TW201743036A - 用於監測流體動力拖曳之方法及設備 - Google Patents

用於監測流體動力拖曳之方法及設備 Download PDF

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Abstract

本發明提供用於監測對諸如一腳踏車、地面車輛、船舶、飛航器或一風力渦輪機之部分的一物體之流體動力拖曳之方法及設備。一感測器陣列獲得例如指示以下各者之感測器讀數：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之運動的空氣速率及方向；以及所述物體之對地速率。感測器讀數亦可指示以下各者：溫度；海拔及濕度，其用於提供空氣密度之一量測。感測器讀數亦可指示傾斜角及前進加速度。處理電路系統根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數。本發明亦提供一種用於量測流體速率及方向之皮託管式設備。本發明亦提供用於所述皮託管設備之動態現場校準以及調整被施加以校正此設備之量測誤差之校正因數的方法。

Description

用於監測流體動力拖曳之方法及設備
本發明係關於空氣動力量測之領域，且尤其係關於一種用於使用感測器陣列來監測對物體之流體動力（例如，空氣動力）拖曳之方法及設備。
在人力車輛（例如，腳踏車）之空氣動力效能量測中最想尋求之量中的一者為作用於所述車輛之拖曳力。在高品質低速風洞設施之受控制條件下，有可能執行此等量測以便找到用於最小空氣動力拖曳之最合適的車輛及本體位置。可相似地執行諸如但不限於陸基車輛及空中車輛之其他物體之空氣動力分析。
美國專利第8,612,165號揭示一種用於量測物體之空氣動力性質之方法及系統，其包含判定物體之拖曳面積對氣流偏航角及方向之相依性。然而，此途徑需要遍及整個車輛行程來收集資料且藉由計算多個虛擬海拔剖面來分析資料，以判定空氣動力拖曳面積與氣流偏航角之間的「最佳擬合（best fitting）」關係。
國際專利申請公開案第WO 2007/038278號揭示一種用於量測車輛之靜態壓力及動態壓力以及速率及加速度以便計算為移動車輛所消耗之功率的設備。然而，並未完全地考慮風偏航角與空氣動力拖曳之間的關係。另外，所揭示之途徑並未適當地適應攻擊性側風情境或車輛正經歷顯著加速度或減速度之條件。
美國專利第9,188,496號揭示一種在作用於車輛上之騎乘者之即時空氣動力拖曳之改變條件下進行計算的系統及方法。然而，此方法及應用依賴於騎乘者與車輛之間的接觸點處之一或多個力感測器的即時分析，且並不嘗試提供風速及風偏航角之量測。
因此，需要一種用於使用感測器來監測及/或判定對物體之流體動力（例如，空氣動力）拖曳之方法及設備，其未遭受先前技術之一或多個限制。
提供此背景資訊以揭露被本申請人認為可能與本發明相關之資訊。既不會必定承認亦不應認為任何先前資訊相對於本發明構成先前技術。
本發明之實施例之一目標係提供一種用於監測對一物體（諸如人力腳踏車或由其他電源供電之其他地面車輛、空中車輛、船舶、遙控車輛、風力渦輪機，或相對於周圍流體而移動之其他物體）之流體動力（例如，空氣動力）拖曳之方法及設備。根據本發明之實施例，提供一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之方法，其包括：獲得指示以下各者之感測器讀數：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之空氣/流體速率及方向；以及所述物體在一固定參考座標系中之速率及方向（例如，對地速率及方向）；以及使用一電腦根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數。視情況，所述感測器讀數進一步指示以下各者中之一或多者：溫度；海拔及濕度，溫度、海拔及濕度之所述感測器讀數經組合以提供空氣/流體密度之一量測。視情況，所述感測器讀數進一步指示傾斜角及前進加速度，且其中所述經儲存參數至少指示所述物體加上由其承載之負載的重量或質量。
根據本發明之實施例，提供一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之設備，其包括：一組感測器，其經組態以提供指示以下各者之感測器讀數：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之空氣速率及方向；以及所述物體在一給定參考座標系中之速率及方向；以及一處理器，其以操作方式耦接至所述一組感測器及一記憶體，所述處理器經組態以根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數；以及一介面，其經組態以將所述經判定拖曳面積係數提供至一使用者。
根據本發明之實施例，提供一種用於量測流體速率及方向之設備，其包括：一多孔皮託管探測器（multi-hole pitot probe），其基本校準係使用風洞量測而完成，且使用一預定義演算法來現場應用對用於每一裝置之所述校準之調整。
根據本發明之實施例，提供一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之方法，其包括：自一個感測器或感測器之一組合獲得感測器讀數，所述感測器讀數指示施加至所述物體之外部推力及/或阻力；以及使用一電腦根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數。
根據本發明之實施例，提供一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之設備，其包括：一組感測器，其經組態以提供指示施加至所述物體之外部推力及/或阻力之感測器讀數；以及處理電路系統，其以操作方式耦接至所述一組感測器，所述處理電路系統經組態以根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數；以及一介面，其經組態以將所述經判定拖曳面積係數提供至一使用者。
根據本發明之實施例，提供一種用於量測流體速率及方向之設備，其包括：至少一第一皮託管、一第二皮託管及一第三皮託管，每一皮託管具有一各別壓力通口，所述壓力通口面向於不同方向上；一第一微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第二皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第二皮託管之間的微差壓力之一第一量測；以及一第二微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第三皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第三皮託管之間的微差壓力之一第二量測。
根據本發明之實施例，提供一種用於校準一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括：接收緊接於所述探測器之一本體之一指示；估計由所述本體至少在所述探測器附近之存在所誘發之一流場；執行與所述經估計流場至用於所述探測器之另一流場上之一疊加相關的計算；估計由所述本體在所述探測器中誘發之一量測誤差，所述估計係基於所述疊加；以及提供用於至少部分地抵消所述量測誤差之一校正因數。
根據本發明之實施例，提供一種用於校準一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括：針對緊接於所述探測器之一本體提供一組一或多個組態；對於所述一組組態中之每一者，以實驗方式判定由所述本體在所述探測器中誘發之一量測誤差且提供用於至少部分地抵消所述量測誤差之一校正因數。
根據本發明之實施例，提供一種用於操作一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括：接收緊接於所述探測器之一本體之相對部位及/或形狀之一指示；以及基於所述經接收指示來提供待施加至來自所述探測器之量測之一校正因數。
