(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-13
(45)【発行日】2023-06-21
(54)【発明の名称】傾斜角度制御装置、傾斜角度制御方法及び鉄道車両
(51)【国際特許分類】
B61F 5/22 20060101AFI20230614BHJP
B61F 5/10 20060101ALI20230614BHJP
B61F 5/24 20060101ALI20230614BHJP
【ＦＩ】
B61F5/22 G
B61F5/10 D
B61F5/22 F
B61F5/24 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020069582
(22)【出願日】2020-04-08
(65)【公開番号】P2021165099
(43)【公開日】2021-10-14
【審査請求日】2022-09-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100187388
【弁理士】
【氏名又は名称】樋口 天光
(72)【発明者】
【氏名】神山 雅子
(72)【発明者】
【氏名】風戸 昭人
【審査官】志水 裕司
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－２６５６９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０４６８８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３６６６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０３９２８６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６１Ｆ ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
車体と、前記車体の前方部分を支持する前位台車と、前記車体の後方部分を支持する後位台車と、を備えた鉄道車両における、前記車体の傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置において、線路全体の形状に関するデータベースから、未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データと、前記未走行区間の線路上における予定走行条件と、を取得するデータ取得処理を行うデータ取得処理部と、
前記車体の前記前方部分の前記前位台車に対する傾斜角度の第１目標値、及び、前記車体の前記後方部分の前記後位台車に対する傾斜角度の第２目標値、を決定する演算処理を行う演算処理部と、
前記演算処理にて決定された前記第１目標値に合わせて前記車体の前記前方部分を傾斜させ、前記演算処理にて決定された前記第２目標値に合わせて前記車体の前記後方部分を傾斜させる動作部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記未走行区間の線路上を前記鉄道車両が走行する際の前記車体の前記前方部分の乗り物酔いを含めた乗り心地の第１評価指標を推定するための第１評価関数を、前記未走行線路データと、前記予定走行条件と、に基づいて、前記車体の前記前方部分の前記第１目標値の関数として決定する第１関数決定処理と、
前記未走行区間の線路上を前記鉄道車両が走行する際の前記車体の前記後方部分の乗り物酔いを含めた乗り心地の第２評価指標を推定するための第２評価関数を、前記未走行線路データと、前記予定走行条件と、に基づいて、前記車体の前記後方部分の前記第２目標値の関数として決定する第２関数決定処理と、
前記第１評価関数により推定される前記第１評価指標の値と、前記第２評価関数により推定される前記第２評価指標の値と、の和が一定の範囲内に含まれるように、前記第１目標値と前記第２目標値とを決定する目標値決定処理と、
を含む前記演算処理を行い、
前記未走行線路データは、前記未走行区間の線路のカントに比例するか又は前記未走行区間の線路の曲率半径に反比例する形状変数を含み、
前記前位台車の位置での前記形状変数を第１変数とし、前記後位台車の位置での前記形状変数を第２変数としたとき、
前記演算処理部は、前記目標値決定処理では、前記第２変数から前記第１変数を減じて得られる第１値を前記線路の軌間で除して得られる第２値を、更に前記第１目標値に加えて得られる第３値が、前記第２目標値に等しくなる条件で、前記第１目標値と前記第２目標値とを決定する、傾斜角度制御装置。
【請求項2】
請求項１に記載の傾斜角度制御装置において、前記第１評価関数は、以下の数式（１）又は数式（２）で表され、
前記第２評価関数は、以下の数式（３）又は数式（４）で表され、
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
前記第１評価関数が前記数式（１）で表されるとき、前記第２評価関数は、前記数式（３）で表され、
前記第１評価関数が前記数式（２）で表されるとき、前記第２評価関数は、前記数式（４）で表され、
前記第１評価関数が前記数式（１）で表されるとき、前記ｆＪＴ１（ｔ）は、以下の数式（５）で表され、
前記第１評価関数が前記数式（２）で表されるとき、前記ｆＪＴ１（ｔ）は、以下の数式（６）で表され、
前記第２評価関数が前記数式（３）で表されるとき、前記ｆＪＴ２（ｔ）は、以下の数式（７）で表され、
前記第２評価関数が前記数式（４）で表されるとき、前記ｆＪＴ２（ｔ）は、以下の数式（８）で表され、
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
前記ｙｐ１（ｔ）は、以下の数式（９）で表され、
前記ｙｊ１（ｔ）は、以下の数式（１０）で表され、
前記θｐ１（ｔ）は、以下の数式（１１）で表され、
前記θｊ１（ｔ）は、以下の数式（１２）で表され、
前記ｙｐ２（ｔ）は、以下の数式（１３）で表され、
前記ｙｊ２（ｔ）は、以下の数式（１４）で表され、
前記θｐ２（ｔ）は、以下の数式（１５）で表され、
前記θｊ２（ｔ）は、以下の数式（１６）で表され、
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【数13】
【数14】
【数15】
【数16】
前記ｙｆ１（ｔ）は、以下の数式（１７）で表され、
前記ｙｆ２（ｔ）は、以下の数式（１８）で表され、
【数17】
【数18】
前記ｈ１１（τ）、前記ｈ１２（τ）、前記ｈ２１（τ）及び前記ｈ２２（τ）の各々は、０．３Ｈｚ以下の入力を強調するフィルタである、傾斜角度制御装置。
【請求項3】
請求項２に記載の傾斜角度制御装置において、前記演算処理部は、前記目標値決定処理では、以下の数式（１９）で表される条件で、前記第１目標値と前記第２目標値とを決定する、傾斜角度制御装置。
【数19】
【請求項4】
請求項２又は３に記載の傾斜角度制御装置において、前記形状変数は、前記未走行区間の線路のカントに等しく、
前記Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２０）で表され、
前記Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２１）で表される、傾斜角度制御装置。
【数20】
【数21】
【請求項5】
請求項２又は３に記載の傾斜角度制御装置において、前記形状変数は、前記未走行区間の線路の曲率半径に反比例し、
前記Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２２）で表され、
前記Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２３）で表される、傾斜角度制御装置。
【数22】
【数23】
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の傾斜角度制御装置を用いて前記車体の傾斜角度を制御する傾斜角度制御方法。
【請求項7】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置、傾斜角度制御方法及びその傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両に関するものである。
【背景技術】
【0002】
曲線での鉄道車両の通過速度を向上させるために、車体と台車との間にアクチュエータを設け、このアクチュエータにより車体を曲線内方へ傾斜させる傾斜角度を制御する、制御付き車体傾斜車両が、開発され、運用されている。このような制御付き車体傾斜車両は、車両側で事前に走行線区の曲線情報（曲線半径、カント）を有し、この曲線情報を用いて車体を傾斜させる傾斜角度を制御する。これにより、曲線区間での乗り心地が改善され、目的地への速達化が実現される。また、最近、傾斜制御用アクチュエータが高性能化されてきており、目標値に合わせて傾斜角度を制御する際の応答性も進歩してきている。
【0003】
特開２００８－２６５６９２号公報（特許文献１）には、鉄道車両における車体の傾斜角度制御装置において、線路全体の形状に関するデータベースから未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データを取得するデータ取得処理と、車体の傾斜角度の目標値を決定する演算処理とを行う演算処理部と、演算処理によって決定された目標値に合わせて車体を傾斜させる動作部とを備えた技術が開示されている。特許文献１に開示された技術では、演算処理は、未走行区間の線路上を鉄道車両が走行する際の車体の乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数を、未走行区間の線路上における予定走行条件と未走行線路データとに基づき、車体の傾斜角度の目標値を変数として決定する関数決定処理と、評価指標の値が所定の範囲内に含まれるように目標値を決定する目標値決定処理とを有する。
【0004】
特開２０１４－４６８８４号公報（特許文献２）には、車体の進行方向の前後部に車体を支持する台車を備え、台車毎に車体を車幅方向に傾斜させる車体傾斜機構を備える鉄道車両の車体傾斜制御装置において、車体の傾斜角度目標値を演算する傾斜角度目標値演算部と、傾斜角度目標値演算部の演算結果に基づいて、車体傾斜機構の駆動制御を行う傾斜制御部と、車体の前部に配置される車体傾斜機構の傾斜動作を車体の後部に配置される車体傾斜機構の傾斜動作よりも遅延させる遅延部と、を備える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２００８－２６５６９２号公報
【文献】特開２０１４－４６８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記特許文献１に記載された技術では、車体の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を算出している。そのため、鉄道車両が緩和曲線を走行する際に、前位台車及び後位台車の各々の位置での乗り心地及び乗り物酔いの各々の評価を改善することが困難であり、前位台車及び後位台車の２つの位置の間での線路のカント（軌道のカント）の差によっては、車体がねじられるおそれがある。
【0007】
一方、上記特許文献２に記載された技術では、車体の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を、前位台車用及び後位台車用として、時間をずらして出力しているが、前位台車及び後位台車の２つの位置の間での線路のカントの差を正確に反映して傾斜角度の目標値を算出しているわけではない。そのため、鉄道車両が緩和曲線を走行する際に、前位台車及び後位台車の各々の位置での乗り心地及び乗り物酔いの各々の評価を改善することが困難であり、前位台車及び後位台車の２つの位置の間での線路のカントの差によっては、車体がねじられるおそれがある。
【0008】
即ち、上記特許文献１及び上記特許文献２に記載された技術では、車体をねじることなく、且つ、前位台車及び後位台車の各々の位置での乗り心地及び乗り物酔いの各々の評価を最適化するように、前後台車の各々での傾斜角度を決定（算出）することができない。
【0009】
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置において、車体をねじることなく、且つ、前位台車及び後位台車の各々の位置での乗り心地及び乗り物酔いの各々の評価を最適化できるように、前後台車の各々での傾斜角度の目標値を決定することができる傾斜角度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0011】
本発明の一態様としての傾斜角度制御装置は、車体と、車体の前方部分を支持する前位台車と、車体の後方部分を支持する後位台車と、を備えた鉄道車両における、車体の傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置である。当該傾斜角度制御装置は、線路全体の形状に関するデータベースから、未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データと、未走行区間の線路上における予定走行条件と、を取得するデータ取得処理を行うデータ取得処理部と、車体の前方部分の前位台車に対する傾斜角度の第１目標値、及び、車体の後方部分の後位台車に対する傾斜角度の第２目標値、を決定する演算処理を行う演算処理部と、演算処理にて決定された第１目標値に合わせて車体の前方部分を傾斜させ、演算処理にて決定された第２目標値に合わせて車体の後方部分を傾斜させる動作部と、を有する。演算処理部は、未走行区間の線路上を鉄道車両が走行する際の車体の前方部分の乗り物酔いを含めた乗り心地の第１評価指標を推定するための第１評価関数を、未走行線路データと、予定走行条件と、に基づいて、車体の前方部分の第１目標値の関数として決定する第１関数決定処理と、未走行区間の線路上を鉄道車両が走行する際の車体の後方部分の乗り物酔いを含めた乗り心地の第２評価指標を推定するための第２評価関数を、未走行線路データと、予定走行条件と、に基づいて、車体の後方部分の第２目標値の関数として決定する第２関数決定処理と、第１評価関数により推定される第１評価指標の値と、第２評価関数により推定される第２評価指標の値と、の和が一定の範囲内に含まれるように、第１目標値と第２目標値とを決定する目標値決定処理と、を含む演算処理を行う。未走行線路データは、未走行区間の線路のカントに比例するか又は未走行区間の線路の曲率半径に反比例する形状変数を含み、前位台車の位置での形状変数を第１変数とし、後位台車の位置での形状変数を第２変数としたとき、演算処理部は、目標値決定処理では、第２変数から第１変数を減じて得られる第１値を線路の軌間で除して得られる第２値を、更に第１目標値に加えて得られる第３値が、第２目標値に等しくなる条件で、第１目標値と第２目標値とを決定する。
【0012】
また、他の一態様として、第１評価関数は、以下の数式（１）又は数式（２）で表され、第２評価関数は、以下の数式（３）又は数式（４）で表されてもよい。
【0013】
【数1】
【0014】
【数2】
【0015】
【数3】
【0016】
【数4】
【0017】
（但し、ｔ：時間、Ｆ１（φ１（ｔ））：第１評価関数、Ｆ２（φ２（ｔ））：第２評価関数、α１，α２：係数、μ：係数で１以上の実数、ｎ：正の整数）
【0018】
第１評価関数が数式（１）で表されるとき、第２評価関数は、数式（３）で表され、第１評価関数が数式（２）で表されるとき、第２評価関数は、数式（４）で表され、第１評価関数が数式（１）で表されるとき、ｆＪＴ１（ｔ）は、以下の数式（５）で表され、第１評価関数が数式（２）で表されるとき、ｆＪＴ１（ｔ）は、以下の数式（６）で表され、第２評価関数が数式（３）で表されるとき、ｆＪＴ２（ｔ）は、以下の数式（７）で表され、第２評価関数が数式（４）で表されるとき、ｆＪＴ２（ｔ）は、以下の数式（８）で表されてもよい。
【0019】
【数5】
【0020】
【数6】
【0021】
【数7】
【0022】
【数8】
【0023】
（但し、ａ１１，ｂ１１，ｃ１１，ｄ１１，ａ１２，ｂ１２，ｃ１２，ｄ１２，ｅ１，ａ２１，ｂ２１，ｃ２１，ｄ２１，ａ２２，ｂ２２，ｃ２２，ｄ２２，ｅ２：係数、μ：係数で１以上の実数、ｎ：正の整数）
【0024】
ｙｐ１（ｔ）は、以下の数式（９）で表され、ｙｊ１（ｔ）は、以下の数式（１０）で表され、θｐ１（ｔ）は、以下の数式（１１）で表され、θｊ１（ｔ）は、以下の数式（１２）で表され、ｙｐ２（ｔ）は、以下の数式（１３）で表され、ｙｊ２（ｔ）は、以下の数式（１４）で表され、θｐ２（ｔ）は、以下の数式（１５）で表され、θｊ２（ｔ）は、以下の数式（１６）で表されてもよい。
【0025】
【数9】
【0026】
【数10】
【0027】
【数11】
【0028】
【数12】
