动态平衡的运输车指的是具有控制系统的个人运输车，在运输车 工作时，该控制系统主动地保持运输车的稳定性。所述控制系统通过 连续地检测运输车的定向、确定校正动作以保持稳定性并控制轮子电 动机做出校正动作，从而保持运输车的稳定性。
对于保持稳定的站立区域的车辆，一方面，转向控制和车辆的向 前运动的控制之间的耦合不是所关心的问题，这是因为，在通常的路 面条件下，在整个转弯过程中，依靠与地面接触的轮子保持稳定性。 然而，在平衡运输车中，施加到一个或多个轮子的任何扭矩均影响运 输车的稳定性。转向和平衡控制机构之间的耦合是美国专利 No.6789640的一个主题。本发明的主题是方向输入，其根据平衡车辆 的转向要求来有利地提供直觉的和自然的人力控制整合。

根据本发明的优选实施例，提供控制器，该控制器可用来向用户 提供运输车的期望运动方向或定向的输入。该控制器具有用于基于检 测到的用户身体定向来接收用户指定的输入。
用户可使用许多输入形式中的任意形式传送用户指定的输入，这 些输入形式包括：超声身体位置感应；脚部力感应；操纵柄倾斜；主 动操纵柄；身体位置的机械感应；和线性滑动方向输入。
在本发明的那些实施例中，其中运输车能够在一个或多个接地元 件上平衡工作，提供输入以用于接收由用户指定的基于所检测到的用 户的身体定向的期望运动方向值或者期望速度值。处理器生成至少基 于用户指定的方向和速度值的命令信号，连同基于(pitch)误差的倾 斜命令信号，从而在实现指定的方向和速度的过程中保持运输车的平 衡。所期望的方向的输入也可包括用户指定的偏航值、偏航角速度值 或向前/向后方向。
在本发明的各种其它实施例中，控制器具有加和器，该加和器用 于根据用户指定偏航值来差分化瞬时偏航值以产生偏航误差值，使得 由处理器产生的偏航命令信号至少部分地基于偏航误差值。用来接收 用户指定的输入可包括：被配置用来检测用户定向的压力传感器、被 配置用来检测用户定向超声传感器、或被配置在支撑用户的平台上用 来检测用户的重量分布的力传感器。在又一些其它实施例中，用来接 收用户指定的输入包括被配置为与一轴线相横切的平面中的轴，其中 该轴线表征两个横向布置的轮子的旋转，基于该轴的定向来指定所述 期望方向和速度。
根据本发明的另外实施例，平衡运输车可包括操纵柄，而所述控 制器还可具有动力驱动的枢轴，该动力驱动的枢轴至少基于运输车的 横向加速度和滚转角中的一个用来定位该操纵柄。具体地，所述控制 器可具有位置回路，用来指令操纵柄使得其大体上与第一轮子的速度 的平方和第二轮子的速度的平方之差成比例。
根据本发明的其它实施例，提供一种设备用来促使骑车人定位在 车辆上以减小车辆横向加速引起的横向不稳定。该设备具有输入和指 示装置，该输入用来接收根据期望行进方向的骑车人的指定，该指示 装置用于将至少基于车辆的当前横向加速度的期望瞬时身体定向反映 给骑车人。指示装置可包括相对于车辆可枢转的操纵柄，该操纵柄响 应于车辆转弯被驱动。
附图说明
通过参考下面的结合附图的详细描述，将更容易理解本发明的上 述特征，其中：
图1示出如在美国专利No.6302230中被详细描述的个人运输车， 本发明可有利地应用于这种个人运输车；
图2示出一框图，该框图示出在可有利地应用本发明的系统结构 中的偏航命令的组成输入和输出；
图3A是根据本发明的实施例的偏航控制机构的部件的分解透视 图，其示出了与个人运输车的用户接口相连接的偏航控制把手；
图3B示出图3A的偏航控制把手的详细的分解透视图；
图3C示出图3A的偏航控制机构的完整的偏航控制传感器；
图4示出根据本发明的实施例的偏航反馈控制系统的示意性框 图；
图5A是分别处于完全正直位置的、向左倾斜的和逆时针旋转的骑 车人的示意性俯视图；
图5B是根据本发明实施例的髋部轭架的正视图，该髋部轭架用来 检测骑车人定向的改变以命令偏航；
图5C是根据本发明各种实施例的超声发送器/接收器的构造的图 表；
图5D是由图4A所示的本发明实施例的部件发送并接收的超声信 号的波形定时显示；
图6A是个人运输车的平台在去除压力板后的俯视图，示出根据本 发明各种实施例的脚作用力压力传感器的放置；
图6B是图6A所示的本发明实施例的压力板的图表，该压力板用 于由用户施加力；
图6C是示意图，示出了根据本发明实施例的来自图6A的脚部力 传感器的偏航命令信号的形成；
图6D示出作为偏航输入的函数的命令中的死区；
图6E示出作为轮子速度的函数的反向转换偏航命令的斜坡函数；
图7A示出根据本发明实施例的用来控制对个人运输车的输入的 操纵柄倾斜装置；
图7B示出根据本发明实施例的具有弯曲连接到接地模块的控制 杆的操纵柄倾斜装置，用来控制对个人运输车的输入；
图7C示出根据本发明实施例的具有分离操纵柄的另外的操纵柄 倾斜装置，用来控制对个人运输车的输入；
图7D示出根据本发明实施例的用来控制对个人运输车的输入的 旋转操纵柄装置；
图7E示出根据本发明实施例的用来控制对个人运输车的输入的 操纵柄倾斜装置；
图7F示出如图7A所示的本发明的实施例所使用的减震器和阻尼 调节；
图7G是根据本发明实施例的混频器模块的模块示意图，该混频器 模块用来组合偏航输入和滚转信息；
图7H示出根据本发明实施例的用于允许锁定操纵柄的旋转自由 度的操纵柄承载和缓冲(detente)；
