TW201310346A - 腳踏車用感測器之控制裝置及腳踏車用感測器之控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明之課題在於提供一種腳踏車用感測器之控制裝置，其無需量化位元數較多之高精度之A/D轉換器而降低雜訊之影響。本發明之感測器之控制裝置1，其係安裝於具有旋轉零件之腳踏車上，且包含：信號放大部，其係將感測器20之輸出放大；及增益控制部12，其係根據旋轉零件之旋轉狀態，調整信號放大部13之增益。

Description

腳踏車用感測器之控制裝置及腳踏車用感測器之控制方法

本發明係關於一種腳踏車用感測器之控制裝置及控制方法，其係測定根據腳踏車之行走狀態而變化之物理量。

作為用以使腳踏車之車輪、曲柄等之旋轉零件旋轉之功率計，有專利文獻1所揭示之發明。如圖10所示，專利文獻1之發明係由迴轉速感測器51、應變計52、放大器53、A/D轉換器54、處理器55、及無線傳送器56所構成。

迴轉速感測器51計測迴轉速(曲柄之旋轉速度)。應變計52計測藉由騎乘者踩踏踏板而產生之曲柄軸之應變。放大器53將自應變計52輸出之類比電性信號放大至A/D轉換器40可處理之值域。A/D轉換器54將放大之類比電性信號轉換成數位電性信號。處理器55自上述之數位電性信號算出對曲柄軸施加之轉矩。再者，處理器55基於該轉矩及自迴轉速感測器51輸出之迴轉速，而算出由騎乘者所施加之功。無線傳送器56將由處理器55算出之轉矩或功傳送至未圖示之腳踏車電腦等。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文献1]日本特開2009-006991號公報

專利文献1之發明，放大器53之增益為一定，且一般而 言，對A/D轉換器之輸入電壓有所限制，故，有必要配合由應變計52檢測之信號之最大值(踏力成為最大時之輸出)而設定增益。因此，踏力較小時，即使放大器53放大由應變計52檢測之信號，信號仍不會變多大。因此，若即使踏力較小時仍欲正確測定由應變計檢測之信號，則A/D轉換器54有必要將由應變計檢測之信號進行精細量化，故，需要量化位元數較多之高精度之A/D轉換器54。

又，若使量化位元數變多，則與A/D轉換器54之1位元對應之類比電壓之大小會變小，故，會產生易受雜訊影響之問題。

因此，本發明之目的在於提供一種即使不使用高精度之A/D轉換器，仍可用以精度較好地測定感測器之輸出之腳踏車用感測器之控制裝置及控制方法。

再者，本發明之目的在於提供一種會降低雜訊之影響之腳踏車用感測器之控制裝置及控制方法。

用於解決上述課題之控制裝置係安裝於含有旋轉零件之腳踏車上之感測器之控制裝置，且包含：信號放大部，其係將感測器之輸出進行放大；及增益控制部，其係根據旋轉零件之旋轉狀態而調整信號放大部之增益。

用於解決上述課題之控制方法係安裝於含有旋轉零件之腳踏車上之感測器之控制方法，根據旋轉零件之旋轉狀態，調整用於放大感測器之輸出之增益，且藉由經調整之增益，放大上述感測器之輸出。

人對腳踏車之各零件施加之力之範圍，根據腳踏車之旋轉零件之旋轉狀態而變化。例如，人之踏力根據曲柄之迴轉速而變化(參考：藤井德明，「公路脚踏车之科學」，SKI JOURNAL股份有限公司，2008)。圖11係顯示人之踏力特性。根據該圖，雖多少有個人差異，但一般而言，若迴轉速較低，則人對腳踏車之旋轉軸所施加之最大轉矩比較大，隨著迴轉速變大，人對腳踏車之旋轉軸所施加之最大轉矩變小。利用該點，用於解決上述課題之控制裝置及控制方法，以使放大之電壓之可取得之範圍接近A/D轉換器之動態範圍之方式，根據腳踏車之旋轉零件之旋轉狀態，配合人對腳踏車之各部分施加之力之範圍，而調整增益。

本發明之控制裝置或控制方法可根據旋轉零件之旋轉狀態，調整將感測器之輸出放大之信號放大部之增益，而將感測器之輸出以適當之增益進行放大。因此，即使感測器之輸出較大地變化之情形，仍可精度較好地測定感測器之輸出值，故，不必使用量化位元數較多之高精度之A/D轉換器。因此，可降低製造成本。

