(57)【要約】【課題】  車輪が路面から離れて自由落下する場合においても安全な着地を実現する。【解決手段】  段差があるとき床の段差位置では床面積が狭くなる。するとタイヤは変形しＺ軸に変化が生じる（走行位置（２））。さらに機体が前進して落下方向に進むとタイヤはさらに変形してＺ軸の変化が大きくなる。このようにＺ軸変化を検出して段差を認識して落下状態を事前に予測することができ、安全に着地するように車輪回転速度を制御することができる。すなわち、走行位置（２）ではテーブル姿勢角度を変化させて走行速度を減衰させるが、走行速度が大きいとＺＭＰが段差を超えて落下する。落下状態はＺ軸の加速度センサ信号出力が急激に変化して落下状態を検出できる。このＺ軸加速度センサにより落下加速度[9.8G]を検出されるとモータトルク出力をゼロとする。このようにモータトルクをゼロにした状態で着地するとタイヤは接触路面の反力により自由に回転される。【選択図】        図３
2005138631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って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、
前記筐体に重力方向の加速度を検出する検出手段を設け、
前記重力方向の加速度の変化を検知して前記複数の車輪の回転数に所定の制御を加える制御手段を有する
ことを特徴とする走行装置。
【請求項２】
前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
前記制御手段による制御は、前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項３】
前記重力方向の加速度の検出により前記筐体の落下が検知されたときは、
前記制御手段で、前記複数の車輪に回転トルクを与えない制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項４】
前記筐体にピッチ軸の角速度を検出するジャイロセンサを設け、
前記重力方向の加速度の検出により前記筐体の落下が検知されたときは、
前記制御手段で、前記ジャイロセンサの出力により前記筐体が所望の角度となるように前記複数の車輪の回転数に所定のトルクの制御を加えると共に、前記筐体の角度が目標値の半分となった時点から前記複数の車輪を等しいトルクで逆回転させる制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の走行装置。
【請求項５】
前記筐体に前後方向の加速度を検出する検出手段と前記複数の車輪の回転角速度の検出手段とをさらに設け、
前記制御手段で、前記ジャイロセンサの出力と前記前後方向の加速度の積分値と前記複数の車輪の回転角速度の検出値とを用いて前記車輪の回転と路面との相対速度をゼロとする制御を行う
ことを特徴とする請求項４記載の走行装置。
【請求項６】
複数の車輪を独立に駆動すると共に、前記複数の車輪を連結する筐体を有し、前記筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、前記検出された重心の移動の情報に従って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、
前記筐体に重力方向の加速度を検出し、
前記重力方向の加速度の変化を検知して前記複数の車輪の回転数に所定の制御を加える
ことを特徴とする走行装置の制御方法。
【請求項７】
前記複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、
前記所定の制御には、前記複数の車輪の回転数の設定には前記筐体を水平に保つ要素を含む
ことを特徴とする請求項６記載の走行装置の制御方法。
【請求項８】
前記重力方向の加速度の検出により前記筐体の落下が検知されたときは、
前記複数の車輪に回転トルクを与えない制御を行う
ことを特徴とする請求項７記載の走行装置の制御方法。
【請求項９】
前記筐体のピッチ軸の角速度を検出し、
前記重力方向の加速度の検出により前記筐体の落下が検知されたときは、
前記ピッチ軸の角速度の検出出力により前記筐体が所望の角度となるように前記複数の車輪の回転数に所定のトルクの制御を加えると共に、
前記筐体の角度が目標値の半分となった時点から前記複数の車輪を等しいトルクで逆回転させる制御を行う
ことを特徴とする請求項６記載の走行装置の制御方法。
【請求項１０】
前記筐体に前後方向の加速度を検出すると共に前記複数の車輪の回転角速度を検出し、
前記ピッチ軸の角速度の検出出力と前記前後方向の加速度の積分値と前記複数の車輪の回転角速度の検出値とを用いて前記車輪の回転と路面との相対速度をゼロとする制御を行う
ことを特徴とする請求項９記載の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、例えば減速時や下り坂を走行する際に発生する回生エネルギを効率の良く充電して、良好な走行を実現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（特願２００３−１６８２２４号）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１８に示す。図１８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１９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２０のＡの平面図及び図２０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】
2005138631.tif 000003
【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】
2005138631.tif 000004
