WO2011033586A1

WO2011033586A1 - 倒立振子型車両の制御装置

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Publication number: WO2011033586A1
Application number: PCT/JP2009/004758
Authority: WO
Inventors: 透竹中; 一志秋元; 慎一郎小橋; 秀雄村上; 勇一上林
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US8554391B2; JPWO2011033586A1; US20120173041A1; JP5436564B2

Abstract

　当該車両を意図する方向へ簡易に移動させることができる倒立振子型車両の制御装置を提供する。倒立振子型車両１には、シート３に係合部４を介して紐状体Ｃの一端が連結され、該紐状体Ｃの張力が３軸力センサにより検出される。検出された紐状体Ｃの張力に応じて、要求重心速度生成部７４が要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを決定し、これに基づいて制御用操作量が決定される。

Description

倒立振子型車両の制御装置

　本発明は、床面上を移動可能な倒立振子型車両の制御装置に関する。

　倒立振子型車両は、床面上を移動する移動動作部と、この移動動作部を駆動するアクチュエータ装置とが組み付けられた基体に、鉛直方向に対して傾動自在な運搬対象物体の搭載部が組み付けられた車両であり、搭載部の傾斜角度をある目標傾斜角度に保つために（搭乗部が傾倒しないようにするために）、倒立振子の支点を動かすような形態で、移動動作部を移動させる必要がある車両である。

　この種の倒立振子型車両の制御技術としては、例えば、特許文献１に見られるものが本願出願人により提案されている。

　この特許文献１には、運搬対象物体の搭載部としての乗員の搭乗部が組み付けられた車両の基体が球体状の移動動作部に対して前後方向の軸周りと左右方向の軸周りとの２軸周りに傾動自在に設けられた倒立振子型車両の制御技術が記載されている。この技術では、基体の傾斜角度（＝搭乗部の傾斜角度）の計測値と目標傾斜角度との偏差を“０”に近づけると共に、アクチュエータ装置としてのモータの速度（ひいては移動動作部の移動速度）の計測値と目標速度との偏差を“０”に近づけるようにモータの駆動トルクが逐次決定される。そして、その決定した駆動トルクに応じて、移動動作部の移動動作がモータを介して制御される。

　なお、倒立振子型車両として機能し得る車両としては、例えば、特許文献２、３に見られるものも本願出願人により提案されている。

特許第３０７００１５号ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ／２００８／１３２７７８ＰＣＴ国際公開公報ＷＯ／２００８／１３２７７９

　ところで、特許文献１に見られるように、乗員が搭乗部を傾動させることで移動させるようにした倒立振子型車両において、乗員が搭乗部に搭乗しない状態で当該車両を移動させたい場合には、乗員が搭乗部を把持して該搭乗部を移動させたい方向へ傾動させる必要がある。この場合、乗員は当該車両を移動させる間、搭乗部を移動方向へ傾斜させた状態に維持しなければならない上、乗員に対する車両の配置によっては、移動中に乗員と車両が離反し過ぎてまたは接近しすぎて、搭乗部を移動させたい方向へ傾動させることが困難な場合も生じ得る。

　本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、車両を意図する方向へ簡易に移動させることができる倒立振子型車両の制御装置を提供することを目的とする。

　かかる目的を達成するために、第１発明の倒立振子型車両の制御装置は、
　床面上を互いに直交する第１の方向及び第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、該移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、該移動動作部及びアクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記第１の方向の軸周りと第２の方向の軸周りとの２軸周りで鉛直方向に対して傾動自在に前記基体に組付けられた物体搭載部とを備える倒立振子型車両の制御装置であって、
　前記基体または前記物体搭載部に一端が連結されると共に他端が車両の外部の移動体に保持された紐状体により、該基体または物体搭載部に作用する該紐状体の張力を検出する張力検出部と、
　前記張力検出部で検出された紐状体の張力に応じて、前記移動動作部に付与する駆動力を規定する制御用操作量を決定し、その決定した制御用操作量に応じて前記移動動作部の移動動作を前記アクチュエータ装置を介して制御する移動動作部制御手段と
を備えることを特徴とする（第１発明）。

　なお、本発明において、前記移動動作部が、「第１の方向及び第２の方向を含む全方向に移動可能」ということは、該第１の方向及び第２の方向に直交する軸方向で見た場合における各瞬間での該移動動作部の速度ベクトルの向きが、前記アクチュエータ装置による移動動作部の駆動によって、上記軸方向の周りの任意の角度方向の向きを採り得るということを意味する。この場合、上記軸方向は、概ね、上下方向又は床面に垂直な方向である。また、本発明における「直交」は厳密な意味での直交であることは必須ではなく、本発明の本質を逸脱しない範囲で、厳密な意味での直交から若干のずれがあってもよい。

　また、本発明において、「床」は、通常的な意味での床（屋内の床など）だけを意味するものではなく、屋外の地面もしくは路面をも含むものとして使用する。

　上記第１発明によれば、一端が車両側の基体または物体搭載部に連結されると共に他端側が移動体に保持された紐状体を用いて車両を移動する場合に、紐状体により基体または物体搭載部に作用する張力が張力検出部を介して検出される。そして、検出された紐状体の張力に応じて移動動作部制御手段が前記制御用操作量を決定する。

　そのため、車両を移動させたい場合には、基体等を移動させたい方向へ傾動させる代わりに、一端が車両側に連結された紐状体を操ることで当該車両を移動させることができる。

　このように、本発明によれば、基体等を移動方向へ傾斜させた状態に維持する必要がない上、紐状体を移動体と車両との間に介在させることで、移動中に移動体と車両が離反し過ぎてまたは接近しすぎて、車両を思うように移動させることが困難となる事態を回避することができ、当該車両を意図する方向へ簡易に移動させることができる。

　ここで、移動体には、例えば、歩行者のほか、当該車両以外の車両等が含まれる。

　具体的に第１発明において、例えば、前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の鉛直方向成分と水平方向成分から、前記基体または前記物体搭載部と前記移動体との距離を算出し、算出した該距離が予め設定された目標距離となるように、前記制御用操作量を決定する（第２発明）。

　この第２発明によれば、張力検出部で検出する紐状体の張力は、水平方向成分と鉛直方向成分の２つのベクトル成分に分解できるところ、これら紐状体の張力の鉛直方向成分と水平方向成分との比は、鉛直面における紐状体の連結部での張力の向きに対応している。そして、かかる鉛直面における張力の向きは、紐状体の弛み具合（張り具体）に対応しているため、この張力方向に基づいて当該車両（正確には、当該車両の基体または物体搭載部）と紐状体の他端を保持した移動体との距離を算出することができる。例えば、予め長さが規定された紐状体は、その中間部分が空中で弛んでいる場合には、かかる鉛直面における張力の向きと、当該車両と移動体との間の距離とが一義的に決まる。

　このようにして算出された距離が、予め設定された目標距離となるように前記制御用操作量を決定することで、紐状体を介して繋がった当該車両と移動体との距離を目標距離に保つことができ、移動中に移動体と車両が離反し過ぎてまたは接近しすぎて、車両を思うように移動させることが困難となる事態を回避することができる。

　また、具体的に第１発明または第２発明において、例えば、前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の水平方向成分の向きから、前記基体または前記物体搭載部に対する前記移動体の方向を算出し、算出した該方向を目標方向として前記制御用操作量を決定する（第３発明）。

　この第３発明によれば、張力検出部で検出する紐状体の張力の水平方向成分は、さらに水平面上の２つのベクトルの成分（例えば、互いに直交するＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分）に分解できるところ、これら２つのベクトルの成分により当該車両（正確には、当該車両の基体または物体搭載部）に対する移動体の方向を算出することができる。

　このようにして算出された方向を目標方向として前記制御用操作量を決定することで、紐状体の張力方向に当該車両を移動させることができ、紐状体を介して繋がった当該車両を意図する方向へ簡易に移動させることができる。

　さらに、第１～第３発明のいずれかにおいて、前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の大きさが所定値以下の場合に、当該車両の移動速度を０にするように前記制御用操作量を決定することが好ましい（第４発明）。

　この第４発明によれば、張力検出部で検出された紐状体の張力の大きさが一定の値以下の場合には、紐状体の張力の検出値としては信頼性が乏しい。例えば、張力検出部での検出値には、紐状体の揺れなどの動きに起因する一定のノイズが含まれるところ、張力検出部で検出された紐状体の張力の大きさが一定の値以下の場合には、かかるノイズ成分の影響により当該車両を思うように移動させることが困難な状態が生じ得る。そこで、張力検出部で検出された紐状体の張力の大きさが所定値以下の場合に、当該車両の移動速度を０にするように前記制御用操作量を決定することで車両を停止させることができ、かかる事態を回避することができる。

実施形態の倒立振子型車両の正面図。実施形態の倒立振子型車両の側面図。実施形態の倒立振子型車両の下部を拡大して示す図。実施形態の倒立振子型車両の下部の斜視図。実施形態の倒立振子型車両の移動動作部（車輪体）の斜視図。実施形態の倒立振子型車両の移動動作部（車輪体）とフリーローラとの配置関係を示す図。実施形態の倒立振子型車両の制御ユニットの処理を示すフローチャート。実施形態の倒立振子型車両の動力学的挙動を表現する倒立振子モデルを示す図。実施形態での図７のＳＴＥＰ９の処理に係わる処理機能を示すブロック図。図９に示すゲイン調整部の処理機能を示すブロック図。図１０に示すリミット処理部（又は図１２に示すリミット処理部）の処理機能を示すブロック図。図９に示す重心速度制限部７６の処理機能を示すブロック図。図９に示す姿勢制御演算部８０の処理機能を示すブロック図。図９に示す要求重心速度生成部７４の処理を示すフローチャート。図１４の推定距離算出処理および目標方向算出処理の内容を示す説明図。

　本発明の実施形態を以下に説明する。まず、図１～図６を参照して、本実施形態における倒立振子型車両の構造を説明する。

　図１及び図２に示すように、本実施形態における倒立振子型車両１は、乗員（運転者）の搭乗部３と、床面に接地しながら該床面上を全方向（前後方向及び左右方向を含む２次元的な全方向）に移動可能な移動動作部５と、この移動動作部５を駆動する動力を該移動動作部５に付与するアクチュエータ装置７と、これらの搭乗部３、移動動作部５及びアクチュエータ装置７が組付けられた基体９とを備える。

　ここで、本実施形態の説明では、「前後方向」、「左右方向」は、それぞれ、搭乗部３に標準的な姿勢で搭乗した乗員の上体の前後方向、左右方向に一致もしくはほぼ一致する方向を意味する。なお、「標準的な姿勢」は、搭乗部３に関して設計的に想定されている姿勢であり、乗員の上体の体幹軸を概ね上下方向に向け、且つ、上体を捻ったりしていない姿勢である。

　この場合、図１においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面に垂直な方向、紙面の左右方向であり、図２においては、「前後方向」、「左右方向」はそれぞれ、紙面の左右方向、紙面に垂直な方向である。また、本実施形態の説明では、参照符号に付する添え字「Ｒ」，「Ｌ」は、それぞれ車両１の右側、左側に対応するものという意味で使用する。

　基体９は、移動動作部５及びアクチュエータ装置７とが組付けられた下部フレーム１１と、この下部フレーム１１の上端から上方に延設された支柱フレーム１３とを備える。

　支柱フレーム１３の上部には、該支柱フレーム１３から前方側に張り出したシートフレーム１５が固定されている。そして、このシートフレーム１５上に、乗員が着座するシート３が装着されている。本実施形態では、このシート３が乗員の搭乗部となっている。従って、本実施形態における倒立振子型車両１（以降、単に車両１という）は、乗員がシート３に着座した状態で、床面上を移動するものである。

　また、シート３の左右には、シート３に着座した乗員が必要に応じて把持するためのグリップ１７Ｒ，１７Ｌが配置され、これらのグリップ１７Ｒ，１７Ｌがそれぞれ、支柱フレーム１３（又はシートフレーム１５）から延設されたブラケット１９Ｒ，１９Ｌの先端部に固定されている。

　さらに、車両１の基体９またはシート３の所定位置、例えば、シート３の前側の中央下端部には、後述するように、車両１に紐状体Ｃを連結させてする操作を許容すべく、紐状体Ｃの一端が連結される環状の係合部４が設けられており（図１５参照）、シート３に連結された紐状体Ｃは、係合部４を介してシート３により支持される。なお、紐状体Ｃの一端は係合部４に連結する鉤型の形状となっている。

