(57)【要約】【課題】１以上の前輪と１以上の後輪とを備えた乗り物の安定性を積極的に維持し制御して、前輪が地面から離れたり外れたりした場合でもバランスのとれた動作を可能とする。【解決手段】１以上の前輪と１以上の後輪を含む複数の車輪を備えた乗り物において、各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、モータアクチュエータを制御するコントローラとを設け、モータアクチュエータは、前輪が乗り物が走行する面に接触しているか否かとは無関係に一定の制御規則に従って乗り物を動的に安定化するように、モータアクチュエータを制御する。右後側及び左後側アクチュエータを設けて左右の後輪を独立して駆動するようにし、コントローラが左後輪と右後輪の差動回転を制御するようにして、乗り物のヨー制御を行う形態も可能である。【選択図】図３
2008517569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗り物であって、
１以上の前輪と１以上の後輪を含む複数の車輪と、
各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、
前記前輪が前記乗り物の下の面に接触していないときに前記乗り物を動的に安定化するように前記１以上のモータアクチュエータを制御するコントローラとを有し、
前記コントローラは、前記前輪が前記下の面に接触しているか否かとは無関係に１つの制御規則に従って前記１以上のモータアクチュエータを制御することを特徴とする乗り物。
【請求項２】
右後輪を駆動する右後側アクチュエータと、
左後輪を駆動する左後側アクチュエータであって、前記右後輪から独立して左後輪を駆動し、これによって前記コントローラが前記乗り物のヨーを制御するための前記左後輪と前記右後輪の差動回転を制御することを可能にする、該左後側アクチュエータとを含むことを特徴とする乗り物。
【請求項３】
スロットル出力信号を供給するためのユーザ入力装置と、
ピッチ信号を供給するための１以上のピッチセンサとを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の乗り物。
【請求項４】
前記コントローラは、少なくとも前記スロットル出力信号、前記ピッチ信号、及びピッチ速度信号の何れかに基づく制御規則に従って前記モータアクチュエータを制御するべく構成されていることを特徴とする請求項３に記載の乗り物。
【請求項５】
前記コントローラは、前記乗り物のピッチ角が特定の値を超えたときに少なくとも前記ピッチ信号に基づく制御規則によって前記１以上のモータアクチュエータを制御することを特徴とする請求項４に記載の乗り物。
【請求項６】
乗り物であって、
第１ストラットによって第１回転軸点に結合された第１前輪と、
第２ストラットによって前記第１回転軸点に結合された第２前輪と、
前記第１回転軸点に結合された１以上の後輪とを有し、
前記第１ストラットと前記第２ストラットとは互いに離隔され、前記第１前輪を垂直軸を中心として、前記第２前輪を傾斜軸を中心としてそれぞれ回動させることによって前記乗り物の移動方向を変化させるように構成、配置されていることを特徴とする乗り物。
【請求項７】
乗り物であって、
中心回転軸点と、
第１ストラットによって前記中心回転軸点に結合された第１前輪であって、前記第１ストラットは、動作中に前記中心回転軸を中心として回動するように構成、配置されている、該第１前輪と、
第２ストラットによって前記中心回転軸点に結合された第２前輪であって、前記第２ストラットは、動作中に前記中心回転軸を中心として回動するように構成、配置されている、該第２前輪と、
前記中心回転軸に対して固定された方向を維持するように構成、配置された連結部材によって前記中心回転軸に結合された１以上の後輪とを有することを特徴とする乗り物。
【請求項８】
乗り物であって、
１以上の前輪と２以上の後輪を含む複数の車輪と、
各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、
１以上のヨーコントローラと、
前記ヨーコントローラによって前記１以上の前輪に与えられた方向が、前記２以上の後輪の差動回転によって反復されるように前記１以上のモータアクチュエータを制御するコントローラとを有することを特徴とする乗り物。
【請求項９】
前記コントローラは、前記ヨーコントローラからの情報を無視し得ることを特徴とする請求項８に記載の乗り物。
【請求項１０】
乗り物であって、
１以上の前輪と２以上の後輪を含む複数の車輪と、
各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、
１以上のヨーコントローラと、
スロットルと、
