CN114776797A - 一种自行车踏频稳定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行车踏频稳定系统及方法，系统包括控制器、电子变速器、参数采集机构；参数采集机构与控制器输入端连接；电子变速器与控制器输出端连接；信息采集机构包括踏频传感器，安装在曲柄或脚踏上，用于采集单位时间曲柄脚踏转数；速度传感器，安装在驱动车轮上，用于采集单位时间车轮转数；扭矩传感器，安装在曲柄中轴上，用于采集曲柄中轴扭矩。本自行车踏频稳定系统及方法利用控制器根据踏频、速度、扭矩参数控制电子变速器执行链条在飞轮组上的调整，并在档位、变速等环节进行了确认准确度策略优化，在提高执行效率、减少操作量的同时，有效的提升变速控制的自动化、智能化水平。

Description

一种自行车踏频稳定系统及方法

技术领域

本发明涉及控制技术和自行车配件领域，具体涉及一种自行车踏频稳定系统及方法。

背景技术

传统变速自行车大多依靠骑行人员手动控制换挡，通过安装在手把上的机械控制器，将链条调整到目标飞轮上，这种方式且挡位与速度的匹配需要骑行人员根据感觉进行判断和操作，非专业的骑行人员经常出现判断或操作失误，进而导致每次调整到舒适档位都需要进行多次换挡和感受，不仅效率低而且操作量大。目前市面上出现了部分自行车电子变速器，这类电子变速器普遍仅是将机械变速器的手动旋转改为点按触控，虽然一定程度上减少了操作量，但在控制方法上仍是采用感性判断和手动控制为基础策略，在执行效率、准确性和智能性上并无本质提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有自行车变速系统及控制方法效率低、操作量大的缺陷，以及自动化、智能化水平低的不足，提供一种自行车踏频稳定系统及方法，其将数采集和智能控制与电子变速器相结合，控制器根据踏频、速度、扭矩参数控制电子变速器执行链条在飞轮组上的调整，并在档位、变速等环节进行了确认准确度策略优化，在提高执行效率、减少操作量的同时，有效的提升变速控制的自动化、智能化水平。

本自行车踏频稳定系统包括控制器，设置在车身上、用于调整链条在不同规格飞轮上移动电子变速器，安装在车体上的参数采集机构；所述参数采集机构与控制器输入端连接，用于采集相应行车信号并发送至控制器；所述电子变速器与控制器输出端连接，用于根据控制器输出信号将链条调至对应飞轮；其中，所述信息采集机构包括踏频传感器，安装在曲柄或脚踏上，用于采集单位时间曲柄脚踏转数；速度传感器，安装在驱动车轮上，用于采集单位时间车轮转数；扭矩传感器，安装在曲柄中轴上，用于采集曲柄中轴扭矩。

具体控制器到核心元件逻辑架构，所述控制器采用STM32系列单片机最小电路。包括附属程序接口电路、晶振电路等外围基础电路。

具体到信号采集设备与控制器的通信连接，所述踏频传感器、速度传感器、扭矩传感器通过串口总线与所述控制器的单片机管脚连接。

本自行车踏频稳定方法通过上述的自行车踏频稳定系统实现，具体包括以下步骤，

S1信号采集：利用所述信息采集机构，在行车过程中实时采集曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，并发送至控制器；

S2信号处理：所述控制器接收采集曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据，并与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，同时通过曲柄脚踏转数与车轮转数判定当前档位；当曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据超出预设舒适踏频、扭矩参数阈值、并持续超过预设有效时长时，控制器输出更换档位指令信号；

S3变速执行：所述电子变速器根据控制器输出的更换档位指令信号，将链条调整至信号对应的目标档位飞轮；

S4确认变速完成：所述信息采集机构采集变速后曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，控制器接收到有效数据则判定首轮变速完成，再次将数据与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，满足参数阈值并持续预设有效时长则判定变速完成，超出参数阈值并持续预设有效时长则执行下轮变速令。

