RU2205766C2

RU2205766C2 - Vehicle (versions)

Info

Publication number: RU2205766C2
Application number: RU2000114547A
Authority: RU
Inventors: Роберт Р. АМБРОДЖИ; Роберт Дж. ДУГГАН; Дин Л. КАМЕН; Брайан Р. КИ; Филлис К. КРИСТАЛ; Ричард Курт ХАЙНЦМАНН; Андржей ШОСКИВИЧ
Original assignee: Дека Продактс Лимитед Партнершип
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2003-06-10

Abstract

FIELD: transport engineering. SUBSTANCE: invention relates to vehicles designed for movement along different surfaces, including rough ones. Proposed vehicle contains support for object to be transported, pair of cross wheels connected with support and made in common unit with support, motor drive installed in said unit and connected with wheels. Automatic control systems is furnished with special device for generating speed mismatch and displacement mismatch signals and device for generating vehicle longitudinal tilting signals and longitudinal tilting angular velocity signals. It has also adder whose inputs are coupled with corresponding outputs of indicating devices generating speed and displacement mismatch signals and devices generating vehicle longitudinal tilting and tilting angular velocity signals. Output of adder is coupled with drive from motor. Second design version differs from first one by connecting the wheels in two groups installed from turning around axis passing through centers of groups, provision of drive from motor including wheel drive motor and group drive motor. EFFECT: provision of vehicle stability at place and in motion, even when climbing up or moving down the stairs owing to drive of wheels. 41 cl, 13 dwg

Description

Настоящая заявка является заявкой, выделенной из заявки 97114751 на выдачу патента РФ на изобретение. This application is an application isolated from application 97114751 for the grant of a patent of the Russian Federation for an invention.

Настоящее изобретение относится к транспортным средствам и способам транспортирования объектов, в частности к транспортным средствам и способам транспортирования объектов по местности, поверхность которой может быть неровной. The present invention relates to vehicles and methods of transporting objects, in particular to vehicles and methods of transporting objects over terrain, the surface of which may be uneven.

Уровень техники
Известен широкий диапазон транспортных средств и способов транспортирования, предназначенных для транспортирования людей. Конструкции таких транспортных средств обычно являются результатом компромисса, при котором остойчивости отдается предпочтение перед маневренностью. Например, трудно создать самодвижущееся и направляемое пользователем транспортное средство, предназначенное для транспортирования человека по местности с поверхностью, которая может быть неровной, и в то же время обеспечивающее возможность удобного передвижения по местности с относительно плоской поверхностью. Транспортные средства, которые обеспечивают передвижение по неровным поверхностям, обычно сложны, тяжелы и с затруднениями выполняют обычное передвижение.State of the art
A wide range of vehicles and transportation methods are known for transporting people. The design of such vehicles is usually the result of a compromise in which stability is preferred over maneuverability. For example, it is difficult to create a self-propelled and user-guided vehicle designed to transport a person over a terrain with a surface that may be uneven, while at the same time providing convenient mobility over terrain with a relatively flat surface. Vehicles that provide movement on uneven surfaces are usually complex, heavy, and difficult to perform normal movement.

Из патента США 3374845 известно транспортное средство для транспортирования человека, содержащее опору для человека, группу вращающихся элементов, соединенных с опорой и выполненных с ней в едином узле, привод от двигателя, установленный на указанном узле и соединенный с вращающимися элементами, и устройство управления остойчивостью транспортного средства, связанное с приводом от двигателя (ближайший аналог изобретения). From US Pat. No. 3,374,845, a vehicle for transporting a person is known, comprising a support for a person, a group of rotating elements connected to the support and made with it in a single unit, an engine drive mounted on the specified unit and connected to the rotating elements, and a vehicle stability control device means associated with the drive from the engine (the closest analogue of the invention).

Из авторского свидетельства СССР 948734 известна ручная тележка для перемещения по лестницам. По бокам этой тележки расположены группы колес, установленные на свободно вращающихся крестовинах, для транспортировки грузов по лестницам. Однако до сих пор не было предложено использовать подобную конструкцию на транспортном средстве, которое, будучи неустойчивым при выключенном приводе, было бы способно динамически сохранять равновесие на месте или в движении, в том числе по лестницам, посредством привода на колеса. From the USSR author's certificate 948734 a hand truck is known for moving up stairs. On the sides of this trolley are groups of wheels mounted on freely rotating crosspieces for transporting goods on stairs. However, it has not yet been proposed to use a similar design on a vehicle, which, being unstable when the drive is off, would be able to dynamically maintain equilibrium in place or in motion, including on stairs, by means of a drive on wheels.

Сущность изобретения
Предложены варианты транспортного средства, предназначенного для транспортирования объектов по местности, поверхность которой может иметь неровности. В первом варианте предложенное транспортное средство содержит опору для транспортируемого объекта, пару поперечно расположенных колес, соединенных с опорой и выполненных с ней в едином узле, привод от двигателя, установленный на указанном узле и соединенный с колесами, и систему автоматического управления транспортным средством. Отличие этого транспортного средства от ближайшего аналога состоит в том, что система автоматического управления снабжена средством выработки сигналов рассогласования по скорости и перемещению транспортного средства, средством выработки сигналов угла продольного наклона и угловой скорости продольного наклона транспортного средства, и суммирующим устройством, входы которого связаны с соответствующими выходами указанных средства выработки сигналов рассогласования по скорости и перемещению и средства выработки сигналов угла продольного наклона и угловой скорости продольного наклона, а выход которого связан с приводом от двигателя.SUMMARY OF THE INVENTION
Variants of a vehicle designed to transport objects over terrain, the surface of which may have irregularities, are proposed. In the first embodiment, the proposed vehicle contains a support for the transported object, a pair of transversely arranged wheels connected to the support and made with it in a single unit, an engine drive mounted on the specified unit and connected to the wheels, and an automatic vehicle control system. The difference between this vehicle and the closest analogue is that the automatic control system is equipped with a means for generating discrepancies in the speed and movement of the vehicle, means for generating signals of the longitudinal inclination angle and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle, and a summing device whose inputs are connected to the corresponding the outputs of these means of generating signals of inconsistencies in speed and movement and means of generating signals of the angle nogo inclination and angular velocity of pitch, and the output of which is connected with a motor-driven.

Второй вариант отличается от первого тем, что транспортное средство содержит несколько колес, объединенных в две группы колес, установленные с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через центры групп, при этом привод от двигателя включает в себя двигатель привода колес и двигатель привода групп, причем система автоматического управления дополнительно снабжена средством выработки сигналов рассогласования по угловому положению групп, выход которого связан с двигателем привода групп. The second option differs from the first in that the vehicle contains several wheels combined in two groups of wheels, mounted for rotation around an axis passing through the centers of the groups, while the drive from the engine includes a wheel drive engine and a group drive engine, the system automatic control is additionally equipped with a means of generating mismatch signals according to the angular position of the groups, the output of which is connected to the group drive motor.

Во втором варианте выполнения транспортного средства в каждой группе может быть по три колеса. В обоих вышеописанных вариантах опора может быть выполнена в виде платформы с возможностью расположения на ней стоящего человека, может иметь основание, расположенное над поверхностью перемещения на высоте, которая меньше высоты шага человека, или быть установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси. Площадь опоры может быть задана примерно равной следу ступней человека, стоящего на опоре. На опоре может быть закреплена рукоятка. In the second embodiment of the vehicle, each group may have three wheels. In both of the above-described embodiments, the support can be made in the form of a platform with the possibility of a standing person standing on it, may have a base located above the displacement surface at a height that is less than the step height of a person, or be mounted with the possibility of rotation around a horizontal axis. The area of the support can be set approximately equal to the footprint of a person standing on the support. A handle can be fixed to the support.

Средство выработки сигналов угла продольного наклона и угловой скорости продольного наклона транспортного средства может содержать уклономер для измерения продольного наклона транспортного средства, а средство выработки сигналов рассогласования по скорости и перемещению транспортного средства может содержать устройство управления движением транспортного средства, установленное, например, на рукоятке, которое, в свою очередь, может содержать интерфейс пользователя, а также датчик наклона транспортируемого объекта в заданном направлении. Такой датчик может быть выполнен в виде нажимной плиты или бесконтактного датчика. The means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle may include an inclinometer for measuring the longitudinal inclination of the vehicle, and the means for generating signals of inconsistencies in speed and movement of the vehicle may include a vehicle movement control device mounted, for example, on a handle , in turn, may contain a user interface, as well as a tilt sensor of the transported object in a given direction phenomenon. Such a sensor can be made in the form of a pressure plate or proximity sensor.