再者，因不必使用量化位元數較多之高精度之A/D轉換器，故可增大與A/D轉換器之1位元對應之類比電壓，從而可降低雜訊之影響。

<第1實施形態>

以下，參照圖式說明本發明之第1實施形態之包含控制裝置之腳踏車用計測裝置。圖1係顯示本實施形態之腳踏車用計測裝置1之概略構成之方塊圖。腳踏車用計測裝置1不僅可安裝於藉由騎乘者踩踏踏板而行進之一般之腳踏車，亦可安裝於如健身車之固定之腳踏車。腳踏車用計測裝置1具備控制裝置10、感測器20、無線傳送部30。控制裝置10具備檢測部11、增益控制部12、信號放大部13、轉換部14、及運算部15。

控制裝置10根據腳踏車之旋轉零件之旋轉狀態，調整來自安裝於腳踏車上之感測器20之輸出信號之增益。該旋轉零件包含車輪、曲柄、輪轂、鏈輪、滑輪、及踏板之任一者。曲柄包含曲柄軸及設置於曲柄軸之兩端之一對曲柄臂。

感測器20計測根據腳踏車之行走狀態而變化之物理量。所謂該物理量典型而言為對旋轉零件施加之轉矩、或上述旋轉零件之旋轉所需之功(功率)，但亦包含鏈條張力、踩踏踏板之力、把手、車架等之扭曲或撓度等之概念。感測器20安裝於腳踏車之一部份且由騎乘者施力之零件上。所謂藉由騎乘者施力之零件，有例如曲柄臂、曲柄軸、踏板、底部托架、車架、把手、鞍座等。感測器20典型而言係由應變計形成，但亦可由磁伸縮式元件、位移感測器、及利用流體等之壓力感測器等形成。

無線傳送部30將與以感測器20所計測之物理量相關之由控制裝置10輸出之資料，傳送至未圖示之腳踏車電腦。

檢測部11係檢測上述之旋轉零件之旋轉狀態之感測器。具體而言，檢測部11檢測曲柄之迴轉速。

增益控制部12根據上述之旋轉零件之旋轉狀態，調整信號放大部13之增益。具體而言，增益控制部12，迴轉速較小時，減小信號放大部13之增益，迴轉速較大時，增大信號放大部13之增益。信號放大部13將自感測器20輸出之類比電性信號以由增益控制部12調整之增益加以放大。增益控制部12、信號放大部13之動作之詳情將後述。

轉換部14將經放大之類比電性信號轉換成數位信號。轉換部14係由A/D轉換器而實現。運算部15自該數位信號算出根據腳踏車之行走狀態而變化之物理量。例如，運算部15亦可自安裝於後輪轂上之感測器20之輸出，算出對後輪轂施加之轉矩。又，運算部15亦可自安裝於曲柄臂或曲柄軸上之感測器20之輸出，算出對曲柄軸施加之轉矩。又，運算部15亦可自安裝於底部托架上之感測器20之輸出，而算出鏈條張力。又，運算部15亦可自安裝於踏板之感測器20之輸出，而算出對踏板軸施加之轉矩。再者，運算部15亦可自由感測器20之輸出所算出之上述轉矩、鏈條張力或力，而算出騎乘者踩踏腳踏車之功、及後輪輸出之功等。

以下，舉感測器20根據對腳踏車之旋轉零件施加之轉矩而輸出電壓信號之情形為例，說明增益控制部12、信號放大部13之動作之詳情。圖2係顯示感測器20為應變計之情形之感測器20輸出之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例。如上所述，若迴轉速較低，則人對腳踏車之旋轉軸 所施加之最大轉矩比較大，隨著迴轉速變大，人對腳踏車之旋轉軸所施加之最大轉矩變小。又，應變計之應變量、即應變計之輸出電壓與迴轉速大致成比例關係。因此，圖2所示之顯示應變計之輸出電壓與迴轉速之關係之圖表，成為與圖11所示之顯示踏力特性之圖表相同之形狀。另，即使感測器20為其他種類，只要為成為檢測對象之物理量越大則輸出之電壓變得越大之感測器，即可使用於本發明。感測器20輸出之最大轉矩時之電壓，隨著迴轉速變高而逐漸變小。

圖3係顯示增益控制部12之增益調整方法之一例。在該例中，增益控制部12，若迴轉速大於特定之臨限值ω₁，則將增益自G₁變更為G₂(其中，G₁<G₂)。該ω₁、G₁、G₂係根據感測器20及轉換部14之特性，而以經驗設定。

