(57)【要約】      （修正有）【課題】  ステップ台のピッチ方向の揺動の影響を受けることなく、走行装置の正確な速度や走行距離を算出し、速度計や走行距離計に表示できるようにした走行装置を提供する。【解決手段】  平行に配置された一対の車輪１０１と、駆動手段と、搭乗者のステップ台１０３と、搭乗者が保持するハンドルと、ステップ台１０３の角速度及び走行加速度を制御する姿勢検出センサとを備え、所定の走行状態を維持するための信号を駆動回路に出力し、車輪を駆動する走行装置であって、車輪１０１側に駆動手段のロータ１０９を介して回転プレート１１０と、ステップ台１０３側に駆動手段のステータ１１３を介して検出ユニット１１１がそれぞれ取り付けられ、検出ユニット１１１によって回転プレート１１０の回転から車輪の回転速度を検出するように構成され、車輪とステップ台との複合された回転情報から走行速度及び走行距離を表示する表示計を備えた。【選択図】図４
2005335471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置された一対の車輪と、
前記車輪を独立に回転駆動する駆動手段と、
前記車輪を回転自在に支持し搭乗者のステップ台を構成する筐体と、
前記筐体にステー及び搭乗者が保持するハンドルと、
前記筐体には、ピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の角速度を検出するジャイロセンサと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度を検出する加速度センサとを設け、前記筐体の走行時の角速度及び加速度を検出して前記筐体の角速度及び走行加速度を制御する姿勢検出手段と、
を備え、前記姿勢検出手段からの信号から演算装置を介して所定の走行状態を維持するための信号を駆動回路に出力し、前記駆動手段によって前記車輪を駆動する走行装置であって、
前記車輪側に前記駆動手段のロータを介して位置検出用の円盤である回転プレートと、前記筐体側に前記駆動手段のステータを介して検出手段がそれぞれ取り付けられ、前記検出手段によって前記回転プレートの回転から前記車輪の回転速度を検出するように構成され、前記車輪と前記筐体との複合された回転情報から走行装置の走行速度及び走行距離を表示する速度表示計及び走行距離計を備えたことを特徴とする走行装置。
【請求項２】
前記走行速度は、前記姿勢検出手段からのジャイロセンサによるピッチ軸角速度である前記筐体の回転情報を加,減算することにより走行速度を算出し、速度表示計に表示することを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項３】
前記走行速度は、一対の前記車輪の回転平均値をもって走行速度とすることを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項４】
前記走行距離は、走行速度の積分値を算出し、走行距離計に表示することを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項５】
前記速度表示計及び走行距離計は、前記ステーの上端部や前記ハンドル部分に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【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に関し、詳しくは、この種の走行装置に速度計及び走行距離計を備えることによって走行の安全や交通法規への対応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９に示す。図９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１０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１１のＡの平面図及び図１１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】
2005335471.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】
2005335471.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１２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１２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１３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１４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】
2005335471.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１５に示すＸ−Ｚ座標系を用いて詳細に説明する。ここで図１５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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.tif 000012
【００３７】
ここで、ＺＭＰに作用する力を図１６に図示する。図１６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１６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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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１７のように水平に保たれるものとする。
【００４４】
【数１４】
2005335471.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１７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１８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１９に示すような制御機構を有している。図１９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】