Система автоматического управления может быть выполнена с возможностью циклического считывания поступающих в нее сигналов. На транспортном средстве могут быть предусмотрены сенсорное устройство для управления транспортным средством в зависимости от особенностей поверхности передвижения, регулятор ограничения скорости транспортного средства до заданного порогового значения, меньшего максимальной скорости транспортного средства. The automatic control system can be configured to cyclically read the signals entering it. On the vehicle, a sensor device may be provided for controlling the vehicle depending on the characteristics of the movement surface, a speed limiter of the vehicle to a predetermined threshold value less than the maximum vehicle speed.

Привод от двигателя может быть выполнен с возможностью дифференциального привода колес и заданного поворота транспортного средства в горизонтальной плоскости. The drive from the engine can be made with the possibility of differential drive wheels and a given rotation of the vehicle in a horizontal plane.

Средство выработки сигналов угла продольного наклона и угловой скорости продольного наклона транспортного средства может содержать датчик фиксирования опрокидывания средства. The means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle may include a sensor for detecting rollover means.

Кроме того, вышеупомянутое устройство управления движением транспортного средства может содержать устройство ввода пользователем заданного направления движения, а также заданной скорости движения, в том числе нулевой скорости. In addition, the aforementioned vehicle motion control device may comprise a user input device of a predetermined direction of travel, as well as a predetermined speed of travel, including zero speed.

Перечень фигур чертежей и иных материалов
На фиг.1 представлен вид в перспективе варианта настоящего изобретения, на котором показан стоящий на нем человек.List of figures of drawings and other materials
Figure 1 presents a perspective view of a variant of the present invention, which shows a person standing on it.

На фиг.2 представлен еще один вариант настоящего изобретения. Figure 2 presents another embodiment of the present invention.

На фиг.3 представлена схема управления применительно к упрощенному варианту согласно фиг.1 для обеспечения равновесия при использовании крутящего момента колес. Figure 3 presents the control scheme in relation to the simplified version according to figure 1 to ensure equilibrium when using the torque of the wheels.

На фиг.4 схематично показана работа ручкой управления при управлении колесами в вариантах конструкции согласно фиг.1. Figure 4 schematically shows the operation of the control handle when controlling the wheels in the design options according to figure 1.

На фиг.5 представлено использование конструкции с трехколесными группами. Figure 5 shows the use of a design with tricycle groups.

На фиг. 6 представлена блок-схема характерного блока управления типа используемого в настоящем изобретении. In FIG. 6 is a block diagram of a representative control unit of the type used in the present invention.

На фиг. 7 представлена блок-схема, на которой показаны детали блока 273 интерфейса оператора. In FIG. 7 is a block diagram showing details of an operator interface unit 273.

На фиг.8 представлена логическая блок-схема, отражающая алгоритм действия панели 272 с центральным микроконтроллером в ходе одного цикла управления. On Fig presents a logical block diagram that reflects the algorithm of operation of the panel 272 with a central microcontroller during one control cycle.

На фиг.9 представлены угловые переменные, касающиеся определения ориентации группы по отношению к транспортному средству и окружающему пространству. Fig. 9 shows angular variables relating to determining the orientation of the group with respect to the vehicle and the surrounding area.

На фиг. 10 схематически представлено управление двигателями колес во время уравновешивания и нормального передвижения. In FIG. 10 shows schematically the control of wheel engines during balancing and normal movement.

На фиг. 11 схематически представлено устройство управления группами во время уравновешивания и нормального передвижения. In FIG. 11 is a schematic illustration of a group control device during balancing and normal movement.

На фиг.12 представлена схема, относящаяся к фиг.10, показывающая устройство, посредством которого определяются переменные состояния, указывающие положение колес, с тем чтобы компенсировать влияние вращения групп. 12 is a diagram relating to FIG. 10 showing a device by which state variables indicating the position of the wheels are determined in order to compensate for the effect of rotation of the groups.

На фиг.13 представлен вариант конструкции изобретения, в котором предусмотрена выработка невизуальных выходных сигналов, с помощью которых человек может управлять транспортным средством. On Fig presents a variant of the construction of the invention, which provides for the generation of non-visual output signals with which a person can drive a vehicle.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение может быть выполнено в широком диапазоне вариантов его осуществления. Отличительным признаком многих из этих вариантов конструкции является использование пары расположенных в поперечном направлении вращающихся элементов, соприкасающихся с землей (самые нижние вращающиеся элементы, которые соосно расположены вокруг одной поперечной оси), с тем чтобы разместить над поверхностью человека, относительно которой человек перемещается. Элементы, соприкасающиеся с землей, приводят в движение двигателями.Information confirming the possibility of carrying out the invention
The invention can be carried out in a wide range of variants of its implementation. A distinctive feature of many of these design options is the use of a pair of transversely rotating elements in contact with the ground (the lowest rotating elements that are coaxially arranged around one transverse axis) so as to be placed above the surface of the person relative to which the person is moving. Elements in contact with the ground are driven by engines.

Во многих вариантах конструкции транспортное средство с находящимся на нем человеком во время передвижения по меньшей мере определенную часть времени имеет недостаточную собственную остойчивость относительно вертикали в продольной плоскости, но при этом оно относительно остойчиво по отношению к вертикали в поперечной плоскости. Продольная остойчивость достигается за счет применения системы автоматического управления, в которую включен двигатель, для работы этого двигателя совместно с элементами, соприкасающимися с землей. Как описано ниже, пара элементов, соприкасающихся с землей, может, например, представлять собой пару колес или пару колесных групп. В этих вариантах выполнения конструкции элементы, соприкасающиеся с землей, приводят в движение приводом от двигателя в системе автоматического управления таким образом, чтобы сохранять центр массы транспортного средства над точкой контакта элементов с землей независимо от возмущений и сил, действующих на транспортное средство. In many design options, a vehicle with a person on it during movement at least a certain part of the time has insufficient intrinsic stability relative to the vertical in the longitudinal plane, but it is relatively stable with respect to the vertical in the transverse plane. Longitudinal stability is achieved through the use of an automatic control system, in which the engine is included, for the operation of this engine in conjunction with elements in contact with the ground. As described below, a pair of elements in contact with the ground may, for example, be a pair of wheels or a pair of wheel groups. In these design embodiments, elements in contact with the earth are driven by a motor drive in an automatic control system so as to maintain the center of mass of the vehicle above the point of contact of the elements with the earth, regardless of the disturbances and forces acting on the vehicle.

Вариант транспортного средства 18, показанный на фиг.1, включает в себя опорное устройство 211, в данном случае выполненное в виде платформы, на которой человек 13 может стоять или, в другом варианте, показанном на фиг.2, сидеть. Как показано на фиг.1, человек 13 стоит на платформе 211 и держится за захват 212 на рукоятке 213, прикрепленной к платформе 211, таким образом, что транспортное средство в таком исполнении может действовать подобно самокату. Соприкасающийся с землей модуль 26 транспортного средства включает пару колес 11, расположенных поперечно (боком) друг к другу и по одной и той же оси 22. Колеса помогают определить ряд осей, включая вертикальную ось Z-Z, поперечную ось Y-Y, параллельную оси колес, и продольную ось Х-Х, перпендикулярную оси колес. The embodiment of the vehicle 18 shown in FIG. 1 includes a support device 211, in this case made in the form of a platform on which a person 13 can stand or, in another embodiment shown in FIG. 2, sit. As shown in FIG. 1, a person 13 stands on a platform 211 and holds onto a grip 212 on a handle 213 attached to the platform 211, so that a vehicle of this design can act like a scooter. The vehicle module 26 in contact with the ground includes a pair of wheels 11 arranged transversely (sideways) to each other and on the same axis 22. The wheels help to determine a number of axles, including the vertical axis ZZ, the transverse axis YY, parallel to the axis of the wheels, and the longitudinal X-axis, perpendicular to the axis of the wheels.

Плоскость, задаваемая вертикальной осью Z-Z и поперечной осью Y-Y, в некоторых случаях будет здесь называться "поперечной плоскостью", а плоскость, задаваемая продольной осью Х-Х и вертикальной осью Z-Z - "продольной плоскостью". Направления, параллельные осям Х-Х и Y-Y, называют соответственно продольными и поперечными направлениями. Можно видеть, что транспортному средству, когда оно опирается на пару колес 11 для соприкосновения с землей, свойственна собственная неустойчивость по отношению к вертикали в продольном направлении, однако оно относительно остойчиво по отношению к вертикали в поперечном направлении. The plane defined by the vertical Z-Z axis and the transverse Y-Y axis will here in some cases be called the "transverse plane", and the plane defined by the longitudinal axis X-X and the vertical axis Z-Z will be called the "longitudinal plane." Directions parallel to the axes X-X and Y-Y are called longitudinal and transverse directions, respectively. You can see that the vehicle, when it is supported by a pair of wheels 11 for contact with the ground, is characterized by its own instability with respect to the vertical in the longitudinal direction, however, it is relatively stable with respect to the vertical in the transverse direction.

