(57)【要約】【課題】  障害物の回避を良好に行うことができるようにする。【解決手段】  各距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４ｓの出力が距離計測器３２０に供給され、この計測器３２０で計測された距離Ｌｄ、Ｌｄｓと、旋回レバー３１０からのレバー角度の信号が中央制御装置３３０に供給される。そして中央制御装置３３０では、ジャイロセンサ、加速度センサ等の姿勢センサ回路３４０の出力信号と共に演算によりモータ駆動制御信号が形成される。この駆動信号がモータ制御装置３５１、３５２に供給されてモータ３６１、３６２が駆動され、これらの駆動力が減速機３７１、３７２を介してタイヤ３８１、３８２に伝達される。また、モータ３６１、３６２には二次電池電源回路３９０からの電源電圧が供給されると共に、これらのモータ３６１、３６２で発生される回生電力が回生コンデンサ３９１に蓄えられる。【選択図】        図４
2006160082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の車輪を独立に駆動する手段と、前記複数の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、
前記重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速が行われ、
前記重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、
前記筐体の前後または左右に距離センサを実装し、前記距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定により障害物の衝突を回避する制御手段を有する
ことを特徴とする走行装置。
【請求項２】
前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項３】
前記距離センサを前記筐体の4隅または全周囲に実装し、周囲の前記障害物の距離を測定する
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項４】
前記距離センサにより前記筐体の走行方向に前記障害物が検出されたときは、前記重心位置が前記速度を停止する方向となるように前記筐体に傾斜を与える設定で、前記複数の車輪の回転数を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項５】
前記複数の車輪の側面の前記障害物の距離を検出する手段を設ける
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項６】
前記複数の車輪の側面に前記障害物が検出されたときは、旋回を行う設定により前記複数の車輪の回転数を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の走行装置。
【請求項７】
前記車輪のホイールの所定部に開口を設け、前記車輪の回転に同期したタイミングで前記複数の車輪の側面の前記障害物の距離を検出する
ことを特徴とする請求項５記載の走行装置。
【請求項８】
複数の車輪を独立に駆動すると共に、前記複数の車輪を連結する筐体を有し、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って前記複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、
前記重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速を行い、
前記重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、
前記筐体の前後または左右に距離センサが実装され、前記距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定をして障害物の衝突を回避する
ことを特徴とする走行装置の制御方法。
【請求項９】
前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
【請求項１０】
前記距離センサが前記筐体の4隅または全周囲に実装され、周囲の前記障害物の距離を測定する
ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
【請求項１１】
前記距離センサにより前記筐体の走行方向に前記障害物が検出されたときは、前記重心位置が前記速度を停止する方向となるように前記筐体に傾斜を与える設定で、前記複数の車輪の回転数を制御する
ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
【請求項１２】
前記複数の車輪の側面の前記障害物の距離を検出する手段を有する
ことを特徴とする請求項８記載の走行装置の制御方法。
【請求項１３】
前記複数の車輪の側面に前記障害物が検出されたときは、旋回を行う設定により前記複数の車輪の回転数を制御する
ことを特徴とする請求項１２記載の走行装置の制御方法。
【請求項１４】
前記車輪のホイールの所定部に開口を設け、前記車輪の回転に同期したタイミングで前記複数の車輪の側面の前記障害物の距離を検出する
ことを特徴とする請求項１２記載の走行装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物に使用して好適な走行装置及びその制御方法に関する。詳しくは、例えば減速時や下り坂を走行する際に発生する回生エネルギを効率の良く充電して、良好な走行を実現できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２８８５０５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、人間を搭乗させて二輪で走行する乗り物として、本願出願人は先に以下に述べるような走行装置を提案（特願２００３−１６８２２４号）した。
【０００５】
先ず、本願出願人が提案した同軸二輪車の一実施形態の外観斜視図を図２６に示す。図２６に示す同軸二輪車１において、車輪軸２の両端には一対の車輪３（右車輪３Ｒ及び左車輪３Ｌ）が止着されている。この車輪３は、柔軟な特性を有するゴム材で形成されており、その内部には空気や窒素ガス等が充填される。このガス圧を調整して車輪３の柔軟性を調整することにより、機体の振動を吸収し、路面の凹凸による振動や段差による衝撃を低減することができる。
【０００６】
また、車輪軸２には、例えば人間が立ち姿勢で搭乗するための板状体の下に後述する制御装置等が格納される略直方体形状の筐体が接合されたベース４が、車輪軸２回りに傾動可能に支持されている。なお、以下の説明においては、両輪を結ぶ車輪軸２の中間点をＸ−Ｙ−Ｚ座標系の原点Ｏと仮定し、この原点Ｏを通りベース４の主面と平行で且つ車輪軸２に垂直な方向をＸ軸又はロール軸、原点Ｏを通る車輪軸方向をＹ軸又はピッチ軸、原点Ｏを通りベース４の主面と垂直な方向をＺ軸又はヨー軸と定義する。また、同軸二輪車１の前方をＸ軸の正方向、左方をＹ軸の正方向、上方をＺ軸の正方向とそれぞれ定義する。
【０００７】
ベース４には、図２７に示すように、正逆回転可能なモータ１０（１０Ｒ及び１０Ｌ）が装着されており、モータ１０に隣接して、モータ１０の回転位置を検出するためのロータリエンコーダ１１（１１Ｒ及び１１Ｌ）が設けられている。また、モータ１０と車輪３との間には、歯車又はタイミングベルトによる減速器１２（１２Ｒ及び１２Ｌ）が介在されており、モータ１０の回転がこの減速器１２及びジョイント（図示せず）を介して車輪３に伝達される。
【０００８】
さらに、ベース４には、ベース４のピッチ軸、ヨー軸回りの角速度ωｐ、ωyawを検出するためのジャイロセンサ１３のほか、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ及びピッチ軸、ロール軸、ヨー軸回りの角加速度αｐ、αｒ、αyawを検出するための加速度センサ１４や、ベース４上の負荷重量を検出するための圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されている。
【０００９】
このうち、圧力センサ１５は、図２８のＡの平面図及び図２８のＢの側面図に示すようにベース４の板状体を構成する支持台４ａと可動台４ｂとの間の四隅に設けられており、この４つの圧力センサ１５１、１５２、１５３、１５４のセンサ信号から、ベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出することができる。
【００１０】
すなわち、圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号がそれぞれＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４であり、無荷重状態で圧力センサ１５１〜１５４にかかる自重がＷ０である場合、負荷重量Ｗｇは、以下の式（１）のように求められる。
【００１１】
【数１】
2006160082.tif 000003
【００１２】
また、圧力センサ１５１、１５２、１５３、１５４の座標が、それぞれ（Ｘｐｓ，Ｙｐｓ）、（−Ｘｐｓ，Ｙｐｓ）、（―Ｘｐｓ，―Ｙｐｓ）、（Ｘｐｓ，―Ｙｐｓ）である場合に、重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。
【００１３】
【数２】
2006160082.tif 000004
【００１４】
この式（２）において、Ｗ１４は無荷重状態で圧力センサ１５１、１５４にかかる自重を示し、Ｗ２３は無荷重状態で圧力センサ１５２、１５３にかかる自重を示し、Ｗ１２は無荷重状態で圧力センサ１５１、１５２にかかる自重を示し、Ｗ３４は無荷重状態で圧力センサ１５３、１５４にかかる自重を示す。
【００１５】
このようにして、圧力センサ１５によりベース４上の負荷による負荷荷重トルクＴ１が計算できるため、モータ１０にその反作用のモーメントを与えることにより、ベース４上でバランスを保ち、姿勢を安定化することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、ベース４の下部筐体には、マイクロコンピュータからなる制御装置１６が搭載されており、この制御装置１６に各種センサ信号、検出信号が入力される。制御装置１６は、これらの入力信号に基づいて、後述するようにベース４のピッチ軸角度、ヨー軸角度を適切な値に保ちながら、機体を前進・後退・旋回させるモータトルクを発生するように制御する。
【００１７】
また、この同軸二輪車１は、図２９に示すように、車輪軸２回りに傾動可能とされるベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されている。これにより、停止時にも機体の重心位置が最も安定な位置に保たれ、転倒しにくくなる。なお、この図２９ではベース４の上面の高さが車輪軸２よりも高くなっているが、ベース４の上面が車輪軸２より低くなっていても構わない。
【００１８】
ここで、ベース４上で姿勢を保つための制御概念について説明する。図３０に示すように、ベース４上の負荷、例えば人間の体重による負荷荷重トルクＴ１に対して、同じモーメントを発生するようにモータトルクＴｍを制御すると、ベース４はシーソーのように支点を中心にバランスを保つ。このバランスを保つ支点に相当する点、すなわち車輪軸２回りの回転モーメントがゼロとなる点をＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ぶ。このＺＭＰが車輪３の路面との接地点に一致するとき、或いは路面との接地面内にあるとき、バランスが保たれてベース４上で姿勢を保つことができる。
【００１９】
この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図３１に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４の重量中心Ｍが車輪軸２を中心に傾く。このとき、車輪軸２がバランスをとるための車輪軸トルクＴ０は以下の式（３）で表され、姿勢を保つためのモータトルクＴｍは減速器１２の減速比をＮ：１としてＴ０／Ｎで表される。
【００２０】
【数３】
2006160082.tif 000005
【００２１】
