(57)【要約】【課題】路面勾（こう）配を推定するとともに、推定値をその時間変化率に基づいて予測した未来の時刻における値に補正することによって、路面勾配が急激に変化しても、車体の姿勢や車両の走行状態を安定に保つことができ、より安全に、かつ、より快適に走行することができるようにする。【解決手段】車体と、前記車体に回転可能に取り付けられた駆動輪１２と、該駆動輪１２に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、前記車体の姿勢に基づき、路面勾配を推定するとともに、該路面勾配の推定値を、該推定値の時間変化率に基づいて補正する。【選択図】図１
2009159784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
前記車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、
該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、
該車両制御装置は、前記車体の姿勢に基づき、路面勾配を推定するとともに、該路面勾配の推定値を、該推定値の時間変化率に基づいて補正することを特徴とする車両。
【請求項２】
前記車両制御装置は、前記推定値の時間変化率及び前記推定値の時間変化加速度の正負が一致するときにのみ前記推定値を補正する請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車両制御装置は、前記駆動輪の回転速度の絶対値が大きいほど前記推定値の補正量を大きくする請求項１に記載の車両。
【請求項４】
前後方向に移動可能に前記車体に取り付けられた能動重量部を更に有し、
前記車両制御装置は、前記能動重量部を移動させて前記車体の重心位置を補正する請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両。
【請求項５】
前記路面勾配の推定値は、段差抵抗の推定値を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両に関する技術が提案されている。例えば、同軸上に配置された２つの駆動輪を有し、運転者の重心移動による駆動輪の姿勢を感知して駆動する車両、球体状の単一の駆動輪の姿勢を制御しながら移動する車両等の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この場合、センサで車体のバランスや動作の状態を検出し、回転体の動作を制御して車両を停止又は移動させるようになっている。
【特許文献１】特開２００７−２１９９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の車両においては、勾（こう）配が急激に変化する路面や勾配が不連続な路面を走行する際に路面勾配の推定、及び、推定された路面勾配に対応する坂道制御に遅れが生じてしまい、車両の不必要な加減速や車体の大きな傾斜が発生し、乗り心地が悪化してしまう。また、勾配が一定な坂道を走行している場合であっても、車両が急旋回することにより、同様に路面勾配の車両の前後方向成分が急激に変化する。
【０００５】
本発明は、前記従来の車両の問題点を解決して、路面勾配を推定するとともに、推定値をその時間変化率に基づいて予測した未来の時刻における値に補正することによって、路面勾配が急激に変化しても、車体の姿勢や車両の走行状態を安定に保つことができ、より安全に、かつ、より快適に走行することができる車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために、本発明の車両においては、車体と、前記車体に回転可能に取り付けられた駆動輪と、該駆動輪に付与する駆動トルクを制御して前記車体の姿勢を制御する車両制御装置とを有し、該車両制御装置は、前記車体の姿勢に基づき、路面勾配を推定するとともに、該路面勾配の推定値を、該推定値の時間変化率に基づいて補正する。
【０００７】
本発明の他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記推定値の時間変化率及び前記推定値の時間変化加速度の正負が一致するときにのみ前記推定値を補正する。
【０００８】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記車両制御装置は、前記駆動輪の回転速度の絶対値が大きいほど前記推定値の補正量を大きくする。
【０００９】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前後方向に移動可能に前記車体に取り付けられた能動重量部を更に有し、前記車両制御装置は、前記能動重量部を移動させて前記車体の重心位置を補正する。
【００１０】
本発明の更に他の車両においては、さらに、前記路面勾配の推定値は、段差抵抗推定値を含む。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の構成によれば、路面勾配が急変しても、車体姿勢及び走行状態を安定に保つことができる。
【００１２】
請求項２の構成によれば、過大な補正を防止し、適切な推定及び制御を行うことができる。
【００１３】
請求項３の構成によれば、車両速度の増加に伴い推定遅れの実質的な影響が増大することに対して、適切に補正量を決定することができる。
【００１４】
請求項４及び５の構成によれば、路面勾配の急変時における走行状態を安定的に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の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。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【００１７】
図において、１０は、本実施の形態における車両であり、車体の本体部１１、駆動輪１２、支持部１３及び乗員１５が搭乗する搭乗部１４を有し、倒立振り子の姿勢制御を利用して車体の姿勢を制御する。そして、前記車両１０は、車体を前後に傾斜させることができるようになっている。図１に示される例においては、車両１０は矢印Ａで示される方向に加速中であり、車体が進行方向前方に向かって傾斜した状態が示されている。
【００１８】
前記駆動輪１２は、車体の一部である支持部１３によって回転可能に支持され、駆動アクチュエータとしての駆動モータ５２によって駆動される。なお、駆動輪１２の軸は図１の図面に垂直な方向に延在し、駆動輪１２はその軸を中心に回転する。また、前記駆動輪１２は、単数であっても複数であってもよいが、複数である場合、同軸上に並列に配設される。本実施の形態においては、駆動輪１２が２つであるものとして説明する。この場合、各駆動輪１２は個別の駆動モータ５２によって独立して駆動される。なお、駆動アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、内燃機関等を使用することもできるが、ここでは、電気モータである駆動モータ５２を使用するものとして説明する。
【００１９】
また、車体の一部である本体部１１は、支持部１３によって下方から支持され、駆動輪１２の上方に位置する。そして、本体部１１には、能動重量部として機能する搭乗部１４が、車両１０の前後方向に本体部１１に対して相対的に並進可能となるように、換言すると、車体回転円の接線方向に相対的に移動可能となるように、取り付けられている。
【００２０】
ここで、能動重量部は、ある程度の質量を備え、本体部１１に対して並進する、すなわち、前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するものである。そして、能動重量部は、必ずしも搭乗部１４である必要はなく、例えば、バッテリ等の重量のある周辺機器を並進可能に本体部１１に対して取り付けた装置であってもよいし、ウェイト、錘（おもり）、バランサ等の専用の重量部材を並進可能に本体部１１に対して取り付けた装置であってもよい。また、搭乗部１４、重量のある周辺機器、専用の重量部材等を併用するものであってもよい。
【００２１】
本実施の形態においては、説明の都合上、乗員１５が搭乗した状態の搭乗部１４が能動重量部として機能する例について説明するが、搭乗部１４には必ずしも乗員１５が搭乗している必要はなく、例えば、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、搭乗部１４に乗員１５が搭乗していなくてもよいし、乗員１５に代えて、貨物が積載されていてもよい。
【００２２】
前記搭乗部１４は、乗用車、バス等の自動車に使用されるシートと同様のものであり、座面部１４ａ、背もたれ部１４ｂ及びヘッドレスト１４ｃを備え、図示されない移動機構を介して本体部１１に取り付けられている。
【００２３】
前記移動機構は、リニアガイド装置等の低抵抗の直線移動機構、及び、能動重量部アクチュエータとしての能動重量部モータ６２を備え、該能動重量部モータ６２によって搭乗部１４を駆動し、本体部１１に対して進行方向に前後させるようになっている。なお、能動重量部アクチュエータとしては、例えば、油圧モータ、リニアモータ等を使用することもできるが、ここでは、回転式の電気モータである能動重量部モータ６２を使用するものとして説明する。
