(57)【要約】【課題】新規な方法で旋回を行える２輪倒立振子型車両を提供する【解決手段】車体内には、車体を旋回するために用いられ２つのフライホイール装置が設けられている。車体を左方向に旋回させるときには、旋回制御部５２は、第１フライホイール装置の第１ジンバル軸の第１拘束機構２７による拘束を一時的に解除させるとともに、第１ジンバル軸回動用モータ２８を回転駆動させて第１ジンバル軸を前方に向かって反時計方向に所定量だけ回動させる。車体を右方向に旋回させるときには、旋回制御部５２は、第２フライホイール装置の第２ジンバル軸の第２拘束機構３７による拘束を一時的に解除させるとともに、第２ジンバル軸回動用モータ３８を回転駆動させて第１ジンバル軸を前方に向かって反時計方向に所定量だけ回動させる。【選択図】図４
2015112921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体が前後方向に倒れないよう前記車体を安定化させるための機構を有する２輪倒立振子型車両であって、
第１回転軸を中心に所定の第１回転方向に回転駆動される第１フライホイール本体および前記第１回転軸を回転自在に支持する第１支持体を含む第１フライホイールと、
前記第１支持体に固定されており、前記第１回転軸と直交しかつ前記車体の前後方向に延び、前記車体に回転自在に支持された第１ジンバル軸と、
前記第１ジンバル軸の前記車体に対する回転を拘束するための第１拘束手段と、
第２回転軸を中心に前記第１回転方向とは反対方向の第２回転方向に回転駆動される第２フライホイール本体および前記第２回転軸を回転自在に支持する第２支持体を含む第２フライホイールと、
前記第２支持体に固定されており、前記第２回転軸と直交しかつ前記車体の前後方向に延び、前記車体に回転自在に支持された第２ジンバル軸と、
前記第２ジンバル軸の前記車体に対する回転を拘束するための第２拘束手段と、
前記第１ジンバル軸または前記第２ジンバル軸を旋回方向に応じて選択的に回動させることにより、前記車体を旋回させる旋回手段と、を含む２輪倒立振子型車両。
【請求項２】
前記旋回手段は、
左旋回指令を入力するための第１入力手段と、
右旋回指令を入力するための第２入力手段と、
前記第１ジンバル軸を回動させるための第１電動モータと、
前記第２ジンバル軸を回動させるための第２電動モータと、
常時は、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸の回転を、それぞれ前記第１拘束手段および前記第２拘束手段によって拘束させる手段と、
前記第１入力手段によって左旋回指令が入力され、前記第２入力手段によって右旋回指令が入力されていないときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの所定の一方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって所定の第３回転方向に回動させる手段と、
前記第２入力手段によって右旋回指令が入力され、前記第１入力手段によって左旋回指令が入力されていないときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの他方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって前記第３回転方向と反対方向の第４回転方向に回動させる手段と、を含む請求項１に記載の２輪倒立振子型車両。
【請求項３】
前記車体に回転自在に取り付けられ、上部にハンドルが設けられたハンドルポストと、
前記ハンドルの操舵方向を検出する操舵方向検出手段とをさらに含み、
前記旋回手段は、
前記第１ジンバル軸を回動させるための第１電動モータと、
前記第２ジンバル軸を回動させるための第２電動モータと、
常時は、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸の回転を、それぞれ前記第１拘束手段および第２拘束手段によって拘束させる手段と、
前記操舵方向検出手段によって検出された操舵方向が左操舵方向であるときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの所定の一方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって所定の第３回転方向に回動させる第１旋回制御手段と、
前記操舵方向検出手段によって検出された操舵方向が右操舵方向であるときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの他方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって前記第３回転方向と反対方向の第４回転方向に回動させる第２旋回制御手段と、を含む請求項１に記載の２輪倒立振子型車両。
【請求項４】
前記操舵方向検出手段が、前記ハンドルポストの回転角および回転方向を検出するための回転角センサである、請求項３に記載の２輪倒立振子型車両。
【請求項５】
前記第１旋回制御手段は、前記一方のジンバル軸を回動させる速度を、前記回転角センサによって検出される回転角の時間微分値である操舵角速度または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて制御する手段を含み、
前記第２旋回制御手段は、前記他方のジンバル軸を回動させる速度を、前記回転角センサによって検出される回転角の時間微分値である操舵角速度または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて制御する手段を含む、請求項４に記載の２輪倒立振子型車両。
【請求項６】
前記操舵方向検出手段が、前記ハンドルに加えられる操舵トルクを検出するためのトルクセンサである、請求項３に記載の２輪倒立振子型車両。
【請求項７】