このようにして、上述の同軸二輪車１では、上述の如くベース４の重量中心Ｍが車輪軸２よりも下方に位置するように構成されているため、式（３）のように、人間の体重Ｗｈによるモーメントとベース４の重量Ｗｍによるモーメントとの差分を車輪軸トルクＴ０として加えるのみでよく、比較的小さいモータトルクでバランスを保つことができる。
【００２２】
さらに、ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図３２に示すＸ−Ｚ座標系を用いて詳細に説明する。ここで図３２では簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。また、車輪３、ベース４、及びベース４上の人間をそれぞれリンクとみなし、その重心位置座標をそれぞれ（ｘ０，ｚ０）、（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）とする。さらに、各リンクの質量をそれぞれｍ０、ｍ１、ｍ２とし、慣性モーメントをＩ０、Ｉ１、Ｉ２とする。
【００２３】
定義した点Ω（σ，φ）回りの第ｉリンク（ｉ＝０，１，２）の各運動量は、重心位置座標を（ｘｉ，ｚｉ）とすると、以下の式（４）で表される。ここで、式（４）においてｘ、ｚの上に付されている１つの点は、ｘ、ｚの１階微分であることを示している。
【００２４】
【数４】
2006160082.tif 000006
【００２５】
したがって、全リンクの慣性力によるモーメントは、以下の式（５）で表される。ここで、式（５）においてｘ、ｚの上に付されている２つの点は、ｘ、ｚの２階微分であることを示している。また、全リンクの重力によるモーメントは、重力加速度をｇとして以下の式（６）で表される。
【００２６】
【数５】
2006160082.tif 000007
【００２７】
この慣性力によるモーメントと重力によるモーメントとの和により、式（７）に示すように、点Ω（σ，φ）回りのモーメントＭΩが与えられる。
【００２８】
【数６】
2006160082.tif 000008
【００２９】
質量ｍ０である車輪３の重力によるモーメントを除けば、点Ω（σ，φ）を原点にとることで、上述のモーメントＭΩは車輪軸２回りのモーメントＭａとなる。この車輪軸２回りのモーメントＭａは、以下の式（８）で表される。
【００３０】
【数７】
2006160082.tif 000009
【００３１】
このモーメントＭａを用いて上述のモーメントＭΩを表せば、ｘ０＝０であるとき、すなわち車輪３の重心位置が車輪軸２上にあるとき、以下の式（９）で与えられる。
【００３２】
【数８】
2006160082.tif 000010
【００３３】
ここで、ＺＭＰはモーメントＭΩが０である床面上の点と定義される。そこで、車輪軸２の高さをｈ、ＺＭＰの座標を（σzmp，−ｈ）として式（７）に代入すると、以下の式（１０）のようになる。この式（１０）をσzmpについて解くことで、ＺＭＰをリンク位置、加速度及び質量により表すことができる。
【００３４】
【数９】
2006160082.tif 000011
【００３５】
また、上述した式（９）にＺＭＰの座標（σzmp，−ｈ）を代入すると、以下の式（１１）のようになる。なお、この式（１１）は、車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を示す。
【００３６】
【数１０】
2006160082.tif 000012
【００３７】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図３３に図示する。図３３において、ＦＮは床反力、ＦＴは転がり摩擦力、ＦはＦＮとＦＴとの合成ベクトルを表す。なお、床反力ＦＮは実際には車輪３の接地面全体に分布するが、図３３ではＺＭＰに集約するものとして表している。この図から車輪軸２回りのモーメントのつり合いの式を表すと、以下の式（１２）のようになる。
【００３８】
【数１１】
2006160082.tif 000013
【００３９】
なお、この式（１２）に、以下の式（１３）〜（１５）を代入すると、上述した式（１１）と同じものになる。
【００４０】
【数１２】
2006160082.tif 000014
【００４１】
ベース４上の姿勢が安定するには、式（１２）においてσzmp＝０となればよい。すなわち、車輪軸トルクＴ０＝−ＦＴ＊ｈが成立すれば姿勢を保つことができる。したがって、Ｔ０＝ＦＴ＝０を満たす以下の式（１６）に示す状態変数を制御することにより、姿勢を安定させることができる。
【００４２】
【数１３】
2006160082.tif 000015
【００４３】
このとき、ｘ０、ｘ１は、機構構造により一意に定まるが、ｍ２、Ｉ２、ｘ２、ｚ２は、人間であるため不定値である。このｍ２、Ｉ２、ｘ２、ｚ２によるベース４上でのモーメントＭｔは、以下の式（１７）で与えられる。但し、ベース４は、図３４のように水平に保たれるものとする。
【００４４】
【数１４】
2006160082.tif 000016
【００４５】
ここで、負荷が人間である場合には角速度ω２が十分に小さいため、ω２≒０と近似すると、式（１８）においてｘ２とその２階微分値をゼロにするときモーメントＭｔがゼロになる。ｘ２とその２階微分値をゼロにすることは、ベース４上での負荷荷重トルクＴ１がゼロとなるようにｘ０及びｘ１を制御することと等価と考えてよい。また、この負荷荷重トルクＴ１によるモーメントＭｔは、力Ｆ２でベース４上の作用点（ｘｆ，Ｌ）に作用することと等価である。したがって、このｘｆをゼロにするｘ０、ｘ１を与えることができればＴ１＝０となり、姿勢を安定に保つ条件を満足することができる。
【００４６】
図３４に示すように、ベース４上のジャイロセンサ信号をフィードバック制御してモータトルクＴｍを与えることによりｘ０＝ｘ１を保つように制御されているとき、ｘｆ＝ｘ０となるようにモータトルクＴｍを制御することで姿勢を安定に保つことができる。
【００４７】
具体的には、誤差Ｅｆ＝ｘｆ−ｘ０とするとき、Ｅｆ＞０であればｘ０を正の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを負として機体を前進させ、Ｅｆ＜０であればｘ０を負の方向に変位させるためにモータトルクＴｍを正として機体を後退させることで、誤差Ｅｆをゼロに収束させることができる。すなわち、Ａ０を正の定数として、Ｔｍ＝−Ａ０＊ＥｆとなるモータトルクＴｍを与えることでＥｆをゼロに収束させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００４８】
実際には、例えば図３５のようにベース４がピッチ軸回りに角度θ０だけ傾いた場合、体重Ｍの人間によりＴ１（＝Ｍτ×Ｌ）の負荷荷重トルクが発生するため、その負荷荷重トルクＴ１と逆方向の車輪軸トルクＴ０を与えるようにモータトルクＴｍを制御することで、ＺＭＰを車輪３の接地点と一致させ、姿勢を安定に保つことができるようになる。
【００４９】
ここで、ベース４上に人間が搭乗した場合、個人差はあるものの通常１〜２秒の周期で姿勢を保つために足裏に作用させる力を変動させているため、人間の体重による負荷荷重トルクＴ１は不確定に変化する。したがって、リアルタイムにバランスがとれるようなトルクをモータ１０に加算し、負荷変動に対してベース４の角度を一定に保つ必要がある。
【００５０】
そこで、上述の同軸二輪車１は、このような負荷変動をリアルタイムに相殺するために、制御装置１６内に図３６に示すような制御機構を有している。図３６において、減算器２０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器２１に供給される。姿勢制御器２１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルク電流値Ｔgyr［Ａ］を計算する。
【００５１】
また、調整器２２では、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４を用いて負荷荷重トルクＴ１を推定し、これを相殺するための推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１′／Ｋｍ［Ａ］を計算する。ここでＫｍはモータ定数［Ｎｍ/Ａ］である。負荷の重心座標が（Ｘｇ、Ｙｇ）であり、負荷重量がＷｇである場合、推定負荷荷重トルクＴ１′は、以下の式（１８）のように与えられる。
【００５２】
【数１５】
2006160082.tif 000017
【００５３】
そして減算器２３では、モータトルク電流値Ｔgyrと推定負荷荷重トルク電流値Ｔ１′／Ｋｍとの偏差がとられ、この偏差がモータ電流Ｉ［Ａ］としてモータ２４に与えられる。モータ２４はこのモータ電流Ｉによって回転することによりモータトルクＴｍを発生し、加算器２５では、このモータトルクＴｍと負荷荷重トルクＴ１とが加算されてベース２６に伝えられる。
【００５４】
このように、負荷荷重トルクＴ１を相殺するためのモータトルクＴｍをモータ２４に加算することにより、停止時においては負荷変動に対してベース角度を一定に保つことができる。
【００５５】
以上の制御機構により姿勢安定制御を行うことができるが、この状態で走行するには、さらに走行制御のための制御機構が必要となる。そこで、上述の同軸二輪車１は、実際には姿勢安定制御のためのモータトルクと走行制御のためのモータトルクとを独立して求める二輪構造の制御機構を有している。
【００５６】
このような二輪構造の制御機構の物理モデルを図３７に示す。なお、この図３７においても、簡単のため、車輪３は１つであるものとして説明する。図３７に示すように、ベース４にはジャイロセンサ１３、加速度センサ１４、圧力センサ１５等の各種センサが内蔵されており、その下部にはモータステータ３０、ロータリエンコーダ３１、モータロータ３２が存在し、モータロータ３２の回転は減速器３３及びジョイント３４を介して車輪３に伝達される。
【００５７】
姿勢制御／調整器４０は、姿勢指令であるベース角度指令θref、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４によって検出した現在のベース角度θ０、及び圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４から、上述したモータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１′を計算する。また、モータ制御器４１は、走行指令であるモータロータ３２の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ３１によって検出したモータロータ３２の現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算する。
【００５８】
そして、加算器４２において、モータトルクＴgyr及び推定負荷荷重トルクＴ１′と走行のためのモータトルクとが加算され、この加算値がモータロータ３２に供給される。
【００５９】
ここで、上述したベース角度指令θrefとは、搭乗者が安定に乗ることができるように、Ｘ軸方向の加速度Ａｘに応じて設定されるベース角度の目標値である。具体的には、Ｘ軸加速度Ａｘがゼロのときベース４が水平になるように、Ｘ軸加速度Ａｘが正のときベース４を前方に傾けるように、Ｘ軸加速度Ａｘが負のときベース４を後方に傾けるように、それぞれ設定される。
【００６０】
そこで、例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図３８に示すように、慣性力と重力との合成ベクトルの方向にＺＭＰが位置するようにベース４を傾けると、搭乗者は姿勢を安定に保つことができる。なお、このベース角度指令θrefは、Ｘ軸加速度Ａｘに比例して変化する。
【００６１】
制御機構のブロック図を図３９に示す。減算器５０では、姿勢指令であるベース角度指令θrefとジャイロセンサ１３（及び加速度センサ１４）によって検出した現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器５１に供給される。姿勢制御器５１は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とからモータトルクＴgyrを計算し、このモータトルクＴgyrを加算器５４に供給する。
【００６２】
