CN104554544A - 坡度计算装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不使用倾斜传感器来计算坡度的坡度计算装置。坡度计算装置（1）包括蹬踏力检测部（2）、旋转速度检测部（3）、速度检测部（4）、存储部（51）以及控制部（5）。控制部（5）根据由蹬踏力检测部（2）检测的转矩和由旋转速度检测部（3）检测的脚踏圈速，来计算第一能量。另外，控制部（5）根据由速度检测部（4）检测的行进速度、以及存储在存储部（51）中的自行车和骑行者的总重量，来计算第二能量。另外控制部（5）根据第一能量和第二能量来计算坡度。

Description

坡度计算装置
技术领域
本发明涉及坡度计算装置。
背景技术
自行车的骑行者在爬坡时，对变速器或悬架装置等进行操作，以便能够更轻松地爬坡。因此，在自行车行进时，行进路的坡度检测是重要的。例如，在专利文献1中公开了如下的自行车：利用倾斜传感器（坡路传感器）检测行进路的坡度，使变速器自动地动作。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2000-108982号公报。
上述的自行车的变速控制部根据来自倾斜传感器的信息使变速器动作。但是，上述的自行车存在如下问题：需要新设置仅用于检测坡度而使用的倾斜传感器。
发明内容
本发明的课题在于不使用倾斜传感器来计算自行车的行进路的坡度。
本发明的某个方面的坡度计算装置包括第一检测部、速度检测部、存储部以及控制部。第一检测部对与自行车的骑行者输入到自行车的第一能量相关的参数进行检测。速度检测部对自行车的行进速度进行检测。存储部存储自行车和骑行者的总重量。控制部根据由第一检测部检测的参数来计算第一能量。另外，控制部根据由速度检测部检测的行进速度以及存储在存储部中的自行车和骑行者的总重量，来计算第二能量。另外，控制部根据第一能量和第二能量来计算坡度。
根据该结构，控制部通过与输入到自行车的第一能量相关的参数、行进速度、自行车和骑行者的总重量，能够计算坡度。即，上述的坡度计算装置通过使用第一检测部和速度检测部能够计算坡度。因此，上述坡度计算装置不使用仅用于检测坡度的倾斜传感器就能够计算坡度。
优选的是，第一检测部包含蹬踏力检测部和旋转速度检测部。蹬踏力检测部对作用于自行车的曲柄的蹬踏力进行检测。旋转速度检测部对曲柄的旋转速度进行检测。控制部将由蹬踏力检测部检测的蹬踏力和由旋转速度检测部检测的旋转速度作为参数，来计算第一能量。
优选的是，控制部根据在第一时间中输入的第一能量和从第二时间直至第一时间的第二能量的变化量，来计算第一时间中的第三能量的变化量。然后，控制部根据计算的第三能量的变化量来计算坡度。
优选的是，控制部通过从第一能量减去第二能量的变化量，来计算第三能量的变化量。
优选的是，控制部根据在第一时间中自行车行进的距离和第三能量的变化量，来计算坡度。
优选的是，蹬踏力检测部将作用于自行车的曲柄轴的转矩作为蹬踏力检测。
优选的是，旋转速度检测部将曲柄的脚踏圈速作为旋转速度检测。
优选的是，控制部通过在上述第一时间内将由如下式（1）计算的第一部分能量累计来计算第一能量。
【数学式1】
在式中，p1表示第一部分能量，T表示转矩，n表示脚踏圈速，Δt表示上述蹬踏力检测部的采样间隔。
优选的是，控制部通过如下式（2）来计算第二能量的变化量。
【数学式2】
在式中，m表示自行车和骑行者的总重量，v1表示第一时间中的行进速度，v2表示第二时间中的行进速度。
优选的是，坡度计算装置还包括对自行车的制动器的动作状态进行检测的制动器检测部。控制部当根据制动器检测部的检测结果判断为制动器在动作时，不计算坡度。
根据本发明，不使用倾斜传感器就能够计算坡度。
附图说明
图1是自行车的侧视图。
图2是表示坡度计算装置的结构的方框图。
图3是表示自行车攀爬的坡路的概略图。
图4是表示坡度计算装置的动作的流程图。
图5是表示变形例1的坡度计算装置的结构的方框图。
图6是表示变形例1的坡度计算装置的动作的流程图。
附图标记说明
1 坡度计算装置
2 蹬踏力检测部
3 旋转速度检测部
4 速度检测部
5 控制部
6 制动器检测部
51 存储部。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的坡度计算装置的实施方式和使用该坡度计算装置的自行车进行说明。图1是使用了坡度计算装置的自行车101的侧视图。
如图1所示，使用了坡度计算装置的自行车101包括车架102、车把104、驱动部105、前轮106f以及后轮106r。另外，自行车101还包括前制动器107f、后制动器107r、前制动杆108f、后制动杆108r以及显示装置109。
