DE60023273T2

DE60023273T2 - System und verfahren zum treppensteigen in einem fahrzeug mit gruppierten rädern

Info

Publication number: DE60023273T2
Application number: DE60023273T
Authority: DE
Inventors: B. John MORRELL; M. John KERWIN; Dean L. Kamen; Robert Ambrogi; Robert J. Duggan; Richard K. Heinzmann; Brian R. Key
Original assignee: Deka Products LP
Current assignee: Deka Products LP
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP4574016B2; EP1161215A1; NZ513868A; CA2682811C; JP2002538892A; US20030111279A1; BR0009011A; AU3527800A; ATE306885T1; WO2000054720A1; CA2682811A1; CA2367146C; EP1161215B1; US6311794B1; US6615938B2; ID30347A; US6443251B1; KR20020000779A; AU770151B2; CN1345216A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Regeln der Stellung und Bewegung eines Personenfahrzeugs, das mit einem oder mehreren Rädern oder anderen den Boden berührenden Teilen ausgerüstet ist.
Personenfahrzeuge (zum Beispiel solche, die von behinderten Personen benutzt werden) können aus einer aktiven Stabilisierung in einer oder mehreren der Längs- oder Quer-Ebenen Nutzen ziehen. Der Betrieb eines balancierenden bzw. sich im Gleichgewicht haltbaren Fahrzeugs ist in der U.S. Patentschrift Nr. 5.701.965 beschrieben (die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird und auf die als das „965 Patent" hierin Bezug genommen wird). Personenfahrzeuge können vorteilhaft stabilisiert werden, gleichgültig, ob die Fahrzeuge selbstfahrend sind oder nicht, ob sie vom Insassen des Fahrzeugs geführt werden oder von einem Helfer und ob die Fahrzeuge in einer balancierenden Betriebsart arbeiten oder nicht. Fahrzeuge dieser Art können leistungsfähiger und sicherer betrieben werden, wenn Regelungsbetriebsarten ergänzend zu den im Stand der Technik beschriebenen angewendet werden. Auf ein Personenfahrzeug kann in dieser Beschreibung verwiesen werden, das austauschbar auch als „Transporter" bezeichnet werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen, wie es in Patentanspruch 1 dargestellt ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden sowohl in den Rad- als auch Gruppenregelungsformeln eines Fahrzeugs Formelausdrücke so vorgesehen, dass das Ausmaß an Anstrengung durch den Fahrer, um das Fahrzeug vermöge der Lage des Schwerpunktes zu steuern bedeutend verringert wird. So sind die meisten Fahrer fähig, ohne Unterstützung durch einen Helfer Treppen hinauf- oder hinabzusteigen. Das Hinzufügen von Formelausdrücken, die sich auf einen vorderen und hinteren Winkel beziehen, ermöglicht es dem Fahrer, das Fahrzeug zwischen dem vorderen und hinteren Winkel mit relativ niedrigen Anstrengungen zu neigen, weil der Nickstellfaktor auf einen kleinen Wert eingestellt werden kann, während ein großer Stellfaktor bei den vorderen und hinteren Winkeln benutzt werden kann, um ein schnelles Drehen der Gruppe während des Treppensteigens aufrecht zu erhalten. Die vorderen und hinteren Winkel werden den ganzen Treppensteigvorgang hindurch auf den neuesten Stand gebracht, wodurch es dem Fahrer ermöglicht wird, den Fahrzeugschwerpunkt mit sehr geringer Anstrengung zu verändern.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Radregelungsformel geschaffen, welche die Gruppenregelungsformel spiegelt, in welcher die vorderen und hinteren Winkel zur Radregelungsformel hinzugefügt werden. Die Radregelungsformel unterscheidet sich ein wenig von der Gruppenregelungsformel, um sicherzustellen, dass sich die Räder beim Treppensteigen nur in Rückwärtsrichtung bewegen können. Zusätzlich ist ein dämpfender Formelausdruck in der Radregelungsformel enthalten, der abhängig von der Drehrichtung wechselt und die Wirkung hat, das Rad in die Steigung hinein zu beschleunigen, während die Räder in der Vorwärtsrichtung verzögert werden. Dieser Wechsel ändert das Verhalten des Fahrzeugs an der obersten oder untersten Stufe und sorgt für einen sichereren Übergang am Beginn und Ende des Treppensteigens.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung ist ein Brems-Nick-Regelungsalgorithmus vorgesehen. Dieses ist ein Sicherheitsmerkmal, das die Gruppen- und Radmotortemperatur während des Treppensteigens überwacht. Wenn sich der Gruppen- oder Radmotor überhitzt und während Abschnitten des Treppensteigens versagt, kann das Fahrzeug stürzen. Wenn die Temperatur einen vorher festgestellten Wert überschreitet, stellt der Brems-Nick-Regler die Motorverstärker ab und regelt die Bewegung durch Steuerung der Gruppenbremsen. Der Regler versetzt das Fahrzeug in eine Stellung, in der sich alle vier Räder so auf den Stufen befinden, dass das Fahrzeug in einer statisch stabilen Stellung in Bezug auf die Schwerkraft liegt und der Fahrer daran gehindert wird, den Treppenbetrieb fortzusetzen. Der Algorithmus fährt fort, die Motortemperatur zu überwachen, und wenn die Motoren genügend abgekühlt sind, nimmt er den Treppenbetrieb wieder auf, um dem Fahrer zu ermöglichen, die Treppe zu verlassen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung leichter verständlich. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Personenfahrzeugs nach dem Stand der Technik eines Typs, bei dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann,
2A–2D die Phasen eines Stufen-Aufstiegs-/Abstiegs-Zyklus,
3 ein schematisches Blockschaltbild der Unterbetriebsarten der Erfindung,
4 das Verhältnis zwischen den vorderen und hinteren Winkeln der Erfindung,
5A–5H den vorderen und hinteren Winkel über einen Stufenersteigungszyklus,
6 eine graphische Darstellung von Funktionen, die bei der Spezifikation der vorderen und hinteren Winkel gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden, und
7 ein schematisches Blockschaltbild des Brems-Nick-Reglers.
Gemäß bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung enthalten Personenfahrzeuge, die für eine verbesserte Manövrierfähigkeit und Sicherheit ausgelegt sind, eine Gruppe oder mehrere Gruppen von Rädern, wobei die Gruppen und die Räder in jeder Gruppe unabhängig voneinander durch Motoren angetrieben werden können.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Seitenansicht eines balancierenden Fahrzeugs dargestellt, so wie es sonst im U.S. Patent Nr. 5.701.965 beschrieben und mit der Zahl 10 bezeichnet ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung können vorteilhaft in Verbindung mit dem balancierenden Fahrzeug 10 ausgeführt werden. 1 stellt keine Vorrichtung des Standes der Technik dar, wenn sie in Betriebsarten betrieben werden kann, die hierin beschrieben sind und in den Patentansprüchen beansprucht werden.