前記第１旋回制御手段は、前記一方のジンバル軸を回動させる速度を、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて制御する手段を含み、
前記第２旋回制御手段は、前記他方のジンバル軸を回動させる速度を、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて制御する手段を含む、請求項６に記載の２輪倒立振子型車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２輪倒立振子型車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
倒立振子の原理を利用した２輪倒立振子型車両が知られている。２輪倒立振子型車両として、上下方向に並んで配置された２つのフライホイールのジャイロ効果を利用して姿勢を安定させるものが開発されている（特許文献１参照）。この従来の２輪倒立振子型車両では、左右の駆動車輪の駆動力に差を持たせることにより、車両を旋回させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３７６６５号公報
【特許文献２】特開２０１２−２４０４６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７４７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の目的は、新規な方法で旋回を行える２輪倒立振子型車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、車体（２）が前後方向に倒れないよう前記車体を安定化させるための機構を有する２輪倒立振子型車両（１）であって、第１回転軸（２１）を中心に所定の第１回転方向に回転駆動される第１フライホイール本体（２２）および前記第１回転軸を回転自在に支持する第１支持体（２３）を含む第１フライホイール（２４）と、前記第１支持体に固定されており、前記第１回転軸と直交しかつ前記車体の前後方向に延び、前記車体に回転自在に支持された第１ジンバル軸（２６）と、前記第１ジンバル軸の前記車体に対する回転を拘束するための第１拘束手段（２７）と、第２回転軸（３１）を中心に前記第１回転方向とは反対方向の第２回転方向に回転駆動される第２フライホイール本体（３２）および前記第２回転軸を回転自在に支持する第２支持体（３３）を含む第２フライホイール（３４）と、前記第２支持体に固定されており、前記第２回転軸と直交しかつ前記車体の前後方向に延び、前記車体に回転自在に支持された第２ジンバル軸（３６）と、前記第２ジンバル軸の前記車体に対する回転を拘束するための第２拘束手段（３７）と、前記第１ジンバル軸または前記第２ジンバル軸を旋回方向に応じて選択的に回動させることにより、前記車体を旋回させる旋回手段と、を含む２輪倒立振子型車両である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
【０００６】
この構成では、第１ジンバル軸を第１拘束手段によって拘束すると、第１フライホイールによって、車体を左方向および右方向のうちの一方の方向に旋回させるように作用するジャイロモーメントを発生させることができる。第２ジンバル軸を第２拘束手段によって拘束すると、第２フライホイールによって、車体を左方向および右方向のうちの他方の方向に旋回させるように作用するジャイロモーメントを発生させることができる。
【０００７】
第１ジンバル軸を所定の方向に回動させることにより、第１フライホイールによって発生するジャイロモーメントを増大させることができる。同様に、第２ジンバル軸を所定の方向に回動させることにより、第２フライホイールによって発生するジャイロモーメントを増大させることができる。したがって、第１ジンバル軸または第２ジンバル軸を旋回方向に応じて選択的に回動させることにより、車体を旋回させることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記旋回手段は、左旋回指令を入力するための第１入力手段（９）と、右旋回指令を入力するための第２入力手段（１０）と、前記第１ジンバル軸を回動させるための第１電動モータ（２８）と、前記第２ジンバル軸を回動させるための第２電動モータ（３８）と、常時は、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸の回転を、それぞれ前記第１拘束手段および前記第２拘束手段によって拘束させる手段（５２）と、前記第１入力手段によって左旋回指令が入力され、前記第２入力手段によって右旋回指令が入力されていないときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの所定の一方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって所定の第３回転方向に回動させる手段（５２）と、前記第２入力手段によって右旋回指令が入力され、前記第１入力手段によって左旋回指令が入力されていないときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの他方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって前記第３回転方向と反対方向の第４回転方向に回動させる手段（５２）と、を含む請求項１に記載の２輪倒立振子型車両である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記車体に回転自在に取り付けられ、上部にハンドル（８）が設けられたハンドルポスト（７）と、前記ハンドルの操舵方向を検出する操舵方向検出手段（１４，１５）とをさらに含み、前記旋回手段は、前記第１ジンバル軸を回動させるための第１電動モータ（２８）と、前記第２ジンバル軸を回動させるための第２電動モータ（３８）と、常時は、