同轴两轮倒立摆型移动车辆的制作方法

专利名称：同轴两轮倒立摆型移动车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同轴两轮倒立摆(倒立振子，inverted pendulum )型 移动车辆(移动体)，所述移动车辆包括一对车轮、用于以可转动的方式 同轴地支持所述一对车轮的底盘(车台)、用于使所述车轮相对于所述底 盘转动的车轮致动器、由所述底盘支持的车体、以及用于控制所述车轮致 动器以维持所述底盘的动态平衡的倒立摆控制单元。
背景技术：
同轴两轮倒立摆型移动车辆设有一对车轮、用于以可转动的方式同轴 地支持所述一对车轮的底盘、用于使所述车轮相对于所述底盘转动的车轮 致动器、以及由所述底盘支持的车体。在日本专利申请公报No.S63-305082 中公开了这种车辆的例子。在这一类型的同轴两轮倒立摆型移动车辆中， 车轮致动器由倒立摆控制单元控制，并且移动车辆在底盘维持在动态平衡 状态时进行移动。通常，检测各车轮的旋转角、各车轮的旋转角速度、底 盘的倾斜角以及底盘的倾斜角速度，并且基于获得的检测结果来控制各车 轮致动器的转矩。因此在车体不与地面接触时动态地维持了底盘的平衡姿 态。同轴两轮倒立摆型移动车辆在底盘动态地维持其倒立摆状态下的平衡 的同时可以移动、4亭止和转向。
在本说明书，相对于竖直方向来确定旋转角和倾斜角。例如，车轮的
旋转角是指从车轮中心在车轮径向方向延伸的参考线与竖直线之间的角 度，而底盘的倾斜角是指固定到底盘上的参考线与竖直线之间的角度。
在同轴两轮倒立摆型移动车辆中，在底盘与各车轮之间产生转矩从而 使车轮转动。车轮的转动使得车辆移动、转向和停止。当车轮被转动时， 由于转动的反作用，转矩从车轮作用至底盘，这使得底盘倾斜。因此，同 轴两轮倒立摆型移动车辆在控制作用在由于从车轮作用在底盘上的转矩而 已经倾斜的底盘上的重力矩、作用在底盘上的惯性力矩以及从车轮作用在 底盘上的转矩的平衡的同时，动态地维持底盘的平衡。
在从静止状态开始移动的情况下，控制车轮致动器从而使转矩作用到 车轮上，该转矩将导致底盘在移动方向上向前倾斜。在底盘维持平衡姿态 的同时，移动车辆开始移动，并且作用在向前倾斜的底盘上的重力矩、作
在从移动中停止的情况下，控制车轮致动器从而使转矩作用到车轮上， 该转矩将导致底盘在移动方向上向后倾斜。在底盘维持平衡姿态的同时， 移动车辆停止移动，并且作用在向后倾斜的底盘上的重力矩、作用在底盘 上的惯性力矩以及从车轮作用在底盘上的转矩保持平衡。

发明内容
同轴两轮倒立摆型移动车辆通常意味着在从移动中突然制动方面存在 困难，经常导致较长的制动距离。在突然制动时，相当大的惯性力作用在 底盘上，并且因此底盘被迫向后很大程度地倾斜。对于车体(其具有栽人 的座椅或用于装载货物的平台)固定到底盘上的传统的同轴两轮倒立摆型 移动车辆，当底盘由于突然制动而向后显著地倾斜时，车体很大程度地向
后倾斜。在这样的情况下，乘员可能会感受到姿势不稳定。类似地，即使 在移动车辆装载货物而不是载人的情况下，所装载货物的姿态在这样的条
件下可能变得不稳定。因此，传统的同轴两轮倒立摆型移动车辆在突然制 动时存在困难，并且存在不希望的长制动距离。为了人与同轴两轮倒立摆 型移动车辆的更安全的共存，需要移动车辆能够突然制动以便确保其周围
环境的安全性。为了确保乘员和周围环境的安全，需要在车体不显著倾斜 的情况下允许突然制动的技术。
本发明解决了上述问题。结合同轴两轮倒立摆型移动车辆，本发明提 供了一种在不致使车体在向后方向上显著倾斜的情况下能够作用突然制动 的技术。
由本发明所创造的同轴两轮倒立摆型移动车辆包括 一对车轮；支持 所述一对车轮使之可同轴转动的底盘；使所述一对车轮相对于所述底盘转 动的车轮致动器；由所述底盘支持的车体；以及控制所述车轮致动器以将 所述车体维持在平衡状态的倒立摆控制单元。在该移动车辆中，车体由底 盘可变位地支持；车体可以在平行于或沿着移动方向的方向上相对于底盘 变位，所述移动方向可以是移动车辆的向前移动方向或向后移动方向。移 动车辆还包括构成为在平行于或沿着所述移动车辆的移动方向的方向上使 所述车体相对于所述底盘变位的姿态致动器，以及当处于运动中的所述移 动车辆开始制动时控制所述姿态致动器以使所述车体相对于所述底盘向与 所述移动车辆的移动方向相反的方向变位的制动姿态控制单元。
对于传统的同轴两轮倒立摆型移动车辆，支持一对车轮的部分和车体 固定在其上的部分彼此刚性地成为一体，并且整体作为底盘。在突然制动 时，其姿态是刚性的并且不可改变的这样的底盘不可避免地在向后方向上 显著地倾斜，并且车体也不可避免地在向后方向上显著地倾斜。
