CN106155176B - 车辆控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一款车辆尤其是商用车辆的控制系统，其中所述控制系统包含沿第一系统轴安置的控制杆元件，其中所述第一系统轴在参考点处与第二系统轴和第三系统轴刚性连接，其中所述控制系统借助围绕参考点的旋转运行可从所述控制系统的初始位置发生偏转，其中至少一个用于各个系统轴主动移动的致动器和/或至少一个用于将各个系统轴复位至控制系统初始位置的复位元件与第二或第三系统轴其中至少一个轴经纵向轴的上末端相连。

Description

车辆控制系统
技术领域
本发明涉及一款车辆尤其是商用车辆的控制系统，其中所述控制系统包含沿第一系统轴安置的控制杆元件，其中所述第一系统轴在参考点处与第二系统轴和第三系统轴刚性连接，其中所述控制系统借助围绕参考点的旋转运行可从所述控制系统的初始位置发生偏转。
背景技术
配备多个可移动部件即功能部件或组件的车辆通常具有控制系统和控制这些可移动元件的控制元件。此类车辆的实例有叉车或拖拉机。另一个例子是所谓的挖掘机，通常用于土地挖掘作业。
这种挖掘机(参见图1a和1b)具有4种可移动元件：可向左或向右偏转的车厢，安置在车厢上可偏转的第一悬臂，安置在第一悬臂上可偏转的第二悬臂，和安置在第二悬臂上可偏转的铲斗。上述后三个元件优选可向上或向下可偏转地安置。也就是说，每个元件都有2个定向运动，总共有8个。
基于现有技术可知，能够控制可移动元件及其运动功能的叫做所谓的摇杆或操纵杆或控制杆元件，类似于轿车的变速杆，可由车辆使用者(车辆驾驶员)、挖掘机使用者(挖掘机驾驶员)手动在车厢内操作。这些控制元件例如可以通过驾驶员的肌肉力量从初始位置(基准位置，中立位置)向左、向右、向前和向后偏转运动。
ISO 10968标准例如就是针对控制杆的输入运动即基本功能到挖掘机输出运动即机械功能的分配。图1a和1b也是参照该标准。
此处显示了从挖掘机驾驶员的视角观察在一台基于现有技术的挖掘机内的指令概览，其中安置了一个可使用左手操作的控制杆25a和一个可使用右手操作的控制杆25b。所述两个操作杆25a和25b都能够从初始位置向前v、向后h、向左l和向右r偏转，其中在所述初始位置上控制杆25a和25b的纵向轴与图片平面垂直。V、h、l和r这些输入运动各自分配给安装在车辆13上的可移动部件11a、11b、11c和11d的输出运动。
其中在本示例下，所述可移动元件11a对应车厢14，所述可移动元件11b对应第一悬臂15，所述可移动元件11c对应第二悬臂16，所述可移动元件11对应挖斗26。
所述第一悬臂15经其第一末端15a可偏转地安置在所述车厢14上，其中所述第二悬臂16经其第一末端16a可偏转地安置在第一悬臂15的第二末端15b上。挖斗26可偏转地安置在第二悬臂16的第二末端16b上。车厢14围绕与车辆13垂直方向19c平行的轴偏转，而第一悬臂15、第二悬臂16和挖斗26则围绕与车辆13垂直方向19c垂直的方向偏转。车厢14的初始位置是指在该位置上车厢14的纵向方向19a与车辆13及所示链条的纵向延长方向平行并且与驾驶员的视线方向在前进方向上向前安置。同时还图示了车辆13的宽度方向19b和高度方向19c。
下列描述均以驾驶员视线为基准观察。
按照标准，左操纵杆25a向左l偏转移动触发车厢14向左的偏转移动11a1，左操纵杆25a向右r偏转移动触发车厢14向右的偏转移动11a2。如果左操纵杆25a向前v偏转移动，则第二悬臂被迫16向车辆14的前方偏转移动11c1,。如果左操纵杆25a向后h偏转移动，则第二悬臂16向后面的车厢14方向偏转移动11c2。
按照标准，右操纵杆25b向左l偏转移动触发挖斗26向后面的车厢14方向偏转移动11d1，右操纵杆25b向右r偏转移动触发挖斗26向车厢14的前方偏转移动11d2。如果右操纵杆25b向前v偏转移动，则第一悬臂15被迫向后面的车厢14方向偏转移动11b2,。如果右操纵杆25b向后h偏转移动，则第一悬臂15向车辆14的前方偏转移动11b1。
