本专利申请要求于2016年1月26日提交的ep16152850.0的优先权权益。该相关申请和出版物wo00/059773a2的内容在这样的主题与本文不矛盾或者不限制本文的意义上出于所有目的通过引用并入本文。
本发明涉及电动运输领域，特别地涉及肌肉操作的交通工具，并且涉及用于电动交通工具的驱动系统。
背景技术：
在运输领域，电池技术的不断发展使得电力供电的交通工具的使用得以加强。据估计，电力供电的交通工具——还被称为“电动交通工具”——的使用将在不久的未来持续上升。除了完全使用电力操作的交通工具以外，使用各种动力传动系设置的混合动力交通工具也是可用的，例如并联型和串联型混合动力交通工具。例如，混合动力交通工具是商业可用的，其部分地通过操作者的肌肉力量来操作，并且还包括电动马达，例如以支持操作者，以使疲劳最小化并延长行程。这样的驱动概念特别地用于自行车、三轮车、四轮车、船、飞机或直升机，即实际上用于任何类型的交通工具。
近来，串联型混合动力驱动已经可用，其中，操作者通过使用一个或两个脚踏板、杆或手柄来提供输入肌肉力量。所提供的输入肌肉力量被使用发电机转换成电能，该发电机机械耦合至相应的踏板、杆或手柄。然后，电能被馈送至电动马达以驱动交通工具，例如在需要一些支持——还被称为“电力辅助”——的情况下，将所述电能与来自电池的电能一起馈送至电动马达以驱动交通工具。因此，使用这种设置的交通工具还被称为具有“电子传动装置”，因为在踏板与轮子之间没有可以传递机械推动动力的连接件。这些交通工具类似于普通的“助踩式电动车(pedelecs)”，但这些交通工具的机械设置比助踩式电动车的典型设置更简单并且因此更便宜，特别是因为不需要链条、传送带或传动轴，也不需要复杂的机械或液压换档机构。另外，具有电子传动装置的混合动力交通工具可以以灵活的方式配置，例如以与相应操作者的使用相匹配。
然而，串联型、肌肉操作的混合动力电动交通工具的特殊挑战在于操作者通常期望机械的相互作用即驱动系统的“感觉”或“反馈”类似于具有机械动力传动系的已知相应交通工具的“感觉”或“反馈”。例如，在具有踏板的混合动力电动自行车的情况下，操作者通常期望踏板像普通“机械”自行车的踏板一样地响应，包括由于自行车的惯性及其链条/轮子驱动而导致的踏板的常见阻扭矩(resistancetorque)。
在串联型混合动力电动交通工具中，踏板、耦合至踏板的发电机以及它们之间的可选传动装置的质量通常忽略不计，例如，相比于交通工具和操作者的总质量。因此，该质量不会产生任何显著的阻扭矩。此外，一些阻扭矩由于“耗散”效应或“阻尼”效应例如机械摩擦、涡流和磁滞损耗而产生。由于这些效应引起的扭矩的数量级可以是例如1nm至3nm，该数量级相当低。此外，操作者可以感受到由于发电机中的发电而引起的电力的阻扭矩。然而，在大多数电机中与发电机的输出电流成比例的这种扭矩，取决于发电机的类型及其操作方式，可以相对较低。这导致驱动系统在使用期间的非预期“感觉”。这种交通工具的非预期感觉或行为继而可以被操作者认为不是特别符合人体工学。另外，在脚操作的串联型电动自行车的情况下，缺乏足够的踏板阻扭矩可能会导致危险情况。例如，在开始踩踏时，缺乏踏板阻扭矩可能导致操作者在交通工具上失去平衡或者甚至滑离踏板，因为该行为不像具有传统自行车动力传动系的普通自行车所预期的那样。
在现有技术中，例如在本发明人的wo00/059773a2中解决了串联型混合动力电动交通工具的非预期行为的问题。后面的文献特别地解决了刚开始踩踏时的情况并且显著改善了所述行为。us2009/0095552a1描述了提供串联型混合动力交通工具的与机械驱动的交通工具相比的很大程度上“自然”的行为的另一方法。这里，以交通工具的用户可以理解的方式，踏板曲柄的速度与行驶速度有关。us2009/0095552a1的系统包括制动单元，该制动单元抵抗踏板曲柄的旋转。制动单元可以例如包括飞轮质量。该参考文献的踏板曲柄不是主要用于生成能量以推动交通工具，而是用于控制交通工具的行驶速度。
当然，在混合动力电动交通工具上携带飞轮质量会由于不必要的摩擦和增加的重量而导致效率降低。但即使不使用飞轮质量，根据现有技术，踏板曲柄与交通工具速度的直接耦合也可能是不利的，因为由于人的特征性踩踏，所提供的踩踏速度的不可避免的变化导致交通工具速度的变化，这又可能导致不良的交通工具操纵，例如在恶劣天气条件下，例如特别是在硬且滑的表面上的牵引控制降低。
因此，需要一种踏板驱动系统，其向用户/操作者提供改进的触觉感觉和反馈，同时避免现有技术的一个或更多个缺点。
技术实现要素：
提供本发明的以下发明内容是为了便于理解本发明特有的一些创新特征，而不旨在是完整的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图以及摘要作为整体，可以获得对本发明的各个方面的全面理解。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于根据用户的肌肉力量来生成电力的踏板驱动系统，该踏板驱动系统具有至少一个踏板、与所述至少一个踏板机械连接的发电机以及用于控制施加在所述踏板处的反馈扭矩的控制单元。控制单元包括触觉呈现器(renderer)，触觉呈现器被配置用于基于至少一个踏板参考轨迹来控制所述反馈扭矩。为简洁起见，在下文中将用户称为“他”。然而，这旨在包括女性用户和男性用户，即“她”和“他”。
本发明的基本构思是提供一种使得能够向用户提供可控反馈扭矩的踏板驱动系统，该反馈扭矩由踏板驱动系统自身的控制单元控制。因此，在电动交通工具的背景下，本发明使得能够将踏板驱动的控制与轮子驱动的控制解耦。因此，一方面可以根据需要控制踏板处的扭矩/反馈扭矩，同时还可以根据需要即根据相应的驾驶条件来控制轮子驱动。
因此，在电动交通工具的背景下，本发明使得能够改善踏板处的触觉感觉和触觉反馈并且改进交通工具操纵。当然，这样的自主/独立的踏板驱动系统还可以在电动陆地交通工具、水上交通工具或空中交通工具的领域之外使用，例如在固定锻炼自行车、训练装置或者其他锻炼设备或治疗设备中使用。
根据下文描述的实施方式以及参照下文描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得以阐明。
附图说明
在附图中：
图1示出了包括本发明的踏板驱动系统和本发明的电驱动系统的电动交通工具的部件的示意性表示；
图2是示出对反馈扭矩的调整的流程图；
图3是示出对参考轨迹的调整的流程图；
图4是示出输入扭矩和角速度随曲柄角的演变的图；
图5是示出输入扭矩的发展和对参考轨迹的调整的图；
图6是示出在开始操作交通工具之后节奏的时间演变的图；
图7是示出随平均节奏变化的平均输入扭矩的依赖关系的图；
图8是示出针对本发明的电驱动系统的最大加速度值的参考面的图；以及
图9是示出随电池电流变化的分配给电动自行车的用户的发电量的图。
具体实施方式
根据前面和后面的描述，本申请中描述的技术特征可以用于构造踏板驱动系统、电动交通工具、训练装置、电驱动系统和用于操作踏板驱动系统的方法的各种实施方式。讨论了本发明的一些实施方式，以使本领域技术人员能够实现和使用本发明。
在根据所描述的实施方式对本发明的以下说明中，术语“连接至”或“与…连接”用于指示至少两个部件、元件或模块之间的连接。这样的连接可以是直接的或者间接的即通过中间部件、元件或模块连接。
在第一示例性方面，用于根据用户的肌肉力量来生成电力的踏板驱动系统设置有：至少一个踏板、与所述至少一个踏板机械连接的发电机以及用于控制施加在所述踏板处的反馈扭矩的控制单元。控制单元包括触觉呈现器，触觉呈现器被配置用于基于至少一个踏板参考轨迹来控制所述反馈扭矩。
根据本方面的踏板驱动系统使得能够根据肌肉力量来生成电能，并且相应地包括踏板和发电机，其中，发电机与所述至少一个踏板机械连接。在上下文中，术语“机械连接”应理解为包括允许将力从踏板传递至发电机以及允许将力从发电机传递至踏板的所有合适的设置。连接可以是直接的或者通过中间部件例如通过齿轮机构是间接的。注意，在上下文中，术语“机械”包括并非是严格机械的而是例如气动或液压的设置。
