CN102822046A

CN102822046A - 车辆控制的装置和方法

Info

Publication number: CN102822046A
Application number: CN2011800113061A
Authority: CN
Inventors: J·M·史蒂文斯; J·D·海恩兹曼; P·A·赫西; B·C·谢弗
Original assignee: Segway Inc
Current assignee: Segway Inc
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: US8490723B2; CN102811901B; US20140222267A1; US20110213522A1; HK1179582A1; WO2011106767A2; ES2547959T3; JP6030709B2; CN102822046B; EP2544944B1; EP2979964A1; US8688303B2; US9126497B2; HK1220954A1; JP6215259B2; WO2011106772A1; JP2013521173A; CN102811901A; US20120290162A1; US20140188316A1

Abstract

用于控制车辆的方法，该车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至该至少一个车轮的平台、具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器用于控制支承部分相对于平台部分的位置、耦合至该至少一个车轮的驱动器用于推进车辆并维持平台水平、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用于控制该致动器的控制器。

Description

车辆控制的装置和方法

发明领域

本发明涉及电动车辆控制，尤其涉及控制电动车辆运动。

背景技术

已知各种各样的用于运送人类对象的车辆和方法。通常，此类车辆依赖于静态稳定性，并且针对车辆的接地部件同下方地面的布置所有预见状况下的稳定性而加以设计。例如，作用于汽车重心的重力矢量在车轮的各接地点之间穿过并且汽车的悬架将所有车轮一直保持在地面上从而使得汽车稳定。尽管如此，仍然存在使稳定的车辆变为不稳定的状况（例如，增加或减少速度、急转弯、和陡坡）。

也称为平衡车辆的动态稳定车辆是一种具有控制系统的车辆，该控制系统在车辆运行时主动地维持车辆的稳定性。在仅具有两个横向设置的轮子的车辆中，例如，控制系统通过不断感测车辆的取向、确定对于维持稳定性所必须的校正动作、并命令车轮马达做出该校正动作而维持车辆的前后稳定性。如果车辆丧失维持稳定的能力，比如由于组件失效或缺少足够动力，则人类对象可能经历突然失去平衡。

对于维持稳定轨迹的车辆，操控控制和对车辆前行运动的控制之间的耦合是较少关注的问题。在典型路况下，依靠在整个转弯过程中车轮与地面接触来维持稳定性。在具有两个横向设置的车轮的平衡车辆中，然而，施加到一个或多个车轮的任何扭矩影响车辆的稳定性。

发明概要

本发明，在一个方面，特征在于用于控制车辆速度的方法，该车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至该至少一个车轮的平台、具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分的位置、耦合至该至少一个车轮的驱动器，该驱动器用于传送动力给所述至少一个车轮以推进车辆并将平台维持在期望的取向、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用于控制该致动器的控制器。本方法包括确定耦合结构支承部分相对于耦合组件平台部分的位置，并在将平台维持在期望取向的同时，通过命令耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置而控制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩。

在一些实施例中，该方法包括指定支承部分相对于平台部分的特定位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆的期望速度。在一些实施例中，基于车辆操作模式而确定特定位置。在一些实施例中，该方法包括从用户或控制器接收车辆速度命令值并改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆速度命令值。

在一些实施例中，该方法包括从该至少一个车轮接收速度反馈信号、耦合结构速度、或这两者来命令该耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而控制车辆的速度。在一些实施例中，控制器包括限速器模块，该限速器模块被设置为响应于在一段时间内改变支承部分相对于平台部分的位置，该限速器模块抑制速度命令信号的大小从而抑制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而在一段时间内抑制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个车轮和耦合至该至少一个车轮的平台的车辆。该车辆还包括耦合结构，该耦合结构具有耦合至该支架的支承部分和耦合至平台的平台部分，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分前后移动或滑动。该车辆还包括耦合至该耦合结构从而控制支承部分相对于平台部分的位置的致动器。该车辆还包括耦合至该至少一个车轮的驱动器，从而传递动力至该至少一个车轮来推动车辆并将平台维持在期望取向。该车辆还包括耦合至驱动器来控制该驱动器并耦合至致动器来控制该致动器的控制器，其中通过命令耦合结构来改变支承部分相对于平面部分的位置的同时将平台维持在期望取向，来控制由至少一个车轮施加至下方地面车辆的扭矩。

在一些实施例中，控制器被设置为命令支承部分相对于平台部分的特定位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆的期望速度。在一些实施例中，该车辆包括输入设备，用于接收来自用户或控制器的车辆速度命令值并改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆速度命令值。

在一些实施例中，该车辆包括车轮速度传感器和耦合结构速度传感器，用于向控制器提供信号来命令该耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而控制车辆的速度。在一些实施例中，该车辆包括限速器模块，该限速器模块被设置为响应于在一段时间内改变支承部分相对于平台部分的位置，该限速器模块命令控制器抑制速度命令信号的大小从而抑制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而在一段时间内抑制车辆的速度。在这个实施例中，耦合结构是滑轨组件，而支承部分是轨道且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于用于维持动态地平衡的车辆的平衡余量的方法。该车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至该至少一个车轮的平台、具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分的位置、耦合至该至少一个车轮的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并提供动力给该至少一个车轮用于推进车辆、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用于控制该致动器的控制器。该方法包括确定车辆的当前操作车轮扭矩、确定车辆的当前车轮扭矩能力、以及基于当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力来控制耦合结构从而控制支承部分相对于平台部分的位置以维持对于平衡车辆所需要的推进能力余量。

在一些实施例中，该方法包括能使耦合结构仅管辖（command）维持车辆平衡的位置。在一些实施例中，能使耦合结构仅管辖（command）其中当前操作车轮扭矩和用于平衡车辆所需扭矩之和要求小于被用于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机电流的电动机电流水平的位置。在一些实施例中，该方法包括基于所命令的、测得的、或估算的向前/后扭矩、偏航扭矩、或这两者而控制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道，且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个车轮和耦合至该至少一个车轮的平台的动态平衡的车辆。该车辆还包括具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前和向后移动或滑动，以及耦合至该支承结构的致动器，用于控制该支承部分相对平台部分的位置。该车辆还包括耦合至该至少一个车轮从而动态地平衡该车辆并向该至少一个车轮提供动力来推进该车辆的驱动器。该车辆还包括耦合至该驱动器以控制该驱动器并耦合至该致动器以控制该致动器的控制器，其中通过基于车辆的当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力来命令该耦合结构控制该支承部分相对于平台部分的位置而控制车辆的速度，从而维持用于平衡车辆所需的推进能力余量。

在一些实施例中，车辆包括位置传感器来确定支承部分相对于平台部分的实际位置，其中控制器将位置命令与实际位置进行比较并基于该比较输出致动器命令。在一些实施例中，该车辆包括耦合至该控制器的作用力限制器（effortlimiter）模块，用于使得耦合结构仅管辖维持车辆平衡的位置。在一些实施例中，作用力限制器被设置为仅能使耦合结构管辖（command）其中当前操作车轮扭矩和用于平衡车辆所需扭矩之和要求小于被用于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机电流的电动机电流水平的位置。

在一些实施例中，该车辆包括用户输入，用于命令车辆的向前/向后速度、偏航速率、或两者，且控制器被设置为基于所命令的、测得的、或估算的向前/后扭矩、偏航扭矩、或这两者而控制车辆的速度。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道，且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于用于平衡动态地平衡的车辆的方法。该车辆包括支架、至少一个接地部件、耦合至该至少一个接地部件的平台、具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分的耦合结构，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分向前后移动或滑动、耦合至该耦合结构的致动器，该致动器用于控制支承部分相对于平台部分的位置、耦合至该至少一个接地部件的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并对该至少一个接地部件提供动力来推进车辆、以及耦合至该驱动器用于控制该驱动器且耦合至致动器用于控制该致动器的控制器。该方法包括确定耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置，并控制耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置，从而在动态地平衡车辆的同时移动车辆重心的位置。

在一些实施例中，该方法包括相对于平台部分移动支承部分，从而在车辆相对于下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。在一些实施例中，该方法包括响应于车辆重心位置的变化来改变支承部分相对于平台部分的位置。在一些实施例中，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或多个预定条件而执行控制支承部分相对于平台部分位置的步骤。

在一些实施例中，当车辆在预定操作模式中操作时，执行控制支承部分相对于平台部分的位置的步骤。在一些实施例中，该方法包括在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的步骤停用。

在一些实施例中，该方法包括在车辆从起动模式进入平衡模式后，启动控制位置的步骤。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道、且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于包括支架、至少一个接地部件和耦合至该至少一个接地部件的平台的动态平衡的车辆。该车辆还包括耦合结构，该耦合结构具有耦合至该支架的支承部分和耦合至该平台的平台部分，该耦合结构允许支承部分相对于平台部分前后移动或滑动。该车辆还包括耦合至该耦合结构以控制支承部分相对于平台部分位置的致动器、和耦合至该至少一个接地部件的驱动器，该驱动器用于动态地平衡该车辆并提供动力给该至少一个接地部件来推进该车辆。该车辆还包括耦合至驱动器以控制该驱动器且耦合至该致动器以控制该致动器的控制器，且其中该控制器在动态平衡车辆的同时，通过确定该耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置且控制该耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置来移动车辆重心的位置。

在一些实施例中，控制器被设置为相对于平台部分移动支承部分，从而在车辆相对于下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。在一些实施例中，该控制器被设置为响应于车辆重心位置的变化来改变支承部分相对于平台部分的位置。在一些实施例中，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或多个预定条件而执行控制支承部分相对于平台部分的位置。在一些实施例中，当车辆在预定操作模式中操作时，执行支承部分相对于平台部分的位置控制。

在一些实施例中，控制器被设置为在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的步骤停用。在一些实施例中，控制器被设置为在车辆从起动模式进入平衡模式后，启动控制位置的步骤。在一些实施例中，耦合结构是滑轨组件，支承部分是轨道、且平台部分是轨道导件。在一些实施例中，耦合结构是四连杆机构。

本发明，在另一方面，特征在于用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的方法。该方法包括基于a)在操作过程中车辆电池的预定最大预期电池总线电流、b)估算的电池开路电压、和c)估算的电池开路电阻，而估算在操作过程中车辆电池的凹陷(sagged)电池电压。该方法还包括基于d)被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度、e)电动机的反EMF常数、f)电动机线圈的电阻、g)凹陷电池电压、h)电动机线圈的电感、和i)电动机的磁极对数，来估算由电池供电的车辆的电动机电流能力。

在一些实施例中，在操作过程中的车辆电池的凹陷电池电压根据如下而被估算：

V_{bat_ sag}=[V_oc-I_{bat_max}*R_bat，

其中V_{bat_sag}是估算的凹陷电池电压、V_oc是估算的电池开路电压、I_{bat_max}是预定最大预期电池总线电压、且R_bat是估算的电池开路电阻。

在一些实施例中，电池供电的车辆的电动机电流能力根据如下被估算：

I_{mot_\max} (Spd) = \frac{2}{\sqrt{3}} * \frac{- K_{e} * | Spd | * R_{mot} + \sqrt{{V_{bat_sag}}^{2} * [R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}] - {(K_{e} * {Spd}^{2} * PP * L_{mot})}^{2}}}{R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}}