一方、減算器５２では、走行指令であるモータロータ５７の回転位置指令Ｐrefとロータリエンコーダ５８によって検出したモータロータ５７の現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差がモータ制御器５３に供給される。モータ制御器５３は、この回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとから、走行のためのモータトルクを計算し、このモータトルクを加算器５４に供給する。
【００６３】
また、ベース４に負荷荷重トルクＴ１が加えられると、圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４が調整器５５に供給され、調整器５５は、このセンサ信号に基づいて上述した推定負荷荷重トルクＴ１′を計算する。
【００６４】
加算器５４では、姿勢制御器５１からのモータトルクＴgyrとモータ制御器５３からのモータトルクとが加算され、減算器５６では、この加算値から推定負荷荷重トルクＴ１′が減算される。これが最終的なモータトルクＴｍとなり、モータロータ５７に与えられる。加算器５９では、このモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１とが加算され、この加算値がモータステータ／ベース６０に与えられる。
【００６５】
モータロータ５７は、モータトルクＴｍに応じて回転制御される。このモータロータ５７の回転位置θｒは、減速比Ｎ：１の減速器６１によって１／Ｎに変換され車輪３に伝達される。すなわち、車輪３の回転位置θｗは、モータロータ５７の回転位置θｒの１／Ｎである。ロータリエンコーダ５８は、このモータロータ５７の回転位置θｒを検出し、検出信号を減算器５２に供給する。
【００６６】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述したように、モータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため、モータステータ／ベース６０の傾動は抑えられる。
【００６７】
図４０は、図３９に示したブロック図における処理を、ラプラス演算子を用いて数学モデルとして表現したものである。上述の如く、姿勢制御器５１には、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差が与えられ、モータ制御器５３には、モータロータ５７の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差が与えられる。この姿勢制御器５１及びモータ制御器５３では、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）演算を行うフィードバック制御により各モータトルクが計算される。
【００６８】
すなわち、Ｋｐ０、Ｋｐ１が比例ゲインとなり、Ｋｉ０、Ｋｉ１が積分ゲインとなり、Ｋｄ０、Ｋｄ１が微分ゲインとなる。これらの制御ゲインによって、モータが姿勢指令θref及び走行指令Ｐrefに対して応答する追従性が変化する。例えば、モータロータ５７は、比例ゲインＫｐ０，Ｋｐ１を小さくすると、ゆっくりとした追従遅れをもって動くようになり、比例ゲインＫｐ０、Ｋｐ１を大きくすると、高速に追従するようになる。このように、制御ゲインを変化させることにより、姿勢指令θref、走行指令Ｐrefと、実際の動きの誤差の大きさや応答時間とを調整することが可能となる。
【００６９】
また、モータロータ５７には、姿勢制御器５１からのモータトルクとモータ制御器５３からのモータトルクとの加算値から推定負荷荷重トルクＴ１′が減算されたモータトルクＴｍが与えられ、回転角度θｒだけ回転する。ここで、Ｊｒはモータロータ５７のイナーシャ（inertia）であり、Ｄｒはモータロータ５７の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７０】
一方、モータステータ／ベース６０には、上述の如くモータトルクＴｍの反作用力と負荷荷重トルクＴ１との加算値が加わるが、それらが相互に打ち消されるため傾動が抑えられる。ここで、Ｊはモータステータ／ベース６０のイナーシャであり、Ｄはモータステータ／ベース６０の粘性抵抗（ダンパ係数）である。
【００７１】
この図４０に示した数学モデルは、より詳細には例えば図４１に示すようになる。図４１に示すように、姿勢制御器７０は、ベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで姿勢制御のためのモータトルクＴgyrを生成し、モータ制御器７１は、モータ１０の回転位置指令Ｐrefと現在の回転位置θｒとの偏差に対してＰＩＤ制御を行うことで走行制御のためのモータトルクを生成する。
【００７２】
また、調整器７２は、圧力センサ１５のセンサ信号から推定負荷荷重トルクＴ１′を生成する。加算器７３ではこれらの各トルクが加算され、得られたモータトルクＴｍがモータ１０に与えられる。モータ１０は、このモータトルクＴｍにより回転駆動され、その回転が減速比１６：１の減速器７４によって１／１６に変換され車輪３に伝達される。
【００７３】
以上、図３７乃至図４１では、簡単のため車輪３が１つであるものとして説明したが、左右２つの車輪３Ｒ，３Ｌを有する実際の同軸二輪車１では、例えば図３９における姿勢制御器５１が左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通に用いられる一方で、モータ制御器５３が左右独立に設けられる。
【００７４】
この場合の制御機構のブロック図を図４２に示す。ジャイロセンサ１３からのセンサ値ωｐは例えば通過帯域が０．１〜５０Ｈｚであるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）８０を介して角度算出器８２に送られ、加速度センサ１４からのセンサ値αｐは例えば遮断周波数が０．１Ｈｚのローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１を介して角度算出器８２に送られる。角度算出器８２では、これらのセンサ値に基づいて現在のベース角度θ０が算出される。
【００７５】
また、減算器８３では、姿勢指令であるベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０との偏差がとられ、この偏差が姿勢制御器８４に供給される。姿勢制御器８４は、このベース角度指令θrefと現在のベース角度θ０とから、上述したモータトルクＴgyrを計算する。
【００７６】
一方、減算器８５Ｒでは、右車輪３Ｒ用の走行指令であるモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ９３Ｒによって検出したモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器８６Ｒに供給される。位置比例制御器８６Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器８７Ｒに供給する。
【００７７】
また、微分器８８Ｒは、ロータリエンコーダ９３Ｒから供給されたモータロータ９２Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器８７Ｒに供給する。そして減算器８７Ｒでは、位置比例制御器８６Ｒからの比例制御結果と微分器８８Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例制御器８９Ｒに供給される。速度比例制御器８９Ｒは、この偏差に対して速度比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を加算器９０Ｒに供給する。
【００７８】
加算器９０Ｒでは、この比例制御結果とモータトルクＴgyrと調整器９４において圧力センサ１５のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４から求めた推定負荷荷重トルクＴ１′とが加算され、加算値が電流制御アンプ９１Ｒに供給される。電流制御アンプ９１Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、モータロータ９２Ｒを駆動する。このモータロータ９２Ｒの回転位置は、減算器８５Ｒと共に微分器８８Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【００７９】
このように、上述の同軸二輪車１では、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢安定制御用の制御機構と、左右独立な走行制御用の制御機構とを有し、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【００８０】
次に、上述の同軸二輪車１における速度制御について説明する。
【００８１】
上述したように、上述の同軸二輪車１では、ベース４の四隅に設けられた４つの圧力センサ１５１〜１５４のセンサ信号ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４からベース４上の負荷の重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを検出し、負荷荷重トルクＴ１を求めているが、さらに、この重心座標（Ｘｇ，Ｙｇ）を走行する方向、速度の制御指令として用いる。具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合に、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき速度指令Ｖｘを変化させる。
【００８２】
その様子を図４３に示す。ここで図４３において、Ｘ３からＸ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令走行速度をゼロとする。この停止領域は、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲とすることが好ましい。この場合、例えば負荷重量Ｗｇが大きいときや車輪３のガス圧が低いときには車輪３の路面との接地面積が大きくなるため、停止領域の範囲も大きくなる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退することを防止することができる。
【００８３】
Ｘ座標がＸ１以上になると、前進最大速度ＳfMAX に達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。また、Ｘ座標がＸ２以上になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。このように、強制的に減速停止する領域を設けることで、最大速度で走行している際の搭乗者の安全性を確保することができる。
【００８４】
同様に、Ｘ座標がＸ３以下になると、後退最大速度ＳbMAXに達するまで、Ｘ座標の大きさに応じて指令速度が増加する。なお、この後退最大速度ＳbMAXは、前進最大速度ＳfMAXよりも小さいことが好ましい。また、Ｘ座標がＸ４以下になると強制的に減速停止し、再び停止領域内で姿勢を安定させるまで停止する。
【００８５】
Ｘ座標がＸ１からＸ２まで、或いはＸ３からＸ４までの間では、そのＸ座標Ｘｇに応じて、例えば以下の式（１９）により、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｐrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｐreflとが生成される。ここで、式（１９）において、Ｇ０は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００８６】
【数１６】
2006160082.tif 000018
【００８７】
なお、時刻ｔ＝０での速度指令がＶｘ０であり、時刻ｔ＝ｔ１での速度指令がＶｘ１である場合、加速度を連続的に変化させ、機構的な共振振動を生じさせないように走行することが好ましい。この場合、Ｖｘ１に到達するまでの時間をΔｔとすると、時刻ｔ（０≦ｔ≦ｔ１）での走行速度指令Ｖref(ｔ)は、例えば以下の式（２０）により算出することができる。
【００８８】
