CN101861554A - 用于车辆发动时故障检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于初始化平衡式运输车(10)的控制器的方法，包括获取关联于平衡式运输车的多个方位信号。该方法还包括基于多个方位传感器信号确定多个角速度传感器中的一个或多个是否具有低于阈值的信号输出偏差。该方法还包括初始化俯仰状态估计器以基于多个角速度传感器中的一个或多个的输出控制平衡式运输车的操作。该方法还包括基于俯仰状态估计器中的至少一个输出控制平衡式运输车的操作。

Description

用于车辆发动时故障检测的装置和方法

发明领域

本发明涉及运输车的控制，尤其涉及以用于控制运输车操作的传感器检测故障状态的方法和装置。

发明背景

动态稳定的运输车意指具有在运输车工作时主动地维持运输车稳定性的控制***的车辆。该控制***通过连续感测运输车的方位、确定维持稳定性的校正动作并命令运输车的车轮电机作出校正动作而维持运输车的稳定性。如果运输车丧失了维持稳定性的能力，例如因为零件故障，则乘坐人可能会经历突然失去平衡时的不适感。这种车辆在采用对现有技术描述内容补充的***架构特征时能更为高效和安全地工作。

发明概述

本发明在一个方面给出一种初始化平衡式运输车的控制器的方法。该方法包括(a)获得关联于所述平衡式运输车的多个方位信号。该方法还包括(b)基于多个方位信号确定多个角速度传感器中的一个或多个是否具有低于阈值的信号输出偏差。该方法还包括(c)初始化俯仰(pitch)状态估计器以基于多个角速度传感器中的一个或多个的输出控制平衡式运输车的操作。该方法还包括(d)基于俯仰状态估计器中的至少一个输出控制平衡式运输车的操作。

在一些实施例中，该方法在角速度传感器中的一个或多个具有等于或高于阈值的信号输出偏差的情况下包括终止步骤(c)。在一些实施例中，步骤(b)包括将每个方位信号与相应阈值进行比较。在一些实施例中，如果方位信号中的一个或多个等于或超出其相应的阈值，则终止俯仰状态估计器的初始化。在一些实施例中，该方法包括重复(a)、(b)、(c)和(d)直到角速度传感器的信号输出偏差低于阈值为止。

在一些实施例中，步骤(b)包括确定运输车的俯仰或倾侧是否在预定时间段内变化超过1.5度，俯仰和倾侧是基于加速度计输出信号来估计的。在一些实施例中，步骤(b)包括确定运输车的偏航角速度的变化在预定时间段内是否大于4.7度/秒，偏航角速度是基于运输车的左右地面接触部件的速度差来估计的，所述接触部件将力矩施加于运输车底下的表面。在一些实施例中，步骤(b)包括确定运输车的左或右地面接触部件的速度是否超过0.22米/秒，左、右地面接触部件将力矩施加于运输车底下的表面。在一些实施例中，步骤(b)包括确定第一偏航角速度信号和第二偏航角速度信号之间的差是否大于22度/秒，第一偏航角速度信号是基于运输车的施加力矩于运输车底下的表面的左、右地面接触部件的速度差估计的，而第二偏航角速度信号基于由多个角速度传感器中的两个或更多个输出的角速度信号，该角速度信号对应于围绕固定于运输车的基本垂直轴的角速度。

本发明在另一个方面给出一种平衡式运输装置，其包括提供与平衡式运输车相关联的方位信号的多个器件(例如传感器)。该运输车包括多个角速度传感器。该运输车包括基于方位信号判断多个角速度传感器中的一个或多个是否具有等于或大于阈值的信号输出偏差、并基于多个角速度传感器中的两个或更多个的输出估计平衡式运输车的俯仰状态的处理器。该运输车还包括基于俯仰状态估计来控制平衡式运输车的操作的控制器。

在一些实施例中，处理器通过将每个方位传感器信号与相应阈值作比较而判断角速度传感器中的一个或多个是否具有等于或高于阈值的信号输出偏差。在一些实施例中，运输车包括向运输车底下的表面施加转矩的至少一个地面接触部件。