Как показано на фиг.2, человека 13 можно перемещать на платформе 211, усадив его на кресло 34. Кресло 34 может быть установлено с возможностью поворота в шарнире 42 относительно платформы 211, что способствует переносу тяжести тела человека при наклоне, как это рассматривается ниже в качестве возможного способа управления движением транспортного средства. Кресло 34 может быть соединено с платформой 211 посредством рычага 38 и шарнира 40. Можно видеть, что в варианте осуществления конструкции, описанном на фиг. 1-2, для достижения относительной подвижности приходится жертвовать собственной продольной остойчивостью транспортного средства. As shown in figure 2, the person 13 can be moved on the platform 211, sitting it on the chair 34. The chair 34 can be installed with the possibility of rotation in the hinge 42 relative to the platform 211, which contributes to the transfer of gravity of the human body when tilted, as discussed below in as a possible way to control the movement of the vehicle. The seat 34 can be connected to the platform 211 via a lever 38 and a hinge 40. It can be seen that in the embodiment of the structure described in FIG. 1-2, to achieve relative mobility, you have to sacrifice your own longitudinal stability of the vehicle.

Упрощенный алгоритм управления для обеспечения равновесия в варианте осуществления изобретения согласно фиг. 1, когда колеса задействованы для выполнения движения, представлен на блок-схеме фиг.3. Агрегат 61 эквивалентен уравнениям движения системы с модулем, соприкасающимся с землей и приводимым в движение одним двигателем, перед тем как применяется система автоматического управления. Т обозначает крутящий момент колеса. Буква θ обозначает продольный наклон (угловое отклонение транспортного средства по отношению к силе тяжести, то есть к вертикали), Х обозначает продольное смещение вдоль поверхности относительно базовой точки, а точка над буквой обозначает производную переменной по времени. Остальная часть фигуры представляет собой средство управления, используемое для обеспечения равновесия. Прямоугольники 62 и 63 обозначают дифференцирование. Для выполнения динамического управления с целью обеспечения остойчивости системы, а также для того, чтобы система оставалась вблизи базовой точки на поверхности, крутящий момент Т колеса в этом варианте осуществления конструкции устанавливают таким, чтобы он удовлетворял следующему уравнению:

Коэффициенты К₁, К₂, К₃ и К₄ зависят от физических параметров системы и иных факторов, например силы тяжести. Упрощенный алгоритм управления согласно фиг.6 позволяет сохранять равновесие, а также близость к базовой точке на поверхности при наличии возмущений, например, таких, которые изменяют центр массы системы относительно базовой точки на поверхности вследствие движения человека или его контакта с другими лицами или объектами.A simplified control algorithm for balancing the embodiment of FIG. 1, when the wheels are involved in driving, is shown in the block diagram of FIG. 3. Unit 61 is equivalent to the equations of motion of a system with a module in contact with the ground and driven by one engine before applying an automatic control system. T stands for wheel torque. The letter θ denotes a longitudinal inclination (the angular deviation of the vehicle with respect to gravity, that is, to the vertical), X denotes the longitudinal displacement along the surface relative to the base point, and the point above the letter denotes the time derivative of the variable. The rest of the figure is a control used to maintain balance.

Rectangles

62 and 63 denote differentiation. To perform dynamic control in order to ensure the stability of the system, and also so that the system remains near the base point on the surface, the wheel torque T in this embodiment is set so that it satisfies the following equation:

The coefficients K ₁ , K ₂ , K ₃ and K ₄ depend on the physical parameters of the system and other factors, such as gravity. The simplified control algorithm according to Fig.6 allows you to maintain equilibrium, as well as proximity to the base point on the surface in the presence of disturbances, for example, those that change the center of mass of the system relative to the base point on the surface due to the movement of a person or his contact with other persons or objects.

Для того, чтобы разместить два колеса вместо одноколесной системы, представленной на фиг.6, крутящий момент, требуемый от левого двигателя, и крутящий момент, требуемый от правого двигателя, можно рассчитывать по отдельности обычным способом, описанным ниже применительно к фиг.10. Кроме того, отслеживание движения как левого, так и правого колеса, позволяет вносить коррекции для предотвращения нежелательного поворота транспортного средства и учитывать различия характеристик между двумя приводными двигателями. In order to accommodate two wheels instead of the one-wheel system shown in FIG. 6, the torque required from the left engine and the torque required from the right engine can be calculated individually in the usual manner described below with respect to FIG. 10. In addition, tracking the movement of both the left and right wheels, allows you to make corrections to prevent unwanted turning of the vehicle and take into account differences in performance between the two drive motors.

Для регулирования крутящего момента каждого двигателя может быть использован ручной интерфейс, например ручка управления. Ручка управления имеет оси, указанные на фиг.4. При работе этого варианта осуществления конструкции движение ручки управления вперед используют, чтобы обеспечить движение транспортного средства вперед, а обратное движение ручки управления вызывает движение транспортного средства назад. Подобным же образом левый поворот выполняют движением ручки управления влево. Для поворота вправо ручку управления перемещают вправо. Используемая здесь конфигурация обеспечивает возможность поворота транспортного средства на месте при перемещении ручки управления влево или вправо. Что касается движения вперед или заднего хода, то альтернативой воздействию на ручку управления является просто наклон вперед или назад, поскольку в этом случае уклономер или датчик продольного наклона (измеряющий θ) установит изменение угла продольного наклона, которое система будет пытаться скомпенсировать, что приведет к переднему или обратному движению - в зависимости от направления наклона. Как вариант, могут быть воплощены принципы управления, основанные на нечеткой логике. A manual interface, such as a control knob, can be used to control the torque of each engine. The control handle has the axis indicated in FIG. 4. In this embodiment, the forward movement of the control handle is used to provide forward movement of the vehicle, and the reverse movement of the control handle causes the vehicle to move backward. Similarly, a left turn is performed by moving the control knob to the left. To turn right, the control knob is moved to the right. The configuration used here enables the vehicle to rotate in place when moving the control knob left or right. As for moving forward or reversing, the alternative to acting on the control knob is simply forward or backward tilt, since in this case the inclinometer or the longitudinal tilt sensor (measuring θ) will establish a change in the longitudinal tilt angle, which the system will try to compensate, which will lead to the front or reverse movement - depending on the direction of inclination. Alternatively, control principles based on fuzzy logic may be implemented.

Можно видеть, что такой подход, предусматривающий регулирование крутящих моментов двигателей в режиме равновесия, обеспечивает возможность получения продольной остойчивости без необходимости использования дополнительных стабилизирующих колес или подпорок (хотя может быть обеспечено и такое содействие остойчивости). Иными словами, остойчивость достигается динамически посредством движения компонентов транспортного средства (в этом случае образующих все транспортное средство) относительно земли. It can be seen that such an approach involving the regulation of engine torque in equilibrium provides the possibility of obtaining longitudinal stability without the need for additional stabilizing wheels or supports (although such stability assistance can be provided). In other words, stability is achieved dynamically by the movement of the vehicle components (in this case forming the entire vehicle) relative to the ground.

Следует заметить, что хотя во многих из описанных здесь вариантов осуществления конструкции используют отдельные двигатели с индивидуальным управлением, для определенного количества функций может быть использован общий двигатель, при этом отдельное управление может быть обеспечено соответствующими устройствами сцепления или иными устройствами трансмиссии (передачи энергии), например дифференциальным приводом. Термин "привод от двигателя" (или механический привод), который используется в этом описании и в приведенной далее формуле изобретения, означает любое устройство, вырабатывающее механическую энергию независимо от средств создания энергии, и поэтому включает в себя двигатель, который может быть электрическим, гидравлическим, пневматическим или термодинамическим (последний включает в себя двигатель внутреннего или внешнего сгорания) совместно с любым приемлемым устройством для передачи такой механической энергии, либо устройство, создающее реактивную тягу, например турбореактивный двигатель или приводимый двигателем воздушный винт. It should be noted that although many of the design embodiments described here use separate engines with individual control, a common engine can be used for a certain number of functions, while separate control can be provided by appropriate clutch devices or other transmission (energy transfer) devices, for example differential drive. The term "motor drive" (or mechanical drive), which is used in this description and in the following claims, means any device that generates mechanical energy regardless of the means of generating energy, and therefore includes a motor, which can be electric, hydraulic pneumatic or thermodynamic (the latter includes an internal or external combustion engine) together with any suitable device for transmitting such mechanical energy, or a device that creates The present jet thrust, e.g. turbojet engine or a motor-driven propeller.

