(57)【要約】【課題】倒立状態を維持したまま安定して旋回することが可能な倒立二輪車、倒立二輪車の旋回動作制御方法及びプログラムを提供する。【解決手段】倒立二輪車は、倒立状態を維持して走行可能なものであり、その旋回制御を行う旋回制御部１１０は、走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力部１１１と、搭乗者の乗車状態を検出する乗車検出ＳＷ１１４と、複数の旋回抑制ゲインパターンを有し、乗車検出ＳＷ１１４の判定結果に基づき最適な旋回抑制ゲインパターンを選択する旋回抑制ゲインパターン切替部１１５と、速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合に、旋回抑制ゲインパターン切替部１１５が選択した旋回抑制ゲインパターンにおける速度指令値に対応した値を旋回抑制ゲインとして出力する旋回抑制制御部１１２と、旋回抑制制御部１１２が算出した抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御部１１３とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車であって、
走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力手段と、
前記速度指令値出力手段が出力した速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御手段と、
前記旋回抑制制御手段が算出した抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御手段とを有する倒立二輪車。
【請求項２】
搭乗者の乗車状態を検出する乗車状態判定手段を更に有し、
前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段が判定した搭乗者の乗車状態に応じた旋回抑制ゲインパターンに基づき前記抑制ゲインを算出する
請求項１記載の倒立二輪車。
【請求項３】
前記乗車状態判定手段は、前記搭乗者の両足又は片足のみがステップ上にあるかを判定し、
前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段により前記搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合に第１の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインＧｘを算出する
請求項２記載の倒立二輪車。
【請求項４】
前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段により前記搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値ｖ１以下の場合に第２の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ１ｘを算出し、前記速度指令値が所定値ｖ２（＞ｖ１）の場合に第３の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ２ｘを算出する
請求項２記載の倒立二輪車。
【請求項５】
旋回抑制ゲインの最大値Ｇｍａｘと最小値Ｇｍｉｎとを結ぶＮ（Ｎは０以上の整数）次関数又は３角関数からなる旋回抑制ゲインパターンを複数有し、前記乗車状態判定手段の判定結果に基づき旋回抑制ゲインパターンを選択する旋回抑制ゲインパターン切替手段を有し、
前記旋回抑制制御手段は、前記旋回抑制ゲインパターン切替手段が選択した旋回抑制ゲインパターンにおける前記速度指令値に対応した値を前記抑制ゲインとして算出する
請求項２乃至４のいずれか１項記載の倒立二輪車。
【請求項６】
搭乗者の左右方向の体重移動に応じて旋回指令を出力する旋回指令出力手段を有し、
前記旋回抑制制御手段は、前記旋回指令が出力されると前記抑制ゲインを算出する
請求項１乃至５のいずれか１項記載の倒立二輪車。
【請求項７】
前記速度指令値出力手段は、車両の前後方向の傾きから倒立状態を維持するために必要な速度指令値を算出して出力し、
前記速度制御手段は、前記速度指令値と前記抑制ゲインとに基づき前記速度制御を実行する
請求項１乃至６のいずれか１項記載の倒立二輪車。
【請求項８】
前記旋回抑制制御手段は、（速度指令値Ｖｘ，旋回抑制ゲインＧｘ）＝（Ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘ）、（Ｖ２（＞Ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインＧｘを、Ｖ１≦Ｖｘ≦Ｖ２では、旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数Ｇ（ｘ）により決定し、Ｖｘ≧Ｖ２では旋回抑制ゲインＧｘ＝Ｇｍｉｎとする
請求項３記載の倒立二輪車。
【請求項９】
前記旋回抑制制御手段は、（速度指令値ｖｘ，旋回抑制ゲインｇｘ）＝（ｖ０（＜ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）、（ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ２，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ３（＞ｖ２），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインｇｘを、ｖ０≦ｖｘ≦ｖ１では、旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎと旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとを結ぶ１次関数ｇ１（ｘ）により決定し、ｖ１≦ｖｘ≦ｖ２では、旋回抑制ゲインｇｘ＝旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとし、ｖ２≦ｖｘ≦ｖ３では、旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数ｇ２（ｘ）により決定する
請求項４記載の倒立二輪車。
【請求項１０】
倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車の旋回動作制御方法であって、
走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力工程と、
前記速度指令値出力工程にて出力された速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御工程と、
前記旋回抑制制御工程にて算出された抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御工程とを有する倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１１】
搭乗者の乗車状態を検出する乗車状態判定工程を更に有し、
前記旋回抑制制御工程では、前記乗車状態判定工程にて判定された搭乗者の乗車状態に応じた旋回抑制ゲインパターンに基づき前記抑制ゲインが算出される
請求項１０記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１２】
前記乗車状態判定工程では、前記搭乗者の両足又は片足のみがステップ上にあるかが判定され、
前記旋回抑制制御工程では、前記乗車状態判定工程にて前記搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合に第１の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインＧｘが算出される
請求項１１記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１３】
前記旋回抑制制御工程では、前記乗車状態判定工程にて前記搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値ｖ１以下の場合に第２の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ１ｘが算出され、前記速度指令値が所定値ｖ２（＞ｖ１）の場合に第３の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ２ｘが算出される
請求項１１記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１４】
旋回抑制ゲインの最大値Ｇｍａｘと最小値Ｇｍｉｎとを結ぶＮ（Ｎは０以上の整数）次関数又は３角関数からなる旋回抑制ゲインパターンを複数有し、前記乗車状態判定工程での判定結果に基づき前記旋回抑制ゲインパターンを選択する旋回抑制ゲインパターン切替工程を有し、