根據本發明之實施例，提供一種用於判定由一表面對一輪式物體施加之滾動阻力之設備，所述設備包括：一振動感測器，其經組態以量測歸因於所述輪式物體在所述表面上之滾動之振動；處理電路系統，其以操作方式耦接至所述振動感測器，所述處理電路系統經組態以根據一預定關係而基於所述經量測振動及一或多個經儲存參數來判定一滾動阻力係數。
根據本發明之實施例，提供一種用於判定由一表面對一輪式物體施加之滾動阻力之方法，所述方法包括：使用一振動感測器來量測歸因於所述輪式物體在所述表面上之滾動之振動；使用一電腦根據一預定關係而基於所述經量測振動及一或多個經儲存參數來判定一滾動阻力係數。
本發明之實施例提供一種基於場之流體動力（例如，空氣動力）量測方法及設備，其中使用裝配於物體上之感測器以登記關於物體之流體動力效能的資訊。資訊可被即時登記且隨條件改變而被更新。來自感測器之輸出至少部分地用以即時估計由對物體之流體動力拖曳所造成之阻力。物體可為諸如腳踏車之人力車輛，或相對於諸如空氣之流體而移動之另一關注物體。儘管本文中使用術語「空氣」，但應易於理解，空氣可指代物體可移動通過的多種流體介質中之一者，諸如氣態流體介質或可能液態流體介質。
對於諸如腳踏車之人力車輛，此允許針對多種人體位置來搜集關於流體動力效能之資訊。此資訊係有用的，此係因為呈現最少拖曳之人體位置未必為允許用於驅動車輛之最高效的功率產生的同一位置。藉由針對不同本體位置來比較功率與流體動力資訊，可找到功率與拖曳之間的合意取捨。
本發明之實施例使用同時判定風偏航角及風速量值之風量測裝置。將直接力功率計量測用作用於計算經估計流體動力拖曳係數之複數個輸入中之一者。在各種實施例中，經由諸如應變計感測器之感測器來直接量測車輛驅動功率，而非使用機載感測器來估計對車輛之輸入功率。接著使用此功率量測來估計流體動力拖曳。
本發明之實施例獲得及使用風量值、風偏航角、道路斜率、車輛加速度、在給定參考座標系中之車輛速率及方向（例如，對地速率及方向）、滾動阻力估計、動力傳動系統阻力估計、車輛及乘客重量、車輛及乘客位置估計以及車輛輸入功率的量測。將所述量測組合在一起以估計車輛之流體動力拖曳。
本發明之實施例提供及利用三孔或五孔皮託管感測器之特定設計以用於直接量測風速及風偏航角。然而，應注意，本發明之其他實施例可提供代替此特定設計之替代性多孔探測器技術。在本發明之一個實施例中，多孔探測器經組態以提供全向風速量測及駛向。
本發明之實施例提供及利用振動或加速計感測器與壓力感測器之組合（其中知道車輛重量及輪胎類型）以用於偵測路面條件及關聯滾動阻力係數之瞬時改變。
本發明之實施例提供及利用濕度感測器、溫度感測器與心率感測器之組合以用於估計提供諸如腳踏車之車輛之驅動功率之人類的代謝功能，尤其是出汗率、電解質損耗及淨流體損耗。指示出汗率、心率或其類似者或其組合之替代性感測器可用以促進代謝效能之估計。因而，本發明之實施例係關於監測向車輛提供動力之個人之代謝效能，包含獲取及處理相關感測器量測。
本發明之實施例提供一種可整合至人力車輛之現有技術中之感測及計算裝置。舉例而言，可提供騎車用電腦（cycling computer），其除了記錄諸如速率、步調、心率、海拔、溫度、輸入功率及駛向之參數以外亦獲得用於提供結合騎乘者而施加於車輛上之空氣動力拖曳力之瞬時或近瞬時估計的感測器資訊。
本發明之實施例提供一種判定對物體之流體動力拖曳之方法。所述方法包含自一或多個感測器獲得資料，以及使用處理電路系統來處理資料。舉例而言，處理電路系統可包含電腦微處理器、例如體現於特殊應用積體電路中之數位或類比處理電路系統，或另一計算裝置。
本發明之實施例提供一種用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述校準為現場校準。所述方法包含接收緊接於探測器之本體之存在及/或部位之指示。所述本體可為人體或其他物體。可以由使用者提供之輸入參數之形式、經由來自一或多個近接感測器或其他感測器（例如，嵌入於人體中或貼附至人體之感測器）之信號或其組合來提供所述指示。所述方法進一步包含估計由本體至少在探測器附近之存在所誘發之流場。可基於例如分析流體流動模型及/或實驗資料來進行所述估計。所述方法進一步包含執行與經估計流場至用於探測器自身之另一流場上之疊加相關的計算。用於探測器之流場描述在不存在本體之情況下圍繞探測器之氣流。可基於分析模型化及/或先前風洞實驗來預定用於探測器之流場。所述方法進一步包含估計由本體在探測器中誘發之量測誤差，估計係基於疊加。所述方法進一步包含提供用於至少部分地抵消量測誤差之校正因數。
可針對本體之各種位置及/或組態來執行校準。舉例而言，當使用近接感測器來偵測本體相對於感測器之位置及/或形狀時，可針對多個不同感測器讀數或感測器讀數範圍來執行校準。
本發明之實施例提供一種用於在如上文所執行之校準之後或以另一方式（例如經由基於場之量測）操作多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述方法包含接收緊接於探測器之本體之相對部位及/或形狀之指示。所述方法進一步包含基於經接收指示來調整待施加至探測器量測之校正因數。可至少部分地基於預校準來判定校正因素。所述指示可基於近接感測器之輸出，或經由諸如使用者輸入之另一手段。
本發明之實施例提供一種用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述方法包含針對緊接於探測器之本體提供一組一或多個組態。所述方法進一步包含：對於一組組態中之每一者，以實驗方式判定由本體在探測器中誘發之量測誤差且提供用於至少部分地抵消量測誤差之校正因數。在一些實施例中，使用一或多個近接感測器來偵測一組一或多個組態。
本發明之實施例提供一種多孔皮託管探測器風感測器。所述感測器包含至少一第一皮託管、一第二皮託管及一第三皮託管。每一皮託管具有各別壓力通口，且壓力通口面向於不同方向上。所述感測器亦包含兩個微差壓力換能器。第一微差壓力換能器以操作方式耦接至第一皮託管及第二皮託管以用於提供第一皮託管與第二皮託管之間的微差壓力之第一量測。第二微差壓力換能器以操作方式耦接至第一皮託管及第三皮託管以用於提供第一皮託管與第三皮託管之間的微差壓力之第二量測。
本發明之實施例提供一種直接量測對空氣動力效能之風偏航角效應、雷諾數（Reynolds number）效應、路面條件效應及慣性效應之設備。
本發明之實施例可應用於使用不同本體位置來測試騎乘者流體動力效能。本發明之實施例可應用於獲得關於特定跑道之環境資料：包含風、溫度、濕度、海拔。本發明之實施例可應用於以最佳牽伸技術來訓練運動員。本發明之實施例可應用於騎乘難度之新運動員特定評定。系統描述
圖1說明根據本發明之一實施例而提供之感測及計算設備。所述設備係在腳踏車之內容背景中被呈現，但其可易於適應於其他應用。所述設備包含將輸入提供至以操作方式耦接至記憶體112 之微處理器110 之多個感測器，以及用於將資訊呈現給使用者之介面裝置115 。在一個實施例中，包含所有所說明之感測器。在其他實施例中，可省略所述感測器中之一或多者，潛在地具有對應功能損耗。當省略一感測器時，通常由所述感測器提供之資料可被估計為例如固定值或根據預定關係隨其他感測器輸入而變。應易於理解提供設備之給定功能性需要哪些感測器。在一些實施例中，將感測器中之至少一些連同微處理器提供於共同殼體內。在一些實施例中，可運用其他處理電路系統來替換微處理器。
感測器中之至少一些連同處理電路系統、記憶體及介面裝置（在如本文中所描述之組態之前）可被提供為現成組件，其可經特定地組態以如本文中所描述而操作。詳言之，壓力換能器可如本文中所描述而被特定地組態。
感測器包含經組態以量測前進加速度、橫搖角、把手偏航及/或俯仰角之加速計及/或陀螺儀120 。俯仰角可對應於路面之斜率或等級。圖2藉助於實例來說明腳踏車之偏航參數、俯仰參數及橫搖參數之定義。
感測器包含經組態以量測空氣中之水蒸汽（或其他蒸汽及/或粒子）濃度之相對濕度感測器125 。空氣密度受到濕度顯著地影響，且空氣密度為用於計算空氣中之拖曳力之相關參數。因此，來自相對濕度感測器之輸入可用以判定空氣密度且在計算期間調整拖曳力值。處理電路系統可經組態以至少部分地基於指示空氣密度之相對濕度來計算拖曳力係數。