圖4係顯示信號放大部13藉由根據增益控制部12調整之圖3之增益，而放大圖2之信號時之感測器20輸出之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。圖4所示之V_max係轉換部14之輸入電壓之最大值。如圖4之圖表之實線所示，感測器20輸出之電壓，迴轉速為0~ω₁之間(0以上、不滿ω₁之間)，根據增益G₁放大；迴轉速為ω₁~ω_max之間(ω₁以上、ω_max以下之間)，根據增益G₂放大。此處，迴轉速為0~ω₁之間之放大之電壓之最大值G₁×V₀、及迴轉速為0~ω₁之間之放大之電壓之最大值G₂×V₁，均有必要為V_max以下。但，為提高腳踏車用計測裝置1之計測精度，期望G₁×V₀及G₂×V₁均為與V_max相近之值。

此處，若設轉換部14之量化位元數為N(N為自然數)，與1位元對應之類比電壓之大小時常一定，則與轉換部14之1位元對應之類比電壓之大小為V_max/2^N。若設迴轉速與ω₁~ω_max之間任意之迴轉速ω_p對應之感測器20輸出之最大轉矩時之電壓為V_p，則與0~ω₁間使用相同之增益G₁之情形，因上階位元成為0，故，實質上，以log₂(V_p/V_max)+N位元之範圍表示ω_p之電壓。與此相對，如圖3所示，若使增益自G₁變化成G₂，則實質上，以log₂(G₂/G₁×V_p/V_max)+N位元之範圍表示ω_p之電壓。若增益控制部12以如此之方式增大增益，則實質上表示ω_p之電壓之位元數會增加。因與轉換部14之1位元對應之電壓為一定，故，表示電壓之實質性之位元數增加，即為與電壓對應之數位信號之解析度提高。例如，N=4及V_max=8 V，Vp=4 V時，因上階之位元成為0，故以log₂(4/8)+4=3位元之範圍表示ω_p之電壓。

又，在使增益固定為G₁之基礎上，若欲以與迴轉速在ω₁~ω_max之間變化為增益G₂之情形相同之精度測定感測器20之輸出電壓，則例如Vp以256位元表示之情形，Vmax必然成為大於256位元之位元數。因此，需要位元數更多之A/D轉換器。在本實施形態中，即使利用量化位元數較小之廉價之A/D轉換器構成轉換部14，仍可藉由研擬迴轉速之臨限值ω₁、增益G₁、G₂之值，而精度較好地求出轉矩。

再者，由於電子電路中產生之背景雜訊之振幅電壓大致一定，故感測器20之輸出電壓越小，則該輸出電壓中所占之雜訊之比例越大。藉由調整增益而使感測器20之輸出電 壓變大，可使輸出電壓中所占之雜訊之比例變小，故可提高電壓之測定精度，從而可精度良好地求出轉矩。

增益控制部12之增益調整方法不僅如圖3般切換2個增益。如圖5所示，亦可以迴轉速越大則增益越大之方式，根據迴轉速以階段性切換3個以上之增益。又，如圖6所示，增益控制部12之增益調整方法亦可為以迴轉速越大則增益越大之方式，使增益根據迴轉速而連續變化。圖6之增益調整方法雖係使增益配合迴轉速之大小而直線性增加，但只要隨著迴轉速變大而使增益增加，亦可為曲線性增加。

圖7係顯示藉由根據圖5所示之方法調整後之增益而放大之最大轉矩時的電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。圖8係顯示藉由根據圖6所示之方法調整之增益而放大之最大轉矩時的電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。該情形時，將與各增益(圖5之情形為G₁...G_n)對應之感測器20之輸出之可取得之最大值根據各增益(圖5之情形為G₁...G_n)放大後之輸出，有必要為轉換部14之輸入電壓之最大值V_max以下。又，為提高腳踏車用計測裝置1之計測精度，期望與各增益(圖5之情形為G₁...G_n)對應之感測器20之輸出之可取得之最大值皆為與V_max相近之值。如圖5或圖6所示，即使增益控制部12調整增益，本實施形態之腳踏車用計測裝置1仍將產生與如圖3所示調整增益之情形相同之效果。

以下，關於本實施形態之腳踏車用計測裝置之處理流程進行說明。圖9係顯示本實施形態之腳踏車用計測裝置之 處理流程之流程圖。

首先，檢測部11檢測迴轉速(步驟S1)。接著，增益控制部12基於檢測出之迴轉速而調整增益(步驟S2)。增益之調整方法可為圖3、圖5及圖6所舉之方法之任一者，但不限於該等，亦可使用任意方法，如將與各增益對應之感測器20之輸出之可取得之最大值根據各增益放大後之輸出，若為轉換部14之輸入電壓之最大值以下，則隨著迴轉速變大而使增益增加。

