KR20130020665A - 자이로스코프 안정화 차량 - Google Patents

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케빈 브레트니
앤드류 엘. 창
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리트 모터스 코포레이션
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Abstract

본 발명의 실시예는 복수의 센서를 통해 차량 정보를 표시하는 데이터를 수신하는 것을 설명한다. 상기 정보는 적어도 차량 프레임의 배향, 프레임에 대한 차량 전륜의 배향, 제1 및 제2 플라이휠의 배향 및 회전 속도, 및 차량의 속도를 표시할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 플라이휠은 차량 프레임에 결합되는 제1 및 제2 자이로스코프에 포함된다. 복수의 센서로부터 수신한 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 플라이휠 중 적어도 하나의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나가 조절될 수 있다. 상기 조절은 차량의 속도와 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 입력에 추가로 기초할 수 있다.

Description

자이로스코프 안정화 차량{GYROSCOPIC STABILIZED VEHICLE}
본 출원은 2010년 3월 16일 출원된 미국 가특허출원 제61/314,540호와 2010년 9월 2일 출원된 미국 정규출원 제12/875,041호의 우선권을 주장한다.
본 발명의 실시예는 운송차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자이로스코프 안정화 차량에 관한 것이다.
상승하는 에너지 비용과 온실 가스가 환경에 미치는 영향으로 인해 탄소 배출량이 낮은 고효율 차량에 대한 요구가 증가했다. 모터사이클 및 스쿠터와 같은 인라인 휠(inline-wheeled) 차량은 종래의 사륜 자동차보다 높은 효율을 제공하지만, 이 효율은 주로 인라인 휠 차량과 사륜 자동차 간의 물리적 차이, 예컨대 저감된 중량, 보다 적은 마찰면, 저감된 항력(drag)에 기인한다. 나아가, 비바람에 대한 노출, 충돌 사고시의 안전에 대한 염려, 그리고 차량 사용 중에 차량 안정성을 유지하기 위해 요구되는 기술로 인해 다수의 사용자는 모터사이클과 스쿠터의 운전을 꺼리거나 힘들어한다.
인라인 차량 사용자의 비바람에 대한 노출을 줄이기 위한 해법은 사용자가 저속 운전 중에 발을 써서 차량을 안정시키는 것이 가능하도록 운전자를 여러 요소로부터 부분적으로 차폐하는 장치(예컨대 방풍유리)에 대개 한정되었다. 나아가, 인라인 휠 차량용 밀폐형 조종실을 부설하고자 하는 해법이 일부 있긴 했지만, 이들 해법은 (보다 소형이긴 하지만) 차량 안정화를 위한 추가적인 차륜을 필요로 하거나, 모든 잠재적인 예견 가능한 사용 중의 차량 안정성에 대비하지는 못한다. 전자 장비를 통해 인라인 차륜 차량을 안정화하고자 하는 종래 기술 또한 차량의 전반적인 효율을 극대화하는 자원 및 에너지 효율적인 해법을 제공하는 데 실패했다.
다음의 설명은 본 발명의 실시예를 구현하는 예로서 주어진 도해를 갖는 도면에 대한 검토를 포함한다. 도면은 제한적인 것이 아니라 예로서 이해되어야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 "실시예"를 언급하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 포함되는 특정 특징부, 구조물 또는 특성을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 본 명세서에 등장하는 "일 실시예에서" 또는 "대안적인 실시예에서"와 같은 문구는 본 발명의 다양한 실시예와 구현예를 말하는 것이며, 반드시 전부 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 그러나 이들이 반드시 서로 배타적인 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예를 포함하는 차량의 부분 단면 측면도를 도시한다.
도 2는 플라이휠 조립체의 분해조립도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 흐름을 표시하는 것으로, 각기 다른 상태에 있는 차량의 부분 단면 측면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 흐름 도표를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템의 절차 도표를 도시한다.
도 6은 제어 시스템의 실시예를 도시한다.
이하 설명되는 실시예의 일부 또는 전부를 묘사할 수 있는 도면의 설명을 포함하는 특정 세부사항과 구현예에 대한 설명에 뒤이어 본 명세서에 제시되는 발명 개념의 다른 잠재적 실시예 또는 구현예에 대해 검토하기로 한다. 이하 본 발명의 실시예에 대한 개관이 제시되며, 뒤이어 도면을 참조하는 보다 상세한 설명이 뒤따른다.
역 토크를 발생시키는 플라이휠의 세차운동을 이용하여 이륜 차량을 직립 상태로 유지하기 위해 자이로스코프를 사용하는 기본 개념은 공지되어 있으나(본 명세서는 자이로 안정화 이륜 차량에 관하여 논급하고 있긴 하지만, 자이로 안정화의 원리는 차량의 안정화 또는 안정성의 제공이라는 면에서 현가 시스템을 증강하기 위해 자이로 안정화가 사용되도록 협소한 트랙 폭을 갖는 임의의 차량에 사용될 수 있다), 이런 시스템은 차량이 고속 운전을 비롯한 일체의 조건에서 안전하게 작동하도록 하는 적절한 제어 시스템을 위한 설계의 결여를 포함한 다양한 이유로 인해 일반화되지 않았다.
플라이휠 안정화를 구체화하기 위한 이전의 시도들은 추가적인 기계식 구동 트레인, 전력 및 연료(또는 배터리) 요건으로 인해 현저한 복잡성 및 이에 따른 무게를 차량에 더하였다. 또한 플라이휠 자체가 적지 않은 양의 에너지를 소모하였고, 이에 따라 이륜 자동차 자체의 고유한 효율성 이점이 사라지게 되었다. 그러나 모터-발전기를 활용하는 전기 구동 시스템의 발전은 차량을 위한 무공해 동력을 가능하게 하고, 차량의 감속시 더 많은 양의 에너지를 회복하는 회생 제동 원리를 이용할 수 있도록 해준다. 이는 에너지 저장 밀도 면에서의 발전에 힘입어, 추가 전력이 자이로 안정화를 위해 사용되는 경우에도 주행거리가 연장되도록 한다.
이들 효과를 지배하는 기본 수학식은 다음 수학식에 의해 공지되고 설명된다. 중실체 디스크의 관성 모멘트(I)는 I=1/4*m*r2에 의해 정해지는데,여기서 m은 디스크의 질량이고 r은 반경이다. 차량 무게와 무게중심(CG)이 주어질 때, 자이로 안정화 플라이휠은 정지되어 있는 동안 차량의 수직 안정성이 무기한으로 제어될 수 있도록 크기가 정해질 수 있다. 플라이휠의 반경, 질량 및 구조는 차량 프레임 내에 설치할 수 있는 콤팩트한 크기를 유지하면서 여전히 효과적인 관성 모멘트(I)를 제공할 수 있도록 선택될 수 있다.
회전 플라이휠을 플라이휠 회전축에 수직한 축을 중심으로 세차운동시키는 것은 회전축과 세차운동축 양쪽 모두와 직교하는 역 토크를 생성할 것이다. 짐벌형(gimbaled) 플라이휠 조립체의 유효 역 토크(τ)는 수학식: τ=Idisk*ωdisk*ωaxis에 의해 주어진다. 플라이휠의 회전 속도는 차량 안정화에 이용할 수 있는 유효 토크(τ)의 양에 있어서 큰 역할을 한다. 선택된 플라이휠의 질량과 기하구조에 대한 지배 수학식의 유일한 제어 가능 변수 중 하나로서, 플라이휠 회전 속도는 차량의 가변적인 정적 부하와 부하 배분을 보상하고 이에 따라 자이로 안정화기의 교정 능력을 보상하도록 제어될 수 있다.
