CN104039639A - 自行车曲柄、自行车、测量自行车曲柄角位置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种自行车曲柄，其包括用于附接至自行车的第一部分和与所述第一部分间隔开用于附接至踏板或手柄的第二部分；其中所述曲柄包括：传感器，该传感器用于在使用中确定代表施加至所述曲柄的力的值；角速度传感器，该角速度传感器用于在使用中确定所述曲柄旋转的角速度；以及处理器，该处理器用于从所述经确定的旋转的角速度获得所述曲柄的角位置，并且该处理器用于将所述位置与代表施加至所述曲柄的力的相应值相关联。

Description

自行车曲柄、自行车、测量自行车曲柄角位置的方法
技术领域
本发明涉及自行车曲柄、自行车、测量自行车曲柄角位置的方法以及配置为操作所述方法的计算机软件。
术语“自行车”被理解为结合有曲柄的任意装置，操作者可通过在合适的方向上施加力而使得所述曲柄转动。因此所述自行车可以例如是包括曲柄的脚踏车、三轮车、双人自行车、脚踏船、童车、马车、固定车辆或机动车辆，操作者可通过在合适的方向上施加力而使得所述曲柄转动。
背景技术
在自行车运动期间测量施加至曲柄的力是众所周知的。已经开发了一些方法使得施加至曲柄的力和/或力矩的量与其角位置关联从而例如协助运动员优化他的/她的骑行动作。XY霍尔效应磁性传感器和圆环磁铁已经被用来帮助确定曲柄的角位置。现有技术的这种方法需要曲柄和框架上复杂的设置和相对复杂的部件。
本发明的一个目的是简化测量自行车曲柄角位置的方法。
本发明在特定方面的另一个目的是增加所述方法的准确性。本发明在特定实施方案中的另一个目的是提供一种系统，该系统能够封装在曲柄本身内部且实质上减少可能位于曲柄外部的部件。
发明内容
在第一个宽泛的独立方面，本发明提供了一种自行车曲柄，其包括用于附接至自行车的第一部分和与所述第一部分间隔开用于附接至踏板或手柄的第二部分；其中所述曲柄包括：传感器，该传感器用于在使用中确定代表施加至所述曲柄的力的值；角速度传感器，该角速度传感器用于在使用中确定所述曲柄旋转的角速度；以及处理器，该处理器用于从所述经确定的旋转的角速度获得所述曲柄的角位置，并且该处理器用于将所述位置与代表施加至所述曲柄的力的相应值相关联。
这种配置特别有利，因为其允许对例如单车上的曲柄的角位置进行测量，而不需要与现有技术相关的复杂性。其可以例如减少单个外部标定磁体所需的部件，同时用于获取位置所必须的其它部件的每一者都容纳在自行车曲柄的外壳中。这种配置还特别有利是因为可获得的准确度。
在辅助的方面，本发明提供了一种自行车曲柄，其包括用于附接至自行车的第一部分和与所述第一部分间隔开用于附接至踏板或手柄的第二部分；其中所述曲柄包括：传感器，该传感器用于在使用中确定代表基本在贯穿所述曲柄回转过程中施加至所述曲柄的力的值；角速度传感器，该角速度传感器用于在使用中确定基本贯穿所述曲柄的回转过程的所述曲柄旋转的角速度；处理器，该处理器用于在基本贯穿所述曲柄的回转过程中，通过将所述经确定的旋转角速度相对于时间进行积分而获得所述曲柄的角位置，并且该处理器用于将所述位置与代表基本贯穿所述曲柄回转过程中施加至所述曲柄的力的值相关联；以及开关，所述开关用于每回转一圈重置所述积分一次。这种配置特别有利，因为其允许在循环内对曲柄所承受的力的特征进行测定。这种处理器和传感器可以配置为以较高的速率在基本贯穿回转一圈过程中进行取样；由此可以实现对力的特征的循环内实时测定。还可以为个别的自行车存储数据以用于进一步分析在不同循环角度处的力的特征。
在一个辅助的方面，所述自行车曲柄进一步包括无线传送器，其用于传输代表施加至所述曲柄的扭矩以及其相应位置的信号。这将例如允许所测量的扭矩和位置被传输到合适的无线接收器以用于显示和/或分析。这种配置将避免对于外部电线的需求，从定义上来讲，将外部电线安装在旋转的曲柄上是不实际的。
在另一个辅助的方面，所述曲柄进一步包括用于重置测量循环的开关。这就保障了从测量循环到测量循环的角位置确定的准确性。
