(57)【要約】【課題】電動車両の速度を制御するためのコントローラ及び方法を提供する。【解決手段】電動駆動部を有する車両の速度を制御するためのコントローラ及び方法が提供される。一実施形態では、電動駆動部を有する車両の速度を制御するための方法は、走行面の上を移動する車両の定常状態の平均トルクと加速又は減速中のトルクとを決定することを含む。車両の速度は、定常状態の平均トルクと、加速又は減速中のトルクと、走行面の上を移動する車両の少なくとも１つの接地要素にトルクを加える車両の電動駆動機構によって生成された、測定された回生電流と、車両の重量及びペイロードと、接地要素に加えられたトルクと、車両の加速度と、車両の速度とに基づいて制御される。【選択図】図２４
2010500220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動駆動部を有する車両の速度を制御するための方法であって、
走行面の上を移動する前記車両の定常状態の平均トルクと加速又は減速中のトルクとを決定するステップと、
前記車両の速度を制御するステップであって、前記車両の速度を、
前記定常状態の平均トルクと、
前記車両の加速又は減速中の前記トルクと、
前記走行面の上を移動するための前記車両の少なくとも１つの接地要素にトルクを加える前記車両の電動駆動機構によって生成された、測定されたアクチュエータの電流と、
前記車両の重量及びペイロードと、
前記接地要素に加えられた前記トルクと、
前記車両の加速度と、
前記車両の前記速度とに基づいて制御する、該ステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記車両の速度を制御する前記ステップは、加速度補償された平均電流を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記車両の速度を制御する前記ステップは、前記車両を加速する又は減速するために必要なアクチュエータの電流量を決定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記車両を加速する又は減速するために必要なアクチュエータの電流量を決定する前記ステップは、前記アクチュエータの電流量を、前記車両の速度と前記走行面の傾斜とに基づいて決定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加速度補償された平均電流は、前記車両の前記測定されたアクチュエータの電流から、減速によって発生した前記アクチュエータの電流を差し引くことによって決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記加速度補償された平均電流は、前記車両の前記測定されたアクチュエータの電流から、加速によって発生した前記アクチュエータの電流を差し引くことによって決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記車両は、動的に安定化されたトランスポータであり、
前記車両の最大許容速度は、前記車両のピッチ要素を調整することによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記車両の前記最大許容速度は、前記加速度補償された平均電流に基づいてピッチコントローラにより調整されるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
回生電流が増加した場合、前記車両の前記最大許容速度を下げるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
回生電流が減少した場合、前記車両の前記最大許容速度を上げるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記車両の加速及び減速は、少なくとも主として前記電動駆動機構の操作によって達成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定された電流が全体電流の閾値を超えた場合、前記車両の速度が制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記全体電流の閾値は、ユーザの経験レベルに基づくものであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記車両は、静的に安定なトランスポータであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記車両の重量及びペイロードは推定値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
電動駆動部を有する車両の速度を制御するためのコントローラであって、
走行面の上を移動する前記車両の定常状態の平均トルクと加速又は減速中のトルクとを生成するトルクモジュールと、
前記トルクモジュールから前記定常状態の平均トルクと前記車両の加速又は減速中の前記トルクとを受信し、所望のピッチ角を出力する速度モジュールであって、前記ピッチ角を、
前記定常状態の平均トルクと、
前記車両の加速又は減速中の前記トルクと、
前記走行面の上を移動するための前記車両の少なくとも１つの接地要素にトルクを加える前記車両の電動駆動機構によって生成された、測定された電流と、
前記車両の重量及びペイロードと、
前記電動駆動機構によって加えられた前記トルクと、
前記車両の速度とに基づいて出力する、該速度モジュールとを含むことを特徴とするコントローラ。
【請求項１７】
前記コントローラは、加速度補償された平均電流が閾値未満のとき、前記車両の速度を制御することを特徴とする請求項１６に記載のコントローラ。
【請求項１８】
車両速度コマンドに基づいて前記車両の速度を調整するように前記車両のピッチを制御するためのピッチコントローラモジュールを含むことを特徴とする請求項１６に記載のコントローラ。
【請求項１９】
電動駆動部を有する車両であって、
ペイロードを支持するプラットフォームと、
前記プラットフォームに接続され、走行面の上を移動するための少なくとも１つの接地要素を含む接地モジュールと、
前記少なくとも１つの接地要素にトルクを加えるための電動駆動機構と、
前記電動駆動機構に電圧を印加するための電源と、
前記車両の重量及びペイロードと前記走行面の傾斜とに基づいて前記接地要素の速度を制限するコントローラとを含むことを特徴とする車両。
【請求項２０】
前記車両の定常状態の平均トルクと前記車両の加速又は減速中のトルクとを決定するトルクモジュールを含むことを特徴とする請求項１９に記載の車両。
【請求項２１】
前記定常状態の平均トルクと、前記車両の加速又は減速中の前記トルクと、前記電動駆動機構によって生成された、測定された電流と、前記車両の重量及びペイロードと、前記電動駆動機構によって加えられたトルクと、前記車両の速度とに基づいて所望の車両速度コマンドを出力する速度モジュールを含むことを特徴とする請求項２０に記載の車両。
【請求項２２】
前記車両速度コマンドに基づいて前記車両の速度を制御する速度コントローラを含むことを特徴とする請求項２１に記載の車両。
【請求項２３】
前記車両速度コマンドは、前記車両の所望のピッチであり、
前記速度コントローラは、所望のピッチ角に基づいて前記車両の速度を制御するように前記車両のピッチを制御するピッチコントローラであることを特徴とする請求項２２に記載の車両。
【請求項２４】
前記車両は、動的に安定化されたトランスポータであり、
前記車両の最大許容速度は、前記車両のピッチ要素を調整することによって制御されることを特徴とする請求項１９に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両の制御に関するものであり、より詳しくは、電動車両の速度を制御し、制限することに関する。
【背景技術】
【０００２】
人を移動させるための様々なトランスポータ及び方法が知られている。一般に、そのようなトランスポータは、静的な安定性に頼るものであり、走行面に対する前記トランスポータの接地部材の配置に関して予測される全ての状態において安定するように設計されている。例えば、自動車の重心に作用する重力ベクトルが前記自動車の車輪の接地点同士の間を通るようにし、前記自動車のサスペンションにより全ての車輪が常に地面と接触するようにして前記自動車を安定させる。しかし、安定しているトランスポータを不安定にさせてしまう条件（例えば、速度の増加、急な方向転換など）がある。
【０００３】
動的に安定化されたタイプのトランスポータ（バランシングトランスポータとしても知られている）は、トランスポータが動作しているとき、そのトランスポータの安定性を能動的に維持する制御システムを有している。前記制御システムは、トランスポータの角度位置を継続的に検知し、安定性を維持するために必要な補正動作を決定し、前記補正動作を行うように車輪モータに命令を出すことによりトランスポータの安定性を維持する。トランスポータが安定性を維持するための能力を失った場合（例えば、構成要素の故障やパワーが足りないなど）、乗り手は突然バランスを失うことがある。
【０００４】
接地性能が安定保持される車両の場合、ステアリング制御と車両の前進運動の制御との間のカップリング（連結）が問題になることはない。一般的な道路条件の下では、車両が旋回する間ずっと車輪が地面と接触していることによって安定性は維持される。しかしながら、バランシングトランスポータでは、１つ或いは複数の車輪のいずれに加えられるトルクもトランスポータの安定性に影響を与える。特許文献１の主題の１つは、ステアリング制御機構とバランシング制御機構との間のカップリングであり、参照することをもって本出願の一部とする。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，７８９，６４０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３０２，２３０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０１０８１５６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７０１，９６５号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７９１，４２５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８７４，５９１号明細書
【特許文献７】米国特許第６，２８８，５０５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，３３２，１０３号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１０／９３９，９５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一形態において、電動駆動部を有する車両の速度を制御するためのコンピュータで実行される方法を特徴とするものである。その方法は、走行面の上を移動する車両の定常状態の平均トルクと加速及び減速中のトルクとを決定することを含む。その方法は、定常状態の平均トルクと、加速及び減速中のトルクと、走行面の上を移動するための車両の少なくとも１つの接地要素にトルクを加える車両の電動駆動機構によって生成された、測定されたアクチュエータ電流とに基づいて車両の速度を制御することも含む。また車両の速度の制御は、車両の重量及びペイロード（積載物）と、接地要素に加えられたトルクと、車両の加速度と、車両の速度とに基づいて制御される。
