CN110949369A - 智能电动踏板车的动力总成架构与控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“智能电动踏板车的动力总成架构与控制算法”。公开了用于手动驱动车辆的自适应推进辅助系统和控制逻辑、制造/使用此类系统的方法、以及具有用于自适应电辅助操作的分布式感测和控制回路反馈的智能电动踏板车。一种用于调节手动驱动车辆的推进辅助系统的方法，包括：车辆控制器检测用户接触该车辆的手把，响应地接收指示用户施加到该手把的力的传感器信号，然后基于该手把力和用户产生的施加到该踏板车踏板的力来确定用户所施加的净力。该车辆控制器还接收指示该车辆当前加速度的传感器信号，并且由此确定该车辆在其上移动的表面的俯仰角。响应于该净力大于零并且该俯仰角大于校准的阈值角，该车辆控制器命令牵引马达将马达扭矩输出增加校准的力增益增量。

Description

智能电动踏板车的动力总成架构与控制算法

背景技术

本公开整体涉及马达助力的手动驱动车辆。更具体地讲，本公开的各方面涉及用于立式电动踏板车的推进辅助系统和伴随控制逻辑。

传统上由车辆驾驶员提供动力的许多车辆-无论是手动还是脚动设计-现在可能最初配备有或改装成包括用于辅助推进车辆的牵引马达。该牵引马达可采用内燃机(ICE)或电动马达的形式，通常以辅助或无辅助方式(即，有或没有手动产生的牵引力)来推进车辆。例如，立式电动踏板车(通俗地称为“电动脚踏踏板车”或“电动踏板车”)配备有板载电动马达，用于提供补充牵引扭矩，该补充牵引扭矩辅助或“增强”骑车人足部产生的牵引力。该牵引马达单独工作或与动力传动装置结合工作，以使电动踏板车的从动构件诸如轮毂或车轴旋转。来自马达的输出扭矩可以选择性地传递到从动构件，例如，当骑车人沿着行驶路线越过具有明显坡度的路面时。这样，相对于骑车人在缺乏对电气辅助(电辅助)功能的标准踏板车的感知力而骑乘电动踏板车时，可减小骑车人感知到的推动车辆所需的人力。

发明内容

本文公开了用于手动车辆的自适应推进辅助系统和伴随控制逻辑、操作方法和构造此类自适应推进辅助系统的方法、以及具有用于自适应推进辅助操作的分布式感测和控制回路反馈的智能电动踏板车。以举例的方式，介绍了新颖的智能电动踏板车架构，该架构采用电力牵引马达和板载牵引电池组来运输用户和货物。使用中间安装的横向电机布局，该电力牵引马达经由动力分配差速器连接到踏板车的地轮的车轴半轴。置于踏板车踏板和手把中的力传感器用于调节马达输出。所公开的智能电动踏板车为这种形状因数的传统手推车和立式脚踏踏板车提供了电气化另选方案，为有效操纵提供了多模式操作和急转弯角度。所公开的架构可用作许多电气化移动解决方案的基础平台，诸如电动脚踏踏板车、货运推车、婴儿车、轮椅、购物车、高尔夫球车等。除了提供跨平台的灵活性之外，这些电动踏板车架构易于扩展，以适应不同大小的有效载荷和不同的工作环境。

本文还提出了用于控制电动踏板车动力总成的操作以提供车辆负载辅助、表面坡度补偿和摩擦补偿能力的控制算法。使用力传感器、三轴加速度计、转速计和车载微控制器的组合，该控制算法能够确定车辆速度、用户施加的输入力和俯仰角，以调节一个或多个动力总成参数，从而保持稳定的车辆速度并方便测量大有效载荷的移动。自动巡航控制通过人机界面(HMI)来启用，该人机界面用于确定用户期望的来自传感器的分布式网络的移动，无需专用开关、踏板、按钮等。例如，脚和手把力传感器用于控制功率电辅助，而惯性测量单元(IMU)与脚和手把力传感器协同工作以实现坡度补偿。通过这些控制技术，智能电动踏板车能够移动重型有效载荷，减少由摩擦和坡度引起的不必要的减速，并且改变马达功率输出以补偿陡峭的倾斜/下倾角度。此外，通过实现帮助踏板车了解其周围环境的协议，智能电动踏板车能够根据用户输入和环境值自动调整马达输出和车辆速度。

本公开的各方面涉及用于操作马达助力的人力驱动车辆的自适应推进辅助技术和计算机可执行算法。例如，提出了一种用于调节手动驱动车辆的推进辅助系统的方法。该手动驱动车辆包括刚性框架、手把和可旋转地安装到框架的多个地轮。推进辅助系统包括电动的或基于燃烧的牵引马达，该牵引马达牢固地安装到框架并能够操作以驱动一个或多个地轮。常驻车辆控制器安装到车架并控制牵引马达的输出。该代表性方法包括，以任何顺序以及与上文和下文公开的任何选项和特征的任何组合：例如，经由车辆控制器通过与安装到手把的电容式触摸传感器的协作操作，检测用户接触手动驱动车辆；响应于检测到用户与车辆接触，例如经由车辆控制器从附接到手把的旋转电位计或力传感器接收指示用户施加到手把上的力的一个或多个传感器信号；至少部分地基于手把力来确定用户施加到手动驱动车辆上的净力；例如，经由车辆控制器从安装到框架的单轴或多轴加速度计接收指示车辆当前加速度的一个或多个传感器信号；基于车辆的加速度确定手动驱动车辆在其上移动的表面的俯仰角；并且，响应于净力大于零并且俯仰角大于校准的阈值角，车辆控制器将一个或多个命令信号传输到牵引马达，以将马达扭矩输出增加校准的力增益增量。

