專利名稱：電動車輛的速度限制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制電動車輛，尤其涉及控制和限制電動車輛速度。
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)定性并且在對于底面放置它們的接地構(gòu)件的所有預(yù)見狀況下針對穩(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)行時有效地維持運(yùn)輸裝置的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)通過不斷地感 測運(yùn)輸裝置的方向、確定維持穩(wěn)定所必要的校正動作、以及命令車輪馬達(dá)做出校正 動作來維持運(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 失效或缺少足夠動力，則駕駛者可能經(jīng)歷突然失去平衡。
對于維持穩(wěn)定軌跡的車輛，轉(zhuǎn)向控制和對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，施加到一個或多個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)之間的耦合是美國專利No. 6789640 的一個主題，該專利通過引用結(jié)合于此。
發(fā)明概述
在一個方面，本發(fā)明以用于控制具有電動驅(qū)動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、所測得的由車 輛的電動驅(qū)動器產(chǎn)生的致動器電流來控制車輛速度，其中車輛的電動驅(qū)動器向車輛
5的至少一個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量的車輛致動器電流中減去由加速 或減速所產(chǎn)生的致動器電流。
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驅(qū)動器來實(shí) 現(xiàn)車輛的加速與減速。在一些實(shí)施例中，當(dāng)所測得的電流超過總電流閾值時控制車 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)載的重量是測量值。
在另一方面，本發(fā)明以用于控制具有電動驅(qū)動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、所測得的由車輛的電
動驅(qū)動器產(chǎn)生的電流、由電動驅(qū)動器所施加的扭矩以及車輛的速度，其中車輛的電 動驅(qū)動器向車輛的至少一個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)明以具有電動驅(qū)動器的車輛為特征。車輛包括支承有效負(fù)載 的平臺。車輛還包括耦合到平臺的接地模塊，該接地模塊包括用于在底面上行進(jìn)的 至少一個接地部件。車輛還包括用于向至少一個接地部件施加扭矩的電動驅(qū)動器。 車輛還包括用于向電動驅(qū)動器供電的電源。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、所測得的由電動驅(qū)動器產(chǎn)生的電流、車輛與有效負(fù)載的重 量、由電動驅(qū)動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 利地對其應(yīng)用。
圖2是針對本發(fā)明的說明性實(shí)施例的用于動態(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、動力和控制的框圖。
圖4示出顯示對其可有利地應(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示出用于控制對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個人運(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根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個人 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根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個人運(yùn)輸裝置的輸 入的又一把手傾斜設(shè)備。
圖5D示出用于控制對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的個人運(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)施例的個人運(yùn)輸裝置。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明各個實(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是壓板被去除的個人運(yùn)輸裝置的平臺的俯視圖，其指示根據(jù)本發(fā)明各
個實(shí)施例的踏力壓力傳感器的放置。
圖13B示出本發(fā)明實(shí)施例中用于檢測駕駛者左右腳的放置的兩個踏板。 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)動的示意圖。 圖15是提供驅(qū)動器接口組件的細(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)動的示意圖。
圖19是本發(fā)明實(shí)施例的動力驅(qū)動器模塊的框圖。
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)明的各個實(shí)施例可用于針對加速和減速兩者將電動馬達(dá)和驅(qū)動器用 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)動前進(jìn)時通常是馬達(dá)驅(qū)動或消耗能量的。有時當(dāng)從很陡峭的斜坡上向下行 進(jìn)時，驅(qū)動器致動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)動和剎車由同一車輛組件(例如，電動馬 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 和動態(tài)穩(wěn)定車輛(例如，動態(tài)穩(wěn)定的平衡運(yùn)輸裝置)。對于電動馬達(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 致動器能力的量。用于加速或減速的致動器能力的量限制車輛的剎車能力。知 道多少致動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) 動以抑制非期望動態(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€或多個車輪進(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)定性但它是動態(tài)平衡的。運(yùn)輸裝置可有利地用作移動工作平臺 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