本发明上述和其它目的、方面、特征和优点将从下面的说明书和权利要求书中更为清楚地得出。

附图简述

在参照附图解读下面的详细说明时，本发明的前述特征将变得更易于理解，在附图中：

图1是本发明可应用其中的运输车的一个实施例的示意图。

图2是作为本发明示例性实施例的用于动态地控制车辆在前-后平面内的稳定性的控制回路的框图。

图3A是示出陆上车辆以及相应车辆坐标系(V坐标系)坐标轴连同地面的地面坐标系(E坐标系)坐标轴存在俯仰角的示图。

图3B是示出当俯仰角为零而倾侧角为非零时E坐标系与V坐标系的关系的示图。

图4是根据本发明示例性实施例的用来控制运输车的***架构的一部分的示意框图。

图5是根据本发明示例性实施例的三轴状态估计器模块的功能框图。

图6是根据本发明示例性实施例的运输车的控制***的示意图。

图7是根据本发明示例性实施例的用于初始化平衡式运输车的控制器的方法的流程图。

示例性实施例的详细说明

如果运输车能够在一个或多个车轮上工作但如果没有操控车轮工作的控制回路的作用就无法依靠这些车轮，那么运输车就被认为是“平衡式”的。平衡式运输车缺乏静态稳定性，而是动态平衡的。运输车可有利地用作移动工作平台或例如高尔夫车的休闲车辆或用作运载车辆。在该运输车和地面或其它基础表面之间提供接触并在日常工作中就倾翻而言最低限度地支承运输车的车轮或其它地面接触部件在本文中被称为“地面接触部件”。

图1示出一种平衡式运输车，其总地以附图标记10表示并详细记载在美国专利No.6,302,230(该文献援引包含于此)中，该平衡式运输车作为本发明可有利地应用的设备的一个例子。对象8站在地面接触模块26的支承平台12上。对象8握住附连于平台12的把手架16上的把手14。车轮21、22围绕Y轴同轴。转向或其它控制可通过指轮32、34或其它用户输入机构提供。在一些实施例中，运输车10的转向或控制是使用运输车10的把手14中的扭转把手机构实现的。在一些实施例中，运输车10的转向或控制是通过用户使运输车10的把手架16相对于运输车10的一个或多个轴(X、Y和Z)倾斜(例如角度改变)来实现的。

可提供控制回路以使对象的倾斜导致通过电机驱动对轴22周围的车轮20和/或车轮21施加转矩。然而，运输车10是静态不稳的并且没有用以维持动态稳定性的控制环路的操作，运输车10不再能够工作在其典型的工作方位。本文中使用的“稳定性”指如果***因任何原因偏离工作位置则***自然返回工作位置的机械条件。

运输车10可工作在位置保持模式，其中平衡基本维持在特定位置。因此，在本文中非限定地称为“车辆”的运输车10在用户8不在平台12时也可保持固定的位置和方位。这种工作模式防止运输车10失控并为用户和其它人员提供安全保障。在一个实施例中，当用户踏上运输车10的平台12时，运输车10工作在位置保持模式。在一些实施例中，设置在平台12上的测力板或其它传感器(未示出)用来检测用户是否在运输车10上。

具体针对不同的应用场合，不同数目的车轮或其它地面接触部件可较佳地用于本发明的各个实施例。援引包含于此的美国No.2006/0108156专利公报的图6和图7示出了平衡式全地形车辆，作为可较为有利地应用本发明的装置的一个例子。这种全地形车辆具有两个前轮和两个后轮。每个后轮由其本身的致动器驱动。因此，在本发明的范围内，地面接触部件的数目可以是等于或大于1的任何数目。

本说明书和所附权利要求书中的“俯仰状态”包括前后平面的俯仰角和车辆的俯仰角速度两者，即θ和θr(或

)，其中θr是θ的时间变化速度。

图2示出在前后平面内动态地保持车辆(设备208)稳定性以使车辆保持竖直的控制回路200。该控制回路200要求将俯仰状态作为输入。美国专利No.5,701,965和5,791,425记载可使用图2的控制环路200工作的车辆。这类车辆需要测量瞬时俯仰状态以主动控制车辆的稳定性。这些专利援引包含于此。图1的设备208等效于由单个电机驱动的移动***的运动方程。T表示车轮转矩。Theta(θ)标识前后倾斜度(即俯仰角度)、X标识相对于基准点沿一表面的前后位移，而下标r表示相对于时间的变量微分。控制增益K₁、K₂、K₃和K₄、微分电路212和216以及求和器204用来达成平衡。为了达成动态控制和确保***的稳定性并将***保持在表面上的基准点附近，本实施例中的车轮转矩T被设定为满足下面的方程：

T＝K₁+K_2r+K₃X+K₄X_r       (等式1)