2005335471.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２０に示す。なお、この図２０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２０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２１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２２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２３は、図２２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２３に示した数学モデルは、より詳細には例えば図２４に示すようになる。図２４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２０乃至図２４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２２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２５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２６に示す。ここで図２６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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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２７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２７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】
2005335471.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】
2005335471.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２８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２８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】
2005335471.tif 000023
【０１０１】
また、図２８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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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】
2005335471.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２９を用いて説明する。図２９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３０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３０に示した全体構成の詳しい内部構成を、図３１を用いて説明する。図３１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２６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２１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。
また、上述したような同軸二輪車による走行装置であって、搭乗者が握るハンドルや着座するシートを備えた走行装置として、例えば、特開平４−２０１７９３号公報に記載した技術で提案されている。
【０１３２】
ところで上述したような走行装置では、速度表示計や走行距離表示計がなく、このため、走行の安全や走行装置のメンテナンスを考慮した場合、非常に不便であり、かつ交通法規への対応もできない。また、速度表示計や走行距離表示計を取り付けたことを想定した場合、単に車輪の回転速度から走行装置の速度や走行距離を算出すると、走行装置そのものが平行に配置された二輪構造のため人間が搭乗するステップ台のピッチ軸角速度、すなわち、ステップ台のピッチ方向の揺動の影響を受け、正確な速度や走行距離を算出することができないといった問題がある。
【０１３３】
本発明は上述したような点に鑑みてなされたものであって、新たなセンサの設置を必要とせず、また、ステップ台のピッチ方向の揺動の影響を受けることなく、走行装置の正確な速度や走行距離を算出し、速度計や走行距離計に表示できるようにした走行装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０１３４】
本発明の目的を達成するため、請求項１の走行装置は、車輪と前記筐体との複合された回転情報から走行装置の走行速度及び走行距離を表示する速度表示計及び走行距離計を備えたことを特徴とする。
【０１３５】
また、請求項２の走行装置によれば、走行速度は、姿勢検出手段からのジャイロセンサによるピッチ軸角速度、つまり筐体の回転情報を加,減算することにより走行速度を算出し、速度表示計に表示することを特徴とする。
【０１３６】
また、請求項３の走行装置によれば、走行速度は、一対の前記車輪の回転平均値をもって走行速度とすることを特徴とする。
【０１３７】
また、請求項４の走行装置によれば、走行距離は、走行速度の積分値を算出し、走行距離計に表示することを特徴とする。
【０１３８】
また、請求項５の走行装置によれば、速度表示計及び走行距離計は、ステーの上端部や前記ハンドル部分に取り付けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０１３９】
