專利名稱：電動(dòng)車輛的速度限制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制電動(dòng)車輛，尤其涉及控制和限制電動(dòng)車輛速度。
背景技術(shù)：
已知各種各樣的用于運(yùn)送人的運(yùn)輸裝置和方法。通常，此類運(yùn)輸裝置依賴于靜 態(tài)穩(wěn)定性并且在對(duì)于底面放置它們的接地構(gòu)件的所有預(yù)見狀況下針對(duì)穩(wěn)定性而設(shè) 計(jì)。例如，作用于汽車重心的重力矢量在車輪的各接地點(diǎn)之間穿過并且汽車的懸架 將所有車輪一直保持在地面上從而使得汽車穩(wěn)定。盡管如此，仍然存在使穩(wěn)定的運(yùn)
輸裝置變?yōu)椴环€(wěn)定的狀況(例如，增速和急轉(zhuǎn)彎)。
也稱為平衡運(yùn)輸裝置的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置是一種具有控制系統(tǒng)的運(yùn)輸裝置，該 控制系統(tǒng)在運(yùn)輸裝置運(yùn)行時(shí)有效地維持運(yùn)輸裝置的穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)通過不斷地感 測(cè)運(yùn)輸裝置的方向、確定維持穩(wěn)定所必要的校正動(dòng)作、以及命令車輪馬達(dá)做出校正 動(dòng)作來維持運(yùn)輸裝置的穩(wěn)定性。如果運(yùn)輸裝置喪失維持穩(wěn)定的能力，比如由于組件 失效或缺少足夠動(dòng)力，則駕駛者可能經(jīng)歷突然失去平衡。
對(duì)于維持穩(wěn)定軌跡的車輛，轉(zhuǎn)向控制和對(duì)車輛前行的控制之間的耦合并不 是所關(guān)注的問題。在典型路況下，依靠在整個(gè)轉(zhuǎn)彎過程中車輪與地面接觸來維 持穩(wěn)定性。然而，在平衡運(yùn)輸裝置中，施加到一個(gè)或多個(gè)車輪的任何扭矩影響
運(yùn)輸裝置的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向和平衡控制機(jī)構(gòu)之間的耦合是美國(guó)專利No. 6789640 的一個(gè)主題，該專利通過引用結(jié)合于此。
發(fā)明概述
在一個(gè)方面，本發(fā)明以用于控制具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛的速度的計(jì)算機(jī)化方法 為特征。該方法涉及確定在底面上行進(jìn)的車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩以及加速與減速期間 的扭矩。該方法還涉及基于穩(wěn)態(tài)平均扭矩、加速與減速期間的扭矩、所測(cè)得的由車 輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的致動(dòng)器電流來控制車輛速度，其中車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向車輛
5的至少一個(gè)接地部件施加扭矩以便在底面上行進(jìn)?？刂栖囕v速度還基于車輛與有效 負(fù)載的重量、向接地部件施加的扭矩、車輛的加速度以及車輛的速度來控制。
在一些實(shí)施例中，控制車輛速度涉及確定加速補(bǔ)償平均電流。在一些實(shí)施例中， 控制車輛速度涉及確定使車輛加速或減速所需的致動(dòng)器電流量。在一些實(shí)施例中， 基于車輛的速度和底面的斜率來確定使車輛加速或減速所需的致動(dòng)器電流量。在一 些實(shí)施例中，確定加速補(bǔ)償平均電流涉及從所測(cè)量的車輛致動(dòng)器電流中減去由加速 或減速所產(chǎn)生的致動(dòng)器電流。
在一些實(shí)施例中，車輛是具有通過調(diào)制車輛的俯仰(pitch)組件來控制的最大 車輛允許速度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置。在一些實(shí)施例中，俯仰控制器基于加速補(bǔ)償平 均電流來調(diào)制最大車輛允許速度。在一些實(shí)施例中，該方法還涉及如果再生電流增 大則減小車輛的最大允許速度。在一些實(shí)施例中，該方法還涉及如果再生電流減小 則增大車輛的最大允許速度。在一些實(shí)施例中，至少主要通過操作電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器來實(shí) 現(xiàn)車輛的加速與減速。在一些實(shí)施例中，當(dāng)所測(cè)得的電流超過總電流閾值時(shí)控制車 輛的速度。在一些實(shí)施例中，總電流閾值以用戶的經(jīng)驗(yàn)水平為基礎(chǔ)。在一些實(shí)施例 中，車輛是靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置。在一些實(shí)施例中，車輛與有效負(fù)載的重量是估值。 在一些實(shí)施例中，車輛與有效負(fù)載的重量是測(cè)量值。
在另一方面，本發(fā)明以用于控制具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛的速度的控制器為特
征。該控制器包括確定在底面上行進(jìn)的車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩以及加速與減速期間的
扭矩的扭矩模塊。該控制器還包括從扭矩模塊接收穩(wěn)態(tài)平均扭矩和加速與減速期間
的扭矩并輸出期望車輛速度命令(例如俯仰角)的速度模塊。期望俯仰角基于穩(wěn)態(tài)
平均扭矩、加速與減速期間的扭矩、車輛與有效負(fù)載的重量、所測(cè)得的由車輛的電
動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電流、由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器所施加的扭矩以及車輛的速度，其中車輛的電 動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向車輛的至少一個(gè)接地部件施加扭矩以便在底面上行進(jìn)。
在一些實(shí)施例中，當(dāng)加速補(bǔ)償平均電流低于閎值時(shí)控制器控制車輛的速度。在 一些實(shí)施例中，控制器包括用于控制車輛俯仰的俯仰控制器模塊以基于車輛速度命 令(例如期望俯仰角)來調(diào)制車輛速度。
在又一方面，本發(fā)明以具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛為特征。車輛包括支承有效負(fù)載 的平臺(tái)。車輛還包括耦合到平臺(tái)的接地模塊，該接地模塊包括用于在底面上行進(jìn)的 至少一個(gè)接地部件。車輛還包括用于向至少一個(gè)接地部件施加扭矩的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。 車輛還包括用于向電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器供電的電源。車輛還包括基于車輛與有效負(fù)載的重量 和底面的斜率來限制接地部件的速度的控制器。在一些實(shí)施例中，車輛包括確定車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩和加速與減速期間的扭矩 的扭矩模塊。在一些實(shí)施例中，車輛包括速度模塊，該速度模塊基于穩(wěn)態(tài)平均扭矩、 加速與減速期間的扭矩、所測(cè)得的由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電流、車輛與有效負(fù)載的重 量、由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器所施加的扭矩以及車輛的速度來輸出期望車輛速度命令。
在一些實(shí)施例中，車輛包括基于車輛速度命令控制車輛速度的速度控制器。在 一些實(shí)施例中，在車輛中，車輛速度命令是車輛的期望俯仰角，并且速度控制器是 基于期望俯仰角來控制車輛俯仰以控制車輛速度的俯仰控制器。在一些實(shí)施例中， 車輛是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置并且最大車輛允許速度通過調(diào)制車輛的俯仰組件來控制。
附圖簡(jiǎn)述
根據(jù)附圖并參考以下詳細(xì)描述將更容易地理解本發(fā)明的上述特征，在附圖中

圖1是如美國(guó)專利No. 6302230所詳細(xì)描述的運(yùn)輸裝置的示意圖，本發(fā)明可有 利地對(duì)其應(yīng)用。
圖2是針對(duì)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的用于動(dòng)態(tài)地控制車輛在前后平面中的穩(wěn) 定性的控制回路的框圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的傳感器、動(dòng)力和控制的框圖。
圖4示出顯示對(duì)其可有利地應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的橫擺(yaw)命令 的基本輸入與輸出的框圖。
圖5A示出用于控制對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)人運(yùn)輸裝置的輸入的把手傾斜 (handlebar lean)設(shè)備。
圖5B示出控制桿撓曲耦合到接地模塊的用于控制對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)人 運(yùn)輸裝置的輸入的把手傾斜設(shè)備。
圖5C示出具有分開把手的用于控制對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)人運(yùn)輸裝置的輸 入的又一把手傾斜設(shè)備。
圖5D示出用于控制對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)人運(yùn)輸裝置的輸入的旋轉(zhuǎn)把手設(shè)備。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于組合橫擺輸入和側(cè)傾(roll)信息的混頻器塊 的框圖。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個(gè)人運(yùn)輸裝置。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的橫擺控制系統(tǒng)的示意性框圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的指令橫擺與把手傾角的函數(shù)關(guān)系。圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的把手傾斜樞軸的分解圖。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于向把手提供關(guān)于把手傾斜樞軸的定心扭矩
的恒應(yīng)力扭轉(zhuǎn)襯套的視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的供人類運(yùn)輸裝置使用的數(shù)字水準(zhǔn)儀的俯視圖。 圖13A是壓板被去除的個(gè)人運(yùn)輸裝置的平臺(tái)的俯視圖，其指示根據(jù)本發(fā)明各
個(gè)實(shí)施例的踏力壓力傳感器的放置。
圖13B示出本發(fā)明實(shí)施例中用于檢測(cè)駕駛者左右腳的放置的兩個(gè)踏板。 圖14是具有剛性車輪的理想化平衡運(yùn)輸裝置在平面上勻速運(yùn)動(dòng)的示意圖。 圖15是提供驅(qū)動(dòng)器接口組件的細(xì)節(jié)的框圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的平衡和正常運(yùn)動(dòng)期間的車輪馬達(dá)控制的示意圖。
圖17示出示例性平衡運(yùn)輸裝置的各種速度限制參數(shù)之間的關(guān)系。
