(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の制御対象の制御対象走行機構（９）を備え、走行状態を代表する複数種の走行状態量から構成される入力情報から走行を安定化させる制御指令を、前記制御対象走行機構に出力する制御装置（２０）を備えた管内走行装置であって、
前記複数種全ての走行状態量を検出する複数の検出手段（１２、１４、１６、１８）を備え、
前記複数種のうちの幾つかが推定基準種として設定されるとともに、前記推定基準種とは異なる種が推定対象種として設定され、
前記検出手段（１４、１６、１８）によって検出される前記推定基準種に係わる走行状態量を推定基準出力値とし、これら推定基準出力値に基づいて前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象第１推定値を推定する第１推定手段（２１）を備え、
前記制御装置（２０）に対する前記入力情報として、前記推定対象種に関して、前記第１推定手段（２１）による推定対象第１推定値を指定する推定側入力決定手段（２３）を備えた管内走行装置。
【請求項２】
複数の制御対象の制御対象走行機構（９）を備え、走行状態を代表する複数種の走行状態量から構成される入力情報から走行を安定化させる制御指令を、前記制御対象走行機構に出力する制御装置（２０）を備えた管内走行装置であって、
前記複数種全ての走行状態量を検出する複数の検出手段（１２、１４、１６、１８）を備え、
前記複数種のうちの幾つかが推定基準種として設定されるとともに、前記推定基準種とは異なる種が推定対象種として設定され、
前記検出手段（１４、１６、１８）によって検出される前記推定基準種に係わる走行状態量を推定基準出力値とし、これら推定基準出力値に基づいて前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象第１推定値を推定する第１推定手段（２１）を備え、
前記検出手段（１２）によって検出される前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象出力値及び前記第１推定手段（２１）による推定対象第１推定値の両方に基づいて推定対象第２推定値を導出する第２推定手段（２４）を備え、前記制御装置（２０）に対する前記入力情報として、前記推定対象種に関して、前記第２推定手段（２４）による推定対象第２推定値を指定する推定側入力決定手段（２３）を備えた管内走行装置。
【請求項３】
前記第２推定手段（２４）が、前記検出手段（１２）による推定対象出力値と前記第１推定手段（２１）による推定対象第１推定値との比例配分により前記推定対象第２推定値を導出する請求項２記載の管内走行装置。
【請求項４】
前記第１推定手段（２１）が、装置の挙動を近似する線形状態方程式に基づく状態推定器である請求項１、２又は３記載の管内走行装置。
【請求項５】
装置前後方向の軸（Ｚ）回りに相対回動自在に備えられる前方車体（２）と後方車体（３）とを備え、
前記前方車体（２）が、前輪車軸（４ｆ）の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の前輪（５０）により管内面に吸着し、且つ、前記前輪（５０）を駆動する前輪駆動手段（６ｆ）と、前記前輪（５０）を車体の前後方向及び前記前輪車軸（４ｆ）に直角な軸廻りに操舵する前輪操舵手段（９ｆ）とを備えた前方側駆動走行車体であるとともに、
前記後方車体（３）が、後輪車軸（４ｒ）の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の後輪（６０）により管内面に吸着し、前記後輪（６０）を駆動する後輪駆動手段（６ｒ）と、前記後輪（６０）を車体の前後方向及び前記後輪車軸（４ｒ）に直角な軸廻りに操舵する後輪操舵手段（９ｒ）とを備えた後方側駆動走行車体であり、
前記複数種の走行状態量が、前記前輪（５０）及び後輪（６０）の操舵角、前記前輪（５０）と後輪（６０）の傾斜角、前記前方車体（２）と後方車体（３）との相対角度であるねじれ角及び前記前輪（５０）と後輪（６０）の走行速度であり、
前記制御指令が、前記前輪操舵手段（９ｆ）及び後輪操舵手段（９ｒ）に対する操舵角速度指令である請求項１〜４のいずれか１項に記載の管内走行装置。
【請求項６】
前記推定基準出力値が、前記検出手段（１４、１６、１８）によって検出される前記前輪（５０）の傾斜角出力値、後輪（６０）の傾斜角出力値、前記ねじれ角出力値から選択される２者及び前記前輪（５０）及び後輪（６０）の走行速度出力値であり、前記推定基準出力値から、前記第１推定手段（２１）が、前記前輪（５０）及び後輪（６０）の操舵角を推定する請求項５記載の管内走行装置。
【請求項７】
前記検出手段（１４、１６、１８）によって検出される前記前輪（５０）の傾斜角出力値、前記後輪（６０）の傾斜角出力値、前記ねじれ角出力値から選択される２者から、前記２者を除いた残余の１者を推定する傾斜状態推定手段（２５）を備え、前記残余の１者に対応する前記検出手段（１４、１６、１８）の出力値の代わりに前記傾斜状態推定手段（２５）による推定値を使用する請求項５または６記載の管内走行装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の制御対象の制御対象走行機構を備え、走行状態を代表する複数種の走行状態量から構成される入力情報から走行を安定化させる制御指令を、前記制御対象走行機構に出力する制御装置を備えた管内走行装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の管内走行装置の一例として、図１、図２に示す管内走行装置の例に基づいて、以下説明する。
