專利名稱：一種基于用戶位置的個(gè)人運(yùn)輸車的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及個(gè)人運(yùn)輸車的控制，并且更具體地涉及一些裝置和方法，這些裝置和方法用于基于用戶的位置或定向來提供與這種運(yùn)輸車(具有任意數(shù)量的接地元件)的方向或者速度有關(guān)的用戶輸入。
背景技術(shù)：
動(dòng)態(tài)平衡的運(yùn)輸車指的是具有控制系統(tǒng)的個(gè)人運(yùn)輸車，在運(yùn)輸車工作時(shí)，該控制系統(tǒng)主動(dòng)地保持運(yùn)輸車的穩(wěn)定性。所述控制系統(tǒng)通過連續(xù)地檢測運(yùn)輸車的定向、確定校正動(dòng)作以保持穩(wěn)定性并控制輪子電動(dòng)機(jī)做出校正動(dòng)作，從而保持運(yùn)輸車的穩(wěn)定性。
對于保持穩(wěn)定的站立區(qū)域的車輛，一方面，轉(zhuǎn)向控制和車輛的向前運(yùn)動(dòng)的控制之間的耦合不是所關(guān)心的問題，這是因?yàn)?，在通常的路面條件下，在整個(gè)轉(zhuǎn)彎過程中，依靠與地面接觸的輪子保持穩(wěn)定性。然而，在平衡運(yùn)輸車中，施加到一個(gè)或多個(gè)輪子的任何扭矩均影響運(yùn)輸車的穩(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(gè)主題。本發(fā)明的主題是方向輸入，其根據(jù)平衡車輛的轉(zhuǎn)向要求來有利地提供直覺的和自然的人力控制整合。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供控制器，該控制器可用來向用戶提供運(yùn)輸車的期望運(yùn)動(dòng)方向或定向的輸入。該控制器具有用于基于檢測到的用戶身體定向來接收用戶指定的輸入。
用戶可使用許多輸入形式中的任意形式傳送用戶指定的輸入，這些輸入形式包括超聲身體位置感應(yīng)；腳部力感應(yīng)；操縱柄傾斜；主動(dòng)操縱柄；身體位置的機(jī)械感應(yīng)；和線性滑動(dòng)方向輸入。
在本發(fā)明的那些實(shí)施例中，其中運(yùn)輸車能夠在一個(gè)或多個(gè)接地元件上平衡工作，提供輸入以用于接收由用戶指定的基于所檢測到的用戶的身體定向的期望運(yùn)動(dòng)方向值或者期望速度值。處理器生成至少基于用戶指定的方向和速度值的命令信號，連同基于(pitch)誤差的傾斜命令信號，從而在實(shí)現(xiàn)指定的方向和速度的過程中保持運(yùn)輸車的平衡。所期望的方向的輸入也可包括用戶指定的偏航值、偏航角速度值或向前/向后方向。
在本發(fā)明的各種其它實(shí)施例中，控制器具有加和器，該加和器用于根據(jù)用戶指定偏航值來差分化瞬時(shí)偏航值以產(chǎn)生偏航誤差值，使得由處理器產(chǎn)生的偏航命令信號至少部分地基于偏航誤差值。用來接收用戶指定的輸入可包括被配置用來檢測用戶定向的壓力傳感器、被配置用來檢測用戶定向超聲傳感器、或被配置在支撐用戶的平臺上用來檢測用戶的重量分布的力傳感器。在又一些其它實(shí)施例中，用來接收用戶指定的輸入包括被配置為與一軸線相橫切的平面中的軸，其中該軸線表征兩個(gè)橫向布置的輪子的旋轉(zhuǎn)，基于該軸的定向來指定所述期望方向和速度。
根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例，平衡運(yùn)輸車可包括操縱柄，而所述控制器還可具有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸，該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸至少基于運(yùn)輸車的橫向加速度和滾轉(zhuǎn)角中的一個(gè)用來定位該操縱柄。具體地，所述控制器可具有位置回路，用來指令操縱柄使得其大體上與第一輪子的速度的平方和第二輪子的速度的平方之差成比例。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，提供一種設(shè)備用來促使騎車人定位在車輛上以減小車輛橫向加速引起的橫向不穩(wěn)定。該設(shè)備具有輸入和指示裝置，該輸入用來接收根據(jù)期望行進(jìn)方向的騎車人的指定，該指示裝置用于將至少基于車輛的當(dāng)前橫向加速度的期望瞬時(shí)身體定向反映給騎車人。指示裝置可包括相對于車輛可樞轉(zhuǎn)的操縱柄，該操縱柄響應(yīng)于車輛轉(zhuǎn)彎被驅(qū)動(dòng)。


通過參考下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更容易理解本發(fā)明的上述特征，其中圖1示出如在美國專利No.6302230中被詳細(xì)描述的個(gè)人運(yùn)輸車，本發(fā)明可有利地應(yīng)用于這種個(gè)人運(yùn)輸車；圖2示出一框圖，該框圖示出在可有利地應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的偏航命令的組成輸入和輸出；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的偏航控制機(jī)構(gòu)的部件的分解透視圖，其示出了與個(gè)人運(yùn)輸車的用戶接口相連接的偏航控制把手；圖3B示出圖3A的偏航控制把手的詳細(xì)的分解透視圖；圖3C示出圖3A的偏航控制機(jī)構(gòu)的完整的偏航控制傳感器；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的偏航反饋控制系統(tǒng)的示意性框圖；圖5A是分別處于完全正直位置的、向左傾斜的和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的騎車人的示意性俯視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的髖部軛架的正視圖，該髖部軛架用來檢測騎車人定向的改變以命令偏航；圖5C是根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例的超聲發(fā)送器/接收器的構(gòu)造的圖表；圖5D是由圖4A所示的本發(fā)明實(shí)施例的部件發(fā)送并接收的超聲信號的波形定時(shí)顯示；圖6A是個(gè)人運(yùn)輸車的平臺在去除壓力板后的俯視圖，示出根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例的腳作用力壓力傳感器的放置；圖6B是圖6A所示的本發(fā)明實(shí)施例的壓力板的圖表，該壓力板用于由用戶施加力；圖6C是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的來自圖6A的腳部力傳感器的偏航命令信號的形成；
圖6D示出作為偏航輸入的函數(shù)的命令中的死區(qū)；圖6E示出作為輪子速度的函數(shù)的反向轉(zhuǎn)換偏航命令的斜坡函數(shù)；圖7A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來控制對個(gè)人運(yùn)輸車的輸入的操縱柄傾斜裝置；圖7B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有彎曲連接到接地模塊的控制桿的操縱柄傾斜裝置，用來控制對個(gè)人運(yùn)輸車的輸入；圖7C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有分離操縱柄的另外的操縱柄傾斜裝置，用來控制對個(gè)人運(yùn)輸車的輸入；圖7D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來控制對個(gè)人運(yùn)輸車的輸入的旋轉(zhuǎn)操縱柄裝置；圖7E示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來控制對個(gè)人運(yùn)輸車的輸入的操縱柄傾斜裝置；圖7F示出如圖7A所示的本發(fā)明的實(shí)施例所使用的減震器和阻尼調(diào)節(jié)；圖7G是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的混頻器模塊的模塊示意圖，該混頻器模塊用來組合偏航輸入和滾轉(zhuǎn)信息；圖7H示