在另一个辅助的方面，自行车曲柄包括电源；其中所述电源、所述无线传送器、所述力传感器、所述角速度传感器以及所述处理器中的每一者被整合在所述曲柄本体内。这就使得这些部件准确地确定角位置同时使得电子部件有可能被曲柄的本体保护。
在另一个辅助的方面，所述角速度传感器是单轴线角速度传感器，其具有在使用中与所述曲柄的旋转轴线平行的旋转主动轴线。角速度传感器的灵敏度在这种配置中得到最大化，从而为操作者提供了改进水平的反馈以用于测定。
在另一个辅助的方面，所述角速度传感器为多轴线角速度传感器，其中仅一条轴线的测量值被采用以获得角位置。在这种配置中，角位置可以被采用以用于与上述过程中相关联的扭矩/角位置。有利地，其它的或另外的测量轴线可以被采用以测定其他的旋转角度。
在另一个辅助的方面，处理器配置为处理来自位于自行车框架上的第二角速度传感器的值；并且获得所述角的曲柄位置。这在为了在使用期间考虑脚踏车的任何颠簸时是特别有益的。
在第二个宽泛的独立方面，本发明提供了一种自行车，优选为脚踏车，其包括根据前述任意方面的自行车曲柄。
在一个辅助的方面，所述自行车包括位于其框架上的第二角速度传感器；所述第二角速度传感器被定位以确定所述自行车颠簸的角速度。这就使得由于在颠簸时框架本身的旋转导致的任何不准确性被排除。
在另一个辅助的方面，自行车包括无线传送器，该无线传送器用于将来自所述第二角速度传感器的信号无线传输到所述处理器。这就避免了在框架和曲柄之间设置电线的任何需求。
在另一个辅助的方面，自行车进一步包括开关的第一部分，该第一部分位于所述框架上并与设置为所述曲柄一部分的所述开关的第二部分相互作用；由此在所述曲柄相对于所述框架的固定位置处测量循环被重置。这种配置使得在每个循环开始处角速度积分的任何误差被排除。
在第三宽泛的独立方面，本发明提供了一种测量自行车曲柄角位置的方法，包括以下步骤：确定曲柄旋转的角速度；确定代表施加至所述曲柄的力的值；从所述旋转的角速度获得所述曲柄的角位置；并且将所述位置与代表施加至所述曲柄的力的相应值相关联。
在一个辅助的方面，该方法进一步包括将旋转的角速度积分以获得角位置的步骤。
在另一个辅助的方面，该方法进一步包括在固定的标定位置处重置所述积分的步骤。
在另一个辅助的方面，该方法进一步包括提供第一角速度传感器作为所述曲柄的一部分以及提供第二角速度传感器作为所述自行车的框架的一部分的步骤；以及对从所述第一角速度传感器和所述第二角速度传感器获得的值进行处理以获得所述角的曲柄位置的步骤。
在另一个独立的方面，本发明提供了配置为运行前述任意方面的方法的计算机软件。
附图说明
图1显示了曲柄的示意性侧视图。
图2显示了根据本发明的系统中合并到曲柄和框架中的主要部件的框式图解。
具体实施方法
图1显示了自行车曲柄1，其包括第一部分2，该第一部分2用于附接至所述自行车；和第二部分3，该第二部分3与所述第一部分间隔开并用于附接至踏板。该术语“踏板”应被宽泛地解释并可以例如包括用于与操作者的身体接触的手柄。在与第一部分2隔开的部分处，传感器室4设置在所述曲柄的外壳中。图2中所示的各种曲柄部件可容纳在室4内。特别而言，在优选的实施方案中，曲柄室将包含一个或多个应变仪用于确定施加至曲柄的力。在一个优选的实施方案中，应变仪设置并定向于曲柄的纵向方向上以确定由于曲柄承受拉力或者承受压缩力而产生的纵向力。在另一个优选实施方案中，另一个应变仪被设置以确定曲柄在承受弯曲力时在大体垂直于纵向轴线的方向上的力。在另一个优选实施方案中，另一个应变仪被设置以确定扭转曲柄时产生的力。应变仪或其它类似的传感器被用来获得基本上贯穿每个旋转的力的特征。
除了应变仪，设置有1轴线的角速度传感器。该角速度传感器可以称之为陀螺仪。其可以是例如Z轴线陀螺仪。处理器将被设置用以接收例如电压形式的信号。该处理器将被配置成对代表由1轴线陀螺仪感测到的角速度的值进行积分从而确定角位置。这种配置使得角位置在基本贯穿每个旋转循环时被确定，而不是如常规的节律传感器那样仅在每个回转的单一点处被确定。因此，这就允许力的特征在贯穿一个回转时被确定并与一个回转期间的任意角度相关联。因此这就允许循环内的分析，而不是现有技术的节律传感器所呈现的累积分析。