차량 제어에 사용되는 추가적인 변수는 다음을 포함한다.
θVehicle는 라디안 단위로 측정되는 차량의 좌우 경사이다.
VVehicle는 초당 미터 단위로 측정되는 도로 주행시의 차량 속도이다.
ωdisk는 초당 라디안 단위로 측정되는 플라이휠의 회전 속도이다.
φaxis는 라디안 단위로 측정되는 수직선으로부터의 플라이휠의 경사이다.
ωaxis는 초당 라디안 단위로 측정되는 플라이휠 경사의 회전 속도이다.
θsteering는 라디안 단위로 측정되는 조향 입력이다.
입력 θVehicle , VVehicle , ωFlywheel, ωaxis, φaxis 및 θsteering을 사용하는 경우, θVehicle은 θVehicle의 변화를 저지하거나 증가시키기 위해 φaxis에 직교하는 토크를 출력하는 ωaxis를 변경함으로써 제어될 수 있다. φaxis가 90°또는 π/2 라디안에 접근함에 따라, θv ehic le를 변경하는 자이로의 효과는 토크 출력이 φaxis에 직교함으로 인해 감소한다. ωa x is에 대한 작용에 의한 φaxis와 θVehicle의 제어는 주(major)루프 및 부(minor)루프 제어 또는 상태 공간을 포함하는 최신 제어 시스템을 사용하여 성취될 수 있다. 결과적으로, 두 개의 출력, φaxis와 θVehicle이 θVehicle의 안정성 보장에 중점을 두면서 동시에 처리될 수 있다.
(자이로 시스템의 교정 능력을 결정하는) 플라이휠의 기하구조와 재료 그리고 세차운동 모터의 사이징은 예상 부하 조건에서의 차량 무게와 무게중심, 최대 차량 속도, 최대 선회 속도(turn rate), 및 예상 환경 조건(예컨대 옆바람, 도로 경사도의 변화 등)과 같은 변수에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 자이로 조립체의 물리적 크기와 질량은 패키징 및 효율성 목적을 위해 가능한 한 작을 수 있다. 본 발명의 실시예는 전통적인 승용차 및 트럭보다 실질적으로 폭이 좁고 따라서 모터사이클 법규를 준수하는 이륜 차량에 더 잘 활용될 수 있다. 플라이휠의 질량은 원하는 속도 범위에서 회전할 때 하나의 플라이휠이 차량 전반 및 그 내용물의 불안정 상태를 연장된 기간 동안 교정할 수 있도록 선택된다. 플라이휠 재료의 선택은 주로 재료 밀도(δ), 재료 강도, 에너지 저장 능력 및 전체 무게 간의 균형을 고려하여 이루어진다. 에너지 저장(E)은 수학식:Edisk=-*Idisk*ωdisk 2에 의해 관성 모멘트 및 속도 제곱과 상관관계에 있다. 재료가 고밀도일수록 전체 패키지는 더 작아질 수 있지만, 플라이휠 질량이 클수록 구동 모터는 더 커져야 하고 따라서 더 큰 무게와 공간이 요구된다.
또한 질량이 큰 플라이휠은 가속 요청에 대한 반응 속도가 떨어질 수 있거나(즉, 일정 속도까지 스핀 업(spin up)되는 시간이 더 오래 소요되거나) 일정 시간 내에 플라이휠을 가속하기 위해 훨씬 큰 구동 모터를 필요로 할 수 있다. 플라이휠의 질량은 차량의 효율을 증가시키도록 최적화될 수 있으며, 자이로의 질량을 최소화하는 것은 전체 차량의 질량을 낮게 유지하는 데 도움을 주는데, 이는 차량 운전에 있어 에너지 소모가 줄어든다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 플라이휠의 재료는 그 무게에 비해 높은 인장 강도로 인해 보다 높은 회전 속도(즉, 10,000 rpm 초과)와 더 빠른 반응 가속을 가능하게 함을 이유로 선택된 탄소 섬유 또는 케블러(Kevlar)이다. 강, 황동, 청동, 납 및 열화 우라늄과 같은 고밀도 재료 또한 사용될 수 있다. 그러나 물론 이들 재료의 인장 강도는 보다 높은 회전 속도를 허용하지 않으며, 이는 플라이휠의 크기와 질량의 최소화면에서 이들의 유용성을 제한한다.
디스크의 기하구조에 기초하여, 관성 모멘트는 1/4*mdisk*rdisk 2 내지 1/2*mdisk*rdisk 2의 범위일 수 있다. 자이로의 세차운동에 의한 토크 출력의 양은 τ=Idisk*ωdisk*ωaxis에 의해 정해지기 때문에, 다른 입력이 일정하게 유지될 때 Idisk를 증가시키는 것은 τ가 커진다는 것을 의미한다. 그러므로 τ는 차량을 유용하고 효율적으로 유지하기 위해 주어진 크기 및 무게 제약 하에서 최대화될 수 있다. 그러나 Idisk와 ωdisk는 Idisk가 증가함에 따라 자이로를 회전시키는 모터가 허용 가능한 시간 내에 원하는 ωdisk를 성취하기 위해 더 강력해질 필요가 있기 때문에 서로 상관관계에 있다.
X-방향으로의 자이로 조립체의 출력 토크(τ)는 또한 자이로의 각방향 위치(angular position)(φaxis)에 의존한다. 출력 토크(τ)는 자이로의 회전이 수직으로 위 또는 아래를 향할 때 최대화된다. ωaxis가 증가함에 따라 자이로 디스크의 회전 방향은 수직선 쪽으로 또는 수직선에서 멀리 더 빠르게 이동한다. 차량이 보다 오랜 기간 동안 안정화될 필요가 있는 경우에는, ωaxis는 허용 가능한 출력 토크(τ)가 생성되는 시간의 양을 최대화하기 위해 최소화될 수 있다.
차량이 정지되고 있어서 낮은 순방향(forward) 속도(그리고 이에 따른 낮은 차륜의 회전 속도)를 가질 때, 차량의 경사에 의해 가해지는 순방향 토크는 수학식 Mx=r*f*Sin(θVehicle)에 의해 설명되는데, 여기서 r은 차량의 무게중심의 높이이고, f는 차량에 대한 중력이며, θVehicle은 수직으로부터의 경사도이다. 플라이휠의 세차운동에 의해 가해지는 모멘트는 수학식 Mx=Idisk*ωdisk*ωaxis*Sin(θdiskaxis)에 의해 설명된다. 저속 주행하는 공칭 500 ㎏의 차량의 경우, 지상 0.75 m에 무게중심을 갖고 수직으로부터 30도 기울어진 차량에 의해 가해지는 모멘트는 1131 N-m이다. 따라서 차량의 안정성을 유지하기 위해서는 1131 N-m의 역 토크가 필요하지만, 차량을 직립 상태로 이동시키기 위해서는 초과분의 역 토크가 필요할 수 있다. 해당 경사 운동을 무효화하기 위해서는 모멘트(Mx)가 자이로 안정화 플라이휠의 세차운동에 의해 도입될 필요가 있을 수 있다. 복수의 플라이휠이 활용되는 경우 그 모멘트는 합해진다.
