JP6156691B2

JP6156691B2 - パーソナルビークル

Info

Publication number: JP6156691B2
Application number: JP2013155554A
Authority: JP
Inventors: 裕介吉田; 鈴木　努; 努鈴木
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: JP2015024011A

Description

本発明は電動車いすなどのパーソナルビークルに関し、より詳細には、カント走行時の片流れを軽減したパーソナルビークルに関する。

電動車いすなどのパーソナルビークルが傾斜している路面を横切る方向に直進走行（カント走行）する際に、路面の傾斜がきつく車体のロール角（左右方向の傾斜角）が大きいと片流れの問題が生じやすい。すなわち、直進走行するように乗員が操作部を操作しているにもかかわらず、車体が谷側（傾斜下側）に向かって進む片流れが発生しがちであり、またパーソナルビークルの直進走行性が損なわれがちになる。片流れや直進走行性低下の要因として、旋回モーメントの発生、及び左右の駆動輪が分担する荷重の不均衡の２点が考えられる。

旋回モーメントは、カント走行の際に左右の駆動輪の回転中心を結ぶ車軸に対して車体及び乗員を含んだ総荷重の重心が前後方向に偏移していると発生する。例えば、車軸に対して重心が前側に偏移していると、重心に作用する荷重（重力）を傾斜路面に垂直な成分と傾斜下側に向かう成分とに分解して考えた場合に、傾斜下側に向かう成分は車軸を谷側に旋回させる旋回モーメントを発生させる。また、傾斜路面では、谷側（傾斜下側）の駆動輪に作用する荷重は、山側（傾斜上側）の駆動輪と比較して大きくなりがちである。これにより、左右の駆動輪で回転し始める始動トルクに差が生じ、山側の駆動輪が先に回転することになり、車体が谷側に向かって動き始める。また、左右の駆動輪で走行を維持するための走行トルクに差が生じ、直進走行性が損なわれがちになる。

本願出願人は、上記したカント走行時の片流れの問題を軽減したパーソナルビークル制御装置を特許文献１に開示している。特許文献１のパーソナルビークル制御装置は、パーソナルビークルがカント走行するにあたり、パーソナル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車体のずり落ちが抑制され、パーソナルビークルの直進走行性が確保されるように制御する制御部を備えている。具体的に、特許文献１では、車体のロール角及びヨー角に関する物理量を検知するためのセンサを備える。そして、制御部は検知されたロール角をもとにしたフィードフォワード項で目標車体角速度指令値を補正して左右の駆動輪にトルク差を与える。これにより、カント走行開始時の車体の片流れを軽減することができる。

特開２０１０−１９３９３９号公報

ところで、特許文献１の技術で、車体のロール角に応じて予め目標車体角速度をフィードフォワード補正している。しかしながら、乗員の体重の軽重の影響や総荷重の重心位置の変化の影響を考慮したソフトウェアや実機の微調整が必要となり、そのためのコストアップなどが課題となっている。

また、特許文献１の技術では、ロール角及びヨー角を検知するセンサとして複数のセンサ、例えば加速度センサ及びジャイロセンサを併用する。このため、パーソナルビークルの部品構成の複雑化、及び部品コストのアップが問題となっている。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、カント走行時の片流れを軽減して直進走行性を向上したコスト低廉なパーソナルビークルを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明のパーソナルビークルは、車体と、前記車体の左右に設けられた左駆動輪及び右駆動輪と、前記車体の走行に関する指令信号を入力する操作部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪を独立して回転駆動する駆動部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数を検出する回転数検出部と、前記指令信号ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備えたパーソナルビークルであって、前記車体のヨー軸周りの角速度であるヨー角速度を検出する車体角速度検出部をさらに備え、前記制御部は、前記指令信号に基づいて、前記車体が前記ヨー軸周りに回転する目標車体角速度、及び前記車体が直進する目標直進速度を設定する指令値設定手段と、前記目標車体角速度と前記ヨー角速度との差分に基づいて前記目標車体角速度を補正する比例補正手段と、前記差分の時間変化量に基づいて前記目標車体角速度を補正する微分補正手段と、前記比例補正手段及び前記微分補正手段によって補正された後の前記目標車体角速度ならびに前記目標直進速度に基づいて前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数を演算する目標演算手段と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する駆動制御手段と、を有し、前記比例補正手段、及び前記微分補正手段の少なくとも一手段は、前記目標車体角速度を補正する補正量を制限する値制限部を有する。

上記したうちのヨー角速度と目標車体角速度とは、同じ次元を有する量である。本明細書では、検出されたヨー角速度と制御目標にする目標車体角速度とで用語を使い分けることにより明瞭化を図っている。ヨー角速度は、検出車体角速度と言い換えてもよい。

さらに、前記制御部は、前記指令信号の時間的な変化を平滑化する平滑化手段をさらに有することが好ましい。

また、本発明のパーソナルビークルは、車体と、前記車体の左右に設けられた左駆動輪及び右駆動輪と、前記車体の走行に関する指令信号を入力する操作部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪を独立して回転駆動する駆動部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数を検出する回転数検出部と、前記指令信号ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備えたパーソナルビークルであって、前記車体のヨー軸周りの角速度であるヨー角速度を検出する車体角速度検出部をさらに備え、前記制御部は、前記指令信号に基づいて、前記車体が前記ヨー軸周りに回転する目標車体角速度、及び前記車体が直進する目標直進速度を設定する指令値設定手段と、前記ヨー角速度の大きさに基づいて前記目標車体角速度を減算補正する第２比例補正手段と、前記ヨー角速度の時間変化量に基づいて前記目標車体角速度を減算補正する第２微分補正手段と、前記第２比例補正手段及び前記第２微分補正手段によって補正された後の目標車体角速度ならびに前記目標直進速度に基づいて前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数を演算する目標演算手段と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する駆動制御手段と、を有してもよい。