感測器包含氣壓感測器130 。氣壓在風速計算中用作參考壓力。氣壓亦可作為用以計算局部海拔之測高計而操作。熟習此項技術者將易於理解基於氣壓之海拔計算。海拔隨時間推移之改變可用以計算道路斜率且支援來自加速計及/或陀螺儀120 之量測。
在一些實施例中，可易於使用貼附至物體或車輛之靜態皮託管式壓力感測器來獲得參考壓力。
感測器包含溫度感測器135 。溫度量測可用以促進判定隨局部空氣溫度而變之空氣密度。溫度量測及海拔量測可結合相對濕度感測器125 而使用以估計空氣密度。
感測器包含例如併有壓電換能器之振動感測器140 。振動感測器量測車輛或物體自身之局部振動。來自振動感測器之輸入可由處理電路系統使用以根據預定定量關係來動態地估計由車輛輪胎所造成之滾動摩擦。滾動摩擦量測可部分地基於額外使用者提供資訊，諸如車輛加上駕駛者及其他負載之總重量、輪胎大小及類型，以及輪胎中之氣壓。在一些實施例中，可代替地基於感測器輸入（諸如用於重量之應變計力感測器，及輪胎壓力感測器）而自動地判定使用者提供資訊之一或多個項目。
感測器包含一或多個壓力換能器145 ，其經組態以量測兩個源之間的微差壓力。在一些實施例中，兩個壓力換能器用以合作性地直接量測物體在移動參考座標系中之風速及風偏航角。下文描述壓力換能器及關聯風感測器之特定組態。
感測器包含用於量測對車輛之功率輸入的直接力功率量測感測器150 ，諸如以操作方式耦接至腳踏車踏板、曲柄、輪轂或鏈條之應變計。功率量測感測器可量測被施加以驅動車輛之瞬時及/或平均力。
在人力車輛之狀況下，感測器可包含用於判定踩踏板轉速之步調感測器155 。在一些實施例中，可省略步調感測器。在一個實施例中，可自由直接力功率量測感測器150 提供之信號之週期分量估計步調。功率量測之傅立葉（Fourier）變換分析（例如，快速傅立葉變換）可用以偵測對應於步調之週期分量頻率。對地速率量測亦可用以輔助判定步調，例如辨別如頻域中所表達的功率量測中之步調頻率與高階諧波頻率。
感測器包含用於量測相對於給定（通常為固定）參考座標系之速率（例如，對地速率）之速率感測器160 。在一些實施例中，速率感測器包含全球定位系統（GPS）單元。在其他實施例中，速率感測器包含運用輪之外圓周而校準的輪轉數感測器（例如，耦接至霍耳效應（hall-effect）感測器之稀土磁體）。可使用數值微分或積分技術而基於彼此來估計速率、位置及加速度。在一個此類實施例中，藉由在圍繞輪圓周之等間隔點處貼附多個稀土磁體來改良輪轉數感測器解析度。
以操作方式耦接至記憶體112 （或其他處理電路系統）之微處理器110 經組態以例如在必要時經由中間類比至數位轉換器、取樣電路系統、資料匯流排及/或相似組件而自各種感測器接收信號。藉由執行儲存於記憶體中之程式指令，微處理器執行諸如與拖曳估計相關之計算的計算，且將資料發送至介面裝置115 以供呈現給使用者。
介面裝置115 可包含射頻通信單元，諸如經組態以將信號無線地傳輸至另一裝置（諸如電腦、諸如蜂巢式電話之手持型裝置，或其類似者）之BluetoothTM 收發器。介面裝置115 亦可接收用於與設備互動之使用者輸入，例如用以組態設備、請求經儲存資料記錄、設定使用者偏好，或其類似者。在一些實施例中，介面裝置可包含諸如LCD螢幕之顯示器，以及諸如按鈕、觸控式螢幕或其類似者之使用者輸入。
設備進一步包含諸如鋰離子電池之電力供應器，連同關聯電力供應電子件、接通/關斷開關，及其類似者。設備進一步包含殼體，諸如下文所說明。
圖3A至圖3F說明根據本發明之一實施例之設備的各種視圖。圖3A至圖3D說明包含殼體及圍封式電路系統之設備的透視圖。圖3D及圖3E分別說明殼體之俯視圖及正視圖。圖3F說明包含3孔皮託管探測器設備之設備之前部部分的近視圖。操作細節
現在提供在一些實施例中可如何使用及處理感測器資料之描述。在各種實施例中且再次在腳踏車或地面車輛之內容背景中，設備可用以提供駕駛者或騎乘者之狀態之詳細（及可能實質上完全）特性化，例如包含：道路斜率、相對於地面或另一固定參考座標系之物體速率、物體加速度、空氣密度、風速、風向、風加速度、輸入功率、滾動阻力、滾動阻力係數（Crr ）、動力傳動系統及輪軸承損耗、輪胎壓力，以及此等狀態變數在時間上之歷史。
本發明之實施例提供指示騎乘者（或物體）拖曳面積係數（CD A ）及其時間變化之輸出變數。
本發明之實施例提供指示用以克服或經歷以下各者中之一或多者之功率的輸出變數：空氣拖曳；動力傳動系統損耗；滾動摩擦；騎乘者或物體加速度（例如，經儲存動能改變之效應）；旋轉輪輻拖曳；騎乘者或物體之海拔/道路斜率改變（例如，位能改變之效應），及輪旋轉慣性（例如，經儲存旋轉動能改變之效應）。
本發明之實施例提供指示風速、風偏航/方向及狂風/陣風（例如，風加速度）之輸出變數。
本發明之實施例提供指示代謝功能之輸出變數，例如基於適合度測試結合使用者輸入資料而使用，諸如VO2最大值、出汗率及乳酸鹽臨限值資料。代謝功能可包含運動員流體攝入量要求，其係基於與濕度、空氣溫度及心率之函數關係。代謝功能可包含電解質攝入量要求。代謝功能可包含熱能攝入量要求。
現在呈現第一拖曳計算情境。圖4說明展示物體400 之方塊圖，諸如車輛之俯視圖，所述車輛配備有量測用於驅動車輛前進變數之輸入功率Pmeas 410 之功率計、量測對地速度Urider 420 之速率感測器，以及量測空氣阻力Urel 430 之進入流速感測器。經量測空氣阻力包含量值及方向，且可被解析成在物體主要運動方向（x方向）上之分量Urel,x 432 及垂直於物體主要運動方向（y方向）之分量Urel,y 434 。Uwind 為風速（相對於固定參考座標系）之向量表示，而Urel 為空氣阻力在物體之移動參考座標系中之向量表示。因此，Urel 通常可被視為-Uwind +Urider 之向量總和。
第一計算操作對應於以下方程式之實現：(1) 其中，
在理想化狀況（包含在恆定速率下水平地（例如在平坦道路上）移動，其中無損耗且忽略輪旋轉動能）下，另外計算操作可對應於以下方程式之實現：(2)(3)
此處，為空氣密度，為在絕對參考座標系中（亦即，來自固定觀測者）之經量測風速，為車輛之對地速率，為在絕對參考座標系中之風偏航角，為物體/車輛之拖曳係數（）（通常根據風洞測試而建立）乘以在y-z平面中（亦即，在垂直於前進運動方向之平面中）量測之物體/車輛迎風面積（A ）。可例如基於相片、車輛之定標3D寫實圖或偵測人體位置之機載感測器來估計迎風面積。
本發明之實施例經由基於感測器量測之計算而經組態以估計量CD A 。對於具有未知形狀及未知拖曳係數之任意物體/車輛，可藉由針對功率重新配置方程式(3)而直接計算出此量：(4)
在本描述實施例中，係自機載功率計而獲得，係經由溫度、海拔與相對濕度之間的所建立的（通常可接受的）數學相關性而獲得。詳言之，根據理想氣體定律計算出純空氣密度，其中P 為靜態（絕對）壓力，T 為絕對溫度，且Ra 為乾燥空氣之特定氣體常數。藉由運用以下方程式來計算兩種理想氣體之混合物而考量水蒸汽至空氣中之添加：(5) 其中為潮濕空氣密度，為乾燥空氣之分壓，為乾燥空氣之特定氣體常數，為水蒸汽之分壓，且為水蒸汽之特定氣體常數。可根據下式來計算出乾燥空氣之分壓：(6) 其中P 為經觀測或經量測之絕對壓力，且Pv 係如下使用經量測之相對濕度而計算：(7) 其中為相對濕度。、以及係自風感測器（例如，3孔皮託管探測器）及自經由（對地）速率感測器所獲得之對地速率而直接獲得。
現在呈現第二拖曳計算情境。此情境適用於正攀爬（取得高程）及加速之車輛。圖5說明展示物體500 之方塊圖，諸如車輛之側視圖，所述車輛配備有量測用於驅動車輛前進變數之輸入功率Pmeas 之功率計、量測對地速度Urider 520 之速率感測器，以及量測空氣阻力Urel 之進入流速感測器。亦展示攀爬（傾斜）角α540 。
出於清晰起見，假定車輛加上其駕駛者/騎乘者之重量被包含或添加至校準資料Wrb 550 。騎乘者或物體配備有用以量測（例如，瞬時）傾斜角α之陀螺儀裝置，以及用以量測（例如，前進）加速度之加速計裝置。傾斜角可對應於車輛部位處之地表面相對於重力方向之角度。作用於騎乘者之力之總和相比於在第一情境下變得更複雜，其中添加重力以及相對加速度。