尽管在大多数实施方式中，可以提供至少一个踏板以使得能够进行旋转运动，并且因此提供由用户提供的输入扭矩，但是应注意的是，情况可能不一定如此。例如，在替选实施方式中，可以提供踏板以用于将肌肉力量施加在线性运动中，然后通过合适的线性发电机或者如果发电机是旋转类型的话通过主要将线性运动转换成旋转运动的机构将该线性运动转换成电能。当然，在线性运动的情况下，用户将提供输入力而不是输入扭矩，并且控制单元将提供反馈力而不是反馈扭矩。然而，在这种情况下的操作对应于下面的讨论。为简单起见，以下描述仅明确涉及旋转量即扭矩、角速度等。然而，要理解的是，这包括相应的线性量即力而不是扭矩、线速度而不是角速度等。
因此，至少一个踏板可以例如在一个实施方式中是脚踏板或者在另一实施方式中是手动操作杆。在另一实施方式中，踏板驱动系统被配置用于双足操作，包括具有在典型的自行车踏板设置中提供的相关联的曲柄的至少两个踏板，即用于围绕公共旋转轴进行旋转，该公共旋转轴例如可以是底支架轴。
如前所述，踏板驱动系统还包括控制单元，该控制单元被配置成控制施加在踏板处的反馈扭矩。就此而言，控制单元被配置用于主动控制。在本发明的上下文中，术语反馈扭矩包括反扭矩和支持扭矩即辅助扭矩。反扭矩被理解为在与用户的输入扭矩相反的方向上施加的扭矩。反扭矩向用户提供一定的阻力。支持扭矩在用户的输入扭矩的方向上提供，即以支持用户的踩踏努力。应当注意的是，通过将发电机作为马达操作即以“马达”模式操作，可以提供支持扭矩以及反扭矩。还可以通过以“正常”模式或“发电机”模式操作发电机——即，使得其生成电能——来提供反扭矩。反馈扭矩相应地向用户提供限定的“触觉反馈”，在一个实施方式中，反馈扭矩可以向用户提供与已知机械自行车类似的感觉。这种“类似自行车的”的感觉被理解为包括在踏板处的在时间和空间上较好限定的阻力。在另一实施方式中，反馈扭矩是电力生成的反馈扭矩，即，通过向发电机施加电流(在“马达”模式下)或者通过使用发电机例如向电负载输送电流(在“发电机”模式下)而提供的电力生成的反馈扭矩。在该说明的上下文中，术语“触觉”是指通过与至少一个踏板进行物理接触而获得的感知。在这个意义上，该术语是指严格的触觉感知以及触觉感知和本体感知。
当然，本文描述的踏板驱动系统还使得能够提供与机械自行车不同的触觉反馈。例如，在一个实施方式中，踏板驱动系统可以使用用户的自定义设置编程，例如，通过优选节奏限定的预定义操作点(这里以及下文中“节奏”是指至少一个踏板在每单位时间的运动循环——通常是旋转——的数目，其还可以被称为踩踏频率)或在负载情况下就踩踏扭矩随节奏的变化(nm/rpm)而言的优选梯度。在另一实施方式中，踏板驱动系统可以被配置成例如在踏板旋转期间每当踏板处于上死点(topdeadcenter)时使用短暂的支持扭矩来支持用户。在另一示例性实施方式中，踏板驱动系统可以适用于具有相应应用要求的康复训练应用。在这种情况下，针对踏板旋转的较大部分，可以用支持扭矩来支持用户，例如以补偿用户的一条腿的伤残。此外，如果用户对至少一条腿的运动具有有限的控制，则可能需要通过在整个踏板旋转期间施加适当的支持扭矩或反扭矩来平滑至少一个踏板的运动。此外，触觉反馈可以包含高频分量以向用户发信号通知例如交通工具或驱动系统发生故障或者超出个人限制比如最大踩踏力或最大心率等的警告。为了发信号通知，可以将高频分量叠加到参考轨迹上，这将导致“振动警报”的感觉。
可以在系统的操作期间施加反馈扭矩，其中，术语“在操作期间”被广义地理解并且意指被供电的系统的任何状态，而不限于用户向前(或向后)踩踏的状态。例如，在一个实施方式中，控制单元可以被配置成在用户踩踏之前和/或之后向踏板施加保持扭矩或夹紧扭矩，在这种情况下，这也被认为是在踏板驱动系统的“操作期间”。这同样适用于这样的实施方式，其中，控制单元被配置成施加帮助用户将踏板向后移动例如移动到最佳起始位置的支持扭矩。
如前所述，控制单元至少包括触觉呈现器。触觉呈现器被配置用于基于至少一个预定义踏板参考轨迹来控制反馈扭矩。
在一个实施方式中，针对踏板旋转的至少一部分，踏板参考轨迹通过踏板位置/角度来限定踏板节奏和/或踏板加速度。当然，代替与频率相对应的踏板节奏，可以使用踏板角速度，其区别仅在于π/30的常数因子(其中，角速度以rad/s为单位测量，而节奏以1/min为单位测量)。代替踏板位置，可替选地或另外地，在相应的实施方式中，一旦使用给定的设定点初始化系统，可以随时间限定踏板参考轨迹，踏板参考轨迹与限定的踏板位置相对应。如果作为时间的函数给出，则踏板轨迹通常可以限定踏板角位置和/或其任何时间导数(角速度、角加速度等)。任何导数还可以被限定为踏板位置的函数。在另一实施方式中，针对一转的一部分、针对一转或踏板多转，踏板参考轨迹提供限定的踏板节奏和/或加速行为。应当注意的是，角位置可以根据其导数来计算(除了可以通过校准等获得的积分常数以外)，反之亦然。就此而言，还可以将轨迹作为关于一个参数例如角位置的信息来存储，而将轨迹作为关于另一参数例如节奏的信息来使用。在这种情况下，控制单元被配置用于进行相应的转换。
触觉呈现器根据踏板参考轨迹来控制反馈扭矩以获得期望的踏板节奏或加速度过程。触觉呈现器的相应控制基于本发明人的以下认识：对于人类用户，踏板节奏和加速度可以通过提供至用户的反馈扭矩来控制，即，通过由于发电机工作在“正常”模式或“马达”模式下而使用户感觉到的踩踏阻力或支持来控制。相应的控制在某种程度上与机器人或游戏领域中的力/扭矩控制类似。
在该概念中，参考轨迹在某种程度上可以“模拟”或“再现”机械自行车(即具有机械动力传动系的自行车)的惯性。在这种机械自行车中，用户在踏板处感觉到惯性，因为他不能突然和随意地改变踏板的运动。踏板似乎具有“增加的”惯性，该惯性由于踏板与驱动轮的机械耦合产生，驱动轮又耦合至自行车和用户。由于自行车的运动状态不会突然改变，因此踏板的运动状态也不会突然改变，即至少在一段时间间隔内，踏板的运动是预定的或受限的。在本发明中可以通过预定义参考轨迹来模拟机械自行车的这种行为。然而，参考轨迹不一定必须(至少不精确地)表示如前所述的在机械自行车中发现的轨迹。
应当注意的是，虽然触觉呈现器可以提供支持扭矩以及反扭矩，但是在一些实施方式中，支持扭矩可能是有限的。例如，可以对支持扭矩进行限制以补偿由于摩擦力生成的扭矩。在没有任何类似这样的限制的情况下，支持扭矩可以沿着预定义参考轨迹拉动踏板和放置在踏板上的用户的脚(或者，相应地手)，这对用户来说可能是不期望且不舒服的。根据他对机械自行车的经验，用户习惯于惯性滑行(freewheel)，这使得他能够在自行车继续前进时停止踏板的运动。为了向用户提供类似的感觉，在实施方式中，触觉呈现器适于通过限制支持扭矩来提供“电子惯性滑行”。然而，与机械自行车中的惯性滑行相比，在实施方式中，在用户降低节奏时反扭矩始终存在。在机械自行车中，由于惯性滑行机制，降低节奏导致踏板与驱动轮解耦。然而，在本驱动系统中，支持节奏降低的反扭矩仍然可以存在。这有两个优点。一方面，用户仍然在踏板上感觉到一些阻力，这可以有助于使他稳定。另一方面，如果反扭矩由发电机生成，则来自用户的腿(或，相应的臂)的动能可以转换成电能，即它可以被恢复。虽然在机械自行车中，踏板仅可以完全连接至驱动轮或与驱动轮完全解耦，但是混合动力电动交通工具中的反扭矩可以对应于“中间”耦合状态。
在另一实施方式中，控制单元可以包括惯性建模器，惯性建模器被配置成迭代地调整至少一个踏板参考轨迹，经调整的踏板参考轨迹被提供至触觉呈现器以控制所述反馈扭矩。目前可用的微控制器允许快速、甚至大量计算，以及因此允许惯性建模器的迭代操作。特别地，可以由惯性建模器确定根据期望踏板参考轨迹的预期踩踏行为与实际(当前或过去)踩踏行为之间的差异，该惯性建模器又基于该差异来调整参考轨迹。这样的差异可以指示用户正在试图通过改变施加的输入扭矩来加速或减速。然而，调整可以取决于其他参数，例如时间或节奏，并且不一定必须取决于实际踩踏行为的变化。特别地，调整可以不取决于任何交通工具驱动轮的操作状态。
通常，对踏板参考轨迹的调整以预定义间隔来执行，即，在预定量的时间之后执行，或者可替选地，在踏板的预定义角运动之后执行。时间间隔不必是恒定的。确切地说，时间间隔的长度可以例如取决于由驱动系统驱动的交通工具的当前节奏或当前速度、其加速度或者实现惯性建模器的计算设备是否在临时进行其他计算。此外，术语“预定”并不暗指在用户开始驱动系统的操作时必须预先确定所有间隔。然而，在根据一个实施方式的实现本发明的一种简单模式下，所有间隔具有在操作开始之前预先确定的相同的恒定长度。
