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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug zur Unterstützung einer
auf eine Fortbewegung des Fahrzeugs gerichteten Krafteinwirkung
eines Nutzers, mit mindestens einem von einem elektrischen Antriebssystem
antreibbaren Rad und einer Bedieneinheit zur Erfassung einer Nutzervorgabe
für Geschwindigkeit und/oder Fahrtrichtung des Fahrzeugs,
wobei eine Regeleinrichtung zur Regelung des Antriebssystems aufgrund
eines Sollwerts vorgesehen ist.
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Stand der Technik
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Fahrzeuge
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise beschreibt die
DE 20 2004 010 854 U1 einen Transportwagen
mit zwei jeweils von einem unter Last anlaufenden, drehrichtungsumkehrbaren
Elektromotor angetriebenen Rollen. Die Energieversorgung des Elektromotors
ist durch eine Steuer- und Regeleinheit beherrscht, die in Abhängigkeit
von einer Krafteinwirkung eines Nutzers auf einen Schiebebügel des
Wagens die Elektromotoren ansteuert.
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Ebenfalls
bekannt sind Rasenmäher, die eine Brennkraftmaschine zum
Antrieb von Schneideblättern aufweisen. Das Schieben des
Rasenmähers durch beispielsweise hohes Gras oder an Steigungen
erfordert jedoch einiges an Kraftaufwand. Daher werden teilweise
Räder des Rasenmähers über ein Untersetzungsgetriebe
von der Brennkraftmaschine angetrieben. Dabei kann auch ein schaltbares
Getriebe Anwendung finden, sodass das Antreiben der Räder über
zwei oder mehr schaltbare Gänge vorgesehen ist. Auch Rasenmäher
mit stufenloser Getriebe sind bekannt. Bei dieser Variante wird über
die Bedieneinheit eine bestimmte Antriebsgeschwindigkeit der Räder
fest vorgegeben. Solche Radantriebe finden aber bisher ausschließlich
Anwendung bei Rasenmähern, die ü ber eine Brennkraftmaschine
verfügen. Rasenmäher haben im Allgemeinen sowohl
vorne als auch hinten an starren Achsen drehfest angeordnete Räder.
Für eine Richtungsänderung des Rasenmähers,
also um beispielsweise um Ecken zu manövrieren, muss der
Nutzer den Rasenmäher zum Beispiel um eine hintere Achse
drehen, also die Bedieneinheit herunterdrücken, sodass
die Vorderräder angehoben werden und der Rasenmäher
um die Hinterräder gedreht werden kann. Insbesondere in
verwinkelten Gärten und unter Büschen kann eine
solche Vorgehensweise mühevoll sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber
weist das Fahrzeug mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den
Vorteil auf, dass es eine einfachere Handhabung ermöglicht. Dies
wird erreicht, indem eine Berechnungseinrichtung zur Bestimmung
des Sollwerts aufgrund der Nutzervorgabe unter Berücksichtigung
eines Referenzmodells vorgesehen ist. Das Fahrzeug ist dabei zur
Unterstützung der auf die Fortbewegung des Fahrzeugs gerichteten
Krafteinwirkung des Nutzers ausgelegt. Das bedeutet, dass die Krafteinwirkung des
Nutzers durch das Fahrzeug mittels des antreibbaren Rads unterstützt
wird. Es findet also prinzipiell eine Verstärkung der von
dem Nutzer aufgebrachten Kraft statt. Das Antriebssystem weist beispielsweise einen
Elektromotor auf, wobei das mindestens eine Rad von diesem angetrieben
wird. Es können mehrere Räder von einem Elektromotor
angetrieben, aber auch jedem Rad ein eigener Elektromotor zugeordnet
sein. Die Krafteinwirkung des Nutzers, also die Nutzervorgabe für
Geschwindigkeit und/oder Fahrtrichtung des Fahrzeugs, wird mit Hilfe
der Bedieneinheit erfasst. Diese dient also beispielsweise zur manuellen
Führung des Fahrzeugs. Die Nutzervorgabe wird von der Berechnungseinrichtung
in einen Sollwert umgesetzt, wobei das Referenzmodell berücksichtigt
wird. Es soll also aus der vorgegebenen Geschwindigkeit und/oder
Fahrtrichtung der Sollwert für das Antriebssystem bestimmt
werden. Mittels des Referenzmodells, das in der Berechnungseinrichtung abgelegt
ist, wird der Sollwert derart bestimmt, dass sich das Fahrzeug wie
ein gewünschtes Referenzfahrzeug verhält. Das
Referenzmodell kann dabei beispielsweise ein Dynamikmodell sein,
also die Dynamik des Fahrzeugs beeinflussen. Durch die Berücksichtigung
des Referenzmodells lässt sich beispielsweise das haptische
Gefühl des Fahrzeugs, die Kraftverstärkung oder
das Nachlaufverhalten einstellen. Dabei kann das Referenzmodell
optional an Kundenwünsche angepasst werden.
