(57)【要約】【課題】負荷重量変化に対して安定であり、且つ、姿勢制御と走行制御とを安定して両立することが可能な同軸二輪車を提供する。【解決手段】同軸二輪車において、姿勢制御器８４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を用いて算出した現在のベース角度θ０との偏差から、ベースを目標角度に維持するためのモータトルクＴｇｙｒを計算する。一方、位置比例制御器８６Ｒ、微分器８８Ｒ及び速度比例制御器８９Ｒでは、右車輪用のモータロータ９２Ｒの回転位置指令Ｐｒｅｆｒとモータロータ９２Ｒの現在の回転位置θｒとの偏差についてのＰＤ制御が行われる。電流制御アンプ９１Ｒは、この制御結果であるモータトルクとモータトルクＴｇｙｒと圧力センサを用いて算出した推定負荷荷重トルクＴ１’と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。【選択図】  図１７
2005006435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、
上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段と、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段とが設けられ、
上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令する
ことを特徴とする同軸二輪車。
【請求項２】
上記負荷検出手段は、複数の圧力センサであることを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
【請求項３】
上記ベースは、支持台と可動台とから構成されており、
上記複数の圧力センサは、少なくとも上記支持台の四隅に設けられ、その上に上記可動台が載置されていることを特徴とする請求項２記載の同軸二輪車。
【請求項４】
上記角度検出手段は、ジャイロセンサ及び加速度センサであることを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
【請求項５】
上記ベースには、垂直軸回りの角度を検出する旋回検出手段が設けられ、
上記制御装置は、上記負荷の位置及び上記垂直軸回りの角度に応じて上記第３のトルクを生成する
ことを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
【請求項６】
上記ベースの重量中心が上記車輪軸よりも下方に位置することを特徴とする請求項１記載の同軸二輪車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車は、四輪車或いは三輪車はもとより、自転車のような個々の車輪の回転軸が異なる異軸二輪車と比較しても平面形状のコンパクト化の観点から有利であるため、従来から研究が進められているが、このような同軸二輪車では、姿勢の安定制御の問題が克服されない限り実用化は不可能である。
【０００３】
このような理由から、姿勢を安定制御する手法として、例えば下記の特許文献１には、ロータリエンコーダ等により検出される車体の傾斜角度を短時間間隔でサンプリングし、サンプリング値に基づいて車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この制御トルク相当の作動を車輪駆動用モータに指令することにより、車体が傾動した際に車輪をその傾動方向に直ちに移動し、車体の復元を行う技術が提案されている。
【０００４】
また、下記の特許文献２には、複数のジャイロセンサにより車体の傾斜角度を検出し、このジャイロセンサ信号が水平になるようにモータの制御装置の状態をフィードバックすることにより、車体を水平に保ったまま走行する技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第５９７１０９１号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような特許文献１，２に記載の同軸二輪車では、人間が搭乗した場合、或いは重量差の大きい複数の人間が乗り換えた場合に、モータからみた慣性モーメントや負荷重量が大きく変化し、姿勢を安定化する制御系が不安定になるため、人間が乗り降りする際に異常な振動が発生したり、人間の重量の違いにより動作が変化したりする問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、負荷重量変化に対して安定であり、且つ、姿勢制御と走行制御とを安定して両立することが可能な同軸二輪車を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段と、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段とが設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０００９】
このような同軸二輪車は、例えば複数の圧力センサからなる負荷検出手段によって検出されたベース上の負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクと、例えばジャイロセンサ及び加速度センサからなる角度検出手段によって検出されたベースの車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクと、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクとを生成し、この第１乃至第３のトルク相当の作動を一対の駆動用モータの各々に指令し、一対の車輪を駆動させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、同一軸の両端に車輪を備えた同軸二輪車に適用したものである。
【００１１】
先ず、本実施の形態における同軸二輪車の外観斜視図を図１に示す。図１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。また、図示しないが、車輪３の表面には凹凸形状の溝が形成されており、凹凸のある路面を走行する際や段差を乗り越える際に高い摩擦力を保持することができる。
【００１２】
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。このベース４上には、例えば人間が搭乗した際に両手で把持するためのハンドル５が設けられる。
【００１３】
以下、本明細書においては、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。
【００１４】
ベース４には、図２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。
【００１５】
