(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、同一車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体であって、
駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量に関する指示値を設定する設定手段と、
駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量を検出する検出手段と、
設定手段によって設定された指示値と検出手段によって検出された検出値との偏差に所定の係数を乗じた指標を状態量毎に算出し、算出した指標群を合算することによって駆動輪に加えるべきトルクを計算する計算手段と、
計算手段によって計算されたトルクを駆動輪に加えるアクチュエータと、
計算手段が各状態量の偏差に乗じる前記所定の係数のなかで、駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数と、駆動輪の回転角速度の偏差に乗じる第２係数と、車体の傾斜角の偏差に乗じる第３係数と、車体の傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも１つを、倒立静止時における車体の傾斜角と検出手段によって検出された車体の傾斜角との差分に応じて増減調整する調整手段を備え、
前記調整手段は、前記差分が大きくなるほど前記第１係数と前記第２係数の少なくとも一方が減少するか、前記差分が大きくなるほど前記第３係数と前記第４係数の少なくとも一方が増大するように、前記第１係数と前記第２係数と前記第３係数と前記第４係数の少なくとも一つを段階的に又は連続的に調整することを特徴とする走行体。
【請求項２】
前記調整手段は、前記差分が大きくなるほど前記第１係数が減少してゼロになるように、少なくとも前記第１係数を段階的に又は連続的に増減調整することを特徴とする請求項１の走行体。
【請求項３】
車体と、同一車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体の動作を調節する方法であって、
駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量に関する指示値を設定する設定工程と、
駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量を検出する検出工程と、
設定工程において設定された指示値と検出工程において検出された検出値との偏差に所定の係数を乗じた指標を状態量毎に算出し、算出した指標群を合算することによって駆動輪に加えるべきトルクを計算する計算工程と、
駆動輪にトルクを加えるアクチュエータを制御して、計算工程において計算されたトルクを駆動輪に加える工程と、
計算工程において各状態量の偏差に乗じる前記所定の係数のなかで、駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数と、駆動輪の回転角速度の偏差に乗じる第２係数と、車体の傾斜角の偏差に乗じる第３係数と、車体の傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも１つを、倒立静止時における車体の傾斜角と検出工程によって検出された車体の傾斜角との差分に応じて増減調整する調整工程を備え、
前記調整工程では、前記差分が大きくなるほど前記第１係数と前記第２係数の少なくとも一方が減少するか、前記差分が大きくなるほど前記第３係数と前記第４係数の少なくとも一方が増大するように、前記第１係数と前記第２係数と前記第３係数と前記第４係数の少なくとも一つを段階的に又は連続的に増減調整することを特徴とする走行体の動作調節方法。
【請求項４】
前記調整工程では、前記差分が大きくなるほど前記第１係数が減少してゼロになるように、少なくとも前記第１係数を段階的に又は連続的に増減調整することを特徴とする請求項３の走行体の動作調節方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車体と、同一車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車体と、同一車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体が、例えば特許文献１に開示されている。この種の走行体は、主に、駆動輪の回転角と、駆動輪の回転角速度と、車体の傾斜角と、車体の傾斜角速度の４つの状態量を制御することによって、倒立姿勢を維持しながら走行したり静止したりする。この種の走行体は、少なくとも上記の４つの状態量に関して、倒立姿勢を維持しながら走行することを可能とする指示値を設定する設定手段と、少なくとも上記の４つの状態量を検出する検出手段と、設定手段によって設定された指示値と検出手段によって検出された検出値との偏差に所定の係数を乗じた指標を状態量毎に算出し、算出した指標群を合算することによって駆動輪に加えるべきトルクを計算する計算手段と、計算手段によって計算されたトルクを駆動輪に加えるアクチュエータ等を備えている。計算手段が各状態量の偏差に乗じるゲインは、各状態量に関して別個に定められている。
