JP4888772B2 - 車両及び車両の停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両に係り、倒立車両、例えば互いに対抗配置された２つの駆動輪を有する横置き二輪車両の停止時の制御に関する。

倒立振り子の姿勢制御を利用した車両（以下、単に倒立車両という）について、種々の提案がされている。
例えば、特許文献１では、現在、同軸２輪車などに代表される姿勢制御を行う車両において、トルク制御で車両を動作させるとともに、バランサを用いて姿勢制御を行う車両が提案されている。
また、特許文献２では、車両の停車またはシステムエラーに基づきスタンドを接地させる技術が提案され、特許文献３では、乗車、降車、障害物に応じて、補助輪を接地させる技術について提案されている。

特開２００４−１２９４３５ 特開２００４−２４３８４５ 特開２００４−７４８１４

これら従来の姿勢制御を行う車両において停止状態から発進時の加速をする場合、姿勢を前方に倒したり、バランサを前方に移動したりすることで重心を前方に移動した後に、重心位置に応じたトルクにより加速、発進することになる。
発進時には、姿勢制御を行いつつ加速をしていくため、転倒しない範囲でのトルクしか与えられず、加速に必要な位置まで傾斜させたりバランサを移動するための時間が必要となり、発進時の加速性能を充分に得ることができないという問題点がある。

そこで、本発明は、発進時の加速性能を充分に得ることが可能な車両を提供することを目的とする。

（１）請求項１に記載した発明では、駆動モータによって駆動され、一軸上に配置された駆動輪と、搭乗部と、前記駆動輪の出力を制御することで、走行制御と前記搭乗部の前後方向の姿勢制御を行う走行制御手段と、前記駆動輪に対して車両の前後方向に移動可能に配置されたバランサと、前記駆動輪よりも前方での接地状態と非接地状態の選択が可能に配設された支持部材と、車両の停止を検出する停止検出手段と、前記車両の停止が検出された場合に、前記支持部材を接地させると共に、前記駆動輪と前記駆動モータを除く車両本体の重心を通る鉛直線が前記駆動輪の駆動軸上を通る状態での前記バランサの位置を基準位置とし、当該基準位置よりも前方に前記バランサを移動させる制御手段と、を具備したことを特徴とする車両を提供する。
（２）請求項２記載の発明では、前記駆動輪よりも後方での接地状態と非接地状態の選択が可能に配設された後方支持部材と、発進方向を選択する発進方向選択手段を備え、前記発進方向選択手段で後方での発進が選択された場合、前記制御手段は、前記支持部材に加えて、又は前記支持部材に代えて前記後方支持部材を接地させると共に、前記バランサを後方に移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の車両を提供する。
（３）請求項３記載の発明では、前記走行制御手段は、前記バランサを姿勢制御に使用する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両を提供する。
（４）請求項４記載の発明では、発進時の加速度の履歴を記憶する発進履歴データ記憶手段を備え、前記制御手段は、前記バランサの移動量を前記発進履歴データ記憶手段に記憶した履歴に基づいて決定する、ことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の車両を提供する。
（５）請求項５記載の発明では、一軸上に配置され、駆動モータによって駆動される駆動輪の出力を制御することで、走行制御と搭乗部の前後方向の姿勢制御を行う車両の停止方法であって、車両の停止を検出するステップと、前記車両の停止が検出された場合に、支持部材を前記駆動輪よりも前方で接地させるステップと、前記車両の停止が検出された場合に、前記駆動輪と前記駆動モータを除く車両本体の重心を通る鉛直線が前記駆動輪の駆動軸上を通る状態でのバランサの位置を基準位置とし、当該基準位置よりも前方に前記バランサを移動させるステップと、により車両を停止させることを特徴とする車両の停止方法を提供する。

本発明によれば、車両の停止が検出された場合に、支持部材を接地させると共に、バランサを基準位置よりも前方に移動させるので、安定した停止状態を得ることができると共に、バランサの前方移動により発進時に備えて予め重心位置を基準位置よりも前方に移動させているので、発進時の加速性能を充分に得ることができる。

以下、本発明の車両における好適な実施の形態について、図１から図３を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
本実施形態の車両では、車両を安定的に停止させておくための補助輪（支持部材として機能）を具備させる。補助輪は、補助輪伸縮機構により伸縮することで、接地及び格納されるようになっている。
通常の走行時には補助輪を格納しておき、車両の停止が検出された場合に、補助輪を接地することで車両は三点支持による安定的な停止状態となる。また、車両停止時において倒立車両の姿勢制御をする必要がなくなるため、無用なエネルギー消費を抑えることができる。