前記複数の車輪の全てが前記乗り物が走行する面に接触しているときに前記スロットルが回転されると前記乗り物を加速させ、前記１以上の前輪が前記乗り物が走行する面に接触していないときに前記スロットルが回転されるとピッチ限度からのずれが調節されるようにするコントローラとを有することを特徴とする乗り物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１以上の前輪と１以上の後輪とを備えた乗り物の安定性を積極的に維持し制御して、前輪が地面から離れたり外れたりした場合でもバランスのとれた動作を可能とする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人の輸送機械は人間を面の上で移動させる役目を果たすもので、種々の形態をとり得る。例えば、人の輸送機械としては、本明細書においては、以下に限定されないが、車椅子、動力付きカート、全地形型車両、自転車、バイク、自動車、ホバークラフト等を想定している。人の輸送機械のなかには、その機械が倒れたり、そのユーザが怪我をしないことを確実にするのを助けるためお安定化機構を備えたものがある。
【０００３】
典型的な四輪車椅子は全ての４つの車輪で地面に接触する。車椅子とユーザの組み合わせの重心が、車輪の間の領域上にあれば、車椅子はひっくり返ることはない。その重心が、輸送機械の地面に接触する部品の上方かつ外側に位置している場合には、輸送機械は不安定となりひっくりかえることがある。
【０００４】
ここで図１Ａを参照すると、一般的な車椅子１００が示されている。車椅子１００とユーザ１０２がフレームを確定している。そのフレームは面１０６の垂直方向上に位置する重心１０４を有する。本明細書において、用語「面」は、人の輸送機械が置かれて動くあらゆる面を指すものとする。面の例としては、平らな地面、坂のような傾斜面、砂利で覆われた路面等が挙げられ、段差のある実質的に平行な２つの面を垂直に結合する縁石（例えば歩道の縁石）も含まれる。
【０００５】
面１０６は、（局部的な鉛直線に対して垂直な線である）水平軸１０８に対して傾斜したものであり得る。面１０６の水平軸１０８に対する傾斜角は、表面ピッチ（前後方向の傾斜）と称し、θｓと表記される角度によって表される。
【０００６】
車椅子１００の前輪１１２と後輪１１０は、距離ｄだけ分離されている。この前後の車輪間の距離ｄは、線（例えば直線）の長さとして測定され得る。車輪１１０及び１１２は一般的には車椅子の反対側に対向する対応車輪（図示せず）を有する。対向する対応車輪のそれぞれは、車輪１１０及び１１２のそれぞれと車軸を共有し得る。４つの車輪が地面に接触する点（または地面に接触する部分が２以上の点をカバーし得る場合の、地面に接触する部品の外側部分）を結合する多角形によってカバーされた領域は、車椅子が安定でいられるときに重心１０４が位置し得る領域となる。この領域を、機械のフットプリントと称する。本明細書でいう機械のフットプリントは、水平面に投射した車輪間の領域の投射領域として確定される。重心がこの位置の上にある場合、輸送機械は安定状態を維持するはずである。
【０００７】
重心１０４が、面１０６の垂直方向上側で、かつフットプリント（即ち車輪１１０と１１２の間の領域の水平面への投射）の外部にある場合、車椅子１００はひっくり返る可能性がある。このような状態は、例えば車椅子が急な傾斜の面上にある場合、或いは例えば縁石を乗り越えるためにユーザが車椅子を跳ね上げる場合などに生じ得る。急坂にいる場合には、重心１０４が後方にずれて、車椅子１００を後側にひっくり返すことが起こり得る。この状態は図１Ｂに示されており、ここでは重心１０４が車椅子１００のフットプリントの外側の位置にある。重心１０４は、その重心１０４から下向きにまっすぐ延びた重力加速度ベクトル（ｇ）とともに示されている。車椅子１００は、横方向に延びる面にそれが接触するまで後輪１１０の軸の周りに回転し得る。
【０００８】
ユーザ１０２は、車椅子１１０内で前方に乗り出すことで、重心１０４を車輪１１０と１１２の間の領域の上の位置に戻すのを助けることができる。重心１０４の位置の調整がこのように制限されている条件の下では、車椅子のような人の輸送機械は、縁石や階段のような平らでない面を横切る際に非常な困難を伴い得る。
【０００９】