倒立振子型の走行体では、各状態量の偏差に乗じるゲインを調整することによって、走行体の制御特性を調整することができる。例えば、駆動輪の回転角や回転角速度の偏差に乗じるゲインを大きくすることによって、駆動輪の回転角に関する制御性を高めることができる。この場合、走行体は指示に従って正しく走行することが可能となる。あるいは、車体の傾斜角や傾斜角速度の偏差に乗じるゲインを大きくすることによって、車体の傾斜角に関する制御性を高めることができる。この場合、例えば車体に外乱力等が作用したときでも車体の姿勢を速やかに立て直すことが可能となる。
【特許文献１】特表２００４−５１０６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
倒立振子型の走行体では、駆動輪の回転角に対する制御性と、車体の傾斜角に対する制御性との間に、トレードオフの関係が存在する。
例えば、駆動輪の回転角や回転角速度の偏差に乗じるゲインを大きくすると、駆動輪の回転角や回転角速度の偏差に対して駆動輪は大きく動作するようになるが、その駆動輪の動作によって車体の傾斜角や傾斜角速度の偏差が増大してしまうことがある。即ち、駆動輪の回転角に関する制御性を高めると、車体の傾斜角に関する制御性は低下してしまう。この場合、走行体は指示に従って正しく走行することができるが、例えば車体が大きく傾斜したときなどに、車体の姿勢を速やかに立て直すことができないことがある。
それに対して、車体の傾斜角や傾斜角速度の偏差に乗じるゲインを大きくすると、車体の傾斜角や傾斜角速度の偏差に応じて駆動輪は大きく動作することとなるが、その駆動輪の動作によって駆動輪の回転角や回転角速度の偏差が増大してしまうことがある。即ち、車体の傾斜角に関する制御性を高めると、駆動輪の回転角に関する制御性は低下してしまう。この場合、車体が大きく傾斜したときでも車体の姿勢を速やかに立て直すことができるが、例えば走行体が指示に反して移動したり、静止することができずにずるずると移動し続けてしまうことがある。
従来の技術では、車体の姿勢の安定性を確保するためには、走行体が指示に反して移動してしまうことを容認する必要がある。逆に、走行体が指示に従って正しく移動するようにするためには、車体の姿勢の安定性を犠牲にする必要がある。車体の姿勢の安定性を確保しながら、指示に従って正しく移動することができる走行体を具現化するための技術が必要とされている。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、車体の姿勢の安定性を確保しながら、指示に従って正しく移動することができる走行体を具現化するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の技術は、車体と、第１車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体に具現化することができる。この走行体は、駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量に関する指示値を設定する設定手段と、駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量を検出する検出手段と、設定手段によって設定された指示値と検出手段によって検出された検出値との偏差に所定の係数を乗じた指標を状態量毎に算出し、算出した指標群を合算することによって駆動輪に加えるべきトルクを計算する計算手段と、計算手段によって計算されたトルクを駆動輪に加えるアクチュエータと、計算手段が各状態量の偏差に乗じる前記所定の係数のなかで、駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数と、駆動輪の回転角速度の偏差に乗じる第２係数と、車体の傾斜角の偏差に乗じる第３係数と、車体の傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも１つを、倒立静止時における車体の傾斜角と検出手段によって検出された車体の傾斜角との差分に応じて増減調整する調整手段を備えている。
【０００５】
倒立振子型の走行体では、倒立姿勢を維持しながら静止している時（倒立静止時）、駆動輪を除いた走行体の重心が車軸の鉛直上方に位置するように、車体の傾斜角は調節される。この倒立静止時における姿勢に対して車体が大きく傾斜すると、駆動輪を除いた走行体の重心が車軸の鉛直上方から大きく離れることとなり、走行体に作用する重力が車体の傾斜角を大きく変化させるようになる。この場合、車体の傾斜角や傾斜角速度に生じている偏差を減じるためには、駆動輪を大きく動かすことが必要となる。従って、倒立静止時における姿勢に対して車体が大きく傾斜しているときには、車体の傾斜角に関する制御性を高めるとともに、駆動輪の回転角に関する制御性を低下させることが有効である。
一方、倒立静止時における姿勢に対して車体が小さく傾斜しているときには、駆動輪を除いた走行体の重心が車軸の鉛直上方の近くに位置しているので、走行体に作用する重力が車体の傾斜角に与える影響は小さくなる。この場合、駆動輪を比較的に小さく動かすことによって、車体の傾斜角や傾斜角速度に生じている偏差を減じることができる。従って、倒立静止時における姿勢に対して車体が小さく傾斜しているときには、車体の傾斜角に対する制御性を低下させ、駆動輪の回転角に対する制御性を高めることが可能となる。
