TW201726478A

TW201726478A - 自行車踏頻之檢測方法

Info

Publication number: TW201726478A
Application number: TW105102154A
Authority: TW
Inventors: 雷晉源; 郭士源
Original assignee: 聖佳光電有限公司
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-01

Abstract

本發明係提供一種自行車踏頻之檢測方法，係利用本體之加速度感測器檢測出踏板踩踏時之加速度值，並由處理單元判斷加速度上升及下降的周期變化、記錄加速度波形，再以單位時間內取樣值跨越加速度值中心線的次數計算每分鐘踏板的迴轉數，同時藉由無線通訊電路將節奏資料傳輸至電子裝置內，並由螢幕顯示出踏板踩踏的踏頻，以方便使用者快速掌握騎乘時的資訊，而有助於適時調控踩踏的節奏與強度。

Description

自行車踏頻之檢測方法

本發明係提供一種自行車踏頻之檢測方法，尤指可利用本體之加速度感測器進行檢測出踏板踩踏時之加速度值，並由處理單元計算成踩踏的踏頻資料，再由無線通訊電路傳輸至電子裝置內，使螢幕可顯示出踏板的踏頻。

按，現今休閒運動風氣受到相當大的重視，並為了響應節能、減碳的觀念，一般家庭經常會到郊外或風景區內之自行車道騎乘自行車、協力車等機踏車，使自行車之用途也從早期代步、通勤而成為觀光旅遊及運動的工具。

再者，自行車上大多會安裝有自行車碼表，以顯示騎乘的里程、時間、速度，亦有自行車碼表可顯示踏頻及心率等功能，其中踏頻關係到騎乘時踩踏於自行車踏板上迴轉的節奏與強度，所以使用者針對踩踏訓練大都會選配有具備踏頻檢測功能之自行車碼表。

然而目前應用於自行車之踏頻感測器主要是利用電磁感應原理，其大多為磁體(如磁鐵、簧片等)與感應器(如霍爾元件、感測線圈等)所組成，並將磁體安裝在自行車之曲柄或鍊輪上，且感應器安裝在車架(如車座撐桿或後下叉等)上，便可利用感應器進行檢測磁體隨著曲柄或鍊輪轉動而連續通過感應器所經過之時間計算出每分鐘迴轉的圈數，以完成踏板踩踏的踏頻檢測之動作，但此種踏頻感測器需要磁體與感應器二個分離構件間之精準對位才能檢測出該踏頻之數據資料，使得磁體必須靠近於感應器安裝配置位置，感應器才能可靠的檢測磁體通過，不過磁體與感應器大都是利用束帶或扣具分別安裝在自行車相對應之位置上，以致自行車在騎乘的過程中，很容易受到震動與衝擊等外力影響造成磁體與感應器間之位置產生偏移，並影響到數據檢測的穩定性而需重新校正調整，亦會造成使用者在騎乘和訓練上之困擾，即為有待從事此行業者所亟欲研究改善之關鍵所在。

故，發明人有鑑於上述習用之問題與缺失，乃搜集相關資料經由多方的評估及考量，並利用從事於此行業之多年研發經驗不斷的試作與修改，始設計出此種自行車踏頻之檢測方法發明專利誕生。

本發明之主要目的乃在於利用本體之加速度感測器以簡諧運動中加速度變化的物理原理進行檢測踏板踩踏時之加速度值，並由處理單元判斷出加速度上升及下降的周期變化及計算每一單位時間的加速度中心值，當檢測出之加速度值由大於中心值轉變至小於中心值之下標位準，即可判定加速度波形有1次跨越加速度值中心線，再以單位時間內加速度由大而小跨越中心線的次數計算每分鐘踏板的迴轉數，隨後更新加速度之中心值與運動位置資料，再利用無線通訊電路將資料傳輸至電子裝置內，並由螢幕進行顯示出踏板踩踏的踏頻。

本發明之次要目的乃在於處理單元判讀取樣的加速度值跨越中心線的有效數，係依取樣頻率設定一參照值次數，當取樣之有效數達到參照值的次數時，才判定為跨越，以避免踏板瞬間加速所造成加速度波形突然形成的波峰、踏板因腳踏姿態前後傾斜而改變加速度值，以及踏板翻轉而跨越加速度值中心線等所造成之誤判，藉此確保數據資料檢測的正確性與穩定性。