乗り物のなかには、その重量の分布と通常の動作の方式のために、前後方向の安定を欠き、前後にひっくり返りやすい（前後に転倒しやすい）傾向をもつものがある。例えば全地形型車両（ＡＴＶ）の動作では、常にそのようにできるわけではないが、全ての車輪を下の面に常に接触させた状態を維持するのが望ましい。さらに、そのような乗り物が制御できなくなったり、前後に転倒する状態が生じないようにすることが望ましい。ＡＴＶは、特に安定のために必要な数の車輪より少ない数が地面に接触しているような条件の下で、前後または左右の面のうち１以上の面における安定による利益を得ることができる。この種の乗り物は、従来技術において説明されているような制御方式に対する補足的な制御方式を採用して、より効率的か安全に運転することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、乗り物の下にある面の上を特定の方向に移動するための乗り物の前後方向安定化方法であって、前記乗り物は、前輪と後輪を含む複数の駆動輪を有し、前記前輪は乗り物の瞬間移動方向に対して垂直な方向の力によって特徴付けられる、該安定化方法が提供される。前記方法は、前記前輪に加わる前記乗り物の動きの方向及び／または瞬間的に検出された傾斜に対して垂直な力に基づいて前記後輪に対してトルクを加える過程を有する。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、前記方法は、追加のステップとして、小さいピッチの変化を誘導するために１以上の車輪に周期的なトルクを加える過程と、加えられた前記周期的なトルクに応答して前記乗り物のピッチの変化を検出する過程と、少なくとも、加えられた前記周期的なトルクに応答して検出されたピッチの変化に基づいて前記後輪に対して安定化のためのトルクを加える過程とを含む。
【００１２】
本発明の他の実施形態によれば、１以上の前輪と１以上の後輪とを有する乗り物の動きのピッチ安定化のための装置が提供される。前記装置は、前記前輪に加わる前記乗り物の動きの瞬間的な方向に対して垂直な方向の力を検出するためのセンサと、前記後輪を駆動するためのモータアクチュエータと、少なくとも前記前輪に加わる前記垂直な方向の力に基づく制御規則に基づいて前記後輪にトルクを加えるコントローラとを有する。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、１以上の前輪と１以上の後輪とを有する安定化された乗り物が提供される。加えて、前記乗り物は、前記前輪に加わる前記乗り物の瞬間的な移動方向に垂直な方向の力、及び／又は前記乗り物の瞬間的なピッチ、及び／又は前記瞬間的なピッチの関数を検出するセンサを有する。前記乗り物はまた、前記後輪を駆動するためのモータアクチュエータと、少なくとも前記前輪に加わる前記垂直な方向の力に基づく制御規則に基づいて前記後輪にトルクを加えるためのコントローラとを有する。前記乗り物は、ペダルで駆動される自転車、オートバイ、又は車椅子を含み得る。
【００１４】
本発明の更に別の実施形態によれば、１以上の前輪と１以上の後輪を含む複数の車輪とを含む乗り物が提供される。モータアクチュエータが各後輪を駆動し、コントローラが、前記前輪が前記乗り物の下の面に接触していないときに前記乗り物を動的に安定化するように前記１以上のモータアクチュエータを制御する。より詳細には、左後側アクチュエータが前記右後輪から独立して左後輪を駆動し、これによって前記コントローラが、前記前輪が前記下の面に接触しているか否かとは無関係に前記乗り物のヨーを制御するための前記左後輪と前記右後輪の差動回転を制御することが可能となる。
【００１５】
本発明の更に別の実施形態によれば、コントローラは、前記前輪が前記下の面に接触しているか否かとは無関係に１つの制御規則に従って前記１以上のモータアクチュエータを制御するものである。この乗り物は、スロットル出力信号を供給するためのユーザ入力装置と、ピッチ信号を供給するための１以上のピッチセンサとを更に含み得る。前記コントローラは、少なくとも前記スロットル出力信号、前記ピッチ信号、及びピッチ速度信号の何れかに基づく制御規則に従って前記モータアクチュエータを制御し得る。より具体的には、前記コントローラは、前記乗り物のピッチ角が特定の値を超えたときに少なくとも前記ピッチ信号に基づく制御規則によってモータアクチュエータを制御し得る。
【００１６】
本発明の更に別の実施形態によれば、第１ストラットによって第１回転軸点に結合された第１前輪と、第２ストラットによって前記第１回転軸点に結合された第２前輪とを含む乗り物が提供される。この実施形態の乗り物は、前記第１回転軸点に結合された１以上の後輪とを有し得る。この形態では、前記第１ストラットと前記第２ストラットとは互いに離隔され、前記第１前輪を垂直軸を中心として、前記第２前輪を傾斜軸を中心としてそれぞれ回動させることによって前記乗り物の移動方向を変化させるように構成、配置されている。
【００１７】
本発明の別の実施形態によれば、中心回転軸点を含む乗り物が提供される。前記乗り物はまた、第１ストラットによって前記中心回転軸点に結合された第１前輪であって、前記第１ストラットは、動作中に前記中心回転軸を中心として回動するように構成、配置されている、該第１前輪と、第２ストラットによって前記中心回転軸点に結合された第２前輪であって、前記第２ストラットは、動作中に前記中心回転軸を中心として回動するように構成、配置されている、該第２前輪とを有する。この実施形態の乗り物はまた、前記中心回転軸に対して固定された方向を維持するように構成、配置された連結部材によって前記中心回転軸に結合された１以上の後輪を有する。
