CN113195349A - 空气动力特性估计装置、空气动力特性估计方法以及程序 - Google Patents

空气动力特性估计装置、空气动力特性估计方法以及程序 Download PDF

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CN113195349A CN201980084399.7A CN201980084399A CN113195349A CN 113195349 A CN113195349 A CN 113195349A CN 201980084399 A CN201980084399 A CN 201980084399A CN 113195349 A CN113195349 A CN 113195349A
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Abstract

空气动力特性估计装置根据对装备于自行车的踏板施加的力以及检测出自行车的速度的检测结果，高效地求出骑车人骑乘中的自行车的空气阻力信息。即，空气动力特性估计装置具备：检测部，其检测踩踏板时的自行车的速度和自行车的加速度中的至少一方；检测部，其检测踩踏板时的踏力；以及运算部，其使用从检测结果获得的自行车的速度及自行车的加速度、以及由踏力检测部检测出的踏力，基于利用在自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，该空气阻力信息表示作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力特性。

Description

空气动力特性估计装置、空气动力特性估计方法以及程序
技术领域
本公开涉及一种空气动力特性估计装置、空气动力特性估计方法以及程序。
背景技术
在自行车行驶时，依赖于影响自行车的行驶性能的与自行车的行为以及环境关联的各种特性。因此，在自行车行驶时，能够通过利用各种检测器检测自行车行驶时的行为以及环境，来获得自行车的行驶性能。例如，在自行车行驶时，风力等空气动力学的特性直接产生影响。已知一种求出自行车行驶时的自行车前方的空气阻力区域来作为该空气动力学的特性的因素的技术(例如，参照专利文献1)。该技术获取包含空气流的速度和横摆角的空气流数据，根据预先决定的多个规则来确定与获取到的空气流对应的空气阻力区域，该多个规则表示空气流数据与空气阻力区域的对应。另外，还公开了一种求出对于骑车人骑乘并行驶时的自行车向与地面垂直的垂直面上的投影面积的技术(例如，参照专利文献2)。
另外，已知一种获得自行车行驶时的各种的自行车的行驶性能的技术。例如，公开了一种着眼于自行车行驶时的骑车人周边的气压变化，获取自行车在行驶时及非行驶时各自的气压，并考虑由于气压变化而造成的影响来获得骑车人的活动量的技术(例如，参照专利文献3)。另外，公开了一种检测踏板的转速、风速以及加速度，来实时地测定由骑车人踩自行车的踏板时的功率的技术(例如，参照专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8612165号公报
专利文献2：国际公开第2011/158365号小册子
专利文献3：日本特开2013-36833号公报
专利文献4：日本特开平7-151620号公报
发明内容
发明要解决的问题
另外，在自行车行驶时，需要与在该行驶时产生的空气阻力进行对抗的能量，该空气阻力与空气阻力系数及前方投影面积有关系。关于航空器、乘用车等移动体，由于前方投影面积是已知的，因此只要以空气阻力系数为指标进行评价即可，但是在自行车的情况下，由于骑车人不是以固定的姿势持续行驶，因此难以测量前方投影面积。关于骑车人的姿势，能够在风洞实验中，使用动作捕捉等大规模的装置来估计骑车人踩踏板时的姿势，但并不实用。另外，自行车行驶时的空气阻力与空气阻力系数及前方投影面积双方有关系，因此在自行车行驶时，需要求出空气阻力系数及前方投影面积双方的信息，仅考虑自行车行驶时的自行车前方的空气阻力区域是不够的。
另外，为了在踩自行车的踏板时估计空气动力学的特性，需要由使用多个检测器的大规模的系统进行的复杂的处理。但是，虽然存在为了获得自行车行驶时的各种的自行车的行驶性能而检测各种数据的技术，但没有着重于利用可搭载于自行车的传感器，来获得空气动力学的特性即空气动力特性的技术。
本公开考虑了上述事实，目的在于以简单的结构，来估计表示作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力特性的空气阻力信息。
用于解决问题的方案
本公开的空气动力特性估计装置具备：速度检测部，其检测骑车人踩踏板期间的自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方；踏力检测部，其检测所述骑车人踩踏板期间的踏力；以及估计部，其使用从所述速度检测部的检测结果获得的所述自行车的速度或所述自行车的加速度、以及由所述踏力检测部检测出的踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
发明的效果