现在应开发一种具有多种优势的控制杆元件。一方面，控制杆元件从初始位置向左、向右、向前或向后的偏转应可被检测到。另一方面，当车辆驾驶员将所述控制杆元件在某个偏转位置松开且不再使用肌肉力量影响该控制杆元件时，该控制杆元件应该能够再次返回起始位置或初始位置。此外，应可通过所述控制系统主动控制和/或可编程控制该控制杆元件；也就是说该控制杆元件可以在没有肌肉量的影响下从起始位置向左、向右、向前和/或向后偏转，其中运动过程顺序优选可以进行预编程。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种车辆特别是商用车辆的控制系统，其中所述控制系统包含沿第一系统轴安置的控制杆元件，其中所述第一系统轴在参考点处与第二系统轴和第三系统轴刚性连接，其中所述控制系统借助围绕参考点的旋转运行可从所述控制系统的初始位置发生偏转，其中至少一个用于各个系统轴主动移动的致动器和/或至少一个用于将各个系统轴复位至控制系统初始位置的复位元件与第二或第三系统轴其中至少一个轴经纵向轴的上末端相连。
也就说主动的力发生器或主动的复位力发生器即致动器，和被动的复位力发生器即复位元件与控制杆元件相连。
同时，因为第一系统轴和第二与第三系统轴之间是刚性连接，因此控制杆元件围绕参考点旋转时造成整个系统自动围绕参考旋转。同样地，第二和第三系统轴之间优选采用刚性连接。
同时，所述控制系统从起始位置优选地可向所有方向偏转。将第一系统轴背离参考点的末端定义为系统点，其中第一系统轴上的其他所有点都可以用来观察。所述控制系统及第一系统点因此优选可以围绕第二系统轴偏转，和/或围绕第三系统轴偏转，甚至围绕各个系统轴既可以正方向(对应向前旋转)旋转也可以负向旋转(对应向后旋转)。另外，上述偏转也优选可以叠加。
同时，所述系统点从起始位置开始优选可以围绕第二和第三系统轴旋转±90°。例外，该旋转是无级连续的运动。
上述说明也同样适用于观察时将第二或第三系统轴上任意一点定义为第二或第三系统点，并类似地观察围绕第一和第三系统轴的偏转，或围绕第一和第二系统轴的偏转。另外，除了偏转移动之外，也可以想象得到控制元件沿所述方向进行平移运动；下面将基于偏转移动对本发明进行说明。
系统的偏转即围绕参考点的运动可以计算出来，方法是创建第一系统点的运动方程。该方程显示了第一系统点围绕参考点和其中一个系统轴沿半径为R的圆弧上的运动，其中R为第一系统点到参考点的距离。
例如，第一系统点仅围绕第三系统轴并优选在第一和第二系统轴形成的平面上进行旋转。然后，fx(px)就是第一系统点的运动方程，其中函数值fx(px)表示第一系统点相对于第一系统轴的坐标，px表示第一系统点相对于第二系统轴的坐标。Fx(px)和px的有效值在0至R范围内。
因此，第一系统点的fx运动方程可表述如下：
第一系统点仅围绕第二系统轴且优选在第一和第三系统轴所形成平面内旋转的运动方程fy(py)可经专家类比推导出来。
图2a和2b中的箭头以及图2a中的三维坐标系图示了运动方程fx(px)和fy(py)。同时，轴px平行于第二系统轴X，轴py平行于第三系统轴Y和轴fx，fy平行于第一系统轴Z。另外，根据图2a显示了从第一系统点到参考点2的距离R。
另外，专家也应该建立这些运动方程与第一系统轴偏转角度的依赖关系，其中该偏转角度的正切值对应px和fx(px)的商及py和fy(py)的商。例如，应在任意位置标出围绕第二系统轴X的偏转fy的偏转角度α。
同样，可为组合运动推导出叠加方程fxy(px,py)＝fx(px)+fy(py)。
另外，基于本发明的系统可以实现借助致动器可以主动控制相关系统轴，因此也就能够在没有车辆驾驶员干预的情况下实现对机器的外部控制。
同时，也能够在没有主动或待控制元件的干预下自动让系统轴返回至起始位置。该返回运动优选在不存在任何可以影响系统轴偏转的力的条件下实现。这种力例如可以是车辆驾驶员的肌肉力量或通过致动器提供的力量。
应当指出的是，基于本发明的控制系统优选借助经控制杆元件触发的围绕参考点的旋转运动实现偏转。这是当车辆驾驶员手动移动控制杆元件的情况。也有可能是这种旋转是由一个或多个与第二和/或第三系统轴相连的致动器触发的。而这又可以通过致动器主动触发各个轴运动实现。
为使控制系统能够围绕所有系统轴偏转相同程度，事实证明，第一、第二和第三系统轴应相互垂直安置。
优选应预定义控制系统的起始位置，并标记为3个系统轴无一偏移的位置，即当复位元件无法执行复位或继续复位时第一、第二和第三系统轴所在的位置。例如，在控制系统的起始位置上第一系统轴沿高度方向、第二系统轴沿纵向方向且第三系统轴沿宽度方向布置在车辆的车厢上。
在一种优选实施方案中，至少一个用于测量第二和/或第三系统轴的测量装置与第二或第三系统轴中至少一个轴经纵向轴的上末端相连。
所述测量装置预选测量各个系统轴的偏转。在已定义测量装置纵向轴上末端至参考点的距离时，可以计算得到各个轴偏转地角度。另外，按照上述内容通过各个轴运动方程的叠加可以结算系统的整体偏转。
优选地，至少一个纵向轴与和其相连的系统轴在沿其中至少一个纵向轴平移运动时刚性相连，并在围绕与其相连的系统轴作旋转运动时可移动地相连。
