远程控制系统的制作方法

专利名称：远程控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及远程控制系统，尤其但不排除其它地涉及汽车线控转向系统，其 包括用户操作的可移动输入装置；根据经由所述可移动输入装置提供的输入受到 控制的受控的可移动装置；以及经由所述用户操作的可移动输入装置将触觉反馈提 供给所述用户的装置。
背景技术：
汽车产业将越来越多的关注放在线控转向系统方面。线控转向系统被理解为 在方向盘和车轮之间不再有机械连接的系统。而是将转向输入给予与方向盘连接的 电子传感器，并随后根据藉由液压或电气伺服发动机的转向输入操纵车轮。可省去 经由转向柱的机械连接。转向柱的省去是尤为有利的，因为省去转向柱特别使左座 或右座驾驶的汽车配置更为简单，并增加驾驶员的安全性。关于后者，不仅限于被 动的安全，即在撞车事件中转向柱对驾驶员不再造成潜在的威胁，而且涉及主动的 安全，例如ESP、撞车规避、停车辅助。
省去方向盘和车轮之间的机械连接的一个主要缺点是失去了从车轮经由方向 盘至驾驶员的即时反馈。驾驶员因此放松对车轮行为的感觉，例如是否因为车轮在 滑溜表面上已丧失抓地能力而没有转向动作是可行的，或者是否因为车轮受到例如 路边石的障碍物的阻挡而无法转向或不应转向。另外，道路表面对施加于方向盘的 力的速度依赖反作用丧失。
已尝试通过将反作用力引至方向盘以将尤其车轮的速度依赖反作用的印象给 予驾驶员，从而克服这种缺陷。
两个这类系统可从EP-A-1445171和US-B-6659218获知。然而，这两个系统 的重要方面是针对线控转向系统失效，这两个系统保留了转向柱。转向柱被分成 两部分，它们在正常情况下脱开，但线控转向系统失效的情况下啮合以实现传统的 转向。在EP-A-1445171中，转向反作用发动机经由将转向反作用力传递给方向盘的蜗轮组机构连接于一个部分，即方向盘的轴。转向发动机经由另一蜗轮组机构连 接于另一部分，即输出轴。两蜗轮组机构均为可逆的，并且能沿任一方向传递力。
在US-B-6659218中，没有提到任何有关蜗轮组机构可逆性的内容。然而，本领域 内技术人员会将其认为是必要的，因为在线控转向系统失效情况下转向柱的两部分 啮合时，蜗轮组机构或者会影响传统转向。
除这些系统保留了转向柱并因此不能克服前面提到的所有问题这一事实外， 应当注意所引入的反作用力不反映方向盘的实际动作。具体地说，这些系统因此不 一定产生与车轮受到障碍物的阻挡或妨碍的前述情形对应的反作用力。另外，它们 不阻止驾驶员过远或过快地移动方向盘。此外，这类系统是不理想的，因为所产生 的反作用力可以非常容易地对系统形成新的转向输入。

发明内容
本发明的目的是提供一种远程控制系统，它克服这个和其它的问题。 根据本发明的第一方面，通过一种远程控制系统解决这些问题，该远程控制
系统包括用户操作的可移动输入装置；根据经由所述可移动输入装置提供的输入 受到控制的受控的可移动装置；以及经由所述用户操作的可移动输入装置将触觉反 馈提供给所述用户的装置，其特征在于，所述提供触觉反馈的装置包括自锁装置， 用来实行所述可移动输入装置的运动，从而响应所述受控移动装置的实际运动移动 所述可移动输入装置。
通过将自锁装置作为阻动机构引入，输入装置自身起初利用与作用于其上的 反作用力对应的反作用力抵抗使其移动的任何尝试。结果，输入装置起初保持静止。 然而，施加于其上的力被检测，并且系统因此尝试移动受控装置。如果受控装置移 动，则自锁装置本身根据所述受控装置的运动来实现输入装置受控装置的运动。因 此，如果受控装置移动，则输入装置相应从动，给予用户他自己移动输入装置的印 象。因此，这实际上提供一种在受控装置和输入装置之间的反馈连接，给用户的感 觉与传统机械连接一样。
