JP2021142955A - 車両制御装置および車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】手放し運転の検知を高精度で行う。【解決手段】本車両制御装置は、ハンドル操作に伴って回転するステアリングシャフトにかかるステアリングトルクを検知するトルクセンサと、車線維持支援機能により操舵を支援する操舵支援ECUとを有する。本装置は、トルクセンサにより検知したステアリングトルクから、操舵支援により生じたトルクを除去して補正済トルクを求め、補正済トルクに基づいて、運転者が手放しであるか否かを判定する。【選択図】図2

Description

本発明は、車両制御装置及びそれを搭載した車両に関する。
自動車の運転支援機能のひとつとして車線維持支援システム(以下LKASと略す。車線維持支援とも呼ぶ)がある。LKASは運転の支援に留まることから運転者はハンドル(操舵輪あるいはステアリングホイールとも呼ぶ)を操作して運転支援のない場合と同様に主体的な運転をしなければならない。
そこでLKASが動作している間は、運転者がハンドル操作を行っていることを監視し、ハンドル操作を行っていないと判断されたならLKASを停止する。そのために特許文献1には、ステアリング軸に作用する操舵トルクを検出して運転者の操舵状態を推定する技術が記載されている。さらに特許文献1では、車体のピッチングを検出して、そのピッチングに関連するノイズを検出した操舵トルクから除いたトルクの変動に基づいて運転者の操舵状態を推定する技術が記載されている。
特開第5973900号公報(請求項1、段落0015、0037)
しかしながら、操舵トルクに影響を及ぼすノイズ要因は車体のピッチングだけに限られない。そのため、検知した操舵トルクに含まれたノイズ成分を大きく見積もって運転者による操舵状態を推定しなければならず、推定した結果は必ずしも正確とはいえないものであった。
本発明は上記実施形態に鑑みて成されたもので、運転者による操舵状態を高精度に推定する車両制御装置および車両を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有する。本発明の一側面によれば、ハンドル操作に伴って回転するステアリングシャフトにかかるステアリングトルクを検知する検知手段と、
車線維持支援機能により操舵を支援する操舵支援手段と、
前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクから、前記操舵支援手段により生じたトルクを除去して補正済トルクを求める補正手段と、
前記補正済トルクに基づいて、運転者が手放しであるか否かを判定する判定手段と
を有することを特徴とする車両制御装置が提供される。
本発明によれば、運転者による操舵状態を高精度に推定することができる。
運転支援システムの一例を示すブロック図である。 操舵状態の推定を行うためのブロック図である。 操舵トルクの補正の例を示す図である。 操舵状態の推定に基づく車線維持支援機能の動作の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
[第1実施形態]
●車線維持支援機能
まず本実施形態に係る車線維持支援機能について簡単に説明する。車線維持支援機能は、道路、特に高速道路での走行時に、車線の中央付近を維持するようにステアリング操作を支援し運転者の運転負荷を軽減する機能である。車線維持支援機能は機能を起動するためのスイッチ操作などにより運転者の意志で起動される。車線維持支援機能を実現する車線維持支援システム(LKAS)は、センサとしてカメラを、アクチュエータとして電動パワーステアリング(EPS)モータを含み、それらがECU(エンジンコントロールユニット)により制御されて機能が実現される。具体的には、カメラで車線(実線・破線)を検知し、クルマが車線の中央付近を維持して走行するようステアリング操作を支援する。ステアリング制御は車線の中央付近を走行している時には弱く支援し、車線(実線・破線)に近寄るほど支援の程度が強くなる。車線逸脱のおそれがある場合は、メーター内の表示等で注意を促すとともに、車線の中央付近へ戻すようにステアリング操作を支援する。また運転者がステアリングから手を放した状態や、運転者が意図的に車線を越えるようなステアリング操作をしているとシステムが判断した場合、また、方向指示器を作動させている場合には車線維持支援機能は作動しない。
●システム構成