增益值K₁、K₂、K₃和K₄取决于控制环路、***的物理参数以及例如重力的其它效果的设定。

车辆的动态行为可通过参照一坐标系予以说明。两个这样的坐标系用于描述车辆相对于不规则表面的运动：地面坐标系“E-坐标系”以及车辆坐标系(V坐标系)。

E坐标系将垂直轴线Z定义为与重力方向共线并通过乘用车辆304的重心308，如图3A所示。E坐标轴关于重心308的原点位置是任意选择的并且本领域内技术人员应当理解该原点位于车辆304上其它点周围。E坐标系将倾侧轴X定义为沿垂直于垂直轴前进的方向并经过乘用车辆304的重心308，且E坐标系将俯仰轴Y定义成与Z轴和X轴两者正交并通过乘用车辆304的重心308。绕Z轴的旋转由角ψ表示，它也被称为偏航角。绕X轴的旋转由角φ表示，它也被称为倾侧角。绕Y轴的旋转由角θ表示，它也被称为俯仰角。

关联于V坐标系的轴具有位于车辆304的重心308的原点。在其它实施例中，轴的原点可位于车辆304的另一点上。轴相对于车辆304是固定的。相对垂直轴R是固定于指定车辆的基本垂直轴、并可由通过车辆304重心308和车辆304操作者的支承部/靠背/头部的直线限定。相对水平轴P垂直于相对垂直轴，并具有与车辆304的运动方向平行的分量。第三轴Q与R和P两者正交。当车辆304倾斜时，R、P、Q坐标系的相对取向相对于Z、X、Y坐标系而改变。如图3A所示，Q和Y轴是共线的，然而R轴和Z轴、X轴和P轴是不共线的，这表示车辆是“俯仰的”并因此其具有非零的θ值。图3B示出呈现倾侧角时的车辆304。P轴和X轴是共线的，然而R轴、Z轴、Q轴和Y轴是不共线的。在这种配置中，存在非零倾侧角φ。

下面的等式给出由下标r表示的在相应转速的小角度近似法下的E坐标系和V坐标系之间的速度变换。这些变换被称为小角度欧拉变换(SAET)和逆SAET变换。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_r\\ {\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\Ψ}}_r\end{array}\right]=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\θ\Φ}& -\mathrm{\θ}\\ 0& 1& \mathrm{\Φ}\\ 0& -\mathrm{\Φ}& 1\end{array}\right]\end{array}\left[\begin{array}{c}{P}_r\\ Q_r\\ R_r\end{array}\right]$ 等式2

$\left[\begin{array}{c}{P}_r\\ Q_r\\ R_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& \mathrm{\θ}\\ 0& 1& -\mathrm{\Φ}\\ 0& \mathrm{\Φ}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_r\\ {\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\Ψ}}_r\end{array}\right]$ 等式3

惯性传感器，例如角速度传感器或速度陀螺仪(在本文中称其为陀螺仪)用来将俯仰状态信息提供给车辆304。惯性传感器测量车辆304相对于V坐标系的方位变化速度并产生代表车辆304的俯仰角、倾侧角和偏航角的变化速度的信号。由于传感器漂移，惯性传感器需要定期调整。因此，倾斜传感器被纳入***中以提供稳定的角度值，由此可补偿惯性传感器的偏差，如下面结合图5描述的那样。在一个倾斜传感器出故障时一个以上的倾斜传感器可用来提供冗余信息。在本发明的一个实施例中，惯性传感器是陀螺仪。然而，在其它实施例中，速度传感器可以是任意其它惯性测量装置。部分基于从惯性传感器获得的俯仰角速度信号和从俯仰传感器获得的俯仰信号来精确测量俯仰状态的***可使用例如下面描述的各种变换来计算。

另外，美国专利No.6,332,103记载了用于测量和/或估计车辆俯仰状态的附加方法和装置。本专利全篇援引包含于此。

图4是根据本发明示例性实施例的用来控制运输车的***架构的一部分的示意框图。绝对基准传感器400将信号发给变换模块401，其中由传感器产生的信号被转换成有用的数字数据格式并针对已知的错误来源进行调整。作为加速度计的特殊情形的绝对基准传感器400包括对于例如悬挂式基准传感器(也被称为倾斜传感器)的E坐标系测量各量。绝对基准传感器还包括能够测量车轮旋转以生成车轮速度差的信号。

当车辆除重力作用以及车轮速度差外就不会加速时，变换模块401将对应于俯仰角和倾侧角的信息提供给状态估计器402。车轮速度差提供偏航角速度的绝对值，假设车轮不打滑的话。