根据本发明的第二方面，问题是通过在远程控制系统中提供触觉反馈的方法 解决的，所述远程控制系统包括具有自锁装置的用户操作的可移动输入装置；以 及根据经由所述可移动输入装置提供的输入受到控制的受控的可移动装置，所述方 法包括检测施加于用户操作的输入装置的用户输入；如有可能，根据所述用户输 入移动所述受控装置；根据所述受控装置的实际运动，借助所述自锁装置移动所述 用户可移动输入装置。
通过这种方法向用户建立反馈。这种反馈涉及输入装置至受控装置的实际运 动的直接响应，并由此将已知来自传统机械转向系统的感觉传递给用户。
根据较佳实施例，用户操作的可移动装置是从由操纵杆、方向盘和踏板构成 的组中选择的。方向盘和操纵杆已广泛地用于操纵诸如汽车、卡车或叉车等自动车 辆，而操纵杆和踏板同样为飞机控制所采纳。
根据另一较佳实施例，受控的可移动装置是自动车的车轮。本发明非常适用 于汽车的车轮控制。汽车尤为受到关注，因为用户一般不具有例如象飞行员那样高 深的技术，因此更重要的是向普通用户传递道路接触的感觉，用户藉此感受到与传 统机械转向系统相似的感觉。
根据一更佳的实施例，所述阻碍所述可移动输入装置运动的装置是自锁齿轮， 而所述解除所述阻碍的装置是耦合于所述自锁齿轮的电动机。自锁齿轮及其特性是 公知的。因此在根据本发明的转向系统中实现这类齿轮并不复杂。
在这方面尤佳地，所述自锁齿轮是蜗轮组。蜗轮组的使用利于备用系统的使用。
由此根据又一较佳实施例，所述蜗轮组的蜗杆连接于两个电动机。通过将两 个电动机连接于蜗杆，例如其每端连接于一个电动机，即使在一个电动机失效的情 况下仍可控制车辆并且获得正确的反馈。
在根据本发明的方法的较佳实施例中，自锁装置借助电动机移动。在该方法 中使用电动机较佳，因为电动机能够例如借助计算机容易地受到控制。
在根据本发明的方法的又一较佳实施例中，受控的可移动装置是自动车的车 轮。尽管适用于无数操纵领域，然而该方法尤其适用于机车，这主要因为方向盘和 与方向盘的机械连接的组合已如此广泛以致于当今大多数用户都对其非常熟悉。
在该方法的尤佳实施例中，用户输入被检测并作为输入信号传送至控制装置。 所述控制装置将第一控制信号传递给受控的可移动装置，测量受控的可移动装置响 应第一控制信号的运动并将其作为反馈信号反馈给控制装置，控制装置基于所述反 馈信号将第二控制信号传递给所述自锁装置，而自锁装置根据第二控制信号移动。
这考虑到诸如汽车、飞机中的实际装置和远程控制装置的方法的简单实现。


下面基于非限定性实施例并参照示意图对本发明进行更为详细的说明。在附 图中
图1是实现为汽车中线控转向的发明的示意图2是使用电动机实现为飞机中线控飞行的发明的示意图3是使用液压发动机实现为飞机中线控飞行的发明的示意图4是用于图1-图3的附图标记的图例；
图5以两个流程图示出根据本发明的方法。
具体实施例方式
在对本发明不同实施例的下面说明中，相同的附图标记用作不同实施例中相 应的部件。另外，以虚线绘出的部分代表基本与以实线绘出的系统部分对应的备用 系统部分。为了避免不必要的重复，仅当它们在以实线绘出的系统部分的描述中所 必须参照的情形下，才对以虚线绘出的部分进行说明。
图1是实现在诸如汽车、叉车或卡车等自动车中的根据本发明的线控转向系 统的示意图。
自动车具有以方向盘形式出现的用户操作的可移动输入装置1。输入装置1