Das Fahrzeug 10 weist eine Halterung 12 auf, die den Fahrer 14 auf dem Fahrzeug trägt. Die Halterung 12 ist an einem den Boden berührenden Modul 16 befestigt. Das den Boden berührende Modul 16 enthält die Energiequelle, Antriebsverstärker, Antriebsmotoren und einen Regler, die benutzt werden, um eine Gruppe 36 von Rädern 18 anzutreiben. Die Gruppe 36 enthält den Boden berührende Teile 18, die in 1 als Räder dargestellt sind. Die Räder 18 sind an einen Gruppenarm 40 montiert und können durch einen Regler 8 angetrieben werden. Der Gruppenarm 40 ist um eine Gruppenachse 22 drehbar, wobei die Drehung des Arms durch den Regler geregelt wird. Der Regler 8 weist einen Prozessor auf, der mit einer Informationsspeichereinrichtung in Verbindung steht. Der Prozessor führt ein Regelungsprogramm durch, das in der Informationsspeichereinrichtung gespeichert ist. Der Prozessor steht mit mehreren Sensoren 38 in Verbindung, welche die Stellung des Fahrzeugs erfassen und Befehle vom Fahrer 14 erhalten. Der Prozessor steht auch mit den Antriebsverstärkern in Ver bindung und sendet Befehle an die Antriebsverstärker. Die Antriebsverstärker versorgen die Antriebsmotoren mit Strom.
Wie festgestellt wurde, kann der Regler 8 den Gruppenarm 40 und die drehbaren Räder 18 unabhängig steuern. Außerdem können Sensoren 38 an dem den Boden berührenden Modul 16 sowohl das Nicken, Rollen und Gieren des Fahrzeugs erfassen als auch solche Variable wie die Winkelstellung und/oder die Drehgeschwindigkeit der Räder 18 und des Gruppenarms 40. Die Signale von den Sensoren werden zum Regler übertragen und vom Regler zum Antrieb der Rad- und Gruppenmotoren verwendet. Die unabhängige Regelung der Gruppen und der Räder erlaubt es, das Fahrzeug in verschiedenen Betriebsarten zu betreiben, wodurch der Fahrer oder Regler entsprechend dem örtlichen Gelände zwischen Betriebsarten umschalten kann.
Zum Beispiel wird im ,Standardbetrteb' die Gruppe 36 gedreht, um das vordere Rad 42 der Gruppe vom Boden abzuheben, und wird in dieser Stellung verriegelt, und der Regler wird in eine einfache PID-Schleife gebracht, damit das Fahrzeug wie ein angetriebener Rollstuhl arbeiten kann. Im ,Balancierbetrieb' wird die Gruppe 36 um 90° gedreht, an ihrem Platz verriegelt, und der Regler kann das Fahrzeug durch Befehle an die Radmotoren balancieren und antreiben. Im ,Verbesserten Betrieb', der in der U.S. Anmeldung Ser. Nr. 09/321,401 beschrieben ist, die am 28. Mai 1999 eingereicht wurde, und die hier durch Bezugnahme eingegliedert wird, erlaubt es der Regler 8, dass sowohl die Räder 18 als auch die Gruppen 36 gleichzeitig arbeiten.
Beim Treppenbetrieb steigt das Fahrzeug 10 Stufen hinauf und hinab, indem die Gruppe 36 in einer Weise so gedreht wird, dass das zweite Rad 42 jeder Gruppe, d.h. das Rad, das gegenwärtig nicht in Bodenkontakt steht, auf der entsprechenden Stufe angeordnet wird. Während des Drehens der Gruppe wird das Fahrzeug von nur einem Rad 18 jeder Gruppe getragen und ist hinsichtlich des Stürzens instabil. In einer Weise ungleich seines Arbeitens entweder im ,Balancier-' oder ,Verbesserten Betrieb' versucht der Regler nicht, das Fahrzeug zu balancieren. Stattdessen hält der Fahrer 14 das Gleichgewicht, indem er sich an einem (nicht dargestellten) Handlauf der Treppe festhält. Der Handlauf stellt dem Fahrer auch einen Hebelwirkungspunkt bereit, um das Fahrzeug in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu neigen, um das Fahrzeug so zu steuern, dass es die Stufen entweder hinaufsteigt oder hinabsteigt. Die Grup penregelungsformel, die vom Steuergerät 8 verwendet wird, um den Gruppenmotor zu betätigen, hat die gleiche Form wie die Regelungsformel für die Radmotoren im ,965-Patent' beschrieben ist und kann dargestellt werden als: Tc = K1θ + K2θ . + K3φ .c + K4φc + K5∫φ .cdt.
In der obigen Gleichung stellen T_c das Drehmoment der Gruppe, θ den Nickwinkelfehler des Fahrzeugs, φ_c den Winkelfehler der Gruppe in Bezug auf die Vertikale und die K_i die Stellfaktoren für jede dynamische Variable dar. Der Nickwinkel bzw. die Längsneigung wird bezüglich einer erdfesten Vertikalen definiert, während als Fehler die Differenz zwischen einem gegenwärtig gemessenen Wert und einem Richtwert bezeichnet wird, der durch den Regler entweder durch Voreinstellung oder in Echtzeit festgelegt werden kann. Der auch als ,Gruppenstellung' bezeichnete Gruppenwinkel, in Bezug auf die Vertikale ist ein berechneter Wert, der zum Teil auf Messwerten von Sensoren basiert, die an der als ,E-Box' bezeichneten mechanischen Struktur montiert sind, die am Fahrzeug befestigt ist und der Regler 8 enthält. Alternativ kann der Gruppenwinkel auf die E-Box selbst bezogen werden. In diesem Fall ist der Gruppenwinkel in Bezug auf die E-Box mit δ bezeichnet und die Stellfaktoren K₄ und K₅ werden entsprechend eingestellt. Der darüber gestellte Punkt bezeichnet die Zeitableitung der dynamischen Variablen. Die ersten vier Formelausdrücke haben die gleiche Form wie die Regelungsformel für die Räder, obgleich die Werte für die Rad- und Gruppenregelungsformeln unterschiedlich sind. Zum Beispiel setzt die Radregelungsformel K₃ entsprechend der Radgeschwindigkeit auf 0, während die Gruppenregelungsformel K₃ entsprechend der Gruppendrehgeschwindigkeit auf einen Wert ungleich 0 setzt.
