JP2013047077A - 自転車用センサの制御装置、自転車用センサの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子化ビット数の多い高精度のＡ／Ｄ変換器を必要とせず、ノイズの影響を低減する自転車用センサの制御装置を提供する。
【課題手段】回転部品を有する自転車に装着されるセンサの制御装置１であって、センサ２０の出力を増幅する信号増幅部と、回転部品の回転状態に応じて、信号増幅部１３のゲインを調整するゲイン制御部１２を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車の走行状態に応じて変化する物理量を測定する自転車用センサの制御装置、及び制御方法に関する。

自転車の車輪、クランク等の回転部品を回転させるためのパワーメータとして、特許文献１に記載された発明がある。特許文献１に係る発明は、図１０に示すように、ケイデンスセンサ５１、歪みゲージ５２、増幅器５３、Ａ／Ｄ変換器５４、プロセッサ５５、無線送信器５６とから構成されている。

ケイデンスセンサ５１は、ケイデンス（クランクの回転速度）を計測する。歪みゲージ５２は、ライダーがペダルを踏むことにより生じるクランク軸の歪みを計測する。増幅器５３は、歪みゲージ５２から出力されるアナログ電気信号をＡ／Ｄ変換器４０が処理できるレンジまで増幅する。Ａ／Ｄ変換器５４は、増幅されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。プロセッサ５５は、上述したデジタル電気信号からクランク軸にかかるトルクを算出する。さらに、プロセッサ５５は、このトルクとケイデンスセンサ５１から出力されるケイデンスをもとに、ライダーによって加えられたパワーを算出する。無線送信器５６は、プロセッサ５５により算出されたトルクもしくはパワーを図示しないサイクルコンピュータ等に送信する。

特開２００９−００６９９１号公報

特許文献１に係る発明は、増幅器５３のゲインが一定であり、一般的にＡ／Ｄ変換器の入力電圧には制限があるので、歪ゲージ５２によって検出される信号の最大値（踏力が最も大きくなるときの出力）に合わせてゲインを設定する必要がある。このため、踏力が小さいときには、増幅器５３が歪ゲージ５２によって検出される信号を増幅しても、それほど信号が大きくならない。このため、踏力が小さいときにおいても歪ゲージによって検出される信号を正確に測定しようとすると、Ａ／Ｄ変換器５４が歪ゲージによって検出される信号を細かく量子化する必要があるため、量子化ビット数の多い高精度のＡ／Ｄ変換器５４が必要となる。

また、量子化ビット数を多くすると、Ａ／Ｄ変換器５４における１ビットに対応するアナログ電圧の大きさが小さくなるので、ノイズの影響を受けやすいという問題が生じる。

そこで本発明は、高精度のＡ／Ｄ変換器を使用しなくても、センサの出力を精度よく測定するための自転車用センサの制御装置、及び制御方法を提供することを目的とする。

さらに、ノイズの影響を低減する、自転車用センサの制御装置、及び制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための制御装置は、回転部品を有する自転車に装着されるセンサの制御装置であって、センサの出力を増幅する信号増幅部と、回転部品の回転状態に応じて、信号増幅部のゲインを調整するゲイン制御部を含む。

上記の課題を解決するための制御方法は、回転部品を有する自転車に装着されるセンサの制御方法であって、回転部品の回転状態に応じて、センサの出力を増幅するためのゲインを調整し、調整されたゲインにより、前記センサの出力を増幅する。

自転車の回転部品の回転状態に応じて、人間が自転車の各部品にかけられる力の範囲は変化する。例えば、人間の踏力は、クランクのケイデンスに応じて変化する（参考：藤井徳明，「ロードバイクの科学」，スキージャーナル株式会社，２００８）。図１１は、人間の踏力特性を示す。これによると、個人による違いが多少あるものの、一般的に、ケイデンスが低いと、人が自転車の回転軸にかけられる最大トルクは比較的大きく、ケイデンスが大きくなるにつれ、人が自転車の回転軸にかけられる最大トルクは小さくなる。これを利用して、上記の課題を解決するための制御装置及び制御方法は、増幅された電圧のとりうる範囲がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに近づくように、自転車の回転部品の回転状態に応じて人間が自転車の各部品にかけられる力の範囲に合わせて、ゲインを調整する。

