CN110225850A - 用于自行车上的骑车人的制动辅助系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自行车(100)上的骑车人的制动辅助系统(1)，该自行车包括制动系统(101)，该制动系统有制动部件(105)，该制动部件能够通过由骑车人施加在操作杆(103)上的力(FC)的作用而在自行车(100)的前轮(101)上施加制动力(FB)，该系统(1)包括：‑用于测量自行车(100)的前轮(101)的角速度(ω1)的传感器(2)，适用于产生表示前轮的角速度的信号；‑促动器(3)，该促动器能够施加促动器力(FA)，该促动器可与自行车的所述制动系统连接，以使得促动器力(FA)与由骑车人施加在操作杆(103)上的力(FC)相反，以便减小制动力(FB)；‑控制模块(4)，该控制模块设置成接收表示前轮(101)的角速度(ω1)的信号作为输入，并用于由此确定前轮(01)的减速度(η)。控制模块(4)包括：‑驱动模块(4”)，该驱动模块设置成用于选择地驱动促动器(3)，以使得该促动器选择地施加所述促动器力(FA)，且用于在促动器(3)有效时确定参考减速度(ηref)；‑控制器(4')，该控制器设置成用于在促动器(3)有效时基于在所述参考减速度(ηref)和前轮的所述减速度(η)之间的误差来命令促动器(3)。

Description

用于自行车上的骑车人的制动辅助系统
技术领域
本发明涉及一种用于自行车上的骑车人的制动辅助系统，特别是一种适于帮助骑车人避免在前轮上施加过大制动力的系统，该过大制动力可能锁死轮自身或者使自行车翻转。
背景技术
制动自行车的前轮是需要骑车人确定的敏感性操作，当不正确地执行该操作时，可能引起危险和问题。特别是，施加在前轮上的过强制动可以锁死轮自身(通常在低牵引力的路面上，例如由于下雨)，或甚至可能导致自行车自身绕前轮翻转。
为了解决这个问题，对于具有盘式制动器的制动系统提供了一些制动辅助系统，该制动辅助系统由液压系统来促动，该液压系统通过调节制动来主动干预制动。
不过，这种系统需要再次设计以便防止刮伤制动系统，且它们相当昂贵和笨重。
发明内容
因此，本发明的目的在于制造一种可用的制动辅助系统，该制动辅助系统用于防止前轮锁死或者自行车被翻转，这表现出简单的结构，且制动系统自身需要进行的变化有限。
该目的和其它目的通过根据权利要求1的、用于自行车上的骑车人的制动辅助系统而获得。
从属权利要求确定了本发明的可能优选实施例。
附图说明
为了更好地理解本发明和了解本发明的优点，下面将参考附图介绍本发明的一些示例和非限定实施例，附图中：
图1是根据本发明的可能实施例的、提供有制动辅助系统的自行车的示意图；
图2是根据本发明的可能实施例的制动辅助系统的框图；
图3a-3d是用于自行车的可能替代制动系统的示意图，该制动系统提供有根据本发明的制动辅助系统；以及
图4a-4e是用于驱动根据本发明的可能替代实施例的制动辅助系统的模块的示意图。
具体实施方式
参考图1，自行车总体由参考标号100表示。自行车100包括前轮101和后轮102。例如可由安装在车把上的操作杆103促动的制动器与前轮101相连。制动系统能够是任何已知的类型，例如闸瓦式或盘式制动系统，由液压或机械系统来控制，例如通过线缆。
下面参考图3a-3d，图3a-3d示意表示了自行车的可能的制动系统。
图3a表示机械制动系统，其中，骑车人通过施加力FC而作用在操作杆103上，该力FC通过机械线缆104而传递给制动部件105，制动部件105表示为例如能够在前轮101上施加制动力FB的一对闸瓦。
而且，另一方面，图3b-3d表示了液压类型制动系统，其中，骑车人通过施加力FC而作用在操作杆103上，该力FC传递给活塞106，该活塞106使得容纳在液压传动装置109中的流体(例如油)增压，该流体再推动第二活塞108，该第二活塞108使得制动部件105运动，因此该制动部件105能够施加制动力FB。
