JP5240778B2 - パーソナルビークル制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電動式の車いす等のパーソナルビークルの走行を制御するためのパーソナルビークル制御装置に関する。

車いす等のパーソナルビークルは、使用者が着座する着座部を有する車体と、車体に設けられ着座部に着座する使用者の右側の右車輪と、車体に設けられ着座部に着座する使用者の左側の左車輪とを有する（特許文献１〜５）。パーソナルビークルの車体には、車体の走行および／または旋回に関する指令値および車体の旋回に関する指令値が入力される操作部が設けられている。

ところで、傾斜している路面を横切る方向にビークルが直進走行（いわゆるカント走行）するように、使用者により操作部が操作されているときであっても、路面が傾斜しておりビークルのロール軸に対するロール角が大きいときには、ビークルが路面を直進走行するように操作部が操作されているにもかかわらず、路面において車体のずり落ちが発生し、ビークルの直進走行性が損なわれるおそれがある。

実用新案登録第3077814号 特開2001-212181号公報 特開2006-280616号公報 特開2001-314450号公報 特開2004-202264号公報

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、傾斜している路面を横切る方向にビークルがカント走行するにあたり、ビークルのロール角が大きい場合であっても、操作部が直進するように操作されている限り、傾斜している路面における車体のずり落ちが抑制され、ビークルの直進走行性が確保されるパーソナルビークル制御装置を提供することを課題とする。

様相１の発明に係るパーソナルビークル制御装置は、（ｉ）使用者が着座する着座部を有する車体と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の右側の右車輪と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の左側の左車輪とを有するパーソナルビークル（単にビークルともいう）を制御するパーソナルビークル制御装置であって、（ｉｉ）パーソナルビークルの車体に装備され、車体の走行および／または旋回に関する指令値および車体の旋回に関する指令値が入力され、入力された指令値の信号を制御部に出力する操作部と、（ｉｉｉ）車体のロール軸に対するロール角に関する物理量および車体のヨー軸に対するヨー角に関する物理量を検知するためのセンサと、（ｉｖ）車体の右車輪の回転速度に関する物理量を検知するための右車輪センサと、（ｖ）車体の左車輪の回転速度に関する物理量を検知するための左車輪センサと、（ｖｉ）センサで検知された車体のロール角が所定値以上であるとき、操作部に基づいて入力された車体の旋回角度に関する指令値と、センサで検知されたヨー軸に対する車体の旋回角度に関する物理量とを求め、両者の物理量の差に基づいてカント走行時における車体のずり落ちの有無を推定し、差を小さくさせるように、右車輪の走行および／または旋回に関する指令値、左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第１補正処理を実施する制御部とを具備することを特徴とする。

右車輪センサは、車体の右車輪の回転速度に関する物理量（例えば回転速度、回転角度など）を検知する。左車輪センサは、車体の左車輪の回転速度に関する物理量（例えば回転速度、回転角度など）を検知する。

傾斜している路面をビークルが横切る方向に直進走行（カント走行）するように操作部が操作されているとき、右車輪の走行および／または旋回に関する指令値と、左車輪の走行および／または旋回に関する指令値とが車体のカント走行を確保するように、使用者等により操作部から出力されている。ここで、車体のロール角が所定値以上であるとき、路面が傾斜していることになる。車体のロール角が所定値以上であるときには、車体が路面を直進走行（カント走行）するように操作部が操作されているときであっても、路面において車体のずり落ちが重力により発生するおそれがある。この場合、ビークルの直進走行性は損なわれる。

そこで様相１によれば、制御部は、操作部に基づいて入力された車体の旋回に関する指令値（例えば旋回角速度または駆動トルク）と、センサで検知されたヨーク軸に対する車体の旋回角度に関する物理量（例えば旋回角速度または駆動トルク）とを求める。そして、制御部は、両者の物理量（例えば旋回角速度または駆動トルク）の差に基づいて、カント走行時における車体のずり落ちの有無を推定する。差が相対的に大きい場合には、ビークルのずり落ちが発生し易い。そして、差を小さくさせるように、制御部は、右車輪の走行および／または旋回に関する指令値（例えば右車輪の角速度指令値または駆動トルク指令値）と、左車輪の走行および／または旋回に関する指令値（例えば左車輪の角速度指令値または駆動トルク指令値）とを補正する第１補正処理を実施する。このように右車輪および左車輪について使用者が指令している指令値が制御部により補正される。

このため、傾いている路面をビークルが直進走行（カント走行）するとき、路面上の車体のロール角が所定値以上であっても、路面における車体のずり落ちが抑制されたまま、車体は路面をカント走行することができる。
様相２の本発明に係るパーソナルビーグル制御装置によれば、センサは、レートジャイロおよび加速度センサであり、制御部はレートジャイロおよび加速度センサの信号をフィルタリングした値に基づき、車体のロール角とヨー角とピッチ角の少なくとも一つを求めることを特徴とする。

様相３の本発明に係るパーソナルビークル制御装置によれば、センサは、レートジャイロであり、右車輪センサおよび左車輪センサは右車輪および左車輪の回転角度センサ（例えばエンコーダ）であることを特徴とする。レートジャイロによれば、ピッチ軸に対する車体のピッチ方向の角速度、ロール方向の角速度、ヨー方向に角速度がそれぞれ検知される。エンコーダ等の回転角度センサにより求められた右車輪および左車輪の回転角度と回転半径との乗算に基づいて、ビークルの走行速度が求められる。

右車輪および左車輪にアンバランスが発生していたり、車体のフレームに歪みが発生していたりすることがある。右車輪および左車輪を構成するタイヤの空気圧による右車輪および／または左車輪の径の変動、タイヤの摩耗による径の変動等が挙げられる。上記した場合、車体が平地直進しているときであっても、車体の平地直進性は損なわれるおそれがある。