Der fünfte Formelausdruck in der Gruppenregelungsformel wird verwendet, um sicherzustellen, dass die Gruppe im Wesentlichen ohne Dauerzustandsfehler zu einem vorgeschrieben Winkel geht. Zum Beispiel wird die Gruppe im Balancierbetrieb auf 0° gedreht und in der Stellung verriegelt. Wenn die Gruppe gedreht wird, nimmt der Winkelfehler ab und die Drehung zur vertikalen Ausrichtung kann aufhören, bevor die Gruppe 0° erreicht. Um sicherzustellen, dass die Gruppe 0° erreicht, fügt der fünfte Formelausdruck in der Gruppenregelungsformel dem Gruppenmotorbefehl eine zusätzliche Komponente so hinzu, dass die Gruppe die vorgeschriebene Ausrichtung von 0° erreichen kann.
Die hier zuvor beschriebene Regelungsformel dient zum Betrieb des Fahrzeugs beim Hinaufsteigen und Hinabsteigen von Stufen bzw. einer Treppe. Um Stufen hinaufzusteigen oder hinabzusteigen, neigt der Fahrer 14 das Fahrzeug 10 in Vorwärtsrichtung, um sich die Stufen hinab zu bewegen, und in Rückwärtsrichtung, um sich die Stufen hinauf zu bewegen. Der Fahrer führt dies durch Wegschieben vom Handlauf oder Ziehen am Handlauf der Treppe durch. In Fällen, in denen die Fahrer keine ausreichenden Oberkörperkräfte haben, um die erforderliche Kraft am Handlauf auszuüben, damit die Gruppen die Räder zur nächsten Stufe drehen, kann ein Helfer den Fahrer dabei unterstützen, das Fahrzeug in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu neigen. Alternativ kann der Nickstellfaktor K₁ verringert werden. Das Verringern von K₁ hat die Wirkung, dass es leichter gemacht wird, das Fahrzeug in Richtung der Stufen zu neigen, wodurch der Fahrer das Fahrzeug mit einer niedrigeren Kraft am Handlauf neigen kann. Jedoch führt ein kleines K₁ auch zu einem langsameren Drehen der Gruppe während des Treppensteigens, wodurch die Treppenaufstiegszeit verlängert wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung können zusätzliche Formelausdrücke sowohl zu den Rad- als auch Gruppenregelungsformeln hinzugefügt werden, wie im Folgenden beschrieben wird. Dies liefert den Vorteil, dass die vom Fahrer benötigte Anstrengung zum Neigen des Fahrzeugs deutlich verringert wird. So wird den meisten Fahrern ermöglicht, ohne Unterstützung durch einen Helfer Treppen hinauf oder hinab zu steigen.
2A–2D stellt die Phasen eines Treppenauf- und -abstiegs dar, die gemeinsam als Treppensteigen bekannt sind. Die Erfindung verwendet die gleichen Regelungsmodi sowohl für den Aufstieg als auch den Abstieg und es ist nicht erforderlich, dass der Fahrer die Richtung des Treppensteigens auswählt, wodurch ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor geschaffen wird, indem die Möglichkeit einer falschen Wahl durch den Fahrer beseitigt wird. Zur Vereinfachung sind in der Figur nur zwei am Gruppenarm 220 befestigte Räder 210 und 212 dargestellt. Der Fahrer und das Fahrzeug, die allgemein als 20 bezeichnet sind, werden durch den gemeinsamen Schwerpunkt (SP) 230 des Fahrers und des Fahrzeugs dargestellt. Eine Linie 240 ist durch den Schwerpunkt 230 und durch die Gruppenachse 250 bestimmt. Der durch die Linie 240 und eine vertikale Linie 252, die bezüglich der Schwerkraft durch die Gruppenachse 250 hindurchgeht, definierte Winkel bestimmt den Nickwinkel θ bzw. die Längsneigung des Fahrzeugs (Fahrgestelllängsneigung). Der durch Gruppenarm 220 und eine vertikale Li nie, die bezüglich der Schwerkraft durch die Gruppenachse 250 hindurchgeht, definierte Winkel bestimmt die Gruppenstellung bzw. den ,Gruppenwinkel' φ_c.
2A zeigt das Fahrzeug 20 auf dem unteren Absatz 260 einer Flucht von Stufen bzw. einer Treppe 270. Beim typischen Treppensteigebetrieb blickt der Fahrer von den Stufen weg. So wird auf die von den Stufen wegweisende Richtung in der folgenden Beschreibung als ,Vorwärts'-Richtung Bezug genommen, während auf die zu den Stufen weisende Richtung als ,Rückwärts'-Richtung Bezug genommen wird. Das am dichtesten an der Steigung 280 befindliche Rad 212 wird als Hinterrad angesehen, und das am weitesten von der Steigung 280 entfernte Rad 210 wird als Vorderrad betrachtet.
Nachdem der Fahrer das Fahrzeug auf dem unteren Absatz 260 angeordnet hat, wie in 2A dargestellt ist, schaltet der Fahrer auf ,Treppenbetrieb', indem er dem Regler 8 derart anweist. Der Fahrer bewegt den Schwerpunkt 230 über die Mitte 290 des hinteren Rades 212, wie in 2B gezeigt ist. Der Fahrer kann den Schwerpunkt 230 bewegen, indem er einen Handlauf ergreift und daran zieht. Alternativ kann der Schwerpunkt 230 bewegt werden, indem ein Helfer den Fahrer und das Fahrzeug 20 kippt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Regler (in 1 dargestellt) den Nickwinkel des Fahrgestells für den Fahrer ändern. Wenn der Schwerpunkt 230 hinter die Mitte 290 des hinteren Rades bewegt wird, dreht sich der Gruppenarm, um das vordere Rad vom Absatz 260 ab und auf die nächste Stufe 295 zu heben, wie in 2C dargestellt ist.
Nun wird auf 2D Bezug genommen, wo die Stellung des Fahrzeugs 20 gezeigt ist, nachdem der (nicht dargestellte) Gruppenmotor das vordere Rad auf die nächste Stufe 295 gedreht hat. Wenn der Fahrer entscheidet, das Hinaufsteigen auf der Treppe 270 fortzusetzen, bewegt er den Schwerpunkt 230 über eine vorgeschriebene Linie hinaus, die mit der Zahl 234 bezeichnet ist. Der durch die Linie 234 und eine vertikale Linie 252, die bezüglich der Schwerkraft durch die Gruppenachse 250 hindurchgeht, bestimmte Winkel, ist als hinterer Winkel θ_hinten definiert. Der durch die Linie 232 und eine vertikale Linie 252, die bezüglich der Schwerkraft durch die Gruppenachse 250 hindurchgeht, bestimmte Winkel, ist als vorderer Winkel θ_vorn definiert. Die vorderen und hinteren Winkel werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 mehr im Einzelnen beschrieben, wo sie deutlich dargestellt sind.