图8A示出根据本发明实施例的主动操纵柄对滚转干扰的响应；
图8B和8C示出根据本发明实施例在高速转弯期间主动操纵柄响 应的正视图和后视图；
图9A和9B示出图8A-8C的实施例的动力驱动的操纵柄的基本机 械零件布局；
图10A示出根据本发明实施例的用来向个人运输车提供转向输入 的膝盖位置传感器的正视图；
图10B示出与图10A的膝盖位置传感器结合使用的定心机构；
图10C示出根据本发明实施例的用来提供用户偏航输入的髋部位 置传感器；
图10D示出根据本发明实施例的用来提供用户偏航输入的躯干位 置传感器；和
图11示出根据本发明另一实施例的线性滑动踏板机构。

如果个人运输车能够在一个或多个轮子上工作，但是在没有控制 轮子工作的控制回路的工作的情况下不能竖立于这些轮子上，则这种 个人运输车可被说成以“平衡”形式运行。平衡个人运输车缺乏静稳 定性但是可以动态平衡。在这种个人运输车和地面或其它下方表面之 间提供接触、并在常规工作期间相对于倾翻最低限度地支撑运输车的 所述轮子或其它接地元件在此被称为“主要接地元件”。
图1示出总体标识为标记10且在美国专利No.6302230中被详细 描述的平衡个人运输车，作为可有利地应用本发明的装置的例子。受 试者8站立在支撑平台12上并抓住连接到平台12的柄16上的把手14。 可提供控制回路，使得受试者的倾斜导致如下所述的通过图2中示意 性地示出的通过电动机驱动的方式施加关于轴22的扭矩至轮子20，因 而引起运输车的加速。然而，运输车10是静态不稳定的并且缺少控制 回路的工作以保持动态平衡，运输车10将不再能够以其典型的工作方 向工作。在本说明书和任何所附权利要求中所使用的“稳定性”指工 作位置的机械条件，对于该工作位置，如果系统受扰动而在任何方面 离开工作位置，该系统将将能够自然地返回。
不同数量的轮子或其它接地部件可有利地用于本发明的各种实施 例，具体而言可适合于改变各种应用。因此，在本发明的范围内，接 地部件的数目可以是等于或大于一的任何数目。如果个人运输车能够 在一个或多个轮子(或其它接地元件)上工作，但是在没有控制轮子 工作的控制回路的工作的情况下不能稳定地竖立于这些轮子上，则这 种个人运输车可被说成以‘平衡’的形式运行。那些用于在这种个人 运输车和地面或其它下方表面之间提供接触、并在常规工作期间相对 于倾翻而以最低限度地支撑运输车的所述轮子或其它接地元件在此可 被称为‘主要接地元件’。例如运输车10的运输车可有利地用作可移 动工作平台或例如高尔夫球车或运载工具的娱乐车辆。
如在此使用的术语“倾斜”是指在给定时刻相对于穿过系统质心 的直线的局部竖直方向和将系统支撑在底面上的接地元件的旋转中心 的角度。术语“系统”是指由于接地元件相对于其上方是所述车辆运 动的表面的移动而引起运动的所有主体。
如用在本描述和任何所附权利要求中的“稳定性”指工作位置的 机械条件，对于该工作位置，如果系统受扰动而在任何方面离开工作 位置，该系统将能够自然地返回。
在美国专利申请系列号10/308850中详细描述了一种用来提供用 于个人运输车的偏航控制系统的用户输入的机构。如在这里描述的并 如图3A到3C示出的，通过旋转图3B中详细示出的偏航把手组件800， 登上运输车的用户可向偏航控制器502(示出于图2)提供偏航控制输 入。
图2描述加和器522中当前偏航值ψ相对于期望偏航值ψdesired的 差分化以获得当前偏航误差ψerr。期望偏航值ψdesired从用户输入获得， 这里描述了期望偏航值的各种实施例。从各种状态估算中导出当前偏 航值ψ，例如从差分轮速、惯性感应等。根据偏航误差对偏航命令的 推导可以由电动机控制器72根据例如在美国专利No.6288505中描述 的各种处理算法来提供，并分别应用到左电动机28和右电动机30。
特别参考图3A，用户接口14的一个实施例具有成对的空心杆802， 该成对的空心杆802在每一侧上有一个，任一个可以可互换地用于支 撑偏航把手组件800。因此，通过中心控制轴16的任一侧的指定的手 (右或左)，可有利地命令偏航。偏航把手组件800包括把手804，该 把手804绕与杆802共轴的轴线806旋转。弹簧减震器808对于偏航 把手804的旋转提供反作用力，并把偏航把手804返回到中心的中立 位置。偏航把手804包含至少一个磁体810(根据优选实施例，图3B 中示出两个)，该磁体绕轴线806的旋转使得被布置在突出的杆802 内的传感器单元812(示出于图3C)来感应把手804的旋转方向。因 此，用户接口14可在其端部以固定的偏航把手814密封，并且偏航控 制输入不影响用户接口的整体密封性质。传感器单元812可包含霍尔 效应传感器，该霍尔效应传感器优选地对于保证自动防故障的工作是 冗余的。在本发明的范围内，也可使用其它磁体传感器。
图4示出根据本发明的一个实施例的用于偏航反馈控制系统的框 图。LateralAccelScale函数42在较高轮子速度和较高离心加速度的情 况下减小偏航输入40的效果。用来调节受控制的偏航速度的反馈44 包含：偏航位置项45，它用来保持偏航位置；速度平方项46，它将试 图把偏航速度调节到零；和前馈项49，它用于响应用户提供更好的偏 航命令。