【0029】
【数13】
【0030】
【数14】
【0031】
【数15】
【0032】
【数16】
【0033】
（但し、ｖ：走行速度、Ｒ１（ｔ）：前位台車の位置での線路の曲率半径、Ｒ１´（ｔ）：前位台車の位置での線路の曲率半径の時間変化率、Ｃｓ１（ｔ）：第１変数、Ｃｓ１´（ｔ）：第１変数の時間変化率、Ｃｓ１´´（ｔ）：第１変数の時間変化率の時間変化率、Ｇ：線路の軌間、φ１（ｔ）：第１目標値、φ１´（ｔ）：第１目標値の時間変化率、φ１´´（ｔ）：第１目標値の時間変化率の時間変化率、ｇ：重力加速度、Ｒ２（ｔ）：後位台車の位置での線路の曲率半径、Ｒ２´（ｔ）：後位台車の位置での線路の曲率半径の時間変化率、Ｃｓ２（ｔ）：第２変数、Ｃｓ２´（ｔ）：第２変数の時間変化率、Ｃｓ２´´（ｔ）：第２変数の時間変化率の時間変化率、φ２（ｔ）：第２目標値、φ２´（ｔ）：第２目標値の時間変化率、φ２´´（ｔ）：第２目標値の時間変化率の時間変化率）
【0034】
ｙｆ１（ｔ）は、以下の数式（１７）で表され、ｙｆ２（ｔ）は、以下の数式（１８）で表されてもよい。
【0035】
【数17】
【0036】
【数18】
【0037】
（但し、τ：時間）
【0038】
ｈ１１（τ）、ｈ１２（τ）、ｈ２１（τ）及びｈ２２（τ）の各々は、０．３Ｈｚ以下の入力を強調するフィルタであってもよい。
【0039】
また、他の一態様として、演算処理部は、目標値決定処理では、以下の数式（１９）で表される条件で、第１目標値と第２目標値とを決定してもよい。
【0040】
【数19】
【0041】
また、他の一態様として、形状変数は、未走行区間の線路のカントに等しく、Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２０）で表され、Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２１）で表されてもよい。
【0042】
【数20】
【0043】
【数21】
【0044】
（但し、Ｃ１（ｔ）：前位台車の位置での線路のカント、Ｃ２（ｔ）：後位台車の位置での線路のカント）
【0045】
また、他の一態様として、形状変数は、未走行区間の線路の曲率半径に反比例し、Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２２）で表され、Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２３）で表されてもよい。
【0046】
【数22】
【0047】
【数23】
【0048】
（但し、β：係数）
【0049】
本発明の一態様としての傾斜角度制御方法は、当該傾斜角度制御装置を用いて車体の傾斜角度を制御する傾斜角度制御方法である。
【0050】
本発明の一態様としての鉄道車両は、当該傾斜角度制御装置を備えている。
【発明の効果】
【0051】
本発明の一態様を適用することで、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置において、車体をねじることなく、且つ、前位台車及び後位台車の各々の位置での乗り心地及び乗り物酔いの各々の評価を最適化できるように、前後台車の各々での傾斜角度の目標値を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】比較例１の鉄道車両が直線区間から緩和曲線に進入する際の状態を模式的に示す図である。
【図2】実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図3】実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両の概略構成を模式的に示す正面図である。
【図4】実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両の概略構成を模式的に示す正面図である。
【図5】実施の形態１の傾斜角度制御方法の一部のステップを示すフロー図である。
【図6】実施の形態１の傾斜角度制御方法において未走行線路データと予定走行条件から傾斜角度の目標値を決定することを説明するための図である。
【図7】実施の形態２の傾斜角度制御方法において重複して決定された傾斜角度の目標値を示す図である。
【図8】実施の形態２の傾斜角度制御方法において線路形状に合わせて傾斜角度の目標値パターンを形成する手順を示す図である。
【図9】実施例１の傾斜角度制御装置を用いて算出した前位台車及び後位台車の各々の傾斜角度の目標値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0053】
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0054】
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
【0055】
また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【0056】
更に、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチング（網掛け）を省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを付す場合もある。
【0057】
（実施の形態１）
＜傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法における技術思想＞
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法における技術思想について、比較例１の鉄道車両を参照しながら説明する。
＜傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法における技術思想＞
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法における技術思想について、比較例１の鉄道車両を参照しながら説明する。
【0058】
図１は、比較例１の鉄道車両が直線区間から緩和曲線に進入する際の状態を模式的に示す図である。
【0059】
図１に示すように、比較例１の鉄道車両１０１は、振り子式の鉄道車両であり、車体１０２と、車体１０２のうち進行方向における中央部１０５よりも前方側に配置された前方部分１０２ａを支持する前位台車１０３ａと、車体１０２のうち進行方向における中央部１０５よりも後方側に配置された後方部分１０２ｂを支持する後位台車１０３ｂと、車体１０２の前方部分１０２ａを前位台車１０３ａに対して傾斜させる前位傾斜機構１０４ａと、車体１０２の後方部分１０２ｂを後位台車１０３ｂに対して傾斜させる後位傾斜機構１０４ｂと、を備えている。
【0060】
このような振り子式の鉄道車両の車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度を制御する技術が、上記特許文献１に記載されている。上記特許文献１に記載された技術では、傾斜角度の目標値は、鉄道車両１両につき１つのみであり、車体の進行方向における中央部１箇所を基準とした場合の乗り心地及び乗り物酔いを最適化することを前提として、車体の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を算出している。また、傾斜角度を制御する際には、車体と台車との間に設けられたアクチュエータのストロークを変化させることにより、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度が、算出された目標値になるように、傾斜角度を制御している。
【0061】
比較例１の鉄道車両１０１が、上記特許文献１に記載された技術により傾斜角度を制御するものとする。このような場合、車体１０２を台車に対して傾斜させるためのアクチュエータは、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの台車の各々にそれぞれ設けられた前位傾斜機構１０４ａ及び後位傾斜機構１０４ｂの各々にそれぞれ設けられている。そのため、それら２つのアクチュエータは、車体１０２のうち進行方向における中央部１０５に対して車体１０２の進行方向に離れた２つの位置、即ち、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の各々にそれぞれ配置されていることになる。また、比較例１の鉄道車両１０１が緩和曲線を走行する場合には、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの台車の間では、線路のカント（軌道のカント）が異なる。
【0062】
そのため、緩和曲線において前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの台車にそれぞれ設けられた２つのアクチュエータに対して、上記の車体１０２の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を与えた場合には、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の各々において、アクチュエータのストロークは、過大となるか又は過小となる。これにより、アクチュエータは、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の間の線路のカントの差により、車体１０２をロール方向にねじることになる。即ち、車体１０２にねじりモーメントが作用することになる。
【0063】
例えば図１に示すように、比較例１の鉄道車両が直線区間から緩和曲線ＴＣに進入する際には、先に緩和曲線ＴＣに進入する前位台車１０３ａは、カントＣにより外軌ＲＡ１側の車輪が持ち上げられ、前位台車１０３ａは曲線内側に傾斜する。このような状態で、前位傾斜機構１０４ａ及び後位傾斜機構１０４ｂの各々において、アクチュエータにより傾斜角度がφになるように制御した場合を考える。すると、車体１０２の前方部分１０２ａは、水平面に対して角度（Ｃ＋φ）だけ傾斜するが、後位台車１０３ｂはカントのついていない直線上にあるため、車体１０２の後方部分１０２ｂは、水平面に対して角度φだけ傾斜し、車体１０２にねじりモーメントが作用する。車体１０２のねじりモーメントの反力は、台車及び車軸を経由して、各車輪の輪重変化として現れることになる。この例であれば、前位台車１０３ａの外軌ＲＡ１側の車輪、及び、後位台車１０３ｂの内軌ＲＡ２側の車輪の輪重が増大し、前位台車１０３ａの内軌ＲＡ２側の車輪、及び、後位台車１０３ｂの外軌ＲＡ１側の車輪の輪重が減少する。
【0064】
そこで、上記特許文献２に記載された技術では、前位台車１０３ａに対して車体１０２を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングを、後位台車１０３ｂに対して車体１０２を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングよりも遅延させる。具体的には、前位台車１０３ａが緩和曲線ＴＣに進入したときに、後位台車１０３ｂに対して車体を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力して後位台車１０３ｂの傾斜角度の制御を開始し、次に、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの台車の間の距離を鉄道車両が走行するだけの時間が経過した後に、前位台車１０３ａに対して車体を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力して前位台車１０３ａの傾斜角度の制御を開始する。
【0065】
しかしながら、上記特許文献２に記載された技術では、例えば上記特許文献１に記載された技術で算出された車体１０２のうち進行方向における中央部１０５の１箇所における傾斜角度の目標値を、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置でのそれぞれの傾斜角度の目標値とするものであり、車体１０２のうち進行方向における中央部１０５の１箇所における傾斜角度の目標値を、前位台車１０３ａ用及び後位台車１０３ｂ用として、時間をずらして出力している。このような場合、目標値を算出するための論理演算を行う演算量が少なくなることにより傾斜角度制御装置が簡便になり、鉄道車両に傾斜角度制御装置を容易に搭載することができるという利点はある。しかしながら、上記特許文献２に記載された技術では、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の間での線路のカントの差を反映して目標値を算出しているわけではない。そのため、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の間での線路のカントの差によっては、算出された目標値が正確でないおそれがある。
【0066】
例えば、線路（軌道）にカントが設けられていない曲線区間においては、前位台車１０３ａ及び後位台車１０３ｂの２つの位置の間での線路のカントの差はゼロであるため、前位台車１０３ａに対して車体１０２を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングを、後位台車１０３ｂに対して車体１０２を傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングよりも遅延させる必要はない。しかしながら、上記特許文献２に記載された技術では、線路にカントが設けられていない曲線区間であっても、車体を台車に対して傾斜させる必要があり、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度の目標値は算出されるため、前位台車１０３ａに対して車体１０２の前方部分１０２ａを傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングを、後位台車１０３ｂに対して車体１０２の後方部分１０２ｂを傾斜させる傾斜角度の目標値を出力するタイミングよりも遅延させてしまうことになる。
【0067】
そこで、本発明の一実施形態である実施の形態１の傾斜角度制御装置では、前位台車及び後位台車の各々の位置で、車体左右加速度、車体左右ジャーク、車体ロール角速度及び車体ロール角加速度を、線路曲率値、カント、走行速度及び傾斜角度の関数として表現する。次に、前位台車における車両運動の評価関数を、前位台車における乗り心地評価関数と、前位台車における乗り物酔い評価関数とを、重み付け係数を用いて合成したものとして表現する。また、後位台車における車両運動の評価関数を、後位台車における乗り心地評価関数と、後位台車における乗り物酔い評価関数とを、重み付け係数を用いて合成したものとして表現する。
【0068】
また、本実施の形態１の傾斜角度制御装置では、前位台車の位置での傾斜角度の目標値を目標値φ１とし、後位台車の位置での傾斜角度の目標値を目標値φ２とし、前位台車及び後位台車の各々の位置の間の線路のカント（軌道のカント）の差をΔＣとし、線路軌間をＧとしたとき、後位台車の位置での傾斜角度の目標値を、φ２＝φ１＋ΔＣ／Ｇにより算出する。また、前位台車の位置での乗り心地評価関数にφ２＝φ１＋ΔＣ／Ｇを代入し、後位台車の位置での傾斜角度の目標値φ２の関数を、前位台車の位置での傾斜角度の目標値φ１の関数に変換することにより、後位台車の位置での乗り心地評価関数を決定する。
【0069】
これにより、後位台車の位置における車両運動の評価関数を、前位台車の位置における傾斜角度の目標値φ１の関数として表現することができる。そのため、前位台車の位置での傾斜角度の目標値、及び、後位台車の位置での傾斜角度の目標値として、「車体をねじらない（ひねらない）」という拘束条件が課された状態で、前位台車の位置における車両運動の評価関数の値と、後位台車の位置における評価関数の値と、の和を最小にする、傾斜角度の目標値を、算出することができる。「車体をねじらない」という拘束条件が課されない場合、「車体をねじらない」という拘束条件が課される場合に比べ、前位台車の位置における車両運動の評価関数と、後位台車の位置における評価関数と、の和を、更に小さくすることができる。しかしながら、「車体をねじらない」という拘束条件が課されない場合には、車体がねじられることになる。そこで、「車体をねじらない」という拘束条件を課すことにより、車体がねじられないようにし、その代償として、前位台車の位置における車両運動の評価関数の値と、後位台車の位置における評価関数の値と、の和自体の最小値が、「車体をねじらない」という拘束条件を課さない場合よりも、若干大きくなることについては、許容することになる。
【0070】
以下では、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法の詳細について説明する。