【０００７】
或る実施形態では、車両の速度の制御は、加速度補償された平均電流を決定することを含む。或る実施形態では、車両の速度の制御は、車両を加速する又は減速するために必要なアクチュエータの電流量を決定することを含む。一部の実施形態では、車両を加速する又は減速するために必要なアクチュエータの電流量の決定は、車両の速度及び車両の走行面の傾斜に基づいて行われる。或る実施形態では、加速度補償された平均電流の決定は、車両の測定されたアクチュエータの電流から、加速又は減速によって発生したアクチュエータの電流を差し引くことを含む。
【０００８】
或る実施形態では、車両は、動的に安定化されたトランスポータであり、車両の最大許容速度は、車両のピッチ要素を調整することによって制御される。或る実施形態では、車両の最大許容速度は、加速度補償された平均電流に基づいてピッチコントローラにより調整されるようにした。或る実施形態では、本発明の方法は、回生電流が増加した場合、車両の最大許容速度を下げるようにしたことも含む。或る実施形態では、本発明の方法は、回生電流が減少した場合、車両の最大許容速度を上げるようにしたことも含む。或る実施形態では、車両の加速及び減速は、少なくとも主として電動駆動機構の操作によって達成される。或る実施形態では、車両の速度は、測定電流が全体電流の閾値を超えたときに制御される。或る実施形態では、全体電流の閾値は、ユーザの経験レベルに基づくものである。或る実施形態では、車両は、静的に安定なトランスポータである。或る実施形態では、車両の重量及びペイロードは推定値である。或る実施形態では、車両の重量及びペイロードは測定値である。
【０００９】
本発明は、別の実施形態において、電動駆動部を有する車両の速度を制御するためのコントローラを特徴とするものである。前記コントローラは、走行面の上を移動する車両の定常状態の平均トルクと車両の加速及び減速中のトルクとを決定するトルクモジュールを含む。コントローラは、定常状態の平均トルクと加速及び減速中のトルクとをトルクモジュールから受信し、所望の車両速度コマンド（例えば、ピッチ角）を出力する速度モジュールも含む。所望のピッチ角は、定常状態の平均トルクと、加速及び減速中のトルクと、車両の重量及びペイロードと、走行面の上を移動するための車両の少なくとも１つの接地要素にトルクを加える電動駆動機構によって生成された、測定された電流と、電動駆動機構によって加えられたトルクと、車両の速度とに基づくものである。
【００１０】
或る実施形態では、コントローラは、加速度補償された平均が閾値より少ないときに車両の速度を制御する。或る実施形態では、コントローラは、車両速度コマンド（例えば、所望のピッチ角）に基づいて車両の速度を調整するように車両のピッチを制御するためのピッチコントローラモジュールを含む。
【００１１】
本発明は、別の実施形態において、電動駆動部を有する車両を特徴とするものである。車両は、ペイロードを支持するプラットフォームを含む。車両はプラットフォームに接続され、走行面の上を移動する少なくとも１つの接地要素を含む接地モジュールも含む。車両は、少なくとも１つの接地要素にトルクを加えるための電動駆動機構も含む。車両は、電動駆動機構を作動させるための電源も含む。車両は、車両の重量及びペイロードと走行面の傾斜とに基づいて接地要素の速度を制限するコントローラも含む。
【００１２】
或る実施形態では、車両は、車両の定常状態の平均トルクと車両の加速又は減速中のトルクとを決定するトルクモジュールを含む。或る実施形態では、車両は、車両の定常状態の平均トルクと、車両の加速及び減速中のトルクと、電動駆動機構によって生成された、測定された電流と、車両の重量及びペイロードと、電動駆動機構によって加えられたトルクと、車両の速度とに基づいて所望の車両速度コマンドを出力する速度モジュールを含む。
【００１３】
或る実施形態では、車両は、車両速度コマンドに基づいて車両の速度を制御する速度コントローラを含む。或る実施形態では、車両は、車両速度コマンドが車両の所望のピッチ角であり、速度コントローラが、所望のピッチ角に基づいて車両の速度を制御するように車両のピッチを制御するピッチコントローラであることを特徴とする。或る実施形態では、車両は、動的に安定化されたトランスポータであり、車両のピッチ要素を調整することによって車両の最大許容速度が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を有利に用いることができる特許文献２に詳細を記載のトランスポータの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両の前後方向に水平な面において車両の安定性を動的に制御する制御ループのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるセンサ部、電力部、制御部を示すブロック図である。
【図４】本発明を有利に用いることができるシステム構成におけるヨーコマンドの構成的な入出力を示すブロック図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態によるパーソナルトランスポータに制御入力するためのハンドルバー傾斜装置を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態によるパーソナルトランスポータに制御入力するための制御ストークを接地モジュールに取り付ける屈曲式カップリングを有するハンドルバー傾斜装置を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態によるパーソナルトランスポータに制御入力するための別個のハンドルを有する更なるハンドルバー傾斜装置を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の実施形態によるパーソナルトランスポータに制御入力するためのハンドルバー回動装置を示す図である。
【図６】本発明の実施形態によるヨー入力とロール情報を組み合わせるためのミキサブロックのブロック図である。
【図７】本発明の実施形態によるパーソナルトランスポータを示す図である。
【図８】本発明の様々な実施形態によるヨーコントロールシステムの概略ブロック図である。
【図９】本発明の実施形態によるハンドルの傾きと命令されたヨーの関数関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態によるハンドル傾斜ピボット部の分解図である。
【図１１】本発明の実施形態によるハンドル傾斜ピボット部周りでハンドルにセンタリングトルクを提供するための一定応力ねじりブッシングを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態による人用トランスポータで使用するデジタルレベルの平面図である。
【図１３Ａ】本発明の様々な実施形態による取り外し可能な圧力プレートを有する足力圧力センサの配置を示すパーソナルトランスポータのプラットフォームの平面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による乗り手の左右の足の配置を検出するための２つのフットプレートを示す図である。
【図１４】平面上を等速で移動する剛性車輪を有する理想的なバランシングトランスポータの概略説明図である。
【図１５】駆動部インタフェースアセンブリの詳細を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施形態によるバランシング及び正常に移動している間の車輪モータの制御の概略図である。
【図１７】例示的なバランシングトランスポータの様々な速度制限パラメータの関係を示す図である。
【図１８Ａ】ゼロ傾斜面に沿って等速で移動する理想的な車輪の概略説明図である。
【図１８Ｂ】マイナス傾斜面に沿って等速で移動する理想的な車輪の概略説明図である。
【図１９】本発明の実施形態の動力駆動モジュールのブロック図である。
【図２０】本発明の実施形態によるモータの電気的なモデルを示す図である。
【図２１】本発明の実施形態による負荷と直列に接続されたバッテリの回路図である。
【図２２】本発明の実施形態によるバッテリパラメータを推定するための方法を示すフロー図である。
【図２３】本発明の実施形態による例示的なバランシングトランスポータの測定されたモータ電流と車両の速度との間の関係を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態によるトランスポータのコントローラの速度制限を示す概略図である。
【図２５】本発明の実施形態によるトランスポータのコントローラの速度制限の操作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、走行面の上を移動するために、車輪に加速及び減速の両方のための力／トルクを加える単独の又は主要な部材として電気モータ及び電動駆動部を利用する車両に役立つものである。そのような車両は、通常、前進するように操作したときに駆動され、エネルギを消費する。場合によっては、かなり急な坂を下るとき、加速することなく一定の速度を維持するために、駆動アクチュエータがリバーストルクを加える或いは回生する必要がある。本発明の実施形態は、車両の同じ構成要素（例えば、電気モータ）によって駆動と制動が行われるバランシング式及び非バランシング式の車両に有用である。例えば、本発明の実施形態は、静的に安定な車両及び動的に安定化された車両（例えば、動的に安定化されたバランシングトランスポータ）に有用である。
【００１６】
電気モータを有する車両の場合、上り坂、下り坂又は平地を移動中に減速した際に使用される利用可能なアクチュエータ能力の量を知っておかなければならない。加速又は減速のために使用されるアクチュエータ能力の量は、車両の制動能力を制限する。加速する又は減速するために使用されるアクチュエータ能力の量がどれくらいか、どれだけの量が予備として残っているかを知ることによって、車両にとって力学的に望ましくない状態が生じないように、システムが車両の動きを変化させることを可能にする。制動能力の低下などの力学的に望ましくない状態は、車両が平面の上を移動する場合と比べて、車両が下り坂を移動する場合に発生しやすい。
【００１７】
１つ或いは複数の車輪でトランスポータを運転することができる場合、「バランシング」を行っているといえるが、車輪の動きを制御する制御ループを動作させなければそのトランスポータは車輪により立つことができないであろう。バランシングトランスポータは、静的な安定性に欠けるが、動的にバランスをとることができる。トランスポータは、移動可能な作業用のプラットフォーム又はレクリエーション用の車両（例えば、ゴルフカートや運搬車）として使用できるという利点がある。車輪又は他の接地要素は、そのトランスポータと地面或いは他の走行面との間にコンタクトを提供し、通常の運転中にその先端部においてトランスポータを最小限に支持するものであり、本明細書では、「接地要素」と呼ぶこととする。
【００１８】
図１は、符号１０で概略が示されるバランシングパーソナルトランスポータを図示する。本発明を有利に用いることができる装置の１つの例が特許文献２に詳細に開示されている。人８は、支持プラットフォーム１２の上に立ち、プラットフォーム１２に取り付けられたハンドル１６のグリップ１４を握っている。人が傾くことによりモータ駆動部を用いて車軸２２周りで車輪２０にトルクが加えられるように制御ループが提供され得る。しかしながら、トランスポータ１０は静的に不安定であり、動的な安定性を維持するように制御ループが操作されない場合、トランスポータ１０はもはやその通常の運転中の角度位置で運転することができない。本明細書で使用される「安定性」という用語は、あらゆる点でシステムが運転位置から離れるように外乱を受けた場合に、前記システムが自然に元に戻る位置についての運転位置の機械的な状態をさすものである。