本公开的其他方面涉及用于智能人力驱动车辆的自适应推进辅助系统。如本文所用，术语“车辆”及其排列可包括主要由人驱动的任何相关机动车辆平台，诸如马达助力的踏板车、推车、婴儿车、自行车、货盘和手推车等。在一个示例中，介绍了一种智能电动踏板车，该踏板车包括具有细长的踏板车踏板的刚性车架，该踏板为站立的用户提供下方支撑。例如，具有一个或多个柄部和对应数量的手刹组件的手把可动地安装到车架上并被构造用于由用户手动操作。多个地轮、牵引电池组和牵引马达也操作性地附接到车架。该牵引马达电连接到牵引电池组并能够操作以选择性地传递辅助扭矩来驱动一个或多个地轮。电动踏板车的动力总成可任选地包括将牵引马达连接到用于驱动左侧车轮和右侧车轮的一对车轴半轴的动力分配差速器。

继续上述示例的讨论，有线或无线连接到牵引马达和其他板载电气硬件的常驻车辆控制器被编程为执行各种存储器存储的指令。例如，车辆控制器检测用户与电动踏板车的接触，并且响应于检测到的用户接触，从附接到手把的力传感器接收一个或多个传感器信号。这些手把传感器信号指示用户产生的施加到手把上的力，例如，以启动或中断电辅助。根据施加到手把上以及在一些应用中施加到踏板车踏板上的测得的力，车辆控制器确定由用户施加到电动踏板车上的净力。该控制器还从加速度计接收一个或多个传感器信号，该加速度计安装到踏板车的刚性框架上。这些加速度计生成的传感器信号指示电动踏板车的前后、横向和/或垂直加速度。使用该加速度数据，该控制器确定电动踏板车在其上行驶的表面的俯仰角。响应于净力大于零并且俯仰角大于校准的阈值角，则车辆控制器将一个或多个命令信号传输到牵引马达，以将马达扭矩输出增加校准的力增益增量。

对于任何所公开的系统、方法和车辆，检测用户与手动驱动车辆的接触可包括车辆控制器从安装到手把柄部的接触传感器接收一个或多个传感器信号。就这一点而言，车辆控制器可通过从安装到踏板车踏板上的力传感器接收一个或多个传感器信号来对检测到用户与车辆的接触作出响应。这些踏板传感器信号指示用户产生的施加到踏板车踏板上的力，例如，当用户站在踏板上并且推离地面以推进踏板车时。在这种情况下，计算的净力基于传感器测得的踏板力和手把力两者。对于至少一些实施方案，加速度计是安装到框架上的惯性测量单元(IMU)的多轴加速度计。在这种情况下，加速度计可生成指示垂直(向上向下)加速度分量、纵向(前后)水平加速度分量和横向(右舷左舷)水平加速度分量的传感器信号。这三个加速度分量相互正交，例如，作为固定参考坐标系的一部分。

对于任何所公开的系统、方法和车辆，车辆控制器可通过将一个或多个停止命令信号传输到牵引马达来中断输出马达扭矩，从而对没有检测到用户接触手动驱动车辆作出响应。作为另一种选择，该车辆控制器可从制动输入装置接收一个或多个用户生成的制动信号，以停止手动驱动车辆。响应于这些制动命令，该控制器响应地将一个或多个停止命令信号传输到牵引马达以中断输出马达转矩。对于前述任一选项，停止命令信号可伴随有经由车辆控制器传输到制动系统的制动激活信号，该制动系统主动减慢一个或多个地轮。

对于所公开的系统、方法和车辆中的任一者，车辆控制器可通过确定车辆的当前速度并同时确定当前车辆速度是否小于预设巡航速度(例如，作为摩擦补偿模式的一部分)来对用户施加的净力小于或等于零作出响应。如果车辆的当前速度小于预设巡航速度，则控制器响应地将一个或多个增压命令信号传输到牵引马达，以将马达扭矩输出增大比例-积分(PI)控制值。此外，车辆控制器可通过将一个或多个切断命令信号传输到牵引马达来对当前车辆速度大于预设巡航速度作出响应，以将马达扭矩输出降低PI控制值。在至少一些应用中，增压/切断命令信号可能要求车辆当前速度比预设巡航速度小/大至少一个校准的最小值/百分比。

对于所公开的系统、方法和车辆中的任一者，车辆控制器可通过以下方式对表面的俯仰角小于第二校准的阈值角作出响应：确定由于俯仰角而导致的力分量；确定净力与力分量之间的差值是否大于零；以及响应于净力与力分量之间的差值大于零；并且响应于净力和力分量之间的差值大于零，命令牵引马达将马达扭矩输出增大校准的力增益增量。如果净力与力分量之间的差值不大于零，则车辆控制器可通过以下方式作出响应：确定车辆的当前速度；确定当前车辆速度是否小于预设巡航速度；以及响应于当前车辆速度小于预设巡航速度，将一个或多个增压命令信号传输到牵引马达以将马达扭矩输出增大PI控制值。

对于所公开的系统、方法和车辆中的任一者，在传输命令信号以增大马达扭矩输出之后，车辆控制器可测量来自施加到手动驱动车辆的剪切力和手把力的合成矢量，并且同时确定该合成矢量是否大于零。响应于合成矢量大于零，控制器确定车辆的当前速度是否大于预设巡航速度。如果是，则自适应马达辅助系统将响应地修改车辆的存储器存储的预设巡航速度，以更紧密地与车辆速度一致。当通过校准的力增益调制马达扭矩输出时，车辆控制器可被编程为从存储器存储的查找表中检索这种校准的力增益增量，该查找表将俯仰角与力增益相关联。

对于所公开的系统、方法和车辆中的任一者，确定俯仰角可包括：将初始角计算为车辆垂直和水平加速度分量的atan2函数的；根据手动驱动车辆围绕俯仰轴的角速度确定Δ角，该俯仰轴相对于手动驱动车辆在其上移动的表面水平并且相对于手动驱动车辆的行驶方向正交；以及将该俯仰角计算为初始角和Δ角之间的数学差或和。另选地，确定俯仰角可包括：将初始角计算为垂直加速度分量和重力的反余弦函数的绝对值；确定由用户施加到手动驱动车辆的净力的力方向；以及通过基于力方向将俯仰角符号分配给初始角的绝对值来确定俯仰角。

