JP2004338507A - 自動二輪車 - Google Patents

Abstract

【課題】ふらつくことなく、走行路に沿って安定した自動走行を可能とする自動二輪車を提供する。
【解決手段】後輪２を転舵アクチュエータ３で転舵軸Ｏ_Ｔ 回りに回転して転舵すると共に、後輪２を支持するスイングアーム１５を揺動アクチュエータ４で揺動軸Ｏ_Ｙ 回りに回転して揺動することにより前輪１と後輪２との相対位置を調整して重心点の対地相対位置を調整可能とし、転舵角指令値τζは車体のロール角Φに基づいて設定し、揺動角指令値τξは車体のヨー角Ψに基づいて設定する。揺動角指令値τξは、ヨーレートΨ’を加味して操縦性を高めると共に、重心点横変位ｙを加味して横風外乱等の入力に対する安定性を高める。指令値算出に際し、各フィードバックゲインを走行速度ｕやヨーレートΨ’に応じて設定する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車体の前方及び後方の夫々に前輪及び後輪を一輪ずつ配設した自動二輪車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動二輪車は、乗員がシートに跨って着座し、操舵ハンドルを操舵して前輪を転舵すると共に、自身を横（左右）方向に移動させて釣り合いをとりながら走行するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動二輪車を自律走行させようとすると、乗員が横方向に移動しないことが前提となるので、走行中の釣り合いがとりにくく、実質的に自動二輪車の自律走行は不可能であると考えられている。
本発明は前記諸問題を解決すべく開発されたものであり、自律走行を可能とする自動二輪車を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記諸問題を解決するため、本発明のうち請求項１に係る自動二輪車は、車体の前方及び後方の夫々に前輪及び後輪を一輪ずつ配設し、前記前輪及び後輪の何れかの車輪を転舵軸周りに転舵する転舵手段と、前記前輪及び後輪の何れかの車輪を横方向に移動して両者の相対位置を調整する揺動手段と、前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、少なくとも自律走行するために必要なヨー運動量及びロール運動量の目標値を算出し、このヨー運動量及びロール運動量の目標値に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【０００５】
なお、本発明の自律走行とは、ふらつかず、走行路に沿って、安定して走行することを意味している。特に、ふらつかないことは、安定して走行するためにも、走行路に沿って走行するためにも重要である。
また、本発明のうち請求項２に係る自動二輪車は、前記請求項１の発明において、前記制御手段は、前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明のうち請求項３に係る自動二輪車は、前記請求項１又は２の発明において、自車両に発生するロール運動量を検出するロール運動量検出手段と、自車両に発生するヨー運動量を検出するヨー運動量検出手段とを備え、前記制御手段は、前記ロール運動量検出手段で検出されたロール運動量検出値と前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、前記ヨー運動量検出手段で検出されたヨー運動量検出値と前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御することを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明のうち請求項４に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至３の何れかの発明において、前記転舵手段による車輪の転舵量を検出する転舵量検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵量検出手段で検出された車輪の転舵量に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項５に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至４の何れかの発明において、前記揺動手段による車輪の揺動量を検出する揺動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記揺動量検出手段で検出された車輪の揺動量に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のうち請求項６に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至５の何れかの発明において、自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のうち請求項７に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至６の何れかの発明において、自車両の重心点の横移動量を検出する重心点横移動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記重心点横移動量検出手段で検出された重心点横移動量検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項８に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至７の何れかの発明において、自車両の走行速度を検出する走行速度検出手段を備え、前記制御手段は、少なくとも前記揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを前記走行速度検出手段で検出された走行速度検出値に基づいて設定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項９に係る自動二輪車は、前記請求項１乃至８の何れかの発明において、自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて設定することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項１０に係る自動二輪車は、前記請求項１の発明において、前記制御手段は、前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のうち請求項１１に係る自動二輪車は、前記請求項１又は１０の発明において、自車両に発生するヨー運動量を検出するヨー運動量検出手段と、自車両に発生するロール運動量を検出するロール運動量検出手段とを備え、前記制御手段は、前記ヨー運動量検出手段で検出されたヨー運動量検出値と前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、前記ロール運動量検出手段で検出されたロール運動量検出値と前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明のうち請求項１２に係る自動二輪車は、前記請求項１０又は１１の発明において、前記制御手段は、前記揺動手段による車輪の揺動量と転舵手段による車輪の転舵量とを、同じか又はほぼ同じ大きさで逆向きに制御することを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項１３に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１２の何れかの発明において、前記制御手段は、前記揺動手段によって車輪が揺動されているときに発生する横力が小さくなるように前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項１４に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１３の何れかの発明において、前記制御手段は、前記揺動手段によって車輪が揺動されているときに発生する横力と逆向きの横力が発生するように前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項１５に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１４の何れかの発明において、前記転舵手段による車輪の転舵量を検出する転舵量検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵量検出手段で検出された車輪の転舵量に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項１６に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１５の何れかの発明において、前記揺動手段による車輪の揺動量を検出する揺動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記揺動量検出手段で検出された車輪の揺動量に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項１７に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１６の発明において、自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項１８に係る自動二輪車は、前記請求項１０乃至１７の発明において、自車両の重心点の横移動量を検出する重心点横移動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記重心点横移動量検出手段で検出された重心点横移動量検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の自動二輪車の第１実施形態について説明する。
図１は、自律走行を可能とする自動二輪車の一実施形態を示す外観図、図２は、図１の自動二輪車の主要構成部材の組立説明図である。
この自動二輪車は、車体前方に前輪１、車体後方に後輪２を備え、夫々、スイングアーム１４、１５を介して車体フレーム１３に揺動可能に取付けられている。また、本実施形態の自動二輪車の前輪１はモータ１１で駆動されるように構成されている。前記車体フレーム１３の上には車体カバー１６が搭載され、この車体カバー１６内に乗員室１７が形成される。乗員室１７内には、乗員が着座するシート１８が配設されると共に、操舵入力を付与するためのハンドル１９が設けられている。
【００２０】
本実施形態の自動二輪車では、原則として乗員は操舵しない。即ち、前記ハンドル１９は、あくまで操舵入力を付与するためだけのものであって、ハンドル１９を操舵したからといって転舵輪が転舵するわけではない。所謂、ステアバイワイヤと呼ばれるシステムと同様に、ハンドル１９の操舵角と転舵輪の転舵角とは機械的に連結されていない。但し、四輪車両のように単に転舵輪を転舵するだけではバランスを維持できない。通常の自動二輪車の場合、乗員が操舵しながら重心点を移動することによってバランスを維持しているが、操舵しない乗員は重心点を如何様に移動させればよいかが分からない。そこで、本実施形態では、前輪１と後輪２との相対位置を調整することにより、重心点を移動させる代わりにバランスを維持する。