一方、車両の進行方向前後に移動可能なバランサを配置する。このバランサは、車両走行時における姿勢制御（出力トルクによる制御に加えて、車両本体重心移動による制御）にも使用されるが、車両停止時の加速準備に使用される。
すなわち、車両停止が検出された場合に、バランサを予め設計されたバランサ基準位置よりも前方に移動することで、車両本体重心を駆動輪よりも前方に移動させて、発進時の加速に備えておく。
バランサの移動については補助輪が接地した後に行うが、補助輪の設定前から徐々にバランサを前方に移動するようにしてもよい。

このように、補助輪で安定的に支持されて車両停止している状態において、既に車両本体重心が補助輪よりも前方に位置させてあるため、発進時には補助輪を格納することで直ちに必要な加速状態に移行することができる。
なお、バランサ基準位置は、車両本体（バランサを含み、駆動部（駆動輪と駆動モータ）を除く）の重心を通る鉛直線が駆動輪の駆動軸上を通る状態でのバランサの位置をいう。

（２）実施形態の詳細
本実施形態の車両は、倒立振り子車両により構成されており、搭乗部の姿勢を感知し、その姿勢に応じて、駆動輪の駆動方向で前後方向のバランスを保持するように姿勢制御を行いながら走行するものである。
前後方向のバランスは、搭乗者が要求する加速度に応じて、駆動輪の出力トルクの制御と、バランサの移動による車体重心位置の制御により行われる。
なお、本実施形態における姿勢制御の方法としては、例えば、米国特許第６，３０２，２３０号明細書、特開昭６３−３５０８２号公報、特開２００４−１２９４３５公報、特開２００４−２７６７２７公報で開示された各種制御方法も使用可能である。

図１は、本実施形態における車両の外観構成を例示したものである。
図１に示されるように、車両は、同軸上に配置された２つの駆動輪１１ａ、１１ｂを備えている。
両駆動輪１１ａ、１１ｂは、それぞれ駆動モータ１２ａ、１２ｂで駆動されるようになっている。
以下、両駆動輪１１ａと１１ｂを指す場合、両駆動モータ１２ａと１２ｂを指す場合には、それぞれ符号ａ、ｂを付けずに駆動輪１１、駆動モータ１２という。他の要素も同様とする。

車両は車両本体と駆動部とから構成されている。
車両本体は、荷物や乗員等の重量体が搭乗する搭乗部１３（シート部）と、搭乗部１３が固定される本体フレーム７０を備えている。
駆動部は、駆動輪１１と駆動モータ１２を備えている。駆動部は、車両の進行方向前後方向に移動可能な状態で、後述する移動機構を介して本体フレーム７０に配設されている。

搭乗部１３は、運転者が座る座面部１３１、背もたれ部１３２、及びヘッドレスト１３３で構成されている。

搭乗部１３の右脇には入力装置３０が配置されている。入力装置３０には、運転者が運転操作、すなわち車両の加速、減速、旋回、その場回転、停止、制動等の指示を行う為のジョイスティック３１が配置されている。
本実施形態における入力装置３０は、座面部１３１に固定されているが、有線又は無線で接続されたリモコンにより構成するようにしてもよい。また、肘掛けを設けその上部に入力装置３０を配置するようにしてもよい。

また、本実施形態の車両には、入力装置３０が配置されているが、予め決められた走行指令データに従って自動走行する車両の場合には、入力装置３０に代えて走行指令データ取得部が配設される。走行指令データ取得部は、例えば、半導体メモリ等の各種記憶媒体から走行指令データを読み取る読み取り手段で構成し、または／及び、無線通信により外部から走行指令データを取得する通信制御手段で構成するようにしてもよい。
このように予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、走行指令データから車両の停止を検出するようにしてもよい。

なお、本実施形態の車両では、搭乗部１３に人が搭乗して運転する車両には限定されず、荷物だけを乗せて外部からのリモコン操作等により走行や停止をさせる場合、荷物だけを乗せて走行指令データに従って走行や停止をさせる場合、更には何も搭乗していない状態で走行や停止をすることも可能である。

本体フレーム７０には、搭乗部１３の下側に、図示しない制御ユニットが配置されている。なお、制御ユニットは搭乗部１３の座面部１３１の裏側に固定されるように構成してもよく、入力装置３０と同一箇所、又は入力装置３０と反対側（図１では運転者の左手側）に配置するようにしてもよい。
また、制御ユニット及び駆動モータ１２の電源としてのバッテリ（図示しない）も、制御ユニットと同様に本体フレーム７０に固定されているが、搭乗部１３の座面部１３１の裏側に固定されるように構成してもよい。