【数１７】
2006160082.tif 000019
【００８９】
このとき、モータ１０の回転位置指令Ｐref(ｔ)は、式（２０）の走行速度指令Ｖref(ｔ)を積分した値となり、以下の式（２１）に示すような５次関数で与えられる。ここで、式（２１）において、Ｐref０は時刻ｔ＝０での回転位置指令である。
【００９０】
【数１８】
2006160082.tif 000020
【００９１】
また、前進・後退させるのみでなく、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき、例えば図４４に示すように旋回速度指令Ｖｒを変化させることもできる。ここで図４４において、−Ｙ１からＹ１までの範囲は停止領域であり、この範囲内では指令旋回速度をゼロとする。
【００９２】
なお、この停止領域は、原点Ｏ近傍で任意に設定することができる。このように停止領域（不感帯）を設けることで、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が旋回することを防止することができる。Ｙ座標がＹ１以上になると、右回り最大速度ＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。同様に、Ｙ座標が−Ｙ１以下になると、左回り最大速度ＣＣＷMAXに達するまで、Ｙ座標の大きさに応じて指令旋回速度が増加する。
【００９３】
Ｙ座標がＹ１以上又は−Ｙ１以下では、そのＹ座標Ｙｇに応じて、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとが生成される。走行速度がゼロである場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２２）に示すような逆位相指令となる。ここで、式（２２）において、Ｇ１は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９４】
【数１９】
2006160082.tif 000021
【００９５】
一方、走行速度がゼロでない場合、モータ１０Ｒの回転位置指令Ｒrefrとモータ１０Ｌの回転位置指令Ｒreflとは、例えば以下の式（２３）,（２４）に示すような同位相指令となる。ここで、式（２３）,（２４）において、Ｇ２は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【００９６】
【数２０】
2006160082.tif 000022
【００９７】
ここで、不整地路面等の凹凸を有する路面や傾斜路面を走行する場合には、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置指令で与えられる目標方向に走行することが困難になり、目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。また、左右の車輪３Ｒ，３Ｌのガス圧の違いにより車輪３の有効直径が異なる場合にも、同様に目標方向と実際の走行方向とにずれが生じる虞がある。
【００９８】
そこで、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向と実際の走行方向とのずれを解消する。
【００９９】
一例として、図４５のＡに示すように右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、図４５のＢに示すように、直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw１［rad/sec］が検出される場合について説明する。このような場合、回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflの加算平均をＶref０としたとき、以下の式（２５）、（２６）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転速度指令Ｖrefr，Ｖreflを補正することにより、機体を直進させることができる。ここで、式（２５）、（２６）において、Ｋ０は正の定数である。
【０１００】
【数２１】
2006160082.tif 000023
【０１０１】
また、図４５のＣに示すように目標方向としてＤref［rad/sec］が与えられている場合には、以下の式（２７）、（２８）に示すように左右の車輪に回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflを与える。
【０１０２】
【数２２】
2006160082.tif 000024
【０１０３】
このようにして得られた回転速度指令Ｖrefr、Ｖreflは、それぞれ以下の式（２９）、（３０）により車輪の回転位置指令Ｐrefr、Ｐreflに変換される。ここで、式（２９）、（３０）において、ｋはサンプリング回数を表す整数であり、Ｐref(ｋ)はｋサンプリングでの回転位置指令を示す。
【０１０４】
【数２３】
2006160082.tif 000025
【０１０５】
同様に、旋回する場合についても、左右の車輪３Ｒ、３Ｌのガス圧の違いや路面状況の違いなどから、旋回速度にずれが生じる虞がある。この場合にも、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標となる旋回速度と実際の旋回速度とのずれを解消することができる。
【０１０６】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方の有効直径が短く、旋回する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号としてωyaw２［rad/sec］が検出されている場合について説明する。右車輪３Ｒの回転位置指令Ｒrefr及び左車輪３Ｌの回転位置指令Ｒreflを微分した信号をそれぞれＶrefr、Ｖreflとすると、旋回速度の誤差ωerrは以下の式（３１）で表される。
【０１０７】
【数２４】
2006160082.tif 000026
【０１０８】
この場合、以下の式（３２）、（３３）に示すように、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌに与える回転位置指令Ｒrefr、Ｒreflを補正することにより、機体を目標通りに旋回させることができる。ここで、式（３２）、（３３）において、Ｇ３は正の一定ゲインであり、例えば負荷重量Ｗｇに応じて可変にすることができる。
【０１０９】
【数２５】
2006160082.tif 000027
【０１１０】
このように、上述の同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ、１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
【０１１１】
さらにこのような同軸二輪車１のソフトウェア構成を、図４６を用いて説明する。図４６に示すように、最下位層のハードウェア・レイヤ１５０から順に、カーネル・レイヤ１５１、オンボディ・レイヤ１５２、ネットワーク・レイヤ１５３、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４という階層構造で構成される。
【０１１２】
ハードウェア・レイヤ１５０は、回路の階層であり、例えばモータ制御回路、中央制御回路、センサ回路の制御回路等が含まれる。カーネル・レイヤ１５１は、モータサーボ演算や姿勢制御演算、走行制御演算、或いはリアルタイム走行目標値演算等の各種演算を行う階層である。このハードウェア・レイヤ１５０及びカーネル・レイヤ１５１において、基本的な姿勢安定制御と走行制御とが実現される。オンボディ・レイヤ１５２は、走行目標値演算、障害物回避軌道の生成等を行う階層である。
【０１１３】
これらの各階層は、それぞれ異なるサンプリングの制御周期で実行され、上位階層ほどその周期は長くなる。例えば最下位層のハードウェア・レイヤ１５０では、その制御周期が０．１msecと短い周期であるのに対して、カーネル・レイヤ１５１では１msec、オンボディ・レイヤ１５２では１０msecと長い周期になっている。
【０１１４】
続いて、同軸二輪車１における回路の全体構成について説明する。図４７に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４が供給される。センサ回路２００は、このセンサ信号のほか、ピッチ軸回り及びヨー軸回りの角速度を検出するジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωyawと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のリニア加速度及びピッチ軸，ロール軸，ヨー軸回りの角加速度を検出する加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawとを合わせて、制御装置１６に供給する。
【０１１５】
制御装置１６は、これらのセンサ信号に基づいて、上述したようにモータトルクＴgyrや、走行指令であるモータロータの回転位置指令Ｐrefを生成し、これらを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌは、このモータトルクＴgyr、モータロータの回転位置指令Ｐref等に基づいて、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒ，１０Ｌを駆動するための最適なモータ電流を算出し、モータ１０Ｒ，１０Ｌに供給する。このモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転位置は、ロータエンコーダ１１Ｒ，１１Ｌによって求められ、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにフィードバックされる。
【０１１６】
サーボオン／パワースイッチ２０４は、制御装置１６及び電源スイッチ２０５と接続されており、電源スイッチ２０５からの信号は電源管理回路２０６に供給される。この電源管理回路２０６は、バッテリ２０７と接続されており、制御装置１６、音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２に２４Ｖの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１１７】
図４７に示した全体構成の詳しい内部構成を、図４８を用いて説明する。図４８に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４、ジャイロセンサ１３１，１３２からのセンサ信号ωｐ，ωyaw、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawが供給される。センサ回路２００は、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４を例えば１０mv/Nの圧力ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、制御装置１６の重心演算部２１０に供給する。
【０１１８】
また、センサ回路２００は、ジャイロセンサ１３１，１３２からのセンサ信号ωｐ，ωyawを例えば１．６V／（rad/sec）の姿勢ゲインでゲイン調整すると共に、加速度センサ１４からのセンサ信号Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，αｐ，αｒ，αyawを例えば１．６V／（rad/sec２）の姿勢ゲインでゲイン調整し、さらに図示しないアナログ−デジタル変換器を介してデジタル信号に変換した後、信号前処理部２１１に供給する。この信号前処理部２１１は、入力された信号に対してデジタルフィルタを施したり、オフセット調整や姿勢位置すなわちベース角度θ０の算出をしたりする前処理を行う。
【０１１９】
重心演算部２１０は、圧力センサ１５１〜１５４からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４に基づいて前述したようにベース４上の負荷の重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）とその負荷重量Ｗｇとを計算し、この重心位置座標（Ｘｇ、Ｙｇ）及び負荷重量Ｗｇの情報を走行指令算出器２１２に供給すると共に、重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇの情報を旋回指令発生器２１５に供給する。