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于允許鎖定操縱柄的旋轉(zhuǎn)自由度的操縱柄承載和緩沖(detente)；圖8A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的主動(dòng)操縱柄對滾轉(zhuǎn)干擾的響應(yīng)；圖8B和8C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在高速轉(zhuǎn)彎期間主動(dòng)操縱柄響應(yīng)的正視圖和后視圖；圖9A和9B示出圖8A-8C的實(shí)施例的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的操縱柄的基本機(jī)械零件布局；圖10A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來向個(gè)人運(yùn)輸車提供轉(zhuǎn)向輸入的膝蓋位置傳感器的正視圖；圖10B示出與圖10A的膝蓋位置傳感器結(jié)合使用的定心機(jī)構(gòu)；圖10C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來提供用戶偏航輸入的髖部位置傳感器；圖10D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用來提供用戶偏航輸入的軀干位置傳感器；和圖11示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的線性滑動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
如果個(gè)人運(yùn)輸車能夠在一個(gè)或多個(gè)輪子上工作，但是在沒有控制輪子工作的控制回路的工作的情況下不能豎立于這些輪子上，則這種個(gè)人運(yùn)輸車可被說成以“平衡”形式運(yùn)行。平衡個(gè)人運(yùn)輸車缺乏靜穩(wěn)定性但是可以動(dòng)態(tài)平衡。在這種個(gè)人運(yùn)輸車和地面或其它下方表面之間提供接觸、并在常規(guī)工作期間相對于傾翻最低限度地支撐運(yùn)輸車的所述輪子或其它接地元件在此被稱為“主要接地元件”。
圖1示出總體標(biāo)識為標(biāo)記10且在美國專利No.6302230中被詳細(xì)描述的平衡個(gè)人運(yùn)輸車，作為可有利地應(yīng)用本發(fā)明的裝置的例子。受試者8站立在支撐平臺12上并抓住連接到平臺12的柄16上的把手14。可提供控制回路，使得受試者的傾斜導(dǎo)致如下所述的通過圖2中示意性地示出的通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式施加關(guān)于軸22的扭矩至輪子20，因而引起運(yùn)輸車的加速。然而，運(yùn)輸車10是靜態(tài)不穩(wěn)定的并且缺少控制回路的工作以保持動(dòng)態(tài)平衡，運(yùn)輸車10將不再能夠以其典型的工作方向工作。在本說明書和任何所附權(quán)利要求中所使用的“穩(wěn)定性”指工作位置的機(jī)械條件，對于該工作位置，如果系統(tǒng)受擾動(dòng)而在任何方面離開工作位置，該系統(tǒng)將將能夠自然地返回。
不同數(shù)量的輪子或其它接地部件可有利地用于本發(fā)明的各種實(shí)施例，具體而言可適合于改變各種應(yīng)用。因此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，接地部件的數(shù)目可以是等于或大于一的任何數(shù)目。如果個(gè)人運(yùn)輸車能夠在一個(gè)或多個(gè)輪子(或其它接地元件)上工作，但是在沒有控制輪子工作的控制回路的工作的情況下不能穩(wěn)定地豎立于這些輪子上，則這種個(gè)人運(yùn)輸車可被說成以‘平衡’的形式運(yùn)行。那些用于在這種個(gè)人運(yùn)輸車和地面或其它下方表面之間提供接觸、并在常規(guī)工作期間相對于傾翻而以最低限度地支撐運(yùn)輸車的所述輪子或其它接地元件在此可被稱為‘主要接地元件’。例如運(yùn)輸車10的運(yùn)輸車可有利地用作可移動(dòng)工作平臺或例如高爾夫球車或運(yùn)載工具的娛樂車輛。
如在此使用的術(shù)語“傾斜”是指在給定時(shí)刻相對于穿過系統(tǒng)質(zhì)心的直線的局部豎直方向和將系統(tǒng)支撐在底面上的接地元件的旋轉(zhuǎn)中心的角度。術(shù)語“系統(tǒng)”是指由于接地元件相對于其上方是所述車輛運(yùn)動(dòng)的表面的移動(dòng)而引起運(yùn)動(dòng)的所有主體。
如用在本描述和任何所附權(quán)利要求中的“穩(wěn)定性”指工作位置的機(jī)械條件，對于該工作位置，如果系統(tǒng)受擾動(dòng)而在任何方面離開工作位置，該系統(tǒng)將能夠自然地返回。
在美國專利申請系列號10/308850中詳細(xì)描述了一種用來提供用于個(gè)人運(yùn)輸車的偏航控制系統(tǒng)的用戶輸入的機(jī)構(gòu)。如在這里描述的并如圖3A到3C示出的，通過旋轉(zhuǎn)圖3B中詳細(xì)示出的偏航把手組件800，登上運(yùn)輸車的用戶可向偏航控制器502(示出于圖2)提供偏航控制輸入。
圖2描述加和器522中當(dāng)前偏航值ψ相對于期望偏航值ψdesired的差分化以獲得當(dāng)前偏航誤差ψerr。期望偏航值ψdesired從用戶輸入獲得，這里描述了期望偏航值的各種實(shí)施例。從各種狀態(tài)估算中導(dǎo)出當(dāng)前偏航值ψ，例如從差分輪速、慣性感應(yīng)等。根據(jù)偏航誤差對偏航命令的推導(dǎo)可以由電動(dòng)機(jī)控制器72根據(jù)例如在美國專利No.6288505中描述的各種處理算法來提供，并分別應(yīng)用到左電動(dòng)機(jī)28和右電動(dòng)機(jī)30。
特別參考圖3A，用戶接口14的一個(gè)實(shí)施例具有成對的空心桿802，該成對的空心桿802在每一側(cè)上有一個(gè)，任一個(gè)可以可互換地用于支撐偏航把手組件800。因此，通過中心控制軸16的任一側(cè)的指定的手(右或左)，可有利地命令偏航。偏航把手組件800包括把手804，該把手804繞與桿802共軸的軸線806旋轉(zhuǎn)。彈簧減震器808對于偏航把手804的旋轉(zhuǎn)提供反作用力，并把偏航把手804返回到中心的中立位置。偏航把手804包含至少一個(gè)磁體810(根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，圖3B中示出兩個(gè))，該磁體繞軸線806的旋轉(zhuǎn)使得被布置在突出的桿802內(nèi)的傳感器單元812(示出于圖3C)來感應(yīng)把手804的旋轉(zhuǎn)方向。因此，用戶接口14可在其端部以固定的偏航把手814密封，并且偏航控制輸入不影響用戶接口的整體密封性質(zhì)。傳感器單元812可包含霍爾效應(yīng)傳感器，該霍爾效應(yīng)傳感器優(yōu)選地對于保證自動(dòng)防故障的工作是冗余的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可使用其它磁體傳感器。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于偏航反饋控制系統(tǒng)的框圖。LateralAccelScale函數(shù)42在較高輪子速度和較高離心加速度的情況下減小偏航輸入40的效果。用來調(diào)節(jié)受控制的偏航速度的反饋44包含偏航位置項(xiàng)45，它用來保持偏航位置；速度平方項(xiàng)46，它將試圖把偏航速度調(diào)節(jié)到零；和前饋項(xiàng)49，它用于響應(yīng)用戶提供更好的偏航命令。
根據(jù)圖4，顯然的是，前饋項(xiàng)49必須以快速操縱進(jìn)行支配以便提供響應(yīng)系統(tǒng)。速度平方反饋46偏離線性控制理論并具有提供非線性偏航速度衰減的效果。
以下將描述扭轉(zhuǎn)把手輸入裝置的數(shù)個(gè)可選方案，其用來指定用戶方向或速度輸入。