促动器3可插入制动系统中，如后面所述，该促动器3与制动系统自身相互作用，以便改变由骑车人施加的制动作用。
自行车100包括用于自行车自身上的骑车人的制动辅助系统1，如后面将介绍，该系统1的主要目的是防止前轮101锁死或者防止自行车由于骑车人向前轮101自身施加过大制动力FC而翻转。
系统1包括用于测量前轮101的角速度ω1的传感器2。该传感器2用于产生表示车轮的该角速度的信号。根据还一可能实施例，系统1还包括：用于测量后轮102的角速度ω2的传感器6，该传感器6用于产生表示后轮的该角速度的信号；和/或惯性测量单元7，该惯性测量单元7用于测量至少自行车100的纵向加速度ax和/或俯仰角速度ωy，并用于产生表示它们的信号。惯性测量单元7能够应用于自行车车架的任何部分。
而且，系统1包括前述促动器3，该促动器3能够施加促动器力FA。促动器3可与自行车的制动系统连接，使得在下面将阐述的某些条件下，该促动器力FA将与由骑车人施加的力FC相对，以便减小制动力FB(当该力太大以至于可能引发翻转时)。
例如，能够应用促动器3，以便直接作用在前轮101的制动器的操作杆103上，而与制动系统的类型(机械(图3a)和液压(图3b))无关。作为替代方案，促动器3能够作用在活塞106上，以便减小在液压回路中的压力(图3c)，或者能够插入液压传动装置自身(图3d)中并在与制动器操作杆103连接的活塞106和作用在制动部件105上的第二活塞108之间。在所有示例表示的变化形式中，促动器力FA与骑车人力FC相反，以便减小总合力。因此，制动力FB将减小。
优选是，促动器3为电驱动，并能够电压控制或电流控制。特别是，促动器3优选是线性类型，它能够控制其冲程x，促动器力FC将取决于该冲程x。显然，根据还一可能实施例，促动器能够是旋转类型，且控制幅值是它的角度位置。
系统1包括控制模块4，该控制模块4用于选择地驱动促动器3，换句话说在确定的特定条件下驱动该促动器3，并当促动器3有效时产生其命令信号，使得促动器3通过施加促动器力FA来影响制动力FB(该制动力FB通过由骑车人施加的力FC来产生)，用于减小它，并因此消除前轮101的打滑状态或自行车100可能绕它的翻转。特别是，控制模块4包括：控制器4'，该控制器4'基于参考法令(当有效时)来命令促动器3，使得前轮的减速度η(受促动器3作用的影响)遵循参考减速度ηref；以及驱动模块4”，当证实需要它操作的条件时，该驱动模块4”选择地向促动器3输出驱动信号(通常在图2中表示为：1＝驱动；0＝停用)，并确定所述参考减速度ηref。应当理解，用于驱动促动器3以及用于确定参考减速度ηref的逻辑能够根据提供给驱动模块4”的输入而不同。控制模块4接收表示前轮101的角速度ω1的信号作为输入，并设置成用于由此确定前轮自身的减速度η。例如，前轮的角度减速度能够通过由传感器2测量的角速度的时间导数来获得，而前轮的线性减速度能够通过已知车轮半径而由角度减速度来确定。在本说明书和附加权利要求中，由η表示的减速度能够表示前轮的角度减速度和线性减速度。可以看见，在本说明书和附加权利要求中，通常假设减速度具有正号，换句话说，减速度一词将表示负加速度的绝对值。
当促动器3驱动时(通过下面将说明的模式)，控制模块4(特别是它的控制器4')命令促动器3，使得由于促动器力FA，前轮的减速度η通过遵循参考减速度ηref而减小。换句话说，控制器4'通过作用在促动器3上而对前轮的减速度η进行控制，优选是闭环控制(例如P、PI、PD或PID类型)，其中，所希望的减速度是参考减速度ηref。
参考促动器3是线性类型的示例实例，控制模块4能够特别控制它的冲程x，与促动器力FA相关。实际上，在线缆机械系统的情况下，该冲程x必然产生用于减小制动部件自身的制动力的运动，而在液压系统的情况下，该冲程x必然降低制动系统中的流体压力，该流体压力作用在制动部件上。