【０１２０】
走行指令算出器２１２は、例えば図４３に示したような重心位置Ｘ座標−走行速度特性に基づき速度指令Ｖｘを生成し、回転速度指令発生器２１３は、この速度指令Ｖｘに基づいて前述した５次関数演算を行うことにより、回転速度指令Ｖref(ｔ)を生成する。回転速度指令発生器２１３は、回転位置指令Ｐref(ｔ)を回転位置指令発生器２１４、旋回指令発生器２１５、及び姿勢指令発生器２１６に供給する。
【０１２１】
旋回指令発生器２１５は、重心演算部２１０から供給された重心位置のＹ座標Ｙｇ及び負荷重量Ｗｇ、信号前処理部２１１から供給されたヨー軸回りの回転角速度ωyaw、及び回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づいて旋回する際の位相指令、例えばＹｇ＊Ｇ１を生成し、この位相指令を回転位置指令発生器２１４に供給する。
【０１２２】
回転位置指令発生器２１４は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)を積分して回転位置指令Ｐref(ｔ)を生成し、左右のモータドライバに回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を供給する。この際、回転位置指令発生器２１４は、旋回指令発生器２１５からの位相指令を考慮して回転位置指令Ｐrefr(ｔ)，Ｐrefl(ｔ)を生成する。
【０１２３】
姿勢指令発生器２１６は、回転速度指令発生器２１３から供給された回転速度指令Ｖref(ｔ)に基づき、図３８を用いて説明したように姿勢指令であるベース角度指令θrefを計算し、このベース角度指令θrefを減算器２１７に供給する。減算器２１７では、このベース角度指令θrefから信号前処理部２１１で求められた現在のベース角度θ０が減算され、偏差が姿勢制御器２１８に供給される。姿勢制御器２１８は、この偏差を元にしてＰＩＤ制御を行い、モータトルクＴgyrを求める。
【０１２４】
なお、ＰＩＤ制御を行う際には、ベース４上の負荷重量Ｗｇに応じてＰＩゲインを変更するようにしてもよい。具体的には、負荷重量Ｗｇが大きくなると比例ゲインを大きくし、積分ゲインを小さくすることが好ましい。姿勢制御部２１８は、このモータトルクＴgyrを左右のモータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌに供給する。
【０１２５】
右車輪３Ｒ用のモータドライバ２０３Ｒにおいて、減算器２３０Ｒでは、モータ１０Ｒ用の走行指令である回転位置指令Ｐrefrとロータリエンコーダ１１Ｒによって検出したモータ１０Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差がとられ、この偏差が位置比例制御器２３１Ｒに供給される。位置比例制御器２３１Ｒは、この偏差に対して位置比例（Ｐ）制御を行い、比例制御結果を減算器２３２Ｒに供給する。また、微分器２３３Ｒは、ロータリエンコーダ１１Ｒから供給されたモータ１０Ｒの回転位置θｒを微分し、微分結果を減算器２３２Ｒに供給する。
【０１２６】
そして減算器２３２Ｒでは、位置比例制御器２３１Ｒからの比例制御結果と微分器２３３Ｒからの微分結果との偏差がとられ、この偏差が速度比例・積分制御器２３４Ｒに供給される。速度比例・積分制御器２３４Ｒは、この偏差に対して速度比例・積分（ＰＩ）制御を行い、比例・積分制御結果を加算器２３５Ｒに供給する。加算器２３５Ｒでは、この比例・積分制御結果とモータトルクＴgyrとが加算され、加算値が電流制御アンプ２３６Ｒに供給される。
【０１２７】
電流制御アンプ２３６Ｒは、この加算値に基づいてモータ電流を生成し、例えば２００Ｗのモータ１０Ｒを駆動する。このモータ１０Ｒの回転位置は、減算器２３０Ｒと共に微分器２３３Ｒに供給される。左車輪３Ｌについても同様であるため、説明を省略する。
【０１２８】
電源管理回路２０６は、例えば２４Ｖのバッテリ２０７と接続されており、制御装置１６に２４Ｖ，１Ａの制御用電源を供給するほか、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌにそれぞれ２４Ｖ，３０Ａのモータ電源を供給する。電源管理回路２０６には、モータドライバ２０３Ｒ，２０３Ｌを介してモータ１０Ｒ，１０Ｌの回生電力が供給され、電源管理回路２０６は、この回生電力を用いてバッテリ２０７を充電する。
【０１２９】
以上説明したように、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ジャイロセンサ１３及び加速度センサ１４を用いてベース４の角度制御を行うモータトルクＴgyrと、圧力センサ１５を用いて負荷荷重トルクを相殺するモータトルクＴ１'とを生成する、左右の車輪３Ｒ，３Ｌで共通な姿勢制御器と、圧力センサ１５を用いて走行制御を行うモータトルクを生成する、左右独立なモータ制御器とを設け、それらが独立した制御を行うため、姿勢安定制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【０１３０】
また、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ベース４上の負荷の重心座標に応じて走行制御を行うが、車輪３の路面との接地面のＸ座標範囲、Ｙ座標範囲に停止領域（不感帯）を設けているため、搭乗者の意図しない僅かな重心移動によって機体が前進・後退・旋回することを防止することができる。
【０１３１】
さらに、本願発明者が先に提案した同軸二輪車１では、ヨー軸回りの角速度ωyawを検出するジャイロセンサ１３により実際の走行方向、旋回速度を検出し、左右のモータ１０Ｒ，１０Ｌの回転速度を独立に制御することで、目標方向（旋回速度）と走行方向（旋回速度）とのずれを解消することができる。
このような同軸二輪車による走行装置を、本願出願人は先に提案した。
【０１３２】
ところで、上述の走行装置のように搭乗者の姿勢により前進・後進する制御方法では、進行方向に障害物がある場合には、人が姿勢を変化させて障害物を回避することになる。しかしながら不意な事象の発生に対して、人の反応には応答に遅れが生じる恐れがある。このため不意なる障害物があった場合に、人の反応が応答しきれないことにより生じる問題を解決するために、前もって種々の手立てを講じる必要があった。
【０１３３】
一方、このように人の姿勢によるバランスの制御では、例えば凹凸路面や坂道で走行するときに障害物がある場合、この障害物を回避するには高速に人が姿勢を調整するなどの高度なスキルが要求されていた。さらに従来の乗り物は、障害物を回避するため足元を見ながら走行する必要があり、高速になると視線は遠い視野範囲となるため足元の障害物に応答することが困難であった。
【０１３４】
また、従来の車両で複数の台数で走行するとき、相互に衝突を回避しようとすると搭乗者は全方位に注意を払う必要が生じ、搭乗者は操縦姿勢の運動を常に行う必要があった。さらに、従来の発明では、旋回は操作レバーと体重移動による走行であるため、走行方向が逆になると旋回方向感覚が逆になり、意図と反する方向に旋回する問題があり、特に狭い路地などの走行を容易に行うことができない問題があった。
【０１３５】
この発明はこのような問題点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、走行中の障害物の回避や、狭い路地等での走行が良好に行われるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０１３６】
このため本発明においては、距離センサを用いて障害物を検出し、距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定により障害物の衝突を回避するようにしたものであって、これによれば、走行中の障害物の回避や、狭い路地等での走行も良好に行うことができる。
【発明の効果】
【０１３７】
請求項１の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速が行われ、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、筐体の前後または左右に距離センサを実装し、距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定により障害物の衝突を回避する制御手段を有することにより、障害物の回避を良好に行うことができるものである。
【０１３８】
また、請求項２の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。
【０１３９】
請求項３の発明によれば、距離センサを筐体の4隅または全周囲に実装し、周囲の障害物の距離を測定することによって、前後の障害物の回避や、狭い路地等での走行も良好に行うことができるものである。
【０１４０】
請求項４の発明によれば、距離センサにより筐体の走行方向に障害物が検出されたときは、重心位置が速度を停止する方向となるように筐体に傾斜を与える設定で、複数の車輪の回転数を制御することによって、搭乗者の運動が良好に制御され、安定した制動を行うことができるものである。
【０１４１】
請求項５の発明によれば筐体に、複数の車輪の側面の障害物の距離を検出する手段を設けることによって、特に狭い路地等でも良好な走行を行うことができるものである。
【０１４２】
請求項６の発明によれば、複数の車輪の側面に障害物が検出されたときは、旋回を行う設定により複数の車輪の回転数を制御することによって、特に狭い路地等での安定な走行を可能にすることができるものである。
【０１４３】
請求項７の発明によれば、車輪のホイールの所定部に開口を設け、車輪の回転に同期したタイミングで複数の車輪の側面の障害物の距離を検出することによって、側面方向の障害物の検出を良好に行うことができるものである。
【０１４４】
さらに請求項８の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速を行い、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、筐体の前後または左右に距離センサが実装され、距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定をして障害物の衝突を回避することにより、障害物の回避を良好に行うことができるものである。
【０１４５】
また、請求項９の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。
【０１４６】
請求項１０の発明によれば、距離センサが筐体の4隅または全周囲に実装され、周囲の障害物の距離を測定することによって、前後の障害物の回避や、狭い路地等での走行も良好に行うことができるものである。
【０１４７】
請求項１１の発明によれば、距離センサにより筐体の走行方向に障害物が検出されたときは、重心位置が速度を停止する方向となるように筐体に傾斜を与える設定で、複数の車輪の回転数を制御することによって、搭乗者の運動が良好に制御され、安定した制動を行うことができるものである。
【０１４８】
請求項１２の発明によれば、複数の車輪の側面の障害物の距離を検出する手段を有することによって、特に狭い路地等でも良好な走行を行うことができるものである。
【０１４９】
請求項１３の発明によれば、複数の車輪の側面に障害物が検出されたときは、旋回を行う設定により複数の車輪の回転数を制御することによって、特に狭い路地等での安定な走行を可能にすることができるものである。
【０１５０】
請求項１４の発明によれば、車輪のホイールの所定部に開口を設け、車輪の回転に同期したタイミングで複数の車輪の側面の障害物の距離を検出することによって、側面方向の障害物の検出を良好に行うことができるものである。
【０１５１】
これによって、本発明では、走行方向に障害物が検出されると本体の姿勢を変化させることにより、搭乗者の姿勢を変化させて搭乗者が走行方向の速度を落として障害物との衝突を回避することになる。従って、搭乗者は足元に注意を払わずとも遠方を見ながら安全に走行をすることができるようになる。
