JP5570248B2

JP5570248B2 - 電動アシスト制御方法及び電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP5570248B2
Application number: JP2010046785A
Authority: JP
Inventors: 篤間宮; 哲士佐藤; 了太岡村; 浩一高橋
Original assignee: Tokyo R&D Co Ltd
Current assignee: Tokyo R&D Co Ltd
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: JP2011178341A

Description

本発明は、電動アシスト自転車及びそのアシスト制御方法に係り、特に、地形情報、気象情報と運転者の運動能力等を加味して運転者をアシストする電動アシスト自転車及びその制御方法に関する。

従来の電動アシスト自転車は、ペダルの漕ぎ力に対して充電式２次電池の電力を駆動源としたモータにより、補助動力を得て運転者の負担をアシストするものが一般的であった。
この従来の電動アシスト自転車では、駆動源となる２次電池の容量に限りがあるため、使用範囲が限定されてしまうという問題があり、この問題を解決するために、運転者の固有情報を用いて、適切なアシスト力を与えることで２次電池の消費量を最適化し、走行距離を延ばす方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の電動アシスト自転車では、運転者の手元に置く手元コントローラで、運転者の固有情報を搭乗前に入力することにより、運転者に適切なアシスト力を与えるようにしている。例えば、アシスト力が必要な女性、体重の重たい人、老齢者にはきっちりとした補助力（アシスト）を与え、不必要な壮年者にはアシスト力よりも走行距離を大とするようにする。

また、ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いたナビゲーション装置が自動車や携帯電話などに用いられ、現在位置の検出による目的地までの時間や距離を算出し、運転者に視覚情報として伝えることが一般に行われている。そして、このナビゲーション機能を電動アシスト自転車に用いて、現在位置から目的地までの複数のルートを検出し、これらのルートの高低の変化をみながら、２次電池の容量に応じたルート選択を行うものが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００７―１４５２７７号公報特開２００５−１２７８７３号公報

一般的に、電動アシスト自転車は、その２次電池の容量に束縛されるが、運転者別にアシスト比率を設定できるので、人によっては不必要なアシストを減らすことができる。その結果、２次電池の消費量を最適化できるので、アシスト作動距離を拡大することも可能となる。
また、特許文献２に示されるように、ナビゲーション装置と電動アシストを連動させることにより、充電式２次電池の消費量を最小限に抑えられるルートを選定することもでき、走行範囲を拡大することができるという利点もある。

しかしながら、従来の電動アシスト自転車においては、以下に示すような問題も指摘されている。例えば、特許文献１に記載の技術は、運転者の年齢、性別、体重等に基づく固有情報をパラメータとして入力し、この固有情報に依存して適正なアシスト比率のコントロールを行うのであるが、このような固有情報のみに依存するのでは、走行範囲の拡大は可能であっても、その限界が２次電池の残量計の表示だけでは判断できないという問題がある。

また、特許文献２に記載のナビゲーション装置を利用する電動アシスト自転車では、２次電池の容量に応じた適切なルートが選択されるので、自分の通りたいルートの選択がむずかしくなるという問題がある。また、アシスト制御する為の要素が地形の高低情報等の地図情報に限ると、アシストデータとしては精度が悪く、例えば、気象の変化（風の強さなど）による負荷変動のようなデータが必要になる。更に、運転者の情報が不正確であると、人による２次電池消費量の差が大きくなるという問題もある。

