JP2006072999A - 冗長センサ処理を行うジョイスティック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジョイスティック装置が故障したかどうかを判断できるようにする。
【解決手段】 ジョイスティック装置は、ベースアセンブリに枢着されたグリップアセンブリを有し、ベースアセンブリは、グリップアセンブリがベースアセンブリを中心として枢動する際に、このグリップアセンブリの運動を検出する検出素子を有する。ベースアセンブリおよび検出要素の内部には、マイクロプロセッサが配置されており、このマイクロプロセッサは、リモートコントローラへ送信する前に出力信号を検証する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御装置に関し、より詳細には、重機を制御するためのジョイスティック装置に関する。

重機の部品をジョイスティック装置で制御することは、通常のことである。その装置では、オペレータは、ジョイスティック装置を握り、この装置を使って、重機を操舵したり、または他の機能を実行する。

ジョイスティック装置は、オペレータが重機のその他の機能を制御できるようにする入力ボタンを備えていることがある。例えばリフトトラックでは、ジョイスティック装置は、オペレータがリフトアームの運動および位置決めを制御できるようにする入力ボタンを備えていることがある。

これらジョイスティック装置の欠点は、複数の電気接続が必要であるということである。入力ボタンおよびグリップ自身を含む入力ソースは、電気接続を必要とする。一般に各入力は、給電のための電力、およびアース接続を必要とするだけでなく、リモートメインコントローラへ出力信号を送るためのデータ接続も必要である。そのため、従来のジョイスティックは、一般に多数のワイヤーおよびケーブルを使用しており、その結果、かさ張る傾向があり、スペースと妥協を図らなければならない。

ブラント（Ｂｒａｎｄｔ）他による米国特許第6,550,562号は、側方から側方へ、更に前方から後方へ枢動するジョイスティックコントローラを開示している。更にこのブラント氏外の装置は、車両のその他の機能、例えば転回信号、ホーンおよびリフトアームの特殊な運動を制御する複数の入力ボタンを有する。

これら入力ボタンのいずれも、グリップ内部に配置されたマイクロプロセッサに電子的に接続されており、マイクロプロセッサは、これら入力信号のすべてを組み合わせ、リフトトラックまたはその他の重機を、制御または駆動するリモートメインコントローラへ、単一のシリアル通信信号を送るようになっている。

上記のように、従来多数のタイプのジョイスティックが製造されている。現在のジョイスティック装置のうちで、冗長検出信号を発生するために、１本の軸につき、２つのホール効果センサを使用するものがある。しかし、この冗長センサからの情報を、ジョイスティック自身からリモート（遠隔）処理している。このリモート処理は、電子デバイスが故障しやすい場合、不利である。故障が生じた場合、デバイスは、エラーを表示する信号を送るか、または通常予想される作動レンジ内にある故障信号または不良信号を送ることができる。

このような第２タイプの信号は、電子デバイスが使用されている装置にとって問題を生じさせる。その理由は、システムは、信号が実際にシステムによって命令されたものなのか、誤った信号であるのかを区別できないからである。

システムの一部として、リモートマイクロコントローラと車両と組み合わせて使用される電子ジョイスティックの場合、ジョイスティックが故障するか、作動レンジ内にあるが、命令されていない信号ではない誤った信号または不良信号を送るとき、このタイプの故障の結果、安全でない条件が生じる。従って、この技術分野では、安全でない条件を生じさせるこのタイプの故障を防止するジョイスティックが求められている。

本発明の主な目的は、冗長センサと搭載されたマイクロプロセッサとを使用し、装置の故障が生じたかどうかを判断するための、ジョイスティック装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、ジョイスティック機能を安全に切ることができるジョイスティック装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、ジョイスティック機能を連続的に作動し続ける能力を有し、信号がもはや検証できないことを示すためのエラーメッセージを送るジョイスティック装置を提供することにある。

以下の説明により、当業者には、上記およびそれ以外の目的が明らかとなると思う。

ジョイスティック装置は、ベースアセンブリに枢着されたグリップアセンブリを有し、ベースアセンブリは、グリップアセンブリがベースアセンブリを中心として枢動する際に、このグリップアセンブリの運動を検出する検出素子を有する。ベースアセンブリおよび検出要素の内部には、マイクロプロセッサが配置されている。このマイクロプロセッサは、リモートコントローラへ送信する前に出力信号を検証する。