本体フレーム７０は、搭乗部１３が配置される上部フレームと、下方に延在する左右の支持部材７１ａ、７１ｂを備えている。支持部材７１ａ、７１ｂには、駆動モータ１２ａ、１２ｂが固定されている。

本体フレーム７０の上部フレームには、バランサ１６１を車両の前後方向に移動させる移動機構として機能するリニアガイド装置１６２が配設されている。
リニアガイド装置１６２は、案内レール、スライダ、及び転動体を備えており、案内レールが本体フレーム７０に固定され、スライダがバランサ１６１に接続されている。

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。
スライダはその幅方向に沿う断面がコ字状に形成されており、その相対向する二つの内側側面部には、２本の軌道溝が、案内レールの軌道溝と各々対向して形成されている。
転動体は前述した軌道溝間に組み込まれて、案内レールとスライダとの相対的直線運動に伴って軌道溝を転動するようになっている。
なお、スライダには、スライダの軌道溝の両端をつなぐ戻し通路が形成されており、転動体は軌道溝と戻し通路を循環運動するようになっている。

リニアガイド装置１６２には、リニアガイド装置１６２の動きを締結あるいはフリーにするブレーキ（クラッチ）が配設されている。
このブレーキにより、案内レールとスライダとの相対的位置を固定、解除することで、バランサ基準位置に対するバランサ１６１の移動と、固定が行われる。
バランサ１６１の移動のための駆動力は、例えば、リニアモータによる電磁力が使用される。

なお、バランサ１６１を前後に移動させる機構としては、リニアガイド装置に代えて、バランサモータと、該バランサモータによって軸周りに回転駆動されるネジ軸とで構成するようにしてもよい。
この場合、ネジ軸に沿ってスライド自在に配設されているバランサ１６１の一部をネジ軸に螺号することで、バランサモータの駆動によりバランサ１６１を前後に移動させる。

本体フレーム７０の下部には、車両を停止する際のスタンドとして機能する支持部材６３が配設されている。支持部材６３は、本実施形態において、車両前方に配置されており、車両停止時において補助輪６３１を接地させることにより、両駆動輪１１ａ、１１ｂの三点で車両を安定的に停止させることができる。
支持部材６３は、補助輪６３１と、本体フレーム７０に固定され、補助輪を収納する収納本体６３２と、補助輪６３１の位置を変化させるための補助輪伸縮機構（アーム）６３３を備えている。
補助輪６３１は、補助輪伸縮機構６３３を伸縮することで接地、非接地の制御が行われるようになっている。補助輪伸縮機構６３３は、例えば油圧制御や電磁制御等により伸縮するように構成される。
なお、補助制動車輪の出し入れは、伸縮に限らず、回転アームのように出し入れしても良い。また、支持部材６３は、車両の制動用に使用するようにしてもよい。

図２は、制御ユニットの構成を表したものである。
制御ユニットは、車両の走行と姿勢制御、支持部材６３とバランサ１６１を使用した車両の停止と発進制御等の各種制御を行うＥＣＵ（電子制御装置）２０を備えている。
ＥＣＵ２０は、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータシステムで構成されており、車両の走行制御、姿勢制御、及び本実施形態における車両の停止と発進制御等の各種制御を行うためのプログラム及びデータを備えている。
ＥＣＵ２０は、不揮発性のメモリ（記憶手段）を備えており、車両停車状態において搭乗者が要求した目標加速度の値が運転履歴データとして保存されるようになっている。

ＥＣＵ２０には、バランサコントローラ１６、入力装置３０、障害物検出センサ５０、補助輪伸縮機構６３３、駆動モータ１２を制御するモータコントローラ６１、姿勢センサユニット４０、車速センサ４１、バッテリ等のその他の装置が電気的に接続されている。

バッテリは、駆動モータ１２、モータコントローラ６１、バランサアクチュエータ１６３、補助輪伸縮機構６３３、ＥＣＵ２０等に電力を供給するようになっている。

バランサコントローラ１６には、バランサ１６１を前後に移動させるバランサアクチュエータ１６３と、バランサ位置検出センサ１６４が接続されている。
バランサアクチュエータ１６３はリニアモータ等を含むリニアガイド装置１６２で構成される。
バランサ位置検出センサ１６４は、リニアガイド装置１６２の案内レールに配設されたエンコーダで構成され、バランサ基準位置に対するバランサ１６１の現在の位置を検出する。