さらに、前記第２比例補正手段、及び前記第２微分補正手段の少なくとも一手段は、前記目標車体角速度を補正する補正量を制限する値制限部を有することが好ましい。

本発明によれば、比例補正手段及び微分補正手段を併用して目標車体角速度をフィードバック補正し、最終的に左駆動輪及び右駆動輪を独立して回転駆動する駆動部の駆動力を制御する。このため、カント走行時に車体のヨー角速度（実際に生じる車体角速度）が大きく変化しても、微分補正手段により速やかなフィードバック補正が行われ、左右の駆動輪の駆動力に差が生じる。これにより、左右の駆動輪にトルク差を与えることができる。さらに、目標車体角速度を微分補正手段で補正することにより、操作部の操作や乗員の体重の軽重、重心位置の変化などの影響を受けにくくすることができる。したがって、従来技術と比較して、個別の実機による調整を少なくしてカント走行時の片流れを軽減して直進走行性を向上できる。

加えて、本発明では、ヨー角（ヨー角速度）は検出するが、ロール角は検出しなくてよい。したがって、特許文献１と異なって複数のセンサは不要となり、部品構成を簡素化してコスト低廉なパーソナルビークルを提供できる。

さらに、制御部が平滑化手段をさらに有する態様では、乗員による操作部の操作が走行開始時に不安定であったり走行中に微妙にふらついたりしても、その影響を平滑化して軽減できる。これにより、車体の挙動の急激な変化を防止でき、走行制御の安定性が向上する。

また、制御部が第２比例補正手段及び第２微分補正手段を有して目標車体角速度をフィードバック補正する態様では、敏感な補正処理を行う第２微分補正演算部に対して操作部の操作が直接的には影響しない。したがって、フィードバック補正によりカント走行時の片流れを軽減して直進走行性を向上できることに加え、平滑化手段を有する態様と同等に、操作部の影響による車体の挙動の急激な変化を防止できる。

さらに、目標車体角速度を補正する補正量を制限する値制限部を有する態様では、路面の起伏や乗員の操作などに起因して乗員の意図しない方向に車体が進んでも（ヨー角速度が変化しても）、進行方向を是正するために車体の挙動が急激に変化するおそれはなく、走行制御の安定性が向上する。

第１実施形態のパーソナルビークルである電動車いすの全体構成を示す背面図である。電動車いすの駆動系及び制御系の構成を説明する構成ブロック図である。電動車いすの走行制御を行う制御部の制御ブロック図である。電動車いすの走行制御を行う制御部のうちの角速度補正部の詳細ブロック図である。角速度補正部の演算処理を行う制御部の演算処理フローの前半を示したフローチャートである。角速度補正部の演算処理を行う制御部の演算処理フローの後半を示したフローチャートである。電動車いすのカント走行実験で、従来技術による実験結果を示す図である。第２実施形態の電動車いすの走行制御を行う制御部の制御ブロック図である。第３実施形態の電動車いすの走行制御を行う制御部のうちの角速度補正部の詳細ブロック図である。

本発明の第１実施形態のパーソナルビークルについて、図１〜図６を参考にして説明する。第１実施形態のパーソナルビークルは電動車いす１であり、まず、その全体構成について説明する。図１は、第１実施形態のパーソナルビークルである電動車いす１の全体構成を示す背面図である。電動車いす１は、車体２、左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒ、操作ユニット４、ならびに左駆動ユニット５Ｌ及び右駆動ユニット５Ｒなどで構成されている。

車体２は、左右対称形状をしている。車体２は、左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒ、着座部２２Ａ、背もたれ部２２Ｂ、左アームレスト２３Ｌ及び右アームレスト２３Ｒ、左フットレスト２４Ｌ及び右フットレスト２４Ｒ、ならびに左転倒防止バー２５Ｌ及び右転倒防止バー２５Ｒなどからなる。左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒは、離隔平行して垂直に配置され、Ｘ字状に交差する２本の結合部材２１１、２１２によって結合されている。着座部２２Ａは、左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの略中間高さ位置に配設されて、左側面部２１Ｌから右側面部２１Ｒまで概ね水平に架け渡されている。背もたれ部２２Ｂは、着座部２２Ａの後縁から上方に延在して、左側面部２１Ｌから右側面部２１Ｒまで架け渡されている。背もたれ部２２Ｂの後ろ側には、走行用電源及び制御用電源を兼ねるバッテリ２９が２分割されて配設されている。

左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの上端後部から後方に延出するように、左ハンドル部２７Ｌ及び右ハンドル部２７Ｒが配設されている。左アームレスト２３Ｌ及び右アームレスト２３Ｒは、左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの上方寄りの外側から左右両側に略水平に張り出すように配設されている。左フットレスト２４Ｌ及び右フットレスト２４Ｒは、左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの下方寄りの内側から前方に延出するように配設されている。

