CN116113573A - 用于鞍座式机动车辆的平衡支撑系统 - Google Patents

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CN116113573A CN202080102923.1A CN202080102923A CN116113573A CN 116113573 A CN116113573 A CN 116113573A CN 202080102923 A CN202080102923 A CN 202080102923A CN 116113573 A CN116113573 A CN 116113573A
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Abstract

本申请主题涉及具有平衡支撑系统的鞍座式机动车辆。所述机动车辆(100)包括固定至车架组件(105)的第一部分(270)的致动器单元(205)。扭矩增强器单元(210)配置为将来自于致动器单元(205)的驱动力提供给转向轴(213)。扭矩增强器单元(210)紧凑地设置在头管(106)上方。平衡支撑控制单元(235)用于基于从所述多个传感器(230，240，250，251)接收的输入来估计估计的转向角(As)，并与实际转向角(As’)比较，并且触发致动器单元(205)。本申请能够通过向致动器单元(205)有效地提供平衡转向角平衡所述机动车辆。

Description

用于鞍座式机动车辆的平衡支撑系统
技术领域
本申请主题涉及鞍座式车辆，并且更具体地，涉及用于鞍座式机动车辆的平衡支撑系统和方法。
背景技术
当前，四轮车辆已经大体上实现了一级自主(level-1 autonomy)，其中车辆可以一次执行一项自主任务。这些四轮车辆例如汽车大多包含自主安全导向功能，如自动车道保持或自适应巡航控制。在一些其他具有二级自主的高级四轮车辆中，车辆可以一次执行两项自主任务，例如，汽车可以转向以及执行车道保持，或者自动刹车并操作自适应巡航控制。因此，四轮车辆正在实施这些电力辅助系统(EPAS)和电子稳定程序(ESP)。
然而，当考虑两轮或三轮机动车辆(通常是鞍座式车辆)时，在这些方面仍然有很大差距。在为骑手提供一定程度的辅助方面，一个关键的聚焦领域是在低速骑行时提供稳定性。与四轮车辆或者具有多于四轮辆的车不同，鞍座式车辆是不稳定的，并且具有向一侧翻车或倾覆的倾向。包含两轮和三轮车辆的鞍座式车辆通过操作把手以操作前轮来转向。骑手必须施加高转向力以操纵机动车辆。例如，在缓慢移动的交通状况下，骑手通常被迫以非常慢的速度骑行。在这种条件下，骑手极难平衡车辆，因为车辆在非常低的速度下具有固有的较差的稳定性。
附图说明
参照附图进行详细描述，附图涉及两轮机动车辆，是本发明的一个实施例。然而，本申请不限于描绘的实施例。在附图中，始终使用相同或相似的附图标记来指代特征和部件。
图1示出根据本申请主题的实施例的示例性机动车辆的左侧视图。
图2(a)描绘了根据本申请主题的实施例的通过机动车辆的车架组件支撑的转向支撑系统。
图2(b)示出根据本申请主题的扭矩增强器单元的示意性俯视图。
图2(c)示出根据本申请主题的实施例的扭矩增强器单元的示意性立体图。
图3描绘了根据本申请主题的实施例的平衡支撑系统的操作方法的流程图。
具体实施方式
在传统的两轮和一些三轮车辆中，骑手必须连续地且有意识地执行机动操作，以维持稳定性并避免摔倒。对于新手骑手来说，避免倾覆更具挑战性。除非是对于有经验的骑手，否则新手骑手无法判定要施加的转向扭矩和转向角的大小。即使是对于有经验的骑手来说，这种连续且有意识的操纵也会产生疲劳，尤其是在交通状况下。因此，鞍座式车辆的骑手发现在低速操作时难以平衡车辆。
为了解决与辅助鞍座式机动车辆的骑手有关的问题，根据已知技术，已为某些机动车辆提供了具有复杂组件的简单辅助功能。例如，为力传递系统提供了多个联动装置，该联动装置在紧凑的车把组件附近占据了大量空间。此外，力传递系统的主要部分设置在距离机动车辆的横向中心较大偏移处，可能造成不平衡。此外，偏置设置的系统使用连杆构件或杆，用于与转向系统连接以进行辅助。在这种系统中零件和接头的数量很大。随着接头数量增加，制造、组装和维护变得复杂。此外，在这些系统中，取决于转向系统(例如把手)的旋转方向，电动机辅助骑手在骑手试图旋转的方向上转向以减少作用力。然而，这些系统不能提供稳定性或不能避免机动车辆的摔倒，因为系统通过来自用户的输入工作并辅助在相同的方向上转向。因此，即使当骑手倾向于在不期望的方向上(就稳定性而言)操纵时，该系统也能够提供辅助。这可以减少骑手经历的疲劳，但是不能为机动车辆提供稳定性，因此，机动车辆仍然容易由于不稳定而摔倒。
为解决稳定性方面的不足，本领域进行了某些尝试。然而，这些解决方案在本质上是概念性的，并倾向于修改机动车辆的现有配置。这种系统难以适应大规模生产的鞍座式车辆。鞍座式机动车辆本身的基本设计语言是偏离上述解决方案的。例如，为了尝试提供转向辅助，该方案建议取消传统的头管。头管更换为具有两个电动机的转向设备。这种解决方案通常是在大型旅游类机动车辆中实施，其在前部具有较大的容积和布局空间。在传统和紧凑型车辆系统中实施这种设计的挑战是，传统的车架结构需要修改，并且必须在转向系统附近创造较大空间，这造成了与标准鞍座式机动车辆设计的偏差。此外，机动车辆中的各种系统的重新设计需要花费时间并涉及巨大的设计成本。此外，使用两个电动机驱动显著增加了系统的重量和成本。另外，为了在车辆前端支撑这种大型转向设备，需要在前部进行大量加固。在整个汽车行业通常朝向减轻重量和提高效率的方向发展时，不希望这种重量增加设计。