【００２１】
具体的な構成を図２及び図３に示す。まず、本実施形態では、前記自動走行を可能とするために、転舵輪を後輪２とする。後輪２は、転舵アクチュエータ３によって、略上下方向の転舵軸Ｏ_Ｔ 回りに回転し、転舵される。更に、この後輪２を前記車体フレーム１３に連結するスイングアーム１５そのものを揺動アクチュエータ４によって略上下方向の揺動軸Ｏ_Ｙ 回りに回転して揺動し、後輪２と前輪１との相対位置を調整する。つまり、乗員が乗車しているときの車体の重心点の位置が一定であるとすると、前輪１と後輪２との相対位置を調整することにより、車体の重心点の対地相対位置が変化する。これを利用して、重心点位置の調整を行う。なお、前記転舵アクチュエータ３及び揺動アクチュエータ４は、何れも電動モータなどによって構成される。
【００２２】
この実施形態の自動二輪車で自動走行を行うためのシステム概略構成図を図４に示す。図に示すパワーシステム６は、給電用バッテリの充放電を管理するためのものであり、例えばバッテリの充電は、前輪駆動用モータ１１を所謂回生作動させ、発電機として使用することによって行われる。本実施形態の自動二輪車の出力端である前輪駆動用モータ１１、転舵アクチュエータ３、揺動アクチュエータ４は、何れも電動アクチュエータなので、後述するコントロールユニット５からの制御信号を受けながらパワーシステム６によって駆動状態が制御される。
【００２３】
車両には、前記後輪２の転舵角ζを検出する転舵角センサ２１、前記後輪２の前輪１に対する揺動角（以下、単に後輪２の揺動角とも記す）ξを検出する揺動角センサ２２、車体のヨー角Ψを検出するヨー角センサ２３、車体のロール角Φを検出するロール角センサ２４、車体重心点の横変位ｙを検出する重心点横変位センサ２５、走行速度ｕを検出する走行速度センサ２６、自車両の位置を検出するＧＰＳ２７、前記ハンドル１９の操舵角θを検出する操舵角センサ２８等を備え、それらの出力は後述するコントロールユニット５に入力される。なお、前記ヨー角センサ２３は、ヨーレートセンサ等によって検出されたヨー角速度、所謂ヨーレートを積分して用いてもよい。また、重心点横変位センサ２５は、加速度センサ等によって検出された加速度を二回積分して用いてもよい。
【００２４】
また、前記ハンドル１９の近傍には、乗員によって操作され、走行速度を設定するためのアクセルスイッチやコーストスイッチなどからなる走行速度入力スイッチ２０が設けられており、その出力が前記コントロールユニット５に入力される。
また、前記乗員室１７の前方には、各種の状態をモニタするためのディスプレイ１０が設けられている。具体的には、前記走行速度センサ２６で検出された走行速度ｕを表示するための速度表示モニタ３１、前記ＧＰＳ２７の検出内容を表示するためのＧＰＳモニタ３２、コントロールユニット５によって制御されている自車両の走行状態を表示する走行状態表示モニタ３３などを構成している。
【００２５】
前記コントロールユニット５は、例えばマイクロコンピュータ等の高度演算処理装置を備えて構成されている。このコントロールユニット５では、後述する各種の演算処理を行って、前記前輪駆動用モータ１１、転舵アクチュエータ３、揺動アクチュエータ４の駆動状態を設定し、その駆動状態が達成される制御信号を各アクチュエータ並びに前記パワーシステム６に向けて出力する。なお、各アクチュエータの作動状態はパワーシステム６でモニタされたものをコントロールユニット５が読込む。例えば前輪駆動用モータ１１の駆動トルクは、各モータの消費電流値から検出することができる。また、車両を加速する場合には各モータを駆動作動し、減速する場合には各モータを回生作動させればよい。
【００２６】
次に、前記コントロールユニット５内で行われるロジックについて説明する。本実施形態の自動二輪車の加減速制御は、前述のように各モータの作動状態を制御することによって行われる。本実施形態の自動二輪車では、ふらつくことなく、走行路の沿って走行するために、前記転舵角ζ、揺動角ξ、ヨー角Ψ、ロール角Φの関係を求める。
【００２７】
本実施形態のように自動二輪車を、ふらつくことなく、走行路に沿って走行させるための理論の根源は、所謂自律ロボットなどと同じ、倒立振子の原理から開始された。つまり、乗員は乗車していてもバランスの調整をしないので、搭載されている乗員は質量と同じであるという考え方である。このような倒立振子に相当する自動二輪車を車輪の向きが生み出す横力で姿勢制御することは可能である。しかし、それだけでは、ふらつきを抑制するのが限界であり、ふらつくことなく、走行路の沿って安定して走行することはできない。自動二輪車がふらつくことなく、走行路に沿って安定して走行するためには、重心点の微妙な調整が必要であり、通常は乗員がそれを調整しているから安定走行が可能なのである。そこで、前述のように、本実施形態では車輪の位置を動かすことによって、重心点の対地相対位置を調整するようにした。
【００２８】
図５に本実施形態の自動二輪車の走行ロジックの概念を示す。図の左半部はプラント、即ち自動二輪車と乗員とによる出力状態を示し、図の右半部はアクチュエータ、即ち制御系の出力状態を示す。プラントの出力は速度ｕ、その時間微分値、ロール角Φ、その時間微分値、ヨー角Ψ、その時間微分値などが挙げられる。これに対応するアクチュエータの出力は、トルクＱ、その時間微分値、転舵角ζ、その時間微分値、揺動角ξ、その時間微分値などが挙げられる。この走行ロジックの目的は、プラントの出力とアクチュエータの出力との間の相関を求め、必要なプラント出力をアクチュエータの出力に置換することである。
【００２９】
