JP4461068B2 - 自転車シミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、交通安全教育、ゲーム及び体力トレーニング等の用途に用いられる自転車シミュレーション装置に関する。

飛行機、自動車、自動二輪車、自転車等の運転を模擬体験するために、それぞれの乗り物に対応したシミュレーション装置が提案され、その一部が実用化されている。このうち、自転車シミュレーション装置では、運転者が模擬自転車のサドルに跨ったままペダルを漕ぐことにより模擬運転を行い、該ペダルの回転を所定の速度センサで検出することにより模擬速度等を求めてシミュレーション処理がなされる。乗り物のシミュレーション装置においては模擬走行速度に応じてモニタ画面に変化する情景を表示するとともに、模擬音を発生させると臨場感が向上して好ましい。

乗り物の模擬音を発生させるためアクセルの操作量を検出するとともに、揺らぎ処理、音響の伝達径模擬処理、複数のエンジン音を合成する音声合成処理等を用いて実際のエンジン音に近い音を発生させる装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開平１０−２７７２６３号公報

ところで、自転車はエンジンやモータ等の駆動源がなく静粛な運転が可能である一方、後輪の回転軸に設けられたワンウェイクラッチが、駆動スプロケットの回転速度と後輪の回転速度との差に応じて「カチ、カチ」という断続的なラチェット機構のノッチ音が発生し、自転車を運転する際の特徴的な音となっている。自転車シミュレーション装置においてもこのようなノッチ音を発生させると臨場感が向上して好適である。

自転車シミュレーション装置で用いられる模擬自転車には、ペダルに対して適当な負荷を与えるためにペダルに連動するフライホイールが設けられていることがあり、該フライホイールにワンウェイクラッチを設けることにより、現実のノッチ音を発生させることができる。しかしながら、フライホイールやギヤ比の設計条件によっては、所定の模擬走行速度におけるフライホイールの回転数と、実際の自転車における同じ走行速度での後輪の回転数は必ずしも一致しない。また、フライホイールの回転速度は、模擬運転で想定してる状況（例えば下り坂）の後輪の回転速度と異なる場合があり、フライホイールのワンウェイクラッチから発生するノッチ音に対して運転者が違和感を感じることがある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、実際の自転車や模擬運転で想定されている状況に応じた適切な模擬音を発生させることのできる自転車シミュレーション装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る自転車シミュレーション装置は、クランク軸（６０）に連結され、運転者が漕ぐ左右一対のペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）と、前記ペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）を漕ぐことによって連動して回転する回転体（７４）と、前記回転体（７４）の回転速度を検出する第１速度検出センサ（７６）と、前記クランク軸（６０）の回転速度を検出する第２速度検出センサ（７８）と、前記第１速度検出センサ（７６）により検出される前記回転体（７４）の回転速度に基づいて模擬走行速度を求める模擬速度設定部（１８）と、前記模擬走行速度に基づいて情景を表示する表示部（１４）と、前記第２速度検出センサ（７８）により検出された前記クランク軸（６０）の回転速度に対して所定ギア比を乗算したスプロケット回転数と前記模擬走行速度から得られる仮想後輪回転速度との差に対して係数を乗算して周波数値を求める周波数設定部（１８２）と、前記周波数値に基づき模擬音を発生させる模擬音発生部（１８６）とを有することを特徴とする。

このように、回転体の回転速度とクランク軸の回転速度とを検出するとともに、回転比を考慮してその差を求めることにより、該差に基づいて実際の自転車や模擬運転で想定されている状況に応じた適切な模擬音を発生させることができる。

請求項２に係る自転車シミュレーション装置は、請求項１記載の自転車シミュレーション装置において、前記模擬音は、ワンウェイクラッチによって発生するノッチ音を録音したものであることを特徴とする。これにより、一層臨場感が高い音を発生させることができる。

請求項３に係る自転車シミュレーション装置は、請求項１記載の自転車シミュレーション装置において、前記模擬音発生部（１８６）は、前記スプロケット回転数が前記仮想後輪回転速度以上であるときには、前記模擬音の発生を停止することを特徴とする。これにより、実際の自転車においてノッチ音が停止するタイミングと同じ自然なタイミングで停止する。

請求項４に係る自転車シミュレーション装置は、請求項１記載の自転車シミュレーション装置において、前記模擬速度設定部（１８）は、想定される模擬運転の状況が坂道であるときには、坂の傾斜度合いに応じて前記模擬走行速度を変化させることを特徴とする。これにより、模擬運転中の下り坂では高周波数、登り坂では低周波数で模擬音を発生させることができ実際の運転に近い音となる。

また、請求項５に係る自転車シミュレーション装置は、クランク軸（６０）に連結され、運転者が漕ぐ左右一対のペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）と、前記クランク軸（６０）の回転速度を検出する速度検出センサ（７８）と、模擬走行速度を設定する模擬速度設定部（１８）と、前記模擬走行速度に対応して変化する情景を表示する表示部（１４）と、前記模擬走行速度に基づいて、仮想後輪の回転速度を求め、該求めた前記仮想後輪の回転速度から前記クランク軸（６０）の回転速度の係数倍値を減算した値が正値であるときに、該正値に比例した周波数値を求める周波数設定部（１８２）と、前記周波数値に基づき模擬音を発生させる模擬音発生部（１８６）とを有することを特徴とする。

このように、クランク軸の回転速度の係数倍値と模擬走行速度との差に基づいて求められる周波数で模擬音を発生させることにより、実際の自転車や模擬運転で想定されている状況に応じた適切な模擬音を発生させることができる。

本発明に係る自転車シミュレーション装置によれば、回転体の回転速度とクランク軸の回転速度とを検出するとともに、回転比を考慮してその差を求めることにより、該差に基づいて実際の自転車や模擬運転で想定されている状況に応じた適切な模擬音を発生させることができる。