【００２４】
リニアガイド装置は、例えば、本体部１１に取り付けられている案内レールと、搭乗部１４に取り付けられ、案内レールに沿ってスライドするキャリッジと、案内レールとキャリッジとの間に介在するボール、コロ等の転動体とを備える。そして、案内レールには、その左右側面部に２本の軌道溝が長手方向に沿って直線状に形成されている。また、キャリッジの断面はコ字状に形成され、その対向する２つの側面部内側には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向するように形成されている。転動体は、軌道溝の間に組み込まれており、案内レールとキャリッジとの相対的直線運動に伴って軌道溝内を転動するようになっている。なお、キャリッジには、軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝及び戻し通路を循環するようになっている。
【００２５】
また、リニアガイド装置は、該リニアガイド装置の動きを締結するブレーキ又はクラッチを備える。車両１０が停車しているときのように搭乗部１４の動作が不要であるときには、ブレーキによって案内レールにキャリッジを固定することで、本体部１１と搭乗部１４との相対的位置関係を保持する。そして、動作が必要であるときには、このブレーキを解除し、本体部１１側の基準位置と搭乗部１４側の基準位置との距離が所定値となるように制御される。
【００２６】
前記搭乗部１４の脇（わき）には、目標走行状態取得装置としてのジョイスティック３１を備える入力装置３０が配設されている。乗員１５は、操縦装置であるジョイスティック３１を操作することによって、車両１０を操縦する、すなわち、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するようになっている。なお、乗員１５が操作して走行指令を入力することができる装置であれば、ジョイスティック３１に代えて他の装置、例えば、ジョグダイヤル、タッチパネル、押しボタン等の装置を目標走行状態取得装置として使用することもできる。
【００２７】
なお、車両１０がリモートコントロールによって操縦される場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、コントローラからの走行指令を有線又は無線で受信する受信装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。また、車両１０があらかじめ決められた走行指令データに従って自動走行する場合には、前記ジョイスティック３１に代えて、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体に記憶された走行指令データを読み取るデータ読取り装置を目標走行状態取得装置として使用することができる。
【００２８】
また、車両１０は、車両制御装置としての制御ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２０を有し、該制御ＥＣＵ２０は、主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３を備える。前記制御ＥＣＵ２０並びに主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車両１０の各部の動作を制御するコンピュータシステムであり、例えば、本体部１１に配設されるが、支持部１３や搭乗部１４に配設されていてもよい。また、前記主制御ＥＣＵ２１、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３は、それぞれ、別個に構成されていてもよいし、一体に構成されていてもよい。
【００２９】
そして、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、駆動輪センサ５１及び駆動モータ５２とともに、駆動輪１２の動作を制御する駆動輪制御システム５０の一部として機能する。前記駆動輪センサ５１は、レゾルバ、エンコーダ等から成り、駆動輪回転状態計測装置として機能し、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角及び／又は回転角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、該駆動輪制御ＥＣＵ２２は、受信した駆動トルク指令値に相当する入力電圧を駆動モータ５２に供給する。そして、該駆動モータ５２は、入力電圧に従って駆動輪１２に駆動トルクを付与し、これにより、駆動アクチュエータとして機能する。
【００３０】
また、主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部制御ＥＣＵ２３、能動重量部センサ６１及び能動重量部モータ６２とともに、能動重量部である搭乗部１４の動作を制御する能動重量部制御システム６０の一部として機能する。前記能動重量部センサ６１は、エンコーダ等から成り、能動重量部移動状態計測装置として機能し、搭乗部１４の移動状態を示す能動重量部位置及び／又は移動速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。また、該主制御ＥＣＵ２１は、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信し、該能動重量部制御ＥＣＵ２３は、受信した能動重量部推力指令値に相当する入力電圧を能動重量部モータ６２に供給する。そして、該能動重量部モータ６２は、入力電圧に従って搭乗部１４を並進移動させる推力を搭乗部１４に付与し、これにより、能動重量部アクチュエータとして機能する。
【００３１】
さらに、主制御ＥＣＵ２１は、駆動輪制御ＥＣＵ２２、能動重量部制御ＥＣＵ２３、車体傾斜センサ４１、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２とともに、車体の姿勢を制御する車体制御システム４０の一部として機能する。前記車体傾斜センサ４１は、加速度センサ、ジャイロセンサ等から成り、車体傾斜状態計測装置として機能し、車体の傾斜状態を示す車体傾斜角及び／又は傾斜角速度を検出し、主制御ＥＣＵ２１に送信する。そして、該主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３２】
なお、主制御ＥＣＵ２１には、入力装置３０のジョイスティック３１から走行指令が入力される。そして、前記主制御ＥＣＵ２１は、駆動トルク指令値を駆動輪制御ＥＣＵ２２に送信し、能動重量部推力指令値を能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００３３】
また、前記制御ＥＣＵ２０は、車両１０の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて路面勾配を推定する路面勾配推定手段として機能する。また、目標走行状態及び路面勾配に応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び／又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両１０の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び路面勾配に応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。さらに、車両１０の前後方向の路面勾配を取得する路面勾配取得手段として機能する。さらに、路面勾配に応じて付加する駆動トルクを決定する登坂トルク決定手段として機能する。さらに、登坂トルクに応じて、車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。
【００３４】
なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と傾斜角速度とを決定するようにしてもよい。
【００３５】
次に、前記構成の車両１０の動作について説明する。まず、走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。
【００３６】
図３は本発明の第１の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図、図４は本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図３（ａ）は比較のための従来技術による動作例を示し、図３（ｂ）は本実施の形態による動作を示している。
【００３７】
本実施の形態においては、搭乗部１４が能動重量部として機能し、図３（ｂ）に示されるように、並進させる、すなわち、前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正するようになっている。これにより、坂道で車両１０を停止させるためには、該車両１０が下り方向に移動しないように駆動輪１２に駆動トルクを付与し、その反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、車体が下り方向に傾いてしまうことがない。また、坂道を走行する場合にも、車体が下り方向に傾いてしまうことがなく、安定して走行することができる。