本發明之另一目的乃在於該本體為裝設於自行車踏板上，並於加速度感測器、處理單元與無線通訊電路上連接有供電源，且該供電源可為一鈕扣電池以減少佔用的體積，此種本體不需精準的對位即可方便安裝於踏板上整合成為一體，亦不會影響到踏板原有使用功能，並於實際應用時也不易受到震動或其他外力的影響而產生偏移，以確保整體使用上之機能與效果。

1‧‧‧本體

11‧‧‧加速度感測器

12‧‧‧處理單元

13‧‧‧無線通訊電路

14‧‧‧供電源

2‧‧‧電子裝置

21‧‧‧控制系統

22‧‧‧無線傳輸模組

23‧‧‧螢幕

3‧‧‧自行車

第一圖係為本發明之方塊圖。

第二圖係為本發明應用於自行車踏板之示意圖。

第三圖係為本發明較佳實施例之使用狀態圖。

第四圖係為本發明之步驟流程圖(一)。

第五圖係為本發明之步驟流程圖(二)。

第六圖係為本發明加速度之波形圖。

第七圖係為本發明更新加速度之中心值之步驟流程圖。

第八圖係為本發明判斷加速度值是否跨越中心線之步驟流程圖。

第九圖係為本發明更新踏板位置之步驟流程圖。

第十圖係為本發明踏板踩踏的踏頻資料傳輸時之步驟流程圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二、三圖所示，係分別為本發明之方塊圖、應用於自行車踏板之示意圖及較佳實施例之使用狀態圖，由圖中可清楚看出，本發明自行車踏頻之檢測方法為利用本體1及電子裝置2，故就本案之主要構件及特徵詳述如后，其中：該本體1與自行車3上之踏板(Pedal)較佳實施為直接整合成為一體，但於實際應用時，本體1亦可整合於踏板之反光片(圖中未示出)內部，並以自行車配件的方式進行安裝使用，或者是可將本體1進一步利用外殼之定位構件裝設於踏板、曲柄內部或外部，而本體1內部為具有一加速度感測器(Accelerometer)11，並由加速度感測器11連接有處理單元12，且該處理單元12連接有無線通訊電路13以傳輸資料至電子裝置2內進行接收，又加速度感測器11、處理單元12與無線通訊電路13上為連接有供電源14，且該供電源14可為一鈕扣電池、鋰電池、乾電池或其他可提供電能之電源，此種鈕扣電池可減少佔用的體積，使本體1更小型化。

該電子裝置2較佳實施可為一自行車碼表，或者是可為智慧型手機、智慧手環或手錶、個人數位助理(PDA)或其他終端設備，而電子裝置2為具有控制系統21，並由控制系統21連接有無線傳輸模組22及螢幕23，且該控制系統21內建有相關之應用軟體，便可利用無線傳輸模組22接收資料，並由螢幕23可顯示出本體1檢測之結果，以方便使用者可透過電子裝置2快速掌握騎乘自行車3時的踏頻資訊而有助於適時調控踩踏的節奏與強度，也可保持體力穩定而提昇騎乘的效率，更趨於實用性。

然而，上述之本體1較佳實施為由處理單元12進行讀取加速度感測器11之加速度值，並將加速度值進行處理後，以即時取得踏板踩踏的踏頻資料，但於實際應用時，亦可不經演算而直接透過無線通訊電路13傳輸至電子裝置2之無線傳輸模組22進行接收，並由控制系統21進行處理以取得踏頻資料，而本體1之處理單元12與無線通訊電路13亦可整合成為一系統單晶片(System on a chip，SoC)，使整體電路設計縮小化及模組化，並減少佔用本體1內部的空間與體積，且該本體1之無線通訊電路13與電子裝置2之無線傳輸模組22使用之無線傳輸協定為藍牙(Bluetooth)、ANT，或者是廠商所自行制定或其他電子裝置2通用之無線傳輸協定。