其中，，I_{mot_max}是电动机电流能力、Spd是电动机的操作速度、K_e是电动机线圈的两线之间的反EMF常数、R_mot是电动机线圈的两线之间的电阻、PP是电动机的磁极对数、且L_mot是电动机线圈的两线之间的电感。

在一些实施例中，该方法根据下式，基于用于驱动该电动机的电动机驱动器的电流限制而限制由电池供电的车辆的电动机电流能力：

I_{mot_cap}(Spd)=min(I_{mot_lim},I_{mot_max}(Spd))

其中I_{mot_lim}是电动机驱动器的电流限制。

在一些实施例中，该方法包括根据下式，基于V_{bat_sag}而限制被用于最大化电动机的无负载速度的电动机操作速度的值：

{Spd}_{NoLoadEst} = \frac{V_{bat_sag}}{K_{e}}

其中Spd_NoLoadEst是最大无负载速度。

本发明，在另一方面，特征在于用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的装置。该装置包括被设置为测量被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度的测量模块。该装置还包括被设置为基于如下而估算操作过程中车辆电池的凹陷电池电压的估算模块：a)预定最大预期电池总线电流、b)估算的电池开路电压、c)估算的电池开路电阻。该估算模块还被设置为基于如下估算电池供电的车辆的电动机电流能力：d)被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度、e)电动机的反EMF常数、f)电动机线圈的电阻、g)凹陷电池电压、h)电动机线圈的电感、和i)电动机的磁极对数。

本发明，在另一方面，特征在于用于估算提供动力给电负载的电池的电状态的方法。该方法包括a)获取在第一时间点的电池电压和电池电流消耗(current draw)的值、b)监测电池电压和电池电流消耗、和c)当在第一时间点和第二时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在时间上的第一时间点和第二时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时，获取在第二时间点的电池电压和电池电流消耗的值。该方法还包括d)基于在第一时间点和第二时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化而计算电池电阻、和e)基于所计算的电池电阻、第二时间点的电池电流消耗、和第二时间点的电池电压而计算开路电池电压。

在一些实施例中，该方法包括重复步骤b)、f)当在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗的变化大于预定电流量时，获取第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值、重复步骤d)、和重复步骤e)。

在一些实施例中，该方法包括重复步骤b)、f)延迟获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值直到在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量。

在一些实施例中，步骤e)包括确定当前计算的电池电阻相对之前计算的电池电阻是否已经变化了多于预定百分比。在一些实施例中，该方法包括如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻没有变化多于预定百分比，则基于所计算的电池电阻而计算开路电池电压。在一些实施例中，该方法包括如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻变化多于预定百分比，则基于之前计算的电池电阻而计算开路电池电压。

在一些实施例中，该方法包括在由电池供电的车辆的预定操作条件过程中，暂停步骤c)、d)、和e)。在一些实施例中，当车辆再生（regeneratively）制动达预定时间段时，暂停步骤c)、d)、和e)。

本发明，在另一方面，特征在于用于估算提供动力给电负载的电池的电状态的装置。该装置包括测量模块，测量模块被设置为a)获取在第一时间点的电池电压和电池电流消耗的值、b)监测电池电压和电池电流消耗、和c)当在第一时间点和第二时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第一时间点和第二时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时，获取在第二时间点的电池电压和电池电流消耗的值。该装置还包括估算模块，被设置为d)基于在第一时间点和第二时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化而计算电池电阻、和e)基于所计算的电池电阻、第二时间点的电池电流消耗、和第二时间点的电池电压而计算开路电池电压。

在一些实施例中，该测量模块被设置为重复步骤b)、f)在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值、重复步骤d)、和重复步骤e)。

在一些实施例中，该测量模块被设置为重复步骤b)、且估算模块被设置为f)延迟获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值直到在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量。

在一些实施例中，测量模块被设置为确定当前计算的电池电阻相对之前计算的电池电阻是否已经变化了多于预定百分比。在一些实施例中，估算模块被设置为如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻没有变化多于预定百分比，则基于所计算的电池电阻而计算开路电池电压。

在一些实施例中，估算模块被设置为如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻变化多于预定百分比，则基于之前计算的电池电阻而计算开路电池电压。在一些实施例中，该装置被设置为在由电池供电的车辆的预定操作条件的过程中，暂停步骤c)、d)、和e)。在一些实施例中，该装置被设置为在该车辆再生制动达预定时间段时，暂停步骤c)、d)、和e)。

附图简述

根据附图并参考以下详细描述将更容易地理解本发明的上述特征，在附图中：

图1是根据本发明的说明性实施例的车辆的示意图。

图2A是根据本发明的说明性实施例的车辆的示意图。

图2B是根据本发明的说明性实施例的车辆的示意图。

图3是根据本发明的说明性实施例的用于动态地控制车辆的稳定性的控制系统的框图。

图3A是相对于车辆的接地部件的车辆重心的位置的框图。

图3B是相对于车辆的接地部件的图3A的车辆的重心的可选位置的框图。

图4是根据本发明的说明性实施例的用于控制车辆的操作的控制器的框图。

图5是根据本发明的说明性实施例的用于控制车辆速度的方法的流程图。

图6是根据本发明的说明性实施例的用于维持动态地平衡的车辆的平衡余量的方法的流程图。

图7是根据本发明的说明性实施例，通过控制车辆重心的位置用于动态地平衡车辆的示例性方法的流程图。

图8A是根据本发明的说明性实施例的用于确定电池供电车辆的电动机电流能力的方法的流程图。

图8B是根据本发明的说明性实施例的用于确定电池供电车辆的电动机电流能力的装置的示意性示图。

图9A是根据本发明的说明性实施例的电池的电路图。

图9B是根据本发明的说明性实施例的，用于估算图9A的电池的电状态的装置的示意图。

图9C是根据本发明的说明性实施例的用于估算电池的电状态的方法的流程图。

说明性实施例的详细描述

图1是根据本发明的说明性实施例的车辆100的示意图。车辆100包括耦合至支架104的外壳102。车辆100还包括耦合至平台112的至少一个接地部件110（如，一个或多个车轮）。接地部件110绕着耦合至平台112的轴114而旋转。车辆100还包括耦合结构172，该耦合结构包括耦合至支架104的支承部分172a和耦合至平台112的平台部分172b。耦合结构172允许支承部分172a相对于平台部分172b向前向后移动或滑动。

在这个实施例中，耦合结构172是滑轨组件，而支承部分172a是轨道且平台部分172b是轨道导件。在这个实施例中，人类对象（未示出）操纵输入设备106来引起车辆100的重心140的位置改变。输入设备106耦合至连杆108。连杆108耦合至支架104。输入设备106可以是，例如，控制杆、轭状物、方向盘或手把。

人类对象向前推动输入设备106（向着负X轴方向），这样相对于接地部件110而向前移动外壳102和支承104（向着负X轴方向）。车辆100的重心140的位置响应于外壳102和支承104向前移动而向前移动。响应于车辆100的重心140向前移动，通过接地部件110产生向前扭矩。人类对象向后拉动输入设备106（向着人类对象的身体并沿着正X轴方向），这样相对于接地部件110而向后移动外壳102和支承104（向着正X轴方向）。车辆100的重心140的位置响应于外壳102和支承104向后移动而向后移动。响应于车辆100的重心140的位置向后移动，通过接地部件110产生负扭矩。

车辆100还包括耦合至耦合结构172的致动器190，致动器190用于控制支承部分172a相对于平台部分172b的位置。车辆100还包括耦合至平台112和接地部件110的驱动器180。驱动器180（如，电动驱动器）将动力传递给接地部件110来引起接地部件110的旋转从而向前（向着负X轴方向）向后（向着正X轴方向）行进/移动该车辆。驱动器180还相对于重力将平台112维持在期望的取向（如，水平或接近水平的所期望的变化）。在一些实施例中，车辆100包括两个或更多个横向地设置（沿Z轴，沿Z轴的正方向是出纸面的）的接地部件110，帮助向车辆100提供横向稳定性。

车辆100还包括耦合至驱动器180来控制该驱动器180且耦合至致动器190来控制该致动器190的至少一个控制器194（如，图4的控制器400）。控制器194响应于外壳102和支架104相对于接地部件110和平台112的位置而控制车辆100的平衡。人类对象（未示出）操纵输入设备106来命令驱动器108命令接地部件110的转动从而将车辆100在前后方向中移动。

在一些实施例中，当外壳102、支架104、和支承部分172a相对于平台部分172b、平台112、和接地部件110向前或向后滑动时，外壳102、支架104、和支承部分172a相对于下方地面/地面维持在所期望的取向（如，水平或接近水平的变化）。在可选实施例中，当外壳102、支架104、和支承部分172a相对于平台部分172b、平台112、和接地部件110向前或向后滑动时，外壳102、支架104、和支承部分172a相对于地面俯仰。可调整车辆100以使当外壳102、支架104、和支承部分172a相对于平台部分172b、平台112、和接地部件110向前滑动时，外壳102、支架104、和支承部分172a向前俯仰，或可选地，调整车辆100以使当外壳102、支架104、和支承部分172a相对于平台部分172b、平台112、和接地部件110向前滑动时，外壳102、支架104、和支承部分172a向后俯仰。

在一些实施例中，在不引起外壳102、支架104、和支承部分172a相对于平台部分172b、平台112、和接地部件110移动的情况下，人类对象向前或向后改变他/她的重量来移动重心位置，从而分别引起车辆向前或向后移动。

在一些实施例中，连杆108耦合至向连杆108的运动提供刚度或阻尼的设备，从而，例如加强对于车辆的特定类型的输入和/或增强人类对象的体验。在一些实施例中，该设备限制了允许连杆108移动的速度，这限制了允许重心140的位置改变的速度，且因此，限制了车辆100的速度的改变率。

在一些实施例中，该设备阻尼了连杆108的运动中的震荡，从而减少了控制车辆100的操作的控制器的俯仰控制环和/或重心控制环中的震荡。在没有该设备的情况下，通过，例如人类对象推或拉输入设备106所引起的连杆108中的震荡将引起车辆100的俯仰和/或速度的震荡。

在一些实施例中，支承部分172a和/或平台部分172b包括减震器，当支承部分172a由于例如外部干扰或车载干扰相对于平台部分172b不协调地移动时，该减震器防止车辆100的速度震荡。例如，当车辆100驶过障碍时，支承部分172a可相对于平台部分172b移动或滑动，藉此向前或后移动了车辆100的重心140的位置。重心140的位置的向前或向后的移动引起车辆100加速或减速。因此，将支承部分172a耦合至平台部分172b的减震器将减少否则由障碍引起的高频动作，且减少了由于障碍引起的车辆100的速度的变化。减震器不会阻尼例如由推动输入设备的人类对象引起的来命令车辆的重心140的位置变化的低频动作。在一些实施例中，减震器被设置为阻尼高频震荡或冲击。减震器可以是将支承部分172a耦合至平台部分172b的机械减震器。在一些实施例中，减震器是实现于控制器194中的阻尼项。