上述发明内容并非旨在表示本公开的每个实施方案或每个方面。相反，前述发明内容仅提供本文所述的一些新型概念和特征的示例。当结合附图和所附权利要求时，本公开的上述特征和优点，以及其他特征和伴随的优点，将从以下对用于执行本公开的示例和代表性模式的详细描述中变得显而易见。此外，本公开明确地包括上文和下文提供的元件和特征的任何和所有组合和子组合。

附图说明

图1为根据本公开的各方面的具有自适应推进辅助能力的代表性马达助力的人力驱动车辆的前部透视图。

图2为图1的代表性马达助力的人力驱动车辆的后部透视图。

图3为示出用于控制牵引马达的电辅助动力输出的代表性动力总成控制算法的流程图，该算法可对应于由板载或远程控制逻辑电路、可编程电子控制单元或根据所公开概念的各方面的其他基于计算机的装置或装置网络执行的存储器存储的指令。

图4为示出用于修改牵引马达的电辅助动力输出的代表性比例-积分(PI)控制算法的流程图，该算法可对应于由板载或远程控制逻辑电路、可编程电子控制单元或根据所公开概念的各方面的其他基于计算机的装置或装置网络执行的存储器存储的指令。

本公开可进行各种修改和替代形式，并且一些代表性实施方案在附图中以举例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，本公开的新颖方面不限于以上列举的附图中所示的特定形式。相反，本公开将涵盖如所附权利要求书中涵盖的属于本公开范围内的所有修改、等同物、组合、子组合、排列、分组和替代形式。

具体实施方式

本公开易受多种不同形式的实施方案的影响。在附图中示出了本公开的代表性实施方案，并且将在本文中详细描述这些实施方案，应当理解，这些示例是作为所公开原理的表示而不是对本公开的广泛方面的限制而提供的。就此而言，例如在“说明书摘要”、“简介”、“发明内容”和“具体实施方式”部分中描述但在权利要求中未明确阐述的要素和限制不应通过暗示、推断或其他方式单独或共同地结合到权利要求中。

出于本发明详细描述的目的，除非明确指明，否则单数包括复数，并且反之亦然；词语“和”和“或”应既是连词又是反意连词；词语“任何”和“所有”均应意指“任何和所有”；并且词语“包括”、“含有”、“包含”、“具有”等均应意指“包括但不限于”。此外，近似词诸如“大约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等，在本文中可以“在、接近或几乎在可接受的制造公差处”或“在可接受的制造公差的0-5％内”或“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义使用。最后，方向形容词和副词，诸如前、后、内侧、外侧、右舷、左舷、垂直、水平、向上、向下、前、后、左、右等，可在车辆操作性地在平坦表面上取向时，相对于马达助力的人力驱动车辆的向前行驶方向。

现在参考附图，其中类似的附图标号在若干视图中指代类似的特征结构，在图1中示出了代表性的马达助力的人力驱动车辆，其通常用10表示，并且出于讨论的目的，在本文中被描绘为具有前货台的立式电动踏板车。分布在整个电动踏板车10上例如封装在车辆底盘12上的不同位置处的是自适应推进辅助系统14，该系统提供用于推进电动踏板车10的补充扭矩。所示的马达助力、人力驱动的车辆10-为简洁起见在本文中也称为“手动驱动车辆”或“车辆”-仅仅是可以实践本公开的各方面和特征的示例性应用。同样，下文所讨论的特定动力总成架构的本发明概念的具体实施也应当理解为本文所公开的新型特征的示例性应用。因此，应当理解，本公开的各方面和特征可应用于其他动力辅助系统，并且可针对任何逻辑相关类型的手动驱动车辆来实施。最后，本文给出的附图未必按比例绘制，而是仅出于说明的目的提供。因此，附图中所示的具体尺寸和相对尺寸不应被理解为限制性的。

图1的自适应推进辅助系统14一般由与驻留车辆控制器18通信并且同时由其控制的牵引马达16构成，这两者均牢固地安装到刚性车辆底盘12上。根据图示的示例，牵引马达16是横向安装的多相电动马达/发电机单元(MGU)，其由一对可充电牵引电池模块20(共同限定“牵引电池组”)供电。这些牵引电池模块20存储能量，该能量可用于为板载车辆电子器件供电，并且为MGU 16供电，以分别选择性地驱动右手(右舷)和左手(左舷)地轮单元22A和22B。对于至少一些应用，牵引马达16和电池组20分别通过安装支架24和电池盒26固定到车辆底盘12的安装板28。可选的外部壳体(为了便于参考下面的部件而从附图中移除)可覆盖和保护马达16、电池模块20和任何附带的外围硬件。牵引电池模块20可采用许多合适的配置，包括铅酸、锂离子或锂聚合物电池的叠堆，或其他适用类型的高压、高安培-小时容量、直流(DC)电动车辆电池(EVB)。

为了将动力传递给车辆10，牵引马达16通过合适的动力传动装置诸如皮带传动装置或链条传动装置30驱动地联接到两个横向车轮单元22A、22B。车辆的最终驱动系统采用分配动力差动齿轮系32(更通常称为“差速器”)，其在车轮单元22A、22B之间分配马达产生的扭矩和动力。两个车轴34A(图1)和34B(图2)中的每一者在其一端处(例如，经由花键接合)可操作地连接到差速器32，并且在其相反端处(例如，经由联轴器)连接到地轮单元22A、22B中的相应一者。虽然显示为中间安装的横向马达布局，但牵引马达16可被重新取向或重新定位到车辆底盘12的其他位置，并驱动地连接到任何或所有地轮22A-22E，例如，以提供前轮驱动(FWD)、后轮驱动(RWD)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)传动系配置。例如，另选的动力辅助架构可驱动地将牵引马达16连接到脚轮式前轮单元22C和22D-FWD传动系-或者如果需要，连接到非旋转后轮单元22E-RWD传动系-以提供用于推进车辆10的驱动功率。进一步设想，车辆10采用其他原动机进行补充推进，包括内燃机(ICE)组件或采用电机和内燃机两者的混合动力总成。