この管内走行装置１の構成及びその制御系について概略説明すると、管内走行装置１は、装置の前後方向の軸Ｚ回りに相対回動自在に備えられる前方車体２と後方車体３とを備えて構成される。
前方車体２と後方車体３はほぼ相似に構成され、夫々が、車軸４の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の輪体５を備えるとともに、輪体５をその軸回りに駆動する駆動手段６を備え、これら一対の輪体５と車軸４とを一体として、車体の前後方向及び車軸に直角な軸Ｙ（実質上は車体の上下方向であり、図１に示す車体姿勢に於ける上下方向）廻りに操舵する操舵手段９を備えている。
そして、管内走行装置の走行状態を的確に把握し、走行を制御するために、前輪及び後輪夫々に対して、操舵角検出手段１２、走行速度検出手段１４、傾斜角検出手段１６を備えている。さらに、前方車体と後方車体のねじれ角を検出するねじれ角検出手段１８が備えられている。
さて、このように検出系を構成することにより、制御に必要な複数種の走行状態量の検出出力値を、基礎データとして制御装置２０に入力し、この入力情報より、適切な制御指令を、制御対象の制御対象走行機構に送って、管内走行装置の安定的な走行状態を確保できる。例えば、管内走行装置にあっては、装置がいかなる姿勢にあっても、あるいはいかなる姿勢状態への姿勢変更をおこなう場合にあっても、この変更操作が安定的に推移する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常の走行状態にあっては、上記の制御により良好な走行状態を確保できるが、本願が対象とするように、比較的多種の検出対象が存在し、且つ走行姿勢が３次元的に変化する管内走行装置にあっては、各検出手段からの出力値の信頼性が問題となるとともに、管内走行装置の姿勢によっては、特定の検出手段が適切な出力値（真の値）を出力できない場合が存在する。
一例を図７、図８に基づいて説明する。図７、図８は夫々、前輪及び後輪の操舵角を示している。これらの図において、実線が検出手段の出力値である。
この例に於ける管内走行装置に対する走行制御の目標は、図９、図１０で後に詳述するように、前輪及び後輪の傾斜角度を−１６５度とすることにある。
さて、図７、図８に示すように、前輪及び後輪の操舵角出力値には、不自然な不連続出力域ａ、さらには大幅な振動域ｂが存在する。このような操舵角出力値は、本来、連続的且つなめらかに変化する性質のものであり、基本的には、検出手段の構成、あるいは、その管内走行装置内における載置状況に起因して、このような不自然な出力値が出てくるものと考えられる。
さらに、前輪あるいは後輪の傾斜角（前輪あるいは後輪の操舵軸の方向）の検出には、ポテンショメータに重りをつけたものなどが採用されるが、この構成の傾斜角検出装置は、その重りの大きさによっては精度が悪くなったり、傾斜角に検出限界があったりして、不感帯が発生する場合もある。
従って、このような不適切な検出手段出力値を制御のための入力情報とすると、管内走行装置の適切な制御をおこなうことができない。
【０００４】
従って、本発明の目的は、いかなる状況にあっても安定した走行制御状態を確保できる管内走行装置を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による管内走行装置の特徴構成は、以下のとおりである。
〔構成〕
即ち、複数の制御対象の制御対象走行機構を備え、走行状態を代表する複数種の走行状態量から構成される入力情報から走行を安定化させる制御指令を、前記制御対象走行機構に出力する制御装置を備えた管内走行装置を構成するに、
前記複数種全ての走行状態量を検出する複数の検出手段を備え、
前記複数種のうちの幾つかが推定基準種として設定されるとともに、前記推定基準種とは異なる種が推定対象種として設定され、
前記検出手段によって検出される前記推定基準種に係わる走行状態量を推定基準出力値とし、これら推定基準出力値に基づいて前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象第１推定値を推定する第１推定手段を備え、
前記制御装置に対する前記入力情報として、前記推定対象種に関して、前記第１推定手段による推定対象第１推定値を指定する推定側入力決定手段を備えるのである。
〔作用・効果〕
このような管内走行装置にあっては、基本的には、検出手段によって検出される検出出力値を、信頼性の高いものと信頼性の低いもの、あるいは、基本的に推定に使用したいものと推定対象としたいものに群分けする。そして、各群にあって、前者のものが推定基準種とされ、後者のものが推定対象種とされる。
ここで、両者の関係は、後者の物理量が前者の物理量に対して従属する関係にある。この関係は、後に説明する実施の形態にある例にあっては、状態推定手段で示す例にあっては、管内走行装置の車体構成と駆動構成から決定される関係であり、傾斜状態推定手段で示す例にあっては、管内走行装置の車体構成から決定される関係である。
管内走行装置には、第１推定手段と推定側入力決定手段とが備えられ、推定基準種側の出力値データから、推定対象種の走行状態量（これを第１推定値と呼ぶ）を推定する。そして、この推定対象種に関する制御装置に対する入力情報としては、この第１推定値が推定側入力決定手段によって入力される。
従って、この管内走行装置の場合は、例えば、比較的信頼性の高い出力値に基づいて、管内走行装置の安定化制御を行えるため、確実な制御を行える。
【０００６】