图2A是根据本发明的说明性实施例的车辆200的示意图。外壳202耦合至支架204。至少一个接地部件210耦合至平台212。接地部件210绕轴214旋转。车辆200还包括耦合结构，该结构是至少一个四连杆机构224（第一杆224a和第二杆224b的组合）。第一杆224a的第一端252a耦合至支架204且第二杆224b的第一端252b耦合至支架204。杆的第一端252a和第一端252b是耦合结构的支承部分。第一杆224a的第二端256a耦合至平台212且第二杆224b的第二端256b耦合至平台212。杆的第二端256a和第二端252b是耦合结构的平台部分。

外壳202和支架204沿着由四连杆机构224在X-Y平面中的转动所界定的路径260移动。在这个实施例中，人类对象（未示出）操纵输入设备206来引起车辆200的重心240的位置改变。输入设备206耦合至连杆208。连杆208耦合至支架204。人类对象向前推动输入设备206（向着负X轴方向），这将外壳202和支架204沿着由四连杆机构224的转动所界定的路径260移动，将外壳202和支架204相对于接地部件210向前移动（向着负X轴方向）。车辆200的重心240的位置响应于外壳202和支承204向前移动而向前移动。响应于车辆200的重心240的位置向前移动，由接地部件210产生向前扭矩。

人类对象向后拉输入设备206（向着人类对象的身体且沿着正X轴方向），这将外壳202和支架204沿着由四连杆机构224的转动所界定的路径260移动，将外壳202和支架204相对于接地部件210向后移动（向着正X轴方向）。车辆200的重心240的位置响应于外壳202和支承204向后移动而向后移动。响应于车辆200的重心240的位置向后移动，由接地部件210产生负扭矩。

在一些实施例中，车辆200包括两个横向设置的接地部件。车辆还包括两个四连杆机构（如，两个四连杆机构224）。每一个四连杆机构耦合至两个横向设置的接地部件中的一个。在一些实施例中，一个或多个四连杆机构是柔性杆。柔性杆弯曲以允许，例如，外壳和支架沿路径（如，图2A的路径260）移动。

图2B是根据本发明的说明性实施例的车辆268的三维视图。人类对象（未示出）靠坐在位于至少部分地封住人类对象的外壳276中的支架272上。车辆268包括两个车轮260、264。该两个车轮206、264耦合至平台280。车轮260同车辆264横向地设置。每一个车轮绕轴284旋转且由至少一个驱动器288（如，电动驱动器）提供动力。控制器（292）耦合至驱动器288用于响应于车辆取向（如，俯仰）和车辆268的重心296的位置的变化而提供控制信号。

当人类对象乘用车辆268时，控制器292实现控制环并感测可能源自重心296在前后平面中的位置变化的车辆268取向的变化，并基于重心296的位置变化而控制提供给车轮260、264的动力。响应于车辆268的取向的变化以及重心296的位置的变化，将扭矩施加至车轮260、264来动态地稳定车辆268，类似于美国专利申请No.12/266.170（该专利的全部内容通过参考全部并入此处）中所述的那样。

在一个实施例中，当重心296的位置在向前方向（向着负X轴方向）中移动时，驱动器288提供给两个车轮260、264足够的动力使得车辆268向前移动（向着负X轴方向）。当重心296在向后方向（向着正X轴方向）中移动时，驱动器288提供给两个车轮260、264足够的动力使得车辆268减速并反向，从而车辆268向后（向着正X轴方向）移动。

还可感测车辆268的俯仰（车辆268绕轴284的角取向）并在控制环中补偿该俯仰。控制器包括用于感测车辆268的取向的陀螺仪，车辆268的取向可能源自重心296的位置的变化。

在基于支承部分相对于平台部分（如，图1的支承部分172a和平台部分172b）的位置变化而不是响应于俯仰的变化而动态地稳定车辆268时，在操作过程中，减少车辆268俯仰变化。这还缩短了车辆268响应加速和/或减速命令所用的时间。车辆268通过在车轮260和264接地的方位上方恢复车辆268的重心296的位置而加速和/或减速。如果车辆268响应于俯仰的变化而被加速和/或减速，车辆268的控制器将首先需要引起重心296的位置相对于稳定状态位置的变化，并且然后命令驱动器288以这样的方式操作车轮260和264从而在接地部件接地的方位上定位重心296。相比于响应于重心位置变化的加速和/或减速，供车辆268响应加速和/或减速命令引起重心296的位置变化回稳定状态位置所需要的时间是时间延迟。车辆268不需要引起重心296的位置从稳定状态的变化，因为重心296的位置变化内含在加速和/或减速命令中。加速和/或减速命令使得车辆268的取向的变化成为必要，从而将重心296定位在正确位置以使加速和/或减速可开始。

图3是根据本发明的说明性实施例，用于动态地控制具有两个横向设置的车轮（如，图2B的车轮260和264）的车辆的稳定性的控制系统300的框图。控制器302（如，图4的控制器400）从传感器模块304，接收支承部分（如，图1的支承部分172a）相对于平台部分（如，图1的平台部分172b）的位置（这影响了车辆重心的位置）的输入特性。基于由传感器模块304提供的至少支承部分相对于平台部分的位置，控制器命令左侧电动驱动器306或右侧电动驱动器308中的至少一个的扭矩T（如，施加至相应接地部件的扭矩）。

图3A和3B是根据本发明的说明性实施例，示出车辆330的重心322的位置对于车辆330的操作的影响的框图。车辆330具有总质量M₂（重量M₂g）。车辆330的有效载荷和一部分的质量被标记为M₁(重量M₁g)，对应于重心322的质量。两个横向设置的接地部件320的质量被标记为质量M₀(重量M₀g)。车辆330的重量表表达为：

M₂g=M₁g+M₀g 式1

车辆330的能沿X轴方向相对于接地部件320的位置移动的那部分被表达为重心322。参看图3A，重心322位于接地部件320接触下方地面的方位338上方的初始方位334处。

参看图3B，重心322位于方位342，位于沿负X轴方向相对于初始方位334距离L处。在一个实施例中，通过人类对象移动车辆330重心位置，重心322定位于方位342处。（图3的）传感器模块304提供车辆330的俯仰和车辆330的取向给控制器302。当重心322的位置342变化时，该俯仰和取向随之变化。控制器302输出信号给左侧电动驱动器306和右侧电动驱动器308来施加扭矩[T=(M₁g)(L)]给接地部件320，以引起接地部件320在重心322从之前方位338移位的方向（如，向前沿着负X轴方向）中移动，从而维持车辆330的平衡。

车辆330的质量可有利地被分配在有效载荷与相关结构（并称322）和接地部件与相关结构（并称320）之间来最大化加速与减速性能。在一个实施例中，有利的是将车辆330的全部质量中的较大百分比放置在车辆330的移动部分（即，在有效载荷与相关结构322）上，从而最大化加速和减速性能。将车辆330全部质量中的更多放置在移动部分322能使质量中的更大的量贡献于产生对于加速或减速车辆330所需要的电动机命令。然而，如果，车辆330全部质量中的更多被放置在接地部件与相关结构320处，质量中的较大百分比可能成为车辆330需要作为整个车辆330的一部分去移动的负载。

控制器302还与用户界面310和车轮旋转控制器312交互。例如，用户界面310可包括用于起动或关闭车辆、或用于触发车辆的不同操作模式的控制器。

传感器模块304检测一个或多个车辆参数来确定车辆重心位置的变化（如，由于图1的车辆100的支承部分172a相对于平台部分172b的移动引起的）。在一个实施例中，传感器模块304产生指示在时间上的一个瞬间重心位置相对于在时间上的另一个瞬间的重心位置的变化的信号。例如，可使用附着至弹簧的距离传感器、负载传感器、倾斜计、陀螺仪、螺旋触簧（whiskers）、和/或角速率传感器来确定车辆重心的变化。还可使用其它传感器（例如，光学传感器和/或磁性传感器），因而其也在本发明的范围内。

控制器302包括控制算法来基于滑轨位置（支承部分相对于平台部分）而确定将由左侧电动驱动器306和/或右侧电动驱动器308施加的扭矩的量。例如，基于车辆的当前操作模式、车辆所经历的操作条件、以及人类对象的喜好，可在车辆的设计过程中或实时地设置该控制算法。

作为示例，而不意在限制，控制算法可采取该形式：

Torque Command=K·(C+O) 式2

其中K是增益，C是定义车辆的重心位置的矢量，且O是偏移。重心位置，C，可以是由滑轨的期望位置（支承部分相对于平台部分）减去滑轨的被感测的位置所定义的误差项的形式。改变滑轨位置可以是被用于影响CG的位置的方法。滑轨的期望位置可例如是控制算法中的预定常数。可选地，车辆中的人类对象可经由用户界面而设定滑轨的位置。在这个实施例中，一旦起动车辆且在允许车辆的移动之前，人类对象可激活车辆上的开关，该开关基于从传感器模块接收到的输入而触发滑轨的期望位置的判定。这允许人类对象来获取滑轨的已知初始位置，然后，人类对象可偏离该初始位置，从而引起滑轨位置的变化（引起CG位置的变化）。

增益，K，可以是预定常数，或可由人类对象通过用户界面310输入或调节。最一般地，增益K是矢量，扭矩被确定为增益与滑轨位置位移矢量的标量积。车辆对于滑轨位置的变化的响应性可由K所决定。例如，增加矢量K的至少一个元素的大小引起人类对象感知到更硬的响应，其中滑轨位置的较小变化引起较大扭矩命令。

偏移，O，可被结合到控制算法中来决定施加至左侧电动驱动器306和右侧电动驱动器308的扭矩，附加于、或分离于C的直接效果。因此，例如，人类对象可通过用户界面310（如，图1的输入1006）提供输入，该输入被控制器302与例如滑轨位置的变化同等地对待。

在一个实施例中，通过分别计算左侧电动驱动器306所期望的扭矩和右侧电动驱动器308所期望的扭矩可完成操控。附加地，追踪左侧车轮动作和右侧车轮动作允许进行调节，如同控制领域的普通技术人员已知的那样，从而防止车辆的不想要的操控且从而考虑到了左侧电动驱动器306和右侧电动驱动器308之间的性能差异。

在具有至少两个横向设置的接地部件（如，左侧和右侧车轮）的实施例中，通过提供例如左侧和右侧接地部件的独立式电动机可完成操控。可分离地计算左侧电动机所期望的扭矩和右侧电动机所期望的扭矩。附加地，用接地部件旋转传感器312追踪左侧接地部件动作和右侧接地部件动作允许做出调节，如同控制领域的普通技术人员已知的那样，从而防止车辆的不想要的操控且从而考虑到了两个电动机之间的性能差异。在一些实施例中，当车辆处于更低速度时将操控敏感度调节至更高敏感度，且当车辆处于更高速度时调节至更低敏感度，从而允许，例如，在更高速度的更简单的操控。