【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２１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２１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２２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２３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】
2005138631.tif 000005
【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２４に示すＸ−Ｚ座標系を用いて詳細に説明する。ここで図２４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】
2005138631.tif 000006
【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】
2005138631.tif 000007
【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】
2005138631.tif 000008
【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】
2005138631.tif 000009
【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】
2005138631.tif 000010
【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】
2005138631.tif 000011
【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】
2005138631.tif 000012
【００３７】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図２５に図示する。図２５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２５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】
2005138631.tif 000013
【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】
2005138631.tif 000014
【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】
2005138631.tif 000015
【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２６のように水平に保たれるものとする。
【００４４】
【数１４】
2005138631.tif 000016
【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２６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２７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２８に示すような制御機構を有している。図２８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】
2005138631.tif 000017
【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２９に示す。なお、この図２９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２９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３０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３１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３２は、図３１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３２に示した数学モデルは、より詳細には例えば図３３に示すようになる。図３３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２９乃至図３３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３１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３４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３５に示す。ここで図３５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】
2005138631.tif 000018
【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】
2005138631.tif 000019
【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】
2005138631.tif 000020
【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３６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３６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】
2005138631.tif 000021
【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】
2005138631.tif 000022
【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３７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３７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】
2005138631.tif 000023
【０１０１】
また、図３７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】
2005138631.tif 000024
【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】
2005138631.tif 000025
【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】
2005138631.tif 000026
【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】
2005138631.tif 000027
【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３８を用いて説明する。図３８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３９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２０７を充電する。
【０１１７】
図３９に示した全体構成の詳しい内部構成を、図４０を用いて説明する。図４０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３５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３０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、例えば上述の特許文献１に示した走行装置においては、倒立振子の制御原理により搭乗者が重心位置の姿勢を変化して走行する。このため大きな段差のある路面を走行して車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合、車輪は制御装置により高速回転する問題がある。このように高速回転した車輪が路面に着地すると機体は急に走行して姿勢は不安定となり、搭乗者は姿勢を保てられずに転倒して危険な状態となる問題がある。
【０１３３】
一方、上述の本願発明者が先に提案した同軸二輪車１は、人間の重心バランスだけで自在に方向変更する装置である。この場合においては、重心の移動を測定するために各種のセンサが設けられており、これらのセンサを用いて車両が自由落下している状態を検知することが可能である
【０１３４】
この出願はこのような点に鑑みて成されたものであって、解決しようとする問題点は、従来の装置では、大きな段差のある路面を走行して車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合、車輪は制御装置により高速回転し、高速回転した車輪が路面に着地すると機体は急に走行して姿勢は不安定となり、搭乗者は姿勢を保てられずに転倒して危険な状態となる虞があったというものである。
【課題を解決するための手段】
【０１３５】
このため本発明においては、路面段差を機体の重力方向（Ｚ軸）の加速度センサの変化により予測し、段差から落下する状態に対して車輪の回転を制御するようにしたものであって、これによれば、大きな段差のある路面を走行して車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合においても、安全な着地を実現することができる。
【発明の効果】
【０１３６】
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、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って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、筐体に重力方向の加速度を検出する検出手段を設け、重力方向の加速度の変化を検知して複数の車輪の回転数に所定の制御を加える制御手段を有することにより、車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合においても安全な着地を実現することができるものである。
【０１３７】
また、請求項２の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、制御手段による制御は、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。
【０１３８】
請求項３の発明によれば、重力方向の加速度の検出により筐体の落下が検知されたときは、制御手段で、複数の車輪に回転トルクを与えない制御を行うことによって、安全な着地を実現することができるものである。
【０１３９】
請求項４の発明によれば、筐体にピッチ軸の角速度を検出するジャイロセンサを設け、重力方向の加速度の検出により筐体の落下が検知されたときは、制御手段で、ジャイロセンサの出力により筐体が所望の角度となるように複数の車輪の回転数に所定のトルクの制御を加えると共に、筐体の角度が目標値の半分となった時点から複数の車輪を等しいトルクで逆回転させる制御を行うことによって、筐体を水平に保つことができるものである。
【０１４０】
請求項５の発明によれば、筐体に前後方向の加速度を検出する検出手段と複数の車輪の回転角速度の検出手段とをさらに設け、制御手段で、ジャイロセンサの出力と前後方向の加速度の積分値と複数の車輪の回転角速度の検出値とを用いて車輪の回転と路面との相対速度をゼロとする制御を行うことによって、着地時に良好な走行を行うことができるものである。
