KR100874522B1 - 멀티-모드 장치에서 모드 간을 평활하게 전환하는 방법 - Google Patents

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Abstract

장치가 평탄하게 동작하도록 장치를 제어하는 시스템 및 방법. 본 발명의 시스템은 장치를 제어하기 위해 제어 구조 사이를 전환하거나 제어 루프에서 사용되는 이득 계수를 변경할 수 있다. 구조 또는 이득이 전환될 때, 제어 신호는 평활화되어 장치는 자신이 수신하는 제어 신호에서 급격한 변화를 겪지 않을 수 있다. 일실시예에서, 제어 신호는 감쇠 옵셋값을 제어 신호에 부가하여 장치에 인가될 평활화된 제어신호를 생성할 수 있다.
Figure R1020017015260
인간 운송 장치, 이득, 구조, 제어 신호, 평활화기, 옵셋값,

Description

멀티-모드 장치에서 모드 간을 평활하게 전환하는 방법{METHOD OF SMOOTHLY SWITCHING BETWEEN MODES IN A MULTI-MODE APPARATUS}
본 발명은 스캐줄링 제어 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 상이한 제어 모드 사이를 평활하게 변경하는 분야에 관한 것이다.
인간 운송 장치는 사람을 노면 위에서 이동시키는 기능을 하며 많은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에서 이용되는 인간 운송 장치라는 용어는 휠체어, 모터달린 카트, 자전거, 오토바이, 자동차, 호버크라프트(hovercraft) 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 인간 운송 장치의 몇가지 형태는 안정화 메카니즘을 포함하여, 그 장치가 넘어져서 그 운송 장치의 사용자가 상처입지 않도록 하는 것을 보장한다.
전형적인 네 바퀴의 휠체어는 네 바퀴 모두가 지면과 접촉한다. 휠체어와 사용자의 결합의 무게 중심이 바퀴들 간의 영역 상에서 유지되면, 휠체어는 뒤집어지지 않을 것이다. 무게 중심이 운송 장치의 지면 접촉 부재의 상부 및 외측에 위치하면, 운송 장치는 불안정해져서 뒤집어질 수 있다.
도 1A를 참조로 하면, 종래의 휠체어(100)가 도시되어 있다. 휠체어(100)와 사용자(102)는 프레임을 정의한다. 프레임은 노면(106) 상부에 수직으로 배치된 지점에 위치하고 있는 무게 중심(104)을 갖는다. 여기서 사용된 용어 "노면"은 인간 운송 장치가 놓여질 수 있는 임의의 노면을 지칭한다. 노면의 예로는 평평한 지면, 경사로(ramp)와 같은 경사진 평면, 자갈 덮인 거리를 포함하며, 서로 수직으로 배치된 두개의 실질적으로 평행한 노면을 수직으로 연결하는 커브(예를 들어, 거리의 커브)를 포함한다.
노면(106)은 수평축(108)에 비교해서 경사져 있을 수 있다. 노면(106)이 수평축(108)으로부터 옵셋되는 각도는 본 명세서에서 노면 피치(pitch)로 언급될 것이며 θs로 각도 표시를 나타낼 것이다.
휠체어(100)의 앞바퀴(112) 및 뒷바퀴(110)는 거리 d 만큼 떨어져 있다. 두 바퀴 사이의 거리 d는 선형(예를 들어, 직선) 거리로써 측정될 수 있다. 시스템의 무게 중심(104)이 두 바퀴(110, 112)의 상부 및 그 사이의 위치에 존재하면, 휠체어(100)는 직립이며 비교적 안정하게 유지될 것이다. 바퀴들(110 및 112)은 전형적으로 휠체어의 다른 측 상에 반대쪽 대응부(도시되지 않음)를 갖는다. 반대쪽 대응부는 각각 바퀴들(110, 112) 각각과 축을 공유할 수 있다. 이 네 개의 바퀴들이 지면(또는 지면 접촉부가 한 지점 이상을 커버하고 있을 때는 지면 접촉부의 외부)과 맞닿는 지점들을 연결하는 다각형에 의해 덮히는 영역은 휠체어를 안정한 상태로 유지하면서 무게 중심이 위치될 수 있는 영역을 제공한다. 하기의 여러 논의에 있어서, 이 영역은 장치의 풋프린트(footprint)로서 언급될 수 있다. 여기에서 사용되는 장치의 풋프린트라는 용어는 수평 평면 상에 투영되는 바퀴들 간 투영 영역으로 정의된다. 무게 중심이 이 위치보다 위에 있으면, 운송 장치는 안정한 상태로 유지될 것이다.
무게 중심(104)이 노면(106) 위에 풋프린트(즉, 수평 평면 상의 바퀴들(110, 112) 간의 투영 영역)의 외측 위에 배치되어 있으면, 휠체어(100)의 안정성은 감소될 수 있으며 휠체어(100)가 넘어질 수 있다. 이것은 예를 들어 휠체어가 가파른 경사면에 있을 때 발생할 수 있다. 가파른 경사면 상에 있을 때, 무게 중심(104)이 뒤로 이동하여 휠체어(100)가 뒤로 넘어지게 할 수도 있다. 이것은 도 1B에 도시되어 있으며 여기서 무게 중심(104)이 휠체어(100)의 풋프린트 외부의 위치에 존재한다. 무게 중심(104)을 도시하며, 이는 그 무게 중심(104)을 하측 방향으로 선형 이동시킨 중력 가속도 벡터(g)를 포함한다. 휠체어(100)는, 휠체어(100)가 지나고 있는 노면에 접촉할 때까지 뒷바퀴의 축으로 회전한다.
사용자(102)는 휠체어(100)에서 앞으로 숙여서 무게 중심(104)을 바퀴들(110, 112) 간의 영역 위의 위치로 돌아가게 할 수 있다. 이러한 무게 중심(104)의 위치 제어가 제한된다면, 휠체어와 같은 인간 운송 장치는 커브 또는 계단과 같은 평탄하지 않은 노면을 지나갈 때 큰 어려움에 직면할 수 있다.
다른 형태의 인간 운송 장치는 그 운송 장치가 두 바퀴로 밸런싱하는 제어 메카니즘을 포함할 수 있다. 두 바퀴는 바퀴의 중심을 통과하는 단일 축에 연결될 수 있다. 축은 장치의 전진 및 후진 이동이 축에 수직이 되게 하는 방식으로 바퀴를 연결한다. 제어 메카니즘은, 무게 중심을 바퀴 축 상부에 계속 위치하도록 바퀴를 전진 및 후진 구동함으로써, 장치 및 사용자를 안정된 직립 위치로 유지시킬 수 있다. 그러한 장치는 이동을 위해 무게 중심이 바퀴 축으로부터 앞 또는 뒤로 일정 거리만큼 배치되도록 하고, 그 무게 중심을 그 지점에 계속 있도록 하기 위하여 추가적으로 바퀴가 회전하게 할 수 있다. 이러한 장치의 예가 미국특허 제5,701,965호 및 제5,719,425호에 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.
〈발명의 개요〉
본 발명의 실시예에 따르면, 장치에서 제1 운전 모드와 제2 운전 모드 간을 전환하는 시스템이 개시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 시스템은 제어 루프를 포함하며 이 제어 루프는 시스템을 제1 운전 모드로 제어하기 위해 제1 운전 모드와 연관된 이득 계수를 이용하고, 제2 운전 모드로 운전할 때는 제2 운전 모드와 연관된 이득 계수를 이용한다. 본 실시예에서, 시스템은 또한 이 이득 선택기는 제어 루프가 장치가 제1 운전 모드로부터 제2 운전 모드로 천이하는 순간과 거의 동시에 제2 운전 모드와 연관된 계수를 이용하여 운전하도록 하는 이득 선택기를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어 신호에 응답하는 장치를 평활하게 동작시키는 방법이 개시된다. 본 실시예에서의 방법은 제어 신호에 대한 값을 결정하는 단계, 수정된 제어 신호를 생성하기 위하여 제어 신호를 처리하는 단계, 및 장치에 수정된 제어 신호를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 멀티-모듈러 장치의 모드 간을 평활하게 전환하는 방법이 개시된다. 본 실시예에서의 방법은 모드 변경이 발생했는지를 판정하는 단계, 및 모드가 변경되었으면 옵셋 값을 결정하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서의 방법은 또한 제어 신호가 장치에 인가되기 전에 옵셋 값의 감쇠 버전을 제어 신호로의 부가하는 평활화된 제어 신호를 생성하는 단계, 및 그 평활화된 제어 신호를 장치에 인가하는 단계를 포함한다.
도 1A 및 도 1B는 종래 기술의 휠체어의 예를 도시한 도면.
도 2A 내지 도 2F는 인간 운송 장치의 다양한 예를 도시한 도면.
도 3은 인간 운송 장치의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 4는 도 2A에 도시된 운송 장치의 단순화된 버전을 도시한 도면.
도 5A 및 도 5B는 계단 모드에서 동작하는 인간 운송의 클러스터의 상대적 방위를 도시한 도면.
도 6은 인간 운송 장치의 가능한 운전 모드의 블럭도.
도 7A 및 도 7B는 운송 장치의 단순화된 측면도.
도 8은 본 발명의 특징들에 의하여 구현될 수 있는 제어 루프의 예를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 특징들에 따라 모드를 전환하는데 이용될 수 있는 예시 값들의 그래프 표현을 도시한 도면.
도 10은 제어 스위치 값이 결정될 수 있는 일 실시예의 데이터 흐름도.
도 11은 운송 장치의 다양한 서브-모드 간을 전환할 때를 결정하는 방법을 플로우 차트 형태로 나타낸 도면.
도 12A는 본 발명과 관련하여 이용될 수 있는 제어 유닛의 예를 도시한 도면.
도 12B는 도 12A의 제어 유닛의 일 실시예의 기능 블럭도.
도 13은 본 발명에 의하여 구현될 수 있는 제어 루프를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 특징들에 의하여 이용될 수 있는 이득 표의 예를 도시한 도면.
도 15는 제어 신호가 제어 장치에 인가되기 전에 제어 신호를 평활화하기 위해 구현될 수 있는 시스템의 예를 도시한 도면.
도 16은 제어 신호를 평활화시키는 방법의 블럭도.
도 17A는 본 발명의 특징들에 따라 이득 스케줄링 동작을 수행하도록 구성된 제어 루프의 블럭도.
도 17B는 모드 간을 평활하게 천이할 수 있는 제어 시스템의 실시예를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 특징들에 따라 피드백 제어 시스템에서 구현될 수 있는 제어 스케줄링 프로세스의 흐름도.
도 19는 도 17A 및 도 17B에 있을 수 있는 다양한 신호를 그래프 형태로 도시한 도면.
도 20은 운송 장치의 바퀴의 위치를 제어하기 위한 제어 루프의 예를 도시한 도면.
도 21은 운송 장치의 클러스터의 위치를 제어하기 위한 제어 루프의 예를 도시한 도면.
도 22A는 무게 중심 추정이 이용될 수 있는 제어 루프의 예를 도시한 도면.
도 22B는 무게 중심의 위치 추정에 기초하여 소망하는 방위를 생성할 수 있는 시스템의 블럭도.
도 23은 운송 장치의 자유 물체도(free body diagram)의 예를 나타내는 도면.
도 24는 장치의 무게 중심의 위치를 추정하기 위한 데이터 세트를 생성하는 방법의 예를 나타내는 도면.
도 25A 내지 도 25C는 도 24의 방법 중의 일부를 그래프적으로 도시한 도면.
도 26은 운송 장치의 무게 중심의 위치를 추정하는데 이용될 수 있는 데이터 세트의 그래프 표현을 나타낸 도면.
본 발명의 특징은 인간 운송 장치의 동작에 대한 다양한 제어 모드에 관한 것이다. 다양한 모드들 각각은 여러 형태의 제어를 고려한다. 어떤 실시예에서, 모드들 중 일부는 사용자 입력 명령에 잘 응답하는 반면, 다른 모드들은 운송 장치를 보호하고 궁긍적으로는 사용자를 똑바른 안정된 위치로 있게 하기 위한 노력으로 사용자 입력 명령을 완전히 무시할 수도 있다.
도 2A는 본 발명의 특징들이 구현될 수 있는 운송 장치(200)를 나타낸다. 본 발명의 다양한 특징들이 다양한 운송 장치들과 관련하여 설명될 것이지만, 본 명세서에서의 교시가 인간 운송 장치에서의 구현에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 다양한 제어 모드들이 도 2A에 도시된 운송 장치(200)와 유사하지 않는 운송 장치에 적용되어질 수 있다. 또한, 다양한 모드간의 평활한 천이를 고려하는 시스템 및 방법이 다른 장치에도 적용될 수 있다.
운송 장치(200)는 인간 사용자(도시되지 않음)를 지지하기에 적합한 플랫폼(202)을 포함할 수 있다. 플랫폼(202)은 도 2A에 도시된 것과 같이, 사용자가 앉을 수 있는 의자형(chair-like)의 플랫폼일 수 있다. 그러나, 아래에서 설명되어질 바와 같이, 플랫폼(202)은 의자형의 플랫폼일 필요는 없으며, 인간 사용자를 지지할 수 있는 임의의 형태의 플랫폼이 될 수 있다. 예를 들어, 플랫폼은 사용자가 그 위에 설 수 있는 플랫폼일 수 있다.
운송 장치(200)는 또한 의자의 팔걸이와 유사한 팔걸이(204)를 포함할 수 있다. 팔걸이는 사용자가 기대거나 또는 사용자를 지지하기 위한 장소를 제공해줄 수 있다. 팔걸이(204)는 사용자로부터의 방향성 명령 입력을 수신할 수 있는 조이스틱과 같은 사용자 인터페이스(206)를 구비할 수 있다. 다른 형태의 사용자 인터페이스는 롤러 볼, 터치 패드, 호흡 감지 입력, 사용자 또는 사용자가 입고 있는 의복 한점에 부착된 위치 통보 센서, 음성 인식 시스템 또는 누름 버튼 제어기 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 사용자 인터페이스(206)는 운송 장치(200)를 원하는 방향으로 이동시키기 위하여 이러한 입력 명령을 운송 장치(200)의 제어 유닛(240)으로 전달할 수 있다. 사용자 인터페이스(206)는 또한 이동의 속도에 영향을 미칠 수도 있다.
운송 장치(200)는 또한 지면 접촉 부재(208, 210)를 포함할 수 있다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 지면 접촉 부재(208, 210)는 바퀴이다. 그러나, 지면 접촉 부재(208, 210)가 바퀴에 한정되는 것은 아님을 유의하여야 한다. 예를 들어, 지면 접촉 부재는 캐스터, 고체 부재(예를 들어, 미국특허 제5,791,425호의 도 22 내지 도 24에 도시된 아치형의 구성), 스레드(thread) 또는 이동을 위한 다른 메카니즘이 될 수 있다. 이들 및 다른 형태의 지면 접촉 부재를 갖는 인간 운송 장치가 이하에 설명된다.
바퀴(208, 210)를 포함하는 실시예에 있어서, 바퀴들은 노면에 접촉하여 그 노면 위로 이동한다. 바퀴(208, 210)는 모터(도시되지 않음)에 의해 구동될 수 있다. 또한, 각 바퀴(208, 210)에는 운송 장치의 반대측에 동축 바퀴(도시되지 않음)가 미러링되어 있어, 횡단하는 노면에 접촉하는 네개의 바퀴를 제공할 수도 있다.
바퀴(208, 210)는 이동가능한 암(arm)(212)(또는 클러스터(cluster))에 부착될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 이동가능한 암 및 클러스터라는 용어는 지면 접촉 부재가 부착될 수 있는 어셈블리를 언급한다. 또한, 클러스터는 때때로 상황에 따라 지면 접촉 부재를 함께 포함하고 연결하는 전체 어셈블리를 언급할 수 있다. 클러스터(212)는 고체 부재 또는 다양한 축에 따라 접혀질 수 있는 부재일 수 있다. 예를 들어, 제1부(216) 및 제2부(218)를 갖는 클러스터(214)가 도시되어 있는 도 2B를 참조 하면, 제1부(216) 및 제2부(218)는 피봇점(220)에 서로 축구조로 부착될 수 있다. 클러스터(214)는 두개의 바퀴(222, 224)를 포함할 수 있다. 두개의 바퀴(222, 224)는 접촉점(226, 228)에서 각각 노면에 접촉할 수 있다. 클러스터가 수평 평면 상에 있기 때문에, 본 실시예에서 접촉점(226)과 접촉점(228) 사이의 거리는 운송 장치의 풋프린트의 길이(l)를 정의한다. (물론, 클러스터가 경사면 상에 있으면, 풋프린트의 길이는 L의 수평 평면 상으로의 투영 길이와 동일하다.) 클러스터(214)의 제1부(216)와 제2부(218) 사이의 피봇점(220) 때문에, 풋프린트의 길이는 본 실시예에서 가변적이다. 풋프린트의 길이(l)는 클러스터(214)의 제1부(216)와 클러스터(214)의 제2부(218) 사이의 각도 θc가 대략 180˚일 때 최대이다.
일 실시예에 있어서, 클러스터의 풋프린트의 길이가 짧아져서 클러스터(214)의 제1부(216)와 제2부(218) 사이의 각도 θc가 극히 작게 되도록 할 수 있다. 이러한 실시예의 예가 도 2C에 도시된다. 본 실시예에 있어서, 바퀴(222, 224)의 원주는 중첩될 수 있다. 물론, 이 실시예에서, 바퀴(222, 224)는 Z축을 따라 서로 옵셋되어 바퀴(222, 224)가 서로 접촉되지 않고 바퀴의 회전을 금지하도록 할 수 있다.
다시 도 2A를 참조하면, 클러스터(212)는 플랫폼 지지부(230)에 의해 플랫폼(202)에 부착될 수 있다. 플랫폼 지지부(230)는 상측부(232) 및 하측부(234)를 포함할 수 있다. (플랫폼 지지부(230)는 단일 부재일 수도 있다.)
일 실시예에 있어서, 플랫폼 지지부(230)의 하측부(234)는 클러스터(212)에 축 구조로 부착될 수도 있다. 클러스터(214)와 플랫폼(202)의 베이스 간의 높이 H를 조정하기 위하여, 플랫폼 지지부(230)의 하측부(234)를 클러스터 접속 피봇점(236)에 대하여 더욱 수직 방위로 회전시킬 수 있다. 또한, 하측부(234)가 수직으로 회전되기 때문에, 상측부(232) 또한 지지 피봇점(238)에 대하여 회전되어 훨씬 더 큰 플랫폼 높이를 얻을 수 있다.
