JP2022107619A - 段差検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良く路面上の段差を検出することができる段差検出装置を提供する。【解決手段】前輪１０１と後輪１０２を備える車椅子１００に搭載される段差検出装置１０において、車椅子１００のピッチレートを検出するジャイロセンサ４により検出されたピッチレートを取得し、取得したピッチレートに基づいて、車椅子１００が走行して通過した路面上の段差を検出する段差検出部１３を備え、段差検出部１３は、路面上を前輪１０１が通過した際にジャイロセンサ４が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、第１ピッチレートを検出した位置を後輪１０２が通過した際にジャイロセンサ４が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、に基づいて、段差を検出する、ことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、路面上の段差を検出する段差検出装置に関する。

路面の段差等を示して、車椅子等の利用者が通行しやすいルートを分かり易く表示したバリアフリーマップが作成されている。このようなバリアフリーマップは、人手により段差等の調査が行われており、手間と時間とコストがかかるため、バリアフリーマップが作成されているのは一部の街だけであった。

また、人手による調査のために、バリアフリーマップの更新も頻繁に行うことが困難である。そのため、例えば道路工事等の路面状態の変化がバリアフリーマップには反映されないことがあり、実際の路面状態とかけ離れているということもあった。

このような問題に対して、自動的に段差等を検出する装置等が提案されている。例えば、特許文献１には、携帯端末の角速度センサで利用者が歩行中の角速度を検出し、予め記憶しておいた平坦な場所の角速度データと比較し、差異が大きければ階段の段差と判断し、段差の情報と位置をセンタに送信することが記載されている。

また、特許文献２には、３Ｄジャイロスコープで算出する車両が走行中の道路の勾配角が所定の値よりも大きい場合は、急な段差と判定し、段差と判定した地点を登録することが記載されている。

また、特許文献３には、車椅子に振動検出手段と傾斜検出手段を設け、移動した際の路面の凹凸と傾斜を位置情報とともにサーバにアップロードすることが記載されている。

特開２０１２－０９８９３９号公報 特開２００５－０４３２６１号公報 特開２００３－０１０２５７号公報

特許文献１に記載の方法は、階段のように段差が連続するか、高さの差が大きい段差は検出可能であるが、小さな段差の場合、歩行者はひとまたぎでこれを超えることができるため検出できない場合がある。特許文献２に記載の方法の場合は、勾配角の大きさで段差と傾斜を区別しているため、勾配角が小さい比較的高さの低い段差を精度良く検出することが困難である。このように、これらの文献に記載の方法は、歩行者では問題のない段差であっても車椅子等にはバリアとなるような段差を精度良く検出することが困難である。

また、特許文献３に記載の方法は、振動検出手段により路面の凹凸状況を検出することが開示されているが、段差を検出する具体的方法については何ら開示されていない。そのため、検出された地点が凹凸なのか段差なのか区別がつかない。

そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、例えば、精度良く路面上の段差を検出することができる段差検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、前輪と後輪とを備える移動体に搭載される、又は前記移動体に取付可能な段差検出装置であって、前記移動体の移動平面に対して垂直方向の加速度を検出する加速度検出手段により検出された加速度を取得する加速度取得手段と、前記移動体のピッチレートを検出するピッチレート検出手段により検出されたピッチレートを取得し、取得した前記ピッチレートと、前記加速度取得手段が取得した前記加速度と、に基づいて、前記移動体が走行して通過した路面上の段差を検出する段差検出手段と、を備え、前記段差検出手段は、前記路面上を前記前輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、前記第１ピッチレートを検出した際に前記加速度取得手段が取得した前記加速度と、前記第１ピッチレートを検出した位置を前記後輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、前記第２ピッチレートを検出した際に前記加速度取得手段が取得した前記加速度と、に基づいて、前記段差を検出する、ことを特徴とする段差検出装置である。

また、請求項９に記載の発明は、前輪と後輪とを備える移動体に搭載される、又は前記移動体に取付可能な段差検出装置で実行する段差検出方法であって、前記移動体の移動平面に対して垂直方向の加速度を検出する加速度検出手段により検出された加速度を取得する加速度取得工程と、前記移動体のピッチレートを検出するピッチレート検出手段により検出されたピッチレートを取得し、取得したピッチレートと、前記加速度取得工程で取得した前記加速度と、に基づいて、前記移動体が走行して通過した路面上の段差を検出する段差検出工程と、を含み、前記段差検出工程は、前記路面上を前記前輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、前記第１ピッチレートを検出した際に前記加速度取得工程で取得した前記加速度と、前記第１ピッチレートを検出した位置を前記後輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、前記第２ピッチレートを検出した際に前記加速度取得工程で取得した前記加速度と、に基づいて、前記段差を検出する、ことを特徴とする段差検出方法である。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の段差検出方法を、コンピュータにより実行させることを特徴とする段差検出プログラムである。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の段差検出プログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明の一実施例にかかる段差検出装置を有する段差検出システムの概略構成図である。 図１に示された演算装置１等の概略構成図である。 図１に示されたサーバ装置の概略構成図である。 上り段差の場合の車椅子の移動の状態を示した説明図である。 図４の状態におけるピッチレート、ピッチ角、垂直加速度の変化を示したグラフである。 下り段差の場合の車椅子の移動の状態を示した説明図である。 図６の状態におけるピッチレート、ピッチ角、垂直加速度の変化を示したグラフである。 段差の高さをホイールベース長との関係を示した説明図である。 ホイールベース長で正規化する前と後のピッチレートのピーク値のグラフである。 図９に示されたグラフから算出した平均値、標準偏差、変動係数をまとめた表である。 図１に示された演算装置の動作を示したフローチャートである。 図１に示されたサーバ装置の動作を示したフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態にかかる段差検出装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる段差検出装置は、前輪と後輪とを備える移動体に搭載される、又は移動体に取付可能となっている。そして、段差検出手段が、路面上を前輪が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、第１ピッチレートを検出した位置を後輪が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、に基づいて、段差を検出する。このようにすることにより、前輪と後輪の２つの車輪のピッチレートの変化により段差を検出することができるので、比較的低い段差であっても精度良く路面上の段差を検出することができる。