【０１４１】
さらに請求項６の発明によれば、複数の車輪を独立に駆動すると共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って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、筐体に重力方向の加速度を検出し、重力方向の加速度の変化を検知して複数の車輪の回転数に所定の制御を加えるようにしたことにより、車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合においても安全な着地を実現することができるものである。
【０１４２】
また、請求項７の発明によれば、複数の車輪は回転軸が一直線上に配置された二輪からなり、所定の制御には、複数の車輪の回転数の設定には筐体を水平に保つ要素を含むことによって、安定な走行を行うことができるものである。
【０１４３】
請求項８の発明によれば、重力方向の加速度の検出により筐体の落下が検知されたときは、複数の車輪に回転トルクを与えない制御を行うことによって、安全な着地を実現することができるものである。
【０１４４】
請求項９の発明によれば、筐体のピッチ軸の角速度を検出し、重力方向の加速度の検出により筐体の落下が検知されたときは、ピッチ軸の角速度の検出出力により筐体が所望の角度となるように複数の車輪の回転数に所定のトルクの制御を加えると共に、筐体の角度が目標値の半分となった時点から複数の車輪を等しいトルクで逆回転させる制御を行うことによって、筐体を水平に保つことができるものである。
【０１４５】
請求項１０の発明によれば、筐体に前後方向の加速度を検出すると共に複数の車輪の回転角速度を検出し、ピッチ軸の角速度の検出出力と前後方向の加速度の積分値と複数の車輪の回転角速度の検出値とを用いて車輪の回転と路面との相対速度をゼロとする制御を行うことによって、着地時に良好な走行を行うことができるものである。
【０１４６】
これによって、従来の装置では、大きな段差のある路面を走行して車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合、車輪は制御装置により高速回転し、高速回転した車輪が路面に着地すると機体は急に走行して姿勢は不安定となり、搭乗者は姿勢を保てられずに転倒して危険な状態となる虞があったものを、本発明によればこのような問題点を容易に解消することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１４７】
以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１は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を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。
【０１４８】
図１において、例えば左右２個の車輪１０１、１０２が設けられる。これらの左右の車輪１０１、１０２は、テーブル(筐体)１０３によって、それぞれの車軸１０４、１０５が一直線上になるように配置される。さらにテーブル１０３には、左右のモータ１０６、１０７がそれぞれ車輪１０１、１０２に近接して配置され、これらの左右のモータ１０６、１０７の回転軸１０８、１０９がそれぞれ伝達部(減速機)１１０、１１１を通じて車軸１０４、１０５に連結されて、車輪１０１、１０２が回転駆動されるようになっている。
【０１４９】
また、テーブル１０３には、搭乗者の姿勢を検出するためのジャイロセンサや加速度センサ等のセンサ回路１１２が搭載される。そしてこのセンサ回路１１２にて検出されたセンサ信号が制御装置１１３に供給されてモータ１０６、１０７の駆動の制御が行われ、ロール軸及びピッチ軸に対するテーブル１０３の姿勢の制御が行われると共に、この制御装置１１３に併設される充電回路１１４(図示せず)による二次電池１１５(図示せず)への回生エネルギの充電の制御が行われる。
【０１５０】
さらに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装置全体のシステム構成は、上述の図３９に示したものと同等である。そしてこのような装置において、具体的な動作は以下に説明するようになる。
【０１５１】
すなわち図２に示すように、モータ制御による二輪車が段差のある床を走行すると走行速度により定まる軌跡で自然落下する。このときテーブルは床反力が無くなるためモータ制御で姿勢を保つことが不可能となる。また落下中は床反力が存在しないためテーブル姿勢角度が変化するとモータは高速回転して危険な状態となる。
【０１５２】
一方、このときモータ回転方向や回転速度はテーブル姿勢角度により変化するため着地時の方向が定められず、極めて不安定になり搭乗者が転倒し災害を生じる問題がある。本発明はそうした危険な状態を回避して安全に制御する方法を提案するものである。
【０１５３】
ところで、従来の制御は倒立振子の制御原理により二輪走行車は制御されていた。こうした倒立振子の制御では、例えば図２のような床に大きな段差がある場合、落下する直前の位置（走行位置（２））になると搭乗者は前向き方向（走行方向）に傾く姿勢をとるため制御演算により落下方向へ高速に前進する力が車輪に作用する。
【０１５４】
このためモータは高速回転した状態で着地して着地時に機体は高速に前進するようになる。このように着地時に高速に前進すると搭乗者は姿勢を保てなくなり転倒する危険に曝されて極めて危険な状況になる。こうした問題を解決するため、本発明では倒立振子による制御ではなくＺＭＰによる姿勢制御を用いる。
【０１５５】
すなわち、このとき機体の状態信号（姿勢位置、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸の位置／速度／加速度、ピッチ−ロール−ヨー軸の角度／角加速度／角加速度）を用いることにより落下状態を推定し落下時に車輪が高速回転しないよう制御することにより、着地時に走行速度を抑えるようにして安全に着地することができる。
