CN115402459A - 用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法 - Google Patents

用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法 Download PDF

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Abstract

一种用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法，该电子系统包括：角度传感器，用于实时检测电助力自行车的曲柄角度；力矩传感器，用于实时检测骑行者对电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力；处理器，用于执行如下操作：基于曲柄角度将踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；基于曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；基于处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；基于期望整车输出功率和骑行者输出功率得到期望电机输出功率；基于期望电机输出功率驱动电机为电助力自行车提供电助力。该系统能够改善骑行体验。

Description

用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法
技术领域
本申请涉及电助力自行车技术领域，更具体地涉及一种用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法。
背景技术
对于目前的电助力自行车，在骑行过程中，骑行者踩踏主要力气处在垂直踩踏的1点到4点钟方向，这样才能有效实现较大的力矩。最大的力矩发生在踩踏力与曲柄成90°，即3点钟方向。骑行者的双脚踩踏实时输出总功率为P＝P右脚+P左脚，在每个踩踏周期内骑行者的功率输出呈现周期性的变化，在0°和180°附近存在两个死点，此时的踩踏功率输出非常小。如果直接据此按助力比进行电机助力的调节，则骑行过程会出现间隙性的动力波动，从而影响体现。
针对上述问题，目前存在方法根据踩踏曲柄旋转状态来削弱电机助力的减小幅度，延缓助力变化。这个过程仅仅是维持了电机功率的均衡，从整车来说，骑行者的功率输出依旧是减小的，使得整车实际的功率输出是减小的，从而使得整个骑行过程呈现周期性的输出功率脉动，影响骑行体验。
发明内容
根据本申请一方面，提供了一种用于电助力自行车的电子系统，所述电子系统包括：角度传感器，用于实时检测电助力自行车的曲柄角度；力矩传感器，用于实时检测骑行者对所述电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力；处理器，与所述角度传感器和所述力矩传感器电连接，用于执行如下操作：基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率；基于所述期望电机输出功率驱动电机为所述电助力自行车提供电助力。
在本申请的一个实施例中，所述处理器基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，包括：以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。
在本申请的一个实施例中，所述处理器以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力，包括：对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将所述主动踩踏力乘以所述滤波系数，得到所述初始时刻的处理后的踩踏力；对于所述初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将所述第一差值乘以所述滤波系数，再加上所述前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。
在本申请的一个实施例中，所述处理器基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，包括：获取所述助力比系数对应的功率上限值；将所述功率上限值与所述处理后的踩踏力相乘，再除以所述力矩传感器能够测量的最大值，得到期望整车输出功率。
在本申请的一个实施例中，所述基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率，包括：计算所述期望整车输出功率与所述骑行者输出功率之间的第二差值，将所述第二差值作为所述期望电机输出功率。
在本申请的一个实施例中，所述力矩传感器包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：所述第一力矩传感器用于检测所述骑行者对所述右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；所述第二力矩传感器用于检测所述骑行者对所述左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；其中，所述处理器基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：当所述曲柄角度处在0度到180度范围内时，所述第一踩踏力为主动踩踏力，所述第二踩踏力为被动踩踏力；当所述曲柄角度处在180度到360度范围内，所述第二踩踏力为主动踩踏力，所述第一踩踏力为被动踩踏力；其中，连接所述右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以所述右侧曲柄的旋转面的12点方向为0度，随着所述右侧曲柄从所述12点方向顺时针旋转，所述曲柄角度从0度开始增大。
