CN101568460A

CN101568460A - 运动控制系统

Info

Publication number: CN101568460A
Application number: CNA2007800483607A
Authority: CN
Inventors: J·D·达蒂罗; S·I·卡伦; N·P·汤姆森; K·K·赫; M·D·普劳德; A·D·威尔森; W·D·斯塔尔
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: US7881841B2; JP5145356B2; CN101568460B; JP2010515150A; US20080162000A1; DE112007003202T5; WO2008088515A1; DE112007003202B4

Abstract

一种运动控制系统(10)包括：操作员界面装置(13)，其具有操作员输入构件(20)和被驱动地连接到操作员输入构件的可控的力反馈装置(18)。该运动控制系统还包括控制器(14)，用于调整一个或多个可动部件(12)的运动，包括以至少部分地根据第二操作参数的目标值(TAR_V)与第二操作参数的实际值(ACT_V)之间的控制偏差(E_C)的方式来调节第一操作参数。该第二操作参数的目标值至少部分地根据操作员输入构件的运动确定。该控制器还包括以至少部分地根据控制偏差并使得反馈力相对于控制偏差的导数至少部分地依赖于控制偏差而变化的方式来操作所述可控的力反馈装置，以提供作用在操作员输入构件上的反馈力。

Description

运动控制系统

技术领域

本申请涉及一种运动控制系统，特别是一种包括具有可动的操作员输入构件的操作员界面装置的运动控制系统。

背景技术

许多机械包括运动控制系统，运动控制系统具有一个或多个可动部件和调节一个或多个可动部件的控制器。一些这样的运动控制系统包括具有例如操纵杆、方向盘或踏板的可动的操作员输入构件的操作员界面装置，操作员可以利用这些可动的操作员输入构件对运动控制系统进行输入。在一些场合，这种操作员输入构件可以经由机械连接件对运动控制系统的一个或多个部件进行输入。这种位于运动控制系统的操作员输入构件和另一部件之间的机械连接件可传递反馈力给操作员输入构件。操作员可以从这些反馈力收集有关运动控制系统操作的信息。

一些运动控制系统使用机械连接件以外的方式将可动的操作员输入构件的信号传递给运动控制系统的一个或多个其他部件。例如，一些运动控制系统使用电信号，将经由操作员输入构件接收到的操作员输入传递给运动控制系统的其他部件。这种传递操作员输入给运动控制系统的其他部件的不同的方式具有很多优点，但基本上不能提供反馈力给操控该操作员输入构件的操作员。

Millsap等人的专利号为6,535,806B2的美国专利(’806专利)公开了一种线控转向系统，其具有方向盘触觉反馈装置，以提供作用在转向系统的方向盘上的反馈力。’806专利公开的转向系统包括控制器，用于提供指令信号给方向盘触觉反馈装置，以控制方向盘触觉反馈装置作用在方向盘上的反馈力的大小。该控制器根据车速、车辆的实际转向、方向盘转角以及根据通过比较车辆的实际转向和方向盘的转角而确定的控制偏差发出指令信号。参考图2所示的方框图，’806专利公开了一种通用的信号处理方法，控制器使用所述方法，以便根据上述因素产生用于方向盘触觉反馈装置的指令信号。

虽然’806专利公开了一种具有方向盘触觉反馈装置以提供作用在转向系统方向盘上的反馈力的线控转向系统，但也存在一些不足。例如，只使用速度和偏差来作为控制反馈力大小的因素，’806专利中的转向系统只能为操作员提供非常基本的信息。其结果是，操作员无法从方向盘上的反馈力得到其希望的全部信息。另外，’806专利没有说明作用在方向盘上的反馈力实际上如何作为控制器用来产生指令信号的各个因素的函数来变化。如果控制器在这些因素和作用在方向盘上的反馈力之间没有保持所需关系，就会损害操作员驾驶车辆的经验。

这里所公开的运动控制系统和方法用于解决上面提出的一个或多个问题。

发明内容

一种公开的实施方式涉及一种运动控制系统，该运动控制系统包括具有操作员输入构件的操作员界面装置，和被驱动地连接到操作员输入构件的可控的力反馈装置。该运动控制系统还包括控制器，该控制器用于控制一个或多个可动部件的运动，包括以至少部分地根据第二操作参数的目标值与第二操作参数的实际值之间的控制偏差的方式调节第一操作参数。该第二操作参数的目标值至少部分地取决于操作员输入构件的运动。该控制器还以至少部分地根据控制偏差并使得反馈力相对于控制偏差的导数至少部分地依赖于控制偏差而变化的方式，操作所述可控的力反馈装置以提供作用在操作员输入构件上的反馈力。

