赛车游戏的制作方法

专利名称：赛车游戏的制作方法
赛车游戏本发明涉及赛车游戏的领域。更具体地，本发明涉及用于控制车辆在跑道上的位置以便提供无槽赛车游戏的方法。传统上，赛车游戏涉及模型槽车(slot cars)的比赛。每一个汽车包括被配置成定位在跑道内的导向槽内的导向杆(或转动叶片)，导向槽用来限定汽车的车道。汽车的低电压电动机的功率由定位在靠近槽处的金属条携带，并通过定位在导向杆旁边的汽车的前部处的接触器收集。用于给汽车提供动力的电压可以通过操作者改变相应的手动控制器内的电阻值来改变。还已知合并可选的特征比如刹车元件、电子控制装置和/或牵引磁体来有助于槽车的操作。最近，已经发展了允许多于一个的槽车分享一个车道的数字技术。比赛用槽车中的挑战出现在以最高速度征服转弯和其它障碍物时，该最高速度将不会使汽车失去其控制和向侧面旋转，或“脱槽”，同时离开跑道。尽管实际模型汽车和跑道能准确地复制相应的照原尺寸的车辆和赛车环道，比赛用模型槽车的实现严重受到导向杆和槽的不弯曲性的限制。因此，与常规比赛不同，模型汽车的操作者不能采用在跑道的整个宽度上的可变位置，以便获得战术优势或保护比赛路线。此外，没有具有传统的有槽跑道的设施来结合额外的比赛危险，比如水面浮油、砾坑或可变的天气条件。在本发明中应认识到，在提供无槽赛车游戏时将获得明显的优点。因此，本发明的方面的目的是消除或至少缓解本领域中已知的赛车游戏的前述缺点。发明概述根据本发明的第一个方面，提供用于控制车辆在跑道上的位置的方法，其中该方法包括下面的步骤-进行车辆在跑道上的横向位置的第一测量；-比较第一被测横向位置与车辆的期望横向位置，以便产生误差信号；-产生车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化误差信号；_测量车辆的速度；-采用所测量的速度，以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。优选地，进行第一测量的步骤在车辆的前部被执行。这个步骤可以包括采用光学传感器，以便测量自跑道反射的光。测量车辆的速度的步骤可以包括测量用来驱动车辆的电动机所产生的反电动势。补偿车辆的响应中的速度相关的变化的步骤包括改变产生转向伺服系统的第一输入信号的控制器的增益。优选的是，控制器的增益随车辆的速度的平方的倒数而变化。在可选的实施方式中，当车辆的速度超过预定的值时，控制器的增益随着车辆的速度的平方的倒数而变化。用于控制车辆在跑道上的位置的方法还可以包括测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度的步骤。
用于控制车辆在跑道上的位置的方法还可以包括产生转向伺服系统的第二输入信号以便最小化所测量的角度的步骤。测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度的步骤可以包括进行车辆在跑道上的横向位置的第二测量。优选地，进行第二测量的步骤在车辆的后部被执行。这个步骤可以包括采用光学传感器，以便测量自跑道反射的光。测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度的步骤还可以包括从车辆在跑道上的横向位置的第一测量进行车辆在跑道上的横向位置的第二测量。根据本发明的第二个方面，提供用于控制车辆在跑道上的位置的方法，其中该方法包括下面的步骤-进行车辆在跑道上的横向位置的第一测量；-比较第一被测横向位置与车辆的期望横向位置，以便产生误差信号；-产生车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化误差信号；-测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度；以及-产生转向伺服系统的第二输入信号，以便最小化所测量的角度；优选地，在转向伺服系统的初级反馈环路内最小化误差信号，初级反馈环路具有第一响应率(Ks)。优选地，在转向伺服系统的二次反馈环路内最小化所测量的角度，二次反馈环路具有第二响应率(Klf2)。优选地，第二响应率(Klf2)等于转向伺服系统的响应率(Kss)的倒数。将第二响应率(Klf2)设置成等于转向伺服系统的响应率(Kss)的倒数被发现显著增加车辆在跑道上的位置控制的稳定性。优选地，进行第一测量的步骤在车辆的前部被执行。