CN111506126B - 多向运动设备线控信号生成装置以及线控运动设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向运动设备线控信号生成装置，能够解决现有技术占用人力资源较多或需要车载相应感知设备等问题。该多向运动设备线控信号生成装置，包括牵引线、牵引线张紧收纳装置、牵引线长度测量装置、牵引线偏转角度测量装置、竖直偏移测量装置以及控制量计算模块；牵引线张紧收纳装置与被控运动设备相对固定(同步运动)；根据当前的长度信息和角度信息，同时参考前一次测量的长度信息和角度信息，计算得出速度控制变量和转向控制变量，作为运动设备驱动运动状态变化的目标；另外，还由竖直偏移测量装置获得偏离基准位置的竖直位移或角度，计算得出高度控制变量，作为运动设备设定部位高度状态变化的目标。

Description

多向运动设备线控信号生成装置以及线控运动设备

技术领域

本发明涉及一种使运动设备伴随用户行进的操控系统。

背景技术

车辆运动主要涉及车辆前进、后退、左转、右转以及刹车等，一般是通过驾驶员直接操纵转向机构和行驶机构来实现。对于无人车，可以通过激光雷达、摄像头、毫米波雷达等自主运动或者遥控器遥控操纵车辆运动。

车辆伴随人行进是一种常见的工作状态。现有的操纵伴随车辆的方案有：

1、有线或者无线遥控车辆运动。

2、语音命令，通过识别特定语音指令，或者语音识别理解，车载控制系统接收指令，控制车辆做相应动作。

3、手势(动作)指挥，通过识别特定手势(动作)，车载控制系统接收指令，控制车辆做相应动作。

4、通过车载环境感知设备，识别人的运动，进行伴随动作。或者人携带便于车辆感知的有源或者无源特定标志，车载控制系统感知人的运动，控制车辆进行伴随运动。

这些方案，要么需要配备操作人员，占用人力资源(特别是双手)，要么需要车载相应感知设备，对于复杂环境的适应性较差。

发明内容

本发明的目的是一种多向运动设备线控信号生成装置，旨在解决现有技术占用人力资源较多或需要车载相应感知设备等问题。

本发明的解决方案如下：

多向运动设备线控信号生成装置，其特殊之处在于，包括：

牵引线；

牵引线张紧收纳装置，用于收纳所述牵引线并使牵引线始终处于张紧状态，牵引线的自由端经牵引线张紧收纳装置相应的出口能够在人为拉力和张紧力的共同作用下被拉出/收回；牵引线张紧收纳装置与被控运动设备相对固定(同步运动)；

牵引线长度测量装置，用于测量牵引线的收放长度(以初始位置为参考的牵引线被拉出/收回的长度)；

牵引线偏转角度测量装置，用于测量牵引线偏离运动设备前进方向的角度；

竖直偏移测量装置，用于测量牵引指示偏离基准位置(基准水平线，可能与物理水平线有一个偏移角度)的竖直位移或角度；

控制量计算模块，根据牵引线长度测量装置和牵引线偏转角度测量装置获得当前的长度信息和角度信息，同时参考前一次测量的长度信息和角度信息，计算得出速度控制变量和转向控制变量，作为运动设备驱动运动状态变化的目标；另外，还由竖直偏移测量装置获得偏离基准位置的竖直位移或角度，计算得出高度控制变量，作为运动设备设定部位高度状态变化的目标。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

进一步地，上述牵引线张紧收纳装置包括线轴和线轴张紧部件，牵引线绕接于线轴上，牵引线的拉出使得线轴克服线轴张紧部件的作用而转动；所述牵引线长度测量装置采用增量式编码器，与牵引线张紧收纳装置的线轴相连，测量牵引线收放的圈数，根据圈数得到收放长度。

进一步地，该运动设备线控信号生成装置还包括内框架和外框架；所述牵引线张紧收纳装置与内框架相对固定，并整体位于外框架内部，内框架通过与所述线轴平行的主轴与外框架连接，使得牵引线在偏转时能够带动内框架相对外框架转动；所述牵引线偏转角度测量装置通过测量所述主轴的转动角度来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度。

进一步地，上述牵引线偏转角度测量装置采用电位器、光电传感器或者霍尔传感器。

进一步地，上述牵引线张紧收纳装置的牵引线出口与牵引线的径向尺寸相适配；所述牵引线偏转角度测量装置采用压力传感器，设置于牵引线张紧收纳装置的牵引线出口处，通过测量牵引线因偏转在牵引线出口施加的压力水平分量来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度。