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Die
Berechnungseinrichtung kann des Weiteren derart ausgebildet sein,
dass der Nutzer das Referenzmodell aus einer Mehrzahl von Referenzmodellen
auswählen kann. Auf diese Weise kann der Nutzer Einfluss
auf das Fahr- beziehungsweise Dynamikverhalten des Fahrzeugs nehmen.
Aufgrund des Sollwerts soll anschließend das Antriebssystem mittels
der Regeleinrichtung geregelt werden. Dabei wird der aufgrund des
Referenzmodells bestimmte Sollwert an dem Antriebssystem eingestellt.
Der Sollwert kann beispielsweise eine Sollgeschwindigkeit oder ein
Sollmoment sein, welche aufgrund der Nutzervorgabe bestimmt sind.
Es kann vorgesehen sein, dass eine geringe Krafteinwirkung des Nutzers
in eine geringe Sollgeschwindigkeit und eine höhere Krafteinwirkung
in eine höhere Sollgeschwindigkeit umgesetzt wird. Es sind
verschiedene Ausführungsformen des Fahrzeugs vorgesehen,
die den Nutzer in der Antriebsfunktion und/oder bei einem Rangieren, Lenken
oder Manövrieren unterstützen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens zwei Räder
des Fahrzeugs mittels des Antriebssystems, insbesondere getrennt
voneinander, antreibbar sind. Um den Nutzer bei der Fortbewegung
des Fahrzeugs effektiv zu unterstützen, sind mindestens
zwei der Räder des Fahrzeugs angetrieben. Dabei kann es
vorgesehen sein, dass die Räder gemeinsam antreibbar sind,
also beispielsweise auf einer gemeinsamen, angetriebenen Achse sitzen, oder
getrennt voneinander antreibbar sind. In diesem Fall kann jedem
der Räder ein eigener Elektromotor zugeordnet sein. In
diesem Fall ist ein Differenzialantrieb realisiert, wobei sowohl
Drehrichtung als auch Drehzahl der Räder getrennt voneinander
geregelt werden können. Dadurch kann das Fahrzeug auf einfache
Weise Lenkbewegungen ausführen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein weiteres
Rad drehbeweglich und/oder schwenkbar an dem Fahrzeug vorgesehen ist.
Das weitere Rad ist dabei nicht antreibbar. Das Rad soll als Schwenkrad
oder als Schwenkrolle ausgeführt sein, um die Manövrierfähigkeit
des Fahrzeugs zu erhöhen. Insbesondere in Verbindung mit dem
Differenzialantrieb kann das Fahrzeug auf diese Weise Lenkbewegungen
ausführen. Es kann selbstverständlich ebenso vorgesehen
sein, dass das antreibbare Rad des Fahrzeugs schwenkbar an diesem angebracht
ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem schwenkbaren, weiteren
Rad eine Arretierung und/oder Schwenkvorrichtung zugeordnet ist. Mittels
der Arretierung soll das weitere Rad in Schwenkrichtung festgesetzt
werden. Das bedeutet, dass es keine weitere Schwenkbewegung durchführen
kann, sobald die Arretierung aktiviert ist. Die Arretierung kann
manuell oder elektrisch aktivierbar vorgesehen sein. In ersterem
Fall muss der Nutzer die Arretierung von Hand aktivieren, in letzterem
Fall kann die Arretierung von einem System des Fahrzeugs, insbesondere
auf Wunsch des Nutzers, aktiviert werden. Auf diese Weise ist es
möglich, einen Geradeauslauf des Fahrzeugs zu unterstützen,
sodass die gewünschte Fahrtrichtung nicht verlassen werden
kann. Dem weiteren Rad kann zusätzlich oder alternativ
auch die Schwenkvorrichtung zugeordnet sein. Diese ermöglicht
ein gesteuertes Verschwenken des weiteren Rads. Auf diese Weise kann
eine Lenkung des Fahrzeugs realisiert sein. Die Schwenkvorrichtung
kann selbstverständlich ebenso an dem antreibbaren Rad
vorgesehen sein, sodass auch ein gesteuertes Verschwenken dieses
Rads möglich ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Rad von dem Antriebssystem
entkoppelbar ist. Dies ist insbesondere vorgesehen, um das Fahrzeug
in einem Notbetrieb weiterverwenden zu können, wenn das
elektrische Antriebssystem, die Regeleinrichtung und/oder die Berechnungseinrichtung defekt
ist. In diesem Fall verhält sich das Fahrzeug wie ein nicht
unterstütztes Fahrzeug, es wird also keinerlei Unterstützung
des Nutzers zur Fortbewegung des Fahrzeugs durchgeführt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Regelgröße
eine Sollgeschwindigkeit und/oder ein Solldrehmoment ist. Im Falle
der Sollgeschwindigkeit wird die Krafteinwirkung des Nutzers in die
entsprechende Sollgeschwindigkeit umgerechnet. Es liegt also eine
Kraft-Geschwindigkeits-Kopplung vor. Das Fahrzeug verhält
sich in diesem Fall so, dass beispielsweise zum Beibehalten einer
bestimmten Geschwindigkeit bei einem Bergauffahren dieselbe Kraft
aufgebracht werden muss, wie auf einer Ebene beziehungsweise beim
Bergabfahren. Alternativ kann jedoch auch ein Sollmoment bestimmt werden.