Wenn der Fahrer entscheidet, die Treppe 270 hinabzusteigen, bewegt er den Schwerpunkt vor den vorderen Winkel θ_vorn. Der Regler 8 bestimmt automatisch die Richtung der Gruppendrehung durch Vergleichen der gemessenen Längsneigung θ mit den vorderen und hinteren Winkeln. Wenn θ > θ_vorn ist, dreht der Regler die Gruppe unter Bezugnahme auf 2D im Gegenuhrzeigersinn, und das Fahrzeug steigt die Treppe 270 hinab. Wenn θ < θ_hinten ist, dreht der Regler die Gruppe unter Bezugnahme auf 2D im Uhrzeigersinn und das Fahrzeug steigt die Treppe 270 hinauf.
Die Verwendung desselben Reglers für das Treppensteigen sowohl aufwärts als auch abwärts, ergibt ein wichtiges Sicherheitsmerkmal für den Fahrer, indem dadurch verhindert wird, dass der Fahrer zufällig die falsche Treppensteigrichtung wählt.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Unterbetriebsarten für den Treppenbetrieb. Vom ,Verbesserten Betrieb' 300 aus, die in U.S. Ser. Nr. 09/321,401 beschrieben ist, wählt der Fahrer den Treppenbetrieb 310. Jede Unterbetriebsart ist durch einen Satz von Stellfaktorkoeffizienten gekennzeichnet, die mit den dynamischen Variablen des Systems in einer verallgemeinerten Regelungsformel kombiniert sind. Die verallgemeinerte Regelungsformel für den Radmotor (Radregelungsformel) und den Gruppenmotor (Gruppenregelungsformel) sind in den folgenden Gleichungen (1) beziehungsweise (2) dargestellt. Vw = kwθ(θ'vorn – θ'hinten) – kwθr|θ .| + kwdφ .'w + kwpφ'w (1) Vc = kθ(θ'vorn + θ'hinten) + kθrθ . + kdδ .' + kpδ' + ki∫δ .'dt (2)
In den obigen Gleichungen sind V_w und V_c die befohlenen elektrischen Spannungen für die Rad- beziehungsweise Gruppenmotoren. Das tiefgestellte w bezieht sich auf die Radvariablen, das tiefgestellte c bezieht sich auf die Gruppenvariablen, das tiefgestellte r zeigt die Ableitung der Variablen nach der Zeit wie auch ein darüber gestellter Punkt oberhalb der Variablen. Die Strich-Notation zeigt eine Fehlervariable an, nämlich die Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert der Variablen und dem gewünschten Wert der Variablen. Zum Beispiel wird der Radstellungsfehler φ'_w durch die Gleichung φ_w = φ_{w gewünscht} – φ_w definiert, wobei φ_w die Radstellung darstellt, wie sie durch an Bord befindliche Sensoren gemessen wird, und φ_w gewünscht die gewünschte Radstellung darstellt, wie sie vom Steuergerät berechnet wurde. Die k's stellen die Stellfaktoren für jede Variable dar. Die Nickvariable ist mit θ bezeichnet, die Radstellung mit φ_w und die Gruppenstellung mit δ. Jede Unterbetriebsart ist durch einen Satz von Stellfaktoren gekennzeichnet, die in den Gleichungen (1) und (2) angegeben sind. Die Wahl des spezifischen Wertes für jeden Stellfaktor hängt von Faktoren, wie den Unterbetriebsaufgaben und dem Fahrkomfort, ab und kann von jemandem mit üblichen Fachkenntnissen in der Regelungstechnik ohne unangemessenes Experimentieren bestimmt werden, wobei die Unterbetriebsarten im Folgenden beschrieben werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 wird der Treppenbetrieb 310 von der ,Verbesserten Betriebart' 300 aus durch Wahl des Fahrers begonnen. Die Regelungsformeln für den Treppenbetrieb sind sehr verschieden von den Regelungsformeln für die ,Verbesserte Betriebsart' und liefern nicht die gleiche Störungsunterdrückung. Um eine solche Situation zu verhindern, wird der Treppenbetrieb 310 über die Unterbetriebsart ,Gruppen-Stellungs-Servo' oder ,GSS' 320 eingenommen. Die Unterbetriebsart GSS 320 liefert eine stabile Plattform, wenn sich das Fahrzeug auf ebenem Boden wie einem Treppenabsatz befindet. Stabilität auf einem Treppenabsatz wird in der Gruppenregelungsformel durch Setzen der Nickstellfaktoren k_θ und k_θr auf kleine Werte relativ zu den Stellungsstellfaktoren k_d, k_p und k_i geschaffen. Die großen Stellungsstellfaktoren ergeben eine steife Stellungsregelung der Gruppenstellung relativ zum Schwerpunkt. Eine ähnliche Strategie wird auch in der Radregelungsformel verwirklicht, indem der Radstellungstellfaktor k_wp auf einen großen Wert relativ zu den anderen Radstellfaktoren gesetzt wird. Dies hat die Wirkung, das Fahrzeug auf der Stelle zu halten, wenn der Fahrer den Beginn des Treppensteigens vorbereitet. Die steife Stellungsregelung der Gruppe ermöglicht es dem Fahrer, den Schwerpunkt über das hintere Rad durch Ändern der gewünschten Gruppenstellung δ_gewünscht zu verlagern, wie in 2B dargestellt ist.
Die gewünschte Gruppenstellung wird durch den Regler geändert, der die Eingabe eines Fahrerbefehls über eine Eingabeeinrichtung, wie einen Knopf oder Steuerknüppel 44, verarbeitet (der in 1 dargestellt ist). Wenn δ_gewünscht durch den Regler geändert wird, wird δ' ungleich Null und wird mit kp multipliziert, wodurch ein Ungleich-Null-Spannungsbefehl für den Gruppenmotor erzeugt wird, was eine Drehung der Gruppe relativ zum Schwerpunkt ergibt und eine in 2B dargestellte Anordnung erzeugt. Ein Äquivalent der Ansicht der 2B besteht darin, dass der Nickwinkel des Fahrzeugs θ von 0° auf q vermindert ist. In dieser Beschreibung wird eine Konvention verwendet, nach der ein positiver Nickwinkel der Neigung des Fahrzeugs in Vorwärtsrichtung entspricht. Der Regler wird den Nickstatus des Fahrzeugs Ungleich-Null erfassen und automatisch in die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 übergehen. Der Übergang zwischen Unterbetriebsarten wird durch Ersetzen der dem zu veranlassenden Unterbetrieb zugeordneten Stellfaktoren durch die Stellfaktoren durchgeführt, die dem einzutretenden Unterbetrieb in den Rad- und Gruppenregelungsformeln zugeordnet sind, wie für jemanden mit normalen Fachkenntnissen in der Regelungstechnik klar ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Übergang durch Regelungsablaufplanung durchgeführt, wie sie in der U.S. Anmeldung Ser. Nr. 09/322,431 beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
In der Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 ermöglicht der Regler dem Fahrer, den Gruppenmotor durch Ändern des Nickwinkels θ des Fahrzeugs zu steuern. Außerdem erlaubt es die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 dem Fahrzeug, frei entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung zu rollen. Die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 gestattet eine Nickregelung durch den Fahrer durch Einstellen des Nickstellfaktors k_θ und der Ratenstellfaktoren k_θr und k_d auf große Werte relativ zu den anderen Gruppenstellfaktoren in der Gruppenregelungsformel. Das große k_θ hat die Wirkung, den Gruppenmotor für kleine Änderungen des Nickwinkels des Fahrzeugs empfindlich zu machen. Die Ratenstellfaktoren bewirken die Schaffung eines Dämpfungseffekts am Gruppenmotor und neigen dazu, die Bewegung des Fahrzeugs beim Treppensteigen zu glätten.
