JP7580902B2 - 小型電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、シニアカーや電動車椅子などの小型電動車両に関し、さらに詳しくは、障害回避機能を備えたハンドル型電動車椅子に関するものである。

シニアカーや電動車椅子などの小型電動車両は、速度や車体サイズなどの規定を満たす場合には法令上歩行者扱いとなり、車道ではなく歩道を走行する。そのため、走路上には他の歩行者などの様々な障害物が存在する。そこで、歩行者などの障害物との衝突を防止するためのシステムが開発されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６－４３１１１号公報

このような小型電動車両は、進行方向前方の障害物を検知した場合に、走行用モータを減速または停止することによって、障害物との衝突を未然に防止するようにしているが、減速や停止による衝突防止のみならず、ステアリング機構に取付けた操舵用モータを制御して、障害物を自動操舵により回避するシステムも検討されている。

ところで、このような障害回避システムにおける自動操舵は、車道走行を前提とした自動車のオートパイロット機能とは異なり、あくまでも障害回避を目的とした限定的なものに過ぎない。そのため、障害回避後の走行経路や進行方向が、小型電動車両の搭乗者（操縦者）が意図する方向と異なる場合や、搭乗者自身の手動操舵による障害回避に移行したい場合もある。したがって、障害回避に係る自動操舵中に搭乗者の操舵介入によって手動操舵に切替わるオーバーライド機能を備えることが好ましい。

本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、障害回避に係る自動操舵中におけるオーバーライド機能を適切に実施できる小型電動車両を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
歩道を走行可能でありかつ電動車椅子として利用可能な小型電動車両であって、
左右ハンドルの操作トルクに応じて操舵する操舵操作装置と、
進行方向前方の路面および物体を検出するための外界検出部と、
前記外界検出部の検出情報に基づいて障害領域を検出した際に、前記障害領域から離れる方向への自動操舵により前記障害領域を自動操舵回避する制御を行う障害回避制御部と、を備え、
前記障害回避制御部は、前記自動操舵回避中に、前記左右ハンドルに、前記自動操舵回避の操舵方向に操舵角を増し加える順操舵となる第１のしきい値以上の操作トルクが加わった場合、および、前記自動操舵回避の操舵方向に対して逆操舵となる第２のしきい値以上の操作トルクが加わった場合に、自動操舵を停止するオーバーライド機能を有し、
前記第２のしきい値は、前記自動操舵回避の経路走行の初期には、逆操舵によるオーバーライドが禁止されるように十分に大きい値に設定され、前記経路走行の終盤には、逆操舵によるオーバーライドが許容されるように小さい値に設定されることを特徴とする。

本発明に係る小型電動車両は、上記のように、自動操舵回避中に、ハンドルに順操舵となる所定以上の操作トルクが加わった場合、および、障害に接近しない範囲でハンドルに逆操舵となる所定以上の操作トルクが加わった場合に、自動操舵を停止するオーバーライド機能を有するので、搭乗者自身が障害を認識して手動操舵（順操舵）により障害回避することを選択する場合や、自動操舵回避により障害から離去する段階で搭乗者が意図する方向に進みたい場合に手動操舵（順操舵、逆操舵）することで、自動操舵を中止でき、搭乗者の意思を反映した障害回避が可能であるとともに、障害に接近するような操舵では直ちにオーバーライドせず、自動操舵が継続されるので、誤操作による障害への接近等を防止できる。

本発明実施形態に係る小型電動車両を示す斜視図である。 本発明実施形態に係る小型電動車両を示す側面図である。 本発明実施形態に係る小型電動車両の操舵機構を示す斜視図である。 本発明実施形態に係る小型電動車両のハンドル操作を示す平面図である。 本発明実施形態に係る小型電動車両の制御系統を示すブロック図である。 本発明第１実施形態に係る小型電動車両の（ａ）障害領域検出および（ｂ）自動操舵による障害回避を示す概略平面図である。 本発明実施形態に係る小型電動車両の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１および図２において、本発明第１実施形態に係る小型電動車両１は、車体２の前部２１に操舵輪である前輪４１、後部２３に駆動輪である後輪５１を備え、後輪５１にはギヤボックス５２を介して走行用モータ５の動力が伝達されるようになっている。

