４２とで２組の平板コンデンサを形成している。平板コンデンサの静電容量Ｃは、数式１で示されるように空隙の大きさに反比例する。
【００１９】
【数１】
【００２０】ここで、εは空気の誘電率、Ｓは電極の面積、ｄは空隙寸法である。従って、可動電極４１と固定電極４２とで形成されている２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣを振子変位検出器４０で検出することにより振子１の変位が検出できる。
【００２１】また、振子１には、コイル３が配置されており、このコイル３に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング１０に固定されたマグネット２による磁界により力を受ける。したがって、サーボアンプ５により上述の振子変位検出器４０で検出した２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣがΔＣ＝０となるように、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル３に流れる電流をフィードバック制御することにより、外力の大きさにかかわらず振子１の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【００２２】ここで、加々速度センサが、ある運動をしている物体５０に固定されている場合を考える。図３に示すように、時刻ｔにおいて左方向（センサ感度方向）からセンサ全体に加速度α（ｔ）が作用したとすれば、振子１の質量をＭとすると振子１には右向きにＦ（ｔ）＝Ｍ・α（ｔ）の慣性力が働く。振子１について運動方程式を考えると数式２のようになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】ここで、Ｍは振子１の質量、ｘ（ｔ）は時刻ｔにおける振子１の釣合位置からの変位、Ｆ（ｔ）は振子１に働く慣性力、ｆ（ｔ）は位置フィードバックによる制御力である。制御力ｆ（ｔ）は、コイル３に流れる電流Ｉ（ｔ）に比例するので数式３、数式４が成り立つ。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】ここで、φは電磁鎖交係数、ｒはコイル３の半径、Ｂはマグネット２の磁束密度、Ｎはコイル３の巻き数で与えられる。
【００２８】時々刻々変動するＦ（ｔ）に対して、振子１が釣合位置にあるように制御力ｆ（ｔ）を追従させれば、数式２の左辺はゼロとなり、その結果、数式５が成立する。
【００２９】
【数５】
【００３０】したがって、加々速度センサ全体に働く加速度は、数式６となり、コイルを流れる電流値を測定することにより検出できる。
【００３１】
【数６】
【００３２】これに対し、加々速度センサ全体に働く加々速度をη（ｔ）とすると、数式７となる。
【００３３】
【数７】
【００３４】いま、図４に示すようにコイル３に流れる電流について回路方程式をたてると、数式８となる。
【００３５】
【数８】
【００３６】ここで、Ｌはコイルのインダクタンスである。従って加々速度センサ全体に働く加々速度η（ｔ）は、数式９となり、コイル３の両端の端子電圧を検出することにより、測定することができる。
【００３７】
【数９】
【００３８】図２に示す第１例の加々速度センサは、上記のように構成しているので、振子１の運動方向に沿って加速度が加わると振子１が変位し、この変位を変位検出器４０で電圧信号として検出し、サ−ボアンプ５で増幅する。さらにサ−ボアンプ５では、この電圧信号を電流指令に変換する。この電流は、振子１に取付けられたコイル３に流れマグネット２との間に力が発生し、変位検出器４０の出力が０となるように、即ち振子１を平衡位置になるように流れ続ける。上記したようにこのときコイル３に流れる電流値は、加わった加速度に比例追従し、コイル３の両端の電圧は、電流の微分値、すなわち加々速度に比例して追従した値となる。
【００３９】図５は、コイル３が内部抵抗Ｒを含んでいる場合の、加々速度情報を検出する方法を示したものである。図５に示すような回路について、回路方程式をたてると、数式１０となる。
【００４０】
【数１０】
【００４１】ここで、ｅはコイル３の両端の電圧、Ｒはコイル３の内部抵抗、Ｌはコイルのインダクタンスである。図５に示すようにコイル３を流れた電流は、すべて読みとり抵抗６を流れるとすると、数式１１が成り立つ。
【００４１】
【数１１】
【００４２】ここで、ｅｒは読み取り抵抗６の両端の電圧、ｒは取り抵抗６の内部抵抗である。したがって、図４R>４に示した場合と同様に、加々速度センサに作用する加々速度は、数式１２に示すように、コイル３の両端の電圧と、読み取り抵抗６両端の電圧を測定することにより検出可能である。
【００４３】
【数１２】
【００４４】また、図６は、数式１１で表される加々速度センサの信号処理部分をオペアンプを用いて構成したものである。このような構成とすることにより、コイル３の抵抗分が無視できないときでも、加々速度センサに作用する加々速度を検出することができる。
【００４５】図７は、第２の例である加々速度センサの全体構成を示す図である。図２に示す加々速度センサと同様な構成であるが、この加々速度センサは、振子１１と、振子１１に固定されたマグネット１２と、可動電極１４１と、ケーシング１０と、ケーシング１０に固定されたコイル１３０と、固定電極１４２と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器１４０とサーボアンプ１５と、読みとり抵抗１６で構成されている。すなわち、コイル１３０は、ケ−シング１０側に、マグネット１２は振子１１側に設けられている。この場合も図２R>２に示す加々速度センサと同様に加々速度情報は、図７に示すようにコイル１３０の端子電圧として取り出すことによって得られる。
【００４６】以上述べたことから分かるように、図２又は図７に示す加々速度センサにおいて、マグネット２、１２は、永久磁石であっても、磁束密度を一定に保った電磁石であっても良い。また、本実施例においては、振子の変位検出に振子とケ−シングで構成された静電容量の差分を用いた方法について言及したが、これに限定されるものではなく、例えば発光素子、レンズ、受光素子等を用いて光学的に検出する等の方法を用いてもよい。
【００４７】また、数式８、数式１２からわかるように、振子１の素材、構造的な特性（ヤング率、断面モーメントなど）は、考慮する必要がないので高精度の加々速度検出が可能となる。
【００４８】また、数式６及び数式１１より数式１３が成立するので、読み取り抵抗６、１６の端子電圧ｅｒは、電流、即ち加速度に比例した値となる。
【００４９】
【数１３】
【００５０】以上のように、本実施例の加々速度センサは、加速度と加々速度を同時に検出可能である。
【００５１】尚、上記した加々速度センサは、その検出方向が１軸に限定されているものについて言及したが、多軸方向の加々速度検出が必要でかつ、部品点数、コストを低減するなどの必要がある場合は、以下のような方法を用いて多軸加々速度センサを実現することができる。多軸方向の加速度に応じて、多軸方向に変位できる軸方向分の磁石、あるいはコイルを具備した振子を用い、この振子の磁石あるいは、コイルに各軸方向の力を独立して発生するような位置に軸方向分のコイル、あるいは磁石を設け、振子の基準位置からの各軸方向の変位を独立して検出する変位検出器と各軸方向のコイルに流れる電流を制御する各軸方向のサ−ボアンプを設けて、各軸方向の変位検出器により検出される、各軸方向の振子に作用する加速度によって生じる各軸方向の可動部材の各軸方向の変位が零になるように、各軸方向のコイルに流れる電流を各軸方向のサ−ボアンプにより制御し、その際に、各軸方向の誘導起電力検出器により検出される各軸方向のコイルの両端に生じる誘導起電力から、振子に作用する各軸方向の加々速度を検出すればよい。
【００５２】図８、図９により、加々速度検出装置５１の別の例を説明する。図８に示すように、加々速度検出装置５１は加速度センサとアナログ微分回路を用いて構成することができ、一般の加速度センサにアナログ微分手段（フィルタ）を付加することにより、加々速度を検出することができる。また、図９は、本実施例に用いられる加々速度検出装置５１のさらに別の例であり、加速度センサとディジタル微分回路を用いて構成している。すなわち、一般の加速度センサにＡ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によって加々速度情報を得ることもできる。このように、加々速度微分情報は、加々速度センサ出力の一階の微分回路出力として用いることができる。
【００５３】図２、図７で示す本実施例の加々速度センサで検出された加速度と加々速度、加速度のアナログ微分回路出力を一例として比較して示すと図１０のようになる。図１０の（ａ）が本実施例の加々速度センサで検出された加速度出力で、（ｂ）が（ａ）で示される加速度出力をアナログ微分回路に通した後の出力、（ｃ）が本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力を示している。（ｃ）で示される加速度アナログ微分出力と本実施例の加々速度センサで検出された加々速度出力は、共に（ａ）で示される加速度の微分出力となっており、非常に良く合致していることが分かる。
【００５４】図１１、図１２は、それぞれコントロ−ラ５２を含めた加速度、加々速度情報検出方法の違いを示す図であり、図１１は、本実施例の加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図であり、図１２は図９R>９に示すように、加速度センサとコントロ−ラ５２内部に微分手段を設け、その微分手段によりディジタル演算処理加々速度情報を得る構成を示している。図１１の方法では、直接加々速度情報と加速度情報を得られるが入力ポ−ト５２１、５２２とＡ／Ｄコンバ−タ５２４、５２５が２組必要であるのに対し、図１２に示す方法では入力ポ−ト５２３とＡ／Ｄコンバ−タ５２６は、１組で良いが加々速度情報を得るためには、ある程度の演算５２７が必要である。以上のことより実際に適用する場合は、ハ−ド構成とコントロ−ラ５２の演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。
【００５５】さて、図１に示す加々速度情報を用いた運動制御システムにおいて、一般的な運動形態としては、図１２に示すように物体５０が仮想的な固定面５４にダンパ要素５５とバネ要素５６と拘束されている運動モデルを考える。