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸の回転を、それぞれ前記第１拘束手段および第２拘束手段によって拘束させる手段（５２Ａ）と、前記操舵方向検出手段によって検出された操舵方向が左操舵方向であるときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの所定の一方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって所定の第３回転方向に回動させる第１旋回制御手段（５２Ａ）と、前記操舵方向検出手段によって検出された操舵方向が右操舵方向であるときには、前記第１ジンバル軸および前記第２ジンバル軸のうちの他方のジンバル軸を、それに対応する電動モータによって前記第３回転方向と反対方向の第４回転方向に回動させる第２旋回制御手段（５２Ａ）と、を含む請求項１に記載の２輪倒立振子型車両である。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記操舵方向検出手段が、前記ハンドルポストの回転角および回転方向を検出するための回転角センサ（１４）である、請求項３に記載の２輪倒立振子型車両である。
請求項５記載の発明は、前記第１旋回制御手段は、前記一方のジンバル軸を回動させる速度を、前記回転角センサによって検出される回転角の時間微分値である操舵角速度または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて制御する手段（５２Ａ）を含み、前記第２旋回制御手段は、前記他方のジンバル軸を回動させる速度を、前記回転角センサによって検出される回転角の時間微分値である操舵角速度または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて制御する手段（５２Ａ）を含む、請求項４に記載の２輪倒立振子型車両である。
【００１１】
請求項６記載の発明は、前記操舵方向検出手段が、前記ハンドルに加えられる操舵トルクを検出するためのトルクセンサ（１５）である、請求項３に記載の２輪倒立振子型車両である。
請求項７記載の発明は、前記第１旋回制御手段は、前記一方のジンバル軸を回動させる速度を、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて制御する手段（５２Ａ）を含み、前記第２旋回制御手段は、前記他方のジンバル軸を回動させる速度を、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて制御する手段を含む、請求項６に記載の２輪倒立振子型車両である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。
【図２】図２は、車体内に設けられた第１フライホイール装置および第２フライホイール装置の構成を図解的に示す拡大斜視図である。
【図３】図３は、第１および第２フライホイール装置の構成を図解的に示す拡大斜視図である。
【図４】図４は、制御装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、旋回制御部による旋回制御の考え方を説明するための説明図である。
【図６Ａ】図６Ａは、旋回制御部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのステップＳ８の左旋回制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６ＡのステップＳ５の右旋回制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。
【図８】図８は、制御装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、旋回制御部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す２輪倒立振子型車両を図解的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。
２輪倒立振子型車両１は、運転者が搭乗する車体（ステップベース）２と、車体２に回転自在に支持された左車輪３および右車輪４と、左車輪３および右車輪４をそれぞれ回転駆動する左車輪駆動モータ５（図４参照）および右車輪駆動モータ６（図４参照）と、車体２に取り付けられたハンドルポスト７と、ハンドルポスト７の上端に固定されたハンドル８と、ハンドル８の左端部および右端部にそれぞれ取り付けられた左側押ボタン９および右側押ボタン１０とを含む。
【００１４】
各車輪駆動モータ５，６は、たとえば、車輪３，４のホイール内に組み込まれたインホイール型モータである。２輪倒立振子型車両１は、各車輪３，４の回転速度を検出するための車輪速センサ１１，１２（図４参照）を備えている。左側押ボタン９は、左旋回指令を入力するための第１入力手段である。右側押ボタン１０は、右旋回指令を入力するための第２入力手段である。
【００１５】
車体２は、この実施形態は、中空の筐体として構成されている。車体２内には、車体２の前後方向の傾きを検出するための前後傾きセンサ１３（図４参照）、車体２を旋回するために用いられ２つのフライホイール装置２０，３０、制御装置（コントローラ）４０、バッテリー（図示略）等が設けられている。前後傾きセンサ１３は、たとえば、ジャイロセンサであり、車体２の前後方向の傾き角およびその角速度を検出する。
【００１６】
２つのフライホイール装置２０，３０は、図１および図２に示すように、車体２内に、前後方向に並んで配置されている。以下の説明において、車体２の前後方向をＸ方向といい、車体２の左右方向をＹ方向といい、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向という場合がある。また、前側のフライホイール装置２０を第１フライホイール装置２０といい、後側のフライホイール装置３０を第２フライホイール装置３０という場合がある。
