KR20080056728A - 이동하는 운송 수단에 대항하는 전체 힘 측정 장치 및 그이용 방법 - Google Patents

Abstract

순간 정압력 및 동압력, 운송 수단 예컨대 자전거의 속력 및 가속도를 측정하는 센서의 집합을 포함하는 장치가 개시된다. 마이크로프로세서는 센서로부터 데이터를 수신하고 탑승자에 의해 소모된 파워 또는 다른 파워 소스를 운송 수단 및 탑승자에 작용하는 전체 힘을 구함으로써 계산한다. 임의의 실시예에서 정확도는 캘리브레이션 기술, 데이터의 사용자 입력, 또는 특정 요소의 기온 보상에 의해 향상된다. 다른 데이터, 예컨대 풍속, 이동 거리, 고도, 또는 표면 등급은 사용자에게 제시될 수 있다. 일 실시예에서 데이터는 추후 분석을 위해 저장된다.

Description

이동하는 운송 수단에 대항하는 전체 힘 측정 장치 및 그 이용 방법{Apparatus for measuring total force in opposition to a moving vehicle and method of using}

이 출원은 U.S. 출원 일련 번호 11/234,330의 37 CFR 1.53(b)에 근거한 CIP 출원이며, 2005년 9월 23일에 Glen B. Cunningham에 의해 출원되었으며, 명칭은 "이동하는 운송 수단에 대항하는 전체 힘 측정 장치 및 그 이용 방법"이고 법에 의해 허용된 범위에서 우선권을 향유한다.

인력에 의한 운송 수단, 예컨대 자전거는 대개 단순한 속도계에서 거리, 평균 속력, 순간 속력 등과 같은 데이터를 보고하는 정교한 컴퓨터에 이르기까지 성능 표시기를 구비한다. 대부분은 바퀴 속도 및 회전 수로부터 도출된 데이터의 단순한 처리에 의존한다. GPS 제품은 근사적인 고도, 위치, 내비게이션, 심지어 추적 표시까지 기능을 추가해왔다. 어떤 제품, 예컨대 심전도 모니터는 인력에 의한 운송 수단의 성능 또는 상태를 보고한다.

성능 표시, 예컨대 파워 생성량 및 총 에너지 소모량을 측정하는 것 역시 요구된다. 운동 선수의 훈련이 더욱더 정교해져 감에 따라, 몇몇 훈련은 통상적으로 크거나 고정된 장비가 사용된, 통제된 조건 하에서 실내에서 수행된다. 그러나 많 은 운동 선수 및 트레이너는 성능을 실시간으로 실제 조건 하에서 모니터하기를 원한다. 어떤 제품은 페달 토크, 동력 출력 및 소모된 에너지를 탑승자가 운송 수단을 전방으로 운전하기 위해 작용한 힘의 직접 또는 간접 측정으로써 측정한다. 예를 들면 작용된 힘 및 속도를 측정하기 위해 크랭크 메커니즘 또는 바퀴 허브에 설치된 기계적인 스트레인 게이지가 있고, 파워 및 에너지에 대응한 유도된 표시자가 있다.

종래 기술은 고가의 센서가 자전거의 크랭크 또는 리어 허브(rear hub)에 설치되는 솔루션을 포함한다. 이러한 많은 시스템은 사용자로 하여금 주문제작한 크랭크 또는 허브를 사용함이 요구되며, 이러한 것들은 설치하거나 다른 운송 수단으로 이동시키기 힘들며, 대개 숙련된 기술자에 의한 설치가 요구된다.

본 발명은 탑승자에 의한 파워 생성량 및 에너지 소비량의 결정에 대해 신규한 접근을 개시한다. 탑승자가 운송 수단에 작용한 힘을 측정하는 것 대신, 본 발명은 운송 수단에 대항한 힘을 결정하며, 이는 탑승자가 극복해야 하는 힘이다. 뉴튼의 제 3 법칙에 따르면, 상기 힘들의 합은 동일하고 탑승자에 의해 가해진 힘에 대항된다. 상기 대항력은 중력, 공기역학적 항력, 관성력 및 마찰력을 포함한다.

운송 수단 움직임에 대항하는 다양한 힘을 결정하기 위해, 본 발명은 센서 데이터 집합을 제공한다. 가속도계는 속도의 변화(운송 수단의 가속도) 및 중력(언덕)에 관련된 데이터를 제공한다. 대지 속력(ground speed) 데이터의 변화와 함께 사용된 경우, 중력 가속도는 전체 가속도로부터 분리될 수 있으며, 결정되고 표시될 운송 수단 경로의 경사를 허용한다. 차등 압력 센서(differential pressure sensor)는 운송 수단의 전면에 대항하여 작용한 공기역학적 압력에 대한 정보를 제공하고, 이는 공기역학적 전체 대항력을 계산하는데 사용된다. 임의의 실시예에서는 기압 센서가 사용되어 순간 고도 및 고도 변화를 측정한다. 일 실시예에서는 기압 및 기온 데이터가 사용되어 공기 밀도를 추정하고 풍압 측정으로부터, 추정된 상대적인 풍속을 유도한다.

임의의 실시예에서는 가속도계 및 풍압 정보로부터 힘을 유도하는 계산은 사용자로부터의 입력 또는 캘리브레이션 과정을 통해 향상된다. 예를 들면, 가속도 데이터는 운송수단 및 탑승자의 알려진 또는 가정된 전체 중량과 결합되어, 가속도(운송 수단 가속도 및/또는 상승 또는 하강)에 의한 힘을 결정한다. 공기역학적 힘은 공기역학적 항력 및 면적 항과 결합된 공기역학적 압력 측정으로부터 계산되며, 임의의 실시예는 코스트-다운(coast-down) 과정으로부터의 측정에 의해 향상된다. 마찰력은 추정, 가정, 사용자에 의한 입력, 또는 코스트-다운 캘리브레이션 과정에 의해 측정될 수 있다.

본 발명의 개시에 의해 기술된 센서는 마이크로컴퓨터에 의해 사용될 수 있으며, 이는 임의의 성능 및 상태 정보를 계산한다. 결과는 사용자에게 제공되며, 그리고/또는 추후 분석을 위해 기록될 수 있다. 유닛은 작고, 가볍고, 저가이다. 이는 또한 자급식이며 편리하게 한 운송 수단에서 다른 운송 수단으로 이동되고, 사용자가 재고 요소, 예컨대 크랭크 및 허브의 사용을 계속하게 함을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 주 기능 블록 간의 연결을 표시하는 상위 레벨 개략도이다.

도 2는 본 발명에서 마이크로컨트롤러에의 연결을 도시하는 개략도이다.

도 3은 운송 수단의 가속도와 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 4는 LCD 장치를 위한 바이어스 전압을 제공하는 회로도이다.

도 5는 LCD 장치로의 인터페이스의 개략도이다.

도 6은 절대 압력과 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 7은 차등 압력과 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 8은 본 발명의 시스템에 제공되는 배터리의 개략도이다.

도 9는 크랭크 또는 바퀴로부터의 타이밍 데이터를 제공하는 회로도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에서 마이크로컨트롤러에의 연결을 도시하는 개략도이다.

도 11은 운송 수단의 가속도에 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예의 주 기능 블록 간의 연결을 표시하는 상위 레벨 개략도이다.

도 13은 절대 압력에 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 14는 차등 압력에 관련된 신호를 제공하는 모듈의 개략도이다.

도 15는 차등 신호를 증폭하고 여파하는 모듈의 개략도이다.

도 16은 MCU로의 JTAG 인터페이스의 개략도이다.

도 17은 비휘발성 저장 시스템의 개략도이다.

도 18은 MCU로의 직렬 통신 인터페이스의 개략도이다.

도 19는 운송 수단, 예컨대 자전거의 크랭크로부터 또는 바퀴로부터 타이밍 데이터를 제공하는 회로도이다.

도 20은 펌웨어의 논리 흐름의 개념 제시도이다.

표 1은 몇몇의 두문자어 및 상세한 설명에서 사용될 수 있는 약어를 제공한다.