30도 경사는 현실 상황에서는 안정 시스템의 실패를 수반하지 않고 처리할 수 있는 범위를 넘어선 것이어서, 대략 7 ㎏이고 0.15 m의 반경과 0.070 ㎏-m-m의 관성 모멘트를 가지며, 1570 rad/s로 회전하고 10.47 rad/s로 세차운동하며 수직축을 갖는 플라이휠 디스크가 1295 N-m의 모멘트를 가해야 한다. 일 실시예에서, 모멘트는 동일한 방향으로 가해지지만 두 플라이휠의 요(yaw) 모멘트(Mz)는 합이 0이 되도록 서로 반대 방향으로 회전하고 반대 방향으로 세차운동하는 두 개의 동일한 플라이휠이 사용된다. 플라이휠은 한 플라이휠이 고장나는 경우 남은 플라이휠이 대부분의 상황에서 차량을 안정화할 수 있도록 각각 크기가 정해질 수 있다. 그러므로, 1131 N-m의 롤링 모멘트를 가지는 상술한 조건 하의 공칭 500 ㎏의 차량의 경우, 두 개의 플라이휠은 차량의 경사를 유지하거나 교정하기에 충분한 2590 N-m의 역 토크를 생성하게 되고, 한 플라이휠이 부분적으로 고장나는 경우에는 남은 플라이휠이 차량을 안전한 상태에 두기 위해 차량을 제어하기에 충분한 교정 모멘트를 제공할 수 있다. 플라이휠은 또한 동일한 크기이거나 상이한 크기일 수 있다.
따라서, 적어도 위의 설명과 아래의 도면을 고려하면, 본 발명의 실시예는 복수의 센서를 통해, 차량 상태에 대한 정보를 나타내는 데이터를 수신하는 장치와 방법을 설명하고 있음을 이해할 수 있다. 이 정보는 차량 프레임의 배향, 프레임에 대한 차량 전륜의 배향, 차량에 포함된 자이로스코프 플라이휠(즉, 차량 프레임에 결합된 자이로스코프)의 배향과 회전 속도, 및 차량의 현재 속도를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 상기 자이로스코프는 차량의 전륜 및 후륜에 대하여 길이방향으로 정렬될 수 있거나, 차량의 프레임에 대하여 폭방향으로 (예컨대 나란히) 정렬될 수 있거나, 또는 차량 프레임에 대하여 높이방향으로 (예컨대 층층이) 정렬될 수 있다.
상기 센서에서 수신한 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠 중 (적어도) 하나의 배향 또는 회전 속도가 조절될 수 있다. 본 발명의 실시예는 차량의 속도 변경을 위한 입력(가속 또는 제동 입력) 또는 방향 변경을 위한 입력(조향 휠 입력)에 기초하여 플라이휠 중 (적어도) 하나의 배향 또는 회전 속도를 추가로 조절할 수 있다. 예컨대 본 발명의 실시예는 가속 입력이 검출될 때 플라이휠 중 하나의 회전 속도를 감소시키거나, 제동 입력(즉, 전륜 또는 후륜 브레이크를 결합시키기 위한 입력)이 검출될 때 플라이휠 중 하나의 회전 속도를 증가시킬 수 있다. 차량이 선회를 수행할 것임을 알아내는 경우(즉, 프레임에 대한 전륜의 배향이 검출되는 경우), 본 발명의 실시예는 선회 중에 안정성을 유지하기 위해 플라이휠 중 적어도 하나의 배향 또는 회전 속도를 조절할 수 있다.
에너지를 받아들여 구동 시스템에 도로 전달하는 자이로 안정화 플라이휠을 사용하는 것은 회생 제동 시스템의 높은 에너지 효율 및 무공해 추진력과 더불어, 횡와형(recumbent) 좌석을 갖는 전천후 내부 조종실을 포함할 수 있는, 보다 가볍고 효율적인 이륜 차량의 이점을 제공한다. 차량의 가속 및 감속 중에 에너지 저장 유닛을 통해 플라이휠 모터(들)/발전기(들)와 구동 휠 모터(들)/발전기(들) 간에 에너지를 전달함으로써 에너지 효율과 차량 안정성이 95%까지 유지되고, 이로써 차량의 주행 거리가 실질적으로 증가한다. 이런 동력 전달 시스템을 구비하지 않은 자이로 안정화 차량은 종래의 비안정화 차량에 비해 자이로 안정화기의 증가한 전력 요건으로 인해 크게 불리해질 수 있다.
저속 도심 교통은 일반적으로 (브레이크 내로의 에너지 입력 및 후속 제동에서 상실되는 차량 가속에 사용되는 에너지 모두에서 비롯하는) 빈번한 제동 및 가속시의 에너지 손실로 인해 가장 에너지 집약적인 체제이다. 그러므로, 이륜으로 이동할 수 있고, 횡와형 탑승 설비를 수용할 수 있고, 전천후 밀폐형 탑승실을 제공할 수 있고, 종래의 승용차와 유사한 것으로 회생 제동 시스템에 안정화 플라이휠을 일체화함으로써 자이로 안정화 차량의 주행 거리와 효율을 크게 향상시킬 수 있는 구동 제어를 제공할 수 있는 자이로 안정화 차량을 제공함으로써 에너지 효율면에서의 큰 도약이 성취될 수 있다.
차량이 정지 상태에서 가속되거나 정지 상태로 감속될 때와 같은 낮은 속도에서, 또는 도심 구역 및 가다서다를 반복하는 교통 상황에 일반적인 속도에서는 차량의 자가 안정화 특성은 차량의 직립 배향을 유지하기에 충분하지 않다. 결과적으로 종래 기술에서는 운전자가 비안정화 차량을 운전하려면 훨씬 능숙한 기술이 요구되며, 정지시 차량의 균형을 잡기 위해 운전자가 자신의 신체적 힘을 이용하는 것이 필요할 수도 있어서 유용성과 동등 접근성을 약화시킨다.
저속 주행 및 정지시의 자이로 안정화는 또한 고속 주행시 직면하게 되는 것보다 단순한 제어 문제를 제공한다. 자이로 안정화기는 짐벌 장착을 통해 차량에 장착될 수 있어서 차량의 롤 모멘트에 대한 역 토크를 생성하도록 자이로를 세차운동시키기 위해 짐벌 모터를 활용할 수 있다. 차량 상태는 차량에 장착되는 관성 및 절대 위치 센서에 의해 측정될 수 있으며, 이는 후에 차량의 직립을 유지하기에 충분한 역 토크를 제공하기 위해 요구되는 세차운동의 양과 속도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로 자이로 안정화기의 복원 능력은 예컨대 정지등 또는 정지신호를 받을 때 겪을 수 있는 것과 같은 충분한 양의 기간 동안 탑승자가 탄 차량을 안정화할 수 있다. 일 실시예에서, 차량이 오랜 기간 동안 정지하고 있거나 시동이 꺼진 상태일 경우, 차량은 자동 전개되는 기계식 지지대에 의해 자동적으로 지지될 수 있다.
일 실시예에서, 자이로 안정화 플라이휠(들)과 구동 휠(들)은 그 각각의 부하를 구동하기 위해 모터 모드에서 작동할 수 있거나, 회전 부하를 떨어뜨리고 에너지를 회수하여 다른 부하로 전달하기 위해 발전기 모드로 전환할 수 있는 각자의 전용 모터-발전기(들)에 결합된다. 전원 시스템은 구동/제동 시스템과 자이로 안정화 플라이휠 간에 전기 에너지를 전달하는 동안 또는 차량의 전원이 꺼진 상태와 같은 보다 오랜 시간 지속기간 동안 전기 에너지의 임시 저장부를 제공하는 에너지 저장 유닛을 포함한다.