플랫폼(202)이 낮아지는 경우, 하측부(234)는 클러스터(212)에 좀더 가깝게 된다. 또한, 상측부(232)는 하측부(234) 및 클러스터(212) 모두에게로 가까워질 수 있다.
운송 장치(200)는 또한 제어 유닛(240)(또는 전자 박스)을 구비할 수 있다. 일반적으로, 제어 유닛(240)은 운송 장치(200)를 동작시키기 위하여, 운송 장치(200)가 구비할 수 있는 여러 모터에 명령을 제공한다. 제어 유닛(240)은 틸트 센서(tilt sensor), 속도 센서, 가속도 센서, 위치 통보 센서 등과 같은 다양한 센서를 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제어 유닛(240)은 운송 장치(200)를 안정화하기 위하여, 바퀴(208, 210)의 위치 및 클러스터(212)의 각도 방위 또는 둘 모두를 조정할 수 있다. 또한, 제어 유닛(240)은 클러스터(212) 및 바퀴들(208, 210)이 사용자 인터페이스(206)로부터 수신된 입력 명령에 반응하기 위하여 회전하도록 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제어 유닛(240)은 다양한 센서 입력에 기초하여, 플랫폼(202)에 대해 클러스터의 각도를 조정하여, 플랫폼(202)이 똑바로 선 위치로 유지되고 있는 동안, 클러스터(212)와 바퀴(208, 210)의 차축(244, 246)을 각각 통과하는 축(242)이 횡단하는 노면에 실질적으로 평행하도록 할 수 있다. 이러한 형태의 방위는 운송 장치(200)가 표준 또는 향상(enhanced) 모드에서 동작할 때 바람직하다. 표준 모드 및 향상 모드와 같은 다양한 모드들이 이후에 좀더 상세히 설명될 것이다.
도 2D는 인간 운송 장치(200)를 위한 클러스터(248)의 대안의 실시예를 보여준다. 본 실시예에서, 클러스터(248)는 모터(도시되지 않음)에 의해 구동될 수 있는 제1 바퀴(250)를 구비한다. 모터를 구동하는 명령은 제어 유닛(240)(도 2A)으로부터 수신될 수 있다. 클러스터(248)는 또한 모터에 의해 구동되지 않는 제2 바퀴(252)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 바퀴(252)는 클러스터(248)에 고정적으로 부착되어 있는 캐스터형(caster type)일 수 있다. 비록 이전의 도면들은 전진 이동의 방향 왼쪽에서 오른쪽이라고 설명했지만, 도 2D의 클러스터(248)는 어떠한 방향으로도 향할 수 있다. 즉, 모터 구동되는 바퀴(250)가 앞바퀴이거나 제2 바퀴(252)가 앞바퀴일 수 있다.
도 2E는 운송 장치(200)의 제어 유닛(240)에 고정적으로 부착된 모터 구동되지 않는 바퀴(254)를 구비하는 운송 장치(200)의 예를 도시한다. 이 실시예에서는, 한 운전 모드에서는, 클러스터(212)가 회전하여 뒷바퀴(208)가 그 노면과 접촉하도록 되고 앞바퀴(210)가 그 노면과 접촉하지 않도록 될 수 있다. 어떠한 안정화도 발생하지 않는 것으로 가정하면, 클러스터(212)의 회전으로 인한 토크로 인해 운송 장치(240)가 모터 구동되지 않는 바퀴(245)가 노면과 접촉할 때까지, 앞으로 나아간다. 이러한 운전 모드는 운송 장치(200)가 평활하고 평탄한 면에서 동작할 때 바람직하다. 이러한 방위에서, 뒷바퀴(212)만이 모터에 의해 구동되면 되므로, 운송 장치(200)가 소모하는 전력량이 감소될 수 있다는 장점을 갖는다.
클러스터(208, 210)에 부착된 바퀴 둘 모두가 노면과 접촉하도록 클러스터(212)가 회전하면, 모터 구동되지 않는 바퀴(254)는 노면으로부터 들려지고, 운송 장치는 4륜 구동 장치가 될 수 있다. 이러한 구성의 운송 장치(200)의 예는 도 2F에 도시되어 있다. 도 2F에서, 바퀴(210, 208)는 노면(270)과 접촉한다. 모터 구동되지 않는 바퀴(254)는 노면(270) 위로 올려진다. 이 실시예에서는, 클러스터(212) 및 플랫폼(202)이 노면에 실질적으로 평행하게 된다. 전술한 설명은 인간 운송 장치(200)의 여러 실시예들을 상세화한 것이다. 바퀴(208, 210)는 개개의 모터에 의해 각각 구동되는 모터 구동되는 바퀴일 수 있다. 그러나, 바퀴(208, 210) 둘 모두는 단일의 모터에 의해 구동될 수도 있다. 또한, 바퀴 중 하나만이 모터에 의해 구동될 수 있다. 또한, 운송 장치(200)는 측면에서만 도시되었다. 측면으로 도시된 소자들은 운송 장치(200)의 반대측 상에 미러링될 수 있다. 예를 들면, 운송 장치는 운송 장치(200)의 각 측 상에 클러스터를 구비할 수 있다. 일 실시예에서는, 클러스터는 서로 함께 연결되어, 하나의 부재로서 이동한다. 그러나, 본 발명의 범주 내에서 클러스터는, 각 클러스터가 서로 독립적으로 동작하도록 회전되거나 아니면 전이될 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 운송 장치에서 구현되는 것에 제한되지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 포함된 교시의 일부 또는 전체는 헬리콥터, 비행기, 자동차, 도로 밖 사용 차량, 모터 구동 자전거, 오토바이 등의 운송 장치에서 구현되는 것으로 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 교시가 구현될 수 있는 또 다른 종류의 운송 장치가 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 사용자가 서있을 수 있는 인간 운송 장치(300)를 도시한다. 운송 장치는 인간 사용자(304)를 서있는 위치에 지지하기에 적당한 플랫폼(302)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서는, 원하는 이동 방향으로 플랫폼(302)에 기대고 있는 인간(302)이 장치(300)의 이동을 제어할 수 있다. 이 실시예에서는, 플랫폼(302)은 베이스 유닛(306)에 축 구조로 부착될 수 있다. 베이스 유닛(306)은 이동과, 가능한한 운송 장치(300)의 안정화를 제어할 수 있는 제어 유닛(308)을 포함할 수 있다. 베이스 유닛(306)은 또한 바퀴(312 및 314) 등의 지면 접촉 부재를 구비한 클러스터(310)를 포함할 수도 있다. 인간 운송 장치는 사용자로부터의 원하는 이동 명령을 수신하는 조이스틱(316) 등의 제2 사용자 입력 장치를 포함할 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 인간 운송 장치(300)는 지지 플랫폼(302) 및 조이스틱(316) 둘 모두를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 플랫폼(302) 또는 조이스틱(316)은 제어 유닛(308)에 입력을 제공하여 사용자가 운송 장치(300)의 이동을 명령할 수 있도록 한다. 사용자 입력에 응답하여, 제어 유닛(308)은 바퀴(312 및 314) 및 클러스터(310) 중 하나 또는 둘 모두가 회전하도록 할 수 있다. 또한, 제어 유닛(308)은, 종종 무게 중심(318)이 운송 장치(300)의 운송 장치(310)의 풋프린트 위에 수직으로 유지하기 위해 사용자의 입력, 클러스터(310)의 위치 및/또는 바퀴(312 및 314)의 위치를 독립적으로 조정할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 무게 중심(318)이 바퀴(312 및 314)의 축 사이의 클러스터(310) 위에 수직으로 배치된다. 일 실시예에서는, 제어 유닛(308)은 클러스터(310)의 중심점(320) 위에 무게 중심(318)을 유지한다. 무게 중심(318)이 클러스터(310)의 중심점(320) 위에 위치되는 경우, 운송 장치(300)는 매우 안정화 될 수 있다.
편의를 위해, 다음 설명의 일부는 공지된 무게 중심의 위치를 참조할 것이다. 그러나, 몇몇 예에서는, 그 위치는 위치의 추정치에 기초할 수 있다. 무게 중심을 추정하기 위한 시스템 및 방법이 이하에 기재된다. 또한, 무게 중심이 기준량으로서 논의되지만, 본 명세서의 교시는 이에 제한되지 않고, 운송 장치를 효율적으로 안정화하기 위해 운송 장치의 다른 특성을 고려하는 것이 요구될 수 있다. 예를 들면, 피치 레이트(후술함)를 고려하면 무게 중심 위치 추정에 의존할 필요가 없을 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 운송 장치(200)의 단순화 버전을 도시한다. 이 예에서는, 운송 장치는 소위 "밸런싱 모드"로 동작한다. (도 2 내지 도 3의 예와 같은 다른 실시예 또한 밸런싱 모드로 동작할 수 있다). 밸런싱 모드에서는, (운송 장치가 정지하고 있는 경우) 제어 유닛이, 다양한 입력에 기초하여 무게 중심(400)을 노면 접촉 바퀴(404)를 통과하는 횡축(402) 상에 유지하려고 시도한다. 이 모드에서는, 무게 중심(400)을 노면 접촉 바퀴(404)의 횡축(402) 상에 수직 배치되도록 하기 위해, 노면 접촉 바퀴(404)를 회전시킴으로써 실질적으로 모든 안정화가 달성된다. 결국, 클러스터(408)는 플랫폼(202)의 저면에 대해 고정 위치에 유지될 수 있다. 도 4에 도시된 다른 실시예에서는, 클러스터(408)가 실질적으로 수직 위치에 유지된다. (클러스터는 다른 상대각으로도 유지될 수도 있다).
다시, 밸런싱 모드에서, 운송 장치(200)는 플랫폼(202)의 위치를, 무게 중심(400)이 운송 장치(200)가 정지하고 있는 노면 접촉 바퀴(404)의 횡축(402) 상의 일부 위치에 수직으로 배치되도록 제어함으로써 동작한다. 이러한 이동을 허용하기 위해서는, 무게 중심(400)은, 그 장치가 "FORE/AFT" 방향으로 제어된 폴을 시작하도록, 노면 접촉 바퀴(404)의 횡축(402)의 앞 또는 뒤 중 한 쪽으로 약간 변위될 수 있다. 횡축(402)에 대하여 무게 중심(400)이 변위됨에 따라, 노면 접촉 바퀴(404)는 무게 중심(400)을 축(402)에 대하여 비교적 가깝게 그러나 여전히 옵셋을 반드시 유지하도록 구동된다. 이러한 방식으로, 장치는 넘어지지 않는다. 도 4에 도시된 바와 같은 운송 장치를 위한 밸런싱 모드가 미국 특허 제5,701,965호에 개시되어 있다. 밸런싱 모드에 대한 본 실시예에서는, 운송 장치(400)를 안정화시키기 위해 클러스터(406)가 그 위치에 고정되어 있고 회전하지 않을 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 밸런싱 모드는 일반적으로 인간 운송 장치를 동적으로 안정화하기 위한 "바퀴 전용" 방법이라고 생각될 수 있다.
몇몇 예에서는, 인간 운송 장치가 사용자로부터의 보조나 외부적인 다른 도움없이 계단을 오르내리도록하는 것이 소망될 경우가 있다. 따라서, 몇몇 인간 운송 장치는, 계단을 오르는 소위 "계단" 또는 "경사" 모드로 동작하는 기능을 개발하였다. 이러한 장치의 예가 미국 특허 제5,701,965호 및 제5,791,425호에 기술되어 있다. 계단 모드는 바퀴가 클러스터에 대해 "예속(slaved)"되게 하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 바퀴는 클러스터가 회전하도록 하기 위해 움직일뿐 이동의 수단은 아니다.
도 5A 및 도 5B는 계단 모드에서 동작하는 인간 운송 장치의 클러스터(500)의 상대적 방위의 2가지 예를 도시한다. 계단 모드에서 동작할 때, 클러스터(500)는 무게 중심이 계단을 올라가는 방향인지 내려가는 방향인지에 따라 (즉, 계단을 올라가는지 내려가는지의 여부에 따라) 뒷바퀴 축 또는 앞바퀴 축 위에 있도록 회전될 수 있다. 바퀴(502)가 계단(508)의 앞 모서리(506)와 접촉하면, 바퀴는 계단에 대하여 밀린다. 무게 중심이 접촉점(514)을 향해 이동함에 따라, 클러스터(500)는 도 5B에 도시된 바와 같이 위를 향해 회전을 시작할 수 있다. 클러스터(500)가 회전함에 따라, 연결된 바퀴(502)가 클러스터 회전에 응답하여 클러스터(500)에 대하여 회전하여, 바퀴 상의 동일 지점이 접촉점(510)에서 계단과 접촉하게 될 수 있다. 바퀴(502)가 이동하도록 허용되었다면, 클러스터의 회전은 바퀴(502)가 계단으로부터 떨어지게 하고 운송 장치가 넘어지게 할 수 있다.
클러스터(500)는 제2 바퀴(504)가 계단(508)의 상부 모서리(512)와 접촉점(514)에서 접촉할 때까지 (예를 들면, 시계 방향으로) 회전한다. 이 프로세스는 운송 장치가 계단의 상부에 도달할 때까지 반복된다. 또 다른 실시예에서는, 설명한 프로세스는, 예를 들어, 운송 장치가 큰 커브를 횡단하고 있는 경우에만 수행될 필요가 있다.
전술한 시스템은 장치를 효율적으로 밸런싱하기 위해 클러스터 또는 바퀴를 사용한다. 그러나, 몇몇 예에서는, 사용자가 넘어지지 않도록 하는 위치에 무게 중심을 두기 위해 바퀴 및 클러스터 둘 모두를 이용하는 것이 더욱 바람직하다는 것을 발견하였다. 예를 들면, 울퉁불퉁한 노면을 횡단할 때, 플랫폼을 수직 위치로 유지하기 위해 바퀴와 클러스터를 동시에 회전시키는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 본 발명의 몇몇 실시예의 특징은 새로운 운송 제어 모드에 관한 것이다. 이러한 새로운 모드는 본 명세서에서는 향상 모드라고 부른다. 일 실시예에서는, 향상 모드는 무게 중심이 운송 장치의 풋프린트 상의 지점에 위치하거나, 그렇지 않더라도 곧바로 풋프린트 상의 지점에 위치하도록 (또는 운송 장치의 프레임 피치(또는 프레임 피치의 함수)를 파라미터의 범위 내로 유지하는 것과 같이 몇몇 다른 기준을 만족함), 운송 장치의 바퀴와 클러스터 모두를 제어함으로써 운송 장치의 동작 및 안정화를 제어한다.
도 6은 인간 운송 장치의 가능한 운전 모드를 설명하는 블럭도이다. 일 실시예에서는, 인간 운송 장치가 표준 모드(602), 밸런싱 모드(604), 및 계단 모드(606)를 포함할 수 있다. 본 발명의 특정한 실시예의 특징에 따르면, 운송 장치는 향상 모드(608)도 포함할 수 있다. 이러한 각종 제어 모드는 장치의 이동을 제공하기 위해 제어 유닛 내에 포함되어 있는 소프트웨어 및 하드웨어에 의해 사용된다. 각 모드는 인간 운송 장치가 서로 다른 파라미터에 따라 동작하도록 한다. 인간 운송 장치는 다른 운전 모드를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 인간 운송 장치는 모드들 간의 전이를 위한 모드 및 시스템 오류를 처리하는 모드를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 제어 모드와 관련 소프트웨어 및 하드웨어는, 도 3에 대하여 전술한 제어 유닛 등의 제어 유닛에 포함될 수 있다. 그러나, 각종 소프트웨어 및 하드웨어의 각종 부분들이 제어 유닛과는 다른 위치에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 각종 센서가 플랫폼, 클러스터, 바퀴 또는 인간 운송 장치의 동작을 효율적으로 제어하기 위해 이들을 필요로 하는 임의의 다른 위치에 위치될 수 있다.
밸런싱 모드(604) 및 계단 모드(606)를 앞서 설명하였고, 도 6의 예시적 실시예는 상술에 따라 동작한다고 가정할 수 있다. 그러나, 밸런싱 모드(604) 및 계단 모드(606)에 대한 변형이 존재할 수 있고, 본 명세서에 제공된 각종 제어 시나리오 하에서 동작하는 운송 장치로 완전히 집적될 수도 있다.
본 명세서에서 사용하는 표준 모드라는 용어는 동적인 안정화가 발생하지 않는 운전 모드를 말한다. 표준 모드에서, 클러스터 및 플랫폼은 서로 고정된 관계로 남아 있다. 예를 들면, 사용자가 표준 모드에서 의자와 같은 플랫폼(도 2)을 갖는 인간 운송 장치를 동작하면, 클러스터에 대하여 플랫폼의 각도를 제어하는 모터는 일정한 위치에 유지된다. 운송 장치가 경사진 곳을 오르내리면, 플랫폼은 뒤로 기울어진다. 그러나, 경사가 너무 가파르면, 시스템의 무게 중심은 운송 장치의 풋프린트의 외부에 놓여질 수 있고, 운송 장치가 뒤쪽으로 넘어지게 할 수 있다.