继续参考图1，牵引马达16电连接到牵引电池模块20并由该牵引电池模块供电，以在无辅助的“仅马达”推进模式或辅助的“马达-骑车人”推进模式下推进车辆10。驻留车辆控制器18被编程为接收和处理各种用户输入信号、传感器信号和无线数据交换，并且通过经由一个或多个马达控制信号调节牵引马达16的输出来对这些输入作出响应。在辅助操作模式期间，牵引马达16输出“电辅助”扭矩，其水平足以增加或“增强”用户产生的扭矩，同时尽可能满足用户的一个或多个期望的电辅助目标。相反，当在无辅助操作模式下工作时，牵引马达16输出足以暂时推进车辆10的动力扭矩，而不需要来自骑车人的蹬踏步态运动来推动车辆10。这样，驻留车辆控制器18可实时地自动将电能从牵引电池模块20分配给牵引马达16，并且因此，在车辆10越过行驶路线时，实时地保留和优化电辅助功能。

图1的电动踏板车10可采用多种不同的踏板车、推车和混合车身构型，包括三轮车、四轮车和五轮车设计，其包括用于运输货物的货台、篮子、箱子或其他承重结构。作为非限制性示例，代表性车辆10被描绘为具有车辆底盘12的五轮电动货物踏板车，该车辆底盘由箱式支撑框架36、轮式踏板车踏板38、直立手把组40和前货台42制成。踏板车踏板38从箱式框架36向后突出，用于在其上支撑站立的骑车人(未示出)。可以设想踏板车踏板38可例如经由铆钉、紧固件或焊接件刚性地固定到框架36，或者可从车辆10的结构中完全移除，例如用于推车、高尔夫球车或婴儿车设计。根据图示的示例，图1和图2的踏板车踏板38被示为可动地安装到框架36，以在大致水平的“展开”位置和大致垂直的“收起”位置之间来回转换。车辆10还可利用枢转联接器接头，该枢转联接器接头允许踏板车踏板38以俯仰运动(例如，围绕横向轴线)以及偏航运动(例如，围绕垂直轴线)枢转。框架36、踏板车踏板38、手把组40和货台42均可由刚性金属材料(诸如80/20铝)、高强度聚合物(诸如刚性聚氯乙烯(RPVC))或适当刚性、防锈材料的组合制成。

手把组40从箱式支撑框架36向上突出，并允许骑车人手动控制车辆10的方位和方向变化，这将在下文进一步详细描述。右手和左手制动杆组件44A和44B分别安装在手把组40上，邻近相应的手柄46A和46B。这些制动杆组件44A、44B允许用户通过致动右侧和左侧鼓式制动组件48A(图1)和48B(图2)来选择性地减慢并停止车辆10。附接在踏板车踏板38的后端附近的可选的脚制动器50被设计成由用户的脚向下按压以摩擦接合并由此减慢后轮单元22E。前货台42位于车辆10的前部，提供用于将货物有效载荷安放在其上并加以支撑的刚性工作表面。尽管未示出，但货台42可包括护栏、篮子或集装箱，以在运输放置在车辆10上的有效载荷时提供附加的保持和保护。滑动附接托架52将货台42的最后端机械地连接到框架36，并允许对货台42的可调节的重新定位。可选的支撑板54可在左侧和右侧地轮单元22A和22B的前后安装到框架36。

对于至少一些应用，车辆10可任选地配备有再生充电能力，其使得牵引电池模块20能够在车辆10的操作期间被再充电。例如，当车辆10处于下倾状态时，地轮单元22A、22B通常可空转，而重力暂时提供推进车辆10的动力。另选地，驻留车辆控制器18可将牵引马达16从电动模式切换到发电机模式，从而允许该马达16产生电能，例如通过马达的转子和定子感应电磁感应。为了实现车辆10的这种再生充电实施方案，牵引马达16可配备有必要的功率调节装置，例如功率逆变器、DC-DC转换器、链路电容器和/或其他功率滤波部件等。当骑车人推进车辆10时，也可实现再生充电。

响应于来自驻留车辆控制器18的马达控制信号，牵引马达16可选择性地提供电辅助能力。可通过安装在车辆10的手把组40上的人机界面(HMI)(即，触摸屏交互式显示装置56)来促进骑车人与驻留车辆控制器18的实时交互。车辆控制器18还可与健身跟踪器装置诸如可穿戴电子监测装置(未示出)交换数据，该装置能够操作以测量骑车人的心率、卡路里消耗、汗度、脚踏速率或任何其他此类健康相关的和活动相关的参数。作为另一种选择，骑车人可使用支持蜂窝的智能电话、手表或平板电脑向驻留车辆控制器18提供附加输入，诸如实时车辆位置跟踪、用户偏好和里程碑、历史辅助水平数据等。驻留车辆控制器18、可穿戴电子装置和/或智能电话/平板电脑/手表中的每一者可以彼此无线通信，并且可与一个或多个远程计算节点无线通信，诸如云计算资源服务或后端或中间件服务器计算节点。可经由蜂窝芯片组/部件、无线调制解调器、导航和定位芯片组/部件(例如，GPS收发器)、短程无线通信装置(例如，

单元或近场通信(NFC)收发器)、双天线或任何合适的无线通信手段来提供与远程、非板载联网装置的通信能力。

如上所述，驻留车辆控制器18被构造和编程为控制牵引马达16的操作等。控制模块、模块、控制器、控制单元、电子控制单元、处理器及其任何排列可被定义为指逻辑电路、专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及相关联的存储器和存储装置(例如，只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器、有形等)中一者或多者的任一种或多种组合，无论是驻留的、远程的还是两者的组合。车辆控制器18可执行一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置，并且包括适当的信号调节和缓冲电路以及其他部件，以提供所述功能。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语可表示包括校准和查找表的任何控制器可执行指令集。控制器可被设计成具有被执行以提供期望功能的一组控制例程。控制例程例如由中央处理单元执行，并且能够操作以监视来自感测装置和其他联网控制模块的输入，以执行用于控制装置和致动器的操作的控制和诊断例程。例程可在进行的车辆使用或操作期间实时地、连续地、系统地、偶发地和/或以规则的间隔(例如，每100微秒、3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒等)执行。另选地，可响应于车辆10的操作期间发生的校准事件来执行例程。

