CN105916748A - 具有冗余机械控制的直观的线控转向 - Google Patents

Abstract

一种在需要逆转向的车辆上的线控转向系统，所述线控转向系统包括：驾驶员输入机构，例如，方向盘、操纵杆、声音控制接收器、或键盘；以及控制系统。传感器接收驾驶员输入并将信息发送至所述控制系统。例如离合器的啮合机构使所述驾驶员输入机构断开而不控制所述车辆。所述控制系统还包括至少一个致动器、车轮、以及经由所述啮合机构可控的机械联动装置，以便用于视情况而将所述控制系统链接到转向机构，例如车辆的前轮。

Description

具有冗余机械控制的直观的线控转向

技术领域

本发明的实施方式总体涉及运输车辆，并且更具体地涉及车辆转向系统。

附图说明

本发明的非限制性和非穷尽的实施方式参考了以下的附图进行描述，其中，除非特别说明，否则在各个视图中，相同的附图标记指代相同的部件。应当理解的是，附图并未按照比例绘制。

以下为对某些细节和实现方式的描述(包括对附图的描述)，其可以描绘下文中所描述的一些或所有的实施方式，以及讨论本文中所呈现的创新性概念的其它潜在的实施方式或实现方式。在下文中提供了对本发明的多个实施方式的概览，随后参考附图进行更详细地描述。

具体实施方式

在下面的描述中，提出许多具体细节来提供对多个实施方式的透彻理解。然而，在相关领域中的技术人员将认识到，本文中所描述的技术无需一个或多个具体细节而可被实践，或通过其它方法、组件、材料等可被实践。在其它变型中，未示出或未详细描述熟知的结构、材料、或操作，以避免某些方面不清楚。

本发明涉及车辆转向领域，特别是利用用于提供直观的用户体验的机械冗余而改进的主动的、线控转向系统。驾驶员在操作期间主要通过改变车辆速度和/或逆转向(即，对于例如单跟踪系统的、类似类型的当静止或当处于低速时利用横向稳定性的跟踪系统的车辆、或链接倾斜的车辆)来稳定车辆状态。逆转向描述了这样一种概念，其中驾驶员首先从与驾驶员期望行进的方向相反的方向转向以便使车辆不稳定，直到实现必要的倾斜。之后，驾驶员朝向所期望的方向而矫正转向以沿着该转向来导向车辆。本发明的实施方式基于这种在车辆操作中使用户体验复杂化的反直觉过程而改进。

本发明的实施方式描述了一种车辆控制系统，所述车辆控制系统包括至少一个驾驶员输入机构、至少一个控制致动器、和连接于至少两个或更多个车轮的一个控制处理器/控制器。操作以上的组件以根据需要使车辆逆转向，实施陀螺式稳定或实施逆转向和陀螺式稳定的组合，这些操作根据驾驶员的保持稳定的一个或多个指令来执行而无需驾驶员来逆转向。该控制系统将用户输入(例如，方向盘角度和加速器踏板角度)转换成马达/致动器指令，这些指令可以用于同时(或接近同时)跟踪横摆角速度(yaw rate)和车辆速度并且稳定车辆状态(例如，滚动角度/滚动速度、转向角度/转向速度等)。

上述的实施方式还可以包括给驾驶员触觉反馈的构件，以使得驾驶体验对于驾驶员更直观。

触觉反馈系统指示执行所请求的操作所需要的控制力、以及来自路面状况的反馈。这被实施为转向致动系统(方向盘、操纵杆、手把等)上的响应扭矩。当驾驶员输入所需要的转向角度时，触觉系统将对抗与完成所述转向角度所需要的控制动作量成比例的输入。增加到该扭矩的将是来自路面状况的反馈以给驾驶员一种“路面感受”的感觉。触觉反馈可以经由与方向盘的轴连接的伺服马达(在机械离合器之前)来完成，并且通过转向控制系统来致动。

如下文参考附图来描述，本发明的实施方式利用线控转向概念。“线控”转向考虑了对车辆的更精确地控制；现有技术的解决方案从未应用线控转向概念来解决逆转向。

本发明的实施方式还描述了电子控制的线控转向概念，其另外由机械防故障装置转向系统来支持。因此，本发明的实施方式可以或不可以通过功率/电子组件、或计算机处理组件(例如，图4中示出的系统控制器的组件)来改进。

