-
Die Erfindung betrifft ein selbstbalancierendes Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, aufweisend einen Fahrzeugkörper und zwei hieran auf einer Antriebsachse angeordnete Antriebsräder, sowie zwei in Längsrichtung zur Antriebsachse versetzte Stützelemente, nämlich an einem vorderen Aufhängungsarm wenigstens ein gegenüber dem Fahrzeugkörper nach vorne versetztes vorderes Stützelement und an einem hinteren Aufhängungsarm wenigstens ein gegenüber dem Fahrzeugkörper nach hinten versetztes hinteres Stützelement, wobei die Aufhängungsarme beweglich mit dem Fahrzeugkörper verbunden sind und die vertikale Position des jeweiligen Stützelements durch wenigstens einen Aktor einstellbar ist, der über eine Steuereinheit ansteuerbar ist.
-
Die
CN 104 802 910 A offenbart ein selbstbalancierendes Fahrzeug mit einem Fahrzeugkörper, und hieran angeordneten Rädern. Des weiteren ist eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen mit wenigstens einem Schwenkarm, der einerseits am Fahrzeugkörper angeordnet ist und andererseits ein Hilfsrad trägt und der zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position verstellbar ist. In der ausgefahrenen Position kann durch den Schwenkarm und das Hilfsrad ein Kippwinkel des Fahrzeugs begrenzt werden. Optional können auch ein vorderer und ein hinterer Schwenkarm vorgesehen sein.
-
Die
JP 2015 -
156 897 A betrifft ein Fahrzeug mit zwei Rädern, von denen wenigstens eines durch einen Motor angetrieben ist. Ein Sitzelement ist zwischen einem benutzbaren und einem nicht benutzbaren Zustand umschaltbar. Das Fahrzeug weist vordere und hintere Stützräder auf, die jeweils über schwenkbare Hilfsarme mit dem Fahrzeug verbunden sind. Die Hilfsarme sind dazu vorgesehen, das Fahrzeug im abgeschalteten Zustand zu stabilisieren.
-
Die
JP 2012 -
250 569 A betrifft ein Fahrzeug mit Antriebsrädern und vorderen sowie hinteren Hilfsrädern. Das Fahrzeug ist in zwei unterschiedlichen Modi betreibbar. In einem ersten Modus sind die Hilfsräder von der Fahrfläche abgehoben, während in einem zweiten Modus ein Hilfsrad in Kontakt mit der Fahrfläche steht. Eine wesentliche Zielsetzung besteht in der Ermittlung eines Schwerpunktswinkels.
-
In der jüngeren Vergangenheit erfreuen sich elektrisch angetriebene Ein-Personen-Transportmittel einer zunehmenden Beliebtheit. Hierzu zählen auch Transportmittel wie der Segway ® Personal Transporter (bspw. beschrieben in der
US 7 958 961 B1 ) oder das E-Board, bei denen genau zwei angetriebene Räder vorgesehen sind, die koaxial beiderseits eines Fahrzeugkörper montiert sind, auf dem der Benutzer steht. Im Falle des Segway ® ist außerdem eine aufwärts verlaufende Lenksäule vorgesehen, an der sich der Benutzer festhalten kann und mittels der er die Kurvenfahrt bzw. Wendemanöver des Fahrzeugs beeinflusst. In beiden Fällen wird das Transportmittel über eine Steuereinheit automatisch ausbalanciert, während der Fahrer durch Gewichtsverlagerung die Fahrtrichtung beeinflusst. Derartige Fahrzeuge werden daher auch als „selbstbalancierend“ bezeichnet.
-
Wenngleich die Selbstbalancierung im Allgemeinen zuverlässig funktioniert, ist die Fahrsicherheit dennoch zumindest in bestimmten Situationen geringer als bei anderen Fahrzeugen, bspw. vierrädrigen Fahrzeugen oder auch herkömmlichen Zweirädern. Dies hängt damit zusammen, dass bei bestimmten unvorhergesehenen Fahrsituationen, bspw. dem Auftauchen von Unebenheiten, die Stabilisierung fehlerhaft bzw. unzureichend reagieren kann, so dass das Transportmittel um die Querachse (Nickachse) nach vorne oder hinten umkippen kann, was für den Benutzer ein erhebliches Verletzungsrisiko mit sich bringt.