根据本公开，能够以简单的结构，来估计表示作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力特性的空气阻力信息。
附图说明
图1是实施方式所涉及的空气动力特性估计装置的一例的概要结构图。
图2是基于力学的观点示出实施方式所涉及的骑车人骑乘中的自行车的行驶状态的示意图。
图3是实施方式所涉及的空气动力特性估计装置以及应用了该空气动力特性估计装置的自行车的概要结构图。
图4是示出实施方式所涉及的自行车行驶时的磁信号的一例的图表。
图5是示出实施方式所涉及的自行车行驶时的踏力信号的一例的图表。
图6是示出实施方式所涉及的表示磁信号的数据的一例的图表。
图7是示出实施方式所涉及的表示踏力信号的数据的一例的图表。
图8是示出表示能够作为实施方式所涉及的空气动力特性估计装置发挥功能的计算机系统的一例的概要结构的框图。
图9是示出实施方式所涉及的计算机系统中的处理流程的一例的流程图。
图10是存储实施方式所涉及的表示磁信号的时间序列数据的处理流程的一例的流程图。
图11是存储实施方式所涉及的表示踏力信号的数据的处理流程的一例的流程图。
图12A是基于力学的观点示出在一边受到横风一边在坡道行驶的情况下的骑车人骑乘中的自行车的行驶状态的示意图的侧视图。
图12B是基于力学的观点示出在一边受到横风一边在坡道行驶的情况下的骑车人骑乘中的自行车的行驶状态的示意图的俯视图。
具体实施方式
下面，使用附图来说明本公开的实施方式的一例。此外，图中示出的箭头X、箭头Y、箭头Z是与三维坐标的X轴、Y轴、Z轴一致的方向。此外，本实施方式的应用方向不被限定。另外，下面的实施方式不对本公开进行任何限定，在本公开的目的的范围内，能够施加适当的变更来实施。
在自行车行驶时，优选的是，考虑作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力学的特性(下面称为空气动力特性。)中的空气阻力。该空气阻力与空气阻力系数及前方投影面积有关系，在如航空器、乘用车等那样前方投影面积为已知的情况下，只要以空气阻力系数为空气动力特性的指标即可。然而，在自行车的情况下，由于骑车人的姿势变化，因此不是分别处理空气阻力系数和前方投影面积各自，优选的是，将与空气阻力系数及前方投影面积的各信息都有关系的空气阻力信息设为空气动力特性的指标。空气阻力系数与前方投影面积相乘而得的信息是空气阻力信息的一例。另一方面，关于骑车人的姿势，能够在风洞实验中，使用动作捕捉等大规模的装置来估计骑车人踩踏板时的姿势，但并不实用。另外，能够装备于自行车的传感器、运算装置的大小及处理能力是被限定的。本发明者着眼于这样的事实，详情如后述那样，获得了以下见解：例如若能够获取对踏板施加的力(例如踏力)以及自行车的速度，则能够使用由运动方程进行的力学分析，来导出作为自行车的空气动力特性的空气阻力信息。
因此，本实施方式公开了一种空气动力特性估计装置，该空气动力特性估计装置以轻量的装备，高效地求出骑车人骑乘中的自行车在行驶时、即踩踏板动作时的空气阻力信息。
[空力阻力信息]
首先，对在本实施方式所涉及的空气动力特性估计装置中导出的空气阻力信息进行说明。此外，在本实施方式中，探讨自行车在无风状态的环境下行驶于平地的情况。另外，在此，设为空气密度ρ等环境信息、骑车人的体重等个体信息、自行车的重量及安装于自行车本体的车轮半径等自行车信息是已知的。
在本实施方式中，使用空气阻力信息作为评价空气动力特性的指标，该空气动力特性表示与空气阻力有关的性能(下面称为空气动力性能。)。作用于行驶在空气中的自行车的阻力、即阻力Fdrag能够由下面的(1)式表示。式中的ρ是空气的密度，V是自行车的速度，Cd是空气阻力系数，A是前方投影面积。空气阻力系数Cd与前方投影面积A相乘的结果的值(＝Cd×A)是空气阻力信息的值、即CdA值。
[数1]
Figure BDA0003121513300000051
关于该空气阻力信息，探讨自行车在无风状态的环境下行驶于平地的情况。
图2是基于力学的观点示出骑车人骑乘中的自行车的行驶状态的示意图。
如图2所示，在自行车在无风状态的环境下行驶于平地的情况下，自行车受到阻力Fdrag，该阻力Fdrag是由与自行车的速度V对应的风速V产生的作用于自行车的阻力。另外，在自行车上作用由滚动阻力产生的力FRR以及在作为驱动轮的自行车后轮的接地点产生的行进方向的力。此外，在图2中，自行车的前后轮接地，因此为了方便，假定将滚动阻力一分为二的情况。
图2所示的在自行车行驶时的行进方向上成立的运动方程能够由下面的(2)式表示。
[数2]
Ma＝F-Fdrag-FRR…(2)
在上述(2)式中，M表示自行车的重量与骑车人的重量相加的总重量，a表示自行车的加速度。另外，F表示在自行车后轮的接地点产生的行进方向的力(下面称为推动力。)，FRR表示自行车的车轮的轮胎的滚动阻力。此外，滚动阻力FRR也可以设为根据自行车的速度而变化的函数。
通过将(1)式代入(2)式，能够获得下面示出的(3)。
[数3]
Figure BDA0003121513300000061