相应的经调整的踏板参考轨迹被提供至触觉呈现器以控制反馈扭矩。通常，经调整的参考轨迹将导致不同的反馈扭矩。例如，如果用户施加了相同的输入扭矩，则不同的参考轨迹可能导致不同的反馈扭矩。
控制单元可以是任何合适的类型，并且通常可以包括具有合适的程序以提供所描述的触觉呈现器以及——如适用的话——惯性建模器的功能的微控制器或微处理器。控制单元还可以被称为“适配器”或“抽象层”。该中间层使得能够将人与机器物理地解耦，然而使得能够显示踏板处的符合人体工学的踩踏行为以及在驱动轮处实现动态但安全的驱动(如果存在这样的驱动轮)。特别地，鉴于现场可编程门阵列(fpga)的快速电流控制以及因此非常快速的扭矩控制，可以使用现场可编程门阵列(fpga)。
在一个实施方式中，触觉呈现器被配置用于进行所述反馈扭矩的阻抗控制，使得踏板的运动适应于踏板参考轨迹。如上面已经所指示的，可以沿着参考轨迹来“引导”至少一个踏板。如根据文献(例如，根据freglybj，zajacfe，dairaghica.bicycledrivesystemdynamics：theoryandexperimentalvalidation.jbiomecheng.2000年8月；122(4):446-52)已知的，机械自行车的踏板曲柄的角加速度可以根据下式来计算：
其中，ieff是关于曲柄轴的有效惯性，θ是曲柄角，tc是由用户生成的曲柄扭矩(即输入扭矩)，以及teff是有效阻扭矩。在具有电子传动装置的(无链式)人电动混合动力交通工具的情况下，有效阻扭矩由(轴承中和至少一个踏板与发电机之间的传动装置中的)摩擦力、由发电机中的阻尼效应(例如涡流和磁滞损耗)以及由反馈扭矩(在发电机模式或马达模式下)引起。摩擦力可以通过测量或计算得知，并且通常几乎是恒定的。发电机中的损耗通常取决于发电机速度。欧姆损耗与在马达模式或发电机模式下出现的电流的平方成比例。因此，利用已知的有效惯性(可以例如被设定或计算)以及根据直接测量(例如通过踏板和/或齿轮部件上的力或扭矩测量)或间接测量(例如通过测量在很大程度上与扭矩成比例的发电机电流)已知的曲柄扭矩，可以确定针对期望节奏的反馈扭矩、角加速度或表示参考轨迹的其他量。
在另一实施方式中，触觉呈现器根据参考轨迹来分析所测量的参数如角位置或角速度与相应的“预期”参数之间的差异。反扭矩或支持扭矩可以与该差异成比例。还可以组合例如角位置、角速度的若干个差异和几个角位置的总和(或积分)。虽然在该实施方式中，触觉呈现器被配置用于进行反馈扭矩的阻抗控制，但是替代地可以想到的是，使用导纳控制。
术语“调整”并不暗指踏板的运动必须精确地遵循参考轨迹。更一般地，这意指触觉呈现器控制反馈扭矩，使得运动遵循参考轨迹或被引导朝向参考轨迹。在控制理论方面，参考轨迹可以被视为设定点或标称值。如上所述，如果所确定的反馈扭矩是支持扭矩，则可以限制其大小以提供电子惯性滑行。对反馈扭矩进行其他限制是可行的，例如，以防止机械部件的过载。
根据另一实施方式，惯性建模器被配置成基于至少一个轨迹参数来调整参考轨迹。如上所述，可以根据自其操作开始以来经过的时间或者自用户开始踩踏以来的时间来调整轨迹。在这种情况下，时间被用作轨迹参数。此外，由踏板驱动系统驱动的交通工具的当前(平均)节奏或速度(速率)可以是轨迹参数。这些参数可以例如对角速度相对于平均值的变化产生影响。为了再现机械自行车的行为，其中，踏板的角速度随着速度的增加而变得越来越恒定(主要是由于齿轮比增加并且因此有效惯性增加)，角速度在参考轨迹中的振荡幅度可以随着速度的增加而减小。相对于平均值的这种振荡还可以被称为“纹波”。其他轨迹参数可以与用户的当前状态例如他的心率或血糖水平或者能量存储设备例如如可再充电电池的当前充电水平有关。
此外，用户使用控制设备或接口设备来设置参考轨迹的一个或若干个参数是可行的，该控制设备或接口设备可以是由驱动系统供电的交通工具的机载设备，如传统的数字转速计或移动设备如智能电话、pda、平板计算机等。例如，用户可以设置优选节奏或表示平均反馈扭矩对(平均)节奏的依赖性的函数的斜率或者控制器可用的其他参数。
根据一个实施方式，惯性建模器被配置成：
确定针对预定义采样时间的过去扭矩过程，
使用交通工具模型来确定针对所述预定义采样时间的与参考轨迹相对应的参考扭矩过程，
将过去扭矩过程与参考扭矩过程进行比较，以及
基于所述比较来确定经调整的踏板参考轨迹。
过去扭矩过程表示施加至踏板的输入扭矩的时间演变，即作为时间的函数的扭矩。可以通过使用力传感器进行直接测量来确定扭矩，该力传感器位于踏板本身中或者将踏板连接至其旋转轴的曲柄处。在实施方式中，通过测量在发电机中产生的电流来间接地确定扭矩，该电流基本上与扭矩成比例。
参考扭矩过程对应于参考轨迹并且使用交通工具模型根据参考轨迹来确定或得出。根据一个实施方式，交通工具模型可以是自行车模型。这可以是上面提到的如式1所表示的自行车模型或者当被应用时允许在至少一个踏板处引起高的人体工学质量的触觉印象的其他模型。如式1所示，如果已知角加速度、有效阻扭矩和有效惯性，则可以计算输入扭矩。有效阻扭矩和有效惯性被称为模型参数，其可以与使用踏板驱动系统的实际交通工具有关或无关。可以使用各种测量变量或间接推导变量作为输入来对有效阻扭矩进行建模。
在电动交通工具中，踏板和与踏板连接的发电机对有效惯性ieff没有太大贡献，并且由于不存在与驱动轮的机械耦合，因此有效(机械)惯性相当小。然而，可以使用式1作为模型方程，其中，通过反馈扭矩来“模拟”有效惯性。即，给定已知的输入扭矩tc，基于“模拟”或“虚拟”的有效惯性来计算所得到的角加速度，并且该角加速度用于经调整的参考轨迹。
在一个实施方式中，踏板节奏与驱动轮的角速度的比率用于计算齿轮比，齿轮比又使得能够计算有效惯性。一旦确定了参考轨迹，则对阻扭矩进行调整，使得朝向或沿着参考轨迹来引导踏板。因此，用户的触觉感觉与具有与模拟惯性相等的有效惯性的机械自行车相对应。
同样地，可以使用有效阻扭矩作为模型参数，并且可以经由参考轨迹和反馈扭矩来显示任何行驶状况或“虚拟世界”。例如，可以模拟空气阻力和/或交通工具行进的道路的斜率。这些附加阻力可以与由踏板驱动系统驱动的交通工具的实际情况相对应，在这种情况下，(空气)速度和斜率可以通过传感器测量来直接确定，或者可以间接地确定，例如通过根据驱动轮的旋转频率计算(空气)速度来间接地确定。gps测量和地图还使得能够估计可以被输入至模型计算中的斜率。然而，当在固定训练装置中使用踏板驱动系统时，也可以模拟上述影响。
由于有效惯性和有效阻扭矩可以看作是模型方程中的参数，可以根据该模型方程计算加速度，因此还可以在同一方程中使用相同的参数以根据角加速度计算参考扭矩。角加速度或者通过参考轨迹直接给出，或者可以被计算，例如在参考轨迹表示角速度(节奏)的情况下可以通过计算时间导数来计算。因此，可以根据参考轨迹来计算参考扭矩，该参考轨迹表示用户的“预期”踩踏行为。该参考扭矩是在用户使用例如具有相同的有效惯性和有效阻扭矩的机械自行车的情况下他必须施加以将踏板运动保持朝着参考轨迹的理论输入扭矩。然而，由于触觉呈现器试图使踏板的运动适应参考轨迹，因此不管实际输入扭矩如何，该输入扭矩可以与所计算的参考扭矩不同。
应当注意的是，可以在确定过去扭矩过程之前或之后确定参考扭矩过程，或者在相应的实施方式中甚至可以同时确定。
一旦计算出预定义采样时间的参考扭矩过程，就将其与该采样时间的过去扭矩过程进行比较。如果比较表明过去扭矩过程与参考扭矩过程相同(可能除了可忽略的差异以外)，则经调整的参考轨迹可以不变。如果比较表明存在相当大的差异，则关于进一步的控制存在若干可能实施方式。一种可能性是将过去扭矩过程用作基础以计算新的参考轨迹，所述新的参考轨迹又可以基于交通工具模型，例如使用式1的交通工具模型。在这种情况下，还可以将新的参考轨迹建立在输入扭矩朝将来的外推上。可以例如通过识别非振荡(例如线性或恒定)分量和周期分量来执行对过去扭矩过程的分析。这将对应于“修改的”傅立叶分析。对于输入扭矩的将来的发展，可以将非振荡分量外推并且可以增加周期分量。当然，其他外推技术也是可行的。任何这样的外推都可以在相对小的间隔内达到将来，所述相对小的间隔例如几毫秒或几度的踏板臂行程。然而，间隔可以更大，例如，对应于踏板臂的完整360°旋转。在任何情况下，旧参考轨迹与经调整的参考轨迹之间的过渡通常应当使用用于轨迹生成的合适的数学方法来平滑，所述合适的数学方法例如样条曲线、nurbs、贝塞尔曲线，以例如使得角位置及其导数是连续函数。上述过程的测量结果通常是有噪的。因此，可以应用数字信号处理的方法如滤波，例如低通滤波，即在数学上讲，消除高频分量。