相对基准传感器403针对V坐标系测量各量并可包括惯性传感器，例如机械或固态陀螺仪的陀螺仪。为了提供关于三个方位的信息，需要至少三个单轴陀螺仪。可使用附加的陀螺仪来提供容错能力。图4示出本发明的一个实施例，其中相对基准传感器403由陀螺仪L 404、陀螺仪D 405、陀螺仪E 406以及陀螺仪F 407构成。在一个实施例中，使用了四个单自由度陀螺仪。陀螺仪L 404可安装在车辆上以使其测量车辆的Q_r。在该实施例中，其余的三个陀螺仪405、406和407在不同方位安装在车辆上并测量Q_r、P_r、和R_r的组合值。安装方位的选择用来平衡其它因素，例如传感器信号量程和精确度。可将陀螺仪放在车辆的主轴上，但在一个实施例中陀螺仪位于轴线之外并且彼此不共线。这在陀螺仪之间提供冗余。如果其中一个陀螺仪出故障，由于其它陀螺仪测量P_r、Q_r、或R_r分量，因此仍然可以计算值P_r、Q_r、或R_r。

另外，陀螺仪在一些实施例中设置成离轴的，因为车辆性能可能大于陀螺仪的测量量程。例如，在急转弯时角速度可能超出陀螺仪的量程。通过使陀螺仪倾斜，测得的速度缩放旋转轴和俯仰轴之间夹角的余弦并且还导致其它正交速度分量的交叉耦合。

相对基准传感器403将感测出的角速度转换成所表示角速度的数字信号并将该信号传送给虚拟陀螺仪构造模块408。由于陀螺仪的方位可能不与Q、P和R轴对齐，因此由陀螺仪产生的每个信号可包括关于多个轴的速度信息。虚拟陀螺仪构造模块408变换信号以生成三个输出信号，如果确定方位以测量围绕P、Q和R轴的旋转则这三个输出信号对应于三个虚拟陀螺仪可能生成的信号。对陀螺仪信号的这种处理生成虚拟陀螺仪P_r、Q_r和R_r信息。

虚拟陀螺仪构造模块执行矩阵方程，V＝MG，其中V是虚拟陀螺仪向量，G是陀螺仪输出向量，而M是将G中四个陀螺仪信号转换成虚拟陀螺仪向量V的3×4构造矩阵。该构造矩阵不是唯一的而可以是逆最小二乘解，或者是四个陀螺仪中的三个的四种组合中的任意一个或者是这些解的任意组合。构造矩阵的系数在车辆的校准中予以确定并包含对陀螺仪对齐和各陀螺仪特征的校正。在一个实施例中，构造矩阵通过选自最小二乘解和四个三陀螺仪组合的解组合来为陀螺仪D、E和F提供更强的容错能力。

来自陀螺仪故障检测模块409的陀螺仪故障检测信号同样产生自原始信号，该原始信号被传送给状态估计器402。本发明使用的故障检测模块的一个实施例参照美国专利No.6,332,103的图5进行描述，该文献援引包含于此。在一些实施例中，运输车使用附加的故障检测模块(在下文中结合图5、6和图7予以说明)工作，该故障检测模块用来判断一个或多个角速度传感器是否具有运输车工作所不想要的信号偏差。在检测出不想要的信号偏差的情况下，运输车的控制***可提醒用户故障存在以令用户不登上该运输车。在一些实施例中，附加故障检测模块的功能被纳入陀螺仪故障检测模块409。

状态估计器402从虚拟陀螺仪构造模块408、陀螺仪故障检测模块409和校准变换模块401取得信号并估计车辆的俯仰状态。该状态估计器402也估计车辆的倾侧状态和偏航状态，然而在本发明的较佳实施例中，仅车辆的俯仰状态被传递至控制回路以相关于车辆的重心平衡车辆。

尽管图4示出在本发明的一个实施例中使用四个陀螺仪，然而高于三个的任意数量陀螺仪可用来向***提供增加的容错能力。

图5是根据本发明示例性实施例的三轴状态估计器模块500的功能框图。来自虚拟陀螺仪构造408并由P_r、Q_r和R_r表示的转速信号501首先被传递到求和器502，其通过反馈回路校正偏差。经校正的转速使用小角度欧拉变换(SAET)503从V坐标系坐标变换至E坐标系，由此产生E坐标系俯仰角速度、倾侧角速度和偏航角速度信息503，它们由θ_r、φ_r和ψ_r表示。然后将θ_r提供给车辆的控制回路。来自SAET503的E坐标系转速被传送至求和器520并随后在积分模块505中求积分，以产生由θ和φ指定的E坐标系方位角506。θ和φ也被传送回以供用于SAET模块503中之后的SAET变换。积分模块505在求和器525上分别取θ和俯仰角507之间的差值以及φ和倾侧角507之间的差值以产生俯仰和倾侧误差信号530。通过倾斜传感器400提供俯仰角和倾侧角507。误差信号530随后与E坐标系方位角θ、φ506一起被传送至逆欧拉变换器508。