【００３８】
これに対し、仮に、「背景技術」の項で説明した従来の車両のように、路面勾配に応じた重心位置補正を行わない場合、図３（ａ）に示されるように、坂道で車両１０を停止させておくために駆動輪１２に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が下り方向に傾いてしまう。そして、坂道を走行する場合にも、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。
【００３９】
そこで、本実施の形態においては、走行及び姿勢制御処理を実行することによって、路面勾配に関わらず、車両１０は安定して停止及び走行することができるようになっている。
【００４０】
走行及び姿勢制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、状態量の取得処理を実行し（ステップＳ１）、各センサ、すなわち、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１及び能動重量部センサ６１によって、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態を取得する。
【００４１】
次に、制御ＥＣＵ２０は、路面勾配の取得処理を実行し（ステップＳ２）、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力値とに基づき、オブザーバによって路面勾配を推定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法及び状態観測器であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。
【００４２】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標走行状態の決定処理を実行し（ステップＳ３）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両１０の加速度の目標値、及び、駆動輪１２の回転角速度の目標値を決定する。
【００４３】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標車体姿勢の決定処理を実行し（ステップＳ４）、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配と、目標走行状態の決定処理によって決定された車両１０の加速度の目標値とに基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。
【００４４】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し（ステップＳ５）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。
【００４５】
次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【００４６】
図５は本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図、図６は本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００４７】
本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。なお、図５には状態量やパラメータの一部が示されている。
θW ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λS ：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
ＳS ：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ2 〕
η：路面勾配〔ｒａｄ〕
ｍW ：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
ＲW ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
ＩW ：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ2 〕
ＤW ：駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
ｍ1 ：車体質量（能動重量部を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ1 ：車体慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
Ｄ1 ：車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
ｍS ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌS ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
ＩS ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
ＤS ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
2009159784.tif 000003
【００４８】
次に、路面勾配の取得処理について説明する。
【００４９】
図７は本発明の第１の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００５０】
路面勾配の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、路面勾配ηを推定する（ステップＳ２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（１）により、路面勾配ηを推定する。
【００５１】
【数１】
2009159784.tif 000004
【００５２】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて路面勾配を推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体の姿勢を考慮している。
【００５３】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて路面勾配を推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、路面勾配の推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して路面勾配を推定するので、大きな誤差が生じることがなく、極めて高い精度で路面勾配を推定することができる。
【００５４】
一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから路面勾配を高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高いので、特に車両停止時には、このような影響が大きくなる。
【００５５】
なお、路面勾配の値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【００５６】
本実施の形態においては、駆動力、慣性力及び路面勾配による外力を考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを副次的な影響として考慮してもよい。
【００５７】
また、本実施の形態においては、駆動輪１２の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００５８】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【００５９】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【００６０】
図８は本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００６１】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ３−１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【００６２】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ３−２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両加速度の目標値とする。
【００６３】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ３−３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【００６４】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【００６５】
