(57)【要約】【課題】走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる、安定性評価システムを提供する。【解決手段】本発明による安定性評価システムは、走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システムであって、車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、車両の車輪が走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、重心センサによる計測データに基づいて合成重心位置を算出し、且つ、接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも合成重心位置および接地点を車両の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、を備える。【選択図】図１
2014162260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システムであって、
前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、
前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、
前記重心センサによる計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、
を備えることを特徴とする、安定性評価システム。
【請求項２】
前記重心センサ及び接地点センサは、３軸について、加速度及び角速度を感知するセンサであることを特徴とする、請求項１に記載の安定性評価システム。
【請求項３】
前記重心センサは、前記車両の重心位置を特定可能な車両重心センサと、前記操縦主体の重心位置を特定可能な操縦主体重心センサとを含み、
前記安定性評価装置は、前記車両重心センサおよび前記操縦主体重心センサによる計測データに基づいて、前記合成重心位置を算出する、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の安定性評価システム。
【請求項４】
前記安定性評価装置は、前記接地点センサによる計測データに基づいて、走行中の前記中心軸線および前記回転面の空間的位置を算出し、該回転面と前記走行面に対して鉛直投影した前記中心軸線とが交差する点を、前記接地点として算出する、ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の安定性評価システム。
【請求項５】
前記車両は二輪車であり、
前記安定性評価装置は、
前記二輪車の前輪および後輪についてそれぞれ算出した前記接地点を結ぶ直線を接地線として算出し、該接地線と、前記走行面に対して投影した前記合成重心位置との距離である重心変位量を算出し、または、
９０度から前記回転面と前記走行面とが成す角度を減じた角度である、前記車両のバンク角を算出して、
前記重心変位量または前記バンク角を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の安定性評価システム。
【請求項６】
前記安定性評価装置は、
前記重心変位量の時系列変化および前記バンク角の時系列変化を算出し、
前記重心変位量の時系列変化から重心変位量時系列波形を取得して、該重心変位量時系列波形に基づいて重心変位量の振幅値を算出し、
前記バンク角の時系列変化からバンク角時系列波形を取得して、該バンク角時系列波形と前記重心変位量時系列波形との位相差を算出して、
前記重心変位量の振幅値および前記位相差を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項５に記載の安定性評価システム。
【請求項７】
前記車両のハンドル舵角を検出可能に配置されたハンドル舵角センサをさらに備え、
前記安定性評価装置は、前記ハンドル舵角センサによる計測データから、ハンドル舵角を算出して、該ハンドル舵角を前記車両の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の安定性評価システム。
【請求項８】
前記安定性評価装置は、走行中の前記車両に対して前記走行面から作用する走行面反力のうち、前記車両の進行方向に対して垂直方向に作用する走行面反力を算出して、該走行面反力を前記車両の安定性評価指標として提供する、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか1項に記載の安定性評価システム。
【請求項９】