根据可能实施例，控制模块4包括促动器冲程x的闭环控制器5。参考图2，控制模块4的控制器4'在前轮的减速度η和参考减速度ηref之间的比较后提供促动器3的参考冲程值xref，该参考冲程值xref是促动器基于它的结构和制动系统的结构用于施加促动器力FA应该具有的冲程，以使得前轮的减速度η遵循参考减速度ηref。测量有效冲程x的传感器优选是提供在促动器上，以使得闭环控制器5能够对促动器冲程执行反馈控制。例如，闭环控制器5能够是P、PI、PD或PID类型。
基于由闭环控制器5确定的冲程x，促动器3将在制动系统上施加促动器力FA，因此，受到骑车人力FC的自行车的减速度η将减小，以便下降在不会导致前轮翻转或锁死的值之间。
优选是，可以看见，促动器3设置成使得促动器力FA自身不能在制动系统中产生在前轮上的制动力FB。例如，参考图3a和3b中的变化形式，促动器3只能施加与骑车人作用在操作杆103上的力FC相反的力。因此，由于制动操作杆的标准结构，促动器力FA将不能激发制动。
同样，参考图3c和3d中的变化形式，促动器力FA将减小在液压传动装置109中的压力，换句话说，促动器3不能沿增加驱动制动部件105的工作流体压力的方向而作用在液压系统的活塞上。
更优选是，促动器3构造成使得由骑车人施加在操作杆103上的力FC将超过促动器力FA的最大值。换句话说，骑车人只用他/她的手的力就必须能够超过由促动器3产生的相反力。这样，避免了由促动器完全阻止制动的危险情况。
下面将介绍根据本发明的可能替代实施例的用于驱动和控制促动器3的一些可能逻辑。特别是，下面的实施例彼此不同，因为驱动模块4”驱动促动器3和设置参考减速度ηref。
根据可能的实施例(图4a)，驱动模块4”接收表示前轮的角速度ω1的信号作为输入，如上所述，能够由该角速度ω1获得前轮的减速度η，并设置成使得前轮的减速度η与由骑车人提供的参考减速度ηref*比较。当前轮的减速度η小于由骑车人提供的参考减速度ηref*时，驱动模块4”命令促动器3，以使得该促动器3保持停用，换句话说，不施加任何促动器力。在这种情况下，制动系统基本上就像不存在促动器3一样操作。
另一方面，当前轮的减速度η大于或等于由骑车人提供的参考减速度ηref*时，驱动模块4”命令促动器3，以使得该促动器3驱动，并向控制器4'提供参考减速度ηref值，该参考减速度ηref值等于由骑车人提供的参考减速度ηref*的值。因此，一旦前轮的减速度η达到小于参考减速度ηref*的值(或者优选是，该值小于在参考减速度ηref*减去固定常数值)，驱动模块4”就停用促动器3，因此骑车人再次完全控制制动。
由骑车人提供的参考减速度ηref*能够有预定的恒定值，例如，取决于自行车和/或骑车人的特征和/或骑车人的位置。而且，参考减速度ηref*能够取决于道路状况(干燥、潮湿)，该道路状况影响前轮轮胎的牵引力。例如，骑车人能够通过与控制模块4连接的用户界面单元(图中未示出)来设置该参数。根据该实施例，系统只需要前述传感器2来测量前轮的角速度ω1。
根据还一可能实施例(图4b)，系统1还包括用于测量后轮102的角速度ω2的前述传感器6。优选是，驱动模块4”接收表示后轮102的角速度ω2的信号和表示前轮101的角速度ω1的信号作为输入，并将它们进行比较。通过比较这两个速度ω1和ω2，能够获得关于自行车100的可能绕前轮101翻转或者关于前轮相对于后轮锁死的信息。实际上，当前轮没有翻转或锁死时，前轮的线速度(由v1＝ω1R1给出，其中R1是前轮101的半径)和后轮的线速度(由v2＝ω2R2给出，其中R2是后轮102的半径)相等，而当前轮翻转或锁死时，后轮的线速度v2将与前轮的线速度v1不同，特别是大于前轮的线速度v1。根据该实施例，当在两个车轮处测量的线速度v1和v2相差至少一个预定值v*时，驱动模块4”驱动促动器3，且该驱动模块4”设置成当在两个车轮处测量的线速度v1和v2相差至少所述预定值v*时自动地将参考减速度ηref设置成比在前轮101处测量的减速度η的值更小的值(优选是在80％和95％之间)。根据该实施例，骑车人不需要根据例如道路状况来预设参考减速度ηref*，因为参考减速度ηref由驱动模块4”根据在自行车使用过程中执行的检测来确定，这反映了该自行车的真实使用条件。