特别地，但不限于此，在上述实施方式的上下文中，优选的是，惯性建模器使用在至少一个踏板处包括有效惯性的交通工具模型。在至少一个踏板的旋转运动的情况下，有效惯性是有效旋转惯性。在实施方式中，有效惯性可以是虚拟齿轮比的函数。即，在模型计算中，驱动轮处的阻扭矩和角速度被通过虚拟齿轮比修改(相应地乘以或除以)以确定踏板处的阻扭矩和角速度。驱动轮处的相应参数不必对应于真实的物理值，但是可以被修改或者可以是完全是人造的。特别地，有效惯性可以是将角加速度与踏板处的总扭矩联系的因素(参见例如式1)。但是应当记住，模型的有效惯性需要经由由触觉呈现器生成的反馈扭矩模拟并且在踏板处呈现给用户。因此，交通工具模型的有效惯性还可以被称为“虚拟惯性”或“虚拟有效惯性”。虚拟齿轮比可以是将例如交通工具速度和/或踩踏扭矩等用作变量的参数曲线。
根据另一实施方式，惯性建模器被配置成调整虚拟齿轮比。所述调整可以响应于用户输入而执行或者自动地执行，例如以将阻扭矩和/或角速度(或节奏)保持在预定范围内。
在另一实施方式中，惯性建模器被配置成调整踏板参考轨迹，使得平均踏板节奏收敛于优选节奏值。可以通过随时间、随曲柄角等对踏板节奏进行平均来计算平均踏板节奏。在该实施方式中，惯性建模器调整参考轨迹，使得平均踏板节奏接近优选节奏值。一旦接近，惯性建模器(与控制反馈扭矩的触觉呈现器协作地)保持实际平均节奏接近于优选节奏。例如，当用户开始操作踏板驱动系统时，参考轨迹的平均节奏(或角速度)可以在踏板开始移动之后立即初始地线性增加，使得平均节奏相当快地接近优选节奏值。随着接近优选节奏值，平均节奏可以从线性增加变为指数接近优选节奏。一旦达到优选节奏值，并且用户试图超过优选节奏值或其他限制(例如可能在机械上有害的最大输入扭矩)，则可以通过增加或减小反馈扭矩来改变反馈扭矩，使得触觉反馈向用户发信号通知以降低平均节奏，或者不超过扭矩上限或任何其他给定的限制。
在踏板驱动系统的更简单的实施方式中，其中，不响应于输入扭矩来调整参考轨迹，惯性建模器可以仅调整参考轨迹，使得平均节奏保持为优选节奏值或收敛于优选节奏值。
该优选节奏值可以由用户输入。根据一个实施方式，控制单元被配置成基于交通工具和/或用户的至少一个状态变量来自动地调节所述优选节奏值。例如，惯性建模器可以被配置成进行这种(通常很小的)自动调整。交通工具的状态变量的示例包括交通工具速度或交通工具道路的斜率。用户的状态变量可以被测量或者由用户输入。可以根据针对优选节奏的参数化模型来执行所述调节。移动设备的显示器或自行车经销商的参数化工具使得能够设置参数的值。在另一实施方式中，控制单元适于自动获知和自动地(略微)修改优选节奏。
在一个实施方式中，控制单元被配置用于通过迭代地执行以下步骤来控制反馈扭矩：
确定表示踏板的运动的踏板状态变量；
计算所确定的踏板状态变量与根据踏板参考轨迹得出的相应状态变量之间的差；以及
根据该差来调整反馈扭矩。
该实施方式的基本构思是检测与参考轨迹的任何偏差并且调整反馈扭矩以消除或至少减小偏差。根据实施方式，上述步骤由触觉呈现器执行。在第一步骤中，确定表示踏板的运动的踏板状态变量。特别地，这可以是踏板的角位置、角速度和/或角加速度。在这种情况下，角位置还“表示运动”，这是因为角位置归因于踏板从已知的起始位置开始的运动。踏板状态变量还可以是在(时间或曲柄角)间隔内测量的若干值的积分或者更确切地说是总和，例如在最近几毫秒等内测量的角位置的总和。踏板状态变量可以经由适当传感器直接测量，或者可以根据传感器测量结果计算。
所确定的踏板状态变量表示系统的实际状态，而可以根据参考轨迹得出的相应状态变量表示系统的设定点。在下一步骤中，计算这两个状态变量之间的差。应当注意的是，可以考虑多于一个状态变量。例如，可以考虑角位置的差和角速度的差，并且这些差可以例如以加权方式进行组合。
在下一步骤中，基于该差来调整反馈扭矩。例如，如果差为零或者可以忽略，则反馈扭矩可以保持不变。然而，如果存在不可忽略的差异，这指示与参考轨迹的偏差，则必须通过增大或减小反馈扭矩来校正该偏差。在简单但通常有效的实施方式中，反馈扭矩的变化可以与该差成比例。换句话说，将该差乘以适当的因子来确定反馈扭矩的变化。如果考虑若干个差，则每个差可以具有相应的因子，并且对反馈扭矩的调整可以被认为是所述差的“线性组合”。然而，可以存在用于确定反馈扭矩的更复杂方法，例如通过使用一些收敛标准来确定反馈扭矩，该收敛标准不仅考虑踏板状态变量之间是否存在差，而且还考虑该差当前是否正在减小或者增加以及该差是否下降得足够快。
通常，在执行这些步骤时参考轨迹本身保持不变。然而，可以在这些步骤之间执行对参考轨迹的调整，这当然将影响第二步骤中的对状态变量的确定。
虽然上述实施方式依赖于监视表示踏板的运动的一个或若干个踏板状态变量，但是反馈扭矩还可以基于输入扭矩进行调整。在该实施方式中，控制单元被配置用于通过迭代地执行以下步骤来控制反馈扭矩：
确定输入扭矩；
计算所确定的输入扭矩与根据踏板参考轨迹得出的相应参考扭矩之间的差；以及
基于该差来调整反馈扭矩。
如上所述，可以使用交通工具模型例如通过应用式1根据参考轨迹来计算“理论”输入扭矩。很容易根据参考轨迹得出角加速度，并且在有效惯性和有效阻扭矩例如作为模型参数是已知的情况下，可以计算与参考轨迹相对应的输入扭矩，该输入扭矩在这里被称为参考扭矩。大多数时候，实际输入扭矩与参考扭矩不同，这需要通过增加或减小反馈扭矩来补偿差异。然而，应当记住的是，即使实际输入扭矩等于参考扭矩(即，如果差值始终为零)，反馈扭矩也可能需要随时间进行调整，以沿着参考轨迹引导踏板。
无论对反馈扭矩的调整是基于状态变量的差还是基于扭矩的差，都可以或多或少以短间隔规律地执行所述调整。就曲柄角而言，在相应的实施方式中，所述调整可以最多每5度、最多每2度或者最多每度发生一次。就时间而言，所述调整可以最多每10ms、最多每5ms、最多每ms或者最多每500ns发生一次。应当注意的是，与触觉呈现器协作的电流控制器可以在khz至mhz的一部分的更高频率下工作。
在另一实施方式中，所述至少一个踏板参考轨迹包括具有与踏板一转或踏板半转相对应的周期长度的至少一个交变轨迹分量。如上所述，机械自行车中踏板的角速度从不是完全恒定的，而是表现出纹波，即围绕平均值的振荡。这是由于用户可以向踏板施加取决于当前曲柄位置的扭矩的这一事实导致的。例如，如果曲柄被大致水平地定位，则用户容易施加相对大的扭矩，而在其他位置，扭矩相当有限。扭矩的这些变化还影响角速度。因此，如果在踏板参考轨迹中再现这样的振荡或纹波，则用户感受到与机械自行车上类似的触觉感觉。振荡可以通过上述交变轨迹分量表示，其可以被添加至恒定值或缓慢变化的“平均”值。通常，使用两个踏板，用户执行或多或少对称的踩踏运动。在这种情况下，周期长度对应于踏板半转。但是可以想到的是，运动是不对称的，即右踏板的运动不对应于左踏板的运动。这样的不对称运动对于康复训练应用是有用的。在这种情况下，周期长度对应于踏板一转。交变轨迹分量可以至少在多次振荡内是周期性的。然而，交变轨迹分量的幅度和/或波形可以随每次振荡而变化。通常，波形不必是与单个波长相对应的正弦，但是可以包括“高次谐波”，即具有较小波长的分量。在实施方式中，交变轨迹分量的幅度小于轨迹的当前平均值(即，轨迹围绕其振荡的值)的10％。
在一个实施方式中，交变轨迹分量的幅度和波形取决于交通工具和/或踏板的至少一个状态变量。这样的状态变量的示例包括踏板位置、节奏、由踏板驱动系统驱动的交通工具的速度或者时间(例如，从驱动系统的操作开始经过的时间，或者从第一次踏板半转发生开始经过的时间)。如上所述，在机械自行车中，纹波的幅度分别随着速度的增加或者随着齿轮比的增加而减小。在具有电子传动装置的自行车中，惯性建模器通过以与根据具有机械动力传动系的动力辅助自行车或非动力辅助自行车已知的类似方式减小交变轨迹分量的幅度来允许类似的行为。同样，惯性建模器可以随着节奏的增加而减小纹波的幅度。
根据另一实施方式，控制单元包括多个踏板参考轨迹，所述多个踏板参考轨迹是能够替代地选择的。即，若干个踏板参考轨迹被存储，例如存储在库中，并且可以自动地选择，或者由用户手动地选择这些踏板参考轨迹中的一个。特别地，触觉呈现器或惯性建模器可以包括多个参考轨迹。