【００５６】図１２に示すように、物体の質量をＭ、物体の変位をｘ、アクチュエ−タ５３の発生する力をＦc（ｔ）、物体５０に作用する外力をｆg（ｔ）、ダンパ要素５５の粘性減衰定数をＣ、バネ要素５６のバネ定数をＫとすると、物体５０は以下の数式１４に示す運動方程式に従って運動する。
【００５７】
【数１４】
【００５８】今、図１２に示される運動モデルでの位置制御を考え、コントロ−ラ５２の制御則が数式１５のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１３に示す。
【００５８】
【数１５】
【００５９】ここで、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、おのおの加速度、速度、変位のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と変位との間の伝達関数を求めると、数式１６となる。
【００６０】
【数１６】
【００６１】数式１６から分かるように、加速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、位置制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、位置フィ−ドバックは、位置制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００６２】次に、図１２に示される運動モデルでの速度制御を考える。数式１４の両辺を時間ｔで微分すると数式１７となる。
【００６３】
【数１７】
【００６４】数式１７について、数式１８のごとき置換を行うと数式１９となる。
【００６５】
【数１８】
【００６６】
【数１９】
【００６７】コントロ−ラ５２の制御則が数式２０のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１４に示す。
【００６８】
【数２０】
【００６９】ここでＫ１、Ｋ２、Ｋ３は、おのおの加々速度、加速度、速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と速度との間の伝達関数を求めると、数式２１となる。
【００７０】
【数２１】
【００７１】数式２１からわかるように、加々速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、速度フィ−ドバックは、速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００７２】次に、図１２に示される運動モデルでの加速度制御を考える。数式２０の両辺を時間ｔで微分すると数式２２となる。
【００７３】
【数２２】
【００７４】数式２２について、数式２３のごとき置換を行うと数式２４となる。
【００７５】
【数２３】
【００７６】
【数２４】
【００７７】コントロ−ラ５２の制御則が数式２５のような伝達関数で与えられるとした場合のブロック線図を図１５に示す。
【００７８】
【数２５】
【００７９】ここで、Ｋ０、Ｋ１、Ｋ２、は、おのおの加々速度微分、加々速度、加速度のフィ−ドバックゲイン定数を表す。このブロック線図から、外力と加速度との間の伝達関数を求めると、数式２６となる。
【００８０】
【数２６】
【００８１】数式２６からわかるように、加々速度微分フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に質量を増加させる働きがあり、加々速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的にダンピングを増加させる働きがあり、加速度フィ−ドバックは、加速度制御において能動的に剛性を増加させる働きがある。このように３つのゲイン定数の選択によって運動特性が自由に変えられることが分かる。
【００８２】以上、位置、速度、加速度の各運動制御について述べてきたが、従来までの位置、速度、加速度情報を用いた制御に加え、物体の運動状態を反映した新たな物理量である加々速度情報を加えることにより速度制御においては、能動的に質量を変化させ、加速度制御においては能動的にダンピングを変化させる等、制御効果が一段と向上できる。
【００８３】本発明の第２の実施例を図１７から図３０により説明する。図１７は、車両の１種である自動車の運動制御に用いた運動制御系の全体構成を示す図、図１８R>８は、限界走行時の車両制御を行う一例についての説明図、図１９は、車両の横滑りを検出した状態を示す図、図２０は、車両の横方向加々速度情報を用いた車両挙動変化を示す図、図２１は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の自転運動抑制方法の比較を示す図、図２２は車両のヨ−レイト情報と車両の横方向の加速度、加々速度情報に基づいて車両の公転運動抑制方法の比較を示す図、図２３は発進、加速時の車輪空転を検出する方法を示す図、図２４は制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図、図２５は６自由度の加々速度センサを取付けた状態を示す斜視図である。
【００８４】図１７は、加々速度情報を車両の１種である自動車の運動制御に適用した場合の運動制御系の全体構成を示す図であるが、図１７に示すように、車両１００は、４輪操舵車であって、主としてエンジン１０１（ミッション系を含む）、各車輪１０２、各車輪のブレ−キ１０３、ステアリング１０４、ステアリング１０４の舵角センサ１０５、アクセル１０６、ブレーキ１０７、後輪操舵モータ１０８、ブレーキ油圧制御部１０９、コントローラ１１０、横方向加々速度検出装置１１２と、前後方向加々速度検出装置１１１とで構成される。横方向加々速度検出装置１１２と、前後方向加々速度検出装置１１１は、それぞれ図２から図９、あるいは図１１に示すように構成されており、検出方向の加々速度以外に加速度を検出することができる。
【００８５】車両１００は、通常の運転時には、一般の車両と同様に運転者のステアリング１０４、あるいはアクセル１０６、あるいはブレーキ１０７を操作するのに伴い、４輪が操舵され、エンジンの回転が変化し、ブレーキがかかる等の操作が行われる。そして、車両運動の限界域近辺においては、横方向、前後方向の加々速度情報に基づいてコントローラ１１０により、後輪操舵モータ１０８、エンジン１０１、ブレーキ油圧制御部１０９を制御することにより、車両の運動性能を向上させることができる。
【００８６】限界走行時の車両１００の挙動変化が生じた場合に、加々速度情報に基づいて車両制御を行う一例についての説明図である図１８に示すように、定常状態で旋回している車両１００の旋回中心方向の運動について着目すると、遠心力Ｍ・αと路面反力Ｆとの間で力の釣合いが保たれている。もし、この状態で路面状況の急な変化等により車両１００が挙動変化を起こすと、力の釣合いは破綻する。
【００８７】従来の車両運動制御においては、この力の釣合いの破綻点（限界域）の検出が不可能であったため、限界域からはるかに低い領域における制御しかなされていなかった。このことは、従来、熟練運転者が運転する競技車両には、ＡＢＳ（Ａｎｔｉ−ｌｏｃｋ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍの略）、ＴＣＳ（Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍの略）、４ＷＳ（４Ｗｈｅｅｌ Ｓｙｓｔｅｍの略）等の車両運動制御装置が用いられなかったことからも容易に推察できる。運転者が視覚情報以外に検出・認識できる情報として、加速度、加々速度が挙げられる。このうち、上述したように力の釣合いの破綻が生じたことは、加速度の瞬時変化、即ち加々速度を検出することにより可能である。従って、加速度情報、さらには加々速度情報を用いることにより、さらに高機能の車両運動制御が可能である。
【００８８】横方向加々速度情報に基づいて、車両の横滑りを検出する方法を説明している図１９に示すように、検出方法の対象として想定している道路は、緩やかな右廻りのコースであるが、このとき図１９に示す（ａ）点で排水路が道路を横断しているとすると、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。このようなコースを車両１００で走行した際のステアリング角、ステアリング角速度、車両横加速度、車両横加々速度は図１９１９に示すようになる。車両１００の車輪１０２のタイヤに働くコーナリングフォースは、ステアリング舵角に比例して増加するのが一般的であるから、ステアリング舵角が一定（すなわち、ステアリング角速度がゼロ）のときは、旋回に伴う遠心力とコーナリングフォースは、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。今、排水路（ａ）点を通過するとき、車両１００は一瞬横滑りを起こす。これに伴って、ステアリング舵角一定（ステアリング角速度ゼロ）にもかかわらず、車両１００の横方向の加速度が一瞬小さくなり、車両１００の横方向の加々速度に左向きの大きなピークが検出されることになる。従って、ステアリング角速度、車両１００の横方向の加々速度を検出しておき、ステアリング角の増加分に対する車両１００の横方向の加々速度を検出することにより車両１００が滑り始める瞬間を検出することができる。
【００８９】図２０は、車両１００の横方向加々速度情報に基づいて後輪１０２の操舵機構１０８により修正舵をあてることにより、車両１００の著しい挙動変化を防止する例を示しているが、ステアリング角速度と車両１００の横方向の加々速度情報をフィードバックしてやり、後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに前輪操舵方向に転舵してやることにより、過度の挙動変化を防止することができる。
【００９０】図２１に、車両１００のヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制する方法と、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する方法を比較して示す。図２１では、図面の下側から上側方向に車両１００が進行するにつれて車両１００が時計まわりに回転を始めた場合に、上記したそれぞれの方法によって制御された場合の自転運動の抑制について示している。
【００９１】車両１００のヨ−レイトをコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００のヨ−レイトと反対の向きに（この場合をネガティブにともいう）制御力（あるいはトルクともいう）を発生させるように後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに右方向に転舵してやることにより、反時計回りの制御力を発生させることができ、自転運動を抑制することができる。
