DE102005040105A1

DE102005040105A1 - Steuerknüppelvorrichtung mit redundanter Sensorverarbeitung

Info

Publication number: DE102005040105A1
Application number: DE102005040105A
Authority: DE
Inventors: Jesper O. Bloch
Original assignee: Sauer Danfoss Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: CN1776560A; US20060044269A1; DE102005040105B4; CN1776560B; JP2006072999A; US7757579B2

Abstract

Eine Steuerknüppelvorrichtung hat einen Griffaufbau, der schwenkbar mit einem Basisaufbau verbunden ist. Der Basisaufbau hat Erfassungselemente, welche die Bewegung des Griffaufbaus bei seiner Drehung um den Basisaufbau erfassen. Innerhalb des Basisaufbaus und der Erfassungselemente ist ein Mikroprozessor vorgesehen. Der Mikroprozessor überprüft ein Ausgangssignal vor dem Senden an eine Fernsteuerung.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der am 30. August 2004 eingereichten vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 60/605,466.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Steuervorrichtungen und insbesondere Steuerknüppelvorrichtungen (Joysticks) zur Steuerung schwerer Maschinen.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine schwere Maschine über einen Steuerknüppel gesteuert wird. Bei einer derartigen Anordnung umgreift ein Bediener die Steuerknüppelvorrichtung und verwendet diese zum Lenken der Maschine oder zur Durchführung anderer Funktionen. Zusätzlich kann die Steuerknüppelvorrichtung Eingabeknöpfe aufweisen, über die der Bediener dann andere Funktionen der Maschine steuern kann. Zum Beispiel kann bei einem Stapler die Steuerknüppelvorrichtung Eingabeknöpfe aufweisen, durch die der Bediener die Bewegung und Positionierung der Hebearme steuern kann.

Der Nachteil dieser Steuerknüppelvorrichtungen besteht darin, dass sie eine Vielzahl elektrischer Verbindungen benötigen. Für jede der Eingabequellen, einschließlich jedweder Eingabeknöpfe und des Griffes selbst, sind elektrische Verbindungen erforderlich. Im typischen Fall sind für jede Eingabequelle Strom- und Erdungsanschlüsse für die Stromzufuhr sowie eine Datenverbindung zum Senden eines Ausgangssignals an eine entfernt angeordnete Hauptsteuerung erforderlich. Infolgedessen kommen bei herkömmlichen Steuerknüppelvorrichtungen üblicherweise zahlreiche Drähte und Kabel zum Einsatz, die sperrig sein können und Raum beanspruchen.

Im U.S.-Patent Nr. 6,550,562 (Brandt et al.) ist eine Steuerknüppelsteuerung offenbart, die von Seite zu Seite und von vorne nach hinten schwenkbar ist. Außerdem hat die Vorrichtung nach Brandt et al. eine Vielzahl von Eingabeknöpfen, die andere Funktionen des Fahrzeugs steuern, beispielsweise Fahrtrichtungsanzeiger, Hupe und spezifische Bewegungen der Hebearme. All diese Eingabeknöpfe sind elektronisch an einen innerhalb des Griffs vorgesehenen Mikroprozessor angeschlossen. Der Mikroprozessor kombiniert alle diese Eingangssignale und sendet ein einziges serielles Kommunikationssignal an eine entfernt angeordnete Hauptsteuerung, über die der Stapler oder andere schwere Maschinen gesteuert und betrieben werden.

Wie oben bereits beschrieben, gibt es zahlreiche Arten fertiger Steuerknüppel. Einige der aktuellen Steuerknüppelvorrichtungen verwenden zwei Halleffekt-Sensoren pro Achse zur Erzeugung einer redundanten Sensorabtastung. Bislang werden jedoch die von diesen redundanten Sensoren erfassten Daten entfernt vom Steuerknüppel selbst verarbeitet. Diese Fernverarbeitung erweist sich dann als nachteilig, wenn ein elektronisches Gerät zu Ausfällen neigt. Bei einem Ausfall kann das Gerät entweder ein Signal aussenden, das einen Fehler angibt, oder es kann ein falsches oder schlechtes Signal aussenden, das im normalen Soll-Betriebsbereich liegt. Diese zweite Art von Signal stellt ein Problem für das System dar, in dem das elektronische Gerät benutzt wird, da das System nicht unterscheiden kann, ob das Signal tatsächlich auf einen Befehl des Systems zurückzuführen ist oder ob es sich um ein falsches Signal handelt. Im Fall eines elektronischen Steuerknüppels, der in Verbindung mit einer entfernt angeordneten Mikrosteuerung und einem Fahrzeug als Teil eines Systems verwendet wird, führt diese Art von Ausfall (wenn der Steuerknüppel ausfällt und ein falsches oder schlechtes Signal aussendet, das zwar im Betriebsbereich liegt, aber nicht das auf dem Befehl basierende Signal ist) einen nicht sicheren Zustand zur Folge. Somit besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem Steuerknüppel, der diese Art von Ausfall verhindert, die zu Zuständen, die nicht sicher sind.