前記旋回抑制制御工程では、前記旋回抑制ゲインパターン切替工程にて選択された旋回抑制ゲインパターンにおける前記速度指令値に対応した値を前記抑制ゲインとして算出する
請求項１１乃至１３のいずれか１項記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１５】
前記旋回抑制制御工程では、（速度指令値Ｖｘ，旋回抑制ゲインＧｘ）＝（Ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘ）、（Ｖ２（＞Ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインＧｘが、Ｖ１≦Ｖｘ≦Ｖ２では、旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数により決定され、Ｖｘ≧Ｖ２では旋回抑制ゲインＧｘ＝Ｇｍｉｎとされる
請求項１２記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１６】
前記旋回抑制制御工程では、（速度指令値ｖｘ，旋回抑制ゲインｇｘ）＝（ｖ０（＜ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）、（ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ２，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ３（＞ｖ２），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインｇｘを、ｖ０≦ｖｘ≦ｖ１では、旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎと旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとを結ぶ１次関数ｇ１（ｘ）により決定し、ｖ１≦ｖｘ≦ｖ２では、旋回抑制ゲインｇｘ＝旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとし、ｖ２≦ｖｘ≦ｖ３では、旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数ｇ２（ｘ）により決定する
請求項１３記載の倒立二輪車の旋回動作制御方法。
【請求項１７】
倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車の旋回速度抑制処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力処理と、
前記速度指令値出力処理にて出力された速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御処理と、
前記旋回抑制制御処理にて算出された抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御処理とを有するプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搭乗者を乗車させる倒立二輪車、倒立二輪車の旋回動作制御方法及びプログラムに関し、特に搭乗者を乗せて倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車、倒立二輪車の旋回動作制御方法及びプログラム関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、搭乗者を乗車させて倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車においては、前後方向の傾き（前後方向の姿勢角（ピッチ角））に応じて走行速度の制御が行われる。例えば、特許文献１には、走行速度に応じて旋回指令を抑制することで旋回の安定を図った技術が開示されている。また、特許文献２には、旋回指令時に急激な旋回を実現できるように前後方向の速度を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１８０３７１号公報
【特許文献２】特許４８７５６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、走行速度に応じて旋回指令を抑制することにより、低速領域では旋回しやすく、高速領域では旋回しにくくなる。すなわち、この特許文献に記載の制御方法では、特に、搭乗者の左右方向の体重移動に合わせて旋回指令値を取得するような倒立二輪車の場合、降車しようとして片足に体重がかかると、車体が旋回指令を受けた状態となり、かつ降車時車体はほぼ停止しており低速であるため、倒立二輪車の回転角度量が大きくなってしまうという問題点がある。
【０００５】
図１４は、特許文献１に記載の技術の問題点を説明するための図である。図１４に示すように、車両の傾き度合いを検出して旋回指令値として用いるため、片足のみ乗車している場合、車両の傾き角度θが旋回指令角度まで大きくなる。すなわち、例えば降車時に方足から降りようとすると、車両が旋回指令角度を検出してしまって旋回指令を出力し旋回してしまう。これは、倒立制御に必要な並進速度と旋回に必要な速度を別々に制御しているためで、左右の車輪への速度指令が倒立に必要な並進速度指令と旋回に必要な速度指令の足し合わせとなるためである。
【０００６】
例えば、ユーザが乗車又は降車する場合に、低速状態となる。これは、倒立中に乗降車する場合は、ロボットはバランスを取り続けるために停止することができないためである。このような低速度領域で、左右の重心変化で旋回する機能を実現する倒立台車を利用すると、乗降車時の振る舞い、つまりは片足を乗せたり、片足を降ろしたりする動作により、倒立台車が旋回指令を出してしまう。さらに、このとき、前後方向にはほとんど移動していない状態であると、旋回回転角度量のみが大きくなるため、倒立台車がその場で旋回してしまい危険である。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術においては、旋回時に倒立が維持できなくなり転倒等の可能性が生ずる。すなわち、倒立二輪車は、前後方向の速度を調整することで倒立を維持する。よって、搭乗者が大きな旋回を行おうとして前後方向に大きく傾きながら旋回しようとした場合、すなわち高速で旋回しようとした場合に、前後方向の走行速度が抑制されると倒立が維持できなくなる場合があるという問題点がある。
【０００８】
図１５は、特許文献２に記載の技術の問題点を説明するための図である。倒立二輪車においては、図１５（ａ）のように倒立状態を維持して走行していて、スピードを上げる場合には、図１５（ｂ）に示すように、搭乗者が車体を前傾姿勢とする。倒立二輪車は、この前傾姿勢に対し、倒立を維持しようとする作用を用いて走行速度を上げることで倒立を維持する。すなわち、倒立二輪車における走行速度は、倒立状態を維持するために必要な速度として制御される。したがって、旋回時に一意的に前後方向のスピードを抑制すると、倒立状態を維持するために必要な走行速度が保たれなくなってしまい、倒立状態が維持できず、転倒の危険が発生する場合がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、倒立状態を維持したまま安定して旋回することが可能な倒立二輪車、倒立二輪車の旋回動作制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る倒立二輪車は、倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車であって、走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力手段と、前記速度指令値出力手段が出力した速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御手段と、前記旋回抑制制御手段が算出した抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御手段とを有するものである。
【００１１】
本発明においては、走行速度が所定値Ｖ１以上の場合には旋回抑制制御手段が走行速度を抑制する抑制ゲインを算出し、速度制御手段がこの抑制ゲインを使用して速度制御を行う。すなわち、走行速度がＶ１より低速時には、走行速度を制限することがないため旋回時においても倒立状態を維持することができる。また、走行速度が十分に大きい場合には走行速度を抑制して倒立状態を維持しつつ安定して旋回することが可能となる。
【００１２】
また、搭乗者の乗車状態を検出する乗車状態判定手段を更に有し、前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段が判定した搭乗者の乗車状態に応じた旋回抑制ゲインパターンに基づき前記抑制ゲインを算出することができる。したがって、搭乗者の左右方向の体重移動に合わせて旋回指令値を取得する場合、搭乗者の乗車状態と走行速度に応じて、適切な旋回パターンに切り替えて旋回抑制ゲインを制御することができる。