請求項１の発明によれば、ステップ台のピッチ方向の揺動の影響を受けることなく、走行装置の正確な速度や走行距離を算出し、速度計や走行距離計に表示することができる。これによって、走行装置の走行の安全や交通法規への対応、走行状態の把握が行え、走行装置のメンテナンス時期の目安が可能となり保守,点検に好適である。
【０１４０】
また、請求項２の発明によれば、ステップ台のピッチ軸方向の揺動があっても正確な速度や走行距離を算出し、速度計や走行距離計に表示することができる。
【０１４１】
また、請求項３の発明によれば、走行装置の旋回時においても内輪と外輪との回転平均値から容易に走行速度を算出することができる。
【０１４２】
また、請求項４の発明によれば、走行速度の積分値をもって容易に走行距離を算出することができる。
【０１４３】
また、請求項５の発明によれば、走行装置の走行中において、速度表示計及び走行距離計を容易に視認でき、走行の安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１４４】
以下、本発明による走行装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す全体の外観斜視図、図２は同じく全体の背面図、図３は同じく全体の右側面図である。
【０１４５】
図１乃至図３において、左右一対の車輪１０１、１０２が設けられる。これらの左右の車輪１０１、１０２は、それぞれの車輪中心が一直線上になるように配置されると共に、搭乗者が乗るステップ台(筐体)１０３によって支持されている。このステップ台１０３は車輪１０１、１０２の車輪中心より重心を低くした位置にある。車輪１０１、１０２とステップ台１０３との構成とそれぞれの関係は後述する。
【０１４６】
ステップ台１０３の端部（走行装置の進行方向である図３において右端側）には、上方にステー１０４が垂設され、このステー１０４の上端部にハンドル１０５が設けられている。ステー１０４の上端部のハンドルポストには速度計と走行距離計とが一体化された表示計１０６が取り付けられている。
【０１４７】
ここで、車輪１０１,１０２とステップ台１０３との構成について説明する。なお、車輪１０１,１０２は同一構成であるので、一方の車輪１０１とステップ台１０３を図４乃至図５について説明する。
【０１４８】
車輪１０１はステップ台１０３に固定された減速機１０７の出力軸１０８を介して車輪駆動モータ１００Ｌを構成するモータ軸及びモータロータ１０９に結合され、モータロータ１０９の他端部にはロータ角度検出用の円盤である回転プレート１１０が取り付けられている。この回転プレート１１０の回転速度は検出ユニット１１１により検出される。
【０１４９】
検出ユニット１１１は回路基板１１２に実装され、この回路基板１１２は車輪駆動モータ１００Ｌを構成するモータステータ１１３が固定されたモータケース１１４に固定されている。そして、モータケース１１４は減速機１０７のハウジングを介してステップ台１０３に固定されている。
【０１５０】
このように構成することで、上述した車輪１０１とステップ台１０３とは、車輪１０１側がモータロータ１０９と一体に回転し、ステップ台１０３側がモータステータ１１３と一体にされることで、ステップ台１０３が走行装置の走行方向に図５の矢印で示すように車輪の軸中心Ｏを中心としてピッチ回転（揺動移動）されるように構成されている。したがって、回転プレート１１０と検出ユニット１１１とは相対的に影響を及ぼし合うようにされている。
【０１５１】
図６は上述した走行装置のシステム構成のブロック図を示し、ロータ角度検出器１１５Ｌを有する車輪駆動モータ１００Ｌ、ロータ角度検出器１１５Ｒを有する車輪駆動モータ１００Ｒは、それぞれ駆動回路１１６,１１７を介して演算回路（ＣＰＵ）１１８及び記憶装置（メモリ）１１９を有する演算装置１２０に接続され、演算装置１２０には走行装置のステップ台１０３に搭乗した搭乗者の姿勢を検出するための姿勢検出センサ１２１が接続されている。
【０１５２】
姿勢検出センサ１２１は、ステップ台１０３の姿勢を検出するためにジャイロセンサ１２２によるピッチ軸角速度、ヨー軸角速度、ロール軸角速度と、加速度センサ１２３によるＸ軸加速度、Ｙ軸加速度、Ｚ軸加速度を検出する。これにより、走行装置は上述した姿勢検出センサ１２１からの信号から演算装置１２０は所定の走行状態を維持するための信号を駆動回路１１６，１１７に出力し、車輪１０１，１０２を駆動する。
【０１５３】
なお、駆動回路１１６，１１７と演算装置１２０との間には二次電池からなる電源１２４と、走行装置を非常停止するためのスイッチ１２５が接続されている。
【０１５４】
次に、上述のように構成した走行装置における走行速度と走行距離の算出方法について説明する。
【０１５５】
本発明の走行装置によれば、車輪１０１,１０２の回転速度はモータロータ１０９と共に回転する回転プレート１１０の回転速度を検出ユニット１１１によって検出することによって可能であるが、走行装置の走行中ではステップ台１０３のピッチ軸角速度の影響を受け、正確な速度や走行距離を算出することができないといったことは、先の発明が解決しようとする課題で説明した。
【０１５６】
そこで、本発明は車輪１０１,１０２とステップ台１０３の複合された回転情報から、姿勢検出センサ１２１からのジャイロセンサ１２２によるステップ台１０３のピッチ軸角速度、つまり、ステップ台１０３の回転情報を加,減算することにより、ステップ台１０３の影響を受けずに、走行装置本来の正確な走行が可能となる。
【０１５７】
例えば、減速機１０７の入出力回転が同方向の場合、車輪１０１が所定の速度で反時計回り方向に回転し、走行装置が矢印方向に走行している状態において、ステップ台１０３が搭乗者の体重移動によって一点鎖線で示すように進行方向とは反対の後ろに傾いた瞬間には、車輪の回転速度を検出している検出ユニット１１１は車輪の回転速度が増速したと見做される。この場合、ステップ台１０３が後ろに傾いたピッチ軸角速度分減算する。
【０１５８】
これに対して、ステップ台１０３が搭乗者の体重移動によって二点鎖線で示すように進行方向に前に傾いた瞬間には、車輪の回転速度を検出している検出ユニット１１１は車輪の回転速度が減速したと見做される。この場合、ステップ台１０３が前に傾いたピッチ軸角速度分加算するというものである。
【０１５９】
ここで、数式を当てはめて説明すると、左車輪駆動モータの回転速度をrmＬ、ジャイロセンサのピッチ軸角速度をrjＰ、減速機の減速比をn、車輪の直径をdとすると、走行速度Ｓは、
【０１６０】
【数２６】
