JP5639168B2 - 仕事率計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、仕事率計測装置に関する。

近年の健康志向の高まりによって、サイクリングを行う者が増えきている。サイクリングを行う者の中には、適度に趣味として楽しむ者や、トレーニングとして本格的に取り組む者もいる。このようにサイクリングをトレーニングとして行う場合、例えば、自転車の運転者のサイクリングによる消費カロリー、すなわち、運転者が自転車に行う仕事が一つの指標として注目されている。仕事の算出方法は様々あるが、例えば、仕事は、単位時間当たりの仕事である仕事率を積算することで算出することができる。従来、この仕事率を測定する装置は様々存在している（特許文献１参照）。

特開平７−１５１６２０号公報

特許文献１に記載の仕事率を測定する装置（以下、「先行技術」という）は、ペダルに対して行った仕事率を測定する機能を有する。先行技術は、変化するペダルの回転数、自転車の進行方向の加速度、及び、自転車の進行方向からの風速を検出して、運転者の仕事率を算出している。先行技術では、自転車の進行方向からの風速を検出することによって、空気抵抗が当該仕事率に反映されているが、空気抵抗の依存度が高い空気抵抗を受ける部分の前面投影面積が仕事率に反映されていない。この結果、算出される仕事率の精度が低下している。

本発明の目的は、上記の背景を鑑みて、精度の低下を抑える仕事量測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る仕事率計測装置は、自転車に対して行われる仕事の仕事率を計測する仕事率計測装置であって、前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報を入力する入力部と、前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離を測定する距離測定部と、前記自転車の種類に関する情報並びに前記自転車の運転者の身体に関する情報及び前記距離と、少なくとも当該運転者が含まれ、地面に対して移動する移動体の前面投影面積との対応関係を示す対応関係情報を記憶した記憶部と、前記入力部によって入力された前記自転車の種類に関する情報並びに前記自転車の運転者の身体に関する情報及び前記距離測定部によって測定された距離と、前記記憶部に記憶された対応関係情報とに基づいて、前記前面投影面積を算出する前面投影面積算出部と、前記前面投影面積算出部によって算出された前面投影面積に基づいて、前記自転車に対して行われる仕事の仕事率を算出する仕事率算出部と、を備えることを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報を入力させる入力手段と、前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離を測定させる距離測定手段と、前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報並びに前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離と、少なくとも当該運転者が含まれ、地面に対して移動する移動体の前面投影面積との対応関係を示し、所定の記憶部に記憶された対応関係情報と、前記入力手段によって入力された前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報並びに前記距離測定手段によって測定された距離とに基づいて、前記前面投影面積を算出する前面投影面積算出手段と、前記前面投影面積算出手段によって算出された前面投影面積に基づいて、前記自転車に対して行われる仕事の仕事率を算出する仕事率算出手段と、して機能させる。

（ａ）は、仕事率計測装置が取り付けられた自転車の側面図、（ｂ）は図１（ａ）の自転車における仕事率計測装置が取り付けられている部分の拡大図である。 （ａ）は仕事率計測装置の正面図、（ｂ）は仕事率計測装置の背面図、（ｃ）は仕事率計測装置の縦断面図、（ｄ）は図２（ｃ）のＡ−Ａ断面図である。 仕事率計測装置の電気的な構成を示すブロック図である。 （ａ）は、運転者が腕を伸ばして自転車に乗車している様子を表す側面図、（ｂ）は図４（ａ）の正面図である。 （ａ）は、運転者が腕を曲げて自転車に乗車している様子を表す側面図、（ｂ）は図５（ａ）の正面図である。 仕事率計測装置の機能的な構成を示すブロック図である。 仕事率計測処理の動作を表すフローチャートである。 前面投影面積算出処理の動作を表すフローチャートである。 仕事率算出処理の動作を表すフローチャートである。 前面投影面積変換グラフを表す図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明の仕事率計測装置Ｗを兼ねたサイクルコンピュータＳが自転車Ｂに取り付けられている様子を表す外観図である。図２は、サイクルコンピュータＳ、すなわち、仕事率計測装置Ｗの構造的な構成の一例を表す図である。仕事率計測装置Ｗは、自転車Ｂに対する相対的な風速を計測する風速計測装置１、自転車Ｂの運転者の仕事率の他に予め設定された所定の情報を表示する表示装置２、操作によって所定の情報を入力させる入力装置３、所定の外部装置（不図示）と通信可能な通信装置４、所定の情報を測定するセンサー群５、各装置の一部を構成し、各装置の制御を担う制御装置６、これらの装置やセンサー群の一部を収容して一体化させる本体７を具備する。

本体７は、プラスチック等の合成樹脂からなり、略直方体形状を呈している。本体７の一の面には、自転車Ｂに取り付けられるための取付部７Ａが設けられている。取付部７Ａは、プラスチック等の合成樹脂からなり、自転車ＢのハンドルＢ１を掴んだ状態でそのハンドルＢ１に固定される構造を有する。取付部７Ａが設けられている面（以下、「裏面」という）と反対側の面（以下、「表面」という）には、所定の情報が実際に表示される表示装置２の表示部２１、操作可能な入力装置３の入力部３１、及び、センサー群５を構成する測距センサ５２が設けられている。取付部７Ａによって仕事率計測装置Ｗが自転車ＢのハンドルＢ１に取り付けられると、本体７の裏面が地面に臨み、本体７の表面が大気に臨む。よって、運転者は表示装置２の表示部２１及び入力装置３の入力部３１を容易に視認することができる。

