ES2618557T3

ES2618557T3 - Control de vehículo por modulación de la inclinación

Info

Publication number: ES2618557T3
Application number: ES05809998.7T
Authority: ES
Inventors: Dean Kamen; Robert R. Ambrogi; Catharine N. Flynn; John M. Kerwin
Original assignee: Deka Products LP
Current assignee: Deka Products LP
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: WO2006042302A1; JP2019017248A; EP1796953A2; CA2824852C; JP2008517569A; JP2012178975A; CA2891706C; EP1796953B1; WO2006042301A2; JP2014195403A; EP1805071B1; JP2008516582A; CA2582463A1; EP1805071A1; CA2891706A1; CA2578196C; CA2582463C; JP2017184611A; JP4948416B2; CA2824852A1

Abstract

Un método para la estabilización delantera-trasera de un vehículo (10) para el movimiento en una dirección especificada sobre una superficie (106) subyacente, el vehículo que tiene una pluralidad de ruedas accionadas que incluyen una rueda (13) delantera y una rueda (21) trasera, y con la rueda delantera que tiene una fuerza normal a la dirección instantánea del movimiento del vehículo, caracterizado porque el método comprende: aplicar un par de torsión periódico a al menos una de las ruedas para inducir una pequeña modulación de la inclinación; detectar la variación de la inclinación del vehículo en respuesta al par de torsión periódico aplicado; detectar una fuerza en la rueda (13) delantera normal a la dirección instantánea del movimiento del vehículo; y aplicar un par de torsión de estabilización a la rueda trasera basándose, al menos, en cualquier variación de la inclinación detectada en respuesta al par de torsión periódico aplicado y la fuerza detectada en la rueda delantera normal a la dirección instantánea del movimiento del vehículo.

Description

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DESCRIPCION

Control de vehmulo por modulacion de la inclinacion

La presente invencion se refiere a metodos para mantener de forma activa la estabilidad y el control de movimiento de un vehmulo equipado con una o mas ruedas delanteras y una o mas ruedas traseras, con lo cual el funcionamiento equilibrado puede ser habilitado en caso de que las ruedas delanteras pierdan, o se retiren de, el contacto con el suelo.

Antecedentes de la invencion

Los dispositivos de transporte humano sirven para mover una persona sobre una superficie y pueden adoptar muchas formas diferentes. Por ejemplo, un dispositivo de trasporte humano, tal y como se utiliza el termino en el presente documento, puede incluir, pero no esta limitado a, sillas de ruedas, carros motorizados, vehmulos todo terreno, bicicletas, motocicletas, coches, aerodeslizadores y similares. Algunos tipos de transporte humano pueden incluir mecanismos de estabilizacion para ayudar a asegurar que el dispositivo no caiga y que lesione al usuario del dispositivo de transporte.

Una silla de ruedas tfpica de cuatro ruedas contacta con el suelo con las cuatro ruedas. Si el centro de gravedad de la combinacion de la silla de ruedas y el usuario permanece sobre el area entre las ruedas, la silla de ruedas no debena volcar. Si el centro de gravedad esta situado por encima o fuera del suelo que contacta con los miembros del dispositivo de transporte, el dispositivo de transporte puede llegar a ser inestable y puede volcar.

Con referencia ahora a la figura 1A, se muestra una silla 100 de ruedas tipica. La silla 100 de ruedas y el usuario 102 definen un bastidor. El bastidor tiene un centro 104 de gravedad situado en una posicion dispuesta verticalmente por encima de la superficie 106. El termino “superficie” tal y como es utilizado en el presente documento se refiere a cualquier superficie sobre la que puede asentarse o desplazarse un dispositivo de transporte humano. Ejemplos de una superficie incluyen un suelo plano, un plano inclinado tal como una rampa, una calle cubierta de grava, y tambien incluyen un bordillo que conecta verticalmente dos superficies sustancialmente paralelas, desplazadas verticalmente una con respecto a la otra (por ejemplo, un bordillo de una calle).

La superficie 106 puede estar inclinada en comparacion con el eje 108 horizontal (que es una lmea en el plano trasversal a la vertical local). El angulo por medio del cual la superficie 106 esta desfasada del eje 108 horizontal es denominado la inclinacion de superficie y estara representado mediante un angulo indicado como 0s.

La rueda 112 delantera y la rueda 110 trasera de la silla 100 de ruedas estan separadas por una distancia d. La distancia d entre las dos ruedas puede ser medida como una distancia lineal (por ejemplo una lmea recta). Las ruedas 110 y 112, normalmente, tienen ruedas homologas (no mostradas) en el otro lado de la silla de ruedas. Las ruedas homologas opuestas pueden compartir cada una un eje con las ruedas 110 y 112 respectivamente. El area cubierta por el polfgono que conecta los puntos en los que estas cuatro ruedas tocan el suelo (o las porciones exteriores de las partes de contacto con el suelo, cuando la parte de contacto con el suelo puede cubrir mas de un punto) proporciona una via sobre la cual puede estar situado el centro 104 de gravedad mientras que la silla de ruedas permanece estable. Esta area puede ser referida como la huella del dispositivo. La huella de un dispositivo, tal y como es utilizado el termino en el presente documento, esta definida por la proyeccion del area entre las ruedas tal y como se proyecta sobre el plano horizontal. Si el centro de gravedad esta por encima de esta posicion, el dispositivo de transporte debena permanecer estable.