指示并且在美國專利No. 6302230中詳細(xì)描述的平衡個人運(yùn)輸裝置。主體8站 在支承平臺12上并且握住附連到平臺12的把手16的手柄14?？稍O(shè)置控制回 路使得主體的傾斜導(dǎo)致通過馬達(dá)驅(qū)動器向車輪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)被擾動離開該操作位置 則系統(tǒng)將相對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) 明的各個實(shí)施例中。通過引用結(jié)合于此的美國專利公開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前輪和兩個后輪。每 個后輪由其自己的致動器來驅(qū)動。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 測量瞬時俯仰狀態(tài)以主動控制車輛的穩(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等效于由單個馬達(dá)驅(qū)動的運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式。T標(biāo)識車輛扭矩。 e標(biāo)識前后傾角(即俯仰角)，X標(biāo)識沿著表面相對于參考點(diǎn)的前后位移，而下標(biāo) r表示相對于時間的可變微分?？刂圃鲆鍷,、 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)動器和致動器。馬達(dá)驅(qū)動器331和332分別控制運(yùn)輸裝置10的左輪和右 輪?？刂葡到y(tǒng)31具有包括用戶接口 361、用于感測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。控制系統(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)于美國專利No. 6874591的圖2)，左組驅(qū)動器341和 右組驅(qū)動器342分別用于驅(qū)動左組和右組。
在其它實(shí)施例中，控制系統(tǒng)31可具有兩個以上車輪馬達(dá)驅(qū)動器。附加的車輪 馬達(dá)驅(qū)動器可用于具有兩個以上車輪的車輛，如美國專利No. 6874591中的圖2所 示，該專利的全部內(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?？刂葡到y(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"傾斜"是指在給定時刻地面上穿過系統(tǒng)的質(zhì)心和支承系 統(tǒng)的接地部件的旋轉(zhuǎn)中心的線相對于本地垂直方向的角度。術(shù)語"系統(tǒng)"是指由 于接地部件相對于其上有車輛運(yùn)動的表面的運(yùn)動而發(fā)生運(yùn)動的所有物質(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的時間變化率)。美國專利No. 6789640中詳細(xì)描述了一種向個人運(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 的各個實(shí)施例。從諸如車輪速度微分、慣性感測等各種狀態(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正確地安置自己 的身體。諸如以上關(guān)于美國專利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正確的身體姿勢。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)。
鼓勵正確的身體姿勢的另一方法是將一個或多個把手做成操縱桿。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归_始轉(zhuǎn)彎時的 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)動自然地 跟隨用戶的身體運(yùn)動，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。在該實(shí)施例中，使用標(biāo)準(zhǔn)個人運(yùn)輸裝置算法 將橫擺輸入轉(zhuǎn)換成橫擺命令，其在低速時將固定增益施加到橫擺輸入，但是在 較高速度時增減增益以使橫擺輸入對應(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。
tmrf =《(①冊—①歸) (方程式2 )
其中K是常數(shù)；
° 是把手相對于平臺的角度； ①目是平臺相對于重力的傾斜；
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，樞軸相對于接觸片及表面的角度提供有趣的轉(zhuǎn)彎動態(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/離開平臺時可激活該特征部件，使得運(yùn)輸裝置 在用戶乘上或下來時不會撞向或離開用戶。
在適于提供把手傾斜的各種機(jī)構(gòu)中，其中第一個參考圖5A進(jìn)行描述。通
過旋轉(zhuǎn)地耦合到平臺12和把手500兩者的平行連桿502將把手500的運(yùn)動限 制在與個人運(yùn)輸裝置10的前進(jìn)運(yùn)動方向基本橫向成直角的平面上。把手的運(yùn) 動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12，從而 又將把手的運(yùn)動基本上限制在與前進(jìn)運(yùn)動方向橫向成直角的平面上并且使把 手按照以平臺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)施例的任一個中， 一個或多個傳感器510相對于垂線或相對于關(guān)于接地模 塊固定的方向來檢測把手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。
在一個實(shí)施例中，把手的運(yùn)動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的傾斜可相對于運(yùn)輸裝置的平臺 12獨(dú)立地移動兩個分開的把手部分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，其中感測把手500相對于支承桿16的
順時針方向的旋轉(zhuǎn)530和逆時針方向的旋轉(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。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地形比更 敏感。
為了對抗該側(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，從而將把手相對于重力的角度作為橫擺輸入。因?yàn)?對用戶而言相對重力而非平臺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)傾角速度的瞬時側(cè)傾角速度可容易地 從諸如在例如美國專利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，其基于一個或多個陀螺儀、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)則它們將會導(dǎo)致非預(yù)期的橫擺輸入。
解決方案有兩個不同的部分直線駕駛時抵制地形和轉(zhuǎn)彎時抵制地形；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)動的問題，但是需要更多的輸入以便從轉(zhuǎn)向運(yùn)動去耦側(cè)傾。
