具有冗余機械控制的直觀的線控轉向的制作方法
【專利摘要】一種在需要逆轉向的車輛上的線控轉向系統，所述線控轉向系統包括：駕駛員輸入機構，例如，方向盤、操縱桿、聲音控制接收器、或鍵盤；以及控制系統。傳感器接收駕駛員輸入并將信息發送至所述控制系統。例如離合器的嚙合機構使所述駕駛員輸入機構斷開而不控制所述車輛。所述控制系統還包括至少一個致動器、車輪、以及經由所述嚙合機構可控的機械聯動裝置，以便用于視情況而將所述控制系統鏈接到轉向機構，例如車輛的前輪。
【專利說明】
具有冗余機械控制的直觀的線控轉向
技術領域
[0001]本發明的實施方式總體涉及運輸車輛，并且更具體地涉及車輛轉向系統。
【附圖說明】
[0002]本發明的非限制性和非窮盡的實施方式參考了以下的附圖進行描述，其中，除非特別說明，否則在各個視圖中，相同的附圖標記指代相同的部件。應當理解的是，附圖并未按照比例繪制。
[0003]以下為對某些細節和實現方式的描述(包括對附圖的描述)，其可以描繪下文中所描述的一些或所有的實施方式，以及討論本文中所呈現的創新性概念的其它潛在的實施方式或實現方式。在下文中提供了對本發明的多個實施方式的概覽，隨后參考附圖進行更詳細地描述。
【具體實施方式】
[0004]在下面的描述中，提出許多具體細節來提供對多個實施方式的透徹理解。然而，在相關領域中的技術人員將認識到，本文中所描述的技術無需一個或多個具體細節而可被實踐，或通過其它方法、組件、材料等可被實踐。在其它變型中，未示出或未詳細描述熟知的結構、材料、或操作，以避免某些方面不清楚。
[0005]本發明涉及車輛轉向領域，特別是利用用于提供直觀的用戶體驗的機械冗余而改進的主動的、線控轉向系統。駕駛員在操作期間主要通過改變車輛速度和/或逆轉向(即，對于例如單跟蹤系統的、類似類型的當靜止或當處于低速時利用橫向穩定性的跟蹤系統的車輛、或鏈接傾斜的車輛)來穩定車輛狀態。逆轉向描述了這樣一種概念，其中駕駛員首先從與駕駛員期望行進的方向相反的方向轉向以便使車輛不穩定，直到實現必要的傾斜。之后，駕駛員朝向所期望的方向而矯正轉向以沿著該轉向來導向車輛。本發明的實施方式基于這種在車輛操作中使用戶體驗復雜化的反直覺過程而改進。
[0006]本發明的實施方式描述了一種車輛控制系統，所述車輛控制系統包括至少一個駕駛員輸入機構、至少一個控制致動器、和連接于至少兩個或更多個車輪的一個控制處理器/控制器。操作以上的組件以根據需要使車輛逆轉向，實施陀螺式穩定或實施逆轉向和陀螺式穩定的組合，這些操作根據駕駛員的保持穩定的一個或多個指令來執行而無需駕駛員來逆轉向。該控制系統將用戶輸入(例如，方向盤角度和加速器踏板角度)轉換成馬達/致動器指令，這些指令可以用于同時(或接近同時)跟蹤橫擺角速度(yaw rate)和車輛速度并且穩定車輛狀態(例如，滾動角度/滾動速度、轉向角度/轉向速度等)。
[0007]上述的實施方式還可以包括給駕駛員觸覺反饋的構件，以使得駕駛體驗對于駕駛員更直觀。
[0008]觸覺反饋系統指示執行所請求的操作所需要的控制力、以及來自路面狀況的反饋。這被實施為轉向致動系統(方向盤、操縱桿、手把等)上的響應扭矩。當駕駛員輸入所需要的轉向角度時，觸覺系統將對抗與完成所述轉向角度所需要的控制動作量成比例的輸入。增加到該扭矩的將是來自路面狀況的反饋以給駕駛員一種“路面感受”的感覺。觸覺反饋可以經由與方向盤的軸連接的伺服馬達(在機械離合器之前)來完成，并且通過轉向控制系統來致動。
[0009]如下文參考附圖來描述，本發明的實施方式利用線控轉向概念。“線控”轉向考慮了對車輛的更精確地控制;現有技術的解決方案從未應用線控轉向概念來解決逆轉向。
[0010]本發明的實施方式還描述了電子控制的線控轉向概念，其另外由機械防故障裝置轉向系統來支持。因此，本發明的實施方式可以或不可以通過功率/電子組件、或計算機處理組件(例如，圖4中示出的系統控制器的組件)來改進。
[0011]通過將駕駛員輸入與轉向控制脫離，本發明的實施方式能夠通過支持由遠程設備發送的轉向控制指令而實現遠程轉向并且允許改進或覆蓋駕駛員輸入。而且，遠程駕駛員不需要提供逆轉向指令以遠程操作具有當靜止時或當處于低速時利用橫向穩定性的跟蹤系統的車輛。