左転倒防止バー２５Ｌ及び右転倒防止バー２５Ｒは、左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの下端から後方に延出するように配設されている。左転倒防止バー２５Ｌの後端には左後輪２６Ｌが設けられ、右転倒防止バー２５Ｒの後端には右後輪２６Ｒが設けられている。左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの外側の下方のやや後方寄りに、左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒが設けられている。左駆動輪３Ｌの車軸は左側面部２１Ｌによって回転可能に軸承され、右駆動輪３Ｒの車軸は右側面部２１Ｒによって回転可能に軸承されている。左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒの着地点の間隔はトレッドＴである。左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの外側の下方の前方寄りに、図には見えない左前輪及び右前輪が回転可能に設けられている。

右アームレスト２３Ｒの上面の前方寄りに、概ね直方体形状の操作ユニット４が配設されている。操作ユニット４は、その上面から突出したジョイスティック４１を有している。左側面部２１Ｌ及び右側面部２１Ｒの後ろ側の着座部２２Ａよりも少し低い位置に、概ね直方体形状の左駆動ユニット５Ｌ及び右駆動ユニット５Ｒが配設されている。左駆動ユニット５Ｌは左駆動輪３Ｌの車軸に臨んでおり、右駆動ユニット５Ｌは右駆動輪３Ｒの車軸に臨んでいる。

乗員は、着座部２２Ａに着座して背もたれ部２２Ｂにもたれかかり、左アームレスト２３Ｌ及び右アームレスト２３Ｒに足を載せて電動車いす１に乗ることができる。さらに乗員は、右手を右アームレスト２３Ｒに載せてジョイスティック４１を操作することができる。また、介護者は、左ハンドル部２７Ｌ及び右ハンドル部２７Ｒを押動操作して、電動車いす１を移動させることができる。

乗員が通常の姿勢で乗車したとき、車体２及び乗員を含んだ総荷重の重心は、左駆動輪３Ｌ、右駆動輪３Ｒ、左前輪、及び右前輪の各着地点を結んだ矩形の内部に位置する。電動車いす１の通常の走行では、左駆動輪３Ｌ、右駆動輪３Ｒ、左前輪、及び右前輪で総荷重が分担され、左後輪２６Ｌ及び右後輪２６Ｒは着地されない。左後輪２６Ｌ及び右後輪２６Ｒは、路面に凹凸があるときや、重心位置が後方に極端に偏移したときに着地して、車体２の後方への転倒を防止する。また、車輪径に関して、左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒの有効半径Ｒｅが最も大きく、左後輪２６Ｌ及び右後輪２６Ｒの有効半径が最も小さく、左前輪及び右前輪の有効半径は中間的な大きさである。なお、対応する左右の車輪の有効半径は、互いに等しいものとして扱う。

次に、電動車いす１の駆動系及び制御系の構成について説明する。図２は、電動車いす１の駆動系及び制御系の構成を説明する構成ブロック図である。図示されるように、駆動系及び制御系は、操作ユニット４、左駆動ユニット５Ｌ、及び右駆動ユニット５Ｒで構成されている。左駆動ユニット５Ｌは主に左駆動輪３Ｌの駆動及び制御に係わり、右駆動ユニット５Ｌは主に右駆動輪３Ｒの駆動及び制御に係わっている。操作ユニット４は、乗員からの指令信号Ｓ１を受け取り必要な情報を表示するマンマシンインターフェース機能を備え、指令信号Ｓ１に対する演算処理機能を備え、さらに、左駆動ユニット５Ｌ及び右駆動ユニット５Ｒを協調作動させるメインコントロール機能を備えている。

操作ユニット４は、前述したジョイスティック４１及びメインコントローラ４２からなる。ジョイスティック４１は、乗員の操作によって任意の方向に傾動する。ジョイスティック４１は、乗員の操作を指令信号Ｓ１に変換してメインコントローラ４２の操作制御部４３に入力する。ジョイスティック４１が傾動する方向は電動車いす１の進行方向を指令し、傾動角度は走行速度を指令する。つまり、傾動角度が大きいほど電動車いす１は高速で走行する。ジョイスティック４１は、車体２の走行に関する指令信号Ｓ１を入力する本発明の操作部に相当する。

メインコントローラ４２は、操作制御部４３、操作通信部４４、スイッチ４５、表示部４６、及び操作電源部４７で構成されている。スイッチ４５は、乗員が操作して速度レンジを設定する部位である。速度レンジは、例えば第１〜第５速度レンジとして、各速度レンジで異なる上限速度に規制することができる。具体的に、例えば、第１速度レンジではジョイスティック４１の傾動角度を最大にしたときに時速１ｋｍで走行し、第５速度レンジではジョイスティック４１の傾動角度を最大にしたときに時速６ｋｍで走行するように設定できる。表示部４６は、設定されている速度レンジや、バッテリ２９の蓄電状況などを乗員に向けて表示する。表示する情報は、上記に限定されず、例えば、現在の走行速度をバーグラフで表示してもよい。

操作制御部４３は、ジョイスティック４１からの指令信号Ｓ１を受け取り、スイッチ４５から速度レンジの設定信号を受け取り、表示部４６に表示内容を指令する。また、操作制御部４３は、指令信号Ｓ１に対する演算処理を行う。操作通信部４４は、操作制御部４３と他装置とを双方向通信可能に接続して、情報を授受できるようにしている。操作電源部４７は、バッテリ２９から電源供給を受け、電源電圧を安定化してメインコントローラ４２内の各部４３〜４６に電源供給する。メインコントローラ４２には、例えば、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力部を有してソフトウェアで作動する電子制御装置を用いることができる。