【００１８】
本発明の別の実施形態によれば、１以上の前輪と２以上の後輪を含む複数の車輪を含む乗り物が提供される。この実施形態の乗り物はまた、各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、１以上のヨーコントローラとを有する。さらにこの実施形態の乗り物は、前記ヨーコントローラによって前記１以上の前輪に与えられた方向が、前記２以上の後輪の差動回転によって反復されるように前記１以上のモータアクチュエータを制御するコントローラを有する。
【００１９】
本発明の別実施形態によれば、１以上の前輪と２以上の後輪を含む複数の車輪を含む乗り物が提供される。この実施形態の乗り物はまた、各後輪を駆動する１以上のモータアクチュエータと、１以上のヨーコントローラとを有する。この実施形態の乗り物はまた、スロットルと、前記複数の車輪の全てが前記乗り物が走行する面に接触しているときに前記スロットルが回転されると前記乗り物を加速させ、前記１以上の前輪が前記乗り物が走行する面に接触していないときに前記スロットルが回転されるとピッチ限度からのずれが調節されるようにするコントローラとを有する。
【００２０】
本発明は、以下の実施例の説明を添付の図面とともに参照することにより一層容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
用語の定義：
１以上の車輪の上で動作し得るが、それらの車輪のみでは自立できずに車輪の動作を調節する制御ループが動作する乗り物は「バランシング（平衡調整）」式に機能するという。バランシング式の乗り物は、バランシングモードで動かされるとき静的な安定性を欠くが、動的にバランシングされる。そのような乗り物と地面や他の下にある面との間の接触を提供し、かつ通常の動作時に輸送機械が転倒しないように最小限の支持を与える車輪、または他の接地要素は、本明細書において「主要車輪」と称する。本明細書並びに特許請求の範囲の記載において「安定性」とは、システムが、あらゆる点でその位置から離脱してしまった場合にも自然に戻る動作位置の機械的条件を指す。用語「システム」は、面に対して車輪が動くことによって移動が引き起こされる全ての部分を指し、従って車輪と乗り手の両方を含む。
【００２２】
用語「リーニング（傾き）」は、完全な剛体の部材の一点上にバランスされたシステムに関連してしばしば用いられる。その場合、部材と下にある面との間に接触点（または線）は理論上の幅がゼロである。さらに、その場合には、リーニング（傾き）は、システムの重心から車輪の地面と接触する理論上の線を通る線の、鉛直方向（即ち地球の中心を通る仮想線）に対する傾きを表す量を指すものである。実際の車輪のタイヤが完全な剛体でないということを考えると、用語「リーニング（傾き）」は、本明細書では、剛体である地面接触部材の理論上の限度という共通の意味で用いられている。
【００２３】
本発明の実施形態による動作
本発明による安定化された乗り物の一実施形態が図２に示されており、全体として符号１０を付されている。図２に示すように、ユーザ８は、乗り物１０のユーザ支持部１２上に着座している。ユーザ８は、着座することによる以外の形態で支持されたり、或いは、例えばユーザがプラットフォームの形態のユーザ支持体上に立つことも、本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
後輪２１（図２の側面図には後輪中の１つのみが見られる）は、Ｙ軸として定められる軸と同軸である。後輪２１のそれぞれは、パワーベース部２４内に配置されたモータアクチュエータ（図示せず）によって駆動されるが、この際にステアリングは各後輪２１に加えられる差動トルクによって達成され得る。方向を変える際の外側車輪の回転移動量を増加させる後輪の差動駆動による補償は、本明細書において「アクティブディファレンシャル」と称する。乗り手８は、それによって負荷即ちユーザの重量の分布によって調節される乗り物の重心の位置を制御するさまざまな体勢で乗り物１０の上に支持され得る。例えば、ユーザ８は、図２に示すように、フットレスト２６に足を乗せて椅子１２に座ることができる。
【００２５】
