专利名称：用于机动车辆的控制器和控制方法
技术领域：
本发明涉及用于机动车辆的一种控制器和一种控制方法，并且尤其涉及一种用于至少具有左轮和右轮的机动车辆的控制器，该左轮和右轮独立地被一种马达设备(motor arrangement)驱动。根据这种机动车辆，通常通过以不同的速度驱动左轮和右轮而实现车辆的转弯。这种机动车辆的典型的示例是电动轮椅。
背景技术：
传统的电动轮椅至少具有独立地被马达设备驱动的左轮和右轮。虽然被用于驱动轮子的马达设备可以包括单一马达，在马达和轮子之间具有独立的耦合以实现那些轮子的独立驱动，但是更加普遍的是，每一个驱动轮被独立的马达驱动。经常地，电动轮椅将包括两个或者更多脚轮，脚轮旋转以遵循行进方向，并且可选地可以设置多个进一步的固定轮。 每一个驱动轮的速度和方向限定轮椅的线性向前/反向速度和转弯(自旋)速率。用于电动轮椅的一种典型的输入控制接口提供具有两个控制轴的操纵杆，一个用于控制向前/反向速度并且一个用于控制转弯速率(或者自旋速度)。然而，将会理解，操纵杆不是必要的，并且已经开发了很多其它类型的输入控制接口以允许由具有各种不同的残疾程度的用户进行控制，例如，基于头部的控制机构、基于吸喷的机构(Sip puff based mechanism)等等。在为电动轮椅的用户提供关于它的速度和自旋的控制时，仍然普遍的是对于用户能够请求的速度和自旋的组合施加特定的限制。本质上是为了安全性的原因而实现这点， 因为例如当轮椅静止时可以只是请求最大自旋速度(其中左轮和右轮被沿着相反方向驱动)(以因此原位枢转(pivot on the spot))，但是如果当轮椅已经正在以相当的线性速度行进时请求，则这种突然的转弯将是危险的，在最坏的情形中将使得轮椅翻倒。因此已知的是在控制接口上施加“门整形(gate shaping)”，这通常允许与低的线性速度相组合地请求较高的自旋程度，而更加严格地限制可以与高的线性速度相组合地请求的自旋。通常利用一种算法实现这种门整形，该算法将来自用户的控制接口的信号转换成控制轮椅的马达的信号。即使在没有进入其中轮椅易于倾翻的状况的情况下，轮椅的速度和自旋的管理也仍然是有必要的，因为在转弯期间速度和自旋的特定组合能够对于每一个轮子的牵引产生效果。当进行转弯时，一个轮子的牵引损失能够对于轮椅的操控具有不希望的后果。牵引可以损失的一个原因是在转弯期间作用于轮椅上的向心力，这将趋向于提升内侧轮，因此降低它的牵引。对于前轮驱动轮椅而言，这个问题更为严重，因为内侧轮是高扭矩轮并且因此更加可能失去牵引。如果在内侧轮上失去相当程度的处理，则轮椅可能易于不受控制地自旋进入转弯。即使在不存在这种急剧的失控的情况下，即使较小的牵引损失可以对于轮椅的用户引起操控困难，因为轮椅遵循的转弯半径将不对应于用户控制的操作所请求的转弯半径。对于这个问题的传统的门整形方案能够必定防止轮椅翻倒，但是由于在相对速度和自旋上施加的限制影响轮椅的平稳转向感而仍然遭遇在轮椅的操控特性方面的问题，并且已经在特定的操纵杆要求区域中导致自旋速度的、过度严重的抑制。能够在由美国纽约的Curtis Instruments公司制作的“enAble40 Powerchair Control System”手册中；在美国专利5，033，000和5，307，888中；和在美国专利申请公开 2010/0007299A1中找到关于本发明的一些背景技术信息。提供一种可以减轻以上讨论的问题的、用于控制机动车辆的改进的技术将是令人期望的。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供一种用于至少具有左轮和右轮的机动车辆的控制器，所述左轮和所述右轮独立地被一种马达设备驱动，该控制器被布置成从机动车辆的用户输入设备接收控制信号，该控制信号确定请求的左轮速率和请求的右轮速率，其中所述机动车辆的请求的速度由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均值给出，并且其中所述机动车辆的请求的自旋由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均差给出，该控制器包括缩放单元，该缩放单元被配置为依赖于所述请求的速度和所述请求的自旋而确定缩放因子，并且按照所述缩放因子缩放所述请求的速度和所述请求的自旋这两者以产生目标速度和目标自旋，其中所述控制器被配置为将所述目标速度和所述目标自旋转换成目标左轮速率和目标右轮速率，该马达设备响应于所述控制器从而以所述目标左轮速率驱动所述左轮并且以所述目标右轮速率驱动所述右轮。