【０１５２】
さらには、複数台で隣接して走行するような場合にも、相互の距離を検出して衝突を回避することが可能になる。従って、このように多数が近傍で走行するときに搭乗者は衝突回避の姿勢調整の煩わしさを無くすことができるようになる。
【０１５３】
こうして、本発明によれば、長時間の走行をしても衝突回避等の制御を人のスキルによらずに行うことにより、疲労せずに長時間の走行をすることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１５４】
以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１には、本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す。
【０１５５】
すなわち図1に示すように、本発明による走行装置は、独立した車輪構造（車輪は２輪でも３輪以上でもよい）で、テーブルにジャイロセンサ、加速度センサを組込んだ機構による姿勢の制御により走行する車両本体を有し、この本体に実装した距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４ｓにより、障害物との距離Ｌｄを測定し、距離Ｌｄと走行速度の大きさにより本体の姿勢を変化させることにより搭乗者の姿勢を変えて、走行速度を落として障害物との衝突を回避する。さらに、図２には旋回レバー３１０の具体例を示し、図３には平衡に配置された２輪で走行する搬送車の具体構造を示す。
【０１５６】
また、図４には装置の機構構成図を示す。ここで、各距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４ｓの出力が距離計測器３２０に供給され、この計測器３２０で計測された距離Ｌｄ、Ｌｄｓと、旋回レバー３１０からのレバー角度の信号が中央制御装置３３０に供給される。そして中央制御装置３３０では、ジャイロセンサ、加速度センサ等の姿勢センサ回路３４０の出力信号と共に演算によりモータ駆動制御信号が形成される。この駆動信号がモータ制御装置３５１、３５２に供給されてモータ３６１、３６２が駆動され、これらの駆動力が減速機３７１、３７２を介してタイヤ３８１、３８２に伝達される。
【０１５７】
また、モータ３６１、３６２には二次電池電源回路３９０からの電源電圧が供給されると共に、これらのモータ３６１、３６２で発生される回生電力が回生コンデンサ３９１に蓄えられる。
【０１５８】
さらに、図５には制御システム構成図を示す。この図５においても、各距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４ｓで計測された距離Ｌｄ、Ｌｄｓと、旋回レバー３１０からのレバー角度の信号と、ジャイロセンサ、加速度センサ等の姿勢センサ回路３４０の出力信号が中央制御装置３３０に供給されて、モータ駆動制御信号が形成され、モータ制御装置３５１、３５２を通じてモータ３６１、３６２に供給される。また、モータ３６１、３６２には二次電池電源回路３９０からの電源電圧が供給されると共に、これらのモータ３６１、３６２で発生される回生電力が回生コンデンサ３９１に蓄えられる。
【０１５９】
従って上述の構成を用いることによって、解決しようとする課題の欄で述べた姿勢制御の処理と共に、本発明の障害物を検出したときの処理を実現することができる。そこで、図６には、一輪車の制御構造を示す。この構造図の概略は上述の図３７と同等であるが、この図６では、さらに距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４ｓと、ブレーキ姿勢指令発生器４００が追加されたものである。そして、距離センサ３０１〜３０４、３０１ｓ〜３０４Ｓで得られた障害物の情報に基づいてテーブル姿勢指令が姿勢制御装置４０に供給されることによって、制動を行う姿勢制御が実施される。
【０１６０】
さらに図７には、上述の中央制御装置３３０における走行方向の障害物の制動制御システムブロックの内部構成を示す。図７において、距離センサ３０１〜３０４は、例えば超音波距離センサで構成される。ここでは送信機３０５、３０６から送信された超音波が障害物で反射され、それぞれ距離センサ３０１〜３０４に対応する受信機で受信される。さらにこれらの受信信号が距離計測器３２０に供給されることによって、距離センサ３０１〜３０４と障害物との距離Ｌｄ１〜Ｌｄ４が測定される。そしてこれらの測定値がブレーキ姿勢指令発生器３３１に供給される。
【０１６１】
また、旋回レバー３１０に対応するポテンショメータから旋回速度指令が旋回指令発生器３３２に供給される。さらに加速度センサ、ジャイロセンサなどの姿勢センサ回路３４０からのセンサ信号が信号前処理回路３３３に供給され、デジタルフィルタ処理やオフセット調整、姿勢位置算出などが行われる。そしてこれらの処理により算出された旋回角速度が旋回指令発生器３３２に供給され、上述の旋回速度指令と共に演算されて位相指令が算出される。この位相指令がモータトルク指令発生器３３４に供給され、算出された回転トルク指令が、モータ制御装置３５１、３５２となるトルク制御ドライバに供給される。
【０１６２】
これらのトルク制御ドライバ（モータ制御装置３５１、３５２）からの信号がモータ３６１、３６２に供給されて、所定の走行を行うための駆動が行われる。さらに、これらのモータ３６１、３６２の回転角度が磁気センサ４１１、４１２で検出され、これらの検出信号が走行速度算出器３３５に供給される。そしてこの走行速度算出器３３５では、信号前処理回路３３３からのピッチ角速度信号と共に走行速度の算出が行われ、算出された走行速度信号がブレーキ姿勢指令発生器３３１に供給される。これによりブレーキ姿勢指令発生器３３１では、姿勢指令信号が形成される。
【０１６３】
さらに、この姿勢指令信号が加算器３３６に供給され、信号前処理回路３３３からのテーブル角度信号が減算される。これにより姿勢角度偏差信号が算出され、この姿勢角度偏差信号が姿勢制御器３３７に供給されて姿勢制御トルク指令信号に変換される。そして、この姿勢制御トルク指令信号がモータトルク指令発生器３３４に供給されることによって、走行速度に応じた所定のテーブル角度となるように、トルク制御ドライバ（モータ制御装置３５１、３５２）を通じてモータ３６１、３６２の駆動が制御される。
【０１６４】
そしてこの装置において、ブレーキ制動を行うための傾き角の制御は以下のようにして行われる。すなわち、一定速度で走行しているとき、ブレーキ作用により速度を減速するには慣性力の作用力に応じてテーブル角度を、例えば上述の図３６のような関係となるよう制御することにより、人は急停止による加速度による慣性力を路面に伝えてバランスを保ち姿勢を維持できる。これがブレーキ制動の原理である。
【０１６５】
そこで、人がブレーキ制動するときには下式を満足するようテーブル角度を制御すればよい。この場合に、傾き角θ0と人の質量ｍｈ、人の重量Ｗｈ、加速度Ａｘとするとき関係は下式となる。ここで重力加速度をｇとし、タイヤは路面に対し滑らないこととする。
ｔan(θ0)＝ｍｈ×Ax／Wh＝Ａｘ／ｇ
【０１６６】
つまり加速度Ａｘが検出されればテーブル角度θ0は定まる。ここで装置に実装される加速度センサから加速度Ａｘが計測されるのでΘ0は式により算出される。さらに、加速度Ａｘは車軸中心に実装された加速度センサにより検出された信号Ａ0から傾きθ0からＸ方向の成分となる。
Ａｘ＝Ａ０×ＣＯＳ（θ0）
【０１６７】
従って、ブレーキは距離センサにより本体と障害物間が一定の距離以下になると、上式により傾きθ0の指令を発生して、搭乗者を障害物に衝突しないよう図３５のようにテーブルを傾けて搭乗車の身体の姿勢を制動姿勢にして走行速度を減衰していく。なお、二輪車両の場合、各車輪のテーブルの姿勢センサは共通となる。上記モデルでタイヤに連結したモータ制御は各車輪で独立した制御装置により制御される。
【０１６８】
そこで、さらに障害物と本体間の距離センサ信号によるブレーキ制御方法について説明する。すなわち図７の構成において、走行中に前方に障害物が距離Ld(Ld1,Ld2,Ld3,Ld4)を検出したとき、車両が衝突を回避するために姿勢制御を下式より制御して搭乗者を安全に停止する。ここで走行状態は、本体の車輪に実装しているモータの回転角度センサ信号θｒと本体のジャイロセンサのピッチ角速度ωｐから本体の走行方向と走行速度Ｖ0［m/sec］が検出される。
【０１６９】
一方、回転センサ信号θｒ［rad］、ピッチ角速度ωｐ［rad/sec]、1秒間に変化する回転センサ信号θｍ［rad］の変化量をΔθｒ［rad/sec］と検出されるとき、タイヤ半径Ｒｔ[m]での走行速度Ｖ0［m/sec］は
Ｖ0  ＝２π×Ｒｔ×（Δθｒ  −  ωｐ）  ［m/sec］           （１０１）
で算出される。こうして算出された走行速度Ｖ0に応じて障害物との距離Ldから姿勢角度を変化させて本体を静止する。具体的には下式により制御することができる。
【０１７０】
すなわち前進走行している状態：Ｖ0＞０であるときは、障害物が距離Ldの前方にある場合、本体前方が上側に傾くように指令を発生する。すると人は後方に姿勢変化させられるため図３６のＺＭＰの原理により車両の走行速度と反対の回転モーメント力が作用し車両を停止することができる。
【０１７１】
すなわち走行速度Ｖ0と前方の障害物との距離Ldfと本体のテーブル傾き角度指令θrefは下式の関係となる。
Θref  ＝  （Ｖ0／Ldf）×  Kb         ：Kbは正の定数       （１０２）
このときLdf＝（Ld1＋Ld2）／2またはLd1,Ld2の小さいほうの値で、Ldfがある一定値以下になるとき、Lfdは一定値Ld0として式（１０２）を演算する。
【０１７２】
また、後進走行している状態：Ｖ0＜０であるときは、障害物が距離Ldの後方にある場合、本体前方が下側に傾くように指令を発生する。すると人は前方に姿勢変化させられるため図３６のＺＭＰの原理により車両の走行速度と反対の回転モーメント力が作用し車両を停止することができる。
【０１７３】
すなわち走行速度Ｖ0と後方の障害物との距離Ldfと本体のテーブル傾き角度指令θrefは下式の関係となる。
Θref  ＝  （Ｖ0／Ldr）×  Kb         ：Kbは正の定数       （１０３）
このときLdr＝（Ld3＋Ld4）／2またはLd3,Ld4の小さいほうの値で、Ldrがある一定値以下になるとき、Lfrは一定値Ld0として式（１０３）を演算する。
【０１７４】
さらに静止している状態：Ｖ0＝０であるときは、障害物が距離Ldで前方または後方にある場合、本体の姿勢に変化はない。すなわちＶ0＝０より
Θref  ＝  ０                                （１０４）
となる。以上のようにして、障害物と本体間の距離センサ信号によるブレーキ制御を行うことができる。
【０１７５】
さらに、図８には障害物検出回路の構成を示す。この図８において、距離計測器３２０内には距離測定回路３２１が設けられ、この距離測定回路３２１で発生されるパルス信号がパルス送信回路３２２を通じて送信機３０５に供給され、例えば４０ｋＨｚの超音波が送信される。そして前方障害物５００で反射された超音波が受信機３０１、３０２で受信され、受信信号がパルス受信回路３２３、３２４でパルス信号に変換されて距離測定回路３２１に供給される。
【０１７６】
これにより、距離測定回路３２１では、音波の反射する時間T1,T2[sec]を計測して下式演算により距離Ld1,Ld2[m]を算出される。
Ld1=√((T1×As)2−Ls2)    [m]         （１０５）
Ld2=√((T2×As) 2−Ls2)    [m]          （１０６）
【０１７７】
ここで、20℃での音波の速度は  331.5＋(0.6×20)＝143.5  [m/SEC]であるので上式の係数Asの値は
As=143.5/ 2=71.75  [m/SEC]
となる。
【０１７８】
このようにして、式（１０５）、（１０６）により、距離Ld1、Ld2を計測することができる。同様に、後方のセンサの距離センサからの算出された距離をLd3,Ld4も算出される。
Ld3=√((T3×As)2−Ls2)    [m]         （１０７）
Ld4=√((T4×As) 2−Ls2)    [m]          （１０８）
【０１７９】
そして、これらの四箇所の距離（Ld1,Ld2,Ld3,Ld4）を
