CN111273051B - 一种在骑行台上测量踏频的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在骑行台上测量踏频的方法，通过设有测速器的骑行台，按照以下步骤进行测量：S1：通过骑行台上的测速器获取骑行台后飞轮的骑行转速ω；S2：根据骑行转速ω计算骑行转速变化率，即角加速度β；S3：根据角加速度β与时间变化关系，获得角加速度β‑时间变化曲线，在角加速度β‑时间变化曲线上选取相邻三个波峰的时间差作为踏频计算的周期时间T；S4：根据踏频计算公式：踏频＝60s/T，计算踏频。本发明，无须在骑行台上增加额外的结构，仅靠骑行台已有的测速功能，即可计算用户骑行踏频，不用再增加额外的踏频测量装置，大大方便了用户的使用，降低了使用成本，同时避免了设备相互连接数据传输不稳定的问题。

Description

一种在骑行台上测量踏频的方法
技术领域
本发明涉及室内运动训练技术领域，具体涉及一种在骑行台上测量踏频的方法。
背景技术
骑行台是一种室内健身器材，是模仿户外骑行的一种装置。随着人们对自身健康的愈加重视，骑行台已经成为较为常见的健身器材。对于骑行台的使用方法，一般是将自行车架安装在骑行台上，自行车中轴牙盘通过链条变速机构与骑行台后飞轮组成机械传动部分。骑行用户在自行车上像在室外骑车一样踩踏，骑行台为其提供阻力，实现室内功率训练的功能。
我们知道，在现有的室内自行车训练运动中，通过骑行台骑车可以大大改善室内运动的效果，而功率数据和踏频数据都是科学指导骑手训练的重要数据，缺一不可。然而，一般的骑行台只能够提供骑行功率和后轮转速等数据，不能实时测量踏频数据。原因在于，一般骑行台是独立的产品，没有踏频传感器，自行车的中轴牙盘和后飞轮之间存在链条变速的机械连接，使得骑行台虽然能独立测量后飞轮的转速，却无法直接测量用户中轴位置处的转速，即踏频。
为了在使用骑行台过程中，同时测量骑行者的功率数据和踏频数据。用户需要在自行车中轴牙盘或者曲柄脚蹬处添加独立的踏频传感器，才能实时测量踏频数据。再附加一个踏频传感器的方法专门用来测量用户的踏频，增加的设备以及连接不稳定，为用户室内训练过程中，带来很多干扰因素，也增加了用户的使用成本和维护成本，用户使用起来非常不方便。如何解决上述技术问题，是目前室内运动技术领域需要解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种在骑行台上测量踏频的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了以下技术方案：一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：通过设有测速器的骑行台，按照以下步骤进行测量：
S1：通过骑行台上的测速器获取骑行台飞轮的骑行转速ω；
S2：根据骑行转速ω计算骑行转速变化率，即角加速度β；
S3：根据角加速度β与时间变化关系，获得角加速度β-时间变化曲线，在角加速度β-时间变化曲线上选取相邻三个波峰的时间差作为踏频计算的周期时间T；
S4：根据踏频计算公式：踏频＝60s/T，计算踏频。
优选的，所述步骤S2中角加速度β计算公式是：角加速度β＝(ω2-ω1)/△t；
其中，ω1和ω2分别是飞轮旋转中前后相邻两圈的平均转速，△t是前后相邻两圈的时间间隔，即ω1是前一圈的平均转速，ω2是后一圈的平均转速。
优选的，所述步骤S3中角加速度β-时间变化曲线是通过滑动平均的方式，获得的有效角加速度β-时间变化曲线。
优选的，所述各步骤中公式计算，是通过骑行台中的控制器根据预设的程序自动计算。
优选的，所述步骤S1中是通过骑行台上的测速器获取骑行台后飞轮的骑行转速ω。需要说明的是，只要是骑行台上与后飞轮同步转动的其他结构，都可以通过测速器获取骑其行转速ω，计算角加速度β。