圖18A是理想化車輪沿零斜率的表面勻速運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖18B是理想化車輪沿負(fù)斜率的表面勻速運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖19是本發(fā)明實(shí)施例的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器模塊的框圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的馬達(dá)的電動(dòng)模型。
圖21是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有負(fù)載的串聯(lián)電池的電路圖。
圖22是示出根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的用于估計(jì)電池參數(shù)的方法的流程圖。
圖23示出根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的示例性平衡運(yùn)輸裝置的所測(cè)馬達(dá)電流和
車輛速度之間的關(guān)系。
圖24是描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)輸裝置控制器的速度限制的示意圖。
圖25是描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)輸裝置控制器的速度限制的操作的流程圖。
說明性實(shí)施例的詳細(xì)描述
本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可用于針對(duì)加速和減速兩者將電動(dòng)馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器用 作向車輪施加力/扭矩以便在底面上行進(jìn)的唯一或主要手段的車輛中。此類車輛
在驅(qū)動(dòng)前進(jìn)時(shí)通常是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)或消耗能量的。有時(shí)當(dāng)從很陡峭的斜坡上向下行 進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器致動(dòng)器需要施加反向扭矩或再生以便維持穩(wěn)定的速度而不加速。 本發(fā)明的各實(shí)施例可用于其中馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和剎車由同一車輛組件(例如，電動(dòng)馬 達(dá))完成的平衡和非平衡車輛。例如，本發(fā)明的各實(shí)施例可用于靜態(tài)穩(wěn)定車輛 和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定車輛(例如，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的平衡運(yùn)輸裝置)。對(duì)于電動(dòng)馬達(dá)車輛，應(yīng)當(dāng)了解上坡、下坡或平地行進(jìn)期間減速所用的可用 致動(dòng)器能力的量。用于加速或減速的致動(dòng)器能力的量限制車輛的剎車能力。知 道多少致動(dòng)器能力被用于加速或減速以及多少留下備用使系統(tǒng)能改變車輛運(yùn) 動(dòng)以抑制非期望動(dòng)態(tài)特性。同車輛在平地上行進(jìn)相比，諸如降低的剎車能力之 類的非期望動(dòng)態(tài)特性可由車輛下坡行進(jìn)產(chǎn)生。
如果運(yùn)輸裝置能夠?qū)σ粋€(gè)或多個(gè)車輪進(jìn)行操作則其可被稱為是"平衡的"， 但是其不能依賴于車輪而是依賴對(duì)控制車輪操作的控制回路的操作。平衡運(yùn)輸
裝置缺乏靜態(tài)穩(wěn)定性但它是動(dòng)態(tài)平衡的。運(yùn)輸裝置可有利地用作移動(dòng)工作平臺(tái) 或諸如高爾夫車之類的娛樂車輛，或者用作運(yùn)輸車輛。提供這種運(yùn)輸裝置和地 面或其它底面之間的接觸并且在例行操作期間相對(duì)于傾翻最低限度地支承運(yùn) 輸裝置的車輪或其它接地部件在本文中被稱為"接地部件"。
圖1示出作為本發(fā)明可有利地對(duì)其應(yīng)用的設(shè)備的示例的、 一般由數(shù)字10
指示并且在美國(guó)專利No. 6302230中詳細(xì)描述的平衡個(gè)人運(yùn)輸裝置。主體8站 在支承平臺(tái)12上并且握住附連到平臺(tái)12的把手16的手柄14。可設(shè)置控制回 路使得主體的傾斜導(dǎo)致通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器向車輪20施加關(guān)于輪軸22的扭矩。然 而，運(yùn)輸裝置IO是靜態(tài)不穩(wěn)定的，并且如果沒有操作控制回路來維持動(dòng)態(tài)穩(wěn) 定性則運(yùn)輸裝置IO將不再能夠在其典型的運(yùn)行方向上運(yùn)行。本文所使用的"穩(wěn) 定性"是指操作位置的機(jī)械狀態(tài)，如果在任何方面中系統(tǒng)被擾動(dòng)離開該操作位置 則系統(tǒng)將相對(duì)于該操作位置自然地返回。
特別適于變化應(yīng)用的不同數(shù)量的車輪或其它接地構(gòu)件可有利地用于本發(fā) 明的各個(gè)實(shí)施例中。通過引用結(jié)合于此的美國(guó)專利公開No. 2006/0108156在圖 6和圖7中描述了平衡全地形車輛。該全地形車輛有兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪。每 個(gè)后輪由其自己的致動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。因而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，接地構(gòu)件的數(shù)量 可以是等于或大于一的任何數(shù)量。
圖2示出用于在前后平面中動(dòng)態(tài)地維持車輛(設(shè)備208)的穩(wěn)定性從而車輛保 持直立的控制回路200。該控制回路200需要俯仰狀態(tài)作為輸入。美國(guó)專利No. 5701965和No. 5791425描述可使用圖2的控制回路200來操作的車輛。車輛需要 測(cè)量瞬時(shí)俯仰狀態(tài)以主動(dòng)控制車輛的穩(wěn)定性。這些專利通過引用整體結(jié)合于此。圖 2的設(shè)備208等效于由單個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。T標(biāo)識(shí)車輛扭矩。 e標(biāo)識(shí)前后傾角(即俯仰角)，X標(biāo)識(shí)沿著表面相對(duì)于參考點(diǎn)的前后位移，而下標(biāo) r表示相對(duì)于時(shí)間的可變微分。控制增益K,、 K2、 &與&，微分器212與216以及加法器204被用于實(shí)現(xiàn)平衡。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及為了 將系統(tǒng)保持在表面上參考點(diǎn)的鄰域，將該實(shí)施例中的車輪扭矩T設(shè)置為滿足以下 方程式
T^e + KA + K^X + IQXr (方程式l) 增益K,、 K2、 K3與K4的值取決于控制回路的設(shè)置值、系統(tǒng)的物理參數(shù)以及諸 如重力的其它效應(yīng)。
圖3的框圖示出根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的用于控制車輛的控制系統(tǒng)31。在 本發(fā)明的該實(shí)施例中，控制系統(tǒng)31用于控制車輛(例如圖1的平衡運(yùn)輸裝置10) 的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和致動(dòng)器。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器331和332分別控制運(yùn)輸裝置10的左輪和右 輪。控制系統(tǒng)31具有包括用戶接口 361、用于感測(cè)前后俯仰的俯仰傳感器362、車 輪旋轉(zhuǎn)傳感器363以及俯仰角速度傳感器364的數(shù)據(jù)輸入。俯仰角速度和俯仰可通 過單獨(dú)或結(jié)合使用各種傳感器(例如，陀螺儀或傾斜儀)來導(dǎo)出?？刂葡到y(tǒng)31還 可包含平衡余量監(jiān)視器(未示出)，其組合有關(guān)當(dāng)前電池參數(shù)的信息與有關(guān)馬達(dá)參 數(shù)的信息以計(jì)算運(yùn)輸裝置的當(dāng)前最大速度。例如，平衡余量監(jiān)視器用于保證當(dāng)使用 車輛期間經(jīng)歷瞬變現(xiàn)象(例如碰撞)時(shí)有足夠的電池電流可用于維持車輛的穩(wěn)定性。 如果提供輪組(例如，如關(guān)于美國(guó)專利No. 6874591的圖2)，左組驅(qū)動(dòng)器341和 右組驅(qū)動(dòng)器342分別用于驅(qū)動(dòng)左組和右組。
在其它實(shí)施例中，控制系統(tǒng)31可具有兩個(gè)以上車輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。附加的車輪 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器可用于具有兩個(gè)以上車輪的車輛，如美國(guó)專利No. 6874591中的圖2所 示，該專利的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
在其它實(shí)施例中，控制系統(tǒng)31可限制運(yùn)輸裝置的速度以保證有足夠的速度保 留可用于保持平衡或者保存特定量的加速或減速能力，如關(guān)于圖17所討論的。保 存扭矩和速度兩者是合乎需要的，它們的特定量取決于很多因素。控制系統(tǒng)31還 可包含邏輯來減小運(yùn)輸裝置的速度以避免由于產(chǎn)生過電壓而損壞電池，如關(guān)于圖 20-23所討論的。例如，如果運(yùn)輸裝置設(shè)置有在剎車期間以及當(dāng)下坡行進(jìn)時(shí)電池己 被完全充電的情況下給電池重新充電的能力，則可發(fā)生過電壓狀態(tài)。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)"傾斜"是指在給定時(shí)刻地面上穿過系統(tǒng)的質(zhì)心和支承系 統(tǒng)的接地部件的旋轉(zhuǎn)中心的線相對(duì)于本地垂直方向的角度。術(shù)語(yǔ)"系統(tǒng)"是指由 于接地部件相對(duì)于其上有車輛運(yùn)動(dòng)的表面的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生運(yùn)動(dòng)的所有物質(zhì)。
本文所使用的"俯仰狀態(tài)"包括前后平面中的俯仰和車輛的俯仰角速度兩者
(即，e和9r (或^)，其中6r是e的時(shí)間變化率)。美國(guó)專利No. 6789640中詳細(xì)描述了一種向個(gè)人運(yùn)輸裝置的橫擺控制系統(tǒng)提供 用戶輸入的機(jī)制。如本文所述，乘在運(yùn)輸裝置上的用戶可通過旋轉(zhuǎn)橫擺手柄組件來 向橫擺控制器402 (圖4所示)提供橫擺控制輸入。
圖4描繪了在加法器401中當(dāng)前橫擺值v(/相對(duì)于期望橫擺值y 的差分以獲
得當(dāng)前橫擺誤差v)/誤差。從用戶輸入獲得期望橫擺值Y期望，其中已描述了用戶輸入 的各個(gè)實(shí)施例。從諸如車輪速度微分、慣性感測(cè)等各種狀態(tài)估值導(dǎo)出當(dāng)前橫擺值V。 從橫擺誤差導(dǎo)出橫擺命令是根據(jù)例如美國(guó)專利No. 6288505描述的各種處理算法由 馬達(dá)控制器405提供的，并且橫擺命令分別施加到左馬達(dá)403和右馬達(dá)404。