Si el centro 104 de gravedad esta desplazado verticalmente por encima de la superficie 106 y esta afuera de la huella (es decir, la proyeccion del area entre las ruedas 110 y 112 sobre el plano horizontal), la silla 100 de ruedas puede volcar. Esto podna suceder, por ejemplo, cuando la silla de ruedas esta en una superficie que tiene un tramo inclinado, o, de forma alternativa, si el usuario “hace un caballito” con el fin de subir un bordillo. Cuando se esta en un tramo inclinado, el centro 104 de gravedad puede cambiar y provocar que la silla 100 de ruedas voltee hacia atras. Esto es mostrado en la figura 1B en donde el centro 104 de gravedad esta situado en una posicion que esta fuera de la huella de la silla 100 de ruedas. El centro 104 de gravedad es mostrado incluyendo un vector (g) de aceleracion de la gravedad el cual traslada linealmente el centro 104 de gravedad en una direccion descendente. La silla 100 de ruedas puede girar con respecto a un eje de la rueda 110 trasera hasta que la silla 100 de ruedas contacta con la superficie que esta siendo atravesada.

El usuario 102 puede ayudar a devolver el centro 104 de gravedad a una posicion que este por encima del area entre las ruedas 110 y 112 reclinandose hacia delante en la silla 100 de ruedas. Dado este control limitado de la posicion de centro 104 de gravedad, esta claro que los dispositivos de trasporte humano tales como las sillas de ruedas pueden encontrar grandes dificultades cuando atraviesan superficies irregulares tal como un bordillo o escalones.

Algunos vehmulos, en funcion de su distribucion de peso o modos tfpicos de funcionamiento son propensos a una inestabilidad delantera y trasera y vuelcos de extremo a extremo (“endo”). En el funcionamiento de un vehmulo todo terreno (ATV), por ejemplo, no es siempre posible o deseable mantener todas las ruedas del vehmulo en contacto con la superficie subyacente todo el tiempo. Incluso, es deseable impedir la perdida de control del vehmulo o el vuelco

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extremo a extremo. Los ATVs pueden beneficiarse de la estabilizacion en uno o mas de los pianos delantero-trasero o izquierdo-derecho, especialmente bajo condiciones en las que menos de un complemento estable de las ruedas estan en contacto con el suelo. Veldculos de esta clase pueden funcionar de forma mas efectiva y segura empleando modos de control suplementarios a los descritos en el estado de la tecnica anterior. Se podra hacer referencia al siguiente, por ejemplo:

El documento WO 2004/007264 A1, el cual se refiere al control de un transporte basado en la postura; el documento GB 2 399 579 A, el cual se refiere a un control diferencial de un veldculo; el documento US 2003/0014167 A1, el cual se refiere a un dispositivo para atenuar la inclinacion de un vedculo accionado por motor; y el documento 2003/226698 A1, el cual se refiere a un vedculo dbrido humano/ electrico.

Resumen de la invencion

De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para la estabilizacion delantera-trasera de un vedculo para el movimiento en una direccion especificada sobre una superficie subyacente, el vedculo que tiene una pluralidad de ruedas motorizadas incluyendo una rueda delantera y una rueda trasera, y la rueda delantera que tiene una fuerza normal a la direccion instantanea de movimiento del vedculo, de acuerdo con la reivindicacion 1. El metodo incluye las etapas de aplicar un par de torsion periodico al menos una de las ruedas para incluir una pequena modulacion de la inclinacion, detectar la variacion de la inclinacion del vedculo en respuesta al par de torsion periodico aplicado, detectar una fuerza de la rueda delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vedculo, y aplicar y estabilizar el par de torsion de la rueda trasera basandose, al menos, en cualquier variacion de inclinacion detectada en respuesta al par de torsion periodico aplicado y a la fuerza detectada en la rueda delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vedculo.

De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un dispositivo para la estabilizacion de la inclinacion del movimiento de un vedculo que tiene al menos una rueda delantera y al menos una rueda trasera de acuerdo con la reivindicacion 6. El dispositivo incluye un detector para detectar una fuerza sobre una rueda trasera normal a la direccion instantanea de movimiento del vedculo. El dispositivo tiene un actuador motor para accionar la rueda trasera, y un controlador para aplicar un par de torsion a la rueda trasera basandose en una ley de control basada al menos en la fuerza normal en la rueda delantera, estando configurado el controlador para aplicar un par de torsion periodico a al menos una de las ruedas para inducir una pequena modulacion de la inclinacion periodica; y un detector de inclinacion dispuesto para detectar una variacion de inclinacion del vedculo en respuesta al par de torsion periodico aplicado; en donde el controlador esta configurado para provocar que el actuador motor aplique un par de torsion de estabilizacion a al menos una de la rueda posterior basandose en al menos cualquier inclinacion detectada en respuesta al par de torsion periodico aplicado y la fuerza detectada en la rueda delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vedculo.