俯仰和倾侧误差信号530也被反馈并传送通过用于衰减信号强度的滤波器540。经衰减的信号随后被送入求和器520。提供反馈回路以校正由于瞬变产生的不准确度，从而沿倾斜传感器的方向移动506的输出读数。提供信号衰减器540的衰减以限制大误差的绝对基准传感器值影响E坐标系方位角。大误差的绝对基准传感器值可发生在车辆突然颠簸时。当车辆经过颠簸位置时，绝对基准传感器将产生以瞬变形式出现的外来信号，这使俯仰角速度和俯仰角不准确地偏转。

在逆SAET 508中，对俯仰、倾侧和偏航误差信息执行逆SAET。在该逆变换中，俯仰和倾侧的误差信号530以θ_r、φ_r***到逆方程而偏航误差信号580以ψ_r***到逆方程，由此可望找到各自的速度。ψ_r由求和器572提供为Rr之间的差以及车轮550速度的差。对误差信号而非速度执行逆SAET具有分割误差信息的效果。逆SAET将E坐标系信号变换到V坐标系。该信号随后通过衰减滤波器560。在衰减滤波器560之后，信号被送入积分器570并随后送回到求和器502。该反馈回路解决陀螺仪的长期偏差漂移。衰减滤波器560使倾斜传感器在长时间内更为稳定以帮助校正陀螺仪的漂移，同时仍然允许陀螺仪控制短期变化。

与正比于误差信号的P_r和Q_r校正不同，偏航角速度R_r校正仅与表示为X的预设误差水平有关。这种比较是在比较器568中完成的。如果偏航误差信号大于预设误差水平X，则R_r的校正取决于车轮不再表现出偏航角速度的假设挂起并启动挂起定时器。陀螺仪速度值R_r在挂起期间仍然与Δ轮速550比较以计算偏航误差信号580。如果在经过预定时间量之后R_r值和Δ轮速之间的差不低于预设误差水平，则发出警报562，该警报在一个实施例中是视觉信号。如果在挂起定时器的第二预定时间之后差值不落在预设误差水平之下，则切断偏航校正并发出表示***无法在故障和陀螺仪的漂移误差之间作出区分的警报声。如果到达第二时限，则必须重置***。施加预设的误差限值以防止在车辆固定在旋转中的运动平台时误差R数据被引入到俯仰状态估计中。

为了提供俯仰状态的精确解读，在初始化之后，只要该***是非加速的，俯仰状态估计器就尝试使陀螺仪与俯仰传感器对齐。这是通过两个信号衰减器540、560调整转角频率以使***的方位朝向俯仰传感器来完成的。在一个实施例中，这是通过响应误差信号自适应地调整增益而实现的。如果在初始化期间，陀螺仪和俯仰传感器不对齐，则***可暂停并随后再次测量倾斜传感器和陀螺仪的值以检查它们是否已对齐。如果它们未对齐，则***可逆转进程并且直到获得对齐才再度开始。

如果检测到陀螺仪故障，状态估计器402执行如美国专利No.5,701,965和5,791,425中描述的俯仰状态单轴估计。与三轴状态估计器相同的器件和滤波器被用于如图5所示的单轴估计中。在单轴估计的情形下，只有来自虚拟陀螺仪构造模块408的针对选定陀螺仪的俯仰角速度被传送至功能块501。另一区别在于，在单轴状态估计器中，向三轴状态估计器提供偏航角速度和速度的轮速差被用于单轴状态估计器，以帮助针对俯仰角补偿陀螺仪的不对齐。对该偏航角速度提供限幅器以克服车轮打滑的情形。在单轴状态估计器中，根据Δ轮速推出的偏航角被传送至求和器，以从计算中去除该分量并将结果传送至功能块501。

另外，在功能块501中添加用来校正陀螺仪未对齐的校准模块。在一个实施例中，为了提供三轴状态估计器和单轴状态估计器之间的平滑过渡，本地陀螺仪偏差指示器576提供单轴模式下积分器570的初始条件。三轴状态估计器和单轴估计器之间的另一差别是因为由于***工作在与三维相反的单个平面内而不需要将V坐标系中的俯仰映射至E坐标系中的俯仰，单轴状态估计器必须假定Q＝θ_r，所以不存在SAET模块503和逆SAET508。另外，较佳为二轴悬挂式传感器并提供俯仰和倾侧信号的倾斜传感器仅用于俯仰信号而不考虑倾侧信号。