図１〜図３には、ジョイスティック装置１０が示されている。このジョイスティック装置は、ベースアセンブリ１４に枢着されたグリップアセンブリ１２を有する。グリップアセンブリ１２は、特定のアプリケーションに従ったオペレータの手に適合した形状となっている。

グリップアセンブリ１２は、特定の機能を制御する際に使用するための１つ以上の入力ボタンを有する。この入力ボタン１６は、デジタル入力であることが好ましい。これとは異なり、入力は比例入力でもよいし、またはアナログ入力１６でもよい。

グリップアセンブリ１２内には、マイクロプロセッサ１８が配置されている。このマイクロプロセッサ１８は、入力ボタン１６および相互接続デバイス２０と電子通信するようになっている。マイクロプロセッサ１８は、入力ボタン１６からの信号を受信し、相互接続デバイス２０へ単一のシリアル通信ストリームを出力する。このシリアル通信ストリームは、標準的なアーキテクチャＲＳ２３２またはＣＡＮであるが、他のカスタム設計方式でもよい。

グリップアセンブリ１２は、可撓性部分２２を介して、ベースアセンブリ１４に枢着されている。この可撓性部分２２により、グリップアセンブリ１２は、ベースアセンブリ１４に対して、前後かつ側方に枢動できるようになっている。

ベースアセンブリ１４は、ジョイスティック装置１０をオペレータが望む位置へ固定できるようにする取り付けプレート２４を備えている。

ベースアセンブリ１４内には、検出素子２６が配置されている。検出素子２６は、ベースアセンブリ１４を中心として、グリップアセンブリ１２が枢動する際のグリップアセンブリ１２の運動を検出する。

ベースアセンブリ１４内には、マイクロプロセッサ２８が配置されている。このマイクロプロセッサ２８は、相互接続デバイス２０、検出素子２６およびリモートメインコントローラ（図示せず）を介して、グリップマイクロプロセッサ１８と電子通信する。このマイクロプロセッサ２８は、制御アクチュエータ（図示せず）および重機の機能を制御するその他のデバイスを駆動するのに使用されるリモートメインコントローラへ、単一のシリアル通信ストリームを送信する。

このシリアル通信ストリームは、標準的なアクチュエータ、例えばＲＳ２３２またはＣＡＮであるが、任意のカスタム設計の方式のものでもよい。

ベースアセンブリ１４には、外部相互接続デバイス３０が設けられている。この外部相互接続デバイスは、ベースマイクロプロセッサ２８およびリモートメインコントローラと電子通信する。外部相互接続デバイス３０には、ケーブル（図示せず）が接続され、このケーブルは、ジョイスティック装置１０をリモートメインコントローラへ接続している。

入力ボタンおよび検出素子のすべてと複数のマイクロプロセッサが、電気通信し、ジョイスティック装置から、リモートメインコントローラへ単一のシリアル通信ストリームを転送できるようにしている。

所定の回転軸線に対して、２つのホール効果センサ２６を使用することが好ましい。各センサ２６は、１つの磁石に接近して設けられており、センサ２６は、ジョイスティック１０がその中心のまわりに枢動するときの磁界の変化を測定する。１つのセンサは、特定の軸線を中心とする磁界の変化を測定し、他方のセンサは、第１の磁界から１８０度ずれた、同じ軸線を中心とする磁界の変化を測定する。

磁界の幾何学的形状の性質により、２つのセンサの出力は反対となる。第１のホール効果センサは、増加する出力を発生する磁界変化を測定し、第２のセンサは、減少する出力を発生する磁界変化を測定する。例えばジョイスティック内で使用されるときに、センサからの出力は電源の５０％、すなわち、５Ｖ電源に対しては２.５Ｖに設定されることが一般的である。

センサが設けられている軸線を中心として、ジョイスティック１０が回転させられると、ホール効果センサの出力は、比例して増加する。ジョイスティック１０が時計回り方向に回転される限り、センサからの出力は、電源の５０％から（センサに加えられる設定電圧および回転量に応じて）電源の５１％〜５２％、更に１００％まで増加する。