此外，一些方案建议修改输入轴与转向轴之间的转向比，这可能会在骑手心中造成混乱，因为机动车辆在不同的条件(转向比)下反应不同，这使得驾驶不可预测。在这种系统中，驾驶期间的易感性是一个主要挑战。
本领域的一些其他方案建议在转向辅助期间断开把手连接。这需要对骑手进行特殊训练，以适应这种非常规的方式。此外，某些机动车辆倾向于在转向辅助期间在前向轨迹和后向轨迹之间切换，以提供平衡。对于转向系统的每个轨迹，用户都会经历不同的驾驶姿势，因为可能会改变把手位置、有效座椅高度、轴距等。这给骑手带来很大的不适，实际上并不可取。在一些其他方案中，为动力单元创造了额外的旋转度(当与传统的鞍座式机动车辆相比)，以使动力单元相对于头管旋转。这需要改变整个机动车辆布局，并需要大幅加强的前部结构，所述前部结构支撑前轮并且同时可旋转地支撑动力单元和后轮。
因此，需要提供一种提供平衡和稳定性的紧凑且简单的转向辅助系统。转向辅助系统应该能够容纳进鞍座式机动车辆的现有配置，而不需要做大的改动。
因此，本申请主题提供了一种用于鞍座式机动车辆的紧凑型平衡支撑系统。用于鞍座式车辆的平衡支撑系统配置为辅助骑手，尤其是用于甚至在低速时平衡机动车辆，从而提供一定程度的自主性。
机动车辆包括车架组件。车架组件包括设置在其前部的头管和向后延伸的主管。本发明能够使用传统的车架组件，只需进行最低限度的修改或无需修改。因此，保留了机动车辆的传统设计语言。
转向轴绕头管可旋转地轴颈连接。转向轴通过标准前悬架系统连接至前轮。不需要在机动车辆的前部设置用于平衡支撑系统的额外的悬挂系统。
机动车辆提供有多个传感器，用于感测机动车辆的各种动态参数。多个传感器包括转向角传感器，这对于理解机动车辆的操纵状态至关重要。
在一个实施例中，多个传感器中的一个或多个设置在机动车辆的后部区域。在一个实施方式中，一个或多个传感器通过机动车辆的一个或多个后管构件支撑。这使得传感器能够以最小的干扰准确地提供侧倾、偏航和其他信息。
致动器单元固定至车架组件的第一部分。本发明需要小容量的致动器单元，例如小容量电动机，其可以紧凑地容纳在机动车辆中。根据一个实施例，致动器设置在机动车辆的前部，能够集中质量，从而进一步增强车辆的稳定性。
提供扭矩增强器单元以驱动转向轴，以便向骑手提供平衡转向角和对应的扭矩。扭矩增强器单元紧凑地设置在头管上方，而不会对致动器产生任何干扰。转向角传感器能够与扭矩增强器单元一起工作以识别转向角。这消除了将转向角传感器设置成与转向轴或把手组件直接接触的需要，这可能保证在结构完整性以及紧凑布局方面的安装变化。包含转向轴的转向系统是一个关键结构，其接收负载并支撑前轮，并且能够操纵，从而对其设计的任何修改都可能导致系统的结构强度的不希望的权衡。扭矩增强器单元和致动器单元可独立地维修。
提供平衡支撑系统的平衡支撑控制单元，用于基于从多个传感器接收的输入来估计估计的转向角。平衡支撑控制单元将估计的转向角与实际转向角进行比较，然后确定通过致动器单元提供给转向轴的平衡转向角。平衡支撑控制单元利用与平衡转向角相对应的输入来致动或触发致动器单元。
在一个实施例中，扭矩增强器单元设置在头管上方。扭矩增强器单元设置成使得当沿转向轴线观察时，其至少部分地与头管重叠，其中头管设置在机动车辆的横向中心。设置在头管上方的扭矩增强器单元可以通过面板组件(例如前盖和腿罩)包围，从而在那里保护扭矩增强器单元。此外，与头管重叠(在俯视下)的扭矩增强器单元占据了头管周围的最小空间，从而避免了机动车辆的前部结构的任何变化并且能够实现紧凑的车辆设计。
在一个实施例中，扭矩增强器单元配置为增强来自致动器单元的输入。在一个实施方式中，扭矩增强器单元包括牢固地支撑在其壳体中的驱动齿轮和从动齿轮。
驱动齿轮功能性地联接至致动器单元以接收驱动输入，并且从动齿轮功能性地联接到转向轴以驱动转向轴。驱动齿轮和从动齿轮配置为具有齿轮比该齿轮比用于甚至通过利用小容量致动器提供扭矩增强来驱动转向轴。在一个实施例中，车把组件也通过扭矩增强器单元连接至转向轴。车把组件和致动器单元能够平行地向转向轴提供输入。
在一个实施例中，扭矩增强器单元包括双联齿轮，其功能性地联接至驱动齿轮以与之旋转。在一个实施方式中，双联齿轮和从动齿轮是一体形成的，使其成为紧凑组件。转向角传感器功能性地联接至双联齿轮，并且配置为提供转向角信息。
在一个实施方式中，双联齿轮联接至传感器齿轮，所述传感器齿轮可旋转地支撑在扭矩增强器单元中。传感器齿轮可以与转向角传感器连接，以提供与转向状况相关的信息。
在一个实施例中，转向角传感器基本上设置在沿所述扭矩增强器单元的上表面通过的第一平面和沿着所述致动器单元的上表面通过的第二平面之间。因此，临界转向角传感器牢固地容纳在变矩器单元和致动器单元之间。
在一个实施例中，扭矩增强器单元基本上设置在机动车辆的横向中心区域内。因此，扭矩增强器单元和致动器单元，即使增加了机动车辆的重量，也以平衡和紧凑的方式设置在中心区域内，从而消除了重心向一侧的任何偏移，这对于车辆的平衡和稳定性至关重要。
在一个实施例中，车架组件的第一部分由头管和主管的前部形成。根据本申请的致动器单元可以紧凑地容纳在车架组件上而与机动车辆的配置，即具有跨步空间和摆动式动力单元的踏板车型车辆或具有设置在头管后方的燃料箱的摩托车型车辆或三轮车辆无关。