在一些实施例中，控制系统300限制了车辆的速度。可基于，例如，与车辆的操作模式相关联的最大速度或来自人类对象的输入来设定速度限制。

在一个实施例中，控制系统300包括限速算法，其通过控制车辆的俯仰来调整车辆的速度。控制器302改变车辆的俯仰，此举移动重心位置。取决于重心移动的方向，重心位置的变化引起车辆加速或减速。限速算法引起控制器302通过调节期望俯仰角Θ_D来限制车辆的速度。系统300的俯仰控制环控制系统300来实现期望的俯仰角Θ_D。

基于如下关系来确定期望的俯仰角的调节：

式3

其中V_SpeedLimit车辆当前所允许的最大速度、V_cm是车辆的速度、K2是成比例于车辆速度限制和车辆实际速度之间的差异的增益、K3是积分(integrated)速度误差的增益，集成速度误差是车辆速度限制和车辆实际速度之间的集成差异、K4是车辆加速度的增益、K1是整体计算的期望俯仰的增益，该俯仰可以是例如车辆重心位置的函数、且V_cm是所期望的俯仰角。等式3中的项A、B、和C的累积效果是如果向前的速度限制被超过，引起车辆向后俯仰为减速取向。所期望的俯仰角

在一个实施例中，所期望的俯仰角保持不变（如，车辆保持与地面平齐）。当达到预定最大速度限制时，控制系统300通过将所期望的俯仰角设定为使得车辆减速的值来防止车辆超过最大速度限制。这具有控制系统300命令车辆向后俯仰的效果，这引起车辆的速度下降。

在一些实施例中，控制系统300被设置为考虑到命令车辆减速的人类对象。当控制系统300确定人类对象已经引起了重心位置向后变化时，控制器减少增益K1的值。通过减少增益K1的值，控制系统中的俯仰角项（例如，受到等式3命令）被去强调。由于控制系统300去强调俯仰角项，控制系统300不会像没有人类对象命令车辆减速时那种程度地命令车辆向后俯仰。

图4是根据本发明的说明性实施例的用于控制车辆（如，图1的车辆100）的操作的控制器400的框图。可通过多个嵌套且协作的闭环系统控制器来管理车辆对于驾驶员402或控制器404（如，自发的）输入命令、地形、有效载荷、风力载荷、和系统能力的动态响应。俯仰控制器406维持车辆的动态稳定。俯仰控制器406可从多种来源获取反馈数据，例如，从俯仰状态估计器（PSE）410获得俯仰和俯仰率408、且从滑轨安装的弦线电位计414（或者，提供例如耦合结构的支承部分相对于耦合结构的平台部分的位置的测量的其他合适的传感器）获得滑轨位置412。俯仰控制器416可将车轮电动机速度命令418输出从而保持车辆底盘（如，支架）水平。

车辆的偏航控制器466可从HMI 402（或控制器404）获取操控命令作为输入，并将该操控命令420与来自车轮电动机驱动器424的车轮速度422进行比较从而创建对于操控和转弯车辆所需要的车轮电动机速度命令分量426。车轮电动机速度命令438可包括车辆推进的命令分量和车辆操控的命令分量。在一些实施例中，对于一个车轮，操控命令分量426被添加至推进命令分量418（来自俯仰控制器406），对于另一个车轮，操控命令分量426被从推进命令分量418中减去。

车辆的速度控制器428可从HMI 402（或控制器404）接收速度命令430作为输入，该命令如果有必要的话已经受到了车辆限速器432的限制。车辆速度控制器428可操作滑轨位置命令434来调节影响CG位置的滑轨的位置、以及因此，由车轮施加至下方地面以调节车辆的加速度和速度的扭矩。车辆速度控制器428可从车轮电动机驱动器422和滑轨电动机驱动器436接收速度反馈。

车轮速度命令分量418和426可从俯仰控制器406和偏航控制器446输出并可被组合以创建整体电动机速度命令438，车辆可用该命令438来平衡、操控和驱动车辆。所获得的车轮速度命令438可被发送至车轮马达驱动器424，该驱动器可控制车轮电动机442的速度。车轮电动机驱动器424可以是数控、正弦调制、和永磁电动机驱动器。

滑轨位置命令434可从车辆速度控制器428中被输出，控制器428可受限于作用力限制器（effort limiter）444，该命令可被输入至滑轨位置控制器446。滑轨位置控制器446将滑轨位置命令434与来自弦线电位计的实际滑轨位置412相比较并输出滑轨电动机速度命令448。电动机速度命令448可被输入至滑轨致动器电动机驱动器450，驱动器450可控制滑轨电动机468的速度。

在车辆的车轮电动机驱动器424内，其中可存在电动机速度环来控制电动机电流回路，该电流回路可控制可将变化的3相电压输出至车辆车轮电动机442的功率桥的占空比。车辆的车轮电动机位置458可从电动机轴编码器460被反馈至车轮电动机驱动器424用于通信以及关闭速度环。可用成比例的增益来设置速度控制器。因此，在负载下可利用稳定状态的速度误差。稳定状态的速度误差的出现可帮助确保由冗余电动机携载的负载（如果被实现的话）以合理均衡的方式被分担。每一个车轮电动机驱动器424中的电流限制器可保护电动机驱动器424及其电动机424免于过热，同时允许短时间段的峰值扭矩能力和不确定时间段操作的持续扭矩能力。

为了了解如何限制推进系统的所要求的作用力，可估算车轮电动机电流能力。可通过了解可从车轮电动机驱动器424反馈的当前电动机速度、电流和电流限制、以及来自电池状态估计器（BSE）452的估算的电池电阻和开路电压来估算电动机电流能力。因此，通过监测响应于电池电流改变电池电压的量，BSE 452可使用从电池456反馈的电流和端电压来估算电池电阻。BSE 452可从实际电池电流和端电压和电池所估算的电阻来估算开路电池电压（无负载电压）。此处描述了电池状态估算的机制和方法。

使用来自BSE 452的电池状态估算、来自车轮电动机驱动器425的电动机电流、电流限制和速度反馈作为输入，电动机电流能力估算器（CCE）454可估算车辆推进系统在时间上任意点可产生的电动机电流。此处描述了电流能力估算（CCE）的方法和机制。电流能力可被传送至作用力限制器444，其限制了滑轨位置来保持极限（margin）位于所命令的电流和系统的电流能力之间，因此可维持平衡和操控能力。车辆的电动机驱动器424可包括电流限制算法来调节车辆的电动机电流处于峰值和持续限制之间。选择限制来保护电动机442和驱动器424。在所命令的电流或目标电流位于驱动器的持续限制之上的任何时候，驱动器的增强限制可被放慢至驱动器的持续限制。当电动机目标电流下降至持续限制之下时，增强限制可回转为峰值限制。增强限制可从驱动器424被反馈回CCE 454。

车辆的速度限制器432可设定系统的最高速度限制并实现由车辆的安全内核462所要求的减速响应。因此，速度限制器432可将速度限制值464发送至车辆的速度控制器428，该控制器增强了该速度限制值464。当安全内核462确定需要减速响应时，其可要求来自速度限制器432的减速响应。速度限制器432可计算随时间变化的速度限制（可被用于减速响应）并将该随时间变化的速度值传送至速度控制器428。

安全内核426可发出对危险和错误的数种响应466，该响应466可导致改变速度限制。例如，限速响应、零速响应、全系统安全关闭、和半系统安全关闭（对于冗余系统）。就这些响应均可引起系统减速的事实而言，这些响应是类似的；这些响应可限制到的值和这些响应可引起的系统减速度是不一样的。附加地，一旦系统到达零速，安全关闭响应可与着陆（过渡至静态稳定的状态）和关闭命令相耦合。

在诸如当惯性测量单元（IMU）470“混乱”时之类的过渡条件下可发出车辆的限速响应。一旦过渡条件消失（如，不再快速地转弯），速度上的限制可被缓慢地消失。例如，如果引起限速响应的条件持续可发出零速响应，且该系统可相当快速地将速度限制设定为零。

当系统遇到需要系统停止和断电的错误时，可出现安全关闭响应。安全关闭将系统转为零速。系统被转为零速度的速度可随着安全关闭的类型而变化。在其中全系统可用的情况下，系统可以最大可能的速度进行减速从而最小化系统维持为故障态的时间。对于半系统情况下的冗余系统，减速度可减半，因为系统仅具有一半能力且企图以最大全系统速度进行减速可能增加饱和化半系统能力的可能性。当速度限制器432已经实现了自己的任务时，速度限制器432可通知安全内核462，不过有时候可延迟该反馈来确保，例如，在发出着陆和关闭命令之前已经使系统动态静止下来。

俯仰控制器406可为俯仰和俯仰率而使用所估算的反馈数据。可从来自IMU470的原始角速率和加速度数据而在俯仰状态估算器（PSE）410中计算这些估算。

俯仰控制器406可以是闭环控制器且可以是主平衡功能。俯仰控制器406具有有关车辆相关于重力的所期望的和所测量的俯仰取向的输入信息，且可为致动器创建命令来提供稳定力。这些力，在俯仰轴中提供稳定性的同时，对车辆的一般向前/向后运动提供推动力。俯仰控制器406的输出418是整体推进命令的分量且在另一个模块中可被与其他分量相加。

俯仰控制器406可包括四项，这四项的和构成俯仰命令。第一项可以是施加至所期望的和所测量的/估算的俯仰之间的差异（也被称为“误差”）的增益。增益和误差的乘积一般被称为“比例项”。当被施加至平衡的车辆时，比例项向车辆俯仰或“倾斜”的方向驱动车辆。由线性滑轨致动器所表示的附加自由度可要求俯仰控制器的第一项的补偿。俯仰偏移可被施加为滑轨位置的函数。俯仰偏移通过由当前滑轨位置乘以经验导出的增益来偏移所期望的俯仰。当至悬挂负载的距离大小被增加时，可完成此举来补偿车轮致动器上所要求的增加的扭矩。至悬挂负载的距离被计算为从中间平衡点（而不是从滑轨行进的中心）的向前/向后距离。第二项可以是施加至俯仰率数据的增益。这个项通常被称为“速度项”。速度项与俯仰动作相对，且因此抵抗取向的变化。其可以是控制器中的阻尼源。

第三项可以是控制速度或电压的电动机驱动器。其可以是基于左侧和右侧车轮电动机的平均速度的“前反馈项”。可使用这个项来为给定车辆速度提供某个稳定状态命令从而当速度增加时减少俯仰误差增加的需要。当直接地命令电动机电流时，对于俯仰控制器而言这个项可能是不必要的。第四项可用于滑轨动作补偿。当滑轨移动时，其对系统施加干扰力。这个项可以是基于滑轨动作的“前反馈项”。当在车辆耦合结构的支承部分相对于车辆耦合结构的平台部分之间有相对运动时，可使用该项来提供某些阻尼。当由支承部分相对于平台部分之间的任何相对运动激发俯仰环时，可执行增加阻尼的功能。

速度控制

图5是根据本发明的说明性实施例的用于控制车辆速度的方法的流程图。在一个实施例中，使用速度控制器（指被用于控制图1的车辆100的操作速度的图4的车辆速度控制器428）来实现该方法。速度控制器是闭环控制器，其调节车辆的前/后运动。通过控制滑轨控制器446和俯仰控制器406的组合的效果来实现此。速度控制器428计算滑轨的期望位置，此期望位置由滑轨位置控制器来实现。所引起的重心（CG）位置的变化继而可通过引起俯仰误差来引起运动，且因此车轮运动可由俯仰控制器所驱动。