触觉呈现器可以被配置成基于轨迹选择信号来自动地选择所述多个参考轨迹中的一个参考轨迹。该选择信号可以由用户输入，或者可以自动生成。这样的信号可以源自传感器，该传感器感测节奏和/或踏板扭矩、交通工具当前所在的道路的斜率、驱动轮上的驱动扭矩、交通工具速度等。就此而言，根据例如交通工具道路斜率选择的踏板的多个参考轨迹可以被视为参考面的一部分。虽然单个参考轨迹是2d坐标系中的图形(坐标是例如角位置和节奏)，但是参考面位于3d坐标系或者甚至更高维度的坐标系中(坐标是例如角位置、道路斜率和节奏)。
如上所述，在实施方式中，惯性建模器被配置成以预定间隔迭代地调整至少一个踏板参考轨迹。在另一实施方式中，这些间隔对应于小于所述踏板一转，特别地，对应于所述踏板的旋转角度的最多10度、最多5度或者最多3度。对于典型的节奏值，10度旋转角度对应于约3ms至30ms。因此，可以以约1ms至30ms的时间间隔来执行调整。然而，在相应的实施方式中可以想到更大或者甚至更小的时间间隔。可以在本地控制器上或者由用于实现惯性建模器的合适的移动计算设备在该时间尺度上执行用于调整的必要计算。因此，可以使用高的角度分辨率和/或时间分辨率来调整参考轨迹，并且惯性建模器可以快速地适应于用户的踩踏行为的任何变化。
在另一方面，提供了具有如上所述的踏板驱动系统的电动交通工具，其中，电子传动装置将所述发电机连接至电负载和/或电驱动马达。电子传动装置可以包括用于发电机和/或驱动马达的电力电子装置以及具有至少一个能量存储设备的中间电路。这样的能量存储设备可以是电池、燃料电池、高容量电容器和/或任何其他合适的电流源。能量存储设备的主要功能是临时存储来自发电机的剩余能量。然而，能量存储设备还可以用作可以经由电力线缆充电的可再充电能量源，或者如果驱动马达在电力制动期间作为发电机操作，则来自马达的剩余能量也可以存储在能量存储设备中。可以理解的是，这样的电动交通工具具有机械连接至驱动马达的至少一个驱动轮。对于有效的牵引控制，在实施方式中，驱动轮处的扭矩和/或角速度不受踏板的扭矩和/或角速度中存在的任何纹波的影响。换句话说，驱动轮处的扭矩优选地是恒定的或者在踏板一转内单调地变化。如果参考轨迹是基于自行车模型确定的，则虚拟有效惯性和有效阻扭矩可以基于自行车的实际物理参数。即，自行车和用户的实际质量可以用作用于计算虚拟有效惯性的基础，而空气阻力(基于自行车的当前速度)、行驶表面的斜率以及其他参数可以用作用于计算有效阻扭矩的基础。
上述交通工具的可行实施方式对应于本发明的踏板驱动系统的实施方式。
在又一方面，提供了具有如上所述的踏板驱动系统的训练装置。在这样的训练装置中，发电机中生成的能量通常仅被消散并转换成热量。通常，不存在驱动轮，尽管可以想到发电机耦合至驱动马达，驱动马达又耦合至飞轮。与自行车相比，不存在虚拟有效惯性和有效阻扭矩可以基于的实际物理参数(尽管可以基于装置和用户的质量来计算有效惯性)。通常，如果使用自行车模型来确定有效惯性和阻扭矩，则可以或多或少任意地选择这些参数。特别地，可以基于“虚拟”道路来对阻扭矩进行建模。
上述训练装置的可行实施方式对应于本发明的踏板驱动系统的实施方式。
在本发明的另一方面，提供了操作用于根据用户的肌肉力量来生成电力的踏板驱动系统的方法，该踏板驱动系统具有至少一个踏板和与所述至少一个踏板机械连接的发电机，其中，基于至少一个踏板参考轨迹来控制在所述踏板处施加的反馈扭矩。所生成的电力可以在本地使用或者可以被馈送至电网中。
上面在本发明的踏板驱动系统的上下文中详细说明了这些术语。应当理解的是，在该方法的情况下，踏板驱动系统可以包括控制单元，该控制单元又包括触觉呈现器，并且反馈扭矩可以由控制单元的触觉呈现器来控制。上述方法的可行实施方式对应于本发明的踏板驱动系统的实施方式。
根据又一方面，提供了用于交通工具的电驱动系统，该电驱动系统利用肌肉力量进行操作，并且包括至少一个踏板、与所述至少一个踏板机械连接的发电机、与所述发电机电连接的电驱动马达以及驱动控制器，其中，所述驱动控制器被配置成：
基于至少两个当前交通工具状态参数根据预定义关系来确定交通工具的最大加速度值，
基于用户的踩踏动作来确定期望交通工具加速度，以及
操作电驱动马达，使得交通工具加速度限制于所确定的最大加速度值。
除非另有说明，否则相似的术语对应于上面在本发明的踏板驱动系统的上下文中说明的术语。
马达与发电机之间的电连接可以通过如上所述的电子传动装置来实现，该电子传动装置可以包括用于发电机和/或马达的电力电子装置和具有至少一个能量存储设备的中间电路。应当理解的是，用于驱动马达的部分电力可以从能量存储设备获取，该能量存储设备可以通过与电网的连接来从外部充电。在交通工具中，至少一个驱动轮被机械地连接至驱动马达。
可以实现为硬件和/或软件的驱动控制器被配置成确定交通工具的最大加速度值。该最大加速度值是不应被超过的加速度限制。这样的限制的原因可以涉及交通工具的操作安全性(例如，防止驱动轮的滑动)、能量存储设备的电力管理、合法的速度限制等。应当注意的是，在某些情况下，最大加速度值可以是负的，因而表示减速度。最大加速度值不是固定的，而是取决于至少两个当前交通工具状态参数(其中，术语“当前”应被理解为包括其中参数与不可避免的和/或被认为是不相关的一些时间延迟一起使用的实施方式)。换句话说，最大加速度值可以通过3d坐标系中的平面表示，其中，两个坐标轴表示两个交通工具状态参数。如果最大加速度值取决于多于两个交通工具状态参数，则它可以由更高维度坐标系中的超平面表示。
驱动控制器可以基于相应的公式来实时地计算最大加速度值，或者它可以从查找表、数据库、库等中读取值。公式、查找表、数据库或库分别表示预定义关系，其中根据所述预定义关系来确定最大加速度值。交通工具状态参数表示当前交通工具状态。交通工具状态参数可以例如涉及交通工具的运动、其位置或者道路的特性。通常，存在选择这样的参数的许多可能性，只要在给定参数与加速度限制之间存在合理的联系。
此外，驱动控制器被配置成基于用户的踩踏动作来确定期望交通工具加速度。通常，这可以在确定最大加速度值之前完成、之后完成或者与确定最大加速度值同时完成。该构思是用户的踩踏动作被“解释”为加速或减速的期望。可以例如基于角速度(或节奏)、输入动力或输入扭矩来评估踩踏动作。根据一个或若干个预定义规则，驱动控制器根据踩踏动作来推出期望交通工具加速度。
然而，如果该期望交通工具加速度未超过最大加速度值，则它可以仅对应于实际交通工具加速度。因此，对电动马达进行操作使得交通工具加速度限制于所确定的最大加速度值。然而，应当注意的是，在某些情况下，由于不可预见的影响(例如，交通工具道路斜率的突然变化、突然的顺风等)，因此可能无意地超过最大加速度值。然而，由于控制器通常非常快速地调整，例如在几分之一秒内调整，因此通常可以通过非常快地下降来达到加速度的可行值。
根据实施方式，驱动控制器被配置成：
比较动作参数与预定义参考参数，所述动作参数是用户的当前踩踏动作的特征，
确定与动作参数和预定义参考参数之间的差异相对应的期望交通工具加速度。
动作参数可以是例如输入扭矩或由用户输入的动力。将该动作参数与参考参数进行比较。参考参数可以在交通工具开始操作之前预定义，或者参考参数可以基于用户的过去踩踏动作。例如，如果动作参数是输入扭矩，则参考参数可以是在踏板的先前旋转期间的输入扭矩。例如，如果用户在踏板的一次或若干次旋转期间使用特定最大输入扭矩进行踩踏，则该最大输入扭矩可以用作参考参数。如果用户开始更有力地踩踏，即，如果他施加了更多输入扭矩，则这可以被解释为期望加速，这通过将当前输入扭矩与参考参数(即，过去输入扭矩)进行比较而发现。根据另一示例，参考参数可以是参考输入动力。如果当前输入动力超过参考输入动力，则这可以被解释为期望交通工具加速。应当理解的是，虽然确定与动作参数与预定义参考参数之间的差异相对应的期望交通工具加速度，但是期望交通工具加速度不一定线性地取决于该差异。特别地，如果该差异小，尽管非零，但是可以将期望交通工具加速度确定为零。