車体２は、前部２１から後部２３の周囲に延びるフレーム２０を備え、前部２１と後部２３との間にステップ２２が設けられ、後部２３のフェアリング内部にはバッテリー８が搭載されている。フレーム２０には、後部２３の上側を跨ぐようにシートフレーム２４が設けられ、このシートフレーム２４の中央に立設されたポスト３０にシート３が支持されている。

シート３は、シートクッション３１、シートバック３２、アームレスト３３，３４を備え、右のアームレスト３３の先端には支持アーム３５を介して操作部３６が設けられている。操作部３６には、左右独立したハンドル６１，６２を有する操舵操作装置６と、左右の外界センサ７１，７２を含む外界検出部７が設けられ、左右のハンドル６１，６２にはアクセル５３，５３が付設されている。

左右のアクセル５３，５３は、速度コントローラ５０に接続されており、左右何れかまたは両方のアクセル５３，５３を把持する操作に応じて、速度コントローラ５０により走行用モータ５の出力が制御され、小型電動車両１が発進し、所定速度（またはアクセル操作量に応じた速度）で走行し、アクセル５３，５３の（把持を緩めることで減速し）把持を止めることで停止する。

操舵操作装置６は、左右のハンドル６１，６２からなる操作部と、操舵輪である前輪４１の操舵機構４とが機械的に連結されていないステアバイワイヤによる操舵システムを構成している。すなわち、図３に示すように、左右のハンドル６１，６２は、それぞれの基部が右側操舵反力アクチュエータ６３，左側操舵反力アクチュエータ６４（モータ）の回動軸に固定され、これらの回動軸には、それぞれハンドル６１，６２の操作角を検出する右側操作角センサ６５，左側操作角センサ６６と、それぞれの回動軸のトルクを検出する右側ハンドルトルクセンサ６７，左側ハンドルトルクセンサ６８が設けられている。

左右の操作角センサ６５，６６およびハンドルトルクセンサ６７，６８の検出信号は操舵コントローラ６０に送られ、それに応じた制御信号が操舵コントローラ６０から操舵反力アクチュエータ６３，６４に出力され、搭乗者が左右のハンドル６１，６２を操舵している間は、操作角および操作トルクに応じた制御信号が操舵機構４の操舵角コントローラ４０に出力される。

例えば、図４（ａ）に示すように、左右何れか（この場合は左方向）に操舵されている状態から、搭乗者が操舵反力アクチュエータ６３，６４による操舵反力に抗して、左右のハンドル６１，６２の操作角を増し加えるような操舵を行った場合は、操作角および操作トルクに応じた制御信号が操舵機構４の操舵角コントローラ４０に出力される。

一方、図４（ｂ）に示すように、左右何れか（この場合は左方向）に操舵されている状態から、搭乗者が操舵力を緩めると、操舵反力アクチュエータ６３，６４により左右のハンドル６１，６２の操作角がゼロ復帰する。なお、操舵操作装置６を構成する左右のハンドル６１，６２と操舵反力アクチュエータ６３，６４は、後述する障害回避制御部１１と連動した振動警報装置の加振手段を兼ねている。

操舵機構４は、左右のサスペンションアーム４３の先端に枢支されたナックル４２、左右のナックル４２の端部を連結するタイロッド４４を含み、操舵コントローラ６０からの操舵角指令に応じて、操舵角コントローラ４０により操舵用アクチュエータ４６（モータ）の正逆回転が制御され、ラックピニオン機構４５を介してタイロッド４４が左方向または右方向に移動し、左右のナックル４２に回転自在に支持された前輪４１，４１が操舵され、搭乗者が操舵力を緩めると、操舵用アクチュエータ４６は操舵角ゼロに戻って停止するように構成されている。

なお、左右のナックル４２が１つのタイロッド４４で連結される代わりに、操舵用アクチュエータ４６で駆動されるクランク等の部材と左右のナックル４２とが個別のタイロッドで連結される構成や、左右のナックル４２が個別の操舵用アクチュエータで操舵される構成とすることもできる。

外界検出部７は、図１および図２に示すように、操作部３６前端部に取付けられた左右の外界センサ７１，７２を含む。外界センサ７１，７２は、進行方向前方の障害物、歩行者、段差などの存在と相対距離を画像データや点群データとして障害回避制御部１１に入力するための検知手段からなり、例えば、路面の３次元的形状を取得できるステレオカメラやレーザーレーダを好適に用いることができる。