Ld＝（Ld1,Ld2,Ld3,Ld4）
とする。
【０１８０】
また、図９には前方及び後方の両方に障害物が存在する場合を示す。ここで、前方後方に共に障害物があるときは、旋回して距離Ld（Ld1,Ld2,Ld3,Ld4）が最も大きい旋回位置になるよう制御される。このように配置することにより、前方と後方の障害物を広いエリアで検出することができるようになる。また距離Ld1とLd2に差が有る場合、障害物から遠のく方法に旋回することにより衝突を回避することもできる。
【０１８１】
同様に、後方の距離Ld2とLd3に差が有る場合、障害物から遠のく方法に旋回することにより衝突を回避することもできる。ここで距離Ld1とLd2またはLs3とLs４の検出信号により、旋回して前方障害物５００及び後方障害物５０１を回避するには、例えば図７において、距離計測器３２０からの信号を旋回指令発生器３３２に供給し、後述する側面の距離信号Lds1、Lds2、Lds3、Lds4と同等に扱うことにより実現することができる。
【０１８２】
そこで図１０にはタイヤ側面の障害物検出器の実装図を示す。この図１０において、モータ回転角度をエンコーダから検出できるので、モータの回転角度からホイールの中空穴３６ａ〜３６ｈの位置とセンサの位置関係が算出される。あるいはホイールの穴を検出する近接センサ３７を本体に取り付けてホイール穴位置を検出してもよい。
【０１８３】
こうして検出されたホイール穴位置から、図１１に示すように送信信号と受信信号の送信・受信タイミングを、穴位置に同期して送信・受信することにより、回転中でもタイヤ側面にある障害物の距離がホイールに干渉することなく測定できる。なお、図１０では中空穴がホイールに8個の場合であるが、送信器Rs(Ls)と受信器1s(3),2s(4s)の３箇所の中空穴がある構造でもよい。
【０１８４】
さらに図１２には、中空穴の角度θｈが送信器と受信器の位置にあるときに送信器から超音波を送信し、受信器で受信することによりホイールに干渉することなくホイール側の障害物の距離を時刻Ts1(3),Ts2(4)で測定するタイミングを示す。こうしてホイールが回転しているときもホイール回転角θｈに同期して超音波を送受信することにより障害物を走行中に測定することができる。なお、図１１において（）内の数値は左側のタイヤの信号を意味する。
【０１８５】
こうして、例えば図１３に示すような回路構成を用いて、タイヤ側面の障害物の距離Ldsを検出して旋回指令を調整するよう制御すると、図１４に示すように側面の障害物を回避して走行することができる。なお、図１３の回路構成は、図７の回路構成において、側面の距離センサからの障害物との距離信号を旋回指令発生器３３２に供給しているものであり、上述のブレーキ制御の場合と同様に障害物までの距離の検出と、回避の制御が行われる。
【０１８６】
そしてこの場合に、タイヤ側面の障害物の回避する制御方法は以下のようになる。ここで、タイヤ側面の障害物の距離Ldsを検出し側面の障害物を図１４のように回避して走行するには、図１３にあるように旋回指令REFyawを調整する旋回指令発生器により旋回量を調整する。以下に旋回指令発生器の詳細を説明する。
【０１８７】
すなわち、タイヤ側面の障害物の距離Ldsは式（１０５）、（１０６）で説明したように送信器Rs、Lsと受信器1s、2s、3s、4sの距離Lssと送信パルス信号と受信パルス信号の反射時間Tsから式（１０５）、（１０６）により同様にLdsは算出される。受信器1s、2sは右側タイヤ、受信器3s、4sは左側タイヤの受信器、送信器Rsは右側、送信器Lsは左側に実装する。
【０１８８】
ここで受信器1s、2s、3s、4sの検出信号を（Ts1,Ts2,Ts3,Ts4）、それぞれの障害物との距離（Lds1,Lds2,Lds3,Lds4）を以下に定義する。
Lds＝（Lds1,Lds2,Lds3,Lds4）
Ts＝（Ts1,Ts2,Ts3,Ts4）
【０１８９】
従って右タイヤの距離センサ信号（Ts1,Ts2）であるとき、その障害物との距離（Lds1,Lds2）は下式となる。
Lds1=√((Ts1×As) 2−Lss2)    [m]              （１０９）
Lds2=√((Ts2×As)2−Lss2)    [m]        （１１０）
【０１９０】
同様にして左タイヤ側の距離センサ信号（Ts3,Ts4）であるとき、その障害物との距離（Lds3,Lds4）は下式となる。
Lds3=√((Ts3×As)2−Lss2)    [m]        （１１１）
Lds4=√((Ts4×As)2−Lss2)    [m]        （１１２）
【０１９１】
こうしてタイヤ側面の障害物との距離Ldsから図１３旋回指令発生器により本体の旋回量を調整して図１４のように側面の障害物を回避して走行する。なお、図１３の旋回指令発生器３３２は、搭乗者からの旋回レバー３１０を通じた旋回速度指令REFyawと、左右タイヤ側面の障害物距離Lds（Lds1,Lds2,Lds3,Lds4）信号から関数fyaw(REFyaw,Lds)により本体旋回速度指令ωrefyawを算出する演算器であり、この演算器のωrefyawは後述する式により算出される。
【０１９２】
以下の説明で、 (Lds1,Lds2)min、(Lds3,Lds4)minは括弧内の数値で最も小さい値、Ldsf0は側面障害物回避距離の指定値と定義する。また、係数K0,K1,K2,G1,C0は正の定数とする。そして、(Lds1,Lds2)min ＜(Lds3,Lds4)min、かつ (Lds1,Lds2)min＜Ldsf0であるとき：右タイヤ側に障害物を検出した場合、図１５に示すように左旋回指令を与える。なお、Ldsf0は許容された障害物との距離の値である。このとき障害物との距離（Lds1,Lds2）により旋回指令ωrefyawを調整する。
Lω0 = Lds2 ‐ Lds1                                                （１１３）
Lω1 = Ldsf0−（Lds2 ,Lds1）min                             （１１４）
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)＝REFyaw＋Lω0×Ｋ0＋Lω1×Ｋ1             （１１５）
【０１９３】
また、 (Lds1,Lds2)min＞(Lds3,Lds4)minかつ(Lds3,Lds4)min＜Ldsf0であるとき：左タイヤ側に障害物を検出した場合、右旋回指令を与える。すなわち上式(１１５）と同様に障害物との距離（Lds3,Lds4）により旋回指令ωrefyawを調整する。
Lω0 = −(Lds4 ‐ Lds3)                                     （１１６）
Lω1 = −（Ldsf0  −（Lds4 ,Lds3）min）                     （１１７）
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)＝REFyaw＋Lω0×Ｋ0＋Lω1×Ｋ1             （１１８）
【０１９４】
さらに、(Lds1,Lds2)min＝(Lds3,Lds4)minかつ（Lds1,Lds2,Lds3,Lds4）min＜Ldsf0であるとき：左右タイヤ側に障害物がある場合、障害物回避する旋回指令を与える。
また、図１７に示すように、Lds1＝ (Lds1,Lds2)minかつLds3＝(Lds3,Lds4)min、またはLds2＝(Lds1,Lds2)minかつLds4＝(Lds3,Lds4)minであるときは、
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)  ＝  0                       （１１９）
とする。
【０１９５】
あるいは図１６に示すように、Lds1＝(Lds1,Lds2)minかつLds4= (Lds3,Lds4)minであるとき：右前方と左後方に障害物がある場合、左旋回指令を与える。
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)＝REFyaw＋Ｋ2／（Lds1＋C0）    （１２０）
また、Lds2＝(Lds1,Lds2)minかつLds3＝(Lds3,Lds4)minであるとき：左前方と右後方に障害物がある場合、右旋回指令を与える。
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)＝REFyaw−Ｋ2／（Lds3＋C0）      （１２１）
さらに上記の以外のとき
ωrefyaw＝fyaw(REFyaw,Lds)  ＝  REFyaw                         （１２２）
【０１９６】
こうして求めた旋回速度指令ωrefyawにより、左右のタイヤ位相指令Prefxを式（１２３）で算出し、図１３に示すように、左右のモータトルク指令（Tref1(ｔ),Tref2(ｔ)）をモータに与え旋回させる。
Prefx  =  (ωrefyaw-ωyaw)×G1                                 （１２３）
このようにして側面にある障害物に対し、本体を旋回させ追突を図１４から図１７に示すように回避することができる。
【０１９７】
さらに以下には、上記の処理動作についてフローチャートを用いて説明する。すなわち図１８には電源投入時の中央処理装置のフローチャートを示す。このフローチャートはいわゆるメインルーチンであって、動作がスタートされるとステップＳ１でイニシャライズが行われ、ステップＳ２でサーボゲイン設定が行われ、ステップＳ３でタイマ割り込み許可が行われる。そしてステップＳ４でインジケータの表示が行われて、以後はこのステップＳ４が繰り返されている。
【０１９８】
次に、図１９には姿勢センサ回路のフローチャートを示す。このフローチャートはタイマ割り込みルーチンであって、姿勢センサ回路にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ１１でジャイロセンサの角速度信号がＡＤ変換され、重力加速度センサ信号がＡＤ変換される。そしてステップＳ１２で中央制御装置へセンサデータＳＩＯが送信される。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０１９９】
さらに、図２０には姿勢センサの信号前処理のフローチャートを示す。このフローチャートはタイマ割り込みルーチンであって、信号前処理回路にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ２１で姿勢センサ回路からのセンサデータＳＩＯが受信され、ステップＳ２２で角速度、加速度データのデジタルフィルタ演算が行われる。さらにステップＳ２３で姿勢センサデータから車体角度と角速度が算出され、ステップＳ２４で算出された値がメモリに書き込まれる。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０２００】
また、図２１には走行速度検出器のフローチャートを示す。このフローチャートはタイマ割り込みルーチンであって、走行速度検出器にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ３１でモータトルク制御ドライバからの回転角度位置データと、センサデータＳＩＯが受信され、ステップＳ３２で姿勢センサ回路からピッチ軸角速度が読み込まれる。さらにステップＳ３３で走行速度Ｖ０が算出され、ステップＳ３４で算出された値がメモリに書き込まれる。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０２０１】
さらに、図２２には距離センサ回路のフローチャートを示す。このフローチャートはタイマ割り込みルーチンであって、距離センサ回路にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ４０で車体前後発信器から超音波パルス信号が発振される。そしてステップＳ４１で車両前後受信器での信号受信時間の計測が行われる。さらにステップＳ４２で車両前後障害物の距離が算出され、ステップＳ４３で算出された値がメモリに書き込まれる。
【０２０２】