在此，如下面的(4)式所示，自行车的速度V同到自行车后轮的接地点的半径R与自行车后轮的旋转速度ω相乘得到的结果相对应(V＝R·ω)。因此，自行车的加速度a如下面的(5)式所示，同到自行车后轮的接地点的半径R与自行车后轮的旋转加速度(dω/dt)相乘得到的结果相对应(a＝R·(dω/dt))。另外，如下面的(6)式所示，推动力F与自行车的速度V相乘得到的结果同骑车人给予自行车的力、即自行车的踏板受到的力(下面称为踩踏板功率)相对应(P＝F·V)。因而，通过对推动力F求解(6)式，代入(4)式，自行车的推动力F能够由(7)式表示。
[数4]
V＝R·ω…(4)
a＝R·(dω/dt)…5)
P＝F·V…(6)
F＝P/Rω…(7)
若根据上述的(4)式将(7)式代入(3)式，并对空气阻力信息CdA进行整理，则能够由下面示出的(8)式表示。
[数5]
Figure BDA0003121513300000062
在上述(8)式中，空气密度ρ、总重量M、车轮半径R以及滚动阻力FRR是已知的，因此通能够过获得踩踏板功率P、自行车后轮的旋转速度ω以及旋转加速度(dω/dt)，来获得空气阻力信息CdA。
[空气动力特性估计装置]
接着，对能够估计基于上述力学的观点探讨出的空气阻力信息CdA的空气动力特性估计装置进行说明。
本实施方式所涉及的空气动力特性估计装置根据对装备于自行车的踏板施加的力以及检测自行车的速度的检测结果，高效地求出骑车人骑乘中的自行车的空气阻力信息。即，本实施方式所涉及的空气动力特性估计装置10具备：速度检测部，其检测骑车人踩踏板期间的自行车的速度和自行车的加速度中的至少一方；踏力检测部，其检测骑车人踩踏板期间的踏力；以及估计部，其使用从速度检测部的检测结果获得的自行车的速度及自行车的加速度、以及由踏力检测部检测出的踏力，基于利用在自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，该空气阻力信息表示作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力特性。
图1示出本实施方式所涉及的空气动力特性估计装置10的概要结构的一例。
本实施方式所涉及的空气动力特性估计装置10具备转速检测部12、踏力检测部14、运算部16、显示部18以及存储部20。运算部16具备磁信号处理部162、踏力信号处理部164以及空气动力特性估计部166。
转速检测部12检测自行车行驶时的自行车的车轮的转速。本实施方式的转速检测部12检测由于骑车人踩踏板而旋转的自行车后轮的转速，输出转速信号。转速检测部12的一例说明使用磁传感器的情况，该磁传感器利用霍尔传感器等磁传感器，检测安装于自行车后轮的至少一个位置的磁体在后轮旋转时的通过，并输出检测出的磁信号。此外，详情在后面描述，但根据磁体通过磁传感器的时间间隔、即磁信号的时间间隔，能够导出自行车车轮的转速、自行车的速度以及自行车的加速度。
踏力检测部14检测在自行车行驶时自行车受到的力。本实施方式的踏力检测部14检测由骑车人对踏板施加的负荷，因此例如，作为由骑车人对安装于自行车的曲柄的踏板施加的负荷，只要至少能够检测踏力即可。在本实施方式中，作为踏力检测部14的一例，说明了使用踏力计的情况，该踏力计每隔预先决定的规定周期检测作为对踏板施加的负荷的踏力，并将其作为踏力信号输出。
图3是实施方式所涉及的空气动力特性估计装置以及应用了该空气动力特性估计装置的自行车的概要结构图。
如图3所示，关于自行车30，安装有踏板36的曲柄34以能够旋转的方式安装于框架38。在曲柄34安装有检测踏力来作为对踏板施加的负荷的踏力计14A。踏力计14A是踏力检测部14的一例。作为框架38的后方(与图3所示的X方向相反的方向)的后轮侧安装有磁传感器12A。另外，框架38的后方(与图3所示的X方向相反的方向)以能够旋转的方式安装有后轮32。后轮32的辐条部32A安装有磁体12B。关于磁传感器12A和磁体12B，在距离后轮32的旋转中心大致等距离的位置安装有磁传感器12A和磁体12B，以能够利用磁传感器12A检测磁体12B的通过。由此通过后轮32的旋转，磁传感器12A能够检测磁体12B的通过。此外，磁传感器12A和磁体12B是转速检测部12的一例。
另外，空气动力特性估计装置10的显示部18能够安装于自行车30的车把31的骑车人侧的中央部的后方(与图3所示的箭头X相反的方向)。优选的是，显示部18设置于骑车人能够看到，且尽量避开来自自行车30的前方的风力的位置。此外，空气动力特性估计装置10的显示部18的位置不限定于图3所示的位置。
另外，空气动力特性估计装置10的运算部16能够安装于自行车30的车座39的下方(与图3所示的箭头Z相反的方向)。由于运算部16不需要骑车人看到，因此只要是尽量避开来自自行车30的前方的风力的位置，则可以位于任意位置。此外，空气动力特性估计装置10的运算部13的位置不限定于图3所示的位置。例如，若构成为将运算部13及其它各部设为能够利用无线通信来收发信号和数据，则运算部13也可以设置于骑车人的背后，或者收容于骑车人的口袋内。
运算部16使用由转速检测部12检测的自行车后轮处的磁信号以及由踏力检测部14检测的踏力信号，通过由上述的(8)式进行的力学分析运算来估计骑车人骑乘中的自行车的空气阻力信息。另外，运算部16将运算结果输出至显示部18和存储部。