【００１７】
図３は、第１および第２フライホイール装置２０，３０の構成を図解的に示す模式図ある。
図２および図３を参照して、第１フライホイール装置２０は、第１回転軸２１を中心に平面視で反時計方向に回転駆動されるフライホイール本体２２と第１回転軸２１を回転自在に支持する第１ハウジング（支持体）２３とを有する第１フライホイール２４を含んでいる。第１フライホイール本体２２は、図２および図３には図示されていない第１フライホイール駆動モータ（第１ＦＷ駆動モータ）２５（図４参照）によって回転駆動される。
【００１８】
第１フライホイール２４の第１ハウジング２３には、第１回転軸２１と直交しかつ車体２の前後方向（Ｘ方向）に延びた第１ジンバル軸２６が固定されている。第１ジンバル軸２６は、前記車体２に回転自在に支持されている。車体２には、第１ジンバル軸２６の車体２に対する回転を拘束するための第１拘束機構２７が設けられている。また、車体２には、第１ジンバル軸２６を回動させるための第１ジンバル軸回動用モータ２８が設けられている。第１拘束機構２７としては、たとえば、特許文献２の図３または図４に示された拘束機構を用いることができる。第１ジンバル軸回動用モータ２８は、この実施形態では、ステッピングモータである。
【００１９】
第２フライホイール装置３０は、第１フライホイール装置２０と同様な構成である。図２および図３を参照して、第２フライホイール装置３０は、第２回転軸３１を中心に平面視で時計方向に回転駆動される第２フライホイール本体３２と第２回転軸３１を回転自在に支持する第２ハウジング（支持体）３３とを有する第２フライホイール３４を含んでいる。第２フライホイール本体３２は、図２および図３には図示されていない第２フライホイール駆動モータ（第２ＦＷ駆動モータ）３５（図４参照）によって回転駆動される。
【００２０】
第２フライホイール３４の第２ハウジング３３には、第２回転軸３１と直交しかつ車体２の前後方向（Ｘ方向）に延びた第２ジンバル軸３６が固定されている。第２ジンバル軸３６は、前記車体２に回転自在に支持されている。車体２には、第２ジンバル軸３６の車体２に対する回転を拘束するための第２拘束機構３７が設けられている。また、車体２には、第２ジンバル軸３６を回動させるための第２ジンバル軸回動用モータ３８が設けられている。第２拘束機構３７としては、たとえば、特許文献２の図３または図４に示された拘束機構を用いることができる。第２ジンバル軸回動用モータ３８は、この実施形態では、ステッピングモータである。
【００２１】
図４は、制御装置４０の電気的構成を示すブロック図である。
制御装置４０には、車輪速センサ１１，１２、前後傾きセンサ１３、左側押ボタン９、右側押ボタン１０等の出力信号が入力される。
制御装置４０は、マイクロコンピュータ４１と、マイクロコンピュータ４１によって制御される複数の駆動回路４２〜４９とを含んでいる。複数の駆動回路４２〜４９には、左車輪駆動モータ５の駆動回路４２、右車輪駆動モータ６の駆動回路４３、第１フライホイール駆動モータ（第１ＦＷ駆動モータ）２５の駆動回路４４、第１拘束機構２７のアクチュエータの駆動回路４５、第１ジンバル軸回動用モータ２８の駆動回路４６、第２フライホイール駆動モータ（第２ＦＷ駆動モータ）３５の駆動回路４７、第２回拘束機構３７のアクチュエータの駆動回路４８および第２ジンバル軸回動用モータ３８の駆動回路４９が含まれている。
【００２２】
マイクロコンピュータ４１は、ＣＰＵおよびメモリ(ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することにより、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、安定化制御部５１と、旋回制御部５２とが含まれる。
安定化制御部５１は、車体２が前後方向に倒れないように安定化制御を行うものである。具体的には、安定化制御部５１は、車輪速センサ１１，１２によって検出される各車輪３，４の車輪速および前後傾きセンサ１３によって検出される前後傾き角およびその角速度に基いて、車体２が前後方向に倒れないように安定化させるのに必要な駆動トルクを演算する。そして、安定化制御部５１は、各車輪駆動用モータ５，６の出力トルクが、演算された駆動トルクと等しくなるように、これらのモータ５，６の駆動回路４２，４３を制御する。これにより、運転者が自身の重心を前にずらすことによって前進走行ができ、自身の重心を後ろにずらすことによって後進走行ができる。このような安定化制御は、たとえば、特許文献３に開示されているように、よく知られている制御である。
【００２３】
旋回制御部５２は、左側押ボタン９および右側押ボタン１０の出力信号に基いて、駆動回路４４〜４６を介して第１フライホイール装置２０を制御するとともに駆動回路４７〜４９を介して第２フライホイール装置３０を制御することにより、旋回制御を行うものである。
図５Ａ〜図５Ｃを参照して、旋回制御部５２による旋回制御の考え方について説明する。
【００２４】
図５Ａに示すように、第１フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６および第２フライホイール装置３０の第２ジンバル軸３６は、常時は、第１拘束機構２７および第２拘束機構３７によって、第１回転軸２１および第２回転軸３１がそれぞれＺ方向軸と平行となるような回転角度位置（以下、「基準回転角度位置」という場合がある。）に固定される。
【００２５】
第１フライホイール装置２０のフライホイール本体２２は、平面視で反時計方向に回転しているので、前方に向かって反時計周りのロール方向のジャイロモーメントＭ１が車体２に発生する。このジャイロモーメントＭ１は、車体２を左方向に旋回させるように作用する。一方、第２フライホイール装置３０のフライホイール本体３２は、平面視で時計方向に回転しているので、前方に向かって時計周りのロール方向のジャイロモーメントＭ２が車体２に発生する。このジャイロモーメントＭ２は、車体２を右方向に旋回させるように作用する。これらのジャイロモーメントＭ１，Ｍ２の大きさは、フライホイール本体２２，３２の回転速度が大きくなるほど大きくなる。