在一个实施例中，致动器单元联接至头管的面向后的部分，其中主管向后向下延伸。有了这样的配置，公用空间例如跨步空间不会受到影响。因为致动器单元设置成延伸超过头管，远离跨步空间，并且联接至设置在头管上方的扭矩转换器单元。扭矩转换器牢固地容纳在把手总成与头管之间。
在一个实施例中，多个传感器包括速率传感器、全球定位单元、转向扭矩传感器和惯性测量单元，用于提供与车辆的各种动态参数相关的信息例如速度/速率、偏航、侧倾、俯仰角等。多个传感器通过机动车辆的车架组件支撑。多个传感器通过包含有线或无线连接的任何已知方式通信地联接至平衡支撑控制单元。
根据本申请的平衡支撑系统配置为通过操作方法操作来辅助骑手平衡鞍座式车辆。该方法包括如下步骤，但不限于讨论的顺序。从多个传感器支撑控制单元接收信息。基于通过平衡支撑控制单元接收的多个传感器的信息，连续地计算估计的转向角。相应地，估计对应的估计的转向扭矩。将计算的估计的转向角与骑手施加的实际转向角进行比较。估计在预定时间内的实际转向角的平均值，并与第一预定值进行比较，这样做是为了确定车辆运行状况和骑手的意图。此外，基于实际转向角的估计的平均(平均值)和实际转向角与估计的转向角之间的瞬时差值中的至少一个来识别车辆运行状况。计算平衡致动器角和平衡支撑扭矩，并触发联接至扭矩增强器单元的致动器单元，以驱动机动车辆的转向轴，以创造平衡。
在一个实施例中，触发联接至扭矩增强器单元的致动器单元，以便递送平衡支撑扭矩以驱动机动车辆的转向轴。
在一个实施例中，计算平衡致动器角包括计算实际转向角(在预定时间内)与估计的转向角之间的差的平均，并将所述平均与所述估计的转向角相加。
在一个实施例中，在与所述估计的转向角相加之前，将上述预定时间内的实际转向角之间的差的平均与转向调整参数相乘。
在一个实施例中，识别车辆运行状况包含将实际转向角的平均值与第一预定值相比较以及将实际转向角和估计转向扭矩之间的差值与零相比较中的一个来确定车辆的运行状况。第一预定值优选为零。
该方法主要考虑估计的转向角，并选择性地使用估计的转向扭矩和实际转向扭矩来确定车辆的骑行状态，从而确定了通过致动器单元施加的角度和扭矩。
本申请通过使用紧凑的系统解决了低稳定性的问题，该系统甚至可以在传统的车辆设计中实现。
本申请保留了机动车辆的轨迹。本申请即使在前向轨迹的情况下也能够实现平衡，这对于在更高速度下的稳定性和可操纵性来说是期望的。
机动车辆可能会由于转向系统的角度位置的细微变化或变化而经历一定程度的变化，即使在与骑手的零扭矩要求相对应的直线骑行条件下也是如此。类似地，转向系统的角度位置可能会在一段时间内为操纵者产生变化。因此，转向角传感器能够感测这些变化并向控制系统提供精确的数据以精确地控制致动器单元。根据本申请的一个方面，这是通过了解或校准与机动车辆的各种动态参数相对应的致动器单元/转向系统的角度位置来实现的。
在一个实施例中，扭矩传感器设置在转向轴上并且用于测量通过致动器马达施加至转向系统的扭矩，并估计通过骑手施加在转向系统上的扭矩。
本申请为有经验的骑手和新手骑手提供了改进的骑行体验，因为关键的平衡功能由平衡支撑系统负责。骑手可以在交通拥挤等缓慢移动的条件下舒适地骑行。参考附图对本申请主题作进一步描述。应当注意的是，说明书和附图仅示出了本申请主题的原理。可以设计各种布置，尽管在此没有明确描述或示出，但这些布置包括本申请主题的原理。此外，在此列举的本申请主题的原理、方面和示例的所有陈述，以及其具体示例，都旨在包含其等价物。
平衡支撑系统可以在任何两轮车辆或三轮机动车辆中实施。然而，为了解释的目的而非限制，通过以下实施例描述了平衡支撑系统和对应的附加优点和特征。设置在图中右上角的箭头代表相对于机动车辆的方向。箭头F代表前进方向，箭头R代表后退方向，箭头UW代表上升方向并且箭头DW代表下降方向。
图1描绘了根据本申请主题的实施例的示例性机动车辆100的左侧视图。机动车辆100包含车架组件105(示意性地示出)，所述车架组件105包括头管106、从头管106向后向下延伸的主管107和从主管107的后部向后倾斜延伸的一个或多个后管110。在描绘的实施例中，车架构件105限定了跨步部分151。在一个实施例中，主管可适于从头管106向后延伸，并随后向下限定支撑动力单元的主管下方的空间。前轮130和后轮133分别通过前悬架系统131和后悬架系统134可旋转地支撑。在一个实施例中，后轮133可以另外通过摆臂支撑。
在本实施例中，动力单元135可摆动地连接至车架构件105，并且基本上设置在座椅组件155的下方，并且位于跨步部分151的后方。动力单元135包含用于向后轮133传递动力的传动系统(未示出)。传动系统可以包含无极变速器、自动手动变速器、皮带/链条传动装置。在一个实施例中，动力单元135是内燃机。在另一个实施例中，动力单元135是电动原动机。在一个另一个实施方式中，动力单元固定地安装至机动车辆100的车架组件105。
此外，前轮130通过车架组件105可枢转地支撑，并且把手组件150功能性地连接至前轮130，用于操纵和使车辆100转向。把手组件150可以支撑仪表盘、包含节气门、离合器或电气开关的车辆控制装置。此外，座椅组件155通过车架组件105支撑，并且骑手可以在座椅组件155上的就坐位置操作车辆100。此外，在描绘的实施例中，车辆100包含形成在把手组件150与座椅组件155之间的跨步部分151。