以上のようにして、第１推定手段により特定の推定対象種に係わる走行状態量を推定して、安定制御をおこなうことが好ましいが、例えば、第１推定手段として、管内走行装置の走行をモデル化した線形状態方程式に対応する状態推定器（所謂定常カルマンフィルター等を備えて構成される）を使用する場合は、逐時的な推定において、このフィルターが満たす式を解く必要が生じるため、推定値の収束に一定時間が必要となる。
一方、推定対象種に係わる検出手段による出力値は、定常誤差が乗る場合もある。従って、出力値の入力情報としての採用、第１推定値の採用ともに、一長一短があり、このような状況への対応が望まれる。
〔構成〕
以上のような状況から、本願の管内走行装置のさらなる特徴構成は、以下のとおりである。
即ち、複数の制御対象の制御対象走行機構を備え、走行状態を代表する複数種の走行状態量から構成される入力情報から走行を安定化させる制御指令を、前記制御対象走行機構に出力する制御装置を備えた管内走行装置を構成するに、
前記複数種全ての走行状態量を検出する複数の検出手段を備え、
前記複数種のうちの幾つかが推定基準種として設定されるとともに、前記推定基準種とは異なる種が推定対象種として設定され、
前記検出手段によって検出される前記推定基準種に係わる走行状態量を推定基準出力値とし、これら推定基準出力値に基づいて前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象第１推定値を推定する第１推定手段を備え、
前記検出手段によって検出される前記推定対象種に係わる走行状態量である推定対象出力値及び前記第１推定手段による推定対象第１推定値の両方に基づいて推定対象第２推定値を導出する第２推定手段を備え、
前記制御装置に対する前記入力情報として、前記推定対象種に関して、前記第２推定手段による推定対象第２推定値を指定する推定側入力決定手段を備えるのである。
〔作用・効果〕
この構成の管内走行装置の特徴は、先に説明した管内走行装置の構成と比較して、第２推定手段を備えるともに、この推定手段からの出力値である第２推定値を推定側入力決定手段が制御装置に対する入力情報とすることにある。ここで、推定対象第１推定値は、管内走行装置の構造等の要因との関係で導きだされる値であり、推定対象出力値は、検出手段が直にこの走行状態量に関して検出する出力値である。従って、第２推定値は、これら２種の値を加味した値であり、両者の欠点を補完できる値となる。これは、管内走行装置の走行状況をより正確に代表できる場合もあり、このような値を入力情報として採用することにより、より確実な制御が可能となる。さらに、第１推定手段による推定を所定の短時間に完了し、荒い推定値を使用して制御することも可能となる。
【０００７】
〔構成〕
さらなる、本願の管内走行装置の特徴構成は、前記第２推定手段が、前記検出手段による推定対象出力値と前記第１推定手段による推定対象第１推定値との比例配分により前記推定対象第２推定値を導出することにある。
〔作用・効果〕
この構成にあっては、第２推定手段が、推定対象出力値と第１推定値との間で、単純な比例配分を行って、第２推定値を導出する。結果、検出手段による値と推定手段による値を生かしながら、最も簡単な構成で推定をおこなえる。
さらに、この比例配分をたとえば１対０の関係として、いずれかの値のみとすることも可能である。さらに、管内走行装置の姿勢、走行状態に従って、この比例配分比を変更できるようにしておくと、状況に応じた制御装置に対する入力情報の選択が可能となる。
【０００８】
〔構成〕
さらなる本願の管内走行装置の特徴構成は、前記第１推定手段が、管内走行装置の挙動を近似する線形状態方程式に基づく状態推定器であることにある。
〔作用・効果〕
管内走行装置の挙動は、その構造を基礎として、線形状態方程式で近似記述できる場合が多い。従って、この線形状態方程式に基づく状態推定器を装置に装備しておき、管内走行装置に係わる走行状態量の特定種（推定対象種）の推定をおこないながら、管内走行装置の安定化制御をおこなう。
結果、推定対象種に対する検出手段に於ける出力値の信頼性が低い場合にあっても、的確な制御をおこなうことが可能となる。
【０００９】
〔構成〕
さらなる本願の管内走行装置の特徴構成は、この管内走行装置が、管内走行装置の前後方向の軸回りに相対回動自在に備えられる前方車体と後方車体とを備えて構成される管内走行装置であり、
前記前方車体が、前輪車軸の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の前輪により管内面に吸着し、且つ、前記前輪を駆動する前輪駆動手段と、前記前輪を車体の前後方向及び前記前輪車軸に直角な軸廻りに操舵する前輪操舵手段とを備えた前方側駆動走行車体であるとともに、
前記後方車体が、後輪車軸の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の後輪により管内面に吸着し、前記後輪を駆動する後輪駆動手段と、前記後輪を車体の前後方向及び前記後輪車軸に直角な軸廻りに操舵する後輪操舵手段とを備えた後方側駆動走行車体であり、
前記複数種の走行状態量が、前記前輪及び後輪の操舵角、前記前輪と後輪の傾斜角、前記前方車体と後方車体との相対角度であるねじれ角及び前記前輪と後輪の走行速度であり、
前記制御指令が、前記前輪操舵手段及び後輪操舵手段に対する操舵角速度指令であることにある。
〔作用・効果〕
この構成の管内走行装置にあっては、４ＷＤ構造の管内走行装置に比較して操舵、走行機構及びそれらの制御系が簡単に構築できるとともに、前方車体と後方車体とを、車体の前後方向の軸回りに回動自在に備えることにより、管内での例えば管周方向の走行にあってもこれを安定して行え、管内検査に高い有用性がある。