本発明の目的は、上記特許文献１、２に記載されるような電動アシスト自転車の問題を解決し、運転者の能力（固有情報）と地形等の組み合わせにより、個々の運転者に対して適切なアシストを可能とした電動アシスト制御装置とその制御方法、及び電動アシスト自転車を提供することである。すなわち、本発明は、運転者の体力等の固有情報を十分に生かした上で、運転者にかかる負荷率の高い場所を地形・気象情報から判断して、その負荷率の高い状況になった際にアシスト制御を行うことにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電動アシスト制御方法は、搭乗する運転者の体力値を搭乗開始前に判定するステップと、運転者の体力値と２次電池の残量とから運転者をアシストする割合であるアシスト比率を決定するステップと、ＧＰＳから得られる位置情報、地図情報からの地形情報と前記運転者の体力値から走行ルートを決定するステップと、ＧＰＳから得られる地形情報と、運転者の体力値、２次電池の残量に基づいて走行ルート上でアシストを行う場所を予測するステップを含む。そして、走行を開始後は、ＧＰＳにより走行位置を更新しつつ、運転者の体力を監視するとともに、走行中に、運転者の漕ぎ力を検出する。更に、走行中に、ＧＰＳから得られる位置情報及び地図情報からの地形情報と、運転者の体力値、２次電池の残量に基づいて走行ルート上でアシストを行う割合とアシストを行う場所を修正することができるようにしている。

また、本発明の電動アシスト自転車は、中央部にナビゲーション表示部が取り付けられ把手部に測定電極が設けられたハンドルと、２次電池、電池容量計及び電池温度センサを含む２次電池ユニットと、アシスト用モータ及び該モータを駆動制御するモータコントローラを含むモータユニットと、ＧＰＳからの位置情報、地図情報からの地形情報、車体の姿勢、気象情報、運転者の体力を記録するデータベースを含むナビゲーション・コントローラと、このナビゲーション・コントローラからの走行ルート情報及びにアシスト情報に基づいて、運転者のアシストを行うためのアシスト比率を実行指令値として２次電池ユニットに出力するビークルコントローラとが一体化されて取り付けられる電動アシスト自転車である。

また、ナビゲーション表示部は、ＧＰＳから得られる位置情報及び地図情報からの地形情報と、２次電池の残量と、ナビゲーション・コントローラからの走行ルート及びアシスト場所を表示する。そして、走行中は、ＧＰＳにより走行位置を更新しながらハンドルの把手部に設けた測定電極などにより運転者の体力を監視するとともに、トルクセンサにより運転者の漕ぎ力を検出し、ＧＰＳから得られる位置情報及び地図情報からの地形情報と、運転者の体力値、２次電池の残量に基づいて走行ルート上でアシストを行うアシスト比率とアシストを行う場所を修正することを特徴とする。

運転者の体力値を設定するためには、厚生労働省が開示している年齢別運動能力平均値というデータに基づいて作成したデータベースが用いられる。上述の運転者の体力値を設定する方法は、ハンドルの把手部の測定電極により生体インピーダンスを計測し、この生体インピーダンスと身長、体重などから筋組織量を割り出す体脂肪測定方法を用いている。この他にも、平地での漕ぎ力とデータベースからの算出値をデフォルトする方法などが用いられる。なお、筋組織量をより正確に測定するためには、下肢部（脚）の生体インピーダンスを測定することが望ましいが、これは現実的にはむずかしいという問題もある。

本発明の電動アシスト制御装置及びその方法によれば、運転者の体力を判定し、運転者の体力では辛い、厳しい場所のみアシストするようにしている。そして、運転者の体力値の判定によりアシスト不要と判断された平坦路やゆるい上り坂に関しては、運転者の漕ぎ力（脚力や体力による運動能力）のみで走行できるようにする。
また、アシスト作動場所を設定する際には、地図情報を用いて行い、気象情報（風向き、風力）、標高（高度）、斜度（勾配）を加美し、車両に設けたジャイロセンサ、加速度センサ、気圧センサなどのサンプリングデータによる負荷検出値と、心拍数などにより判定する運転者の疲労度によるフィードバックを加えながら目的地までのアシスト場所を更新し、再設定することを可能としている。

本発明によれば、運転者が従来の自転車が持つスポーツ性やトレーニング性などの特徴を損なわないように、電動アシスト自転車のアシスト比率を最適にコントロールすることができるので、運転者の体力のみで走行される部分とアシスト機能による補助走行領域を明確化することができる。その結果、２次電池消費量を最適化し、航続距離を延ばすことができ、電動アシスト自転車の利便性を大幅に向上させることが可能となる。

