ES2589179T3 - Juego de vehículos de carreras - Google Patents

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ES2589179T3
ES2589179T3 ES11749483.1T ES11749483T ES2589179T3 ES 2589179 T3 ES2589179 T3 ES 2589179T3 ES 11749483 T ES11749483 T ES 11749483T ES 2589179 T3 ES2589179 T3 ES 2589179T3
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David Keating
James Wyatt
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China Industries Ltd
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Abstract

Método para controlar la posición de un vehículo controlado de manera remota (1) sobre una pista (2), en el que el método comprende las etapas siguientes: - tomar una primera medición de una posición lateral del vehículo (1) sobre la pista (2); - comparar la primera posición lateral medida con una posición lateral deseada para el vehículo (1) con el fin de producir una señal de error (33); - generar una primera señal de entrada (11) para una servodirección (10) del vehículo (1) con el fin de minimizar la señal de error (33); - medir la velocidad del vehículo (1); caracterizado por que comprende - modificar la ganancia de un controlador (7) que genera la primera señal de entrada para la servodirección (10) con el recíproco del cuadrado de la velocidad del vehículo (1) cuando la velocidad del vehículo (1) está por encima de un valor predeterminado.

Description

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DESCRIPCION
Juego de vehfculos de carreras.
La presente invencion se refiere al campo de los juegos de vehfculos de carreras. Mas especfficamente, la presente invencion se refiere a metodos para controlar la posicion de un vehfculo sobre una pista para proporcionar un juego de vehfculos de carrera sin ranura.
Tradicionalmente, los juegos de vehfculos de carreras implican la realizacion de carreras de coches de ranura de juguete. Cada coche comprende una clavija de guiado (o cuchilla pivotante) que esta configurada para localizarse dentro de una ranura de guiado dentro de una pista que actua para definir un carril para el coche. La potencia para el motor electrico de bajo voltaje del coche se transporta por tiras metalicas situadas cerca de la ranura y se coge por contactos localizados en la parte delantera del coche a lo largo de la clavija de guiado. El voltaje utilizado para energizar el coche puede modificarse por un operador cambiando un valor de resistencia dentro de un controlador manual correspondiente.
Es conocido tambien incorporar caracterfsticas opcionales tales como elementos de frenado, dispositivos de control electronicos y/o imanes de traccion para ayudar al funcionamiento del coche de ranura. Mas recientemente, se ha desarrollado una tecnologfa digital que permite compartir un carril a mas de un coche.
El reto en los coches de carreras de ranura esta en que el tomar curvas y otros obstaculos a la velocidad mas alta no provoque que el coche pierda su agarre y vire hacia un lado, o se “desranure”, saliendose totalmente de la pista. Aunque los coches y pistas de juguete reales pueden replicar con precision los vehfculos y circuitos de carreras a escala completa correspondientes, el realismo de los coches de carreras de ranura de juguete esta severamente limitado por la inflexibilidad de la clavija de gufa y las ranuras. Asf, a diferencia de las carreras normales, no pueden adoptarse posiciones variables en toda la anchura de una pista por el operador del coche de juguete con el fin de ganar una ventaja tactica o para proteger una lfnea de careras. Ademas, no hay ninguna facilitad con las pistas de ranuras tradicionales para incorporar peligros de carrera adicionales tales como manchas de aceite, cascajales o condiciones meteorologicas variables.
Se reconoce en la presente invencion que debe obtenerse una considerable ventaja en la provision de un vehfculo de carreras sin ranura. La publicacion de patente US numero 2010/0035684 revela un ejemplo de tal juego de vehfculos de carreras. Otros ejemplos de vehfculos de control remoto que comprenden sensores opticos con el fin de proporcionar unos medios para evitar colisiones con obstaculos se describen en la publicacion de patente UK n° 2 419 541 y en la publicacion de patente europea numero 2 044 990.
Por tanto, es un objeto de un aspecto de la presente invencion obviar o por lo menos mitigar las desventajas anteriores de los juegos de vehfculos de carreras conocidos en la tecnica.
Sumario de la invencion
Segun un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo para controlar la posicion de un vehfculo sobre una pista, en el que el metodo comprende las etapas siguientes:
- tomar una primera medicion de una posicion lateral del vehfculo sobre la pista;
- comparar la primera posicion lateral medida con una posicion lateral deseada para el vehfculo con el fin de producir una senal de error;
- generar una primera senal de entrada para una servodireccion del vehfculo con el fin de minimizar la senal de error;
- medir la velocidad del vehfculo; caracterizado por que comprende
- variar la ganancia de un controlador que genera la primera senal de entrada para la servodireccion con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo cuando la velocidad del vehfculo esta por encima de una velocidad predeterminada.
Preferentemente, la etapa que consiste en tomar la primera medicion se lleva a cabo en la parte delantera del vehfculo. Esta etapa puede comprender emplear un sensor optico para medir la luz reflejada desde la pista.
La etapa que consiste en medir la velocidad del vehfculo puede comprender medir la fuerza contraelectromotriz generada por un motor empleado para accionar el vehfculo.
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El metodo para controlar la posicion del vehfculo sobre la pista puede comprender ademas la etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo y un eje longitudinal de la pista.
El metodo para controlar la posicion del vehfculo sobre la pista puede comprender ademas la etapa que consiste en generar una segunda senal de entrada para la servodireccion con el fin de minimizar el angulo medido.
La etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo y un eje longitudinal de la pista puede comprender tomar una segunda medicion de una posicion lateral del vehfculo sobre la pista.