通过将驾驶员输入与转向控制脱离，本发明的实施方式能够通过支持由远程设备发送的转向控制指令而实现远程转向并且允许改进或覆盖驾驶员输入。而且，远程驾驶员不需要提供逆转向指令以远程操作具有当静止时或当处于低速时利用横向稳定性的跟踪系统的车辆。

本发明的实施方式描述了用于实现转向控制来替代驾驶员需要逆转向的方法和步骤。图1为一些组件的框图，所述组件可以包括在车辆中以执行所述方法和步骤。

所述方法和步骤的操作包括经由传感器从转向机构(例如，方向盘)接收用户输入，例如来指示方向盘位置；经由传感器接收车辆状态信息(例如，车辆速度、飞轮扭矩输出、路面车轮位置、反馈扭矩传感器)；经由传感器接收外部数据(例如，路面牵引力、天气影响)。

该数据和信息被分析以确定如何根据用户的指令来使车辆响应。指令信号通过由驾驶员直接输入到输入机构中而生成或者从远程指令设备接收，以控制多个转向致动器、陀螺仪稳定系统中的飞轮、或转向致动器和飞轮二者的组合中的至少一者，从而根据用户指令直接地致动车辆的方向。

上述的实施方式包括经由电子组件和传感器组件来执行操作，多个实施方式还可以包括用于冗余的机械实施方式。所述机械实施方式可以包括：根据电子故障或驾驶员指令，重新建立驾驶员输入机构到路面车轮的啮合机构、以及啮合机械变速箱的装置，以允许驾驶员连续直观的转向，所述机械变速箱采用包括机械变速箱/行星机构/控制杆组件(包括齿轮/行星机构、控制杆组件)或液压泵和活塞的任意组合或机械等效物的机械装置。

图2为根据本发明的实施方式的转向系统的一些组件的框图。图3为根据本发明的实施方式的转向系统的视图。所述转向系统可以包括驾驶员输入机构(例如，方向盘、操纵杆、声音指令接收器、键盘等)、接收驾驶员输入并且将信息发送到控制系统的传感器、将驾驶员输入机构与车辆控制装置(例如，离合器)分离的机械设备、电子控制系统、至少一个致动器和车轮(例如，路面车轮)。如本文所描述的，电子控制系统可以控制车辆的转向。而且，可以包括机械联动装置，该机械联动装置可以通过应用离合器类型的机构而啮合/脱离，以便视情况而使电子控制系统链接转向机构(即，前轮)。在一些实施方式中，在电子系统的故障时，离合器啮合机械联动装置，故驾驶员输入机构可以实施机械防故障装置(前面描述的)以继续使车辆转向而无需逆转向。

本发明的实施方式可以应用于具有陀螺稳定系统的车辆(例如，在图5中示出和下文进一步描述的车辆)。本发明的实施方式还可以应用于不具有陀螺系统的车辆。

本发明的实施方式可以描述一种控制系统，所述控制系统包括处理器、存储器模块、和储存在存储器中并且经由处理器执行的控制模块。控制模块可以执行以下操作：从多个传感器接收数据，该数据指示驾驶员驶入、车辆的车架的定向、车辆的前轮相对于车架的定向、包括在联接至车架的陀螺仪单元中的多个飞轮的定向和旋转速度、以及车架的速度；至少部分地基于所接收到的数据来确定当前车辆状态；并且至少部分地基于当前车辆状态，通过调节至少一个飞轮的从与车辆的前轮的旋转轴线垂直的旋转轴线倾斜的旋转速度，而调节陀螺仪单元的输出扭矩。调节输出扭矩可以包括但不限于增大至少一个飞轮的倾斜的旋转速度以增大陀螺仪单元的输出扭矩，以及响应于确定当前车辆状态而使倾斜的旋转速度最小化以在延长的时间段使用陀螺仪单元的输出扭矩。