【0071】
＜傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法＞
次に、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法について説明する。本実施の形態１の傾斜角度制御装置は、車体と、車体のうち進行方向における中央部よりも前方側に配置された部分である前方部分を支持する前位台車と、車体のうち進行方向における中央部よりも後方側に配置された部分である後方部分を支持する後位台車と、車体の前方部分を前位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる前位傾斜機構と、車体の後方部分を後位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる後位傾斜機構と、を備えた鉄道車両、即ち振り子式の鉄道車両に備えられている。
次に、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法について説明する。本実施の形態１の傾斜角度制御装置は、車体と、車体のうち進行方向における中央部よりも前方側に配置された部分である前方部分を支持する前位台車と、車体のうち進行方向における中央部よりも後方側に配置された部分である後方部分を支持する後位台車と、車体の前方部分を前位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる前位傾斜機構と、車体の後方部分を後位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる後位傾斜機構と、を備えた鉄道車両、即ち振り子式の鉄道車両に備えられている。
【0072】
また、本実施の形態１の傾斜角度制御装置は、このような鉄道車両が線路上を走行する際に、車体の前方部分を前位傾斜機構により前位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる傾斜角度、及び、車体の後方部分を後位傾斜機構により後位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる傾斜角度、を制御する傾斜角度制御装置である。また、本実施の形態１の傾斜角度制御方法は、このような鉄道車両が線路上を走行する際に、車体の前方部分を前位傾斜機構により前位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる傾斜角度、及び、車体の後方部分を後位傾斜機構により後位台車に対して車体の幅方向に傾斜させる傾斜角度を、本実施の形態１の傾斜角度制御装置を用いて制御する傾斜角度制御方法である。
【0073】
図２は、実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両の概略構成を模式的に示す斜視図である。図３及び図４は、実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両の概略構成を模式的に示す正面図である。図４は、線路のカント及び車体の傾斜角度を説明するための図である。
【0074】
図２及び図３に示すように、本実施の形態１の傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両１は、振り子式の鉄道車両であり、車体２と、台車３としての前位台車３ａと、台車３としての後位台車３ｂと、傾斜機構４としての前位傾斜機構４ａと、傾斜機構４としての後位傾斜機構４ｂと、を備えている。前位台車３ａは、車体２のうち進行方向における中央部５よりも前方側に配置された前方部分２ａを支持する。後位台車３ｂは、車体２のうち進行方向における中央部５よりも進行方向後方側に配置された後方部分２ｂを支持する。前位傾斜機構４ａは、車体２のうち前方部分２ａを前位台車３ａに対して傾斜させる。後位傾斜機構４ｂは、車体２のうち後方部分２ｂを後位台車３ｂに対して傾斜させる。
【0075】
台車３は、複数の車輪１１と、複数の車輪１１同士を連結した複数の車軸１２と、複数の車軸１２により支持された台車枠１３と、を有する。傾斜機構４は、台車枠１３に設けられた振子装置１４と、振子梁１５と、を有する。振子装置１４と振子梁１５とにより、車体２は台車３に対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられている。
【0076】
前述したように、鉄道車両１は、車体２のうち前方部分２ａを支持する台車３としての前位台車３ａと、傾斜機構４としての前位傾斜機構４ａと、を有する。従って、前位台車３ａは、複数の車輪１１ａと、複数の車輪１１ａ同士を連結した複数の車軸１２ａと、複数の車軸１２ａにより支持された台車枠１３ａと、を有する。また、前位傾斜機構４ａは、台車枠１３ａに設けられた振子装置１４ａと、振子梁１５ａと、を有する。振子装置１４ａと振子梁１５ａとにより、車体２のうち前方部分２ａは、前位台車３ａに対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられている。
【0077】
また、前述したように、鉄道車両１は、車体２のうち後方部分２ｂを支持する台車３としての後位台車３ｂと、傾斜機構４としての後位傾斜機構４ｂと、を有する。従って、後位台車３ｂは、複数の車輪１１ｂと、複数の車輪１１ｂ同士を連結した複数の車軸１２ｂと、複数の車軸１２ｂにより支持された台車枠１３ｂと、を有する。また、後位傾斜機構４ｂは、台車枠１３ｂに設けられた振子装置１４ｂと、振子梁１５ｂと、を有する。振子装置１４ｂと振子梁１５ｂとにより、車体２のうち後方部分２ｂは、後位台車３ｂに対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられている。
【0078】
図２及び図３に示すように、本実施の形態１の傾斜角度制御装置を傾斜角度制御装置２０とすると、傾斜角度制御装置２０は、鉄道車両１に備えられ、動作部２１と、データベース２２と、処理部２３と、を有する。処理部２３は、データ取得処理部２４と、演算処理部２５と、を有する。
【0079】
動作部２１は、台車３に対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられた車体２を、車体２の幅方向に傾斜させる。動作部２１は、振子梁１５を揺動させることにより、車体２を、車体２の幅方向に傾斜させる。動作部２１として、作動流体によるアクチュエータ又は電気モータによるアクチュエータ等を用いることができる。
【0080】
前述したように、鉄道車両１は、車体２のうち前方部分２ａを支持する台車３としての前位台車３ａと、傾斜機構４としての前位傾斜機構４ａと、を有する。従って、前位台車３ａに設けられた動作部２１を動作部２１ａとすると、動作部２１ａは、前位台車３ａに対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられた車体２を、前位傾斜機構４ａにより車体２の幅方向に傾斜させる。また、動作部２１ａは、前位傾斜機構４ａにより振子梁１５ａを揺動させることで、演算処理にて決定された目標値に合わせて、車体２の前方部分２ａを、車体２の幅方向に傾斜させる。
【0081】
前述したように、鉄道車両１は、車体２のうち後方部分２ｂを支持する台車３としての後位台車３ｂと、傾斜機構４としての後位傾斜機構４ｂと、を有する。従って、後位台車３ｂに設けられた動作部２１を動作部２１ｂとすると、動作部２１ｂは、後位台車３ｂに対して車体２の幅方向に傾斜可能に設けられた車体２を、後位傾斜機構４ｂにより車体２の幅方向に傾斜させる。また、動作部２１ｂは、後位傾斜機構４ｂにより振子梁１５ｂを揺動させることで、演算処理にて決定された目標値に合わせて、車体２の後方部分２ｂを、車体２の幅方向に傾斜させる。
【0082】
データベース２２は、線路全体の形状に関するデータ、即ち線路の全区間の形状に関するデータとして、線路の曲率半径Ｒ（ｔ）と、線路のカントＣ（ｔ）と、線路の軌間Ｇと、を記憶している。図４に示すように、線路のカントＣ（ｔ）とは、左右のレールの高低差であり、軌間Ｇとは、左右のレール間の長さである。また、データベース２２は、線路全体の形状に関するデータ、即ち線路の全区間の形状に関するデータとして、線路のカントＣ（ｔ）を記憶していてもよいが、後述する形状変数として、線路の曲率半径Ｒ（ｔ）に反比例する形状変数を用いる場合には、線路のカントＣ（ｔ）を記憶していなくてもよい。
【0083】
処理部２３は、動作部２１及びデータベース２２と接続され、処理部２３のうちデータ取得処理部２４は、データベース２２と接続され、処理部２３のうち演算処理部２５は、動作部２１と接続されている。処理部２３、データ取得処理部２４及び演算処理部２５として、例えば以下の動作及び処理を行うためのプログラムを実行するコンピュータを用いることができる。
【0084】
データ取得処理部２４は、現時点ｔｃでの前位台車３ａの地点Ｐｃ及び走行速度ｖｃを検出する。また、データ取得処理部２４は、線路全体の形状に関するデータベース２２から、未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データη（ｔ）と、未走行区間の線路上における予定走行条件β（ｔ）と、を取得する。なお、本実施の形態１では、予定走行条件β（ｔ）は、現時点ｔｃにおける走行速度ｖｃである。
【0085】
後述する図６を用いて説明するように、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の前位台車３ａの位置については、未走行線路データη（ｔ）は、未走行区間の線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）と、未走行区間の線路のカントＣ１（ｔ）に比例するか又は未走行区間の線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例する形状変数Ｃｓ１（ｔ）と、線路の軌間Ｇと、を含む。また、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の後位台車３ｂの位置については、未走行線路データη（ｔ）は、未走行区間の線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）と、未走行区間の線路のカントＣ２（ｔ）に比例するか又は未走行区間の線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）に反比例する形状変数Ｃｓ２（ｔ）と、線路の軌間Ｇと、を含む。
【0086】
後述する図６を用いて説明するように、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の前位台車３ａの位置については、データ取得処理部２４は、現時点ｔｃでの前位台車３ａの地点Ｐｃ及び走行速度ｖｃを検出する。また、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の前位台車３ａの位置については、未走行区間の線路とは、現時点ｔｃ以降の時点ｔ０から一定時間Ｔ０後の時点ｔ１までの時間内に前位台車３ａが走行すべき未走行区間の線路である。後位台車３ｂについても同様である。
【0087】
未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の前位台車３ａの位置については、演算処理部２５は、取得した未走行線路データη（ｔ）と、未走行区間の予定走行条件β（ｔ）である予定走行速度（走行速度）ｖと、に基づいて、形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）と、形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´´（ｔ）と、曲率半径Ｒ１（ｔ）の時間変化率Ｒ１´（ｔ）と、を決定することができる。また、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の後位台車３ｂの位置については、演算処理部２５は、取得した未走行線路データη（ｔ）と、未走行区間の予定走行条件β（ｔ）である予定走行速度（走行速度）ｖと、に基づいて、形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）と、形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´´（ｔ）と、曲率半径Ｒ２（ｔ）の時間変化率Ｒ２´（ｔ）と、を決定することができる。
【0088】
演算処理部２５は、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の、車体２の前方部分２ａの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を、車体２の前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を変数として有する関数として決定する第１関数決定処理を行うことができる。具体的には、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を、以下の数式（１）又は数式（２）として決定することができる。
【0089】
【数24】
【0090】
【数25】
【0091】
上記数式（１）及び上記数式（２）において、ｔは時間、Ｆ１（φ１（ｔ））は評価関数、α１は係数、μは係数で１以上の実数、ｎは正の整数である。
【0092】
また、演算処理部２５は、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行する際の、車体２の後方部分２ｂの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を、車体２の後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を変数として有する関数として決定する第２関数決定処理を行うことができる。具体的には、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を、以下の数式（３）又は数式（４）として決定することができる。
【0093】
【数26】
【0094】
【数27】
【0095】
上記数式（３）及び上記数式（４）において、ｔは時間、Ｆ２（φ２（ｔ））は評価関数、α２は係数、μは係数で１以上の実数、ｎは正の整数である。
【0096】
なお、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））が上記数式（１）で表されるとき、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））は、上記数式（３）で表され、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））が上記数式（２）で表されるとき、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））は、上記数式（４）で表される。
【0097】
ここで、上記数式（１）又は上記数式（２）は、乗り心地に関する評価関数であるｆＪＴ１（ｔ）の項と、乗り物酔いに関するｙｆ１（ｔ）の項と、から構成されている。具体的には、車体２の前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を変数として有する以下の数式（２４）として決定することができる。なお、以下では、前位台車３ａの位置に関し、未走行線路データη（ｔ）、予定走行条件β（ｔ）を、未走行線路データη１（ｔ）、予定走行条件β１（ｔ）と表記する。
【0098】
【数28】
【0099】
また、上記数式（３）又は上記数式（４）は、乗り心地に関する評価関数であるｆＪＴ２（ｔ）の項と、乗り物酔いに関するｙｆ２（ｔ）の項と、から構成されている。具体的には、車体２の後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を変数として有する以下の数式（２５）として決定することができる。なお、以下では、後位台車３ｂの位置に関し、未走行線路データη（ｔ）、予定走行条件β（ｔ）を、未走行線路データη２（ｔ）、予定走行条件β２（ｔ）と表記する。
【0100】
【数29】
【0101】
以下、それぞれの項に分けて説明する。
【0102】
まず、初めに、ｆＪＴ１（ｔ）の項及びｆＪＴ２（ｔ）の項について説明する。
【0103】
ｆＪＴ１（ｔ）の項は、車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を変数として有する評価関数Ｆ１（φ１（ｔ），η１（ｔ），β１（ｔ））、具体的には、以下の数式（５）又は数式（６）として決定することができる。