障害回避制御部１１は、図５に示すように、障害検出部１２、障害領域判定部１３、回避経路生成部１４、警報制御部１５を含み、これらの機能を実施するためのコンピュータ、すなわち、プログラム及びデータを記憶したＲＯＭ、演算処理を行うＣＰＵ、前記プログラム及びデータを読出し、動的データや演算処理結果を記憶するＲＡＭ、および、入出力インターフェースなどで構成されている。

障害検出部１２は、外界検出部７（外界センサ７１，７２）に取得された画像データや点群データに基づいて進行方向前方の路面形状や建造物などの静止物体と歩行者や自転車などの移動体をパターンマッチングなどの画像処理によって識別する。さらに、時系列フィルタを用いて移動体の現在の状態から未来位置を予測し、自車進路への接近または接触の可能性が推定される場合は、速度コントローラ５０により走行用モータ５の出力を制御し、小型電動車両１を減速または減速停止させることで、衝突や接触を未然に回避する。

障害領域判定部１３は、障害検出部１２で識別された路面形状や建造物などの静止物体の位置情報や形状データから、小型電動車両１が走行不可能な段差（上り段差、下り段差）や溝（進入角度により許容幅が異なる）、走路狭窄部、急坂（上り坂、下り坂）などの障害領域を検出する。

回避経路生成部１４は、障害検出部１２で識別された路面形状や建造物などの静止物体の位置情報や形状データと現在の車両位置に基づき、障害領域判定部１３で検出された障害領域を右方向または左方向の自動操舵によって回避するための回避経路を算出する。すなわち、進行方向前方の障害領域が存在する方向と反対方向への進路変更を行った場合の走行経路を推定し、その走行経路により現在検出されている障害領域を回避でき、かつ、他の障害領域に接近しない場合に、その走行経路を回避経路とする。

警報制御部１５は、障害領域判定部１３で検出された障害領域の位置に従って、左右別々に動作可能な振動警報装置（操舵コントローラ６０、操舵反力アクチュエータ６３，６４）に振動警報のための制御信号を出力する。

すなわち、左右の操舵反力アクチュエータ６３，６４は、操舵コントローラ６０からの制御信号により、搭乗者のハンドル操作角に応じた操舵反力を左右ハンドル６１，６２に付与する基本動作に加えて、振動警報時には、警報制御部１５から出力される左右何れかの振動警報（制御信号）が、操舵コントローラ６０からの制御信号に重畳されることにより、対応するハンドル６１，６２に微細な振動を付与する加振手段（振動警報装置）として機能する。

次に、上記実施形態に基づく小型電動車両１の障害回避動作について、図６および図７を参照しながら説明する。

小型電動車両１の走行中は、外界検出部７と障害回避制御部１１は常に作動しており、外界検出部７は小型電動車両１の進行方向前方のセンシングを行う（ステップ１００）。

先ず、障害回避制御部１１（障害検出部１２）が、外界検出部７に取得された画像データや点群データに基づいて進行方向前方の路面形状や建造物などの静止物体と歩行者や自転車などの移動体等の障害を検出し（ステップ１１０）、移動体との接触の可能性が推定される場合は、小型電動車両１を減速または減速停止させ、衝突や接触を未然に回避する。

次いで、障害領域判定部１３は、障害検出部１２で識別された路面形状や建造物などの静止物体の位置情報や形状データから、走行不可能な段差（上り段差、下り段差）や溝、走路狭窄部、急坂（上り坂、下り坂）などの障害領域を検出する（ステップ１２０）。

例えば、図６（ａ）に示すように、進行方向右側前方に障害領域として下り段差Ｄが検出された場合、警報制御部１５は、障害領域判定部１３の判定に基づいて「右側」振動警報（警報制御信号）を出力し、右側ハンドル６１の振動警報を作動させることにより、搭乗者は、進行方向右側前方に障害領域（下り段差Ｄ）が存在することを認識できる。

これと並行して、障害回避制御部１１（回避経路生成部１４）は、図６（ｂ）に示すように、障害領域（下り段差Ｄ）を反対方向（ここでは左方向）への自動操舵によって回避するための回避経路Ｐを生成し、その経路に他の障害領域がない場合に、その走行経路を回避経路Ｐとする（ステップ１３０）。