Preferentemente, la etapa que consiste en tomar la segunda medicion se lleva a cabo en la parte trasera del vehfculo. Esta etapa puede comprender emplear un sensor optico para medir la luz reflejada desde la pista.
La etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo y un eje longitudinal de la pista puede comprender ademas tomar la segunda medicion de la posicion lateral del vehfculo sobre la pista desde la primera medicion de la posicion lateral del vehfculo sobre la pista.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un circuito de control para controlar la posicion de un vehfculo sobre una pista, en el que el circuito de control comprende:
- un sensor de medicion para medir una primera posicion lateral del vehfculo sobre la pista;
- un sustractor empleado para producir una senal de error comparando la primera posicion lateral medida con una posicion lateral deseada para el vehfculo;
- un controlador para generar una primera senal de entrada para una servodireccion del vehfculo con el fin de minimizar la senal de error;
- un sensor de velocidad para medir la velocidad del vehfculo; caracterizado por que
- una ganancia del controlador es modificada con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo cuando la velocidad medida del vehfculo esta por encima de un valor predeterminado para compensar los cambios dependientes de la velocidad en la respuesta del vehfculo a una senal de salida de la servodireccion.
Preferentemente, el circuito de control ademas comprende un segundo sensor de medicion para medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo y un eje longitudinal de la pista. En esta forma de realizacion, el controlador genera tambien una segunda senal de entrada para la servodireccion con el fin de minimizar el angulo medido.
Las formas de realizacion del segundo aspecto de la invencion pueden comprender caracterfsticas para poner en practica las caracterfsticas preferidas u opcionales del primer aspecto de la invencion, o viceversa.
Segun un tercer aspecto de la presente invencion, se proporciona un vehfculo de carreras en el que el vehfculo de carreras comprende un circuito de control de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invencion.
Breve descripcion de los dibujos
Aspectos y ventajas de la presente invencion resultaran evidentes tras la lectura de la siguiente descripcion detallada y tras la referencia a los siguientes dibujos, en los que:
la figura 1 representa una representacion esquematica de un vehfculo de acuerdo con una forma de realizacion de la presente invencion;
la figura 2 representa un diagrama de bloques que muestra la respuesta del vehfculo de la figura 1 a ordenes de direccion;
la figura 3 presenta
(a) una representacion esquematica de un sensor optico empleado por el vehfculo de la figura 1; y
(b) un circuito electronico del sensor optico;
la figura 4 presenta una vista en planta de un ejemplo de pista de carreras para el vehfculo de la figura 1;
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la figura 5 presenta un diagrama de bloques que muestra un metodo empleado para controlar la posicion del vehfculo de la figura 1 en toda la anchura de la pista de la figura 4;
la figura 6 presenta una representacion esquematica de un vehfculo de acuerdo con una forma de realizacion alternativa de la presente invencion;
la figura 7 representa un diagrama de bloques que muestra la respuesta del vehfculo de la figura 6 a ordenes de direccion;
la figura 8 presenta:
(a) un primer; y
(b) un segundo
diagramas de bloques que muestran un metodo empleado para controlar la posicion del vehfculo de la figura 6 en toda la anchura de la pista de la figura 4;
la figura 9 muestra un diagrama de bloques simplificado del metodo empleado para controlar la posicion del vehfculo de la figura 6 en toda la anchura de la pista de la figura 4;
la figura 10 presenta una representacion esquematica de un vehfculo de acuerdo con una forma de realizacion alternativa de la presente invencion.
la figura 11 presenta un diagrama de bloques que muestra un primer metodo empleado para controlar la posicion del vehfculo de la figura 10 en toda la anchura de la pista de la figura 4; y
la figura 12 presenta un diagrama de bloques que muestra un segundo metodo empleado para controlar la posicion del vehfculo de la figura 10 en toda la anchura de la pista de la figura 4.
Descripcion detallada
La figura 1 presenta una representacion esquematica de un vehfculo 1 de acuerdo con una forma de realizacion de la presente invencion. El vehfculo 1 se muestra sobre una pista de carreras 2, describiendose detalles adicionales de la pista 2 a continuacion con referencia a la figura 4.
Puede verse que el vehfculo 1 comprende una carrocerfa principal 3 en cuya parte delantera esta montado un conjunto de ruedas dirigibles 4 y en cuya parte trasera esta montado un conjunto de ruedas no dirigibles 5. La potencia para el vehfculo se proporciona a traves de un motor electrico cc 6 configurado para accionar las ruedas no dirigibles 5. Una primera unidad de controlador 7, por ejemplo un controlador proporcional-integral-derivativo (controlador PID), proporciona unos medios para que el operador controle de manera remota el vehfculo 1. Un primer sensor optico 8 esta posicionado en la parte delantera del vehfculo 1 con el fin de proporcionar unos medios para determinar la posicion del vehfculo 1 sobre la pista 2. Un sensor de velocidad 9 esta localizado en las ruedas no dirigibles 5 y se emplea parar proporcionar unos medios para medir la velocidad del vehfculo 1. El angulo de direccion (sa) y asf la direccion de desplazamiento del vehfculo 1 son controlados por una servodireccion o servodirecciones 10 que estan localizadas dentro de un bucle cerrado. La servodireccion 10 muestra una responsividad denotada por Kss.