身體位置感應(yīng)根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，檢測騎車人的身體位置的裝置被用來控制運(yùn)輸車的向前/向后運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向。為了偏航控制，根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，傳感器檢測如圖5A中從上方示意性地示出的騎車人的髖部或肩部是否是方方正正地對齊的、還是沿橫向方向51平移的或者是旋轉(zhuǎn)的，使得一個(gè)肩部被沿向前方向52推動(dòng)，而相對的肩部被沿向后方向53推動(dòng)。這些方案可獨(dú)立使用或用來提供方向輸入。
感應(yīng)身體位置以控制車輛偏航或向前/向后運(yùn)動(dòng)的任何方法都在本發(fā)明和任何所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。結(jié)合圖5B描述的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例要求與騎車人8機(jī)械接觸。襯墊54安裝在軛架55上并包含壓力傳感器，該壓力傳感器基于感應(yīng)到的用戶髖部位置的改變來發(fā)送信號到偏航控制器。感應(yīng)用戶位置的其它方法可依靠光學(xué)檢測或超聲檢測，現(xiàn)在結(jié)合圖5C和5D描述光學(xué)檢測或超聲檢測的一個(gè)例子。
在一個(gè)實(shí)施例中，騎車人佩戴超聲速信標(biāo)，被安裝于機(jī)械裝置的一排接收器用來檢測騎車人的位置。從發(fā)送器到每個(gè)接收器獲得渡越時(shí)間信息，并且該渡越時(shí)間信息用于計(jì)算用戶相對于機(jī)械裝置中心的橫向位置。把機(jī)械裝置向右轉(zhuǎn)，則用戶向右傾斜，并且對于左轉(zhuǎn)情況類似。如在美國專利No.6302230中描述的這類個(gè)人運(yùn)輸車的前后運(yùn)動(dòng)控制的情況下，除了用于把身體運(yùn)動(dòng)變換到運(yùn)輸車控制的該機(jī)構(gòu)的這種直觀優(yōu)勢以外，身體控制特征也可以有利地正確定位高速轉(zhuǎn)彎時(shí)的用戶的重心(CG)。
結(jié)合圖5A和5B描述的身體傾斜系統(tǒng)由三個(gè)不同的機(jī)械部件，即發(fā)送器信標(biāo)、接收器陣列和處理電子設(shè)備組成。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，騎車人佩戴超聲(US)/RF發(fā)送器信標(biāo)，并且一排超聲接收器和RF接收器與接口電子設(shè)備一起安裝在運(yùn)輸車的操縱柄下方?？梢允褂酶鞣N超聲發(fā)送器/接收器，例如由英格蘭Norfolk地區(qū)的Devantech Ltd.供應(yīng)的那些發(fā)送器/接收器。發(fā)送器信標(biāo)是小塊Delrin聚甲醛樹脂，該小塊Delrin聚甲醛樹脂具有40kHz標(biāo)準(zhǔn)頻率的，以90和±45度安裝的三個(gè)超聲發(fā)送器。這產(chǎn)生大約160度的聲錐。驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備被安裝在隱埋于發(fā)送器后面的印刷電路板之上，并且小的RF發(fā)送器安裝在該電路板的下方。用無線電話的帶夾把發(fā)送器連接到用戶，而電力由電池供給。
接收器陣列是一桿件，該桿件在各個(gè)位置處安裝有接收器。超聲接收器也安裝在小塊Delrin中，在每個(gè)位置處桿件的后面具有電子設(shè)備。為增加接收錐的尺寸，在每個(gè)位置處使用兩個(gè)US接收器，一個(gè)接收器安裝成正直向外而另一個(gè)接收器與該一個(gè)接收器成45度。對于外側(cè)傳感器，45度接收器朝內(nèi)，而對于內(nèi)側(cè)接收器，45度接收器朝外。這使得可以在騎車人處于機(jī)械裝置的中心時(shí)使用兩個(gè)外側(cè)接收器(左和右)來定位，但當(dāng)騎車人移向右邊時(shí)，兩個(gè)右傳感器接管，并且當(dāng)騎車人移向左邊時(shí)也一樣。
例如Devantech Model SRF-04的超聲測距儀可提供發(fā)送器和接收器的功能和電路，但各種修改均包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。信標(biāo)部分把三個(gè)驅(qū)動(dòng)器合并到單個(gè)板上。此外，微控制器代碼存在于發(fā)送器的板上，這允許該板連續(xù)地發(fā)送。
設(shè)計(jì)用來與計(jì)算機(jī)對接的板是與Devantech板具有相同類型的微控制器的電路試驗(yàn)板。該板的功能是產(chǎn)生用于表示RF脈沖和超聲脈沖之間的到達(dá)時(shí)間差的矩形波(當(dāng)RP脈沖到達(dá)時(shí)波走高而US脈沖到達(dá)時(shí)波走低)，并把該波正確地接到計(jì)算機(jī)電路。由于RF以光速傳播，而聲音以聲速傳播，這個(gè)方案導(dǎo)致精確的超聲渡越時(shí)間(TOF)信號。
參考圖5D，存在于機(jī)箱中的計(jì)數(shù)定時(shí)板接收用于表示從發(fā)送器到4個(gè)接收器的4個(gè)TOF信號的4個(gè)波形，并利用400KHz來確定每個(gè)脈沖的周期(以400khz時(shí)鐘來計(jì)數(shù))。然后，將該信息并入算法以便進(jìn)行距離計(jì)算和另外處理。
當(dāng)平衡運(yùn)輸車以任何相當(dāng)大的速度行進(jìn)時(shí)，騎車人需要傾斜進(jìn)入受控的轉(zhuǎn)彎以便抵消由該轉(zhuǎn)彎引起的向心加速度。該機(jī)械裝置使用身體定位傳感器來轉(zhuǎn)彎該機(jī)械裝置。當(dāng)騎車人以機(jī)械裝置為中心時(shí)，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎輸入。當(dāng)騎車人向左傾斜時(shí)，則指令進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎，并且對于向右傾斜也一樣。因此，不對轉(zhuǎn)彎初始化，直到用戶CG適當(dāng)?shù)囟ㄎ?。此外，通過分辨用戶精確的CG定位(如通過把發(fā)送器定位在騎車人的腰部)，系統(tǒng)能夠精確地將輪子速度/轉(zhuǎn)彎速度匹配到用戶所處角度，理論上精確地抵消作用在身體上的力。因此，為騎車人的CG位置和輪子速度調(diào)整了轉(zhuǎn)彎量。
根據(jù)本發(fā)明，來自超聲發(fā)送器的渡越時(shí)間(TOF)信息被傳輸?shù)街辽?個(gè)超聲接收器。根據(jù)RF接收的脈沖邊緣到US接收的脈沖邊緣之差計(jì)算渡越時(shí)間。由于聲速大體上是常數(shù)(在機(jī)械裝置的工作內(nèi))，根據(jù)發(fā)送器到接收器的聲音渡越時(shí)間可計(jì)算距離。然后，使用余弦定律和接收器離開中心及相互之間的已知距離來計(jì)算發(fā)送器沿橫向方向的位置。由于冗余的接收器，橫向位置是唯一的，離開桿件的向前/向后距離和高度的變化不影響該橫向位置(除非這種變化導(dǎo)致視距(line-of sight，LOS)損失)。
腳部力根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，通過使用踏板上的力傳感器檢測騎車人的重量分布，向運(yùn)輸車提供偏航控制輸入。為了轉(zhuǎn)向，騎車人沿期望的轉(zhuǎn)彎方向傾斜。向右傾斜向右轉(zhuǎn)彎；向左傾斜向左轉(zhuǎn)彎。可根據(jù)包含了定位在踏板的許多力傳感器的基本系統(tǒng)獲得許多變型。
PCB板為力傳感器提供所有的信號調(diào)節(jié)。以零至5伏特的模擬信號將傳感器信號從PCB板輸出。放大器上的其余A/D輸入用于讀入8個(gè)模擬信號并向用于每個(gè)傳感器的軟件提供8位計(jì)數(shù)。
實(shí)施的并測試的主要變型使用踏板左側(cè)的傳感器和右側(cè)的傳感器。當(dāng)人向右傾斜時(shí)，右傳感器信號變大，表示向右轉(zhuǎn)彎。當(dāng)人向左傾斜時(shí)，左傳感器信號變大，表示向左轉(zhuǎn)彎。構(gòu)造專用踏板以用來允許在剛性板的四個(gè)角部測量力分布。
有利地是，所得系統(tǒng)非常易于低速操作，并且與扭轉(zhuǎn)把手偏航輸入相比，騎車人可能更熟練于這種偏航輸入。在使系統(tǒng)能更好地處理干擾的所述裝置帶寬和所述系統(tǒng)的感知響應(yīng)之間存在折衷。
