CN109496396B - 输入元件和输入系统 - Google Patents

Abstract

一种输入元件包括：承载元件(140)；操作元件(145)，所述操作元件可相对于承载元件移位；锁定装置，以便将操作元件相对于承载元件保持在多个预定的位置中的一个位置中；磁性元件(165)，所述磁性元件机械地与操作元件耦联；磁场传感器(170)，用于确定磁场，所述磁场传感器安置在承载元件上；和评估装置，所述评估装置用于基于借助于磁场传感器确定的磁场来确定操作元件相对于承载元件的位置。

Description

输入元件和输入系统

技术领域

本发明涉及一种输入元件和一种输入系统，尤其用于在轨道车辆、如机车上使用。

背景技术

在机车上设有控制台，所述控制台例如能够安置在驾驶台上，安置在机器间中或安置在机车的外部区域中。控制台包括多个输入元件，所述输入元件分别与机车的预定的功能相关联。每个输入元件包括操作元件，所述操作元件能够由操作人员平移地或旋转地移动。在此，操作元件的预定数量的位置是预定的，并且每个所述位置能够与一个速动开关相关联。如果操作元件具有多于两个的位置，那么所述操作元件也包括相应多个速动开关。

控制台因此可以包括大量速动开关，所述速动开关会需要相对大的安装空间，和通常也造成相对高的重量。由于其机械复杂性，具有速动开关、尤其具有多个速动开关的输入元件会有提高的易错性。这些速动开关会易受腐蚀、沾污、胶着或液态或固态形式的异物进入的影响。速动开关的功能由此会受到限制。每个速动开关与一个或多个分立的线路相关联，所述线路必须在控制台的范围中连接。控制台于是会构造复杂，难于维护和对以后的改变不灵活。

出版物DE 10 2006 057 310 A1示出一种用于机动车的输入模块，所述输入模块的开关位置能够借助于磁场传感器来读取。所述输入模块可以使用在轨道车辆中。

发明内容

本发明基于如下目的，提供一种改进的输入元件和一种改进的输入系统，所述输入元件和输入系统解决上述缺点中的至少一个。本发明借助于独立权利要求的主题来实现所述目的。从属权利要求描绘优选的实施方式。

输入元件包括：承载元件；操作元件，所述操作元件可相对于承载元件移位；和锁定装置，以便将操作元件相对于承载元件保持在多个预定的位置中的一个位置中。此外，输入元件包括磁性元件，所述磁性元件磁性地与操作元件耦联；和磁场传感器，所述磁场传感器安置在承载元件上，用于确定磁场。此外，包括一个评估装置，所述评估装置配置为，基于借助于磁场传感器确定的磁场来确定操作元件相对于承载元件的位置。此外，输入元件配置为冗余地确定操作元件的位置。对此，输入元件还包括用于确定磁场的另一磁场传感器和用于基于借助于另一磁场传感器确定的磁场来确定操作元件的位置的另一评估装置。两个磁场传感器的测量方向彼此围成在0°和180°之间的角度。

通过使用磁场传感器，输入元件能够机械上复杂程度更小地构造。输入元件对腐蚀、污物或异物的敏感性能够减小。磁场传感器能够无接触地确定操作元件的位置，使得所述区域中的磨损同样能够减小。尤其优选的是，评估装置配置为，操作元件的位置仅一般性地确定并且尚不映射到操作元件的预定的位置中的一个位置上。

对此，评估装置能够配置为，模拟地确定操作元件的位置或提供模拟值，所述模拟值指示操作元件的位置。在另一实施方式中，使用数字值，其中以比操作元件的预定位置的数量更高的分辨率分辨位置。例如，操作元件的位置能够借助8位的分辨率来分辨，所述8位的分辨率对应于256个不同的位置，而操作元件经由锁定装置限制于大约2个至16个位置。由此，能够实现用于连接在下游的处理设备的改进的信息基础。例如，能够改进地跟踪从一个机械位置到另一机械位置的过渡。所确定的位置与操作元件的机械限定的位置中的一个位置的相关性能够根据外部可用的系统知识改进地执行。

特别优选的是，操作元件可分成第一子单元和第二子单元，其中第一子单元包括锁定装置和磁性元件，并且第二子单元包括磁场传感器和评估装置。由此可能的是，设有通用性的第二子装置，所述第二子装置能够与不同的第一子装置组合。在具体的应用情况下，也能够用第一子单元更换第二子单元，例如当在输入元件上需要提高数量的机械限定的位置时或者当输入元件的目的已经改变时如此。

