KR100885555B1 - 운반장치 감속 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정상 작동시에 지면과 접촉하는 두 휠을 갖는 모터 구동식 균형잡힌 운반장치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 오류 조건의 검출시에, 제어 변수는 제어 변수가 목표값와 같을 때 까지 목표값의 방향으로 특정의 증분에서 수정된다. 사용자는 3축 스태빌라이저를 초기화하며, 운반장치의 작동을 허용하며, 그리고 그후 3축 스태빌라이저의 초기화를 완료하는 중에 당일축의 스태빌라이저를 먼저 초기화함에 의하여 균형잡힌 운반장치의 작동에 가속된 접근을 허용한다. 정지 마찰력은 역 관성 모멘트와 같은 휠의 동적 특성의 측정값을 기초로 클리어된 미끄럼 조건으로 특정의 예비 설정값과 휠의 자속을 비교하고 그리고 미끄럼 조건의 존재를 기초로 휠에 가해진 토크를 증분으로 감소함에 의하여 운반장치의 휠들과 아래에 놓인 면들사이에서 유지된다.

운반장치, 제어 변수, 오류 조건, 스태빌라이저, 모터식 구동기

Description

운반장치 감속 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DECELERATING A TRANSPORTER}

본 발명은 모터 구동식 개인용 운반장치에 동력을 공급하고 제어하는 모드들에 관한 것이다.

동적으로 안정된 운반장치들은 운반장치가 작동중인 동안 운반장치의 안정을 적극적으로 유지하는 제어 시스템을 가지는 개인 차량을 가리킨다. 제어 시스템은 운반장치의 배위를 연속적으로 감지하고, 안정을 유지하는 교정 작용을 결정하고, 휠 모터들이 교정 작용을 하도록 명령함에 의하여 운반장치의 안정을 유지한다. 운반장치가 예를 들면 요소의 고장을 통하여 안정을 유지할 능력을 잃는다면 탑승자는 갑작스런 균형의 손실로 불안을 경험할 수도 있다. 장애인을 일련의 계단들 아래로 운반하기 위한 휠체어를 포함할 수도 있는 미국 특허 제5,701,965호에 기술된 것과 같은 몇개의 동적으로 안정된 운반장치들에서, 작동자의 안전을 위하여 차량이 고장난 요소의 검출후에 무기한으로 작동을 계속하도록 하는 것이 중요하다. 그러나, 다른 동적으로 안정된 운반장치에서, 작동자는 요소 고장의 경우에 운반장치로부터 안전하게 쉽게 내릴 수 있다. 제어 모드들은 작동자가 재난의 경우에 안전하게 내릴 수 있는 그러한 차량을 위하여 제공되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 운반장치의 동작을 제어하기 위한 제어기를 갖는 종류의 개인용 운반장치를 자동적으로 감속하기 위한 시스템과 방법이 제공된다. 그 방법은 오류 조건 검출 단계, 제어 변수의 목표값 설정 단계, 목표값의 방향으로 특정 증분에서 제어 변수의 조정 단계, 제어 변수가 목표값과 동일할 때까지 이전 단계들을 반복하는 단계를 가진다. 본 발명의 선택적 실시예들에 따르면, 목표값은 0이 될 수도 있고, 제어 변수는 운반장치 속도일 수도 있고, 오류 조건은 개방 모터 권선 또는 폐쇄 브레이크 스위치일 수도 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 운반장치를 자동적으로 감속시키는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은,
(a) 오류 조건 신호를 발생시키는 위한 오류 검출 회로와,
(b) ⅰ. 제어 변수에 부분적으로 기초하여 운반장치의 운동을 제어하고,
ⅱ. 오류 조건 신호를 수신하고,
ⅲ. 목표값를 설정하고,
ⅳ. 목표값을 향해 특정 증분으로 원하는 제어 변수를 조정하고,
ⅴ. 원하는 제어 변수가 목표값과 동일할 때까지 i 단계 내지 iv 단계를 반복하기 위한 제어기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 균형잡힌 개인용 운반장치의 작동으로 사용자에게 가속된 접근을 허용하는 방법이 제공된다. 그 방법은 단일축 스태빌라이저를 초기화하는 단계, 3축 스태빌라이저의 초기화를 시작하는 단계, 운반장치가 사용을 위하여 준비된 것을 탑승자에게 경고하는 단계, 운반장치의 작동을 허용하는 단계, 3축 스태빌라이저의 초기화를 완료하는 단계, 그리고 최종적으로 균형잡힌 개인용 운반장치의 제어를 위하여 3축 스태빌라이저를 이용하는 단계들을 가진다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 탑승자 검출기는 2개의 휠로 된 동적으로 균형을 이룬 운반장치의 기부 상의 탑승자의 존재를 검출하기 위하여 제공된다. 탑승자 검출기는 운반장치의 기부를 덮는 매트를 가지고, 그 매트 자체는 기부에 부착된 매트 에지를 가지고, 매트 벽은 바닥부와 상부를 가지고, 바닥부는 매트 에지에 부착되고, 매트 덮개는 매트 벽에 부착되고 기부 위에 지지된 채 상부면과 바닥면을 가진다. 최종적으로, 탑승자 검출기는 매트 덮개의 바닥면 아래에 배치되고 기부 위에 장착된 스위치를 가지고, 스위치는 매트 덮개가 스위치와 접촉하게 변위될 때 제1의 상태에서 제2의 상태로 변한다. 추가로, 단단한 플레이트는 매트 덮개의 바닥면 아래에 배치될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 정적으로 불안정한 모터 구동식 운반장치는 표면위의 기부를 지지하기 위하여 횡방향으로 배치된 한 쌍의 휠들과 탑승자를 지지하기 위한 기부를 가지며 제공된다. 운반장치는 한 쌍의 휠들을 구동하기 위한 모터식 구동기, 기부에 결합되고 운반장치 피치의 신호 표시를 발생하는 피치 센서, 운반장치 피치만을 기초로 모터식 구동기를 명령하기 위한 제어기를 가진다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 피치 센서와 횡방향으로 배치된 두 개의 휠을 갖는 정적으로 불안정한 운반장치의 모터식 구동기를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,
(a) 피치 센서로부터 운반장치의 피치를 결정하는 단계와,
(b) 운반장치의 피치에만 기초하여 명령 신호를 발생시키는 단계와,
(c) 모터식 구동기로 명령 신호를 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 방법은 상기 발생시키는 단계 후에,
(a) 피치 센서에 의해 결정된 피치에 기초하여 운반장치의 피치율을 추정하는 단계와,
(b) 추정된 피치율에만 기초하여 명령 신호를 수정하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 조향 장치는 핸들바를 가지는 모터 구동식 차량을 위하여 제공된다. 조향 장치는 회전시에 조향 명령을 발생하기 위한 핸들바에 결합된 전위차계와 같은 회전 센서, 회전 센서에 회전 동작을 주기 위한 회전가능 손잡이, 손잡이를 놓았을 때 중립 위치로 회전가능 손잡이를 복귀시키기 위한 비틀림 스프링을 가진다. 달리, 조향 장치는 회전의 감지시에 조향 명령을 발생하기 위한 사용자 지지대에 대하여 고정된 구조에 결합된 회전 센서, 회전 센서에 결합된 가요성 샤프트, 회전 센서에 의하여 측정된 회전을 제공하는 그러한 방법으로 가요성 샤프트에 굽힘을 주기 위한 엄지 버튼, 가요성 샤프트의 굽힘에 반대하는 힘을 제공하기 위한 스프링 부재를 가질 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 조향 장치는 핸들바와 실질적으로 같은 높이의 상면을 갖는 레버를 가지고, 레버는 차량의 이동 방향에 실질적으로 평행하며, 아래에 놓인 표면에 실질적으로 평행한 피봇축을 중심으로 사용자의 손바닥에 의하여 이동가능하다. 조향 장치는 또한 조향 명령에 대한 응답으로 발생하며 중립 위치에서 레버의 운동을 감지하기 위한 센서와 중립 위치에서 레버의 운동에 대항하기 위한 복귀 부재를 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 운반장치의 휠들과 아래에 놓인 면사이의 정지 마찰을 유지하기 위한 방법이 제공된다. 그 방법은

(a) 특정 사전 설정값과 휠의 가속도를 비교하고,

(b) 휠의 가속도를 기초로 미끄럼 조건 플래그(flag)를 설정하고,

(c) 미끄럼 조건 플래그를 기초로 휠에 가해진 토크를 감소하고,

(d) 휠의 동적 특성값을 결정하고,

(e) 휠의 동적 특성값을 기초로 미끄럼 조건 플래그를 제거하는 단계를 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 동적 특성은 관성 모멘트 또는 관성 모멘트의 역일 수도 있다. 동적 특성을 결정하는 단계는 휠에 가해진 명령 토크에 의하여 가속도를 나누는 것을 포함할 수도 있다. 휠에 가해진 토크를 감소시키는 단계는 토크를 0으로 감소시키는 것 뿐만 아니라 토크를 증분적으로 회전시키는 것을 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 차량에서 휠 미끄러짐을 교정하기 위한 장치가 제공된다. 그 장치는 휠 속도를 모니터하기 위한 센서, 휠 속도에서의 변화를 기초로 휠 가속도를 계산하기 위한 미분기, 사전 설정값과 휠 가속도를 비교하고 미끄럼 조건 플래그를 설정하기 위한 비교기, 휠에 가해진 어떠한 토크를 감 소하기 위한 제어기를 가지고, 이에 따라 미끄럼 조건 플래그가 제거될 때까지 토크는 감소하기를 계속한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 정상 작동에서 지면과 접촉하는 정확하게 두 휠을 가지고, 프레임 속도를 특징으로 하는 균형잡힌 제어기를 가지는 종류의 균형잡힌 운반장치에서 전기 모터를 제어하기 위한 방법이 제공되며, 전기 모터는 정확하게 두 휠중 하나에 동력을 연결하기 위한 샤프트를 구동한다. 그 방법은

(a) 제1의 대역폭을 특징으로 하는 내부 루프에 의하여 동력 스테이지의 출력을 제어하며,

(b) 동력 스테이지의 출력에 대한 응답으로 샤프트 속도에 실질적으로 비례하는 신호를 발생하며,

(c) 프레임 속도와 동일하고 제1의 대역폭의 1/3이하의 속도에서 적어도 샤프트 속도 신호와 특정 운반장치 속도를 기초로 전압 명령 신호를 계산하며,

(d) 전압 명령 신호를 기초로 모터에 가해진 전압을 제어하는 단계를 가진다.