前記安定性評価装置は、前記車両の進行方向と前記回転面とが成す角度を、走行中の前記車両のスリップアングルとして算出して、該スリップアングルを前記車両の安定性評価指標として提供する、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか1項に記載の安定性評価システム。
【請求項１０】
走行面を走行中の二輪車の安定性を評価する安定性評価システムであって、
前記二輪車および該二輪車を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、
前記二輪車の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、
前記二輪車のハンドル舵角を検出可能に配置された、ハンドル舵角センサと、
前記重心センサによる計測データに基づいて、前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記二輪車の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、
を備え、
前記安定性評価装置は、
前記二輪車の前輪および後輪についてそれぞれ算出した前記接地点を結ぶ直線を接地線として算出し、該接地線と、前記走行面に対して投影した前記合成重心位置との距離である重心変位量を算出し、さらに、
９０度から前記回転面と前記走行面とが成す角度を減じた角度である、前記二輪車のバンク角、
前記ハンドル舵角センサによる計測データから算出される、ハンドル舵角、
走行中の前記二輪車に対して前記走行面から作用する走行面反力のうち、前記二輪車の進行方向に対して垂直方向に作用する走行面反力、または
前記二輪車の進行方向と前記回転面とが成す角度である、走行中の前記二輪車のスリップアングル
を算出して、算出結果に基づき、
前記重心変位量の時系列変化から重心変位量時系列波形を取得して、該重心変位量時系列波形に基づいて重心変位量の振幅値を算出し、および、
前記バンク角、前記ハンドル舵角、前記二輪車の進行方向に対して垂直方向に作用する走行面反力、および前記スリップアングルのうちの１つまたは２つの時系列変化から時系列波形を取得して、該１つまたは２つの時系列波形および前記重心変位量時系列波形のうちの２つの時系列波形について位相差を算出して、
少なくとも前記振幅値および前記位相差を含む前記二輪車の安定性評価指標として提供する、
ことを特徴とする、安定性評価システム。
【請求項１１】
走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価方法であって、
前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサ、及び
前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサ、
により計測データを取得する計測ステップと、
前記重心センサの計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサの計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する評価指標提供ステップと、
を含むことを特徴とする、安定性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システム及び安定性評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自転車に代表される二輪車については、重心が常に前後輪の接地線上となるように操縦することで倒れることなく直進走行できると考えられてきた（例えば、非特許文献１参照）。接地線は自転車の操縦状態に従って経時的に変化するが、各時点において常に接地線上に重心がくるようにすることで、自転車を転倒させることなく操縦することが可能になる。
【０００３】
また、自動二輪車のモデルを開発して、シミュレーションで得られた結果から固有値解析を実施して自動二輪車の走行時の力学的安定性を評価する方法が提案されてきた（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２に記載の手法によれば、自動二輪車の走行時の固有振動と走行速度との関係に基づいて走行時の自動二輪車の力学的安定性を解析することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】大矢多喜雄、「自転車に対する運動力学について」、自振協技術研究所報告、p.1-8、1978年、No.2
【非特許文献２】R. S. Sharp, “The Stability and Control of Motorcycles”, Journal Mechanical Engineering Science, Vol. 13, No.5, 1971