对于根据本发明的同轴两轮倒立摆型移动车辆，支持一对车轮的底盘 和乘员可以乘于其上或货物可以载于其上的车体构成为彼此分开，并且底 盘和车体的相对位置关系可以通过操作姿态致动器来改变。即，通过相对
于支持一对车轮的底盘使车体向与移动车辆前进的移动方向相反的方向变 位，重心的位置可以相对于车轮变位至前进方向的相反侧。该结构使得车 体从在突然制动时必须显著地向后倾斜车体中解放出来。由于通过将车体 在移动方向的相反方向上变位可以产生诸如与在这样的情况下向后倾斜的 传统底盘相同的优点，并且重心的位置可以相对于车轮变位至移动车辆的 移动方向的相反侧，这是切实可行的。
由于本发明的同轴两轮倒立摆型移动车辆设有在制动开始时操作姿态 致动器从而使得车体在移动车辆的移动方向的相反方向上相对于底盘变位 的制动姿态控制单元，所以可以在不致引起在车体的移动方向的向后方向 上显著地倾斜的情况下，有效地作用突然制动。因此可以在移动车辆上作 用突然制动，而不会导致车上的乘员或货物处于不稳定的姿态。
根据本发明的同轴两轮倒立摆型移动车辆，即使在没有及时执行制动 并且作为其结果移动车辆与障碍物发生碰撞的情况下，由于在制动动作开 始时车体向后缩回，乘员或货物可以不受危险的影响。
在本发明中，由于在使车体相对于底盘向移动车辆的移动方向的相反 方向变位的状态下作用制动，所以可以减小底盘在向后方向上的倾斜角度。 因此，本技术的构成仅需要允许车体相对于底盘在移动方向上移动的一个 自由度。
根据进一步改进的技术，在制动期间车体的倾斜角(即，相对于竖直 线的角度)最好保持不变。即，车体最好构成为在移动方向上可变位并且 在包括行驶方向的竖直平面内相对于底盘可摆动。在这种情况下，底盘和 车体之间可以插入一部件，从而确保两个自由度。
对于根据本发明的改进的移动车辆，车体可以由底盘用介入部件支持。
垂直平面内摆动。此外，介入部件可以可滑动地支持车体从而使车体可以 平行于移动方向滑动。在该移动车辆中，姿态致动器可以包括使介入部件 相对于底盘摆动的第一致动器和使车体相对于介入部件滑动的第二致动 器。
根据上述改进的移动车辆，在无需改变介入部件的倾斜角(即，相对 于竖直线的角度)的情况下，车体可以相对于底盘向移动车辆的移动方向 的相反方向变位。只要介入部件的倾斜角恒定，则仅相对于介入部件前后 滑动的车体的倾斜角(即，相对于竖直线的角度)也不会改变。因此车体
上的乘员或货物在制动期间不会经历显著的倾斜。根据该改进的移动车辆， 在将车体的倾斜角维持在预定范围内的小角度的同时，可以有效地作用突
然制动。
在另一可替换构型中，可以确保底盘和车体之间的两个自由度。在根 据本发明的另一改进的移动车辆中，车体可以由底盘用介入部件支持。介
内摆动，并且可以支持车体使其在这样的竖直平面内可摆动。在该移动车 辆中，姿态致动器可以包括使介入部件相对于底盘摆动的第一致动器和使 车体相对于介入部件摆动的第二致动器。
在该移动车辆中，可以通过底盘的倾斜角(即，相对于竖直线的角度)、
角(即，相对于竖直线的角度)。通过将介入部件与底盘的相对角和车体 与介入部件的相对角进行平衡，可以调整车体从而使其相对于底盘变位至 移动车辆的移动方向的相反方向，并且可以将车体的倾斜角维持在预定的 某一范围内。根据该改进的移动车辆，在将车体的倾斜角维持在预定的某 一范围内时可以有效地作用突然制动。
此外，才艮据该结构，在将车体的倾斜角维持在预定的某一范围内的同 时可以改变车体的高度。这可以得到使乘员的上下以及货物的装卸更容易 并且更平滑的平台。
在底盘构成为刚性的情况下，如果采用才几械制动器并且限制车轮相对 于底盘的转动，则在仅采用倒立摆控制单元的情况下很难支配控制以将底 盘的倒立摆状况维持在平衡状态。例如，如果在移动时通过机械制动器作 用突然制动，则底盘可能会由于惯性力而在移动车辆的前进方向上倾斜。 为了应对这样的情况，倒立摆控制单元使得车轮加速以防止翻倒。然而， 用于加速由机械制动器限制的车轮的控制可能会超出仅釆用倒立摆控制单 元的控制能力。
本发明采用了传统上为刚性的底盘与车体彼此分开从而由致动器控制 底盘和车体的相对位置的构造。因此可以在车轮和底盘之间安装机械制动
器，并且可以防止发生诸如倒立摆控制单元不能管理控制之类的不希望的
情况。倒立摆控制单元可以继续其通过利用底盘和车体之间的至少 一个自
由度进行控制的功能。
对于根据本发明的进一步改进的移动车辆，可以安^目对于底盘对车
轮作用制动的机械制动器。