本発明に係る制御装置または制御方法は、回転部品の回転状態に応じて、センサの出力を増幅する信号増幅部のゲインを調整して、センサの出力を適切なゲインで増幅することができる。したがって、センサの出力が大きく変化する場合であっても、センサの出力値を精度よく測定するために、量子化ビット数の多い高精度のＡ／Ｄ変換器を用いる必要がなくなる。ゆえに、製造コストが低減される。

さらに、量子化ビット数の多い高精度のＡ／Ｄ変換器を用いる必要がないので、Ａ／Ｄ変換器の１ビットに対応するアナログ電圧を大きくすることができ、ノイズの影響を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る自転車用計測装置の概略構成を示すブロック図。 センサが出力する最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフ。 ゲイン制御部のゲイン調整方法の一例を示す図。 図３の方法により調整されたゲインにより増幅された最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフ。 ゲイン制御部のゲイン調整方法の一例を示す図。 ゲイン制御部のゲイン調整方法の一例を示す図。 図５の方法により調整されたゲインにより増幅された最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフ。 図６の方法により調整されたゲインにより増幅された最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフ。 第１の実施形態に係る自転車用計測装置の処理の流れを示すフローチャート。 従来の発明の概略構成を示すブロック図。 人間の踏力特性を示す図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る制御装置を含む自転車用計測装置を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の自転車用計測装置１の概略構成を示すブロック図である。自転車用計測装置１は、ライダーがペダルを漕ぐことによって進行する通常の自転車ばかりでなく、エアロバイクのような固定された自転車に装着されてもよい。自転車用計測装置１は、制御装置１０、センサ２０、無線送信部３０を備える。制御装置１０は、検出部１１、ゲイン制御部１２、信号増幅部１３、変換部１４、および、演算部１５を備える。

制御装置１０は、自転車の回転部品の回転状態に応じて、自転車に装着されるセンサ２０からの出力信号のゲインを調整する。この回転部品は、車輪、クランク、ハブ、スプロケット、プーリー、および、ペダルのいずれかを含む。クランクは、クランク軸とクランク軸の両端に設けられる一対のクランクアームとを含む。

センサ２０は、自転車の走行状態に応じて変化する物理量を計測する。この物理量とは、典型的には、回転部品にかかるトルク、または、回転部品の回転に要するパワー（仕事率）であるが、チェーンテンション、ペダルを踏む力、ハンドルバー、フレームなどのねじれやたわみなども含む概念である。センサ２０は、自転車の一部分であってライダーによる力がかかる部品に装着されている。ライダーによる力がかかる部品とは、例えば、クランクアーム、クランク軸、ペダル、ボトムブラケット、フレーム、ハンドルバー、サドルなどがある。センサ２０は、典型的には歪みゲージにより形成されるが、磁歪素子、変位センサ、流体などを利用した圧力センサなどによって形成されてもよい。

無線送信部３０は、センサ２０で計測された物理量に関する、制御装置１０が出力するデータを、図示しないサイクルコンピュータに送信する。

検出部１１は、上述した回転部品の回転状態を検出するセンサである。具体的には、検出部１１は、クランクのケイデンスを検出する。

ゲイン制御部１２は、上述した回転部品の回転状態に応じて、信号増幅部１３のゲインを調整する。具体的には、ゲイン制御部１２は、ケイデンスが小さいときは、信号増幅部１３のゲインを小さくし、ケイデンスが大きいときは、信号増幅部１３のゲインを大きくする。信号増幅部１３は、センサ２０から出力されるアナログ電気信号を、ゲイン制御部１２により調整されるゲインで増幅する。ゲイン制御部１２、信号増幅部１３の動作の詳細は後述する。