左駆動ユニット５Ｌは、左モータ５１Ｌ、左回転数センサ５２Ｌ、及び左コントローラ５３Ｌからなる。左モータ５１Ｌは、その出力軸が左駆動輪３Ｌの車軸に回転連結されており、左駆動輪３Ｌを回転駆動する。左モータ５１Ｌの種類に特別な制約はないが、正転及び逆転の両方向に回転できることが好ましい。左回転数センサ５２Ｌは、左駆動輪３Ｌの車軸の近傍に配設されており、左駆動輪３Ｌの実回転数ＮＬを検出し、左回転数信号に変換して出力する。

左コントローラ５３Ｌは、左制御部５４Ｌ、左通信部５５Ｌ、左角速度センサ５６Ｌ、左モータ駆動部５７Ｌ、及び左電源部５８Ｌで構成されている。左角速度センサ５６Ｌは、車体２のヨー軸周りの角速度であるヨー角速度ωＹを検出し、左角速度信号に変換して出力する。左角速度センサ５６Ｌとして、例えばジャイロセンサを用いることができる。ヨー角速度ωＹが正値のときに車体２は右旋回しており、ヨー角速度ωＹが負値のときに車体２は左旋回している。左モータ駆動部５７Ｌは、左制御部５４Ｌからの左駆動信号に基づいて、左モータ５１Ｌに印加する左駆動電圧ＶＬを調整する。また、左モータ駆動部５７Ｌは、左モータ５１Ｌに流れる左駆動電流を左電流信号に変換して出力する。

左制御部５４Ｌは、左回転数センサ５２Ｌから左回転数信号を受け取り、左角速度センサ５６Ｌから左角速度信号を受け取り、左モータ駆動部５７Ｌから左電流信号を受け取る。そして、左制御部５４Ｌは、主に左駆動輪３Ｌの駆動及び制御に係わる演算処理を行い、左モータ駆動部５７Ｌに左駆動信号を指令する。左通信部５５Ｌは、左制御部５４と他装置とを双方向通信可能に接続して、情報を授受できるようにしている。左電源部５８Ｌは、バッテリ２９から電源供給を受け、電源電圧を安定化して左コントローラ５３Ｌ内の各部５４Ｌ〜５７Ｌに電源供給し、さらに前記の左駆動電圧ＶＬを供給する。左コントローラ５３Ｌには、例えば、ＣＰＵ、メモリ、及び入出力部を有してソフトウェアで作動する電子制御装置を用いることができる。

右駆動ユニット５Ｒの構成は、左駆動ユニット５Ｌと同様であり、名称に付された左を右に読み替え、符号に付されたＬをＲに読み替えて理解できる。略述すると、右駆動ユニット５Ｒは、右モータ５１Ｒ、右回転数センサ５２Ｒ、及び右コントローラ５３Ｒからなる。右コントローラ５３Ｒは、右制御部５４Ｒ、右通信部５５Ｒ、右角速度センサ５６Ｒ、右モータ駆動部５７Ｒ、及び右電源部５８Ｒで構成されている。また、右駆動ユニット５Ｒの機能も、左駆動ユニット５Ｌと同様であるので説明は省略する。

ここで、左モータ駆動部５７Ｌ及び右モータ駆動部５７Ｒは、独立して左及び右駆動電圧ＶＬ、ＶＲを調整することができるので、左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒを独立して回転駆動する本発明の駆動部に相当する。また、左回転数センサ５２Ｌ及び右回転数センサ５２Ｒは、本発明の回転数検出部に相当する。

さらに、操作制御部４３、左制御部５４Ｌ、及び右制御部５４Ｒは、それぞれの通信部４４、５５Ｌ、５５Ｒで双方向通信可能に接続されて、情報を授受できるようになっている。そして、３つの制御部４３、５４Ｌ、５４Ｒは、協動して電動車いす１の走行を制御する。したがって、操作制御部４３、左制御部５４Ｌ、及び右制御部５４Ｒは、指令信号Ｓ１ならびに左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒの実回転数ＮＬ、ＮＲに基づいて駆動部を制御する本発明の制御部を構成する。制御部の構成は上述に限定されず、例えば１つのコントローラで集中制御する構成であってもよい。３つの制御部４３、５４Ｌ、５４Ｒの機能分担に制約は無いので、以降では単に制御部の機能として説明する。

また、左角速度センサ５６Ｌ及び右角速度センサ５６Ｒは、ともに車体２のヨー角速度ωＹを検出して左角速度信号及び右角速度信号を出力するので、本発明の車体角速度検出部に相当する。左角速度信号及び右角速度信号は、本来等しくなるが別々の量と考えて、左制御部５４Ｌで左回転数信号を受け取り、右制御部５４Ｒで右回転数信号を受け取るように構成できる。これに限定されず、左角速度センサ５６Ｌ及び右角速度センサ５６Ｒは、一方を常用とし、他方を予備とすることができる。また、左角速度センサ５６Ｌの左角速度信号と右角速度センサ５６Ｒの右角速度信号とを平均化してヨー角速度ωＹを求めるようにしてもよい。さらには、左角速度センサ５６Ｌ及び右角速度センサ５６Ｒの一方を無くすことも可能である。