また、走行開始前に地形の高低差などの地図情報の他に、気象情報、更には運転者の固有情報（年齢、性別、体重等）を含む複数要素に基づいて、アシスト制御予測を行うので、バッテリー残量情報とアシスト可能な航続距離の関係を高精度にもとめることができる。また、運転者が移動しつつある経路の途中で、運転者情報や気象情報などの各種情報を車載センサ（風速、気圧、加速度、ジャイロセンサなど）からフィードバックすることで、走行中のアシスト精度をより高くすることができる。

本発明の電動アシスト装置が適用される電動アシスト自転車の概念図（図１Ａ）と、電動アシスト自転車のハンドル部分の概念図（図１Ｂ）である。本発明の電動アシスト自転車に取付けられるカーナビゲーションユニットの概略図である。本発明の実施形態例を示すブロック構成図である。本発明の実施形態例に用いられる体力値に関係する体脂肪率と筋肉量の関係をマトリクスとして示した図である。本発明の実施形態例におけるアシスト制御処理を説明するためのフローチャートである。

以下、図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態例（以下、「本例」という。）について詳細に説明する。

図１Ａは、本例の電動アシスト装置が適用される電動アシスト自転車の概念図である。サドル下部に配置されるフレーム部に電動アシストをするためのビークルコントローラ１と２次電池ユニット２が取付けられる。また、２次電池ユニット２の下部ペダル付近には不図示のモータユニット６（図２参照）が設けられている。そして、２次電池ユニット２の筐体の一側面側にナビゲーション・コントローラ３が設けられ、更にハンドル５の上部には、図１Ａに示すようなナビゲーション表示を行うナビゲーションユニット４が設けられている。以下、ナビゲーションユニット４を、ナビゲーション表示部４と呼ぶこともある。
図１Ｂは、図１Ａの電動アシスト自転車のハンドル５の部分を拡大して示したものである。ハンドル５の中央部付近には、ナビゲーションユニット４が配置され、把手部には後述する測定電極５ａ、５ｂが設けられている。

図２は、本例のナビゲーション表示部４に表示される具体的表示内容を示した図である。
図２に示すように、ナビゲーション表示部４には、不図示のＧＰＳからの位置情報、地図情報からの地形情報の他、走行ルートや電池残量などの車両情報が視覚化されて表示される。すなわち、地図表示部４ａには地形情報と走行ルートが表示され、速度表示部４ｂには、電動アシスト自転車の現在の速度が表示される。また、２次電池残量表示部４ｃには、２次電池ユニット２に収納されている２次電池の残量が表示される。このナビゲーション表示部４は、２次電池ユニット２と各種コントローラからなる車体のアシスト装置と分離して示しているが、分離せずに一体化して配置することも考えられる。

図３は、図１Ａに示される本例の電動アシスト自転車の各ユニット間の接続関係を示したブロック構成図である。ビークルコントローラ１は、本例の電動アシスト自転車のアシスト機構部の実行管理を行う、いわば機構部の総合コントローラとしての役割を果たすものである。このビークルコントローラ１は、２次電池の状態やアシストモータの状態をモニタリングするとともに、後述するように、ナビゲーション・コントローラ３からのアシスト比率を実行指令値として、モータユニット６のモータ６３を駆動制御する。

図３に示す２次電池ユニット２は、２次電池内の発熱状態をモニタリングするための温度センサ２１と、２次電池の電池残量を検出する電池容量計２１を備えている。
また、ナビゲーション・コントローラ３は、適正アシスト比率を算出し、かつアシスト場所を予測する機能を持つ。このナビゲーション・コントローラ３は、ＣＰＵ３１（中央処理装置：Central Processing Unit）を備え、このＣＰＵ３１が、地図情報、各種車両センサ情報、気象情報、更に運転者の漕ぎ力等の運動能力の判定値等に基づいて、最適なアシスト比率を演算する。

