(57)【要約】【課題】角度センサが故障した場合に同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することが可能な同軸二輪車及びその制御方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る同軸二輪車は、同軸上に配置された複数の車輪を備え、倒立制御を実行しながら走行する同軸二輪車であって、複数の車輪を駆動するモータ３２１と、モータ３２１の回転角度を検出する角度センサ４３０と、モータ３２１の駆動電流から当該モータの回転角度を推定する角度推定部６３０と、を備え、角度センサ４３０が故障したときに、角度センサ４３０を用いたモータ駆動制御から、角度推定部６３０からの出力値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、角度センサ４３０の故障時におけるモータ３２１の回転速度に応じたモータ駆動制御を行うものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸上に配置された複数の車輪を備え、倒立制御を実行しながら走行する同軸二輪車であって、
前記複数の車輪を駆動するモータと、
前記モータの回転角度を検出する角度センサと、
前記モータの駆動電流から当該モータの回転角度を推定する角度推定部と、を備え、
前記角度センサが故障したときに、前記角度センサを用いたモータ駆動制御から、前記角度推定部からの出力値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、前記角度センサの故障時における前記モータの回転速度に応じたモータ駆動制御を行う
ことを特徴とする同軸二輪車。
【請求項２】
前記角度センサが故障したときに、当該角度センサの故障時における前記モータの回転速度が所定の規定値以上である場合には、
前記角度推定部からの出力値を用いてモータ駆動制御を継続して行う
ことを特徴とする請求項１に記載の同軸二輪車。
【請求項３】
前記角度センサが故障したときに、当該角度センサの故障時における前記モータの回転速度が所定の規定値より小さい場合には、
前記モータの駆動を停止、又は、固定するようにモータ駆動制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の同軸二輪車。
【請求項４】
前記モータがブラシレスモータである
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の同軸二輪車。
【請求項５】
同軸上に配置された複数の車輪と、当該複数の車輪を駆動するモータと、当該モータの回転角度を検出する角度センサと、を備え、倒立制御を実行しながら走行する同軸二輪車の制御方法であって、
前記角度センサの故障を検出した場合に、前記角度センサを用いたモータ駆動制御を、前記モータの駆動電流から当該モータの回転角度を推定して求める値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、
前記角度センサの故障時における前記モータの回転速度が所定の規定値以上であるか否かを判定し、前記モータの回転速度が所定の規定値以上である場合には、前記推定した求めた値を用いてモータ駆動制御を継続して行う
ことを特徴とする同軸二輪車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は同軸二輪車及びその制御方法に関し、特に、角度センサの故障時に安全な状態へと移行させることができる同軸二輪車及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示すような同軸二輪車が知られている。同軸二輪車は、電動モータで駆動される一対の同軸車輪を備え、人が立位姿勢でステップに搭乗した状態でバランスを保ちながら走行する。このような同軸二輪型の移動ロボットは、倒立状態を維持しながら走行するために、車輪の回転角度を検出する角度センサ（ロータリーエンコーダ等）を用いて、モータの駆動制御が行われる（例えば、特許文献１〜３など）。
【０００３】
同軸二輪車に搭載されるモータは、特に精密な駆動制御が要求される。モータの駆動制御は、モータに設けられた角度センサの信号に基づいて行われる。このため、角度センサが故障した場合には、モータの駆動を停止するなどの処理が行われている。
【０００４】
一方で、角度センサを用いずにモータを駆動制御する方法も存在する。しかし、同軸二輪車に用いるためには駆動の精密さが不足するため、同軸二輪車には通常用いられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６４３５号公報