На фиг.5 показан еще один вариант предложенного транспортного средства, в котором не предусмотрено кресло. Человек стоит на платформе 211 и удерживает захват 212 на рукоятке 213, прикрепленной к платформе 211, так что транспортное средство согласно этому варианту осуществления конструкции может действовать способом, аналогичным способу действия самоката. На захвате 212 может быть установлена ручка управления, которой удобно манипулировать большим пальцем руки, для контроля направления движения транспортного средства (управления по курсу), хотя также могут быть использованы и другие способы управления. Например, вполне можно обойтись без рукоятки 213 и захвата 212, а платформа 211 может быть снабжена датчиками, определяющими наклон человека. Figure 5 shows another variant of the proposed vehicle, in which a chair is not provided. A person stands on the platform 211 and holds the grip 212 on the handle 213 attached to the platform 211, so that the vehicle according to this embodiment of the structure can act in a manner similar to the way the scooter operates. A control handle that can be conveniently manipulated with the thumb to control the direction of travel of the vehicle (course control) can be mounted on the grip 212, although other control methods can also be used. For example, it is possible to do without the handle 213 and the gripper 212, and the platform 211 may be equipped with sensors that determine the inclination of the person.

Действительно, как описано применительно к фиг.3 и далее описано ниже, угол продольного наклона транспортного средства определяется и корректируется в системе автоматического управления, поэтому, если человек наклоняется вперед, транспортное средство будет перемещаться вперед, с тем чтобы сохранить остойчивость по вертикали. Соответственно наклон вперед вызовет движение вперед, а наклон назад вызовет движение назад. Для восприятия левостороннего и правостороннего наклона могут быть предусмотрены соответствующие преобразователи (датчики) силы, а для выполнения поворота влево или вправо при восприятии соответствующего наклона могут быть предусмотрены связанные с ними органы управления. Наклон также можно фиксировать посредством использования бесконтактных датчиков. Indeed, as described with reference to FIG. 3 and further described below, the longitudinal angle of the vehicle is determined and adjusted in the automatic control system, therefore, if a person leans forward, the vehicle will move forward in order to maintain vertical stability. Accordingly, leaning forward will cause a forward movement, and leaning back will cause a reverse movement. For the perception of left-side and right-side tilt, appropriate force transducers (sensors) can be provided, and for performing a turn to the left or right when perceiving the corresponding tilt, control elements associated with them can be provided. The tilt can also be detected by using proximity sensors.

Подобным же образом транспортное средство согласно этому варианту осуществления конструкции может быть оборудовано приводимым в действие ступней (или усилием) переключателем для приведения транспортного средства в действие таким образом, чтобы переключатель был замкнут для автоматического приведения транспортного средства в действие, когда человек стоит на платформе 211. Хотя этот вариант осуществления конструкции показан с левой и правой колесными группами 214, транспортное средство, как вариант, может быть снабжено другими элементами, соприкасающимися с землей, например поперечно расположенной одинарной парой колес, подобных показанным на фиг.1. Similarly, the vehicle according to this embodiment may be equipped with a foot-operated (or force) switch for driving the vehicle so that the switch is closed to automatically drive the vehicle when the person is standing on the platform 211. Although this embodiment is shown with left and right wheel groups 214, the vehicle may alternatively be provided with other elements and in contact with the ground, for example, a transversely disposed single pair of wheels similar to those shown in FIG.

Общая структура каждого из узлов управления колесами показана на фиг.6. Двигатель 281 получает трехфазный ток от инвертора 282. Выход от датчика 2812, действующего на основе эффекта Холла, обеспечивает подачу информационных сигналов к инвертору 282 для управления фазами тока, подводимого к двигателю. Информационные сигналы, относящиеся к вращению вала двигателя или к положению механических систем, приводимых в действие двигателем, могут вырабатываться одним или более из следующих устройств: потенциометром 284, тахометром 2811 или инкрементным кодирующим устройством 2813. (Как вариант, может быть использован сам датчик 2812, действующий на основе эффекта Холла). Эти сигналы подают к периферийной панели (плате) 283 с микроконтроллером. Кроме того, температурные выводы, взаимосвязанные с инвертором 282 и двигателем 281, создают входные сигналы для периферийной панели 283 с микроконтроллером. В свою очередь, периферийная панель 283 с микроконтроллером связана с центральной панелью с микроконтроллером посредством шины 279. The general structure of each of the wheel steering units is shown in FIG. 6. The motor 281 receives a three-phase current from the inverter 282. The output from the sensor 2812, based on the Hall effect, provides information signals to the inverter 282 to control the phases of the current supplied to the motor. Information signals relating to the rotation of the motor shaft or to the position of the mechanical systems driven by the engine can be generated by one or more of the following devices: potentiometer 284, tachometer 2811 or incremental encoder 2813. (Alternatively, the sensor 2812 itself can be used. acting on the basis of the Hall effect). These signals are supplied to the peripheral panel (board) 283 with a microcontroller. In addition, temperature outputs interconnected with inverter 282 and motor 281 provide input signals to peripheral panel 283 with a microcontroller. In turn, the peripheral panel 283 with the microcontroller is connected to the central panel with the microcontroller via the bus 279.

На фиг. 7 приведена блок-схема, дающая подробное представление о блоке интерфейса 273 пользователя. Периферийная панель 291 с микроконтроллером получает сигнал от ручки управления 292, а также от уклономера 293. Уклономер вырабатывает информационные сигналы, касающиеся угла продольного наклона и скорости продольного наклона. (Термин "уклономер", который используют в контексте этого описания и прилагаемой формулы изобретения, означает любое устройство, создающее выходной сигнал, означающий продольный наклон или скорость продольного наклона независимо от схемы, используемой для обеспечения выходного сигнала; если же в качестве выходного сигнала выдается только одна из переменных - продольный наклон или скорость продольного наклона, то другая переменная может быть получена посредством соответствующего дифференцирования или интегрирования по времени). In FIG. 7 is a block diagram giving a detailed view of a block of a user interface 273. The peripheral panel 291 with a microcontroller receives a signal from the control knob 292, as well as from the inclinometer 293. The inclinometer generates information signals regarding the longitudinal inclination angle and the longitudinal inclination speed. (The term "inclinometer", which is used in the context of this description and the attached claims, means any device that generates an output signal that means the longitudinal inclination or the speed of the longitudinal inclination, regardless of the circuit used to provide the output signal; if, however, only one of the variables is the longitudinal inclination or the velocity of the longitudinal inclination, then the other variable can be obtained by appropriate differentiation or integration over time).

Когда транспортное средство движется с поворотом, для обеспечения управляемого поперечного наклона транспортного средства в сторону поворота (а следовательно, для повышения устойчивости при повороте) можно также использовать второй уклономер для получения информации, касающейся поперечного наклона или скорости поперечного наклона, или, как вариант, результирующей веса системы и центробежной силы. Желательно также обеспечить другие входные сигналы 294, например входной сигнал к периферийной панели 291 с микроконтроллером. Такие иные входные сигналы могут включать в себя сигналы, вводимые переключателями (кнопками и рукоятками) для регулирования кресла и для установления режима работы (например, режима наклона или режима равновесия, описанных ниже). Периферийная панель 291 с микроконтроллером также имеет входы для получения сигналов от батарейного пакета 271, касающихся напряжения, тока и температуры батареи. Периферийная панель 291 с микроконтроллером посредством шины 279 связана с центральной панелью микроконтроллера. When the vehicle is moving in a bend, to provide a controlled lateral tilt of the vehicle toward the bend (and therefore to increase stability during a bend), you can also use the second inclinometer to obtain information regarding the lateral inclination or the speed of the lateral inclination, or, as an option, the resulting system weight and centrifugal force. It is also desirable to provide other input signals 294, for example, an input signal to a peripheral panel 291 with a microcontroller. Such other input signals may include signals inputted by switches (buttons and knobs) to adjust the chair and to set the operation mode (for example, tilt mode or equilibrium mode described below). The microcontroller peripheral panel 291 also has inputs for receiving signals from the battery pack 271 regarding voltage, current, and battery temperature. The peripheral panel 291 with the microcontroller is connected via a bus 279 to the central panel of the microcontroller.

На фиг.8 представлена логическая схема выполнения операций, которой следует панель с микроконтроллером в ходе выполнения одного цикла управления. Для целей диагностики цикл начинают на стадии 301 проверкой наличия какого-либо входного сигнала от специалиста по техническому обслуживанию (техника). На следующей стадии, обозначенной позицией 302, производят считывание входных сигналов от оператора, создаваемых ручкой управления, переключателями, кнопками и рукоятками. Далее, на стадии 303, в качестве входных сигналов считываются переменные состояния транспортного средства. После этого на стадии 3011 производят обновление отображаемой информации, выдаваемой технику (в случае диагностического использования), и далее, на стадии 304, состояние программы изменяют на основе входных переменных, полученных на стадиях 301-303. Затем выполняют тестирование, есть ли выход программы (стадия 3041), и если определено "да", то все усилители двигателей отключают (стадия 3042), и программа заканчивается. On Fig presents a logical diagram of the operations that follows the panel with the microcontroller during the execution of one control cycle. For diagnostic purposes, the cycle begins at step 301 by checking for the presence of any input signal from a service technician (technician). In the next step, indicated by 302, the input signals from the operator are generated by the control knob, switches, buttons, and knobs. Next, at step 303, vehicle state variables are read as input. After that, at step 3011, the displayed information issued to the technician is updated (in case of diagnostic use), and then, at step 304, the state of the program is changed based on the input variables obtained at steps 301-303. Then, testing is carried out to see if there is a program output (step 3041), and if yes, then all of the engine amplifiers are turned off (step 3042), and the program ends.