另一种实施方式涉及一种操作运动控制系统的方法。该方法包括至少部分地根据第二操作参数的目标值与第二操作参数的实际值之间的控制偏差来调节运动控制系统的第一操作参数的值。该方法还包括至少部分地根据运动控制系统的操作员界面装置的操作员输入构件的运动来确定运动控制系统的第二操作参数的目标值。另外，该方法可包括以至少部分地根据控制偏差并使得反馈力相对于控制偏差的导数作为控制偏差的函数而变化的方式，操作被驱动地连接到操作员输入构件上的可控的力反馈装置来提供作用在操作员输入构件上的反馈力。

再一种实施方式涉及一种转向系统，该转向系统包括具有操作员输入构件的操作员界面装置，和被驱动地连接到操作员输入构件的可控的力反馈装置。该转向系统还包括控制器，该控制器操作可控的力反馈装置，以便至少部分地根据转向系统的操作参数的目标值与操作参数的实际值之间的控制偏差来提供作用在操作员输入构件上的反馈力。该控制器以使得反馈力相对于控制偏差的导数在第一正控制偏差值处降低的方式来调节反馈力。该控制器还以使得反馈力相对于控制偏差的导数在第二正控制偏差值处增大的方式来调节反馈力，第二正控制偏差值大于第一正控制偏差值。

附图说明

图1是显示本申请公开的作为机动机械转向系统的运动控制系统的一种实施方式的示意图；

图2图示显示本申请公开的运动控制系统的两个操作参数之间的一种关系；

图3是显示一种操作本申请的运动控制系统的方法的流程图；

图4A图示显示本申请的运动控制系统的控制偏差和反馈力之间保持的一种关系；以及

图4B显示了图4A中的反馈力相对于控制偏差的导数。

具体实施方式

图1显示了本申请的运动控制系统10。运动控制系统10包括可动部件12、动力源11、操作员界面装置13及用于控制可动部件12运动的控制器14。

部分有赖于运动控制系统10的使用目的，可动部件12可包括不同数目和类型的部件。在一些实施方式中，如图1所示的实例，运动控制系统10可以是用于具有推进系统47的机动机械46的转向系统。相应地，可动部件12可包括转向装置48、49，以传递转向力给机动机械46周围的环境，使机动机械46转向。如图1所示，在一些实施方式中，转向装置48、49可以是轮。可动部件12可包括与转向装置48、49相连的部件，以调节转向装置48和转向装置49之间的转向角θ。例如，在图1所示的实施方式中，运动控制系统10形成了枢接的转向系统，在这种情形中，可动部件12包括供转向装置48安装在上面的可动框架部50，以及供转向装置49安装在上面的可动框架部51。通过使框架部50、51围绕轴线56相对彼此枢转，位于框架部50、51之间的枢接接头54可以调节转向角θ。在这种运动控制系统10形成了枢接的转向系统的实施方式中，转向装置48和转向装置49之间的角度等于框架部50、51之间的角度。因此，在这种实施方式中，框架部50、51之间的角度构成转向角θ。

当然，在一些实施方式中，运动控制系统10形成了枢接的转向系统以外的转向系统。例如，运动控制系统10形成阿克曼(Ackerman)型转向系统。阿克曼型转向系统例如具有转向装置48，该转向装置48连接到机动机械46的框架上，使转向装置48相对于机动机械46的框架枢转能改变转向装置48相对于机动机械46纵向轴线的角度。因此，在运动控制系统10构成了阿克曼型转向系统的实施方式中，转向角θ可构成转向装置48的总体方向指向和转向装置49总体方向指向之间的夹角。当然，一个转向装置48可指向略不同于另一转向装置48的方向和/或一个转向装置49可指向略不同于另一转向装置49的方向。在一个转向装置48指向略不同于另一转向装置48的方向的情况下，一个转向装置48指向的方向可限定转向角θ，或多个转向装置48指向的平均方向限定转向角θ。类似地，在一个转向装置49指向略不同于另一转向装置49的方向的情况下，一个转向装置49指向的方向可限定转向角θ，或多个转向装置49指向的平均方向限定转向角θ。