変換部１４は、増幅されたアナログ電気信号をデジタル信号に変換する。変換部１４は、Ａ／Ｄ変換器によって実現される。演算部１５は、当該デジタル信号から自転車の走行状態に応じて変化する物理量を算出する。例えば、演算部１５は、リアハブに装着されたセンサ２０の出力からリアハブに掛かるトルクを算出してもよい。また、演算部１５は、クランクアームまたはクランク軸に装着されたセンサ２０の出力からクランク軸に掛かるトルクを算出してもよい。また、演算部１５は、ボトムブラケットに装着されたセンサ２０の出力からチェーンテンションを算出してもよい。また、演算部１５は、ペダルに装着されたセンサ２０の出力からペダル軸に掛かるトルクを算出してもよい。さらに、演算部１５は、センサ２０の出力から算出される上述したトルク、チェーンテンションまたは力から、ライダーが自転車を漕ぐパワー、および後輪が出力するパワーなどを算出してもよい。

つぎに、自転車の回転部品にかかるトルクに応じてセンサ２０が電圧信号を出力する場合を例に挙げて、ゲイン制御部１２、信号増幅部１３の動作の詳細を説明する。図２は、センサ２０が歪みゲージである場合の、センサ２０が出力する最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示す。前述したように、ケイデンスが低いと、人が自転車の回転軸にかけられる最大トルクは比較的大きく、ケイデンスが大きくなるにつれ、人が自転車の回転軸にかけられる最大トルクは小さくなる。また、歪みゲージの歪み量、すなわち、歪みゲージの出力電圧とケイデンスとは、ほぼ比例関係となる。したがって、図２に示される歪ゲージの出力電圧とケイデンスとの関係を表すグラフは、図１１に示される踏力特性を表すグラフと同じような形状となる。なお、センサ２０が他の種類であっても、検出対象となる物理量の大きくなればなるほど出力される電圧が大きくなるセンサであれば、本発明に用いることができる。センサ２０が出力する最大トルク時の電圧は、ケイデンスが高くなるにつれて序々に小さくなる。

図３は、ゲイン制御部１２のゲイン調整方法の一例を示す。この例では、ゲイン制御部１２は、ケイデンスが特定の閾値ω_１より大きくなると、ゲインをＧ_１からＧ_２（但し、Ｇ_１＜Ｇ_２）に変更する。このω_１、Ｇ_１、Ｇ_２は、センサ２０及び変換部１４の特性に応じて、経験的に定められる。

図４は、信号増幅部１３が、ゲイン制御部１２により調整される図３のゲインにより、図２の信号を増幅したときの、センサ２０が出力する最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフである。図４に示されるＶ_ｍａｘは、変換部１４の入力電圧の最大値である。図４のグラフの実線で示すように、センサ２０が出力する電圧は、ケイデンスが０〜ω_１の間（０以上、ω_１未満の間）は、ゲインＧ_１により増幅され、ケイデンスがω_１〜ω_ｍａｘの間（ω_１以上、ω_ｍａｘ以下の間）は、ゲインＧ_２により増幅される。ここで、ケイデンスが０〜ω_１の間の増幅された電圧の最大値Ｇ_１×Ｖ_０と、ケイデンスが０〜ω_１の間の増幅された電圧の最大値Ｇ_２×Ｖ_１は、ともにＶ_ｍａｘ以下である必要がある。ただし、自転車用計測装置１の計測精度を向上させるためには、Ｇ_１×Ｖ_０とＧ_２×Ｖ_１は、ともにＶ_ｍａｘに近い値とすることが望ましい。