在忽略摩擦損耗之情況下，作用力可被表達為：(8) 其中為物體（例如，腳踏車+騎乘者）之質量，其被計算為，其中g為歸因於重力之局部加速度，且為騎乘者在x方向上之合成加速度，其係使用加速計及/或其他合適感測器（例如，經由速度量測之數值微分）而直接量測。
針對CD A重新配置上述各者會得到：(9)
在此第二情境下，可自機載功率計而獲得，可經由溫度、海拔與相對濕度之間的所建立的（通常可接受的）數學相關性而獲得，且、以及可自風感測器（例如，3孔皮託管探測器）及經由（對地）速率感測器所獲得之對地速率而直接獲得。
在各種實施例中，摩擦損耗可併入至計算中。上述第二情境說明根據本發明之一實施例的基本功能性。可提供及利用額外感測器以便補償與車輛動力傳動系統相關聯之摩擦損耗以及滾動摩擦。對於兩種此等類型之損耗，可使用由Martin等人使用之經驗模型：Martin等人（1998）-「道路騎車功率之數學模型之驗證（Validation of a mathematical model for road cycling power）」，J. App. BioMech，第14(3)卷；以及Martin等人（2006b）-「運用基於場之量度的騎車者之空氣動力拖曳面積（Aerodynamic drag area of cyclists with field-based measures）」，Sportscience 10：68-9，此兩者係特此以引用之方式併入。此等模型中所使用的是：滾動阻力係數，其可例如經由校準程序而判定；以及當前步調，其可經由機載步調感測器而獲得。亦可取決於完成功率量測之部位而併有摩擦損耗之替代性數學或經驗模型（例如，位於曲柄軸上之功率感測器相比於位於輪轂中之功率感測器將含有不同損耗）。
與其他方法（諸如由Snyder與Schmidt之作品-「利用腳踏車功率計來判定拖曳參數（Determination of Drag Parameters Utilizing a Bicycle Power Meter）」，Human Powered eJournal，第05章，第01期（2004年10月21日）且可得自http://www.hupi.org/HPeJ/0005/0005.htm且係特此以引用之方式併入）對比，對於適當的空氣動力分析，本發明之實施例未必需要受控制條件，諸如強加零加速度效應及零風效應。
可由處理電路系統（例如，以操作方式耦接至記憶體之微處理器）執行用於評估上述方程式中之一或多者之計算。舉例而言，可執行用於評估方程式(4)或(9)或相似方程式之計算。在一些實施例中，由微處理器使用標準浮點方法來執行計算。在一些實施例中，使用查找表方法來近似所述計算，在查找表方法中針對輸入變數之各種組合來預計算一或多個方程式之解且將所述解儲存於記憶體中。感測器輸入（潛在地連同指示輸入變數之值或未感測之參數之值的校準資料）用作對查找操作之輸入以擷取適合於包含感測器輸入之本組輸入值的經儲存解。在一些實施例中，當經儲存解不可用於一組給定輸入值時，可執行內插或外插以便獲得近似解。在一些實施例中，數位或類比處理電路系統可經組態以自動地接收及處理來自感測器之輸入信號，而以實施上文所描述之計算之預定方式提供基於所述輸入信號之輸出信號。感測器細節：風感測器
本發明之實施例提供氣流速率及方向感測器，亦被稱作風感測器。術語「風」可指代任何流體相對於移動物體之運動，其可歸因於物體運動及流體運動中之一者或兩者。
對於插入至諸如空氣之流動流體中之物體，遍及本體表面之壓力分佈自最大值（停滯壓力）至可低於流體靜態壓力（絕對壓力）之最小值而變化。停滯壓力被計算為靜態壓力與動態壓力之總和：(10)
多孔皮託管探測器之主要目的係量測物體之彎曲表面上之不同點處的局部壓力，以便辨別進入流速之方向及量值。多孔探測器可以分析方式予以校準或以實驗方式予以校準，但更常常使用後者。
圖6說明根據本發明之一實施例的用作風速及偏航角感測器之包括壓力換能器625 、627 之設備。
提供殼體610 ，其具有各自在一個端處敞開之至少三個前向皮託管620 。開口對應於壓力通口1 、2 、3 。壓力換能器625 、627 耦接於皮託管620 之內部部位處以用於量測停滯壓力。在圖6中使用流線及箭頭來識別進入流之方向。如所說明，第一壓力換能器625 耦接至以下兩者：第一皮託管，其連接至壓力通口中之中心壓力通口1 ；以及第二皮託管，其連接至位於中心壓力通口1 之一個側上之壓力通口2 。第二壓力換能器627 耦接至以下兩者：第一皮託管，其連接至壓力通口中之中心壓力通口1 ；以及第三皮託管，其連接至位於中心壓力通口1 之另一側上之壓力通口3 。將中心壓力通口1 連接至兩個壓力換能器之皮託管為分裂型皮託管，亦即，具有「Y」形狀及三個端點。分析解
假定圍繞探測器之流顯現被近似為圍繞具有圓形橫截面之圓柱體之位流，則可使用分析位流解以將圓柱體上之速度量化為：(11) 其中為自停滯點至關注點之角距離（圖6）。接著可使用貝努里方程式（Bernoulli's equation）以如下文所展示而計算三個壓力分接頭處之壓力：(12)(13)(14)
可如下利用三個方程式(12)至(14)：若量測通口1 、2 及3 處之壓力，則可針對未知來求解方程式系統(12)至(14)，其中表示靜態壓力之局部值，表示進入流相對於探測器之局部速率，且表示所述流相對於探測器之偏航角。
然而，壓力分接頭之部位遭受製造約束，此會引入量測誤差。詳言之，針對壓力分接頭孔大小及孔位置兩者之製造容限將引起所得壓力量測之變化，從而引入量測（偏移）誤差。可經由實驗校準來校正量測誤差，例如下文所論述。實驗校準
可藉由將探測器插入至已知流場（例如，風洞設施）中、橫穿各種偏航角且量測對應壓力來完成實驗校準。根據本發明之實施例，此類型之實驗校準係選用的。此處，公式及論述係關於三孔探測器，但對任何數目個孔之延伸係簡單明瞭的且可在文獻（例如，Johansen, E.S.、Rediniotis, O.K.、Jones, G.之「小型多孔探測器之可壓縮校準（The compressible calibration of miniature multi-hole probes）」，Journal of Fluids Engineering 123，第128至138頁，2001）中被找到。可藉由「流線投影方法」來進行所述校準，所述方法係基於自由流速度被投影於三個感測孔（壓力通口）1 、2 、3 中之每一者上的假定。因此，垂直於探測器表面之速度產生動態壓力，其被添加至自由流靜態壓力。因此，採取探測器之孔以基於垂直於所述孔中之每一者之速度投影來量測等於靜態壓力加上動態壓力之分率的總壓力。此可經由以下方程式予以表達：(15) 其中i = 1、2、3，對應於孔/通口1 、2 、3 ，如在圖6中，且為垂直於第i 孔之速度投影。
第一步驟係獲得垂直於孔表面之三個流速分量，其被表達為：(16)(17)(18)
三個孔因此感測以下壓力：(19)(20)(21)
接下來，定義關於實驗校準之係數：
將平均壓力係數定義為：(22)
將方向係數定義為：(23)
經由以下方程式而自方向係數直接估計風偏航角：(24)
運用以下方程式而自平均壓力以及以實驗方式判定之校準係數直接估計進入風速：(25)(26)
在上述方程式(25)中，為在風洞中控制之主要參數（亦即，設定風洞之自由流），且獲得對應係數C 作為遍及廣泛範圍之流速及風偏航角之若干測試之總體平均值。此係數（C ）儲存於記憶體中以供應用於真實環境中。
使用三保持探測器以用於估計自由流速度及風偏航角對於小於約15°之偏航角而言係可接受的。（對於諸如高達約30°之偏航角的較大風偏航角，可選擇五孔探測器。）在風洞中使用原型裝置來執行特定校準實驗。所述實驗揭露上述方法產生自由流速度及偏航角之估計，所述估計係在其真實值之2%內，具有95%置信度。真實環境中之動態校準
通常在風洞設施中執行上文所提及之實驗校準，在風洞設施中沒有實體障礙物更改圍繞探測器之流徑或壓力場（除了探測器自身以外）。可預期到，在給定工程應用中，將需要校正皮託管探測器校準以考量附近壁或干擾效應。在裝配至腳踏車之皮託管探測器之狀況下，騎乘者及腳踏車被預期為影響周圍壓力場，包含探測器自身上游之區域。因此，概述以下程序，藉以動態地產生用於皮託管探測器之校準資料及/或基於騎乘者及腳踏車相對於探測器之位置的位置來更改所述校準資料（如上文所論述，可運用裝配有探測器之任何車輛或物體來替換騎乘者及腳踏車）。通常，可基於部分地或完全地在探測器下游（亦即，在相對於與物體相對之空氣運動的背風面上）但仍然影響如由探測器所量測之氣流的物體之存在來進行校準程序。若物體部分地在探測器上游，則其應處於並不在探測器正前方及/或並不致使物體干擾接近探測器之流體的部位。