また、ナビゲーション・コントローラ３は、加速度センサ３２を有しており、この加速度センサ３２により、車体の加速度が検出される。そして、ここで検出した加速度を積分して速度を求め、更に速度を積分して移動距離を求める。また、加速度センサ３２により、重力加速度の変位量も検出され、この変位量から車体の傾きが検出される。

また、ナビゲーション・コントローラ３には、ジャイロセンサ３３が設けられている。ジャイロセンサ３３は、角速度（自転車の傾き）を検出し、それを積分して方位角を算出するようにしている。更に、ナビゲーション・コントローラ３には、気圧センサ３４、外気温度センサ３５、及び風速センサ３６が設けられている。気圧センサ３４は、文字どおり外気圧を測定するものであるが、この気圧は温度による誤差が大きいため、外気温度センサ３５で測定される外気の温度により補正される。この補正された気圧は、車体位置の高低差を補正するために用いられる。風速センサ３６は、走行時の風速を測定し、この測定値から風による抵抗を補正する。

また、ナビゲーション・コントローラ３には、フラッシュメモリ３７が設けられており、このフラッシュメモリ３７には、上述した地図情報、車両状態情報を含む各種情報が保存される他、運転者情報も蓄積される。ここで、運転者情報とは、運転者の心拍数、体脂肪率、運転者漕ぎ力等である。運転者の心拍数は、運転者の体力負荷を補正するために用いられ、体脂肪率は、運転者の筋組織量を推測して体力予測を行うために用いられる。また、運転者の漕ぎ力はトルクセンサ８で測定されるものであり、この値から運転者の体力値の検出がなされ、かつ運転者の疲労状態が分る。つまり、フラッシュメモリ３７は、運転者の体力を記憶する体力判定データベースとしての役割を果たしていると言える。

図４は、体脂肪率と筋肉量の関係をマトリクスとして示した図である。図４では、筋肉量と体脂肪率で９つのブロックに分けている。筋肉量が少ないタイプを肥満から痩せの順にＡ１、Ａ２、Ａ３とし、筋肉量が普通のタイプを肥満から痩せの順にＢ１、Ｂ２、Ｂ３と分類している。そして、筋肉量が多いタイプを肥満から痩せの順にＣ１、Ｃ２、Ｃ３と分類した。
この図４に示すマトリクスのどの位置に運転者が入るかによって、その基礎となるアシスト比率が決定される。

また、図３に示されるナビゲーションユニット（表示部）４は、表示部４１、ＧＰＳ４２、メモリカード４３を備えている。表示部４１は、図２に示すように、地形情報、走行ルート、車両情報（電池残量など）を視覚化して表示する部分である。ＧＰＳ４２は、言うまでもなく衛星を通じて位置情報を受信する装置である。なお、メモリカード４３には、運転者情報やルート情報が外部情報として保存される。

また、図３に示すモータユニット６は、モータ６３を駆動する指令置を変換してアシスト比率を制御するためのモータコントローラ６１と、モータの発熱による破損や故障を防ぐためにモータ６３の温度を検出するモータ温度センサ６２を備えている。なお、ここでは図示していないが、自転車の走行状態または停止状態を見るために車速パルスを検出する車速センサを設けることもできる。

次に、図５のフローチャートに基づいて本例の電動アシストシステムの動作を説明する。電動アシスト自転車のアシスト制御処理が始まる前段階として、まず、電動アシスト自転車を運転する運転者の体力値が判定される（ステップＳ１）。この体力値の判定は、体力判定データベース（フラッシュメモリ）３７に予め記憶されている運転者のデータ、すなわち運転者の年齢、体重、身長、体脂肪率などの個人情報と照合することによりなされる。これらのデータは、電動アシスト自転車のアシスト制御に先立って、予め測定され体力判定データベース（フラッシュメモリ）３７に保存されているものである。なお、運転者の身体情報（体組織分、身長、体重など）を運転者が手動で新たに入力することにより、体力値を判定するようにしてもよい。