また、段差検出手段は、第１ピッチレートが検出された路面上の位置から移動体のホイールベース長に関連する距離を移動体が移動した際に検出されたピッチレートを第２ピッチレートとしてもよい。このようにすることにより、移動体の前輪と後輪の間の長さであって既知の値であるホイールベース長に基づいて、第２ピッチレートを検出する位置を特定することができる。

また、段差検出手段は、第１ピッチレートの絶対値が予め定めた第１の閾値以上、かつ第２ピッチレートの絶対値が予め定めた第２の閾値以上である場合に、当該位置を段差として検出してもよい。このようにすることにより、一定以上の絶対値を持つピッチレートが前輪通過時と後輪通過時で検出された場合を段差とすることができるので、段差の検出を精度良くすることができる。

また、移動体の移動平面に対して垂直方向の加速度を検出する加速度検出手段により検出された加速度を取得する加速度取得手段を備え、段差検出手段は、第１ピッチレートを検出した際に加速度取得手段が取得した加速度と、第２ピッチレートを検出した際に加速度取得手段が取得した加速度と、に基づいて段差を検出してもよい。このようにすることにより、ピッチレートに加えて垂直方向の加速度も考慮することができるので、段差の検出精度を一層向上させることができる。

また、段差検出手段は、第１ピッチレートを検出した際に加速度取得手段が取得した加速度の絶対値が予め定めた第３の閾値以上、かつ第２ピッチレートを検出した際に加速度取得手段が取得した加速度の絶対値が予め定めた第４の閾値以上である場合に、当該位置を段差として検出してもよい。このようにすることにより、一定以上の垂直方向の加速度が前輪通過時と後輪通過時で検出された場合を第１ピッチレートとすることができ、段差の検出を精度良くすることができる。

また、段差検出手段は、ピッチレート検出手段から取得したピッチレートの符号と加速度取得手段が取得した加速度の変化の向きとに基づいて、段差を検出してもよい。このようにすることにより、ピッチレートの符号、つまり、ピッチレートが正数が負数かと、加速度の変化の向き、つまり、加速度が増加したか減少したかと、を考慮することができるので、ピッチレートの方向や加速度の方向まで考慮して段差を精度良く検出することができる。

また、段差検出手段は、第１ピッチレートの符号と第２ピッチレートの符号とに基づいて、移動体が通過した段差が上り段差であったか下り段差であったかを検出してもよい。このようにすることにより、２つのピッチレートの符号によって現在通過した段差が上り段差か下り段差かを判別することができる。

また、段差検出手段は、段差を検出した際に、第１ピッチレートのピーク値をホイールベース長で正規化した第１正規化ピッチレート、および／または第２ピッチレートのピーク値をホイールベース長で正規化した第２正規化ピッチレートを含む正規化ピッチレート情報を生成する。そして、位置取得手段が段差が検出された位置に関する情報を取得し、送信手段が外部のサーバ装置により路面上の段差のレベルを判定させるための情報として、位置取得手段から取得した段差が検出された位置に関する情報及び正規化ピッチレート情報を当該サーバ装置へ送信するようにしてもよい。このようにすることにより、正規化ピッチレート情報によってホイールベース長の違いによる検出誤差を少なくすることができる。また、サーバ装置に複数の段差検出装置から収集した情報に基づいて段差レベルを判定した結果を蓄積させることができる。よって段差の判定精度を高めることができる。

また、段差検出手段は、段差を検出した際に、第１ピッチレートのピーク値をホイールベース長で正規化した第１正規化ピッチレート、および／または第２ピッチレートのピーク値をホイールベース長で正規化した第２正規化ピッチレートに基づいて、段差のレベルを判定するようにしてもよい。このようにすることにより、ホイールベース長の違いによる検出誤差を少なくすることができる。

また、位置取得手段が段差が検出された位置に関する情報を取得し、送信手段が段差検出手段により判定された段差レベル及び当該段差が検出された位置に関する情報を、外部のサーバ装置へ送信するようにしてもよい。このようにすることにより、サーバ装置に複数の段差検出装置から収集した情報に基づいて段差レベルを判定した結果を蓄積させることができる。

また、本発明の一実施形態にかかる段差検出方法は、段差検出工程で、路面上を前輪が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、第１ピッチレートを検出した位置を後輪が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、に基づいて、段差を検出する。このようにすることにより、前輪と後輪の２つの車輪のピッチレートの変化により段差を検出することができるので、比較的低い段差であっても精度良く路面上の段差を検出することができる。

また、上述した段差検出方法をコンピュータにより実行させる段差検出プログラムとしてもよい。このようにすることにより、コンピュータを用いて、前輪と後輪の２つの車輪のピッチレートの変化により段差を検出することができるので、精度良く路面上の段差を検出することができる。

また、上述した段差検出プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このようにすることにより、当該プログラムを機器に組み込む以外に単体でも流通させることができ、バージョンアップ等も容易に行える。

本発明の一実施例にかかる段差検出装置を図１乃至図１２を参照して説明する。本実施例にかかる段差検出装置としての演算装置１は、図１に示したように、移動体としての車椅子１００に搭載されている。

図１は、本発明の一実施例にかかる段差検出装置を有する段差検出システムの構成図である。図１に示したように、車椅子１００には、演算装置１の他にＧＰＳ受信機２と、加速度検出手段としての加速度センサ３と、ピッチレート検出手段としてのジャイロセンサ４と、送信手段としての通信機５と、が搭載されている。ここで、演算装置１と通信機５とで本発明の一実施例にかかる段差検出装置１０を構成する。