在本申请的一个实施例中，所述处理器基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，包括：基于所述曲柄角度和所述曲柄长度计算所述主动踩踏力的有效力臂和所述被动踩踏力的有效力臂；基于所述主动踩踏力和所述主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于所述被动踩踏力和所述被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；将所述主动踩踏力矩和所述被动踩踏力矩相加，得到总力矩；基于所述曲柄角度确定曲柄转速，并基于所述总力矩和所述曲柄转速计算所述骑行者输出功率。
在本申请的一个实施例中，所述角度传感器为绝对式编码器。
根据本申请另一方面，提供了一种用于电助力自行车的电机驱动方法，所述方法包括：获取角度传感器实时检测的电助力自行车的曲柄角度；获取力矩传感器实时检测的骑行者对所述电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力；基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率；基于所述期望电机输出功率驱动电机为所述电助力自行车提供电助力。
在本申请的一个实施例中，所述基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，包括：以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。
在本申请的一个实施例中，所述以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力，包括：对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将所述主动踩踏力乘以所述滤波系数，得到所述初始时刻的处理后的踩踏力；对于所述初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将所述第一差值乘以所述滤波系数，再加上所述前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。
在本申请的一个实施例中，所述基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，包括：获取所述助力比系数对应的功率上限值；将所述功率上限值与所述处理后的踩踏力相乘，再除以所述力矩传感器能够测量的最大值，得到期望整车输出功率。
在本申请的一个实施例中，所述基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率，包括：计算所述期望整车输出功率与所述骑行者输出功率之间的第二差值，将所述第二差值作为所述期望电机输出功率。
在本申请的一个实施例中，所述力矩传感器包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：所述第一力矩传感器检测所述骑行者对所述右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；所述第二力矩传感器检测所述骑行者对所述左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；其中，所述基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：当所述曲柄角度处在0度到180度范围内时，所述第一踩踏力为主动踩踏力，所述第二踩踏力为被动踩踏力；当所述曲柄角度处在180度到360度范围内，所述第二踩踏力为主动踩踏力，所述第一踩踏力为被动踩踏力；其中，连接所述右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以所述右侧曲柄的旋转面的12点方向为0度，随着所述右侧曲柄从所述12点方向顺时针旋转，所述曲柄角度从0度开始增大。
在本申请的一个实施例中，所述基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，包括：基于所述曲柄角度和所述曲柄长度计算所述主动踩踏力的有效力臂和所述被动踩踏力的有效力臂；基于所述主动踩踏力和所述主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于所述被动踩踏力和所述被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；将所述主动踩踏力矩和所述被动踩踏力矩相加，得到总力矩；基于所述曲柄角度确定曲柄转速，并基于所述总力矩和所述曲柄转速计算所述骑行者输出功率。
根据本申请再一方面，提供了一种电子系统，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有由所述处理器运行的计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时，使得所述处理器执行上述的用于电助力自行车的电机驱动方法。
根据本申请又一方面，提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有由处理器运行的计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时，使得所述处理器执行上述的用于电助力自行车的电机驱动方法。
根据本申请再一方面，提供了一种电助力自行车，所述电助力自行车包括上述用于电助力自行车的电子系统或上述的电子系统。