对于驾驶员，控制模块还可以在从驾驶员输入机构到路面车轮的机械联动装置脱离(例如，经由离合器)时，调节前轮的方向以逆转向(例如，经由电子信号指令)。

图4为根据本发明的实施方式的执行系统控制器的计算设备的视图。如所示出的系统400可以为包括在本文中所描述的车辆中的任何计算设备。如所示出的，系统400包括用于通信信息的总线通信机构418以及联接至总线418用于处理信息的处理器410。该系统还包括联接至总线418用于存储待被处理器410执行的信息和指令的易失性存储器412(可替选地，在本文中指代主存储器)。主存储器412还可以在处理器410执行指令期间用于存储临时变量或其它中间信息。该系统还可以包括联接至总线418用于存储处理器410的静态信息和指令的静态存储设备416、和例如磁盘或光盘及其对应的盘驱动器的数据存储设备414。数据存储设备414联接至总线418以用于存储信息和指令。在其它的实施方式中，总线通信可以由其它的通信网络替代。

该系统还可以联接至显示设备420，例如通过总线426联接至总线418而用于将信息显示给计算机用户的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。输入输出(I/O)设备422还可以通过总线426联接至总线418以用于将信息和指令选择(例如，字母数字数据和/或光标控制信息)发送给处理器410。

可以可选择地联接至计算机系统400的另一设备为用于访问网络的通信设备424。通信设备424可以包括任意多种商业上可用的网络外围设备，例如那些用于联接至以太网、令牌环、因特网、或广域网的设备。通信设备424还可以为零调制解调器连接件或任何其它在计算机系统400和其它设备之间提供连接的机构。请注意，图4中示出的该系统的任何组件或所有组件以及相关的硬件可以用在本发明的各种实施方式中。

本领域普通技术人员可以理解的是，系统的任何配置可以用于根据特定的实现方式的各种目的。实现本发明的实施方式的控制逻辑或软件可以被存储在主存储器412、大容量存储设备414、或可由处理器410本地或远程访问的其它存储介质。

通信设备424可以包括硬件设备(例如，无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件组件(例如，驱动器、协议栈)以使得系统400与外部设备通信。该设备可以为分离的设备，例如其它计算设备、无线访问点或基站、以及外围设备(例如耳机、打印机)、或其它设备。

通信设备424可以有多种不同类型的连接：例如，蜂窝连接和无线连接。蜂窝连接通常指的是由无线载波提供的蜂窝网络连接，例如经由GSM(用于移动通信的全球系统)或变型或派生、CDMA(码分多址联接方式)或变型或派生、TDM(时分多路复用)或变型或派生、或其它蜂窝服务标准所提供。无线连接指的是非蜂窝的无线连接，并且可以包括个人局域网(例如，蓝牙)、局域网(例如，WiFi)和/或广域网(例如，WiMax)、或其它无线通信。

为本领域普通技术人员所显而易见的是，本文中所描述的系统、方法和步骤可以实现为存储在主存储器412或只读存储器416中并且由处理器410执行的软件。该控制逻辑或软件还可以存在于成品上，包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有其中具体化的计算机可读程序代码并且可被大容量存储设备414读取并且用于使处理器410根据本文中的方法和教导进行工作。

图5示出包括本发明的一个或多个实施方式的直列式两轮车辆。在该实施方式中，车辆500包括车辆车架502并且还包括第一驱动轮510和第二驱动轮520。

在该实施方式中，陀螺稳定单元530通过车辆车架502联接至车辆500。陀螺稳定器530可以包括容纳飞轮532和飞轮534的第一陀螺组件和第二陀螺组件；所述飞轮可以在尺寸和材料组成上不同，或可以基本上相同。

陀螺稳定器530可被控制，从而通过利用在每一陀螺的飞轮上的多于一个的控制轴线可以实现附加的对车辆定向的控制水平。当以与车辆滚动轴线和飞轮的旋转轴线互相正交的轴线排列时，一个受控的自由度可以控制车辆的滚动。附加的自由度允许在另一旋转轴线上进行控制。

在一些实施方式中，陀螺稳定器530还包括转盘以增大飞轮的可控轴线的数目。例如，示出的飞轮532和飞轮534直列式地联接至车辆车架(例如，针对前轮510和后轮520在长度方向上对齐)。所述转盘可以改变这些陀螺仪的对齐方式，以使其对齐方式朝向相对于车辆的车架在宽度方向上对齐。