なお、本実施の形態では、本体７の表面と裏面とは平行に形成されており、且つ、これらの形状・大きさは同一であり、略楕円状又は対角線の長さが異なる略菱形状を呈している。仕事率計測装置Ｗが適切に自転車ＢのハンドルＢ１に取り付けられた状態では、この面の長軸方向と自転車の移動方向とが一致している。そして、表示部２１と入力部３１とは、この長軸方向に並設されており、仕事率計測装置Ｗが適切に自転車ＢのハンドルＢ１に取り付けられた状態では、表示部２１が自転車Ｂの前方寄りに、入力部が自転車Ｂの後方寄りに位置する。

風速計測装置１は、取付部７Ａと表示部２１及び入力部３１との間に設けられている。風速計測装置１は、風等の空気流を流通させる流通路１１、音波（振動）の音圧を検出する音圧センサー１２、及び、音圧センサー１２の上流側で空気流から音波（振動）を発生させる検出口１３を具備する。

流通路１１は、本体７の長軸方向に本体７を縦断する孔で構成されている。すなわち、流通路１１を構成する孔が、本体７をその一方の端面から他方の端面まで貫通している。そして、自転車Ｂの前方側（進行方向側）の端面に形成されている孔の部分が流通路１１の流入口１１Ａを構成し、他方の後方側（後退方向側）の端面に形成されている孔の部分が流通路１１の流出口１１Ｂを構成する。したがって、自転車Ｂの前方及び後方から自転車Ｂに移動してくる風等の空気流は、流入口１１Ａから流通路１１に流入し、流出口１１Ｂから流出する。

流通路１１は、その中心軸Ｃ１（長さ方向）の周方向全体を本体７に囲まれている。したがって、流入路１１は、自転車Ｂの測方（中心軸Ｃ１に直交する方向）から自転車Ｂに向かって移動してくる風等の空気流から遮蔽される。

流通路１１の中心軸Ｃ１に直交する断面（以下、「流通路１１の断面」と略称する）は略矩形状を呈しており、自転車Ｂの前方側から後方側に向かって徐々に拡大している。すなわち、流入口１１Ａより流出口１１Ｂの方が広い。ただし、本実施の形態では、流通路１１の高さ（表面及び裏面に直交する向きの長さ）は一定であり、流通路１１の幅（表面及び裏面の短軸方向の長さ）のみが、前方側から後方側に向かって拡大している。なお、流通路１１の中心軸は、本体７の表面等に平行である。

なお、第１の実施の形態では、流通路１１の断面は略楕円形状又は略菱形状を呈しているが、流通路１１の断面形状は特に限定されない。また、表面等の短軸方向長さのみが、前方側から後方側に向かって拡大しているが、流通路１１の断面がその方向に拡大していればよく、その拡大の態様は特に限定されない。また、流通路１１の中心軸Ｃ１は、表面等に平行な直線であるが、表面等に傾斜している直線でも、曲線でもよい。

本体７の長軸方向中央部には、音圧センサー１２が設けられている。すなわち、本体７の表面と流通路１１との間に音圧センサー１２が配設されている。音圧センサー１２は、音波の音圧を検出することができるものであれば、その構造、形状は特に限定されない。本実施の形態では、音圧センサー１２として、平板状にパッケージされたＭＥＭＳマイクが用いられている。

また、流通路１１の孔壁から音圧センサー１２の音波を収集する口部分（図示なし、以下、「音口」という）まで検出口１３が形成され、流通路１１と音圧センサー１２の音口とが検出口１３によって連通している。よって、流通路１１に流入した風等の空気流が検出口１３を通過すると、乱流（所謂、「風雑音」）が発生する。この乱流は、検出口１３内を音圧センサー１２に向かって移動するので、音圧センサー１２は、風等の空気流によって発生する乱流を音波（所謂、「風雑音」）として検出する。音圧センサー１２は、検出した音圧を電気信号に変換して、後述する制御装置６に出力する。なお、検出口１３の形状は特に限定されないが、検出口１３が柱状を呈していれば、曲がり損失による音波（振動）の減衰を抑えることができるので、検出口１３は柱状を呈していることが望ましい。

ここで、両端部が開放された出入口を有する中空構造体を大気中に配置した際の、空気流の挙動として、以下のことが実験的に又は経験的に知られている。中空構造体の空洞部の断面が空気流の流れの方向に沿って拡大している場合（以下、「ケース１」という）、空気流の流速が中空構造体の入口で上昇し、出口に向かって減少する。一方、中空構造体の空洞部が空気流の流れの方向に沿って縮小している場合（以下、「ケース２」という）、空気流の流速が中空構造体の入口で減少し、出口に向かって上昇する。

ここで、中空構造体の空洞部の出入口付近であっても、入口直前及び出口直後は大気中であり、同一の大気圧下にある。したがって、ケース１の場合であってもケース２の場合であっても、空気流が中空構造体の空洞部へ流入する直前の風速も、中空構造体の空洞部から流出する直後の風速も同一となり、しかも両風速は同一となる。すなわち、空洞部の断面が、空気流の流れの方向に沿って、拡大するか縮小するかで、空洞部における空気流の流速の傾向が異なる。

この傾向からすれば、例えば、本実施の形態のように、流通路１１の中心線Ｃ１に直交する断面が自転車Ｂの前方側から後方側に向かって拡大する場合、音圧センサー１２の指向性は、相対的に自転車Ｂの後方から自転車Ｂに向かう方向（自転車Ｂの進行方向）より、自転車Ｂの前方から自転車Ｂに向かう方向（後退方向）に強くなる。この理由を以下に説明する。