시스템 제어부는 자이로 안정화기에 의해 부여되는 교정 토크의 양과 타이밍을 제어하기 위해 (관성 및 절대) 차량 상태 센서, 자이로 안정화기 상태 센서로부터의 센서 데이터 및 다른 파라미터를 수신한다.
자이로 안정화기는 차량에 결합되는 적어도 하나의 능동 짐벌식 플라이휠을 포함한다. 일 실시예에서, 자이로 안정화기는 독립적으로 짐벌되는 제1 및 제2 역회전 플라이휠을 포함한다. 각각의 플라이휠은 회전의 수직축이 중립 위치에 있고 짐벌 축이 서로 평행하도록 장착될 수 있다. 본 실시예에서, 역회전 플라이휠은 그 역 토크는 합해지지만 요 효과는 서로 상쇄되도록 서로 반대 방향으로 세차운동된다.
두 개의 플라이휠을 사용함으로써 개개의 플라이휠은 차량의 협폭 프레임 내에 설치되도록 보다 소형으로 제조될 수 있다. 또한, 하나의 플라이휠이 고장나는 경우에 제2 플라이휠이 차량을 안전 상태에 두기 위한 차량의 비상 정지 중에 충분한 안정성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 플라이휠 고장이나 비상 밸런스 상황이 발생할 경우 기계식 랜딩 기어의 전개를 이용하는 고장안전 프로토콜이 차량을 직립상태로 유지하고 운전자의 안전을 지키기 위해 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 인라인 이륜 차량(100)에 설치되는 것으로, 회생 전력형 자이로스코프 안정화 장치를 포함하는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 차량(100)은 차량 프레임(110), 차량 내부(130)를 에워싸는 차체(120), 및 힌지 메커니즘(150)을 중심으로 회전 개방되는 접근 도어(140)를 포함한다. 횡와형 운전자 좌석(160)은 조향 유닛(170), 가속기(180) 및 브레이크(190)를 포함하는 구동 제어부를 구비할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 구동 제어부는 조향 휠과 페달을 갖춘 종래의 자동차의 친숙한 레이아웃으로 배열된다.
본 실시예에서, 차량(100)은 제1 및 제2 구동륜(200, 210)을 각각 포함한다. 제1 및 제2 구동륜 모터 발전기(220, 230)는 각각 구동 체인(240, 250)을 통해 구동륜(200, 210)에 결합된다.
본 실시예에서, 자이로 안정화기(260)는 차량 프레임(110)을 통해 차량(100)에 결합된다. 자이로 안정화기(260)는 본 실시예에서는 본질적으로 동일한 것으로, 플라이휠(270a, 270b)을 내장하는 제1 및 제2 자이로 조립체를 포함할 수 있다(상기 자이로 조립체는 조립체(260a)와 유사하다). 물론 다른 실시예에서는 제1 및 제2 자이로 조립체/플라이휠이 크기와 재료 구성면에서 차이가 있을 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 제1 자이로 조립체(260a)는 플라이휠(270a), 플라이휠(270a)에 결합되는 플라이휠 모터-발전기(280a), 플라이휠(270a)에 결합되는 짐벌(290a), 및 짐벌(290a)에 결합되는 구동부(310a)와 차량(100)에 결합되는 프레임부(320a)를 갖는 세차운동 모터(300a)를 포함한다. 본 실시예에서, 세차운동 모터-발전기 프레임부(320a)는 차량 프레임(110)에 고정 장착되는 장착 브래킷(330a)을 통해 차량(100)에 결합된다.
플라이휠(270a)은 본 실시예에서는 나사산 체결구(360a)와 정렬 핀(370a)을 사용하여 조립되는 저부(340a)와 상부(350a)를 갖는 자이로 하우징 내에 내장된다. 자이로 하우징 상부(350a)는 차량(100)의 안정성을 유지할 수 있는 역 토크를 생성하도록 자이로 조립체를 세차운동시키기 위한 세차운동 축을 제공하는 짐벌(290a)과, 플라이휠(270a)을 지지하는 베어링 하우징(380a)을 포함한다. 모터-발전기 장착 볼트(390a)와 플라이휠 장착 볼트(400a)가 플라이휠 모터-발전기(280a), 플라이휠(270a) 및 자이로 하우징을 결합하기 위해 마련된다. 본 실시예에서, 플라이휠(270a)과 플라이휠 모터-발전기(280a)는 간수 및 보호를 용이하게 하기 위해 둘 다 자이로 상측 및 하측 하우징부(340a, 350a) 내에 내장된다. 자이로 안정화기(260)는 제1 및 제2 세차운동 모터(예컨대 모터(300a))의 역 토크를 차량 프레임(110)에 전달하도록 차량 프레임(110)에 결합될 수만 있다면 이론적으로는 차량의 어디에나 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 자이로 안정화기(260)는 표준 조건에서 차량(100)의 예상되는 수직 및 차체 평행(fore-aft) 무게중심("CG")에 대략 배치된다.
도 1, 도 3a 내지 도 3h, 및 도 4를 참조하면, 배터리 뱅크(420)와, 커패시터 뱅크(430)와, 배터리 뱅크(420), 커패시터 뱅크(430), 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230) 그리고 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(270a, 270b)와 전기적으로 통신하는 전원 전환 회로를 포함하는 에너지 저장 유닛(410)이 마련된다. 일 실시예에서, 배터리 뱅크(420)는 무게를 분산하고 차량 프레임 내에 설치되도록 차량 프레임(110)을 따라 분산된 위치에 배치되는 배터리 전지를 포함한다. 배터리 뱅크(420)는 충전 설비 또는 주차 공간이나 정비 공장의 콘센트에 플러그 연결됨으로써 충전될 수 있으며, 아니면 하나 이상의 배터리 전지가 신선한 충전을 제공하기 위해 물리적으로 교체될 수도 있다.