未知輸入是對來自用戶的"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)對橫擺輸入的 轉(zhuǎn)角頻率。對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)置得低則有更多錯誤的行程且駕駛者開始 注意橫擺信號上的時滯。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。有利地提供所 感測的側(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指示的個人平衡運(yùn)輸裝置。 現(xiàn)有技術(shù)中的平衡個人運(yùn)輸裝置已在例如美國專利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12上并且握住附連 到平臺12的把手16的手柄14。運(yùn)輸裝置IO包括至少一個接地部件，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12中的至少一個致動 器(未示出)，該致動器向接地部件施加扭矩以相對于表面推進(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?？刂破?包括至少一個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，盡管在一個優(yōu)選的實(shí)施例中提供橫擺輸入的用戶是在個人運(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)或前方走動時改變把手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 速度時以及在較高向心加速度時的影響。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。在一個實(shí)施例中，針對熟練者的增 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。每個模式可對運(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針對初學(xué)者用戶的 橫擺命令信號的影響。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針對有經(jīng)驗(yàn)用戶的橫擺命令信號的影響。因而，對于初學(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，而更易忽略由能力較弱的駕駛者執(zhí)行 的突然機(jī)動。
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)輸裝置時和/或在上下 運(yùn)輸裝置的平臺期間，不同的控制增益被用于控制初學(xué)者模式對熟練者模式的 運(yùn)輸裝置的操作。
美國專利申請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?；蛘撸?橫擺輸入可與把手相對于設(shè)備無關(guān)框架的角度的某函數(shù)成比例，比如相對于本 地地表/慣性參考系(即相對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)處于相對于運(yùn)輸裝置前進(jìn)運(yùn)動的側(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，這些傳感器可以是本領(lǐng)域已知的用于感測旋轉(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和相對于平臺12固定的罩116，從而當(dāng)軸112相對于罩116同心地旋轉(zhuǎn)(關(guān) 于S軸)時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。恢復(fù)扭 矩相對于軸112的左/右旋轉(zhuǎn)是對稱的。彈性材料膜114耦合到軸112的長度超 過膜114耦合到罩116的長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)置于相對于平臺12的固定位置(在橫向設(shè)置的車輪20之間) 的控制臺124上設(shè)置五個燈的陣列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)輸裝置時可由其容易地觀看。在一個實(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 別感測用戶的左腳和右腳的重量。圖13A和圖13B示出平臺和踏板(例如，圖 7的平臺12和踏板18與19)。圖13A是壓板被去除的運(yùn)輸裝置的平臺的俯視 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 檢測用戶的左腳和右腳的放置的兩個踏板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 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(例如，圖7的平臺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 / 1.34米/秒)限制全部向左的橫擺運(yùn)動并且當(dāng)橫擺命令被 忽略時發(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 / 1.34米/秒)限制全部向右的橫擺運(yùn)動并且當(dāng)橫擺命令被 忽略時發(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/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/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/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/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) 由例如遙測單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線控制和無線遙測的能力?？蓡蜗蚧螂p向地提供 對數(shù)據(jù)的無線控制和無線遙測。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)包括一個或多個馬達(dá)用于結(jié)合接地構(gòu)件操作電 動驅(qū)動器時可使用控制回路。例如， 一對接地構(gòu)件可以是一對車輪或一對輪組。
18在輪組的情況下，每個組可包括多個車輪。然而，每個接地構(gòu)件可替代地是多 個(通常為一對)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驅(qū)動器驅(qū)動，使得當(dāng)運(yùn)輸裝置不 運(yùn)動時將運(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 驅(qū)動器驅(qū)動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)動方向上的力來克服滾動摩擦(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在一個點(diǎn) 接觸表面。
車輪由扭矩T (例如由馬達(dá)提供)相對于運(yùn)輸裝置驅(qū)動，車輪又對運(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相對于垂線146的角 度為03。