また、模擬走行速度は必ずしも回転体の回転速度により設定されるものに限らず、表示部における情景の変化速度に対応した模擬走行速度としてもよい。この場合、クランク軸の回転速度の定数倍値と模擬走行速度との差に基づいて求められる周波数で模擬音を発生させることにより、視覚及び聴覚から得られる走行感覚が一致した自然な模擬運転が実現される。

以下、本発明に係る自転車シミュレーション装置について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１２を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る自転車シミュレーション装置１０は模擬自転車１２と、該模擬自転車１２の運転に応じた情景を画面１４ａに表示するモニタ１４と、模擬音や運転者に対する音声指示を与えるスピーカ１５と、運転者が乗降する位置に設けられたマットスイッチ１６と、自転車シミュレーション装置１０の全体的な制御を行う主制御部１８とを有する。主制御部１８は模擬自転車１２の前方に配置され、モニタ１４及びスピーカ１５は主制御部１８の上部で模擬自転車１２の運転者から視認性の良い位置に配置されている。主制御部１８、モニタ１４及びスピーカ１５は４本の支柱２１によって昇降可能に支持されており、運転者の体型に合わせて高さの調整が可能である。また、主制御部１８は、画面１４ａにシミュレーションに対応した画像を表示する機能を有しており、画像処理処理コンピュータとしての機能も有する。

次に、模擬自転車１２について説明する。以下、模擬自転車１２において左右に１つずつ設けられた機構については、左のものの番号符号に「Ｌ」を付し、右のものの番号符号に「Ｒ」を付すことにより区別して説明する。

模擬自転車１２は、フレーム２０と、該フレーム２０にシートピラーを介して接続されたサドル２４と、フレーム２０のヘッドチューブ２０ａを支軸として回動可能なハンドル２８と、ヘッドチューブ２０ａを固定支持するスタンドとしての２本のフロントフォーク３０Ｒ、３０Ｌと、フレーム２０のシートステー２０ｂ及びチェーンステー２０ｃにより回転自在に支持された後輪３２とを有する。フロントフォーク３０Ｒ、３０Ｌの先端には横方向に延在するパイプ３１が設けられており、該パイプ３１が床に接地している。ハンドル２８のステム２８ａは、ヘッドチューブ２０ａの近傍に折り畳み機構２８ｂを有し、折り畳み又は分解可能である。

フロントフォーク３０Ｒ、３０Ｌは、外観上は自転車（又は自動二輪車）のフロントフォークと形状が類似しているが、実際のフロントフォークのようにハンドル２８に連動して回動されることはなく、また前輪も設けられてない。後輪３２にはやや小径サイズのタイヤ３２ａが設けられており、該タイヤ３２ａが床に接地していることにより後部スタンドを兼ねている。このように、模擬自転車１２はフロントフォーク３０Ｒ、３０Ｌと後輪３２によって支持されて起立している。フロントフォーク３０Ｒ及び３０Ｌとパイプ３１との間には、コントローラ４６がブラケット３３を介して固定されている。

また、模擬自転車１２は、回転駆動機構部４０と、速度検出機構部４２と、制動機構部４４と、コントローラ４６と、ハンドル２８の舵角を検出する舵角センサ５０（図４参照）と、運転者の声を入力するためのマイクロホン５２と、サドル２４の後部に設けられた後退スイッチ５４とを有する。後退スイッチ５４は、運転者が降車して所定の模擬後退動作を行う際に操作するスイッチである。

回転駆動機構部４０は、クランクチューブ２０ｅ内に設けられたクランク軸６０の左右に連結された一対のクランク６２Ｌ及び６２Ｒと、該クランク６２Ｌ及び６２Ｒの先端に設けられたペダル６４Ｌ及び６４Ｒと、クランク６２Ｒに設けられたフロントスプロケット６６と、該フロントスプロケット６６からチェーン６８を介して回転駆動されるリアスプロケット７０と、該リアスプロケット７０からワンウェイクラッチ（フリーハブとも呼ばれる。）７２を介して回転駆動される鉄製のフライホイール（回転体）７４とを有する。フロントスプロケット６６の歯数ｚ１はリアスプロケット７０の歯数ｚ２より多く、例えばｚ１＝５２、ｚ２＝２４であり、これら歯数の比であるギヤ比（回転比）Ｒは、Ｒ＝５２／２４である。

フライホイール７４は、シートチューブ２０ｆと後輪３２との間に設けられ、ワンウェイクラッチ７２により軸支されている。ワンウェイクラッチ７２及びフライホイール７４は透明なカバー７５により覆われており、該カバー７５によりワンウェイクラッチ７２が現実に発生するノッチ音はほぼ遮音される。ワンウェイクラッチ７２には静音型のものを用いて現実のノッチ音の発生を抑制してもよい。

ワンウェイクラッチ７２は、内部のラチェット機構により、リアスプロケット７０の正方向の回転駆動力のみをフライホイール７４に伝達する。従って、クランク軸６０が逆方向に回転する場合、又はフライホイール７４が正方向に回転している最中にクランク軸６０の回転が停止した場合には、フライホイール７４はクランク軸６０と無関係にその時点の回転状態（正方向への回転又は停止）が維持される。

図２及び図３に示すように、速度検出機構部４２はホイール回転検出部７６と、クランク回転検出部７８とを有する。ホイール回転検出部７６は、右側におけるシートステー２０ｂとチェーンステー２０ｃとの間にわたって設けられた取付ブラケット８０と、該取付ブラケット８０に設けられた第１速度ピックアップ８２とを有する。第１速度ピックアップ８２は、フライホイール７４の３本のスポーク７４ａに近接して対向する位置に配置されており、フライホイール７４が回転する際、第１速度ピックアップ８２はスポーク７４ａの存否を示す信号をコントローラ４６に供給する。なお、内部機構を視認可能なように、図３においてはカバー７５の図示を省略している。