【００１９】
本発明の様々な実施形態は様々な用途に適しているので、本発明の様々な実施形態において異なる数の車輪又は他の接地部材を使用することができるという有利さがある。特許文献３は、図６及び図７で全地形対応バランシング車両について記載しており、参照することをもって本出願の一部とするものとする。全地形対応車両は、２つの前輪と２つの後輪を有する。各後輪は、それぞれのアクチュエータで駆動される。したがって、接地部材の数が１以上の任意の数であることは、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００２０】
図２は、車両の前後方向に平らな面（fore-aft plane）において車両（装置２０８）の安定性を動的に維持し、車両が直立し続けるようにするための制御ループ２００を示す。この制御ループ２００は、入力としてピッチ状態を必要とする。特許文献４及び特許文献５は、図２の制御ループ２００を使用して操作することができる車両を開示している。その車両は、車両の安定性を能動的に制御するために瞬間的なピッチ状態の測定を必要とする。特許文献４及び特許文献５は、参照することをもってその全体の内容を本出願の一部とするものとする。図２の装置２０８は、１つのモータによって駆動される移動システムの運動方程式に等しい。Ｔは車輪のトルクを示す。シータ（θ）は車両の前後方向の傾斜（即ち、ピッチ角）を示す。Ｘは基準点に対する走行面に沿った車両の前後方向の変位を示す。下付き文字ｒは時間に関して微分される変数を示す。制御ゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、微分器２１２、２１６、及び加算器２０４は、バランスをとるために用いられるものである。動的制御を達成し、システムの安定性を確保し、システムを走行面の基準点周囲に維持するために、この実施形態の車輪のトルクＴは、次の方程式を満足するように設定される。
【００２１】
【数１】
2010500220.tif 000003
【００２２】
ゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の値は、制御ループ、システムの物理的なパラメータ、及び他の影響（例えば、重力）の設定に依存する。
【００２３】
図３のブロック図は、本発明の実施形態による車両を制御するための制御システム３１を示す。本発明のこの実施形態では、制御システム３１は、車両、例えば、図１のバランシングトランスポータ１０のモータ駆動部及びアクチュエータを制御するために使用される。モータ駆動部３３１及び３３２は、トランスポータ１０の左車輪及び右車輪をそれぞれ制御する。制御システム３１は、ユーザインタフェース３６１、車両の前後方向のピッチを検知するためのピッチセンサ３６２、車輪回転センサ３６３、及びピッチレートセンサ３６４を含むデータ入力部を有する。ピッチレート及びピッチは、様々なセンサ（例えば、ジャイロスコープや傾斜計）を単独で或いは組み合わせて使用することによって得られる。制御システム３１は、トランスポータの最大電流速度を計算するために、現在のバッテリパラメータの情報とモータパラメータの情報を組み合わせるバランシングマージンモニタ（図示せず）を含むこともある。バランシングマージンモニタは、車両の安定性を維持するために、車両の使用中にトランジェント（過渡状態）（例えば、こぶ）を生じたとき、例えば、十分なバッテリ電流を利用できるようにするために用いられる。車輪クラスタが使用される場合（例えば、特許文献６の図２に関連するようなもの）、左クラスタ駆動部３４１及び右クラスタ駆動部３４２は、左クラスタ及び右クラスタをそれぞれ駆動するように使用される。
【００２４】
他の実施形態では、制御システム３１は、２つより多くの車輪モータ駆動部を有することがある。追加の車輪モータ駆動部は、特許文献６の図２で図示されるように２つより多い車輪を有する車両に対して使用して良く、参照することをもってその全体の内容を本出願の一部とするものとする。
【００２５】
他の実施形態では、制御システム３１は、バランスを維持するために又は特定の量の加速又は減速能力を保持するために、十分な速度余裕を取ることができるようにトランスポータの速度を制限することがある（図１７に関連して説明される）。トルクと速度の両方を保持することが好ましく、その能力の特定の量は様々な要因に依存する。制御システム３１は更に、過電圧の発生によりバッテリにダメージが与えられるのを避けるために、トランスポータの速度を下げるためのロジック部を含むことがある（図２０〜２３に関連して説明される）。例えば、トランスポータが制動中にバッテリを回生するような能力を備え、且つバッテリが既に完全に充電された状態で下り坂を移動するとき、過電圧状態が発生する。
【００２６】
本明細書で使用される「傾斜」という用語は、システムの重心と所与のモーメントで地面の上でシステムを支持する接地要素の回転中心とを通過する線の局所的な垂直方向に対する角度をさすものである。「システム」という用語は、車両が移動する面に対して接地要素が動くことにより移動させられる主要部全体をさすものである。
【００２７】
本明細書で使用される「ピッチ状態」という用語は、車両の前後方向に平らな面におけるピッチと車両のピッチレートの両方を含む（即ち、θ及びθｒ（又は
2010500220.tif 000004
）、ただしθｒは、θの時間変化率）。
（なお、
2010500220.tif 000005
は、以降、「θ´」とも表記する）
【００２８】
パーソナルトランスポータのヨーコントロールシステムにユーザ入力を提供するための１つの機構が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されているように、トランスポータに乗ったユーザは、ヨーグリップアセンブリを回動することによってヨー制御入力をヨーコントローラ４０２（図４に図示）に供給する。
【００２９】
図４は、加算器４０１において、所望のヨー値Ψｄｅｓｉｒｅｄに対して現在のヨー値Ψの差異を求め、現在のヨーエラーΨｅｒｒを得ることを示している。所望のヨー値Ψｄｅｓｉｒｅｄは加算器４０１に入力されるユーザ入力（様々な実施形態が記載されている）から求められる。ヨーの現在値Ψは、車輪の速度の差異、慣性検知などの様々な状態推定から得られる。ヨーエラーからのヨーコマンドの生成は、例えば、特許文献７に記載の様々な処理アルゴリズムに従ってモータコントローラ４０５によって行われ、左右の各モータ４０３、４０４に供給される。
【００３０】
好適な方向指示入力装置の重要な特性の一つは、横加速度に対処しつつ、方向指示入力を提供するためのその能力である。横加速度の大きな旋回では、ユーザがトランスポータから落ちたり、トランスポータが転倒したりしないように、ユーザはその旋回にあわせて体を傾ける必要がある。最適な方向指示入力装置は、方向指示入力の命令を出すとき、ユーザが自分の体を適切な位置に動かすことを要する。ツイストグリップのヨー入力（例えば、特許文献１に記載の上述のもの）は、その回転軸線の角度位置と、ノブ及びハンドルの組み合わせのデザインとを通じて適切な体の姿勢をとりやすくする。しかしながら、乗り手の技術に応じてそれらの調整が取られない入力を行うことも可能である。
【００３１】
適切な体の姿勢をとりやすくするための別の方法には、１つ或いは複数のハンドルバーをジョイスティックにするというものがある。機械の基部付近でバーをピボットさせることによって、ユーザは素早く自分の体を動かすことができ、ハンドルバーを単に握り続けて入力命令を出すことができる。適切に調整された場合、旋回の開始時点でユーザの体は既に横加速度に対して反応するような位置にあり、調整が適切になされていない回転を行う可能性を減少する。
【００３２】
ハンドルバー傾斜機構では、ヨー入力はシャーシに対するハンドルバーの角度に比例する。人は足首でピボットを行うことによって最も安定的に体を傾けられるので、ユーザの体の動きに自然に従うようにバーを動かせるようにするために、ピボットの軸は、トランスポータの接地モジュールのできる限り低い部分に取り付けられることが好ましい。換言すれば、低い位置のピボットハンドルバーは、身体運動を追跡するということである。この実施形態では、標準的なパーソナルトランスポータのアルゴリズムを用いて、ヨー入力がヨーコマンドに変換される。それは固定されたゲインを低速度でヨー入力に適用し、しかしより高速でゲインを調整して、ヨーレートの代わりに横加速度に対応するヨー入力を生成するものである。このことはハンドルバー傾斜装置を用いて有効に機能する。なぜなら、必要とされる傾斜角度は横加速度に略比例するからである。その結果、ユーザが体を傾けることによって右か左かを「考え」、そして装置がその後についていくという、とても自然な入力方法となる。
【００３３】
【数２】
2010500220.tif 000006
【００３４】
ただし、Ｋは常数であり、
ΦＨＢはプラットフォームに対するハンドルバーの角度であり、
ΦＲｏｌｌは重力方向に対するプラットフォームの傾きであり、
2010500220.tif 000007
はヨーコマンドである。
【００３５】
本発明の実施形態では、傾斜した又は水平に取り付けられたピボットハンドルバーを有することがある。傾斜したピボット部を有する装置では、接地面及び接触面に対するピボットの角度は、興味深い力学的な旋回を提供する。具体的には、回転軸が坂道又は平面上での旋回に力学的に影響を及ぼすことがある。装置は、水平なピボット部を低い位置に備えることが好ましい。水平なピボット部は、旋回中に体の動きを運動学的に容易に追跡することができる。
【００３６】
本発明のまた別の実施形態によれば、基準点として移動方向を用いることにより、ピボット式のハンドルバーは、トランスポータの前側或いは後側のいずれかに取り付けられて良い。ピボットハンドルバーが後側に取り付けられた形態では、ハンドルバーに取り付けられたリムを用いるのに加えて、膝などの体の他の部位を用いてユーザがトランスポータを操縦することを可能にする。更にトランスポータは、ユーザが乗り降りしているとき、傾斜による操縦を無効にするという機能を含むことがある。ユーザがプラットフォームに部分的に乗っている／乗っていないとトランスポータが判断したときに、その機能を作動させて、ユーザが乗り降りしているとき、トランスポータが旋回したり、ユーザから離れたりしないようにする。
【００３７】
ハンドルバーの傾斜を提供するのに適した様々な装置のうち、第１の例を図５Ａを参照して説明する。ハンドルバー５００の動きは、プラットフォーム１２とハンドルバー５００の両方にピボット可能に取り付けられた平行リンクバー５０２によって、パーソナルトランスポータ１０の前進運動の方向に対して交差する平面上に実質的に規制される。ハンドルバーの動きは、スプリング５０４或いは緩衝装置によって中心位置に付勢される及び／又は動きが鈍らされる。図５Ｂに示される別の実施形態では、ハンドルバー５００は、屈曲式要素５０８によってトランスポータ１０のプラットフォーム１２に取り付けられている。またハンドルバーの動きは、ここでも前進運動の方向に対して交差する平面上に実質的に規制され、プラットフォーム１２の平面上或いはその付近にて実質的にピボットの中心を有する円弧をなすようにハンドルバーのチルティングを可能にする。図５Ａと図５Ｂのどちらの実施形態も、１つ或いは複数のセンサ５１０は、鉛直方向又は接地モジュールに関して固定された方向のいずれかに対して、ハンドルバー５００の位置又はハンドルバーをトランスポータに取り付けている部材５０２の位置を検出する。センサ５１０は、例えば、車両の制御シャフト（例えば、図１のハンドル１６）に沿って配置されるロードセルであり得る。さらに、ハンドルバーに取り付けられたスプリング又は緩衝装置は、所望に応じてトランスポータの回転レートを制限するように用いられ得る。