具体地说，运算部16中包括的磁信号处理部162具有对来自转速检测部12的磁信号进行信号处理，求出并输出自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据的功能。运算部16中包括的踏力信号处理部164具有对来自踏力检测部14的踏力信号进行信号处理，求出并输出表示踏板受到的的踩踏板功率P的踏力数据的功能。
空气动力特性估计部166使用从磁信号处理部162获得的自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据、从踏力信号处理部164获得的表示踩踏板功率P的踏力数据、以及已知的数据，通过力学分析来估计空气阻力信息CdA。即，空气动力特性估计部166使用自行车的速度数据及加速度数据、从踏力信号处理部164获得的踏力数据、以及作为已知的数据的空气密度ρ、总重量M、车轮半径R及滚动阻力FRR，通过从上述(8)式导出CdA值来估计空气阻力信息CdA。
显示部18是显示表示由运算部16估计出的空气阻力信息CdA的数据的显示装置等设备。
存储部20是至少能够存储表示由运算部16估计出的空气阻力信息CdA的数据的存储装置等设备。存储部20具备能够装卸存储卡等介质20A并且能够对介质20A进行读写的接口，能够将表示由运算部16估计出的空气阻力信息CdA的数据保存在介质20A中。
此外，空气动力特性估计装置10也可以具备输入部(省略图示)，该输入部用于输入包含骑车人的体重的骑车人的个体数据、以及包含车轮半径的表示自行车的构造的构造数据等各种数据。在该情况下，输入部能够用于切换输入显示于显示部18的信息。
图1所示的转速检测部12是在本公开的速度检测部中用于检测自行车的速度和加速度中的至少一方的传感器的一例。另外，转速检测部12和磁信号处理部162是获得用于根据本公开的速度检测部的检测结果来估计空气阻力信息的自行车的速度及加速度的功能部的一例。踏力检测部14是在本公开的踏力检测部中用于检测踩踏板时的踏力的传感器的一例。另外，踏力检测部14及运算部16的踏力信号处理部164是获得用于根据本公开的踏力检测部的检测结果来估计空气阻力信息的踏力的功能部的一例。运算部16和空气动力特性估计部166是本公开的估计部的一例。显示部18是显示本公开的空气阻力信息的显示部的一例。存储部20是存储本公开的空气阻力信息的存储部的一例。
(自行车的速度和加速度)
接着，说明实时地导出自行车的速度及加速度的方法的一例。
在运算部16中包括的磁信号处理部162中，对来自转速检测部12的磁信号进行信号处理，求出自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据。
图4示出在自行车行驶时输入磁信号处理部162的来自转速检测部12的磁信号的一例。
如图4所示，在本实施方式中，对于预先决定的规定期间Δt的两个规定期间、即2Δt求出自行车的速度V及加速度a。具体地说，根据如下面这样求出的两个规定期间即2Δt的平均值，来求出自行车的速度V及加速度a。
设为根据当前时刻treal将期间2Δt的输入磁信号的时刻为时刻t1至时刻tn。在该情况下，将在第一规定期间Δt中输入磁信号的次数设为n1，将在接下来的第二规定期间Δt中输入磁信号的次数设为n2。另外，在将在第一规定期间Δt中最初输入磁信号的时刻设为t1，将最后输入磁信号的时刻设为tm的情况下，将时刻t1与时刻tm的时间间隔设为第一时间间隔Δt1。对于接下来的第二规定期间Δt也同样，在将最初输入磁信号的时刻设为tm+1、将最后输入磁信号的时刻设为tn的情况下，将时刻tm+1与时刻tn的时间间隔设为第二时间间隔Δt2。
在图4所示的例中，第一规定期间Δt中的频率f1能够由下面的(9)式表示，另外，第一规定期间Δt中的速度V1能够由下面的(10)式表示。同样，第二规定期间Δt中的频率f2能够由下面的(11)式表示，另外，第二规定期间Δt中的速度V2能够由下面的(12)式表示。
[数6]
f1＝n1/Δt1…(9)
V1：＝2πf1R…(10)
f2＝n2/Δt2…(11)
V2：＝2πf2R…(12)
而且，如(13)式所示，求出这些第一规定期间Δt中的速度V1与第二规定期间Δt中的速度V2的平均值来作为自行车的速度V。另外，加速度a如(14)式所示，使用自行车的速度V的微分来求出。
[数7]
V＝ave(V1，V2)＝πR(f1+f2)…(13)
Figure BDA0003121513300000111
此外，在本实施方式中，由于对装置进行简化，因此使用上述(13)式及(14)式来求出速度V及加速度a，但并不限定于此，能够使用求出速度V及加速度a的众所周知的导出方法来求出该速度V及加速度a。此外，加速度a例如也可以使用由加速度传感器获得的测量值。另外，由于有时在获得的速度V及加速度a中包含噪音成分，因此。优选的是，在导出速度V及加速度a之后，实施低通滤波等滤波处理。
(踩踏板功率)
接着，说明实时地导出自行车受到的踩踏板功率的方法的一例。
在运算部16中包括的踏力信号处理部164中，对来自踏力检测部14的踏力信号进行信号处理，来求出表示踏板受到的踩踏板功率P的踏力数据。例如，只要将在满足下式的时间范围内的、踏力信号Pmeas的平均值作为表示踩踏板功率P的踏力数据导出即可：
-2Δt+treal＜t＜＝treal…(15)