以上のことから、倒立静止時における姿勢に対して車体が大きく傾斜しているときには車体の傾斜角に関する制御性を優先し、倒立静止時における姿勢に対して車体が小さく傾斜しているときには駆動輪の回転角に関する制御性を優先する制御特性が、倒立振子型の走行体にとって有効といえる。
【０００６】
本発明によって具現化される走行体では、倒立静止時における車体の傾斜角と検出した車体の傾斜角との差分に応じて、駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数と、駆動輪の回転角速度の偏差に乗じる第２係数と、車体の傾斜角の偏差に乗じる第３係数と、車体の傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも１つを調整することができる。例えば、第１係数と第２係数の少なくとも一方を減少させるか、第３係数と第４係数の少なくとも一方を増大させることによって、車体の傾斜角に関する制御性を優先する制御特性を実現することができる。また、第１係数と第２係数の少なくとも一方を増大させるか、第３係数と第４係数の少なくとも一方を減少させることによって、駆動輪の回転角に関する制御性を優先する制御特性を実現することができる。第１係数と第２係数と第３係数と第４係数の少なくとも一つを、検出した車体の傾斜角に応じて増減調整することによって、走行体の制御特性を適切に調整することが可能となる。倒立静止時における車体の傾斜角に対して車体が大きく傾斜しているときには車体の傾斜角に関する制御性を優先し、倒立静止時における車体の傾斜角に対して車体が小さく傾斜しているときには駆動輪の回転角に関する制御性を優先する制御特性を実現することもできる。
この走行体によると、車体の姿勢の安定性を確保しながら、指示に従って正しく移動することができる。
【０００７】
調整手段は、前記した差分が大きくなるほど第１係数と第２係数の少なくとも一方が減少するように、第１係数と第２係数の少なくとも一方を段階的に又は連続的に増減調整することが好ましい。あるいは、前記した差分が大きくなるほど第３係数と第４係数の少なくとも一方が増大するように、第３係数と第４係数の少なくとも一方を段階的に又は連続的に増減調整することが好ましい。あるいは、前記した差分が大きくなるほど第１係数と第２係数の少なくとも一方が減少するとともに第３係数と第４係数の少なくとも一方が増大するように、第１係数と第２係数の少なくとも一方と第３係数と第４係数の少なくとも一方を段階的に又は連続的に増減調整することが好ましい。
それにより、倒立静止時における車体の傾斜角に対して車体が大きく傾斜しているときには車体の傾斜角に関する制御性を優先し、倒立静止時における車体の傾斜角に対して車体が小さく傾斜しているときには駆動輪の回転角に関する制御性を優先する制御特性を実現することができる。
【０００８】
調整手段は、前記差分が大きくなるほど第１係数が減少してゼロになるように、少なくとも前記第１係数を段階的に又は連続的に増減調整することが好ましい。即ち、調整手段は、前記差分が所定の閾値角度を越えるときに、第１係数をゼロに調整することが好ましい。
駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数をゼロに設定することによって、車体の傾斜角に関する制御性が強く優先されることとなり、大きく傾斜している車体を速やかに立て直すことが可能となる。
【０００９】
本発明の技術は、車体と、第１車軸上に配置されている少なくとも２つの駆動輪を備える倒立振子型の走行体の動作を調節する方法に具現化することもできる。この走行体の動作調節方法は、駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量に関する指示値を設定する設定工程と、駆動輪の回転角と駆動輪の回転角速度と車体の傾斜角と車体の傾斜角速度の少なくとも４つの状態量を検出する検出工程と、設定工程において設定された指示値と検出工程において検出された検出値との偏差に所定の係数を乗じた指標を状態量毎に算出し、算出した指標群を合算することによって駆動輪に加えるべきトルクを計算する計算工程と、駆動輪にトルクを加えるアクチュエータを制御して、計算工程において計算されたトルクを駆動輪に加える工程と、計算工程において各状態量の偏差に乗じる前記所定の係数のなかで、駆動輪の回転角の偏差に乗じる第１係数と、駆動輪の回転角速度の偏差に乗じる第２係数と、車体の傾斜角の偏差に乗じる第３係数と、車体の傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも１つを、倒立静止時における車体の傾斜角と検出工程によって検出された車体の傾斜角との差分に応じて増減調整する調整工程を備えている。その調整工程では、前記差分が大きくなるほど第１係数と第２係数の少なくとも一方が減少するか、前記差分が大きくなるほど第３係数と第４係数の少なくとも一方が増大するように、第１係数と第２係数と第３係数と第４係数の少なくとも一つを段階的に又は連続的に増減調整する。
この方法によると、車体の姿勢の安定性を確保しながら、走行体を指示に従って正しく移動させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって、車体の姿勢が不安定になることがなく、指示に従って正しく移動する走行体を具現化することが可能となる。例えば、車体を傾斜させることによって接地する従動輪やスタンド等の支持手段を備える走行体では、車体を大きく傾斜させて支持手段を接地させている状態から、支持手段を浮遊させて倒立姿勢を維持する状態へと速やかに移行することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）  走行体は、人が着席可能な搭乗シートを備えており、搭乗者を乗せて走行することができる。