今、図６に示すように、プラント、即ち自動二輪車と乗員との出力が走行速度ｕ、ロール角Φ、ヨー角Ψ、重心点横変位ｙとする。このプラント中におけるアクチュエータの出力が転舵角ζ、揺動角ξ、加速度ωである。但し、加速度ωは、前記モータの出力状態によって制御されるものであり、直接的な姿勢制御の対象としては取り扱わない。また、操舵入力θは、後述する目標ロール角Φ_０ や目標ヨー角Ψ_０ を設定するためのものであり、それ自体をプラントの出力としては扱わない。
【００３０】
また、各アクチュエータの制御信号としては、駆動トルク指令値Ｑ、転舵角指令値τζ、揺動角指令値τξや、前記加速度ωを達成するための減速指令値τ_Ｂ 、加速指令値τ_Ａ 等が挙げられる。一方、制御入力は、前記走行速度入力スイッチ２０で入力される走行速度指令値ｖ、操舵角センサ２８で検出された操舵角θが挙げられる。これらの制御入力と、前記各センサで検出された走行速度ｕ、ロール角Φ、ヨー角Ψ、重心点横変位ｙ、転舵角ζ、揺動角ξ等を用い、適宜演算処理を行って前記制御信号である駆動トルク指令値Ｑ、転舵角指令値τζ、揺動角指令値τξを求める。
【００３１】
車両の走行方向並びに姿勢を制御するのは、前記転舵角指令値τζ、揺動角指令値τξであるから、以後、これらの指令値の算出理論について説明する。本実施形態では、例えば前記揺動角ξは、前後輪の相対位置を調整するものであるから、自転運動、即ちヨーイングの運動を制御するものであると考える。また、前記ヨーイング運動は、周知のように操縦性を制御するものであるから、ヨーイング運動を揺動角ξによって制御するのなら、操縦性を示すヨーレートΨ’に基づいても揺動角ξを制御すべきである。これに対し、自動二輪車における転舵角ζは、所謂キャンバスラストに関与して対地キャンバ角の制御、自動二輪車ではローリングの運動を制御するものであると考える。即ち、本実施形態は、転舵によって横力を発生し、その横力を揺動、つまり前後輪の相対位置調整によって調整することでバランスをとろうとするものである。言い換えれば、一般的な自動二輪車で、乗員が行う操作の順に操縦を行うものである。
【００３２】
また、前記揺動角ξは、前述のように、本実施形態では重心点の対地相対位置を制御するためのものであるから、例えば前記重心点横変位ｙを制御入力とした場合には、この重心点横変位ｙに応じても揺動角ξを制御すべきである。なお、この重心点横変位ｙは、例えば横風外乱など、転舵や揺動以外の入力を想定している。また、転舵角センサ２１で検出された転舵角ζに基づいて転舵角指令値τζをフィードバック制御する必要があるし、揺動角センサ２２で検出された揺動角ξに基づいて揺動角指令値τξをフィードバック制御する必要もある。
【００３３】
このような原理に基づいて、前記転舵角指令値τζを下記１式で、揺動角指令値τξを下記２式で表した。１式は、目標ロール角Φ_０ と検出されたロール角Φとの差分値及び検出された転舵角ζを用いたＰＩＤ（比例ー微分ー積分）要素からなり、２式は目標ヨー角Ψ_０ と検出されたヨー角Ψとの差分値及びヨー角Ψの時間微分値、即ちヨーレートΨ’の変化量及び検出された重心転横変位ｙの変化量及び検出された揺動角ξを用いたＰＩＤ要素からなる。なお、式中のＧ_１ 〜Ｇ_１２及びＫ_１ 〜Ｋ_６ は各項に係るフィードバックゲインである。
【００３４】
【数１】

【００３５】
ここで、前記目標ロール角Φ_０ 及び目標ヨー角Ψ_０ の設定方法について説明する。例えば、車両ロール角Φと走行速度ｕ及び走行路曲率半径Ｒとの理想的な関係は、車輌モデル式を解析した下記３式で与えられる。
【００３６】
【数２】

【００３７】
但し、ｇは重力加速度である。
これに対し、車体がロール角Φで傾斜したためにタイヤが地面から受ける横力と垂直力との割合をＣｈ、車体がヨー角Ψで横滑りしたためにタイヤが地面から受ける横力と垂直力との割合をＣｆとしたとき、横力Ｆｓに対し、下記４式が成立する。なお、前記車体がロール角Φで傾斜したためにタイヤが地面から受ける横力と垂直力との割合Ｃｈ、車体がヨー角Ψで横滑りしたためにタイヤが地面から受ける横力と垂直力との割合Ｃｆは、何れも凡そタイヤの特性で決まる定数である。
【００３８】
【数３】

【００３９】
前記４式を前記３式に代入して下記５式を得る。
【００４０】
【数４】

【００４１】
前記３式で得られるロール角Φを前記目標ロール角Φ_０ とし、この目標ロール角Φ_０ を用いて前記５式で得られるヨー角Ψを前記目標ヨー角Ψ_０ とすれば、前記１式及び２式から転舵角指令値τζ及び揺動角指令値τξを得ることができる。図７には、走行路曲率半径Ｒ及び走行速度ｕを用いて目標ロール角Φ_０ 及び目標ヨー角Ψ_０ を設定するための制御マップの一例を示した。
【００４２】
但し、実際には走行路曲率半径Ｒと走行速度ｕとから目標ロール角Φ_０ 及び目標ヨー角Ψ_０ を設定することは困難である。特に、走行路の曲率半径は細かく変化し続けているし、仮に走行路曲率半径を細かく検出することができても、走行路のどの部分を走行するのが最も理想的なのかまでは判定できない。そこで、本実施形態では、前記操舵入力である操舵角θから、例えばこれから走行しようとする走行路における目標ヨーレートを求め、その目標ヨーレートを達成するための目標ロール角Φ_０ 及び目標ヨー角Ψ_０ を設定する。目標ヨーレートは、周知の車両運動方程式に従って、走行速度ｕや操舵角θ或いはその微分値に基づいて設定可能である。また、目標ヨーレートが決まれば、自動二輪車の場合、車両を旋回内側に回す力、即ちコーナリングフォースやキャンバスラストを考慮することにより、目標ロール角Φ_０ 及び目標ヨー角Ψ_０ を設定することができる。
【００４３】