上記の中空構造体の例では、いずれのケース（ケース１及びケース２）においても、空洞部の出口直後の圧力は大気圧と同一になるので、空洞部における圧力は出口に向かって大気圧に漸近し、出口で大気圧に収束する。よって、出口直前における空気流の流速も同一となる。一方、入口直前の圧力も大気圧と同一であるが、入口直後における空気流の流速は、ケース１の場合、空気流が入口直後で加速されるので、大気中（空洞部の外部）における空気流の流速より速くなり、ケース２の場合、空気流が入口直後で減速されるので、大気中における空気流の流速より遅くなる。

このことを本実施の形態における流通路１１を流れる空気流に適用すると、流入口１１Ａの方が流出口１１Ｂより狭いことから、同一の流速で自転車Ｂに向かって移動する空気流の検出口１３での流速を比較すると、自転車Ｂの前方から流通路１１に流入する空気流の方が速い。よって、音圧センサー１２の指向性は、自転車Ｂの前方から自転車Ｂに向かう方向に強い。

なお、風速計測装置１は、音圧センサー１２によって検出された音圧に基づいて風速を計測する。後述するように、風速の計測は、ＣＰＵ６１やメモリ６２が搭載された基板で構成される制御装置６が行う。この制御装置６は、本体７の内部に収容されており（図示せず）、音圧センサー１２と所定のケーブルで電気的に接続されている。また、本実施の形態では、表示部２１及び入力部３１も制御装置６に電気的に接続されており、制御装置６は、所定の表示制御及び入力制御も行う。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る仕事率計測装置Ｗの電気的な構成を示すブロック図である。

表示装置２は、予め設定された又は選択された情報が表示される表示部２１と、後述するＣＰＵ６１の指示により表示部２１における表示の制御を行う表示制御回路２２とを具備する。なお、表示部２１と表示制御回路２２とは、所定のバスによって電気的に接続されている。また、本実施の形態では、表示部２１は液晶パネルで構成されている。

入力装置３は、所定の情報を入力するための操作が可能であり、所定の入力信号を出力する入力部３１と、入力部３１からの入力信号に基づいて入力制御を行い、入力情報を示す入力情報信号を出力する入力制御回路３２とを具備する。なお、入力部３１と入力制御回路３２とは、所定のバスによって電気的に接続されている。また、本実施の形態では、入力部３１は十字キーとボタンとが一体化された複合的な構造を有する。入力部３１の操作によって、センサー群５による所定の情報の測定や制御装置６による仕事率の計測の開始の指示／終了の指示、ユーザＩＤ、当該ユーザの身体に関する情報、自転車に関する情報等の所定の条件を示すデータが入力される。入力部３１が操作されると、入力部３１から操作態様に対応する入力信号が入力制御回路に送られ、そこから入力情報を示す入力情報信号が制御装置６に出力される。なお、本実施の形態では、入力部３１は、本体７の表面の短軸方向に３つ並設されたボタンで構成されているが、その構成として、ボタン以外に十字キー、トラックボールやジョイスティック等のポインティングデバイスとすることも可能である。また、入力部３１の構造をタッチパネルにして、表示部２１と一体化することも可能である。

通信装置４は、携帯電話等の移動端末や自宅に設置されたパーソナルコンピュータ等の固定端末といった外部装置（図示せず）との間で各種データを送受信するための通信インターフェイス（Ｉ／Ｆ）４１と、後述するＣＰＵ６１の指示により通信インターフェイス４１の制御を行う通信制御回路４２とを具備する。通信インターフェイス４１と通信制御回路４２とは所定のバスによって電気的に接続されている。通信制御回路４２は、ＣＰＵ６１からの指示に応じて、メモリ６２に記憶されている各種データ等を通信インターフェイス４１を介して所定の外部装置（不図示）に出力し、又、所定の外部装置からのデータを通信インターフェイス４１を介して入力させる。なお、通信インターフェイス４１は、無線通信方式である場合、各種アンテナで実現され、有線通信方式である場合、ＬＡＮケーブル等に接続する端子で実現される。

図３に示すように、仕事率計測装置Ｗのセンサー群５は、速度センサー５１、測距センサー５２、傾斜センサー５３、気圧センサー５４、温度センサー５５、湿度センサー５６、及び、ＧＰＳセンサー５７からなる。各センサーは、それぞれの使用に応じて、仕事率計測装置Ｗの本体７の内部或いは外部に適宜に取り付けられている。また、各センサーは、無線通信方式又は有線通信方式によって制御装置６に搭載されているＡ／Ｄ変換器やシリアルＩ／Ｆに電気的に接続されている。センサー５１〜センサー５６は、測定値を電気信号に変換して出力し、ＧＰＳセンサー５７は、衛星から送信される信号を受信し、制御装置６に送信する。

速度センサー５１は、自転車Ｂの絶対的な速度を測定する装置である。速度センサー５１は、例えば、自転車Ｂの車輪のスポーク等に固定されたマグネットと、チェーンステー等に装着されたマグネット検出器からなり、マグネット検出器が単位時間当たりにマグネットを検出する回数を測定して、測定値を電気信号に変換した速度データを制御装置６に出力する。そして、制御装置６のＣＰＵ６１がこの回数にタイヤの外周を乗算して、自転車Ｂの速度を算出する。

測距センサー５２は、赤外線を発光し、検出対象に反射した当該赤外線を受光することによって、測距センサー５２から検知対象までの距離を測定する。測距センサー５２は、本体７の表面の表示部２１より前方側で、赤外線が自転車Ｂの後方側に上昇して傾斜する向きに発光されるように設置されている。ここで、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、測距センサー５２から発光される赤外線の向きは一定であり、測距センサー５２は運転者がどのような姿勢をとっていても赤外線が運転者の可動部分（例えば、頭や胸）を向くように設置されている。