-
Die
CN 105 539 658 A offenbart ein zweirädriges selbstbalancierendes Fahrzeug mit zwei auf einer Achse liegenden, angetriebenen Rädern, die an einem Chassis montiert sind. Ein auf dem Chassis stehender oder sitzender Benutzer kann in unterschiedlicher Weise Richtungskommandos eingeben, die von einer Steuereinheit ausgewertet werden, um die Räder entsprechend anzusteuern. Stützräder sind an Aufhängungen vorne und optional hinten am Chassis montiert. Dabei ist jeweils ein Aufhängungsarm um eine in Querrichtung verlaufende Achse schwenkbar. In einem ersten Modus kann sich der Aufhängungsarm frei gegenüber dem Chassis bewegen, während er in einem zweiten Modus gegenüber dem Chassis arretiert ist. Die Arretierung, die bspw. über eine Sperrklinke erfolgen kann, kann von einem Fahrer über einen Bedienhebel an einem Lenker umgeschaltet werden.
-
Aus der
DE 351 055 A ist ein zweirädriges Motorfahrzeug bekannt, bei dem der Fahrer die Vorderachse über Fußrasten lenkt. Zur Stabilisierung bei langsamer Fahrt können manuell mittels zweier Hebel seitliche Stützräder abgesenkt und bei schneller Fahrt angehoben werden.
-
Die
DE 11 2008 001 310 B4 offenbart ein Einrad-Motorfahrzeug mit einem Fahrzeugkörper und einem ringförmigen Antriebslaufrad, das über eine Mehrzahl von angetriebenen Rollen einerseits um seine Symmetrieachse antreibbar ist und andererseits um eine Mittellinie seines ringförmigen Querschnitts, woraus eine seitliche Antriebskraft resultiert. An einem gegenüber dem Fahrzeugaufbau schwenkbaren Ausleger ist ein Bodenkontaktelement angebracht, das entweder rein mechanisch oder durch einen elektromagnetischen Aktor angehoben werden kann. Ist das Bodenkontaktelement abgesenkt und wird das Antriebslaufrad seitwärts angetrieben, führt das Fahrzeug eine Schwenkbewegung aus. Optional können am Fahrzeugkörper seitliche Stützräder vorgesehen sein.
-
Darüber hinaus sind im Stand der Technik Fahrzeuge bekannt, die zwei in Längsrichtung hintereinander liegende Laufräder aufweisen, wobei im Bedarfsfall zwei seitliche Stützräder abgesenkt, ausgefahren oder ausgeschwenkt werden können. Derartige Ausgestaltungen sind bspw. aus der
US 3 700 059 A , der
FR 2 531 397 A1 , der
DE 918 437 B und der
DE 355 697 A bekannt.
-
Die
JP 2011 -
218 847 A offenbart ein Fahrzeug, das an einem Chassis Fußrasten für einen Benutzer sowie eine aufragende Lenksäule mit einem Lenker aufweist. Beiderseits des Chassis sind auf einer Achse liegende Antriebsräder angeordnet. Außerdem ist vorderseitig oder rückseitig am Chassis ein Hilfsbein angeordnet, das mittels eines Aktors in Richtung einer Fahrfläche ausfahrbar ist und das ein Stützrad aufweist. Insbesondere können sowohl vorderseitig als auch rückseitig Stützräder vorgesehen sein. Wenn sich die Neigung des Fahrzeugs um die Querachse verändert, wird die Position der Stützräder gegenüber dem Chassis jeweils so angepasst, dass sie in Kontakt mit der Fahrfläche verbleiben.
-
Aus der
DE 10 2015 110 730 A1 ist eine Hebeanordnung für ein Fahrzeug bekannt. Diese umfasst eine Halterung zur Befestigung am Fahrzeug sowie einen Hebearm, der drehbar mit der Halterung gekoppelt ist. Weiterhin ist eine Andockstruktur vorgesehen, die vom Hebearm getragen wird und dazu ausgelegt ist, ein persönliches Mobilitätsmittel (z. B. ein Fahrrad) zu heben, wobei die Andockstruktur einen elektrischen Verbinder zur elektrischen Verbindung mit einem komplementären elektrischen Verbinder des persönlichen Mobilitätsmittels beinhaltet.