在一个实施例中存在六个陀螺仪。三个陀螺仪被配置成在V坐标系的俯仰轴的周围而其余的三个陀螺仪沿V坐标系的倾侧轴和偏航轴的组合设置。以这种方式提供局部三重冗余。位于俯仰轴周围的每个陀螺仪具有相联的处理器以及倾斜传感器，处理器能够根据关联的陀螺仪和俯仰传感器提供单轴状态估计。处理器从与之关联的陀螺仪接收信号并从安装成感测绕偏航轴和倾侧轴的旋转的三个陀螺仪接收信号。冗余为车辆提供另一故障保护***。这三个处理器中的每一个要么单独将关联的陀螺仪用于单轴状态估计、要么将关联的陀螺仪和其余的三个陀螺仪两者用于三轴状态估计来独立地估计俯仰状态。如果所有陀螺仪均正常地工作，则三个处理器所产生的状态估计全部一致。然而，如果其中一个关联的陀螺仪出故障，则这三个处理器所产生的状态估计不一致。可实现表决机制以使产生错误估计的处理器自己关断。

用于操作车辆的控制***通常需要一个或多个上电/初始化过程，这些过程是在发动车辆时执行的。初始化过程一般确保控制***和器件在用户开始使用(例如登上)车辆之前准备就绪。在一些实施例中，在初始化过程中，车辆控制***判断各致动器(例如向运输车地面接触部件施加转矩以将转矩施加至运输车下表面的电动机)和传感器(例如角速度传感器、倾斜传感器、加速度计)是否正确地作用。如果致动器和传感器正确地作用，则车辆控制***完成初始化并随后通知用户车辆在正确地作用并准备就绪。

平衡式运输车(例如图1的运输车10)是能够从使用一个或多个初始化过程中获益的车辆示例。例如，图1的运输车10使用多个角速度传感器来如上面结合图2、图4和图5描述那样控制运输车的操作。

图6是根据本发明示例性实施例的用于在车辆(例如图1的运输车10)发动过程中检测角速度传感器中故障的运输车的控制***600的示意图。控制***600包括多个器件604(例如方位传感器)。器件604将与运输车关联的方位信号616(例如倾侧角和倾侧角速度以及俯仰角和俯仰角速度)输出至处理器620。控制***还包括多个角速度传感器612。角速度传感器612将多个角速度信号616输出至处理器。控制***600还包括例如基于处理器620所产生的俯仰状态估计624控制运输车俯仰角的控制器628。

在本实施例中，处理器620接收方位信号608、角速度信号616和控制运输车操作所需的多种其它信号。在本发明的一个实施例中，处理器620实现结合图2、图4和图5描述的方法以控制运输车的操作。在一个实施例中，控制***600用来执行下面图7中描述的方法。

图7是根据本发明示例性实施例的用于初始化和运作平衡式运输车的方法的流程图700。在一个实施例中，该方法是使用图6的控制器600实现的。该方法包括(704)获取与平衡式运输车(例如图1的运输车10)关联的多个方位信号。该方法还包括(708)从多个角速度传感器获取多个角速度传感器信号(例如图4的陀螺仪404、405、406和407的输出)。

该方法还包括(712)基于多个方位信号判断由角速度传感器输出的多个角速度传感器信号中的一个或多个是否具有低于阈值的偏差。如果由角速度传感器输出的角速度传感器信号具有低于阈值的偏差(例如由制造者事先规定)，则控制器初始化俯仰状态估计器(716)以控制运输车的操作。控制器基于一个或多个角速度传感器的输出来初始化俯仰状态估计器(716)。该方法还包括(720)基于俯仰状态估计器的至少一个输出来控制运输车720的操作。

在一些实施例中，阈值被设定成确保俯仰状态估计器正常工作所需的水平。在阈值点或高于阈值时，俯仰状态估计器不提供正确的俯仰状态信号，并且控制器(例如图6的控制器628)无法正确地控制运输车在工作过程中的俯仰。在一些实施例中，阈值基于俯仰状态估计器(例如图5的三轴估计器模块500)能正常工作的最大容许角速度传感器偏差。例如，在一些实施例中，该阈值基于俯仰状态估计器仍然能在数学上收敛于图6的控制器628能够用来控制运输车的俯仰状态估计的最大容许角速度传感器偏差。

参见图7，如果控制器确定一个或多个角速度传感器具有等于或高于阈值的信号输出偏差(步骤712)，则控制器通过分别重复步骤704、708来获取新的方位信号和角速度信号。如果在预定义时间段后，控制器仍然判定一个或多个角速度传感器具有等于或高于阈值的信号输出偏差(步骤712)，则终止俯仰状态估计器的初始化(步骤724)。在一些实施例中，控制器在预定义数量的周期内而不是在预定义时间段内获取新的方位信号和角速度信号。