そこで様相４の本発明に係るパーソナルビークル制御装置によれば、制御部は、車体が平地直進していると判定されるとき、センサで検知されたヨー軸に対する車体の旋回に関する物理量と、右車輪センサおよび左車輪センサに基づいて求められた車体の旋回に関する物理量とを求め、両者の差または比率が所定値以上で且つ所定時間以上継続するとき、右車輪の径および左車輪の径のアンバランスまたは車体のフレームのアンバランスが発生していると推定し、右車輪および左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第２補正処理を実施することを特徴とする。

このように様相４によれば、車体が平地を直進しているとき、制御部は、センサ（例えばレートジャイロ）で検知されたヨー軸に対する車体の走行および／または旋回に関する物理量（例えば旋回角速度）と、右車輪センサおよび左車輪センサに基づいて求められた車体の走行および／または旋回に関する物理量（例えば旋回角速度）とを求める。そして制御部は、両者の差または両者の比率が所定値以上で且つ所定時間以上継続するとき、右車輪の径および左車輪の径のアンバランスまたは車体のフレームのアンバランスが発生していると推定し、右車輪および左車輪の走行および／または旋回に関する指令値（例えば角速度指令値または駆動トルク指令値）を補正する第２補正処理を実施する。これにより車体の平地直進性が確保される。

またパーソナルビークルによれば、走行安全などのため、車体走行速度の最高速度リミット値が規定されていることが多い。ここで、パーソナルビークルに搭載されている右車輪および／または左車輪の車輪径が変化することがある。例えば、車輪が摩耗したり、車輪の空気圧が変化したり、車輪を交換させたりする等の理由による。このような場合には、車輪径が変化するため、車輪の角速度が同一であっても車体走行速度が変化するおそれがある。結果として、ビークルの車体走行速度の最高速度リミット値が変化してしまうおそれがある。

そこで様相５の本発明に係るパーソナルビークル制御装置によれば、車体の走行の加速度を検知する加速度計が設けられており、制御部は、加速度計の計測値を積分した積分値に基づく車体走行速度と、右車輪センサおよび左車輪センサに基づいて求めた車体走行速度とを求め、両者の差が存在し、差が一定時間以上継続するとき、右車輪および／または左車輪の車輪径が変化したと推定し、車輪径の変化に応じて車体走行速度の最高速度リミット値を補正することを特徴とする。

加速度計は、車体が傾斜しているときにおける重力加速度を検知できる路面の傾斜角度を検知する傾斜計として利用できるが、車体が傾斜しているときに変化する重力加速度の影響を受けるため、それが誤差の要因となり易い。そこで、加速度計の計測値を積分した積分値に基づく車体走行速度Ｖａｃｃと、右車輪センサおよび左車輪センサに基づいて求めた車体走行速度Ｖｅｎとを併用している。そして、車体走行速度Ｖａｃｃと車体走行速度Ｖｅｎとの差、または、比率に基づいて、車輪径が変化したと推定する。そして、車輪径の変化に応じて車体走行速度の最高速度リミット値を補正する。

本発明によれば、路面が傾斜しておりビークルのロール角が大きい場合であっても、ビークルが路面を直進走行（カント走行）するように操作部が操作されていれば、右車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正し、且つ、左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第１補正処理が実施される。従って、路面において車体のずり落ちが抑制される。故に、カント走行におけるビークルの直進走行性が良好に確保される。

パーソナルビークルの側面を模式的に示す図である。 パーソナルビークルの側面を模式的に示す図である。 制御系を示すブロック図である。 加速度信号およびレートジャイロ信号に基づいた物理量をフィルタ処理する形態を示す図である。 パーソナルビークルがカント走行している状態を示す図である。 制御部が実行する制御則１を示すフローチャートである。 制御部が実行する制御則２を示すフローチャートである。 制御部が実行する制御則３を示すフローチャートである。

（実施形態１）
本実施形態のパーソナルビークル１は電動式の車いすに相当する。前方（矢印Ｆｘ方向）は、ビークル１に正規に着座している使用者の顔面が向いている方向を示し、ビークル１が進行する方向を示す。後方（矢印Ｒｘ方向）は、ビークル１に正規に着座している使用者の顔面が背向している方向を示し、ビークル１が後退する方向を示す。

側面視である図１に示すように、ビークル１は、使用者が着座する着座部１０をもつ車体１１と、車体１１に左右に取り付けられた回転可能な駆動輪である左右の車輪１２（１２Ｒ，１２Ｌ）と、車輪１２を回転駆動させる駆動源としての車輪モータ１３（１３Ｒ，１３Ｌ）と、車輪モータ１３（１３Ｒ，１３Ｌ）の駆動を制御する操作部１４と、車輪１２の前方に位置して車体１１に取り付けられた回転可能な左右の前輪１５と、車輪１２の後方に向けて延びるように車体１１に取り付けられたサポート部材１６と、サポート部材１６の先端部１６ｅに取り付けられた回転可能な後輪１７とを備えている。着座部１０は、使用者の腰部を支える座部１０ａと、使用者の背中を支える背もたれ部１０ｃとを備える。

車輪１２は、右の車輪１２Ｒと左の車輪１２Ｌとで形成されている。車輪モータ１３は、右の車輪１２Ｒを回転駆動させる右の車輪モータ１３Ｒと，左の車輪１２Ｌを回転駆動させる左の車輪モータ１３Ｌとで形成されている。 ここで、右の車輪１２Ｒ，左の車輪１２Ｌを区別する必要があるときには、車輪１２Ｒ，車輪１２Ｌと称する。右の車輪１２Ｒ，左の車輪１２Ｌをまとめるときには、車輪１２と称することがある。