표 1

ADC : Analog to Digital Converter

AVCC : 아날로그 컴포넌트에 공급되는 양의 직류 전압

GPS : Global Positioning System. 수신된 위성 신호를 기반으로 위치 및 다른 특정 데이터를 제공하는 기술.

LCD : Liquid Crystal Display

MCU : 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서

MEMS : Micro-electro-mechanical system integrated circuit

MUX : 멀티플렉서

VCC : 디지털 컴포넌트에 공급되는 양의 직류 전압

Pitch : 이동 방향에 대해, 수준면(level surface)에 상대적인, 운송 수단 밑면의 각도

Pt : 전체 압력

Ps : 정압력(static pressure)

Q : 동압력(dynamic pressure)

R : 기체 상수: .286 KJ/kg/K

Roll : 이동 방향에 직교하는, 운송 수단의 수직축의 각도

G 또는 g : 가속도 기호, 1G는 적도에서의 지구의 중력적 인력으로 정의된다.

ρ : 공기 밀도; = Ps/(RT)

T : 절대 온도(K)

V 또는 v : 운송 수단의 속도

본 발명은 일례로 자전거에 구현된 것으로 기술된다. 본 발명은 임의의 운송 수단, 예컨대 항공기, 보트, 또는 인간이나 다른 동력원에 의해 구동되는 그 외의 운송 수단에 적용가능하다. 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 용어 "운송 수단"은 운송 수단 장치를 사용하는 인간을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자전거 "운송 수단"의 항력 계수(drag coefficient)는 탑승자의 영향을 포함할 것이다.

본 발명은 바퀴 회전, 크랭크 암 회전, 가속도, 기온, 절대 및 차등 대기압을 측정하는 센서, 시스템 동작을 컨트롤하고 센서 데이터를 수집 및 처리하는 MCU, 사용자 정보를 표시하는 LCD, 사용자 컨트롤 입력을 수용하는 스위치, 및 회로 및 센서 동작을 위한 DC 파워를 공급하는 배터리를 포함한다.

본 명세서는 상기 기술된 모듈 전부가 사용된 본 발명의 실시예를 기술한다. 본 발명은 임의의 사용자 특징, 정확도, 또는 양쪽 모두가 비용 또는 다른 이유에 의해 감소될 수 있는 하위 실시예를 포함하며, 상세한 설명은 이를 제한하지 않도록 고려되어야 한다. 예를 들면, 임의의 실시예는 크랭크 회전 센서를 포함하지 않으며, 따라서 상기 방법에서는 케이던스(cadence) 정보를 제공하지 않는다. 그 외에는 관련 기술의 당업자에게 자명할 것이다. 이러한 모든 실시예는 본 발명의 실제 실시이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 포함하는 기능 블록 간의 연결을 도시한다. 일 실시예에서는 MCU(200)는 다중 12-bit ADC 및 LCD 드라이버/컨트롤러가 집적된 저전력 마이크로컨트롤러이다. MCU의 입력 포트는 스위치, 타이밍 신호를 제공하는 접촉 접속(contact-closure) 출력을 구비한 센서, 공기 압력 및 가속도에 관련된 아날로그 출력을 구비한 센서로부터 입력을 수신한다. 임의의 입력 포트와 조합된 타이머 기능은 스위치 및 접촉 접속 입력의 바운스를 줄이고, 회전율을 계산하기 위해 사용된다. MCU는 선택적으로 센서 및/또는 LCD 디스플레이를 작동가능 또는 작동불가능하게 하여, 전력 소모를 줄이고 배터리 수명을 늘린다. 임의의 실시예에서 MCU는 또한 내부 온도 센서 및 공급 전압 센서를 포함한다. 일 실시예에서 온도 판독은 온도 변화에 따라 변화할 수 있는 센서 판독 결과를 정정하고 공기 밀도를 추정하기 위해 사용된다.

실제 산업 분야에는 본 발명의 실시에 적합한 많은 MCU가 있다. 대체물은 더 많거나 적은 온 칩 기능을 포함할 수 있다. 여기에 기술된 MCU(200)는 설명적인 목 적을 위한 것이다. MCU에 대한 임의의 기능 및 특징은 온 또는 오프 칩의 다른 시스템 분할, 예컨대 외부 ADC같은 것으로 구현될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 여기에 기술된 실시예는 임의의 특징 및 기능의 보충을 대표한다. 본 발명은 더 많거나 더 적은 최종 사용자의 특징을 통합한 대체 실시예를 포함한다.

도 2는 MCU(200)로의 연결을 상세하게 설명한다. 라인 S0 내지 S39는 LCD부분 출력 드라이브 신호를 LCD(500)의 부분 입력 라인으로 제공한다. 라인 COM0 내지 COM3는 LCD(500)의 공통(후면) 입력 라인과 연결된다. 라인 BIAS0 내지 BIAS3은 세그먼트를 생성하기 위해 필요한 다양한 전압 및 공통 신호를 LCD에 제공한다. 다른 디스플레이는 더 많거나 더 적은 세그먼트 및 공통 신호를 가질 수 있다. 다른 디스플레이 기술, 예컨대 LED도 LCD를 대신하여 사용될 수 있다. 일 실시예에서 특정 단어 및 기호는 케이스에 인쇄될 수 있고, 일 또는 그 이상의 LED 또는 LCD 세그먼트는 특정 단어 또는 기호를 표시하기 위해 사용된다. 일 실시예에서 크리스탈 Y1은 모든 MCU 시스템 클락 및 타이밍 기능이 유도되는 32,768 Hz 타임 베이스(time base)를 제공한다.

사용자 스위치(202) SW1 내지 SW6은 사용자에 의한 명령 입력 및 시스템 리셋을 제공한다. 스위치 SW1, 다이오드 D1, 저항 R11, 및 커패시터 C6은 리셋 네트워크를 제공한다. 배터리 전압을 VCC 단에 인가하거나 스위치 SW1을 닫으면 라인 RST^*를 어서트(assert)하여, MCU를 리셋 및 리스타트 하도록 강제한다. 저항 R11 및 커패시터 C6의 값은 선택된 MCU의 사양에 따라 리셋 펄스 폭의 바람직한 지속 시간 을 얻도록 선택된다. 사용자 인터페이스를 위한 통상적인 키패드 입력 정렬은 포트 2에 연결된다. MCU는 주기적으로 포트 2 터미널 로직 상태를 판독하여 눌러진 스위치와 조합된 시스템 기능을 실행한다. 가능하다면, 입력이 MCU 내의 회로를 교란하는 것은 스위치 상태의 변화를 검출할 수 있고 프로세서에 경계를 줄 수 있다.

임의의 실시예에서 필요한 경우에만 시스템의 다양한 부분에 선택적으로 전원 공급함으로써 전력 소모를 최소화한다. 일례에서는 차등 압력 모듈(700)은 신호 nDIFFPWR에 답하여 전원 공급되며, 절대 압력 모듈(600)은 신호 nABSPWR에 답하여 전원 공급되고, 가속도계 모듈(300)은 신호 nACCELPWR에 답하여 전원 공급된다.

MCU는 신호 DIFFEN을 어서트(assert)하여 차등 압력 모듈(700) 차동 증폭기(702)를 작동시키고 신호 DIFFEN을 릴리즈(release)하여 차동 증폭기(702)를 저전력 모드에 위치시킨다. 라인 DIFFPHI 및 DIFFPLO은 MCU의 ADC MUX에 연결된다.

절대 압력 모듈(600)은 공기 밀도 및 고도 계산을 위한 절대 압력 측정을 제공한다. MCU는 신호 ABSEN을 어서트하여 절대 압력 모듈(600) 차동 증폭기(602)를 작동시키고 ABSEN을 방출하여 차동 증폭기(602)를 저전력 모드에 위치시킨다. 라인 ABSPHI 및 ABSPHLO는 MCU의 ADC MUX에 연결된다.