在將感測器附接至物體之後執行動態現場校準。在一些實施例中，在受控制條件下（諸如在風洞中）預校準感測器，且接著在裝配至物體之後重新校準感測器。在一些實施例中，重新校準可完全地覆寫預校準。在一些實施例中，省略預校準步驟。
因為經導出用於估計流速及風偏航角之基本方程式遵循位流場之假定，所以相同假定應用於腳踏車及騎乘者。此使能夠應用疊加原理。特定言之，可將用於探測器自身之流場解疊加於用於腳踏車加上騎乘者之流場解上以便調整校準。位流模型中之複雜程度可取決於所使用之感測器之數目而變化。出於清晰及說明之目的，在本實例中，使用單一紅外線近接感測器以量測騎乘者相對於探測器自身之位置（或其為由使用者輸入之資訊），且將探測器安裝於相對於腳踏車之已知部位（）中。在此實例中，腳踏車加上騎乘者被近似為蘭金半體（rankine half-body），其前進停滯點係基於使用者輸入或紅外線感測器量測而定位，如圖7所展示。在一些實施例中，可使用不同形狀或模型而非蘭金半體來近似本體（例如，腳踏車加上騎乘者）。待使用之形狀或模型可基於例如理論推理及/或實驗測試。
如圖7所展示，探測器相對於蘭金半體之位置係由流向距離給出，其中氣流方向與蘭金體之對稱平面對準，從而促進計算由本體之存在所誘發之壓力場及速度場。
流函數之基本控管方程式（基於圖7中所提供之座標軸）係由下式給出：(27)(28) 其中為車輛之半寬（例如，騎乘者之半寬）。車輛前方之任何位置處之流速將小於自由流速度，如由以下方程式所給出：(29)(30)
在極座標中，方程式更順從分析解，從而得到：(31)(32)
將所述解疊加至具有三孔探測器之蘭金體，自由流速度量值被預期（如由皮託管所見）為減小了大約：(33)
亦即，表示之真實值與量測之間的差。可在量測校正中使用此量。
在此公式化中，並不將校正應用於在切向方向上之風速改變，此係因為假定皮託管探測器相對於下游本體（腳踏車+騎乘者）對稱地裝配。作為一實例，當以行進時，在零風偏航之情況下，且假定之皮託管探測器位置，且對於之騎乘者，局部經量測空氣速率將被更改大約：(34)
如方程式(33)及(34)中所展示，皮託管探測器後方之本體（例如，蘭金半體）之存在藉由引入為自由流速度之約10%之誤差而影響探測器之效能。動態校準涉及使用上述方程式來校正如由皮託管所量測之速度之量值，其中來自紅外線近接感測器之直接輸入提供感測器值。在此組態中，風之經量測局部偏航角被假定為在3孔探測器之經設計量測範圍（亦即，-15°≤𝜃≤15°）內不受影響（但預期到，替代性途徑係計算另一已知偏航角之流函數且包含其效應）。對於較高攻角，可針對下游本體（例如，腳踏車加上騎乘者）來開發更複雜的流函數。
用於對上游皮託管之校準調整之動態改變流函數的實施方案適用於下游本體之形狀可變形（例如，實體上可移動，類似於腳踏車上之人類）或本體之形狀為偏航角之函數的多種動態環境。來自基於場之量度的以實驗方式判定之動態校準
可藉由遵循接下來所描述之協定而經由下游本體之基於場之量度（或基於風洞之量度）來完成對皮託管探測器之替代性校準調整。
首先，一旦裝置被啟動且所有感測器正通信，所述裝置就提示使用者校準皮託管。
接下來，裝置提示使用者校準本體之數目N 個實體組態。
接下來，對於由i = 1:N 加索引之每一實體組態，裝置提示使用者使裝置在零外部風（亦即，實質上無相對於地面之空氣運動）之條件下在實體組態i 中達到巡航速率。裝置接著提示使用者停止校準i 。
更詳細地，在接收到數目N 後，裝置就將用於本體（腳踏車+騎乘者）之實體組態之數目儲存至記憶體中，且進入迴路以獲得用於前述位置中之每一者之校準係數。
在提示針對給定組態i 使裝置達到巡航速率之後，裝置將量測及儲存用於實體組態i 之紅外線感測器資料（或指示近接於探測器之本體位置之其他資料），而同時儲存壓力資料及對地速率資料。平均紅外線感測器讀數及所述讀數之標準偏差將用以產生用於組態i 之校準範圍。將藉由產生促進經量測速度之校正之流函數而針對對地速率來校正壓力資料，如例如上述方程式(33)中所給出。
在提示停止給定校準之後，將校準資料儲存至記憶體中，且針對所有實體組態來重複所述過程。
此程序使能夠取決於紅外線感測器讀數而動態地改變針對皮託管感測器之校準。紅外線感測器讀數可易於由建立下游本體之相異實體組態之數個感測器替換。另外，紅外線感測器可由動態使用者或機器輸入替換以指示實體組態之改變。
在各種實施例中，上述校準協定可用以得到與N 個實體物體組態（例如，騎乘者位置）相關聯之一組N 個風感測器校正因數（或其他校準參數）。N 個物體組態亦與N 個不同近接感測器讀數範圍相關聯。隨後，在操作期間，使用近接感測器之輸出以選擇施加哪一風感測器校正因數。特定言之，當近接感測器讀數屬於與N 個物體組態中之一者相關聯之範圍時，自記憶體擷取對應風感測器校正因數且施加所述校正因數。3 孔探測器壓力換能器之組態
當利用3孔探測器時，預期到，使用三個相異壓力量測以便基於上述章節中所概述之方程式(22)至(26)來獲得風速及風偏航角之估計。
此處出於清晰起見而重複此等方程式以用於實驗校準：
平均壓力：(22)
方向係數：(23)
自方向係數直接估計風偏航角：(24)
自平均壓力以及以實驗方式判定之校準係數直接估計進入風速：(25)(26)
如上述方程式中所展示，可用於估計風偏航及風速之相關量為及。在3孔探測器上使用微差壓力換能器之情況下，有可能量測與之間的差。可使用第二探測器以量測與之間的差：(35)(36)
可求和或減去上述量測以提供用於流速及氣流偏航角計算之重要壓力量：(37)(38)
本發明之實施例因此提供具有如上文所描述而組態之兩個微差壓力換能器之皮託管探測器風感測器。對於替代性組態，相對於絕對壓力或靜態壓力來量測個別壓力。
兩個微差壓力換能器之上述組態允許適當的感測器功能性，其中組件之數目縮減，例如，其中使用兩個而非三個壓力換能器。兩個壓力換能器為微差壓力換能器。兩個微差壓力換能器中之第一微差壓力換能器耦接至第一皮託管及第二皮託管以用於量測微差壓力。兩個微差壓力換能器中之第二微差壓力換能器耦接至第一皮託管及第三皮託管以用於量測微差壓力。在各種實施例中，第一皮託管具有位於第二皮託管及第三皮託管之通口開口之間的壓力通口開口。亦即，第一皮託管為中心前向皮託管，而第二皮託管及第三皮託管之部分在第一皮託管之相對側處對角地向前及向外。第一皮託管可包含用於將其壓力通口耦接至壓力換能器兩者之叉形物或「Y」接面。諸如處理電路系統（例如，微處理器）之計算組件以操作方式耦接（潛在地經由類比至數位轉換器及其他中間組件）至第一壓力換能器及第二壓力換能器以用於自其獲得讀數。計算組件基於來自換能器之量測來提供另外資料，例如方程式(37)及(38)中所闡述。
在各種實施例中，皮託管彎曲使得緊接於壓力通口的所述管之部分在三個不同方向（例如，向前及對角向前方向）上向外，且緊接於壓力感測器的所述管之端相對地定位以便允許獲得管對之間的微差壓力讀數。感測器細節：路面感測器
本發明之實施例提供路面感測器，其基於經量測振動而經組態以判定由諸如腳踏車之車輛橫穿的表面之類型，及/或基於表面之類型而變化的滾動阻力係數。舉例而言，表面可為光滑瀝青、粗糙瀝青、礫石、油泥，或另一類型之表面。可使用例如壓電換能器來量測振動。
如Martin等人（1998）-「道路騎車功率之數學模型之驗證（Validation of a mathematical model for road cycling power）」，J. App. BioMech，第14(3)卷（在下文中為Martin（1998））所概述，輪式物體上歸因於滾動阻力之力與物體之重量（例如，腳踏車及騎乘者之重量）、輪胎壓力、輪胎材料、輪類型（外殼）以及騎乘表面之梯度及紋理相關。被分組在一起之所有此等效應通常被稱作滾動阻力係數或。Martin（1998）將歸因於滾動阻力之力（）給定為：(39)