次に、電動車いす１の走行制御の方法について説明する。図３は、電動車いす１の走行制御を行う制御部の制御ブロック図である。図示されるように、制御部は、目標速度及び角速度演算部６１、ならびに目標出力演算部６２を有している。また、目標速度及び角速度演算部６１は、角速度補正部６３を内包している。制御部は、ジョイスティック４１からの指令信号Ｓ１を入力とし、検出された車体２のヨー角速度ωＹ、ならびに検出された左及び右駆動輪３Ｌ、３Ｒの実回転数ＮＬ、ＮＲをフィードバック入力としている。そして、制御部は、最終的に左駆動電圧ＶＬを左駆動信号の形態で出力し、右駆動電圧ＶＲを右駆動信号の形態で出力する。

目標速度及び角速度演算部６１は、指令信号Ｓ１に基づいて、車体２が直進する目標直進速度Ｖ１及び、車体２がヨー軸周りに回転する目標車体角速度ω１を設定する。ジョイスティック４１の傾動方向が前側１８０°の範囲にあると目標直進速度Ｖ１は正値となり、傾動方向が後側１８０°の範囲にあると目標直進速度Ｖ１は負値となる。また、ジョイスティック４１の傾動方向が左側１８０°の範囲にあると目標車体角速度ω１は正値となり、傾動方向が右側１８０°の範囲にあると目標車体角速度ω１は負値となる。目標直進速度Ｖ１及び目標車体角速度ω１を設定する機能は、本発明の指令値設定手段に相当する。

角速度補正部６３は、目標車体角速度ω１及びヨー角速度ωＹを入力としてフィードバック補正演算を行い、補正後の目標車体角速度ω２を求める。角速度補正部６３の詳細な内部構成については後述する。

目標出力演算部６２は、まず、補正後の目標車体角速度ω２と目標直進速度Ｖ１とに基づいて左及び右駆動輪３Ｌ、３Ｒの目標回転数を演算する。この演算機能は、本発明の目標演算手段に相当する。目標出力演算部６２は、次に、左及び右駆動輪３Ｌ、３Ｒの目標回転数と実回転数ＮＬ、ＮＲに基づいて、左及び右駆動電圧ＶＬ、ＶＲを演算する。目標出力演算部６２は、左駆動電圧ＶＬを左駆動信号の形態で左モータ駆動部５７Ｌに出力し、右駆動電圧ＶＲを右駆動信号の形態で右モータ駆動部５７Ｒに出力する。これにより、左及び右モータ５１Ｌ、５１Ｒに印加される実際の駆動電圧が制御される。この制御機能は、本発明の駆動制御手段に相当する。

次に、角速度補正部６３の詳細について説明する。図４は、電動車いす１の走行制御を行う制御部のうちの角速度補正部６３の詳細ブロック図である。角速度補正部６３は、差分演算部７１、比例補正演算部７２、微分補正演算部７４、及び出力演算部７５からなる。

差分演算部７１の減算器７１１は、目標車体角速度ω１とヨー角速度ωＹとの差分Δωを演算する。このとき、目標直進速度Ｖ１が正値である前進時には目標車体角速度ω１からヨー角速度ωＹを減算し、逆に、目標直進速度Ｖ１が負値である後進時にはヨー角速度ωＹから目標車体角速度ω１を減算する。次に、差分演算部７１の値制限部７１２は、差分Δωが所定の制限値（正負の２値あり）を超過している場合に限り、差分Δωを制限値に補正する。差分演算部７１は、値制限部７１２を通った後の差分Δωを比例補正演算部７２及び微分補正演算部７４に出力する。

比例補正演算部７２の乗算器７２１は、値制限部７１２を通った後の差分Δωに比例項定数Ｋｐを乗算して比例項ωｐとする。比例補正演算部７２は、比例項ωｐを出力演算部７５に出力する。比例補正演算部７２は、比例補正手段に相当する。

微分補正演算部７４は、遅延器７４１、減算器７４２、値制限部７４３、及び乗算器７４４で構成されている。遅延器７４１は、差分Δωを遅延保持して前回の差分Δω^−１とし、減算器７４２に入力する。減算器７４２は、今回の差分Δωから前回の差分Δω^−１を減算して微分値Ｄω（差分の時間変化量）とする。値制限部７４３は、微分値Ｄωが所定の制限値（正負の２値あり）を超過している場合に限り、微分値Ｄωを制限値に補正する。乗算器７４４は、値制限部７４３を通った後の微分値Ｄωに微分項定数Ｋｄを乗算して微分項ωｄとする。微分補正演算部７４は、微分項ωｄを出力演算部７５に出力する。微分補正演算部７４は、微分補正手段に相当する。

出力演算部７５の加算器７５１は、比例項ωｐ及び微分項ωｄを加算して補正項ωａｄｄとする。出力演算部７５の演算器７５２は、加算器または減算器として作動する。すなわち、目標直進速度Ｖ１が正値である前進時に、演算器７５２は、元の目標車体角速度ω１に補正項ωａｄｄを加算して補正後の目標車体角速度ω２とする。また、目標直進速度Ｖ１が負値である後進時に、演算器７５２は、元の目標車体角速度ω１から補正項ωａｄｄを減算して補正後の目標車体角速度ω２とする。補正後の目標車体角速度ω２は、図３に示されるように、目標出力演算部６２に出力される。