【０１５６】
なお、倒立振子制御による場合、機体が走行方向に進むと段差のある時点で姿勢変化するとき、姿勢を保つよう制御するためタイヤ回転速度Ω(t)[rad/sec]は高速回転する。このため着地時には路面反力により機体は矢印のように大きな走行速度で進み搭乗者は危険な状態となる。
【０１５７】
ここで、図３に示すように段差があるとき床の段差位置では床面積が狭くなる。するとタイヤは変形しＺ軸に変化が生じる（走行位置（２））。ここでさらに機体が前進して落下方向に進むとタイヤはさらに変形してＺ軸の変化が大きくなる。このようにＺ軸変化を検出して段差を認識して落下状態を事前に予測することができ、安全に着地するように車輪回転速度を制御することができる。すなわち、走行位置（１）から走行位置（２）まではＺＭＰは床反力上にあるように制御することが可能であるため姿勢を安定に保つことができる。
【０１５８】
これに対して、走行位置（２）ではＺ軸変化が生じてＺ軸加速度センサにより検出される。こうして段差位置が特定されるので、走行位置（２）では図３のようにテーブル角度を変化させて搭乗者重心位置を、落下を回避する方向となるように姿勢を変化することができる。このときＺＭＰは、走行位置（２）の矢印のような方向に変化して段差から落下する速度が減衰される。こうしてＺＭＰを変化させて段差から落下する状態を回避する方向に車両を動かすことができる。
【０１５９】
一方、走行方向（＋Ｘ方向）速度が早いと機体と搭乗者の慣性力により段差を越えてしまい落下する。このような場合、上記と同じく走行位置（２）ではテーブル姿勢角度を変化させて走行速度を減衰させるが、走行速度が大きいとＺＭＰが段差を超えて落下する。落下状態はＺ軸の加速度センサ信号出力が急激に変化して落下状態を検出できる。このＺ軸加速度センサにより落下加速度[１G]（9.8m/sec２）を検出されるとモータトルク出力をゼロとする。
【０１６０】
するとタイヤは外力により容易に回転されるようになる。このようにモータトルクをゼロにした状態で着地するとタイヤは接触路面の反力により自由に回転される。このため着地時にタイヤが床反力から自由回転して運動エネルギを吸収するため搭乗者は路面からの床反力が減衰される。
【０１６１】
またテーブル姿勢角度は搭乗者の姿勢により変化するが、慣性の法則により落下する状態では落下する直前の姿勢が維持される。つまり落下前には安定姿勢の状態であるため、その状態の姿勢の容姿で落下される。この状態で着地するとタイヤは路面に接触したとき路面の状況に応じて自由に回転することにより床反力によるX方向の変化は吸収され、慣性の法則により姿勢を安定に保つことが容易になる。
【０１６２】
しかし着地直後は搭乗者が姿勢を安定に保つ作用だけであるためテーブル姿勢角度は不安定になる。このためモータは速やかに制御を回復してテーブル姿勢角度を安定に制御をする必要がある。着地する状態は図４のようにタイヤが変形して復元するようにＺ軸変化が生じてＺ軸加速度センサ信号が変化することから着地状態を検出される。着地後、速やかにモータは姿勢を制御してテーブル姿勢角度をＺＭＰが床反力上にあるよう姿勢を制御して安定に制御するようにして搭乗者は安定に姿勢を保つことができる。
【０１６３】
こうして搭乗者は落下後に着地をしても姿勢を保ちながら走行を継続することが可能となる。なおこのとき搭乗者は、落下中はテーブル角度に依らず姿勢を保つよう容姿を変化することにより着地に備える容姿をすることを前提とする。また制御装置は、図５、６、７のフローチャートによる制御を行い、姿勢を保つことが可能となる。
【０１６４】
すなわち図５において、走行運転中に、ステップ〔１〕でＺ軸加速度の変化の有無が判断され、変化しているとき(Ｙｅｓ)は、ステップ〔２〕で図６に示すような落下防止制御が行われる。さらにステップ〔３〕で再度Ｚ軸加速度の変化の有無が判断され、変化しているとき(Ｙｅｓ)は、ステップ〔４〕で図７に示すような落下着地制御が行われる。
【０１６５】
なお、ステップ〔１〕でＺ軸加速度が変化していないとき(Ｎｏ)は、ステップ〔５〕で上述の図３４に示したような走行制御が行われる。また、ステップ〔３〕でＺ軸加速度が変化していないとき(Ｎｏ)はステップ〔１〕に戻される。さらにステップ〔４〕、〔５〕の処理が行われた後は、ステップ〔６〕で走行が停止したか否か判断され、停止していないとき(Ｎｏ)のときはステップ〔１〕に戻され、停止のときは処理が終了される。
【０１６６】
また、上述の図６の落下防止制御では、この処理が呼ばれると、ステップ〔７〕でＺ軸加速度が変化する方向の反方向に姿勢角度θREFを傾けて、ＺＭＰを図３のように方向を変化させる。これにより、搭乗者の身体重心もＺＭＰのように変化して落下防止方向に機体が進む。そして処理後に元のルーティンに戻される。このようにして、ステップ〔２〕の落下防止制御が行われる。
【０１６７】
さらに図７の落下着地制御では、この処理が呼ばれると、ステップ〔８〕で上述の図２２に示した走行指令Ｐref1,2をゼロとし、同時にモータトルクＴｍをゼロとする。さらにステップ〔９〕でＺ軸落下加速度を判別し、落下中のとき(Ｙｅｓ)はステップ〔８〕に戻され、落下が終了したとき(Ｎｏ)は、元のルーティンに戻される。このようにして、ステップ〔４〕の落下着地制御が行われる。
【０１６８】
なお、上述の装置において、ＺＭＰを検出するための荷重センサは、例えば図８のように構成されている。そしてこの構成において、重心の座標（Ｘｇ、Ｙｇ）は下式で求められる。
【０１６９】
Ｗ  ＝ＰＳ１＋ＰＳ２＋ＰＳ３＋ＰＳ４−Ｗ０  〔Ｎ〕：Ｗ０は無負荷での自重
Ｗ１＝（ＰＳ１＋ＰＳ４）／２−Ｗ１０        〔Ｎ〕：Ｗ１０は無負荷での自重
Ｗ２＝（ＰＳ２＋ＰＳ３）／２−Ｗ２０        〔Ｎ〕：Ｗ２０は無負荷での自重
Ｗ３＝（ＰＳ１＋ＰＳ２）／２−Ｗ３０        〔Ｎ〕：Ｗ３０は無負荷での自重
Ｗ４＝（ＰＳ３＋ＰＳ４）／２  Ｗ４０        〔Ｎ〕：Ｗ４０は無負荷での自重