また、ステップＳ４４で中央制御装置からタイヤホイール角度が入力され、ステップＳ４５で発信器がホイール穴位置にあるか否か判断される。ここでホイール穴位置でないとき（ＮＯ）はメインルーチンへリターンされる。
【０２０３】
これに対してステップＳ４５で発信器がホイール穴位置であるとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ４５でタイヤサイド発信器から超音波パルス信号が発振される。そしてステップＳ４６でタイヤサイド受信器での信号受信時間の計測が行われる。さらにステップＳ４７でタイヤサイド障害物の距離が算出され、ステップＳ４８で算出された値がメモリに書き込まれる。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０２０４】
さらに図２３には、旋回指令発生器の障害物回避走行運転指令発生のフローチャートを示す。このフローチャートもタイマ割り込みルーチンであって、旋回指令発生器にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ５０で旋回レバー回路から旋回速度指令が読み込まれる。またステップＳ５１でメモリから車両角速度が読み込まれる。さらにステップＳ５２で距離センサ回路から障害物距離データが受信される。
【０２０５】
そして、ステップＳ５３で前方障害物距離判定での距離(Ld1,Ld2)が危険距離以下になったか否かが判断され、以下のとき（ＹＥＳ）はさらにステップＳ５４で後方障害物距離判定での距離(Ld3,Ld4)が危険距離以下になったか否かが判断される。そして、ここでも以下のとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ５５で側面障害物距離判定での距離(Lds1,Lds2,Lds3,Lds4)が危険距離以下になったか否かが判断され、ここで以下でないとき（ＮＯ）はステップＳ５６で操作レバーによる旋回指令が採用される。
【０２０６】
さらにステップＳ５７でブレーキ姿勢指令発生器での前後障害物を回避する指令が生成され、車体速度に応じて車体傾き指令が変化される。また、ステップＳ５４で後方障害物距離判定での距離(Ld3,Ld4)が危険距離以下になっていないとき（ＮＯ）と、ステップＳ５５で側面障害物距離判定での距離(Lds1,Lds2,Lds3,Lds4)が危険距離以下になったとき（ＹＥＳ）は、直接ステップＳ５７でブレーキ姿勢指令発生器での前後障害物を回避する指令が生成され、車体速度に応じて車体傾き指令が変化される。
【０２０７】
また、ステップＳ５３で前方障害物距離判定での距離(Ld1,Ld2)が危険距離以下になっていないとき（ＮＯ）は、ステップＳ５８で後方障害物距離判定での距離(Ld3,Ld4)が危険距離以下になったか否かが判断される。そして以下になっているとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ５７でブレーキ姿勢指令発生器での前後障害物を回避する指令が生成され、車体速度に応じて車体傾き指令が変化される。
【０２０８】
これに対して、ステップＳ５８で後方障害物距離判定での距離(Ld3,Ld4)が危険距離以下になっていないとき（ＮＯ）は、さらにステップＳ５９で側面障害物距離判定での距離(Lds1,Lds2,Lds3,Lds4)が危険距離以下になったか否かが判断され、このステップＳ５９で以下になっているとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ６０でタイヤ側面障害物回避旋回指令が演算される。また、ステップＳ５９で危険距離以下になっていないとき（ＮＯ）は、ステップＳ６１で操作レバーによる旋回指令が採用される。
【０２０９】
さらにステップＳ５７、Ｓ６０、Ｓ６１の処理が終了した後は、ステップＳ６２で位相指令及び姿勢指令の値がメモリに書き込まれてメインルーチンへリターンされる。このようにして、旋回指令発生器での障害物回避走行運転指令の発生が行われる。
【０２１０】
また、図２４には姿勢制御のフローチャートを示す。このフローチャートもタイマ割り込みルーチンであって、姿勢制御にタイマ割り込みが入ると、ステップＳ７１でメモリから車両角度、位相指令、姿勢指令の値が読み込まれる。そしてステップＳ７２で姿勢角度偏差が算出され、ステップＳ７３で姿勢制御器での姿勢制御トルク指令の算出が行われる。さらにステップＳ７４でモータトルク指令の算出が行われ、ステップＳ７５でトルク制御ドライバへトルク指令が送信される。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０２１１】
さらに、図２５にはトルク制御ドライバのフローチャートを示す。このフローチャートもタイマ割り込みルーチンであって、トルク制御ドライバにタイマ割り込みが入ると、ステップＳ８１で中央制御装置からトルク指令が受信される。そしてステップＳ８２でモータ電流変換が行われ、ステップＳ８３でモータ３６１、３６２の駆動電流が制御される。さらにステップＳ８４でモータ磁気センサによるモータ回転角度位置が検出され、ステップＳ８５で中央制御装置へモータ回転角度位置が送信される。これらの処理が終るとメインルーチンへリターンされる。
【０２１２】
こうして上述の走行装置によれば、複数の車輪を独立に駆動する手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置であって、重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速が行われ、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行が行われると共に、筐体の前後または左右に距離センサを実装し、距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定により障害物の衝突を回避する制御手段を有することにより、障害物の回避を良好に行うことができる。
【０２１３】
また、上述の走行装置の制御方法によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って複数の車輪の回転数をそれぞれ設定して走行を行う走行装置の制御方法であって、重心位置の前後の移動に応じて走行の加減速を行い、重心位置の左右の移動に応じて旋回走行を行うと共に、筐体の前後または左右に距離センサが実装され、距離センサからの距離信号によりブレーキ制動または旋回を行う設定をして障害物の衝突を回避することにより、障害物の回避を良好に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１４】
なお、本発明は、重力中心が車輪の軸以下にある自律走行する車両で、姿勢センサ信号をフィードバックする姿勢制御装置により機体を安定に自律する車両に人が搭乗して体重の重心を変化させて車両を前進、後進、旋回する装置、また二足自律ロボットの装置で、ブレーキやアクセルの機構を持たない移動車両、またはロボットにも適応される。さらに本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱することなく種々の変形が可能とされるものである。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
【図１】本発明による走行装置及びその制御方法を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成図である。
【図２】旋回レバー３１０の具体例の構成図である。
【図３】平衡に配置された２輪で走行する搬送車の具体構造を示す構成図である。
【図４】本発明による走行装置の機構構成図である。
【図５】本発明による走行装置の制御システム構成図である。
【図６】一輪車の制御構造を示す構成図である。
【図７】中央制御装置の制動制御システムブロック図である。
【図８】障害物検出回路の構成を示す構成図である。
【図９】前方及び後方の両方に障害物が存在する場合を示す構成図である。
【図１０】タイヤ側面の障害物検出器の実装図である。
【図１１】送信信号と受信信号の送信・受信タイミングを示す図である。
【図１２】送信信号と受信信号の送信・受信タイミングを示す図である。
【図１３】タイヤ側面の障害物を検出して旋回指令を調整する回路の構成図である。
【図１４】回避走行の様子を示す線図である。
【図１５】左旋回指令を与える様子を示す線図である。
【図１６】右前方と左後方に障害物がある場合に左旋回指令を与える様子を示す線図である。
【図１７】左右タイヤ側に障害物がある場合に障害物回避する旋回指令を与える様子を示す線図である。
【図１８】電源投入時の中央処理装置のフローチャート図である。
【図１９】姿勢センサ回路のフローチャート図である。
【図２０】姿勢センサの信号前処理のフローチャート図である。
【図２１】走行速度検出器のフローチャート図である。
【図２２】距離センサ回路のフローチャート図である。
【図２３】障害物回避走行運転指令発生のフローチャート図である。
【図２４】姿勢制御のフローチャート図である。
【図２５】トルク制御ドライバのフローチャート図である。
【図２６】本願発明者が先に提案した同軸二輪車の実施形態を示す外観斜視図である。
【図２７】同軸二輪車のベースを説明するための側断面図である。
【図２８】同軸二輪車のべースに設けられた圧力センサを示す図であり、同図（Ａ）は平面図を示し、同図（Ｂ）は側面図を示す。
【図２９】同軸二輪車の重量中心と車輪軸との位置関係を示す図である。
【図３０】負荷荷重トルクとモータトルクとのつり合いを説明する図である。
【図３１】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図３２】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３３】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３４】ベース上で姿勢を保つための力学モデルを説明する図である。
【図３５】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図３６】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図３７】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示す図である。
【図３８】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図３９】車輪が１つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図４０】図３９に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図４１】図４０に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図４２】車輪が２つである場合における姿勢安定制御及び走行制御のための制御機構を示すブロック図である。
【図４３】前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図４４】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図４５】直進する際にヨー軸回りのジャイロセンサ信号が検出される場合の制御方法を説明する図である。
【図４６】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図４７】同軸二輪車１における各回路の全体構成を説明する図である。
【図４８】図４７に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。
【符号の説明】
【０２１６】
３０１〜３０４，３０１ｓ〜３０４ｓ…距離センサ、３１０…旋回レバー、３２０…距離計測器、３３０…中央制御装置、３４０…姿勢センサ回路、３５１，３５２…モータ制御装置、３６１，３６２…モータ、３７１，３７２…減速機、３８１，３８２…タイヤ、３９０…二次電池電源回路、３９１…回生コンデンサ
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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