MCU는 신호 ACCELEN을 어서트하여 가속도계 모듈 증폭기 U2A(302)를 작동시키고 ACCELEN을 방출하여 증폭기 U2A(302)를 저전력 모드에 위치시킨다. 신호 ACCELBIAS는, 후술할 MCU의 제어 하에서, 증폭기 U2A(302)로의 바이어스를 제어한다. 가속도계 모듈(300)로부터의 라인 ACCEL은 MCU의 ADC MUX에 연결된다.

라인 WHEEL은 접촉 접속 펄스 신호를 바퀴 회전 센서에 답하여 MCU의 디지털 입력으로 제공한다. MCU는 펄스 간의 시간을 측정하여 운송 수단의 대지속도를 계산한다. 대지속도 계산은 MCU에 의해 사용되어 운송 수단 속도 변화에 기인한 ACCEL 신호 및 운송 수단의 피치(pitch)에 기인한 ACCEL 신호를 구분한다. 일 실시예에서 대지속도 센서, 예컨대 도플러 레이더 또는 GPS 위성 데이터를 기반으로 한 센서는 대지속도 데이터를 제공한다. 임의의 실시예에서 위치 데이터는 모듈, 예컨대 GPS 위성 모듈에 의해 제공되고, 대지속도는 데이터 포인트 간의 이동 거리를 데이터 포인트 간의 경과 시간으로 나눔으로써 계산된다.

라인 CRANK는 접촉 접속 펄스 신호를 크랭크 회전 센서에 답하여 MCU의 디지털 입력으로 제공한다. MCU는 펄스 간의 시간을 측정하여 페달율(pedaling rate)(이하 케이던스)을 계산한다.

도 2는 또한 디지털 및 아날로그 파워 공급에 대한 노이즈의 영향을 감소하는 통상적인 방법을 설명한다. 구체적인 디자인, 예컨대 PCB(Printed Circuit Board) 레이아웃 및 다른 요소들은 본 발명을 실시하기 위해 선택된 MCU에 의존될 것이다.

도 3은 가속도계 모듈(300)의 일 실시예의 상세 항목을 설명한다. U1(304)은 집적된 MEMS 회로이며, 이는 가속도에 거의 선형적으로 관련된 전압 신호를 제공한다. 다른 가속도계, 예컨대 압전식, 만곡된 트랙 내의 볼 베어링 또는 수은, 기타 방식도 사용가능하다. 센서 U1(304)는 운송 수단 하부 밑면의 평면에 평행하고 운송 수단의 진행 방향의 일축(x축)에 탑재된다. 임의의 출력 신호는 운송 수단의 피치(pitch)에 응답하고 다른 출력 신호는 롤(roll)에 응답한다. 설명된 실시예에서 는 피치 축(또는 x축)만이 사용된다. 피치 각도는 중력의 당김에 의한 가속도를 측정함으로써 결정된다. 시스템이 평탄하고 정적인 경우, 센서의 x축을 따라서 중력이 작용하지 않으며, 따라서 가속도계 신호는 0 g에 관련된다. 가속도가 없는 경우; 즉, 0 g인 경우, 가속도계는 대략 AVCC/2를 제공한다. 이를 "0 g 바이어스 전압"이라고 부른다. 경사 또는 속도 변화에 기인한 양의 가속도의 경우, 전압은 0 g 바이어스 전압 위로 가속도에 비례하여 상승할 것이다. 하향 경사 또는 운송 수단의 감속에 기인한 음의 가속도는 0 g 바이어스 이하의 전압을 생성할 것이며, 역시 가속도에 비례한다. 예를 들면, 바퀴 속도 센서 데이터에 기반한 0.05 g의 가속도를 0.01 g 비율의 운송 수단 감속과 함께 고려한다. 경사에 기인한 전체 가속도는: 0.05-(-0.01)=0.06 g로 밝혀진다. 이는 arcsin(0.06) = 상향 3.44 도의 경사 각에 대응한다. 센서는 경사와 운동 가속도 간의 차이를 알려줄 수 없지만, 설계자는 운동에 의한 부분을 계산하여 이들을 분리할 수 있다. 만약 운송 수단이 피치를 상승하거나 하강한다면, 중력은 중력 벡터의 각도(피치 각도)에 따라 가속력에 작용할 것이고, 센서 U1은 0이 아닌 g를 출력으로 생성할 것이다.

U1(304)의 출력은 공급 전압에 의해 비율비교적으로(ratiometrically) 변화한다. 영 가속도는 대략 공급 전압의 절반의 출력을, 생성 변화(production variation)에 기인한 임의의 오프셋과 함께 제공한다. R3 및 R5에 의해 형성된 저항 분배기(도 3)는 공급 전압의 절반의 바이어스 전압을 제공한다. 바이어스 및 센서 출력은 비교되고 차동증폭기 U2A(302)에 의해 증폭된다. 증폭기 U2A(302)의 출력은 또한 비율비교적이고 공급 전압의 절반만큼 오프셋된다. 예를 들면, 3V 배터 리 공급에서, 가속도가 감지되지 않은 경우 출력은 대략 1.5V이고 양의 피치 각도 또는 음의 피치 각도에 따라 증가 또는 감소할 것이다.

증폭기 U2A(302)는 약 5.8의 차동 이득(differential gain)을 가진다. 증폭기 출력단은 MCU의 MUX를 통해 ADC에 연결된다. ADC 입력 범위도 또한 비율비교적으로 공급 전압에 의해 변화하고, 따라서 g/bit의 단위로 표현된 시스템에 의한 가속도의 정밀도(resolution)는 공급 전압에 관계없이 상수이다.

증폭기 U2A(302) 이득은 회로의 민감도(sensitivity)를 최적화하도록 선택되고, 최소 및 최대 가속도 판독의 수용가능한 범위를 허용한다. 주어진 MEMS 가속도계 내의 출력 값의 범위의 생성 변화가 중요할 수 있기 때문에, R4 및 ACCELBIAS 신호는 반전 증폭기 U2A(302) 터미널 바이어스를 변경하여 가속도계의 영 바이어스 오프셋을 조정하도록 제공된다. ACCELBIAS는 MCU의 트라이-스테이트(tri-state) 출력단에 의해 구동되고 따라서 출력단은 플로트(float)될 수 있거나 VCC 또는 접지로 구동될 수 있다. ACCELBIAS가 플로팅인 경우, R4는 영향을 미치지 않을 것이고 오프셋은 R3 및 R5에 의해 결정된 AVCC/2일 것이다. ACCELBIAS가 접지로 구동될 경우, R4는 R5에 병렬로 작용할 것이고, (5/12)*AVCC의 바이어스 전압을 제공한다. 유사하게, 만약 ACCELBIAS가 높게 구동될 경우, 바이어스 전압은 (7/12)*AVCC로 변경될 것이다. 이는 설명된 예시에서 사용된 가속도계 컴포넌트에 대해 지정된 가능한 오프셋의 풀 레인지(range)를 조정한다.

도 4는 LCD 바이어스(400)의 세부도를 도시한다. MCU에 집적된 LCD 드라이버는 네 가지 전압 레벨을 지정하여 관찰가능한 세그먼트를 LCD에 표시한다. LCD 바 이어스 조절 회로는 전압 레벨을 저항 R6 내지 R9을 포함한 단순한 전압 분배기 저항 사다리를 통해 제공한다. 가변 저항 R9은 바이어스 전압의 사용자 조절을 허용하여 LCD 콘트라스트(contrast) 및 시야각을 조절하며, 이는 온도, 배터리 전압, 또는 환경광(ambient light)에 의해 변화할 수 있다. 임의의 실시예에서 R9은 서미스터의 네트워크 및 다른 디스크릿 컴포넌트로 교체되어 자동 온도 및 전압 보상을 제공한다.