그 방법은 또한 사용자 입력 장치에 의하여 특정 운반장치 속도를 제공하는 추가 단계를 가질 수도 있고, 그리고 샤프트 속도에 실질적으로 비례하는 신호는 샤프트 위치 센서로 부터의 신호를 미분함에 의하여 발생될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 정확하게 두개의 횡방향으로 배치된 휠들로 모터 구동식 균형 운반장치의 요 제어를 제어하는 방법이 제공된다. 그 방법은

(a) 운반장치의 균형 요구조건을 기초로 모터 증폭기로 명령을 계산하고,

(b) 특정 운동 방향을 기초로 모터 증폭기로 명령을 증가시키며,

(c) 부분적으로 증가된 명령을 기초로 증폭기 출력을 발생시키며,

(d) 증폭기 출력을 감지하며,

(e) 증폭기 출력을 기초로 명령을 수정하며,

(f) 휠 모터로 증폭기 출력을 가하는 단계를 가진다.

다른 실시예들에서, 그 방법은 각 휠의 속도를 감지하고, 휠 속도를 기초로 두 휠 증폭기의 각각에 명령을 수정하는 추가 단계들을 가질 수도 있다.

도1은 그 위에 서 있는 자세를 유지하는 물체를 지지하거나 운반하기 위한 안정된 정적 위치를 잃는 개인용 차량의 측면도이다.

도2는 본 발명의 실시예의 시스템 구성의 블록 다이어그램이다.

도3은 상부 덮개가 제거된 동력원의 평면도이다.

도4는 본 발명의 실시예의 동력 구동 모듈의 블록 다이어그램이다.

도5는 모터의 전기 모델이다.

도6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 탑승자 검출기의 평면도이다.

도6b는 도6a의 실시예의 절단 측면도이다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 요 입력 장치의 확대도이다.

도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그 릴렉스된 위치에서 도시된 엘라스토머 감쇠된 요 입력 장치의 평면도이다.

도8b는 편향된 위치에서 도시된 도8a의 요 입력 장치의 평면도이다.

도8c, 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 개인용 운반장치의 핸들바에 연결된 도8a의 요 입력 장치의 각각의 배면도와 평면도이다.

도9a, 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 개인용 운반장치의 핸들바에서 실행된 것처럼 각각 정지 상태와 작동 상태에 있는 손바닥 조향 장치를 도시하는 도면이다.

도10은 본 발명의 실시예에 따른 제어 프로그램의 논리 흐름도이다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지 마찰력 제어의 흐름도이다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 0으로의 감속의 흐름도이다.

개인용 운반장치가 하나 이상의 휠 상에서 작동될 수 있지만 휠의 작동을 관리하는 제어 루프의 작동 없이는 휠 상에 직립할 수 없는 경우에, 개인용 운반 장치는 '균형잡힌 것'으로서 기능한다고 일컬어 질 수 있다. 균형잡힌 개인용 운반장치는 정적 안정을 잃더라도 동적으로 균형을 이룬다. 그러한 개인용 운반장치와 지면 또는 다른 아래에 놓인 면사이의 접촉을 제공하며 루틴 작동중 티핑(tipping)에 대하여 운반장치를 최소로 지지하는 휠들 또는 다른 지면 접촉 요소들은 '주요 지면 접촉 요소들'로 여기에 언급된다.

본 발명에 따른 균형잡힌 개인용 운반장치의 실시예는 도1에 도시되고, 도면 부호10으로 일반적으로 나타내어진다. 특정 실시예에서, 개인용 운반장치(10)의 작동은 고장의 경우에 신장된 기간동안 작동을 요구하지 않을 수도 있다. 그러나 고장 작동은 정지하여 차량으로부터 사용자가 하차하는 것을 허용하면서 운반장치 가 안정을 유지하도록 하기 위하여 한정된 시간동안 작동하는 것이 바람직할 수도 있다. 요소가 고장난다면 특정 균형을 이룬 개인용 운반장치들이 무기한으로 작동하도록 요구할 수 없는 한 바람직하기로는 자이로스코프, 배터리, 모터 권선들, 프로세서들과 같은 임계 요소들이 운반장치의 작동중에 대체되고 평행하게 구동되는 고장 검출 여분 구조를 제공할 수도 있다. 고장이 한 줄의 요소에서 발생한다면, 평행선은 적어도 단기간동안 운반장치의 안정을 여전히 유지할 것이다. 본 발명에 따르면 그리고 후술하는 것처럼, 단기간의 연속 작동은 균형을 유지하면서 운반장치에 정지를 가져오기 위하여 바람직하기로는 사용되고 그후 휠 모터를 턴 오프한다. 운반장치는 속도 제한이 행해짐에 따라 운반장치가 뒤로 피치하도록 명령함에 의하여 정지를 가져온다.

지면 접촉 모듈(26)의 플랫폼(또는 '기부')(12) 위에 서 있는 사용자(8)가 도1에 도시되어 있다. 휠(20, 21)은 Y축을 중심으로 동축인 것으로 도시되어 있다. 썸휠(thumbwheel)(32, 34)이나 상세히 후술될 다른 사용자 입력 메카니즘에 의해 조향 또는 다른 제어가 제공될 수 있다. 사용자가 파지할 수 있도록 핸들바(14)가 스톡(stalk)(16)에 제공될 수 있다.

도2를 지금 언급하면, 본 발명의 실시예의 시스템 구조를 도시한 블록 다이어그램이다. 좌측 모터(110)는 좌측 휠(20)(도1에 도시)을 구동하고, 우측 모터(120)는 우측 휠(21)을 구동한다. 모터들(110,120)은 바람직하기로는 DC 브러시리스이나 AC 또는 DC 모터일 수도 있고, 브러시 또는 브러시가 없는 것일 수도 있다. 각 모터는 여분 세트의 권선들(111,112,121,122)에 의하여 에너지를 공급받 는다. 각 권선은 보충 권선이 모터에 에너지를 공급할 수 없는 경우에 모터에 에너지를 공급할 수 있다. 후술하는 것에서, 각 여분의 요소는 운반장치의 좌(L) 또는 우(R)측과 여분의 요소들중의 A그룹 또는 B그룹을 식별하는 두 문자 그룹에 의하여 식별된다. 예를 들면, A 그룹 요소에 의하여 에너지를 공급받는 좌측 모터 권선은 LA 권선으로 나타내어진다.

모터 권선들(111,112,121,122)의 각각은 A 및 B 증폭기(132,133,142,143)에 의하여 구동된다. A 증폭기(132,133)는 A 동력 공급원(131)에 의하여 공급되고, B 증폭기(142,143)는 B 동력 공급원(141)에 의하여 공급된다. 동력 공급원과 증폭기사이와 증폭기와 모터 권선사이의 전기 접속은 20 내지 40 암페어까지의 큰 전류를 운반하는 것이 기대되고, 도2에서 실선(105)에 의하여 식별된다.

각 모터(110,120)는 모터 샤프트의 위치 또는 각속도를 측정하는 샤프트 피드백 장치(SFD)(113,123)를 가진다. 샤프트 피드백 장치는 샤프트 피드백 장치와 연결된 모터를 구동하는 모터 증폭기와 신호 연결된다. 예를 들면, 우측 모터(120)와 연결된 우측 샤프트 피드백 장치(123)는 A 증폭기(133)와 B 증폭기(143)와 신호 연결된다. 샤프트 피드백 장치는 바람직하기로는 샤프트의 위치를 측정하는 홀센서이나 샤프트 피드백 장치는 인코더, 리졸버, 타코미터와 같은 다양한 센서로 부터 선택될 수도 있으나, 이들 모두는 예를 들기 위한 목적 때문에 제한없이 리스트된다. 타코미터와 같은 특정 센서들은 샤프트 속도를 측정하기 위하여 또한 사용될 수도 있다. 신호를 나타내는 위치에서 또는 위치로 순간 샤프트 속도를 나타내는 신호의 변환은 각각 신호를 미분하거나 적분함에 의하여 달성된다.

A 증폭기(132,133)는 A 프로세서(135)에 의하여 명령되는 반면에 B 증폭기(142,143)는 B 프로세서(145)에 의하여 명령된다. 동력은 A 그룹 DC-DC 변환기(136)를 통하여 A 동력 공급원(131)으로부터 A프로세서로 공급된다. 유사하게, B 동력 공급원(141)은 B 그룹 DC-DC 변환기(146)를 통하여 B 프로세서(145)로 동력을 공급한다. A 증폭기(132,133), A 그룹 DC-DC 변환기(136), A 프로세서(135)는 바람직하기로는 B 그룹 증폭기, B 그룹 변환기, B 프로세서를 포함하는 B 트레이(140)로 부터 장벽(150)에 의하여 적어도 부분적으로 격리된 격벽 또는 트레이(130)로 함께 그룹으로 된다. 물리적으로 A 트레이(130)와 B 트레이(140)를 분리하는 것은 공통의 고장의 가능성을 감소시킨다. 장벽(150)은 한 트레이에서 다른 트레이로 고장의 전파를 지연하고, 이에 따라 운반장치는 운반장치를 하차하는 안전한 조건에 탑승자를 두는 충분한 시간을 갖는다. 유사하게, A 동력 공급원(131)은 B 동력 공급원(141)로부터 물리적으로 분리된다. A 동력 공급원(131)과 A 트레이(130)에 있는 요소는 B그룹 요소들중의 어느 하나에서의 고장의 경우에 수초 정도의 짧은 시간동안 두 모터들(110,120)을 구동할 수 있다. 역으로, B 동력 공급원(141)과 B 트레이(140)에 있는 요소는 A 그룹 요소가 고장난다면 아주 짧은 시간동안 두 모터들(110,120)을 구동할 수 있다.

