车辆的制作方法

专利名称：车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用倒立摆的姿态控制的车辆。
背景技术：
过去，提出了有关利用倒立摆的姿态控制的车辆的技术。例如，提出了具有在同 轴上配置的2个驱动轮、通过驾驶者的重心移动来感知车体的姿态变换从而进行驱动的车 辆，利用球体状的单一的驱动轮，一边控制车体的姿态一边移动的车辆等的技术(例如，参 照专利文献1)。此时，利用传感器检测车体的平衡和动作状态，对转动体的动作进行控制，使车辆 停止或移动。[专利文献1]日本专利特开2004-129435号公报但是，在上述过去的车辆中，不能在坡道上稳定地维持停止状态。例如，为了让车 辆在坡道上停止，需要对驱动轮赋予驱动转矩，以使车辆不向下坡方向移动。但是当对驱动 轮赋予驱动转矩时，需要较大的能量。因此，不论车辆是否停止，都要消费许多能量，从而降 低了能量效率。还有，在陡坡坡道上，如果在驱动轮处于停止状态下一直在驱动马达中产生较大 的转矩，驱动马达内的驱动回路的一部分受到集中的过度使用，有时会使该驱动回路中的 元件出现劣化或破损。本发明为了解决上述过去的车辆中的问题，目的在于提供一种实用性高的车辆， 当车辆在坡道上停止时，使制动装置动作，停止驱动轮的转动，处于对驱动轮没有施加转矩 的状态，然后通过移动能动重量部来控制车体的姿态，这样不会消费大量的能量，可以实现 车辆的稳定的停止状态。

发明内容
因此，在本发明的车辆中，具有安装在车体上并能够转动的驱动轮、安装在上述车 体上并能够相对于上述车体移动的能动重量部、和对赋予上述驱动轮的驱动转矩和上述能 动重量部的位置中的至少一方进行控制从而对上述车体的姿态进行控制的车辆控制装置， 当在坡道上停车时，该车辆控制装置只对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体 的姿态进行控制。本发明的其它的车辆中，还具有推定上述坡道的路面坡度的路面坡度推定机构， 当在利用上述路面坡度推定机构所推定的路面坡度的绝对值大于规定的阈值的坡道上停 车时，上述车辆控制装置只对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行 控制。本发明的另外其它的车辆中，还具有计算时间的计时器，当利用上述计时器计算 出的持续停车状态的时间等于或大于规定时间时，上述车辆控制装置只对上述能动重量部 的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行控制。
本发明的另外其它的车辆中，还有，当解除制动操作或进行加速操作时，上述车辆 控制装置对赋予上述驱动轮的驱动转矩和上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车 体的姿态进行控制。本发明的另外其它的车辆中，还具有对上述驱动轮进行制动的制动装置，当停车 时，上述车辆控制装置使上述制动装置动作，从而使上述驱动轮停止。本发明的另外其它的车辆中，还有，当解除制动操作或进行加速操作时，上述车辆 控制装置解除利用上述制动装置对上述驱动轮的制动。本发明的另外其它的车辆中，具有安装在车体上并能够转动的驱动轮、安装在上 述车体上并能够相对于上述车体移动的能动重量部、和当在坡道上停车时、对上述能动重 量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行控制的车辆控制装置。发明效果根据权利要求1和7的结构，由于不需要对驱动轮赋予转矩，从而不会消费大量的 能量，可以实现车辆的稳定的停止状态。根据权利要求2和3的结构，可以适当地保持平衡，即使在坡道上也能够稳定地停车。根据权利要求4-6的结构，可以对乘员的操作进行适当的反应，能够迅速地启动车辆。


图1是表示本发明的第1实施形态的车辆的结构的概略图，表示在乘员搭载状态 下进行加速行驶时的状态。图2是表示本发明的第1实施形态的车辆的控制系统的结构的方框图。图3是表示本发明的第1实施形态的车辆在坡道的动作的概略图。图4是表示本发明的第1实施形态的车辆的行驶和姿态控制处理的流程图。图5是表示本发明的第1实施形态的车辆的力学模型及其参数的图。图6是表示本发明的第1实施形态的状态量的获取处理的动作的流程图。图7是表示本发明的第1实施形态的路面坡度的获取处理的动作的流程图。图8是表示本发明的第1实施形态的目标行驶状态的确定处理的动作的流程图。图9是表示本发明的第1实施形态的能动重量部位置的目标值和车体倾斜角的目 标值的变化的图。图10是表示本发明的第1实施形态的目标车体姿态的确定处理的动作的流程图。图11是表示本发明的第1实施形态的促动器输出的确定处理的动作的流程图。图12是表示本发明的第2实施形态的车辆的控制系统的结构的方框图。图13是表示本发明的第2实施形态的车辆的坡道停止处理的动作的流程图。符号说明10车辆，12驱动轮，14搭乘部，20控制EOT，55制动装置实施方式以下，参照附图，详细说明本发明的实施形态。图1是表示本发明的第1实施形态的车辆的结构的概略图，表示在乘员搭载状态