【特許文献２】特開２００５−９４８５８号公報
【特許文献３】特開２００５−１４５２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１などに記載された従来の同軸二輪車では、モータに設けられた角度センサが故障した場合にモータを停止すると、同軸二輪車の動作において不都合が生じることがある。
【０００７】
例えば、同軸二輪車の走行中において、図７に示すように走行中に角度センサが故障した場合にモータの駆動を停止させると、倒立が維持できなくなる。このため、車両が前方へと倒れこんでしまい、乗員が転倒する恐れがある。
【０００８】
従って、本発明は、上述した課題を解決して、角度センサが故障した場合に同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することが可能な同軸二輪車及びその制御方法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】
【０００９】
本発明に係る同軸二輪車は、同軸上に配置された複数の車輪を備え、倒立制御を実行しながら走行する同軸二輪車であって、前記複数の車輪を駆動するモータと、前記モータの回転角度を検出する角度センサと、前記モータの駆動電流から当該モータの回転角度を推定する角度推定部と、を備え、前記角度センサが故障したときに、前記角度センサを用いたモータ駆動制御から、前記角度推定部からの出力値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、前記角度センサの故障時における前記モータの回転速度に応じたモータ駆動制御を行うものである。
【００１０】
これにより、角度センサが故障した場合においても、同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することができる。
【００１１】
本発明に係る同軸二輪車の制御方法は、同軸上に配置された複数の車輪と、当該複数の車輪を駆動するモータと、当該モータの回転角度を検出する角度センサと、を備え、倒立制御を実行しながら走行する同軸二輪車の制御方法であって、前記角度センサの故障を検出した場合に、前記角度センサを用いたモータ駆動制御を、前記モータの駆動電流から当該モータの回転角度を推定して求める値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、前記角度センサの故障時における前記モータの回転速度が所定の規定値以上であるか否かを判定し、前記モータの回転速度が所定の規定値以上である場合には、前記推定した求めた値を用いてモータ駆動制御を継続して行うものである。
【００１２】
これにより、角度センサが故障した場合においても、同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、角度センサが故障した場合に同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することが可能な同軸二輪車及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る同軸二輪車の制御システムの構成図である。
【図２】実施の形態１に係るモータドライバの構成図である。
【図３】実施の形態１に係る同軸二輪車の制御方法を示すフローチャート図である。
【図４】実施の形態１に係る角度センサが故障した場合における、同軸二輪車の制御動作を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る角度センサが故障した場合における、同軸二輪車の制御動作を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る同軸二輪車の外観構成を示す図である。
【図７】本発明の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る同軸二輪車の外観構成としては、図６に例示したものと同様である。すなわち、図６に示すように、同軸二輪車３００は、車両本体３１０と、左右一対の車輪３２０、３２０と、操作レバー３３０と、を備えている。一対の車輪３２０、３２０は、車両本体３１０の走行方向と直交する方向の両側に配置されており、互いに同軸上に配置されている。また、一対の車輪３２０、３２０は、車両本体３１０に回転自在に支持されている。車輪３２０、３２０は、減速機（不図示）を介してモータに接続されている。
【００１６】
尚、以下の説明では、一対の車輪３２０、３２０の車軸に相当する軸をピッチ軸とし、車両本体３１０の中心を通って同軸二輪車３００の走行方向と平行方向の軸をロール軸として説明する。
【００１７】