一方、車両モデル式を解析することにより、前記１式及び２式中のフィードバックゲインＧ_１ 、Ｇ_３ 、Ｇ_６ 、Ｇ_９ 、Ｇ_１０、Ｇ_１２及びＫ_１ 〜Ｋ_４ 、Ｋ_６ は車両諸元やタイヤ特性から決まる固定フィードバックゲインでよいが、Ｇ_４ 、Ｇ_５ 、Ｇ_７ 、Ｇ_８ 、Ｋ_５ は走行速度ｕに依存するフィードバックゲイン、Ｇ_２ 、Ｇ_１１は走行速度ｕ及びヨーレートΨ’に依存するフィードバックゲインであることが明らかとなった。つまり、前述した可変性のフィードバックゲインは、パラメータを考慮して設定しないと、前記１式及び２式が正しく記述されないことになる。
例えば、前記走行速度ｕにのみ依存するフィードバックゲインＧ_４ 、Ｇ_５ 、Ｇ_７ 、Ｇ_８ 、Ｋ_５ の一例を下記表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
また、前記走行速度ｕ及びヨーレートΨ’に依存するフィードバックゲインＧ_２ の一例を図９に、同じくフィードバックゲインＧ_１１の一例を図９に示す。
このようにフィードバックゲインを正しく設定することにより、前記１式及び２式が正しく記述され、その結果、走行速度ｕやヨーレートΨ’に応じた転舵角指令値τζ及び揺動角指令値τξを正しく得ることができ、自動二輪車を走行路に沿って、ふらつくことなく、安定して走行させることが可能となる。
【００４６】
次に、本発明の自動二輪車の第２実施形態について説明する。前述したように、前記第１実施形態の自動二輪車は、一般的な自動二輪車で、乗員が行う操作の順に操縦を行うものであり、まず転舵によって横力を発生し、その横力を揺動、つまり前後輪の相対位置調整によってバランスをとろうとするものである。これに対し、本実施形態では、前後輪の相対位置をずらすことによって車両を横に傾け、つまりローリングさせ、不要な横力が発生しないように転舵する、つまり車輪の向きを調整する。即ち、揺動、つまり前後輪の相対位置調整によってローリング運動量を制御し、転舵によって横力、つまりヨーイング運動量を制御する。
【００４７】
まとめると、本実施形態ではヨーイングの運動を転舵角ζで制御し、ローリングの運動を揺動角ξで制御する。ヨーレートはヨーイング運動量の一種であるから、ヨーレートのフィードバック制御も転舵角ζで行う。但し、転舵角ζ自身のサーボ制御は転舵角ζで行わなければならないし、揺動角ξ自身のサーボ制御は揺動角ξで行わなければならない。また、前記第１実施形態と同様に、重心点の対地相対位置制御は揺動角ξでしか行えないので、前記重心点横変位ｙに応じても揺動角ξを制御すべきである。
【００４８】
以上より、本実施形態における前記転舵角指令値τζは下記６式で、揺動角指令値τξは下記７式で表れる。６式は、目標ヨー角Ψ_０ と検出されたヨー角Ψとの差分値及びヨー角Ψの時間微分値、即ちヨーレートΨ’の変化量及び検出された転舵角ζを用いたＰＩＤ（比例ー微分ー積分）要素からなり、７式は目標ロール角Φ_０ と検出されたロール角Φとの差分値及び検出された重心転横変位ｙの変化量及び検出された揺動角ξを用いたＰＩＤ要素からなる。なお、式中のＧ_１０１ 〜Ｇ_１１２ 及びＫ_１０１ 〜Ｋ_１０６ は各項に係るフィードバックゲインである。
【００４９】
【数５】

【００５０】
前記６式及び７式中の全てのフィードバックゲインは、車両諸元やタイヤ特性によって決まる固定ゲインでよい。これは、前述のように、始めに揺動角ξ、つまり前後輪の相対位置を調整してローリング運動を制御しようとするためである。前後輪の相対位置を調整することは、いわば車体重心点を支える位置を調整するだけであるから、少なくともそのことによって横力が変化することはない。前記第１実施形態では、始めに転舵角ζを調整してヨーイングを制御しようとするため、横力変化に伴うヨーレート及びヨーレートの制御因子である走行速度に応じてフィードバックゲインを調整しなければならないが、本実施形態では横力が変化しないのでフィードバックゲインを固定化することが可能となる。
【００５１】
次に、本実施形態における揺動角ξと転舵角ζとの関係について考察する。通常の自動二輪車を考えれば分かるように、ローリング運動を伴いながら重心点位置が調整された定常旋回状態では、転舵角は“０”か、又はほぼ“０”でよい。つまり、旋回に必要な横力はローリング運動によるキャンバスラストで担われており、転舵によるコーナリングフォースを付加する必要は殆どない。この状態は、車体と転舵輪とが平行であることを意味するから、定常旋回状態で横力を変化させる必要のないときは、揺動角ξと転舵角ζとは、大きさが同じか又はほぼ同じで且つ逆向き（逆相ともいう）であればよい。
【００５２】
図１０は定常旋回状態における揺動角ξと転舵角ζとの関係を示している。このような定常旋回状態では、前述のように横力を変化させる必要がないので、前記揺動角ξと転舵角ζとは、大きさが同じか又はほぼ同じで且つ逆向きであればよくこれにより走行状態を安定化させることが可能となる。しかしながら、揺動角ξが変化しているとき、つまり車輪を動かしているとき（揺動の過渡期）には、その動かすという動作によって横力が変化する。揺動の過渡期に横力が変化すると、所謂バランスが崩れてしまうので、この横力がキャンセルされるように転舵角ζを調整する。
【００５３】
今、仮に転舵輪である後輪の着力点（タイヤ接地点）と前記転舵軸とが平面視において同一であるとして、横力が発生している点、つまり後輪着力点の横移動速度は、揺動角ξの時間微分値に揺動腕の長さΓを乗じた値ξ’Γになる。この横力発生点の横移動速度ξ’Γを、前後（縦）方向への移動速度である走行速度ｕで除すと、横力発生点の対地移動角度、所謂横滑り角βが得られる。揺動過渡期の横力は、この横滑り角βに応じて発生するので、転舵角ζにより横滑り角βをキャンセルしてやればよい。これを前記揺動角ξ及び転舵角ζの関係に組み込むと、下記８式が得られる。
【００５４】
【数６】

【００５５】
