车辆控制的装置和方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2011年2月28日、申请号为"201180011306. 1"、发明名称为 "车辆控制的装置和方法"的发明专利申请的分案申请
技术领域
[0002] 本发明涉及电动车辆控制，尤其涉及控制电动车辆运动。
【背景技术】
[0003] 已知各种各样的用于运送人类对象的车辆和方法。通常，此类车辆依赖于静态稳 定性，并且针对车辆的接地部件同下方地面的布置所有预见状况下的稳定性而加以设计。 例如，作用于汽车重心的重力矢量在车轮的各接地点之间穿过并且汽车的悬架将所有车轮 一直保持在地面上从而使得汽车稳定。尽管如此，仍然存在使稳定的车辆变为不稳定的状 况（例如，增加或减少速度、急转弯、和陡坡）。
[0004] 也称为平衡车辆的动态稳定车辆是一种具有控制系统的车辆，该控制系统在车辆 运行时主动地维持车辆的稳定性。在仅具有两个横向设置的轮子的车辆中，例如，控制系统 通过不断感测车辆的取向、确定对于维持稳定性所必须的校正动作、并命令车轮马达做出 该校正动作而维持车辆的前后稳定性。如果车辆丧失维持稳定的能力，比如由于组件失效 或缺少足够动力，则人类对象可能经历突然失去平衡。
[0005] 对于维持稳定轨迹的车辆，操控控制和对车辆前行运动的控制之间的耦合是较少 关注的问题。在典型路况下，依靠在整个转弯过程中车轮与地面接触来维持稳定性。在具 有两个横向设置的车轮的平衡车辆中，然而，施加到一个或多个车轮的任何扭矩影响车辆 的稳定性。
【发明内容】
[0006] 本发明，在一个方面，特征在于用于控制车辆速度的方法，该车辆包括支架、至少 一个车轮、耦合至该至少一个车轮的平台、具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台 的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后移动或滑动、耦 合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分的位置、耦合至该 至少一个车轮的驱动器，该驱动器用于传送动力给所述至少一个车轮以推进车辆并将平台 维持在期望的取向、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用于控制该致 动器的控制器。本方法包括确定耦合结构支承部分相对于耦合组件平台部分的位置，并在 将平台维持在期望取向的同时，通过命令耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置而 控制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩。
[0007] 在一些实施例中，该方法包括指定支承部分相对于平台部分的特定位置来控制由 至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆的期望速度。在一些实施例中，基于车 辆操作模式而确定特定位置。在一些实施例中，该方法包括从用户或控制器接收车辆速度 命令值并改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的 扭矩从而实现车辆速度命令值。
[0008] 在一些实施例中，该方法包括从该至少一个车轮接收速度反馈信号、耦合结构速 度、或这两者来命令该耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由该至少一个 车轮施加至下方地面的扭矩从而控制车辆的速度。在一些实施例中，控制器包括限速器模 块，该限速器模块被设置为响应于在一段时间内改变支承部分相对于平台部分的位置，该 限速器模块抑制速度命令信号的大小从而抑制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩 从而在一段时间内抑制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨 道且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。
[0009] 本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个车轮和耦合至该至少一个车轮 的平台的车辆。该车辆还包括耦合结构，该耦合结构具有耦合至该支架的支承部分和耦合 至平台的平台部分，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分前后移动或滑动。该车辆还 包括耦合至该耦合结构从而控制支承部分相对于平台部分的位置的致动器。该车辆还包括 耦合至该至少一个车轮的驱动器，从而传递动力至该至少一个车轮来推动车辆并将平台维 持在期望取向。该车辆还包括耦合至驱动器来控制该驱动器并耦合至致动器来控制该致动 器的控制器，其中通过命令耦合结构来改变支承部分相对于平面部分的位置的同时将平台 维持在期望取向，来控制由至少一个车轮施加至下方地面车辆的扭矩。
[0010] 在一些实施例中，控制器被设置为命令支承部分相对于平台部分的特定位置来控 制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆的期望速度。在一些实施例中，该 车辆包括输入设备，用于接收来自用户或控制器的车辆速度命令值并改变支承部分相对于 平台部分的位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆速度命令值。
[0011] 在一些实施例中，该车辆包括车轮速度传感器和耦合结构速度传感器，用于向控 制器提供信号来命令该耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由该至少一 个车轮施加至下方地面的扭矩从而控制车辆的速度。在一些实施例中，该车辆包括限速器 模块，该限速器模块被设置为响应于在一段时间内改变支承部分相对于平台部分的位置， 该限速器模块命令控制器抑制速度命令信号的大小从而抑制由该至少一个车轮施加至下 方地面的扭矩从而在一段时间内抑制车辆的速度。在这个实施例中，耦合结构是滑轨组件， 而支承部分是轨道且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。