图1和图2中呈现的独特车辆架构允许马达助力的人力驱动车辆10以至少三种不同的马达助力/无马达助力配置使用：(1)“在后行走”配置；(2)“在后骑行”配置；和(3)“双模式”配置。在后行走配置可典型地为推车或婴儿车类型的布置方式，其中踏板车踏板38被移除或存储，使得用户的门在推动车辆10时不受阻碍。相比之下，在后骑行配置可例示为电动踏板车类型的布置方式，其中骑车人站在踏板车踏板38上，而车辆10完全由牵引马达16推进。相比之下，双模式配置可典型地为混合动力总成类型的布置方式，其允许用户站在踏板车踏板38上并与马达16协作以同时推进车辆10。为此，所示的车辆架构可用作多种电气化移动解决方案的平台，诸如货物踏板车、电动婴儿车、通勤踏板车、轮椅以及本文所述的任何其他选项。

所有车辆结构变型可任选地为骑车人提供三种动力辅助操作模式：(1)质量补偿“负载辅助”模式；(2)运动补偿“摩擦辅助”模式；以及(3)倾斜补偿“坡度辅助”模式，所有这些都将在下面对图3和图4的讨论中进一步详细描述。为了补充用户产生的移动重型有效载荷的努力，负载辅助操作至少部分地基于用户向踏板车柄部40和/或踏板车踏板38施加的力来调节马达输出。这些力可通过第一力传感器58(诸如旋转电位差计或线性可变差动变压器(LVDT))和负荷传感器62(诸如压缩/剪切力感测垫)来测量。在一个示例中，负载辅助增加马达输出与用户对手把产生的力的增加成比例。摩擦辅助操作调节马达输出，以防止由表面摩擦引起的意外减速，包括可变表面摩擦(“混合μ”)行驶路线。相比之下，坡度辅助操作使用来自车载传感器和加速度计的分布式阵列的控制回路反馈来确定表面倾斜/下倾角度，从而改变马达输出以减少过度的努力并防止在这种倾斜/下倾时意外的车辆减速/加速。该分布式传感器阵列可包括操作地连接到手把组件40的第一力传感器58、操作地连接到踏板车踏板38的第二力传感器60(例如，聚氨酯电介质电容式压力传感器)、操作地连接到货台42的负载传感器62、操作地连接到安装板28的惯性测量单元(IMU)64以及操作地连接到手柄46A、46B的一对电容式触摸传感器66中的任一个或多个或全部。

可选的自适应巡航控制特征控制马达输出，以帮助保持车辆速度与用户在没有马达辅助的情况下“滑行”车辆10时的速度大致相同。例如，当电辅助被禁用时，驻留车辆控制器18可跟踪车辆10的实时速度；一旦激活电辅助，例如响应于检测到的道路倾斜，牵引马达16的扭矩输出可被增加到足以将“辅助后”车辆速度保持在相同的“辅助前”车辆速度值的量。进一步设想的是，在自适应巡航控制希望降低车辆速度以便继续“辅助前”车辆速度的情况下，可实施马达制动以使车辆10减速。

除了激活制动组件48A、48B之外，压下任一制动杆组件44A、44B也可起到暂时禁用马达16的作用。同样，用户和车辆10之间缺乏接触，例如，如由电容式触摸传感器66或力传感器60所感测到的，同样可暂时禁用马达16。前述特征可有助于允许重型车辆(例如，具有重型有效载荷的车辆)表现得像相对较轻的车辆(例如，没有重型有效载荷的车辆)。此外，这些特征可有助于在没有油门按钮或方向盘的情况下实现车辆控制，并且还可有助于通过自动停止特征来促进更好的车辆控制，从而防止非自愿的车辆“失控”。

现在参考图3的流程图，用于控制人力驱动车辆(诸如图1的电动踏板车10)的马达(诸如牵引马达16)的动力辅助输出的改进方法或控制策略根据本公开的各方面通常在100处描述。图3中所示和下文进一步详细描述的一些或所有操作可表示对应于处理器可执行指令的算法，该处理器可执行指令可存储在例如主要或辅助或远程存储器中，并且例如由板载或远程控制器、处理单元、控制逻辑电路或其他模块或装置执行，以执行与所公开的概念相关联的任何或所有上述或下述功能。应当认识到，可改变所示操作块的执行顺序，可添加附加块，并且可修改、组合或消除所述块中的一些。

方法100从终端块101开始，其具有用于可编程控制器或控制模块或类似的合适处理器的处理器可执行指令，以调用实时推进辅助系统控制协议的初始化过程，该初始化过程有助于提高电辅助输出，同时优化系统能量使用。该例程可在进行的车辆操作期间实时地、连续地、系统地、偶发地和/或以规则的间隔(例如，每100微秒等)执行。作为又一种选择，终端块101可响应于来自用户的命令提示或来自后端或中间件计算节点的广播提示信号进行初始化，该后端或中间件计算节点的任务是收集、分析、分类、存储和分发车辆数据。作为块101处的初始化过程的一部分，驻留车辆控制器18可执行导航处理代码段，例如，以获得地理空间数据、车辆动态数据、时间戳和相关的时间数据等。

一旦系统初始化完成，自适应推进辅助系统14就评估用户当前是否正在操作车辆10。例如，输入/输出块103可为车辆控制器18提供处理器可执行指令，以提示一个或多个车载传感器返回指示用户接触手动驱动车辆10的指定部分的传感器数据。如上所述，用户与踏板车踏板38的接触可由负载传感器62确认，而用户与手把组40的接触可由电容式触摸传感器66确认。使用在块103处检索到的反馈传感器数据，车辆控制器18在决策块105处检测用户是否正在接触手动驱动车辆10。如果用户实际上当前没有与车辆10接触(块105＝否)，则系统14可断定用户当前没有操作车辆10，并且通过在过程块107将存储器存储的巡航速度设置为等于零(0)以及在过程块109同时将存储器存储的巡航速度设置为等于零(0)来响应。自适应推进辅助系统14可随后返回到输入/输出块103并通过方法100循环回来；另选地，方法100可暂时终止。一般来讲，存储器存储的巡航速度连续地适于在没有马达辅助的情况下由用户操作时与车辆速度一致；但是，巡航速度设置为零，并且马达因用户接触的丢失或用户发起的制动而脱离。

