CN107346370A - 一种健身车骑行阻力模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种健身车骑行阻力模拟方法，将骑行阻力的输出设定分为三种模式，包括固定阻力模式、路线模式和比赛模式。固定阻力模式中，根据坡度和路面参数，设定多个阻力级别，通过阻力控制器输出骑行阻力。路线模式中，根据路线情况、模拟车辆信息、骑行人数据、踏频反馈数据、调速档综合计算骑行阻力输出。比赛模式在阻力控制上与路线模式一致，但设定多车比赛同时开始，初速度为0，必须等发令枪响后才可以骑行。

Description

一种健身车骑行阻力模拟方法

技术领域

本发明属于健身设备技术领域，特别涉及一种健身车骑行阻力模拟方法。

背景技术

申请号为CN02144446.3的专利文件，公开了“一种健身车与时实场景播放互动的方法，其特征在于有如下步骤：

(a)由安装在健身车的脚踏板的转轴处的脉冲发生和电磁控装置，设置一个基本阻力，该阻力对应于模拟场景的一般路面行使，阻力设为V；

(b)对应上述的阻力V，不同路段上程序预先设定不同的阻力值，进入爬坡路段阻力值会加大，大于v而在下坡的路段阻力值会减小，小于v或变为负值；

(c)当一定力量施加于健身车使运动装置达到某一速度时，由脉冲发生和电磁控装置引发模拟信号产生，并采集该脚踏板转轴的转动速度的模拟信息；

(d)该模拟信号通过I/O板，将该模拟信号转换为数字信号；

(e)该数字信号通过健身车的接口单元以无线或有线方式发送给数据计算处理接口单元；

(f)数据计算处理单元中：将场景影象的三维模型和控制三维模型转化为可视对象的程序存入非易失性存储器；临时存储器读取非易失性存储器中的各种数据，和微处理器一起运行，将三维模型转化成的一系列连续的可视图象复制到帧存贮器；帧存贮器将可视图象输出到接收显示单元上；

(g)随着模拟场景的变换，出现不同路段，数据计算处理单元分析场景变化与之对应的阻力值，分析数字信号；

(h)该数字信号通过接口单元传递给I/O板；

(i)I/O板将数字信号变为模拟信号传递给脉冲发生和电磁控装置；

(j)脉冲发生和电磁控装置产生相应的阻力，影响脚踏板的转轴的转动；

(k)返回步骤(c)，继续采集运动模拟信号，循环上述步骤”。

然而，该文件并没有公开健身车如何逼真模拟各模拟场景中的骑行阻力。

发明内容

一种健身车骑行阻力模拟方法，将骑行阻力的输出设定分为三种模式，包括固定阻力模式、路线模式和比赛模式，

固定阻力模式中，根据坡度和路面参数，设定多个阻力级别，通过阻力控制器输出骑行阻力，

路线模式中，根据路线情况、模拟车辆信息、骑行人数据、踏频反馈数据、调速档综合计算骑行阻力输出，

比赛模式在阻力控制上与路线模式一致，但设定多车比赛同时开始，初速度为0，必须等发令枪响后才可以骑行。

所述的骑行阻力包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和惯性阻力，滚动阻力F_f为

路面对轮胎的法向作用力为F_y，车轮半径为r，滚动阻力矩为T_f，δ为滚动阻力系数，轮胎与地面的法向作用力Fz前移距离b，

坡度阻力F_θ＝mgsinθ，其中θ为爬坡角度，

空气阻力

C_D为阻力常数，A为迎风面积，V为相对速度km/h，

滚动阻力系数与轮胎类型、路面类型和速度的关系如下：

	轮胎类型	路面类型	速度
				0.015	F1	H	20
0.016	T1	S	30
				0.020	X2	N	40

F_y＝(m₁+m₂+m+M)gδcosθ

m₁，m₂为模拟自行车车型的前后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角，δ为滚动阻力常数。

对于空气阻力，

迎风面积A	骑行者身高cm	骑行者体重kg
			0.40	170	60
0.42	175	65
			0.50	175	90
0.35	175	55

相对速度为V＝V_t+V_D，其中，骑行速度V_t，风速V_D。

坡度阻力

F_θ＝(m₁+m₂+m+M)gsinθ≈(m₁+m₂+m+M)gθ

m₁，m₂为模拟自行车车型的前、后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角。

惯性阻力其中

m₁，m₂为模拟自行车车型的前、后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，dv/dt为加速度，I₁，I₂为前后轮的转动惯量。