在本发明框架内将在后面使用“元件”这个术语，它代表致动器和/或复位元件和/或测量装置。
优选对元件自由度进行限制，使其不得在纵向轴上末端和与元件相连的系统轴之间移动。由其余控制系统传导至这些元件的运动将推动元件纵向轴的上末端和与该上末端刚性连接的元件。因此，各个系统轴围绕参考点或围绕另外两个系统轴中一个系统轴的旋转，从而推动与其连接的元件的纵向轴上末端基于偏转程度和元件位置向参考点移动。
各个系统轴的自传即围绕自身轴旋转优选不会对与其连接的元件的纵向轴位置产生任何影响。系统轴优选可以相对致动器和/或复位元件的纵向轴上末端实现扭转。这一动作优选可以实现，方法是致动器和/或复位元件纵向轴上末端和各个系统轴之间的连接位置设计为球窝关节或者一个沿各个轴取向的滑动套筒且具有一定间隙。
另外，所述元件的纵向轴优选和与其连接的系统轴在沿该系统轴平移运动时刚性连接，即沿该系统轴无法移动。在另外一种优选实施方案中，所述元件的纵向轴在此方向上可以移动。
另外，所述元件的纵向轴第二末端优选可移动地沿纵向轴安置。否则，优选可以实现至少一个自由度且更优选地通过滑动套筒限制所有其他自由度，其中所述纵向轴的第二末端可移动地安置在滑动套筒内。特别是优选在向上最大偏转时和向下最大偏转时，纵向轴至少部分安置在滑动套筒的上末端和下末端之间。另外，优选安置一个上末端挡块和/或一个下末端挡块，该挡块可以通过两个与纵向轴刚性连接且安置在该纵向轴上滑动套筒外部的制动盘实现，其中可以通过与各个制动盘与滑动套筒相应上末端或下末端的接触实现抵达相应末端挡块。
事实证明，在第二系统轴的起始位置上，与第二系统轴刚性连接的致动器、复位元件和测量装置的纵向轴优选相互平行和/或与第二系统轴垂直。通过与第二系统轴的所述垂直布置，确保第二系统轴的偏转以最大传动比转化为致动器、复位元件和测量装置的上末端偏转，另外降低了测量精度。此外，通过纵向轴的所述平行布置可最佳利用结构空间。另外，这使得测量装置偏转到致动器或复位元件偏转的转换计算变得十分简单。
出于相同的理由，在第三系统轴的起始位置上，与第三系统轴连接的致动器、复位元件和测量装置的纵向轴优选各自相互平行和/或与第三系统轴垂直。
另外，事实证明第一和/或第二致动器优选设计为磁性驱动元件，其中所述磁性驱动元件包含一个朝向第一线圈可移动地布置且与致动器纵向轴刚性连接的磁体，其中可以通过改变流经第一线圈的电流进而改变所述磁体相对与其同心的第一环绕线圈至少在致动器纵向轴上的位置。
通过改变磁体位置也能改变致动器纵向轴及其上末端的位置，这种位置变化优选是在致动器的纵向轴方向上。另外，磁性驱动元件上末端的这种位置变化基于上述控制系统的自由度将转化为与相应致动器连接的系统轴的位置变化。
同时，电流强度变化和磁体位置变化可以精确确定，从而确保致动器有针对性地对控制系统进行干预。另外还能够创建程序，将程序保存在控制系统的控制装置内及自定义，和/或映射磁体驱动元件基于信号的运动过程。
因此，第一和/或第二致动器优选借助控制系统控制装置的第一信号进行控制。特别是第一和/或第二致动器沿各个纵向轴的运动优选通过控制系统控制装置第一信号可编程地执行。
此外，电流优选可以关闭，使得因手动操作控制系统由控制杆元件传导的力不会对磁体驱动元件形成意外的反向力。
该布置(图5a，5b，5c)仅呈现了一种范例，另外也可以使用多个可编程力生成器(例如，气压系统或含可控阀门的液压系统、私服电机、线性电机、简易磁体、交流电机等)替换磁体或磁性驱动元件。仅需要确保元件纵向轴如上所述可以编程和/或预确定和/或可控制地移动。
也就是说，整个系统既可以将控制杆元件的运动传输至上述元件，或者生成致动器的运动(编程)，进而形成控制杆元件的运动。这样就可以通过增加或减少力以支持主动系统(致动器)和被动系统(复位元件)。
为此，一方面应如上述可以对运动过程进行编程，其中借助主动式力生成器将运动传输至控制杆元件。也就是说，当挖斗自动预编程反复从上向下运动时或者在挖斗完成特定运动顺序后车厢从左向右旋转时，挖掘机驾驶员可以同时执行其他工作。
另外，驾驶员还能获得当前未知危险的警告，方法是通过所述主动系统促使控制杆元件振动或在至少一个方向上锁止控制杆元件移动。当驾驶员使用经控制杆元件控制的挖掘机挖斗碰到障碍且不得不停止移动时，上述特点十分有利。如果挖掘机驾驶员继续向控制杆元件沿同一方向施压，则控制系统识别出实施此运动的力越来越大直到最终超出某个预先规定的极限值。因此，控制系统发出指令改变主动式力生成器内第一线圈的电感，以便按照上述生成一种主动式力对抗挖掘机驾驶员的肌肉力量，阻止向对挖掘机不利的方向继续运动。此处也可以想象的到，控制杆元件仅靠振动提醒挖掘机驾驶员。