入力装置３０は、図１に示したようにジョイスティック３１を備えており、搭乗者によるこのジョイスティック３１の操作に基づいて、目標加速度等の車両走行目標値をＥＣＵ２０に供給するようになっている。
ジョイスティック３１は直立した状態をニュートラル位置とし、前後方向に傾斜させることで前後進を指示し、左右に傾斜させることで左右方向の旋回を指示するようになっている。傾斜角度に応じて、要求速度、旋回曲率が大きくなる。

障害物検出センサ５０は、前方車両等の車両前方に存在する障害物の検出を行うセンサである。
障害物センサ５０は、超音波センサ、ミリ波センサ、レーザレーダ等から構成され、障害物を検出可能なセンサが使用される。
これら各センサに代えて、又は加えて、撮像カメラを用い、撮像した画像に対する画像認識を行うことで前方車両等の障害物を検出するようにしてもよい。

補助輪伸縮機構６３３は、ＥＣＵ２０から供給される、車両を停止する際の停止信号に基づいて補助輪６３１を接地させ、発進する際の発進信号に基づいて補助輪を格納（非接地状態）させる。
姿勢センサユニット４０は、角速度センサ、加速度センサを含み、車両姿勢の検出を行う。
車速センサ４１は、車速を検出する。本実施形態では、検出した車速が０ｋｍ／ｈの場合に車両停止と判断される。なお、所定の閾値ｐ（＝３ｋｍ／ｈ）以下で、かつ入力装置３０からの加速要求がゼロ（ニュートラル状態）である場合にも車両停止と判断するようにしてもよい。

つぎに、このように構成された車両の停止及び発信処理の動作について説明する。
図３は、車両の停止・発信処理について表したフローチャートである。
ＥＣＵ２０は、搭乗者によって入力装置３０から入力される運転指令値に従って走行制御を行い（ステップ１０１）、車速が０ｋｍ／ｈとなったか否か、すなわち、車両が停止したか否かを監視している（ステップ１０２）。

車速がゼロでない場合には（ステップ１０２；Ｎ）、車両が走行中なのでＥＣＵ２０は、メインルーチンにリターンし走行制御を継続させる。
一方、車速がゼロの場合（ステップ１０２；Ｙ）、ＥＣＵ２０は、補助輪伸縮機構６３３に停止信号を供給し、補助輪伸縮機構６３３は停止信号に基づき補助輪６３１を出すことで接地させる（ステップ１０３）。
これにより車両は補助輪６３１と駆動輪１１ａ、１１ｂの三点支持による安定的な停止状態となり、ＥＣＵ２０による姿勢制御が解除される。

つぎに、ＥＣＵ２０は、障害物検出センサ５０による障害物を検出し（ステップ１０４９、その検出値により車両の前方に他車両等の障害物が存在するか否かを判断する（ステップ１０５）。

障害物が存在しないと判断した場合（ステップ１０５；Ｙ）、ＥＣＵ２０は、運転履歴データを取得し（ステップ１０６）、運転履歴データの平均値に応じた位置にバランサ１６１を移動する（ステップ１０７）。
ここで、運転履歴データの平均値は、車両の所定時間の加速度の値（運転履歴データ）の平均値であり、最新のデータから過去所定回数ｎ（例えば、２０回）回分の平均値が使用される。
そして、ＥＣＵ２０は、過去ｎ回の加速度の平均加速度ａに対応するバランサ６１のバランサ位置をバランサコントローラ１６に供給し、バランサコントローラ１６は供給されたバランサ位置にバランサアクチュエータ１６３によりバランサ１６１を移動する。

なお、バランサ位置は、平均加速度ａで発進、加速するために必要な車両本体重心の位置が存在し、その位置に車両本体重心位置を移動させるバランサの位置であり、計算や位置決定テーブルに従って決定される。
平均加速度ａが大きいほどバランサ位置は前方になる。

このように補助輪６３１を接地した状態でバランサ１６１をバランサ基準位置よりも前方に移動させることで、車両本体重心が補助輪６３１と駆動輪１１ａ、１１ｂの三点内に存在することになり、姿勢制御の不要な安定した停車と、その後の発進及び加速に備えることができる。

一方、車両前方に他の車両等の障害物が存在する場合（ステップ１０５；Ｎ）には、ＥＣＵ２０は、発進時の加速によって障害物との衝突を避けるために、バランサ１６１を前方移動に移動させることなく、ステップ１０８に移行する。

車両が停止した状態でＥＣＵ２０は、入力装置３０から操作入力があったか否かを監視する（ステップ１０８）。
操作入力があると（ステップ１０８；Ｙ）、ＥＣＵ２０は、発進信号を補助輪伸縮機構６３３に供給し、補助輪伸縮機構６３３は発進信号に基づき補助輪６３１を格納することで非接地状態とし（ステップ１０９）、車両本体重心が前方に移動した状態と、操作入力による要求加速度に対応した加速での発進を行う。