（形態２）  走行体は、搭乗者が走行体を操作するための操作装置を備えている。
（形態３）  走行体は、車体を傾斜させることによって接地する従動輪を備えている。
（形態４）  ゲイン調整部は、倒立静止時における車体の傾斜角と検出された車体の傾斜角との差分が大きいときほど、傾斜角の偏差に乗じる第３係数と傾斜角速度の偏差に乗じる第４係数の少なくとも一方を増大させる。
【実施例】
【００１２】
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例の走行体１０の全体構成を模式的に示している。走行体１０は、車体１２と、車体１２に設けられている第１駆動輪３４と第２駆動輪４４と従動前輪５０を備えている。第１駆動輪３４と第２駆動輪４４は、第１車軸Ｃ１の回りに回転可能となっている。従動前輪５０は、第２車軸Ｃ２の回りに回転可能となっている。第１車軸Ｃ１は車体１２の後部に位置しており、第２車軸Ｃ２は車体１２の前部に位置している。第２車軸Ｃ２は、スラストベアリンク４８を介して車体１２に設けられており、その向き（走行方向）が受動的に変化するようになっている。走行体１０には、人が着席可能な搭乗シート２２が設けられている。走行体１０は、人を乗せて走行することができる。
走行体１０は、第１駆動輪３４を駆動する第１モータ３２と、第２駆動輪４４を駆動する第２モータ４２と、両モータ３２、４２に電力を供給するバッテリモジュール４０を備えている。走行体１０では、各駆動輪３４、４４のそれぞれにアクチュエータであるモータ３２、４２が用意されており、各駆動輪３４、４４のそれぞれを独立して駆動することが可能な構成となっている。
走行体１０は、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を制御する制御モジュール１４と、走行体１０の搭乗者が操作する操作モジュール２０を備えている。制御モジュール１４は、走行体１０の搭乗者が操作モジュール２０に加えた操作に追従して、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を制御する。
走行体１０は、車体１２の傾斜角速度を検出するジャイロ３８と、第１駆動輪３４の回転角を検出する第１エンコーダ３６と、第２駆動輪４４の回転角を検出する第２エンコーダ４６を備えている。車体１２の傾斜角速度とは、車体１２の傾斜角の変化速度である。車体１２の傾斜角とは、車体１２の第１車軸Ｃ１回りの姿勢角（回転角）を示すものである。図２に示すように、本実施例では、駆動輪３４、４４を除く走行体１０の重心Ｍが、第１車軸Ｃ１の鉛直上方に位置するときの車体１２の傾斜角を、傾斜角ηの基準（傾斜角ηがゼロ）とする。走行体１０では、倒立姿勢を維持しながら静止する時（倒立静止時）に、車体１２の傾斜角ηがゼロとなるように調整される。また、車体１２が従動前輪５０側に傾く方向を傾斜角ηの正方向とする。各駆動輪３４、４４の回転角とは、各駆動輪３４、４４の車体１２に対する相対回転角である。なお、図２中には、第２駆動輪４４の回転角θ２が図示されている。なお、第１駆動輪３４の回転角をθ１と記すことがある。
【００１３】
操作モジュール２０には、操作レバー１８と、切換スイッチ１６が設けられている。操作レバー１８は、搭乗者が走行体１０の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である。搭乗者は、操作レバー１８の操作量を調整することによって走行体１０の走行速度を調整することができる。また搭乗者は、操作レバー１８の操作方向を調整することによって走行体１０の走行速度を調整することができる。走行体１０は、操作レバー１８に加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。切換スイッチ１６は、走行体１０の走行姿勢を切り換えるための操作部材である。走行体１０の搭乗者は、切換スイッチ１６を操作することによって、走行体１０の姿勢を倒立姿勢と安定姿勢のいずれかに切り換えることができる。
図２は、倒立姿勢をとるときの走行体１０を模式的に示している。図２に示すように、倒立姿勢とは、従動前輪５０が浮遊して第１駆動輪３４と第２駆動輪４４の２輪のみが接地する姿勢である。走行体１０は、倒立姿勢を維持しながら、走行、旋回、略静止することができる。倒立姿勢では、重心Ｍが第１車軸Ｃ１のおよそ鉛直上方に位置しており、車体１２の傾斜角ηはゼロに近い値に維持されている。図２では、車体１２の傾斜角ηの定義を明瞭にするために、車体１２の傾斜角ηの大きさが誇張して示されている。
図３は、安定姿勢をとるときの走行体１０を模式的に示している。図３に示すように、安定姿勢とは、従動前輪５０と第１駆動輪３４と第２駆動輪４４の３輪を接地させた姿勢である。走行体１０は、安定姿勢を維持しながら、走行、旋回、静止することができる。ここで、図３中のηｚは、走行体１０が水平面上において安定姿勢をとるときの車体１２の傾斜角を示している。この角度ηｚを、接地傾斜角度ということがある。