-
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Fahrsicherheit bei selbstbalancierenden Fahrzeugen, insbesondere im Hinblick auf ein mögliches Umkippen, durchaus noch Raum für Verbesserungen. Gleichzeitig sollten die vorteilhaften Fahreigenschaften des Fahrzeugs möglichst wenig beeinträchtigt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem selbstbalancierenden Fahrzeug die Fahrsicherheit zu erhöhen, ohne die Fahreigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein selbstbalancierendes Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Stützelemente in einem Normalmodus im Abstand zu einer Fahrfläche zu halten und in einem Sicherheitsmodus die Stützelemente an der Fahrfläche zu halten und mittels des wenigstens einen Aktors durch wenigstens ein Stützelement eine Kraft auf die Fahrfläche auszuüben, um eine aufrechte Position des Fahrzeugkörpers einzustellen. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Durch die Erfindung wird ein selbstbalancierendes Fahrzeug zur Verfügung gestellt, das einen Fahrzeugkörper und zwei hieran auf einer Antriebsachse angeordnete Antriebsräder aufweist. Man kann auch sagen, die beiden Antriebsräder sind koaxial angeordnet. Es versteht sich, dass die beiden Antriebsräder auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugkörpers angeordnet sind und die Antriebsachse parallel zur Querachse (Y-Achse) des Fahrzeugs verläuft. Dabei bezeichnet der Begriff „Antriebsachse“ einfach diejenige Achse, auf der die Antriebsräder angeordnet sind, wobei diese in aller Regel nicht als durchgehende Starrachse ausgebildet ist und die beiden Antriebsräder insofern unabhängig voneinander gegenüber dem Fahrzeugkörper drehbar sind. Selbstverständlich sind die Antriebsräder motorisch antreibbar, und zwar in aller Regel unabhängig voneinander. Typischerweise handelt es sich um einen elektrischen Antrieb, wobei bspw. jedes Antriebsrad durch einen eigenen, jeweils zugeordneten Elektromotor angetrieben werden kann.
-
Das Fahrzeug ist in der Regel zur Beförderung genau eines Benutzers bzw. Fahrers vorgesehen, der direkt oder indirekt auf dem Fahrzeugkörper sitzt oder typischerweise steht. Dabei können auf einer für die Füße des Benutzers vorgesehenen Plattform bspw. Sensoren angeordnet sein, mittels derer eine Gewichtsverlagerung des Benutzers feststellbar ist. Weiterhin kann der Fahrzeugkörper eine sich aufwärts erstreckende Lenksäule aufweisen mit einem Lenker, an dem sich der Benutzer mit den Händen festhält und über die er bspw. auch lenken kann, z. B. derart, dass er die Lenksäule zur Seite drückt.
-
Der Begriff „selbstbalancierend“ bedeutet hierbei, dass über eine entsprechende Regelung die Antriebsräder angetrieben bzw. angehalten werden, um das Fahrzeug auszubalancieren, also ein Umkippen des Fahrzeugs um die Querachse zu verhindern. Dabei kann bspw. vorgesehen sein, dass bei einer mittels Sensoren festgestellten Gewichtsverlagerung des Benutzers die Antriebsräder so angetrieben werden, dass sich die Geschwindigkeit in Richtung der Gewichtsverlagerung erhöht. D. h., wenn sich der Benutzer nach vorne neigt, wird die nach vorne gerichtete Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht (oder ggf. eine nach hinten gerichtete Geschwindigkeit verringert). D. h., obwohl das Fahrzeug (wenigstens in einem nachfolgend noch erläuterten Fahrmodus) nur auf den Antriebsrädern steht und sich somit in einem instabilen Gleichgewicht befindet, wird durch die Selbstbalancierung ein Umkippen um die Querachse (weitgehend) verhindert.