操作部１４は、着座部１０に着座している使用者が操作できるように、着座部１０付近に設けられている。車輪１２の回転中心１２ｅ（図２参照）は、ビークル１の前後方向において重心位置Ｇの直下またはその付近に配置されている。前輪１５は車輪１２Ｒ，１２Ｌの径よりも小さい径をもち、キャスターである。前輪１５は左右に設けられているが、場合によっては車幅方向の中央に設けた単数でも良い。後輪１７は車体１１の左右方向にも移動可能なオムニホィールが例示されるが、これに限定されない。なお、後輪１７は車幅方向の中央に配置されているが、車幅方向の左右に設けても良く、後輪１７の数は特に限定されない。

図３に示すように、制御部２は、インターフェース機能をもつＡＤ変換器２１と、カウンタ２２と、単数または複数のＣＰＵ２３と、インターフェース機能をもつＤＡ変換器２５とを備える。ＡＤ変換器２１には、操作部１４およびセンサ系からの信号が入力される。カウンタ２２は、左の車輪エンコーダ５５Ｌおよび右の車輪エンコーダ５５Ｒからの信号が入力される。左の車輪エンコーダ５５Ｌは、左の車輪１２Ｌに対する角速度を検知する左車輪センサ、回転数センサ、ビークル１の速度センサとして機能することができる。右の車輪エンコーダ５５Ｒは、右の車輪１２Ｒに対する角速度を検知する右車輪センサ、回転数センサ、ビークル１の速度センサとして機能することができる。

車輪駆動系は、右の車輪モータ１３Ｒ（第１駆動源）と、ＣＰＵ２３からの指令に基づき右の車輪モータ１３Ｒを駆動するための右の車輪モータドライバ１３１と、左の車輪モータ１３Ｌ（第２駆動源）と、ＣＰＵ２３からの指令に基づき左の車輪モータ１３Ｌを駆動するための左の車輪モータドライバ１３２とを備えている。右の車輪モータドライバ１３１により右の車輪モータ１３Ｒが制御され、右の車輪１２Ｒの回転駆動が制御される。左の車輪モータドライバ１３２により左の車輪モータ１３Ｌが制御され、左の車輪１２Ｌの回転駆動が制御される。

操作部１４は、着座部１０に着座している着座者が操作し易いように、車体１１のうち着座部１０付近に保持されていることが好ましいが、車体１１から分離するリモコン方式でも良い。操作部１４は例えばジョイスティックで形成されており、ビークル１の速度を使用者が指令する速度指令部１４２と、ビークル１の旋回角速度を使用者が指令する旋回角度指令部１４３とを備えている。なお、操作部１４を前方に傾けると、前進指令が出力され、後方に傾けると、後退指令が出力され、そして、傾き角度に応じて速度目標が増加する方式が採用されている。操作部１４を左方に傾けると、車体１１を左旋回させる指令が出力され、右方に傾けると車体１１を右旋回させる指令が出力され、そして、傾き角度に応じてビークル１の旋回角度の目標値が増加する方式が採用されている。但し、操作部１４はこの方式に限定されるものではない。

着座部１０に着座している使用者が操作部１４（例えばジョイスティック）を操作すると、操作部１４の操作に応じて、ビークル１の直進速度指令値Ｖｒｅｆと旋回角速度指令値ωｒｅｆが制御部２により検知される。ここで、右車輪１２Ｒの回転角度をθRとし、左車輪１２Ｌの回転角度をθLとする。回転角度θR，θLを時間で微分すると、回転角速度が得られる。このため、右車輪１２Ｒの回転角度θR、左車輪１２Ｌの回転角度θLを時間でそれぞれ微分すると、右車輪１２Ｒの角速度θドットR、左車輪１２Ｌの角速度θドットLが得られる。ドットは微分値を意味する。

上記した使用者等により指令されたビークル１の直進速度指令値Ｖｒｅｆおよび旋回角速度指令値ωｒｅｆは、次の式（１）に基づいて右車輪１２Ｒの角速度指令値（θドットR_ref）に変換され、且つ、式（２）に基づいて左車輪１２Ｌの角速度指令値（θドットL_ref）に変換される。ここで、式（１）（２）において、Ｔは右車輪１２Ｒと左車輪１２Ｌとの間の距離（トレッド）を示す。Ｒ_ｒは右車輪１２Ｒの半径を示す。Ｒ_ｌは左車輪１２Ｌの半径を示す。

上記した式（１）（２）によれば、使用者等により操作部１４から指令された直進速度指令値Ｖｒｅｆが大きいほど、且つ、右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒおよび左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌが小さいほど、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refおよび左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refは増加する。

図３に示すように、センサ系は、車体１１に設けられたレートジャイロ５２と、車体１１に設けられた加速度計５３と、右の車輪１２Ｒの回転速度および／または回転角度を検知するために車体１１に設けられた右の車輪エンコーダ５５Ｒと、左の車輪１２Ｌの回転速度および／または回転角度を検知するために車体１１に設けられた左の車輪エンコーダ５５Ｌとを備えている。各センサ、各車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌの信号は、それぞれカウンタ２２を介して制御部２のＣＰＵ２３に入力される。レートジャイロ５２によれば、ピッチ方向の車体１１の重心位置Ｇの角速度、ロール方向の車体１１の重心位置Ｇの角速度、ヨー方向の車体１１の重心位置Ｇの角速度がそれぞれ検知される。

加速度計５３は、ビークル１の車体１１の前進後退方向（ｘ方向）における加速度、車体１１の左右移動方向（ｙ方向）における加速度、車体１１の上下方向（ｚ方向）における加速度をそれぞれ検知することができる。加速度計５３の出力値は、ビークル１がピッチ方向に傾斜しているとき、重力加速度ｇの影響で、ビークル１の重心位置Ｇのピッチ方向のピッチ角度θ１（図２参照）に応じた加速度を検知することができる。