【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、非特許文献１に記載の方法では、走行中の車両の接地点の位置を把握することが困難であった。また、非特許文献２記載の方法では、車両操縦主体の挙動は近似的にモデル化してシミュレーションモデルに入力しており、車両操縦主体の実際の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することはできなかった。
【０００６】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる、安定性評価システム及び安定性評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る安定性評価システムは、走行面を走行中の車両の安定性を評価する安定性評価システムであって、前記車両および該車両を操縦する操縦主体の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサと、前記車両の車輪が前記走行面に接する点である接地点を特定可能な接地点センサであって、前記車輪の回転中心を含む回転面と、該回転中心を通り前記回転面に対して垂直な中心軸線とを検出可能に配置された、接地点センサと、前記重心センサによる計測データに基づいて前記合成重心位置を算出し、且つ、前記接地点センサによる計測データに基づいて前記接地点を算出して、少なくとも前記合成重心位置および前記接地点を前記車両の安定性評価指標として提供する安定性評価装置と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明による安定性評価システムにより、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、走行中の車両の接地点の位置を把握するとともに、車両の操縦主体の挙動を考慮して、走行中の車両の安定性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による安定性評価システムを説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態による安定性評価方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ０２における接地点計算処理の一例について説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態による安定性評価システムで取得した各センサ、合成重心位置、および接地線の位置関係について説明するための図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による安定性評価システムで進路垂直反力を算出するための方法の一例を説明するための図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による安定性評価システムで進路垂直反力を算出するための方法の一例を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態による安定性評価システムによる走行時の車両の安定性評価結果の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による安定性評価システムにより提供される安定性評価指標の算出方法の一例を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施形態による安定性評価システムにより正規化した重心変位およびバンク角の時系列波形の一例を示す図である。
【図９】図８に示す２つの時系列波形に基づいて生成したリサージュ図形を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による安定性評価システムにより提供される安定性評価結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明による安定性評価システム及び安定性評価方法の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による安定性評価システムを説明するための図である。本実施形態では、車両を自転車として、また、操縦主体を操縦者（ヒト）として説明する。図１に示す安定性評価システム１は、自転車２の前輪３に取り付けられた前輪接地点センサ４、後輪５に取り付けられた後輪接地点センサ６、ハンドル舵角センサ７、安定性評価装置８、自転車２および操縦者９の合成重心位置を特定可能に配置された重心センサを構成する、操縦主体重心センサ１０及び車両重心センサ１１を備える。
【００１３】
