(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の車輪を独立に駆動する手段と、前記一対の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体にはヨー軸を含む自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い前記一対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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記一対の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設け、
前記制御手段は、任意の一の前記車輪が前記路面が水平方向に動くような移動路面に進入したとき、残りの前記車輪のみを回転させて、前記移動路面の路面が移動する方向と前記一対の車輪による走行の方向とが一致して前記移動路面に進入するように旋回する制御を、前記ヨー軸の制御により行う
ことを特徴とする走行装置。
【請求項２】
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、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設け、
制御手段は、走行しながら前記計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、前記複数の車輪が前記路面が動くような移動路面に進入する際には、前記筐体自身の姿勢角度により搭乗者の重心位置を前方に移動させる制御を行う
ことを特徴とする走行装置。
【請求項３】
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、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設け、
前記制御手段は、走行しながら前記計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、前記複数の車輪が前記路面が動くような移動路面を脱出する際には、前記複数の車輪を加速させる制御を行う
ことを特徴とする走行装置。
【請求項４】
一対の車輪を独立に駆動する手段と、前記一対の車輪を連結する筐体とを有し、前記筐体にはヨー軸を含む自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い前記一対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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記一対の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行い、
前記筐体自身の姿勢角度の制御において、任意の一の前記車輪が前記路面が水平方向に動くような移動路面に進入したとき、残りの前記車輪のみを回転させて、前記移動路面の路面が移動する方向と前記一対の車輪による走行の方向とが一致して前記移動路面に進入するように旋回する制御を、前記ヨー軸の制御により行う
ことを特徴とする走行装置の制御方法。
【請求項５】
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、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行い、
前記筐体自身の姿勢角度の制御において、走行しながら前記計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、前記複数の車輪が前記路面が動くような移動路面に進入する際には、前記筐体自身の姿勢角度により搭乗者の重心位置を前方に移動させる制御を行う
ことを特徴とする走行装置の制御方法。
【請求項６】
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、前記筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、前記検出された姿勢角度の情報に従い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、
前記筐体の前方及び／または後方の路面の状況を計測する計測装置を装備し、
前記計測装置によって計測された前記路面の状況に応じて前記複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して前記筐体自身の姿勢角度の制御を行い、
前記筐体自身の姿勢角度の制御において、走行しながら前記計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、前記複数の車輪が前記路面が動くような移動路面を脱出する際には、前記複数の車輪を加速させる制御を行う
ことを特徴とする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、筐体の前方及び／または後方に装備した計測装置により筐体の前方及び／または後方の路面状態を判断し、移動路面への乗り入れに際して良好な制御を行うことが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（特開２００５−６４３５号公報参照）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】
0004816058.tif 000002
【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】
0004816058.tif 000003
【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】
0004816058.tif 000004
【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】
0004816058.tif 000005
【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】
0004816058.tif 000006
【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】
0004816058.tif 000007
【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】
0004816058.tif 000008
【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】