在实施方式中，至少两个交通工具状态参数至少包括交通工具速度和交通工具道路斜率，使得至少根据交通工具速度和交通工具道路斜率来确定最大加速度值。当然，“交通工具道路斜率”是指交通工具的行驶表面的倾斜度。此处构思之一是随着速度的增加越来越多地限制最大加速度，这通常导致对交通工具速度本身的限制。例如，如果最大加速度值随着速度增加而减小，并且针对预定义“速度限制”变为零，则这主要防止交通工具超过该限制。对于更高的速度，最大加速度值可以是负的。在这种情况下，驱动马达可以开始电力制动，从而恢复动能。这样的速度限制的一个原因可能是交通法规和/或安全预防措施。另一原因可能是由于空气阻力的增加，在不过度消耗能量存储设备的情况下难以加速到特定速度以上。
出于同样的原因，随着道路斜率的增加限制最大加速度可能是有用的。当然，即使交通工具仅保持特定速度，驱动马达处的能量消耗也随着道路斜率的增加而增加。试图加速将使总能量消耗更多地增加，从而必须要限制加速。以这种方式，可以将由空气阻力、下坡力和加速力引起的至少一个驱动轮处所需的总驱动扭矩限制于特定最大值。因此，最大加速度值将取决于交通工具速度和交通工具道路斜率。另一选择是限制加速度以防止驱动轮的滑动。在这样的情况下，可以想到不仅包括道路斜率而且还包括驱动轮与道路之间的摩擦系数，该摩擦系数可以基于关于道路表面的基于gps的信息(沥青、砾石、灰尘等)和/或气象数据(地面干/湿/结冰)来确定。然而，这些只是示例，并且存在最大加速度值可以如何取决于交通工具速度和交通工具道路斜率的许多其他可能性。
在一个实施方式中，至少两个交通工具状态参数至少包括基于交通工具的当前位置的速度限制信息。在这样的实施方式中，驱动控制器可以连接至gps模块和/或可以访问将交通工具位置链接至本地(或国家)速度限制的数据库。因此，如上所述的速度限制不是静态的，而是可以根据交通工具位置来确定。如上所述，如果交通工具速度达到速度限制，则最大加速度值可以变为零。可替选地，速度限制可以由用户输入，或者甚至可以通过“读取”交通标志的图像识别软件来确定。
在本发明的另一方面，提供了具有如上所述的电驱动系统的电动交通工具。
如上所述，驱动马达的总电力通常是发电机电力与来自可再充电能量存储设备如电池的电力的组合，发电机电力即用户的机械电力减去发电机、与踏板发电机相关联的齿轮和电力电子装置的损耗。除非能量存储设备被完全消耗，否则存在可以如何获得必要的驱动电力的多种选择。在实施方式中，由用户生成的电力相对于总的所需驱动电力的百分比随来自能量存储设备的电流变化而逐渐改变。例如，百分比在一定范围内几乎可以是恒定的(例如40％)，例如当电池电流在标称电流的0倍至3倍之间时。当电池电流进一步增加时，百分比还可以例如根据多项式函数稳步增加至高达100％(这可以例如在电池电流是标称电流的5倍时达到)。如果电池电流变为负的，即如果能量被恢复，则用户对推动的贡献的百分比可以例如根据多项式函数稳步降低。在任何情况下，随电池电流变化，百分比不应突然改变(即，包含“跳跃”)。
现在将参考附图，在附图中，将对实施方式的各种元件给出附图标记，并且其中，将讨论另外的实施方式。
对部件、处理步骤和其他元件的具体参考不意在是限制性的。此外，应当理解的是，当参考不同附图时，相似的部件具有相同的附图标记。还将注意的是，附图是示意性的并且被提供用于指导技术人员并且不一定按比例绘制。确切地说，附图所示的各种绘图比例、纵横比和部件数量可能被故意扭曲以使某些特征或关系更容易理解。
图1示出了电动交通工具100的部件的示意性表示。特别地，这可以是自行车。应当理解的是，为了清楚和简洁起见，未示出交通工具100的许多部件。交通工具100包括踏板驱动系统10和电驱动系统20。踏板驱动系统10包括两个踏板11，所述两个踏板11通过曲柄12机械连接至发电机13。虽然以简化的形式示出了机械连接，应当理解的是，这样的连接可以表征某种传动机构。发电机13连接至第一电力电子装置14，第一电力电子装置14又连接至控制单元30。
一方面，控制单元30经由第一电力电子装置14从第一传感器单元40接收关于踏板11的操作的信息。这样的信息——还可以被第一电力电子装置14使用——可以特别地包括关于由用户施加的输入扭矩、曲柄12的角位置、角速度(或相应地节奏)和/或其他量的信息。应当注意的是，虽然输入扭矩可以由踏板、踏板臂或齿轮部件上的可以作为第一传感器单元40的一部分的专用力传感器测量，但是在该示例性实施方式中，通过测量来自发电机13的电流来确定输入扭矩，对于某些类型的电机例如dc电机或pmsm电机，该电流与输入扭矩成比例。与曲柄12的位置有关的量可以由包括角度编码器的第一传感器单元40来确定。
另一方面，控制单元30可以向第一电力电子装置14发送控制信号，以控制通过发电机13施加至曲柄12和踏板11的反馈扭矩。特别地，可以至少部分地以软件实现的控制单元30包括触觉呈现器31，触觉呈现器31被配置成基于预定义踏板参考轨迹来控制反馈扭矩。将在下面更详细地讨论的这样的踏板参考轨迹可以例如表示作为角位置的函数的节奏(或角速度)的标称值。换句话说，触觉呈现器31控制反馈扭矩，使得实际节奏与参考轨迹相对应。可替选地，参考轨迹可以表示角位置的标称值和/或其任意时间导数。当然，触觉呈现器31包括或者连接至其中存储参考轨迹的存储器设备(未示出)。通常，反馈扭矩是反扭矩，即抵消由用户施加的输入扭矩的扭矩。可以说，反扭矩和它所基于的参考轨迹模拟交通工具100的“虚拟”惯性。踏板11、曲柄12和发电机13的实际物理机械惯性相对较低，使得操作踏板11的用户的触觉感觉在很大程度上取决于反馈扭矩。如果可以的话，通过正常地操作发电机13即将发电机13作为发电机操作来生成反馈扭矩。然而，还可以通过将发电机13作为马达操作来生成反馈扭矩。还可以采用这种操作模式以生成支持扭矩——即，在与用户施加的输入扭矩相同的方向上作用的扭矩——或保持扭矩以例如在开始之前支持腿部和脚部的重量。控制单元30还包括惯性建模器32，惯性建模器32被配置成迭代地调整参考轨迹，该参考轨迹然后被提供至触觉呈现器31。下面将详细描述惯性建模器32的操作。
控制单元30还以有线方式或无线地连接至人机接口60，人机接口60可以集成到交通工具100中，或者可以是移动设备如智能电话或智能手表、pda或平板计算机。用户可以经由人机接口60输入某些参数，或者可以仅指明他的身份，然后某些参数被自动确定。当然，人机接口60还可以用作用于用户的显示器，在该显示器中示出交通工具速度、节奏、踏板动力等的当前值。
踏板11、发电机13、第一电力电子装置14和控制单元30还是交通工具100的电驱动系统20的一部分。该电驱动系统20还包括电动马达21，电动马达21耦合至第二电力电子装置22，第二电力电子装置22又连接至控制单元30。电动马达21机械地连接至至少一个驱动轮23。电动马达21可以直接连接至驱动轮23的轮毂或者经由传动机构连接至驱动轮23的轮毂。第二电力电子装置22还电连接至第一电力电子装置14和能量存储设备50以进行能量交换。能量存储设备50可以例如是可再充电电池、电容器或者二者的组合。另外，可以将电流源如燃料电池与能量存储设备如具有低阻抗的电池进行组合。通常，能量将从第一电力电子装置14和/或能量存储设备50传递至第二电力电子装置22。然而，电动马达21还可以例如在交通工具100下坡时用作发电机，使得能量可以从第二电力电子装置22传递至第一电力电子装置14和/或能量存储设备50。
控制单元30还包括驱动控制器33，驱动控制器33控制第二电力电子装置22，以在驱动轮23处实现特定驱动扭矩和/或特定角速度或角加速度。驱动控制器33的操作将在下面更详细地描述。控制单元30还经由第二电力电子装置22和/或第二传感器单元41接收关于电动马达21或驱动轮23的信息。这样的信息——还可以被第二电力电子装置22使用——可以指驱动扭矩、角速度或其他特征量。
可替选地，控制单元30可以直接接收该信息，即，不经由第二电力电子装置22接收该信息。
应当注意的是，虽然第一传感器单元40和第二传感器单元41各自被示出为单个局部设备，但是它们中的每一个可以是间隔开的一组传感器。除此以外，交通工具还可以包括第三传感器单元42，第三传感器单元42既不位于发电机13附近也不位于电动马达21附近。传感器单元42可以位于交通工具100或用户上的任何合适位置处。这样的传感器的示例是gps传感器、倾斜传感器、用于用户的心率传感器等。传感器单元40、41、42可以通过接线连接或者无线地连接。传感器单元可以连接至串行总线，使得可以进行双向信息交换，例如使得可以重新参数化。