4下进行加速行驶时的状态。图2是表示本发明的第1实施形态的车辆的控制系统的结构的 方框图。在图中，10为本实施形态的车辆，具有车体的本体部11、驱动轮12、支持部13以及 搭载乘员15的搭乘部14，利用倒立摆的姿态控制对车体的姿态进行控制。上述车辆10可 以使车体前后倾斜。在图1所示的例中，车辆10沿箭头A所示方向进行加速，车体处于向 前进方向倾斜的状态。上述驱动轮12受到车体一部分的支持部13的支持并能够转动，通过作为驱动促 动器的驱动马达52受到驱动。另外，驱动轮12的轴沿着与图1的图面垂直的方向延伸，驱 动轮12以该轴为中心进行转动。还有，上述驱动轮12可以是单数，也可以是复数。当为复 数时，在同轴上并列配置。在本实施形态中，说明具有2个驱动轮12的情况。此时，各驱动 轮12通过各自的驱动马达52独立地受到驱动。另外，作为驱动促动器，也可以采用例如液 压马达、内燃发动机等，这里说明采用电动马达作为驱动马达52的情况。还有，作为车体的一部分的本体部11受到支持部13的来自下方的支持，位于驱动 轮12的上方。发挥能动重量部的作用的搭乘部14安装在本体部11上，能够沿车辆10的前 后方向相对于本体部11并进移动，换句话说，能够沿着车体转动圆的切线方向相对运动。这里，能动重量部具有某种程度的重量，通过相对于本体部11的并进移动、即前 后移动，对车辆10的重心位置进行能动地补偿。能动重量部并不一定要是搭乘部14，也可 以是例如安装在本体部11上能够并进移动的电池等具有重量的周边机器，或者是安装在 本体部11上能够并进移动的重物、锤子(重量体)、平衡器等专用重量部件。还有，也可以 同时使用搭乘部14、具有重量的周边机器、专用重量部件等。在本实施形态中，为了说明方便，举例说明了搭载乘员15的搭乘部14作为能动重 量部的情况，但搭乘部14并不一定要搭乘乘员15，例如，当车辆10利用遥控操作进行操纵 时，可以在搭乘部14上没有搭乘乘员15，也可以取代乘员15，而搭载货物。上述搭乘部14与乘用车、公共汽车等汽车中使用的座椅一样，由座面部14a、靠背 部14b、和头枕14c构成，经由图中未表示的移动机构，安装在本体部11上。上述移动机构具有直线引导装置等的低阻力线性移动机构，和作为能动重量部促 动器的能动重量部马达62，利用该能动重量部马达62驱动搭乘部14，使其相对于本体部11 沿前进方向进行前后移动。另外，作为能动重量部促动器，可以使用例如液压马达、直线马 达等，这里说明采用旋转式的电动马达的能动重量部马达62的情况。直线引导装置具有安装在本体部11上的导轨、安装在搭乘部14上沿导轨滑移的 底盘、和位于导轨与底盘之间的球、滚柱等转动体。在导轨的左右侧面部上形成有沿长度方 向的直线状的2条轨道沟。还有，底盘的截面呈二字形状，其相向的2个侧面部内侧形成有 与导轨的轨道沟相向的2条轨道沟。转动体嵌入轨道沟内，伴随导轨与底盘的相对直线运 动，在轨道沟内滚动。另外，在底盘中形成有连接轨道沟的两端的返回通路，转动体在轨道 沟和返回通路中循环运动。在直线引导装置中，配置有固定该直线引导装置的动作的制动器或离合器。在车 辆10停车等不需要搭乘部14的动作时，利用制动器，将底盘固定在导轨上，从而保持本体 部11与搭乘部14的相对位置。当需要进行动作时，解除该制动器，将本体部11侧的基准 位置与搭乘部14侧的基准位置之间的距离控制为规定值。
在搭乘部14的旁边配置有输入装置30，在输入装置30上配置有作为目标行驶状 态获取装置的操纵杆31。乘员15通过对操纵杆31进行操作，输入车辆10的加速、减速、转 弯、原地转动、停止、制动等的行驶指令。另外，只要是能够让乘员15进行操作输入行驶指 令，可以取代操纵杆31，而采用其它的装置、例如，滚轮、触摸屏、按键等装置来作为目标行 驶状态获取装置。另外，当车辆10通过遥控进行操纵时，取代上述操纵杆31，也可以将通过有线或 无线接收遥控器的行驶指令的接收装置来作为目标行驶状态获取装置。还有，在车辆10按 照预先确定的行驶指令数据进行自动行驶时，取代上述操纵杆31，将读取存储在半导体存 储器、硬盘等存储媒体中的行驶指令数据的数据读取机构作为目标行驶状态获取装置。还有，车辆10具有作为车辆控制装置的控制ECU (Electronic ControlUnit) 20， 该控制E⑶20具有主控制E⑶21、驱动轮控制E⑶22和能动重量部控制E⑶23。上述控制 E⑶20以及主控制E⑶21、驱动轮控制E⑶22和能动重量部控制E⑶23是具有CPU、MPU等运 算机构、磁盘、半导体存储器等存储机构、输出输入接口等、对车辆10的各部的动作进行控 制的计算机系统，设置在例如本体部11上，但也可以设置在支持部13或搭乘部14上。还 有，上述主控制E⑶21、驱动轮控制E⑶22和能动重量部控制E⑶23可以是分别独立的结构， 也可以是一体化的结构。主控制E⑶21与驱动轮控制E⑶22、驱动轮传感器51和驱动马达52 —起，作为对 驱动轮12的动作进行控制的驱动轮控制系统50的一部分发挥作用。上述驱动轮传感器 52由分相器、编码器等构成，发挥驱动轮转动状态测定装置的作用，检测表示驱动轮12的 转动状态的驱动轮转动角以及/或者转动角速度，并传送到主控制ECU21。还有，该主控制 ECU21向驱动轮控制ECU22传送驱动转矩指令值，该驱动轮控制ECU22则向驱动马达52供 给相当于所接收的驱动转矩指令值的输入电压。然后，该驱动马达52根据输入电压向驱动 轮12赋予驱动转矩，这样，发挥驱动促动器的作用。