【0104】
【数30】
【0105】
【数31】
【0106】
上記数式（５）及び上記数式（６）において、ｔは時間、ａ１１，ｂ１１，ｃ１１，ｄ１１，ａ１２，ｂ１２，ｃ１２，ｄ１２，ｅ１は係数、μは係数で１以上の実数、ｎは正の整数である。また、上記数式（５）において、関数ｍａｘについては、tが連続的な範囲内で変化するときのｆ（ｔ）の絶対値の最大値を、ｍａｘ｜ｆ（ｔ）｜とする（後述する数式（７）においても同様）。
【0107】
なお、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））が上記数式（１）で表されるとき、ｆＪＴ１（ｔ）は、上記数式（５）で表され、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））が上記数式（２）で表されるとき、ｆＪＴ１（ｔ）は、上記数式（６）で表される。
【0108】
また、ｆＪＴ２（ｔ）の項は、車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を変数として有する評価関数Ｆ２（φ２（ｔ），η２（ｔ），β２（ｔ））、具体的には、以下の数式（７）又は数式（８）として決定することができる。
【0109】
【数32】
【0110】
【数33】
【0111】
上記数式（７）及び上記数式（８）において、ｔは時間、ａ２１，ｂ２１，ｃ２１，ｄ２１，ａ２２，ｂ２２，ｃ２２，ｄ２２，ｅ２は係数、μは係数で１以上の実数、ｎは正の整数である。
【0112】
なお、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））が上記数式（３）で表されるとき、ｆＪＴ２（ｔ）は、上記数式（７）で表され、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））が上記数式（４）で表されるとき、ｆＪＴ２（ｔ）は、上記数式（８）で表される。
【0113】
上記数式（５）乃至上記数式（８）において、ｙｐ１（ｔ）、ｙｊ１（ｔ）、θｐ１（ｔ）、θｊ１（ｔ）は、以下の数式（９）、数式（１０）、数式（１１）、数式（１２）で表される振動特性の近似値であり、具体的にはそれぞれ、図４に示すように、車体２の前方部分２ａの左右加速度［ｍ／ｓ２］、車体２の前方部分２ａの左右加速度の時間変化率（車体左右ジャーク）［ｍ／ｓ３］、車体２の前方部分２ａのロール角速度［°／ｓ］、車体２の前方部分２ａのロール角加速度［°／ｓ２］である。
【0114】
なお、車体２の前方部分２ａの左右加速度ｙｐ１（ｔ）は、図４に示すように、車体２の前方部分２ａが左右方向に並進振動する際の左右方向の加速度である。また、車体２の前方部分２ａのロール角速度θｐ１（ｔ）は、車体２の前方部分２ａが垂直面内で回転する際の角度（車体ロール角）θｒ１（ｔ）［°］（図４参照）の時間変化率である。傾斜角度の目標値φ１（ｔ）［°］は、動作部２１ａの作用により、台車枠１３ａに対して振子梁１５ａが回転する際の傾斜角度（以下、振子傾斜角度と称する場合がある）の目標値である。
【0115】
【数34】
【0116】
【数35】
【0117】
【数36】
【0118】
【数37】
【0119】
上記数式（９）乃至上記数式（１２）において、ｖは走行速度であり、Ｒ１（ｔ）は前位台車３ａの位置での線路の曲率半径であり、Ｒ１´（ｔ）は前位台車３ａの位置での線路の曲率半径の時間変化率であり、Ｃｓ１（ｔ）は第１変数であり、Ｃｓ１´（ｔ）は第１変数の時間変化率であり、Ｃｓ１´´（ｔ）は第１変数の時間変化率の時間変化率であり、Ｇは線路の軌間である。また、φ１（ｔ）は車体２の前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値であり、φ１´（ｔ）は車体２の前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値の時間変化率であり、φ１´´（ｔ）は車体２の前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値の時間変化率の時間変化率であり、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ２］である。
【0120】
また、上記数式（５）乃至数式（８）において、ｙｐ２（ｔ）、ｙｊ２（ｔ）、θｐ２（ｔ）、θｊ２（ｔ）は、以下の数式（１３）、数式（１４）、数式（１５）、数式（１６）で表される振動特性の近似値であり、具体的にはそれぞれ、図４に示すように、車体２の後方部分２ｂの左右加速度［ｍ／ｓ２］、車体２の後方部分２ｂの左右加速度の時間変化率（車体左右ジャーク）［ｍ／ｓ３］、車体２の後方部分２ｂのロール角速度［°／ｓ］、車体２の後方部分２ｂのロール角加速度［°／ｓ２］である。
【0121】
なお、車体２の後方部分２ｂの左右加速度ｙｐ２（ｔ）は、図４に示すように、車体２の後方部分２ｂが左右方向に並進振動する際の左右方向の加速度である。また、車体２の後方部分２ｂのロール角速度θｐ２（ｔ）は、車体２の後方部分２ｂが垂直面内で回転する際の角度（車体ロール角）θｒ２（ｔ）［°］（図４参照）の時間変化率である。傾斜角度の目標値φ２（ｔ）［°］は、動作部２１ｂの作用により、台車枠１３ｂに対して振子梁１５ｂが回転する際の傾斜角度の目標値である。
【0122】
【数38】
【0123】
【数39】
【0124】
【数40】
【0125】
【数41】
【0126】
上記数式（１３）乃至上記数式（１６）において、ｖは走行速度であり、Ｒ２（ｔ）は後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径であり、Ｒ２´（ｔ）は後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径の時間変化率であり、Ｃｓ２（ｔ）は第２変数であり、Ｃｓ２´（ｔ）は第２変数の時間変化率であり、Ｃｓ２´´（ｔ）は第２変数の時間変化率の時間変化率であり、Ｇは線路の軌間である。また、φ２（ｔ）は車体２の後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値であり、φ２´（ｔ）は車体２の後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値の時間変化率であり、φ２´´（ｔ）は車体２の後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値の時間変化率の時間変化率であり、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ２］である。
【0127】
これらの評価関数によれば、例えば上記特許文献１に記載されているように、ａ１１，ｂ１１，ｃ１１，ｄ１１，ａ１２，ｂ１２，ｃ１２，ｄ１２，ｅ１，ａ２１，ｂ２１，ｃ２１，ｄ２１，ａ２２，ｂ２２，ｃ２２，ｄ２２，ｅ２の係数の値を設定することにより、乗客による乗り心地の評価を複数段階の尺度で推定することができる。具体的には、例えば評価関数の値が０～１、１～２、２～３、３～４の範囲内であれば、乗客による乗り心地の評価をそれぞれ「全く問題ない」、「やや気になる程度」、「不快であるが許容範囲内にある」、「不快であり許容できない」と推定することができる。
【0128】
次に、ｙｆ１（ｔ）の項及びｙｆ２（ｔ）の項について説明する。
【0129】
ｙｆ１（ｔ）の項は、「乗り物酔い」を防止するための関数であり、具体的には上記数式（９）で表されるｙｐ１（ｔ）に対して、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する特性を有するフィルタをかけたものである。また、ｙｆ２（ｔ）の項は、「乗り物酔い」を防止するための関数であり、具体的には上記数式（１３）で表されるｙｐ２（ｔ）に対して、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する特性を有するフィルタをかけたものである。
【0130】
ここで、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する理由は、当該周波数領域の左右振動が最も乗り物酔いの原因となると考えられるからである。例えば上記特許文献１の図３に示され、低周波振動と乗り物酔い発生率（ＭＲ）との関係を示したグラフからも、０．３Ｈｚ以下の左右振動が乗り物酔いの原因となることが分かる。
【0131】
本実施の形態１においては、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する特性を有するフィルタについては限定することはなく、種々のフィルタを用いることができ、例えば上記特許文献１の図４に示された、列車酔い評価用の左右振動補正フィルタを利用してもよい。但し、曲線通過時に車両に対して左右方向へ定常的に作用する遠心力は、上記特許文献１の図５の０．３Ｈｚ以下の直流成分に近い帯域の周波数に属し、この帯域の車体左右振動加速度信号を減衰させてしまうと、遠心力が考慮されなくなる。即ち、振子車両の本来の目的である定常的な左右振動加速度を打ち消すという本来の目的を達することができなくなる。これを解決するためには、例えば上記特許文献１の図５に示すような、０．３Ｈｚ近辺をカットオフ周波数とするローパスフィルタを用いてもよい。
【0132】
上記特許文献１の図５に示す、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する特性を有するローパスフィルタをｈ１１（ｔ）及びｈ１２（ｔ）とすると、ｙｆ１（ｔ）は、以下の数式（１７）で表される。
【0133】
【数42】
【0134】
上記数式（１７）において、τは時間である。
【0135】
また、上記特許文献１の図５に示す、０．３Ｈｚ以下の入力を強調する特性を有するローパスフィルタをｈ２１（ｔ）及びｈ２２（ｔ）とすると、ｙｆ２（ｔ）は、以下の数式（１８）で表される。
【0136】
【数43】
【0137】
上記数式（１８）において、τは時間である。
【0138】
車体２のうち前方部分２ａの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））は、上記した乗り心地に関する評価関数であるｆＪＴ１（ｔ）の項と、乗り物酔いに関する評価関数であるｙｆ１（ｔ）の項のそれぞれに、当該各項に対する重み付けをするための（１－α１）、α１を乗じた上で、各項を足し合わせることで、構成されている。具体的には、上記数式（２４）に、上記数式（５）又は上記数式（６）を代入したものを用いる。
【0139】
また、車体２のうち後方部分２ｂの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））は、上記した乗り心地に関する評価関数であるｆＪＴ２（ｔ）の項と、乗り物酔いに関する評価関数であるｙｆ２（ｔ）の項のそれぞれに、当該各項に対する重み付けをするための（１－α２）、α２を乗じた上で、各項を足し合わせることで、構成されている。具体的には、上記数式（２５）に、上記数式（７）又は上記数式（８）を代入したものを用いる。
【0140】
当該重み付けをするために必要な係数α１及びα２の各々の値については、０以上１以下の値であれば任意に設定可能である。α１及びα２の各々の値を小さくすれば、乗り心地に関する評価関数ｆＪＴ１（ｔ）又はｆＪＴ２（ｔ）の項が、車体の傾斜角度制御に大きく反映され、一方でα１及びα２の各々の値を大きくすれば、乗り物酔いに関する評価関数であるｙｆ１（ｔ）又はｙｆ２（ｔ）の項が、車体の傾斜角度制御に大きく反映されることとなる。
【0141】
例えば上記特許文献１の図６に示され、評価関数が乗り心地に関する評価関数のみで構成されている場合の緩和曲線内での左右振動加速度の発生傾向を示すグラフからも分かるように、重み付けのための係数α１及びα２が０の場合、即ち、乗客の乗り物酔いを考慮せず乗り心地のみを考慮して車体の傾斜角度を制御した場合、緩和曲線の入口側および出口側において左右振動加速度が発生し、この加速度が乗り物酔いの原因となる可能性がある。一方、本実施の形態１では、乗り心地に関する評価関数に加え、乗り物酔いに関する評価関数を考慮することにより、例えば上記特許文献１の図６に示される左右振動加速度を低減することができる。
【0142】
ここで、演算処理部２５は、以下の数式（２６）に示すように、車体２のうち前方部分２ａの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を一定区間で積分した第１評価指標と、車体２のうち後方部分２ｂの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を一定区間で積分した第２評価指標と、を計算し、計算された第１評価指標と第２評価指標との和が一定の範囲内、例えば最小値となる場合における、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として決定する。
【0143】
【数44】
【0144】
このとき、演算処理部２５は、以下の数式（１９）で表される条件で、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））及び評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定する。
【0145】
【数45】
【0146】
これにより、前述したように、前位台車の位置での傾斜角度の目標値、及び、後位台車の位置での傾斜角度の目標値として、「車体をねじらない（ひねらない）」という拘束条件が課された状態で、前位台車の位置における車両運動の評価関数の値と、後位台車の位置における評価関数の値と、の和を最小にする、傾斜角度の目標値を、算出することができる。
【0147】
また、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）が実現不可能な値となることを防ぐため、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）は、関数ｇ１（φｍ１（ｔ））及び関数ｇ２（φｍ２（ｔ））が、ｇ１（φｍ１（ｔ））≦０及びｇ２（φｍ２（ｔ））≦０の条件式を満たすように決定される。このような関数ｇ１（φｍ１（ｔ））及び関数ｇ２（φｍ２（ｔ））としては、例えばｇ１（φｍ１（ｔ））＝｜φｍ１（ｔ）｜－γ及びｇ２（φｍ２ｔ））＝｜φｍ２（ｔ）｜－γ（γは実数）等を挙げることができる。これらの条件式によれば、傾斜角度の目標値がγ［°］以上の実現不可能な角度になることを防ぐことができる。
【0148】
演算処理部２５は、上記数式（２６）により決定された目標値φｍ１（ｔ）と実際の傾斜角度とが互いに等しくなるように、動作部２１ａを制御する。また、演算処理部２５は、上記数式（２６）により決定された目標値φｍ２（ｔ）と実際の傾斜角度とが等しくなるように、動作部２１ｂを制御する。なお、演算処理部２５には、実際の傾斜角度がフィードバックされるようになっている。
【0149】
次に、本実施の形態１の傾斜角度制御装置を用いて車体の傾斜角度を制御する傾斜角度制御方法の手順について説明する。図５は、実施の形態１の傾斜角度制御方法の一部のステップを示すフロー図である。図６は、実施の形態１の傾斜角度制御方法において未走行線路データと予定走行条件から傾斜角度の目標値を決定することを説明するための図である。なお、図６は、前位台車３ａ及び後位台車３ｂを代表して、前位台車３ａについて示している。また、図６では、未走行線路データη（ｔ）に含まれる曲率半径として、曲率半径Ｒ１（ｔ）及び曲率半径Ｒ２（ｔ）を代表して曲率半径Ｒ１（ｔ）を曲率半径Ｒ（ｔ）と表記し、未走行線路データη（ｔ）に含まれる形状変数として、形状変数Ｃｓ１（ｔ）に代えたカントＣ１（ｔ）及び形状変数Ｃｓ２（ｔ）に代えたカントＣ２（ｔ）を代表してカントＣ１（ｔ）をカントＣ（ｔ）と表記している。また、図６では、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）を代表して目標値φｍ１（ｔ）を目標値φｍ（ｔ）と表記している。
【0150】
本実施の形態１の傾斜角度制御方法では、走行する当該線区の線路曲率データとカントデータは、生成に必要となるデータを事前の走行により車両に搭載したセンサにより取得し、車両に１ｍ毎に記録されたデータベースとして生成、格納される。また、予め前後台車の相対距離Ｌｔは把握できていることから、各走行地点における前後台車位置の違いによるカントの差ΔＣを、予め車上側で把握することができる。
【0151】
まず、図６に示すように、データ取得処理部２４が、現時点ｔｃでの前位台車３ａの地点Ｐｃを検出する（図５のステップＳ１）。また、ステップＳ１では、データ取得処理部２４は、前位台車３ａが時点ｔ０，ｔ１において到達する地点Ｐ０，Ｐ１を、それぞれＰ０＝ＰＣ＋ｖｃ×Ｔｐ、Ｐ１＝Ｐ０＋ｖｃ×Ｔ０から計算する。なお、時間Ｔｐは、演算処理部２５における演算時間と動作部２１における応答遅れ時間との合計時間よりも長くなっている。