Gemäss einer Hauptaufgabe dieser Erfindung wird daher eine Steuerknüppelvorrichtung bereitgestellt, bei der zur Bestimmung, ob ein Gerät ausgefallen ist, redundante Sensoren und ein integrierter Mikroprozessor eingesetzt werden.

Gemäss einer weiteren Aufgabe dieser Erfindung wird eine Steuerknüppelvorrichtung mit der Fähigkeit zum sicheren Unterbrechen der Funktion des Steuerknüppels bereitgestellt.

Gemäss einer weiteren Aufgabe dieser Erfindung wird eine Steuerknüppelvorrichtung mit der Fähigkeit zum Fortsetzen des Betriebs des Steuerknüppels und zum Aussenden einer Fehlermeldung, die angibt, dass das Signal nicht mehr überprüfbar ist, bereitgestellt.

Diese und weitere Aufgaben sind für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Steuerknüppelvorrichtung weist einen schwenkbar mit einem Basisaufbau verbundenen Griffaufbau auf. Der Basisaufbau weist dabei Erfassungselemente zur Erfassung der Bewegung des Griffaufbaus bei dessen Schwenken um den Basisaufbau herum auf. Innerhalb des Basisaufbaus und der Erfassungselemente ist ein Mikroprozessor vorgesehen. Der Mikroprozessor überprüft ein Ausgangssignal vor dem Senden an eine Fernsteuerung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht der Steuerknüppelvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung;
2 eine Vorderansicht der Steuerknüppelvorrichtung von 1;
3 eine Seitenansicht der Steuerknüppelvorrichtung von 1;
4 Sensoren mit nominalem Ausgang;
5 die Maximaldifferenz an Endpunkten des Sensoreingangssignals;
6 Summengrenzen, bei denen die neutrale Stellung im Algorithmus enthalten ist; und
7 eine Abweichung am neutralen Signal.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die 1–3 zeigen eine Steuerknüppelvorrichtung 10 mit einem Griffaufbau 12, der schwenkbar mit einem Basisaufbau 14 verbunden ist. Der Griffaufbau 12 ist derart geformt, dass er sich gemäss der spezifischen Anwendung der Form der Hand einer Bedienungsperson anpasst.
Der Griffaufbau 12 weist einen oder mehrere Eingabeknöpfe 16 zur Verwendung für die Steuerung spezifischer Funktionen auf. Die Eingabeknöpfe 16 sind vorzugsweise digitale Eingabemittel. Alternativ kann es sich bei den Eingabemitteln auch um proportionale oder analoge Eingabequellen 17 handeln.
Ein Mikroprozessor 18 befindet sich innerhalb des Griffaufbaus 12. Der Mikroprozessor 18 befindet sich in elektronischer Kommunikation mit Eingabeknöpfen 16 und einem Verbindungsgerät 20. Der Mikroprozessor 18 empfängt Signale von den Eingabeknöpfen 16 und gibt einen einzigen seriellen Kommunikationsstrom an das Verbindungsgerät 20 aus. Der serielle Kommunikationsstrom hat eine Standardarchitektur, beispielsweise RS232 oder CAN, kann aber auch jedwedes speziell entworfene Schema aufweisen.
Der Griffaufbau 12 ist über einen flexiblen Abschnitt 22 schwenkbar mit dem Basisaufbau 14 verbunden. Der flexible Abschnitt 22 ermöglicht ein Vor- und Zurückschwenken sowie ein seitliches Schwenken des Griffaufbaus 12 relativ zum Basisaufbau 14.
Der Basisaufbau 14 weist eine Befestigungsplatte 24 auf, die eine Anbringung der Steuerknüppelvorrichtung 10 an jeder beliebigen, vom Bediener gewünschten Stelle ermöglicht.
Erfassungselemente 26 sind innerhalb des Basisaufbaus 14 vorgesehen. Erfassungselemente 26 erfassen eine Bewegung des Griffaufbaus 12 bei dessen Schwenken um den Basisaufbau 14 herum.
Ein Mikroprozessor 28 ist im Inneren des Basisaufbaus 14 vorgesehen. Der Mikroprozessor 28 befindet sich über das Verbindungsgerät 20, die Erfassungselemente 26 und eine entfernt angeordnete (nicht dargestellte) Hauptsteuerung in elektronischer Kommunikation mit dem im Griff angeordneten Mikroprozessor 18. Der Mikroprozessor 28 überträgt einen einzigen seriellen Kommunikationsstrom an die entfernt angeordnete Hauptsteuerung, zur Verwendung zum Antrieb von Steuerstellgliedern (nicht dargestellt) und anderen Vorrichtungen, welche die Funktion der schweren Maschinen steuern. Der serielle Kommunikationsstrom hat eine Standardarchitektur, beispielsweise RS232 oder CAN, kann aber jedes beliebige speziell entworfene Schema aufweisen.