図1に本実施形態の運転支援システムのためのブロック図を示す。この運転支援システムは自動車などの車両に搭載される。図1のブロック図は運転支援機能として車線維持支援機能だけに着目したものであり、他の機能については割愛している。図1においてECU10は車両を統括的に制御するECUであり、例えばプロセッサとメモリなどを含む。カメラユニット11はカメラ制御用のECU111と、車内などに取り付けられてフロントウィンドウ越しに前方を撮影するカメラ112とを含む。
電動パワーステアリングシステム(EPS)ユニット12は、EPSを制御するECU121と操舵のための駆動源となるEPSモータ122とを含む。ECU121は、ECU10から入力された、LKAS制御のための目標の操舵方向および操舵量を示すLKAS指示信号に応じた駆動信号をEPSモータ122に入力する。EPSモータ122の軸には、ラック14と噛み合うピニオンギアが取り付けられ、これがEPSモータギアボックス13に収められている。ラック14は不図示ではあるが、タイロッドを介してナックルアームを駆動し、それにより車両の左右それぞれの前輪を動かして操舵が行われる。
一方、運転者はハンドル(あるいはステアリングホイール)15を操作すると、その軸に取り付けられたユニバーサルジョイント16を介してステアリングシャフト19を回転させる。こうして、ユニバーサルジョイント16はステアリングシャフト19の屈曲部を構成している。ステアリングシャフト19の端部には、ステアリングギアボックス18に収められたピニオンギアが設けられており、ラック14に噛み合っている。またステアリングシャフト19に及ぼされるトルクはトルクセンサ17により検知され、操舵トルク信号ToとしてECU10に入力される。
ECU10は入力された操舵トルク信号Toに基づいて運転者による操舵状態を推定し、運転者がハンドルを離している手放し状態であると判断するとLKAS機能を停止する。またその際には表示装置やスピーカ等を含むユーザーインターフェイス部101を通して運転者に警告する。
ここでトルクセンサ17が検知するステアリングトルクについて簡単に説明する。トルクセンサ17が検知するステアリングトルクには、ハンドル15の回転操作によりステアリングシャフト19を回転させるトルクと、ラック14及び不図示のピニオンギアによりステアリングボックス18を介してステアリングシャフト19を回転させるトルクが含まれる。ハンドル操作以外でラック14を動かす力には、EPSモータ122による操舵と、路面から、或いはタイヤアラインメントにより、前輪の進行方向を変えようとするトルクとがある。トルクセンサ17ではこれらのトルクを合成した値が検知される。LKAS起動中には、運転者がハンドル15を把持していると、LKASによる操舵によるステアリングギアボックス18側からのトルクが検知されるが、このとき運転者がハンドル15を保持していれば、検知されるトルクには、運転者がハンドルを操作することにより生じるトルクが含まれる。運転者がハンドル15を保持していることは、ハンドル15の操作により生じたトルクに基づいて判定される。このことから、手放し状態の正確な判定のためには、トルクセンサ17で検知したステアリングトルクからLKASにより生じたトルクを除去することでステアリングトルクを補正することが望ましい。なお、EPSモータ122により加えられるトルク成分は、ハンドル操作によるトルクに対してはノイズであることから、本実施形態ではノイズトルクまたはトルクノイズと呼ぶ。
さらに、ユニバーサルジョイント17は、直進時であっても、その駆動側と被駆動側とが完全に中立状態とはならず、わずかにハンドル15が直進状態からずれた状態で安定する。この状態は、前輪がわずかに直進からずれた方向に操作された状態である。そのため、前輪を直進方向に戻そうとするトルク(セルフアライニングトルク(SAT)と呼ぶ)がステアリングギアボックス18を介してステアリングシャフト19に及ぼされ、それがトルクセンサ17により検知される。このように、ユニバーサルジョイントに起因して舵角0付近でオフセットトルク成分が発生する。本実施形態ではこのトルク成分をオフセットトルクまたはトルクオフセットとも呼ぶ。
以上の機構により、運転者はハンドル15を操作して操舵を行うことができる。そしてそのハンドル15を回転させるトルクはトルクセンサ17により検知される。上述のようにトルクセンサ17により検知したステアリングトルクにはトルクノイズ及びトルクオフセットが含まれていることがある。そこでECU10により、それらの値を除去し、検知したトルクを補正する。図2にそのためのトルク補正回路の回路構成を示す。なお、図2の構成はすべてソフトウェアにより実現することもできる。また図2の構成はECU10ではなく、他のECU例えばECU121に実装してもよい。
●トルク補正回路