驱动部105具有链条110和装配有踏板111的曲柄112。曲柄112包含曲柄轴112a和一对曲柄臂112b。各曲柄臂112b设置于曲柄轴112a的两端部。
图2是表示实施方式的坡度计算装置1的方框图。如图2所示，坡度计算装置1包括蹬踏力检测部2、旋转速度检测部3、速度检测部4、控制部5以及存储部51。另外，蹬踏力检测部2和旋转速度检测部3相当于本发明的第一检测部。
蹬踏力检测部2对作用于曲柄112的蹬踏力进行检测。例如，蹬踏力检测部2是转矩传感器，对作用于曲柄112的曲柄轴112a的转矩进行检测。具体来说，蹬踏力检测部2输出与作用于曲柄轴112a的转矩对应的信号（例如电压）。转矩传感器例如也可以是磁致伸缩式传感器，还可以是应变计。与由该蹬踏力检测部2检测到的转矩相关的信息被送至控制部5。
旋转速度检测部3对曲柄112的旋转速度进行检测。例如，旋转速度检测部3是脚踏圈速传感器，将曲柄112的脚踏圈速作为旋转速度检测。具体来说，旋转速度检测部3安装于车架102，对安装于曲柄臂112b的磁铁进行检测。与由旋转速度检测部3检测到的旋转速度相关的信息被送至控制部5。
速度检测部4对自行车101的行进速度进行检测。例如，速度检测部4是速度传感器。具体来说，速度检测部4安装于自行车101的前叉103上，对安装在前轮106f的一根辐条上的磁铁40进行检测（参照图1）。与由该速度检测部4检测到的自行车101的行进速度相关的信息被送至控制部5。另外，前轮106f每旋转一圈，控制部5就计算自行车101的行进速度。并且，该前轮106f每旋转一圈而计算的各行进速度表示前轮106f旋转一圈期间的自行车101的平均行进速度。具体来说，控制部5使前轮106f的轮胎周长除以前轮106f旋转一圈所需要的时间t，由此前轮106f每旋转一圈就计算自行车101的行进速度。
控制部5计算第一能量和第二能量，并且根据计算的第一能量和第二能量来计算坡度。这里，第一能量表示由自行车101的骑行者输入到自行车101的能量。即，第一能量表示骑行者通过蹬自行车101的踏板111而输入到自行车101的能量。
具体来说，控制部5根据由蹬踏力检测部2检测的蹬踏力、以及由旋转速度检测部3检测的旋转速度即脚踏圈速，来计算在第一时间t1中输入的第一能量P1。具体来说，控制部5首先根据如下的式（1）计算第一部分能量p1。这里，所谓第一部分能量p1是在第一时间t1中输入到自行车101的第一能量P1中的在蹬踏力检测部2的采样间隔Δt中输入到自行车101的能量。
【数学式1】
在式（1）中，p1（W）表示第一部分能量，T（N·m）表示由蹬踏力检测部2检测的转矩，n（rpm）表示脚踏圈速，Δt（s）表示蹬踏力检测部2的采样间隔。
然后，控制部5根据上述第一部分能量p1，计算在第一时间t1中输入到自行车101的第一能量P1。具体来说，控制部5将第一部分能量p1的在第一时间t1的积分值计算为第一能量P1。这里，第一时间t1可以设定为速度检测部4检测安装在前轮106f的一根辐条上的磁铁40的间隔，即前轮106f旋转一圈的时间。因此，第一时间t1并非恒定时间，可以是按照前轮106f的旋转而不同的时间。
另外，控制部5根据由速度检测部4检测到的行进速度以及自行车和骑行者的总重量,来计算从第一时间t1之前的速度检测间隔即第二时间t2直至第一时间t1的第二能量的变化量P2。具体来说，控制部5根据如下的式（2），根据第一时间t1中的第二能量的平均值和第二时间t2中的第二能量的平均值，来计算第二能量的变化量P2。
【数学式2】
在式（2）中，m（kg）表示自行车101和自行车101的骑行者的总重量，v1（m/s）表示第一时间t1中的行进速度，v2（m/s）表示第二时间t2中的行进速度。具体来说，行进速度v1（m/s）表示第一时间t1中的平均行进速度，v2（m/s）表示第二时间t2中的平均行进速度。这里，在第二时间t2不存在的情况下，即在第一时间t1为自行车起步之后首次的速度检测间隔的情况下，也可以将v2设为0来计算第二能量的变化量P2。这里，自行车101和骑行者的总重量m被存储在存储部51中。存储部51可以由控制部5的存储器构成，也可以由与控制部5分开的存储装置构成。
控制部5根据在第一时间t1中输入的第一能量P1、以及从第二时间t2直至第一时间t1的第二能量的变化量P2，来计算第一时间t1中的第三能量的变化量P3。具体来说，控制部5如以下的式（3）所示，通过从第一能量P1减去第二能量的变化量P2，来计算第三能量的变化量P3。
P3＝P１－P２・・・（3）。
由于第三能量的变化量P3是第一时间t1中的势能的变化，因此能够通过下述的式（4）来表达第三能量的变化量P3。