A 및 B 프로세서(135, 145)들이 서로 물리적으로 격리되지만, 신호 연결은 A 및 B 통신 채널(137, 147)을 거쳐 프로세서들 사이에서 유지된다. A 및 B 통신 채널(137, 147)은 바람직하기로는 전기 도체이나 또한 광학, 적외선, 마이크로웨이브 또는 라디오와 같은 전자적으로 될 수도 있다. A 통신 채널(137)은 A 프로세서(135)에서 B 프로세서(145)로 신호를 전송하고, B 통신 채널(147)은 B 프로세서(145)에서 A 프로세서(135)로 신호를 전송한다. 광학 차단기들(139,149)은 쇼트된 프로세서에서 다른 프로세서로 과전압을 전파하는 것을 방지하는 A 및 B 통신 채널(137, 147)과 결합된다.

각 프로세서는 탑승자의 입력 명령과 운반장치의 상태를 모니터하는 복수의 센서들로 부터의 신호를 수신한다. 프로세서는 모터 증폭기들로 적절한 명령을 결정하고 전송하는 센서 신호들을 사용한다. 센서에 의하여 프로세서들로 전송된 정보는 관성 측정 유닛(IMU)(181,182)에 의하여 제공된 운반장치의 공간 배위, 요 입력 장치(YID)(171, 172)에 의하여 제공된 탑승자의 지시된 회전 명령, 탑승자 검출기(RD)(161,162,163,164)에 의하여 제공된 운반장치상의 탑승자의 존재를 포함한다. 프로세서로의 다른 입력들은 운반장치를 신속하게 정지하기 위한 정지 버튼(도시 안됨)과 더 안락한 피치로 운반장치의 피치를 조정하기 위한 탑승자 작동 피치 트림장치(PTD)(148)를 포함할 수도 있다. 운반장치의 작동에 대한 센서의 중요성에 따라 센서들이 여분을 위하여 중복될 수도 또는 안될 수도 있다. 예를 들면, 운반장치의 공간 배위는 후술하는 것처럼 운반장치의 작동에 중심이고, 그러므로 A 그룹 관성 측정 유닛(181)은 A 프로세서(135)로 운반장치 배위 정보를 공급하고, B 그룹 관성 측정 유닛(182)은 B 프로세서(145)로 운반장치 배위 정보를 공급한다. 다른 한편으로, 운반장치는 피치 트림 장치(148)없이 안전한 방법으로 여전히 작동할 수도 있으나 단지 하나의 그러한 장치가 전형적으로 제공된다. 유사하게, 디스플레이(138)와 같은 출력 장치는 여분이 요구되지 않는다. 디스플레이(138) 또는 피치 트림 장치(148)와 같은 비 여분 장치는 프로세서들중의 어느 하나에 연결될 수도 있다.

도2에 도시된 실시예에서, 디스플레이(138)는 A 프로세서(135)에 의하여 제어되고, 피치 트림 장치(148)는 B 프로세서(145)와 직접 신호 연결된다. 피치 트림 장치(148)에 의하여 제공된 정보는 B 통신 채널(147)을 거쳐 A 프로세서(135)로 B 프로세서(145)에 의하여 전송된다.

또한, A 및 B 프로세서(135, 145) 각각은 사용자 인터페이스 프로세서(UIP)(173, 174) 중의 하나와 통신한다. 각 사용자 인터페이스 프로세서(173,174)는 요 입력 장치(171,172)의 하나를 통하여 사용자로부터의 조향 명령을 받는다. A 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(173)는 또한 디스플레이(138), 브레이크 스위치(175), 피치 트림 장치(148)와 같은 비 여분 사용자 인터페이스 프로세서에 연결된다. 사운드 경고 장치, 라이트, 그리고 온/오프 스위치와 같은 도2에 도시된 실시예에 여분으로 제공되지 않은 다른 사용자 인터페이스 장치들은 A 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(173)에 또한 접속될 수도 있다. A 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(173)는 또한 B 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(174)로 사용자 인터페이스 장치들에 의하여 제공된 정보를 따라 통과될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, A 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(173)는 A 그룹 프로세서의 계산들을 B 그룹 프로세서의 계산과 비교하고, A 그룹 프로세서의 작동을 검증하는 '감시인' 계산으로 A 프로세서(135)에게 질문 한다. 유사하게, B 그룹 사용자 인터페이스 프로세서(174)는 B프로세서의 정상 작동을 검증하기 위하여 B 프로세서(145)에게 질문한다.

본 발명의 여러 실시예에 따른, 개인용 운반장치(10)의 여러 요소들이 지금 기술된다.

배터리

모터들(110,120)과 전기 요소들을 구동하기 위하여 필요한 운반장치 동력은 전기 기술분야에서 공지된 전력의 어떠한 공지된 공급원에 의하여도 공급될 수 있다. 동력의 공급원들은 예를 들면 내연, 외연기관의 둘다와 연료 전지, 충전가능 배터리를 포함할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, A 및 B 동력 공급원(131, 141)은 충전가능 배터리팩이다. 다양한 배터리 화학 양식들은 여러 조건하에서 바람직한 것처럼 사용될 수도 있고, 제한없이 납 축전지, 리튬 이온, 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 또는 니켈 금속 수소화물(Ni-MH) 배터리들을 포함할 수도 있다. A 및 B 동력 공급원(131, 141) 각각은 환경으로부터 배터리팩과 관련 전자 제품을 보호하는 용기에 둘러싸인다.

도3은 상부 덮개가 제거된 동력 공급원의 일 실시예의 평면도를 도시한다. 환경으로 부터 내용물을 보호하기 위하여 덮여지고 밀봉된 A 트레이(205)는 동력 공급원(200)의 요소를 둘러싼다. 트레이(205)는 복수의 배터리 블록(210)을 수용하고, 이들의 각각은 복수의 배터리 셀들(215)을 포함한다. 동력 공급원에 있는 블록의 총수와 배터리 블록(210)에 포장된 셀들(215)의 수는 운반장치의 기대된 동력 요구조건에 의하여 결정된다. 바람직한 실시예에서, 셀들(215)은 "sub-C" 치수의 셀이고, 각 배터리 블록(210)은 10개의 셀들(215)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 배터리 블록(210)은 다른 수의 셀들(215)를 포함할 수도 있다. 셀들(215)은 바람직하기로는 배터리 블록(210)인 것처럼 직렬로 연결된다. 다른 실시예에서, 배터리 블록(210)은 직렬로 연결된 각 블록내의 셀들(215)과 평행하게 연결될 수도 있고 또는 달리 배터리 블록(210)은 병렬로 연결된 각 배터리 블록(210) 내의 셀들(215)과 직렬로 연결될 수도 있고, 각 구성은 특별한 용도를 위한 이점을 제공한다.

동력 공급원(200)의 내부 또는 외부로 흐르는 전류는 동력 공급원(200)와 운반장치(10)사이의 전기적 인터페이스를 제공하는 커넥터(220)을 통하여 전도된다. 도3에 도시된 실시예에서, 커넥터(220)는 동력 공급원(200)의 상부 덮개(도시 안됨)에 위치되나 커넥터(220)의 위치 잡기는 본 발명의 범위내에 있다. 동력 공급원(200)의 내부 또는 외부로 전류를 전도하는 대신에 커넥터(220)는 또한 동력 공급원과 어떠한 다른 운반장치 프로세서사이의 신호 소통을 설정하는 복수의 신호 라인들을 포함할 수도 있다.

각 배터리 블록(210)의 온도는 온도 센서(235)를 통하여 공급원 제어기(230)에 의하여 모니터된다. 추가로, 공급원 제어기(230)는 각 배터리 블록(210)의 전압을 또한 모니터한다. 공급원 제어기(230)가 배터리 블록(210)의 온도가 미리 설정된 온도 한계를 넘어서는 것을 검출한다면, 공급원 제어기(230)는 커넥터(220)를 통하여 프로세서로 과온도 신호를 보낸다. 유사하게, 공급원 제어기(230)가 배터리 블록(210)의 전압이 미리 설정된 전압 한도 이하인 것을 검출한다면, 공급원 제어기(230)는 커넥터(220)를 통하여 프로세서로 전압 이하의 신호를 보낸다.

공급원 제어기(230)는 바람직하기로는 배터리 타입, 동력 공급원(200)에 있는 셀의 수, 그리고 선택적으로 날짜 코드 또는 일련 번호 코드와 같은 동력 공급원에 대한 정보를 저장하는 ID 칩(240)을 포함한다. ID 칩(240)은 전자 공학 분야에서 공지된 어떠한 타입의 영구 또는 반 영구 메모리 기구일 수도 있다. ID 칩(240)에 포함된 정보는 운반장치의 여러 작동 변수들을 설정하는 A 및 B 프로세서(135, 145)에 의하여 사용될 수도 있다. 정보는 또한 동력 공급원을 충전하는 충전기(도시 안됨)에 의하여 사용될 수도 있다.

동력 공급원(200)은 운반장치의 외부 또는 운반장치 내부에 포함되는 충전기로 커넥터(220)를 거쳐 연결될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 충전기는 동력 기술 분야에서 잘 알려진 AC 스위치 모드 충전기이고, 운반장치에 배치된다. 또 다른 실시예에서, 충전기는 배터리 트레이(205)내에 포함된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 동력 공급원(200)은 "보조 동력 유닛"의 명칭으로 미국 특허 출원 제09/517,808호로 계류중인것에서 기술된 것과 같은 보조 동력 유닛(APU)에 의하여 충전된다.

모터 증폭기 및 작동 모드들

도4는 본 발명의 일 실시예의 동력 모듈(300)의 개략 블록도를 도시한다. 균형 프로세서(310)는 교대로 적절한 동력을 모터(330)로 공급하는 모터 증폭기(320)로 명령 신호를 발생한다. 균형 프로세서(310)는 사용자와 시스템 센서들로부터의 입력을 수용하고 사용자 명령에 따라서 운반장치의 동작을 지배하고 평행을 유지하는 상세하게 후술하는 것처럼 제어 법칙을 적용한다. 모터(330)는 교대로 샤프트(332)에 부착된 휠(20,21)(도1에 도시)로 각속도(ω)에서 토크(τ)를 공급하는 샤프트(332)를 회전시킨다. 몇개의 실시예에서, 도시 안된 트랜스미션은 샤프트(332)의 각속도와 관련하여 휠 속도를 정하기 위하여 사용될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 모터(330)는 3코일 브러시리스 DC 모터이다. 그 실시예에서, 모터(330)는 어떠한 수의 코일들이 사용될 수 있지만 3세트의 고정자 코일을 갖는다. 고정자 코일들은 다량의 전류 또는 고전압을 전도할 수 있는 코일 리드들(337)에 의하여 동력 증폭 스테이지(324)로 전기적으로 접속된다. 다량의 전류와 고전압은 신호 처리에서 정상적으로 사용된 전류와 전압에 대한 것이고, 각각 상기 1 암페어 또는 12 볼트 이상의 범위를 덮는 것으로 이해된다.