続いて、ステップＳ１で入力された運転者の体力値データに基づいて、運転者に対するアシスト比率を決定する（ステップＳ２）。このステップＳ２では、文部科学省が発表している国民の運動の応力調査・統計データと年齢、性別、体重などの基本情報との関係から予め作成されたアシスト比率マッピングデータ１００を利用してアシスト比率を決定するようにしてもよい。
また、図３のトルクセンサ８から得られるペダル漕ぎ力情報、２次電池ユニットの残量も考慮してアシスト比率が決定される。更に、運転者の体脂肪率を測定して運動能力を算定し（図４参照）、この運動能力に基づいてアシスト比率を決定することにより、より精度の高いアシストが実現される。なお、体脂肪率の測定は、市販の体脂肪計からのデータでもよいが、図１に示す電動アシスト自転車のハンドルの把手部（ハンドグリップ）に設けた測定電極５ａ、５ｂ（図１Ｂ参照）を用いて、測定してもよい。つまり、この測定電極５ａ、５ｂに車載２次電池ユニット２から微小な交流電圧を送ることで、運転者の上肢部の生体インピーダンスを測定することができ、この生体インピーダンスの測定により体脂肪率が求められる。

次に、運転者へのアシスト比率が決まると、ナビゲーションユニット４から目的地とルートが入力される（ステップＳ３）。この走行経路の設定に際しては、走行経路上の高低差情報からアシスト機能の作動を最適化するように走行経路が決定される。なお、走行経路が決定された後に、走行経路地域の気象予報情報をインターネットより取得し、風向き、風力などの要素を、設定された走行経路情報に付加することにより、設定した経路情報を補正することも可能である。

続いて、目的地までの到達を予測し、ナビゲーションユニット４の表示部４１に走行経路情報を表示する（ステップＳ４）。このとき、ナビゲーション・コントローラ３のフラッシュメモリ３７に記録されている地図情報、気象予報データ、電池容量と、ステップＳ２で求めたアシスト比率からアシスト作動場所を予測し、その場所も同時に表示するようにする（ステップＳ５）。そして、アシストシステムを起動する（ステップＳ６）。なお、ステップＳ３で、特に目的地がないと判定された場合は、ステップＳ４、Ｓ５を飛ばして、ステップＳ６に移行する。

ここで、走行経路の中のアシストを行う場所は、運転者固有の体力値に基づいて決定される。つまり、アシスト行う場所は、運転者の体力値と走行負荷状況（地形、気象、疲労度）から、自己運動能力を１００％使っても処理できない場所だけに限ることもできる。もちろん、ステップＳ２では、人により、個々にアシスト比を決めることができるから、この決められたアシスト比率（これを「基準固有アシスト比」という。）でアシスト補助を行うことができる。例えば、年齢が若く、筋肉量（持久力）が多い男性等では、体力があるのでアシスト比率も小さくすることができる。反対に、高齢者や女性などでは、基準固有アシスト比は大きな値となる。

以上の処理を経て、電動アシスト自転車の走行が開始することになる（ステップＳ７）が、走行中（ステップＳ８）には、体力値から設定された負荷に達するまでは原則としてアシストしないようにする。そして、予め設定されたアシスト場所でのみ、体力値から予測判定されたアシスト比率でアシストを行うようにする。

また、走行中は、次の処理が更新される。まず、ＧＰＳの位置情報が更新される（ステップＳ１０）。そして、運転者の体力状態のモニタリングが行われる（ステップＳ１１）。このステップＳ１１では、例えば、走行中の心拍数をモニタリングし、これを運転者の健康状態のパラメータとして、アシスト用のデータプロファイルにフィードバックをすることにより、行うことができる。
なお、このアシスト用のデータプロファイルの作成と更新は、フラッシュメモリ３７内で行われる。このフラッシュメモリ３７は、所謂ＳＳＤ（Solid State Disk）、つまりハードディスクであり、各情報の処理は、フラッシュメモリ３７内に記憶されているプログラムによって行われるようになっている。