車椅子１００に搭載された通信機５は、インターネット等のネットワーク網Ｎに無線通信で接続することができ、このネットワーク網Ｎを介してサーバ装置５０と通信可能となっている。

車椅子１００は、車体に、左右一対の前輪１０１及び左右一対の後輪１０２が設けられている。前輪１０１は車体の前方側に設けられている。後輪１０２は車体の後方側に設けられている。前輪１０１は、その直径は後輪１０２の直径より小さくなっている。

車椅子１００の車体は、例えば鋼管製のフレームにより構成されたフレーム構造体である。そして、車体には、利用者が着席する座席や、利用者の足部を乗せるフットプレート等が設けられている。

車椅子１００に搭載されている機器の機能的構成図を図２に示す。演算装置１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを備えたマイクロコンピュータ及び、ＧＰＳ受信機２、加速度センサ３、ジャイロセンサ４、通信機５と接続するためのインタフェース等を有している。また、演算装置１は、ＲＯＭ等に記憶される制御プログラムを実行することにより、ピッチレート取得部１１と、加速度取得手段としての加速度取得部１２と、段差検出手段としての段差検出部１３と、して機能する。

ピッチレート取得部１１は、ジャイロセンサ４が検出したピッチレート等を取得する。また、ピッチレート取得部１１は、後述する条件に合致するときに取得したピッチレートを第１ピッチレート、第２ピッチレートとして取得する。

加速度取得部１２は、加速度センサ３が検出した加速度等を取得する。

段差検出部１３は、ピッチレート取得部１１が取得したピッチレート（第１ピッチレート及び第２ピッチレート）に基づいて路面上の段差を検出する。段差の検出方法については後述する。即ち、段差検出部１３は、取得したピッチレートに基づいて、移動体（車椅子１００）が走行して通過した路面上の段差を検出する段差検出手段として機能する。なお、本実施例における段差とは、路面上において、車椅子１００で上がる又は下がることが困難となる位置（地点）であって、一の路面と次の路面とが所定高さ以上の垂直面または所定角度以上の斜面で繋がれている位置をいう。

ＧＰＳ受信機２は、周知のように複数のＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から発信される電波を受信して、現在地情報（緯度、経度）を求めて演算装置１に出力する。

加速度センサ３は、車椅子１００が走行して移動する移動平面に対して垂直な方向の加速度（垂直加速度）を検出する。加速度センサ３は、例えば静電容量型やピエゾ抵抗型等、どのような方式のセンサでもよいが、車椅子１００に搭載するので小型であることが好ましい。

ジャイロセンサ４は、車椅子１００のピッチ方向の回転角速度（ピッチレート）を取得する。ここで、ピッチとは車椅子１００の進行方向に対して上下方向の傾き（横方向を軸とした回転角）を示す。ジャイロセンサ４は、例えば静電容量型や圧電型等、どのような方式のセンサでもよいが、車椅子１００に搭載するので小型であることが好ましい。

通信機５は、演算装置１で演算された結果をサーバ装置５０へ無線通信により送信する。通信機５は、ＬＴＥ（Long Term Evolution）やＷ－ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）等の携帯電話網で利用されている通信方式でもよい。また、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の無線ＬＡＮの通信方式であってもよいし、それらを切り替えて利用できるものであってもよい。

サーバ装置５０の機能的構成図を図３に示す。サーバ装置５０は、通信機５１と、演算装置５２と、記憶装置５３と、を備えている。通信機５１は、通信機５から送信された演算装置１で演算された結果を受信する。

演算装置５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを備えたマイクロコンピュータを有している。また、演算装置５２は、ＲＯＭ等に記憶される制御プログラムを実行することにより、レベル判定部５２１と、更新部５２２と、して機能する。

レベル判定部５２１は、演算装置１から送信された情報に基づいて、段差のレベルを判定する。段差のレベルとは、段差の高さをレベルで区分したものであり、例えば０以上５ｃｍ未満をレベル１、５ｃｍ以上１０ｃｍ未満をレベル２など所定の閾値に基づいて判定する。

更新部５２２は、レベル判定部５２１の判定結果に基づいて、記憶装置５３に記憶されている地図情報５３２のバリア情報を更新する。また、更新部５２２は、演算装置１から送信された正規化ピッチレート等の情報を正規化ピッチレート情報５３１として蓄積する。

次に、本実施例における段差の検出原理について図４乃至図７を参照して説明する。図４は、上り段差Ｕを通過する場合の車椅子１００の移動の状態を示した図、図５は、図４の状態におけるピッチレート、ピッチ角、垂直加速度の変化を示したグラフである。なお、図５（ｃ）の垂直加速度のグラフは初期値が約９．８ｍ／ｓ２であり、初期値として重力加速度が検出されている状態である。つまり、図５（ｃ）は、予め下向きの加速度が検出されており、値が大きくなると下向きの加速度が大きくなることを意味する。

まず、図４（ａ）の状態は上り段差Ｕを通過する前の状態である。この場合、ピッチレート、ピッチ角、垂直加速度とも大きな変化は発生しない（図５（ａ）のａ）。次に図４（ｂ）の状態は上り段差Ｕを前輪１０１が上る（段差に前輪１０１が衝突した）状態である。この場合、前輪１０１が上り段差Ｕを上るので車椅子１００の車体は進行方向に向かって斜め上向きの状態となりピッチレートが上向きに増加する（図５（ａ）のｂ）。また、上向きの力を上り段差Ｕから受け、上向きの動きが生じるので上向きの垂直加速度が発生し、垂直加速度が増加する（図５の（ｃ）のｂ）。