對于正常的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)開動(dòng)個(gè)人運(yùn)輸車時(shí)，用戶傾向于沿轉(zhuǎn)彎方向移動(dòng)重量。這種情況的原因是由轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的向心力傾向于把人推離運(yùn)輸車。當(dāng)乘騎3輪或4輪全地形交通工具(ATV)時(shí)，需要相同的用戶運(yùn)動(dòng)。因此，促使得到好的用戶位置的用于轉(zhuǎn)彎的正常輸入是，當(dāng)用戶把其重量向右移動(dòng)時(shí)向右轉(zhuǎn)彎。在這種構(gòu)造中，用戶處于理想的位置以進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎。
滑雪者和滑冰者傾向于以他們的右腳離開從而向左轉(zhuǎn)彎。這種情況的原因是，他們通過使用他們的腳，把他們的重量分布從右側(cè)轉(zhuǎn)移到左側(cè)。在根據(jù)本發(fā)明的個(gè)人運(yùn)輸車上，用戶需要不使用腳而使用用于此輸入裝置的操縱柄把其重量從右側(cè)轉(zhuǎn)移到左側(cè)。如果顛倒這種樣式以適應(yīng)滑雪者和滑冰者的偏好而向右傾斜并向左轉(zhuǎn)彎，則將導(dǎo)致不穩(wěn)定的系統(tǒng)。隨著用戶向右傾斜時(shí)，運(yùn)輸車向左轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生把用戶更加推向右邊的向心力，產(chǎn)生更加向左轉(zhuǎn)彎的命令。
參考圖6A，將力感應(yīng)元件定位在可變形帶子的端部大約一角硬幣的尺寸的圓中。在沒有力作用在傳感器上時(shí)，阻抗大約是800莫姆。在100磅作用在傳感器上時(shí)，輸出大約是200莫姆。為調(diào)節(jié)信號，運(yùn)算放大器用于產(chǎn)生有源放大器和有源抗混疊濾波器。放大器的目標(biāo)是產(chǎn)生與阻抗的改變成比例的輸出。濾波器的目標(biāo)是防止測得高于50Hz的量。由于反向放大器提供與阻抗的改變成比例的輸出，因而使用反向放大器。反向低通濾波器用作抗混疊濾波器，并用來把電壓變回到0到5伏。+/-12伏電源用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器以保持在運(yùn)算放大器的線性安全區(qū)域內(nèi)。
傳感器定位在金屬踏板下面，金屬踏板的每個(gè)角部中有一個(gè)傳感器，如圖6A所示。當(dāng)提供硬表面以壓在4個(gè)傳感器的每一個(gè)上時(shí)，在頂部的金屬板允許按壓標(biāo)準(zhǔn)騎車人檢測按鈕。所述金屬板示出于圖6B。
圖6C中示出從傳感器測量到轉(zhuǎn)移到控制系統(tǒng)的偏航命令的全部偏航命令。
由于用戶站在適當(dāng)位置時(shí)經(jīng)常輕微地移動(dòng)其重量，所以添加死區(qū)到傳感器處理。如圖6D所示，死區(qū)48在零偏航輸入周圍設(shè)置區(qū)域，在該區(qū)域中，微小的偏航輸入不引起偏航命令。
為了計(jì)算來自傳感器的偏航命令，使用以下方程Error！Objects cannot be created from editing field codes.
其中 是受控制的偏航變化率。
每個(gè)傳感器在當(dāng)其上沒有重量時(shí)設(shè)置0伏或0計(jì)數(shù)，且在滿載時(shí)設(shè)置5伏或255計(jì)數(shù)。大約40個(gè)計(jì)數(shù)的死區(qū)提供具有足夠空間的足夠平穩(wěn)的控制以便感覺舒適。此外，借助通常集中在從大約0.5Hz到大約3Hz的通帶，可使用濾波器濾去命令信號。
當(dāng)相反運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果相同的方程用來產(chǎn)生偏航命令，所得到的系統(tǒng)具有正反饋。相反，當(dāng)運(yùn)輸車進(jìn)行“S轉(zhuǎn)彎”時(shí)，如果用戶向右傾斜，運(yùn)輸車將向左轉(zhuǎn)彎并在用戶上產(chǎn)生向心力，把用戶推向右側(cè)。為解決這種問題，可實(shí)施“C轉(zhuǎn)彎”。當(dāng)運(yùn)輸車開始反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜坡函數(shù)用于翻轉(zhuǎn)偏航命令。為保持一致的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，當(dāng)在原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，斜坡僅在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)換偏航命令的方向。圖6E示出用來反向轉(zhuǎn)換偏航命令的作為輪子速度的函數(shù)的斜坡函數(shù)。使用rampRev函數(shù)按下式修改偏航速度命令Error！Objects cannot be created from editing field codes.
rampRev信號在5.0Hz被低通濾波以消除斜坡效應(yīng)。
當(dāng)按下例如制動(dòng)開關(guān)7(示出于圖3A)的制動(dòng)開關(guān)時(shí)，可連接該制動(dòng)開關(guān)以關(guān)閉偏航命令。當(dāng)按下按鈕時(shí)，將偏航命令乘法器置為0，然而如果釋放按鈕，將偏航命令乘法器置為1。使用0.5Hz低通濾波器用來平滑開和關(guān)之間的跳變。
操縱柄傾斜好的方向輸入裝置的一個(gè)關(guān)鍵屬性是在處理橫向加速度時(shí)能提供方向輸入。橫向加速度高時(shí)的轉(zhuǎn)彎需要用戶傾斜進(jìn)入轉(zhuǎn)彎以避免從運(yùn)輸車跌落或傾翻。當(dāng)操縱方向輸入時(shí)，最佳的方向輸入裝置將需要用戶適當(dāng)定位他們的身體。例如上面結(jié)合圖3論述的扭轉(zhuǎn)把手偏航輸入，通過其旋轉(zhuǎn)軸線的定向以及旋鈕和把手組合的設(shè)計(jì)，促進(jìn)適當(dāng)?shù)纳眢w定位。然而，取決于司機(jī)的技術(shù)，也可以進(jìn)行非協(xié)同輸入。
促進(jìn)適當(dāng)?shù)纳眢w定位的另一方法是把一個(gè)或多個(gè)操縱柄制成控制桿。通過在所述機(jī)械裝置的基部附近樞轉(zhuǎn)所述桿件，用戶可以高速移動(dòng)他或她的身體，并且僅僅拉住操縱柄和操縱輸入。當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)，用戶的身體已經(jīng)處于適當(dāng)位置，以便在開始轉(zhuǎn)彎時(shí)反抗橫向加速度，減少不適當(dāng)?shù)貐f(xié)同的轉(zhuǎn)彎的可能性。
在操縱柄傾斜機(jī)械裝置中，偏航輸入與相對于底盤的操縱柄角度成比例。優(yōu)選地，由于用戶通過以踝部進(jìn)行扭轉(zhuǎn)而達(dá)到最穩(wěn)定地傾斜，因此將樞軸盡可能低地安裝在運(yùn)輸車接地模塊上，以便允許所述桿件運(yùn)動(dòng)可以自然地跟隨用戶身體運(yùn)動(dòng)。換言之，低的樞軸操縱柄追蹤身體運(yùn)動(dòng)。在本實(shí)施例中，使用標(biāo)準(zhǔn)個(gè)人運(yùn)輸車算法把偏航輸入轉(zhuǎn)化成偏航命令，該算法將固定增益應(yīng)用到低速下的偏航輸入，但在高速下按比例劃分該增益以使得偏航輸入對應(yīng)于橫向加速度而非偏航角速度。由于期望的傾斜角度與橫向加速度大致地成比例，所以以上所述適用于操縱柄傾斜裝置。該結(jié)果是非常正常的輸入方法，在用戶通過傾斜“想到”右側(cè)或左側(cè)時(shí)，所述機(jī)械裝置將跟隨。
ψ·cmd=K(ΦHB-ΦRoll)]]>
其中K是常數(shù)；ΦHB是相對于平臺的操縱柄角度；ΦRoll是相對于重力的平臺傾斜； 是偏航命令。