加えて、乗り物１０の実施形態は２つの前輪１３（図２ではその一方が見られる）を有し、これらの前輪は通常の動作中には地面に接触しているのが一般的である。前輪１３及び１以上の他の前輪は共通の軸か他の形態の軸に取り付けられ得、前輪の何れかが回動する形態は本発明の範囲に含まれる。操作性及び安全性を高めた個人用の乗り物は１以上の車輪群をも備え得、そのような車輪群及び各社リングのなかの２以上の車輪は互いに独立してモータ駆動され得る。そのような乗り物は、米国特許第５７０１９６５号、第５９７１０９１号、第６３０２２３０号、第６３１１７９４号、及び第６５５３２７１号に記載されており、これらの米国特許はここで引用したことにより本明細書の一部とする。
【００２６】
コントローラ３０は、後に詳述するように乗り物の姿勢と命令された速度を連続的に検出し、安定性を維持するための補正作用を決定し、かつ必要な補正作用をなすために車輪モータに命令を送ることによって乗り物に安定性を提供する。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、同じ制御規則を、乗り物の前輪が地面に接触するか否か、ということにも適用する。
【００２８】
ステアリングまたは他の制御手段が、ジョイスティック、ハンドルバーであり得るユーザ入力装置１８によって、または他の任意のユーザ入力機構によって提供され得る。本発明の範囲内で採用され得るユーザ入力機構のさらなる例である種々のステアリング装置が、第６５８１７１４号、及び第６７８９６４０号に記載されており、これらの米国特許はここで引用したことにより本明細書の一部とする。
【００２９】
センサユニット２８は、１以上のセンサ信号をコントローラ３０に供給するためのパワーベース２４の一部として設けられる。センサユニット２８は、乗り物のピッチ速度及び／またはピッチの測定手段となり得るものであり、米国特許６３３２１０３号に記載のような種類の慣性検出を採用し得る。尚この米国特許はここで引用したことにより本明細書の一部とする。或いは、またはそれに加えて、センサユニット２８は、車輪１３によって下の面上に加わる（及び反対に下の面から車輪に加わる）、下の面に対して垂直方向の力（矢印３２によって示される）を測定するための力センサを備え得る。圧電抵素子をベースにしたもの等の力センサは当分野で公知であり、あらゆる種類の力センサが本発明の範囲に含められる。
【００３０】
図２に示す本発明の実施形態におけるバランシングの達成のための単純化された制御アルゴリズムについて以下説明する。この制御アルゴリズムは、直列形の自転車やオートバイのような駆動車輪が１つの場合について述べられている。複数の駆動車輪の場合へと一般化することについては後に詳細に説明する。
【００３１】
システムの安定性を確保するための動的制御を達成するために、この実施形態における車輪のトルクＴは、以下の単純化された制御方程式に支配される。
【００３２】
【数１】
2008517569.tif 000003
【００３３】
上記の式において、
・Ｔは、接地要素に加わるその回転軸を中心としたトルクを表す。
・Ｋ１（θ）は、後述するようにリーニング（傾き）の瞬間値に左右され得る利得関数である。
・θは、後輪の共通車軸Ｙの下にある接地領域を中心とした全システムのリーニング（傾き）に対応する量であり、θ０は、後述するようにシステムのピッチオフセットの大きさを表す。
・ｖは、面に沿った前後方向の速度を表し、ｖｃｏｍｍａｎｄは、ユーザ入力（例えばジョイスティック）１８によって構成されるスロットルのようなユーザ入力の大きさを表す。
・文字の上のドットは、時間で微分された変数であることを表す。
・下付きの添え字のある変数は、後述するようにシステムに入力され得る特定のオフセットを表す。
・Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びＫ４は、現状の動作モード及び動作条件並びにユーザの好みに基づいて、システムの設計の際に、或いはリアルタイムで構成され得る利得関数または係数である。利得係数は、正、負、またはゼロの大きさであり得る。利得Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びＫ４は、システムの物理的パラメータや重力などの他の効果によって左右される。式１の単純化された制御アルゴリズムは、乗り手の体の動きや下の走行面の形状を原因とするシステムの質量中心の変化が存在する条件下で乗り物のバランスを維持する。
【００３４】
式（１）の最後の項によって、駆動車輪に加えられるトルクに対して、周期２π／ω、振幅Ａ（変調が加わらない場合はゼロであってもよい）の周期的駆動成分を加えることが可能となっている。周期関数ｆ（ωｔ）は、例えばサイン関数である。
【００３５】
増幅器制御手段がモータ電流を制御するように構成される（この場合はトルクＴが指示される）か、或いは、モータに印加された電圧が制御される（この場合は指示されるパラメータは速度である）ことに注意されたい。
【００３６】