良好的定向輸入設(shè)備的主要性能之一是其在操縱橫向加速度時(shí)提供定向 輸入的能力。大的橫向加速度轉(zhuǎn)彎要求用戶向轉(zhuǎn)彎處傾斜以防止從運(yùn)輸裝置上 跌落或翻倒。最佳的定向輸入設(shè)備要求用戶在命令定向輸入時(shí)正確地安置自己 的身體。諸如以上關(guān)于美國(guó)專利No. 6789640討論的扭轉(zhuǎn)手柄橫擺輸入裝置通 過定向其旋轉(zhuǎn)軸和設(shè)計(jì)旋鈕與把手組合來鼓勵(lì)正確的身體姿勢(shì)。然而，有可能 做出不協(xié)調(diào)的輸入，這取決于駕駛者的技術(shù)。
鼓勵(lì)正確的身體姿勢(shì)的另一方法是將一個(gè)或多個(gè)把手做成操縱桿。通過旋 轉(zhuǎn)機(jī)器底部附近的棒，用戶可高速移動(dòng)他或她的身體而僅僅拉住把手并命令輸 入。在正確調(diào)整的情況下，用戶的身體已處于適當(dāng)?shù)奈恢靡詫?duì)抗開始轉(zhuǎn)彎時(shí)的 橫向加速度，從而減小不正確協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎的可能性。
在把手傾斜機(jī)器中，橫擺輸入與把手相對(duì)于底盤的角度成比例。優(yōu)選地， 旋轉(zhuǎn)軸被安裝到運(yùn)輸裝置接地模塊上盡可能低的位置以允許棒的運(yùn)動(dòng)自然地 跟隨用戶的身體運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槿丝赏ㄟ^腳踝處的旋轉(zhuǎn)最為穩(wěn)定地傾斜。換言之， 低的旋轉(zhuǎn)把手可追蹤身體的運(yùn)動(dòng)。在該實(shí)施例中，使用標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人運(yùn)輸裝置算法 將橫擺輸入轉(zhuǎn)換成橫擺命令，其在低速時(shí)將固定增益施加到橫擺輸入，但是在 較高速度時(shí)增減增益以使橫擺輸入對(duì)應(yīng)于橫向加速度而不是橫擺角速度。這適 用于把手傾斜設(shè)備，因?yàn)槠谕麅A斜角與橫向加速度大致成比例。結(jié)果是很自然 的輸入方法，其中用戶通過傾斜"想"向右或向左，機(jī)器則隨動(dòng)。
tmrf =《(①冊(cè)—①歸) (方程式2 )
其中K是常數(shù)；
° 是把手相對(duì)于平臺(tái)的角度； ①目是平臺(tái)相對(duì)于重力的傾斜；
是橫擺命令。本發(fā)明的其它實(shí)施例可具有傾斜或水平安裝的旋轉(zhuǎn)把手。在具有傾斜樞軸 的機(jī)器中，樞軸相對(duì)于接觸片及表面的角度提供有趣的轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)特性。具體地， 旋轉(zhuǎn)軸可影響在斜坡上或在平面上轉(zhuǎn)彎的動(dòng)態(tài)特性。優(yōu)選地，機(jī)器具有低的水 平樞軸。水平樞軸可容易地追蹤轉(zhuǎn)彎期間身體的動(dòng)態(tài)特性。
根據(jù)本發(fā)明的另外其它實(shí)施例，在行進(jìn)方向作為參考點(diǎn)的情況下，旋轉(zhuǎn)把 手可安裝在運(yùn)輸裝置的前部或后部。后部安裝的旋轉(zhuǎn)把手的配置使用戶除使用 耦合到把手的臂之外還能夠利用諸如膝之類的身體其它部分來使運(yùn)輸裝置轉(zhuǎn) 向。此外，運(yùn)輸裝置可包括當(dāng)用戶乘上或下來時(shí)使傾斜轉(zhuǎn)向失效的特征部件。 當(dāng)運(yùn)輸裝置確定用戶部分地乘上/離開平臺(tái)時(shí)可激活該特征部件，使得運(yùn)輸裝置 在用戶乘上或下來時(shí)不會(huì)撞向或離開用戶。
在適于提供把手傾斜的各種機(jī)構(gòu)中，其中第一個(gè)參考圖5A進(jìn)行描述。通
過旋轉(zhuǎn)地耦合到平臺(tái)12和把手500兩者的平行連桿502將把手500的運(yùn)動(dòng)限 制在與個(gè)人運(yùn)輸裝置10的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向基本橫向成直角的平面上。把手的運(yùn) 動(dòng)還可被偏置到中心位置和/或通過彈簧504或減震器衰減。在圖5B所示的替 換實(shí)施例中，把手500通過撓曲部件508耦合到運(yùn)輸裝置IO的平臺(tái)12，從而 又將把手的運(yùn)動(dòng)基本上限制在與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向橫向成直角的平面上并且使把 手按照以平臺(tái)12的平面上或附近的虛擬樞軸為中心的弧傾斜。在圖5A和圖5B 的實(shí)施例的任一個(gè)中， 一個(gè)或多個(gè)傳感器510相對(duì)于垂線或相對(duì)于關(guān)于接地模 塊固定的方向來檢測(cè)把手500或?qū)咽竹詈系竭\(yùn)輸裝置的構(gòu)件502的位置。例 如，傳感器510可以是沿車輛的控制軸(例如，圖1的把手16)設(shè)置的測(cè)力傳 感器。此外，如果需要，耦合到把手的彈簧或減震器可用于限制運(yùn)輸裝置的轉(zhuǎn) 彎角速度。
在一個(gè)實(shí)施例中，把手的運(yùn)動(dòng)并不偏置到中心位置。在把手并不偏置到中 心位置的實(shí)施例中，在中心周圍沒有預(yù)加負(fù)載，因而用戶可準(zhǔn)確地且精確地使 運(yùn)輸裝置轉(zhuǎn)向。
根據(jù)圖5C所描繪的實(shí)施例，通過用戶8的傾斜可相對(duì)于運(yùn)輸裝置的平臺(tái) 12獨(dú)立地移動(dòng)兩個(gè)分開的把手部分520和522。在所示出的實(shí)施例中，通過彈 簧或以其它方式將每個(gè)把手部分的位置偏置到相應(yīng)套管524和526內(nèi)的指定"中 間"高度。相對(duì)高度偏移被發(fā)送到橫擺控制器以控制轉(zhuǎn)彎，如結(jié)合其它用戶輸入 形式所描述的。
12圖5D描繪了本發(fā)明的又一實(shí)施例，其中感測(cè)把手500相對(duì)于支承桿16的
順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)530和逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)532以產(chǎn)生將用戶輸入發(fā)送到橫擺 控制器(例如，圖4的橫擺控制器402)的信號(hào)。優(yōu)選地將減震器534內(nèi)置到 把手500關(guān)于桿16的旋轉(zhuǎn)耦合中。
把手傾斜控制中必須解決的一個(gè)問題是地形靈敏度的影響。如果在障礙物 或不平坦的地形上驅(qū)動(dòng)機(jī)器，則側(cè)傾干擾被強(qiáng)加在機(jī)器/駕駛者系統(tǒng)上，因?yàn)樗?產(chǎn)生的用戶位置的變化可使非預(yù)期的橫擺輸入進(jìn)入系統(tǒng)。取決于站立人整個(gè)身 體傾斜的橫擺控制形式相比例如通過扭轉(zhuǎn)手柄的橫擺控制傾向于對(duì)地形比更 敏感。
為了對(duì)抗該側(cè)傾靈敏性，可使用側(cè)傾補(bǔ)償算法。在這種算法中，修正橫擺 輸入來補(bǔ)償?shù)妆P的側(cè)傾角，從而將把手相對(duì)于重力的角度作為橫擺輸入。因?yàn)?對(duì)用戶而言相對(duì)重力而非平臺(tái)可更容易地保持身體位置，所以這便于抑制側(cè)傾 干擾。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例， 一種降低地形靈敏度的方法使用基于底盤的側(cè) 傾角速度濾除橫擺輸入的算法。被稱為側(cè)傾角速度的瞬時(shí)側(cè)傾角速度可容易地 從諸如在例如美國(guó)專利No. 6332103 (通過引用結(jié)合于此)中描述的俯仰狀態(tài)
估計(jì)器獲得，其基于一個(gè)或多個(gè)陀螺儀、傾斜儀或以上的組合導(dǎo)出運(yùn)輸裝置的 方向。大的側(cè)傾瞬變現(xiàn)象使駕駛者被加速，并且如果側(cè)傾瞬變通過駕駛者剛性 地耦合到橫擺控制機(jī)構(gòu)則它們將會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的橫擺輸入。
解決方案有兩個(gè)不同的部分直線駕駛時(shí)抵制地形和轉(zhuǎn)彎時(shí)抵制地形；前 者是后者的特殊情況。盡管在大側(cè)傾角速度的周期期間使橫擺失效可解決周定 方向上運(yùn)動(dòng)的問題，但是需要更多的輸入以便從轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)去耦側(cè)傾。
未知輸入是對(duì)來自用戶的"預(yù)期"橫擺輸入(例如，用戶意欲圍繞20'(6.1m) 直徑的圓周駕駛)的估值。盡管預(yù)期的橫擺輸入信息不可直接獲得，但是它可 從橫擺輸入的歷史中有效地推斷出。將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地低通濾波提供了橫擺輸入的 估值。然而，這導(dǎo)致可被用戶察覺的響應(yīng)延遲。另一方面，如果僅在出現(xiàn)大側(cè) 傾角速度時(shí)使用經(jīng)低通濾波的數(shù)據(jù)，則駕駛者注意到延遲的可能性比較小。根 據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，隨后該算法使用在直接橫擺輸入和經(jīng)重濾波(heavily filtered)形式之間的、根據(jù)側(cè)傾角速度控制的混頻器。
傳遞函數(shù)模擬了耦合到橫擺信號(hào)中的側(cè)傾角速度的量。它是各種因素的函 數(shù)，包括橫擺輸入裝置的設(shè)計(jì)、駕駛者的能力以及駕駛者如何握住橫擺輸入裝置(例如，圖1的把手16)。通過使用該混頻方法，通過調(diào)整可在很大程度上 忽略或至多最小化傳遞函數(shù)。
四個(gè)主要的調(diào)整點(diǎn)是混頻器多快回轉(zhuǎn)到經(jīng)過濾的形式，混頻器多快地回 轉(zhuǎn)回來，在什么閾值開始和結(jié)束混頻，以及低通濾波器(LPF)對(duì)橫擺輸入的 轉(zhuǎn)角頻率。對(duì)未指令橫擺的量有限制，通過設(shè)置最大閾值可將其去除。將其設(shè) 置得高則有更多未指令橫擺，將其設(shè)置得低則有更多錯(cuò)誤的行程且駕駛者開始 注意橫擺信號(hào)上的時(shí)滯。設(shè)置LPF頻率也有折衷。如果橫擺被過重地過濾，則 存在可察覺的延遲和過去的橫擺瞬變耦合進(jìn)來的可能性。將其設(shè)置得過低則降 低混頻器去除瞬變的能力。
現(xiàn)在參考圖7，混頻器塊被定義為
橫擺命令= *橫擺輸入+ (1—F) *橫擺過濾， (方程式3) 其中F是混頻器函數(shù)，其是在0.0和l.O之間不斷改變的信號(hào)。有利地提供所 感測(cè)的側(cè)傾角速度的低通濾波(經(jīng)過濾的側(cè)傾角速度)以便在不平坦表面上的 行進(jìn)不會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的橫擺響應(yīng)。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例且一般由數(shù)字10指示的個(gè)人平衡運(yùn)輸裝置。 現(xiàn)有技術(shù)中的平衡個(gè)人運(yùn)輸裝置已在例如美國(guó)專利No. 6302230中詳細(xì)描述， 該專利通過引用結(jié)合于此。主體(未示出)站在支承平臺(tái)12上并且握住附連 到平臺(tái)12的把手16的手柄14。運(yùn)輸裝置IO包括至少一個(gè)接地部件，在本發(fā) 明的該實(shí)施例中是車輪20。運(yùn)輸裝置IO還包括位于平臺(tái)12中的至少一個(gè)致動(dòng) 器(未示出)，該致動(dòng)器向接地部件施加扭矩以相對(duì)于表面推進(jìn)運(yùn)輸裝置。
把手16還可被稱為"轉(zhuǎn)向柱"、"構(gòu)件"或"桿"，這些術(shù)語(yǔ)在本文中可互換使 用。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，支承平臺(tái)12包括分開的左踏板18和右踏板19， 如以下所進(jìn)一步討論的。