　下部フレーム１１は、左右方向に間隔を存して二股状に対向するように配置された一対のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌを備える。これらのカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの上端部（二股の分岐部分）は、前後方向の軸心を有するヒンジ軸２３を介して連結され、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの一方が他方に対して相対的にヒンジ軸２３の周りに揺動可能となっている。この場合、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示を省略するバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。

　また、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌのそれぞれの外面部には、前記シート３に着座した乗員の右足を載せるステップ２５Ｒと左足を載せるステップ２５Ｌとが各々、右向き、左向きに張り出すように突設されている。

　移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、下部フレーム１１のカバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置されている。これらの移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構造を図３～図６を参照して説明する。

　なお、本実施形態で例示する移動動作部５及びアクチュエータ装置７は、例えば前記特許文献２の図１に開示されているものと同じ構造のものである。従って、本実施形態の説明においては、移動動作部５及びアクチュエータ装置７の構成に関して、前記特許文献２に記載された事項については、簡略的な説明に留める。

　本実施形態では、移動動作部５は、ゴム状弾性材により円環状に形成された車輪体であり、ほぼ円形の横断面形状を有する。この移動動作部５（以降、車輪体５という）は、その弾性変形によって、図５及び図６の矢印Ｙ１で示す如く、円形の横断面の中心Ｃ１（より詳しくは、円形の横断面中心Ｃ１を通って、車輪体５の軸心と同心となる円周線）の周りに回転可能となっている。

　この車輪体５は、その軸心Ｃ２（車輪体５全体の直径方向に直交する軸心Ｃ２）を左右方向に向けた状態で、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの間に配置され、該車輪体５の外周面の下端部にて床面に接地する。

　そして、車輪体５は、アクチュエータ装置７による駆動（詳細は後述する）によって、図５の矢印Ｙ２で示す如く車輪体５の軸心Ｃ２の周りに回転する動作（床面上を輪転する動作）と、車輪体５の横断面中心Ｃ１の周りに回転する動作とを行なうことが可能である。その結果、車輪体５は、それらの回転動作の複合動作によって、床面上を全方向に移動することが可能となっている。

　アクチュエータ装置７は、車輪体５と右側のカバー部材２１Ｒとの間に介装される回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒと、車輪体５と左側のカバー部材１７Ｌとの間に介装される回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌと、回転部材２７Ｒ及びフリーローラ２９Ｒの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｒと、回転部材２７Ｌ及びフリーローラ２９Ｌの上方に配置されたアクチュエータとしての電動モータ３１Ｌとを備える。

　電動モータ３１Ｒ，３１Ｌは、それぞれのハウジングがカバー部材２１Ｒ，２１Ｌに各々取付けられている。なお、図示は省略するが、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの電源（蓄電器）は、支柱フレーム１３等、基体９の適所に搭載されている。

　回転部材２７Ｒは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｒを介してカバー部材２１Ｒに回転可能に支持されている。同様に、回転部材２７Ｌは、左右方向の軸心を有する支軸３３Ｌを介してカバー部材２１Ｌに回転可能に支持されている。この場合、回転部材２７Ｒの回転軸心（支軸３３Ｒの軸心）と、回転部材２７Ｌの回転軸心（支軸３３Ｌの軸心）とは同軸心である。

　回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、それぞれ電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの出力軸に、減速機としての機能を含む動力伝達機構を介して接続されており、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌからそれぞれ伝達される動力（トルク）によって回転駆動される。各動力伝達機構は、例えばプーリ・ベルト式のものである。すなわち、図３に示す如く、回転部材２７Ｒは、プーリ３５Ｒとベルト３７Ｒとを介して電動モータ３１Ｒの出力軸に接続されている。同様に、回転部材２７Ｌは、プーリ３５Ｌとベルト３７Ｌとを介して電動モータ３１Ｌの出力軸に接続されている。

　なお、上記動力伝達機構は、例えば、スプロケットとリンクチェーンとにより構成されるもの、あるいは、複数のギヤにより構成されるものであってもよい。また、例えば、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを、それぞれの出力軸が各回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心になるように各回転部材２７Ｒ，２７Ｌに対向させて配置し、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸を回転部材２７Ｒ，２７Ｌに各々、減速機（遊星歯車装置等）を介して連結するようにしてもよい。

　各回転部材２７Ｒ，２７Ｌは、車輪体５側に向かって縮径する円錐台と同様の形状に形成されており、その外周面がテーパ外周面３９Ｒ，３９Ｌとなっている。

　回転部材２７Ｒのテーパ外周面３９Ｒの周囲には、回転部材２７Ｒと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数のフリーローラ２９Ｒが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｒは、それぞれ、ブラケット４１Ｒを介してにテーパ外周面３９Ｒに取付けられ、該ブラケット４１Ｒに回転自在に支承されている。

　同様に、回転部材２７Ｌのテーパ外周面３９Ｌの周囲には、回転部材２７Ｌと同心の円周上に等間隔で並ぶようにして、複数（フリーローラ２９Ｒと同数）のフリーローラ２９Ｌが配列されている。そして、これらのフリーローラ２９Ｌは、それぞれ、ブラケット４１Ｌを介してにテーパ外周面３９Ｌに取付けられ、該ブラケット４１Ｌに回転自在に支承されている。

　前記車輪体５は、回転部材２７Ｒ側のフリーローラ２９Ｒと、回転部材２７Ｌ側のフリーローラ２９Ｌとの間に挟まれるようにして、回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同軸心に配置されている。

　この場合、図１及び図６に示すように、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌは、その軸心Ｃ３が車輪体５の軸心Ｃ２に対して傾斜すると共に、車輪体５の直径方向（車輪体５をその軸心Ｃ２の方向で見たときに、該軸心Ｃ２と各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌとを結ぶ径方向）に対して傾斜する姿勢で配置されている。そして、このような姿勢で、各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌのそれぞれの外周面が車輪体５の内周面に斜め方向に圧接されている。

　より一般的に言えば、右側のフリーローラ２９Ｒは、回転部材２７Ｒが軸心Ｃ２の周りに回転駆動されたときに、車輪体５との接触面で、軸心Ｃ２周りの方向の摩擦力成分（車輪体５の内周の接線方向の摩擦力成分）と、車輪体５の前記横断面中心Ｃ１の周り方向の摩擦力成分（円形の横断面の接線方向の摩擦力成分）とを車輪体５に作用させ得るような姿勢で、車輪体５の内周面に圧接されている。左側のフリーローラ２９Ｌについても同様である。

　この場合、前記したように、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌは、図示しないバネによって、カバー部材２１Ｒ，２１Ｌの下端部側（二股の先端側）が狭まる方向に付勢されている。このため、この付勢力によって、右側のフリーローラ２９Ｒと左側のフリーローラ２９Ｌとの間に車輪体５が挟持されると共に、車輪体５に対する各フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌの圧接状態（より詳しくはフリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間で摩擦力が作用し得る圧接状態）が維持される。

　以上説明した構造を有する車両１においては、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌによりそれぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを同方向に等速度で回転駆動した場合には、車輪体５が回転部材２７Ｒ，２７Ｌと同方向に軸心Ｃ２の周りに回転することとなる。これにより、車輪体５が床面上を前後方向に輪転して、車両１の全体が前後方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りには回転しない。

　また、例えば、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを互いに逆方向に同じ大きさの速度で回転駆動した場合には、車輪体５は、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。これにより、車輪体４がその軸心Ｃ２の方向（すなわち左右方向）に移動し、ひいては、車両１の全体が左右方向に移動することとなる。なお、この場合は、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りには回転しない。

　さらに、回転部材２７Ｒ，２７Ｌを、互いに異なる速度（方向を含めた速度）で、同方向又は逆方向に回転駆動した場合には、車輪体５は、その軸心Ｃ２の周りに回転すると同時に、その横断面中心Ｃ１の周りに回転することとなる。

　この時、これらの回転動作の複合動作（合成動作）によって、前後方向及び左右方向に対して傾斜した方向に車輪体５が移動し、ひいては、車両１の全体が車輪体５と同方向に移動することとなる。この場合の車輪体５の移動方向は、回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転方向を含めた回転速度（回転方向に応じて極性が定義された回転速度ベクトル）の差に依存して変化するものとなる。

　以上のように車輪体５の移動動作が行なわれるので、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転速度（回転方向を含む）を制御し、ひいては回転部材２７Ｒ，２７Ｌの回転速度を制御することによって、車両１の移動速度及び移動方向を制御できることとなる。

　なお、シート３及び基体９は、車輪体５の軸心Ｃ２を支点として、左右方向の軸心Ｃ２周りに傾動自在となっていると共に、車輪体５の接地面（下端面）を支点として、前後方向の軸周りに該車輪体５と共に傾動自在となっている。

　次に、本実施形態の車両１の動作制御のための構成を説明する。なお、以降の説明では、図１及び図２に示すように、前後方向の水平軸をＸ軸、左右方向の水平軸をＹ軸、鉛直方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を想定し、前後方向、左右方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と言うことがある。

　まず、車両１の概略的な動作制御を説明すると、本実施形態では、基本的には、シート３に着座した乗員がその上体を傾けた場合（詳しくは、乗員と車両１とを合わせた全体の重心点の位置（水平面に投影した位置）を動かすように上体を傾けた場合）に、該上体を傾けた側に基体９がシート３と共に傾動する。そして、この時、基体９が傾いた側に車両１が移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。例えば、乗員が上体を前傾させ、ひいては、基体９をシート３と共に前傾させると、車両１が前方に移動するように、車輪体５の移動動作が制御される。

　すなわち、本実施形態では、乗員が上体を動かし、ひいては、シート３と共に基体９を傾動させるという動作が、車両１に対する１つの基本的な操縦操作（車両１の動作要求）とされ、その操縦操作に応じて車輪体５の移動動作がアクチュエータ装置７を介して制御される。

　ここで、本実施形態の車両１は、その全体の接地面としての車輪体５の接地面が、車両１とこれに搭乗する乗員との全体を床面に投影した領域に比して面積が小さい単一の局所領域となり、その単一の局所領域だけに床反力が作用する。このため、基体９が傾倒しないようにするためには、乗員及び車両１の全体の重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置するように、車輪体５を動かす必要がある。

　そこで、本実施形態では、乗員及び車両１の全体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（より正確には当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、基本的には、基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させるように、車輪体５の移動動作が制御される。

　さらに、車両１に乗員が搭乗していない状態では、車両１の単体の重心点が、車輪体５の中心点（軸心Ｃ２上の中心点）のほぼ真上に位置する状態（当該重心点が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態）での基体９の姿勢を目標姿勢とし、該基体９の実際の姿勢を目標姿勢に収束させ、ひいては、基体９が傾倒することなく車両１が自立するように、車輪体５の移動動作が制御される。

　また、車両１に乗員が搭乗している状態と搭乗していない状態とのいずれの状態においても、基体９の実際の姿勢の目標姿勢からずれが大きいほど、車両１の移動速度が速くなると共に、基体９の実際の姿勢の目標姿勢に一致する状態では、車両１の移動が停止するように車輪体５の移動動作が制御される。

　補足すると、「姿勢」は空間的な向きを意味する。本実施形態では、基体９がシート３と共に傾動することで、基体９やシート３の姿勢が変化する。また、本実施形態では、基体９とシート３とは一体的に傾動するので、基体９の姿勢をその目標姿勢に収束させるということは、シート３の姿勢を該シート３に対応する目標姿勢（基体９の姿勢が基体９の目標姿勢に一致する状態でのシート３の姿勢）に収束させるということと等価である。

　本実施形態では、以上の如き車両１の動作制御を行なうために、図１及び図２に示すように、マイクロコンピュータや電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのドライブ回路ユニットなどを含む電子回路ユニットにより構成された制御ユニット５０と、基体９の姿勢（又はシート３の姿勢）に関する状態量として、基体９の所定の部位の鉛直方向（重力方向）に対する傾斜角度θb及びその変化速度（＝dθb/dt）を計測するための傾斜センサ５２と、車両１に乗員が搭乗しているか否かを検知するための荷重センサ５４と、係合部４に連結された紐状体Ｃの張力を検出する３軸力センサ５５と、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの出力軸の回転角度及び回転角速度を検出するための角度センサとしてのロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌがそれぞれ、車両１の適所に搭載されている。

　この場合、制御ユニット５０及び傾斜センサ５２は、例えば、基体９の支柱フレーム１３の内部に収容された状態で該支柱フレーム１３に取付けられている。また、荷重センサ５４は、シート３に内蔵されている。また、ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌと一体に設けられている。なお、ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌは、それぞれ、回転部材２７Ｒ，２７Ｌに装着してもよい。