此外，表示踩踏板功率P的踏力数据的导出方法并不限定于此，能够使用根据多个踏力信号求出表示踩踏板功率P的踏力数据的众所周知的导出方法来求出该踏力数据。
在图5中示出在自行车行驶时输入到踏力信号处理部164的来自踏力检测部14的踏力信号的一例。
如图5所示，在本实施方式中，每隔固定的周期输入来自踏力检测部14的踏力信号。在该情况下，将在当前时刻treal获得的踏力信号设为Pmeas(0)，将之前的踏力信号设为Pmeas(-1)，往回追溯两个规定期间2Δt，将最初获得的踏力信号设为Pmeas(-2Δt)。而且，如下面的(15A)式示出的一例，求出在这两个规定期间2Δt中获得的作为踏力信号强度的踏力的大小的平均值，来作为踩踏板功率P。
[数8]
P＝ave(Pmeas(-2Δt)，Pmeas(-2Δt+1)，，，，Pmeas(0)))…(15A)
如上所述，在本实施方式中，为了导出自行车的速度及加速度，使用输入至磁信号处理部162的来自转速检测部12的多个磁信号。另外，为了导出自行车受到的踩踏板功率，也使用输入至踏力信号处理部164的来自踏力检测部14的多个踏力信号。因此，为了实时地导出自行车的速度、加速度以及踩踏板功率，优选的是，临时地存储表示各个磁信号的多个数据以及表示各个踏力信号的多个数据。即，优选的是，磁信号处理部162和踏力信号处理部164各自具备用于临时地存储数据的存储器。
图6示出临时存储的表示磁信号的数据的一例。
由于磁信号只要能够掌握根据车轮的旋转速度而变动的信号周期即可，因此如图6所示，只要存储与磁信号的输入时刻对应的时间序列数据即可。例如，将输入了磁信号的时间点的当前时刻设为时间序列数据即可。作为磁信号而存储的时间序列数据的个数或者时间序列数据的存储所占有的存储器容量设定为假定在上述的实时地导出自行车的速度及加速度的方法中使用的数据的个数或者该数据的存储所占有的存储器容量即可。
另外，图7示出临时存储的表示踏力信号的数据的一例。
关于踏力信号，由于输入了逐次检测骑车人给予踏板的踏力而获得的踏力值，因此如图7示出的一例，只要将踏力信号所示的踏力值作为数据存储即可。作为踏力信号存储的数据的个数或者数据的存储所占有的存储器容量设定为假定在上述的实时地导出给予自行车的踩踏板功率的方法中使用的数据的个数或者该数据的存储所占有的存储器容量即可。
此外，在本实施方式中，作为一例说明了对于两个规定期间2Δt求出自行车的速度及加速度、以及踩踏板功率的情况，但规定期间并不限定于两个，也可以是三个以上，还可以多次处理预先决定的期间。
[计算机系统]
上述的空气动力特性估计装置10能够通过包括由通用的计算机构成的控制部的计算机系统来实现。
(计算机系统的结构)
在图8中示出能够作为空气动力特性估计装置10发挥功能的计算机系统40的概要结构。此外，计算机系统40能够应用于装备于自行车30的码表(cyclocomputer)。另外，计算机系统40是具备CPU的电子设备，例如也能够应用于移动用电子设备和模块型的计算机。
计算机系统40具备作为运算部16发挥功能的控制部42。控制部42由包括CPU 42A、RAM 42B、ROM 42C以及I/O 42D的计算机构成。CPU 42A、RAM42B、ROM 42C以及I/O 42D以能够收发数据、命令的方式与总线42E连接。另外，ROM 42C中存储有运算程序42P。运算程序42P包括使控制部42作为运算部16的磁信号处理部162、踏力信号处理部164以及空气动力特性估计部166发挥功能的处理。
另外，I/O 42D与转速检测部12、踏力检测部14、操作输入部44、显示部18、具有输出当前时刻的功能和测量设定时间的功能的计时器46以及介质接口(下面称为介质I/F)48连接。介质I/F 48是至少能够存储表示由运算部16估计出的空气阻力信息CdA的数据的存储装置等设备的一例，具备能够装卸存储卡等介质20A并且能够对介质20A进行读写的接口。因而，介质I/F 48能够将导出的表示空气阻力信息CdA的数据保存在介质20A中。
操作输入部44是用于输入包含骑车人的体重的骑车人的个体数据、以及包含车轮半径的表示自行车的构造的构造数据等各种数据的装置。此外，这些个体数据和自行车的构造数据等各种数据也可以预先存储在ROM 42C中。另外，操作输入部44能够作为用于进行显示于显示部18的信息的切换操作的输入装置来使用。并且，操作输入部44也能够作为计算机系统40中的用于输入各种设定值的输入装置发挥功能。对于被输入的各种设定值的一例，能够列举用于获得磁信号的采样频率以及用于获得踏力信号的采样频率的设定值。
另外，对于各种设定值的其它例，能够列举估计自行车行驶时的空气阻力信息的情况下的测量时间、测量开始时间、当前时刻的显示的设定值、更新显示部18的显示的刷新时间以及显示于显示部18的物理量的选择指示设定值。
基于这些设定值，控制部42能够估计自行车行驶时的空气阻力信息，显示估计结果，或者将其存储在介质中，或者显示其它信息。
在控制部42中，在CPU 42A读出存储于ROM 42C中的运算程序42P后，在RAM 42B展开，并执行展开后的运算程序42P，由此使控制部42作为空气动力特性估计装置10的运算部16进行动作。
(计算机系统的动作)