在确定用户当前与车辆10的一个或多个指定部分接触(块105＝是)时，自适应推进辅助系统14可断定用户当前正在操作车辆10，并且作为响应，评估用户是否希望车辆10停止。以举例的方式并且不受限制，方法100继续至输入/输出块111，其具有用于车辆控制器18的处理器可执行指令，以与右手和/或左手制动杆组件44A、44B交换数据。使用在块111处接收的制动输入信号，车辆控制器18检测用户是否正在施加制动杆组件44A、44B，如决策块113所示。如果用户实际上压下一个或两个制动杆组件44A、44B(块113＝是)，则系统14可通过在过程块107将存储器存储的巡航速度设置为等于零(0)以及在过程块109同时将存储器存储的马达速度设置为等于零(0)来响应。自适应推进辅助系统14可随后暂时终止方法100，或者可返回到输入/输出块103并通过方法100循环回来。

在确定用户未压下制动杆组件44A、44B中的任一个(块113＝否)，方法100继续至输入/输出块115，以测量用户施加到电动踏板车10上的当前净力。对于该特定系统操作，驻留车辆控制器18可与操作地附接到手把组40的第一力传感器58(在本文中也称为“手把传感器”)交换数据。从该力传感器58接收的一个或多个传感器信号指示用户对手把产生的力F_H(图1)由骑车人例如通过推动或拉动手柄46A、46B施加到手把组40，同时手动操作车辆10。在踏板车踏板38被展开和使用的情况下，车辆控制器18可同时提示安装到踏板车踏板38的第二力传感器60(在本文中也称为“踏板传感器”)，以返回指示用户产生的踏板力F_D(图1)由骑车人(例如，通过站在踏板车踏板38上并且推离地面以推进车辆10)施加到框架36的一个或多个信号。净力F_net可以是手把力F_H和踏板力F_D的矢量和(大小和方向)，或者F_net＝F_H+F_D。

在决策块117处，方法100确定由用户施加到手动驱动车辆10的净力是否大于零(0)。响应于确定净力实际上不大于零(块117＝否)，方法100前进到输入/输出块119以确定车辆10的当前速度是多少。车辆速度可使用任何合适的技术来确定，包括全球定位系统(GPS)生成的大地测量数据、蜂窝三边测量、光学或磁性车轮速度传感器、车辆到基础设施(V2I)数据交换等。一旦在块119处导出当前车辆速度，则方法100在决策块121处确定当前车辆速度是否小于存储器存储的预设巡航速度。响应于当前车辆速度大于存储器存储的预设巡航速度(块121＝否)，在过程块123处，牵引马达16的扭矩输出减小比例-积分(PI)控制值。相反，在过程块125处，驻留车辆控制器18可通过将牵引马达16的扭矩输出增加PI控制值来对当前车辆速度小于存储器存储的预设巡航速度(块121＝是)作出响应。PI控制增益可根据下面参考图4讨论的PID算法200来确定。专用数字PI控制器可用离散采样周期和离散形式的PI方程实现，以近似积分值。在完成过程块123/125时，方法100可暂时终止或循环回到输入/输出块103。

返回至图3的决策块117，方法100通过前进至预定义的过程块127来对用户所施加的净力大于零(块117＝是)作出响应，以导出手动驱动车辆10正横跨其移动的道路或地面的俯仰角(坡度)。表面坡度可以多种方式表示，其示例为与水平面(即，垂直于在给定点处的重力场的梯度的平面)的倾斜角。继续讨论图1和图2所示的代表性应用，驻留车辆控制器18与安装到车辆底盘12的IMU 64通信，以确定车辆的当前加速度。IMU 64可配备有三轴加速度计(在提供的视图中不可见)，该三轴加速度计生成指示电动踏板车的当前向前(前后)水平加速度分量、横向(右舷左舷)水平加速度分量和垂直(上下)加速度分量的传感器信号。如下文将进一步详细解释的，车辆的俯仰角以及因此下方支撑表面的道路坡度可全部或部分地根据踏板车的测量加速度计算。

在预定义的过程块127处计算俯仰角之后，方法100转换到决策块129以确定车辆10是在倾斜表面还是在下倾表面上。例如，驻留车辆控制器18可确定：(1)为大于(第一)校准倾斜阈值角的俯仰角，因此，车辆10处于倾斜状态(返回否定的“否”响应)；或者(2)为小于(第二)校准下倾阈值角的俯仰角，因此，车辆10处于下倾状态(返回肯定的“是”响应)。这些阈值可针对每个车辆品牌和型号进行校准，以确保仅针对不可忽略的倾斜/下倾开始坡度补偿。在确定俯仰角大于第一校准阈值角度(块129＝否)时，系统14断定车辆10处于非实质倾斜状态，并且方法100前进到过程块131，其具有用于车辆控制器18的存储器存储的指令，以将一个或多个命令信号传播到牵引马达16，从而将马达扭矩输出增加至少校准的力增益增量。该校准的力增益增量可由车辆控制器18从存储器存储的查找表中检索，该查找表将俯仰角与力增益相关联。每个增益表可包含车辆特定的校准数据，该数据将一系列表面俯仰角(从0°到50°，以5°为增量)与一系列互补增益值(每个增量的相应马达力增益增量)相关联，以实现指定的马达输出。例如，增益表包括逐渐增加的增益值，马达输出增加该增益值以抵消逐渐增加的道路梯度。增益表可进一步突出显示车辆针对每个增益值实现的最大马达输出。

