用於車輛發動時故障檢測的裝置和方法

2023-06-11 13:23:36 2

專利名稱：用於車輛發動時故障檢測的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及運輸車的控制，尤其涉及以用於控制運輸車操作的傳感器檢測故障狀態的方法和裝置。
背景技術：
動態穩定的運輸車意指具有在運輸車工作時主動地維持運輸車穩定性的控制系 統的車輛。該控制系統通過連續感測運輸車的方位、確定維持穩定性的校正動作並命令運 輸車的車輪電機作出校正動作而維持運輸車的穩定性。如果運輸車喪失了維持穩定性的能 力，例如因為零件故障，則乘坐人可能會經歷突然失去平衡時的不適感。這種車輛在採用對 現有技術描述內容補充的系統架構特徵時能更為高效和安全地工作。發明_既述本發明在一個方面給出一種初始化平衡式運輸車的控制器的方法。該方法包括 (a)獲得關聯於所述平衡式運輸車的多個方位信號。該方法還包括(b)基於多個方位信號 確定多個角速度傳感器中的一個或多個是否具有低於閾值的信號輸出偏差。該方法還包括 (c)初始化俯仰(pitch)狀態估計器以基於多個角速度傳感器中的一個或多個的輸出控制 平衡式運輸車的操作。該方法還包括(d)基於俯仰狀態估計器中的至少一個輸出控制平衡 式運輸車的操作。在一些實施例中，該方法在角速度傳感器中的一個或多個具有等於或高於閾值的 信號輸出偏差的情況下包括終止步驟(C)。在一些實施例中，步驟(b)包括將每個方位信號 與相應閾值進行比較。在一些實施例中，如果方位信號中的一個或多個等於或超出其相應 的閾值，則終止俯仰狀態估計器的初始化。在一些實施例中，該方法包括重複(a)、(b)、(c) 和⑷直到角速度傳感器的信號輸出偏差低於閾值為止。在一些實施例中，步驟(b)包括確定運輸車的俯仰或傾側是否在預定時間段內變 化超過1.5度，俯仰和傾側是基於加速度計輸出信號來估計的。在一些實施例中，步驟(b) 包括確定運輸車的偏航角速度的變化在預定時間段內是否大於4. 7度/秒，偏航角速度是 基於運輸車的左右地面接觸部件的速度差來估計的，所述接觸部件將力矩施加於運輸車底 下的表面。在一些實施例中，步驟(b)包括確定運輸車的左或右地面接觸部件的速度是否 超過0. 22米/秒，左、右地面接觸部件將力矩施加於運輸車底下的表面。在一些實施例中， 步驟(b)包括確定第一偏航角速度信號和第二偏航角速度信號之間的差是否大於22度/ 秒，第一偏航角速度信號是基於運輸車的施加力矩於運輸車底下的表面的左、右地面接觸 部件的速度差估計的，而第二偏航角速度信號基於由多個角速度傳感器中的兩個或更多個 輸出的角速度信號，該角速度信號對應於圍繞固定於運輸車的基本垂直軸的角速度。本發明在另一個方面給出一種平衡式運輸裝置，其包括提供與平衡式運輸車相關 聯的方位信號的多個器件(例如傳感器)。該運輸車包括多個角速度傳感器。該運輸車包 括基於方位信號判斷多個角速度傳感器中的一個或多個是否具有等於或大於閾值的信號 輸出偏差、並基於多個角速度傳感器中的兩個或更多個的輸出估計平衡式運輸車的俯仰狀 態的處理器。該運輸車還包括基於俯仰狀態估計來控制平衡式運輸車的操作的控制器。
在一些實施例中，處理器通過將每個方位傳感器信號與相應閾值作比較而判斷角 速度傳感器中的一個或多個是否具有等於或高於閾值的信號輸出偏差。在一些實施例中， 運輸車包括向運輸車底下的表面施加轉矩的至少一個地面接觸部件。本發明上述和其它目的、方面、特徵和優點將從下面的說明書和權利要求書中更 為清楚地得出。附圖簡述在參照附圖解讀下面的詳細說明時，本發明的前述特徵將變得更易於理解，在附 圖中

圖1是本發明可應用其中的運輸車的一個實施例的示意圖。