このような加速度計５３およびレートジャイロ５２は、図２において、水平線に対する路面９０の路面傾斜角度α、および／または、車体１１のピッチ方向の傾斜角度θ１を求めるセンサとして機能することができる。ピッチ方向とは、ビークル１の前進方向（矢印Ｆｘ，Ｒｘ方向）において、車輪１２の径方向の中心１２ｅに対する傾斜角度を意味する。なお、車輪１２の径方向の中心１２ｅは、ピッチ方向の運動の中心であるピッチ軸に相当する。

路面傾斜角度αの検知形態について説明を加える。図４に示すように、制御部２は、一方のセンサとしての加速度計５３から求めたビークル１の加速度の出力ａｃｃに基づいて、重力加速度ｇを考慮し、ｓｉｎ^−１（ａｃｃ／ｇ）の値を求める。更にその値をローパスフィルタ（カットオフ周波数ｆｃ）によるフィルタリングにより高周波域のノイズを除去した値θHL1を求める。また、制御部２は、他方のセンサとしてのレートジャイロ５２の出力値である角速度θｇドットを時間積分した積分値を求め、その積分値をハイパスフィルタ（カットオフ周波数ｆｃ）によるフィルタリングにより低周波域のノイズを除去した値θHL2を求める。

制御部２はθHL1およびθHL2を加算してαを求める。上記したように加速度計５３の出力値に基づくθHL1については、ローパスフィルタによりフィルタリングしている。これに対して、レートジャイロ５２の出力値に基づくθHL2については、ハイパスフィルタによりフィルタリングしている。これは、高周波域で精度が充分ではない加速度計５３と、低周波域で精度が充分ではないレートジャイロ５２の時間に関する積分値とのそれぞれのセンサ特性を考慮しているためである。これにより低い周波数域〜高い周波数域において路面傾斜角度αの検知精度を高めることができる。なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃはハイパスフィルタのカットオフ周波数と同値である。

さて、上記した右車輪１２Ｒの回転の角速度指令値θドットR_ref、左車輪１２Ｌの回転の角速度指令値θドットL_refが式（１）（２）に基づいて、制御部２により求められる。更に、下記の式(３)に基づいて右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRが制御部２により求められる。下記の式(４)に基づいて左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが制御部２により求められる。

ここで、式(３)(４)において、ＫVRは右車輪１２Ｒの角速度フィードバックゲインを示し、ＫVLは左車輪１２Ｌの角速度フィードバックゲインを示す。ＫPRは右車輪１２Ｒの角度フィードバックゲインを示し、ＫPLは左車輪１２Ｌの角度フィードバックゲインを示す。θRは右車輪１２Ｒの回転角度を示し、θLは左車輪１２Ｌの回転角度を示す。θドットRは右車輪１２Ｒの回転角度を時間で微分した回転角速度を示す。θドットLは左車輪１２Ｌの回転角度を時間で微分した回転角速度を示す。

式（３）によれば、検知された右車輪１２Ｒの回転角速度θドットRと、使用者が指令する右車輪１２Ｒの回転角速度指令値θドットR_refとの差が大きいほど、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRが大きい。また式（４）によれば、検知された左車輪１２Ｌの回転角速度θドットLと、使用者が指令する右車輪１２Ｌの回転角速度指令値θドットL_refとの差が大きいほど、左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが大きい。

このように求められた右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLに基づいて、ビークル１の前進後進の制御および旋回の制御が制御部２により実現される。すなわち、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが基本的に同一であれば、ビークル１は直進する。右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRが左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLよりも大きければ、ビークル１は左方に旋回する。左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRがよりも大きければ、ビークル１は右方に旋回する。

なお、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌの車輪径は、基本的には通常ほぼ同じ長さであると考えられるため、次の式（５）が成立する。従って式（１）（２）において式（５）を代入して使用しても良い。

ところで、通常、電動車いす等のパーソナルビークル１の走行速度は、次のように制御部２により求められる。すなわち、右車輪１２Ｒの回転角速度および左車輪１２Ｌの回転角速度は、何らかのセンサ（本実施形態では車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌ）にて検知されており、回転角速度と車輪半径とを乗じることで、ビークル１の走行速度Ｖｅｎは車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌの検知信号に基づいて制御部２により算出される。しかし、タイヤ空気圧変化、タイヤ磨耗、タイヤ交換等によってタイヤ径の変化が発生しているおそれがある。この場合、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌに基づいて算出されたビークル１の走行速度Ｖｅｎに誤差が生じるおそれがある。この場合、ビークル１の実際の走行速度が法定の制限速度を超えてしまうおそれがある。例えば、電動車いす等のパーソナルビークルにおいては、法定最高速度が６ｋｍ／ｈ以下となるように規定されているので、法定最高速度を超えて走行することを回避する必要がある。

そこで時間による加速度の積分は速度に対応するため、加速度計５３により得られるビークル１の走行加速度ａｃｃを積分することにより、ビークル１の走行速度Ｖａｃｃを推定することが考えられる。ただし、加速度計５３はビークル１が走行する路面９０の路面傾斜角度α（図２参照）による重力加速度ｇの影響を受けるおそれがあり、重力加速度ｇの影響をキャンセルすることが好ましい。路面９０の路面傾斜角度αが大きい方が、重力加速度ｇの影響を受け易い。そこで、路面９０の路面傾斜角度αを精度よく推定する方法について以下に述べる。