还有，主控制E⑶21与能动重量部控制E⑶23、能动重量部传感器61和能动重量部 马达62—起，作为对能动重量部的搭乘部14的动作进行控制的能动重量部控制系统60的 一部分发挥作用。上述能动重量部传感器61由编码器等构成，发挥能动重量部移动状态测 定装置的作用，检测表示搭乘部14的移动状态的能动重量部位置以及/或者移动速度，并 传送到主控制E⑶21。还有，该主控制E⑶21向能动重量部控制E⑶23传送能动重量部推力 指令值，该能动重量部控制E⑶23则向能动重量部马达62供给相当于所接收的能动重量部 推力指令值的输入电压。然后，该能动重量部马达62根据输入电压向搭乘部14赋予并进 移动搭乘部14的推力，这样，发挥能动重量部促动器的作用。另外，主控制ECU21与驱动轮控制ECU22、能动重量部控制ECU23、车体倾斜传感器 41、驱动马达52和能动重量部马达62 —起，作为对车体的姿态进行控制的车体控制系统40 的一部分发挥作用。上述车体倾斜传感器461由加速度传感器、陀螺传感器等构成，发挥车 体倾斜状态测定装置的作用，检测表示车体的倾斜状态的车体倾斜角以及/或者倾斜角速 度，并传送到主控制E⑶21。还有，该主控制E⑶21向驱动轮控制E⑶22传送驱动转矩指令 值，向能动重量部控制E⑶23传送能动重量部推力指令值。另外，输入装置30的操纵杆31的行驶指令输入到主控制E⑶21。上述主控制 E⑶21向驱动轮控制E⑶22传送驱动转矩指令值，向能动重量部控制E⑶23传送能动重量部推力指令值。还有，上述控制ECU20发挥路面坡度推定机构的作用，基于车辆10的行驶状态和 车体姿态的时间变化，推定路面坡度。还有，发挥目标车体姿态确定机构的作用，根据目标 行驶状态和路面坡度，确定作为目标的车体姿态、即车体倾斜状态以及/或者能动重量部 移动状态。还有，发挥促动器输出确定机构的作用，根据利用各传感器获得的车辆10的行 驶状态和车体姿态、以及目标行驶状态、目标车体姿态和路面坡度，确定各促动器的输出。 另外，发挥货物车辆10的前后方向的路面坡度的路面坡度获取机构的作用。另外，发挥确 定根据路面坡度赋予的驱动转矩的上坡转矩确定机构的作用。另外，发挥根据上坡转矩确 定车体的重心补偿量的重心补偿量确定机构的作用。另外，各传感器也可以是获取复数个状态量的装置。例如，作为车体倾斜传感器 41，可以并用加速度传感器和陀螺传感器，从二者的测定值确定车体倾斜角和倾斜角速度。接着，说明上述结构的车辆10的动作。首先说明行驶和姿态控制处理的概要。图3是表示本发明的第1实施形态的车辆在坡道的动作的概略图。图4是表示本 发明的第1实施形态的车辆的行驶和姿态控制处理的流程图。另外，图3(a)表示用于比较 的过去技术的动作例，图3(b)表示本实施形态的动作。在本实施形态中，搭乘部14发挥能动重量部的作用，如图3(b)所示，使其并进。 即，通过使其前后移动，能动地对车辆10的重心位置进行补偿。这样，在坡道上为了让车辆 10停止，即不让车辆10向下坡方向移动，对驱动轮12赋予驱动转矩，即使其反作用、即反转 矩作用在车体上，车体也不会向下坡方向倾斜。还有，在坡道上行驶时，车体也不会向下坡 方向倾斜，从而可以稳定地行驶。与此对应，假如象“背景技术”中说明的过去的车辆那样，不根据路面坡度对重心 位置进行补偿，如图3(a)所示，由于在坡道上为了让车辆10停止而对驱动轮12赋予的驱 动转矩的反作用、即反转矩作用在车体上，车体会向下坡方向倾斜。还有，在坡道上行驶时， 也不能保持稳定的车体姿态，不能对行驶进行控制。此时，在本实施形态中，通过进行行驶和姿态控制处理，从而与路面坡度无关，能 够让车辆10稳定地停止和行驶。在行驶和姿态控制处理时，控制ECU20首先进行状态量的获取处理(步骤S1)，利 用各传感器、即，驱动轮传感器51、车体倾斜传感器41和能动重量部传感器61，获取驱动轮 12的转动状态、车体的倾斜状态和搭乘部14的移动状态。接着，控制ECU20进行路面坡度的获取处理(步骤S2)，基于在状态量的获取处理 中获得的状态量、即驱动轮12的转动状态、车体的倾斜状态和搭乘部14的移动状态、和各 促动器的输出值、即驱动马达52盒能动重量部马达62的输出值，利用观察器推定路面坡 度。这里，上述观察器是基于力学模型观测控制系的内部状态的方法和状态观测器，由布线 逻辑或软逻辑构成。接着，控制ECU20进行目标行驶状态的确定处理(步骤S3)，基于操纵杆31的操作 量，确定车辆10的加速度的目标值、和驱动轮12的转动角速度的目标值。接着，控制ECU20进行目标车体姿态的确定处理(步骤S4)，基于利用路面坡度的 获取处理所获得的路面坡度、和利用目标行驶状态的确定处理所确定的车辆10的加速度 的目标值，确定车体姿态的目标值、即车体倾斜角和能动重量部位置的目标值。