根据该移动车辆，利用机械制动器的较强制动力，可以在将车体的倾 斜角维持在预定范围内的较小角度的同时作用突然制动。
根据本发明的同轴两轮倒立摆型移动车辆可以获得以下的效果
可以在不致使车体显著倾斜的情况下作用突然制动，这使得人与移动 车辆能够安全共存；
在确保底盘与车体之间的两个自由度的情况下，可以积极地控制车体 的倾斜角从而在制动期间稳定乘员或货物的姿态；以及
本发明使得能够采用机械制动器，并且可以实现利用机械制动器的较 强制动力进行的突然制动。


图1是第一实施例的移动车辆10的侧视图。
图2是第一实施例的移动车辆10的正视图。
图3是第一实施例的移动车辆10的机构的示意图。
图4是第一实施例的行驶控制模块44和姿态控制模块45的配置的框图。
图5是第一实施例的移动车辆IO的突然制动操作的处理的流程图。
图6A和6B均示出了第一实施例的移动车辆10的突然制动操作的状 态。图6A示出了在行驶期间的移动车辆10,图6B示出了在制动期间的 移动车辆10。
图7是根据第二实施例的移动车辆110的侧视图。
图8A和8B均示出了第二实施例的移动车辆110的突然制动操作的状 态。图8A示出了在行驶期间的移动车辆110,图8B示出了在制动期间的 移动车辆iio。
图9示出了第二实施例的移动车辆110的停止状态。
具体实施例方式
以下列出可以实现本发明的实施例的一些优选特征。
(模式l)为了运送乘员，移动车辆可以在车体上设有车载座椅。制动 处理可以通过由乘员执行的操作而开始。姿态致动器可以由制动姿态控制 单元操作，从而使得车体相对于底盘向移动车辆的前进方向的相反侧变位。
(模式2)移动车辆可以设有障碍物传感器。在检测到障碍物时，制动 处理可以开始并且姿态致动器可以由制动姿态控制单元操作，从而使得车 体相对于底盘向移动车辆的前进方向的相反侧变位。
(模式3 )移动车辆可以在制动处理开始时通过机械制动器来作用制动。
本发明的实施例 (第一实施例)
以下将参照

本发明的第一实施例。图l是此实施例的移动车 辆10的侧视图。图2是其正视图。
移动车辆10包括右驱动轮18、左驱动轮20、底盘16、介入连杆14 以及车体12。
右驱动轮18和左驱动轮20对应于一对车轮。底盘16包括底座(固定 架，mount) 28和杆26。底座28和杆26—体地形成。底座28用车轴30 可旋转地支持右驱动轮18并且用车轴32可旋转地支持左驱动轮20。车轴 30和32在相同的^t转轴线Cl上对齐。底盘16将右驱动轮18和左驱动轮 20维持在同轴对齐状态并且以各车轮可以独立旋转的方式支持两个车轮。 介入连杆14连接至杆26的上端，从而能够绕旋转轴15摆动。介入连杆 14在包括移动车辆10的行驶方向的竖直平面(对应于平行于图1的纸平 面的平面)内可摆动。介入连杆14在移动车辆10的移动方向(对应于图 1中的左右方向)上可滑动地支持车体12。车体12包括一体地形成的车载 座椅22和托架(才几架，housing) 24。介入连杆14对应于介入部件。车体 12由底盘16通过两者之间的介入连杆14支持。
底座28包括用于通过车轴30相对于底座28转动右驱动轮18的右车 轮驱动电动机34,和用于通过车轴32相对于底座28转动左驱动轮20的 左车轮驱动电动机36。右车轮驱动电动机34和左车轮驱动电动机36可以 分别独立地被控制。电动机34和36对应于车轮致动器。
移动车辆10包括使介入连杆14相对于底盘16绕旋转轴15摆动的关 节驱动电动机38。关节驱动电动机38安装在介入连杆14内。关节驱动电 动机38对应于第一致动器。
移动车辆10包括使车体12相对于介入连杆14在移动车辆10的移动 方向上沿正向和反向滑动的线性电动机40。线性电动才几40安装在托架24 上。线性电动机40对应于第二致动器。
移动车辆10包括用于为右车轮驱动电动机34、左车轮驱动电动机 36、关节驱动电动机38以及线性电动机40供给电力的电池模块42;用于 控制右车轮驱动电动机34和左车轮驱动电动机36的行驶控制模块44;用 于控制关节驱动电动机38的工作和线性电动机40的工作的姿态控制模块 45;以及由在移动车辆10上的乘员操纵的操纵模块46。行驶控制模块44 根据由移动车辆10上的乘员在操纵模块46上执行的控制来控制右车轮驱 动电动机34和左车轮驱动电动机36，从而控制移动车辆10的移动。姿态 控制才莫块45控制关节驱动电动机38和线性电动机40，从而控制车体12 相对于底盘16的相对位置关系。行驶控制模块44对应于倒立摆控制单元。 姿态控制模块45对应于制动姿态控制单元。