经过测试，本发明的健身车骑行阻力模拟方法能够较为精确地模拟输出健身车骑行阻力输出。

附图说明

图1是本发明实施例中滚动阻力分析原理图。

图2是本发明实施例中自行车动力学模型原理图。

图3是本发明实施例中骑行驱动力分析原理图。

图4是本发明实施例中健身车力学模型原理图。

图5是本发明实施例中坡度阻力计算原理图。

图6是本发明实施例中路线模式示意图。

图7是本发明实施例中路线模式计算示意图。

具体实施方式

在骑行过程中，人动力和骑行阻力的共同作用决定了自行车的运动的过程。骑行阻力决定了运动者体能的消耗，骑速的大小，它是健身车模拟现实路况中最主要的因素。

模拟自行车的路面骑行，关键是最大限度的模拟路面骑行环境条件，比如温度，湿度，大气压力，噪音，行驶阻力等等。这其中最重要的是骑行阻力，这是健身车运动力学分析的基础。

骑行阻力一般包括滚动阻力、重力坡面阻力、空气阻力以及惯性阻力。

车轮是自行车的运动部件，车轮滚动时，轮胎与地面的接触会有法向，切向的相互作用力，而且路面和支撑地面会有应变，在硬的路面运动时，轮胎变形产生的弹性迟滞，形成阻碍车轮前行的阻力矩，是法向作用力Fz前移距离b，如图1所示。图中，路面对轮胎的法向作用力为F_y，车轮半径为r，滚动阻力矩为T_f，则滚动阻力F_f，

上述等式中，δ为滚动阻力系数，该系数与路面种类骑行速度，轮胎的构造，材料等因素有关。低速度时，滚动阻力系数随车速变化不大。滚动阻力在受力图上无法表现出来。

如果地面切向作用力Fx小于轮轴的推力Fp，则会产生打滑现象。Fx的极限值称为附着力F_ψ，在硬的路面上，它与车轮的法向反作用力Fy成正比，F_ψ＝ψF_y，比例系数ψ称为附着系数，由路面和轮胎决定，通常比滚阻系数δ要大很多。

坡度是以坡高于底长比值表示的，根据目前的公路工程技术标准，平原丘陵地区I级路面最大坡度为4％，山岭区域路面坡度最大9％。

坡度阻力F_θ＝mgsinθ，其中θ为爬坡角度(下坡时为负值)，弧度单位。

一般路面坡度较小的情况下sinθ＝tanθ＝θ

所以F_θ＝mgsinθ＝mgtanθ＝mgθ

空气阻力又包括压力阻力和摩擦阻力两部分。空气阻力可以描述为：

C_D为阻力常数，A为迎风面积(平方米)，V为相对速度km/h。可以直接简化为作用于车子质心处的作用力。

惯性阻力：

惯性阻力包括车身总质量平移的惯性，也包含车轮转动的惯性，一般将车轮转动的惯性简化为平移的惯性。

本发明建立的自行车的动力学模型如图2所示，自行车车体及骑行者的重力(M+m)g，车体重心为C，距离前后车轮轴心C₁，C₂分别为L₁，L₂，从动轮、驱动轮的质量为m₁，m₂，转动惯量为I₁，I₂，骑行加速度为dv/dt，相应的车轮角加速度为dw/dt，行驶中空气阻力F_w，坡度阻力为F_θ。

W₁，W₂为从动轮和驱动轮上的载荷，F_y1，F_y2，为路面对从动轮、驱动轮的法向作用力，F_p1，F_p2为从动轮驱动轮轴作用于车轮平行于路面的力，T_f1，T_f2为从动驱动轮滚动阻力矩，F_x1，F_x2为作用在从动轮驱动轮上的地面切向反作用力，T_m1，T_m2为从动轮驱动轮转动惯性力矩，T为人力驱动子驱动轮上的转矩。