根据图4，显然的是，前馈项49必须以快速操纵进行支配以便提 供响应系统。速度平方反馈46偏离线性控制理论并具有提供非线性偏 航速度衰减的效果。
以下将描述扭转把手输入装置的数个可选方案，其用来指定用户 方向或速度输入。
身体位置感应
根据本发明的各种实施例，检测骑车人的身体位置的装置被用来 控制运输车的向前/向后运动或转向。为了偏航控制，根据本发明的各 种实施例，传感器检测如图5A中从上方示意性地示出的骑车人的髋部 或肩部是否是方方正正地对齐的、还是沿横向方向51平移的或者是旋 转的，使得一个肩部被沿向前方向52推动，而相对的肩部被沿向后方 向53推动。这些方案可独立使用或用来提供方向输入。
感应身体位置以控制车辆偏航或向前/向后运动的任何方法都在 本发明和任何所附权利要求的范围内。结合图5B描述的本发明的一个 实施例要求与骑车人8机械接触。衬垫54安装在轭架55上并包含压 力传感器，该压力传感器基于感应到的用户髋部位置的改变来发送信 号到偏航控制器。感应用户位置的其它方法可依靠光学检测或超声检 测，现在结合图5C和5D描述光学检测或超声检测的一个例子。
在一个实施例中，骑车人佩戴超声速信标，被安装于机械装置的 一排接收器用来检测骑车人的位置。从发送器到每个接收器获得渡越 时间信息，并且该渡越时间信息用于计算用户相对于机械装置中心的 横向位置。把机械装置向右转，则用户向右倾斜，并且对于左转情况 类似。如在美国专利No.6302230中描述的这类个人运输车的前后运动 控制的情况下，除了用于把身体运动变换到运输车控制的该机构的这 种直观优势以外，身体控制特征也可以有利地正确定位高速转弯时的 用户的重心(CG)。
结合图5A和5B描述的身体倾斜系统由三个不同的机械部件，即 发送器信标、接收器阵列和处理电子设备组成。在本发明的一个实施 例中，骑车人佩戴超声(US)/RF发送器信标，并且一排超声接收器 和RF接收器与接口电子设备一起安装在运输车的操纵柄下方。可以使 用各种超声发送器/接收器，例如由英格兰Norfolk地区的Devantech Ltd. 供应的那些发送器/接收器。发送器信标是小块Delrin聚甲醛树脂，该 小块Delrin聚甲醛树脂具有40kHz标准频率的，以90和±45度安装 的三个超声发送器。这产生大约160度的声锥。驱动器电子设备被安 装在隐埋于发送器后面的印刷电路板之上，并且小的RF发送器安装在 该电路板的下方。用无线电话的带夹把发送器连接到用户，而电力由 电池供给。
接收器阵列是一杆件，该杆件在各个位置处安装有接收器。超声 接收器也安装在小块Delrin中，在每个位置处杆件的后面具有电子设 备。为增加接收锥的尺寸，在每个位置处使用两个US接收器，一个接 收器安装成正直向外而另一个接收器与该一个接收器成45度。对于外 侧传感器，45度接收器朝内，而对于内侧接收器，45度接收器朝外。 这使得可以在骑车人处于机械装置的中心时使用两个外侧接收器(左 和右)来定位，但当骑车人移向右边时，两个右传感器接管，并且当 骑车人移向左边时也一样。
例如Devantech Model SRF-04的超声测距仪可提供发送器和接收 器的功能和电路，但各种修改均包含在本发明的范围内。信标部分把 三个驱动器合并到单个板上。此外，微控制器代码存在于发送器的板 上，这允许该板连续地发送。
设计用来与计算机对接的板是与Devantech板具有相同类型的微 控制器的电路试验板。该板的功能是产生用于表示RF脉冲和超声脉冲 之间的到达时间差的矩形波(当RP脉冲到达时波走高而US脉冲到达 时波走低)，并把该波正确地接到计算机电路。由于RF以光速传播， 而声音以声速传播，这个方案导致精确的超声渡越时间(TOF)信号。
参考图5D，存在于机箱中的计数定时板接收用于表示从发送器到 4个接收器的4个TOF信号的4个波形，并利用400KHz来确定每个 脉冲的周期(以400khz时钟来计数)。然后，将该信息并入算法以便 进行距离计算和另外处理。
当平衡运输车以任何相当大的速度行进时，骑车人需要倾斜进入 受控的转弯以便抵消由该转弯引起的向心加速度。该机械装置使用身 体定位传感器来转弯该机械装置。当骑车人以机械装置为中心时，不 产生转弯输入。当骑车人向左倾斜时，则指令进行右转弯，并且对于 向右倾斜也一样。因此，不对转弯初始化，直到用户CG适当地定位。 此外，通过分辨用户精确的CG定位(如通过把发送器定位在骑车人的 腰部)，系统能够精确地将轮子速度/转弯速度匹配到用户所处角度， 理论上精确地抵消作用在身体上的力。因此，为骑车人的CG位置和轮 子速度调整了转弯量。
根据本发明，来自超声发送器的渡越时间(TOF)信息被传输到 至少2个超声接收器。根据RF接收的脉冲边缘到US接收的脉冲边缘 之差计算渡越时间。由于声速大体上是常数(在机械装置的工作内)， 根据发送器到接收器的声音渡越时间可计算距离。然后，使用余弦定 律和接收器离开中心及相互之间的已知距离来计算发送器沿横向方向 的位置。由于冗余的接收器，横向位置是唯一的，离开杆件的向前/向 后距离和高度的变化不影响该横向位置(除非这种变化导致视距 (line-of sight，LOS)损失)。
脚部力