-
Des Weiteren weist das Fahrzeug zwei in Längsrichtung zur Antriebsachse versetzte Stützelemente auf, deren vertikale Position durch wenigstens einen Aktor einstellbar ist, der über eine Steuereinheit ansteuerbar ist. Die Steuereinheit, die den wenigstens einen Aktor ansteuert, kann selbstverständlich teilweise softwaremäßig realisiert sein. Sie kann auch die Motoren der Antriebsräder ansteuern und somit zum Ausbalancieren des Fahrzeugs eingerichtet sein. Das jeweilige Stützelement ist dazu ausgebildet, das Fahrzeug im Bedarfsfall zu stützen, wie nachfolgend noch erläutert wird. Als Teil des Fahrzeugs ist es selbstverständlich wenigstens indirekt mit dem Fahrzeugkörper verbunden. Das jeweilige Stützelement ist in Längsrichtung zur Antriebsachse versetzt, d. h. es ist entweder vor der Antriebsachse oder hinter der Antriebsachse angeordnet. Dabei ist seine vertikale Position, also seine Position relativ zum Fahrzeugkörper in Richtung der Hochachse (Z-Achse) durch wenigstens einen Aktor einstellbar. Normalerweise ist der entsprechende Aktor elektrisch betreibbar, wenngleich auch ein pneumatischer oder hydraulischer Betrieb denkbar ist. Man könnte auch sagen, dass das jeweilige Stützelement durch den Aktor angehoben oder abgesenkt werden kann. Dabei muss die Verstellbewegung nicht parallel zur Z-Achse verlaufen, sondern kann auch im Winkel hierzu verlaufen, so dass gleichzeitig eine Verstellung in Richtung der X-Achse und/oder Y-Achse erfolgt.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein vorderes Stützelement (in Richtung der Längsachse) vor der Antriebsachse angeordnet ist und ein hinteres Stützelement hinter der Antriebsachse. Dabei sind die vertikalen Positionen des vorderen und hinteren Stützelements normalerweise über wenigstens zwei separate Aktoren durch die Steuereinheit einstellbar.
-
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das wenigstens eine Stützelement in einem Normalmodus im Abstand zu einer Fahrfläche zu halten und in einem Sicherheitsmodus an der Fahrfläche zu halten. Man kann somit zwei Betriebsmodi unterscheiden, wobei der Normalmodus gewissermaßen dem normalen Fahrbetrieb entspricht. In diesem Fall wird es als ausreichend angesehen, wenn das Fahrzeug durch eine geeignete Ansteuerung der Antriebsräder im Gleichgewicht gehalten wird, ohne dass es zu einem Umkippen kommt. Um eine zu starke Bodenreibung zu vermeiden und eventuell auch um die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs nicht einzuschränken, wird dabei das jeweilige Stützelement im Abstand zur Fahrfläche (also dem Untergrund, auf dem sich das Fahrzeug befindet) gehalten, also oberhalb der Fahrfläche. Normalerweise wird der Abstand durch einen Regelkreis eingestellt, wobei die Steuereinheit z. B. Daten eines Ultraschallsensors oder eines Lasersensors empfangen kann, der den Abstand des Stützelements von der Fahrfläche misst. Selbstverständlich kann es z. B. bei plötzlich auftretenden Unebenheiten dazu kommen, dass das Stützelement auch im Normalmodus in Kontakt mit der Fahrfläche kommt, bevor die Steuereinheit einen Abstand herstellen kann. Abgesehen von solchen zwischenzeitlichen und normalerweise kurzen Kontakten wird aber im Normalmodus ein Abstand eingehalten.
-
Der Sicherheitsmodus stellt einen anderen Betriebsmodus dar, in den die Steuereinheit bspw. dann wechseln kann, wenn sie aufgrund von Sensordaten erkennt, dass die Neigung des Fahrzeugkörpers einen bestimmten Wert überschreitet, oder dass sich die Neigung zu schnell verändert. Es sind aber auch andere Optionen denkbar, bspw. dass die Steuereinheit ein Bodenprofil in Fahrtrichtung des Fahrzeugs erkennt (z. B. über Lidar) und gewissermaßen vorsorglich in den Sicherheitsmodus wechselt, um zu vermeiden, dass der Fahrzeugkörper bzw. der Benutzer aus dem Gleichgewicht geraten. In jedem Fall wird das wenigstens eine Stützelement im Sicherheitsmodus an der Fahrfläche gehalten, also im Kontakt mit der Fahrfläche. Dies impliziert, dass das Stützelement in Kontakt mit der Fahrfläche gebracht wird, sofern es sich beim Eintritt in den Sicherheitsmodus nicht schon im Kontakt mit dieser befindet. Dadurch, dass das Stützelement die Fahrfläche kontaktiert, kann ein Umkippen des Fahrzeugs in der entsprechenden Richtung verhindert oder zumindest erschwert werden. Man kann auch sagen, dass die Standfläche des Fahrzeugs effektiv vergrößert wird, wodurch es unwahrscheinlicher ist, dass der Schwerpunkt des Fahrzeugs bzw. des Benutzers einen Bereich oberhalb der Standfläche verlässt.