本發(fā)明的其它實(shí)施例可具有傾斜或水平地安裝的樞軸操縱柄。在具有傾斜樞軸的機(jī)械裝置中，相對于接地部分和表面的樞軸的角度提供令人感興趣的轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)特性。具體地，旋轉(zhuǎn)軸線可影響斜坡上或平坦表面上的轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)特性。優(yōu)選地，機(jī)械裝置具有低的水平樞軸。在轉(zhuǎn)彎期間，水平樞軸可以容易地追蹤身體的運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，以行進(jìn)方向作為參考點(diǎn)，裝有樞軸的操縱柄可安裝在運(yùn)輸車的前部或后部。后部安裝的樞軸操縱柄的構(gòu)造允許用戶除了使用連接到操縱柄的肢體外，還可以使用身體的其他部分例如膝蓋來操縱運(yùn)輸車。而且，運(yùn)輸車可包括當(dāng)用戶登上或下來時(shí)禁止傾斜操縱的特征。當(dāng)運(yùn)輸車確定用戶部分地在平臺上/下時(shí)可啟動(dòng)該特征，使得在用戶登上或下來時(shí)運(yùn)輸車不會轉(zhuǎn)彎進(jìn)入或離開用戶。
適合于提供操縱柄傾斜的各種機(jī)構(gòu)中，結(jié)合圖7A描述了第一種。通過樞轉(zhuǎn)地連接到平臺12和操縱柄700的平行連桿702，操縱柄700的移動(dòng)被約束在與個(gè)人運(yùn)輸車10的向前運(yùn)動(dòng)方向大體上成橫向的平面。操縱柄的移動(dòng)也可偏斜到中心位置和/或通過彈簧704或減震器衰減。在圖7B示出的可選實(shí)施例種，操縱柄700可通過彎曲元件708連接到運(yùn)輸車10的平臺12，再把操縱柄的移動(dòng)大體上約束在與向前運(yùn)動(dòng)方向成橫向的平面，并允許操縱柄沿著以平臺12的平面上或附近的虛擬樞軸為中心的圓弧傾斜。在圖7A和7B的實(shí)施例的任一個(gè)中，相對于豎直方向或相對于相對接地模塊固定的方向，一個(gè)或多個(gè)傳感器710檢測操縱柄700的位置或檢測用于將操縱柄連接到運(yùn)輸車的剩余部分的部件702的位置。傳感器710可以是例如沿控制軸16布置的測壓元件。此外，如果期望，連接到操縱柄的彈簧或減震器可用于限制運(yùn)輸車的轉(zhuǎn)彎速率。
優(yōu)選地，操縱柄的移動(dòng)不偏斜到中心位置。在操縱柄不偏斜到中心位置的實(shí)施例中，在中心的周圍沒有預(yù)加載荷，因而用戶可精確地且準(zhǔn)確地操縱運(yùn)輸車。
根據(jù)圖7C示出的實(shí)施例，通過用戶8的傾斜，兩個(gè)分離的操縱柄部分720和722可以相對于運(yùn)輸車的平臺12分離地運(yùn)動(dòng)。在示出的實(shí)施例中，每個(gè)操縱柄部分的位置借助彈簧或以其它方式在相應(yīng)的套筒724和726內(nèi)傾斜到指定的“中立”高度。正如所描述的結(jié)合其它用戶輸入形式，將相對高度偏移發(fā)送到偏航控制器以控制轉(zhuǎn)彎。
圖7D示出本發(fā)明的又一實(shí)施例，其中對于操縱柄700的730和732分別相對于支撐桿16的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行感應(yīng)以產(chǎn)生用于把用戶輸入發(fā)送到偏航控制器502(示出于圖2)的信號。減震器734優(yōu)選地安裝成圍繞軸16的操縱柄700的樞轉(zhuǎn)耦合內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的操縱柄傾斜裝置表征為圖7E示出的樞軸機(jī)構(gòu)。樞軸70的彈簧常數(shù)和預(yù)加載均可調(diào)節(jié)，且具有±15°的固定運(yùn)動(dòng)范圍。優(yōu)選地，樞軸具有不受限制的運(yùn)動(dòng)范圍。樞軸盡可能低地安裝在接地模塊底盤26上，而把手16安裝到機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)部分。一對減震器74可提供另外的阻尼(damping)和剛性。減震器74安裝成輕微偏離水平位置以便在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍中最大化它們對控制軸16的垂直度。
可以以彈簧常數(shù)和阻尼來調(diào)節(jié)震動(dòng)。彈簧常數(shù)可通過對震動(dòng)儲氣器進(jìn)行加壓來調(diào)節(jié)。阻尼調(diào)節(jié)是借助旋鈕進(jìn)行，該旋鈕改變震動(dòng)內(nèi)部的空口尺寸。減震器74示出于圖7F。樞軸機(jī)構(gòu)的內(nèi)部是凸輪和彈簧加載的從動(dòng)件。凸輪壓縮從動(dòng)件彈簧，該從動(dòng)件彈簧產(chǎn)生恢復(fù)彈力。為改變彈簧常數(shù)，不同的凸輪被替換在樞軸中，并且一些情況下改變貝氏彈簧(Belleville spring)的數(shù)量。使用螺釘從外部調(diào)節(jié)預(yù)加載，該螺釘移動(dòng)一楔形件以定位貝氏彈簧組。通過可互換的凸輪可提供各種剛度。
安裝上剛性最大的凸輪且減震器處于環(huán)境壓力時(shí)，導(dǎo)致大約8磅的預(yù)加載，如在所述操縱柄處測量的。使操縱柄偏轉(zhuǎn)到其全部的15°行程需要大約40磅的力。
操縱柄傾斜控制中必須解決的一個(gè)問題是地形敏感效果。如果驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置越過障礙物或不平地形，由于所得到的用戶位置的改變可引起非預(yù)計(jì)的偏航輸入被輸入該系統(tǒng)，因此將滾轉(zhuǎn)干擾強(qiáng)加于機(jī)械裝置/騎車人系統(tǒng)。與所謂的通過扭轉(zhuǎn)把手的偏航控制相比，取決于站立者的整個(gè)身體的傾斜的偏航控制形式更易于對地形敏感。
為防止這種滾轉(zhuǎn)敏感性，可使用滾轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法。在這種算法中，修改偏航輸入以補(bǔ)償?shù)妆P的滾轉(zhuǎn)角，使偏航輸入為操縱柄相對于重力的角度。由于對于用戶來說，相對于重力保持身體位置比相對于平臺保持身體位置更容易，這便于抑制滾轉(zhuǎn)干擾。
根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施例，降低地形敏感性的方法使用基于底盤滾轉(zhuǎn)角速度濾波偏航輸入的算法。稱為滾轉(zhuǎn)角速度(Roll Rate)的滾轉(zhuǎn)瞬時(shí)速率可容易地從例如在美國專利No.6332103中描述的傾斜狀態(tài)估計(jì)器(Pitch State Estimator)獲得，該傾斜狀態(tài)估計(jì)器基于一個(gè)或多個(gè)陀螺儀、傾斜儀或上述組合而得到運(yùn)輸車的定向。大的滾轉(zhuǎn)瞬變引起騎車人加速，并且如果滾轉(zhuǎn)瞬變通過騎車人被剛性耦合到偏航偏航控制機(jī)構(gòu)，則滾轉(zhuǎn)瞬變將引起非預(yù)計(jì)的偏航輸入。
解決方案的兩個(gè)截然不同部分是直線行駛時(shí)抑制地形和轉(zhuǎn)彎時(shí)抑制地形；第一種情況是第二種情況的特例。雖然在大滾轉(zhuǎn)角速度期間禁止偏航將解決沿固定方向運(yùn)動(dòng)的問題，但需要更多的輸入以便把滾轉(zhuǎn)從操縱運(yùn)動(dòng)中分離。
未知的輸入是對騎車人的“預(yù)計(jì)”偏航輸入，即預(yù)想比如說沿20英尺的圓行駛的估計(jì)。雖然這種信息不是直接可獲得，但可以有效地從偏航輸入歷史推斷。對數(shù)據(jù)的簡單的低通濾波提供偏航輸入的估計(jì)。然而，這引起騎車人可察覺的響應(yīng)延遲。另一方面，如果僅當(dāng)出現(xiàn)高的滾轉(zhuǎn)角速度時(shí)使用低通濾波后的數(shù)據(jù)，騎車人不大可能察覺該延遲。然后，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，所述算法在直接偏航輸入和嚴(yán)重濾波方案之間使用由滾轉(zhuǎn)角速度控制的混頻器。
轉(zhuǎn)移函數(shù)模擬將結(jié)合入偏航信號的滾轉(zhuǎn)角速度的量。該轉(zhuǎn)移函數(shù)是各種因素的函數(shù)，這些因素包括偏航輸入的設(shè)計(jì)，騎車人的能力和騎車人如何進(jìn)行偏航輸入。通過使用這種混頻方法，轉(zhuǎn)移函數(shù)可以基本上被忽略或至多通過調(diào)整被最小化。
四個(gè)主要調(diào)整點(diǎn)是混頻器轉(zhuǎn)向到已濾波方案有多快，混頻器轉(zhuǎn)回有多快，混頻開始和結(jié)束的閾值，和偏航輸入的低通濾波(LPF)的拐角頻率。非受控制的偏航的量存在限制，該非受控制的偏航的量可由于設(shè)定混頻閾值而去除。通過設(shè)定高的混頻閾值，則存在更多的非受控制的偏航，通過設(shè)定低的混頻閾值，將存在更多誤動(dòng)作并且騎車人將開始察覺到偏航信號的時(shí)滯。設(shè)定LPF頻率也具有折衷。如果偏航被太嚴(yán)重地濾波，則將存在可察覺的延遲和從過去耦合入的偏航瞬變的可能性?；祛l閾值設(shè)定得太低，則能夠減小混頻器去除瞬變的能力。