移动车辆10包括用于检测介入连杆14相对于底盘16的摆动角度的关 节编码器50、用于检测车体12相对于介入连杆14的滑动量的位移计56、 以及用于检测车体12的倾斜角速度的陀螺传感器48。关于车体12的倾斜 角，在下文中认为车体12向移动车辆10的移动方向前方倾斜的倾斜角为 正，并且车体12向移动车辆10的移动方向后方倾斜的倾斜角为负。此外， 移动车辆io包括用于检测右驱动轮18相对于底盘16的旋转角的右车轮编 码器52和用于检测左驱动轮20相对于底盘16的旋转角的左车轮编码器 54。
如图1所示，移动车辆10包括安装在托架24上的光学障碍物传感器 58。在检测到移动车辆IO前方的障碍物时，障碍物传感器58输出检测信 号。
如图2所示，移动车辆10包括布置在底座28上的机械制动器60和 62。机械制动器60通常不与右驱动轮18接触，但在制动工作时与右驱动 轮18进入物理接触并且利用摩擦力抑制相对于底盘16转动的车轮18的转 动。机械制动器62通常不与左驱动轮20接触，但在制动工作时与左驱动 轮20进入物理接触并且利用摩擦力抑制相对于底盘16转动的车轮20的转 动。
操纵模块46包括操纵杆(未示出)和制动杆(未示出)。操纵杆是乘 员用来控制移动车辆10的行驶速度和方向的操作部件。乘员可以通过调节 操纵杆的操纵量来调节移动车辆10的行驶速度。同样，乘员可以通过调节 操纵杆的操纵方向来控制移动车辆10的行驶方向。根据通过操纵杆进行的 操作，移动车辆10可以前进、停止、后退、左转弯和右转弯、顺时针转圏 以及逆时针转圏。此外，乘员可以通过拉下制动杆来使移动车辆IO制动。
图3示意性地示出了移动车辆10的机构。右驱动轮18和左驱动轮20 可转动地连接至底盘16的下部，并且每个都与道路表面R相接触。介入 连杆14连接至底盘16的上部，使得介入连杆14可以在竖直平面内摆动。 车体12在前后方向上可滑动地连接至介入连杆14。
在下面的说明中，如图3所示，在下文中认为右驱动轮18的参考线 18a相对于竖直线VI的旋转角为ei;左驱动轮20的参考线20a相对于竖 直线V1的旋转角为62;底盘16相对于竖直线Vl的倾斜角为ri;介入连 杆14相对于竖直线VI的倾斜角(其等于车体12相对于竖直线VI的倾斜 角)为o。此外，还认为右驱动轮18相对于底盘16的相对旋转角为01; 左驱动轮20相对于底盘16的相对^走转角为02;介入连杆14相对于底盘 16的相对旋转角为(p;底盘12相对于介入连杆14的相对位移量为6。在 运动学上，存在以下的关系G)l=ei+Ti， O2=02+ti，并且rptr+(()。
然后，将对移动车辆10的控制系统进行说明。图4是示出了移动车辆10中的控制系统的配置的框图。行驶控制模块44和姿态控制模块45由 CPU、 ROM以及RAM等构成。功能上，行驶控制模块44和姿态控制模 块45包括控制单元64、当前姿态计算单元66、目标姿态设定单元68以及 指令值计算单元70。
控制单元64控制当前姿态计算单元66、目标姿态设定单元68和指令 值计算单元70，从而根据来自操纵模块46和障碍物传感器58的输入来执 行处理。
当前姿态计算单元66基于来自陀螺传感器48、关节编码器50、右车 轮编码器52、左车轮编码器54和位移计56的输入，计算移动车辆10的 当前姿态值。当前姿态计算单元66计算车体12相对于介入连杆14的相对 位移量W和相对位移速度d3*/dt、车体12的倾斜角0*和倾斜角速度 do*/dt、底盘16的倾斜角11*和倾斜角速度dri*/dt、右驱动轮18的旋转角 01*和旋转角速度d91*/dt以及左驱动轮20的旋转角02*和旋转角速度 d92*/dt，作为移动车辆10的当前姿态。星号"*"用于区别当前值与目标值。 用星号*标出的值表示当前值。
从位移计56输出车体12相对于介入连杆14的相对位移量S*。通过 将相对位移量3*对时间进行微分，计算出车体12相对于介入连杆14的相 对位移速度d3*/dt。
从陀螺传感器48输出车体12的倾斜角速度do*/dt。通过将倾斜角速 度d一/dt对时间进行积分，计算出车体12的倾斜角o*。
由车体12的倾斜角W与从关节编码器50输出的介入连杆14相对于 底盘16的相对旋转角(^，通过公式r^-一+(pH十算出底盘16的倾斜角1]*。 通过将倾斜角11*对时间进行微分，计算出底盘16的倾斜角速度dr^/dt。
由底盘16的倾斜角11*和从右车轮解码器52输出的右驱动轮18相对 于底盘16的相对转角01*，计算出右驱动轮18的倾斜角ei*。通过将倾 斜角01*对时间进行匸微分，计算出倾斜角速度dei〃dt。