次に、角速度補正部６３の演算処理を行う制御部の演算処理フローについて説明する。図５及び図６は、角速度補正部６３の演算処理を行う制御部の演算処理フローを示したフローチャートであり、図５に前半が示され、図６に後半が示されている。フローチャート中の値±Ａ、及び±Ｃは、補正量を制限するために予め適宜設定されている。

制御部は、図５のステップＳ１で前進と判定すると、ステップＳ２で、差分演算部７１の減算器７１１により差分Δωを演算する。また、制御部は、ステップＳ３で後進と判定すると、ステップＳ４で減算器７１１により差分Δωを演算する。前進でも後進でもないとき、制御部は、ステップＳ５で目標車体角速度ω１＝０とする。ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５に続くステップＳ６で差分Δωが正側制限値＋Ａを超過している場合にはステップＳ７に進み、値制限部７１２により差分Δωを正側制限値＋Ａに補正する。さらに、ステップＳ８で差分Δωが負側制限値−Ａを負側に超過している場合にはステップＳ９に進み、値制限部７１２により差分Δωを負側制限値−Ａに補正する。この後、処理フローは図６に続く。

図６のステップＳ２１で、制御部は、微分補正演算部７４の減算器７４２により微分値Ｄωを演算する。続くステップＳ２２で微分値Ｄωが正側制限値＋Ｃを超過している場合にはステップＳ２３に進み、値制限部７４３により微分値Ｄωを正側制限値＋Ｃに補正する。さらに、ステップＳ２４で微分値Ｄωが負側制限値−Ｃを負側に超過している場合にはステップＳ２５に進み、値制限部７４３により微分値Ｄωを負側制限値−Ｃに補正する。次にステップＳ２６で、制御部は、遅延器７４１により前回の差分Δω^−１を記憶保持して、次回の処理演算に備える。次にステップＳ２７で、制御部は、出力演算部７５により、元の目標車体角速度ω１を補正演算して目標車体角速度ω２とする。

この後、ステップＳ２８で、制御部は、キャンセル条件を満たすか否か判定する。キャンセル条件は２つあり、第１は車体の停止、第２は車体の一定角速度走行である。車体の一定角速度走行は、（差分Δω≦一定値）という不等式が一定時間以上継続していることから判定する。キャンセル条件を満たすとき、制御部は、ステップＳ２９に進み、前回の差分Δω^−１をクリアして、処理フローを終了する。キャンセル条件を満たさないとき、制御部は、ステップＳ２９のクリア処理を行わずに処理フローを終了する。

次に、上述のように構成された第１実施形態の電動車いす１の作用及び効果について、従来技術を引用しながら説明する。図７は、電動車いすのカント走行実験で、従来技術の実験結果を示す図である。図７で、横軸は時間ｔであり、縦軸は実測された車体のヨー角速度ならびに左右の駆動輪の実回転数である。カント走行実験では、車体が傾斜路面を横切る方向に直進走行するように、ジョイスティックを正面前方に傾動操作している。そして、時刻ｔ１に電動車いすが走行を開始している。

図７のカント走行実験において、ジョイスティックの傾動操作は直進走行を指令しており、換言すれば、ヨー角速度ゼロを指令している。にもかかわらず、実験結果では、走行を開始した時刻ｔ１の直後からヨー角速度が発生している。さらに、時間が経過しても、ヨー角速度はゼロにならず、実回転数は左駆動輪よりも右駆動輪で大きくなっている。したがって、電動車いすは、カント走行開始時から傾斜下側に向かう片流れが発生し、かつ、走行中も直進できずに徐々に傾斜下方へと進行方向が変化し、最終的には傾斜に沿って下り走行する。

これに対して、第１実施形態の電動車いす１では、微分補正演算部７４は、走行開始直後に発生したヨー角速度ωＹに即応して、目標車体角速度（ω１→ω２）を敏感に補正できる。したがって、時刻ｔ２あたりまでに片流れが進展する以前に、ヨー角速度ωＹを軽減することができる。また、その後もヨー角速度ωＹの発生を軽減し、換言すれば左駆動輪３Ｌ実回転数ＮＬと右駆動輪３３Ｒの実回転数ＮＲとを一致させて高い直進走行性を確保できる。

以上説明したように、第１実施形態のパーソナルビークルである電動車いす１は、比例補正演算部７２及び微分補正演算部７４を併用して目標車体角速度ω１をフィードバック補正し、最終的に左駆動輪３Ｌ及び右駆動輪３Ｒを独立して回転駆動する左モータ駆動部５７Ｌ及び右モータ駆動部５７Ｒの左駆動電圧ＶＬ及び右駆動電圧ＶＲを制御する。このため、カント走行開始時に車体２のヨー角速度ωＹが大きく変化しても、微分補正演算部７４により速やかなフィードバック補正が行われ、左右の駆動輪３Ｌ、３Ｒの駆動力に差が生じる。これにより、左右の駆動輪３Ｌ、３Ｒにトルク差を与えることができる。さらに、目標車体角速度ω１を微分補正演算部７４で補正することにより、ジョイスティック４１操作や乗員の体重の軽重、重心位置の変化など影響を受けにくくすることができる。したがって、従来技術と比較して、カント走行時の片流れを軽減して直進走行性を向上できる。