図2において、トルクセンサ17で検知したトルクToは、ローパスフィルタS201とローパスフィルタX202とに入力される。ローパスフィルタS201はトルクオフセットを抽出するためのフィルタであり、ローパスフィルタX202よりも通過周波数が低く設定されている。すなわちローパスフィルタS201は、ローパスフィルタX202よりも低いカットオフ周波数を持つ。本実施形態ではローパスフィルタS201の通過周波数は例えば1Hz以下程度であるが、この値は実験的に決めてよい。これによりローパスフィルタS201は、検知されたステアリングトルクに含まれたオフセットトルク成分を抽出することができる。
ローパスフィルタX202はトルクオフセットやトルクノイズを含めたトルクを抽出するためのフィルタである。本例では通過周波数の上限は5Hz程度であるが、ハンドル操作やEPSモータの駆動による操舵トルクの変動の周波数を通過させるように、これも実験的に決めることができる。ローパスフィルタX202の出力信号TxはステアリングトルクToから高周波成分を除去した信号であるが、以下の説明ではこの信号Txのこともステアリングトルクと呼ぶことがある。
LKAS指示信号Liは、LKASが起動されている際に、EPSモータ122を駆動する量を示す値であり、例えば信号の電流値などとして与えられてよい。ただしここではディジタル化された値であってよい。LKAS指示信号Liは変換ユニットU203に入力され、ステアリングシャフト19に及ぼされるトルクLuに変換される。EPSモータ122はLKAS指示信号Liに応じたトルクを発生することから、ギアボックス13,18やラック14を介してステアリングシャフト19に及ぼされるトルクは、LKAS指示信号Liの値に基づいて推定することができる。したがって変換ユニットU203は例えばLKAS指示信号Liの値をトルクへと変換するマッピングを行うものであってよい。
ローパスフィルタX202の出力Txと変換ユニットU203の出力Luとは加算器204により加算される。この加算器204の出力Tuが、ステアリングトルクTxから、EPSモータ122により生じるトルクノイズを除去したトルクである。除去のために加算しているのは、ラック14から加えられるトルクとハンドル15から加えられるトルクとが同じ方向へのトルクであれば正負が逆転した符号を持つからである。トルクノイズが除去されたトルクTuは、ローパスフィルタS201の出力すなわちトルクオフセットTsとともに減算機205に入力されて、TuからTsが減算されたトルクTsuが出力される。すなわちトルクTsuは、ステアリングトルクTxからトルクノイズとトルクオフセットとを除去した補正済トルクである。
この補正済トルクTsuはスイッチ206を介して手放し判定部208に入力され、その絶対値が、スイッチ207を介して入力される判定しきい値suと比較される。比較の結果、手放し運転判定部208は判定結果Dhを出力する。判定結果Dhは、補正済トルクTsuの絶対値が判定しきい値suよりも小さければ手放し状態であることを示し、補正済トルクTsuの絶対値が判定しきい値su以上であれば、手放し状態ではないことを示す。
スイッチ206とスイッチ207とは連動している。スイッチ206が、手放し運転判定部208への入力をステアリングトルクTxと補正済トルクTsuとの間で切り替えると、それに合わせてスイッチ207は、運転判定部208に補正済トルクTsuが入力されている場合には判定しきい値suを選択し、ステアリングトルクTxが入力されている場合には判定しきい値xを選択する。補正済トルクTsuはステアリングトルクTxからトルクノイズTuとトルクオフセットTsが除去されている分だけ値が小さくなることが期待される。そのため、判定しきい値suも判定しきい値xと比べて小さくてよい。たとえば判定しきい値suを0.2Nm、判定しきい値xを0.5Nm程度に設定することができる。スイッチ206,207の切り替えは運転者が手動で行ってもよいし、走行状況に応じて切り替えてもよい。走行状況としては、ハンドル14による操作量が小さいことが予想される場合に、補正済トルクに基づいて判定することとしてよい。例えば直進時には補正済トルクに基づいて手放し判定を行い、カーブ走行中には補正前のステアリングトルクに基づいて手放し判定を行ってもよい。