この減速器１２は、バックラッシュ量が１分以下であり、車輪３側の出力軸から外力により回転トルクが加わるとモータ１０側の入力軸にも回転トルクが伝達されて容易に回転する特性（バックドライバビレィティ性）を有する。このようなバックドライバビレィティ性を有する減速器１２を使用することにより、例えば空中状態から着地する際に、路面の反作用力をモータ１０が吸収して減衰し、安定に着地することができる。また、電源が遮断された場合であっても、機体に外力を加えてモータ１０を回転させ、容易に移動させることができる。さらに、坂道を重力に従って下るような場合には、モータ１０に回転トルクが伝達されて逆起電力が生じるが、この逆起電力を利用してバッテリ（図示せず）の充電を行い、バッテリ駆動時間を長くすることができる。なお、バッテリが完全に充電された場合には、回生抵抗により回生電力を熱として放出する制御を行う。また、下り坂に限らず、減速時に生じる回生電力もバッテリに充電するような電源管理回路（後述）が内蔵される。
【００１６】
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。
【００１７】
このうち、圧力センサ１５は、図３（Ａ）の平面図及び同図（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１５１〜１５４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。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。
【００１８】
【数１】
2005006435.tif 000003
【００１９】
また、圧力センサ１５１，１５４及び圧力センサ１５２，１５３のＸ座標がそれぞれＸｐｓ，−Ｘｐｓ、圧力センサ１５１，１５２及び圧力センサ１５３，１５４のＹ座標がそれぞれＹｐｓ，−Ｙｐｓである場合、重心座標（Ｘｇ、Ｙｇ）は、以下の式（２）のように求められる。ここで、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。
【００２０】
【数２】
2005006435.tif 000004
【００２１】
この圧力センサ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。
【００２２】
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。
【００２３】
また、この同軸二輪車１は、図４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（及びハンドル５）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４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。
【００２４】
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５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。
【００２５】
この同軸二輪車１に体重Ｗｈの人間が搭乗した場合、図６に示すように、人間の傾き角θに応じてベース４及びハンドル５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。
【００２６】
【数３】
2005006435.tif 000005
【００２７】
本実施の形態における同軸二輪車１では、上述の如くベース４及びハンドル５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及びハンドル５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。
【００２８】
ベース４上で姿勢を保つための力学モデルについて、図７に示すＸ−Ｚ座標系を用いてさらに詳細に説明する。ここで図７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。
【００２９】
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。
【００３０】
【数４】
2005006435.tif 000006
【００３１】
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。
【００３２】
【数５】
2005006435.tif 000007
【００３３】
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。
【００３４】
【数６】
2005006435.tif 000008
【００３５】
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。
【００３６】
【数７】
2005006435.tif 000009
【００３７】
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。
【００３８】
【数８】
2005006435.tif 000010
【００３９】
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。
【００４０】
【数９】
2005006435.tif 000011
【００４１】
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。
【００４２】
【数１０】
2005006435.tif 000012
【００４３】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図８に図示する。図８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８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。
【００４４】
【数１１】
2005006435.tif 000013
【００４５】
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。
【００４６】
【数１２】
2005006435.tif 000014
【００４７】
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。
【００４８】
【数１３】
2005006435.tif 000015
【００４９】
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、ベースは、図９のように水平に保たれるものとする。
【００５０】
【数１４】
2005006435.tif 000016
【００５１】
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。
【００５２】
図９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。
【００５３】
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。
【００５４】
実際には、例えば図１０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。