도 5는 40 개의 세그먼트 라인과 네 개의 공통 라인을 통한 최대 160 개별 디스플레이 구성요소에 대해 MCU로부터 LCD로의 연결을 도시한다. 디스플레이 구성요소는 숫자 디지트(numeric digit), 막대 그래프, 기호, 및/또는 문자 집합으로 정렬될 수 있다. MCU는 LCD의 디스플레이 구성 요소를 제어하여 관심 정보, 예컨대 자전거 속도, 이동 거리, 시간, 도로 표면 경사, 상대 풍속 및 풍압, 또는 칼로리/시 같은 파워 및 에너지 계산, 축적된 소모 칼로리, W 단위의 파워 출력 등을 사용자에게 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 절대 압력 모듈(600)을 포함하여 대기압(Ps)을 제공한다. 도 6은 개략적인 상세 항목을 설명한다. 일 실시예에서 Ps는 캘리브레이트 되고 가속도계 모듈로부터의 피치 각도 데이터와 비교검토(cross check)되어, 단독 센서일 때보다 더욱 정확한 고도 및 고도 변화의 판독을 제공한다. 업데이트된 대기압 데이터는 탑승하는 동안 수집되어 공기 밀도를 재계산하며, 향상된 상대 풍속 계산을 위해 정정된 파라미터를 제공한다. 기온은 MCU 내의 내부 온도 센서, 외부 온도 센서에 의해 측정되며, 또는 사용자에 의해 입력될 수 있다. 일 실시예에서, 고도 정보는 GPS 모듈에 의해 제공된다.

일 실시예에서, 절대 압력 모듈은 시스템으로부터 제외되고 대기압은 온도 및 피치, 속도 센서 및 사용자가 입력한 시작 고도로부터 유도된 고도 변화로부터 추정된다. 절대 압력 모듈(600)이 포함된 경우, 공기 밀도(ρ) 및 기압에 종속된 다른 계산은 더 정확할 수 있다.

절대 압력 센서 U6(608)은 영압(완전 진공)에서 센서 U6 출력단 +V 및 -V의 차등값으로 대략 0V를 생성하고, 영이 아닌 기압에서는 양의 차등 전압을 생성한다. 주변 압력(ambient pressure)이 고도의 실제 상승 또는 대기 변화에 답하여 감소함에 따라, 차등 전압은 상승한다. 센서 U6(608) 컴포넌트 선택은 최대 및 최소 압력 판독 가능여부, 시스템을 위한 최대 및 최소 설계 고도의 기능을 고려해야 한다. 기압은 센서 및 인클로져(enclosure) 내의 홀 간의 에어 타이트 패시지(air tight passage)에 의해 압력 센서 U6(608)에 제공되며, 상기 홀은 운송 수단의 이동 방향에 직교하도록 향해진다. 선택적으로, 피토관의 정압 포트(static port)가 압력 센서 U6(608)에 에어 타이트 패시지에 의해 연결될 수 있다.

센서 U6(608) 단자 +V 및 -V의 차등 전압은 차등 증폭기(602)의 고 임피던스 입력으로 인가되며, 상기 차등 증폭기는 두 개의 OP 앰프(U5A, U5B) 및 저항 R16, R18 및 R19를 포함한다. op 앰프(U5A, U5B)의 출력 신호의 차는 대략 입력의 차에 비례하며, 도시된 저항값에 대해 약 201의 이득을 가진다. 차등 증폭기(602)로부터의 두 개의 차등 출력 전압의 평균은 입력의 평균과 동일할 것이며, 센서의 공통 모드 바이어스 전압과 동일하며, 통상적으로 AVCC/2 근방이다. 차등 증폭은 상승하 는 임의의 출력 및 같은 양만큼 하강하는 다른 출력을 야기한다. 만약 차등이 영이면, 즉, 두 개의 입력이 동일하면, 두 개의 출력은 역시 동일할 것이다. 압력이 작용되어 입력이 퍼지는 경우, 일 출력은 공통 모드 또는 둘의 평균 전압보다 높아지고 다른 출력은 그보다 낮아진다. 일례로서, 1.501 및 1.499(2mV 차)의 입력이 주어지고, 이득이 201이면 출력은 1.701(=1.5+201*0.001) 및 1.299V일 것이다. 출력 차는 1.701-1.299 = 402mV 또는 입력차 2mV의 201배이다. 공통 모드 전압 또는 두 출력의 평균 전압은 (1.701+1.299)/2=1.500V이며, 입력의 평균 전압과 같다.

RC 저역통과필터(604, 606)은 고주파수 노이즈를 차동 증폭기(602)의 출력으로부터 제거한다. 여파된 차등 신호는 MCU(200)에 라인 ABSPHI 및 ABSPHLO을 통해 연결된다. 임의의 실시예에서, 저역통과필터(604, 606)는 사용되지 않는다.(즉, ABSPHI 및 ABSPLO는 차등 증폭기(602)의 여파되지 않은 출력이다) 다른 경우에서, MCU 내부의 디지털 신호 프로세싱 펌웨어도 신호 여파를 수행할 수 있다.

설명된 실시예에서 차등 전압(ABSPHI-ABSPHLO)은 비율비교적으로 배터리 공급 전압에 따라 변화한다. ADC 입력 레인지도 비율비교적으로 배터리 공급 전압에 따라 변하므로, ADC 카운트 출력은 공급 전압에 관계 없이 대략 주어진 압력과 동일할 것이다. 일 실시예에서 배터리 공급은 조절되고 ADC에는 기준 전압원이 제공된다.

MCU(200)는 라인 ABSPHI 및 ABSPLO의 신호를 디지털 샘플링하고 ADC로부터 수신된 두 숫자 값을 감산하여 절대 압력을 계산한다. 계산된 차는 스케일되고 캘리브레이션 도중 결정된 오프셋, 회로 이득의 변화 및 센서 민감도를 반영하여 정 정된다.

차등 압력 모듈(700)을 위한 회로는 절대 압력 모듈(600)과 거의 동일하다. 차동 증폭기(702)는 1820의 이득을 가진다. 센서 U8(708)은 두 개의 압력 포트와 연결되며, 이는 센서 U6(608)이 한 개의 압력 포트에 연결되는 것과 대비된다.

차등 압력은 운송 수단의 전면에 대항한 동적 공기 압력을 측정하기 위해 사용된다. 센서는 두 개의 압력 입력 포트 간의 차를 측정하는데 사용된다. 압력 입력 포트는 시스템 인케이스먼트(encasement) 내의 홀이며 이는 에어 타이트 패시지에 의해 압력 센서와 연결된다. 제 1 압력 입력 포트는 이동 방향에 대향하고 공기 압력(Pt)은 압력 센서 U8(708)의 일측에 에어 타이트 패시지를 통해 연결된다. 제 2 압력 입력 포트는 시스템 인케이스먼트의 측면에 위치되고 이는 정적 또는 대기압(Ps)을 받는다. 대기압은 압력 센서 U8(708)의 제 2 측면에 연결되고 압력 센서 U6(608)에 에어 타이트 패시지에 의해 연결된다. 임의의 실시예에서 Pt 및 Ps는 압력 센서(들)에 피토관에 연결된 에어 타이트 패시지에 의해 제공된다. 압력 센서 U8(708)은 두 압력 값의 차를 감지하며, 상기 차는 "동압력"(Q)으로 정의되고, 이는 공기 중에서 운송 수단의 이동에 기인한다. 운송 수단에 대항한 전체 힘은 동압력, 항력 계수, 및 전면 면적에 관계된다. 공기 중에서 운송 수단의 이동을 위해 요구되는 전체 파워의 상기 부분은 상기 힘 및 운송 수단의 속도를 기반으로 계산된다.

설명된 실시예에서 센서 U8(708)는 두 개의 압력 입력 포트를 포함하며, 차등 압력을 직접 감지한다. 다른 실시예에서 제 1 센서는 Ps를 감지하고 제 2 센서 는 Pt를 감지한다. 각 센서의 출력 신호는 ADC MUX에 연결된다. ADC는 각각의 두 개의 출력 신호를 개별적으로 변환하고 디지털 결과를 MCU에 제공한다. MCU는 Ps에서 Pt를 뺌으로써 동압력을 계산한다. 차등 압력 측정의 다른 구성은 당업자에게 알려져 있다.