根据本发明的另一实施例，通过使用踏板上的力传感器检测骑车 人的重量分布，向运输车提供偏航控制输入。为了转向，骑车人沿期 望的转弯方向倾斜。向右倾斜：向右转弯；向左倾斜：向左转弯。可 根据包含了定位在踏板的许多力传感器的基本系统获得许多变型。
PCB板为力传感器提供所有的信号调节。以零至5伏特的模拟信 号将传感器信号从PCB板输出。放大器上的其余A/D输入用于读入8 个模拟信号并向用于每个传感器的软件提供8位计数。
实施的并测试的主要变型使用踏板左侧的传感器和右侧的传感 器。当人向右倾斜时，右传感器信号变大，表示向右转弯。当人向左 倾斜时，左传感器信号变大，表示向左转弯。构造专用踏板以用来允 许在刚性板的四个角部测量力分布。
有利地是，所得系统非常易于低速操作，并且与扭转把手偏航输 入相比，骑车人可能更熟练于这种偏航输入。在使系统能更好地处理 干扰的所述装置带宽和所述系统的感知响应之间存在折衷。
对于正常的运动，当开动个人运输车时，用户倾向于沿转弯方向 移动重量。这种情况的原因是由转弯产生的向心力倾向于把人推离运 输车。当乘骑3轮或4轮全地形交通工具(ATV)时，需要相同的用 户运动。因此，促使得到好的用户位置的用于转弯的正常输入是，当 用户把其重量向右移动时向右转弯。在这种构造中，用户处于理想的 位置以进行右转弯。
滑雪者和滑冰者倾向于以他们的右脚离开从而向左转弯。这种情 况的原因是，他们通过使用他们的脚，把他们的重量分布从右侧转移 到左侧。在根据本发明的个人运输车上，用户需要不使用脚而使用用 于此输入装置的操纵柄把其重量从右侧转移到左侧。如果颠倒这种样 式以适应滑雪者和滑冰者的偏好而向右倾斜并向左转弯，则将导致不 稳定的系统。随着用户向右倾斜时，运输车向左转弯，产生把用户更 加推向右边的向心力，产生更加向左转弯的命令。
参考图6A，将力感应元件定位在可变形带子的端部大约一角硬币 的尺寸的圆中。在没有力作用在传感器上时，阻抗大约是800莫姆。 在100磅作用在传感器上时，输出大约是200莫姆。为调节信号，运 算放大器用于产生有源放大器和有源抗混叠滤波器。放大器的目标是 产生与阻抗的改变成比例的输出。滤波器的目标是防止测得高于50Hz 的量。由于反向放大器提供与阻抗的改变成比例的输出，因而使用反 向放大器。反向低通滤波器用作抗混叠滤波器，并用来把电压变回到0 到5伏。+/-12伏电源用于驱动运算放大器以保持在运算放大器的线性 安全区域内。
传感器定位在金属踏板下面，金属踏板的每个角部中有一个传感 器，如图6A所示。当提供硬表面以压在4个传感器的每一个上时，在 顶部的金属板允许按压标准骑车人检测按钮。所述金属板示出于图6B。
图6C中示出从传感器测量到转移到控制系统的偏航命令的全部 偏航命令。
由于用户站在适当位置时经常轻微地移动其重量，所以添加死区 到传感器处理。如图6D所示，死区48在零偏航输入周围设置区域， 在该区域中，微小的偏航输入不引起偏航命令。
为了计算来自传感器的偏航命令，使用以下方程：
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其中 是受控制的偏航变化率。
每个传感器在当其上没有重量时设置0伏或0计数，且在满载时 设置5伏或255计数。大约40个计数的死区提供具有足够空间的足够 平稳的控制以便感觉舒适。此外，借助通常集中在从大约0.5Hz到大约 3Hz的通带，可使用滤波器滤去命令信号。
当相反运动时，如果相同的方程用来产生偏航命令，所得到的系 统具有正反馈。相反，当运输车进行“S转弯”时，如果用户向右倾斜， 运输车将向左转弯并在用户上产生向心力，把用户推向右侧。为解决 这种问题，可实施“C转弯”。当运输车开始反向运动时，斜坡函数用 于翻转偏航命令。为保持一致的转弯动作，当在原地转弯时，斜坡仅 在反向运动时转换偏航命令的方向。图6E示出用来反向转换偏航命令 的作为轮子速度的函数的斜坡函数。使用rampRev函数按下式修改偏 航速度命令：
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rampRev信号在5.0Hz被低通滤波以消除斜坡效应。
当按下例如制动开关7(示出于图3A)的制动开关时，可连接该 制动开关以关闭偏航命令。当按下按钮时，将偏航命令乘法器置为0， 然而如果释放按钮，将偏航命令乘法器置为1。使用0.5Hz低通滤波器 用来平滑开和关之间的跳变。
操纵柄倾斜
好的方向输入装置的一个关键属性是在处理横向加速度时能提供 方向输入。横向加速度高时的转弯需要用户倾斜进入转弯以避免从运 输车跌落或倾翻。当操纵方向输入时，最佳的方向输入装置将需要用 户适当定位他们的身体。例如上面结合图3论述的扭转把手偏航输入， 通过其旋转轴线的定向以及旋钮和把手组合的设计，促进适当的身体 定位。然而，取决于司机的技术，也可以进行非协同输入。
促进适当的身体定位的另一方法是把一个或多个操纵柄制成控制 杆。通过在所述机械装置的基部附近枢转所述杆件，用户可以高速移 动他或她的身体，并且仅仅拉住操纵柄和操纵输入。当适当调节时， 用户的身体已经处于适当位置，以便在开始转弯时反抗横向加速度， 减少不适当地协同的转弯的可能性。