　上記傾斜センサ５２は、より詳しくは、加速度センサとジャイロセンサ等のレートセンサ（角速度センサ）とから構成され、これらのセンサの検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、傾斜センサ５２の加速度センサ及びレートセンサの出力を基に、所定の計測演算処理（これは公知の演算処理でよい）を実行することによって、傾斜センサ５２を搭載した部位（本実施形態では支柱フレーム１３）の、鉛直方向に対する傾斜角度θbの計測値とその変化速度（微分値）である傾斜角速度θbdotの計測値とを算出する。

　この場合、計測する傾斜角度θb（以降、基体傾斜角度θbということがある）は、より詳しくは、それぞれ、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θb_xと、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θb_yとから成る。同様に、計測する傾斜角速度θbdot（以降、基体傾斜角速度θbdotということがある）も、Ｙ軸周り方向（ピッチ方向）の成分θbdot_x（＝dθb_x/dt）と、Ｘ軸周り方向（ロール方向）の成分θbdot_y（＝dθb_y/dt）とから成る。

　補足すると、本実施形態では、基体９の支柱フレーム１３と一体にシート３が傾動するので、基体傾斜角度θbは、搭乗部３の傾斜角度としての意味も持つ。

　なお、本実施形態の説明では、上記基体傾斜角度θbなど、Ｘ軸及びＹ軸の各方向（又は各軸周り方向）の成分を有する運動状態量等の変数、あるいは、該運動状態量に関連する係数等の変数に関しては、その各成分を区別して表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_x”又は“_y”を付加する。

　この場合において、並進速度等の並進運動に係わる変数については、そのＸ軸方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｙ軸方向の成分に添え字“_y”を付加する。

　一方、角度、回転速度（角速度）、角加速度など、回転運動に係わる変数については、並進運動に係わる変数と添え字を揃えるために、便宜上、Ｙ軸周り方向の成分に添え字“_x”を付加し、Ｘ軸周り方向の成分に添え字“_y”を付加する。

　さらに、Ｘ軸方向の成分（又はＹ軸周り方向の成分）と、Ｙ軸方向の成分（又はＸ軸周り方向の成分）との組として変数を表記する場合には、該変数の参照符号に添え字“_xy”を付加する。例えば、上記基体傾斜角度θbを、Ｙ軸周り方向の成分θb_xとＸ軸周り方向の成分θb_yの組として表現する場合には、「基体傾斜角度θb_xy」というように表記する。

　前記荷重センサ５４は、乗員がシート３に着座した場合に該乗員の重量による荷重を受けるようにシート３に内蔵され、その荷重に応じた検出信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、この荷重センサ５４の出力により示される荷重の計測値に基づいて、車両１に乗員が搭乗しているか否かを判断する。

　なお、荷重センサ５４の代わりに、例えば、乗員がシート３に着座したときにＯＮとなるようなスイッチ式のセンサを用いてもよい。

　前記３軸力センサ５５は、シート３と係合部４との間に介装されており、係合部４に作用する外力、すなわち係合部４に連結された紐状体Ｃの張力に応じた検出信号を制御ユニット５０に出力する。この場合、３軸力センサ５５は、３軸方向の並進力を検出可能なセンサであり、その検出軸の方向がそれぞれ車両１の前後方向、左右方向、上下方向となるように配置されている。より詳しくは、基体傾斜角度θb_xyが例えば後述する自立モードようの目標値θb_xy_objに一致する状態で、３軸力センサ５５の検出軸の方向が、それぞれ前記Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に一致するように３軸力センサ５５が配置されている。そして、制御ユニット５０が、この３軸力センサ５５の出力に基づいて、紐状体Ｃの張力のうちのＸ軸方向成分Ｆxの計測値とＹ軸方向成分Ｆyの計測値とＺ軸方向成分の計測値とを求める。

　この場合、制御ユニット５０は、この３軸力センサ５５の出力のうち、車両１の前後方向に対応する検出軸に係わる出力が示す並進力をＦxの計測値、車両１の前後方向に対応する検出軸に係わる出力が示す並進力をＦyの計測値、車両１の上下方向に対応する検出軸に係わる出力が示す並進力をＦzの計測値として求める。なお、３軸力センサ５５は、基体９と一体に傾動し、基体傾斜角度θb_xyが自立モード用の目標値θb_xy_objに一致しない状態では、３軸力センサ５５の３つの検出軸の方向は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に対してずれを生じる。従って、より正確にＦx，Ｆy，Fzの計測値を求めるために、３軸力センサ５５の出力が示す紐状体Ｃの張力Ｆ（３軸力センサ５５に固定された座標系上で認識される力ベクトル）を、前記傾斜センサ５２の出力に基づく基体傾斜角度計測値θb_xy_sに応じて座標変換することによって、Ｆx，Ｆy，Ｆzの計測値を求めるようにしてもよい。

　ロータリエンコーダ５６Ｒは、電動モータ３１Ｒの出力軸が所定角度回転する毎にパルス信号を発生し、このパルス信号を制御ユニット５０に出力する。そして、制御ユニット５０が、そのパルス信号を基に、電動モータ５３Ｒの出力軸の回転角度を計測し、さらにその回転角度の計測値の時間的変化率（微分値）を電動モータ５３Ｒの回転角速度として計測する。電動モータ３１Ｌ側のロータリエンコーダ５６Ｌについても同様である。

　制御ユニット５０は、上記の各計測値を用いて所定の演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の目標値である速度指令を決定し、その速度指令に従って、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度をフィードバック制御する。

　なお、電動モータ３１Ｒの出力軸の回転角速度と、回転部材２７Ｒの回転角速度との間の関係は、該出力軸と回転部材２７Ｒとの間の一定値の減速比に応じた比例関係になるので、本実施形態の説明では、便宜上、電動モータ３１Ｒの回転角速度は、回転部材２７Ｒの回転角速度を意味するものとする。同様に、電動モータ３１Ｌの回転角速度は、回転部材２７Ｌの回転角速度を意味するものとする。

　以下に、制御ユニット５０の制御処理をさらに詳細に説明する。

　制御ユニット５０は、所定の制御処理周期で図７のフローチャートに示す処理（メインルーチン処理）を実行する。

　まず、ＳＴＥＰ１において、制御ユニット５０は、傾斜センサ５２の出力を取得する。

　次いで、ＳＴＥＰ２に進んで、制御ユニット５０は、取得した傾斜センサ５２の出力を基に、基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sと、基体傾斜角速度θbdotの計測値θbdot_xy_sとを算出する。

　なお、以降の説明では、上記計測値θb_xy_sなど、変数（状態量）の実際の値の観測値（計測値又は推定値）を参照符号により表記する場合に、該変数の参照符号に、添え字“_s”を付加する。

　次いで、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ３において、荷重センサ５４の出力を取得した後、ＳＴＥＰ４の判断処理を実行する。この判断処理においては、制御ユニット５０は、取得した荷重センサ５４の出力が示す荷重計測値があらかじめ設定された所定値よりも大きいか否かによって、車両１に乗員が搭乗しているか否か（シート３に乗員が着座しているか否か）を判断する。

　そして、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ４の判断結果が肯定的である場合には、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータ（各種ゲインの基本値など）の値を設定する処理とを、それぞれＳＴＥＰ５、６で実行する。

　ＳＴＥＰ５においては、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた搭乗モード用の目標値を設定する。

　ここで、「搭乗モード」は、車両１に乗員が搭乗している場合での車両１の動作モードを意味する。この搭乗モード用の目標値θb_xy_objは、車両１とシート３に着座した乗員との全体の重心点（以降、車両・乗員全体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致又はほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。

　また、ＳＴＥＰ６においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた搭乗モード用の値を設定する。なお、定数パラメータは、後述するｈx，ｈy，Ｋi_a_x，Ｋi_b_x，Ｋi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）等である。

　一方、ＳＴＥＰ４の判断結果が否定的である場合には、制御ユニット５０は、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objを設定する処理と、車両１の動作制御用の定数パラメータの値を設定する処理とを、ＳＴＥＰ７、８で実行する。

　ＳＴＥＰ７においては、制御ユニット５０は、傾斜角度θbの目標値θb_xy_objとして、あらかじめ定められた自立モード用の目標値を設定する。

　ここで、「自立モード」は、車両１に乗員が搭乗していない場合での車両１の動作モードを意味し、後述するように、「自立モード」には、車両１を移動させるための「移動モード」と車両１を停止状態に維持する「停止モード」の２つのモードがある。

　この自立モード用の目標値θb_xy_objは、（移動モードおよび停止モードのいずれの場合も）車両１単体の重心点（以降、車両単体重心点という）が車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態となる基体９の姿勢において、傾斜センサ５２の出力に基づき計測される基体傾斜角度θbの計測値θb_xy_sに一致又はほぼ一致するようにあらかじめ設定されている。この自立モード用の目標値θb_xy_objは、搭乗モード用の目標値θb_xy_objと一般的には異なる。

　また、ＳＴＥＰ８においては、制御ユニット５０は、車両１の動作制御用の定数パラメータの値として、あらかじめ定められた自立モード用の値を設定する。この自立モード用の定数パラメータの値は、搭乗モード用の定数パラメータの値と異なる。

　搭乗モードと自立モードとで、上記定数パラメータの値を異ならせるのは、それぞれのモードで上記重心点の高さや、全体質量等が異なることに起因して、制御入力に対する車両１の動作の応答特性が互いに異なるからである。

　以上のＳＴＥＰ４～８の処理によって、搭乗モード及び自立モードの各動作モード毎に各別に、基体傾斜角度θb_xyの目標値θb_xy_objと定数パラメータの値とが設定される。

　なお、ＳＴＥＰ５，６の処理、又はＳＴＥＰ７，８の処理は、制御処理周期毎に実行することは必須ではなく、ＳＴＥＰ４の判断結果が変化した場合にだけ実行するようにしてもよい。

　補足すると、搭乗モード及び自立モードのいずれにおいても、基体傾斜角速度θbdotのＹ軸周り方向の成分θbdot_xの目標値とＸ軸周り方向の成分θbdot_yの目標値とは、いずれも“０”である。このため、基体傾斜角速度θbdot_xyの目標値を設定する処理は不要である。

　以上の如くＳＴＥＰ５，６の処理、又はＳＴＥＰ７，８の処理を実行した後、制御ユニット５０は、次にＳＴＥＰ９において、車両制御演算処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令を決定する。この車両制御演算処理の詳細は後述する。

　次いで、ＳＴＥＰ１０に進んで、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ９で決定した速度指令に応じて電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの動作制御処理を実行する。この動作制御処理では、制御ユニット５０は、ＳＴＥＰ９で決定した電動モータ３１Ｒの速度指令と、ロータリエンコーダ５６Ｒの出力に基づき計測した電動モータ３１Ｒの回転速度の計測値との偏差に応じて、該偏差を“０”に収束させるように電動モータ３１Ｒの出力トルクの目標値（目標トルク）を決定する。そして、制御ユニット５０は、その目標トルクの出力トルクを電動モータ３１Ｒに出力させるように該電動モータ３１Ｒの通電電流を制御する。左側の電動モータ３１Ｌの動作制御についても同様である。

　以上が、制御ユニット５０が実行する全体的な制御処理である。

　次に、上記ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理の詳細を説明する。

　なお、以降の説明においては、前記搭乗モードにおける車両・乗員全体重心点と、前記自立モードにおける車両単体重心点とを総称的に、車両系重心点という。該車両系重心点は、車両１の動作モードが搭乗モードである場合には、車両・乗員全体重心点を意味し、自立モードである場合には、車両単体重心点を意味する。

　また、以降の説明では、制御ユニット５０が各制御処理周期で決定する値（更新する値）に関し、現在の（最新の）制御処理周期で決定する値を今回値、その１つ前の制御処理周期で決定した値を前回値ということがある。そして、今回値、前回値を特にことわらない値は、今回値を意味する。

　また、Ｘ軸方向の速度及び加速度に関しては、前方向きを正の向きとし、Ｙ軸方向の速度及び加速度に関しては、左向きを正の向きとする。

　本実施形態では、前記車両系重心点の動力学的な挙動（詳しくは、Ｙ軸方向からこれに直交する面（ＸＺ平面）に投影して見た挙動と、Ｘ軸方向からこれに直交する面（ＹＺ平面）に投影して見た挙動）が、近似的に、図８に示すような、倒立振子モデルの挙動（倒立振子の動力学的挙動）によって表現されるものとして、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理が行なわれる。

　なお、図８において、括弧を付していない参照符号は、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号であり、括弧付きの参照符号は、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルに対応する参照符号である。