本申请的用于电助力自行车的电子系统和电机驱动方法通过基于曲柄角度对骑行者的主动踩踏力进行平滑处理，可以更准确地及时识别出骑行者的意图，输出更加平稳的踩踏力的反馈，并且基于该平稳的踩踏力反馈来映射整车输出功率，能够克服随着踩踏在不同曲柄位置时整车功率输出周期性变化问题，从而改善骑行体验。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1示出骑行者踩踏主要力气的方向示意图。
图2示出一个踩踏周期内单脚踩踏输出功率与曲柄角度的关系示意图。
图3示出一个踩踏周期内双脚踩踏输出功率与曲柄角度的关系示意图。
图4示出维持电机输出功率恒定的示意图。
图5示出根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统的示意性结构框图。
图6示出根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统中角度传感器检测曲柄角度的示意图。
图7示出根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统中处理器计算骑行者输出功率和期望整车输出功率，并由此得到期望电机输出功率的计算过程示意图。
图8示出根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统中骑行者输出功率、期望整车输出功率、期望电机输出功率的示意图。
图9示出根据本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法的示意性流程图。
图10示出根据本申请实施例的电子系统的示意性结构框图。
具体实施方式
为了使得本申请的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。基于本申请中描述的本申请实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其他实施例都应落入本申请的保护范围之内。
对于目前的电助力自行车，在骑行过程中，骑行者踩踏主要力气处在垂直踩踏的一点到四点钟方向，如图1所示的，这样才能有效实现较大的力矩。图1示出了与自行车右侧踏板连接的曲柄的旋转面，如图1所示，最大的力矩发生在踩踏力与曲柄成90°，即三点钟方向。
在一个踩踏周期内，单脚踩踏输出功率与曲柄角度呈现如下关系，如图2所示。在图2中，以右脚为例，示出了骑行者右脚踩踏踏板时，曲柄旋转，使得曲柄角度发生变化，不同曲柄角度下对应的骑行者输出功率(P右脚)的示意图。其中，在大约0°到180°的曲柄角度时，右脚是向下踩踏的，因此也可以记录为P向下；在大约180°到360°的曲柄角度时，右脚是向上踩踏的(因为此时轮到左脚向下踩踏)，因此也可以记录为P向上。
在一个踩踏周期内，双脚踩踏输出功率与曲柄角度呈现如下关系，如图3所示。在图3中，P右脚与图2中所示的相同，P左脚与P右脚的波形相反。其中，在大约0°到180°的曲柄角度时，左脚是向上踩踏的(因为此时右脚向下踩踏)；在大约180°到360°的曲柄角度时，左脚是向下踩踏的。
总体地，骑行者(人)的双腿踩踏实时输出总功率为P＝P右脚+P左脚，在每个踩踏周期内人的功率输出呈现周期性的变化，在0°和180°附近存在两个死点，此时的踩踏功率输出非常小。如果直接据此按助力比进行电机助力的调节，则骑行过程会出现间隙性的动力波动，从而影响体现。
目前存在方法根据踩踏曲柄旋转状态来削弱电机助力的减小幅度，延缓助力变化。这个过程仅仅是维持了电机功率的均衡，从整车来说，人的功率输出依旧是减小的，使得整车实际的功率输出减小的，即P车＝P电机+P人，按这样的方法最理想的是维持电机输出功率恒定，此时驱动力总输出功率P车如图4所示，也即整个骑行过程整车输出功率呈现周期性的输出功率脉动，影响骑行体验。
基于此，本申请提供了一种新的方案来改善骑行体验，下面结合图5到图10来描述。
图5示出了根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统500的示意性结构框图。如图5所示，用于电助力自行车的电子系统500包括角度传感器510、力矩传感器520和处理器530和电机540。其中，角度传感器510用于实时检测电助力自行车的曲柄角度。力矩传感器520用于实时检测骑行者对电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力。处理器530与角度传感器510、力矩传感器520和电机540电连接，用于执行如下操作：基于曲柄角度将踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；基于曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；基于处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；基于期望整车输出功率和骑行者输出功率得到期望电机输出功率；基于期望电机输出功率驱动电机540为电助力自行车提供电助力。其中，助力比系数是指电机540提供的力矩与骑行者的踩踏力之比，该系数最大值为1，用百分比表示为100％。
在本申请的实施例中，电子系统500的角度传感器510实时检测曲柄角度，力矩传感器520实时检测骑行者对左右踏板各自的踩踏力，处理器530基于角度传感器510检测到的曲柄角度将力矩传感器520检测到的踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力。其中，主动踩踏力可以理解为向下踩踏的力，被动踩踏力可以理解为上下踩踏的力。
例如，骑行者右脚踩踏右侧踏板时，一个踩踏周期可分为向下踩踏的半圈和向上踩踏的半圈，其中向下踩踏时时主动发力的，因此称为主动踩踏力，向上踩踏时时被动发力的(因为此时左脚在向下踩踏)，因此称为被动踩踏力。类似地，骑行者左脚踩踏左侧踏板时，一个踩踏周期可分为向下踩踏的半圈和向上踩踏的半圈，其中向下踩踏时时主动发力的，因此称为主动踩踏力，向上踩踏时时被动发力的(因为此时右脚在向下踩踏)，因此称为被动踩踏力。