【００１４】
次に、走行体１０の制御系について説明する。図４は、走行体１０の制御系の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御ユニット１４には、主に、第１モータ３２と第２モータ４２の動作を調節するコントローラ６０や、第１微分回路７２や、第２微分回路７４や、積分回路７６等が内蔵されている。
第１微分回路７２は、第１エンコーダ３６の出力信号を入力し、その微分値を出力する回路である。即ち、第１微分回路７２は、第１エンコーダ３６によって検出された第１駆動輪３４の回転角θ１を入力し、その微分値である第１駆動輪３４の回転角速度ｄθ１／ｄｔを出力する。なお、図中において上部にドットが付された変数は、その変数の微分値を表している。第１エンコーダ３６と第１微分回路７２は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された第１駆動輪３４の回転角θ１と回転角速度ｄθ１／ｄｔが逐次入力される。
第２微分回路７４は、第２エンコーダ４６の出力信号を入力し、その微分値を出力する回路である。即ち、第２微分回路７４は、第２エンコーダ４６によって検出された第２駆動輪４４の回転角θ２を入力し、その微分値である第２駆動輪４４の回転角速度ｄθ２／ｄｔを出力する。第２エンコーダ４６と第２微分回路７４は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された第２駆動輪４４の回転角θ２と回転角速度ｄθ２／ｄｔが逐次入力される。
積分回路７６は、ジャイロ３８の出力信号を入力し、その積分値を出力する回路である。即ち、積分回路７６は、ジャイロ３８によって検出された車体１２の傾斜角速度ｄη／ｄｔを入力し、その積分値である車体１２の傾斜角ηを出力する。積分回路７６とジャイロ３８は、コントローラ６０に接続されている。コントローラ６０には、検出された車体１２の傾斜角ηと傾斜角速度ｄη／ｄｔが逐次入力される。
【００１５】
コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されている。コントローラ６０は、機能的に、車輪指示値設定部６４と、傾斜指示値設定部６６と、トルク計算部６２等を備えている。トルク計算部６２には、ゲイン調整部６８が設けられている。
車輪指示値設定部６４は、主に操作レバー１８の操作状態に基づいて、第１駆動輪３４の回転角に関する指示値θ１＊と、第１駆動輪３４の回転角速度に関する指示値ｄθ１＊／ｄｔと、第２駆動輪４４の回転角に関する指示値θ２＊と、第２駆動輪４４の回転角速度に関する指示値ｄθ２＊／ｄｔを設定する。各指示値θ１＊、ｄθ１＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔは、操作レバー１８の操作方向や操作量に応じて設定される。設定された各指示値θ１＊、ｄθ１＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔは、トルク計算部６２に入力される。
【００１６】
傾斜指示値設定部６６は、主に操作レバー１８と切換スイッチ１６の操作状態に基づいて、車体１２の傾斜角に関する指示値（指示傾斜角）η＊と、車体１２の傾斜角速度に関する指示値（指示傾斜角速度）ｄη＊／ｄｔを設定する。
傾斜指示値設定部６６は、走行体１０が倒立姿勢を維持しながら操作レバー１８の操作状態に追従して走行（あるいは静止）することを可能とする車体１２の傾斜角と傾斜角速度を計算することができる。傾斜指示値設定部６６は、切換スイッチ１６が倒立姿勢側に切り換えられている場合、走行体１０が倒立姿勢を維持しながら操作レバー１８の操作状態に追従して走行（あるいは静止）することを可能とする車体１２の傾斜角と傾斜角速度を逐次計算し、計算した傾斜角と傾斜角速度をそれぞれ指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔに設定する。一方、切換スイッチ１６が安定姿勢側に切り換えられている場合、車体１２の傾斜角をフィードバック制御する必要がないことから、傾斜指示値設定部６６は指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔの設定を行わない。傾斜指示値設定部６６は、切換スイッチ１６が安定姿勢側から倒立姿勢側に切り換えられた時点において、指示傾斜角η＊と指示傾斜角速度ｄη＊／ｄｔの設定を開始する。
【００１７】
トルク計算部６２は、車輪指示値設定部６４や傾斜指示値設定部６６から入力した各指示値と、エンコーダ３６、４６やジャイロ３８や微分回路７２、７４や積分回路７６から入力した各検出値との各偏差と、それらの各偏差に乗じる所定のフィードバックゲインを用いて、第１モータ３２が出力すべき第１トルクτ１と、第２モータ４２が出力すべき第２トルクτ２を計算する。即ち、第１トルクτ１と第２トルクτ２は、次式を用いて表現することができる。
τ１＝Ｋ１・ｘ１＋Ｋ２・ｘ２＋Ｋ３・ｘ５＋Ｋ４・ｘ６
τ２＝Ｋ１・ｘ３＋Ｋ２・ｘ４＋Ｋ３・ｘ５＋Ｋ４・ｘ６