Ｘｇ＝Ｌ０＊（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｗ１＋Ｗ２）  〔ｍ〕
Ｙｇ＝Ｌ１＊（Ｗ３−Ｗ４）／（Ｗ３＋Ｗ４）  〔ｍ〕
【０１７０】
ここで、Ｗがある重さ以上にあるとき、値Ｘｇの符号と大きさにより前進・後進が行われる。そのときの時刻ｔでのタイヤの指令は下式となる。
Prefｘ(t)＝Ｘｇ×Ｇｘ×ｔ                  〔rad〕    （Ｇｘは正の定数）
Pref１(t)＝Pref２(t)＝Prefｘ(t)           〔rad〕
【０１７１】
一方、負荷トルク補正指令として負荷荷重トルクＴｌにより圧力センサ信号が変化し、上式により負荷荷重トルクＴｌは測定される。この測定値から下式によりＴｌを相殺するトルクを算出する。この算出した信号を荷重負荷トルク推定値Ｔ′ｌとする。
Ｔ′ｌ＝Ｗ×Ｘｇ／２  〔Ｎｍ〕
この演算は図２２，Ｏの調整器により実行される。
【０１７２】
さらに旋回指令の概要を説明する。すなわち圧力センサの出力を用いて旋回する場合、ＰＭは図８の重心座標信号Ｙｇとする。
ＰＭ＝Ｙｇ
【０１７３】
ここで、時刻ｔでの左右の車輪の位置指令をRref１(ｔ)、Rref２(ｔ) [rad] とすると走行速度Prefｘ(t)／ｄｔがゼロの場合、逆位相指令となり右車輪と左車輪の指令は下式となる。
Rref１(t)＝ＰＭ×Ｇ０×ｔ      〔rad〕：右車輪指令（Ｇ０は正の定数値）
Rref２(t)＝−ＰＭ×Ｇ０×ｔ    〔rad〕：左車輪指令
【０１７４】
従って、走行速度Prefｘ(t)／ｄｔがゼロでない場合、同位相指令となり右車輪と左車輪の指令は下式となる。
Rref１(ｔ)＝Prefｘ(t)＋ＰＭ×Ｇ１×ｔ   〔rad〕：右車輪指令（Ｇ１は正の定数値）
Rref２(ｔ)＝Prefｘ(t)−ＰＭ×Ｇ１×ｔ   〔rad〕：左車輪指令
このときRref１(ｔ)、Rref２(ｔ)は、Prefｘ(t)と符号が同じであるものとする。また、符号が異なる場合はRref１(ｔ) 、Rref２(ｔ)の値はゼロとする。
【０１７５】
このRref１(ｔ) 、Rref２(ｔ)により左右タイヤは、図３４に示す回路において回転速度Ω１とΩ２[rad/sec]で回転する。そしてこのΩ１とΩ２の差により、旋回半径Ｒと旋回速度ωyawが定まる。さらに旋回速度ωyawは、図３５に定めた旋回速度により上限が規定されるので搭乗者は安定に姿勢を保ち旋回することができるようになる。
【０１７６】
さらに上述の実施形態において、段差落下時のバウンズの制御方法は以下に述べるようになる。すなわち、重力加速度センサ信号またはテーブル上に実装された荷重センサ信号は、落下時に床反力が無くなるため信号はゼロになる。これらの信号がゼロであるとき、すなわち空中にあるとき、姿勢制御するにはタイヤ・イナーシャとテーブル・イナーシャにモータトルクを作用することにより制御は可能となる。
【０１７７】
そこで、例えば図９の走行位置（２）から（３）の間は、例えば図１２のようにモータトルクにより姿勢を制御することができる。しかしながら落下時間が不確定である場合、こうした空中でイナーシャを利用した慣性モーメント力の制御には路面と接地するまでの時間で制御する必要があるために制御する時間に限界がある。
【０１７８】
これに対して、本発明はモータ電流をゼロとして車輪回転はタイヤに外部から作用する力（床反力や接地摩擦力）により回転される状態とすることにより着地時の床反力をタイヤにより回転力を吸収してテーブルの姿勢はテーブルの慣性力により保持して、バウンズ後に安定になった状態を加速度センサ信号または荷重センサ信号により検出して姿勢制御できる状態になったときに姿勢制御を行うことにより安定になるよう制御する（図９参照)。こうしてタイヤのバウンズの問題を回避して姿勢を制御するようにできる。
【０１７９】
さらに、段差から落下してバウンズ後、安定して接地する間は図１０に示すように機体上の加速度センサと荷重センサの信号が変化する。すなわち、落下状態、バウンズ状態にあるとき、モータ電流はゼロとしてモータは外力により回転する。このためテーブルの姿勢は慣性力により姿勢を保つ状態となる。落下後に路面に安定に接地した状態は荷重センサと加速度センサが設定された値になったことから判別される（図９参照）。こうして接地した状態を検知した後に、姿勢制御により搭乗者は安定に姿勢を保つことができるようになる。
【０１８０】
また、上述の実施形態において、自由落下での姿勢制御の方法は以下に述べるようになる。すなわち、例えば図１１の構成される機構で自由落下時にモータトルクτm[Nm]を与えるとテーブル回転速度、タイヤ回転速度は図１２により変化する。このようにモータトルクを生成することにより落下時のテーブル回転角度を制御することができる。
【０１８１】
一方、図１１、１２のようにモータトルクとしてステップ信号を与えるとテーブルの慣性モーメントに反比例して回転する、そのときの回転角度をジャイロセンサによりテーブル角度を検出して目標テーブル角度に対し半分の値になるときの時間ｔ0[SEC]とすると、ｔ0[SEC]以降のモータトルクを同じ大きさで反方向のトルク、−τm[Nm]を与えると２×ｔ0秒後は目標テーブル角になる（図１３参照）。
【０１８２】
こうして、自由落下時に角加速度を与えるモータトルクを発生すると、タイヤとテーブルの慣性モーメントを利用してテーブルを回転させて着地時に安定になるテーブル姿勢位置、この場合は水平位置になるように制御することができる。また、このようにモータ電流を制御して落下時に床反力がないときテーブルの傾き角度を水平に保つように角加速度トルクを発生してテーブルを回転させ、テーブルを水平に保つことが可能となる（図１１参照）。
【０１８３】
さらに、自由落下での姿勢制御の方法は以下に述べるようになる。すなわち、図１１は自由落下時のタイヤとテーブルの回転速度、回転角度の関係を説明した。すなわち自由落下であってもモータトルクによりタイヤとテーブルを目的の角速度と角度を制御することができる。ここでは自由落下時にタイヤ回転速度を路面に対する相対速度ゼロ速度とする場合を示す。なお、両輪または片輪での落下にも適応される。