动力源11可包括给运动控制系统10提供动力的任何一个部件或多个部件。动力源11可以各种方式提供动力，例如机械地、通过供应加压液压流体、通过供应加压空气和/或通过供电而提供动力。如图1所示，在一些实施方式中，动力源11可包括推进系统47的发动机40、被驱动地连接到发动机40的液压泵42和被驱动地连接到发动机40的发电机43。

操作员界面装置13可包括可动的操作员输入构件20。如图1所示，在一些实施方式中，操作员输入构件20可以是手柄，例如是操纵杆。操作员界面装置13设置成允许操作员输入构件20以不同方式动作。在一些实施方式中，操作员输入构件20围绕轴线22枢转。另外，在一些实施方式中，操作员输入构件20具有受到限制的运动范围。例如，在一些实施方式中，操作员输入构件20可绕轴线22枢转小于180度。

操作员界面装置13至少部分地根据操作员输入构件20的运动产生输入信号S_i。在一些实施方式中，操作员界面装置13可以产生输入信号S_i，其方式是使得输入信号S_i的值对应于操作员输入构件20的位置。操作员界面装置13还可以用不同方式传递输入信号S_i，包括但不限于电学方式、光学方式、磁方式、无线方式和/或使用流体压力。输入信号S_i可用于不同目的。在一些实施方式中，输入信号S_i可指示用于可动部件12和/或与可动部件12连接的控制器14的部件的运动的一个或多个参数的目标值。例如，输入信号S_i可指示用于转向角θ的目标值。

如图1所示，操作员界面装置13还可包括可控的力反馈装置18，该可控的力反馈装置18被驱动地连接到操作员输入构件20。可控的力反馈装置18可具有一个或多个部件，该一个或多个部件容许反馈力作用到操作员输入构件20，并独立于操作员输入构件20的位置来调节反馈力的大小。这里使用的术语“反馈力”指的是可控力反馈装置18施加在操作员输入构件20上的线性力和/或力矩。可控的力反馈装置18可包括例如可驱动地连接到操作员输入构件20的动力致动器19，例如电动机。可控的力反馈装置18可以各种方式接收动力源11的动力。例如，在可控的力反馈装置18包括电动机的一些实施方式中，发电机43可用于提供电力来操作可控的力反馈装置18。

控制器14可具有任何一个或多个部件，该一个或多个部件可以操作以便至少部分地根据通过操作员界面装置13接收到的输入来控制运动控制系统10的一个或多个方面的工作。在一些实施方式中，控制器14可包括致动器16以控制可动部件12的一个或多个方面的运动。致动器16可以是线性致动器、转动致动器或一种产生既不是纯转动也不是纯线性运动类型的致动器。另外，致动器16可以是例如液压致动器、气动致动器或电致动器。如图1所示，在一些实施方式中，致动器16可以是具有壳体32和驱动件34的液压缸。

致动器16可被驱动地连接到可动部件12上。例如，如图1所示，致动器16被驱动地直接连接到框架部50、51的每一个上，以及通过每个框架部50、51驱动地、间接地连接到转向装置48、49上。这使得致动器16能够驱动框架部50、51，及转向装置48、49。如图1所示，在一些实施方式中，致动器16可连接到框架部50，51上，其方式是能够通过使框架部50和转向装置48相对于框架部51和转向装置49围绕轴线56转动，使致动器16调节转向角θ。

控制器14还可包括用于收集有关致动器16和/或可动部件12的运动信息的设备，例如一个或多个传感器。例如，控制器14可具有传感器28，用于提供与致动器16和可动部件12的运动的一个或多个参数的实际值有关的传感器信号S_S。例如，传感器28的传感器信号S_S可指示致动器16的驱动件34的位置。在图1所示的实施方式中，通过指示致动器16的驱动件34的位置，传感器信号S_S还可指示机动机械46的转向角θ和当前转弯半径。传感器28可用不同的方式传递信号S_S，包括但不限于电学方式、光学方式、机械方式、磁方式、无线方式和/或使用流体压力。