　この場合、Ｙ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデルは、車両系重心点に位置する質点６０_xと、Ｙ軸方向に平行な回転軸６２a_xを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_x（以降、仮想車輪６２_xという）とを備える。そして、質点６０_xが、仮想車輪６２_xの回転軸６２a_xに直線状のロッド６４_xを介して支持され、該回転軸６２a_xを支点として該回転軸６２a_xの周りに揺動自在とされている。

　この倒立振子モデルでは、質点６０_xの運動が、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_xの傾斜角度θbe_xがＹ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_x_sと基体傾斜角度目標値θb_x_objとの偏差θbe_x_s（＝θb_x_s－θb_x_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_xの傾斜角度θbe_xの変化速度（＝dθbe_x/dt）がＹ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x（Ｘ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＸ軸方向の移動速度に一致するものとされる。

　同様に、Ｘ軸方向から見た挙動を表現する倒立振子モデル（図８の括弧付きの符号を参照）は、車両系重心点に位置する質点６０_yと、Ｘ軸方向に平行な回転軸６２a_yを有して床面上を輪転自在な仮想的な車輪６２_y（以降、仮想車輪６２_yという）とを備える。そして、質点６０_yが、仮想車輪６２_yの回転軸６２a_yに直線状のロッド６４_yを介して支持され、該回転軸６２a_yを支点として該回転軸６２a_yの周りに揺動自在とされている。

　この倒立振子モデルでは、質点６０_yの運動が、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動に相当する。また、鉛直方向に対するロッド６４_yの傾斜角度θbe_yがＸ軸周り方向での基体傾斜角度計測値θb_y_sと基体傾斜角度目標値θb_y_objとの偏差θbe_y_s（＝θb_y_s－θb_y_obj）に一致するものとされる。また、ロッド６４_yの傾斜角度θbe_yの変化速度（＝dθbe_y/dt）がＸ軸周り方向の基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに一致するものとされる。また、仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y（Ｙ軸方向の並進移動速度）は、車両１の車輪体５のＹ軸方向の移動速度に一致するものとされる。

　なお、仮想車輪６２_x，６２_yは、それぞれ、あらかじめ定められた所定値Ｒw_x，Ｒw_yの半径を有するものとされる。

　また、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yと、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L（より正確には、回転部材２７Ｒ，２７Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R，ω_L）との間には、次式０１ａ，０１ｂの関係が成立するものとされる。

ωw_x＝（ω_Ｒ＋ω_L）／２　　……式０１ａ
ωw_y＝Ｃ・（ω_Ｒ－ω_L）／２　　……式０１ｂ

　なお、式０１ｂにおける“Ｃ”は、前記フリーローラ２９Ｒ，２９Ｌと車輪体５との間の機構的な関係や滑りに依存する所定値の係数である。また、ωw_x，ω_R，ω_Lの正の向きは、仮想車輪６２_xが前方に向かって輪転する場合の該仮想車輪６２_xの回転方向、ωw_yの正の向きは、仮想車輪６２_yが左向きに輪転する場合の該仮想車輪６２_yの回転方向である。

　ここで、図８に示す倒立振子モデルの動力学は、次式０３ｘ，０３ｙにより表現される。なお、式０３ｘは、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式、式０３ｙは、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの動力学を表現する式である。

ｄ²θbe_x／dt²＝α_x・θbe_x＋β_x・ωwdot_x　　……式０３ｘ
ｄ²θbe_y／dt²＝α_y・θbe_y＋β_y・ωwdot_y　　……式０３ｙ

　式０３ｘにおけるωwdot_xは仮想車輪６２_xの回転角加速度（回転角速度ωw_xの１階微分値）、α_xは、質点６０_xの質量や高さｈ_xに依存する係数、β_xは、仮想車輪６２_xのイナーシャ（慣性モーメント）や半径Ｒw_xに依存する係数である。式０３ｙにおけるωwdot_y、α_y、β_yについても上記と同様である。

　これらの式０３ｘ，０３ｙから判るように、倒立振子の質点６０_x，６０_yの運動（ひいては車両系重心点の運動）は、それぞれ、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_x、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yに依存して規定される。

　そこで、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_xの回転角加速度ωwdot_xを用いると共に、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_yの回転角加速度ωwdot_yを用いる。

　そして、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理を概略的に説明すると、制御ユニット５０は、Ｘ軸方向で見た質点６０_xの運動と、Ｙ軸方向で見た質点６０_yの運動とが、車両系重心点の所望の運動に対応する運動となるように、操作量としての上記回転角加速度ωwdot_x，ωwdot_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを決定する。さらに、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分してなる値を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x，ωw_yの指令値（目標値）である仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdとして決定する。

　そして、制御ユニット５０は、仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度（＝Ｒw_x・ωw_x_cmd）と、仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度（＝Ｒw_y・ωw_y_cmd）とを、それぞれ、車両１の車輪体５のＸ軸方向の目標移動速度、Ｙ軸方向の目標移動速度とし、それらの目標移動速度を実現するように、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ωL_cmdを決定する。

　なお、本実施形態では、操作量（制御入力）としての上記仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdは、それぞれ、後述する式０７ｘ，０７ｙに示す如く、３個の操作量成分を加え合わせることによって決定される。

　補足すると、本実施形態における操作量（制御入力）としての上記仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdのうち、ωwdot_x_cmdは、Ｘ軸方向に移動する仮想車輪６２_xの回転角加速度であるから、車輪体５をＸ軸方向に移動させるために該車輪体５に付与すべき駆動力を規定する操作量として機能するものとなる。また、ωwdot_y_cmdは、Ｙ軸方向に移動する仮想車輪６２_yの回転角加速度であるから、車輪体５をＹ軸方向に移動させるために該車輪体５に付与すべき駆動力を規定する操作量として機能するものとなる。

　制御ユニット５０は、上記の如き、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理を実行するための機能として、図９のブロック図で示す機能を備えている。

　すなわち、制御ユニット５０は、基体傾斜角度計測値θb_xy_sと基体傾斜角度目標値θb_xy_objとの偏差である基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sを算出する偏差演算部７０と、前記車両系重心点の移動速度である重心速度Ｖb_xyの観測値としての重心速度推定値Ｖb_xy_sを算出する重心速度算出部７２と、上記重心速度Ｖb_xyの要求値としての要求重心速度Ｖ_xy_aimを生成する要求重心速度生成部７４と、これらの重心速度推定値Ｖb_xy_s及び要求重心速度Ｖ_xy_aimから、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度の許容範囲に応じた制限を加味して、重心速度Ｖb_xyの目標値としての制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdを決定する重心速度制限部７６と、後述する式０７ｘ，０７ｙのゲイン係数の値を調整するためのゲイン調整パラメータＫr_xyを決定するゲイン調整部７８とを備える。

　制御ユニット５０は、さらに、前記仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを算出する姿勢制御演算部８０と、この仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを、右側の電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmd（回転角速度の指令値）と左側の電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmd（回転角速度の指令値）との組に変換するモータ指令演算部８２とを備える。

　なお、図９中の参照符号８４を付したものは、姿勢制御演算部７０が制御処理周期毎に算出する仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを入力する遅延要素を示している。該遅延要素８４は、各制御処理周期において、仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_pを出力する。

　前記ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理では、これらの上記の各処理部の処理が以下に説明するように実行される。

　すなわち、制御ユニット５０は、まず、偏差演算部７０の処理と重心速度算出部７２の処理とを実行する。

　偏差演算部７０には、前記ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角度計測値θb_xy_s（θb_x_s及びθb_y_s）と、前記ＳＴＥＰ５又はＳＴＥＰ７で設定された目標値θb_xy_obj（θb_x_obj及びθb_y_obj）とが入力される。そして、偏差演算部７０は、θb_x_sからθb_x_objを減算することによって、Ｙ軸周り方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s（＝θb_x_s－θb_x_obj）を算出すると共に、θb_y_sからθb_y_objを減算することによって、Ｘ軸周り方向の基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_s（＝θb_y_s－θb_y_obj）を算出する。

　なお、偏差演算部７０の処理は、ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理の前に行なうようにしてもよい。例えば、前記ＳＴＥＰ５又は７の処理の中で、偏差演算部７０の処理を実行してもよい。

　前記重心速度算出部７２には、前記ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_s（θbdot_x_s及びθbdot_y_s）の今回値が入力されると共に、仮想車輪速度指令ωw_xy_cmdの前回値ωw_xy_cmd_p（ωw_x_cmd_p及びωw_y_cmd_p）が遅延要素８４から入力される。そして、重心速度算出部７２は、これらの入力値から、前記倒立振子モデルに基づく所定の演算式によって、重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を算出する。

　具体的には、重心速度算出部７２は、次式０５ｘ，０５ｙにより、Ｖb_x_s及びＶb_y_sをそれぞれ算出する。

Ｖb_x_s＝Ｒw_x・ωw_x_cmd_p＋ｈ_x・θbdot_x_s　　……０５ｘ
Ｖb_y_s＝Ｒw_y・ωw_y_cmd_p＋ｈ_y・θbdot_y_s　　……０５ｙ

　これらの式０５ｘ，０５ｙにおいて、Ｒw_x，Ｒw_yは、前記したように、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの半径であり、これらの値は、あらかじめ設定された所定値である。また、ｈ_x，ｈ_yは、それぞれ倒立振子モデルの質点６０_x，６０_yの高さである。この場合、本実施形態では、車両系重心点の高さは、ほぼ一定に維持されるものとされる。そこで、ｈ_x，ｈ_yの値としては、それぞれ、あらかじめ設定された所定値が用いられる。補足すると、高さｈ_x，ｈ_yは、前記ＳＴＥＰ６又は８において値を設定する定数パラメータに含まれるものである。

　上記式０５ｘの右辺の第１項は、仮想車輪６２_xの速度指令の前回値ωw_x_cmd_pに対応する該仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度であり、この移動速度は、車輪体５のＸ軸方向の実際の移動速度の現在値に相当するものである。また、式０５ｘの右辺の第２項は、基体９がＹ軸周り方向にθbdot_x_sの傾斜角速度で傾動することに起因して生じる車両系重心点のＸ軸方向の移動速度（車輪体５に対する相対的な移動速度）の現在値に相当するものである。これらのことは、式０５ｙについても同様である。

　なお、前記ロータリエンコーダ５６Ｒ，５６Ｌの出力を基に計測される電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の計測値（今回値）の組を、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度の組に変換し、それらの回転角速度を、式０５ｘ、０５ｙのωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pの代わりに用いてもよい。ただし、回転角速度の計測値に含まれるノイズの影響を排除する上では、目標値であるωw_x_cmd_p、ωw_y_cmd_pを使用することが有利である。

　次に、制御ユニット５０は、要求重心速度生成部７４の処理とゲイン調整部７８の処理とを実行する。この場合、要求重心速度生成部７４及びゲイン調整部７８には、それぞれ、重心速度算出部７２で上記の如く算出された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）が入力される。

　そして、要求重心速度生成部７４は、車両１の動作モードが搭乗モードである場合、要求重心速度Ｖ_x_aim及びＶ_y_aimをいずれも“０”とするが、後述するように、動作モードが自立モードの場合には、車両１に紐状体Ｃを連結させて操作する移動モードであるか、車両１を停止状態とする停止モードであるかにより、要求重心速度Ｖ_x_aim及びＶ_y_aimを可変的に決定する。詳細は後述するが、移動モードでは、紐状体Ｃの張力に基づいて要求重心速度Ｖ_xy_aim（Ｖ_x_aim，Ｖ_y_aim）が決定され、停止モードでは、要求重心速度Ｖ_x_aim及びＶ_y_aimをいずれも“０”に決定される。

　また、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）を基に、前記ゲイン調整パラメータＫr_xy（Ｋr_x及びＫr_y）を決定する。

　このゲイン調整部７８の処理を図１０及び図１１を参照して以下に説明する。

　図１０に示すように、ゲイン調整部７８は、入力された重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをリミット処理部８６に入力する。このリミット処理部８６では、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度の許容範囲に応じた制限を適宜、加えることによって、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1を生成する。出力値Ｖw_x_lim1は、前記仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度Ｖw_xの制限後の値、出力値Ｖw_y_lim1は、前記仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度Ｖw_yの制限後の値としての意味を持つ。

　このリミット処理部８６の処理を、図１１を参照してさらに詳細に説明する。なお、図１１中の括弧付きの参照符号は、後述する重心速度制限部７６のリミット処理部１０４の処理を示すものであり、リミット処理部８６の処理に関する説明では無視してよい。