另外还存在控制杆的运动过程，即第一步时用力很少而最后一步用力很大。在这方面，主动系统和被动系统可以通过提供辅助力量支持至少最后一步，方便挖掘机驾驶员的操作。
另外，第一和/或第二被动复位元件优选包含形成复位元件纵向轴的滑动杆，其中所述滑动杆沿纵向轴可移动地布置在中空圆筒状壳体内，其中在壳体内控制系统起始位置处有第二上圆盘和第二下圆盘与壳体接触布置，其中两个圆盘之间布置了在预紧力作用下的压力弹簧，其中与第二上圆盘相邻的第一上圆盘和与第二下圆盘相邻的第一下圆盘各自布置在与其相邻的第二圆盘的背向压力弹簧的一侧，其中第一上圆盘和第一下圆盘与滑动杆刚性连接。
另外，所述壳体优选具有上、下端面，其中所述第二上圆盘与上端面内部、第二下圆盘与下端面内部接触布置，其中在复位元件起始位置处第一上圆盘与第二上圆盘接触且第一下圆盘与第二下圆盘接触布置。
所述两个第二圆盘优选仅可推至滑动杆上，且不与滑动杆形成任何连接或摩擦连接，而是相对滑动杆可移动特别是可滑动布置。所述两个第二圆盘优选相对壳体也可以移动特别是可滑动地布置，并在控制系统起始位置处于各端面的内部接触。
可以理解的是，在中空圆筒形壳体内的端面上存在可容纳纵向轴的凹槽。所述凹槽优选设计为圆弧形，且直径大于滑动杆的直径。另外，第二圆盘的直径优选大于凹槽的直径和滑动杆的直径。另外，第一圆盘的直径优选小于凹槽的直径且大于滑动杆的直径。
这样就可以确保当复位元件的纵向轴经车辆驾驶员的手动操作和沿纵向轴施加的相应力量向下滑动时，与滑动杆刚性连接的第一上圆盘能够和与其相邻的第二上圆盘一起向下滑动并与壳体间隔布置。同时，第一下圆盘和第二下圆盘之间的接触中断。这种针对纵向轴向下运动的描述也同样类比适用于纵向轴的向上移动。
在这种情况下，布置在两个第二圆盘之间的压力弹簧受到剧烈压缩并形成阻止纵向轴滑动的反作用力。如果促使滑动杆滑动的力不存在，则压力弹簧的反作用力使得压力弹簧再次放松并将两个第二圆盘再次相互推离，直到两个第二圆盘再次与壳体接触且特别是处于各系统轴的起始位置。也就是如上面所述，在没有主动元件的布置下能够实现向起始位置的被动返回。
另外，也可以预设复位元件的自由轮功能，特别是在布置第一上圆盘和第二上圆盘时使其能够在控制系统初始位置处相互间隔布置。
另外，第一和/或第二测量装置优选具有一个谐振电路，其中所述谐振电路含有至少一个传感器、长度可变的第二线圈和与第二线圈串联连接的电容器，其中借助所述传感器可以直接或间接检测第二线圈的长度变化，并通过相应的第二信号传输至控制系统的控制装置。
特别是当与所述测量装置连接的系统轴及测量装置的纵向轴向上或向下移动时，第二线圈的长度可变，使得线圈长度的变化值能够清晰分配、特别是清晰分配至系统轴的偏转值。
此处，第二线圈优选设计为圆筒形空心线圈，其长度远大于线圈横截面直径。
如下面将结合图4进行说明，线圈的长度变化将导致谐振电路的电感和谐振频率变化。可借助控制装置由传感器数值测定变化的谐振频率，并相对于控制系统即系统轴的滑动值进行评估。
线圈自感也可以通过位于线圈内的线圈芯(线圈铁芯)改变，因为这类磁性导体能够增加磁通量。因此，也可以想象得到另一种测量系统实施方案，即使用可移动的线圈芯替代含恒定匝数的机械固定线圈内的线圈机械压缩。线圈芯的移动造成磁通量及线圈电感变化。这样就造成谐振频率变化即LC谐振电路内线圈阻抗变化，进而能够测定控制杆元件的位置和位置变化。所述线圈芯可以直接或间接与控制杆元件机械连接。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1a和图1a示出了现有技术的挖掘机；
图2a是根据第一实施方案的本发明控制系统的示意性结构；
图2b是据第二实施方案的本发明控制系统的示意性结构；
图3是被动复位元件示例的示意性结构；
图4是测量装置所用电路示例的示意性结构；
图5a、5b、5c是致动器示例在不同视图下的示意性结构图；
图6是驾驶员经致动器的支持和指令图表示意图。
具体实施方式
如图1图2a显示了根据第一实施方案的本发明控制系统S的示意性结构。可以看到沿第一系统轴Z布置的控制杆元件1(“Joystick Handle”)，其中在第一系统轴Z的下末端布置了一个中心支点(“Central Pivot Point”)作为控制系统S的参考点2。
系统轴Z布置在控制杆元件1的高度延伸方向上。从中心参考点2出发，第二系统轴X和第三系统轴Y采用线性滑动杆的形式，并主要以直角形式布置即相互垂直并与第一系统轴Z垂直。
同时，所述系统轴X、Y和Z优选在参考点2处相互刚性连接。从控制系统S的所示起始位置出发，控制系统S通过围绕参考点2旋转实现偏转。