Ein externes Verbindungsgerät 30 befindet sich am Basisaufbau 14 und steht in elektronischer Verbindung mit dem Mikroprozessor 28 des Basisaufbaus und der entfernt angeordneten Hauptsteuerung. Spezifisch wird ein (nicht dargestelltes) Kabel am externen Verbindungsgerät 30 angesteckt und verbindet die Steuerknüppelvorrichtung 10 mit der entfernt angeordneten Hauptsteuerung.
Die Vielzahl von Mikroprozessoren befindet sich in elektrischer Kommunikation mit allen Eingabeknöpfen und Erfassungselementen, um die Übertragung eines einzigen seriellen Kommunikationsstroms von der Steuerknüppelvorrichtung an die entfernt angeordnete Hauptsteuerung zu ermöglichen.
Vorzugsweise werden zwei Halleffekt-Sensoren 26 für eine gegebene Drehachse verwendet. Jeder Sensor 26 ist sehr dicht an einem Magneten angeordnet. Die Sensoren 26 messen die Veränderung im Magnetfeld beim Schwenken des Steuerknüppels 10 um seinen Mittelpunkt herum. Der eine Sensor misst dabei die Veränderung im Magnetfeld um eine bestimmte Achse. Der andere misst die Veränderung im Magnetfeld um die selbe Achse, 180 Grad vom ersten entfernt.
Aufgrund der Geometrie des Magnetfelds verhalten sich die Ausgangssignale der beiden Sensoren jeweils umgekehrt zueinander. Wenn der erste Halleffekt-Sensor eine Veränderung im Feld misst, die ein höheres Ausgangssignal ergibt, dann misst der zweite Sensor eine Veränderung im Feld, die ein niedrigeres Ausgangssignal ergibt. Zum Beispiel ist es typisch, dass bei Verwendung in einem Steuerknüppel das Ausgangssignal vom Sensor auf 50% der Speisespannung oder 2,5 Volt bei einer Speisespannung von 5 Volt eingestellt ist. Bei Drehung des Steuerknüppels 10 um die Achse, auf der der Sensor positioniert ist, nimmt das Ausgangssignal der Halleffekt-Sensoren proportional zu. Daher würde bei einer Drehung des Steuerknüppels 10 im Uhrzeigersinn das Ausgangssignal vom Sensor von 50% der Speisespannung auf 51% bis 52% und bis zu 100% der Speisespannung steigen (in Abhängigkeit von den auf den Sensor angewandten Einstellungen und dem Grad der Drehung). Der zweite Sensor erfasst das selbe Magnetfeld von der gegenüberliegenden Seite des Magnets aus, daher ergibt sich bei ihm ein sinkendes Ausgangssignal. Bei Drehung des Steuerknüppels 10 in gleicher Richtung im Uhrzeigersinn würde dabei das Ausgangssignal dieses Sensors von 50% der Speisespannung auf 49% bis 48% und bis auf 0% der Speisespannung sinken (wiederum in Abhängigkeit von den auf den Sensor angewandten Einstellungen und dem Grad der Drehung).
Die beiden Sensoren 26 sind beide elektronisch an einen im Steuerknüppel 10 angebrachten Mikroprozessor 28 angeschlossen. Der Mikroprozessor 28 vergleicht die Ausgangssignale der zwei Halleffekt-Sensoren, um sicherzustellen, dass beide Signale innerhalb eines ähnlichen Bereichs liegen. Solange dies nachweislich zutrifft, arbeitet der Steuerknüppel normal. Erfasst der Prozessor 28 hingegen eine Inkonsistenz in seinem Messwert, dann wird der Steuerknüppel 10 in einen sicheren elektrischen Zustand versetzt, d. h. das Ausgangssignal vom Steuerknüppel wird auf elektrisch neutralem Zustand verriegelt.