接着，说明由本实施方式所涉及的计算机系统40的控制部42进行的具体的处理的一例。
在本实施方式中，在计算机系统40的控制部42中，按照初始设定、行驶时的测量以及测量结果的记录的顺序来执行处理。
图9是示出根据由本实施方式所涉及的计算机系统40的控制部42执行的过程的处理流程的一例的流程图。
此外，图9的处理在未图示的计算机系统40的电源开关被接通的情况下开始。另外，图9的处理也可以在从操作输入部44输入了骑车人的指示的命令的情况下开始。
首先，在步骤S100中，CPU 42A执行初始设定。初始设定是获取为了估计自行车行驶时的空气阻力信息而使用的设定值，并将其设定为处理条件的处理。具体地说，获取将由骑车人对操作输入部44进行操作输入时的操作输入值来作为设定值。即，输入包含骑车人的体重的骑车人的个体数据、以及包含车轮半径的表示自行车的构造的构造数据等各种数据，来作为设定值。另外，也能够列举用于获得磁信号的采样频率、用于获得踏力信号的采样频率的设定值、保存于介质20A的空气阻力信息的格式形式来作为设定值的一例。
此外，这些各种数据也可以预先存储在ROM 42C中，还可以预先存储在介质20A中，并通过从介质20A读取来获取。另外，关于这些各种数据，也可以预先将标准的设定值存储在ROM 42C中，获取存储的标准值。
然后，通过按下操作输入部44的未图示的测量开始按钮，开始测量。
在下个步骤S110中，CPU 42A执行导出自行车的速度V及加速度a的处理。如上所述，为了导出自行车的速度V及加速度a，使用来自转速检测部12的多个磁信号。
在此，对在步骤S110中为了导出自行车的速度V及加速度a而使用的多个磁信号的存储处理进行说明。
图10通过流程图示出存储表示由转速检测部12检测并输出的磁信号的时间序列数据的处理流程的一例。在从转速检测部12输入了磁信号的情况下，图10的处理作为嵌入处理执行。
首先，在步骤S10中，CPU 42A从计时器46获取表示当前时刻的数据，在接下来的步骤S12中，将获取到的数据作为表示磁信号的时间序列数据，存储在例如RAM 42B中(参照图6)，结束嵌入处理。像这样，逐次存储表示磁信号的时间序列数据。
然后，在图10所示的步骤S110中，按照上述的实时地导出自行车的速度及加速度的方法，求出自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据。
在接下来的步骤S120中，CPU 42A导出自行车受到的踩踏板功率P。如上所述，为了导出踩踏板功率P，使用来自踏力检测部14的多个踏力信号。
在此，对在步骤S120中为了导出踩踏板功率P而使用的多个踏力信号的存储处理进行说明。
图11通过流程图示出存储表示由踏力检测部14检测并输出的踏力信号的数据的处理流程的一例。在输入了从踏力检测部14周期性地输出的踏力信号的情况下，图11的处理作为嵌入处理执行。
首先，在步骤S20中，CPU 42A获取踏力信号，在接下来的步骤S22中，将表示获取到的踏力信号的数据、即由踏力检测部14逐次检测出的踏力值存储在例如RAM 42B中(参照图7)，结束嵌入处理。像这样，逐次存储表示踏力信号的数据。
然后，在图10所示的步骤S120中，按照上述的实时地导出自行车受到的踩踏板功率的方法，求出表示踩踏板功率P的踏力数据。
在接下来的步骤S130中，使用在步骤S100中设定的初始值、在步骤S110中导出的自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据、以及在步骤S120中导出的表示踩踏板功率P的踏力数据，基于上述(8)式，通过导出空气阻力信息CdA，来进行空气动力特性的估计。
在接下来的步骤S140中，将在步骤S130中估计出的表示空气动力特性的空气阻力信息CdA显示于显示部18，并且在RAM 42B临时地存储部20。
在接下来的步骤S150中，通过由骑车人按下操作输入部44的未图示的测量结束按钮，或者通过辨别是否经过了在步骤S100中设定的测量时间，来判断测量是否结束。在步骤S150中判断为否定的情况下，返回步骤S110的处理，重复执行表示空气动力特性的空气阻力信息CdA的估计、显示。另一方面，在步骤S150中判断为肯定的情况下，在步骤S160中，将RAM 42B中临时存储的估计结果的表示空气动力特性的空气阻力信息CdA写入介质20A，结束本处理例程。
图9所示的步骤S110的处理过程是图1所示的运算部16的磁信号处理部162的功能的一例。另外，步骤S120的处理过程是图1所示的运算部16的踏力信号处理部164的功能的一例。另外，步骤S130的处理过程是图1所示的运算部16的空气动力特性估计部166的功能的一例。
[变形例]
在上述实施方式中，说明了通过由具备磁传感器12A及磁体12B的转速检测部12获得的磁信号，来导出自行车的表示速度V的速度数据及表示加速度a的加速度数据的情况，但能够使用直接测量流体的流动速度、即空气流的速度的皮托管等测量器，来替代转速检测部12。
在使用直接测量空气流的速度的皮托管等测量器的情况下，上述(8)式能够由下面示出的(16)式表示。此外，能够对获得的速度V进行微分来求出加速度a。在该情况下，例如能够使用上述(14)式。
[数9]
Figure BDA0003121513300000171