在第二系统轴X上布置了许多致动器5(“X-axis Active Force Generator”)和一个复位元件6(“X-axis Passive Return Force Generator”)。类似地，在第三系统轴Y上也布置了许多致动器7(“Y-axis Active Force Generator”)和一个复位元件8(“Y-axisPassive Return Force Generator”)。
同时，所示致动器5和7用于各系统轴X和Y主动运动，复位元件6和8用于各系统轴X和Y向控制系统S和S‘起始位置的复位，所述致动器5和7及复位元件6和8主要各自借助纵向轴5a、6a、7a和8a的上末端5a1、6a1、7a1和8a1相互连接。
同时，所述致动器5和7及复位元件6和8主要设计为圆筒状，其中所述致动器5和7及复位元件6和8的纵向轴5a、6a、7a和8a在控制系统S的所述起始位置处相互平行且与系统轴Z平行并各自与系统轴X和Y垂直。
借助连接3c和4c布置在第二系统轴X和第三系统轴Y上的测量装置9(“springBased LC-tank for X-Axis position measurement”)和10(“spring Based LC-tank forY-Axis position measurement”)都主要设计为圆筒形，其中，纵向轴9a和10a在所示起始位置处各与第二系统轴X和第三系统轴Y垂直布置。
测量装置9和10设计用于测量第二和/或第三系统轴X和Y，并借助纵向轴9a和10a的上末端9a1和10a1与所述系统轴连接。
在所示范例中，致动器5和7各自相距布置在相同系统轴X和Y上的复位元件6和8及测量装置9和10的参考点2一小段距离。同样地，复位元件6和8各自相距布置在相同系统轴X和Y上的测量装置9和10的参考点2一小段距离。X和Y系统轴上的待观察点距离参考点2越远，X和Y系统轴偏转时该点的偏转自然就越大。这同样适用于连接位置3a、3b、3c、4a、4b和4c。
所示致动器5和7的布置具有一项优点，即致动器5和7必定行走的路径很短且围绕系统轴X和Y主动移动，并且可以通过相应高扭矩进行平衡。
另外，在通过测量装置9和10测定系统轴X和Y的偏转程度时出现测量的危险也可降低，因为通过与参考点2之间设置较大间距使得系统轴X和Y在各连接位置3c和4c上的偏转幅度较大且出现测量误差的影响降低。
与此相反，所示复位元件6和8的布置是一种不错的折中方案。一方面，复位元件6和8务必围绕系统轴X和Y被动向其起始位置行走的路径应该尽可能地短，使得能够在较短时间内再次抵达初始位置。另一方面，复位元件6和8内在偏转时必须能够形成足够大的力，例如通过使用相应尺寸的压力弹簧(参见图5))实现。
所述致动器5和7及复位元件6和8以及测量装置9、10和第二系统轴X及第三系统轴Y之间的连接3a、3b、3c、4a、4b和4c与参考点2内的刚性连接相比不同，其设计使得在各系统轴X和Y倾斜时，与所述系统轴X和Y直接连接的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10的纵向轴5a、6a、9a或7a、8a、10a可向下或向上移动。如果系统轴X和Y自转，则与所述系统轴X和Y直接连接的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10的纵向轴5a、6a、9a或7a、8a、10a不会移动。
纵向轴5a、6a、7a、8a、9a、10a与和其相连的系统轴X和Y在沿其中至少一个纵向轴5a、6a、7a、8a、9a、10a平移运动时刚性相连，并在围绕与其相连的系统轴X和Y作旋转运动时可移动地相连。
这样就使得各系统轴X和Y的倾斜可以传导至与其直接相连的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10上，即各系统轴X和Y的倾斜移动(即各系统轴X和Y各自围绕其他轴Y和X的偏转移动)和与其直接连接的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10的平移运动耦合。
同时，各系统轴X和Y的纯自转不会传导至与其直接连接的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10上，也就是说，各系统轴X和Y的纯自转和与其直接连接的致动器5、复位元件6、测量装置9或致动器7、复位元件8、测量装置10不耦合。