其它实施方式可以包括重新布置陀螺稳定器排列位置或调节飞轮相对于高度的对齐方式的机构。

应理解的是，前面的说明意在是示意性的而非限制性的。在阅读和理解前面的说明之后，很多其它的实施方式将为本领域的技术人员所显而易见。因此，该发明的范围参考所附的权利要求、以及该权利要求所具有的等效替代的全部范围而确定。

前面的详细说明的一些部分根据计算机存储器内的关于数据位的操作的算法和符号表示而呈现。这些算法说明和呈现是为数据处理领域的技术人员所使用的手段以最有效地将他们的工作的实质传递给本领域的其它技术人员。算法在此并且通常被认为是引向所需要的结果的有条理的一连串操作。该操作为那些需要物理操作物理量的操作。通常尽管不是必要的，这些物理量采取能够存储、传递、组合、比较、和以其它方式操作的电信号或磁信号。主要出于通常使用的目的，已经证实有时将这些信号指代为比特、值、元件、符号、字符、术语、数字等等是方便的。

然而，应当记住的是，所有这些术语和类似的术语与合适的物理量相关并且仅仅为应用至这些量的方便的标签。如从上面的讨论中显而易见的是，除非特别说明，否则可以理解的是，贯穿说明，利用例如“捕获”、“发送”、“接收”、“解析”、“形成”、“监控”、“启动”、“执行”、“添加”等术语的论述指代计算机系统或类似的电子计算设备的动作和过程，其将在计算机系统的寄存器和存储器内的表示为物理(例如，电子)量的数据操作并且转换成计算机系统存储器或寄存器或其它该信息存储、传输或显示设备内的类似表示为物理量的其它数据。

本发明的实施方式还涉及用于执行本文中操作的装置。该装置可以特别地构造用于所需的目的，或其可以包括通过存储在计算机中的计算机程序可选择地启动或重新配置的通用计算机。该计算机程序可被存储在非易失性计算机可读存储介质中，例如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、只读光盘存储器(CD-ROM)、和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或光卡或任何类型的适于存储电子指令的介质。

前面的详细说明的一些部分根据计算机存储器内的关于数据位的操作的算法和符号表示而呈现。这些算法说明和呈现是为数据处理领域的技术人员所使用的手段以最有效地将他们的工作的实质传递给本领域的其它技术人员。算法在此并且通常被认为是导致所需要的结果的有条理的一连串操作。该步骤为那些需要物理操作物理量的操作。通常尽管不是必要的，这些物理量采取能够存储、传递、组合、比较、和以其它方式操作的电信号或磁信号。主要出于通常使用的目的，已经证实有时将这些信号指代为比特、值、元件、符号、字符、术语、数字等等是方便的。

然而，应当记住的是，所有这些术语和类似的术语与合适的物理量相关并且仅仅为应用至这些量的方便的标签。如从上面的讨论中显而易见的是，除非特别说明，否则可以理解的是，贯穿说明，利用例如“捕获”、“确定”、“分析”、“驱动”等术语的论述指代计算机系统或类似的电子计算设备的动作和过程，其将在计算机系统的寄存器和存储器内的表示为物理(例如，电子)量的数据操作并且转换成计算机系统存储器或寄存器或其它该信息存储、传输或显示设备内的类似表示为物理量的其它数据。

前面所呈现的算法和显示不固有地涉及到任何特定的计算机和其它装置。各种通用系统可以与根据本文中的教导的程序一起使用，或其可以证明方便地构造更专用的装置以执行所需的方法步骤。用于多种这些系统的所需的结构将从下文中的描述中显而易见。此外，本发明不参考任何特定的程序语言来描述。将可以理解的是，可以使用多种程序语言来实施如本文中所描述的公开的教导。

贯穿该说明书提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式而描述的特定的特征、结构、或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在贯穿前面的说明的各种位置中出现的短语“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”不一定均指代相同的实施方式。而且，特定的特征、结构、或特性可以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。

出于阐述的目的，本说明书已经参照具体实施方式而进行描述。然而，前面的示意性讨论不意在是穷尽的或将本发明限制为所公开的精确的形式。考虑到前面的教导，多种修改和改变是可以的。选择并描述实施方式以便更好地阐述本发明的原则和其实际的应用，以由此使本领域的技术人员更好地利用具有多种修改的实施方式，如可被适于所考虑的特定用途。