В ином случае выполняют проверку надежности (на стадии 3043) соответствующих переменных (таких как температура, напряжение батареи и т.д.), и если получают отрицательный результат, то усилители двигателей колес и групп отключают (стадия 3044) и после этого состояние программы изменяют (стадия 3055). Вместе с тем, надлежащим образом используют несколько уровней проверки, с тем чтобы усилители двигателей отключались только после получения условий на грани сигнала тревоги. Если проверка надежности на стадии 3043 положительна, или после изменения состояния программы на стадии 3055, проводят последовательные расчеты для обеспечения сигнала крутящего момента группы (стадия 305), сигнала крутящего момента колес (стадия 306), сигнала скорости продольного наклона (стадия 307), сигнала скорости поперечного наклона (стадия 308) и сигнала скорости изменения высоты подъема (309). Затем результаты этих вычислений выдают в виде выходных сигналов к соответствующим средствам на стадии 3010. На стадии 3091 программа ожидает следующего тактового сигнала, чтобы вновь начать цикл управления. В этом варианте осуществления конструкции частота циклов управления находится в диапазоне 200-400 Гц, который обеспечивает удовлетворительное быстродействие и устойчивость управления. Otherwise, a reliability check is performed (at step 3043) of the corresponding variables (such as temperature, battery voltage, etc.), and if a negative result is obtained, the wheel and group engine amplifiers are turned off (step 3044) and after that the program state is changed (step 3055). At the same time, several levels of verification are properly used so that the amplifiers of the motors are switched off only after receiving conditions on the verge of an alarm. If the reliability check at step 3043 is positive, or after changing the program state at step 3055, sequential calculations are performed to provide a group torque signal (stage 305), a wheel torque signal (stage 306), a longitudinal tilt signal (stage 307), a signal lateral tilt speed (step 308) and a signal of the rate of change of lift height (309). Then, the results of these calculations are output as output signals to the appropriate means in step 3010. At step 3091, the program waits for the next clock signal to restart the control cycle. In this embodiment, the frequency of control cycles is in the range of 200-400 Hz, which provides satisfactory speed and stability of control.

При использовании переменных, указанных в таблице и рассматриваемых в последующем описании, приняты следующие условности:
1. Переменные, определенные в мировой системе координат, именуются с помощью одного прописного подстрочного индекса. Мировая система координат - это система координат, привязанная к Земле (инерциальная).When using the variables indicated in the table and considered in the following description, the following conventions are accepted:
1. Variables defined in the world coordinate system are named using a single capital subscript. The world coordinate system is a coordinate system attached to the Earth (inertial).

2. Переменные, определенные в относительной системе координат, именуются с использованием двойного подстрочного индекса. Подстрочные индексы указывают конечные точки переменной. Порядок индексов указывает на знак переменной. Например, θ_PC представляет собой угол между стойкой и ногой группы, когда вращение по часовой стрелке от стойки группы положительное (см. пункт 4). "Нога" группы - это линейный отрезок от центра группы до центра колеса, на котором транспортное средство балансирует в данный момент. "Стойка" группы - это линейный отрезок от центра массы системы до центра группы.2. Variables defined in the relative coordinate system are named using a double subscript. Subscripts indicate the endpoints of a variable. The order of the indices indicates the sign of the variable. For example, θ _PC represents the angle between the rack and the leg of the group when the clockwise rotation from the rack of the group is positive (see paragraph 4). A “leg” of a group is a linear segment from the center of the group to the center of the wheel on which the vehicle is currently balancing. A “stand” of a group is a linear segment from the center of mass of the system to the center of the group.

3. Строчные нижние индексы используют для указания других атрибутов, например левый/правый и т.д.: r=правый; l=левый; ref=базовый; f=конец; s= начало. 3. Lowercase subscripts are used to indicate other attributes, for example left / right, etc.: r = right; l = left; ref = base; f = end; s = start.

4. Все углы положительны в направлении часовой стрелки в тех случаях, когда положительное перемещение происходит в положительном направлении X. 4. All angles are positive in the clockwise direction when positive movement occurs in the positive X direction.

5. Точка над переменной обозначает производную по времени, например

На фиг. 9 представлены переменные угловых характеристик и характеристик движения, имеющие отношение к определению ориентации группы относительно транспортного средства и пространства. Эти переменные характеризуются так, как указано в таблице.5. A dot over a variable denotes a time derivative, for example

In FIG. Figure 9 shows the variables of the angular and motion characteristics related to determining the orientation of the group relative to the vehicle and space. These variables are characterized as indicated in the table.

На фиг.10-12 представлены блок-схемы, показывающие алгоритмы управления, приемлемые для использования совместно с узлами управления согласно настоящему изобретению для обеспечения остойчивости транспортного средства согласно рассматриваемым в заявке вариантам конструкции, при балансировании на паре колес как во время движения, так и в фиксированном положении. 10-12 are block diagrams showing control algorithms suitable for use with control units according to the present invention for ensuring stability of the vehicle according to the design options discussed in the application, when balancing on a pair of wheels both during movement and in fixed position.

На фиг.10 представлено устройство управления остойчивостью транспортного средства, представляющее собой устройство управления двигателями правых и левых колес. Устройство имеет входы для сигналов

(линейная скорость левого колеса относительно мировой системы координат) и

(линейная скорость правого колеса) в дополнение к входу 3300 для команд контроля направления по курсу, определяемых положением рукоятки управления по осям Х и Y базовой системы координат.Figure 10 presents the vehicle stability control device, which is a device for controlling the engines of the right and left wheels. The device has inputs for signals

(linear speed of the left wheel relative to the world coordinate system) and

(linear speed of the right wheel) in addition to 3300 input for directional direction control commands determined by the position of the control handle along the X and Y axes of the base coordinate system.

Описываемые ниже входные сигналы

и сигналы рассогласования (ошибки) х и

умножаемые на коэффициенты усиления соответственно К1, К2, К3 и К4, становятся входными сигналами, идущими к сумматору 3319, который выдает команду в отношении основного уравновешивающего крутящего момента колес, в общем виде, описанным выше со ссылкой на фиг.6. Выходной сигнал сумматора 3319 объединяют с выходным сигналом описываемого ниже пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) контура регулирования 3316 по рысканию (по курсу) в сумматоре 3320, затем делят в делителе 3322 и ограничивают по предельному значению в ограничителе 3324, с получением сигнала крутящего момента левого колеса. Подобным же образом выходной сигнал сумматора 3319 объединяют с выходным сигналом ПИД-контура 3316 в сумматоре 3321, затем делят в делителе 3323 и ограничивают по предельному значению в ограничителе 3325, с получением сигнала крутящего момента правого колеса.Input signals described below

and mismatches (errors) x and

multiplied by the gains K1, K2, K3 and K4, respectively, become input signals to the adder 3319, which issues a command regarding the main balancing torque of the wheels, in the General form described above with reference to Fig.6. The output signal of the adder 3319 is combined with the output of the proportional-integral-differential (PID) described below the yaw control loop 3316 in the adder 3320, then divided in the divider 3322 and limited by the limit value in the limiter 3324, to obtain a torque signal left wheel. Similarly, the output of the adder 3319 is combined with the output of the PID loop 3316 in the adder 3321, then divided in the divider 3323 and limited by the limit value in the limiter 3325, with the receipt of the torque signal of the right wheel.

Согласно фиг.10 составляющая команды направления по оси Х перемещает базовую систему координат по ее оси Х относительно мировой системы координат (которая характеризует поверхность передвижения) со скоростью, пропорциональной смещению ручки управления. Составляющая команды направления по оси У поворачивает базовую систему координат вокруг ее оси Z с угловой скоростью, пропорциональной смещению ручки управления. Здесь подразумевается, что движение ручки управления в положительном направлении по оси Х задает движение транспортного средства вперед; движение ручки управления в отрицательном направлении по оси Х задает задний ход. According to figure 10, the component of the direction command along the X axis moves the base coordinate system along its X axis relative to the world coordinate system (which characterizes the movement surface) with a speed proportional to the displacement of the control handle. The component of the direction command along the Y axis rotates the base coordinate system around its Z axis with an angular velocity proportional to the displacement of the control handle. Here, it is understood that the movement of the control handle in the positive direction along the X axis defines the forward movement of the vehicle; moving the control handle in the negative direction along the X axis sets the reverse gear.

Подобным же образом движение ручки управления в положительном направлении по оси Y означает поворот влево, против часовой стрелки, если смотреть сверху; движение ручки управления в отрицательном направлении по оси Y означает поворот вправо, по часовой стрелке, если смотреть сверху. Similarly, moving the control knob in the positive direction along the Y axis means turning left, counterclockwise when viewed from above; moving the control handle in the negative direction along the Y axis means turning right, clockwise, when viewed from above.