なお手放し判定部208は、補正済トルクTsuまたは補正前のステアリングトルクTxに基づいたあるタイミングでの判定結果Dhを出力する。この判定結果Dhは必ずしも手放し状態を反映しているとは限らない。たとえば、直進時などには、操舵方向は左右いずれか一方ではなく、左右への微小な操舵がたとえば交互に行われることがあり得る。そのような過渡的な状態では、操舵方向が変わる間にはトルクがしきい値より小さくなる期間がありえる。このように、手放ししていなくとも、あるタイミングでの手放し判定結果Dhが「手放し」となることもあり得る。そこで、手放し判定結果Dhが「手放し」を示す状態が所定時間継続しているときに初めて手放しと判定してよい。
図3にステアリングトルクの補正の一例を示す。図3において。信号301がトルクセンサ17で検知されたステアリングトルクTo、信号302がトルクノイズLu、信号303が補正済トルクTsuを示す。また値311、311'は判定しきい値x、値312,312'は判定しきい値suを示す。図2の説明では、補正済トルクの絶対値と判定しきい値とを比較するとしたが、図3では、トルクの符号はそのままとし、判定しきい値に符号を付して示している。トルクは方向によって符号が変わるため、判定しきい値は、一つの絶対値に正負双方の符号を付した値で示されている。
図3を見て明らかなように、ステアリングトルク301にトルクノイズ302を加えた値が補正済トルク303となっている。補正済トルク303に基づいて手放し判定を行う際には、補正済トルク303は判定しきい値312、312'と比較され、二つのしきい値の中に納まっていれば手放しと判定され、収まっていなければ手放しではないと判定される。補正前のステアリングトルク301に基づいて手放し判定を行う際には、ステアリングトルク301は判定しきい値311、311'と比較され、二つのしきい値の中に納まっていれば手放しと判定され、収まっていなければ手放しではないと判定される。このように補正済トルクの絶対値は補正前のステアリングトルクよりも小さい値となり、運転者によるハンドル14の操作トルクをより正確に示す値となっている。そのため判定しきい値も、補正済トルクに対しては、ノイズを見込んだ値ではなく、より小さな値を用いることができ、より正確な判定が期待できる。
図4に本実施形態に係る手放し判定に基づくLKASの制御例を示す。車両401には図1、図2に示したような車線維持支援システムが搭載されている。車両401が走行中、タイミングT1でLKASがオンになり、LKAS制御(アシスト)が開始される。タイミングT2で手放しが検知される。すなわち、手放し判定結果Dhとして、所定期間継続して「手放し」が出力される。その判定に応じて、例えばECU10は、ユーザーインターフェイス101により断続的な警報音を出力させる。同時に、ユーザーインターフェイス101の手放し警報ランプを点滅させる。併せて、LKASのアシスト動作も、EPSモータ122の駆動トルクを徐々に小さくするなどしてアシストレベルを低下させ、最終的停止させる。タイミングT2から所定時間経過したタイミングT3で、ECU10は警報音を断続音から連続音に切り替える。タイミングT3から一定期間経過したタイミングT4で警報音の出力を停止する。
[他の実施形態]
なお本実施形態では、電動パワーステアリングによる操舵は、手動による操舵とは独立してステアリング用ラックを駆動する構造となっていた。これを、手動
による操舵のためのステアリングシャフト19に対して、EPSモータによりトルクをかける構造としても、本発明は適用可能である。ただしこの場合には、ハンドル14からのトルクとEPSモータによるトルクとは、方向が同じであれば同じ符号で示される。そのため、本変形例では、図2の加算器204に代えて、ステアリングトルクTxからトルクノイズLuを差し引く減算機を用いればよい。
また図2の構成では判定しきい値xと判定しきい値suとをスイッチ207により切り替えているが、スイッチ207を廃して判定しきい値を一定の値としてもよい。すなわち、手放し判定部208へ入力されるトルクの値が、補正済トルクsuと補正されてないステアリングトルクxとで切り替えられても、手放し判定のしきい値は一定の値で変わらなくともよい。
さらに図2の構成ではローパスフィルタx202の出力であるステアリングトルクからトルクノイズを除去し、さらにそこからローパスフィルタs201の出力であるトルクオフセットを減ずることで補正している。これに代えて、検知されたステアリングトルクToを、1Hz〜5Hzを通過させるバンドパスフィルタで濾波し、そこからトルクノイズLuを除去する構成としてもよい。
●実施形態による効果
以上説明したように本実施形態の車両制御装置によれば、車線維持支援システムの動作時に、車線維持支援システムの介入によるトルクを、検知したステアリングトルクから除去して補正することで、高精度の手放し判定を実現できる。さらに、ユニバーサルジョイントにより生じするトルクオフセットもさらにステアリングトルクから除去することで、さらにいっそう手放し判定の精度を向上させることができる。