【００２６】
第１フライホイール本体２２の回転速度および第２フライホイール本体３２の回転速度は、それぞれ、第１フライホイール装置２０によって発生するジャイロモーメントＭ１の大きさと第２フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ２の大きさとが等しくなるような、第１所定回転速度および第２所定回転速度に設定される。これにより、常時は、第１フライホイール装置２０によって発生するジャイロモーメントＭ１と、第２フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ２とが打ち消されるため、車体２は旋回しない。
【００２７】
以下において、第１フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６を、第１回転軸２１がＺ方向軸と平行となるような回転角度位置に固定し、第１フライホイール本体２２が前記第１所定回転速度で回転するように、第１拘束機構２７および第１フライホイール駆動モータ２５を制御する処理を、「第１フライホイール定常制御処理（第１ＦＷ定常制御処理）」ということにする。同様に、第２フライホイール装置３０の第２ジンバル軸３６を、第２回転軸３１がＺ方向軸と平行となるような回転角度位置に固定し、第２フライホイール本体３２が前記第２所定回転速度で回転するように、第２拘束機構３７および第２フライホイール駆動モータ３５を制御する処理を、「第２フライホイール定常制御処理（第２ＦＷ定常制御処理）」ということにする。
【００２８】
図５Ｂに示すように、図５Ａの状態から、第１フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６のみを前方に向かって反時計方向に回動させて、第１回転軸２２をＺ方向軸に対して傾斜させると、第１フライホイール装置２０によって発生するジャイロモーメントＭ１が増大する。これにより、第１フライホイール装置２０によって発生するジャイロモーメントＭ１が、第２フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ２よりも大きくなるので、車体２は左方向に旋回する。
【００２９】
図５Ｃに示すように、図５Ａの状態から、第２フライホイール装置３０の第２ジンバル軸３６のみを前方に向かって時計方向に回動させて、第２回転軸３１をＺ方向軸に対して傾斜させると、第２フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ２が増大する。これにより、第２フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ２が、第１フライホイール装置３０によって発生するジャイロモーメントＭ１よりも大きくなるので、車体２は右方向に旋回する。
【００３０】
図６Ａは、旋回制御部５２の動作を説明するためのフローチャートである。図６Ａの処理は、所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
図６Ａを参照して、旋回制御部５２は、左側押しボタン９がオンか否かを判定する(ステップＳ１)。左側押しボタン９がオフであれば(ステップＳ１：ＮＯ)、旋回制御部５２は、「第１フライホイール定常制御処理（第１ＦＷ定常制御処理）」を行う(ステップＳ２)。次に、旋回制御部５２は、右側押しボタン１０がオンか否かを判別する(ステップＳ３)。右側押しボタン１０がオフであれば(ステップＳ３：ＮＯ)、旋回制御部５２は、「第２フライホイール定常制御処理（第２ＦＷ定常制御処理）」を行う(ステップＳ４)。そして、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００３１】
前記ステップＳ３において、右側押しボタン１０がオンであれば(ステップＳ３：ＹＥＳ)、旋回制御部５２は、右旋回制御処理を行った後(ステップＳ５)、今演算周期での処理を終了する。右旋回制御処理については、後述する。
前記ステップＳ１において、左側押しボタン９がオンであると判別されたときには(ステップＳ１：ＹＥＳ)、旋回制御部５２は、右側押しボタン１０がオンか否かを判別する(ステップＳ６)。右側押しボタン１０がオフであれば(ステップＳ６：ＮＯ)、旋回制御部５２は、「第１フライホイール定常制御処理」を行った後(ステップＳ７)、左旋回制御処理を行う(ステップＳ８)。左旋回制御処理については、後述する。この後、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００３２】
前記ステップＳ６において、右側押しボタン１０がオンであると判別されたときには(ステップＳ６：ＹＥＳ)、つまり、両押しボタン９，１０が共にオンであるときには、旋回制御部５２は、「第１フライホイール定常制御処理」および「第２フライホイール定常制御処理」を行う(ステップＳ９)。そして、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００３３】
図６Ｂは、図６ＡのステップＳ８の左旋回制御処理の手順を示すフローチャートである。
左旋回制御処理では、旋回制御部５２は、まず、第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値より小さいか否かを判別する(ステップＳ１１)。この閾値は、たとえば、２０degに設定される。この判別は、具体的には、第１ジンバル軸２６の基準回転角度位置からの回転量が所定回転量より小さいか否かに基いて判別される。
【００３４】