모터 증폭기(320) 자체는 증폭기 프로세서(322)와 동력 증폭 스테이지(324)의 둘다를 포함한다. 증폭기 제어기(322)는 모터(330)에 적용된 전류 또는 전압을 제어하도록 구성될 수도 있다. 이들 제어 모드들은 각각 전류 제어 모드와 전압 제어모드로서 언급될 수도 있다. 동력 증폭 스테이지(324)는 동력원(340)을 각각의 코일과 접속되거나 단락되게 전환하는데, 이러한 동력원(340)의 전환은 증폭기 제어기(322)에 의해 제어된다. 내부 루프(326)는 바람직하게는 500Hz 정도인 폐쇄 루프 대역폭(즉, 제1의 대역폭)에서 동력 증폭 스테이지(324)의 출력이 명령된 것인지 여부를 감지하고 증폭기 제어기(322)로 에러 신호를 피드백한다. 또한, 증폭기 제어기(322)에 의한 제어는 샤프트 피드백 센서(SFS)(335)로부터의 피드백 신호에 부분적으로 기초한다.

샤프트 피드백 센서(335)는 프로세서(310)와 신호 연결되고, 프로세서로 샤프트 위치 또는 작동에 관계된 정보를 제공한다. 샤프트 피드백 센서(335)는 회전 샤프트의 각위치 또는 속도를 감지할 수 있는 센서 기술에서 공지된 어떠한 센서일 수도 있고, 타코미터, 엔코더와 리졸버를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 홀 센서는 회전 샤프트(332)의 위치를 감지하기 위하여 사용된다. 홀 센서의 이점은 센서의 저렴한 비용이다. 샤프트 피드백 센서(335)(즉, 샤프트 위치 센서)에 의해 제공되는 위치 신호로부터 샤프트 회전 속도를 측정하기 위해 위치 신호가 미분기(308)에 의해 미분된다. 외부 피드백 루프(342)는 균형 프로세서(310)에 의하여 제공된 균형 제어의 대역폭 특성에서 작동하고, 20-30Hz만큼 낮을 수도 있다.

전류와 전압이 어떠한 용도에서 동일한 수도 있지만, 전압 제어는 외부 루프 대역폭이 도5를 참조로 기술된 이유 때문에 내부의 폐쇄 루프 대역폭보다 3-4배 이상 느린 운반 장치 제어의 실시예에 바람직하기로는 적용된다. 즉, 전압 제어를 위한 전압 명령 신호는 프레임 속도와 동일하고 제1의 대역폭의 1/3보다 작은 속도에서 계산되는 것이 바람직하다. 도5는 모터의 전기 모델(410)을 도시한다. 모터는 전압(V)이 가해지는 한 쌍의 터미널들(411,412)을 가진다. 모터(410)는 또한 샤프트 속도(ω), 토크(τ)를 특징으로 하는 회전 샤프트(420)를 가진다. 모터(410)는 전압강하(Vemf)를 가지는 이상 모터(435)로 직렬로 전류(i)를 운반하는 저항(R)의 저항기(430)에 의하여 모델로 될 수도 있다. 이상적인 모터에서, V_emf = k_v ·ω와 τ=k_c·i이고, 여기서 k_v와 k_c는 모터 상수들이다. 직렬 저항기(430)는 모터(410)의 손실을 모델로 한다.

전압 제어 또는 전류 제어로 인한 운반장치(10)(도1에 도시)의 작용에서의 차이는 운반장치가 장애물에 직면하고 그위에서 운전하는 예를 사용하여 알 수 있 다. 운반장치의 휠(20)이 장애물에 직면할 때, 휠 속도는 휠에 가해지는 토크가 장애물위의 휠을 구동하기가 충분하지 않기 때문에 감소될 것이다. 휠 속도에서의 감소는 이상적인 모터를 가로질러 역기전력("back-emf")전압에서의 감소를 반영할 것이다.

먼저 전압 제어의 경우를 고려하면, 증폭기가 전압 제어 모드에 있다면 터미널들(411,412)에 가해진 전압은 일정하게 유지되고, 부가 전류는 저항기(430)과 이상 모터(435)를 통하여 인입될 것이다. 모터를 통한 부가 전류는 장애물위의 휠을 구동하는 부가 토크를 발생할 것이다. 운반장치가 장애물위로 구동함에 따라, 휠은 장애물위로 구동하기 위하여 발생되었으나 장애물에서 떨어지기 위하여 더 이상 필요하지 않은 부가 토크하에서 가속될 것이다. 휠이 가속됨에 따라 모터를 가로지른 역기전력은 증가할 것이고, 저항기(R)를 통한 전류는 터미널들(411,412)을 가로지른 전압을 일정하게 유지하기 위하여 감소될 것이다. 전류에서 감소는 이상적인 모터에 의하여 발생된 가해진 토크를 감소시키고 이에 의하여 휠의 가속도를 감소시킨다. 전압 제어 모드의 이점은 이상적인 모터가 장애물위로 구동하기 위하여 필요한 전류를 자연스럽게 인입하고, 모터 명령에서 요구되는 어떠한 변화없이 장애물에서 떨어지도록 전류를 감소시키는 것이다. 전원이 요구되는 전류를 공급할 수 있는 한 모터는 본질적으로 그 자체의 피드백 센서로서 작용하고, 모터용 제어 루프 지연은 실질적으로 0이다.

전류 제어 모드하에서, 한편으로 증폭기는 제어기가 다음 프로세서 프레임중에 새로운 전류 명령을 보낼 때까지 저항기(430)와 이상 모터(435)를 통하여 전류 를 일정하게 유지할 것이다. 휠이 장애물을 만날 때, 각속도(ω)는 감소되고, 이상적인 모터를 가로지르는 역기전력은 감소된다. 그러나, 증폭기 제어기가 전류를 일정하게 유지하므로, 터미널들(411,412)을 가로지른 전압은 강하하는 것이 허용된다. 전류가 증폭기 제어기에 의하여 일정하게 유지되므로 토크는 일정하게 유지된다. 그러나, 토크는 장애물위로 구동하도록 충분하지 않고, 이동 운반장치의 관성력은 운반장치가 앞으로 피치하게 할 것이다. 운반장치가 장애물위로 앞으로 피치하기 시작함에 따라 피치 에러에서의 변화 또는 속도에서의 변화를 통하여 균형 제어기는 피치하는 것을 검출할 것이고, 미국 특허 제5,971,091호에서의 제어 알고리즘에 따라서 증폭기 제어기로 전류에서의 증가를 명령한다. 모터 증폭기는 저항기(R)와 이상 모터를 통하여 부가 전류를 공급함에 의하여 증가된 전류 명령에 반응할 것이다. 이상적이 모터를 통한 증가된 전류는 그것이 장애물위로 휠을 구동하는 것이 충분할 때까지 휠로 가해진 토크를 증가시킨다. 그러나 운반장치가 장애물위로 이동함에 따라 증가된 토크는 장애물이 더 이상 휠을 저지하지 않으므로 휠을 가속할 것이다. 휠 가속도는 운반장치의 무게 중심(CG)의 앞으로 휠들이 이동하게 할 것이고, 운반장치는 뒤로 피치하게 할 것이다. 균형 제어기는 피치 에러에서의 변화를 통하여 또는 운반장치 속도에서의 변화를 통하여 피치 조건을 검출할 것이고, 이상 모터에 공급된 전류에서의 감소를 명령하고, 이에 의하여 휠로 가해진 토크를 감소시킨다.

균형 제어기에 의하여 야기된 지연이 무시할 정도이고, 균형 제어기로 피드백되는 속도 정보의 정확성이 아주 높다면, 탑승자는 전압 또는 전류 제어가 사용 되는지 여부의 차이를 알지 못할 것이다. 그러나, 운반장치를 위하여 선택된 샤프트 센서 또는 제어기가 제한된 대역폭을 가진다면, 전류 제어 모드는 전압 제어 모드가 작은 장애물에 대하여 나타낸 즉각적인 반응을 제공하지 않을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 저렴한 홀 효과 센서가 샤프트 회전을 검출하기 위하여 이용된다. 추가로, 후술하는 이유때문에 전류 제어 모드를 위한 제어 법칙에서 사용된 게인들의 선택에서의 제한은 전압 제어 모드에 대한 더 부드러운 운반장치 반응을 얻게된다.

탑승자 검출기

운반장치의 작동 모듈들은 탑승자가 운반장치에 의하여 지지되는 모드들을 포함할 수도 있으나 또한 탑승자가 운반장치에 의하여 지지되지 않는 모드들을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 그것은 탑승자가 그것을 따라서 또는 그것 뒤에서 걷는 동안에 운반장치를 운전할 수 있는 것이 바람직할 수도 있다.

추가로, 탑승자가 운반장치가 작동중인 동안 운반장치를 떠난다면 운반장치의 어떠한 안전 특징들이 유발되는 것은 바람직하다. 도6a,6b는 본 발명의 실시예에서 사용된 탑승자 검출 메카니즘을 도시한다. 도6a는 도면 부호 510에 의하여 일반적으로 나타내어진 탑승자 검출기의 평면도를 도시한다. 탑승자 검출기를 결합하는 운반장치(10)는 기부(12), 좌측 휠 바퀴덮개(512), 우측 휠 바퀴 덮개(514), 핸들바(14)를 위한 지지대 스템(16)을 포함한다.(도1에 도시) 바퀴 덮개(512,514)는 대응하는 휠들을 덮는다. 지지대 스템(16)은 기부(12)에 부착되고, 기부(12)에 밀봉된 제어 전자제품에 핸들바상에 배치될 수도 있는 제어장치(32,34)(도1 도시)로 부터의 신호들의 전송을 위한 밀봉된 도관을 제공한다. 바퀴 덮개(512,514)는 기부의 측부들에 단단하게 부착된다.