被安装在方向盘轴2上。力矩传感器3和位置传感器4被安装成与方向盘轴2相连。 另外，自锁装置5被安装成与方向盘轴2相连。在所示实施例中，自锁装置包括含 蜗轮6和蜗杆7的自锁蜗轮。蜗轮6刚性连接于方向盘轴2。蜗杆的一端刚性连接 于发动机8，较佳为电动机。为了安全，蜗杆7的另一端较佳地连接于形成备用系 统部分的另一电动机8'，这将在下面予以说明。
自动车还具有受控的可移动装置9，它以一对车轮的形式出现。这里要注意， 本领域内技术人员可以知道车轮的实际数量对本发明并不重要，因为自动车一般由 一轮、两轮或四轮驱动。在所述实施例中，车轮借助例如电动机的转向发动机ll、 通过安装在发动机轴13上的副齿轮12、经由传统转向齿条10工作。与发动机轴 13相连的还有力矩传感器13和位置传感器14。
根据本发明，用户操作的可移动输入装置1和受控的可移动装置9之间的机
械连接是不需要的。而是仅经由控制装置15耦合这两个部分。控制装置15从力矩
传感器3、 13和位置传感器4、 14接受信号并对发动机8、 ll产生控制信号。信号 较佳为电信号，但至少一些信号可用光代替。
在图5中通过两个流程图示出系统的操作。参照图1和图5，系统的操作如下。 首先假设驾驶员想要转动自动车的车轮，驾驶员通过施力而试图转动自动车的方向 盘l (图5中的方框101)。在这方面应当注意，贯穿本说明书，转动车轮9指车 轮9用于转向的横向运动，而不是车轮9的旋转运动。这种情形下的力转化成方向 盘轴2上的力矩，在下文中称其为方向盘轴力矩。方向盘轴力矩由力矩传感器3 测得(图5中的方框102)，并经由传输线30作为输入信号传至控制装置15。然 而，驾驶员由于自锁装置5而不能实际地转动方向盘1，其中蜗杆7阻碍蜗轮6以 致于阻碍方向盘轴2的任何转动。较佳地基于测得的方向盘轴力矩，控制装置15 计算送至转向发动机ll的第一控制信号(图5中的方框103)以经由齿条10和安 装在转向发动机轴16上的副齿轮12使车轮9转动。第一控制信号经由传输线31 被送至转向发动机或其驱动单元(未示出)(图5中的方框104)。转向发动机11 较佳为电动机或液压发动机。在转向发动机11的发动机轴16上产生的力矩藉由力 矩传感器13测得，并经由传输线32发送给控制装置15 (图5中的方框105)。下 文中，这种力矩被称为转向发动机力矩。
测得的转向发动机力矩被发送至控制装置15 (图5中的虚线106)，这确保 转向发动机产生与方向盘轴力矩对应的转向发动机力矩(图5中的方框107)。本 领域技术人员将理解，方向盘力矩和转向发动机力矩之间的这种对应关系较佳为正 比关系，但也可以是对数关系、指数关系，呈离散值或取决于车轮位置或车辆速度。
另外，测量输出轴16的转动位置(图5中的方框108)，并经由传输线33 将其作为反馈信号发送至控制装置。该转动位置与转向齿条10的位置并因此与车 轮的位置对应。因此可以确定车轮在转向发动机11的影响下或外部影响下是否转 动或转动多少度。如果车轮例如由于被路边石阻挡而无法转动，这被控制装置15 测得。另外，可以确定何时车轮9已到达不能和不允许超过的极限位置。此外，可 获得方向盘轴2的转角和转向发动机轴16的转角之间的非比例关系，例如取决于 汽车的速度。这一取决于速度的关系允许方向盘轴2小的移动，转化成作为停车辅 助的车轮9以低速作大的移动，并允许方向盘轴2以高速作大的移动，转化成车轮 的较小移动，以提高汽车在高速下的稳定性。在这类情形下，方向盘力矩和转向发 动机力矩之间的对应关系也可以不成比例。
在任一情形下，控制装置15监视由转向发动机11产生的转向发动机力矩(图
5中的虚线106)并保持与由驾驶员施加于方向盘1的方向盘力矩对应的值。由转