圖2是作為本發明示例性實施例的用於動態地控制車輛在前-後平面內的穩定性 的控制迴路的框圖。圖3A是示出陸上車輛以及相應車輛坐標系(V坐標系)坐標軸連同地面的地面坐 標系(E坐標系)坐標軸存在俯仰角的示圖。圖3B是示出當俯仰角為零而傾側角為非零時E坐標系與V坐標系的關係的示圖。圖4是根據本發明示例性實施例的用來控制運輸車的系統架構的一部分的示意 框圖。圖5是根據本發明示例性實施例的三軸狀態估計器模塊的功能框圖。圖6是根據本發明示例性實施例的運輸車的控制系統的示意圖。圖7是根據本發明示例性實施例的用於初始化平衡式運輸車的控制器的方法的 流程圖。示例性實施例的詳細說明如果運輸車能夠在一個或多個車輪上工作但如果沒有操控車輪工作的控制迴路 的作用就無法依靠這些車輪，那麼運輸車就被認為是「平衡式」的。平衡式運輸車缺乏靜態 穩定性，而是動態平衡的。運輸車可有利地用作移動工作平臺或例如高爾夫車的休閒車輛 或用作運載車輛。在該運輸車和地面或其它基礎表面之間提供接觸並在日常工作中就傾翻 而言最低限度地支承運輸車的車輪或其它地面接觸部件在本文中被稱為「地面接觸部件」。圖1示出一種平衡式運輸車，其總地以附圖標記10表示並詳細記載在美國專利 No. 6，302，230(該文獻援引包含於此)中，該平衡式運輸車作為本發明可有利地應用的設 備的一個例子。對象8站在地面接觸模塊26的支承平臺12上。對象8握住附連於平臺12 的把手架16上的把手14。車輪21、22圍繞Y軸同軸。轉向或其它控制可通過指輪32、34 或其它用戶輸入機構提供。在一些實施例中，運輸車10的轉向或控制是使用運輸車10的 把手14中的扭轉把手機構實現的。在一些實施例中，運輸車10的轉向或控制是通過用戶 使運輸車10的把手架16相對於運輸車10的一個或多個軸(X、Y和Z)傾斜(例如角度改 變)來實現的。可提供控制迴路以使對象的傾斜導致通過電機驅動對軸22周圍的車輪20和/或 車輪21施加轉矩。然而，運輸車10是靜態不穩的並且沒有用以維持動態穩定性的控制環 路的操作，運輸車10不再能夠工作在其典型的工作方位。本文中使用的「穩定性」指如果 系統因任何原因偏離工作位置則系統自然返回工作位置的機械條件。運輸車10可工作在位置保持模式，其中平衡基本維持在特定位置。因此，在本文中非限定地稱為「車輛」的運輸車10在用戶8不在平臺12時也可保持固定的位置和方位。 這種工作模式防止運輸車10失控並為用戶和其它人員提供安全保障。在一個實施例中，當 用戶踏上運輸車10的平臺12時，運輸車10工作在位置保持模式。在一些實施例中，設置 在平臺12上的測力板或其它傳感器(未示出)用來檢測用戶是否在運輸車10上。具體針對不同的應用場合，不同數目的車輪或其它地面接觸部件可較佳地用於本 發明的各個實施例。援引包含於此的美國No. 2006/0108156專利公報的圖6和圖7示出了 平衡式全地形車輛，作為可較為有利地應用本發明的裝置的一個例子。這種全地形車輛具 有兩個前輪和兩個後輪。每個後輪由其本身的致動器驅動。因此，在本發明的範圍內，地面 接觸部件的數目可以是等於或大於1的任何數目。本說明書和所附權利要求書中的「俯仰狀態」包括前後平面的俯仰角和車輛的俯 仰角速度兩者，即θ和0!"(或々)，其中ΘΓ是θ的時間變化速度。圖2示出在前後平面內動態地保持車輛(設備208)穩定性以使車輛保持豎直 的 控制迴路200。該控制迴路200要求將俯仰狀態作為輸入。美國專利No. 5，701，965和 5，791，425記載可使用圖2的控制環路200工作的車輛。這類車輛需要測量瞬時俯仰狀態 以主動控制車輛的穩定性。這些專利援引包含於此。圖1的設備208等效於由單個電機驅 動的移動系統的運動方程。T表示車輪轉矩。Theta(e)標識前後傾斜度(即俯仰角度)、 X標識相對於基準點沿一表面的前後位移，而下標r表示相對於時間的變量微分。控制增 益I、K2、K3和K4、微分電路212和216以及求和器204用來達成平衡。為了達成動態控制 和確保系統的穩定性並將系統保持在表面上的基準點附近，本實施例中的車輪轉矩T被設 定為滿足下面的方程T = K1+K2r+K3X+K4Xr(等式 1)增益值Ki、K2、K3和K4取決於控制環路、系統的物理參數以及例如重力的其它效果 的設定。車輛的動態行為可通過參照一坐標系予以說明。兩個這樣的坐標系用於描述車輛 相對於不規則表面的運動地面坐標系「E-坐標系」以及車輛坐標系(V坐標系)。E坐標系將垂直軸線Z定義為與重力方向共線並通過乘用車輛304的重心308，如 圖3A所示。E坐標軸關於重心308的原點位置是任意選擇的並且本領域內技術人員應當理 解該原點位於車輛304上其它點周圍。E坐標系將傾側軸X定義為沿垂直於垂直軸前進的 方向並經過乘用車輛304的重心308，且E坐標系將俯仰軸Y定義成與Z軸和X軸兩者正交 並通過乘用車輛304的重心308。