车辆100设置有多个面板170A、170B、170C，所述面板安装至车架组件105并覆盖车架组件105和/或车辆100的一部分。多个面板包含分别沿向前和向后方向覆盖车架组件105的头管106的前面板170A和腿部护罩170B。此外，后面板组件170C基本上设置在座椅组件155的下方。后面板组件170C基本上覆盖设置在座椅组件155下方的公用设施箱(未示出)，并且也覆盖动力单元135的至少一部分。机动车辆100设置有平衡支撑系统200(如在图2(a)中示出)，这将在下面的描述中进行讨论。
图2示出根据本申请主题的实施例的支撑在机动车辆的车架组件105上的平衡支撑系统200的示意性侧视图。转向轴213绕头管106可旋转地轴颈连接。转向轴213包括下端。下桥215连接至转向轴213的下端。下桥215配置为支撑前悬架系统131。前悬架系统131可旋转地支撑前轮131。转向轴213绕转向轴线S-S’可旋转。在描绘的实施例中，机动车辆100包括前向轨迹(positive trail)，因为转向轴线S-S’在前轮130的接触点190前方延伸到路面。此外，本申请能够保留轨迹，即前向轨迹，并且在机动车辆的操作期间不需要轨迹中的任何变化。
机动车辆100的平衡支撑系统200包括致动器单元205和功能性地连接至致动器单元205的扭矩增强器单元210。致动器单元205固定地安装至车架组件105。在一个实施例中，延伸构件(未示出)固定至车架组件105，并且致动器单元205支撑在延伸构件上。在另一个实施例中，致动器单元205牢固地安装至车架组件105的第一部分270。第一部分270是包括头管106和主管的前部108的部分。在描绘的实施例中，致动器单元205固定至头管106的面向后的侧。根据一个实施例，转向轴线S-S’平行于致动器轴线A-A’。此外，在描绘的图示中，致动器单元205设置成在向上的UW-向下的DW方向上延伸超过头管106，并且扭矩增强器单元210设置在致动器单元205的上方并且在头管106的上方。扭矩增强器单元210配置为将来自于致动器单元的驱动力提供给转向轴213。因此，根据本申请，头管106的现有配置被保留在机动车辆中，而不需要改变车架组件105的前部(例如头管部分)。扭矩增强器单元210和致动器单元205基本上设置在机动车辆100的横向中心区域。因此，设置在横向中心区域的扭矩增强器单元210和致动器单元205以平衡方式安装在机动车辆100上，而不会使机动车辆100的重心向任何一侧移动。另外，扭矩增强器单元以及致动器单元的前向配置使质量集中在靠近转向轴线的地方，从而使转向惯性中的变化最小化，并使车辆的操控稳定性得到提高。
在一个实施例中，多个传感器和平衡支撑控制单元235与致动器单元205一起固定至车架组件105。在一个实施例中，形成多个传感器的一部分的转向角传感器250安装在致动器单元205的致动器单元轴(未示出)与扭矩增强器单元210之间。在一个实施例中，转向角传感器250基本上设置在第一平面P1与第二平面P2之间。第一平面P1沿着扭矩增强器单元210的上表面通过，并且第二平面P2沿着致动器单元205的上表面通过。因此，转向角传感器250，其是临界传感器，牢固地设置在两个平面P1与P2之间，并且靠近扭矩增强器单元210，从而实现紧凑并稳定的布局。在一个实施例中，转向角传感器250功能性地联接至扭矩增强器单元210。转向角传感器250紧凑地容纳在机动车辆上，而没有影响转向轴213、致动器单元205和把手组件150的功能。转向角传感器250配置为提供与转向轴213的转向角相关的数据/信息。多个传感器的扭矩传感器251安装在转向轴213中以测量通过骑手施加到转向系统的扭矩。转向轴213的顶部通过连接装置216功能性地连接至把手组件150。在描绘的实施例中，平衡支撑控制单元235通过后管110支撑。平衡支撑控制单元235通信地联接至致动器单元205，以激活/停用或控制致动器单元205的操作。平衡支撑控制单元235基于从多个传感器接收的输入，估计估计的转向扭矩T。然后确定平衡支撑扭矩TB，并且用与平衡支撑扭矩TB相对应的输入来触发致动器单元205，从而辅助骑手平衡机动车辆。多个传感器包含速度传感器(未示出)、全球定位系统(GPS)单元230、由车架组件105支撑的惯性测量单元240。根据一个实施例，多个传感器230、240设置在车辆的后部区域并且基本上靠近平衡支撑控制单元235，以实现车辆的紧凑且安全的布局。多个传感器通信地联接至平衡支撑控制单元235，以提供机动车辆100的各种动态操作条件。把手组件150和致动器单元205能够平行于转向轴213提供输入以操纵机动车辆100。
平衡支撑系统200在机动车辆100的预定的状况下被激活。例如，当骑手以低速(根据一个实施例，例如每小时5公里以下的速度)操作机动车辆100时，平衡支撑系统200被激活。为了在如此低速下平衡机动车辆100，骑手通常通过操作转向系统的把手组件150向机动车辆100提供平衡输入。然而，通过骑手提供的输入可能不够，或者可能不是在正确的方向或以所需的速率。平衡支撑系统200被驱动，并且其对转向轴213施加部分或全部平衡扭矩。转向轴213从把手组件150和致动器单元205接收输入。除了平衡辅助以外，致动器单元205还提供转向/扭矩辅助。平衡支撑控制单元235配置为使用来自包含惯性测量单元240、速度传感器(未示出)、全球定位传感器单元230等的多个传感器中的一个或多个传感器的数据来估计要施加的扭矩。平衡支撑系统200主要使用来自转向角传感器250的数据，并且根据另一实施例，可以考虑来自扭矩传感器251的数据。