La manera en la que la posicion de la parte delantera del vehfculo (fp) en toda la pista 2 se ve afectada por la senal de entrada 11 enviada a la servodireccion o servodirecciones 10 esta representada por el diagrama de bloques 12 de la figura 2. En particular, la senal de entrada 11 enviada al sistema (entrada) es la senal suministrada a la servodireccion o servodirecciones 10, la cual puede adoptar una serie de formas, por ejemplo un voltaje analogico, un impulso de cierta anchura o un numero binario dentro de un microcontrolador. La senal de salida 13 procedente de la servodireccion o servodirecciones 10 representa el angulo de direccion (sa) resultante.
Cuando una senal de entrada 11 de una cierta amplitud se aplica a la servodireccion o servodirecciones 10, esta senal hace que las ruedas dirigibles 4 giren hasta formar un angulo con relacion a la carrocerfa 3 del vehfculo 1. Asf, mientras el vehfculo 1 se esta moviendo hacia delante a una cierta velocidad (velocidad), el angulo de la carrocerfa 3 del vehfculo 1 con respecto a la pista 2, el angulo de carrocerfa (ba), aumentara continuamente. Se apreciara que cuanto mas larga sea la batalla (wb) del vehfculo 1, menor sera el efecto del angulo de direccion (sa). Ademas, cuanto mayor sea la velocidad a la cual se desplaza el vehfculo 1, mas rapidamente cambiara el angulo de la carrocerfa para un angulo de direccion (sa) dado. Estos aspectos estan representados por los diversos bloques presentados en la figura 2, como se describe con mas detalle a continuacion.
La salida del primer bloque de seno 14 es el seno de la entrada a ese bloque; en otras palabras, es el seno del angulo de direccion (sa). El bloque marcado 1/wb 15 muestra que el efecto es inversamente proporcional a la batalla (wb) del vehfculo 1. El hecho de que el angulo de direccion (sa) sea proporcional a la velocidad del vehfculo 1 se
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Una vez que la senal de entrada 11 ha vuelto a cero, las ruedas dirigibles 4 se alinearan una vez mas con la carrocerfa 3 y asf el angulo de carrocerfa (ba) permanecera en su valor corriente. Este valor no cero del angulo de carrocerfa (ba) hara, sin embargo, que la posicion de la parte delantera del vehfculo (fp) aumente continuamente. La tasa de incremento es proporcional una vez mas a la velocidad, y de nuevo es el seno del angulo de carrocerfa (ba) el que es significativo. Estos efectos se muestran por los bloques restantes del diagrama de bloques 12 de la figura 2, en particular el segundo bloque de seno 18, el segundo bloque multiplicador 19 y el segundo bloque integral de tiempo 20.
Otros detalles del sensor optico 8 empleado por el vehfculo 1 se presentan en la figura 3. En particular, la figura 3(a) presenta una representacion esquematica del sensor optico 8, mientras que la figura 3(b) presenta un circuito electrico para este componente. Puede verse que el sensor optico 8 comprenda una fuente de luz 21 en forma de un LED y un detector 22 en forma de un fototransistor. La luz 23 emitida por la fuente de luz 21 se dirige inicialmente hacia la pista 2. Despues de la reflexion desde la pista 2, la luz 23 incide entonces en el detector 22. Como se explica con mas detalle a continuacion, el nivel de la luz detectada proporciona un diagnostico para medir la posicion del vehfculo 1 en toda la anchura de la pista 2.
Puede emplearse el siguiente metodo para que el sensor optico 8 compense los efectos de la luz de fondo. La fuente de luz 21 puede apagarse para permitir que el detector 22 tome una lectura. Esta lectura puede estar justificada por la presencia de luz ambiente. Restando esta lectura de las registradas durante el curso de una carrera se permite que los efectos de la luz ambiente se eliminen de los sistemas de control del vehfculo descritos con mas detalle a continuacion.
El sensor de velocidad 9 proporciona unos medios para medir la velocidad del vehfculo 1 empleando una tecnica en la que se mide la fuerza contraelectromotriz del motor electrico cc 6. Durante el funcionamiento normal, el motor electrico cc 6 absorbe energfa electrica y la convierte en energfa mecanica con el fin de accionar el vehfculo 1. Cuando se interrumpe la potencia enviada al motor electrico cc 6, este motor electrico cc 6 actua como generador electrico y se invierte el proceso anterior, es decir, el motor electrico cc 6 toma energfa mecanica y la convierte en energfa electrica. El voltaje observado cuando el motor electrico cc 6 esta funcionando como generador electrico es directamente proporcional a la velocidad del motor electrico cc 6. Asf, interrumpiendo periodicamente el suministro electrico al motor electrico cc 6 (tfpicamente durante un periodo de unos pocos milisegundos), el sensor de velocidad 9 puede utilizarse para medir la velocidad del vehfculo 1 sin una perturbacion significativa del accionamiento del vehfculo 1.
Una unidad de control remoto 24 provee a un operador de los medios para generar una senal de mando 25 para controlar la velocidad y la posicion lateral del vehfculo 1 sobre la pista 2. En particular, la unidad de control remoto 24 comprende un acelerador 26 que proporciona unos medios para generar una componente de control de velocidad para la senal de mando 25 y un volante 27, o una palanca de mando, que proporciona unos medios para generar una componente de posicion de pista para la senal de control.