【００５５】
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。
【００５６】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車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１１に示すような制御機構を有している。図１１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。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。
【００５７】
【数１５】
2005006435.tif 000017
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、本実施の形態における同軸二輪車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重構造の制御機構を有している。
【００６１】
このような二重構造の制御機構の物理モデルを図１２に示す。なお、この図１２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１２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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。例えばＸ軸加速度Ａｘが正の場合、図１３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。
【００６５】
制御機構のブロック図を図１４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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
図１５は、図１４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。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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
この図１５に示した数学モデルは、より詳細には例えば図１６に示すようになる。図１６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。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。
【００７５】
以上、図１２乃至図１６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１４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。
【００７６】
この場合の制御機構のブロック図を図１７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。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。
【００７７】
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。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。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。
【００７８】
このように、本実施の形態における同軸二輪車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。
【００７９】
次に、本実施の形態における同軸二輪車１の速度制御について説明する。
上述したように、本実施の形態における同軸二輪車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。
【００８０】
具体的には、負荷重量Ｗｇが所定の値以上である場合、重心位置のＸ座標Ｘｇに基づき、例えば図１８に示すように速度指令Ｖｘを変化させる。ここで図１８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。
【００８１】
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。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。
【００８２】
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。
【００８３】
【数１６】
2005006435.tif 000018
【００８４】
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。
【００８５】
【数１７】
2005006435.tif 000019
【００８６】
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。
【００８７】
【数１８】
2005006435.tif 000020
【００８８】
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１９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１９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。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。
【００８９】
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。
【００９０】
【数１９】
2005006435.tif 000021
【００９１】
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。
【００９２】
【数２０】
2005006435.tif 000022
【００９３】
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。そこで、本実施の形態における同軸二輪車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。
【００９４】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、図２０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。
【００９５】
【数２１】
2005006435.tif 000023
【００９６】
また、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。