図９は本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図１０は本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００６６】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ４−１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、路面勾配の取得処理によって取得された路面勾配ηとに基づき、次の式（２）及び（３）により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００６７】
【数２】
2009159784.tif 000005
【００６８】
【数３】
2009159784.tif 000006
【００６９】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。
【００７０】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、路面勾配ηに応じた登坂トルクに伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【００７１】
このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が加速するとき及び坂を上るときには、搭乗部１４を前方へ移動させ、あるいは、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両１０が減速するとき及び坂を下るときには、搭乗部１４を後方へ移動させ、あるいは、さらに車体を後方へ傾ける。
【００７２】
本実施の形態においては、図９に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部１４を移動させ、該搭乗部１４が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員１５にとっての乗り心地が向上する。また、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員１５にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別な急勾配でなければ、坂道の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に当接することが防止される。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方よりも遠くに設定する必要がある。
【００７４】
また、本実施の形態においては、加速度が低いときや勾配が緩やかなときには、搭乗部１４の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員１５に作用する前後方向の力を軽減することができる。
【００７５】
さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【００７６】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【００７７】
図１１は本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【００７８】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ５−１）。この場合、各目標値と路面勾配ηとから、次の式（４）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式（５）により能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。
【００７９】
【数４】
2009159784.tif 000007
【００８０】
このように、路面勾配ηに応じた登坂トルクを自動的に付加することにより、つまり、路面勾配ηに応じて駆動トルクを補正することにより、坂道であっても、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、坂道で停止した後、乗員１５がジョイスティック３１から手を放しても、車両１０は動くことがない。また、坂道の上であっても、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、平地と同様の加減速を行うことができる。
【００８１】
【数５】
2009159784.tif 000008
【００８２】
このように、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現する。
【００８３】
なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【００８４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（６）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定し、また、次の式（７）により能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。
【００８５】
【数６】
2009159784.tif 000009
【００８６】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2、ＫW3及びＫS5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【００８７】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ５−３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【００８８】
このように、本実施の形態においては、路面勾配ηをオブザーバによって推定し、登坂トルクを与えるとともに、搭乗部１４を上り側に移動させる。そのため、坂道で車体を直立に保持することができ、急勾配にも対応することができる。また、路面勾配ηを計測する装置が不要となり、構造を簡素化してコストを低減することができる。
【００８９】
さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS をも考慮して路面勾配ηを推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で路面勾配ηを推定することができる。
【００９０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００９１】
図１２は本発明の第２の実施の形態における曲率補正係数の変化を示す図、図１３は本発明の第２の実施の形態における速度補正係数の変化を示す図、図１４は本発明の第２の実施の形態における路面勾配の補正を説明する図、図１５は本発明の第２の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【００９２】
路面勾配ηが急激に変化する路面や、路面勾配ηが不連続な路面を走行すると、路面勾配ηの推定、及び、推定された路面勾配ηに応じた制御に遅れが生じてしまうことがある。また、路面勾配ηが一定な坂道であっても、車両１０が急旋回した場合には、路面勾配ηの車両１０の前後方向成分が急激に変化するので、路面勾配ηが急激に変化する路面を走行している場合と同様の遅れが生じてしまう。
【００９３】
これは、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１、能動重量部センサ６１等のセンサの計測値のノイズに起因する路面勾配ηの推定値のノイズを除去するためにローパスフィルタを使用したり、路面勾配ηの推定計算に必要な加速度を得るための後退差分計算を行ったりするためである。特に、車両１０の速度が高い場合に、遅れの影響が顕著に現れる。このような遅れが生じると、車両１０の不必要な加減速や車体の大きな傾斜が発生し、乗り心地が悪化してしまう。
【００９４】
そこで、本実施の形態においては、路面勾配ηの推定値と、該推定値の時間変化率とに基づいて、前記推定値を少し未来の時刻における値に補正する。具体的には、線形外挿によって少し先の時刻の推定値であると予測される値に補正する。また、推定値の時間変化率及び曲率（時間変化加速度）の正負が異なる場合には、補正しない。さらに、駆動輪１２の回転速度の絶対値が大きいほど、前記推定値の補正量を大きくする。
【００９５】
これにより、路面勾配ηが急激に変化しても、車両１０の走行状態や車体の姿勢がより安定したものとなる。また、路面勾配ηが急変する箇所に挿入する車両１０の速度が高くても、安定した走行状態及び車体姿勢を維持することができる。
【００９６】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標走行状態の決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、路面勾配の取得処理についてのみ説明する。