0004816058.tif 000009
【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】
0004816058.tif 000010
【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】
0004816058.tif 000011
【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】
0004816058.tif 000012
【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】
0004816058.tif 000013
【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】
0004816058.tif 000014
【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】
0004816058.tif 000015
【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】
0004816058.tif 000016
【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】
0004816058.tif 000017
【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】
0004816058.tif 000018
【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】
0004816058.tif 000019
【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】
0004816058.tif 000020
【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】
0004816058.tif 000021
【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】
0004816058.tif 000022
【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】
0004816058.tif 000023
【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】
0004816058.tif 000024
【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】
0004816058.tif 000025
【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】
0004816058.tif 000026
【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、バッテリー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ー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のバッテリー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ー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、路面が動くような場合、例えば一般路面から動く歩道路面、またはエスカレータのような移動路面に乗り入れる場合に、タイヤ接地路面が移動すると車体姿勢が不安定になる問題がある。すなわち上述の走行装置及びその制御方法では、路面変化があるとき姿勢を安定に保つ事が出来ない問題があり、このため実施に当っては、種々の安全対策を講じる必要が生じるものであった。
【０１３３】
具体的には図４９に示すように、片輪だけが移動路面に乗り入れると他方の車輪が支点となって車体が回転するため車両走行方向と移動路面方向が不一致になり、片輪が移動路面に引っ張られてしまう姿勢となって車体姿勢が不安定になる。また、倒立振子でバランスを保つ制御をしている車両が動く路面に進行すると、タイヤは路面進行方向の加速に対して本体のバランスを保つように制御されるので、タイヤが路面進行方向と逆方向に移動することになり、路面境界で前後に振動する問題も生じるものであった。
【０１３４】
すなわち図４９において、図４９のＡは、一般路面から移動路面への乗り入れを側面から見たものであって、それぞれＢ、Ｃ、Ｄに示す状態が図４９のＢ、Ｃ、Ｄに示されている。そして、図４９のＢは、片輪が移動路面に入った状態であり、ここから図４９のＣにおいては、固定路面を支点として移動路面側の車輪が移動して車両が旋回する。さらも図４９のＤでは、左右輪が移動路面により引っ張られる。このようにして、車体姿勢が不安定になる問題がある。
【０１３５】
そこで従来の方式では、例えばシステム電源を切ってタイヤを能動的に回転する状態にし、人が牽引するという対策が考えられている。すなわち図５０は自由車輪状態で人による牽引で一般路面から動く路面に乗り入れるときの車両変化を示したものであって、図５０のＡは、人が手で牽引アームを支え傾きθｍが小さいように車体方向を変化させて移動路面に引き込む状態である。そして、図５０のＢは、人が牽引アームを支えることにより自由に回転する車輪は動く歩道に倣い乗り込み、図５０のＣでは、Ｂの状態のまま移動路面で移動していく。
【０１３６】
しかしながらこうした方法では、人が車両向きを調整して注意して方向を定めて牽引する必要があり、車体方向と移動路面移動方向が異なると片輪が移動路面に乗り入れて車両本体が回転して転倒する危険がある。従って、上述の走行装置及びその制御方法において、このような方法は、車両が移動路面に乗り入れる際の抜本的な安全対策と言えるものでなかった。
【０１３７】
本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、事前に動く路面を感知して路面変化する前に車両の走行を停止し搭乗者に警告して転倒を防ぐ。さらには２輪の車輪の進行方向を移動路面方向に同じくするよう車両方向を制御することにより、移動路面に乗り入れて牽引するときに車体が旋回することを防ぐよう安全に車輪を制御する機構及び制御手段を有する走行装置及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０１３８】