도 1, 도 3a 내지 도 3h, 도 5 및 도 6을 참조하면, 전기 신호를 생성하는 복수의 센서를 포함하는 제어 시스템이 도시되어 있다. 상기 복수의 센서는 적어도 차량(100) 및 자이로 안정화기(260)의 절대 상태와 관성 상태를 표시할 수 있다. 본 예시적인 제어 시스템은 복수의 센서, 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230), 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b), 에너지 저장 유닛(410), 가속기(180), 브레이크(190) 및 조향 유닛(170)과 전기적으로 통신하는 시스템 제어부(440)를 추가로 포함한다. 본 실시예에서, 복수의 센서는 각각의 플라이휠에 결합되는 플라이휠 상태 센서(560), 차량 관성 상태 센서(570), 차량 절대 상태 센서(580), 및 차량 상태 센서(590)를 포함한다. 복수의 센서는 차량 프레임(110)에 결합되어 차량의 회전 및 각도를 표시하는 데이터를 제공하는 적어도 3축의 배향 센서(450), 차량 프레임(110)에 결합되어 차량의 선형 가속도를 표시하는 데이터를 제공하는 가속도계(460), 제1 및 제2 구동륜 속도 센서(470, 480), 및 차량 경사 센서(490)를 포함한다. 본 실시예에서, 경사 센서(490)는 차량(100) 상의 고정점으로부터 지면까지의 거리를 측정하여 배향 센서(450)의 현장(in situ) 교정과 배향 센서(450)의 안전 백업을 위한 제어 입력을 제공하는 좌측 및 우측 적외선 레이저를 포함한다. 시스템 제어부(440)는 제1 및 제2 플라이휠 경사 각도, 경사 속도(즉, 세차운동 모터(300a, 300b)가 각각의 짐벌을 중심으로 플라이휠(270a, 270b)를 회전시키는 속도), 플라이휠 디스크 속도(즉, 플라이휠(270a, 270b)의 회전 속도)중 하나 이상을 표시하는 복수의 센서로부터의 데이터를 수신한다. 나침반과 위성 항법 시스템(GPS) 센서 또한 마련될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 시스템 제어부(440)는 복수의 센서로부터의 입력을 수신하고, 이들 입력을 사용하여 차량(100)의 실제 배향과 상태를 판단하며, 구동 샤프트를 회전 가속(즉, 짐벌(290a, 290b)을 중심으로 한 플라이휠(270a, 270b)의 세차운동을 유도)하여 원하는 차량 각도를 유지하기 위해 차량 프레임(110)에 전달되는 역 토크를 생성하도록 세차운동 모터(300a, 300b)에 제어 신호를 전송한다. 프로세서(550 내지 553)는 다양한 구성요소와 차량(100) 전체의 상태를 표시하는 센서와 전기적으로 통신한다. 일 실시예에서는 전자식 필터(505a 내지 505d)가 시스템 노이즈를 저감하고 프로세서에 사용되기 위한 센서 출력을 증폭하기 위해 개재된다. 예시의 목적상 독립된 "프로세서"로 설명되어 있긴 하지만, 프로세서(550 내지 553)는 실제로는 네 개보다 적거나 많은 도시된 물리적 컴퓨터 프로세서/코어를 포함할 수 있음은 물론이다.
일 실시예에서, 관성 센서(570)는 차량의 관성 상태를 출력하도록 폐쇄형 모듈 내에 패키징되고 처리된다. 이 관성 상태는 관성 센서의 측정치의 부정확성을 처리하기 위해 차량(100)의 외부에 장착되는 절대 센서(480, 490)를 사용하여 교정될 수 있다.
자이로 상태 프로세서(550)는 각각의 플라이휠에 결합되는 플라이휠 상태 센서(560)로부터의 입력을 수신할 수 있다. 상기 플라이휠 상태 센서는 차량 프레임에 대한 플라이휠의 경사 각도, 플라이휠 경사 속도(즉, 세차운동 모터가 세차운동 축을 중심으로 플라이휠을 회전시키는 회전 속도), 및 디스크 속도(즉, 플라이휠이 회전축을 중심으로 회전하는 속도)를 포함하는 중요한 측정치를 표시하는 신호를 생성한다. 일 실시예에서, 자이로 상태 프로세서(550)은 이 정보를 사용하여 자이로 안정화기(260a, 260b)에 의해 차량(100)에 가해지는 모멘트의 실제 순간 크기 및 방향을 판단하고, 시스템 구성요소의 건강성을 판단하고, 자이로 안정화 시스템(자이로 상태(555))의 연장 사용을 허용하는 내부 최적화를 제공한다.
일 실시예에서, 차량 상태 프로세서(551)는 차량 상태(556)를 판단하기 위해 차량 관성 상태 센서(570), 차량 절대 상태 센서(580), 및 차량 상태 센서(590) 중 하나 이상의 센서로부터의 입력을 수신한다. 상기 관성 상태 센서는 차량(100)의 회전 및 선형 가속도, 속도, 및 위치를 표시하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 상기 절대 상태 센서는 차량 경사 각도의 방향 및 크기는 물론 차량의 이동 방향, 지상 속도, 및 전자 나침반과 GPS 수신기를 포함하는 센서에 의해 제공되는 절대 지리적 위치를 표시하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 상기 차량 상태 센서는 구동륜 속도(즉, 각각의 구동륜(200, 210)의 회전 속도), 브레이크 상황(즉, 차량 구동륜(200, 210) 회전 속도의 감소 속도), 가속기(180) 및 브레이크(190)를 통해 차량에 대해 이루어지는 사용자 입력, 및 조향 유닛(170)을 통해 지시된 차량의 선회 반경을 제공하는 조향 센서를 표시하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 물론 상기 사용자 입력은 운전자, 컴퓨터 프로그램 등으로부터의 입력을 포함할 수 있다.
차량 상태 프로세서(551)는 현재 조건에 맞는 차량의 적절한 경사 각도(610)를 판단할 수 있으며, 이를 [롤 운동(630)을 포함하여] 차량의 현재 경사 각도(620)와 비교하여 차량 경사 에러(640)를 판단한다. 상기 차량 경사 에러는 차량(100)을 원하는 경사 범위(610) 내로 되돌리거나 유지하기에 충분한 역 토크(650)를 생성하기 위해 요구되는 세차운동 축 입력을 판단하기 위해 자이로 제어 프로세서(553)에 사용될 수 있다.
따라서 적어도 위의 설명과 각각의 도면에 비추어볼 때 본 발명의 실시예는 현재 또는 의도(intended) 차량 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 자이로스코프 플라이휠의 배향 또는 회전 속도를 조절하기 위한 프로세서, 메모리 및 제어 모듈(또는 로직)을 포함하는 차량을 설명한다. 상기 차량 상태는 차량에 포함된 복수의 센서로부터 수신되는 데이터에 의해 판단될 수 있다. 상기 센서는 차량 프레임의 배향(즉, 프레임의 경사 각도), 프레임에 대한 전륜의 배향, 자이로스코프 플라이휠의 배향 및 회전 속도, 및 차량의 속도를 검출할 수 있다.
제어 모듈은 차량의 속도 또는 방향을 변경하기 위한 입력을 추가로 수신할 수 있으며, 상기 수신된 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠의 배향 또는 회전 속도를 조절할 수 있다. 제어 모듈은 또한 수신된 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 의도 차량 상태를 판단할 수도 있으며, 상기 의도 차량 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠의 배향 또는 회전 속도를 조절할 수 있다. 예컨대, 수신된 입력이 전륜을 선회시키기 위한 명령을 포함하는 경우, 의도 차량 상태는 선회로 판단될 수 있으며, 제어 모듈은 선회 중에 차량의 안정성을 유지하기 위해 플라이휠의 배향 또는 회전 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예는 도 3a 내지 도 3h 및 도 4에 도시된 바와 같은 전력 저장 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 저장 유닛(410)은 배터리 뱅크(420), 저장 커패시터 뱅크(430), 및 전력을 공급하는 것은 물론 모터-발전기를 통해 회전 구성요소로부터 나오는 전력을 저장하고 전달하기 위한 메커니즘을 제공하는 변환 회로를 포함한다. 회생 제동을 통해 생성되는 전류는 손상 없이 에너지를 흡수하는 배터리 뱅크(420)의 능력을 초과할 수도 있다. 물론 커패시터가 이러한 큰 서지를 보다 잘 처리할 수 있어서, 일 실시예에서, 배터리 뱅크(420)는 저장 커패시터 뱅크(430)와 모터-발전기(220, 230, 280a, 280b)에 병렬로 전기적 통신하도록 선택적으로 배치되어 전력 변환 회로를 통해 공통 시스템 접지부를 가지게 된다. 이런 식으로, 저장 커패시터 뱅크(430)는 배터리 용량을 초과하는 시스템 구성요소로부터의 전력 서지를 임시로 저장하기 위한 전기적 완충기로서의 역할을 하며, 이 저장 에너지를 전동식 구성요소에 직접적으로 배분하는 방식 또는 배터리 뱅크를 충전하는 방식에 의해 배분한다.