Die Variable des Nickfehlerstatus, die k_θ, (θ_vorn + θ_hinten) zugeordnet ist, entspricht dem Winkel, um den der Schwerpunkt vor dem vorderen Winkel θ_vorn liegt, oder der Winkel des Schwerpunkts sich hinter dem hinteren Winkel θ_hinten befindet. Die Variable des Nickfehlerstatus ist eine etwas kompliziertere Funktion als die in den Gleichungen (1) und (2) definierten Fehlervariablen und wird nun in Verbindung mit der Beschreibung des vorderen und hinteren Winkels beschrieben.
Die Fehlerstatusvariablen θ'_vorn und θ'_hinten sind zweiseitige Funktionen, wie unten dargestellt ist.
Die vorderen und hinteren Winkel sind leichter unter Bezugnahme auf 4 zu verstehen, welche die Gruppen- und Radstellung darstellt und die Winkel und Längen kennzeichnet, die bei den Berechnungen der vorderen und hinteren Winkel verwendet werden. 4 zeigt die Stellung der Räder 410 und 411 des Fahrzeugs, wie sie auf der Treppe, mit dem vorderen Rad 410 auf der unteren Stufe 450 der Treppe und dem hinteren Rad 411 auf der oberen Stufe 452 der Treppe wären. Die vorderen und hinteren Radmitten 412 bzw. 413 sind drehbar am Gruppenarm 420 befestigt, der wiederum um die Gruppenachse 421 drehbar ist. Eine Bezugsvertikale 430 geht durch die Gruppenachse 421. Die Lage des Schwerpunktes 440 des besetzten Fahrzeugs wird durch die Länge L₁ einer Linie 422 vom Schwerpunkt 440 zur Gruppenachse 421 und durch den Nickwinkel θ beschrieben, welcher der Winkel ist, der durch die Bezugsvertikale 430 und die Linie 422 mit der Länge L₁ bestimmt ist. Die Gruppenstellung φ_c ist der Winkel, der durch die Bezugsvertikale 430 und den Gruppenarm 420 definiert ist. Die Vorzeichenfestsetzung für Winkel in Bezug auf die Bezugsvertikale ist für das Drehen im Gegenuhrzeigersinn positiv. Eine spezifizierte vordere Vertikale 441 schneidet eine Linie, die durch den Gruppenarm 420 bestimmt ist, und definiert X_vorn als horizontalen Abstand zwischen der Gruppenachse 421 und dem Schnittpunkt der vorderen Vertikalen 441 mit dem Gruppenarm 420. Ähnlich ist X_hinten der horizontale Abstand zwischen der Gruppenachse 421 und dem Schnittpunkt einer spezifizierten hinteren Vertikalen 442 und dem Gruppenarm 420. Der vordere Winkel θ_vorn wird als Nickwinkel definiert, wenn sich der Schwerpunkt 440 auf der vorderen Vertikalen 441 befindet. Der hintere Winkel θ_hinten ist als der Nickwinkel definiert, bei dem sich der Schwerpunkt 440 auf der hinteren Vertikalen 442 befindet.
Die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 erlaubt es dem Fahrzeug auch, frei in beide Richtungen zu rollen. Dies wird durch Setzen der Radstellungsfehler auf Null ausgeführt. Dies erlaubt es dem Fahrer, das Fahrzeug gegen die untere Steigung zu stellen, bevor die Treppe hinaufgestiegen wird oder das Fahrzeug vom oberen Absatz zu fahren, um den Treppenabstieg zu beginnen.
Der Fahrer kann den Nickwinkel θ des Fahrzeugs durch Schieben gegen oder Ziehen an einem in der Nähe befindlichen Gegenstand, der beispielsweise ein Treppenlauf sein kann, verändern. Wenn der Fahrer θ verändert, erzeugt der relativ große Wert von k_θ einen Befehl Ungleich-Null für den Gruppenverstärker zum Antreiben der Gruppe, und die Gruppe beginnt sich zu drehen, wie in 2C dargestellt ist. Da sich die Gruppe dreht, ändert sich die Gruppenstellung δ ebenfalls. Der Regler überwacht die Gruppenstellung und, wenn der Regler feststellt, dass sich die Gruppe nicht mehr in einer horizontalen Ausrichtung befindet, geht der Regler automatisch in die Unterbetriebsart ,Steigen' 340 über, die in 3 dargestellt ist.
Die Unterbetriebsart ,Steigen' 340 erlaubt es dem Fahrer, den Gruppenmotor durch Ändern des Nickwinkels θ des Fahrzeugs zu steuern. Die Gruppenregelungsformel, die bei ,Steigen' 340 verwendet wird, ist ähnlich oder identisch mit der Gruppenregelungsformel, die bei ,Aufdem-Absatz' 330 benutzt wird.
Während die Unterbetriebsart ,Steigen' 340 dem Fahrzeug erlaubt, in Rückwärtsrichtung zu rollen, erlaubt sie kein Rollen in Vorwärtsrichtung. Als Sicherheitsmaßnahme werden die Räder daran gehindert, in Vorwärtsrichtung zu rollen, um zu unterbinden, dass das Fahrzeug zufällig von einer Stufe rollt. Diese Funktion der Unterbetriebsart ,Steigen' 340 wird durch Setzen des Radstellungsstellfaktors k_wp auf einen großen Wert relativ zu den Werten der anderen Radstellfaktoren ausgeführt. Der Regler stellt auch die gewünschte Radstellung φ_w gewünscht auf die erfasste Radstellung φ_w, immer dann wenn φ_w gewünscht > φ_w ist, zurück. Dies erlaubt es, das Rad frei in Rückwärtsrichtung zu bewegen, erzeugt aber eine Rückstellkraft, wenn sich das Rad vor φ_{w gewünscht} bewegt.