从动轮在车轮轴传来的推力F_p1，地面切向反作用力F_x1，滚动阻力矩T_f1，载荷W₁，以及重力m₁g的共同作用下，由平衡条件可得：

所以：

其中

驱动轮在车轮轴传来的推力F_p2，地面切向反作用力F_x2、滚动阻力矩T_f2、驱动力矩T以及载荷W_2,，重力m₂g的共同作用下由平衡条件得到：

人作用于驱动轮的驱动力F＝T/r，根据以上可得：

其中

对车身进行分析，在从动轮、驱动轮对其反作用力F’_p1，F’_p2，支撑力W’₁，W’₂，以及重力(m+M)g，空气阻力F_w的共同作用下：

由于F’_p1，F’_p2与F_p1，F_p2为作用力与反作用力，

F_y＝F_y1+F_y2＝(m₁+m₂+m+M)gδcosθ

F_θ＝(m₁+m₂+m+M)gsinθ≈(m₁+m₂+m+M)gθ

也就是驱动力等于滚动阻力、空气阻力、坡度阻力与惯性阻力之和。

骑行的驱动力如图3所示，踏力为F，链条拉力为F₁＝F₂,，阻力器张力为F_m，形成推力为F_p。车轮的半径为r。踏柄的长度为L，齿数为N，飞轮齿数为n。齿轮齿数与半径的比例系数为k。

踏力力矩为T_f＝FL

T_f＝F₁Nk，车轮的扭力矩T_l＝F₂nk，F₁＝F₂。

得到：

所以

也就是这个推力要等于前面提到的阻力之和。

自行车飞轮的转速采用霍尔传感器测量，飞轮每转动一圈，发生三个脉冲。设飞轮的转动频率为f₀，轮毂半径为r(m)，得到的车速为：v＝2πrf₀m/s，换算成公里小时v＝7.2πrfkm/h。

示例：

轮毂尺寸，轮胎型号决定骑行轮胎转动一周的距离

26*1.5寸的是2.026米

26*1.6寸的是2.051米

26*1.75寸的是2.070米

26*1.9寸的是2.089米

26*2.0寸的是2.114米

26*2.125寸的是2.133米

齿数比为52/16，踏频为1r/s。则行车速度为3.6*2.026*1*52/16＝23.7km/h

(参考1.5寸轮胎计算)。

健身车的力学模型如图4所示，踏力为F，链条拉力为F₁＝F₂,，阻力器张力为F_m，力矩为T_m。轮子的转动惯量为I。踏柄的长度为L，齿数为N，飞轮齿数为n，齿轮齿数与半径的比例系数为k，飞轮的半径为r₀，

踏力力矩为T_f＝FL，惯性力矩为

T_f＝F₁Nk，飞轮的扭力矩T_l＝F₂nk，F₁＝F₂。

得到：

F_p为坡度阻力，空气阻力，惯性阻力，滚动阻力之和。m为健身车飞轮的质量。r为一般自行车的轮毂半径，r₀为健身车飞轮的半径。

其中：

F_y＝F_y1+F_y2＝(m₁+m₂+m+M)gδcosθ

F_θ＝(m₁+m₂+m+M)gsinθ≈(m₁+m₂+m+M)gθ

从上面的力学模型分析可以看出，健身车需要模拟出滚动阻力，坡度阻力，空气阻力和惯性阻力四个部分。

滚动阻力与滚动系数δ有关，而阻力滚动系数与轮胎种类，路面关系最为密切。同时和骑行速度也有关。因此需要构建滚动系数与轮胎准类、路面、速度与之间的关系。

车型：计算数据需要：重量，变速齿轮比例，轮毂尺寸。从展现角度可能还需要：外形图片，3D，制造商，型号等等(需要仔细考虑)。

路面：路面类型，土路，柏油，水泥，级别等等。

建立滚动阻力系数与这些参数之间的关系。

δ	轮胎类型	路面类型	速度
				0.015	F1	H	20
0.016	T1	S	30
				0.020	X2	N	40

F_y＝F_y1+F_y2＝(m₁+m₂+m+M)gδcosθ

滚动阻力的计算公式如上。m₁，m₂为模拟自行车车型的前后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角，δ为上表中的滚动阻力常数。

滚动阻力系数取值范围参考表

上表在低速下测得的数据。

空气阻力的计算如下面的公式：

C_D为阻力常数，A为迎风面积(平方米)，V为相对速度km/h。

空气阻力系数C_D与迎风面的光滑程度，材料，造型等等有关。我们这里设置为固定值。专用的骑行服就是为了减小风阻系数。一般风阻系数在0.5到0.7左右。

迎风面积A的大小与骑行姿势，车辆，骑行者的身高体重有较大关系。这里可以模拟建立体重、身高跟面积的关系。(数值不准确，仅作为示例)

迎风面积A	身高cm	体重kg
			0.40	170	60
0.42	175	65
			0.50	175	90
0.35	175	55

相对速度为骑行速度V_t与风速V_D的和。顺风V_d为负值。

V＝V_t+V_D

坡度阻力

F_θ＝(m₁+m₂+m+M)gsinθ≈(m₁+m₂+m+M)gθ

滚动阻力的计算公式如上。m₁，m₂为模拟自行车车型的前后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角。