在本申请中，处理器530可根据曲柄角度将力矩传感器520检测到的踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，例如在某个曲柄角度上，右脚是向下踩踏的，左脚是向上踩踏的，则基于该曲柄角度可将力矩传感器对右侧踏板检测到的踩踏力作为主动踩踏力，将对左侧踏板检测到的踩踏力作为被动踩踏力。
然后，处理器530可基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理。由于在不同曲柄角度(曲柄位置)处，骑行者的踩踏效率(有效性)是不同的(如前文结合图1到图2所述的，在垂直踩踏的3点钟方向能够实现最大的力矩，即踩踏力的效率最高，在2点钟方向踩踏力的效率小于3点钟方向，1点钟方向的踩踏力的效率小于2点钟方向等等)，因此造成骑行者输出功率随着曲柄角度而出现较大波动(如图2所示的)。因此，本申请的电子系统500的处理器530对主动踩踏力进行平滑处理，处理后的踩踏力相对于处理前受曲柄角度的影响更小，整体更平滑稳定，从而减小骑行者输出功率随着曲柄角度而出现的波动。基于此，如果根据骑行者输出功率进行电机助力调节(例如结合骑行者输出功率和助力比系数得到期望电机输出功率)，则可以改善骑行过程会出现间隙性的动力波动的情况。
进一步地，在本申请中，在得到处理后的踩踏力后，可以不是结合骑行者输出功率和助力比系数得到期望电机输出功率，而是结合处理后的踩踏力和助力比系数映射得到稳定的期望整车输出功率，再根据期望整车输出功率和骑行者输出功率(结合曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算)得到期望电机输出功率，根据该期望电机输出功率驱动电机为电助力自行车提供电助力，即可得到的稳定的期望整车输出功率。这可以进一步改善骑行体验，因为其直接以稳定的整车输出功率为目的对电机输出功率进行实时调节，能够彻底地解决整车功率输出随踩踏在不同曲柄位置而出现的周期性变化问题。
因此，根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统500通过基于曲柄角度对骑行者的主动踩踏力进行平滑处理，可以更准确地及时识别出骑行者的意图，输出更加平稳的踩踏力的反馈，并且基于该平稳的踩踏力反馈来映射整车输出功率，能够克服随着踩踏在不同曲柄位置时整车功率输出周期性变化问题，从而改善骑行体验。
在本申请的实施例中，角度传感器510可以是绝对式编码器。绝对式编码器相对于霍尔传感器具有更高分辨率和精度，能够检测到更加精确的曲柄角度。由于处理器530将基于角度传感器510实时检测到的曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，并根据处理后的踩踏力映射得到稳定的期望整车输出功率，因此曲柄角度的精度越高，后续踩踏力的处理越精确，得到的整车输出功率越符合期望，越有利于改善骑行体验。
在本申请的实施例中，力矩传感器520可以包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：第一力矩传感器用于检测骑行者对右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；第二力矩传感器用于检测骑行者对左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；其中，处理器530基于曲柄角度将踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：当曲柄角度处在0度到180度范围内时，第一踩踏力为主动踩踏力，第二踩踏力为被动踩踏力；当曲柄角度处在180度到360度范围内，第二踩踏力为主动踩踏力，第一踩踏力为被动踩踏力；其中，连接右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以右侧曲柄的旋转面的12点方向为0°，随着右侧曲柄从12点方向顺时针旋转，曲柄角度从0°开始增大。
在该实施例中，采用两个独立的力矩传感器各自实时检测双腿的踩踏力，能够使得处理器530更便利地基于曲柄角度区分出主动踩踏力和被动踩踏力。此外，在该实施例中，以右侧曲柄的旋转面为例来描述，如图6所示的，12点钟方向为0°，右侧曲柄从12点钟方向顺时针向下方旋转时，曲柄角度θ从0°开始增大，例如1点钟方向时曲柄角度是30°，2点钟方向时曲柄角度是60°，3点钟方向时曲柄角度是90°，以此类推。
结合图6能够清楚地理解基于曲柄角度区分主动、被动踩踏力。如图6所示，右侧曲柄从12点钟方向顺时针旋转到6点钟方向，即曲柄角度从0°到180°，此时对应的是右侧踏板向下踩踏的过程，左侧踏板上下踩踏的过程，因此在该角度范围内对于右侧踏板检测得到的是主动踩踏力，对于左侧踏板检测得到的是被动踩踏力。右侧曲柄从6点钟方向顺时针旋转到12点钟方向，即曲柄角度从180°到360°，此时对应的是右侧踏板向上踩踏的过程，左侧踏板向下踩踏的过程，因此在该角度范围内对于右侧踏板检测得到的是被动踩踏力，对于左侧踏板检测得到的是主动踩踏力。如果以左侧曲柄的旋转面为例来描述，12点钟方向为0°，左侧曲柄从12点钟方向需要逆时针方向向下方旋转才使得曲柄角度增大，因为顺时针方向是使得电助力自行车“倒退”而不是“前进”。
在本申请的实施例中，处理器530基于曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，可以包括：基于曲柄角度和曲柄长度计算主动踩踏力的有效力臂和被动踩踏力的有效力臂；基于主动踩踏力和主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于被动踩踏力和被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；将主动踩踏力矩和被动踩踏力矩相加，得到总力矩；基于曲柄角度确定曲柄转速，并基于总力矩和曲柄转速计算骑行者输出功率。