표준 모드에서는, 사용자가 운송 장치의 이동의 완전한 제어를 할 수 있다. 즉, 제어 유닛은 사용자 입력에 매우 민감하다. 일 실시예에서는, 이는 사용자 입력으로부터 수신된 입력에 고이득 계수(후술함)를 인가함으로써 달성될 수 있다. 사용자 입력은 사용자에 의해 작동되는 조이스틱 또는 다른 적당한 입력 장치일 수 있다. 또한, 운송 장치는 사용자 입력으로서 역할을 하는 기댈 수 있는 플랫폼을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에 따르면, 표준 모드는 2개의 서브-모드를 포함할 수 있다. 제1 서브-모드는 도 2E에 도시된 바와 같은 시스템에서 구현될 수 있다. 이 서브-모드에서는, 모터 구동되지 않는 바퀴(254)가 운송 장치(200)의 제어 유닛(240)에 고정적으로 부착될 수 있다. 클러스터(212)는 적어도 장치가 앞으로 피치되어 모터 구동되지 않는 바퀴(254)가 노면과 접촉할 때까지 회전점(213)에 대하여 회전할 수 있다. 이 모드에서는, 사용자 명령에 응답하여 이동을 제공하기 위해 뒷바퀴(208)을 구동하는 모터에 전력이 공급된다. 이 방식으로, 클러스터(212)의 전진 구동 바퀴(예컨대, 바퀴(210))에 부착된 임의의 모터가 전력 다운될 수 있기 때문에, 전력이 유지될 수 있다. 이런 이유로, 제한된 전력 공급(즉, 재충전 배터리)을 갖는 운송 장치(200)를 연장된 시간 주기 동안 동작시키고자 할 때 일반적으로는 표준 모드 및 특별하게는 서브-모드가 특히 매력적이다. 또한, 이 모드에서는, 운송 장치에 의해 제공될 수 있는 안정화 타입이 에너지를 보존하기 위해서 디스에이블된다. 또한, 캐스터 타입 바퀴일수 있고 높은 동작성을 갖는 모터 구동되지 않는 바퀴로 인해, 이 모드에서 회전 반경이 최소가 될 수 있다. 또한, 클러스터(212)의 대향측에 접속된 각 바퀴는 그들 자신의 바퀴 모터를 구비할 수 있다. 대향 바퀴 각각에 차동 신호를 공급함으로써, 운송 장치(200)는 원형으로 회전할 수 있다. 이는 하나의 바퀴에는 포지티브 토크를 제공하고 다른 바퀴에는 네거티브 토크를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또 다른 표준 모드의 서브-모드는 클러스터가 회전하여 모터 구동되지 않는 바퀴(254)가 도 2F에 도시된 노면으로부터 떨어지고 4개의 바퀴 모두가 노면과 접촉하는 모드를 포함한다. 이 서브-모드에서는, 운송 장치(200)가 4륜 구동 운송 장치로서 기능할 수 있다. 그러나, 바퀴는 이 모드에서는 사용자 입력 명령에 응답하지 않아, 사용자가 후술하는 향상 모드와 표준 모드의 서브-모드를 혼동하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 표준 모드는 클러스터에 대하여 실질적으로 일정한 각도로 플랫폼을 유지할 수 있다. 이 경우, 플랫폼에 대하여 클러스터를 위치시키는 모터가 표준 모드의 어느 서브-모드 동안 디스에이블될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 사용자는 사용자 인터페이스 상의 사용자에게 제공된 옵션을 선택함으로써 한 모드에서 다른 모드로 전이할 수 있다. 사용자 인터페이스는, 예를 들면, 플랫폼(202)(도 2A) 상에 구비된 암(204) 상에 제공될 수 있다. 대안으로, 모드 천이는 자동적으로 행해질 수 있다. 예를 들면, 전력 공급이 낮으면, 운송 장치는 전력을 아끼거나 안정성을 보정하기 위한 노력으로 밸런싱 모드로부터 표준 모드로 자동 천이될 수 있다.
운송 장치는 각종 모드로부터 다른 모드로 천이될 수 있다. 예를 들면, 운송 장치는 표준 모드(602)로부터 밸런싱 모드(604)로 그리고 화살표(621)로 표시된 바와 같이 반대로 천이될 수 있다. 또한, 운송 장치는 표준 모드에서 계단 모드(606)로 그리고 화살표(622)로 표시한 바와 같이 그 역으로 천이될 수 있다. 운송 장치는, 사용자가 사용자 입력 장치로부터 모드 천이를 선택하면, 화살표(623)로 표시된 바와 같이, 표준 모드(602), 밸런싱 모드(604), 또는 계단 모드(606) 중 임의의 모드로 들어가거나 나올 수 있다. 향상 모드는, 후술하는 바와 같이, 운송 장치의 다른 어떠한 모드보다도 동적으로 안정적일 수 있다. 이와 같이, 제어 유닛이 운송 장치가 현재의 운전 모드에서 안정하지 않게 된 것으로 판정하면, 운송 장치는 향상 모드로 자동적으로 들어갈 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 클러스터가 실질적으로 수직 방위로 있는 경우, 향상 모드로의 자동 진입이 방지될 수 있다. 기존의 향상 모드는 운송 장치의 현재 방위의 몇몇 파라미터가, 모드 변화가 발생하는 경우 운송 장치가 불안정하게 되지 않는 다면 거의 아무 때나 달성될 수 있다.
또한 후술하는 바와 같이, 향상 모드는 자동 전환될 수 있는 복수의 서브-모드를 포함할 수 있다. 또한, 향상 모드는 제어 전환 및 이득 스케줄링 시스템 및 후술하는 방법으로 인해 평활하고 효율적인 방식으로 서브-모드들 간을 전환할 수 있다.
도 7A는 향상 모드로 동작할 수 있는 운송 장치(700)의 간략화된 측면도를 도시한다. 운송 장치(700)는 예시적인 의미에서 주어진 것이고 본 명세서에서 설명하는 향상 모드의 동작의 응용을 제한하는 의미는 아니다.
운송 장치(700)는 플랫폼(702)을 구비할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이 플랫폼(702)은 도 2A에 도시된 의자형 플랫폼이 될 수 있고 대안으로는 사용자가 도 3에 도시된 바와 같이 서있는 플랫폼이 될 수 있다. 그러나, 향상 모드에서의 운송 장치의 상대 각도에 대한 설명은 구성 및 다른 구성에도 동등하게 적용될 수 있다. 다음의 설명을 목적으로, 도 7A에서 시계 방향을 가리키는 화살표로 표시된 각도가 포지티브값을 갖고 반시계 방향을 가리키는 화살표로 표시된 임의의 각도가 네거티브 값을 갖도록 임의의 각도가 측정된다. 예를 들면, φc(중력에 대한 클러스터 위치)로서 도시된 각도는 포지티브 각도이고 θ3으로 표시된 각도는 네거티브 각도이다.
무게 중심(704)은 전체 시스템의 무게 중심을 나타낸다. 이는 운송 장치(700), 사용자(도시되지 않음), 및 사용자가 운반될 수 있는 임의의 페이로드(도시되지 않음)를 포함한다. 다시, 무게 중심은 운송 장치의 안정성을 결정하기 위해 추정되고 및/또는 검사될 수 있는 운송 장치의 파라미터의 일례만으로서 제공된다.
제어 유닛(706)에 의해 제공된 제어 신호는 무게 중심(704)을 운송 장치(700)의 풋프린트 위에 유지하려고 시도한다. 다시, 장치의 풋프린트는 클러스터의 종단점들 사이에 존재하는 것으로 정의되고, 더욱 바람직하게는 앞바퀴(712)와 뒷바퀴(714)의 횡축(708 및 710) 사이에 있는 것으로 정의될 수 있다. 이 바퀴들은 클러스터(716)의 중심점(718) 위에 부착될 수 있다. 일 실시예에서는, 무게 중심이 향상 모드에서 클러스터(716)의 중심점(718) 위에 배치된 상태로 남는다.
플랫폼(702)은 좌석 지지물(720)에 의해 지지될 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 플랫폼 높이(H)는 플랫폼(702)의 바닥면과 좌석 지지물(720)이 클러스터(716)에 접속된 위치 간의 거리를 말하는 것이다.
좌석 지지물(720)의 상부(722)와 하부(724) 간의 각도 θh를 변화시킴으로써, 의자 높이 H는 조정될 수 있다. 모터는 상부(722)와 하부(724)가 접속된 피봇점(728)에 포함될 수 있다. 이 모터는, 의자 높이 명령에 기초하여, 상부(722)와 하부(724) 간의 각도 θh가 증가 또는 감소하도록 할 수 있다. 이는 사용자가 눈높이를 서있는 사람과 맞추도록(또는 가깝게 되도록) 한다는 이점이 있다. 일 실시예에서는, 플랫폼(702) 및 상부(722)가 각도 θs를 플랫폼(702)의 바닥부가 상부(722)의 방위에 관계없이 거의 수평으로 되도록 설정하는 모터를 포함할 수도 있다.
도 9 내지 도 11에 개시된 실시예 및 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제5,791,425호에 개시된 관련 논의에서, 플랫폼 홀더(720)는 상부 및 하부를 갖는 관절형 암으로서, 각 부분 서로에 대해 및 플랫폼에 대해 조절될 것이다. 조절은 접촉 피봇점(726, 728, 730)에 위치된 모터가 장착된 드라이브에 의해 수행된다(여기서 하부(724)는 클러스터(716)에 축 구조로 결합된다). 모터 장착 드라이브는 (예를 들면, 벨트에 의해) 서로에 접속되어, 상부와 하부 사이의 피봇 점(728)에 접속된 한 모터의 위치 변화는 플랫폼(702)와 상부(722) 사이의 각(θs)의 대응하는 변화를 초래하여 결국은 플랫폼(702)의 하부는 실질적으로 수평으로 유지된다.
의자 높이가 인간 운송 장치(700)의 동작에 중요한 이유는 적어도 2가지가 있다. 첫째는 의자 높이 H는 전체 시스템의 무게 중심(704)를 추정하는 데 이용될 수 있다. 또한, 의자 높이는 중력(g)에 의해 정의된 수직축에 대해 무게 중심이 얼마나 신속하게 이동하는지에 영향을 줄 것이다. 의자가 높다면, 무게 중심은 장애물에 응답하여 느리게 이동을 할 것이다. 그러므로, 의자 높이는 운송 장치의 동적 안정성을 제어하는 경우에 고려될 변수가 될 수 있다. 예를 들면, 의자 높이는 운송 장치를 제어하거나 또는 안정화하기 위해 이용되는 특정 이득 계수(후술함)의 크기에 영향을 주는 입력이다.
무게 중심(704)이 수직축으로부터 클러스터(716)까지 옵셋되는 크기는 본 명세서에서는 "프레임 피치"로 언급되며, 도 7A에서 θ1로 표기된다. 이러한 프레임 피치는 각도 변위에 기초한 "회전형" 피치가 될 수 있다. 도시된 것처럼, 수직축은 클러스터(716)의 중심점(718)을 통과한다. 그러나, 향상 모드에서 수직축은 바퀴(714 또는 712)(예를 들어, 풋프린트) 중 하나의 중심을 통과하는 횡단축들 사이에 배치된 클러스터의 특정 부분을 통과한다. 축이 클러스터(716)의 일 부분을 통과하고 중심점(718)은 통과하지 않는 경우에, 후술하는 안정화 제어 공정은 클러스터(716)를 통과하는 수직축에서 클러스터(716)의 중심점(718)까지의 간격을 고려하도록 변경될 것이다.
클러스터(716)의 중심점(718) 위에 무게 중심(704)을 위치시키는 제어 목표는 운송 장치의 다른 운전 모드에서는 이동가능하지 않을 수 있다. 예를 들면, 밸런싱 모드에서는 제어 목표는 무게 중심(704)를 클러스터(716)의 바퀴 중 하나를 통과하는 횡축에 걸쳐 적절한 관계를 유지하게 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 무게 중심(704)의 이동은 의자 높이에 의존하는 근사화에 기초할 수 있다. 무게 중심(704)의 위치는 또한 플랫폼이 중력에 대해 이동하는 속도에 기초하여 결정될 수 있다. 이러한 속도는 본 명세서에서는 피치 레이트로 언급될 것이다. 예를 들면, 운송 장치(700)에 배치된 동작 센서(도시되지 않음)는 시스템이 고속으로 전진하고 있음을 감지할 것이다. 이러한 동작은 무게 중심(704)을 이동시킬 것이며, 일부 예에서는, 운송 장치(700)의 풋프린트 외부에 있을 수도 있다. 그러므로, 장치의 풋프린트는 피치 레이트의 방향으로 노면에 대해 이동하여 풋프린트가 무게 중심(704)의 아래를 유지하는 것이 바람직하다.
도 7A는 제어 유닛(706)을 도시한다. 제어 유닛(706)의 동작이 후술된다. 제어 유닛(706)은 예를 들면 시스템의 피치 레이트를 결정하는 다양한 동작 센서를 포함한다. 센서들은 특정 타입의 센서에 국한되지 않고, 예를 들면, 가속도계, 위치 센서, "레벨" 센서 등이 될 수 있다. 당업자라면 누구나 알 수 있는 것처럼, 피치 레이트는 시간에 대해 측정 또는 추정된 프레임 피치(θ1)를 미분함으로써 실험적으로 결정될 수 있다. 제어 유닛(706)은 클러스터(716)에 부착된 모터 외에도 바퀴(712 및 714)에 부착된 모터를 제어할 다양한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 또한, 제어 유닛(706)은 후술되며 운송 장치(700)를 안정화하는 역할을 하는 다양한 제어 루프를 포함할 것이다.
일 실시예에서, 제어 유닛(706)은 그 위에 축 구조로 부착된 클러스터(716)를 갖는다. 그러므로, 수직에 대한 클러스터(716)의 각도 방위의 변이는 제어 유닛(706)의 방위에 동등한 변화를 주지 않는다. 제어 유닛(706)의 상단이 수평적으로 이동하는 각(제어 각 θc로 표시)과 클러스터(716)가 수직으로부터 이동하는 각(중력에 대한 클러스터 위치를 표시하는 φc) 사이의 변위는 본 명세서에서 상대 클러스터 위치로 칭하고 θc 로 표시된다. θc 는 무게 중심(704)에 대한 제어 유닛(706)이 상단의 각도 방위를 표시한다.
다시, 향상 모드의 포괄적인 목적은 무게 중심(704)을 비교적 운송 장치(700)의 풋프린트내의 지점에 위치시키려는 것이다. 일부 실시예에서, 향상 모드는 무게 중심(704)을 클러스터(716)의 중심점(718)위에 위치시키려고 시도할 것이다. 이 실시예는 클러스터(716)의 중심점(718) 수직 위로 위치한 무게 중심을 갖고 지면 상에 운송 장치(700)의 4개의 바퀴 모두를 위치시키려고 시도하는 안정화에 대한 것이다. 이러한 조건이 충족되는 경우, 운송 장치(700)는 실질적으로 안정화된 위치에 있다. 또한, 플랫폼(702)의 하단을 수평축과 실질적으로 평행하게 유지하는 것이 바람직하다. 플랫폼(702)의 하단이 수평축과 실질적으로 평행하면, 사용자는 보다 안정감 있게 느끼게 되므로, 보다 편안해질 수 있다.
클러스터(716)의 수직축(740)은 수평으로부터 소정 각도로 이동하는 것을 도시한다. 그러나, 플랫폼(702)의 하단은 수평에 실질적으로 평행을 유지한다. 이러한 조건은, 예를 들면 운송 장치(700)가 경사진 면을 횡단하는 경우에 발생할 것이다. 무게 중심을 운송 장치(704)의 풋프린트 내에 유지시키기 위해서는, 클러스터(716)와 하단부(724) 사이의 각이 감소될 필요가 있다. 이러한 감소는, 반시계 방향으로 클러스터(716)를 회전시켜 하단부(724)를 전진하게 하는 피봇점(730)에 접속된 모터에 의해 달성될 수 있다.
상술한 것처럼, 클러스터 안정화 루틴만을 제공하는 일부 환경에서는 수직으로부터의 클러스터 변위가 너무 작은 경우(φc=0), 운송 장치를 효과적으로 밸런싱하지 못한다. 일부 실시예에서, 바퀴의 회전을 이용하여 밸런싱을 유지하는 것이 가능하여 장치의 풋프린트 위에(또는 적절한 관계로) 무게 중심을 위치시키는데 도움을 준다. 또한, 2개의 바퀴 상의 밸런싱은 운송 장치의 이용성을 감소시키는 것으로 판명되었다. 예를 들면 2개의 바퀴만으로 밸런싱을 유지하여, 평탄하지 않은 노면에서 사용하는 것은 상당히 어려울 수 있다. 예를 들면, 2 바퀴 장치로 연석을 넘어가기 위해, 운송 장치를 바로 들어올리는데 필요한 바퀴에 가해지는 토크량은 상당하다. 바퀴를 수직 노면을 따라 위로 들어올리기 위해 모든 토크가 인가되는 경우, 운송 장치를 실질적으로 수직 위치에 유지하기 위하여 필요한 제어는 심하게 방해를 받게 된다.
일부 실시예에 따르면 향상 모드는 이러한 문제점을 제기한다. 향상 모드는 무게 중심을 운송 장치의 풋프린트를 한정하는 영역 위에 수직적으로 위치시키기 위하여 휠 밸런싱 기술과 클러스터 밸런싱 기술을 이용한다. 클러스터 및 휠 밸런싱 알고리즘의 이용은 운송 장치가 불균일 노면을 횡단하는 경우에 종래 기술보다 휠씬 더 안정한 운송 장치를 제공한다.
일 실시예에서, 이러한 새로운 향상 모드는 수개의 서브-모드를 포함한다. 예를 들면, 향상 모드는 휠 PD("proportional derivative") 모드, 휠 POC(pendulum-on-a-cart) 모드 및 휠 밸런스 모드(라벨로 이용된 이름들은 제한하거나 묘사하는 것으로 의도된 것은 아님)를 포함한다. 이들 다양한 서브-모드 각각은 상이한 환경에서 적용가능하다. 일 실시예에서, 본 발명은 운송 장치의 현재 동작 특성에 의존하는 이들 서브-모드들 간을 전환할 수 있다.
도 7A에서 정의된 목표 및 파라미터(예를 들면, 각도)가 주어지면, 제어 유닛은 많은 다른 유형의 노면을 횡단하는 운송 장치를 안정화시킨다. 일 실시예에서, 제어 유닛은 운송 장치의 안정화를 돕기 위하여 이득 계수를 구현하는 하나 또는 수개의 제어 루프를 포함한다. 다른 실시예에서, 제어 유닛은 각각의 모드에 대해 서로 다른 제어 구조를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명에서 구현될 수 있는 제어 루프(800)의 예이다. 제어 루프(800)는 예를 들면 모터 및 운송 장치의 다양한 파라미터를 모니터하는 다수의 센서를 포함하는 플랜트(802)를 포함한다. 적어도 하나의 일부 경우에는 다수의 파라미터가 플랜트(802)로부터 제어 루프(800)로 피드백될 것이다. 예를 들면, 인간 운송 장치의 프레임 피치(804) 및 피치 레이트(806)는 피드백된다. 각각의 파라미터들은 궁극적으로 플랜트에 다시 인가되는 제어 신호(합산기(810)의 출력)를 생성하기 위하여 이득 계수(예를 들면, 이득 계수(808a, 808b))와 곱해진다. 주어진 파라미터들이 곱해지는 계수의 값이 높으면 높을수록, 그 파라미터는 제어 신호의 값에 더 많은 영향을 미친다. 운송 장치에 적용될 수 있는 제어 루프의 다른 예는 아래에 더욱 상세히 설명된다(도 20 및 도 21).
도 7A 및 도 7B를 다시 참조하면, 운송 장치의 동작을 모델링하는 한가지 방법은 클러스터 피봇 조인트(730)를 축으로하여 회전하는 반전된 진자(pendulum)로서 시스템을 모델링하는 것이다. 물론, 시스템은 수개의 다른 방식으로 모델링될 수 있다. 시스템의 전체(위치 및 운동 에너지 포함) 에너지(E)는 아래와 같이 서술된다.