Der integrierte Mikroprozessor 28 kann auch darauf programmiert werden, auf intelligente Weise zu bestimmen, ob aufgrund eines Ausfalls der Steuerknüppel 10 vollständig heruntergefahren werden muss oder ob der Steuerknüppel 10 vernünftig weiter betrieben werden kann. Mit dem Software-Algorithmus kann überprüft und verglichen werden, ob die zwei Halleffekt-Sensoren in einem normalen Betriebsbereich liegen. Liegt der eine Sensor (in diesem Fall Sensor A) im normalen Bereich und der andere (Sensor B) liegt außerhalb seines Bereichs, dann kann der Steuerknüppel auf Grundlage der Eingangssignale von Sensor A arbeiten. Der Mikroprozessor 28 könnte dann ein gültiges Signal und eine Warnung oder eine Fehlermeldung aussenden, um anzugeben, dass das Signal nicht überprüft wurde.
Der nachstehend beschriebene Algorithmus verarbeitet die Information von den redundanten Sensoren 26. Das Signal vom Sensor 26 muss entgegengesetzte Anstiege haben. Wenn das Signal des ersten Sensors von hoch auf tief geht, dann geht das Signal des zweiten Sensors entsprechend von tief auf hoch. Der nachstehend beschriebene Algorithmus trifft sowohl auf die X- als auch auf die Y-Achse zu.
Während des Betriebs des Steuerknüppels 10: Der Algorithmus addiert die Eingangssignale von beiden redundanten Sensoren 26, was eine annähernd konstante Summe ergeben müsste. Zur Überprüfung, ob die Summe in einem gültigen Bereich liegt, wird diese mit einem gegebenen Wert verglichen. Eine gewisse Abweichung der Summe ist zulässig. Fällt die Summe aus den gültigen Grenzen, dann wird innerhalb der normalen Nachricht ein Signal auf dem CAN-Bus gesendet, auch eine DM1-Nachricht wird gesendet.
4 zeigt, wie die Summe bei korrekten (nominalen) Sensoreingangssignalen aussieht. Die Eingangssignale des ersten und des zweiten Sensors geben an, dass ein gewisses Maß an Nichtlinearität bei den Sensorsignalen möglich ist.
Während der Kalibrierung: Nachstehend ist die Berechnung der Summe sowie der Summengrenzen durch die Kalibrierungsroutine beschrieben:
Der gültige Bereich der Summe ist in 4 gezeigt. Während des Betriebs des Steuerknüppels wird für jeden Abtastwert/Messwert der Hall-Sensoren die Eingangsgröße mit dem gültigen Bereich der Summe verglichen.
Wenn die Sensorsignale nicht im Normalwertbereich liegen: In 5 wird davon ausgegangen, dass die von den Hall-Sensoren kommenden Eingangswerte wie folgt sind:
Summe der Eingangsspannung der redundanten Sensoren
Selbst bei weit vom normalen Ausgangswert entfernt liegenden Sensorwerten erfasst der Algorithmus einen Ausfall eines der Sensoren. Ein Fehler im Signal muss erst eine gewisse Größe haben, bevor die Grenzen überschritten sind (die Empfindlichkeit des Algorithmus).
Die Grenzen müssen derart gesetzt sein, dass der Algorithmus keine „unerwünschten" Fehler erzeugt, zum Beispiel muss die Nichtlinearität der Sensoren in den Grenzen enthalten sein. Diese Grenzen müssen am Anfang breit gesteckt und dann mit zunehmender Erfahrung nach und nach minimiert werden.
Sind die Hall-Sensoren 26 stark nichtlinear, dann muss die Kalibrierungsroutine für den Algorithmus des redundanten Sensors so erweitert werden, dass sie mehr Kalibrierungspunkte enthält als nur die Endpunkte. Siehe 6.
7 zeigt ein Beispiel, bei dem der Wert der neutralen Stellung eine Abweichung aufweist und die Grenzen der Summe nicht auf der neutralen Stellung beruhen. Dies führt zu dem „unerwünschten" Fehler. Bei bekannter Nichtlinearität können die Grenzen entsprechend gesetzt werden. Bei nicht bekannter Nichtlinearität muss der Algorithmus wie oben erwähnt die neutrale Stellung bei der Berechnung der Summengrenzen miteinbeziehen.