最后，控制ECU20进行促动器输出的确定处理(步骤S5)，基于利用状态量的获取 处理所获得的各状态量、利用路面坡度的获取处理所获得的路面坡度、利用目标行驶状态 的确定处理所确定的目标行驶状态、和利用目标车体姿态的确定处理所确定的目标车体姿 态，确定各促动器的输出、即驱动马达52和能动重量部马达62的输出。接着，详细说明行驶和姿态控制处理。首先，说明状态量的获取处理。图5是表示本发明的第1实施形态的车辆的力学模型及其参数的图。图6是表示 本发明的第1实施形态的状态量的获取处理的动作的流程图。在本实施形态中，利用下面的符号表示状态量和参数。另外，图5表示一部分状态 量和参数。e ff 驱动轮转动角[rad]6工车体倾斜角(铅垂轴基准)[rad]A s 能动重量部位置(车体中心点位置)[m]T ff 驱动转矩(2个驱动轮合计)[Nm]Ss 能动重量部推力[N]g 重力加速度[m/s2]n 路面坡度[rad]mff 驱动轮质量(2个驱动轮合计)[kg]Rff 驱动轮接地半径[m]Iff 驱动轮惯性力矩(2个驱动轮合计)[kgm2]Dff 相对驱动轮旋转的粘性衰减系数[Nms/rad]mi 车体质量(包括能动重量部)[kg]车体重心距离(距车轴)[m]车体惯性力矩(重心周围)[kgm2]相对车体倾斜的粘性衰减系数[Nms/rad]ms 能动重量部质量[kg]Is 能动重量部重心距离(距车轴)[m]Is 能动重量部惯性力矩(重心周围)[kgm2]Ds 相对能动重量部并进的粘性衰减系数[Nms/rad]在状态量的获取处理中，主控制ECU21首先从各传感器获取各状态量(步骤 si-i)。此时，从驱动轮传感器51获得驱动轮转动角e w以及/或者转动角速度& r从车体
倾斜传感器41获得车体倾斜角e i以及/或者倾斜角速度& f从能动重量部传感器61获
得能动重量部位置x s以及/或者移动速度i s。接着，主控制E⑶21计算剩余的状态量(步骤S1-2)。此时，通过对所获得的状态 量进行时间微分或时间积分，计算剩余的状态量。例如，当所获得的状态量为驱动轮转动 角ew、车体倾斜角、和能动重量部位置、时，通过对其进行时间微分，可以获得转动角
速度& w、倾斜角速度&彳和移动速度乂 s。还有，当所获得的状态量为转动角速度& w、倾斜角 速度& ^和移动速度i s时，通过对其进行时间积分，可以获得驱动轮转动角9 w、车体倾斜角9 i、和能动重量部位置入3。接着，说明路面坡度的获取处理。图7是表示本发明的第1实施形态的路面坡度的获取处理的动作的流程图。在路面坡度的获取处理中，主控制E⑶21推定路面坡度n (步骤S2-1)。此时，基于 在状态量的获取处理中所获得的各状态量、在上次(前一个步骤)的行驶和姿态控制处理 的促动器输出的确定处理中所确定的各促动器的输出，利用下面公式1，推定路面坡度n。公式1<formula>formula see original document page 9</formula>
这里， <formula>formula see original document page 9</formula>还有，加速度、&’和;是通过对转动角速度、倾斜角速度^彳和移动速度
进行时间微分后得到的。另外，在上述公式1中，对左边乘以右边的分母后的结果、即Mgn表示外力。还有，tw/Rw表示驱动力，( M Rw θw m1 I1 θ1 +ms λs)表示惯性力。M Rw θw表示驱动轮并进惯性力，m1 I1 θ1表示车体倾斜惯性力，ms λs表示能动重量部移动惯性力。这样，在本实施形态中，基于驱动马达52输出的驱动转矩、作为状态量的驱动轮 转动角速度、车体倾斜角加速度和能动重量部移动加速度，推定路面坡度。此时，不仅考虑 表示驱动轮12的转动状态的驱动轮转动角加速度，而且考虑表示车体的姿态变化的车体 倾斜角加速度和能动重量部移动加速度。即，考虑了利用倒立摆的姿态控制、即所谓倒立型 车辆特有的要素的车体的姿态。在过去，为了基于驱动转矩和驱动轮转动角加速度推定路面坡度，尤其是车体的 姿态发生变化时，路面坡度的推定值会发生很大的误差。但是，在本实施形态中，由于在推 定路面坡度时考虑了表示车体的姿态变化的车体倾斜角加速度和能动重量部移动加速度， 因此不会出现大的误差，能够极高精度地推定路面坡度。一般来说，在倒立型车辆中，由于车体的重心相对于驱动轮前后移动，即使在驱动 轮停止时，车辆的重心也会前后移动。因此，为了从重心的加速度和驱动力或驱动转矩高精 度地推定路面坡度，必须考虑这一影响。在一般的倒立型车辆中，由于相对于车辆整体的车 体的重量比例高，尤其是车辆停止时，这种影响增大。另外，可以通过对路面坡度的推定值施加低通滤波，以除去推定值的高频波成分。此时，虽然在推定中会出现时间延迟，但可以抑制由于高频波成分而引起的振动。在本实施形态中，虽然考虑了驱动力、惯性力和路面坡度引起的重力成分，但作为次等影响，也可以考虑驱动轮12的滚动阻力或转动轴的摩擦产生的粘性阻力，或者作用在 车辆10上的空气阻力等。还有，在本实施形态中，采用了有关驱动轮12的转动运动的线性模型，但也可以 采用更加正确的非线性模型，或采用针对车体倾斜运动或能动重量部并进运动的模型。另 夕卜，对于非线性模型，也可以使用变换形式的函数。另外，为了简化计算，也可以不考虑车体姿态的变化。接着，说明目标行驶状态的确定处理。图8是表示本发明的第1实施形态的目标行驶状态的确定处理的动作的流程图。在目标行驶状态的确定处理中，主控制E⑶21首先获取操纵操作量(步骤S3-1)。 此时，获取乘员15为输入车辆10的加速、减速、原地转弯、停止、制动等的行驶指令所操作 的操纵杆31的操作量。接着，主控制ECU21基于所获取的操纵杆31的操作量，确定车辆加速度的目标值 (步骤S3-2)。例如，将与操纵杆31的前后方向的操作量成正比的值作为车辆加速度的目 标值。接着，主控制ECU21从所确定的车辆加速度的目标值，计算驱动轮转动角速度的 目标值(步骤S3-3)。例如，对加速度的目标值进行时间积分，再除以驱动轮接地半径Rw， 所得值作为驱动轮转动角速度的目标值。