根据还一可能实施例(图4c)，除了用于确定前轮的角速度ω1的传感器2之外，系统1还包括前述惯性测量单元7，该惯性测量单元7用于至少测量自行车100的纵向加速度ax，并产生表示该纵向加速度ax的信号。除了表示前轮101的角速度ω1的信号之外，驱动模块4”还接收表示由惯性测量单元7提供的纵向加速度ax的信号作为输入，并设置成用于由通过惯性测量单元7测量纵向加速度ax来估计自行车速度vx。当前轮102打滑时，通过测量前轮101的角速度ω1来计算的线速度v1(由v1＝ω1R1给出)将与由通过惯性测量单元7提供的纵向加速度ax来估计的自行车速度vx不同，该自行车速度vx更大。优选是，驱动模块4”设置成用于使得由通过惯性测量单元7提供的纵向加速度ax来估计的自行车速度vx与由前轮101的角速度ω1估计的线速度v1比较。当两个线速度彼此相差至少一个预定值v**时，驱动模块4”驱动促动器3，并将参考减速度ηref设置成等于比当发生这种情况时在前轮101处测量的减速度η的值更小的值(优选是在80％和95％之间)。
根据还一可能实施例(图4d)，除了用于确定前轮的角速度ω1的传感器2之外，系统1还包括前述惯性测量单元7，该惯性测量单元7用于至少测量自行车100的纵向加速度ax，并产生表示该纵向加速度ax的信号。除了表示前轮101的角速度ω1的信号之外，驱动模块4”还接收表示由惯性测量单元7提供的纵向加速度ax的信号作为输入。而且，驱动模块4”设置成用于由前轮的角速度ω1来估计自行车的线性加速度a1(可通过已知车轮半径而由前轮的角加速度获得，该角加速度可由角速度的时间导数获得)以及前轮的加加速度(jerk)(由前轮角加速度的时间导数给出)。优选是，驱动模块4”设置成用于当由惯性测量单元7获得的纵向加速度ax和从前轮的角速度获得的线性加速度a1彼此相差至少一个预定值a*时或者当前轮的加加速度大于预定阈值时驱动促动器，并用于将参考减速度ηref设置为比当发生这种情况时在前轮101处测量的减速度η的值更小的值(优选是在80％和95％之间)。根据这种设置，能够消除导致前轮锁死或打滑的情况。
根据还一可能实施例(图4e)，除了用于确定前轮的角速度ω1的传感器2之外，系统1还包括前述惯性测量单元7，该惯性测量单元7用于至少测量自行车100的俯仰速度ωy，并用于产生表示该俯仰速度ωy的信号。驱动模块4”接收表示由惯性测量单元7提供的俯仰速度ωy的信号作为输入，并还设置成用于由该俯仰速度ωy估计自行车的俯仰角θ。这种估计能够通过自身已知的方法来实现(例如见：M.Corno.P.Spagnol.S.M.Savaresi(2014)，Road Slope Estimation in Bicycles without Torque Measurements,Proceedings ofthe IFAC world congress)。优选是，驱动模块4”设置成当俯仰速度ωy大于或等于预定阈值ωy*时或者当俯仰角θ大于或等于预定阈值θ*时驱动促动器，并用于将参考减速度ηref设置为比当发生这种情况时在前轮101处测量的减速度η的值更小的值(优选是在80％和95％之间)。根据这种设置，能够避免在骑车人进行强制动时可能导致自行车翻转的情况。
优选是可以看见，前述预定值v*、v**、a*、ωy*、θ*(由驱动模块4”执行的、促动器的驱动情况取决于这些预定值)可以由骑车人修改。例如，对于各参数能够提供多个值，骑车人将根据他/她对自行车的信任程度来选择。
而且，可以看见，驱动模块4”能够使用混合逻辑，换句话说，能够同时使用参考图4a-4e中的特殊实施例所述的一个或多个逻辑。
优选是，系统1包括显示器(图中未示出)，当促动器驱动时，该显示器向骑车人显示。而且，系统1优选是包括电池8，用于向促动器、传感器、控制模块和显示器自身供给。
在本说明书和附加权利要求中，可以看见，系统1以及由术语“模块”表示的元件能够通过硬件装置(例如控制单元)、通过软件或通过硬件和软件的组合来实现。