【００３８】
或る実施形態では、ハンドルバーの動きは中心位置に付勢されない。ハンドルバーが中心位置に付勢されない実施形態では、その中心の周囲にプリローディングがかからないため、ユーザはトランスポータを精密に且つ正確に操縦することができる。
【００３９】
図５Ｃに示されている実施形態によれば、ユーザ８がトランスポータのプラットフォーム１２に対して体を傾けることによって、２つの別個のハンドルバーセグメント５２０、５２２が別々に動かされる。図示の実施形態では、各ハンドルバーセグメントの位置は、スプリング又は別の方法によって各スリーブ５２４、５２６内で特定のニュートラルな高さに付勢される。相対的な高さのオフセットは、他のユーザ入力モダリティと共に説明されるように、旋回を制御するためにヨーコントローラに伝達される。
【００４０】
本発明の別のさらなる実施形態が図５Ｄに示されている。この実施形態では、支持ストーク１６に対するハンドルバー５００の時計方向の回動５３０及び反時計方向の回動５３２が検知され、ユーザ入力をヨーコントローラ（例えば、図４のヨーコントローラ４０２）に送信するための信号が生成される。緩衝装置５３４は、シャフト１６周りでピボット可能なハンドルバー５００のカップリングに内蔵されることが好ましい。
【００４１】
ハンドルバーの傾きの制御に関して取り組むべき問題には、地形に関する感度の影響というものがある。装置が障害物又はでこぼこした地形の上で運転される場合、結果としてもたらされるユーザの位置の変化が、意図しないヨー入力をシステムに入力させることがあるため、装置／乗り手のシステム上でロール（転がり）の乱れを発生させる。立っているユーザの体全体の傾きに依存するヨーコントロール・モダリティは、例えば、ツイストグリップによるヨーコントロールよりも地形に対してより反応しやすい。
【００４２】
このロール感度に対処するために、ロール補償アルゴリズムが使用され得る。そのようなアルゴリズムでは、ヨー入力はシャーシのロール角度を補償するように調整され、ヨー入力を重力方向に対するハンドルバーの角度とする。ユーザにとって、プラットフォームに対して姿勢を維持するよりもむしろ重力方向に対して姿勢を維持するほうがより簡単であるため、このことによってロールの乱れを排除しやすくする。
【００４３】
本発明の或る実施形態によれば、地形に関する感度を低下させるための方法として、ヨー入力をシャーシのロールレートに基づいてフィルタリングするためのアルゴリズムが用いられる。瞬間的なローリングのレート（以下、「ロールレート」と呼ぶ）は、例えば、特許文献８に記載の１つ或いは複数のジャイロスコープ、傾斜計、又はそれらの組み合わせに基づいてトランスポータの角度位置を得るようなピッチ状態推定器から容易に求められる（特許文献８は参照することをもって本出願の一部とするものとする）。大きなロールトランジェントは、乗り手に加速を行わせる。ロールトランジェントが乗り手を介してヨーコントロール機構に厳密に伝達される場合、それらは意図しないヨー入力を発生し得る。
【００４４】
その解決策は２つの異なる部分からなる。１つはまっすぐに走っているときに地形の影響を受けないようにすることであり、もう１つは旋回しているときに地形の影響を受けないようにすることである。前者は後者の特別な場合である。ロールレートが大きい周期の間はヨーを無効にすることは、一定の方向への動きに対する問題を解決し得るが、操縦された動きからロールを切り離すために、より多くの入力が必要である。
【００４５】
未知の入力は、ユーザからの「意図された」ヨー入力の推定値である（例えば、２０インチ（６．１ｍ）の直径の円の周囲を走るというユーザの意図）。意図されたヨー入力の情報は直接的に利用することはできないが、ヨー入力の経歴から有効に推定することができる。データを単にローパスフィルタにかけることにより、ヨー入力の推定値が得られる。しかしながら、これはユーザが気づく程度の反応の遅延を生じさせる。一方、ローパスフィルタにかけられたデータは、ロールレートが高いときにのみ用いられる場合、乗り手は遅延に気づきにくい。このように、本発明の一実施形態によるアルゴリズムは、ロールレートによって制御され、直接的なヨー入力とその十分にフィルタがかけられたバージョンとを組み合わせるミキサを使用する。
【００４６】
伝達関数は、ヨー信号に伝達されるロールレートの量をモデル化する。それは、ヨー入力の方式、乗り手の能力、乗り手はどのようにヨー入力（例えば、図１のハンドル１６）を握っているかなどの様々な要因の関数である。この組み合わせ方法を使用することによって、調整中、伝達関数をほとんど無視することができる、或いは最小限にすることができる。
【００４７】
４つの主要な調整点があり、それらは、どれくらいの速さでミキサはフィルタリングされたバージョンに切替を行うか、ドレくらいの速さでミキサは切替を戻すか、ミキサを開始及び終了させる閾値、及びヨー入力のローパスフィルタ（ＬＰＦ）のコーナー周波数である。ミキサの閾値を設定しているため、命令されていないヨーを排除することができるように、命令されていないヨーの量に対して制限がある。その値を高く設定すれば、より多くの命令されていないヨーが発生し、その値を低く設定すれば、より多くの誤作動が発生するため、乗り手はヨー信号の時間のずれに気づくようになる。ＬＰＦ周波数の設定にもトレードオフがある。ヨーにフィルタをかけすぎた場合、顕著な遅延が発生し、ヨートランジェントが以前のものに加えられる可能性を生じる。その設定が低すぎる場合、トランジェントを排除するためのミキサの能力が低下する。
【００４８】
図７を参照すると、ミキサブロックは、次のように定義される。
【００４９】
【数３】
2010500220.tif 000008
【００５０】
ただし、Ｆはミキサの関数であり、０．０〜１．０の間で連続的に変化する信号である。検知されたロールレートのローパスフィルタリング（フィルタをかけられたロールレート）は、でこぼこのある面の上を移動しても不規則なヨー応答を生じさせないように提供することができるという有利さがある。
【００５１】
図７は、本発明の実施形態によるパーソナルバランシングトランスポータ（符号１０）の概略を示す。従来のバランシングパーソナルトランスポータは、例えば、特許文献２に詳細に記載されており、参照することをもって本出願の一部とするものとする。人（図示せず）が、支持プラットフォーム１２の上に立ち、プラットフォーム１２に取り付けられたハンドル１６のグリップ１４を握る。本発明のこの実施形態では、トランスポータ１０は、少なくとも１つの接地要素、即ち車輪２０を含む。トランスポータ１０は、トランスポータを走行面に対して動かすための接地要素にトルクを加えるためのプラットフォーム１２上に配置された少なくとも１つのアクチュエータ（図示せず）も含む。
【００５２】
ハンドル１６は、「ステアリングコラム」、「部材」又は「ストーク」と呼ばれることもあり、本明細書ではこれらの用語は互換性のあるものとして用いられている。本発明のこの実施形態では、支持プラットフォーム１２は、別個の左足用プレート１８及び右足用プレート１９を含む（詳細は後述する）。
【００５３】
人が傾いたとき、本明細書に記載のモータ駆動部（図示せず）によって軸線２２周りで車輪２０にトルクが加えられ、それによってトランスポータ１０を加速させるように制御ループが提供される。前記制御ループは、トランスポータ１０の外部又は内部に配置されるコントローラ（図示せず）に実装される。前記コントローラは、トランスポータ１０の操作を制御するための少なくとも１つのプロセッサ及び入出力部を含む。しかしながら、トランスポータ１０は静的に不安定であり、動的な安定性を維持するように制御ループの操作が操作されない場合、トランスポータ１０はその通常の運転中の角度位置で運転することができない。
【００５４】
図８は、本発明の実施形態によるヨーフィードバック制御システムのブロック図を示す。ヨー入力８０は、ユーザインタフェースから得られる（詳細は後述する）。好適なユーザ入力の一例としては、基準ピボット軸線（
2010500220.tif 000009
で示される）周りの部材（図７に図示のハンドル１６で例示）の位置によって提供されるものがある。
（なお、
2010500220.tif 000010
は、以降、「ｚ´」とも表記する）
【００５５】
好適な実施形態では、ヨー入力を提供するユーザは、パーソナルトランスポータに乗っている乗り手であるが、本発明はそれに限定するものではないことを理解されたい。例えば、他の実施形態では、ヨー入力は、トランスポータ１０と並んで歩きながら、又はトランスポータ１０の前を歩きながらハンドル１６の位置を変えるユーザによって提供される。
【００５６】
ラテラルアクセルスケール機能部８２は、高速な車輪速度及び高速な求心加速度においてヨー入力の影響を減少させるものである。フィードバック８４は、命令されたヨー速度を調整するために用いられるものであり、ヨー位置を維持するためのヨー位置条件８５と、ヨー速度をゼロに調整する速度二乗条件８６と、ユーザに対してより良好なヨーコマンド反応を提供するために用いられるフィードフォワード条件８９とを含む。
【００５７】
フィードフォワード条件８９は、応答システムを提供するために迅速な操縦を行わせる。速度二乗フィードバック８６は、線形制御理論の偏差の一例であり、非線形なヨー速度の減衰を提供するという効果を有する。
【００５８】
ヨー入力（例えば、基準軸線ｚ´（典型的にはトランスポータのロール軸線）周りのハンドルバーの角度、詳細は後述する）に関連する変数の変化率は、追加のヨーコマンドとして用いられても良く、また微分器８１を用いて得られても良い。ヨー入力の変数８０の変化率は、乗り手の傾きを「予測する」ヨーコマンドの成分を生成し、調整されたハンドル１６を乗り手が保持できるようにし、トランスポータ１０の反応をより良くする。
【００５９】
ヨー入力の成分の変化率に関連するゲイン８７は、例えば、ユーザの経験レベルに基づいて変化して良い。この場合、ヨーコマンド信号は、ハンドル１６の位置と、ユーザの経験レベルに基づいて重み付けされるハンドル１６の位置の変化率とに基づいて生成される。或る実施形態では、上級者のためのゲイン８７の値は、初心者のための値の１３０％になるように設定される。本発明の他の実施形態では、異なるゲインの値を与えることができる。或る実施形態では、トランスポータは、ユーザが複数の経験レベルを設定可能な構成とすることができる。
【００６０】
或る実施形態では、ユーザに応じて重み付けされるハンドル１６の位置の変化率は、例えば、初心者、中級者及び上級者モードの中でトランスポータ１０のモードを切り替えることによって、ユーザの習熟度又は経験レベルを選択する又は指定する。各モードは、トランスポータ１０の指定された操作の制約が異なるようにすることができる。或る実施形態では、ユーザは、トランスポータ１０に配置された制御部又はボタンを使用してモードを選択する。或る実施形態では、ユーザは、制御装置（図示せず）に配置されたボタンを使用してモードを選択する。或る実施形態では、初心者ユーザのヨーコマンド信号に対する影響を減少させるようにハンドル１６の位置の変化率が重み付けされる。或る実施形態では、経験豊富なユーザのためのヨーコマンド信号に対してその影響が大きくなるようにハンドル１６の位置の変化率が重み付けされる。したがって、初心者の場合、主として或いは単にヨー入力の変数（例えば、基準軸線ｚ´周りのハンドルバーの角度）に基づくヨーコマンドを用いて変化率の条件を小さくする又は無視するという有利さがある。