ここで、ｘ１は第１駆動輪３４の回転角に関する指示値θ１＊と検出値θ１との偏差θ１＊−θ１である。ｘ２は第１駆動輪３４の回転角速度に関する指示値ｄθ１＊／ｄｔと検出値ｄθ１／ｄｔとの偏差ｄθ１＊／ｄｔ−ｄθ１／ｄｔである。ｘ３は第２駆動輪４４の回転角に関する指示値θ２＊と検出値θ２との偏差θ２＊−θ２である。ｘ４は第２駆動輪４４の回転角速度に関する指示値ｄθ２＊／ｄｔと検出値ｄθ２／ｄｔとの偏差ｄθ２＊／ｄｔ−ｄθ２／ｄｔである。ｘ５は車体１２の傾斜角に関する指示値η＊と検出値ηとの偏差η＊−ηである。ｘ６は車体１２の傾斜角速度に関する指示値ｄη＊／ｄｔと検出値ｄη／ｄｔとの偏差ｄη＊／ｄｔ−ｄη／ｄｔである。Ｋ１は各駆動輪３４、４４の回転角の偏差ｘ１、ｘ３に乗じる第１のフィードバックゲインである。Ｋ２は各駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差ｘ２、ｘ４に乗じる第２のフィードバックゲインである。Ｋ３は車体１２の傾斜角の偏差ｘ５に乗じる第３のフィードバックゲインである。Ｋ４は車体１２の傾斜角速度の偏差ｘ６に乗じる第４のフィードバックゲインである。なお、各トルクτ１、τ２の計算式は、上記の式に限定されるものではない。汎用のフィードバック制御に用いられる様々な計算式を採用することができる。また、切換スイッチ１６が安定姿勢側に切り換えられている場合は、車体１２の傾斜角をフィードバック制御する必要がないことから、第３フィードバックゲインＫ３と第４フィードバックゲインＫ４をゼロと設定することができる。
【００１８】
ゲイン調整部６８は、積分回路７６からコントローラ６０へと入力される車体１２の傾斜角の検出値ηに応じて、トルク計算部６２が用いるフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を増減調整する。ゲイン調整部６８には、車体１２の傾斜角に対応付けてフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を記述しているゲイン調整データが予め記憶されている。ゲイン調整部６８は、車体１２の傾斜角の検出値ηを入力し、入力した検出値ηに対応するフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を、記憶しているゲイン調整データから読み出す。トルク計算部６２は、ゲイン調整部６８によって読み出されたフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を用いて、第１トルクτ１と第２トルクτ２を計算する。
【００１９】
図５に、ゲイン調整データの一例を示す。図５（ａ）は、各駆動輪３４、４４の回転角の偏差ｘ１、ｘ３に乗じる第１フィードバックゲインＫ１を示している。図５（ｂ）は、各駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差ｘ２、ｘ４に乗じる第２フィードバックゲインＫ２を示している。図５（ｃ）は、車体１２の傾斜角の偏差ｘ５に乗じる第３フィードバックゲインＫ３を示している。図５（ｄ）は、車体１２の傾斜角速度の偏差ｘ６に乗じる第４フィードバックゲインＫ４を示している。
図５（ａ）に示すように、第１フィードバックゲインＫ１は、車体１２の傾斜角ηに応じて略二段階に変化しており、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを超える範囲において、その値がゼロと設定されている。従って、車体１２が従動前輪５０側へと大きく前傾し、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙを超えている場合には、トルクτ１、τ２の計算において、各駆動輪３４、４４の回転角の偏差ｘ１、ｘ３は無視されるようになっている。
図５（ｂ）に示すように、第２フィードバックゲインＫ２は、車体１２の傾斜角ηに応じて略二段階に変化しており、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを超える範囲において、その値が小さく設定されている。従って、車体１２が従動前輪５０側へと大きく前傾し、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙを超えている場合には、トルクτ１、τ２の計算において、各駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差ｘ２、ｘ４が小さく加味されるようになっている。
【００２０】
図５（ｃ）に示すように、第３フィードバックゲインＫ３は、車体１２の傾斜角ηに応じて略二段階に変化しており、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを超える範囲において、その値が大きく設定されている。従って、車体１２が従動前輪５０側へと大きく前傾し、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙを超えている場合には、トルクτ１、τ２の計算において、車体１２の傾斜角の偏差ｘ５が大きく加味されるようになっている。
図５（ｄ）に示すように、第４フィードバックゲインＫ４は、車体１２の傾斜角ηに応じて略二段階に変化しており、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを超える範囲において、その値が大きく設定されている。従って、車体１２が従動前輪５０側へと大きく前傾し、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙを超えている場合には、トルクτ１、τ２の計算において、車体１２の傾斜角速度の偏差ｘ６が大きく加味されるようになっている。