由底盘16的倾斜角Tf和从左车轮解码器54输入的左驱动轮20相对 于底盘16的相对旋转角02*，计算出左驱动轮20的倾斜角92*。通过将
倾斜角02*对时间进行微分，计算出倾斜角速度de2"dt。
当前姿态计算单元66将以上述方式计算出的移动车辆10的当前姿态 值输出到指令值计算单元70中。
目标姿态设定单元68设定关于右驱动轮18的旋转角ei和旋转角速度 dei/dt、左驱动轮20的4t转角e2和旋转角速度d02/dt、底盘16的倾斜角 11和倾斜角速度di]/dt、车体12的倾斜角o和倾斜角速度do/dt、以及车体 12的相对位移量S和相对位移速度dS/dt的目标时间系列才莫式。
主要基于操纵模块46的工作状态和是否存在来自障碍物传感器58的 检测信号，分别设定右驱动轮18的旋转角91和旋转角速度dei/dt以及左 驱动轮20的旋转角62和旋转角速度de2/dt的目标值。
可以按照所希望的模式给出车体12的倾斜角o和倾斜角速度dcy/dt。 在此实施例的移动车辆10中，倾斜角o和倾斜角速度do/dt均被设定为零。 因此，在4亍驶期间车体12在没有倾斜的情况下维持为实质上水平。注意， 将倾斜角o和倾斜角速度do/dt设定为零并不意味着介入连杆14不相对于 底盘16摆动。介入连杆14相对于底盘16摆动，从而其与底盘16的倾斜
角t]一致。因此车体12被调整为与调节为零的倾斜角(t保持平衡。
目标姿态设定单元68根据满足的条件设定用于车体12相对于介入连 杆14的相对位移量6和相对位移速度d6/dt或底盘16的倾斜角t]和倾斜 角速度dri/dt中一组的目标时间序列模式。
在移动车辆10从运动中开始突然制动操作的情况下，目标姿态设定单 元68设定用于车体12相对于介入连杆14的相对位移量S和相对位移速度 d8/dt的目标时间序列模式。在开始突然制动操作时，车体12相对于介入 连杆14向后变位，从而将移动车辆10的重心向后变位。因此利用由突然 制动操作产生的惯性力进行平衡。目标姿态设定单元68设定相对位移量8
和相对位移速度d8/dt,使得车体12相对于介入连杆14向后变位。相对位 移量S和相对位移速度d3/dt的多个时间序列模式可以预定地存储在目标 姿态设定单元68中。在多个时间序列模式之中，在突然制动操作开始时增 加车体12的向后位移量3并且根据惯性力的减小而减小位移量6的时间序
列模式可以存储到目标姿态设定单元68中。
在右驱动轮18和左驱动轮20的旋转角速度由于突然制动操作而减小 的情况下，目标姿态设定单元68设定用于底盘16的倾斜角T]和倾斜角速 度dii/dt的目标值。随着右驱动轮18和左驱动轮20的旋转角速度减小， 底盘16趋向于绕旋转轴线Cl向行驶方向前方转动。目标姿态设定单元68 设定用于倾斜角ti和倾斜角速度di]/dt的目标值，使得底盘16的倾斜角速 度dii/dt与右驱动轮18的旋转角速度d91/dt及左驱动轮20的旋转角速度 d92/dt相一致。
在用于车体12的相对位移量5和相对位移速度dd/dt的目标值从目标 姿态设定单元68输入的情况下，指令值计算单元70计算底盘16的倾斜角 tl和倾斜角速度di]/dt,使得可以动态地维持倒立摆条件下的稳定平衡姿 态。
在用于底盘16的倾斜角ti和倾斜角速度dii/dt的目标值从目标姿态设 定单元68输入的情况下，指令值计算单元70计算车体12的相对位移量S 和相对位移速度dS/dt, 4吏得可以维持稳定的姿态。同样在这种情况下，计 算在突然制动操作开始时增加车体12的向后位移量S并且根据惯性力的减 小而减小位移量S的时间序列模式。
基于从当前姿态计算单元66输出的当前姿态和从目标姿态设定单元 68输出的目标姿态，指令值计算单元70计算指令值以指示右车轮驱动电 动机34、左车轮驱动电动机36、关节驱动电动机38和线性电动机40。在 计算指令值时使用移动车辆10的运动学模型。
在指令值计算单元70中计算出的命令各个电动机的指令值分别输入 至右车轮驱动电动机34、左车轮驱动电动机36、关节驱动电动机38以及 线性电动机40。根据输入的指令值驱动右车轮驱动电动机34、左车轮驱动 电动机36、关节驱动电动机38以及线性电动机40。电动机的驱动操作使 得移动车辆10执^f于诸如行驶、旋转或停止等动作。此外，移动车辆10用 电动才几的驱动力执4亍车体12相对于底盘16的相对位置调整。
移动车辆io的姿态被控制为在维持平衡状态的同时其可以行驶、旋转