Pista de carreras
En la figura 4 esta representada una vista en planta de un ejemplo de pista de carreras 2 para el vehfculo 1. En la forma de realizacion actualmente escrita puede verse que la pista de carreras 2 forma un bucle cerrado. La referencia al eje longitudinal 28 de la pista se refiere a un eje que se extiende alrededor de la longitud de la pista, como se ilustra por la lfnea discontinua presentada en la figura 4, mientras que la referencia a un movimiento lateral de un vehfculo 1 sobre la pista 2 o a un perfil lateral se refiere a un movimiento o un perfil sustancialmente perpendicular el eje longitudinal 28.
La anchura de la pista 2 esta conformada de modo que exhiba un perfil lateral opticamente graduado que se mantiene a lo largo de la longitud de la pista 2. El perfil opticamente graduado proporciona asf unos medios para asignar a cada posicion lateral de la pista 2 un nivel singular de reflectividad. En el ejemplo actualmente descrito, el perfil lateral opticamente graduado comprende un perfil de escala de grises (es decir, de negro a blanco) desde el interior de la pista 2 hasta el exterior para proporcionar regiones correspondientes de reflectividad relativamente baja a reflectividad alta para la fuente de luz 21 del sensor optico 8. De esta manera, el nivel de la luz 23 reflejada sobre el detector 22 desde la fuente de luz 21 corresponde a una posicion lateral singular y proporciona asf un diagnostico para determinar la posicion lateral de la parte delantera del vehfculo (fp) sobre la pista 2 y a continuacion para mantener esta posicion lateral a lo largo de toda la longitud de la pista 2.
Se apreciara por los expertos en la materia que la pista de carreras 2 no requiere necesariamente comprender un perfil lateral opticamente graduado de una escala de grises. La pista puede formarse a partir de cualquier color adecuado, siempre que puedan formarse regiones correspondientes de reflectividad relativamente baja a
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reflectividad alta para el sensor optico 8. Ademas, la pista 2 no necesita en absoluto comprender un color visible, sino que, en su lugar, puede formarse a partir de un material reflectante de infrarrojos, empleandose una fuente de luz infrarroja 21 correspondiente dentro del sensor optico 8.
Es preferible que la pista 2 se forme por un proceso de impresion en el que se aplique una tinta apropiada a un papel delgado. Como resultado, la pista de carreras 2 puede enrollarse o plegarse para fines de almacenamiento o transporte y despues puede simplemente desenrollarse o desplegarse como y cuando se requiera.
La pista 2 puede imprimirse sobre secciones de papel independientes y tenderse luego de forma apropiada cuando se requiera que tenga lugar una carrera. Tal forma de realizacion permitirfa que se instalaran pistas de carreras 2 de diferentes disenos por un usuario mediante la reconfiguracion de las secciones de pista.
Se apreciara tambien por los expertos en la materia que pueden incorporarse marcas adicionales 29 dentro de la pista 2. Estas marcas adicionales 29 pueden disenarse para que sean lefdas por el sensor optico 8, o para oscurecer el proceso de lectura del sensor optico 8, con el fin de facilitar informacion adicional, por ejemplo tiempos por vuelta completa; simular peligros, por ejemplo manchas de aceite, escombros en la pista, cascajales; o simular condiciones de manipulacion cambiantes que requieren que un vehfculo haga una parada tecnica, por ejemplo, un pinchazo del vehfculo o condiciones meteorologicas cambiantes.
Sistema de control de sensor de velocidad
Se describira ahora un sistema de control de bucle cerrado 30 para controlar la posicion del vehfculo 1 sobre la pista 2 con referencia al diagrama de bloques de la figura 5 y para un vehfculo configurado para desplazarse en el sentido contrario al de las agujas del reloj alrededor de la pista 2.
La unidad de controlador 7 se emplea para recibir la senal de mando 25 procedente de la unidad de control remoto 24. La componente de control de velocidad de la senal de control 25 se utiliza para ajustar la velocidad de funcionamiento del motor electrico cc 6 y, por tanto, la velocidad del vehfculo 1, mientras que la componente de posicion de pista se emplea por la servodireccion o servodirecciones para ajustar una posicion lateral deseada del primer sensor optico 8 sobre la pista 2. Por ejemplo, si el volante 27 esta en su posicion cero, entonces la posicion de pista deseada para el vehfculo 1 es el centro de la pista 2 y el vehfculo 1 sigue el eje lateral 28 a lo largo de toda la longitud de la pista 2. Si el volante 27 se hace girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj, entonces se genera una senal negativa que corresponde a una posicion de pista lateral mas cercana al interior de la pista 2, es decir, un area mas oscura de la pista 2 que seguira entonces el vehfculo 1. Analogamente, si el volante 27 se hace girar en el sentido de las agujas del reloj, entonces se genera una senal positiva que corresponde a una posicion de pista mas proxima al exterior de la pista 2, es decir, un area mas clara de la pista 2 para que la siga entonces el vehfculo 1. Por tanto, puede considerarse que la pista comprende una pluralidad de ranuras virtuales para el vehfculo 1, entre las cuales puede moverse facilmente el vehfculo 1 y la eleccion de las cuales se determina por la componente de posicion de pista de la senal de mando 25.
Se apreciara por los expertos en la materia que, invirtiendo la disposicion anterior, los vehfculos 1 pueden configurarse para que funcionen en una direccion en el sentido de las agujas del reloj alrededor de la pista 2. En otra forma de realizacion alternativa, la reversion del sombreado graduado lateral de la pista 2 proporcionarfa una configuracion de carreras en el sentido de las agujas del reloj.