【００１３】
更に、前記乗車状態判定手段は、前記搭乗者の両足又は片足のみがステップ上にあるかを判定し、前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段により前記搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合に第１の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインＧｘを算出してもよい。このことにより、搭乗者の両足が車両のステップ上にある場合には、搭乗者は降車又は乗車しようとしておらず、走行中であるとみなすことができ、低速時には旋回抑制を行わないので安定した旋回を行うことができる。
【００１４】
更にまた、前記旋回抑制制御手段は、前記乗車状態判定手段により前記搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合は、前記速度指令値が所定値ｖ１以下の場合に第２の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ１ｘを算出し、前記速度指令値が所定値ｖ２（＞ｖ１）の場合に第３の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ２ｘを算出してもよい。このことにより、搭乗者の片足のみがステップ上にある場合には、搭乗者が降車又は乗車しようとしているものと判断でき、所定値ｖ１以下の走行速度においては、旋回抑制ゲインを算出して旋回を抑制することができると共に、両脚がステップ上にある場合と同じく所定の値ｖ２より走行速度が大きい場合も旋回抑制ゲインを算出して旋回を抑制することができる。
【００１５】
また、旋回抑制ゲインの最大値Ｇｍａｘと最小値Ｇｍｉｎとを結ぶＮ（Ｎは０以上の整数）次関数又は３角関数からなる旋回抑制ゲインパターンを複数有し、前記乗車状態判定手段の判定結果に基づき旋回抑制ゲインパターンを選択する旋回抑制ゲインパターン切替手段を有し、前記旋回抑制制御手段は、前記旋回抑制ゲインパターン切替手段が選択した旋回抑制ゲインパターンにおける前記速度指令値に対応した値を前記抑制ゲインとして算出してもよい。旋回抑制ゲインパターン切替部により、走行速度及び乗車状態に応じた抑制ゲインパターンを選択することができ、最適な方式にて得られた抑制ゲインにより旋回抑制制御を行うことができる。
【００１６】
更に、搭乗者の左右方向の体重移動に応じて旋回指令を出力する旋回指令出力手段を有し、前記旋回抑制制御手段は、前記旋回指令が出力されると前記抑制ゲインを算出するものとしてもよい。このことにより、左右方向の体重移動に応じて旋回指令を出力させることができる。
【００１７】
更にまた、前記速度指令値出力手段は、車両の前後方向の傾きから倒立状態を維持するために必要な速度指令値を算出して出力し、前記速度制御手段は、前記速度指令値と前記抑制ゲインとに基づき前記速度制御を実行するものとすることができる。このことにより、車両の前後方向の傾きに応じて速度指令を出力することができる。
【００１８】
また、前記旋回抑制制御手段は、（速度指令値Ｖｘ，旋回抑制ゲインＧｘ）＝（Ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘ）、（Ｖ２（＞Ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインＧｘを、Ｖ１≦Ｖｘ≦Ｖ２では、旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数Ｇ（ｘ）により決定し、Ｖｘ≧Ｖ２では旋回抑制ゲインＧｘ＝Ｇｍｉｎとしてもよい。これにより、両脚が車両上にある場合には、所定の速度Ｖ１以下では抑制ゲイン最大値、例えば１とし、旋回時の走行速度を抑制せず、所定値Ｖ１以上Ｖ２以下では、走行速度に応じて小さくなる抑制ゲインにより旋回時の走行速度を抑制し、さらにＶ２以上の走行速度においては旋回を行わせないようにすることができる。
【００１９】
更に、前記旋回抑制制御手段は、（速度指令値ｖｘ，旋回抑制ゲインｇｘ）＝（ｖ０（＜ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）、（ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ２，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ３（＞ｖ２），旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）とし、旋回抑制ゲインｇｘを、ｖ０≦ｖｘ≦ｖ１では、旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎと旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとを結ぶ１次関数ｇ１（ｘ）により決定し、ｖ１≦ｖｘ≦ｖ２では、旋回抑制ゲインｇｘ＝旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとし、ｖ２≦ｖｘ≦ｖ３では、旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数ｇ２（ｘ）により決定するものとしてもよい。これにより、片足のみ車両上にある場合には、所定値ｖ１以下の走行速度では速度と共に大きくなる（抑制をより小さくする）旋回抑制ゲインにより走行速度を制御し、所定値ｖ１以上ｖ２以下では、抑制ゲイン最大値、例えば１とし、旋回時の走行速度を抑制せず、所定値ｖ２以上ｖ３以下では、走行速度に応じて小さくなる（抑制をより大きくする）抑制ゲインにより旋回時の走行速度を抑制し、さらにｖ３以上の走行速度においては旋回を行わせないようにすることができる。
【００２０】
本発明に係る倒立二輪車の旋回動作制御方法は、倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車の旋回動作制御方法であって、走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力工程と、前記速度指令値出力工程にて出力された速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御工程と、前記旋回抑制制御工程にて算出された抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御工程とを有するものである。
【００２１】
また、本発明に係るプログラムは、倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車の旋回速度抑制処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、走行速度を指示する速度指令値を出力する速度指令値出力処理と、前記速度指令値出力処理にて出力された速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出する旋回抑制制御処理と、前記旋回抑制制御処理にて算出された抑制ゲインに応じた速度制御を行う速度制御処理とを有する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、倒立状態を維持したまま安定して旋回することが可能な倒立二輪車、倒立二輪車の旋回動作制御方法及びプログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態にかかる倒立二輪車の旋回制御部を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、ｇ２（ｘ）と、速度指令値ｖ（ｘ）との関係を示すグラフ図、（ｂ）は、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインＧ（ｘ）と、速度指令値Ｖ（ｘ）との関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる旋回動作制御方法を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、ｇ２（ｘ）と、速度指令値ｖ（ｘ）との他の関係を示すグラフ図、（ｂ）は、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインＧ（ｘ）と、速度指令値Ｖ（ｘ）との他の関係を示すグラフ図である。
【図５】倒立二輪車を上部から見た模式図である。
【図６】図５に示す倒立二輪車を真上から見た場合の旋回時の軌跡を説明する図である。
【図７】対地車輪角度を説明する図である
【図８】図８は、旋回指令演算部を含むＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図９】旋回ゲインの大きさと時間の関係を示すグラフ図である。