請搭配參閱第四至十圖所示，係分別為本發明之步驟流程圖(一)與(二)、加速度之波形圖、更新加速度之中心值之步驟流程圖、判斷加速度值是否跨越中心線之步驟流程圖、更新踏板位置之步驟流程圖及踏板踩踏的踏頻資料傳輸時之步驟流程圖，由圖中可清楚看出，當使用者踩踏於自行車3之踏板上時，可利用本體1之加速度感測器11測得至少一軸向(如Z軸)之加速度值，並由處理單元12依加速度值可得如第六圖所示加速度之波形圖，其中該水平軸為時間(t)、垂直軸為加速度(A)，而踏板每迴轉一周即會產生有一對應之加速度值周期，並於單位時間內加速度波形由上往下或由下往上跨越加速度值中心線的次數即為踏頻。

當利用本發明之自行車踏頻之檢測方法時，係包括下列之步驟實施：

(a01)啟動。

(a02)判斷踏板是否處於運動的狀態？若為是，即進行步驟(a03)，若為否，則進行步驟(a17)。

(a03)讀取加速度值及時間。

(a04)判斷踏板目前的位置是否位於上半周？若為是，即進行步驟(a05)，若為否，則進行步驟(a11)。

(a05)判斷加速度值是否小於中心值之下標？若為是，即進行步驟(a06)，若為否，則進行步驟(a07)。

(a06)跨越加速度值中心線的有效數加1，再繼續進行步驟(a08)。

(a07)跨越有效數保持不變，再繼續進行步驟(a08)。

(a08)判斷跨越的有效數是否大於預設參照值？若為是，即進行步驟(a09)，若為否，則進行步驟(a10)。

(a09)寫入間隔時間與踏板迴轉的圈數，以及更新加速度之中心值與踏板位置資料，並歸零該跨越的有效數，再繼續進行步驟(a17)。

(a10)判斷閒置時間是否大於預設時間？若為是，即重覆執行步驟(a02)，若為否，則繼續進行步驟(a17)。

(a11)判斷加速度值是否大於中心值之上標？若為是，即進行步驟(a12)，若為否，則進行步驟(a13)。

(a12)跨越加速度值中心線的有效數加1，再繼續進行步驟(a14)。

(a13)跨越有效數保持不變，再繼續進行步驟(a14)。

(a14)判斷跨越的有效數是否大於預設參照值？若為是，即進行步驟(a15)，若為否，則進行步驟(a16)。

(a15)更新踏板位置資料，並歸零該跨越的有效數，，再繼續進行步驟(a17)。

(a16)判斷閒置時間是否大於預設時間？若為是，即重覆執行步驟(a02)，若為否，則繼續進行步驟(a17)。

(a17)判斷是否傳送踏板的狀態資料？若為是，即進行步驟(a18)，若為否，則重覆執行步驟(a03)。

(a18)計算踏頻並傳輸至電子裝置2，再重覆執行步驟(a03)。

本發明上述自行車3之踏板保持不動的狀態時，如第六圖所示之加速度波形中心值(Central)在X軸方向為0，而Z軸方向則為重力加速度(G)值，且該踏板踩踏時之加速度波形峰值亦會隨著踏頻產生變化，因此本發明為設立二個位準，並利用處理單元12判讀取樣的加速度值跨越中心線的方式，可避免踏板瞬間加速造成加速度波形突然形成的波峰、踏板因腳踏姿態前後傾斜而改變加速度值，以及踏板翻轉而跨越中心線等所造成踏板位置(Position)之誤判，其中該中心值之上標(Cen_U)為略大於中心值(Cen_U=Cenx(1+3%))的區間、下標(Cen_D)為略小於中心值(Cen_D=Cenx(1-3%))的區間。

而為了避免踏板瞬間加速或停止踩踏時造成如第六圖所示之加速度波形產生變化，本發明為利用處理單元12判讀踏板在一周期單位時間內是否由加速度波形之上半周跨越中心線而轉變至下標，並採用參照值作為輔助判別，如第八圖所示以下之步驟(C01)至(C07)，其中該踏板在實施4ms內取樣時，若是踏頻小於50時參照值為16(Cross_Ref=16)；若是踏頻等於或大於50時參照值則為10(Cross_Ref=10)，當處理單元12判斷跨越下標次數為大於預設參照值時，該踏板即完成一迴轉數；若是未達到(小於或等於)預設參照值時，該踏板可能處於暫停或完全停止狀態。