另外，控制器14还可包括用来控制可控力反馈装置18的设备。例如，控制器14可包括可操作地连接到可控力反馈装置18上的控制器24。控制器24可具有一个或多个处理器(未示出)和一个或多个存储装置(未示出)。控制器24可使用各种控制算法来操作可控力反馈装置18。本发明提供了下面控制器24可使用的一些示例性控制算法的细节。

控制器14还可包括用于控制致动器16的设备，例如用于产生控制致动器16运转的一个或多个方面的控制信号S_C的设备。控制信号S_C可用不同的方式传递信息，包括但不限于电学方式、光学方式、机械方式、磁方式、无线方式和/或使用流体压力。在一些实施方式中，控制器24可产生控制信号S_C。在一些实施方式中，控制器24至少部分地根据来自其他部件的输入来产生控制信号S_C，例如来自操作员界面装置13的输入信号S_i和来自传感器28的传感器信号S_S。控制器24可使用各种算法来产生控制信号S_C以达到各种目的。本发明提供了下面控制器24可使用来产生控制信号S_C的一些示例性控制算法的细节。

控制信号S_C可通过各种方式来控制致动器16的运转的各个方面。例如，控制信号S_C可通过控制控制部件26来控制动力从动力源11供应到致动器16，从而控制致动器16的位置、速度、加速度和/或力的输出。在一些实施方式中，控制部件26可以包括阀，该阀用来计量液压泵42和致动器16之间的流体流。另外，在一些实施方式中，控制部件26可以包括电控螺线管，该电控螺线管用来控制阀的一个或多个方面的操作。在这样的实施方式中，控制信号S_C例如包括流经电控螺线管的电流，由此通过控制阀的运行状态以及因此控制流体流入致动器16和/或从致动器16流出，控制致动器16的位置、速度、加速度和/或力的输出。当然，除了控制信号S_C，其他因素也会影响致动器16的位置、速度、加速度和力的输出。这些因素可包括例如液压泵42供给流体的压力和致动器16的负荷。

运动控制系统10不限于上面所讨论的例子。例如，除了动力致动器19，或代替动力致动器19，可控的力反馈装置18可包括其他类型的部件，这些部件可操作地施加可控反馈力给操作员输入构件20，例如一个或多个可控的制动器或可控的阻尼器。另外，操作员输入构件20还可以是不同于操纵杆类型的手柄，例如是方向盘，或其他不同于手柄的部件，例如踏板。类似地，不同于围绕轴线22枢转，操作员输入构件20可用不同方式运动，例如直线地运动。

另外，控制信号S_C可通过不同于控制部件26的方式来控制致动器16。在一些实施方式中，控制信号S_C可直接地控制致动器16的一个或多个部件来控制致动器16的一个或多个方面的操作。替代的是，在一些实施方式中，控制信号S_C可通过控制动力源11的一个或多个方面的操作来控制致动器16的一个或多个方面的操作。另外，在一些实施方式中，控制器14可使用多于一个的控制信号来控制致动器16。

运动控制系统10还可包括图1中没有显示出的部件和/或省略图1中显示的一个或多个部件。例如，运动控制系统10可具有不同于图1中所示的可动部件12的数量。在一些实施方式中，运动控制系统10可包括被驱动地连接在致动器16上的单个可动部件12。另外，运动控制系统10还具有不同于控制器24的设备，以操作可控的力反馈装置18和产生控制信号S_C，例如，硬件控制电路、液压控制器、气动控制器、机械控制器和/或其组合。运动控制系统10还可具有一个或多个附加的致动器。在一些实施方式中，运动控制系统10可包括连接在框架部50、51之间的附加的致动器，类似于致动器16，但位于枢转接头54的相对侧。在一些实施方式中，控制器14例如用与控制信号S_C大小相等、方向相反的控制信号来控制附加的致动器，以帮助致动器16调节转向角θ。

运动控制系统10还可具有用来转向机动机械46的不同构造的可动部件12。例如，运动控制系统10可省去一个或多个转向装置48、49，和/或具有多于图1所示的转向装置。另外，除了轮的形式，转向装置48、49还可以是牵引单元、滑板或用于施加转向力给地面从而使机动机械46转向的其他形式的装置。另外，运动控制系统10可以是另一种形式的转向系统，而非枢接转向系统或阿克曼型转向系统，例如是滑板型转向系统。另外，在一些实施方式中，机动机械46可以是船舶或航空器，并且转向装置48、49可以是施加转向力给围绕在机动机械46周围的流体的装置，例如方向舵。