ここで、変換部１４の量子化ビット数をＮ（Ｎは自然数）とし、１ビットに対応するアナログ電圧の大きさは常に一定とすると、変換部１４における１ビットに対応するアナログ電圧の大きさは、Ｖ_ｍａｘ／２^Ｎとなる。ケイデンスがω_１〜ω_ｍａｘの間の任意のケイデンスω_ｐに対応する、センサ２０が出力する最大トルク時の電圧をＶ_ｐとすると、ω_ｐにおける電圧は、０〜ω_１の間と同じゲインＧ１を使用する場合、上位ビットは０になるために、実質的にｌｏｇ_２（Ｖｐ/Ｖｍａｘ）＋Ｎビットの範囲で表される。これに対し、図３のようにゲインをＧ１からＧ２に変化させると、ω_ｐにおける電圧は、実質的にｌｏｇ_２（Ｇ２／Ｇ１×Ｖｐ/Ｖｍａｘ）＋Ｎビットの範囲で表される。ゲイン制御部１２がこのようにゲインを大きくすると、ωｐの電圧を実質的に表すビット数が増加する。変換部１４における１ビットに対応する電圧は一定であるので、電圧を表す実質的なビット数が増加することは、電圧に対応するデジタル信号の分解能が上がることになる。たとえば、N＝４及びVmax＝8Vであり、Ｖｐ＝４Vであるとき、上位のビットは０となるため、ω_ｐにおける電圧は、ｌｏｇ_２（４／８）＋４＝３ビットの範囲で表される。

また、ゲインをＧ_１に固定した上で、ケイデンスがω_１〜ω_ｍａｘの間においてゲインＧ_２に変化させる場合と同等の精度でセンサ２０の出力電圧を測定しようとすると、たとえば、Ｖｐが２５６ビットで表される場合、Ｖｍａｘは当然２５６ビットよりも大きいビット数となる。したがって、よりビット数の多いＡ／Ｄ変換器が必要となる。本実施形態では、量子化ビット数の小さい安価なＡ／Ｄ変換器によって変換部１４が構成されても、ケイデンスの閾値ω_１、ゲインＧ_１、Ｇ_２の値を工夫することにより、トルクが精度良く求められる。

さらに、電子回路に発生するバックグラウンドのノイズの振幅電圧はほぼ一定となるため、センサ２０の出力電圧が小さくなればなるほど、その出力電圧に占めるノイズの割合が大きくなる。ゲインを調整して、センサ２０の出力電圧を大きくすることによって、出力電圧に占めるノイズの割合を小さくすることができるので、電圧の測定精度を向上させることができ、トルクが精度良く求められる。

ゲイン制御部１２のゲイン調整方法は、図３のように２つのゲインを切換えるだけではない。図５に示されるように、ケイデンスが大きくなるほどゲインが大きくなるように、ケイデンスに応じて３つ以上のゲインが、階段状に切換られてもよい。また、ゲイン制御部１２のゲイン調整方法は、図６のように、ケイデンスが大きくなるほどゲインが大きくなるように、ゲインをケイデンスに応じて連続的に変化させても構わない。図６のゲイン調整方法は、ゲインをケイデンスの大きさに合わせて直線的に増加させているが、ケイデンスが大きくなるにつれ、ゲインが増加するのであれば、曲線的に増加させても構わない。

図７は、図５に示す方法により調整されたゲインにより増幅された最大トルク時の電圧とケイデンスの関係の一例を示すグラフである。図８は、図６に示す方法により調整されたゲインにより増幅された最大トルク時の電圧とケイデンスとの関係の一例を示すグラフである。この場合も、各ゲイン（図５の場合、Ｇ_１…Ｇ_ｎ）に対応するセンサ２０の出力のとりうる最大値を、各ゲイン（図５の場合、Ｇ_１…Ｇ_ｎ）により増幅した出力は、変換部１４の入力電圧の最大値Ｖ_ｍａｘ以下である必要がある。また、自転車用計測装置１の計測精度を向上させるためには、各ゲイン（図５の場合、Ｇ_１…Ｇ_ｎ）に対応するセンサ２０の出力のとりうる最大値は、いずれもＶ_ｍａｘに近い値とすることが望ましい。図５または図６に示すように、ゲイン制御部１２がゲインを調整しても、本実施形態の自転車用計測装置１は、図３に示すようにゲインを調整した場合と同じ効果を生じる。