Figure 112001031150960-pct00003
여기서, J는 프레임 관성(운송 장치, 사용자 및 임의의 페이로드 포함), θ1는 프레임 피치, θ1'는 피치 레이트(θ1의 시간에 대한 도함수), m은 프레임 중량, g는 중력, L1는 무게 중심(704)으로부터 클러스터 피봇 조인트(730)까지의 간격(L1은 플랫폼 높이 H에 좌우됨)이다. 이 수식은 코사인에 대한 작은 각 근사치를 이용하여 다음과 같이 간략화될 수 있다.
Figure 112001031150960-pct00005
운송 장치(700)는 전체 에너지가 0과 같을 때 가장 안정하다. 이는 적어도 2가지 경우에 발생할 수 있다. 제1 예에서, 프레임 피치(θ1) 및 피치 레이트(
Figure 112005013287831-pct00006
)는 0과 같다. 이 예에서, 운송 장치(700)는 완전히 정지되어 있다. 다른 예에서, 프레임 피치(θ1)는 네거티브(도 7B)일 수도 있지만, 무게 중심(704)은 앞으로 이동한다. 무게 중심이 프레임 피치(θ1)에 반작용하기에 충분한 피치 레이트(
Figure 112005013287831-pct00007
)로 앞으로 이동하는 경우, 전체 에너지는 다시 0으로 될 것이다. 그러므로, 프레임 피치(θ1)와 프레임 속도(
Figure 112005013287831-pct00008
) 사이의 관계를 정의하여 상기 수식이 0이 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 간략화된 에너지 수식이 0으로 설정되는 경우, 아래의 수식이 유도된다.
Figure 112001031150960-pct00009
이 수식은 2개의 예 중 하나에서 0이 된다. 하나는 피치 항
Figure 112005013287831-pct00010
이
Figure 112005013287831-pct00011
에 더해지는 경우이고 다른 하나는 피치 항이
Figure 112005013287831-pct00012
로부터 차감되는 경우이다. 양의 해는 운송 장치가 수직 방향으로 뒤로 이동하는 경우를 표시하고, 음의 해는 장치가 전체 에너지가 0인 경우에도 앞으로 계속 진행하는 경우를 표시한다. 그러므로, 양의 해는 밸런스 표시기(q0)를 결정하기 위해서 선택되되, 아래의 수식으로 표시된다.
Figure 112001031150960-pct00013
여기서, ωn는 반전된 진자
Figure 112005013287831-pct00014
의 고유 진동수와 동일하다. 상술한 내용으로부터 명백한 것처럼 시스템은 q0 = 0인 경우 가장 잘 밸런싱된다. 다르게는, 0 이상 또는 이하인 경우, 운송 장치는 완전히 밸런싱된 것이 아니고 다양한 보정이 되어야 한다는 것을 표시한다. 후술하는 것처럼 q0의 값은 운송 장치가 향상 모드의 다양한 서브-모드 사이에 전달하도록 하는 값으로서 이용된다. 물론 q0 외의 값들은 어떻게 운송 장치가 모델링되는지에 따라 이용될 수 있다.
향상 모드
다시, 운송 장치의 하나의 운전 모드는 "향상 모드"이다. 램프, 자갈 및 연석 등의 비평면 지형을 횡단하는 능력을 향상시키기 위한 향상 모드가 적용될 수도 있다(그러나 불필요할 수도 있다). 클러스터 및 바퀴는 함께 사용되어 동적 안정성을 제공한다. 향상 모드는 밸런싱 모드가 몇몇 이유로 안정성을 유지할 수 없을 경우(즉, 견인력 상실, 바퀴의 회전 불능 등) 동적 안정성을 회복하고자 하는 방법으로서 사용될 수도 있다.
운송 장치의 다양한 조건에 따라, 향상 모드의 다른 서브-모드가 수행될 필요가 있다. 이들 서브-모드들은 본 명세서에서는 다음과 같이 참조될 것이다.
제1 서브-모드는 휠 PD 모드로서 참조될 것이다. 휠 PD는 동작을 위한 사용자 명령에 응답하는 모드이며 정적으로 안정하며 횡단되는 노면내의 가벼운 변동을 처리할 수 있다. 휠 PD 모드에서 운송 장치는 사용자 명령을 엄밀히 따른다. 몇몇 실시예에서, 이것에 의해 사용자가 램프 상에서 드라이브하고, 적절하게 회전하고 작은 융기와 같은 다양한 장애물을 넘도록 할 수 있다. 휠 PD 제어기는 휠 PD 모드에 있을 때 운송 장치가 사용자 입력에 매우 잘 응답한다는 점에서 본보기가 될 수 있다. 이것은 사용자가 운송 장치의 동작을 상당히 제어할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 이것은 바퀴에 전송되는 사용자 입력 명령에 높은 이득 값을 적용함으로써 달성될 수 있다. 사용자 입력 명령에 적용된 높은 이득 레벨은 바퀴에 유용한 최대의 토크량을 제공할 수도 있다. 그러나, 이러한 바퀴 이득의 고유한 강성(stiffness)으로 인해, 바퀴 가속의 갑작스런 변동(즉, 고속 출발 또는 고속 정지)은 무게 중심을 앞으로 또는 뒤로 위치 설정하게 된다. 이것은 클러스터를 회전시킴으로써 시스템에 교정 토크를 인가하고자 할 때 한 쌍의 휠을 땅에서 들어올리게 할 수 있다. 이러한 토크가 인가되면, 휠 PD는 아마 적절하지 않을 것이다. 따라서, 장치는 제2 모드인 휠 POC 모드로 전환될 수도 있다.
휠 POC의 목표는 4개의 바퀴 모두가 땅위에 있고 무게 중심이 클러스터의 2개의 종단점들 사이의 클러스터 상에 위치하도록 운송 장치를 안정화시키는 것이다. 이러한 모드에서, 풋프린트 내의 기준 위치에 무게 중심을 배치시키기 위한 시도에서 바퀴와 클러스터 모두가 사용된다. 이러한 모드에서, 바퀴는 풋프린트 상의 무게 중심을 변형하기 위해 피치 정보를 사용한다. 클러스터 조인트 중심에 무게 중심을 위치시키는 방식으로 바퀴를 제어하면, 사용자에 의해 주어진 명령와 때때로 일치하지 않을 수도 있다. 이것을 적합하게 하기 위해, 휠 POC 서브-모드의 제어 유닛에 의해 이용되는 이득 또는 구조는, 사용자 명령에는 약한 영향을 주면서 피치 및 레이트 신호에 보다 많은 영향을 준다. 일반적으로, 운송 장치의 안정성이 문제가 될 때 휠 POC 서브-모드만이 동작하기 시작할 수도 있다. 예를 들어, 문제가 되는 안정성은 큰 장애물 또는 매우 울퉁불퉁한 노면을 드라이브할 때 발생될 수도 있다.
본 기술 분야의 숙련자라면 쉽게 실현하는 것과 같이, 무게 중심이 클러스터의 종단점들 사이의 실질적으로 중심에 위치할 때, 운송 장치의 안정화를 위해 클러스터만의 회전만이 효과적이다. 피치 에러(즉, 무게 중심이 클러스터의 중심에서 실질적으로 소정 위치 옮겨진 양)가 한 세트의 바퀴 상에 무게 중심을 위치시키킬 정도로 크면, 주요 안정화 수단으로서 클러스터는 덜 효과적이며 바퀴가 사용될 필요가 있을 수도 있다. 따라서, 향상 모드는 또한 휠 밸런스 서브-모드라 불리는 제3 서브-모드를 포함한다. 휠 밸런스 서브-모드의 목적은 큰 피치 교란이 있는 경우에 운송 장치를 안정화시키는 것과, 휠 PD 또는 휠 POC 서브-모드가 효과적인 방위으로 무게 중심 및 클러스터를 복귀시키는 것의 2가지이다. 상술된 바와 같이, 휠 PD 및 휠 POC는 클러스터가 수평에 가까울 때 보다 효과적일 수 있다. 휠 밸런스는 바퀴 동작의 밸런싱 모드와 유사할 수도 있고 클러스터를 회전시키는 기능을 포함한다.
상기 확인된 모드들 각각은 제어 유닛에 포함된 단일 제어 루프에서 구현될 수도 있다. 운송 장치가 현재 동작중인 향상 모드의 서브-모드에 따라, 상기 확인된 효과를 달성하기 위해 제어 루프에 다양한 이득 계수가 적용된다. 각각의 서브-모드의 이득은, 예를 들어 사용자가 운송 장치를 제어할 수 있는 양 및 운송 장치 자체가 동적으로 안정화되는 양만큼 변화될 수도 있다. 게다가, 각각의 서브-모드는 개별 제어 구조로서 구현될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 운송 장치의 제어 유닛은 다양한 이득 또는 제어 구조를 달성할 수도 있다. 향상 모드의 서브-모드들 간에서 전환되는 때(그리고 적절한 실시예의 이득 또는 제어 구조를 전화시킬 때)를 알기 위해 몇몇 기본 전환 기준이 수립되어야 한다. 몇몇 실시예에서, 휠 PD와 휠 POC 사이에 전환시키는 데 양 q0이 사용될 수도 있다. 게다가, 휠 PD 또는 휠 POC 로부터 휠 밸런스 모드로 전환시키는 데 값 φc(중력에 대한 클러스터 위치)이 사용될 수도 있다. (물론, 다른 실시예에서는 추가 또는 대체하여 다른 파라미터가 사용될 수도 있다)
향상 모드에서의 다양한 모드들간의 전환은 중력에 대한 클러스터 위치 φc에 좌우될 수도 있다. 도 9는 φc의 여러 값의 그래픽 표시(900)를 도시한다. 다시, φc는 중력에 대한 클러스터 위치를 나타내며, 수직 클러스터 위치가 0인 φc를 발생시키며 수평 클러스터 위치가 90°인 φc를 발생시키도록 측정된다. 도 9의 그래픽 표시에서, 수직축(902)은 0인 φc를 나타내며 수평축(904)은 90°인 φc를 나타낸다. 본 실시예에서, 운송 장치는 각도 φc가 90°에 가까울 때 휠 POC 또는 휠 PD로 유지될 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 운송 장치가 휠 POC 또는 휠 PD로 유지되는 영역은, 수평축(904)과 선(908) 사이에 위치된 영역(906)이다. 중력에 대한 클러스터 각도 φc가 선(908) 이하로 유지되면, 운송 장치는 휠 POC 또는 휠 PD로 유지될 수도 있다. φc가 선(910)으로 표시된 값 이상으로 중가하면, 운송 장치가 휠 밸런스 모드로 천이되어 유지된다. 즉, φc가 수직축(902)과 선(910) 사이의 영역(912)에 유지되는 동안, 운송 장치는 휠 밸런스 상태로 유지될 것이다. 그러나, 본 실시예를 위한 적절한 운전 모드를 선택하기 더욱 어려운 선(910)과 선(908) 사이의 영역(914)이 있다. 이 영역(914)에서는 휠 밸런스 모드 또는 다른 모드 중의 하나에 운송 장치가 있어야 할지를 판정하기 위해 다양한 다른 요인들이 고려될 수 있다. 프레임각과 피치 레이트에 의해 결정될 수 있는 것처럼, 무게 중심이 장치의 풋프린트에 근접하고 있거나 지나치면, 운송 장치는 휠 PD 또는 휠 POC로 전환되어야 한다. 무게 중심이 지면 접촉 부재를 거의 지나치면, 운송 장치는 휠 밸런스 모드로 전환되어야 한다. 선(910)과 선(908)의 위치에 대한 예시적인 각도 값은 각각 30°및 60°이다.
일실시예에 따르면, 휠 PD에서 휠 POC로의 천이 및 그 역천이는 제어 스위치값 σ에 기초하여 결정될 수 있다. σ는 q0와 관련하여 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112001031150960-pct00027
여기에서 Al은 스케일링 상수이고 LPF(q0)는 입력 신호 q0가 제공된 1차 저역 통과 필터의 출력이다. φ'c는 횡단되고 있는 노면의 평탄성의 개략적인 표시를 제공할 수 있다. 예를 들면, φ'c의 크기는 빠른 클러스터 방위 변화로 인해 고르지 않은 노면에서 클 것이다. 마찬가지로, φ'c의 크기는 평탄한 노면에서는 보다 작을 것이다. 1.66인 Al의 값이 여러 실시예에서 효과적인 값이라는 것이 실험적으로 알려져 있다.
모드 사이에서 자주 바뀌는 것을 방지하기 위해서 결정의 히스테리시스 유형이 전환 모드에서 만들어질 수 있다. 예를 들면, σ는 진입값(예를 들면, 1) 이상이면, 운송 장치는 휠 POC로 들어간다. 운송 장치는 σ값이 운송 장치가 휠 PD로 전환되는 점인 퇴거값(예를 들면, 0.5) 이하로 떨어질 때까지 휠 POC에서 머물 것이다. 물론, 진입값 및 퇴거값은 운송 장치의 동작 특성에 따라 변동될 수 있다.
도 10은 σ값이 결정될 수 있는 일실시예의 데이터 흐름도를 도시한다. 외부 입력은 데이터 블럭(1002)에 포함된 피치 레이트(θ1'), 데이터 블럭(1004)에 포함된 프레임 피치(θ1), 데이터 블럭(1006)에 포함된 중력에 대한 클러스터 속도이다. 프레임 피치(θ1)는 블럭(1006)에서 반전된 진자의 자연 주파수 ωn과 승산된다. 블럭(1006)의 출력은 합산 블럭(1008)에서 데이터 블럭(1002)로부터 수신된 피치 레이트에 가산된다. 합산 블럭(1008)의 출력은 q0이다. 값 q0은 그리고나서 블럭(1010)에서 저대역 통과 필터를 통과한다. 그리고나서, q0 신호의 저대역 통과 필터링된 절대값이 블럭(1012)에서 결정된다. 블럭(1012)의 출력은 그리고나서 데이터 블럭(1006)의 클러스터 속도 φ'c가 블럭(1014)에서 대역 통과 필터를 통과한 후에 절대값이 블럭(1020)이 결정된 값과 합산기(1016)에서 가산된다. 합산기(1016)의 출력은 그리고나서 저대역 통과 필터(1018)를 통과하고 저대역 통과 필터(1018)의 출력은 상술한 수식에 따른 σ값이다.
도 11은 φc 및 σ에 기초한 (본 실시예에서) 향상 모드의 서브-모드사이에서 전환할 때를 판정하는 방법의 흐름도의 일실시예를 도시한다. 물론, 운송 장치가 모델링되는 방법에 따라 다른 스위칭 기준이 사용될 수 있따. 프로세스는 φc 및 σ의 현재 값이 수신되는 블럭(1102)에서 시작한다. 블럭(1104)에서 φc가 WBon 미만인지를 판정한다. 가변적인 WBon은 그 아래에서는 운송 장치가 항상 휠 밸런스 모드에 머물러야 하는 각도값을 표현한다. 이는 도 9에 선(910)과 수직축(902) 사이의 영역(912)으로 도시되어 있다.
블럭(1106)에서 φc가 WBon 보다 작으면, 운송 장치가 현재 휠 밸런스 모드에 있는지가 판정된다. 운송 장치가 현재 휠 밸런스 모드에 있으면 더이상의 프로세싱이 필요하지 않고 프로세스는 블럭(1102)으로 돌아간다. 그러나, 운송 장치가 휠 밸런스 모드에 있지 않으면, 블럭(1108)에서, 운송 장치가 휠 밸런스 모드로 전환되고 프로세스는 블럭(1102)으로 돌아간다.
φc가 WBon보다 작지 않으면, 블럭(1110)에서 φc가 WBoff보다 큰지가 판정된다. WBoff 값은 그 아래에서는 운송 장치가 휠 POC 모드 또는 휠 PD 모드에 있어야 하는 값인 θc 값이다. WBoff 는 도 9에 선(908)으로서 표시되어 있다. φc가 WBoff 보다 크면 프로세싱은 휠 PD/휠 POC 히스테리시스 프로세싱 섹션(1112)로 이동한다. φc가 WBoff 보다 크지 않으면, φc 값이 도 9의 선(910)과 선(908) 사이의 영역(예를 들면, 영역(904))에 있다는 것이 알려져 있다. 상술한 바와 같이, 이 영역에서는, 무게 중심이 클러스터의 바퀴의 하나의 축 근처에 있으면, 운송 장치는 휠 밸런스 모드로 전환되어야 한다. 그러므로, 블럭(1114)에서, 무게 중심이 바퀴 축의 하나 근처에 있는지가 판정된다. 무게 중심이 바퀴 축의 하나 근처에 있으면, 블럭(1116)에서 운송 장치는 휠 밸런스 모드로 전환되고 프로세싱은 블럭(1102)로 돌아간다. 그러나, 무게 중심이 바퀴 축의 하나 근처에 있지 않으면, 프로세싱은 휠 PD/휠 POC 히스테리시스 프로세싱 블럭(1112)로 들어간다. 상술한 바와 같이, 무게 중심의 위치는 언제 모드를 전환할 지를 판정할 때 고려하기에 편리한 값이다. 그러나, 무게 중심이 실제로는 운송 장치의 동작 특성에 기초한 추정된 위치일 수 있다는 것을 주의해야 한다. 예를 들면, 무게 중심은 운송 장치의 프레임 피치 및/또는 피치 레이트 모두의 표현일 수 있다. 이러한 값들은 (다른 값은 물론) 운송 장치에 포함될 수 있는 위치, 속도, 및 가속 센서로부터 유도될 수 있다.
히스테리시스 프로세싱 블럭(1112)는 σ값에 기초하여 휠 POC와 휠 PD사이를 전환하는데 관한 상술한 기능을 수행한다. 블럭(1112) 내에서, 블럭(1118)에서 운송 장치가 현재 휠 POC 모드에 있는지 먼저 판정된다. 운송 장치가 휠 POC 모드에 있다면, 블럭(1120)에서 σ가 0.5보다 큰지를 판정한다. 운송 장치가 휠 POC에 있 다고 이미 판정되어 있기 때문에, σ값은 휠 PD 모드로 전환하기 위해서는 0.5 아래로 떨어져야 한다. 그러므로, 블럭(1120)에서 σ가 0.5보다 크다고 판정되면, 운송 장치는 휠 POC 모드에 머물러야 하고 프로세싱은 블럭(1102)로 돌아간다. 그러나, σ가 0.5 아래로 떨어졌다면, 운송 장치는 블럭(1122)에서 휠 PD 모드로 전환되고 프로세싱은 블럭(1102)로 돌아간다.