【００２１】
コントローラ６０は、第１モータ３２が出力するトルクを、トルク計算部６２によって計算した第１トルクτ１に調節する。また、第２モータ４２が出力するトルクを、トルク計算部６２によって計算した第２トルクτ２に調節する。第１駆動輪３４には第１モータ３２から第１トルクτ１が加えられ、第２駆動輪４４には第２モータ４２から第２トルクτ２が加えられる。それにより、第１駆動輪３４の回転角θ１と、第１駆動輪３４の回転角速度ｄθ１／ｄｔと、第２駆動輪４４の回転角θ２と、第２駆動輪４４の回転角速度ｄθ２／ｄｔと、車体１２の傾斜角ηと、車体１２の傾斜角速度ｄη／ｄｔが、それぞれの指示値θ１＊、ｄθ＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔ、η＊、ｄη＊／ｄｔに調節される。走行体１０は、操作モジュール２０に加えられた操作に追従して、倒立姿勢を維持しながら走行したり、安定姿勢を維持しながら走行したり、倒立姿勢と安定姿勢の間で姿勢変化する。
【００２２】
図６は、走行体１０が安定姿勢から倒立姿勢へと移行する際に、コントローラ６０が実行する動作フローを示している。図６に示すフローに沿って、走行体１０が安定姿勢から倒立姿勢へと移行するときの動作について説明する。なお、ここでは説明を明瞭にするために、走行体１０は安定姿勢で静止しており、操作レバー１８には操作が加えられていないものとする。この場合、第１駆動輪３４と第２駆動輪４４は同様に動作する。即ち、第１駆動輪３４の回転角θ１と第２駆動輪４４の回転角θ２は等しくなり、第１駆動輪３４の回転角速度ｄθ１／ｄｔと第２駆動輪４４の回転角ｄθ２／ｄｔは等しくなる。
【００２３】
コントローラ６０は、切換スイッチ１６が安定姿勢側から倒立姿勢側へと切り換えられた時に、図６に示す動作フローをスタートさせる。
ステップＳ２では、安定姿勢から倒立姿勢へと移行するために、駆動輪３４、４４の回転角に関する指示値θ＊（＝θ１＊＝θ２＊）と、駆動輪３４、４４の回転角速度に関する指示値ｄθ＊／ｄｔ（＝ｄθ１＊／ｄｔ＝ｄθ２＊／ｄｔ）と、車体１２の傾斜角に関する指示値η＊と、車体１２の傾斜角速度に関する指示値ｄη＊／ｄｔのそれぞれに、ゼロを設定する。駆動輪３４、４４の回転角がゼロとなり、駆動輪３４、４４の回転角速度がゼロとなり、車体１２の傾斜角がゼロとなり、車体１２の傾斜角速度がゼロとなると、走行体１０は倒立姿勢で静止する状態となる。
ステップＳ４では、駆動輪３４、４４の回転角の検出値θ（＝θ１＝θ２）と、駆動輪３４、４４の回転角速度の検出値ｄθ／ｄｔ（＝ｄθ１／ｄｔ＝ｄθ２／ｄｔ）と、車体１２の傾斜角の検出値ηと、車体１２の傾斜角速度の検出値ｄη／ｄｔを入力する。
ステップＳ６では、ステップＳ４において入力した車体１２の傾斜角の検出値ηに基づいて、フィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を決定する。先に説明したように、ゲイン調整部６８は、検出値ηに対応するフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を、ゲイン調整データから読み出す。フィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、車体１２の傾斜角の検出値ηに応じて変化する。
【００２４】
ステップＳ８では、ステップＳ２で設定した各指示値とステップＳ４で入力した各検出値との偏差に、ステップＳ６で決定したフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を乗じることによって、モータ３２、４２が出力すべきトルクτ（＝τ１＝τ２）を計算する。
ステップＳ１０では、モータ３２、４２が出力するトルクを、ステップＳ８で計算したトルクτに調節する。
ステップＳ１２では、安定姿勢への移行指令が入力されているのか否かが判定される。例えば搭乗者が切換スイッチ１６を倒立姿勢側から安定姿勢側へと切り換えると、このステップＳ１２の判定においてイエスとなる。この場合、コントローラ６０は図６の動作フローを終了し、走行体１０は安定姿勢へと移行する。一方、切換スイッチ１６が倒立姿勢側に維持されていれば、このステップＳ１２の判定においてノーとなり、ステップＳ４からステップＳ１０のフィードバック制御が継続される。それにより、走行体１０は安定姿勢から倒立姿勢へと移行し、倒立姿勢を維持して静止する。この状態から搭乗者が操作モジュール２０の操作レバー１８に操作を加えれば、それに応じた各指示値θ１＊、ｄθ＊／ｄｔ、θ２＊、ｄθ２＊／ｄｔ、η＊、ｄη＊／ｄｔが設定され、走行体１０は倒立姿勢を維持しながら搭乗者の指示に従って正しく走行する。
【００２５】
図７は、安定姿勢から倒立姿勢への移行動作を実施するときの走行体１０の様子を経時的に示している。図７（ａ）は移行動作の開始時点であって、車体１２の傾斜角ηが接地傾斜角度ηｚとなっている走行体１０を示している。図７（ｂ）は移行動作の実施中であって、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙとなっている走行体１０を示している。図７（ｃ）は移行動作の完了時点であって、車体１２の傾斜角ηがゼロとなっている走行体１０を示している。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、安定姿勢から倒立姿勢への移行動作期間において、車体１２の傾斜角ηは閾値角度ηｙを跨いで大きく変化する。
