Fault-tolerant design for a personal vehicle

【０００１】
発明の技術分野
本発明は、動力を備えた車両のためのシステム設計に関し、より詳しくは、システム設計の余剰特性に関する。
【０００２】
発明の背景技術
身体障害者によって用いられるような個人的乗物は、一例として、自走式の、ユーザー誘導可能なものであってもよく、さらに、たった２つの車輪が同時に接地しているときのように、１以上の前後又は左右の平面内で安定化を必要としてもよい。 より詳しくは、そのような車両は、図１において一般に数字１０によって示される。 ユーザー１２又は他のペイロードを移送するための車両１０は、各車輪及び／又は各クラスターが対等にあるいは独立して電動である１以上の車輪１６又は車輪１６の一群（クラスター）１４を含む。 そのような車両は、米国特許第５，７０１，９６５号及び米国特許公開番号第０８／３８４，７０５号に開示され、それらは、参照によりここに組み込まれる。 この種の車両は、先行技術に開示されるものに追加するシステム設計特徴を使用するときに、より効果的にそして安全に作動され得る。
【０００３】
発明の概要
本発明の好ましい実施の形態によれば、故障検出が可能な陸上移動のための車両が提供される。 その車両は、荷重をサポートするための支持構造物と、移動可能性をその支持構造物に提供するための接地モジュールと、その接地要素の制御可能な運動を可能にするモーター駆動装置形状とを持つ。 それに加えて、その車両は、複数の制御要素を持ち、各制御要素は、出力と、第１と他の制御要素のいずれの故障かを識別するために第１の制御要素の出力ともう一つの制御要素との出力を比較する比較器を持つ。 制御要素は、少なくとも一つの位置及び方向を感知するセンサーと、複数の余剰制御チャネルとを含んでもよく、各制御チャネルは、独立してモーター駆動装置を制御することができ、複数のプロセッサは、システムバスによって各余剰制御チャネルに接続される。 各プロセッサは出力を持ち、そして、各プロセッサは、ユーザーからの入力コマンド、センサーからの信号、及び各他のプロセッサの出力を受信することができる。
【０００４】
本発明の代わりの実施の形態によれば、制御要素は、車両の位置又は方向を感知するための複数のセンサー及び複数の制御チャネルの間から選択されてもよく、各制御チャネルは、モーター駆動を独立して制御することができる。 制御要素は、また、システムバスによって制御チャネルに接続される複数のプロセッサを含んでもよく、システムバスは、複数のプロセッサ、並びに、少なくとも一つのユーザー入力セット、バッテリー容量表示部、温度表示部、シート高制御部、及び故障保護制御部を含んでもよい。 いずれかの制御要素の出力は、モーター駆動の機械的応答速度を超える速度で供給され得る。 各プロセッサは、ユーザーからの入力コマンド、センサーからの信号、及び各他のプロセッサの出力を受信可能であってもよく、比較器は、いずれのプロセッサの故障かを識別するためのプロセッサの出力を比較してもよく、また、システムバスから故障プロセッサを切り離すための切断回路を含んでもよく、そして、すべての他のプロセッサを用いる車両の連続操作を可能にするような方法で故障が識別されたいずれかのプロセッサの出力を抑制してもよい。
【０００５】
本発明のさらなる実施の形態によれば、荷重をサポートするための支持構造物と、その支持構造物に移動能力を提供する接地要素と、ローカル軸に関して車軸について移動可能な接地要素と、ローカル軸が素地構造物に関して移動されるように、車軸について接地要素の制御可能な移動を可能にし、車軸の移動を可能にするためのモーター駆動とを持つ車両が提供される。 センサーは、車両の少なくとも一つの位置及び方向を感知するために提供される。 複数の制御チャネルのように、各制御チャネルは、モーター駆動を独立して制御可能である。 車両は、システムバスによって制御チャネルに接続される複数のプロセッサと、いずれのプロセッサの故障かを識別するためのプロセッサの出力を相互比較する比較器とを持つ。 各プロセッサは出力を持ち、各プロセッサは、ユーザーからの入力コマンドと、センサーからの信号と、他のプロセッサのそれぞれの出力とを受信することができる。 車両は、複数の余剰巻線を持つモーター駆動を持ってもよい。