クランク回転検出部７８は、クランクチューブ２０ｅに固定された取付ブラケット８４と、該取付ブラケット８４に設けられた第２速度ピックアップ８６と、フロントスプロケット６６の内側に固定された被検出ロータ８８とを有する。被検出ロータ８８は略９０°の円弧形状の板であって、第２速度ピックアップ８６に近接して対向する位置に配置されている。ペダル６４Ｌ、６４Ｒを漕ぐことによってクランク軸６０及びフロントスプロケット６６が回転する際、第２速度ピックアップ８６は被検出ロータ８８の存否を示す信号をコントローラ４６に供給する。第２速度ピックアップ８６と第１速度ピックアップ８２は互換性がある。

図４に示すように、制動機構部４４は、ハンドル２８に設けられた２つのブレーキレバー１００Ｌ及び１００Ｒと、各ブレーキレバー１００Ｌ及び１００Ｒに接続されたブレーキワイヤ１０２及び１０４と、弾性的に回転可能なプーリ１０６Ｌ及び１０６Ｒと、回転センサ１０８Ｌ及び１０８Ｒと、フライホイール７４を制動するドラムブレーキ１１０（図３参照）とを有する。

ブレーキワイヤ１０４は、途中の分岐機構１１１で二股に分岐し、一方のブレーキワイヤ１０４ａはフロントフォーク３０Ｒ、３０Ｌの方向に延在しており、他方のブレーキワイヤ１０４ｂは、ドラムブレーキ１１０に接続されている。ブレーキワイヤ１０４の分岐部では、アウターワイヤ１１２の一部が剥がれてその端部がリング１１４により支持されるとともに露呈したインナーワイヤ１１６が圧着、かしめ又は溶接等により２本のインナワイヤが接続されており、一方がブレーキワイヤ１０４ａ、他方のブレーキワイヤ１０４ｂとなっている。したがって、ブレーキレバー１００Ｒを操作することにより、２本のブレーキワイヤ１０４ａ及び１０４ｂが同時に引かれることになる。

ブレーキワイヤ１０４ａとブレーキワイヤ１０２は途中でクロスし、下端部がプーリ１０６Ｒ、１０６Ｌに接続されている。ブレーキレバー１００Ｌ及び１００Ｒが引かれていないとき、プーリ１０６Ｌ及び１０６Ｒは凸部１１８Ｌ及び１１８Ｒが上方を向くようにスプリング（図示せず）により弾性付勢されている。このとき、ブレーキレバー１００Ｌ、１００Ｒは、プーリ１０６Ｌ及び１０６Ｒにより弾性付勢されて、ハンドル２８から離間している。

ブレーキレバー１００Ｌ、１００Ｒをハンドル２８の方向へ引くことによりプーリ１０６Ｌ、１０６Ｒは弾性的に回転し、凸部１１８Ｌ及び１１８Ｒは下方を向く。プーリ１０６Ｌ、１０６Ｒは、凸部１１８Ｌ、１１８Ｒがストッパ１２０Ｌ、１２０Ｒに当接するまで回転可能である。

プーリ１０６Ｌ、１０６Ｒの回転角度は回転センサ１０８Ｌ及び１０８Ｒにより検出可能であり、検出された角度信号はそれぞれコントローラ４６へ供給される。コントローラ４６では、検知されたプーリ１０６Ｌ及び１０６Ｒの回転角度信号、換言すればブレーキレバー１００Ｌ及び１００Ｒの操作の量に応じた信号を主制御部１８に供給する。

図３に示すように、ドラムブレーキ１１０はフライホイール７４と同心状に配置されており、アーム１１０ａがブレーキワイヤ１０４ｂの端部と接続されている。ドラムブレーキ１１０は、内部のドラム体がフライホイール７４と連結されて一体的に回転する。また、ブレーキレバー１００Ｌを操作してブレーキワイヤ１０４ｂが引かれたときにはアーム１１０ａが傾動して、内部のブレーキシューが外径方向に拡開してドラム体と接触して摩擦力を発生し、フライホイール７４を制動する。

また、図４に示すように、舵角センサ５０はヘッドチューブ２０ａの下端部に設けられており、ハンドル２８を支持するステム２８ａの回動角度を検出する。マイクロホン５２はハンドル２８上に設けられており、運転者の顔に近いことから運転者の声が明瞭に入力される。舵角センサ５０、マイクロホン５２及び後退スイッチ５４はコントローラ４６に接続されており、舵角の角度信号、音声信号及びスイッチ操作信号を供給する。

図１に戻り、マットスイッチ１６は、独立した左スイッチ１５０Ｌと右スイッチ１５０Ｒとからなり、運転者が降車したときにフレーム２０のヘッドチューブ２０ａを跨いで両足で踏むことができる位置に配置されている。つまり、左足は左スイッチ１５０Ｌを踏み、右足は右スイッチ１５０Ｒを踏む。左スイッチ１５０Ｌ及び右スイッチ１５０Ｒは踏まれることによってオンとなり、該オンの信号をコントローラ４６へ供給する。

左スイッチ１５０Ｌ及び右スイッチ１５０Ｒは、それぞれ薄いマット状であり、表面ゴムと裏面ゴムに対向するように貼られた格子状の縦電極線及び横電極線と、表面ゴムと裏面ゴムとの間に挿入された柔らかい絶縁材とを有する。縦電極線及び横電極線は２本の出力端子（図示せず）の一方に接続されている。表面ゴムは運転者が足で踏むことに絶縁材を圧縮させながら弾性変形し、縦電極線と横電極線がその交差部で接触する。これにより、２本の出力端子は導通し、オンとなる。また、足を放せば縦電極線と横電極線は離間して、オフとなる。なお、マットスイッチ１６は左右独立型ではなく、２つのスイッチが一体型となったマットスイッチを用い、例えば模擬自転車１２の左側に配置してもよい。このようなマットスイッチの配置により、運転者が左側に降車した後に、その場で足踏みをすることにより後述する歩行モードにおける押し歩きによる歩行動作が一層現実的に実現される。

