CN106644208B - 一种骑行能力分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骑行能力分析系统及分析方法，分析方法包括如下步骤：获取各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，计算骑行者克服阻力所做的功；获取骑行者在各个骑行阶段的心率，计算各个骑行阶段在单位心率下的功率输出；计算相邻两个骑行阶段的功率输出变化值；骑行系统包括测速码表、加速度传感器、触摸屏、坡度计、姿态传感器、电源、心率带、处理器及存储器。本发明通过采集骑行过程中的相关参数和骑行数据获取骑行者在不同阶段的骑行功率和骑行时间，计算骑行者克服阻力所做的功、单位心率下的功率输出、相邻两个骑行阶段的功率输出变化值并判断骑行者骑行能力范围，根据骑行者能力范围规划骑行距离和线路。

Description

一种骑行能力分析系统及分析方法

技术领域

本发明涉及骑行能力分析技术，尤其是涉及一种骑行能力分析系统及分析方法。

背景技术

随着骑行健身爱好者的日益增多，人们对骑行方式也日益推崇，由于不同人群的骑行能力不同，故骑行过程中经常性因骑行能力不够而导致过渡骑行而影响身体健康，甚至影响生命安全。因此，准确的评价自身的骑行能力以便于规划更加合理的骑行距离和骑行线路对于骑行者来说十分重要，而目前骑行能力均采用计时法、匀速法等，其存在较大的局限性，仅仅只能适用于特定赛场，对于不同线路、不同时间、不同骑行者来说，其评价准确性低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种骑行能力分析系统及分析方法，解决现有技术中骑行能力分析方法局限性较大、准确率低下的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种骑行能力分析方法，包括如下步骤：

S1、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，并通过各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间计算骑行者克服阻力所做的功；

S2、获取骑行者在各个骑行阶段的心率，计算各个骑行阶段在单位心率下的功率输出；

S3、计算相邻两个骑行阶段的功率输出变化值。

优选的，所述步骤S1包括：

S11、根据骑行坡度将骑行路程分隔形成连续的多个骑行阶段；

S12、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行阻力和骑行速度；

S13、根据骑行阻力和骑行速度计算各个骑行阶段的骑行功率。

优选的，所述骑行功率的计算公式为：

P_i＝F_i*V_i (1)

其中，P_i为第i阶段的骑行功率，F_i为第i阶段受到的骑行阻力，V_i为第i阶段的骑行速度，i为自然数。

优选的，所述骑行阻力由滚动阻力、空气阻力、重力阻力组成，即F＝Fg+Fk+Fz，F为骑行阻力，Fg为骑行受到的滚动阻力，Fk为骑行受到的空气阻力，Fz为骑行受到的重力阻力。

优选的，所述滚动阻力的计算公式为：

Fg＝Xz*(Mc+Mr)*Xl*Cosα (2)

其中，Fg为骑行受到的滚动阻力，Xz是骑行车的滚动阻力系数，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，Xl为路面的阻力系数，α为路面的坡度角。

优选的，所述空气阻力的计算公式为：

Fk＝1/16*A*Cw*(Vq+Vz*Cosβ)² (3)

其中，Fk为骑行受到的空气阻力，A为迎风截面面积、Cw为风阻系数，Vq为骑行者的骑行速度，Vz是自然界的风速，β为风向与骑行方向反向的夹角。

优选的，所述重力阻力的计算公式为：

Fz＝(Mc+Mr)*g*Sinα (4)

其中，Fz为骑行受到的重力阻力，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，g为重力常数，α为路面的坡度角。

优选的，所述功率输出和骑行功率变化值的计算公式分别为：

N_i＝P_i/HR_i (5)

NP_i＝(P_i+1-P_i)/(HR_i+1-HR_i) (6)

其中，N_i为第i个骑行阶段的单位心率下的功率输出，P_i为第i阶段的骑行功率，HR_i为第i个骑行阶段的心率，NP_i为第i个骑行阶段与第i+1个骑行阶段之间的骑行功率变化值，P_i+1为第i+1阶段的骑行功率，HR_i+1为第i+1个骑行阶段的心率。