速度控制器428可以是可利用低级控制器直接（滑轨）或间接（俯仰）控制车架（plant）的高级控制器。速度控制器的输出可以是馈入滑轨控制器的期望滑轨位置。通过相对于车轮110定位外壳102、支架104、和耦合结构172的支承部分172a和电池质量，速度控制器428可引起俯仰环中的命令，该命令继而可引起车辆加速度，速度控制器使用该车辆加速度来实现其目标。

可从来自两个源（手动控制器402或控制器404）中的一个来计算速度环的目标。速度控制器428能在这两个源之间切换，同时该环关闭以实现系统的操作目标，包括在行进（fly）时的模式转换。速度控制器428可具有比例项和积分项。出于一些理由，积分项可能是重要的。积分项可为系统提供在外部干扰（如，风）存在时在平地、倾斜表面上的静止保持能力，且补偿在工作速度范围外发生的系统损失来有效地实现目标。

速度控制器428反馈是车轮速度422和滑轨速度436的组合。这对于速度环的稳定性而言可以是重要的。考虑到其中系统停止且速度控制器428仅使用所有现有车轮速度的平均作为反馈的情况。如果前进速度是所期望的，滑轨可被向前移动。当滑轨向前移动时，在底盘上有作用力，其可引起车轮向后滚动。这个向后滚动可增加速度误差且进一步向前推动滑轨，这继而可增加创建正向反馈的的向后滚动等。通过使得车辆速度等于当前车轮和滑轨速度的平均值之和，可修复这个不期望的响应，因为当车轮向后移动时滑轨可向前移动，这可具有消除该效果的趋势。

通过基于正向/反向状态设定对于速度目标的限制可实现操作的反向模式。在该反向模式中可允许某个较小的速度限制（如，小于3mph）且在正向模式中不允许反向运动。可在两个模式中均允许正向运动命令；正向模式可被认为是反向运动禁止模式。通过系统动态数据和模式输入开关（如，可由用户或自发控制器操作）来调节模式之间的过渡。在一个实施例中，为了当在正向模式时能确保反向模式，标准可以是：系统速度必须较低、速度目标必须较低、且正向/反向模式按钮必须被按下。这个请求可不被锁存。为了当在反向模式时实现正向模式，可用相同的标准切换模式以进入反向模式，或者如果该系统处于零速度时向前推节流输入。

参看图5，用于控制车辆速度的示例性方法的包括确定耦合结构支承部分相对于耦合组件平台部分的位置（步骤504）。该方法还包括通过在维持平台水平、或处于某个其他所期望的取向（如，接近水平的所期望的变动）的同时通过命令耦合结构来改变支承部分相对于平台部分的位置而控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩。在一些实施例中，滑轨位置控制器（如，图4的控制器446）指定耦合结构的支承部分相对于耦合结构的平台部分移动至特定位置，引起车辆上的俯仰运动，这在动态平衡控制器中创建命令，这引起车轮电动机驱动器424引起车轮施加扭矩至下方地面从而实现车辆的期望速度。在一些实施例中，特定位置可取决于车辆操作模式而变化。例如，当车辆操作模式是正向模式时，通过控制或限制位置，系统可限制车辆速度可增至或减至的速度。附加地，反向模式可对车辆速度施加可选限制，包括完全禁止任何运动。通过自动调节滑轨位置可实现零速、静止保持行为；此举可在诸如风或倾斜面之类的外部干扰存在、以及车辆重心变化的情况下完成。

该方法还包括从用户或控制器接收车辆速度命令值（步骤512）并改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而实现车辆速度命令值。该方法还包括从该至少一个车轮接收速度反馈信号（步骤516）、耦合结构速度、或这两者来命令该耦合结构改变支承部分相对于平台部分的位置来控制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而控制车辆的速度。

在一些实施例中，车辆控制器包括限速器模块（如，图4的限速器432），限速器模块被设置为响应于在一段时间内改变支承部分相对于平台部分的位置，该限速器模块抑制速度命令信号（图4的430）的大小从而抑制由该至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而在一段时间内抑制车辆的速度。例如，当达到最大速度时通过修改或限制滑轨位置可增强最大速度限制。

推进作用力限制

可估算车辆推进系统的“作用力能力”来确保推进车辆所需的作用力在系统的能力范围内。在一个实施例中，作用力限制器是闭环控制器，其具有通过调整、限制、或修改车辆运动限制推进系统所需要的作用力或扭矩的量的主要功能。可控制纵向和偏航运动、且因此控制作用力，来维持需要用于平衡俯仰稳定性的推进能力余量。可通过应变于推进驱动器电流反馈和推进电流能力估算而直接限制或修改滑轨位置、偏航加速度或速度、或全部上述数项来实现这个控制。

作用力限制器可使用最大驱动电流和最小的所计算出的电流能力估算反馈数据。此处描述了电流能力估算（CCE）的方法和机制。最大驱动电流（MDC）可被认为是所有车辆推进驱动器的最大瞬时电流幅值。电流能力估算（CCE）可被认为是来自车辆两侧的所计算出的估算中的最小的一个，且基本等于推进系统的当前电流限制。可使用CCE来产生电流阈值，超过该阈值则作用力限制器的比例项被激活（is active）。可将该阈值计算为CCE和电流带（band）之间的差异，所以电流阈值可以是位于CCE水平之下某个变量（some delta）的水平。在一些实施例中，电流带随着速度而变化且在接近电动机的无负载速度的较高速度下提供更多的扭矩余量。

在具有电动驱动器的车辆中，在对于(versus)它们扭矩/速度操作域的再生（regeneration）象限的监测中，可能存在对于能力的不同限制。在一些实施例中，根据每一个象限的性能限制，作用力限制器在对再生象限的监测中具有不同行为从而最大化每一个象限中的性能。例如，相比相同速度时在再生象限中的减速能力量，当在监测象限中接近无负载速度时，可能几乎没有加速能力可用。相比在所有象限中使用相同限制时，在不同象限中具有不同行为可保持制动能力。

在一个实施例中，作用力限制器具有两项。第一项可以是经过滤的MDC的导数的大小与增益的乘积。当导数项大小增加时，滑轨限制和偏航目标限制可被下拉从而减缓所需要的MDC增加的速度。当MDC进入比例带（proportional band）时，这可用作允许稳定响应的减震器。第二项可以是电流阈值和MDC之间的差异与增益的乘积。当MDC小于电流阈值时，该项归零，意味着仅在MDC处于CCE和电流阈值之间的带时，该项才激活。带的大小越小，车辆性能越少被约束，不过由于在这个项上的增加的增益，代价是增加作用力限制器响应的刚度，响应可变得更加振荡。这个“比例带”的大小对于平衡峰值机器性能与控制器稳定性之间的折衷是重要的。在一些实施例中，这个带的大小可取决于系统的当前速度而变化。当系统远离限制时，这允许在低速时的加速性能的改进，在加速性能并不重要的较高速度时增加平衡余量、以及调节控制器稳定性中的附加灵活性。

作用力限制器的输出可包括两个项之和、双重速度受限。可从由系统为滑轨位置和偏航速度目标而提出的绝对限制中减去这个输出。可使用这个双重速度限制来允许所产生的限制以更高的速度降低并以更低的速度增加。所以控制器可将限制快速拉低并使其更缓慢地回升。这可允许实现增加刚度且因此减少作用力限制器的响应时间，同时减少振荡行为的发生。可仅在平衡操作过程中加以滑轨作用力限制，从而在着陆和起动过程中的瞬时不拉低滑轨限制和影响其中推进驱动器的作用力限制并不关键的这些状态中的行为。当速度控制器中所产生的期望滑轨位置小于作用力限制器中产生的经衰减的限制时，可将标记发送以饱和化在当前值的速度控制器中的积分器（integrator）。可完成此举来防止积分器结束（wind up）的同时限制滑轨位置。

可使用偏航速度（绕着垂直于纵向与横向方向二者的车辆的垂直轴旋转的速度）来创建给作用力限制器的正向馈入项，其可限制纵向（前/后）加速度来保持偏航或方向控制。与高偏航速度组合的高纵向加速度可创建必须由推进电动机支承的较大的偏航力矩（moment）。为了保持平衡功能，纵向和偏航作用力之和必须被保持在推进系统的限制之下。在一个实施例中，当偏航投入较高来保持纵向加速和减速性能上的平衡和操控能力时，可减少纵向投入。在其他实施例中，可使用纵向投入来在维持平衡同时限制或减少偏航作用力。

图6是用于作用力限制以维持动态平衡的车辆（如，图1的车辆100，使用图4的控制器400）的平衡余量的方法的流程。该方法包括确定车辆的当前操作车轮扭矩604、和确定车辆的当前车轮扭矩能力608，这些在此处被描述（如，标题为“电动机电流能力估算”的部分）。

该方法还包括控制612（即，使作用力限制器444工作）耦合结构（如，图1的耦合结构172）基于当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力来控制支承部分相对于平台部分的位置（用滑轨致动器450）从而维持平衡车辆所需的推进能力余量。该方法还包括基于，例如，要求车辆维持平衡的用户的输入（图4的输入402）控制车辆的速度616。

在一些实施例中，该方法包括能使耦合结构仅命令维持车辆平衡的位置620。以示例的方式，可设置图4的控制器400，从而作用力限制器444可仅使得滑轨位置控制器446工作以命令耦合结构的支承部分相对于耦合结构的平台部分仅占据特定位置。在其他实施例中，该控制器可衰减（attenuate）或修改该滑轨位置来保持车辆的平衡。

CG偏移

CG（重心）偏移一般是与车辆原位地与平台水平相平衡所需的预定固定滑轨零位置之间的物理位置差异的测量或估算。CG偏移可取决于车辆的各使用之间和车辆的使用过程中的乘客和货物而变化，且因此在启动和在操作过程中确定该CG偏移是重要的活动（function）。CG偏移和在操作过程中CG偏移的变化可影响速度控制器、俯仰控制器、和作用力限制器（如，图4的速度控制器428、俯仰控制器406、和作用力限制器432）的性能。在速度控制器中使用所确定的CG偏移可减少由积分项所需要的大小且因此减少了在各种情况下饱和化积分器的可能。在俯仰控制器中，其可影响滑轨俯仰偏移；将滑轨运行集中于CG偏移导致机器在零速下呈水平。在作用力限制器中，CG偏移可在滑轨位置被限制之处起到关键作用，因为，当作用力限制器限制滑轨位置时，它这样做来控制耦合结构支架的CG的放置。如果CG偏移未被考虑到作用力限制器中且CG的纵向位置中有较大位移（如同来自有效负载位移），机器可变得易于遭受驱动器饱和和俯仰不稳定性。

图7是根据本发明的说明性实施例，通过控制车辆重心的位置（如，使用图4的控制器400）用于动态地平衡车辆（如，图1的车辆100）的示例性方法的流程图。该方法包括确定704耦合结构支承部分（如，支承部分172a）相对于耦合结构平台部分（如，平台部分172b）的位置。该方法还包括在动态平衡车辆的同时，控制708耦合结构支承部分相对于耦合结构平台部分的位置来移动车辆重心的位置。