図５に示すように、コントローラ４６は、入力インタフェース部１７０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１７２と、第１通信部１７４とを有する。第１通信部１７４は主制御部１８の第２通信部１９２と接続されており、主制御部１８との間でリアルタイムの通信を行う。入力インタフェース部１７０は、舵角センサ５０、マイクロホン５２、第１速度ピックアップ８２、第２速度ピックアップ８６、回転センサ１０８Ｌ、１０８Ｒ、後退スイッチ５４、左スイッチ１５０Ｌ、右スイッチ１５０Ｒと接続されており、アナログ信号及びデジタル信号の入力を行う。

ＣＰＵ１７２は、上記の電気的構成要素の信号を処理又は変換して第１通信部１７４を介して主制御部１８へ伝達する。例えば、ＣＰＵ１７２では、第１速度ピックアップ８２と第２速度ピックアップ８６から供給された信号の周波数からフライホイール７４の回転速度Ｎ１及びクランク軸６０の回転速度Ｎ２を求めて、主制御部１８に供給する。

主制御部１８は、模擬運転の状況を設定する状況設定部１８０と、走行状況に応じた演算処理を行う演算処理部（周波数設定部）１８２と、モニタ１４の表示制御を行う表示制御部１８４と、スピーカ１５の音響出力を行う音響ドライバ（模擬音発生部）１８６と、運転者に対して所定の警告を行う警告部１８８と、マイクロホン５２から入力された音声を認識する音声認識部１９０と、前記第１通信部１７４との通信制御を行う第２通信部１９２と、読み書き可能な記憶部１９４とを有する。

記憶部１９４には実際のワンウェイクラッチを回転させて発生するノッチ音を予めデジタル的に録音したノッチ音データ１９４ａが記録されている。

音響ドライバ１８６は、走行状況に応じて発生する周囲の模擬音（風切り音、タイヤの路面音、クラクション等）を発生させる周囲音生成部１８６ａと、警告や案内をする人の音声を発生させる音声生成部１８６ｂと、前記のノッチ音データ１９４ａを読み込み保持するノッチ音生成部１８６ｃと、これらの各音の生成部から供給される音データを合成するミキサ１８６ｄと、合成により得られた信号を増幅してスピーカ１５に供給するアンプ１８６ｅとを有する。また、音響ドライバ１８６は、ノッチ音生成部１８６ｃからミキサ１８６ｄにノッチ音を供給する間隔を演算処理部１８２から得られる周波数Ｔに基づいて設定するノッチ音供給制御部１８６ｆを有する。なお、図５においては、音響ドライバ１８６及びスピーカ１５は１組のみ図示しているが、ステレオ形式に対応した構成としてもよい。ノッチ音はミキサ１８６ｄを介さずに独立的な別のスピーカから発生させるようにしてもよい。

実際上、主制御部１８は制御主体のＣＰＵ（Central Processing Unit）、と記憶部としてのＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤ（Hard Disk）等を有しており、図５に示す主制御部１８の各機能部は、ＣＰＵがＨＤに記録されたプログラムを読み込み、該プログラムをＲＯＭ、ＲＡＭ及び所定のハードウェアと協動しながら実行することにより実現される。

次に、このように構成される自転車シミュレーション装置１０を用いて自転車走行のシミュレーションを行う方法について説明する。

図６のステップＳ１において、マットスイッチ１６がオンとなったか否かを確認する。つまり、マットスイッチ１６の左スイッチ１５０Ｌ又は右スイッチ１５０Ｒの少なくとも一方がオンとなったときにはステップＳ２へ移り、双方ともオフであるときにはステップＳ１で待機する。つまり、運転者がマットスイッチ１６上に立つと、自動的にステップＳ２へ移ることとなり、それまでの間はステップＳ１で待機して所定の省電力モード（例えば、モニタ１４をオフにする）にしておくことができる。

ステップＳ２において、模擬運転を開始し画面１４ａ上に所定の開始画面を表示する。この開始画面では、停止した自転車の画像と該自転車の横に起立した運転者である人物の画像を表示する。また、この画面１４ａに、「模擬運転を開始します。サドルに座ってペダルを漕いでください。」という文字を画面１４ａに表示させ、又は同様の言葉の音声をスピーカ１５から発する。

このように、マットスイッチ１６を踏むことにより模擬運転を自動的に開始することができ、複雑な操作が不要であって違和感なく模擬運転を開始することができる。また、運転者は、画面１４ａ又はスピーカ１５から発せられる指示に従って操作を行えばよく、マニュアル等が不要で容易な操作が可能であり、児童でも模擬運転を行うことができる。

ステップＳ３において、マットスイッチ１６がオフとなったか否かを確認する。つまり、左スイッチ１５０Ｌ又は右スイッチ１５０Ｒの双方がオフとなったときにはステップＳ４へ移り、少なくとも一方がオンであるときにはステップＳ３で待機する。

つまり、運転者がサドル２４に跨って、マットスイッチ１６から足を離すと、自動的にステップＳ４へ移って、模擬運転における実際の走行を開始することができる。このとき、前記の開始画面を終了するとともに、自転車の画像と該自転車に乗った人物の画像を表示する。