同时，本发明还提供一种骑行能力分析系统，包括用于测量骑行车速的测速码表、用于测量骑行车在竖直方向上的加速度的加速度传感器、用于输入参数和显示骑行数据的触摸屏、用于测量骑行坡度的坡度计、用于检测人体骑行姿态的姿态传感器、用于供电的电源、用于检测骑行者心率的心率带、用于处理数据的处理器及用于存储数据的存储器；处理器包括用于获取加速度传感器的加速度信号的加速度采集模块、用于识别加速度采集模块采集的加速度信号的变化频率的频率识别模块、用于调用与加速度变化频率相对应的摩擦系数的摩擦系数调用模块、用于采集测速码表检测的速度信号的速度采集模块、用于采集坡度计检测的坡度信号的坡度采集模块、用于采集姿态传感器检测的姿态信号的姿态采集模块、用于根据姿态信号获取与姿态信号相对应的姿态参数的姿态参数调用模块、用于采集心率带的心率信号的心率采集模块及处理运算单元；所述加速度采集模块、频率识别模块、摩擦系数调用模块、触摸屏、速度采集模块、坡度采集模块、姿态采集模块、姿态参数调用模块、电源、存储器、心率采集模块均与所述处理运算单元连接。

优选的，所述处理器还包括坡度信号比较模块和骑行阶段调整模块，坡度信号比较模块用于比较所述坡度采集模块采集的相邻两次坡度信号的大小是否超出设定范围，若超出设定范围则启动骑行阶段调整模块，骑行阶段调整模块则用于驱动当前骑行阶段结束并进入下一骑行阶段。

与现有技术相比，本发明通过采集骑行过程中的相关参数和骑行数据获取骑行者在不同阶段的骑行功率和骑行时间，计算骑行者克服阻力所做的功、单位心率下的功率输出、相邻两个骑行阶段的功率输出变化值并判断骑行者骑行能力范围，根据骑行者能力范围规划骑行距离和线路。

附图说明

图1是本发明的骑行能力分析方法的流程图；

图2是本发明的步骤S1的子流程图；

图3是本发明的骑行能力分析系统的连接结构示意图；

图4是本发明的骑行能力分析系统的连接框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1～4，本实施例提供了一种骑行能力分析方法，包括如下步骤：

S1、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，并通过各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间计算骑行者克服阻力所做的功；

为了便于获取各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，本实施例所述步骤S1包括：

S11、根据骑行坡度将骑行路程分隔形成连续的多个骑行阶段；

具体骑行时，本实施例根据坡度将骑行线路分隔成多个骑行路段，即当坡度不发生明显变化时，其记作一个骑行路段，该骑行路段的坡度可作为基准坡度，若当前坡度相对基准坡度发生明显变化时，具体可设置一个范围，当坡度变化超过该范围时，则上一骑行路段结束并进入当前骑行路段，然后当前骑行路段的坡度作为基准坡度，当坡度变化再次超过设定范围时，则进入下一骑行路段，且下一骑行路段的坡度作为基准坡度，依次循环至骑行结束。通过上述坡度变化将整个骑行线路分隔为多个骑行路段，而每个骑行路段则为一个骑行阶段，由于每个骑行阶段的坡度不同，故骑行过程中每个骑行阶段的阻力不同，其对应的骑行克服阻力做功也是不同。故本实施例获取每个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，从而计算骑行过程克服阻力做功，其准确性高。

S12、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行阻力和骑行速度；

由于骑行阻力主要由滚动阻力、空气阻力、重力阻力组成，具体可采用以下公式计算，即F＝Fg+Fk+Fz，F为骑行阻力，Fg为骑行受到的滚动阻力，Fk为骑行受到的空气阻力，Fz为骑行受到的重力阻力。

其中，滚动阻力主要为骑行过程中骑行车在地面滚动形成的阻力，其具体计算公式为：

Fg＝Xz*(Mc+Mr)*Xl*Cosα (2)

其中，Fg为骑行受到的滚动阻力，Xz是骑行车的滚动阻力系数，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，Xl为路面的阻力系数，α为路面的坡度角。

滚动阻力系数Xz可根据车辆的车型、轮胎类型确定；骑行者和骑行车的重量则可通过称重获取；路面的阻力系统一般通过路面状况确定，例如水泥路面、沥青路面、土路和石子路等路面状况不同，其摩擦系数也明显不同，故为了便于获取路面的阻力系数，本实施例通过加速度传感器或重力传感器检测骑行车在竖直方向上的加速度变化频率或重力变化频率，进而判断骑行的振动频率，然后根据不同路面设置不同的振动值范围，当骑行的振动频率位于对应的振动值范围时，则调用与振动值范围相对应的路面摩擦系数；路面的坡度角可通过坡度计实时测量，具体骑行时，每个骑行阶段的坡度角理论上可认为成一个定值，为了简化计算，本实施例以每个骑行阶段的理论定值作为路面坡度角，或者将每个骑行阶段内测定的多个坡度角取平均值作为该骑行阶段的坡度角。