加えて、電動車いす１では、ヨー角速度ωＹは検出するが、ロール角は検出しなくてよい。したがって、特許文献１と異なって複数のセンサは不要となり、部品構成を簡素化してコスト低廉な電動車いす１を提供できる。

さらに、目標車体角速度ω１を補正する補正量を制限する２個の値制限部７１２、７４３を有するので、路面の起伏や乗員の操作などに起因して乗員の意図しない方向に車体２が進んでも（ヨー角速度ωＹが変化しても）、進行方向を是正するために車体２の挙動が急激に変化するおそれはなく、走行制御の安定性が向上する。

ところで、第１実施形態で、微分補正演算部７４により即応した敏感な補正処理を行うと弊害が生じ得る。詳述すると、乗員によるジョイスティック４１の操作が走行開始時に不安定であったり走行中に微妙にふらついたりすると、目標車体角速度ω１が変化して、その影響が直ちに補正処理に反映される。これにより、乗員が意図していないのに車体２の挙動が急激に変化して、走行制御の安定性が低下してしまう弊害のおそれが増加する。このような弊害のおそれを軽減するために、第２実施形態では、制御部にローパスフィルタ６４を設ける。

図８は、第２実施形態の電動車いすの走行制御を行う制御部の制御ブロック図である。第２実施形態の電動車いすの全体構成（図１参照）ならびに駆動系及び制御系の構成（図２参照）は、第１実施形態と同じである。図８と図３を比較すれば分かるように、第２実施形態では、ジョイスティック４１の指令信号Ｓ１を平滑化するローパスフィルタ６４（平滑化手段）が追加されている。ローパスフィルタ６４は、例えば、指令信号Ｓ１をＡＤ変換した後側に設けるディジタル演算フィルタとすることができる。これに限定されず、ローパスフィルタ６４は、ＡＤ変換よりも前側に設けるアナログ回路のフィルタであってもよい。ローパスフィルタ６４を備えることで、ジョイスティック４１の小刻みな傾動変化が平滑化される。また、ジョイスティック４１の急峻な傾動変化が緩和される。一方、ヨー角速度ωＹの変化に対しては、第１実施形態と同等に、即応した敏感な補正処理を行うことができる。

第２実施形態の電動車いすは、制御部がローパスフィルタ６４をさらに有するので、乗員によるジョイスティック４１の操作が走行開始時に不安定であったり走行中に微妙にふらついたりしても、その影響を平滑化して軽減できる。加えて、２個の値制限部７１２、７４３との相乗効果も発生する。これにより、ジョイスティック４１の操作の影響による車体２の挙動の急激な変化を防止でき、走行制御の安定性が向上する。

次に、第３実施形態の電動車いすについて説明する。図９は、第３実施形態の電動車いすの走行制御を行う制御部のうちの角速度補正部６３Ａの詳細ブロック図である。第３実施形態の電動車いすの全体構成（図１参照）、駆動系及び制御系の構成（図２参照）、ならびに制御ブロック図（図３参照）は第１実施形態と同じで、角速度補正部６３Ａの内部構成が異なっている。第３実施形態の角速度補正部６３Ａは、第２比例補正演算部７６、第２微分補正演算部７７、及び出力演算部７８からなる。

第２比例補正演算部７６の乗算器７６１は、ヨー角速度ωＹに比例項定数Ｋｐを乗算して比例項ωｐ２とする。比例補正演算部７２は、比例項ωｐ２を出力演算部７８に出力する。第２比例補正演算部７２は、第２比例補正手段に相当する。

第２微分補正演算部７７は、遅延器７７１、減算器７７２、及び乗算器７７４で構成されている。遅延器７７１は、ヨー角速度ωＹを遅延保持して前回のヨー角速度ωＹ^−１とし、減算器７７２に入力する。減算器７７２は、今回のヨー角速度ωＹから前回のヨー角速度ωＹ^−１を減算して微分値Ｄω２（差分の時間変化量）とする。乗算器７７４は、微分値Ｄω２に微分項定数Ｋｄを乗算して微分項ωｄ２とする。微分補正演算部７４は、微分項ωｄ２を出力演算部７８に出力する。第２微分補正演算部７７は、第２微分補正手段に相当する。

出力演算部７８は、加算器７８１及び演算器７８２で構成されている。加算器７８１は、比例項ωｐ２及び微分項ωｄ２を加算して補正項ωａｄｄとする。演算器７８２は、加算器または減算器として作動する。すなわち、目標直進速度Ｖ１が正値である前進時に、演算器７８２は、元の目標車体角速度ω１から補正項ωａｄｄを減算補正して補正後の目標車体角速度ω２とする。また、目標直進速度Ｖ１が負値である後進時に、演算器７８２は、元の目標車体角速度ω１に補正項ωａｄｄを加算して補正後の目標車体角速度ω２とする。・BR>竦ウ後の目標車体角速度ω２は、目標出力演算部６２に出力される。

第３実施形態の電動車いすは、制御部が第２比例補正演算部７６及び第２微分補正演算部７７を有して目標車体角速度ω１をフィードバック補正する。そして、敏感な補正処理を行う第２微分補正演算部７７に対して、ジョイスティック４１の操作が直接的には影響しない。したがって、フィードバック補正によりカント走行時の片流れを軽減して直進走行性を向上できることに加え、平滑化手段を有する態様と同等に、ジョイスティック４１の操作の影響による車体２の挙動の急激な変化を防止できる。