【００９７】
【数２２】
2005006435.tif 000024
【００９８】
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。
【００９９】
【数２３】
2005006435.tif 000025
【０１００】
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。
【０１０１】
一例として、右車輪３Ｒよりも左車輪３Ｌの方が有効直径が短く、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。
【０１０２】
【数２４】
2005006435.tif 000026
【０１０３】
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。
【０１０４】
【数２５】
2005006435.tif 000027
【０１０５】
このように、本実施の形態における同軸二輪車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。
【０１０６】
また、段差のある路面を走行する場合には、車輪３が段差を乗り越えるときや段差を降りるときに機体に衝撃力が作用し、搭乗者が転倒してしまう虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合には指令走行速度を小さくすることで、機体への衝撃力を緩和する。
【０１０７】
一例として、図２１（Ａ）に示すような段差のある路面を走行する場合について説明する。図２１（Ｂ）に示すように走行速度Ｖｘ０で走行中、時刻ｔ１に段差を乗り越えるとＺ軸方向の加速度Ａｚが発生する。この加速度Ａｚの絶対値｜Ａｚ｜が閾値Ａ０以上になると減速を始める。すなわち、サンプリング回数を表す整数をｋとし、ｋサンプリングでの走行速度をＶｘ（ｋ）としたとき、走行速度Ｖｘ（ｋ）の絶対値｜Ｖｘ（ｋ）｜に基づいて設定された最小値に達するまで、例えば以下の式（３４）に従って減速する。ここで、式（３４）において、Ｋａ０は正の定数である。
【０１０８】
【数２６】
2005006435.tif 000028
【０１０９】
また、減速後に加速度Ａｚの絶対値｜Ａｚ｜が閾値Ａ０を下回ると、走行速度Ｖｘ（ｋ）の絶対値｜Ｖｘ（ｋ）｜に基づいて設定された最大値に達するまで、例えば以下の式（３５）に従って加速する。ここで、式（３５）において、Ｋａ１は正の定数である。
【０１１０】
【数２７】
2005006435.tif 000029
【０１１１】
このように、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。なお、加速度センサ１４の代わりにジャイロセンサ１３を用いるようにしても構わない。
【０１１２】
以上により、同軸二輪車１は、姿勢安定制御を行いながら走行することができるが、以下に説明するような画像認識手段及び音声認識手段を備えることで、さらに高次の機能を実現することができる。
【０１１３】
例えば、通常、搭乗者は視覚により走行方向を定めるが、走行速度が速くなると搭乗者の視点は遠くに向けられるため、足下の路面の状況が見えなくなり、路面の凹凸や段差により転倒する問題が発生する虞がある。また、同軸二輪車１を自律走行させる場合においても、路面の凹凸や路面上の障害物が検出できないと、障害物に衝突する問題や、機体が不安定になり転倒する問題が発生する虞がある。
【０１１４】
そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２２（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのＣＣＤカメラ１７（１７Ｒ及び１７Ｌ）を搭載しており、このＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌを用いて、図２２（Ｂ）に示すように、左右の画像の差分から３角測量法により近接した路面環境、例えば障害物ＯＢや路面の凹凸の大きさ及び位置を検出することができる。これにより、走行できない路面環境を回避したり、路面の障害物を非接触で回避したりすることが可能になる。
【０１１５】
また、画像認識により指定された対象物、例えば人間のような動く対象物を特定し、追従して走行させることも可能である。
【０１１６】
また、本実施の形態における同軸二輪車１では、図２３（Ａ）に示すように、路面に近いベース４に２つのマイクロホン１８（１８Ｒ及び１８Ｌ）を搭載しており、この２つのマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌを用いて、図２３（Ｂ）に示すように、音源ＳＤの方向及び距離を推定することができる。これにより、例えば音源に反応したり、車輪３を回転させて音源方向に向くことが可能になる。また、機体が音源に接近している場合には、走行を停止することで音源への衝突を防止することができる。さらに、音声信号を用いた話者認識を応用し、例えば予め使用者の声を登録しておき、その声が認識された場合にＬＥＤを点灯させたり音声を発したりするようにすることで、盗難された場合の機体認識や、多数の同機種の機体が並べられたときに、使用者の音声による機体の選別が可能になる。
【０１１７】
なお、マイクロホン１８には、人間の声以外にも車輪３の回転時の騒音等も入力されるため、正確な音源推定や話者認識が困難になる虞がある。そこで、本実施の形態における同軸二輪車１では、走行時に音声認識或いは話者認識を行う場合、騒音が重畳した音声信号から予めメモリに記憶された騒音信号の周波数成分を除去し、騒音の除去された音声信号に基づいて音源推定等を行う。これにより、走行時においても正確な音源推定、話者認識等が可能となる。
【０１１８】
具体的には、図２４に示すように、左右のマイクロホン１８Ｒ，１８Ｌにより検出された音声信号は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１００Ｒ，１００Ｌにおいてデジタル信号に変換され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。一方、騒音信号データベース１０２には、予め種々の走行速度における騒音信号が記憶されており、この騒音信号データベース１０２に現在の走行速度信号が入力されると、走行速度に応じた騒音信号が読み出され、減算器１０１Ｒ，１０１Ｌに供給される。減算器１０１Ｒ，１０１Ｌでは、アナログ／デジタル変換器１００Ｒ，１００Ｌから供給された音声信号からこの騒音信号の周波数成分が除去される。
【０１１９】
音声認識部１０３は、騒音信号の周波数成分が除去された音声信号を用いて音源の位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）を求めるほか、話者データベース１０４を用いてその音声を発した話者を特定し、音源位置座標（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）や話者特定信号を目標座標変換部１０５に供給する。目標座標変換部１０５は、例えばＸ−Ｙ座標系における音源位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を目標位置（Ｘｒｅｆ、Ｙｒｅｆ）とし、この走行位置指令（Ｘｒｅｆ、Ｙｒｅｆ）と走行速度指令Ｖｒｅｆとを出力する。