傾斜センサー５３は、自転車Ｂの水平線に対する傾斜角度（°）を検出し、その測定値を勾配（％）に変換する。制御装置６は、例えば自転車Ｂが一定時間で走行した経路の平均勾配を算出する。気圧センサー５４は、自転車Ｂの周囲の大気圧を測定する。制御装置６は、気圧センサー５４によって測定された気圧から自転車Ｂが位置する標高を算出する。温度センサー５５は、自転車Ｂの周りの気温（例えば、停止している位置での気温や走行中の気温等）を測定する。湿度センサー５６は、自転車Ｂの周りの湿度（例えば、停止している位置での湿度や走行中の湿度等）を測定する。

ＧＰＳセンサー５７は、ＧＰＳ用チップアンテナ（図示せず）で構成されており、衛星等による所定の測位システムに組み込まれることで、当該自転車Ｂの位置情報と同時に現在の時刻が取得される。ＧＰＳセンサー５７は、衛星から送信される信号を受信して、制御装置６に送信する。

なお、これらのセンサー群５の構成は一例である。したがって、あるセンサーによって取得するデータは、最終的に取得されればよいので、他のセンサーによって測定された測定値から算出して取得されるようにすることもできる。例えば、傾斜センサー５３を用いずに、ＧＰＳセンサー５７等で一定時間における移動距離を算出し、気圧センサー５４で算出した高度情報から移動に要した一定時間における高度差を算出して、距離と高度差（標高差）から所定区間における傾斜の平均値を算出するようにすることも可能である。また、気圧センサー５４に代えてＧＰＳセンサー５７で標高に関する情報を取得したり、地図情報としての高度情報を有する３次元地図情報を使用してもよい。

制御装置６は、制御を司るＣＰＵ６１、様々な情報を示すデータを記憶するメモリ６２、各種センサーから出力されるアナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換するＡ／Ｄ変換器やシリアルＩ／Ｆの集まりであるＩ／Ｆ６３、現在時刻を刻み続けるＲＴＣ６４、及び、水晶振動子を具備し、後述するタイマー割込処理を行うための合図として機能する発振回路６５を有する。なお、制御装置６はバスを介して、表示制御回路２２、入力制御回路３２、及び、通信制御回路４２に接続されている。

メモリ６２は、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ等の内部記憶装置、又は、ＵＳＢメモリ、フラッシュメモリカード等の不揮発性外部メモリ等で実現される。メモリ６２には、仕事率計測装置Ｗのセンサー群５によって取得された情報や、ＣＰＵ６１によって演算された演算結果等が一時的又は永続的に記憶される。また、仕事率計測装置Ｗでは、メモリ６２のＲＯＭ等で地図情報等の付加情報を記憶しておき、取得・演算等されたデータと関連付けて自転車用地図を作成し、表示部２１に表示することができる。

図３に示すバンドパスフィルタ１４は、風速計測装置１を構成しており、音圧センサー１２とそれに対応するＡ／Ｄ変換器との間に介在している。本実施の形態では、バンドパスフィルタ１４は、オペアンプによるバンドパスフィルタとなっており、１〜４ｋＨｚの周波数帯域成分のみを通す。一般的に、自動車やバイクのエンジンから発生する音波（走行によって発生する音波）の周波数は１ｋＨｚ以下に分布し、セミの鳴き声等の虫の声の周波数は４ｋＨｚ以上に分布している。このように、自動車等のエンジン音や虫の声は、音圧センサー１２によって検出されたとしても、バンドパスフィルタ１４によって除去される。

図６は、本発明の第１の実施の形態に係る仕事率計測装置Ｗの制御的な（又は、機能的な）構成を示すブロック図である。仕事率計測装置Ｗは、走行情報取得部Ｗ１１、運転者・自転車情報取得部Ｗ１２、並びに、環境情報取得部Ｗ１３からなる情報取得部Ｗ１、風速算出部Ｗ２１並びに前面投影面積算出部Ｗ２２からなる変数算出部Ｗ２、仕事率算出部Ｗ３、及び、表示出力部Ｗ４１並びに通信出力部Ｗ４２からなる出力部Ｗ４を有する。

走行情報取得部Ｗ１１は、自転車の走行に関する情報のデータ（以下、「走行情報データ」という）を取得する機能を有する。走行情報取得部Ｗ１は、音圧センサー１２、速度センサー５１、及び、ＧＰＳセンサー５７等の自転車Ｂの走行情報を測定するセンサー、及び、これらのセンサーによって取得された走行情報データと予めメモリ６２に記憶されている所定のデータとに基づいて走行情報を算出・記憶する制御装置６等によって構成される。なお、メモリ６２に記憶されている所定のデータは、予めＲＯＭに記憶されているデータや入力装置３又は通信装置４によって取得されてＲＡＭに記憶されているデータで構成される。

運転者・自転車情報取得部Ｗ１２は、運転者の身体及び自転車の車体に関する情報のデータ（以下、「運転者等情報データ」という）を取得する機能を有する。運転者・自転車情報取得部Ｗ１２は、例えば、入力部３１の操作によって入力された運転者等情報データを入力情報信号として出力する入力装置３と、入力部３１の操作によって選択される入力の項目を認識し、入力装置３から受け取る運転者等情報データを、その認識している入力項目に関連付けて記憶する制御装置６とで構成される。また、自転車Ｂと運転者との関係である双方間の距離ｌを測定する測距センサー５２も運転者・自転車情報取得部Ｗ１２を構成する。