In diesem Fall wird die Krafteinwirkung des Nutzers in eine Kraft,
also das Sollmoment, übersetzt. Es liegt somit eine Kraft-Kraft-Kopplung
vor. Auf diese Weise wird eine Kraftverstärkung durchgeführt,
das heißt, einer bestimmten Kraft an der Bedieneinheit
ist eine entsprechende Antriebskraft beziehungsweise das entsprechende
Sollmo ment zugeordnet. In diesem Fall verhält sich das
Fahrzeug derart, dass beispielsweise zum Beibehalten einer bestimmten
Geschwindigkeit des Fahrzeugs beim Bergauffahren eine größere
Krafteinwirkung des Nutzers notwendig ist, als auf einer Ebene beziehungsweise
beim Bergabfahren.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Berechnungseinrichtung
zur Anpassung des Referenzmodells und/oder eines Regelparameters
der Regeleinrichtung an ein Nutzerverhalten ausgebildet ist. Die
Charakteristik des Referenzmodells oder der Regelparameter soll
demnach an den Nutzer des Fahrzeugs oder an ein Einsatzgebiet automatisch
angepasst werden. Auf diese Weise wird ein selbstständiges
Einlernen beziehungsweise Anpassen des Referenzmodells erzielt.
Das Einlernen ist dabei im Sinne eines MRAC(Model Reference Adaptive
Control)-Reglers vorgesehen. Wenn der Nutzer beispielsweise ein
dynamisches Bedienverhalten aufweist, können Verstärkungsparameter
des Referenzmodells oder der Regelparameter derart erhöht werden,
dass das gewünschte dynamischere Bediengefühl
des Fahrzeugs erzeugt ist. Bei einem vorsichtigen Benutzer, der
beispielsweise nur eine geringe Krafteinwirkung auf das Fahrzeug
beziehungsweise die Bedieneinheit aufbringt, werden die Verstärkungsparameter
beziehungsweise der Regelparameter so angepasst, dass die Verstärkung
verringert wird. Diese Vorgehensweise kann auch zur Anpassung an
verschiedene Arbeitsaufgaben sinnvoll sein, beispielsweise um das
Fahrzeug in einer engen Umgebung zu rangieren. In diesem Fall ist
es sinnvoll, ein „vorsichtig” reagierendes Fahrzeug
zu haben. Die Anpassung des Referenzmodells sieht auch vor, dass
dieses an geänderte Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise
hoher/niedriger Rollwiderstand, weicher/harter Untergrund, beladen/unbeladen
angepasst wird. Die Berechnungseinrichtung ist demnach derart ausgebildet,
dass das Referenzmodell nach einem Optimierungsverfahren verändert
wird, sodass sich das Fahrzeug auch bei veränderten äußeren
Bedingungen, also beispielsweise einer Beladung des Fahrzeugs, wie
das Referenzfahrzeug verhält. Die gleiche Krafteinwirkung
des Nutzers auf ein beladenes und ein nicht beladenes Fahrzeug soll also
in beiden Fällen in demselben Fahrzeugverhalten resultieren.