ステップＳ４において、所定の走行条件が成立しているか否かを確認する。走行条件が成立しているときにはステップＳ５の走行モードへ移り、走行条件が不成立であるときにはステップＳ６へ移る。走行モードは、運転者がサドル２４に座りながらペダル６４Ｌ及び６４Ｒを漕ぐとともにハンドル２８を操作して、模擬走行を行うためのモードである。この場合、第１速度ピックアップ８２及び舵角センサ５０に基づいて得られた模擬走行速度Ｖ及び舵角に基づいて変化する情景が画面１４ａ上に表示される（図１参照）。走行モードにおいては、模擬走行速度Ｖが規定速度以上である場合、又は仮想自転車が仮想道路からはみ出た場合等に所定の警告を発するとよい。また、走行モードにおいては、前記演算処理部１８２で設定された周波数Ｔに基づいてノッチ音をスピーカ１５から発生させる。このノッチ音を発生させる手順については後述する。

ステップＳ６において、模擬運転の状況が停止、一時停止又は信号が赤の状況であるか否かを確認する。停止、一時停止又は信号が赤である場合にはステップＳ７の足つきモードへ移り、それ以外の場合にはステップＳ８へ移る。足着きモードでは、運転者はブレーキレバー１００Ｌ、１００Ｒを操作して模擬走行速度Ｖを０とした後に降車し、マットスイッチ１６を踏む。これにより、画面１４ａ上には運転者及び自転車が赤信号で停止している情景が表示される。足着きモードは、模擬運転の状況上、信号が赤から青に変わったとき、又は、左右の安全確認が確実になされたときに解除される。

ステップＳ８において、模擬運転の状況が、横断歩道等の歩行者優先路又は歩道等の歩行者専用路を通過する場合であるか否かを確認する。歩行者優先路又は歩行者専用路を通過する場合には、ステップＳ９の歩行モードへ移り、それ以外の場合にはステップＳ１０へ移る。歩行モードは、歩行者専用路等で自転車を押し歩くためのモードであり、例えば、他の歩行者等の迷惑とならないような押し歩きを習得するためのモードである。この場合、運転者は降車するとともに、マットスイッチ１６上で足踏みをすることにより歩行状態が再現され、モニタ１４の画面１４ａ上に対応する情景が表示される。

ステップＳ１０において、模擬運転の状況が自転車を後退させる状況であるか否かを確認する。後退させる場合にはステップＳ１１の後退モードへ移り、それ以外の場合にはステップＳ１２へ移る。後退モードは、降車した運転者が自転車を押しながら後退するモードである。この場合、運転者は降車するとともに、後退スイッチ５４をオン操作しながらマットスイッチ１６上で足踏みをすることにより後退状態が再現され、モニタ１４の画面１４ａ上に対応する情景が表示される。

ステップＳ１２において、所定の終了条件が成立しているか否かを確認する。終了条件が成立している場合には模擬運転を終了し、条件が不成立である場合にはステップＳ４へ戻り模擬運転を続行する。また、ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９及びＳ１１の処理の終了後においてもステップＳ４へ戻る。

模擬運転を終了する場合には、前記ステップＳ１と同様に、マットスイッチ１６がオンとなったか否かを確認する。この場合、マットスイッチ１６がオンとなったことにより、運転者が模擬自転車１２から降車したことを検出することができ、これに基づいて模擬運転を終了し、所定の省電力モード等のスタンバイ状態に戻る。なお、前記ステップＳ２において、マットスイッチ１６がオフとなった後の所定の期間に、模擬自転車１２の操作が全くなされない場合には、運転者がマットスイッチ１６を一旦踏んだが模擬自転車１２に乗ることなく立ち去ったと考えられることから、この場合においてもスタンバイ状態に戻るとよい。

次に、走行モードにおいて演算処理部１８２で設定された周波数Ｔに基づいてノッチ音をスピーカ１５から発生させる手順について図７〜図１１を参照しながら説明する。図７に示す処理は、主制御部１８において主に演算処理部１８２及び音響ドライバ１８６によって、所定の微小時間毎に繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１０１において、第１速度ピックアップ８２から得られる信号に基づいてクランク軸６０の回転速度Ｎ２を求めるとともにギア比Ｒを乗算してリアスプロケット回転数Ｐを、Ｐ←Ｎ２×Ｒとして求める。

ステップＳ１０２（模擬速度設定部）において、所定のサブルーチン処理（図８参照）に基づいて模擬走行速度Ｖを求める。この処理については後述する。

ステップＳ１０３において、模擬走行速度Ｖに基づいて仮想後輪の回転速度Ｎｘを、Ｎｘ←Ｖ／Ａ、として求める。ここで、定数Ａは想定される実際の自転車の後輪径によって定められる値である。

ステップＳ１０４において、回転速度Ｎｘからリアスプロケット回転数Ｐを減算して差回転数ΔＮを、ΔＮ←Ｎｘ−Ｐ、として求める。

ステップＳ１０５において、差回転数ΔＮの符号の正負を判断する。すなわち、ΔＮ＞０である場合にはステップＳ１０６へ移り、ΔＮ≦０である場合にはステップＳ１０７へ移る。

ステップＳ１０６において、音響ドライバ１８６は、演算処理部１８２から供給された周波数Ｔに基づいてノッチ音生成部１８６ｃのノッチ音をスピーカ１５から発生させる。周波数Ｔは、Ｔ←ΔＮ×Ｋｃ、として求められる。ここで、定数Ｋｃは、実際の自転車において想定される後輪のワンウェイクラッチの１回転当たりのノッチ音の発生回数であり、例えば、１２〜３６のいずれか１つの値に設定される。このステップＳ１０６の後、ステップＳ１０８へ移る。

ワンウェイクラッチ７２は、前記のとおりカバー７５に覆われていることから、実際に発生するノッチ音は運転者にほとんど聞こえず、このステップＳ１０６で発生する周波数Ｔのノッチ音が聞こえることになる。