控制回路被設(shè)置成使得主體的傾斜導(dǎo)致通過本文所討論的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器(未 示出)向車輪20施加關(guān)于輪軸22的扭矩，從而導(dǎo)致運(yùn)輸裝置IO加速。利用 定位于運(yùn)輸裝置IO之上或之內(nèi)的控制器(未示出)來實(shí)現(xiàn)控制回路。控制器 包括至少一個(gè)處理器以及用于控制運(yùn)輸裝置10的操作的輸入和輸出裝置。然 而，運(yùn)輸裝置IO是靜態(tài)不穩(wěn)定的，并且如果控制回路不運(yùn)行以維持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 性則運(yùn)輸裝置IO不能在其典型的運(yùn)行方向上運(yùn)行。
14圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的橫擺反饋控制系統(tǒng)的框圖。從用戶接口獲得 橫擺輸入80，如以下所討論的。 一個(gè)優(yōu)選的用戶輸入由構(gòu)件關(guān)于表示為^的基
準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸的位置提供，該構(gòu)件由把手16 (圖7所示)例示。
可以理解，盡管在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中提供橫擺輸入的用戶是在個(gè)人運(yùn)輸 裝置上的駕駛者，但是本發(fā)明在這方面并不受限制。例如，在一個(gè)替換實(shí)施例
中，橫擺輸入由用戶在運(yùn)輸裝置10的一側(cè)或前方走動(dòng)時(shí)改變把手16的位置而 提供。
橫向加速度增減(LateralAccelScale)函數(shù)82減小橫擺輸入80在較高車輪 速度時(shí)以及在較高向心加速度時(shí)的影響。用于調(diào)節(jié)指令橫擺速度的反饋84包 含保持橫擺位置的橫擺位置項(xiàng)85、試圖將橫擺速度調(diào)節(jié)到零的速度平方項(xiàng)86 以及用于向用戶提供更好的橫擺命令響應(yīng)的前饋項(xiàng)89。
前饋項(xiàng)89控制快速機(jī)動(dòng)以便提供響應(yīng)系統(tǒng)。速度平方反饋86是背離線性 控制理論的示例并且具有提供非線性橫擺速度衰減的作用。
與橫擺輸入(諸如把手關(guān)于基準(zhǔn)軸2的角度，典型的是運(yùn)輸裝置側(cè)傾軸， 如以下所討論的)相關(guān)聯(lián)的變量的變化率也可用作附加的橫擺命令，并且可通 過微分器81獲得。橫擺輸入變量80的變化率產(chǎn)生橫擺命令的分量，其"預(yù)期" 駕駛者傾斜并且更有可能使把手16與駕駛者保持協(xié)調(diào)且使運(yùn)輸裝置IO感覺起 來響應(yīng)度更大。
例如，與橫擺輸入的變化率分量相關(guān)聯(lián)的增益87可在用戶的經(jīng)驗(yàn)水平的 基礎(chǔ)上改變。這樣，基于把手16的位置和在用戶經(jīng)驗(yàn)水平的基礎(chǔ)上加權(quán)的把 手16位置的變化率而產(chǎn)生橫擺命令信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，針對(duì)熟練者的增 益87的值被設(shè)置為是與初學(xué)者相關(guān)聯(lián)的值的130% 。本發(fā)明的替換實(shí)施例可實(shí) 現(xiàn)不同的增益值。在一些實(shí)施例中，運(yùn)輸裝置可被配置為允許用戶設(shè)置多個(gè)經(jīng) 驗(yàn)水平。
在一些實(shí)施例中，通過例如在運(yùn)輸裝置10的初學(xué)者、中級(jí)和熟練者模式 之間進(jìn)行切換而響應(yīng)于用戶選擇或指定用戶熟練程度或經(jīng)驗(yàn)水平來加權(quán)把手 16的位置的變化率。每個(gè)模式可對(duì)運(yùn)輸裝置IO強(qiáng)加不同的、指定的操作限制。 在一些實(shí)施例中，用戶通過使用置于運(yùn)輸裝置IO上的控件或按鈕來選擇模式。 在一些實(shí)施例中，用戶通過使用置于控制設(shè)備(未示出)上的按鈕來選擇模式。 在一些實(shí)施例中，加權(quán)把手16的位置的變化率來減小它對(duì)針對(duì)初學(xué)者用戶的 橫擺命令信號(hào)的影響。在一些實(shí)施例中，加權(quán)把手16的位置的變化率來增大它對(duì)針對(duì)有經(jīng)驗(yàn)用戶的橫擺命令信號(hào)的影響。因而，對(duì)于初學(xué)者，變化率項(xiàng)被 有利地減小或消除，從而使橫擺命令主要或完全基于橫擺輸入變量，比如把手 關(guān)于基準(zhǔn)軸S的角度。
而且，可相對(duì)于頻率過濾變化率分量，使得橫擺命令可被特制為更易響應(yīng) 于由更有經(jīng)驗(yàn)的駕駛者執(zhí)行的突然機(jī)動(dòng)，而更易忽略由能力較弱的駕駛者執(zhí)行 的突然機(jī)動(dòng)。
在一些實(shí)施例中，取決于用戶是初學(xué)者還是熟練者，用戶的經(jīng)驗(yàn)水平被用 于提供運(yùn)輸裝置的不同操作特性。這樣，對(duì)于初學(xué)者模式可減小低速靈敏度和 最大指令橫擺角速度，而對(duì)于熟練者模式則保存運(yùn)輸裝置可在其中運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)操作。
此外，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，例如當(dāng)反向操作運(yùn)輸裝置時(shí)和/或在上下 運(yùn)輸裝置的平臺(tái)期間，不同的控制增益被用于控制初學(xué)者模式對(duì)熟練者模式的 運(yùn)輸裝置的操作。
美國(guó)專利申請(qǐng)S/N. 10/939955描述了指定用戶方向或速度輸入的若干替換 形式，該專利申請(qǐng)已通過引用結(jié)合于此。本文討論了以把手傾斜為基礎(chǔ)接收橫 擺命令輸入的優(yōu)選技術(shù)，并且在圖5A-5D中描繪了實(shí)現(xiàn)把手傾斜的若干實(shí)施 例。
在一些實(shí)施例中，在把手傾斜形式中，橫擺輸入與把手相對(duì)于底盤的角度 的某函數(shù)成比例，其中該函數(shù)相關(guān)性可在指定操作環(huán)境的基礎(chǔ)上改變?；蛘?， 橫擺輸入可與把手相對(duì)于設(shè)備無關(guān)框架的角度的某函數(shù)成比例，比如相對(duì)于本 地地表/慣性參考系(即相對(duì)于本地垂線一本地重力矢量)的角度。
圖9示出把手傾斜與指令橫擺的優(yōu)選關(guān)系。在示出的關(guān)系中，指令橫擺相 對(duì)于把手16關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸^的角位移(傾斜)比線性更快地增大。
再一次參考圖7，現(xiàn)在描述本發(fā)明的替換實(shí)施例，其中用戶通過把手16關(guān) 于旋轉(zhuǎn)軸S的旋轉(zhuǎn)提供橫擺輸入，其中旋轉(zhuǎn)軸是運(yùn)輸裝置IO的側(cè)傾軸使得把手 的旋轉(zhuǎn)處于相對(duì)于運(yùn)輸裝置前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的側(cè)向平面中。圖10示出把手16關(guān)于其 旋轉(zhuǎn)的樞軸組件100的分解圖。
軸102沿旋轉(zhuǎn)軸^ (見圖7)對(duì)準(zhǔn)。軸102穿過軸承組件104并由軸承組 件104支承，使得軸102能夠相對(duì)于底部擠壓件106和扭轉(zhuǎn)襯套103關(guān)于旋轉(zhuǎn) 軸S旋轉(zhuǎn)。底部106耦合到圖7的運(yùn)輸裝置10的平臺(tái)12。
16軸102的方向從而把手16的方向被包含冗余傳感器101的旋轉(zhuǎn)角傳感器 組件118感測(cè)，這些傳感器可以是本領(lǐng)域已知的用于感測(cè)旋轉(zhuǎn)的任何傳感器(例 如，霍爾效應(yīng)傳感器)。還可使用其它傳感器(例如，光學(xué)傳感器或磁性傳感 器)，因而其也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
用于提供對(duì)抗不斷增加的橫擺命令以及將橫擺輸入恢復(fù)到其中心位置的
力的任何機(jī)制都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 一優(yōu)選實(shí)施例包括恒應(yīng)力扭轉(zhuǎn)襯套113。
圖11中更詳細(xì)地示出了扭轉(zhuǎn)襯套103。彈性材料膜114剛性地耦合到軸 112和相對(duì)于平臺(tái)12固定的罩116，從而當(dāng)軸112相對(duì)于罩116同心地旋轉(zhuǎn)(關(guān) 于S軸)時(shí)由表征膜的彈性張量的切變分量向軸112施加恢復(fù)扭轉(zhuǎn)力?；謴?fù)扭 矩相對(duì)于軸112的左/右旋轉(zhuǎn)是對(duì)稱的。彈性材料膜114耦合到軸112的長(zhǎng)度超 過膜114耦合到罩116的長(zhǎng)度以維持膜的每單位截面積的剪應(yīng)力基本相等，從 而有利地增大膜114的耐用性和壽命。膜114可以是厚度均勻或錐形的。
圖12是供運(yùn)輸裝置(例如，圖7的運(yùn)輸裝置10)使用的數(shù)字水準(zhǔn)儀120 的俯視圖。在運(yùn)輸裝置的傾斜是對(duì)控制回路的導(dǎo)致向車輪20施加扭矩的輸入 的范圍內(nèi)，在駕駛者乘上運(yùn)輸裝置的過程期間將運(yùn)輸裝置設(shè)置在基本直立的位 置并因而處于零扭矩狀態(tài)中是有利的。
優(yōu)選地在被設(shè)置于相對(duì)于平臺(tái)12的固定位置(在橫向設(shè)置的車輪20之間) 的控制臺(tái)124上設(shè)置五個(gè)燈的陣列122 (例如，發(fā)光二極管(LED))，以便 在駕駛者被安置到運(yùn)輸裝置上或乘上運(yùn)輸裝置時(shí)可由其容易地觀看。在一個(gè)實(shí) 施例中，當(dāng)LED所顯示的顏色均以單種顏色(例如，綠色)照亮?xí)r，其指示平 臺(tái)12是水平的且處于乘坐的正確方向。以另一顏色(例如，紅色)照亮LED 指示在對(duì)應(yīng)于該LED的方向上傾斜。
數(shù)字水準(zhǔn)儀120的燈還可用于指示運(yùn)輸裝置的其它狀態(tài)。例如，閃爍紅燈 的狀態(tài)可指示諸如故障、需要減速以及下車之類的報(bào)警狀態(tài)。在一些實(shí)施例中， 閃爍的燈表示涉及未經(jīng)許可使用運(yùn)輸裝置的狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，分開的踏板18和19 (圖7所示)被設(shè)置為分 別感測(cè)用戶的左腳和右腳的重量。圖13A和圖13B示出平臺(tái)和踏板(例如，圖 7的平臺(tái)12和踏板18與19)。圖13A是壓板被去除的運(yùn)輸裝置的平臺(tái)的俯視 圖，其示出根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的踏力壓力傳感器的放置。圖13B是用于 檢測(cè)用戶的左腳和右腳的放置的兩個(gè)踏板18和19的立體圖。例如，為方便和安全起見，踏板18和19的使用可在上下運(yùn)輸裝置的過程 期間有利地用于控制或限制運(yùn)輸裝置的轉(zhuǎn)彎。例如，在駕駛者僅有單腳在平臺(tái) 上的情況下可限制操作運(yùn)輸裝置(例如，圖3的運(yùn)輸裝置10)的控件的使運(yùn)輸 裝置轉(zhuǎn)向的靈敏度。表1根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例指定了基于用戶是一只腳還是兩
只腳在運(yùn)輸裝置平臺(tái)(例如，圖7的平臺(tái)12的踏板18與19)上運(yùn)輸裝置的轉(zhuǎn) 向行為。轉(zhuǎn)向行為還基于運(yùn)輸裝置的操作速度。
表1:轉(zhuǎn)向行為
駕駛者檢測(cè)速度機(jī)器響應(yīng)
只有左腳在 運(yùn)輸裝置上低速"3英里/小時(shí) / 1.34米/秒)限制全部向左的橫擺運(yùn)動(dòng)并且當(dāng)橫擺命令被 忽略時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音