操縦主体重心センサ１０は、操縦主体の重心位置を特定可能に配置される。具体的には、操縦主体重心センサ１０は、既知の人体特性理論に基づいて、操縦者９の頭部、胸部、腰部、上腕部、前腕部、手部、大腿部、下腿部、足部等に付されている（例えば、阿江、湯、横井、「日本人アスリートの身体部分慣性特性の推定」、バイオメカニズム11(1992)23-33参照）。自転車２において、車両重心センサ１１は、車両の重心位置を特定可能に配置される。例えば、車両重心センサ１１は、自転車２のハンドル、フレーム、および静止状態（ハンドルがまっすぐの状態）における自転車２の重心位置に付されている。図１では明確のため、操縦主体重心センサ１０は、頭部に付した操縦主体重心センサ１０についてのみ、車両重心センサ１１は、静止状態における自転車２の重心位置に付した車両重心センサ１１についてのみ、参照符号を付して図示する。
【００１４】
前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６は、位置特定可能であり、車輪の回転中心を含む仮想の回転面と、該回転中心を通り回転面に対して垂直な仮想の中心軸線と、を検出することができるように、それぞれ、前輪３および後輪５に取り付けられている。具体的な取り付け態様は、図３を参照して後に詳述する。
【００１５】
ハンドル舵角センサ７は、自転車２のハンドル舵角を検出可能なように、例えば、自転車２のステアリング軸（ハンドルを傾ける際の軸）の動き（例えば、回転）に連動するように取り付けられる。
【００１６】
前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６、操縦主体重心センサ１０及び車両重心センサ１１、並びに、ハンドル舵角センサ７は、各センサの取り付け位置における、３軸の加速度及び角速度を感知するセンサである。具体的には、安定性評価システム１は、３軸（ＸＹＺ軸、あるいは、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸）の加速度を感知し、感知された加速度を２回時間積分することで、走行中の各時点における初期状態からの３方向の変位量を算出することができる。安定性評価システム１は、角速度を感知し、感知された角速度を時間積分することで、走行中の各時点における初期状態からの３方向の角度変化量を算出することができる。好ましくは、安定性評価システム１は、加速度及び角速度に加えて、地磁気を感知して、感知された地磁気の計測データから、加速度及び角速度を感知するセンサによる計測データに基づいて得られた変位量及び角度変化量を補正することができる。これらのセンサは、走行中の自転車２についての加速度及び角速度を、好ましくは、地磁気の変動を感知して、事前に計測しておいた各センサの初期位置に合算することで、走行中の自転車２における各センサの取り付け位置の位置情報を得ることができる。
【００１７】
安定性評価装置８は、操縦主体重心センサ１０及び車両重心センサ１１からの情報に基づいて、自転車２及び操縦者９の合成重心位置を算出し、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６からの情報に基づいて自転車２の接地点を算出する。具体的には、安定性評価装置８は、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６からの情報に基づいて、図３に示すような、前輪３および後輪５の中心軸線１５および回転面１６を算出し、該回転面１６と走行面１２に対して鉛直投影した投影中心軸線１３とが交差する点を、接地点１４として算出する。さらに、安定性評価装置８は、前輪３および後輪５のそれぞれについての接地点を結んだ直線を接地線として算出する。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態による安定性評価方法を説明するためのフローチャートである。先ず、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６、並びに、操縦主体重心センサ１０及び車両重心センサ１１により、計測データを取得する計測ステップを実施する（ステップＳ０１）。そして、安定性評価装置８は、操縦主体重心センサ１０及び車両重心センサ１１の計測データに基づいて、合成重心位置を算出し、且つ、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６センサの計測データから接地点を算出して、少なくともこれら合成重心位置および接地点を自転車２の安定性評価指標として提供する評価指標提供ステップを実施する（ステップＳ０２）。
【００１９】
安定性評価装置８は、ステップＳ０１及びＳ０２を、計測開始後から所定時間間隔で繰り返すことで、走行中の自転車２および操縦者９の合成重心位置、接地点、および接地線の経時変化を簡易に取得・提供することができる。
【００２０】
以下、上述のステップＳ０２における安定性評価装置８による計算処理についてより詳細に説明する。