En un modo de realizacion de la presente invencion, se proporciona un vedculo estabilizado de acuerdo con la reivindicacion 8 el cual tiene al menos una rueda delantera y al menos una rueda trasera. El vedculo incluye un dispositivo para la estabilizacion de la inclinacion de acuerdo con la reivindicacion 6, y tiene un detector para detectar una inclinacion instantanea del vedculo. El vedculo puede incluir un vedculo todo terreno, una motocicleta, o una silla de ruedas.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion sera comprendida de una manera mas facil en referencia a la siguiente descripcion, tomada con los dibujos adjuntos, en los cuales:

Las figuras 1Ay 1B son vista lateral es esquematicas de un vedculo personal del estado de la tecnica anterior del tipo en el que se puede emplear un modo de realizacion de la invencion de forma ventajosa;

La figura 2 es un diagrama de componentes tfpicos de un vedculo personal del tipo en el cual se puede emplear un modo de realizacion de la invencion de forma ventajosa que indica las variables utilizadas en la descripcion de los modos de realizacion espedficos de la presente invencion;

La figura 3 es un diagrama de bloques que representa las salidas de acoplamiento de inclinacion y un controlador de desviacion para la generacion de comandos de amplificador de rueda;

La figura 4A es un diagrama de bloques que muestra las entradas sustitutivas de un comando de inclinacion de acuerdo con un modo de realizacion de la presente invencion;

La figura 4B es un diagrama de bloques que muestra las entradas constitutivas de un comando de inclinacion con un lfmite unilateral de acuerdo con un modo de realizacion de la presente invencion;

La figura 5A es un diagrama de bloques que muestra las entradas constitutivas de un comando de desviacion de acuerdo con modos de realizacion de la presente invencion;

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Las figuras 5B y 5C son diagrama de bloques de diferentes modos de realizacion de un controlador de orientacion de acuerdo con modos de realizacion de la presente invencion;

La figura 6 es una vista lateral de un vehmulo todoterreno capaz de un funcionamiento equilibrado de acuerdo con un modo de realizacion de la presente invencion;

La figura 7 es una vista en perspectiva desde arriba del modo de realizacion de la invencion de la figura 6;

La figura 8 es una vista lateral mas del vehmulo todoterreno de la figura 6 que muestra el funcionamiento mediante un usuario de pie;

La figura 9 es aun otra vista lateral mas del vehmulo todoterreno de la figura 6 que muestra el funcionamiento mediante un usuario sentado;

La figura 10 muestra un acoplamiento del manillar a las varillas de empuje para el direccionamiento de las ruedas delanteras, de acuerdo con un modo de realizacion preferida de la invencion; y

La figura 11 muestra el acoplamiento de las varillas de empuje inferiores para direccionar las ruedas delanteras, de acuerdo con el modo de realizacion de la figura 10.

Descripcion detallada de las definiciones de los modos de realizacion espedficos:

Se puede decir que un vehmulo actua como “en balanceo” si es capaz de funcionar en una o mas ruedas pero podna ser incapaz de permanecer solo en esa ruedas, pero para un funcionamiento de una operacion de controlado de bucle de control de las ruedas. Un vehmulo balanceado, cuando funciona en un modo de balanceo, adolece de estabilidad estatica pero esta balanceado dinamicamente. Las ruedas, u otros elementos de contacto con el suelo, que proporcionan contacto entre dicho vehmulo y el suelo u otras superficies subyacentes, y soporta de forma minima al transportador con respecto a la inclinacion durante el funcionamiento de rutina, son referidas en el presente documento como “ruedas primarias”. “Estabilidad” tal y como se usa en esta descripcion en cualquiera de las reivindicaciones adjuntas se refiere a la condicion mecanica de una posicion de funcionamiento con respecto a la cual el sistema retornara naturalmente si el sistema es perturbado fuera de su posicion de funcionamiento en cualquier sentido. El termino “sistema” se refiere a toda la masa que se hace que se mueva durante el movimiento de las ruedas con respecto a la superficie sobre la cual se mueven los vehmulos, y por tanto incluye tanto al vehmulo como al conductor.

El termino “reclinacion” es a menudo utilizado con respecto a un sistema balanceado en un solo punto de un miembro perfectamente ngido. En ese caso, el punto (o lmea) de contacto entre el miembro y la superficie subyacente tiene una anchura teorica nula. En ese caso, ademas, reclinacion puede referirse a una cantidad que expresa la orientacion con respecto a la vertical (es decir, una lmea imaginaria que pasa a traves del centro de la tierra) de una lmea desde el centro de gravedad (CG) del sistema a traves de la lmea teorica de contacto con el suelo de la rueda. Teniendo en cuenta que un neumatico de una rueda real no es perfectamente ngido, el termino “reclinacion” es utilizado en el presente documento en el sentido comun de un lfmite teorico de un miembro de contacto con el terreno ngido.

Funcionamiento de acuerdo con los modos de realizacion de la invencion:

Un modo de realizacion de un vehmulo estabilizado de acuerdo con la presente invencion es representado en la figura 2 y designado generalmente por el numero 10. Un usuario 8, tal y como se muestra en la figura 2, esta en posicion sentada en un soporte 12 de usuario del vehmulo 10, si bien se debe entender que el usuario 8 puede estar soportado de otra manera que sentandose en un asiento, y puede, por ejemplo, dentro del alcance de la presente invencion, estar de pie en un soporte de usuario en forma de una plataforma.