运动控制系统10还可以是不同于机动机械的转向系统的其他类型的系统，例如推进系统、挖掘机或吊车。在一些实施方式中，运动控制系统10可具有固定的基座。

工业实用性

运动控制系统10可用于需要控制可动部件12的一个或多个方面运动的任何任务。运动控制系统10的控制器14可用各种方式来控制可动部件12，以实现各种目的。

在一些实施方式中，控制器14可利用控制信号S_C调节运动控制系统10的第一操作参数的值以获得运动控制系统10的第二操作参数的目标值。例如，控制器14可通过调节控制信号S_C来调节致动器16的速度，以获得与可动部件12的位置相关的参数的目标值。控制器14可例如通过调节控制信号S_C来调整致动器16的速度，以获得转向角θ的目标值TAR_V。

当然，转向角θ的目标值TAR_V可等于一个或多个相应操作参数的目标值，并且通过调节控制信号S_C的值来调节致动器16的速度可等效于调节一个或多个相应的操作参数的值。例如在图1所示的实施方式中，转向角θ任何特定的值对应于机动机械46的一个特定的转弯半径，转向角θ的目标值可包括机动机械46的转弯半径的目标值。类似的，因为转向角θ的任何特定的值对应于可动部件12相对于彼此的特定位置以及致动器16的驱动件34的一个特定位置，转向角θ的目标值TAR_V可构成各个组件的每一个的位置的目标值。另外，在图1所示的实施方式中，调节致动器16的速度还构成调节转向角θ的变化率和机动机械46的转弯半径的变化率。

控制器14可根据不同的因素确定转向角θ的目标值TAR_V。在一些实施方式中，控制器14可利用输入信号S_i来指示转向角θ的目标值TAR_V。另外，如上所述，操作员界面装置13产生输入信号S_i，使得输入信号S_i对应于操作员输入构件20的位置。相应地，转向角θ的目标值TAR_V可作为操作员输入构件20的位置的函数变化。图2提供了一个例子，说明转向角θ的目标值TAR_V是如何作为操作员输入构件20的位置的函数变化。在图2的水平轴线上，零对应于操作员输入构件20的默认位置。沿着图2中水平轴线增加的正数值对应于操作员输入构件20在一个方向上越来越远离其默认位置的位置；增加的负数值对应于操作员输入构件20在相反方向上越来越远离其默认位置的位置。

控制器14可使用各种闭环控制算法，通过调节控制信号S_C来调节致动器16的速度，以实现获得转向角θ的目标值TAR_V的目的。例如，控制器14可使用图3中所示的控制算法。根据这种控制方法，通过从转向角θ的目标值TAR_V减去转向角θ的实际值ACT_V，控制器14首先确定控制偏差E_C(步骤58)。控制器14可使用各种方式来确定转向角θ的实际值ACT_V。在一些实施方式中，控制器14使用传感器信号S_S以作为转向角θ的指示。

确定控制偏差E_C之后，控制器14可根据控制偏差E_C产生控制信号S_C(步骤60)来控制致动器16的速度。控制器14反复地执行该过程。利用这种方法，控制器14可以各种方式根据控制偏差E_C调节控制信号S_C和致动器16的速度。在一些实施方式中，在控制偏差E_C增加的任何时刻，控制器14以增加致动器16的速度从而朝着目标值TAR_V更加迅速地驱动转向角θ的方式调节控制信号S_C。当然在一些时刻，控制器14会达到使致动器16速度增加的最大能力，随后控制器14无法根据控制偏差E_C的进一步增加来增加致动器16的速度。各种因素都会影响控制器14增大致动器16速度的最大能力。例如，在致动器16以液压流体的形式从液压泵42接受动力的实施方式中，液压流体从液压泵42流向致动器16的最大可能流速会限定使致动器16速度增加的最大能力。

在根据控制偏差E_C以调节控制信号S_C从而调节致动器16的速度获得转向角θ的目标值TAR_V的同时，控制器14可操作可控的力反馈装置18以提供作用在操作员输入构件20上的反馈力。例如在图1所示实施方式的情况下，控制器24可操作动力致动器19以施加力矩给操作员输入构件20。控制器14可根据各种控制算法来操作可控的力反馈装置18。