플라이휠 모터-발전기(280a, 280b) 및 구동륜 모터-발전기(220, 230)와 전기적으로 통신하는 전력 저장 유닛(410)은 차량(100)에 전력을 공급하고 모터-발전기 시스템을 사용하여 플라이휠(270a, 270b)과 구동륜(200, 210) 간에 에너지를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 모터-발전기(280a, 280b, 220, 230)는 기계식, 유압식, 전자기식 또는 기술분야에 공지된 다른 적절한 결합 메커니즘에 의해 플라이휠(270a, 270b) 또는 구동륜(200, 210)에 각각 결합될 수 있다.
낮은 차량 속도에서 자이로 안정화 플라이휠(270a, 270b)은 차량 안정성을 유지하기 위한 세차운동 중에 충분한 관성 모멘트를 제공하기 위해 고속으로 회전할 수 있다. 차량(100)의 속도가 증가하는 동안에는, 차량 안정성을 유지하기 위해 자이로 안정화 플라이휠(270a, 270b)로부터 요구되는 관성 모멘트가 줄어들 수 있어서 플라이휠(270a, 270b)은 (낮은 속도까지 또는 정지하게 될 때까지) 스핀 다운된다. 이 에너지는 추진력을 위해 회복되어 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230)로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 차량(100)이 제동 시스템의 사용을 통해 감속되는 경우에는, 제1 및 제2 구동륜(200, 210)이 감속되는 동안 차량(100)에 안정성을 제공하도록 높은 회전 속도까지 플라이휠을 스핀 업시키기 위해 제동된 차량(100)에 사용되는 에너지가 회복되어 자이로 안정화 플라이휠(270a, 270b)에 전달될 수 있다. 화살표가 달린 선(A1, A2, B1, B2, C1, C2)은 위의 조건 동안의 주된 에너지 흐름 경로 및 방향을 도시한다. 선(A1, A2)이 시계방향으로 도시된 경우, 이 도시는 구동 모터-발전기(220, 230)이 모터 모드에 있음을 나타내고, 반시계방향은 발전기 모드를 나타낸다.
도 3a에는 대략 55 mph(90 kph)로 주행하는 차량(100)이 도시되어 있다. 본 실시예에서, 플라이휠(270a, 270b)은 매우 낮은 회전 속도, 본질적으로는 무부하 속도에 있다. 전류는 에너지 저장 유닛의 배터리 뱅크(420)로부터 모터 모드로 작동 중인 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230)로 흐르고 있다.
도 3b에서 차량(100)은 대략 35 mph(56 kph)로 감속하도록 지시받는다. 본 실시예에서, 시스템 제어부(440)는 (운전자 또는 자동 신호로부터의) 브레이크 입력을 수신하여 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230)를 발전기 모드로 변환함으로써 전류를 발생시키며, 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)를 모터 모드로 변환하여 이로써 전류를 인출하고 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)을 낮은 회전 속도까지 스핀 업한다. 시스템 제어부(440)는 전력 변환 회로가 발생된 전류를 커패시터 뱅크를 통해 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기로 보내도록 한다. 제1 및 제2 구동륜(200, 210)의 회전 속도가 여전히 차량 안정성에 상당히 기여하는 경우에는 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 낮은 속도까지만 스핀 업되어도 무방하며, 따라서 비교적 소량의 추가 역 토크만이 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)로부터 요구된다.
도 3c에서 차량(100)은 35 mph(56 kph)에서 대략 15 mph(24 kph)로 감속하도록 지시받는다. 시스템 제어부(440)는 브레이크 입력을 수신하고 제1 및 제2 구동륜 모터-발전기(220, 230)를 발전기 모드로 변환함으로써(또는 여전히 발전기 모드에 유지됨으로써) 전류를 발생시키고, 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)를 모터 모드로 변환함으로써(또는 계속 유지됨으로써) 전류를 인출하고 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)을 중간 범위 회전 속도까지 스핀 업한다. 시스템 제어부(440)는 전력 변환 회로가 발생된 전류를 커패시터 뱅크(430)를 통해 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)로 보내도록 한다. 이 실시예에서는, 제1 및 제2 구동륜(200, 210)의 낮은 회전 속도가 차량 안정성을 유지하기에 충분하지 않으므로 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 중간 범위 회전 속도까지 스핀 업된다.
도 3d에서 차량(100)은 정지 상태이다. 차량 안정성은 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)의 세차운동에 의해 발생하는 역 토크에 전적으로 의존하기 때문에, 시스템 제어부(440)는 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)을 (이 실시예에서는 대략 10,000 rpm이고, 본 명세서에서는 "호버(hover) 속도"로 지칭되는) 높은 회전 속도까지 증가시킨다. 제1 및 제2 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)는 모터 모드에 있고 에너지 저장 유닛(410)으로부터 전류를 인출한다. 일 실시예에서, 전류는 처음에는 커패시티 뱅크의 전하가 소정 수준까지 소산될 때까지 커패시터 뱅크(430)로부터 인출되고, 이어서 배터리 뱅크(420)로부터 인출된다.
도 3e에서 차량(100)은 정지 상태에서 벗어나 주행한다. 본 실시예에서, 시스템 제어부(440)는 차량을 가속하기 위해 구동륜 모터-발전기(220, 230)를 모터 모드로 변환하고, 플라이휠(270a, 270b)을 감속하기 위해 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)를 발전기 모드로 변환한다. 차량(100)이 가속되어 회전 구동륜(200, 210)이 차량 안정성에 더 기여하므로 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 발전기 모드의 모터-발전기에 의해 스핀 다운될 수 있다. 시스템 제어부(440)는 전력 변환 회로가 스핀 다운 중에 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)에 의해 발생한 전류를 구동륜 모터-발전기(220, 230)로 보내도록 만든다. 차량 안정성에 상당히 기여하기에 충분한 속도까지 차량(100)이 가속되지 않은 경우에는 플라이휠(270a, 270b)은 고속으로 계속 회전할 수 있고 전력 저장 유닛(410)으로부터 계속 전류를 인출할 수 있다.
도 3f에서 차량(100)은 대략 15 mph(24 kph)까지 계속 가속된다. 본 실시예에서, 시스템 제어부(440)는 차량(100)을 가속하기 위해 구동륜 모터-발전기(220, 230)를 모터 모드로 유지하고, 플라이휠(270a, 270b)을 계속 스핀 다운하기 위해 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)를 발전기 모드로 유지한다. 차량(100)이 가속되어 자체 안정성을 유지하기 시작하므로, 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 발전기 모드의 모터-발전기(280a, 280b)에 의해 스핀 다운되도록 허용된다. 시스템 제어부(440)는 전력 변환 회로가 스핀 다운 중에 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)에 의해 발생한 전류를 커패시터 뱅크(430)를 통해 구동륜 모터-발전기(220, 230)로 보내도록 만든다.
도 3g에서 차량(100)은 대략 35 mph(56 kph)까지 계속 가속된다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 낮은 회전 속도까지 계속 스핀 다운되고 지시된 차량의 속도 변화가 다른 플라이휠 회전 속도를 요구할 때까지 낮은 속도로 유지된다. 시스템 제어부(440)는 전력 변환 회로가 배터리 뱅크(420)를 커패시터 뱅크(430)와 병렬로 배열되도록 함으로써, 배터리 뱅크(420)는 구동륜(200, 210)에 일차 전력을 공급할 수 있다.