ここで、本電動車いす等のパーソナルビークルにおいては、車体１１のピッチ方向の回転を検知するセンサとして、車体１１の前進後進の加速度を検知する加速度計５３と、ピッチ軸回りの角速度を検知するレートジャイロ５２とが取り付けられている。この加速度計５３は車体１１が傾斜したときに変化する重力加速度ｇを検知できるため、傾斜計としての利用が可能である。しかしながら加速度計５３は、車体１１の前後進の加速度の影響を受けるため、それが加速度計５３における計測誤差の要因となる。これに対して、レートジャイロ５２が求めたレートジャイロ信号を計算機上で積分することによりピッチ角度情報（図２に示す路面傾斜角度α）が得られるが、積分によるドリフトの累積誤差が問題となる。そのため図４に示すようなフィルタ処理を行うことにより、ビークル１が走行する路面の路面斜度αを精度良く求めることができる。

ここで、車体１１の進行方向の加速度計５３が出力した加速度出力ａccは、重力加速度ｇの影響で路面９０の傾斜角度αに応じた加速度を検知する。このため、次の式(６)のように、重力加速度ｇの影響を回避すべく、重力加速度ｇの影響による加速度成分をキャンセルし、１階積分を行うことにより、加速度計５３の加速度出力ａccに基づいて車体１１の走行速度Ｖａｃｃが推定される。

ここで、式（６）においてａｃｃは加速度計５３からの加速度出力を示す。Ｖａｃｃは、加速度計５３からの加速度出力ａｃｃを時間で積分して求めたビークル１の走行速度を示す。この場合、前述したように積分誤差が累積するという問題が避けられないおそれがあるため、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌから検知したビークル１の走行速度Ｖｅｎが０のとき、つまり、ビークル１が停止している停止状態において走行速度Ｖａｃｃを初期化して０とする。そして、ビークル１の加速が認められてから一定時間ａの間のみ、加速度計５３の加速度出力ａｃｃに基づいてビークル１の走行速度Ｖａｃｃを計算し、Ｖａｃｃ／Ｖｅｎを求める。そして閾値βを考慮し、次の式（８）および式（９）の比較を行う。なお、ビークル１の直進走行時には式（７）が成立する。

すなわち、加速度計５３の出力値に基づいた求めたビークル１の走行速度Ｖａｃｃと、車輪回転角度センサである車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌに基づいて求めたビークル１の走行速度Ｖｅｎとの比の値（Ｖａｃｃ／Ｖｅｎ）を求める。走行速度Ｖａｃｃおよび走行速度Ｖｅｎに差があるとき、Ｖａｃｃ／Ｖｅｎは１にならない。その値（Ｖａｃｃ／Ｖｅｎ）と一定の値（１＋β）または（１−β）とを比較する。そして、その値（Ｖａｃｃ／Ｖｅｎ）が一定の値（１＋β）よりも大きいか、その値（Ｖａｃｃ／Ｖｅｎ）が一定の値（１−β）よりも小さいかを判定する。βにより値（Ｖａｃｃ／Ｖｅｎ）の判定感度が調整される。

上記した式（８）（９）を満足させることが所定時間ｂを超えているとき、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌにおける車輪タイヤ径が変化しており、ビークル１の直進速度追従性が低下していると制御部２により判断される。ここで、式（８）（９）において、Ｖａｃｃは加速度計５３から求めたビークル１の走行速度を示す。Ｖｅｎは車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌから求めたビークル１の走行速度を示す。βは車輪１２Ｒ，１２Ｌのタイヤ径の変化検知のための閾値を示し、過剰な判定感度になることを抑える。その際、車輪１２Ｒ，１２Ｌの車輪半径の平均値を更新した車輪半径の更新値Ｒ_newを式(１０)に基づいて求める。式(１０)において、Ｒは更新された車輪半径を意味する。

このように車輪半径の更新値Ｒ_newとして、右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒおよび左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌが補正される。従って、補正された右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒおよび左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌが上記した式（１）（２）に代入される。よって右車輪１２Ｒの角速度指令値（θドットR_ref）および左車輪１２Ｌの角速度指令値（θドットL_ref）が補正される。ひいては、上記の式(３)に基づいて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRが制御部２により補正され、下記の式(４)に基づいて左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが制御部２により補正される。このように補正された右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLに基づいて、ビークル１の前進後進の制御および旋回の制御が実現される。これによりビークル１の走行速度は、法定最高速度のリミット値を超えないように補正される。

（制御則２）
本実施形態が実施する制御則２は次のようである。パーソナルビークルによれば、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌにアンバランスが発生していたり、車体１１のフレームに歪みが発生していたりすることがある。その要因としては、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌを構成するタイヤの空気圧による右車輪１２Ｒおよび／または左車輪１２Ｌの径の変動、タイヤの摩耗による径の変動等が挙げられる。上記した場合には、車体１１が平地直進するように使用者により操作部１４で操作されているときであっても、車体１１の平地直進性は損なわれるおそれがある。

そこで本実施形態に係るパーソナルビークル制御装置は、制御則２を実施する。すなわち、レートジャイロ５２（センサ）の信号によってビークル１が平地直進していると制御部２により判定されるとき、レートジャイロ５２（センサ）で検知されたヨー軸に対する車体１１の旋回に関する物理量（旋回角速度ωｇｙｒｏ）と、車輪エンコーダ５５Ｒ（右車輪センサ）および車輪エンコーダ５５Ｌ（左車輪センサ）に基づいて求められた車体１１の旋回に関する物理量（旋回角速度ωｅｎ）とを求める。そして両者の差または両者の比率が所定値以上で、且つ、所定時間ｄ以上継続するとき、右車輪１２Ｒの径および左車輪１２Ｌの径のアンバランスまたは車体１１のフレームのアンバランスが発生していると制御部２は推定する。これにより右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌの旋回に関する指令値を補正する第２補正処理が制御部２により実施される。これにより車体１１の平地直進性が確保される。