然而，上述之步驟(a03)中，該處理單元12每次讀取加速度感測器11都為連續3筆資料之平均值，以減少因雜訊干擾所造成之偏移或誤差值；而在本發明之步驟(a04)中，若是取樣時踏板位於如第六圖所示加速度波形之下半周，或者是踏板位於上半周但翻轉時，處理單元12將執行如第五圖所示之步驟(a11)，直到踏板轉變至下一個下半周才會再次執行步驟(a05)進行後續踏頻之計算。

本發明上述之步驟(a09)中計算更新加速度之中心值為包括有下列之步驟實施：

(b01)讀取加速度值。

(b02)判斷加速度值是否跨越中心線？若為是，即進行步驟(b04)，若為否，則進行步驟(b03)。

(b03)將目前加總的加速度加上該加速度值，並將讀取的次數加1，再重覆執行步驟(b01)。

(b04)將加總的加速度值除以讀取的次數得到更新後之中心值，並由中心值計算出上標及下標位準。

由上述之實施步驟中可清楚得知，其中該更新加速度之中心值係將加速度值為由上往下跨越中心線到下一次由上往下跨越中心線，所有取樣加速度值的平均作為新的中心值，且上標為中心值加3%、下標為中心值減3%。

再者，上述之步驟(b02)中判斷加速度值是否跨越中心線為包括有下列之步驟實施：

(c01)判斷踏板目前的位置是否位於上半周？若為是，即進行步驟(c02)，若為否，則進行步驟(c08)。

(c02)判斷加速度值是否小於中心值之下標？若為是，即進行步驟(c03)，若為否，則進行步驟(c04)。

(c03)跨越加速度值中心線的有效數加1，再繼續進行步驟(c05)。

(c04)跨越有效數保持不變，再繼續進行步驟(c05)。

(c05)判斷跨越的有效數是否大於預設參照值？若為是，即進行步驟(c06)，若為否，則進行步驟(c07)。

(c06)加速度值為跨越中心線，並歸零該跨越的有效數，再繼續進行步驟(c08)。

(c07)加速度值未跨越中心線，再繼續進行步驟(c08)。

(c08)結束。

由上述之實施步驟中可清楚得知，其中該判斷加速度值是否跨越中心線係踏板由上半周往下在4ms取樣頻率之下，當加速度值小於中心值之下標的有效數大於預設參照值次數時，即可判定加速度值為跨越中心線。

然而，上述之步驟(a09)與(a15)中更新踏板位置為包括有下列之步驟實施：

(d01)讀取加速度值。

(d02)判斷Z軸方向加速度值是否大於0？若為是，即進行步驟(d03)，若為否，則進行步驟(d04)。

(d03)踏板目前的位置位於上半周，再繼續進行步驟(d05)。

(d04)踏板目前的位置位於下半周，再繼續進行步驟(d05)。

(d05)結束。

上述之步驟(d02)中踏板處於停止狀態時Z軸方向加速度之中心值為重力，即1G，當踏板踩踏時加速度之波峰、波谷會隨著踏頻產生變化，踏頻越快峰值的絕對值越大，若是踏板Z軸方向之加速度值為大於簡諧運動中加速度之中心值時，即可判定踏板位置位於上半周；反之，則踏板位置位於下半周。

此外，上述之步驟(a18)中踏板踩踏的踏頻資料傳輸時為包括有下列之步驟實施：

(e01)將踏板迴轉數乘以60，再除以時間換算成踩踏的踏頻資料。

(e02)將踏頻資料傳輸至電子裝置2。

(e03)結束。

由上述之實施步驟中可清楚得知，其中該踏板踩踏的踏頻資料傳輸時係將踏板的迴轉數轉換成每分鐘踏頻，並依無線通訊電路13所使用之通訊協定來進行編碼，再傳輸至電子裝置2內進行接收後，可使螢幕23即時顯示出踏頻資料。

上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。