【０１２０】
このような同軸二輪車１のソフトウェア構成を図２５を用いて説明する。図２５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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
オンボディ・レイヤ１５２は、音声認識や画像認識、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り、図２２及び図２３で上述した障害物回避や対象物への追従、音源への走行などは、この階層で実行される。また、その上位のネットワーク・レイヤ１５３は、ネットワーク通信インターフェースや、走行制御情報、画像・音声情報のネットワーク通信、機体の走行計画管理、搭乗者とのマンマシンインターフェース、或いは３次元画像認識データベース管理等を含む。そして、最上位のアプリケーション・レイヤ１５４は、ネットワーク通信による遠隔走行制御や、搭乗者と機体との対話等を行う階層である。
【０１２３】
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、ネットワーク・レイヤ１５３では１００ｍｓｅｃ、そして最上位層のアプリケーション・レイヤ１５４では１ｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃと長い周期になっている。
【０１２４】
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２６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。また、音声処理回路２０１には、マイクロホン１８Ｒ，１８Ｌからの音声信号が供給され、画像処理回路２０２には、ＣＣＤカメラ１７Ｒ，１７Ｌからの画像信号が供給される。音声処理回路２０１及び画像処理回路２０２は、この音声信号及び画像信号を制御装置１６に供給する。
【０１２５】
制御装置１６は、これらのセンサ信号や音声・画像信号に基づいて、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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
図２６に示した全体構成の詳しい内部構成を図２７を用いて説明する。図２７に示すように、センサ回路２００には、圧力センサ１５からのセンサ信号ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４、ジャイロセンサ１３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。また、センサ回路２００は、ジャイロセンサ１３からのセンサ信号ωｐ，ωｙａｗを例えば１．６Ｖ／ｒａｄｓｅｃ−１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／ｒａｄｓｅｃ−２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。
【０１２８】
重心演算部２１０は、圧力センサ１５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。走行指令算出器２１２は、例えば図１８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。
【０１２９】
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。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。
【０１３０】
ここで、音声処理回路２０１は、マイクロホン１８からの音声信号を制御装置１６の音声認識部２１９に供給する。音声認識部２１９は、この音声信号に基づいて例えば音源位置座標や話者を推定する処理を行い、その音源位置を走行目標とする走行位置指令を生成する。また、画像処理回路２０２は、ＣＣＤカメラ１７からの画像信号を制御装置１６の障害物回避部２２０に供給する。障害物回避部２２０は、この画像信号に基づいて路面の障害物を検出し、その障害物を回避するための走行位置指令を生成する。上述の回転位置指令発生器２１４は、この音声認識部２１９や障害物回避部２２０からの走行位置指令に基づいて回転位置指令Ｐｒｅｆｒ（ｔ），Ｐｒｅｆｌ（ｔ）を生成することもできる。
【０１３１】
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１３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。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。
【０１３２】
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。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。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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
以上説明したように、本実施の形態における同軸二輪車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。
【０１３５】
また、本実施の形態における同軸二輪車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。
【０１３６】
さらに、本実施の形態における同軸二輪車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。
【０１３７】
さらにまた、本実施の形態における同軸二輪車１では、Ｚ軸方向のリニア加速度Ａｚを検出する加速度センサ１４を利用し、Ｚ軸方向の加速度変化があった場合、例えば段差に乗り上げた場合に走行速度Ｖｘを小さくすることで、機体への衝撃力を緩和することができる。
【０１３８】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１３９】
例えば、上述の実施の形態では、ベース４上の重心位置のＹ座標Ｙｇに基づき旋回速度指令Ｖｒを変化させるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ハンドル５に操舵性を持たせるようにしても構わない。この場合、ベース４にポテンショメータを内蔵し、この回転角度ＰＭを重心位置のＹ座標Ｙｇの代わりに用いることができる。この場合にも、前述と同様に停止領域（不感帯）を設けておくことが好ましい。