【００９７】
路面勾配の取得処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、路面勾配ηを推定する（ステップＳ２−１１）。この場合、前記第１の実施の形態と同様に、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、路面勾配ηを推定する。
2009159784.tif 000010
【００９８】
【数７】
2009159784.tif 000011
【００９９】
ξCCは曲率補正係数であり、次の式（９）で表され、図１２に示されるように変化する。
【０１００】
【数８】
2009159784.tif 000012
【０１０１】
なお、Δｔb は、差分計算の時間刻みである。時間刻みΔｔf 及びΔｔb は、例えば、ローパスフィルタの時定数ＴLPF を基準として、次の式（１０）で表されるような条件を満たす値が設定される。
Δｔf ≦ＴLPF ≦Δｔb   ・・・式（１０）
さらに、ξVCは速度補正係数であり、次の式（１１）で表され、図１３に示されるように変化する。
【０１０２】
【数９】
2009159784.tif 000013
【０１０３】
このように、路面勾配ηは、該路面勾配ηの推定値と該推定値の時間変化率η’とに基づき、推定値を少し先の時刻で得られるであろうと予測される値に補正される。具体的には、図１４に示されるように、線形外挿によって少し先の時刻における推定値を予測する。この場合、前記式（１０）で表されるように、推定値算出時におけるローパスフィルタの時定数に比べて、時間変化率を求める差分計算の時間刻みを大きくし、線形外挿の時間刻みを小さくすることで、制御の安定性及び一貫性を確保する。このように、適切に未来の時刻における値を予測することで、推定遅れによる影響を低減することができる。
【０１０４】
なお、推定値の時間変化率η’の正負と曲率η”の正負とが異なる場合、すなわち、両者の積が負となる場合には補正を行わない。つまり、前記式（９）及び図１２に示されるようにγがゼロ以下の範囲では、曲率補正係数ξCCをゼロにして、補正を行わない。そして、前記積の正負が反転するときの不連続性を解消するために、連続的な補正関数を与える。これにより、線形外挿における過大な補正を防止し、適切な推定及び制御を行うことができる。
2009159784.tif 000014
【０１０５】
これにより、路面勾配ηが急激に変化しても、車両１０の走行状態や車体の姿勢をより安定したものとすることができる。
【０１０６】
なお、本実施の形態においては、線形外挿、すなわち、１次の外挿によって未来の時刻における値を予測した場合についてのみ説明したが、より高次の外挿によって補正量を決定することもできる。
【０１０７】
また、本実施の形態においては、路面勾配ηの推定値の大きさに無関係に補正を行う場合についてのみ説明したが、前記推定値の絶対値が所定の閾値を上回ったときにのみ補正を行うことにより、段差に対してのみ適切な補正を行うようにすることもできる。
【０１０８】
さらに、本実施の形態においては、直進走行時における路面勾配ηの変化に対し、車両速度Ｖ又は駆動輪１２の回転角速度に応じて補正量を変更する場合についてのみ説明したが、旋回走行時における車両１０の向きの変化に伴う実質的な路面勾配ηの変化に対し、車両旋回角速度又は左右駆動輪の回転速度差に応じて補正量を変更することもできる。
【０１０９】
このように、本実施の形態においては、路面勾配ηの推定値を、該推定値の時間変化率に基づいて予測した未来の時刻における値に補正するようになっている。したがって、路面勾配ηが急変しても、車両１０の走行状態や車体の姿勢がより安定したものとなる。また、路面勾配ηが急変したときにおける車両１０の速度が高くても、安定した走行状態及び車体姿勢を維持することができる。これにより、車両１０は、路面勾配ηが急変しても、より安全に、かつ、より快適に走行することができる。
【０１１０】
以上の実施の形態では、坂路走行時における路面勾配の推定とそれに適応する制御について説明したが、段差昇降時において、段差の抵抗である段差抵抗トルクの推定とそれに適応する制御に対しても、坂道と同様の手法を適用することができる。以降の実施の形態では、段差昇降に関する制御について説明する。
【０１１１】
従来の車両においては、段差を乗り降りする際に、操縦者が意図しない不必要な車両の加減速が発生することがある。段差を安定して乗り降りするのに必要な駆動トルクは、段差の高さによって異なる。また、車両の段差昇降の状態、すなわち、どの程度段差を上っているか、あるいは、下っているかによっても、必要な駆動トルクは異なる。これに対して、必要な駆動トルクを推定し、その推定値に応じた駆動トルクを付加した場合、段差抵抗トルクの推定、及び、推定された段差抵抗トルクに対応する段差昇降制御に遅れが生じてしまい、車両の不必要な加減速や車体の大きな傾斜が発生し、乗り心地が悪化してしまう。
【０１１２】
以降の実施の形態では、前記従来の車両の問題点を解決して、段差抵抗トルクを推定するとともに、推定値をその時間変化率に基づいて予測した未来の時刻における値に補正することによって、段差抵抗トルクが急激に変化しても、車両の姿勢及び走行状態を安定に保つことができ、より安全に、かつ、より快適に走行することができる車両を提供することを目的とする。
【０１１３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１１４】
図１６は本発明の第３の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図、図１７は本発明の第３の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。なお、図１６（ａ）は比較のための従来技術による動作例を示し、図１６（ｂ）は本実施の形態による動作を示している。
【０１１５】
本実施の形態においては、車両１０が段差を昇降する場合の動作について説明する。この場合、制御ＥＣＵ２０は、車両１０の走行状態及び車体姿勢の時間変化に基づいて段差抵抗トルクを推定する段差抵抗トルク推定手段として機能する。なお、段差抵抗トルクは、段差を昇降する際に車両１０が受ける抵抗である段差抵抗の推定値に相当する。また、目標走行状態及び段差抵抗トルクに応じて目標とする車体姿勢、すなわち、車体傾斜状態及び／又は能動重量部移動状態を決定する目標車体姿勢決定手段として機能する。さらに、各センサによって取得した車両１０の走行状態及び車体姿勢、並びに、目標走行状態、目標車体姿勢及び段差抵抗トルクに応じて各アクチュエータの出力を決定するアクチュエータ出力決定手段として機能する。具体的には、段差抵抗トルクに応じて付加する駆動トルクを決定する段差昇降トルク決定手段、及び、段差昇降トルクに応じて車体の重心補正量を決定する重心補正量決定手段として機能する。
【０１１６】
なお、各センサは、複数の状態量を取得するものであってもよい。例えば、車体傾斜センサ４１として加速度センサとジャイロセンサとを併用し、両者の計測値から車体傾斜角と車体傾斜角速度を決定してもよい。
【０１１７】
次に、段差を昇降する場合における走行及び姿勢制御処理の概要について説明する。
【０１１８】
「背景技術」の項で説明したような従来の車両の場合、図１６（ａ）に示されるように、段差に乗り上げるために駆動輪１２に付与した駆動トルクの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用するので、車体が後方に傾いてしまう。そのため、段差に乗り上げるときに、安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができない。
【０１１９】
これに対し、本実施の形態においては、搭乗部１４が能動重量部として機能し、図１６（ｂ）に示されるように、搭乗部１４を前後に移動させることによって、車両１０の重心位置を能動的に補正する。これにより、段差に乗り上げるときには、車体の重心を前方に移動させるので、段差に乗り上げるための駆動トルクを駆動輪１２に付与したときの反作用、すなわち、反トルクが車体に作用しても、車体が後方に傾いてしまうことがない。したがって、段差に乗り上げるときにも安定した車体姿勢及び走行の制御を行うことができる。本実施の形態は、特に停止状態及び低速走行状態から段差に進入する場合に効果的である。
【０１２０】
また、段差に乗り上げるための駆動トルクを、乗り上げ動作の間、リアルタイムで推定して駆動輪１２に付与する。これにより、任意の形状の段差に対して、安定した乗り上げが可能となる。
【０１２１】
すなわち、実施の形態においては、車両１０の重心位置補正や駆動トルクの付与を含む走行及び姿勢制御処理を実行することによって、車両１０は安定して段差を昇降することができる。
【０１２２】
走行及び姿勢制御処理において、制御ＥＣＵ２０は、まず、状態量の取得処理を実行し（ステップＳ１１）、各センサ、すなわち、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１及び能動重量部センサ６１によって、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態を取得する。
【０１２３】