这个步骤可以包括采用光学传感器，以便测量自跑道反射的光。测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度的步骤可以包括进行车辆在跑道上的横向位置的第二测量。优选地，进行第二测量的步骤在车辆的后部被执行。这个步骤可以包括采用光学传感器，以便测量自跑道反射的光。测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度的步骤还可以包括从车辆在跑道上的横向位置的第一测量进行车辆在跑道上的横向位置的第二测量。用于控制车辆在跑道上的位置的方法还可以包括测量车辆的速度的步骤。优选地，所测量的速度用来补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。补偿车辆的响应中的速度相关的变化的步骤包括改变产生转向伺服系统的第一输入信号的控制器的增益。这个步骤还可以包括改变产生转向伺服系统的第二输入信号的控制器的增益。优选的是，反馈控制器的增益随车辆的速度的倒数而变化。在可选的实施方式中，当车辆的速度超过预定的值时，控制器的增益随着车辆的速度的倒数而变化。本发明的第二个方面的实施方式可以包括实现本发明的第一个方面的优选或可选特征的特征。
根据本发明的第三个方面，提供用于控制车辆在跑道上的位置的方法，其中该方法包括下面的步骤-进行车辆在跑道上的横向位置的第一测量；-比较第一被测横向位置与车辆的期望横向位置，以便产生误差信号；-产生车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化误差信号；-测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度；-产生转向伺服系统的第二输入信号，以便最小化所测量的角度；_测量车辆的速度；以及-采用所测量的速度，以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。本发明的第三个方面的实施方式可以包括实现本发明的第一个或第二个方面的优选或可选特征的特征。根据本发明的第四个方面，提供适合于使一个或多个车辆比赛的比赛跑道，其中比赛跑道包括光学梯度横向分布(optically graded lateral profile)。因此，光学梯度分布提供具有唯一的反射率水平的跑道的每一个横向位置。优选地，沿着跑道的长度保持光学梯度横向分布。更优选地，比赛跑道包括闭合环路跑道。优选地，光学梯度横向分布从在跑道内侧的低反射率的区域向朝着跑道外侧的高反射率的区域移动。光学梯度横向分布可以是灰度等级的、彩色的或由非可见光反射材料比如红外反射材料制成。比赛跑道可以包括具有印刷有光学梯度横向分布的纸。作为结果，比赛跑道可以为了存储或运输的目的而被卷起或折叠，且然后在需要的时候被简单地铺开或展开。跑道可以包括适合于安装在一起的单独的跑道段。通过跑道段的重新配置，这样的实施方式允许使用者建立不同设计的比赛跑道。跑道还可以包括一个或多个标记。标记可以被设计成由光学传感器读取，或使光学传感器的读取过程不明确。以这种方式，标记使额外的信息例如一圈时间容易模拟危险，比如水面浮油、跑道碎片、碌坑，或模拟需要车辆中途停车例如车胎扎破的变化的装卸条件或变化的天气条件。根据本发明的第五个方面，提供用于控制车辆在跑道上的位置的控制电路，其中所述控制电路包括-测量传感器，其用于测量车辆在跑道上的第一横向位置；-减法器，其用来通过比较第一被测横向位置与车辆的期望横向位置来产生误差信号;-控制器，其用于产生所述车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化误差信号;-速度传感器，其用于测量车辆的速度；-其中，控制器提供用于采用所测量的速度以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化的手段。