上記の式（１）におけるθ０の効果は、ピッチゼロの位置θ＝０からの特定のオフセットθ０を作り出すことである。θ０の調節により、乗り物のピッチゼロの位置からのオフセットを調節できる。いくつかの実施形態では、ピッチオフセットをユーザが調節し得る。或いは、乗り物の速度及び／または性能を限定するための方法として、θ０を乗り物の制御システムによって設定することができる。本発明の好ましい実施形態では、後方傾斜限度が与えられており、傾斜限度に近づくまで利得関数Ｋ１は実質的にゼロである。従って、乗り手は、自身の体重をずらして乗り物システムの質量中心をずらすことによって、乗り物に対して後側へのリーニング（傾き）を傾斜限度に近づくまで与えることができる。次にＫ１を非ゼロ値と仮定すると、制御方程式（１）における項は、乗り物のさらなる後方へのリーニング（傾き）に対抗する作用を与える傾向があると考えられる。
【００３７】
Ｋ３の大きさはユーザ入力の利得を決定し、かつ好都合に、例えば速度ゼロの近傍でより高い感度を与える非線形の関数となり得る。Ｋ２の項は、ピッチ速度センサによって、または測定されたピッチの差分をとることによって測定された測定値である乗り物の瞬間ピッチ速度ｄθ／ｄｔ（式中ではθの上にドット）に基づく制御を提供する。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、加えられたピッチ変調Ａｆ（ωｔ）に応じてセンサ２８によって測定された法線方向の力の応答を用いて、乗り物に対するさらなる後側へのリーニング（傾き）に対抗する作用を与え、前輪の地面への接触を維持するか、或いは後側傾斜に限度を与える。
【００３９】
式（１）に関連して説明した１車輪システムの変わりに２車輪にも対応するために、乗り物の左右の車輪に対して独立したモータを設けて、左モータからの必要とされるトルクと右モータによって与えられるトルクを、上述のような一般的な方式で制御することができる。さらに、左車輪の動きと右車輪の動きの両方をトラッキングすることにより、乗り物の不要な進路変更を防止するようにし、かつ２つの駆動モータ間の性能のばらつきに対応する調節が可能となる。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態によれば、２つの後輪トラックの差動は、機械的リンクを介して前輪に加えられたのと同じヨー入力に従った転回方向をたどる。この動作については、図１０及び図１１を参照して後述する。
【００４１】
ここで図３を参照すると、乗り物のステアリング及びヨー制御が、車輪増幅器に転回コマンドを加えることによって達成され、次のような形態を有する。乗り物のパラメータの値に対応する入力（後記する）は、ピッチコントローラ５００及びヨーコントローラ５０２で用いられて、前の段落で説明したアルゴリズムに従ってバランス制御信号BalCmd及びヨー制御信号YawCmdを導出する。
LeftCmd = BalCmd + YawCmd (2)
RightCmd = BalCmd - YawCmd (3)
ここで、LeftCmdとRightCmdはそれぞれ、微分や他の適当なコンディショニングを行った後に、コントローラ５００及び５０２から左右のモータ増幅器に送信されるコマンドである。例えば、図３に例示されているように、LeftCmdとRightCmdはそれぞれ微分器５０４及び５０６によって条件付けされ得る。LeftCmdとRightCmdは、増幅器が電圧制御モードにある場合には電圧を表し、電流制御モードにある場合には電流を表し、増幅器がデューティサイクル制御モードにある場合にはデューティサイクルを表す。BalCmdは、移動中または停止中に乗り物をバランスされた状態に維持するためにピッチコントローラ５００から各増幅器に送信されるコマンドである。YawCmdは、車輪の１つへのコマンドを低下させて、同時に他の車輪へのコマンドを増加させることによって乗り物を進路変更させる。例えば、正のYawCmdは、左側車輪へのコマンドを増加させつつ右側車輪へのコマンドを低下させて、乗り物を右側に進路変更させる。このYawCmdは、米国特許６２８８５０５号に記載のようなヨー位置誤りの補正のためにクローズドサイクルループで、またはフィードバックループのない上述のようなヨー入力装置によって生成され得る。
【００４２】
以下、図４Ａ及び図４Ｂを参照してピッチコントローラ５００について説明する。入力としては、所望のピッチθｄｅｓｉｒｅｄ、実測ピッチθ、ピッチ速度ｄθ／ｄｔ（図中ではθの上にドット）、及び車輪回転速度の２つの主要な車輪に共通の成分ωｃｏｍがある。θとｄθ／ｄｔ（図中ではθの上にドット）は、米国特許第６３３２１０３号に記載されたように、慣性の検出から導出され得る。この米国特許はここで引用したことにより本明細書の一部とする。
【００４３】