次に、制御ＥＣＵ２０は、段差昇降トルクの決定処理を実行し（ステップＳ１２）、状態量の取得処理で取得した状態量、すなわち、駆動輪１２の回転状態、車体の傾斜状態及び搭乗部１４の移動状態と、各アクチュエータの出力値、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力値に基づき、オブザーバによって段差抵抗トルクを推定し、段差昇降トルクを決定する。ここで、前記オブザーバは、力学的なモデルに基づいて、制御系の内部状態を観測する方法であり、ワイヤードロジック又はソフトロジックで構成される。
【０１２４】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標走行状態の決定処理を実行し（ステップＳ１３）、ジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両１０の加速度の目標値、及び、駆動輪１２の回転角速度の目標値を決定する。
【０１２５】
次に、制御ＥＣＵ２０は、目標車体姿勢の決定処理を実行し（ステップＳ１４）、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルクと、目標走行状態の決定処理によって決定された車両１０の加速度の目標値に基づいて、車体姿勢の目標値、すなわち、車体傾斜角及び能動重量部位置の目標値を決定する。
【０１２６】
最後に、制御ＥＣＵ２０は、アクチュエータ出力の決定処理を実行し（ステップＳ１５）、状態量の取得処理によって取得された各状態量、段差昇降トルクの決定処理によって決定された段差昇降トルク、目標走行状態の決定処理によって決定された目標走行状態、及び、目標車体姿勢の決定処理によって決定された目標車体姿勢に基づいて、各アクチュエータの出力、すなわち、駆動モータ５２及び能動重量部モータ６２の出力を決定する。
【０１２７】
次に、走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。まず、状態量の取得処理について説明する。
【０１２８】
図１８は本発明の第３の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【０１２９】
本実施の形態においては、状態量やパラメータを次のような記号によって表す。
θW ：駆動輪回転角〔ｒａｄ〕
θ1 ：車体傾斜角（鉛直軸基準）〔ｒａｄ〕
λS ：能動重量部位置（車体中心点基準）〔ｍ〕
τW ：駆動トルク（２つの駆動輪の合計）〔Ｎｍ〕
ＳS ：能動重量部推力〔Ｎ〕
ｇ：重力加速度〔ｍ／ｓ2 〕
ｍW ：駆動輪質量（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇ〕
ＲW ：駆動輪接地半径〔ｍ〕
ＩW ：駆動輪慣性モーメント（２つの駆動輪の合計）〔ｋｇｍ2 〕
ＤW ：駆動輪回転に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
ｍ1 ：車体質量（能動重量部を含む）〔ｋｇ〕
ｌ1 ：車体重心距離（車軸から）〔ｍ〕
Ｉ1 ：車体慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
Ｄ1 ：車体傾斜に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
ｍS ：能動重量部質量〔ｋｇ〕
ｌS ：能動重量部重心距離（車軸から）〔ｍ〕
ＩS ：能動重量部慣性モーメント（重心周り）〔ｋｇｍ2 〕
ＤS ：能動重量部並進に対する粘性減衰係数〔Ｎｓ／ｒａｄ〕
2009159784.tif 000015
【０１３０】
次に、段差昇降トルクの決定処理について説明する。
【０１３１】
図１９は本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１３２】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ１２−１）。この場合、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、次の式（１２）により、段差抵抗トルクτD を推定する。
【０１３３】
【数１０】
2009159784.tif 000016
【０１３４】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ１２−２）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１３５】
このように、本実施の形態においては、駆動モータ５２が出力する駆動トルクと、状態量としての車両並進加速度を示す駆動輪回転角加速度、車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定する。この場合、駆動輪１２の回転状態を示す駆動輪回転角加速度だけでなく、車体姿勢の変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度も考慮している。すなわち、倒立振り子の姿勢制御を利用した車両、いわゆる倒立型車両に特有の要素である車体姿勢の変化を考慮している。
【０１３６】
従来においては、駆動トルクと駆動輪回転角加速度とに基づいて段差抵抗トルクを推定するため、特に車体の姿勢が変化しているとき、段差抵抗トルクの推定値に大きな誤差が生じることがあった。しかし、本実施の形態においては、車体の姿勢変化を示す車体傾斜角加速度及び能動重量部移動加速度をも考慮して段差抵抗トルクを推定するので、大きな誤差が生じることがなく、高い精度で段差抵抗トルクを推定することができる。
【０１３７】
一般的に、倒立型車両では、駆動輪と相対的に車体の重心が前後に移動するので、駆動輪が停止していても、車両の重心が前後に移動することがある。したがって、重心の加速度と駆動力、あるいは、駆動トルクとから段差抵抗トルクを高い精度で推定するためには、このような影響を考慮する必要がある。一般的な倒立型車両においては、車両全体に対する車体の重量比率が高く、かつ、段差昇降動作中の姿勢変化が大きいので、このような影響が大きくなる。
【０１３８】
また、本実施の形態においては、段差の昇降動作中に変化する段差抵抗トルクを常に推定している。例えば、段差の昇降動作中に一定の駆動トルクを駆動輪１２に付与すると、昇降終了直前に、車両１０が不必要に加減速してしまうことがある。これは、例えば、段差に乗り上げる場合、車両１０が段差を上るのと共に段差抵抗トルクが小さくなるためである。そこで、本実施の形態においては、段差昇降状態と共に変化する段差抵抗トルクの推定をリアルタイムで行い、その値を常に更新することで、常に段差の昇降動作に適した段差昇降トルクを付与するようになっている。
【０１３９】
なお、段差抵抗トルクの推定値にローパスフィルタをかけることによって、推定値の高周波成分を除去することもできる。この場合、推定に時間遅れが生じるが、高周波成分に起因する振動を抑制することができる。
【０１４０】
本実施の形態においては、慣性力のみを考慮しているが、駆動輪１２の転がり抵抗や回転軸の摩擦による粘性抵抗、あるいは、車両１０に作用する空気抵抗などを副次的な影響として考慮してもよい。
【０１４１】
また、本実施の形態においては、駆動輪１２の回転運動に関する線形モデルを使用しているが、より正確な非線形モデルを使用してもよいし、車体傾斜運動や能動重量部並進運動についてのモデルを使用してもよい。なお、非線形モデルについては、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１４２】
さらに、計算の簡略化のために、車体姿勢の変化を考慮しなくてもよい。
【０１４３】
次に、目標走行状態の決定処理について説明する。
【０１４４】
図２０は本発明の第３の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１４５】
目標走行状態の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、操縦操作量を取得する（ステップＳ１３−１）。この場合、乗員１５が、車両１０の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の走行指令を入力するために操作したジョイスティック３１の操作量を取得する。
【０１４６】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、取得したジョイスティック３１の操作量に基づいて、車両加速度の目標値を決定する（ステップＳ１３−２）。例えば、ジョイスティック３１の前後方向への操作量に比例した値を車両加速度の目標値とする。
【０１４７】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、決定した車両加速度の目標値から、駆動輪回転角速度の目標値を算出する（ステップＳ１３−３）。例えば、車両加速度の目標値を時間積分し、駆動輪接地半径ＲW で除した値を駆動輪回転角速度の目標値とする。
【０１４８】
次に、目標車体姿勢の決定処理について説明する。
【０１４９】
図２１は本発明の第３の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフ、図２２は本発明の第３の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１５０】