環境情報取得部Ｗ１３は、自然環境や地理的環境等の自転車Ｂを取り巻く環境に関する情報のデータ（以下、「環境情報データ」という）を取得する機能を有する。センサー群５の傾斜センサー５３、気圧センサー５４、温度センサー５５、並びに、湿度センサー５６の環境情報を測定するセンサーで構成される。

風速算出部Ｗ２１は、走行情報取得部Ｗ１１によって取得された音圧を示すデータ（以下、「音圧データ」という）から、音圧の実効値を算出し、所定の変換式によって音圧の実効値から自転車Ｂに対する相対的な風速を算出する。なお、風速算出部Ｗ２１は、制御装置６によって構成されている。

前面投影面積算出部Ｓ２２は、運転者・自転車情報取得部Ｗ１２によって取得された距離ｌを示す距離データ、運転者の身長データ、自転車Ｂの種類データ、及び、後述するＲＯＭに格納されている当該距離ｌと前面投影面積Ａとの関係式に基づいて、運転者の姿勢に起因する運転者と自転車Ｂとが一体化された移動体（以下、「移動体」という）の前面投影面積Ａを算出する。移動体の前面投影面積Ａとは、図４及び図５に示すように、移動体の鉛直面に投影される面積のことである。この面積によって、相対的に自転車Ｂの前方から自転車Ｂに向かって移動する空気流に抵抗するための仕事率が異なる。すなわち、前面投影面積Ａが大きくなるにつれて、その相対的な空気流に抵抗するための仕事率が大きくなる。なお、前面投影面積算出部Ｗ２２は、制御装置６によって構成されている。

仕事率算出部Ｗ３は、風速算出部Ｗ２１によって算出された自転車Ｂに対する相対的な風速のデータ（以下、「風速データ」という）、前面投影面積算出部Ｗ２２によって算出された前面投影面積のデータ（以下、「前面投影面積データ」という）等を用いて空気抵抗仕事率を算出し、環境情報取得部Ｗ１３によって取得された地面の勾配を示す勾配データ等を用いて勾配抵抗仕事率を算出し、走行情報取得部Ｗ１１によって取得された自転車Ｂの速度を示す速度データ等を用いて転がり抵抗仕事率を算出する。そして、仕事率算出部Ｗ３は、これらの仕事率を積算して、運転者の全体的な仕事率を算出する。なお、仕事率算出部Ｗ３は制御装置６によって構成される。

表示出力部Ｗ４１は、所定の測定値や算出値、又は入力部３１の操作内容を表示する機能を有し、表示装置２で構成される。一方、通信出力部Ｗ４２は、外部装置（図示せず）に所定のデータの送信する機能を有し、通信装置４等で構成される。通信出力部Ｗ４２は、例えば、アンテナを具備し、アンテナを介して所定の外部装置にデータを送信し、又、ケーブル用の端子を具備し、ケーブルを介して所定の外部装置にデータを送信するようにしてもよい。さらに、通信出力部Ｗ４２は、ＵＳＢメモリ用の端子を具備し、ＵＳＢメモリを介して外部装置にデータを送信するようにすることもできる。

次に、図７〜図１０を用いて、仕事率計測装置Ｗが取り付けられた自転車Ｂの運転者の仕事率を計測する処理について説明する。

仕事率計測装置Ｗの入力部３１に設けられているＯＮ／ＯＦＦキー（図示せず）によって、仕事率計測装置Ｗの電源がＯＮされると、制御装置６によって図７に示すフローチャートに基づく処理が開始される。

まず、ステップＳ１００において、ＣＰＵ６１は、運転者の身長・体重、自転車の種類・重量、タイヤの種類並びに空気圧等の予め定められた所定の情報に関するデータが入力されると、メモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶する。そして、入力部３１に設けられている計測開始キー（図示せず）が適切に操作されると、ＣＰＵ６１は、計測開始と判断し、ステップＳ２００に処理を移す。

ステップＳ２００において、ＣＰＵ６１は、各種データを取得する。すなわち、ＣＰＵ６１は、各センサーから出力された各種測定データをメモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶する。例えば、ＣＰＵ６１は、速度センサー５１が出力した自転車Ｂの速度を示す速度データ、測距センサ５２が出力した距離ｌを示す距離データ、傾斜センサー５３が出力した地面の勾配を示す勾配データ、及び、音圧センサー１２が出力した音圧を示す音圧データをサンプリングし、各データが示す測定値の実効値を算出し、メモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶する。つまり、仕事率計測装置Ｗは、自転車Ｂの速度の実効値を示す速度実効値データ、距離ｌの実効値を示す距離実効値データ、地面の勾配の実効値を示す勾配実効値データ及び検出口１３によって発生した音波の音圧の実効値を示す音圧実効値データを取得する。なお、必要に応じて、センサーによって取得された測定データとステップＳ１００によって取得した条件データとから所定の情報を算出してメモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶するようにしてもよい。

ステップＳ３００において、ＣＰＵ６１は、相対的に自転車Ｂの前方から自転車Ｂに移動してくる空気流（相対的な風）の流速（相対的な風速）を算出する。すなわち、ＣＰＵ６１は、例えば、メモリ６２のＲＯＭに予め格納され、音圧の実効値と自転車Ｂに対する相対的な風速とが関連付けられた所定の変換式及びメモリ６２に記憶された音圧実効値データに基づいて、音圧の実効値を自転車Ｂに対する相対的な風速に変換し、記憶する。