Las ruedas 21 traseras (solo una de las cuales es visible en la vista lateral de la figura 2) son coaxiales con respecto a un eje definido como el eje Y. Cada una de las ruedas 21 traseras es accionada por un actuador motor (no mostrado) dispuesto dentro de una base 24 de potencia tal que el direccionamiento puede ser efectuado a traves de un par de torsion diferencial aplicado a las respectivas ruedas 21 traseras. Se puede compensar, mediante la actuacion diferencial de las ruedas traseras para el desplazamiento giratorio incrementado de la rueda exterior en una vuelta que puede ser referida en el presente documento como un “diferencial activo”. El conductor 8 puede estar soportado en el vehmulo 10 en varias posiciones del cuerpo, por tanto controlando la posicion del centro de masa del vehmulo, a medida que es controlado por la distribucion de peso de la carga, es decir el usuario. Por ejemplo, el usuario 8 puede estar sentado, tal y como se mostro en la figura 2, en un asiento 12, con sus pies descansando en un reposapies 26.

El modo de realizacion mostrado del vehmulo 10, adicionalmente, tiene dos ruedas 13 delanteras (una de las cuales es visible en la vista lateral de la figura 2), normalmente contacto con el suelo durante el funcionamiento ordinario. La rueda 13 delantera y una o mas de las otras ruedas delanteras pueden estar montadas en un eje comun o de otra manera, y el pivotamiento de cualquiera de las ruedas delanteras esta dentro del alcance de la invencion. Los vehmulos personales disenados para mejorar la maniobrabilidad y seguridad pueden tambien incluir uno o mas grupos de ruedas, con el grupo y las ruedas en cada grupo capaces de ser accionadas por motor de forma independiente unas

de las otras. Dichos vetnculos son descritos en los documentos de Patente US Nos. 5,701,965, 5,971,091,6,302,230, 6,311,794, y 6,553,271, todas cuyas patentes estan incorporadas en el presente documento por referencia.

El controlador 30 proporciona estabilidad del vetnculo detectando de forma continua la orientacion del vetnculo y la 5 velocidad controlada, tal y como se describe en detalle mas abajo, determinando la accion correctiva para mantener la estabilidad, y ordenando a los motores de rueda que realicen cualquier accion correctiva necesaria.

De acuerdo con modos de realizacion preferidos de la presente invencion, la misma ley de control es aplicada esten las ruedas delanteras del vetnculo en contacto con el suelo o no.

10 El direccionamiento u otro control pueden ser proporcionados por medio de un dispositivo 18 de entrada de usuario, el cual puede ser una palanca de mando, manillares o mediante cualquier otros mecanismos de entrada de usuario. Una variedad de dispositivos de direccionamiento que son ejemplos adicionales de mecanismos de entrada de usuario que pueden ser empleados dentro del alcance de la presente invencion son descritos en los documentos de Patente US Nos. 6,581,714 y 6,789,640.

15 Una unidad 28 de deteccion es proporcionada como parte de la base 24 de potencia para proporcionar una o mas senales de deteccion al controlador 30. La unidad 28 de deteccion puede proporcionar una medida de la variacion de inclinacion y/o de la inclinacion del vetnculo, y puede ser empleada una deteccion de inercia del tipo descrito en detalle en el documento de Patente US No. 6,332,103. De forma adicional, la unidad 28 de deteccion puede incluir un detector de fuerza para medir la fuerza (designado mediante la flecha 32) normal a la superficie subyacente, la cual es ejercida 20 sobre la superficie subyacente por la rueda 13 (y, de forma redproca, en la rueda por la superficie subyacente). Los detectores de fuerza, tal como aquellos basados en detectores piezoresistivos, son bien conocidos en el estado de la tecnica, y cualquier tipo de detectores de fuerza esta dentro del alcance de la presente invencion

Se describe a continuacion un algoritmo de control simplificado para lograr el equilibrio en el modo de realizacion de la invencion de acuerdo con la figura 2. El algoritmo de control es descrito para el caso de una unica rueda accionada, 25 tal y como la que se emplea para la estabilizacion de una bicicleta o motocicleta en lmea. La generalizacion del caso para ruedas accionadas multiples se describe en detalle a continuacion.

Para lograr que el control dinamico asegure la estabilidad del sistema, el par de torsion T de la rueda en este modo de realizacion es gobernado por la siguiente ecuacion de control simplificada:

T — K1 (6) . (0 — 6q) + K2.0 + K3 . (v- vcomando) + K4 . j (v vcomando) dt + A. f (wt),

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donde:

• T indica un par de torsion ha aplicado al elemento que contacta con el suelo con respecto a su eje de rotacion;

• K1(0) es una funcion de ganancia que puede depender, tal y como se discute a continuacion, de un valor instantaneo de la reclinacion 0.