进一步地，上述竖直偏移测量装置，包括转动轴、曲柄和角度检测单元，所述转动轴与牵引线张紧收纳装置的相对位置固定，转动轴配合相应的轴承安装以满足自由转动(且允许沿自身轴向移动设定距离，从而避免阻碍牵引线水平方向的偏转)，曲柄的一端与转动轴固定连接，另一端套接在牵引线上，角度检测单元用于测量所述转动轴的转动角度来表征牵引指示偏离基准高度的竖直位移。

进一步地，设当前牵引线角度为Ain2，前一次采样的牵引线角度为Ain1，采样时间间隔为t，通过采样时间间隔得到的偏移变化DAin＝(Ain2-CAin)-(Ain1-CAin)，得到角度变化速度VAin＝DAin/t，设运动设备直行时的线偏移角度为CAin，当前运动设备转弯角度为LAout，偏移控制常数B，速度控制常数C；则运动设备转向控制量(新的运动设备转弯角度NAout)为：

NAout＝LAout+(DAin/B)*(VAin/C)；

设当前牵引线长度为Lin2，前一次采样的牵引线长度为Lin1，采样时间间隔为t，通过采样时间间隔t得到的拉出或者收回变化DLin＝(Lin2-CLin)-(Lin1-CLin)；得到牵引线长度变化速度VLin＝DLin/t，设线拉出CLin运动设备才开始行驶(运动设备启动的阈值)，当前运动设备速度为LSout，偏移控制常数E，速度控制常数F；则运动设备速度控制量(新的运动设备速度NSout)为：

NSout＝LSout+(DLin/E)*(VLin/F)。

进一步地，所述速度控制量的计算过程包括以下步骤：

1)判断当前牵引线的收放长度是否达到启动阈值，如果是，则执行步骤2)；如果否，则运动设备停止动作；

2)根据当前牵引线收放长度、前一次测量的牵引线收放长度以及运动设备的速度，判断牵引线的自由端(用户)相对于运动设备的动作趋向，分为：正向移动、停止移动、反向移动；

3)若牵引线的自由端被判断为正向移动，则运动设备根据当前牵引线收放长度，按照设定的牵引线收放长度-运动设备前进速度的正相关函数调整前进速度；所述正相关函数设置为分段映射；

若牵引线的自由端被判断为停止移动，则运动设备按照前一次的前进速度继续运动，直至牵引线的收放长度缩短至小于启动阈值，运动设备停止动作；

若牵引线的自由端被判断为反向移动，则运动设备按照设定的倒退速度进行匀速倒退。

进一步地，设当前牵引线长度为Lin2，前一次采样的牵引线长度为Lin1，采样时间间隔为t，运动设备当前速度(也即前一次调整后的速度)为LSout，则步骤2)的判断方法为：

Lin2>Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端正向移动；

Lin2＝Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端停止移动；

Lin2<Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端反向移动。

一种基于上述多向运动设备线控信号生成装置的线控运动设备，运动设备本体上固定安装所述牵引线张紧收纳装置，所述控制量计算模块发出控制信号通过以下任一方式实现运动设备跟随行进、转向和高度调整；

(1)以数字指令的方式给运动设备的控制器发送运动指令；

(2)以数字占空比方式直接控制电机控制器控制运动设备的运动；

(3)通过模拟信号方式直接控制电机控制器控制运动设备的运动。

本发明具有以下优点：

本发明采用牵引线(绳)与运动设备(如车辆)连接，但并不是直接用绳的拉力来拉动车辆，而是通过实时测量牵引线的张紧程度和偏转角度，换算相应的控制量来驱动车辆跟随行进。本发明占用人力资源少(可单手牵引，产生的指令传递给车辆控制器即可)，直观使用，车辆无需加装感知设备。

本发明还集成有运动设备高度调节功能，同样通过牵引线的动作来控制运动设备特定部位(例如车辆底盘)的高度调整。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图。

图2为图1的一个侧面示意图。

附图标号说明：

1-内框架；2-外框架；3-牵引线；4-角度偏移测量传感器；5-牵引线张紧收纳装置；6-牵引线长度测量装置(线拉出或收回传感器)；7-主轴的轴承；8-竖直偏移测量装置；801-转动轴；802-曲柄。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本申请做详细描述；其中部分装置/模块的具体结构可能未做进一步的详细说明，是因为其属于本领域的公知常识和常规技术手段，本领域技术人员根据本申请公开的内容，足以实现本申请的技术方案。