繞Z軸的旋轉由角Ψ表示，它也被稱為偏航角。繞X軸 的旋轉由角Φ表示，它也被稱為傾側角。繞Y軸的旋轉由角θ表示，它也被稱為俯仰角。關聯於V坐標系的軸具有位於車輛304的重心308的原點。在其它實施例中，軸 的原點可位於車輛304的另一點上。軸相對於車輛304是固定的。相對垂直軸R是固定於 指定車輛的基本垂直軸、並可由通過車輛304重心308和車輛304操作者的支承部/靠背/ 頭部的直線限定。相對水平軸P垂直於相對垂直軸，並具有與車輛304的運動方向平行的 分量。第三軸Q與R和P兩者正交。當車輛304傾斜時，R、P、Q坐標系的相對取向相對於 Ζ、X、Y坐標系而改變。如圖3Α所示，Q和Y軸是共線的，然而R軸和Z軸、X軸和P軸是不 共線的，這表示車輛是「俯仰的」並因此其具有非零的θ值。圖3Β示出呈現傾側角時的車 輛304。P軸和X軸是共線的，然而R軸、Z軸、Q軸和Y軸是不共線的。在這種配置中，存在非零傾側角φ。下面的等式給出由下標r表示的在相應轉速的小角度近似法下的E坐標系和V坐 標系之間的速度變換。這些變換被稱為小角度歐拉變換(SAET)和逆SAET變換。
慣性傳感器，例如角速度傳感器或速度陀螺儀(在本文中稱其為陀螺儀)用來將 俯仰狀態信息提供給車輛304。慣性傳感器測量車輛304相對於V坐標系的方位變化速度 並產生代表車輛304的俯仰角、傾側角和偏航角的變化速度的信號。由於傳感器漂移，慣性 傳感器需要定期調整。因此，傾斜傳感器被納入系統中以提供穩定的角度值，由此可補償慣 性傳感器的偏差，如下面結合圖5描述的那樣。在一個傾斜傳感器出故障時一個以上的傾 斜傳感器可用來提供冗餘信息。在本發明的一個實施例中，慣性傳感器是陀螺儀。然而，在 其它實施例中，速度傳感器可以是任意其它慣性測量裝置。部分基於從慣性傳感器獲得的 俯仰角速度信號和從俯仰傳感器獲得的俯仰信號來精確測量俯仰狀態的系統可使用例如 下面描述的各種變換來計算。另外，美國專利No. 6，332，103記載了用於測量和/或估計車輛俯仰狀態的附加方 法和裝置。本專利全篇援引包含於此。圖4是根據本發明示例性實施例的用來控制運輸車的系統架構的一部分的示意 框圖。絕對基準傳感器400將信號發給變換模塊401，其中由傳感器產生的信號被轉換成 有用的數字數據格式並針對已知的錯誤來源進行調整。作為加速度計的特殊情形的絕對基 準傳感器400包括對於例如懸掛式基準傳感器(也被稱為傾斜傳感器)的E坐標系測量各 量。絕對基準傳感器還包括能夠測量車輪旋轉以生成車輪速度差的信號。當車輛除重力作用以及車輪速度差外就不會加速時，變換模塊401將對應於俯仰 角和傾側角的信息提供給狀態估計器402。車輪速度差提供偏航角速度的絕對值，假設車輪 不打滑的話。相對基準傳感器403針對V坐標系測量各量並可包括慣性傳感器，例如機械或固 態陀螺儀的陀螺儀。為了提供關於三個方位的信息，需要至少三個單軸陀螺儀。可使用附 加的陀螺儀來提供容錯能力。圖4示出本發明的一個實施例，其中相對基準傳感器403由 陀螺儀L 404、陀螺儀D 405、陀螺儀E 406以及陀螺儀F 407構成。在一個實施例中，使用 了四個單自由度陀螺儀。陀螺儀L 404可安裝在車輛上以使其測量車輛的仏。在該實施例 中，其餘的三個陀螺儀405、406和407在不同方位安裝在車輛上並測量QpPrJP Rr的組合 值。安裝方位的選擇用來平衡其它因素，例如傳感器信號量程和精確度。可將陀螺儀放在 車輛的主軸上，但在一個實施例中陀螺儀位於軸線之外並且彼此不共線。這在陀螺儀之間 提供冗餘。如果其中一個陀螺儀出故障，由於其它陀螺儀測量&、Qp或艮分量，因此仍然可 以計算值卩^^^或艮。