なお、本発明のパーソナルビークルは、上述した第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施できることは言うまでもない。例えば、車体角速度検出部として、左及び右角速度センサ５６Ｌ、５６Ｒを省略し、左及び右回転数センサ５２Ｌ、５２Ｒで検出した実回転数ＮＬ、ＮＲからヨー角速度ωＹを演算するようにしてもよい。また例えば、各実施形態の目標出力演算部６２で、回転数に代えて同じ次元を有する車軸角速度を用いた演算処理を行うようにしても、同じ走行制御機能を具備できる。この場合、左及び右駆動輪３Ｌ、３Ｒの目標回転数に代えて目標車軸角速度を用いるとともに、実回転数ＮＬ、ＮＲを車軸角速度に換算する。

本発明は、実施形態で説明した電動車いす１以外にも、個人用乗物などに代表されるパーソナルビークルに広く利用することができる。

１：電動車いす（パーソナルビークル）
２：車体２６Ｌ：左後輪２６Ｒ：右後輪２９：バッテリ
３Ｌ：左駆動輪３Ｒ：右駆動輪
４：操作ユニット４１：ジョイスティック（操作部）
４２：メインコントローラ４３：操作制御部４４：操作通信部
５Ｌ：左駆動ユニット５１Ｌ：左モータ５２Ｌ：左回転数センサ
５３Ｌ：左コントローラ５４Ｌ：左制御部５５Ｌ：左通信部
５６Ｌ：左角速度センサ５７Ｌ：左モータ駆動部
５Ｒ：右駆動ユニット５１Ｒ：右モータ５２Ｒ：右回転数センサ
５３Ｒ：右コントローラ５４Ｒ：右制御部５５Ｒ：右通信部
５６Ｒ：右角速度センサ５７Ｒ：右モータ駆動部
６１：目標速度及び角速度演算部６２：目標出力演算部
６３、６３Ａ：角速度補正部６４：ローパスフィルタ（平滑化手段）
７１：差分演算部７２：比例補正演算部
７４：微分補正演算部７５：出力演算部７６：第２比例補正演算部
７７：第２微分補正演算部７８：出力演算部
７１２、７４３：値制限部
Ｓ１：指令信号Ｖ１：目標直進速度 ω１：目標車体角速度
ωＹ：ヨー角速度 ω２：補正後の目標車体角速度
ＮＬ、ＮＲ：実回転数ＶＬ、ＶＲ：左及び右駆動電圧（駆動力）

Claims

車体と、前記車体の左右に設けられた左駆動輪及び右駆動輪と、前記車体の走行に関する指令信号を入力する操作部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪を独立して回転駆動する駆動部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数を検出する回転数検出部と、前記指令信号ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備えたパーソナルビークルであって、
前記車体のヨー軸周りの角速度であるヨー角速度を検出する車体角速度検出部をさらに備え、
前記制御部は、
前記指令信号に基づいて、前記車体が前記ヨー軸周りに回転する目標車体角速度、及び前記車体が直進する目標直進速度を設定する指令値設定手段と、
前記目標車体角速度と前記ヨー角速度との差分に基づいて前記目標車体角速度を補正する比例補正手段と、
前記差分の時間変化量に基づいて前記目標車体角速度を補正する微分補正手段と、
前記比例補正手段及び前記微分補正手段によって補正された後の目標車体角速度ならびに前記目標直進速度に基づいて前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数を演算する目標演算手段と、
前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する駆動制御手段と、を有し、
前記比例補正手段、及び前記微分補正手段の少なくとも一手段は、前記目標車体角速度を補正する補正量を制限する値制限部を有するパーソナルビークル。
前記制御部は、前記指令信号の時間的な変化を平滑化する平滑化手段をさらに有する請求項１に記載のパーソナルビークル。
車体と、前記車体の左右に設けられた左駆動輪及び右駆動輪と、前記車体の走行に関する指令信号を入力する操作部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪を独立して回転駆動する駆動部と、前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数を検出する回転数検出部と、前記指令信号ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、を備えたパーソナルビークルであって、
前記車体のヨー軸周りの角速度であるヨー角速度を検出する車体角速度検出部をさらに備え、
前記制御部は、
前記指令信号に基づいて、前記車体が前記ヨー軸周りに回転する目標車体角速度、及び前記車体が直進する目標直進速度を設定する指令値設定手段と、
前記ヨー角速度の大きさに基づいて前記目標車体角速度を減算補正する第２比例補正手段と、
前記ヨー角速度の時間変化量に基づいて前記目標車体角速度を減算補正する第２微分補正手段と、
前記第２比例補正手段及び前記第２微分補正手段によって補正された後の目標車体角速度ならびに前記目標直進速度に基づいて前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数を演算する目標演算手段と、
前記左駆動輪及び前記右駆動輪の目標回転数ならびに前記左駆動輪及び前記右駆動輪の実回転数に基づいて前記駆動部の駆動力を制御する駆動制御手段と、を有するパーソナルビークル。
前記第２比例補正手段、及び前記第２微分補正手段の少なくとも一手段は、前記目標車体角速度を補正する補正量を制限する値制限部を有する請求項３に記載のパーソナルビークル。