和停止。当移动车辆IO停止或以恒定速度移动时，其姿态被控制为重心位 于大致在旋转轴线C1的竖直上方的位置。同时，t]、 o和8的值维持在接 近于零的值。
下面将参照图5的流程图给出在行驶期间在作用突然制动时进行的处 理的说明。当由障碍物传感器58检测到前方有障碍物时，移动车辆10按 如下开始突然制动操作。
在步骤S502中，致动机械制动器60和62。作为机械制动器60和62 致动的结果，在右驱动轮18和底盘16之间以及还在左驱动轮20和底盘 16之间作用了抑制车轮转动的转矩。
在步骤S504中，分别设定用于右驱动轮18和左驱动轮20的旋转角91 、 02及旋转角速度dei/dt、 d02/dt的目标值。
在步骤S506中，设定用于车体12相对于介入连杆14的相对位移量S 和相对位移速度d6/dt的目标值。相对位移量S和相对位移速度d3/dt被设 定为使得车体12相对于介入连杆14向后变位。可以通过读入预先存储的 某一时间序列模式来执行相对位移量8和相对位移速度d8/dt的设定。
在步骤S508中，根据以上设定的目标值计算用于电动机的指令值。
在步骤S510中，根据计算出的指令值驱动电动机。在驱动力的作用下， 车体12相对于介入连杆14向后变位并且倾斜角ii被调整成在移动车辆的 倒立摆情况下维持平衡。偶然地，由于车体12相对于介入连杆14向后变
位并且由此重心也向后变位，用于保持与惯性力一致所需的向后倾斜角I]
可以保持较小。与车体12没有向后变位的情况相比，在突然制动期间车体 12的向后倾斜角保持较小。
在步骤S512中，判定右驱动轮18和左驱动轮20相对于底盘16的相 对旋转角速度d01/dt和d02/dt是否减少到等于或小于预定阈值。如果 d01/dt和d02/dt都小于或等于阈值(步骤S512中为是)，则判定为右驱 动轮18和左驱动轮20的转动已经充分地减小至可容许范围内，并且处理 转到步骤S514。另一方面，如果d01/dt和d02/dt中至少一个超过阈值(步 骤S512中为否)，则判定为右驱动轮18和左驱动轮20的转动仍然没有充
分减小，并且处理返回到步骤S504,随后进行直至步骤S510的一系列处 理。
在步骤S514中，设定用于右驱动轮18和左驱动轮20的旋转角91 、02 及旋转角速度dei/dt、 d02/dt的目标值。
在步骤S516中，设定倾斜角速度dVdt使得底盘16的倾斜角速度dVdt
在步骤S518中，基于设定的目标值计算用于各个电动机的指令值。 在步骤S520中，根据计算出的指令值驱动电动机。由此已经向后倾斜 的底盘16与右驱动轮18和左驱动轮20同步地转动并且纟皮垂直地向上提 升。在提升时间期间，调整相对位移量S从而维持在移动车辆10的倒立摆 状态中的平衡。
在步骤S522中，判定底盘16的倾斜角Ti是否已变为零。如果倾斜角 il已变为零(步骤S522中为是)，则这表明移动车辆10的重心已经变位 至旋转轴线C1的垂直上方并且移动车辆IO处于静止状态。因此，处理转 到步骤S524。另一方面，如果倾斜角i]不为零(步骤S522中为否)，则 这表明移动车辆10的重心仍位于旋转轴线Cl的后方并且移动车辆10不 处于静止状态。因此，处理返回到步骤S514，随后进行直至步骤S520的 一系列处理。
在步骤S524中，释方文才几械制动器60和62。随后在该地点将状态切换 至静态状态以维持平衡的倒立摆姿态。突然制动操作因此而终止。
图6A和6B均示出了移动车辆10的突然制动操作的状态。如图6A 所示处于行驶运动中的移动车辆10当在前方检测到障碍物时如图6B所示 将车体12相对于介入连杆14向后变位。此外，为了平衡由于制动动作从 右驱动轮18和左驱动轮20作用在底盘16上的力矩、作用在移动车辆10 上的重力矩以及由作用在移动车辆10上的惯性力产生的力矩，底盘16向 后倾斜。由于车体12相对于介入连杆14向后变位，帮助制动的重力矩增 加，从而可以由才几械制动器60和62产生非常大的制动力。因此，移动体 在以稳定的方式维持其倒立摆状态的同时可以在较短的制动距离内停止。
对于此实施例的移动车辆10，车体12在突然制动操作开始时向后变 位。因此，即使在制动操作期间移动车辆IO与障碍物碰撞时，向后缩回的 车载座椅22也能够使得乘员远离危险。
对于此实施例的移动车辆10，当右驱动轮18和左驱动轮20的转动由 于突然制动而减弱时，底盘16随同右驱动轮18和左驱动轮20 —起转动。 在突然制动时已经向后变位的移动车辆10的重心可以因此通过惯性而上 升。因此可以节省用于切换至倒立摆方式下的稳定平衡姿态所需的能量。