しかしながら、構造が比較的単純な分、各制御対象走行機構の制御を誤ると、その影響は大きい。一方、この構造の管内走行装置にあっては、前輪及び後輪の操舵角速度の制御をおこなうことにより、走行自体の安定化を達成できる。
従って、この管内走行装置にあっては、これまで説明してきたより信頼性の高い制御構造を採用することにより、安定した走行状態で、各種機能を充分に発揮できる。
【００１０】
〔構成〕
さらに、先に説明した管内走行装置の特徴構成は、前記推定基準出力値が、前記検出手段によって検出される前記前輪の傾斜角出力値、後輪の傾斜角出力値、前記ねじれ角出力値から選択される２者及び前記前輪及び後輪の走行速度出力値であり、前記第１推定手段が、前記前輪及び後輪の操舵角を推定することにある。
〔作用・効果〕
管内走行装置の構成によっては、前輪及び後輪の操舵角の検出が、走行時における振動、環境により定常誤差を含みやすい場合もある。しかしながら、この管内走行装置の独特の構造にあっては、前記前輪及び後輪の傾斜角出力値と前記ねじれ角から選択される２者及び前輪及び後輪の走行速度出力値から前後輪の操舵角の推定ができる。従って、この推定をおこなって、信頼性ある第１推定値、あるいはこの第１推定値を考慮した第２推定値を得ることにより、管内走行装置の安定走行性を確保することができる。
【００１１】
さて、本願の管内走行装置にあっては、車体のねじれ角と前輪及び後輪の傾斜角は、相互に関係がある。しかしながら、ねじれ角検出手段と前後輪に配置した傾斜角検出手段の精度は異なる場合が多い。即ち、傾斜角検出手段としてポテンショメータに重りをつけたものなどはその重りの大きさによっては精度が悪くなる。さらに、前後輪に配置した傾斜角検出手段には検出限界がある。即ち、傾斜角検出手段としてポテンショメータを応用するとポテンショメータの検出角度が３６０度未満の場合があり，不感帯が発生する。
従って、この様な場合にはねじれ角と前後輪に配置した傾斜角の関係を利用することが好ましい。
〔構成〕
従って、本願の管内走行装置のさらなる特徴構成は、前記検出手段によって検出される前記前輪の傾斜角出力値、前記後輪の傾斜角出力値、前記ねじれ角出力値から選択される２者から、前記２者を除いた残余の１者を推定する傾斜状態推定手段を備え、前記残余の１者に対応する前記検出手段の出力値の代わりに前記傾斜状態推定手段による推定値を使用することにある。
〔作用・効果〕
本願独特の管内走行装置にあっては、先に説明したように、前輪及び後輪の傾斜角の検出手段の構成は、その配設位置を除いて同一にできるとともに、これに対して、前記２者の差であるとともに、前方及び後方車体のねじれを示すねじれ角は、別構成の検出手段が採用される場合が多い。従って、ねじれ角の検出精度と傾斜角の検出精度に差が生じることもある。
さらに、前方車体の傾斜状態、後方車体の傾斜状態にあっては、これらの車体が取っている姿勢によっては、備えられる検出手段が良好な真の値に近い出力を出せない場合もある。
従って、このような状況に対応して、前者の問題に対応する場合は、前輪及び後輪の傾斜角出力値を基本データとしてねじれ角を推定することにより、これらの値の精度をあわせて、最終的に良好な走行制御をおこなうことができる。
さらに、後者の問題に対応する場合は、例えば不感帯内における検出をおこなう必要がある検出手段に属する検出対象角を推定対象とし、この推定対象とは異なった他の２者に係わる検出出力値を使用して、傾斜状態推定手段により推定をおこなう。従って、この場合もまた、信頼性の高い値を使用して、管内走行装置の制御をおこなうことにより、良好な走行制御をおこなうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態を以下図面を参照しながら説明する。
〔管内走行装置の構造〕
図１、図２、図３は本願が対象とする管内走行装置の一例を示すものであり、図１は管内走行装置１の側面図を、図２は管内走行装置１に備えられる前方車体の一部断面平面図、図３は管内走行装置１を管軸方向からみた図面である。
管内走行装置１は、装置の前後方向の軸Ｚ回りに相対回動自在に備えられる前方車体２と後方車体３とを備えて構成されている。図１には、管内走行装置１を構成する前方車体２と後方車体３とが、その原点位置である直線整列状態にある場合が示されており、図３には、前方車体２が後方車体３に対して、両車体を管内走行装置全体の前後方向の軸Ｚ回り相対回動して、車体相互の姿勢が異なっている状態を示している。
【００１３】
前方車体２と後方車体３はほぼ相似に構成され、夫々が、車軸４の両端側に備えられる一対の磁気吸着式の輪体５を備えるとともに、輪体５をその軸回りに駆動する駆動手段６（駆動モータ７と駆動伝動機構８とを主要機器として備えて構成される）を備え、これら一対の輪体５と車軸４とを一体として、車体の前後方向及び車軸４に直角な軸Ｙ（実質上は車体の上下方向であり、図１に示す車体姿勢に於ける上下方向）廻りに操舵する操舵手段９（操舵モータ１０と操舵伝動機構１１とを主要機器として備えて構成される）を備えている。