向发动机11产生的力矩必须既不超过也不低于与用户在方向盘上的输入对应的 值。
现在，当车轮9基于对方向盘1的输入或由于外部影响开始向左或向右转动 时(图5中的方框108)，这将通过位置传感器14被检测出(图5中的方框109)， 并将其作为反馈信号经由传输线33送至控制装置15。控制装置随后(图5中的方 框110)对连接于蜗杆7的发动机8计算或产生第二控制信号。在经由传输线34 发送自控制装置15的第二控制信号的影响下，发动机随后经由蜗杆7和蜗轮6根 据车轮9的运动而转动方向盘轴2 (图5中的方框lll)。为了检测方向盘l转过 多远，通过位置传感器4检测方向盘轴2的位置(图5中的方框112)，并经由传 输线35将其反馈给控制装置15 (图5中的虚线113)，从而使控制装置15确保方 向盘1仅转过与车轮9的转动对应的角度。如前所述，方向盘轴2和车轮9的实际 运动之间的关系不需要是线性的，因此方向盘轴2和转向发动机轴16之间的关系 也不需要是线性的。因此当车轮9转动时，方向盘1在发动机8的影响下移动(图 5中的方框114)，给驾驶员予方向盘在他施加于它的力矩的影响下移动的表象。 事实上，驾驶员自身实际无法移动方向盘l，只是必需拉紧蜗轮6和蜗杆7之间的 任何松弛并使它们保持啮合状态，这产生反力矩，抵消他所施加的力矩。在这点上， 要注意通常根本不应当有任何松弛，因为就路面抓地和路面状况而言，反馈感觉的 很大部分依赖于方向盘1的力和位置的非常小的变化。
如果车轮9在由转向发动机11产生的力矩的作用下不转动，例如因为其中一 个车轮9受到路边石的阻挡，位置传感器不将任何信号传递给控制装置或传递指示 车轮9不移动的信号。如何将车轮9不移动的信息传给控制装置15仅为发信问题， 它落在本领域内技术人员的知识范围内。较佳地，系统在位置传感器14连续测量 实际位置，并将信息发送至控制装置15。如果车轮9不移动，则没有控制信号被 提供给电动机8。结果蜗杆7不移动和阻碍蜗轮6的运动，由此抵消由驾驶员施加 于方向盘l的任何力矩。显然，方向盘l、方向盘轴2、蜗轮6和蜗杆7的尺寸均 被设计成抵抗由驾驶员施加的任何力矩或力，或当发生施力或力矩作用时不至断 裂。当车轮9被阻动时，这种感觉被传递给驾驶员，由于他无法转动方向盘l。
如果在驾驶过程中，车轮9碰到较小的障碍物，这种碰撞会在内建于悬挂结 构的自动校正使车轮9平直前暂时转动车轮9。这种运动将由位置传感器14检测
出，并经由传输线33发送至控制装置15。控制装置15由此计算对发动机8的控 制信号，该控制信号随后经由传输线33被发送至发动机8。发动机8随后运作自 锁机构，并转动方向盘l。由此形成对驾驶员的反馈。随着车轮9重新平直，新的 位置信号将被测出，控制装置15使方向盘1跟随重新平直，由此将连续反馈提供 给驾驶员。
同样，当由驾驶员施加于方向盘l的力矩转化成由转向发动机ll产生的、允 许其以给定速率转动车轮9的力矩时，发动机8以相应速率移动方向盘1。方向盘 1由此仅以与作为由驾驶员施加于方向盘1的力矩的响应的车轮9实际移动的速率 对应的速率移动。由于驾驶员将力矩施加于方向盘l，他获得他正在移动方向盘l 的印象，但实际上他自己根本无法移动方向盘l。
在方向盘1能通过发动机8对应驾驶员的输入而移动的情形下，为使控制装 置15记住发动机8响应线路34上的控制信号而使方向盘1实际移动多大程度，位 置传感器4检测这种运动并经由传输线35将其传给控制装置15。