このため本発明の走行装置及びその制御方法においては、筐体の前方及び／または後方の路面の位置の変化を計測する計測装置を装備し、計測装置によって計測された路面の位置の変化に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行うようにしたものであって、これによれば、走行中の移動路面部への乗り入れや、乗り入れの回避に際して良好な制御を行うことができる。
【発明の効果】
【０１３９】
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、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従い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、筐体の前方及び／または後方の路面の位置の変化を計測する計測装置を装備し、計測装置によって計測された路面の位置の変化に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設けることにより、走行時の制御を良好に行うことができるものである。
【０１４０】
また、請求項２の発明によれば、制御手段は、走行しながら計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、路面の位置の変化の方向と複数の車輪による走行の方向とが一致するように旋回する制御を行うことによって、移動路面に進入若しくは移動路面を脱出する際に、安全な走行を行うことができるものである。
【０１４１】
請求項３の発明によれば、制御手段は、任意の一の車輪が位置の変化する路面に進入したとき、残りの車輪により路面の位置の変化の方向と複数の車輪による走行の方向とが一致して路面に進入するように旋回する制御を行うことによって、移動路面に進入若しくは移動路面を脱出する際の走行を良好に行うことができるものである。
【０１４２】
請求項４の発明によれば、制御手段は、牽引により移動中にも計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、路面の位置の変化の方向と移動の方向とが一致するように複数の車輪により旋回する制御を行うことによって、装置を牽引している場合にも牽引を良好に行うことができるものである。
【０１４３】
請求項５の発明によれば、制御手段は、走行しながら計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、位置の変化する路面を認識して進入を回避する制御を行うことによって、走行時の安全性を高めることができるものである。
【０１４４】
請求項６の発明によれば、制御手段は、走行しながら計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、複数の車輪が位置の変化する路面に進入する際には、筐体自身の姿勢角度により搭乗者の重心位置を前方に移動させる制御を行うことによって、移動路面に進入する時の車両の姿勢を安定に保つことができるものである。
【０１４５】
請求項７の発明によれば、制御手段は、走行しながら計測装置の計測結果をリアルタイムに取り込み、複数の車輪が位置の変化する路面を脱出する際には、複数の車輪を加速させる制御を行うことによって、移動路面を脱出する時の車両の姿勢を安定に保つことができるものである。
【０１４６】
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手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従い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、筐体の前方及び／または後方の路面の位置の変化を計測する計測装置を装備し、計測装置によって計測された路面の位置の変化に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行うことにより、走行時の制御を良好に行うことができるものである。
【０１４７】
これによって、本発明の走行装置及びその制御方法によれば、事前に移動路面を感知して路面が変化する前に車両の走行を停止し搭乗者に警告して転倒を防ぐ。さらには２輪の車輪の進行方向を移動路面方向に同じくするよう車両方向を制御することにより、移動路面に乗り入れて牽引するときに車体が旋回することを防ぐよう安全に車輪を制御する制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１４８】
以下、図面を参照して本発明の走行装置及びその制御方法を説明するに、図１には、本発明を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す。
【０１４９】
すなわち図１において、本発明による走行装置は、ベース３００に独立した車輪（車輪は２輪でも３輪以上でもよい）３０１、３０２が設けられると共に、ベース３００にピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の角速度を検出するジャイロセンサ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の重力加速度を検出する３次元加速度センサ及びベースに掛る圧力（荷重）センサを組込んだセンサモジュール３０３が装備された車両本体を有している。
【０１５０】
さらにセンサモジュール３０３の出力に応じてモータ３０４が制御され、車輪３０１、３０２が駆動されることによって、ベース３００の姿勢が制御されて車両本体が走行される。また、ベース３００には、搭乗者が握って操作を行うための操作レバー３０５と、車両本体を牽引するための牽引アーム３０６が設けられている。なお、操作レバー３０５と牽引アーム３０６は図示のように一体の構造でもよい。
【０１５１】
そしてベース３００には、路面検出器（計測装置）として、例えば小型カメラ３０７を実装し、この小型カメラ３０７により路面の状況を測定し、その状況に応じて危険回避のための走行装置の旋回や停止などの処理が行われる。また、ベース３００には補助車輪３０８と、そのアクチュエータ３０９が設けられ、減速若しくは停止時に駆動される。さらにベース３００には、ＬＥＤ、ブザー等の表示装置３１０が設けられる。
【０１５２】
あるいは本発明の走行装置において、操作レバー３０５が設けられている場合には、図２、図３に示すようにその上部に小型カメラ３０７を実装しても良い。さらに、両手持ち形の操作レバー３０５を有している場合には、図４、図５に示すように左右のレバー３０５Ｌ、３０５Ｒの基部に小型カメラ３０７Ｌ、３０７Ｒを実装することができる。このようにハンドル部に小型カメラ３０７（３０７Ｌ、３０７Ｒ）を実装することにより、カメラ位置の高さが高くなり、より遠方にある障害物や路面の認識が可能となる。
【０１５３】