为了在一致的基础上确定循环的开始，提供了例如簧片弹簧的开关。当簧片弹簧靠近框架上的磁体时，簧片弹簧引发积分过程的重置，从而在循环与循环之间使得积分误差积累的风险减到最小。为了驱动各个电子部件而设置了合适的电源。经处理的数据然后通过无线传输器传送到可能是显示器一部分的适当定位的接收器。接收器被设置以允许处理器考虑从另一个单一轴线角速度传感器获得的数据。该接收器还可以被用来改变处理器或其它电子部件的设置，所述电子部件可能需要远程配置。
为了考虑脚踏车的转动（特别是转动的颠簸模式），在框架上设置第二单一轴线角速度传感器。这个进一步的单一轴线角速度传感器与传送器和电源一起设置以允许从传感器获得的数据被传送到处理器，从而使得主要的1轴线角速度传感器的计算中颠簸的效果失效。
为了维持积分的准确性，磁体可以设置为框架的一部分以与簧片开关（如果在曲柄中进行了设置）相互作用。
当设置簧片开关用于在围绕回转的固定标定位置处进行重置是一个选项的时候，进一步的实施方案可以包括光开关、倾斜开关和霍尔效应传感器。光开关的设置将去除在单车框架上设置磁体的需求，因此被认为是特别有利的。
在脚踏车的实施方案中，两个曲柄典型地以180度分开设置。因此，角位置测量系统仅需被包含在其中一个曲柄中，这是因为如果其中一个曲柄的角度被确定，则其它的角度可以被容易地确定。应变仪或其它传感器感测代表力的值，然而所述力可以在脚踏车的两个曲柄上提供。
陀螺仪在曲柄中的位置将典型地位于与曲柄与陀螺仪的旋转主动轴线的单车接合部分间隔开的位置处，该主动轴线与曲柄的旋转轴线平行。
陀螺仪可以配置成输出与角速度成正比的模拟电压（例如单位为度每秒），陀螺仪输出电压优选相对于时间进行取样并积分。
积分优选通过设置在曲柄中的微控制器或处理器来执行。角速度相对于时间的积分得出角度。该积分可以通过曲柄中的微控制器在每一转重置一次。
该重置优选在每转的固定标定位置处执行。为此，在一个优选实施方案中簧片开关配合至曲柄中，同时磁体配合至脚踏车的框架中。簧片开关在掠过磁体时的动作被微控制器检测到从而重置积分过程。
可以采用其他种类的陀螺仪，例如双轴线或三轴线陀螺仪，其中一个轴线如上被使用。在一个优选实施方案中，陀螺仪的测量范围多达每秒2,000度。该操作范围将允许陀螺仪充裕地处理所预测到的每秒五转的最大速度。
曲柄位置可以通过对来自角速度陀螺仪的输出积分而进行计算。正如普通的节律计算所使用的那样，积分器可以通过簧片开关标定位置输入来重置，然后可以计算来自角速度陀螺仪的样本的输出从而提供位置。积分器在每个曲柄的回转上的重置优选地防止了多个误差在多个回转上的积聚。
在这个实施方案中，曲柄位置时通过对陀螺仪在1回转期间的输出信号进行求和而得到的：
Σ（ADC_计数陀螺仪－陀螺仪零偏移）*曲柄位置因数
陀螺仪零偏移=（1.35*4096）、3.0=1843（与节律计算一样）
为了从陀螺仪输出中进行准确测量，将有必要单独校正零偏移和灵敏度值。（对于个别设备而言如果零偏移和/或灵敏度值为恒定时这种校正是不需要的——如果是这种情况，则零偏移和灵敏度校正值可以在硬件生成时被确定而保持不变）。
考虑到以60rpm进行旋转的曲柄：
节律=60rpm
=(360*60)/60°s-1
=360°s-1
陀螺仪灵敏度为0.5mV/°s-1
V陀螺仪=360°s-1
=1.35+0.5*360
=1530mV
ADC_计数陀螺仪=4096*(1.530/3.0)
=2088.96
在60rpm（1转/秒，360°s-1）下
Σ（ADC_计数陀螺仪－陀螺仪零偏移）=迭代循环率*（ADC_计数陀螺仪－陀螺仪零偏移）
=250*(2088.96-1843.2)
=250*245.76
=61440
随着速度的变化，每一圈陀螺仪输出和样本数量将变化，结果对于旋转累加器的末端而言是恒定值。在缺省条件下将为上面计算的值。
以度数表示：
曲柄位置度数=曲柄位置累加器act/曲柄位置因数
现在：61440计数=360°
因此曲柄位置因数=61440/360
=170.67
为了保持准确性，同时使用整数运算，这可以表示为17067(ie:*100)
该位置的计算将如下进行：
曲柄位置度数=曲柄位置累加器act*1000/曲柄位置因数