本实施例是一种利用人牵引线来控制车辆的运动的装置。这里，并不是直接用绳的牵引力来拉动车辆，而是通过检测牵引线的状态来产生车辆行进的控制量。

整个装置包括牵引线张紧收纳装置、牵引线长度测量装置、牵引线偏转角度测量装置和控制量计算模块等。其中：

牵引线张紧收纳装置内设计有线轴和线轴张紧部件，对牵引线有一定张紧力，只需要克服张紧力轻拉牵引线，牵引线往外运动；相反放松牵引线时，在张紧力的作用下，牵引线自动回收。线轴张紧部件的原理与常见的皮尺原理相同，属于常规技术手段。

牵引线长度测量装置，用于测量牵引线的收放长度，可采用增量式编码器，也可采用其他常规的长度测量方法/装置。

牵引线偏转角度测量装置，用于检测牵引线偏转角度，可采用模拟传感器(例如电位器)，也可以采用数字传感器(例如光电或者霍尔传感器)。

竖直偏移测量装置，用于测量牵引指示偏离设定高度(角度)的竖直位移。

整个装置可设计为两框架结构，如图1、图2所示，包括外框架和内框架。牵引线张紧收纳装置与内框架相对固定，并整体位于外框架内部，内框架通过与线轴平行的主轴与外框架连接，使得牵引线在偏转时能够带动内框架相对外框架转动；牵引线偏转角度测量装置通过测量所述主轴的转动角度来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度；竖直偏移测量装置具体包括转动轴、曲柄和角度检测单元，其中转动轴与牵引线张紧收纳装置的相对位置固定，转动轴配合相应的轴承安装以满足自由转动(且允许沿自身轴向移动一定距离，从而避免阻碍牵引线水平方向的偏转)，曲柄的一端与转动轴固定连接，另一端套接在牵引线上，角度检测单元用于测量所述转动轴的转动角度来表征牵引指示偏离设定高度的竖直位移。

上述牵引线偏转角度测量装置还可以采用其他方式/结构来测量牵引线偏离运动设备前进方向的角度。例如，使牵引线张紧收纳装置的牵引线出口与牵引线的径向尺寸相适配；所述牵引线偏转角度测量装置采用压力传感器，设置于牵引线张紧收纳装置的牵引线出口处，通过测量牵引线因偏转在牵引线出口施加的压力来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度。此时，整个装置也可以除去外框架。具体来说，根据用户的需求，可以降低精度，取消外框架，在出口采用压力传感器，在出口测量偏转压力，从而测量偏转量。压力传感器可以只在出口左、右两侧分别设置一个压力传感器。压力传感器也可以为环形结构，则能够测量上下、左右各个方位的偏转压力，其中上下方位的偏转压力可转换为竖直偏移测量，即可取代上述转动轴、曲柄和角度检测单元的配置结构。

控制量计算模块，通过通讯接口以数字指令的方式给车辆相关控制器发送运动指令；或者通过数字占空比方式直接控制电机控制器控制车辆的运动；或者模拟信号方式直接控制电机控制器控制车辆的运动。控制量计算模块本身可以集成安装在车辆本体上；也可以不安装在车辆本体上，可通过CAN或串口等总线与各传感器和车辆控制器通讯。

1、车辆转向的控制量计算：

车辆转向控制与角度偏移的大小和速度都有关，角度偏移越大，转弯角度越大，角度变化越快，转弯速度越大。例如，拉绳往右，车往右转向，拉绳往左，车往左转向。拉线角度越大，转弯越快。这方面类似于汽车方向盘的操作。

牵引线偏移角度Ain，当前牵引线角度为Ain2，前一次采样的牵引线角度为Ain1，通过采样时间间隔得到的偏移变化DAin，得到角度变化速度VAin，设车辆直行时的线偏移角度为CAin，当前车辆转弯角度为LAout，新车辆转弯角度NAout。偏移控制常数B，用于修正角度变化；速度控制常数C，用于修正角度变化速度。在不考虑修正时，可以简化取值1，而需要精确修正时可以根据设备现场调试结果修正。

则车辆转向控制为：

DAin＝(Ain2-CAin)-(Ain1-CAin)

NAout＝LAout+(DAin/B)*(VAin/C)

2、车辆速度的控制量计算：

车辆速度控制与线绳的拉出或者收回的长度和速度都有关，拉出或者收回的长度越大，速度越大，拉出或者收回的越快，速度变化越快。

牵引线长度Lin，当前牵引线长度为Lin2，前一次采样的牵引线长度为Lin1，通过采样时间间隔得到的拉出或者收回变化(正负)DLin，得到变化速度VLin，设线拉出CLin车辆才开始行驶，当前车辆速度为LSout，新车辆速度NSout。偏移控制常数E，速度控制常数F。在不考虑修正时，可以简化取值1，而需要精确修正时可以根据设备现场调试结果修正。