【０００６】
本発明のもう一つの実施の形態によれば、フェイルセーフのジョイスティック（手動式操作装置）を提供する。 そのジョイスティックは、ユーザーによって解放されるときジョイスティックを中心位置に戻すセンタリング機構と、中心位置でジョイスティックを検出するためのセンサーとを持つ。
【０００７】
好ましい実施の形態の詳細な記述
本発明は、添付図面を利用して以下の記述を参照することによって、より容易に理解されるだろう。
【０００８】
図１において、車両１０の基礎部分は、ユーザー１２をサポートするための支持体１８と、支持体１８を移送するための接地モジュール２０と、車輪１６及び／又はクラスター１４を駆動するための１以上のアクチュエーター機構（図示せず）と、ユーザー及び車両の位置と配置、さらには車両の位置と配置の変化の、測定される時間割合による望ましいパラメータ入力に従ってアクチュエーター機構を制御するための１以上の制御部と、変化の測定される時間割合と車両１０の構成とを含むように構成されてもよく、これらに限定されるものでもない。 車両の位置及び／又は配置は、連続的又は周期的にその出力が１以上の制御部によって使用される１セットのセンサー（図示せず）によって監視される。 一例として、変位と傾きの情報を提供するセンサーは、特定の制御法則に従って、及び、米国特許第５，７０１，９６５号と米国特許出願番号第０８／３８４，７０５号に開示されるように、制御部が車両の車輪又はクラスターに加えられるトルクを計算することを可能にする。
【０００９】
説明として、「接地モジュール２０」の表現に関して、又は車両１０が動きまわる表面に関連して用いられるよう用語「地面（ground）」は、車両１０によって移動されるあらゆる表面で囲われた建物の内部又は外部であってもよい。 用語「個人輸送機（personal transporter）」は、ここでは用語「車両（vehicle）」と交換可能に用いられる。 それに加えて、用語「車輪（wheels）」は、地上で車両１０を推進させることができる弓形要素又は他の接地部材を同等に含んでもよい。 車両の「位置（position）」は、地面に関して固定された基準点を意味するのに対して、「配置（configuration）」は、互いに関して車両の構成要素の配置を意味する。 それは、制限せずに、特定の速度、加速度、ジョイスティック感度等のような、ソフトウェアでなされる設定と同様に、シート高、軸傾斜等のような特性を含む。 特に、本発明の好ましい実施の形態によれば、車輪１６は、車軸２２の周りを回転する。 その車軸２２は、クラスター回転の軸を構成するクラスター車軸２４の周りを回転する。 支持体１８は、その結果、クラスター１４に関して上昇され、あるいは下降され得る。 車両１０に存在する他の内部自由度は、同様に、ここで及び添付される特許請求の範囲で用いられるように、用語「配置」の範囲内に含まれる。 同様に、重力に関して車両１０の角度で表される方向又は傾きもまた、用語「配置」の範囲内に含まれる。
【００１０】
ユーザー入力は、ジョイスティック又は他のインターフェースにより、あるいはユーザーの傾きにより、若しくは、外物に力を加えることにより、車両によって移送されるユーザーによって提供されてもよい。 それに加えて、ユーザー入力は、車両によって運ばれないアシスタントにより提供されてもよい。 彼は、車両を傾けさせようとするために、補助ハンドルに、力を適用することによって車両の移動及び／又は配置を支配してもよい。 その代わりに、ユーザー入力は、車両から分離される制御モジュールによってアシスタントにより提供されてもよい。 ここでは、制御モジュールは、ジョイスティック、スイッチ、またはキーパッド入力、あるいは他のいずれの方法をも含む。 「センサー」は、車両の物理的位置又は配置のあらゆる特徴を監視するためのいかなる装置をも指し、例えば、傾きを測定するための傾斜計、ジャイロスコープ、又は車輪又はクラスター等のいずれかの角度で示される方向やその変化率を含む。
【００１１】