【００２１】
［接地点計算処理］
図３は、図２のステップＳ０２における接地点計算処理の一例を説明するための図である。本例では、後輪接地点センサ６は、後輪５に対して、車輪の中心軸線１５が通る位置を含んで取り付ける。最も好ましくは、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６は、それぞれ前輪３及び後輪５の車軸中心（回転中心）に配置される。好ましくは、前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６は、車輪の回転中心から前輪３および後輪５のそれぞれの両側に向かって回転面に対して垂直に等距離で突出している取付部材（図示しない）上に取り付けられる。この場合、回転面から前輪接地点センサ４及び後輪接地点センサ６までの距離は予め計測しておく。なお、後輪接地点センサ６の取り付け態様はこの限りではなく、自転車２の走行時に後輪５の回転軸である中心軸線１５、及び後輪５の回転面１６との位置関係が固定されており、中心軸線１５及び回転面１６に追従して（中心軸線１５及び回転面１６に伴って）変位する位置に取り付けられていれば良い。なお、前輪３の前輪接地点センサ４についても同様に配置されている。
【００２２】
安定性評価装置８は、後輪５の中心軸線１５及び回転面１６と、後輪接地点センサ６との位置関係を予め把握している。そして、安定性評価装置８は、接地点１４を算出するにあたって、走行中の各時点において後輪接地点センサ６から取得した計測データから、各時点における後輪５の中心軸線１５及び回転面１６の空間的位置情報を算出する。さらに、安定性評価装置８は、回転面１６と、地面等の走行面１２に対して中心軸線１５を鉛直投影した投影中心軸線１３とが交差する点を、接地点１４として算出する。安定性評価装置８は、図３には示さない前輪接地点センサ４についても、同様の計算処理を実施して、前輪３の接地点を算出することができる。そして、算出した前輪３および後輪５の両接地点を通る直線を接地線として算出することができる。
【００２３】
［合成重心計算処理］
安定性評価装置８は、まず、操縦主体重心センサ１０による計測データに基づいて操縦者９の重心位置を特定し、車両重心センサ１１による計測データに基づいて自転車２（車両）の重心位置を特定する。操縦者９の重心位置は、人体特性に基づく各体節の重心位置の計測結果を合成することにより特定する。自転車２の重心位置は、例えば、懸垂法や秤量法（大矢多喜雄、「自転車に対する運動力学について」、自振協技術研究所報告、ｐ．１−８、１９７８年、Ｎｏ.２）により求めた静止状態における自転車２の重心位置と、走行中の車両重心センサ１１による計測データと、に基づいて特定する。
【００２４】
そして、安定性評価装置８は、操縦者９（操縦主体）の重心位置および自転車２の重心位置と、操縦者９および自転車２の各質量に基づいて、合成重心位置を計算する。具体的な計算原理の一例を以下に説明する。まず、操縦者９の質量（体重）をＭａ（ｋｇ）、および任意に設定したＸＹＺ平面における重心位置座標を（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ)、自転車２の質量（重量）をＭｂ（ｋｇ）、重心位置座標を（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ)とする。この場合、合成重心位置座標を（Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇ)とすると、かかる合成重心位置において、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のモーメントは０となるはずである。よって、自転車２および操縦者９の合成重心位置のＸ座標について、
Ｍａ・ｇ・Ｘａ＋Ｍｂ・ｇ・Ｘｂ−(Ｍａ＋Ｍｂ)・ｇ・Ｘｇ＝０  （ｇ：重力加速度）
が満たされるはずである。したがって、合成重心位置のＸ座標は、
Ｘｇ＝（Ｍａ・Ｘａ＋Ｍｂ・Ｘｂ）／（Ｍａ＋Ｍｂ）
として算出することができる。
同様にして、Ｙｇ，Ｚｇも下式により算出することができる。
Ｙｇ＝（Ｍａ・Ｙａ＋Ｍｂ・Ｙｂ）／（Ｍａ＋Ｍｂ）
Ｚｇ＝（Ｍａ・Ｚａ＋Ｍｂ・Ｚｂ）／（Ｍａ＋Ｍｂ）
【００２５】
次に、安定性評価装置８によって算出された、接地点（接地線）および合成重心の位置関係について図４を参照して説明する。図４は、安定性評価装置８で取得した各センサ、合成重心位置、および接地線の位置関係について説明するための図である。操縦主体重心センサ１０は、操縦者９の頭部、胸部、腰部、上腕部、前腕部、手部、大腿部、下腿部、及び足部等に装着される。前輪接地点１４Ａおよび後輪接地点１４Ｂを通る直線は、接地線１８である。操縦者および自転車の合成重心位置は合成重心位置Ｇとして図示し、かかる合成重心位置Ｇを走行面に対して投影した位置を投影合成重心位置Ｇｐとして図示する。投影合成重心位置Ｇｐと接地線１８との位置関係に着目すると、操縦者が自転車により直進する場合には、接地線１８に対して左右に投影合成重心位置Ｇｐが変動する。