ステップＳ１０７においては、ノッチ音供給制御部１８６ｆに所定の制御信号を供給し、ノッチ音の発生を停止させる。

ステップＳ１０８において、模擬走行速度Ｖに基づいて、表示制御部１８４の作用下に画面１４ａ上に変化する情景を表示する。表示される情景は模擬走行速度Ｖに応じて変化させ、模擬走行速度Ｖが速いほど高速で流れるように表示させる。このステップＳ１０８の後、図７に示す今回の処理を終了する。

次に、前記のステップＳ１０２における模擬走行速度Ｖを求める処理について図８を参照しながら説明する。

先ず、ステップＳ２０１において、第２速度ピックアップ８６から得られる信号に基づいてフライホイール７４の回転速度Ｎ１を求める。

ステップＳ２０２において、模擬走行速度Ｖを求めるための第１仮パラメータＶ１を、Ｖ１←Ｎ１×Ａ＋Ｋｂ、として求める。ここで、変数Ｋｂは、ブレーキによる減速移動量（ｍ／ｓ）であり、回転センサ１０８Ｌ及び１０８Ｒによって求められる。

ステップＳ２０３において、第１仮パラメータＶ１が、Ｖ１＜０であるか否かを確認し、Ｖ１＜０であるときにはＶ１←０と設定し（ステップＳ２０４）、負値とならないように制限する。

ステップＳ２０５において、前回の模擬走行速度Ｖ０及び模擬環境を考慮して、模擬走行速度Ｖを求めるための第２仮パラメータＶ２を、Ｖ２←Ｖ０＋Ｋ１＋Ｋ２、として求める。ここで、変数Ｋ１は路面傾斜による加減移動量（ｍ／ｓ）であり、変数Ｋ２は風等の環境因子による加減移動量（ｍ／ｓ）である。

変数Ｋ１及びＫ２は、状況設定部１８０から現在の模擬運転の状況に関するデータとして取得、設定する。例えば、平地で無風走行時を基準として０に設定しておき、坂道であるときにはＫ１←Ｋ１＋ｔ×ｓとして設定する。ここで、変数ｔは坂道の走行時間である。変数ｓは坂の傾斜度合いに応じて絶対値が大きく設定され、その符号は下り坂のときには正値、登り坂のときには負値として設定される。

また、変数Ｋ２は、模擬運転上で想定される風に応じて、無風時には０として設定され、追い風のときには風速に応じて大きい正値として設定され、向かい風のときには風速に応じて絶対値の大きい負値として設定される。

ステップＳ２０６において、第２仮パラメータＶ２が、Ｖ２＜０であるか否かを確認し、Ｖ２＜０であるときにはステップＳ２０７へ移り、Ｖ２≧０であるときにはステップＳ２０８へ移る。

ステップＳ２０７においては、第２仮パラメータＶ２に対してブレーキ操作を考慮して、Ｓ２←Ｓ２＋Ｋｂと加算し、ステップＳ２０９へ移り、一方ステップＳ２０８においては、Ｓ２←Ｓ２−Ｋｂと減算してステップＳ２１０へ移る。

ステップＳ２０９において、第２仮パラメータＶ２が、Ｖ２＜０であるか否かを確認し、Ｖ２＜０であるときにはＶ２←０と設定し（ステップＳ２１１）、負値とならないように制限する。Ｖ２≧０であるときにはステップＳ２１２へ移る。

ステップＳ２１０において、第２仮パラメータＶ２が、Ｖ２＞０であるか否かを確認し、Ｖ２＞０であるときにはＶ２←０と設定し（ステップＳ２１１）、正値とならないように制限する。Ｖ２≧０であるときにはステップＳ２１２へ移る。このステップＳ２１０における比較処理は、登坂や向かい風などの後退時を考慮した処理であり、Ｖ２＞０であるときにＶ２←０と制限することは、後退要因負荷よりも大きいブレーキ操作によって前進するこをを除外するためである。

ステップＳ２１２においては、第１仮パラメータＶ１と第２仮パラメータＶ２とを比較し、Ｓ１≧Ｓ２であるときにはステップＳ２１３において、模擬走行速度Ｖを、Ｖ←Ｓ１と設定し、Ｓ１＜Ｓ２であるときにはステップＳ２１４において、Ｖ←Ｓ２と設定する。すなわち、Ｖ＜０の場合、ペダルの動きとの不整合が起きるため、正値のみを考慮する。

さらに、ステップＳ２１５において、更新された模擬走行速度Ｖを所定の記憶部に記憶し、次回処理時におけるステップＳ２０５における模擬走行速度Ｖ０としての利用に供する。

ところで、所定の模擬走行速度Ｖにおけるフライホイール７４の回転数と、実際の自転車における同じ走行速度での後輪の回転数は必ずしも一致せず、ワンウェイクラッチ７２のノッチ音の周波数は運転者にとって不自然に感じられることがある。これに対して、自転車シミュレーション装置１０においては、差回転数ΔＮに定数Ｋｃを乗算することにより、運転者にとって違和感なく感じられる周波数Ｔが求められる。

さらに、変数Ｋ１、Ｋ２は模擬運転の状況に応じて変化する値であることから、該変数Ｋ１、Ｋ２を用いることによって、周波数Ｔは、ペダルに加える力以外の外力、つまり坂道における重力や風による風圧までも考慮されることになる。求められた周波数Ｔはノッチ音供給制御部１８６ｆに供給し、ノッチ音の発生処理を有効化する。

なお、図７及び図８に示す処理は走行モードにおいて実行されると述べたが、歩行モードにおいて同様の処理を行ってもよい。歩行モードにおいては、回転速度Ｎ１とは無関係にマットスイッチ１６を運転者が足で踏む時間間隔を歩行速度とし、該歩行速度を模擬走行速度Ｖとみなせばよい（模擬速度設定部）。この場合、周波数Ｔは、Ｔ←Ｖ×Ｋｃ／Ａとして求められ（周波数設定部）、音響ドライバ１８６に供給することにより運転者が押し歩きをしている際に発生する比較的低周波数のノッチ音をスピーカ１５から発生させることができる。