【００６１】
更に、変化率の成分は、周波数に関してフィルタをかけられるようにすることができ、より経験豊富な乗り手によって実行される急な操作に対するより素早く反応するように、及び経験の少ない乗り手によって実行される急な操作をより許容するように、ヨーコマンドが調整されて良い。
【００６２】
或る実施形態では、ユーザの経験レベルは、ユーザが初心者か上級者かに応じてトランスポータに対して異なる動作特性を与えるように用いられる。この場合、トランスポータは初心者モードでは、上級者モードで運転する際のトランスポータの定常状態の動きを保ちつつ、低速度の感度及び命令されたヨーレートの最大値を低くすることができる。
【００６３】
さらに、本発明のいくつかの実施形態では、例えば、トランスポータを後方に動かすとき及び／又はトランスポータのプラットフォームに乗り降りするとき、初心者モードか上級者モードかによってトランスポータの動きを制御するために異なる制御ゲインが用いられる。
【００６４】
ユーザによる方向入力又は速度入力を指定するためのいくつかの別のモダリティが特許文献９に記載されており、参照することをもってその内容の全体を本出願の一部とする。ハンドルバーの傾きに基づいてヨーコマンドの入力を受信する好適な技術が本明細書に記載されており、ハンドルバーを傾かせるためのいくつかの実施形態が前記５Ａ〜５Ｄに図示されている。
【００６５】
ハンドルバーの傾きのモダリティに関して、或る実施形態では、ヨー入力はシャーシに対するハンドルバーの角度の関数に比例することもある。ただし、その関数依存性は、特定の操作上の環境に応じて変化し得る。また、ヨー入力は、デバイス非依存系に対する（例えば、局所地球／慣性座標系（即ち、局所鉛直方向−局所重力ベクトル）に対する）ハンドルバーの角度の関数に比例することもある。
【００６６】
ハンドルの傾きに対する命令されたヨーの好適な関係が図９に示されている。図示の関係では、命令されたヨーは、ピボット軸線ｚ´周りのハンドル１６の角変位（傾き）に対して直線的な増加よりも速く増加している。
【００６７】
図７を再び参照して、ユーザがピボット軸線ｚ´周りでハンドル１６を回動することによってヨー入力を提供する本発明の他の実施形態を説明する。この場合、ピボット軸線はトランスポータ１０のロール軸線であり、トランスポータの前進運動に対して水平な面にてハンドルが回動される。その軸線周りでハンドル１６が回動されるピボットアセンブリ１００の分解図が図１０に示されている。
【００６８】
シャフト１０２は、ピボット軸線ｚ´に沿って位置が合わせられる。シャフト１０２は、ベアリングアセンブリ１０４を貫通し、且つベアリングアセンブリ１０４によって支持される。シャフト１０２は、ベース突起部１０６及びねじりブッシング１０３に対してピボット軸線ｚ´周りで回動可能である。ベース１０６は、図７のトランスポータ１０のプラットフォーム１２に結合される。
【００６９】
シャフト１０２の角度位置、即ち、ハンドル１６の角度位置は、冗長センサ１０１を含むピボット角度センサアセンブリ１０８によって検知される。冗長センサ１０１は、当該技術分野で公知の回転を検知するための任意のセンサ（例えば、ホール効果センサ）であり得る。他のセンサ（例えば、光センサや磁気センサ）が使用されても良く、それらのものも本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００７０】
増加するヨーコマンドに抵抗してヨー入力をその中心位置に戻す力を提供するための任意の機構も本発明の範囲内に含まれるものとする。好適な実施形態では、一定応力ねじりブッシング１１３が備えられる。
【００７１】
ねじりブッシング１０３は、図１１に詳細が示されている。弾性メンブレン１１４は、シャフト１１２及びプラットフォーム１２に対して取り付けられるカウリング１１６に剛結合され、シャフト１１２がカウリング１１６に対して（軸線ｚ´周りで）同軸にて回転されるとき、メンブレンの特性を示す弾性テンソルのせん断要素により回復性のねじり力がシャフト１１２に加えられる。復元トルクは、シャフト１１２の左回転／右回転に関して左右相称的である。メンブレンの単位断面積当たりのせん断応力を実質的に均一に維持するために、弾性メンブレン１１４がシャフト１１２と結合している部分の長さは、メンブレン１１４がカウリング１１６と結合している部分の長さより長く、それによってメンブレン１１４の耐久性及び寿命を改善するという有利さがある。メンブレン１１４は、均一な厚さであっても良く、テーパが付けられていても良い。
【００７２】
図１２は、トランスポータ（例えば、図７のトランスポータ１０）に使用されるデジタルレベル部１２０の平面図である。トランスポータの傾きが車輪２０にトルクを加えるような制御ループへの入力である場合、トランスポータは、乗り手がトランスポータに乗ろうとするプロセスの間、実質的に直立位置で配置される、即ち、ゼロトルク状態で配置されるという利点がある。
【００７３】
５つのライトのアレイ１２２（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））が、プラットフォーム１２の所定の位置に配置されたコンソール１２４上に備えられることが好ましく、トランスポータに乗っている或いは乗ろうとしている乗り手が容易に見ることができるようにする。或る実施形態では、全てのＬＥＤが１つの色（例えば、緑）で照明されるとき、プラットフォーム１２は水平で、乗り手が乗るための正しい角度位置にあることを示す。ＬＥＤが別の色（例えば、赤）で照明される場合、そのＬＥＤに対応する方向に傾いていることを示す。
【００７４】
またデジタルレベル１２０のライトは、トランスポータの他の状態を示すように使用され得る。例えば、赤いライトが点滅している状態は、減速や下車が必要な故障などを示すアラーム状態であり得る。或る実施形態では、点滅するライトは、トランスポータの無許可での使用に関する状態を表す。
【００７５】
本発明の別の実施形態によれば、別個のプレート１８、１９（図７に図示）が、ユーザの左足と右足の重さをそれぞれ検知するために提供される。図１３Ａ及び１３Ｂは、プラットフォームとプレート（図７のプラットフォーム１２とプレート１８、１９）を図示している。図１３Ａは、取り外し可能な圧力プレートを有するトランスポータのプラットフォームの平面図であり、本発明の例示的な実施形態による足力圧力センサの配置を図示している。図１３Ｂは、ユーザの左右の足の配置を検出するための２つのプレート１８、１９の等角図である。
【００７６】
例えば、利便性や安全性に関して、プレート１８、１９を使用することによって、トランスポータに乗り降りするプロセスの間、トランスポータの回転を制御する或いは制限することができるという有利さがある。例えば、トランスポータの操縦において、乗り手がプラットフォーム上に片足だけを置いている場合、トランスポータ（例えば、図３のトランスポータ１０）を運転するために用いられる制御の感度は制限される。表１は、本発明の実施形態によるユーザの片足か両足がトランスポータのプラットフォーム（例えば、図７のプラットフォーム１２のプレート１８、１９）に乗っているか否かに基づいてトランスポータのステアリング挙動を指定するものである。またそのステアリング挙動は、トランスポータの運転速度に基づくものでもある。
【００７７】
【表１】
2010500220.tif 000011
【００７８】
本発明の他の実施形態では、別のステアリング挙動が指定されても良い。例えば、トランスポータの異なる速度を指定することができる。さらに、プレート１８、１９の一方又は両方に対してユーザによって加えられる力の大きさに基づいて、ステアリング挙動を変化させることができる。或る実施形態では、トランスポータのステアリング挙動を指定するために用いられる要素は、ユーザの経験レベル（上述の説明と同様のもの）である。
【００７９】
本発明のいくつかの実施形態では、トランスポータ（例えば、図７のトランスポータ１０）は、無線制御機能や、例えば、遠隔測定ユニットを介したデータの無線テレメトリ機能を有している。無線制御及びデータの無線テレメトリの一方或いは両方を備えるようにすることができる。或る実施形態では、ユーザによって持ち運べる又はトランスポータ上或いはリモート位置に配置されるリモート入力装置が提供される。或る実施形態では、トランスポータ１０は、入力装置とトランスポータ１０のコントローラとの間の無線遠隔通信を実現するトランシーバを含む。所定の機能を無線で制御するための機能は、全ての電子機器全体をプラットフォーム１２の下に配置して、具体的には、制御ストーク１６に電子機器を取り付けないようにして、トランスポータ１０を製造することができるという利点を有する。
【００８０】
本発明の様々な実施形態では、車両の前後方向の安定性は、制御ループ（例えば、図２を参照しつつ上述したもの）を提供することによって得られる。１つ或いは複数のモータが接地部材と共に電動駆動部を作動させるために備えられているとき、前記制御ループが使用されて良い。一対の接地部材は、例えば、一対の車輪又は一対の車輪クラスタであり得る。車輪クラスタの場合、各クラスタは、複数の車輪を含む。各接地部材は、しかしながら、むしろ軸線方向に隣接し、半径方向に支持され、回転自在に取り付けられた複数の（通常は一対の）アーチ形の要素であり得る。これらの実施形態では、トランスポータに作用する外乱や力に関係なく、トランスポータが動いていないとき、地面と接触する接地部材のコンタクト領域の上方のトランスポータの重心を維持するように、接地部材が制御ループの電動駆動部によって駆動される。他の実施形態では、全地形対応車両のバランスを適切に維持するように、接地部材は制御ループの電動駆動部によって駆動される。
【００８１】
接地部材は、典型的には接触「点」（実際は領域）を有する、或いは車両（例えば、トランスポータ）が移動する又は立っている面との接触を有する。接地部材の適合性のため、接触「点」は、実際は領域である。この場合、コンタクトのその領域は、「接触面」と呼ばれることもある。例えば、圧力の中心が前進運動中に前方に動くことにより、その領域で圧力分布が発生するため、トランスポータの重量がコンタクト領域で分布される。圧力分布は、車輪の構成及び構造の両者、車輪の回転速度、車輪に加えられるトルク、及び車輪に作用する摩擦力の関数である。
【００８２】
運動方向への力が転がり摩擦（及び空気抵抗などの他の摩擦力）に対処するために必要である。本発明のいくつかの実施形態では、走行面との接触点周りに所望の運動の向きの成分を有するトルクを所定の方向に提供するように重力が用いられ得る。図１４は、平面上を等速ｖで移動する１つの車輪に作用する力を示す。ここで説明される原理は、傾斜した面上での操作に対して容易に一般化することができ、また存在し得るあらゆる他の外力に適合するように容易に一般化することができる。車輪１４０の半径Ｒｗは、車軸１４４周りでシャーシ１４２に対して回転し、走行面と点Ｐで接触する。説明のため、車輪１４０は前記走行面と点接触しているものとみなす。
【００８３】
車輪がトランスポータに対してトルクＴ（例えば、モータによって供給される）で駆動されると、次にトランスポータ上で反作用トルク−Ｔが生成される。トルクは車軸１４４周りで作用するため、反作用トルクはトランスポータ及びペイロードを含むシステムの重心（ＣＧ）に作用する力Ｆｂに対応する。この場合、Ｆｂ＝Ｔ／ＲＣＧである。ただし、ＲＣＧは車軸とシステムの重心（ＣＧ）との間の距離である。ＣＧから点Ｐへのライン１４３は、鉛直方向１４６に対する角度θｓをなす。
【００８４】