기부(12)의 상부는 실질적으로 편평한 표면을 제공하고, 기부(12) 상에 서 있는 탑승자를 안락하게 지지하도록 치수된다. 매트(521)는 기부(12)의 상부를 덮고 환경으로부터의 먼지와 입자들로부터 기부(12)에 부가적인 보호를 제공한다. 선택적인 실시예에서, 매트는 또한 바퀴 덮개(512,514)의 부분을 덮을 수도 있고, 동력 공급원의 외부 충전을 제공하는 충전기 포트(도시안됨)를 덮기 위하여 사용될 수도 있다. 매트(521)는 충분한 정지 마찰력을 제공하는 엘라스토머 재료로 만들어 질 수도 있고 이에 따라 탑승자는 기대된 작동 조건하에서 매트(521)에서 미끄러지지 않는다. 플레이트(522)가 기부(12)와 매트(521) 사이에 위치설정된다. 플레이트(522)는 강성 재료로 제조되며, 탑승자의 발로부터 플레이트에 작용하는 힘을 균등하게 분산함으로써, 탑승자가 매트 상에 서 있을 때 적어도 하나의 탑승자 검출 스위치(523)가 작동된다.

도6b는 탑승자 검출기(510)의 절단된 측면도를 도시한다. 스위치(523)는 기부 덮개(524)의 일체부로서 조립될 수도 있는 엘라스토머 재료로 만들어진다. 조립 비용은 더 증가될 수 있지만 스위치(523)를 기부 덮개(524)와 일체형으로 제조함으로써 누입 가능성을 제거한다. 스위치(523)는 기부 덮개(524) 위로 신장하는 상부(542)와 기부 덮개(524) 아래로 신장하는 스템(540)을 가진다. 상부(542)가 눌러진 때, 스위치(523)는 스템(540)이 기부(520) 내에 밀봉된 전자 보드(550)쪽으로 하방으로 변위되도록 변형된다. 광학 스위치는 전자 보드(550)위에 배치되고 이에 따라 스템(540)이 하방으로 변위된 때 스템(540)은 공급원(555)에 의하여 발생된 광빔(557)을 차단하고, 광빔 차단은 광학 검출기(556)에 의하여 검출된다.

매트 에지(525)는 기부 덮개(524)의 상부에 바람직하기로는 부착된다. 매트(521)는 매트 에지(525)를 매트 덮개(527)에 연결하는 매트 벽(526)에 의하여 지지되는 매트 덮개(527)를 가진다. 매트 벽(526)의 높이는 매트(521)위에 무게가 없을 때 플레이트(522)가 스위치(523)위에 힘을 가하지 않도록 치수된다. 탑승자가 매트 덮개(527) 위에 발을 올릴 때 플레이트(522)는 스템(540)이 광빔(557)을 차단할 때까지 전자 보드(550) 쪽으로 변위된다. 탑승자가 운반장치에서 발을 뗄 때 매트(521)는 스위치(523)가 하는 것처럼 승강된 구성으로 복귀하고 이에 의하여 공급원(555)와 검출기(556)사이의 광빔 접촉이 재설정된다.

조향 장치

도7을 지금 언급하면, 도1의 균형 차량(10)과 같은 스쿠터형 차량용 조향 장치의 실시예가 확대도로 도시한다. 전위차계(602) 또는 회전 샤프트(604)의 위치의 다른 센서는 하우징(606)에 부착된다. 하우징은 핸들바(14)의 부분일 수도 있다.(도1에 도시) 회전가능 손잡이(608)는 전위차계 샤프트(604)에 부착되고 탑승자를 위한 손잡이를 제공한다. 비틀림 스프링(610)은 일단부에서 회전가능 손잡이(608)에 연결되고, 다른 단부에서 전위차계(602) 또는 하우징(606)에 연결된다. 탑승자가 손잡이(608)를 회전함에 따라, 손잡이는 샤프트(604)를 회전시킨다. 기술 분야에서 알려진 것처럼 전압이 그것을 가로질러 적절하게 가해진 전위차계(602)는 샤프트의 회전에 실질적으로 비례하는 신호를 발생한다. 탑승자 가 손잡이를 놓으면 비틀림 스프링(610)은 손잡이(608)와 축을 그 각각의 중립 또는 0위치로 회전시킨다. 그 중립 위치로 손잡이(608)의 복귀는 손잡이가 놓아진 때 동일한 방향으로 운반장치가 계속 이동하게 한다. 손잡이가 놓아진 때 중립 위치로 복귀하지 않는다면, 운반장치는 잔여 회전의 방향으로 회전을 계속할 것이다.

탑승자는 회전시 회전 방향으로 기울 것이다. 예를 들면, 도7을 더 참조하면, 탑승자의 오른손이 손잡이(608)를 쥔다면 탑승자의 손가락의 방향으로의 비틀림은 오른쪽 회전과 일치한다. 핸들바의 외부로 탑승자의 오른쪽 팔목의 회전은 탑승자가 오른쪽으로 무게를 이동하고 회전하게 한다. 회전으로 무게 이동은 운반장치의 횡방향 안정을 개선한다.

도8a-8d에 대하여 지금 언급하면, 엄지로 작동되고, 엘라스토머 감쇠된, 조향 입력 장치가 도시되고, 도면 부호 620에 의하여 일반적으로 나타내어진다. 바람직하기로는 전위차계이나 어떠한 회전 센서일 수도 있는 회전 센서(622)는 개인용 운반장치의 지지대, 바람직하기로는 핸들바(14)에 회전에 대하여 고정된 구조로 결합된다.(도1에 도시) 조향장치(620)의 샤프트(624)는 사용자의 엄지(628)에 의하여 엄지 버튼(630)에 가해진 힘에 반응하여 옵셋점(626)에 대하여 굽혀진다. 샤프트(624)가 굽혀짐에 따라 옵셋점(626)을 중심으로 국부 회전은 회전 센서(622)에 의하여 판독되고, 회전의 신호 특성은 운반장치 제어기로 전송된다. 입력장치(620)의 샤프트(624)는 금속 외장(634)에 의하여 둘러싸여진 엘라스토머 코어(632)를 포함한다. 엘라스토머 코어(632)는 예를 들면 고무일 수도 있다 샤프트(624)의 말단 단부(636)는 사용자가 장치의 인접 단부(640)를 회전시킬 때 샤 프트(624)의 변위를 한정하고 핸들바로 부터 신장하는 리미트 포스트들(638) 사이에 잡혀진다.

인접 단부(640)의 사용자의 회전은 샤프트(624)가 도8b에 도시된 것처럼 굽혀지게 한다. 금속 외장(634)(즉, 스프링 부재)은 장치의 사용자 회전에 대항하는 복원력을 제공하는 리프 스프링으로서 기능하며, 장치를 도8a에 도시된 중립 구성으로 복귀시킨다. 엘라스토머 코어(632)(즉, 스프링 부재)는 사용자에 의한 장치의 회전에 저항하여 휨이 증가함에 따라 저항을 증가시키는 전단 스프링으로서 기능한다. 긴(말단) 단부(636)가 굽어짐에 따라 금속 외장(634)과 엘라스토머 코어(632) 사이의 차동 미끄러짐으로 인하여 증가된 저항이 발생한다. 도8c에 도시된 조향 입력장치(620)의 배면도는 샤프트(624)의 회전에 실질적으로 비례하는 신호를 발생하는 전위차계(622)를 도시한다. 도8d에 도시된 조향 입력장치(620)의 평면도는 조향 입력장치(620)의 인접 단부(640)의 대략 L형상 엘보우(642)를 도시한다. 점선으로 된 윤곽(644)은 도8b에 대응하는 휘어진 조건에서 조향 입력 장치를 나타낸다.

도1의 개인용 운반장치(10)의 또 다른 조향장치는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서 도9a,9b에 도시된다. 손바닥 조향장치(650)는 핸들바(14)의 표면에 포함된다. 도9a에 나타내어진 정지상태에서, 레버(652)의 상면은 핸들바(14)의 상면(656)에 실질적으로 평행하고 실질적으로 동일 높이이다. 레버(652)는 운반장치의 전방 이동 방향에 평행하고 지면에 실질적으로 평행한 피봇축(658)을 중심으로 회전된다. 탑승자는 레버(652) 위에 손바닥을 놓고, 피봇축(658)을 중심으로 레버(652)의 일 측부(660) 또는 다른 측부를 누름으로써 조향 신호를 발생시킨다. 조향 신호는 피봇축(658)에 있는 회전 센서(662) 또는 받침점(664)의 어느 한쪽에 있는 압력 센서에 의해 발생된다. 조향 장치는 중립 위치로부터 레버의 운동에 대항하기 위한 복귀 부재를 가질 수 있다.

관성 측정 유닛

관성 측정 유닛(IMU)은 운반장치의 배위와 속도를 결정하는 프로세서에 의하여 사용된 센서들을 수용한다. 완전한 여분은 도2에 도시된 것처럼 분리된 동력 공급원에 의하여 동력을 공급받고 바람직하기로는 서로로부터 물리적으로 분리되는 두개의 관성 측정 유닛의 사용을 통하여 달성될 수도 있다. 공간의 제한은 프로세서들을 분리하는 독립의 신호 라인들과 독립의 동력 공급원을 여전히 유지하는 동안 동일한 포장에 수용될 여분의 관성 측정 유닛들을 필요로 할 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, A측과 B측의 관성 측정 유닛(181,182)(도2에 도시)은 단일 포장물에 수용된다. 각각의 관성 측정 유닛은 약 3개의 축들(피치, 요, 롤), 약 2개의 축들, 또는 약 1개의 축(피치)주위로 운반장치의 배위를 측정하도록 구비될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, A측과 B측의 관성 측정 유닛들의 각각은 3개의 축들을 중심으로 운반장치의 배위를 측정하도록 구비된다. 또 다른 실시예에서, 3축 관성 측정 유닛은 단일 축 관성 측정 유닛과 쌍을 이룰 수도 있다.