优选的，所述测速器是速度传感器。
本发明实施例提供的一种在骑行台上测量踏频的方法，具有以下有益效果：本发明，解决了现阶段，室内骑行台无法直接测量用户骑行踏频数据的问题，通过本方法，无须在骑行台上增加额外的结构，仅靠骑行台已有的测速功能，即可计算用户骑行踏频，不用再增加额外的踏频测量装置，大大方便了用户的使用，降低了使用成本，同时避免了设备相互连接数据传输不稳定的问题；通过本方法计算的踏频数据，数据稳定可靠，不受外界因素干扰。
附图说明
图1为常见的室内骑行台使用方式效果展示图；
图2为骑行中左右脚踩踏一圈踩踏发力示意图；
图3为骑行踩踏过程中骑行台后飞轮扭矩周期性变化的示意图；
图4为骑行者以60rpm稳定骑行得到有效角加速度β-时间变化曲线图；
图5为本发明在骑行台上测量踏频的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参与图1-图5，图1为常见的室内骑行台使用方式效果展示图；图2为骑行中左右脚踩踏一圈踩踏发力示意图；图3为骑行踩踏过程中骑行台后飞轮扭矩周期性变化的示意图；图4为骑行者以60rpm稳定骑行得到有效角加速度β-时间变化曲线图；图5为本发明在骑行台上测量踏频的方法流程图。
我们知道，对于常见的公路自行车和山地车，都带有变速结构，骑行者把自行车架安装在室内骑行台上使用时(如图1)，可以随意调节变速器，因而齿比可能是任意数值。骑行台虽然可以独立测量出后飞轮的转速，但由于受齿比无法测量的影响，它只能测量出骑行台后飞轮大盘的转速，而无法测量用户的骑行踏频。
那如何通过仅测量骑行台后飞轮转速来计算出用户的骑行踏频呢？我们通过分析力矩趋势变化的方法，进行踏频计算。
由于受人体生理构造的影响，骑行者的左右脚分别踩踏一圈的过程中，踩踏发力是不均匀的，由于受死区点(图2中的a和c)和垂直发力点(图2中的b)的影响，脚踏作用于自行车曲柄上的动力扭矩就存在明显的周期性变化，在一个踏频周期内，左右脚各存在一个发力区和零力区，脚踏曲柄产生的扭矩通过牙盘和链条传递到骑行台后飞轮上，体现在后飞轮扭矩上的变化趋势就是周期性产生一个扭矩极值点和零点。如图3所示，其中，横轴是时间，纵轴是扭矩值。
通过上述分析，所谓的踏频就是左右脚的周期性踩踏，这种踩踏的周期性就会导致骑行台后飞轮扭矩变化的周期性，因而，我们根据上述分析，只要我们通过某种手段测量出后飞轮扭矩的周期性，即可获得骑行者的踏频。
根据刚体转动的牛顿第二定律，扭矩M＝转动惯量I×角加速度β；
对于某个具体的骑行台而言，转动惯量I是固定的，所以角加速度β的变化趋势与扭矩M的变化趋势与是一致的。也就是说，扭矩变化的周期、频率与角加速度变化的周期、频率是一致的。这样在踩踏过程中，踩踏中轴牙盘旋转一圈，扭矩形成2个完整的波峰波谷(左右脚各一次)，通过链条的传动作用，则骑行台的后飞轮或者大盘上的扭矩也会形成2个完整的波峰波谷，因为齿比和传动比只会影响扭矩的幅度，而不会对扭矩变化的周期和频率产生影响。
同时，角加速度β＝(ω2-ω1)/△t；
骑行台后飞轮的角加速度，可以通过转速的变化率来测定，即角加速度β＝(ω2-ω1)/△t；所以我们只要记录下骑行台后飞轮的每时每刻的转速，通过转速的变化率即可计算出相应的踏频数值。
在实际应用中，骑行台后飞轮的转速可以通过光敏器件测量大盘的转速，即骑行台后飞轮的转速。我们通过嵌入式芯片自动识别光敏器件的检测信号，控制器通过预设的程序自动计算出后飞轮转速和踏频数据。
需要说明的是，测量转速的时候，光敏器件通过中断形式，测量一整圈黑白格间隔的时间差来确定的，后飞轮旋转完整一圈采集一次时间间隔，作为后飞轮这一圈的平均转速，前后相邻两圈的平均转速的差值除以前后相邻两圈的时间间隔，即为阻尼轮的角加速度β：
Figure BDA0002405656160000051
其中：