只有右腳在 運(yùn)輸裝置上低速(S3英里/小時(shí) / 1.34米/秒)限制全部向右的橫擺運(yùn)動(dòng)并且當(dāng)橫擺命令被 忽略時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音
只有左腳在 運(yùn)輸裝置上中等全速(12.5英里 /小時(shí)/5.59米/秒)保持橫擺控制但是將速度限值設(shè)置為中等(5 英里/小時(shí)/2.24米/秒)
只有右腳在 運(yùn)輸裝置上中等全速(12.5英里 /小時(shí)/5.59米/秒)保持橫擺控制但是將速度限值設(shè)置為中等(5 英里/小時(shí)/2.24米/秒)
兩腳都在運(yùn) 輸裝置上全速正常操作
在本發(fā)明的替換實(shí)施例中可指定替換轉(zhuǎn)向行為。例如，可指定替換運(yùn)輸裝
置速度。此外，可基于用戶向踏板18和19之一或兩者所施加力的量改變轉(zhuǎn)向 行為。在一些實(shí)施例中，用戶的經(jīng)驗(yàn)水平(與本文所討論相類似的)是被用于 指定運(yùn)輸裝置的轉(zhuǎn)向行為的因素。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，運(yùn)輸裝置(例如圖7的運(yùn)輸裝置10)被提供經(jīng) 由例如遙測(cè)單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線控制和無線遙測(cè)的能力。可單向或雙向地提供 對(duì)數(shù)據(jù)的無線控制和無線遙測(cè)。在一些實(shí)施例中，提供遠(yuǎn)程輸入設(shè)備，其可由 用戶攜帶或者可被設(shè)置在運(yùn)輸裝置上或遠(yuǎn)距離位置處。在一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)輸 裝置IO包括在輸入設(shè)備和運(yùn)輸裝置10的控制器之間創(chuàng)建無線遠(yuǎn)程通信的收發(fā) 器。無線地控制某些功能的能力有利地使運(yùn)輸裝置10的制造能夠?qū)⑺须娮?設(shè)備完全包含在平臺(tái)12之下，并且更具體地，控制桿16不承載電子設(shè)備。
在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，通過提供控制回路(例如，如以上在圖2中所 討論的)可實(shí)現(xiàn)前后穩(wěn)定性。當(dāng)包括一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)用于結(jié)合接地構(gòu)件操作電 動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)可使用控制回路。例如， 一對(duì)接地構(gòu)件可以是一對(duì)車輪或一對(duì)輪組。
18在輪組的情況下，每個(gè)組可包括多個(gè)車輪。然而，每個(gè)接地構(gòu)件可替代地是多 個(gè)(通常為一對(duì))軸向相鄰的、徑向支承的以及可旋轉(zhuǎn)地安裝的弧形部件。在 這些實(shí)施例中，接地構(gòu)件由控制回路中的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，使得當(dāng)運(yùn)輸裝置不 運(yùn)動(dòng)時(shí)將運(yùn)輸裝置的質(zhì)心保持在接地構(gòu)件與地面的接觸區(qū)域之上，而與作用于 運(yùn)輸裝置上的擾動(dòng)和力無關(guān)。在其它實(shí)施例中，接地構(gòu)件由控制回路中的電動(dòng) 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)以保持全地形車輛的適當(dāng)平衡。
接地構(gòu)件通常具有與車輛(例如，運(yùn)輸裝置)在其上行進(jìn)或站立的表面相 接觸或毗連的"點(diǎn)"(實(shí)際上是區(qū)域)。由于接地構(gòu)件的柔性，接觸"點(diǎn)"實(shí)際上 是區(qū)域，其中接觸區(qū)域還可被稱為觸片。例如，運(yùn)輸裝置的重量分布在接觸區(qū) 域上，從而導(dǎo)致壓力在該區(qū)域上的分布，其中在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)期間壓力中心前移。 壓力分布是車輪的成分與結(jié)構(gòu)兩者、車輪的旋轉(zhuǎn)速度、施加到車輪的扭矩以及 因而作用于車輪上的摩擦力的函數(shù)。
需要運(yùn)動(dòng)方向上的力來克服滾動(dòng)摩擦(以及其它摩擦力，包括空氣阻力)。 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，重力可被用于提供關(guān)于與表面的接觸點(diǎn)的、在具有
期望運(yùn)動(dòng)意義上的分量的方向上的扭矩。圖14示出作用于以勻速V在平面上 行進(jìn)的單個(gè)車輪上的力?，F(xiàn)在討論的原理可容易地適用于斜面上的操作并且適
應(yīng)可能出現(xiàn)的任何其它外力。半徑為Rw的車輪140關(guān)于輪軸144相對(duì)于底盤 142旋轉(zhuǎn)并且在點(diǎn)P接觸底面。僅僅出于說明性目的，假定車輪140在一個(gè)點(diǎn) 接觸表面。
車輪由扭矩T (例如由馬達(dá)提供)相對(duì)于運(yùn)輸裝置驅(qū)動(dòng)，車輪又對(duì)運(yùn)輸裝 置產(chǎn)生反扭矩-T。因?yàn)榕ぞ仃P(guān)于輪軸144作用，所以反扭矩對(duì)應(yīng)于作用于包括 運(yùn)輸裝置和有效負(fù)載的系統(tǒng)的重心(CG)的力Fb，其中Fb:T/RcG，其中Rc(3 是輪軸與系統(tǒng)的CG之間的距離。從CG到點(diǎn)P的線143相對(duì)于垂線146的角 度為03。
作用車輪于點(diǎn)P的滾動(dòng)摩擦力f與車輪邊緣的速度v成比例，其比例表達(dá)
為f:IIV。為保持勻速，該力f必需精確地消除。因此，在重力提供該力的情況 下，必須滿足的條件是-
《cos《=/* (方程式4)，
其中fb是橫向作用于CG與點(diǎn)P之間的軸141的反作用力的分量。為了保持穩(wěn) 定(例如，防止運(yùn)輸裝置倒下)，還必須存在穩(wěn)定條件，即在與線143橫向垂 直的方向上沒有凈力作用在CG上。在勻速(即，在點(diǎn)P固定的慣性參考系中)運(yùn)動(dòng)期間必須不存在關(guān)于接觸點(diǎn)P的凈扭矩。該條件可被表達(dá)為 Fgsin《=A (方程式5),
其中Fg sines是重力的"傾翻"分量，并且fb是由車輪旋轉(zhuǎn)引起的對(duì)車輛(例 如運(yùn)輸裝置)的反作用力的反傾翻分量(fb = FbcosS)，并且其中S是在線143 和線141之間示出的角度。
可組合方程式4和5得到FgSinAcose^f，v，因而，在小角度的極限情況 下(其中sin6近似為e)，
廣
(方程式6)
顯示出對(duì)于運(yùn)輸裝置，增大速度需要增大傾斜來克服摩擦作用。另外，將穩(wěn)定 性強(qiáng)加于系統(tǒng)的控制回路將通過增大系統(tǒng)速度對(duì)增大的傾斜作出響應(yīng)。超過克 服摩擦作用所需的額外傾斜導(dǎo)致加速，因?yàn)橛蓄~外的前向力作用于車輛的CG。 相反，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸裝置的加速(或減速)，必須按以下更詳細(xì)討論的方式提 供額外的傾斜(前向或后向)。
圖15是提供車輪驅(qū)動(dòng)器接口組件153的細(xì)節(jié)的框圖。外圍微型計(jì)算機(jī)板 155從操縱桿152以及從傾斜儀153接收用戶輸入。在其它實(shí)施例中，傾斜儀 153是另一類型的傾斜傳感器(例如，懸擺基準(zhǔn)傳感器)。傾斜儀153提供俯 仰角(e)和俯仰角速度(e》的信息信號(hào)。為了允許運(yùn)輸裝置受控傾斜進(jìn)入轉(zhuǎn) 彎，從而在轉(zhuǎn)彎時(shí)增大穩(wěn)定性，也可行的是利用第二傾斜儀提供關(guān)于側(cè)傾角(0) 和側(cè)傾角速度(Or)的信息?；蛘?，系統(tǒng)重力和離心力的合力在轉(zhuǎn)彎時(shí)可用于 增加穩(wěn)定性。外圍微型控制器板155從電池組151接收輸入信號(hào)，例如電池電 壓、電池電流和電池溫度。外圍微型控制器板155還接收其它驅(qū)動(dòng)器輸入154 (例如，由用于平臺(tái)調(diào)節(jié)且用于確定操作模式的開關(guān)(旋鈕和按鈕)選通的信 號(hào))。外圍微型控制器板155通過總線159與可用于控制車輪馬達(dá)的中心微型 控制器板(未示出)通信，如以下結(jié)合圖16所描述的。
圖16是示出適于與圖15的控制組件一起使用以便為例如圖1的運(yùn)輸裝置 10的運(yùn)輸裝置和其它車輛提供穩(wěn)定性的控制算法的框圖。其它實(shí)施例包括運(yùn)輸 裝置，其中該運(yùn)輸裝置和有效負(fù)載在運(yùn)動(dòng)期間和在固定位置上都依靠?jī)蓚€(gè)接地 構(gòu)件平衡。以下約定結(jié)合后面的描述使用
1.使用大寫字母形式的單個(gè)下標(biāo)來命名以全局坐標(biāo)定義的變量。全局坐標(biāo)
20是固定在地表的坐標(biāo)(慣性)。
2. 非下標(biāo)的r標(biāo)識(shí)車輪半徑。
3. 小寫下標(biāo)用于指示例如左/右等的其它屬性r二右；1=左；ref^參考； f=結(jié)束；S=開始。
4. 所有角度在順時(shí)針方向均為正，其中正行進(jìn)是在正X方向上。
5. 變量上的點(diǎn)指示時(shí)間微分，例如^。
如圖所示，控制算法1660用于車輛的左輪和右輪的馬達(dá)，例如圖l的運(yùn) 輸裝置的車輪20和21?？刂扑惴?660具有左輪相對(duì)于全局坐標(biāo)系統(tǒng)的線速度 氣以及右輪的線速度^w的輸入?？刂扑惴?660還具有由沿參考坐標(biāo)系 的X軸和Y軸放置的操縱桿確定的方向輸入1600。輸入e、 ^以及誤差信號(hào)x 和^(以下所描述的)分別受到增益K!、K2、K3和K2并且變成對(duì)加法器1619 的輸入。加法器1619產(chǎn)生針對(duì)右輪和左輪的基本平衡扭矩命令，如以上結(jié)合 圖2所描述的。加法器1619的輸出與橫擺PID回路1616 (以下所描述的)的 輸出在加法器1620中組合。加法器1620的輸出在除法器1622中被除分。力口 法器1620的輸出在產(chǎn)生左輪扭矩命令的飽和限幅器1624中受到限制。類似地， 加法器1619的輸出與PID回路1616的輸出在加法器1621中組合。加法器1621 的輸出在除法器1623中被除分。除法器1623的輸出在產(chǎn)生右輪扭矩命令的飽 和限幅器1625中受到限制。
控制算法1660識(shí)別沿X軸的方向輸入相對(duì)于全局坐標(biāo)系統(tǒng)(其表示所行 進(jìn)的表面)沿其X軸以與操縱桿的位移成比例的速度移動(dòng)圖1所示的參考坐標(biāo) 系統(tǒng)。沿Y軸的方向輸入關(guān)于其Z軸以與操縱桿的位移成比例的角速度旋轉(zhuǎn)圖 1所示的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。操縱桿在正X方向上的運(yùn)動(dòng)在這里被解釋為表示前進(jìn) 運(yùn)動(dòng)。操縱桿在負(fù)X方向上的運(yùn)動(dòng)表示反向運(yùn)動(dòng)。類似地，操縱桿在正Y方向 上的運(yùn)動(dòng)表示左向轉(zhuǎn)彎，從上面看是逆時(shí)針方向。操縱桿在負(fù)Y方向上的運(yùn)動(dòng) 表示右向轉(zhuǎn)彎，從上面看是順時(shí)針方向。因此分別經(jīng)由靜帶塊1601和1602給 予方向輸入Y和X靜帶以加寬操縱桿的中間位置。1601和1602的輸出分別受 到增益KU和KIO。增益Kll和K10的輸出分別是速度限幅器1603和1604 的輸入。速度限幅器1603和1604分別限制參考坐標(biāo)系統(tǒng)的角加速度和線加速 度。來自速度限幅器1603和1604的速度受限輸出是對(duì)加法器1605的輸入。 加法器1605的輸出是參考速度x^f且加法器1606的輸出是參考速度x, ,ef，在 加法器1608和1607中從左輪和右輪的補(bǔ)償線速度輸入信號(hào)^w和^w中減去X^f和X, w以獲得參考坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)左輪和右輪的速度誤差信號(hào)X!和&。經(jīng)由加