一旦在过程块131处增加马达扭矩输出，方法100就前进至决策块133以确定车辆10所经历的剪切力是否大于零(0)。剪切力可为在电动踏板车10的操作期间所经历的多种力的数学总和，诸如由用户的推离“滑行”运动产生的第一剪切力和车辆10由于重力而在下倾表面上滑动所引起的第二剪切力。响应于确定剪切力不大于零(块133＝否)，自适应推进辅助系统14此后可返回到输入/输出块103并通过方法100循环回来。然而，如果剪切力实际上大于零(块133＝是)，则方法100确定车辆的当前速度是否大于存储器存储的预设巡航速度，如在决策块135中所示。如果不是(块135＝否)，则系统14可随后返回到输入/输出块103。另一方面，如果车辆的当前速度大于存储器存储的预设巡航速度(块135＝是)，则方法100前进到过程块137，将存储器存储的巡航速度设置为与当前车辆速度一致，然后循环回到输入/输出块103。

一旦确定俯仰角小于第二校准阈值角(块129＝是)，自适应推进辅助系统14就断定，车辆10处于非实质下倾状态，因此前进到过程块139。在过程块139处，车辆控制器18确定车辆10由于下倾表面的俯仰角而经历的倾斜力分量。车辆控制器18同时从倾斜力分量中减去净力。在决策块141处，该方法确定净力和该力分量之间的差值是否大于零。如果是(块141＝是)，则方法100从决策块141循环回到过程块131并且如上所述通过操作133、135、137等继续。相反，如果驻留车辆控制器18确定净力和力分量之间的差值不大于零(块141＝是)，方法100从决策块141循环回到输入/输出块119并且如上所述通过操作121、123、125等继续。

在预定义的过程块127处导出俯仰角/道路坡度可使用许多不同的可用技术中的任一种来完成。在一个示例中，驻留车辆控制器18处理加速度计产生的传感器信号以导出车辆的当前加速度分量，即前向加速度a_x、横向加速度a_y和垂直加速度a_z。使用这些加速度值，车辆控制器18将初始角输入及其符号(+/-)计算为atan2(a_z，a_x)，即垂直(上下)和向前(前后)加速度分量的双参数反正切函数。注意，如果垂直加速度分量a_z约等于重力(9.806m/s²)，则初始角输入为零。对于非零初始角输入，车辆控制器18将俯仰角速度φ^·(Y)(即，俯仰角随时间的变化)乘以预先确定的时间量。然后，控制器18基于所计算的俯仰角变化来修改初始角输入。换句话讲，车辆控制器18根据手动驱动车辆围绕俯仰轴的当前角速度确定Δ角，该俯仰轴相对于手动驱动车辆在其上移动的表面水平并且相对于手动驱动车辆的行驶方向正交。随后，车辆控制器18将初始角输入与Δ角相加/相减，并将最终俯仰角值计算为初始角与Δ角的数学差/和。然后，该最终俯仰角值用于识别校准的力增益增量。

可用于在预定义过程块127处导出俯仰角/道路坡度的另一种技术包括驻留车辆控制器18处理加速度计产生的传感器信号以导出车辆的当前加速度。这些加速度分量然后用于将初始角输入(没有符号)计算为arccos(a_z/g)的绝对值，即垂直加速度分量a_z的反三角余弦函数和重力g(9.81)。车辆控制器18同时将净力F_net的方向标识为atan2(F_net，z，F_net，x)，即净力垂直分量F_net，z和净力前后分量F_net，x的双参数反正切函数。然后，通过基于净力方向将俯仰角符号分配给初始角的绝对值来确定最终俯仰角值。然后，该最终俯仰角值用于识别校准的力增益增量。

可修改上述负载辅助模式，以补偿表面坡度的变化。在一个示例中，驻留车辆控制器18将净力前后大小分量(“X力”)F_M测量为前后踏板力分量F_D，x和前后手把力分量F_H，x的总和。车辆控制器18同时估计车辆10沿其行驶的表面的坡度角，例如，如上所述。然后，车辆控制器18确定净力前后大小分量F_M是否超过由表面坡度产生的预期力值。如果不是，则车辆控制器18可在电动踏板车10的后续使用期间循环回来并继续监测净力前后大小F_M。然而，在确定净力前后大小分量F_M超过预期力值时，车辆控制器18基于所施加的力和可归因于坡度的力之间的差值响应地增加电辅助马达扭矩输出。

作为另一种选择，负载辅助模式可使用时间序列数据来过滤坡度效果(例如，仅使用X方向的力)，从而修改马达输出以补偿表面坡度的变化。在该示例中，车辆控制器18测量净力F_net并以本文所述的任何方式估计俯仰角。一阶滞后滤波器计算如下：

其中

是合力，例如，如由车载手把和踏板传感器所读取的；α_net为使用低通滤波器调整的车辆加速度；

为车辆加速度，如由车载加速度计所读取的；

为先前经调整的车辆加速度；k为a；

为先前经调整的合力；并且s是用于调节灵敏度的灵敏度因子(即，小s等于较高的灵敏度)。然后，控制器确定是否：

如果是，则驻留车辆控制器18将命令信号传输到牵引马达16，以基于比例差增加电辅助扭矩。

接下来转到图4，示出了用于修改牵引马达(诸如图1和图2的动力辅助牵引马达16)的电辅助动力输出的代表性比例-积分(PI)控制算法200。一般来讲，驻留车辆控制器18读取存储器存储的预设巡航速度，并且基于由存储器存储的表校准施加的最大限制(例如，取决于坡度角)，车辆控制器调用比例积分微分(PID)模块以识别该相同值的当前马达速度。实现PID模块的车辆控制器18然后完成所测量的实际车辆速度和期望的车辆速度之间的比较，并且调节查找表的约束内的增益值。在例示的示例中，在过程块201处将设定速度(例如，存储器存储的车辆巡航速度)确定为期望的过程值或设定值(SP)。在第一求和单元203处评估该输入参考值，在这种情况下，计算设定速度和测量速度值之差。可在过程块205处使用来自霍尔传感器或基于中断的输入轮毂传感器的传感器反馈(例如，每转2次)来计算该测量的速度值，并且针对毛刺检测和过滤后的输出速度进行调制。