블럭(1118)에서 운송 장치가 현재 휠 POC에 있지 않다고 판정되었고, 블럭(1124)에서 σ가 1보다 높아졌다고 판정되면, 운송 장치는 휠 PD 모드에 머물러야 하고 프로세싱은 블럭(1102)으로 돌아간다. 그러나, σ가 1보다 커졌다면, 운송 장치는 휠 POC 모드로 블럭(1126)에서 전환되고 프로세싱은 블럭(1102)으로 돌아간다. 상기에서 주어진 전환을 위한 값이 단지 예시를 위한 것임을 알아야 한다. 이 값들은 예를 들면 사용자의 무게, 운송 장치의 무게, 운송 장치의 다양한 센서의 정확성 등에 기초하여 변경될 수 있다.
각 모드에서의 다양한 안정화 제어와 함께 상술한 다양한 전환 프로세스는 운송 장치의 바퀴 및 클러스터 모두를 구동하여 효과를 낼 수 있다. 각 바퀴는 별도의 모터에 의해 독립적으로 구동될 수 있다. 대안적으로, 바퀴의 일부가 모터 하나에 의해 구동되거나 하나의 공통 축에 부착된 두 개의 바퀴가 단일 모터에 의해 구동될 수 있다. 또한, 클러스터는 별도의 모터를 포함할 수 있다.
운송 장치가 구성되는 방법에 상관없이, 바퀴와 클러스터를 제어할 명령은 운송 장치는 향상 모드의 모든 모드에서 안정을 유지할 수 있는 전압 Vw 및 Vc로 각 각 표현된다.
Figure 112001031150960-pct00042
전압은 출력 토크를 생성하기 위해 전기 모터의 드라이브에 인가된 전압을 표현한다. 물론, 드라이브는 전기적일 필요가 없고, 모든 경우에 전압과 다른 값이 사용될 수 있다. 변수 X는 운송 장치의 수평 위치 에러를 표현하고 운송 장치의 수평 위치와 운송 장치의 소망 수평 위치 사이의 차이이다. 부호 ′(프라임)은 시간 미분을 표시한다. 계수 K1-K8는 향상 모드의 어느 서브-모드에서 운송 장치가 동작하는지에 따라 변동한다.
각 모드에 대해 제어 유닛에 의해 사용될 수 있는 이득 계수 K1-K8의 상대적인 값의 예가 아래의 표1에 제시되어 있다. 어느 이득이 이용되는 지에 따라, 제어 유닛은 운송 장치를 적용가능한 서브-모드에 해당하는 다양한 방식으로 제어할 것이다.
Figure 112001031150960-pct00043
표 A에 나열된 각 이득값의 상대적 크기 및 부호는 각 서브-모드를 구별하기에 충분하다. 표 A1에서, ++ 값은 + 값보다 크다. 0인 값은 0과 반드시 정확하게 같다기 보다는 매우 작은 값을 표현하는 것일 수 있다.
도 12A는 본 발명과 결합하여 사용될 수 있는 제어 유닛(1200)의 블럭도를 도시한다. 본 실시예의 제어 유닛(1200)은 상술한 Vc 및 Vw 에 대한 수식에 따라 클러스터와 클러스터에 부착된 바퀴를 모두 제어한다. 클러스터의 주요 역할은 중력에 대한 프레임 에너지에 기초하여 토크를 인가하는 것이다(즉, 클러스터는 플랫폼을 중력에 대해 소망 피치 각에 유지하도록 회전된다). 향상 모드에서, 바퀴는 두가지 조건을 모니터링하면서 사용자로부터의 명령을 따라야 한다. 중력에 대한 클러스터 위치가 변경되거나(즉, 지면 기울기가 변경됨), 크기 q0가 크면, 바퀴는 위치/속도 제어 대신에 밸런싱 제어를 사용하여 클러스터가 프레임을 수직으로 하도록 사용자의 제어로부터 전환할 수 있다. 중력에 대한 클러스터의 각도가 줄어들면(즉, 클러스터가 수직에 가까워지면), 이동하는 거리를 최소화하면서 클러스터가 보다 수평 방위으로 떨어지게 하는 것이 목표이다. 이로써 사용자는 운송 장치에서 편안하게 지탱되어 있을 것이 보장할 수 있게 한다.
제어 유닛(1200)은 바퀴 제어기(1202) 및 클러스터 제어기(1204)를 포함할 수 있다. 바퀴 제어기(1200)는 지향적인 사용자 입력(예를 들면, 조이스틱으로부터 수신된) 운송 장치의 현재 동작 특성에 관한 다양한 입력을 수신할 수 있다. 입력으로부터, 바퀴 제어기(1202)는 바퀴 모터를 제어하는 바퀴 제어 전압 Vw을 생 성할 수 있다. Vw의 값은 운송 장치가 노면을 횡단하여 구동되도록 하기 위해 바퀴 모터가 운송 장치의 여러 바퀴에 토크를 인가하게 한다. 상술한 바와 같이, 운송 장치는 각 바퀴에 대한 모터를 포함할 수 있고, 독립적인 값 Vw은 각 바퀴의 모터에 대해 생성될 수 있다. 이 방식에서, 운송 장치의 스티어링은 바퀴에 차동 바퀴 전압을 인가하여 달성될 수 있다.
클러스터 제어기(1204)는 일반적으로 클러스터 특정 정보 이외에 운송 장치에 관한 여러 위치적 입력도 또한 수신할 수 있다. 클러스터 제어기(1204)는 이 정보를 클러스터 모터 제어 전압 Vc로 변환한다. 클러스터 모터는 신호 Vc를 수신하여 클러스터를 축을 중심으로 회전시킨다.
일실시예에서, 바퀴 제어기(1202)는 데이터 블럭(1206)으로부터 프레임의 피치(θ1)를 표현하는 데이터로부터의 입력을 수신할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 것과 같이 데이터는 하나의 값으로서 포지티브하게 설명되었음을 주의해야 한다. 예를 들면, 프레임 피치는 각도 값으로서 표현되었다. 그러나, 운송 장치의 방향 제어 및 안정성 모두를 제어하기 위해 사용된 모든 값은 주어진 파라미터가 소망 위치로부터 떨어져 있는지를 표현하는 에러항으로서 표현되거나 많은 다른 방식으로 표현될 수 있다. 예를 들면, 프레임의 피치는 현재 프레임 피치가 소망 피치와 얼마나 다른지를 나타내는 값으로서 표현될 수 있다. 즉, 에러 신호는 현재 프레임 피치와 클러스터의 중심점에 직접 무게 중심을 놓는 프레임 피치 간의 차이와 동일할 수 있다. 또한, 여러 각도가 본 명세서에서 도로서 명시된 반면, 각 각도 는 라디안 또는 운송 장치가 이 값을 수신할 때 소망 응답을 갖도록 캘리브레이션된 "카운트"(전체 수 값)로 표현될 수도 있다.
바퀴 제어기(1202)는 데이터 블럭(1208)으로부터 프레임 레이트 표시를 수신할 수도 있다. 프레임 레이트는 프레임이 이동하는 회전 레이트를 표시하고 데이터 블럭(1208)의 프레임 피치의 시간 미분치로서 표현될 수 있다. 또한, 프레임이 이동하는 레이트는 클러스터와 비교하여 플랫폼의 높이와 상관있을 수 있다. 의자가 올려지면, 프레임 레이트 입력에 적용되는 이득(후술됨)은 운송 장치 및 궁극적으로는 사용자가 전복되지 않도록 하기 위해 프레임 레이트 정보에 더욱 바람직한 응답을 주도록 변형될 수 있다.
바퀴 제어기(1202)는 데이터 블럭(1210)으로부터 각 바퀴가 회전하고 있는 현재 속도도 수신받을 수 있다. 이 속도는 예를 들면 증분 단위로 표현되거나 회전의 레이트에 기초할 수도 있고 ωwheels로 표현된다.
바퀴 제어기(1202)는 조이스틱과 같은 사용자 입력으로부터 여러 입력을 수신받을 수 있다. 통상적으로, 이 입력들은 데이터 블럭(1212)에 포함된 소망 바퀴 속도로서 표현된다. 소망 바퀴 위치는 소망 이동 방향 및 이동 속도를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 바퀴 제어기(1202)는 데이터 블럭(1214)으로부터 현재 바퀴 위치의 표시를 수신할 수도 있다. 블럭(1212)에 실시된 것과 같은 소망 바퀴 위치는 사용자 입력 명령에 응답하기 위해서 바퀴가 구동되어야 하는 차동 속도 및 방향을 결정하기 위해서 바퀴 제어기(1202)에 의해 현재 바퀴 위치와 비교될 수 있다. 방향적 차동 정보는 운송 장치를 돌리기 위해서 다른 바퀴에 부착된 다른 모터가 다른 바퀴 전압 Vw을 수신하게 할 수 있다.
클러스터 제어기(1204)는 바퀴 제어기(1202)에 의해 수신된 블럭(1206)으로부터의 프레임 피치 및 블럭(1208)으로부터의 프레임 레이트를 수신할 수도 있다. 클러스터 제어기(1204)는 클러스터 위치를 데이터 블럭(1216)으로부터 수신할 수도 있다. 이 클러스터 위치는 상기 φc로 설명되었다. 다시, 클러스터 제어기(1204)는 운송 장치의 풋프린트에 무게 중심이 놓이도록 클러스터를 회전시키기 위해 시도할 수 있다.
클러스터 제어기(1204)는 데이터 블럭(1218)으로부터 클러스터 속도를 수신할 수도 있다. 클러스터 속도는 클러스터가 클러스터를 통해 수평으로 통과하는 회전 축을 중심으로 회전하는 레이트로서 표현될 수 있다. 이 클러스터 레이트는 데이터 블럭(1218)로부터 수신된 클러스터 위치의 시간에 대한 미분치일 수 있다. 위치 및 속도 모두는 운송 장치에 포함된 적절한 센서에 의해 결정될 수 있다. 적절한 센서는 가속계, 속도 센서, 및 위치 보고 센서를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 제어 유닛은 모드 제어기(1220)를 포함할 수 있다. 모드 제어기(1220)는 여러 모드에서 다른 모드로의 전환을 제어할 수 있다. 모드 제어기(1220)는 독립적인 제어기이거나 또는 바퀴 제어기(1202) 및 클러스터 제어기(1204)의 하나 또는 모두와 집적될 수 있다.
모드 제어기(1220)는 현재 모드(1222)를 출력할 수 있다. 현재 모드는 데이터 블럭(1224)으로부터 수신된 사용자 선택 모드에 기초할 수 있다. 현재 모드는 모드 제어기가 바퀴 제어기(1202) 및 클러스터 제어기(1204)에 의해 수신된 일부 또는 전체 입력에 기초하여 운송 장치가 있어야 한다고 결정한 향상 모드의 특정 서브-모드를 특정할 수도 있다. 또한, 현재 모드는 바퀴 및/또는 클러스터 제어기(1202, 1204) 각각 내에 배치될 수 있는 제어 루프에 인가될 올바른 이득, 또는 어느 제어 구조가 선택되어야 할지를 판정하기 위해서 제어 유닛(1200)에 의해 사용될 수 있다.
일실시예에서, 계산된 전압 Vw 및 Vc이 전기 모터를 구동하기 위해 사용된다. 그러나, 수력 액추에이터, 연소 엔진 등과 같은 다른 유형의 액추에이터가 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 수식 또는 액추에이터의 다양한 동작 파라미터를 고려할 수 있는 다른 수식에 따라 전압이 아닌 제어 신호가 계산되어 액추에이터에 인가될 수 있다.
Vw 및 Vc이 전기 모터를 구동하기 위해 사용된 일실시예에서, 전압은 바퀴 모터 및 클러스터 모터 각각에 부착된 증폭기에 듀티 사이클 명령을 생성하기 위해서 배터리 전압에 의해 분할될 수 있다.
도 12B는 제어 유닛(1200)의 기능 블럭도이다. 제어 유닛(1200)은 마이크로프로세서(1250)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(1200)는 바퀴 제어 루프(1252) 및 클러스터 제어 루프(1254)에 버스(1256)를 통해 링크되어 통신할 수 있다. 마이크로프로세서는 바퀴 제어 루프(1252) 및 클러스터 제어 루프(1254)로부터 여러 센서 입력을 수신하고 이 입력으로부터 도 7A 및 도 7B에 관해 상술된 임의의 값을 결정할 수 있다. 예를 들면, 마이크로프로세서는 바퀴 및 클러스터 제어 루프(1252, 1254) 각각의 하나 또는 모두의 속도 센서로부터 수신된 데이터에 기초하여 운송 장치의 피치 레이트를 결정할 수 있다. 예를 들면, 이러한 결정은 마이크로프로세서(1250)에 포함된 소프트웨어 또는 하드웨어로 이루어질 수 있다. 또한, 후술된 마이크로프로세서(1250)는 무게 중심의 위치와 함께 그에 기초하여 결과적인 소망 방위를 결정하는 계산을 수행할 수 있다.
마이크로프로세서(1250)는 전원(1258)(예를 들면, 배터리)으로부터 전력을 수신할 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로프로세서(1250)는 바퀴 및 클러스터 제어 루프(1252, 1254) 각각이 예를 들면 운송 장치의 현재 운전 모드에 따라 수신할 수 있는 전력량을 결정할 수 있다. 또한, 사용자 입력은 사용자 입력 블럭(1260)으로부터 수신될 수 있다. 이 사용자 입력은 후술하는 것처럼 운송 장치가 있는 특정 운전 모드에 기초하여 제어 유닛(1200)에 의해 고려 양을 변경하도록 주어질 수 있다.
도 13은 제어 유닛(1302)를 포함하는 제어 루프(1300)이다. 제어 유닛(1302)는 도 12A 및 도 12B의 제어 유닛(1200)과 유사할 수 있다. 본 실시예에서, 제어 유닛(1302)는 여러 입력을 수신하고 바퀴 및 클러스터 제어 전압 Vw 및 Vc을 각각 출력한다.
제어 유닛(1302)은 사용자 입력 데이터 블럭(1304)으로부터 사용자 입력을 수신할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 사용자 입력들은 사용자 입력 장치의 역할을 하는 조이스틱의 편위를 감지하는 것에 의해 제공될 수 있다. 또한, 사용자 입력은 전술한 것과 같이 사용자가 지지 플랫폼에 기대있는 것을 나타낼 수 있다. 또한, 제어 유닛(1302)은 바퀴 모터(1306) 및 클러스터 모터(1308)로부터 피드백 정보도 수신할 수 있다. 제어 유닛(1302)은, 운전 모드와 바퀴 모터(1306) 및 클러스터 모터(1308)로부터 수신된 정보 및 사용자 입력값에 기초하여 값 Vw 및 Vc를 결정할 수 있으며, 그 값들에 의해 바퀴 모터와 클러스터 모터 각각은 바퀴와 클러스터의 상대적인 위치를 변경시킨다.
일부 모드에서는, 바퀴 모터 전류의 제어보다 사용자 입력에 우선 순위를 두는 것이 바람직하다. 이러한 모드의 예로는 전술한 표준 모드가 있다. 이러한 모드에서, 제어 유닛(1302)은 이득표나 특정 제어 구조(1310)로부터 선택된 것과 같은 높은 감도를 사용자 입력 명령에 제공한다. 이러한 방식으로, 사용자는 운송 장치에 대해 탁월한 제어를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 모드에서는 운송 장치의 안정성이 감소될 수 있다. 다른 모드에서, 운송 장치의 안정성을 증가시키는 것이 바람직하다. 이러한 모드에서, 사용자 입력에는 더 낮은 감도가 제공되고, 안정화 루틴에는 더 높은 감도가 제공된다. 이러한 방식으로, 운송 장치는 제어 유닛(1310) 내의 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있는 제어 파라미터에 기초하여 보다 더 안정해질 수 있다.
도 14는 본 발명의 양태에 따라 이용될 수 있는 이득표(1400)의 일례이다. 이득표(1400)는 모드 1(1402), 모드 2(1404), 모드 3(1406)의 3가지 모드를 갖는 장치를 위한 것일 수도 있다. 본 실시예의 각 모드는 3개의 이득 계수 C1, C2, C3 를 가질 수 있다. 도 14의 이득표(1400)는 단지 예로서만 제시된 것이며, 바람직한 이득값을 나타내는 것은 아니다. 즉, 도 14에 도시된 값과 모드가 반드시 본 명세서에 기재된 다양한 모드들 각각의 바람직한 계수를 나타내는 것은 아니다.
일부 실시예에서, 계수는 제어 유닛에 의해 특정 입력의 효과를 증가 또는 감소시키는 데에 이용된다. 예를 들어, 계수 C1에는 운송 장치의 위치 에러항이 곱해지고, 그 결과 위치 에러항이 운송 장치의 동작에 미치는 효과가 변화된다.
도 14의 예에서, 계수 C1은 클러스터 모터로부터 수신된 값에 의해 결정된 클러스터 위치에 제공되는 계수에 대응할 수 있다. 값 C2는 바퀴 모터로부터 수신된 바퀴의 위치의 값에 제공되는 계수에 대응할 수 있다. 값 C3는 사용자 입력으로부터 수신된 방향 벡터에 제공되는 계수일 수 있다. 이득표(1400)에서, 특정 계수에 할당되는 값이 높을수록, 제어 시스템 내에서 이득이 제공되는 입력이 더 먼저 수신될 수 있다. 예를 들어, 모드 1에서, 클러스터 계수 C1에는 1의 값이 주어진다. 1과 같이 낮은 값을 갖는다는 것은, 모드 1에서 운송 장치를 안정화하는 데에 클러스터 위치를 많이 이용하지 않는다는 것을 의미한다. 모드 1을 위한 계수 C2에는 3의 값이 주어진다. 따라서, 운송 장치의 안정화에 있어서 클러스터보다 바퀴 가 더 활성적인 부분이 된다. 마찬가지로, 모드 1의 C3에 대해서는 7의 값이 주어진다. 이와 같이 높은 C3의 값은, 모드 1이 사용자 입력에 매우 민감하다는 것을 의미한다. 따라서, 모드 1은 안정화를 거의 갖지 않는 모드로서, 사용자 입력에 대한 응답이 매우 근접하게 매칭되는 동안의 바퀴의 회전으로부터의 안정화만을 얻을 수 있다. 따라서, 모드 1은 전술한 표준 모드와 유사한 모드일 수 있다.