【図１０】倒立二輪車の動作モードを示す模式図である。
【図１１】中立付近の姿勢（ピッチ角度）を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態にかかる倒立二輪車の一例を示す外観図である。
【図１３】本発明の実施の形態にかかる倒立二輪車の一例を示すブロック図である。
【図１４】特許文献１に記載の技術の問題点を説明するための図である。
【図１５】特許文献２に記載の技術の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、倒立状態を維持して走行可能な倒立二輪車に適用したものである。
【００２５】
本願発明者等は、上述したように、前後方向の速度が旋回速度に影響するような倒立台車では、低速度領域で旋回速度を抑制しないと、乗降車時に台車が回転してしまうという知見に基づき、旋回ゲインを制御することで、低速でも高速でも倒立二輪車の倒立状態を安定して維持しながら旋回することができる、倒立二輪車の旋回動作制御方法を見出した。ここで、本明細書において、旋回ゲインとは、旋回動作時の旋回速度のみを抑制するものいう。
【００２６】
後述するように、本実施の形態にかかる倒立二輪車は、２つの車輪と、車輪上に配置され搭乗者を搭乗することができるステップと、搭乗者が走行方向及び走行速度を制御するためのハンドルとを有する。また、本実施の形態にかかる倒立二輪車は、車輪の回転角度及び／又は回転角速度を測定するエンコーダやレゾルバ等の速度センサ、倒立二輪車の姿勢角度及び／又は姿勢角速度を取得するための姿勢センサ等の複数のセンサを有する。姿勢角度又は姿勢角速度は、ロール、ピッチ、ヨー軸の少なくとも１つから測定するものとする。
【００２７】
そして、これらのセンサ値に基づき、モータ制御、倒立制御及び姿勢角度を算出して姿勢制御等の各制御を行うマイコンなどのＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）を有する。さらに、上記の姿勢センサにより、ユーザの左右方向の姿勢変化を検知し、姿勢変化角度に応じて旋回指令値を算出又は出力するコントローラを有する。また、ステップ上に搭乗者が乗るとオンし、降りるとオフする乗車検知を行う乗車検知スイッチ（ＳＷ）も有している。
【００２８】
このように構成された本実施の形態にかかる倒立二輪車においては、搭乗者の乗車状態と車体の走行速度に応じて旋回抑制を適切に行うことにより、無理な旋回等を防止し、倒立状態を保ったまま安全に旋回動作を行わせるものである。特に、所定の走行速度までは旋回抑制を行わず、無理に走行速度を下げて倒立状態を不安定にすることがないと共に、所定の走行速度以上では旋回抑制ゲインの値を小さくし、つまり抑制度合いを大きくし、旋回しないようにすることができる。
【００２９】
また、高速走行時に旋回しようとすると搭乗者の体が大きく傾き、片足だけがステップ上で、もう片足がステップから浮いた状態（以下、片足オン状態ともいう。）になる。よって、高速走行中に片足オン状態で旋回指令が出力された場合には、両足がステップ上にある、通常の状態（以下、両足オン状態ともいう。）に比べ抑制度合いを小さくし、旋回半径を大きくして旋回させるようにすることで、高速走行時の旋回も安定して行わせることができる。
【００３０】
以下、このような旋回制御を行う倒立二輪車の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる倒立二輪車の旋回制御部を示すブロック図である。旋回制御部１１０は、速度指令値出力手段としての速度指令値出力部１１１と、旋回抑制制御手段としての旋回抑制制御部１１２と、速度制御手段としての速度制御部１１３とを有する。
【００３１】
速度指令値出力部１１１は、倒立二輪車（車両）の前後方向の傾きの検出結果が入力され、当該検出結果を、倒立二輪車の倒立が維持されるような走行速度を指示する速度指令値に変換して旋回抑制制御部１１２及び速度制御部１１３へ出力する。旋回抑制制御部１１２は、速度指令値出力部１１１が出力した速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合には、所定の抑制ゲインを算出して出力する。速度指令値出力部１１１から出力された速度指令値と、旋回抑制制御部１１２で算出された抑制ゲインとが速度制御部１１３の前段の乗算器で乗算され速度制御部１１３に入力される。速度制御部１１３は、速度指令値に抑制ゲインが乗算された値、すなわち旋回抑制された速度指令値に基づき倒立二輪車の左右のモータに対する角速度指令値を生成して出力する。これにより、走行速度が所定の速さ以上である場合には旋回抑制されるため、高速走行時に無理な旋回を行うことがなく、倒立二輪車が安定して旋回することができる。
【００３２】
ここで、この旋回制御部１１０は、更に、搭乗者の乗車状態を検出する乗車状態判定手段としての乗車検出ＳＷ（スイッチ）１１４を備える。これにより、旋回抑制制御部１１２は、乗車検出ＳＷ１１４が判定した搭乗者の乗車状態に応じた旋回抑制ゲインパターンに基づき抑制ゲインを算出することができる。
【００３３】
具体的には、乗車検出ＳＷ１１４は、搭乗者の両足が共にステップ（図１２のステップカバー３参照）上にあるか、又は片足のみがステップ上にあるかを判定する。そして、旋回抑制制御部１１２は、乗車検出ＳＷ１１４により搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合は、速度指令値が所定値Ｖ１以上の場合に第１の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインＧｘを算出する。さらに、旋回抑制制御部１１２は、乗車検出ＳＷ１１４により搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合は、速度指令値が所定値ｖ１以下の場合に第２の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ１ｘを算出し、速度指令値が所定値ｖ２（＞ｖ１）の場合に第３の抑制ゲイン算出法により抑制ゲインｇ２ｘを算出する。
【００３４】
図２（ａ）は、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、ｇ２（ｘ）と、速度指令値ｖ（ｘ）との関係を示すグラフ図、図２（ｂ）は、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインＧ（ｘ）と、速度指令値Ｖ（ｘ）との関係を示すグラフ図である。
【００３５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、旋回抑制ゲインパターンは、旋回抑制ゲインの最大値ｇｍａｘと最小値ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）で表わされる。なお、旋回抑制ゲインパターンは、その他、旋回抑制ゲインの最大値Ｇｍａｘと最小値Ｇｍｉｎとを結ぶＮ（Ｎは０以上の整数）次関数又は３角関数等の直線又は曲線とすることもできる。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合には、（速度指令値ｖｘ，旋回抑制ゲインｇｘ）＝（ｖ０，旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）、（ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ２，旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ）、（ｖ３，旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎ）（ｖ０＜ｖ１＜ｖ２＜ｖ３）であって、低速度区間のｖ０≦ｖｘ≦ｖ１においては、旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎと旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘとを結ぶ１次関数ｇ１（ｘ）で表わされる。なお、ｖ０乃至ｖ１は低速度区間、ｖ１乃至ｖ２は中速度区間、ｖ２乃至ｂ３は高速度区間とする。すなわち、この低速度区間では走行速度ｖ（ｘ）が大きくなるに連れて旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）は高くなり、より抑制度合いが小さくなる。
【００３７】