次に図４（ｃ）の状態は上り段差Ｕを後輪１０２が上る（段差に後輪１０２が衝突した）状態である。この場合、後輪１０２が上り段差Ｕを上るので車椅子１００の車体は斜めの状態から水平の状態に移行しようとしてピッチレートが下向きに増加する（図５（ａ）のｃ）。また、後輪１０２が段差を上るため、車体が上向きの力を上り段差Ｕから受けるので垂直加速度が増加する（図５の（ｃ）のｃ）。そして、図４（ｄ）の状態は上り段差Ｕを通過した後の状態である。この場合も上り段差Ｕを通過する前と同様に、ピッチレート、ピッチ角、垂直加速度とも大きな変化は発生しない（図５（ａ）のｄ）。

つまり、上り段差Ｕの場合、前輪１０１が上り段差Ｕを通過する際には、ピッチレートが＋方向に増加するとともに垂直加速度が増加する。つまり、ピッチレートと重力加速度分を減じた垂直加速度が正数となる。そして、後輪１０２が上り段差Ｕを通過する際には、ピッチレートが－方向に増加するとともに垂直加速度が増加する。つまり、ピッチレートは負数となり、重力加速度分を減じた垂直加速度が正数となる。ここで、本実施例のピッチレートは、車椅子１００が進行方向に対して上るように車体が傾くときに正数となり、進行方向に対して下るように車体が傾くときに負数となる。また、垂直加速度は、重力加速度を減じれば、上向きの場合は正数となり、下向きの場合は負数となる。ここで、前輪１０１と後輪１０１が上り段差Ｕを通過する際、垂直加速度が増加した後に減少に転じるが、これは車輪が段差に衝突したことによって段差の上面より高い位置まで上昇し、その後その位置から段差の上面に落下するためである（図５（ｃ）のｂ点とｃ点の直後）。

図６は、下り段差Ｄを通過する場合の車椅子１００の移動の状態を示した図、図７は、図６の状態におけるピッチレート、ピッチ角、垂直加速度の変化を示したグラフである。

まず、図６（ａ）の状態は下り段差Ｄを通過する前の状態である。この場合は、ピッチレート、ピッチ角、垂直加速度とも大きな変化は発生しない（図７（ａ）のａ）。次に図６（ｂ）の状態は下り段差Ｄを前輪１０１が下る（落下する）状態である。この場合、前輪１０１が下り段差Ｄを下るので車椅子１００の車体は進行方向に向かって斜め下向きの状態となりピッチレートが下向きに増加する（図７（ａ）のｂ）。また、前輪１０１が落下するため垂直加速度が減少する（図７（ｃ）のｂ）。

次に図６（ｃ）の状態は下り段差Ｄを後輪１０２が下る（落下する）状態である。この場合、後輪１０２が下り段差Ｄを下るので車椅子１００の車体は斜めの状態から水平の状態に移行しようとしてピッチレートが上向きに増加する（図７（ａ）のｃ）。また、後輪１０２が落下するため、垂直加速度が減少する（図７（ｃ）のｃ）。そして、図６（ｄ）の状態は下り段差Ｄを通過した後の状態である。この場合も下り段差Ｄを通過する前と同様に、ピッチレート、ピッチ角、垂直加速度とも大きな変化は発生しない（図７（ａ）のｄ）。

つまり、下り段差Ｄの場合、前輪１０１が下り段差Ｄを通過する際には、ピッチレートが－方向に増加するとともに垂直加速度が減少する。つまり、ピッチレートと重力加速度分を減じた垂直加速度が負数となる。そして、後輪１０２が下り段差Ｄを通過する際には、ピッチレートが＋方向に増加するとともに垂直加速度が減少する。つまり、ピッチレートが正数となり、重力加速度分を減じた垂直加速度が負数となる。ここで、前輪１０１と後輪１０１が下り段差Ｄを通過する際、垂直加速度が減少した後に増加に転じるが、これは車輪が地面に衝突した後の跳ね返りが生じるためである（図７（ｃ）のｂ点とｃ点の直後）。

従って、図４乃至図７によれば、ジャイロセンサ４が検出するピッチレートの値及び符号と加速度センサ３が検出する垂直加速度の絶対値及び増加又は減少といった変化の向きに基づいて上り段差Ｕを通過したか下り段差Ｄを通過したかを検出することができる。また、検出されたピッチレートや垂直加速度に閾値を設けることで、図５や図７に示したｂ点やｃ点といった段差を通過した際に現れるピークを確実に検出することが可能となる。

次に、上述した原理で検出した段差の高さレベルを精度良く判別する方法について説明する。上述したように、段差の有無はピッチレート等で検出することが可能であるが、その段差の高さは単にピッチレートのピーク値だけでは判別することはできない。これは、車椅子１００は、ホイールベース長（前輪１０１の車軸と後輪１０２の車軸と間の長さ）が異なるためである。

ここで、図８に示したように、段差の高さをｈ、ホイールベース長をＨ、ピッチ角をθとすると、ｈ＝Ｈｓｉｎθとなる。また、ピッチ角θが小さいときはｓｉｎθ≒θのため、ｈ＝Ｈθとなる。従って、ｈが不変の場合ホイールベース長Ｈが小さくなるとピッチ角θは大きくなる。これは、ピッチ角の時間変化であるピッチレートも同様であるため、ホイールベースＨとピッチレートのピーク値には相関（反比例関係）があると言える。

そこで、本実施例では、検出されたピッチレートのピーク値をホイールベース長で正規化することで、ホイールベース長の影響を排除している。正規化の一例としてはピッチレートのピーク値にホイールベース長の逆数を乗算することが挙げられる。なお、正規化の方法は他の方法であってもよい。