该方法还包括相对于平台部分移动728支承部分，从而在车辆相对于下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。以示例的方式，当车辆正以起动或着陆模式进行操作时可执行该移动步骤（728）。该方法还包括响应于车辆重心位置的变化来改变732支承部分相对于平台部分的位置。在一些实施例中，响应于接收到车辆向前/后速度命令712、偏航命令716、或这两者而执行控制支承部分相对于平台部分的位置。

在一些实施例中，控制器在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的步骤停用724。控制器还被设置为在车辆从起动模式进入平衡模式后，使控制位置的步骤启动。

在一些实施例中，当系统被认为静止时，通过平均一段时间的经组合的滑轨位置来更新该CG偏移。可考虑多个准则用于触发CG偏移的更新；可使得其中的一些或全部启用。例如，一个准则是速度和偏航目标/命令在一段时间较低。这允许系统在开始检查其他准则并开始平均之前安定下来。这允许车辆对于其他触发准则具有更宽的阈值。另一个准则是该车辆处于平衡的运行状态。该准则避免了在起动或着陆过程中更新CG偏移，在起动或着陆过程中该机器可被极其俯仰，因此要求滑轨位置远离水平时实际CG位置可能在的位置。

另一个准则是所有电动机驱动器的当前最大推进驱动电流大小较低。这个准则帮助处理其中车辆位于斜坡上的情况。如果当处于斜坡上时进行更新，可不利地影响作用力限制器。当在斜坡上静止时，电动机电流不低。需要一些作用力来将车辆保持在斜坡上，同时还要求滑轨被放置为引起保持力，如果CG偏移被更新，CG偏移结果可能与位于水平地面上所需的不同。另一个准则是滑轨致动器的当前最大滑轨驱动电流大小较低。如果车厢（如，外壳、支架、和耦合结构的支承部分）被外界干扰，推进驱动电流可较低且速度可较低，不过滑轨电流可较高且滑轨位置误差可能是显著的因此产生CG偏移的误差。

另一个准则是车厢加速度较低。通过主要使用车轮速度作为车厢加速度的指示，当滑轨还没有完全变得静止但在更新CG偏移的范围内时，在减速结束后CG偏移可马上更新。要求较低加速度有助于避免这个事项。另一个准则是所感测的滑轨速度较低。如果滑轨正在移动或存在嘈杂的速度信号，这可表现为非零速度且CG偏移可能有误差。

另一个准则是车轮速度较低。被要求克服与运动相关联的损失的滑轨位置可导致当静止时不可适用的CG偏移。另一个准则是偏航速度（从车轮速度导出的）较低。当车辆在偏航时发生的滑轨位置中的较小瞬时变化（transient）可耦合到位置平均中。另一个准则是反向模式被停用。当从正向过渡至反向时对于大多数其他准则而言车辆速度过零，因此当反向模式启用时不能更新。在一些实施例中，可要求这些静止（或基本静止）条件维持达0.5s，在这期间可计算平均滑轨位置并可更新CG偏移。然后当被更新的CG偏移被引入控制器时，被更新的偏移可被低通过滤来消除任何瞬时干扰。

当机器进入待机模式时，指示何时CG偏移被更新的标志被设置为FALSE（错误）。这能使机器每次进入平衡模式时使得CG偏移更新。因此，如果当机器静态地稳定时有任何重量变化，诸如当承载新乘客，当机器进入平衡的运行模式时，机器可更新新的CG偏移。当进入平衡模式时，机器可保持运动命令为零直到CG偏移更新。如果在一段时间内机器没有更新，对于滑轨位置可用非常长的平均来强加（force）该更新。这可确保如果由于例如某类噪声事项、或诸如风或斜坡之类的某个环境因素而使得更新失败，CG偏移可仍然更新。如果CG偏移更新位于之前更新的某个范围内，该更新可被忽略。可这样做是因为较小的更新并不需要被引入，因为它们不会显著地影响系统性能。

电动机电流能力估算

可按需减少推进系统性能来维持车辆电压/速度余量或“净空（headroom）”。间接地，这还维持某个车轮电动机电流或扭矩余量。实际上所期望保持的是这个扭矩余量。由于车轮电动机扭矩可被定义为扭转作用力（twisting effort），且由于推进作用力限制算法已经被成功地实现，现在性能监测可基于维持作用力余量。由于车轮电动机扭矩转换为推进电动机处的作用力，此处的方法基于电池状态并应变于电动机速度而估算电动机电流能力。如果使用冗余的话，这个能力估算可应用于推进系统的两个冗余半中的每一个。这样，可这样使用：通过两个冗余的侧都运行（即，两个电动机驱动器；每一个驱动车辆的车轮）以保持足够的作用力余量来维持车辆的平衡，或者即使当冗余推进系统的一侧离线时维持继续平衡所要求的余量。

使用开路电压和DC内阻的当前电池状态估算器（BSE）（见，例如，图8A和8B）的值，电流能力估算器（CCE）估算系统的能力来产生在当前速度下的车轮电动机电流。电动机驱动器所给出的电流限制被包括在这个估算中。在整个操作速度范围上，所提供的能力估算等于或某种程度地小于系统的实际车轮电动机电流能力。在平衡操作过程中，可调整这些余量成为对于作用力限制器功能有用的，确保保持平衡能力。在整个操作速度范围上，能力估算等于或小于系统的实际电流能力。这可消除现有技术系统中基于电压余量限制速度的需要。

图8A是根据本发明的说明性实施例的用于确定电池供电的车辆的电动机电流能力的方法的流程图。需要给定操作速度下，DC总线可凹陷至的电压的估算。不使用迭代技术难以准确地估算这个电压，因为电动机电流通过电动机驱动器被转换为电池功率负载，该功率负载导致电池电压下降，该下降导致电池电流升上，该上升导致电池电压进一步下降。因此，此处使用的方法保持方法简单但是具有对更高的电动机速度给出保守估算的缺点。因此，基于电池电流是所预期的最大的假设来保守地估算电压。

该方法包括基于在操作过程中车辆电池的预定最大预期电池总线电流804、估算的电池开路电压（808）、和估算的电池电阻（812），而估算（步骤836）在操作过程中车辆电池的凹陷（sagged）电池电压。

在一个实施例中，根据如下估算凹陷电池电压：

V_{bat_sag}＝V_oc-I_{bat_max}*R_bat 等式4

其中V_{bat_sag}是估算的凹陷电池电压，V_oc是估算的电池开路电压（例如，参看图8A和8B所估算的），I_{bat_max}是预定最大预期电池总线电流（例如，经由模拟，参考图8A和8B而确定的），且R_bat是所估算的电池电阻（例如，参考图1而确定的）。

该方法还包括基于被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度816、电动机的反EMF常数（820）、电动机线圈的电阻（824）、凹陷的电池电压（步骤836）、电动机线圈的电感（828）、和电动机的磁极对数（832），来估算（步骤840）由电池供电的车辆的电动机电流能力。电动机的操作速度（816）一般是所测得的参数。电动机线圈的反EMF常数（820）、电动机线圈的电阻（824）、电动机线圈的电感（828）、和电动机的磁极对数（832）是一般由电动机制造商提供的车辆电动机的预定规格。

在一个实施例中，由电池供电的车辆的电动机电流能力根据如下而确定：

I_{mot_\max} (Spd) = \frac{2}{\sqrt{3}} * \frac{- K_{e} * | Spd | * R_{mot} + \sqrt{{V_{bat_sag}}^{2} * [R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}] - {(K_{e} * {Spd}^{2} * PP * L_{mot})}^{2}}}{R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}}

等式5

其中，I_{mot_max}是电动机电流能力、Spd是电动机的操作速度、K_e是电动机线圈的两线之间的反EMF常数、R_mot是电动机线圈的两线之间的电阻、PP是电动机的磁极对数、且L_mot是电动机线圈的两线之间的电感。

在一些实施例中，该方法还包括根据如下，基于用于驱动电动机的电动机驱动器的电流限制而限制对于由电池供电的车辆可用的（或者车辆控制系统被允许使用的）电动机电流能力：

I_{mot_cap}(Spd)=min(I_{mot_lim},I_{mot_max}(Spd)) 等式6

其中I_{mot_lim}是电动机驱动器的预先指定（如，由电动机制造商所指定）的电流限制或者是从电动机驱动器反馈至车辆控制系统的被动态调节的电流限制。

在一些实施例中，该方法还包括根据如下，基于V_{bat_sag}而限制估算中所使用的电动机操作速度值来最大化电动机的无负载速度：

{Spd}_{NoLoadEst} = \frac{V_{bat_sag}}{K_{e}}

等式7

其中Spd_NoLoadEst是最大无负载速度。

图8是根据本发明的说明性实施例的用于确定电池供电车辆的电动机电流能力的装置850的示意性示图。该装置850可实现，例如，图8A的方法。该装置850包括用于测量车辆电动机860的操作速度的测量模块854。该装置858还包括基于各电动机参数866和电池参数868的用于估算凹陷的电池电压和电动机电流能力的估算模块858。

电池电状态估算

已知用于对电负载供电的各种电源。表征电源的功率传递能力可有益于了解电源的放电点的结束或可用输出功率。在其中电源（如，电池）提供电源至为运输装置创建推进的电负载（如，电动机）的情况下，了解电源的功率传递能力允许确定例如运输装置的最大操作速度。

图9A是根据本发明的说明性实施例的电池935的电路图模型。电池935可驱动电负载，诸如在运输装置中所用的电动机。电池935可被建模为具有内阻抗（R_bat 945）和在电路中流动的电流（I_bat 955）的开路电压源（V_oc 940）。在端子956和957处可测量电池电压（V_bat 950）。

图9B是根据本发明的说明性实施例的，用于估算图9A的电池935的电状态的装置964（电池状态估算器“BSE”）的示意图。BSE的功能是基于使用所测得的电池电流955和端子电压950作为输入的电池的变化的“开路”电压源（V_oc）和变化的串联DC电阻（Rbat）模型来估算电池的性能特性。然后，系统将该Rbat和Voc使用于例如估算电动机电流能力（CCE），该CCE顺序地被用于限制推进作用力，该作用力被命令来确保维持俯仰稳定性。还可使用Voc来确定放电结束（空电池）准则。

在存在快速地变化的电池电流（在数据方面丰富）的情况下，电池的电压和电流关系（其电阻）可即刻由电池电压的差异除以电池电流的差异的比值而确定。Voc缓慢地变化且当几乎没有或没有电池电流被汲取为V_bat＝V_oc时可知道Voc。可基于当汲取更多电流时电池中的Vbat和阻性电压降而计算Voc。因此可确定比现有技术系统中更快速且准确的对于Rbat和Voc的估算。由于Voc估算取决于良好的Rbat估算，快速响应/收敛的Rbat估算是期望的。且由于Rbat估算可快速地响应于实际电池电阻的变化，替代现有技术中非常保守的值（在示例性实施例中为4.8欧姆），可能（且期望）用一些东西来促成（seed）Rbat更接近电池电阻的所期望的值（在示例性实施例中为1.7欧姆）。然后，在较高的实际电池电阻的情况下，Rbat可反映在输入数据中维持丰富性之后几乎马上（一秒或两秒内）的情况。可将输出低通过滤来避免Rbat或Voc中的瞬时变化。