ここで、旋回抑制ゲインを、速度指令値ｖｘ＝ｖ０からｖ１の間で、旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎから旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘに値を一気に変更しない。これは、ある閾値を超えた場合に極端に速度を変更する（極端に旋回抑制ゲインを変更する）と、急に旋回してしまうようになり感性評価上好ましくないためである。したがって、本実施の形態においては、旋回抑制ゲインの値を図２に示すように、徐々に大きく又は徐々に小さくしていくことで、閾値を超えた場合には連続的に旋回抑制ゲインを変化させて、これを防止することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態においては、最小旋回抑制ゲインｇｍｉｎ＝０であり、この場合は走行速度がゼロにされる。また、最大旋回抑制ゲインｇｍａｘ＝１であり、旋回抑制を行わない。そして、中速度区間のｖ１≦ｖｘ≦ｖ２においては、旋回抑制ゲインｇｘ＝旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘ＝１で一定かつ旋回抑制を行わない。そして、高速度区間のｖ２≦ｖｘ≦ｖ３においては、旋回抑制ゲイン最大値ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数ｇ２（ｘ）で表わされる。すなわち、この高速度区間では走行速度ｖ（ｘ）が大きくなるに連れて旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）は低くなり、より抑制度合いが高くなる。そして、ｖ３より大きくなると、最小旋回抑制ゲインｇｍｉｎ＝０となり、旋回動作を行わせない。
【００３９】
また、図２（ｂ）に示すように、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合には、（速度指令値Ｖｘ，旋回抑制ゲインＧｘ）＝（Ｖ１，旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘ）、（Ｖ２（＞Ｖ１），旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎ）であって、高速度区間のＶ１≦Ｖｘ≦Ｖ２においては、旋回抑制ゲインは、旋回抑制ゲイン最大値Ｇｍａｘと旋回抑制ゲイン最小値Ｇｍｉｎとを結ぶ１次関数Ｇｘで表わされる。なお、Ｖ０乃至Ｖ１は低速度区間、Ｖ１乃至Ｖ２は中速度区間、Ｖ２乃至Ｖ３は高速度区間とする。すなわち、この高速度区間では、走行速度Ｖ（ｘ）が大きくなるに連れて旋回抑制ゲインＧ（ｘ）は低くなり、より抑制度合いが高くなる。さらに、Ｖ（ｘ）≧Ｖ２では旋回抑制ゲインＧ（ｘ）＝Ｇｍｉｎ＝０であり、Ｖ（ｘ）≦Ｖ１の低・中速度区間では、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）＝Ｇｍａｘ＝１とする。ここで、本実施の形態においては、最小旋回抑制ゲインＧｍｉｎ＝０、最大旋回抑制ゲインＧｍａｘ＝１であり、すなわち、Ｖ（ｘ）≦Ｖ１の中・低速度区間では、旋回抑制を行わず、またＶ（ｘ）≧Ｖ２の高速度区間では旋回動作を行わせない。
【００４０】
ここで、図２（ａ）に示すｖ２と図２（ｂ）に示すＶ１とは異なる値であってもよい。さらに、旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）、及び旋回抑制ゲインＧ（ｘ）Ｇのそれぞれの傾きは異なっていてもよい。さらに、最大旋回抑制ゲインｇｍａｘ及び最大旋回抑制ゲインＧｍａｘは１より小さい値であっても大きい値であってもよい。また、最小旋回抑制ゲインｇｍｉｎ及び最小旋回抑制ゲインＧｍｉｎは０より大きな値であってもよい。
【００４１】
図１に戻って、旋回制御部１１０は、更に、旋回抑制ゲインパターン切替手段としての旋回抑制ゲインパターン切替部１１５を有する。この旋回抑制ゲインパターン切替部１１５は、旋回抑制ゲインの最大値Ｇｍａｘと最小値Ｇｍｉｎとを結ぶＮ（Ｎは０以上の整数）次関数又は３角関数からなる旋回抑制ゲインパターンを複数有し、乗車検出ＳＷ１１４の判定結果に基づき、すなわち、搭乗者の両足が両方ステップ上にあるか又は片足のみがステップ上にあるかの判定結果に応じて旋回抑制ゲインパターンを選択する。
【００４２】
図２の例でいうと、例えば搭乗者の降車時又は搭乗時であって片足のみが検出された場合に、速度ｖ（ｘ）＜ｖ１であれば、旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）の抑制ゲインパターンを選択し、ｖ１≦速度ｖ（ｘ）≦ｖ２であれば、旋回抑制ゲインｇ（ｘ）＝最大旋回抑制ゲインｇｍａｘの抑制ゲインパターンを選択し、ｖ２≦ｖ（ｘ）≦ｖ３であれば、旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）の抑制ゲインパターンを選択し、ｖ（ｘ）≧ｖ３であれば、旋回抑制ゲインｇ（ｘ）＝最小旋回抑制ゲインｇｍｉｎの抑制ゲインパターンを選択する。
【００４３】
また、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合に、速度Ｖ（ｘ）≦Ｖ１であれば旋回抑制ゲインＧ（ｘ）＝最大旋回抑制ゲインＧｍａｘの抑制ゲインパターンを選択し、Ｖ１≦速度Ｖ（ｘ）≦Ｖ２であれば、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）の抑制ゲインパターンを選択する。
【００４４】
また、旋回制御部１１０は、搭乗者の左右方向の体重移動に応じて旋回指令を出力する旋回指令出力手段としての旋回指令部１１６を有する。旋回指令部１１６は、姿勢センサ（図１２のジャイロセンサ２７乃至３０参照）からのセンサ値に基づき、倒立二輪車の左右方向の傾きの変化が所定値以上になると旋回指令であると判定して、旋回指令値を旋回抑制制御部１１２へ出力する。旋回抑制制御部１１２は、旋回指令部１１６からの旋回指令値を受け取ると、これをトリガーにして旋回抑制ゲインを算出する。すなわち、旋回抑制制御部１１２は、旋回抑制ゲインパターン切替部１１５が搭乗者の乗車状態に応じて選択した抑制ゲインパターンを受け取り、速度指令値出力部１１１からの速度指令値と対応する旋回抑制ゲインを算出して出力する。
【００４５】
ここで、旋回抑制ゲインパターンは、乗車状態に応じて選択されるものとして説明したが、走行速度（速度指令値）の違い、搭乗者が倒立二輪車の運転の熟達度の違い、晴れ又は雨等の天気の違い、コンクリート又は砂地等の路面状態の違い、倒立二輪車の二輪の大きさの違い等に応じて、異なる旋回抑制ゲインパターンを選択するものとしてもよい。又は、旋回抑制制御部１１２がこれらのパラメータを元に旋回抑制ゲインを算出するものとしてもよい。
【００４６】
次に、本実施の形態にかかる旋回動作制御方法について説明する。図３は、本実施の形態にかかる旋回動作制御方法を示すフローチャートである。図３に示すように、先ず速度指令値出力部１１１より前後方向の走行速度（速度指令値）を取得する（ステップＳ１）。次に、乗車検出ＳＷ１１４より、乗車状態の判定結果を取得する（ステップＳ２）。このステップＳ１及びステップＳ２の処理は、例えば所定の時間間隔のタイミングで定期的行われるものとすることができる。
【００４７】
そして、ステップＳ２の結果により、両脚がステップ上にないと判定された場合は、誰も搭乗していないと判断し（ステップＳ４）、ロボット（倒立二輪車）は動作を停止する（ステップＳ５）。なお、例えば所定の時間以上、ステップ上に両足がないと判定された場合に倒立二輪車の電源をＯＦＦするようにしてもよい。
【００４８】
一方、片足のみステップ上にあると判定された場合（ステップＳ６）、ステップＳ１で取得した速度に応じた旋回抑制ゲインを、ステップＳ２で取得した旋回抑制ゲインパターンから算出する。先ず、ｖ（ｘ）≦ｖ１の低速度走行中と判定された場合、低速度用旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）により旋回抑制ゲインを求める（ステップＳ８）。また、ｖ１≦走行速度ｖ（ｘ）≦ｖ２の中速度走行中と判定された場合には、中速度旋回抑制ゲイン＝１を出力する。さらに、走行速度ｖ２≦ｖ（ｘ）≦ｖ３の高速度走行中と判定された場合には、高速度旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）により旋回抑制ゲインを求める。なお、旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）＝０（ｖ（ｘ）≧ｖ３）であって、ｖ３以上の速度の場合は旋回動作を行わせない。
【００４９】
また、両脚がステップ上にあると判定された場合（ステップＳ１１）は、搭乗者が通常の状態で走行中と判断し、その速度に応じた旋回抑制を行う（ステップＳ１２）。先ず、走行速度Ｖ（ｘ）≦Ｖ１の低速度及び中速度走行中と判定された場合は旋回抑制ゲインＧ（ｘ）＝最大旋回抑制ゲインＧｍａｘ＝１とし、旋回を抑制しない（ステップＳ１３）。一方、走行速度Ｖ（ｘ）≧Ｖ１の高速度走行中と判定された場合は、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）により旋回抑制ゲインを求める（ステップＳ１４）。なお、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）＝０（Ｖ（ｘ）≧Ｖ２）であって、Ｖ２以上の速度の場合は旋回動作を行わせない。