而所述空气阻力的计算公式为：

Fk＝1/16*A*Cw*(Vq+Vz*Cosβ)² (3)

其中，Fk为骑行受到的空气阻力，A为迎风截面面积、Cw为风阻系数，Vq为骑行者的骑行速度，Vz是自然界的风速，β为风向与骑行方向反向的夹角。

迎风截面面积可根据骑行者的身高、体重和骑行姿态确定，其具体根据身高和体重参数形成对应的最大迎风面积，例如身高178～180cm、体重76～80kg的迎风面积为一个定值，而身高178～180cm、体重71～85kg为另一定值，而为了最大迎风面积的准确性，也可将直接测量人体的最大迎风面积，而骑行姿态可通过姿态传感器获取，每个对应的姿态均与一姿态参数相对应，姿态参数与最大迎风面积的乘积即为迎风截面面积；风阻系数为一常数；骑行者的骑行速度可通过测速码表实时测量；自然界的风速以及风向与骑行方向反向的夹角则可通过气象预报获取。

所述重力阻力的计算公式为：

Fz＝(Mc+Mr)*g*Sinα (4)

其中，Fz为骑行受到的重力阻力，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，g为重力常数，α为路面的坡度角。

骑行者和骑行车的重量则可通过称重获取；重力常数为一常数；路面的坡度角与前述基本相同。

S13、根据骑行阻力和骑行速度计算各个骑行阶段的骑行功率。

本实施例所述骑行功率的计算公式为：

P_i＝F_i*V_i (1)

其中，P_i为第i阶段的骑行功率，F_i为第i阶段受到的骑行阻力，V_i为第i阶段的骑行速度，i为自然数。

通过公式(2)、(3)、(4)可获取骑行阻力，而每个阶段的骑行速度均可通过测速码表测量，故本实施例每个阶段的骑行功率可通过公式(1)计算获得，由于每个阶段内的骑行阻力和骑行速度可能不断发生变化，故本实施例将每个骑行阶段计算的多个骑行功率取平均值即为该骑行阶段的骑行功率。

当获取各个阶段的骑行功率之后，则可按以下公式计算整个骑行过程中的克服阻力做功：

W＝P_1*T₁+P_2*T₃+P₃*T₃+…..+P_n*T_n (7)

其中，W为骑行过程中克服阻力做功，P₁为第一阶段的骑行功率，T₁为第一阶段的骑行时间，P₂为第二阶段的骑行功率，T₂为第二阶段的骑行时间，P₃为第三阶段的骑行功率，T₃为第三阶段的骑行时间，P_n为第n阶段的骑行功率，T_n为第n阶段的骑行时间，n为最后一个骑行阶段。

而且，可将各个阶段的骑行功率和克服阻力做功可判断骑行者的骑行消耗。

S2、获取骑行者在各个骑行阶段的心率，计算各个骑行阶段在单位心率下的功率输出，功率输出的计算公式如下；

N_i＝P_i/HR_i (5)

其中，N_i为第i个骑行阶段的单位心率下的功率输出，P_i为第i阶段的骑行功率，HR_i为第i个骑行阶段的心率。各个骑行阶段的心率可通过心率带实时检测，由于骑行者的心率是不断变化的，故每个骑行阶段的心率为该骑行阶段的骑行时间内检测的多次心率的平均值。

通过计算在各个骑行阶段下的单位心率下的功率输出，当单位心率下的功率输出随时间呈递增状态，则说明骑行能力较强。

S3、计算相邻两个骑行阶段的功率输出变化值；

所述骑行功率变化值的计算公式分别为：

NP_i＝(P_i+1-P_i)/(HR_i+1-HR_i) (6)

其中，，NP_i为第i个骑行阶段与第i+1个骑行阶段之间的骑行功率变化值，P_i+1为第i+1阶段的骑行功率，HR_i+1为第i+1个骑行阶段的心率。

具体操作时，可根据多项数据判断分析，例如，当克服阻力做功较大，则说明骑行者消耗较大，可根据克服阻力做功规划适合的距离，以便于骑行者能够达到健康锻炼的效果；而对于单位心率下的功率输出，可将计算的多个功率输出绘制成曲线，若该曲线相对骑行时间呈递增状态，则说明骑行者具有富余骑行体力，该骑行者能够适当延长骑行距离以促进锻炼效果；当功率输出变化值越大，说明骑行者的心率变化输出能力越强，其能够适应具有较大坡度的骑行。