下面结合符号来更形象地描述骑行者输出功率的计算。假定曲柄角度表示为θ，曲柄长度表示为L，则主动踩踏力的有效力臂r向下＝sin(θ)*L，被动踩踏力的有效力臂r向上＝sin(θ+180)*L。总力矩T＝T向下+T向上＝F向下*sin(θ)*L+F向上*sin(θ+180)*L，因此T＝(F向下-F向上)*sin(θ)*L。其中，F向下即为主动踩踏力，也可以表示为F主动；F向上即为被动踩踏力，也可以表示为F被动。根据曲柄转速n＝dθ/dt，可以得到骑行者输出功率(即人的踩踏瞬时输出功率)P人＝(T*n)/9550(单位为千瓦)。
在计算得到骑行者输出功率后，处理器530在后续计算出期望整车输出功率后，会根据骑行者输出功率和期望整车输出功率来计算期望电机输出功率。因此，骑行者输出功率是用于计算期望电机输出功率的，处理器530可以在计算期望整车输出功率之前计算骑行者输出功率，也可以在计算期望整车输出功率之后计算骑行者输出功率。
在本申请的实施例中，处理器530基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，可以包括：以曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。在该实施例中，处理器530通过进行滤波的方式来对主动踩踏力进行平滑处理，其中滤波系数是曲柄角度的正弦函数，其中曲柄角度的取值范围设定位0°到180°。
在该实施例中，以0°到180°的曲柄角度的正弦函数作为滤波系数来对主动踩踏力进行滤波，可以理解为以0°到180°的曲柄角度的正弦函数作为权重对主动踩踏力进行加权。例如，对于30°的曲柄角度(1点钟方向)下检测到的主动踩踏力F1，其权重为sin30；对于60°的曲柄角度(2点钟方向)下检测到的主动踩踏力F2，其权重为sin60°；对于90°的曲柄角度(3点钟方向)下检测到的主动踩踏力F3，其权重为sin90；依此类推。如前文所述的，1点钟方向的踩踏力的效率小于2点钟方向，2点钟方向的踩踏力的效率小于3点钟方向；而sin30°小于sin60°，sin60°小于sin90°，sin90°＝1，因此3点钟方向的主动踩踏力被完全保留下来(权重为sin90°＝1)，2点钟反向的主动踩踏力的权重小于3点钟方向的(因为其效率小于3点钟方向的)，1点钟反向的主动踩踏力的权重小于2点钟方向的(因为其效率小于2点钟方向的)，这样以来，通过滤波(即加权)，将踩踏力效率地的主动踩踏力的影响力减小，从而减少了骑行者输出功率随着曲柄角度而出现的波动。
具体地，处理器530以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行(低通)滤波，得到处理后的踩踏力，可以包括：对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将主动踩踏力乘以滤波系数，得到初始时刻的处理后的踩踏力；对于初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将第一差值乘以滤波系数，再加上前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。用公式表示即为：Ftn＝Ft(n-1)+ktn*(F向下tn-Ft(n-1))。其中，Ftn为当前时刻的处理(滤波)后的踩踏力，Ft(n-1)为前一时刻的处理(滤波)后的踩踏力，F向下tn为当前时刻的主动踩踏力，ktn为当前时刻的曲柄角度的正弦函数即sin(θtn)，θ的取值范围为0°到180°，因此k的取值范围为0到1。对于初始时刻，由于不存在初始时刻的前一时刻，因此当计算初始时刻的处理后的踩踏力时，公式中的Ft(n-1)取值为0。
在得到处理后的踩踏力后，处理器530可以基于处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，具体可以包括如下步骤：获取助力比系数对应的功率上限值；将功率上限值与处理后的踩踏力相乘，再除以力矩传感器能够测量的最大值，得到整车输出功率。下面结合公式来描述。假定设期望整车输出功率为P车，则P车＝Plimit*F/Fmax，其中F为前文所述的处理后的踩踏力，Plimit为当前助力比系数(助力比档位)对应的(整车)功率上限值，Fmax力矩传感器能够测量的最大值(即前述的第一力矩传感器或第二力矩传感器能够测量的最大值，第一力矩传感器和第二力矩传感器能够测量的最大值一般是相等的)。
最后，在得到期望整车输出功率后，可结合前文所述的骑行者输出功率计算期望电机输出功率，以驱动电机540提供电助力。具体地，可以计算期望整车输出功率P车与骑行者输出功率P人之间的差值，将该差值作为期望电机输出功率P电机。
以上详细描述了处理器530的操作过程，可结合图7更清楚地理解上述过程，图7所示内容均已在前文中描述过，此处不再对图7另行赘述。注意，图7中对主动踩踏力滤波的公式中省略了对时刻t的记录，因为所有的计算都是针对每个时刻检测到的曲柄角度和踩踏力计算的，从而实现实时检测、实时计算和实时电机控制，所以为了简洁，省略了公式中的时刻t。
图8示出了根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统中骑行者输出功率、期望整车输出功率、期望电机输出功率的示意图。与图4所示的功率图相比，很明显，图8所示功率图中，期望整车输出功率是非常平稳的，即根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统稳定了整车输出，改善了骑行体验。