在操纵柄倾斜机械装置中，偏航输入与相对于底盘的操纵柄角度 成比例。优选地，由于用户通过以踝部进行扭转而达到最稳定地倾斜， 因此将枢轴尽可能低地安装在运输车接地模块上，以便允许所述杆件 运动可以自然地跟随用户身体运动。换言之，低的枢轴操纵柄追踪身 体运动。在本实施例中，使用标准个人运输车算法把偏航输入转化成 偏航命令，该算法将固定增益应用到低速下的偏航输入，但在高速下 按比例划分该增益以使得偏航输入对应于横向加速度而非偏航角速 度。由于期望的倾斜角度与横向加速度大致地成比例，所以以上所述 适用于操纵柄倾斜装置。该结果是非常正常的输入方法，在用户通过 倾斜“想到”右侧或左侧时，所述机械装置将跟随。
${\stackrel{·}{\psi }}_{\mathrm{cmd}}=K({\Phi }_{\mathrm{HB}}-{\Phi }_{\mathrm{Roll}})$
其中K是常数；
ΦHB是相对于平台的操纵柄角度；
ΦRoll是相对于重力的平台倾斜；
是偏航命令。
本发明的其它实施例可具有倾斜或水平地安装的枢轴操纵柄。在 具有倾斜枢轴的机械装置中，相对于接地部分和表面的枢轴的角度提 供令人感兴趣的转弯动态特性。具体地，旋转轴线可影响斜坡上或平 坦表面上的转弯动态特性。优选地，机械装置具有低的水平枢轴。在 转弯期间，水平枢轴可以容易地追踪身体的运动。
根据本发明的其它实施例，以行进方向作为参考点，装有枢轴的 操纵柄可安装在运输车的前部或后部。后部安装的枢轴操纵柄的构造 允许用户除了使用连接到操纵柄的肢体外，还可以使用身体的其他部 分例如膝盖来操纵运输车。而且，运输车可包括当用户登上或下来时 禁止倾斜操纵的特征。当运输车确定用户部分地在平台上/下时可启动 该特征，使得在用户登上或下来时运输车不会转弯进入或离开用户。
适合于提供操纵柄倾斜的各种机构中，结合图7A描述了第一种。 通过枢转地连接到平台12和操纵柄700的平行连杆702，操纵柄700 的移动被约束在与个人运输车10的向前运动方向大体上成横向的平 面。操纵柄的移动也可偏斜到中心位置和/或通过弹簧704或减震器衰 减。在图7B示出的可选实施例种，操纵柄700可通过弯曲元件708连 接到运输车10的平台12，再把操纵柄的移动大体上约束在与向前运动 方向成横向的平面，并允许操纵柄沿着以平台12的平面上或附近的虚 拟枢轴为中心的圆弧倾斜。在图7A和7B的实施例的任一个中，相对 于竖直方向或相对于相对接地模块固定的方向，一个或多个传感器710 检测操纵柄700的位置或检测用于将操纵柄连接到运输车的剩余部分 的部件702的位置。传感器710可以是例如沿控制轴16布置的测压元 件。此外，如果期望，连接到操纵柄的弹簧或减震器可用于限制运输 车的转弯速率。
优选地，操纵柄的移动不偏斜到中心位置。在操纵柄不偏斜到中 心位置的实施例中，在中心的周围没有预加载荷，因而用户可精确地 且准确地操纵运输车。
根据图7C示出的实施例，通过用户8的倾斜，两个分离的操纵柄 部分720和722可以相对于运输车的平台12分离地运动。在示出的实 施例中，每个操纵柄部分的位置借助弹簧或以其它方式在相应的套筒 724和726内倾斜到指定的“中立”高度。正如所描述的结合其它用户 输入形式，将相对高度偏移发送到偏航控制器以控制转弯。
图7D示出本发明的又一实施例，其中对于操纵柄700的730和 732分别相对于支撑杆16的顺时针旋转和逆时针旋转进行感应以产生 用于把用户输入发送到偏航控制器502(示出于图2)的信号。减震器 734优选地安装成围绕轴16的操纵柄700的枢转耦合内。
根据本发明又一实施例的操纵柄倾斜装置表征为图7E示出的枢 轴机构。枢轴70的弹簧常数和预加载均可调节，且具有±15°的固定 运动范围。优选地，枢轴具有不受限制的运动范围。枢轴尽可能低地 安装在接地模块底盘26上，而把手16安装到机构的旋转部分。一对 减震器74可提供另外的阻尼(damping)和刚性。减震器74安装成轻 微偏离水平位置以便在整个运动范围中最大化它们对控制轴16的垂直 度。
可以以弹簧常数和阻尼来调节震动。弹簧常数可通过对震动储气 器进行加压来调节。阻尼调节是借助旋钮进行，该旋钮改变震动内部 的空口尺寸。减震器74示出于图7F。枢轴机构的内部是凸轮和弹簧加 载的从动件。凸轮压缩从动件弹簧，该从动件弹簧产生恢复弹力。为 改变弹簧常数，不同的凸轮被替换在枢轴中，并且一些情况下改变贝 氏弹簧(Belleville spring)的数量。使用螺钉从外部调节预加载，该螺 钉移动一楔形件以定位贝氏弹簧组。通过可互换的凸轮可提供各种刚 度。
安装上刚性最大的凸轮且减震器处于环境压力时，导致大约8磅 的预加载，如在所述操纵柄处测量的。使操纵柄偏转到其全部的15° 行程需要大约40磅的力。
操纵柄倾斜控制中必须解决的一个问题是地形敏感效果。如果驱 动机械装置越过障碍物或不平地形，由于所得到的用户位置的改变可 引起非预计的偏航输入被输入该系统，因此将滚转干扰强加于机械装 置/骑车人系统。与所谓的通过扭转把手的偏航控制相比，取决于站立 者的整个身体的倾斜的偏航控制形式更易于对地形敏感。
为防止这种滚转敏感性，可使用滚转补偿算法。在这种算法中， 修改偏航输入以补偿底盘的滚转角，使偏航输入为操纵柄相对于重力 的角度。由于对于用户来说，相对于重力保持身体位置比相对于平台 保持身体位置更容易，这便于抑制滚转干扰。