同時に、図３のトルクセンサ８で運転者の漕ぎ力が検出され（ステップＳ１２）、更に車載のナビゲーション・コントローラ３の加速度センサ３２、ジャイロセンサ３３、気圧センサ３４、外気温度センサ３５、風力センサ３６から地図情報及び気象情報が検出され、それに基づいてアシスト比率の補正または更新が行われる（ステップＳ１３）。また、これらの地図情報、走行経路、２次電池の残量等は常時、ナビゲーションユニットの表示部４１に表示される（ステップＳ１４）。

上述のステップＳ１０〜ステップＳ１３で更新された情報は、ステップＳ５のアシスト作動場所にフィードバックされ、アシスト量とアシスト作動場所への予測設定が更新される。
上述したように、ステップＳ８の走行中には、リアルタイムでステップＳ１０〜ステップＳ１４の処理が行われることになり、この結果、自転車の走行経路と運転者の体力値に応じた最適なアシストを行いつつ目的地に到着することができる（ステップＳ９）。なお、目的地に到着しても電池容量は必ず残るようにアシストがなされるので、アシスト機能が途中で途絶えてしまうことはない。

以上、図面に基づいて本例の電動アシスト装置及び電動アシスト方法について説明したが、本発明は上述の実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。

１・・・ビークルコントローラ、２・・・２次電池ユニット、３・・・ナビゲーション・コントローラ、４・・・ナビゲーションユニット（表示部）、６・・・モータユニット、７・・・キースイッチ、８・・・トルクセンサ

Claims

搭乗する運転者の体力値を搭乗開始前に判定するステップと、
前記運転者の体力値と２次電池の残量とから運転者をアシストする割合であるアシスト比率を決定するステップと、
ＧＰＳから得られる位置情報、地図情報から得られる地形情報、気象情報及び前記運転者の体力値から走行ルートを決定するステップと、
前記ＧＰＳから得られる前記位置情報及び地図情報から得られる前記地形情報と、前記運転者の体力値、２次電池の残量に基づいて走行ルート上でアシストを行う場所を予測するステップと、
走行を開始後は、ＧＰＳにより走行位置を更新しつつ、運転者の体力を監視するステップと、
走行中に、運転者の漕ぎ力を検出するステップと、
走行中に、前記ＧＰＳから得られる前記位置情報、地図情報から得られる前記地形情報、更新された気象情報、前記運転者の体力値、及び２次電池の残量に基づいて走行ルート上での前記アシスト比率とアシストを行う場所を修正するステップと、
を含む電動アシスト制御方法。
中央部にナビゲーション表示部が取り付けられ把手部に測定電極が設けられたハンドルと、
２次電池、電池容量計及び電池温度センサを含む２次電池ユニットと、アシスト用モータ及び該モータを駆動制御するモータコントローラを含むモータユニットと、ＧＰＳからの位置情報、地図情報からの地形情報、車体の姿勢、気象情報、運転者の体力値を記録するデータベースを含むナビゲーション・コントローラと、前記ナビゲーション・コントローラからの走行ルート情報及びにアシスト情報に基づいて、運転者のアシストを行うためのアシスト比率を実行指令値として前記モータユニットに出力するビークルコントローラと、が一体化されて取り付けられる電動アシスト自転車であって、
前記ナビゲーション表示部は、ＧＰＳから得られる位置情報、地図情報から得られる地形情報、２次電池の残量、及び前記ナビゲーション・コントローラからの走行ルート及びアシスト場所を表示し、
走行中は、前記地形情報や気象情報及び前記ＧＰＳによる走行位置を更新しながら前記ハンドルの把手部に設けた測定電極により運転者の体力を監視するとともに、トルクセンサにより運転者の漕ぎ力を検出し、前記ＧＰＳから得られる前記位置情報及び地図情報から得られる前記地形情報、前記運転者の体力値、及び２次電池の残量に基づいて走行ルート上でアシストを行う比率とアシストを行う場所を修正することを特徴とする電動アシスト自転車。