[0012]本發明的實施方式描述了用于實現轉向控制來替代駕駛員需要逆轉向的方法和步驟。圖1為一些組件的框圖，所述組件可以包括在車輛中以執行所述方法和步驟。
[0013]所述方法和步驟的操作包括經由傳感器從轉向機構(例如，方向盤)接收用戶輸入，例如來指示方向盤位置;經由傳感器接收車輛狀態信息(例如，車輛速度、飛輪扭矩輸出、路面車輪位置、反饋扭矩傳感器)；經由傳感器接收外部數據(例如，路面牽引力、天氣影響)。
[0014]該數據和信息被分析以確定如何根據用戶的指令來使車輛響應。指令信號通過由駕駛員直接輸入到輸入機構中而生成或者從遠程指令設備接收，以控制多個轉向致動器、陀螺儀穩定系統中的飛輪、或轉向致動器和飛輪二者的組合中的至少一者，從而根據用戶指令直接地致動車輛的方向。
[0015]上述的實施方式包括經由電子組件和傳感器組件來執行操作，多個實施方式還可以包括用于冗余的機械實施方式。所述機械實施方式可以包括:根據電子故障或駕駛員指令，重新建立駕駛員輸入機構到路面車輪的嚙合機構、以及嚙合機械變速箱的裝置，以允許駕駛員連續直觀的轉向，所述機械變速箱采用包括機械變速箱/行星機構/控制桿組件(包括齒輪/行星機構、控制桿組件)或液壓栗和活塞的任意組合或機械等效物的機械裝置。
[0016]圖2為根據本發明的實施方式的轉向系統的一些組件的框圖。圖3為根據本發明的實施方式的轉向系統的視圖。所述轉向系統可以包括駕駛員輸入機構(例如，方向盤、操縱桿、聲音指令接收器、鍵盤等)、接收駕駛員輸入并且將信息發送到控制系統的傳感器、將駕駛員輸入機構與車輛控制裝置(例如，離合器)分離的機械設備、電子控制系統、至少一個致動器和車輪(例如，路面車輪)。如本文所描述的，電子控制系統可以控制車輛的轉向。而且，可以包括機械聯動裝置，該機械聯動裝置可以通過應用離合器類型的機構而嚙合/脫離，以便視情況而使電子控制系統鏈接轉向機構(即，前輪)。在一些實施方式中，在電子系統的故障時，離合器嚙合機械聯動裝置，故駕駛員輸入機構可以實施機械防故障裝置(前面描述的)以繼續使車輛轉向而無需逆轉向。
[0017]本發明的實施方式可以應用于具有陀螺穩定系統的車輛(例如，在圖5中示出和下文進一步描述的車輛)。本發明的實施方式還可以應用于不具有陀螺系統的車輛。
[0018]本發明的實施方式可以描述一種控制系統，所述控制系統包括處理器、存儲器模塊、和儲存在存儲器中并且經由處理器執行的控制模塊。控制模塊可以執行以下操作:從多個傳感器接收數據，該數據指示駕駛員駛入、車輛的車架的定向、車輛的前輪相對于車架的定向、包括在聯接至車架的陀螺儀單元中的多個飛輪的定向和旋轉速度、以及車架的速度；至少部分地基于所接收到的數據來確定當前車輛狀態;并且至少部分地基于當前車輛狀態，通過調節至少一個飛輪的從與車輛的前輪的旋轉軸線垂直的旋轉軸線傾斜的旋轉速度，而調節陀螺儀單元的輸出扭矩。調節輸出扭矩可以包括但不限于增大至少一個飛輪的傾斜的旋轉速度以增大陀螺儀單元的輸出扭矩，以及響應于確定當前車輛狀態而使傾斜的旋轉速度最小化以在延長的時間段使用陀螺儀單元的輸出扭矩。
[0019]對于駕駛員，控制模塊還可以在從駕駛員輸入機構到路面車輪的機械聯動裝置脫離(例如，經由離合器)時，調節前輪的方向以逆轉向(例如，經由電子信號指令)。
[0020]圖4為根據本發明的實施方式的執行系統控制器的計算設備的視圖。如所示出的系統400可以為包括在本文中所描述的車輛中的任何計算設備。如所示出的，系統400包括用于通信信息的總線通信機構418以及聯接至總線418用于處理信息的處理器410。該系統還包括聯接至總線418用于存儲待被處理器410執行的信息和指令的易失性存儲器412(可替選地，在本文中指代主存儲器)。主存儲器412還可以在處理器410執行指令期間用于存儲臨時變量或其它中間信息。該系統還可以包括聯接至總線418用于存儲處理器410的靜態信息和指令的靜態存儲設備416、和例如磁盤或光盤及其對應的盤驅動器的數據存儲設備414。數據存儲設備414聯接至總線418以用于存儲信息和指令。在其它的實施方式中，總線通信可以由其它的通信網絡替代。
