[发明专利]双模式感测操纵杆组件

说明书

一种双模式感测操纵杆组件，包括：操纵杆；以及联接到操纵杆的预加载对中弹簧，其用于将操纵杆偏压到中性位置。操纵杆具有：中央自由活动区域；围绕中央自由活动区域的过渡区域，在过渡区域中，预加载对中弹簧开始作用于操纵杆上；以及围绕过渡区域的加载区域，在加载区域中，预加载对中弹簧在操纵杆上施加相对平缓的弹簧刚度。角位置传感器系统产生指示操纵杆的行进角度的第一信号。力传感器系统产生指示施加到操纵杆的力的第二信号。控制器接收第一和第二信号，并且基于第二信号设定用于由操纵杆控制的起动/停止点，从而大致与操纵杆同步地从过渡区域移动到加载区域。

技术领域

本公开涉及操纵杆，并且更具体地涉及用于工作车辆及其它需要增强响应和性能的应用的改进的操纵杆。

背景技术

近年来，施工车辆和农用车辆的控制已经转变为电动-液压控制。由于可控性不足而存在一些阻力。在操纵杆应用中，操作者反馈和有效控制是特别需要的。

电动-液压操纵杆通常使用磁传感器来确定两个轴的运动。当没有力施加到操纵杆上时，弹簧导致物理自动对中。在弹簧对中位置周围存在一宽中性带(wide neutralband)，其比如在先导液压控制系统中不具有相关的触觉感觉。因此，操作者很难控制精细移动和/或在狭小的空间内工作。然而，需要该宽中性带来适应操纵杆的弹簧对中位置处的机械自由活动。

2015年4月14日授予Gulati等人的美国专利No.9,004,218(Gulati等人)尝试改善操纵杆的感觉。Gulati等人利用额外的弹簧力来改变将操纵杆从中性位置移动到全行程位置所需的力。1972年7月11日授予Oliver的美国专利No.3,676,818公开了一种控制杆转换器。

在图1中，示出了用于典型的现有技术电动-液压操纵杆的扭矩与行进角度关系的曲线图100。扭矩曲线102具有三个不同的区域。自由活动区域F居中位于行进角度0°左右，其中预加载对中弹簧使操纵杆回到中心位置，并且移动操纵杆所需的力很小(如果有的话)。操纵杆的大于约+/-0.3°至约+/-0.75°的向外移动致使预加载对中弹簧开始作用在操纵杆上，从而产生过渡区域T。

超过约+/-0.75°的移动是在加载区域L，在该加载区域中，预加载对中弹簧完全作用在操纵杆上，并且弹簧的相对平缓的弹簧刚度(spring rate)为操作者提供了相当一致的感觉。为了清楚起见，仅标注了图1左侧的加载区域L。如可看出的，开始计量起动的点102a、102b距离中心大约大于2°。因此，产生超过4°的宽中性带W，以补偿误差因素，比如位置传感器的温度相关漂移104、信号噪声106、校准误差108等。宽中性带W确实产生了一些反馈问题，比如失去了“感觉”起动/停止点102a、102b的能力，因为起动/停止点102a、102b没有按期望地与加载区域L很好地同步。

电动车辆控制的另一问题是功能安全要求的需求。作为响应，许多系统实施冗余的感测设计。然而，如果冗余传感器与主传感器采用相同的技术，则可能导致常见的原因故障。例如，寄生磁场可能会妨碍两个传感器系统的正常操作。

发明内容

鉴于上述情况，在稳健设计中存在改进操纵杆的起动/停止动作的需求，所述稳健设计具有针对安全性和稳健性的冗余，以避免常见的原因故障。本技术提供了改进的控制，尤其适用于精细移动。通过使用不同的位置感测技术(例如，磁性技术)和操纵杆力来提高安全性。大量技术可用于感测操纵杆力，比如但不限于各种应变仪技术(例如，薄膜、微熔应变仪、MEMS、压电传感器等)。其它的操纵杆力感测技术包括：电容力传感器；基于LVDT的力传感器；直接应用于压缩弹簧的电感传感器，其通过电感变化测量弹簧的偏转；以及张力惠斯通电桥。通过使用各种技术，避免了常见的原因故障。此外，位置传感器和力传感器相互提供可信度检查。更进一步，通过简化和改进操纵杆组件的初始校准，传感器的组合提供了改进的安全性和降低的生产成本。本技术适用于任何操纵杆应用，但特别适用于需要敏感控制的场合，比如F-15喷气式歼击机、反铲挖掘机等。它还适用于比如轮椅和游戏技术等应用。本技术也可以与其它触觉机制相结合。