【０１８４】
そこで図１４の機構で自由落下状態はテーブルに実装した加速度センサＺ軸信号Gｚから検出する。加速度センサから落下状態が式〔Ｇｚ＜１[G]〕の条件から判別されると、
Ｇｚ＜１[G]  であるとき  REF＝Kv×ΔVEL
Ｇｚ＜１[G]  でないとき  REF＝θref
となる図１５の指令切替器により指令値をタイヤ速度制御器出力にし、同時に図１５のピッチ軸ジャイロセンサ信号ωb[rad/sec]とロータ回転角速度検出器信号ωr[rad/sec]と加速度センサX軸信号Ax[m/sec2]の積算値Vx[rad/sec]を加算し、路面とタイヤ間の相対速度ΔVELを〔ΔVEL＝ωb[rad/sec]＋ωr[rad/sec]＋Vx[rad/sec]〕の式で算出する。
【０１８５】
こうして得られた路面−タイヤ相対速度信号ΔVELについて、タイヤ速度制御器（比例制御器またはＰＤ制御器）で〔Vx[rad/sec]＝  R  ×∫Ax  dt  、R＝タイヤ半径〕となる演算をし、その演算値を姿勢制御器の指令値REFとして与える〔REF＝Kv×ΔVEL〕ことにより、タイヤと路面との相対速度をゼロとすることができる。
【０１８６】
すなわち上述の演算地を用いてモータ制御して着地することにより、路面とタイヤの相対速度差から生じる接触摩擦力を小さくでき、着地後に図１５の指令切替器を〔REF＝Kv×ΔVEL〕から姿勢指令θrefに切替ても、路面摩擦力から引き起こされる回転モーメント力を生じさせずにテーブル角度を水平となる姿勢制御に移行することができる。
【０１８７】
このようにして、上述の実施形態によれば、自由落下時にモータトルクを制御してタイヤを回転させ、着地時に路面とタイヤ間の相対速度をゼロにし、接触摩擦力を小さくでき、着地時の接触摩擦力による生じる回転モーメント力を小さくできるためテーブル姿勢を安定に保つことができるようになる。なお、図１５は右タイヤの制御図であるが左タイヤも同様に記述される。また、図１５は上述した図４０の制御システム・ブロック内部構成図において付加する回路を示すものである。
【０１８８】
こうして上述の実施形態によれば、
１．重力中心が車輪の軸以下にあることにより、制御装置に異常が生じて動作しなくなっても機体はタイヤの摩擦により停止し機体は重心位置がもっとも安定な位置に保つようになる、このため機体はタイヤの摩擦により水平に保ち転倒しにくくなり重大な事故を未然に防ぐことができる。（図１６参照）
２．モータにより車輪を回転するモータトルクを発生するとき、機体は重心が安定な姿勢を保ちながら機体を移動することができる。
３．モータにより車輪を回転するモータトルクを発生するとき、水平を保ちながら機体を移動することができる。
４．荷重が検出できるので荷重の変動に対して安定で一定な性能が保つとこができる。（図１６参照）
５．圧力センサにより人間が搭乗しなくても安定に走行することが可能となる。
６．圧力センサによりハンドルがなくても人間が体重重心位置を移動して、その重心位置から走行方向と走行速度を決めて運転したり、静止時に左右の重心位置を変化させて旋回駆動する運転することができる。
７．ヨー軸ジャイロセンサをフィードバック制御することにより、二輪の空気圧の差によりタイヤ半径の差があっても左右の車輪の回転速度を可変して直線に走行することが可能となる。
また左右車輪の路面差があっても左右の車輪の回転速度を可変して直線に走行することが可能となる。
８．柔軟なタイヤのため路面の接地面積が大きくなり、転がり摩擦抵抗が大きくなる。このため人間が乗っても安定に立つことが可能となる。
【０１８９】
さらに上述の実施形態において、使用されるタイヤ構造としては図１７に示すようなものを採用することができる。図１７のタイヤ構造においては、防振性をもつ柔軟な材質のゴム材（天然ゴム、クロロプレンゴム）で左右側に交互に凸部をずらして配置した凸凹のタイヤである。また、タイヤの中央部は溝になり、防振性ゴムの突起部により路面の凹凸を吸収して振動を防止する。中央部は溝となり、凹凸の面積は同じ面積比となる。
【０１９０】
さらに、タイヤと路面の接地部分は機体の重さにより、凸部が変形して接触面積を大きくして転がり摩擦抵抗が大きくなるタイヤであり、タイヤがＣＷ（時計方向）、ＣＣＷ（反時計方向）に回転しても左右側の位相差により表面の凹凸があっても一様な路面抵抗を有し、機体が倒立振子の制御、またはＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）制御によって容易に機体姿勢を制御できるようになる。なおタイヤの溝面積と突起面積は同じであるため路面と接地している部位は突起が変形して路面全体に接地して転がり摩擦が大きくなる。
【０１９１】
従って、このようなタイヤ構造によれば、大きな転がり摩擦が得られるので安定な姿勢を保つことができる。また、こうした構造によりＸ軸には低剛性で、Ｙ軸方向の剛性は高くできるので機体のＹ軸の振動やロール軸の揺れを小さくできるものである。
【０１９２】
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、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って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、筐体に重力方向の加速度を検出する検出手段を設け、重力方向の加速度の変化を検知して複数の車輪の回転数に所定の制御を加える制御手段を有することにより、車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合においても安全な着地を実現することができるものである。
【０１９３】