点Ｐにおいて車輪に作用する転がり摩擦ｆは、車輪のリムの速度ｖに比例するものであり、その比例は、ｆ＝μｖとして表される。等速を維持する場合、この力ｆは、正確に打ち消されなければならない。したがって、重力が力を提供するため、次の条件が満足されなければならない。
【００８５】
【数４】
2010500220.tif 000012
【００８６】
ただし、ｆｂはＣＧと点Ｐとの間の軸線１４１に対して横軸方向に作用する反動力の成分である。安定性を維持するために（例えば、トランスポータから落下することを防止するなど）、安定条件も存在しなくてはならない、即ち、ライン１４３と交差する方向でＣＧに作用する正味の力が存在しないというものである。等速で移動する間、コンタクトの点Ｐ周りで（即ち、点Ｐが固定されている慣性座標系において）正味トルクが発生してはならない。この条件は、次のように表される。
【００８７】
【数５】
2010500220.tif 000013
【００８８】
ただし、Ｆｇｓｉｎθｓは重力の「傾き」成分であり、ｆｂは車輪の回転によって発生する車両（例えば、トランスポータ）の反力の逆傾き成分であり（ｆｂ＝Ｆｂｃｏｓδ）、δはライン１４３とライン１４１との間の角度である。
【００８９】
したがって、方程式４及び５は、小角度の極限では（ｓｉｎθが略θである場合）、Ｆｇｓｉｎθｓｃｏｓθｓ＝ｆ＝μｖとなるように組み合わせられる。
【００９０】
【数６】
2010500220.tif 000014
【００９１】
これはトランスポータにとって、摩擦の影響に対処するために速度を増加するには傾斜を大きくする必要があるということを示す。また、システムに安定性を与える制御ループは、システムの速度を増加することによって傾斜の増加に応答する。追加の前方向きの力は車両のＣＧに作用するため、摩擦の影響を打ち消すために必要な傾斜よりも大きな傾斜は加速を生じさせてしまう。逆に言えば、トランスポータを加速（又は減速）させるために、後述するような方法でさらに（前方又は後方に）トランスポータを傾斜させなければならない。
【００９２】
図１５は、ハンドルインタフェースアセンブリ１５３の詳細を示すブロック図である。周辺マイクロコンピュータボード１５５は、ジョイスティック１５２に加えて傾斜計１５３からのユーザ入力を受信する。他の実施形態では、傾斜計１５３は、他のタイプの傾きセンサ（例えば、振り子式のレファレンスセンサ）である。傾斜計１５３は、ピッチの情報信号（θ）及びピッチレート（θｒ）を提供する。トランスポータによって制御された傾斜を回転に変え、それによって回転する間の安定性を増すために、ロール（Φ）及びロールレート（Φｒ）に関する情報を提供するために第２の傾斜計を利用しても良い。またシステムの重量及び遠心力の合力は、回転する際に安定性を改善するように使用され得る。周辺マイクロコントローラボード１５５は、例えば、バッテリの電圧、バッテリの電流、及びバッテリの温度などの入力信号をバッテリスタック１５１から受信する。周辺マイクロコントローラボード１５５は、プラットフォームの調整や、運転モードを決定するための他のドライバ入力１５４も受信する（例えば、スイッチ（ノブ及びボタン）によって制御される信号など）。周辺マイクロコントローラボード１５５は、バス１５９を介して、図１６を参照しつつ説明される車輪のモータを制御するために用いられる中央マイクロコントローラボード（図示せず）と通信する。
【００９３】
図１６は、トランスポータ、例えば、図１のトランスポータ１０や他の車両を安定させるために図１５の制御アセンブリと共に使用するのに適した制御アルゴリズムを示すブロック図である。他の実施形態としては、トランスポータの移動中及び停止中の両方において、トランスポータ及びペイロードが２つの接地部材を用いてバランスをとるトランスポータを含む。後述の説明に関連して以下の表現方法が用いられる。
１．ワールド座標系で定義される変数は、１つの大文字の下付き文字を使用して示される。ワールド座標系は、地球（慣性）に固定された座標である。
２．下付き文字ではないｒは、車輪の半径を示す。
３．小文字の下付き文字は、他の属性（例えば、左右、ｒ＝右、ｌ＝左、ｒｅｆ＝基準、ｆ＝終了、ｓ＝開始など）を示すのに使用される。
４．全ての角度は時計方向が正の値である。正方向の移動は、正のｘ方向へのものである。
５．変数の上に付されるドットは、時間に関する微分を示す（例えば、θ´）。
【００９４】
図示のように、制御アルゴリズム１６６０は、車両の左右両側の車輪、例えば、図１のトランスポータの車輪２０、２１のモータ用のものである。制御アルゴリズム１６６０は、ワールド座標系に対して左車輪の直線速度の入力θ´、ｒθ´ｗｌと、右車輪の直線速度ｒθ´ｗｒとを有する。制御アルゴリズム１６６０は、基準座標系のＸ軸及びＹ軸に沿って配置されたジョイスティックによって決定される方向指示入力１６００も有する。入力θ、θ´、及びエラー信号ｘ、
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（後述する）はそれぞれ、ゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ２に供給され、加算器１６１９への入力となる。加算器１６１９は、図２を参照しつつ上述したような左右両側の車輪に対する基本バランシングトルクコマンドを生成する。加算器１６１９の出力は、加算器１６２０においてヨーＰＩＤループ１６１６の出力と組み合わされる。加算器１６２０の出力は、除算器１６２２で除算される。加算器１６２０の出力は、左車輪のトルクコマンドを生成する飽和制限器１６２４で制限される。同様に、加算器１６１９の出力は、加算器１６２１においてＰＩＤループ１６１６の出力と組み合わされる。加算器１６２１の出力は、除算器１６２３で除算される。除算器１６２３の出力は、右車輪のトルクコマンドを生成する飽和制限器１６２５で制限される。
【００９５】
制御アルゴリズム１６６０は、Ｘ軸に沿った方向指示入力が、ジョイスティックの移動に比例する速度で、図１で示されるような基準座標系をワールド座標系（移動する面を表す）に対してそのＸ軸に沿って移動させることを認識する。Ｙ軸に沿った方向指示入力は、ジョイスティックの移動に比例する角速度で、そのＺ軸周りで、図１に示されるような基準座標系を回転させる。正のＸ方向へのジョイスティックの動きは、ここでは前方への動きを意味するものとみなされる。負のＸ方向へのジョイスティックの動きは、逆方向への動きを意味する。同様に、正のＹ方向へのジョイスティックの動きは、左方向への旋回、上方から見ると反時計方向への旋回を意味する。負のＹ方向へのジョイスティックの動きは、右方向への旋回、上方から見ると時計方向への旋回を意味する。方向入力Ｙ及びＸはそれぞれ、ジョイスティックのニュートラルポジションを広げるように、デッドバンドブロック１６０１及び１６０２を介してデッドバンドが与えられる。デッドバンドブロック１６０１及び１６０２の出力はそれぞれ、ゲインＫ１０及びＫ１１に供給される。ゲインＫ１１及びＫ１０の出力はそれぞれ、レートリミッタ１６０３及び１６０４に入力される。レートリミッタ１６０３及び１６０４はそれぞれ、基準座標系の角加速度及び直線加速度を制限する。リミッタ１６０３、１６０４からのレート制限された出力は、加算器１６０５に入力される。加算器１６０５の出力は、基準速度ｘｒ ｒｅｆであり、加算器１６０６の出力は、基準速度ｘｌ ｒｅｆである。加算器１６０８及び１６０７において、左右両側の車輪に対して補償された直線速度入力信号ｒθ´ｗｌ及びｒθ´ｗｒからｘｒ ｒｅｆ及びｘｌ ｒｅｆがそれぞれ差し引かれ、基準座標系内における左右両側の車輪に対して速度誤差信号ｘｌ及びｘｒが求められる。速度誤差信号ｘｌ及びｘｒの平均は、加算器１６１７及び１６１８を介して決定され、直線速度誤差信号を生成する。変位誤差信号ｘは、積分器１６１０及び１６０９において、ｒθ´ｗｌとｒθ´ｗｒを積分することによって得られる。積分器１６１０及び１６０９の出力は、飽和制限器１６１２及び１６１１に入力される。飽和制限器１６１２及び１６１１の出力は、加算器１６１３と除算器１６１５によって平均される。これらの変位に関する差異は、加算器１６１４を介して決定されてヨーエラー信号Ψが生成される。
【００９６】
ヨーエラー信号Ψは、標準的な比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループ１６１６に入力される。ＰＩＤ制御ループ１６１６の出力は、加算器１６１９の基本バランシングトルクコマンドの出力と組み合わされ、別個の車輪トルクコマンドを生成する。別個の車輪トルクコマンドは、車輪が車両の前後方向の安定性を維持し、また方向指示入力１６００によって指示されるようにトランスポータ自体を基準座標系の軸と位置合わせをさせて、基準座標系の原点に従うようにする。
【００９７】
本発明のさらなる実施形態では、接地要素（例えば、車輪）がトランスポータの最大運転速度に到達することができる場合、速度制限をしなければバランス及び制御が失われることがあるため、バランス及び制御を保つように速度制限が用いられる。本明細書で用いられる「最大運転速度」という用語は、車両（例えば、トランスポータ）が現在推進可能な最大速度をさすものである。この最大運転速度は、典型的には、トランスポータの瞬間的な能力の関数である。例えば、最大運転速度は、駆動システムの能力及び／又は駆動システムに電力を供給するエネルギ蓄積装置の能力の関数であり得る。エネルギ蓄積装置は、バッテリであり得る。エネルギ蓄積装置の「瞬間的な能力」は、該装置によって供給することができる瞬間的な電力量である。エネルギ蓄積装置の「最大能力」は、該装置が任意の時間で供給することができる最大電力量である。本明細書で用いられる「速度介入帯域」、「介入速度」及び「速度制限」という用語は、「介入速度」の下限から「速度制限」の上限までの速度の範囲又は帯域をさすものである。介入速度は、トランスポータの速度を減速するための手段が用いられ得る閾値速度である。トランスポータは、通常は、図１７に図示するように、最大運転速度と速度制限との間にマージンをもって運転される。このマージンは、トランスポータが運転条件の範囲にわたって確実にバランスを保つことを助ける働きをする。
【００９８】
減速は、現在の移動方向とは逆の方向にトランスポータのピッチを戻すことによって達成され、トランスポータを減速させる。（上述したように、システムの傾きの程度及び方向は、トランスポータの加速度を決定する。）この実施形態では、トランスポータは、傾斜計のピッチの値にピッチ変更を加えることによってピッチが戻される。減速は、トランスポータのトランスポータ速度が介入速度を超えるとすぐに行われて良い。ピッチ変更は、トランスポータの速度と介入速度との間の差異、積分された経過時間を参照することによって決定される。トランスポータが所望の減速速度（介入速度よりも遅い速度）に下がるまで自動ピッチ変更シーケンスを継続し、その後、ピッチ角がスムーズにその初期値に戻るようにする。
【００９９】
ペイロードを支持する車輪に接続された電気モータは、車両の定常状態の条件を維持するように作動力を与える。坂道で静止している車両の場合、その作動力は電源からモータを介して供給される。装置が坂道で移動し始めると、ポテンシャルエネルギとして増加する速度は、運動エネルギに変換される。速度が定常状態の速度に到達すると、ポテンシャルエネルギはもはや運動エネルギに変換されなくなり、速度も増加しない。むしろポテンシャルエネルギは、モータを介して電気エネルギに変換される。ポテンシャルエネルギは、電気エネルギに変換される（システム内のあらゆる損失は差し引かれている）。電気エネルギは、例えば、モータを駆動するのに用いられるバッテリを充電することができる。
【０１００】