以下、上記した制御則２について説明を更に加える。すなわち、レートジャイロ５２から求めたビークル１の旋回角速度ωｇｙｒｏを求め、且つ、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌから計算で求めたビークル１の旋回角速度ωｅｎと求める。更に両者の差の絶対値｜ωｇｙｒｏ−ωｅｎ｜を求め、その差の絶対値と閾値βωとを（式１１）に基づいて、制御部２は監視する。なお、βωは、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌのタイヤ径のアンバランスを検知するための閾値を示す。

上記した式（１１）が所定時間ｄ以上継続する場合には、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌのタイヤ径のアンバランスが生じていると制御部２により判断される。ここで、旋回角速度の差（ωｇｙｒｏ−ωｅｎ）が大きいほど、右車輪１２Ｒの車輪半径と左車輪１２Ｌの車輪半径との差が大きく、平地におけるビークル１の直進走行性が損なわれていると考えられる。なお、右車輪１２Ｒの車輪半径と左車輪１２Ｌの車輪半径との差Ｒ_diff_newは、式(1２)に基づいて求められる。

なお、式(１０)(１２)において計算された値を用いて、右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒは、下記の式(１３)のように補正されて更新される。

左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌは、下記の式(１４)のように補正されて更新される。そして、右車輪１２Ｒの半径Ｒ-_ｒ、左車輪１２Ｌの半径Ｒ_lが前記した式(１)(２)に代入されることにより、右車輪１２Ｒの回転の角速度指令値θドットR_refが補正され、且つ、左車輪１２Ｌの回転の角速度指令値θドットL_refが補正される。これにより前記した式(３)(４)に基づいて、右車輪１２Ｒの車輪径および左車輪１２Ｌの車輪径に応じて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴＲおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが制御部２により補正され、平地におけるビークル１の直進走行性が補正される。

（制御則３）
制御則３は、カント走行時に行うビークル１のずり落ちを防止する制御である。図５に示すように路面９０のロール角度が大きいとき、ビークル１が図５の紙面の垂直方向に沿って走行（つまりカント走行）する場合には、ビークル１のヨー軸回りのモーメントが発生するおそれがある。この場合、ビークル１に着座している使用者が操作部１４（ジョイスティック）により路面９０を横切る方向（図５の紙面の垂直方向）に直進走行指令を制御部２に出力させているにもかかわらず、路面９０の斜面下方へ向けてビークル１が重力の影響で落ち込むおそれがある。

そこで、レートジャイロ５２により検知されるビークル１の旋回角速度ωが制御部２により求められる。更に、使用者が操作する操作部１４に基づく旋回角速度指令値ωrefが求められる。更に、旋回角速度指令値ωrefと旋回角速度ωとの差（ωref−ω）を求める。差（ωref−ω）が大きいほど、路面９０をカント走行するビークル１は落ち込むおそれがある。

そして、式（１５）は、差（ωref−ω）を考慮しつつ、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refを求める。更に、式（１６）は、差（ωref−ω）を考慮しつつ、左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refを求める。ここで、制御部２は、差（ωref−ω）を減少させるように（好ましくは０にさせるように）、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refを補正し、且つ、左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refを補正する。

これにより前記した式(３)(４)に基づいて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴＲおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが制御部２により補正される。従って、カント走行におけるビークル１の直進走行性が補正され、路面９０をカント走行するビークル１のずり落ちが抑制される。

ここで、式（１５）（１６）に基づけば、差（ωref−ω）が大きいほど、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refと左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットＬ_refとの差が増加する。且つ、差（ωref−ω）が小さいほど、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットＲ_refと左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refとの差が減少する。このためカント走行のときには、差（ωref−ω）を減少させるように、好ましくは０にさせるようにすることが好ましい。

（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。制御部２は次の制御則１（図６参照）、制御則２（図７参照）および制御則３（図８参照）を実施する。

（制御則１）
車輪１２Ｒ，１２Ｌが交換されるときには、車輪径が変化するおそれがある。このため、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌに基づいて算出されるビークル１の走行速度Ｖｅｎは、前述したようにビークル１の真実の速度を示さないおそれがある。そこで、図６に示すように、ビークル１の電源がオンされると（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌに基づいて算出されるビークル１の走行速度Ｖｅｎが０か否か制御部２は判定（ステップＳ１０４）する。車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌに基づいて算出されるビークル１の走行速度Ｖｅｎが０であるとき（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、制御部２は、加速度計５３の出力値の積分により得られるビークル１の走行加速度Ｖａｃｃを初期化させる（ステップＳ１０６）。

更に、レートジャイロ５２により、ビークル１が平地直進の最高速度以内か否かを判定する（ステップＳ１０８）。ビークル１が平地直進の最高速度以内であれば（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、前記した式(６)のように、重力加速度ｇの影響による加速度成分をキャンセルし、１階積分を行うことにより、加速度出力ａｃｃの積分値に基づいてビークル１の走行速度Ｖａｃｃを制御部２は求める（ステップＳ１１０）。次に、初期化からの経過時間が所定時間ａ以内か制御部２は判定する（ステップＳ１１２）。次に、制御部２は、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌの出力値に基づいてビークル１の走行速度Ｖｅｎを求める（ステップＳ１１４）。次に、走行加速度Ｖａｃｃと走行速度Ｖｅｎとの間における差分または比率を求める（ステップＳ１１６）。差分は、Ｖａｃｃ−Ｖｅｎとすることができる。比率は、Ｖａｃｃ／Ｖｅｎとすることができる。

