具有步进马达的车辆引导系统的制作方法

本公开涉及一种具有步进马达的车辆引导系统。

背景技术：

在一些现有技术中，越野车辆能够在一个或多个被转向轮上或一个或多个被转向轮附近使用轮角度传感器，以探测被转向轮的方位角或偏航角。有时，轮角度传感器可能需要对其上安装有该传感器的特定车辆的转向几何或构造的校准或调整。其他时间，轮角度传感器需要特定的安装适配器、安装支架或定制的硬件措施以能够在从制造商处购得的越野车辆型号的成套线路上工作。因此，需要避免与用于不同的越野车辆的轮角度传感器的校准或自定义相关的制造和设计成本。

技术实现要素：

根据一个实施例，用于引导车辆的系统包括用于控制车辆的转向轮的转向角的转向液压缸，转向液压阀适于控制到转向液压缸的液压流体的流量。步进马达适于根据来自车辆引导控制器(例如，在自动引导模式下)的控制信号或控制数据信息而移动或调节联接到转向液压阀的轴。位置编码器与步进马达相关联以测量马达轴的移动。转向角估算器能够基于位置编码器(例如，该位置编码器能够消除对于轮角度传感器的需求或者使得轮角度传感器的需求是冗余的)的测量值而估算转向角。位置确定接收器提供用于车辆的位置数据或方向数据，其中，车辆引导控制器基于估算的转向角、位置数据和方向数据而提供控制信号或控制数据信息。

附图说明

图1是具有步进马达的车辆引导系统的一个实施例的方框图。

图2是具有步进马达的车辆引导系统的另一实施例的方框图。

图3是具有步进马达的车辆引导系统的又一实施例的方框图。

图4是具有步进马达的车辆引导系统的还另一实施例的方框图。

在不同的附图中类似的附图标记在附图中表示类似的元件。

具体实施方式

如本文中所使用的，模块或估算器可以指软件、硬件或两者。如果模块被实现为软件，该软件可以被存储在数据存储装置中以被数据处理器处理。适于、被构造为、或者被设置为意味着模块、估算器或其他装置能够执行在说明书中描述的功能或者支持某一特征。例如，适于、被构造为、或者被设置为可以包括被使用软件指令编程的模块，该软件指令被存储在数据存储装置中以被数据处理器处理，从而执行在本文中提出的特定功能。

根据图1的一个实施例，用于引导车辆的系统11包括转向液压缸21，所述转向液压缸21用于控制车辆的转向轮30的转向角。第一转向液压阀52适于控制经由一个或多个液压管线56到转向液压缸21的液压流体的液压参数(例如，流量)。步进马达50(例如，智能步进马达)适于根据来自车辆引导控制器44(例如，自动引导模式)的控制信号或控制数据信息移动或调节联接到第一转向液压阀52的马达轴53。位置编码器66与步进马达50相关联，从而测量马达轴53的移动、转动(例如，角转动、相对角位置、绝对角位置或步进角度)或位移。转向角估算器68或数据处理器28能够基于位置编码器66(例如，传感装置或基于到步进马达50的马达控制器49的转位指令或步进控制信号的非传感估算器)的测量结果而估算轮30的转向角。位置确定接收器66提供用于车辆的位置数据或方向数据，其中车辆引导控制器44基于估算的转向角、位置数据和方向数据而提供控制信号或控制数据信息。液压管线56经由一个或多个液压管线56和t型接头54或其他液压联接装置而将液压装置相互连接。

转向液压缸

在一个实施例中，用于控制车辆的转向轮30的转向角的转向液压缸21包括双轴转向液压缸21，其中位于大致圆柱形壳体18中的双位置活塞20能够线性地移动，从而增大第一腔22中的液压流体的第一体积或第一压力，同时降低第二腔24中的第二体积或第二压力，反之亦然。各个腔与独立的液压端口61(例如，输入/输出端口)和相应的液压管线56相关联。

虽然图1示出了具有在每一侧上连接到轴(例如，26或28)的双位置活塞或双侧活塞20的转向液压缸21，但是在替代实施例中，转向液压缸21可以被具有单个活塞的一个或多个独立的液压缸替代。