應注意，物體（例如，腳踏車+騎乘者）之重量Wrb 係使用者輸入的，而道路斜率係以實驗方式量測的，此係在給出方程式(39)中之角度𝛼之情況下。待考量之滾動阻力之態樣為輪胎壓力、輪胎類型及騎乘表面紋理之效應，其均將影響滾動阻力係數。
在「騎車之機械學與空氣動力學（The mechanics and aerodynamics of cycling）」，Kyle, C.R.、E.R. Burke（編輯），《騎車之醫學及科學態樣（Medical and Scientific Aspects of Cycling）》，第235至251頁，Champaign, IL: Human Kinetics（1988）中，報告鉗入式腳踏車輪胎之在0.0027至0.0040之範圍內的值。使用對光滑瀝青之受控制實驗測試（Kyle，1988）來判定此等滾動阻力值。在本發明之實施例中，以實驗方式判定基線滾動阻力係數。提供併有輪胎壓力與路面條件之組合效應之基本模型。
為了以實驗方式判定基線滾動阻力係數，使用滑行式程序（coast-down procedure）。使用由「使用滑行式技術之道路負載量測及測力計模擬（Road Load Measurement and Dynamometer Simulation Using Coastdown Techniques）」，J1263，汽車工程師協會（SAE），1996所概述之一般滑行式測試程序，其中微小修改僅與特定工程應用（例如，腳踏車相對於汽車）相關。在本發明中，以電子方式控制滑行式程序，藉以使用者遵循逐步驟指令且執行滑行式操縱。利用在測試期間獲取之感測器資料以在測試之受控制條件下獲得滾動阻力係數之量度。
在本發明之實施例中，利用額外感測器以記錄在滑行式程序期間之振動量測。振動量測之平均振幅以及振動量測之振幅變化提供校準開始點。詳言之，若在短時間間隔中振動量測之平均振幅在校準中計算出的變化之一個標準偏差內，則滾動阻力係數被假定為在所述短時間間隔時保持恆定。若振動量測之平均振幅不屬於校準中計算出的變化之一個標準偏差，則使用以下公式（憑經驗經由場測試而導出）來調整滾動阻力係數：(40)
在方程式(40)中，為振動之正規化短時間平均峰間振幅，且C 為藉由致使處理電路系統執行車輛功率之連續線性回歸擬合以克服相對於功率之拖曳來克服滾動阻力而判定之常數值。此線性擬合之y截距直接判定滾動阻力係數之估計，且因此使能夠計算參數C 。若在不同路面條件及輪胎壓力下執行多個滑行式測試，則可由基本線性方程式取代此程序。應注意，滾動阻力係數及常數C 之經驗即時計算可為儲存於記憶體中以供未來在相似條件下使用之資料。額外拖曳分量
在本發明之一些實施例中，可考量作用於移動本體之額外拖曳分量，尤其是在存在流體圍繞移動本體之加速時，或反之亦然。可尤其在本體及/或流體攻擊性地加速時施加此額外拖曳分量。另外或替代地，可在水基（高度黏性）流體環境中更頻繁地施加額外拖曳分量。
自然地，當本體在流體中加速時，歸因於本體之質量及其加速度而存在對拖曳之被稱為「慣性效應」之效應。但，除了此慣性力以外，亦存在起因於對流體進行作用以便使其圍繞本體加速之事實的拖曳分量。此額外能量要求被稱為「附加質量效應（added mass effect）」。在流體機械學中，已在各種參照案中描述附加質量或虛擬質量，例如在Newman、John Nicholas（1977）之「海洋流體動力學（Marine hydrodynamics）」，馬薩諸塞州劍橋：MIT Press. §4.13，p. 139. ISBN 0-262-14026-8，及https://en.wikipedia.org/wiki/Added_mass中。
根據本發明之實施例，併有關於附加質量之一些方程式以改良在大加速度或減速度之狀況下的量測之準確度。在一個實施例中，設備可經組態以同時量測風速及對地速率，且梯度估計可用以判定流體圍繞本體之加速度。此又可用以估計「附加質量」力。在空中之幾乎所有狀況下，此力相當小且可被認為對於許多應用係可忽略的。但，對於流體動力學應用，附加質量效應變得重要。所述效應在某些極高精度空氣動力應用中亦可重要。
藉由調適Odar, F.與Hamilton, W. S.（1964）之「對在黏性流體中加速之球體之力（Forces on a sphere accelerating in a viscous fluid）」，Journal of Fluid Mechanics，18(02)，302至314之途徑來獲得附加質量及歷史力方程式：(41)
其憑經驗導出其附加質量及歷史力係數，且(42)
其中，其為對流加速度對局部加速度之比率（Odar與Hamilton，1964），且L 為關於本體（例如，腳踏車+騎乘者）之大小之長度尺度。
可經由風洞測試而以實驗方式獲得相似經驗相關性，且在本發明中使用相似經驗相關性以便估計對拖曳係數之「附加質量」效應。另外細節及用途
本發明之實施例可併有或耦接至一或多個致動器。處理電路系統可將控制信號傳輸至致動器以基於當前感測器讀數來實施改變。
舉例而言，可基於感測器讀數來致動伺服馬達及致動器。作為另一實例，可提供經組態以執行能效間距改變操作或諸如穩定操作之安全性操作的致動器。可根據特定回饋控制途徑而使用來自感測器之回饋來控制致動器。
在一些實施例中，設備經組態以量測諸如空氣動力拖曳、動力傳動系統損耗、滾動阻力及在給定頻率（例如每秒10次）下之風速（風向、狂風及陣風）的屬性，且可基於此等量測而實質上立即提供資料。設備可經組態以可經由電線而直接與使用者介面通信或在遠端與若干致動器（諸如伺服馬達、安全性關機控制器、壓力泵、重定向通風口、氣流鰭片等等）通信。通信可例如經由BluetoothTM 。在一些實施例中，致動器之控制可提供增加之流體動力效能或另一目的。
圖8A及圖8B說明根據本發明之一實施例的展示功率輸出與拖曳之間的相關性之測試資料。對於此實施例，腳踏車騎乘者自就座位置移動至站立位置且接著執行加速。圖8A及圖8B所展示之結果說明每一叢發時之經量測峰值功率一致地高於經估計峰值功率。詳言之，相較於930 W之經估計功率，平均經量測峰值功率為994 W，所述經估計功率對應於7%之功率縮減。換言之，若騎乘者保持處於就座位置，則可在7%之功率縮減之情況下達成相同效能。此結果提供對叢發加速度之空氣動力效能之直接洞察。然而，應注意，相較於站立位置，很可能沒有可能使騎乘者自就座位置產生相同功率。然而，值得使騎乘者考慮替代性衝刺位置以便找到空氣動力學與功率產生之最佳組合。
圖9A及圖9B說明根據關於本發明之一實施例而進行之實驗的在室外賽車場中之受控制騎乘之小區段的四個參數之典型變化。四個參數包含：（i）用以克服拖曳力之功率；（ii）用以克服道路斜率之功率；（iii）加速度功率；及（iv）用以克服滾動阻力之功率。總騎乘者輸入功率可等於作用於騎乘者之所有力之總和乘以騎乘者對地速率。
對於所說明之小區段，指示測試騎乘者在5圈內保持大約250 W之恆定功率。騎乘者以達到約400 W之峰值功率的攻擊性加速度開始（圖9A中之紅線）。感測器資料指示使騎乘者加速所需要之功率的峰值略微低於300 W（圖9A中之綠線）。當與用以克服拖曳之功率（圖9A中之黑線）及用以克服滾動阻力之功率（圖9A中之藍線）組合時，會很好地預測經估計騎乘者功率。在初始加速度之後，騎乘者使其輸入功率穩定於大約250 W。在5圈之過程（在圖9A及圖9B中，t = 0.25至3.5）內，經量測輸入功率及經估計輸入功率兩者略微波動，但出於不同原因。經量測功率係由於騎乘者自其腿通過至踏板中之功率傳遞將不可能完全地保持恆定而波動。另一方面，經估計功率係歸因於感測器量測及關聯功率估計之改變（尤其是相對風速之改變（圖9B）及騎乘者加速度之小改變（圖9A））而波動。總體而言，在t = 0.25 min與t = 3.5 min之間的準穩定間隔期間之平均功率及RMS功率為：P(經量測) = 248.62 W；P(經估計) = 249.10 W；PRMS (經量測) = 11.21 W；以及PRMS (經估計) = 19.73 W。
所述結果指示：平均而言，實驗實施例可用以在受控制條件下準確地量測騎乘者輸入功率。此亦表明所提供之感測器量測具有合理的準確度。在使用此等感測器讀數之情況下，已針對騎乘者建立校準。當騎乘者選擇不同本體位置時，可將其在變化條件下之流體動力效能與此校準相比較。