【０１４０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明に係る同軸二輪車は、一対の車輪と、該一対の車輪間に架設された車輪軸と、該車輪軸上に傾動可能に支持されたベースと、該ベースに装着され、上記一対の車輪の各々を駆動するための一対の駆動用モータと、上記一対の駆動用モータに作動指令を送る制御装置とを備える同軸二輪車において、上記ベースには、該ベース上の負荷の位置及び重量を検出する負荷検出手段と、該ベースの上記車輪軸回りの角度を検出する角度検出手段とが設けられ、上記制御装置は、上記負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクを生成すると共に上記ベースの上記車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクを生成する第１の制御機構と、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクを生成する、上記第１の制御機構とは独立した第２の制御機構とからなり、上記第１乃至第３のトルク相当の作動を上記一対の駆動用モータの各々に指令するものである。
【０１４１】
このような同軸二輪車によれば、例えば複数の圧力センサからなる負荷検出手段によって検出されたベース上の負荷によるトルクを相殺するための第１のトルクと、例えばジャイロセンサ及び加速度センサからなる角度検出手段によって検出されたベースの車輪軸回りの角度に対応して該ベースを所定の角度に維持するための第２のトルクと、上記負荷の位置に応じて走行させるための第３のトルクとを生成し、この第１乃至第３のトルク相当の作動を一対の駆動用モータの各々に指令し、一対の車輪を駆動させるため、負荷重量変化に対して安定であり、且つ、姿勢制御と走行制御とを安定して両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における同軸二輪車を示す外観斜視図である。
【図２】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３】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４】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５】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６】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図７】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８】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９】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１０】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図１１】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図１２】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１３】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図１４】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１５】図１４に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図１６】図１５に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図１７】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１８】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１９】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図２０】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２１】Ｚ軸方向の加速度信号が検出される場合の速度制御方法を説明する図であり、同図（Ａ）は機体が段差を乗り越える様子を示す図であり、同図（Ｂ）は走行速度及びＺ軸加速度の変化を示す図である。
【図２２】同軸二輪車における画像認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるＣＣＤカメラを示す図であり、同図（Ｂ）はこのＣＣＤカメラによる障害物検出の様子を示す図である。
【図２３】同軸二輪車における音声認識処理を説明する図であり、同図（Ａ）はベースに設けられるマイクロホンを示す図であり、同図（Ｂ）はこのマイクロホンによる音源検出の様子を示す図である。
【図２４】走行中の音源検出等を実現する制御機構を示すブロック図である。
【図２５】同軸二輪車のソフトウェア構成を説明する図である。
【図２６】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２７】図２６に示す全体構成の詳しい内部構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  同軸二輪車、２  車輪軸、３  車輪、４  ベース、５  ハンドル、１０  モータ、１１  ロータリエンコーダ、１２  減速器、１３  ジャイロセンサ、１４  加速度センサ、１５  圧力センサ、１６  制御装置、１７  ＣＣＤカメラ、１８  マイクロホン、２１  姿勢制御器、２２  調整器、３０  モータステータ、３１  ロータリエンコーダ、３２  モータロータ、３４  ジョイント、４０  姿勢制御／調整器、４１  モータ制御器、６０  モータステータ／ベース、１００Ｒ，１００Ｌ  アナログ／デジタル変換器、１０２  騒音信号データベース、１０３  音声認識部、１０４  話者データベース、１０５  目標座標変換部、１５０  ハードウェア・レイヤ、１５１  カーネル・レイヤ、１５２  オンボディ・レイヤ、１５３  ネットワーク・レイヤ、１５４  アプリケーション・レイヤ、２００  センサ回路、２０１  音声処理回路、２０２  画像処理回路、２０３Ｒ，２０３Ｌ  モータドライバ、２０４  サーボオン／パワースイッチ、２０５電源スイッチ、２０６  電源管理回路、２０７  バッテリ、２１０  重心演算部、２１１  信号前処理部、２１２  速度指令算出器、２１３  回転速度指令発生器、２１４  回転位置指令発生器、２１５  旋回指令発生器、２１６  姿勢指令発生器、２１８  姿勢制御器、２１９  音声認識部、２２０  障害物回避部
【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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