接着，说明目标车体姿态的确定处理。图9是表示本发明的第1实施形态的能动重量部位置的目标值和车体倾斜角的目 标值的变化的图。图10是表示本发明的第1实施形态的目标车体姿态的确定处理的动作 的流程图。在目标车体姿态的确定处理中，主控制E⑶21首先确定能动重量部位置的目标值 和车体倾斜角的目标值(步骤S4-1)。此时，基于在目标行驶状态的确定处理中所确定的 车辆加速度的目标值、和在路面坡度的获取处理中所获得的路面坡度n，利用下面的公式 2和公式3，确定能动重量部位置的目标值和车体倾斜角的目标值。公式2如果车辆加速度的目标值为α *[G]，则能动重量部位置的目标值Xs*可用下面公 式2表不。<formula>formula see original document page 10</formula>这里，
<formula>formula see original document page 11</formula>还有λ s,Max为能动重量部移动边界值，根据移动作为能动重量部的搭乘部14的移 动机构的结构，预先进行设定。另外，λ5,α*为对应于伴随车辆加速度的惯性力和驱动马达反转矩、为获得车体平 衡所必须的能动重量部移动量、即、抵消车辆10的加减速的影响的移动量。另一方面，λ s, n为对应于根据路面坡度η的上坡转矩的反转矩、为获得车体平衡 所必须的能动重量部移动量、即、抵消路面坡度η的影响的移动量。公式3车体倾斜角的目标值θ ^利用下面公式3来表示。<formula>formula see original document page 11</formula>这里，<formula>formula see original document page 11</formula><formula>formula see original document page 11</formula>θ s,Max是将作为能动重量部的搭乘部14移动到能动重量部移动边界值λ s,Max的 效果换算成车体倾斜角时的值，是减去搭乘部14移动部分后的部分。还有，θ i, /是对应于伴随车辆加速度的惯性力和驱动马达反转矩、为获得车体平 衡所必须的车体倾斜角、即、抵消车辆10的加减速的影响的倾斜角。另一方面，θ i, n是对应于根据路面坡度η的上坡转矩的反转矩、为获得车体平衡 所必须的车体倾斜角、即抵消路面坡度η的影响的倾斜角。接着，主控制E⑶21计算剩余的目标值(步骤S4-2)，S卩，通过对各目标值进行时间 微分或时间积分，获得驱动轮转动角、车体倾斜角速度和能动重量部移动速度的目标值。这样，在本实施形态中，不仅考虑伴随车辆加速度的惯性力和驱动马达反转矩，而 且考虑伴随根据路面坡度η的上坡转矩、作用在车体上的反转矩，确定车体姿态的目标 值，即，能动重量部位置的目标值和车体倾斜角的目标值。此时，移动车体的重心，以利用重力的作用抵消作用在车体上使车体倾斜的转矩、 即车体倾斜转矩。例如，当车辆10加速时或上坡时，向前方移动搭乘部14，或者进一步向前方倾斜车体。还有，当车辆10减速时或下坡时，向后方移动搭乘部14，或者进一步向后方倾 斜车体。在本实施形态中，如图9所示，首先移动搭乘部14，而不倾斜车体，当该搭乘部14到达能动重量部移动边界值时，则开始倾斜车体。因此，由于对于细小的加减速，车体不会 前后倾斜，从而提高了乘员的乘坐舒适度。还有，如果不是特别陡的坡度，在坡道上车体也 能维持直立状态，从而容易确保乘员15的视界。另外，如果不是特别陡的坡度，由于即使在 坡道上车体也不会大幅倾斜，因此可以防止车体的一部分与路面接触。另外，在本实施形态中，假定能动重量部移动边界值在前方和后方为相等的情况， 但当前方与后方不相等时，也可以根据各自的边界值，切换是否倾斜车体。例如，如果设定 制动性能高于加速性能时，必须设定后方的能动重量部移动边界值大于前方的值。还有，在本实施形态中，当加速度小或坡度缓慢时，可以只通过搭乘部14的移动 来进行处理，但也可以利用车体的倾斜来处理该车体倾斜转矩的一部分或全部。利用倾斜 车体，可以减轻作用在乘员15上的前后方向的力。另外，在本实施形态中，采用了基于线性化的力学模型的公式，但也可以采用基于 更加正确的非线性模型或粘性阻力的模型的公式。另外，对于非线性的公式，也可以使用变 换形式的函数。接着，说明促动器输出的确定处理。图11是表示本发明的第1实施形态的促动器输出的确定处理的动作的流程图。在促动器输出的确定处理中，主控制ECU21首先确定各促动器的前馈输出(步骤 S5-1)。此时，从各目标值和路面坡度η，利用后述的公式4，确定驱动马达52的前馈输出， 还有，同样利用后述的公式5，确定能动重量部马达62的前馈输出。公式4驱动马达52的前馈输出tw,ff由下面公式4表示。rW FF = MRwgOf * + MRwg ηMRwg 0 *表示实现车辆加速度的目标值α *所需的驱动转矩。MRffg n表示为在路面坡度为η的坡道上停止所需的驱动转矩、即、上坡转矩。这样，通过自动附加对应于路面坡度η的上坡转矩，即通过根据路面坡度为η补 偿驱动转矩，即使在坡道上也能够提供与平地一样的操纵感觉。即，在坡道上停止后，乘员 15即使从操纵杆31放开手，车辆10也不会移动。还有，即使在坡道上，对操纵杆31进行一 定的操纵操作，也可进行与平地一样的加减速。公式5能动重量部马达62的前馈输出Ss,FF由下面公式5表示。