则车辆速度控制为：

DLin＝(Lin2-CLin)-(Lin1-CLin)

NSout＝LSout+(DLin/E)*(VLin/F)

车辆速度的控制量计算举例如下：

每一次计算，首先需要判断人的动作方向(前进、停步、后退)：

Lin2>Lin1-(LSout*t)，表明人往前走了；

Lin2＝Lin1-(LSout*t)，表明人没有动；

Lin2<Lin1-(LSout*t)，表明人往车方向走了。

牵引线总长6米，设定启动阈值为1米，即：当牵引线从初始的0长度拉出，小于1米范围内，车无动作；若松开牵引线，则由于线轴张紧部件的作用牵引线自动收回，从1米到完全收回，车无动作；

当牵引线拉出超过1米，继续外拉(人往前走了)，车辆向前行驶，拉的越长，车往前行驶，车速度越高，牵引线收放长度-车辆前进速度的映射关系为：

1-2米，0.5米/秒；

2-4米，<＝1米/秒；

4-5米，<＝2米/秒；

5-6米，<＝3米/秒。

当人没有动，车辆继续往前行驶，速度随着与人距离的减小而减小(参照前述映射关系)，当小于1米时，车辆停止，不再前进。

当人反方向往车走近，则车辆倒退，倒退速度0.5米/秒。退至人与车距离小于1米时，车辆停止，不再后退。

对于通过数字占空比方式直接控制电机控制器控制车辆行进，具体示例说明如下：

占空比：占空比是指在一个脉冲循环内，高电平相对于总时间所占的比例。

PWM驱动，通过数字周期信号的占空比或者周期控制运动，信号往往有高低限制，例如20％-80％占空比。以占空比为例，例如占空比50％为刹车，低于50％的为后退，高于50％为前进，差值为额定速度比值。以30公里每小时为例，20％占空比为30公里每小时速度后退，80％占空比为30公里每小时速度前进，50％占空比为刹车，60％占空比为10公里每小时速度前进，40％占空比为10公里每小时速度后退。

对于通过模拟信号方式直接控制电机控制器控制车辆行进，具体示例说明如下：

模拟信号驱动，通过模拟信号的幅值，例如1V-5V，例如3V为刹车，低于3V为后退，高于3V为前进，差值为额定速度比值。以20公里每小时为例，1V为20公里每小时速度后退，5V为20公里每小时速度前进，3V为刹车，4V为10公里每小时速度前进，2V占空比为10公里每小时速度后退。

3、车辆设定部位高度的控制量计算

应用例如：根据牵引指示的上下偏移来控制底盘主动悬挂系统，以调整底盘高度，以适应不同路面；或者可在车辆底盘设置自动充放气功能，从而能够根据牵引指示的上下偏移来改变胎压。如图1、图2所示，操作人员提起/放下牵引线时，会带动套接在牵引线上的曲柄一端向上/向下移动，转动轴相应顺时针/逆时针转动。

用于改变胎压或者悬挂高度的控制量可以是开关变量，即无需考虑操作人员提起/放下牵引线的具体偏移量，而仅仅定性区分向上或向下，按照设定的两级调节模式改变胎压或者悬挂高度。

当然，如果精度要求不高，也可以考虑定量控制胎压或者悬挂高度，此时操作人员在提起/放下牵引线的过程中关注的是套接在牵引线上的曲柄一端向上/向下移动的距离(偏离基准位置的距离)，车辆设定部位高度的控制量与该距离为线性关系，作为运动设备设定部位高度状态变化的目标。

Claims (9)

1.多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于，包括：

牵引线；

牵引线张紧收纳装置，用于收纳所述牵引线并使牵引线始终处于张紧状态，牵引线的自由端经牵引线张紧收纳装置相应的出口能够在人为拉力和张紧力的共同作用下被拉出/收回；牵引线张紧收纳装置与被控运动设备相对固定；

牵引线长度测量装置，用于测量牵引线的收放长度；

牵引线偏转角度测量装置，用于测量牵引线偏离运动设备前进方向的角度；

竖直偏移测量装置，用于测量牵引指示偏离基准位置的竖直位移或角度；

控制量计算模块，根据牵引线长度测量装置和牵引线偏转角度测量装置获得当前的长度信息和角度信息，同时参考前一次测量的长度信息和角度信息，计算得出速度控制变量和转向控制变量，作为运动设备驱动运动状态变化的目标；另外，还由竖直偏移测量装置获得偏离基准位置的竖直位移或角度，计算得出高度控制变量，作为运动设备设定部位高度状态变化的目标；