即ち、前方車体２には、前輪車軸４ｆと、この前輪車軸４ｆと一体に備えられる一対の前輪５０、前記前輪５０に対する前輪駆動手段６ｆ、前記前輪５０に対する前輪操舵手段（図４、１１、１４に於ける前輪操舵機構）９ｆを備えている。さらに、この前輪５０に関連して、前輪５０の操舵角を検出する前輪操舵角検出手段１２ｆ（具体的には、前輪操舵用ウオームギア軸１３０に対して備えられるエンコーダーまたはポテンショメータ１３から構成される）、前輪５０の走行速度を検出する前輪走行速度検出手段１４ｆ（具体的には、減速ギア１５０に対して備えられるエンコーダ−１５から構成される）、この前輪５０の操舵軸Ｙｆの方向であるとともに、輪体５が車体の前後方向を向く状態での前方車体の傾斜角である前輪傾斜角を検出する前輪傾斜角検出手段１６ｆ（具体的には、前方車体２に対して備えられる重り付のポテンショメータまたは傾斜計１７から構成される）を備えている。この傾斜角は、鉛直下方向きが０度とされており、この方向から反時計回り及び時計回りに夫々、プラス、マイナス１８０度まで検出できるように構成されている。
一方、後方車体３には、後輪車軸４ｒと、この後輪車軸４ｒと一体に備えられる一対の後輪６０、前記後輪６０に対する後輪駆動手段６ｒ、前記後輪６０に対する後輪操舵手段（図４、１１、１４に於ける後輪操舵機構）９ｒを備えている。さらに、この後輪６０に関連して、後輪６０の操舵角を検出する後輪操舵角検出手段１２ｒ（具体的には、後輪操舵用ウオームギア軸（図外）に備えられるエンコーダまたはポテンショメータ（図外）から構成される）、後輪６０の走行速度を検出する後輪走行速度検出手段１４ｒ（具体的には、減速ギア１５０に対して備えられるエンコーダ１５から構成される）、さらに、この後輪６０の操舵軸Ｙｒの方向であるとともに、先に説明した前輪傾斜角を検出する後輪傾斜角検出手段１６ｒ（具体的には、後方車体３に対して備えられる重り付のポテンショメータまたは傾斜計１７から構成される）を備えている。
さらに、前方車体２と後方車体３の間には、これらの前方車体２と後方車体３との装置前後方向の軸Ｚ回りの相対角度であるねじれ角を検出するねじれ角検出手段１８（具体的には、前方車体２と後方車体３を連結する連結軸１９０の近傍に取付られるポテンショメータ１９から構成される）を備えている。
これまで説明してきた前輪操舵角検出手段１２ｆ、前輪走行速度検出手段１４ｆ、前輪傾斜角検出手段１６ｆ、後輪操舵角検出手段１２ｒ、後輪走行速度検出手段１４ｒ、後輪傾斜角検出手段１６ｒ、ねじれ角検出手段１８を総称して検出手段と呼ぶ。
【００１４】
〔走行制御系の構造〕
次に、この管内走行装置１の走行を安定化させるための走行制御系について説明する。この走行制御系は、制御対象走行機構としての、先に説明した前輪操舵手段９ｆ及び後輪操舵手段９ｒに各々備えられる前輪及び後輪操舵モータ１０ｆ、１０ｒに対して、それらに対して操舵角速度指令を出すものであり、検出手段によって検出された出力値及びそれらの出力値から導き出される推定値を入力情報とし、これらの入力情報から走行を安定化させる制御指令（具体的には操舵角速度指令）を導出して出力する制御装置２０を備えている。
図４に最も簡単な、本願の走行制御系の構成を示した。同図に於ける状態推定手段２１、基準側入力決定手段２２、推定側入力決定手段２３の構成に関しては、後に詳述するが、これらは、基本的には、検出手段による出力値を制御装置２０に対する入力として安定制御に好ましい状態とするためのものである。
【００１５】
〔制御装置２０〕
先ず、制御装置２０が有する制御構造について説明する。
上記独特の構成を有する本願の管内走行装置２の振る舞いは、以下のように記述することができる。
【００１６】
【数１】
0003623028.tif 000002
【００１７】
このような構成の制御装置２０のみを備え、検出手段による出力値をそのまま制御装置２０に対する入力情報とする場合の制御情報の流れを図５に示した。
制御装置２０内に備えられる系を安定化させる状態フィードバックゲインＧの一例を、以下に示す。
前輪５０及び後輪６０の走行速度が、次のような場合にあっては、
【００１８】
【数２】
0003623028.tif 000003
【００１９】
このようにすると、数式（２）がゼロであると近似すれば、数式（１）及び数式（７）より、その固有値は−０．０５＋０．１６５８ｊ、−０．０５−０．１６５８ｊとなり、実部が負であることから、制御系は安定である。
即ち、制御装置２０に、このように系を安定化させる状態フィードバックゲインＧを備えて、その入力情報としての、前輪５０及び後輪６０の操舵角の両方と、前輪５０及び後輪６０の傾斜角及びねじれ角のうちのいずれか２者から、制御装置２０は、前輪５０及び後輪６０に対する操舵角速度指令を出力する。
だだし、数式（５）においては、前記２者として前輪５０の傾斜角とねじれ角を入力情報として選択している。しかしながら後に示すように、前輪及び後輪の傾斜角とねじれ角は、３者のうち２者のみが独立であるため、３者のうちの２者の選択は任意に行える。従って、この選択によって、数式（１）等の形態も、その形態は変更される。
【００２０】
〔状態推定手段２１〕
次に、先に説明を飛ばした状態推定手段２１の構成に関して説明する。
この状態推定手段２１は、先に示した管内走行装置１の挙動を近似する線形状態方程式（数式（１）及び（２））に基づく状態推定器である。この状態推定器は、先の線形状態方程式に基づく定常カルマンフィルターを備えている。
従って、状態推定手段２１は、以下のモデルに基づいて管内走行装置２の挙動の推定をおこなう。ここで、記号は先に示したものと同様であり、ハット付きの記号は、これが、推定値であることを示す。
【００２１】
【数３】
0003623028.tif 000004
【００２２】
状態推定器の一例を、さらに具体的に説明する。この例にあっては、システムがフィードバック制御構造を有するため、このフィードバック制御に関しては、状態推定器によって得られる推定値を全ての走行状態量に関して使用することを考慮して設計されている（後述する数式（３１）の制御構造を取る）。ただし、推定の基礎となる初期値は検出手段による出力値である。