【００９２】同様に、車両１００が時計まわりに回転を始めると、車両１００には左向きの横加々速度と加速度が発生する。この車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（右向きに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（左向きに）制御力（トルク）を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより、後輪１０２ｃ、１０２ｄをわずかに右方向に転舵して反時計回りの制御力を発生させることができ、ヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制する方法と同様に自転運動を抑制することができる。
【００９３】図２２に、車両１００のヨ−レイト情報に基づいて車両１００の自転運動を抑制するする制御が働いている状態で公転運動（通常の旋回運動）をした場合の車両１００の運動と、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報に基づいて車両の自転運動を抑制する制御が働いている状態で公転運動（通常の旋回運動）をした場合の車両１００の運動を比較して示す。図２１では、車両１００が右回りのカ−ブに進入進行する場合の、それぞれの制御を行った場合の車両１００の運動について示している。
【００９４】図２１に示した場合と同様に、ヨ−レイト情報に基づいた制御においては、車両１００のヨ−レイトをコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００のヨ−レイトと反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させるように転舵制御を行っている。今、運転者は右回りのカ−ブに進入しようと、右方向にステアリング１０４を操舵する。これにより車両１００には時計回りのヨ−レイトが発生する。これに対して、制御実行時には反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。運転者がさらにステアリング１０４の舵角を増加させてカ−ブを曲がろうとしても、時計回りのヨ−レイトが発生した途端に反時計回りの制御力が発生し、時計回りの回転運動が抑制されてしまう。このようにヨ−レイト情報を用いた制御においては、運転者の操作により発生したヨ−レイトも抑制してしまい、運転者からみると舵角に対して回頭運動が追従しない車両となってしまう。このように、ヨ−レイト情報を用いた自転運動の抑制制御では、公転運動（通常の旋回運動）の促進を目指した制御が実現できなく、ヨ−レイト情報を用いた制御と自転運動の抑制制御との両立は不可能である。
【００９５】これに対して、車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（ポジティブに）制御力（トルク）を発生させるような制御を行った場合について、コ−ナリングの各段階における運転者のステアリング１０４の操作と、車両１００の運動と、それに起因する制御内容について述べる。カ−ブの入口において運転者は、右側にステアリング１０４を操作する。これにより車両１００は旋回を開始し、向心力が回転中心方向に働き車両１００に右方向の加々速度と加速度が発生する。この場合には、加速度ゼロからある値の加速度が発生するので、加々速度は、その変化率として大きな値をもつ。従って制御力としては、右側即ちカ−ブの内側に制御力が働き、車両１００は俊敏にコ−ナリングを開始する。
【００９６】次にコ−ナリング中は、向心力と遠心力が釣り合い安定状態になる。この時、車両１００で検出される横方向加速度は安定しており、その変化率である加々速度はゼロに近づく。従って制御力は、左側、即ち車両の過度の時計回りのヨ−イングの発生を押さえる方向に働き、車両１００の安定度を向上させることになる。最後にカ−ブの出口において運転者は、右側に切っていたステアリング１０４を中立位置へと操作する。これにより車両１００は旋回を終了し、回転中心方向に働いていた向心力が減少し、車両１００の右方向の加速度が減少し、右側に負の、即ち左方向に正の加々速度が発生する。この場合も、ある値の加速度から加速度ゼロに減少するので、加々速度は大きな値をもつ。従って、制御力としては左側即ちカ−ブの外側に制御力が働き、車両１００は俊敏にコ−ナリングを終了する。この一連のコ−ナリングは、コ−ナ−の最速脱出法として良く知られているアウト・イン・アウト（すなわち、コ−ナ−外側から進入し、素早くコ−ナ−内側に車両を寄せ、素早くコ−ナ−外側に脱出する方法）が実現していることになる。これにより車両１００の横方向の加速度、車両１００の横方向の加々速度情報をコントロ−ラ１１０に入力し、車両１００の横方向の加速度と反対の向きに（ネガティブに）制御力（トルク）を発生させ、車両１００の横方向の加々速度と同じ向きに（ポジティブに）制御力（トルク）を発生させるように各フィ−ドバックゲインを適当に調整することにより自転運動の抑制制御と、公転運動（通常の旋回運動）の促進を目指した制御とが両立可能となる。
【００９７】尚、横方向の制御力発生法には、４輪操舵の他、ブレ−キ１０３の前後・左右のバランスを制御したり、タイヤ１０２による駆動力の前後・左右のバランスを制御しても良い。
【００９８】図２３に、車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両１００の発進・加速時の車輪、特に駆動輪の空転を検出する方法を示す。図２３に示すものは、道路が直線コースの場合を想定し、（ａ）点で排水路が道路を横断している場合を示しているが、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる。図２３は、このようなコースを車両１００で加速走行した際のアクセル開度、アクセル速度、駆動輪速、車両１００の前後加速度、車両１００の前後加々速度をそれぞれ示している。車両１００の車輪１０２のタイヤに働くトラクションフォースはエンジントルクに比例して増加するのが一般的であるから、アクセル開度がゼロでないときは、エンジン１０１によってタイヤを駆動したときに生じるトラクションフォースと路面反力は、路面状況が変化しない限り釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路（ａ）点を通過するとき、駆動輪は空転（ホイルスピンともいう）を始める。この時、アクセル開度が正にもかかわらず、車両１００の前後方向の加速度が一瞬小さくなり、車両１００の前後加々速度に後ろ向きの大きなピークが検出できる。
【００９９】従って、アクセル速度を検出しておき、アクセル開度の変化に対する車両１００の前後方向の加々速度を検出することにより、駆動輪が滑り始める瞬間を検出することができる。その結果、コントローラ１１０により車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいてエンジン１０１の出力を減少させて、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転を減少させ、車両１００の著しい挙動変化を防止することができる。それに対して、従来提案されていた駆動輪の空転防止装置では、従動輪の回転数に対して駆動輪の回転数が増加すると空転を開始したと判断していたため、駆動輪空転の検出が遅くなってしまい、また、車輪１００の慣性モーメントのため、１度空転を開始するとなかなか空転が停止せず、駆動輪にブレーキをかける必要があったり、車両１００の著しい挙動変化を防止するという目的を達成するのは困難であった。
【０１００】このように本実施例では、車両１００の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪１０２ｃ、１０２ｄが空転を始める瞬間、あるいは最大摩擦力を越えた瞬間を検出できるため、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転が始まる前にエンジン１０１のトルクをコントロ−ラ１１０により低減させることができ、駆動輪１０２ｃ、１０２ｄにブレーキをかける必要もなく発進・加速時の駆動輪１０２ｃ、１０２ｄの空転を減少させ、車両１００挙動変化を防止することを効果的に行うことが可能となる。
【０１０１】また、図２４に示すように、車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいて、車両１００の減速時の車輪ロックを検出することもできる。図２４では、直線コースの道路を想定し、（ａ）点で排水路が道路を横断しており、この排水路で接地面積と摩擦係数が一瞬変わる場合を示している。また、図２４には、このようなコースを車両１００で減速走行した際のブレーキ油圧、ブレーキ油圧の変動、車輪１０２の回転速度、車両１００の前後方向の加速度、車両１００の前後方法の加々速度をそれぞれ示している。車両１００の車輪１０２のタイヤに働く減速力はブレーキトルクに比例して増加するのが一般的であるから、ブレーキ油圧がゼロでないときは、ブレーキ１０７によるタイヤ制動により生じる減速力と路面反力は、路面状況が変化しない限り、釣合いを保っている。しかし、上記のような排水路（ａ）点を通過するとき、駆動輪はロック（このとき車輪１０２の回転速度はゼロである）を始める。この時、ブレーキ油圧がゼロでないにもかかわらず、車両１００の減速度が一瞬小さくなり、車両１００の前後方向の加々速度に前方向の大きなピークが検出できる。
【０１０２】従って、ブレーキ油圧変動を検出しておき、ブレーキ油圧の変化に対する、車両１００の前後方向の加々速度を検出することにより車輪１０２がロックし始める瞬間を検出することができる。従ってコントローラ１１０により車両１００の前後方向の加々速度情報に基づいてブレーキ油圧制御部１０９を制御し、ブレーキ油圧を減少させ、車輪のロックを減少させ、車両挙動変化の防止を行うことができる。従来のＡＢＳにみられる車輪のロック防止装置では、従動輪の回転速度により推定される推定車体速度に対して車輪の回転数が極端に減少すると、車輪ロックしたと判断していたため、車輪ロックの検出が遅くなってしまったり、推定車体速度の精度不足のため高精度の制御が行えず、タイヤの性能を十分に使いきっているとは言えなかった。これに対して、本実施例では車両１００の前後方向の加々速度情報を用いているので、車輪１０２がロックを始める瞬間、あるいは、最大摩擦力を越える瞬間を検出できるため、車輪１０２のロックが始まる前にブレーキ油圧を低減させるため、制動時の車輪１０２のロックを減少させて、車両１００の挙動変化の防止を効果的に行うことが可能となる。