【００２６】
操縦者は、自転車を安定して走行させるために、投影合成重心位置Ｇｐが接地線１８上にくるように重心移動やハンドル制御を実施している。そこで、本発明者らは、接地線１８−投影合成重心位置Ｇｐ間の距離（重心変位量）の変動と、自転車のハンドル舵角、バンク角、スリップアングル、走行面反力のような走行中の自転車において変動しうる種々の安定性評価指標との関係に着目した。以下、本実施形態による安定性評価システム１における種々の安定性評価指標の算出方法について説明する。
【００２７】
［ハンドル舵角］
ハンドル舵角とは、ハンドルを切った角度を言う。安定性評価装置８は、ハンドル舵角を、ステアリング軸の回転挙動に連動するハンドル舵角センサ７により計測することができる。安定性評価装置８は、初期状態の角度を０度として、走行中の角時点において、ハンドル舵角センサ７から取得した角速度を時間積分することで、ハンドル舵角を算出する。
【００２８】
［バンク角］
バンク角とは、車両を垂直状態から傾けた時の角度を言う。本実施形態では、バンク角を自転車の後輪の傾きに基づいて算出するものとする。安定性評価装置８は、自転車２の後輪５について図２のステップ０２で算出した回転面１６の空間的位置情報と、走行面１２に対して垂直な面とがなす角を、バンク角として算出することができる。すなわち、安定性評価装置８は、９０度から回転面１６と走行面１２とが成す鋭角側の角度を減じて、バンク角を算出する。このようにして、本実施形態による安定性評価システム１は、安定性評価指標の一つとしてバンク角を算出および提供することができる。車両を直線走行させる際には、バンク角が生じることにより車体が不安定になると考えられるため、バンク角を算出することは、車両の安定性を評価する上で重要である。
【００２９】
［スリップアングル］
スリップアングルとは、走行面上における車両の前輪の向きと車両の進行方向とのずれの角度を言う。安定性評価装置８は、走行中の自転車２の進行方向と前輪３の回転面とが成す角度を、スリップアングルとして算出することができる。安定性評価装置８は、走行中のある時点における自転車２の進行方向を、当該時点における接地点と、その前後何れかの任意の時点の前輪３の接地点とを結んだ直線の方向として取得する。そして、安定性評価装置８は、取得した自転車２の進行方向と、上記の時点における前輪３の回転面とが成す角度を、当該時点における自転車２のスリップアングルとして取得する。このようにして、本実施形態による安定性評価システムは、従来は算出することが非常に難しかった走行中の車両のスリップアングルを、安定性評価指標の一つとして算出することができる。車両のスリップアングルを算出することにより、走行中の車両に生じるコーナリングフォースを推測できると共に、当該コーナリングフォースに起因する車両挙動を予測することも可能となる。
【００３０】
［走行面反力］
走行面反力とは、車両に対して走行面から作用する力を言う。そして、走行面反力のうち、走行面上で車両の進行方向に対して垂直な方向の力の成分は、車両の横転に寄与し、走行中の車両の安定性評価に影響を及ぼすことが考えられる。安定性評価装置８は、バンク角および接地線１８に基づいて、走行面反力のうち進行方向に対して垂直な方向に作用する力（以下、進路垂直反力という）、を算出することができる。走行面反力の算出方法は、既知の方法に従う。具体的には、車両の走行面とするプレートの四隅に歪ゲージ、又は圧電素子を配置し、これらの歪ゲージ又は圧電素子により感知された力に基づいて、プレートに係る３軸（ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸）の力及びモーメントを出力する。
【００３１】
そして、安定性評価装置８は、このようにして算出した走行面反力から、図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明する方法によって、進路垂直反力を算出する。図５Ａおよび図５Ｂは、進路垂直反力を算出するための方法の一例を説明するための図であり、図５Ａは後輪５を後輪５の正面から見た図であり、図５Ｂは、上から見た図である。そして、進路垂直反力は、上述の通り走行面から作用する力を分解することによって得られる、進行方向に対して垂直に作用する力をいう。かかる進路垂直反力の影響により、自転車２が走行中に横転する恐れがある。
【００３２】