即ち、
【００２３】
【数４】
0003623028.tif 000005
【００２４】
定常カルマンフィルターのパラメータＬ決定にあっては、対象とするシステムに発生するノイズを白色正規雑音と仮定した場合に、その影響を考慮している先に示したリカッチの定常行列方程式を解くことにより得られる。
【００２５】
【数５】
0003623028.tif 000006
【００２６】
ここで、パラメータ決定に用いる数式（１２）に示すＡは、定常カルマンフィルターによる推定値を使用する前提から、Ａ（数式（１２）のもの）＝Ａ（数式（８）のもの）＋ＢＧの関係にある。このため推定器の収束性には（Ａ（数式（８）のもの）−ＬＣ）の解の実部が負という条件も満たすように設計する。
一方、後述する数式（３０）に示すように、推定値（前輪及び後輪の操舵角に対する）と検出手段による出力値（前輪傾斜角とねじれ角に対する）とを共に合わせてフィードバック制御する場合は、数式（１２）に於けるＡに対して、これらから、（２、２）要素、（４、４）要素を０としたものが導入されて、状態推定器が構築される。この場合もまた収束解を得ることが可能であり、検出手段により検出される前輪傾斜角出力値およびねじれ角出力値より、前輪及び後輪の操舵角の推定をおこなうことができる。さらに、状態推定器の解法としては差分法等を適応する。そして、差分法等を用いる場合には、一つ前の状態推定値を保存する機構が必要になる。一方、電気的な回路でこれを構成してもよい。
【００２７】
従って、先に示した制御装置２０に対しては、その入力を以下に示す２種の形態でおこなうことができる。
第１の形態例は、下記の数６に示す数式（３０）に従うものであり、前輪５０及び後輪６０の操舵角のみに状態推定手段２１による第１推定値を使用し、前輪５０の傾斜角及びねじれ角には夫々検出手段による出力値を使用する。この場合の情報の流れを図６に示した。
【００２８】
【数６】
0003623028.tif 000007
【００２９】
第２の形態例は、下記の数７に示す数式（３１）に従うものであり、前輪５０及び後輪６０の操舵角、前輪５０の傾斜角及びねじれ角全てに状態推定手段２１による第１推定値を使用する。
【００３０】
【数７】
0003623028.tif 000008
【００３１】
以上が基本的な制御構成であるが、本願においては、検出手段による検出対象である複数種の走行状態量のうちの特定種が、状態推定手段２１によって基礎データとして使用される推定基準種（図６に示す場合は前輪５０及び後輪６０の傾斜角とねじれ角から選択される２者及び前輪５０と後輪６０の走行速度）として設定されるとともに、この推定基準種とは異なる種（図６に示す場合は前輪５０及び後輪６０の操舵角）が推定対象種として設定されている。
そして、検出手段によって検出される推定基準種に係わる走行状態量を推定基準出力値とし、これら推定基準出力値から、推定対象種に係わる走行状態量である推定対象の第１推定値（前輪５０及び後輪６０の操舵角推定値）を得ている。
制御装置２０に対する入力情報としては、推定基準種に関しては、基本的には、検出手段による推定基準出力値（前輪５０及び後輪６０の傾斜角とねじれ角から選択される２者）が採用される。このように制御装置２０に対する入力情報において、推定基準種に関して、その出所を指定する手段を基準側入力決定手段２２と呼ぶ。
図６に示す場合は、検出手段の出力値をそのまま使用するが、数式（３１）に示す場合は、状態推定手段２１から得られる第１推定値を使用することとなる。一方、推定対象種（前輪及び後輪の操舵角）に関しては、基本的に、状態推定手段２１による第１推定値を採用する。このように制御装置２０に対する入力情報において、推定対象種に関して、その出所を指定する手段を推定側入力決定手段２３と呼ぶ。
【００３２】
さて、これまで説明してきた制御系において、図４、図６に示す制御構造を採用するとともに、前輪及び後輪の操舵角に対して第１推定値を採用し、前輪及び後輪の傾斜角に対して検出手段による出力値を採用して、数式（３０）に相当するフィードバック制御をおこなった場合の管内走行装置１の走行状態について、図７、図８、図９、図１０に基づいて説明する。
図７、図８は夫々、前輪５０及び後輪６０の操舵角を示し、図９、図１０は夫々、前輪５０及び後輪６０の傾斜角を示している。これらの図において、実線が検出手段の出力値であり、破線が第１推定値であり、一点鎖線が理論値である。ここで、理論値は、これまで説明してきた制御系において、数式（５）に基づいて制御した場合の理想的な振る舞いをコンピュータ上でシミューレーションした結果値である。
この例に於ける管内走行装置１に対する走行制御の目標は、図９、図１０に示すように前輪５０及び後輪６０の傾斜角度を−１６５度とすることにある。
【００３３】
図７、図８に示すように、前輪５０及び後輪６０の操舵角出力値には、出力値が変化しない不自然な出力域ａ、さらには大幅な振動域ｂが存在するが、状態推定手段２１による推定値は比較的安定な変化を示しており、理論値に非常に近い挙動を示している。そして、制御目標である図９、図１０に示す前輪５０及び後輪６０の傾斜角にあっては、出力値、第１推定値が、理論値に近い挙動を示しており、良好な制御状態が得られていることがわかる。
一方、図９に、二点鎖線で示した前輪傾斜角の変化状況は、状態推定手段２１による第１推定値を使用することなしに、前輪５０及び後輪６０に備えられる操舵角検出手段１２による出力値が正しいと仮定した場合の前輪傾斜角の変化状況の例を示している。このことから、操舵角検出手段の出力値の誤差が大きいことが判る。