在该(16)式中，能够根据踩踏板功率P以及空气流的速度V，导出空气阻力信息CdA。
另外，在上述实施方式中，作为踏力检测部的一例，说明了使用踏力计14A的情况，但在更准确地检测骑车人的踏力的情况下，只要具备多个作为踏力检测部14发挥功能的传感器即可。例如，为了对踏板36的每个位置检测踏力，只要具备检测曲柄34的旋转位置的第一检测部、检测作用于踏板轴35的踏力的大小或者检测该踏力的大小及方向的第二检测部、以及检测踏板36相对于踏板轴35的姿势角(倾斜角度)的第三检测部即可。
作为第一检测部的一例，能够使用磁式或光学式的旋转(例如转速)检测传感器。第一检测部只要检测框架38侧的曲柄34的旋转轴处的曲柄34的旋转位置即可。作为第二检测部的一例，能够使用踏力系统，该踏力系统安装于踏板轴35，在包含X轴及Z轴的二维坐标系中，检测由骑车人经由踏板36作用于踏板轴35的踏力的大小，或者检测该踏力的大小及方向。另外，能够使用安装于踏板33的压力传感器，来替代踏力计。作为第三检测部的一例，能够使用惯性传感器。第三检测部安装于踏板36和踏板轴35中的任意一方，只要检测踏板36相对于踏板轴35的姿势角(倾斜角度)即可。
[应用例]
在上述实施方式中，说明了自行车在无风状态的环境下行驶于平地的情况，但本公开不限定于自行车在无风状态的环境下行驶于平地的情况，也能够扩展为估计在倾斜面及具有角度的风力下的空气动力特性。
图12A和图12B是基于力学的观点示出一边受到横风一边在坡道行驶的情况下的骑车人骑乘中的自行车的行驶状态的示意图。图12A是侧视图，图12B是俯视图。另外，在图12A和图12B中，将平地中的坐标系表示为全局坐标系，将以坡道的路面为基准的坐标系表示为局部坐标系。
如图12A和图12B所示，在将平地与坡道的路面所成的角度设为α，将自行车的行进方向与横风的方向所成的角度设为θ的情况下，只要将上述的(3)式应用于局部坐标系，扩展为下面示出的(17)式即可。此外，g是重力系数。另外，在(17)式中由于考虑升力，因此考虑追加升力项，但出于升力项的影响微弱这样的见解而将其省略。
[数10]
Figure BDA0003121513300000181
因而，通过检测角度α及角度θ，也能够估计在倾斜面及具有角度的风力下的空气动力特性。
[其它实施方式]
基于上述实施方式说明了本公开的技术，但本公开并不限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。
另外，在上述实施方式中，作为显示部18说明了对显示器等显示装置的应用例，但显示部18也可以作为声音输出装置，还可以混合显示装置和声音输出装置。具体地说，声音输出装置设为利用声音对在操作自行车时的骑车人通知空气动力特性的结构。
此外，本公开的一个实施方式包括以下所示的方式。
本公开的第一方式所涉及的空气动力特性估计装置具备：速度检测部，其检测骑车人踩踏板期间的自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方；踏力检测部，其检测所述骑车人踩踏板期间的踏力；以及估计部，其使用从所述速度检测部的检测结果获得的所述自行车的速度及所述自行车的加速度、以及由所述踏力检测部检测出的踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
根据第一方式，能够不使用大规模的设备，短时间且低成本地估计空气阻力。
本公开的第二方式所涉及的空气动力特性估计装置在第一方式记载的空气动力特性估计装置中，所述速度检测部检测所述自行车的车轮的旋转速度，并且基于在预先决定的规定时间内检测出的所述自行车的车轮的多个旋转速度，来检测所述自行车的速度。
根据第二方式，能够不使用特殊的专用的传感器，仅检测车轮的旋转速度即可获得速度及加速度。
本公开的第三方式所涉及的空气动力特性估计装置在第一方式或第二方式记载的空气动力特性估计装置中，所述踏力检测部检测在所述骑车人踩踏板时踏板受到的力，并且基于在预先决定的规定时间内检测出的多个所述踏板受到的力，来检测所述踏力。
根据第三方式，能够不使用特殊的专用的传感器，仅检测踏板受到的力即可检测骑车人的踏力。
本公开的第四方式所涉及的空气动力特性估计装置在第一方式至第三方式中的任一方式记载的空气动力特性估计装置中，在将所述骑车人骑乘中的所述自行车的总重量设为M、将空气的密度设为ρ、将所述自行车的行进方向的速度设为V、将踏力设为P、将滚动阻力设为FRR、并且将空气阻力信息设为CdA的情况下，所述估计部基于由
CdA＝2/ρV2{(P/V)-Ma-FRR}
所示的式子，来估计空气阻力信息。
根据第四方式，能够以简单的计算来估计空气阻力信息。
本公开的第五方式所涉及的空气动力特性估计装置在第一方式至第四方式中的任一方式记载的空气动力特性估计装置中，还具备显示部，所述显示部显示由所述估计部估计出的所述空气阻力信息。
根据第五方式，骑车人能够实时地确认空气阻力信息。
本公开的第六方式所涉及的空气动力特性估计装置在第一方式至第五方式中的任一方式记载的空气动力特性估计装置中，还以能够装卸的方式具备存储部，所述存储部存储由所述估计部估计出的所述空气阻力信息。
根据第六方式，包括骑车人的用户能够在行驶后确认骑车人在行驶时的空气阻力信息。