虽然以特定的序列或顺序示出了方法和过程，但是除非另有说明，所述动作的顺序可以被修改。因此，上文所述的方法和过程应当仅仅被理解为示例，并且也可以以不同的顺序执行，一些动作可以并行地执行。此外，在本发明的各种实施方式中可以省略一个或多个动作；因此，在每一个实现方式中，并不是需要所有的动作。其它的工作流程也是可能的。

Claims (9)

1.一种在需要逆转向的车辆上的线控转向系统，所述线控转向系统包括：

驾驶员输入机构；

控制系统；

传感器，所述传感器从所述驾驶员输入机构接收驾驶员输入并且将所述驾驶员输入发送至所述控制系统；

啮合机构，所述啮合机构使所述驾驶员输入机构断开而不控制所述车辆；

至少一个致动器；

车轮；以及

能够经由所述啮合机构控制的机械联动装置，以便用于将所述控制系统链接到转向机构。

2.根据权利要求1所述的线控转向系统，其中，在所述车辆的电子系统故障时，所述啮合机构啮合所述机械联动装置，从而所述驾驶员输入机构能够实施机械防故障装置以继续使所述车辆转向而无需逆转向。

3.根据权利要求1所述的线控转向系统，还包括触觉系统，所述触觉系统通过响应由触觉马达生成的扭矩而向驾驶员发出关于控制力和路面状况的信号。

4.一种用于车辆的转向控制的方法：

经由传感器接收用户转向输入；

经由传感器接收车辆状态数据；

经由传感器接收外部数据；

转换所述用户转向输入；

组合所述用户转向输入、所述车辆状态数据、或所述外部数据中的至少一些；以及

向转向致动器、陀螺稳定系统中的飞轮、或所述转向致动器和所述飞轮二者的组合中的至少一者生成指令信号；其中，所述指令信号根据所述用户转向输入直接地致动所述车辆的路面车轮方向。

5.一种控制系统，其包括：

处理器；

存储器模块；

存储在所述存储器模块中并且经由所述处理器执行的控制算法，以

从多个传感器接收数据，所述数据指示驾驶员输入、车辆的车架的定向、车辆的前轮相对于所述车架的定向、包括在联接至所述车架的陀螺仪单元中的多个飞轮的定向和旋转速度、以及所述车架的速度，

至少部分地基于所接收到的数据来确定当前车辆状态，

至少部分地基于所述当前车辆状态，通过调节至少一个飞轮的从与所述车辆的前轮的旋转轴线垂直的旋转轴线倾斜的旋转速度，而调节陀螺仪单元的输出扭矩，包括增大所述至少一个飞轮的所述倾斜的所述旋转速度以增大所述陀螺仪单元的所述输出扭矩，以及响应于确定所述当前车辆状态而使所述倾斜的所述旋转速度最小化以在延长的时间段使用所述陀螺仪单元的所述输出扭矩；以及

对于驾驶员，当离合器使从驾驶员输入机构到路面车辆的机械联动装置断开时，经由电子指令调节前轮的方向以逆转向以及驾驶员在车里时的用户体验。

6.根据权利要求5所述的控制算法，还使用至少一个调节以重新建立稳定性或使所述车辆转向。

7.一种车辆的冗余机械转向系统，所述系统包括：

驾驶员输入机构；

至少一个路面车轮；

啮合机构，所述啮合机构将所述驾驶员输入机构机械地啮合至转向控制件和所述车辆的所述至少一个路面车轮；以及

机械变速箱/行星机构/控制杆组件，所述控制杆组件/行星机构/控制杆组件包括齿轮/行星机构、控制杆组件或液压泵和活塞；

其中，所述冗余机械转向系统在所述车辆的电子故障时为自动默认的工作系统。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述系统还能够根据驾驶员指令而工作。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，根据电子故障或驾驶员指令，所述啮合机构重新建立从所述驾驶员输入机构到所述路面车轮的机械联动装置并且啮合所述机械变速箱，以允许驾驶员连续直观的转向，所述机械变速箱采用齿轮、行星机构、控制杆组件或液压泵和活塞的任意组合。