図９に正規化を行う前と後でのピッチレートの比較を示す。図９（ａ）は段差が２ｃｍの場合、図９（ｂ）は段差が４ｃｍの場合である。図９の横軸はデータを測定した車椅子を識別するためのサンプル番号である。また、図９の菱形は正規化を行う前、丸は正規化を行った後である。

図１０は、図９に示したグラフをまとめた表である。図１０に示したように、２ｃｍ段差の場合、正規化後の平均値μは２８．４から１２．８へ、標準偏差σは６．９８から２．５０へ、変動係数ｃｖは０．２４６から０．１９５へそれぞれ小さくなっている。４ｃｍ段差の場合も正規化後の平均値μは４４．７から１９．８へ、標準偏差σは１０．０から３．０６へ、変動係数ｃｖは０．２２５から０．１５５へそれぞれ小さくなっている。ここで、変動係数とは標準偏差を平均値で割ったものであり、この値を用いてばらつき度合いを評価することができる。変動係数が小さいほどばらつきが少なく、変動係数が大きいほどばらつきが多いと判断できる。

従って、正規化により車椅子１００のホイールベースの違いによるばらつきを少なくすることができる。よって、段差レベルの判別の精度（信頼性）を向上させることができる。

次に、上述した構成の演算装置１及びサーバ装置５０の動作について、図１１及び図１２のフローチャートを参照して説明する。図１１は、演算装置１の動作のフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１において、段差検出部１３に閾値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を設定してステップＳ１０２に進む。閾値Ｔ３、Ｔ４は、加速度センサ３が検出する垂直加速度に設定される閾値である。閾値Ｔ３は、前輪１０１が段差を通過したことを検出するための閾値であり、閾値Ｔ４は、後輪１０２が段差を通過したことを検出するための閾値である。閾値Ｔ１、Ｔ２は、ジャイロセンサ４が検出するピッチレートに設定される閾値である。閾値Ｔ１は、前輪１０１が段差を通過したことを検出するための閾値であり、閾値Ｔ２は、後輪１０２が段差を通過したことを検出するための閾値である。これらの閾値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、車椅子１００に合わせて調整可能としている。また、車椅子のタイプに応じたデータテーブルを予め用意し、車椅子のタイプを入力して閾値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４やホイールベース長Ｈが自動的に設定されるようにしてもよい。

次に、ステップＳ１０２において、垂直加速度ＡｚとピッチレートＰｒを検出してステップＳ１０３に進む。本ステップでは、加速度センサ３が検出した垂直加速度Ａｚを加速度取得部１２が取得し、ジャイロセンサ４が検出したピッチレートＰｒをピッチレート取得部１１が取得する。即ち、本ステップで取得したピッチレートＰｒが第１ピッチレートとなる。

次に、ステップＳ１０３において、段差検出部１３はステップＳ１０２で取得した垂直加速度Ａｚが－Ｔ３未満かつピッチレートＰｒが－Ｔ１未満か否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１０４に進み、条件を満たさない場合（Ｎｏの場合）はステップＳ１０５に進む。本ステップは、図７（ａ）（ｃ）のｂ点を検出している。なお、本ステップ以降で閾値と比較する垂直加速度Ａｚは重力加速度分を減じた値であり、閾値も重力加速度からの変化分で規定されている。即ち、閾値Ｔ３が第３の閾値、閾値Ｔ１が第１の閾値となる。また、垂直加速度ＡｚとピッチレートＰｒの符号が負（負数）であることも検出している。

次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で条件を満たすと判断されたので、段差検出部１３は現在通過中の段差は下り段差と仮判定をして、段差候補フラグに－１をセットしてステップＳ１０７に進む。本ステップでは、図７（ａ）（ｃ）のｂ点に該当するような状態を検出したが後輪１０２側の判定を行っていないので、仮の判定を行い、その判定を示すフラグとして演算装置１内に設定されている段差候補フラグをセットする。なお、段差候補フラグにセットする値は、－１に限らず、下りと仮判定したことを示す値であればよい。

一方、ステップＳ１０５においては、段差検出部１３はステップＳ１０２で取得した垂直加速度ＡｚがＴ３以上かつピッチレートＰｒがＴ１以上か否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１０６に進み、条件を満たさない場合（Ｎｏの場合）は段差の検出ではないと判断して本フローチャートを終了する。本ステップは、図５（ａ）（ｃ）のｂ点を検出している。即ち、垂直加速度ＡｚとピッチレートＰｒの符号が正（正数）であることも検出している。

次に、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で条件を満たすと判断されたので、段差検出部１３は現在通過中の段差は上り段差と仮判定をして、段差候補フラグに１をセットしてステップＳ１０７に進む。本ステップでは、図５（ａ）（ｃ）のｂ点に該当するような状態を検出したが後輪１０２側の判定を行っていないので、仮の判定を行い、ステップＳ１０４と同様に段差候補フラグをセットする。なお、段差候補フラグにセットする値は、１に限らず、上りと仮判定したことを示す値であればよい。

次に、ステップＳ１０７において、ホイールベース長Ｈ移動後の垂直加速度ＡｚとピッチレートＰｒとを検出してステップＳ１０８に進む。本ステップでは、ステップＳ１０２と同様に、加速度センサ３が検出した垂直加速度Ａｚを加速度取得部１２が取得し、ジャイロセンサ４が検出したピッチレートＰｒをピッチレート取得部１１が取得する。また、ホイールベース長Ｈの移動距離は、予め設定されているホイールベース長Ｈに基づいてＧＰＳ受信機２が検出する緯度、経度から算出してもよいし、車椅子１００の車輪（後輪１０２）の回転角に予め設定された車輪の円周を乗算して算出してもよい。車椅子１００の車輪の回転角は、車輪に角度センサ等を設けることで検出できる。なお、本ステップにおいて、垂直加速度ＡｚとピッチレートＰｒとを検出するのは、ホイールベース長Ｈの距離の前後所定の範囲（所定の範囲）で行う。即ち、このホイールベース長Ｈの距離の前後所定の範囲（所定の範囲）が移動体（車椅子１００）のホイールベース長に関連する距離となる。そして、本ステップＳ１０８で取得したピッチレートＰｒが第２ピッチレートとなる。