Die Vorwärtsbewegung des Rades während der Unterbetriebsart ,Steigen' 340 wird ferner durch Einstellen des Radgeschwindigkeitsstellfaktors k_wd auf einen großen positiven Wert gedämpft, wenn die Radgeschwindigkeit φ ._w positiv ist (was zu einem negativen φ .'_w führt). Diese Kombination eines großen positiven Stellfaktors, der mit einem negativen Radgeschwindigkeitsfehler multipliziert ist, erzeugt eine große Dämpfungswirkung in der Radregelungsformel, was zur Verzögerung des Rades in Vorwärtsrichtung führt. Eine negative Rad geschwindigkeit entspricht der Bewegung, die das Rad gegen die Steigung 280 der Stufe treibt. In solch eine Situation wird k_wd auf einen großen negativen Wert eingestellt. Dies veranlasst die Radreglungsformel, das Rad gegen die Steigung 280 der Stufe zu beschleunigen. Der Regler überwacht das Stadium von φ_w und fügt das angemessene k_wd in die Regelungsformel ein, wenn φ_w = 0 beim Laden der neuen Stellfaktoren in die Radregelungsformel zu keiner Diskontinuität in der Bewegung des Fahrzeugs führt. Die Rückwärtsbeschleunigung gegen die Steigung der Stufe hat einen zusätzlichen Vorteil für den Fahrer während des Treppenaufstiegs, wenn sich das hintere Rad auf dem obersten Absatz befindet. Ohne Rückwärtsbeschleunigung kann der Fahrer Schwierigkeit haben, die Räder nach hinten auf den Absatz zu rollen. Mit Rückwärtsbeschleunigung beschleunigt der Regler das hintere Rad nach hinten, um die nächste Steigung zu finden. Weil sich das hintere Rad auf dem obersten Absatz befindet, der keine Steigung einer Stufe hat, fährt der Regler fort, das hintere Rad rückwärts zu beschleunigen. Der Regler gibt dem Gruppenmotor gleichzeitig den Befehl, den Schwerpunkt in einer stabilen Stellung über der Gruppenachse 421 anzuordnen. Der gleichzeitige und unabhängige Betrieb der Rad- und Gruppenregelungsformeln erscheint dem Fahrer als Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs, während die Gruppe sich gerade genügend dreht, um das vordere Rad auf die Ebene des obersten Absatzes zu bringen.
Der Regler überwacht die Radstellung φ_w, um zu verhindern, dass das Fahrzeug rückwärts gegen einen Gegenstand auf dem obersten Absatz beschleunigt wird. Wenn sich das hintere Rad um nicht mehr als eine Radbasislänge (der Abstand zwischen den Radmitten 412 und 413) auf dem Absatz rückwärts bewegt hat, kann der Regler sicher annehmen, dass sich das vordere Rad über dem obersten Absatz befindet, und geht automatisch in die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 über.
Die Radregelungsformel für die Unterbetriebsart ,Steigen' 340 benutzt ebenfalls die Nickstellungsinformation, um die zweite Aufgabe der Betriebsart zu erfüllen, indem relativ große Werte für die Radnickstellfaktoren k_wθ und k_wθr verwendet werden. Die Vorzeichen der Nickformelausdrücke in Gleichung (1) werden gewechselt, um sicherzustellen, dass die Raddrehung immer in Rückwärtsrichtung erfolgt. Im Fall des Nickratenformelausdrucks wird der absolute Wert der Nickrate genommen und das Vorzeichen wird negativ, um sicherzustellen, dass ungeachtet der Nickdrehrichtung der Befehl für das Rad immer in eine Rückwärtsrichtung weist. Ähnlich wird der hintere Nickfehler von dem vorderen Nickfehler subtrahiert.
Wenn die Gruppe das vordere Rad während des Aufstiegs zur nächsten Stufe dreht oder das hintere Rad während des Abstiegs zur nächsten Stufe dreht, werden die vorderen und hinteren Winkel durch den Regler neu berechnet. Wenn das drehende Rad (das vordere Rad während des Aufstiegs oder das hintere Rad während des Abstiegs) der nächsten Stufe nahe kommt, bewegt sich der Schwerpunkt beim Aufstieg vor den hinteren Winkel oder beim Abstieg hinter den vorderen Winkel, und der Regler geht automatisch in die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 über, die in 3 dargestellt ist.
Die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 erlaubt es dem Fahrer, auf jeder Stufe zu pausieren und den Schwerpunkt auf die Rückseite von θ_hinten zu übertragen, wenn der Fahrer den Aufstieg fortzusetzen wünscht, oder auf die Vorderseite von θ_vorn, wenn der Fahrer die Treppe hinabsteigen möchte. Die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 erlaubt es dem Fahrer, den Schwerpunkt durch Drücken gegen das oder Ziehen am Treppengeländer zu verschieben. Außerdem erlaubt die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 das Rollen des Fahrzeugs in Rückwärtsrichtung aber nicht in Vorwärtsrichtung, wie es mittels der gleichen auch bei der Unterbetriebsart ,Steigen' 340 verwendeten Radregelungsformel ausgeführt wird.
Damit der Fahrer auf jeder Stufe pausieren und den Schwerpunkt auf die Rückseite von θ_hinten übertragen kann, falls der Fahrer den Aufstieg fortzusetzen wünscht, oder auf die Vorderseite von θ_vorn, falls der Fahrer die Treppe hinabsteigen möchte, wird die Gruppe gemäß der Regelungsformel Vc = kθ' (5)angetrieben, immer dann wenn θ_vorn > θ > θ_hinten ist. Der Stellfaktor k für diese Unterbetriebsart wird ausreichend niedrig gesetzt, um dem Fahrer zu erlauben, den Schwerpunkt des Fahrzeugs unter mäßigem Kraftaufwand an den Treppenhandläufen zwischen den vorderen und hinteren Winkeln zu verschieben. Der niedrige Wert für k erscheint dem Fahrer als weicher Bereich, wo der Fahrer den Schwerpunkt leicht zwischen den vorderen und hinteren Winkeln verschieben kann.
Während der Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 prüft der Regler die Gruppenstellung. Falls sich das Fahrzeug auf der Treppe befindet, ist die Gruppenstellung nicht horizontal, weil sich das vordere Rad auf einer anderen Stufe befindet als das hintere Rad. Falls der Regler feststellt, dass sich die Gruppenstellung in einer horizontalen Ausrichtung befindet, nimmt der Regler an, dass das Fahrzeug entweder auf dem oberen oder unteren Absatz ist, und geht automatisch in die Unterbetriebsart ,Auf-dem-Absatz' 330 über.