【０１０３】以上、３つの例を用いて車両１００の前後方向、左右方向の加々速度情報を用いた各種制御について述べたが、車両１００には、前後方向、左右方向、上下方向の３つの並進運動とローリング、ヨーイング、ピッチングの３つの回転運動の６自由度の運動が考えられるため、図２５に示すように、加々速度検出装置を６自由度の運動が検出できるように６個配置し、それぞれの検出手段の出力値を用いてそれぞれの自由度の加々速度情報を検出しても良い。
【０１０４】このように、加々速度情報を用いた車両１００の運動制御を行った場合、車両１００に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、車両の限界域での挙動変化を瞬時に検出でき、タイヤ摩擦力の最大値近辺での制御が可能となる。また同時に、運転操作情報と照らし合わせることにより、運転者が意図しない、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。
【０１０５】なお、上述した３つの例では、加々速度情報と運転操作情報のみを用いた車両運動制御について言及したが、従来の車両運動制御で用いていた車輪速情報等の各種情報に加え、加々速度情報を用いてさらに高機能・高精度の制御が可能であることは言うまでもない。
【０１０６】本発明の第３の実施例を図２６から図３０により説明する。図２６は車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図、図２７はエンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図、図２８はエンジン失火検出を示す図、図２９は正常燃焼時のエンジン振動を示す図、図３０は失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【０１０７】図２６に示すように、本実施例の車両３００は、可変サスペンション機構３０１ａ、３０１ｂをもつ車両であり、その他の構成は図１７に示すものと同様である。車両３００には、複数個の加々速度検出装置（図２６では、３０２ａ、３０２ｂの２個のみを取付けた場合を示しているが、これに限られるものではなく、又、場合によっては１個でもよい。）が取付けられ、ｉ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧｉ、加々速度出力をＪｉとし、数式２７のように乗り心地評価関数Ψｓを定義する。
【０１０８】
【数２７】
【０１０９】ただし、ｄｉ、ｅｉは、それぞれｉ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１１０】乗り心地評価関数Ψｓを最も小さくするようにサスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御することにより、車両３００の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。また、評価関数Ψｓは、数式２７に限定されるものではなく、運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【０１１１】ここで、コントロ−ラ３０３は、サスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ３０３単体として車両３００の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１１２】また、図２６に示すような構成に加え、車体３００の前後方向、横方向の加々速度検出装置を設け、これら車体３００の前後方向、横方向の加々速度に従ってコントロ−ラ３０３によりサスペンション機構３０１ａ、３０１ｂを制御することにより車両運動性能の向上に役立てることもできる。
【０１１３】図２７は、加々速度情報を用いて、エンジン振動に起因する車体振動をより効果的に低減させる実施例の全体構成を示す図である。この場合、車両は、可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂをもつ車両である。今、エンジン４０１及び車体には、複数個の加々速度検出装置（図２７では、４０３ａ、４０４ａ、４０４ｂの３個のみが取付けられた場合を示しているが、これに限られるものではなく、場合によっては１個でもよい。）が取付けられ、ｉ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧｉ、加々速度出力をＪｉとし、数式２７と同様に乗り心地評価関数Ψｍを数式２８のように定義する。
【０１１４】
【数２８】
【０１１５】ただし、ｄｊ、ｅｊは、それぞれｊ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、運転者ならびに同乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１１６】乗り心地評価関数Ψｍを最も小さくするように可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂを制御することにより、車両の振動特性と運転者ならびに同乗者の感性とを整合させることができ、乗り心地の最適化制御ができる。
【０１１７】また、評価関数は、数式２８に限定されるものではなく、エンジン振動が密接な関係がある燃焼周波数に相当するエンジン回転情報等を付加し、さらに運転者ならびに同乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。さらに図２７では加々速度検出装置は、エンジン、ステアリング、シ−トの振動を検出できるように設置したがこれに限定されるものではない。
【０１１８】ここで、コントロ−ラ４０７は、可変エンジンマウント機構４０２ａ、４０２ｂを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ４０７単体として車両の各観測点における加速度、加々速度情報より乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１１９】図２８は、加々速度情報をエンジン失火検出に適用した実施例を示す図である。エンジン４０１は間欠的に燃焼しているため、燃焼に同期したトルク変動が発生する。このトルク変動の反作用がエンジン振動を引き起こし、この振動がエンジンマウント４０２を介して車体に伝達され車両全体の振動を引き起こす。ここで、エンジン４０１の振動に着目すると、エンジン４０１は燃焼周波数に同期したトルク変動により強制加振されており、燃焼周波数で振動している。したがって、この振動を検出することによりエンジンの燃焼状態が検出できる。
【０１２０】正常燃焼時のエンジン４０１のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図２９と失火発生時のエンジン４０１のロール方向の振動加速度、加々速度を示す図３０との比較から分かるように、失火が発生すると、図３０に示されるように、エンジン４０１のロール方向の加速度に変化がみられ、エンジン４０１のロール方向の加々速度には、大きなピークが観察される。失火検出装置５０３は、これら複数の信号を検出し、適当なフィルタリング演算を行うことにより、エンジン失火の検出が可能である。
【０１２１】また、エンジン４０１のロ−ル方向の加速度、加々速度情報のみではなく、エンジンの他の自由度の加速度、加々速度情報や、車体振動、あるいはエンジン回転情報等を付加し、さらに高精度の失火検出を行うようにしても良い。
【０１２２】また、失火検出装置５０３に、可変エンジンマウント機構等を制御する機能をもたせ、エンジン４０１の失火に起因する乗り心地の悪化を低減するような乗り心地制御システムとしても良い。
【０１２３】本発明の第４の実施例を図３１、図３２により説明する。図３１は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの概念図、図３２は、加々速度情報を用いたエレベータの乗り心地制御システムの全体構成を示す図である。
【０１２４】図３１、図３２に示すように、エレベ−タかご２０１は、ワイヤ２０６でつり下げられ、コントロ−ラ２０４によりモ−タ２０３が制御されワイヤ２０５を巻き上げ、巻き下げて運転される。２０５は重りで、エレベ−タかご２０１の重さと、ほぼ釣り合うようになっており、モ−タ２０３の負荷を軽減する働きがある。モ−タ２０３には、コントロ−ラ２０４より制御指令が入力され、コントロ−ラ２０４には、モ−タ２０３の回転情報が入力される。モ−タ２０３の回転情報としては、モ−タ回転角度、モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等があるが、これらの情報は、モ−タ２０３に付随しているエンコ−ダ（図示せず）の出力パルスを検出し、各種演算を行うことにより可能である。
【０１２５】従来のエレベ−タでは、モ−タの回転情報よりエレベ−タかごの運動を推定し、各種乗り心地制御を行っていたが、モ−タとエレベ−タかごを結ぶワイヤが弾性体であり、ワイヤが伸び縮みするため、モ−タの回転情報がエレベ−タかごの運動を反映したものとは言えず、十分な性能を発揮できなかった。
【０１２６】本実施例においては、エレベ−タかご２０１に、複数の加々速度検出装置（図３１では、２０２ｘ、２０２ｙの２個を示している。）が搭載されており、搭乗者の乗り心地に直接影響を与えるエレベ−タかご２０１の加々速度情報を直接検出できるようになっている。これらの加々速度情報は、コントロ−ラ２０４に入力されモ−タ２０３の制御指令に用いられる。これらの複数個の加々速度検出装置のうち、ｋ番目の加々速度検出装置の加速度出力をＧk、加々速度出力をＪkとし、モ−タの回転速度をＶとしたとき、数式２９のように乗り心地評価関数Ψeを定義する。
【０１２７】
【数２９】
【０１２８】ただし、ａは、エレベ−タ巻き上げ巻き下げ速度に対する重み付け定数、ｂk、ｃkは、それぞれｉ番目の観測点における加速度、加々速度情報に対する重み付け定数で、搭乗者の感性に合わせてチュ−ニングするようになっている。