在一些实施方式中，只要控制偏差E_C具有一个非零值，控制器14可操作可控的力反馈装置18以提供作用在操作员输入构件20上的反馈力。例如，只要控制偏差E_C具有一个非零值，控制器14操作可控的力反馈装置18以朝着输入信号S_i指示的转向角θ的目标值TAR_V与转向角θ的实际值相对应的位置驱动操作员输入构件20。这样，当操作员在增加转向角θ的目标值TAR_V和转向角θ的实际值之间的差的方向上移动操作员输入构件20时，控制器14产生一个阻力给操作员。这种阻力可暗示操作员控制器14正在根据操作员对操作员输入构件20发出的指令获得转向角θ的目标值TAR_V。另外，当控制偏差E_C具有一个非零值时，如果操作员释放操作员输入构件20，可控的力反馈装置18产生的反馈力可朝着使转向角θ的目标值TAR_V与实际值ACT_V相对应的位置驱动操作员输入构件20。

控制器14可基于各种因素以各种方式控制作用在操作员输入构件20上的反馈力的大小。在一些实施方式中，控制器14可至少部分地基于控制偏差E_C控制反馈力的大小。图4A提供了控制器14如何作为控制偏差E_C的函数来控制作用在操作员输入构件20上的反馈力的大小的一个实例。在图4A中，控制偏差E_C沿着水平轴线变化，反馈力沿着垂直轴线变化。在图4A中，反馈力的正值指示一个方向上的力，而反馈力的负值指示相反方向上的力。图4B显示了图4A所示的反馈力相对于控制偏差E_C的导数。在图4B中，控制偏差E_C沿着水平轴线变化，反馈力相对于控制偏差E_C的导数沿着垂直轴线变化。

在从零控制偏差值到第一正控制偏差值V_e1的第一范围R_e1中，控制器14会相对高地保持反馈力相对于控制偏差E_C的导数。当控制偏差E_C从零开始偏离时，通过使反馈力相对迅速增加，控制器14可保证在控制偏差E_C数值较小时操作员接收到感觉得到的反馈。这还可有助于克服阻碍操作员输入构件20运动的摩擦。

在第一正控制偏差值V_e1处，控制器14可降低反馈力相对于控制偏差E_C的导数。如图4B所示，在一些实施方式中，控制器14可以阶跃方式降低反馈力相对于控制偏差E_C的导数。

另外，控制器14可操作可控的力反馈装置18，使得反馈力相对于控制偏差E_C的导数在从第一正控制偏差值V_e1向第二正控制偏差值V_e2变化的第二范围R_e2上的平均值小于反馈力相对于控制偏差E_C的导数在第一范围R_e1上的平均值。另外，在一些实施方式中，控制器14保持反馈力在整个第二范围R_e2上相对于控制偏差E_C的导数低于在第一范围R_e1上的导数。通过在控制偏差E_C的中等值处相对逐步地增加反馈力，控制器14会提示操作员施加逐渐增加的努力以实现转向角θ的目标值TAR_V，而无需不适当的力来运动操作员输入构件20。

在第二正控制偏差值V_e2处，控制器14会增加反馈力相对于控制偏差E_C的导数。如图4B所示，在一些实施方式中，控制器14可以阶跃方式降低反馈力相对于控制偏差E_C的导数。

另外，控制器14可操作可控的力反馈装置18，使得反馈力相对于控制偏差E_C的导数在从第二正控制偏差值V_e2向第三正控制偏差值V_e3变化的第三范围R_e3上的平均值大于反馈力相对于控制偏差E_C的导数在第二范围R_e2上的导数平均值。在一些实施方式中，控制器14保持反馈力在整个第三范围R_e3上相对于控制偏差E_C的导数大于在第二范围R_e2上的导数。通过使反馈力在大控制偏差值处相对迅速增加，控制器14可提示操作员，控制器14正在使用可利用的能力的相对高的百分比，以便根据操作员的指令朝目标值TAR_V调节转向角θ，并且进一步运动操作员输入构件20不会使转向角θ的改变更快。这还有助防止操作员将操作员输入构件20无意地运动到指示转向角θ的目标值TAR_V大于操作员实际需要的位置。