参数曲柄位置累加器最大值和曲柄位置因数将被将保持在NV存储器（EEPROM）中。将有可能将这些参数通过基于组态/调试连接的ANT进行设定。用于参数的缺省值为：
曲柄位置累加器最大值=61440
曲柄位置因数=17067
该计算可以使用32位整数运算来进行，条件为0.1°的解析度。

Claims (15)

1.一种自行车曲柄，包括用于附接至自行车的第一部分和与所述第一部分间隔开用于附接至踏板或手柄的第二部分；其中所述曲柄包括：传感器，该传感器用于在使用中确定代表了基本在贯穿所述曲柄回转一圈施加至所述曲柄的力的值；角速度传感器，该角速度传感器用于在使用中确定基本贯穿所述曲柄的回转一圈所述曲柄旋转的角速度；处理器，该处理器用于在基本贯穿所述曲柄的回转一圈过程中，通过将所述经确定的旋转角速度相对于时间进行积分而获得所述曲柄的角位置，并且该处理器用于将所述位置与代表基本贯穿所述曲柄回转一圈施加至所述曲柄的力的值相关联；以及开关，所述开关用于每回转一圈重置所述积分一次。
2.根据权利要求1所述的自行车曲柄，进一步包括无线传送器，其用于传输代表施加至所述曲柄的扭矩以及其相应位置的信号。
3.根据权利要求1或2所述的自行车曲柄，其中所述力传感器包括多个应变仪；所述应变仪中的每一个被设置以确定基本贯穿所述曲柄回转一圈的不同的力的特征。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的自行车曲柄，进一步包括电源；其中所述电源、所述无线传送器、所述力传感器、所述角速度传感器以及所述处理器中的每一者被整合在所述曲柄本体内。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的自行车曲柄，其中所述角速度传感器是单轴线角速度传感器，其具有在使用中与所述曲柄的旋转轴线平行的旋转主动轴线。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的自行车曲柄，其中所述角速度传感器为多轴线角速度传感器，其中仅一条轴线的测量值被采用以获得角位置。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的自行车曲柄，其中所述处理器被配置为处理来自位于自行车框架上的第二角速度传感器的值；并且所述处理器被配置为获得所述角的曲柄位置。
8.一种自行车，其包括根据前述权利要求任一项所述的自行车曲柄。
9.根据权利要求8所述的自行车，进一步包括位于其框架上的第二角速度传感器；所述第二角速度传感器被定位以确定所述自行车颠簸的角速度。
10.根据权利要求9所述的自行车，进一步包括无线传送器，该无线传送器用于将来自所述第二角速度传感器的信号无线传输到所述处理器。
11.根据权利要求8至10中任意一项所述的自行车，进一步包括开关的第一部分，该第一部分位于所述框架上并与所述开关的第二部分相互作用，该开关的第二部分被设置为是所述曲柄的一部分；由此在所述曲柄相对于所述框架的固定位置处测量循环被重置。
12.一种测量自行车曲柄角位置的方法，包括以下步骤：确定基本贯穿所述曲柄回转一圈的曲柄旋转的角速度；确定代表基本贯穿所述曲柄回转一圈施加至所述曲柄的力的值；通过将所述经确定的旋转角速度相对于时间进行积分而从所述旋转的角速度获得所述曲柄的角位置；将所述位置与代表基本贯穿所述曲柄回转一圈施加至所述曲柄的力的相应值相关联；以及每回转一圈重置所述积分一次。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在固定的标定位置处重置所述积分的步骤。
14.根据权利要求12至13任意一项所述的方法，进一步包括提供第一角速度传感器来作为所述曲柄的一部分以及提供第二角速度传感器作为所述自行车的框架的一部分的步骤；以及对从所述第一角速度传感器和所述第二角速度传感器获得的值进行处理以获得所述角的曲柄位置的步骤。
15.一种计算机软件，其配置为运行根据权利要求12至14任一项所述的方法。
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