走行体１０の重心Ｍは、車体１２の傾斜角ηが大きいときほど、第１車軸Ｃ１を通る鉛直方向Ｇから大きく外れる。それにより、車体１２の傾斜角ηが大きいときほど、走行体１０に作用する重力は、車体１２の傾斜角ηを大きく変化させるようとする。そのことから、車体１２の傾斜角ηが大きいときには、車体１２の傾斜角や傾斜角速度の偏差に対して、駆動輪３４、４４を大きく動かす必要がある。従って、車体１２の傾斜角ηが大きいときほど、車体１２の傾斜角の偏差に乗じる第３フィードバックゲインＫ３や、車体１２の傾斜角速度の偏差に乗じる第４フィードバックゲインＫ４を大きくすることが有効といえる。
【００２６】
倒立振子型の走行体１０では、駆動輪３４、４４の回転角に対する制御性と車体１２の傾斜角に対する制御性との間に、トレードオフの関係が存在する。即ち、駆動輪３４、４４の回転角に対する制御性を高めれば、車体１２の傾斜角に対する制御性は低下する。また、車体１２の傾斜角に対する制御性を高めれば、駆動輪３４、４４の回転角に対する制御性は低下する。そのことから、駆動輪３４、４４の回転角の制御性を低下させることによって、車体１２の傾斜角に対する制御性を向上することができる。従って、車体１２の傾斜角ηが大きいときには、駆動輪３４、４４の回転角の偏差に乗じる第１フィードバックゲインＫ１や、駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差に乗じる第２フィードバックゲインＫ２を小さくすることも有効といえる。
本発明者は、上記の知見に基づいてさらに研究を進めた結果、車体１２の傾斜角が閾値角度ηｙを越えるときに、駆動輪３４、４４の回転角に関する第１フィードバックゲインＫ１をゼロに調整することによって、車体１２の安定性が著しく向上することを確認した。安定姿勢から倒立姿勢への移行動作時には、車体１２の姿勢が速やかに倒立姿勢へと移行するとともに、その移行時に走行体１０が移動する距離も短縮されることが確認された。
【００２７】
本実施例の走行体１０では、上記した知見が活用されている。走行体１０では、トルク計算部６２が用いるフィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が、トルク調整データを用いて調整される。即ち、車体１２の傾斜角ηが大きいときほど、車体１２の傾斜角の偏差に乗じる第３フィードバックゲインＫ３や、車体１２の傾斜角速度の偏差に乗じる第４フィードバックゲインＫ４が大きな値へと調整される。また、車体１２の傾斜角ηが大きいときほど、駆動輪３４、４４の回転角の偏差に乗じる第１フィードバックゲインＫ１や、駆動輪３４、４４の回転角速度の偏差に乗じる第２フィードバックゲインＫ２が小さな値へと調整される。また、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを越えるときには、駆動輪３４、４４の回転角の偏差に乗じる第１フィードバックゲインＫ１がゼロに調整される。それにより、車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを超えているときには、車体１２の傾斜角ηに関する制御性が優先され、車体１２の姿勢が速やかに立て直される。車体１２の傾斜角ηが閾値角度ηｙを下回ると、駆動輪３４、４４の回転角に関する制御性が優先され、走行体１０が搭乗者の指示に従って正しく走行するようになる。
【００２８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記では、車体の傾斜角に応じて、フィードバックゲインＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を概して二段階に調整する例を説明したが、さらに多段階に調整してもよいし、連続的に変化するように調整してもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例の走行体の構成を示す模式図。
【図２】倒立姿勢の走行体を模式的に示す図。
【図３】安定姿勢の走行体を模式的に示す図。
【図４】走行体の制御構成を示すブロック図。
【図５】ゲイン調整データを示す図。
【図６】安定姿勢から倒立姿勢へと移行する動作の流れを示すフローチャート。
【図７】安定姿勢から倒立姿勢へと移行する走行体の様子を経時的に示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１０・・走行体
１２・・車体
１４・・制御モジュール
２０・・操作モジュール
２２・・搭乗シート
３２、４２・・モータ
３４、４４・・駆動輪
３６、４６・・エンコーダ
３８・・ジャイロ
４０・・バッテリモジュール
６０・・コントローラ
６２・・トルク計算部
６４・・車輪指示値設定部
６６・・傾斜指示値設定部
６８・・ゲイン調整部
７２、７４・・微分回路
７６・・積分回路
【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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