●実施形態のまとめ
以上説明した本実施形態をまとめると以下のとおりである。
(1)本発明の第1の態様によれば、ハンドル操作に伴って回転するステアリングシャフトにかかるステアリングトルクを検知する検知手段と、
車線維持支援機能により操舵を支援する操舵支援手段と、
前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクから、前記操舵支援手段により生じたトルクを除去して補正済トルクを求める補正手段と、
前記補正済トルクに基づいて、運転者が手放しであるか否かを判定する判定手段と
を有することを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、検知したステアリングトルクから車線維持機能によるトルクが除去され、手放しの判定の精度を向上させることができる。
(2)本発明の第2の態様によれば、(1)に記載の車両制御装置であって、
前記補正手段は、前記検知手段で検知した前記ステアリングトルクに、前記操舵支援手段に対する操舵の指示値に対応するトルクにより補正することで前記補正済トルクを求める
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、車線維持機能の指示値に対応するトルクがステアリングトルクから除去され、手放しの判定の精度を向上させることができる。
(3)本発明の第3の態様によれば、(2)に記載の車両制御装置であって、
前記操舵支援手段は、前記ステアリングシャフトを介さずに操舵を支援し、
前記補正手段は、前記検知手段で検知した前記ステアリングトルクに、前記操舵支援手段に対する操舵の指示値に対応するトルクを加算することで前記補正済トルクを求める
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、テアリングシャフトを介さずに操舵を支援する構成についても、車線維持機能の指示値に対応するトルクがステアリングトルクから除去され、手放しの判定の精度を向上させることができる。
(4)本発明の第4の態様によれば、(1)乃至(3)のいずれかに記載の車両制御装置であって、
前記検知手段により検知された前記ステアリングトルクの所定周波数よりも低い周波数成分をフィルタにより除去する
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、外部から加わる低周波のトルク変動がステアリングトルクから除去され、手放しの判定の精度をより向上させることができる。
(5)本発明の第5の態様によれば、(4)に記載の車両制御装置であって、
前記検知手段により検知された前記ステアリングトルクの所定周波数よりも低い周波数成分をフィルタにより除去することで、前記ステアリングシャフトの屈曲部を構成するユニバーサルジョイントに起因するオフセットトルク成分を除去する
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、ユニバーサルジョイントに起因するオフセットトルク成分がステアリングトルクから除去され、手放しの判定の精度をより向上させることができる。
(6)本発明の第6の態様によれば、(4)または(5)に記載の車両制御装置であって、
前記補正手段は、前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクに第1のローパスフィルタを適用してオフセットトルク成分を求め、前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクに第2のローパスフィルタを適用したフィルタ済みトルクから前記オフセットトルク成分を除去し、
前記第1のローパスフィルタは前記第2のローパスフィルタよりも低い周波数領域を通過させる
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、オフセットトルク成分を高精度に求めてステアリングトルクを補正でき、手放しの判定の精度を向上させることができる。
(7)本発明の第7の態様によれば、(1)乃至(6)のいずれかに記載の車両制御装置であって、
前記判定手段により、前記補正済トルクに基づいて運転者が手放しであると判定された場合に、運転者に対して警告を出力する手段をさらに有する
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、運転者の手放しを検知して警告を発することができる。