【0152】
次に、データ取得処理部２４は、線路全体の形状に関するデータベース２２から、地点Ｐ０から地点Ｐ１までの間の未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データη（ｔ）と、未走行区間の線路上における予定走行条件β（ｔ）と、を取得するデータ取得処理を行う（図５のステップＳ２）。なお、本実施の形態１では、予定走行条件β（ｔ）は、現時点ｔｃにおける走行速度ｖｃである。
【0153】
次に、演算処理部２５は、データ取得処理の結果に基づいて、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を決定する演算処理を行う（図５のステップＳ３）。なお、この演算処理は、以下の関数決定処理（図５のステップＳ４）と、目標値決定処理（図５のステップＳ５）と、を含むものである。
【0154】
このステップＳ３では、まず、演算処理部２５は、関数決定処理（図５のステップＳ４）を行う。なお、関数決定処理は、演算処理部２５が行う演算処理に含まれる。
【0155】
このステップＳ４では、演算処理部２５は、未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを、上記数式（９）乃至上記数式（１２）に代入し、前位台車３ａの位置での各振動特性を、車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の関数として決定する第１関数決定処理を行う。
【0156】
例えば、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）及び形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間サンプリングデータを生成する処理を行う（図５のステップＳ６）。
【0157】
次に、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの車体２の幅方向の加速度である左右加速度ｙｐ１（ｔ）を、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）、鉄道車両１の走行速度ｖ、及び、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ１１）。形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に比例するか、又は、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例する。このステップＳ１１では、左右加速度ｙｐ１（ｔ）を、上記数式（９）で表される関数として決定することができる。
【0158】
また、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）を、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）の時間変化率Ｒ１´（ｔ）、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）、鉄道車両１の走行速度ｖ、及び、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の時間変化率φ１´（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ１２）。このステップＳ１２では、左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）を、上記数式（１０）で表される関数として決定することができる。
【0159】
また、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａのロール角速度θｐ１（ｔ）を、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）、及び、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の時間変化率φ１´（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ１３）。このステップＳ１３では、ロール角速度θｐ１（ｔ）を、上記数式（１１）で表される関数として決定することができる。
【0160】
また、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａのロール角加速度θｊ１（ｔ）を、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´´（ｔ）、及び、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の時間変化率φ１´（ｔ）の時間変化率φ１´´（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ１４）。このステップＳ１４では、ロール角加速度θｊ１（ｔ）を、上記数式（１２）で表される関数として決定することができる。
【0161】
このステップＳ４では、また、演算処理部２５は、未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを、上記数式（１３）乃至上記数式（１６）に代入し、後位台車３ｂの位置での各振動特性を、車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の関数として決定する第２関数決定処理を行う。
【0162】
例えば、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）及び形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間サンプリングデータを生成する処理を行う（図５のステップＳ７）。
【0163】
次に、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの車体２の幅方向の加速度である左右加速度ｙｐ２（ｔ）を、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）、鉄道車両１の走行速度ｖ、及び、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ１５）。形状変数Ｃｓ１（ｔ）が、前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に比例するとき、形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）に比例し、形状変数Ｃｓ１（ｔ）が、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例するとき、形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）に反比例する。このステップＳ１５では、左右加速度ｙｐ２（ｔ）を、上記数式（１３）で表される関数として決定することができる。
【0164】
また、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）を、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）の時間変化率Ｒ２´（ｔ）、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）、鉄道車両１の走行速度ｖ、及び、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の時間変化率φ２´（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ１６）。このステップＳ１６では、左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）を、上記数式（１４）で表される関数として決定することができる。
【0165】
また、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂのロール角速度θｐ２（ｔ）を、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）、及び、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の時間変化率φ２´（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ１７）。このステップＳ１７では、ロール角速度θｐ２（ｔ）を、上記数式（１５）で表される関数として決定することができる。
【0166】
また、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂのロール角加速度θｊ２（ｔ）を、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´´（ｔ）、及び、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の時間変化率φ２´（ｔ）の時間変化率φ２´´（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ１８）。このステップＳ１８では、ロール角加速度θｊ２（ｔ）を、上記数式（１６）で表される関数として決定することができる。
【0167】
このステップＳ４では、次に、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）、ロール角速度θｐ１（ｔ）、ロール角加速度θｊ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）、ロール角速度θｐ２（ｔ）、及び、ロール角加速度θｊ２（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ１９）。このステップＳ１９では、評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を、上記数式（５）又は上記数式（６）で表される関数として決定することができる。なお、乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ１（ｔ）は、緩和曲線における乗り心地評価指標に基づいて設定されることができる。
【0168】
このステップＳ４では、また、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ２（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）、ロール角速度θｐ１（ｔ）、ロール角加速度θｊ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）、ロール角速度θｐ２（ｔ）、及び、ロール角加速度θｊ２（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ２０）。ステップＳ１９にて評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を上記数式（５）で表される関数として決定するとき、ステップＳ２０では、評価関数ｆＪＴ２（ｔ）を、上記数式（７）で表される関数として決定し、ステップＳ１９にて評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を上記数式（６）で表される関数として決定するとき、ステップＳ２０では、評価関数ｆＪＴ２（ｔ）を、上記数式（８）で表される関数として決定することができる。なお、乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ２（ｔ）は、緩和曲線における乗り心地評価指標に基づいて設定されることができる。
【0169】
このステップＳ４では、次に、演算処理部２５は、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの乗り物酔いを評価する評価関数ｙｆ１（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、及び、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、の関数として決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ２１）。このステップＳ２１では、評価関数ｙｆ１（ｔ）を、上記数式（１７）で表される関数として決定することができる。
【0170】
このステップＳ４では、また、演算処理部２５は、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの乗り物酔いを評価する評価関数ｙｆ２（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、及び、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、の関数として決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ２２）。このステップＳ２２では、評価関数ｙｆ２（ｔ）を、上記数式（１８）で表される関数として決定することができる。
【0171】
このステップＳ４では、次に、演算処理部２５は、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｆＪＴ１（ｔ）と、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｙｆ１（ｔ）と、の和である評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を決定する第１関数決定処理を行う（図５のステップＳ２３）。
【0172】
このステップＳ４では、また、演算処理部２５は、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｆＪＴ２（ｔ）と、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｙｆ２（ｔ）と、の和である評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定する第２関数決定処理を行う（図５のステップＳ２４）。
【0173】
ステップＳ１９にて評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を上記数式（５）で表される関数として決定するとき、演算処理部２５は、ステップＳ２３では、上記数式（１）で表される評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を決定し、ステップＳ２４では、上記数式（３）で表される評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定することができる。
【0174】
また、ステップＳ１９にて評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を上記数式（６）で表される関数として決定するとき、演算処理部２５は、ステップＳ２３では、上記数式（２）で表される評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を決定し、ステップＳ２４では、上記数式（４）で表される評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定することができる。
【0175】
また、ステップＳ３では、次に、演算処理部２５は、目標値決定処理（図５のステップＳ５）を行う。なお、目標値決定処理は、演算処理部２５が行う演算処理に含まれる。
【0176】