在一些实施例中，控制器重复步骤704、708和712，直到角速度传感器的信号输出偏差低于该阈值为止。这可能是有益的工作状态，例如用户可能在初始化过程中无意地移动了运输车的机身而角速度传感器实际上没有经历故障(例如角速度传感器实际没有大于预定义阈值的偏差)。

在一些实施例中，如果一个或多个方位信号等于或高于其相应阈值，则终止俯仰估计器的初始化716。在本发明的各实施例中，上述步骤712包括下列步骤中的一个或多个：

1.判断运输车的俯仰或倾侧在预定义时间段内是恒定还是改变了超过规定度数，其中俯仰和倾侧是基于位于运输车上的加速度计的输出信号估计出的；

2.判断运输装置的偏航角速度在预定时间段内是恒定还是改变了超过规定的度/秒，其中偏航角速度是基于向运输车底下的表面施加转矩的运输车左右地面接触部件(例如图1的车轮20和21)的速度差估计得到的；

3.判断运输车的左/右地面接触部件的速度是等于还是超出规定数量的米/秒，其中左/右地面接触部件将转矩施加于运输车底下的表面；以及

4.判断第一偏航角速度信号和第二偏航角速度信号之间的差是等于还是大于规定数量的度/秒，其中第一偏航角速度信号是基于向运输车底下的表面施加转矩的运输车左/右地面接触部件的速度差估计得到的，而第二偏航角速度信号基于多个角速度传感器中的两个或更多个所输出的角速度信号，其中角速度信号对应于围绕固定于运输车的基本垂直轴的角速度。

在本发明的一个实施例中，运输车的几何形状、传感器和致动器在运输车上的位置以及图5的俯仰状态估计器模块500收敛于俯仰状态估计的能力被用来确定具体运输装置的角速度传感器偏差阈值为20.7度/秒。20.7度/秒的阈值是基于运输车中的容限累积而确定的：10度/秒是由角速度传感器(美国马萨诸塞州诺伍德的模拟设备(Analog Devices)公司所制造的ADXRS401型角速度感测陀螺仪，该陀螺仪能够校准随温度变化的偏差和比例因数变化)的制造者规定的；6.7度/秒是运输车平台的剩余运动估计量，尽管要求平台是静止的：而4度/秒是在运输车工作寿命内估计的偏差变化。

此外，下面与运输车关联的方位信号被用来判断多个角速度传感器中的一个或多个是否具有低于阈值的信号输出偏差(20.7度/秒)：

1.运输车的俯仰或倾侧在将近0.3秒内是恒定还是改变超过1.5度，其中俯仰和倾侧是基于运输车上的加速度计的输出信号估计得到的。该阈值极限针对每个PQR轴被选为4.7度/秒的剩余平台运动。在运输车没有突然加速的情况下，在0.32秒内1.5度的俯仰加速度计和倾侧加速度计测试规定每个PQR轴上的平均速度不超过4.78度/秒(因为：1.5度/秒除以0.32秒＝4.7度/秒)。4.7度/秒凭经验达到两要素之间的折衷。首先，实施足够低的平台运动以使该运动被检测出，从而如结合图7所述那样得出正确的俯仰估计。其次，还选择值以确保其不受过度约束，其中大于4.7度/秒的值要求加速度计和轮速传感器具有比已有传感器更高的精确度。此外，通过实施运输车中过低的剩余运动，在俯仰状态估计器初始化之前可能需要用户使机器保持非常静止。

2.运输车的偏航角速度在将近0.3秒内保持恒定还是改变了超过4.7度/秒，其中偏航角速度是基于运输车的左/右地面接触部件的速度差估计得到的。该阈值极限基于上述同样的理由设定，然而，限值是针对偏航轴运动建立的并基于电动机上的左/右轮速传感器之间的差值。

3.运输车的左/右地面接触部件的速度在将近0.3秒内是相等还是超过0.22米/秒，其中左/右地面接触部分将转矩施加于运输车底下的表面。该阈值限值凭经验选择为与用户缓慢地牵引运输车或以低于4.7度/秒的速度运转运输车关联的轮速。

4.第一偏航角速度信号和第二偏航角速度信号之间的差等于还是大于22度/秒，其中第一偏航角速度信号是基于向运输车底下的表面施加转矩的运输车左/右地面接触部件的速度差估计得到的，而第二偏航角速度信号基于由多个角速度传感器中的两个或多个输出的角速度信号，这些角速度信号对应于围绕固定于运输车的基本垂直轴的角速度。该阈值限值凭经验选择以解决两速度传感器具有相当大偏差的情形(例如大于约15度/秒)。其它***工作条件要求对偏航轴运动敏感的任意两个速度传感器不具有大于29度/秒的总偏差。如果对偏航轴敏感的两个速度传感器的总偏差大于29度/秒，则俯仰状态估计器不再产生可靠信息以供控制运输装置工作。选择22度/秒的阈值限值以防止这种情形造成不利的机器行为。