法器1617和除法器1618確定的速度誤差信號(hào)Xl和&的平均值產(chǎn)生線速度誤差 信號(hào)。通過在積分器1610和1609中將"(和"^積分得到位移誤差信號(hào)x。積
分器1610和1609的輸出是對(duì)飽和限幅器1612和1611的輸入。飽和限幅器1612 和1611的輸出由加法器1613和除法器1615平均。經(jīng)由加法器1614確定的這 些位移之間的差異產(chǎn)生橫擺誤差信號(hào)中。
橫擺誤差信號(hào)甲被輸入到標(biāo)準(zhǔn)的比例加積分加微分(PID)控制回路1616。 PID控制回路1616的輸出與加法器1619的基本平衡扭矩命令組合以產(chǎn)生單個(gè) 車輪扭矩命令。單個(gè)車輪扭矩命令使車輪保持前后穩(wěn)定性并且還使運(yùn)輸裝置將 其自身與參考坐標(biāo)系統(tǒng)的軸對(duì)準(zhǔn)且跟隨其原點(diǎn)，如方向輸入1600所指導(dǎo)的。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，速度限制被用于保持平衡和控制，否則如果接 地部件(例如車輪)被允許達(dá)到運(yùn)輸裝置的最大運(yùn)行速度則可能失去平衡和控 制。本文所用的術(shù)語(yǔ)"最大運(yùn)行速度"是指車輛(例如運(yùn)輸裝置)目前能夠被推 進(jìn)的最大速度。該最大運(yùn)行速度通常是運(yùn)輸裝置瞬時(shí)能力的函數(shù)。例如，最大 運(yùn)行速度可以是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能力和/或所提供的用來給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電的能量存 儲(chǔ)設(shè)備的能力的函數(shù)。能力存儲(chǔ)設(shè)備可以是電池。能量存儲(chǔ)設(shè)備的"瞬時(shí)能力" 是可由該設(shè)備傳遞的瞬時(shí)功率的量度。能量存儲(chǔ)設(shè)備的"最大能力"是該設(shè)備可 在任何時(shí)候提供的最大功率的量度。本文所使用的術(shù)語(yǔ)"速度干涉帶"、"干涉速 度"以及"速度限制"是指從下端的"干涉速度"延伸到上端的"速度限值"的速度 的范圍或帶。干涉速度是可使用手段來減小運(yùn)輸裝置的速度的閾值速度。通常 將在最大運(yùn)行速度和速度限值之間具有余量的情況下操作運(yùn)輸裝置，如圖17 所示。該余量幫助確保運(yùn)輸裝置在一定范圍的操作條件下保持平衡。
可通過將運(yùn)輸裝置俯仰回與當(dāng)前行進(jìn)方向相反的方向來完成減速，這導(dǎo)致 運(yùn)輸裝置減速。(如上所述，系統(tǒng)傾斜的程度和方向確定運(yùn)輸裝置的加速。) 在該實(shí)施例中，通過將俯仰修正添加到傾斜儀俯仰值來俯仰回運(yùn)輸裝置。只要 運(yùn)輸裝置的運(yùn)輸裝置速度超過干涉速度就發(fā)生減速。通過查看運(yùn)輸裝置速度和 干涉速度之間的隨著時(shí)間積分的差異來確定俯仰修正。可保持自動(dòng)俯仰修正序 列直至運(yùn)輸裝置減慢到期望回動(dòng)(dropout)速度(干涉速度之下的某速度)， 并且隨后俯仰角可平穩(wěn)地返回其原始值。
連接到支持有效負(fù)載的車輪的電動(dòng)馬達(dá)施加一些作用來保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。對(duì) 于斜坡上的靜止車輛，電源經(jīng)由馬達(dá)提供該作用。當(dāng)機(jī)器開始在斜坡上行進(jìn)時(shí)，
22隨著勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，其速度增大。 一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度，勢(shì)能不再轉(zhuǎn)換成動(dòng)能 從而速度不再增大。相反地，勢(shì)能可經(jīng)由馬達(dá)轉(zhuǎn)換成電能。勢(shì)能減去系統(tǒng)中的 任何損耗后轉(zhuǎn)換成電能。例如，電能可為用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電池充電。
馬達(dá)電流與車輛和所支承的有效負(fù)載的組合重量以及底面的斜率成比例。 這兩個(gè)參數(shù)共同確定重力可對(duì)系統(tǒng)做多少功。如果表面斜率為零，則重力不做 功。圖18A示出車輪180在零斜率表面上行進(jìn)。必須將前進(jìn)扭矩Tp施加到車
輪180以便車輪在前進(jìn)方向V上行進(jìn)。重力Fg不增大或減小將車輪180在零 斜率表面上向前推進(jìn)所需的功的量。圖18B示出在斜面(斜率為a)上行進(jìn)的 車輪180。重力Fg投入將車輪向前(V方向)推進(jìn)所需的功的量。因?yàn)檐囕?80 在斜面上向下行進(jìn)，必須施加與重力(Fg)和期望恒定速度成比例的反扭矩IV 以保持車輪180勻速行進(jìn)。在其它實(shí)施例中，車輪180可在斜坡上向上行進(jìn)。 其它力(例如摩擦力)對(duì)將車輪向前推進(jìn)所需的扭矩T的量有貢獻(xiàn)，如以上關(guān) 于圖14所討論的。出于簡(jiǎn)化的目的，在以上討論中已將其忽略。對(duì)于給定的 表面斜率，車輛和有效負(fù)載的重量越大，重力對(duì)系統(tǒng)所做的功就越多，其形式 為在加速或減速時(shí)產(chǎn)生更多電流。在加速或減速時(shí)產(chǎn)生的電流的量因旋轉(zhuǎn)損耗 減少，使得對(duì)于小的斜坡或輕的有效負(fù)載可能沒有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)或再生。
給定的致動(dòng)器系統(tǒng)通常在可處理的電流的量上受到限制。諸如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器 硬件、電池容量和熱約束之類的考慮影響了該限制。
圖19示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電源模塊1900的框圖。平衡控制器1910 產(chǎn)生命令信號(hào)，該命令信號(hào)被提供給馬達(dá)放大器1920。馬達(dá)放大器1920基于 命令信號(hào)將合適的功率施加到馬達(dá)1930。平衡控制器1910從用戶和系統(tǒng)傳感 器接收輸入，并且應(yīng)用如以下詳細(xì)討論的控制律來保持平衡且根據(jù)用戶命令控 制運(yùn)輸裝置的運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)1930旋轉(zhuǎn)以角速度co向一個(gè)或多個(gè)車輪(例如，圖l 所示的車輪20和21)提供扭矩T的軸1932，這些車輪附連在軸1932上。在 本發(fā)明的實(shí)施例中，馬達(dá)1930是三線圈無電刷的DC馬達(dá)。在該實(shí)施例中，盡 管可使用任何數(shù)量的線圈，但是馬達(dá)1930有三組定子線圈。定子線圈通過能 夠傳導(dǎo)大電流或高電壓的線圈引線1937電連接到功率級(jí)1924。
馬達(dá)放大器1920包含放大器控制器1922和功率放大級(jí)1924兩者。放大 器控制器1922可被配置為控制施加到馬達(dá)1930的電流或電壓。這些控制模式 可被分別稱為電流控制模式和電壓控制模式。功率級(jí)1924將電源1940切換為 與每個(gè)線圈連接或斷開，這基于功率級(jí)1924的切換。功率級(jí)1924由放大器控制器1922控制。內(nèi)部回路1826感測(cè)功率級(jí)1924的輸出是否等于指令值并且 以優(yōu)選地大約為500Hz的數(shù)量級(jí)的閉合回路帶寬將誤差信號(hào)反饋回放大器控制 器1922。放大器控制器基于誤差信號(hào)改變功率級(jí)1824的輸出。另外，通過放 大器控制器1922的控制部分地基于來自軸反饋傳感器(SFS)1935的反饋信號(hào)。
軸反饋傳感器1935耦合到平衡控制器1910。軸反饋傳感器1935向平衡控 制器1910提供與軸位置或運(yùn)動(dòng)有關(guān)的信息。軸反饋傳感器1935可以是傳感器 領(lǐng)域中已知的任何能夠感測(cè)旋轉(zhuǎn)軸的角坐標(biāo)或角速度的傳感器，并且包括轉(zhuǎn)速 計(jì)、編碼器和分解器。為了根據(jù)軸反饋傳感器1935所提供的位置信號(hào)獲得軸 旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量值，位置信號(hào)由微分器1908求微分。外部反饋回路1942以平 衡控制器1910所提供的平衡控制的帶寬特性操作并且可以低到20-30Hz。
盡管在某些應(yīng)用中電流和電壓可以是等效的，但是電壓控制有利地應(yīng)用于 運(yùn)輸裝置控制的實(shí)施例中，其中外部回路帶寬比內(nèi)部閉合回路帶寬慢不止3-4 倍。圖20示出馬達(dá)的電動(dòng)模型2010。馬達(dá)具有一對(duì)端子2011、 2012，其上施 加電壓V。馬達(dá)2010還具有由軸速度(0和扭矩T表征的旋轉(zhuǎn)軸2020。馬達(dá)2010 可由運(yùn)載電流i、電阻為R與具有電壓降VeM的理想馬達(dá)1935串聯(lián)的電阻器 1930建模。對(duì)于理想馬達(dá)
Vemf=kvco (方程式7)
T=ke*i (方程式8) 其中kv和ke是馬達(dá)常數(shù)。串聯(lián)電阻器2030建模馬達(dá)2010的損耗。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，提供一種估計(jì)電池的瞬時(shí)能力的方法。如圖21 所示，簡(jiǎn)化模型2100用于電池，其包括具有"開路"電壓V。e的"完美"DC電壓
源2110、電池的串聯(lián)電阻R^、電流Iw和電池電壓Vbat， V。e和R^t不能測(cè)量 但是可根據(jù)V^和I^的測(cè)量估計(jì)出。理想地，這些變量應(yīng)當(dāng)遵循線性關(guān)系 Vbat =V。C -(Ibat * Rbat) (方程式9)
因?yàn)樵摼€性關(guān)系是理想的，所以Vw和Ibat的測(cè)量值將可能呈現(xiàn)"散布圖"。 注意，本文所使用的"統(tǒng)計(jì)的"涉及以時(shí)間上或按照另一尺度相對(duì)于樣本的分布 規(guī)則或不規(guī)則的間隔測(cè)量基于采樣參數(shù)值關(guān)于該參數(shù)值的推論的繪制。本文所 使用的動(dòng)詞"過濾"涉及從可在后續(xù)采樣中獲得且可受到隨機(jī)波動(dòng)或系統(tǒng)波動(dòng)之 一或兩者的多個(gè)數(shù)據(jù)中提取可歸于單個(gè)時(shí)間點(diǎn)的值的過程。本領(lǐng)域中已知的過 濾技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用使得可以得到V。e和Rbat的估計(jì)值。例如，使用最小二乘 法的回歸分析可用于從V^和Ibat的測(cè)量值得到V。e和R^的估計(jì)值。例如，V。c和Rbat可由于周圍溫度、電池溫度、電池年齡、電池使用(使用的總量和使用 模式兩者)以及電池電荷耗盡(和/或再生)所用的時(shí)間而改變。因此，如果用 作回歸或更新值的Vb,t和Ibat的更新測(cè)量值比更早的值更重地加權(quán)，則可獲得 更準(zhǔn)確的估值。
在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例中，如圖22所示(步驟2200)，通過使用
低通濾波算法將V^和Ibat的新測(cè)量值用于校正VbM和1^的估計(jì)值。這些變量 被初始化(步驟2210)，其中V。e和R^被設(shè)置為典型值。周期性地測(cè)量Vbat