-
Beim erfindungsgemäßen selbstbalancierenden Fahrzeug ist besonders vorteilhaft, dass im Normalmodus jedes Stützelement im Abstand zur Fahrfläche gehalten ist, so dass das Fahrzeug selbstbalancierend auf den Antriebsrädern steht bzw. fährt. Die Fahreigenschaften sind somit im Fahrmodus durch das Vorhandensein der Stützelemente in keiner Weise beeinträchtigt. Das Fahrzeug verhält sich hierbei so, als wären die Stützelemente nicht vorhanden. Insbesondere können sehr enge Kurven gefahren werden oder es kann sogar ein Wenden auf der Stelle erfolgen. Außerdem verursachen die Stützräder im Normalmodus keinerlei unnötige Bodenreibung und erfahren auch keinen Verschleiß, wodurch sich ihre Lebensdauer verlängert.
-
Wenigstens ein Stützelement ist an einem beweglich mit dem Fahrzeugkörper verbundenen Aufhängungsarm angeordnet. Der Aufhängungsarm dient dabei im Allgemeinen dazu, einen größeren Abstand des Stützelements von der Antriebsachse zu ermöglichen. Insbesondere kann das Stützelement durch den Aufhängungsarm in Längsrichtung (X-Richtung) zum Fahrzeugkörper versetzt sein, also vor bzw. hinter dem Fahrzeugkörper angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein solcher Aufhängungsarm auch als Ausleger bezeichnet werden. Der Aufhängungsarm ist beweglich mit dem Fahrzeugkörper verbunden, wobei er normalerweise über wenigstens einen Aktor gegenüber dem Fahrzeugkörper verstellbar ist, z. B. seitens der Steuereinheit. Der Aufhängungsarm kann optional in sich beweglich ausgebildet sein. Das Stützelement kann insbesondere an einem dem Fahrzeugkörper gegenüberliegenden Ende des Aufhängungsarms angeordnet sein. Es kann dabei seinerseits starr oder beweglich mit dem Aufhängungsarm verbunden sein.
-
Bevorzugt ist wenigstens ein Aufhängungsarm schwenkbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden. Die zugehörige Schwenkachse kann sich dabei bevorzugt parallel zur Querachse des Fahrzeugs erstrecken. Insbesondere kann die vertikale Position des Stützelements durch Schwenken des Aufhängungsarms einstellbar sein, d. h. der o.g. wenigstens eine Aktor übt ein Drehmoment aus, das den Schwenkwinkel des Aufhängungsarms beeinflusst. Die Schwenkbarkeit des Aufhängungsarms kann dabei mit wenigstens einer weiteren Verstellbarkeit kombiniert sein, insbesondere kann sie aber die einzige Verstellbarkeit darstellen.
-
Insbesondere dann, wenn der Aufhängungsarm schwenkbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist, ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Aufhängungsarm in sich starr ausgebildet ist. Hierdurch ist der Aufhängungsarm im Allgemeinen stabiler als bei einer mehrteiligen, in sich verstellbaren Ausgestaltung. Außerdem vereinfachen sich Herstellung und Wartung. In diesem Zusammenhang ist der jeweilige Aufhängungsarm bevorzugt nicht nur starr, sondern auch einstückig ausgebildet. Er kann dabei bspw. aus Metall (Stahl, Gusseisen oder Aluminium) oder Verbundstoff hergestellt sein.
-
Insofern, als das wenigstens eine Stützelement nur dazu vorgesehen ist, in Notfallsituationen die Fahrfläche zu kontaktieren und ansonsten im Abstand zu dieser gehalten wird, muss seine Reibung gegenüber der Fahrfläche nicht unbedingt niedrig gehalten werden. Insofern könnte das Stützelement bspw. als Fuß oder Kufe ausgebildet sein. Da derartige Elemente allerdings mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit gegenüber der Fahrfläche blockieren könnten, was während der Fahrt des Fahrzeugs wiederum problematisch wäre, ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Stützelement als Stützrad ausgebildet ist. Ein derartiges Stützrad ist dabei normalerweise um eine parallel zur Querachse verlaufende Drehachse drehbar, wenngleich eine zusätzliche schwenkbare Lagerung denkbar wäre, durch die die Drehachse veränderbar ist. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Stützrad“ sämtliche Elemente, die um eine Drehachse drehbar sind und dazu ausgebildet sind, auf der Fahrfläche abzurollen. Insofern kann bspw. das Rad auch nach Art einer Rolle ausgebildet sein bzw. sein Durchmesser kann kleiner sein als seine axiale Ausdehnung. Selbstverständlich kann das Rad ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, bspw. mit Vollgummibereifung oder Luftbereifung.