35 • 0 es una cantidad cuantitativamente correspondiente a la inclinacion de todo el sistema alrededor de la region de

contacto con el suelo por debajo del eje comun Y de las ruedas traseras, representando 00 la magnitud de un desplazamiento del paso del sistema, como se describe en detalle a continuacion;

• v identifica la velocidad delantera-trasera a lo largo de la superficie, con vcomando que representa la magnitud de una entrada de usuario tal como una aceleracion constituida por la entrada de usuario (por ejemplo, una palanca de mando)

40 18;

• un punto sobre un caracter indica una variable diferenciada con respecto al tiempo; y

una variable subrndice indica un desfase especificado que puede ser introducido en el sistema tal y como se describe a continuacion; y

■ K1, K2, K3 y K4 son funciones o coeficientes de ganancia que pueden ser configurados, o bien en el diseno del sistema 45 o en tiempo real, basandose en un modo de funcionamiento normal y en condiciones de funcionamiento asf como preferencias de un usuario. Los coeficientes de ganancia pueden ser una magnitud positiva, negativa o nula. Las ganancias K1, K2, K3 y K4 son dependientes de los parametros ffsicos del sistema y otros efectos tales como la gravedad. El algoritmo de control simplificado de la ecuacion 1 mantiene el equilibrio del vetnculo en presencia de cambios del centro de masa del sistema debido al movimiento del cuerpo del conductor o a caracteristicas del terreno 50 subyacente.

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El termino final de la ecuacion (1) permite la aplicacion de un componente de accionamiento periodico, de periodo 2n/u>, y amplitud A (que puede ser nula, en el caso de ninguna modulacion aplicada), al par de torsion aplicado a la rueda accionada. La funcion f (o»t) periodica puede ser una funcion sinusoidal, por ejemplo.

Debena tenerse en cuenta que el control amplificador puede estar configurado para controlar la corriente del motor (en cuyo caso el par de torsion T es controlado) o, de forma alternativa, se puede controlar la tension aplicada al motor, en cuyo caso el parametro controlado es la velocidad.

El efecto de 80 en la ecuacion de control anterior (ecuacion 1) es para producir un desfase 0o espedfico de la posicion no inclinada 0 = 0. El ajuste de 0o ajustara el desfase del vehfculo desde una posicion no inclinada. En algunos modos de realizacion, el desfase de inclinacion puede ser ajustado por el usuario. De forma alternativa, 0o puede configurarse por el sistema de control del vehnculo como un metodo de limitacion de la velocidad y/o del rendimiento del vehnculo. En un modo de realizacion preferido de la invencion, se impone un lfmite de inclinacion hacia atras, con la funcion Ki de ganancia sustancialmente nula hasta que se aproxima el lfmite de inclinacion. Por tanto, el conductor es libre de reclinar el vehnculo hacia delante inclinando su peso, y por tanto el centro de masa del sistema del vehnculo, hacia atras, hasta que se aproxima el lfmite de inclinacion. Entonces, Ki asume un valor no nulo, y aparece un termino en la ecuacion (1) de control que tiende a contrarrestar una inclinacion adicional del vehnculo hacia atras.

La magnitud de K3 determina la ganancia de la entrada del usuario, y, de forma ventajosa, puede ser una funcion no lineal, proporcionando, por ejemplo, una velocidad cercana a cero de mayor sensibilidad. El termino K2 proporciona control basandose en la variacion de inclinacion instantanea, 0 del vehnculo, a medida que es medida por el detector de variacion de inclinacion o por la diferenciacion de la inclinacion medida.

La respuesta de una fuerza 32 normal medida por el detector 28 en respuesta a la modulacion Af(o»t) de inclinacion aplicada, puede utilizarse, de acuerdo con los modos de realizacion de la invencion, para contrarrestar la inclinacion hacia atras adicional del vehnculo y mantener el contacto de la rueda delantera con el suelo, o, de forma alternativa, para imponer un lfmite en la inclinacion hacia atras.

Con el fin de adaptar dos ruedas en lugar de un sistema de una sola rueda que ha sido descrito con respecto a la ecuacion 1, se pueden proporcionar motores separados en las ruedas izquierda y derecha del vehnculo y el par de torsion deseado desde el motor izquierdo y el par de torsion que se va a aplicar por el motor derecho puede ser controlado de la manera general descrita anteriormente. Adicionalmente, el seguimiento de tanto el movimiento de la rueda izquierda como el movimiento de la rueda derecha permite que se realicen los ajustes para prevenir un giro no deseado del vehnculo y para tener en cuenta las variaciones de rendimiento entre los dos motores de accionamiento.

De acuerdo con modos de realizacion preferidos de la invencion, el accionamiento diferencial de las dos ruedas traseras hace el seguimiento de los giros de acuerdo con la misma entrada de desviacion tal y como se aplica, a traves de las conexiones mecanicas, a las ruedas delanteras. Este funcionamiento es descrito a continuacion, con referencia a las figuras 10 y 11.

Con referencia ahora a la figura 3, el direccionamiento, o control de desviacion, del vehnculo puede ser logrado anadiendo un comando de giro a los amplificadores de rueda y tiene la siguiente forma. Las entradas (descritas a continuacion) que corresponden a los valores de los parametros del vehnculo son utilizadas por el controlador 500 de inclinacion y el controlador 502 de desviacion para derivar una senal de control de equilibrio BalCmd y una senal de control de desviacion YawCmd de acuerdo con los algoritmos descritos en los siguientes parrafos.