根据本发明，缩放单元被布置成依赖于用户已经请求的请求速度和请求自旋这两者而确定缩放因子。这个缩放因子然后由缩放单元使用以缩放请求速度和请求自旋这两者以产生目标速度和目标自旋，目标速度和目标自旋然后被转换成相应的左轮速率和右轮速率。通过对请求的速度和请求的自旋这两者应用相同的缩放因子，已经发现机动车辆的、更加平滑的操控特性得以提供。特别地，已经有利地发现，机动车辆的转弯半径并不由于应用这个缩放因子而被改变，这使得机动车辆的转向“感”不受影响。本发明的技术还使得转弯半径相对于来自用户输入设备的变化控制信号(例如操纵杆的角度)平滑地改变。存在其中缩放单元能够依赖于请求的速度和请求的自旋确定缩放因子的多种方式，然而，在一个实施例中，缩放单元被配置为依赖于用于所述机动车辆的向心加速度极限而确定所述缩放因子。其是作用于机动车辆上的向心加速度，这将趋向于在转弯时提升内侧轮，因此降低它的牵引。本发明的发明人意识到，通过依赖于向心加速度极限确定缩放因子，能够以精确地避免其中机动车辆很可能失去牵引的那些状况的方式管理机动车辆的操控。在一些实施例中，该缩放单元被配置为将所述向心加速度极限实现为向心力极限。 将会认识到，向心加速度还可以根据向心力而得以表达(通过在计算中包括有关质量，因为 F=ma)并且该缩放单元能够被配置为根据或者向心加速度极限或者向心力极限而操作。虽然能够以多种方式在缩放因子中结合向心加速度极限，但是在一个实施例中， 所述缩放因子与所述向心加速度极限的平方根成比例。机动车辆的向心加速度能够被示为与它的速度和它的自旋的乘积成比例，并且因此对于被应用于速度和自旋这两者的缩放因子，有利的是缩放因子与向心加速度极限的平方根成比例。以此方式，速度和自旋可以被相同的因子缩放从而在不超过这个预定向心加速度极限的情况下维持要求的转弯半径。
根据各种因素例如机动车辆的类型、将在其中使用该机动车辆的环境、机动车辆的用户的相对能力等等，向心加速度极限能够被不同地定义。然而，在一个实施例中，所述向心加速度极限对应于所述机动车辆在转弯时的向心加速度的上限，其中当所述机动车辆具有高于所述向心加速度极限的向心加速度时，在转弯内侧的所述左轮和所述右轮之一失去牵引。以此方式定义向心加速度极限使得缩放单元能够确定缩放因子，从而以将机动车辆保持在其中它在转弯时并不失去牵引的状况内的方式管理机动车辆的操控。虽然能够根据行驶状态不断地重新计算，或者调节向心加速度极限，但是根据一个实施例，该控制器进一步包括用于存储所述向心加速度极限的预定值的存储单元。因此， 当确定缩放因子时，该缩放单元能够参考向心加速度极限的这个存储的预定值。虽然存在其中能够依赖于请求的速度和请求的自旋确定缩放因子的各种方式，但是根据一个实施例，缩放因子与所述请求的速度和所述请求的自旋的乘积的平方根成反比。以此方式确定缩放因子允许为了缩放速度和自旋这两者的意图而使用具有正确的量纲 (dimensionally correct)的标量。在一个实施例中，缩放因子(Ks。al ) 被定义为
权利要求
1.一种用于至少具有左轮和右轮的机动车辆的控制器，所述左轮和所述右轮独立地被马达设备驱动，所述控制器被布置成从所述机动车辆的用户输入设备接收控制信号，所述控制信号确定请求的左轮速率和请求的右轮速率，其中所述机动车辆的请求的速度由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均值给出，并且其中所述机动车辆的请求的自旋由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均差给出，所述控制器包括缩放单元，所述缩放单元被配置为依赖于所述请求的速度和所述请求的自旋而确定缩放因子，并且按照所述缩放因子缩放所述请求的速度和所述请求的自旋这两者以产生目标速度和目标自旋，其中所述控制器被配置为将所述目标速度和所述目标自旋转换成目标左轮速率和目标右轮速率，所述马达设备响应于所述控制器从而以所述目标左轮速率驱动所述左轮并且以所述目标右轮速率驱动所述右轮。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述缩放单元被配置为依赖于用于所述机动车辆的向心加速度极限而确定所述缩放因子。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中所述缩放单元被配置为将所述向心加速度极限实现为向心力极限。
4.根据权利要求2所述的控制器，其中所述缩放因子与所述向心加速度极限的平方根成比例。
5.根据权利要求2所述的控制器，其中所述向心加速度极限对应于所述机动车辆在转弯时的向心加速度的上限，其中当所述机动车辆具有高于所述向心加速度极限的向心加速度时，在转弯内侧的所述左轮和所述右轮之一失去牵引。