参看图9B，电源（电池）935驱动电负载958。该装置964包括用于接收电池参数的初始值的输入965。该装置964包括测量模块960，测量模块960被设置为获取电池电压（V_bat 950）和电池电流消耗（I_bat 955）的值。该装置964还包括估算模块961，估算模块961被设置为基于电池电压的变化（delta V_bat）和电池电流消耗的变化(delta I_bat)而计算电池电阻(R_bat)。估算模块961还被设置为基于所计算的电池电阻(R_bat)、电池电流消耗(I_bat)、和电池电压(V_bat)来计算开路电池电压（V_oc）。

图9C是使用例如图9B的装置964，用于估算电池的电状态的方法的流程图。该方法包括对于大多数情况初始化R_bat的值（步骤904）至R_bat的合理期望值。R_bat的合理值是最可能的情况，且因为该算法能在电池电流被汲取时非常快速地收敛在R_bat的正确值，可基板即刻地检测到高电阻电池状况。信号的回转（slew）和过滤将影响到此举可如何快速地发生。相应地在一个实施例中，R_bat的保守值被选择为在希望值（如，1.7欧姆）的更高范围处。

该方法还包括在第一时间点处获取电池电压（V_bat 950）和电池电流消耗（I_bat 955）的值（步骤908）。该方法还包括监测（步骤912）电池电压(V_bat950)和电池电流消耗(I_bat 955)。该方法还包括当第一时间点和第二点时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化满足预定准则（914）时获取（步骤916）电池电压(V_bat 950)和电池电流消耗(I_bat 955)的值。如果电池电阻较高，监测V_bat的变化使得该算法更为敏感，因此有助于更快地检测较高的电池电阻状况。

在这个实施例中，当在第一时间点和第二时间点（如，在2秒内）之间的电池电压（V_bat 950）的变化大于预定电压量（如，大于±2.0V）且第一时间点和第二时间点之间的电池电流消耗（I_bat 955）的变化大于预定电流量（如，非零，大于±0.1A），满足预定准则。对于正常（1.4欧姆）的电阻而言，±2.0V的变化一般需要±1.4A的变化。使用delta I_bat的非零值避免了计算R_bat时除以零。电流±0.1A的变化允许电池电阻在不约束计算的情况下最多为20欧姆。2秒的时间段允许相对较慢变化的电流以仍然提供电池电状态的准确估算。

当满足预定准则时，该方法包括基于第一时间点和第二时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化，而根据如下计算电池电阻（步骤920）：

R_{bat} = (\frac{\begin{matrix} delta & V_{bat} \end{matrix}}{\begin{matrix} delta & I_{bat} \end{matrix}})

等式8

该方法还包括基于在第二时间点处所计算的电池电阻、电池电流消耗、和第二时间点处的电池电压，而根据如下计算开路电池电压（步骤924）：

V_oc＝V_bat+I_bat*R_bat 等式9

该方法还包括如果满足了预定准则（步骤928），在之后的时间点（如，第三、第四）上重复这些步骤。在一个实施例中，该方法包括当第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时，获取第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值。该方法包括当没有满足预定准则时，延迟获取这些值。

在一些实施例中，基于第二时间点所计算的电池电阻、电池电流消耗、以及第二时间点的电池电压而计算开路电池电压（步骤924）还包括确定当前计算的电池电阻相比之前计算的电池电阻是否已经改变了超过预定百分比。在一个实施例中，如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻没有变化多于预定百分比，则基于所计算的电池电阻而计算开路电池电压（步骤924）。在另一个实施例中，如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻已经变化了多于预定百分比，则基于之前所计算的电池电阻而计算开路电池电压（步骤924）。

一些瞬时，特别是当实际电池电阻突然变化（像用可变电阻测试时）时，可引起对于一次更新的R_bat估算变得特别高（±80ohms）。通过将R_bat的可允许值范围限制在特定范围（如，1到15欧姆），在这个计算中所使用的R_bat的值被保持在R_bat的合理值。在一些实施例中，R_bat被限制为在更新之间有±10%的变化。这帮助防止R_bat的较大的、不切实际的漂移。这是重要的，因为R_bat漂移影响V_oc。如果当系统获取新值时的时间点处发生较大的、不切实际的变化，估算可被影响。通过加以Rbat变化限制，可限制该不利影响。使用百分比而不是常数使得对于R_bat的较小的值，可容许的变化较小，且对于R_bat的较大的值，可容许的变化较大。

在一些实施例中，对于由电池供电的车辆，在预定操作状况的过程中（如，在操作模式（如，着陆、起动）变化的过程中），暂停步骤916、920、和924。在一些实施例中，当车辆再生制动达预定时间段时，暂停步骤916、920和924。

在各实施例中，所公开的方法可被实现为计算机系统所使用的计算机程序产品。这样的实现可包括一系列计算机指令，被固定在诸如计算机可读介质（如，盘、CD-ROM、ROM、或固定盘）有形介质上或被经由调制解调器或诸如在介质上连接至网络的通信适配器之类的其他接口设备传送至计算机系统。介质可以是有形介质（如，光盘或模拟通信线）或用无线技术（如，微博、红外或其他传输技术）实现的介质。这一系列计算机指令实现在相关于此系统而在此处描述的功能的全部或部分。本领域技术人员应该了解，这样的计算机指令可用各种程序语言写成用于很多计算机体系结构或操作系统。

进一步，这样的指令可被存储于任何存储设备中，诸如半导体、磁性、光或其他存储设备，且可使用任何通信技术，诸如光、红外、微波、或其他传送技术被传送。可期待的是这样的计算机程序产品可被分布为具有相应的印刷或电子存档（如，简装软件）的可移动介质、由计算机程序预加载（如，在系统ROM或固定盘上）、或在网络（如，因特网或万维网）上从服务器或电子公告板上分布。当然，本发明的一些实施例可被实现为软件（如，计算机程序产品）和硬件的组合。本发明的又一些实施例被实现为完全硬件、或完全软件（如，计算机程序产品）。

本发明所述的实施例旨在仅仅是示例性的，并且对本领域的技术人员而言许多变型和修改将是显而易见的。所有这些变型和修改都旨在落入任何所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims

1.用于控制车辆速度的方法，所述车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至所述至少一个车轮的平台、具有耦合至所述支架的支承部分和耦合至所述平台的平台部分的耦合结构，所述耦合结构允许所述支承部分相对于所述平台部分向前后移动或滑动、耦合至所述耦合结构的致动器，用于控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置、耦合至所述至少一个车轮的驱动器，用于传送动力给所述至少一个车轮以推进所述车辆并维持所述平台位于期望取向、以及耦合至所述驱动器用于控制所述驱动器且耦合至所述致动器用于控制所述致动器的控制器，所述方法包括：

确定所述耦合结构支承部分相对于所述耦合组件平台部分的位置的位置；且

在保持所述平台处于所期望取向的同时，通过命令所述耦合结构改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置而控制由所述至少一个车轮施加至下方地面的扭矩。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括指定所述支承部分相对于所述平台部分的特定位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而实现所述车辆的期望速度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述车辆操作模式而确定所述特定位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括从用户或控制器处接收车辆速度命令值并改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而实现所述车辆速度命令值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括从所述至少一个车轮接收速度反馈信号、耦合结构速度、或这两者来命令所述耦合结构来改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而控制所述车辆的速度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器包括限速器模块，该限速器模块被设置为：响应于在一段时间内改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置，所述限速器模块抑制速度命令信号的大小从而抑制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而在一段时间范围内抑制所述车辆的速度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

9.一种车辆，包括：

支架；

至少一个车轮；

耦合到所述至少一个车轮的平台；

具有耦合至所述支架的支承部分和耦合至所述平台的平台部分的耦合结构，所述耦合结构允许所述支承部分相对于所述平台部分向前向后移动或滑动；

耦合至所述耦合结构从而控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置的致动器，

耦合至所述至少一个车轮的驱动器，用于传递动力至所述至少一个车轮来推动所处车辆并将平台维持在期望取向；和

耦合至所述驱动器来控制该驱动器并耦合至所述致动器来控制所述致动器的控制器，其中该控制器在将平台维持在期望取向的同时，通过命令所述耦合结构来改变所述支承部分相对于所述平面部分的位置，来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面车辆的扭矩。

10.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述控制器被设置为命令所述支承部分相对于所述平台部分的特定位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而实现所述车辆的期望速度。

11.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，包括输入设备，用于接收来自用户或控制器的车辆速度命令值并改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而实现车辆速度命令值。

12.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，包括车轮速度传感器和耦合结构速度传感器，用于向所述控制器提供信号来命令所述耦合结构改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置来控制由所述至少一个车轮施加至所述下方地面的扭矩从而控制所述车辆的速度。

13.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，包括限速器模块，该限速器模块被设置为：响应于在一段时间内改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置，所述限速器模块命令所述控制器抑制速度命令信号的大小从而抑制由所述至少一个车轮施加至下方地面的扭矩从而在一段时间范围内抑制车辆的速度。

14.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

15.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

16.用于维持动态地平衡的车辆的平衡余量的方法，所述车辆包括支架、至少一个车轮、耦合至所述至少一个车轮的平台、具有耦合至所述支架的支承部分和耦合至所述平台的平台部分的耦合结构，所述耦合结构允许所述支承部分相对于所述平台部分向前后移动或滑动、耦合至所述耦合结构的致动器，用于控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置、耦合至所述至少一个车轮的驱动器，用于动态地平衡所述车辆并提供动力给所述至少一个车轮以推进所述车辆、以及耦合至所述驱动器用于控制所述驱动器且耦合至所述致动器用于控制所述致动器的控制器，所述方法包括：

确定所述车辆的当前操作车轮扭矩；

确定所述车辆的当前车轮扭矩能力；且

基于所述当前操作车轮扭矩和所述当前车轮扭矩能力，控制所述耦合结构来控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置来维持平衡所述车辆所需的推进能力余量。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括能使所述耦合结构仅管辖维持车辆平衡的位置。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其中能使所述耦合结构仅管辖其中当前操作车轮扭矩和用于平衡车辆所需扭矩之和要求小于被用于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机电流的电动机电流水平的位置。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括基于所命令的、测得的、或估算的向前/后扭矩、偏航扭矩、或这两者而控制所述车辆的速度。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

22.一动态平衡的车辆，所述车辆包括：

支架；

至少一个车轮；

耦合到所述至少一个车轮的平台；

具有耦合至所述支架的支承部分和耦合至所述平台的平台部分的耦合结构，所述耦合结构使得所述支承部分相对于所述平台部分向前向后移动或滑动；

耦合至所述耦合结构从而控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置的致动器；

耦合至所述至少一个车轮从而动态地平衡所述车辆并向所述至少一个车轮提供动力来推进所述车辆的驱动器；和

耦合至所述驱动器来控制该驱动器并耦合至所述致动器来控制所述致动器的控制器，其中基于所述车辆的当前操作车轮扭矩和当前车轮扭矩能力，通过命令所述耦合结构来控制所述支承部分相对于所述平面部分的位置，来控制所述车辆的速度。