각각의 관성 측정 유닛은 센서(190)(도2에 도시)와 센서를 위한 지지 전자제품을 포함한다. 센서는 센서(즉, 피치 센서)의 배위의 변화율 또는 배위를 나타내는 신호를 발생할 수 있는 임의의 기구일 수 있다. 발생된 신호는 바람직하기로는 센서의 배위의 변화율 또는 배위에 거의 비례하나, 다른 의존물들은 본 발명의 범위이내에 있다. 예를 들면, 센서는 액체 높이의 흔들리는 경사 센서, 물리적인 자이로스코프, 중실 상태의 자이로스코프, 가속계, 공지된 거리에 의하여 분리되고 하나의 선에 배열된 한 쌍의 근접 센서들일 수도 있다. 본 발명의 여러 실시예들에서, 중실 상태의 자이로스코프는 액체 높이의 경사 센서로 사용된다. 액체 높이의 경사 센서는 참고문헌으로 본 명세서에 통합된 미국 특허 출원 제09/458,148호에 기술된 중실 상태의 자이로스코프에서의 드리프트(drift)를 보정하도록 사용될 수 있다.

단일 축의 관성 측정 유닛은 운반장치의 피치 배위에 대응하는 신호를 제공하도록 장착된 두 센서들을 갖춘 경사 센서와 중실 상태의 자이로스코프로 구성될 수도 있다. 3축 관성 측정 유닛은 적어도 3개의 중실 상태의 자이로스코프와 경사 센서로 구성된다. 자이로스코프들은 3개의 상호 직각되는 축들을 중심으로 어떠한 회전들의 혼합에 대응하는 신호들을 제공하도록 장착될 수도 있다. 달리, 자이로스코프들은 자이로스코프 신호의 포화를 피하도록 또한 장착될 수도 있다. 자이로스코프들의 배위는 관성 측정 유닛 하우징의 공간 제한, 자이로스코프들의 포화 한도들, 운반장치의 기대된 성능 요구조건에 의존할 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 3축 관성 측정 유닛은 4개의 중실 상태의 자이로스코프들과 경사 센서로 이루어진다. 4개의 자이로스코프들의 사용은 자이로스코프들중 하나에서 고장을 관성 측정 유닛이 검출하게 한다. 고장난 자이로스코프의 식별은 결정할 수 없지만 고장의 존재는 탑승자 안정과 편안함을 유지하면서 후술하는 것처럼 적절한 작용을 취할 프로세서를 경고하는 것으로 충분하다.

프로세서

본 발명의 여러 실시예들에서, 프로세서상에서 구동되는 제어 프로그램은 운반장치의 동적 상태를 결정하고, 운반장치의 동적 상태와, 어떠한 탑승자의 명령을 기초로 모터 증폭기 제어기로 보낼 적절한 명령을 계산한다. 바람직한 실시예에서, 프로세서는 또한 동력 증폭 스테이지(324)(도4에 도시)로 적절한 스위치 명령들을 계산하고 이에 의하여 분리된 증폭기 제어기에 대한 필요를 제거한다. 프로세서는 모터를 제어하기 위한 최적화된 디지털 신호 프로세서(DSP)일 수도 있다. 프로세서를 지지하기 위하여 요구된 회로와 관련 전자 요소들은 전자 제어 회로 기술에서 잘 알려져 있다.

도10을 이제 참조하면, 논리 흐름도는 프로세서에 의해 실행되는 제어 프로그램을 나타낸다. 탑승자가 운반장치를 작동할 때, 제어 프로그램은 초기화 절차(705)를 수행한다. 초기화 절차는 프로세서들 사이의 여분의 체크를 수행하고, 임의의 서브시스템 오류를 체크하고, 관성 측정 유닛(즉, 스태빌라이저)을 초기화한다. 서브시스템과 프로세서가 초기화 체크를 통과하고, 관성 측정 유닛이 초기화된 후에, 초기화 절차는 운반장치가 사용 준비되었다는 것을 탑승자에게 경고한다. 경고는 음성이나 빛과 같은 청각 또는 시각 표시기일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 초기화 절차는 1축 상태 예상기가 초기화된 후에 탑승자에게 준비 경고를 제공한다. 이는 3축 상태 예상기가 여전히 초기화되는 동안에 탑승자가 운반장치의 사용을 시작할 수 있게 한다.

프로그램은 710에서 탑승자 명령들과 운반장치 상태 센서 신호들을 위하여 다음 체크를 한다. 탑승자 명령들은 전술한 탑승자 검출, 요 명령들, 피치 트림 명령들, 비상 브레이크 명령들, 모드 변화 명령들을 포함할 수도 있다. 운반장치 상태 센서 신호들은 배터리 팩의 전압을 측정하기 위한 잠재 센서들 또는 배터리 또는 모터 온도와 같은 운반장치 요소들의 온도를 측정하기 위한 센서들을 포함할 수도 있다. 상태 센서들은 또한 관성 측정 유닛들에서 센서들을 포함한다.

715에서 프로그램은 관성 측정 유닛들로부터 센서 신호들을 기초로 운반장치 배위를 결정한다. 바람직한 실시예에서, A측 관성 측정 유닛으로서 지적되는 2축 경사 센서와 4개의 중실 상태의 자이로스코프들을 결합하는 3축 관성 측정 유닛은 B측 관성 측정 유닛으로서 지적된 1축 관성 측정 유닛과 쌍을 이룬다. 프로그램은 4개의 자이로스코프들의 두 서브세트들로 부터의 병합된 신호들을 비교함에 의하여 A측 관성 측정 유닛에서 자이로스코프 고장을 먼저 체크한다. 프로그램이 4개의 자이로스코프들중의 하나가 고장난 것을 판정한다면 프로그램은 후술한 것처럼 안전한 조건으로 운반장치를 가져가는 절차를 활성화할 A측 관성 측정 유닛 오류 플래그를 설정한다. 프로그램이 또한 B측 관성 측정 유닛으로부터의 신호들을 기초로 운반장치 배위를 예상한다. A측 관성 측정 유닛이 오류를 갖지 않는다면, B측 예상은 A측 예상에 비교된다. B측 예상이 미리 설정된 양 이상에 의하여 A측 예상과 다르다면 프로그램은 안전한 조건 절차를 또한 활성화할 B측 관성 측정 유닛 오류 플래그를 설정한다. B측 예상이 동일한 사전 설정량내에서 A측 예상과 일치한다면 , 프로그램은 B측 예상을 무시하고 B측 관성 측정 유닛이 A측 관성 측정 유닛이 고장한다면 운반장치를 정지로 안전하게 가져오는 것이 허용되는 지식으로 더 처리를 위한 A측 예상을 사용한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, A측과 B측 관성 측정 유닛들의 둘다는 1축 상태 예상기들이다.

프로그램은 720에서 휠 모터 명령들을 발생한다. 프로그램의 이 부분은 균형 제어기로 또한 언급된다. 균형 제어기는 미국 특허 제5,971,091호와 미국 특허 출원 제09/458,148호에 기술되고, 이들의 둘다는 참고로 여기에 기술된다.

휠 모터 명령들은 명령=K₁θ+K₂θr+K₃χ+K₄χ_r의 형태를 가지는 제어법칙을 통하여 발생된다. 여기서 θ=운반장치 피치 에러

θ_r=운반장치 피치율 에러

χ=운반장치 위치 에러

χ_r=운반장치 속도 에러

동적 상태 변수들은 바람직한 값에서 측정값을 빼는 것으로서 한정된 에러 용어의 형태로 된다. 예를 들면, θ는 바람직한 운반장치 피치에서 측정된 운반장치 피치를 빼는 것이다. 측정된 운반장치 피치와 피치 속도는 관성 측정 유닛들로부터 결정된다. 측정된 운반장치 위치와 운반장치 속도는 샤프트 피드백 센서들로 부터 결정된다. 균형잡힌 작동을 위하여 바람직한 피치율은 0으로 설정된다. 바람직한 피치는 피치 트림 제어를 통하여 탑승자에 의하여 조정될 수도 있고, 운반장치 작동중 제어 프로그램에 의하여 또한 조정될 수도 있다.

조정가능 계수(K₁,K_2,K₃,K₄)는 게인으로서 공통으로 언급되고, 작동 모드를 한정하는 일 세트의 계수를 함께 형성한다. 계수들의 값들이 변화함에 따라, 운반장치의 반응성과 안정성은 변한다. 게인들은 차량의 작동 모드의 선택에서 사용자에 의하여 특정된 값으로 설정된다. 예를 들면, K₃은 통상 운반장치가 이동하도록 0으로 설정되나 K₃은 정지점에서 운반장치가 균형을 유지하게 할 양의 값으로 설정될 수 있다.

일 실시예에서, K₁은 양의 값으로 설정되고, K₂,K₃,K₄는 0로 설정된다. 이 작동 모드에서, 운반장치는 자동으로 균형을 이루지 않으나 탑승자는 균형을 유지할 수도 있고 이동중에 전/후 방향으로 자신의 무게를 조정함에 의하여 운반장치의 전후동작을 명령할 수도 있다. 전후 동작을 명령하는 중에 횡방향 안정을 탑승자가 유지하는 모터 구동식 스쿠터 또는 모터 사이클 같지 않게, 0이 아닌 K₁만으로 작동하는 본 발명의 운반장치는 전후 이동을 동시에 명령하면서 전후 방향으로 탑승자가 균형을 유지하기를 요구한다. 이러한 모드에서 운반장치를 작동하는데 필요한 더 높은 단계의 기술은 그 오락적인 가치 때문에 일부 탑승자에게 매력적일 수 있다.

또 다른 실시예에서, K₁,K₂는 양의 0이 아닌 값들로 설정되고, K₃,K₄ 는 0으로 설정된다. 이 모드에서, 운반장치는 균형을 유지할 수 있고, 준비된 상태의 속도를 유지하기 위하여 피치에서 준비된 상태의 '에러'(또는 '옵셋')를 요구한다. 그러나, 탑승자는 탑승자의 무게 이동의 적절한 제어를 통하여 불안정을 피하면서 균형된 상태에서 운반장치를 작동할 기술을 개발할 수 있다.