如图1所示，转向液压缸21的第一输出轴26与第一接头32(例如，拉杆端)相关联。继而，第一接头32被连接到第一臂24以用于围绕大致竖直的轴线转动或移动转向轮30，或它的毂，其中第一接头32促进第一输出轴26和第一臂24之间的可变角，从而支持转向轮30或者它的毂的转向或转动。同时，转向液压缸21的第二输出轴28与第二接头35(例如，拉杆端)相关联。继而，第二接头35被连接到第二臂34以用于围绕大致竖直的轴线转动或移动另一转向轮30，或它的毂，其中第二接头35促进第二输出轴28和第二臂34之间的可变角，从而支持转向轮30或者它的毂的转向或转动。转向液压缸21的液压端口61经由一个或多个液压管线56被联接到第一转向液压阀52。

如图1所示，转向液压缸21在自动转向模式(例如，通过转向系统，其是迪尔公司的注册商标)下，或者在手动模式(例如，用户-操作员转向模式)下的第二转向模式中能够被第一转向液压阀52控制。在自动转向模式下，车辆引导控制器44(或者图2中的控制模块151)基于来自位置确定接收器64的位置数据和用于车辆的路线规划来控制转向，诸如方向角或偏航角，以及对于每一时间区间的方向角或偏航角的改变率。在手动转向模式下，操作员能够基于驾驶室或车辆的驾驶员座舱中的操作员的视觉观察，或者基于显示器36上提供的视觉引导指示，来控制转向，诸如方向角或偏航角。即使在手动转向模式下，位置确定接收器64可以提供视觉引导指示，诸如引导车辆操作员通过不时地转动或调节方向盘10来跟随的电子光条引导。

第一转向液压阀

在一个实施例中，第一转向液压阀52被设置为或者适于控制进入到转向液压缸21或者转向液压缸21的一个或多个端口61的液压流体的一个或多个液压参数，诸如流动、流动方向、流量、流量的改变、体积和/或压力。如图所示，转向液压缸21具有多个端口61(例如，两个端口)并且需要多个端口61之间的非对称或有差异的液压参数(例如，液压流量差或液压压力差)，从而在转向轮30或多个轮30的转向运动的范围内提供均一的转向响应。

在一个实施例中，第一转向液压阀52包括轴，该轴是可转动的从而可变地控制阀52的输入端口和输出端口之间的流量。例如，随着第一转向液压阀52的轴被转动，能够根据如下的一个或多个情况而控制液压流体的液压参数：(1)到达输入端口或来自输入端口，或者到达输出端口或来自输出端口的流体的流动方向能够被改变或逆转，(2)阀的输入端口和输出端口之间的流量或流量的改变能够被调节(例如，通过调节连接输入端口和输出端口的孔或一组通道而增大或减小)，(3)来自输入端口或输出端口的泵送流体(通过液压泵58被供给的)的体积能够被调节，或者(4)离开或进入端口的流体的压力大小或负压值能够被调节。

在替代实施例中，第一转向液压阀52包括提供打开状态和闭合状态的随动阀(spoolvalve)。在另一替代实施例中，第一转向液压阀52包括随动阀，该随动阀包括闭合状态和在相反的流动方向上的打开状态。

液压泵

在一个实施例中，液压泵58包括齿轮泵，比如内齿轮泵，外齿轮泵或内齿轮油泵。液压泵58可以提供液压流体的正位移流动，这意味着对于转子在泵58中的每圈转动都具有固定的流体体积或流量。液压泵58经由一个或多个液压管线160向第一转向液压阀52、第二转向液压阀14或两者提供液压流体。液压泵58能够经由输入管线158从储液器62中吸引或吸入液压流体，并且经由液压管线160将流体排出、排放或泵送到转向液压阀56、14。转向阀56、14具有返回液压管线156，从而将液压流体提供、再循环、回收或补充到储液器62中。

在替代实施例中，液压泵58和第一转向液压阀52可以组合为齿轮泵(例如，内齿轮油泵)，该齿轮泵能够被电动马达驱动并且能够控制或调节液压参数，诸如提供到转向液压缸21的液压流体的流动、流量和压力。