-
Um die stabilisierende Wirkung zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass zwei Stützräder koaxial nebeneinander angeordnet sind. D. h. die beiden Stützräder liegen auf einer gemeinsamen Drehachse, die normalerweise in Richtung der Querachse des Fahrzeugs verläuft. Sie können dabei an ein und demselben Aufhängungsarm angeordnet sein. Der Abstand der beiden Stützräder zueinander kann klein sein, z. B. kleiner als die axiale Ausdehnung jedes der Stützräder, er kann aber auch ein Mehrfaches der genannten Ausdehnung betragen. Die beiden Stützräder können drehfest aneinandergekoppelt sein. Im Allgemeinen sind sie aber unabhängig voneinander um die gemeinsame Achse drehbar.
-
Im Allgemeinen ist es bei einer Notfallsituationen gleich wahrscheinlich, dass das Fahrzeug nach vorne stabilisiert werden muss, wie dass es nach hinten stabilisiert werden muss. Aus diesem Grund weist das Fahrzeug an einem vorderen Aufhängungsarm wenigstens ein gegenüber dem Fahrzeugkörper nach vorne versetztes vorderes Stützelement auf sowie an einem hinteren Aufhängungsarm wenigstens ein gegenüber dem Fahrzeugkörper nach hinten versetztes hinteres Stützelement. Der vordere Aufhängungsarm mit dem vorderen Stützelement dient dabei selbstverständlich dazu, ein Kippen des Fahrzeugs nach vorne zu verhindern, während der hintere Aufhängungsarm mit dem hinteren Stützelement dazu dient, ein Kippen nach hinten zu verhindern. In diesem Fall wird, wenn beide Stützelemente mit der Fahrfläche in Kontakt gehalten werden, die Standfläche des Fahrzeugs gegenüber dem Fahrzeugkörper sowohl nach vorne als auch nach hinten deutlich vergrößert, womit auch bspw. bei starken und in der Richtung wechselnden Gewichtsverlagerungen des Benutzers ein Umkippen nahezu ausgeschlossen ist.
-
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Steuereinheit im Sicherheitsmodus das jeweilige Stützelement nur in Kontakt mit der Fahrfläche hält und somit verhindert, dass sich eine Neigung des Fahrzeugs um die Querachse weiter vergrößert. Darüber hinaus ist die Steuereinheit gemäß der Erfindung dazu eingerichtet, mittels des wenigstens einen Aktors durch wenigstens ein Stützelement eine Kraft auf die Fahrfläche auszuüben, um eine aufrechte Position des Fahrzeugkörpers einzustellen. D. h., in diesem Fall versucht die Steuereinheit mittels eines aufrichtenden Drehmoments, welches aus der entsprechenden Kraft auf die Fahrfläche resultiert, die Neigung des Fahrzeugkörpers so zu regeln, dass diese bspw. um höchstens 20° oder höchstens 10° von einer aufrechten Idealposition abweicht. Die Idealposition kann bspw. eine Position sein, in der eine Fußplattform für die Füße des Benutzers exakt waagerecht ausgerichtet ist. Sofern ein vorderes und ein hinteres Stützelement vorhanden sind, kann die Steuereinheit durch beide Stützelemente Kräfte auf die Fahrfläche ausüben, um die entsprechende aufrechte Position einzustellen.
-
Um für eine in Längsrichtung möglichst ausgedehnte Standfläche zu sorgen und zu verhindern, dass sich bspw. der Schwerpunkt des Benutzers bei größerer Neigung über die Standfläche hinaus bewegt, ist ein relativ großer Versatz des wenigstens einen Stützelements zur Antriebsachse vorteilhaft. Dabei kann insbesondere wenigstens ein Stützelement um wenigstens 50 cm, bevorzugt um wenigstens 70 cm zur Antriebsachse versetzt sein. Dies bezieht sich insbesondere auf den Versatz in Längsrichtung im Sicherheitsmodus, wenn das Stützelement auf die Fahrfläche abgesenkt ist.