优选地，控制电路还包括第二测量传感器，其用于测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度。在这个实施方式中，控制器还产生转向伺服系统的第二输入信号，以便最小化所测量的角度。本发明的第五个方面的实施方式可以包括实现本发明第一个和第二个方面的优选或可选特征的特征，反之亦然。根据本发明的第六个方面，提供用于控制车辆在跑道上的位置的控制电路，其中控制电路包括-测量传感器，其用于测量车辆在跑道上的第一横向位置；-减法器，其用来通过比较第一被测横向位置与车辆的期望横向位置来产生误差信号;-控制器，其用于产生车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化所述误差信号;-第二测量传感器，其用于测量车辆的行进方向和跑道的纵轴之间的角度；以及-其中，控制器产生转向伺服系统的第二输入信号，以便最小化所测量的角度。优选地，在转向伺服系统的初级反馈环路内产生转向伺服系统的第一输入信号，初级反馈环路具有第一响应率(Ks)。优选地，在转向伺服系统的二次反馈环路内产生转向伺服系统的第二输入信号，二次反馈环路具有第二响应率(Klf2)。优选地，第二响应率(Klf2)等于转向伺服系统的响应率(Kss)的倒数。将第二响应率(Klf2)设置成等于转向伺服系统的响应率(Kss)的倒数被发现显著增加车辆在跑道上的位置控制的稳定性。优选地，控制电路还包括用于测量车辆的速度的速度传感器。在这个实施方式中，控制器还提供用于采用所测量的速度以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化的手段。优选地，在产生第一输入信号时控制器的增益变化提供用于采用所测量的速度以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化的手段。类似地，在产生第二输入信号时控制器的增益变化提供用于采用所测量的速度以便补偿车辆对来自转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化的手段。优选地，控制器的增益随车辆的速度的倒数而变化。本发明的第六个方面的实施方式可以包括实现本发明第一个和第二个方面的优选或可选特征的特征，反之亦然。根据本发明的第七个方面，提供比赛用车辆，其中比赛用车辆包括根据本发明的第五个方面的控制电路。根据本发明的第八个方面，提供比赛用车辆，其中比赛用车辆包括根据本发明的第六个方面的控制电路。附图简述在阅读下面的详细描述时且参考下面的附图时，本发明的方面和优点将变得明显,其中

图1表示根据本发明的实施方式的车辆的示意图；图2表示示出图1的车辆对驾驶指令的响应的方框图3表示(a)由图1的车辆所采用的光学传感器的示意图；以及(b)光学传感器的电子电路；图4表示图1的车辆的示例性比赛跑道的平面图；图5表示示出用来控制图1的车辆在图4的跑道的整个宽度上的位置的方法的方框图；图6表示根据本发明的可选的实施方式的车辆的示意图；图7表示示出图6的车辆对驾驶指令的响应的方框架；图8表示示出用来控制图6的车辆在图4的跑道的整个宽度上的位置的方法的(a)第一方框图；以及(b)第二方框图；图9示出用来控制图6的车辆在图4的跑道的整个宽度上的位置的方法的简化方框图；图10表示根据本发明的可选的实施方式的车辆的示意图；图11表示示出用来控制图10的车辆在图4的跑道的整个宽度上的位置的第一种方法的方框图；图12表示示出用来控制图10的车辆在图4的跑道的整个宽度上的位置的第二种方法的方框图。详细描述图1表示根据本发明的实施方式的车辆I的示意图。显示在比赛跑道2上的车辆1，跑道2的另外的细节参考图4在下文中被描述。可以看到，车辆I包括主体3，在主体的前部安装有一组可转向轮4且在主体的后部安装有一组不可转向轮5。车辆的功率经由配置成驱动不可转向轮5的直流电动机6提供。第一控制器单元7例如比例-积分-微分控制器(PID控制器)为操作者提供远程控制车辆I的手段。第一光学传感器8被定位在车辆I的前部，以便提供用于确定车辆I在跑道2上的位置的手段。速度传感器9被定位在不可转向轮5处，且用来提供用于测量车辆I的速度的手段。由定位在闭合环路内的转向伺服系统(s) 10控制转向角度(sa)，且因此控制车辆I的行进方向。转向伺服系统10显示由Kss表示的响应率。通过图2的方框图12来表示穿过跑道2的车辆的前部的位置(fp)被转向伺服系统(s) 10的输入信号11影响的方式。尤其是，系统(输入)的输入信号11是馈送到转向伺服系统(s) 10的信号，其可以采用多种形式，例如模拟电压、某一宽度的脉冲或微控制器内的二进制数。来自转向伺服系统(s) 10的输出信号13表不所产生的转向角度(sa)。