FR2913507A1 - Vehicle i.e. wheelchair, controlling method, involves determining displacement of vehicle relative to location of obstacle considered as spinner and to setpoints of manual control device considered as attractors when obstacle is detected - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE PILOTAGE D'UN :FAUTEUIL ROULANTMETHOD FOR CONTROLLING A WHEELCHAIR
La présente invention concerne un procédé de pilotage 5 d'un véhicule tel qu'un fauteuil roulant. Il existe des procédés de pilotage de fauteuil roulant, ce dernier comprenant deux roues motrices différentielles espacées l'une de l'autre d'une distance fixe, un dispositif de commande manuelle adapté permettant à un 10 utilisateur de piloter le fauteuil en donnant une première consigne pour la vitesse linéaire du fauteuil et une seconde consigne pour sa vitesse angulaire, et des capteurs disposés à la périphérie du fauteuil et adaptés à déterminer la présence d'obstacle dans l'environnement 1:5 proche du fauteuil. Dans les procédés classiques de pilotage, soit le pilotage du fauteuil roulant est manuel auquel cas il est commandé par l'utilisateur au moyen du dispositif de commande manuelle, soit il est automatique auquel cas il 20 est commandé par un système dynamique de commande en fonction d'une destination préalablement entrée à l'aide d'une interface utilisable par un utilisateur, système tenant compte des obstacles se trouvant dans l'environnement du fauteuil roulant, les moyens de commande 2.5 manuelle étant par ailleurs inopérants. La demande de brevet français FR 2 660 454 divulgue un procédé fonctionnant en mode automatique et commandé par un système utilisant comme repousseur les différents obstacles détectés par les capteurs du fauteuil roulant, et comme 30 attracteur la destination entrée à l'aide de l'interface. Dans le cas où les obstacles empêchent le fauteuil roulant de poursuivre son itinéraire, ce dernier s'arrête et le système passe en mode manuel. The present invention relates to a method of controlling a vehicle such as a wheelchair. There are methods of driving a wheelchair, the latter comprising two differential drive wheels spaced apart from one another by a fixed distance, a suitable manual control device allowing a user to drive the wheelchair by giving a first setpoint for the linear speed of the chair and a second setpoint for its angular velocity, and sensors arranged at the periphery of the chair and adapted to determine the presence of obstacle in the 1: 5 environment close to the chair. In conventional control methods, the control of the wheelchair is manual, in which case it is controlled by the user by means of the manual control device, or it is automatic in which case it is controlled by a dynamic control system in function. a destination previously entered using an interface usable by a user, a system taking into account the obstacles in the environment of the wheelchair, the 2.5 manual control means being otherwise inoperative. French patent application FR 2,660,454 discloses a method operating in automatic mode and controlled by a system using as repeller the different obstacles detected by the sensors of the wheelchair, and as attractor the destination entered using the interface. . In the event that the obstacles prevent the wheelchair from continuing its route, it stops and the system switches to manual mode.
La présente invention vise à réaliser un procédé de commande permettant à l'utilisateur d'avoir une influence sur le déplacement du fauteuil roulant tout en conservant les avantages des systèmes de commande en mode automatique, notamment en ce qui concerne l'évitement des obstacles. Selon l'invention, dans le procédé de pilotage, le déplacement du fauteuil est déterminé en l'absence d'obstacle, uniquement à partir des consignes du dispositif de commande manuelle, et, lorsqu'au moins un obstacle est détecté, par le système dynamique de commande en fonction, d'une part, de l'emplacement de l'obstacle considéré comme un repousseur, et, d'autre part, des consignes du dispositif de commande manuelle considérés comme des attracteurs. The present invention aims to provide a control method allowing the user to have an influence on the movement of the wheelchair while retaining the advantages of control systems in automatic mode, particularly with regard to the avoidance of obstacles. According to the invention, in the control method, the movement of the chair is determined in the absence of an obstacle, only from the instructions of the manual control device, and, when at least one obstacle is detected, by the system. dynamic control based on the one hand, the location of the obstacle considered as a repeller, and, on the other hand, the instructions of the manual control device considered as attractors.