LeftCmd = BalCmd + YawCmd (2)

RightCmd = BalCmd - YawCmd (3)

El LeftCmd y el RightCmd son los comandos enviados por los controladores 500 y 502 a los amplificadores de motor izquierdo y derecho respectivamente, despues de la diferenciacion u otro condicionamiento segun corresponda. Por ejemplo, tal y como se muestra a modo de ejemplo en la figura 3, el LeftCmd y el RightCmd puede ser condicionales, respectivamente, mediante los diferenciadores 504 y 506. El LeftCmd y el RightCmd representan la tension si los amplificadores estan en un modo de control de tension, la corriente si los amplificadores estan en un modo de control de corriente, o el ciclo de trabajo si los amplificadores estan en el modo de control de ciclo de trabajo. BalCmd es el comando enviado por el controlador 500 de inclinacion a cada amplificador para mantener el transportador en un estado equilibrado mientras se mueve o mientras esta en reposo. El YawCmd provoca que el transportador gire reduciendo el comando a una de las ruedas mientras incrementa el comando en la otra rueda. Por ejemplo, un YawCmd positivo incrementa comando de la rueda izquierda mientras que reduce el comando de la rueda derecha por tanto provocando que el transportador ejecute un giro a la derecha. El YawCmd puede ser generado mediante un dispositivo de entrada de orientacion descrito anteriormente con ningun bucle de retroalimentacion o en un bucle de ciclo cerrado para corregir los errores de posicion de desviacion tal y como se describe en el documento de Patente US No. 6,288,505.

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El controlador 500 inclinacion es descrito en detalle con referencia las figuras 4A y 4B. Las entradas incluyen una inclinacion deseada ^desired, la inclinacion 0 medida real, la variacion 0 de inclinacion, y el componente de la velocidad de giro de la rueda que es comun a las dos ruedas primarias, Wcom. Tanto 0 como 0 pueden ser derivadas a partir de una deteccion inercial, tal y como la descrita en el documento de Patente US No. 6,332,103.

La inclinacion ^desired deseada y la inclinacion 0 instantanea actual se diferencian en el sumador 520 para producir un error 0err de inclinacion. De acuerdo con ciertos modos de realizacion de la presente invencion, la limitacion de la inclinacion es unilateral, de manera que se proporciona un lfmite en un extremo de un rango de valores permitidos de inclinacion. Si la inclinacion se esta excediendo, un par de torsion de restauracion mueve el vehnculo en la direccion del lfmite de inclinacion.

De acuerdo con algunos modos de realizacion de la invencion, el usuario puede cambiar su peso hacia atras, por lo tanto “moviendo” el vehnculo a una condicion de equilibrio de las ruedas en la que se mantiene la estabilidad hasta que cambia el peso hacia delante para restaurar el funcionamiento sobre todas las ruedas.

Se puede proporcionar un termino cuadratico en el error 0err. de inclinacion (preservando el signo del error de inclinacion actual), tal y como se muestra en la figura 4B, proporcionando por lo tanto una respuesta mas intensa a grandes desviaciones en la inclinacion tales como las que pueden producirse cuando se encuentra un obstaculo, por ejemplo. En un modo de control de la tension, es deseable proporcionar un termino adicional proporcional a la velocidad de giro de la rueda para compensar para toda, o una porcion, de la emf trasera generada en proporcion a la velocidad giratoria de los motores.

El controlador 502 de desviacion es descrito en detalle con referencia las figuras 5A-5C. La figura 5A representa la diferenciacion, en el sumador 522, del valor ^ de desviacion actual con respecto al valor ^desired de desviacion deseado para tener el error iperr de desviacion actual. El valor ^desired de desviacion deseado es obtenido a partir de una entrada de usuario tal como una palanca de mando 18 u otro dispositivo de entrada de usuario empleado para una entrada direccional, tal y como se discutio anteriormente. El valor actual de desviacion es derivado a partir de varias estimaciones de estado, tal como las velocidades de rueda diferenciales, la deteccion inercial, etc. La derivacion del comando de desviacion a partir del error de desviacion es proporcionada por el controlador 524 de acuerdo con varios algoritmos de procesamiento.

Dos ejemplos de algoritmos de control de desviacion son mostrados en las figuras 5B y 5C. De forma espedfica, figura 5B muestra una senal ^err de entrada implementada por una ley de control que es anadida, por el sumador 560, a la derivada de ella misma (salida del diferenciador 562) y la integracion de ella misma (salida del integrador 564). Por supuesto, y tal y como se ha mostrado en la figura 5B, cada senal podna tener una ganancia aplicada a ella (por ejemplo, mediante bloques 568, 569 y 570 de ganancia) u otro procesamiento de senal tal como un suavizador 566.

Otra posibilidad es simplemente omitir la senal derivada tal y como se muestra en la figura 5C.

Por supuesto, varias estrategias de transferencia de controlador pueden ser implementadas con funciones “PID” derivadas y de “termino triple” proporcionales tal y como se ha representado.