ステップＳ４００において、ＣＰＵ６１は、自転車Ｂの運転者と自転車Ｂの前面投影面積Ａを算出する。ここで、当該前面投影面積算出処理について図８及び図１０を用いて説明する。ＣＰＵ６１は、まず、ステップＳ４０１において、ステップＳ１００において取得した、運転者の身長データ及び自転車の種類データから前面投影面積変換グラフを選択する。前面投影面積変換グラフとは、測距センサ５２から運転者までの距離ｌと移動体の前面投影面積Ａとが対応付けられたグラフのことであり、運転者の身長と自転車の種類との組み合わせ毎に設定されている。これは、運転者が同一であっても、自転車の種類によって乗車時の姿勢態様が異なるからである。また、自転車が同一であっても、基本的には身長によって前面投影面積が異なるからである。

例えば、図１０に示すように、自転車の種類として、ロードレーサータイプ、クロスバイクタイプ及びタイムトライアルタイプが設定されている。そして、ロードレーサータイプ用のグラフは、さらに、身長１６０ｃｍ用グラフ、身長１７０ｃｍ用グラフ、及び、身長１８０ｃｍグラフに分けられている。なお、自転車の種類と身長の種類及びこれらの組み合わせ方は、本実施の形態に限定されない。

また、図１０に示すように、クロスバイクタイプ及びタイムトライアルタイプについて、距離ｌの設定範囲がロードレーサータイプに比べて狭く、一部欠落しているのは、これらのタイプにおいては運転者の姿勢はほとんど一定であるからである。すなわち、クロスバイクタイプの自転車の運転者が図５のような前傾姿勢になることはほとんど無く、一方、タイムトライアルタイプの自転車の運転者が図４のような略直立姿勢になることはほとんどない。しかしながら、これらのタイプの自転車についても距離ｌの設定範囲をロードレーサータイプの自転車の距離ｌの設定範囲と同一にすることも可能である。

なお、身長データの入力方法として、身長を直接入力する方法でも、予め設定されている身長を選択する方法でもよい。また、グラフの選択方法として、身長を直接入力する方法の場合、ＣＰＵ６１は、入力された身長に最も近い身長用のグラフを選択する。また、予め設定されている身長を選択する方法の場合、その設定されている身長と、グラフに設定されている身長とを同一にすれば、身長を入力した時点でグラフも選択したこととなる。

ＣＰＵ６１は、ステップＳ４０２において、メモリ６２に記憶されている距離実効値データを確認する。そして、ＣＰＵ６１は、ステップＳ４０３において、ステップＳ４０１で選択したグラフとステップＳ４０２で確認した距離実効値とから前面投影面積Ａを算出し、ステップＳ４０４において、前面投影面積Ａを示す前面投影面積データをメモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶し、当該前面投影面積算出処理を終了する。なお、前面投影面積Ａを算出するために、グラフではなくて、グラフに相当する変換式を用いることも可能である。

ステップＳ５００において、ＣＰＵ６１は、運転者の仕事率を算出する。ここで、当該処理について図１０を用いて説明する。ＣＰＵ６１は、まず、ステップＳ５０１において、空気抵抗に対する運転者の仕事率（以下、「空気抵抗仕事率」という）Ｗａを計算する。空気抵抗仕事率Ｗａは、予めメモリ６２のＲＯＭに格納されており、次式（１）で表される。

（式１）
空気抵抗仕事率Ｗａ＝０．５×ρ（ｋｇ／（ｍ＾３））×Ｃｄ×Ａ（ｍ＾２）×（Ｖｗ（（ｍ／ｓ））＾３

ここで、ρは大気密度を表し、大気密度を示す大気密度データは予めメモリ６２のＲＯＭの所定領域に格納されおり、例えば「１．２２６」に設定されている。Ｃｄは空気抵抗係数を表している。空気抵抗係数を示す空気抵抗係数データは予めメモリ６２のＲＯＭの所定領域に格納されており、例えば「０．７」に設定されている。Ｖｗは相対的な風速を表しており、相対的な風速を表す風速データはステップＳ３００において算出されてメモリ６２のＲＡＭに記憶されている。また、Ａは前面投影面積を表しており、前面投影面積を表す前面投影面積データは、ステップＳ４００において算出されてメモリ６２のＲＡＭに記憶されている。このように、空気抵抗仕事率Ｗａの計算式（１）を構成する係数及び変数はデータとしてメモリ６２に記憶されており、ＣＰＵ６１がこれらのデータを式（１）に当て嵌めて空気抵抗仕事率Ｗａを計算し、メモリ６２のＲＡＭに記憶する。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ５０２において、勾配抵抗に対する運転者の仕事率（以下、「勾配抵抗仕事率」という）Ｗｓを計算する。勾配抵抗仕事率Ｗｓの計算式は、予めメモリ６２のＲＯＭに格納されており、次式（２）で表される。

（式２）
勾配抵抗仕事率Ｗｓ＝ｍ（ｋｇ）×ｇ（ｍ／（ｓ＾２））×ｓｉｎ（ａｒｃｔａｎ（θ（％）／１００））×Ｖｂ（ｍ／ｓ）

ここで、ｍは運転者の質量と自転車Ｂの質量との合計を表し、それぞれステップＳ１００において入力部３１の操作によってメモリ６２のＲＡＭに記憶されている。ｇは重力加速度を表し、予めメモリ６２のＲＯＭに格納されている。重力加速度は例えば「９．８」に設定される。θは地面の勾配を表し、ステップＳ２００において測定されてメモリ６２のＲＡＭに記憶されている。また、Ｖｂは自転車Ｂの速度を表しており、ステップＳ２００において取得されてメモリ６２のＲＡＭに記憶されている。このように、勾配抵抗仕事率Ｗｓの計算式（２）を構成する係数及び変数はデータとしてメモリ６２に記憶されており、ＣＰＵ６１がこれらのデータを式（２）に当て嵌めて勾配抵抗仕事率Ｗｓを計算し、メモリ６２のＲＡＭに記憶する。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ５０３において、転がり抵抗に対する運転者の仕事率（以下、「転がり抵抗仕事率」という）Ｗｒを計算する。転がり抵抗仕事率Ｗｒの計算式は、予めメモリ６２のＲＯＭに格納されており、次式（３）で表される。