另外，在一些实施方式中，第三正控制偏差值V_e3基本上与达到最大能力的控制器14一致，以增加转向角θ的变化率从而朝着目标值TAR_V驱动转向角θ。例如，第三正控制偏差值V_e3基本上与控制器14在当前情况下最大可能地调节液压流体从液压泵42到致动器16的操作点一致。在这种实施方式中，当控制偏差E_C到达第三正控制偏差V_e3时，反馈力的突然增加可作为使操作员确信控制器14不能朝着目标值TAR_V更快地调节转向角θ的一种方式。

在第三正控制偏差V_e3处，控制器14可再次降低反馈力相对于控制偏差E_C的导数。如图4B所示，在一些实施方式中，在第三正控制偏差V_e3处，控制器14可以阶跃方式降低反馈力相对于控制偏差E_C的导数。

另外，控制器14可操作可控的力反馈装置18，使得反馈力相对于控制偏差E_C的导数在从第三正控制偏差值V_e3到第四正控制偏差值V_e4变化的第四范围R_e4上的平均值小于反馈力相对于控制偏差E_C的导数在第三范围R_e3上的平均值。另外，在一些实施方式中，控制器14将反馈力相对于控制偏差E_C的导数在整个第四范围R_e4上保持在基本等于零。通过限定反馈力大小的上限值，控制器14可保证操作员总是能够克服操作员输入构件20上施加的反馈力，无论控制偏差E_C的大小。

如图4A、4B所反映出的，控制器14还可以改变反馈力相对于控制偏差E_C的导数为负的控制偏差值。在一些实施方式中，除了在相反方向上施加反馈力，控制器14可以在不断增大的负控制偏差值和反馈力之间提供控制器14在不断增大的正控制偏差值和反馈力之间所提供的基本同样的关系。

控制器14所采用的控制方法不限于上面所讨论的例子。例如，除了输入信号S_i之外，控制器14可以在其他因素基础上建立转向角θ的目标值TAR_V，例如，机动机械46的运行速度。在这样的实施方式中，如果其他参数变化，转向角θ的目标值TAR_V也会发生变化，而无需操作者运动操作员输入构件20。类似地，除了控制偏差E_C之外，控制器14可根据其他因素控制作用在操作员输入构件20上的反馈力，例如机动机械46的速度和/或操作员输入构件20的位置。

另外，控制偏差E_C和反馈力之间的关系并且因此控制偏差E_C和反馈力相对于控制偏差E_C的导数之间的关系可以不同于图4A、4B所示的各种方式变化。在一些实施方式中，控制器14在控制偏差值接近零时提供零反馈力。替代的是，在控制偏差接近零时，控制器14可以提供比图4A所示的更大的反馈力。另外，控制器14可以使反馈力相对于控制偏差E_C的导数波动次数多于或少于图4B所示。另外，控制器14可以逐步地改变反馈力相对于控制偏差的导数，而不是以图4B中所示的阶跃方式改变反馈力相对于控制偏差的导数。

另外，控制器14可省略上面所讨论的一个或多个动作，例如，在可控的力反馈装置18包括可控的制动器而不是动力致动器的实施方式中，当操作员释放操作员输入构件20时，控制器14无法操作可控的力反馈装置18以运动操作员输入构件20。

另外，控制器14可以使用上面所讨论的方法来调节致动器16的速度以外的操作参数和/或为了实现获得转向角θ以外的第二操作参数的目标值。例如，控制器14可使用上面所讨论的控制方法来调节例如致动器16的位置、加速度、力的输出或力矩输出的参数，以实现运动控制系统10的其他操作参数的目标值。类似地，控制器14可使用上面所讨论的控制方法来进行调节运动控制系统10的参数，以获得不同的有关转向的参数的目标值或与转向无关的参数的目标值，例如与挖掘机、吊车或推进系统的操作有关的参数。

对本领域技术人员来说，在不背离本发明的范围的条件可对运动控制系统和方法做出各种改变和修改。在考虑过说明书和这里所公开的运动控制系统和方法的实施方式之后，所公开的运动控制系统和方法的其他的实施方式对本领域技术人员来说将是可以想到的。这里的说明和例子仅是示例性的，本发明真正的保护范围将由所附的权利要求及其等价物所确定。