参照图2，将描述用于根据参考轨迹控制反馈扭矩的方法。该方法由触觉呈现器31执行。在步骤200处开始之后，在步骤201处接收参考轨迹，所述参考轨迹可以由惯性建模器32提供。在步骤202中，确定一个或若干个踏板状态变量，所述踏板状态变量可以是踏板11(或发电机13，发电机13通常以固定齿轮比连接至踏板11，对控制单元30而言所述固定齿轮比可以是已知的。可变齿轮比也是一种选择)的角位置、角位置的总和、角速度或角加速度。在步骤203中，根据参考轨迹来得出相应的状态变量。如有必要，可以采用数值积分或数值微分来确定相应的状态变量。例如，如果踏板状态变量是角速度并且踏板参考轨迹限定角加速度，则首先需要通过积分来计算角位置。
在步骤204中，计算每个实际状态变量与根据踏板参考轨迹得出的相应状态变量之间的差。在步骤205中，检查在步骤204中计算出的任何差是否重大，即不可忽略。如果是，则在步骤206中调整反馈扭矩，并且重复步骤202的过程。反馈扭矩可以增加达作为在步骤204中计算出的差的线性组合的量。即，如果仅存在一个差，则反馈扭矩的增加与该差成比例。如果不存在重大的差——这种情况很少——则过程立即返回至步骤202，而不调整反馈扭矩。通常，在步骤204中的计算之前应用信号处理中常见的用于降噪的方法，以获得质量良好的踏板状态变量。
应当注意的是，顺序示出的一些步骤可以在时间上并行地发生即同时地发生。例如，步骤202和203可以在相同的时间间隔期间并行地执行。这样的并行化可以有助于增加反馈扭矩调整的频率。
现在，将参照图3的流程图来描述惯性建模器32对参考轨迹的调整。在步骤300中开始之后，在步骤301中惯性建模器读取或计算初始参数，如有效惯性、有效阻扭矩等。这些参数可以存储在存储设备中。初始参数还可以基于用户选择来确定，或者可以基于传感器读数来计算。在步骤302中，惯性建模器使用交通工具模型来计算参考轨迹。如果不存在关于用户的踩踏行为的可用数据(特别是输入扭矩)，则使用标准的参考轨迹。这里，还可以从存储在控制单元30的库中的多个参考轨迹中选择参考轨迹。接下来，在步骤303中，沿着参考轨迹引导踏板。也就是说，参考轨迹被提供至触觉呈现器31，触觉呈现器31又相应地例如如参照图2所描述地控制反馈扭矩。同时，测量并存储输入扭矩tc，或者更确切地说，测量并存储输入扭矩tc随时间的演变或者角位置以供将来参考。如参照图2所示，步骤303实际上包含循环，该循环可以在该方法继续步骤304之前被执行达例如几毫秒。在步骤304中，检查用户是否已经停止向前踩踏，这可以例如通过输入扭矩tc的相对突然的减小来检测。应当注意的是，这样的检查还可以包括在图2的循环中。如果用户已经停止向前踩踏，则该方法继续进行步骤305并且进入惯性滑行模式。在该模式下，不再沿参考轨迹引导踏板11(这将违反用户的意愿)，但是允许踏板11减速和停止或者甚至向后移动。这种减速过程可以在扭矩控制模式下发生，或者可以根据管控减速过程的最新计算的参考轨迹发生。与其中踏板11完全耦合或完全解耦的机械自行车相比，它可以在其中踏板11部分耦合的“中间”模式下工作。这意味着在踏板11正在减速时，用户仍然感觉到来自发电机13的一些阻扭矩，同时来自用户腿部的动能被恢复。如果在步骤304中检测到用户向后移动踏板11，则发电机13作为马达进行操作以辅助踏板的预期运动。这种操作状态可以用于将踏板11移动至理想的起始位置。在理想的起始位置，例如如果用户拉动制动杆，则可以施加保持/夹紧扭矩。
如果用户尚未停止向前踩踏，则该方法继续进行步骤306，在步骤306中，参数被更新。这样的参数可以包括(虚拟)有效惯性和有效阻扭矩。有效阻扭矩可以取决于交通工具道路斜率和/或交通工具速度(其影响空气阻力)。特别地，可以自动地或者响应于用户输入来调整虚拟齿轮。例如，可以调整虚拟齿轮，使得用户被鼓励达到优选节奏值(或者阻止偏离这样的优选节奏值)。
在步骤303期间，记录输入扭矩，以获得踏板11处的输入扭矩的过去扭矩过程。该扭矩过程表示扭矩在特定采样时间内的时间演变，该特定采样时间可以例如在1ms与100ms之间。使用具有适当的运动方程(例如，式1)的交通工具模型，计算参考扭矩过程，该参考扭矩过程是根据由参考轨迹表示的踏板运动得出的。该参考扭矩过程表示在采样时间期间的“预期”输入扭矩。在步骤307中，将过去扭矩过程与参考扭矩过程进行比较。如果存在重大的差异(通常是这种情况)，则在步骤308中调整参考轨迹。这里，可选地，可以将过去扭矩过程外推至将来并且使用运动方程来计算与该外推相对应的参考轨迹。然而，“旧的”未调整的参考轨迹与“新的”经调整的参考轨迹之间的过渡通常通过合适的数学方法例如使用样条曲线来进行平滑。根据实施方式，对参考轨迹的调整以相对短的间隔执行，例如每1ms至100ms或者踏板11旋转每1°至10°执行一次。一旦参考轨迹被调整，则该方法返回至步骤303。在过去扭矩过程与参考扭矩过程之间不存在重大的差异的(罕见)情况下，该方法立即返回至步骤303，而不调整参考轨迹。
应当注意的是，在简化的实施方式中，在步骤303中可以不测量输入扭矩，并且可以省略步骤307处的检查。在这种情况下，参考轨迹与用户的踩踏行为无关。当然，在这种情况下步骤308中的调整也与输入扭矩无关。与图2一样，顺序示出的一些步骤可以并行执行即同时执行。取决于实施方式的实际实现方式，这可以异步地或者同步地完成。例如，在时间上，步骤306可以与步骤303并行进行。
图4通过示例的方式示出了作为曲柄角的函数的输入扭矩和角速度的发展。该图的整个宽度表示曲柄12的360°旋转。在该时段期间，输入扭矩在该间隔内具有两个峰值，这是由于存在两个踩踏腿和两个踏板11，两个踏板11以近似或者准确的180°相移的方式移动。这里示出的数据表示相隔180°的曲柄12的一转。第一转的输入扭矩tc大致为正弦曲线，并且在这种情况下在接近或在90°和270°踏板位置处具有最大值，并且在0°、180°以及360°处具有最小值。该旋转的角速度或节奏与总扭矩的积分成比例，除了输入扭矩以外，总扭矩还包括由触觉呈现器31施加的反馈扭矩。节奏也大致是正弦曲线，并且相对于输入扭矩具有45°的相移。该节奏可以用作用于曲柄12的后续旋转的参考轨迹。如水平线所指示的，节奏围绕平均值振荡。如果将节奏视为参考轨迹，则该参考轨迹将由非振荡(例如，恒定或线性)分量和交变轨迹分量或“纹波”组成。这样的结构还可以用于这样的情况：惯性建模器仅部分地将参考轨迹建立在用户的踩踏行为上，而使用或多或少实际的模型函数。这里示出的交变轨迹分量或纹波大致是正弦曲线。然而，交变轨迹分量还包括可以被视为高次谐波的具有较短波长的分量。在当前情况下，角速度的平均值在曲柄12的整个旋转期间是恒定的，但是它还可以或多或少缓慢地变化。
图5示出了响应于由用户施加的输入扭矩tc而对参考轨迹进行的调整。应当注意的是，这里，所有量都被示为曲柄角的函数。假定作为时间的函数，由于非恒定的角速度，所以相应的曲线将变形。在表示步骤n的左边的图中，参考轨迹的节奏cadn-1围绕恒定的平均值交变。下标“n-1”指示该参考轨迹是基于前一步骤n-1计算的。应当注意的是，由于触觉呈现器31沿着参考轨迹引导踏板11，因此参考轨迹的节奏cadn-1或多或少与实际节奏相同。粗虚线指示使用交通工具模型根据节奏cadn-1计算到的参考扭矩tref，n-1。然而，步骤n期间的实际输入扭矩tc，n通常不对应于期望值。在所示的示例中，实际输入扭矩在整个360°旋转内具有更大的值。由于触觉呈现器施加的反馈扭矩以及由于施加的虚拟惯性，该较大的输入扭矩不会(立即)导致增加的节奏。然而，由阴影区域指示的增加的输入仍然导致发电机13中额外的能量生成，该能量可以被传递至马达21或者存储在能量存储设备50中。
现在，在从左图到右图(其表示将来的曲柄角)的过渡中，如图3的步骤308那样对参考轨迹进行调整。基本上，交通工具模型被应用并且使得能够得出经调整的参考轨迹。由于tc，n高于tref，n-1的事实(差异为阴影区域)，因此检测到用户想加速的愿望。因此，新的参考轨迹的平均节奏cadn加速。