Ss, FF = msg θ VmsS α *msg θ 表示对于车体倾斜角的目标值θ %、将搭乘部14留在目标位置上时所必须 的搭乘部推力。msg α*表示对于伴随车辆加速度的目标值α*的惯性力、将搭乘部14留在 位置上时所必须的搭乘部推力。这样，在本实施形态中，通过赋予理论上的前馈输出，可以实现更高精度的控制。还有，根据需要，也可以省略前馈输出。此时，通过反馈输出，伴随着恒定误差，可以间接地赋予接近前馈输出的值。还有，上述恒定误差可以通过采用积分增益来降低。接着，主控制ECU21确定各促动器的反馈输出(步骤S5-2)。此时，根据各目标值 与实际的状态量的偏差，利用后述的公式6，确定驱动马达52的反馈输出，还有，同样利用 后述的公式7，确定能动重量部马达62的反馈输出。公式6驱动马达52的反馈输出τ W,FB由下面公式6表示。<formula>formula see original document page 13</formula>这里，Kffl-Kff6为反馈增益，作为其值，例如预先设定为最佳调节器的值。另外，*表 示目标值。还有，能动重量部马达62的反馈输出Ss,FB由下面的公式7表示。公式7
<formula>formula see original document page 13</formula>这里，Ksi-Ks6为反馈增益，作为其值，例如预先设定为最佳调节器的值。另外，*表 示目标值。另外，也可以导入滑动模式控制等的非线性控制。还有，作为更加简单的控制，也 可以将除了 KW2、KW3和Ks5之外的反馈增益中的几个设定为0。为了消除恒定误差，也可以采 用积分增益。最后，主控制E⑶21对各要素控制系统赋予指令值(步骤S5-3)。此时，主控制 ECU21将前述的前馈输出与反馈输出的和作为驱动转矩指令值和能动重量部推力指令值， 发送到驱动轮控制E⑶22和能动重量部控制E⑶23。这样，在本实施形态中，利用观察器推定路面坡度η，赋予上坡转矩，同时向上坡 方向移动搭乘部14。因此，可以在坡道上保持车体的直立，能够对应陡坡。还有，不需要测 定路面坡度n的装置，简化结构，降低成本。另外，由于在推定路面坡度η时考虑了表示车体的姿态的车体倾斜角Q1和能动 重量部位置λ s，因此不会出现大的误差，能够极高精度地推定路面坡度η。接着，说明本发明的第2实施形态。另外，与第1实施形态相同的结构采用相同符 号，故省略其说明。还有，对于与上述第1实施形态相同的动作和相同的效果，省略其说明。图12是表示本发明的第2实施形态的车辆的控制系统的结构的方框图。如上述第1实施形态的说明所述，为了使车辆10在坡道上停止，需要对驱动轮12 赋予驱动转矩，以防止该车辆10向下坡方向移动。这样，当车辆10在坡道上维持停车状态 时，驱动马达52 —直在产生驱动转矩。但是，当在坡道上停车时，如果在驱动轮12处于停 止的状态下持续产生转矩，即使车辆10处于停止状态，驱动马达52仍会消费能源，从而降低了能源效率。还有，如果在陡坡道路上，在驱动轮处于停止的状态下，让驱动马达持续产生较大 的转矩，会使得驱动马达内的驱动回路的一部分处于集中的过度使用状态，从而会使该驱 动电路中的元件出现劣化或破损因此，在本实施形态中，当车辆10在坡道上维持停车状态时，停止驱动轮12的转 动，而只移动作为能动重量部的搭乘部14，从而保持平衡，对车体的姿态进行控制。本来，为了在车辆10处于停止的状态下维持车体的姿态，也可以考虑设置例如自 行车或摩托车所具有的支架。但是，对支架自动进行操作的机构，既重又贵，结果会增加车 辆10的重量，增加成本。还有，为了在一定程度上维持车体的姿态，且与路面坡度η无关， 就需要根据路面坡度n来调整支架长度的机构，从而进一步增加成本。因此，如图12所示，车辆10具有作为对驱动轮12进行制动的制动器的制动装置 53，该制动装置53为例如对驱动轮12进行电磁制动的电磁制动器、如制动鼓或制动盘那样 利用摩擦对驱动轮12进行制动的摩擦制动器等，只要能够停止驱动轮12的相对车体的转 动、即、使驱动轮12相对于车体锁止的装置，可以为任意种类的装置。另外，上述制动装置 53与驱动轮控制E⑶22、驱动轮传感器51和驱动马达52 —起，发挥对驱动轮52的动作进 行控制的驱动轮控制系统50的一部分的作用。还有，车辆10具有包括路面坡度测定传感器71的路面坡度测定系统70。上述路 面坡度测定传感器71由例如相互之间前后分离、设置在搭乘部14的下面地2个距离传感 器构成，该2个距离传感器在相互之间前后分离的位置处，基于所测定的至路面的距离的 差，计算路面坡度Π。另外，上述路面坡度测定传感器71也可以基于摄像机所获得的图像 数据，确定路面坡度η，或基于GPS (Global Positioning System)和地图数据获取路面坡 度数据，也可以象第1实施形态那样利用观察器进行推定，只要是能够获得路面坡度n，可 以是任意种类的机构。然后，路面坡度测定传感器71将所获得的路面坡度η，传送给主控 制 ECU21。另外，控制E⑶20具有计算时间的计时器24。该计时器24当车辆10在坡道上停 车时开始计时，如果超过预先设定的规定时间，例如5秒钟，则停止计时，表示时间超过。上 述规定时间为用于对驱动轮12进行制动的阈值，如果车辆10在坡道上停车的时间超过上 述规定时间，则让制动装置5进行动作，停止驱动轮12的转动。