つぎに、本実施形態の自転車用計測装置の処理の流れについて説明する。図９は、本実施形態の自転車用計測装置の処理の流れを示すフローチャートである。

まず、検出部１１は、ケイデンスを検出する（ステップＳ１）。つぎに、ゲイン制御部１３は、検出されたケイデンスに基づき、ゲインを調整する（ステップＳ２）。ゲインの調整方法は、図３、図５および図６に挙げた方法のいずれであってもよいが、これらに留まらない。各ゲインに対応するセンサ２０の出力のとりうる最大値を、各ゲインにより増幅した出力は、変換部１４の入力電圧の最大値以下となるのであれば、ケイデンスが大きくなるにつれ、ゲインを増加させる、いかなる方法が用いられてもよい。

つぎに、信号増幅部１３は、センサ２０からのアナログ信号を取得する（ステップＳ３）。そして、信号増幅部１３は、ゲイン制御部１３が調整したゲインに基づき、当該アナログ電気信号を増幅する（ステップＳ４）。変換部１４は、増幅されたアナログ電気信号をデジタル信号に変換する（ステップＳ５）。

つぎに、演算部１５は、デジタル信号から自転車の走行状態に応じて変化する物理量を算出する（ステップＳ６）。典型的には、演算部１５は、リアハブ、クランクアーム、クランク軸、ボトムブラケット、および、ペダル等に装着されたセンサ２０の出力からリアハブ、後輪、クランク軸などの回転部品に掛かるトルク、チェーンテンション、またはペダルの踏力などを算出する。この際、ケイデンスによって、信号増幅部１３が使用するゲインが異なるため、演算部１５は、ゲイン制御部１２から使用されたゲインに関する情報を取得し、変換部１４から取得するデジタル信号が表す離散値にゲインの逆数をかけた値を利用して、トルク、チェーンテンション、およびペダルの踏力などを算出する。そして、演算部１５は、当該回転部品に掛かるトルク、検出部１１により検出されるケイデンス、チェーンテンション、またはペダルの踏力に関する情報と、予め定められる演算式とを用いて、自転車が出力するパワーおよび／またはライダーが出力するパワーなどを算出する。例えば、演算部１５は、クランク軸に掛かるトルクと、検出部１１により検出されるケイデンスから式（１）によってライダーが自転車を漕ぐパワーを算出することができる。

パワー（Ｗ）＝トルク（Ｎ・ｍ）×ケイデンス（ｒｐｍ）×２π／６０ …（１）

また、例えば、演算部１５は、自転車が出力するパワーを、後輪にかかるトルクと、後輪の回転数とに基づいて算出することができる。

なお、演算部１５は、センサ２０の出力信号に基づいて、異なる物理量を算出してもよい。このような物理量は、例えば、チェーンテンション、ペダルを踏む力、ハンドルバー、フレームなどのねじれやたわみなどがある。

最後に、無線送信部３０は、演算部１５が算出した算出結果を、サイクルコンピュータに送信する（Ｓ７）。

＜第１の実施形態の効果＞
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の制御装置１０は、ケイデンスが大きくなればなるほど、信号増幅部１３のゲインを大きくするようにゲインを調整する。このため、制御装置１０は、ケイデンスが大きいときに、変換部１４に入力される電圧レンジを広くすることができる。この結果、ゲインを一定とする場合に比べ、ケイデンスが大きいときに、センサ２０の出力電圧をより細かく量子化することができる。このため、量子化ビット数の多い高精度のＡ／Ｄ変換器が必要なくなるので、製造コストが低減される。

また、制御装置１０は、変換部１４の１ビットに対応するアナログ電圧を大きくすることができるので、ノイズの影響を低減することができる。

＜変形例＞
なお、制御装置１０は、図１に示す構成において、変換部１４と演算部１５を備えないものであってもよい。この場合、制御装置１０は、信号増幅部１３の出力電圧、及び、ゲイン制御部１２で調整したゲインの大きさに応じた所定の信号を生成して、無線送信部３０等により当該信号をサイクルコンピュータに送信するとよい。そして、サイクルコンピュータは、当該信号をデコードして信号増幅部１３の出力電圧、ゲイン制御部１２で調整したゲインをデコードし、変換部１４、演算部１５と同様の処理を行うとよい。