【０１２９】乗り心地評価関数Ψｅを最も小さくするようにモ−タ２０３のを制御することにより、巻き上げ速度も速く、搭乗者の感性に合わせた巻き上げが実現でき、乗り心地最適化制御ができる。また、評価関数は、数式２９に限定されるものではなく、搭乗者の感性とよく整合の取れた任意の関数で代用しても良い。
【０１３０】ここで、コントロ−ラ２０４は、モ−タ２０３を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ２０４単体としてエレベ−タかご２０１の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、エレベ−タの乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。また、環境的な問題より加々速度情報の検出が困難な場合は、モ−タ回転情報（モ−タ回転速度、モ−タ回転加速度、モ−タ回転加々速度等）を数式２９にあてはめる方法でもよい。
【０１３１】本発明の第５の実施例を図３３から図３５により説明する。図３３は、加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図３４は、ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図、図３５は、加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【０１３２】図３３に示すように、本実施例の鉄道車両は、枕バネアクチュエ−タ５４１、５４２を中心にして自由に転向できる前後２組の台車５５１、５５２の上に長い車体５０１をかけ渡した様式になっている。台車５５１、５５２は、車輪軸を支持する軸バネアクチュエ−タ５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０を介して車輪５２１、５２２、５２３、５２４により支持されている。車体５０１には、複数の加々速度検出装置（図３３では５３１、５３２、５３３のことをいう。）が具備され、車体５０１の上下方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ５０６は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体５０１に配置される複数の加々速度検出装置（図３３では５３１、５３２、５３３のことをいう。）からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ５０６は、これらの情報に基づいて車両の走行に際して軌道に多少の不整があっても、乗り心地が低下しないように枕バネアクチュエ−タ５４１、５４２、軸バネアクチュエ−タ５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０を制御する。
【０１３３】加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので従来の鉄道車両より振動低減効果が大きい鉄道車両を実現することができる。また、これと同時に車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので脱線しにくい車両の実現にもつながる。
【０１３４】また、図３４に示す鉄道車両は、図３３に示す鉄道車両と同様な構成であるが、より乗り心地のよい制御を可能とするために車体５０１、台車５５５、軸受け５５１、５５２の加々速度を検出するように構成したものである。車体５０１、台車５５５、軸受け５５１、５５２には、複数の加々速度検出装置（図３４では、それぞれ５３１、５３４、５３５、５３６のことをいう）が設置されている。通常、車体、台車、軸受けは、それぞれ異なる共振点を持っており、これらの振動を加々速度検出装置で検出し、コントロ−ラ５０６側にフィ−ドバックすることにより、より乗り心地の良い制御が達成される。
【０１３５】ここで、コントロ−ラ５０６は、各アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ５０６単体として鉄道車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、鉄道車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１３６】図３５に示す鉄道車両は、特に始動、制動時を考慮して加々速度情報を用いることにより鉄道車両の動力を制御した場合の構成を示している。図３５に示すように、動輪５２１、５２２は、コントロ−ラ５０６により制御されるモ−タ５０３により駆動され、制動輪５２３、５２４は、コントロ−ラ５０６により制御されるブレ−キ５０４により制動される。
【０１３７】車体５０１には、複数の加々速度検出装置（図３５では５０５のみを図示している。）が具備され、車体５０１の進行方向の加々速度情報が検出できる。コントロ−ラ５０６は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【０１３８】図３６では、鉄道車両５０１の運転状態として、車輪５２１、５２２、５２３、５２４がレ−ル面上を転がろうとする状態を示している。車輪とレ−ルとの間の粘着係数をμ、軸重をＷで表すと、この車輪とレ−ルの摩擦力により出すことのできる引張力の最大値Ｆは、数式３０のようになる。
【０１３９】
【数３０】
【０１４０】したがって、引張力の最大値以上の引張力を得ようとして回転力を大きくしても動輪が空転するだけである。今、動輪の回転力をゼロから徐々に増加させると車体の加速度は増加していく。しかし、上記のように動輪が空転を開始すると一気に加速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、モ−タ５０３を制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【０１４１】制動についても同様なことが言える。引張力の最大値Ｆを越えるような制動力を得ようとして制動トルクを大きくしても制動輪がスリップするだけである。今、制動輪の制動トルクをゼロから徐々に増加させると、車体の減速度は増加していく。しかし、上記のように制動輪がスリップ（ロックともいう）を開始すると一気に減速度が減少する。すなわち、この瞬間を進行方向の加々速度情報で検出できるということである。自動車で説明したのと同様に、鉄道車両においても進行方向の加々速度を検出し、ブレ−キを制御することにより粘着性能を向上させることができる。
【０１４２】また、発進、制動のフィ−リングを向上するためにも加々速度情報を用いることができるのは、自動車と同様である。上述の実施例では、駆動輪、制動輪を別に考えているが、同一車輪が駆動輪、制動輪を兼ねている場合にも適用できる。
【０１４３】本発明の第６の実施例を図３７により説明する。図３７は、加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【０１４４】図３７に示すように、磁気浮上車両は、車体６０１は浮上用地上コイル６７３、６７４と超電動磁石６３３、６３４の磁気的な同極反発力により浮上している。そして、地上の推進案内用コイル６７１、６７２に電流を流し、車上の超電動磁石６３１、６３２と引き合う力が生じるのでその力を利用して前進する。
【０１４５】車体６０１には、複数の加々速度検出装置（図３７では６２１、６２２、６２３、６２４、６２５のことをいう）が具備され、車体６０１の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。コントロ−ラ６０４は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、車体６０１に配置される加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ６０４は、これらの情報にもとづいて超電動磁石６３３、６３４の磁力を制御すると同時に、この情報をアンテナ６０５より地上側コントロ−ラ６０６に向けて発信する。地上側コントロ−ラ６ではこれらの情報に基づいて推進案内用地上コイル６７１、６７２、浮上用地上コイル６７３、６７４に流入する電流を制御し、磁力を制御することにより車体の浮上姿勢、位置、速度、加速度を正確に制御することができる。
【０１４６】また、加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、より振動低減効果が大きい磁気浮上車両を実現することができる。さらに車体の沈み込み、姿勢変化等を積極的に制御できるので車両運動性能の向上にもつながる。
【０１４７】ここで、コントロ−ラ６０６は、各磁力発生手段を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ６０６単体として磁気浮上車両の各観測点における加速度、加々速度情報より搭乗者乗り心地評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、磁気浮上車両の乗り心地を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１４８】本発明の第６の実施例を図３８により説明する。図３８は、加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【０１４９】図３８に示すように、地震シミュレ−タは、あらかじめコントロ−ラ７０３に入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力を忠実に再現するように、振動台７００の動きを制御するものである。振動台７００は、コントロ−ラ７０３により駆動される油圧アクチュエ−タ７４１、７４２によってＸ軸方向の動きを、油圧アクチュエ−タ７４３、７４４によってｙ軸方向の動きを制御される。油圧アクチュエ−タ７４３、７４４内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ７０３に入力される。振動台７００上の加々速度検出装置（図３８では、７０１、７０２のことをいう）からは、振動台７００のｘ軸、ｙ軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器７６１、７６２、７６３、７６４によりそれぞれ、振動台７００のｘ軸、ｙ軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラ７０３に入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することにより位置情報を得るようにしてもよい。これら各自由度に対して４種類の信号は、コントロ−ラ７０３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ７０３にあらかじめ入力されている地震加速度、地震加々速度または変位入力と比較され、振動台は、目標値どおりに駆動（加振ともいう）される。