このように転舵輪の揺動過渡期に発生する横力が小さくなるように転舵角を制御することにより、揺動過渡期の車両挙動が安定する。
この考え方を更に発展させると、前記横滑り角βより少し大きい転舵角ζを与えてやると、それに伴う横力、この場合は転舵輪揺動の横力と逆向きの横力が発生し、それが転舵輪揺動を補助することになる。その条件を満たす揺動角ξと転舵角ζとの関係を下記９式に示す。
【００５６】
【数７】

【００５７】
前記９式の条件の下に揺動角ξ及び転舵角ζを制御すると、転舵輪揺動のための揺動アクチュエータ４の負荷が軽減され、エネルギ損を減少することができる。また、理論上は、揺動アクチュエータ４を不要とすることも可能であるが、実際にはローリング状態における横力に対し、揺動角ξを保持する必要があるため、なくしてしまうことはできない。
【００５８】
図１１は、本実施形態の制御量の経時変化を示したものである。本実施形態では、初期動作として転舵輪揺動、即ち前後輪相対位置調整を行うため、横力が変化せず或いは変化しても転舵角制御によってそれをキャンセルすることができるので、比較的速やかに収束（減衰）し、安定状態になる。これに対し、前記第１実施形態では、初期動作として転舵を行うため、横力が変化し、これを減少するために転舵輪を揺動し、つまり前後輪相対位置調整を行い、このときにまた横力が変化し、これを繰り返すために、どうしても発散しがちになる。
【００５９】
なお、前記実施形態では、モデル式から得たフィードバックゲインのパラメータとして走行速度ｕ及びヨーレートΨ’のみについて説明したが、これ以外のパラメータを考慮するようにしてもよい。一例としては、例えば車両の空力係数やタイヤ係数などが挙げられる。空力係数としては、例えば空力が車体に最初に作用して重心点位置まで伝達されるのに数十ｍｓｅｃ． かかるので、車体先端で空力を検出し、重心点に作用する前に処理を施すようにすることが考えられる。また、タイヤ係数としては、例えば転舵角に対する横力の作用を考慮するようにしてもよい。
【００６０】
また、前記実施形態では、乗員による情報として操舵角θ及び設定速度ｖのみを取り上げたが、例えば加速指令や減速指令、停車指令、発進指令、旋回指令などを取り扱うようにしてもよい。
また、前記実施形態では、車両を操縦するために操舵角を操舵入力として付与するようにしたが、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ）から地図情報を読込み、これから走行する走行路の形態に合わせて自動操舵を行うようにすることも可能である。即ち、前述したように目標とするヨー運動は走行路に沿って走行するためのものであるから、操舵入力に代えて、走行路情報として走行路曲率半径が得られれば、目標とするヨー運動を設定することができ、結果的に走行路に沿って走行することが可能となる。また、これに加えて、例えば路面勾配や路面摩擦係数などを考慮するようにしてもよい。ちなみに、何れのパラメータも周知の手法により、走行路情報として取り扱うことができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る自動二輪車によれば、前輪及び後輪の何れかの車輪を転舵手段で転舵し、前輪及び後輪の何れかの車輪を横方向に移動して両者の相対位置を揺動手段で調整するようにすると共に自律走行するために必要なヨー運動量及びロール運動量の目標値を算出し、このヨー運動量及びロール運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、ふらつくことなく、走行路に沿って走行することが可能となり、結果的に自律走行を可能とする。
【００６２】
また、本発明のうち請求項２に係る自動二輪車によれば、自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、前後輪の相対位置調整によるヨー運動量と転舵輪の転舵によるロール運動量とをバランスさせてふらつくことなく、走行路に沿って走行することができる。
【００６３】
また、本発明のうち請求項３に係る自動二輪車によれば、検出されたロール運動量検出値と自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、検出されたヨー運動量検出値と自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
【００６４】
また、本発明のうち請求項４に係る自動二輪車によれば、検出された車輪の転舵量に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
また、本発明のうち請求項５に係る自動二輪車によれば、検出された車輪の揺動量に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
【００６５】
また、本発明のうち請求項６に係る自動二輪車によれば、検出されたヨーレート検出値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、十分な操縦性を確保することができる。
また、本発明のうち請求項７に係る自動二輪車によれば、検出された重心点横移動量検出値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、横風外乱等に対し、十分な安定性を確保することができる。
【００６６】
また、本発明のうち請求項８に係る自動二輪車によれば、揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを検出された走行速度検出値に基づいて設定する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