进一步的，步骤S2所述的当前档位确认档位判断方法为，计算曲柄脚踏转数与车轮转数的比值，利用该比值对照飞轮牙盘固定齿数判定档位。

进一步的，步骤S2、S4所述预设有效时长时为1～5秒。优选为3秒。

本发明一种自行车踏频稳定系统及方法，克服了现有自行车变速系统及控制方法效率低、操作量大的缺陷，以及自动化、智能化水平低的不足其将数采集和智能控制与电子变速器相结合，控制器根据踏频、速度、扭矩参数控制电子变速器执行链条在飞轮组上的调整，并在档位、变速等环节进行了确认准确度策略优化，在提高执行效率、减少操作量的同时，有效的提升变速控制的自动化、智能化水平。

附图说明

下面结合附图对本发明一种自行车踏频稳定系统及方法作进一步说明：

图1是本自行车踏频稳定系统的结构连接线框图；

图2是本自行车踏频稳定方法的控制逻辑线框图；

图3是本自行车踏频稳定方法的控制逻辑流程总图；

图4是本自行车踏频稳定方法的变速策略流程图；

图5是本自行车踏频稳定方法的档位判断流程图；

图6是本自行车踏频稳定方法的变速执行及完成确认流程图；

图7是本自行车踏频稳定方法的实施例1、2的控制曲线图。

图中：

1-控制器、2-电子变速器、3-参数采集机构；

31-踏频传感器、32-速度传感器、33-扭矩传感器。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下用具体实施例对本发明技术方案做进一步描述，但本发明的保护范围不限制于下列实施例。

实施方式1：如图1所示，本自行车踏频稳定系统包括控制器1，设置在车身上、用于调整链条在不同规格飞轮上移动电子变速器2，安装在车体上的参数采集机构3；所述参数采集机构3与控制器1输入端连接，用于采集相应行车信号并发送至控制器1；所述电子变速器2与控制器1输出端连接，用于根据控制器1输出信号将链条调至对应飞轮；其中，所述信息采集机构3包括踏频传感器31，安装在曲柄或脚踏上，用于采集单位时间曲柄脚踏转数；速度传感器32，安装在驱动车轮上，用于采集单位时间车轮转数；扭矩传感器33，安装在曲柄中轴上，用于采集曲柄中轴扭矩。

实施方式2：本自行车踏频稳定系统具体控制器到核心元件逻辑架构，所述控制器1采用STM32系列单片机最小电路。包括附属程序接口电路、晶振电路等外围基础电路。具体到信号采集设备与控制器的通信连接，所述踏频传感器31、速度传感器32、扭矩传感器33通过串口总线与所述控制器1的单片机管脚连接。其余结构和部件如实施方式1所述，不再重复描述。

实施方式3：如图2、3所示，本自行车踏频稳定方法通过上述的自行车踏频稳定系统实现，具体包括以下步骤，

S1信号采集：利用所述信息采集机构，在行车过程中实时采集曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，并发送至控制器。

S2信号处理：所述控制器接收采集曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据，并与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，同时通过曲柄脚踏转数与车轮转数判定当前档位；当曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据超出预设舒适踏频、扭矩参数阈值、并持续超过预设有效时长时，控制器输出更换档位指令信号(升档或降档)。该步骤考虑到踏频变化较慢、数据变化较小，而车轮转速可以得到瞬时的车轮转速数据，故在踏频变化时为减小误差，需要在曲柄脚踏转数(踏频)稳定一定时长作为挡位判断的前提；同时考虑到自行车链传动的特殊性，需要在曲柄上施加一定的扭矩以确保链条处于张紧状态，此扭矩认为是进行挡位判断的最小扭矩，在链条松弛情况下达不到最小扭矩，此时不进行挡位判断。所述的当前档位确认档位判断方法为，计算曲柄脚踏转数与车轮转数的比值，利用该比值对照飞轮牙盘固定齿数判定档位。如检测到踏频为60RPM，车轮转速为30RPM，得到转速比为2：1，即牙盘齿数比为2：1，盘爪为固定齿数20齿，可以得到此时链条在飞轮10齿上。所述预设有效时长时为3秒。如图4所示。