上述のようにして算出した走行面反力μについて、図５Ａに示すように、安定性評価装置８は、まず、バンク角θＢＡを用いて走行面に対して平行な力μｓｉｎθＢＡに分解する。次に、安定性評価装置８は、図５Ｂに示すような力μｓｉｎθＢＡと進行方向線１９とが成す角θＴを算出して、進路垂直反力μｓｉｎθＢＡ・ｓｉｎθＴに分解する。このようにして、安定性評価装置８は、進路垂直反力μｓｉｎθＢＡ・ｓｉｎθＴを算出する。安定性評価装置８は、進路垂直反力μｓｉｎθＢＡ・ｓｉｎθＴを安定性評価指標の一つとして算出することで、走行中の自転車２に対して進行方向に向かって横方向にどの程度の力が印加されているかを数値的に示すことができる。そして、安定性評価システム１は、進路垂直反力を用いて、例えば、走行中の自転車２がどの時点で横方向に倒れる蓋然性が高いかということを解析することができる。
【００３３】
このように、本実施形態による安定性評価システムは、走行中の車両の安定性に寄与する様々な指標を算出し提供することができる。そして、かかる安定性評価システムは、そのような指標を用いて、走行中の車両の安定性を数値的に評価することができる。以下、図６を参照して、上述のようにして算出された指標に基づく評価結果の一例を説明する。
【００３４】
図６は、本発明の一実施形態による安定性評価システムによる走行時の車両の安定性評価結果の一例を示す図であり、図４を参照して説明した投影合成重心位置の接地線に対する変位量（重心変位量）と、ハンドル舵角の変動と、バンク角の変動を示す。それぞれについて、接地線上を０、自転車の進行方向に向かって接地線の右側方向の変位をマイナス、左側方向の変位をプラスとして図示した。走行時間の経過に伴う、各安定性評価指標の値の時系列変化から、各安定性評価指標の時系列波形が得られた。
【００３５】
例えば、図６に基づいて、走行時の自転車の安定性について以下のように評価することができる。まず、時刻ｔ１の時点で何らかの外的要因により重心が進行方向に向かって右側に変位することに伴い、一定の遅延をはさんで時刻ｔ２の時点で自転車に傾きが生じてバンク角の数値に影響が現れる。そして、時刻ｔ２の時点で自転車の傾きを補正するために操縦者がハンドルを逆方向に切ると、それに追従して重心が接地線に対して逆方向に移動する。その後、重心の移動に追従してバンク角が小さくなり自転車の傾きが緩和される。
【００３６】
このように、本実施形態による安定性評価システムによれば、自転車の走行時の車両の安定性を保持するための自転車および操縦者の挙動を数値的に表すことができる。さらに、本実施形態による安定性評価システムは、図６に示すような時系列波形に基づいて、自転車の安定性を評価するための、更なる安定性評価指標を提供することもできる。以下、図７を参照して時系列波形に基づく、更なる安定性評価指標の算出方法を説明する。
【００３７】
図７は、本発明の一実施形態による安定性評価システムにより提供される安定性評価指標の算出方法の一例を説明するための図である。図７に示す時系列波形は、例えば、重心変位量についての時系列波形である。ここでは、時刻ｔ１〜ｔｎまでの平均振幅をＡａｖｅ、時刻ｔｋにおける振幅値をＡｋとし、図８に示す時系列波形を代表する振幅値Ａは下式で与える。
【数１】
2014162260.tif 000003
【００３８】
このようにして算出した、重心変位量、ハンドル舵角、バンク角、進路垂直反力、スリップアングル等についての時系列波形の振幅値を走行中の自転車の安定性評価指標の一つとして用いることができる。
【００３９】
また、本実施形態による安定性評価装置８は、図６に示したような各安定性評価指標の時系列波形について位相差を算出することで、更なる安定性評価指標を算出することもできる。以下、位相差の算出方法の一例を図８および図９を参照して説明する。図８は、正規化した重心変位量およびバンク角の時系列波形を示す図である。
【００４０】
図８に示す時系列波形は、それぞれ、図６に示したような重心変位量およびバンク角の時系列波形について、それぞれ、中心が０となるように平行移動して、ピークトゥーピークの値が１となるように正規化したものである。ここでは、バンク角の時系列波形ｙ１および重心変位量の時系列波形ｙ２をそれぞれ、下式によって表す。
ｙ１＝Ａ１ｓｉｎωｔ
ｙ２＝Ａ２ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
ここで、Ａ１はバンク角振幅値、Ａ２は重心変位振幅値、ωは角周波数、ｔは時間、δは位相差である。例えば、Ａ１及びＡ２は、それぞれ、任意区間を走行した際のバンク角振幅値及び重心変位振幅値の最大振幅値として与えることができる。
【００４１】
そして、上述の式より下式を得て、図９に示すリサージュ図形を得る。
ｙ１／Ａ１＝ｓｉｎωｔ
ｙ２／Ａ２＝ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
ここで、リサージュ図形により定義される楕円面積Ｓについて平均化処理を行うことは困難であるため、本実施形態による安定性評価装置８では、例えば、ｙ１＝ｙ２からの距離ｘｉの平均値を下式により算出して、位相差ＰＤとする。
【数２】