Auf diese Weise kann der Bedienaufwand des Fahrzeugs deutlich verringert
werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Neigungsmessung
und/oder zur Erfassung von mindestens einem Betriebsparameter des
Antriebs systems und/oder des Rads vor. Die Vorrichtung zur Neigungsmessung
ist zur Bestimmung der Neigung des Fahrzeugs vorgesehen. Diese kann beispielsweise
in die Bestimmung des Sollwerts einfließen. Alternativ
oder zusätzlich kann der Betriebsparameter des Antriebssystems,
beispielsweise ein Motorstrom, eine Drehzahl oder dergleichen und/oder
der Betriebsparameter des Rads, insbesondere dessen Drehzahl, erfasst
werden. Auch diese Größen können in die
Bestimmung des Sollwerts einfließen. Die Drehzahl des Antriebssystems
oder des Rads kann beispielsweise mit einem Drehratensensor überwacht
werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Regeleinrichtung
zur Schlupfverhinderung des Rads ausgebildet ist. Mittels der Regeleinrichtung
soll verhindert werden, dass das Rad auf dem Untergrund des Fahrzeugs
rutscht. Dies kann insbesondere in Verbindung mit geeigneten Sensoren, also
beispielsweise einem Drehratensensor des Rads, einem Encoder des
Antriebssystems und/oder einem Sensor zur Bestimmung des Motorstroms
vorgesehen sein.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Energieversorgung
für das Antriebssystem mindestens eine Batterie, einen
Akkumulator, eine Brennstoffzelle, einen von einer Brennkraftmaschine angetriebenen
Generator und/oder eine Kabelverbindung zu einer externen Stromquelle
aufweist. Die Energieversorgung des Antriebssystems ist also auf mehrere
Arten realisierbar.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Antriebssystem in
einem Generatorbetrieb zur Rückgewinnung von Bewegungsenergie
vorgesehen ist. Es kann ein Rekuperationsbetrieb durchgeführt
werden, wobei sich das Antriebssystem in dem Generatorbetrieb befindet.
Der Generatorbetrieb kann durchgeführt werden, um das Fahrzeug insbesondere
zur Umsetzung der Nutzervorgabe, abzubremsen. Die in dem Generatorbetrieb
gewonnene Energie kann beispielsweise in dem Akkumulator zwischengespeichert
werden und nachfolgend zum Betrieb des Antriebssystems verwendet
werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht ein Aktivierungsmittel zur Aktivierung
des Fahrzeugs vor. Das Aktivierungsmittel verhindert ein unbeabsichtiges
Bewegen des Fahrzeugs. Das Aktivierungsmittel muss von dem Nutzer
betätigt werden, sodass das Aktivieren des Fahrzeugs ausschließlich
durch diesen vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann das Fahrzeug
gebremst werden, wenn keine Nutzervorgabe an der dem Aktivierungsmittel
beziehungsweise der Bedieneinheit des Fahrzeugs erfasst wird. Bei
einem Rasenmäher kann in diesem Fall zusätzlich
das Mähwerk gestoppt werden (hands-on-detection). Auf diese
Weise ist ein unbeabsichtigter Betrieb des Fahrzeugs wirkungsvoll
verhindert. Das Aktivierungsmittel ist vorteilhafterweise Bestandteil
der Bedieneinheit.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bedieneinheit mindestens
einen Bediengriff aufweist. Der Bediengriff ist zum Ergreifen des
Bedienteils durch den Nutzer vorgesehen. Es sind verschiedene Ausführungsformen
denkbar. Beispielsweise kann der Bediengriff ein Joystick, ein Bügelgriff oder
ein Hörner-Griff sein. Vorzugsweise weist der Bediengriff
dabei das Aktivierungsmittel zur Nutzerdetektierung auf, das heißt,
bei Abwesenheit des Nutzers können geeignete Maßnahmen
eingeleitet werden, das Fahrzeug beispielsweise gestoppt werden.
Insbesondere der Joystick und der Hörner-Griff sind zunächst
für eine Bedienung des Fahrzeugs mit einer Hand des Nutzers
ausgelegt. Die Bedieneinheit kann jedoch mehrere Bediengriffe aufweisen,
sodass auch eine Bedienung des Fahrzeugs mit beiden Händen
möglich ist. An der Bedieneinheit können auch weitere
Bedienelemente, wie beispielsweise Schalter, Taster, optische Anzeigen
und Ähnliches angebracht sein.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bedieneinheit zur
Erfassung der Nutzervorgabe mindestens einen Dehnmessstreifen, einen
leitenden und/oder kapazitativen Schaum und/oder einen Schiebegriff
aufweist. Auch eine Kombination aus diesen Elementen ist dabei möglich.
Der Dehnmessstreifen ist bevorzugt an einer Stelle des Fahrzeugs
vorgesehen, an welcher die Krafteinwirkung des Nutzers anliegt.
Der Dehnmessstreifen kann auf einem Trägerelement aufgeklebt
oder aufgeschweißt sein (beispielsweise durch Laserschweißen).