目標車体姿勢の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する（ステップＳ１４−１）。この場合、目標走行状態の決定処理によって決定された車両加速度の目標値と、段差昇降トルクの決定処理によって取得された段差昇降トルクτC に基づき、次の式（１３）及び（１４）により、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１５１】
【数１１】
2009159784.tif 000017
【０１５２】
【数１２】
2009159784.tif 000018
【０１５３】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、残りの目標値を算出する（ステップＳ１４−２）。すなわち、各目標値を時間微分又は時間積分することにより、駆動輪回転角、車体傾斜角速度及び能動重量部移動速度の目標値を算出する。
【０１５４】
このように、本実施の形態においては、車両加速度に伴って車体に作用する慣性力及び駆動モータ反トルクだけでなく、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC に伴って車体に作用する反トルクも考慮して、車体姿勢の目標値、すなわち、能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値を決定する。
【０１５５】
このとき、車体に作用して車体を傾斜させようとするトルク、すなわち、車体傾斜トルクを重力の作用によって打ち消すように、車体の重心を移動させる。例えば、車両１０が段差を上るときには、搭乗部１４を前方へ移動させ、あるいは、さらに車体を前方へ傾ける。また、車両１０が段差を下るときには、搭乗部１４を後方へ移動させ、あるいは、さらに車体を後方へ傾ける。
【０１５６】
本実施の形態においては、図２１に示されるように、まず、車体を傾斜させずに搭乗部１４を移動させ、該搭乗部１４が能動重量部移動限界に達すると、車体の傾斜を開始させる。そのため、細かい加減速に対しては車体が前後に傾かないので、乗員１５にとっての乗り心地が向上する。また、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が直立状態を維持するので、乗員１５にとっての視界の確保が容易となる。さらに、格別に高い段差でなければ、段差の上でも車体が大きく傾斜することがないので、車体の一部が路面に接触することが防止される。
【０１５７】
なお、本実施の形態においては、能動重量部移動限界が前方と後方とで等しい場合を想定しているが、前方と後方とで異なる場合には、各々の限界に応じて、車体の傾斜の有無を切り替えるようにしてもよい。例えば、加速性能よりも制動性能を高く設定する場合、後方の能動重量部移動限界を前方の限界よりも遠くに設定する必要がある。
【０１５８】
また、本実施の形態においては、加速度が低いときや段差が低いときには、搭乗部１４の移動だけで対応させているが、その車体傾斜トルクの一部又は全部を車体の傾斜で対応させてもよい。車体を傾斜させることにより、乗員１５に作用する前後方向の慣性力を軽減することができる。
【０１５９】
さらに、本実施の形態においては、線形化した力学モデルに基づいた式を使用しているが、より正確な非線形モデル又は粘性抵抗を考慮したモデルに基づいた式を使用してもよい。なお、式が非線形になる場合には、マップの形式で関数を適用することもできる。
【０１６０】
次に、アクチュエータ出力の決定処理について説明する。
【０１６１】
図２３は本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１６２】
アクチュエータ出力の決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、各アクチュエータのフィードフォワード出力を決定する（ステップＳ１５−１）。この場合、各目標値と段差昇降トルクτC とから、次の式（１５）により駆動モータ５２のフィードフォワード出力を決定し、また、次の式（１６）により能動重量部モータ６２のフィードフォワード出力を決定する。
【０１６３】
【数１３】
2009159784.tif 000019
【０１６４】
このように、段差抵抗トルクτD に応じた段差昇降トルクτC を自動的に付加することにより、つまり、段差抵抗トルクτD に応じて駆動トルクを補正することにより、段差の昇降の際にも、平地と同様の操縦感覚を提供することができる。すなわち、平地と同様の操縦操作で段差を乗り降りすることができる。また、ジョイスティック３１の一定の操縦操作に対して、段差の昇降の際に、車両１０が不必要な加減速を行うことがない。
【０１６５】
【数１４】
2009159784.tif 000020
【０１６６】
このように、本実施の形態においては、理論的にフィードフォワード出力を与えることによって、より高精度な制御を実現する。
【０１６７】
なお、必要に応じて、フィードフォワード出力を省略することもできる。この場合、フィードバック制御により、定常偏差を伴いつつ、フィードフォワード出力に近い値が間接的に与えられる。また、前記定常偏差は、積分ゲインを適用することによって低減させることができる。
【０１６８】
続いて、主制御ＥＣＵ２１は、各アクチュエータのフィードバック出力を決定する（ステップＳ１５−２）。この場合、各目標値と実際の状態量との偏差から、次の式（１７）により駆動モータ５２のフィードバック出力を決定し、また、次の式（１８）により能動重量部モータ６２のフィードバック出力を決定する。
【０１６９】
【数１５】
2009159784.tif 000021
【０１７０】
なお、スライディングモード制御等の非線形のフィードバック制御を導入することもできる。また、より簡単な制御として、ＫW2、ＫW3及びＫS5を除くフィードバックゲインのいくつかをゼロとしてもよい。さらに、定常偏差をなくすために、積分ゲインを導入してもよい。
【０１７１】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、各要素制御システムに指令値を与える（ステップＳ１５−３）。この場合、主制御ＥＣＵ２１は、前述のように決定したフィードフォワード出力とフィードバック出力との和を駆動トルク指令値及び能動重量部推力指令値として、駆動輪制御ＥＣＵ２２及び能動重量部制御ＥＣＵ２３に送信する。
【０１７２】
このように、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD をオブザーバによって推定し、段差昇降トルクτC を与えるとともに、搭乗部１４を段差の上段方向に移動させる。そのため、段差の上でも車体を直立に保持することができ、段差の昇降にも対応することができる。また、段差を計測する装置が不要となり、システム構成を簡素化してコストを低減することができる。
【０１７３】
さらに、車体の姿勢を示す車体傾斜角θ1 及び能動重量部位置λS も考慮して段差昇降トルクτC を推定するので、大きな誤差が生じることなく、極めて高い精度で段差昇降トルクτC を推定することができる。
【０１７４】
なお、本実施の形態は、段差を上るときだけでなく、段差を降りるときにも有効であることを注記する。段差昇降トルクの付与によって段差降下時の車両の加速を抑えるのと共に、搭乗部１４を後方に移動させることにより車体を直立に保持する。これは、以降で説明する第４の実施の形態でも同様である。
【０１７５】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【０１７６】
図２４は本発明の第４の実施の形態における曲率補正係数の変化を示す図、図２５は本発明の第４の実施の形態における速度補正係数の変化を示す図、図２６は本発明の第４の実施の形態における段差抵抗トルクの補正を説明する図、図２７は本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【０１７７】
段差抵抗トルクτD の推定、及び、推定された段差抵抗トルクτD に基づく車両１０の走行及び姿勢の制御に遅れが生じてしまうことがある。これは、駆動輪センサ５１、車体傾斜センサ４１、能動重量部センサ６１等のセンサの計測値のノイズに起因する段差抵抗トルクτD の推定値のノイズを除去するためにローパスフィルタを使用したり、段差抵抗トルクτD の推定計算に必要な加速度を得るために後退差分計算を行うためである。特に、段差に突入する車両１０の速度が高い場合に、遅れの影響が顕著に現れる。このような遅れが生じると、車両１０の不必要な加減速や車体の大きな傾斜が発生し、乗り心地が悪化してしまう。
【０１７８】
そこで、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値と、該推定値の時間変化率とに基づいて、前記推定値を少し未来の時刻における値に補正する。具体的には、線形外挿によって少し先の時刻の推定値であると予測される値に補正する。また、推定値の時間変化率及び曲率（時間変化加速度）の正負が異なる場合には、補正しない。さらに、駆動輪１２の回転速度の絶対値が大きいほど、前記推定値の補正量を大きくする。
【０１７９】