現(xiàn)在參考圖7G，混頻器模塊定義為偏航命令＝F*偏航輸入+(1-F)*濾波偏航，其中F是混頻器函數(shù)，該函數(shù)是在0.0和1.0之間連續(xù)地改變的信號。
根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例，當(dāng)反抗所述軸以重新定位騎車人的身體位置時(shí)，降低了非預(yù)計(jì)的偏航控制?？梢灾匦露ㄎ徊倏v柄的旋轉(zhuǎn)中心，允許用戶橫向拉所述桿件而不引起任何位移。在示出于圖7H的另一實(shí)施例中，軸16在兩個(gè)耦合的自由度內(nèi)自用移動(dòng)。當(dāng)用戶需要反抗所述桿件時(shí)，用戶能夠通過接合齒輪78限制一個(gè)DOF從而鎖定所述桿件。偏航命令可由根據(jù)軸16繞其軸線的扭矩和根據(jù)軸16相對于豎直方向的運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)出的輸入的線性或其它形式的混合物組成。
或者，可使用力或扭矩輸入。橫向力測壓元件允許用戶扭轉(zhuǎn)桿件以便重新定位桿件。同樣地，可提供扭矩敏感桿件以允許用戶橫向拉桿件。
操縱柄傾斜控制中必須處理的另一個(gè)問題是在向后運(yùn)動(dòng)或反向運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)彎的效果。如上所述，在向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)換偏航命令的方向，系統(tǒng)可而處理傾斜轉(zhuǎn)彎以執(zhí)行“S轉(zhuǎn)彎”或“C轉(zhuǎn)彎”。優(yōu)選地，系統(tǒng)執(zhí)行“S轉(zhuǎn)彎”。在向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)還可通過使傾斜控制運(yùn)動(dòng)減敏從而補(bǔ)償轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)特性。有利地是，在反向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)使傾斜控制減敏便于使用相同的方程產(chǎn)生偏航命令，所得的系統(tǒng)具有正反饋。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這些上述實(shí)施例的任一個(gè)可與例如圖3A-3C所示的旋轉(zhuǎn)偏航控制輸入裝置結(jié)合。在這種布置中，旋轉(zhuǎn)控制用于低速偏航，而傾斜裝置將用于在較高速度時(shí)控制橫向加速度。
主動(dòng)操縱柄根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例，主動(dòng)操縱柄系統(tǒng)提供相對于底盤的操縱柄角度的主動(dòng)控制。該操縱柄安裝在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸上?；跈M向加速度和底盤的滾轉(zhuǎn)角，相對于底盤對該操縱柄定位。如果用戶與操縱柄保持良好接合，桿件有助于定位用戶身體以改善橫向穩(wěn)定性。熟練的用戶與桿件自動(dòng)地傾斜，幾乎不施加橫向力。然而，如果遇到意外地障礙物或進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，主動(dòng)桿件可向即使很有經(jīng)驗(yàn)的操作者提供輔助。當(dāng)橫向操縱和在轉(zhuǎn)彎操縱期間，該系統(tǒng)在斜坡上也特別有用。
為了保持用戶非常穩(wěn)定，桿件應(yīng)定位成與橫向加速度和重力的合成矢量相平行。在這里描述的系統(tǒng)中，僅使用輪子速度來確定橫向加速度，而不利用任何其它可用的狀態(tài)估計(jì)器信息。橫向加速度由以下方程給出alat＝ωυ，其中ω時(shí)偏航角速度，而v是運(yùn)輸車的速度。ω基于輪子速度(Vl和Vr)的差和輪距T(wheel track)。
ω=Vl-VrT]]>v由平均輪子速度確定ω=Vl+Vr2]]>組合這些方程給出alat=Vl-VrT·Vl+Vr2=Vl2-Vr22T]]>由于對于小角度tan(alat)≈alat，桿件離開豎向的位置與每個(gè)輪子速度的平方之差成比例。該位置必須通過加上底盤的滾轉(zhuǎn)角來補(bǔ)償，這基于橫向加速度和重力加速度的矢量和而得出操縱柄位置。
主動(dòng)操縱柄的操作被進(jìn)一步描述如下。用戶命令偏航，例如通過圖3A-3C示出的旋轉(zhuǎn)偏航輸入。通過使其手臂剛性連接到操縱柄，用戶可允許主動(dòng)桿件輔助用戶定位，或者他可以保持較軟性的連接并使用主動(dòng)桿件以向其提供反饋。在另一實(shí)施例中，如圖8A-8C所示，用戶優(yōu)選地借助操縱柄的傾斜來命令偏航。圖8A-8C示出操縱柄響應(yīng)滾轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。注意，在圖8C中，操縱柄與用戶的腿的對齊。
圖9A和9B示出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸的基本機(jī)械零件布局。該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸由諧波傳動(dòng)減速單元92組成，該諧波傳動(dòng)減速單元92由電動(dòng)機(jī)90提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)的輸出通過轉(zhuǎn)接器94連接到控制軸。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸在底盤12和控制軸16(示出于圖8A)之間產(chǎn)生扭矩，可調(diào)節(jié)該扭矩以提供主動(dòng)操縱柄系統(tǒng)所需的位置控制。諧波傳動(dòng)是非常緊湊的高減速比的齒輪組，該齒輪組是高效率的且可反向驅(qū)動(dòng)的。諧波驅(qū)動(dòng)的工作是這樣大通過利用橢圓形軸承(稱為“波發(fā)生器”)，使略微較小的撓性齒輪96(稱為“撓輪”(flex spline))繞著較大剛性齒輪的內(nèi)側(cè)(稱為“圓輪”(circular spline))“步進(jìn)”。合適的諧波傳動(dòng)可從HD Sysytems，Inc.of Hauppauge，NY獲得，并在附頁中有說明。
主動(dòng)操縱柄系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)算法以控制輪子。借助位置回路控制操縱柄，該位置回路控制位置與輪子速度的平方之差成比例。雖然可計(jì)算理論增益并把理論增益轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)墓潭c(diǎn)單元，實(shí)際上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定理論增益。
位置回路是用于反饋的使用電動(dòng)機(jī)編碼器數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)PID循環(huán)。調(diào)整的目標(biāo)是良好的斜坡跟蹤，最小穩(wěn)定時(shí)間和最小過沖。使用改進(jìn)的三角形波調(diào)整所述循環(huán)。
操縱柄控制器使用零(中心)位置作為在啟動(dòng)時(shí)位置。用戶必須定位桿件并保持桿件在啟動(dòng)時(shí)居中?？商峁┙^對位置反饋以允許桿件自動(dòng)居中。
在命令電動(dòng)機(jī)之前，可以對命令采取一些濾波和死區(qū)設(shè)置(deadbanding)。在一具體實(shí)施例中，最終需要濾波消除輪子速度上的任何噪聲，并且當(dāng)在微略傾斜的地形上進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，死區(qū)設(shè)置用于保持桿件靜止。將橫向加速的1Hz一階濾波估計(jì)乘以第一增益(通常大約0.001)，且通過加上乘以第二增益(通常大約0.15)后的滾轉(zhuǎn)角來滾轉(zhuǎn)補(bǔ)償。然后，軟件引導(dǎo)死區(qū)，以及隨后的最大電動(dòng)機(jī)位置命令(通常400計(jì)數(shù))的15％的補(bǔ)償。最終結(jié)果由0.2Hz的濾波器濾波。該濾波器可用于舍入在死區(qū)處引入的膝蓋并減慢操縱柄的運(yùn)動(dòng)。