故通过本实施例的骑行能力分析，能够准确的了解骑行者的骑行能力，并根据骑行能力规划合适的线路和距离，以保证安全的前提达到最佳的锻炼效果。

同时，如图1～4所示，本实施例还提供一种骑行能力分析系统，包括用于测量骑行车速的测速码表1、用于测量骑行车在竖直方向上的加速度的加速度传感器2、用于输入参数和显示骑行数据的触摸屏3、用于测量骑行坡度的坡度计4、用于检测人体骑行姿态的姿态传感器5、用于供电的电源6、用于检测骑行者心率的心率带7、用于处理数据的处理器8及用于存储数据的存储器9；所述测速码表1、加速度传感器2、触摸屏3、坡度计4、姿态传感器5、电源6、存储器9、心率带7均与所述处理器8连接。

其具体作用时，可通过触摸屏3将骑行车的滚动阻力系数、骑行者的重量、骑行车的重量、最大迎风面积、风阻系数、自然界的风速、风向与骑行方向反向的夹角、g为重力常数等可预知的参数输入，处理器8将上述输入的参数存储于存储器9，并根据需要调用；加速度传感器2可实时检测骑行车在竖直方向的加速度，而处理器8包括用于获取加速度传感器2的加速度信号的加速度采集模块801和识别加速度采集模块801采集的加速度信号的变化频率的频率识别模块802，通过频率识别模块802识别骑行车的竖直方向的加速度变化频率，进而通过路面摩擦系数调用模块803获取与加速度变化频率相对应的摩擦系数；测速码表1可实时测量骑行者的骑行速度，并通过处理器8的速度采集模块804实时采集测速码表1检测的速度信号；坡度计4则实时获取骑行坡度并通过坡度采集模块805实时采集坡度计4检测的坡度信号；姿态传感器5则对应采集骑行者的骑行姿态，具体可将姿态传感器5制作为发带，通过检测骑行者头部相对水平面的角度检测其骑行姿态，其可通过姿态采集模块806实时采集姿态传感器5检测的姿态信号，并由姿态参数调用模块807根据姿态信号获取与姿态信号相对应的姿态参数；心率带7可实时采集骑行者的心率信号，并通过处理器8的心率采集模块808采集心率带7的心率信号。

本实施例通过处理器8的处理运算模块809将触摸屏3输入的参数、摩擦系数调用模块803获取的摩擦系数、速度采集模块804采集的速度信号、坡度采集模块805采集的坡度信号、姿态参数调用模块807调用的姿态参数、心率采集模块808采集的心率信号按公式(1)～(7)进行运算处理即可获取各个骑行阶段的骑行功率、输出功率、骑行功率变化值，而且在该骑行过程中实时将运算处理的数据存储于存储器9内，以便于骑行完成后随时查看。

其中，为了便于实现分阶段运算，本实施例处理器8还包括坡度信号比较模块810和骑行阶段调整模块811，坡度信号比较模块810用于比较所述坡度采集模块805采集的相邻两次坡度信号的大小是否超出设定范围值，若超出设定范围值，则启动骑行阶段调整模块811，骑行阶段调整模块811则用于驱动当前骑行阶段结束并进入下一骑行阶段，具体为以当前时间节点作为当前骑行阶段结束时间，将与当前骑行阶段相对应的数据存储，同时以当前时间节点作为下一骑行阶段的开始时间，重新调用参数和采集数据进行运算处理、存储。

在实际应用时，本实施例的测速码表1仅仅只有测速部分，且测速部分位于骑行车前轮位置，而加速度传感器2、触摸屏3、坡度计4、电源6、存储器9和处理器8则一起集成形成显示处理部分，其可固定于骑行车的车把手上，而且测速码表的测速部与处理器8连接可直接通过触摸屏3进行骑行速度的显示，同时由于姿态传感器5设于骑行者头部、心率带7则绑扎于胸口，为了便于处理器8及时获取测速码表1、姿态传感器5和心率带7的检测信号，本实施例测速码表1、姿态传感器5和心率带7均与所述处理器8无线通信连接，具体可采用ant+、蓝牙或zigbee。