2014162260.tif 000004
【００４２】
このようにして、本実施形態による安定性評価システム１によれば、重心変位量、ハンドル舵角、バンク角、進路垂直反力、スリップアングル等から選択した２つの安定性評価指標の時系列波形について、位相差を算出して、更なる安定性評価指標として提供することができる。以下、図１０を参照して、本実施形態による安定性評価システム１による安定性評価結果の一例を説明する。
【００４３】
図１０は、本発明の一実施形態による安定性評価システム１により提供される安定性評価結果の一例を示す図である。横軸は、重心変位量の振幅値を示し、縦軸は重心変位量―バンク角位相差を示す。ここでは、４種の自転車Ａ〜Ｄについて一の操縦者が直線走行したデータに基づいて算出した安定性評価指標を示す。重心変位量の振幅値は、走行面に対して投影した合成重心位置と接地線との距離の振幅値（ｍｍ）であり、この値が小さいほど、直進走行が容易な、すなわち、進路保持性が良好な自転車であるといえる。重心変位量−バンク角位相差は、自転車の操作性を表す指標である。すなわち、この値が大きいほど、重心移動の影響がバンク角の変化に及ぶまでの時間が長く、応答がゆっくりとした自転車であるといえる。逆に、重心変位量−バンク角位相差の値が小さいほど、応答が速い自転車であるといえる。
【００４４】
すなわち、自転車Ａは進路保持性が高く応答がゆっくりとした自転車である。一方、自転車Ｄは、進路保持性が比較的低いが、操作に対する応答が速い自転車である。自転車ＢおよびＣは、自転車ＡおよびＤの間の特性を示す自転車である。これらの自転車の操作性は、実際に操縦者が自転車Ａ〜Ｄで直線走行した場合の操作の体感ともよく一致していた。
【００４５】
このように、本実施形態による安定性評価システム１によれば、自転車の走行安定性に関して評価指標となる数値データを提供することができる。これにより、従来なら官能評価に頼っていた自転車の走行安定性評価を、センサにより取得された計測データに基づく客観的な数値を用いて実施することが可能になる。さらに、本実施形態による安定性評価システム１によれば、走行安定性評価に当たって、撮像装置を必要としない。撮像装置を利用した安定性評価装置及び方法では撮像装置の撮像範囲内でしか走行中の車両の安定性を評価できなかったが、本実施形態による安定性評価システム１によれば、適用範囲の制限なく、走行中の車両の安定性を評価することができるようになる。
【００４６】
なお、図１０における縦軸は、重心変位量−バンク角位相差に限定されるものではなく、重心変位量およびバンク角に加えて、ハンドル舵角、スリップアングル、および進路垂直反力から選択した２つの安定性評価指標について、位相差を算出して図１０のようなチャートの縦軸として適用することももちろん可能である。図１０における横軸についても同様に、重心変位量の振幅値の他の安定性評価指標をとることも可能である。
【００４７】
本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施形態によって制限されるものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【００４８】
例えば、上記実施形態では操縦主体が操縦者（ヒト）であるものとして説明したが、操縦主体を、車両に推進力を与えることができるあらゆる対象で置き換えて上述の安定性評価システムを構築することももちろん可能である。これにより、例えば、ロボットなどによる車両の走行安定性を評価することが可能となる。
【００４９】
例えば、上記実施形態では車両が自転車であるものとして説明したが、車両として、一輪車や自動二輪車を用いることももちろん可能である。これにより、一輪車や自動二輪車の走行安定性を評価することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１：安定性評価システム、２：自転車、３：前輪、４：前輪接地点センサ、５：後輪、６：後輪接地点センサ、７：ハンドル舵角センサ、８：安定性評価装置、９：操縦者、１０：操縦主体重心センサ、１１：車両重心センサ、１２：走行面、１３：投影中心軸線、１４：接地点、１５：中心軸線、１６：回転面、１８：接地線、１９：進行方向線
【図１】
2014162260.tif 000005
【図２】
2014162260.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2014162260.tif 000009
【図５Ｂ】
2014162260.tif 000010
【図６】
2014162260.tif 000011
【図７】
2014162260.tif 000012
【図８】
2014162260.tif 000013
【図９】
2014162260.tif 000014
【図１０】
2014162260.tif 000015