【０１５０】このようなシステム構成により、従来のシミュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。また、この実施例では２次元の地震シミュレ−タについて述べているが、1次元、３次元の地震シミュレ−タでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた地震シミュレ−タを実現することができる。
【０１５１】ここで、コントロ−ラ７０３は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ７０３単体として振動台の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、地震シミュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５２】また、人間が搭乗したかごを車両、あるいは飛行物体の運動を模して外部アクチュエ−タを用いて動揺させることにより、かご内の人間の運転訓練を行ったり、アミュ−ズメントを与える運動シミュレ−タにおいても、従来の情報に加え、このかごの加々速度情報を用いて制御することにより応答性、安定性に優れた運動シミュレ−タを実現することができる。
【０１５３】本発明の第７の実施例を図３９により説明する。図３９は、加々速度情報を用いたＸＹステ−ジの構成を示す図である。
【０１５４】本実施例のＸＹステ−ジは、図３９に示すように、あらかじめコントロ−ラ８０３に入力されている位置入力に忠実に追従するように、ステ−ジ８００の動きを制御するものである。ステ−ジ８００は、コントロ−ラ３により駆動されるリニアアクチュエ−タ８４１、８４２によってＸ軸方向の動きを、リニアアクチュエ−タ８４３、８４４によってｙ軸方向の動きを制御される。リニアアクチュエ−タ内には変位検出器が具備され、変位情報がコントロ−ラ８０３に入力される。ステ−ジ８００上の複数の加々速度検出装置（図３９では、８０１、８０２のことをいう）からは、ステ−ジ８００のｘ軸、ｙ軸方向の加々速度が検出される。これらの加々速度情報は、積分器８６１、８６２、８６３、８６４により、それぞれステ−ジのｘ軸、ｙ軸方向の加速度、速度に変換されコントロ−ラに入力される。さらに速度情報に直列に積分器を挿入することによりステ−ジ８００の位置情報を得るようにしてもよい。また、コントロ−ラ内部でこれらの積分動作を行ってもよい。これら各自由度に対して４種類の信号は、コントロ−ラ８０３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ８０３にあらかじめ入力されている位置入力と比較され、ステ−ジ８００は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のＸＹステ−ジに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性（即応性ともいう）、安定性に優れたＸＹステ−ジを実現することができる。
【０１５５】また、本実施例では、２次元のＸＹステ−ジについて述べているが、1次元のリニアステ−ジ、３次元のステ−ジでも同様に、従来の情報に加え、加々速度情報を用いて制御することにより応答性（即応性）、安定性に優れたステ−ジを実現することができる。ここで、コントロ−ラ８０３は、各油圧アクチュエ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ８０３単体としてステ−ジの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、ＸＹ−ステ−ジの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５６】本発明の第８の実施例を図４０により説明する。図４０は、加々速度情報を用いた制振装置つきビルの構成を示す図である。
【０１５７】図３８に示すように、ビルの適当なフロア−には、油圧アクチュエ−タ９０３とアクティブマス９０４が具備されている。油圧アクチュエ−タ９０３はビルに固定されており、アクティブマスはビルに対して相対的に可動可能に設置されている。コントロ−ラ９０２は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、各フロアに複数個（図４０では、９１１、９１２、９１３、９１４の４個設置した場合を示している。）配置される加々速度検出装置からの情報より従来と同様な加速度、速度、変位情報を算出することができる。コントロ−ラ９０２は、これらの情報にもとづいてビル全体の振動が小さくなるように油圧アクチュエ−タ９０３の油圧を制御する。加々速度情報を用いることにより、加速度の微妙な変化が検出できるので、従来の制御に比べてより振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。また、アクティブマス９０４の加々速度情報を検出するような加々速度検出装置（図示せず）を用いて正確にアクティブマス９０４の運動を制御することにより、さらに振動低減効果の大きい制振装置を実現することができる。
【０１５８】ここで、コントロ−ラ９０２は、油圧アクチュエ−タ９０３を制御する機能をもっているが、コントロ−ラ９０２単体としてビルの各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、制振装置つきビルの制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１５９】本発明の第９の実施例を図４１により説明する。図４１は、加々速度情報を用いたロボットア−ムのマニピュレ−タの構成を示す図である。
【０１６０】図４１に示すように、マニピュレ−タ１００１は、あらかじめコントロ−ラ１００３に入力されている位置入力に忠実に追従するように、マニピュレ−タ１００１の動きを制御するものである。マニピュレ−タ１００１は、コントロ−ラ１００３により駆動される関節駆動用ＤＤモ−タ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ モ−タの略）１０４１、１０４２、１０４３により動きを制御される。各々のＤＤモ−タ内にはエンコ−ダ（図示せず）が具備され、回転角度位置情報がコントロ−ラ１００３に入力される。マニピュレ−タ手先１０１１に具備された複数の加々速度検出装置（図４１では、１０２１、１０２２、１０２３のことをいう）からは、マニピュレ−タ手先１０１１の座標系におけるｘ'軸、ｙ'軸、ｚ'軸方向の加々速度が検出される。コントロ−ラ１００３は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。
【０１６１】これら４種類の信号は、コントロ−ラ１００３にフィ−ドバックされ、コントロ−ラ１００３にあらかじめ入力されている位置、速度、加速度入力と比較され、マニピュレ−タ１００１は、目標値どおりに位置決めされる。このようなシステム構成により従来のマニピュレ−タに加えて加速度の変化分を情報として取り込めるため、応答性（即応性）、安定性に優れたマニピュレ−タを実現することができる。なお、図４１では、マニピュレ−タ手先１０１１に具備された加々速度検出装置は、１０２１、１０２２、１０２３の３つの場合を示しているが、図２５に車両の６自由度の加々速度情報の検出方法として示したものと同様に、マニピュレ−タ手先１０１１の６自由度の運動を検出してさらに高精度の制御を行ってもよい。
【０１６２】ここで、コントロ−ラ１００３は、各モ−タを制御する機能をもっているが、コントロ−ラ１００３単体としてマニピュレ−タ手先の各観測点における加速度、加々速度情報より制御性能評価関数を計算し、計算結果を出力させる機能を持たせることにより、マニピュレ−タ制御性能を評価する評価試験装置としても代用できる。
【０１６３】本発明の第１０の実施例を図４２、図４３により説明する。図４２、図４３は、それぞれ加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【０１６４】図４２、図４３に示すように、機体１１０１には、複数の加々速度検出装置（図４２、図４３では１１２１、１１２２、１１２３のことをいう）が具備され、機体の前後、上下、横方向の加々速度情報が検出できるようになっている。また、主翼１１４２にも主翼の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置１１２４、１１２５が具備されている。コントロ−ラ１１０３は、積分回路等で構成される信号処理装置を内蔵しており、機体に配置される各加々速度検出装置からの情報より加速度、速度、変位情報を算出することができる。加々速度情報を用いることにより、機体に加わる微妙な力の変化を加速度の微妙な変化として検出できる。コントロ−ラ１１０３は、これらの情報にもとづいて水平カナ−ド１１４１、フラッペロン１１４２、垂直カナ−ド１１４３、水平スタビライザ１１４４、垂直スタビライザ１１４５、さらには、エンジン（図示せず）の出力を制御する。これにより、機体の６自由度を独立にコントロ−ルし、姿勢制御と飛行経路が完全に分離した飛行ができ、従来のＣＣＶ(Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅの略）をさらに高機能化できる。例えば高精度な直接力制御（ｄｉｒｅｃｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）、首振り制御（ａｉｒｐｌａｎｅ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）、遷移制御（ａｉｒｐｌａｎｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌともいう）等が可能となる。
【０１６５】また、主翼１１４２にも主翼１１４２の捩れや曲げモ−メントを検出するための加々速度検出装置が具備されているので、この信号に基づき舵面を駆動してフラッタ減少のダンピングを強くすることにより機体構造に重大な影響を与える臨界フラッタモ−ドを制御によって人工的に減少させてフラッタを防止することもできる。