如果挖掘机驾驶员使控制杆元件1仅围绕第三系统轴Y旋转，则第三系统轴Y上的致动器7、复位元件8、测量装置10不会随之一起运动，但第二系统轴X上的致动器5、复位元件6、测量装置9有可能。反之亦然。
不过如上所述，围绕第二系统轴X和围绕第三系统轴Y的运动可能重叠(Superposition)，这种重叠也能够相应被检测到。当控制杆元件1的偏转运动既不平行于第二系统轴X也不平行于第三系统轴Y时可能出现重叠。
致动器5、复位元件6、测量装置9、致动器7、复位元件8和测量装置10和控制杆元件1并联连接，其中在纵向轴5a、6a、7a、8a、9a、10a的各下末端5a2、6a2、7a2、8a2、9a2、10a2上各布置了一个固定支承。
如下所述，复位元件6和8用于提供控制杆元件1起始位置即初始位置复位所需的被动复位力。致动器5和7用于提供控制杆元件1可编程运动的主动式力。测量装置9和10用于控制杆元件1从起始位置向外偏转时的位置测量。
本发明控制系统S和S’的特征在于高度紧凑性。
图2b中控制系统S’的结构与图2a中控制系统S的结构相同，但看不到测量装置9和10。
但可以想象的是，测量装置9和10并非如图2a所示与复位元件6和8平行，而是与复位元件6和8串联即布置在致动器5和7下面，其中致动器5和测量装置9及致动器7和测量装置10的纵向轴相同。也可以想象另一种替代方案，即测量装置9和10与致动器5和7串联，例如布置在致动器5和7下面。这些替代性的电路方案仍然能够检测到第二系统轴X和/或第三系统轴Y的偏转。
测量装置9和10的测量结果作为输入信号12‘和12“(参见图2a的示意图)是控制杆元件1即系统轴X和Y通过复位元件件6和8实现控制的基础，其中复位元件6和8借助经高级控制装置CU发出的恰当输出信号(参见图5a)实现。
图3显示了图2a中复位元件6的结构，其中下述复位元件8的结构也相同。同样地，下面关于复位元件6和8的描述参照图2b。
复位元件6主要含有一个滑动杆31(“Sliding Rod”)，其中所述滑动杆形成了复位元件6的纵向轴6a并布置在一个中空圆筒形的壳体33(“Housing”)内且可沿壳体纵向轴31a方向朝向壳体33移动。滑动杆31和壳体33设计为圆筒形，其中滑动杆31和壳体33的纵向轴即纵向轴31a和33a在一条直线上。
壳体33内在复位元件6所示起始位置和控制系统S的起始位置处布置了一个弹簧34，其中所述弹簧以螺旋弹簧即压力弹簧的形式在预紧力(“Preloaded ring”)作用下位于第二上圆盘32a和第二下圆盘32b即环(“Spring”)之间。壳体33具有一个上端面36a和一个下端面36b，其中第二圆盘32a和所述上端面36a的内部接触，第二下圆盘32b和所述下端面36a的内部接触。
其他以第一上圆盘35a和第一下圆盘35b形式存在的元件在杆即滑动杆31上与该滑动杆31刚性连接，并限制滑动杆31向壳体33的移动。其中，与第二上圆盘32a相邻的所述第一上圆盘35a和与第二下圆盘32b相邻的所述第一下圆盘35b各自布置在与其相邻的第二圆盘32a和32b背向压力弹簧34的一侧。另外，在所示复位元件6的起始位置处，第一上圆盘35a与第二上圆盘32a接触，第一下圆盘35b与第二下圆盘32b接触。
通过上述布置可以确保在滑动杆31向下z32移动时，第二上圆盘32a可以进一步压缩弹簧34。类似地，滑动杆31向上z31移动，使得第二下圆盘32b压缩弹簧34。这些移动又可以通过控制杆元件(基准符号参见图2)的移动触发。
当触发这类运动的力不存在时，例如当挖掘机驾驶员松开控制杆时，则弹簧34经预紧力再次展开；也就是说弹簧34在第二上圆盘32a和第二下圆盘32b之间的空间内松弛，同时通过第二上圆盘32a和第一上圆盘35a及第二下圆盘32b和第一下圆盘35b之间的连接将滑动杆31再次推向上方z31或推向下方z32。这样就可以提供控制杆元件(参见图2中的基准符号)返回的被动复位力。
图4显示了测量系统即测量装置9的结构41，所述测量装置9用于测定图2a中偏转杆元件1的位置，其中测量系统即测量装置10也可以采用这种设计。同样地，下面关于测量装置9和10的描述参照图2b。
测量装置9含有一个带线圈43(“Conductive Coil(Inductor)”)的电路，其中所述线圈具有可变长度l‘和电感L。所述线圈43在这种情况下采用螺旋弹簧的形式。另外，电容为C的电容器42(“Capacitor”)与线圈43串联连接。
还存在一个电谐振电路LC，形成一个具有谐振能力、可执行电振荡的电路。在这种LC谐振电路中，线圈43的磁场和电容器42的电场之间周期性发生能量交换，交替形成强电流或强电压。在这种无故障情况下周期性出现的频率f0。