所望のピッチθｄｅｓｉｒｅｄ及び現在ピッチθは、加算器５２０で差をとられて、ピッチ誤りθｅｒｒが計算される。本発明の一定の実施形態によれば、ピッチの制限は、ピッチの許容値の範囲の一端のみに設定される一方だけの形で与えられる。そのピッチを超えると、復元トルクがピッチ限度の方向に乗り物を動かす。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ユーザは自分体重を後ろにずらして、乗り物を、２輪バランシング条件に”一気に入らせる”ことができる。この条件では全車輪上の動作を回復するように体重を前にずらすまで安定性が維持される。
【００４５】
（実ピッチ誤りの符号を保存する）ピッチ誤りにおける２次の項も、図４Ｂに示すように設けられて、これによって例えば障害物に出会ったことによって生じ得るピッチの大きな偏移に対するより速やかな応答を提供することができる。電圧制御モードでは、モータの回転速度に比例して発生する逆起電力（逆ＥＭＦ）の全部または一部を補償するために、車輪の回転速度に比例する追加の項を設けることが望ましい。
【００４６】
以下、図５Ａ乃至図５Ｃを参照して、ヨーコントローラ５０２について詳細に説明する。図５Ａには、加算器５２２において現在ヨー値ψと所望のヨー値ψｄｅｓｉｒｅｄとの差をとり、現在ヨー値誤りψｅｒｒを得ることが示されている。所望のヨー値ψｄｅｓｉｒｅｄは、ジョイスティック１８のようなユーザ入力か、Ｊもう術の方向の入力のために用いられる他のユーザ入力装置から得られる。現在ヨー値は、車輪速度の差分や慣性検出のような種々の状態推定手段から導き出される。ヨー誤りからのヨーコマンドの導出は、種々の処理アルゴリズムに従ってコントローラ５２４によって行われる。
【００４７】
ヨー制御アルゴリズムの２つの例が図５Ｂ及び図５Ｃに示されている。より詳細には、図５Ｂは、制御規則によって得られた入力信号ψが、加算器５６０によって、それ自身の導関数（微分器５６０の出力）及びそれ自身の原始関数（積分器５６４の出力）に加算されることを示している。もちろん、図５Ｂに示すように、各信号は、（例えば利得ブロック５６８、５６９、及び５７０ｂによって）、または平滑器５６６のような他の信号処理によってそれに付与された利得を有し得る。
【００４８】
このほか、図５Ｃに示すように単に導関数信号を除去することが考えられる。
【００４９】
もちろん、種々のコントローラの伝達ストラテジーを、図に示すように比例、微分、及び「三項」「ＰＩＤ」関数で実現し得る。
【００５０】
本発明は、図６に符号１０を付して示されているようなバランシング式全地形型車両（ＡＴＶ）にも実現され得る。図６に示すように、ユーザ８は、ＡＴＶ１０のユーザ支持体１２の上に着座している。後輪２１及び２２は、Ｙ軸とされた軸線と同軸であることが図示されている。ここで、ＡＴＶ１０の上側からみた斜視図である図７を参照すると、後輪２１及び２２のそれぞれが、ステアリングが両車輪２１及び２２に加えられる差動トルクによって達成されるように、モータアクチュエータ２４によって駆動される。進路変更時に外側の車輪の回転数を上げるように後輪を差動運動させることによる補償は、本明細書において「アクティブディファレンシャル」とも称している。乗り手８は、さまざまな姿勢をとって乗り物１０に載り、負荷即ちユーザの重量分布によって支配される形で乗り物の質量中心の位置を制御し得る。例えば、図６に示すように、ユーザ８が足をプラットフォーム２６（図７に示す）の上にのせて座部１２上に着座して、座部１２の長さ方向に沿って自分の位置を変えることによって自分の体重を乗り物に対してずらすことができる。或いは、図８に示すように、ユーザ８が脚を座部に対して斜めにする形でプラットフォーム２６上に立つ姿勢をとったり、図９に示すように脚をフットレスト２８の上に乗せて座部１２に座ってもよい。
【００５１】
再度図６を参照すると、乗り物１０の実施例は、さらに２つの前輪１３及び１４を有する。これら前輪は、通常の動作中には地面に接触しているのが一般的である。図７に例示されている本発明の実施形態では、各前輪１３及び１４が互いに独立して支持されるように個別のサスペンションストラット２９に取り付けられる。
【００５２】
コントローラ３０（図７に示す）は、上述のように乗り物の姿勢と命令された速度を連続的に検知し、安定性を維持するための補正アクションを決定し、かつ必要な補正アクションを行うように車輪モータにコマンドを送信することによって乗り物に安定性を与える。本発明の好ましい実施形態では、同じ制御規則が乗り物１０の前輪１３及び１４が地面に接触しているか否かにかかわらず適用され得る。
【００５３】