在另一实施方式中设有隔离元件，以便将磁场传感器与磁性元件分离。隔离元件优选由磁中性材料如塑料制造，使得其不影响输入元件的功能。通过隔离元件能够阻止：尤其能够从操作元件的方向进入到输入元件中的污物，到达磁场传感器并且损害其功能。因此，能够可靠地使例如操作人员忙碌中带起的灰尘、液体或食物残余物保持远离磁场传感器。如果输入元件例如装入到操作面板或类似的结构中，那么隔离元件能够安置在操作面板上，使得在输入元件的具有操作元件的操作侧与输入元件的具有磁场传感器的评估侧之间的隔离能够密封地构成。锁定元件优选设置在输入侧上。

如果例如输入元件的操作元件从一个预定的机械位置到另一机械位置的移动引起磁性元件沿着轨迹的平移移动，那么其中一个磁场传感器能够安置在该轨迹旁，而另一磁场传感器能够安置在轨迹端部中的一个端部处。磁场传感器在此能够确定受磁性元件影响的相应的局部磁场的不同方面。为了尽可能好的隔离优选的是，测量方向彼此围成大约90°的角度。

优选地，每个磁场传感器与一个评估装置相关联。尤其地，第一磁场传感器能够与第一评估装置相关联，并且第二磁场传感器能够与第二评估装置相关联。因此能够改进地避免临界元件的存在，所述临界元件的失效会妨碍借助于两个磁场传感器确定位置。通过不同的测量路径的严格隔离，能够决定性地提高输入元件的故障安全性和冗余。

在一个实施方式中，输入元件配置为，在如下环境中使用，在所述环境中需要提高的安全要求等级(例如SIL2)。

评估装置能够具有至通信总线的接口。如果使用两个评估装置，那么每个评估装置能够与一个通信总线相关联。通信总线尤其能够基于I2C、SPI或CAN构建。尤其优选的是，通信总线串行地构成，以便减小通向输入元件的线路的数量。此外优选地，通信总线允许各个终端设备的寻址，使得尤其能够依次查询不同的输入元件。

因此，例如能够周期性地查询多个输入元件或特定的输入元件能够比其他输入元件更频繁地被查询。

输入系统包括多个所描述的输入元件，优选地在具有多个磁场传感器的实施方式中，和处理装置，所述处理装置借助于通信总线与输入元件连接。在此，处理装置包括用于提供对输入元件的位置的指示的接口。接口能够包括另一通信总线，尤其串行的通信总线，如IC2、SPI或CAN。优选地，能够在接口上提供消息，所述消息包括对多个输入元件的位置的指示。输入系统能够简单地构造并且可灵活地改变。生产和安装成本能够降低。输入系统能够相对轻地且节约空间地构成。在实施方式之一中，每个输入元件能够冗余地被扫描，使得能够提高输入系统的确定安全性。输入系统由此能够改进地用于控制安全相关的系统，如机车。

处理装置优选配置为，基于磁场传感器的经由通信总线传输的测量值，为输入元件分别确定：操作元件的位置在预定的位置中的一个位置中。换言之，处理装置优选地负责于，将磁场传感器的测量值映射到相关联的操作元件的多个机械位置中的一个位置。在此，尤其当输入元件具有多于一个的磁场传感器时，能够执行冗余校验或可信度检验。如果例如确定：输入元件的两个磁场传感器的位置比预定更差地彼此匹配或所确定的位置中的一个位置不匹配于相关的操作元件的预定的机械位置，那么所确定的位置能够被标记成无效的，或者置于如下数值，所述数值与无效的确定相关联。

在另一实施方式中，处理装置配置为，经由接口提供如下信息，所述信息指示输入元件的操作元件的位置的确定质量。所述信息能够包括对上述无效的确定的指示。在一个优选的实施方式中，也能够管理用于确定质量的更高分辨率的数值。

此外优选的是，输入系统包括用于输入元件和处理装置的中央能量供应装置。在每输入元件有多个磁场传感器的实施方式中，也能够设有两个中央能量供应装置，所述中央能量供应装置分别与一个磁场传感器相关联。输入系统能够由此改进地、一致地、冗余地构成。

此外优选的是，处理装置包括用于传输输入元件的确定的位置的另一接口。另一接口因此能够如上述的第一接口那样构成，或者例如使用另一介质。在一个实施方式中，第一接口包括电介质，如例如针对并行总线或串行总线所详细说明的那样，而第二接口例如包括气动介质或者分立的有线连接，即多个单独的电导线，所述电导线分别与输入元件或甚至输入元件的操作元件的预定的位置相关联。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现所述特性、特征和优点的方式和方法结合下面对实施例的描述变得更清楚和更清晰理解，所述实施例结合附图予以详细阐述，其中