另外，上述计时器24向主 控制ECU21发送表示时间超过的信息。另外，其它部分的结构与上述第1实施形态相同，故省略其说明。接着，说明本实施形态的车辆10的动作。这里，仅说明在坡道上停止时的坡道停 止处理的动作，对于其它动作，与上述第1实施形态相同，故省略其说明。图13是表示本发明的第2实施形态的车辆的坡道停止处理的动作的流程图。在坡道停止处理中，主控制E⑶21首先判断车速是否为0(步骤Sll)。此时，主控 制ECU21基于在上述第1实施形态中说明的状态量获取处理中获取的状态量，判断车速。当 车速不为0时，由于车辆10没有停止，因此结束处理。还有，当车速为0、车辆10停止时，主控制E⑶21判断路面坡度η的绝对值是否超 过阈值(步骤S12)。此时，主控制E⑶21基于从路面坡度测定传感器71获得的路面坡度 n的绝对值是否超过阈值，判断车辆10是否在坡道上。如果路面坡度η的绝对值没有超过阈值，由于车辆10停在平坦路上，而不是停在坡道上，因此结束处理。另一方面，如果路面坡度η的绝对值超过阈值，则车辆10停在坡道上，主控制 E⑶21判断是否时间超过(步骤S13)。此时，主控制E⑶21基于从计时器24是否接受到时 间超过的信息，判断车辆10在坡道上的停止状态是否持续规定时间以上，即5秒以上。如 果不是时间超过，则认为车辆10在坡道上的停止时间还不足够长，从而再次判断车速是否 为0，循环进行之后的动作。还有，如果是时间超过，主控制E⑶21对驱动轮12进行制动(步骤S14)。此时，此 时，主控制E⑶21使制动装置53进行动作，停止驱动轮12相对于车体的转动。即，锁止驱 动轮12。接着，主控制E⑶21只利用能动重量部进行姿态控制(步骤S15)。此时，将作为 驱动马达52的输出的驱动转矩1 的指令值设定为0。然后，对车体倾斜角、倾斜角速度、 能动重量部位置以及移动速度进行反馈，从而控制能动重量部马达62。[公式8]能动重量部马达62的反馈输出Sb如下面公式(8)所示。 Sb=K' B3Ce1-^D-K' ΒΑ(Θ-Θ,*) —K，B5(A-A+)- K，B6(A-A+)这里，K’ Β3-Κ’ Β6为反馈增益，作为其值，例如预先设定为最佳调节器的值。另外，* 表示目标值。接着，主控制E⑶21判断是否解除制动操作(步骤S16)。此时，主控制E⑶21基于 所获得的操纵杆31的操作量，判断乘员15的制动指令的输入是否消失。如果没有解除制 动操作，主控制ECU21判断是否存在加速操作(步骤S17)。此时，主控制ECU21基于所获得 的操纵杆31的操作量，判断乘员15是否输入了加速指令。如果存在加速操作，主控制E⑶21解除驱动轮12的制动(步骤S18)。此时，主控 制ECU21使制动装置53动作，解除驱动轮12的锁止。另外，如果判断是否解除制动操作之后，解除了制动操作，主控制ECU21则不进行 是否存在加速操作的判断，直接解除驱动轮12的制动。还有，如果判断是否存在加速操作， 而不存在加速操作时，主控制ECU21只利用能动重量部继续进行姿态控制。然后，使制动装置53动作后，主控制E⑶21进行通常的姿态控制(步骤S19)，然后 结束处理。在通常的姿态控制中，对车体倾斜角、倾斜角速度、能动重量部位置以及移动速 度进行反馈，从而控制能动重量部马达62。[公式9]驱动马达52的反馈输出τ ff如下面公式(9)所示。r W= —KW1 ( θ w— θ W*) ~Kw2 (θ ^fi- θ W*) —KW3( θ θ !*)-Kw4Ce1-6 !*)-Kw5CA-A*) -Kw6(A-A+)这里，Kffl-Kff6为反馈增益，作为其值，例如预先设定为最佳调节器的值。另外，*表 示目标值。[公式10]还有，能动重量部马达62的反馈输出Sb如下面公式(10)所示。
Sb = -Kbi ( θ w- θ ；) -ΚΒ2 ( θ ff-θ ；) _ΚΒ3 ( θ r θ 广)-Kb4 ( θ「θ 广)-ΚΒ5 ( λ - λ *) -ΚΒ6 ( λ - λ *)这里，Kbi-Kb6为反馈增益，作为其值，例如预先设定为最佳调节器的值。另外，*表 示目标值。还有，只用能动重量部进行姿态控制时，希望反馈增益K’ Β3-Κ’《；满足下列关系。K，Β3 ≥ ΚΒ3, K，Β4 ≥Kb4, K，Β5 ≥ ΚΒ5, K，Β6 ≥ ΚΒ6。这样，在本实施形态中，当车辆10在坡道上维持停车状态时，停止驱动轮12的转 动，而只移动作为能动重量部的搭乘部14，从而保持平衡，对车体的姿态进行控制。即，锁止 驱动轮12，只利用能动重量部进行姿态控制，将驱动马达52的输出设定为0。这样，驱动马 达52不消费能源，提高了能源效率。还有，由于移动能动重量部，可以适当地保持平衡，从 而在坡道上也可以稳定地停车。另外，利用路面坡度测定传感器71测定路面坡度η。因此，在获取从路面坡度η 时不会产生时间延迟。另外，由于不需要象笨重高价的支架那样的装置，从而不会增加车辆 10的重量，可以抑制成本。还有，当只利用能动重量部进行姿态控制时，如果外力作用在车体上而出现扰动， 则希望停止只利用能动重量部的姿态控制，而切换到通常的姿态控制。例如，当车体倾斜 角、以及/或者、倾斜角速度、以及/或者、倾斜角加速度超过预先设定的阈值时，可以判断 为出现了扰动。还有，可以利用扰动观察器来判断扰动。该扰动判断器基于力学模型，观察 控制系的内部状态，例如当能动重量部位置偏离本来的位置时，基于该偏离量的大小进行 判断。