位置确定接收器

在一个实施例中，位置确定接收器64包括卫星导航接收器，诸如具有差分矫正的全球导航卫星系统接收器(gnss)，或者全球定位系统(gps)或者具有差分矫正的俄国全球导航卫星系统(glonass)。可以由分开的或集成的卫星接收器、卫星收发器或来自可购得的矫正信号提供商的其他无线通信装置来提供差分矫正信号，诸如通过usa的伊利诺伊州的莫林市的迪尔公司可购得的starfiretm服务网络矫正信号。

在一个实施例中，位置确定接收器64适于提供用于车辆的当前位置数据或方向数据，其中，车辆引导控制器44基于估算的转向角、位置数据和方向数据提供控制信号或控制数据信息(例如，用于车辆的路线规划，诸如a-b路线，一般地是线性路线规划，行跟踪路线规划、等高线路线规划、螺旋路线规划或其他路线规划)。

车辆引导控制器

在一个实施例中，车辆引导控制器44包括数据处理器28、数据存储装置26以及被联接到数据总线27的一个或多个数据端口29，从而允许数据处理器28和数据存储装置26之间的数据通信。数据处理器28可以包括用于处理数据、操作、访问、恢复和存储数据的微控制器、微处理器、可编程逻辑阵列、特定用途集成电路(asic)、数字信号处理器或其他装置。数据存储装置26可以包括用于在有形存储介质(诸如光盘、磁盘或电子存储器)上存储电子或模拟数据的电子构件、非易失电子存储器、光存储装置、磁性存储装置或其他装置。数据端口29可以包括用于与车辆数据总线42(例如，控制器局域网络数据总线27)连接的缓冲存储器、收发器或两者。

在一个实施例中，车辆引导控制器44还包括转向角估算器68和路线规划模块70。例如，转向角估算器68和路线规划模块70可以被存储在数据存储装置26中从而被数据处理器28执行或处理。转向角估算器68适于基于位置编码器66的测量结果估算一个或多个轮30(或者它们相应的毂)的转向角(例如，以及转向角或偏航角的改变率)。例如，转向角估算器68(例如，角度转化器或转换模块)包括查询表、图表、数据库、文件、一组数据记录、图形关系、一个或多个等式、一个或多个二次等式或线性函数，它们在自动引导模式中定义步进马达50、150的马达轴53的所感测的、所命令的或所观察的角度和车辆的一个轮或多个轮30的相应转向角之间的关系。在一种构造中，路线规划模块70基于操作员输入或存储的地理坐标、参考坐标或者来自位置确定接收器64的路线点而建立路线规划或路径。例如，路线规划模块70可以使用来自位置确定接收器64的位置数据以估算场或作业区域的边界或周边。此外，路线规划模块70可以自动地选择或可以允许操作员选择与如下的路线一致的路线规划：(1)在一个或多个地理坐标或路线点之间导航的路线；(2)以行或列最小地重叠的覆盖或完全覆盖作业区域或场的面积的路线，诸如a-b路线，一般地是线性路线规划，行跟踪路线规划、等高线路线规划、螺旋路线规划或其他路线规划。如图1所示，车辆引导控制器44经由车辆数据总线42被联接到步进马达50的马达控制器49或步进马达50，从而支持车辆引导控制器44和步进马达50之间的控制信号或控制数据信息的通信。然而，在图2中，车辆控制器44经由专用的通信线路、传送线路或电缆被直接联接到步进马达150的马达控制器49或步进马达150。

显示器36

在某些实施例中，可选的显示器36可以被联接到车辆数据总线42或者直接联接到车辆引导控制器44。如图1的虚线所示，在一些实施例中，可以删除可选的显示器36。显示器36可以包括用于用户的用户界面，从而输入数据或从车辆引导控制器44或智能步进马达50或150接收输出数据。显示器36可以包括触摸屏显示器或与小型键盘、键盘或指向装置组合的显示器，从而向车辆引导控制器44输入数据，或者从车辆引导控制器44输出数据。

步进马达

在一个实施例中，步进马达50(例如，智能步进马达)适于根据来自所述车辆引导控制器44的控制信号或控制数据信息而移动或调节联接到所述第一转向液压阀52的马达轴53(例如，转动移动或线性移动)。此外，如图1所示，步进马达50可以包括用于控制步进马达50的马达轴53的转动或移动的马达控制器49。智能步进马达50的马达控制器49被以虚线表示为可选的，并且可以被单独的马达控制器49或智能步进马达50外部的或与智能步进马达50分开的控制器替代。