图1示出用于在机车中使用的输入系统；

图2示出用于图1的输入系统的输入元件的变型形式；

图3示出在一个具有提高的安全性的替选的实施方式中的图2的输入元件；和

图4示出用于基于模拟位置来确定分立位置的图表。

具体实施方式

图1示出输入系统100，尤其用于在驾驶台、机器间或机车的外部区域中使用。尤其地，输入系统100能够用于，控制机车的行驶状态。输入系统100包括多个输入元件105和一个处理装置110。处理装置110包括用于提供信息的接口115，所述信息指示输入元件105的位置。可选地，还设有另一接口115’，所述另一接口相应地构成。优选地，输入元件105中的一个借助于通信总线120与处理装置110连接。也能够设有其他通信总线120’，所述其他通信总线能够与输入元件105之一连接。在一个优选的实施方式中，通信总线120、120’包括用于输入元件105的电流供应装置。对此，能够设有在通信总线120、120’中专用的电流供应线路，或者信息能够经由电流供应线路传输，例如借助于数据调制方法。电流供应装置尤其能够在使用第二通信总线120、120’时冗余地构成。

此外优选地，设有中央能量供应装置125，所述中央能量供应装置用能量供应处理装置110和输入元件105。在一个实施方式中，中央能量供应装置125包括通信总线120，这就是说，将例如输入元件105为其运行所需要的能量施加到磁场传感器170上，所述磁场传感器能够优选构成为霍尔传感器。磁场传感器170配置为，在改变操作元件145的位置或方位时，确定磁性元件165的定向或间距的改变。在不同的实施方式中，磁场传感器170配置为，沿一个或多个方向确定在该磁场传感器的区域中存在的磁场。

磁场传感器170与评估装置175连接，所述评估装置优选借助于接口180与通信总线120连接。评估装置175配置为，基于磁场传感器17的测量值来确定操作元件145的位置。在此优选的是，确定该位置而不限制到机械预设的位置160中的一个位置。例如，模拟值能够描述操作元件145的位置。在另一实施方式中，能够使用数字值，所述数字值与所限定的位置160相比更高地分辨操作元件145的可能的操作路径。例如，20个或更少的位置160能够机械地限定，而操作元件145的运动区域以6位、8位、10位或12位分辨。操作元件145的通过评估装置175确定的位置于是能够经由接口180和通信总线120传输给处理装置110。处理装置110优选配置为，执行将传递的位置映射到预定的机械位置160中的一个位置。这在下文中参照图4予以更详细地描述。在评估装置175和处理装置110之间的信息的传递在不同的实施方式中能够由评估装置175或由处理装置110发起。

在一个实施方式中，输入元件105中的一个与另一附加的磁场传感器170’相关联，以便经由磁场通过磁性元件165的改变来确定操作元件145的位置。优选地，每个传感器170’与一个附加的评估装置175’相关联，所述附加的评估装置借助于附加的接口180与另一通信总线120’连接(参见图1)。磁场传感器170、170’优选关于磁性元件165安置成，使得所述磁场传感器能够以不同的方式确定同一操作元件145的位置。尤其优选的是，磁场传感器170、170’的测量方向彼此围成一角度，所述角度大于或等于0°且小于或等于180°，优选地为90°。在一个实施方式中，磁场传感器170、170’中的一个安置成，使得所述磁场传感器确定距磁性元件165的间距，而另一磁场传感器170、170’确定磁性元件165的定向或方向。优选地根据选择的轨迹150将磁场传感器170、170’安置在输入元件105上。

在另一实施方式中，角度w也能够大约为90°或大约为180°，使得磁场传感器170、170’的测量方向基本上平行地或反平行地定向。例如，磁场传感器170、170’能够在电路板的不同侧上或在电路板上尽可能紧密地并排安置。

在所述实施方式中优选的是，处理装置110配置为，不仅执行将输入元件105的操作元件145的基于磁场传感器170确定的位置映射到多个预定的机械位置160中的一个位置，而且附加地也执行可信度检验。在可信度检验时尤其能够确定，所确定的(模拟)位置如何好地彼此匹配或匹配于各个机械位置160。如果所确定的位置彼此矛盾，那么为输入元件105确定的位置能够置于预定的数值，所述数值不对应于机械位置160，而是代表失败的位置确定。附加地或替选地，相应的消息能够经由接口115、115’提供，所述消息指示失败的位置确定。