由于骑手必须主动控制转向输入以平衡低速行驶的机动车辆100，来自致动器单元205的平衡扭矩提高稳定性并提高骑行体验。小型电机可以配置为用作致动器单元205。来自致动器单元205的扭矩输出通过扭矩增强器单元的所需的齿轮比增强，以提供用于平衡机动车辆100所需的额外扭矩。因此，避免了对具有更高扭矩的大型致动器单元的需求。此外，小容量足以操作致动器单元205，从而避免大容量电池电力。小容量的电池可以紧凑地容纳在机动车辆中，而不需要改变布局。本申请由于紧凑的配置而提供了额外的重量优势，由于保留了机动车辆的传统设计语言和使用单一的小型电动机而提供了成本优势。此外，在一个实施方式中，平衡支撑系统200(设置在靠近头管106的部件)基本上通过前盖170A和腿罩170B包围。
图2(b)示出了根据本申请主题的实施例的扭矩增强器单元210的俯视图。图2(c)示出了根据在图2(b)中示出的本申请主题的实施例的扭矩增强器单元210。扭矩增强器单元210包括由第一壳体211和第二壳体212形成的外壳。第一壳体211和第二壳体212包围多个齿轮。驱动齿轮255支撑在可旋转地支撑的驱动轴245上。致动器单元205联接至驱动齿轮255/驱动轴245。驱动齿轮255与从动齿轮260啮合，从动齿轮260支撑在从动轴246上。从动齿轮260联接至转向轴213。在一个实施方式中，从动轴246的一端联接至转向轴213，并且从动轴246的另一端联接至把手组件150。驱动齿轮255与从动齿轮260之间的传动比配置为向转向轴213提供致动器单元扭矩。驱动齿轮255和从动齿轮260具有彼此平行的旋转轴线。因此，扭矩增强器单元包括驱动齿轮255和从动齿轮260。驱动齿轮255功能性地联接(啮合)至致动器单元205，并且从动齿轮260功能性地联接(啮合)至转向轴213。驱动齿轮255和从动齿轮260配置为具有用于提供扭矩增强来驱动转向轴213的齿轮比。在优选的实施例中，与从动齿轮260相比，驱动齿轮255更小(齿数更少)。
此外，驱动齿轮255设置有双联齿轮257(tandem gear)。在一个实施例中，驱动齿轮255和双联齿轮257附接至同一驱动轴245。双联齿轮257与传感器齿轮265啮合，传感器齿轮265配置为与转向角传感器和/或转向扭矩传感器功能性地连接，以提供致动器单元205和转向轴213中的至少一个的转向角信息。传感器齿轮265可旋转地支撑在传感器轴247上。在一个实施例中，转向角传感器250通过传感器齿轮265功能性地联接双联齿轮257，并且配置为提供转向角信息。轴245、246、247通过多个轴承271、272、273、274、275、276可旋转地支撑在扭矩增强器210中。在一个实施例中，第一壳体211和第二壳体212设置有槽C1、C2、C3以支撑轴承271、272、273、274、275、276。扭矩增强器单元210在向上-向下(UW-DW)方向上具有较小的宽度，并且在转向轴线方向上具有紧凑的高度。其基本上占用了齿轮、轴承和外壳的宽度，如在图2(a)中的侧视图所示，其宽度基本上很小。
在一个实施例中，平衡支撑控制单元235从惯性测量单元(IMU)240、全球定位传感器230或速度传感器(未示出)、转向角传感器250接收输入，以及根据另一实施例可以考虑从转向扭矩传感器251接收的输入。转向扭矩传感器251向平衡支撑控制单元235提供关于骑手施加力以使机动车辆辆通过把手217转向的力或扭矩的数据。转向角传感器250向平衡支撑控制单元235提供关于转向轴213的旋转的角度(其类似于把手组件150的旋转角度)的数据。惯性测量单元240测量侧倾、偏航和俯仰角，以及对应的变化率。全球定位传感器230或速度传感器提供与机动车辆的速度对应的数据，以及与机动车辆100的瞬时位置相关的信号。平衡支撑控制单元235在从一个或多个传感器接收数据后，计算要提供给致动器单元205的输入。因此，致动器单元205的致动器单元轴(未示出)旋转从而驱动齿轮255使从动齿轮260旋转。与转向轴213啮合的从动齿轮提供所需的扭矩和旋转角，从而实现车辆的稳定性和平衡。
基于通过前述传感器产生的信号，所述传感器提供关于机动车辆的各种动态参数的信息/数据，平衡支撑控制单元235连续计算估计的转向扭矩T，所述转向扭矩T是平衡机动车辆100所需的。在一个实施例中，来自转向角传感器250的数据在参考转向的条件下，足以估计估计的转向扭矩T(可以考虑其他非转向相关的数据)。估计的转向扭矩T是由通过考虑转向角、侧倾角和侧倾率的任何已知的数学模型或预定的平衡表估计的。
图3以流程图300的形式示出了根据本发明的实施例的包括平衡支撑控制单元235的平衡支撑系统200的运行方法。在步骤301，平衡支撑控制单元235从GPS单元230或车速传感器接收数据并计算车速/速率V。在步骤302，平衡支撑控制单元235从IMU 240接收数据并计算侧倾角(φ)。在步骤303，平衡支撑控制单元235估计机动车辆的侧倾率(φ)。在步骤304，平衡支撑控制单元235基于平衡支撑图或来自传感器的一个或多个动态参数的预设公式，计算估计的转向角As。在步骤305，平衡支撑控制单元235基于扭矩增强器单元210的减速齿轮比，通过平衡支撑系统200施加受控扭矩/估计的转向扭矩T得到转向系统的估计的转向角(目标)As。