S3变速执行：所述电子变速器根据控制器输出的更换档位指令信号，将链条调整至信号对应的目标档位飞轮；如图5所示。

S4确认变速完成：所述信息采集机构采集变速后曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，控制器接收到有效数据则判定首轮变速完成，再次将数据与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，满足参数阈值并持续预设有效时长则判定变速完成，超出参数阈值并持续预设有效时长则执行下轮变速。该步骤考虑到变速动作执行需要有效踏频扭矩并持续一定时长，故每轮变速指令发出后都需要确定变速动作是否完成，确保前一轮速动作执行完成后并确认有效后在执行下一轮变速动作，从而避免在持续向高挡位变速或持续向低档位变速时，因换挡过快所导致的跨挡位变速。所述预设有效时长时为3秒。如图6所示。

实施例1：如图7所示，当骑行过程中阻力增加时，表现为扭矩增加，等待踏频稳定后，见曲线a，需要降挡以减小扭矩，重新回到舒适区，见曲线c。

实施例2：如图7所示，当骑行过程中阻力减小时，表现为扭矩减小，见曲线b，等待踏频稳定后，需要升挡以增加扭矩，见曲线e。

本自行车踏频稳定系统及方法克服了现有自行车变速系统及控制方法效率低、操作量大的缺陷，以及自动化、智能化水平低的不足其将数采集和智能控制与电子变速器相结合，控制器根据踏频、速度、扭矩参数控制电子变速器执行链条在飞轮组上的调整，并在档位、变速等环节进行了确认准确度策略优化，在提高执行效率、减少操作量的同时，有效的提升变速控制的自动化、智能化水平。

以上描述显示了本发明的主要特征、基本原理，以及本发明的优点。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施方式或者实施例的细节，且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此应将上述实施方式或者实施例看作示范性的，且非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种自行车踏频稳定系统，其特征是：包括控制器(1)，设置在车身上、用于调整链条在不同规格飞轮上移动电子变速器(2)，安装在车体上的参数采集机构(3)；所述参数采集机构(3)与控制器(1)输入端连接，用于采集相应行车信号并发送至控制器(1)；所述电子变速器(2)与控制器(1)输出端连接，用于根据控制器(1)输出信号将链条调至对应飞轮；其中，所述信息采集机构(3)包括，

踏频传感器(31)，安装在曲柄或脚踏上，用于采集单位时间曲柄脚踏转数；

速度传感器(32)，安装在驱动车轮上，用于采集单位时间车轮转数；

扭矩传感器(33)，安装在曲柄中轴上，用于采集曲柄中轴扭矩。

2.根据权利要求1所述的自行车踏频稳定系统，其特征是：所述控制器(1)采用STM32系列单片机最小电路。

3.根据权利要求2所述的自行车踏频稳定系统，其特征是：所述踏频传感器(31)、速度传感器(32)、扭矩传感器(33)通过串口总线与所述控制器(1)的单片机管脚连接。

4.一种自行车踏频稳定方法，其特征是：所述方法通过权利要求1至3中任一项所述的自行车踏频稳定系统实现，具体包括以下步骤，

S1信号采集：利用所述信息采集机构，在行车过程中实时采集曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，并发送至控制器；

S2信号处理：所述控制器接收采集曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据，并与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，同时通过曲柄脚踏转数与车轮转数判定当前档位；当曲柄脚踏转数、曲柄中轴扭矩数据超出预设舒适踏频、扭矩参数阈值、并持续超过预设有效时长时，控制器输出更换档位指令信号；

S3变速执行：所述电子变速器根据控制器输出的更换档位指令信号，将链条调整至信号对应的目标档位飞轮；

S4确认变速完成：所述信息采集机构采集变速后曲柄脚踏转数、车轮转数、曲柄中轴扭矩数据，控制器接收到有效数据则判定首轮变速完成，再次将数据与预设舒适踏频、扭矩参数阈值进行对比，满足参数阈值并持续预设有效时长则判定变速完成，超出参数阈值并持续预设有效时长则执行下轮变速。

5.根据权利要求4所述的自行车踏频稳定方法，其特征是：步骤S2所述的当前档位确认档位判断方法为，计算曲柄脚踏转数与车轮转数的比值，利用该比值对照飞轮牙盘固定齿数判定档位。

6.根据权利要求5所述的自行车踏频稳定方法，其特征是：步骤S2、S4所述预设有效时长时为1～5秒。

Images