Das Trägerelement ist dabei bevorzugt als tauschbares Element
ausgeführt. Ebenso kann ein Schaum mit leitenden und/oder
kapazitativen Eigenschaften zur Erfassung der Nutzervorgabe vorgesehen
sein. Der Schaum ist dabei gegebenenfalls zur Erkennung der gewünschten
Fahrtrichtung in Sensorabschnitte segmentiert. Der Schaum kann zum
Schutz vor äußeren Einflüssen auch mit
einer Umhüllung ausgestattet sein. Weiterhin ist ein Schiebegriff
möglich, der beispielsweise über eine Federrückstellung
oder eine Rückstellung durch elastische Elemente wie Gummielemente
verfügt. Der Schiebegriff basiert dabei auf einer kapazitativen,
induktiven oder resistiven Erkennung der Nutzervorgabe. In einer
Kombination der vorstehend genannten Elemente ist es beispielsweise
möglich, den Messstreifen zur Erfassung der gewünschten
Geschwindigkeit und einen Schiebegriff zur Erfassung der gewünschten
Fahrtrichtung zu verwenden. Der Schiebegriff kann dabei eine in
Gummipuffern gelagerte Griffhülse sein, wobei eine Querverschiebung
der Griffhülse kapazitativ oder induktiv erkannt wird.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Fahrzeug ein Arbeitsgerät,
insbesondere Gartenarbeitsgerät, ein Transportfahrzeug,
eine Gehhilfe, ein Rollstuhl oder ein Anhänger ist. Das
Arbeitsgerät ist beispielsweise eine Kehrmaschine, eine
Schneefräse oder ein Schneeräumgerät.
Das Gartenarbeitsgerät ist zum Beispiel ein Rasenmäher oder
ein Vertikutierer/Aerifizierer. Ebenso ist es möglich,
das Fahrzeug als Rollstuhl, Gehhilfe oder Transportwagen auszubilden.
Ebenso möglich ist die Ausbildung als Anhänger,
beispielsweise Fahrradanhänger. Hier erfolgt die Krafteinwirkung
des Nutzers beispielsweise an der Deichsel des Anhängers.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert,
ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Signallaufplan des Fahrzeugs,
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2 ein
Schaltbild eines Regelkreises, bestehend aus Fahrzeug und Nutzer,
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3 eine
Ausführungsvariante des Fahrzeugs in einer perspektivischen
Darstellung,
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4 das
Fahrzeug mit einer Transporttasche,
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5 eine
Ausführungsform eines Bediengriffs einer Bedienereinheit
des Fahrzeugs in Form einer Griffhülse mit einer Spannungsteilereinheit,
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6 eine
weitere Ausführungsform des Bediengriffs in Form einer
Griffhülse mit zumindest zwei Sensoren, und
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7 eine
Ausführungsform der Bedieneinheit mit zwei beweglichen
Griffhülsen, die jeweils einen Sensor aufweisen.
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Die 1 zeigt
die Funktionsweise eines in 3 dargestellten
Fahrzeugs 1 anhand eines Signallaufplans 2. Dabei
ist ein als Kreis symbolisch dargestellter Nutzer 3 des
Fahrzeugs 1 vorgesehen, der einerseits dem Fahrzeug 1 Nutzervorgaben
zukommen lässt und andererseits anhand des aktuellen oder
des veränderten Verhaltens des Fahrzeugs 1 eine
Rückkopplung erfährt. Aufgrund der Rückkopplung
kann der Nutzer 3 wiederum seine Vorgaben beibehalten oder
aber so anpassen, dass sich das gewünschte Fahrverhalten
des Fahrzeugs 1 einstellt. Der Nutzer 3 ist demzufolge
Teil eines Regelkreises, der eine Bedieneinheit 4, eine
Regeleinrichtung 5, eine Berechnungseinrichtung 6,
ein Antriebssystem 7 und eine Fahrzeugmechanik 8 umfasst.
Zusätzlich ist ein Aktivierungsmittel 9 vorgesehen,
durch welches das Fahrzeug 1 aktivierbar ist, also von
einem Ruhezustand in eine Betriebszustand und umgekehrt versetzt
werden kann.
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Zwischen
dem Nutzer 3 und der Bedieneinheit 4 besteht eine
mechanische Wirkverbindung 10. Über diese gibt
der Nutzer 3 eine Kraft, die auf eine Fortbewegung des
Fahrzeugs 1 gerichtet ist, an die Bedieneinheit 4 und
damit an das Fahrzeug 1 ab. Eine weitere mechanische Wirkverbindung 11 liegt zwischen
dem Nutzer 3 und dem Aktivierungsmittel 9 vor.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Aktivierungsmittel 9 in
der Bedieneinheit 4 integriert ist, sodass die Wirkverbindungen 10 und 11 zusammenfallen.
Die Bedieneinheit 4 dient zur Erfassung einer Vorgabe des
Nutzers 3 für eine Geschwindigkeit und/oder Fahrtrichtung
des Fahrzeugs 1. Diese Nutzervorgabe wird anhand einer
elektrischen Wirkverbindung 12 an die Berechnungseinrichtung 6 geleitet.