このステップＳ５では、演算処理部２５は、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））と、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））と、の和を最小にするときの、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として算出する。具体的には、演算処理部２５は、一定時間Ｔ０（図６参照）内で評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））の値を積分した第１評価指標と、一定時間Ｔ０（図６参照）内で評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））の値を積分した第２評価指標と、を計算し、計算された第１評価指標と第２評価指標との和が最小値となる場合における、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、上記数式（２６）に基づいて、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として決定する目標値決定処理を行う。即ち、演算処理部２５は、上記数式（２６）に示すように、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を一定区間で積分した第１評価指標と、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を一定区間で積分した第２評価指標と、を計算し、計算された第１評価指標の値と第２評価指標との和が一定の範囲内、例えば最小値となる場合における、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として決定する目標値決定処理を行う（図６参照）。
【0177】
また、後述する図９を用いて説明するように、好適には、ある時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値が正の場合には、その時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値の絶対値を、前位台車３ａの位置での線路のカントが後位台車３ｂの位置での線路のカントと等しいときの傾斜角度の目標値の上限値から減じた値が、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値の実際の上限値になる。
【0178】
また、後述する図９を用いて説明するように、好適には、ある時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値が負の場合には、その時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値の絶対値を、前位台車３ａの位置での線路のカントが後位台車３ｂの位置での線路のカントと等しいときの傾斜角度の目標値の下限値に加えた値が、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値の実際の下限値になる。
【0179】
本実施の形態１の傾斜角度制御方法によれば、車体２のうち前方部分２ａの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を、車体２のうち前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を変数として有する関数として決定する。また、車体２のうち後方部分２ｂの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を、車体２のうち後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を変数として有する関数として決定する。そして、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））の積分値、つまり第１評価指標の推定値と、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））の積分値、つまり第２評価指標の推定値と、の和が一定の範囲内に含まれるように、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、それぞれ目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として事前に決定する。
【0180】
従って、傾斜角度を事前に制御する場合であっても、従来と異なり、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、実際に未走行区間の線路を鉄道車両１が走行した際の乗り心地を確実に向上させることができるとともに、乗客の乗り物酔いの発生を効果的に防止することができる。
【0181】
また、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行するよりも前に、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）が決定されるので、車体２が傾斜した状態となる時点を遅らせることなく、線路の形状の変化に合わせて確実に車体２を傾斜させ、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、乗り心地を向上させることができる。
【0182】
また、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））における車体２の前方部分２ａの左右加速度ｙｐ１（ｔ）、車体２の前方部分２ａの左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｊ１（ｔ）、車体２の前方部分２ａのロール角速度θｐ１（ｔ）及び車体２の前方部分２ａのロール角加速度θｊ１（ｔ）を、それぞれ前位台車３ａの位置における未走行線路データη１（ｔ）と予定走行条件β１（ｔ）とからなる近似式として用いる。また、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））における車体２の後方部分２ｂの左右加速度ｙｐ２（ｔ）、車体２の後方部分２ｂの左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｊ２（ｔ）、車体２の後方部分２ｂのロール角速度θｐ２（ｔ）及び車体２の後方部分２ｂのロール角加速度θｊ２（ｔ）を、それぞれ後位台車３ｂの位置における未走行線路データη２（ｔ）と予定走行条件β２（ｔ）とからなる近似式として用いる。
【0183】
そのため、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、乗り心地の評価指標の推定値を、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）に応じて事前に決定することができる。従って、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、評価指標の推定値が一定の範囲内に含まれるように、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を事前に決定することができる。
【0184】
なお、本実施の形態１においては、一定時間Ｔ０内に鉄道車両１が走行すべき区間の線路を未走行区間の線路として演算処理を一定時間Ｔ０ごとに行うこととして説明したが、これに限らず、例えば実施の形態２において後述する図７に示すように、時間Ｔ０＋Ｔ１内に鉄道車両１が走行すべき区間の線路を未走行区間の線路とし、演算処理を一定時間Ｔ０ごとに行うこととしてもよい。なお、この場合には、前回の演算処理と今回の演算処理とによって目標値φｍ１（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ１内においては前回の演算処理による目標値φｍ１（ｔ）に合わせて車体２を傾斜させることが好ましい。
【0185】
本実施の形態１の傾斜角度制御装置では、演算処理部２５は、ステップＳ２３及びステップＳ２４では、ある時刻における後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の値からその時刻における前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の値を減じて得られる値を線路の軌間Ｇで除して得られる値を、更にその時刻における車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）に加えて得られる値が、その時刻における後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）に等しくなる条件で、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））及び評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定し、車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を決定（算出）する。
【0186】
即ち、演算処理部２５は、ステップＳ２３及びステップＳ２４では、以下の数式（１９）で表される条件で、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））及び評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定する。
【0187】
【数46】
【0188】
上記数式（１９）に示すように、本実施の形態１の傾斜角度制御装置では、ある時刻における車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、その時刻における車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）と、前位台車３ａ及び後位台車３ｂの２つの位置の間での線路の形状変数の差である例えばカントの差ΔＣと、を用いて、φ２（ｔ）＝φ１（ｔ）＋ΔＣ／Ｇと表す。これにより、目標値φ１（ｔ）及び目標値φ２（ｔ）として、「車体をねじらない」という拘束条件が課された状態で、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））と評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））との和を最小にする、目標値φ１（ｔ）及び目標値φ２（ｔ）を決定することができる。
【0189】
これにより、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を最小にする車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値、及び、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を最小にする車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値、を別々に探索して決定する場合に比べて、計算機の演算負荷を格段に軽減させることができ、傾斜角度及び傾斜角度がそれぞれの目標値になるような傾斜角度制御も短時間で可能となる。更に、決定された前方部分２ａ及び後方部分２ｂの傾斜角度の目標値は、前位台車３ａ及び後位台車３ｂの２つの位置での乗り物酔い指標及び緩和曲線における乗り心地指標がそれぞれ最良となるように調整された傾斜角度の目標値として、算出される。
【0190】
また、本実施の形態１によれば、車体を傾斜させるためのアクチュエータによる不要な発生力を抑制することができるので、アクチュエータを制御するために空気を使用する量を削減することができる。
【0191】
また、本実施の形態１によれば、車体をねじることなく、車体を傾斜させる傾斜角度を制御することができるので、車体又は台車の各部への不要な負荷を、低減することができる。その結果、車内の乗客の振動乗り心地を改善することができる。
【0192】
また、本実施の形態１によれば、鉄道車両が緩和曲線を走行している鉄道車両の車体を傾斜させる際に、一部の車輪の輪重が減少する輪重抜けが発生することを、防止又は抑制することができる。
【0193】
また、本実施の形態１によれば、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、乗り物酔い指標及び緩和曲線における乗り心地指標が最良となるように、傾斜角度を制御することができる。
【0194】
本実施の形態１では、前述したように、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に比例するか、又は、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例する。また、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）が前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に比例するとき、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）に比例し、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）が前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例するとき、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）に反比例する。
【0195】
好適には、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、未走行区間の線路のカント、即ち前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に等しい。このような場合、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２０）で表される。なお、形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、カントＣ１（ｔ）に係数を乗じた値であってもよい。
【0196】
【数47】
【0197】
好適には、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、未走行区間の線路のカント、即ち後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）に等しい。このような場合、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２１）で表される。なお、形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、カントＣ２（ｔ）に係数を乗じた値であってもよい。
【0198】
【数48】
【0199】
一方、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）として、前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に代えて、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例した量を、仮想カントとして用いてもよい。仮想カントを用いる場合、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）は、以下の数式（２２）で表される。
【0200】
【数49】
【0201】
上記数式（２２）において、βは、係数である。
【0202】
また、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）として、後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）に代えて、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）に反比例した量を、仮想カントとして用いてもよい。仮想カントを用いる場合、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）は、以下の数式（２３）で表される。
【0203】
【数50】
【0204】
上記数式（２３）において、βは、係数である。
【0205】
これにより、前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）が取得できない場合でも、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を最小にする傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を決定することができる。また、後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）が取得できない場合でも、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を最小にする傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を決定することができる。従って、傾斜角度制御装置のセンサ構成を、より簡便にすることができる。