另外，陀螺儀在一些實施例中設置成離軸的，因為車輛性能可能大於陀螺儀的測 量量程。例如，在急轉彎時角速度可能超出陀螺儀的量程。通過使陀螺儀傾斜，測得的速度 縮放旋轉軸和俯仰軸之間夾角的餘弦並且還導致其它正交速度分量的交叉耦合。相對基準傳感器403將感測出的角速度轉換成所表示角速度的數位訊號並將該 信號傳送給虛擬陀螺儀構造模塊408。由於陀螺儀的方位可能不與Q、P和R軸對齊，因此 由陀螺儀產生的每個信號可包括關於多個軸的速度信息。虛擬陀螺儀構造模塊408變換信 號以生成三個輸出信號，如果確定方位以測量圍繞P、Q和R軸的旋轉則這三個輸出信號對 應於三個虛擬陀螺儀可能生成的信號。對陀螺儀信號的這種處理生成虛擬陀螺儀P」 Qr和 Rr fn 息。虛擬陀螺儀構造模塊執行矩陣方程，V = MG，其中V是虛擬陀螺儀向量，G是陀螺 儀輸出向量，而M是將G中四個陀螺儀信號轉換成虛擬陀螺儀向量V的3X4構造矩陣。該 構造矩陣不是唯一的而可以是逆最小二乘解，或者是四個陀螺儀中的三個的四種組合中的 任意一個或者是這些解的任意組合。構造矩陣的係數在車輛的校準中予以確定並包含對陀 螺儀對齊和各陀螺儀特徵的校正。在一個實施例 中，構造矩陣通過選自最小二乘解和四個 三陀螺儀組合的解組合來為陀螺儀D、E和F提供更強的容錯能力。來自陀螺儀故障檢測模塊409的陀螺儀故障檢測信號同樣產生自原始信號，該原 始信號被傳送給狀態估計器402。本發明使用的故障檢測模塊的一個實施例參照美國專利 No. 6，332，103的圖5進行描述，該文獻援引包含於此。在一些實施例中，運輸車使用附加的 故障檢測模塊(在下文中結合圖5、6和圖7予以說明)工作，該故障檢測模塊用來判斷一 個或多個角速度傳感器是否具有運輸車工作所不想要的信號偏差。在檢測出不想要的信號 偏差的情況下，運輸車的控制系統可提醒用戶故障存在以令用戶不登上該運輸車。在一些 實施例中，附加故障檢測模塊的功能被納入陀螺儀故障檢測模塊409。狀態估計器402從虛擬陀螺儀構造模塊408、陀螺儀故障檢測模塊409和校準變換 模塊401取得信號並估計車輛的俯仰狀態。該狀態估計器402也估計車輛的傾側狀態和偏 航狀態，然而在本發明的較佳實施例中，僅車輛的俯仰狀態被傳遞至控制迴路以相關於車 輛的重心平衡車輛。儘管圖4示出在本發明的一個實施例中使用四個陀螺儀，然而高於三個的任意數 量陀螺儀可用來向系統提供增加的容錯能力。圖5是根據本發明示例性實施例的三軸狀態估計器模塊500的功能框圖。來自虛 擬陀螺儀構造408並由P,、Q,和R,表示的轉速信號501首先被傳遞到求和器502，其通過反 饋迴路校正偏差。經校正的轉速使用小角度歐拉變換(SAET) 503從V坐標系坐標變換至E 坐標系，由此產生E坐標系俯仰角速度、傾側角速度和偏航角速度信息503，它們由θ」 ΦΓ 和Ψ,表示。然後將θ ^提供給車輛的控制迴路。來自SAET503的E坐標系轉速被傳送至求 和器520並隨後在積分模塊505中求積分，以產生由θ和φ指定的E坐標系方位角506。 θ和Φ也被傳送回以供用於SAET模塊503中之後的SAET變換。積分模塊505在求和器 525上分別取θ和俯仰角507之間的差值以及Φ和傾側角507之間的差值以產生俯仰和 傾側誤差信號530。通過傾斜傳感器400提供俯仰角和傾側角507。誤差信號530隨後與 E坐標系方位角θ、Φ506 —起被傳送至逆歐拉變換器508。俯仰和傾側誤差信號530也被反饋並傳送通過用於衰減信號強度的濾波器540。經衰減的信號隨後被送入求和器520。提供反饋迴路以校正由於瞬變產生的不準確度，從而 沿傾斜傳感器的方向移動506的輸出讀數。提供信號衰減器540的衰減以限制大誤差的絕 對基準傳感器值影響E坐標系方位角。大誤差的絕對基準傳感器值可發生在車輛突然顛簸 時。當車輛經過顛簸位置時，絕對基準傳感器將產生以瞬變形式出現的外來信號，這使俯仰 角速度和俯仰角不準確地偏轉。在逆SAET 508中，對俯仰、傾側和偏航誤差信息執行逆SAET。在該逆變換中，俯 仰和傾側的誤差信號530以θ」 Φ,插入到逆方程而偏航誤差信號580以插入到逆方 程，由此可望找到各自的速度。Vr由求和器572提供為Rr之間的差以及車輪550速度的 差。對誤差信號而非速度執行逆SAET具有分割誤差信息的效果。逆SAET將E坐標系信號 變換到V坐標系。該信號隨後通過衰減濾波器560。在衰減濾波器560之後，信號被送入 積分器570並隨後送回到求和器502。該反饋迴路解決陀螺儀的長期偏差漂移。衰減濾波 器560使傾斜傳感器在長時間內更為穩定以幫助校正陀螺儀的漂移，同時仍然允許陀螺儀 控制短期變化。與正比於誤差信號的Pr和Qr校正不同，偏航角速度Rr校正僅與表示為X的預設 誤差水平有關。這種比較是在比較器568中完成的。