전형적인 작동에서, K₃만이 0로 설정된다. 이 모드에서, 운반장치는 안정된 속도에서 이동하는 중에 작은 피치 '에러'를 유지한다. 운반장치의 반응성은 서로에 대해 게인들의 각각의 값들을 조정함에 의하여 수정될 수도 있다. 예를 들면, K₁이 증가되면, 탑승자는 전방으로 약간 기울이는 것이 전방으로 급속하게 가속시키거나 범퍼를 넘어 전방 이동하기 위한 큰 휠 명령을 야기하게 된다는 점에서 더 엄격하게 반응해야함을 인식하게 될 것이다. 그러나 게인들은 완전히 독립적인 방법으로 조정될 수 없고, 여전히 운반장치를 안정되게 유지한다. 작동기의 대역폭(전송 강도, 토크 대역폭) 뿐만 아니라 센서 신호들의 대역폭(속도, 피치, 피치속도등)은 달성가능한 강도의 상한치를 놓는다. 또 다른 예를 위하여, 샤프트 피드백 센서가 매우 작은 지연으로 고 해상 속도 신호를 제공할 수 있으며, 프로세서가 큰 프레임 속도가 가능하다면, 게인들은 진동가능한 불안정성을 피하면서 엄격한 운반장치 반응을 제공하기 위하여 증가될 수도 있다. 역으로, 샤프트 피드백 센서는 소음 속도 신호를 발생하거나 또는 프로세서 프레임 속도가 단지 적절하다면, 게인들을 증가시킬 능력이 제한될 것이고, 탑승자는 "머쉬(mushy)" 또는 "슬로피(sloppy)" 운반장치 반응을 경험할 것이다.

A와 B 프로세서(135,145)(도2에 도시)의 각각에 의하여 발생된 모터 명령들은 도10의 단계(725)에서 비교된다. 명령이 미리 설정된 양 이상으로 다르다면 프로세서 오류 플래그는 운반장치를 위한 안전한 셧다운 루틴을 실행하도록 설정된다. 모터 명령들이 서로의 미리 설정된 양내에 있다면 명령들은 평균화 되고, 평균화 된 명령은 단계(730)에서 모터 증폭기 제어기들로 보내진다. 프로그램은 735 에서 내부 클록을 체크하고, 적절한 시간에서 710으로 실행을 전달한다. 프로그램 루프(710,715,720,725,730,735)는 프레임으로 언급되고, 매초마다 적어도 5번, 바람직하기로는 매초마다 적어도 100번 실행된다. 100Hz이하의 프레임 실행 속도는 불안정한 운반장치로서 탑승자에게 나타날 수도 있다. 더 높은 프레임 속도는 탑승객에 의하여 인식된 것처럼 운반장치의 안정성을 증가시킨다.

위치로 폐쇄 루프 요(yaw) 제어

운반장치의 조향 또는 요 제어는 휠 증폭기들에게 회전 명령을 추가함에 의하여 달성되고 다음의 형태를 가진다.

LeftCmd=BalCmd+YawCmd

RightCmd=BalCmd-YawCmd

LeftCmd와 RightCmd는 각각 좌우 모터 증폭기로 제어기에 의하여 보내진 명령이다. LeftCmd와 RightCmd는 증폭기들이 전압 제어 모드에 있다면 전압을 나타내고, 증폭기들이 전류 제어 모드에 있다면 전류를 나타내고, 또는 증폭기들이 듀티 사이클 제어 모드에 있다면 듀티 사이클을 나타낸다. BalCmd는 이동하는 동안 또는 정지하고 있는 동안 균형잡힌 상태에서 운반장치를 유지하는 각 증폭기로 제어기에 의하여 보내진 명령이다. YawCmd은 명령을 다른 휠로 증가시키면서 휠들중의 하나로 명령을 감소시킴에 의하여 운반장치를 회전시키게 된다. 예를 들면, 양의 YawCmd은 우측 휠로 명령을 감소시키면서 좌측 휠로 명령을 증가시키고 이에 의 하여 운반장치는 우측 회전을 실행하게 한다. YawCmd은 피드백 루프없이 전술한 요 입력 장치에 의하여 발생될 수도 있다.

운반장치를 조향하는 이외에 요 제어기는 또한 일시적인 요 방해에 상대적으로 비민감하게 되어야 한다. 요 방해의 예는 휠들중의 하나가 작은 장애물 또는 범프위를 이동할 때이다. 장애물을 경험하는 휠은 다른 휠이 본래 속도에서 계속하는 중에 느리게 될 것이고 이에 의하여 장애물의 방향으로 운반장치를 회전시킨다. 이동 방향으로 갑작스럽고 명령되지 않은 변하는 어떠한 수송 장치에서 바람직하지 않다. 바람직한 실시예에서, 폐쇄 루프 요 제어기는 하기 식에 의하여 주어진 제어 법칙을 따르며 이행된다.

YawCmd=k_pψ_error + k_dψ'_error

여기서 ψ_error는 (ψ_desired-ψ)에 의하여 주어지고, ψ'_error는 (ψ' _desired-ψ')에 의하여 주어지고, ψ'는 ψ'=c·(ω_R-ω_L)에 의하여 주어지고, ψ는 ψ=∫ψ'dt에 의하여 주어진 요이고, k_p,k_d,c는 상수들이고, ω_R과 ω_L은 각각 좌우 휠 각속도들이다. 바람직한 요 속도, ψ'_desired와 바람직한 요, ψ'_desired는 제어기 또는 탑승자에 의하여 제공될 수도 있다. 운반장치는 k_d를 위한 큰 값을 선택함에 의하여 요 방해에 상대적으로 비민감하게 될 수도 있다. k_d가 크다면 작은 요 속도 에러는 운반장치의 어떠한 방해 유도 회전에 반대하도록 작용할 큰 YawCmd를 발생할 것이다. 그 러나 k_d가 너무 크다면 운반장치는 부분적으로 휠들의 기계적 특성에 그리고 좌우 휠사이의 커플링 작동에 의존하는 요 불안정성을 받기 쉽다.

게인(k_p)은 요 위치 에러들을 교정하기 위하여 사용된다. 작동기 구동 방법(전류 모드, 전압 모드 또는 듀티 사이클 모드)에 따라 k_p는 방해력에 의하여 도입되는 요 에러를 감소하는데 다소간 중요하게 될 것이다.

일 실시예에서, 좌우 휠들을 위한 요 제어 법칙은 요 속도 동적 변수ψ'=c·(ω_R-ω_L)를 각각 좌우 휠 각속도 (ω_R또는 ω_L)로 대체하기 위하여 수정된다. 요 제어 법칙에서 요 속도 대신에 휠 속도들을 사용하는 것은 좌우 휠사이의 커플링을 제거하고 이에 의하여 더 엄격한 요 제어를 위하여 더 높은 값으로 감쇠 게인(k_d)이 설정되게 한다. 그러나, 휠들의 기계적 특성들은 k_d의 상한치를 놓고 그리고 그러므로 운반장치의 요 강도를 제한한다.

전술한 것처럼, A 및 B 증폭기(132,133,142,143)는 바람직하기로는 전압 제어 모드에서 작동된다. 전술한 것처럼, 전압 제어는 모터의 역기전력으로 인해 일시 사건들중에 모터가 휠 속도를 유지하는 거의 순간 피드백 루프를 제공하게 한다. 전압을 제어하는 효과는 k²ω/R에 비례하는 용어는 도5를 참고로 기술한 것처럼 k과 R이 모터의 특성인 요 제어 법칙에 더해지고, ω는 각각 좌우 요 제어 법칙을 위한 좌우 휠 속도이다.

정지 마찰력 제어

전술한 것처럼, 제어기는 동력 증폭기들과 휠 모터들을 통하여 휠 토크로서 포함되어 이후에 언급된 휠 토크 또는 휠 속도를 명령함에 의하여 동적으로 균형을 이룬 조건에서 운반장치를 유지한다. 제어기는 관성 기준 장치를 통하여 운반장치의 배위를 모니터하고, 균형을 유지하는 휠 토크를 조정한다. 휠 명령과 운반장치 배위사이의 커플링은 휠과 지면으로서 이후에 언급될 아래에 놓인 표면사이의 정지 마찰력에 특히 의존할 것이다. 휠로 명령된 토크가 휠과 지면사이의 마찰 이탈력을 초과한다면, 휠은 미끄러지고 균형 상태에 운반장치를 유지하는 제어기의 능력에 역으로 영향을 미칠 것이다. "Type I"으로서 여기에 언급된 정지 마찰력의 손실의 제1의 타입은 탑승자가 휠과 지면의 국부 조건이 허용하는 것 보다 더 빠르게 가속(또는 감속)하려고 한다면 발생할 수도 있다. 여기에서 "Type II"의 정지 마찰력의 제2의 손실의 타입은 운반장치가 램프에서 벗어나서 운전할 때처럼 지면과 운반장치가 접촉을 잃을 때 또는 지면상에서 얇게 굳어진 얼음과 같은 미끄러운 지점을 운반장치가 만날때 발생할 수도 있다. 정지 마찰력의 손실의 두 타입들에서 휠은 휠이 미끄러짐에 따라 가속될 것이다.

도11에 대하여 언급하면, 본 발명의 실시예에 따른 정지 마찰력 제어의 방법이 흐름도에 도시한다. 제어기는 휠 속도를 연속적으로 모니터하고 810에서 휠 가속(A_W)을 계산한다. 제어기는 또한 전술한 균형 루틴으로부터 제공된 명령된 토크에 의하여 이전 단계(810)로 부터 휠 가속도를 나눔에 의하여 820에서 역 휠 관성 력(J_W)을 예상한다. 발명자들은 역 휠 관성력은 정지 마찰력의 타입 I 손실과 정지 마찰력의 타입 II 손실사이를 식별할 수 있는 휠 특성이라는 것을 발견했다. 계산된 휠 가속도는 830에서 미리 설정된 값(A_MAX)에 비교된다. 미리 설정된 값은 정지 마찰력의 손실의 가속 특성에 대응하고 쉽게 결정할 수 있는 방법으로 운반장치 특성에 의존한다. A_W가 A_MAX보다 더 크다면, 제어기는 835에서 미끄럼 조건을 나타내는 플래그를 설정한다. 제어기는 840에서 플래그를 체크하여, 플래그가 설정되지 않은 경우, 제어기는 후술될 토크 슬루잉 루틴(870)을 실행한다. 플래그가 설정되면 미끄럼 조건을 나타내며, 제어기는 미끄러지는 휠이 휠을 자유롭게 하게 한다. 이는 모터 증폭기들이 미끄러지는 휠에 명령할 수 없도록 함에 의하여 달성될 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어기는 850에서 토크 명령의 음에 대한 토크 옵셋을 설정하고 이에 의하여 모터 증폭기들로 보내진 토크 옵셋과 토크 명령의 합은 0이 되고, 이에 의하여 휠이 자유롭게 회전하게 하고 휠의 가속도를 감소한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 토크 옵셋은 토크 옵셋과 토크 명령의 합이 토크 명령이하가 되는 값으로 설정된다.