尽管在此实施例中已经说明了根据来自障碍物传感器58的检测信号 执行突然制动操作的情况，但可以根据由乘员用操纵模块46提供的制动指 令执行突然制动操作。
此外，尽管在此实施例中已经说明了使用线性电动机40作为用于相对 于车体12操作介入连杆14的装置的情况，但相对于车体12操作介入连杆 14的装置并不限于是线性电动机。例如，可以使用滚珠丝杠和常用类型的 电动机相结合，或线性滑动类型电动机机构，作为用于相对于车体12操作 介入连杆14的装置。
尽管在此实施例中说明了机械制动器60和62被用作克服右驱动轮18 和左驱动轮20的制动器的情况，但可以使用电制动器来替代机械制动器， 或者机械制动器60、 62和电制动器可以结合使用。
此外，尽管在此实施例中已经说明了根据预先存储的某一时间序列模 式来设定车体12相对于介入连杆14的相对位移量5和相对位移速度dS/dt 的情况，但用于设定相对位移量S和相对位移速度d3/dt的方法并不限于 所述方法。例如，车体12可以通过前馈控制向后变位。
尽管在此实施例中已经说明了车体12相对于介入连杆14的相对位移 量8是使用位移计56进行测量的情况，但可以使用例如状态观测器来估计 相对位移量6。
(第二实施例)
将参照图7说明根据本发明的第二实施例的移动车辆110。对于与第 一实施例的移动车辆10中相同的结构部分，它们用与第一实施例中相同的
参考符号来表示并且在下文中将省略其说明。
此第二实施例的移动车辆110包括车体12、介入连杆114、底盘16、 右驱动轮18和左驱动轮20。在包括移动车辆110的行马史方向的垂直平面 (其对应于平行于图7的纸面的平面)内，介入连杆114以相对于车体12 可摆动的方式与车体12的托架24的下部相连。在包括移动车辆110的行 驶方向的垂直平面(其对应于平行于图7的纸面的平面)内，底盘16的杆 26的上部相对于介入部件114可摆动地与介入部件114的下部相连。
移动车辆110包括右车轮驱动电动机34、左车轮驱动电动机36、用于 使介入连杆114相对于底盘16绕旋转轴115摆动的第一关节驱动电动机 138、用于使车体12相对于介入连杆114绕旋转轴117摆动的第二关节驱 动电动机140。第一关节驱动电动机138安装在介入连杆114内。第二关 节驱动电动才几140安装在托架24内。第一关节驱动电动机138对应于第一 致动器，第二关节驱动电动机140对应于第二致动器。
移动车辆110包括用于向右车轮驱动电动机34、左车轮驱动电动;f几 36、第一关节驱动电动机138以及第二关节驱动电动机140供给电力的电 池模块42;用于控制右车轮驱动电动机34和左车轮驱动电动机36的行驶 控制模块144;用于控制第一关节驱动电动机138和第二关节驱动电动机 140的姿态控制模块145;以及由移动车辆110上的乘员操作的操纵模块 46。行驶控制模块144根据由乘员在操纵模块46上执行的控制来控制右车 轮驱动电动机34和左车轮驱动电动机36，以控制移动车辆110的行驶。 姿态控制模块145控制第一关节驱动电动机138和第二关节驱动电动机 140，以控制车体12相对于底盘16的相对位置关系。行驶控制模块144 对应于倒立摆控制单元。姿态控制模块145对应于制动姿态控制单元。
移动车辆110包括用于检测介入连杆114相对于底盘16的摆动角度的 第一关节编码器150、用于检测车体12相对于介入连杆114的摆动角度的 第二关节编码器156、以及用于检测车体12的倾斜角速度的陀螺传感器48。 此外，移动车辆110包括用于检测右驱动轮18相对于底盘16的相对旋转 角的右车轮编码器52、用于检测左驱动轮20相对于底盘16的相对旋转角
的左车轮编码器54、障碍物传感器58以及机械制动器60和62。
行驶控制模块144和姿态控制模块145与第一实施例的移动车辆10 的行驶控制模块44和姿态控制模块45具有实质相同的结构。
对于此第二实施例的移动车辆110，不同于第一实施例的移动车辆10, 车体12的倾斜角和介入连杆114的倾斜角每个都可以独立地调节。对于此 第二实施例的移动车辆110，车体12的倾斜角和倾斜角速度被调整成变为 零。因此即使在移动期间车体12也维持几乎水平。
在此第二实施例的移动车辆110中，根据状况需要，根据对应的目标 时间序列模式来调节介入连杆114的倾斜角和倾斜角速度以及底盘16的倾 斜角和倾斜角速度中的一组。
在移动车辆110在移动中开始突然制动操作的情况下，介入连杆114 的倾斜角和倾斜角速度被调整为一种预定时间序列模式，使得介入连杆 114向后倾斜。车体12因此向后变位，并且移动车辆的重心向后变位。在 这种情况下，底盘16的倾斜角和倾斜角速度被调节成可以维持倒立摆的稳 定状态。