圖10說明根據本發明之一實施例的用於判定對物體之流體動力拖曳之方法。所述方法包含自一個感測器或感測器之組合獲得（1010）感測器讀數，感測器讀數指示施加至物體之外部推力或阻力。所述方法包含使用電腦根據預定關係而基於感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定（1020）拖曳面積係數。
圖11說明根據本發明之一實施例的用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述方法包含：接收（1110）緊接於探測器之本體之指示；估計（1120）由本體至少在探測器附近之存在所誘發之流場；執行（1130）與經估計流場至用於探測器之另一流場上之疊加相關的計算；估計（1140）由本體在探測器中誘發之量測誤差，估計係基於疊加；以及提供（1150）用於至少部分地抵消量測誤差之校正因數。
圖12說明根據本發明之另一實施例的用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述方法包含針對緊接於探測器之本體提供（1210）一組一或多個組態；以及對於一組組態中之每一者，以實驗方式判定（1220）由本體在探測器中誘發之量測誤差且提供（1230）用於至少部分地抵消量測誤差之校正因數。
圖13說明根據本發明之一實施例的用於操作多孔皮託管探測器風感測器之方法。所述方法包含：接收（1310）緊接於探測器之本體之相對部位及/或形狀之指示；以及基於經接收指示來提供（1320）待施加至來自探測器之量測之校正因數。
圖14說明根據本發明之一實施例的用於判定由表面對輪式物體施加之滾動阻力之方法。所述方法包含：使用振動感測器來量測（1410）歸因於輪式物體在表面上之滾動之振動；以及使用電腦根據預定關係而基於經量測振動及一或多個經儲存參數來判定（1420）滾動阻力係數。
本發明之實施例可應用於消費者運動裝備之領域中。舉例而言，所述設備可經組態為供個人或人力車輛使用之騎車用電腦或監測器。
本發明之實施例可應用於運輸領域中。舉例而言，車運公司可在運輸卡車上併有所述設備以監測車輛效率，例如併有流體動力分析。在一個實施例中，將所述設備整合至卡車上之其他系統中，諸如卡車輪胎充氣系統，其在目前係由駕駛者手動地調整。本發明可經組態用於緩解諸如輪胎磨損之問題、管理針對高速公路爆胎兩者之輪胎安全性壓力，以及提供在某些道路條件下（諸如在通過山路時）之較好牽引。
本發明之實施例可應用於可再生風能之領域中。所述設備可經組態及併入至風力渦輪機中以促進其監測及調整，例如作為安全性及效能增強感測器。所述設備之輸出中之一或多者可用於槳調整及/或力安全性感測器。本發明之實施例可經組態以支援振盪風技術，亦被稱為渦流風力渦輪機。
本發明之實施例可應用於航空領域中，例如提供供私人飛行員及娛樂性飛行員使用之感測器。所述設備可併入至輕型飛航器、滑翔機、遙控飛機中及/或作為備用感測器。
舉例而言，輕型飛航器常常依賴於單一皮託管感測器。此感測器常常並不具有備用系統。若皮託管感測器受到障礙或損壞，則其可導致飛行員處於失速情形。當所報告之速率不正確時，大多數會在導降進場時發生事故。懸掛式滑翔亦具有失速可能性，或其最壞的情況為「機頭急墜反沖（Whip Kick）」或「機頭急墜失速（Whip Stall）」，此係危險的且常常以事故而告終。本發明可經組態以在偵測到初期失速條件後就發出警告信號。
經由描述前述實施例，可藉由僅使用硬體或藉由使用軟體及必要的通用硬體平台來實施本發明。基於此等理解，可以軟體產品之形式體現本發明之技術解決方案。軟體產品可儲存於非揮發性或非暫時性儲存媒體中，所述儲存媒體可為緊密光碟唯讀記憶體（CD-ROM）、USB快閃記憶體磁碟或可卸除式硬碟。軟體產品包含使電腦裝置（個人電腦、伺服器或網路裝置）能夠執行本發明之實施例中所提供之方法的多個指令。舉例而言，此執行可對應於如本文中所描述之邏輯運算之模擬。根據本發明之實施例，軟體產品可另外或替代地包含使電腦裝置能夠執行用於組態或程式化數位邏輯設備之操作的多個指令。
儘管已參考本發明之特定特徵及實施例而描述本發明，但明顯的是，可在不脫離本發明之情況下對本發明進行各種修改及組合。因此，本說明書及圖式僅僅被視為如由所附申請專利範圍所界定之本發明的說明，且被預期為涵蓋屬於本發明之範疇內之任何及所有修改、變化、組合或等效者。
1、2、3‧‧‧壓力通口
110‧‧‧微處理器
112‧‧‧記憶體
115‧‧‧介面裝置
120‧‧‧陀螺儀
125‧‧‧相對濕度感測器
130‧‧‧氣壓感測器
135‧‧‧溫度感測器
140‧‧‧振動感測器
145‧‧‧壓力換能器
150‧‧‧直接力功率量測感測器
155‧‧‧步調感測器
160‧‧‧速率感測器
400、500‧‧‧物體
410‧‧‧輸入功率Pmeas
420、520‧‧‧對地速度Urider
430‧‧‧空氣阻力Urel
432‧‧‧分量Urel,x
434‧‧‧分量Urel,y
540‧‧‧攀爬（傾斜）角α
550‧‧‧校準資料Wrb
610‧‧‧殼體
620‧‧‧皮託管
625、627‧‧‧壓力換能器
1010、1020、1110、1120、1130、1140、1150、1210、1220、1310、1320、1410、1420‧‧‧步驟
本發明之另外特徵及優點將自結合所附圖式進行之以下詳細描述變得顯而易見，圖式中： 圖1示意性地說明根據本發明之一實施例的設備。 圖2說明根據本發明之一實施例的偏航方向、俯仰方向及橫搖方向。 圖3A至圖3F說明根據本發明之一實施例而提供之設備的視圖。 圖4說明根據本發明之一實施例的展示力關係之方塊圖。 圖5說明根據本發明之另一實施例的展示力關係之方塊圖。 圖6說明根據本發明之一實施例的用作風速及偏航角感測器之包括壓力換能器之設備。 圖7說明根據本發明之一實施例的風速及偏航角感測器之操作。 圖8A及圖8B說明根據本發明之一實施例的展示功率輸出與拖曳之間的相關性之測試資料。 圖9A及圖9B說明根據本發明之一實施例的展示經估計及經量測輸入功率及速度隨時間推移之變化之額外測試資料。 圖10說明根據本發明之一實施例的用於判定對物體之流體動力拖曳之方法。 圖11說明根據本發明之一實施例的用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。 圖12說明根據本發明之另一實施例的用於校準多孔皮託管探測器風感測器之方法。 圖13說明根據本發明之一實施例的用於操作多孔皮託管探測器風感測器之方法。 圖14說明根據本發明之一實施例的用於判定由表面對輪式物體施加之滾動阻力之方法。 應注意，貫穿所附圖式，由類似參考數字識別類似特徵。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
110‧‧‧微處理器
112‧‧‧記憶體
115‧‧‧介面裝置
120‧‧‧陀螺儀
125‧‧‧相對濕度感測器
130‧‧‧氣壓感測器
135‧‧‧溫度感測器
140‧‧‧振動感測器
145‧‧‧壓力換能器
150‧‧‧直接力功率量測感測器
155‧‧‧步調感測器

Claims (22)

  1. 一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之方法，其包括： 自一個感測器或感測器之一組合獲得感測器讀數，所述感測器讀數指示施加至所述物體之外部推力、施加至所述物體之阻力或其一組合；以及 使用一電腦根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述感測器讀數指示以下各者中之至少一者：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之空氣速率及方向；所述物體在一固定參考座標系中之速率；所述物體相對於重力之一傾斜角；所述物體之加速度；入射於所述物體上之風之加速度；入射風相對於所述物體之偏航角；所述物體之輪胎壓力；空氣溫度；空氣濕度；所述物體之重量；歸因於所述物體在一表面上之行進之振動；以及一物體之存在、形狀或相對於一風感測器之部位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述感測器讀數指示以下各者：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之空氣速率及方向；以及所述物體在一固定參考座標系中之速率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述感測器讀數指示以下各者：溫度；海拔；以及濕度，所述方法進一步包括組合溫度、海拔及濕度之所述感測器讀數以提供空氣密度之一量測。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述感測器讀數指示所述物體之一傾斜角及所述物體之前進加速度，且其中所述經儲存參數至少指示所述物體加上由其承載之負載的重量或質量。