あるいは、制御装置１０は、演算部１５を備えずに、変換部１４から出力される情報、ゲイン制御部１２から出力される情報を単に記憶する記憶部を設けておき、無線通信または有線通信を用いて、記憶部に記憶された情報を読み出す構成としてもよい。また、センサ２０で計測された物理量に関するデータが有線によってサイクルコンピュータに送信される場合、無線回路３０は省略されてもよい。また、制御装置１０にはインタフェースが設けられ、制御装置１０は、外部のコンピュータによってゲイン制御部によって設定されるゲインを変更可能としてもよい。

＜実装例＞
なお、上述したゲイン制御部１２、演算部１５は、典型的にはマイクロコンピュータにより実現されるが、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）によって解釈実行されることで実現されてもよい。また、ゲイン制御部１２、変換部１４、および演算部１５は、１つのマイクロコンピュータによって実現されてもよい。

１ 制御装置
１１ 検出部
１２ ゲイン制御部
１３ 信号増幅部
１４ 変換部
１５ 演算部
２０ センサ
３０ 無線送信部
５１ ケイデンスセンサ
５２ 歪みゲージ
５３ 増幅器
５４ Ａ／Ｄ変換器
５５ プロセッサ
５６ 無線送信器

Claims (15)

1. 回転部品を有する自転車に装着されるセンサの制御装置であって、
   前記センサの出力を増幅する信号増幅部と、
   前記回転部品の回転状態に応じて、前記信号増幅部のゲインを調整するゲイン制御部を含む制御装置。
2. 前記センサは、自転車の走行状態に応じて変化する物理量を検出することを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記回転部品の回転状態を検出する検出部を含む、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記回転部品は、クランクであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の制御装置。
5. 前記回転状態は、ケイデンスであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の制御装置。
6. 前記ゲイン制御部は、前記ケイデンスの値が大きくなるほど、前記信号増幅部のゲインを大きくすることを特徴とする、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記ゲイン制御部は、前記ケイデンスが所定の値より小さい場合は、前記信号増幅部のゲインを第１のゲインとし、前記ケイデンスが前記所定の値以上である場合は、前記信号増幅部のゲインを前記第１のゲインより大きい第２のゲインとすることを特徴とする、請求項６に記載の制御装置。
8. 前記信号増幅部の出力をデジタル信号に変換する変換部をさらに備える、請求項６に記載の制御装置。
9. 前記信号増幅部が、前記信号増幅部の各ゲインに対応する前記センサの出力のとりうる最大値を、前記各ゲインにより増幅した出力は、前記変換部の入力の最大値以下であることを特徴とする、請求項８に記載の制御装置。
10. 前記信号増幅部の出力をデジタル信号に変換する変換部をさらに備える、請求項７に記載の制御装置。
11. 前記信号増幅部が、前記ケイデンスが前記所定の値以上である場合における前記センサの出力のとりうる最大値を、前記第２のゲインにより増幅した出力は、前記変換部の入力の最大値以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の制御装置。
12. 前記信号増幅部が、前記ケイデンスが前記所定の値より小さい場合における前記センサの出力のとりうる最大値を、前記第１のゲインにより増幅した出力は、前記変換部の入力の最大値以下であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の制御装置。
13. 前記物理量は、前記回転部品にかかるトルク、または、前記回転部品を回転させるパワーであることを特徴とする、請求項２〜１２のいずれかに記載の制御装置。
14. ゲイン制御部の出力に基づいて、前記トルクおよび前記パワーの少なくともいずれかを算出する演算部を備えることを特徴とする、請求項１３に記載の制御装置。
15. 回転部品を有する自転車に装着されるセンサの制御方法であって、
    前記回転部品の回転状態に応じて、前記センサの出力を増幅するためのゲインを調整し、
    前記調整されたゲインにより、前記センサの出力を増幅する、
    制御方法。

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