あるタイプの故障の後に車両を安全に操作することは、上記にリストされる基本的車両部品の１以上の故障余裕を必要とし得る。 この記述及び添付の特許請求の範囲で用いられるように、「余剰（redundancy）」は、車両の故障余裕に寄与するある成分の重複を意味する。 「余剰」は、また、データのオーバーサンプリングを意味する。 従って、例えば、データは、システムの機械的応答速度よりも実質的に高い速度でセンサーによって提供され得る。 この場合、もし、データがシステムバス又は他の場所で変造されるならば、応答が提供されなければならない前に新しいデータが提供されるので、それは、システム応答をもたらさない。 本発明の好ましい実施の形態では、基本的車両部品は、一例として、これから記述される図２のブロック図に示されるもののように、システムアーキテクチャーにおいて電子的に相互に連結される。
【００１２】
それぞれの電源３０とともに、センサーエレクトロニクス３４と制御プロセッサ２４、２６、及び２８との組み合わせは、パワーベース３２として一まとめにして言及される。 パワーベース３２は、多数のパワーベースプロセッサ３６を含み、そのそれぞれは、センサーエレクトロニクス３４、中央演算処理装置（ＣＰＵ）２４、２６、及び２８、並びに、電源３０を含む。 各ＣＰＵ２８は、関連付けられた電源３０とセンサーエレクトロニクスボード３４を持つ。
【００１３】
パワーベース３２は、車両の周辺のあるいは特別な機能を制御するための他の制御部と同様に、ユーザー入力を受信するためのインターフェース３８に電子的に接続される。 パワーベース３２に接続される他の制御部及び周辺装置は、クラッシュ保護制御部４２とクラッシュ保護モニター４４、及びバッテリー充電器とモニター（図示せず）と同様に、シート高制御部４０を含むが、これらに限られるものではない。 クラッシュ保護制御部４２は、１９９７年１１月４日に出願された継続中の米国仮出願第６０／０６４，１７５号に記述されるように、１以上のエアバックの配置、あるいは、その代わりに、１９９７年１０月１４日に出願された継続中の米国仮出願第６０／０６１，９７４号に記述されるように、接地モジュール２０からの支持体１８の分離（図１に示される）のような機能を提供してもよい。 ユーザーインターフェース３８と、周辺制御部４０及び４２と、パワーベース３２の各パワーベースプロセッサ２４、２６、及び２８のそれぞれとの間の連絡は、システムシリアルバス４５を介する。 それは、好ましい実施の形態では、２５０ｋボー（Baud）の容量を持ち、時分割多元接続方式（ＴＤＭＡ）プロトコルを使用する非同期チャネルである。
【００１４】
車輪１６とクラスター１４（図１に示される）のためのアクチュエーターは、左車輪モーター５１のような、典型的にモーターであり、好ましい実施の形態では、そのアクチュエーターはサーボモーターである。 左車輪のためのアクチュエーター５１は、余剰左車輪アンプ４６及び４８のいずれかによって駆動されてもよい。 同様に、右車輪アンプ５０が右車輪のためのアクチュエーターを駆動し、クラスターアンプ５２がクラスターのアクチュエーターを駆動する。 本発明の好ましい実施の形態では、負荷分散パワーチャネルは、それによって左車輪アンプ４６と４８の両方が左車輪モーター５１の全性能のために必要とされるものを供給される。 しかしながら、各左車輪アンプは、車両が安全に静止するために来ることを可能にするために、短い時間制限された性能を提供することができる。 パワーチャネルは、また、ここ及び添付の特許請求の範囲では、「制御チャネル」として言及されてもよい。 追加の余剰は、各モーターの巻線の半分が車両の操作に十分なトルクを供給するために、各モーター５１に供給されてもよい。 各余剰フルセットのアンプ４６、５０、及び５２は、パワーアンプ制御部５４及び５６の一つによって制御される。 特に、強電流直列素子がバッテリーとモーターとの間に要求されないように、車輪アンプ４６と４８を介してサーボモーターに全電流を供給することは有利である。 余剰パワーベースプロセッサ２４、２６、及び２８とパワーアンプ制御部５４との間の連絡は、フルの余剰を提供するように、パワーベースシリアルバス５８を介し、余剰パワープロセッサ２４、２６、及び２８とパワーアンプ制御部５６との間の連絡は、第２のパワーベースシリアルバス６０を介する。
【００１５】
図２に参照して上記システム記述に照らして評価され得るように、車両と結び付けられる制御アーキテクチャーは、システムの種々の構成要素に付与する異なる不静定次数のために、高度に余剰であってもよい。
【００１６】