Im Betrieb ist die Steuerknüppelvorrichtung 10 in Reichweite eines Bedieners angeordnet und wird zur Steuerung der Bewegung schwerer Maschinen und dergleichen verwendet. Der Bediener umgreift dabei die Steuerknüppelvorrichtung 10 und beeinflusst die Bewegung der schweren Maschine in Abhängigkeit von den Eingaben des Bedieners. Je nach Wunsch betätigt der Bediener einen oder mehrere der Eingabeknöpfe 16 und 17, die Datensignale an den im Griff vorgesehenen Mikroprozessor 18 senden. Der im Griff vorgesehene Mikroprozessor 18 überträgt die Signale von den Eingabeknöpfen 16 als einen einzigen seriellen Kommunikationsstrom über das Verbindungsgerät 20 an den Basismikroprozessor 28. Ebenfalls nach Wunsch schwenkt der Bediener den Griffaufbau 12 bezüglich des Basisaufbaus 14, wodurch Ausgangssignale von den Erfassungselementen 26 ausgelöst werden. Der Basismikroprozessor 28 empfängt die Signale von den Erfassungselementen 26 sowie den seriellen Kommunikationsstrom von dem im Griff angeordneten Mikroprozessor 18 über das Verbindungsgerät 20 zur Verarbeitung eines Ausgangssignals auf Grundlage der oben beschriebenen Kriterien. Der Basismikroprozessor 28 überträgt einen einzigen seriellen Kommunikationsstrom an die entfernt angeordnete Hauptsteuerung über das externe Verbindungsgerät 30 und zugehörige Kabel. Auf der Grundlage der Betätigung der Steuerknüppelvorrichtung 10 durch den Bediener erfolgt durch die Hauptsteuerung die Steuerung und der Betrieb (nicht dargestellter) Steuerstellglieder und anderer Vorrichtungen, welche ihrerseits wiederum die schweren Maschinen steuern.
Es ist zu beachten, dass die Steuerknüppelvorrichtung 10 auch ohne den im Griff befindlichen Mikroprozessor 18 betrieben werden kann. Bei dieser Anordnung sind die Eingabeknöpfe 16 direkt an den Basismikroprozessor 28 angeschlossen, der Eingangswerte von den Eingabeknöpfen 16 und Erfassungselementen 26 empfängt und einen einzigen seriellen Kommunikationsstrom an die entfernt angeordnete Hauptsteuerung überträgt, die (nicht dargestellte) Steuerstellglieder und andere Vorrichtungen betreibt, welche wiederum die schweren Maschinen steuern.
Außerdem kann der Basismikroprozessor 28 die (nicht dargestellten) Steuerstellglieder und andere Vorrichtungen, welche die schweren Maschinen steuern, direkt betreiben. Bei dieser Anordnung überträgt der Basismikroprozessor 28 ein Ausgangssignal direkt an die Steuerstellglieder und andere Vorrichtungen, welche die schweren Maschinen steuern.
Es zeigt sich somit, dass die vorliegende Erfindung eine Steuerknüppelvorrichtung bereitstellt, die redundante Sensoren und einen integrierten Mikroprozessor dazu verwendet zu bestimmen, ob ein Ausfall des Geräts stattgefunden hat. Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Steuerknüppelvorrichtung mit der Fähigkeit zum sicheren Abschalten der Funktion des Steuerknüppels bereit. Schließlich stellt die vorliegende Erfindung eine Steuerknüppelvorrichtung mit der Fähigkeit zum Fortsetzen des Betriebs des Steuerknüppels und zum Aussenden einer Fehlernachricht bereit, um anzugeben, dass das Signal nicht mehr überprüfbar ist.

Claims

Steuerknüppelvorrichtung, die folgendes umfasst: einen schwenkbar mit einem Basisaufbau verbundenen Griffaufbau; im Basisaufbau vorgesehene Erfassungselemente zur Erfassung einer Bewegung des Griffaufbaus bei dessen Drehung um den Basisaufbau; und einen im Basisaufbau vorgesehenen und mit dem Griffaufbau und den Erfassungselementen verbundenen Mikroprozessor, wobei der Mikroprozessor ein Ausgangssignal von den Erfassungselementen überprüft, bevor er das Ausgangssignal überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher ein zweiter Mikroprozessor im Griffaufbau angeordnet und mit dem Mikroprozessor des Basisaufbaus verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Mikroprozessor ein Ausgangssignal sendet, das den Steuerknüppel auf elektrisch neutral verriegelt, wenn der Mikroprozessor eine Inkonsistenz erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Mikroprozessor ein Ausgangssignal sendet, das den Steuerknüppel bei Erfassung eines Ausfalls herunterfährt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Mikroprozessor ein gültiges Ausgangssignal und ein Warnsignal sendet, wenn eines der Erfassungselemente außerhalb eines Normalbereichs arbeitet.