23.如权利要求22所述的车辆，其特征在于，包括位置传感器来确定所述支承部分相对于所述平台部分的实际位置，其中所述控制器将位置命令与所述实际位置进行比较并基于所述比较而输出致动器命令。

24.如权利要求22所述的车辆，其特征在于，包括耦合至所述控制器的作用力限制器模块，用于使得所述耦合结构仅管辖维持所述车辆平衡的位置。

25.如权利要求24所述的车辆，其特征在于，所述作用力限制器被设置为仅能使所述耦合结构管辖其中当前操作车轮扭矩和用于平衡车辆所需扭矩之和要求小于被用于给车辆操作以动力的电源的所估算的可用驱动电动机电流的电动机电流水平的位置。

26.如权利要求22所述的车辆，其特征在于，包括用户输入，用于命令车辆的向前/向后速度、偏航速率、或两者，且控制器被设置为基于所命令的、测得的、或估算的向前/后扭矩、偏航扭矩、或这两者而控制车辆的速度。

27.如权利要求22所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

28.如权利要求22所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

29.用于平衡动态地平衡的车辆的方法，所述车辆包括支架、至少一个接地部件、耦合至所述至少一个接地部件的平台、具有耦合至所述支架的支承部分和耦合至所述平台的平台部分的耦合结构，所述耦合结构允许所述支承部分相对于所述平台部分向前后移动或滑动、耦合至所述耦合结构的致动器，用于控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置、耦合至所述至少一个接地部件的驱动器，用于动态地平衡所述车辆，并传送动力给所述至少一个接地部件以推进所述车辆、以及耦合至所述驱动器用于命令所述驱动器且耦合至所述致动器用于控制所述致动器的控制器，所述方法包括：

确定所述耦合结构支承部分相对于所述耦合结构平台部分的位置；且

在动态平衡所述车辆的同时，控制所述耦合结构支承部分相对于所述耦合结构平台部分的位置来移动所述车辆重心的位置。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，包括相对于所述平台部分移动所述支承部分，从而在车辆相对于下方地面处于所命令的静止位置且所述支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。

31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，包括响应于所述车辆重心位置的变化来改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置。

32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或多个预定条件而执行控制支承部分相对于平台部分位置的步骤。

33.如权利要求29所述的方法，其特征在于，当车辆在预定操作模式中操作时，执行控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置的步骤。

34.如权利要求29所述的方法，其特征在于，包括在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的步骤停用。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，包括在车辆从起动模式进入平衡模式后，使控制位置的步骤启用。

36.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

37.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

38.一动态平衡的车辆，所述车辆包括：

支架；

至少一个接地部件；

耦合到所述至少一个接地部件的平台；

耦合至所述至少一个接地部件从而动态地平衡所述车辆并向所述至少一个接地部件提供动力来推进所述车辆的驱动器；和

耦合至所述驱动器以控制所述驱动器且耦合至所述致动器以控制所述致动器的控制器，且其中所述控制器通过在动态平衡车辆的同时，确定所述耦合结构支承部分相对于所述耦合结构平台部分的位置且控制所述耦合结构支承部分相对于所述耦合结构平台部分的位置从而移动车辆重心的位置。

39.如权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述控制器被设置为相对于所述平台部分移动所述支承部分，从而在所述车辆相对于下方地面处于所命令的静止位置且支架至少基本水平的同时动态地平衡车辆。

40.如权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述控制器被设置为响应于所述车辆重心位置的变化来改变所述支承部分相对于所述平台部分的位置。

41.如权利要求38所述的车辆，其特征在于，响应于车辆向前/后速度命令、偏航命令、或这两者满足一个或多个预定条件而执行控制支承部分相对于平台部分位置的步骤。

42.如权利要求38所述的系统，其特征在于，当车辆在预定操作模式中操作时，执行控制所述支承部分相对于所述平台部分的位置的步骤。

43.如权利要求38所述的系统，其特征在于，所述控制器被设置为在车辆起动和着陆模式过程中使得控制位置的步骤停用。

44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，所述控制器被设置为在车辆从起动模式进入平衡模式后，使控制位置的步骤启用。

45.如权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是滑轨组件，所述支承部分是轨道、且所述平台部分是轨道导件。

46.如权利要求38所述的车辆，其特征在于，所述耦合结构是四连杆机构。

47.用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的方法，所述方法包括：

基于如下而估算操作过程中车辆电池的凹陷电池电压：

a)在操作过程中车辆电池的预定最大预期电池总线电流，

b)估算的电池开路电压，和

c)估算的电池开路电阻；且

基于如下估算电池供电的车辆的电动机电流能力：

d)被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度，

e)电动机线圈的反EMF常数，

f)电动机线圈的电阻，

g)凹陷的电池电压，

h)电动机线圈的电感，和

i)电动机的磁极对数。

48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，在操作过程中车辆电池的凹陷电池电压根据如下而被估算：

V_{bat_sag}=V_oc-I_{bat_max}*R_bat,

49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，根据如下估算由电池供电的车辆的电动机电流能力：

50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，包括根据如下基于用于驱动所述电动机的电动机驱动器的电流限制而限制由电池供电的车辆的电动机电流能力：

I_{mot_cap}(Spd)=min(I_{mot_lim},I_{mot_max}(Spd))

其中I_{mot_lim}是电动机驱动器的电流限制。

51.如权利要求49所述的方法，其特征在于，包括根据如下基于V_{bat_sag}而限制被用于最大化电动机的无负载速度的电动机的操作速度的值：

{Spd}_{NoLoadEst} = \frac{V_{bat_sag}}{K_{e}}

其中Spd_NoLoadEst是最大无负载速度。

52.用于确定由电池供电的车辆的电动机电流能力的装置，所述装置包括：

测量模块，被设置为：

测量被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度；和

估算模块，被设置为：

基于如下而估算操作过程中车辆电池的凹陷电池电压：

a)预定最大预期电池总线电压，

b)估算的电池开路电压，

c)估算的电池开路电阻；和

基于如下估算电池供电的车辆的电动机电流能力：

d)被用于推进由电池供电的车辆的电动机的操作速度，

e)电动机线圈的反EMF常数，

f)电动机线圈的电阻，

g)凹陷的电池电压，

h)电动机线圈的电感，和

i)电动机的磁极对数。

53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述估算模块被设置为根据如下在操作过程中估算车辆电池的凹陷电池电压：

V_{bat_sag}=V_oc-I_{bat_max}*R_bat,

54.如权利要求53所述的装置，其特征在于，所述估算模块被设置为根据如下而估算由电池供电的车辆的电动机电流能力：

I_{mot_\max} (Spd) = \frac{2}{\sqrt{3}} * \frac{- K_{e} * | Spd | * R_{mot} + \sqrt{{V_{bat_sag}}^{2} * [R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}] - {(K_{e} * {Spd}^{2} * PP * L_{mot})}^{2}}}{R_{mot}^{2} + {(PP * Spd * L_{mot})}^{2}}

55.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述估算模块被设置为根据如下基于用于驱动该电动机的电动机驱动器的电流限制而限制由电池供电的车辆的电动机电流能力：

I_{mot_cap}(Spd)=min(I_{mot_lim},I_{mot_max}(Spd))

其中I_{mot_lim}是电动机驱动器的电流限制。

56.如权利要求54所述的装置，其特征在于，所述估算模块被设置为根据如下基于V_{bat_sag}而限制被用于电动机的最大化无负载速度的电动机的操作速度的值：

{Spd}_{NoLoadEst} = \frac{V_{bat_sag}}{K_{e}}

其中Spd_NoLoadEst是最大无负载速度。

57.用于估算提供动力至电负载的电池的电状态的方法，所述方法包括：

a)在第一时间点获取电池电压和电池电流消耗的值；

b)监测所述电池电压和电池电流消耗；

c)当在第一时间点和第二时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第一时间点和第二时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时，获取在第二时间点的电池电压和电池电流消耗的值；

d)基于在第一时间点和第二时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化计算电池电阻；和

e)基于所计算的电池电阻、在第二时间点处的电池电流消耗、以及在第二时间点处的电池电压而计算开路电池电压。

58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，包括：

重复步骤b)；

f)当在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时，获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值；

重复步骤d)；和

重复步骤e)。

59.如权利要求57所述的方法，其特征在于，包括：

重复步骤b)；和

f)延迟获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值，直到在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量。

60.如权利要求57所述的方法，其特征在于，其中步骤e)包括确定当前计算的电池电阻相对之前计算的电池电阻是否已经变化了多于预定百分比。

61.如权利要求60所述的方法，其特征在于，包括如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻没有变化多于预定百分比，则基于所计算的电池电阻而计算开路电池电压。

62.如权利要求60所述的方法，其特征在于，包括如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻变化多于预定百分比，则基于之前所计算的电池电阻而计算开路电池电压。

63.如权利要求57所述的方法，其特征在于，包括在由电池供电的车辆的预定操作条件过程中，暂停步骤c)、d)、和e)。

64.如权利要求63所述的方法，其特征在于，当车辆再生制动达预定时间段时，暂停步骤c)、d)、和e)。

65.用于估算提供动力至电负载的电池的电状态的装置，所述装置包括：

测量模块，被设置为a)获取第一时间点的电池电压和电池电流消耗的值、b)监测电池电压和电池电流消耗、和c)当的第一时间点和第二时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第一时间点和第二时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时获取第二时间点的电池电压和电池电流消耗的值；和

估算模块，被设置为d)基于在第一时间点和第二时间点之间的电池电压和电池电流消耗的变化而计算电池电阻、和e)基于所计算的电池电阻、第二时间点的电池电流消耗、和第二时间点的电池电压而计算开路电池电压。

66.如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述测量模块被设置为重复步骤b)、f)基于在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量时获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值、重复步骤d)；和重复步骤e)。

67.如权利要求65所述的装置，其特征在于：

所述测量模块被设置为重复步骤b)，且

所述估算模块被设置为f)延迟获取在第三时间点的电池电压和电池电流消耗的值，直到在第二时间点和第三时间点之间的电池电压的变化大于预定电压量且在第二时间点和第三时间点之间的电池电流消耗大于预定电流量。

68.如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述测量模块被设置为确定当前计算的电池电阻相对之前计算的电池电阻是否已经变化了多于预定百分比。

69.如权利要求68所述的装置，其特征在于，所述估算模块被设置为如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻没有变化多于预定百分比，则基于所计算的电池电阻而计算开路电池电压。

70.如权利要求68所述的装置，其特征在于，所述估算模块被设置为如果当前计算的电池电阻相对于之前计算的电池电阻变化多于预定百分比，则基于之前所计算的电池电阻而计算开路电池电压。

71.如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述装置被设置为在由电池供电的车辆的预定操作条件的过程中，暂停步骤c)、d)、和e)。

72.如权利要求71所述的装置，其特征在于，所述装置被设置为在所述车辆再生制动达预定时间段时，暂停步骤c)、d)、和e)。