Um das Fahrzeug auf Neigen des Fahrers reagieren zu lassen, werden die vorderen und hinteren Winkel während des Treppensteigens durch den Regler neu berechnet. Dies ist leichter unter Bezugnahme auf 5 zu verstehen. In 5 sind die Räder 501 und 502 des Fahrzeugs während des Aufstiegs auf eine einzelne Stufe dargestellt. 5A zeigt eine Darstellung. des Fahrzeugs mit dem vorderen Rad 501 auf der unteren Stufe und dem hinteren Rad 502 auf der oberen Stufe. Die Räder sind am Gruppenarm 503 befestigt, die um eine Gruppenachse 504 drehbar ist. Der vordere Winkel θ_vorn ist durch eine erste Linie 511 und eine nicht dargestellte vertikale Bezugslinie bestimmt, die durch die Gruppenachse 504 hindurchgeht. Der hintere Winkel θ_hinten ist durch eine zweite Linie 512 und eine vertikale Bezugslinie bestimmt. In 5A befindet sich das Fahrzeug in der Unterbetriebsart ,Übertragung' 350, wobei der Schwerpunkt 520 des besetzten Fahrzeugs zwischen θ_vorn und θ_hinten liegt und der Gruppenarm 503 in einer nicht-horizontalen Stellung ist. Während der Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 kann der Fahrer den Schwerpunkt 520 des Fahrzeugs leicht in die in 5B gezeigte Stellung schieben, wo der Winkel θ gleich θ_hinten ist. Der Fahrer kann den Schwerpunkt 520 leicht verschieben, weil die Gruppenregelungsformel für die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350, die oben in Gleichung (5) dargestellt ist, einen relativ kleinen Wert für den Nickfehlerstellfaktor k aufweist.
In 5B ist θ = θ_hinten und der Regler geht automatisch in die Unterbetriebsart ,Steigen' 340 über. Wenn der Fahrer den Schwerpunkt hinter θ_hinten schiebt, wie in 5C dargestellt ist, dreht der Regler den Gruppenarm 503 und hebt das vordere Rad 501 von der unteren Stufe ab. Wie in den 5A–5H dargestellt ist, ändern sich θ_vorn und θ_hinten, wenn der Gruppenarm 503 gedreht wird. Besonders während der Drehphase, in der das Fahrzeug nur durch die hinteren Räder getragen wird, wie in den 5C bis 5G dargestellt ist, ist die Differenz zwischen θ_vorn, und θ_hinten klein, um die in der Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 verbrachte Zeit zu minimieren, sollte der Fahrer sich während der Drehung des Gruppenarms entscheiden, die Richtung des Treppensteigens umzukehren. 5F zeigt, dass sich der Gruppenarm 503 in eine vertikale Stellung gedreht hat, wobei er das vordere Rad 501 über dem hinteren Rad 502 angeordnet hat. Weil der Schwerpunkt 520 noch hinter δ_hinten liegt, fährt der Regler fort, den Gruppenarm 503 zu drehen. Wenn sich der Gruppenarm 503 dreht, berechnet der Regler neue Werte der vorderen und hinteren Winkel und es wird eine Stellung, die in 5G gezeigt ist, erreicht, wo sich die ständig aktualisierten vorderen und hinteren Winkel auf einen Punkt hinentwickeln, wo θ gleich θ_hinten ist. Wenn der Nickwinkel gleich dem hinteren Winkel ist, geht der Regler automatisch in die Unterbetriebsart ,Übertragung' 350 über.
5G zeigt die Stellung des Fahrzeugs am Ende des Ersteigungszyklus einer Stufe, wo das vordere Rad zur nächsten Stufe gedreht und so zum hinteren Rad für den nächsten Zyklus geworden ist.
Die Auswahl der Funktionen der vorderen und hinteren Räder, die zur Berechnung der Winkel der vorderen und hinteren Räder verwendet werden, wird getroffen, um Fahrkomfort und Sicherheit während des Treppensteigens zu optimieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die vorderen und hinteren Winkel an den Fahrer angepasst und hängen von der Gruppenstellung φ_c ab. Mittels einer kleinen Winkelnäherung, können der vordere und der hintere Winkel durch die folgenden Gleichungen berechnet werden. θvorn = (1/L1)Xvorn(φc) + θref (6) θhinten = (1/L1)Xhinten(φc) + θref (7)
In den obigen Gleichungen sind die Größen (1/L₁) und θ_ref Konstanten, die während der Anpassung an den Fahrer bestimmt werden, wie es in der anhängigen U.S. Anmeldung Ser. Nr. 09/321,401 beschrieben ist. Die Funktionen X_vorn und X_hinten sind beide Funktionen von φ_c und können heuristisch bestimmt werden. Insbesondere sind die funktionalen Abhängigkeiten zwischen X_vorn bzw. X_hinten jeweils als Funktionen von φ_c in 6 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgetragen, wobei sie jeweils bezüglich L₂, der Entfernung zwischen den Radachsen jeder Gruppe, normiert sind.