图8A示出了移动车辆110的行驶状态，图8B示出了移动车辆110从 行驶状态开始的制动状态。当制动开始时，移动车辆110将介入连杆114 向后倾斜，将车体12向后变位并且因此将移动车辆110的重心向后变位。 由此产生了非常大的重力矩，并且即使当执行较强的制动时也能够维持平 衡姿态。
当右驱动轮18和左驱动轮20的转动通过突然制动操作而减弱时，调 节底盘16的倾斜角和倾斜角速度从而使得底盘16与右驱动轮18和左驱动 轮20的转动同步地转动。由于突然制动操作而已经向后变位的重心通过惯 性垂直地向上提升至旋转轴线Cl的垂直上方。
对于此第二实施例的移动车辆110，如图9所示，介入连杆114和底 盘16可以弯曲并且介入连杆114和底盘16之间的连接部分可以与道路表 面R相接触，以在移动车辆110的停止运动期间将其作为辅助部件。这使 得车载座椅22处于降低状态中，并且因此使得乘员上下更容易以及装卸货
物更容易。
以上描述了本发明的具体实施例，但这些仅仅示出了本发明的一些实 施例并且对其权利要求并不构成限定。权利要求中所限定的技术包括如上 所述的具体实施例的变型和改变。
此外，在本说明书和附图中所公开的技术要素可以被单独或以组合的 所有形式使用，并且并不限于在提交本申请时的权利要求中说明的组合。 此外，可以利用在本说明书或附图中公开的技术来同时实现多个目的或实 现这些目的中的一个。
权利要求
1. 一种同轴两轮倒立摆型移动车辆，包括:一对车轮；同轴地并且可转动地支持所述一对车轮的底盘；构成为使所述一对车轮相对于所述底盘转动的车轮致动器；由所述底盘支持的车体，其中所述车体构成为在与所述移动车辆的移动方向平行的方向上相对于所述底盘变位；控制所述车轮致动器以维持所述底盘的倒立摆姿态的平衡的倒立摆控制单元；构成为使所述车体在与所述移动车辆的移动方向平行的方向上相对于所述底盘变位的姿态致动器；以及制动姿态控制单元，当在所述移动车辆处于运动中时开始制动时，所述制动姿态控制单元控制所述姿态致动器以使所述车体相对于所述底盘向所述移动车辆的移动方向的相反方向变位。
2. 根据权利要求l所述的同轴两轮倒立摆型移动车辆，其中 所述车体在介入部件布置在所述车体和所述底盘之间的状态下由所述底盘支持，所述介入部件连接至所述底盘，使得所述介入部件构成为在包括所述 移动方向的垂直平面内摆动，并且所述介入部件支持所述车体，使得所述 车体构成为平行于所述移动方向滑动，以及所述姿态致动器包括使所述介入部件相对于所述底盘摆动的第 一致动 器和使所述车体相对于所述介入部件滑动的第二致动器。
3. 根据权利要求l所述的同轴两轮倒立摆型移动车辆，其中 所述车体在介入部件布置在所述车体和所述底盘之间的状态下由所述底盘支持，所述介入部件连接至所述底盘，使得所述介入部件构成为在包括所述 移动方向的垂直平面内摆动，并且所述介入部件支持所述车体，使得所述 车体构成为在包括所述移动方向的所述垂直平面内摆动，以及所述姿态致动器包括使所述介入部件相对于所述底盘摆动的第 一致动 器和使所述车体相对于所述介入部件摆动的第二致动器。
4. 根据权利要求l所述的同轴两轮倒立摆型移动车辆，还包括用于相 对于所述底盘制动所述一对车轮的机械制动器。
5. 根据权利要求2所述的同轴两轮倒立摆型移动车辆，还包括用于相 对于所述底盘制动所述一对车轮的机械制动器。
6. 根据权利要求3所述的同轴两轮倒立摆型移动车辆，还包括用于相 对于所述底盘制动所述一对车轮的机械制动器。
全文摘要
本发明提供一种在不致使车体向后显著倾斜的情况下突然制动同轴两轮倒立摆型移动车辆的技术。本发明的同轴两轮倒立摆型移动车辆包括一对车轮；支持一对车轮使之可同轴转动的底盘(16)；使车轮相对于底盘转动的车轮致动器；由底盘支持的车体(12)；以及控制车轮致动器从而维持底盘的倒立平衡状态的倒立摆控制单元(44)。在该移动车辆中，车体以可以相对于底盘在移动车辆的前进方向上移动的方式支持在底盘上。移动车辆还包括使车体相对于底盘在移动车辆的前进方向上移动的姿态致动器(38，40)，以及在行驶中的移动车辆开始制动时控制姿态致动器以使车体能够向移动车辆的行驶方向后方移动的制动姿态控制单元(45)。
文档编号B62K17/00GK101378951SQ200780004239
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月3日
发明者不破稔夫, 小出光男, 山冈正明, 山田耕嗣 申请人:丰田自动车株式会社