如果偏航誤差信號大於預設誤差水平 X，則艮的校正取決於車輪不再表現出偏航角速度的假設掛起並啟動掛起定時器。陀螺儀 速度值Rr在掛起期間仍然與Δ輪速550比較以計算偏航誤差信號580。如果在經過預定 時間量之後艮值和△輪速之間的差不低於預設誤差水平，則發出警報562，該警報在一個 實施例中是視覺信號。如果在掛起定時器的第二預定時間之後差值不落在預設誤差水平之 下，則切斷偏航校正並發出表示系統無法在故障和陀螺儀的漂移誤差之間作出區分的警報 聲。如果到達第二時限，則必須重置系統。施加預設的誤差限值以防止在車輛固定在旋轉 中的運動平臺時誤差R數據被引入到俯仰狀態估計中。為了提供俯仰狀態的精確解讀，在初始化之後，只要該系統是非加速的，俯仰狀態 估計器就嘗試使陀螺儀與俯仰傳感器對齊。這是通過兩個信號衰減器540、560調整轉角頻 率以使系統的方位朝向俯仰傳感器來完成的。在一個實施例中，這是通過響應誤差信號自 適應地調整增益而實現的。如果在初始化期間，陀螺儀和俯仰傳感器不對齊，則系統可暫停 並隨後再次測量傾斜傳感器和陀螺儀的值以檢查它們是否已對齊。如果它們未對齊，則系 統可逆轉進程並且直到獲得對齊才再度開始。如果檢測到陀螺儀故障，狀態估計器402執行如美國專利No. 5，701，965和 5，791，425中描述的俯仰狀態單軸估計。與三軸狀態估計器相同的器件和濾波器被用於如 圖5所示的單軸估計中。在單軸估計的情形下，只有來自虛擬陀螺儀構造模塊408的針對 選定陀螺儀的俯仰角速度被傳送至功能塊501。另一區別在於，在單軸狀態估計器中，向三 軸狀態估計器提供偏航角速度和速度的輪速差被用於單軸狀態估計器，以幫助針對俯仰角 補償陀螺儀的不對齊。對該偏航角速度提供限幅器以克服車輪打滑的情形。在單軸狀態估 計器 中，根據Δ輪速推出的偏航角被傳送至求和器，以從計算中去除該分量並將結果傳送 至功能塊501。另外，在功能塊501中添加用來校正陀螺儀未對齊的校準模塊。在一個實施例中， 為了提供三軸狀態估計器和單軸狀態估計器之間的平滑過渡，本地陀螺儀偏差指示器576 提供單軸模式下積分器570的初始條件。三軸狀態估計器和單軸估計器之間的另一差別是因為由於系統工作在與三維相反的單個平面內而不需要將V坐標系中的俯仰映射至E坐標 系中的俯仰，單軸狀態估計器必須假定Q = θ ,，所以不存在SAET模塊503和逆SAET508。 另外，較佳為二軸懸掛式傳感器並提供俯仰和傾側信號的傾斜傳感器僅用於俯仰信號而不 考慮傾側信號。
在一個實施例中存在六個陀螺儀。三個陀螺儀被配置成在V坐標系的俯仰軸的周 圍而其餘的三個陀螺儀沿V坐標系的傾側軸和偏航軸的組合設置。以這種方式提供局部三 重冗餘。位於俯仰軸周圍的每個陀螺儀具有相聯的處理器以及傾斜傳感器，處理器能夠根 據關聯的陀螺儀和俯仰傳感器提供單軸狀態估計。處理器從與之關聯的陀螺儀接收信號並 從安裝成感測繞偏航軸和傾側軸的旋轉的三個陀螺儀接收信號。冗餘為車輛提供另一故障 保護系統。這三個處理器中的每一個要麼單獨將關聯的陀螺儀用於單軸狀態估計、要麼將 關聯的陀螺儀和其餘的三個陀螺儀兩者用於三軸狀態估計來獨立地估計俯仰狀態。如果所 有陀螺儀均正常地工作，則三個處理器所產生的狀態估計全部一致。然而，如果其中一個關 聯的陀螺儀出故障，則這三個處理器所產生的狀態估計不一致。可實現表決機制以使產生 錯誤估計的處理器自己關斷。用於操作車輛的控制系統通常需要一個或多個上電/初始化過程，這些過程是在 發動車輛時執行的。初始化過程一般確保控制系統和器件在用戶開始使用(例如登上)車 輛之前準備就緒。在一些實施例中，在初始化過程中，車輛控制系統判斷各致動器(例如向 運輸車地面接觸部件施加轉矩以將轉矩施加至運輸車下表面的電動機)和傳感器(例如角 速度傳感器、傾斜傳感器、加速度計)是否正確地作用。如果致動器和傳感器正確地作用， 則車輛控制系統完成初始化並隨後通知用戶車輛在正確地作用並準備就緒。平衡式運輸車(例如圖1的運輸車10)是能夠從使用一個或多個初始化過程中獲 益的車輛示例。例如，圖1的運輸車10使用多個角速度傳感器來如上面結合圖2、圖4和圖 5描述那樣控制運輸車的操作。圖6是根據本發明示例性實施例的用於在車輛(例如圖1的運輸車10)發動過程 中檢測角速度傳感器中故障的運輸車的控制系統600的示意圖。