和Ibat (步驟2220)。為確保信號(hào)足夠"富裕"(即，在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間有統(tǒng)計(jì)上的
顯著差異)，計(jì)算Vbat和W離V,和Ip^這些變量的最后接受值的自乘距離
D (步驟2230)。
離先前接受測(cè)量值的距離標(biāo)識(shí)可提供附加信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)這些信息可 改善對(duì)當(dāng)前電池參數(shù)的估計(jì)。例如，當(dāng)運(yùn)輸裝置靜止時(shí)，產(chǎn)生很少電流并且一 系列這種測(cè)量值可使電池參數(shù)的估計(jì)值自它們的真值扭曲，如過濾過程。對(duì)D 適當(dāng)設(shè)置的閾值可用于減輕這種數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)估值的影響。
隨后可執(zhí)行以下計(jì)算
(1)計(jì)算更新增益Kv。e和Krbat (步驟2240):
1凡
A。' _曙A一 O * /
(方程式10)
其中，Pa是直接V。e協(xié)方差矩陣元素，Pb是交叉耦合協(xié)方差矩陣元素，并且Pe 是直接R^協(xié)方差矩陣元素，(注意Pa、 Pb和Pe表示狀態(tài)估計(jì)中的不確定 性)；
(2)計(jì)算電池狀態(tài)估計(jì)和新的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的誤差(步驟2250):
Err= Vbat — (V0C-Ibat*Rbat)
(3) 更新電池狀態(tài)估計(jì)(步驟2270) (如果D小于閾值(步驟2260)，
Rbat不被更新。)
v oc v oc t rvyoc lii
Rbat = Rbat + K組* Err
(4) 如果D大于閾值(步驟2275)，
prcv
V
bat
(方程式ii)
則將Krtat設(shè)置為零(步驟2265)以使
(方程式12) (方程式13) 則更新信號(hào)內(nèi)容變量(步驟2280) (方程式14)
25W =工bat (方程式15)
該過程可繼續(xù)重復(fù)測(cè)量V^和I^ (步驟2220)，從而繼續(xù)地更新Vbat和 Ibat的估值。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，基于電池的狀態(tài)和諸如馬達(dá)電流之類的其它運(yùn) 輸裝置參數(shù)將電池參數(shù)的估計(jì)值用于計(jì)算運(yùn)輸裝置的最大運(yùn)行速度。例如，運(yùn) 輸裝置的最大運(yùn)行速度Y可由以下形式的線性方程來建模
Y = M*Imax + B (方程式16)
M和B的值可隨著時(shí)間而改變，并且M或B可以是諸如電池開路電壓與 內(nèi)阻之類的運(yùn)輸裝置操作參數(shù)和諸如反EMF增益與馬達(dá)電阻之類的馬達(dá)參數(shù) 的當(dāng)前值的函數(shù)。
致動(dòng)器系統(tǒng)對(duì)它們可提供的扭矩的量以及系統(tǒng)中電流的量有物理限制。致 動(dòng)器系統(tǒng)中輸出的扭矩量和電流量是相關(guān)的，扭矩是電流的函數(shù)(并且反之亦 然)，如以上結(jié)合圖19和圖20在方程式8中所示。調(diào)節(jié)扭矩量可調(diào)節(jié)致動(dòng)器 系統(tǒng)中的總電流。類似地，電流限值限制了致動(dòng)器系統(tǒng)可輸出的扭矩量。這樣， 如果致動(dòng)器具有最大扭矩，則電流能力也具有最大值。對(duì)致動(dòng)器系統(tǒng)中的電流 總量的物理限制適用于所有形式的電流(例如，周圍溫度、電池年齡、通過加 速或減速產(chǎn)生的電流)。通過車輛驅(qū)動(dòng)器的任何電流利用整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的一些給 定部分并且對(duì)總電流限制有貢獻(xiàn)。例如，再生電流(通過在行進(jìn)方向的反方向 上施加扭矩所產(chǎn)生的電流)減小可用于剎車的電流量。這是因?yàn)樵偕娏骱蛣x 車電流兩者都是負(fù)的并且向總電流限制增加。通常，致動(dòng)器系統(tǒng)可監(jiān)控多少電 流(即，可響應(yīng)于可用電流施加的扭矩量)能力正被用于加速或減速，并且隨 后估計(jì)剩余的電流處理能力。通過估計(jì)剩余電流處理能力，系統(tǒng)可限制車輛性 能或通過一些其它手段提供附加的剎車力。
諸如以上所述的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置可操作以便保持余量以供其驅(qū)動(dòng)器致 動(dòng)器處理可能出現(xiàn)的各種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)瞬變(例如，需要使車輪加速越過小的障 礙)?！熠啵瑢?duì)于一些操作條件，車輪需要加速以保持在質(zhì)心之下以便保持車輛 平衡。類似地，可能存在需要保持一些致動(dòng)器余量的操作限制以便在系統(tǒng)完全 故障的情況下使車輛安全停下。當(dāng)上坡或在平面上行進(jìn)時(shí)，通過加速車輪使其 不再在質(zhì)心前面從而使系統(tǒng)向后俯仰而使車輛停下。向后俯仰導(dǎo)致扭矩減小， 隨后使速度減小。
26運(yùn)輸裝置性能被限制并且通過調(diào)制運(yùn)輸裝置的俯仰來減小其速度。該性能 的降低可與總電流有關(guān)。即，車輛與有效負(fù)載的重量越大且斜坡越陡，產(chǎn)生的 電流越多。例如，當(dāng)上坡時(shí)可產(chǎn)生額外的電流，這是由于在車輛停止前將其俯 仰回所需的扭矩增大?；蛘撸?dāng)下坡時(shí)可產(chǎn)生額外的電流，這歸因于剎車時(shí)所 產(chǎn)生的再生電流。額外的電流對(duì)總電流有貢獻(xiàn)，這可導(dǎo)致達(dá)到總電流限值(即， 物理電流限值)，從而降低速度限值。較低的速度限值降低了持續(xù)減速的可能 量。降低速度限值不增大剎車能力，而是使系統(tǒng)進(jìn)入不太可能需要使用剎車能 力且與較高的初始速度相比使用剎車能力時(shí)間較短的操作狀態(tài)。因?yàn)檫\(yùn)輸裝置 使用電動(dòng)馬達(dá)來產(chǎn)生剎車力，所以減速這樣的動(dòng)作也再生電流。
對(duì)測(cè)量可在本發(fā)明各實(shí)施例中使用的車輛的速度和加速度而言存在各種 方法。例如，旋轉(zhuǎn)編碼器可用于測(cè)量車輛的一個(gè)或多個(gè)車輪的速度。車輛速度 相對(duì)于時(shí)間的微分可用于確定車輛的加速度。此外，加速度計(jì)可用于確定車輛 的速度。
圖23示出針對(duì)本發(fā)明說明性實(shí)施例的所測(cè)馬達(dá)電流和速度限值之間的關(guān)
系。當(dāng)所測(cè)量的馬達(dá)電流大于或等于-2(A)時(shí)，將車輛速度設(shè)置為5.558 (m/s)。 當(dāng)所測(cè)量的馬達(dá)電流小于或等于-20(A)時(shí)，將車輛速度設(shè)置為1.178 (m/s)。當(dāng) 所測(cè)量的馬達(dá)電流在-2(A)和-20(A)之間時(shí)，速度受沿著-2(A)和-20(A)之間的細(xì)
線限制。取決于例如特定用戶的經(jīng)驗(yàn)水平，這些限值的值(電流值和/或速度限 值)可以改變。
在一些實(shí)施例中，總電流限值以運(yùn)輸裝置上坡的操作特性為基礎(chǔ)。在一些 實(shí)施例中，總電流限值以運(yùn)輸裝置下坡的操作特性為基礎(chǔ)。在一些實(shí)施例中， 必須達(dá)到所測(cè)量的馬達(dá)電流閾值(例如，如圖23所示的2(A))以便啟動(dòng)速度 限制。
在未結(jié)合本發(fā)明原理的車輛中，在加速或減速期間產(chǎn)生正反饋，其導(dǎo)致運(yùn) 輸裝置錯(cuò)誤地減速。正反饋導(dǎo)致額外的不必要的減速，因?yàn)樗俣软憫?yīng)于超過的 電流限值被進(jìn)一步限制。在上坡時(shí)較低的速度限值需要加速，而在下坡時(shí)其需 要減速。加速或減速導(dǎo)致電流進(jìn)一步增大，因?yàn)楸仨毷┘颖茸畛鯇?dǎo)致總電流限 值被超過的扭矩更大的扭矩來使車輛進(jìn)一步加速或減速?？傠娏飨拗惦S后被進(jìn) 一步超過，因?yàn)榕ぞ卦酱笏a(chǎn)生的電流越多。該總電流增大一減速循環(huán)(除最 后導(dǎo)致完全的非期望停止之外)進(jìn)一步減小用于響應(yīng)于瞬變和故障的可用性能 余量。在結(jié)合本發(fā)明的原理的車輛中，解決了來自加速或減速的額外電流，因此沒有將其視為來自斜坡和有效負(fù)載的額外電流。為了使與斜坡和車輛與有效 負(fù)載的重量相關(guān)聯(lián)的電流的作用最小化，并且為了避免不必要的速度限制且改 善瞬態(tài)動(dòng)態(tài)特性，控制算法將上坡或下坡所需的致動(dòng)器電流從加速或減速所需 的電流中分出。對(duì)歸因于加速或減速的所測(cè)量電流的估計(jì)量可從所測(cè)量的總電 流中去除。去除歸因于加速或減速的電流量允許基于僅由斜面和有效負(fù)載產(chǎn)生 的電流來設(shè)置速度限值，這是最初的意圖。
圖24是描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的運(yùn)輸裝置控制器的速度限制的示意圖。
扭矩模塊2402確定在底面上行進(jìn)的車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩以及加速與減速期間 的扭矩。將穩(wěn)態(tài)平均扭矩和加速與減速期間的扭矩提供給速度模塊2401。速度 模塊2401還接收表示所測(cè)總電流(It。t)、車輛及其有效負(fù)載(例如，駕駛者 或負(fù)載)的系統(tǒng)的總重量、車輛扭矩、車輛加速度以及車輛速度的輸入信號(hào)。 在該實(shí)施例中，速度模塊2401的輸出是期望俯仰角，因?yàn)楦┭鼋谴_定運(yùn)輸裝 置的速度。將期望俯仰角提供給控制運(yùn)輸裝置俯仰的俯仰控制器2303。
一些車輛的速度并不通過控制車輛的俯仰來控制。在這些車輛中，例如通 過改變施加于車輛節(jié)流閥的節(jié)流閥命令信號(hào)而不是通過改變施加到車輛馬達(dá) 的指令俯仰角，將速度控制器用于控制車輛速度。
圖25是描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的下坡時(shí)的運(yùn)輸裝置控制器的速度限制的 操作的流程圖。圖24的扭矩模塊2402感測(cè)并確定其上有車輛行進(jìn)的底面的斜 率(步驟2501)。當(dāng)車輛下坡時(shí)(步驟2502)，再生電流(Ireg)產(chǎn)生并被測(cè) 量(步驟2503)。如果再生電流增大(步驟2504)，則基于如以上所述的補(bǔ) 償再生電流信號(hào)用于車輛加速來降低車輛的最大允許速度限值(步驟2505)。 產(chǎn)生加速補(bǔ)償平均電流信號(hào)(步驟2506)，其導(dǎo)致通過俯仰控制器2503來調(diào) 制(步驟2507)運(yùn)輸裝置的俯仰。俯仰控制器2503通過控制對(duì)車輪的重量轉(zhuǎn) 移來控制運(yùn)輸裝置的俯仰(步驟2508)。
實(shí)際上，加速補(bǔ)償平均電流是對(duì)斜坡和有效負(fù)載的綜合影響的估計(jì)。在動(dòng) 態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置中實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)車輛和有效負(fù)載質(zhì)量的一般化 估計(jì)(例如，車輛控制系統(tǒng)中的固定增益)可用于確定加速補(bǔ)償平均電流。例 如，在一個(gè)實(shí)施例中，估計(jì)使車輛減速一米每秒需要5安培。在其它實(shí)施例中， 測(cè)量或估計(jì)系統(tǒng)總重量。