次に、ステップＳ１０８において、段差検出部１３はステップＳ１０７で取得した垂直加速度Ａｚが－Ｔ４未満かつピッチレートＰｒがＴ２以上か否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１０９に進み、条件を満たさない場合（Ｎｏの場合）はステップＳ１１１に進む。本ステップは、図７（ａ）（ｃ）のｃ点を検出している。即ち、閾値Ｔ４が第４の閾値、閾値Ｔ２が第２の閾値となる。また、垂直加速度Ａｚの符号が負（負数）であり、ピッチレートＰｒの符号が正（正数）であることも検出している。

次に、ステップＳ１０９において、段差検出部１３は段差候補フラグが－１であるか否かを判断し、－１である場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１１０に進む、そうでない場合（Ｎｏの場合）は段差の検出ではないと判断して本フローチャートを終了する。

次に、ステップＳ１１０において、段差候補フラグが下り段差を示すものとなっていたので、図７のｂ点及びｃ点の条件を満たしたこととなり、段差検出部１３は通過した段差は下り段差と正式に判定してステップＳ１１４に進む。即ち、第１ピッチレートの絶対値が第１の閾値（Ｔ１）以上、かつ第２ピッチレートの絶対値が第２の閾値（Ｔ２）以上である。また、第１ピッチレートを検出した際に取得した垂直加速度の絶対値が第３の閾値（Ｔ３）以上、かつ第２ピッチレートを検出した際に取得した垂直加速度の絶対値が第４の閾値（Ｔ４）以上である。そして、これらの条件に基づいて段差を検出している。また、第１ピッチレートが負数、かつ第２ピッチレートが正数であるため、通過した段差は下り段差である。つまり、第１ピッチレートの符号と、第２ピッチレートの符号とに基づいて下り段差を検出している。

一方、ステップＳ１１１においては、段差検出部１３はステップＳ１０７で取得した垂直加速度ＡｚがＴ４以上かつピッチレートＰｒが－Ｔ２未満か否かを判断し、この条件を満たす場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１１２に進み、条件を満たさない場合（Ｎｏの場合）は段差の検出ではないと判断して本フローチャートを終了する。本ステップは、図５（ａ）（ｃ）のｃ点を検出している。即ち、垂直加速度Ａｚの符号が正（正数）であり、ピッチレートＰｒの符号が負（負数）であることも検出している。

次に、ステップＳ１１２において、段差判定部１３は段差候補フラグが１であるか否かを判断し、１である場合（Ｙｅｓの場合）はステップＳ１１３に進む、そうでない場合（Ｎｏの場合）は段差の検出ではないと判断して本フローチャートを終了する。

次に、ステップＳ１１３において、段差候補フラグが上り段差を示すものとなっていたので、図５のａ点及びｃ点の条件を満たしたこととなり、段差判定部１３は通過した段差は上り段差と正式に判定してステップＳ１１４に進む。即ち、第１ピッチレートの絶対値が第１の閾値（Ｔ１）以上、かつ第２ピッチレートの絶対値が第２の閾値（Ｔ２）以上である。また、第１ピッチレートを検出した際に取得した垂直加速度の絶対値が第３の閾値（Ｔ３）以上、かつ第２ピッチレートを検出した際に取得した垂直加速度の絶対値が第４の閾値（Ｔ４）以上である。そして、これらの条件に基づいて段差を検出している。また、第１ピッチレートが正数、かつ第２ピッチレートが負数であるため、通過した段差は上り段差である。つまり、第１ピッチレートの符号と、第２ピッチレートの符号とに基づいて上り段差を検出している。

次に、ステップＳ１１４において、段差検出部１３はＧＰＳ受信機２から位置（緯度、経度）を取得して、段差の位置を内部メモリ等に記録する。なお、ステップＳ１０７でＧＰＳ受信機２を利用してホイールベース長の距離を検出した場合は、その際に取得した位置を記録してもよい。即ち、段差検出部１３が段差が検出された位置に関する情報を取得する位置取得手段として機能する。

次に、ステップＳ１１５において、段差検出部１３は段差と判定した場所（位置）のピッチレートＰｒのピーク値を検出してステップＳ１１６に進む。ピッチレートＰｒのピーク値は、ステップＳ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０８、Ｓ１１１等の判断において使用した値を内部メモリ等に記憶し、それを用いてもよい。なお、本ステップで検出するピーク値は、前輪１０１側（ステップＳ１０３、Ｓ１０５判断時）のピーク値であってもよいし、後輪１０２側（ステップＳ１０８、Ｓ１１１判断時）のピーク値であってもよいし、両者の平均であってもよい。

次に、ステップＳ１１６において、段差判定部１３は車椅子１００のホイールベース長Ｈの逆数とステップＳ１１５で検出したピッチレートＰｒのピーク値を乗じて正規化してステップＳ１１７に進む。正規化されたピーク値を正規化ピッチレートＰｒ＿ｎとする。即ち、正規化ピッチレートＰｒ＿ｎが正規化ピッチレート情報となる。ここで、正規化ピッチレートＰｒ＿ｎは、ステップＳ１１５で前輪１０１側のピーク値を用いた場合は第１正規化ピッチレート、後輪１０２側を用いた場合は第２正規化ピッチレートとなり、前輪１０１側のピーク値と後輪１０２側のピーク値の平均を用いた場合は平均正規化ピッチレートとなる。