作用車輪于點(diǎn)P的滾動摩擦力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。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，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)動器輸入154 (例如，由用于平臺調(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)。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)動期間和在固定位置上都依靠兩個接地 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。控制算法1660具有左輪相對于全局坐標(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x 和^(以下所描述的)分別受到增益K!、K2、K3和K2并且變成對加法器1619 的輸入。加法器1619產(chǎn)生針對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識別沿X軸的方向輸入相對于全局坐標(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)動在這里被解釋為表示前進(jìn) 運(yùn)動。操縱桿在負(fù)X方向上的運(yùn)動表示反向運(yùn)動。類似地，操縱桿在正Y方向 上的運(yùn)動表示左向轉(zhuǎn)彎，從上面看是逆時針方向。操縱桿在負(fù)Y方向上的運(yùn)動 表示右向轉(zhuǎn)彎，從上面看是順時針方向。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^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X!和&。經(jīng)由加
法器1617和除法器1618確定的速度誤差信號Xl和&的平均值產(chǎn)生線速度誤差 信號。通過在積分器1610和1609中將"(和"^積分得到位移誤差信號x。積
分器1610和1609的輸出是對飽和限幅器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)生橫擺誤差信號中。
橫擺誤差信號甲被輸入到標(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 車輪扭矩命令。單個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"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)輸裝置瞬時能力的函數(shù)。例如，最大 運(yùn)行速度可以是驅(qū)動系統(tǒng)的能力和/或所提供的用來給驅(qū)動系統(tǒng)供電的能量存 儲設(shè)備的能力的函數(shù)。能力存儲設(shè)備可以是電池。能量存儲設(shè)備的"瞬時能力" 是可由該設(shè)備傳遞的瞬時功率的量度。能量存儲設(shè)備的"最大能力"是該設(shè)備可 在任何時候提供的最大功率的量度。本文所使用的術(shù)語"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間積分的差異來確定俯仰修正?？杀３肿詣痈┭鲂拚?列直至運(yùn)輸裝置減慢到期望回動(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)載的車輪的電動馬達(dá)施加一些作用來保持穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。對 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，
22隨著勢能轉(zhuǎn)換為動能，其速度增大。 一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度，勢能不再轉(zhuǎn)換成動能 從而速度不再增大。相反地，勢能可經(jīng)由馬達(dá)轉(zhuǎn)換成電能。勢能減去系統(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。 這兩個參數(shù)共同確定重力可對系統(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。出于簡化的目的，在以上討論中已將其忽略。對于給定的 表面斜率，車輛和有效負(fù)載的重量越大，重力對系統(tǒng)所做的功就越多，其形式 為在加速或減速時產(chǎn)生更多電流。在加速或減速時產(chǎn)生的電流的量因旋轉(zhuǎn)損耗 減少，使得對于小的斜坡或輕的有效負(fù)載可能沒有馬達(dá)驅(qū)動或再生。
給定的致動器系統(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，該命令信號被提供給馬達(dá)放大器1920。馬達(dá)放大器1920基于 命令信號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。馬達(dá)1930旋轉(zhuǎn)以角速度co向一個或多個車輪(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1924。
馬達(dá)放大器1920包含放大器控制器1922和功率放大級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1924將電源1940切換為 與每個線圈連接或斷開，這基于功率級1924的切換。功率級1924由放大器控制器1922控制。內(nèi)部回路1826感測功率級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)量級的閉合回路帶寬將誤差信號反饋回放大器控制 器1922。放大器控制器基于誤差信號改變功率級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。
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所提供的位置信號獲得軸 旋轉(zhuǎn)速度的測量值，位置信號由微分器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)的電動模型2010。馬達(dá)具有一對端子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)電池的瞬時能力的方法。如圖21 所示，簡化模型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不能測量 但是可根據(jù)V^和I^的測量估計(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"涉及以時間上或按照另一尺度相對于樣本的分布 規(guī)則或不規(guī)則的間隔測量基于采樣參數(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)波動或系統(tǒng)波動之 一或兩者的多個數(shù)據(jù)中提取可歸于單個時間點(diǎn)的值的過程。本領(lǐng)域中已知的過 濾技術(shù)對數(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。周期性地測量Vbat
和Ibat (步驟2220)。為確保信號足夠"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)。
離先前接受測量值的距離標(biāo)識可提供附加信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)這些信息可 改善對當(dāng)前電池參數(shù)的估計(jì)。例如，當(dāng)運(yùn)輸裝置靜止時，產(chǎn)生很少電流并且一 系列這種測量值可使電池參數(shù)的估計(jì)值自它們的真值扭曲，如過濾過程。對D 適當(dāng)設(shè)置的閾值可用于減輕這種數(shù)據(jù)點(diǎn)對估值的影響。
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)。