本發(fā)明的原理可供各種其它類型的車輛使用。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中， 本發(fā)明的原理用于靜態(tài)穩(wěn)定車輛(例如，汽車、全地形車輛)。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的原理應(yīng)用于四輪靜態(tài)穩(wěn)定汽車。該汽車包括耦合 到汽車車輪的兩個(gè)或更多個(gè)電動(dòng)馬達(dá)。電動(dòng)馬達(dá)被用作汽車加速和減速的主要
裝置。參考圖24和圖25，代替使用汽車的俯仰來控制汽車速度，基于例如加 速補(bǔ)償平均電流信號(hào)使用獨(dú)立的控制器和/或致動(dòng)器來控制汽車速度。例如，可 將加速補(bǔ)償平均電流信號(hào)提供給控制汽車引擎節(jié)流閥的致動(dòng)器，從而控制汽車 速度。用于控制車輛速度的替換裝置和方法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，加速補(bǔ)償平均電流取決于系統(tǒng)總重量。通過測(cè)量或估計(jì) 轉(zhuǎn)移到車輪的重量可準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)總重量。
在一個(gè)實(shí)施例中，可基于扭矩、加速度和速度的測(cè)量值來估計(jì)表面的斜率 和有效負(fù)載的重量?；谂ぞ亍⒓铀俣群退俣鹊臏y(cè)量值的斜率和有效負(fù)載估值 一般還可應(yīng)用于對(duì)與爬坡的性能限制相關(guān)的車輛性能的監(jiān)控和限制。
在一些實(shí)施例中，當(dāng)再生電流減小時(shí)最大允許速度限值(例如，圖25的 步驟2505中)增大。當(dāng)再生電流減小時(shí)總致動(dòng)器能力增大，從而使得有更多 的致動(dòng)器能力用于剎車。這導(dǎo)致最大允許速度限值的增大。在一些實(shí)施例中， 再生電流限值基于用戶經(jīng)驗(yàn)可以更高。更有經(jīng)驗(yàn)的用戶可能知道如何駕駛車輛 使得在某些操縱期間剎車或使車輛減速的需要最小化。例如，用戶可知道用于 急轉(zhuǎn)彎的適當(dāng)身體姿勢(shì)和通過各種地形的適當(dāng)速度。該經(jīng)驗(yàn)可允許傳動(dòng)系統(tǒng)被 設(shè)置在較高的電流限制閾值，因?yàn)樾枰^少的致動(dòng)器能力用于剎車和瞬變。因 而，各實(shí)施例提供對(duì)下坡的電動(dòng)車輛速度的平穩(wěn)控制，即使在下坡期間速度限 值被降低。另外，速度和扭矩的增大余量被保留以供響應(yīng)于瞬變或系統(tǒng)故障。
本發(fā)明所述的實(shí)施例旨在僅僅是示例性的，并且對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言 許多變型和修改將是顯而易見的。特別地，本文所述的方向和速度控制的許多 控制器和方法可有利地應(yīng)用于不是平衡個(gè)人運(yùn)輸裝置的電動(dòng)車輛中。平衡運(yùn)輸 裝置提出了用于控制車輛的特定要求，如前面描述以及美國(guó)專利No. 6789640 所討論的。所有這些變型和修改都旨在落入任何所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于控制具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛的速度的方法，所述方法包括確定在底面上行進(jìn)的所述車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩和加速或減速期間的扭矩；以及基于以下控制所述車輛的速度所述穩(wěn)態(tài)平均扭矩；所述車輛加速或減速期間的所述扭矩；所測(cè)得的由所述車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的致動(dòng)器電流，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向所述車輛的至少一個(gè)接地部件施加扭矩以便在所述底面上行進(jìn)；所述車輛與有效負(fù)載的重量；施加到所述接地部件的所述扭矩；所述車輛的加速度；以及所述車輛的速度。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，控制所述車輛的速度包括確定加速補(bǔ)償平均電流。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述車輛的速度包括確定 使所述車輛加速或減速所需的致動(dòng)器電流的量。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，確定使所述車輛加速或減速所 需的所述致動(dòng)器電流的量是基于所述車輛速度和所述底面的斜率的。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述加速補(bǔ)償平均電流通過從 所測(cè)量的所述車輛致動(dòng)器電流減去由減速產(chǎn)生的致動(dòng)器電流來確定。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述加速補(bǔ)償平均電流通過從 所測(cè)得的所述車輛致動(dòng)器電流減去由加速產(chǎn)生的致動(dòng)器電流來確定。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述車輛是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸裝置 并且通過調(diào)制所述車輛的俯仰組件控制所述車輛的最大允許速度。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，俯仰控制器基于所述加速補(bǔ)償 平均電流調(diào)制所述車輛最大允許速度。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括如果再生電流增大則減 小所述車輛最大允許速度。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于 則增大所述車輛最大允許速度。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 動(dòng)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)所述車輛的加速和減速。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于值時(shí)控制所述車輛的速度。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于 的經(jīng)驗(yàn)水平。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 裝置。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 量是估計(jì)值。
16. —種用于控制具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛的速度的控制器，所述控制器 包括扭矩模塊，其產(chǎn)生與其上有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛行進(jìn)的底面相關(guān)聯(lián)的穩(wěn) 態(tài)平均扭矩和加速或減速期間的扭矩；以及速度模塊，其從所述扭矩模塊接收所述穩(wěn)態(tài)平均扭矩和加速或減 速期間的扭矩，并且基于所述穩(wěn)態(tài)平均扭矩、加速或減速期間的所述 扭矩、所測(cè)得的由所述車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電流、所述車輛和有 效負(fù)載的重量、由所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器施加的所述扭矩以及所述車輛速度 來輸出期望俯仰角，其中所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向所述車輛的至少一個(gè)接地 部件施加扭矩以便使所述車輛在所述底面上行進(jìn)。
17. 如權(quán)利要求16所述的控制器，其特征在于，當(dāng)加速補(bǔ)償平均電流低 于閾值時(shí)所述控制器控制所述車輛的速度。
18. 如權(quán)利要求16所述的控制器，其特征在于，還包括俯仰控制器模塊， 其用于控制所述車輛俯仰以基于所述車輛速度命令調(diào)制所述車輛的速度。，還包括如果再生電流減小 ，至少主要通過操作所述電 ，當(dāng)所測(cè)電流超過總電流閾 ，所述總電流閾值基于用戶 ，所述車輛是靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸 ，所述車輛和有效負(fù)載的重
19. 一種具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛，包括支承有效負(fù)載的平臺(tái)；耦合到所述平臺(tái)且包括用于在底面上行進(jìn)的至少一個(gè)接地部件的 接地模塊；用于向所述至少一個(gè)接地部件施加扭矩的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器； 用于向所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器供電的電源；以及基于所述車輛與所述有效負(fù)載的重量和所述底面的斜率限制所述 接地部件速度的控制器。
20. 如權(quán)利要求19所述的車輛，其特征在于，還包括確定穩(wěn)態(tài)平均扭矩 和所述車輛加速或減速期間的扭矩的扭矩模塊。
21. 如權(quán)利要求20所述的車輛，其特征在于，還包括速度模塊，所述速 度模塊基于所述穩(wěn)態(tài)平均扭矩、加速或減速期間的所述扭矩、所測(cè)得的由所述 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電流、所述車輛與有效負(fù)載的所述重量、由所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 施加的所述扭矩以及所述車輛的速度輸出期望車輛速度命令。
22. 如權(quán)利要求21所述的車輛，其特征在于，還包括基于所述車輛速度 命令控制所述車輛的速度的速度控制器。
23. 如權(quán)利要求22所述的車輛，其特征在于，所述車輛速度命令是所述 車輛的期望俯仰，并且所述速度控制器是控制所述車輛的俯仰以基于所述期望 俯仰角控制所述車輛速度的俯仰控制器。
24. 如權(quán)利要求19所述的車輛，其特征在于，所述車輛是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)輸 裝置，并且所述車輛的最大允許速度通過調(diào)制所述車輛的俯仰組件控制。
全文摘要
本發(fā)明提供用于控制具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的車輛的速度的控制器和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法涉及確定在底面上行進(jìn)的車輛的穩(wěn)態(tài)平均扭矩以及加速或減速期間的扭矩。基于穩(wěn)態(tài)平均扭矩、加速或減速期間的扭矩、車輛與有效負(fù)載的重量、所測(cè)得的由車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的再生電流、車輛與有效負(fù)載的重量、施加到接地部件的扭矩、車輛的加速度以及車輛的速度，車輛的速度得到控制，其中車輛的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器向車輛的至少一個(gè)接地部件施加扭矩以便在地面上行進(jìn)。
文檔編號(hào)G05D1/08GK101501598SQ200780029846
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2007年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者D·魯賓遜, J·M·史蒂文斯 申請(qǐng)人:塞格威股份有限公司