베르누이 방정식에 따르면 동압력은 Q = (Pt - Ps) = ρV²/2 이다. 공기의 밀도는 알려져 있거나 추정될 수 있으므로, 상대 풍속은 동압력으로부터 계산될 수 있다. 항을 재정리하면, 풍속을 다음과 같이 구할 수 있다:

V =

.

압력 시스템은 대지속도를 알지 못하므로, 이는 상대 풍속을 나타낸다. 상대 풍속을 운송 수단의 대지속도(바퀴 회전으로부터 구함)와 비교하여 바람의 대지속도를 구한다.

일 실시예에서 차등 압력 모듈(700)은 낮은 압력 신호에서 양호한 정확도를 위해 +/- 10 KPa의 압력 레인지에서 동작하도록 설계된다. 차등 압력 모듈(700)의 이득 및 민감도는 운송 수단의 동작 속도의 예상된 레인지에서 측정 레인지 및 측정 정확도를 최적화한다. 도 7에 표시된 구성 및 값을 사용하면, 차등 압력 모듈(700)은 증폭기 U2C 및 U2D의 포화 없이 90 mph보다 더한 공기 속도를 측정할 것이다. 다른 센서는 상이한 동작 레인지를 위해 선택될 수 있다.

MCU는 라인 DIFFPHI 및 DIFFPLO에 의해 제공된 신호를 디지털 샘플링하고 ADC 변환에 의해 반환된 두 개의 숫자 값을 감산한다. 상기 차는 스케일되고 캘리 브레이션에 의해 결정될 수 있는 대로 오프셋, 회로 이득의 변화 및 센서 민감도를 반영하여 정정된다.

운송 수단 속력 변화는 운송 수단 속도 변화로부터 야기된 가속도를 운송 수단 피치로부터 야기된 가속도로부터 구분하기 위해 사용된다. 관련 기술의 통상적인 방법은 완전한 바퀴 회전 간의 시간 주기를 자석 또는 다른 타겟을 운송 수단 바퀴에 부착하고 자석 스위치 또는 다른 타겟 센서 스위치를 운송 수단의 근처, 고정된 위치에 부착함으로써 측정한다. 타겟이 스위치를 지나는 각 시간마다 마지막 스위치가 닫힌 때로부터의 시간 주기가 기록된다. 상기 주기는 단위 시간당 닫히는 개수로 변환되고, 그리고 나서 바퀴의 원주에 의해 스케일되어 운송 수단 속도를 계산한다. 스위치는 리드 스위치, 홀 이펙트 센서, 광학 센서, 또는 바퀴 회전에 관련된 타이밍 신호를 제공하는 어떠한 센서가 될 수 있다. 임의의 실시예에서 바퀴 속도의 변화는 스위치에 의해 검출될 다수의 자석을 바퀴에 제공하여 더욱 자주 측정될 수 있다. 유사하게, 자전거 프레임의 정적 센서와 짝을 이룬 자전거의 크랭크 암의 컴포넌트는 분당 크랭크 회전의 측정을 제공할 수 있다. 일 실시예에서 케이던스는 평균 크랭크 토크 또는 파워의 함수인 페달력(pedal force)을 구하기 위해 사용될 수 있다. 임의의 실시예에서 MCU는 임의의 시간 주기 동안 수신된 타겟 펄스의 개수를 카운팅함으로써 바퀴 속도를 계산할 수 있다.

도 8은 통상적인 배터리 공급(800)을 상세하게 나타낸다. 다른 휴대 가능한 에너지 소스, 예컨대 태양 전지 역시 사용될 수 있다.

도 9는 자석 센서가 사용된 일 실시예를 설명한다. 신호 REEDPWR는 MCU에 의 해 하이(high)로 구동되며, 신호 WHEEL 및 CRANK는 역시 풀업 저항 R26 및 R27을 통해 하이(high)로 올려진다. 바퀴 자석이 자석 스위치 J1을 지나는 각 시간마다, 스위치 J1은 순간적으로 닫히고 신호 WHEEL은 그라운드로 내려진다. 신호 CRANK는 크랭크 자석이 스위치 J2를 지나는 각 시간마다 그라운드로 내려진다. MCU는 각각의 로우 펄스 이벤트(low pulse event)의 시간을 표시하고 속력, 거리, 또는 케이던스를 계산한다. 주기 내에서 WHEEL 펄스 이벤트 간의 변화는 속력의 변화를 표시하고, 이는 가속도 또는 감속도이다. 상기 정보는 피치에 기인한 중력을 가속도계에 의해 판독된 전체 가속도로부터 분리하기 위해 사용된다.

운송 수단이 이동하는 경우, 바퀴 및 크랭크 스위치는 상대적으로 짧은 주기동안 닫힐 것이며, 따라서 풀업 저항을 통한 전류 인출은 시간에 걸쳐 평균을 내면 작다. 만약 운송 수단이 정지하고 각각의 스위치가 닫힌 상태로 바퀴 또는 크랭크가 정지하는 경우, 전류 인출은 스위치가 다시 재개방될 때까지 계속될 것이며, 이에 의해 배터리 수명이 줄어든다. 만약 임의의 다른 센서 라인에서 활동이 없이 스위치가 장시간 동안 닫혀있는 것을 MCU가 결정하는 경우, MCU는 라인 REEDPWR을 로우(low) 상태로 되게하여 배터리로부터 저항 R26 및 R27을 통한 전류 흐름을 제거한다. MCU는 주기적으로 REEDPWR을 펄스로 보내어 스위치가 여전히 닫혀있는지 검출하거나, 또는 일 실시에에서는 사용자가 버튼을 누름으로써 시스템을 재가동하기를 기다린다. 다른 실시예에서는 다른 센서가 가동을 위해 폴링된다(poll). 일 실시예에서 센서는 MCU로의 특정 입력과 연결되며, 상기 입력은 변화에 의한 교란을 생성한다. 다이오드 D2, D3 및 저항 R28, R29는 긴 와이어를 바퀴 또는 크랭크 스 위치로 가져와서 MCU 입력을 전압 과도(voltage transient)로부터 보호한다.

본 발명의 다른 실시예를 포함하는 기능 블록 간의 연결이 도 12에 도시된다. 도 10은 도 12의 실시예의 마이크로컨트롤러를 위한 회로 연결을 상세하게 나타낸다. LED D2는 낮은 환경광(ambient light) 조건에서 디스플레이를 조명한다. 압전식 버저 PT1는 음성 피드백을 제공하고 사건 및 환경, 예컨대 디스플레이 스크린 변화; 적합함, 지나침, 또는 트레이닝 레인지 또는 목적지를 빗나감; 날씨 변화, 또는 절도를 막기 위한 알람을 사용자에게 주의를 준다.

라인 nROMPWR, NROMEN, SIMO, 및 UCLK는 MCU(1000)를 비휘발성 저장 시스템(1700), 예컨대 도 17에 도시된 저장 시스템에 연결한다. 비휘발성 저장 시스템은 과거에 있었던 일, 탑승, 캘리브레이션, 개인 설정, 또는 시스템 전원이 꺼진 경우 저장되어야 할 다른 데이터의 저장을 위해 제공한다. 도 17에 도시된 실시예에서, 직렬 EEPROM은 비휘발성 저장 장치로 사용된다. 임의의 비휘발성 저장 솔루션, 배터리 백업 또는 휘발성 저장 장치의 유지를 포함하는 것이 사용될 수 있다.

라인 RX1, TX1, 및 nINVALID232는 MCU(1000)으로부터 도 18의 RS232 직렬 포트(1800)로 연결한다. 직렬 포트는 외부 컴퓨터 또는 탑승 데이터, 시스템 셋업, 개인 설정 정보, 펌웨어 업데이트, 및 MCU와 데이터 교환에 요구되는 다른 기능의 전송을 위한 다른 외부 장치와의 통신을 위해 제공된다. 라인 nINVALID232는 트랜스시버 U9에 의해 어서트되어 트랜스시버 입력 라인에 유효한 데이터가 존재함을 표시한다. 도 18에 도시된 대로 트랜스시버 U9는 트랜스시버 입력 라인에 유효한 데이터가 제공되는지 여부를 남기도록 구성된다. 커넥터 J5는 선택 가능한 DB9 인 터페이스를 외부 장치와의 직렬 데이터 통신을 위해 제공한다.