所述竖直偏移测量装置，包括转动轴、曲柄和角度检测单元，所述转动轴与牵引线张紧收纳装置的相对位置固定，转动轴配合相应的轴承安装以满足自由转动，曲柄的一端与转动轴固定连接，另一端套接在牵引线上，角度检测单元用于测量所述转动轴的转动角度来表征牵引指示偏离基准高度的竖直位移。

2.根据权利要求1所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于：所述牵引线张紧收纳装置包括线轴和线轴张紧部件，牵引线绕接于线轴上，牵引线的拉出使得线轴克服线轴张紧部件的作用而转动；所述牵引线长度测量装置采用增量式编码器，与牵引线张紧收纳装置的线轴相连，测量牵引线收放的圈数，根据圈数得到收放长度。

3.根据权利要求2所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于：该运动设备线控信号生成装置还包括内框架和外框架；所述牵引线张紧收纳装置与内框架相对固定，并整体位于外框架内部，内框架通过与所述线轴平行的主轴与外框架连接，使得牵引线在偏转时能够带动内框架相对外框架转动；所述牵引线偏转角度测量装置通过测量所述主轴的转动角度来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度。

4.根据权利要求3所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于：所述牵引线偏转角度测量装置采用电位器、光电传感器或者霍尔传感器。

5.根据权利要求2所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于：所述牵引线张紧收纳装置的牵引线出口与牵引线的径向尺寸相适配；所述牵引线偏转角度测量装置采用压力传感器，设置于牵引线张紧收纳装置的牵引线出口处，通过测量牵引线因偏转在牵引线出口施加的压力水平分量来表征牵引线偏离运动设备前进方向的角度。

6.根据权利要求1所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于：设当前牵引线角度为Ain2，前一次采样的牵引线角度为Ain1，采样时间间隔为t，通过采样时间间隔得到的偏移变化DAin＝(Ain2-CAin)-(Ain1-CAin)，得到角度变化速度VAin＝DAin/t，设运动设备直行时的线偏移角度为CAin，当前运动设备转弯角度为LAout，偏移控制常数B，速度控制常数C；则运动设备转向控制量为：

NAout＝LAout+(DAin/B)*(VAin/C)；

设当前牵引线长度为Lin2，前一次采样的牵引线长度为Lin1，采样时间间隔为t，通过采样时间间隔t得到的拉出或者收回变化DLin＝(Lin2-CLin)-(Lin1-CLin)；得到牵引线长度变化速度VLin＝DLin/t，设线拉出CLin运动设备才开始行驶，当前运动设备速度为LSout，偏移控制常数E，速度控制常数F；则运动设备速度控制量为：

NSout＝LSout+(DLin/E)*(VLin/F)。

7.根据权利要求1所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于，速度控制量的计算过程包括以下步骤：

1)判断当前牵引线的收放长度是否达到启动阈值，如果是，则执行步骤2)；如果否，则运动设备停止动作；

2)根据当前牵引线收放长度、前一次测量的牵引线收放长度以及运动设备的速度，判断牵引线的自由端相对于运动设备的动作趋向，分为：正向移动、停止移动、反向移动；

3)若牵引线的自由端被判断为正向移动，则运动设备根据当前牵引线收放长度，按照设定的牵引线收放长度-运动设备前进速度的正相关函数调整前进速度；所述正相关函数设置为分段映射；

若牵引线的自由端被判断为停止移动，则运动设备按照前一次的前进速度继续运动，直至牵引线的收放长度缩短至小于启动阈值，运动设备停止动作；

若牵引线的自由端被判断为反向移动，则运动设备按照设定的倒退速度进行匀速倒退。

8.根据权利要求7所述的多向运动设备线控信号生成装置，其特征在于，设当前牵引线长度为Lin2，前一次采样的牵引线长度为Lin1，采样时间间隔为t，运动设备当前速度为LSout，则步骤2)的判断方法为：

Lin2>Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端正向移动；

Lin2＝Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端停止移动；

Lin2<Lin1-(LSout*t)，表明牵引线的自由端反向移动。

9.一种基于权利要求1所述多向运动设备线控信号生成装置的线控运动设备，其特征在于，运动设备本体上固定安装所述牵引线张紧收纳装置，所述控制量计算模块发出控制信号通过以下任一方式实现运动设备跟随行进、转向和高度调整；

(1)以数字指令的方式给运动设备的控制器发送运动指令；

(2)以数字占空比方式直接控制电机控制器控制运动设备的运动；

(3)通过模拟信号方式直接控制电机控制器控制运动设备的运动。

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