[0021]該系統還可以聯接至顯示設備420，例如通過總線426聯接至總線418而用于將信息顯示給計算機用戶的陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD)。輸入輸出(I/O)設備422還可以通過總線426聯接至總線418以用于將信息和指令選擇(例如，字母數字數據和/或光標控制信息)發送給處理器410。
[0022]可以可選擇地聯接至計算機系統400的另一設備為用于訪問網絡的通信設備424。通信設備424可以包括任意多種商業上可用的網絡外圍設備，例如那些用于聯接至以太網、令牌環、因特網、或廣域網的設備。通信設備424還可以為零調制解調器連接件或任何其它在計算機系統400和其它設備之間提供連接的機構。請注意，圖4中示出的該系統的任何組件或所有組件以及相關的硬件可以用在本發明的各種實施方式中。
[0023]本領域普通技術人員可以理解的是，系統的任何配置可以用于根據特定的實現方式的各種目的。實現本發明的實施方式的控制邏輯或軟件可以被存儲在主存儲器412、大容量存儲設備414、或可由處理器410本地或遠程訪問的其它存儲介質。
[0024]通信設備424可以包括硬件設備(例如，無線和/或有線連接器和通信硬件)和軟件組件(例如，驅動器、協議棧)以使得系統400與外部設備通信。該設備可以為分離的設備，例如其它計算設備、無線訪問點或基站、以及外圍設備(例如耳機、打印機)、或其它設備。
[0025]通信設備424可以有多種不同類型的連接:例如，蜂窩連接和無線連接。蜂窩連接通常指的是由無線載波提供的蜂窩網絡連接，例如經由GSM(用于移動通信的全球系統)或變型或派生、CDMA(碼分多址聯接方式)或變型或派生、TDM(時分多路復用)或變型或派生、或其它蜂窩服務標準所提供。無線連接指的是非蜂窩的無線連接，并且可以包括個人局域網(例如，藍牙)、局域網(例如，WiFi)和/或廣域網(例如，WiMax)、或其它無線通信。
[0026]為本領域普通技術人員所顯而易見的是，本文中所描述的系統、方法和步驟可以實現為存儲在主存儲器412或只讀存儲器416中并且由處理器410執行的軟件。該控制邏輯或軟件還可以存在于成品上，包括計算機可讀介質，所述計算機可讀介質具有其中具體化的計算機可讀程序代碼并且可被大容量存儲設備414讀取并且用于使處理器410根據本文中的方法和教導進行工作。
[0027]圖5示出包括本發明的一個或多個實施方式的直列式兩輪車輛。在該實施方式中，車輛500包括車輛車架502并且還包括第一驅動輪510和第二驅動輪520。
[0028]在該實施方式中，陀螺穩定單元530通過車輛車架502聯接至車輛500。陀螺穩定器530可以包括容納飛輪532和飛輪534的第一陀螺組件和第二陀螺組件;所述飛輪可以在尺寸和材料組成上不同，或可以基本上相同。
[0029]陀螺穩定器530可被控制，從而通過利用在每一陀螺的飛輪上的多于一個的控制軸線可以實現附加的對車輛定向的控制水平。當以與車輛滾動軸線和飛輪的旋轉軸線互相正交的軸線排列時，一個受控的自由度可以控制車輛的滾動。附加的自由度允許在另一旋轉軸線上進行控制。
[0030]在一些實施方式中，陀螺穩定器530還包括轉盤以增大飛輪的可控軸線的數目。例如，示出的飛輪532和飛輪534直列式地聯接至車輛車架(例如，針對前輪510和后輪520在長度方向上對齊)。所述轉盤可以改變這些陀螺儀的對齊方式，以使其對齊方式朝向相對于車輛的車架在寬度方向上對齊。
[0031]其它實施方式可以包括重新布置陀螺穩定器排列位置或調節飛輪相對于高度的對齊方式的機構。
[0032]應理解的是，前面的說明意在是示意性的而非限制性的。在閱讀和理解前面的說明之后，很多其它的實施方式將為本領域的技術人員所顯而易見。因此，該發明的范圍參考所附的權利要求、以及該權利要求所具有的等效替代的全部范圍而確定。