일 실시예에서 라인 TDO/TDI, TDI_TCLK, TMS, TCK, 및 nRST/NMI는 도 10의 MCU(1000)를 도 16의 JTAG 인터페이스(1600) 내의 커넥터 J4에 연결한다. 커넥터 J4를 통한 JTAG 인터페이스는 MCU 프로그래밍, 테스팅, 캘리브레이션 값 입력, 또는 다른 동작을 위한 수단을 제공한다. 당업자는 프로그래밍 및 테스팅을 위한 다른 방법을 알 것이다. 예를 들면, MCU는 상수, 캘리브레이션, 셋업, 또는 프로그램 저장을 위한 외부 저장부를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 도 11에 도시한 바와 같이, 이축(dual-axis) 가속도계의 양쪽 모두의 출력은 가속도 모듈(1100)에 의해 제공된다. 가속도계 U3(1102)의 x축 신호는 전술한 대로 경사 및 운송 수단의 전방 가속도를 결정하기 위해 사용된다. 일 실시예에서 y축 신호는 MCU(1000)를 구동하는 소프트웨어에 의해 x축 신호와 상호 관련되어 페달링 케이던스(pedaling cadence)를 결정한다. 임의의 실시예에서, y축 신호는 운송 수단 방향의 변화에 응답하고, 운송 수단의 경로를 기록 또는 가이드하기 위해 사용된다. 가속도 신호는 절도 방지 알람 입력을 위해 사용될 수도 있다.

MCU(1000)로부터 도 11의 전압 레귤레이터 U22(1104)의 작동가능한 입력단 EN까지 라인 ACCELEN의 신호는 가속도계로의 파워를 켜고 끈다. 전압 레귤레이터의 사용은 공급 전압 변화에 따른 가속도계 민감도의 변화를 감소시킨다. 라인 ACCELVSS, U22의 조절된 공급 전압 출력은 R3, R75, R5, 및 R6에 의해 형성된 저항 분배기 네트워크로 연결된다. 라인 ACCLOBIAS 및 ACCMIDBIAS는 MCU(1000)에서 저항 분배기로 연결되고 개별적으로 제어되어 플로트(float)되거나 낮게 구동되어 세 개의 다른 기준 전압 중 하나를 생성한다. MCU는 회로에 설치된 특정 센서의 고유한 0 g 오프셋 전압과 가장 근접하게 매치되는 기준 전압을 선택하며, 이는 0 g 오프셋 전압은 부분에서 부분으로 변할 수 있기 때문이다. 단일 기준 전압은 x축 및 y축 가속도계 채널 둘 모두를 위해 사용된다. 기준 전압 ACCELVSS는 또한 MCU(1000)의 ADC 기준 전압 입력에 연결된다.

듀얼 4:1 차등 아날로그 멀티플렉서 U20(1106)은 어드레스 신호 SIGINV 및 SIGSEL를 디코딩하여 U3(1102)로부터의 x축 또는 y축 가속도계 신호가 차등 신호로서 차동 증폭기(1102)의 입력에 연결되었는지 여부를 결정한다. 차동 증폭기(1102)의 출력, 신호 ACCEL1 및 ACCEL2는 MUX의 입력 포트로 제공되고 MCU(1000)의 내부 ADC로 제공된다. U20(1106)은 또한 정류(commutating) 스위치로서 기능하여 차등 증폭기(1102)로의 입력 신호를 교환하여 증폭기 오프셋 에러를 영으로 한다. 증폭기 오프셋 에러를 영으로 하기 위해(null), MCU(1000)는 먼저 SIGINV 및 SIGSEL에 의해 선택된 x축 또는 y축 신호 중 하나에 의해 구동되는 동안 차등 신호 ACCEL1 및 ACCEL2 간의 차를 계산한다. SIGSINV 및 SIGSEL은 그리고 나서 가속도계 차등 신호 쌍의 높은 쪽을 낮은 쪽으로 바꾼다. MCU(1000)는 다시 ACCEL1 및 ACCEL2 간의 차를 계산하고 이 값을 ACCEL1 및 ACCEL2를 위해 계산된 처음의 차와 합산한다. 처음의 차에 나타난 오프셋 에러는 두 번째 차의 오프셋 에러와 동일한 크기이나, 부호는 반대이며, 따라서 두 개의 차가 합산되면 오프셋 에러는 상쇄된다. 오프셋 에러가 없는 이상 증폭기에서는 두 개의 차의 합은 ACCEL1 및 ACCEL2 간의 차이값 의 두 배이다. 이 과정은 x축 신호 및 y축 신호에 대해 독립적으로 수행된다.

도 11의 신호 ACCFILTEN은 양방향 스위치 쌍 U1A 및 U1B를 작동가능하게 하여 저역 통과 필터를 가속도계 U3(1102)의 출력 라인에 연결한다. 커패시터 C4 및 C5는 U3(1102) 센서 출력의 내부 저항과 결합하여 저역 통과 필터를 형성한다. 커패시턴스 값은 연속적인 샘플 간의 시간에서 12-비트 ADC에 대해 필터가 1/2 비트 정확도보다 작게 정착(settling)하는 것이 허용되도록 선택된다. ACCFILTEN은 MCU(1000)에 의해 제어되어 가속도계 센서 파워가 낮아지는 동안 커패시터를 분리하여, 그에 의해 커패시터 내의 전하를 보존하고 다음 샘플의 정착 시간을 감소한다.

압력 센서 연결은 절대 압력 센서 모듈(1300)에 대해서는 도 13에 도시되고, 차등 압력 센서 모듈(1400)에 대해서는 도 14에 도시된다. 도 13에서, 신호 nABSPWR는 센서 U6(1302)에 파워를 사용가능하게 한다. 센서 U6(1302)는 대략 대기압에 비례하는 차등 신호를 라인 ABSHI 및 ABSLO에 제공한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 신호 nDIFFPWR는 유사한 방법으로 센서 U8(1402)로의 파워를 제어한다. 센서 U8(1402)는 대략 차등 압력에 비례한 차등 신호를 라인 DIFFHI 및 DIFFLO에 제공한다. 절대 및 차등 압력 신호는 여파되지 않은 채로 증폭기 블록(1500)에 제공된다.

도 15는 동압력 신호 및 절대 압력의 증폭이 제공되는 증폭기 회로의 실시예를 설명한다. 오직 하나의 압력 모드(차등 또는 절대)만이 한 번에 조절되고 계산된다. 절대 압력 센서 라인 ABSHI 및 ABSLO, 및 차등 압력 센서 라인 DIFFI 및 DIFFLO는 듀얼 4:1 아날로그 차등 멀티플렉서 U23(1510)에의 입력의 분리된 세트로 연결된다. MCU(1000)은 어드레스 라인 SIGINV 및 SIGSEL을 제어하여 ABSHI 및 ABSLO 또는 DIFFHI 및 DIFFLO가 멀티플렉서 U23(1510)에 의해 차동 증폭기(1502)의 반전 및 비반전 입력으로 제공되는지 여부를 선택한다.

U23(1510)은 또한 정류 스위치로서 기능하여 차등 증폭기(1502)로의 입력 신호를 교환하여 증폭기 오프셋 에러를 영으로 한다. MCU(1000)는 증폭기(1502)로의 반전 및 비반전 입력의 교환을 제어하고 PRESS1 및 PRESS2 간의 차를 계산하며, 이는 전술한 차동 증폭기(1102)에서 증폭기 에러를 영으로 하는 방법과 유사하다.