上述圆柱形空心线圈43的长度l‘相比横截面A的直径非常大，电感L的大致计算方式是：
N＝线圈43的匝数，μ0＝导磁系数和Rm＝磁电阻。
上述两个公式表明，线圈43的长度变化Δl‘也同样造成线圈43的电容变化ΔL。
采用弹簧设计的线圈43的移动和压缩45(“Mechanical Deformation of theConductive Coil”)从功能上类似于图3中符号34弹簧的移动和压缩，使得尤其能够借助传感器44(“Detector”)计算线圈43朝向图中未示出壳体的移动。尤其可以测得(例如通过两个传感器的布置)线圈43的压缩即线圈43的长度变化Δl‘是因线圈43上末端向上移动或因线圈43下末端向下移动引起的。这样进而可以确定与测量装置9连接的控制杆元件1偏转的方向上。
根据图4即根据上述公式，线圈43的压缩也会造成线圈43电感L的变换ΔL，在电容量C已知的情况下可以确定谐振频率f0的变化。确定谐振频率f0的变化就可以进一步确定控制杆元件1的位置及位置变化。
另外，测量装置9及其电谐振电路LC包含至少一个传感器44，线圈43长度l‘的变化Δl‘可借助该传感器例如通过电感L的变化ΔL直接或间接测得，并通过相应的第二信号46传输至控制系统S所示高级控制装置CU。
所述被动复位系统可通过力供应系统获得支持。附属致动器5可以设计为磁性驱动元件M，如图5a、5b和5c所示。其中，图5a为俯视图，图5b为图5a中沿箭头A-A所示平面截取的横截面图，图5c为磁性驱动元件M的透视图。
此处，非磁性载体53(“non magnetic carrier”)内的圆柱形永磁体51(“permanent magnet”)临近磁体52(“magnet flux optimiser(magnetic material)”)布置。非磁性载体53周围环绕布置了一个磁环54(“magnetic ring”)。在非磁性载体53内布置了一个电导线圈(“circular electrically conductive windings”)形式的线圈55。磁体51可向与其同心环绕的线圈55移动，并与致动器5未示出的纵向轴5a刚性连接。
流经线圈55的电流的强度可能促使磁体51至少在致动器5及相连元件的纵向轴5a上的位置发生改变。可想象的是，在磁体51上即在磁体内孔中布置了一根纵向轴，所述纵向轴与磁体51刚性连接。所述纵向轴如图2a/2b类似纵向轴5a和7a布置。因此，磁体51的运动可传导至纵向轴5a和7a及按如上所述传导至控制杆元件1。
其中，致动器5沿各纵向轴5a的运动可以通过控制系统S控制装置CU第一信号56借助电流强度控制可预编程地执行。
图6显示了扭矩T’(“Torque”)与控制杆元件1偏移路径x(“Travel”)即偏转路径相关时的可能变化曲线，图中T轴代表扭矩，x代表偏移路径。为了简便，使用x代表控制杆元件1的偏转角度。
所示为当前布置的扭矩极限值T*最小值和T*最大值，即待施加的最小扭矩T*最小值(“minimum application torque”)和待施加的最大扭矩T*最大值(“maximumapplication torque”)。最大扭矩对应至少两倍启动扭矩Tbo(“Break-out Torque”)，即分离现有黏接的最大必要扭矩。该启动扭矩(也称作摩擦扭矩)的实用已知数值为1.5Nm。
如图所示，启动扭矩Tbo和最大待施加扭矩T*最大值的曲线图(线条)之间示例曲线T’的所有数值。根据示例曲线T’，扭矩T首先线性增加，然后以m1斜率缓慢增加。
在抵达特定路径之后，扭矩T以更大斜率m2达到最大值Tmax，然后在此数值上以高负斜率m3下降至扭矩Tmin，其中扭矩Tmin为示例曲线T’中的最小值。随后，扭矩再次以高斜率m4增长。
可以想象的是，在编程主动式力系统时使得在已行驶路径x即在当前路段之后向驾驶员施加主动反作用力(参见斜率m2和m4的区段)或者主动作用力(参加m3坡段的区段)。这一方面用于警告驾驶员(如上所述)；另一方面也可以作为提供给驾驶员的一类信息，借助不连续的扭矩变化向其显示随着离开第一路径区域也离开了第一工作级别并且随着进入第二路径区域也开始了第二工作级别。例如这对他来说意味着现在可以或必须打开挖掘机上的照明。
只要本专利申请文件中所有已公开的特征单独或组合起来相对现有技术具有新颖性，则均被视为本发明必不可少的权利要求。

Claims (11)

1.一种车辆的控制系统(S；S’)，包括沿第一系统轴(Z)安置的控制杆元件(1)，其中所述第一系统轴(Z)在参考点(2)处与第二系统轴(X)和第三系统轴(Y)刚性连接，其中所述控制系统(S；S’)借助围绕参考点(2)的旋转运行可从所述控制系统(S；S’)的初始位置发生偏转，