そして本発明では、路面をこれらの小型カメラ３０７（３０７Ｌ、３０７Ｒ）で撮像して移動路面を検知（計測）し、移動路面が検知（計測）されたときには、警告して搭乗者に対して回避動作を喚起し、かつ移動路面に対して安全な乗り込みが行われるように車両を自動的に制御するものである。
【０１５４】
そこで図６には、複眼カメラでの対象物間距離の算出方法を示す。この図６において、対象位置が（Ｘ，Ｙ）であるとき、
Ｌ１＝√（Ｘ２＋（Ｙ−Ｌ０／２）２）
Ｌ２＝√（Ｘ２＋（Ｙ＋Ｌ０／２）２）
と定義すると下式の恒等式が成立する。
【０１５５】
Ｌ１＊COS（θ1）＝Ｌ２＊COS（θ2）
Ｌ１＊SIN（θ1）＋Ｌ０／２＝Ｌ２＊SIN（θ2）−Ｌ０／２
このとき、θ1、θ2はカメラ３０７Ｌ、３０７Ｒにより観測できる角度である。また２つのカメラ間の距離Ｌ０は既知であることから、上式により対象位置（Ｘ，Ｙ）は求められる。
【０１５６】
さらに上式から位置（Ｘ，Ｙ）を解くには、図７のようなフィードバックループを形成することにより容易に解くことができる。この図７において、下式の条件であるとき、解の誤差Ｘｅ，Ｙｅは演算ループによりゼロに収束する。このとき（Ｘ，Ｙ）が対象位置となる。なお、図中のＫはＫサンプリングのときの値を示す。
−π／２＜θ1＜π／２
−π／２＜θ2＜π／２
０＜Ｌ１、Ｌ２
【０１５７】
こうしてリアルタイムに対象物が移動しても追従して位置（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。なおこのシステムによれば、本体自体が走行している場合でも同様にリアルタイムに位置（Ｘ，Ｙ）を算出することができる。
【０１５８】
さらに図８には、補助車輪３０８と、そのアクチュエータ３０９及び表示装置３１０の具体的な実装の様子を示す。この図８において、補助車輪３０８とアクチュエータ３０９はアームによって連結されており、制御手段の指示によって必要に応じて図８のＢに示すように補助車輪３０８が路面に接地されると共に、不要のときは図８のＣに示すように補助車輪３０８は跳ね上げられて走行に支障のないようにされている。また、図８のＡに示すように表示装置３１０がベース３００の上面に設けられている。
【０１５９】
次に、図９には制御装置４００を含む全体の装置の構成を示す。図９において、小型カメラ３０７（３０７Ｌ、３０７Ｒ）からの映像信号が制御装置４００を形成する画像処理装置４０１に供給され、画像信号の解析によって段差の高さＨ、段差角度θｄ、走行可能路面角度θｅなどの値が求められる。また、センサモジュール３０３のジャイロセンサで検出されるピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ、加速度センサで検出されるＸ軸Ｇｘ、Ｙ軸Ｇｙ、Ｚ軸Ｇｚ、圧力センサで検出される右荷重Ｗ１、左荷重Ｗ２などの値が制御装置４００を形成する姿勢制御装置４０２に供給される。
【０１６０】
そして、画像処理装置４０１及び姿勢制御装置４０２で相互に情報が交換され、その結果得られる左右の車輪へのトルク制御信号がそれぞれサーボアンプ３１２、３１３を通じて左右のモータ３０４Ｒ、３０４Ｌに供給され、これらのモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの回転が、それぞれ回転センサ３１４、３１５を通じて車輪３０１、３０２に伝達される。
【０１６１】
これによって、車両本体を走行させる車輪３０１、３０２の駆動が小型カメラ３０７（３０７Ｌ、３０７Ｒ）で撮影された映像信号の解析によって制御される。なおモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの駆動電力はバッテリー３１６からサーボアンプ３１２、３１３を通じて供給される。また、バッテリー３１６の残量データが姿勢制御装置４０２に供給されて、バッテリー残量の多少に応じた制御が行われる。さらに操作レバーに連動する可変抵抗器３１７からの信号が姿勢制御装置４０２に供給される。
【０１６２】
また、回転センサ３１４、３１５で検出されたモータ３０４Ｒ、３０４Ｌの回転角度がサーボアンプ３１２、３１３に帰還されてフィードバック制御が行われると共に、この回転角度信号は姿勢制御装置４０２にも供給される。さらに、姿勢制御装置４０２からの出力信号がＬＥＤ、ブザー等の表示装置３１０に供給されると共に、アクチュエータ３０９を構成するリレー３１９及びモータ３２０に供給され、アーム３２１を通じて補助車輪３０８の出し入れが行われる。このようにして、制御装置４００を含む装置の全体が形成される。
【０１６３】
さらに図１０には、姿勢制御装置４０２を中心とした車両本体の機能ブロック図を示す。図１０において、姿勢制御装置４０２には、走行指令発生器４１１と姿勢制御器４１２が設けられ、走行指令発生器４１１は画像処理回路４０１からの信号に従って旋回指令ωref、走行速度指令Ｖref、停止指令Stopなどの指令信号を姿勢制御器４１２に供給する。そして、姿勢制御器４１２からの左右の車輪へのトルク制御信号がそれぞれサーボアンプ３１２、３１３に供給される。
【０１６４】
また、この図１０において、小型カメラ３０７（３０７Ｌ、３０７Ｒ）及び画像処理回路４０１では、例えば図面の右側に示すように、移動路面の傾きθｍ、移動路面までの距離Ｌ１などが検出される。そしてこの検出された値を用いて事前に移動路面の存在を感知し、その手前で搭乗者に警告表示し、車両を減速もしくは停止させて危険を回避する。あるいは、車両を旋回させて進入方向を調整し、進入時の衝撃や不規則な動きが生じないように車輪３０１、３０２の制御を行うことができる。
【０１６５】
そこで、実際に移動路面に侵入する際の動作について説明する。まず、図１１においては、カメラを用いた移動路面方向の位置補正について説明する。この図１１のＡに示すようにカメラ画像から動く歩道路面の進行方向を検出し、車両本体方向と進行方向の傾きθｍを算出する。そして図１１のＢに示すように、算出された傾きθｍに従って車両本体を旋回して、車両本体方向と移動路面進行方向を一致させる。
【０１６６】
また、図１２においては、カメラとヨー軸制御による一般路面から動く路面に片輪が入ったときの車両制御について説明する。この場合には、図１２のＡに示すように先に片輪が移動路面に乗り込んだとき車体は移動路面により回転する。この車体の回転は、ヨー軸ジャイロセンサにより検出される。そして図１２のＢに示すように一般路面上の他方の車輪を回転させて車体を旋回して両輪を乗り込み、移動路面方向と車体方向を一致させる。
【０１６７】
従ってこの場合には、ヨー軸ジャイロセンサにより車体回転方向に対し逆方向に旋回する一方の車輪のみを回転させる。これによって、図１２のＣに示すように移動路面の移動方向と車体方向が同じとなって姿勢を保つ。また、ヨー軸ジャイロセンサにより車体方向を移動路面乗り入れ前の方向に戻す。このようにして、車両が移動路面に侵入する際の制御が行われる。