【００５０】
次に、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）、旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、及び旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）の他の例について説明する。図４（ａ）は、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、ｇ２（ｘ）と、速度指令値ｖ（ｘ）との他の関係を示すグラフ図、図４（ｂ）は、搭乗者の両足がステップ上にあると判定された場合の旋回抑制ゲインＧ（ｘ）と、速度指令値Ｖ（ｘ）との他の関係を示すグラフ図である。
【００５１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、旋回抑制ゲインＧ（ｘ）、旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）、及び旋回抑制ゲインｇ２（ｘ）は、１次関数だけでなく、２次又は２次以上のＮ次関数や三角関数とすることもできる。旋回抑制ゲインパターンは、上述したように、搭乗者の乗車状態及び走行速度に応じて、更には、天気、路面状態、搭乗者の熟練度、倒立二輪車の車輪の大きさ等のその他の要素に応じても適宜異なる旋回抑制パターンを選択するように構成することも可能である。
【００５２】
本実施の形態においては、乗車検出ＳＷ１１４が片足オン状態を検知し低速度走行中の場合は倒立二輪車から降車しようとしていると判断し、旋回抑制ゲインを小さくして（抑制度合いを大きくして）降車時に旋回しないようにすることができる。また、高速走行中に旋回動作を使用とした場合は、高速走行中の旋回動作では身体を大きく傾けて片足オン状態になるため、旋回抑制ゲインを両足オン時よりも大きくする、すなわち抑制度合いを小さくして、旋回半径を大きくして旋回させることができる。また、両脚オン状態では低速及び中速度走行中には、旋回抑制ゲインを１とし、走行速度を抑制せず、高速走行時にのみ、高速になるほど旋回ゲインを小さくし、旋回動作の抑制度合を制御するようにしたので、倒立に必要な走行速度を保ちつつ倒立を維持させたまま旋回動作を行わせることが可能である。
【００５３】
次に、上述した図１にかかる旋回制御部を搭載する倒立二輪車の第１の例及び車両旋回角速度の算出方法の詳細について説明する。図５は、倒立二輪車を上部から見た模式図である。ここで、モータ軸の回転角度は、モータの出力側（タイヤ側）から見て反時計方向の回転を正とした角度とする。図５に示すように、倒立二輪車２００は、第１ＥＣＵ（electronic control unit）２１０及び第２ＥＣＵ２２０、左右のモータＬ２３１／モータＬ２３２、及び左右のタイヤＬ２４１／タイヤＲ２４２を有する。第１ＥＣＵ２１０は、ＡＭＰ０＿２１１及びＡＭＰ１＿２１２を有し、第２ＥＣＵ２２０は、ＡＭＰ０＿２２１及びＡＭＰ１＿２２２を有する。そして、モータＬ２３１は、ＡＭＰ１＿２１２及びＡＭＰ０＿２２１と接続され、モータＲ２３２は、ＡＭＰ０＿２１１及びＡＭＰ１＿２２２と接続されている。なお、左右のモータは夫々ギアを介して左右のタイヤと接続される。
【００５４】
図６は、図５に示す倒立二輪車を真上から見た場合の旋回時の軌跡を説明する図である。ここで、
【００５５】
【数１】
2014184889.tif 000003
とすると、図６において車輪が進んだ距離Ｌ１２に注目すると下記式が成立する。
【００５６】
【数２】
2014184889.tif 000004
両辺を微分して最終的には、旋回キャリブレーションで求める調整値Ｙａｗで調整して車両旋回角速度を算出すると下記が求まる。
【００５７】
【数３】
2014184889.tif 000005
【００５８】
次に、地体車輪角度と対地車輪角速度の算出方法について説明する。一般的に、車体が前方に倒れるとモータは回転していないのにも関わらず、車輪は地面に対して回転する。こんため、モータの回転角度だけでは、車体の進んだ距離や速度を正確に計算することができない。そこで、車体の傾きの影響を加えて、地面に対して車輪が転がった角度を、対地車輪角度と定義し、これを求める。図７は、対地車輪角度を説明する図である。
【００５９】
図７（ａ）の位置Ｐ０から前進し、図７（ｂ）の位置Ｐ１へ進む。さらに、前傾し、図７（ｃ）の位置Ｐ２へと車輪が転がる。ここで、図７（ｄ）に示すように、位置Ｐ０からＰ１までの距離Ａがモータの回転による転がり距離であり、位置Ｐ１からＰ２までの距離Ｂが車体の回転による転がり距離であり、この距離Ａと距離Ｂの区間の総和の角度を、対地車輪角度θLandWheelという。
【００６０】
ここで、
車体Ｐｉｔｃｈ角度：θBodyPitch
車輪Ｐｉｔｃｈ軸角度：θWheel
対地車輪角度：θLandWheel
としたとき、下記式が成り立つ。なお、左右の対地車輪角度は同様の方法で算出する。
θLandWheel＝θBodyPitch＋θWheel
さらに、対地車輪回転速度も同様に求めることができる。
【００６１】
【数４】
2014184889.tif 000006
【００６２】
次に、車両中心移動距離と車両中心速度の算出方法について説明する。車両中心移動速度、車両中心速度とは、ワールド座標系で考えたときの物体の移動距離と速度（スカラー量）を示す。
車両半径：Ｒ
対地車輪角度（左）：θLandWheel[Ｌ]
対地車輪角度（右）：θLandWheel[Ｒ]
とすると、対地車輪移動距離（左）：θLandWheelPos[Ｌ]、及び対地車輪移動距離（右）：θLandWheelPos[Ｒ]は、下記式で求めることができる。
θLandWheelPos[Ｌ]＝ＲθLandWheel[Ｌ]
θLandWheelPos[Ｒ]＝ＲθLandWheel[Ｒ]
また、車両中心移動距離：ＸbodyPosは、下記式で求めることができる。
【００６３】
【数５】
2014184889.tif 000007
同様に、
【００６４】
【数６】
2014184889.tif 000008
また、車両中心速度：ＸBodyVelは下記の式で求めることができる。
【００６５】
【数７】
2014184889.tif 000009
【００６６】
次に、第１ＥＣＵ２１０及び第２ＥＣＵ２２０について更に詳細に説明する。このＥＣＵは、旋回指令演算を行う旋回指令演算部を有する。図８は、旋回指令演算部を含むＥＣＵの構成を示すブロック図である。図８に示すように、ＥＣＵ３００は、旋回指令演算部３０１、並進指令演算部３０２、倒立演算部３０３及びモータアンプ通信送信部３０４を有する。
【００６７】
旋回指令演算部３０１は、主に、ハンドルの傾き（リーン角）の多重系処理、リーン角のニュートラル判定、及び旋回スイッチに応じた車両の目標旋回角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］の演算の３つの処理が実施される。並進指令演算部３０２では、走行モードに応じた３つの値、すなわち車両のＰｉｔｃｈ軸の角度目標値［ｒａｄ］、車両のＰｉｔｃｈ軸の角速度目標値［ｒａｄ／ｓ］、及び車両の目標車両ブレーキ量の演算処理を実施する。
【００６８】
旋回指令演算部３０１及び並進指令演算部３０２の演算結果は、車両の目標状態として、倒立演算部３０３へ入力される。倒立演算部３０３では、最終的な左右モータへの角速度目標値［ｒａｄ／ｓｅｃ］の演算が行われ、この演算結果がモータアンプ通信送信部３０４に入力され、モータアンプ通信送信部３０４を介してモータアンプへ出力される。
【００６９】
先ず、リーン角のニュートラル判定について説明する。車両の目標旋回角速度の演算は、リーン角→ゲイン調整→最終ゲイン調整→リミット処理→旋回速度指令
の順で演算される。車両の目標旋回角速度の演算は、以下の３つのゲイン（１）〜（３）を計算し、上記計算過程に示すように、ゲインを掛け合わせることで、ハンドルの傾き（リーン角）及び／又は旋回スイッチの状態から最終的な左右方向の車両の目標旋回速度を算出する。なお、旋回スイッチとは、ハンドルの傾き（リーン角度）とは別にハンドルグリップ部分に取り付けられた旋回操作用コントローラを指す。
（１）旋回抑制ゲイン（旋回調整ゲイン）：
ユーザ操作によって決まる車両状態（走行ゲイン状態）によって計算され、最終的な車両の目標旋回角速度指令の調整を行うゲイン
（２）リーン角速度ゲイン：
リーン角の効き具合を、車体並進速度によって調整するためのゲイン
（３）リーン角角度ゲイン：
リーン角の効き具合をリーン角の左右方向の切り具合によって調整するためのゲイン
【００７０】
以下に旋回抑制ゲインの算出方法についてさらに具体的に説明する。この旋回抑制ゲインは、主に以下に説明するユーザの操作パターンに対応すべく設定されているゲイン調整機能である。なお、走行モードについては後述する。
（１−１）走行モードが走行（ＲＵＮ）のとき、降車ボタンを押さずに片足ずつ降車するユーザへ対応する要求
・車両並進速度がある一定閾値以下、つまり十分に減速している場合にのみ、この機能を有効にする。