Diese bestimmt aus der Nutzervorgabe unter Berücksichtigung
eines Referenzmodells einen Sollwert zur Regelung des Antriebssystems 7.
Der Sollwert kann beispielsweise eine Sollgeschwindigkeit oder ein
Solldrehmoment sein. Das Antriebssystem 7 wird von der
Regeleinrichtung 5 aufgrund des von der Berechnungseinrichtung 6 bestimmten
Sollwerts geregelt. Dies ist über eine elektronische Wirkverbindung 13 vorgesehen, über
welche beispielsweise Steuersignale von der Regeleinrichtung 5 an
das Antriebssystem 7 übertragen werden. Zur Realisierung der
Regelung ist die Rückverbindung 14 vorgesehen, über
welche Zustandsinformationen des Antriebssystems 7 an die
Regeleinrichtung 5 geleitet werden. Die Regelein richtung 5 und/oder
die Berechnungseinrichtung 6 ist zusätzlich über
eine Wirkverbindung 15 mit dem Aktivierungsmittel 9 verbunden.
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Das
Antriebssystem 7 wirkt auf in 3 dargestellte
Räder 16 des Fahrzeugs 1, die an das
Antriebssystem 7 gekoppelt sind. Die Räder 16 sind
Bestandteil der Fahrzeugmechanik 8, zwischen dem Antriebssystem 7 und
der Fahrzeugmechanik 8 liegt also eine mechanische Wirkverbindung 17 vor.
Der Nutzer 3 bekommt über eine Wirkverbindung 18 eine haptische
Rückmeldung über den Zustand des Fahrzeugs 1 beziehungsweise
der Fahrzeugmechanik 8. Der Nutzer 3 bildet also
mit dem Fahrzeug 1 in Form der Bedieneinheit 4,
der Regeleinrichtung 5, dem Antriebssystem 7 und
der Fahrzeugmechanik 8 einen Regelkreis 19. Der
Nutzer 3 ist dabei Bestandteil der Regelstrecke. Die Nutzervorgaben,
die der Nutzer 3 über die Bedieneinheit 4 an
das Fahrzeug 1 gibt, umfasst eine gewünschte Geschwindigkeit
und/oder Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1. Zusätzlich
wird über das Aktivierungsmittel 9 eine Fahrzeugaktivierung
signalisiert.
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Aus
der 1 wird deutlich, dass es vorgesehen ist, zunächst
mittels der Berechnungseinrichtung 6 den Sollwert zu bestimmen
und anschließend das Antriebssystem 7 mittels
der Regeleinrichtung 5 auf diesen Sollwert einzustellen
beziehungsweise zu regeln. Die Berechnungseinrichtung 6 bestimmt
den Sollwert aufgrund der Nutzervorgabe unter Berücksichtigung
des Referenzmodells. Das Referenzmodell beschreibt dabei das Verhalten
eines Referenzfahrzeugs. Das Fahrzeug 1 soll sich also
so verhalten, wie es das Referenzfahrzeug unter Einwirkung der von
dem Nutzer aufgebrachten Kraft tun würde. Das Fahrzeug 1 soll
sich also unabhängig von Fahrwiderständen, die
beispielsweise durch Beladung, Untergrundbeschaffenheit und/oder
Steigungen bewirkt werden, zu jeder Zeit genauso dynamisch verhalten
wie das zuvor definierte Referenzfahrzeug. Auf diese Weise kann
der Bedienaufwand des Fahrzeugs 1 deutlich reduziert werden.
Der Regelkreis 19 arbeitet folglich nach dem Prinzip der
Modell-Referenz-Regelung.
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Durch
Vorgabe des Referenzfahrzeugs lassen sich Kundenwünsche
realisieren, wie etwa das haptische Gefühl des Fahrzeugs,
die Verstärkung des Regelkreises 19 oder ein Nachlaufverhalten.