在步骤306，平衡支撑控制单元235将估计的转向角As和/或估计的转向扭矩T与实际转向角As‘和实际转向扭矩T’分别比较。实际转向角As‘是来自骑手的输入。如果没有通过骑手达到估计的转向角As，则平衡支撑控制单元235致动致动器单元205以达到平衡所需的角度和扭矩。平衡支撑控制单元235比较并检测骑手执行的实际转向角As’是否等于通过平衡支撑控制单元235估计的估计的转向角As。如果骑手在所需方向上执行转向，然后致动器单元205支持转向操作。在一个实施例中，平衡支撑控制单元235将从电流值接收转向信息，并且通过改变电流来控制致动器单元205。
例如，取决于机动车辆100的各种动态参数即速率、侧倾角、侧倾率等，转向系统将向左或从顶部沿转向轴线S-S’观察在反时钟方向上旋转12度以进行平衡。平衡支撑系统200检查实际转向角As’和估计的转向角As。例如，骑手仅旋转了6度。尚未达到用于平衡的转向角。平衡支撑控制单元235致动致动器单元205，将转向系统旋转6度，以平衡机动车辆100。
平衡支撑控制单元235典型地在步骤306之后遇到至少三种不同的骑行场景，同时将估计的转向角As与实际的转向角As’或者将估计的转向扭矩T与实际转向扭矩T’进行比较。在第一条件下，在骑手不进行操纵并且机动车辆100处于直行条件时，估计的转向角As近似为零(例如考虑在预定时间[t-n至t秒]内的平均值)，并且实际转向扭矩T’与估计的转向扭矩T之间的差异也近似为零。换句话说，估计的转向角As在预定时间内被考虑，并且与第一预定值相比较，该值在一个实施方式中是零。因此，在步骤307，平衡支撑控制单元235识别直行条件。在步骤308，平衡支撑控制单元235使用乘法因子，即扭矩调整参数A来得到平衡支撑扭矩TB和平衡转向角AB(可替换地称为致动器角度/马达角度)，以在步骤313达到机动车辆100的平衡。
在第二条件下，在步骤309，当骑手暂时操纵车辆时，例如在交通状况下，或者当他/她试图突然避开坑洞或道路干扰时，在那个瞬间的实际转向扭矩T’将与由平衡支撑控制单元235计算的估计的转向扭矩T不一样。因此，由于运动的瞬态性质，在预定时间段(t-n至t秒)内的实际转向值As’的平均值将不为零。实际转向角As’与估计的转向角As之间的差值不为零。类似地，实际转向扭矩T’与估计的转向扭矩T之间的差值不是零，即，(T’-T)的差值
Figure BDA0004044269520000141
在这种条件下，在步骤310，平衡支撑控制单元325考虑在预定时间段内实际转向角As’与估计的转向角As之间的差值的平均值。如果骑手在所需方向上转向，该值将是负值，并且如果骑手转向相反方向，该值将是正值。该差值的平均值与角度调整参数B相乘，然后加至估计的转向角As。因此，该总和即平衡转向角AB＝(As(t)+B([As’(t-n，t)-As(t)]的平均值)被施加到致动器单元205并且触发致动器单元以施加平衡支撑扭矩TB(扭矩调整参数B’和T的值的乘积，其中B’是扭矩调整参数)。
调整参数B和B’的值取决于侧倾角和侧倾率的瞬时值，并且取决于骑行状况在0和1之间变化。例如，在平衡支撑系统200的辅助下稳定地骑行了一段距离之后，当骑手在变道或躲避坑洞期间时进行短暂的操纵时，所选择的值将减少至接近零，从而允许骑手能够应用所需的扭矩以进行操纵。扭矩调整参数B’的值逐渐减小到接近于零，使得骑手不会突然感到施加额外的扭矩的不适。然而，在骑手继续直行的暂时操纵之后，B’的值逐渐增加到接近1。因此，从提供在直行状况下的辅助到提供瞬时操纵中所需的辅助，再回到直行期间的辅助，都是平稳过渡。包括扭矩调整参数B’确保骑手控制车辆，同时也确保车辆不会失去平衡。重要的是，即使在车辆仍由骑手辅助系统辅助以平衡车辆的同时，也要使骑手感觉到他在控制车辆，因为如果骑手辅助系统完全接管车辆的转向，骑手可能倾向于过度转向或施加额外的不必要的扭矩。
在另一种条件下，在步骤311，当骑手稳定地转弯时，在预定时间内实际转弯角As’的平均值不等于零。因为平衡支撑控制单元235基于车辆的侧倾角确定估计的辅助扭矩T，所以实际转向扭矩T’不等于估计的转向扭矩T。由于运动的性质，在预定时间段(t-n到t秒)内实际转向值As’的平均值不会为零。实际转向角As’与估计的转向角As之间的差值不为零。类似地，实际转向角T’和估计的转向扭矩T之间的差值可能为零，即，由于稳定的转弯，(T’-T)的差值≈0。
在这种条件下，在步骤312，平衡支撑控制单元235考虑在预定时间内实际转向角As’与估计的转向角As之间的差值的平均值，即((As‘(t-n，t)，As(t)的平均值)。如果骑手在所需方向上转向，该值将为负值，并且如果骑手转向相反方向，则该值为正值。将计算出的差值的平均值与角度调整参数C相乘，然后将其与估计的转向角As相加。因此，基于该总和，即(As(t)+C([As’(t-n，t)-As(t)]的平均值)施加于致动器单元205，从而触发致动器单元205以施加平衡转向角AB和平衡支撑扭矩TB(C’和T值的乘积，其中C’是扭矩调整参数)。平衡支撑控制单元235触发致动器单元205以施加平衡支撑扭矩TB(扭矩调整系数C’乘以T)和致动器角度/马达角度。平衡支撑控制单元235配置为选择C’作为当车辆经历稳定转弯时需要施加于估计的辅助扭矩的校正系数或调整参数。C和C’的值在0和1之间变化。例如，当骑手开始转弯时，选择C’的值为零使得骑手意识到他将施加的扭矩。当骑手继续转弯时，C’的值稳定地增加到接近1，使得最终辅助扭矩等于估计的辅助转向扭矩T。因此，在三种条件中的任何一种的条件下，在步骤313，机动车辆100通过平衡支撑系统200平衡。此外，平衡支撑系统200循环回溯并再次检查机动车辆100的动态参数。因此，系统持续检查机动车辆的动态参数并提供平衡。一旦机动车辆100平衡，平衡支撑系统200能够使骑手执行所需的转向操作，并即时检查机动车辆100的动态参数以检查稳定性。