いくつかの問題は、上述される余剰を考慮して扱われなければならない。 一つの問題は、余剰構成要素が同時に存在し、賦活であるときに生じる制御と決定の割当てである。
【００１７】
シリアルバスの制御上述される好ましいＴＤＭＡプロトコルによれば、シリアルバス４５上の各装置は、予め定義されるデータセットを移し、広めるために、割り当てられたタイムスロットを持つ。 シリアルバス４５上の全装置は、ソフトウエアで設定可能な制御レジスタに基づいて、データの特定の送り主に応答し、あるいは従うためにプログラムされる。 シリアルバス４５は、シリアルバスマスター、例えば、例示のために、プロセッサ２４としてここに示される「マスターパワーベースプロセッサ（Master Power Base Processor）」に対応するパワーベースプロセッサ２４、２６、及び２８として言及される特定の一つのプロセッサによって制御される。 シリアルバスマスターは、マスター同期パケットとバスエラーデータコレクションを制御する。 マスターパワーベースプロセッサインターフェース障害の場合、以下に記述されるように決定される「二次パワーベースマスター」が、システムシリアルバスマスターシップの役を果す。
【００１８】
故障操作の重大な構成要素構成要素の操作が、車両の占有者を危険にさらさないで、車両をセーフモードにするために最も重要である場合、故障許容の三重余剰が、本発明の好ましい実施の形態に従って、故障操作機能性を作るために、用いられる。 故障操作の重大な構成要素の一例は、３つのいずれかが供給され、図２のパワーベースプロセッサ２４、２６、及び２８として示されるパワーベースプロセッサである。 パワーベースプロセッサ２４、２６、及び２８のそれぞれは、また、信頼性の高い出力が、車両のバランス、バッテリー状態等を含む車両の重大な機能性を補償するために必要とされる重要なセンサーの特定のセットに結び付けられる。 それにより、あらゆるプロセッサ又はセンサーの１点の故障が検出可能となる。 それに加えて、本発明の一実施の形態によれば、あらゆるプロセッサ又は検出器の操作における故障の検出は、現在制御しているパワーベースプロセッサに、そして、そこからユーザーインターフェース３８へ伝達され、それによって、視覚的、あるいは視覚的でない指示器によりユーザーに伝達される。 視覚的でない表示器は、２つの例を挙げれば、可聴警報又は触覚手段によって知覚できるものを含むが、これらに限られない。 潜在的危険をユーザーに警告するための視覚的でない指示のもう一つの手段は、周期的か非周期的のいずれかの、車輪駆動アンプにおける断続的な駆動信号の重ね合わせであり、それによって、乗客によって感知される車両のむらのある動きが作り出される。
【００１９】
三重の余剰センサー又はプロセッサの場合、故障は、余剰センサーの残りの一対によって供給されるデータと各センサーによって供給されるデータとを比較することによって検出され、それによって、故障操作機能性を作り出してもよい。 ここで、車両は、もし、一つに欠陥があると（記述された比較、あるいは別な方法で）決定されるならば、車両の占有者が危険にさらされることなく、車両がセーフモードに移行するまで、残りのセンサーによって供給される情報に基づいて作動し続けてもよい。 そのような場合、残りのセンサー又はプロセッサは、車両の機能性の減少レベルで作動が続くために、規定された制限内で一致するように要求されてもよい。 そして、作動は、残りのセンサー又はプロセッサ間の不調和の場合にすぐに終了させてもよい。 比較器は、電子工学分野の当業者に周知のように、電子スイッチ回路あるいは少なくとも一つのパワーベースプロセッサ上で実行するソフトウェアを用いて、あらゆる誤ったプロセッサ又はセンサーのシリアルバス４５、５８、及び６０への接続を無能にするために提供される。 例えば、作動の一モードでは、パワーアンプ制御部（ＰＡＣ）は、パワーベースプロセッサ（ＰＢＰ）Ａ及びＰＢＰのＢからの結果を格納する。 もし、２つの結果が同じであるならば、ＰＡＣは、両方が正しいので、ＰＢＰのＡからの結果を用いる。 もし、ＰＢＰのＡとＰＢＰのＢ２つの結果が異なるならば、ＰＡＣは、何をすべきかを指示されるまで１サイクル待つ。 ＰＢＰのＣは、第２のサイクルでそれ自身をシャットダウンするために故障プロセッサに信号を送り、第３のサイクルにおいて、ＰＡＣは、作動しているＰＢＰからだけ聞き、その命令に従う。