Es kann also ein beliebiges Verhalten des Fahrzeugs 1 simuliert
werden. Beispielsweise kann ein leichtgängiges oder schwergängiges
Verhalten erzeugt werden oder eine bestimmte Trägheitsmasse und/oder ein
bestimmtes Trägheitsmoment des Fahrzeugs 1 wiedergegeben
werden. Das Referenzmodell ist dabei insbesondere ein Dynamikmodell,
die Berechnungseinrichtung bestimmt also den Sollwert im Wesentlichen
zeitabhängig von der Nutzervorgabe. Es kann daher vorgesehen
sein, dass das Fahrzeug 1 auch noch – aufgrund
einer simulierten Massenträgheit beziehungsweise Nachlaufzeit – in
Bewegung ist, obwohl der Nutzer 3 keine oder eine anderweitige Nutzervorgabe
an die Bedieneinheit abgibt.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild 20 des Regelkreises 19. Es ist
erkennbar, dass der Nutzer 3 einen Einfluss auf das in
der Berechnungseinrichtung 6 abgelegte Referenzmodell sowie
auf die Regeleinrichtung 5 hat. Sowohl die Berechnungseinrichtung 6 als auch
die Regeleinrichtung 5 muss sich auf die von dem Nutzer 3 an
das Fahrzeug 1 abgegebene Kraft einstellen. Für
die Regeleinrichtung 5 bedeutet dies, dass sie das Antriebssystem 7 derart
einstellen muss, dass trotz der Krafteinwirkung des Nutzers 3 die
gewünschte Geschwindigkeit beziehungsweise das gewünschte
Drehmoment vorliegt. Der Einfluss des Nutzers 3 auf die
Regeleinrichtung 5 ist durch einen Pfeil 21, der
Einfluss auf die Berechnungseinrichtung 6 durch einen Pfeil 22 symbolisiert.
Die Berechnungseinrichtung 6 beeinflusst die Regeleinrichtung 5,
wie durch einen Pfeil 23 dargestellt. Die Berechnungseinrichtung 6 berechnet
aus der Nutzervorgabe (Pfeil 22) den Sollwert und leitet
diese an die Regeleinrichtung 5 weiter. Die Regeleinrichtung 5 hat ihrerseits,
wie durch einen Pfeil 24 gekennzeichnet, Einfluss auf die
Fahrzeugmechanik 8, die das Antriebssystem 1 des
Fahrzeugs 1 einschließt. Die Fahrzeugmechanik 8 beeinflusst
ihrerseits die Regeleinrichtung 5 (Pfeil 25). Über
einen Pfeil 26 ist der Einfluss der Fahrzeugmechanik 8 auf
eine Umgebung des Fahrzeugs 1 beziehungsweise den Nutzer 3 dargestellt.
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Zusätzlich
kann in dem Regelkreis 19 eine Anpassungseinheit 27 vorgesehen
sein, welche sowohl von der Berechnungseinrichtung 6, das
heißt dem Sollwert, als auch der Fahrzeugmechanik beeinflusst
ist (Pfeile 28, 29). Die Anpassungseinheit 27 dient
dazu, die Charakteristik der Regeleinrichtung 5 anzupassen.
Zu diesem Zweck bestimmt die Anpassungseinheit 27 Regelparameter
und leitet diese an die Regeleinrichtung 5 weiter (Pfeil 30).
Die Regelparameter werden beispielsweise aufgrund eines Nutzerverhaltens
festgelegt. Dabei ist insbesondere ein selbstständiges
Einlernen vorgesehen. Es kann ebenfalls eine Adaption des Referenzmodells
vorgesehen sein, wie durch den Pfeil 31 angedeutet. Bei spielsweise
kann das Referenzmodell von dem Nutzer 3 aus unterschiedlichen
Referenzmodellen ausgewählt werden. Eine Auswahl des von
der Berechnungseinrichtung 6 verwendeten Referenzmodells kann
beispielsweise über Wahlschalter erfolgen.
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Die 3 zeigt
beispielhaft den wesentlichen Aufbau des Fahrzeugs 1, das
hier als Transportfahrzeug ausgebildet ist. Dargestellt ist das
Antriebssystem 7, welches zum Antrieb der Räder 16 dient.
Das Fahrzeug weist weitere Räder 32 auf, welche
drehbeweglich an dem Fahrzeug 1 befestigt sind. Die weiteren
Räder 32 sind dabei einzeln gelagert, sind also
nicht drehfest auf einer gemeinsamen Achse vorgesehen. Das Antriebssystem 7 und
die Räder 16 sind derart ausgebildet, dass ein
Differenzialantrieb vorliegt, die Räder 16 als
unabhängig voneinander von dem Antriebssystem 7 antreibbar
sind. Zu diesem Zweck kann beispielsweise jedem der Räder 16 ein
eigener Elektromotor (nicht dargestellt) zugeordnet sein. Eine Energieversorgung 33,
unter anderem zur Versorgung des Antriebssystems 7, der
Berechnungseinrichtung 6 und der Regeleinrichtung 5 mit
elektrischer Energie ist in dem in der 3 dargestellten
Beispiel derart angeordnet, dass ein möglichst tiefliegender
Schwerpunkt des Fahrzeugs 1 gewährleistet ist.