【００３４】
〔第２状態推定手段２４〕
以上が、状態推定手段２１を備えた管内走行装置１の説明であるが、以下に、この推定手段による第１推定値と実際の検出手段による出力値とを加味して、より信頼性の高い第２推定値から管内走行装置１の安定走行を確保する制御系について説明する。
この制御系を備えた管内走行装置１に於ける図４に対応する図面を図１１に示した。この例にあっては、状態推定手段２１と推定側入力決定手段２３との間に第２状態推定手段２４が介在されている。
この第２状態推定手段２４は、検出手段によって検出される推定対象種に係わる走行状態量である推定対象出力値と、先に説明した状態推定手段２１による第１推定値の両方に基づいて推定対象第２推定値を導出するものであり、さらに具体的には、推定対象出力値と推定対象第１推定値との比例配分を取り、その中間値もしくは推定対象出力値自体あるいは推定対象第１推定値自体を推定対象第２推定値とするものである。
ここで、推定対象種は、これまで説明してきたと同様に、前輪５０及び後輪６０の操舵角であり、図６に相当する情報の流れを示すと図１２のようになる。
従って、この構成の場合は、推定対象出力値と推定対象第１推定値あるいはこれらの中間値を適切に選択して、好ましい制御をおこなうことができる。
この構成は、予め推定対象出力値と推定対象第１推定値との比例配分割合を所定の値に設定しておいてもよいし、検出構造によっては、管内走行装置あるいは走行車体が特定の姿勢をとる場合のみ比例配分割合を変更するように構成しておいてもよい。
【００３５】
〔傾斜状態推定手段２５〕
これまで説明してきた例においては、主に、前輪５０及び後輪６０の操舵角を推定対象とした。しかしながら、本願が対象とする管内走行装置１にあっては、前輪５０及び後輪６０の傾斜角とねじれ角との間には、一定の関係がある。
即ち、理論的には以下の数８に示す数式（３２）の関係があるため、これら３者のうちの２者から残余の１者を推定することが可能である。
理論的な３者の関係式から前輪傾斜角第１推定値を推定する場合は、以下の関係式を使用する。
【００３６】
【数８】
0003623028.tif 000009
【００３７】
一方、ねじれ角と後輪傾斜角とを基準データとして、前輪傾斜角を推定する構造を取ることも可能である。数９に示す数式（３３）は、この関係式を示しており、別途求められたデータから最小二乗手法により前輪傾斜角を求める式であり、予め求められる。
【数９】
0003623028.tif 000010
【００３８】
このような推定手法を採用する場合に於ける推定確度の検証結果を図１３に示した。同図において、横軸は前輪５０の傾斜角ｙｆの真の値であり、縦軸は、数式（３２）、数式（３３）に夫々従った推定値である。同図において○印が数式（３２）に従った推定値と△印が数式（３３）に従った推定値を示している。
この図は、横軸と縦軸の単位スケール長さが異なるため、推定値の分布は４５度の角度となっていないが、良好な推定状態を確保できていることが判る。
従って、本願の傾斜状態推定手段２５には、上記の数式（３２）、数式（３３）等が格納されており、これらの式に相当する関係式に基づいて、３者の内の２者から残余の１者を推定する。即ち、この例にあっては、推定基準種が２者であり、推定対象種が残余の１者である。
さて、このような傾斜状態推定手段２５による推定を加味した制御系のブロック図を図１４に、情報の伝達状態を図１５に示した。この場合もまた、信頼性の高い制御をおこなうことが可能である。
【００３９】
以上が、本願が対象とする管内走行装置１の説明である。
さて、状態推定手段２１の機能を考察すると、これらの手段は、比較的信頼性の高い出力値を利用して、これらの出力値の種類とは異なった種類の検出対象の推定値を推定している。ここで、推定手法としては、状態推定器の手法が採用されている。一方、傾斜状態推定手段２５の機能について考察すると、これもまた、前輪及び後輪の傾斜角及びねじれ角の内から選択される２者から残余の１者を推定している。そして、残余の１者を推定側入力決定手段に送り、これを制御装置２０に対する入力情報の１種とすることも可能である。
いずれにしても、本願にあっては、推定値と出力値あるいは推定値のみを制御装置２０に対する入力情報として利用して、良好な制御を実現している。
従って、予め設定されている推定基準種の出力値から、推定対象種の推定値を推定する手段を第１推定手段と呼ぶ。本願にあっては、これまで説明して状態推定手段、傾斜状態推定手段がこれにあたる。
さらに、第１推定手段で得られた推定対象第１推定値と、この推定対象が属する種に係わる検出手段の出力値である推定対象出力値とから、新たな推定値（これを第２推定値と呼ぶ）を得る手段を第２推定手段と呼ぶ。これまで説明してきた例では、第２状態推定手段がこれにあたる。
【００４０】
〔別実施例〕
以下、本願の別実施例について説明する。
（イ）これまで説明してきた例においては、第１推定手段の内容として、定常カルマンフィルターを備えた状態推定器を使用するもの、理論式に基づくもの、さらには、別途求められたデータから、最小二乗法により推定式を求めておき、この式に基づいて推定値を得るものを示した。
推定手段の構築方法としては、これらの他、推定対象として操舵角を対象とする場合、傾斜角度の直接微分、傾斜角度の微分をローパスフィルターに掛けたもの等の手法を採用してもよい。
（ロ）さらに、第２推定手段における推定手法としては、上記した線形結合の他、互いの値の切り換え手法を採用してもよい。
さらに、第２推定手段の処理にあっては、以下のような２例の構造とすることもできる。