接著，信號放大部13取得來自感測器20之類比信號(步驟S3)。且，信號放大部13基於增益控制部13所調整之增益，放大該類比電性信號(步驟S4)。轉換部14將放大後之類比電性信號轉換成數位信號(步驟S5)。

接著，運算部15自數位信號算出根據腳踏車之行走狀態而變化之物理量(步驟S6)。典型而言，運算部15自安裝於後輪轂、曲柄臂、曲柄軸、底部托架、及踏板等之感測器20之輸出，算出對後輪轂、後輪、曲柄軸等之旋轉零件施加之轉矩、鏈條張力、或踏板之踏力等。此時，根據迴轉速，信號放大部13使用之增益有所不同，故，運算部15自增益控制部12取得與所使用之增益相關之資訊，利用對自轉換部14取得之數位信號表示之離散值施加增益之相反數之值，而算出轉矩、鏈條張力、及踏板之踏力等。且，運算部15使用與對該旋轉零件施加之轉矩、利用檢測部11檢測之迴轉速、鏈條張力、或踏板之踏力相關之資訊、及預先設定之運算式，而算出腳踏車輸出之功及/或騎乘者輸 出之功等。例如，運算部15可自對曲柄軸施加之轉矩、及利用檢測部11檢測之迴轉速，根據式(1)算出騎乘者踩踏腳踏車之功。

功(W)=轉矩(N‧m)×迴轉速(rpm)×2π/60………(1)

又，例如，運算部15可基於對後輪施加之轉矩、及後輪之旋轉數算出腳踏車輸出之功。

另，運算部15可基於感測器20之輸出信號，算出不同之物理量。如此之物理量有例如鏈條張力、踩踏踏板之力、把手、車架等之扭曲或撓度等。

最後，無線傳送部30將運算部15所算出之算出結果傳送至腳踏車電腦(S7)。

<第1實施形態之效果>

以下，關於本實施形態之效果進行說明。本實施形態之控制裝置10，以迴轉速越大則使信號放大部13之增益越大之方式調整增益。因此，控制裝置10可於迴轉速較大時，使輸入至轉換部14之電壓值域變寬。其結果，與使增益一定之情形相比，增益較大時，可將感測器20之輸出電壓更精細地量化。因此，無需量化位元數較多之高精度之A/D轉換器，故可降低製造成本。

又，控制裝置10可使與轉換部14之1位元對應之類比電壓變大，故可降低雜訊之影響。

<變化例>

另，控制裝置10亦可為在圖1所示之構成中，不具備轉換部14及運算部15者。該情形時，控制裝置10可產生因應 信號放大部13之輸出電壓、及以增益控制部12所調整之增益之大小之特定之信號，而利用無線傳送部30等將該信號傳送至腳踏車電腦。且，腳踏車電腦可將該信號進行解碼而將信號放大部13之輸出電壓、及以增益控制部12所調整之增益進行解碼，從而進行與轉換部14、運算部15相同之處理。

或，控制裝置10可為如下之構成：不具備運算部15，而預先設置單純記憶自轉換部14輸出之資訊、自增益控制部12輸出之資訊之記憶部，使用無線通信或有線通信，讀取記憶部中所記憶之資訊。又，利用有線對腳踏車電腦傳送與以感測器20所計測之物理量相關之資料之情形，亦可省略無線電路30。又，可行的是，於控制裝置10中設置介面，控制裝置10利用外部之電腦變更由增益控制部設定之增益。

<安裝例>

另，上述之增益控制部12、運算部15，典型而言，係利用微電腦而實現，但亦可利用CPU(central processing unit：中央處理器)解釋執行可執行儲存於記憶裝置(ROM、RAM等)中之上述處理程序之程式而實現。又，增益控制部12、轉換部14、及運算部15亦可利用1台微電腦而實現。