当某一振幅的输入信号11被应用于转向伺服系统(S)IO时，它使可转向轮4旋转到相对于车辆I的主体3的角度。因此，在车辆I以某一速度(速度)向前移动时，车辆I的主体3对于跑道2的角度一主体角度(ba)将不断增加。将认识到，车辆I的轮距(wb)越长，转向角度(sa)的影响将会越小。而且，车辆I行进的速度越大，主体角度将对于给定的转向角度(sa)变化得越快。这些方面通过图2所示的各种块来表示，如下文将更加详细地描述的。第一个正弦块14的输出是该块的输入的正弦，换而言之，它是转向角度(sa)的正弦。被标记为1/wb的块15显示效应与车辆I的轮距(wb)成反比例。转向角度(Sa)与车辆I的速度成比例的事实由第一个倍增器块16来显示，速度作为二次输入被提供。最后，固定的转向角度(sa)使主体角度(ba)不断增加的事实指示时间积分作用的存在，其通过第一个时间积分块17的存在来表不。一旦输入信号12已经返回到零，可转向轮4就将再次与主体3对准，且因此主体角度(ba)将保持在其当前值处。然而,主体角度(ba)的这个非零值将使车辆的前部的位置(fp)不断增加。增长率再次与速度成比例，且它再次是相当大的主体角度(ba)的正弦。通过图2的方框图12的剩余块，即，第二个正弦块18、第二个倍增器块19和第二个时间积分块20来显示这些影响。由车辆I所采用的光学传感器8的另外细节呈现在图3中。尤其是，图3 (a)表示光学传感器8的示意图，而图3 (b)表示这个部件的电路。可以看到，光学传感器8包括以LED的形式的光源21和以光电晶体管的形式的检测器22。由光源21发出的光23最初被引导到跑道2。从跑道2反射后，光23然后入射在检测器22上。如下文更加详细地解释的，检测到的光的水平提供用于测量车辆I在跑道2的整个宽度上的位置的诊断。可以采用下面的方法来使传感器8补偿背景灯的影响。光源21可以被关闭，以便允许检测器22获取读数。这个读数可以用环境光的存在来解释。通过从比赛过程期间所记录的那些读数中减去这个读数允许从车辆控制系统中除去的环境光的影响，其在下文被更加详细地描述。通过采用直流电动机6的反电动势被测量的技术，速度传感器9提供用于测量车辆I的速度的手段。在正常的操作中，直流电动机6消耗电能且将它转换成机械能，以便驱动车辆I。当到直流电动机6的功率被中断时，直流电动机6充当发电机且上述过程反转，即，直流电动机6消耗机械能且将它转换成电能。当直流电动机6作为发电机操作时，观察到的电压与直流电动机6的速度成正比。因此，通过定期中断直流电动机6的电力供应(通常持续几毫秒的时间)，速度传感器9可以用于测量车辆I的速度，而没有显著中断车辆I的驾驶。远程控制单元24为操作者提供用于产生指令信号25的手段，指令信号25用于控制跑道2上的车辆I的速度和横向位置。尤其是，远程控制单元24包括提供用于产生指令信号25和转向轮27或控制杆的速度控制部件的手段的节流阀26，其提供用于产生指令信号的跑道位置部件的手段。比寨跑道图4示出车辆I的示例性跑道2的平面图。在目前描述的实施方式中，可以看到比赛跑道2形成闭合环路。对跑道的纵轴28的提及与在跑道的长度周围延伸的轴相关，如图4所示的虚线所示出的，而对车辆I在跑道2上的横向运动或横向分布的提及是指实质上垂直于纵轴28的运动或分布。跑道2的宽度被形成，以便展示沿着跑道2的长度被保持的光学梯度横向分布。因此，光学梯度分布提供用于以唯一的反射率水平分配跑道2的每一个横向位置的手段。在目前所描述的实例中，光学梯度横向分布包括从跑道2的内侧到外侧的灰度等级分布(即，黑到白)，以便为光学传感器8的光源21提供相对低的反射率到高反射率的相应区域。以这样的方式，从光源21反射到检测器22上的光23的水平相应于唯一的横向位置，且因此提供用于确定跑道2上的车辆的前部的横向位置(fp)且之后用于沿着跑道2的全长保持这个横向位置的诊断。本领域的技术人员将认识到，比赛跑道2不需要一定包括灰度等级，光学梯度横向分布。假定光学传感器8的相对低的反射率到高反射率的相应区域可以被形成，跑道可以由任何合适的颜色形成。而且，跑道2根本不需要包括可见光颜色，而相反可以由红外反射材料形成，相应的红外光源21在光学传感器8内被米用。优选的是，跑道2通过印刷工艺来形成，由此，适当的油墨被涂敷到薄纸。作为结果，比赛跑道2可以为了存储或运输的目的而被卷起或折叠，且然后在需要的时候简单地被铺开或展开。跑道2可以被印刷在单独的纸部分上且然后在需要进行比赛的时候适当地被布置。