Se emplea entonces un primer sustractor 31 en una trayectoria de realimentacion primaria 32 para la servodireccion o servodirecciones 10. El primer sustractor 31 genera una senal de error 33 que proporciona la entrada para la unidad de controlador 7 restando una senal de realimentacion primaria de la componente de posicion de pista de la senal de mando 25 y permite asf que la unidad de controlador 7 proporcione un diagnostico de la desviacion del primer sensor optico 8 respecto de la posicion de pista lateral deseada. La responsividad de un sensor viene dada por la relacion entre su entrada y su salida. En el sistema de control 30 actualmente descrito, la responsividad, denotada por Ks, es la relacion entre la posicion de la pista medida por el primer sensor optico 8 y la salida suministrada al primer sustractor 31. Al recibir la senal de error 33, la unidad de controlador 7 intenta entonces accionar la servodireccion o servodirecciones 10 para reposicionar la parte delantera del vehfculo 1 sobre la pista 2 con el fin de minimizar la senal de error 33. De esta manera el vehfculo 1 se desplazara alrededor de la pista 2 mientras intenta mantener la posicion de pista lateral ajustada por la componente de posicion de pista. Si se cambia despues la componente de posicion de pista, entonces el vehfculo 1 intentara reposicionarse sobre la pista 2 en la nueva posicion lateral correspondiente.
Como se describe anteriormente, la tasa a la que aumenta el angulo de carrocerfa (ba) a un angulo de direccion dado y la posicion de la parte delantera del vehfculo (fp) dependen ambas de la velocidad del vehfculo 1. Asf, la ganancia de bucle del sistema de control 30 depende del cuadrado de la velocidad del vehfculo 1. Por tanto, es extremadamente diffcil calibrar la unidad de controlador 7 del sistema de control 30 para dar una respuesta rapida y estable para todas las velocidades del vehfculo 1. A modo de ejemplo, un vehfculo 1 de escala 1:20 que emplee una servodireccion o servodirecciones 10 con un ancho de banda de 10 Hz tendrfa tfpicamente una velocidad de rango medio de 1,5 ms-1. Aunque puede concebirse que el sistema de control 30 sea estable a esta velocidad de
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funcionamiento, su estabilidad se deteriora rapidamente cuando la velocidad del vehfculo se mueve por encima o por debajo de este valor de rango medio.
Una solucion a este problema es emplear la salida del sensor de velocidad 9 para modificar la entrada enviada a la servodireccion o servodirecciones 10 desde la unidad de controlador 7 y compensar asf la dependencia de la ganancia de trayectoria de avance del sistema de control 30 respecto de la velocidad. La modificacion mas simple es hacer que la ganancia de la unidad de controlador 7 varfe con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo 1. Esto se consigue empleando una unidad de procesador 34 conectada entre el sensor de velocidad 9 y la unidad de controlador 7. Sin embargo, se hace notar que esta solucion da como resultado ganancias de controlador muy altas a bajas velocidades del vehfculo.
En una forma de realizacion alternativa, la unidad de procesador 34 se emplea para modificar la ganancia de la unidad de controlador 7 con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo 1 solo cuando el vehfculo 1 se esta desplazando por encima de una velocidad minima predeterminada; por ejemplo, en el ejemplo anteriormente proporcionado una velocidad minima adecuada serfa 0,5 ms-1.
Sistema de control de segundo sensor optico
En ausencia de un metodo de control adicional, la dinamica del sistema de control 30 se establece principalmente por la respuesta de la servodireccion o servodirecciones 10 y asf este sistema es efectivamente un sistema de cuarto orden tipo dos. Como se sabe por los expertos en la materia, tales sistemas no son particularmente estables, y asf puede resultar diffcil que el sistema de control 30 mantenga el vehfculo 1 sobre la pista 2 sin una compensacion adicional. Se describira ahora una forma de realizacion alternativa, en la que se consigue una compensacion de estabilidad adicional mediante el empleo de un segundo sensor optico localizado dentro del vehfculo.
Un vehfculo 1 b, que incorpora un segundo sensor optico, se presenta esquematicamente en la figura 6. Puede verse que el vehfculo 1b comprende muchos de los elementos del vehfculo 1 presentado en la figura 1, a saber: una carrocerfa principal 3, un conjunto de ruedas dirigibles 4, un conjunto de ruedas no dirigibles 5, un motor electrico cc 6, una unidad de controlador 7, un primer sensor optico 8 posicionado en la parte delantera del vehfculo 1b y una servodireccion o servodirecciones 10. Sin embargo, en la forma de realizacion actualmente descrita un segundo sensor optico 8b esta localizado en la parte trasera del vehfculo 1b. En la forma de realizacion actualmente descrita no se requiere tampoco el sensor de velocidad 9.
La figura 7 presenta un diagrama de bloques 35 que muestra la respuesta del vehfculo 1b de la figura 6 a la senal de mando 25 generada por la unidad de control remoto 24. El diagrama de bloques de respuesta de la figura 7 es similar al discutido anteriormente en conexion con la respuesta del vehfculo 1 y, como se presenta en la figura 2, con la excepcion de que esta ahora presente un brazo 36 que representa la posicion de la parte trasera del vehfculo (rp).