　リミット処理部８６は、まず、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをそれぞれ処理部８６a_x，８６a_yに入力する。処理部８６a_xは、Ｖb_x_sを仮想車輪６２_xの半径Ｒw_xで除算することによって、仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度をＶb_x_sに一致させたと仮定した場合の該仮想車輪６２_xの回転角速度ωw_x_sを算出する。同様に、処理部８６a_yは、仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度をＶb_y_sに一致させたと仮定した場合の該仮想車輪６２_yの回転角速度ωw_y_s（＝Ｖb_y_s／Ｒw_y）を算出する。

　次いで、リミット処理部８６は、ωw_x_s，ωw_y_sの組を、ＸＹ－ＲＬ変換部８６ｂにより、電動モータ３１Ｒの回転角速度ω_R_sと電動モータ３１Ｌの回転角速度ω_L_sとの組に変換する。

　この変換は、本実施形態では、前記式０１ａ，０１ｂのωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_s，ωw_y_s，ω_R_s，ω_L_sに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_s，ω_L_sを未知数として解くことにより行なわれる。

　次いで、リミット処理部８６は、ＸＹ－ＲＬ変換部８６ｂの出力値ω_R_s，ω_L_sをそれぞれ、リミッタ８６c_R，８６c_Lに入力する。このとき、リミッタ８６c_Rは、ω_R_sが、あらかじめ設定された所定値の上限値（＞０）と下限値（＜０）とを有する右モータ用許容範囲内に収まっている場合には、ω_R_sをそのまま出力値ω_R_lim1として出力する。また、リミッタ８６c_Rは、ω_R_sが、右モータ用許容範囲から逸脱している場合には、該右モータ用許容範囲の上限値と下限値とのうちのω_R_sに近い方の境界値を出力値ω_R_lim1として出力する。これにより、リミッタ８６c_Rの出力値ω_R_lim1は、右モータ用許容範囲内の値に制限される。

　同様に、リミッタ８６c_Lは、ω_L_sが、あらかじめ設定された所定値の上限値（＞０）と下限値（＜０）とを有する左モータ用許容範囲内に収まっている場合には、ω_L_sをそのまま出力値ω_L_lim1として出力する。また、リミッタ８６c_Lは、ω_L_sが、左モータ用許容範囲から逸脱している場合には、該左モータ用許容範囲の上限値と下限値とのうちのω_L_sに近い方の境界値を出力値ω_L_lim1として出力する。これにより、リミッタ８６c_Lの出力値ω_L_lim1は、左モータ用許容範囲内の値に制限される。

　上記右モータ用許容範囲は右側の電動モータ３１Ｒの回転角速度（絶対値）が高くなり過ぎないようにし、ひいては、電動モータ３１Ｒが出力可能なトルクの最大値が低下するのを防止するために設定された許容範囲である。このことは、左モータ用許容範囲についても同様である。

　次いで、リミット処理部８６は、リミッタ８６c_R，８６c_Lのそれぞれの出力値ω_R_lim1，ω_L_lim1の組を、ＲＬ－ＸＹ変換部８６ｄにより、仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの回転角速度ωw_x_lim1，ωw_y_lim1の組に変換する。

　この変換は、前記ＸＹ－ＲＬ変換部８６ｂの変換処理の逆変換の処理である。この処理は、前記式０１ａ，０１ｂのωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_lim1，ωw_y_lim1，ω_R_lim1，ω_L_lim1に置き換えて得られる連立方程式を、ωw_x_lim1，ωw_y_lim1を未知数として解くことにより行なわれる。

　次いで、リミット処理部８６は、ＲＬ－ＸＹ変換部８６ｄの出力値ωw_x_lim1，ωw_y_lim1をそれぞれ処理部８６e_x，８６e_yに入力する。処理部８６e_xは、ωw_x_lim1に仮想車輪６２_xの半径Ｒw_xを乗じることによって、ωw_x_lim1を仮想車輪６２_xの移動速度Ｖw_x_lim1に変換する。同様に、処理部８６e_yは、ωw_y_lim1を仮想車輪６２_yの移動速度Ｖw_y_lim1（＝ωw_y_lim1・Ｒw_y）に変換する。

　以上のリミット処理部８６の処理によって、仮想車輪６２_xのＸ軸方向の移動速度Ｖw_xと、仮想車輪６２_yのＹ軸方向の移動速度Ｖw_yとをそれぞれ重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させたと仮定した場合（換言すれば、車輪体５のＸ軸方向の移動速度とＹ軸方向の移動速度とをそれぞれ、Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させたと仮定した場合）に、それらの移動速度を実現するために必要な電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_s，ω_L_sが、両方とも、許容範囲内に収まっている場合には、Ｖb_x_s，Ｖb_y_sにそれぞれ一致する出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。

　一方、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_s，ω_L_sの両方又は一方が許容範囲から逸脱している場合には、その両方又は一方の回転角速度が強制的に許容範囲内に制限された上で、その制限後の電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度ω_R_lim1，ω_L_lim1の組に対応する、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の移動速度Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組がリミット処理部８６から出力される。

　従って、リミット処理部８６は、その出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組に対応する電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1をそれぞれＶb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように、出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の組を生成する。

　図１０の説明に戻って、ゲイン調整部７８は、次に、演算部８８_x，８８_yの処理を実行する。演算部８８_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1とが入力される。そして、演算部８８_xは、Ｖw_x_lim1からＶb_x_sを減算してなる値Ｖover_xを算出して出力する。また、演算部８８_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sと、リミット処理部８６の出力値Ｖw_y_lim1とが入力される。そして、演算部８８_yは、Ｖw_y_lim1からＶb_y_sを減算してなる値Ｖover_yを算出して出力する。

　この場合、リミット処理部８６での出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合には、Ｖw_x_lim1＝Ｖb_x_s、Ｖw_y_lim1＝Ｖb_y_sとなるので、演算部８８_x，８８_yのそれぞれの出力値Ｖover_x，Ｖover_yはいずれも“０”となる。

　一方、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合には、Ｖw_x_lim1のＶb_x_sからの修正量（＝Ｖw_x_lim1－Ｖb_x_s）と、Ｖw_y_lim1のＶb_y_sからの修正量（＝Ｖw_y_lim1－Ｖb_y_s）とがそれぞれ、演算部８８_x，８８_yから出力される。

　次いで、ゲイン調整部７８は、演算部８８_xの出力値Ｖover_xを処理部９０_x，９２_xに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_xを決定する。また、ゲイン調整部７８は、演算部８８_yの出力値Ｖover_yを処理部９０_y，９２_yに順番に通すことによって、ゲイン調整パラメータＫr_yを決定する。なお、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yは、いずれも“０”から“１”までの範囲内の値である。

　上記処理部９０_xは、入力されるＶover_xの絶対値を算出して出力する。また、処理部９２_xは、その出力値Ｋr_xが入力値｜Ｖover_x｜に対して単調に増加し、且つ、飽和特性を有するようにＫr_xを生成する。該飽和特性は、入力値がある程度大きくなると、入力値の増加に対する出力値の変化量が“０”になるか、もしくは、“０”に近づく特性である。

　この場合、本実施形態では、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜があらかじめ設定された所定値以下である場合には、該入力値｜Ｖover_x｜に所定値の比例係数を乗じてなる値をＫr_xとして出力する。また、処理部９２_xは、入力値｜Ｖover_x｜が所定値よりも大きい場合には、“１”をＫr_xとして出力する。なお、上記比例係数は、｜Ｖover_x｜が所定値に一致するときに、｜Ｖover_x｜と比例係数との積が“１”になるように設定されている。

　また、処理部９０_y，９２_yの処理は、それぞれ上記した処理部９０_x，９２_xの処理と同様である。

　以上説明したゲイン調整部７８の処理によって、リミット処理部８６での出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1の強制的な制限が行なわれなかった場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、それぞれ、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させても、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲内に収まるような場合には、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yはいずれも“０”に決定される。

　一方、リミット処理部８６の出力値Ｖw_x_lim1，Ｖw_y_lim1が、入力値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、それぞれ、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させると、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのいずれかの回転角速度が許容範囲を逸脱してしまう場合（いずれかの回転角速度の絶対値が高くなり過ぎる場合）には、前記修正量Ｖover_x，Ｖover_yのそれぞれの絶対値に応じて、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yの値がそれぞれ決定される。この場合、Ｋr_xは、“１”を上限値して、修正量Ｖx_overの絶対値が大きいほど、大きな値になるように決定される。このことは、Ｋr_yについても同様である。

　図９の説明に戻って、制御ユニット５０は、重心速度算出部７２及び要求重心速度生成部７４の処理を前記した如く実行した後、次に、重心速度制限部７６の処理を実行する。

　この重心速度制限部７６には、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_s（Ｖb_x_s及びＶb_y_s）と、要求重心速度生成部７４で決定された要求重心速度Ｖb_xy_aim（Ｖb_x_aim及びＶb_y_aim）とが入力される。そして、重心速度制限部７６は、これらの入力値を使用して、図１２のブロック図で示す処理を実行することによって、制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfd（Ｖb_x_mdfd及びＶb_y_mdfd）を決定する。

　具体的には、重心速度制限部７６は、まず、定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行する。

　この場合、定常偏差算出部９４_xには、Ｘ軸方向の重心速度推定値Ｖb_x_sが入力されると共に、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdの前回値Ｖb_x_mdfd_pが遅延要素９６_xを介して入力される。そして、定常偏差算出部９４_xは、まず、入力されるＶb_x_sが比例・微分補償要素（ＰＤ補償要素）９４a_xに入力する。この比例・微分補償要素９４_xは、その伝達関数が１＋Ｋd・Ｓにより表される補償要素であり、入力されるＶb_x_sと、その微分値（時間的変化率）に所定値の係数Ｋdを乗じてなる値とを加算し、その加算結果の値を出力する。

　次いで、定常偏差算出部９４_xは、入力されるＶb_x_mdfd_pを、比例・微分補償要素９４_xの出力値から減算してなる値を演算部９４b_xにより算出した後、この演算部９４b_xの出力値を、位相補償機能を有するローパスフィルタ９４c_xに入力する。このローパスフィルタ９４c_xは、伝達関数が（１＋Ｔ2・Ｓ）／（１＋Ｔ1・Ｓ）により表されるフィルタである。そして、定常偏差算出部９４_xは、このローパスフィルタ９４c_xの出力値Ｖb_x_prdを出力する。

　また、定常偏差算出部９４_yには、Ｙ軸方向の重心速度推定値Ｖb_y_sが入力されると共に、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdの前回値Ｖb_y_mdfd_pが遅延要素９６_yを介して入力される。

　そして、定常偏差算出部９４_yは、上記した定常偏差算出部９４_xと同様に、比例・微分補償要素９４a_y、演算部９４b_y及びローパスフィルタ９４c_yの処理を順次実行し、ローパスフィルタ９４c_yの出力値Ｖb_y_prdを出力する。

　ここで、定常偏差算出部９４_xの出力値Ｖb_x_prdは、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＹ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動状態）から推測される、将来のＸ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。同様に、定常偏差算出部９４_y出力値Ｖb_y_prdは、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の現在の運動状態（換言すればＸ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動状態）から推測される、将来のＹ軸方向の重心速度推定値の収束予測値の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdに対する定常偏差としての意味を持つものである。以降、定常偏差算出部９４_x，９４_yのそれぞれの出力値Ｖb_x_prd，Ｖb_y_prdを重心速度定常偏差予測値という。

　重心速度制限部７６は、上記の如く定常偏差算出部９４_x，９４_yの処理を実行した後、定常偏差算出部９４_xの出力値Ｖb_x_prdに要求重心速度Ｖb_x_aimを加算する処理と、定常偏差算出部９４_yの出力値Ｖb_y_prdに要求重心速度Ｖb_y_aimを加算する処理とをそれぞれ、演算部９８_x，９８_yにより実行する。

　従って、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tは、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdに、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimを付加した速度となる。同様に、演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tは、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdに、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimを付加した速度となる。

　なお、車両１の動作モードが、通常の自立モードまたは搭乗モードである場合等、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”である場合には、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdがそのまま、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tとなる。同様に、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimが“０”である場合には、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdがそのまま、演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとなる。

　次いで、重心速度制限部７６は、演算部９８_x，９８_yのそれぞれの出力値Ｖb_x_t，Ｖb_y_tを、リミット処理部１００に入力する。このリミット処理部１００の処理は、前記したゲイン調整部７８のリミット処理部８６の処理と同じである。この場合、図１１に括弧付きに参照符号で示す如く、リミット処理部１００の各処理部の入力値及び出力値だけがリミット処理部８６と相違する。