一旦被评估，偏差就被输入到具有传递函数Kp的P部分控制器207中，并输入到具有传递函数Ki的I部分控制器211中。求和单元203的输出信号∑表示在过程块209处确定的这两个速度信号的总和，随后输入到I部分控制器211中。在第二求和单元213处评估P部分和I部分控制器207、211的输出值。图4的控制算法200还包括与第二求和单元213串联连接的限速器215。限速器215可为闭环速度系统生成限制输入速度参考信号。比例系数减小单元217应用比例系数Kr＜1，以便产生减小的马达控制(MC)速度信号。最终的MC信号在219处被处理并且在221处被输出至牵引马达(M)。

在一些实施方案中，可通过计算机可执行指令程序(诸如程序模块)来实现本公开的各方面，所述指令通常被称为由板载车辆计算机或驻留和远程计算装置的分布式网络执行的软件应用程序或应用程序。在非限制性示例中，软件可包括执行特定任务或实现特定数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。软件可形成界面以允许驻留车辆控制器或控制模块或其他合适的集成电路器件根据输入源作出反应。该软件还可与其他代码段协作，以响应于结合所接收数据的源接收的数据来发起各种任务。软件可存储在各种存储器介质中的任一种上，诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)。

此外，本公开的各方面可用各种计算机系统和计算机网络体系结构实践，包括多处理器系统、基于微处理器或可编程消费性电子产品、小型计算机、大型计算机、主从、对等或并行计算框架等。此外，本公开的各方面可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的驻留和远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可位于板载和非板载计算机存储介质(包括存储器存储装置)中。因此，本公开的各方面可在计算机系统或其他处理系统中结合各种硬件、软件或它们的组合来实现。

本文所述的任何方法可包括机器可读指令，以供以下装置执行：(a)处理器，(b)控制器，和/或(c)任何其他合适的处理装置。本文所公开的任何算法、软件、控制逻辑、协议或方法可体现在存储在有形介质上的软件中，例如，闪存存储器、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字通用光盘(DVD)或其他存储装置。整个算法、控制逻辑、协议或方法和/或其部分可另选地由除控制器之外的装置执行和/或以可用方式体现在固件或专用硬件中(例如，它可通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等实现)。此外，尽管参考本文所描绘的流程图描述了具体算法，但是有许多其他方法来实现可另选地使用的示例性机器可读指令。

已参考例示的实施方案详细描述了本公开的各方面；然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可对其进行许多修改。本公开不限于本文所公开的精确构造和组成；根据上述描述显而易见的任何和所有修改、改变和变型均在由所附权利要求书限定的本公开的范围内。此外，本发明的概念明确包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于调节手动驱动车辆的推进辅助系统的方法，所述手动驱动车辆包括具有手把的框架和附接到所述框架的多个车轮，所述动力辅助系统包括车辆控制器和附接到所述框架的牵引马达，所述牵引马达能够操作以驱动所述车轮中的一个或多个车轮，所述方法包括：

经由所述车辆控制器来检测用户接触所述手动驱动车辆；

响应于所述用户接触所述手动驱动车辆，经由所述车辆控制器来接收来自附接到所述手把的手把传感器的手把传感器信号，所述手把传感器信号指示由所述用户施加到所述手把的手把力；

基于所述手把力来确定由所述用户施加到所述手动驱动车辆上的净力；

经由所述车辆控制器来从安装到所述框架的加速度计接收指示所述手动驱动车辆的加速度的加速度传感器信号；

基于所述手动驱动车辆的所述加速度来确定所述手动驱动车辆在其上移动的表面的俯仰角；以及

响应于所述净力大于零并且所述俯仰角大于校准的阈值角，经由所述车辆控制器将命令信号传输到所述牵引马达，以将马达扭矩输出增加校准的力增益增量。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于所述用户接触所述手动驱动车辆，经由所述车辆控制器来接收来自安装到所述框架的踏板车踏板的踏板传感器的踏板传感器信号，所述踏板传感器信号指示由所述用户施加到所述踏板车踏板的踏板力，其中确定所述净力还基于所述踏板力。

3.根据权利要求1所述的方法，其中检测到所述用户接触所述手动驱动车辆包括所述车辆控制器从安装到所述手把的接触传感器接收到接触传感器信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述手动驱动车辆还包括惯性测量单元(IMU)，所述加速度计是整合到所述IMU中的多轴加速度计，并且所述加速度传感器信号包括指示垂直加速度分量和水平加速度分量的传感器信号。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于没有检测到所述用户接触所述手动驱动车辆，经由所述车辆控制器将停止命令信号传输到所述牵引马达以中断生成所述马达扭矩输出。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

经由所述车辆控制器从制动输入装置接收指示由所述用户生成的制动输入的制动信号以停止所述手动驱动车辆；以及

响应于接收到所述制动输入，经由所述车辆控制器来将停止命令信号传输到所述牵引马达以中断生成所述马达扭矩输出。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于所述净力不大于零：

确定所述手动驱动车辆的当前车辆速度；

确定所述当前车辆速度是否小于预设巡航速度；以及

响应于所述当前车辆速度小于所述预设巡航速度，经由所述车辆控制器来将增强命令信号传输到所述牵引马达以将所述马达扭矩输出增大比例-积分(PI)控制值。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括响应于所述当前车辆速度大于所述预设巡航速度，经由所述车辆控制器来将切割命令信号传输到所述牵引马达以将所述马达扭矩输出降低所述PI控制值。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于所述俯仰角小于第二校准的阈值角：

确定由于所述表面的所述俯仰角而导致的力分量；

确定所述净力与所述力分量之间的差值是否大于零；以及

响应于所述净力与所述力分量之间的所述差值大于零，经由所述车辆控制器来将所述命令信号传输到所述牵引马达，以将所述马达扭矩输出增加所述校准的力增益增量。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括响应于所述净力与所述力分量之间的所述差值不大于零：

确定所述手动驱动车辆的当前车辆速度；

确定所述当前车辆速度是否小于预设巡航速度；以及

响应于所述当前车辆速度小于所述预设巡航速度，经由所述车辆控制器来将增强命令信号传输到所述牵引马达以将所述马达扭矩输出增大比例-积分(PI)控制值。

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