Beim Treppensteigen wird das Fahrzeug während der Drehung des Gruppenarms 503 nur von dem hinteren Radsatz getragen, wie in den 5C bis 5G dargestellt ist. Die Stabilität wird durch den Fahrer aufrechterhalten, der sich an einem Handlauf der Treppe hält. Ein Sicherheitssystem, um das Fahrzeug automatisch in eine statisch stabile Stellung im Fall einer Systemstörung, wie sie in 5A gezeigt ist, zu versetzen, wird nun beschrieben. Der Brems-Nick-Regler ist leichter unter Bezugnahme auf 7 zu verstehen, die ein Blockschaltbild des Brems-Nick-Reglers zeigt. Während des Treppensteigens überwacht der Regler die Gruppenmotortemperatur und die Batterietemperatur. Falls der Regler eine Überhitzung im Gruppenmotor oder der Batterie ermittelt, schaltet der Regler automatisch einen Brems-Nick-Regler ein, der in dem mit 610 bezeichneten Schritt anspringt. Der Brems-Nick-Regler bringt das Fahrzeug in eine statisch stabile Stellung. In der Stufe 620 schaltet der Regler den Gruppenmotorverstärker ab, der den Gruppenmotor antreibt. Der Verstärker wird abgeschaltet, um den Gruppenmotor abkühlen zu lassen. Der Regler prüft dann in der Stufe 630, ob ein Fallzustand vorliegt. Falls ein Fallzustand nicht erklärt wird, löst der Regler die Gruppenbremsen in der Stufe 640 und prüft erneut, ob ein Fallzustand vorliegt. Das Lösen der Gruppenbremsen erlaubt es dem (in 5 dargestellten) Gruppenarm 503 sich frei zu drehen und das vordere Rad 501 auf eine Stufe zu setzen. Falls ein Fallzustand erklärt wird, betätigt der Regler in 650 die Gruppenbremsen. Nachdem die Bremsen in 650 betätigt sind, prüft der Regler in 660, ob der Übertemperaturzustand noch vorhanden ist. Wenn der Übertemperaturzustand vorübergegangen ist, verlässt der Regler den Brems-Nick-Regler in 670. Wenn der Übertemperaturzustand weiter besteht, prüft der Regler erneut in 630, ob die Voraussetzung für ein Fallen vorliegt. Ein Fallzustand kann erklärt werden, indem zustandsbasierte Kriterien alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden. Bei einer Ausführungsform vergleicht der Regler den absoluten Wert der Winkelgeschwindigkeit der Gruppe φ ._c mit einer vorbestimmten maximalen Gruppenwinkelgeschwindigkeit φ ._cmax. Wenn der absolute Wert von φ ._c größer als φ ._cmax ist, nimmt der Regler an, dass das Fahrzeug fällt und erklärt einen Fallzustand. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Nickrate θ . mit einer vorbestimmten Nickrate θ ._Fall für ein Fallen verglichen. Wenn θ . kleiner als θ ._fall ist, erklärt der Regler einen Fallzustand für ein Fallen, was einer Situation, in der das Fahrzeug nach hinten auf die Stufen fällt, enspricht.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel erklärt der Regler einen Fallzustand, wenn θ_hinten kleiner als Null ist, was der Situation entspricht, wo der Schwerpunkt des besetzten Fahrzeugs hinter dem hinteren Winkel θ_hinten liegt. Die Wahl der Werte von φ ._cmax und θ ._fall liegt innerhalb üblichen Fachwissens in der Regelungstechnik.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des Brems-Nick-Reglers kann der Gruppenmotorverstärker fortfahren, den Gruppenmotor anzutreiben, jedoch ist die dem Gruppenmotor beaufschlagte Belastung begrenzt. Der Gruppenmotor erfährt die größte Belastung, wenn er die Gruppe zum Hinaufsteigen der Stufen dreht. Während des Hinabsteigens über die Stufen erfährt der Motor eine viel kleinere Belastung, weil die Laufrichtung des Fahrzeugs in der gleichen Richtung liegt, wie die Kräfte aufgrund der Schwerkraft. Daher kann die Belastung des Gruppenmotors durch Unterbinden des Treppaufsteigens begrenzt werden, wenn eine Übertemperatur des Motors oder der Batterie festgestellt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel des Brems-Nick-Reglers wird die Gruppenbremse betätigt, falls θ < 0° ist, wenn eine Übertemperatur des Motors oder der Batterie festgestellt wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Brems-Nick-Reglers werden, wenn eine Übertemperatur des Motors oder der Batterie festgestellt wird und θ < 0° ist, die Gruppenstellungs- und Raten-Fehlervariablen δ' und δ .' auf Null zurückgesetzt, δ_gewünscht wird auf Null gesetzt und δ_gewünscht wird auf δ₀ gesetzt, wobei δ₀ der Wert von δ zu der Zeit ist, in der die Übertemperatur und die θ < 0° Bedingung auftreten. Die Folge des Rücksetzens besteht darin, die Gruppe wirksam zu blockieren, falls der Fahrer bei festgestellter Übertemperatur versucht, das Treppaufsteigen fortzusetzen, während es dem Fahrer noch erlaubt ist, die Treppe hinabzusteigen. Außerdem blockiert das Rücksetzen die Gruppe wirksam ohne die auftretende Verzögerung, wenn die Gruppenbremse physikalisch festgesetzt wird.
Nach dieser Beschreibung verschiedener erläuternder Ausführungsbeispiele der Erfindung, einiger ihrer Vorteile und optionaler Merkmale, ist offensichtlich, dass solche Ausführungsbeispiele nur als Beispiel beschrieben wurden und nicht als Beschränkung. Fachleute könnten auf einfache Weise sowohl Veränderungen und Verbesserungen bei diesen Ausführungsbeispielen vornehmen, als auch zusätzliche Ausführungsformen schaffen, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Obgleich beispielsweise die Räder mit einem einzelnen, geraden Gruppenarm verbunden sind, kann der Gruppenarm auch zur Aufnahme von mehr als zwei Rädern in einer Gruppe gewinkelt sein. Zusätzlich kann der Gruppenarm in zwei oder mehr Gruppenarme, mit jeweils nur einem einzelnen Rad, geteilt sein, wobei die Gruppenachsen übereinstimmen können oder nicht. Demgemäß ist die Erfindung nur wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist und auf deren Äquivalente beschränkt.

Claims

Verbessertes Verfahren zum Regeln der Bewegung einer Vorrichtung auf Treppen, wobei die Vorrichtung durch einen momentanen Nickwinkel charakterisiert ist und eine Mehrzahl von Rädern (210, 212) aufweist, wobei jedes Rad um eine Achse drehbar ist, die bezüglich eines Gruppenarms (220) fest ist, und der Gruppenarm (220) um eine Gruppenachse (250) drehbar ist, gekennzeichnet durch: Festlegen eines vorderen und eines hinteren Winkels, die bezüglich einer vertikalen Richtung bestimmt sind; Betätigen des Gruppenarmes (220), um ein Hinabsteigen der Vorrichtung vorzusehen, wenn der momentane Nickwinkel über den vorderen Winkel hinausgeht; und Betätigen des Gruppenarmes (220), um ein Hinaufsteigen der Vorrichtung vorzusehen, wenn der momentane Nickwinkel kleiner als der hintere Winkel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Festlegens eines vorderen Winkels und eines hinteren Winkels eine Änderung mindestens eines der vorderen Winkel und hinteren Winkel auf der Basis des Gruppenwinkels einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner folgende Schritte umfasst: Überwachen eines Sensorsignals, das die Temperatur des Gruppenarms charakterisiert; und Lösen einer Bremse zum Bremsen des Gruppenarmes, wenn das Sensorsignal eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, um so zu ermöglichen, dass sich der Gruppenarm derart frei dreht, dass die Vorrichtung eine statisch stabile Stellung auf der Treppe einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner folgende Schritte umfasst: Überwachen der Temperatur des Antriebes; Erfassen eines Übertemperaturzustandes; und Begrenzen der Gruppenantriebsbelastung, indem für die Dauer des Übertemperaturzustandes ein Drehen der Gruppe nur in Abstiegsrichtung zugelassen wird.