为使系统免于故障，可复制前面给出的整个系统，除了由于汽车的构造需要 被两个系统共用的那些部件，即方向盘l、方向盘轴2、车轮9和转向齿条10。这 些部件以虚线再现，不再详细说明。然而应当理解，不管是发动机8还是其相应的 双发动机结构，发动机8'连接于一个相同的蜗杆7，而不是每个发动机8、 8'都具 有与蜗轮6啮合的蜗杆。尽管后者也是可行的，但前者是优选的。其原因是在发动 机8、 8'中的一个或者因为自身或者因为控制它的装置而失效的情况下，由于剩下 的那个起作用的发动机能够经由蜗杆7转动失效的那个发动机,蜗杆7不锁定蜗轮 6。
因此在操作过程中， 一个系统的失效将不阻止转向。显然，在失效情况下， 应当采取安全预防措施。这些安全预防措施可以包括只允许以非常低的速度驱动汽 车，直到备用系统恢复为止。应当注意，较佳情况是使两备用系统同时和独立地工 作。
尽管在前面的阐述中，阻动装置被描述为自锁蜗轮组，然而也可使用其它装 置，例如从US-A-2906143中获知的谐振传动装置。
图2示出实现于飞机中的本发明，尤其用于控制其升降舵。 这里，输入装置是控制杆21。为简明起见，控制杆21被图示为仅具有一根与 飞机的尾翼28中的升降舵对应的转轴24。本领域内技术人员应当知道，控制杆21 一般也可沿横向移动，并且应当知道如何对这种横向移动实施本发明。
控制杆21藉由铰链机构24连接于螺纹轴27。螺纹轴可通过例如游动螺母结 构由蜗轮组驱动而往复运动，所述游动螺母具有形成蜗轮组的蜗轮7的外螺纹。应 当注意游动螺母仅相对螺纹轴27移动。除其转动外，它实际上是静止的，相反螺 纹轴27移动。与螺纹轴27连接地安装有将必要的信息提供给控制装置15的力传 感器3和位置传感器4。控制装置15为发动机22提供第一控制信号，发动机22 较佳为电动机。发动机22经由齿轮组23、 25向上和向下移动升降舵29，齿轮25 连接于升降舵29。这种运动是由与齿轮23例如连接设置的位置传感器14检测出 的。该位置传感器14经由传输线31为控制装置15提供反馈信号。控制装置15 为电动机8产生第二控制信号，该信号随后藉由蜗杆6驱动蜗轮7，即游动螺母。 控制杆21由此根据升降舵29的移动而移动。控制杆21的这种移动与升降舵是否 因发动机响应于至控制杆21的要求输入而移动或者是否外力(例如风压)移动升 降舵29无关。
图3示出实现在飞机中的本发明，尤其通过液压装置控制其升降舵29。
在本实施例中，升降舵29借助杠杆41移动，通过连接于杠杆41的直线液压 驱动器40对杠杆41施力。尽管未示出，对升降舵29的每个移动方向使用一个直 线液压驱动器是较佳的。直线液压驱动器的液压力是经由阀43从压力源42提供的， 所述阀43受来自控制装置15的第一控制信号控制。与直线液压驱动器相连地安装 有力传感器13和位置传感器14。此外，与前述实施例相同，位置传感器将反馈信 号提供给控制装置15，控制装置15根据受控装置的实际移动来移动输入装置，从 而提供反馈。由于螺纹轴和游动螺母结构，飞行员自己并不能移动控制杆21。
本领域内技术人员应当理解，诸实施例的特征的组合，例如电气装置和液压 装置的使用、不同类型的阻动机构、不同类型的共同使用的输入装置都可结合使用。
还应当注意，前述实施例仅为如何实现这一系统的简单示例，实际的汽车转 向装置和飞机的控制面板可以远比所示内容复杂的方式构造，而不偏离仅根据受控 装置的实际移动而移动输入装置的创新性理念。在这点上，还应当注意，受控装置 的实际运动不一定暗示受控装置是实体的。本发明也可适用于例如在模拟器或计算 机游戏中来自虚拟障碍物的虚拟影响。