・降車のときに車両が旋回すると危険なため旋回動作を徐々に無効にしたい場合に使用する（ＳＷＯＦＦ＿ＤＯＷＮ）
・再び車両に乗ろうとしたときに車両の旋回動作を徐々に有効にしたい（ＳＷＯＮ＿ＵＰ）
（１−２）乗車後には旋回動作を徐々に有効にしたい（ＲＵＮ＿ＵＰ）要求
ただし、乗車した直後の低速時にハンドルを切っている場合は乗車直後にバランスを崩している可能性があるため、ハンドル操作を無効にする（走行モードの状態遷移の条件で保障）
（１−３）走行モードがＲＵＮ以外のときは乗車操作を徐々に無効にしたい（ＮＲＵＮ＿ＤＯＷＮ）要求
【００７１】
倒立制御状態における旋回禁止から旋回許可への状態切り替えは徐々に行われる。旋回禁止か、又は許可かは、例えば、
＜条件１＞前進走行速度がある速度Ｘｋｍ／ｈより大きい
＜条件２＞後退走行速度がある速度Ｙｋｍ／ｈより小さい
＜条件３＞ハンドル位置が中心位置付近
のいずれかの条件を満たすときは旋回禁止、そうでない場合は旋回許可であると判断するなどとすることができる。
【００７２】
ここで、走行速度とは、車体の中心軸の速度をいい、左右の車輪速度の平均値が中心軸の速度となる。Ｘｋｍ／ｈとは、例えば２.５ｋｍ／ｈであり、Ｙｋｍ／ｈとは、例えば１．２５ｋｍ／ｈである。なお、前進と後退とで異なる速度閾値としているが、この速度閾値は、同一でも異なっていてもよく、また、これらの数値に限らない。また、ハンドル位置が中心付近とは、例えば約１ｄｅｇ以内とすることができる。
【００７３】
図９は、旋回ゲインの大きさと時間の関係を示すグラフ図である。図９に示すように、旋回禁止から旋回許可に遷移した後、旋回ゲインを、０（旋回不可）から１（旋回指令値を抑制しない）の状態へは、時間の関数を使用することで、徐々に旋回動作を可能とする。この関数は、１次関数でも２次関数でもよく、また図９に示すものに限らない。時間とともに旋回ゲインが０から１又は１から０へ推移していけばよい。なお、上述の図２及び図４の例では、旋回ゲインは、走行速度と共に遷移するものであるとして説明した。旋回ゲインを、速度と時間との両方を基準に遷移させるようにしてもよいし、必要に応じて一方だけを採用してもよい。
【００７４】
図１０は、倒立二輪車の走行モードを示す模式図である。図１０に示すように、倒立二輪車の走行モードには、以下の４つのモードがある。
＜モード１＞倒立（ＳＴＡＮＤ）：旋回なし倒立制御
＜モード２＞走行（ＲＵＮ）：旋回あり倒立制御
＜モード３＞降車（ＧＥＴＯＦＦ）：旋回なし倒立制御
＜モード４＞待機（ＷＡＩＴ）：制御ＯＦＦ
【００７５】
ここで、モード２（走行）以外のモード１（倒立）及びモード３（降車）は、搭乗者が倒立二輪車から乗り降りしている途中の状態を示す。モード４の待機の状態から、片足ＯＮで、姿勢（ピッチ角度）が中立付近になるとモード１の倒立モードに遷移する。ここで、倒立付近とは、図１１に示すように、ピッチ角度の中立点の±α以内であれば、中立付近とみなすことができる。なお、αは任意の数値とする。
【００７６】
次に、倒立モードでは、旋回なしの倒立制御が行われる。ここからハンドルが中心付近で両足ＯＮとなると、走行モードに移行する。この走行モードでは、旋回あり倒立制御が行われる。一方、倒立モードから両足ＯＦＦ又は降車指示が出た場合、または走行モードから両足ＯＦＦ又は降車指示がでた場合は、降車モードとなり、旋回なしの倒立制御が行われる。ここから両足ＯＦＦすると、待機モードで制御がＯＦＦされる。
【００７７】
上述したように、本実施の形態においては、搭乗者の片足のみがステップ上にあると判定された場合、走行速度がある一定値以下では旋回抑制ゲインを０とし、旋回動作を禁止すると共に、ある走行速度以上（ｖ０）乃至走行速度（ｖ１）の間においては、旋回抑制ゲインの最小値ｇｍｉｎと最大値ｇＧｍａｘとを結ぶ１次関数（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）で表わされる旋回抑制ゲインｇ１（ｘ）により、旋回抑制ゲインを算出し、旋回速度を抑制する。このことにより、上記（１−１）乃至（１−３）にかかる要求を満たすことができる。
【００７８】
図１２及び図１３は、本実施の形態にかかる倒立二輪車の一例を示す外観図及びブロック図である。図１２に示すように、本実施の形態にかかる倒立二輪車１は、ステップカバー３に搭乗した搭乗者が、倒立二輪車１の前後方向に荷重を作用させた際における、前後方向への倒立二輪車１の姿勢角（ピッチ角）をセンサを利用して検出し、この検出結果に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように左右の車輪２を駆動するモータを制御する。すなわち、倒立二輪車１は、ステップカバー３に搭乗した搭乗者が前方に荷重を作用させて倒立二輪車１を前方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように前方に加速し、搭乗者が後方に荷重を作用させて倒立二輪車１を後方に傾斜させると、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように後方に加速するように、左右の車輪２を駆動するモータを制御する。倒立二輪車１は、制御の安定性を確保するために、モータを制御する制御系が２重化されている。
【００７９】
これらのモータの制御は、倒立二輪車１に搭載された制御装置１０によって行われる。図１３に示すように、制御装置１０は、マイクロコントローラ１１、１２（以下、「マイコン」とも呼ぶ）、インバータ１３乃至１６、モータ１７、１８、回転角センサ１９乃至２２、レゾルバ−デジタル変換器（以下、「ＲＤＣ」とも呼ぶ）２３乃至２６、及びジャイロセンサ２７乃至３０を有する。なお、上述の旋回制御部１１０は制御装置１０内に含まれていてもよいし、制御装置１０とは別途設けられていてもよい。
【００８０】
制御装置１０は、倒立二輪車１の制御の安定性を確保するために、その制御系を、１系の制御系と２系の制御系とに二重化させた二重系システムとなっている。１系の制御系は、マイコン１１、インバータ１３、１４、回転角センサ１９、２０、ＲＤＣ２３、２４、及びジャイロセンサ２７、２８を含む。２系の制御系は、マイコン１２、インバータ１５、１６、回転角センサ２１、２２、ＲＤＣ２５、２６、及びジャイロセンサ２９、３０を含む。
【００８１】
マイコン１１、１２のそれぞれは、ジャイロセンサ２７、２８及びジャイロセンサ２９、３０のそれぞれから出力される角速度信号に基づいて、上述したように、倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。マイコン１１、１２のそれぞれは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶部を有し、記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、本実施の形態におけるマイコン１１、１２のそれぞれとしての処理を実行する。すなわち、マイコン１１、１２のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、本実施の形態におけるマイコン１１、１２のそれぞれにおける処理を、ＣＰＵに実行させるためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、ＣＰＵにおける処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。
【００８２】
マイコン１１は、モータ１７を制御する指令値をインバータ１３に出力する。また、マイコン１１は、モータ１８を制御する指令値をインバータ１４に出力する。マイコン１２は、モータ１７を制御する指令値をインバータ１５に出力する。また、マイコン１２は、モータ１８を制御する指令値をインバータ１６に出力する。具体的には、マイコン１１、１２のそれぞれは、ジャイロセンサ２７、２９のそれぞれから出力される角速度信号が示す倒立二輪車１のピッチ軸周りの角速度（ピッチ角速度）を積分することで倒立二輪車１の前後方向の姿勢角（ピッチ角）を算出し、算出した姿勢角に基づいて倒立二輪車１の倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御する指令値を生成する。
【００８３】
ここで、制御装置１０は、ジャイロセンサ２７、２９に代えて、倒立二輪車１の前後方向の姿勢角（ピッチ角）を検出し、検出した姿勢角を示す姿勢角信号をマイコン１１、１２のそれぞれ出力する姿勢角センサを有するようにしてもよい。姿勢角センサは、例えば、加速度センサ及びジャイロセンサによって、倒立二輪車１の姿勢角を検出するように構成される。そして、マイコン１１、１２のそれぞれは、姿勢角センサから出力された姿勢角信号が示す姿勢角に基づいて、倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御する指令値を生成するようにしてもよい。
【００８４】