Un sistema de control de bucle cerrado 37 para controlar la posicion del vehfculo 1b sobre la pista 2 es presentado por el diagrama de bloques de la figura 8(a) y el diagrama de bloques equivalente de la figura 8(b). La unidad de controlador 7 se emplea de nuevo para recibir la senal de mando 25 procedente de la unidad de control remoto 24 con el fin de ajustar la velocidad y posicion deseadas de la parte delantera del vehfculo 1b sobre la pista 2. El primer sustractor 31 se emplea de nuevo en una trayectoria de realimentacion primaria 32 para la servodireccion o servodirecciones 10 con el fin de generar una senal de error 33 que proporciona un diagnostico de la desviacion de la parte delantera del vehfculo 1 respecto de la posicion deseada. La responsividad de la trayectoria de realimentacion primaria 32 se denota de nuevo por Ks.
Ademas, el sistema de control 37 emplea una trayectoria de realimentacion secundaria o local 38 para la servodireccion o servodirecciones 10. La trayectoria de realimentacion secundaria 38 proporciona a un segundo sustractor 39 localizado en ella la posicion medida de la parte trasera del vehfculo (rp). El segundo sustractor 39 esta configurado para proporcionar entonces una senal de realimentacion secundaria a la servodireccion o servodirecciones 10 que sea igual a la diferencia entre las posiciones delantera y trasera del vehfculo, a saber (fp) - (rp).
Con referencia a la figura 6, la trigonometrfa basica nos muestra que la diferencia entre las posiciones delantera (fp) y trasera (rp) del vehfculo 1b sobre la pista 2 viene dada por la base de sensor (sb) multiplicada por el seno del angulo de carrocerfa, o expresado de otra manera:
((fp)-(rp))=(sb).sin(ba) (1)
Por tanto, midiendo las posiciones delantera (fp) y trasera (rp) del vehfculo 1b sobre la pista 2, y calculando la diferencia entre estos valores, se permite que se envfe a la servodireccion o servodirecciones 10 una senal de realimentacion secundaria que depende del angulo de carrocerfa (ba) en vez de depender solamente del angulo de direccion (sa). El bucle de realimentacion secundario actua asf para minimizar el angulo de carrocerfa medido con el fin de mantener el vehfculo 1 b desplazandose en paralelo al eje longitudinal 28 de la pista 2.
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Ademas, puesto que el primer bloque integral de tiempo 17 esta contenido ahora dentro del bucle de realimentacion secundario, esto tiene el efecto de convertir este bloque para que actue como un retraso exponencial en vez de una integracion de tiempo. Por tanto, el sistema de control 37 puede considerarse un sistema de cuarto orden, tipo uno que, como se aprecia por los expertos en la materia, es significativamente mas estable que un sistema de cuarto orden tipo dos. Ademas, el sistema de control 37 reduce tambien los efectos de la velocidad en la estabilidad del sistema 37, puesto que la parte del sistema que tiene una ganancia que cambia con la velocidad esta ahora contenida dentro del bucle de realimentacion local.
Se apreciara tambien por los expertos en la materia que tanto el angulo de direccion (sa) como el angulo de carrocerfa (ba) seran tfpicamente de 30° o menos. Como resultado, puede hacerse una simplificacion adicional del sistema de control 37 explotando el hecho de que, para angulos pequenos 0, sin(0) es aproximadamente igual a 0. Por tanto, se presenta un sistema de control efectivo simplificado 37a por el diagrama de bloques de la figura 9, en el que se omiten los bloques de seno primero 14 y segundo 18.
En la practica, se encuentra que es preferible para la estabilidad de los sistemas de control 37 y 37a que la responsividad en la trayectoria de realimentacion secundaria 38, Klf2, se haga igual al recfproco de la responsividad (Kss) de la servodireccion o servodirecciones 10. Junto con la negacion en el segundo sustractor 39, esto da como resultado que el angulo de direccion (sa) se ajuste igual y opuesto al angulo de carrocerfa (ba). El bucle de realimentacion secundario 38 hace asf que las ruedas dirigibles 4 apunten en la direccion en la que debera desplazarse el vehfculo 1b.
En ausencia del bucle de realimentacion secundario, si la posicion delantera del vehfculo (fp) estuviera en la posicion correcta, pero el vehfculo estuviera en angulo con respecto a la pista 2, entonces tan pronto como el vehfculo 1b se moviera hacia delante, la posicion delantera del vehfculo (fp) se desviarfa de la posicion deseada antes de que la realimentacion total la devolviera finalmente a la posicion en lfnea. Con la adicion del segundo sensor 8b a la parte trasera del vehfculo 1b y la trayectoria de realimentacion secundaria 38, las ruedas dirigibles 4 se apuntan automaticamente a lo largo de la pista 2, y cuando el vehfculo 1b se mueve hacia delante, la posicion trasera (rp) simplemente sigue a la posicion delantera (fp) hasta la posicion correcta en toda la pista 2. Asf, puede considerarse que los sistemas de control 37 y 37b anticipan el error posicional inminente del vehfculo 1b y realizan entonces la accion necesaria para corregir este error posicional antes de que ocurra.
Sistema de control de sensor de velocidad y segundo sensor optico
En una forma de realizacion alternativa preferible, el sistema de control para el vehfculo emplea una combinacion de los dos sistemas de control anteriormente descritos 30 y 37. A modo de ejemplo, la figura 10 presenta un vehfculo 1c que incorpora tanto el sensor de velocidad 9 como el segundo sensor optico 8b. Los elementos restantes del vehfculo 1c corresponden a los presentados en la figura 1 y la figura 6 en conexion con los vehfculos previamente descritos 1 y 1b y se marcan asf con numeros de referencia correspondientes.