通过跑道段的重新配置，这样的实施方式可允许使用者建立不同设计的比赛跑道2。本领域的技术人员还将认识到，额外的标记29可以被合并在跑道2内。这些额外的标记29可以被设计成由光学传感器8读取，或设计成使光学传感器8的读取过程不明确，以便使额外的信息例如一圈时间容易模拟危险比如水面浮油、跑道碎片、砾坑，或模拟需要车辆中途停车比如车胎扎破的变化的装卸条件或变化的天气条件。速度传感器控制系统现在将参考图5的方框图且对于配置成围绕跑道2逆时针行进的车辆来描述用于控制车辆I在跑道2上的位置的闭合环路控制系统30。控制器单元7用来接收来自远程控制单元24的指令信号25。指令信号25的速度控制部件用于设置直流电动机6的操作的速度且因此设置车辆I的速度，而跑道位置部件由转向伺服系统(s)采用来设置在跑道2上的第一光学传感器8的期望横向位置。例如，如果方向盘27处于其零位置，那么车辆I的期望跑道位置是跑道2的中心，且车辆I遵循沿着跑道2的全长的横向轴28。如果方向盘27被逆时针转动，那么相应于较靠近跑道2内部的横向跑道位置，即，跑道2的较深区域的负信号被产生，车辆I然后将遵循跑道的较深区域。类似地，如果方向盘27被顺时针转动，那么相应于较靠近跑道2外侧的跑道位置，即，跑道2的较浅区域的正信号被产生，车辆I然后将遵循跑道的较浅区域。因此，可以认为跑道包括车辆I的多个虚拟槽，在这些槽之间，车辆I可以容易移动且槽的选择由指令信号25的跑道位置部件确定。本领域的技术人员将认识到，通过使上面的布置反转，可以将车辆I配置成围绕跑道2在顺时针方向上操作。在另一可选的实施方式中，使跑道2的横向梯度阴影反转将提供顺时针比赛配置。然后，在转向伺服系统(s) 10的初级反馈路径32中采用第一减法器31。第一减法器31产生误差信号33，误差信号33通过从指令信号25的跑道位置部件中减去初级反馈信号来提供控制器单元7的输入且因此允许控制器单元7提供第一光学传感器8与期望横向跑道位置的偏差的诊断。传感器的响应率通过其输入与其输出之间的关系来提供。在目前描述的控制系统30中，由Ks表示的响应率是由第一光学传感器测量的被定位的跑道和馈送到第一减法器31的输入之间的关系。在接收到误差信号33时，控制器单元7然后试图驱动转向伺服系统(s) 10，以便在跑道2上重新定位车辆I的前部，以便最小化误差信号33。以这样的方式，车辆I将围绕跑道2行进，同时试图保持由跑道位置部件设置的横向跑道位置。如果跑道位置部件被改变，那么车辆I将试图在跑道2上使自己重新定位到相应的新的横向位置。如上所述的，主体角度(ba)在给定的转向角度(sa)处增加的速率和车辆的前部的位置(fp)都取决于车辆I的速度。因此，控制系统30的环路增益取决于车辆I的速度的平方。因此，调整控制系统30的控制器单元7以便提供所有车辆I的速度的快速且稳定的响应是极其困难的。作为例子，采用具有IOHz的带宽的转向伺服系统(s)的1:20比例的车辆I通常可以具有1. 5ms-1的中档速度。尽管控制系统30可以被布置成在这个操作速度下是稳定的，但是当车辆的速度在这个中档值之上或之下移动时，它的稳定性迅速恶化。这个问题的解决方案是采用速度传感器9的输出，以便修改从控制器单元7到转向伺服系统(s) 10的输入且因此补偿控制系统30的正向路径增益的速度相关性。最简单的修改是使控制器单元7的增益随车辆I的速度的平方的倒数而变化。这是通过采用在速度传感器9和控制器单元7之间连接的处理器单元34来实现的。然而，注意到，这个解决方案导致在低的车辆速度下的非常高的控制器增益。在可选的实施方式中，仅当车辆I在预定的最小速度之上行进时，处理器单元34用来使控制器单元7的增益随车辆I的速度的平方的倒数而变化，例如在上文所提供的实例中，适当的最小速度可以为0. Sms'第二光学传感器控制系统在没有另外的控制方法的情况下，控制系统30的动力学主要是通过转向伺服系统(s) 10的响应来设置的，且因此这个系统实际上是四阶类型二系统(forth order, typetwo system)。如本领域的技术人员已知的，这样的系统不是特别地稳定，且因此它可以证明控制系统30将车辆I保持在跑道2上而没有另外的补偿是困难的。现在将描述可选的实施方式，其中另外的稳定性补偿是通过定位在车辆内的第二光学传感器的采用来实现的。合并第二光学传感器的车辆Ib示意性地呈现在图6中。