【０１６６】本発明の第１１の実施例を図４４、図４５により説明する。図４４は、角加々速度センサの全体構成を示す図、角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【０１６７】図４４、図４５に示されるように本実施例の角加々速度センサは、回転振子１２０１と、回転振子１２０１に固定されたコイル１２０２と、可動電極１２０４と、ケーシング１２００と、ケーシング１２００に固定されたマグネット１２０３と、固定電極１２０５と、振子の釣合位置からの変位を検出する振子変位検出器１２０６とサーボアンプ１２０７と、読みとり抵抗１２０８で構成されている。角加々速度情報は、図４４に示すように、コイル１２０２の端子電圧として取り出す。
【０１６８】振子１２０１は、図４４、図４５の紙面に垂直な軸回りに回転できる（この方向を以下では、センサ感度方向という。）。また、振子１２０１の両側に配置された可動電極１２０４と、ケーシング１２００に固定されている固定電極１２０５とは、２組の平板コンデンサを形成している。可動電極１２０４と固定電極１２０５とで形成されている２組のコンデンサの静電容量の差ΔＣを振子変位検出器１２０６で検出することにより振子１２０１の変位が検出できる。
【０１６９】また、振子１２０１には、コイル１２０２が配置されており、このコイル１２０２に電流が流れると磁束が発生し、ケーシング１２００に固定されたマグネット１２０３による磁界によりトルクを受ける。したがって、サーボアンプ７により振子変位検出器１２０６で検出し、ΔＣ＝０、即ち上下の空隙の大きさが等しくなるように、コイル１２０２に流れる電流をフィードバック制御することにより、慣性力によるモ−メントにかかわらず振子１２０１の位置を釣合いの位置に止めておくことができる。
【０１７０】ここで、本発明の角加々速度センサが、ある回転運動をしている物体に固定されている場合を考える。図４５に示すように、時刻ｔにおいて反時計回りにセンサ全体に角加速度β（ｔ）が作用したとすれば、慣性質量Ｉの回転振子１２０１には数式３１で表される慣性力によるモ−メントが右向きに働く。
【０１７１】
【数３１】
【０１７２】回転振子１２０１について運動方程式を考えると数式３２のようになる。
【０１７３】
【数３２】
【０１７４】ここで、Ｊは回転振子１の慣性質量、θ（ｔ）は時刻ｔにおける回転振子１２０１の釣合位置からの変位角、Ｗ（ｔ）は回転振子１２０１に働く慣性力によるモ−メント、ｗ（ｔ）は位置フィードバックによる制御力である。制御力ｗ（ｔ）は、コイル１２０３に流れる電流Ｉ（ｔ）に比例するので数式３３、数式３４が成り立つ。
【０１７５】
【数３３】
【０１７６】
【数３４】
【０１７７】ここで、φは電磁鎖交係数、ｒはコイル１２０３の半径、Ｂはマグネット１２０３の磁束密度、Ｎはコイル１２０２の巻き数で与えられる。
【０１７８】時々刻々変動するＷ（ｔ）に対して、回転振子１が釣合位置にあるように制御力ｗ（ｔ）が追従すれば、数式３２の左辺はゼロとなり、結局数式３５が成立する。
【０１７９】
【数３５】
【０１８０】したがって、センサ全体に働く角加速度は、数式３６のようになり、コイル１２０３を流れる電流より検出できる。
【０１８１】
【数３６】
【０１８２】ここで、センサ全体に働く角加々速度をγ（ｔ）とすると、数式３７となる。
【０１８３】
【数３７】
【０１８４】いま、図のようにコイル３に流れる電流について回路方程式をたてると、数式３８となる。
【０１８５】
【数３８】
【０１８６】ここで、Ｌはコイルのインダクタンスである。従ってセンサ全体に働く角加々速度γ（ｔ）は数式３９となり、コイル１２０３の両端の端子電圧を検出することにより測定することができる。
【０１８７】
【数３９】
【０１８８】本実施例においては、回転振子にコイルが具備され、ケ−シングに磁石が具備されている例について言及しているが、回転振子に磁石が具備され、ケ−シングにコイルが具備され、あるいは、磁石が永久磁石であっても電磁石であっても、変わらず角加々速度を検出できる。
【０１８９】尚、角加々速度情報は、加々速度情報と同様に、一般の角速度センサに２階のアナログ微分手段（フィルタ）を付加する、あるいは、Ａ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。また、角加速度センサに１階のアナログ微分手段（フィルタ）を付加する、あるいは、Ａ/Ｄコンバ−タを介してディジタル信号に変換し、ディジタル演算処理によっても得ることができる。
【０１９０】従って、ハ−ド構成とコントロ−ラの演算速度、さらには必要とされる検出精度に応じていずれかの方法を用いればよい。また、本発明の他の実施例の中で示した加々速度情報を用いた各種制御に加え、角加々速度情報を用いることにより、さらに高精度の運動制御、運動制御装置が実現されたり、高性能な評価試験装置が実現される。
【０１９１】以上、本発明の各実施例について、加々速度の検出方法、加々速度を用いた一般的な運動モデルに対する運動制御の優位性、加々速度情報を用いた車両、エレベ−タ、鉄道車両、磁気浮上車両、地震シミュレ−タ、ステ−ジ、ビル制振システム、ロボットア−ム、航空機の運動制御及び運動評価装置、そして、角加々速度センサについて述べてきた。上述したように、従来用いられていなかった物体の運動を記述する新たなる物理量である加々速度あるいは角加々速度が検出可能となり、従来の運動制御で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動制御に用いることにより従来の運動制御に対し、さらに高精度の運動制御が実現される。また、従来の運動評価で用いていた各種情報に加え、加々速度、角加々速度を運動評価に用いることにより、従来の運動評価試験装置に対し、さらに、高性能な運動評価試験装置が実現される。
【０１９２】
【発明の効果】加々速度情報を用いた物体の運動制御を行った場合、物体に働く力の瞬時的な変化を検出できるため、物体の限界域での挙動変化を瞬時に検出できる。また同時に、操作情報と照らし合わせることにより、不意の外乱による挙動変化に対しても瞬時に補正制御を行うことができ、過大な挙動変化の発生を防止できる効果がある。可動部材（第２の部材）に固定されたコイル両端の電圧を検出することにより、可動部材に加わる加速度の微分値（加々速度）に比例した物理量を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加々速度情報を用いた運動制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図３】加速度が作用したときの振子の釣り合いを示す図である。
【図４】コイルの回路方程式の説明図である。
【図５】内部抵抗Ｒを有する場合のコイルの回路方程式の説明図である。
【図６】信号処理部分の回路構成図である。
【図７】他の加々速度センサの全体構成を示す図である。
【図８】アナログ微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図９】デジタル微分回路を用いた加々速度検出方法を示す図である。
【図１０】で検出された加速度・加々速度と、加速度の微分回路出力を示した図である。
【図１１】加々速度センサにより加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図１２】加速度センサと微分手段により加々速度情報を得る構成を示す図である。
【図１３】加々速度情報を用いた運動制御システムの運動モデルを示す図である。
【図１４】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（位置制御の場合）である。
【図１５】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（速度制御の場合）である。
【図１６】加々速度情報を用いた運動制御システムのブロック線図を示す図（加速度制御の場合）である。
【図１７】車両の運動制御系の全体構成を示す図である。
【図１８】加々速度情報の説明図である。
【図１９】横滑り検出の説明図である。
【図２０】横加々速度情報を用いた横滑り抑制の説明図である。
【図２１】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の自転運動抑制方法の比較を示す図である。
【図２２】ヨ−レイト情報と加速度・加々速度受法を用いた車両の公転運動の比較を示す図である。
【図２３】発進あるいは加速時の車輪空転を検出する方法を示す図である。
【図２４】制動時の車輪ロックを検出する方法を示す図である。
【図２５】６自由度の加々速度情報検出手段の取付状態を示す斜視図である。
【図２６】車両の乗り心地を制御する場合の全体構成図である。
【図２７】エンジン振動による車体振動を低減する場合の構成を示す図である。
【図２８】エンジン失火検出の全体構成を示す図である。
【図２９】正常燃焼時のエンジン振動を示す図である。
【図３０】失火発生時のエンジン振動を示す図である。
【図３１】エレベ−タ乗り心地制御を行う場合の概念を示す図である。
【図３２】エレベ−タ乗り心地制御の全体構成を示す図である。
【図３３】加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図３４】ばね下加々速度情報を用いた鉄道車両の構成を示す図である。
【図３５】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図３６】加々速度情報を用いた鉄道車両の動力制御系構成を示す図である。
【図３７】加々速度情報を用いた磁気浮上車両の構成を示す図である。
【図３８】加々速度情報を用いた地震シミュレ−タの構成を示す図である。
【図３９】加々速度情報を用いたＸ−Ｙステ−ジの構成を示す図である。
【図４０】加々速度情報を用いた制振装置付きビルの構成を示す図である。
【図４１】加々速度情報を用いたロボットア−ムの構成を示す斜視図である。
【図４２】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図４３】加々速度情報を用いた航空機の構成を示す図である。
【図４４】角加々速度センサの構成を示す図である。
【図４５】角加速度が作用した場合の回転振子の釣り合いを示す図である。
【符号の説明】