Ainsi, selon l'invention, l'attracteur utilisé dans le système dynamique de commande n'est pas une donnée entrée préalablement au déplacement du fauteuil roulant, mais une donnée dynamique, variant dans le temps, comme si le système fonctionnait en mode manuel. En fait, le procédé de pilotage selon l'invention est un procédé d'assistance automatique au pilotage manuel d'un fauteuil roulant. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation détaillé donné à titre d'exemple non limitatif 2.5 et illustré par les dessins mis en annexe dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique d'un fauteuil roulant vu de dessus, dans un environnement sans obstacle, le fauteuil étant représenté au début d'une phase de pilotage conforme au procédé selon la présente invention, 30 La figure 2 est une vue similaire à la figure 1, le fauteuil étant représenté à la fin de la phase de pilotage, La figure 3 est une vue similaire à la figure 1, le fauteuil représenté au début d'une phase de pilotage, étant à proximité d'un obstacle, et La figure 4 est une vue similaire à la figure 3, le fauteuil étant représenté en cours de la phase de pilotage. Un véhicule d'aide au déplacement 1 (en l'occurrence un fauteuil roulant 1) comprend deux roues motrices espacées l'une de l'autre d'une distance fixe Odg. Ces deux roues motrices sont différentielles, ce qui signifie que chacune d'elles est entraîné par un moteur qui lui est propre, ce qui permet au véhicule 1 de pouvoir effectuer des rotations sur lui même. En outre, à chaque roue motrice est également associé un codeur incrémental permettant de déterminer précisément sa vitesse. Thus, according to the invention, the attractor used in the dynamic control system is not a data input prior to the wheelchair movement, but a dynamic data, varying over time, as if the system was operating in manual mode. In fact, the driving method according to the invention is a method of automatically assisting the manual steering of a wheelchair. Other features and advantages of the present invention will become apparent in the description of a detailed embodiment given by way of non-limiting example 2.5 and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic view of a wheelchair viewed from above, in a barrier-free environment, the chair being shown at the beginning of a driving phase according to the method according to the present invention; FIG. 2 is a view similar to FIG. at the end of the driving phase, FIG. 3 is a view similar to FIG. 1, the chair represented at the beginning of a driving phase, being close to an obstacle, and FIG. 4 is a view similar to FIG. Figure 3, the chair being shown during the driving phase. A mobility aid vehicle 1 (in this case a wheelchair 1) comprises two drive wheels spaced from each other by a fixed distance Odg. These two drive wheels are differential, which means that each of them is driven by a motor of its own, allowing the vehicle 1 can rotate on itself. In addition, each drive wheel is also associated with an incremental encoder for accurately determining its speed.
Le véhicule 1 comprend également un dispositif de commande manuelle adapté permettant à un utilisateur de piloter le fauteuil en donnant une première consigne Jy pour la vitesse linéaire du véhicule v et une seconde consigne JX pour sa vitesse angulaire En d(l) dt l'occurrence, ce dispositif est un joystick dont la position par rapport à un premier axe y génère la consigne de la vitesse linéaire J},, et dont la position par rapport au second axe x, perpendiculaire au premier axe y, génère la consigne de la vitesse angulaire Jx. 2.5 De plus, le véhicule 1 comprend également des capteurs 2 qui sont disposés à sa périphérie (de préférence régulièrement répartis) et qui sont adaptés à déterminer la présence d'obstacles 3 dans l'environnement proche 4 du véhicule 1. 30 Le procédé de pilotage du véhicule conforme à la présente invention est un procédé d'assistance automatique au pilotage manuel, ce qui signifie qu'il y a constamment un couplage entre l'influence du dispositif de commande manuelle et celui des capteurs, et non pas deux modes de pilotage, l'un manuel, l'autre automatique. De façon plus précise, en l'absence d'obstacle 3 détecté (cf. figures 1 et 2), le déplacement du véhicule 1 est déterminé par le système dynamique de commande uniquement à partir des consignes du dispositif de commande manuelle Jx(t), JY(t). Et lorsqu'au moins un obstacle 3 est détecté (cf. figures 3 et 4), le déplacement du véhicule 1 est déterminé en fonction de l'emplacement de l'obstacle 3 et de ces mêmes