根据本发明的某一实施例，降低地形敏感性的方法使用基于底盘 滚转角速度滤波偏航输入的算法。称为滚转角速度(Roll Rate)的滚转 瞬时速率可容易地从例如在美国专利No.6332103中描述的倾斜状态估 计器(Pitch State Estimator)获得，该倾斜状态估计器基于一个或多个 陀螺仪、倾斜仪或上述组合而得到运输车的定向。大的滚转瞬变引起 骑车人加速，并且如果滚转瞬变通过骑车人被刚性耦合到偏航偏航控 制机构，则滚转瞬变将引起非预计的偏航输入。
解决方案的两个截然不同部分是：直线行驶时抑制地形和转弯时 抑制地形；第一种情况是第二种情况的特例。虽然在大滚转角速度期 间禁止偏航将解决沿固定方向运动的问题，但需要更多的输入以便把 滚转从操纵运动中分离。
未知的输入是对骑车人的“预计”偏航输入，即预想比如说沿20 英尺的圆行驶的估计。虽然这种信息不是直接可获得，但可以有效地 从偏航输入历史推断。对数据的简单的低通滤波提供偏航输入的估计。 然而，这引起骑车人可察觉的响应延迟。另一方面，如果仅当出现高 的滚转角速度时使用低通滤波后的数据，骑车人不大可能察觉该延迟。 然后，根据本发明优选实施例，所述算法在直接偏航输入和严重滤波 方案之间使用由滚转角速度控制的混频器。
转移函数模拟将结合入偏航信号的滚转角速度的量。该转移函数 是各种因素的函数，这些因素包括偏航输入的设计，骑车人的能力和 骑车人如何进行偏航输入。通过使用这种混频方法，转移函数可以基 本上被忽略或至多通过调整被最小化。
四个主要调整点是：混频器转向到已滤波方案有多快，混频器转 回有多快，混频开始和结束的阈值，和偏航输入的低通滤波(LPF)的 拐角频率。非受控制的偏航的量存在限制，该非受控制的偏航的量可 由于设定混频阈值而去除。通过设定高的混频阈值，则存在更多的非 受控制的偏航，通过设定低的混频阈值，将存在更多误动作并且骑车 人将开始察觉到偏航信号的时滞。设定LPF频率也具有折衷。如果偏 航被太严重地滤波，则将存在可察觉的延迟和从过去耦合入的偏航瞬 变的可能性。混频阈值设定得太低，则能够减小混频器去除瞬变的能 力。
现在参考图7G，混频器模块定义为：
偏航命令＝F*偏航输入+(1-F)*滤波偏航，
其中F是混频器函数，该函数是在0.0和1.0之间连续地改变的信 号。
根据本发明的另外实施例，当反抗所述轴以重新定位骑车人的身 体位置时，降低了非预计的偏航控制。可以重新定位操纵柄的旋转中 心，允许用户横向拉所述杆件而不引起任何位移。在示出于图7H的另 一实施例中，轴16在两个耦合的自由度内自用移动。当用户需要反抗 所述杆件时，用户能够通过接合齿轮78限制一个DOF从而锁定所述 杆件。偏航命令可由根据轴16绕其轴线的扭矩和根据轴16相对于竖 直方向的运动所导出的输入的线性或其它形式的混合物组成。
或者，可使用力或扭矩输入。横向力测压元件允许用户扭转杆件 以便重新定位杆件。同样地，可提供扭矩敏感杆件以允许用户横向拉 杆件。
操纵柄倾斜控制中必须处理的另一个问题是在向后运动或反向运 动时转弯的效果。如上所述，在向后运动时，通过转换偏航命令的方 向，系统可而处理倾斜转弯以执行“S转弯”或“C转弯”。优选地， 系统执行“S转弯”。在向后运动时，系统还可通过使倾斜控制运动减 敏从而补偿转弯动态特性。有利地是，在反向运动的同时使倾斜控制 减敏便于使用相同的方程产生偏航命令，所得的系统具有正反馈。
在本发明的范围内，这些上述实施例的任一个可与例如图3A-3C 所示的旋转偏航控制输入装置结合。在这种布置中，旋转控制用于低 速偏航，而倾斜装置将用于在较高速度时控制横向加速度。
主动操纵柄
根据本发明的另外实施例，主动操纵柄系统提供相对于底盘的操 纵柄角度的主动控制。该操纵柄安装在动力驱动的枢轴上。基于横向 加速度和底盘的滚转角，相对于底盘对该操纵柄定位。如果用户与操 纵柄保持良好接合，杆件有助于定位用户身体以改善横向稳定性。熟 练的用户与杆件自动地倾斜，几乎不施加横向力。然而，如果遇到意 外地障碍物或进行转弯，主动杆件可向即使很有经验的操作者提供辅 助。当横向操纵和在转弯操纵期间，该系统在斜坡上也特别有用。
为了保持用户非常稳定，杆件应定位成与横向加速度和重力的合 成矢量相平行。在这里描述的系统中，仅使用轮子速度来确定横向加 速度，而不利用任何其它可用的状态估计器信息。横向加速度由以下 方程给出：
alat＝ωυ，
其中ω时偏航角速度，而v是运输车的速度。ω基于轮子速度(Vl 和Vr)的差和轮距T(wheel track)。
$\omega =\frac{V_l-V_r}{T}$
v由平均轮子速度确定：
$\omega =\frac{V_l+V_r}{2}$
组合这些方程给出：
$a_{\mathrm{lat}}=\frac{V_l-V_r}{T}·\frac{V_l+V_r}{2}=\frac{V_l^2-V_r^2}{2T}$
由于对于小角度tan(alat)≈alat，杆件离开竖向的位置与每个轮子速 度的平方之差成比例。该位置必须通过加上底盘的滚转角来补偿，这 基于横向加速度和重力加速度的矢量和而得出操纵柄位置。