【００２０】
安全を保証する重大な構成要素構成要素の故障が車両の操作が安全に終了するために要求される時間中許容される場合、２重に余剰な構成要素が使用される。 この範疇に分類されるセンサーの場合、センサーの一つの故障は、それぞれのセンサーの出力を比較することによって検出される。 不一致が検出される場合、車両の操作は、安全に終了させられ、それによって、安全を保証する機能性が提供される。 安全を保証する機能性は、典型的に、接地モジュール内の力ハンドル（車両の外部制御のために用いられる）、ブレーキ、及びシート設備と同様に、各モーター５１、車輪アンプ４６、４８、及び５０、クラスターアンプ５２、並びに、パワーアンプ制御部５４及び５６のために提供される。
【００２１】
故障は、非余剰なセンサーの場合、センサー故障モードに特有なセンサー出力の特徴に基づいて、あるいは予期される性能に比較して、検出される。 非余剰センサーは、例えば、シート高符号器を含んでもよい。
【００２２】
安全を保証するジョイスティック図３において、安全を保証するジョイスティック機構が示され、一般に自動的に中心に戻るジョイスティック６２を持つ数字６０によって示される。 標準の電位差計ジョイスティックが、ジョイスティックに取り付けられる装置にドリフト又は「ハードオーバー」状態をおこさせる故障を生じ得るのに対して、ジョイスティック機構６０は、ジョイスティック６２が中心位置にあるときを検出する独立した手段を提供する。 例えば、ホール効果センサーであってもよいセンサー６４は、センサー６４との位置合わせにおいて、ジョイスティック柱６６が中心位置であるときを感知する。 電位差計６８及び７０は、２つの直交軸に関してジョイスティック６２の位置を感知する。 電位差計６８及び７０のいずれかに故障が起こる場合、もし、ジョイスティック６０が解放されているならば、それが自動的に中心に戻るジョイスティックであるので、ジョイスティック６０は、中心に戻り、センサー６４とかみ合い、それによって、故障の電位差計システムから独立しているシステムに信号を供給する。
【００２３】
付随する操作制限上述のような構成要素の故障の検出に加えて、本発明の代わりの実施の形態において、車両の占有者の安全を提供するために、追加の制御部特性が与えられてもよい。 米国特許第５，７０１，９６５号及び米国特許出願番号第０８／３８４，７０５号に記述されるような車両制御の種々のモードでは、トルクは、ユーザー入力又は車両バランスのような内部制御目標によって決定される特定の制御目標を達成するために、クラスター又は車輪の適切なセットに適用される。 車両の車輪が地面との接触を一時的に失う場合、浮揚している車輪の回転は、地面に関して車両位置の確かな一定量ではなく、車輪へのトルクの適用を制御することにおける車輪の回転効果は、これらの状況下における車輪の加速を効果的に制限して、制限されなければならない。
【００２４】
スピードを制限するための追加の基部は、十分な予備トルクが常に車両の安定性を維持するために利用可能なように、残存するバッテリー容量又は空き高への言及を含む。 さらに、もし、モーターがパワー再生のために用いられるならば、斜面を下るときにバッテリーの過充電を防ぐために車両のスピードが制限されてもよい。 同様に、分路調整器の散逸要求は、下っている車両の最大スピードを減速することによって減少し得る。 それに加えて、車両速度は、横安定性制約に従ってシート高を基礎として制限されてもよい。 スピード制限に加えて、車両の操作のモードは、上述のように得られる故障データを基礎にして制限されてもよい。
【００２５】
本発明の記述される実施の形態は、単に例示的であると意図され、非常に多くの変形及び改良は、当業者にとって明白である。 すべての変形及び改良は、添付される特許請求の範囲に定義されるように、本発明の範囲内であるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の一実施の形態が有利に使用され得るタイプの先行技術の個人的乗物の側面図である。
【図２】 図２は、本発明の好ましい実施の形態における個人的乗物を制御するための制御構造のブロック図である。
【図３】 図３は、本発明の一実施の形態におけるフェイルセーフジョイスティックの斜視図である。