consignes Jx(t), JY(t), la direction selon laquelle est vu l'obstacle 3 étant prise par le système dynamique de commande comme un repousseur et les consignes comme définissant deux attracteurs (un pour la vitesse angulaire, l'autre pour la vitesse angulaire). En l'absence d'obstacle 3, les vitesses linéaire v et angulaire d(l) du véhicule 1 sont données directement par dt les consignes correspondantes J,,, Jx. En l'occurrence, les formules reliant les vitesses aux consignes sont les suivantes : Jy(t) = v(t) et Jx(t) = Ainsi, en absence d'obstacle 3, le procédé d'assistance à la commande manuelle agit comme un procédé de pilotage classique fonctionnant en mode manuel. The vehicle 1 also comprises a manual control device adapted to allow a user to drive the wheelchair by giving a first set point Jy for the linear speed of the vehicle v and a second setpoint JX for its angular speed In d (l) dt the occurrence , this device is a joystick whose position relative to a first axis y generates the setpoint of the linear speed J} ,, and whose position relative to the second axis x, perpendicular to the first axis y, generates the speed reference angular Jx. 2.5 In addition, the vehicle 1 also comprises sensors 2 which are arranged at its periphery (preferably regularly distributed) and which are adapted to determine the presence of obstacles 3 in the near environment 4 of the vehicle 1. The steering of the vehicle according to the present invention is a method of automatic assistance to manual control, which means that there is constantly a coupling between the influence of the manual control device and that of the sensors, and not two modes of operation. piloting, one manual, the other automatic. More precisely, in the absence of obstacle 3 detected (see FIGS. 1 and 2), the displacement of the vehicle 1 is determined by the dynamic control system only from the instructions of the manual control device Jx (t). , JY (t). And when at least one obstacle 3 is detected (see FIGS. 3 and 4), the displacement of the vehicle 1 is determined as a function of the location of the obstacle 3 and of these same instructions Jx (t), JY (t ), the direction in which the obstacle 3 is seen being taken by the dynamic control system as a repeller and the setpoints as defining two attractors (one for the angular velocity, the other for the angular velocity). In the absence of obstacle 3, the linear velocity v and angular velocity d (l) of the vehicle 1 are given directly by dt the corresponding instructions J ,,, Jx. In this case, the formulas connecting the speeds to the setpoints are as follows: Jy (t) = v (t) and Jx (t) = Thus, in the absence of obstacle 3, the manual control assistance method acts as a conventional driving method operating in manual mode.
Comme on peut le voir aux figures 1 et 2, en absence d'obstacle 3, un véhicule 1 ayant initialement un cap 5 (figure 1) est déplacé naturellement de sorte que son cap 5 s'aligne avec la direction 6 souhaitée par l'utilisateur et exprimée au moyen du dispositif de commande manuelle (figure 2). d- d t: Dès qu'un obstacle 3 est détecté par un capteur (2), le déplacement du véhicule va en être influé. En l'occurrence, As can be seen in FIGS. 1 and 2, in the absence of obstacle 3, a vehicle 1 initially having a heading 5 (FIG. 1) is moved naturally so that its heading 5 aligns with the direction 6 desired by the user and expressed by means of the manual control device (Figure 2). d- d t: As soon as an obstacle 3 is detected by a sensor (2), the movement of the vehicle will be affected. As it happens,
les vitesses linéaire v et angulaire dcro du véhicule 1 dt the linear velocity v and angular dcro of the vehicle 1 dt
sont alors déterminées en fonction de deux équations différentielles résolvables indépendamment l'une de l'autre. Ces deux équations sont résolues par une formule d' Euler du ter ordre. Dans le présent mode de réalisation, l'équation différentielle relative à la vitesse linéaire est fonction 10 de la distance de l'obstacle 3 le plus proche dobs,min(t) Cette fonction est la suivante dV ù 1 (V(t) ù Oobsdobs,min(t))' lobs dt robs \ paramètres prédéterminés. are then determined according to two differential equations resolvable independently of one another. These two equations are solved by an Euler formula of the order. In the present embodiment, the differential equation relating to the linear velocity is a function of the distance of the nearest obstacle 3 dobs, min (t). This function is the following one dV ù 1 (V (t) where Oobsdobs, min (t)) 'lobs dt robs \ predetermined parameters.