절대 및 차등 압력 센서는 상이한 민감도를 가질 수 있고 따라서 상이한 증폭기 이득이 필요할 수 있다. 도 15의 2:1 아날로그 멀티플렉서 U24는 차동 증폭기(1502)의 입력 스테이지의 하나인 비반전 입력을 R67 내지 R70으로 구성된 저항 네트워크의 두 위치 중 하나에 연결하여, 그에 의해 증폭기의 전체 유효 차동 이득을 변경한다. MCU(1000)가 라인 SIGSEL을 하이(high)로 구동하는 경우 이득은 하이 값으로 설정된다. MCU(1000)이 라인 SIGSEL을 로우(low)로 구동하는 경우 이득은 로우 값으로 설정된다. 저항 R67 내지 R70의 값은 차등 압력 센서에 대해 증폭기(1502)의 차동 이득이 대략 2,300으로 선택되고, 절대 압력 센서에 대해 대략 175로 선택된다. 증폭기(1502)의 차등 출력 신호는 저역 통과 필터(1504, 1506)를 통과하고 그리고 나서 라인 PRESS1 및 PRESS2에 연결된다. 라인 PRESS1 및 PRESS2는 MCU(1000)의 내부 ADC 입력 포트와 연결된다.

MCU(1000)는 제어 라인 nAMPPWR에 의해 증폭기(1500)의 파워를 켜고 끈다. 라인 nAMPPWR에 신호를 어서트함으로써 멀티플렉서 U23(1510) 및 U24(1512) 및 op 앰프 U21C(1514) 및 U21D(1516)에 파워를 공급한다.

바퀴 및 크랭크 리드 스위치 입력 회로의 다른 실시예가 도 19에 도시된다. 라인 REEDPWR, WHEEL, 및 CRANK는 MCU(1000)에 연결된다. 일 실시예에서, 회로는 과도현상 보호(transient protection)를 위해 MCU의 입력 핀의 전체 다이오드 클램프에 의존한다. 저항 R47 및 R48의 값은 MCU 내의 다이오드 클램프로의 과도한 전류 흐름을 막기 위해 선택된다. REEDPWR, WHEEL, 및 CRANK의 신호 정의 및 기능은 명세서의 이전 부분에서 정의된 바와 동일하다.

일 실시예에서 임의의 센서 회로는 시스템의 전반적인 정확도를 향상시키기 위해 캘리브레이트 된다. 압력, 가속도, 및 온도 센서를 위한 이득 및 오프셋 값은 시스템을 둘 이상의 제어된 압력, 가속도 및 온도에 각각 노출함을 포함하는 캘리브레이션 방법에 의해 결정된다. 압력 및 가속도에 대해 압력이 없고(진공) 가속도가 없는(휴식, 수직) 조건은 "영 오프셋" 값을 찾기 위해 캘리브레이션 데이터를 확장하는 계산에 의해 결정된다. 캘리브레이션 결과는 메모리에 저장된 ADC 판독 결과이다. 선택적으로 그 이상의 조건을 캘리브레이트할 수 있고 센서의 동작 레인지를 걸쳐 캘리브레이션 곡선을 결정할 수 있다. 낮은 정확도의 저비용 시스템에서는 캘리브레이션을 위해 한 포인트를 사용하거나 캘리브레이션 없이 컴포넌트 데이터 시트 및 설계값을 사용할 수 있다.

다른 정보가 시스템에 의해 요구된다. 예를 들면, 사용자는 운송 수단에 자기 자신 및 바퀴를 합산한 중량을 입력한다. 임의의 실시예에서 시스템은 사용자 기입에 의해 대기압, 고도, 또는 온도 같은 요소들이 업데이트 된다.

일 실시예에서 사용자는 경사 감지 회로를 리캘리브레이트한다. 이 과정은 지면에 정확히 평행이 아닌 상태로 유닛을 탑재한 경우 사용자의 영향을 제거하거나 센서 회로를 시간에 걸쳐 변경한다. 가속도 신호가 ADC에 의해 변환되는 동안 사용자는 유닛을 잠시 동안 정적으로 유지한다. 사용자는 그리고 나서 운송 수단을 180도 수평하게 회전한 후 동일한 지점에 위치시키고 다시 판독을 한다. 두 개의 판독 결과 간의 평균은 가속도가 없는 경우의 값이거나 0 g이다.

임의의 실시예에서 평균 롤링(rolling) 마찰, 전면 면적에 관련된 스케일 팩터 및 동압력의 항력 계수를 추정한다. 이 값들은 "코스트-다운 캘리브레이션" 과정에 의한 일 실시예보다 개량된다. 이는 임의의 최소(높은) 속력을 획득하고, 모든 페달링 또는 파워 입력을 정지하고, 탑승자가 그의 통상의 탑승 위치를 유지하는 동안 운송 수단이 페달을 밟지 않고 선결정된 최대(낮은) 속력까지 낮추는(coast down) 운송 수단을 포함한다. 코스트-다운 기간 동안 시스템은 곡선 맞춤(curve fitting) 기술에 의해 사용된 판독 결과를 기록한다. 곡선 맞춤 단계는 정적(롤링 마찰) 및 동적(바람) 힘을 결정하기 위해 실행된다. 공기 역학 요소는 Q가 항력에 관련된 전반적인 상수이다. 어느 것도 개별적으로 알려지지 않다고 하여도 공기 역학 요소는 (항력 계수)*(전면 면적)의 곱이다. 중량 및 가속도는 코스트-다운 캘리브레이션 과정 동안 경사의 영향을 제거하기 위해 사용된다. 경사 및 코스트-다운 과정의 일 실시예의 세부 사항은 부록 1에 제시된다. 경사는 우선 캘리브레이트 되고, 그리고 나서 코스트-다운된다. 코스트- 다운되는 동안, 데이터는 수집되고, 그리고 나서 코스팅 단계 후 분석된 데이터는 완성된다. 도시된 실시예 에서, 데이터는 선형 회귀 수학 처리를 사용하여 맞춰진다. 당업자는 사용될 수 있는 다른 곡선 맞춤 기술을 알 것이다.

MCU 내의 펌웨어는 센서, 타이밍, 스케일, 결정할 캘리브레이션 데이터, 기록, 또는 관찰자로의 현재의 임의 정보를 처리한다. 도 20은 펌웨어의 논리 흐름의 개념 제시도이다. "센서"로 라벨된 섹션에서, 순간 절대 압력, 차등 압력, 가속도, 및 바퀴 회전 센서 판독이 이루어진다. 임의의 캘리브레이션 또는 스케일 팩터가 참작된다.(미도시)

부록 2는 (조절된)센서 판독을 사용한 펌웨어의 일 실시예를 제시하며, 도 20에 "분리" 섹션으로 언급된다. 바퀴 회전 데이터는 속력을 결정하기 위해 그리고 축적된 거리를 추가하기 위해 사용된다. 회전율의 임의의 변화는 전방 가속도를 결정하기 위해 사용되며, 그리고 나서 가속도계 데이터로부터 감산되어 중력의 기여를 결정한다. 전술한 바와 같이, 대지속력을 결정하기 위한 다른 수단으로부터 야기된 데이터는 바퀴 회전 타이밍 대신 사용될 수 있다. "힘"으로 라벨된 섹션에서, 부록 3에 상세히 설명된 네 개의 힘 구성요소가 결정된다. "조합" 섹션에서(역시 부록 3에 포함됨) 네 개의 힘(공기 역학적 항력, 고도의 변화, 롤링 마찰, 및 가속도)이 조합된다. 구동 훈련 효율에 관련된 "DriveEff" 팩터를 주목한다. 상기 효율은 체인 마찰, 허브 마찰, 윤활의 질 등에 관련된다. 좋은 조건 및 제대로 유지보수된 양질의 자전거는 약 97%의 효율을 가질 수 있다. 낮은 품질의 자전거 또는 열악한 조건의 자전거는 85% 근방일 수 있다.

전방 가속도 계산에서 용어 "TotalEffMass"가 사용되며, 선형 관성으로 변환 된 경우 상기 용어는 바퀴 및 타이어 각운동량 때문에 "TotalMass"와는 약간 다르다. 그 차이는 바퀴의 각 가속도를 위해 요구되는 힘으로 이해된다. 이는 자전거에 탑승자(및 부속품)를 더한 전체 질량과 비교하면 비교적 작은 팩터이다. 림(rim), 타이어, 및 바퀴살의 1/3의 질량을 추정할 수 있으나, 상기 추정의 큰 오차는 여전히 전체에 비해 작은 비율이다.