車両本体３１０の上面には、搭乗者の足を夫々乗せる２つのステップ部３１１が設けられている。車両本体３１０には、操作レバー３３０が取り付けられている。操作レバー３３０は、ロール軸回転方向へと回転自在になるように、車両本体３１０に取り付けられている。ここでは、操作レバー３３０がピッチ軸回転方向（前後方向）へ傾斜すると同軸二輪車３００の前進又は後退操作が実行され、操作レバー３３０がロール軸回転方向（左右方向）へ傾斜すると、同軸二輪車３００の旋回操作が実行される。
【００１８】
図１は、同軸二輪車の制御システムを示す構成図である。図１に例示するように、同軸二輪車３００は、一対のモータ３２１、３２１と、一対のモータドライバ３２２、３２２と、姿勢センサ４１０と、ハンドルセンサ４２０と、角度センサ４３０、４３０と、制御装置５００と、を備えている。
【００１９】
姿勢センサ４１０は、車両本体３１０に配設されており、同軸二輪車３００の走行時における車両本体３１０のピッチ角度、ピッチ角速度、加速度等を検出する。姿勢センサ４１０は、例えば、ジャイロセンサ、加速度センサ等から構成されている。
【００２０】
操作レバー３３０が前方もしくは後方に傾斜すると、車両本体３１０も操作レバー３３０に連動して同方向へ傾斜する。姿勢センサ４１０は、操作レバー３３０の傾斜に対応した車両本体３１０のピッチ角度やピッチ角速度（姿勢値）を検出する。姿勢センサ４１０からのセンサ信号が制御装置５００に出力される。
【００２１】
ハンドルセンサ４２０は、操作レバー３３０の回動軸に取り付けられている。ハンドルセンサ４２０としては、例えば、ポテンショメータやバリコン構造のセンサ等を適用することができる。ハンドルセンサ４２０は、搭乗者が旋回したい方向へと操作レバー３３０を回動させたときに、その操作量及び操作方向を検出する。操作レバー３３０が操作されると、ハンドルセンサ４２０は、その操作量及び操作方向に応じた操作信号を制御装置５００に出力する。
【００２２】
角度センサ４３０、４３０は、左右のモータ３２１、３２１にそれぞれ配設されており、各モータ３２１、３２１の回転角度（すなわち、車輪３２０、３２０の回転角度）をそれぞれ検出する。角度センサ４３０、４３０は、検出した各車輪３２０、３２０の車輪回転角度を、モータドライバ３２２、３２２に出力する。角度センサ４３０、４３０は、例えば、ロータリーセンサやレゾルバ等を用いることができる。これらセンサは、いずれか１種類のセンサのみを備える構成としても良いし、２種類のセンサを備える構成としてもよい。
【００２３】
一対のモータドライバ３２２、３２２は、車両本体３１０に内蔵されており、左右のモータ３２１、３２１を夫々駆動する。モータ３２１は、ＤＣブラシレスモ−タを用いることができる。尚、モータドライバ３２２、３２２にはバッテリ（不図示）からの電力供給が行われている。モータドライバ３２２、３２２は、供給された電力を電源としてモータ３２１、３２１の駆動電流を生成する。
【００２４】
制御装置５００は、モータドライバ３２２、３２２を介してモータ３２１、３２１を駆動制御する。制御装置５００は、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を有しており、走行制御機能を有する。
【００２５】
制御装置５００は、姿勢センサ４１０によって検出された車両本体３１０のピッチ角度及びピッチ角速度等に基づいて、操作レバー３３０の傾斜方向（前方又は後方）及び対応する走行速度を算出する。そして、制御装置５００は、同軸二輪車３００がバランスを保ちつつ、算出した傾斜方向及び移動速度で同軸二輪車３００が移動するようにモータ駆動を制御する。これにより、同軸二輪車３００は、バランスを保つ倒立制御を実行しつつ所望の走行速度で前進又は後退することができる。また、制御装置５００は、ハンドルセンサ４２０からの操作信号に応じて、一対のモータ３２１、３２１の駆動を制御し、左右の車輪３２０、３２０に回転差を生じさせる。これにより、同軸二輪車３００は、所望の速度で所望の方向へ旋回走行する。
【００２６】
図２は、モータドライバのより詳細な構成を示す図である。図２に例示するように、モータドライバ３２２は、電流制御装置６１０と、インバータ６２０と、角度推定部６３０と、切り替え部６４０と、を備えている。
【００２７】
電流制御装置６１０は制御装置５００からの制御指令値に応じてモ−タ３２１のコイルに流す電流指令値を演算及び作成する。電流制御装置６１０は、角度センサ４３０の検出値又は角度推定部６３０の出力値に基づく検出値を用いて、制御装置５００が出力した制御指令値に対するフィードバック制御を行う。電流制御装置６１０は、角度センサ４３０の検出値からモータ３２１の回転速度を算出し、また、角度推定部６３０の出力値からモータ３２１の回転速度の推定値を計算する。制御装置５００が出力する制御指令値は、例えば、車輪の回転角速度の速度指令値でもよいし、トルク指令値でもよい。