[0033]前面的詳細說明的一些部分根據計算機存儲器內的關于數據位的操作的算法和符號表示而呈現。這些算法說明和呈現是為數據處理領域的技術人員所使用的手段以最有效地將他們的工作的實質傳遞給本領域的其它技術人員。算法在此并且通常被認為是引向所需要的結果的有條理的一連串操作。該操作為那些需要物理操作物理量的操作。通常盡管不是必要的，這些物理量采取能夠存儲、傳遞、組合、比較、和以其它方式操作的電信號或磁信號。主要出于通常使用的目的，已經證實有時將這些信號指代為比特、值、元件、符號、字符、術語、數字等等是方便的。
[0034]然而，應當記住的是，所有這些術語和類似的術語與合適的物理量相關并且僅僅為應用至這些量的方便的標簽。如從上面的討論中顯而易見的是，除非特別說明，否則可以理解的是，貫穿說明，利用例如“捕獲”、“發送”、“接收”、“解析”、“形成”、“監控”、“啟動”、“執行”、“添加”等術語的論述指代計算機系統或類似的電子計算設備的動作和過程，其將在計算機系統的寄存器和存儲器內的表示為物理(例如，電子)量的數據操作并且轉換成計算機系統存儲器或寄存器或其它該信息存儲、傳輸或顯示設備內的類似表示為物理量的其它數據。
[0035]本發明的實施方式還涉及用于執行本文中操作的裝置。該裝置可以特別地構造用于所需的目的，或其可以包括通過存儲在計算機中的計算機程序可選擇地啟動或重新配置的通用計算機。該計算機程序可被存儲在非易失性計算機可讀存儲介質中，例如但不限于任何類型的磁盤，包括軟盤、光盤、只讀光盤存儲器(⑶-ROM)、和磁光盤、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、可擦可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)、磁卡或光卡或任何類型的適于存儲電子指令的介質。
[0036]前面的詳細說明的一些部分根據計算機存儲器內的關于數據位的操作的算法和符號表示而呈現。這些算法說明和呈現是為數據處理領域的技術人員所使用的手段以最有效地將他們的工作的實質傳遞給本領域的其它技術人員。算法在此并且通常被認為是導致所需要的結果的有條理的一連串操作。該步驟為那些需要物理操作物理量的操作。通常盡管不是必要的，這些物理量采取能夠存儲、傳遞、組合、比較、和以其它方式操作的電信號或磁信號。主要出于通常使用的目的，已經證實有時將這些信號指代為比特、值、元件、符號、字符、術語、數字等等是方便的。
[0037]然而，應當記住的是，所有這些術語和類似的術語與合適的物理量相關并且僅僅為應用至這些量的方便的標簽。如從上面的討論中顯而易見的是，除非特別說明，否則可以理解的是，貫穿說明，利用例如“捕獲”、“確定”、“分析”、“驅動”等術語的論述指代計算機系統或類似的電子計算設備的動作和過程，其將在計算機系統的寄存器和存儲器內的表示為物理(例如，電子)量的數據操作并且轉換成計算機系統存儲器或寄存器或其它該信息存儲、傳輸或顯示設備內的類似表示為物理量的其它數據。
[0038]前面所呈現的算法和顯示不固有地涉及到任何特定的計算機和其它裝置。各種通用系統可以與根據本文中的教導的程序一起使用，或其可以證明方便地構造更專用的裝置以執行所需的方法步驟。用于多種這些系統的所需的結構將從下文中的描述中顯而易見。此外，本發明不參考任何特定的程序語言來描述。將可以理解的是，可以使用多種程序語言來實施如本文中所描述的公開的教導。
[0039]貫穿該說明書提及“一個實施方式”或“實施方式”意味著結合該實施方式而描述的特定的特征、結構、或特性包括在本發明的至少一個實施方式中。因此，在貫穿前面的說明的各種位置中出現的短語“在一個實施方式中”或“在一實施方式中”不一定均指代相同的實施方式。而且，特定的特征、結構、或特性可以任何合適的方式組合在一個或多個實施方式中。
[0040]出于闡述的目的，本說明書已經參照【具體實施方式】而進行描述。然而，前面的示意性討論不意在是窮盡的或將本發明限制為所公開的精確的形式。考慮到前面的教導，多種修改和改變是可以的。選擇并描述實施方式以便更好地闡述本發明的原則和其實際的應用，以由此使本領域的技術人員更好地利用具有多種修改的實施方式，如可被適于所考慮的特定用途。