位置编码器

在一个实施例中，与步进马达50相关的位置编码器66被设置为测量马达轴53的移动、转动或位移。位置编码器66可以通过下文的多种示例性示例或替代方案实现。

在第一示例中，位置编码器66包括步进马达50的马达轴53的轴位置传感器。在一个示例中，轴位置传感器可以包括光学感测装置，所述光学感测装置感测步进马达50的马达轴53上的一个或多个光学标记的位置的改变，或者计数轴53上或者步进马达50的转子上的光学标记的数量。

在第二示例中，轴位置传感器可以包括磁感测装置，所述磁感测装置感测安装在步进马达50的马达轴53或者马达50的转子上的永磁铁的位置的改变。磁感测装置可以包括能够测量步进马达50的轴的转动角度的磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁阻传感器或另一传感器。

在第三示例中，位置编码器66包括测量装置，所述测量装置(例如，对用于控制步进马达50的进入到驾驶员台的转向控制电路或输入的监视)用于在相应的时间间隔期间检测施加到所述步进马达50的一个或多个相绕组或定子绕组的一系列一个或多个信号脉冲(例如，信号脉冲的极性、信号脉冲的持续时间和不同相的信号脉冲的相对时间和顺序)，从而估算轴53的转动位置。

在一个实施例中，位置编码器66消除了对于与所述转向轮30或者机械地联接到所述转向液压缸21的机械转向系统相关联的轮角度传感器的需求。

位置编码器66以虚线示出，因为在某些实施例中，位置编码器66可以被取消，并且可以被马达控制器49替代，诸如在马达控制器49的分度模块包括位置编码器(例如，66)或者执行类似的或相似的功能的情况下。在其他实施例中，在冗余的位置编码器66被用于与分度模块组合以估算步进马达50或150的马达轴53的位置或转动的情况下，马达控制器49的分度模块的马达轴53的估算位置或转动可以被位置编码器66的感测结果(例如，磁场或光感测)核对或核验，

第二转向液压阀

如图1所示，在手动模式下，第二转向液压阀14能够经由方向盘10被车辆操作员操作，该方向盘10使得转向轴12或其上的转动传感器转动。第二转向液压阀14可以包括电动转向液压阀，所述电动转向液压阀接收来自方向盘转动传感器的电信号，或者包括转向阀，所述转向阀经由转向轴12接收机械转动以控制提供到转向液压缸21或者转向液压缸21的一个或多个腔22、24或者端口61的液压流体。

在替代实施例中，第二转向液压阀14可以包括机械式转向液压阀，通过方向盘10或其轴12或者与两者中的一个相关联的联动装置的操作员的转动移动或扭曲，来手动地打开、闭合或改变机械式转向液压阀。

流量传感器开关

流量传感器开关16液压地联接到所述第二转向液压阀14，从而通过来自所述第二转向液压阀14的液压流体的所感测的流动或流量的改变来检测所述方向盘10的操作员控制。如果所述流量传感器开关16提供指示所述第二转向液压阀的操作员控制或手动模式的信号或数据信息，那么车辆引导控制器44或增强的步进马达50(例如智能步进马达)基于位置数据和方向数据禁止所述第一转向液压阀52的自动转向模式、自动转向或自动控制。流量传感器开关16可以经由通信线路(如图所示)或者经由具有到车辆数据总线42的适当的通信接口(例如，can总线收发器)的车辆数据总线42而向步进马达50或步进马达50的马达控制器49提供信号。

步进马达

在一个实施例中，步进马达50包括能够转动到马达轴53的期望步数或轴角位置的无刷直流电动步进马达或开关磁阻步进马达。步进马达50可以具有马达控制器49或分度控制器，所述马达控制器49或分度控制器以适当的定时提供诸如脉冲序列的适当的信号到一个或多个定子绕组，从而递增地使得转子轴转动或步进已知的转动角度或者转动或步进到已知的角位置。

模式开关

在一个实施例中，模式开关40基于位置数据、方向数据和估算的转向角从手动转向模式或自动引导模式改变，其中，在手动转向模式中，操作员能够经由方向盘10使得车辆或转向轮30转向，在自动引导模式中，所述车辆引导控制器44使得车辆的转向轮30转向。