  6. 一種用於判定對一物體之流體動力拖曳之設備，其包括： 一組感測器，其經組態以提供指示施加至所述物體之外部推力、施加至所述物體之阻力或其一組合之感測器讀數；以及 處理電路系統，其以操作方式耦接至所述一組感測器，所述處理電路系統經組態以根據一預定關係而基於所述感測器讀數且視情況基於一或多個經儲存參數來判定一拖曳面積係數；以及 一介面，其經組態以將所述經判定拖曳面積係數提供至一使用者。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的設備，其中所述感測器讀數指示以下各者中之至少一者：用於推進所述物體之功率輸入；相對於所述物體之空氣速率及方向；所述物體在一固定參考座標系中之速率；所述物體相對於重力之一傾斜角；所述物體之加速度；入射於所述物體上之風之加速度；入射風相對於所述物體之偏航角；所述物體之輪胎壓力；空氣溫度；空氣濕度；所述物體之重量；歸因於所述物體在一表面上之行進之振動；以及一物體之存在、形狀或相對於一風感測器之部位。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的設備，其中所述感測器讀數指示以下各者：溫度；海拔及濕度，溫度、海拔及濕度之所述感測器讀數經組合以提供空氣密度之一量測。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的設備，其中所述感測器讀數進一步指示所述物體之傾斜角及所述物體之前進加速度，且其中所述經儲存參數至少指示所述物體加上由其承載之負載的重量或質量。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的設備，其中所述感測器讀數指示相對於所述物體之空氣速率及方向，所述設備進一步包括用於提供指示相對於所述物體之空氣速率及方向之所述感測器讀數的一多孔皮託管探測器感測器，所述多孔皮託管探測器感測器包括： 至少一第一皮託管、一第二皮託管及一第三皮託管，每一皮託管具有一各別壓力通口，所述壓力通口面向於不同方向上； 一第一微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第二皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第二皮託管之間的微差壓力之一第一量測；以及 一第二微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第三皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第三皮託管之間的微差壓力之一第二量測。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的設備，其中所述處理電路系統以操作方式耦接至所述第一微差壓力換能器及所述第二微差壓力換能器，所述處理電路系統經組態以基於所述第一量測與所述第二量測之一組合來提供另外資料，所述另外資料包含以下各者中之一者或兩者：所述第二皮託管與所述第三皮託管之間的一微差壓力；以及所述第一皮託管之壓力與所述第二皮託管及所述第三皮託管之一壓力平均值之間的一差。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的設備，其中所述處理電路系統經組態以進行以下操作： 接收緊接於所述探測器之一本體之一指示； 估計由所述本體至少在所述探測器附近之存在所誘發之一流場； 執行與所述經估計流場至用於所述探測器之另一流場上之一疊加相關的計算； 估計由所述本體在所述探測器中誘發之一量測誤差，所述估計係基於所述疊加；以及 提供用於至少部分地抵消所述量測誤差之一校正因數。
  13. 如申請專利範圍第6項所述的設備，其中所述物體為在一表面上滾動之一輪式物體，所述設備進一步包括： 一振動感測器，其經組態以量測歸因於所述輪式物體在所述表面上之滾動之振動； 其中所述處理電路系統以操作方式耦接至所述振動感測器，所述處理電路系統經進一步組態以根據一預定關係而基於所述經量測振動及一或多個經儲存參數來判定一滾動阻力係數。
  14. 一種用於量測流體速率及方向之設備，其包括： 至少一第一皮託管、一第二皮託管及一第三皮託管，每一皮託管具有一各別壓力通口，所述壓力通口面向於不同方向上； 一第一微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第二皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第二皮託管之間的微差壓力之一第一量測；以及 一第二微差壓力換能器，其以操作方式耦接至所述第一皮託管及所述第三皮託管以用於提供所述第一皮託管與所述第三皮託管之間的微差壓力之一第二量測。
  15. 一種用於校準一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括： 接收緊接於所述探測器之一本體之一指示； 估計由所述本體至少在所述探測器附近之存在所誘發之一流場； 執行與所述經估計流場至用於所述探測器之另一流場上之一疊加相關的計算； 估計由所述本體在所述探測器中誘發之一量測誤差，所述估計係基於所述疊加；以及 提供用於至少部分地抵消所述量測誤差之一校正因數。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中所述本體之指示包含以下各者中之一者或兩者之一指示：所述本體與所述探測器之間的距離；以及所述本體相對於所述探測器之組態，且其中使用一或多個感測器來提供所述指示。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中針對所述本體相對於所述探測器之多個組態來重複所述方法。
  18. 一種用於校準一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括： 針對緊接於所述探測器之一本體提供一組一或多個組態； 對於所述一組組態中之每一者，以實驗方式判定由所述本體在所述探測器中誘發之一量測誤差且提供用於至少部分地抵消所述量測誤差之一校正因數。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中使用一或多個感測器來偵測所述一組一或多個組態。
  20. 一種用於操作一多孔皮託管探測器風感測器之方法，其包括： 接收緊接於所述探測器之一本體之相對部位及/或形狀之一指示；以及 基於所述經接收指示來提供待施加至來自所述探測器之量測之一校正因數。
  21. 一種用於判定由一表面對一輪式物體施加之滾動阻力之設備，所述設備包括： 一振動感測器，其經組態以量測歸因於所述輪式物體在所述表面上之滾動之振動； 處理電路系統，其以操作方式耦接至所述振動感測器，所述處理電路系統經組態以根據一預定關係而基於所述經量測振動及一或多個經儲存參數來判定一滾動阻力係數。
  22. 一種用於判定由一表面對一輪式物體施加之滾動阻力之方法，所述方法包括： 使用一振動感測器來量測歸因於所述輪式物體在所述表面上之滾動之振動； 使用一電腦根據一預定關係而基於所述經量測振動及一或多個經儲存參數來判定一滾動阻力係數。
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