도 3h에는 주차 모드 또는 장기 정지 상태의 차량(100)이 도시되어 있다. 자이로 안정화 유닛의 고장이나 전력을 아끼기 위해 정상적으로 지시된 셧 다운으로 인해 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)이 정지 상태에서 차량 안정성을 유지할 수 없을 때는 본 실시예에 포함되는 (본 명세서에서는 "랜딩 기어"로 지칭되는) 기계식 지지 메커니즘(500)이 차량(100)을 지지하기 위해 연장될 수 있다. 랜딩 기어(500)는 차량 프레임(110)에 결합되고 지면과 접촉하는 저부(510)와, 저부(510)를 바깥으로 회전시켜 전개하고 차량(100)이 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)을 사용할 때는 저부(510)를 안으로 집어넣는 연장 메커니즘(520)을 포함한다. 일 실시예에서는, 플라이휠 회전 속도가 차량(100)의 안정성을 유지하기 위해 요구되는 최저 속도 미만으로 떨어지거나 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)이 차량 안정성을 유지하는 데 실패하고 있음을 차량 센서가 표시할 때 랜딩 기어(500)가 자동으로 전개되어 차량(100)이 정지된다. 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)은 시동 시간을 최소화하기 위해 최저 공전 속도에서의 회전을 유지할 수 있거나, 임의의 잔여 에너지를 배터리 뱅크(420) 내로 회수하기 위해 발전기 모드의 모터-발전기(280a, 280b)에 의해 관성으로 움직이다가 멈추도록 허용된다.
다시 시동을 걸자마자 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)는 모터 모드로 변환될 수 있고, 전력 저장 유닛(410)은 플라이휠 모터-발전기(280a, 280b)에 전력을 공급하여 "호버 속도"로 스핀 업한다. 예로서, 본 실시예에서, 호버 속도는 탑승자가 1인인 표준 부하 조건의 경우에 대략 10,000 rpm이다. 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)이 호버 속도에 있는 경우에는, 시스템 제어부(440)는 랜딩 기어(500)를 들어올릴 수 있고 차량(100)은 안정성을 유지할 것이다. 차량(100)을 직립 상태로 유지하는 동안 불균형 상태의 정적 부하와 동적 부하를 보상하기 위해 시스템 제어부(440)는 자이로 안정화 유닛(260a, 260b)이 제1 및 제2 플라이휠(270a, 270b)을 짐벌(290a, 290b)을 중심으로 세차운동시키도록 만든다.
따라서 적어도 위의 설명과 각각의 도면에 비추어볼 때 본 발명의 실시예는 차량의 구동륜 내외로 에너지를 전달하기 위한 구동륜 모터-발전기, 차량의 자이로 안정화기에 포함되는 플라이휠 내외로 에너지를 전달하기 위한 플라이휠 모터-발전기, 배터리를 포함하는 커패시터 뱅크, 및 (예컨대 모듈 또는 로직으로 구현되는) 전력 제어부를 포함하는 시스템을 설명하고 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기 전력 제어부는 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 플라이휠 모터-발전기로부터 커패시터 뱅크로 에너지를 전달할 수 있고, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 구동륜 모터-발전기로부터 커패시터 뱅크로 에너지를 전달할 수 있다.
상기 전력 제어부는 또한 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 커패시터 뱅크로부터 구동륜 모터-발전기로 에너지를 전달할 수 있고, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 커패시터 뱅크로부터 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 전달할 수 있다.
상기 전력 제어부는 또한 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 구동륜 모터에 불필요한 에너지를 커패시터 뱅크 또는 배터리로 전달할 수 있고, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 플라이휠에 불필요한 에너지를 커패시터 뱅크 또는 배터리로 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예는, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력이 차량의 제동 시스템을 결합시키기 위한 입력을 포함하는 경우, 구동륜 모터-발전기로부터 전달 가능한 에너지를 발생시킬 수 있는 제동 시스템을 추가로 설명한다.
상기 전력 제어부의 실시예는 차량의 속도가 차량의 안정성에 영향을 줄 것인지 아닌지에 적어도 부분적으로 기초하여 커패시터 뱅크로부터 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 추가로 전달할 수 있다. 예컨대 전력 제어부는 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 주지 않을 것이라고 판단할 수 있고, 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 주지 않을 것이라는 판단에 응답하여 커패시터 뱅크로부터 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어부의 실시예는 또한 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 주지 않을 것이라고 추가로 판단할 수 있고, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 주지 않을 것이라는 판단에 응답하여 커패시터 뱅크로부터 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예는 자이로스코프 플라이휠을 제어하여 모터 모드 및 발전기 모드로 작동시키기 위한 플라이휠 모터-발전기 제어 모듈(또는 로직)을 추가로 설명한다. 모터 모드는 차량의 배향 또는 회전 속도를 변경하기 위해 자이로스코프에 전류를 전달하는 것을 포함하며, 발전기 모드는 플라이휠에 의해 발생하는 전류를 자이로스코프로부터 전달하는 것을 포함한다. 구동륜 모터-발전기 제어 모듈(또는 로직)도 유사하게 설명되는데, 상기 모듈은 차량의 전륜 또는 후륜을 제어하여 모터 모드 및 발전기 모드에서 작동시키기 위한 것이다. 모터 모드는 각각의 차륜의 회전 속도까지 전류를 수신하는 것을 포함하며, 발전기 모드는 각각의 차륜에 의해 발생한 전류를 전달하는 것을 포함한다.
위에서 프로세스, 서버 또는 도구로 지칭된 본 명세서의 다양한 구성요소는 설명된 기능을 수행하기 위한 수단일 수 있다. 본 명세서에 설명된 각각의 구성요소는 소프트웨어나 하드웨어, 또는 이들의 조합을 포함한다. 구성요소는 소프트웨어 모듈, 하드웨어 모듈, 특수-목적 하드웨어(예컨대 주문형 하드웨어, ASICs, DSPs 등), 내장형 제어부, 하드와이어드 회로 등으로 구현될 수 있다.
소프트웨어 콘텐츠(예컨대, 데이터, 지시사항, 구성)는 실행해야하는 명령어를 표시한 콘텐츠를 제공하는 컴퓨터 저장 판독 가능 매체를 포함하는 제조 물품을 통해 제공될 수 있다. 콘텐츠는 본 명세서에 설명된 다양한 기능/조작을 수행하는 컴퓨터로 귀결될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 기록식/비기록식 매체(예컨대, 읽기 전용 메모리(ROM), 임의 접근 메모리(RAM), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 장치 등)와 같은, 컴퓨터(예컨대, 컴퓨팅 장치, 전자 시스템 등)에 의해 접근 가능한 형태의 정보를 제공하는(즉, 저장 및/또는 전송하는) 임의의 메커니즘을 포함한다. 콘텐츠는 직접 실행 가능하거나("객체" 또는 "실행 가능" 형태의), 원시 코드(source code)이거나 차등(difference) 코드("델타" 또는 "패치" 코드)일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 또한 콘텐츠를 다운로드할 수 있는 메모리 또는 데이터베이스를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 또한 판매나 배달시에 저장된 콘텐츠를 가지는 장치 또는 제품을 포함할 수 있다. 따라서 저장된 콘텐츠를 갖는 장치의 배달, 또는 통신 매체에 다운로드하기 위한 콘텐츠의 주문은 본 명세서에 설명된 이런 콘텐츠를 갖춘 제조 물품을 제공하는 것으로 이해될 수 있다.