致動器系統(tǒng)對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)致動器 系統(tǒng)中的總電流。類似地，電流限值限制了致動器系統(tǒng)可輸出的扭矩量。這樣， 如果致動器具有最大扭矩，則電流能力也具有最大值。對致動器系統(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)動器的任何電流利用整個驅(qū)動器的一些給 定部分并且對總電流限制有貢獻(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)動器致 動器處理可能出現(xiàn)的各種馬達(dá)驅(qū)動瞬變(例如，需要使車輪加速越過小的障 礙)?！熠啵瑢τ谝恍┎僮鳁l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，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)下坡時可產(chǎn)生額外的電流，這歸因于剎車時所 產(chǎn)生的再生電流。額外的電流對總電流有貢獻(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間較短的操作狀態(tài)。因?yàn)檫\(yùn)輸裝置 使用電動馬達(dá)來產(chǎn)生剎車力，所以減速這樣的動作也再生電流。
對測量可在本發(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)編碼器可用于測量車輛的一個或多個車輪的速度。車輛速度 相對于時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示出針對本發(fā)明說明性實(shí)施例的所測馬達(dá)電流和速度限值之間的關(guān)
系。當(dāng)所測量的馬達(dá)電流大于或等于-2(A)時，將車輛速度設(shè)置為5.558 (m/s)。 當(dāng)所測量的馬達(dá)電流小于或等于-20(A)時，將車輛速度設(shè)置為1.178 (m/s)。當(dāng) 所測量的馬達(dá)電流在-2(A)和-20(A)之間時，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)到所測量的馬達(dá)電流閾值(例如，如圖23所示的2(A))以便啟動速度 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。在上坡時較低的速度限值需要加速，而在下坡時其需 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)動態(tài)特性，控制算法將上坡或下坡所需的致動器電流從加速或減速所需 的電流中分出。對歸因于加速或減速的所測量電流的估計(jì)量可從所測量的總電 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。 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(步驟2502)，再生電流(Ireg)產(chǎn)生并被測 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(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)償平均電流是對斜坡和有效負(fù)載的綜合影響的估計(jì)。在動 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 到汽車車輪的兩個或更多個電動馬達(dá)。電動馬達(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)償平均電流信號使用獨(dú)立的控制器和/或致動器來控制汽車速度。例如，可 將加速補(bǔ)償平均電流信號提供給控制汽車引擎節(jié)流閥的致動器，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。
在一個實(shí)施例中，可基于扭矩、加速度和速度的測量值來估計(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量值的斜率和有效負(fù)載估值 一般還可應(yīng)用于對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)再生電流減小時總致動器能力增大，從而使得有更多 的致動器能力用于剎車。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)身體姿勢和通過各種地形的適當(dāng)速度。該經(jīng)驗(yàn)可允許傳動系統(tǒng)被 設(shè)置在較高的電流限制閾值，因?yàn)樾枰^少的致動器能力用于剎車和瞬變。因 而，各實(shí)施例提供對下坡的電動車輛速度的平穩(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)用于不是平衡個人運(yùn)輸裝置的電動車輛中。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驅(qū)動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；所測得的由所述車輛的電動驅(qū)動器產(chǎn)生的致動器電流，所述電動驅(qū)動器向所述車輛的至少一個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 所測量的所述車輛致動器電流減去由減速產(chǎn)生的致動器電流來確定。
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 所測得的所述車輛致動器電流減去由加速產(chǎn)生的致動器電流來確定。
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 動驅(qū)動器來實(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驅(qū)動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)生與其上有電動驅(qū)動車輛行進(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、所測得的由所述車輛的電動驅(qū)動器產(chǎn)生的電流、所述車輛和有 效負(fù)載的重量、由所述電動驅(qū)動器施加的所述扭矩以及所述車輛速度 來輸出期望俯仰角，其中所述電動驅(qū)動器向所述車輛的至少一個接地 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. 一種具有電動驅(qū)動器的車輛，包括支承有效負(fù)載的平臺；耦合到所述平臺且包括用于在底面上行進(jìn)的至少一個接地部件的 接地模塊；用于向所述至少一個接地部件施加扭矩的電動驅(qū)動器； 用于向所述電動驅(qū)動器供電的電源；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、所測得的由所述 電動驅(qū)動器產(chǎn)生的電流、所述車輛與有效負(fù)載的所述重量、由所述電動驅(qū)動器 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驅(qū)動器的車輛的速度的控制器和方法。在一個實(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、所測得的由車輛的電動驅(qū)動器產(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，其中車輛的電動驅(qū)動器向車輛的至少一個接地部件施加扭矩以便在地面上行進(jìn)。
文檔編號G05D1/08GK101501598SQ200780029846
公開日2009年8月5日 申請日期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 申請人:塞格威股份有限公司