この実施形態のように、第１ジンバル軸回動用モータ２８がステッピングモータである場合には、旋回制御部５２は、第１ジンバル軸回動用モータ２８の回転量を認識できる。このため、旋回制御部５２は、第１ジンバル軸２６の基準回転角度位置からの回転量を認識できる。第１ジンバル軸回動用モータ２８がステッピングモータ以外の電動モータである場合には、第１ジンバル軸回動用モータ２８のロータまたは第１ジンバル軸２６の回転角を検出するための回転角センサを設けておくことにより、第１ジンバル軸２６の基準回転角度位置からの回転量を検出することができる。
【００３５】
第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値より小さいときには(ステップＳ１１：ＹＥＳ)、旋回制御部５２は、前述の図５Ｂに示すように、第１回転軸２１をＺ方向軸に対して傾斜させる(ステップＳ１２)。具体的には、旋回制御部５２は、第１拘束機構２７による第１ジンバル軸２６の拘束を一時的に解除させるとともに、第１ジンバル軸回動用モータ２８を回転駆動させて第１ジンバル軸２６を前方に向かって反時計方向に所定量だけ回動させる。これにより、第１回転軸２１がＺ方向軸に対して傾斜する。これにより、第１フライホイール装置２０によるジャイロモーメントが、第２フライホイール装置３０によるジャイロモーメントより大きくなるので、車体２が左方向に旋回する。この後、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００３６】
前記ステップＳ１１において、第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値以上であると判別されたときには(ステップＳ１１：ＮＯ)、旋回制御部５２は、第１フライホイール駆動モータ２５の回転速度を大きくする(ステップＳ１３)。これにより、第１フライホイール２２の回転速度が大きくなるから、第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角度を現在の傾斜角度より大きくすることなく、第１フライホイール装置２０によるジャイロモーメントを大きくすることができる。これにより車体２の左方向の旋回速度を高めることができる。この後、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００３７】
図６Ｃは、図６ＡのステップＳ５の右旋回制御処理の手順を示すフローチャートである。
右旋回制御処理では、旋回制御部５２は、まず、第２回転軸３１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値より小さいか否かを判別する(ステップＳ２１)。この閾値は、たとえば、２０degに設定される。この判別は、具体的には、第２ジンバル軸３６の基準回転角度位置からの回転量が所定回転量より小さいか否かに基いて判別される。
【００３８】
この実施形態のように、第２ジンバル軸回動用モータ３８がステッピングモータである場合には、旋回制御部５２は、第２ジンバル軸回動用モータ３８の回転量を認識できる。このため、旋回制御部５２は、第２ジンバル軸３６の基準回転角度位置からの回転量を認識できる。第２ジンバル軸回動用モータ３８がステッピングモータ以外の電動モータである場合には、第２ジンバル軸回動用モータ３８のロータまたは第２ジンバル軸３６の回転角を検出するための回転角センサを設けておくことにより、第２ジンバル軸３６の基準回転角度位置からの回転量を検出することができる。
【００３９】
第２回転軸３１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値より小さいときには(ステップＳ２１：ＹＥＳ)、旋回制御部５２は、前述の図５Ｃに示すように、第２回転軸３１をＺ方向軸に対して傾斜させる(ステップＳ２２)。具体的には、旋回制御部５２は、第２拘束機構３７による第２ジンバル軸３６の拘束を一時的に解除させるとともに、第２ジンバル軸回動用モータ３８を回転駆動させて第２ジンバル軸３６を前方に向かって時計方向に所定量だけ回動させる。これにより、第２回転軸３１がＺ方向軸に対して傾斜する。これにより、第２フライホイール装置３０によるジャイロモーメントが、第１フライホイール装置２０によるジャイロモーメントより大きくなるので、車体２が右方向に旋回する。この後、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００４０】
前記ステップＳ２１において、第２回転軸３１のＺ方向軸に対する傾斜角度が所定の閾値以上であると判別されたときには(ステップＳ２１：ＮＯ)、旋回制御部５２は、第２第１フライホイール駆動モータ３５の回転速度を大きくする(ステップＳ２３)。これにより、第２フライホイール本体３２の回転速度が大きくなるから、第２回転軸３１のＺ方向軸に対する傾斜角度を現在の傾斜角度より大きくすることなく、第２フライホイール装置３０によるジャイロモーメントを大きくすることができる。これにより車体２の右方向の旋回速度を高めることができる。この後、旋回制御部５２は、今演算周期での処理を終了する。
【００４１】
図７は、本発明の第２実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。図７において、前述の図１の各部に対応する部分には図１と同じ符号を付して示す。
この２輪倒立振子型車両１Ａでは、第１実施形態のような左側押しボタン９および右側押しボタン１０は設けられていない。この２輪倒立振子型車両１Ａでは、ハンドルポスト７は、車体２に回転自在に支持されている。図示しないが、車体２には、ハンドルポスト７を中立位置（ハンドル８がＹ方向と平行となる位置）に付勢する付勢機構が設けられている。また、車体２内には、ハンドル８の操舵方向を検出するために、ハンドルポスト７の回転角および回転方向（以下、「操舵方向」という）を検出する回転角センサ１４が設けられている。また、この２輪倒立振子型車両１Ａでは、旋回制御方法が、第１実施形態と異なっている。
【００４２】
図８は、制御装置４０Ａの電気的構成を示すブロック図である。図８において、前述の図４の各部に対応する部分には図４と同じ符号を付して示す。