可以看到，车辆Ib包括呈现在图1中的车辆I的很多元件，即主体3、一组可转向轮4、一组不可转向轮5、直流电动机6、控制器单元7、定位在车辆Ib的前部的第一光学传感器8、及转向伺服系统(s) 10。然而，在目前描述的实施方式中，第二光学传感器8b被定位在车辆Ib的后部。此外在目前描述的实施方式中，不需要速度传感器9。图7呈现了显示图6的车辆Ib对由远程控制单元24产生的指令信号25的响应的方框图35。图7的响应方框图类似于上文关于车辆I的响应所讨论的方框图，且如图2所示的，除了现在呈现了表示车辆的后部的位置(rp)的臂36以外。用于控制车辆Ib在跑道2上的位置的闭合环路控制系统37由图8 (a)的方框图和图8 (b)的等效方框图显示。控制器单元7再次用来接收来自远程控制装置24的指令信号25，以便设置期望速度和车辆Ib的前部在跑道2上的位置。在转向伺服系统(s)的初级反馈路径32中再次采用第一减法器31，以便产生误差信号33，误差信号33提供车辆I的前部与期望位置的偏差的诊断。在初级反馈路径32上的响应率再次用Ks来表示。此外，控制系统37采用到转向伺服系统(s) 10的二次反馈路径38或局部反馈路径38。二次反馈路径38提供定位在其中的具有车辆的后部的测量位置(rp)的第二减法器39。然后，第二减法器39被配置成向转向伺服系统(s) 10提供二次反馈信号，二次反馈信号等于车辆的前部和后部之间的差，即(fp)-(rp)。
参考图6,基本三角法向我们显示,跑道2上的车辆Ib的前部位置(fp)和后部位置(rp)之间的差是通过传感器基数(sensor base) (sb)乘以主体角度的正弦给出的,或换句话说((fp) - (rp)) = (sb). sin (ba) (I)因此，通过测量跑道2上的车辆Ib的前部位置(fp)和后部位置(rp)且计算这些值之间的差，允许取决于主体角度(ba)而不仅是转向角度(sa)的转向伺服系统(s)的二次反馈信号。因此，二次反馈环路起作用来最小化所测量的主体角度，以便保持车辆Ib平行于跑道2的纵轴28而行进。此外，由于第一个时间积分块17现在被包含在二次反馈环路内，这具有转换这个块的作用，以便作为指数滞后而不是时间积分来起作用。因此，可以认为控制系统37是四阶类型一系统(forth order, type one system),如本领域的技术人员所认识到的,其与四阶类型二系统相比明显更加稳定。而且，控制系统37还减少速度对系统37的稳定性的影响，因为具有随速度改变的增益的系统的部分现在被包含在局部反馈环路内。本领域的技术人员还将认识到，转向角度(sa)和主体角度(ba)通常都将为30°或更小。作为结果，通过利用对于小角度Θ来说sin(0)大致等于Θ的事实，可以进一步简化控制系统37。因此，简化的有效控制系统37a由图9的方框图显示，其中省略了第一个正弦块14和第二个正弦块18。事实上，发现如果使二次反馈路径38的响应率Klf2等于转向伺服系统(s) 10的响应率(Kss)的倒数，则对于控制系统37和37a的稳`定性是更可取的。结合第二减法器39中的否定，这导致转向角度(sa)被设置成与主体角度(ba)相等且相反。因此，二次反馈环路38使得可转向轮4指向车辆Ib应行进的方向。在没有二次反馈环路的情况下，如果车辆的前部位置(fp)是在正确的位置上，但车辆与跑道2成一角度，那么只要车辆Ib向前移动，在总反馈最终使车辆返回到路线之前，车辆的前部位置(fp)将偏离期望位置。在车辆Ib的后部和二次反馈路径38处添加第二传感器8b的情况下，可转向轮4自动地指向沿着跑道2的方向，且当车辆Ib向前移动时，后部位置(rp)简单地跟随前部位置(fp)到穿过跑道2的正确位置。因此，可以认为，控制系统37和37b预测车辆Ib的即将发生的位置误差，且然后采取必要的行动以在这个位置误差出现之前校正它。速度传感器和第二光学传感器控制系统在优选的可选实施方式中，车辆的控制系统采用前述控制系统30和37的组合。作为例子，图10表示合并速度传感器9和第二光学传感器Sb的车辆1C。车辆Ic的剩余元件相应于在图1和图6中关于前面所述的车辆I和Ib所显示的那些元件，且因此用相应的参考数字来标记。用于控制车辆Ic在跑道2上的位置的第一闭合环路控制系统40是由图11的方框图来表示的。如同前面所描述的系统30和37 —样，控制器单元7用来接收来自远程控制单元24的指令信号25，以便设置期望速度和车辆Ic的前部在跑道2上的位置。然后，在转向伺服系统10的初级反馈路径32中采用第一减法器31，以便产生误差信号33，误差信号33提供车辆I的前部与期望位置的偏差的诊断。初级反馈路径32的响应率再次用Ks来表示。