L'équation différentielle relative à la vitesse 15 angulaire, quant à elle, est fonction de la distance dobs,i et de la position angulaire `1'obs,i de l'obstacle 3, et ceci pour chaque capteur 2. Cette équation est la suivante et Oobs étant deux de _ fobs,i(t) + f ible (t) dt i=làNTobs, i (t) étant la contribution répulsive générée par l'obstacle 3 détecté par le capteur 2 20 référencé i, et fcible(t) étant la contribution attractive générée par la consigne JX de la vitesse angulaire. De façon plus précise, la contribution répulsive de l'obstacle 3 par rapport au capteur 2 indicé i est donnée par la formule suivante fobs,i(t) _ /lobs,i(t) X 4(t) ù ~obs,i(t)) exp/ù (1)(t) ù Pobs,i(t)1 \ ( 25 261 t) lobs, i (t) étant l'intensité de la répulsion générée par l'obstacle 3 et 6i(t) étant la largeur angulaire de l'influence de cet obstacle 3. L'une et l'autre de ces deux fonctions dépendant de la distance dobs,i séparant le véhicule 1 à l'obstacle 3. Par exemple, l'intensité de répulsion peut être donnée par la formule 2obs,i(t) _ A exp ( dobs,i(t)\ fj2 étant l'intensité maximale de répulsion, et %'2 déterminant la décroissance de l'intensité de répulsion en fonction de la distance dobs,i séparant le véhicule 1 à l'obstacle 3, et la largeur angulaire de l'influence peut être donnée par la formule 6i(t)=arctan tan +ù Rv Ae étant la 2 R, +dobri(t), projection de la sensibilité angulaire des capteurs 2 utilisés dans le plan de déplacement du véhicule 1, et R, étant le rayon du véhicule 1, celui-ci étant assimilé à un disque (cf. figures 1 à 4). The differential equation relating to the angular velocity, for its part, is a function of the distance d obs, i and of the angular position at the obs, i of the obstacle 3, and this for each sensor 2. This equation is the following and Oobs being two of _ fobs, i (t) + f ible (t) dt i = thereNTobs, i (t) being the repulsive contribution generated by the obstacle 3 detected by the sensor 2 referenced i, and fcible (t) being the attractive contribution generated by the setpoint JX of the angular velocity. More precisely, the repulsive contribution of the obstacle 3 with respect to the sensor 2 indexed i is given by the following formula fobs, i (t) _ / lobs, i (t) X 4 (t) ù ~ obs, i (t)) exp / ù (1) (t) ù Pobs, i (t) 1 \ (25 261 t) lobs, i (t) being the intensity of the repulsion generated by the obstacle 3 and 6i (t) ) being the angular width of the influence of this obstacle 3. Either of these two functions depending on the distance dobs, i separating the vehicle 1 to the obstacle 3. For example, the repulsion intensity can be given by the formula 2obs, i (t) _A exp (dobs, i (t) \ fj2 being the maximum repulsion intensity, and% '2 determining the decay of repulsion intensity as a function of distance dobs, i separating the vehicle 1 to the obstacle 3, and the angular width of the influence can be given by the formula 6i (t) = arctan tan + where Rv Ae being the 2 R, + dobri (t), projection the angular sensitivity of the sensors 2 used in the displacement plane nt of the vehicle 1, and R, being the radius of the vehicle 1, the latter being likened to a disk (cf. Figures 1 to 4).
La contribution attractive générée par la consigne de la vitesse angulaire Jx est donnée par la formule suivante : fcible (t) -cible sin(JX(t)Ot), ~cib1e étant un paramètre prédéterminé donnant l'intensité de l'attraction et At étant la durée du cycle du code informatique. La direction souhaitée 6 par l'utilisateur a une valeur angulaire cible définie par rapport à la position angulaire C du véhicule selon la formule `lic,ble(t)= +Jx(t)At dont dépend la contribution attractive fcible selon la formule /cible (t) = -cible Sln( 1 ù cible (t)) The attractive contribution generated by the setpoint of the angular velocity Jx is given by the following formula: fcible (t) -cible sin (JX (t) Ot), ~ cib1e being a predetermined parameter giving the intensity of the attraction and At being the cycle time of the computer code. The desired direction 6 by the user has a target angular value defined with respect to the angular position C of the vehicle according to the formula `lic, ble (t) = + Jx (t) At which depends the attractive attractive contribution according to the formula / target (t) = - target Sln (1 to target (t))
Ainsi, en présence d'un obstacle 3, le procédé d'assistance à la commande manuelle agit comme un procédé de pilotage fonctionnant en mode automatique, la différence résidant dans la nature de l'attracteur qui n'est plus un couple de coordonnées physiques entré préalablement, mais la consigne provenant du dispositif de commande manuelle. Thus, in the presence of an obstacle 3, the manual control assistance method acts as a control method operating in automatic mode, the difference residing in the nature of the attractor which is no longer a pair of physical coordinates entered previously, but the setpoint from the manual control device.