１  第１例
推定対象種に於ける検出手段の出力値（これが推定対象出力値）の変化（時間的な差分）が大きい場合、あるいは、出力値と第１推定値の差が大きい場合には、出力値の信頼性が低いと判断して、以下のような対応をとる。
１−１  この種に関する制御装置への入力情報として、推定対象第１推定値をそのまま採用しつづける。
１−２  この種に関する制御装置への入力情報として、推定対象出力値と推定対象第１推定値との比例配分値を採用しつづける。
２  第２例
推定対象種に於ける検出手段の出力値の変化状況と、第１推定値の変化状況をみながら、所定の条件において推定対象出力値を訂正して、第２推定値とする。
この構造の例を以下に示す。
【００４１】
【表１】
検知タイミング        １      ２      ３      ４      ５      ６
推定対象出力値        ０      ０      ７      ８    １０    １１
第１推定値        ０．１  ０．２  ０．３  １．２  ２．４  ３．７
第２推定値            ０      ０  ０．３  １．３  ３．３  ４．３
【００４２】
ここで、各タイミングは経時的なものであり、第２推定値は以下のようにして得られている。
タイミング１及び２では、推定対象出力値をそのまま採用する。
タイミング３においては、タイミング２との出力値の差が大きいため、第１推定値をそのまま採用する。
タイミング４においては、タイミング２に於ける第１推定値（０．３）にタイミング４とタイミング３との出力値の差（８−７）を加えた値（１．３＝０．３＋８−７）とする。
タイミング５においては、タイミング２に於ける第１推定値（０．３）にタイミング５とタイミング３との出力値の差（１０−７）を加えた値（３．３＝０．３＋１０−７）とする。
タイミング６においては、タイミング２に於ける第１推定値（０．３）にタイミング６とタイミング３との出力値の差（１１−７）を加えた値（４．３＝０．３＋１０−７）とする。
この処理は、検出手段による出力値が、タイミング２と３の間に、大きな定常偏差を含有して検出されたものと判断するとともに、タイミング１〜２、タイミング３〜６に関してはこのような問題は無いとして、第２推定値を求めている。
【００４３】
（ハ）上記の実施の形態においては、対象とする管内走行装置において、制御装置による制御指令が前輪及び後輪に対する操舵角速度であるために、制御対象走行機構は、これらの指令を受ける操舵手段９に備えられる操舵モータ１０であったが、装置の構成において、走行状態を決定する機構であり安定走行のために制御指令を受ける機構であれば、これを特定するものではない。たとえば、管内走行装置の装置構成が、本願の実施の形態とは異なる場合、操舵手段９の代わりに駆動手段６に備えられる駆動モータ７が制御対象走行機構となる場合もある。
【００４４】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の一実施例である管内走行装置の側面図
【図２】前方車体の一部断面平面図
【図３】管内走行装置に於ける走行姿勢の一形態を管軸方向から見た図
【図４】管内走行装置の基本制御構造を示すブロック図
【図５】制御装置のみを備えた場合の情報伝達状態を示す図
【図６】図４に示す基本制御構造に於ける情報伝達状態を示す図
【図７】前輪操舵角の理論値、出力値、推定値を示す図
【図８】後輪操舵角の理論値、出力値、推定値を示す図
【図９】前輪傾斜角の理論値、出力値、推定値を示す図
【図１０】後輪傾斜角の理論値、出力値、推定値を示す図
【図１１】第２状態推定手段を備えた管内走行装置の制御構造を示すブロック図
【図１２】図１１に示す制御構造に於ける情報伝達状態を示す図
【図１３】前輪傾斜角推定値の信頼性を示す図
【図１４】図１１に示す制御構造に傾斜状態推定手段を追加した場合のブロック図
【図１５】図１１に示す制御構造に傾斜状態推定手段を追加した場合の情報伝達状態を示す図
【符号の説明】
１    管内走行装置
２    前方車体
３    後方車体
４ｆ  前輪車軸
４ｒ  後輪車軸
６ｆ  前輪駆動手段
６ｒ  後輪駆動手段
９ｆ  前輪操舵手段（制御対象走行機構）
９ｒ  後輪操舵手段（制御対象走行機構）
１２  操舵角検出手段（検出手段）
１４  走行速度検出手段（検出手段）
１６  傾斜角検出手段（検出手段）
１８  ねじれ角検出手段（検出手段）
２０  制御装置
２１  第１推定手段
２２  基準側入力決定手段
２３  推定側入力決定手段
２４  第２状態推定手段
２５  傾斜状態推定手段
５０  前輪
６０  後輪
Ｚ    前後方向の軸
【図１】
0003623028.tif 000011
【図２】
0003623028.tif 000012
【図３】
0003623028.tif 000013
【図４】
0003623028.tif 000014
【図５】
0003623028.tif 000015
【図６】
0003623028.tif 000016
【図７】
0003623028.tif 000017
【図８】
0003623028.tif 000018
【図９】
0003623028.tif 000019
【図１０】
0003623028.tif 000020
【図１１】
0003623028.tif 000021
【図１２】
0003623028.tif 000022
【図１３】
0003623028.tif 000023
【図１４】
0003623028.tif 000024
【図１５】
0003623028.tif 000025