Соответственно команды направления по осям Y и Х вводятся через блоки 3301 и 3302 зон нечувствительности соответственно, чтобы расширить область нейтрального положения ручки управления, затем умножают на коэффициенты усиления К11 и К10, после чего ограничивают по скорости ограничителями соответственно 3303 и 3304, которые ограничивают соответственно угловое и линейное ускорения базовой системы координат. Сумма этих выходных сигналов, получаемая посредством сумматора 3305, становится базовой скоростью

в то время как разность этих выходных сигналов, получаемая посредством сумматора 3306, становится базовой скоростью

Эти базовые скорости вычитают в сумматорах 3308 и 3307 из скорректированных входных сигналов

линейной скорости левого и правого колес (см. приведенное ниже описание применительно к фиг.12 для этих величии), с тем чтобы получить сигналы

ошибки скорости для левого и правого колес в пределах базовой системы координат.Accordingly, the direction commands along the Y and X axes are entered through blocks of

dead zones

3301 and 3302, respectively, to expand the neutral position of the control knob, then multiply by the gain K11 and K10, and then limit the speed limiters respectively 3303 and 3304, which limit respectively angular and linear acceleration of the base coordinate system. The sum of these output signals, obtained by the adder 3305, becomes the base speed

while the difference of these output signals obtained by the adder 3306 becomes the base speed

These base rates are subtracted in

adders

3308 and 3307 from the corrected input signals

the linear speed of the left and right wheels (see the description below with reference to Fig. 12 for these greatnesses) in order to obtain signals

speed errors for the left and right wheels within the base coordinate system.

В свою очередь, усредненная величина этих сигналов, определяемая сумматором 3317 и делителем 3318, создает сигнал

рассогласования по линейной скорости. Сигнал рассогласования по перемещению х получают посредством интегрирования

в интеграторах 3310 и 3309, ограничения результатов по предельным значениям в ограничителях 3312 и 3311 и далее усреднения их выходных сигналов посредством сумматора 3313 и делителя 3315. Разность этих смещений, определяемая посредством сумматора 3314, обеспечивает получение сигнала ψ рассогласования по углу рыскания (отклонения от заданного курса).In turn, the average value of these signals, determined by the adder 3317 and the divider 3318, creates a signal

linear velocity mismatches. The displacement mismatch signal x is obtained by integrating

in

integrators

3310 and 3309, limiting the results to limit values in

limiters

3312 and 3311 and then averaging their output signals by means of an adder 3313 and a divider 3315. The difference of these offsets, determined by an adder 3314, provides a yaw error signal ψ (deviations from a given course).

Сигнал ψ рассогласования по углу рыскания проходит через стандартный ПИД-контур регулирования 3316, выходной сигнал которого суммируют с выходным сигналом основного уравновешивающего крутящего момента на сумматоре 3319, с получением команд крутящих моментов отдельных колес, которые управляют колесами так, чтобы сохранять остойчивость в продольном направлении, а также приводят ориентацию транспортного средства к осям базовой системы координат и направляют его относительно начала базовой системы координат согласно входным сигналам (командам) 3300 направления. The yaw misalignment signal ψ passes through a standard PID control loop 3316, the output signal of which is summed with the output signal of the main balancing torque on the adder 3319, with the receipt of torque commands of individual wheels that control the wheels so as to maintain stability in the longitudinal direction, and also bring the vehicle’s orientation to the axes of the base coordinate system and direct it relative to the origin of the base coordinate system according to the input signals (coma Ndam) 3300 directions.

На фиг.11 представлена схема устройства управления группами. Управление ориентацией групп можно осуществлять входными сигналами 3400 направления. При необходимости та же самая ручка управления, которую используют для ввода входных сигналов 3300 направления в отношении колес, посредством отдельного выключателя может быть переключена на отдельный режим работы, чтобы обеспечить входные сигналы 3400 направления, задающие ориентацию групп. Способом, в общем аналогичным прохождению сигнала через сумматоры 3306 и 3305 согласно фиг. 10, в данном случае сигналы ручки управления, получаемые при ее положительном смещении в направлении Х складывают, а сигналы, получаемые при положительном смещении в направлении Y, вычитают друг из друга в сумматорах 3402 и 3401, чтобы создать сигналы скорости вращения левой и правой групп, которые после интегрирования в интеграторах соответственно 3404 и 3403 обеспечивают информацию о желательной угловой ориентации группы для сумматоров соответственно 3406 и 3405 левой и правой групп. 11 is a diagram of a group management device. Group orientation control can be done with direction input 3400. If necessary, the same control knob that is used to input the input signals 3300 directions in relation to the wheels, through a separate switch can be switched to a separate mode of operation to provide input signals 3400 directions that specify the orientation of the groups. In a manner generally similar to passing a signal through adders 3306 and 3305 of FIG. 10, in this case, the signals of the control stick obtained with its positive bias in the X direction are added, and the signals received with the positive bias in the Y direction are subtracted from each other in the adders 3402 and 3401 to create rotation speed signals of the left and right groups, which, after integration in the integrators, respectively 3404 and 3403 provide information about the desired angular orientation of the group for the adders respectively 3406 and 3405 of the left and right groups.

При отсутствии входных сигналов 3400 направления предпочтительную ориентацию групп, обычно с θ_PCref=π радиан, обеспечивают по линии 3413 фиг.11 для каждого из сумматоров 3406 и 3405 совместно с сигналами, указывающими фактическую ориентацию θ_PCl и θ_PCr групп (получают посредством прохождения сигналов угловой скорости группы от кодирующих устройств левой и правой групп через интеграторы соответственно 3412 и 3411). Поэтому выходные сигналы сумматоров 3406 и 3405 представляют собой сигналы рассогласования по положению соответственно для левой и правой группы. Эти сигналы подают через ПИД-контуры регулирования 3408 и 3407, и ограничители 3410 и 3409 по предельным значениям для приведения в действие двигателей левой и правой групп.In the absence of input signals 3400 directions, the preferred orientation of the groups, usually with θ _PCref = π radians, is provided along the line 3413 of Fig. 11 for each of the adders 3406 and 3405 together with signals indicating the actual orientation of the θ _PCl and θ _PCr groups (obtained by passing signals the angular velocity of the group from the encoders of the left and right groups through integrators, respectively 3412 and 3411). Therefore, the output signals of the adders 3406 and 3405 are positional error signals for the left and right groups, respectively. These signals are fed through PID control loops 3408 and 3407, and limiters 3410 and 3409 are set to limit values to drive the left and right group motors.

На фиг. 12 представлена схема, относящаяся к фиг.10 и показывающая устройство, посредством которого определяют переменные состояния, указывающие положение колес, угол продольного наклона и скорость продольного наклона для компенсации влияния поворота групп. Как указано в таблице, угол θ продольного наклона представляет собой реальный угол между центром массы транспортного средства и центром колеса, на котором транспортное средство балансирует в данный момент. Угол θ_l, измеренный уклономером, представляет собой угол стойки по отношению к вертикали. Следовательно, действительный угол θ продольного наклона основан на θ_l, из которого корректирующий сигнал θ_lcorr вычитают сумматором 3518.In FIG. 12 is a diagram relating to FIG. 10 and showing a device by which state variables indicating the position of the wheels, the angle of longitudinal inclination and the speed of longitudinal inclination are determined to compensate for the effect of the rotation of the groups. As indicated in the table, the longitudinal angle θ is the real angle between the center of mass of the vehicle and the center of the wheel at which the vehicle is currently balancing. The angle θ _l measured by the inclinometer represents the angle of the strut with respect to the vertical. Therefore, the actual pitch angle θ is based on θ _l , from which the correction signal θ _{lcorr is} subtracted by the adder 3518.