身體位置的進(jìn)一步機(jī)械感應(yīng)根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，可機(jī)械地感應(yīng)騎車人的身體或其一個(gè)或多個(gè)部分的位置，作為個(gè)人運(yùn)輸車的命令偏航或向前/向后運(yùn)動(dòng)的手段。已經(jīng)結(jié)合圖5B描述了一個(gè)這種實(shí)施例。根據(jù)結(jié)合圖10A描述的另一這種實(shí)施例，由裝置910實(shí)現(xiàn)身體感應(yīng)，該裝置910通過與踝部成一直線的樞軸912追蹤右膝蓋的運(yùn)動(dòng)。樞軸912配備有電位計(jì)914，電位計(jì)914的增益被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到膝蓋運(yùn)動(dòng)范圍。控制器在被預(yù)計(jì)是由地形引起的輸入異常的騎車人運(yùn)動(dòng)間進(jìn)行辨別。騎車人通過沿著他想要轉(zhuǎn)彎的方向移動(dòng)他的身體來命令偏航輸入，如經(jīng)驗(yàn)豐富的個(gè)人運(yùn)輸車騎車人將做到的，把他的重心向著轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)移動(dòng)以防止動(dòng)力基部的向心加速度將他的腳從他下面拉開。
當(dāng)右膝蓋繞穿過右踝部的縱向軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏航輸入裝置通過記錄右膝蓋的運(yùn)動(dòng)而跟蹤身體位置。騎車人通過袖套910與該裝置相互作用，該袖套910緊密地安裝在恰好在膝蓋下面的上脛骨周圍。所述袖套是可調(diào)節(jié)高度的并被添加襯墊以允許合身的配合而沒有不舒適。袖套通過手臂連接到腳前面的樞軸，該樞軸定位成使其軸線相對于底盤縱向地定向且與踝部成一直線。(來自Dreyfuss Associate的TheMeasure of Man and Woman的人體測量數(shù)據(jù)表明，對于一般的穿鞋騎車人，踝部樞軸應(yīng)當(dāng)離開基板大約為4英寸)。電位計(jì)以非常相似于上面結(jié)合圖3A-3C描述的扭轉(zhuǎn)把手偏航輸入裝置的方式記錄手臂的角度。
機(jī)械的身體位置偏航輸入裝置包括結(jié)合圖10B描述的定心機(jī)構(gòu)。當(dāng)騎車人不與定心機(jī)構(gòu)920接觸時(shí)，定心機(jī)構(gòu)920將該裝置返回到中立(無偏航輸入)位置，并向用戶提供關(guān)于中立位置的定位的能觸知的反饋。設(shè)置預(yù)加載(可通過添加或減去墊圈來調(diào)節(jié))使得騎車人需要施加1kg的力以從中心移動(dòng)該裝置。在最大行程(沿任一方向25°)處，騎車人承受大約2kg的力。
除其上定位有電位計(jì)的樞軸之外，在踝部高度處有垂直于第一軸線的另一未編碼的軸，在主動(dòng)乘騎期間，隨著騎車人彎曲膝蓋和踝部時(shí)，該軸線允許袖套與膝蓋一起運(yùn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)彈簧在該未編碼的軸線的周圍起作用以便保持袖套穩(wěn)固地壓在騎車人上。所述彈簧未被預(yù)加載，并每度產(chǎn)生大約20kg/mm，使得騎車人在通常乘騎姿勢(未加載位置向前25°)時(shí)在其膝蓋承受1.5kg的力，并且在完全向前行程(50°)時(shí)在其膝蓋承受3kg的力。在完全向前位置處有止動(dòng)件，該止動(dòng)件允許騎車人通過向前膝蓋壓力控制底盤的傾斜扭矩。
由于處于下方的地形的變化，存在騎車人的身體位置與預(yù)定的偏航輸入非必然相關(guān)聯(lián)的情況。一個(gè)情況是橫越側(cè)坡，在這期間，騎車人將需要向上坡傾斜以保持平衡。另一情況是一個(gè)輪子撞擊障礙物，這可引起機(jī)械裝置在騎車人保持直立時(shí)急劇滾轉(zhuǎn)。在這兩種情況下，電位計(jì)都將記錄身體位置相對于機(jī)械裝置的已經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)通常解釋為偏航命令。當(dāng)?shù)匦我龑?dǎo)身體位置向?qū)⑸眢w位置轉(zhuǎn)化成偏航的系統(tǒng)提供難題時(shí)，可采取一些步驟減輕這些情況。對于側(cè)坡和突然輪子撞擊的情況，下述的系統(tǒng)使用分離的算法處理上述的地形引導(dǎo)偏航輸入。
在具有從身體位置獲得的偏航輸入的機(jī)械裝置上，有必要補(bǔ)償身體自然傾向的滾轉(zhuǎn)角差以與重力對直。這種情況的唯一例外情況是，在偏航輸入上具有充足的恢復(fù)力以克服騎車人的自然傾向，從而保持偏航輸入與他們的身體成一直線。為了滾轉(zhuǎn)補(bǔ)償偏航輸入，需要進(jìn)行計(jì)算。該計(jì)算需要測量結(jié)合入偏航輸入的滾轉(zhuǎn)角量。以下函數(shù)用于計(jì)算滾轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)钠捷斎霛L轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)钠捷斎耄狡捷斎?(Gain_RollContributionToYawInput*滾轉(zhuǎn))。
例如Gain_RollContributionToYawInput＝(1.44/1.0)，其中1個(gè)滾轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)設(shè)置1.44個(gè)偏航計(jì)數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，騎車人可以按一按鈕，該按鈕把他們當(dāng)前的膝蓋位置重新設(shè)置為中立。雖然在定心裝置中沒有可測量的后沖，在克服定心裝置預(yù)加載之前該機(jī)構(gòu)可彎曲。這轉(zhuǎn)化到大約1°的沿任一方向的膝蓋運(yùn)動(dòng)，該膝蓋運(yùn)動(dòng)不命令偏航。通過增加相對于預(yù)加載的結(jié)構(gòu)剛度來將其減小。膝蓋袖套和膝蓋之間的松散的配合添加另外的不產(chǎn)生信號的1-2°的移動(dòng)。此外，電位計(jì)可表現(xiàn)出磁滯，該磁滯可通過添加軟件死區(qū)來補(bǔ)償。死區(qū)具有允許騎車人小量運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，該小量運(yùn)動(dòng)減小疲勞。然而，死區(qū)包括精確和回旋性能。也可實(shí)施用戶可調(diào)節(jié)的或速度敏感的死區(qū)。
不對稱的增益可用于補(bǔ)償在測量兩腿中的一腿的運(yùn)動(dòng)中固有的不對稱。由于身體位置確定偏航輸入，騎車人位置到速度的橫向加速度的適當(dāng)映射在這種裝置中比在手工操縱的裝置中更加重要。
根據(jù)結(jié)合圖10C描述的本發(fā)明另一實(shí)施例，兩根鋼制的“觸須”930(近似地50cm長且分開35cm)布置在大約髖部高度。向左傾斜或向右傾斜推動(dòng)該觸須并扭轉(zhuǎn)電位計(jì)(軟件中的增益加倍)。觸須的長度優(yōu)選地使得騎車人在向后傾斜和向前傾斜期間不脫離該裝置并失去偏航輸入能力。
結(jié)合圖10D論述的本發(fā)明的另一實(shí)施例使用螺栓連接到底盤的兩側(cè)的兩個(gè)身體軀干位置傳感器940。平滑支架944(近似60cm長并且以可調(diào)節(jié)的方式間隔開)連接到騎車人胸腔兩側(cè)的傾斜軸以感應(yīng)腰部上方的身體位置，從而照應(yīng)在腰部彎曲而實(shí)現(xiàn)的身體傾斜。旋轉(zhuǎn)的縱向軸線有利地消除可能存在于其它設(shè)計(jì)中的傾斜敏感增益。
線性滑動(dòng)方向輸入“線性滑動(dòng)”方向輸入裝置是操縱個(gè)人運(yùn)輸車的剪切力敏感裝置。該裝置具有平臺，該平臺可沿機(jī)械裝置的橫向方向滑動(dòng)，該橫向方向完全與調(diào)整期間看到的橫向加速度成一直線。