虽然在此已经说明和描述了所要求保护的主题的某些特征，但是对于本领域的技术人员来说，现在会出现许多修改、替代、变化和等价物。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入所要求保护的主题的真实精神内的所有此类修改和改变。
附图标记说明
100  车辆
105  车架组件
106  头管
107  主管
108  前部
110  后车架
130  前轮
131  前悬架系统
133  后轮
134  后悬架系统
150  把手组件
151  跨步部分
155  座椅组件
170A  前面板
170B  腿罩
170C  后面板组件
190  接触点
200  平衡支撑系统
205  致动器单元
210  扭矩增强器单元
211  第一壳体
212  第二壳体
213  转向轴
215  下桥
216  连接管
230  全球定位单元
235  平衡支撑控制单元
240  惯性监测单元
245  驱动轴
246  从动轴
247  传感器轴
250  转向角传感器
251  扭矩传感器
255  驱动齿轮
257  双联齿轮
260  从动齿轮
265  传感器齿轮
270  第一部分(车架组件)
271，272，273，274，275，276  轴承
A’/B’/C’  扭矩调整参数
B/C  角度调整参数
A-A’  致动器轴线
As  估计的转向角
As’  实际转向角
AB  平衡转向角
C1，C2，C3  槽
P1  第一平面
P2  第二平面
S-S’  转向轴线
T  估计的平衡扭矩
T’  实际转向扭矩
TB  平衡支撑扭矩
V  速率
Φ  侧倾角/侧倾率

Claims (19)

1.一种用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，所述平衡支撑系统(200)配置为通过平衡所述机动车辆(100)辅助骑手，所述鞍座式车辆(100)包括：
车架组件(105)，所述车架组件(105)包括设置在其前部的头管(106)；
转向轴(213)，所述转向轴绕所述头管(106)可旋转地轴颈连接；
多个传感器(230，240，250，251)，用于感测所述机动车辆(100)的各种动态参数，所述多个传感器(230，240，250，251)包括转向角传感器(250)；
致动器单元(205)，固定至所述车架组件(105)的第一部分(270)；
扭矩增强器单元(210)，所述扭矩增强器单元(210)配置为从所述致动器单元(205)向所述转向轴(213)和设置在所述头管(106)上方的所述扭矩增强器单元(210)提供驱动力；
平衡支撑控制单元(235)，用于基于从所述多个传感器(230，240，250，251)接收的输入来估计估计的转向角(As)，并将所述估计的转向角(As)与实际转向角(As’)进行比较，并且从而触发所述致动器单元(205)
2.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述扭矩增强器单元(210)设置在所述头管(106)上方，并且其中，当沿着转向轴线(S-S’)观察时，所述扭矩增强器单元(210)至少部分地与所述头管(106)重叠。
3.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述扭矩增强器单元(210)包括驱动齿轮(255)和从动齿轮(260)，所述驱动齿轮(255)功能性地联接至所述致动器单元(205)，并且所述从动齿轮(260)功能性地联接至转向轴(213)，并且其中，所述驱动齿轮(255)和所述从动齿轮(260)配置为具有利用与所述平衡支撑扭矩(TB)相对应的输入提供扭矩增强来驱动所述转向轴(213)的齿轮比。
4.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述转向角传感器(250)功能性地联接至所述扭矩增强器单元(210)，并且其中，所述扭矩增强器单元(210)包括双联齿轮(257)，所述双联齿轮(257)功能性地联接至所述驱动齿轮(255)以使所述驱动齿轮(255)随着所述双联齿轮(257)旋转，并且所述转向角传感器(250)功能性地联接至所述双联齿轮(257)，并且配置为提供转向角信息。
5.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述转向角传感器(250)基本上设置在沿着所述扭矩增强器单元(210)的上表面通过的第一平面(P1)和沿着所述致动器单元(205)的上表面通过的第二平面(P2)之间。
6.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述致动器单元(205)和所述扭矩增强器单元(210)基本上设置在所述机动车辆(100)的横向中心区域内。
7.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述车架组件(105)的所述第一部分(270)通过所述头管(106)和主管(107)的前部(108)形成，其中所述主管(107)从所述头管(106)向后延伸。