其特征在于，
至少一个用于所述第二系统轴(X)和所述第三系统轴(Y)主动移动的第一致动器(5)和第二致动器(7)和/或至少一个用于将所述第二系统轴(X)和所述第三系统轴(Y)复位至控制系统(S；S’)初始位置的第一复位元件(6)和第二复位元件(8)与所述第二系统轴(X)或所述第三系统轴(Y)系统轴中的至少一个轴经纵向轴(5a，6a；7a，8a)的上末端(5a1，6a1；7a1，8a1)相连。
2.根据权利要求1的所述控制系统(S；S’)，其特征在于，所述第一系统轴(Z)、所述第二系统轴(X)和所述第三系统轴(Y)系统轴应相互垂直安置。
3.根据权利要求1或2的所述控制系统(S；S’)，其特征在于，至少一个用于测量所述第二系统轴(X)和/或所述第三系统轴(Y)的第一测量装置(9)和第二测量装置(10)与所述第二系统轴(X)或所述第三系统轴(Y)系统轴中至少一个轴经纵向轴(9a，10a)的上末端(9a1，10a1)相连。
4.根据权利要求3所述控制系统(S；S’)，其特征在于，至少一个纵向轴(5a；6a；7a；8a；9a；10a)与和其相连的所述第二系统轴(X)和所述第三系统轴(Y)在沿其中至少一个纵向轴(5a；6a；7a；8a；9a；10a)平移运动时刚性相连，并在围绕与其相连的所述第二系统轴(X)和所述第三系统轴(Y)作旋转运动时可移动地相连。
5.根据权利要求4的所述控制系统(S；S’)，其特征在于，在第二系统轴(X)的起始位置上，与第二系统轴(X)刚性连接的所述第一致动器(5)、第一复位元件(6)和所述第一测量装置(9)的纵向轴(5a，6a，9a)相互平行。
6.根据权利要求5所述控制系统(S；S’)，其特征在于，在第三系统轴(Y)的起始位置上，与第三系统轴(Y)连接的第二致动器(7)、第二复位元件(8)和第二测量装置(10)的纵向轴(7a；8a；10a)各自相互平行。
7.根据权利要求6所述控制系统(S；S’)，其特征在于，第一致动器(5)和第二致动器(7)设计为磁性驱动元件(M)，其中所述磁性驱动元件(M)包含一个朝向第一线圈(55)可移动地布置且与所述第一致动器(5)和所述第二致动器(7)纵向轴(5a；7a)刚性连接的磁体(51)，其中可以通过改变流经第一线圈(55)的电流进而改变所述磁体(51)相对与其同心的第一环绕线圈(55)在所述第一致动器(5)和所述第二致动器(7)纵向轴(5a；7a)上的位置。
8.根据权利要求6所述控制系统(S；S’)，其特征在于，所述第一致动器(5)和所述第二致动器(7)借助控制系统(S；S’)控制装置(CU)的第一信号(56)进行控制。
9.根据权利要求1所述控制系统(S；S’)，其特征在于，所述第一复位元件(6)和所述第二复位元件(8)各自包含一个滑动杆(31)，其中所述滑动杆(31)沿纵向轴(31a)可移动地布置在中空圆筒状壳体(33)内，其中在壳体(33)内控制系统(S；S’)起始位置处有一个第二上圆盘(32a)和一个第二下圆盘(32b)与壳体(33)接触布置，其中两个圆盘之间布置了一个在预紧力作用下的压力弹簧(34)，其中与第二上圆盘(32a)相邻的第一上圆盘(35a)和与第二下圆盘(32b)相邻的第一下圆盘(35b)各自布置在与其相邻的第二圆盘(32a；32b)的背向压力弹簧的一侧，其中所述第一上圆盘(35a)和所述第一下圆盘(35b)与所述滑动杆(31)刚性连接。
10.根据权利要求9的所述控制系统(S；S’)，其特征在于，壳体(33)具有上端面(36a)、下端面(36b)，其中所述第二上圆盘(32a)与上端面(36a)内部接触、第二下圆盘(32b)与下端面(36b)内部接触布置，其中在所述第一复位元件(6)和所述第二复位元件(8)起始位置处第一上圆盘(35a)与第二上圆盘(32a)接触且第一下圆盘(35b)与第二下圆盘(32b)接触布置。
11.根据权利要求3所述控制系统(S；S’)，其特征在于，第一测量装置(9)和第二测量装置(10)具有一个谐振电路(LC)，其中所述谐振电路(LC)含有至少一个传感器(44)、一个长度(l’)可变的第二线圈(43)和一个与第二线圈(43)串联连接的电容器(42)，其中借助所述传感器(44)可以直接或间接检测第二线圈(43)的长度(l’)变化(Δl’)，并通过相应的第二信号(46)传输至控制系统(S；S’)的控制装置(CU)。
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