在轉(zhuǎn)彎期間，用戶感受到作為參照物的車輛框架內(nèi)的橫向加速度。橫向加速度在用戶和車輛之間引起剪切力，車輛通過踏板和操縱柄收到反作用。由于用戶具有兩個(gè)點(diǎn)以反作用該力，因而一個(gè)點(diǎn)可用作通過另一點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方向輸入。在本實(shí)施例中，用戶反作用在操縱柄上。線性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)通過平臺的位移測量該反作用，并將該反作用用作方向命令。該輸入方法直接連接到橫向加速度，用戶通過脫離操縱柄的反作用調(diào)節(jié)該連接。在橫向加速度為零時(shí)，用戶可通過橫向推動(dòng)操縱柄而產(chǎn)生方向輸入。在加速度不為零時(shí)，用戶的操縱柄的力加到橫向加速力以產(chǎn)生輸入。
線性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成安裝在個(gè)人運(yùn)輸車的底盤的頂部，代替底墊層組件。它小量地小于現(xiàn)存的踏板面積以允許板位移。平臺繞在控制軸基部的周圍。最大平臺行程是大約+/-1英寸。踏板機(jī)構(gòu)950示出于圖11。
所述組件借助四個(gè)塊狀件被夾緊到人類運(yùn)輸車的所述平臺，這些塊狀件鎖住滑動(dòng)件的基板。所述塊狀件允許所述組件豎直運(yùn)動(dòng)以便啟動(dòng)騎車人檢測開關(guān)。由于僅僅所述組件的重量就足以啟動(dòng)該開關(guān)，因而該組件由兩個(gè)球塞來平衡。這些保證騎車人檢測開關(guān)僅當(dāng)騎車人在運(yùn)輸車上時(shí)啟動(dòng)。
上平臺支撐在1/2英寸線性球軸承上，而該線性球軸承支撐在安裝到下平臺的接地桿上。彈簧和止動(dòng)件布置提供預(yù)加載的定心力。
線性電位計(jì)把平臺位置轉(zhuǎn)化為模擬電壓，該模擬電壓被輸入到電位計(jì)的適當(dāng)位置的用戶接口電路板，該電位計(jì)和在上面結(jié)合圖3描述的扭轉(zhuǎn)把手實(shí)施例一起使用。
用來操作線性滑動(dòng)偏航輸入的算法雖然具有相反的偏航增益極性，但基本上是如在美國專利No.6789640中詳細(xì)描述的扭轉(zhuǎn)把手偏航輸入的那些算法。
本發(fā)明的數(shù)個(gè)實(shí)施例均涉及剛才描述的裝置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，單個(gè)樞轉(zhuǎn)踏板是剪切力敏感的，并在該板的表面的上方，優(yōu)選地在該表面的4到6英寸的上方的一點(diǎn)樞轉(zhuǎn)。這允許一些橫向加速度耦合，但提供用戶通過腿或踝部的旋轉(zhuǎn)而穩(wěn)定該耦合的能力。
或者，可把線性滑動(dòng)件移動(dòng)到操縱柄。這允許用戶使用其腿來反作用橫向加速度而不用命令輸入。然而，由于大多數(shù)橫向加速度被反作用在腿上，因而通過把線性滑動(dòng)件移到操縱柄，基本上損失了與橫向加速度的耦合。本發(fā)明的描述的實(shí)施例僅僅是示例性的，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，許多改變和修改將是顯然的。具體地，這里描述的方向和速度控制的許多控制器和方法可有利地應(yīng)用到不平衡的個(gè)人運(yùn)輸車。如在前面的描述部分和美國專利No.6789640中描述的，平衡運(yùn)輸車特別需要組合偏航和平衡控制。所有這些改變和修改處于如任何所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)輸車的控制器，該運(yùn)輸車具有至少一個(gè)主接地元件，該運(yùn)輸車的特征在于滾轉(zhuǎn)角，該控制器包括a.輸入，該輸入用來接收由用戶指定的基于檢測到的用戶身體定向的期望方向和速度值中的至少一個(gè)；和b.處理器，該處理器至少基于用戶指定的方向和速度值，結(jié)合基于傾斜誤差的傾斜命令信號，用來產(chǎn)生命令信號，以這種方式從而在實(shí)現(xiàn)指定的方向和速度的過程中保持所述運(yùn)輸車的平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中所述的期望方向的輸入包括用戶指定的偏航值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中所述的期望方向的輸入包括用戶指定的偏航角速度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中所述的期望方向的輸入包括用戶指定的向前/向后方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的控制器，還包括加和器，該加和器用來根據(jù)用戶指定的偏航值差分化瞬時(shí)偏航值以產(chǎn)生偏航誤差值，使得由所述處理器產(chǎn)生的偏航命令信號至少部分地基于所述偏航誤差值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中用來接收用戶指定的所述輸入包括被配置用來檢測所述用戶的定向的壓力傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中用來接收用戶指定的所述輸入包括被配置用來檢測所述用戶的定向的超聲傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中用來接收用戶指定的所述輸入包括被配置在支撐所述用戶的平臺上用來檢測所述用戶的重量分布的力傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1控制器，其中用來接收用戶指定的所述輸入包括被配置為與一軸線相橫切的平面中的軸，其中該軸線表征兩個(gè)橫向布置的輪子的旋轉(zhuǎn)，基于該軸的定向來指定所述期望方向和速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，其中所述平衡運(yùn)輸車包括操縱柄，所述控制器還包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸，該動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的樞軸至少基于所述運(yùn)輸車的橫向加速度和滾轉(zhuǎn)角中的一個(gè)用來定位該操縱柄。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的控制器，還包括位置回路，該位置回路用來指令操縱柄位置使其大體上與第一輪子的速度的平方和第二輪子的速度的平方之差成比例。
12.一種設(shè)備，該設(shè)備用來促使騎車人定位在車輛上，以致于減小由車輛橫向加速引起的橫向不穩(wěn)定，該設(shè)備包括a.輸入，該輸入用來接收所述騎車人指定的期望的行進(jìn)方向；b.指示裝置，該指示裝置用于將至少基于所述車輛的當(dāng)前橫向加速度的期望瞬時(shí)身體定向反映給所述騎車人。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述指示裝置包括相對于所述車輛可樞轉(zhuǎn)的操縱柄，所述操縱柄響應(yīng)于車輛轉(zhuǎn)彎被驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
一種用來提供用戶輸入運(yùn)輸車的期望運(yùn)動(dòng)方向或定向的控制器。該控制器具有輸入，其用來接收基于檢測到的用戶身體定向的用戶指定值。用戶可使用許多輸入形式中的任何形式傳送用戶指定的輸入，這些輸入形式包括超聲身體位置感應(yīng)；腳部力感應(yīng)；操縱柄傾斜；主動(dòng)操縱柄；身體位置的機(jī)械感應(yīng)；和線性滑動(dòng)方向輸入。提供了一種可包括主動(dòng)操縱柄的設(shè)備，該設(shè)備用來促使騎車人定位在車輛上以減小由車輛橫向加速引起的橫向不穩(wěn)定。
文檔編號B62D51/02GK101056680SQ200580038817
公開日2007年10月17日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者迪安·卡門, 羅伯特·R·安布羅杰, 詹姆士·J·多特勒, 羅伯特·J·達(dá)根, 道格拉斯·J·菲爾德, 理查德·庫爾特·海因茨曼, 馬修·M·麥坎布里奇, 約翰·B·莫雷爾, 邁克爾·D·皮耶蒙特, 理查德·J·羅薩斯科 申請人:德卡產(chǎn)品有限公司