本公开的第七方式是一种空气动力特性估计方法，检测骑车人踩踏板期间的所述自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方，检测所述骑车人踩踏板期间的踏力，使用从检测结果获得的所述自行车的速度、所述自行车的加速度以及踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
本公开的第八方式是一种程序，用于估计表示作用于骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性的空气阻力信息，该程序用于使计算机执行以下处理：获取骑车人踩踏板期间的所述自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方，获取所述骑车人踩踏板期间的踏力，使用从获取结果获得的所述自行车的速度、所述自行车的加速度以及踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
此外，存储本公开的程序的存储介质不被特别地限定，既可以是硬盘，也可以是ROM。另外，还可以是CD-ROM、DVD盘、磁光盘、IC卡片。并且另外，该程序还可以从连接网络的服务器等下载。
通过参照2018年12月19日申请的日本专利申请2018-237447号的公开的整体，将日本专利申请2018-237447号的全部内容并入本说明书中。
通过参照将本说明书中记载的全部文献、专利申请以及技术标准以单独的文献、专利申请以及技术标准并入是与具体且单独地记载的情况相同程度地并入本说明书中。
附图标记说明
10：空气动力特性估计装置；12：转速检测部；12A：磁传感器；12B：磁体；13：运算部；14：踏力检测部；14A：踏力计；16：运算部；18：显示部；20：存储部；20A：介质；30：自行车；40：计算机系统；42：控制部；42P：运算程序；44：操作输入部；46：计时器；162：磁信号处理部；164：踏力信号处理部；166：空气动力特性估计部。

Claims (8)

1.一种空气动力特性估计装置，具备：
速度检测部，其检测骑车人踩踏板期间的自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方；
踏力检测部，其检测所述骑车人踩踏板期间的踏力；以及
估计部，其使用从所述速度检测部的检测结果获得的所述自行车的速度及所述自行车的加速度、以及由所述踏力检测部检测出的踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
2.根据权利要求1所述的空气动力特性估计装置，其中，
所述速度检测部检测所述自行车的车轮的旋转速度，并且基于在预先决定的规定时间内检测出的所述自行车的车轮的多个旋转速度，来检测所述自行车的速度。
3.根据权利要求1或2所述的空气动力特性估计装置，其中，
所述踏力检测部检测在所述骑车人踩踏板时踏板受到的力，并且基于在预先决定的规定时间内检测出的多个所述踏板受到的力，来检测所述踏力。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的空气动力特性估计装置，其中，
在将所述骑车人骑乘中的所述自行车的总重量设为M、将空气的密度设为ρ、将所述自行车的行进方向的速度设为V、将踏力设为P、将滚动阻力设为FRR、并且将空气阻力信息设为CdA的情况下，所述估计部基于由
CdA＝2/ρV2{(P/V)-Ma-FRR}
所示的式子，来估计空气阻力信息。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的空气动力特性估计装置，其中，
还具备显示部，所述显示部显示由所述估计部估计出的所述空气阻力信息。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的空气动力特性估计装置，其中，
还以能够装卸的方式具备存储部，所述存储部存储由所述估计部估计出的所述空气阻力信息。
7.一种空气动力特性估计方法，其中，
检测骑车人踩踏板期间的自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方，
检测所述骑车人踩踏板期间的踏力，
使用从检测结果获得的所述自行车的速度、所述自行车的加速度以及踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
8.一种程序，用于估计表示作用于骑车人骑乘中的自行车的空气动力特性的空气阻力信息，该程序用于使计算机执行包括以下内容的处理：
获取骑车人踩踏板期间的所述自行车的速度和所述自行车的加速度中的至少一方，
获取所述骑车人踩踏板期间的踏力，
使用从获取结果获得的所述自行车的速度、所述自行车的加速度以及踏力，基于利用在所述自行车的行进方向上成立的运动方程进行的力学分析的运算结果，来估计空气阻力信息，所述空气阻力信息表示作用于所述骑车人骑乘中的所述自行车的空气动力特性。
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