(8)本発明の第8の態様によれば、(1)乃至(6)に記載の車両制御装置であって、
前記判定手段により、前記補正済トルクに基づいて運転者が手放しであると判定された状態が所定期間継続している場合に、運転者に対して警告を出力する手段をさらに有する
ことを特徴とする車両制御装置が提供される。
この構成により、過渡的な状態を運転者の手放しとして検知してしまうことを防止でき、高精度に手放しを検知することができる。
(9)本発明の第9の態様によれば、(1)乃至(8)に記載の車両制御装置を搭載したことを特徴とする車両が提供される。
この構成により、運転者による車線維持支援機能の動作時の手放しを高精度に検知する車両を提供できる。
発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。
10、111、121 ECU、11 カメラユニット、12 EPSユニット、14 ラック、15 ハンドル、16 ユニバーサルジョイント、17 トルクセンサ、19 ステアリングシャフト

Claims (9)

  1. ハンドル操作に伴って回転するステアリングシャフトにかかるステアリングトルクを検知する検知手段と、
    車線維持支援機能により操舵を支援する操舵支援手段と、
    前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクから、前記操舵支援手段により生じたトルクを除去して補正済トルクを求める補正手段と、
    前記補正済トルクに基づいて、運転者が手放しであるか否かを判定する判定手段と
    を有することを特徴とする車両制御装置。
  2. 請求項1に記載の車両制御装置であって、
    前記補正手段は、前記検知手段で検知した前記ステアリングトルクに、前記操舵支援手段に対する操舵の指示値に対応するトルクにより補正することで前記補正済トルクを求める
    ことを特徴とする車両制御装置。
  3. 請求項2に記載の車両制御装置であって、
    前記操舵支援手段は、前記ステアリングシャフトを介さずに操舵を支援し、
    前記補正手段は、前記検知手段で検知した前記ステアリングトルクに、前記操舵支援手段に対する操舵の指示値に対応するトルクを加算することで前記補正済トルクを求める
    ことを特徴とする車両制御装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の車両制御装置であって、
    前記検知手段により検知された前記ステアリングトルクの所定周波数よりも低い周波数成分をフィルタにより除去する
    ことを特徴とする車両制御装置。
  5. 請求項4に記載の車両制御装置であって、
    前記検知手段により検知された前記ステアリングトルクの所定周波数よりも低い周波数成分をフィルタにより除去することで、前記ステアリングシャフトの屈曲部を構成するユニバーサルジョイントに起因するオフセットトルク成分を除去する
    ことを特徴とする車両制御装置。
  6. 請求項4または5に記載の車両制御装置であって、
    前記補正手段は、前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクに第1のローパスフィルタを適用してオフセットトルク成分を求め、前記検知手段により検知した前記ステアリングトルクに第2のローパスフィルタを適用したフィルタ済みトルクから前記オフセットトルク成分を除去し、
    前記第1のローパスフィルタは前記第2のローパスフィルタよりも低い周波数領域を通過させる
    ことを特徴とする車両制御装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の車両制御装置であって、
    前記判定手段により、前記補正済トルクに基づいて運転者が手放しであると判定された場合に、運転者に対して警告を出力する手段をさらに有する
    ことを特徴とする車両制御装置。
  8. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の車両制御装置であって、
    前記判定手段により、前記補正済トルクに基づいて運転者が手放しであると判定された状態が所定期間継続している場合に、運転者に対して警告を出力する手段をさらに有する
    ことを特徴とする車両制御装置。
  9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の車両制御装置を搭載したことを特徴とする車両。
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