次に、ステップＳ１１７において、段差判定部１３は車椅子１００のＩＤを付加し、段差と判定した位置（段差位置Ｓｐ）と正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎをサーバ装置５０に通信機５を介して送信する。車椅子１００のＩＤは、車椅子ごとに予め付与されたＩＤであって、演算装置１に設定されている。

以上の説明から明らかなような、図１１のフローチャートは、路面上を前輪１０１が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、第１ピッチレートを検出した位置を後輪１０２が通過した際にピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、に基づいて、段差を検出する段差検出工程として機能する。

次に、図１２に示したサーバ装置５０の動作を説明する。図１２に示したフローチャートは演算装置５２が実行する。

まず、ステップＳ２０１において、演算装置５２は通信機５１が受信した車椅子１００のＩＤを読み取り、その車椅子１００の重み付け値Ｗを取得する。そして、演算装置５２は通信機５１が受信した段差位置Ｓｐにおける正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎをＷを用いて（考慮した上で）過去のデータとの間で平均化処理を行いステップＳ２０２に進む。この平均化処理によって算出された値を平均値Ｐｒ＿ａｖｅとする。

この重み付け値Ｗは、過去に送信された正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎの信頼度を示すものであり、記憶装置５３に車椅子１００のＩＤと紐付けされて記憶されている。この重み付け値Ｗは、例えば初期値を１として信頼度が上がるにしたがって数値を大きくするようにすればよい。そして、過去のデータが記憶されている記憶装置５３の正規化ピッチレート情報５３１のデータとともに加重平均を算出する。

次に、ステップＳ２０２において、演算装置５２はステップＳ２０１で受信されたＩＤの車椅子１００に対する重み付け値Ｗを変更しステップＳ２０３に進む。本ステップでは、平均値Ｐｒ＿ａｖｅに対して通信機５１が受信した正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎの差が大きい場合は、この車椅子１００の重み付け値Ｗを所定量だけ下げる。また、平均値Ｐｒ＿ａｖｅに対して通信機５１が受信した正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎの差が小さい場合は、この車椅子１００の重み付け値Ｗを所定量だけ上げる。つまり、平均値Ｐｒ＿ａｖｅに近い正規化ピッチレート値Ｐｒ＿ｎを出力する車椅子は重み付け値Ｗを高くすることになる。

次に、ステップＳ２０３において、演算装置５２のレベル判定部５２１は段差レベルの閾値とステップＳ２０２で算出された平均値Ｐｒ＿ａｖｅとを比較し、段差レベルの判定を行ってステップＳ２０４に進む。この閾値は、例えば５ｃｍ、１０ｃｍ等に段差レベルに応じて予め設定されており、例えば、算出された平均値Ｐｒ＿ａｖｅが６．８ｃｍであった場合は、５ｃｍ以上１０ｃｍ未満の範囲であるので、段差レベル２などと判定する。

次に、ステップＳ２０４において、演算装置５２の更新部５２２はステップＳ２０３で判定した段差レベルの結果に基づいて、記憶装置５３の地図情報５３２に記憶されているバリア情報を作成あるいは更新する（バリアフリーマップを作成あるいは更新する）。

なお、上記に説明したように、段差レベルの判定はピッチレートのピーク値が必要であるが、単に段差を判定するだけであればピーク値でなくてもよく、各閾値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４以上の値が検出された時点で判定をすればよい。

また、上述したフローチャートでは、上り段差と下り段差との判定のための閾値を極性が異なる同じ絶対値（Ｔ１と－Ｔ１等）としていたが、それぞれ異なる閾値を設定してもよい。前述の通り、前輪１０１と後輪１０１が上り段差Ｕを通過する際、垂直加速度が増加した後に減少に転じるのは車輪が段差に衝突したことによって段差の上面より高い位置まで上昇し、その後その位置から段差の上面に落下するためであり、前輪１０１と後輪１０１が下り段差Ｄを通過する際、垂直加速度が減少した後に増加に転じるのは車輪が地面に衝突した後の跳ね返りが生じるためである。よって、これらの垂直加速度変化に対してそれぞれ異なる閾値を設定して判定するようにすれば、更に精度よく上り段差と下り段差を検出することができる。

本実施例によれば、演算装置１は、前輪１０１と後輪１０２を備える車椅子１００に搭載されている。そして、路面上を前輪１０１が通過した際にジャイロセンサ４が検出してピッチレート取得部１１が取得したピッチレートを第１ピッチレート、第１ピッチレートを検出した位置を後輪１０２が通過した際にジャイロセンサ４が検出してピッチレート取得部１１が取得したピッチレートを第２ピッチレート、とし、段差検出部１３が、第１ピッチレート及び第２ピッチレートに基づいて、段差を検出している。このようにすることにより、前輪１０１と後輪１０２の２つの車輪のピッチレートの変化により段差を検出することができるので、比較的低い段差であっても精度良く路面上の段差を検出することができる。

また、段差検出部１３は、第１ピッチレートが検出された路面上の位置から車椅子１００のホイールベース長Ｈの距離の前後所定範囲を含む距離を移動した位置の前後所定の範囲を車椅子１００が移動した際にピッチレート取得部１１が取得したピッチレートを第２ピッチレートとしている。このようにすることにより、車椅子１００の前輪１０１と後輪１０２の間の長さであって既知の値であるホイールベース長Ｈに基づいて、第２ピッチレートを検出する位置を特定することができる。

また、段差検出部１３は、第１ピッチレートの絶対値が閾値Ｔ１以上、かつ第２ピッチレートの絶対値が閾値Ｔ３以上である場合に、当該位置を段差として検出している。このようにすることにより、一定以上の絶対値を持つピッチレートが前輪１０１通過時と後輪１０２通過時で検出された場合を段差とすることができるので、段差の検出を精度良くすることができる。