与现有技术相比，本发明通过采集骑行过程中的相关参数和骑行数据获取骑行者在不同阶段的骑行功率和骑行时间，计算骑行者克服阻力所做的功、单位心率下的功率输出、相邻两个骑行阶段的功率输出变化值并判断骑行者骑行能力范围，根据骑行者能力范围规划骑行距离和线路。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种骑行能力分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间，并通过各个骑行阶段的骑行功率和骑行时间计算骑行者克服阻力所做的功；

S2、获取骑行者在各个骑行阶段的心率，计算各个骑行阶段在单位心率下的功率输出；

S3、计算相邻两个骑行阶段的功率输出变化值；

所述步骤S1包括：

S11、根据骑行坡度将骑行路程分隔形成连续的多个骑行阶段；

S12、获取骑行者在各个骑行阶段的骑行阻力和骑行速度；

S13、根据骑行阻力和骑行速度计算各个骑行阶段的骑行功率。

2.根据权利要求1所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述骑行功率的计算公式为：

P_i＝F_i*V_i (1)

其中，P_i为第i阶段的骑行功率，F_i为第i阶段受到的骑行阻力，V_i为第i阶段的骑行速度，i为自然数。

3.根据权利要求2所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述骑行阻力由滚动阻力、空气阻力、重力阻力组成，即F＝Fg+Fk+Fz，F为骑行阻力，Fg为骑行受到的滚动阻力，Fk为骑行受到的空气阻力，Fz为骑行受到的重力阻力。

4.根据权利要求3所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述滚动阻力的计算公式为：

Fg＝Xz*(Mc+Mr)*Xl*Cosα (2)

其中，Fg为骑行受到的滚动阻力，Xz是骑行车的滚动阻力系数，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，Xl为路面的阻力系数，α为路面的坡度角。

5.根据权利要求4所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述空气阻力的计算公式为：

Fk＝1/16*A*Cw*(Vq+Vz* Cosβ)² (3)

其中，Fk为骑行受到的空气阻力，A为迎风截面面积、Cw为风阻系数，Vq为骑行者的骑行速度，Vz是自然界的风速，β为风向与骑行方向反向的夹角。

6.根据权利要求5所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述重力阻力的计算公式为：

Fz＝(Mc+Mr)*g*Sinα (4)

其中，Fz为骑行受到的重力阻力，Mc为骑行者的重量，Mr为骑行车的重量，g为重力常数，α为路面的坡度角。

7.根据权利要求6所述的骑行能力分析方法，其特征在于，所述功率输出和骑行功率变化值的计算公式分别为：

N_i＝P_i/HR_i (5)

NP_i＝(P_i+1-P_i)/(HR_i+1-HR_i) (6)

其中，N_i为第i个骑行阶段的单位心率下的功率输出，P_i为第i阶段的骑行功率，HR_i为第i个骑行阶段的心率，NP_i为第i个骑行阶段与第i+1个骑行阶段之间的骑行功率变化值，P_i+1为第i+1阶段的骑行功率，HR_i+1为第i+1个骑行阶段的心率。

8.一种骑行能力分析系统，其特征在于，包括用于测量骑行车速的测速码表、用于测量骑行车在竖直方向上的加速度的加速度传感器、用于输入参数和显示骑行数据的触摸屏、用于测量骑行坡度的坡度计、用于检测人体骑行姿态的姿态传感器、用于供电的电源、用于检测骑行者心率的心率带、用于处理数据的处理器及用于存储数据的存储器；处理器包括用于获取加速度传感器的加速度信号的加速度采集模块、用于识别加速度采集模块采集的加速度信号的变化频率的频率识别模块、用于调用与加速度变化频率相对应的摩擦系数的摩擦系数调用模块、用于采集测速码表检测的速度信号的速度采集模块、用于采集坡度计检测的坡度信号的坡度采集模块、用于采集姿态传感器检测的姿态信号的姿态采集模块、用于根据姿态信号获取与姿态信号相对应的姿态参数的姿态参数调用模块、用于采集心率带的心率信号的心率采集模块及处理运算单元；所述加速度采集模块、频率识别模块、摩擦系数调用模块、触摸屏、速度采集模块、坡度采集模块、姿态采集模块、姿态参数调用模块、电源、存储器、心率采集模块均与所述处理运算单元连接。

9.根据权利要求8所述的骑行能力分析系统，其特征在于，所述处理器还包括坡度信号比较模块和骑行阶段调整模块，坡度信号比较模块用于比较所述坡度采集模块采集的相邻两次坡度信号的大小是否超出设定范围，若超出设定范围则启动骑行阶段调整模块，骑行阶段调整模块则用于驱动当前骑行阶段结束并进入下一骑行阶段。