동일한 방식으로, 모드 2는 0의 클러스터 이득과 비교적 작은 바퀴 이득(C2 = 5)을 가지며, C3는 비교적 큰 값(C3 = 6)이어서, 사용자 입력은 근접하게 추적될 수 있다. 이 모드는, 운송 장치를 밸런싱하는 것은 주로 바퀴가 담당하고, 클러스터는 고정된 위치로 유지되는 밸런싱 모드와도 유사할 수 있다. 바퀴가 사용자 입력으로 인해 크게 간섭받지 않고 운송 장치를 안정화시킬 수 있도록 하기 위해, 사용자 입력 C3의 응답은 표준 모드(즉, 예를 들어 모드 1)보다 낮다. 그러나, 사용자 입력은 밸런싱 모드에서 바퀴가 운송 장치를 직립 위치에서 밸런싱하여 유지시키는 동안, 사용자가 노면을 횡단할 수 있게 하는 것이 바람직하기 때문에, 사용자 입력은 0으로 설정되지 않는다.
모드 3은 클러스터 위치 및 바퀴 위치가 운송 장치의 안정성에 대한 자동 제어에 관련되고 이용될 수 있도록 하는 레벨로 설정된 클러스터 및 바퀴 이득을 갖는다. 사용자가 여전히 운송 장치를 일부 제어할 수 있긴 하지만 안정화의 대부분이 클러스터 및 바퀴에 의해 자동적으로 행해지도록, 사용자 입력 이득 C3는 매우 작은 레벨로 설정된다. 예를 들어, 운송 장치가 비교적 불안정한 것으로 판정된 경우에, 그러한 모드는 향상 모드일 수 있다. 그러한 모드에서는, 운송 장치의 무게 중심이 클러스터의 끝점 간에 유지되도록 클러스터 및 바퀴가 회전된다.
제어 스케줄링
전술한 바와 같이, 향상 모드 제어기는 다양한 모드들 간에서 전환될 수 있다. 모드들을 전환하는 이유 중의 하나는, 인간 운송 장치를 안정화를 시도하기 위한 것이다. 서브-모드들 간에서 전환할 때, 제어 유닛 내의 제어 루프에 공급되는 이득이 변경될 수도 있고, 제어 구조 자체가 변경될 수도 있다. 그러나, 이득 또는 구조를 갑자기 변경시키면, 운송 장치의 동작에 갑작스러운 영향을 미치게 된다. 그 결과, 무게 중심이 급속하게 가속되어, 운송 장치가 불편하게 되고 심지어는 불안정해지게 된다. 또한, 갑작스러운 제어 변화(이득 또는 구조)는 시스템의 마모를 증가시킨다. 따라서, 모드를 평활하게 전환하는 방법이 요구된다. 시스템의 모드를 평활하게 전환하는 방법으로서 상기에서 언급한 것들은 인간 운송 장치를 제어하는 맥락에서 볼 때 효율적이다. 통상적인 기술을 가진 자라면, 원할한 모드 전환과 관련된 교시들은 인간 운송 장치에 대한 적용으로만 한정되는 것이 아니며, 모드를 전환할 수 있는 어떠한 멀티모드 시스템에라도 적용될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 아래의 설명에서는 인간 운송 장치라는 용어 대신 "시스템"이라는 용어를 사용할 것이다. 일부 실시예에서, 시스템은 피제어 장치로부터의 피드백을 포함하지만, 여기에 설명되는 스케줄링의 제어에 있어서 피드백이 반드시 필요한 것은 아니다.
다른 맥락에서 한 모드로부터 다른 모드로 평탄하게 전환하는 데에 과거에 이용되던 한 방법은, 본래 모드로부터의 이득이 새로운 모드의 이득과 동일해질 때까지 상기 본래 모드로부터의 이득을 회전시키는 것이었다. 예를 들어, 제1의 운전 모드에서 이득 K1이 4의 값이었던 것으로 가정하자. 제2 모드에 대한 이득 인수 K1은 예를 들어 10일 수 있다. 이와 같은 새로운 이득값을 직접적으로 적용하면, 시스템의 모드가 전환할 때 시스템에 갑작스러운 외란이 발생할 수 있다. 갑작스런 외란은 시스템의 동작에 영향을 미칠 수 있으며, 그 시스템이 불안정하게 되도록 할 수 있다. 따라서, 종래 기술에서, 이득값은 이득 인수(예를 들어 K1)의 값을 반복적으로 증가시키는 것에 의해 4에서 10으로 천천히 회전되었다. 예를 들어, 시각 T0에서의 이득 인수는 4, 시각 T1에서의 이득 인수는 5, 시각 T2에서의 이득 인수는 6일 수 있으며, 이득 인수가 최종값 10에 도달할 때까지 이와 같이 계속된다.
그러나, 이와 같은 방식의 동작은, 원하는 새로운 모드를 고려하는 방식으로 응답하는 한편 시스템의 동작을 안정화시키기 위한 올바른 상태에 이득값이 도달하기까지 지나치게 많은 시간이 소요되는 것으로 밝혀졌다. 또한, 시스템은 이득이 새로운 값으로 회전되기 전에 다시 모드 전환할 수 있다. 이러한 경우에서, 시스템은 새로운 운전 모드에 결코 정밀하게 도달하지 못하며, 예측 불가능한 모드들 간의 의사-모드(quasi-mode)로 유지된다. 예측 불가능함은 시스템의 효율을 저하시키는 시스템 에러를 유발한다.
또한, 시스템이 모드 변화를 겪지 않은 경우에도 시스템의 제어 명령을 평탄 하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 모터 제어기로부터 수신된 제어 신호에서의 큰 전압 불연속성은 모드 구동 시스템을 손상시킬 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 제어 유닛으로부터의 제어 명령은 피제어 장치에 공급되기 전에 평활화될 수 있다. 예를 들어, 평활화는 제어 유닛의 출력단과 제어 유닛에 의해 피제어 장치 사이에 배치된 평활화 장치에 의해 행해질 수 있다. 예를 들어, 평활화 장치는 제어 신호의 변화율을 제한하는 필터 또는 제어 신호에 옵셋값을 가산하는 합산기 중 어느 유형이라도 가능하다.
도 15는 제어 신호가 피제어 장치(1502)에 공급되기 전에 그 제어 신호를 평활화하기 위하여 구현될 수 있는 시스템의 일례이다. 시스템은 제어 신호를 생성하는 제어 유닛(1504)을 포함할 수 있다. 제어 신호는 피제어 장치의 동작을 제어하는 데에 이용될 수 있다. 제어 신호는 여러가지 이유에 의해 급격한 값 변화를 겪을 수 있다. 제어 신호의 급격한 값 변화의 일례는 시스템의 운전 모드의 변화로 인한 것일 수 있다. 평활화기(1506)는 최종적으로는 피제어 장치(1502)(즉, 평활화기(1506)의 출력단)에 공급되는 제어 신호의 변화율을 제한할 수 있다.
평활화기(1506)는 예를 들어 필터, 제어 신호에 옵셋값(가능하다면 감쇠 옵셋값)을 가산하는 합산기, 히스테리시스 제어 회로 등일 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
도 16은 제어 신호를 평활화하는 방법의 블럭도이다. 프로세스는 블럭(1600)에서 시작하며, 이 때 제어 신호의 값이 결정된다. 제어 신호는 사용자 입력, 제어 루프 출력, 미리 설정된 값 등에 의해 생성될 수 있다. 제어 신호의 값은 전압, 전류, 임의의 값의 디지탈 표현, 아날로그 신호 등과 같은 어떠한 종류의 단위로도 가능하다.
제어 신호가 결정된 후, 블럭(1602)에서 전환 프로세스가 행해진다. 전환 프로세스는 제어 신호를 평활화하는 것, 제어 신호에 옵셋을 가산하는 것, 제어 신호의 변화율을 결정하는 것, 시스템이 모드 전환하였는지를 판정하는 것을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 경우에서, 전환 프로세스는 제어 신호에 대해 아무것도 행하지 않는 것도 포함할 수 있다.
블럭(1602)에서 제어 신호가 프로세스되고 제어 신호에 대해 임의의 필요한 수정이 가해진 후에, 수정된 제어 신호는 피제어 장치 시스템에 제공된다. 시스템은 단일의 피제어 장치를 포함할 수도 있고, 수개의 피제어 장치를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 전환이 평활하고 모드들 간에서의 전환이 거의 순간적이도록 모드를 전환시키는 시스템 및 방법을 포함한다. 일 실시예에서, 이것은, 시스템에 새로운 세트의 이득 계수를 즉시 설치하는 한편, 제1 계수를 사용할 때에 피제어 장치에 공급되는 최종 제어 신호(즉, 수정된 제어 신호)와 시간에 따라 점진적으로 감쇠하는 새로운 계수를 이용하여 발생된 수정되지 않은 제어 신호 간의 차이를 허용하는 것에 의해 성취될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 모드 변화시에 제어 구조를 변경할 수 있으며, 감쇠하는 제어 신호에서의 차이를 허용한다. 옵셋(차)이 어떻게 감쇠되어 제어 신호에 가산되는지가 아래에 더 상세하게 설명된다.
도 17A는 모드들 간에서 평활하게 전환하기 위한 이득 스케줄링 동작을 수행하도록 구성된 제어 루프(1700)의 블럭도를 나타내고 있다. 제어 루프(1700)는 피드백 루프의 일부인 제어 유닛(1702)을 포함한다. 제어 유닛(1702)은 데이터 블럭(1710)으로부터 사용자 입력을 수신할 수 있다. 그러나, 제어 유닛은 사용자 입력을 반드시 수신할 필요는 없으며, 완전하게 자체 조절(self-regulating)될 수 있다. 또한, 제어 유닛은 제어 신호 수신기(1712)로부터 현재의 동작 특성을 수신할 수 있다. 제어 신호 수신기(1712)는 입력 신호에 응답하는 임의의 장치일 수 있다. 예를 들어, 제어 신호 수신기(1712)는 입력 제어 전압의 레벨에 따라 회전하는 전기 모터일 수 있다. 이 경우, 제어 신호는 제어 전압일 것이다.
제어 유닛(1700)은 제1 운전 모드를 위한 이득 계수(1704)와 제2 운전 모드를 위한 이득 계수(1706)를 포함할 수 있다. 이러한 계수들은 단일의 이득표에 저장될 수도 있고, 그들 각자의 개별적인 표들에 존재할 수도 있다. 계수는 플로피 디스크, ROM, RAM 등의 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
선택기(1708)는, 현재 모드 데이터 블럭(1714)에 나타나는 현재의 운전 모드에 기초하여, 제1 모드에 대한 계수(1704)를 공급할지 제2 모드에 대한 계수(1706)를 공급할지를 선택할 수 있다. 선택기(1708)는 올바른 계수를 선택하여, 그 계수를 제어 유닛(1702)에 대한 제어 계수(1716)로서 공급한다. 예를 들어, 제어 계수는 인간 운송 장치의 동작에 공급되는 현재 모드 이득 계수를 나타낼 수 있다.
더 상세하게는, 제어 계수는 사용자나 제어 신호 수신기(1712)로부터 수신된 다양한 입력값에 공급될 수 있다. 제어 계수는 제어 유닛(1702)의 제어 서브시스 템(1718)에 의해 이용될 수 있다. 제어 서브시스템(1718)은 다양한 입력에 제어 계수(1716)를 공급하는 다양한 제어 루프를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 서브시스템(1718)은 전술한 클러스터 및 바퀴 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 시스템은 옵셋 데이터 블럭(1720)으로부터 옵셋값을 수신할 수 있다. 옵셋의 값은 시스템이 모드를 전환하기 직전에 제어 신호 수신기(1712)에 공급되었던 최종 제어 명령(즉, 최종의 평활화된 제어 신호)의 값과 제어 계수가 변경된 직후에 생성된 제어 신호 간의 차일 수 있다. 옵셋값은 현재의 제어 신호를 옵셋 데이터 블럭(1720)으로부터 수신된 감쇠된 값에 반복적으로 가산하는 평활화기(1722)에 의해 수신된다. 예를 들어, 평활화된 제어 신호가 시스템이 모드를 변경하기 직전에 100의 값을 갖고 있었고, 시스템이 모드를 전환한 직후에 제어 신호의 값이 10인 경우에, 시스템이 모드를 전환한 후에 제어 루프(1700)를 통하는 제1 경로 상에서, 90의 값이 제어 신호에 가산된다. 그 다음, 이 값은 일정량만큼 감쇠되고 제어 루프(1700)를 통하는 다음 경로 상에서 제어 신호에 다시 가산된다. 이것은 옵셋값이 감소되어 상대적으로 0에 가까워질 때까지 반복된다. 옵셋값은 제1 모드동안 공급된 평활화된 제어 신호의 값과 제2 모드의 시작에서 생성된 새로운 제어 신호에 따라, 양의 값을 가질 수도 있고 음의 값을 가질 수도 있다.
도 17B는 모드들 간에서 평탄하게 전환할 수 있는 다른 제어 시스템의 블럭도를 나타내고 있다. 본 실시예에서, 제1 모드는 제1 제어 구조(1750)를 갖고, 제2 모드는 제2 제어 구조(1752)를 갖는다. 각각의 제어 구조는 시스템을 각각 다른 방식으로 제어할 상이한 제어 신호들을 생성할 수 있다. 제어 신호 수신기(도 시되지 않음)로부터의 입력(1754)은 제어 구조들에 공급된다. 현재 모드에 기초하여, 스위치(1756)는 제1 또는 제2 구조 중 시스템을 제어할 구조를 선택한다. 전술한 것과 유사한 방식으로, 평활화기(1758)는 제어 신호 수신기(도시되지 않음)에 평활화 제어 신호를 제공하기 위해 감쇠 옵셋을 가산한다.
전술한 바와 같이, 제어기 스케줄링 기술은 제어 모드들 간에서의 평탄한 전환을 허용한다. 상술한 설명은 운송 장치의 동작에 대해 다양하게 설명되었다. 그러나, 제어 스케줄링에 관한 교시는 다른 제어 시스템에도 적용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 이러한 유형의 제어기 스케줄링은 비행기, 헬리콥터, 전기 모터, 유압 모터, 연소 엔진 또는 제트 엔진 등에서의 모드 전환을 제어하는 데에도 이용될 수 있다.
도 18은 시스템을 제어하기 위한 피드백 시스템에서 구현될 수 있는 제어 스케줄링 프로세스의 플로우차트이다. 프로세스는 결정 블럭(1802)에서 시작하며, 여기에서 최종 모드가 프로세스를 통과한 이후에 시스템의 모드가 변경되었는지가 판정된다. 모드가 변경된 경우, 블럭(1804)에서 옵셋값이 결정된다. 전술한 바와 같이, 옵셋값은 제어 신호 수신기(도 17)에 전달된 최종 제어 신호로부터 모드 전환후 생성된 제1 제어 신호를 감산한 값과 동일할 수 있다. 그러나, 프로세스가 새로운 모드에서 생성된 제1 제어 신호를 반드시 이용할 필요는 없으며, 모드 전송에 근접한 일부 시간에 생성된 제어 신호를 이용할 수 있다. 옵셋값이 결정된 후, 블럭(1806)에서 감쇠 옵셋값이 제어 신호에 가산될 수 있다. 감쇠 옵셋을 생성하는 다양한 방법이 아래에 설명된다.
블럭(1808)에서, 평활화된 출력 제어 신호의 값은 나중에 이용되도록 저장된 다. 그 다음, 프로세스는 블럭(1802)으로 되돌아간다.
블럭(1802)에서 모드가 변경되지 않았는지가 판정된 다음, 판정 블럭(1810)에서 감쇠 옵셋이 현재 존재하는지가 판정된다. 옵셋이 감쇠하고 있는 경우, 블럭(1806)에서 제어 신호에 감소 옵셋을 가산하는 것이 바람직하다. 그러나, 옵셋이 감소하지 않는 경우, 처리는 블럭(1808)으로 진행한다. 옵셋이 감소하는지의 여부를 판정할 필요가 없는 경우도 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 이 경우, 판정 블럭(1810)은 생략될 수 있으며, 블럭(1802)에서 모드가 변경되지 않은 것으로 결정된 경우, 프로세스는 블럭(1806)으로 곧바로 진행한다.
옵셋값이 감쇠될 수 있는 수개의 상이한 방법이 존재할 수 있다. 예를 들어, 옵셋의 값에는 그것을 감쇠시키는 인수(예를 들어, 1 미만의 값)가 곱해질 수 있다. 이로 인해, 이전의 옵셋값보다 작은 새로운 옵셋값이 생성된다. 이러한 낮은 옵셋값은 현재의 옵셋값이 되며, 평활화기에 전달되어 다음의 제어 신호에 가산된다. 대안적으로, 옵셋은 그로부터 고정값을 반복적으로 감산하는 것에 의해 감쇠될 수 있다.
도 19는 도 17A 및 도 17B의 다양한 위치에 존재할 수 있는 다양한 신호들을 나타내고 있다. 신호(1902)는 제어 유닛에 의해 생성되는 가능한 제어 신호를 나타낸다. 시각 t0에서, 제어 신호는 값 y1에 있다. 시각 t1에서, 제어 신호는 y1에서 y2로 갑작스럽게 변화한다. 이러한 변화는 시스템 내의 모드 전환을 유발한다. 신호(1904)는 제어 신호(1902)에 가산될 수 있는 감쇠 옵셋값을 나타낸다. 시각 t0에서, 옵셋값은 실질적으로 0과 동일하다. 시각 t1에서, 옵셋의 값은 y1 - y2와 동등한 레벨로 상승한다. 즉, y1이 시각 t1에서 시스템에 공급되었던 값과 동등한 것으로 가정한다. 옵셋값은 시간에 따라 감쇠되어 시각 t4에서는 실질적으로 0으로 된다.
신호(1906)는 시스템에 인가된 평활화된 제어 신호값(즉, 평활된 제어 신호)을 나타낸다. 신호(1906)의 값은 신호(1902)의 값에 신호(1904)의 값을 더한 값이다. 신호(1906)는 신호(1904)와 유사한 방식으로 제어 신호가 상승하기 시작하는 시간 t2까지 감쇠한다. 제어 신호(1902)가 상승함에 따라, 신호(1906)도 또한 상승한다. 제어 신호(1902)가 평평해지기 시작하는 시간 t3에서, 평활화된 출력 신호(1906)도 또한 감쇠 옵셋 신호(1904)가 실질적으로 0으로 감쇠하는 시간 t4까지 감쇠 옵셋 신호(1904)를 따라가기 시작한다. 시간 t4에서, 제어 신호(1902)와 평활화된 출력 신호(1906)는 포인트(1908)에 의해 표시된 것과 실질적으로 동일하다.