【００２８】
インバータ６２０は、電流制御装置６１０からの電流指令値に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行い、３相に振分けた駆動電流をモータ３２１に供給する。
【００２９】
角度推定部６３０は、角度センサ４３０が故障した場合に、モータ３２１の駆動電流を検出し、検出したモータ３２１の駆動電流波形などに基づいて、モータの回転角度を推定する。具体的には、例えば、角度推定部６３０は、モータ３２１のロータ磁石の回転によりステータコイルに発生する誘起電圧から、ロータの回転位置を検出することができる。モータドライバ３２２でのロータの回転位置を検出するための方法としては、例えば、文献（坂本健二、岡村幸彦、有村直、宮崎博，「充電指揮電動工具用ブラシレスモータのセンサレス制御」，松下電工技報，松下電工株式会社，２００４年１１月，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ４，ｐ．１００−１０４）が知られている。尚、角度推定部６３０による角度推定の方法としてはこれに限定されず、他の公知の技術を用いることができる。
【００３０】
切り替え部６４０は、角度センサ４３０が故障した場合に、角度センサ４３０の検出値を用いた制御動作から、角度推定部６３０の推定値を用いた制御動作へと切り替える。ここでは、切り替え部６４０による機能はソフトウェアにより実現されている。
【００３１】
次に、図３乃至図５を参照して、同軸二輪車の制御動作について説明する。図３は、角度センサが故障した場合を含む、同軸二輪車の制御動作方法を示すフローチャート図である。
【００３２】
まず、通常の走行中に、電流制御装置６１０は、角度センサ４３０の故障判定を行う（Ｓ１０１）。電流制御装置６１０は、角度センサ４３０の出力値に基づいて角度センサ４３０の故障判定を行う。角度センサ４３０の故障判定方法としては様々な方法を採用することができる。例えば、角度センサ４３０の検出値と、姿勢センサ４１０から検出される同軸二輪車の動作状態から把握される基準値とを比較することで、角度センサ４３０の故障を判定することができる。また、角度センサ４３０として異なる種類のセンサを複数搭載して互いの検出値を比較することで故障を判定するものとしてもよいし、同一の種類のセンサを複数搭載して故障を判定してもよい。尚、角度センサの故障判定方法としてはこれに限定されず、他の公知の技術を用いることができる。
【００３３】
次いで、角度センサ４３０の故障を検知した場合（ステップＳ１０１においてＹｅｓの場合）には、電流制御装置６１０は、モータ３２１の回転速度が規定の値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、角度センサ４３０故障時におけるモータ３２１の回転速度の判定は、故障判定の直前の検出タイミングでの検出値を用いて行えばよい。
【００３４】
次いで、モータ３２１の回転速度が規定値以上であった場合（ステップＳ１０２においてＹｅｓの場合）には、電流制御装置６１０は、角度推定部６３０による推定値を用いて、モータ３２１の制御を行う（ステップＳ１０３）。すなわち、電流制御装置６１０は、角度センサ４３０の故障を検知した場合には、切り替え部６４０を動作させることで、角度センサ４３０を用いた制御動作から、角度推定部６３０を用いた制御動作へと切り替える。これにより、電流制御装置６１０は、倒立及び走行制御のための通常の制御指令値と、角度推定部６３０による推定値とに基づいて、モータ３２１の制御を行う。
【００３５】
図４に示すように、本実施の形態１に係る同軸二輪車は、同軸二輪車が高速で走行中の際（すなわち、モータ３２１の回転速度が規定値以上の状況。）に、角度センサ４３０が故障した場合（図４（Ａ））には、角度推定部６３０による推定値を用いてモータ３２１の駆動を継続させる（図４（Ｂ））。そして、同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、減速・降車機能を実行させた後に、モータ３２１の駆動を停止させる（図４（Ｃ））。これにより、角度センサ６３０が故障した場合においても、乗員が安全に降車することができる。
【００３６】
ステップＳ１０２において、モータ３２１の回転速度が規定値よりも小さかった場合（ステップＳ１０２においてＮｏの場合）には、電流制御装置６１０は、モータ３２１の駆動を停止又は固定する（ステップＳ１０４）。電流制御装置６１０は、モータ３２１の駆動を停止する駆動電流、又は、モータ３２１を回転させないような駆動電流を、モータ３２１へと出力する。ここで、モータ３２１を回転させないような駆動電流とは、モータ３２１に供給する電流の相切り替えを行わない電流を意味する。このような駆動電流をモータ３２１へと供給することで、モータ３２１に対して制動を実施する。