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と共に、複数の車輪を連結する筐体を有し、筐体には搭乗者の重心の移動を検出する手段が設けられて、検出された重心の移動の情報に従って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、筐体に重力方向の加速度を検出し、重力方向の加速度の変化を検知して複数の車輪の回転数に所定の制御を加えるようにしたことにより、車輪が路面から離れて空中で自由落下する場合においても安全な着地を実現することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
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】
【０１９５】
【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を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。
【図２】倒立振子の制御による段差のある路面の走行状態の変化の説明図である。
【図３】ＺＭＰの制御による段差のある床での走行制御の説明図である。
【図４】落下するときの姿勢制御の説明図である。
【図５】走行運転のフローチャート図である。
【図６】落下防止のフローチャート図である。
【図７】落下着地のフローチャート図である。
【図８】テーブルの圧力センサの配置図である。
【図９】段差落下時のバウンズ状態の運動変化と制御状態の説明図である。
【図１０】段差落下時のバウンズする状態のセンサ信号の変化の説明図である。
【図１１】タイヤとテーブルの構造を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。
【図１２】モータトルク−角速度、角度のブロック図である。
【図１３】トルクとテーブル角速度、角度変化の説明図である。
【図１４】タイヤとテーブルの構造を示す正面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。
【図１５】路面−タイヤ相対速度制御図である。
【図１６】重心位置と旋回速度と荷重位置の関係を示す図である。
【図１７】タイヤの構造図である。
【図１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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２３】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図２４】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２５】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２６】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２７】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図２８】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図２９】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３０】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図３１】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３２】図３１に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図３３】図３２に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図３４】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３５】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３６】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図３７】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３８】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図３９】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４０】図３８に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。前進・後退する場合の走行速度制御を説明する図である。
【符号の説明】
【０１９６】
１０１，１０２…車輪、１０３…テーブル、１０４，１０５…車軸、１０６，１０７…モータ、１０８，１０９…回転軸、１１０，１１１…伝達部、１１２…センサ回路、１１３…制御装置 
【図１】
2005138631.tif 000028
【図２】
2005138631.tif 000029
【図３】
2005138631.tif 000030
【図４】
2005138631.tif 000031
【図５】
2005138631.tif 000032
【図６】
2005138631.tif 000033
【図７】
2005138631.tif 000034
【図８】
2005138631.tif 000035
【図９】
2005138631.tif 000036
【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１４】
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【図１５】
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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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