二次反馈路径38或局部反馈路径38再次向定位在第一控制器单元7和转向伺服系统(s) 10之间的第二减法器39提供车辆的后部位置(rp)的细节。第二减法器被再次配置成使得二次反馈环路起作用来最小化车辆Ic在跑道2上的所测量的主体角度。再次优选地使二次反馈路径38的响应率Klf2等于转向伺服系统(s) 10的响应率(Kss)的倒数。为了提供用于在二次反馈环路中实现速度补偿的手段，应注意，第二控制器单元7b定位在第二减法器39和转向伺服系统(s) 10之间。在目前描述的实施方式中，初级反馈环路和二次反馈环路的增益由控制器单元7和7b修改，以便随着车辆Ic的速度的倒数而不是速度的平方的倒数而变化，如控制系统30内所要求的。然而，这是以类似的方式来实现的，即通过采用分别在速度传感器9与第一控制器单元7和第二控制器单元7b之间连接的处理器单元34和34b。在可选的实施方式中，处理器单元34和34b可以仅当车辆Ic在预定的最小速度之上行进时用来分别经由控制器单元7和7b随着车辆Ic的速度的倒数而改变初级反馈环路和二次反馈环路的增益。用于控制车辆Ic在跑道2上的位置的第二控制系统41是通过图12的方框图来表示的。这个实施方式在很多方面类似于图11所示的且在上文详细讨论的控制系统40。一个显著的差别在于第二控制器单元7b被省略，使得第二环路的增益变化被保持在反馈路径38本身内。这是较不可取的解决方案，因为它需要对正向路径控制器7的不同的处理，因为改变二次反馈路径38的反馈路径增益会改变二次环路的闭合环路响应，且因此改变初级环路的环路增益。本领域的技术人员将认识到，在所有所描述的实施方式中，车辆的转向伺服系统可以被改装，使得不改变可转向轮的角度，通过改变轮的相对旋转实现车辆的方向的改变。而且，将认识到，尽管控制器单元7和7b、减法器31和39及处理器单元34和34b都被示为单独的单元，它们的功能可以直接用单个控制器单元来实现。上文所述的赛车游戏提供许多优于本领域已知的那些游戏的优点。首先，提供无槽跑道和车辆的组合，由此可以改变车辆的横向位置，使得它可以穿过跑道的全部宽度移动。这提供更加现实的赛车游戏，因为车辆的操作者可以操纵车辆，以便获得战术优势(例如，赶上或轻触对手或保护比赛路线)，但不一定要围绕跑道驾驶汽车。其次，如果车辆确实脱离跑道，它可以被简单地继续驾驶回，且跑道上的车辆的控制系统的操作再继续。因此，与槽车不同，不需要操作者亲自在跑道上重新定位它们的车辆，以便使比赛再继续。跑道本身还提供很多显著的优点。首先，对可以参加比赛的车辆的数目没有限制，因为没有车辆的操作所需要的预定槽。跑道是高度灵活的，允许简单的储存、运输和部署。跑道生产起来简单，且因此比本领域已知的传统的有槽跑道明显更具成本效益。最后，跑道允许额外的比赛危险比如水面浮油、跑道碎片、砾坑或可变的天气条件的结合。描述用于控制车辆在跑道上的位置以便提供无槽赛车游戏的方法和装置。该方法涉及测量车辆在跑道上的横向位置，以便用使用者所定义的横向位置来最小化距离。然后，车辆的测量速度被反馈到转向伺服系统，以便使车辆的位置稳定在期望横向位置处。尤其是，产生转向伺服系统的输入信号的控制器的增益随着车辆的速度的平方的倒数而变化。本发明的前述描述为了说明和描述的目的而被提供，且没有被规定为排他性的或将本发明限制到所公开的确切形式。选择且描述所述实施方式以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够在各种实施方式中和以适合于所设想的特定用途的各种修改来最好地利用本发明。因此，另外的修改或改进可被包括，而不偏离如所附权利要求所定义的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于控制车辆在跑道上的位置的方法，其中所述方法包括下面的步骤 -进行所述车辆在所述跑道上的横向位置的第一测量； -比较第一被测横向位置与所述车辆的期望横向位置，以便产生误差信号； -产生所述车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化所述误差信号； -测量所述车辆的速度； -采用所测量的速度，以便补偿所述车辆对来自所述转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。