<시스템 동작>
도 20 및 도 21은 운송 장치의 클러스터와 바퀴의 위치를 제어하기 위한 제어 루프의 일례를 도시한다. 이들 예시된 제어 루프는 인간 운송 장치에서 사용될 수 있다. 이미 구현된 바와 같이, 제어 루프는 클러스터와 바퀴 제어 명령을 발생시키는 단일 제어 루프 내로 집적될 수 있다. 또한, 이들 제어 루프의 다양한 부분이 생략될 수 있고, 또한 운송 장치의 기능적 가능 출력에 따라 다른 부분이 추 가될 수 있다. 또한, 도 20 및 도 21와 관련되어 언급된 다양한 제어 블럭에 관한 공지된 기술은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에서 구현될 수 있다.
도 20을 참조하여, 바퀴 제어루프(2000)는 프레임 제어 서브-루프(2002), 바퀴 제어 서브 루프(2004), 편주 제어 서브-루프(2006), 및 클러스터 속도 모니터링 제어 서브-루프(2008)를 포함한다. 도 20의 제어 루프는 단일 바퀴를 기준으로 하여 제공된다. 구체적으로, 제어 루프는 운송 장치의 우측 바퀴를 작동할 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 제어기가 운송 장치의 각각의 바퀴에 대해 존재할 수 있다. 그러나, 단일 제어 루프를 이용하여 모든 바퀴를 제어할 수 있다.
기준 프레임 관련 값과 실제 프레임 관련 값에 기초한 프레임 제어 서브-루프(2002)는 바퀴의 회전을 제어함으로써 프레임을 안정화시키려 하는 신호를 생성한다. 예를 들면, 운송 장치가 커브를 드롭 오프하여 프레임이 앞으로 피칭되는 경우, 프레임 제어 서브-루프(2002)는 바퀴 모터로 바퀴를 고속으로 전진 구동하도록 함으로써, 운송 장치의 풋프린트 상에서 무게 중심을 유지한다.
바퀴 제어 서브-루프(2004)는 운송 능력을 양호한 사용자 입력과 일치시키려고 시도한다. 즉, 바퀴 제어 서브-루프(2004)는 바퀴가 사용자 입력에 근접하여 따라가게 한다. 또한, 휠 밸런스 모드와, 초기의 안정화가 바퀴에 의한 것인 휠 밸런스 모드에서는, 바퀴의 위치가 중요하다. 따라서, 시스템이 휠 밸런스 모드인 경우에는 바퀴 제어 서브-루프는 사용자 입력(2010)으로부터 단절될 수 있다.
편주 제어 서브-루프(2006)는 운송 장치가 확실하게 턴할 수 있도록 구현된다. 차동 바퀴 모터 속도와 사용자 입력에 기초하여, 편주 제어 서브-루프(2006) 는 각각의 바퀴 모터에 인가될 제어 전압을 다르게 하는 제어 신호를 발생시킬 수 있다.
클러스터 속도 모니터링 제어 루프(2008)는 클러스터의 운동학적인 상태에 관한 정보를 사용하여, 바퀴의 동작에 영향을 미친다. 클러스터의 바퀴가 지면으로부터 떨어지기 시작하는 경우,
Figure 112001031150960-pct00045
(블럭 (2078))에 저역 통과 필터링된 클러스터 속도(블럭 (2080))를 승산한 것이 제로보다 낮다. 본 일례에서, 클러스터 속도 모니터링 제어 서브-루프(200)는 무게 중심을 풋프린트 상에서 유지하도록 바퀴가 가속되는 신호를 생성한다. L2는 바퀴 축으로부터 클러스터 피봇까지의 거리이다.
바퀴 제어루프(2000)는 운송 장치의 사용자로부터 사용자 입력(2010)을 또한 수신한다. 사용자 입력은 예를 들면 조이스틱으로부터 수신될 수 있다. 사용자 입력(2010)는 명령된 FORE/AFT 속도(2012) 및 명령된 YAW 속도(2014)를 포함한다. 운송 장치가 장치의 피치를 보정하거나 휠 밸런스 서브-모드에 있을 때, 명령된 FORE/AFT 속도(2012) 및 명령된 YAW 속도(2014)는 모두 스위치(2016, 2018)에 의해 각각 단절될 수 있다. 피치 보정시 및 휠 밸런스 모드 동안 스위치(12016, 2018)가 턴 오프 되는 이유는, 사용자 입력 명령에 응답하는 것보다 장치를 안정화시키는 것에 더 중요하게 되었기 때문이다.
예를 들면, 지면로부터 떨어진 한 세트의 바퀴를 갖는 향상 모드에서의 운송 장치의 간략화된 모델(예를 들면, 도 7A)은 클러스터와 바퀴 토크 τc, τw 각각에 대한 함수로서 피치 가속에 관한 관계를 제공한다.
Figure 112001031150960-pct00046
이 때, L2는 바퀴 축으로부터 클러스터 피봇까지의 거리이고, rw는 바퀴의 반경이다. 클러스터 토크 τc 앞의 계수는 클러스터가 피치에 얼마나 잘 영향을 미치는지에 관한 양호한 지시를 제공한다. 또한, 운송 장치가 벨런스 휠로부터 더 피치될수록, 클러스터는 피치를 더 효과적으로 직선화 한다. 반면에, 무게 중심이 뒷바퀴 상에 있게 되는 경우,
Figure 112001031150960-pct00047
이고, 클러스터 토크 계수는 제로로 근접한다. 휠 밸런스 제어기에 들어가기 위한 표준은 클러스터 토크 계수의 크기이다. 이 계수가 작을 때에는, 휠 PD와 휠 POC는 피치에 영향을 미치는 초기 수단으로서 바퀴를 사용하는 휠 밸런스 제어기만큼 효과적이지 않다. 또한 클러스터 각이 충분히 커서 한 세트의 바퀴만이 접지될 확률이 높아야 한다는 조건이 있다. 따라서, 운송 장치의 밸런스를 맞추기 위한 초기 수단은 바퀴이다. 따라서, 제어 루프는 사용자 입력 명령을 고려하지 않는데, 그 이유는 만일 고려한다면 운송 장치를 안정화하는데 효과적이지 않기 때문이다.
다시 도 20으로 돌아가면, 휠 밸런스 내에서 피치를 보정하지 않을 때, FORE/AFT 속도 명령(2016)는 전진 속도를 제한하는 속도 슬루 리미터(2020)을 통과한다. 이를 테면, 플랫폼이 높을 때에는 속도가 감소되는 것이 바람직하다.
명령 FORE/AFT 속도(2012)는 합산기(2022)에서 명령된 YAW 속도(2012)와 합산되어, 각 바퀴에 대한 양호한 속도를 결정한다. 양호한 바퀴 속도는 바퀴 제어 서브시스템(2004)에 의해 바퀴 속도 에러, 바퀴 위치 에러, 및 바퀴 속도 피드 포워드 입력을 결정하는데 이용된다. 바퀴 속도 에러를 결정하기 위해, 합산기(2022)의 출력은 합산기(2024)에서 현재 바퀴 속도와 결합된다. 바퀴 속도 에러는 필터(2028)에 의해 저역 필터링되는 에러 한계 함수(2026)를 통과한다. 저역 필터링된 바퀴 속도 에러를 바퀴 속도 에러 이득 상수(2030)로 승산하여, 바퀴 명령의 일부를 발생시킨다.
바퀴 위치 에러를 결정하기 위해, 합산기(2024)의 출력이 적분기(2032)에 의해 적분되어, 에러 리미터(2034)를 통과한다. 위치 에러는 전체 바퀴 명령의 일부를 생성하기 위한 배율 이득(2036)이다.
바퀴 속도 피드 포워드 값은, 양호한 속도값을 저역 필터(2038)를 통과시킨 후, 바퀴 속도 피드 포워드 이득값(204)을 승산함으로써 결정된다. 바퀴 속도를 피드 포워드함으로써, 제어 시스템은 큰 안정 상태 속도 또는 위치 에러 신호를 분배하지 않으면서도 명령 속도에 대해 요구되는 모터 전압을 본질적으로 예상할 수 있게 한다.
바퀴 제어 서브-제어 루프(2004) 내에 생성된 각각의 에러 신호가 합산기(2042)에 제공되어, 바퀴 전압 Vw을 생성하는데 교대로 사용될 모든 다른 에러 결정에 합산된다.
바퀴 제어루프(200)는 또한 프레임 피치 에러와 피치 레이트 에러를 발생하는 프레임 피치 파라미터 관련 서브-제어 루프(2002)를 포함한다. 프레임 피치 에 러는 합산기(2046)에서 현재 프레임 피치를 양호한 프레임 피치와 비교함으로써 생성된다. 양호한 프레임 피치는 운송 장치의 파라미터에 기초하여 평가될 수 있다. 일실시예에서, 양호한 프레임 피치(2044)는 무게 중심을 클러스터의 중심점에 정확하게 배치하는 프레임 피치이다. 이러한 양호한 프레임 피치는 이하 설명에 의해 결정되는 무게 중심의 위치에 기초한다. 양호한 프레임 피치와 현재 프레임 피치간의 차이를 저역 통과 필터(2048)에 의해 필터링한 후 프레임 피치 이득(2050)과 승산하여 바퀴 명령의 다른 부분을 결정한다.
피치 레이트 에러는 합산기(2054)에서 현재 피치 레이트를 양호한 피치 레이트(2052)와 비교함으로써 결정된다. 일실시예에서, 피치 레이트는 0과 동일하고, 이는 운송 장치가 전적으로 안정화되었음을 나타낸다. 현재 프레임 피치와 양호한 피치 레이트간의 차이를 저역 통과 필터(2056)에 의해 필터링한 후 피치 레이트 이득(2058)과 승산되어, 바퀴 명령의 다른 일부를 발생한다. 프레임 피치와 피치 레이트 에러 모두는 합산기(2042)로 제공된다.
명령된 YAW 속도(2018)가 YAW 서브-제어 루프(2006)에 제공되어, 운송 장치에 대한 편주 에러 신호를 제어한다. YAW 속도 제어 서브-루프(2006)에서, YAW 속도 에러와 YAW 위치 에러가 결정된다. YAW 속도 제어 신호는 명령된 YAW 속도(2018)와 현재 YAW 속도(합산기(2060)에 의해 결정됨) 간의 차이를 리미터(2062), 저역 필터(2064)에 통과시킨 후, 저역 필터(2064)의 출력을 YAW 속도 이득(2066)과 승산함으로써 결정된다. 유사하게, 명령된 YAW 속도(2018)와 현재 YAW 속도간의 차이는 적분기(2068)를 통과하여 리미터(2070)에 의해 제한된다. 제한된 신호는 YAW 위치 이득(2072)과 승산되어, YAW 위치 명령을 발생시킨다. YAW 속도 명령와 YAW 위치 명령이 모두 합산기(2042)에 제공된다.
또한, 바퀴 제어기(200)는 φc와 저역 필터 클러스터 속도의 곱(블럭(2082)에 의해 결정되는 것과 같은 블럭(2078)과 블럭(2080)의 곱)이 스위치(2076)에 의해 0보다 작은 경우 턴 오프되는 클러스터 속도 모니터링 제어 서브-루프(2008)를 포함한다.
바퀴 명령의 모든 부분이 클럭(2042)에서 함께 합산되어 바퀴 제어전압 Vw를 생성한다. 상술한 바와 같이, 이러한 전압은 평활화기(2086)에 의해 평활화되어 평활화된 전압 제어 신호 Vws를 생성한다. 감쇠 필터 옵셋(2088)이 저역 통과 필터(2090)를 통과하여, 평활화기(2086)에서 Vw와 합산되어, 상술한 바와 같이 Vws를 생성한다. Vws는 플랜트(2092)로 통과된다. 플랜트는 바퀴 모니터와 클러스터 모니터를 모두 포함하고, 여러가지 중에서 현재 프레임 피치와 현재 피치 레이트, 우측 바퀴 속도, 좌측 바퀴 속도, 클러스터 위치, 및 클러스터 속도를 출력한다.
도 21은 클러스터 제어 루프(2100)의 일례이다. 바퀴 제어루프와 유사하게, 클러스터 제어 루프(2100)는 프레임 피치 에러와 프레임 레이트 에러를 생성하는 프레임 관련 서브-제어 루프(2102)를 포함한다. 이러한 프레임 관련 서브-제어 루프(2102)는 상술한 것과 동등한 제어 루프일 수 있고, 클러스터 제어 루프(2100) 내에 유지되는 분리된 제어 루프일 수 있다.
또한, 클러스터 제어 루프는 최대 클러스터 위치 서브-루프를 포함한다. 이러한 서브-루프는 향상 모드에서 허용 가능한 최대 클러스터 각인 φc,stop angle를 수신한다. 클러스터가 φc,stop angle보다 큰 각인 경우, 클러스터 위치 제어기는 스위치(2106)에 의해 차단된다. 스위치(2106)가 개방되면, 현재 클러스터 위치는 합산기(2108)에서 φc,stop angle로부터 감산된다. 합산기(2108)의 출력(클러스터 위치 에러)가 클러스터 위치 이득(2110)과 승산되어 클러스터 위치 명령의 일부를 결정한다.
클러스터 제어 루프(2100)는 또한 클러스터 속도 에러를 생성하는 클러스터 속도 서브-제어 루프(2112)를 포함한다. 클러스터 속도 서브-제어 루프(2112)에서, 현재 클러스터 속도가 합산기(2116)에 의해 양호한 클러스터 속도(2114)로부터 감산된다. 일실시예에서, 양호한 클러스터 속도는 0으로 설정될 수 있다. 합산기(2116)의 출력은 저역 필터(2118)를 통과한 후 클러스터 속도 이득(2120)과 승산되어 합산기(2112)로 제공된다. 합산기(2112)의 출력은 상술한 바와 같이 평활기(2122)에 의해 평활화되어, 플랜트 Vcs로 제공되는 신호를 생성한다.
<향상 모드의 사용예>
일실시예에서, 향상 모드가 불규칙적인 지형상에서 사용되도록 설계된다. 본 실시예에서, 운송 장치는 동력화된 4개의 접지 바퀴를 사용하여 FORE/AFT 면 내의 정지 마찰을 증가시킨다. 이하, 향상된 일례에서 운송 장치의 동작 일례에 관하여 설명한다.
<횡단 노면>
클러스터와 바퀴 모두가 향상 모드에서 운송 장치를 안정화시키는데 사용되므로, 향상 모드는 거칠고 불규칙한 면에서도 잘 동작할 수 있다. 일실시예에서, 구동되는 4개의 바퀴 모두가 독립 모터이므로, 이러한 일례에서는 운송 장치는 미끄러운 면에서도 동작할 수 있다. 이를 테면, 하나의 바퀴의 바퀴 속도가 크게 증가하는 경우, 제어 유닛은 바퀴 속도가 다른 바퀴의 속도와 유사하게 될 때까지 바퀴에 제공된 전력량을 감소시킬 수 있다.
<장애물>
소정의 실시예에서, 향상 모드는 운송 장치로 하여금 연석이나 바위 같은 장애물을 횡단할 수 있게 한다. 예를 들면, 연석을 횡단할 때, 사용자는 운송 장치가 연석에 접촉하는 것을 (사용자 입력을 통해) 지시한다. 사용자는 바퀴가 연석을 접촉하는 중에도 운송 장치를 계속해서 전진 지시함으로써, 바퀴 위치 에러항(도 20)이 교대로 증가하도록 한다. 에러항이 증가할수록, 바퀴에 인가된 토크는 앞바퀴가 연석 위로 구동되게 한다. 앞바퀴가 연석 위로 올라감에 따라, 클러스터는 프레임 피치를 0에 근접시키기 위해 회전한다. 상술된 동작이 얼마나 빠르게 수행되는지에 따라, 제어 유닛이 휠 PD 모드와 휠 POC 모드 사이에서 전환된다(클러스터의 회전 레이트에 따라). 뒷바퀴를 연석 상에 올리기 위해, 사용자는 계속해서 전진 구동하고 클러스터는 반대 방향으로 회전한다.
일실시예에서, 6 인치의 연석을 올라가는 것은 클러스터가 회전하는 것과 같이 운송 장치를 휠 밸런스 모드로 전환하도록 한다. 전환되면, 바퀴가 연석으로부터 떨어지도록 구동되어 운송 장치를 안정화시킨다. 이는 사용자에게 횡단해야 할 연석이 너무 커서 피해야한다는 경보를 발생시키는데 효과적인 방법이다.
연석 아래로 가기 위해, 사용자는 간략하게 운송 장치를 구동하여 연석으로부터 떨어지게 한다. 천천히 행한 경우, 운송 장치는 휠 PD 모드인 상태가 된다. 사용자가 빠른 속도로 연석으로부터 떨어지게 하는 경우에는, 클러스터 회전은 적어도 모든 4개의 바퀴가 접지될 때까지, 운송 장치가 휠 POC 모드로 전환할 수 있을 정도로 충분히 크다. 연석으로부터 빠른 속도로 떨어짐으로써 휠 밸런스 모드가 되도록 클러스터 회전을 생성할 수 있다. 다음 운송 장치는 그 자신을 제어하여 바퀴를 전진 구동함으로써, 무게 중심이 장치의 풋프린트 위에 있게 된다.
<무게 중심 추정>
상술된 설명으로부터, 무게 중심의 위치를 기준으로 하였다. 몇몇의 실시예에서, 운송 장치는 무게 중심의 위치를 바로 추정한다. 다른 실시예에서 운송 장치는 무게 중심의 위치 추정에 기초한 양호한 성분 방위를 사용한다. 예를 들면, 도 20에서, 현재 프레임 피치(블럭(2046))와 대조된 양호한 피치(예를 들면, 블럭(2044))가 무게 중심의 위치 추정에 기초한 프레임 피치이다. 즉, 양호한 피치는 운송 장치의 특정 성분이 일정한 방위일 때, 운송 장치의 풋프린트 상에서 무게 중심의 위치로 공지된 프레임 피치이다.
이하, 운송 장치의 무게 중심에 의해 장치의 성분의 방위를 어떻게 양호하게 결정하는지에 대한 추정 방법을 상세히 설명한다. 무게 중심이 인간 운송 장치의 문맥으로서 언급되나, 본 명세서에서 설명하는 무게 중심의 위치 추정은 운송 장치에 대한 무게 중심의 추정에 제한되지 않는다는 것이 이미 자명하다. 이와 같이, 이하의 설명에서도, 인간 운송 장치를 언급한 것에 부가하여, 무게 중심의 추정이 필요한 어떠한 장치도 언급할 수 있다. 이러한 장치는 이하의 설명에서 시스템으로서 언급된다.