在各实施例中，所公开的方法可实现为用于计算机***的计算机程序产品。这些实现可包括固定于例如计算机可读介质(比如磁盘、CD-ROM、ROM或固定硬盘)的有形介质或可通过调制解调器或通过介质连接于网络的通信适配器的其它接口设备发送给计算机***的一系列计算机指令。介质可以是有形介质(例如光缆或模拟通信线路)或者是用无线技术(例如微波、红外或其它传输技术)实现的介质。这一系列计算机指令表现针对***之前描述的全部功能或部分功能。本领域内技术人员应当理解，这些计算机指令可以数种编程语言编写以用于多种计算机架构或操作***。

此外，这些指令可存储在任意存储设备中，例如半导体、磁、光学存储设备或其它存储设备，并可使用任意通信技术传输，例如光、红外、微波或其它传输技术。可以预见该计算机程序产品能够作为具有附随打印或电子文档(例如塑料包装软件)可移动介质发行，预加载于计算机***(例如在***ROM或固定硬盘上)，或从网络(例如因特网或万维网)上的服务器或电子公告板发行。当然，本发明的一些实施例可实现为软件(例如计算机程序产品)和硬件两者的组合。而本发明的又一些实施例完全以硬件实现或完全以软件(例如计算机程序产品)实现。

本领域内技术人员可对本文描述的内容作出变化、修改和其它实现，而不会脱离本发明如权利要求书所限定的精神和范围。因此，本发明不是由之前的解说性说明限定而是由所附权利要求书的精神和范围限定。

Claims (12)

1.一种用于初始化平衡式运输车的控制器的方法，包括：

(a)获取关联于所述平衡式运输车的多个方位信号；

(b)基于所述多个方位信号确定多个角速度传感器中的一个或多个是否具有低于阈值的信号输出偏差；

(c)初始化俯仰状态估计器以供基于多个角速度传感器中的一个或多个的输出控制所述平衡式运输车的操作；以及

(d)基于所述俯仰状态估计器中的至少一个输出控制所述平衡式运输车的操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述角速度传感器中的一个或多个具有等于或高于阈值的信号输出偏差则包括终止步骤(c)。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括将每个方位信号与相应阈值进行比较。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述方位信号中的一个或多个等于或超出其相应的阈值，则终止所述俯仰状态估计器的初始化。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括确定所述运输车的俯仰或倾侧是否在预定时间段内变化超过1.5度，所述俯仰和倾侧是基于加速度计输出信号来估计的。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括确定所述运输车的偏航角速度的变化在预定时间段内是否大于4.7度/秒，所述偏航角速度是基于运输车的左/右地面接触部件的速度差估计得到的，所述接触部件将力矩施加于运输车底下的表面。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括确定所述运输车的左或右地面接触部件的速度是否超过0.22米/秒，所述左/右地面接触部件将力矩施加于所述运输车底下的表面。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括确定第一偏航角速度信号和第二偏航角速度信号之间的差是否大于22度/秒，所述第一偏航角速度信号是基于所述运输车施加力矩于运输车底下的表面的左/右地面接触部件的速度差估计的，而所述第二偏航角速度信号基于由多个角速度传感器中的两个或更多个输出的角速度信号，所述角速度信号对应于围绕固定在所述运输车的基本垂直轴的角速度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括重复权利要求1所述的步骤直到所述角速度传感器的信号输出偏差低于阈值。

10.一种平衡式运输车，包括：

提供与所述平衡式运输车关联的方位信号的多个器件；

多个角速度传感器；

处理器，

(a)用来基于所述方位信号判断多个角速度传感器中的一个或多个是否具有等于或大于阈值的信号输出偏差；以及

(b)用来基于所述多个角速度传感器中的两个或更多个的输出估计所述平衡式运输车的俯仰状态；以及

基于所述俯仰状态估计来控制所述平衡式运输车的操作的控制器。

11.如权利要求10所述的运输车，其特征在于，所述处理器通过将每个方位传感器信号与相应阈值比较而判断所述角速度传感器中的一个或多个是否具有等于或高于阈值的信号输出偏差。

12.如权利要求10所述的运输车，其特征在于，包括向所述运输车底下的表面施加转矩的至少一个地面接触部件。

Images