また、マイコン１１、１２のそれぞれは、ＲＤＣ２３、２５のそれぞれから出力される、モータ１７の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ１７をフィードバック制御するように、インバータ１３、１５のそれぞれに対する指令値を生成する。また、マイコン１１、１２のそれぞれは、ＲＤＣ２４、２６のそれぞれから出力される、モータ１８の回転角を示す回転角信号に基づいて、モータ１８をフィードバック制御するように、インバータ１４、１６のそれぞれに対する指令値を生成する。
【００８５】
ここで、マイコン１１は、ＲＤＣ２３及びＲＤＣ２５のうち、少なくもいずれか１つから出力される回転角信号に基づいて、モータ１７をフィードバック制御するようにすればよいが、原則、同じ制御系に含まれるＲＤＣ２３からの回転角信号のみを利用する。また、マイコン１１は、ＲＤＣ２４及びＲＤＣ２６のうち、少なくもいずれか１つから出力される回転角信号に基づいて、モータ１８をフィードバック制御するようにすればよいが、原則、同じ制御系に含まれるＲＤＣ２４からの回転角信号のみを利用する。同様に、マイコン１２は、ＲＤＣ２３及びＲＤＣ２５のうち、少なくもいずれか１つから出力される回転角信号に基づいて、モータ１７をフィードバック制御するようにすればよいが、原則、同じ制御系に含まれるＲＤＣ２５からの回転角信号のみを利用する。また、マイコン１２は、ＲＤＣ２４及びＲＤＣ２６のうち、少なくもいずれか１つから出力される回転角信号に基づいて、モータ１８をフィードバック制御するようにすればよいが、原則、同じ制御系に含まれるＲＤＣ２６からの回転角信号のみを利用する。
【００８６】
インバータ１３は、マイコン１１から出力された指令値からＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、モータ１７を駆動する駆動電流を生成してモータ１７へ供給する。インバータ１４は、マイコン１１から出力された指令値からＰＷＭ制御により、モータ１８を駆動する駆動電流を生成してモータ１８へ供給する。インバータ１５は、マイコン１２から出力された指令値からＰＷＭ制御により、モータ１７を駆動する駆動電流を生成してモータ１７に供給する。インバータ１６は、マイコン１２から出力された指令値からＷＭ制御により、モータ１８を駆動する駆動電流を生成してモータ１８に供給する。
【００８７】
モータ１７、１８のそれぞれは、二重巻線のモータである。モータ１７は、インバータ１３から供給される駆動電流と、インバータ１５から供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ１７を駆動することによって、倒立二輪車１の左側の車輪２が回転する。モータ１８は、インバータ１４から供給される駆動電流と、インバータ１６から供給される駆動電流とに基づいて駆動される。モータ１８を駆動することによって、倒立二輪車１の右側の車輪２が回転する。
【００８８】
回転角センサ１９は、モータ１７の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してＲＤＣ２３に出力する。回転角センサ２０は、モータ１８の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してＲＤＣ２４に出力する。回転角センサ２１は、モータ１７の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してＲＤＣ２５に出力する。回転角センサ２２は、モータ１８の回転角を検出し、検出した回転角を示す回転角信号を生成してＲＤＣ２６に出力する。
【００８９】
ＲＤＣ２３は、回転角センサ１９から出力された回転角信号をデジタル形式にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の回転角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。ＲＤＣ２４は、回転角センサ２０から出力された回転角信号をデジタル形式にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の回転角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。ＲＤＣ２５は、回転角センサ２１から出力された回転角信号をデジタル形式にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の回転角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。ＲＤＣ２６は、回転角センサ２２から出力された回転角信号をデジタル形式にＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の回転角信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。
【００９０】
ジャイロセンサ２７、２９のそれぞれは、搭乗者がステップカバー３に対して、倒立二輪車１の前後方向に荷重を作用させた際における、倒立二輪車１の前後方向に対する角速度（ピッチ軸周りの角速度、ピッチ角速度）を検出し、検出したピッチ角速度を示す角速度信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。
【００９１】
ジャイロセンサ２９、３０のそれぞれは、倒立二輪車１のヨー軸周りの角速度（以下、「ヨー角速度」とも呼ぶ）を検出し、検出したヨー角速度を示す角速度信号をマイコン１１、１２のそれぞれに出力する。
【００９２】
ここで、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１が倒立二輪車１の左右方向に傾斜する坂道を走行している場合には、上述の各角速度信号から得られたピッチ角速度とヨー角速度に対して回転行列計算を行うことで、倒立二輪車１の左右水平方向の軸周りの角速度を算出し、算出した角速度をピッチ角速度として利用することで、倒立二輪車１の倒立状態を維持するようにモータ１７、１８を制御する指令値を生成する。これによれば、倒立二輪車１が左右方向に傾斜する坂道を走行している場合であっても、倒立二輪車１の前後方向の姿勢角に基づいて、倒立二輪車１の倒立状態を維持するように倒立二輪車１を制御することも可能である。
【００９３】
また、マイコン１１、１２のそれぞれは、ジャイロセンサ２８、３０のそれぞれから出力される角速度信号が示すヨー角速度に基づいて、他の任意の倒立二輪車１の制御を行うようにしてもよい。例えば、マイコン１１、１２のそれぞれは、倒立二輪車１の急激な旋回を防止するために、ジャイロセンサ２８、３０のそれぞれから出力される角速度信号が示すヨー角速度が所定のヨー角速度を超えていると判断した場合に、それ以上のヨー角速度で倒立二輪車１が旋回しないように、モータ１７、１８を制御する指令値を生成するようにしてもよい。
【００９４】
ここで、上述したように、本実施の形態においては、旋回制御部１１０により、搭乗者の乗車状態及び走行速度から、最適な旋回抑制ゲインパターンを選択し、この旋回抑制ゲインパターンを利用して旋回速度を制御する。すなわち、降車時又は搭乗時のような片足オン状態のときは、旋回ゲインを小さくし、旋回抑制度合いを大きくして旋回しないようにする。また、高速度走行時に旋回しようとした場合には、旋回時に身体が傾き片足オン状態になるのに対し、高速走行時に両足オン状態の場合は、高速で旋回すると転倒の恐れがあるとして、片足オン状態の場合より、両脚オン状態の場合の方の旋回ゲインを小さくし、旋回抑制度合いを大きくして無理な旋回を抑制することができる。
【００９５】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９６】
例えば、上述の実施の形態では、ハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００９７】
１  倒立二輪車
２  車輪
３  ステップカバー
１０  制御装置
１１、１２  マイクロコントローラ
１３、１４、１５、１６  インバータ
１７、１８  モータ
１９、２０、２１、２２  回転角センサ
２３、２４、２５、２６  レゾルバ‐デジタル変換器
２７、２８、２９、３０  ジャイロセンサ
１１０  旋回制御部
１１１  速度指令値出力部
１１２  旋回抑制制御部
１１３  速度制御部
１１４  乗車検出ＳＷ
１１５  旋回抑制ゲインパターン切替部
１１６  旋回指令部
２００  倒立二輪車
２１０  第１ＥＣＵ＿０
２１１  ＡＭＰ０
２１２  ＡＭＰ１
２２０  第２ＥＣＵ＿１
２２１  ＡＭＰ０
２２２  ＡＭＰ１
２３１  モータＬ
２３２  モータＲ
２４１  タイヤＬ
２４２  タイヤＲ
３００  ＥＣＵ
３０１  旋回指令演算部
３０２  並進指令演算部
３０３  倒立演算部
３０４  モータアンプ通信送信部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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