（式３）
転がり抵抗仕事率Ｗｒ＝ｍ（ｋｇ）×ｇ（（ｍ／（ｓ＾２））×転がり抵抗係数Ｃｒｒ×Ｖｂ（ｍ／ｓ）

ここで、Ｃｒｒは転がり抵抗係数を表し、予め設定されてメモリ６２のＲＯＭに格納されており、ｍ、ｇ及びＶｂについては上述した通りである。このように、転がり抵抗仕事率の計算式（３）を構成する係数及び変数はデータとしてメモリ６２に記憶されており、ＣＰＵ６１がこれらのデータを式（３）に当て嵌めて転がり抵抗仕事率を計算し、メモリ６２のＲＡＭに記憶する。

ＣＰＵ６１は、ステップＳ５０４において、ステップＳ５０１〜ステップＳ５０３で算出した仕事率を積算して、運転者の仕事率の合計Ｗを算出し、ステップＳ５０５において、当該仕事率の合計Ｗを示す仕事率データをメモリ６２のＲＡＭの所定領域に記憶し、当該仕事率算出処理を終了する。

ＣＰＵ６１は、メイン処理のステップＳ６００において所定のデータの出力処理を行う。すなわち、ＣＰＵ６１は、予め定められた所定のデータ（例えば、仕事率データ、速度データ及び移動距離データ）を表示装置２に出力し、表示部２１に仕事率、自転車Ｂの速度及び移動距離を表示させる。なお、出力の対象は、表示装置２に限定されない。例えば、予め設定された所定のデータを通信装置４に中継させて、例えば、自宅に設置されたＰＣ等の外部装置に出力するようにしても良い。

ＣＰＵ６１は、ステップＳ７００において当該仕事率の計測処理を終了するか否かを判定する。すなわち、例えば、当該計測の終了を指示する計測終了信号が、入力部３１から出力されたか否かを判定する。ＣＰＵ６１は、ステップＳ７００において「Ｙｅｓ」と判定すると当該仕事率算出処理を終了し、「Ｎｏ」と判定するとステップＳ２００に処理を戻し、ステップＳ２００〜ステップＳ７００を繰り返す。

以上のように、仕事率計測装置Ｗは、自転車Ｂの運転者に対する仕事率の構成要素となる、移動体の前面投影面積の変化を仕事率に反映しているので、算出値である仕事率の精度の低下を抑えることができる。また、仕事率計測装置Ｗは、自転車の種類・自転車の状態や運転者の身長等の身体情報を仕事率に反映しているので、さらに仕事率の精度の低下を抑えることができる。

（その他の実施の形態）
第１の実施の形態では、姿勢が大きく変化し得る運転者が含まれる移動体の前面投影面積Ａを算出するにあたり、ハンドルＢ１に取り付けられた測距センサー５２と運転者との距離を測定しているが、前面投影面積Ａを算出する方法はこれに限られない。例えば、ハンドルを握る手の位置、肘の角度、ヘルメットの角度、サドルの高さ、ペダルの位置等を測定するようにしてもよい。このように、運転者の姿勢、すなわち、前面投影面積Ａを変化させる構成要素を測定し、前面投影面積Ａの精度を向上させることで、運転者の仕事率の算出の精度も向上させることができる。例えば、ペダルの位置を測定すると運転者の脚の前面投影面積の変化を測定すると共に、自転車Ｂのペダルの前面投影面積の変化を測定することができる。また、測距センサー５２による測定がエラーとなる場合、すなわち、赤外線が運転者に反射していないと推測できる場合、運転者がペダルに立っていると判断して、前面投影面積Ａを同一条件下における最大値にしてもよい。なお、第１の実施の形態では、自転車Ｂ及び運転者が移動体を構成しているが、移動体を構成するのは自転車Ｂ又は運転者のいずれか一方のみでも良い。しかしながら、移動体が双方で構成される方が空気抵抗仕事率Ｗａ及び仕事率Ｗの精度が向上するので、移動体が自転車Ｂ及び運転者で構成される方が望ましい。

また、第１の実施の形態では、空気密度ρを１．２９３と一定にして空気抵抗仕事率Ｗａを算出しているが、気温及び大気圧から大気密度を算出するようにしても良い。これにより、空気抵抗仕事率の精度が向上する。なおこの場合の大気密度ρの計算式は例えば次式（４）で表される。
（式４）
大気密度ρ（ｍ）＝１．２９３×大気圧÷１０１３×（１＋（気温／２７３））

さらに、第１の実施の形態では、空気抵抗係数Ｃｄを０．７と一定にして空気抵抗仕事率Ｗａを算出しているが、服装の種類や湿度から空気抵抗係数Ｃｄを算出するようにしても良い。これは、服の素材や湿度に応じて大気と運転者との間の摩擦抵抗係数が変化するからである。この場合、例えば、ステップＳ１００の条件データ入力処理において、入力部３１の操作によって選択形式で服の素材を入力させるようにすることができる。なお、湿度は湿度センサー５６によって測定されている。このように、大気と運転者との間の摩擦抵抗係数を算出することで、空気抵抗仕事率Ｗａの精度、すなわち、運転者の仕事率Ｗの合計Ｗの精度をさらに向上させることができる。