제어기는 역 휠 관성력(J_W)을 860에서 미리 설정된 값(J_min)과 비교한다. J_W가 J_min이하라면, 제어기는 865에서 미끄럼 플래그를 제거한다. 역 휠 관성력이란 용어는 그것이 정지 마찰력의 타입 I과 타입 II 손실을 식별할 수 있기 때문에 미끄럼 조건을 제거하기 위하여 사용된다. 예를 들면, 휠이 표면과 접촉을 잃는다면, J_W는 관성 모멘트가 휠만을 포함하고 작기 때문에 매우 크게 될 것이다. 역으 로, 관성 모멘트가 전체 운반장치를 포함하고 크게 되기 때문에 휠이 지면과 접촉을 유지할 때 J_W는 작게 될 것이다.

토크 옵셋은 870에서 0으로 감소되거나 슬루잉된다. 이로 인해, 운반장치가 미끄럼 조건으로부터 원상태로 돌아온 후, 탑승자에게 더 원활한 변화를 허용한다.

0으로의 감속

전술한 것처럼, 탑승객은 기울임으로써 운반장치의 전후 이동을 제어할 수도 있다. 그러나, 운반장치가 탑승자가 상황에 반응할 수 있기 전에 정지로 안전하게 가져와야 하는 상황이 발생할 수도 있다. 예를 들면, 균형 제어기에 의하여 사용된 요소가 고장난다면, 제어기는 동적으로 균형잡힌 조건에서 이동하는 운반장치를 유지할 수 없을 수도 있다. 요소 고장이 검출되는 경우, 운반장치를 자동으로 정지시키는 0으로의 감속 루틴이 제어기에 의해 실행됨으로써, 제어기가 동적인 균형을 유지하는 능력을 잃기 전에 탑승자가 운반장치로부터 하차할 수 있게 한다.

도12에서 0으로의 감속 루틴을 위한 흐름도가 도시된다. 루틴은 매 제어기 프레임마다 910에서 들어간다. 임계 오류가 920에서 검출되지 않는다면 루틴은 930에서 종료된다. 임계 오류가 균형 제어기에 영향을 끼칠 수 있는 다양한 조건들중의 어느 하나일 수도 있다. 예를 들면, 배터리 개방 조건, CPU/RAM 오류, 모터 권선 개방 조건, 모터 권선 쇼트 조건, 또는 경사 센서 오류는 요소와 제어기가 운반장치가 정지하게 하기 위하여 여분을 잃어버렸다는 것을 나타낸다. 배터리 과온도 또는 모터 과온도와 같은 다른 오류들이 요소의 임박한 고장을 나타낼 수도 있고, 또한 운반장치가 정지하도록 감속하는 루틴을 시작하기 위하여 사용될 수도 있다.

운반장치는 이동 속도를 제한하는 기능을 가지고, 미국 특허 제5,791,425호에 기술되고, 참고로 여기에 기술된다. 임계 오류가 920에서 검출되는 경우, 제어기는 940에서 오류가 검출된 때에 속도 한계를 0으로 슬루잉시킴으로써 운반장치를 정지시킨다. 슬루잉은 여러 제어기 프레임들에 걸쳐 본래 값으로부터 최종값까지 변수를 증분식으로 변화시키는 프로세스라는 것임을 당업자는 알 것이다. 각 제어기 프레임이 시간 간격에 대응하므로, 슬루잉 공정이 완전하게 되는데 걸린 프레임의 수는 운반장치를 정지로 가져오기 위하여 걸리는 시간과 일치한다. 정지 시간은 여러 운반장치 의존 인자들과 탑승자의 안락함에 의존한다. 예를 들면, 운반장치가 갑작스러운 정지를 가져온다면, 탑승자는 갑작스럽고 기대하지 않은 정지에서 불편함을 느낄 수도 있다. 역으로, 정지 시간이 매우 길다면, 백업 요소가 고장날 가능성이 증가한다. 또 다른 예에서, 정지 시간은 운반장치에서 사용된 특정 센서들의 특성을 기초로 할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 경사 센서는 자이로스코프의 드리프트를 보정하기 위하여 사용된다. 경사 센서가 고장난다면, 자이로스코프에 의하여 제공된 정보는 자이로스코프 드리프트가 운반장치의 동적으로 균형을 이룬 조건을 유지할 제어기의 능력에 역으로 영향을 미칠 에러를 만들 때까지 균형 제어기를 위하여 적절하게 유지될 수도 있다. 자이로스코프가 낮은 드리프트률(drift rate)을 가진다면, 정보는 더 긴 시간 동안 적절하게 유지되어, 상대적으로 더 긴 정지 시간이 사용될 수도 있다. 역으로, 자이로스코프가 높은 드리프트률을 가진다면, 더 짧은 정지 시간이 요구될 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 정지 시간은 1초와 10초 사이이고, 바람직하게는 2초와 4초 사이이다.

특별한 오류 조건에 따라, 0으로의 감속 루틴은 고장난 요소를 보상할 잔류 비오류 요소들에 대한 명령을 또한 조정할 수도 있다. 예를 들면, 모터 권선이 고장난다면, 모터는 단지 반의 동력으로 작동을 계속할 것이다. 모터들중 하나에서 갑작스러운 감속은 운반장치가 갑자기 회전하게 할 것이다. 그러한 갑작스러운 회전을 방지하기 위하여 모터의 작동 권선에 대한 명령은 고장난 권선을 보상하기 위하여 2배로 된다. 그러나, 잔류 모터 권선에 대한 명령을 2배로 하는 것은 모터 증폭기에서 작동 한계를 초과할 수도 있고 증폭기가 고장나게 한다. 모터 증폭기가 그 작동 한계에 걸쳐 작동할 수 있는 기대된 기간은 정지 시간을 결정할 수도 있다.

운반장치는 제어기와 모터 증폭기가 휠의 위치를 직접 제어하기 때문에 외부 대향 토크를 휠로 적용하기 위한 장치를 가지는 점에서 브레이크를 요구하지 않는다. 상술한 바와 같이, 운반장치의 전후 이동은 탑승자가 정지하기를 원하는 경우, 탑승자의 기울임에 의해 제어되며, 탑승자는 이동하는 운반장치의 방향의 반대 방향으로 단지 기울이면 된다. 탑승자의 행동은 보행자가 하는 자연스런 동작이지만, 동력 차량을 운전하는 데 익숙한 탑승자들은 운반 장치를 감속시키기 위해 브레이크를 사용하려고 하여, 예상치 못한 상황에서, 단지 뒤로 기울이는 것 대신에 본능적으로 브레이크에 접근할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 브레이크 제어는 핸들바 제어와 결합한다. 브레이크 제어는 온-오프 스위치와 같은 단순한 2상태 장치일 수도 있거나 또는 스위치는 탑승자 입력에 비례하는 신호를 발생하는 비례 장치일 수도 있다. 브레이크 스위치의 작동은 다음의 수정으로 전술한 0으로의 감속 루틴을 제어기가 실행하게 한다. 920에서 "오류 조건"은 브레이크 스위치의 작동이다. 이 경우에 오류는 균형 제어기에 의하여 사용된 요소가 아니므로, 정지 시간(슬루잉 공정을 위한 프로세서 프레임들의 수)은 탑승자를 위하여 더 안락한 속도로 길이를 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 정지 시간은 5초와 10초사이이다.

브레이크 제어기가 압력 센서와 같은 비례 장치라면 감속 속도는 브레이크 제어상의 압력의 적용을 통하여 탑승자에 의하여 제어될 수도 있다. 탑승자가 높은 압력을 가한다면, 감속 속도는 슬루잉 프레임들의 수를 감소시킴에 의하여 증가된다. 역으로, 적용된 압력이 낮으면, 감속 속도는 슬루잉 프레임들의 수를 증가시킴에 의하여 낮아진다.

Claims (33)

1. 제어 변수에 부분적으로 기초하여 운반장치의 운동을 제어하기 위한 제어기를 갖는 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법이며,

   (a) 오류 조건을 검출하는 단계와,

   (b) 제어 변수의 목표값을 설정하는 단계와,

   (c) 목표값을 향해 특정 증분으로 제어 변수를 조정하는 단계와,

   (d) 제어 변수가 목표값과 동일할 때까지 (a)단계 내지 (c)단계를 반복하는 단계를 포함하는, 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 목표값이 0인, 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 제어 변수가 운반장치 속도인, 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서, 오류 조건이 개방 모터 권선인, 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법.
5. 제1항에 있어서, 오류 조건이 폐쇄 브레이크 스위치인, 운반장치를 자동적으로 감속시키기 위한 방법.
6. 운반장치를 자동적으로 감속시키는 장치이며,

   (a) 오류 조건 신호를 발생시키는 위한 오류 검출 회로와,

   (b) ⅰ. 제어 변수에 부분적으로 기초하여 운반장치의 운동을 제어하고,

   ⅱ. 오류 조건 신호를 수신하고,

   ⅲ. 목표값를 설정하고,

   ⅳ. 목표값을 향해 특정 증분으로 원하는 제어 변수를 조정하고,

   ⅴ. 원하는 제어 변수가 목표값과 동일할 때까지 i 단계 내지 iv 단계를 반복하기 위한 제어기를 포함하는, 운반장치를 자동적으로 감속시키는 장치.
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