【０１６８】
また、図１３〜図１５では、図１に示したように車体に実装された車両の路面表面近傍を撮像するカラーＣＣＤカメラ３０７を用いて、このＣＣＤカメラ３０７から出力されるＲＧＢ信号を入力してカメラ画像から路面画像を記憶して過去の路面画像と現在の路面画像を差分演算して移動路面を検出する画像処理装置について説明する。すなわち、ここでは図１３に示すように、画像は車体の傾き信号から補正して動く路面と車体との距離Ｌ１と方向（傾き）θｍを算出する。
【０１６９】
さらに図１４のＡには時刻ｔ0での路面画像ＰＣ(t0)と、図１４のＢには時刻ｔ1での路面画像ＰＣ(t1)を示す。ここで、カメラでｔ0の画像ＰＣ(t0)とｔ1の画像ＰＣ(t0)を差分すると変化量のある領域が移動路面領域となる。これにより、２つの時間差のある画面の差分画面ΔＰＣ（Δｔ）から移動路面を認識する。
【０１７０】
すなわちこのようにして得た差分画面ΔＰＣ（Δｔ）の境界線がエッジラインとなる。ここでのエッジラインは、例えば差分画面ΔＰＣ（Δｔ）の画像データを二値化してその微分画像からエッジラインが得られる。こうして一般路面と移動路面のエッジが検出される。さらに移動路面の移動方向Ｖｆは、ＣＣＤカラー画像（ＲＧＢ）信号で時刻ｔ0、ｔ1での画像ＰＣ(t0)、ＰＣ(t1)の差分した画像ΔＰＣ（Δｔ）は時刻ｔ0から時刻ｔ1に変化した方向の画像から路面移動方向が認識される。
【０１７１】
これにより装置は姿勢制御を停止して車輪は受動で動くようになり、かつ補助車輪により路面に対して姿勢を安定に保つ構造に変化する。あるいは、カメラにより動く路面の進行方向に対し平衡二輪が直角になるように左右車輪を制御して二輪のタイヤが動く歩道路面と進行方向が一致するよう調整する。
【０１７２】
また、図１５のＡには時刻ｔ0での路面画像ＰＣ(t0)と図１５のＢには時刻ｔ1での路面画像ＰＣ(t1)を示す。この画像から距離Ｌ1と角度θｍは下式から算出される。
Ｌ1＝Ｈ０×tan(θｊ)                                                  式１
【０１７３】
ここでθｊはＬ1線上のエッジライン上の点Ｐxの画面上の高さＨpxとするとき、
（１）画像中央線上にあるとき、すなわちＨpx＝Ｈ０であるとき
θｊ＝９０  DEG
（２）カメラ真下にあるとき、すなわちＨpx＝０であるとき
θｊ＝０  DEG
（３）０＜Ｐx＜画像中央線上であるとき
θｊ≒tan-1（Ｈpx／(Ｈ0−Ｈpx)）                                      式２
こうしてθｊが算出されＬ１が求められる。
【０１７４】
さらに、傾きθｍは下式近似計算により求まる。但しＬ1は小さいとする。ここでカメラ位置上の画像中央線から左右に等角度θ０の延長線上でエッジラインと交わる点Ｐx0、Ｐx1とするときそれぞれの画面上の高さをＰxと同様にＨpx0、Ｈpx1、また横方向の点Ｐx0、Ｐx1間の距離をＷpxとすると
Θｍ≒tan-1（(Ｈpx1−Ｈpx0)／Ｗpx)                                    式３
こうしてθｍが算出される。
【０１７５】
なお、カメラ３０７は、図２、図３に示すような車両でハンドル部に実装してもよい。このようにカメラ３０７をハンドル部に実装した場合には、カメラ位置の高さが高くなることにより、より遠方にある障害物の認識が可能となる。さらには、図４、図５に示すように２個のカメラ３０７Ｌ、３０７Ｒを用いることにより、３次元空間における障害物との正確な位置関係を算出できる。
【０１７６】
また図１６には、車体にピッチ軸、ロール軸の変位がある場合の画像位置情報を補正する手法について説明する。すなわち、これまでカメラは水平に保たれた車体の画像としていた。しかし実際には図１６のようにピッチ軸θｐの傾きがあるとき画像から検出されるエッジ位置、ここでは図１５のＰx位置、Ｈpx値が大きくなるため実距離Ｌ1よりも大きい値となる誤差が生じる。
【０１７７】
このため車体のピッチ軸変化に応じて算出された距離Ｌ1を補正する必要がある。ここでは、ピッチ軸角度θｐはジャイロセンサ、重力加速度センサから検出される。これにより車体が水平姿勢でのエッジ位置Ｐxは下式により補正される。
【０１７８】
すなわち、ピッチ軸θｐでカメラ画像のエッジ位置Ｐx点から検出される高さＨpxとすると、補正された水平姿勢のエッジ位置高さＨpxpは下式となる。
Ｈpxp≒Ｈpx×（１−SIN（θp））                                         式４
こうして補正された値を式１、２、３のＨpxをＨpxpにした計算により距離Ｌ1が求められる。
【０１７９】
同様にロール軸角度が変位θｒするとエッジラインの方向が変化して真の移動路面の移動方向と誤差が生じる。これを補正するには、画像から式１、２、３で算出されたエッジラインの傾きθｍをロール軸変位θｒを下式により補正する。
θｍｒ≒θｍ＋θｒ                                                      式５
【０１８０】
このように、式４、５により補正した値を用いることにより、正確な移動路面との距離Ｌ1、方向θｍｒを算出できる。ここで式４、５は近似式だが必ずしも正確な値でなくともよい。すなわち、車体が転倒しない範囲の誤差範囲であれば実際上問題は生じないものである。
【０１８１】
また走行速度（Ｖｃ）はタイヤの回転数（ωtire）で算出できる。
Ｖｃ＝ωtire＊Ｒｔ             Ｒｔはタイヤ半径                         式６
すなわち画像サンプリング時間Ｔｖｓのときにカメラで画像を記憶すると、走行速度Ｖｃで走行するとき画像情報は速度により変化する。
【０１８２】
ここで、Ｋ番目にサンプリングした画像データをＶ（ｋ）とすると一過去（Ｋ−１）サンプリングの画像データはＶ（ｋ−１）であるから
ΔＶ（Ｋ）＝Ｖ（ｋ）‐Ｖ（ｋ−１）                                     式７
の画像データの差分が生じる。
【０１８３】
この差分データは速度Ｖｃにより比例するので、対象物が移動しない場合、画像データは下式となる。
Ｖ（ｋ）＝Ｖ（ｋ−１）＋Ｖｃ＊Ａ０         ：Ａ０は一定の定数         式８
【０１８４】
従って走行速度Ｖｃで走行中でも、自らの走行による対象物の変化を式８により画像データＶ（ｋ）から差分をすると式１、２、３のように移動路面を認識することができる。なお、本体が回転速度で回転しても同様に回転補正することにより、式１、２、３のように移動路面を認識することができる。
【０１８５】
さらに以下には、本発明の走行装置及びその制御方法を実施する際の具体的な処理動作について、図１７〜図２０のフローチャートを用いて説明する。
【０１８６】