6.根据权利要求2所述的控制器，包括用于存储所述向心加速度极限的预定值的存储单元。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中所述缩放因子与所述请求的速度和所述请求的自旋的乘积的平方根成反比。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中所述缩放因子(Ksralm)被定义为( _ ICminpeiaiAccekraiicmLimii~ se^ ^ Re quested^eed ■ Re qu&siedSpin 。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中所述缩放因子具有上限为一。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制信号包括向前信号和自旋信号。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中所述机动车辆是前轮驱动车辆。
12.根据权利要求1所述的控制器，用于在采取轮椅的形式的机动车辆中使用。
13.—种机动车辆，包括 马达设备；至少左轮和右轮，所述左轮和所述右轮独立地被所述马达设备驱动； 被配置为发出用于机动车辆的控制信号的用户输入设备，所述控制信号相应于请求的左轮速率和请求的右轮速率；和用于依赖于所述控制信号控制所述左轮和所述右轮的驱动的、根据前面权利要求中任一项的控制器。
14.根据权利要求13所述的机动车辆，其中所述机动车辆是轮椅。
15.一种控制至少具有左轮和右轮的机动车辆的方法，所述左轮和所述右轮独立地被马达设备驱动，所述方法包括以下步骤从所述机动车辆的用户输入设备接收控制信号，所述控制信号确定请求的左轮速率和请求的右轮速率，其中所述机动车辆的请求的速度由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均值给出，并且其中所述机动车辆的请求的自旋由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均差给出；依赖于所述请求的速度和所述请求的自旋确定缩放因子；按照所述缩放因子缩放所述请求的速度和所述请求的自旋这两者以产生目标速度和目标自旋；和将所述目标速度和所述目标自旋转换成目标左轮速率和目标右轮速率，所述马达设备响应于所述控制器从而以所述目标左轮速率驱动所述左轮并且以所述目标右轮速率驱动所述右轮。
16.一种用于至少具有左轮和右轮的机动车辆的控制器，所述左轮和所述右轮独立地被马达设备驱动，所述控制器被布置成从所述机动车辆的用户输入设备接收控制信号，所述控制信号确定请求的左轮速率和请求的右轮速率，其中所述机动车辆的请求的速度由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均值给出，并且其中所述机动车辆的请求的自旋由所述请求的左轮速率和所述请求的右轮速率的平均差给出，所述控制器包括缩放装置，所述缩放装置用于依赖于所述请求的速度和所述请求的自旋确定缩放因子，并且用于按照所述缩放因子缩放所述请求的速度和所述请求的自旋这两者以产生目标速度和目标自旋，其中所述控制器被配置为将所述目标速度和所述目标自旋转换成目标左轮速率和目标右轮速率，所述马达设备响应于所述控制器从而以所述目标左轮速率驱动所述左轮并且以所述目标右轮速率驱动所述右轮。
全文摘要
本发明涉及用于机动车辆的控制器和控制方法。提供用于至少具有左轮和右轮的机动车辆的控制器，左轮和右轮独立地被马达设备驱动。控制器被布置成从机动车辆的用户输入设备接收控制信号，控制信号确定请求的左轮速率和请求的右轮速率。机动车辆的请求的速度由请求的左轮速率和请求的右轮速率的平均值给出，机动车辆的请求的自旋由请求的左轮速率和请求的右轮速率的平均差给出。缩放单元依赖于请求的速度和请求的自旋确定缩放因子且按照缩放因子缩放请求的速度和请求的自旋产生目标速度和目标自旋。控制器被配置为将目标速度和目标自旋转换成目标左轮速率和目标右轮速率并且该马达设备响应于控制器以目标左轮速率驱动左轮且以目标右轮速率驱动右轮。
文档编号A61G5/10GK102198032SQ20111007191
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月24日 优先权日2010年3月24日
发明者J. 特罗威尔 M. 申请人:Pg驱动技术有限公司