　具体的には、リミット処理部１００では、前記仮想車輪６２_x，６２_yのそれぞれの移動速度Ｖw_x，Ｖw_yを、Ｖb_x_t，Ｖb_y_tにそれぞれ一致させたと仮定した場合の各仮想車輪６２_x，６２_yの回転角速度ωw_x_t，ωw_y_tがそれぞれ処理部８６a_x，８６a_yにより算出される。そして、この回転角速度ωw_x_t，ωw_y_tの組が、ＸＹ－ＲＬ変換部８６ｂにより、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転角速度ω_R_t，ω_L_tの組に変換される。

　さらに、これらの回転角速度ω_R_t，ω_L_tが、リミッタ８６c_R，８６c_Lによって、それぞれ、右モータ用許容範囲内の値と左モータ用許容範囲内の値とに制限される。そして、この制限処理後の値ω_R_lim2，ω_L_lim2が、ＲＬ－ＸＹ変換部８６ｄによって、仮想車輪６２_x，６２_yの回転角速度ωw_x_lim2，ωw_y_lim2に変換される。

　次いで、この各回転角速度ωw_x_lim2，ωw_y_lim2に対応する各仮想車輪６２_x，６２_yの移動速度Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2がそれぞれ処理部８６e_x，８６e_yによって算出され、これらの移動速度Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2がリミット処理部１００から出力される。

　以上のリミット処理部１００の処理によって、リミット処理部１００は、リミット処理部８６と同様に、その出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2の組に対応する電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲を逸脱しないことを必須の必要条件として、その必要条件下で可能な限り、出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2をそれぞれＶb_x_t，Ｖb_y_tに一致させるように、出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2の組を生成する。

　なお、リミット処理部１００における右モータ用及び左モータ用の各許容範囲は、リミット処理部８６における各許容範囲と同一である必要はなく、互いに異なる許容範囲に設定されていてもよい。

　図１２の説明に戻って、重心速度制限部７６は、次に、演算部１０２_x，１０２_yの処理を実行することによって、それぞれ制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdを算出する。この場合、演算部１０２_xは、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2から、Ｘ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdを減算してなる値をＸ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして算出する。同様に、演算部１０２_yは、リミット処理部１００の出力値Ｖw_y_lim2から、Ｙ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_y_prdを減算してなる値をＹ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして算出する。

　以上のようにして決定される制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdは、リミット処理部１００での出力値Ｖ_x_lim2，Ｖ_y_lim2の強制的な制限が行なわれなかった場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度を、それぞれ、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tと演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させても、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が許容範囲内に収まるような場合には、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimがそれぞれ、そのまま、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdとして決定される。

　なお、この場合、Ｘ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”であれば、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdも“０”となり、Ｙ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimが“０”であれば、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdも“０”となる。

　一方、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2，Ｖw_y_lim2が、入力値Ｖb_x_t，Ｖb_y_tに対して強制的な制限を施して生成された場合、すなわち、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度を、それぞれ、演算部９８_xの出力値Ｖb_x_tと演算部９８_yの出力値Ｖb_y_tとに一致させるように電動モータ３１Ｒ，３１Ｌを動作させると、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのいずれかの回転角速度が許容範囲を逸脱してしまう場合（いずれかの回転角速度の絶対値が高くなり過ぎる場合）には、Ｘ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖw_x_lim2の入力値Ｖb_x_tからの修正量（＝Ｖw_x_lim2－Ｖb_x_t）だけ、要求重心速度Ｖb_x_aimを補正してなる値（当該修正量をＶb_x_aimに加算した値）が、Ｘ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとして決定される。

　また、Ｙ軸方向については、リミット処理部１００の出力値Ｖw_y_lim2の入力値Ｖb_y_tからの修正量（＝Ｖw_y_lim2－Ｖb_y_t）だけ、要求重心速度Ｖb_y_aimを補正してなる値（当該修正量をＶb_y_aimに加算した値）が、Ｙ軸方向の制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとして決定される。

　この場合において、例えばＸ軸方向の速度に関し、要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”でない場合には、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdは、要求重心速度Ｖb_x_aimよりも“０”に近づくか、もしくは、要求重心速度Ｖb_x_aimと逆向きの速度となる。また、要求重心速度Ｖb_x_aimが“０”である場合には、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdは、定常偏差算出部９４_xが出力するＸ軸方向の重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prdと逆向きの速度となる。これらのことは、Ｙ軸方向の速度に関しても同様である。

　以上が、重心速度制限部７６の処理である。

　図９の説明に戻って、制御ユニット５０は、以上の如く重心速度算出部７２、重心速度制限部７６、ゲイン調整部７８、及び偏差演算部７０の処理を実行した後、次に、姿勢制御演算部８０の処理を実行する。

　この姿勢制御演算部８０の処理を、以下に図１３を参照して説明する。なお、図１３において、括弧を付していない参照符号は、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_x_cmdを決定する処理に係わる参照符号であり、括弧付きの参照符合は、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yの回転角速度の目標値である前記仮想車輪回転角速度指令ωw_y_cmdを決定する処理に係わる参照符号である。

　姿勢制御演算部８０には、偏差演算部７０で算出された基体傾斜角度偏差計測値θbe_xy_sと、前記ＳＴＥＰ２で算出された基体傾斜角速度計測値θbdot_xy_sと、重心速度算出部７２で算出された重心速度推定値Ｖb_xy_sと、重心速度制限部７６で算出された制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdと、ゲイン調整部７８で算出されたゲイン調整パラメータＫr_xyとが入力される。

　そして、姿勢制御演算部８０は、まず、これらの入力値を用いて、次式０７ｘ，０７ｙにより、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_cmdを算出する。

ωwdot_x_cmd＝K1_x・θbe_x_s＋K2_x・θbdot_x_s
　　　　　　　　　＋K3_x・(Ｖb_x_s－Ｖb_x_mdfd)　　……式０７ｘ
ωwdot_y_cmd＝K1_y・θbe_y_s＋K2_y・θbdot_y_s
　　　　　　　　　＋K3_y・(Ｖb_y_s－Ｖb_y_mdfd)　　　　……式０７ｙ

　従って、本実施形態では、Ｙ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_xの運動（ひいては、Ｙ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_cmdと、Ｘ軸方向から見た倒立振子モデルの質点６０_yの運動（ひいては、Ｘ軸方向から見た車両系重心点の運動）を制御するための操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_y_cmdとは、それぞれ、３つの操作量成分（式０７ｘ，０７ｙの右辺の３つの項）を加え合わせることによって決定される。

　これらの式０７ｘ，０７ｙにおけるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ1_yは、基体９（又はシート３）の傾斜角度に関するフィードバックゲイン、ゲイン係数Ｋ2_x，Ｋ2_yは、基体９（又はシート３）の傾斜角速度（傾斜角度の時間的変化率）に関するフィードバックゲイン、ゲイン係数Ｋ3_x，Ｋ3_yは、車両系重心点（車両１の所定の代表点）の移動速度に関するフィードバックゲインとしての意味を持つものである。

　この場合、式０７ｘにおける各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xは、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて可変的に設定され、式０７ｙにおける各操作量成分に係わるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yは、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて可変的に設定される。以降、式０７ｘにおけるゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xのそれぞれを第１ゲイン係数Ｋ1_x、第２ゲイン係数Ｋ2_x、第３ゲイン係数Ｋ3_xということがある。このことは、式０７ｙにおけるゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yについても同様とする。

　式０７ｘにおける第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）と、式０７ｙにおける第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）とは、図１３中にただし書きで示した如く、次式０９ｘ、０９ｙにより、ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yに応じて決定される。

Ｋi_x＝（１－Ｋr_x）・Ｋi_a_x＋Ｋr_x・Ｋi_b_x　　……式０９ｘ
Ｋi_y＝（１－Ｋr_y）・Ｋi_a_y＋Ｋr_y・Ｋi_b_y　　……式０９ｙ
　　　　　　　　　　（ｉ＝１，２，３）

　ここで、式０９ｘにおけるＫi_a_x、Ｋi_b_xは、それぞれ、第ｉゲイン係数Ｋi_xの最小側（“０”に近い側）のゲイン係数値、最大側（“０”から離れる側）のゲイン係数値としてあらかじめ設定された定数値である。このことは、式０９ｙにおけるＫi_a_y、Ｋi_b_yについても同様である。

　従って、式０７ｘの演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_xの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_x、Ｋi_b_xにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_xに応じて変化させられる。このため、Ｋr_x＝０である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_a_xとなり、Ｋr_x＝１である場合には、Ｋi_x＝Ｋi_b_xとなる。そして、Ｋr_xが“０”から“１”に近づくに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_xはＫi_a_xからＫi_b_x近づいていく。

　同様に、式０７ｙの演算に用いる各第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）は、それぞれに対応する定数値Ｋi_a_y、Ｋi_b_yの重み付き平均値として決定される。そして、この場合、Ｋi_a_y、Ｋi_b_yにそれぞれ掛かる重みが、ゲイン調整パラメータＫr_yに応じて変化させられる。このため、Ｋi_xの場合と同様に、Ｋr_yの値が“０”から“１”の間で変化するに伴い、第ｉゲイン係数Ｋi_yの値が、Ｋi_a_yとＫi_b_yとの間で変化する。

　補足すると、上記定数値Ｋi_a_x、Ｋi_b_x及びＫi_a_y，Ｋi_b_y（ｉ＝１，２，３）は、前記ＳＴＥＰ６又は８において値が設定される定数パラメータに含まれるものである。

　姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１～第３ゲイン係数Ｋ1_x，Ｋ2_x，Ｋ3_xを用いて前記式０７ｘの演算を行なうことで、Ｘ軸方向に輪転する仮想車輪６２_xに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

　さらに詳細には、図１３を参照して、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sに第１ゲイン係数Ｋ1_xを乗じてなる操作量成分ｕ1_xと、基体傾斜角速度計測値θbdot_x_sに第２ゲイン係数Ｋ2_xを乗じてなる操作量成分ｕ2_xとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差（＝Ｖb_x_s－Ｖb_x_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_xを乗じてなる操作量成ｕ3_xを処理部８０ｃで算出する。そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_x，ｕ2_x，ｕ3_xを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

　同様に、姿勢制御演算部８０は、上記の如く決定した第１～第３ゲイン係数Ｋ1_y，Ｋ2_y，Ｋ3_yを用いて前記式０７ｙの演算を行なうことで、Ｙ軸方向に輪転する仮想車輪６２_yに係わる仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_y_cmdを算出する。

　この場合には、姿勢制御演算部８０は、基体傾斜角度偏差計測値θbe_y_sに第１ゲイン係数Ｋ1_yを乗じてなる操作量成分ｕ1_yと、基体傾斜角速度計測値θbdot_y_sに第２ゲイン係数Ｋ2_yを乗じてなる操作量成分ｕ2_yとをそれぞれ、処理部８０ａ，８０ｂで算出する。さらに、姿勢制御演算部８０は、重心速度推定値Ｖb_y_sと制御用目標重心速度Ｖb_y_mdfdとの偏差（＝Ｖb_y_s－Ｖb_y_mdfd）を演算部８０ｄで算出し、この偏差に第３ゲイン係数Ｋ3_yを乗じてなる操作量成ｕ3_yを処理部８０ｃで算出する。そして、姿勢制御演算部８０は、これらの操作量成分u1_y，ｕ2_y，ｕ3_yを演算部８０ｅにて加え合わせることにより、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmdを算出する。

　ここで、式０７ｘの右辺の第１項（＝第１操作量成分ｕ1_x）及び第２項（＝第２操作量成分ｕ2_x）は、Ｘ軸周り方向での基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_sを、フィードバック制御則としてのＰＤ則（比例・微分則）により“０”に収束させる（基体傾斜角度計測値θb_x_sを目標値θb_x_objに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。

　また、式０７ｘの右辺の第３項（＝第３操作量成分ｕ3_x）は、重心速度推定値Ｖb_x_sと制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdとの偏差をフィードバック制御則としての比例則により“０”に収束させる（Ｖb_x_sをＶb_x_mdfdに収束させる）ためのフィードバック操作量成分としての意味を持つ。

　これらのことは、式０７ｙの右辺の第１～第３項（第１～第３操作量成分ｕ1_y，ｕ2_y，ｕ3_y）についても同様である。

　姿勢制御演算部８０は、上記の如く、仮想車輪回転角加速度指令ωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdを算出した後、次に、これらのωwdot_x_cmd，ωwdot_y_cmdをそれぞれ積分器８０ｆにより積分することによって、前記仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを決定する。