主动操纵柄的操作被进一步描述如下。用户命令偏航，例如通过 图3A-3C示出的旋转偏航输入。通过使其手臂刚性连接到操纵柄，用 户可允许主动杆件辅助用户定位，或者他可以保持较软性的连接并使 用主动杆件以向其提供反馈。在另一实施例中，如图8A-8C所示，用 户优选地借助操纵柄的倾斜来命令偏航。图8A-8C示出操纵柄响应滚 转和转弯运动。注意，在图8C中，操纵柄与用户的腿的对齐。
图9A和9B示出动力驱动的枢轴的基本机械零件布局。该动力驱 动的枢轴由谐波传动减速单元92组成，该谐波传动减速单元92由电 动机90提供动力。驱动的输出通过转接器94连接到控制轴。动力驱 动的枢轴在底盘12和控制轴16(示出于图8A)之间产生扭矩，可调 节该扭矩以提供主动操纵柄系统所需的位置控制。谐波传动是非常紧 凑的高减速比的齿轮组，该齿轮组是高效率的且可反向驱动的。谐波 驱动的工作是这样大：通过利用椭圆形轴承(称为“波发生器”)， 使略微较小的挠性齿轮96(称为“挠轮”(flex spline))绕着较大刚 性齿轮的内侧(称为“圆轮”(circular spline))“步进”。合适的谐 波传动可从HD Sysytems，Inc.of Hauppauge，NY获得，并在附页中有说 明。
主动操纵柄系统使用标准算法以控制轮子。借助位置回路控制操 纵柄，该位置回路控制位置与轮子速度的平方之差成比例。虽然可计 算理论增益并把理论增益转换到适当的固定点单元，实际上根据经验 确定理论增益。
位置回路是用于反馈的使用电动机编码器数据的标准PID循环。 调整的目标是良好的斜坡跟踪，最小稳定时间和最小过冲。使用改进 的三角形波调整所述循环。
操纵柄控制器使用零(中心)位置作为在启动时位置。用户必须 定位杆件并保持杆件在启动时居中。可提供绝对位置反馈以允许杆件 自动居中。
在命令电动机之前，可以对命令采取一些滤波和死区设置(dead banding)。在一具体实施例中，最终需要滤波消除轮子速度上的任何 噪声，并且当在微略倾斜的地形上进行原地转弯时，死区设置用于保 持杆件静止。将横向加速的1Hz一阶滤波估计乘以第一增益(通常大 约0.001)，且通过加上乘以第二增益(通常大约0.15)后的滚转角来 滚转补偿。然后，软件引导死区，以及随后的最大电动机位置命令(通 常400计数)的15％的补偿。最终结果由0.2Hz的滤波器滤波。该滤 波器可用于舍入在死区处引入的膝盖并减慢操纵柄的运动。
身体位置的进一步机械感应
根据本发明的其它实施例，可机械地感应骑车人的身体或其一个 或多个部分的位置，作为个人运输车的命令偏航或向前/向后运动的手 段。已经结合图5B描述了一个这种实施例。根据结合图10A描述的另 一这种实施例，由装置910实现身体感应，该装置910通过与踝部成 一直线的枢轴912追踪右膝盖的运动。枢轴912配备有电位计914，电 位计914的增益被适当地调节到膝盖运动范围。控制器在被预计是由 地形引起的输入异常的骑车人运动间进行辨别。骑车人通过沿着他想 要转弯的方向移动他的身体来命令偏航输入，如经验丰富的个人运输 车骑车人将做到的，把他的重心向着转弯的内侧移动以防止动力基部 的向心加速度将他的脚从他下面拉开。
当右膝盖绕穿过右踝部的纵向轴线旋转时，偏航输入装置通过记 录右膝盖的运动而跟踪身体位置。骑车人通过袖套910与该装置相互 作用，该袖套910紧密地安装在恰好在膝盖下面的上胫骨周围。所述 袖套是可调节高度的并被添加衬垫以允许合身的配合而没有不舒适。 袖套通过手臂连接到脚前面的枢轴，该枢轴定位成使其轴线相对于底 盘纵向地定向且与踝部成一直线。(来自Dreyfuss Associate的The Measure of Man and Woman的人体测量数据表明，对于一般的穿鞋骑 车人，踝部枢轴应当离开基板大约为4英寸)。电位计以非常相似于 上面结合图3A-3C描述的扭转把手偏航输入装置的方式记录手臂的角 度。
机械的身体位置偏航输入装置包括结合图10B描述的定心机构。 当骑车人不与定心机构920接触时，定心机构920将该装置返回到中 立(无偏航输入)位置，并向用户提供关于中立位置的定位的能触知 的反馈。设置预加载(可通过添加或减去垫圈来调节)使得骑车人需 要施加1kg的力以从中心移动该装置。在最大行程(沿任一方向25°) 处，骑车人承受大约2kg的力。
除其上定位有电位计的枢轴之外，在踝部高度处有垂直于第一轴 线的另一未编码的轴，在主动乘骑期间，随着骑车人弯曲膝盖和踝部 时，该轴线允许袖套与膝盖一起运动。扭转弹簧在该未编码的轴线的 周围起作用以便保持袖套稳固地压在骑车人上。所述弹簧未被预加载， 并每度产生大约20kg/mm，使得骑车人在通常乘骑姿势(未加载位置 向前25°)时在其膝盖承受1.5kg的力，并且在完全向前行程(50°) 时在其膝盖承受3kg的力。在完全向前位置处有止动件，该止动件允 许骑车人通过向前膝盖压力控制底盘的倾斜扭矩。
由于处于下方的地形的变化，存在骑车人的身体位置与预定的偏 航输入非必然相关联的情况。一个情况是横越侧坡，在这期间，骑车 人将需要向上坡倾斜以保持平衡。另一情况是一个轮子撞击障碍物， 这可引起机械装置在骑车人保持直立时急剧滚转。在这两种情况下， 电位计都将记录身体位置相对于机械装置的已经历的运动，该运动通 常解释为偏航命令。当地形引导身体位置向将身体位置转化成偏航的 系统提供难题时，可采取一些步骤减轻这些情况。对于侧坡和突然轮 子撞击的情况，下述的系统使用分离的算法处理上述的地形引导偏航 输入。