次いで、障害回避制御部１１から、回避経路Ｐに沿って走行すべく、操舵角コントローラ４０により操舵用アクチュエータ４６が制御され、自動操舵による障害回避が開始される（ステップ１４０）。この際、図６（ｂ）に示すように、警報制御部１５からの制御信号により左側ハンドル６２の振動警報が作動することにより、搭乗者は、左方向への自動操舵による障害回避が開始されたことを認識できる。

自動操舵による回避経路Ｐの走行中（ステップ１４１）は、前輪４１′の操舵角に対応するように左右ハンドル６１，６２の操作角が制御され、かつ、左右のハンドルトルクセンサ６７，６８により対応する左右ハンドル６１，６２に手動操舵により入力される操作トルクが検出される（ステップ１４２）。

有意な操作トルクの入力が検出された場合は、操作トルクの方向が、自動操舵の操舵方向に対して操舵角を増し加える順操舵であるか否か、すなわち、ハンドルトルクセンサ６７，６８の入力トルクがプラス方向（順操舵）かマイナス方向（逆操舵）かがチェックされる（ステップ１４３）。

例えば、図６（ｂ）に符号Ｐ１で示すように、ある地点Ｐ１において順操舵となるプラスの操作トルクが左右何れかのハンドルトルクセンサ６７，６８に検出された場合には、入力トルクの値が順操舵オーバーライド閾値１より大きいか否かがチェックされる（ステップ１４４）。

入力トルク値が順操舵オーバーライド閾値１より大きい場合には、搭乗者が手動操舵に移行する意図をもって操舵したものと判断し、自動操舵による障害回避を終了し、そのまま手動操舵に引き継がれる（ステップ１５０）。一方、入力トルク値が順操舵オーバーライド閾値１以下の場合には、単にハンドル６１，６２を把持する操作に付随したものと見做し、そのまま自動操舵による障害回避を継続する。

一方、この地点Ｐ１において、逆操舵となる操作トルクが左右何れかのハンドルトルクセンサ６７，６８に検出された場合には、入力トルクの値が逆操舵オーバーライド閾値２より大きいか否かがチェックされる（ステップ１４５）。

この逆操舵オーバーライド閾値２は、回避経路Ｐの初期では十分に大きく設定されており、逆操舵によるオーバーライドは禁止されるようになっている。回避経路Ｐの初期に逆操舵により手動操舵に移行すると障害領域Ｄに接近することが予想されるので、逆操舵によるオーバーライドは禁止され、自動操舵による回避経路Ｐの走行が継続される。

その後、例えば、図６（ｂ）に符号Ｐ２で示すように、回避経路Ｐの終盤の地点Ｐ２において、逆操舵となる操作トルクが左右何れかのハンドルトルクセンサ６７，６８に入力された場合には、回避経路Ｐの初期よりも十分に小さい値に設定されている後期の逆操舵オーバーライド閾値２と比較される（ステップ１４５）。

回避経路Ｐの終盤（Ｐ２）では、自動操舵による回避経路Ｐの走行から、搭乗者が本来目的としていた方向に進行するために、操舵介入することも想定されるので、入力トルク値が後期の逆操舵オーバーライド閾値２より大きい場合には、搭乗者が手動操舵に移行する意図をもって操舵したものと判断し、自動操舵による障害回避を終了し、そのまま手動操舵に引き継がれる（ステップ１５０）。

入力トルク値が後期の逆操舵オーバーライド閾値２以下の場合、そのまま自動操舵による経路走行が継続され、回避経路Ｐの終点に達すると（ステップ１４１）、左右ハンドル６１，６２の振動警報（または他の告知手段）により自動操舵による経路走行の終了が告知され、手動操舵に引き継がれる（ステップ１５０）。

経路走行初期および後期の逆操舵オーバーライド閾値２は、経路走行距離に応じて漸次または段階的に小さくなる設定や、経路走行前半（無限大、すなわち、オーバーライド禁止）と後半（所定値）の２段階の設定、経路走行距離に反比例する設定などとすることができる。

また、逆操舵オーバーライドは障害領域への接近を伴う場合があるため、基本的に順操舵オーバーライド閾値１は逆操舵オーバーライド閾値２よりも小さい値とすることが好ましい。