优选的是，接口115和115’以电学方式构造并且此外能够对应于预定的规则，例如串行传输总线，而在另一实施方式中，接口115、115’中的一个与另一接口115、115’不同地构造，以便提供第二有效路径。对此，接口115、115’中的一个例如能够包括用于输入元件105的各个位置的专用的有线连接，代替通信总线，或包括例如气动接口或气动执行器。接口115、115’配置为，与控制装置连接，所述控制装置尤其能够执行对元件的安全相关的控制。元件能够涉及内燃机或其他装置，在所述装置故障时会出现人员损伤或相当大的材料损伤。例如，元件能够涉及机车的行驶功能，尤其速度控制或制动功能。

图2示出用于图1的输入系统100的输入元件105的变型形式。第一输入元件105.1、第二输入元件105.2和第三输入元件105.3分别在如提供给操作人员的俯视图中和在两个纵剖面中示出，其中每个操作元件105在第一纵剖面中以未被操作的方式示出和在第二纵剖面中以被操作的方式示出。输入元件105示例性地与图1的输入元件对应。为了更好的说明，输入元件105不完整地示出(参见图1)。

示例性地，第一输入元件105.1包括转动开关或转动按键，其中操作元件145能够围绕轴线205转动。示例性地以磁体的形式示出的磁性元件165安置在操作元件205的轴向端部上，并且当第一输入元件105.1的操作元件145改变其位置时，该磁性元件改变其围绕转动轴线205的旋转定向。磁场传感器170示例性地关于轴线205相对于磁性元件165轴向地安置，并且配置为，确定通过磁性元件165引起的磁场的定向。

示例性的第二输入元件105.2包括压力开关或压力按键，其中操作元件145能够沿着轴线205移动。磁场传感器170示例性地关于轴线205侧向错开地设置，并且配置为，确定通过磁性元件165引起的磁场的定向或其强度。强度与磁性元件165和磁场传感器170之间的间距对应，和从而指示操作元件145的位置。

第三示例性示出的输入元件105.3包括枢转杆，所述枢转杆能够围绕轴线205枢转，所述轴线优选平行于结构130伸展。磁性元件165在轴线205之外安置在操作元件145上，并且磁场传感器170固定在关于轴线205的预定的位置中。如果第三输入元件105.3的操作元件145围绕轴线205枢转，那么通过磁性元件165引起的磁场的强度和定向在磁体传感器170的区域中会改变。

在另一实施方式中，此外设有凹部135，所述凹部尤其构成为保护凹部。凹部135能够如示出的那样在输入元件105之下或在另一实施方式中在结构130和输入元件105的下部部段之间安置。

凹部135在一个特别优选的实施方式中在输入元件105的不同子单元之间安置，其中第一子单元包括操作元件145，并且第二子单元包括磁场传感器。凹部135本身能够在不同的实施方式中属于一个或其他子单元。输入元件105能够沿着凹部135可分离地构成，使得第一和第二子单元能够彼此远离。

在一个优选的实施方式中，为输入元件105设有单独的凹部135。凹部135能够在输入元件105上限定两个侧部，即具有操作元件145的输入侧和具有磁场传感器170的评估侧。在输入侧上也能够存在锁定装置155。凹部135能够与结构130连接，或者在其上安置。凹部135能够防尘或液体密封地构成，并且优选防尘或液体密封地与结构130连接。凹部135例如能够杯状地构成，以便容纳操作元件145并且确保足够的可运动性。优选地，凹部135包括非磁性材料，如塑料。

图3示出图2的输入元件105的一个具有提高的安全性的替选的实施方式。对在图2中示出的元件附加地，每个输入元件105还包括另一磁场传感器170’。示例性地，第一输入元件105.1的另一磁场传感器170’侧向地在轴线205旁安置，并且配置为，确定通过磁性元件165造成的磁场的强度或定向。第二输入元件105.2的另一磁场传感器170’示例性地相对于磁性元件165轴向地安置。如果第二输入元件105.2的操作元件145沿着轴线205移动，那么磁性元件165和另一磁场传感器170’之间的间距改变。在第三输入元件105.3上，另一磁场传感器170’关于轴线205相对于磁场传感器170以预定的角度错开。

在全部情况下优选的是，磁场传感器170和170’分别具有测量方向，其中磁场传感器170、170’的测量方向彼此围成预定的角度，所述角度优选位于大约90°的范围中。如果磁场传感器170例如构成为简单的霍尔传感器，那么测量方向对应于如下方向，磁场必须沿着该方向伸展，以便借助于霍尔传感器被确定。如果磁场传感器170包括多维的磁场传感器，那么优选的是，所述磁场传感器包括多个单独的磁场传感器，所述磁场传感器的测量方向彼此成直角。磁场传感器170与170’之间的测量方向在此优选成对地围成预定的角度。