モータ電流は、車両及びそれが支持するペイロードを組み合わせた重量と、その車両の走行面の傾斜とに比例する。この２つのパラメータの全体から、システムに対していどの程度の大きさの仕事を重力が行い得るかが決定される。走行面の傾斜がゼロの場合、重力は仕事を行わない。図１８Ａは、ゼロ傾斜面を移動する車輪１８０を示す。車輪を前方方向Ｖに移動させる場合、前方向きのトルクＴＦを車輪１８０に加えなければならない。重力Ｆｇは、車輪１８０をゼロ傾斜面の上で前進させるのに必要な仕事量に寄与することはなく、即ち必要な仕事量を減らす役には立たない。図１８Ｂは、傾斜面（傾斜α）を移動する車輪１８０を示す。重力Ｆｇは、車輪を前方Ｖへ進ませるために必要な仕事量に寄与する。車輪１８０は傾斜面を下っているので、車輪１８０の等速での移動を維持する重力Ｆｇに比例するリバーストルクＴｒ、及び所望の一定速度の大きさを用いなければならない。他の実施形態では、車輪１８０は上り坂を移動し得る。他の力（例えば、摩擦力）が、図１４を参照しつつ説明したように、車輪を前進させるために必要なトルク量Ｔに寄与する。簡略化のため、上述の説明ではそれらの力は無視されている。走行面の傾斜がある一定の大きさの場合では、車両及びペイロードの重量が増加するほど、システムに対する重力の仕事量が大きくなり、加速又は減速するときにより多くの電流が生成される。加速又は減速の際に生成される電流量は、回転損失によって減少するので、傾斜が小さい場合やペイロードが軽い場合、モータの駆動又は回生が行われないこともある。
【０１０１】
所与のアクチュエータシステムは、通常、処理可能な電流量に限界がある。モータ駆動部のハードウェア、バッテリの容量、温度に関する制約などを考慮して、この限界を動かすことができる。
【０１０２】
図１９は、本発明の一実施形態の動力モジュール１９００のブロック図を示す。バランシングコントローラ１９１０は、モータアンプ１９２０に供給されるコマンド信号を生成する。モータアンプ１９２０は、前記コマンド信号に基づいてモータに適切な電力を供給する。バランシングコントローラ１９１０は、ユーザ及びシステムのセンサからの入力を受信し、後述の制御規則を適用して、バランスを維持し、且つユーザのコマンドに従ってトランスポータの動きを決定するようにする。モータ１９３０は、シャフト１９３２を回転させ、このシャフト１９３２が、それに取り付けられた１つ或いは複数の車輪（例えば、図１に図示の車輪２０、２１）に角速度ωでトルクＴを加える。本発明の或る実施形態では、モータ１９３０は、３相ブラシレスＤＣモータである。その実施形態では、モータ１９３０は、３組の固定子コイルを有しているが、モータのコイルの数は任意で良い。固定子コイルは、大電流又は高電圧を流すことができるコイルのリード１９３７によって電力段１９２４に電気的に接続される。
【０１０３】
モータアンプ１９２０は、アンプコントローラ１９２２及び電力増幅段１９２４の両方を含む。アンプコントローラ１９２２は、モータ１９３０に供給される電流又は電圧のいずれかを制御するように構成され得る。これらの制御モードはそれぞれ、電流制御モード及び電圧制御モードと呼ばれることがある。電力段１９２４のスイッチングに基づいて、電力段１９２４は、電源１９４０と各コイルとの接続又は切断を切り替える。電力段１９２４は、アンプコントローラ１９２２によって制御される。内側ループ１８２６は、電力段１９２４の出力と命令された値が等しいか否かを検知し、閉ループ帯域幅（好ましくは、約５００Ｈｚ）でアンプコントローラ１９２２にエラー信号をフィードバックする。アンプコントローラは、エラー信号に基づいて電力段１８２４の出力を変化させる。また、アンプコントローラ１９２２による制御は、部分的に、シャフトフィードバックセンサ（ＳＦＳ）１９３５からのフィードバック信号に基づいて行われる。
【０１０４】
シャフトフィードバックセンサ１９３５は、バランシングコントローラ１９１０に接続されている。シャフトフィードバックセンサ１９３５は、シャフトの位置即ちバランシングコントローラ１９１０に対する動きに関連する情報を提供する。シャフトフィードバックセンサ１９３５は、角度位置又は回転シャフトの速度を検知可能な、センサ技術の分野で公知の任意のセンサ（例えば、タコメータ、エンコーダ、レゾルバなど）であり得る。シャフトフィードバックセンサ１９３５によって提供される位置信号からシャフト回転速度の測定値を得るために、位置信号は微分器１９０８によって微分される。外側フィードバックループ１９４２は、バランスコントローラ１９１０によって提供されるバランス制御の帯域幅特性において動作するものであり、２０〜３０Ｈｚもの低い周波数であり得る。
【０１０５】
一定の用途においては電流及び電圧のいずれを用いても良いが、外側ループの帯域の周波数が内側閉ループの帯域の周波数の３分の１ないし４分の１以下であるトランスポータ制御の実施形態には、電圧制御を適用するのが有利である。図２０は、モータの電気的なモデル２０１０を示す。モータは、一対の端子２０１１、２０１２を有し、それらの間に電圧Ｖが印加される。モータ２０１０は、シャフト速度ω、及びトルクＴで特性が示される回転シャフト２０２０も有する。モータ２０１０は、電圧降下Ｖｅｍｆを有する理想モータ１９３５と直列に接続され、電流ｉが流れる抵抗Ｒを有する抵抗１９３０によってモデル化される。理想モータでは、以下の式が成り立つ。
【０１０６】
【数７】
2010500220.tif 000016
【０１０７】
ただし、ｋｖ及びｋｃはモータ定数である。直列抵抗２０３０は、モータ２０１０の損失をモデル化する。
【０１０８】
本発明のさらに別の実施形態では、バッテリの瞬間容量を推定するための方法が提供される。バッテリの簡略化されたモデル２１００が図２１に示されており、モデル２１００は、「開回路」電圧Ｖｏｃを有する「完全な」ＤＣ電圧源２１１０、バッテリの直列抵抗Ｒｂａｔ、電流Ｉｂａｔ、及びバッテリ電圧Ｖｂａｔから構成される。Ｖｏｃ及びＲｂａｔは測定することができないが、Ｖｂａｔ及びＩｂａｔの測定値から推定することができる。理想的には、これらの変数は次の直線関係に従う。
【０１０９】
【数８】
2010500220.tif 000017
【０１１０】
この直線関係は理想的なものであるため、Ｖｂａｔ及びＩｂａｔの測定値は、「散布図」を描く。本明細書で用いられる「統計的」という用語は、時間又は他の次元を単位としてサンプルの分布に対して規則的又は不規則であり得る間隔で測定を行うことによる値のサンプリングに基づいて、パラメータの値に関する推定を行うことをさすものであることに留意されたい。本明細書で用いられる「フィルタリングする」という動詞は、連続的なサンプリングで得られ、且つランダムな又は系統的な変動のいずれか、或いはその両方にさらされる複数のデータから、時間軸上の各点に対して１つの点として得られる値を抽出するプロセスをさすものである。当該技術分野で公知のフィルタリング技術をデータに適用することにより、Ｖｏｃ及びＲｂａｔの推定値を得ることができる。例えば、最小二乗法を用いる回帰分析を用いて、Ｖｂａｔ及びＩｂａｔの測定値からＶｏｃ及びＲｂａｔの推定値を得ることができる。Ｖｏｃ及びＲｂａｔは、例えば、周囲温度、バッテリの温度、バッテリの使用時間、バッテリの使用法（全使用量及び使用パターンの両方）、及びバッテリの残量がなくなる（及び／又は再生される）までの経過時間により変化する。従って、回帰の計算にＶｂａｔ及びＩｂａｔのより新しい測定値を用いたり、或いはより新しい値を古い値よりも大きく重み付けすれば、より正確な推定値が得られる。
【０１１１】
本発明の別の特定の実施形態では、図２２に示すように、Ｖｂａｔ及びＩｂａｔの新たな測定値を使用して、ローパスフィルタリングアルゴリズムを用いてＶｂａｔ及びＩｂａｔの推定値を補正する（ステップ２２００）。変数を初期化し、Ｖｏｃ及びＲｂａｔを標準値に設定する（ステップ２２１０）。Ｖｂａｔ及びＩｂａｔを周期的に測定する（ステップ２２２０）。信号が十分に「豊かな」（即ち、データ点同士の間で統計的な有意差がある）ものであるようにするために、これらの変数の直前の値（最後に受け入れた値）Ｖｐｒｅｖ及びＩｐｒｅｖからＶｂａｔ及びＩｂａｔの平方距離Ｄを計算する（ステップ２２３０）。
【０１１２】
先に受け入れた測定値から計算された距離から、現在のバッテリパラメータの推定値を改善する追加の情報を提供し得るデータ点が特定される。例えば、トランスポータが停止状態のとき、電流ｉはほとんど流れないが、フィルタリングは進められるので、一連のその測定値は、バッテリパラメータの推定値をそれらの真の値からゆがめてしまうことが考えられる。適切に設定されたＤの閾値を用いて、そのようなデータ点の推定値への影響を軽減することができる。
【０１１３】
次に、以下の計算が行われる。
（１）最新のゲインＫｖｏｃ及びＫｒｂａｔを計算する（ステップ２２４０）。
【０１１４】
【数９】
2010500220.tif 000018
【０１１５】
ただし、ｐａは直接のＶｏｃ共分散行列要素であり、ｐｂは、クロスカップリングの共分散行列要素であり、ｐｃは、直接のＲｂａｔ共分散行列要素である（注記：ｐａ、ｐｂ及びｐｃは、状態推定の不確実性を表す）。
（２）バッテリの状態推定と新規のデータ点との間の誤差を計算する（ステップ２２５０）。
【０１１６】
【数１０】
2010500220.tif 000019
（３）バッテリの状態推定値を更新する（ステップ２２７０）（Ｄが閾値未満の場合（ステップ２２６０）、Ｋｒｂａｔはゼロに設定し（ステップ２２６５）、Ｒｂａｔは更新しない）。
【０１１７】
【数１１】
2010500220.tif 000020
（４）Ｄが閾値より大きい場合（ステップ２２７５）、信号コンテンツの変数を更新する（ステップ２２８０）。
【０１１８】
【数１２】
2010500220.tif 000021
【０１１９】
前記プロセスを、Ｖｂａｔ及びＩｂａｔの反復測定によって継続して行い（ステップ２２２０）、それによってＶｂａｔ及びＩｂａｔの推定値を継続的に更新できる。
【０１２０】
本発明の別の実施形態では、バッテリパラメータの推定値を用いて、バッテリの状態と、モータ電流などの他のトランスポータのパラメータとに基づいてトランスポータの最大運転速度を計算する。例えば、トランスポータの最大運転速度Ｙは、次の形式の線形方程式でモデル化される。
【０１２１】
【数１３】
2010500220.tif 000022
【０１２２】
Ｍ及びＢの値は、時間とともに変化し得る。またＭ或いはＢのいずれかは、バッテリの開回路電圧や内部抵抗などのトランスポータの運転パラメータ、並びに逆起電力ゲインやモータ抵抗などのモータパラメータである電流値の関数であり得る。
【０１２３】
アクチュエータシステムは、供給可能なトルク量及びシステム内に存在し得る電流量について物理的な制限を有する。アクチュエータシステムの出力トルク量及び電流量は相互関係を有する。図１９及び２０に関連する上述の式８で示すように、トルクは電流の関数である（そして、電流はトルクの関数である）。トルク量を調整することにより、アクチュエータシステム内の全体電流が調整される。同様に、電流の制限は、アクチュエータシステムによって出力することができるトルク量を制限する。このように、アクチュエータが最大トルクを有するとき、電流量も最大となる。アクチュエータシステム内の電流の総量に対する物理的な制限は、あらゆる形態の電流（例えば、周囲温度、バッテリの使用時間、加速又は減速によって生成される電流）に適用される。車両の駆動部を流れるあらゆる電流は、全駆動能力の所定の一部を利用し、また全体電流の限度の範囲の一部をなす。例えば、回生電流（移動の方向とは逆の方向にトルクを加えることによって生成される電流）によって、制動のために利用可能な電流量が減少する。回生電流及び制動電流は両方とも負の電流であり、全体電流の限度に向けて追加されるからである。典型的には、アクチュエータシステムは、どれだけの電流量（即ち、利用可能な電流に応じて加えることができるトルク量）が加速又は減速のために使用されているかをモニタし、残りの電流処理能力を推定する。残りの電流処理能力を推定することによって、システムは、車両の性能を制限することができる、或いはいくつかの他の手段を介して追加の制動力を提供することができる。