Die Energieversorgung 33 kann beispielsweise eine Batterie,
einen Akkumulator, eine Brennstoffzelle oder einen von einer Brennkraftmaschine
angetriebenen Generator aufweisen. Auch eine Kabelverbindung zu
einer externen Stromquelle kann vorgesehen sein. Ebenfalls Bestandteil
des Fahrzeugs 1 sind die Regeleinrichtung 5 und
die Berechnungseinrichtung 6. Diese sind oberhalb des Fahrwerks
des Fahrzeugs 1 angeordnet und befinden sich in einem Zwischenraum
eines Griffgestänges 34. An dem Griffgestänge 34 ist
außerdem ein Bediengriff 35, der hier als Bügelgriff
ausgebildet ist, vorgesehen, der die Bedieneinheit 4 aufweist.
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In
der 4 ist das Fahrzeug 1 mit einer Transporttasche 36 bestückt
und weist zudem Räder 16 auf, die jeweils drei
zueinander um 120° versetzte Einzelräder 37 aufweisen.
Dieses aus mehreren Einzelrädern 37 zusammengesetzte
Rad 16 erleichtert das Überwinden von Treppenstufen,
indem alle drei Einzelräder 37 gleichzeitig durch
ein mittig angetriebenes Sonnenrad, über einen Zahnradeingriff
oder mittels einer Kette oder über einen Riemen angetrieben
werden.
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In
der 5 ist ein Bediengriff 35 gezeigt, der
mit einer Griffhülse 38 versehen ist und zur Vorgabe
der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 dient. Bei dieser Ausführungsvariante
ist die Griffhülse 38 in Längsrichtung
des Bediengriffs 35 an demselben gleitend angeordnet. Über
zwei Rückstellfedern 39 wird die Griffhülse 38 in
einer neutralen, mittigen Position gehalten. An der Griffhülse 38 ist
ein Abgreifer 40 angeordnet; der einen Kontakt zu einem
Widerstandsdraht 41 herstellt. Der Widerstandsdraht 41 ist fest
mit dem Bediengriff 35 verbunden. Die Anordnung stellt
somit einen Spannungsteiler 42 dar. In Abhängigkeit
der Position des Abgreifers 40 beziehungsweise der Griffhülse 38 liegt
eine entsprechende Messspannung an dem Abgreifer 40 an.
Durch eine elektronische Schaltung, insbesondere Brückenschaltung,
lässt sich auf die Position der Griffhülse 38 beziehungsweise
die von dem Nutzer 3 gewünschte Fahrtrichtung
schließen.
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Neben
der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 kann der Nutzer 3 über
die Griffhülse 38 auch die gewünschte
Geschwindigkeit vorgeben. Hierzu wendet der Nutzer 3 an
der Griffhülse 38 eine Kraft auf, die über
entsprechende Sensoren erfasst wird. Die Krafterfassung kann beispielsweise
anhand einer Kraft-, Weg- oder Drehmomentenmessung erfolgen. Die
erfasste Kraft, also die von dem Nutzer 3 gewünschte Geschwindigkeit,
wird zusammen mit der gewünschten Richtung in den Sollwert
umgerechnet. Die von dem Nutzer 3 auf das Fahrzeug 1 ausgeübte
Kraft ist also auf den Vortrieb 1 des Kraftfahrzeugs gerichtet und
wird durch das Fahrzeug 1, nach Erfassen der aufgebrachten
Kraft, verstärkt.
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Die 6 zeigt
eine Ausführungsform für einen Bediengriff 35,
mit welchem eine kombinierte Erfassung der gewünschten
Geschwindigkeit und Fahrtrichtung möglich ist. Hierbei
wird über mindestens zwei Sensoren 43, insbesondere
Piezoelemente oder Dehnmessstreifen, die durch den Nutzer 3 eingeleitete
Kraft beziehungsweise das Drehmoment erfasst, um daraus die Nutzervorgabe
zur ermitteln. Die Sensoren 43 werden dabei über
Signalleitungen 44 angesteuert.
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7 zeigt
eine weitere Bauform des Bediengriffs 35, bei der das Fahrzeug 1 von
dem Nutzer 3 beidhändig geführt wird,
wie es beispielsweise bei Sackkarren, Transportrollern oder Rasenmähern
der Fall ist. Dabei sind die Sensoren 43 in zwei Griffabschnitten 45 vorgesehen,
sodass ein getrenntes Erfassen der von der jeweiligen Hand des Nutzers 3 aufgebrachten
Kraft möglich ist. Auch in dem in 7 dargestellten
Beispiel sind die Sensoren 43 über die Signalleitungen 44 ansteuerbar.
Die Sensoren 43 sind jeweils in einer Griffhülse 38 vorgesehen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug 1 ein
Gartenarbeitsgerät, insbesondere ein Rasenmäher.
Zu diesem Zweck ist das Fahrzeug 1 mit einem Mähwerk
und optional mit einem Mähgutaufnahmebehälter
ausgestattet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202004010854
U1 [0002]