差分または比率が初期値または前回値と差があるか否か、制御部２は判定する（ステップＳ１１８）。差があれば（ステップＳ１１８のＹＥＳ）、所定時間ｂ以上継続するか否かを判定する（ステップＳ１２０）。所定時間ｂ以上継続していれば（ステップＳ１２０のＹＥＳ）、右車輪１２Ｒおよび／または左車輪１２Ｌにおける車輪タイヤ径が変化しており、ビークル１の車体走行速度が変化していると、制御部２は判断する。次に、ビークル１の車体走行速度の最高速度リミット値が制限速度を越えないように、最高速度リミット値を補正する（ステップＳ１２２）。具体的には、前記した式（１０）に基づいて、車輪半径の更新値Ｒ_newとして、右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒおよび左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌが補正される。従って、補正された右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｒおよび左車輪１２Ｌの半径Ｒ_ｌが上記した式（１）（２）に代入される。よって右車輪１２Ｒの角速度指令値（θドットR_ref）および左車輪１２Ｌの角速度指令値（θドットL_ref）が補正される。ひいては、上記の式(３)に基づいて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRが制御部２により補正され、下記の式(４)に基づいて左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLが制御部２により補正される。このように補正された右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRおよび左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLに基づいて、ビークル１の前進後進の制御が実現される。これによりビークル１の走行速度は、法定最高速度のリミット値を超えないように補正される。

（制御則２）
パーソナルビークルによれば、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌにアンバランスが発生していたり、車体１１のフレームに歪みが発生していたりすることがある。その要因としては、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌを構成するタイヤの空気圧による右車輪１２Ｒおよび／または左車輪１２Ｌの径の変動、タイヤの摩耗による径の変動等が挙げられる。上記した場合には、ビークル１が平地直進するように操作されているときであっても、ビークル１の平地直進性は損なわれるおそれがある。

そこで本実施形態に係るパーソナルビークル制御装置は制御則２（図７参照）を実施する。すなわち、制御部２は操作部１４の操作指令信号を読み込む（ステップＳ２０２）。制御部２は、ビークル１が平地直進指令か否かを判定する（ステップＳ２０４）。平地直進指令であれば（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、制御部２は、レートジャイロ５２の出力値から旋回角速度ωｇｙＲｏを求め（ステップＳ２０６）、且つ、車輪エンコーダ５５Ｒ，５５Ｌの出力値から旋回角速度ωｅｎを求める（ステップＳ２０８）。更に、制御部２は、旋回角速度ωｇｙｒｏと旋回角速度ωｅｎとの間における差分または比率を求める（ステップＳ２１０）。その差分または比率が初期値または前回測定値（閾値）と差があるか否か、制御部２は判定する（ステップＳ２１２）。さらに所定時間ｄ以上継続しているか否かを、制御部２は判定する（ステップＳ２１４）。そして、所定時間ｄ以上継続していれば（ステップＳ２１４のＹＥＳ）、右車輪１２Ｒおよび左車輪１２Ｌのタイヤ径のアンバランスが生じていると判断される。このため右の車輪１２Ｒの車輪径と左の車輪１２Ｌの車輪径との差Ｒ_diff_newを、制御部２は求める（ステップＳ２１６）。

右車輪１２Ｒの半径Ｒ_ｌは、前記の式(１３)のように補正されて更新され、且つ、左車輪１２Ｌの半径Ｒ_lは、前記の式(１４)のように補正されて更新される（ステップＳ２１８）。そして、制御部２は、右車輪１２Ｒの補正した半径Ｒ-_ｒ、左車輪１２Ｌの補正した半径Ｒ_lを前記した式(１)(２)に代入することにより、右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refを補正し、且つ、左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refを補正する（ステップＳ２２０）。更に、制御部２は、式（３）（４）に基づいて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRを補正し、且つ、左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLを補正する（ステップＳ２２2）。これによりビークル１が平地を直進走行するときにおいて、ビークル１の走行速度やビークル１の直進走行性を補正することができる。

（制御則３）
カント走行時に行うビークルの１のずり落ちを防止する制御について説明する。前述したように、図５に示すような路面９０のロール角度が大きいカント走行をする場合には、ビークル１のヨー軸回りのモーメントが発生するおそれがある。ビークル１に着座している使用者が操作部１４（例えばジョイスティック）により、ビークル１を直進走行させる指令させているにもかかわらず、路面９０の斜面下方へビークル１がずり落ちることが発生するおそれがある。

そこで、制御部２は図８に示す制御則３を実施し、路面９０のロール角度を読み込む（ステップＳ３０２）。路面９０のロール角度が一定以上であれば（ステップＳ３０４のＹＥＳ）、制御部２は、レートジャイロ５２により検知されるビークル１の旋回角速度ωを求める（ステップＳ３０４）。次に、制御部２は、操作部１４に基づく旋回角速度指令値ωrefを求める（ステップＳ３０６）。更に、制御部２は、操作部１４に基づく旋回角速度指令値ωrefとレートジャイロ５２により検知されるビークル１の旋回角速度ωとの差または比率を求める（ステップＳ３０８）。そして、差または比率が一定値以上あれば（ステップＳ３１０のＹＥＳ）、制御部２は、上記した式(１５)に基づいて、使用者が指令した右車輪１２Ｒの角速度指令値θドットR_refを補正し、且つ、式(１６)に基づいて、使用者が指令した左車輪１２Ｌの角速度指令値θドットL_refを補正する（ステップＳ３１２）。更に、制御部２は、前記した式（３）（４）に基づいて、右車輪１２Ｒの駆動トルクＴRを補正し、且つ、左車輪１２Ｌの駆動トルクＴLを補正する（ステップＳ３１４）。これにより路面９０においてカント走行しているビークル１のずり落ちが抑制される。