기술분야의 당업자는 청구된 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경과 수정이 바람직한 실시예에 대해 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 물론 본 발명의 다양한 양태에서의 본 발명의 변경은 기술분야의 당업자라면 분명히 알 수 있는 것인 바, 어떤 것은 단지 학습만을 통해서도 분명해질 것이고, 다른 것은 정례적인 기계적, 화학적, 전자적 구성이 관건이다. 바람직한 실시예의 어떤 단일 특징부, 기능 또는 특성도 필수적인 것은 아니다. 다른 실시예도 가능하며, 그 구체적인 구성은 특정한 용도에 따라 달라진다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서에 설명된 특정한 실시예에 한정되어서는 안 되며 오직 첨부되는 특허청구범위와 그 균등예에 의해서만 한정되어야 한다.
방법과 과정이 특정 차례 또는 순서로 도시되어 있긴 하지만, 달리 명시되지 않는 한 조치의 순서는 변경될 수 있다. 따라서 위에 설명된 방법과 과정은 단지 예로서 이해되어야 하고 다른 순서로 수행될 수 있으며 일부의 조치는 병행하여 수행될 수 있다. 또한 하나 이상의 조치가 본 발명의 다양한 실시예에서 생략될 수 있고, 따라서 모든 조치가 모든 구현예에 요구되는 것은 아니다. 다른 처리 순서도 가능하다.

Claims (22)

  1. 프레임과,
    프레임에 결합되는 전륜 및 후륜과,
    프레임에 결합되고 각각 플라이휠을 포함하는 적어도 두 개의 자이로스코프와,
    프레임의 배향, 프레임에 대한 전륜의 배향, 플라이휠의 배향 및 회전 속도, 및 장치의 속도를 검출하기 위한 복수의 센서와,
    상기 복수의 센서로부터의 데이터와 장치의 속도와 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠 중 적어도 하나의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하기 위한 전자 제어 시스템을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치의 방향을 변경하기 위한 입력은 프레임에 대한 전륜의 배향을 변경하기 위한 입력을 포함하고, 상기 전자 제어 시스템은 선회 중에 안정성을 유지하기 위해 플라이휠 중 적어도 하나의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전자 제어 시스템은 입력이 장치의 속도를 증가시키기 위한 입력을 포함할 때 플라이휠(들)의 속도를 저감하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 전륜과 후륜 중 적어도 하나의 속도를 저감하기 위한 제동 시스템을 추가로 포함하되, 상기 장치의 속도를 변경하기 위한 입력은 제동 시스템을 결합시키기 위한 입력을 포함하고, 상기 전자 제어 시스템은 안정성에 대한 영향력을 증가시키기 위해 플라이휠의 속도를 증가시키는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 자이로스코프는 전륜 및 후륜에 대하여 길이방향으로 정렬되는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 플라이휠은 서로에 대해 반대 방향으로 회전하고 세차운동하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 자이로스코프는 차량의 프레임에 대한 폭방향과 차량의 프레임에 대한 높이방향 중 적어도 하나의 방향으로 정렬되는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 플라이휠은 동일한 크기를 갖는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 플라이휠은 각각 탄소 섬유, 케블러, 강, 황동, 청동, 납 및 열화우라늄 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 자이로스코프는 각각의 제1 및 제2 짐벌 장착 세트를 통해 프레임에 결합되는 장치.
  11. 프로세서와,
    메모리와,
    차량 프레임의 배향, 프레임에 대한 차량 전륜의 배향, 프레임에 결합되는 자이로스코프에 포함되는 플라이휠의 배향 및 회전 속도, 및 프레임의 속도를 표시하는 복수의 센서로부터의 데이터를 수신하고, 상기 수신 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 차량 상태를 판단하고, 상기 차량 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하기 위해 메모리에 저장되어 프로세서를 통해 실행되는 제어 모듈을 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 모듈은 차량의 속도와 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 입력을 추가로 수신하고, 추가로 차량의 속도와 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어 모듈은 상기 수신된 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 의도 차량 상태를 판단하고, 상기 의도 차량 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 플라이휠의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 수신된 입력은 전륜을 선회시키기 위한 명령을 포함하고, 상기 의도 차량 상태는 선회를 포함하며, 상기 제어 모듈은 선회 중에 안정성을 유지하기 위해 플라이휠의 배향 및 회전 속도를 조절하는 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 자이로스코프의 플라이휠을 제어하고 모터 모드 및 발전기 모드로 작동시키는 플라이휠 모터-발전기 제어 모듈을 추가로 포함하되, 상기 모터 모드는 플라이휠의 배향과 회전 속도 중 적어도 하나를 변경하기 위해 자이로스코프에 전류를 전달하는 것을 포함하고, 상기 발전기 모드는 플라이휠에 의해 발생하는 전류를 자이로스코프로부터 전달하는 것을 포함하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 차량의 전륜과 후륜 중 적어도 하나를 제어하고 모터 모드 및 발전기 모드로 작동시키기 위한 구동륜 모터-발전기 제어 모듈을 추가로 포함하되, 상기 모터 모드는 각각의 차륜의 회전 속도까지 전류를 수신하는 것을 포함하고, 상기 발전기 모드는 각각의 차륜에 의해 발생하는 전류를 전달하는 것을 포함하는 시스템.
  17. 차량의 구동륜 내외로 에너지를 전달하기 위한 구동륜 모터-발전기와,
    차량의 자이로스코프 안정화기에 포함된 플라이휠 내외로 에너지를 전달하기 위한 플라이휠 모터-발전기와,
    배터리를 포함하는 커패시터 뱅크와,
    차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 상기 플라이휠 모터-발전기로부터 상기 커패시터 뱅크로 에너지를 전달하고, 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 상기 구동륜 모터-발전기로부터 상기 커패시터 뱅크로 에너지를 전달하기 위한 전력 제어부를 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전력 제어부는 상기 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 상기 커패시터 뱅크로부터 상기 구동륜 모터-발전기로 에너지를 추가로 전달하고, 상기 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 상기 커패시터 뱅크로부터 상기 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 추가로 전달하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전력 제어부는 상기 차량의 속도를 증가시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 구동륜 모터에 불필요한 에너지를 상기 커패시터 뱅크와 상기 배터리 중 적어도 하나에 전달하고, 상기 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력의 검출에 응답하여 플라이휠에 불필요한 에너지를 상기 커패시터 뱅크와 상기 배터리 중 적어도 하나에 전달하는 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력은 차량의 제동 시스템을 결합시키기 위한 입력을 포함하고, 상기 제동 시스템은 상기 구동륜 모터-발전기로부터 전달 가능한 에너지를 발생시키는 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 상기 전력 제어부는 차량의 속도가 차량의 안정성에 영향을 줄 것인지 여부에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 커패시터 뱅크로부터 상기 플라이휠 모터-발전기로 추가로 전달하는 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 상기 전력 제어부는 상기 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 줄 것이라고 추가로 판단하고, 상기 차량의 속도를 감소시키기 위한 입력이 차량의 안정성에 영향을 줄 것이라는 판단에 응답하여 상기 커패시터 뱅크로부터 상기 플라이휠 모터-발전기로 에너지를 전달하는 시스템.
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