用于自行车上的骑车人的制动辅助系统的所述实施例能够添加附加装置、进行变化或者由其它操作等效元件来代替元件，以便满足可能的特殊需要，且并不脱离附加权利要求的范围。

Claims (11)

1.用于自行车(100)上的骑车人的制动辅助系统(1)，所述自行车包括制动系统(101)，所述制动系统具有制动部件(105)，所述制动部件能够通过由骑车人施加在操作杆(103)上的力(FC)的作用而在自行车(100)的前轮(101)上施加制动力(FB)，所述系统(1)包括：
-用于测量自行车(100)的前轮(101)的角速度(ω1)的传感器(2)，适用于产生表示前轮的角速度的信号；
-促动器(3)，所述促动器能够施加促动器力(FA)，所述促动器可与自行车的所述制动系统连接，以使得促动器力(FA)与由骑车人施加在操作杆(103)上的力(FC)相反，以便减小制动力(FB)；
-控制模块(4)，所述控制模块设置成接收表示前轮(101)的角速度(ω1)的信号作为输入，并用于由此确定前轮(101)的减速度(η)，所述控制模块(4)包括：
-驱动模块(4”)，所述驱动模块设置成用于选择地驱动促动器(3)，以使得所述促动器选择地施加所述促动器力(FA)，且用于在促动器(3)有效时确定参考减速度(ηref)；
-控制器(4')，所述控制器设置成用于在促动器(3)有效时基于在所述参考减速度(ηref)和前轮的所述减速度(η)之间的误差来命令促动器(3)，
其中，所述促动器(3)设置成这样，当它与自行车的制动系统连接时，促动器力(FA)不能够在没有由骑车人在操作杆(103)上施加的力(FC)的情况下通过制动部件(105)在前轮处产生制动力。
2.根据权利要求1所述的制动辅助系统(1)，其中：所述制动系统是液压类型或机械类型，所述促动器(3)设置成与操作杆(103)连接，以使得促动器力(FA)与由骑车人在操作杆(103)上施加的力(FC)相反。
3.根据权利要求1所述的制动辅助系统(1)，其中：所述制动系统是液压类型，并包括液压传动装置(109)，在所述液压传动装置中，骑车人在所述操作杆(103)上施加力(FC)后工作流体被增压，且通过所述增压的作用，工作流体驱动制动部件(105)，所述促动器(3)设置成插入液压传动装置(109)中，以使得促动器力(FA)降低工作流体施加在制动部件(105)上的压力。
4.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，其中：所述促动器(3)是线性类型，控制器(4')设置成用于根据参考减速度(ηref)和前轮的减速度(η)之间的所述误差来控制促动器的冲程(x)。
5.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，其中：所述促动器(3)设置成使得促动器力(FA)的最大强度能够由骑车人在操作杆(103)上施加的力(FC)来克服。
6.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，其中：驱动模块(4”)设置成用于：
-使得前轮的减速度(η)与由骑车人提供的参考减速度(ηref*)比较；
-当前轮的减速度(η)大于或等于由骑车人提供的参考减速度(ηref*)时，驱动促动器(3)，并向控制器(4')提供参考减速度(ηref)的值，所述参考减速度的值等于由骑车人提供的参考减速度(ηref*)的值。
7.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，还包括：用于测量自行车(100)的后轮(102)的角速度(ω2)的传感器(6)，适用于产生表示所述角速度的信号，其中，所述驱动模块(4”)设置成用于：
-接收表示后轮(102)的角速度(ω2)的信号作为输入；
-根据表示前轮的角速度(ω1)的信号和表示后轮的角速度(ω2)的所述信号来估计前轮的线速度(v1)和后轮的线速度(v2)；