마지막으로, 도 20의 "결과" 섹션에서, 전체 힘은 운송 수단의 속력과 곱해져 전체 파워를 나타낸다.

부록에 제시된 의사 코드(pseudocode)는 설명의 목적을 위한 것이다. 당업자는 임의의 적절한 MCU를 위해 임의의 적절한 프로그래밍 언어를 사용하여 의사 코드로부터 코드를 작성할 수 있을 것이다.

당업자는 이상으로부터 본 발명은 임의의 숫자의 상이한 조합 또는 감지, 계산, 및 저장 구성 요소의 하위 부분으로 확장이 가능함을 알 것이다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명은 이하 청구 범위의 중요한 부분의 범위, 성질, 또는 사상을 제한하는 것이 아닌 설명적인 것으로 이해될 것이다. 많은 변형 및 변화가 상세한 설명의 연구 후에 당업자에게 명백하게 될 것이며, 균등한 기능 및/또는 여기에 기술된 구성 요소의 구조적 대용물의 사용을 포함하여, 여기에 기술된 결합을 위한 균둥 기능의 결합을 사용하여, 및/또는 여기 기술된 단계의 균등 기능의 단계를 사용한다. 비실질적 변화는 여기에 심사숙고된 것의 범위 내의 것으로 간주될 것이다. 또한, 구체적인 수단, 또는 단계, 및 주어진 예시를 넘은 추정을 위해 주어진 다수의 예시가 본 발명의 범위에 있는 것은 명백하며, 상세한 설명은 효과적으로 개시되는 것으로 간주되고 따라서 최소 그러한 추정을 포함한다.

상세한 설명이 합법적으로 발행된 후, 본 특허 출원의 소유권자는 여기에 제공된 재생산이 본 발명의 상세한 설명의 이해라는 제한된 목적을 위하고 유용한 기술 및 과학을 고무하기 위해 문자 및 그림의 다른 것에 의해 재생산되는 것에 장애가 없다. 소유권자는 개시된 본질과 합법적으로 결합될 수 있는, 포함하나 제한하지 않는, 어떠한 다른 권리, 임의의 컴퓨터 프로그램 리스트, 미술품 또는 여기에 제공된 다른 작품의 저작권, 여기에 제공된 신조 용어 또는 미술품과 결합될 수 있고, 그 외 여기에 포함된 보호 가능한 내용 또는 여기로부터 도출가능한 기타 다른 것에 대한 상표 또는 디자인권을 거부하지 않는다.

만약 임의의 개시가 참조에 의해 여기에 병합되고 그러한 병합된 개시가 부분적으로 또는 본 발명의 개시의 전체에 대해 충돌하는 경우, 충돌의 범위 및/또는 더 넓은 개시 및/또는 용어의 더 넓은 정의에 대해 본 개시는 조절한다. 만약 병합된 개시가 다른 것과 부분 또는 전체에 대해 충돌하는 경우, 충돌의 범위에 대해, 후에 나온 개시가 조절한다.

그외에 여기에 명백히 진술되지 않은 경우, 일반 용어는 각 문맥에서 제시한 해당 일반 의미를 가지고, 기술의 일반 용어는 해당 일반 의미를 가진다.

Claims (14)

1. 적어도 두 개의 바퀴를 포함하는 운송 수단에 작용하는 힘을 감지하는 장치에 있어서,

   마이크로컨트롤러;

   아날로그 입력 포트를 포함하며, 상기 마이크로컨트롤러에 아날로그 입력 포트 신호의 디지털 버전을 제공하는 ADC(Analog to Digital Converter);

   다수의 선택 가능한 아날로그 입력 및 출력 포트를 포함하며, 상기 출력 포트는 상기 ADC의 아날로그 입력 포트에 연결되는 MUX;

   다수의 아날로그 센서로서, 상기 각 아날로그 센서의 출력 신호는 독립적으로 상기 MUX의 아날로그 입력에 연결되며, 상기 다수의 아날로그 센서는 차등 압력에 응답하는 차등 압력 모듈, 및 상기 운송 수단의 진행 방향으로의 가속도에 응답하는 가속도 모듈을 포함하는 다수의 아날로그 센서;

   상기 운송 수단의 대지속력을 검출하는 수단;

   동압력을 상기 차등 압력 모듈에 제공하는 수단; 및

   프로세싱 유닛과 연결된 디스플레이 시스템;

   을 포함하는 감지 장치.
2. 제 1항에 있어서, 데이터 저장을 위한 메모리 시스템을 더 포함하며, 상기 메모리 시스템은 상기 프로세싱 유닛과 연결되는 감지 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 메모리 시스템은 전자 메모리 장치를 포함하는 감지 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 디스플레이 시스템은 LCD 장치를 포함하는 감지 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 가속도 센서는 MEMS인 감지 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 가속도 센서는 볼-인-튜브(ball-in-tube) 타입인 감지 장치.
7. 제 1항에 있어서, 절대 압력 모듈을 더 포함하는 감지 장치.
8. 운송 수단에 작용하는 전체 힘을 계산하는 방법에 있어서,

   운송 수단에의 공기역학적 힘을 계산하는 단계;

   상기 운송 수단에의 중력을 계산하는 단계;

   상기 운송 수단의 이동에 기인한 전방 가속력을 계산하는 단계; 및

   상기 계산된 힘들에 미리 결정된 마찰력 상수를 합하는 합계를 계산하는 단계;

   를 포함하는 계산 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 운송 수단에의 공기역학적 힘을 계산하는 단계는,

   상기 운송 수단에 작용하는 동압력에 미리 결정된 공기역학적 요소를 곱하는 단계를 포함하는 계산 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 미리 결정된 공기역학적 요소는 코스트 다운(coast down) 캘리브레이션 과정에 의해 구하는 계산 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 코스트 다운 캘리브레이션 과정은,

    (a) 상기 운송 수단을 기결정된 최소 속력까지 가속하는 단계;

    (b) 상기 운송 수단에 작용하는 모든 파워를 제거하는 단계;

    (c) 동압력을 포함한, 센서 판독 결과를 기록하는 단계;

    (d) 상기 운송 수단 속력을 기결정된 최소 속도와 비교하는 단계;

    (e) 상기 (c) 단계를 상기 운송 수단 속력이 상기 기결정된 최소 속력보다 작아질 때까지 반복하는 단계; 및

    (f) 상기 공기역학적 요소를 상기 기록된 센서 판독 결과를 곡선 맞춤(curve fitting)함으로써 계산하는 단계;

    를 포함하는 계산 방법.
12. 제 8항에 있어서, 상기 미리 결정된 마찰력 상수는 코스트 다운 캘리브레이션 과정에 의해 구하는 계산 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 코스트 다운 캘리브레이션 과정은,

    (a) 상기 운송 수단을 기결정된 최소 속력까지 가속하는 단계;

    (b) 상기 운송 수단에 작용하는 모든 파워를 제거하는 단계;

    (c) 동압력을 포함한, 센서 판독 결과를 기록하는 단계;

    (d) 상기 운송 수단 속력을 기결정된 최소 속도와 비교하는 단계;

    (e) 상기 (c) 단계를 상기 운송 수단 속력이 상기 기결정된 최소 속력보다 작아질 때까지 반복하는 단계; 및

    (f) 상기 마찰력 상수 요소를 상기 기록된 센서 판독 결과를 곡선 맞춤(curve fitting)함으로써 계산하는 단계;

    를 포함하는 계산 방법.
14. 운송 수단에 작용하는 전체 힘에 대항하는데 요구되는 파워를 계산하는 방법에 있어서,

    운송 수단에의 공기역학적 힘을 계산하는 단계;

    상기 운송 수단에의 중력을 계산하는 단계;

    상기 운송 수단의 이동에 기인한 전방 가속력을 계산하는 단계; 및

    상기 계산된 힘들에 미리 결정된 마찰력 상수를 합하는 합계를 계산하는 단 계;

    를 포함하는 계산 방법.

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