-
Um die Reaktionszeit im Sicherheitsmodus zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand des Stützelements zur Fahrfläche im Normalmodus nicht zu groß ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine Stützelement in einem Abstand von höchstens 10 cm zur Fahrfläche zu halten. Der tatsächlich aktuell gegebene Abstand des Stützelements zur Fahrfläche hängt natürlich von dynamischen Veränderungen des Fahrzustands und des Profils der Fahrfläche ab. Insofern wird die Steuereinheit normalerweise versuchen, über einen Regelkreis den Abstand auf höchstens 10 cm zu beschränken, wobei sich versteht, dass kurzzeitig auch größere Abstände auftreten können.
-
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in einem Normalmodus;
- 2 eine Draufsicht des Fahrzeugs aus 1;
- 3 eine Schnittdarstellung entsprechend der Linie III-III in 2;
- 4 eine Schnittdarstellung entsprechend der Linie IV-IV in 2; sowie
- 5 eine Darstellung entsprechend 3, wobei sich das Fahrzeug in einem Sicherheitsmodus befindet.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
-
1 - 5 zeigen ein erfindungsgemäßes selbstbalancierendes Fahrzeug 1, dessen Aufbau Ähnlichkeiten mit einem Segway ® Personal Transporter aufweist. An einem Fahrzeugkörper 2 sind entlang einer gemeinsamen Antriebsachse A zwei Antriebsräder 3, 4 angeordnet, die über zugeordnete Elektromotoren 5, 6 unabhängig voneinander antreibbar sind. Die jeweilige Ansteuerung der Elektromotoren 5, 6 erfolgt über eine Steuereinheit 13, die gemeinsam mit einem Akkumulator 12 in einem Gehäuse 9 des Fahrzeugkörpers 2 untergebracht ist. Der Akkumulator 12 dient selbstverständlich zur Energieversorgung der Elektromotoren 5, 6. Der Fahrzeugkörper 2 weist außerdem eine sich aufwärts erstreckende Lenksäule 10 sowie einen daran angeordneten Lenker 11 auf. Die Lenksäule 10 ist gegenüber dem Fahrzeugkörper 2 geringfügig zur Seite neigbar, wobei das Vorliegen einer solchen Neigung bzw. der Neigungswinkel über geeignete Sensoren (nicht dargestellt) registriert werden können.
-
Zum Fahren positioniert ein Fahrer bzw. Benutzer (nicht dargestellt) seine Füße auf Sensorplatten 7, 8 auf der Oberseite des Fahrzeugkörpers 2 und hält den Lenker 11 mit den Händen. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird geregelt, indem eine Gewichtsverlagerung des Benutzers von den Sensorplatten 7, 8 registriert wird, wobei das Fahrzeug 1 schneller vorwärts fährt, wenn der Benutzer sein Gewicht nach vorne verlagert, und langsamer fährt bzw. rückwärts fährt, wenn er sein Gewicht nach hinten verlagert. Eine Kurvenfahrt bzw. ein Wenden auf der Stelle kann dadurch erreicht werden, dass der Benutzer die Lenksäule 10 mittels des Lenkers 11 zur Seite neigt. Als Reaktion auf die Neigung der Lenksäule 10 steuert die Steuereinheit 13 die Elektromotoren 5, 6 mit unterschiedlicher Drehgeschwindigkeit bzw. unterschiedlicher Drehrichtung an.
-
Das Fahrzeug 1 weist weiterhin einen vorderen Aufhängungsarm 14 auf, der über einen vorderen Drehantrieb 18 schwenkbar mit dem Fahrzeugkörper 2 verbunden ist. An einem dem Fahrzeugkörper 2 gegenüberliegenden Ende des vorderen Aufhängungsarm 14 sind zwei koaxial gelagerte vordere Stützräder 16 angeordnet. Die beiden Stützräder 16 sind durch ihre Anordnung am vorderen Aufhängungsarm 14 gegenüber der Antriebsachse A in Längsrichtung (also in Richtung der X-Achse) nach vorne versetzt, bspw. um ca. 80 cm. In entsprechender Weise weist das Fahrzeug 1 einen hinteren Aufhängungsarm 15 auf, der über einen hinteren Drehantrieb 19 schwenkbar mit dem Fahrzeugkörper 2 verbunden ist. An diesem sind endseitig 2 ebenfalls koaxial gelagerte hintere Stützräder 17 angeordnet, die gegenüber der Antriebsachse A in Längsrichtung nach hinten versetzt sind. Die beiden Drehantriebe 18, 19 werden von der Steuereinheit 13 angesteuert.