[0012] 本发明，在另一方面，特征在于用于维持动态地平衡的车辆的平衡余量的方法。该 车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至该至少一个车轮的平台、具有耦合至该支架的支承部 分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前 后移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分 的位置、耦合至该至少一个车轮的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并提供动力给 该至少一个车轮用于推进车辆、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用 于控制该致动器的控制器。该方法包括确定车辆的当前操作车轮扭矩、确定车辆的当前车 轮扭矩能力、以及基于当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力来控制耦合结构从而控制支 承部分相对于平台部分的位置以维持对于平衡车辆所需要的推进能力余量。
[0013] 在一些实施例中，该方法包括能使耦合结构仅管辖（co_and)维持车辆平衡的位 置。在一些实施例中，能使耦合结构仅管辖（command)其中当前操作车轮扭矩和用于平衡 车辆所需扭矩之和要求小于被用于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机 电流的电动机电流水平的位置。在一些实施例中，该方法包括基于所命令的、测得的、或估 算的向前/后扭矩、偏航扭矩、或这两者而控制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是 滑轨组件，支承部分是轨道，且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆 机构。
[0014] 本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个车轮和耦合至该至少一个车轮 的平台的动态平衡的车辆。该车辆还包括具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的 平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前和向后移动或滑动， 以及耦合至该支承结构的致动器，用于控制该支承部分相对平台部分的位置。该车辆还包 括耦合至该至少一个车轮从而动态地平衡该车辆并向该至少一个车轮提供动力来推进该 车辆的驱动器。该车辆还包括耦合至该驱动器以控制该驱动器并耦合至该致动器以控制该 致动器的控制器，其中通过基于车辆的当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力来命令该耦 合结构控制该支承部分相对于平台部分的位置而控制车辆的速度，从而维持用于平衡车辆 所需的推进能力余量。
[0015] 在一些实施例中，车辆包括位置传感器来确定支承部分相对于平台部分的实际位 置，其中控制器将位置命令与实际位置进行比较并基于该比较输出致动器命令。在一些实 施例中，该车辆包括耦合至该控制器的作用力限制器（effort limiter)模块，用于使得耦 合结构仅管辖维持车辆平衡的位置。在一些实施例中，作用力限制器被设置为仅能使耦合 结构管辖（command)其中当前操作车轮扭矩和用于平衡车辆所需扭矩之和要求小于被用 于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机电流的电动机电流水平的位置。
[0016] 在一些实施例中，该车辆包括用户输入，用于命令车辆的向前/向后速度、偏航速 率、或两者，且控制器被设置为基于所命令的、测得的、或估算的向前/后扭矩、偏航扭矩、 或这两者而控制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道，且 平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。
[0017] 本发明，在另一方面，特征在于用于平衡动态地平衡的车辆的方法。该车辆包括支 架、至少一个接地部件、耦合至该至少一个接地部件的平台、具有耦合至该支架的支承部分 和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后 移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分的 位置、耦合至该至少一个接地部件的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并对该至少 一个接地部件提供动力来推进车辆、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动 器用于控制该致动器的控制器。该方法包括确定耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部 分的位置，并控制耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置，从而在动态地平衡 车辆的同时移动车辆重心的位置。