まず、図１７は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る。次にステップＳ２でサーボゲインが設定される。さらにステップＳ３でタイマ割り込み許可が行われる。そしてステップＳ４でインジケータ表示が行われて、以下このステップＳ４が繰り返される。
【０１８７】
次に図１８には、タイマ割り込みルーチンとして実行されるセンサモジュールのセンサ信号処理のフローチャートを示す。この図１８においては、例えば１msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ１１でジャイロセンサからの出力、及び加速度センサからの出力が検出され、これらの出力値から車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）が算出される。
【０１８８】
またステップＳ１２では、２つの圧力センサから、それぞれの荷重Ｗ１及びＷ２が検出される。そしてステップＳ１３で、これらの検出及び算出されたセンサデータが、姿勢制御装置及び画像処理装置へ送信されて、メインルーチンの割り込みの行われたステップに戻される。このようにして、センサモジュールのセンサ信号処理が行われる。
【０１８９】
さらに図１９には、同じくタイマ割り込みルーチンとして実行される画像認識による走行運転のフローチャートを示す。この図１９においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ２１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）及び角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）のセンサデータが受信される。
【０１９０】
次に、ステップＳ２２で小型カメラからの画像処理が行われ、ＣＣＤカメラ画像入力を過去画像と差分し、移動路面距離Ｌ0の算出、移動路面角度θｍの算出、現在画像データ記憶などが行われる。さらにステップＳ２３で移動路面との接近が「Ｌ1≦危険距離」により判断される。そしてステップＳ２３で「Ｌ1≦危険距離」でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ２４で姿勢制御が実行され、補助輪が格納される。
【０１９１】
また、ステップＳ２３で「Ｌ1≦危険距離」のとき（Ｙｅｓ）は、さらにステップＳ２５で人の搭乗状態が「荷重＞０ｋｇ」で判断される。そしてステップＳ２５で「荷重＞０ｋｇ」のとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ２６で停止指令が実行され、補助輪出しが行われる。
【０１９２】
さらにステップＳ２５で「荷重＞０ｋｇ」でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ２７で移動路面角度θｍ方向に車体旋回指令が行われる。また、ステップＳ２８で「θｍ＝０」により車体方向の一致が判断され、「θｍ＝０」となったとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ２９で姿勢制御が実行されて補助輪が格納される。
【０１９３】
そしてステップＳ２４、２６、２９が実行されるか、ステップＳ２８で「θｍ＝０」となっていないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ３０で姿勢制御装置へ制御指令（姿勢制御、停止、旋回量）が送信される。このようにして、画像認識による走行運転が行われる。
【０１９４】
また図２０には、同じくタイマ割り込みルーチンとして実行される姿勢制御のフローチャートを示す。この図２０においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ３１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）、角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）及び荷重Ｗ（Ｗ1、Ｗ2）のセンサデータが受信される。
【０１９５】
次に、ステップＳ３２でサーボアンプから２つのモータのそれぞれの回転角θmt１及びθmt２のデータが受信される。そして、ステップＳ３３でサーボゲインの変更が行われ、荷重Ｗに比例して制御ゲインＫｐ1、Ｋｐ2、Ｋｐ3、Ｋｐ4、Ｋｐ5、Ｋｐ6を変化させる。また、ステップＳ３４で画像処理装置から制御指令（姿勢制御、停止、旋回量）が受信される。
【０１９６】
さらにステップＳ３５で画像処理装置から制御指令が停止指令か否か判断される。そしてステップＳ３５で停止指令のとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ３６でモータ速度ゼロ制御とされる。すなわち、
Ｔref1＝-ｄ(θmt1)／dt×Ｋ6
Ｔref1＝−d(θmt2)／dt×Ｋ6
とされ、さらに補助輪出しＰＩＯ出力として、補助輪アームモータオフ、ブザーオン、ＬＥＤオン出力が行われる。
【０１９７】
また、ステップＳ３５で停止指令でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ３７で補助輪格納ＰＩＯ出力として、補助輪アームモータオン、ブザーオフ、ＬＥＤオフ出力が行われ、さらにステップＳ３８で、モータトルク
Ｔref＝Ｋp1×ωp＋Ｋp2×θp
が演算される。
【０１９８】
さらにステップＳ３９で画像処理装置からの制御指令が画像旋回指令か否か判断される。そしてステップＳ３９で画像旋回指令でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ４０で左右荷重（Ｗ1，Ｗ2)差旋回による
Ｔref1＝Ｔref＋(Ｗ2−Ｗ1)×Ｋp3
Ｔref2＝Ｔref＋(Ｗ1−Ｗ2)×Ｋp3
またはレバー操作旋回による
Ｔref1＝Ｔref＋ＶRｍ×Ｋp3
Ｔref2＝Ｔref−ＶRｍ×Ｋp3
の演算が行われる。
【０１９９】
これに対して、ステップＳ３９で画像処理装置からの制御指令が画像旋回指令のとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ４１で画像旋回制御として路面方向へ車体方向を旋回させる制御が行われ、
Ｔref1＝Ｔref＋θｍ×Ｋp4
Ｔref2＝Ｔref−θｍ×Ｋp4
の演算が行われる。
【０２００】
また、ステップＳ４２で「θｍ＝０」により車体方向の一致が判断され、「θｍ＝０」となったとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ４３でヨー軸安定制御として
If(ωy<0)then{
Tref1＝Tref+ωy×Kp5
Tref2＝Tref}
If(ωy>0)then{
Tref2＝Tref＋ωy×Kp5