La presente invencion tambien puede ser implementada en un vehnculo todoterreno balanceado tal y como se representa en la figura 6 y designado generalmente por el numero 10. Un usuario 8, tal y como se muestra en la figura 6, esta en una posicion sentada sobre un soporte l2 de usuario del vehnculo 10 todoterreno. Ruedas 21 y 22 traseras son mostradas como coaxiales con respecto a un eje definido como el eje Y. En referencia ahora a la vista en perspectiva del vetnculo 10 todoterreno, desde la parte superior, mostrado la figura 7, cada una de las ruedas 21 y 22 traseras es accionada mediante un actuador 24 motor de tal manera que el direccionamiento puede efectuarse a traves de un par de torsion diferencial aplicado a las ruedas 21 y 22 traseras. Se puede compensar, mediante la actuacion diferencial de las ruedas traseras para el movimiento giratorio incrementado de la rueda exterior en una vuelta, puede ser referido en el presente documento como un “diferencial activo”. El conductor 8 puede estar soportado sobre el vehnculo 10 en varias posiciones del cuerpo, controlando por lo tanto la posicion del centro de masa del vehnculo, tal y como se controla mediante la distribucion del peso de la carga, es decir el usuario. Por ejemplo, el usuario 8 puede estar sentado, tal y como se muestra en la figura 6, sobre el asiento 12, con sus pies descansando sobre una plataforma 26 (mostrada en la figura 7), y puede cambiar su peso con respecto al vehnculo situandose el mismo a lo largo de la longitud 12 del asiento. De forma alternativa, el usuario 8 puede estar de pie en la plataforma 26, con sus piernas a traves del asiento 12, tal y como se muestra en la figura 8, o puede estar sentado sobre el asiento 12 con sus piernas descansando en un reposapies 28, tal y como se muestra en la figura 9.

Con referencia de nuevo a la figura 6, el modo de realizacion mostrado del vehnculo 10, adicionalmente, tiene dos ruedas 13 y 14 delanteras, normalmente en contacto con el suelo durante el funcionamiento ordinario. En el modo de realizacion de la invencion mostrado, a modo de ejemplo, en la figura 7, cada rueda 13 y 14 delanteras esta montada en un pilar 29 de suspension separado de tal manera que cada rueda delantera esta suspendida de forma independiente de la otra.

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El controlador 30 (mostrado en la figura 7) proporciona estabilidad al vetnculo detectando de forma continua la orientacion del vetnculo y la velocidad ordenada, tal y como se ha descrito anteriormente, determinando la accion correctiva para mantener la estabilidad, y controlando los motores de rueda para hacer cualquier accion correctiva necesaria. De acuerdo con modos de realizacion preferidos de la presente invencion, la misma ley de control puede ser aplicada esten las ruedas 13 y 14 delanteras del vetnculo 10 en contacto con el terreno o no.

Se puede proporcionar un direccionamiento u otro control mediante el giro por parte del usuario del manillar 18 (mostrado en la figura 7) con respecto al pivote 17, o mediante cualesquiera otros mecanismos de entrada de usuario. Una variedad de dispositivos de direccionamiento que son ejemplos adicionales de mecanismos de entrada de usuario que pueden ser empleados dentro del alcance de la presente invencion son descritos en los documentos de Patente Us Nos. 6,581,714 y 6,789,640. El manillar 18 puede tambien sostener instrumentos de usuario y otros controles de usuario tal como un acelerador, dentro del alcance de la invencion.

En el funcionamiento de un vetnculo que puede funcionar o bien a dos o cuatro ruedas, puede ser beneficioso que si el giro es iniciado en un modo, se ha continuado de forma suave, o bien a medida que las ruedas abandonan el suelo o bien a medida que las ruedas pueden hacer contacto con el suelo. A tal fin, de acuerdo con los modos de realizacion preferidos de la invencion, se proporciona una conexion mecanica entre la entrada de desviacion de usuario y las ruedas delanteras, mientras son controladas las ruedas traseras, en sincroma con cualquier giro iniciado por la entrada del usuario, por medio de una rotacion diferencial de las ruedas. Con referencia a la figura 10, se implementa el direccionamiento del vetnculo, de acuerdo con el modo de realizacion mostrado, mediante un manillar 18 giratorio con respecto a un pivote 17. Esto cumple dos funciones: el direccionamiento de las ruedas delanteras, y el suministro de una entrada electrica para provocar una rotacion diferencial de las ruedas traseras. Para dirigir las ruedas delanteras, se transfiere el movimiento, a traves de una palanca 80 reciprocante, para el movimiento axial delantero-trasero de las varillas 82 de empuje superiores, tal y como se indica mediante las flechas 83 en la figura 7. La palanca 80 reciprocante es una palanca con dos brazos que forman un angulo fijo entre ellos, y un fulcro en el vertice del angulo. Esto permite el movimiento giratorio (del pivote del manillar) sustancialmente transversal al suelo, que va a ser transferido al movimiento (de las varillas de empuje superiores) que tiene una componente significativa paralela al terreno. Las varillas 82 de empuje superiores, a su vez, a traves de palancas 84 reciprocantes intermedias, transfieren el movimiento a varillas 90 de empuje, mostradas en la figura 11, las cuales giran las ruedas 13 y 14 delanteras haciendo que pivoten con respecto a los ejes 92 pivotantes verticales. Se ha de entender que cualquier acoplamiento, mecanico o motorizado, entre la entrada de usuario y el angulo de las ruedas 13 y 14 delanteras, se puede emplear dentro del ambito de la presente invencion.