图4示出用于基于模拟位置来确定分立位置160的图表400。在水平方向上示出输入元件105的操作元件145相对于承载元件140的位置，其中基于借助于磁场传感器170的磁场测量来确定位置，如在上文中描述的那样。所述位置尤其能够涉及沿着轴线205或轨迹150的平移或围绕轴线205或沿着轨迹150的旋转。在竖直方向上示出相应的位置，所述位置借助于另一磁场传感器170’确定。此外，描绘机械预设的位置160，所述位置通过锁定装置155预设。围绕每个机械位置160示出区域405，借助于磁场传感器170、170’确定的位置必须位于所述区域中，以便肯定地确定，对应的机械位置160已被操作元件145占据。如果确定的位置的组合位于区域160中的一个区域之外，那么能够确定无效的位置。于是，借助于不同的磁场传感器170和170’确定的位置不彼此对应或者不与预定的机械位置160对应，使得确定是不可信的。

尽管本发明的细节通过优选的实施例予以详细地说明和描述，本发明并不受公开的实例限制，而是其他变型形式能够由本领域技术人员从中导出，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种输入元件(105)，所述输入元件包括：

-承载元件(140)；

-操作元件(145)，所述操作元件能够相对于所述承载元件(140)移位；

-锁定装置，以便将所述操作元件(145)相对于所述承载元件(140)保持在多个预定的位置(160)中的一个位置中；

-磁性元件(165)，所述磁性元件机械地与所述操作元件(145)耦联；

-磁场传感器(170)，所述磁场传感器安置在所述承载元件(140)上，用于确定磁场；

-评估装置(175)，所述评估装置用于基于借助于所述磁场传感器(170)确定的磁场来确定所述操作元件(145)相对于所述承载元件(140)的位置(160)，

其中所述评估装置(175)具有至通信总线(120)的接口(180)；

-另一磁场传感器(170’)，用于确定磁场；和

-另一评估装置(175’)，所述另一评估装置被配置为用于基于借助于所述另一磁场传感器(170’)确定的磁场来冗余地确定所述操作元件(145)的位置(160)，其中所述另一评估装置(175’)具有至另一通信总线(120’)的附加的接口(180)，

-以便通过隔离的不同的测量路径来提高输入元件的故障安全性。

2.根据权利要求1所述的输入元件(105)，其中所述评估装置(175)配置为，以比预定的位置(160)的数量更高的分辨率分辨所述位置(160)。

3.根据权利要求1所述的输入元件(105)，

其中所述操作元件(145)能够分成两个子单元，使得一个子单元包括所述锁定装置和所述磁性元件(165)，并且另一子单元包括所述磁场传感器(170)和所述评估装置(175)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的输入元件(105)，

其中设有隔离元件(135)，以便将所述磁场传感器(170)与所述磁性元件(165)隔离。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的输入元件(105)，

其中这两个磁场传感器(170，170’)的测量方向彼此围成角度w，并且适用的是：0°＜w＜180°。

6.根据权利要求5所述的输入元件(105)，

其中每个磁场传感器(170)与一个评估装置(175)相关联。

7.一种输入系统(100)，所述输入系统包括：

-多个根据上述权利要求中任一项所述的输入元件(105)；和

-处理装置(110)，所述处理装置借助于通信总线(120)与所述输入元件(105)连接，

-其中所述处理装置(110)包括接口(115)，用于提供对所述输入元件(105)的位置(160)的指示。

8.根据权利要求7所述的输入系统(100)，

其中所述处理装置(110)借助于所述另一通信总线(120’)与输入元件(105)连接。

9.根据权利要求7所述的输入系统(100)，其中所述处理装置(110)配置为，基于所述磁场传感器(170)的经由所述通信总线(120)传输的测量值，为所述输入元件(105)分别确定所述操作元件(145)的位置(160)在所述预定的位置(160)中的一个位置中。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的输入系统(100)，其中所述处理装置(110)配置为，基于借助于所述输入元件(105)的不同的磁场传感器(170)所确定的位置(160)对所述输入元件(105)的所述操作元件(145)的位置(160)进行可信度检验。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的输入系统(100)，

其中所述处理装置(110)配置为，经由所述接口(115)提供如下信息，所述信息指示输入元件(105)的操作元件(145)的位置(160)的确定质量。

12.根据权利要求7至9中任一项所述的输入系统(100)，

其中所述处理装置(110)包括用于传输所述输入元件(105)的所确定的位置(160)的另一接口(115’)。

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