制御装置４０Ａ内のマイクロコンピュータ４１Ａは、安定化制御部５１と旋回制御部５２Ａとを含んでいる。安定化制御部５１は、第１実施形態の安定化制御部５１と同様である。旋回制御部５２Ａには、回転角センサ１４によって検出されるハンドルポスト７の回転角および操舵方向が入力する。
【００４３】
図９は、旋回制御部５２Ａの動作を説明するためのフローチャートである。図９の処理は、所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
旋回制御部５２Ａは、回転角センサ１４によって検出されたハンドルポスト７の回転角および操舵方向を取得する(ステップＳ３１)。そして、旋回制御部５２Ａは、操舵方向が左方向であるか否かを判別する(ステップＳ３２)。操舵方向が左方向でなければ(ステップＳ３２：ＮＯ)、旋回制御部５２Ａは、「第１フライホイール定常制御処理（第１ＦＷ定常制御処理）」を行う(ステップＳ３３)。
【００４４】
この後、旋回制御部５２Ａは、操舵方向が右方向であるか否かを判別する(ステップＳ３４)。操舵方向が右方向でなければ(ステップＳ３４：ＮＯ)、旋回制御部５２Ａは、「第２フライホイール定常制御処理（第２ＦＷ定常制御処理）」を行う(ステップＳ３５)。そして、旋回制御部５２Ａは、今演算周期での処理を終了する。
前記ステップＳ３４において、操舵方向が右方向であると判別されたときには(ステップＳ３４：ＹＥＳ)、旋回制御部５２Ａは、右旋回制御処理を行った後(ステップＳ３６)、今演算周期での処理を終了する。右旋回制御処理は、前述の図６Ｃを用いて説明した右旋回制御処理と同様である。ただし、第２実施形態においては、図６ＣのステップＳ２２において、ハンドルポスト７の回転角の時間微分値である操舵角速度（ハンドルポスト７の回転角の時間的変化量）または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて、第２ジンバル軸３６の回転量を変化させるようにしてもよい。具体的には、操舵角速度または操舵角加速度が大きいほど、その演算周期における第２ジンバル軸３６の回転量を大きくする。これにより、操舵角速度または操舵角加速度が大きいほど、第２ジンバル軸３６を回動させる速度（第２回転軸３１を傾斜させる速度）が速くなるので、操舵角速度または操舵角加速度に応じて旋回速度を制御できるようになる。
【００４５】
前記ステップＳ３１において、操舵方向が左方向であると判別されたときには(ステップＳ３１：ＹＥＳ)、旋回制御部５２Ａは、左旋回制御処理を行った後(ステップＳ３７)、今演算周期での処理を終了する。左旋回制御処理は、前述の図６Ｂを用いて説明した左旋回制御処理と同様である。ただし、第２実施形態においては、図６ＢのステップＳ１２において、ハンドルポスト７の回転角の時間微分値である操舵角速度（ハンドルポスト７の回転角の時間的変化量）または操舵角速度の時間微分値である操舵角加速度に応じて、第１ジンバル軸２６の回転量を変化させるようにしてもよい。具体的には、操舵角速度または操舵角加速度が大きいほど、その演算周期における第１ジンバル軸２６の回転量を大きくする。これにより、操舵角速度または操舵角加速度が大きいほど、第１ジンバル軸２６を回動させる速度（第１回転軸２１を傾斜させる速度）が速くなるので、操舵角速度または操舵角加速度に応じて旋回速度を制御できるようになる。
【００４６】
前述の第２実施形態では、回転角センサ１４によってハンドル８の操舵方向を検出しているが、図８に破線で示すように、ハンドル８に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ１５を設け、トルクセンサ１５によって検出される操舵トルクからハンドル８の操舵方向を検出するようにしてもよい。具体的には、図７の２輪倒立振子型車両１Ａのハンドルポスト７を、ハンドル８が固定された第１部分と、車体２に固定された第２部分と、第１部分と第２部分とを連結するトーションバーとから構成する。そして、トーションバーの捩れ量を操舵トルクとして検出するトルクセンサ１５を設ける。
【００４７】
この場合には、前述の図９のステップＳ３１では、トルクセンサ１５によって検出された操舵トルクが取得される。また、図９のステップＳ３２では、取得された操舵トルクに基いて操舵方向が左方向か否かが判別され、図９のステップＳ３４では、取得された操舵トルクに基いて操舵方向が右方向か否かが判別される。
また、図６ＢのステップＳ１２において、操舵トルクの大きさ（絶対値）、操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度（操舵トルクの時間的変化量）または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて、第１ジンバル軸２６の回転量を変化させるようにしてもよい。同様に、図６ＣのステップＳ２２において、操舵トルクの大きさ（絶対値）、操舵トルクの時間微分値である操舵トルク変化速度（操舵トルクの時間的変化量）または操舵トルク変化速度の時間微分値である操舵トルク変化加速度に応じて、第２ジンバル軸３６の回転量を変化させるようにしてもよい。
【００４８】
図１０は、本発明の第３実施形態に係る２輪倒立振子型車両の外観を図解的に示す斜視図である。図１１は、図１０に示す２輪倒立振子型車両を図解的に示す平面図である。図１０において、前述の図１の各部に対応する部分には図１と同じ符号を付して示す。
この２輪倒立振子型車両１Ｂでは、左車輪３と右車輪４とは、前後方向位置がずれて配置されている。この実施形態では、左車輪３が車体２の前寄りの位置に取り付けられ、右車輪４が車体２の後寄りの位置に取り付けられている。
【００４９】
また、この２輪倒立振子型車両１Ｂでは、１つのフライホール装置２０のみが設けられている。このフライホール装置２０の構成は、第１実施形態における第１フライホール装置２０の構成と同じである。