另外，在说明坡道停止处理的动作时，作为开始锁止驱动轮12、只利用能动重量部 进行姿态控制的开始条件，说明了采用路面坡度n的绝对值超过阈值的情况，以及车辆 ο 在坡道上的停止状态持续超过规定时间的情况。即，说明了通过判断路面坡度η的绝对值 是否超过阈值，以及是否时间超过，从而停止通常的姿态控制，切换到只利用能动重量部进 行姿态控制。但是，上述开始条件也可以是路面坡度n的绝对值超过阈值、和车辆10在坡 道上的停止状态持续超过规定时间这二者中的一个。另外，也可以识别在车辆10的前方的交叉路口等设置的交通信号灯器所表示的 信号，将停止信号、即红色信号作为上述开始条件。例如，也可以基于摄像机所获得的图像 数据，进行图像识别，判断为红色信号；也可以利用ITSdntelligent Transport System), 与上述交通信号灯器进行通信，判断为红色信号。还有，作为解除锁止驱动轮12、只利用能动重量部进行姿态控制的动作的解除条 件，说明了制动动作的解除、以及加速操作的实施的情况。即，判断是否解除了制动操作，以 及是否存在加速操作，从而停止只利用能动重量部进行姿态控制，切换到通常的姿态控制。 但是，上述解除条件也可以是制动动作的解除和加速操作的实施这二者中的一个。另外，也可以识别在车辆10的前方的交叉路口等设置的交通信号灯器所表示的信号，将可以通行信号、即绿色信号作为上述开始条件。例如，也可以基于摄像机所获得的 图像数据，进行图像识别，判断为绿色信号；也可以利用ITS，与上述交通信号灯器进行通 信，判断为绿色信号。还有，也可以将表示交叉道路的交通信号灯器的信号为红色信号的情 况作为上述开始条件。
另外，本发明并不局限于上述实施形态，可以基于本发明的精神进行各种变形，这 些变形不能被排除出本发明的范围。产业上的利用可能性 该发明可以适用于利用倒立摆的姿态控制的车辆。
权利要求
一种车辆，其特征在于具有安装在车体上并能够转动的驱动轮、安装在上述车体上并能够相对于上述车体移动的能动重量部、和对赋予上述驱动轮的驱动转矩和上述能动重量部的位置中的至少一方进行控制从而对上述车体的姿态进行控制的车辆控制装置，当在坡道上停车时，该车辆控制装置只对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行控制。
2.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于具有推定上述坡道的路面坡度的路面坡度推定机构，当在利用上述路面坡度推定机构所推定的路面坡度的绝对值大于规定的阈值的坡道 上停车时，上述车辆控制装置只对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态 进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的车辆，其特征在于 具有计算时间的计时器，当利用上述计时器计算出的持续停车状态的时间等于或大于规定时间时，上述车辆控 制装置只对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行控制。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的车辆，其特征在于当解除制动操作或进行加速操作时，上述车辆控制装置对赋予上述驱动轮的驱动转矩 和上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行控制。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的车辆，其特征在于 具有对上述驱动轮进行制动的制动装置，当停车时，上述车辆控制装置使上述制动装置动作，从而使上述驱动轮停止。
6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于还有，当解除制动操作或进行加速操作时，上述车辆控制装置解除利用上述制动装置 对上述驱动轮的制动。
7.—种车辆，其特征在于具有安装在车体上并能够转动的驱动轮、 安装在上述车体上并能够相对于上述车体移动的能动重量部、 和当在坡道上停车时、对上述能动重量部的位置进行控制从而对上述车体的姿态进行 控制的车辆控制装置。
全文摘要
本发明提供一种车辆，当车辆(10)在坡道上停止时，使制动装置动作，停止驱动轮(12)的转动，处于对驱动轮(12)不施加转矩的状态，只移动能动重量部(14)，对车体(11)的姿态进行控制，因而不会消费大量的能源，车辆(10)能够实现稳定的停止状态。具有安装在车体(11)上并能够转动的驱动轮(12)、安装在上述车体(11)上并能够相对于上述车体(11)移动的能动重量部(14)、和对赋予上述驱动轮(12)的驱动转矩和上述能动重量部(14)的位置中的至少一方进行控制从而对上述车体(11)的姿态进行控制的车辆控制装置，当在坡道上停车时，该车辆控制装置只对上述能动重量部(14)的位置进行控制从而对上述车体(11)的姿态进行控制。
文档编号G05D1/08GK101821155SQ200880111298
公开日2010年9月1日 申请日期2008年10月1日 优先权日2007年10月12日
发明者牛来直树 申请人:爱考斯研究株式会社