ステアリングまたは他の制御手段が、ユーザがハンドルバー１８（図７参照）を軸１７を中心として回転させることによって、或いは他の任意のユーザ入力機構によって与えられ得る。本発明の範囲内で利用できるユーザ入力機構の他の例である種々のステアリング装置は、米国特許第６５８１７１４号及び第６７８９６４０号に記載されており、これらの米国特許はここで引用したことにより本明細書の一部とする。また本発明の範囲には、ハンドルバー１８が、ユーザ用の計器や他のユーザ用の制御手段（例えばスロットル等）を支持した形態も含まれる。
【００５４】
２輪または４輪であり得る乗り物の動作では、進路変更が一つの動作モードで開始された場合に、車輪が地面からはなれても、或いは車輪が再着地してもその進路変更が滑らかに行われるようにすることが有益である。本発明の好ましい実施形態によれば、この目的を達成するために、ユーザのヨー入力と前輪との間に機械的リンクが設けられるとともに、ユーザ入力によって開始された進路変更と同時に車輪の差動回転による後輪の制御が行われる。図１０を参照すると、図示された実施形態によれば、乗り物のステアリングは、ハンドルバー１８を軸１７を中心として回転させることによって実施される。この操作は二つの効果をもたらす。即ち、前輪の方向を変えること、そして後輪の差動回転を引き起こす電気的な入力を供給することである。前輪の方向を変えるために、バーの動きを、図７の矢印８３に示すように、ベルクランク８０を介して上側プッシュロッド８２の前後軸の動きに伝える。ベルクランク８０は２つのアームを備えたレバーであり、２つのアームは一定の角度をなしており、その角度の頂点に支点が設けられている。これによって、実質的に地面と交差する向き（ハンドルバー回転軸の）回転運動を、地面と平行な成分を有する（上ぐぁプッシュロッドの）動きに転換することが可能となる。図１１に示すように、さらに上側プッシュロッド８２は中間ベルクランク８４を介してその動きを下側プッシュロッド９０に伝え、下側プッシュロッド９０は前輪１３及び１４を垂直回転軸９２を中心に回転させることによって方向を変えさせる。前輪１３及び１４の角度とユーザ入力との間の機械的なまたはモータによる動力付きの結合手段も本発明の範囲に含まれるものとして利用し得ることは理解されよう。
【００５５】
上述のようにハンドルバーのようなユーザヨー入力が前輪のステアリングを調節するのと同時に、回転トランスデューサ等によって（図３に示す）ヨーコントローラ５０２への入力となる信号が生成されて、それにより後輪の差動動作を制御されることになる。従って、本発明によれば、前輪が地面に接触しているか否かにかかわらず、ユーザの意図するステアリングを実行される。機械的なユーザ入力（例えばハンドルバーの回転角度）をコントローラ７０へのヨー信号入力に変換するための種々の手段が公知となっており、例えば米国特許第６５８１７１４号に記載のものがあり、そのような手段はすべて本発明の範囲に含められる。
【００５６】
上記の本発明の実施形態は、単なる例示を意図したものであり、種々の改変した実施形態も当業者には明らかであろう。そのような改変形態は、請求項の記載によって定義される本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】本発明の実施形態を好都合に採用できるタイプの、従来型の人の乗り物の概略側面図。
【図１Ｂ】本発明の実施形態を好都合に採用できるタイプの、従来型の人の乗り物の概略側面図。
【図２】本発明の実施形態を好都合に採用できるタイプの、人の乗り物の一般的な部材を示す図であり、本発明の特定の実施形態の説明にはその改変形態が説明されている。
【図３】車輪増幅コマンドの発生のためのピッチコントローラの出力とヨーコントローラの出力との結合を示すブロック図。
【図４Ａ】本発明の或る実施形態によるピッチコマンドを構成する入力を示すブロック図。
【図４Ｂ】本発明の或る実施形態による一方の側に制限を有するピッチコマンドを構成する入力を示すブロック図。
【図５Ａ】本発明の或る実施形態によるヨーコマンドを構成する入力を示すブロック図。
【図５Ｂ】本発明の実施形態によるヨーコントローラの異なる形態のブロック図。
【図５Ｃ】本発明の実施形態によるヨーコントローラの異なる形態のブロック図。
【図６】本発明の或る実施形態によるバランシング操作が可能な全地形型車両の側面図。
【図７】図６の実施形態を上方からみた斜視図。
【図８】立ち乗りによる操作を示す図６の全地形型車両の側面図。
【図９】着座したユーザによる操作を示す図６の全地形型車両の側面図。
【図１０】本発明の好ましい実施形態による、前輪のステアリングのための上側プッシュロッドとハンドルバーの結合を示す図。
【図１１】図１０の実施形態による、前輪のステアリングのための下側プッシュロッドの結合を示す図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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