基于上面的描述，本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统500通过基于曲柄角度对骑行者的主动踩踏力进行平滑处理，可以更准确地及时识别出骑行者的意图，输出更加平稳的踩踏力的反馈，并且基于该平稳的踩踏力反馈来映射整车输出功率，能够克服随着踩踏在不同曲柄位置时整车功率输出周期性变化问题，从而改善骑行体验。
下面结合图9描述根据本申请另一方面提供的用于电助力自行车的电机驱动方法。图9示出了根据本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法900的示意性流程图。如图7所示，用于电助力自行车的电机驱动方法900包括如下步骤：
在步骤S910，获取角度传感器实时检测的电助力自行车的曲柄角度。
在步骤S920，获取力矩传感器实时检测的骑行者对电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力。
在步骤S930，基于曲柄角度将踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力。
在步骤S940，基于曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率。
在步骤S950，基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力。
在步骤S960，基于处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率。
在步骤S970，基于期望整车输出功率和骑行者输出功率得到期望电机输出功率。
在步骤S980，基于期望电机输出功率驱动电机为电助力自行车提供电助力。
根据本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法900可以由前文所述的用于电助力自行车的电子系统500的处理器530执行，前文中已经对处理器530的操作进行了详细描述。此处，为了简洁，不再赘述方法900的细节内容，仅描述一些主要操作。
在本申请的实施例中，基于曲柄角度对主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，包括：以曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。
在本申请的实施例中，以曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力，包括：对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将主动踩踏力乘以滤波系数，得到初始时刻的处理后的踩踏力；对于初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将第一差值乘以滤波系数，再加上前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。
在本申请的实施例中，基于处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，包括：获取助力比系数对应的功率上限值；将功率上限值与处理后的踩踏力相乘，再除以力矩传感器能够测量的最大值，得到期望整车输出功率。
在本申请的实施例中，基于期望整车输出功率和骑行者输出功率得到期望电机输出功率，包括：计算期望整车输出功率与骑行者输出功率之间的第二差值，将第二差值作为期望电机输出功率。
在本申请的实施例中，力矩传感器包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：第一力矩传感器检测骑行者对右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；第二力矩传感器检测骑行者对左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；其中，基于曲柄角度将踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：当曲柄角度处在0度到180度范围内时，第一踩踏力为主动踩踏力，第二踩踏力为被动踩踏力；当曲柄角度处在180度到360度范围内，第二踩踏力为主动踩踏力，第一踩踏力为被动踩踏力；其中，连接右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以右侧曲柄的旋转面的12点方向为0度，随着右侧曲柄从12点方向顺时针旋转，曲柄角度从0度开始增大。
在本申请的实施例中，基于曲柄角度、主动踩踏力、被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，包括：基于曲柄角度和曲柄长度计算主动踩踏力的有效力臂和被动踩踏力的有效力臂；基于主动踩踏力和主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于被动踩踏力和被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；将主动踩踏力矩和被动踩踏力矩相加，得到总力矩；基于曲柄角度确定曲柄转速，并基于总力矩和曲柄转速计算骑行者输出功率。
基于上面的描述，本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法900通过基于曲柄角度对骑行者的主动踩踏力进行平滑处理，可以更准确地及时识别出骑行者的意图，输出更加平稳的踩踏力的反馈，并且基于该平稳的踩踏力反馈来映射整车输出功率，能够克服随着踩踏在不同曲柄位置时整车功率输出周期性变化问题，从而改善骑行体验。