P3＝mgh・・・（４）
在式（4）中，h（m）如图3所示表示在第一时间t1内自行车101移动的垂直方向的距离。即，距离h表示第一时间t1中的自行车101的位置的高度方向的变化。另外，图3是表示坡路的一部分的概略图。具体来说，图3是表示在第一时间t1期间自行车101前进的行进距离y的量的坡路的概略图。另外，在式（4）中，m（kg）表示自行车和骑行者的总重量，g（m/s2）表示重力加速度。
根据从上述式（3）计算的第三能量的变化量P3、存储在存储部51中的自行车和骑行者的总重量m、以及重力加速度g，通过上述式（4），能够求出垂直方向的距离h。
控制部5根据第一时间t1中的行进距离y和垂直方向的距离h来计算坡度S。具体来说，如图3所示，控制部5通过对第一时间t1和第一时间t1中的平均行进速度v1进行乘法运算，能够计算行进距离y。然后，控制部5通过下述的式（5）计算在第一时间t1内自行车101移动的水平方向的距离x，即第一时间t1中的自行车101的位置的水平方向的变化。
【数学式3】
控制部5根据由上述式（4）计算的垂直方向的距离h和由上述式（5）计算的水平方向的距离x，通过下述式（6）来计算坡度S（%）。
【数学式4】
另外，控制部5也可以通过下述式（7）来计算坡路的倾斜角度θ。
【数学式5】
控制部5能够在装配于车把104等的显示装置109等上显示计算的坡度S等。如上所述，每当前轮106f旋转时，控制部5都能够计算坡度S。另外，控制部5例如由微型计算机构成，包括：CPU（Central processing unit）、RAM（random access memory）、ROM（read only memory）以及I/O接口等。
接下来，参照图4对坡度计算装置1的坡度计算方法进行说明。图4是用于说明计算坡度时的坡度计算装置1的动作的流程图。
控制部5获得与在第一时间t1输入的第一能量P1相关的参数（步骤S1）。具体来说，控制部5获得与由蹬踏力检测部2检测到的作用于曲柄轴112a的转矩相关的信息。另外，控制部5获得与由旋转速度检测部3检测到的曲柄112的脚踏圈速相关的信息。
接下来，控制部5根据上述式（1），计算在蹬踏力检测部2的采样间隔Δt中输入到自行车101的第一部分能量p1（步骤S2）。
接下来，控制部5计算在第一时间t1中输入到自行车101的第一能量P1（步骤S3）。具体来说，控制部5将上述第一部分能量p1的第一时间t1中的积分值计算为第一能量P1。
接下来，控制部5获得与从第二时间t2直至第一时间t1的第二能量的变化量P2相关的参数（步骤S4）。具体来说，控制部5获得存储在存储部51中的自行车101和骑行者的总重量m。另外，控制部5获得与由速度检测部4检测到的第一时间t1和第二时间t2中的自行车101的平均行进速度相关的信息。
接下来，控制部5根据上述式（2）计算从第二时间t2直至第一时间t1的第二能量的变化量P2（步骤S5）。
接下来，控制部5根据上述式（3）计算第一时间t1中的第三能量的变化量P3（步骤S6）。
然后，控制部5计算坡度S（步骤S7）。具体来说，控制部5根据在步骤S6中得到的P3和上述式（4），求出在第一时间t1内自行车101移动的垂直方向的距离h。然后，控制部5根据该垂直方向的距离h和和式（5），求出在第一时间t1内自行车101移动的水平方向的距离x。然后，控制部5根据垂直方向的距离h、水平方向的距离x、上述式（6），计算坡度S。
[变形例]
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并非限定于此，只要不脱离本发明的主旨就可以进行各种变更。
变形例1
坡度计算装置1可以还包括制动器检测部。图5是表示变形例1的坡度计算装置1的结构的方框图。如图5所示，变形例1的坡度计算装置1还包括制动器检测部6。另外，由于除制动器检测部6以外的结构与上述实施方式相同，因此省略详细的说明。
制动器检测部6对自行车101的前制动器107f和后制动器107r的至少一方的动作状态进行检测。例如，制动器检测部6可以是检测前制动杆108f和后制动杆108r的至少一方是否被握住的制动器传感器。制动器检测部6将与制动器的动作状态相关的信息输出至控制部5。
如图6所示，控制部5获得制动器检测部6检测到的检测结果（步骤S21）。控制部5根据制动器检测部6的检测结果，来判断前制动器107f和后制动器107r的至少一方是否在动作（步骤S22）。
当控制部5判断为前制动器107f和后制动器107r的至少一方在动作时（步骤S22的是），转移到步骤S21的处理。例如，当控制部5根据制动器检测部6的检测结果判断为前制动杆108f和后制动杆108r的至少一方被握住时，转移到步骤S21的处理。另外，由于步骤S1~步骤S7的处理与上述实施方式相同，因此省略说明。