また、第１の実施の形態では、風速算出部Ｗ２１、前面投影面積算出部Ｗ２２及び仕事率算出部Ｗ３は、本体７に収容されているが、例えば、携帯電話等の移動端末や自宅に設置されている固定端末等に収容されていてもよい。すなわち、風速算出部Ｗ２１、前面投影面積算出部Ｗ２２及び仕事率算出部Ｗ３が移動端末等のＲＯＭに格納されているアプリケーションソフトウェアで構成されるようにすることもできる。この場合、例えば、仕事率Ｗの算出に必要なデータを測定するセンサー群５をユニット化（以下、ユニット化されたセンサー群を「センサーユニット」という）して、自転車Ｂに取り付ける。そして、センサーユニットの各センサーによって測定された測定値が電気信号に変換された測定データが即時に移動端末等に送信され、移動端末等が相対的な風速、前面投影面積、転がり抵抗係数及び仕事率を算出する。この場合、センサーユニットにＲＡＭやＲＯＭ等のメモリが搭載され、測定データをメモリに保存できるようにしてもよい。

また、風速算出部Ｗ２１、前面投影面積算出部Ｗ２２及び仕事率算出部Ｗ３が固定端末等に接続されたサーバに搭載され、サーバが仕事率を算出するようにしてもよい。なお、風速算出部Ｗ２１、前面投影面積算出部Ｗ２２及び仕事率算出部Ｗ３は、前面投影面積Ａ及び仕事率Ｗをコンピュータに算出させるプログラムが記憶された記憶媒体からインストールするようにしても、そのプログラムをインターネット上からダウンロードするようにしてもよい。

第１の実施の形態では、仕事率計測装置Ｗは、自転車Ｂに取り付けられ、サイクリングにおいて利用されているが、仕事率計測装置Ｗの利用対象はサイクリングに限られない。例えば、仕事率計測装置Ｗを利用者本人に取り付け、ランニングやスキー・スケートにおいても利用することができる。ランニングの場合、着地する際に検出目的外となる音波が周期的に発生するが、加速度センサーや衝撃センサーで着地タイミングを検出し、その着地タイミングにおいて検出された音圧データ（不要成分）を除去することで、精度よく仕事率を算出することができる。一方、スキーやスケートの場合、進行方向を変更させる際に検出目的外となる音波が発生するが、進行方向の変化を加速度センサーで検出することができるので、進行方向が変化するときの加速度データ（不要成分）を除去することで、精度よく仕事率を算出することができる。

また、前面投影面積の算出方法として、第１の実施の形態のように、測距センサーと運転者との距離から前面投影面積を算出するのではなく、画像処理によって前面投影面積を算出するようにしてもよい。例えば、自転車に取り付けられたデジタルカメラで運転者を撮影し、その撮影によって取得された画像データに基づいて、運転者の画像上の面積を介して運転者の前面投影面積を算出することができる。なお、この場合、デジタルカメラを、上述したセンサーユニットに組み込むことができる。

１ 風速検出装置
２ 表示装置
３ 入力装置
４ 通信装置
５ センサー群
６ 制御装置
７ 本体
１１Ａ 流入口
１１Ｂ 流出口
１２ 音圧センサー
１３ 検出口
２１ 表示部
２２ 表示制御回路
３１ 入力部
３２ 入力制御回路
４１ 通信インターフェイス
４２ 通信制御回路
６１ ＣＰＵ
６２ メモリ
６３ Ａ／Ｄ変換器群
６４ ＲＴＣ
６５ 発振回路
Ｂ 自転車
Ｂ１ ハンドル
Ｗ 仕事率計測装置
Ｗ１ 情報取得部
Ｗ２ 変数算出部
Ｗ３ 仕事率算出部
Ｗ４ 出力部
Ｗ１１ 走行情報取得部
Ｗ１２ 運転者・自転車情報取得部
Ｗ１３ 環境情報取得部
Ｗ２１ 風速算出部
Ｗ２２ 前面投影面積算出部
Ｗ４１ 表示出力部
Ｗ４２ 通信出力部

Claims (3)

1. 自転車に対して行われる仕事の仕事率を計測する仕事率計測装置であって、
   前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報を入力する入力部と、
   前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離を測定する距離測定部と、
   前記自転車の種類に関する情報並びに前記自転車の運転者の身体に関する情報及び前記距離と、少なくとも当該運転者が含まれ、地面に対して移動する移動体の前面投影面積との対応関係を示す対応関係情報を記憶した記憶部と、
   前記入力部によって入力された前記自転車の種類に関する情報並びに前記自転車の運転者の身体に関する情報及び前記距離測定部によって測定された距離と、前記記憶部に記憶された対応関係情報とに基づいて、前記前面投影面積を算出する前面投影面積算出部と、
   前記前面投影面積算出部によって算出された前面投影面積に基づいて、前記自転車に対して行われる仕事の仕事率を算出する仕事率算出部と、を備えることを特徴とする仕事率計測装置。
2. コンピュータを、
   前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報を入力させる入力手段と、
   前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離を測定させる距離測定手段と、
   前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報並びに前記自転車の所定位置から前記運転者までの距離と、少なくとも当該運転者が含まれ、地面に対して移動する移動体の前面投影面積との対応関係を示し、所定の記憶部に記憶された対応関係情報と、前記入力手段によって入力された前記自転車の種類に関する情報及び前記自転車の運転者の身体に関する情報並びに前記距離測定手段によって測定された距離とに基づいて、前記前面投影面積を算出する前面投影面積算出手段と、
   前記前面投影面積算出手段によって算出された前面投影面積に基づいて、前記自転車に対して行われる仕事の仕事率を算出する仕事率算出手段と、して機能させるためのプログラム。
3. 請求項２に記載のプログラムを記録した、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。

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