また、本発明のうち請求項９に係る自動二輪車によれば、転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを検出されたヨーレート検出値に基づいて設定する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
【００６７】
また、本発明のうち請求項１０に係る自動二輪車によれば、自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、前後輪の相対位置調整による横傾き量、即ちロール運動量と転舵輪の転舵による横力の調整量、即ちヨー運動量とをバランスさせてふらつくことなく、走行路に沿って走行することができる。
【００６８】
また、本発明のうち請求項１１に係る自動二輪車によれば、検出されたヨー運動量検出値と自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、検出されたロール運動量検出値と自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
【００６９】
また、本発明のうち請求項１２に係る自動二輪車によれば、揺動される車輪の揺動量と転舵される車輪の転舵量とを、同じか又はほぼ同じ大きさで逆向きに制御する構成としたため、前後輪の相対位置調整による横力を小さくして自車両の走行状態を安定化することができる。
また、本発明のうち請求項１３に係る自動二輪車によれば、車輪が揺動されているときに発生する横力が小さくなるように車輪の転舵量を制御する構成としたため、車輪揺動時の横力を小さくして自車両の走行状態を安定化することができる。
【００７０】
また、本発明のうち請求項１４に係る自動二輪車によれば、車輪が揺動されているときに発生する横力と逆向きの横力が発生するように車輪の転舵量を制御する構成としたため、車輪の転舵で揺動を補助することができる。
また、本発明のうち請求項１５に係る自動二輪車によれば、検出された車輪の転舵量に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
【００７１】
また、本発明のうち請求項１６に係る自動二輪車によれば、検出された車輪の揺動量に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、ふらつきをなくし、より確実に走行路に沿って走行することができる。
また、本発明のうち請求項１７に係る自動二輪車によれば、検出されたヨーレート検出値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御する構成としたため、十分な操縦性を確保することができる。
また、本発明のうち請求項１８に係る自動二輪車によれば、検出された重心点横移動量検出値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御する構成としたため、横風外乱等に対し、十分な安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自動二輪車の一実施形態を示す外観図である。
【図２】図１の自動二輪車の組立説明図である。
【図３】図１の自動二輪車の転舵及び揺動調整のための構成図である。
【図４】図１の自動二輪車の自動走行制御装置の概略構成図である。
【図５】図１の自動二輪車のシャシダイナモの説明図である。
【図６】図１の自動二輪車のコントロールユニットで行われるロジックの概念図である。
【図７】図１の自動二輪車のコントロールユニットで行われるロジックの概略構成図である。
【図８】図７のロジックで用いられる制御マップである。
【図９】図７のロジックで用いられる制御マップである。
【図１０】図７のロジックで用いられる制御マップである。
【図１１】図７のロジックによる作用の説明図である。
【符号の説明】
１は前輪
２は後輪
３は転舵アクチュエータ（転舵手段）
４は揺動アクチュエータ（揺動手段
５はコントロールユニット
６はパワーシステム
１１は前輪駆動用モータ
１２は後輪駆動用モータ
２０は走行速度入力スイッチ
２１は転舵角センサ
２２は揺動角センサ
２３はヨー角センサ
２４はロール角センサ
２５は重心点横変位センサ
２６は走行速度センサ
２７はＧＰＳ

Claims (18)

1. 車体の前方及び後方の夫々に前輪及び後輪を一輪ずつ配設し、前記前輪及び後輪の何れかの車輪を転舵軸周りに転舵する転舵手段と、前記前輪及び後輪の何れかの車輪を横方向に移動して両者の相対位置を調整する揺動手段と、前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、自律走行するために必要なヨー運動量及びロール運動量の目標値を算出し、このヨー運動量及びロール運動量の目標値に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする自動二輪車。
2. 前記制御手段は、前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１に記載の自動二輪車。
3. 自車両に発生するロール運動量を検出するロール運動量検出手段と、自車両に発生するヨー運動量を検出するヨー運動量検出手段とを備え、前記制御手段は、前記ロール運動量検出手段で検出されたロール運動量検出値と前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、前記ヨー運動量検出手段で検出されたヨー運動量検出値と前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の自動二輪車。