第２センサは、磁石の反対側からの同じ磁界を検出するので、出力は減少する。ジョイスティック１０が同じ時計回り方向に回転されると、センサの出力は、（センサに印加される設定電圧および回転量に応じて）電源の５０％から４９％〜４８％、および０％まで減少する。

２つのセンサ２６は、ジョイスティック１０に取り付けられたマイクロプロセッサ２８に電子的に接続されており、マイクロプロセッサ２８は、双方の信号が同じレンジ内に入ることを保証するように、２つのホール効果センサからの出力を比較する。真であると判断される限り、ジョイスティックは正常に作動している。

プロセッサ２８が、表示値に整合性がないことを検出した場合、ジョイスティック１０は電気的に安全状態とされる。すなわち、ジョイスティックからの出力は、電気的に中立状態にロックされる。

搭載マイクロプロセッサ２８は、故障によって、ジョイスティック１０を完全にシャットダウンする必要があるかどうか、またはジョイスティック１０の作動を妥当に続けることができるかどうかを、インテリジェントリーに判断するようにもプログラムできる。

ソフトウェアアルゴリズムは、２つのホール効果センサが正常な作動レンジ内にあるかどうかをチェックし、比較する。一方のセンサ（この場合、センサＡ）が正常なレンジ内にあり、他方のセンサ（Ｂ）がレンジ外にある場合、ジョイスティックは、センサＡからの出力に基づいて作動できる。

次に、マイクロプロセッサ２８は、有効信号および信号が検証されていないことを示すための警告またはエラーを出力する。

下記のアルゴリズムは、冗長センサ２６からの情報を処理するものであり、センサ２６からの信号は、逆の傾きを有するはずである。主要センサの信号が、高レベルから低レベルまで変化すると、第２センサの信号は、低レベルから高レベルまで変化する。下記のアルゴリズムは、Ｘ軸およびＹ軸の双方に適用される。

ジョイスティック１０が作動中のとき、アルゴリズムは、冗長センサ２６の双方からの入力を加算し、この加算値は、係数Ｓｕｍに近くなるはずである。このＳｕｍは、Ｓｕｍが有効エリア内にあるかどうかをチェックするように、所定の値とを比較される。Ｓｕｍの一定の偏差が認められる。Ｓｕｍが有効限度から低下した場合、通常のメッセージ内でＣＡＮ上で信号が送られ、ＤＭ１メッセージも送られる。

グラフ１は、センサ入力が正しい（公称）ことを、どのようにＳｕｍが見るかを示している。第１および第２センサ入力は、センサ信号にある程度の非線形が生じ得ることを示している。

較正中：較正ルーチンがどのようにＳｕｍおよびそのＳｕｍの限度を計算するかは、次のとおりに説明できる。

グラフ１にはＳｕｍの有効面積が示されている。ジョイスティックが作動中のとき、ホールセンサの各サンプル／測定値に対し、入力とＳｕｍの有効面積とを比較する。

センサ信号が正常な値から外れた場合：グラフ２では、ホールセンサからの入力値は、次のようになると見なす。

センサの値が正常な出力から離れている場合でも、アルゴリズムは、センサのうちの１つが故障しているかどうかを検出する。信号のエラーは限度（アルゴリズムの感度）を超える前に、所定の大きさとなるはずである。

この限度は、アルゴリズムが不要なエラーを発生しないように設定しなければならない。すなわち、限度内にセンサの非線形が含まれるようにしなければならない。この限度は、当初は広く設定しなければならず、経験が得られるにつれ、徐々に小さくしなければならない。

ホールセンサ２６が極めて非線形である場合、冗長センサアルゴリズムのための較正ルーチンは、エンドポイントよりも多い較正ポイントを含むように拡張しなければならない。下記のグラフ３を参照されたい。

グラフ４は、中立位置の値がオフセットを有し、Ｓｕｍの限度が中立位置に基づいていない場合の一例を示す。これによって、不要なエラーが生じる。非線形が既知である場合、限度を設定できる。上記のように、非線形が既知でない場合、アルゴリズムは、Ｓｕｍ限度の計算に中立位置を考慮しなければならない。