[0018] 在一些实施例中，该方法包括相对于平台部分移动支承部分，从而在车辆相对于 下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。在一些实施 例中，该方法包括响应于车辆重心位置的变化来改变支承部分相对于平台部分的位置。在 一些实施例中，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或多个预定条 件而执行控制支承部分相对于平台部分位置的步骤。
[0019] 在一些实施例中，当车辆在预定操作模式中操作时，执行控制支承部分相对于平 台部分的位置的步骤。在一些实施例中，该方法包括在车辆起动和着陆模式过程中使得控 制位置的步骤停用。
[0020] 在一些实施例中，该方法包括在车辆从起动模式进入平衡模式后，启动控制位置 的步骤。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道、且平台部分是轨道导件。 在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。
[0021] 本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个接地部件和耦合至该至少一个 接地部件的平台的动态平衡的车辆。该车辆还包括耦合结构，该耦合结构具有耦合至该支 架的支承部分和耦合至该平台的平台部分，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分前后 移动或滑动。该车辆还包括耦合至该耦合结构以控制支承部分相对于平台部分位置的致动 器、和耦合至该至少一个接地部件的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并提供动力 给该至少一个接地部件来推进该车辆。该车辆还包括耦合至驱动器以控制该驱动器且耦合 至该致动器以控制该致动器的控制器，且其中该控制器在动态平衡车辆的同时，通过确定 该耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置且控制该耦合结构支承部分相对于 耦合结构平台部分的位置来移动车辆重心的位置。
[0022] 在一些实施例中，控制器被设置为相对于平台部分移动支承部分，从而在车辆相 对于下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。在一些 实施例中，该控制器被设置为响应于车辆重心位置的变化来改变支承部分相对于平台部分 的位置。在一些实施例中，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或 多个预定条件而执行控制支承部分相对于平台部分的位置。在一些实施例中，当车辆在预 定操作模式中操作时，执行支承部分相对于平台部分的位置控制。
[0023] 在一些实施例中，控制器被设置为在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的 步骤停用。在一些实施例中，控制器被设置为在车辆从起动模式进入平衡模式后，启动控制 位置的步骤。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道、且平台部分是轨道 导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。
[0024] 本发明，在另一方面，特征在于用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的 方法。该方法包括基于a)在操作过程中车辆电池的预定最大预期电池总线电流、b)估算的 电池开路电压、和c)估算的电池开路电阻，而估算在操作过程中车辆电池的凹陷（sagged) 电池电压。该方法还包括基于d)被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度、e)电 动机的反EMF常数、f)电动机线圈的电阻、g)凹陷电池电压、h)电动机线圈的电感、和i) 电动机的磁极对数，来估算由电池供电的车辆的电动机电流能力。
[0025] 在一些实施例中，在操作过程中的车辆电池的凹陷电池电压根据如下而被估算：
[0027] 其中Vbat sag是估算的凹陷电池电压、V。。是估算的电池开路电压、I bat__是预定最 大预期电池总线电压、且Rbat是估算的电池开路电阻。
[0028] 在一些实施例中，电池供电的车辆的电动机电流能力根据如下被估算：
[0030] 其中，Inmt niax是电动机电流能力、S pd是电动机的操作速度、K e是电动机线圈的两线 之间的反EMF常数、Rnrot是电动机线圈的两线之间的电阻、PP是电动机的磁极对数、且Lnrot 是电动机线圈的两线之间的电感。
[0031] 在一些实施例中，该方法根据下式，基于用于驱动该电动机的电动机驱动器的电 流限制而限制由电池供电的车辆的电动机电流能力：
[0032] Im〇t_cap (Spd) = min(In〇Uin, Inot nax(Spd))
[0033] 其中〖^ ^是电动机驱动器的电流限制。
[0034] 在一些实施例中，该方法包括根据下式，基于Vbat sag而限制被用于最大化电动机 的无负载速度的电动机操作速度的值：
[0036] 其中SpdNAciadEst是最大无负载速度。
[0037] 本发明，在另一方面，特征在于用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的 装置。该装置包括被设置为测量被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度的测 量模块。该装置还包括被设置为基于如下而估算操作过程中车辆电池的凹陷电池电压的 估算模块：a)预定最大预期电池总线电流、b)估算的电池开路电压、c)估算的电池开路电 阻。该估算模块还被设置为基于如下估算电池供电的车辆的电动机电流能力：d)被用于推 进由电池供电的车辆的电动机的操作速度、e)电动机的反EMF常数、f)电动机线圈的电阻、 g)凹陷电池电压、h)电动机线圈的电感、和i)电动机的磁极对数。
[0038] 本发明，在另一方面，特征在于用于估算提供动