下面结合图10描述根据本申请再一方面提供的电子系统1000。如图10所示，电子系统1000包括存储器1010和处理器1020，存储器1010上存储有由处理器1020运行的计算机程序，计算机程序在被处理器1020运行时，使得处理器1020执行前文所述的根据本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法900。前文中已经针对方法900进行了详细描述，本领域技术人员可以结合前文所述理解电子系统1000的结构和操作，为了简洁，此处不再赘述。
此外，根据本申请实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在所述程序指令被计算机或处理器运行时用于执行本申请实施例的用于电助力自行车的电机驱动方法的相应步骤。所述存储介质例如可以包括智能电话的存储卡、平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。
此外，本申请还提供了一种电助力自行车，其可以包括前文所述的根据本申请实施例的用于电助力自行车的电子系统500或者包括电子系统1000。
基于上面的描述，本申请的用于电助力自行车的电子系统、电机驱动方法、电子系统和电助力自行车通过基于曲柄角度对骑行者的主动踩踏力进行平滑处理，可以更准确地及时识别出骑行者的意图，输出更加平稳的踩踏力的反馈，并且基于该平稳的踩踏力反馈来映射整车输出功率，能够克服随着踩踏在不同曲柄位置时整车功率输出周期性变化问题，从而改善骑行体验。
尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本申请的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本申请的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本申请的范围之内。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本申请的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其他实施例中所包括的某些特征而不是其他特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的一些模块的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种用于电助力自行车的电子系统，其特征在于，所述电子系统包括：
角度传感器，用于实时检测电助力自行车的曲柄角度；
力矩传感器，用于实时检测骑行者对所述电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力；
处理器，与所述角度传感器和所述力矩传感器电连接，用于执行如下操作：基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率；基于所述期望电机输出功率驱动电机为所述电助力自行车提供电助力。
2.根据权利要求1所述的电子系统，其特征在于，所述处理器基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，包括：
以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。
3.根据权利要求2所述的电子系统，其特征在于，所述处理器以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力，包括：
对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将所述主动踩踏力乘以所述滤波系数，得到所述初始时刻的处理后的踩踏力；
对于所述初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将所述第一差值乘以所述滤波系数，再加上所述前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的电子系统，其特征在于，所述处理器基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，包括：
获取所述助力比系数对应的功率上限值；
将所述功率上限值与所述处理后的踩踏力相乘，再除以所述力矩传感器能够测量的最大值，得到期望整车输出功率。
5.根据权利要求4所述的电子系统，其特征在于，所述基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率，包括：
计算所述期望整车输出功率与所述骑行者输出功率之间的第二差值，将所述第二差值作为所述期望电机输出功率。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的电子系统，其特征在于，所述力矩传感器包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：
所述第一力矩传感器用于检测所述骑行者对所述右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；
所述第二力矩传感器用于检测所述骑行者对所述左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；
其中，所述处理器基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：
当所述曲柄角度处在0度到180度范围内时，所述第一踩踏力为主动踩踏力，所述第二踩踏力为被动踩踏力；
当所述曲柄角度处在180度到360度范围内，所述第二踩踏力为主动踩踏力，所述第一踩踏力为被动踩踏力；
其中，连接所述右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以所述右侧曲柄的旋转面的12点方向为0度，随着所述右侧曲柄从所述12点方向顺时针旋转，所述曲柄角度从0度开始增大。