在另一实施例中，转向角估算器68被构造为：利用来自位置编码器66或马达控制器49的所观察或所感测的轴转动数据来估算转向轮的转向角和转向角的改变率；各个车辆引导控制器44基于估算的转向角、转向角的改变率以及位置数据和方向数据来提供控制信号或控制数据信息。

图2的系统111的实施例与图1的实施例类似，除了系统111的实施例将单独的步进马达50(例如，能够包括马达控制器49和位置编码器66)和车辆引导控制器44的组合替换为加强的步进马达或控制模块151(例如，智能步进马达模块)，该步进马达或控制模块151包括车辆引导控制器44(例如，集成的车辆引导控制器44)、步进马达150、马达控制器49和位置编码器66。在某些实施例中，如虚线所示，马达控制器49和位置编码器66可以分开地、一起地使用，或者被取消(被控制器44取代)。

图3的系统211的实施例与图1的实施例类似，除了系统211的实施例具有与转向液压缸21不同的转向液压缸。在替代实施例中，如图3所示，转向液压缸21可以包括一个或多个液压缸121、221，其中各个液压缸在大致筒形的壳体118中具有活塞120，该活塞120在单个腔122中压缩或操作液压流体并且具有与腔122连通的用于液压流体的吸入、液压流体的排出或者上述两者的至少一个端口61。例如，双轴转向液压缸21可以被两个转向液压缸121、221替代，各个转向液压缸具有与使得相应的转向轮30转向或转动相关的一个输出轴126和腔122(例如，与车辆的另一转向轮30一致)。在实践中，液压缸121、221可以被匹配或配对以实现响应于输入参数(诸如液压流体的流动、流量、压力)的轴或其活塞的基本类似或相同的移动。

在替代实施例中(未示出)，如果单个转向液压缸21被用于转向，那么成组的联动装置可以被用于例如使得车辆的两个前轮30的转向组合在一起。

图4的系统311的实施例与图1的实施例类似，除了丝杆装置77被放置在步进马达50和第一转向液压阀52之间并且所述第一转向液压阀52可以包括随动阀，该随动阀具有阀轴65的线性位移以控制液压流体的流量、或闭合状态，打开状态或流动方向。如图4所示，步进马达50的马达轴53被联接到丝杆装置77以将马达轴53的转动运动改变为线性运动，以用于第一转向液压阀152(例如，随动阀)的控制。在实践中，位置编码器166可以利用查询表或另一补偿器而被校准，从而消除如下的误差源中的一个或多个：(1)与由丝杆装置77进行的从转动运动到线性运动的转换相关的任何转换误差(例如，齿轮无效或变化)，以及(2)在第一转向液压阀152中针对于第一转向液压阀152的一个或多个端口处的(期望的)液压响应的与线性运动相关的任何阀误差。

替代用于位置编码器166的上述补偿器，图4的替代实施例可以包括轮角度传感器(未示出)以测量或探测转向轮30围绕大致竖直的轴线相对于地面的旋转或转动。例如，轮角度传感器可以被定位成测量第一臂24和轴26或者第二臂34和轴28之间的角度。

在另一构造中，步进马达50可以包括线性致动器，而不包括丝杆装置77，该线性致动器被直接联接到第一转向液压阀52以线性地移动第一转向液压阀52。如图1至图3的实施例所示，步进马达50可以具有转动轴，所述转动轴如前所述控制可转动的转向液压阀。

所述系统的一些实施例适于消除对于转向轮角度传感器的需求。替代地，系统的某些实施例可以使用位置编码器66以确定转向位置，或者甚至由步进马达50、其马达控制器49或其分度器所提供的角度式分度数据。因此，由于更小的部件和支架/导线的复杂度，该系统有利于简单和有效的改进安装。该系统能够被用于例如现场地将车辆升级为具有电动液压阀控制器。

如果转向阀(例如，52、152)包括除了随动阀之外还包括电动液压随动阀、或伺服随动阀，对于该阀和系统而言不需要死区矫正。相反地，所有或大多数随动阀(包括伺服阀)为了精确的闭环性能需要死区矫正。

因为转动阀被用在某些实施例中，由于需要主动地使得阀转动以产生流动，因此该系统促进了对于导致阀粘连的碎片的较高抗性。

已经描述了优选实施例，但是显而易见的是在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围的基础上可以做出多种修改。