Un primer sistema de control de bucle cerrado 40 para controlar la posicion del vehfculo 1c sobre la pista 2 es presentado por el diagrama de bloques de la figura 11. Como sucede con los sistemas previamente descritos 30 y 37, la unidad de controlador 7 se emplea para recibir la senal de mando 25 procedente de la unidad de control remoto 24 con el fin de ajustar la velocidad y posicion deseadas de la parte delantera del vehfculo 1c sobre la pista 2. El primer sustractor 31 se emplea entonces en una trayectoria de realimentacion primaria 32 para la servodireccion o servodirecciones 10 con el fin de generar una senal de error 33 que proporciona un diagnostico de la desviacion de la parte delantera del vehfculo 1 con respecto a la posicion deseada. La responsividad de la trayectoria de realimentacion primaria 32 se denota de nuevo por Ks.
La trayectoria de realimentacion secundaria o local 38 proporciona de nuevo detalles de la posicion de la parte trasera del vehfculo (rp) con respecto al segundo sustractor 39 localizado entre la primera unidad de controlador 7 y la servodireccion o servodirecciones 10. El segundo sustractor 39 se configura de nuevo de tal manera que el bucle de realimentacion secundario actue para minimizar el angulo de carrocerfa medido del vehfculo 1c sobre la pista 2. La responsividad de la trayectoria de realimentacion secundaria 38, Klf2, se hace de nuevo preferentemente igual al recfproco de la responsividad (Kss) de la servodireccion o servodirecciones 10. Con el fin de proporcionar unos medios para implementar la compensacion de velocidad dentro del bucle de realimentacion secundario, debera hacerse notar que una segunda unidad de controlador 7b esta localizada entre el segundo sustractor 39 y la servodireccion o servodirecciones 10.
En la forma de realizacion actualmente descrita, las ganancias del bucle de realimentacion primario y el bucle de realimentacion secundario se modifican por las unidades de controlador 7 y 7b para que varfen con el recfproco de la velocidad del vehfculo 1c en vez de hacerlo con el recfproco de la velocidad elevada al cuadrado, tal como se requerfa dentro del sistema de control 30. Sin embargo, esto se consigue de una manera similar, a saber, empleando unidades de procesador 34 y 34b conectadas entre el sensor de velocidad 9 y las unidades de controlador primera y segunda 7 y 7b, respectivamente.
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En una forma de realizacion alternativa, las unidades de procesador 34 y 34b pueden emplearse para modificar la ganancia de los bucles de realimentacion primario y secundario a traves de las unidades de controlador 7 y 7b, respectivamente, con el recfproco de la velocidad del vehfculo 1c, solamente cuando el vehfculo 1c se esta desplazando por encima de una velocidad minima predeterminada.
Con el diagrama de bloques de la figura 12 se presenta un segundo sistema de control 41 para controlar la posicion del vehfculo 1c sobre la pista 2. Esta forma de realizacion es similar en muchos aspectos al sistema de control 40 presentado en la figura 11 y discutido en detalle anteriormente. La unica diferencia significativa es que se omite la segunda unidad de controlador 7b de tal manera que la variacion de la ganancia del bucle secundario sea llevada dentro de la propia trayectoria de realimentacion 38. Esta es una solucion menos preferible, puesto que requieren un procesamiento diferente para el controlador de trayectoria de avance 7 cuando el cambio de la ganancia de trayectoria de realimentacion secundaria 38 cambia la respuesta de bucle cerrado del bucle secundario y cambia asi la ganancia del bucle primario.
Se apreciara por los expertos en la materia que en todas las formas de realizacion descritas de los vehiculos puede adaptarse la servodireccion de tal manera que, en lugar de modificar el angulo de las ruedas dirigibles, se consiga un cambio en la direccion del vehfculo modificando la rotacion relativa de las ruedas.
Ademas, se apreciara que, aunque las unidades de controlador 7 y 7b, los sustractores 31 y 39 y las unidades de procesador 34 y 34b se han presentado todos ellos como unidades independientes, su funcionalidad puede implementarse directamente con una unica unidad de controlador.
El juego de vehiculos de carreras anteriormente descrito ofrece muchas ventajas con respecto a los juegos conocidos en la tecnica. En primer lugar, se proporciona una combinacion de vehfculo y pista sin ranura con la que puede modificarse la posicion lateral de un vehfculo de tal manera que este pueda moverse a traves de todo el ancho de la pista. Esto proporciona un juego de vehiculos de carreras mas realista, puesto que el operador del vehfculo puede maniobrarlo con el fin de obtener una ventaja tactica (por ejemplo, adelantar o arrimarse a un oponente o proteger una lfnea de carrera), pero sin tener que dirigir el coche alrededor de la pista.
En segundo lugar, si vehfculo se sale de la pista, puede simplemente ser hecho regresar a ella y se reanuda el funcionamiento del sistema de control para el vehfculo sobre la pista. Asi, a diferencia de los coches de ranura, no hay necesidad de que un operador reposicione ffsicamente su vehfculo sobre la pista con el fin de reanudar la carrera.
La propia pista ofrece tambien una pluralidad de ventajas significativas. En primer lugar, no hay ningun lfmite al numero de vehiculos que pueden correr en la carrera, puesto que no hay ranuras predeterminadas requeridas para el funcionamiento del vehfculo. La pista es altamente flexible, permitiendo un simple almacenamiento, transporte y despliegue. La pista es simple de producir y asi es significativamente mas barata que las pistas ranuradas tradicionales conocidas en la tecnica. Finalmente, la pista permite la incorporacion de peligros de carrera adicionales, tales como manchas de aceite, escombros en la pista, cascajales o condiciones meteorologicas variables.