Сигнал θ_lcorr вычисляют в сумматоре 3516 как θ_PC+π-θ_C. Сигнал θ_PC определяют как среднее углов θ_PCl и θ_PCr от левой и правой стойки к группе, получаемых от интегрирования в интеграторах 3509 и 3510 выходных сигналов кодирующих устройств левой и правой групп; среднее получают путем использования сумматора 3511 и делителя 3512. Если допустить, что транспортное средство уравновешено, то θ_C может быть получен из θ_PC с использованием формулы

Это вычисление производят на участке 3515. θ_lcorr дифференцируют посредством дифференциатора 3517, чтобы обеспечить корректировку сигнала

скорости продольного наклона, который подают сумматором 3519, с получением скорректированного выходного сигнала

Подобным же образом линейные левую и правую скорости

левого и правого колес получают дифференцированием посредством дифференциаторов 3507 и 3508 полученных сигналов

линейного левого и правого положения. Сигналы положения, в свою очередь, получают умножением на коэффициент r в множительных устройствах 3505 и 3504 для определенных абсолютных угловых положений θ_Wl и θ_Wr левого и правого колес. Угловые положении θ_Wl и θ_Wr определяют первым интегрированием сигналов

кодирующих устройств левого и правого колес в интеграторах 3501 и 3502 для получения θ_PWl и θ_PWr. Затем эти сигналы подают к сумматорам 3503 и 3504, где их корректируют с учетом вращения групп путем добавления θ_C и величины 1/2(θ_PC-π), получаемых от сумматора 3513 и делителя 3514.The signal θ _{lcorr is} calculated in the adder 3516 as θ _PC + π-θ _C. The signal θ _{PC is} defined as the average of the angles θ _PCl and θ _PCr from the left and right racks to the group obtained from integrating the output signals of the encoders of the left and right groups in

integrators

3509 and 3510; the average is obtained by using the adder 3511 and the divider 3512. Assuming that the vehicle is balanced, θ _C can be obtained from θ _PC using the formula

This calculation is performed at 3515. θ _{lcorr is} differentiated by a differentiator 3517 to provide signal correction

the speed of the longitudinal inclination, which is served by the adder 3519, with obtaining the adjusted output signal

Similarly linear left and right speeds

the left and right wheels are obtained by differentiation by means of

differentiators

3507 and 3508 received signals

linear left and right position. The position signals, in turn, are obtained by multiplying by the coefficient r in the

multipliers

3505 and 3504 for certain absolute angular positions θ _Wl and θ _{Wr of the} left and right wheels. The angular positions θ _Wl and θ _{Wr are} determined by the first integration of the signals

left and right wheel encoders in

integrators

3501 and 3502 to obtain θ _PWl and θ _PWr . Then these signals are fed to the

adders

3503 and 3504, where they are adjusted taking into account the rotation of the groups by adding θ _C and the value 1/2 (θ _PC -π) obtained from the adder 3513 and the divider 3514.

Ограничение скорости. Speed Limit.

Еще в одном варианте любой из представленных выше вариантов конструкции транспортного средства согласно настоящему изобретению может быть выполнен с ограничением скорости для сохранения равновесия и управления, которые были бы потеряны, если бы колеса (или дугообразные элементы) достигли максимальной скорости, с которой они могли бы быть приведены в движение в данный момент. In yet another embodiment, any of the above vehicle designs of the present invention may be speed limited to maintain balance and control that would be lost if the wheels (or curved elements) reached the maximum speed at which they could be set in motion at the moment.

Ограничение скорости осуществляют посредством обратного продольного наклона транспортного средства в направлении, противоположном текущему направлению перемещения, что вызывает замедление транспортного средства. В этом варианте обратный наклон транспортного средства выполняют добавлением корректирующего изменения угла продольного наклона к значению угла продольного наклона по уклономеру. Ограничение скорости происходит в любом случае, когда скорость транспортного средства превышает пороговое значение, которое определяет предел скорости транспортного средства. Величину корректирующего изменения угла продольного наклона определяют в зависимости от интегрируемой по времени разности между скоростью транспортного средства и определенным пределом скорости. Циклическую коррекцию продольного наклона сохраняют до тех пор, пока не произойдет замедление транспортного средства и падение скорости до заданного значения (скорости, которая несколько ниже предельной), после чего значение угла продольного наклона плавно возвращается к своей первоначальной величине. The speed limitation is carried out by reverse longitudinal inclination of the vehicle in the direction opposite to the current direction of movement, which causes the vehicle to slow down. In this embodiment, the vehicle is tilted backward by adding a corrective change in the tilt angle to the tilt angle value according to the inclinometer. Speed limit occurs in any case when the vehicle speed exceeds a threshold value that defines the vehicle speed limit. The value of the corrective change in the angle of longitudinal inclination is determined depending on the time-integrated difference between the vehicle speed and a certain speed limit. The cyclic correction of the longitudinal inclination is maintained until the vehicle slows down and the speed drops to a predetermined value (speed, which is slightly lower than the limit), after which the value of the longitudinal inclination angle smoothly returns to its original value.

Одним из способов определения предела скорости транспортного средства является отслеживание напряжения батареи, результаты которого затем используют для оценки максимальной скорости, которую транспортное средство может сохранять в данный момент. Другой способ заключается в измерении напряжения на батарее и двигателе и контроле их разности; эта разность обеспечивает возможность оценки величины запаса по скорости, имеющегося у транспортного средства в данный момент. One way to determine the vehicle’s speed limit is to monitor the battery voltage, the results of which are then used to estimate the maximum speed that the vehicle can currently maintain. Another way is to measure the voltage on the battery and motor and control their difference; this difference makes it possible to estimate the speed margin available to the vehicle at the moment.

Несколько процессоров
Хотя предшествующие варианты изобретения описаны с точки зрения применения одной панели с микроконтроллером, в некоторых вариантах конструкции мы считаем перспективным использование нескольких параллельно работающих микропроцессоров. Еще в одном варианте конструкции используют четыре разных микропроцессора, действующих параллельно, каждый из которых выдает сообщение на шину обмена данными, что позволяет микропроцессорам контролировать друг друга. Также предусмотрен интерфейс специалиста по техническому обслуживанию, позволяет специалисту изменять коэффициенты усиления, перепрограммировать процессор и т.д.Multiple processors
Although the preceding embodiments of the invention are described from the point of view of using one panel with a microcontroller, in some design options, we consider it promising to use several parallel microprocessors. In another design, four different microprocessors are used, operating in parallel, each of which gives a message to the data bus, which allows the microprocessors to control each other. A maintenance technician’s interface is also provided, allowing the technician to change the gain, reprogram the processor, etc.

Четыре разных процессора управляют разными компонентами системы следующим образом: микропроцессор 1 управляет кнопкой коленного и бедренного соединений и ручкой управления (по осям Х и Y); микропроцессор 2 управляет измерением расстояния, проверкой наличия (человека), контролем батарей и интерфейсом пользователя (тем самым управляя режимами транспортного средства); микропроцессор 3 управляет алгоритмом балансирования посредством групп; микропроцессор 4 управляет алгоритмом балансирования посредством колес. При необходимости в зависимости от сложности измерения расстояния и других проблем могут быть применены и другие процессоры. При этом нет необходимости в ограничении количества процессоров. Four different processors control the various components of the system as follows: microprocessor 1 controls the knee and hip joints button and control knob (along the X and Y axes); the microprocessor 2 controls the distance measurement, checking the presence (of a person), monitoring the batteries and the user interface (thereby controlling vehicle modes); microprocessor 3 controls the balancing algorithm through groups; microprocessor 4 controls the balancing algorithm by means of wheels. If necessary, depending on the complexity of distance measurement and other problems, other processors can be used. However, there is no need to limit the number of processors.

Преимущества параллельной обработки, реализуемой этим вариантом, таковы: надежность (каждый микропроцессор действует независимо, так что нарушение работы одного микропроцессора не означает нарушения всех функций); возможность более легкой разработки резервных систем; пониженные энергетические требования (несколько менее мощных микропроцессоров, которые совместно обладают такой же энергоемкостью, как и персональный компьютер); одновременная работа (несколько более медленных микропроцессоров могут действовать с такой же скоростью обработки данных, как у персонального компьютера). The advantages of parallel processing implemented by this option are: reliability (each microprocessor operates independently, so that a malfunction of one microprocessor does not mean a violation of all functions); the possibility of easier development of backup systems; reduced energy requirements (several less powerful microprocessors, which together have the same energy intensity as a personal computer); simultaneous operation (several slower microprocessors can operate at the same data processing speed as a personal computer).

Дополнительные варианты осуществления изобретения. Additional embodiments of the invention.

Настоящее изобретение также может быть выполнено в ряде дополнительных вариантов конструкции. Нами установлено, что транспортное средство согласно изобретению может надлежащим образом действовать в качестве протеза для лиц с нарушенной вследствие какого-либо заболевания (например, болезни Паркинсона или нарушения слуха) или дефекта способностью сохранять равновесие или выполнять передвижение. Протез, которым становится предложенное транспортное средство, функционирует как продолжение собственных систем равновесия и движения человека, поскольку транспортное средство имеет контур обратной связи, который учитывает изменения положения центра тяжести транспортного средства, связанные с перемещением человека относительно него. The present invention can also be carried out in a number of additional design options. We have found that the vehicle according to the invention can properly act as a prosthesis for persons with impaired due to any disease (for example, Parkinson's disease or hearing impairment) or a defect in the ability to maintain balance or to perform movement. The prosthesis, which becomes the proposed vehicle, functions as a continuation of its own systems of balance and movement of the person, since the vehicle has a feedback loop that takes into account changes in the position of the center of gravity of the vehicle associated with the movement of the person relative to him.