作動に際し、オペレータの手の届く範囲内に、ジョイスティック装置１０が取り付けされており、このジョイスティック装置を使って、重機および同等物の運動を制御する。

オペレータは、ジョイスティック１０を握り、オペレータの入力に応じて、重機の運動に影響を与える。所望のように、オペレータが入力ボタン１６および１７のうちの１つ以上をトリガーすると、グリップマイクロプロセッサ１８にデータ信号が送られる。グリップマイクロプロセッサ１８は、単一シリアル通信ストリームとしての入力ボタン１６からの信号を相互接続装置２６を介して、ベースマイクロプロセッサ２８に転送する。

所望のように、オペレータは、ベースアセンブリ１４に対してグリップアセンブリ１２を枢動させ、検出素子２６からの出力信号をトリガーする。ベースマイクロプロセッサ２８は、相互接続装置２０を介して、検出素子２６からの信号だけでなく、グリップマイクロプロセッサ１８からのシリアル通信ストリームも受信し、上記基準に基づき、出力信号を処理する。

ベースマイクロプロセッサ２８は、外部相互接続デバイス２０および関連するケーブルを介し、単一シリアル通信ストリームをリモートメインコントローラへ送信する。ジョイスティック１０のオペレータの操作に基づき、メインコントローラ制御アクチュエータ（図示せず）、および重機を制御するその他のデバイスを制御すると共に、これらを駆動する。

ジョイスティック装置１０は、グリップマイクロプロセッサ１８がなくても操作できることに留意すべきである。このような構造では、入力ボタン１６はベースマイクロプロセッサ１８に直接接続されており、ベースマイクロプロセッサは、入力ボタン１６および検出素子２６からの入力を受信し、単一シリアル通信ストリームをリモートメインコントローラへ送信し、メインコントローラは、制御アクチュエータ（図示せず）および重機を制御するその他のデバイスを駆動する。

更にベースマイクロプロセッサ２８は、直接制御アクチュエータ（図示せず）および重機を制御するその他のデバイスを駆動できる。このような構造では、ベースマイクロプロセッサ２８は、制御アクチュエータおよび重機を制御するその他のデバイスに直接出力信号を送信する。

従って、本発明は、装置の故障が生じているかどうかを判断するために、冗長センサおよび搭載マイクロプロセッサを使用するジョイスティック装置を提供するものであることが理解できると思う。

更に本発明は、ジョイスティック機能を安全に切るための能力を有するジョイスティック装置を提供するものである。

最後に本発明は、ジョイスティックを作動し続け、信号はもはや検証できないことを示すためのエラーメッセージを送信する能力を有するジョイスティック装置を提供するものである。

本願は、２００４年８月３０日に米国特許庁に出願された米国仮特許出願第60/605,466号に基づく優先権を主張するものである。

本発明のジョイスティック装置の斜視図である。 図１のジョイスティック装置の正面図である。 図１のジョイスティック装置の側面図である。

符号の説明

１０ ジョイスティック装置
１２ グリップアセンブリ
１４ ベースアセンブリ
１６ 入力ボタン
１７ アナログ入力
１８ マイクロプロセッサ
２０ 相互接続デバイス
２２ 可撓性部分
２６ 検出素子
２８ マイクロプロセッサ
３０ 外部相互接続デバイス

Claims (3)

1. ベースアセンブリに枢着されたグリップアセンブリと、
   グリップアセンブリがベースアセンブリを中心として枢動する際のグリップアセンブリの運動を検出するべく、ベースアセンブリ内に配置された検出素子と、
   前記ベースアセンブリ内に配置され、前記グリップアセンブリおよび前記検出素子に接続されたマイクロプロセッサとを備え、
   前記マイクロプロセッサが、出力信号を送信する前に、前記検出素子からの出力信号を検証するようになっているジョイスティック装置。
2. 前記マイクロプロセッサに整合性がないことを検出したときに、前記マイクロプロセッサが、ジョイスティックを電気的に中立状態にロックする出力信号を送信するようになっている、請求項１記載の装置。
3. 故障が検出されたときに、前記ジョイスティックをシャットダウンする出力信号を、前記マイクロプロセッサが送信するようになっている、請求項１記載の装置。

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