この２輪倒立振子型車両１Ｂでは、車体２に対する左車輪３の前後方向位置が右車輪４の前後方向位置より前側にあるため、両車輪３，４が同じ回転速度で回転した場合には、車体２は図１１の矢印Ａで示すように右方向に旋回する。そこで、図１１の矢印Ｂで示すように、フライホール装置２０によって車体２を左方向に旋回させるためのジャイロモーメントを発生させることにより、車体２を直進させることができる。
【００５０】
常時は、フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６は、第１回転軸２１がＺ方向軸と平行となるような回転角度位置に固定される。また、第１フライホイール本体２２は、車体２が直進するような回転速度で回転される。
車体２を左方向に旋回させる場合には、フライホール装置２０の第１ジンバル軸回動用モータ２８を回転駆動させて第１ジンバル軸２６を前方に向かって反時計方向に回動させることにより、図５Ｂに示すように第１回転軸２１をＺ方向軸に対して傾斜させる。これにより、フライホイール装置２０によるジャイロモーメントが増大するので、車体２は左方向に旋回する。
【００５１】
一方、車体２を右方向に旋回させる場合には、フライホール装置２０の第１フライホイール駆動モータ２５を制御して、第１フライホール２２の回転速度を低下させる。これにより、フライホイール装置２０によるジャイロモーメントが減少するので、車体２は右方向に旋回する。
また、次のような旋回制御を行うことも可能である。
【００５２】
常時は、フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６は、第１回転軸２１がＺ方向軸に対して図５Ｂに示す方向に所定角度傾斜するような回転角度位置に固定される。また、第１フライホイール本体２２は、車体２が直進するような回転速度で回転される。
車体２を左方向に旋回させる場合には、フライホール装置２０の第１ジンバル軸回動用モータ２８を回転駆動させて第１ジンバル軸２６を前方に向かって反時計方向に回動させることにより、第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角を増大させる。これにより、フライホイール装置２０によるジャイロモーメントが増大するので、車体２は左方向に旋回する。
【００５３】
車体２を右方向に旋回させる場合には、フライホール装置２０の第１ジンバル軸回動用モータ２８を逆方向に回転駆動させて第１ジンバル軸２６を前方に向かって時計方向に回動させることにより、第１回転軸２１のＺ方向軸に対する傾斜角を減少させる。これにより、フライホイール装置２０によるジャイロモーメントが減少するので、車体２は右方向に旋回する。
【００５４】
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。例えば、前述の第１および第２実施形態では、第１フライホイール装置２０と第２フライホイール装置３０とは、車体２に対して前後方向に並んで配置されているが、各フライホイール装置２０，３０の配置は任意に設定することができる。たとえば、第１フライホイール装置２０と第２フライホイール装置３０とを、車体２に対して上下方向に並べて配置してもよい。また、第１フライホイール装置２０と第２フライホイール装置３０とを、左右方向に並べて配置してもよい。
【００５５】
また、前述の第１および第２実施形態では、第１フライホイール装置２０の第１ジンバル軸２６および第２フライホイール装置３０の第２ジンバル軸３６は、それぞれ第１ジンバル軸回動用モータ２８および第２ジンバル軸回動用モータ３８によって回動されるようになっている。しかし、これらのジンバル軸２６，３６を手動で回転駆動させるようにしてもよい。たとえば、ハンドルポスト７を左右方向に傾動可能に車体２に取り付け、ハンドルポスト７の傾動動作に応じて第１ジンバル軸２６または第１ジンバル軸３６を回転させる機構を設けてもよい。より具体的には、ハンドルポスト７が左方向に傾動されたときには、第１ジンバル軸２６を前方に向かって反時計方向に回動させる機構を設けるとともに、ハンドルポスト７が右方向に傾動されたときには、第２ジンバル軸３６を前方に向かって時計方向に回動させる機構を設ければよい。
【００５６】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１，１Ａ，１Ｂ…２輪倒立振子型車両、２…車体、２…ステアリングホイール、７…ハンドルポスト、８…ハンドル、９…左側押ボタン、１０…右側押ボタン１０、１４…回転角センサ、１５…トルクセンサ、２０…第１フライホイール装置、２１…第１回転軸、２２…第１フライホイール本体、２３…第１ハウジング、２４…第１フライホイール、２５…第１フライホイール駆動モータ（第１ＦＷ駆動モータ）、２６…第１ジンバル軸、２７…第１拘束機構、２８…第１ジンバル軸回動用モータ、３０…第２フライホイール装置、３１…第２回転軸、３２…第２フライホイール本体、３３…第２ハウジング、３４…第２フライホイール、３５…第２フライホイール駆動モータ（第２ＦＷ駆動モータ）、３６…第２ジンバル軸、３７…第２拘束機構、３８…第２ジンバル軸回動用モータ、５２，５２Ａ…旋回制御部
【図１】
2015112921.tif 000003
【図２】
2015112921.tif 000004
【図３】
2015112921.tif 000005
【図４】
2015112921.tif 000006
【図５】
2015112921.tif 000007
【図６Ａ】
2015112921.tif 000008
【図６Ｂ】
2015112921.tif 000009
【図６Ｃ】
2015112921.tif 000010
【図７】
2015112921.tif 000011
【図８】
2015112921.tif 000012
【図９】
2015112921.tif 000013
【図１０】
2015112921.tif 000014
【図１１】
2015112921.tif 000015