Se describen un metodo y un aparato para controlar la posicion de un vehfculo sobre una pista para proporcionar un juego de vehiculos de carreras sin ranura. El metodo implica medir la posicion lateral del vehfculo sobre la pista para minimizar la distancia con una posicion lateral definida por el usuario. Una velocidad medida del vehfculo se realimenta entonces a una servodireccion con el fin de estabilizar la posicion del vehfculo en la posicion lateral deseada. En particular, la ganancia de un controlador que genera la senal de entrada para la servodireccion se modifica con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo.
La descripcion anterior de la invencion se ha presentado para fines de ilustracion y descripcion y no esta destinada a ser exhaustiva ni a limitar la invencion a la forma precisa descrita. Las formas de realizacion descritas se seleccionaron y se describieron con la finalidad de explicar del mejor modo los principios de la invencion y su aplicacion practica para permitir asi que otros expertos en la materia utilicen optimamente la invencion en diversas formas de realizacion y con diversas modificaciones que sean adecuadas para el uso particular contemplado. Por tanto, pueden incorporarse otras modificaciones o mejoras sin apartarse del alcance de la invencion tal como este se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

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    1. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) sobre una pista (2), en el que el metodo comprende las etapas siguientes:
    - tomar una primera medicion de una posicion lateral del vehfculo (1) sobre la pista (2);
    - comparar la primera posicion lateral medida con una posicion lateral deseada para el vehfculo (1) con el fin de producir una senal de error (33);
    - generar una primera senal de entrada (11) para una servodireccion (10) del vehfculo (1) con el fin de minimizar la senal de error (33);
    - medir la velocidad del vehfculo (1); caracterizado por que comprende
    - modificar la ganancia de un controlador (7) que genera la primera senal de entrada para la servodireccion (10) con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo (1) cuando la velocidad del vehfculo (1) esta por encima de un valor predeterminado.
  2. 2. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun la reivindicacion 1, en el que la etapa que consiste en tomar la primera medicion se lleva a cabo en la parte delantera del vehfculo (1).
  3. 3. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1 o 2, en el que la etapa que consiste en tomar la primera medicion comprende emplear un sensor
    optico (8) para medir una luz (23) reflejada desde la pista (2).
  4. 4. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, en el que la etapa que consiste en medir la velocidad del vehfculo (1) comprende medir la fuerza contraelectromotriz generada por un motor (6) empleado para accionar el vehfculo (1).
  5. 5. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun cualquiera de las
    reivindicaciones anteriores, en el que el metodo ademas comprende la etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo (1) y un eje longitudinal (28) de la pista (2).
  6. 6. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun la reivindicacion 5, en el que el metodo ademas comprende la etapa que consiste en generar una segunda senal de entrada para la servodireccion (10) con el fin de minimizar el angulo medido.
  7. 7. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, en el que la etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo (1) y un eje longitudinal (28) de la pista (2) comprende tomar una segunda medicion de una posicion lateral del vehfculo (1) sobre la pista (2).
  8. 8. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun la reivindicacion 7, en el que la etapa que consiste en tomar la segunda medicion se lleva a cabo en la parte trasera del vehfculo (1).
  9. 9. Metodo para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en el que la etapa que consiste en medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo (1) y un eje longitudinal (28) de la pista (2) ademas comprende tomar la segunda medicion de la posicion lateral del vehfculo (1) sobre la pista (2) desde la primera medicion de la posicion lateral del vehfculo (1) sobre la pista (2).
  10. 10. Circuito de control (30) para controlar la posicion de un vehfculo controlado de manera remota (1) sobre una pista (2), en el que el circuito de control (30) comprende:
    - un primer sensor de medicion (8) para medir una primera posicion lateral del vehfculo (1) sobre la pista (2);
    - un sustractor (31) empleado para producir una senal de error (33) comparando la primera posicion lateral medida con una posicion lateral deseada para el vehfculo (1);
    - un controlador (7) para generar una primera senal de entrada (11) para una servodireccion (10) del vehfculo (1) con el fin de minimizar la senal de error (33);
    - un sensor de velocidad (9) para medir la velocidad del vehfculo (1);
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    caracterizado por que
    - una ganancia del controlador (7) es modificada con el recfproco del cuadrado de la velocidad del vehfculo (1) cuando la velocidad medida del vehfculo (1) esta por encima de un valor predeterminado para compensar los cambios dependientes de la velocidad en la respuesta del vehfculo (1) a una senal de salida (13) de la servodireccion (10).
  11. 11. Circuito de control (30) segun la reivindicacion 10, en el que el circuito de control (30) ademas comprende un segundo sensor de medicion (8b) para medir el angulo entre la direccion de propagacion del vehfculo (1) y un eje longitudinal (28) de la pista (2).
  12. 12. Circuito de control (30) segun la reivindicacion 10, en el que el controlador (7) genera una segunda senal de entrada para la servodireccion (10) con el fin de minimizar el angulo medido.
  13. 13. Circuito de control (30) segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que el primer sensor de medicion (8) comprende un sensor optico que presenta una fuente de luz (21) y un detector (22).
  14. 14. Circuito de control (30) segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que el sensor de velocidad (9) comprende unos medios para medir la fuerza contraelectromotriz de un motor (6) empleado para accionar el vehfculo (1).
  15. 15. Vehfculo de carreras controlado de manera remota (1), que comprende un circuito de control (30) segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14.
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