8.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述致动器单元(205)联接至所述头管(106)的面向后的侧，并且其中，所述致动器单元(205)设置成在向上方向上延伸超过所述头管(106)。
9.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述多个传感器(230，240，250，251)包括速率传感器、全球定位单元(230)、转向扭矩传感器(251)和惯性测量单元(240)，并且其中，所述多个传感器(230，240，250，251)通过所述机动车辆(100)的所述车架组件(105)支撑。
10.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述多个传感器(230，240，250，251)包括设置在所述鞍座式车辆(100)的后部的一个或多个传感器(230，240)。
11.根据权利要求1所述的用于鞍座式车辆(100)的平衡支撑系统(200)，其中，所述机动车辆(100)包括通过所述扭矩增强器单元(210)功能性地联接至所述转向轴(213)的把手组件(150)，其中，所述把手组件(150)和所述致动器单元(205)能够平行于所述转向轴(213)提供输入。
12.一种用于机动车辆(100)的平衡支撑系统(200)的扭矩增强器单元(210)，所述扭矩增强器单元(210)包括：
外壳，所述外壳通过限定容积的第一壳体(211)第二壳体(212)形成；
驱动齿轮(255)，所述驱动齿轮(255)通过所述外壳可旋转地支撑，其中，所述驱动齿轮(255)配置为与所述平衡支撑系统(200)的致动器单元(205)功能性地联接；
从动齿轮(260)，所述从动齿轮(260)与所述驱动齿轮(255)啮合，其中，所述从动齿轮(260)与所述平衡支撑系统(200)的转向轴(213)联接；以及
双联齿轮(257)，所述双联齿轮(257)能够与所述从动齿轮(255)一起旋转，并且所述双联齿轮(257)配置为与转向角传感器(250)功能性地接合，以提供所述致动器单元(205)和所述转向轴(213)中的至少一个的转向角信息。
13.一种平衡支撑系统(200)的操作方法，以辅助骑手平衡鞍座式车辆(100)，所述方法包括如下步骤：
通过所述平衡支撑控制单元(235)从多个传感器(230，240，250，251)接收与所述机动车辆(100)的动态状况相对应的信息；
基于通过所述平衡支撑控制单元(235)为所述多个传感器(230，240，250，251)接收的信息，连续地计算估计的转向角(As)和估计的转向扭矩(T)；
将所述估计的转向角(As)与通过所述骑手施加的实际转向角(As’)进行比较；
估计在预定时间内所述实际转向角(As’)的平均值，并与第一预定值进行比较；
基于所述实际转向角(As’)的估计的平均值、所述实际转向角(As’)与所述估计的转向角(As)之间的瞬时差值中的至少一个来识别车辆运行状况；
计算平衡致动器角(AB)和对应的平衡支撑扭矩(TB)；以及
触发致动器单元(205)，所述致动器单元(205)联接至扭矩增强器单元(210)，以便递送所述平衡支撑扭矩(TB)以驱动所述机动车辆(100)的转向轴(213)。
14.根据权利要求13所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，所述计算所述平衡致动器角(AB)包括计算在预定时间(t-n，t)内的所述实际转向角(As’)与所述估计的转向角(As)之间的差的平均值，并与所述估计的转向角(As)相加。
15.根据权利要求14所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，在与所述估计的转向角(As)相加之前，将所述在预定时间(t-n，t)内的所述实际转向角(As’)之间的差的平均值与转向调整参数(B，C)相乘。
16.根据权利要求13所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，所述识别所述车辆运行状况包含当所述实际转向角(As‘)的平均值等于所述第一预定值时和当所述实际转向角(As’)与所述估计的转向扭矩(As)之间的差值等于零时中的一个，确定所述机动车辆(100)的直行状况，并且其中，所述第一预定值是零。
17.根据权利要求13所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，所述识别所述车辆运行状况包含当所述实际转向角(As‘)的平均值不等于所述第一预定值、并且所述估计的转向扭矩(T)不等于实际转向角(As’)和所述估计的转向角(As)之间的差不等于零时，确定瞬时运行状况。
18.根据权利要求13所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，所述识别车辆运行状况包含当所述实际转向角(As)的平均值不等于所述第一预定值、并且所述实际转向角(As)与所述估计的转向扭矩(As)之间的差等于零时，确定稳定转弯条件。
19.根据权利要求15所述的平衡支撑系统(200)的操作方法，其中，所述转向调整参数(B或C)具有在0和1之间的值(均包括0和1)，并且其中，所述估计的转向角(As)从预定转向图、预定转向表或预定校准值中的任何一个估计。
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