在具有从身体位置获得的偏航输入的机械装置上，有必要补偿身 体自然倾向的滚转角差以与重力对直。这种情况的唯一例外情况是， 在偏航输入上具有充足的恢复力以克服骑车人的自然倾向，从而保持 偏航输入与他们的身体成一直线。为了滚转补偿偏航输入，需要进行 计算。该计算需要测量结合入偏航输入的滚转角量。以下函数用于计 算滚转补偿的偏航输入：
滚转补偿的偏航输入＝
偏航输入-(Gain_RollContributionToYawInput*滚转)。
例如：Gain_RollContributionToYawInput＝(1.44/1.0)，其中1 个滚转计数设置1.44个偏航计数。
根据本发明另一实施例，骑车人可以按一按钮，该按钮把他们当 前的膝盖位置重新设置为中立。虽然在定心装置中没有可测量的后冲， 在克服定心装置预加载之前该机构可弯曲。这转化到大约1°的沿任一 方向的膝盖运动，该膝盖运动不命令偏航。通过增加相对于预加载的 结构刚度来将其减小。膝盖袖套和膝盖之间的松散的配合添加另外的 不产生信号的1-2°的移动。此外，电位计可表现出磁滞，该磁滞可通 过添加软件死区来补偿。死区具有允许骑车人小量运动的优点，该小 量运动减小疲劳。然而，死区包括精确和回旋性能。也可实施用户可 调节的或速度敏感的死区。
不对称的增益可用于补偿在测量两腿中的一腿的运动中固有的不 对称。由于身体位置确定偏航输入，骑车人位置到速度的横向加速度 的适当映射在这种装置中比在手工操纵的装置中更加重要。
根据结合图10C描述的本发明另一实施例，两根钢制的“触须” 930(近似地50cm长且分开35cm)布置在大约髋部高度。向左倾斜或 向右倾斜推动该触须并扭转电位计(软件中的增益加倍)。触须的长 度优选地使得骑车人在向后倾斜和向前倾斜期间不脱离该装置并失去 偏航输入能力。
结合图10D论述的本发明的另一实施例使用螺栓连接到底盘的两 侧的两个身体躯干位置传感器940。平滑支架944(近似60cm长并且 以可调节的方式间隔开)连接到骑车人胸腔两侧的倾斜轴以感应腰部 上方的身体位置，从而照应在腰部弯曲而实现的身体倾斜。旋转的纵 向轴线有利地消除可能存在于其它设计中的倾斜敏感增益。
线性滑动方向输入
“线性滑动”方向输入装置是操纵个人运输车的剪切力敏感装置。 该装置具有平台，该平台可沿机械装置的横向方向滑动，该横向方向 完全与调整期间看到的横向加速度成一直线。
在转弯期间，用户感受到作为参照物的车辆框架内的横向加速度。 横向加速度在用户和车辆之间引起剪切力，车辆通过踏板和操纵柄收 到反作用。由于用户具有两个点以反作用该力，因而一个点可用作通 过另一点驱动的方向输入。在本实施例中，用户反作用在操纵柄上。 线性滑动机构通过平台的位移测量该反作用，并将该反作用用作方向 命令。该输入方法直接连接到横向加速度，用户通过脱离操纵柄的反 作用调节该连接。在横向加速度为零时，用户可通过横向推动操纵柄 而产生方向输入。在加速度不为零时，用户的操纵柄的力加到横向加 速力以产生输入。
线性滑动机构被设计成安装在个人运输车的底盘的顶部，代替底 垫层组件。它小量地小于现存的踏板面积以允许板位移。平台绕在控 制轴基部的周围。最大平台行程是大约+/-1英寸。踏板机构950示出于 图11。
所述组件借助四个块状件被夹紧到人类运输车的所述平台，这些 块状件锁住滑动件的基板。所述块状件允许所述组件竖直运动以便启 动骑车人检测开关。由于仅仅所述组件的重量就足以启动该开关，因 而该组件由两个球塞来平衡。这些保证骑车人检测开关仅当骑车人在 运输车上时启动。
上平台支撑在1/2英寸线性球轴承上，而该线性球轴承支撑在安 装到下平台的接地杆上。弹簧和止动件布置提供预加载的定心力。
线性电位计把平台位置转化为模拟电压，该模拟电压被输入到电 位计的适当位置的用户接口电路板，该电位计和在上面结合图3描述 的扭转把手实施例一起使用。
用来操作线性滑动偏航输入的算法虽然具有相反的偏航增益极 性，但基本上是如在美国专利No.6789640中详细描述的扭转把手偏航 输入的那些算法。
本发明的数个实施例均涉及刚才描述的装置。根据一个实施例， 单个枢转踏板是剪切力敏感的，并在该板的表面的上方，优选地在该 表面的4到6英寸的上方的一点枢转。这允许一些横向加速度耦合， 但提供用户通过腿或踝部的旋转而稳定该耦合的能力。
或者，可把线性滑动件移动到操纵柄。这允许用户使用其腿来反 作用横向加速度而不用命令输入。然而，由于大多数横向加速度被反 作用在腿上，因而通过把线性滑动件移到操纵柄，基本上损失了与横 向加速度的耦合。本发明的描述的实施例仅仅是示例性的，并且对于 本领域技术人员，许多改变和修改将是显然的。具体地，这里描述的 方向和速度控制的许多控制器和方法可有利地应用到不平衡的个人运 输车。如在前面的描述部分和美国专利No.6789640中描述的，平衡运 输车特别需要组合偏航和平衡控制。所有这些改变和修改处于如任何 所附权利要求限定的本发明的范围内。