５０…物体、５１…加々速度検出装置、５２、３０３、４０７、２０４、５０６、６０４…コントロ−ラ、５３…アクチュエ−タ、１…振子、２…磁石、３…コイル、４０…振子変位検出器、４１…可動電極、４２…固定電極、５、１２０７…サ−ボアンプ、６、１２０８…読み取り抵抗、１３…つぎ手、５２１、５２２、５２３…入力ポ−ト、５２４…加々速度情報用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２５…加速度情報用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２６…加速度／加々速度用Ａ／Ｄコンバ−タ、５２７…デジタル微分演算、５４…仮想固定ベ−ス、５５…仮想バネ要素、５６…仮想ダンパ−要素、１００、３００…車両、１０１…エンジン系、１０２…車輪、１０３…車輪ブレ−キ、１０４、４０６…ステアリング、ステアリング舵角センサ、１０６…アクセル、１０７…ブレ−キ、１０８…後輪操舵用アクチュエ−タ、１１１…横方向加々速度検出装置、１１２…前後方向加々速度検出装置、１１１ａ、１１１ｂ…前後方向、ヨ−加々速度検出装置、１１２ａ、１１２ｂ…横方向、ロ−ル加々速度検出装置、１１１ａ、１１１ｂ…上下方向、ピッチ加々速度検出装置、３０１ａ、３０１ｂ…可変サスペンション機構、３０２ａ、３０２ｂ…車体加々速度検出装置、４０１…エンジン本体、４０２ａ、４０２ｂ…可変エンジンマウント、４０３、４０３ａ…エンジン加々速度検出装置、４０４ａ、４０４ｂ…車体側加々速度検出装置、４０５…座席、５０３…失火検出装置、２０１…かご、２０２ｘ、２０２ｙ…エレベ−タかご加々速度検出装置、２０３…モ−タ、２０５…重り、２０６…ロ−プ、５０１…鉄道車両車体、５２１、５２２、５２３、５２４…鉄道車両車輪、５３１、５３２、５３３…鉄道車両加々速度検出装置、５４１、５４２…枕バネアクチュエ−タ、５４３、５４４、５４５、５４６、５４７、５４８、５４９、５５０…軸バネアクチュエ−タ、５５１、５５２、５５３、５５４…軸受、５５５、５５６…台車、、５３４…台車加々速度検出装置、５３５、５３６…軸受加々速度検出装置、５２１、５２２…動輪、５２３、５２４…制動輪、５０３…モ−タ、５０４…ブレ−キ、５０５…鉄道車両前後方向加々速度検出装置、６０１…磁気浮上車両車体、６２１、６２２、６２３、６２４…磁気浮上車両加々速度検出装置、６３１、６３２、６３３、６３４…超電動磁石、６０５…送信用アンテナ、６０６…地上側コントロ−ラ、６７１、６７２…推進案内用地上コイル、６７３、６７４…浮上用地上コイル、７００…振動台７０１…振動台のｙ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、７０２…振動台のｘ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、７０３…振動台コントロ−ラ、７４１、７４２、７４３、７４４…油圧アクチュエ−タ、７０５…固定フレ−ム、７６１、７６２、７６３、７６４…積分器、８００…ステ−ジ、８０１…ステ−ジｙ軸方向の加々速度検出用加々速度検出装置、８０２…ステ−ジのｘ軸方向加々速度検出用加々速度検出装置、８０３…振動台コントロ−ラ、８４１、８４２、８４３、８４４…リニアアクチュエ−タ、８４５…固定フレ−ム、８６１、８６２、８６３、８６４…積分器、９００…ビル、９１１、９１２、９１３、９１４…ビル加々速度検出装置、９０２…ビル制振コントロ−ラ、９０３…油圧アクチュエ−タ、９０４…アクティブマス、１００１…マニピュレ−タ、１０１１…マニピュレ−タ手先、１０２１、１０２２、１０２３…手先加々速度検出装置、１００３…ア−ムコントロ−ラ、１０４１、１０４２、１０４３…関節駆動用ＤＤモ−タ、１１２１、１１２２、１１２３、１１２４、１１２５…航空機機体加々速度検出装置、１１０３…航空機コントロ−ラ、１１４１…水平カナ−ド、１１４２…フラッペロン、１１４３…垂直カナ−ド、１１４４…水平スタビライザ、１１４５…垂直スタビライザ、１２００…ケ−シング、１２０１…回転振子、１２０２…コイル、１２０３…マグネット、１２０４…可動電極、１２０５…固定電極、１２０６…振り子変位角検出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】物体の加速度を検出する加速度検出手段と、物体の加加速度を検出する加加速度検出手段と、物体の運動を操作するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラとを備え、前記加加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記加加速度検出手段で検出された加加速度が前記加速度検出手段で検出された加速度と逆向きの加加速度である場合は、前記コントローラにより前記アクチュエータの操作量を小さくするように制御すると共に、前記加加速度検出手段として、第１の部材と、前記第１の部材に対して相対的に可動である第２の部材と、前記第１の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、前記磁石の磁束中であって前記第２の部材に固定された少なくとも１つのコイルと、前記第１の部材に対する第２の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第１の部材に対し第２の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、前記電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とする運動制御システム。
【請求項２】請求項１に記載の運動制御システムにおいて、第１の部材に相対的な第２の部材の動きを検出する前記手段が、第１の部材、第２の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板を備え、第１の部材に対する第２の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものであることを特徴とする運動制御システム。
【請求項１】物体の加速度を検出する加速度検出手段と、物体の加加速度を検出する加加速度検出手段と、物体の運動を操作するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するコントローラとを備え、前記加加速度検出手段からの出力を前記コントローラに入力し、前記加加速度検出手段で検出された加加速度が前記加速度検出手段で検出された加速度と逆向きの加加速度である場合は、前記コントローラにより前記アクチュエータの操作量を小さくするように制御すると共に、前記加加速度検出手段として、第１の部材と、前記第１の部材に対して相対的に可動である第２の部材と、前記第１の部材に固定され磁束を発生させるための磁石と、前記磁石の磁束中であって前記第２の部材に固定された少なくとも１つのコイルと、前記第１の部材に対する第２の部材の動きを検出し前記磁束により前記コイルと磁石との間で前記第１の部材に対し第２の部材の運動を妨害するように力を発生させるための電流を流すための手段と、前記電流により前記コイル間に発生する加速度の微分値に対応する電圧を検出する手段とを備えたことを特徴とする運動制御システム。
【請求項２】請求項１に記載の運動制御システムにおいて、第１の部材に相対的な第２の部材の動きを検出する前記手段が、第１の部材、第２の部材のそれぞれに取り付けられた静電容量板を備え、第１の部材に対する第２の部材の動きによる前記静電容量板間の静電容量の変化を検出するものであることを特徴とする運動制御システム。
【図１】
【図２５】
【図２６】
【図２８】
【図４２】
【図３０】
【図２】
【図３６】
【図３】
【図４】
【図２７】
【図２９】
【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３４】
【図４３】
【図１８】
【図３３】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図３１】
【図３５】
【図３７】
【図３２】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４４】
【図４５】
【図２５】
【図２６】
【図２８】
【図４２】
【図３０】
【図２】
【図３６】
【図３】
【図４】
【図２７】
【図２９】
【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３４】
【図４３】
【図１８】
【図３３】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図３１】
【図３５】
【図３７】
【図３２】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４４】
【図４５】
【特許番号】特許第３３３６６５４号（Ｐ３３３６６５４）
【登録日】平成１４年８月９日（２００２．８．９）
【発行日】平成１４年１０月２１日（２００２．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２６４９３
【出願日】平成５年２月１６日（１９９３．２．１６）
【公開番号】特開平５−３１３７５３
【公開日】平成５年１１月２６日（１９９３．１１．２６）
【審査請求日】平成１２年２月２日（２０００．２．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 昭６３−１０６１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平４−２５９１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−２３８０５（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１４年８月９日（２００２．８．９）
【発行日】平成１４年１０月２１日（２００２．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成５年２月１６日（１９９３．２．１６）
【公開番号】特開平５−３１３７５３
【公開日】平成５年１１月２６日（１９９３．１１．２６）
【審査請求日】平成１２年２月２日（２０００．２．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 昭６３−１０６１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平４−２５９１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−２３８０５（ＪＰ，Ａ）
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