4. 前記転舵手段による車輪の転舵量を検出する転舵量検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵量検出手段で検出された車輪の転舵量に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の自動二輪車。
5. 前記揺動手段による車輪の揺動量を検出する揺動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記揺動量検出手段で検出された車輪の揺動量に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の自動二輪車。
6. 自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の自動二輪車。
7. 自車両の重心点の横移動量を検出する重心点横移動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記重心点横移動量検出手段で検出された重心点横移動量検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の自動二輪車。
8. 自車両の走行速度を検出する走行速度検出手段を備え、前記制御手段は、少なくとも前記揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを前記走行速度検出手段で検出された走行速度検出値に基づいて設定することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の自動二輪車。
9. 自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵手段による車輪の転舵量及び揺動手段による車輪の揺動量を制御するための制御ゲインを前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて設定することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の自動二輪車。
10. 前記制御手段は、前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値に基づいて転舵手段による車輪の転舵量を制御すると共に、前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値に基づいて揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１に記載の自動二輪車。
11. 自車両に発生するヨー運動量を検出するヨー運動量検出手段と、自車両に発生するロール運動量を検出するロール運動量検出手段とを備え、前記制御手段は、前記ヨー運動量検出手段で検出されたヨー運動量検出値と前記自律走行するために必要なヨー運動量の目標値との差に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量をフィードバック制御すると共に、前記ロール運動量検出手段で検出されたロール運動量検出値と前記自律走行するために必要なロール運動量の目標値との差に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量をフィードバック制御することを特徴とする請求項１又は１０に記載の自動二輪車。
12. 前記制御手段は、前記揺動手段による車輪の揺動量と転舵手段による車輪の転舵量とを、同じか又はほぼ同じ大きさで逆向きに制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の自動二輪車。
13. 前記制御手段は、前記揺動手段によって車輪が揺動されているときに発生する横力が小さくなるように前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れかに記載の自動二輪車。
14. 前記制御手段は、前記揺動手段によって車輪が揺動されているときに発生する横力と逆向きの横力が発生するように前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１３の何れかに記載の自動二輪車。
15. 前記転舵手段による車輪の転舵量を検出する転舵量検出手段を備え、前記制御手段は、前記転舵量検出手段で検出された車輪の転舵量に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１４の何れかに記載の自動二輪車。
16. 前記揺動手段による車輪の揺動量を検出する揺動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記揺動量検出手段で検出された車輪の揺動量に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１５の何れかに記載の自動二輪車。
17. 自車両に発生するヨーレートを検出するヨーレート検出手段を備え、前記制御手段は、前記ヨーレート検出手段で検出されたヨーレート検出値に基づいて前記転舵手段による車輪の転舵量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１６の何れかに記載の自動二輪車。
18. 自車両の重心点の横移動量を検出する重心点横移動量検出手段を備え、前記制御手段は、前記重心点横移動量検出手段で検出された重心点横移動量検出値に基づいて前記揺動手段による車輪の揺動量を制御することを特徴とする請求項１０乃至１７の何れかに記載の自動二輪車。

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