-当由表示前轮的角速度(ω1)的信号和表示后轮的角速度(ω2)的所述信号估计的线速度(v1、v2)至少相差预定值(v*)时，驱动促动器(3)；
-将参考减速度(ηref)设置成这样的值，所述值比当由表示前轮的角速度(ω1)的信号和表示后轮的角速度(ω2)的所述信号估计的、在前轮处的线速度(v1)和后轮处的线速度(v2)彼此相差至少所述预定值(v*)时在前轮处测量的减速度(η)小。
8.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，还包括：惯性测量单元(7)，适用于测量至少自行车(100)的纵向加速度(ax)，并用于产生表示所述纵向加速度的信号，其中，所述驱动模块(4”)设置成用于：
-接收表示纵向加速度(ax)的信号作为输入，
-由通过惯性测量单元(7)测量的纵向加速度(ax)来估计自行车(100)的纵向速度(vx)；
-由前轮(101)的角速度(ω1)的测量值来估计自行车(100)的线速度(v1)；
-使得由通过惯性测量单元(7)提供的纵向加速度(ax)来估计的自行车的纵向速度(vx)与由前轮(101)的角速度(ω1)来估计的线速度(v1)进行比较；
-当由通过惯性测量单元(7)提供的纵向加速度(ax)来估计的自行车的纵向速度(vx)和由前轮(101)的角速度(ω1)来估计的线速度(v1)至少相差预定值(v**)时，驱动促动器(3)；
-将参考减速度(ηref)设置成这样的值，所述值比当由通过惯性测量单元(7)提供的纵向加速度(ax)来估计的自行车的纵向速度(vx)和由前轮(101)的角速度(ω1)来估计的线速度(v1)至少相差预定值(v**)时在所述前轮处测量的减速度(η)更小。
9.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，还包括：惯性测量单元(7)，其适用于测量至少自行车(100)的纵向加速度(ax)，并用于产生表示所述纵向加速度(ax)的信号，其中，所述驱动模块(4”)设置成用于：
-接收表示由惯性测量单元(7)提供的纵向加速度(ax)的信号作为输入，
-由前轮(101)的角速度(ω1)来估计自行车(100)的线性加速度(a1)和前轮的加加速度
-当由惯性测量单元(7)获得的纵向加速度(ax)和从前轮的角速度(ω1)来估计的线性加速度(a1)彼此相差至少一个预定值(a*)时，或者当前轮的所述加加速度大于或等于预定阈值时，驱动促动器；
-将参考减速度(ηref)设置成这样的值，所述值比当由惯性测量单元(7)获得的纵向加速度(ax)和从前轮的角速度(ω1)来估计的线性加速度(a1)彼此相差至少所述预定值(a*)时或者当前轮的所述加加速度大于或等于所述预定阈值时在所述前轮处测量的减速度(η)更小。
10.根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)，还包括：惯性测量单元(7)，其适用于至少测量自行车(100)的俯仰速度(ωy)，并用于产生表示所述俯仰速度的信号，其中，所述驱动模块(4”)设置成用于：
-接收表示自行车的俯仰速度(ωy)的所述信号作为输入；
-由自行车的俯仰速度(ωy)来估计自行车的俯仰角(θ)；
-当所述俯仰速度(ωy)大于或等于预定阈值(ωy*)时，或者当所述俯仰角(θ)大于或等于预定阈值(θ*)时，驱动促动器；
-将参考减速度(ηref)设置为这样的值，所述值比当所述俯仰速度(ωy)大于或等于所述预定阈值(ωy*)时或者当所述俯仰角大于或等于所述阈值(θ*)时在前轮处测量的减速度(η)小。
11.一种自行车(100)，包括：制动系统(101)，所述制动系统具有制动部件(105)，所述制动部件能够通过由骑车人施加在操作杆(103)上的力(FC)的作用而在自行车(100)的前轮(101)上施加制动力(FB)；以及根据前述任意一项权利要求所述的制动辅助系统(1)。
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