次に、ノッチ音を発生させる処理の第１の変形処理について図９を参照しながら説明する。この処理は、前記の図７及び図８に示す処理に置き換え可能である。

図９に示すステップＳ３０１〜Ｓ３０７までの処理は、前記ステップＳ２０５〜Ｓ２１１までの処理と同様の処理である。

ステップＳ３０７の後、ステップＳ３０８において、仮想後輪の回転速度Ｎｘを、Ｎｘ←Ｖ２／Ａ、として求める。

ステップＳ３０９において、第２速度ピックアップ８６から得られる信号に基づいてフライホイール７４の回転速度Ｎ１を求める。

ステップＳ３１０において、フライホイール７４の回転速度Ｎ１と仮想後輪の回転速度Ｎｘとを比較し、Ｎ１＜ＮｘであるときにはステップＳ３１１へ移り、Ｎ１≧ＮｘであるときにはステップＳ３１３へ移る。

ステップＳ３１１においては、差回転数ΔＮを、ΔＮ←Ｎｘ−Ｎ１、として求めるとともに、周波数Ｔを、Ｔ←ΔＮ×Ｋｃとして求める。この後ステップＳ３１２において、前記ステップＳ１０６と同様にノッチ音を発生させる。

一方、ステップＳ３１３においては、前記ステップＳ１０７と同様にノッチ音の発生を停止させる。

このような図９に示す処理によれば、クランク軸６０の回転を検出する第２速度ピックアップ８６が不要になり、構成が簡便になるとともに、制御の処理負荷が軽減される。

次に、ノッチ音を発生させる処理の第２の変形処理について図１０及び図１１を参照しながら説明する。この処理は、前記の図７及び図８に示す処理に置き換え可能である。

この第２の変形処理では、第２速度ピックアップ８６に相当する２つのセンサ８６ａ、８６ｂ（図１１参照）を並列して設け、被検出ロータ８８を検出する順によって、クランク軸６０の正逆回転方向の認識を可能としておき、回転方向を考慮する制御を行う。２つのセンサ８６ａ、８６ｂにより検出される回転方向の符号付き回転速度を前記の符号無し回転速度Ｎ２と区別して、回転速度Ｎ２_Sと表す。

図１０におけるステップＳ４０１〜Ｓ４０８は、前記ステップＳ３０１〜３０８の処理と同様の処理である。

ステップＳ４０８の後、ステップＳ４０９において、センサ８６ａ、８６ｂからクランク軸６０の回転速度Ｎ２_Sを求める。

ステップＳ４１０において、回転速度Ｎ２_Sとギア比Ｒとの乗算値Ｎ２_S×Ｒと、回転速度Ｎｘとを比較し、Ｎ２_S×Ｒ＜ＮｘであるときにはステップＳ４１１へ移り、Ｎ２_S×Ｒ≧ＮｘであるときにはステップＳ４１３へ移る。

ステップＳ４１１においては、差回転数ΔＮを、ΔＮ←Ｎｘ−Ｎ２_S×Ｒ、として求めるとともに、周波数Ｔを、Ｔ←ΔＮ×Ｋｃとして求める。この後ステップＳ４１２において、前記ステップＳ１０６と同様にノッチ音を発生させる。

一方、ステップＳ４１３においては、前記ステップＳ１０７と同様に、ノッチ音の発生を停止させる。

このような図１０に示す処理によれば、クランク軸６０の回転方向を考慮し、一層適切なノッチ音を発生させることができる。

上述したように、自転車シミュレーション装置１０によれば、運転者は、ペダル６４Ｌ、６４Ｒに対する自らの操作、及び状況設定によって発生する重力や風圧等の外力により模擬自転車１２があたかも実際に走行しているような感覚を視覚的に感じることができる。また、このときスピーカ１５からは模擬走行速度Ｖとクランク軸６０の回転に応じたノッチ音が発生することから、運転者は視覚的にも実際に走行している臨場感がえられる。すなわち、無風で平地を走行している際には、ペダル６４Ｒ、６４Ｌの操作速度、すなわちクランク軸６０の回転速度Ｎ２と、フライホイール７４の回転速度Ｎ１とに基づいてノッチ音が発生する。このノッチ音の周波数Ｔは、ワンウェイクラッチ７２が発生する実際のノッチ音の周波数とは異なり、定数Ｋｃを考慮することによりフライホイール７４の回転速度Ｎ１でなく実際の自転車における同条件の後輪回転速度に基づく周波数となり、現実的な音として聞こえる。

この場合、ペダル６４Ｒ、６４Ｌを漕がなければ高周波で「カチカチカチ」という音が発生し、遅く漕ぐと低周波で「カッチ、カッチ、カッチ」という音となる。ペダル６４Ｒ、６４Ｌを速く漕ぎ、ΔＮ＝０となったときにはワンウェイクラッチ７２の内部でラチェット機構が係合して駆動力がフライホイール７４（シミュレーションの想定上は後輪）に有効に伝達される状態となる。この場合は、前記ステップＳ１０９及びＳ１１０に相当し、実際の自転車の場合と同様にノッチ音の発生が停止し、一層臨場感が高まる。ペダル６４Ｌ、６４Ｒの操作を停止したままブレーキレバー１００Ｌを操作した場合には、フライホイール７４の回転数Ｎ１が低下するため、ノッチ音の発生する周波数Ｔは低下し、この場合も実際の自転車と同様となる。