2.如权利要求1所述的用于控制车辆的位置的方法，其中补偿所述车辆的所述响应中的速度相关的变化的步骤包括随着所述车辆的速度的平方的倒数而改变产生所述转向伺服系统的所述第一输入信号的控制器的增益。
3.如权利要求2所述的用于控制车辆的位置的方法，其中当所述车辆的速度超过预定的值时，所述控制器的增益随着所述车辆的速度的平方的倒数而变化。
4.如前述权利要求中的任一项所述的用于控制车辆的位置的方法，其中进行所述第一测量的步骤在所述车辆的前部被执行。
5.如前述权利要求中的任一项所述的用于控制车辆的位置的方法，其中进行所述第一测量的步骤包括采用光学传感器，以便测量自所述跑道反射的光。
6.如前述权利要求中的任一项所述的用于控制车辆的位置的方法，其中测量所述车辆的速度的步骤包括测量用来驱动所述车辆的发动机所产生的反电动势。
7.如前述权利要求中的任一项所述的用于控制车辆的位置的方法，其中所述方法还包括测量所述车辆的行进方向和所述跑道的纵轴之间的角度的步骤。
8.如权利要求7所述的用于控制车辆的位置的方法，其中所述方法还包括产生所述转向伺服系统的第二输入信号以便最小化所测量的角度的步骤。
9.如权利要求7或权利要求8所述的用于控制车辆的位置的方法，其中测量所述车辆的行进方向和所述跑道的纵轴之间的角度的步骤包括进行所述车辆在所述跑道上的横向位置的第二测量。
10.如权利要求9所述的用于控制车辆的位置的方法，其中进行所述第二测量的步骤在所述车辆的后部被执行。
11.如权利要求9或权利要求10所述的用于控制车辆的位置的方法，其中进行所述第二测量的步骤包括采用光学传感器，以便测量自所述跑道反射的光。
12.如权利要求9到11中的任一项所述的用于控制车辆的位置的方法，其中测量所述车辆的行进方向和所述跑道的纵轴之间的角度的步骤还包括从所述车辆在所述跑道上的所述横向位置的所述第一测量测量所述车辆在所述跑道上的横向位置的第二测量。
13.一种用于控制车辆在跑道上的位置的控制电路，其中所述控制电路包括 -第一测量传感器，其用于测量所述车辆在所述跑道上的第一横向位置； -减法器，其用来通过比较第一被测横向位置与所述车辆的期望横向位置来产生误差信号; -控制器，其用于产生所述车辆的转向伺服系统的第一输入信号，以便最小化所述误差信号; -速度传感器，其用于测量所述车辆的速度；-其中，所述控制器提供用于采用所测量的速度以便补偿所述车辆对来自所述转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。
14.如权利要求13所述的控制电路，其中所述控制器的增益随着所述车辆的速度的平方的倒数而变化，以便补偿所述车辆对来自所述转向伺服系统的输出信号的响应中的速度相关的变化。
15.如权利要求14所述的控制电路，其中当所述车辆的速度超过预定的值时，所述控制器的增益随着所述车辆的速度的平方的倒数而变化。
16.如权利要求13到15中的任一项所述的控制电路，其中所述控制电路还包括用于测量所述车辆的行进方向和所述跑道的纵轴之间的角度的第二测量传感器。
17.如权利要求16所述的控制电路，其中所述控制器产生所述转向伺服系统的第二输入信号，以便最小化所测量的角度。
18.如权利要求13到17中的任一项所述的控制电路，其中所述测量传感器包括具有光源和检测器的光学传感器。
19.如权利要求13到18中的任一项所述的控制电路，其中所述速度传感器包括用于测量用来驱动所述车辆的电动机的反电动势的装置。
20.—种包括如权利要求13到19中的任一项所述的控制电路的比赛用车辆。
全文摘要
描述了用于控制车辆在跑道上的位置以便提供无槽赛车游戏的方法和装置。该方法涉及测量车辆在跑道上的横向位置，以便用使用者所定义的横向位置来最小化距离。然后，车辆的测量速度被反馈到转向伺服系统，以便使车辆的位置稳定在期望横向位置处。尤其是，产生转向伺服系统的输入信号的控制器的增益随着车辆的速度的平方的倒数而变化。
文档编号A63H17/395GK103068454SQ201180039670
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者大卫·基廷, 詹姆斯·怀亚特 申请人:驰那实业有限公司