Claims

1、一种运动控制系统(10)，包括：

操作员界面装置(13)，所述操作员界面装置(13)具有：

操作员输入构件(20)；

可控的力反馈装置(18)，其被驱动地连接到所述操作员输入构件；和

控制器(14)，其用于调整一个或多个可动部件(12)的运动，包括以至少部分地根据第二操作参数(θ)的目标值(TAR_V)与所述第二操作参数的实际值(ACT_V)之间的控制偏差(E_C)的方式来调节第一操作参数，所述第二操作参数的所述目标值至少部分取决于所述操作员输入构件的运动，

其中，以至少部分地根据所述控制偏差并使得所述反馈力相对于所述控制偏差的导数至少部分地依赖于所述控制偏差而变化的方式，所述控制器还操作所述可控的力反馈装置以提供作用在所述操作员输入构件上的反馈力。

2、如权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述第二操作参数的所述目标值对应于所述操作员界面装置产生的输入信号(S_i)的值，所述输入信号对应于所述操作员输入构件的位置。

3、如权利要求2所述的运动控制系统，其中，

所述可控的力反馈装置包括动力致动器(19)；

以至少部分地根据所述控制偏差的方式操作所述可控的力反馈装置以提供作用在所述操作员输入构件上的反馈力包括操作所述动力驱动器以施加反馈力给所述操作员输入构件，使得如果操作员在所述控制偏差具有非零值时释放所述操作员输入构件，所述可控的力反馈装置朝着所述控制偏差为零的位置驱动所述操作员输入构件。

4、如权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述第二操作参数的所述目标值是所述一个或多个可动部件(12)的位置的目标值。

5、如权利要求4所述的运动控制系统，其中，

所述操作员界面装置产生对应于所述操作员输入构件的位置的输入信号(S_i)；和

所述输入信号指示所述第二操作参数的所述目标值。

6、如权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述控制器以如下方式操作所述可控的力反馈装置，使得

所述反馈力相对于所述控制偏差的导数在控制偏差值达到第一正控制偏差值(V_e1)的第一范围(R_e1)上的平均值大于所述反馈力相对于所述控制偏差的导数在从所述第一正控制偏差值到第二正控制偏差值的第二范围(R_e2)上的平均值；和

所述反馈力相对于所述控制偏差的导数在控制偏差值的所述第二范围上的平均值小于所述反馈力相对于所述控制偏差的导数在控制偏差值从所述第二正控制偏差值开始的第三范围(R_e3)上的平均值。

7、一种操作运动控制系统(10)的方法，包括：

至少部分地根据第二操作参数(θ)的目标值(TAR_V)与所述第二操作参数的实际值(ACT_V)之间的控制偏差(E_C)来调节所述运动控制系统的第一操作参数的值；

至少部分地根据所述运动控制系统的操作员界面装置(13)的操作员输入构件(20)的运动来确定所述运动控制系统的所述第二操作参数的目标值；和

以至少部分地根据所述控制偏差并使得反馈力相对于所述控制偏差的导数作为所述控制偏差的函数而变化的方式，操作被驱动地连接到所述操作员输入构件的可控的力反馈装置(18)来提供作用在所述操作员输入构件上的反馈力。

8、如权利要求7所述的方法，其中，

至少部分地根据所述控制偏差调节所述第一操作参数的值包括随着控制偏差的增大而增加所述第一操作参数的值，直到达到增加所述第一操作参数的值的最大能力；和

以至少部分地根据所述控制偏差的方式提供作用在所述操作员输入构件上的反馈力包括与达到增加所述第一操作参数的值的最大能力基本上一致地使所述反馈力相对于所述控制偏差的导数增加。

9、如权利要求7所述的方法，其中，以至少部分地根据所述控制偏差的方式提供作用在所述操作员输入构件上的反馈力包括：

在第一正控制偏差值(V_e1)处降低所述反馈力相对于所述控制偏差的导数；和

在第二正控制偏差值(V_e2)处增加所述反馈力相对于所述控制偏差的导数，所述第二正控制偏差值大于所述第一正控制偏差值。

10、如权利要求9所述的方法，其中，至少部分地根据所述控制偏差调节所述第一操作参数的值包括随着控制偏差的增大而增加所述第一操作参数的值，使得与所述第二正控制偏差值基本上一致地达到增加所述第一操作参数的最大能力。