【００３７】
図５に示すように、本実施の形態１に係る同軸二輪車は、同軸二輪車が極低速で走行中、又は静止状態（すなわち、モータ３２１の回転速度が規定値より小さい状況。）の際に、角度センサ４３０が故障した場合（図５（Ａ））には、モータ３２１の駆動を停止又は、固定させる（図５（Ｂ））。ここで、同軸二輪車は速度が出ていないために、簡単に降車することができる（図５（Ｃ））。これにより、角度センサ６３０が故障した場合においても、乗員が安全に降車することができる
【００３８】
ステップＳ１０１において、角度センサ４３０の故障を検知しなかった場合（ステップＳ１０１においてＮｏの場合）には、電流制御装置６１０は、角度センサ４３０による検出値を用いてモータ３２１を駆動する（ステップＳ１０５）。すなわち、電流制御装置６１０は、倒立及び走行制御のための通常の制御指令値と、角度センサ４３０による検出値とに基づいて、モータ３２１の制御を行う。
【００３９】
同軸二輪車が倒立制御に用いるモータ３２１は、例えば、同軸二輪車がその場で静止状態となっている際には、正転及び逆転を細かく切り替える制御を行っている。モータ３２１によるこの切り替えを滑らかに実行するためには、角度センサ４３０を用いてモータ３２１の回転角度を高い精度で計測し、その計測値に基づいてモータ３２１の駆動制御を行う必要がある。
【００４０】
これに対して、同軸二輪車が走行中である場合など、モータ３２１がある程度早く回転している状況では、角度センサ４３０の計測値から得る回転角度には高い精度は必要とされず、例えばモータ３２１の駆動電流波形等から推定するモータ３２１の回転角度を用いて制御するものとしても、走行中の制御動作に関して大きな問題とはならない。
【００４１】
従って、これらの特性を組み合わせることで、本実施の形態に係る同軸二輪車は、モータ３２１に設けた角度センサ４３０が故障した際に、角度センサ４３０の値を用いないと動作が実行できないような場合（例えば、極めて低速で走行している場合など）には、モータ３２１の駆動を停止する、或いは、モータ３２１を回転させないような電流を流すことでモータの回転を固定する。これは、モータ３２１が極めて低速で動作している場合には、概して、角度センサ４３０の故障検出に応じて即座にモータ３２１を停止するものとしても、同軸二輪車の速度が出ていないために、乗員は安全を確保可能であることが多いためである。
【００４２】
一方で、角度センサ４３０が故障した際に、モータ３２１を即時に停止することができないような場面においては、モータ３２１が高速に回転していることが多い。このために、本実施の形態に係る同軸二輪車は、角度センサ４３０が故障した際に、モータ３２１が高速に回転している場合（例えば、高速で走行している場合）には、上述したように、角度センサ４３０の値を用いなくとも、モータの駆動電流値等から推定する回転角度に基づいても、走行に支障が生じない程度に十分に制御を実行できる領域である。従って、同軸二輪車のモータ３２１が高速に回転している状態から、乗員にとって安全な状態へと移行する際の区間を対象として、回転角度の推定値に基づいて、モータ３２１の駆動制御を実行することができる。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、角度センサ４３０が故障したときに、角度センサ４３０を用いたモータ駆動制御から、角度推定部６３０からの出力値を用いたモータ駆動制御へと切り替え、角度センサ４３０の故障時におけるモータの回転速度に応じたモータ駆動制御を行うことで、角度センサが故障した場合に同軸二輪車を安全な状態へと移行させて、乗員が安全に降車することができる。
【００４４】
尚、本発明は上述した各実施の形態に限定されず、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
３００  同軸二輪車
３１０  車両本体、
３１１  ステップ、
３２０  車輪、
３２１  モータ、
３２２  モータドライバ、
３３０  操作レバー、
４１０  姿勢センサ、
４２０  ハンドルセンサ、
４３０  角度センサ、
５００  制御装置、
６１０  流制御装置、
６２０  インバータ、
６３０  角度推定部、
６４０  切り替え部、
【図１】
2011046326.tif 000003
【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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