另一方面，当控制部5判断为前制动器107f和后制动器107r没有动作时（步骤S22的否），转移到步骤S1的处理。例如，当控制部5根据制动器检测部6的检测结果判断为前制动杆108f和后制动杆108r没有被握住时，转移到步骤S1的处理。
变形例2
上述实施方式中的自行车101和骑行者的总重量m可以由骑行者输入，也可以预先设定。当预先设定总重量时，例如也可以将平均的总重量m预先存储到存储部51中。
变形例3
在上述实施方式中，第一时间t1为速度检测部4的采样间隔，具体来说作为前轮106f旋转一圈的时间，但是并非特别限定于此。例如，第一时间t1也可以设定为前轮106f旋转两圈的时间，还可以设定为前轮106f旋转三圈以上的时间。另外，除此之外，第一时间t1能够设定为与前轮106f旋转的时间没有关系的时间。例如，第一时间t1还可以是预先设定的时间。

Claims (11)

1. 一种坡度计算装置，包括：
第一检测部，对与自行车的骑行者输入到上述自行车的第一能量相关的参数进行检测；
速度检测部，对自行车的行进速度进行检测；
存储部，存储上述自行车和上述骑行者的总重量；以及
控制部，根据由上述第一检测部检测的上述参数计算第一能量,根据由上述速度检测部检测的行进速度和存储在上述存储部中的上述自行车和上述骑行者的总重量计算第二能量,并根据上述第一能量和上述第二能量计算坡度。
2. 根据权利要求1所述的坡度计算装置，其中，
上述第一检测部包含：蹬踏力检测部，对作用于上述自行车的曲柄的蹬踏力进行检测；和旋转速度检测部，对上述曲柄的旋转速度进行检测，
上述控制部将由上述蹬踏力检测部检测的上述蹬踏力和由上述旋转速度检测部检测的上述旋转速度作为上述参数，计算上述第一能量。
3. 根据权利要求2所述的坡度计算装置，其中，
上述蹬踏力检测部将作用于上述自行车的曲柄轴的转矩作为上述蹬踏力检测。
4. 根据权利要求2或3所述的坡度计算装置，其中，
上述旋转速度检测部将上述曲柄的脚踏圈速作为上述旋转速度检测。
5. 根据权利要求1所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部根据在第一时间中输入的上述第一能量和从上述第一时间之前的第二时间直至上述第一时间的上述第二能量的变化量，计算上述第一时间中的第三能量的变化量,并根据上述计算的第三能量的变化量计算上述坡度。
6. 根据权利要求2~4中的任一项所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部根据在第一时间内输入的上述第一能量和从上述第一时间之前的第二时间直至上述第一时间的上述第二能量的变化量，计算上述第一时间中的第三能量的变化量,并根据上述计算的第三能量的变化量计算上述坡度，
上述旋转速度检测部构成为安装于上述自行车的车轮，对绕上述车轮的旋转轴旋转的被检测体进行检测，
上述第一时间和第二时间是根据上述旋转速度检测部检测上述被检测体的间隔而定义的。
7. 根据权利要求5或6所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部通过从上述第一能量减去上述第二能量的变化量，来计算上述第三能量的变化量。
8. 根据权利要求5~7的任一项所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部根据在上述第一时间中上述自行车行进的距离和上述第三能量的变化量，来计算上述坡度。
9. 根据权利要求1~8的任一项所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部通过在上述第一时间内将由如下式（1）计算的第一部分能量累计,来计算上述第一能量,
【数学式1】
在式中，p1表示第一部分能量，T表示转矩，n表示脚踏圈速，Δt表示上述蹬踏力检测部的采样间隔。
10. 根据权利要求1~9的任一项所述的坡度计算装置，其中，
上述控制部通过如下式（2）计算上述第二能量的变化量,
【数学式2】
在式中，m表示自行车和骑行者的总重量，v1表示上述第一时间中的行进速度，v2表示上述第二时间中的行进速度。
11. 根据权利要求1~10的任一项所述的坡度计算装置，其中，
上述坡度计算装置还包括对上述自行车的制动器的动作状态进行检测的制动器检测部，
上述控制部当根据上述制动器检测部的检测结果判断为上述制动器在动作时，不计算上述坡度。
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