ω1是前一圈的平均转速，T1是前一圈旋转的平均时间，ω1＝1/T1；
ω2是后一圈的平均转速，T2是后一圈旋转的平均时间，ω2＝1/T2；
△t是前后相邻两圈的时间间隔，△t＝(T1+T2)/2；
我们知道当角加速度β达到局部极大值的时候，即代表为左右脚最大发力点处。而踏频代表的是左脚或者右脚分别完整踩踏一圈的时间。所以，在计算的时候我们要取相邻三个波峰的时间差作为踏频计算的周期时间。
同时由于波动影响，计算出来的角加速度β会有锯齿状波动，我们采用滑动平均的方式，即可获得有效角加速度变化曲线，如图4所示。
图4所示，是骑行者以60rpm稳定骑行得到有效角加速度β-时间变化曲线图。从图中数据可以看出，相邻三个波峰之间平均相差了17个点，也就是经过17个单位时钟间隔的时间，发生了一次完整踩踏。每个单位时钟间隔代表着60ms时长，17个单位时间间隔，表示踏频周期为T＝17*60ms＝1020ms；计算可得：踏频Ω＝60s/1020ms＝59rpm；
计算的踏频值为59rpm，与实际的踏频值60rpm基本一致，误差为1.6％，在接受范围内；说明本发明研制的在骑行台上测量踏频的方法，计算的踏频准确可靠。
本发明实施例提供的一种在骑行台上测量踏频的方法，具有以下有益效果：本发明，解决了现阶段，室内骑行台无法直接测量用户骑行踏频数据的问题，通过本方法，无须在骑行台上增加额外的结构，仅靠骑行台已有的测速功能，即可计算用户骑行踏频，不用再增加额外的踏频测量装置，大大方便了用户的使用，降低了使用成本，同时避免了设备相互连接数据传输不稳定的问题；通过本方法计算的踏频数据，数据稳定可靠，不受外界因素干扰。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到至少一个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例根据，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：通过设有测速器的骑行台，按照以下步骤进行测量：
S1：通过骑行台上的测速器获取骑行台飞轮的骑行转速ω；
S2：根据骑行转速ω计算骑行转速变化率，即角加速度β；
S3：根据角加速度β与时间变化关系，获得角加速度β-时间变化曲线，在角加速度β-时间变化曲线上选取相邻三个波峰的时间差作为踏频计算的周期时间T；
S4：根据踏频计算公式：踏频＝60s/T，计算踏频。
2.根据权利要求1所述的一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：所述步骤S2中角加速度β计算公式是：角加速度β＝(ω2-ω1)/△t；
其中，ω1和ω2分别是飞轮旋转中前后相邻两圈的平均转速，△t是前后相邻两圈的时间间隔，即ω1是前一圈的平均转速，ω2是后一圈的平均转速。
3.根据权利要求1所述的一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：所述步骤S3中角加速度β-时间变化曲线是通过滑动平均的方式，获得的有效角加速度β-时间变化曲线。
4.根据权利要求1所述的一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：所述各步骤中公式计算，是通过骑行台中的控制器根据预设的程序自动计算。
5.根据权利要求1所述的一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：所述步骤S1中是通过骑行台上的测速器获取骑行台后飞轮的骑行转速ω。
6.根据权利要求1所述的一种在骑行台上测量踏频的方法，其特征是：所述测速器是速度传感器。
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