【０１２４】
上述したような動的に安定化されたトランスポータは、運転中に現れる様々なトランジェントに対処するために（例えば、小さな障害物を越えるための車輪を加速する必要など）、その駆動アクチュエータのマージンを維持するように動作し得る。即ち、一部の動作条件では、車両のバランスを維持するべく、車輪を重心より低く保つために加速させる必要がある。同様に、システムが故障した場合に車両を安全に停止させるための、ある程度のアクチュエータのマージンの維持を要請する、操作上の制約があり得る。上り坂又は平面の上を移動している場合、重心の前に車輪を加速して、システムを後方に傾かせることによって車両は停止する。後方へのピッチは、トルクを減少させ、続いて速度を減少させる。
【０１２５】
トランスポータのピッチを変化させることによってそのトランスポータの性能は制限され、その速度は減少する。この性能の低下は、全体電流に関連し得る。即ち、車両及びペイロードの重量が重く、傾斜が急であるほど、より多くの電流が生成される。例えば、上り坂を移動するとき、車両を停止させる前に前記車両を後方に傾かせるのに必要なトルクが増加するため、追加の電流が生成される。また、下り坂を移動するとき、制動の際に回生電流が生成されるため、追加の電流が生成される。追加の電流は全体電流の一部をなし、全体電流の限度（即ち、物理的な電流の制限）に到達して、結果として速度の限度を下げさせてしまう。速度の限度が下がると、持続的な減速が可能な量が小さくなってしまう。速度の限度が下がると制動能力を向上するということはなく、むしろ、システムは、制動能力の使用をあまり必要とせず、初速度がより速い場合よりも短時間しか制動能力を使用しなくて済む動作状態となる。トランスポータは、制動力を生成するために電気モータを使用するため、減速作用により電流も回生される。
【０１２６】
本発明の実施形態で使用することができる車両の速度及び加速度を測定するための様々な方法が存在する。例えば、車両の１つ或いは複数の車輪の速度を測定するために、ロータリーエンコーダを使用することができる。車両の加速度を決定するために、時間に関する車両の速度の導関数を使用することができる。さらに、車両の速度を決定するために、加速度計を使用することができる。
【０１２７】
図２３は、本発明の例示的な実施形態のモータ電流の測定値と速度制限との間の関係を示す。測定モータ電流が−２アンペア以上の場合、車両の速度は５．５５８ｍ／ｓである。測定モータ電流が−２０アンペア未満の場合、車両の速度は、１．１７８ｍ／ｓである。測定モータ電流が−２アンペア〜−２０アンペアの場合、速度は、−２アンペア〜２０アンペアの間の直線に従って制限される。これらの制限値（電流値及び／又は速度の制限）は、例えば、特定のユーザの経験レベルに応じて変えることができる。
【０１２８】
或る実施形態では、全体電流の制限は、上り坂を移動するトランスポータの動作特性に基づいている。或る実施形態では、全体電流の制限は、下り坂を移動するトランスポータの動作特性に基づいている。或る実施形態では、速度制限を開始するために、測定モータ電流は閾値（例えば、図２３に示されるように２アンペア）に到達しなければならない。
【０１２９】
本発明の原理が組み込まれていない車両では、加速又は減速中に誤ってトランスポータを減速させてしまう正のフィードバックが生ずる。速度は電流の制限を超えたことに応答して更に制限されるため、正のフィードバックは更なる不必要な減速を引き起こす。速度制限が低いと、上り坂を移動する場合の加速と、下り坂を移動する場合の減速が必要になる。その加速又は減速が更に電流を増加させる。最初に全体電流の制限を超えさせたトルクよりも大きなトルクは、車両を更に加速又は減速させるからである。トルクが大きくなるとより多くの電流が生成されるため、その結果、全体電流の制限を更に超えてしまう。この全体電流の増加―減速サイクルは（最終的に好ましくない完全な停止を発生させる他に）、トランジェント及び故障に応答するための利用可能な性能のマージンを減少させる。本発明の原理が組み込まれた車両では、加速又は減速により追加された電流は、傾斜及びペイロードに起因して追加された電流と見なされることがない。傾斜や車両の重量及びペイロードに関連する電流の影響を最小限にし、不必要な速度の制限を回避し、トランジェントダイナミクスを改善するために、この制御アルゴリズムは、坂道を上るのに又は下るのに必要なアクチュエータの電流を、加速又は減速で必要とされる電流と切り離す。加速又は減速によって生じた測定された電流量の推定値は、測定された全体電流から差し引かれる。加速又は減速に起因する電流の量を差し引くことにより、当初意図したように、傾斜及びペイロードから生ずる電流のみに基づいて速度制限を設定することが可能となる。
【０１３０】
図２４は、本発明の一実施形態によるトランスポータのコントローラの速度制限を示す概略図である。トルクモジュール２４０２は、車両の定常状態の平均トルクと、走行面上を移動する前記車両の加速又は減速中のトルクとを決定する。定常状態の平均トルクと加速又は減速中のトルクは、速度モジュール２４０１に供給される。速度モジュール２４０１は、測定された全電流Ｉｔｏｔ、車両のシステムの全重量及びそのペイロード（例えば、乗り手又は積み荷）との総重量、車両のトルク、車両の加速度、及び車両の速度を示す入力信号も受信する。この実施形態では、ピッチ角がトランスポータの速度を決定するため、速度モジュール２４０１は必要とされるピッチ角を出力する。必要とされるピッチ角は、トランスポータのピッチを制御するピッチコントローラ２３０３に供給される。
【０１３１】
車両の速度が、車両のピッチの制御によって制御されない車両もある。そのような車両では、速度コントローラは、車両のモータに適用される命令されたピッチ角を変化させるのではなく、例えば、車両のスロットルに適用されるスロットルコマンド信号を変更することによって車両の速度を制御する。
【０１３２】
図２５は、本発明の実施形態による下り坂を移動するトランスポータのコントローラの速度制限の操作を示すフローチャートである。はじめに、図２４のトルクモジュールが、車両が移動する走行面の傾斜を検知し、決定する（ステップ２５０１）。前記車両が下り坂を移動するとき（ステップ２５０２）、回生電流が生成されるので、それを測定する（ステップ２５０３）。前記回生電流が増加した場合（ステップ２５０４）、上述の、車両を加速するための回生電流信号を補償することに基づいて、前記車両の速度制限の最大許容速度を下げる（ステップ２５０５）。加速度補償された平均電流信号を生成し（ステップ２５０６）、これにより、ピッチコントローラ２５０３によってトランスポータのピッチを変化させる（ステップ２５０７）。ピッチコントローラ２５０３は、車輪への重量伝達を制御することによって、トランスポータのピッチを制御する（ステップ２５０８）。
【０１３３】
実際には、加速度補償された平均電流は、傾斜とペイロードの影響の組み合わせの推定値である。動的に安定化されたトランスポータに実装される本発明の実施形態では、車両及びペイロードの質量の一般化された推定値（例えば、車両の制御システムの固定ゲインなど）が、加速度補償された平均電流を決定するのに用いられ得る。例えば、或る実施形態では、１メートル／秒で車両を減速するには５アンペア必要であると推定される。他の実施形態では、システム全体の重量が測定又は推定される。
【０１３４】
本発明の原理は、様々な他のタイプの車両で使用することができる。本発明のいくつかの実施形態では、本発明の原理は、静的に安定な車両（例えば、自動車、全地形対応車両）で使用される。例えば、本発明の一実施形態では、本発明の原理は、４つの車輪を有し、静的に安定な自動車に適用される。前記自動車は、その自動車の車輪に接続される２つ以上の電気モータを含む。前記電気モータは、自動車の加速及び減速のための主要な手段として用いられる。図２４及び２５を参照すると、自動車の速度を制御するために自動車のピッチを用いる代わりに、例えば、加速度補償された平均電流信号に基づいて車両の速度を制御するコントローラ及び／又はアクチュエータが使用される。例えば、加速度補償された平均電流信号は、自動車のエンジンのスロットルを制御するアクチュエータに供給され、それによって自動車の速度を制御する。車両の速度を制御するための別の装置及び方法も、本発明の範囲内に含まれる。
【０１３５】
或る実施形態では、加速度補償された平均電流は、システム全体の重量によって変わる。システム全体の重量は、車輪に伝達される重量を測定又は推定することによって正確に反映させることができる。
【０１３６】
或る実施形態では、走行面の傾斜及びペイロードの重量は、トルク、加速度及び速度の測定値に基づいて推定され得る。トルク、加速度及び速度の測定値に基づく傾斜及びペイロードの推定値は、坂道を上るための性能制限に関連する車両の性能のモニタと制限にも概ね適用することができる。
【０１３７】
或る実施形態では、速度制限の最大許容速度（例えば、図２５のステップ２５０５でのもの）は、回生電流が減少した場合に大きくなる。回生電流が減少した場合、アクチュエータ全体の能力が増加し、制動のためにより多くのアクチュエータの能力を使用できる。このことによって、速度制限の最大許容速度が大きくなる。或る実施形態では、ユーザの経験に基づいて回生電流の制限をより高くすることができる。より経験豊富なユーザは、所定の操縦中に、車両を制動又は減速する必要を最小限にする方法で車両に乗る方法を知っていることが多い。例えば、ユーザは、急な方向転換のための適切な姿勢や様々な地形を移動するための適切な速度を知っていることがある。制動又はトランジェントに関して必要なアクチュエータの能力が少なくなるため、この経験によって、作動システムにおいてより高い電流制限閾値を設定することが可能になる。したがって、本発明の実施形態は、下り坂を下る間の速度制限が低くされたとしても、下り坂を移動する電動車両の速度をスムーズに制御することができる。更に、速度及びトルクの増加したマージンは、トランジェント又はシステムの故障に対応するためにとっておける。
【０１３８】
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。具体的には、本明細書で説明した方向制御及び速度制御に関する様々なコントローラ及び方法は、バランシングパーソナルトランスポータ以外の電動車両にも適用することができるという有利さがある。バランシングトランスポータは、上述の説明及び特許文献１に記載の車両を制御するための特定の要件を提供する。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１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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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１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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