1‧‧‧控制裝置

10‧‧‧控制裝置

11‧‧‧檢測部

12‧‧‧增益控制部

13‧‧‧信號放大部

14‧‧‧轉換部

15‧‧‧運算部

20‧‧‧感測器

30‧‧‧無線傳送部

51‧‧‧迴轉速感測器

52‧‧‧應變計

53‧‧‧放大器

54‧‧‧A/D轉換器

55‧‧‧處理器

56‧‧‧無線傳送器

圖1係顯示本發明之第1實施形態之腳踏車用計測裝置之概略構成之方塊圖。

圖2係顯示感測器輸出之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。

圖3係顯示增益控制部之增益調整方法之一例之圖。

圖4係顯示藉由根據圖3之方法調整之增益所放大之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。

圖5係顯示增益控制部之增益調整方法之一例之圖。

圖6係顯示增益控制部之增益調整方法之一例之圖。

圖7係顯示藉由根據圖5之方法調整之增益所放大之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。

圖8係顯示藉由根據圖6之方法調整之增益所放大之最大轉矩時之電壓與迴轉速之關係之一例之圖表。

圖9係顯示第1實施形態之腳踏車用計測裝置之處理流程之流程圖。

圖10係顯示先前之發明之概略構成之方塊圖。

圖11係顯示人之踏力特性之圖。

1‧‧‧腳踏車用計測裝置

10‧‧‧控制裝置

11‧‧‧檢測部

12‧‧‧增益控制部

13‧‧‧信號放大部

14‧‧‧轉換部

15‧‧‧運算部

20‧‧‧感測器

30‧‧‧無線傳送部

Claims (20)

1. 一種控制裝置，其係安裝於含有旋轉零件之腳踏車上之感測器之控制裝置，且包含：信號放大部，其放大上述感測器之輸出；及增益控制部，其根據上述旋轉零件之旋轉狀態而調整上述信號放大部之增益。
2. 如請求項1之控制裝置，其中上述感測器檢測根據腳踏車之行走狀態而變化之物理量。
3. 如請求項1之控制裝置，其包含檢測部，其檢測上述旋轉零件之旋轉狀態。
4. 如請求項2之控制裝置，其包含檢測部，其檢測上述旋轉零件之旋轉狀態。
5. 如請求項1之控制裝置，其中上述旋轉零件係曲柄。
6. 如請求項2之控制裝置，其中上述旋轉零件係曲柄。
7. 如請求項3之控制裝置，其中上述旋轉零件係曲柄。
8. 如請求項4之控制裝置，其中上述旋轉零件係曲柄。
9. 如請求項1至8中任一項之控制裝置，其中上述旋轉狀態係迴轉速。
10. 如請求項9之控制裝置，其中上述增益控制部若上述迴轉速之值越大，則越加大上述信號放大部之增益。
11. 如請求項10之控制裝置，其中上述增幅控制部當上述迴轉速小於特定值之情形時，將上述信號放大部之增益作為第1增益，當上述迴轉速為上述特定值以上之情形時，將上述信號放大部之增益作為大於上述第1增益之 第2增益。
12. 如請求項10之控制裝置，其進而包含轉換部，該轉換部係將上述信號放大部之輸出轉換成數位信號。
13. 如請求項12之控制裝置，其中由上述信號放大部將與上述信號放大部之各增益對應之上述感測器之輸出之可取得之最大值根據上述各增益而放大之輸出，為上述轉換部之輸入之最大值以下。
14. 如請求項11之控制裝置，其進而包含轉換部，該轉換部係將上述信號放大部之輸出轉換為數位信號。
15. 如請求項14之控制裝置，其中由上述信號放大部將上述迴轉速為上述特定值以上之情形之上述感測器之輸出之可取得之最大值根據上述第2增益而放大之輸出，為上述轉換部之輸入之最大值以下。
16. 如請求項14之控制裝置，其中由上述信號放大部將上述迴轉速小於上述特定值之情形之上述感測器之輸出之可取得之最大值根據上述第1增益而放大之輸出，為上述轉換部之輸入之最大值以下。
17. 如請求項15之控制裝置，其中由上述信號放大部將上述迴轉速小於上述特定值之情形之上述感測器之輸出之可取得之最大值根據上述第1增益而放大之輸出，為上述轉換部之輸入之最大值以下。
18. 如請求項2至8中任一項之控制裝置，其中上述物理量係對上述旋轉零件施加之轉矩、或使上述旋轉零件旋轉之功。
19. 如請求項18之控制裝置，其包含運算部，該運算部係基於增益控制部之輸出，算出上述轉矩及上述功之至少一者。
20. 一種控制方法，其係安裝於含有旋轉零件之腳踏車上之感測器之控制方法，且根據上述旋轉零件之旋轉狀態而調整用於放大上述感測器之輸出之增益；根據上述經調整之增益，放大上述感測器之輸出。