-
Die 1 bis 4 zeigen das Fahrzeug 1 in einem Normalmodus, in welchem die Steuereinheit 13 die vorderen Stützräder 16 sowie die hinteren Stützräder 17 im Abstand zu einer Fahrfläche 30 hält, auf der die Antriebsräder 3, 4 aufstehen. Der Abstand, den die Steuereinheit 13 einregelt, kann bspw. zwischen 3 cm und 8 cm betragen. Das Einhalten des Abstands kann bspw. über (nicht dargestellte) Ultraschall- oder Lasersensoren überprüft werden, die in den Aufhängungsarmen 14, 15 angeordnet sein können. Stellt die Steuereinheit 13 fest, dass eines der Paare von Stützrädern 16, 17 den vorgesehenen Abstandsbereich verlässt, steuert sie den zugehörigen Drehantrieb 18, 19 derart an, dass der zugehörige Aufhängungsarm 14, 15 in geeigneter Weise gegenüber dem Fahrzeugkörper 2 geschwenkt wird. Sämtliche Stützräder 16, 17 werden also im Abstand zur Fahrfläche, man könnte auch sagen bodenfrei, gehalten. Aus diesem Grunde entsteht im Normalmodus keine zusätzliche Reibung durch die Stützräder 16, 17 und auch die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs 1 wird nicht beeinträchtigt, so dass sogar ein Wenden auf der Stelle möglich ist. Selbstverständlich erfahren die Stützräder 16, 17 im Normalmodus auch keinen Verschleiß.
-
Solange der Fahrzeugkörper 2 in hinreichendem Maß stabil bezüglich der Y-Achse ist, also keine übermäßigen Nickbewegungen um diese Achse ausführt, bleibt die Steuereinheit 13 im Normalmodus. Kommt es aber zu stärkeren Nickbewegungen oder sind diese aufgrund des Profils der Fahrfläche 30 zu erwarten (was die Steuereinheit 13 bspw. über eine Abtastung mittels Lidar feststellen könnte), wechselt die Steuereinheit 13 in einen Sicherheitsmodus, der in 5 dargestellt ist.
-
In 5 ist schematisch eine besonders unebene Fahrfläche 30 skizziert, die die normale Selbstbalancierung des Fahrzeugs 1 überfordern könnte. Um das Fahrzeug 1 zu stabilisieren, bringt die Steuereinheit 13 die Stützräder 16, 17 in Kontakt mit der Fahrfläche 30 und versucht sie so lange in Kontakt zu halten, wie der Sicherheitsmodus gegeben ist. Dabei kann bei einer zu starken Neigung des Fahrzeugkörpers 2 um die Y-Achse auch mittels der Stützräder 16, 17 eine Kraft auf die Fahrfläche 30 ausgeübt werden, die ein aufrichtendes Drehmoment auf den Fahrzeugkörper 2 ausübt. In jedem Fall wird die Standfläche durch das Absenken der Stützräder 16, 17 deutlich vergrößert, so dass ein Umkippen des Fahrzeugs 1 (und somit ein Sturz des Benutzers) praktisch ausgeschlossen ist. Vorteilhaft ist dabei die Tatsache, dass der Abstand der Stützräder 16, 17 zur Fahrfläche 30 im Normalmodus nur gering ist, so dass diese beim Wechsel in den Sicherheitsmodus schnell in Kontakt mit der Fahrfläche 30 gebracht werden können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrzeugkörper
- 3, 4
- Antriebsrad
- 5, 6
- Elektromotor
- 7, 8
- Sensorplatte
- 9
- Gehäuse
- 10
- Lenksäule
- 11
- Lenker
- 12
- Akkumulator
- 13
- Steuereinheit
- 14, 15
- Aufhängungsarm
- 16, 17
- Stützrad
- 18, 19
- Drehantrieb
- 30
- Fahrfläche
- A
- Antriebsachse
- X
- X-Achse
- Y
- Y-Achse
- Z
- Z-Achse