如左图中的细实线所示，可选地，可以将输入扭矩外推，这对应于右手侧的图中的粗虚线。这里，外推输入扭矩tc,n,外推可以被认为是新的参考扭矩tref，n，其可以用于计算新的参考轨迹的节奏cadn。可以看出，由于步骤n中输入扭矩增加，所以节奏cadn增加并且特别地具有增加的平均分量(除了交变分量以外)。步骤n中的节奏与步骤n+1中的节奏之间的过渡可以可选地通过适当的数学方法例如使用样条曲线来平滑。通过示例的方式，示出了在步骤n+1期间的输入扭矩tc，n+1，其再次超过了参考扭矩tref，n。对于下一步骤n+2，可以再次将输入扭矩tc，n+1外推为由细实线指示的tc,n+1,外推，并且输入扭矩tc，n+1可以用于计算下一参考轨迹的节奏。
图6示出了在开始操作交通工具100之后的节奏的时间演变。这里，从操作开始的时间可以用作用于惯性建模器32的轨迹参数。如从图可以看出，节奏当然从零开始并且在几秒内收敛于优选节奏cadpref(在该示例中，60rpm)，该优选节奏cadpref可以是默认值或者可以通过用户输入来确定。优选节奏cadpref表示被认为是对于用户来说最有效和/或最方便的节奏。该节奏开始根据预定义角加速度b默认增加，该预定义角加速度b默认可以通过用户输入来确定。在任何情况下，出于安全原因，该加速度限制于最大允许加速度b最大。如细短划线所指示的，节奏包括变化相对缓慢的“平均”分量和被增加至平均分量的交变分量或纹波。可选地，在交变分量呈现相对大的幅度之前，可以在初始时间段内例如在踏板第一个半转所需的时间期间将交变分量设置为零。之后，随着平均分量增加并且接近优选节奏，交变分量的幅度减小。换句话说，节奏变得越来越恒定。这对应于机械自行车的行为，这使得能够部分地由于更高的齿轮比和更高的有效惯性而在更高速度下更稳定地踩踏。如果例如如参照图3所描述地根据用户的踩踏行为来调整参考轨迹，则可能无法实现如图6所示的节奏的理想演变，因为用户对节奏具有一些影响。然而，即使在这样的情况下，惯性建模器还例如通过调整虚拟齿轮使得用户被鼓励更慢或更快地踩踏来影响踩踏行为。应当注意的是，随着图6中的节奏增加，驱动轮的角速度通常也增加，尽管通常以不同的速率增加。由于在发电机与电动马达之间不存在机械传动装置，因此与驱动轮连接的电动马达的操作在很大程度上与踩踏行为无关。特别地，在一个实施方式中，电动马达的角速度根本不包括纹波。虽然不存在机械传动装置，但是在交通工具100可以仍在加速时节奏在几秒之后或多或少恒定的事实可以被视为是改变虚拟齿轮比的结果，这又影响虚拟惯性。应当注意的是，虽然在机械自行车中，存在有限数目的齿轮比，但是虚拟齿轮比可以被连续调节，这导致基本上恒定节奏的可能性。优选节奏cadpref可以根据用户输入来选择，但是还可以由控制单元30(例如，由惯性建模器32)根据交通工具或用户的状态变量来自动地调节优选节奏cadpref。
图7示出了随平均节奏变化的平均输入扭矩的依赖关系。这里，两个平均值可以是例如关于时间或曲柄角的。由于踏板11、曲柄12以及齿轮(如果存在)的机械稳定性的限制和/或发电机13的电力限制，输入扭矩具有上限t最大。另外，由于若干原因，例如电压限制、逆变器拓扑、发电机中的旋转部件或其齿轮的机械完整性，节奏具有上限cad最大。优选节奏cadpref(由垂直的细短划线表示)当然低于该上限。当节奏为零时，即，用户未踩踏时，(平均)扭矩可以为零，或者在替选实施方式中，(平均)扭矩可以具有有限值t保持，这使得用户能够在具有初始阻力的触觉感觉的情况下开始踩踏。在任一种情况下，随着节奏增加，扭矩以这样的方式增加：踏板的开始加速度受到限制，然后扭矩开始根据由下倾细短划线指示的踩踏者的“僵硬度(stiffness)”而减小。可以根据用户输入来选择该僵硬度，或者可以由控制器通过在交通工具操作期间进行观察来获知该僵硬度。应当注意的是，当用户超过任何扭矩限制或者速度限制(由粗短划线指示的)时，扭矩可以改变，即增大或减小至让用户感觉到不舒服的值，从而阻止他超过相应的限制。在所述限制内，在操作范围内，控制单元沿着(或朝向)参考轨迹引导用户，并且可以逐步地调整参考轨迹的平均节奏，使得总是在合理的时间内(例如，几秒钟内)达到优选节奏。
如上所述，驱动控制器33控制第二电力电子装置22，由此驱动轮23的驱动扭矩和/或角速度被控制。特别地，驱动控制器33可以被配置成限制交通工具加速度。该限制通过图8示出，图8是示出针对最大加速度值的参考面的图。可以看出，该图是3d坐标系，其中，一个轴表示当前交通工具速度，第二轴表示交通工具道路斜率，即交通工具100在其上运转的道路或行驶表面的斜率，以及第三轴表示最大加速度值。在操作期间，可以通过将驱动轮23的当前角速度乘以其周长来容易地确定当前交通工具速度。交通工具道路斜率可以例如由第三传感器单元42的适当的倾斜传感器来确定。因此，使用可以被存储为公式或查找表的由图8中的参考面表示的关系，驱动控制器33计算最大加速度值。此外，驱动控制器33基于用户的踩踏动作来确定期望交通工具加速度。例如，可以监测发电机13的总发电量，并且如果该总发电量高于某预定义值，则这被解释为用户想要例如以0.7m/s2加速的期望。然而，如果所确定的最大加速度值低于期望交通工具加速度，则驱动控制器33控制电动马达21，使得不超过最大加速度值。
应当注意的是，对于超出图8的粗线的任何交通工具速度和交通工具道路斜率，最大加速度值实际上是负的。换句话说，粗线还针对相应交通工具道路斜率指定最大速度，这是因为用户无法主动加速以超过相应的速度。虽然当前交通工具速度和当前交通工具道路斜率是最大加速度值所依赖的两个交通工具状态参数，但是可替选地或另外地，最大加速度值还可以取决于其他交通工具状态参数。例如，最大加速度值可以取决于当前交通工具位置和与交通工具位置关联的本地速度限制或国家速度限制，当前交通工具位置可以例如由作为第三传感器单元42的一部分的gps传感器来确定。即，驱动控制器33可以在相应的数据库中查找速度限制并且基于该速度限制来确定参考面。此外，作为上述倾斜传感器的替选方案，可以通过以下方式来确定交通工具道路斜率：通过gps确定当前交通工具位置；以及在地图或其他相应的数据库中查找交通工具道路斜率。
如上所述，用于电动马达21的第二电力电子装置22的能量可以从发电机13的第一电力电子装置14或者从能量存储设备50直接传递。存在可以如何将发电量分配给用户和能量存储设备50的多种选择。图9是示出一种这样的选择的图，其中，横坐标是来自能量存储设备50的电池电流，纵坐标是分配给用户即发电机13的发电量的百分比。百分比随来自能量存储设备50的电流变化而逐渐变化。当然，百分比还随由能量存储设备50提供的电力(其与电压乘以电流成比例)变化而变化。在电池电流是标称电流的0倍至3倍的特定范围内，百分比几乎恒定在40％。随着电池电流增加到标称电流的3倍以上，百分比也增加，例如根据多项式函数增加，当电流超过标称电流的4倍时，百分比显著上升。在标称电流的5倍的情况下，100％的发电量被分配给发电机13。然而，应当注意的是，尽管百分比的增加是相当大的，但仍然是渐进的，即不存在“跳跃”。因此，用户可以感觉到增加的作用力，然而作用力不会突然增加而是稳定地增加。然而，当电池电流变为负的时，即恢复能量时，百分比例如根据多项式函数稳定下降。这样的交通工具行为保护电池免于被过度使用。
虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的示出和描述应当被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。多个实施方式的组合当然是可行的并且在本发明的范围内。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器、模块或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能，或者分配给一个元件的功能还可以被分配给若干个分布式元件。
在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的这一事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，所述合适的介质被与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分提供，例如光学存储介质或者固态介质，但是还可以以其他形式例如经由因特网或其他有线或无线远程通信系统来分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。