そしてＥＣＵ２０は、発進の際の車両の所定時間の加速度を検出し、その値を運転履歴データとして記録し、メインルーチンにリターンする。

以上、本発明の車両における１実施形態について説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種の変形を行うことが可能である。
例えば、本実施形態では、車両の停止後の発進は前方への発進を前提としているが、車庫等に車両をしまった後バックしながら走行を開始する場合も存在する。このような場合のために、バランサ基準位置よりも後で接地し収納可能な後方補助輪と、後方発進を選択する後方発進スイッチを配置するようにしてもよい。
そして、後方発進スイッチが選択された場合には、後方補助輪と駆動輪１１ａ、１１ｂによる三点支持により停車（又は、前方の補助輪を含めた四点支持により停車）し、バランサ１６１を後方発進に備えて、バランサ基準位置よりも後方に移動させる。
この場合においても、過去の後方発進の運転履歴データ（加速度のデータ）の平均値に応じた位置にバランサ１６１を移動するようにしてもよい。
また、後方の発進が選択された場合、支持部材（補助輪６３１）に加えて、又は支持部材に代えて後方支持部材（後方補助輪）を接地させると共に、バランサを後方に移動させる、ようにしてもよい。この場合、バランサを姿勢制御に使用してもよい。また、発進時の加速度の履歴を記憶する発進履歴データ記憶手段を備え、バランサの移動量を発進履歴データに基づいて決定してもよい。

また、説明した実施形態では、運転履歴データに基づいてバランサ１６１の位置を決定する場合について説明したが、停止時の障害物との距離に応じて、最大加速する為のバランサ移動マップを記憶しておき、そのマップに基づき制御するようにしてもよい。

また、別途天候を判断するセンサを備え、運転履歴データを各天候別に分けて記憶し、発進時には天候に応じて運転履歴データからの平均値をとるようにしてもよい。

本実施形態における車両の外観構成図である。 制御ユニットの構成図である。 車両停止・発進処理の動作について表したフローチャートである。

符号の説明

１１ 駆動輪
１２ 駆動モータ
１３ 搭乗部
１６ バランサコントローラ
２０ ＥＣＵ
３０ 入力装置
４０ 姿勢センサユニット
４１ 車速センサ
１６１ バランサ
６３１ 補助輪

Claims (5)

1. 駆動モータによって駆動され、一軸上に配置された駆動輪と、
   搭乗部と、
   前記駆動輪の出力を制御することで、走行制御と前記搭乗部の前後方向の姿勢制御を行う走行制御手段と、
   前記駆動輪に対して車両の前後方向に移動可能に配置されたバランサと、
   前記駆動輪よりも前方での接地状態と非接地状態の選択が可能に配設された支持部材と、
   車両の停止を検出する停止検出手段と、
   前記車両の停止が検出された場合に、前記支持部材を接地させると共に、前記駆動輪と前記駆動モータを除く車両本体の重心を通る鉛直線が前記駆動輪の駆動軸上を通る状態での前記バランサの位置を基準位置とし、当該基準位置よりも前方に前記バランサを移動させる制御手段と、
   を具備したことを特徴とする車両。
2. 前記駆動輪よりも後方での接地状態と非接地状態の選択が可能に配設された後方支持部材と、
   発進方向を選択する発進方向選択手段を備え、
   前記発進方向選択手段で後方での発進が選択された場合、前記制御手段は、前記支持部材に加えて、又は前記支持部材に代えて前記後方支持部材を接地させると共に、前記バランサを後方に移動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両。
3. 前記走行制御手段は、前記バランサを姿勢制御に使用する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両。
4. 発進時の加速度の履歴を記憶する発進履歴データ記憶手段を備え、
   前記制御手段は、前記バランサの移動量を前記発進履歴データ記憶手段に記憶した履歴に基づいて決定する、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の車両。
5. 一軸上に配置され、駆動モータによって駆動される駆動輪の出力を制御することで、走行制御と搭乗部の前後方向の姿勢制御を行う車両の停止方法であって、
   車両の停止を検出するステップと、
   前記車両の停止が検出された場合に、支持部材を前記駆動輪よりも前方で接地させるステップと、
   前記車両の停止が検出された場合に、前記駆動輪と前記駆動モータを除く車両本体の重心を通る鉛直線が前記駆動輪の駆動軸上を通る状態でのバランサの位置を基準位置とし、当該基準位置よりも前方に前記バランサを移動させるステップと、
   により車両を停止させることを特徴とする車両の停止方法。

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