Таким образом, предоставление транспортного средства такого рода инвалиду является способом оснащения его протезом, позволяющим осуществлять управление движением и равновесием, которое в ином случае было бы невозможным. Мы наблюдали волнующее восстановление возможности управления равновесием и передвижением у лиц, страдающих болезнью Паркинсона, которые использовали транспортное средство согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Thus, the provision of a vehicle of this kind to a disabled person is a way of equipping it with a prosthesis, which allows controlling movement and balance, which otherwise would have been impossible. We have seen an exciting restoration of the ability to control balance and movement in individuals with Parkinson's disease who have used a vehicle in accordance with embodiments of the present invention.

Если принять во внимание сложную роль оператора при использовании различных вариантов осуществления транспортного средства для обеспечения передвижения при изменяющихся условиях, не удивительно, что вообще и при использовании этих вариантов обычно весьма важна визуальная ориентация и информация о перемещении. Тем не менее могут иметь место обстоятельства, когда получение визуальной информации или ухудшено (из-за темноты или инвалидности), или недостаточно. Еще в одном варианте осуществления конструкции согласно изобретению в транспортном средстве применены один или несколько невизуальных выходных сигналов для индикации ориентации или направления и скорости. Такие выходные сигналы могут быть осязаемыми (тактильными) или акустическими (звуковыми); выходные сигналы модулируют посредством модулятора для отображения скорости и ориентации транспортного средства. If we take into account the complex role of the operator in using various embodiments of the vehicle to provide movement under changing conditions, it is not surprising that in general and when using these options, visual orientation and movement information are usually very important. Nevertheless, there may be circumstances where the receipt of visual information is either impaired (due to darkness or disability), or insufficient. In yet another embodiment of the structure of the invention, one or more non-visual output signals are used in the vehicle to indicate orientation or direction and speed. Such output signals can be tangible (tactile) or acoustic (sound); the output signals are modulated by a modulator to display the speed and orientation of the vehicle.

На фиг.13, например, показан случай акустического выходного сигнала, создаваемого генератором 531 и модулируемого модулятором 532, имеющим вводы 533 и 534 соответственно для сигналов скорости и ориентации. В этом случае может быть применен повторно воспроизводимый звуковой сигнал, где частота повторения звука может быть использована для индикации скорости, а высота звука может быть использована для указания направления движения и ориентации (например, вперед с более высоким звуком; назад с пониженным, а вертикально - со средним звуком), при этом степень изменения высоты звука указывает на степень наклона, то есть угол продольного наклона транспортного средства (используя эффект сопоставления высоты звука с углом продольного наклона транспортного средства). 13, for example, shows a case of an acoustic output signal generated by a generator 531 and modulated by a modulator 532 having inputs 533 and 534 for speed and orientation signals, respectively. In this case, a reproducible sound signal can be applied, where the sound repetition frequency can be used to indicate speed, and the pitch can be used to indicate the direction of movement and orientation (for example, forward with a higher sound; back with a lower one, and vertically - with average sound), while the degree of change in pitch indicates the degree of inclination, that is, the longitudinal angle of the vehicle (using the effect of comparing the height of the sound with the longitudinal angle of the vehicle ortho funds).

Claims

1. A vehicle containing a support for the transported object, a pair of transversely arranged wheels connected to the support and made with it in a single unit, an engine drive mounted on the indicated unit and connected to the wheels, and an automatic vehicle control system, characterized in that the automatic control system is equipped with a means for generating mismatch signals for the speed and movement of the vehicle, a means for generating signals of the angle of inclination and the angular velocity and longitudinal inclination of the vehicle and a summing device, whose inputs are connected to the respective outputs of said means for generating error signals for displacement and velocity and means for generating the control angle signals and pitch angular velocity and the output of which is connected with the motor-driven.

2. The vehicle according to claim 1, characterized in that the support is made in the form of a platform with the possibility of a standing person on the platform.

3. The vehicle according to claim 1, characterized in that the support has a base located above the displacement surface at a height that is less than the step height of a person.

4. The vehicle according to claim 1, characterized in that the support is mounted to rotate around a horizontal axis.

5. The vehicle according to claim 1, characterized in that the support has an area substantially equal to the footprint of a person standing on the support.

6. A vehicle according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a handle mounted mounted on a support.

7. The vehicle according to claim 1, characterized in that the means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle contains an inclinometer for measuring the longitudinal inclination of the vehicle.

8. The vehicle according to claim 1, characterized in that the means for generating discrepancies in speed and movement of the vehicle comprises a vehicle movement control device.

9. The vehicle according to claim 8, characterized in that the vehicle motion control device comprises a tilt sensor of the transported object in a given direction.

10. The vehicle according to claim 9, characterized in that the tilt sensor is made in the form of a pressure plate.

11. The vehicle according to claim 9, characterized in that the tilt sensor is made in the form of a proximity sensor.

12. The vehicle according to claim 8, characterized in that the vehicle motion control device is mounted on the handle.

13. The vehicle according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the automatic control system is configured to cyclically read the signals entering it.

14. A vehicle according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it comprises a sensor device for controlling the vehicle depending on the characteristics of the movement surface.

15. The vehicle according to any one of claims 1 to 14, characterized in that it comprises a regulator for limiting the speed of the vehicle to a predetermined threshold value less than the maximum speed of the vehicle.

16. The vehicle according to claim 1, characterized in that the drive from the engine is configured to differential drive wheels and a given rotation of the vehicle in a horizontal plane.

17. The vehicle according to clause 16, wherein the vehicle motion control device comprises a user interface.

18. The vehicle according to claim 1, characterized in that the means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle contains a sensor for detecting rollover means.

19. The vehicle according to any one of paragraphs.8-18, characterized in that the vehicle motion control device comprises a user input device of a predetermined direction of movement.

20. The vehicle according to claim 19, characterized in that the vehicle motion control device comprises a user input device of a predetermined speed of movement, including zero speed.

21. A vehicle containing a support for the transported object, several wheels connected to the support and made with it in a single node, an engine drive mounted on the specified node and connected to the wheels, and an automatic vehicle control system, characterized in that the wheels combined into two groups, mounted with the possibility of rotation around an axis passing through the centers of the groups, the drive from the engine includes a wheel drive engine and a group drive engine, and the automatic control system The control unit is equipped with means for generating mismatch signals for the speed and movement of the vehicle, means for generating mismatch signals for the angular position of the groups, the output of which is connected to the group drive motor, means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle, a summing device, the inputs of which are connected the corresponding outputs of the indicated means for generating the mismatch signals for speed and movement and means for generating the angle of the longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination, and the output of which is connected with the wheel drive engine.

22. The vehicle according to item 21, wherein the groups contain three wheels.

23. The vehicle according to item 21, wherein the support is made in the form of a platform with the possibility of a standing person on the platform.

24. The vehicle according to item 21, wherein the support has a base located above the displacement surface at a height that is less than the height of the person’s step.

25. The vehicle according to item 21, wherein the support is mounted to rotate around a horizontal axis.

26. The vehicle according to item 21, wherein the support has an area substantially equal to the footprint of a person standing on the support.

27. The vehicle according to any one of paragraphs.21-26, characterized in that it comprises a handle mounted mounted on a support.

28. The vehicle according to item 21, wherein the means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle contains an inclinometer for measuring the longitudinal inclination of the vehicle.

29. The vehicle according to item 21, wherein the means for generating a discrepancy signal on the speed and movement of the vehicle contains a device for controlling the movement of the vehicle.

30. The vehicle according to claim 29, characterized in that the vehicle motion control device comprises a tilt sensor of the transported object in a given direction.

31. The vehicle according to item 30, wherein the tilt sensor is made in the form of a pressure plate.

32. The vehicle according to item 30, wherein the tilt sensor is made in the form of a proximity sensor.

33. The vehicle according to claim 29, characterized in that the vehicle motion control device is mounted on the handle.

34. The vehicle according to any one of paragraphs.21-33, characterized in that the automatic control system is configured to cyclically read the incoming signals.

35. The vehicle according to any one of paragraphs.21-34, characterized in that it contains a sensor device for controlling the vehicle depending on the features of the movement surface.

36. The vehicle according to any one of paragraphs.21-35, characterized in that it contains a speed limiter of the vehicle to a predetermined threshold value less than the maximum speed of the vehicle.

37. The vehicle according to p. 21, characterized in that the drive from the engine is configured to differential drive wheels and a given rotation of the vehicle in a horizontal plane.

38. The vehicle according to clause 37, wherein the vehicle motion control device comprises a user interface.

39. The vehicle according to item 21, wherein the means for generating signals of the angle of longitudinal inclination and the angular velocity of the longitudinal inclination of the vehicle contains a sensor for fixing the rollover means.

40. The vehicle according to any one of paragraphs.29-39, characterized in that the vehicle motion control device comprises a user input device of a predetermined direction of movement.

41. The vehicle according to p. 40, characterized in that the vehicle motion control device comprises a user input device of a predetermined speed of movement, including zero speed.