上記実施形態では、左右のハンドル６１，６２の如何に拘わらず、順操舵、逆操舵の各場合のオーバーライド閾値について述べたが、本実施形態における左右分離式のハンドル６１，６２では、例えば、図４（ａ）に示すような左方向への操舵（図６（ｂ）における順操舵）、すなわち、それぞれのハンドル６１，６２の回動軸６１ａ，６２ａを中心に左方向に回動させる操舵であっても、右ハンドル６１は搭乗者側から押す方向の操作（伸展動作）、左ハンドル６２は搭乗者側に引く操作（屈曲動作）となり、異なる動作と見ることもできる。

ステアバイワイヤによる操舵システムでは、操舵トルクは操作が不安定にならない範囲で十分に小さく設定されているため、過大な操舵力を必要とすることはないが、上腕の最大発揮力は屈曲側と伸展側で異なり、屈曲側が大きいという研究もある。そこで、引く操作（屈曲動作）と押す方向の操作（伸展動作）のオーバーライド閾値を異なる値、例えば、押す方向の操作（伸展動作）のオーバーライド閾値よりも引く操作（屈曲動作）のオーバーライド閾値を大きく設定することもできる。

また、引く操作（屈曲動作）と押す方向の操作（伸展動作）の操作力は、利き手や身体能力の低下など、搭乗者の個人的条件により異なる場合もあるので、左右ハンドル６１，６２を含む操舵操作装置６または障害回避制御部１１に、搭乗者の個人的条件を取得するための測定プログラムメニューを用意してもよい。

例えば、小型電動車両１の停止状態で、左右ハンドル６１，６２それぞれにつき、１回ないしは数回、引く操作（屈曲動作）と押す方向の操作（伸展動作）を行い、操作トルクの基礎データを取得し、オーバーライド閾値や手動操舵の操舵反力に反映させることで、搭乗者の個人的条件の影響を排除できる。

また、左右分離式のハンドル６１，６２の何れか一方のみで操舵が行えるので、左右分離式でありながら、左右一体型のハンドルやステアリングホイールと同様の操舵が行えることに加えて、左右両方に操舵システムを有する冗長性によって、左右何れかが失陥した場合にも他の一方で走行を継続できる利点もある。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

１ 小型電動車両
２ 車体
３ シート
４ 操舵機構
５ 走行用モータ
６ 操舵操作装置
７ 外界検出部
１１ 障害回避制御部
１２ 障害検出部
１３ 障害領域判定部
１４ 回避経路生成部
１５ 警報制御部
２６，３６ 操作部
４０ 操舵角コントローラ
４６ 操舵用アクチュエータ
５０ 速度コントローラ
５３ アクセル
６０ 操舵コントローラ
６１，６２ ハンドル
６３，６４ 操舵反力アクチュエータ
６５，６６ 操作角センサ
６７，６８ ハンドルトルクセンサ
７１，７２ 外界センサ

Claims (4)

1. 歩道を走行可能でありかつ電動車椅子として利用可能な小型電動車両であって、
   左右ハンドルの操作トルクに応じて操舵する操舵操作装置と、
   進行方向前方の路面および物体を検出するための外界検出部と、
   前記外界検出部の検出情報に基づいて障害領域を検出した際に、前記障害領域から離れる方向への自動操舵により前記障害領域を自動操舵回避する制御を行う障害回避制御部と、を備え、
   前記障害回避制御部は、前記自動操舵回避中に、前記左右ハンドルに、前記自動操舵回避の操舵方向に操舵角を増し加える順操舵となる第１のしきい値以上の操作トルクが加わった場合、および、前記自動操舵回避の操舵方向に対して逆操舵となる第２のしきい値以上の操作トルクが加わった場合に、自動操舵を停止するオーバーライド機能を有し、
   前記第２のしきい値は、前記自動操舵回避の経路走行の初期には、逆操舵によるオーバーライドが禁止されるように十分に大きい値に設定され、前記経路走行の終盤には、逆操舵によるオーバーライドが許容されるように小さい値に設定されることを特徴とする小型電動車両。
2. 前記左右ハンドルは、左右対称に配置され、それぞれを基端側の回動軸を中心に回動操作する操作トルクに応じて操舵可能であり、前記操舵操作装置は、左右いずれか一方のハンドル操作のみで操舵可能であることを特徴とする請求項１記載の小型電動車両。
3. 前記第１および前記第２のしきい値は、それぞれにおいて、前記左右ハンドルを搭乗者側に引く方向のしきい値が、押す方向のしきい値よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の小型電動車両。
4. 前記第１のしきい値は、前記第２のしきい値よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の小型電動車両。

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