【0206】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法について説明する。本実施の形態２の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法は、データベースが線路の形状に関するデータを離散的に記憶し、データ取得処理及び演算処理を繰り返し、前回の演算処理と今回の演算処理との間で傾斜角度の目標値を重複して決定する点で、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と異なる。以下では、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と異なる点について詳しく説明し、それ以外の点については、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と同様であるため、その説明を省略する。
次に、実施の形態２の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法について説明する。本実施の形態２の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法は、データベースが線路の形状に関するデータを離散的に記憶し、データ取得処理及び演算処理を繰り返し、前回の演算処理と今回の演算処理との間で傾斜角度の目標値を重複して決定する点で、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と異なる。以下では、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と異なる点について詳しく説明し、それ以外の点については、実施の形態１の傾斜角度制御装置及び傾斜角度制御方法と同様であるため、その説明を省略する。
【0207】
図２及び図３に示すように、本実施の形態２の傾斜角度制御装置２０ａは、鉄道車両１ａに備えられ、動作部２１と、データベース２２ａと、処理部２３ａと、を有する。処理部２３ａは、データ取得処理部２４ａと、演算処理部２５ａと、を有する。動作部２１については、実施の形態１の傾斜角度制御装置２０が有する動作部２１と同様であるため、その説明を省略する。
【0208】
データベース２２ａは、線路の形状に関するデータを離散的に記憶しており、より詳細には、後述する図７を用いて説明するように、予定走行速度（走行速度）ｖで時間Ｔ０＋Ｔ１内に鉄道車両１ａが走行する距離［ｍ］ごとの地点に対応する未走行線路データを順番に記憶している。
【0209】
演算処理部２５ａは、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）及び傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を決定する際に、上記数式（２６）の代わりに以下の数式（２７）を用いる点において、実施の形態１の演算処理部２５と異なる。
【0210】
【数51】
【0211】
また、上記数式（２７）に上記数式（１７）を代入する際の上記数式（１７）のｙｆ１（ｉ）は、ｈ１１（ｉ）及びｈ１２（ｉ）の各々を０．３Ｈｚ以下の信号を強調する（２ｎ＋１）次のＦＩＲフィルタとすると、以下の数式（２８）で表される。
【0212】
【数52】
【0213】
上記数式（２８）において、ｍは、自然数である。
【0214】
また、上記数式（２７）に上記数式（１８）を代入する際の上記数式（１８）のｙｆ２（ｉ）は、ｈ２１（ｉ）及びｈ２２（ｉ）の各々を０．３Ｈｚ以下の信号を強調する（２ｎ＋１）次のＦＩＲフィルタとすると、以下の数式（２９）で表される。
【0215】
【数53】
【0216】
上記数式（２９）において、ｍは、自然数である。
【0217】
なお、本実施の形態２においては、ｎ＝１とし、且つ、関数ｇ１（φｍ１（ｔ））及び関数ｇ２（φｍ２（ｔ））の各々をそれぞれ傾斜角度の目標値φ１（ｔ）及び傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の線形関数とした場合には、上記数式（２４）及び数式（２５）は線形２次計画問題となるため、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を、容易に算出することができる。
【0218】
また、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の時間変化率φ１´（ｔ）、及び、目標値φ１（ｔ）の時間変化率φ１´（ｔ）の時間変化率φ１´´（ｔ）は、それぞれ以下の数式（３０）及び数式（３１）で近似される。これにより、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））には、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれた状態となっている。
【0219】
【数54】
【0220】
【数55】
【0221】
また、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の時間変化率φ２´（ｔ）、及び、目標値φ２（ｔ）の時間変化率φ２´（ｔ）の時間変化率φ２´´（ｔ）は、それぞれ以下の数式（３２）及び数式（３３）で近似される。これにより、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））には、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれた状態となっている。
【0222】
【数56】
【0223】
【数57】
【0224】
上記数式（３０）乃至上記数式（３３）において、Δｔｉ＝Δｘｉ／ｖであり、Δｘｉは、ｉ－１番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点とｉ番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点との間隔［ｍ］である。また、ｉは正の整数である。
【0225】
また、前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）の時間変化率Ｒ１´（ｔ）、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）、及び、前位台車３ａの位置での線路の形状変数Ｃｓ１（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ１´´（ｔ）は、それぞれ以下の数式（３４）乃至数式（３６）で近似される。なお、形状変数Ｃｓ１（ｔ）が前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）に比例するか又は前位台車３ａの位置での線路の曲率半径Ｒ１（ｔ）に反比例することは、実施の形態１と同様である。
【0226】
【数58】
【0227】
【数59】
【0228】
【数60】
【0229】
また、後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）の時間変化率Ｒ２´（ｔ）、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）、及び、後位台車３ｂの位置での線路の形状変数Ｃｓ２（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´（ｔ）の時間変化率Ｃｓ２´´（ｔ）は、それぞれ以下の数式（３７）乃至数式（３９）で近似される。なお、形状変数Ｃｓ２（ｔ）が後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）に比例するか又は後位台車３ｂの位置での線路の曲率半径Ｒ２（ｔ）に反比例することは、実施の形態１と同様である。
【0230】
【数61】
【0231】
【数62】
【0232】
【数63】
【0233】
次に、本実施の形態２の傾斜角度制御方法の手順について説明する。図７は、実施の形態２の傾斜角度制御方法において重複して決定された傾斜角度の目標値を示す図である。図８は、実施の形態２の傾斜角度制御方法において線路形状に合わせて傾斜角度の目標値パターンを形成する手順を示す図である。図８（ａ）は、線路の曲率を示し、図８（ｂ）は、線路のカントを示し、図８（ｃ）乃至図８（ｇ）は、逐次決定される目標値パターンを示す。なお、図７及び図８は、前位台車３ａ及び後位台車３ｂを代表して、前位台車３ａについて示している。また、本実施の形態２においては、鉄道車両１ａは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すような形状の未走行区間の線路上を走行するものとする。また、図７では、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）を代表して目標値φｍ１（ｔ）を傾斜角度の目標φｍ（ｔ）と表記している。
【0234】
本実施の形態２の傾斜角度制御方法では、図５のステップＳ１と同様のステップを行った後、データ取得処理部２４ａは、図５のステップＳ２に相当するステップとして、図７に示すように、時間Ｔ０＋Ｔ１内に走行予定の未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データη（ｔ）と、未走行区間の線路上における予定走行条件β（ｔ）と、を取得するデータ取得処理を行う。一定時間Ｔ０を３［秒］とし、時間Ｔ１を１［秒］とすることができる。なお、この場合における予定走行条件β（ｔ）とは、現時点ｔｃにおける走行速度である。
【0235】
次に、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ３に相当するステップとして、データ取得処理の結果に基づいて、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を決定する演算処理を行う。なお、この演算処理は、以下の関数決定処理（図５のステップＳ４に相当）と、目標値決定処理（図５のステップＳ５に相当）と、を含むものである。
【0236】
【0237】
この図５のステップＳ４に相当するステップでは、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ１１乃至ステップＳ１４に相当するステップを行って、未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを、上記数式（９）乃至上記数式（１２）に代入し、前位台車３ａの位置での各振動特性を、車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の関数として決定する処理を行う。このとき、φ１´（ｔ）、φ１´´（ｔ）、Ｒ１´（ｔ）、Ｃｓ１´（ｔ）及びＣｓ１´´（ｔ）の値に関しては、上記数式（３０）、上記数式（３１）、及び、上記数式（３４）乃至上記数式（３６）による近似値を用いる。
【0238】
また、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ１５乃至ステップＳ１８に相当するステップを行って、未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを、上記数式（１３）乃至上記数式（１６）に代入し、後位台車３ｂの位置での各振動特性を、車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の関数として決定する処理を行う。このとき、φ２´（ｔ）、φ２´´（ｔ）、Ｒ２´（ｔ）、Ｃｓ２´（ｔ）及びＣｓ２´´（ｔ）の値に関しては、上記数式（３２）、上記数式（３３）、及び、上記数式（３７）乃至上記数式（３９）による近似値を用いる。
【0239】
この図５のステップＳ４に相当するステップでは、次に、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ１９に相当するステップを行って、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ１（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）、ロール角速度θｐ１（ｔ）、ロール角加速度θｊ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）、ロール角速度θｐ２（ｔ）、及び、ロール角加速度θｊ２（ｔ）、の関数として決定する処理を行う。
【0240】
また、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ２０に相当するステップを行って、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの乗り心地を評価する評価関数ｆＪＴ２（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ１（ｔ）の時間変化率ｙｐ１´（ｔ）、ロール角速度θｐ１（ｔ）、ロール角加速度θｊ１（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、左右加速度ｙｐ２（ｔ）の時間変化率ｙｐ２´（ｔ）、ロール角速度θｐ２（ｔ）、及び、ロール角加速度θｊ２（ｔ）、の関数として決定する処理を行う。
【0241】
この図５のステップＳ４に相当するステップでは、次に、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ２１に相当するステップを行って、前位台車３ａの位置での車体２の前方部分２ａの乗り物酔いを評価する評価関数ｙｆ１（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、及び、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、の関数として決定する処理を行う。
【0242】
また、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ２２に相当するステップを行って、後位台車３ｂの位置での車体２の後方部分２ｂの乗り物酔いを評価する評価関数ｙｆ２（ｔ）を、左右加速度ｙｐ１（ｔ）、及び、左右加速度ｙｐ２（ｔ）、の関数として決定する処理を行う。
【0243】
この図５のステップＳ４に相当するステップでは、次に、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ２３に相当するステップを行って、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｆＪＴ１（ｔ）と、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｙｆ１（ｔ）と、の和である評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を決定する。
【0244】
また、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ２４に相当するステップを行って、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｆＪＴ２（ｔ）と、重み付け係数により重み付けされた評価関数ｙｆ２（ｔ）と、の和である評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を決定する。
【0245】
また、ステップＳ３では、次に、演算処理部２５ａは、図５のステップＳ５に相当するステップとして、目標値決定処理を行う。
【0246】
この図５のステップＳ５に相当するステップでは、演算処理部２５ａは、一定時間Ｔ０（図７参照）内で評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））の値を積分した第１評価指標と、一定時間Ｔ０（図７参照）内で評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））の値を積分した第２評価指標と、を計算し、計算された第１評価指標と第２評価指標との和が最小値となる場合における、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、上記数式（２７）に基づいて、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として決定する目標値決定処理を行う（図７参照）。これにより、各時点での目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）からなる目標値パターンが決定される。