また、坂道における重力や風圧等の外力により模擬走行速度Ｖが変化するように想定されている状況においては、変数Ｋ１、Ｋ２を考慮して周波数Ｔを求めることによりスピーカ１５から発生するノッチ音は想定状況に応じた自然な音となる。したがって、画面１４ａ上に表示される情景の変化速度が模擬走行速度Ｖに対応して変化することにより視覚的に感じられる速度と、スピーカ１５から発生するノッチ音により聴覚的に感じられる速度が一致し、違和感がない。

なお、発生させるノッチ音は、スピーカ１５から発生させる電子的手段に限らず、機械的に発生させてもよい。例えば、図１２に示すように、主制御部１８によって制御されるインバータ３００及びモータ３０２と、該モータ３０２によって回転するワンウェイクラッチ３０４とを設け、インバータ３００による回転数制御により、モータ３０２及びワンウェイクラッチ３０４を所定の速度で回転させるとよい。これにより、スピーカ１５から発生させる電子的な手段と同様の効果が得られるとともに、実際のワンウェイクラッチ３０４が音を発生することにより一層現実的な感覚が得られる。また、音響ドライバ１８６の構成が簡便となる。この場合、インバータ３００及びモータ３０２はカバー７５等の内部に収納し、発生する音を遮音するとよい。この場合、ワンウェイクラッチ３０４が発生する音は現実のノッチ音であるが、本来の後輪から発生する音ではないことからシミュレーションにおいては模擬音である。

本発明に係る自転車シミュレーション装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る自転車シミュレーション装置の斜視図である。 模擬自転車における回転駆動機構部及びその周辺の斜視図である。 模擬自転車におけるフライホイール及びその周辺を斜め上方からみた斜視図である。 模擬自転車の正面図である。 自転車シミュレーション装置の電気的構成部分のブロック図である。 自転車シミュレーション装置を用いて、自転車の模擬運転を行う方法のメインルーチンのフローチャートである。 ノッチ音を発生させる手順を示すフローチャートである。 模擬走行速度を求める手順を示すフローチャートである。 ノッチ音を発生させる手順の第１の変形例に係るフローチャートである。 ノッチ音を発生させる手順の第２の変形例に係るフローチャートである。 クランク軸の回転センサが２つ並列して設けられた回転駆動機構部及びその周辺の斜視図である。 ワンウェイクラッチをモータで回転させてノッチ音を発生させる機構示す図である。

符号の説明

１０…自転車シミュレーション装置 １２…模擬自転車
１４ａ…画面 １８…主制御部
４６…コントローラ ６０…クランク軸
６４Ｌ、６４Ｒ…ペダル ６６…フロントスプロケット
６８…チェーン ７０…リアスプロケット
７２、３０４…ワンウェイクラッチ ７４…フライホイール
７５…カバー ７６…ホイール回転検出部
７８…クランク回転検出部 ８２…第１速度ピックアップ
８６…第２速度ピックアップ １８２…演算処理部（周波数設定部）
１８６…音響ドライバ（模擬音発生部） １８６ｃ…ノッチ音生成部
１８６ｄ…ミキサ １８６ｆ…ノッチ音供給制御部
１９４ａ…ノッチ音データ Ｎ１、Ｎ２…回転速度
ΔＮ…差回転 Ｒ…ギヤ比（回転比）
Ｔ…周波数

Claims (5)

1. クランク軸（６０）に連結され、運転者が漕ぐ左右一対のペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）と、
   前記ペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）を漕ぐことによって連動して回転する回転体（７４）と、
   前記回転体（７４）の回転速度を検出する第１速度検出センサ（７６）と、
   前記クランク軸（６０）の回転速度を検出する第２速度検出センサ（７８）と、
   前記第１速度検出センサ（７６）により検出される前記回転体（７４）の回転速度に基づいて模擬走行速度を求める模擬速度設定部（１８）と、
   前記模擬走行速度に基づいて情景を表示する表示部（１４）と、
   前記第２速度検出センサ（７８）により検出された前記クランク軸（６０）の回転速度に対して所定ギア比を乗算したスプロケット回転数と前記模擬走行速度から得られる仮想後輪回転速度との差に対して係数を乗算して周波数値を求める周波数設定部（１８２）と、
   前記周波数値に基づき模擬音を発生させる模擬音発生部（１８６）と、
   を有することを特徴とする自転車シミュレーション装置（１０）。
2. 請求項１記載の自転車シミュレーション装置（１０）において、
   前記模擬音は、ワンウェイクラッチによって発生するノッチ音を録音したものであることを特徴とする自転車シミュレーション装置（１０）。
3. 請求項１記載の自転車シミュレーション装置（１０）において、
   前記模擬音発生部（１８６）は、前記スプロケット回転数が前記仮想後輪回転速度以上であるときには、前記模擬音の発生を停止することを特徴とする自転車シミュレーション装置（１０）。
4. 請求項１記載の自転車シミュレーション装置（１０）において、
   前記模擬速度設定部（１８）は、想定される模擬運転の状況が坂道であるときには、坂の傾斜度合いに応じて前記模擬走行速度を変化させることを特徴とする自転車シミュレーション装置（１０）。
5. クランク軸（６０）に連結され、運転者が漕ぐ左右一対のペダル（６４Ｌ、６４Ｒ）と、
   前記クランク軸（６０）の回転速度を検出する速度検出センサ（７８）と、
   模擬走行速度を設定する模擬速度設定部（１８）と、
   前記模擬走行速度に対応して変化する情景を表示する表示部（１４）と、
   前記模擬走行速度に基づいて、仮想後輪の回転速度を求め、該求めた前記仮想後輪の回転速度から前記クランク軸（６０）の回転速度の係数倍値を減算した値が正値であるときに、該正値に比例した周波数値を求める周波数設定部（１８２）と、
   前記周波数値に基づき模擬音を発生させる模擬音発生部（１８６）と、
   を有することを特徴とする自転車シミュレーション装置（１０）。

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