도 22A는 무게 중심 평가가 사용되는 제어 루프의 일례를 도시한다. 제어 루프(2200)는 제어 신호 생성기(2202) 및 수개의 성분을 갖는 장치(2204)를 포함한다. 제어 신호 생성기(2202)는, 장치(2204) 내에 포함된 액추에이터(도시되지 않음)가 장치(2204)의 여러 성분의 방위를 변화시키는 제어 신호를 생성한다. 제어 신호 생성기(2202)는 장치(2204)의 성분 중 하나에 포함된다. 그러나, 제어 신호 생성기(2202)는, 제어 신호 생성기(2202)가 장치(2204)의 적어도 하나의 액추에이터에 제어 신호를 제공함으로써 하나의 성분의 방위를 변경한다는 것을 용이하게 설명하고 명백하게 증명하기 위해 분리된 블럭으로서 표기한다. 제어 신호 생성기(2202)는 상술된 운송 장치의 제어 유닛(전자 박스)과 유사하다.
제어 신호 생성기(2202)의 입력은 하나의 현재 성분의 방위과 양호한 방위(2206) 성분 간의 차(또는 옵셋)이다. 옵셋은 양호한 방위(2206)에서 현재 방위를 감산하여 옵셋 값을 생성하는 합산기(2208)의 출력이다. 제어 신호 생성기(2202)는 옵셋값을 수신하고, 옵셋값에 기초하여 제어 신호를 생성함으로써 장치는 성분의 방위를 변경하여 옵셋을 감소시킨다.
도 22B는 값을 시스템의 양호한 성분의 방위를 나타내는 값을 생성하는 시스템의 블럭도이다. 양호한 방위 판정기(2212)는 수개의 입력을 수신하여 출력으로서 양호한 성분의 방위를 생성한다. 양호한 방위는 제어되는 시스템의 동작의 모드(데이터 블럭(2213))에 기초하여 변화한다. 일실시예에서, 양호한 방위는 밸런싱 상태에서 시스템을 배치(또는 계산)하기 위해 공지된 성분의 방위과 동일하다. 이러한 정보는 데이터 세트(2214) 내에 포함된다. 데이터 세트는 무게 중심의 위치 추정으로서 넓게 언급된다. 즉, 장치의 일정한 성분이 일정한 방위일 때, 장치의 무게 중심이 특정한 위치에 있다고 추정된다. 이는 무게 중심의 위치를 추정하는 것과 동등하다. 이하 데이터 세트(2214)가 생성되는 방법이설명된다.
소망 위치 판정기(2212)는 또한 시스템의 현재 모드(2213)를 수신한다. 일부 시스템의 경우, 무게 중심의 추정치를 여러 가지로 사용할 수 있는 상이한 운전 모드가 있을 수 있다. 예를 들어, 장치는 사용자가 운송 장치에서 이탈하는 것을 방지하기 위해 자체 안정화시킬 수 있는 인간 운송기일 수 있다. 이러한 시스템에서는, 운송 장치가 평형이 되도록 운송 장치를 제어함에 있어서 무게 중심의 위치 추정치를 이용할 수 있다. 도 20을 다시 참조해 보면, 무게 중심의 추정치를 이용하여 블럭(2046)의 소망 프레임 피치를 판정할 수 있다. 이러한 추정치에 대한 판정 및 사용 방법에 대해 이하에서 기술하기로 한다.
도 23은 무게 중심(2304)을 뒷바퀴(2302) 상에 두고 있는 운송 장치의 일례를 도시한다. 무게 중심(2304)의 위치는 운송 장치, 사용자, 및 사용자가 운반하거나 운송 장치 상에 위치될 수 있는 임의의 다른 부하를 포함하는 전체 시스템의 무게 중심 위치를 나타내는 추정량일 수 있다. 무게 중심(2304)은 전자 장치 박스(2305)에 대해 좌표각 θ3 및 클러스터 축(2306)에 대해 길이 L1으로 위치될 수 있다. 일부 실시예에서는, 각 θ3만이 유일한 변수로서 이용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 각 θ3 및 L1을 이용하여 무게 중심의 위치를 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전자 장치 박스(2305)(제어 장치)는 클러스터(2308) 및 전자 장치 박스(2305)의 방위를 측정할 수 있는 피치 센서 등과 같은 각 종 센서를 포함할 수 있다. 또한, 클러스터(2308)의 방위는 클러스터 상에 또는 전자 장치 박스(2305) 내에 위치되거나 클러스터 모터에 의해 보고된 클러스터 속도 센서의 출력를 적분함으로써 결정될 수 있다.
운송 장치는 중심점(2310)을 갖는 지면 접촉 부재(2302; 이 실시예에서는, 바퀴)를 포함할 수 있다. 무게 중심(2304)이 중심점(2310)(또는 안전성을 제공하는 지면 접촉 부재 상의 임의의 다른 지점) 상에 있으면, 운송 장치는 평형을 이룬다.
도 23에서는, 시계 방향으로 포인팅하는 각을 나타내는 화살표가 포지티브 값으로 제공될 수 있는 각들을 측정하였다. 예를 들어, 전자 장치 박스 각 θc에 대한 클러스터 위치는 포지티브 값으로 지정될 수 있다.
각 θ3 는 L1과 전자 장치 박스(2305) 사이의 각이다. 전자 장치 박스(2305)는 운송 장치의 각 종 부품의 방위를 판정하는 틸트 센서들을 포함할 수 있다. 이들 틸트 센서들은 수평각 θe 에 대한 전자 장치 박스 각을 직접 측정할 수 있다. 제어기(도시 안됨)는 전자 장치 박스(2305)에 대한 클러스터의 각을 모니터링한다. 거리 L2는 클러스터(2308)의 중심에서 지면과 접촉하는 바퀴(2302)의 중심점(2310)까지의 거리이다. 거리 L2는 사용되는 특정 운송 장치에 따라 결정되는 공지된 파라미터이다. 일 실시예에서는, 거리 L2는 차량 동작 중에는 변하지 않지만, 거리 L2는 운송 장치가 사용하는 클러스터의 종류에 따라서는 변할 수 있다.
무게 중심(2304)이 자면 접촉 바퀴의 중심점(2310) 상에 있으면, 운송 장치를 모델링하기 위한 한 식은 다음과 같다:
Figure 112001031150960-pct00052
상기 식의 항들을 전개하고 재정리함으로써, 상기 식은 다음과 같이 된다:
Figure 112001031150960-pct00053
이 식의 해를 구해, 예를 들어, 전자 장치 박스(2305)의 소망 방위(θe)를 결정할 수 있다. L1 및 θ3는 비선형 삼각 함수이고 전자 장치 박스(2305) 내에 위치된 마이크로프로세서의 처리 능력은 제한적일 수 있으므로, 삼각 함수를 이용하여 θ3를 직접 계산하는 것을 피하는 것이 보다 효율적일 수 있다. 이러한 경우에는, 참조표 및 곡선 적용 기법(curve fitting scheme)을 이용하여 θe에 대한 정확한 값을 생성할 수 있다. 전개되고 재정리된 식에 기초하여 곡선 적용을 행하기 위해서는, 전개식을 아래식
Figure 112001031150960-pct00054
로 간략화시킬 수 있으며,
이 식의 항들을 재정리함으로써,
Figure 112001031150960-pct00055
로 되며, 여기서
Figure 112001031150960-pct00056
이며, h는 플랫폼의 높이다. 이 식은 θe에 대한 두 값을 알고 있으면 K1(h) 및 K2(h)의 해를 구할 수 있다. K1(h) 및 K2(h)의 값을 구한 후, 단순한 삼각 계산을 이용하여 L1 및 θ3의 값을 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, L1 및 θ3의 값이 주어지면, 무게 중심의 위치가 구해진다(물론, 이 위치는 기준 위치에 상관되며, 이 기준 위치는 운송 장치의 경우에는 클러스터의 중심점일 수 있다). 후술될 곡선은 K1(h) 및 K2(h)를 결정하는 데 사용될 θe에 대한 두 값, 즉 L1 및 θ3를 결정하는 효율적인 방법을 제공한다.
또는, 전자 장치 박스 각을 무게에 대한 클러스터 각 φc의 함수로서 도출해 낼 수 있으며, 이에 의해 다음과 같은 식이 유도된다.
Figure 112001031150960-pct00058
또, 운송이 상기 식의 φc에 의해 모델링되면 L1 및 θ3에 대한 해를 구하는 데도 θe에 대한 두 값이 필요로 될 수 있다.
운송 장치가 동작 중인 운전 모드에 따라, 전자 장치 박스 각 또는 클러스터 각을 이용하여 무게 중심을 추정할 수 있다. 예를 들어, 계단 모드로 동작 중이면, φc에 의한 소망 전자 장치 박스 각의 추정치를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 24는 무게 중심의 위치를 추정하는 데 사용될 수 있는 기준 데이터를 생성할 수 있는 실시예의 흐름도를 도시한다. 도 24는 도 25A 내지 도 25C에 관련하여 기술될 것이다. 이러한 기준 데이터 세트를 생성하는 이유는 적어도 두 가지가 있을 수 있다. 첫째는 이 기준 데이터 세트는 특정 사용자의 희망에 따라 맞추어질 수 있다. 둘째는 이 기준 데이터 세트에 의해 후술될 운송 장치의 부품들의 소망 방위에 대한 효율적인 계산을 행할 수 있기 때문이다.
방법은 단계(2402)에서 시작되며, 이 단계(2402)에서는 장치(예를 들어, 운송 장치)의 부품들이 특정 배열로 배치되며 각종 부품들의 방위가 가록된다. 예를 들어, 운송 장치의 클러스터는 제1 방위로 배치될 수 있으며 이 값이 기록된다. 도 25A는 클러스터(2502)의 가능한 제1 방위를 도시하는 데, 이 예에서는 전자 장치 박스(2504) 및 클러스터가 서로 평행하므로 θc = 0으로서 나타날 수 있다. 또한, 의자 높이는 초기 파라미터로서 기록될 수 있다. 일 실시예에서는, 플랫폼의 높이를 가능한 한 낮게 할 수 있다.
단계(2404)에서, 운송 장치는 제1 위치로 이동된다. 제1 위치는 클러스터의 바퀴 중 하나 상에 무게 중심이 놓이게 되는 위치일 수 있다. 이 시점에서는, 무게 중심을 알거나 추정할 수 없지만, 운송기가 거의 평형을 이루지 않거나 운송기 를 이동시키는 사람에게 필요한 안정성이 없기 때문에 무게 중심이 바퀴의 축 상에 있다는 것은 명백할 것이다.
단계(2404)에서 운송기가 제1 위치에 위치된 후, 부품들 중 적어도 하나의 방위가 단계(2406)에서 기록될 수 있다. 방위가 기록될 수 있는 부품들은 전자 장치 박스의 방위(θ3), 무게에 대한 클러스터의 위치(φc), 및 의자 높이를 포함할 수 있으나, 이것에만 제한되는 것은 아니다. 각들을 물리적으로 측정하거나, 또는 전자 장치 박스의 센서들을 액세스함으로써 여러 방위값들이 기록될 수 있다. 이들 센서들은 마이크로프로세서로부터 데이터를 샘플링하거나 센서들의 출력을 직접 판독함으로써 액세스될 수 있다.
도 25B는 제1 위치에 있는 운송 장치를 도시한 것이다. 이 예에서는, 무게 중심(2506)은 운송 장치의 앞바퀴(2508) 상에 위치된다. 전자 장치 박스 θe의 각은 포지티브 값으로서, 기록될 수 있다.
단계(2408)에서, 운송 장치는 제2 위치에 위치된다. 제1 위치와 동일하게, 제2 위치는 운송 장치가 평형을 이루도록 무게 중심(2506)을 운송 장치의 뒷바퀴(2510) 상에 위치시키는 위치일 수 있다(도 25C 참조). 단계(2410)에서는, 제2 위치에 있는 운송 장치의 부품들의 방위가 기록된다.
상술된 프로세스를 예를 들어, 상이한 방위로 위치된 초기 클러스터 위치에대해 반복할 수 있으며, 상술된 모든 단계(2402 내지 2410)를 반복한다. 또한, 프로세스가 행해질 때마다, 플랫폼의 높이 또한 조정될 수 있다.
도 26은 상술된 프로세스를 여러 회 반복 수행한 결과를 그래픽으로 도시한 것이다. 수평축은 상대 클러스터 방위(θc)를 라디안으로 나타낸 것이며, 수직축은 대응하는 전자 장치 박스 방위(θe)를 장치의 풋프린트 상(즉, 두 바퀴 사이)에 무게 중심을 위치시키는 라디안으로 나태낸 것이다. 물론, θe를 φc에 관련시키는 단순한 그래픽으로 나타낼 수 도 있다. 제1 궤적(2602)은 플랫폼의 높이를 최소한의 높이로 한 프로세스의 결과를 나타내고, 제2 궤적(2604)은 플랫폼의 높이를 최대 높이로 한 프로세스의 결과를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 이들 궤적들은 상기 식들에 비교적 근사하게 따른다. 이와 같이, 클러스터 방위에 기초하여, 아들 궤적들을 참조표로서 구현함으로써, θe 에 대한 두 값을 용이하게 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, θe 에 대한 이들 두 값에 의해 L1 및 θ3 를 신속하게 계산할 수 있다. 더욱이, 최소 및 최대 플랫폼 높이에 대한 곡선들을 생성할 수 있으므로, 임의 클러스터 위치에서 임의의 의자 높이에 대한 임의의 소망 전자 장치 박스 방위를 결정할 수 있다. 이들 두 값 사이에서 L1 및 θ3는 선형적으로 추정될 수 있는 것으로 발견되었다.
도 26으로 다시 돌아가 보면, 현재 클러스터 위치가 참조 부호(2606)에 있으면, 기록된 두 전자 장치 박스 위치는 참조 부호(2308) 및 (2610)에 있게 될 것이다. 이것은 라인(2612; 현재의 클러스터 위치), 및 라인(2614 및 2616; 가능한 전자 장치 박스 방위)으로 그래픽으로 도시된다. θe 에 대한 이들 두 값들을 L1 및 θ3에 대해 선형적으로 보간하도록 사용할 수 있다.
L1 및 θ3 값들은 예를 들어, 시스템이 동작 중인 모드에 따라 여러 가지로 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템이 운송 장치인 경우, 시스템은 상술된 바와 같이, 밸런싱 모드, 계단 모드, 및 향상 모드를 포함할 수 있다. 향상 모드에서의 전자 장치 박스의 소망 방위는 thetaref_fourwheels로 참조될 수 있다. Thetaref_fourwheels은 θ3의 값에 의해서만 구할 수 있다. 도 23을 참조해 보면, 무게 중심을 클러스터(2308)의 중심점(2310) 상에 둘 수 있는 식은
Figure 112001031150960-pct00062
이다. 따라서, 소망 전자 장치 박스 각은 단지 θ3만을 결정함으로써 용이하게 계산된다. 이 소망 방위는 일부 실시예에서는, 블럭(2044; 도 20)의 소망 피치값으로서 사용될 수 있다.
평형 모드 시에는 L1 및 θ3 에 기초한 무게 중심의 위치 추정치를 사용하여 지면 접촉 바퀴 상에 축의 무게 중심을 위치시키는 전자 장치 박스 방위(theta_balance)를 결정할 수 있다. 전자 장치 박스 방위는 L1 및 θ3가 주어지면 다음식
Figure 112001031150960-pct00063
를 구함으로써 결정될 수 있다.
지금까지 본 발명의 상기 실시예에 대해서만 기술 및 도시하였지만, 당업자 라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서는 여러 변형 및 수정 실시예가 가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 상기한 실시예들은 단지 일례에 불과한 것으로, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 단지 첨부된 청구의 범위에 기재된 사상 및 그 등가물에 의해서만 한정되는 것임은 말할 필요도 없다.

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  13. 멀티-모드 장치에서의 모드 간을 평활하게 전환하는 방법이며,
    모드 변경이 발생했는지를 판정하는 단계 - 상기 모드 변경은 상기 멀티-모드 장치가 불안정하게 되는 결과로 발생함 - 와,
    상기 모드가 변경되었으면, 옵셋값을 결정하는 단계와,
    제어 신호를 상기 멀티-모드 장치의 피제어 장치에 인가하기 전에 상기 옵셋값을 상기 제어 신호에 부가하여 평활화된 제어 신호를 생성하는 단계와,
    상기 평활화된 제어 신호를 상기 피제어 장치에 인가하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 옵셋값은 상기 피제어 장치에 인가된 최종 신호와 상기 모드 변경 후에 생성된 제어 신호 간의 차와 동등한, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 옵셋값은
    (a) 현재 옵셋값을 1보다 작은 수와 승산하는 단계와,
    (b) 상기 현재 옵셋값을 상기 단계 (a)의 승산 결과와 동등하게 갱신시키는 단계와,
    (c) 상기 단계 (a) 및 (b)를 반복하는 단계에 의해 감쇠되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 상기 현재 옵셋값이 하한 임계치에 도달할 때까지 반복되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하한 임계치는 0인, 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    평활화된 제어 신호를 기억하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기억된 평활화된 제어 신호와 상기 멀티-모드 장치의 모드 변경 후에 생성된 제어 신호 간의 차는 상기 옵셋값을 결정하는데 이용되는, 방법.
  20. 멀티-모드 장치에서 모드 간을 평활하게 전환하는 방법으로서,
    모드 변경이 발생했는지를 판정하는 단계와,
    모드가 변경되었으면, 옵셋값을 결정하는 단계와,
    제어 신호가 상기 멀티-모드 장치에 인가되기 전에 상기 옵셋값의 감쇠 버전을 상기 제어 신호에 부가하여 평활화된 제어 신호를 생성하는 단계와,
    상기 평활화된 제어 신호를 상기 멀티-모드 장치에 인가하는 단계와,
    옵셋값이 현재 감쇠하고 있는지를 판정하는 단계와,
    상기 멀티-모드 장치가 모드를 변경한 경우, 상기 현재 감쇠하고 있는 옵셋값을 새로운 옵셋값으로 대체하는 단계를 포함하고,
    상기 옵셋값은,
    (a) 현재 옵셋값을 1보다 작은 수와 승산하는 단계와,
    (b) 상기 현재 옵셋값을 상기 단계 (a)의 승산 결과와 동등하게 갱신하는 단계와,
    (c) 상기 단계 (a) 및 (b)를 반복하는 단계에 의해 감쇠되며,
    상기 단계 (c)는 상기 현재 옵셋값이 하한 임계치에 도달할 때까지 반복되고, 상기 하한 임계치는 0인, 방법.
  21. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피제어 장치는 모터인, 방법.
  22. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티-모드 장치는 셀프 밸런싱 인간 운송 장치(self-balancing human transport device)인, 방법.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
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