下坡时候θ为负值。

计算如下所示：

惯性阻力：

滚动阻力的计算公式如上。m₁，m₂为模拟自行车车型的前后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，dv/dt为加速度。I₁，I₂为前后轮的转动惯量。因为车轮的质量分布主要集中于轮毂。

所以：I₁≈m₁r² I₂≈m₂r²

ε_m＝2m₁+2m₂+m+M

本发明的阻力输出数据模型包括三种模式：

A.固定阻力训练模式

B.路线模式

C.比赛模式

固定阻力模式，可以通过控制台控制阻力级别，比如陡坡，平坡，平地。也可以考虑路面类型，比如柏油路，水泥路，砂石路等等。实际健身车可以模拟256级，当然控制台只需要几个级别即可。后续可以根据市场需求情况进行优化调整。也就是控制台只需要向阻力控制器发送1-256之间的一个数字即可。计算出以上所有的阻力之和，对照0-256级的阻力表，得到阻力级别发送到阻力控制器。

路线模式下，通过前面的分解，可以看到，需要根据路线情况、模拟车辆信息、骑行人数据、踏频反馈数据、调速档综合计算出电磁阻力矩T_m的大小。

比赛模式在阻力控制上与路线模式一致。但需要考虑比赛同时开始，初速度为0，必须等发令枪响后才可以。

骑行者能量消耗及上述的所有阻力的和与骑行距离的乘积的积分

单位为焦耳，L为骑行距离，F为骑行阻力。

使用求和：

Fn为当前阻力和，an为当次行进距离。单位焦耳，可以换算成大卡，卡路里等人们更熟悉的单位。

因为实际骑行的惯性比较大，而模拟骑行过程中惯性较小，会降低用户的部分体验。需要通过技术手段改善。基本技术原理即：改变骑行者停止踩踏和开始踩踏时候，降低阻力，这样更加接近与实际骑行过程。

Claims (6)

1.一种健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，将骑行阻力的输出设定分为三种模式，包括固定阻力模式、路线模式和比赛模式，

固定阻力模式中，根据坡度和路面参数，设定多个阻力级别，通过阻力控制器输出骑行阻力，

路线模式中，根据路线情况、模拟车辆信息、骑行人数据、踏频反馈数据、调速档综合计算骑行阻力输出，

比赛模式在阻力控制上与路线模式一致，但设定多车比赛同时开始，初速度为0，必须等发令枪响后才可以骑行。

2.如权利要求1所述的健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，所述的骑行阻力包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和惯性阻力，

滚动阻力F_f为

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>f</mi> </msub> <mi>r</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>y</mi> </msub> <mfrac> <mi>b</mi> <mi>r</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>y</mi> </msub> <mi>&amp;delta;</mi> </mrow>

路面对轮胎的法向作用力为F_y，车轮半径为r，滚动阻力矩为T_f，δ为滚动阻力系数，轮胎与地面的法向作用力Fz前移距离b，

坡度阻力F_θ＝mgsinθ，其中θ为爬坡角度，

空气阻力

C_D为阻力常数，A为迎风面积，V为相对速度km/h，

惯性阻力。

3.如权利要求2所述的健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，

滚动阻力系数与轮胎类型、路面类型和速度的关系如下：

δ 轮胎类型 路面类型 速度 0.015 F1 H 20 0.016 T1 S 30 0.020 X2 N 40

F_y＝(m₁+m₂+m+M)gδcosθ

m₁，m₂为模拟自行车车型的前后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角，δ为滚动阻力常数。

4.如权利要求2所述的健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，对于空气阻力，

迎风面积A 骑行者身高cm 骑行者体重kg 0.40 170 60 0.42 175 65 0.50 175 90 0.35 175 55

相对速度为V＝V_t+V_D，其中，骑行速度V_t，风速V_D。

5.如权利要求2所述的健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，

坡度阻力

F_θ＝(m₁+m₂+m+M)gsinθ≈(m₁+m₂+m+M)gθ

m₁，m₂为模拟自行车车型的前、后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，g为重力常数θ为路面倾角。

6.如权利要求2所述的健身车骑行阻力模拟方法，其特征在于，

惯性阻力其中

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mi>M</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow>

m₁，m₂为模拟自行车车型的前、后轮的质量，m为车架的质量，M为骑行者的质量，dv/dt为加速度，I₁，I₂为前后轮的转动惯量。