7.根据权利要求6所述的电子系统，其特征在于，所述处理器基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，包括：
基于所述曲柄角度和所述曲柄长度计算所述主动踩踏力的有效力臂和所述被动踩踏力的有效力臂；
基于所述主动踩踏力和所述主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于所述被动踩踏力和所述被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；
将所述主动踩踏力矩和所述被动踩踏力矩相加，得到总力矩；
基于所述曲柄角度确定曲柄转速，并基于所述总力矩和所述曲柄转速计算所述骑行者输出功率。
8.根据权利要求6所述的电子系统，其特征在于，所述角度传感器为绝对式编码器。
9.一种用于电助力自行车的电机驱动方法，其特征在于，所述方法包括：
获取角度传感器实时检测的电助力自行车的曲柄角度；
获取力矩传感器实时检测的骑行者对所述电助力自行车的左侧踏板和右侧踏板各自的踩踏力；
基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力；
基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率；
基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力；
基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率；
基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率；
基于所述期望电机输出功率驱动电机为所述电助力自行车提供电助力。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于所述曲柄角度对所述主动踩踏力进行平滑处理，得到处理后的踩踏力，包括：
以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述以所述曲柄角度的正弦函数作为滤波系数对所述主动踩踏力进行滤波，得到处理后的踩踏力，包括：
对于初始时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力，将所述主动踩踏力乘以所述滤波系数，得到所述初始时刻的处理后的踩踏力；
对于所述初始时刻以外的其他时刻，计算当前时刻检测到的踩踏力中的主动踩踏力与前一时刻得到的处理后的踩踏力这两者之间的第一差值，将所述第一差值乘以所述滤波系数，再加上所述前一时刻得到的处理后的踩踏力，得到当前时刻的处理后的踩踏力。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述处理后的踩踏力和助力比系数得到期望整车输出功率，包括：
获取所述助力比系数对应的功率上限值；
将所述功率上限值与所述处理后的踩踏力相乘，再除以所述力矩传感器能够测量的最大值，得到期望整车输出功率。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基于所述期望整车输出功率和所述骑行者输出功率得到期望电机输出功率，包括：
计算所述期望整车输出功率与所述骑行者输出功率之间的第二差值，将所述第二差值作为所述期望电机输出功率。
14.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述力矩传感器包括第一力矩传感器和第二力矩传感器，其中：
所述第一力矩传感器检测所述骑行者对所述右侧踏板的踩踏力，作为第一踩踏力；
所述第二力矩传感器检测所述骑行者对所述左侧踏板的踩踏力，作为第二踩踏力；
其中，所述基于所述曲柄角度将所述踩踏力区分为主动踩踏力和被动踩踏力，包括：
当所述曲柄角度处在0度到180度范围内时，所述第一踩踏力为主动踩踏力，所述第二踩踏力为被动踩踏力；
当所述曲柄角度处在180度到360度范围内，所述第二踩踏力为主动踩踏力，所述第一踩踏力为被动踩踏力；
其中，连接所述右侧踏板的曲柄作为右侧曲柄，以所述右侧曲柄的旋转面的12点方向为0度，随着所述右侧曲柄从所述12点方向顺时针旋转，所述曲柄角度从0度开始增大。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基于所述曲柄角度、所述主动踩踏力、所述被动踩踏力和曲柄长度计算骑行者输出功率，包括：
基于所述曲柄角度和所述曲柄长度计算所述主动踩踏力的有效力臂和所述被动踩踏力的有效力臂；
基于所述主动踩踏力和所述主动踩踏力的有效力臂计算主动踩踏力矩，并基于所述被动踩踏力和所述被动踩踏力的有效力臂计算被动踩踏力矩；
将所述主动踩踏力矩和所述被动踩踏力矩相加，得到总力矩；
基于所述曲柄角度确定曲柄转速，并基于所述总力矩和所述曲柄转速计算所述骑行者输出功率。
16.一种电子系统，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有由所述处理器运行的计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时，使得所述处理器执行如权利要求9-15中的任一项所述的用于电助力自行车的电机驱动方法。
17.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有由处理器运行的计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时，使得所述处理器执行如权利要求9-15中的任一项所述的用于电助力自行车的电机驱动方法。
18.一种电助力自行车，其特征在于，所述电助力自行车包括权利要求1-8中的任一项所述的用于电助力自行车的电子系统或权利要求16所述的电子系统。
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