また、車椅子１００の移動平面に対して垂直方向の加速度を検出する加速度センサ３により検出された垂直加速度を取得する加速度取得部１２を備え、段差検出部１３は、第１ピッチレートを検出した際に加速度取得部１２が取得した垂直加速度と、第２ピッチレートを検出した際に加速度取得部１２が取得した垂直加速度と、に基づいて段差を検出している。このようにすることにより、ピッチレートに加えて垂直方向の加速度も考慮することができるので、段差の検出精度を一層向上させることができる。

また、段差検出部１３は、第１ピッチレートを検出した際に加速度取得部１２が取得した垂直加速度の絶対値が閾値Ｔ３以上、かつ第２ピッチレートを検出した際に加速度取得部１２が取得した垂直加速度の絶対値が閾値Ｔ４以上である場合に、当該位置を段差として検出している。このようにすることにより、一定以上の垂直方向の加速度が前輪１０１通過時と後輪１０２通過時で検出された場合を第１ピッチレートとすることができ、段差の検出を精度良くすることができる。

また、段差検出部１３は、ジャイロセンサ４から取得したピッチレートの符号と加速度取得部１２が取得した垂直加速度の変化の向きとに基づいて、段差を検出している。このようにすることにより、ピッチレートの符号、つまり、ピッチレートが正数が負数かと、加速度の符号、つまり、加速度が増加したか減少したかと、を考慮することができるので、ピッチレートの方向や加速度の方向まで考慮して段差を精度良く検出することができる。

また、段差検出部１３は、第１ピッチレートの符号と、第２ピッチレートの符号とに基づいて、車椅子１００が通過した段差が上り段差であったか下り段差であったかを検出している。このようにすることにより、２つのピッチレートの符号によって現在通過した段差が上り段差か下り段差かを判別することができる。

また、段差検出部１３は、段差を検出した際に、ピッチレートＰｒのピーク値をホイールベース長Ｈで正規化した正規化ピッチレートＰｒ＿ｎを生成する。そして、段差検出部１３は、ＧＰＳ受信機２から段差が検出された位置の緯度、経度を取得する。そして、通信機５がサーバ装置５０により路面上の段差のレベルを判定させるための情報として、段差が検出された位置の緯度、経度に加えて、正規化ピッチレートＰｒ＿ｎ及び車椅子１００のＩＤを当該サーバ装置５０へ送信している。このようにすることにより、正規化ピッチレートＰｒ＿ｎを算出することで、ホイールベース長Ｈの違いによる検出誤差を少なくすることができる。また、サーバ装置５０に複数の段差検出装置から収集した情報に基づいて段差レベルを判定した結果を蓄積させることができる。よって段差の判定精度を高めることができる。

また、サーバ装置５０の演算装置５２は、車椅子１００（演算装置１）から送信された正規化ピッチレートＰｒ＿ｎに重み付け値Ｗに基づいて重み付けを行ってから段差レベルの判定を行っている。このようにすることにより、信頼性の低いデータにより段差レベルが変動することを少なくし、段差レベルの信頼度を向上させることができる。

なお、上述した実施例では、サーバ装置５０で段差レベルの判定を行っていたが、車椅子１００に搭載される演算装置１で正規化ピッチレートＰｒ＿ｎに基づいて判定を行ってもよい。そして、判定結果と段差が検出された位置の緯度、経度と車椅子１００のＩＤとを通信機５を介してサーバ装置５０に送信してもよい。

また、上述した実施例では、段差検出装置として車椅子１００に搭載される演算装置１で説明したが、専用の装置でなくてもよく、例えば、ＧＰＳ受信機、ジャイロセンサおよび、加速度センサを搭載した（又は接続可能な）スマートフォン等の通信機能を持った端末機器であれば、上述したフローチャートをアプリ（コンピュータプログラム）とすることで、段差検出装置として機能させることができる。この場合は、車椅子にホルダ等を設け、そのホルダにスマートフォン等を取り付ければよい。即ち、移動体に取り付け可能な段差検出装置となる。

また、上述した実施例では、加速度センサ３とジャイロセンサ４の両方の検出結果に基づいて段差を検出していたが、ジャイロセンサ４の検出結果のみであっても精度は劣るものの段差の検出は可能である。この場合は閾値Ｔ１とＴ２のみを設定すればよい。

また、上述した実施例では、上り段差を通過したか、下り段差を通過したかの情報は取得できるので、その情報と車椅子１００の移動軌跡等の移動の方向とによりどのような段差か（どの方向から移動すると上りあるいは下り段差となるか）を判定してもよい。

また、上述した実施例では、移動体として車椅子で説明したが、シニアカー、ベビーカー、ゴルフカート、自転車、自動車、台車、車輪を有するロボット等、路面上を走行するための前後輪を備えるものであればよい。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の段差検出装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１ 演算装置
２ ＰＳ受信機
３ 加速度センサ（加速度取得手段）
４ ジャイロセンサ
５ 通信機（送信手段）
１０ 段差検出装置
１１ ピッチレート取得部
１２ 加速度取得部（加速度取得手段）
１３ 段差検出部（段差検出手段、位置取得手段）
５０ サーバ装置
１００ 車椅子（移動体）
１０１ 前輪
１０２ 後輪

Claims (1)

1. 前輪と後輪とを備える移動体に搭載される、又は前記移動体に取付可能な段差検出装置であって、
   前記移動体のピッチレートを検出するピッチレート検出手段により検出されたピッチレートを取得し、取得した前記ピッチレートに基づいて、前記移動体が走行して通過した路面上の段差を検出する段差検出手段を備え、
   前記段差検出手段は、前記路面上を前記前輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第１ピッチレートと、前記第１ピッチレートを検出した位置を前記後輪が通過した際に前記ピッチレート検出手段が検出したピッチレートである第２ピッチレートと、に基づいて、前記段差を検出する、
   ことを特徴とする段差検出装置。

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