Al mismo tiempo que la entrada de desviacion de usuario, tal como un manillar, controla el direccionamiento de las ruedas delanteras tal y como se ha descrito anteriormente, se genera una senal, por medio de un transductor rotacional, o de otra manera, para servir como la entrada al controlador 502 de desviacion (mostrado en la figura 3) para controlar la actuacion diferencial de las ruedas traseras. Por tanto, se consigue el direccionamiento de usuario pretendido, de acuerdo con esta invencion, esten las ruedas delanteras en contacto con el terreno o no. Son conocidos en el estado de la tecnica varios medios para convertir la entrada de usuario mecanica (tal como un angulo de rotacion de manillar) a una entrada de senal de desviacion al controlador 70, tales como los descritos en el documento de Patente US No. 6,581,714, por ejemplo, y cualquiera de dichos medios esta abarcado dentro del alcance de la presente invencion.

Claims

Reivindicaciones

I. Un metodo para la estabilizacion delantera-trasera de un vefnculo (10) para el movimiento en una direccion especificada sobre una superficie (106) subyacente, el vefnculo que tiene una pluralidad de ruedas accionadas que incluyen una rueda (13) delantera y una rueda (21) trasera, y con la rueda delantera que tiene una fuerza normal a la

5 direccion instantanea del movimiento del vefnculo, caracterizado porque el metodo comprende:

aplicar un par de torsion periodico a al menos una de las ruedas para inducir una pequena modulacion de la inclinacion;

detectar la variacion de la inclinacion del vefnculo en respuesta al par de torsion periodico aplicado;

10 detectar una fuerza en la rueda (13) delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vefnculo; y

aplicar un par de torsion de estabilizacion a la rueda trasera basandose, al menos, en cualquier variacion de la inclinacion detectada en respuesta al par de torsion periodico aplicado y la fuerza detectada en la rueda delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vefnculo.

15 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el vefnculo es una motocicleta
3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el vefnculo es un vefnculo todoterreno
4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el vefnculo es una silla de ruedas.
5. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, que ademas comprende:

controlar el funcionamiento del vefnculo de la misma manera independientemente de si la rueda delantera esta en 20 contacto con una superficie que esta siendo atravesada.
6. Un dispositivo para la estabilizacion de la inclinacion del movimiento de un vefnculo (10) que tiene al menos una rueda delantera y al menos una rueda trasera, el dispositivo que comprende:

un detector (28) para detectar una fuerza en la rueda (13) normal a una direccion instantanea del movimiento del vefnculo;

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un actuador (24) motor para accionar la rueda trasera; y

un controlador (30) para aplicar un par de rotacion a la rueda trasera basandose en una ley de control basada al menos en la fuerza normal en la rueda delantera, estando configurado el controlador para aplicar un par de torsion periodico 30 al menos a una de las ruedas para inducir una pequena modulacion de la inclinacion; y

un detector de inclinacion dispuesto para detectar una variacion de la inclinacion del vefnculo en respuesta al par de torsion periodico aplicado;

35 en donde el controlador esta configurado para provocar que el motor actuador aplique un par de torsion de estabilizacion a al menos una de las ruedas traseras basandose al menos en cualquier inclinacion detectada en respuesta al par de torsion periodico aplicado y la fuerza detectada en la rueda delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vefnculo
7. El dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6, que ademas comprende un segundo detector (28) para detectar 40 una fuerza en la rueda (14) delantera normal a la direccion instantanea del movimiento del vefnculo.
8. Un vefnculo estabilizado que comprende:

al menos una rueda (13) delantera;

al menos una rueda (21) trasera;

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el dispositivo para la estabilizacion de la inclinacion de acuerdo con la reivindicacion 6; y al menos un detector (28) para detectar una inclinacion instantanea del vefnculo.
9. El dispositivo de la reivindicacion 6 o 7, en donde el vefnculo es una motocicleta

50 10. El dispositivo de la reivindicacion 6 o 7, en donde el vefnculo es un vefnculo todoterreno.

II. El dispositivo de la reivindicacion 6 o 7, en donde el vefnculo es una silla de ruedas.
12. El dispositivo de la reivindicacion 6 o 7, en donde el controlador (30) controla el funcionamiento del vehnculo de la misma manera independientemente de si la rueda delantera esta en contacto con una superficie que esta siendo atravesada.
13. El vehnculo estabilizado de la reivindicacion 8, en donde el vehfculo es una motocicleta, un vehnculo todoterreno o 5 una silla de ruedas.
14. El vehfculo estabilizado de la reivindicacion 8, en donde el controlador (30) controla el funcionamiento del vehnculo en la misma manera independientemente de si la rueda delantera esta en contacto con una superficie que esta siendo atravesada.