控制系統600包括多個器 件604 (例如方位傳感器)。器件604將與運輸車關聯的方位信號616 (例如傾側角和傾側 角速度以及俯仰角和俯仰角速度)輸出至處理器620。控制系統還包括多個角速度傳感器 612。角速度傳感器612將多個角速度信號616輸出至處理器。控制系統600還包括例如 基於處理器620所產生的俯仰狀態估計624控制運輸車俯仰角的控制器628。在本實施例中，處理器620接收方位信號608、角速度信號616和控制運輸車操作 所需的多種其它信號。在本發明的一個實施例中，處理器620實現結合圖2、圖4和圖5描 述的方法以控制運輸車的操作。在一個實施例中，控制系統600用來執行下面圖7中描述 的方法。圖7是根據本發明示例性實施例的用於初始化和運作平衡式運輸車的方法的流 程圖700。在一個實施例中，該方法是使用圖6的控制器600實現的。該方法包括(704)獲 取與平衡式運輸車(例如圖1的運輸車10)關聯的多個方位信號。該方法還包括(708)從 多個角速度傳感器獲取多個角速度傳感器信號(例如圖4的陀螺儀404、405、406和407的 輸出)。該方法還包括(712)基於多個方位信號判斷由角速度傳感器輸出的多個角速度傳感器信號中的一個或多個是否具有低於閾值的偏差。如果由角速度傳感器輸出的角速度 傳感器信號具有低於閾值的偏差(例如由製造者事先規定)，則控制器初始化俯仰狀態估 計器(716)以控制運輸車的操作。控制器基於一個或多個角速度傳感器的輸出來初始化俯 仰狀態估計器(716)。該方法還包括(720)基於俯仰狀態估計器的至少一個輸出來控制運 輸車720的操作。在一些實施例中，閾值被設定成確保俯仰狀態估計器正常工作所需的水平。在閾 值點或高於閾值時，俯仰狀態估計器不提供正確的俯仰狀態信號，並且控制器(例如圖6的 控制器628)無法正確地控制運輸車在工作過程中的俯仰。在一些實施例中，閾值基於俯仰 狀態估計器(例如圖5的三軸估計器模塊500)能正常工作的最大容許角速度傳感器偏差。 例如，在一些實施例中，該閾值基於俯仰狀態估計器仍然能在數學上收斂於圖6的控制器 628能夠用來控制運輸車的俯仰狀態估計的最大容許角速度傳感器偏差。參見圖7，如果控制器確定一個或多個角速度傳感器具有等於或高於閾值的信號 輸出偏差(步驟712)，則控制器通過分別重複步驟704、708來獲取新的方位信號和角速度 信號。如果在預定義時間段後，控制器仍然判定一個或多個角速度傳感器具有等於或高於 閾值的信號輸出偏差(步驟712)，則終止俯仰狀態估計器的初始化(步驟724)。在一些實 施例中，控制器在預定義數量的周期內而不是在預定義時間段內獲取新的方位信號和角速 度信號。在一些實施例中，控制器重複步驟704、708和712，直到角速度傳感器的信號輸出 偏差低於該閾值為止。這可能是有益的工作狀態，例如用戶可能在初始化過程中無意地移 動了運輸車的機身而角速度傳感器實際上沒有經歷故障(例如角速度傳感器實際沒有大 於預定義閾值的偏差)。在一些實施例中，如果一個或多個方位信號等於或高於其相應閾值，則終止俯仰 估計器的初始化716。在本發明的各實施例中，上述步驟712包括下列步驟中的一個或多 個1.判斷運輸車的俯仰或傾側在預定義時間段內是恆定還是改變了超過規定度數， 其中俯仰和傾側是基於位於運輸車上的加速度計的輸出信號估計出的；2.判斷運輸裝置的偏航角速度在預定時間段內是恆定還是改變了超過規定的 度/秒，其中偏航角速度是基於向運輸車底下的表面施加轉矩的運輸車左右地面接觸部件 (例如圖1的車輪20和21)的速度差估計得到的；3.判斷運輸車的左/右地面接觸部件的速度是等於還是超出規定數量的米/秒， 其中左/右地面接觸部件將轉矩施加於運輸車底下的表面；以及4.判斷第一偏航角速度信號和第二偏航角速度信號之間的差是等於還是大於規 定數量的度/秒，其中第一偏航角速度信號是基於向運輸車底下的表面施加轉矩的運輸車 左/右地面接觸部件的速度差估計得到的，而第二偏航角速度信號基於多個角速度傳感器 中的兩個或更多個所輸出的角速度信號，其中角速度信號對應於圍繞固定於運輸車的基本 垂直軸的角速度。在本發明的一個實施例中，運輸車的幾何形狀、傳感器和致動器在運輸車上的位 置以及圖5的俯仰狀態估計器模塊500收斂於俯仰狀態估計的能力被用來確定具體運輸 裝置的角速度傳感器偏差閾值為20. 