Les ordres de grandeur des différents paramètres utilisés dans les différentes équations différentielles respectent les mêmes règles que celles employés dans les systèmes de commande automatique, notamment en ce qui concerne les rapports relatifs d'intensité entre les repousseurs et l'attracteur. Comme on peut le voir aux figures 3 et 4, en présence d'un obstacle 3, un véhicule 1 ayant initialement un cap 5 (figure 3) est déplacé du fait des consignes J,, JX du dispositif de commande manuelle définissant une direction souhaitée 6, dans le sens d'un alignement de ce cap 5 avec la direction souhaitée 6. Toutefois, la présence de l'obstacle 3 dans cette direction souhaitée 6 modifie le déplacement du véhicule qui évite l'obstacle 3 tout en répondant aux consignes J,,, JX . Ainsi, le procédé permet d'aider l'utilisateur dans sa tâche de navigation, au lieu de le remplacer. Les avantages d'un tel procédé sont que le dispositif de commande manuel demeure actif pendant un évitement d'obstacle, et, en particulier, il est possible d'effectuer une marche arrière bien que le procédé soit en train d'opérer l'évitement d'un obstacle 3 vers l'avant. D'une façon générale, l'utilisateur a toujours une possibilité de manoeuvre plus ou moins importante, variant dans le temps, suivant l'environnement 4 perçu et les commandes appliquées au dispositif de commande manuelle (les commandes appliquées par l'utilisateur s'expriment plus intensément si elles permettent de s'éloigner des obstacles 3 détectés). En outre, l'évitement est opérationnel aussi bien en marche avant qu'en marche arrière, à la condition que des capteurs 2 soient uniformément répartis à la périphérie du véhicule 1. d~ Connaissant les vitesses linéaire v et angulaire dt The orders of magnitude of the different parameters used in the different differential equations follow the same rules as those used in automatic control systems, particularly with regard to the relative intensity ratios between the repulsors and the attractor. As can be seen in FIGS. 3 and 4, in the presence of an obstacle 3, a vehicle 1 initially having a heading 5 (FIG. 3) is displaced because of the instructions J ,, JX of the manual control device defining a desired direction 6, in the direction of an alignment of this course 5 with the desired direction 6. However, the presence of the obstacle 3 in this desired direction 6 modifies the displacement of the vehicle which avoids the obstacle 3 while responding to the instructions J ,,, JX. Thus, the method makes it possible to assist the user in his navigation task, instead of replacing it. The advantages of such a method are that the manual control device remains active during obstacle avoidance, and in particular, it is possible to perform a reverse although the method is operating avoidance an obstacle 3 forward. In general, the user always has a possibility of more or less important maneuver, varying in time, according to the perceived environment 4 and the commands applied to the manual control device (the commands applied by the user s' express more intensely if they allow to move away from the obstacles 3 detected). In addition, the avoidance is operational both forward and reverse, provided that the sensors 2 are uniformly distributed to the periphery of the vehicle 1. d ~ Knowing the linear velocity v and angular dt
du véhicule 1, le déplacement de ce dernier est facilement commandé via la mise en rotation des deux roues motrices dont les vitesses respectives vd(t), vg(t) sont déterminées selon les deux formules suivantes : v(t) = (vd(t) + vg(t)) / 2 et dçl) (vd(t) - vg (t)) /(2Adg) . Il serait possible d'utiliser le procédé faisant l'objet de la présente invention à des véhicules autres que des fauteuils roulants, utilisés pour aider les personnes à of the vehicle 1, the displacement of the latter is easily controlled via the rotation of the two drive wheels whose respective speeds vd (t), vg (t) are determined according to the following two formulas: v (t) = (vd ( t) + vg (t)) / 2 and dl) (vd (t) - vg (t)) / (2Adg). It would be possible to use the method of the present invention to vehicles other than wheelchairs, used to assist persons with disabilities.
se déplacer, et, en général ne pouvant atteindre que des vitesses relativement faibles. dt moving, and usually only reaching relatively low speeds. dt
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2007
- 2007-03-09 FR FR0701751A patent/FR2913507A1/en active Pending
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