（実施形態３）
本実施形態は前記した実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。本実施形態は上記した制御則２および制御則３を実施する。

（実施形態４）
本実施形態は前記した実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。本実施形態は上記した制御則３を実施する。

（実施形態５）
本実施形態は前記した実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。本実施形態は上記した制御則２を実施する。

（その他）本明細書の記載からの次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］使用者が着座する着座部を有する車体と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の右側の右車輪と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の左側の左車輪とを有するパーソナルビークルを制御するパーソナルビークル制御装置であって、パーソナルビークルの前記車体に装備され、前記車体の走行および／または旋回に関する指令値および前記車体の旋回に関する指令値が入力される操作部と、車体のロール軸に対するロール角に関する物理量および車体のヨー軸に対するヨー角に関する物理量を検知するためのセンサと、車体の右車輪の回転速度に関する物理量を検知するための右車輪センサと、車体の左車輪の回転速度に関する物理量を検知するための左車輪センサと、制御部とを具備するパーソナルビークル制御装置。

［付記項２］付記項１において、制御部は、車体が平地直進していると判定されるとき、センサで検知されたヨー軸に対する前記車体の旋回に関する物理量と、右車輪センサおよび左車輪センサに基づいて求められた車体の旋回に関する物理量とを求め、両者の差または比率が所定値以上で且つ所定時間以上継続するとき、右車輪の径および左車輪の径のアンバランスまたは車体のフレームのアンバランスが発生していると推定し、右車輪および左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第２補正処理を実施することを特徴とするパーソナルビークル制御装置。

［付記項３］付記項１または２において、車体の走行の加速度を検知する加速度計が設けられおり、制御部は、加速度計の計測値を積分した積分値に基づく車体走行速度と、右車輪センサおよび左車輪センサに基づく車体走行速度とを求め、両者の差が存在し、差が一定時間以上継続するとき、右車輪および／または左車輪の車輪径が変化したと推定し、車輪径の変化に応じて車体走行速度の最高速度リミット値を補正することを特徴とするパーソナルビークル制御装置。

本発明は、電動式の車いす、個人用乗物等に代表されるパーソナルビークルに利用することができる。

１はビークル１、１０は着座部、１１は車体、１２は車輪、１２Ｒは右の車輪、１２Ｌは左の車輪、１３は車輪モータ（駆動源）、１４は操作部、１５は前輪、２は制御部、２３はＣＰＵ、１３Ｒは右の車輪モータ（第１駆動源）、１３Ｌは左の車輪モータ（第２駆動源）、１４は操作部、１４２は速度指令部、１４３は旋回角度指令部、５２はレートジャイロ（センサ）、５３は加速度計（センサ）、５５Ｒは右の車輪エンコーダ（車輪センサ）、５５Ｌは左の車輪エンコーダ（車輪センサ）を示す。

Claims (5)

1. 使用者が着座する着座部を有する車体と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の右側の右車輪と、前記車体に設けられ前記着座部に着座する使用者の左側の左車輪とを有するパーソナルビークルを制御するパーソナルビークル制御装置であって、
   前記パーソナルビークルの前記車体に装備され、前記車体の走行および／または旋回に関する指令値および前記車体の旋回に関する指令値が入力され、入力された指令値の信号を制御部に出力する操作部と、
   前記車体のロール軸に対するロール角に関する物理量および前記車体のヨー軸に対するヨー角に関する物理量を検知するためのセンサと、
   前記車体の前記右車輪の回転速度に関する物理量を検知するための右車輪センサと、
   前記車体の前記左車輪の回転速度に関する物理量を検知するための左車輪センサと、
   前記センサで検知された前記車体のロール角が所定値以上であるとき、前記操作部に基づいて入力された前記車体の旋回角度に関する指令値と、前記センサで検知されたヨー軸に対する車体の旋回角度に関する物理量とを求め、両者の物理量の差に基づいてカント走行時における前記車体のずり落ちの有無を推定し、前記差を小さくさせるように、前記右車輪の走行および／または旋回に関する指令値、前記左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第１補正処理を実施する制御部とを具備することを特徴とするパーソナルビークル制御装置。
2. 請求項１において、前記センサは、レートジャイロおよび加速度センサであり、
   前記制御部は、前記レートジャイロおよび前記加速度センサの信号をフィルタリングした値に基づき、前記車体のロール角とヨー角とピッチ角の少なくとも一つを求めることを特徴とするパーソナルビークル制御装置。
3. 請求項１において、前記センサは、レートジャイロであり、前記右車輪センサおよび前記左車輪センサは前記右車輪および前記左車輪の回転角度を検知する回転角度センサであることを特徴とするパーソナルビークル制御装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記制御部は、
   前記車体が平地直進していると判定されるとき、前記センサで検知されたヨー軸に対する前記車体の旋回に関する物理量と、前記右車輪センサおよび前記左車輪センサに基づいて求められた前記車体の旋回に関する物理量とを求め、両者の差または比率が所定値以上で且つ所定時間以上継続するとき、前記右車輪の径および前記左車輪の径のアンバランスまたは前記車体のフレームのアンバランスが発生していると推定し、前記右車輪および前記左車輪の走行および／または旋回に関する指令値を補正する第２補正処理を実施することを特徴とするパーソナルビークル制御装置。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記車体の走行の加速度を検知する加速度計が設けられおり、前記制御部は、前記加速度計の計測値を積分した積分値に基づく車体走行速度と、前記右車輪センサおよび前記左車輪センサに基づく車体走行速度とを求め、両者の差が存在し、前記差が一定時間以上継続するとき、前記右車輪および／または前記左車輪の車輪径が変化したと推定し、車輪径の変化に応じて車体走行速度の最高速度リミット値を補正することを特徴とするパーソナルビークル制御装置。

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