【0247】
このようにして、図８（ｃ）乃至図８（ｇ）に示すように、傾斜角度制御装置２０ａは、データ取得処理及び演算処理を一定時間Ｔ０ごとに繰り返し、前回の演算処理と今回の演算処理との間で、時間Ｔ１内の傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）を重複して決定し、同様に、傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を重複して決定する。なお、各関数決定処理における予定走行条件β（ｔ）は、それぞれ一定の条件として設定されている。
【0248】
ここで、傾斜角度制御装置２０ａは、複数回の演算処理のそれぞれにおいては前回の演算処理の結果に基づいて目標値を決定しており、且つ、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））には、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれ、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））には、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれるため、目標値φｍ１（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ１内においては、前回の演算処理による目標値と今回の演算処理による目標値とは、異なる値とならずに同一化されることとなる。これにより、各時点での目標値φｍ１（ｔ）からなる目標値パターンが、全ての走行区間に渡って連続して決定される。なお、目標値φｍ２（ｔ）についても同様である。
【0249】
そして、決定された目標値φｍ１（ｔ）に合わせて、動作部２１が、車体２を傾斜させる傾斜処理を実行する。なお、目標値φｍ１（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ１内においては、動作部２１は前回の演算処理による目標値φｍ１（ｔ）に合わせて、車体２を傾斜させる。なお、目標値φｍ２（ｔ）についても同様である。
【0250】
本実施の形態２の傾斜角度制御方法によれば、車体２のうち前方部分２ａの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））を、車体２のうち前方部分２ａの前位台車３ａに対する傾斜角度の目標値φ１（ｔ）を変数として有する関数として決定する。また、車体２のうち後方部分２ｂの乗り物酔いを含めた乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））を、車体２のうち後方部分２ｂの後位台車３ｂに対する傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を変数として有する関数として決定する。そして、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））の積分値、つまり第１評価指標の推定値と、評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））の積分値、つまり第２評価指標の推定値と、の和が一定の範囲内に含まれるように、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として事前に決定する。従って、本実施の形態２でも、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【0251】
それに加えて、本実施の形態２では、データ取得処理及び演算処理を一定時間Ｔ０ごとに繰り返し、前回の演算処理と今回の演算処理との間で傾斜角度の目標値を重複して決定する。従って、本実施の形態２では、実施の形態１における効果に加えて、全ての走行区間に渡って目標値パターンが連続して決定されるので、時間Ｔ１内において、前回の演算処理による目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）に合わせて動作部２１に車体２を傾斜させることにより、例えば複心曲線や反向曲線等の複雑な形状の曲線部を鉄道車両１ａが走行する場合でも、傾斜角度を連続して変化させ、乗り心地を向上させることができる。
【0252】
また、上記数式（２７）で表される非線型最適化問題を解くことにより、傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）及び傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を決定することができる。従って、線路の形状に関するデータが連続せずに離散化されてデータベース２２ａに記憶されている場合であっても、車内空間のうち前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々の直上にそれぞれ位置する２つの部分において、乗り心地を確実に向上させることができる。
【0253】
なお、上記実施の形態１及び実施の形態２においては、傾斜機構４として図２に示すものを例示して説明したが、車体を傾斜させる機構があれば良く、例えばリンク式や空気ばね伸縮式などであってもよい。
【0254】
また、演算処理部２５は、上記数式（１）又は上記数式（２）の値の積分値と、上記数式（３）又は上記数式（４）の値の積分値と、の和が最小値となるように、傾斜角度の目標値φ１（ｔ）、及び、傾斜角度の目標値φ２（ｔ）を、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）として決定することとして説明したが、例えば０～１等、一定の範囲内に含まれるように決定することとしてもよい。
【0255】
更に、評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））及び評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））としては、他の評価関数を用いることとしてもよい。
【実施例】
【0256】
以下、実施例に基づいて本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
【0257】
（実施例１）
図９は、実施例１の傾斜角度制御装置を用いて算出した前位台車及び後位台車の各々の傾斜角度の目標値を示すグラフである。実施例１の傾斜角度制御装置は、実施の形態１の傾斜角度制御装置である。
図９は、実施例１の傾斜角度制御装置を用いて算出した前位台車及び後位台車の各々の傾斜角度の目標値を示すグラフである。実施例１の傾斜角度制御装置は、実施の形態１の傾斜角度制御装置である。
【0258】
図９（ａ）の縦軸は、前位台車３ａの位置での線路の曲率（図９（ａ）では「前位台車位置での線路の曲率」と表記）を示し、図９（ｂ）の縦軸は、前位台車３ａの位置での線路のカント（図９（ｂ）では「前位台車位置での線路のカント」と表記）を示し、図９（ｃ）の縦軸は、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値（図９（ｃ）では「前位台車に対する傾斜角度目標値」と表記）を表す。図９（ｄ）の縦軸は、後位台車３ｂの位置での線路の曲率（図９（ｄ）では「後位台車位置での線路の曲率」と表記）を示し、図９（ｅ）の縦軸は、後位台車３ｂの位置での線路のカント（図９（ｅ）では「後位台車位置での線路のカント」と表記）を示し、図９（ｆ）の縦軸は、後位台車３ｂに対する車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値（図９（ｆ）では「後位台車に対する傾斜角度目標値」と表記）を表す。
【0259】
図９（ｇ）の縦軸は、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値（図９（ｇ）では「前位後位台車位置間のカントの差）と表記）を示し、図９（ｈ）の縦軸は、車体２のねじれ角（図９（ｈ）では「車体のねじれ角」と表記）を示している。また、図９（ａ）乃至図９（ｈ）の各々の横軸では、時間を「時刻」と表記している。また、図９では、鉄道車両が、直線区間１、曲線区間１、曲線区間２及び直線区間２を順次走行する場合を示している。
【0260】
前位台車３ａの位置での線路の曲率及びカントの各々をそれぞれ示す図９（ａ）及び図９（ｂ）のグラフと、後位台車３ｂの位置での線路の曲率及びカントの各々をそれぞれ示す図９（ｄ）及び図９（ｅ）のグラフと、を比べると、前位台車３ａ及び後位台車３ｂの各々が曲線区間に進入するタイミングが異なることが分かる。特に、前位台車３ａの位置での線路のカントを示す図９（ｂ）のグラフと、後位台車３ｂの位置での線路のカントを示す図９（ｅ）のグラフと、を比べると、図９（ｇ）に示すように、前位台車３ａの位置と後位台車３ｂの位置との間で線路のカントの差、即ち前後台車のカントの差が発生していることが分かる。
【0261】
また、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値を示す図９（ｃ）と、後位台車３ｂに対する車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値を示す図９（ｆ）と、を比べると、ある時刻における前方部分２ａの傾斜角度の目標値が、その時刻における後方部分２ｂの傾斜角度の目標値と異なっているときがあることが分かる。
【0262】
前述したように、また、図９（ｃ）に示すように、ある時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値が正の場合には、その時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値の絶対値を、前位台車３ａの位置での線路のカントが後位台車３ｂの位置での線路のカントと等しいときの傾斜角度の目標値の上限値から減じた値が、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値の実際の上限値になる。
【0263】
前述したように、また、図９（ｃ）に示すように、ある時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値が負の場合には、その時刻において、前位台車３ａの位置での線路のカントから後位台車３ｂの位置での線路のカントを減じた値の絶対値を、前位台車３ａの位置での線路のカントが後位台車３ｂの位置での線路のカントと等しいときの傾斜角度の目標値の下限値に加えた値が、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値の実際の下限値になる。
【0264】
即ち、図９（ｃ）では、図９（ｇ）に示す前後台車のカントの差を考慮した前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値の上限値以下で且つ下限値以上になるように、前位台車の位置における評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））と、後位台車の位置における評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））と、の和を最小にする、前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）を算出した。
【0265】
このとき、算出された前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）については、上記数式（１９）で表されるように、後位台車３ｂの位置での線路のカントＣ２（ｔ）の値から前位台車３ａの位置での線路のカントＣ１（ｔ）の値を減じた値（Ｃ２（ｔ）－Ｃ１（ｔ））を線路の軌間Ｇで除して得られる値（（Ｃ２（ｔ）－Ｃ１（ｔ））／Ｇ）を、更に前位台車３ａに対する車体２の前方部分２ａの傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）に加えることになる。また、図９（ｆ）に示すように、前位台車の位置における評価関数Ｆ１（φ１（ｔ））と、後位台車の位置における評価関数Ｆ２（φ２（ｔ））と、の和を最小にする、後位台車３ｂに対する車体２の後方部分２ｂの傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）を算出した。即ち、車体２の前方部分２ａの傾斜角度をφ１（ｔ）、車体２の後方部分２ｂの傾斜角度をφ２（ｔ）、前後台車中心のカントの差をΔＣ（ｔ）、線路の軌間をＧとしたとき、φ２（ｔ）＝φ１（ｔ）＋ΔＣ（ｔ）／Ｇの条件で、目標値φｍ１（ｔ）及び目標値φｍ２（ｔ）を算出した。
【0266】
【0267】
例えば上記特許文献１に記載された技術では、前位台車及び後位台車の各々に対して車体の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を出力して傾斜角度を制御するだけである。そのため、上記特許文献１に記載された技術を用いた傾斜角度制御方法を前述した比較例１とすると、比較例１の傾斜角度制御方法を用いた場合、車体のねじれ角は、図９（ｇ）に示す前後台車のカントの差に等しくなり、前後台車のカントの差が０ｄｅｇでない時、車体のねじれ角を０ｄｅｇに保持することができない。
【0268】
また、上記特許文献２に記載された技術でも、車体の進行方向における中央部１箇所における傾斜角度の目標値を、前位台車用及び後位台車用として、時間をずらして出力するだけである。そのため、上記特許文献２に記載された技術を用いた傾斜角度制御方法を比較例２とすると、比較例２の傾斜角度制御方法を用いた場合でも、車体のねじれ角を０ｄｅｇに保持することができない。
【0269】
一方、実施例１の傾斜角度制御方法を用いた場合、前位台車３ａの位置での車両運動の評価関数と、後位台車３ｂの位置での車両運動の評価関数と、を別々に決定するものの、後位台車３ｂの位置での乗り心地評価関数に、φ２（ｔ）＝φ１（ｔ）＋ΔＣ（ｔ）／Ｇを代入することにより、後位台車３ｂの位置での乗り心地評価関数を、後位台車３ｂの位置での傾斜角度の目標値φ２（ｔ）の関数から、前位台車３ａの位置での傾斜角度の目標値φ１（ｔ）の関数に変換する。そのため、車体２のねじれ角を０ｄｅｇに保持しつつ、前位台車３ａの位置での傾斜角度の目標値φｍ１（ｔ）、及び、後位台車３ｂの位置での傾斜角度の目標値φｍ２（ｔ）の各々を、精度良く、且つ、演算量を増加させることなく、算出することができる。
【0270】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0271】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0272】
例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0273】
本発明は、車体を台車に対して傾斜させる傾斜角度を制御する傾斜角度制御装置、傾斜角度制御方法及びその傾斜角度制御装置を備えた鉄道車両に適用して有効である。
【符号の説明】
【0274】
１、１ａ 鉄道車両
２ 車体
２ａ 前方部分
２ｂ 後方部分
３ 台車
３ａ 前位台車
３ｂ 後位台車
４ 傾斜機構
４ａ 前位傾斜機構
４ｂ 後位傾斜機構
５ 中央部
１１、１１ａ、１１ｂ 車輪
１２、１２ａ、１２ｂ 車軸
１３、１３ａ、１３ｂ 台車枠
１４、１４ａ、１４ｂ 振子装置
１５、１５ａ、１５ｂ 振子梁
２０、２０ａ 傾斜角度制御装置
２１、２１ａ、２１ｂ 動作部
２２、２２ａ データベース
２３、２３ａ 処理部
２４、２４ａ データ取得処理部
２５、２５ａ 演算処理部
２ 車体
２ａ 前方部分
２ｂ 後方部分
３ 台車
３ａ 前位台車
３ｂ 後位台車
４ 傾斜機構
４ａ 前位傾斜機構
４ｂ 後位傾斜機構
５ 中央部
１１、１１ａ、１１ｂ 車輪
１２、１２ａ、１２ｂ 車軸
１３、１３ａ、１３ｂ 台車枠
１４、１４ａ、１４ｂ 振子装置
１５、１５ａ、１５ｂ 振子梁
２０、２０ａ 傾斜角度制御装置
２１、２１ａ、２１ｂ 動作部
２２、２２ａ データベース
２３、２３ａ 処理部
２４、２４ａ データ取得処理部
２５、２５ａ 演算処理部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】