2005335471.tif 000028
【０１６１】
となり、上式からステップ台１０３の回転移動があっても走行装置本来の正確な走行を求めることができる。
【０１６２】
また、平行に配置された二輪で走行する走行装置は、左右の車輪１０１，１０２の回転差により旋回走行を行うため、左右車輪の平均値をもって走行装置の走行速度とみなす。
【０１６３】
これを式で表すと、走行速度Ｓは、
【０１６４】
【数２６】
2005335471.tif 000029
【０１６５】
となり、上式から左右車輪の平均値の走行速度を求めることができる。〔数２６〕でrmR は 右車輪駆動モータの回転速度である。
【０１６６】
また、走行装置の走行距離は、上式で求めた走行速度の積分値から求めることができる。
これを式で表すと、走行距離Oは、
【０１６７】
【数２７】
2005335471.tif 000030
【０１６８】
となる。〔数２７〕でＳは走行速度、tは時間である。
【０１６９】
上述のように算出された走行速度及び走行距離は、ステー１０４の上端部のハンドルポストに取り付けられた表示計１０６で見ることができる。図７はこの表示計１０４を上から見た平面図であって、表示計１０６には速度計１２６と走行距離計１２７とが一体化されて表示されている。
【０１７０】
以上、説明したように本発明による走行装置は、新たにセンサの設置を必要とせず、車輪の回転を検出する回転プレートや検出ユニットからなるロータリエンコーダ等のセンサ情報に基づいて走行速度及び走行距離を算出し、表示計１０６に表示することができるというものである。
【０１７１】
また、走行速度及び走行距離を表示計１０６に表示できることにより、走行装置の走行の安全や交通法規への対応ができ、このことから走行状態の把握が可能となり、しかも、メンテナンス時期の目安となり走行装置の保守,点検が容易となる。
【０１７２】
本発明は、上述しかつ図面に示された実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】本発明による走行装置を適用した同軸二輪車の一実施形態の構成を示す外観斜視図である。
【図２】同じく本発明による走行装置の全体の正面図である。
【図３】同じく本発明による走行装置の全体の側面図である。
【図４】車輪とステップ台との詳細な構成の断面図である。
【図５】同じく車輪とステップ台との位置関係の側面図である。
【図６】走行装置のシステム構成のブロック図である。
【図７】走行速度と走行距離計の表示計を上から見た平面図である。
【図８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】人間が搭乗した場合の姿勢制御を説明する図である。
【図１４】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１５】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１６】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１７】同軸二輪車における力学モデルを説明する図である。
【図１８】姿勢安定制御のための制御機構を示す図である。
【図１９】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２０】同軸二輪車における姿勢指令を説明する図である。
【図２１】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２２】図２２に示すブロック図を数学モデルとして示す図である。
【図２３】図２３に示す数学モデルの詳細な具体例を示す図である。
【図２４】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２５】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２６】旋回する場合の走行速度制御を説明する図である。
【図２７】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。
【符号の説明】
【０１７４】
１０１，１０２…車輪、１０３…ステップ台、１００Ｌ,１００Ｒ…車輪駆動モータ、１０４…ステー、１０５…ハンドル、１０６…表示計、１０７…減速機、１０９…モータロータ、１１０…回転プレート、１１１…検出ユニット、１１３…モータステータ、１１５Ｌ,１１５Ｒ …ロータ角度検出器、１１６,１１７…駆動回路、１２０…演算装置、１２１…姿勢検出センサ、１２２…ジャイロセンサ、１２３…加速度センサ、１２６…速度計、１２７…走行距離計
【図１】
2005335471.tif 000031
【図２】
2005335471.tif 000032
【図３】
2005335471.tif 000033
【図４】
2005335471.tif 000034
【図５】
2005335471.tif 000035
【図６】
2005335471.tif 000036
【図７】
2005335471.tif 000037
【図８】
2005335471.tif 000038
【図９】
2005335471.tif 000039
【図１０】
2005335471.tif 000040
【図１１】
2005335471.tif 000041
【図１２】
2005335471.tif 000042
【図１３】
2005335471.tif 000043
【図１４】
2005335471.tif 000044
【図１５】
2005335471.tif 000045
【図１６】
2005335471.tif 000046
【図１７】
2005335471.tif 000047
【図１８】
2005335471.tif 000048
【図１９】
2005335471.tif 000049
【図２０】
2005335471.tif 000050
【図２１】
2005335471.tif 000051
【図２２】
2005335471.tif 000052
【図２３】
2005335471.tif 000053
【図２４】
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【図２５】
2005335471.tif 000055
【図２６】
2005335471.tif 000056
【図２７】
2005335471.tif 000057