7度/秒。20. 7度/秒的閾值是基於運輸車中的容限累積而確定的10度/秒是由角速度傳感器(美國麻薩諸塞州諾伍德的模擬設備(Analog Devices)公司所製造的ADXRS401型角速度感測陀螺儀，該陀螺儀能夠校準隨溫度變化的 偏差和比例因數變化)的製造者規定的；6.7度/秒是運輸車平臺的剩餘運動估計量，儘管 要求平臺是靜止的而4度/秒是在運輸車工作壽命內估計的偏差變化。此外，下面與運輸車關聯的方位信號被用來判斷多個角速度傳感器中的一個或多 個是否具有低於閾值的信號輸出偏差(20. 7度/秒)1.運輸車的俯仰或傾側在將近0. 3秒內是恆定還是改變超過1. 5度，其中俯仰和 傾側是基於運輸車上的加速度計的輸出信號估計得到的。該閾值極限針對每個PQR軸被選 為4.7度/秒的剩餘平臺運動。在運輸車沒有突然加速的情況下，在0.32秒內1.5度的俯 仰加速度計和傾側加速度計測試規定每個PQR軸上的平均速度不超過4. 78度/秒(因為 1. 5度/秒除以0. 32秒=4. 7度/秒)。4. 7度/秒憑經驗達到兩要素之間的折衷。首先， 實施足夠低的平臺運動以使該運動被檢測出，從而如結合圖7所述那樣得出正確的俯仰估 計。其次，還選擇值以確保其不受過度約束，其中大於4. 7度/秒的值要求加速度計和輪速 傳感器具有比已有傳感器更高的精確度。此外，通過實施運輸車中過低的剩餘運動，在俯仰 狀態估計器初始化之前可能需要用戶使機器保持非常靜止。2.運輸車的偏航角速度在將近0. 3秒內保持恆定還是改變了超過4. 7度/秒，其 中偏航角速度是基於運輸車的左/右地面接觸部件的速度差估計得到的。該閾值極限基於 上述同樣的理由設定，然而，限值是針對偏航軸運動建立的並基於電動機上的左/右輪速 傳感器之間的差值。3.運輸車的左/右地面接觸部件的速度在將近0. 3秒內是相等還是超過0. 22米 /秒，其中左/右地面接觸部分將轉矩施加於運輸車底下的表面。該閾值限值憑經驗選擇為 與用戶緩慢地牽引運輸車或以低於4. 7度/秒的速度運轉運輸車關聯的輪速。4.第一偏航角速度信號和第二偏航角速度信號之間的差等於還是大於22度/秒， 其中第一偏航角速度信號是基於向運輸車底下的表面施加轉矩的運輸車左/右地面接觸 部件的速度差估計得到的，而第二偏航角速度信號基於由多個角速度傳感器中的兩個或多 個輸出的角速度信號，這些角速度信號對應於圍繞固定於運輸車的基本垂直軸的角速度。 該閾值限值憑經驗選擇以解決兩速度傳感器具有相當大偏差的情形(例如大於約15度/ 秒)。其它系統工作條件要求對偏航軸運動敏感的任意兩個速度傳感器不具有大於29度/ 秒的總偏差。如果對偏航軸敏感的兩個速度傳感器的總偏差大於29度/秒，則俯仰狀態估 計器不再產生可靠信息以供控制運輸裝置工作。選擇22度/秒的閾值限值以防止這種情 形造成不利的機器行為。在各實施例中，所公開的方法可實現為用於計算機系統的電腦程式產品。這些 實現可包括固定於例如計算機可讀介質(比如磁碟、CD-R0M、R0M或固定硬碟)的有形介質 或可通過數據機或通過介質連接於網絡的通信適配器的其它接口設備發送給計算機 系統的一系列計算機指令。介質可以是有形介質(例如光纜或模擬通信線路)或者是用無 線技術(例如微波、紅外或其它傳輸技術)實現的介質。這一系列計算機指令表現針對系 統之前描述的全部功能或部分功能。本領域內技術人員應當理解，這些計算機指令可以數 種程式語言編寫以用於多種計算機架構或作業系統。此外，這些指令可存儲在任 存儲設備中，例如半導體、磁、光學存儲設備或其它存儲設備，並可使用任意通信技術傳輸，例如光、紅外、微波或其它傳輸技術。可以預見該計 算機程序產品能夠作為具有附隨列印或電子文檔(例如塑料包裝軟體)可移動介質發行， 預加載於計算機系統(例如在系統ROM或固定硬碟上)，或從網絡(例如網際網路或全球資訊網) 上的伺服器或電子公告板發行。當然，本發明的一些實施例可實現為軟體(例如計算機程 序產品)和硬體兩者的組合。而本發明的又一些實施例完全以硬體實現或完全以軟體(例 如電腦程式產品)實現。 本領域內技術人員可對本文描述的內容作出變化、修改和其它實現，而不會脫離 本發明如權利要求書所限定的精神和範圍。因此，本發明不是由之前的解說性說明限定而 是由所附權利要求書的精神和範圍限定。