　以上が姿勢制御演算部８０の処理の詳細である。

　補足すると、式０７ｘの右辺の第３項を、Ｖb_x_sに応じた操作量成分（＝K3_x・Ｖb_x_s）と、Ｖb_x_mdfdに応じた操作量成分（＝－K3_x・Ｖb_x_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_cmdを算出するようにしてよい。同様に、式０７ｙの右辺の第３項を、Ｖb_y_sに応じた操作量成分（＝K3_y・Ｖb_y_s）と、Ｖb_y_mdfdに応じた操作量成分（＝－K3_y・Ｖb_y_mdfd)とに分離した式によって、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_y_cmdを算出するようにしてよい。

　また、本実施形態では、車両系重心点の挙動を制御するための操作量（制御入力）として、仮想車輪６２_x，６２_yの回転角加速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdを用いるようにしたが、例えば、仮想車輪６２_x，６２_yの駆動トルク、あるいは、この駆動トルクを各仮想車輪６２_x，６２_yの半径Ｒw_x，Ｒw_yで除算してなる並進力（すなわち仮想車輪６２_x，６２_yと床面との間の摩擦力）を操作量として用いるようにしてもよい。

　図９の説明に戻って、制御ユニット５０は、次に、姿勢制御演算部８０で上記の如く決定した仮想車輪回転速度指令ωw_x_cmd，ωw_y_cmdをモータ指令演算部８２に入力し、該モータ指令演算部８２の処理を実行することによって、電動モータ３１Ｒの速度指令ω_R_cmdと電動モータ３１Ｌの速度指令ω_L_cmdとを決定する。このモータ指令演算部８２の処理は、前記リミット処理部８６（図１１参照）のＸＹ－ＲＬ変換部８６ｂの処理と同じである。

　具体的には、モータ指令演算部８２は、前記式０１ａ，０１ｂのωw_x，ωw_y，ω_R，ω_Lをそれぞれ、ωw_x_cmd，ωw_y_cmd，ω_R_cmd，ω_L_cmdに置き換えて得られる連立方程式を、ω_R_cmd，ω_L_cmdを未知数として解くことによって、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdを決定する。

　以上により前記ＳＴＥＰ９の車両制御演算処理が完了する。

　以上説明した如く制御ユニット５０が制御演算処理を実行することによって、前記搭乗モード及び自立モードのいずれの動作モードにおいても、基本的には、基体９の姿勢が、前記基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s，θbe_y_sの両方が“０”となる姿勢（以下、この姿勢を基本姿勢という）に保たれるように、換言すれば、車両系重心点（車両・乗員全体重心点又は車両単体重心点）の位置が、車輪体５の接地面のほぼ真上に位置する状態に保たれるように、操作量（制御入力）としての仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_cmdが決定される。より詳しく言えば、基体９の姿勢を前記基本姿勢に保ちつつ、車両系重心点の移動速度の推定値としての重心速度推定値Ｖb_xy_sを制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdに収束させるように、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_cmdが決定される。なお、制御用目標重心速度Ｖb_xy_mdfdは、搭乗モードの場合および自立モードのうちの停止モードの場合、“０”である。この場合には、基体９の姿勢を前記基本姿勢に保ちつつ、車両系重心点がほぼ静止するように、仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_cmdが決定されることとなる。

　そして、ωdotw_xy_cmdの各成分を積分してなる仮想車輪回転角速度指令ωw_xy_cmdを変換してなる電動モータ３１Ｒ，３１Ｌのそれぞれの回転角速度が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdとして決定される。さらに、その速度指令ω_R_cmd，ω_L_cmdに従って、各電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの回転速度が制御される。ひいては車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれの移動速度が、ωw_x_cmdに対応する仮想車輪６２_xの移動速度と、ωw_y_cmdに対応する仮想車輪６２_yの移動速度とに各々一致するように制御される。

　このため、例えば、Ｙ軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_xが目標値θb_x_objから前傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_x_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が前方に向かって移動する。同様に、実際のθb_xが目標値θb_x_objから後傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_x_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が後方に向かって移動する。

　また、例えば、Ｘ軸周り方向で、実際の基体傾斜角度θb_yが目標値θb_y_objから右傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_y_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が右向きに移動する。同様に、実際のθb_yが目標値θb_y_objから左傾側にずれると、そのずれを解消すべく（θbe_y_sを“０”に収束させるべく）、車輪体５が左向きに移動する。

　さらに、実際の基体傾斜角度θb_x，θb_yの両方が、それぞれ目標値θb_x_obj，θb_y_objからずれると、θb_xのずれを解消するための車輪体５の前後方向の移動動作と、θb_yのずれを解消するための車輪体５の左右方向の移動動作とが合成され、車輪体５がＸ軸方向及びＹ軸方向の合成方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方向に対して傾斜した方向）に移動することとなる。

　このようにして、基体９が前記基本姿勢から傾くと、その傾いた側に向かって、車輪体５が移動することとなる。従って、例えば前記搭乗モードにおいて、乗員が意図的にその上体を傾けると、その傾けた側に、車輪体５が移動することとなる。

　なお、制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdが“０”である場合には、基体９の姿勢が基本姿勢に収束すると、車輪体５の移動もほぼ停止する。また、例えば、基体９のＹ軸周り方向の傾斜角度θb_xを基本姿勢から傾いた一定の角度に維持すると、車輪体５のＸ軸方向の移動速度は、その角度に対応する一定の移動速度（制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfdと一定の定常偏差を有する移動速度）に収束する。このことは、基体９のＸ軸周り方向の傾斜角度θb_yを基本姿勢から傾いた一定の角度に維持した場合も同様である。

　また、例えば、前記要求重心速度生成部７４で生成される要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimの両方が“０”となっている状況において、基体９の前記基本姿勢からの傾き量（基体傾斜角度偏差計測値θbe_x_s，θbe_y_s）が比較的大きくなり、それを解消し、もしくはその傾き量を維持するために必要な車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向の一方又は両方の移動速度（これらの移動速度は、それぞれ、図１２に示した前記重心速度定常偏差予測値Ｖb_x_prd、Ｖb_y_prdに相当する）が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方又は両方の回転角速度を許容範囲から逸脱させてしまうような、過大な移動速度になるような状況では、該車輪体５の移動速度に対して逆向きとなる速度（詳しくは、Ｖw_x_lim2－Ｖb_x_prd及びＶw_y_lim2－Ｖb_y_prd）が制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdとして決定される。そして、制御入力を構成する操作量成分のうちの操作量成分ｕ3_x，ｕ3_yが、この制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdに重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sをそれぞれ収束させるように決定される。このため、基体９の前記基本姿勢からの傾き量が過大になるのを予防し、ひいては、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方又は両方の回転角速度が高速になり過ぎるのが防止される。

　さらに、前記ゲイン調整部７８では、重心速度推定値Ｖb_x_s，Ｖb_y_sの一方又は両方が大きくなり、ひいては、基体９の前記基本姿勢からの傾きを解消し、もしくはその傾き量を維持するために必要な車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向の一方又は両方の移動速度が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方又は両方の回転角速度を許容範囲から逸脱させてしまうような、過大な移動速度になる恐れがある状況では、その逸脱が顕著になるほど（詳しくは、図１０に示すＶover_x，Ｖover_yの絶対値が大きくなるほど）、前記ゲイン調整パラメータＫr_x，Ｋr_yの一方又は両方が“０”から“１”に近づけられる。

　この場合、前記式０９ｘにより算出される各第ｉゲイン係数Ｋi_x（ｉ＝１，２，３）は、Ｋr_xが“１”に近づくほど、最小側の定数値Ｋi_a_xから最大側の定数値Ｋi_b_xに近づく。このことは、前記式０９ｙにより算出される各第ｉゲイン係数Ｋi_y（ｉ＝１，２，３）についても同様である。

　そして、上記ゲイン係数の絶対値が大きくなることによって、基体９の傾きの変化に対する操作量（仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_cmd，ωdotw_y_cmd）の感度が高まる。従って、基体９の基本姿勢からの傾き量が大きくなろうとすると、それを素早く解消するように、車輪体５の移動速度が制御されることとなる。従って、基体９が基本姿勢から大きく傾くことが強めに抑制され、ひいては、車輪体５のＸ軸方向及びＹ軸方向の一方又は両方の移動速度が、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方又は両方の回転角速度を許容範囲から逸脱させてしまうような、過大な移動速度になるのを防止することができる。

　また、自立モード（移動モード）において、要求重心速度生成部７４が、乗員等の紐状体Ｃの操縦操作による要求に応じて要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aim（Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimの一方又は両方が“０”でない要求重心速度）を生成した場合には、電動モータ３１Ｒ，３１Ｌの一方又は両方の回転角速度が許容範囲を逸脱するような高速の回転角速度にならない限り（詳しくは図１２に示すＶw_x_lim2，Ｖw_y_lim2がＶb_x_t，Ｖb_y_tにそれぞれ一致する限り）、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimがそれぞれ前記制御用目標重心速度Ｖb_x_mdfd，Ｖb_y_mdfdとして決定される。このため、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを実現するように（実際の重心速度が要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimに近づくように）、車輪体５の移動速度が制御される。

　次に、説明を後回しにした、前記要求重心速度生成部７４の処理の詳細を説明する。

　要求重心速度生成部７４は、本実施形態では、車両１の動作モードが搭乗モードである場合には、前記したように、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを“０”とする。

　一方、要求重心速度生成部７４は、車両１の動作モードが自立モードである場合には、車両１に紐状体Ｃを連結させて操作する移動モードであるか、車両１を停止状態とする停止モードであるかにより、各々異なる要求重心速度Ｖ_x_aim及びＶ_y_aimを決定する。

　具体的には、要求重心速度生成部７４は、図１４のフローチャートに示す処理を所定の制御処理周期で逐次実行することによって、自立モードにおけるＸ軸方向の要求重心速度Ｖb_x_aimおよびＹ軸方向の要求重心速度Ｖb_y_aimを決定する。

　以下説明すると、要求重心速度生成部７４は、まず、ＳＴＥＰ２１の処理を実行する。この処理では、要求重心速度生成部７４は、車両１の動作モードが自立モードであるか否かを判断する。

　そして、要求重心速度生成部７４は、車両１の動作モードが自立モードである場合には、ＳＴＥＰ２２に進んで、現在の演算処理モードが移動モードであるか、停止モードであるかを判断する。

　ここで、演算処理モードの判断要素としては、種々のものが考えられるが、例えば、車両１に乗員が搭乗していない状態において紐状体Ｃがシート３の係合部４へ連結されたことにより出力がＯＮ状態となるスイッチがＯＮ状態である場合には、移動モードであると判断され、ＯＦＦ状態である場合には停止モードであると判断される。また、例えば、車両１の所定位置に設けられた移動モードと停止モードの切替スイッチの出力が移動モードの選択を示す出力状態である場合には移動モードであると判断され、停止モードの選択を示す出力状態である場合には停止モードであると判断される。

　次いで、要求重心速度生成部７４は、現在の演算処理モードが移動モードであると判断された場合には、ＳＴＥＰ２３に進んで、３軸力センサ５５の出力を取得する。

　ここで取得される３軸力センサ５５の出力には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向成分Ｆx，Ｆy，Ｆzが含まれる。そのため、要求重心速度生成部７４は、係合部４に連結された紐状体Ｃがシート３に作用する力Ｆ、すなわち、紐状体Ｃの張力Ｆを、３軸力センサ５５の出力として取得することができる。

　次いで、要求重心速度生成部７４は、ＳＴＥＰ２４へ進んで、取得した３軸力センサ５５の出力から当該車両１と紐状体の他端を支持する乗員（シート３には搭乗しない歩行者としての乗員であって、本発明の移動体に相当する。以下同じ）との推定距離を算出する推定距離算出処理を実行する。

　具体的に、ＳＴＥＰ２４の推定距離算出処理では、紐状体Ｃの張力Ｆの鉛直方向成分Ｆzと水平方向成分Ｆxyとの比から当該車両１と乗員との推定距離D_sを算出する。

　ここで、係合部４に連結される紐状体Ｃは、予め長さが規定されており、その中間部分が空中で弛んでいる。そのため、図１５（ａ）に算出方法を模式的に示すように、鉛直面における張力Ｆの向きと、当該車両１と乗員との間の距離とを一義的に決めることができる。図１５（ａ）は、紐状体Ｃの張力Ｆを鉛直方向成分Ｆzと水平方向成分Ｆxyとに分解した場合の、これら２つの分解力Ｆz，Ｆxyの両方を含む鉛直面における力の関係を示している。

　要求重心速度生成部７４は、紐状体Ｃの張力ＦのＸ軸方向成分ＦxとＹ軸方向成分Ｆyから水平方向成分Ｆxy（＝sqrt(Ｆx²＋Ｆy²)）を算出する。そして、算出した張力Ｆの水平方向成分Ｆxyと、既に取得している張力ＦのＺ軸方向成分Ｆzとの比から、張力Ｆと水平方向成分Ｆxyとの間の挟角θαを算出する。より具体的には、Ｆxy・tanθα＝Ｆzの関係式から挟角θαを算出する。