Tref1＝Tref}
の処理が行われる。
【０２０１】
そしてステップＳ３６、４０、４３が実行されるか、ステップＳ４２で「θｍ＝０」となっていないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ４４でサーボアンプへトルク指令Ｔref1、Ｔref2が送信される。このようにして、姿勢制御が行われる。
【０２０２】
以上のようにして、本発明の走行装置及びその制御方法によれば、事前に動く路面を感知して路面変化する前に車両の走行を停止し搭乗者に警告して転倒を防ぐ。さらには２輪の車輪の進行方向を移動路面方向に同じくするよう車両方向を制御することにより、移動路面に乗り入れて牽引するときに車体が旋回することを防ぐよう安全に車輪を制御する機構及び制御手段を有する走行装置及びその制御方法を提供することができる。
【０２０３】
さらに以下には、倒立振子制御で動く車両制御において、路面の動きの変化に対して姿勢を安定化する制御方法について説明する。最初は、動く歩道に入るときの姿勢安定化の原理である。ここでは、境界点で図２１のＡのように姿勢を傾けてバランス姿勢を保つことができる。すなわち、動く歩道の境界点（時刻t１）で路面送り力Ｆrdと釣合う姿勢なることにより転倒防止できる。このときのピッチ角度の変化と、路面速度の変化を図２１のＢ及びＣに示す。
【０２０４】
なお、このときの制御のフローチャートを図２２に示す。この図２２においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ５１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）、角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）及び荷重Ｗのセンサデータが受信される。
【０２０５】
次に、ステップＳ５２でサーボアンプからモータの回転角θmtのデータが受信される。さらにステップＳ５３でサーボゲインの変更が行われ、荷重Ｗに比例して制御ゲインＫｐ1、Ｋｐ2を変化させる。また、ステップＳ５４で画像処理装置とモータ回転角から車輪位置と動路面境界位置までの距離を算出する。そしてステップＳ５５で動路面境界位置が近傍であるか否か判断される。
【０２０６】
このステップＳ５５で動路面境界位置が近傍であるとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ５６で本体ピッチ角指令θprefを路面速度Ｖrdに比例して変更する。すなわち
Θpref＝Ｋpv×Ｖrd                但し、Ｋpvは正の定数
とする。また、ステップＳ５７で姿勢制御演算としてモータトルクを
Ｔref＝Ｋp1×ωp＋Ｋp2×（θp‐θpref）
と算出する。
【０２０７】
また、ステップＳ５５で動路面境界位置が近傍でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ５８で姿勢制御演算としてモータトルクを
Ｔref＝Ｋp1×ωp＋Ｋp2×θp
と算出する。そしてステップＳ５７、５８が実行されると、ステップＳ５９でサーボアンプへトルク指令Ｔrefが送信される。このようにして、姿勢制御が行われる。
【０２０８】
続いて倒立振子制御で動く車両制御において、移動路面の脱出時に姿勢を安定化する制御方法について説明する。ここで図２３には、動く歩道から出るときの第１の姿勢変化例として、姿勢安定化制御なしの場合を示す。
【０２０９】
この場合に、図２３のＡにおいて（１）の状態では、路面との相対速度ゼロ，車両絶対速度ｖ＝Ｖrdで移動している。次に（２）の移動路面と一般路面との境界において、車両は路面速度の相対差により摩擦によって制動力Ｆを受ける。同時に、制動力の反作用により、車両の重心に慣性力Ｆが生じる。ここで摩擦力Ｆの大きさは路面の相対速度に依存するものである。
【０２１０】
さらに、図２３のＢに示すように慣性力の影響で車両は（３）のように前方に傾く。これにより、通常の姿勢制御の計算式に基づいた加速トルクがモータに印加される。従って車両が加速することにより車体は（４）のように徐々に起き上がる。さらに加速トルクにより車体はさらに起き上がって（５）の状態となり、一定速度で前方に進行する。なおここでは乗車者の能動的な動きは無視している。
【０２１１】
これに対して図２４には、動く歩道から出るときの第２の姿勢変化例として、加速トルク印加による姿勢安定化制御を行った場合を示す。この場合に、図２４のＡの（１）の状態では、路面との相対速度ゼロ、車両絶対速度ｖ＝Ｖrdで移動している。そして、（２）の一般路面との境界の直前に、車両安定化のための加速トルクτaをモータに印加する。なお、移動路面脱出時の姿勢安定化制御のための加速トルクτaは
Ｔref＝Ｋp1×ωp＋Ｋp2×(θp‐θpref)＋τa
の式のように表される。
【０２１２】
これによって（３）で境界に達する際，車両速度は（１）の初期速度に対して増大しており、（２）に示す慣性力の作用で車体はわずかに後方に傾いている。従って境界において図２３の場合と同様に、摩擦力による制動力Ｆが車両に後ろ向きに作用する。同時に、加速トルクによる駆動力Ｆa（Ｆa＜Ｆ）が前向きに作用しているため、制動力の影響は弱められ、両者の差分による慣性力が車両の重心に作用する。
【０２１３】
さらに、境界を越えて図２４のＢの（４）の状態になった際、加速トルクの印加は終えられ、通常の姿勢制御状態に戻る。この際、車体の角度は正負のどちらの状態になるかは定まらない。よって、加速中もしくは減速中の状態であることが考えられるが、車両は速度を持って前方に進行しているため、後退して移動路面に再び侵入することなく、通常の姿勢制御が行われて（５）の安定状態に至る。
【０２１４】
さらに、図２３に示した安定化制御なしの場合と、図２４に示した安定化制御有りの場合の車両の姿勢変化の違いについて説明する。ここで図２３の場合、車両が一旦前方に傾き、その結果生じる加速トルクによって車体姿勢が回復する。このように通常の姿勢制御のみを行った場合でも、移動路面から脱出することは可能だが、図２３のＣに示すようにピッチ角の変化が大きいため車両の挙動が不安定になる。
【０２１５】
一方、図２４の場合、安定化のための加速トルクを印加することで、摩擦力による姿勢変化の影響を軽減するため、図２４のＣに示すようにピッチ角の変化が抑制され、車両の挙動が安定化される。ここで図２４の説明では、境界手前で加速トルクを印加しているが、印加のタイミングが境界を乗り越える瞬間もしくは乗り越えた後であっても、同様に駆動力Ｆaの反作用の効果により、車両のピッチ角変化の大きさが抑制される。
【０２１６】
ただし、安定化のために過大な駆動力Ｆaを印加した場合、車両が境界の前後で大きく後方に傾き、過大な減速トルクが発生した結果、車両速度が正から負に転じ、移動路面から脱出できない、もしくは境界付近でハンチングを起こす恐れがある。そのため上記の説明では、駆動力Ｆaの大きさをＦa＜Ｆとしているものである。