權利要求
一種用於初始化平衡式運輸車的控制器的方法，包括(a)獲取關聯於所述平衡式運輸車的多個方位信號；(b)基於所述多個方位信號確定多個角速度傳感器中的一個或多個是否具有低於閾值的信號輸出偏差；(c)初始化俯仰狀態估計器以供基於多個角速度傳感器中的一個或多個的輸出控制所述平衡式運輸車的操作；以及(d)基於所述俯仰狀態估計器中的至少一個輸出控制所述平衡式運輸車的操作。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，如果所述角速度傳感器中的一個或多個具 有等於或高於閾值的信號輸出偏差則包括終止步驟(c)。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括將每個方位信號與相應閾值進 行比較。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，如果所述方位信號中的一個或多個等於或 超出其相應的閾值，則終止所述俯仰狀態估計器的初始化。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括確定所述運輸車的俯仰或傾 側是否在預定時間段內變化超過1. 5度，所述俯仰和傾側是基於加速度計輸出信號來估計 的。
6.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括確定所述運輸車的偏航角速度 的變化在預定時間段內是否大於4. 7度/秒，所述偏航角速度是基於運輸車的左/右地面 接觸部件的速度差估計得到的，所述接觸部件將力矩施加於運輸車底下的表面。
7.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括確定所述運輸車的左或右地面 接觸部件的速度是否超過0. 22米/秒，所述左/右地面接觸部件將力矩施加於所述運輸車 底下的表面。
8.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟(b)包括確定第一偏航角速度信號和第 二偏航角速度信號之間的差是否大於22度/秒，所述第一偏航角速度信號是基於所述運輸 車施加力矩於運輸車底下的表面的左/右地面接觸部件的速度差估計的，而所述第二偏航 角速度信號基於由多個角速度傳感器中的兩個或更多個輸出的角速度信號，所述角速度信 號對應於圍繞固定在所述運輸車的基本垂直軸的角速度。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括重複權利要求1所述的步驟直到所述角 速度傳感器的信號輸出偏差低於閾值。
10.一種平衡式運輸車，包括提供與所述平衡式運輸車關聯的方位信號的多個器件；多個角速度傳感器；處理器，(a)用來基於所述方位信號判斷多個角速度傳感器中的一個或多個是否具有等於或大 於閾值的信號輸出偏差；以及(b)用來基於所述多個角速度傳感器中的兩個或更多個的輸出估計所述平衡式運輸車 的俯仰狀態；以及基於所述俯仰狀態估計來控制所述平衡式運輸車的操作的控制器。
11.如權利要求10所述的運輸車，其特徵在於，所述處理器通過將每個方位傳感器信號與相應閾值比較而判斷所述角速度傳感器中的一個或多個是否具有等於或高於閾值的 信號輸出偏差。
12.如權利要求10所述的運輸車，其特徵在於，包括向所述運輸車底下的表面施加轉 矩的至少一個地面接觸部件。
全文摘要
一種用於初始化平衡式運輸車(10)的控制器的方法，包括獲取關聯於平衡式運輸車的多個方位信號。該方法還包括基於多個方位傳感器信號確定多個角速度傳感器中的一個或多個是否具有低於閾值的信號輸出偏差。該方法還包括初始化俯仰狀態估計器以基於多個角速度傳感器中的一個或多個的輸出控制平衡式運輸車的操作。該方法還包括基於俯仰狀態估計器中的至少一個輸出控制平衡式運輸車的操作。
文檔編號G05D1/02GK101861554SQ200880103066
公開日2010年10月13日 申請日期2008年8月18日 優先權日2007年8月23日
發明者M·F·考夫曼, M·T·甘斯勒 申請人:塞格威股份有限公司