これにより、段差を昇降する際に、車両１０の走行状態や車体の姿勢がより安定したものとなる。また、段差に突入する車両１０の速度が高くても、段差昇降動作が安定したものとなる。
【０１８０】
次に、本実施の形態における走行及び姿勢制御処理の詳細について説明する。なお、走行及び姿勢制御処理の概要、状態量の取得処理、目標走行状態の決定処理、目標車体姿勢の決定処理及びアクチュエータ出力の決定処理については、前記第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略し、段差昇降トルクの決定処理についてのみ説明する。
【０１８１】
段差昇降トルクの決定処理において、主制御ＥＣＵ２１は、まず、段差抵抗トルクτD を推定する（ステップＳ１２−１１）。この場合、前記第３の実施の形態と同様に、状態量の取得処理で取得した各状態量と、前回（一つ前の時間ステップ）の走行及び姿勢制御処理におけるアクチュエータ出力の決定処理で決定した各アクチュエータの出力とに基づき、段差抵抗トルクτD を推定する。
2009159784.tif 000022
【０１８２】
【数１６】
2009159784.tif 000023
【０１８３】
ξCCは曲率補正係数であり、次の式（２０）で表され、図２４に示されるように変化する。
【０１８４】
【数１７】
2009159784.tif 000024
【０１８５】
なお、Δｔb は、差分計算の時間刻みである。時間刻みΔｔf 及びΔｔb は、例えば、ローパスフィルタの時定数ＴLPF を基準として、次の式（２１）で表されるような条件を満たす値が設定される。
Δｔf ≦ＴLPF ≦Δｔb   ・・・式（２１）
さらに、ξVCは速度補正係数であり、次の式（２２）で表され、図２５に示されるように変化する。
【０１８６】
【数１８】
2009159784.tif 000025
【０１８７】
このように、段差抵抗トルクτD は、該段差抵抗トルクτD の推定値と該推定値の時間変化率τD ’とに基づき、推定値を少し先の時刻で得られるであろうと予測される値に補正される。具体的には、図２６に示されるように、線形外挿によって少し先の時刻における推定値を予測する。この場合、前記式（２１）で表されるように、推定値算出時におけるローパスフィルタの時定数に比べて、時間変化率を求める差分計算の時間刻みを大きくし、線形外挿の時間刻みを小さくすることで、制御の安定性及び一貫性を確保する。このように、適切に未来の時刻における値を予測することで、推定遅れによる影響を低減することができる。
【０１８８】
なお、推定値の時間変化率τD ’の正負と曲率τD ”の正負とが異なる場合、すなわち、両者の積が負となる場合には補正を行わない。つまり、前記式（２０）及び図２４に示されるようにγがゼロ以下の範囲では、曲率補正係数ξCCをゼロにして、補正を行わない。そして、前記積の正負が反転するときの不連続性を解消するために、連続的な補正関数を与える。これにより、線形外挿における過大な補正を防止し、適切な推定及び制御を行うことができる。
2009159784.tif 000026
【０１８９】
最後に、主制御ＥＣＵ２１は、段差昇降トルクτC を決定する（ステップＳ１２−１３）。この場合、推定した段差抵抗トルクτD の値を段差昇降トルクτC の値とする。すなわち、τC ＝τD とする。
【０１９０】
これにより、段差を昇降する際に、車両１０の走行状態や車体の姿勢をより安定したものとすることができる。
【０１９１】
なお、本実施の形態においては、線形外挿、すなわち、１次の外挿によって未来の時刻における値を予測した場合についてのみ説明したが、より高次の外挿によって補正量を決定することもできる。
【０１９２】
また、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値の大きさに無関係に補正を行う場合についてのみ説明したが、前記推定値の絶対値が所定の閾値を上回ったときにのみ補正を行うことにより、段差に対してのみ適切な補正を行うようにすることもできる。
【０１９３】
このように、本実施の形態においては、段差抵抗トルクτD の推定値を、該推定値の時間変化率に基づいて予測した未来の時刻における値に補正するようになっている。したがって、段差を昇降する際に、車両１０の走行状態や車体の姿勢がより安定する。特に、段差に突入する車両１０の速度が高くても、段差昇降動作が安定する。これにより、車両１０は、段差昇降の際に、より安全に、かつ、より快適に走行することができる。
【０１９４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における車両の構成を示す概略図であり乗員が搭乗した状態で加速前進している状態を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における車両の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における車両の坂道における動作を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施の形態における車両の力学モデル及びそのパラメータを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における曲率補正係数の変化を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における速度補正係数の変化を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態における路面勾配の補正を説明する図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における路面勾配の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における車両の段差昇降動作を示す概略図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における車両の走行及び姿勢制御処理の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における状態量の取得処理の動作を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の第３の実施の形態における目標走行状態の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２１】本発明の第３の実施の形態における能動重量部位置の目標値及び車体傾斜角の目標値の変化を示すグラフである。
【図２２】本発明の第３の実施の形態における目標車体姿勢の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２３】本発明の第３の実施の形態におけるアクチュエータ出力の決定処理の動作を示すフローチャートである。
【図２４】本発明の第４の実施の形態における曲率補正係数の変化を示す図である。
【図２５】本発明の第４の実施の形態における速度補正係数の変化を示す図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態における段差抵抗トルクの補正を説明する図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態における段差昇降トルクの決定処理の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１９６】
１０    車両
１２    駆動輪
１４    搭乗部
２０    制御ＥＣＵ
【図１】
2009159784.tif 000027
【図２】
2009159784.tif 000028
【図３】
2009159784.tif 000029
【図４】
2009159784.tif 000030
【図５】
2009159784.tif 000031
【図６】
2009159784.tif 000032
【図７】
2009159784.tif 000033
【図８】
2009159784.tif 000034
【図９】
2009159784.tif 000035
【図１０】
2009159784.tif 000036
【図１１】
2009159784.tif 000037
【図１２】
2009159784.tif 000038
【図１３】
2009159784.tif 000039
【図１４】
2009159784.tif 000040
【図１５】
2009159784.tif 000041
【図１６】
2009159784.tif 000042
【図１７】
2009159784.tif 000043
【図１８】
2009159784.tif 000044
【図１９】
2009159784.tif 000045
【図２０】
2009159784.tif 000046
【図２１】
2009159784.tif 000047
【図２２】
2009159784.tif 000048
【図２３】
2009159784.tif 000049
【図２４】
2009159784.tif 000050
【図２５】
2009159784.tif 000051
【図２６】
2009159784.tif 000052
【図２７】
2009159784.tif 000053