【０２１７】
なお、図２４の安定化制御において、境界手前で車両を加速させるのは、歩行者が移動路面から降りる際、意識的に歩速を早めるのと同様の動きである。また、人が車や自転車のような移動車両の上から地面に飛び降りる場合、着地した瞬間に前方に走り出すことで、前方への転倒を防ぐことができる。これと同様に、上述した車両の制御においても、境界を越えてから加速することによって、車両の姿勢変化を抑制することが可能となるものである。
【０２１８】
さらに、図２５には移動路面脱出時の姿勢制御のフローチャートを示す。この図２５においては、例えば３３msec間隔でルーチンが起動される。そしてステップＳ６１でセンサモジュールからの車両角度（ピッチ角度θｐ、ヨー角度θｙ、ロール角度θｒ）、角速度（ピッチ角速度ωｐ、ヨー角速度ωｙ、ロール角速度ωｒ）及び荷重Ｗのセンサデータが受信される。
【０２１９】
次に、ステップＳ６２でサーボアンプからモータの回転角θmtのデータが受信される。さらにステップＳ６３でサーボゲインの変更が行われ、荷重Ｗに比例して制御ゲインＫｐ1、Ｋｐ2を変化させる。また、ステップＳ６４で画像処理装置とモータ回転角から車輪位置と動路面境界位置までの距離を算出する。そしてステップＳ６５で動路面境界位置が近傍であるか否か判断される。
【０２２０】
このステップＳ６５で動路面境界位置が近傍であるとき（Ｙｅｓ）は、ステップＳ６６で路面の相対速度Ｖrdから予測される制動力Ｆを算出する。さらにステップＳ６７で姿勢安定化のための加速トルクを
τa＝Ｒ・Ｆa＝Ｒ・（ Ｆ - ｎ)          但し、Ｒは車輪半径、ｎは定数
として算出し、ステップＳ６８で姿勢制御演算としてモータトルクを算出して加速トルクτaを加算する。
Ｔref＝（Ｋp1×ωp＋Ｋp2×θp)＋τa
【０２２１】
また、ステップＳ６５で動路面境界位置が近傍でないとき（Ｎｏ）は、ステップＳ６９で姿勢制御演算としてモータトルクを
Ｔref＝Ｋp1×ωp＋Ｋp2×θp
と算出する。そしてステップＳ６８、６９が実行されると、ステップＳ７０でサーボアンプへトルク指令Ｔrefが送信される。このようにして、移動路面の脱出時の姿勢制御が行われる。
【０２２２】
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、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従い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、筐体の前方及び／または後方の路面の位置の変化を計測する計測装置を装備し、計測装置によって計測された路面の位置の変化に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行う制御手段を設けることにより、移動路面を含む走行時の制御を良好に行うことができる。
【０２２３】
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手段と、複数の車輪を連結する筐体とを有し、筐体には自身の姿勢角度を検出する手段が設けられて、検出された姿勢角度の情報に従い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、筐体の前方及び／または後方の路面の位置の変化を計測する計測装置を装備し、計測装置によって計測された路面の位置の変化に応じて複数の車輪をそれぞれ独立に駆動して筐体自身の姿勢角度の制御を行うことにより、移動路面を含む走行時の制御を良好に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２４】
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】
【０２２５】
【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】その一の具体例の構成図である。
【図３】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】その二の具体例の構成図である。
【図５】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６】その対象物間距離の算出方法の説明図である。
【図７】その対象物間距離の算出方法の説明図である。
【図８】本発明による走行装置の機構構成図である。
【図９】本発明による走行装置の機構構成図である。
【図１０】本発明による走行装置の制御システム構成図である。
【図１１】移動路面に対する位置補正の説明図である。
【図１２】移動路面に対する位置補正の説明図である。
【図１３】移動路面に対する位置補正の説明図である。
【図１４】移動路面に対する画像認識の説明図である。
【図１５】移動路面に対する画像認識の説明図である。
【図１６】移動路面に対する画像認識の説明図である。
【図１７】メインルーチンのフローチャート図である。
【図１８】センサモジュールの信号処理のフローチャート図である。
【図１９】画像認識走行運転のフローチャート図である。
【図２０】姿勢制御のフローチャート図である。
【図２１】移動路面に対する姿勢制御の説明図である。
【図２２】姿勢制御のフローチャート図である。
【図２３】移動路面に対する姿勢制御の説明図である。
【図２４】移動路面に対する姿勢制御の説明図である。
【図２５】姿勢制御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。
【図４９】移動路面に対する問題点の説明図である。
【図５０】移動路面に対する問題点の説明図である。
【符号の説明】
【０２２６】
３００…ベース、３０１，３０２…車輪、３０３…センサモジュール、３０４…モータ、３０５…操作レバー、３０６…牽引アーム、３０７…小型カメラ、３０８…補助車輪、３０９…アクチュエータ、３１０…表示装置
【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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【図４９】
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【図５０】
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【図１４】
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【図１５】
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