本发明因此提供一种反馈方法，其中仅受控装置的实际移动导致输入装置的 移动。换句话说，自锁机构由用户本身来阻碍所述可移动输入装置的运动。然而， 自锁装置与操作所述自锁装置的装置结合使用，以响应所述受控的可移动装置的实 际运动解除所述阻动。 位置传感器4 自锁装置5 蜗轮6 蜗杆7
发动机8， 8' 受控的可移动装置9 转向齿条10 转向发动机ll 副齿轮12 力矩传感器13 位置传感器14 控制装置15 转向发动机轴16 控制杆21 发动机22 齿轮组23， 25 转轴24 螺纹轴26 尾翼28 升降舵29 传输线30 传输线31 传输线32 传输线33 传输线34 传输线35
杠杆40
直线液压驱动器41 液压源42 阀4权利要求
1.一种远程控制系统，包括用户操作的可移动输入装置；根据经由所述可移动输入装置提供的输入受到控制的受控的可移动装置；经由所述用户操作的可移动输入装置将触觉反馈提供给所述用户的装置；其特征在于，所述提供触觉反馈的装置包括实现所述可移动输入装置运动的自锁装置，以响应所述受控的可移动装置的实际运动来移动所述可移动的输入装置。
2. 如权利要求1所述的远程控制系统，其特征在于，用户操作的可移动装置 是从由操纵杆、方向盘和踏板构成的组中选择的。
3. 如权利要求1所述的远程控制系统，其特征在于，所述受控的可移动装置 是从由自动车的车轮、飞机的襟翼、副翼、升降舵或方向舵构成的组中选择的。
4. 如权利要求1所述的远程控制系统，其特征在于，阻断所述可移动输入装 置的运动的所述装置是自锁齿轮，并且解除所述阻断的所述装置是耦合于所述自锁 齿轮的电动机。
5. 如权利要求4所述的远程控制系统，其特征在于，所述自锁齿轮是蜗轮组。
6. 如权利要求5所述的远程控制系统，其特征在于，所述蜗轮组的蜗杆连接 于两个电动机。
7. —种在远程控制系统中提供触觉反馈的方法，所述远程控制系统包括带自 锁装置的用户操作的可移动输入装置和根据经由所述可移动输入装置提供的输入 受到控制的受控的可移动装置，所述方法包括检测施加于用户操作的输入装置的用户输入； 如果可能，根据所述用户输入移动所述受控的装置；根据所述受控的装置的实际运动，借助所述自锁装置移动所述用户可移动输 入装置。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述用户输入是力或力矩。
9. 如权利要求7或8任何一项所述的方法，其特征在于，所述自锁装置借助 电动机移动。
10. 如权利要求7 — 9任何一项所述的方法，其特征在于，所述受控的可移动 装置是自动车的车轮。
11. 如权利要求7—10任何一项所述的方法，其特征在于，检测用户输入并将其作为输入信号发送至控制装置，所述控制 装置将第一控制信号传递给受控的可移动装置；受控的可移动装置响应所述第一控制信号的运动被测量并作为反馈信号反馈 给控制装置；控制装置基于所述反馈信号将第二控制信号传递给所述自锁装置；以及 所述自锁装置根据第二控制信号移动。
全文摘要
一种远程控制系统，包括用户操作的可移动输入装置和根据经由所述可移动输入装置提供的输入受到控制的受控的可移动装置。所述远程控制系统具有经由所述用户操作的可移动输入装置向所述用户提供触觉反馈的装置。用于提供触觉反馈的装置包括实现所述可移动输入装置的运动的自锁装置，以响应所述受控的可移动装置的实际运动移动所述可移动输入装置。
文档编号B62D137/00GK101370701SQ200580052482
公开日2009年2月18日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者斯文·埃根费尔德 申请人:斯文·埃根费尔德