[0041]雖然以特定的序列或順序示出了方法和過程，但是除非另有說明，所述動作的順序可以被修改。因此，上文所述的方法和過程應當僅僅被理解為示例，并且也可以以不同的順序執行，一些動作可以并行地執行。此外，在本發明的各種實施方式中可以省略一個或多個動作；因此，在每一個實現方式中，并不是需要所有的動作。其它的工作流程也是可能的。
【主權項】
1.一種在需要逆轉向的車輛上的線控轉向系統，所述線控轉向系統包括: 駕駛員輸入機構； 控制系統； 傳感器，所述傳感器從所述駕駛員輸入機構接收駕駛員輸入并且將所述駕駛員輸入發送至所述控制系統； 嚙合機構，所述嚙合機構使所述駕駛員輸入機構斷開而不控制所述車輛； 至少一個致動器； 車輪；以及 能夠經由所述嚙合機構控制的機械聯動裝置，以便用于將所述控制系統鏈接到轉向機構。2.根據權利要求1所述的線控轉向系統，其中，在所述車輛的電子系統故障時，所述嚙合機構嚙合所述機械聯動裝置，從而所述駕駛員輸入機構能夠實施機械防故障裝置以繼續使所述車輛轉向而無需逆轉向。3.根據權利要求1所述的線控轉向系統，還包括觸覺系統，所述觸覺系統通過響應由觸覺馬達生成的扭矩而向駕駛員發出關于控制力和路面狀況的信號。4.一種用于車輛的轉向控制的方法: 經由傳感器接收用戶轉向輸入； 經由傳感器接收車輛狀態數據； 經由傳感器接收外部數據； 轉換所述用戶轉向輸入； 組合所述用戶轉向輸入、所述車輛狀態數據、或所述外部數據中的至少一些；以及向轉向致動器、陀螺穩定系統中的飛輪、或所述轉向致動器和所述飛輪二者的組合中的至少一者生成指令信號；其中，所述指令信號根據所述用戶轉向輸入直接地致動所述車輛的路面車輪方向。5.—種控制系統，其包括: 處理器； 存儲器模塊； 存儲在所述存儲器模塊中并且經由所述處理器執行的控制算法，以從多個傳感器接收數據，所述數據指示駕駛員輸入、車輛的車架的定向、車輛的前輪相對于所述車架的定向、包括在聯接至所述車架的陀螺儀單元中的多個飛輪的定向和旋轉速度、以及所述車架的速度， 至少部分地基于所接收到的數據來確定當前車輛狀態， 至少部分地基于所述當前車輛狀態，通過調節至少一個飛輪的從與所述車輛的前輪的旋轉軸線垂直的旋轉軸線傾斜的旋轉速度，而調節陀螺儀單元的輸出扭矩，包括增大所述至少一個飛輪的所述傾斜的所述旋轉速度以增大所述陀螺儀單元的所述輸出扭矩，以及響應于確定所述當前車輛狀態而使所述傾斜的所述旋轉速度最小化以在延長的時間段使用所述陀螺儀單元的所述輸出扭矩；以及 對于駕駛員，當離合器使從駕駛員輸入機構到路面車輛的機械聯動裝置斷開時，經由電子指令調節前輪的方向以逆轉向以及駕駛員在車里時的用戶體驗。6.根據權利要求5所述的控制算法，還使用至少一個調節以重新建立穩定性或使所述車輛轉向。7.一種車輛的冗余機械轉向系統，所述系統包括: 駕駛員輸入機構； 至少一個路面車輪； 嚙合機構，所述嚙合機構將所述駕駛員輸入機構機械地嚙合至轉向控制件和所述車輛的所述至少一個路面車輪；以及 機械變速箱/行星機構/控制桿組件，所述控制桿組件/行星機構/控制桿組件包括齒輪/行星機構、控制桿組件或液壓栗和活塞； 其中，所述冗余機械轉向系統在所述車輛的電子故障時為自動默認的工作系統。8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述系統還能夠根據駕駛員指令而工作。9.根據權利要求7所述的系統，其中，根據電子故障或駕駛員指令，所述嚙合機構重新建立從所述駕駛員輸入機構到所述路面車輪的機械聯動裝置并且嚙合所述機械變速箱，以允許駕駛員連續直觀的轉向，所述機械變速箱采用齒輪、行星機構、控制桿組件或液壓栗和活塞的任意組合。
【文檔編號】B60W10/20GK105916748SQ201480072910
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年11月11日
【發明人】丹尼爾·基勇·金, 科林·韋德
【申請人】Lit汽車公司