　ここで、算出した挟角θαは、鉛直面における紐状体Ｃの係合部４での張力Ｆの向きを示しており、紐状体Ｃの弛み具合（張り具体）、すなわち、紐状体の他端との距離に対応している。要求重心速度生成部７４は、予め挟角θαと紐状体の両端の距離との関係を規定した関係式やデータテーブル、マップ等のいずれか１つまたは複数のものを記憶保持しており、算出した挟角θαから関係式等を参照することにより、当該車両１と紐状体Ｃの他端を保持する乗員との間の推定距離D_sを算出する。

　次いで、要求重心速度生成部７４は、ＳＴＥＰ２５へ進んで、算出した推定距離D_sから要求重心速度ベクトル↑Ｖb_aim（要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを２つの成分とする速度ベクトル）の大きさ｜↑Ｖb_aim｜（＝sqrt(Ｖb_x_aim²＋Ｖb_y_aim²)）を決定する。

　具体的には、要求重心速度生成部７４は、算出した推定距離D_sと目標距離D_mdfdとの偏差を“０”に収束させるためのフィードバック操作量を、要求重心速度ベクトルの大きさ｜↑Ｖb_aim｜として決定する。

　本実施形態では、要求重心速度生成部７４は、次式に従って、算出した推定距離D_sと目標距離D_mdfdとの偏差に応じた要求重心速度ベクトルの大きさ｜↑Ｖb_aim｜を決定する。

　｜↑Ｖb_aim｜＝Ｋ (D_s－D_mdfd)　　　　……式１１

　上式１１において、目標距離D_mdfdは、紐状体Ｃを介して繋がった車両１と乗員との距離の目標値であって、紐状体Ｃの長さや紐状体Ｃが連結される係合部４の高さ等を考慮しつつ、紐状体Ｃが車両１と乗員との間で床面に接触しないこと、車両１と乗員とが接近し過ぎないことおよび離反し過ぎないこと等を要件として予め設定された値である。なお、かかる要件を満たすことを条件に、ユーザである乗員が目標距離D_mdfdを設定または調整可能に構成してもよい。また、上式１１において、Ｋは、ゲイン係数であって、予め設定された固定値となっている。

　なお、要求重心速度生成部７４は、要求重心速度ベクトルの大きさ｜↑Ｖb_aim｜を決定する際に、紐状体Ｃの張力Ｆ（＝sqrt(Ｆ_x²＋Ｆ_y²＋Ｆ_z²））の大きさが予め設定された下限閾値以下の場合には、上式１１に拘わらず、要求重心速度ベクトルの大きさ｜↑Ｖb_aim｜を“０”に決定する。

　これは、移動モードによる車両１の制御を実行する際に、紐状体Ｃにより繋がれた車両１と乗員との間で紐状体Ｃが他の物体に重力を作用させていないことが前提となるためである。例えば、乗員が紐状体Ｃを放してしまい、紐状体Ｃが床面に垂れている場合や、車両１と乗員との間で紐状体Ｃが他の物体に接しているような場合には、紐状体Ｃの張力Ｆの大きさが小さくなる。そのため、紐状体Ｃが乗員による支持以外に他の物体へ重力を作用させている場合（接触している場合）に相当する値として、張力Ｆの下限閾値が設定されている。

　これにより、張力Ｆが下限閾値以下の場合、すなわち、紐状体Ｃが乗員による支持以外に他の物体へ重力を作用させている場合には、要求重心速度ベクトルの大きさ｜↑Ｖb_aim｜を“０”に決定することで、結果として車両１を停止させる。

　次いで、要求重心速度生成部７４は、ＳＴＥＰ２６へ進んで、ＳＴＥＰ２３で取得した３軸力センサ５５の出力の２つの水平方向成分Ｆx，Ｆyから車両１の目標移動方向を算出する目標方向算出処理を実行する。

　図１５（ｂ）にこの算出方法を模式的に示す。図１５（ｂ）は、紐状体Ｃの張力ＦをＸ軸方向成分ＦxとＹ軸方向成分Ｆyとに分解した場合の、これら２つの分解力Ｆx，Ｆyの両方を含む水平面における力の関係を示している。

　要求重心速度生成部７４は、３軸力センサ５５の出力として取得した紐状体Ｃの張力ＦのＸ軸方向成分ＦxとＹ軸方向成分Ｆyとの比から、張力ＦのＸ軸方向成分Ｆxと水平方向成分Ｆxyとの間の挟角θβを算出する。より具体的には、Ｆx・tanθβ＝Ｆxyの関係式から挟角θβを算出する。

　ここで、算出した挟角θβは、水平面における車両１に対する紐状体Ｃの張力方向、すなわち、車両１に対する乗員の方向に対応している。そのため、挟角θβにより特定される方向を車両の移動方向とすることができる。

　次いで、要求重心速度生成部７４は、ＳＴＥＰ２７へ進んで、ＳＴＥＰ２６で算出した挟角θβを用いて、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを決定する。具体的には、要求重心速度生成部７４は、次式に従って、要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを決定する。

　Ｖb_x_aim＝｜↑Ｖb_aim｜ cosθβ　　　　……式１３ｘ
　Ｖb_y_aim＝｜↑Ｖb_aim｜ sinθβ　　　　……式１３ｙ

　このようにして決定された要求重心速度Ｖb_x_aim，Ｖb_y_aimを用いて、姿勢制御演算部８０が、前述のように仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_xy_cmdを決定する。これにより、紐状体Ｃの張力Ｆに基づいて、車両１を紐状体Ｃを支持する乗員との間の距離を目標距離D_mdfdに保ちつつ、車両１を当該乗員に追従または離反させることができる。そのため、乗員がシート３または基体９を把持してこれを傾動させて車両１を移動させる場合のように、乗員に対する車両１の配置によって移動中に乗員と車両１が離反し過ぎてまたは接近し過ぎて、車両１を移動させたい方向へ移動させることが困難となることもない。

　また、紐状体Ｃによる操作を許容することで、搭乗しない乗員が車両１を移動させたい場合に乗員がシート３や基体９を把持してこれを移動させたい方向へ傾動させ続ける必要がない。すなわち、紐状体Ｃを操ることで車両１を紐状体Ｃの張力方向に張力の大きさに応じた移動速度で移動させることができ、シート３や基体９の傾動を必要としないため、車両の移動速度の安定性を高めることができる。

　このように、本実施形態の車両１によれば、乗員は車両１を移動させる間、シート３や基体９を移動方向へ傾斜させた状態に維持する必要がない上、紐状体Ｃを乗員と車両との間に介在させることで移動中に乗員と車両１が離反し過ぎてまたは接近しすぎて、車両１を思うように移動させることが困難となる事態を回避しつつ、乗員が車両１を意図する方向へ簡易に移動させることができる。

　ここで、前記実施形態の車両１と本発明との対応関係を補足しておく。

　制御ユニット５０が実行する図７のＳＴＥＰ９，１０の処理によって、本発明における移動動作部制御手段が実現される。また、前記仮想車輪回転角加速度指令ωdotw_x_cmd，ωdotw_y_cmdがそれぞれの本発明における制御用操作量に相当する。さらに、シート３には搭乗しない歩行者である乗員が本発明の移動体に相当し、シート３が本発明の物体搭載部に相当し、３軸力センサ５５が本発明の張力検出部に相当する。

　次に、以上説明した実施形態に係わる変形態様に関して説明しておく。

　前記実施形態では、車両系重心点（詳しくは車両・乗員全体重心点）を車両１の所定の代表点としたが、該代表点を例えば、車輪体５の中心点や、基体９の所定の部位（例えば支持フレーム１３）の点等に設定してもよい。

　また、前記実施形態において、移動体として、シート３に搭乗しない歩行者である乗員を例に説明したが、これに限定されるものでははく、移動体には、歩行者のほか、当該車両１以外の他の車両等であってもよい。

　さらに、前記実施形態において、物体搭載部として、乗員が搭乗可能なシート３を例に説明したが、これに限定されるものではなく、物体搭載部としては、乗員が搭乗しない荷物等の搭載部であってもよい。この場合には、物体搭載部に運搬対象物を搭載した状態または搭載していない状態で、前記移動モードと同様の制御処理を実行すればよい。

　また、前記実施形態では、図１及び図２に示した構造の車両１を例示したが、本発明における倒立振子型車両１は、本実施形態で例示した車両に限られるものではない。

　具体的には、本実施形態の車両１の移動動作部としての車輪体５は一体構造のものであるが、例えば、前記特許文献３の図１０に記載されているような構造のものであってもよい。すなわち、剛性を有する円環状の軸体に、複数のローラをその軸心が該軸体の接線方向に向くようにして回転自在に外挿し、これらの複数のローラを軸体に沿って円周方向に配列させることによって、車輪体を構成してもよい。

　さらに移動動作部は、例えば、特許文献２の図３に記載されているようなクローラ状の構造のものであってもよい。

　あるいは、例えば、前記特許文献２の図５、特許文献３の図７、もしくは特許文献１の図１に記載されているように、移動動作部を球体により構成し、この球体を、アクチュエータ装置（例えば前記車輪体５を有するアクチュエータ装置）によりＸ軸周り方向及びＹ軸周り方向に回転駆動するように車両を構成してもよい。

　また、本実施形態では、乗員の物体搭載部としてシート３を備えた車両１を例示したが、本発明における倒立振子型車両は、例えば特許文献３の図８に見られるように、乗員が両足を載せるステップと、そのステップ上で起立した乗員が把持する部分とを基体に組付けた構造の車両であってもよい。

　このように本発明は、前記特許文献１～３等に見られる如き、各種の構造の倒立振子型車両に適用することが可能である。

　さらには、本発明における倒立振子型車両は、床面上を全方向に移動可能な移動動作部を複数（例えば、左右方向に２つ、あるいは、前後方向に２つ、あるいは、３つ以上）備えていてもよい。

　また、本発明における倒立振子型車両は、基体が乗員の物体搭載部と共に傾動することは必須ではない。例えば、複数の移動動作部を有する場合に、これらの移動動作部を組付ける基体が床面に対して傾動しないようにすると共に、この基体に対して物体搭載部を傾動自在に組付けるようにしてもよい。

　１…倒立振子型全方向移動車両、３…シート（物体搭載部）、４…係合部、５…車輪体（移動動作部）、７…アクチュエータ装置、９…基体、５０…制御ユニット（移動動作部制御手段）、５５…３軸力センサ（張力検出部）、７４…要求重心速度生成部（移動動作部制御手段）、Ｃ…紐状体。

Claims

　床面上を互いに直交する第１の方向及び第２の方向を含む全方向に移動可能な移動動作部と、該移動動作部を駆動するアクチュエータ装置と、該移動動作部及びアクチュエータ装置が組付けられた基体と、前記第１の方向の軸周りと第２の方向の軸周りとの２軸周りで鉛直方向に対して傾動自在に前記基体に組付けられた物体搭載部とを備える倒立振子型車両の制御装置であって、
　前記基体または前記物体搭載部に一端が連結されると共に他端が車両の外部の移動体に保持された紐状体により、該基体または物体搭載部に作用する該紐状体の張力を検出する張力検出部と、
　前記張力検出部で検出された紐状体の張力に応じて、前記移動動作部に付与する駆動力を規定する制御用操作量を決定し、その決定した制御用操作量に応じて前記移動動作部の移動動作を前記アクチュエータ装置を介して制御する移動動作部制御手段と
を備えることを特徴とする倒立振子型車両の制御装置。
　請求項１記載の倒立振子型車両の制御装置において、
　前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の鉛直方向成分と水平方向成分から、前記基体または前記物体搭載部と前記移動体との距離を算出し、算出した該距離が予め設定された目標距離となるように、前記制御用操作量を決定することを特徴とする倒立振子型車両の制御装置。
　請求項１記載の倒立振子型車両の制御装置において、
　前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の水平方向成分の向きから、前記基体または前記物体搭載部に対する前記移動体の方向を算出し、算出した該方向を目標方向として前記制御用操作量を決定することを特徴とする倒立振子型車両の制御装置。
　請求項１記載の倒立振子型車両の制御装置において、
　前記移動動作部制御手段は、前記張力検出部で検出された紐状体の張力の大きさが所定値以下の場合に、当該車両の移動速度を０にするように前記制御用操作量を決定することを特徴とする倒立振子型車両の制御装置。