TWI576278B - Slope calculation device - Google Patents

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TWI576278B TW103106491A TW103106491A TWI576278B TW I576278 B TWI576278 B TW I576278B TW 103106491 A TW103106491 A TW 103106491A TW 103106491 A TW103106491 A TW 103106491A TW I576278 B TWI576278 B TW I576278B
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Description

坡度計算裝置
本發明係關於坡度計算裝置。
自行車的騎乘者，在爬坡時，為了能更舒適地爬坡而操作變速機、或懸吊裝置等。因此，當自行車行走時，行走路的坡度檢測是重要的。例如，專利文獻1揭示的自行車，是藉由傾斜感測器(坡道感測器)來檢測行走路的坡度，而讓變速機自動地作動。
[專利文獻1]日本特開2000-108982號公報
上述自行車，根據來自傾斜感測器的資訊，藉由變速控制部使變速機作動。然而，上述自行車存在著：必須另外設置僅用於檢測坡度之傾斜感測器的問題。
本發明的課題在於，不須使用傾斜感測器就能算出自行車的行走路之坡度。
本發明之一側面的坡度計算裝置，具備有第1檢測部、速度檢測部、儲存部以及控制部。第1檢測部，是檢測由自行車的騎乘者輸入的自行車之第1能量相關的參數。速度檢測部，是檢測自行車的行走速度。儲存部儲存有自行車及騎乘者的總重量。控制部，是根據由第1檢測部所檢測之參數來算出第1能量。此外，控制部，是根據由速度檢測部所檢測之行走速度及儲存部所儲存的自行車及騎乘者的總重量來算出第2能量。此外，控制部是根據第1能量及第2能量來算出坡度。
依據此構造，控制部可根據被輸入自行車之第1能量相關的參數、行走速度、自行車及騎乘者的總重量來算出坡度。亦即，上述坡度計算裝置，藉由使用第1檢測部和速度檢測部可算出坡度。因此，上述坡度計算裝置，不須利用僅用於檢測坡度之傾斜感測器就能算出坡度。
較佳為，第1檢測部係包含踏力檢測部及旋轉速度檢測部。踏力檢測部是檢測作用於自行車的曲柄之踏力。旋轉速度檢測部是檢測曲柄的旋轉速度。控制部，以由踏力檢測部所檢測之踏力、及由旋轉速度檢測部所檢測之旋轉速度作為參數，來算出第1能量。
較佳為，控制部是根據在第1時間輸入的第1能量、及從第2時間到第1時間之第2能量的變化量，來 算出在第1時間之第3能量的變化量。而且，控制部是根據所算出的第3能量的變化量來算出坡度。
較佳為，控制部是從第1能量減去第2能量的變化量而算出第3能量的變化量。
較佳為，控制部是根據在第1時間自行車所行走的距離和第3能量的變化量來算出坡度。
較佳為，踏力檢測部是檢測作用於自行車的曲柄軸之轉矩來作為踏力。
較佳為，旋轉速度檢測部是檢測曲柄的踏頻來作為旋轉速度。
較佳為，控制部是將下式(1)所算出之第1部分能量取前述第1時間的合計值而算出第1能量。
式中，p1表示第1部分能量，T表示轉矩，n表示踏頻，△t表示前述踏力檢測部的取樣間隔。
較佳為，控制部是根據下式(2)而算出第2能量的變化量。
式中，m表示自行車和騎乘者的總重量，v1表示在第1時間的行走速度，v2表示在第2時間的行走速度。
較佳為，坡度計算裝置進一步具備：用來檢測自行車的制動器的作動狀態之制動檢測部。控制部，當根據制動檢測部的檢測結果而判斷制動器正作動時，不算出坡度。
依據本發明，不須使用傾斜感測器就能算出坡度。
1‧‧‧坡度計算裝置
2‧‧‧踏力檢測部
3‧‧‧旋轉速度檢測部
4‧‧‧速度檢測部
5‧‧‧控制部
6‧‧‧制動檢測部
51‧‧‧儲存部
圖1係自行車的側視圖。
圖2係顯示坡度計算裝置的構造之方塊圖。
圖3係顯示自行車爬坡之概略圖。
圖4係顯示坡度計算裝置的動作之流程圖。
圖5係顯示變形例1之坡度計算裝置的構造之方塊圖。
圖6係顯示變形例1之坡度計算裝置的動作之流程圖。
以下，針對本發明的坡度計算裝置之實施形 態、以及使用該裝置的自行車，參照圖式作說明。圖1係使用坡度計算裝置之自行車101的側視圖。
如圖1所示般，使用坡度計算裝置之自行車101具備有：車架102、把手104、驅動部105、前輪106f、後輪106r。此外，自行車101還具備有：前制動器107f、後制動器107r、前制動桿108f、後制動桿108r、以及顯示裝置109。
驅動部105具有：鏈條110、及裝設有踏板111之曲柄112。曲柄112含有曲柄軸112a及一對的曲柄臂112b。各曲柄臂112b設置於曲柄軸112a的兩端部。
圖2係顯示實施形態之坡度計算裝置1的方塊圖。如圖2所示般，坡度計算裝置1具備有：踏力檢測部2、旋轉速度檢測部3、速度檢測部4、控制部5、及儲存部51。又踏力檢測部2及旋轉速度檢測部3相當於本發明的第1檢測部。
踏力檢測部2是檢測作用於曲柄112之踏力。例如，踏力檢測部2是轉矩感測器，而用來檢測作用於曲柄112的曲柄軸112a之轉矩。詳而言之，踏力檢測部2輸出與作用於曲柄軸112a之轉矩對應的信號(例如電壓)。轉矩感測器，例如為磁致伸縮式感測器、應變計皆可。由該踏力檢測部2所檢測之轉矩相關資訊送往控制部5。
旋轉速度檢測部3是檢測曲柄112的旋轉速度。例如，旋轉速度檢測部3為踏頻感測器，檢測曲柄 112的踏頻來作為旋轉速度。詳而言之，旋轉速度檢測部3是安裝於車架102，用來檢測安裝於曲柄臂112b上的磁鐵。由旋轉速度檢測部3所檢測之旋轉速度相關資訊送往控制部5。
速度檢測部4是檢測自行車101的行走速度。例如，速度檢測部4為速度感測器。詳而言之，速度檢測部4是安裝在自行車101的前叉103上，用來檢測安裝在前輪106f的1根輻條上之磁鐵40(參照圖1)。由該速度檢測部4所檢測之自行車101的行走速度相關資訊，送往控制部5。又控制部5是前輪106f每轉1圈算出自行車101的行走速度。而且，該前輪106f每轉1圈所算出之各行走速度，表示在前輪106f轉1圈的期間自行車101的平均行走速度。具體而言，控制部5將前輪106f的輪胎周長除以前輪106f轉1圈所需時間t，藉此算出前輪106f每轉1圈之自行車101的行走速度。
控制部5算出第1能量及第2能量，並根據所算出的第1及第2能量來算出坡度。在此，第1能量表示由自行車101的騎乘者輸入自行車101的能量。亦即，第1能量表示，騎乘者藉由踩踏自行車101的踏板111而輸入自行車101的能量。
詳而言之，控制部5是根據由踏力檢測部2所檢測之踏力、及由旋轉速度檢測部3所檢測之旋轉速度、亦即踏頻，來算出在第1時間t1所輸入的第1能量P1。具體而言，控制部5首先根據下式(1)算出第1部分能 量p1。在此，第1部分能量p1是指，在第1時間t1輸入自行車101之第1能量P1當中，在踏力檢測部2的取樣間隔△t輸入自行車101的能量。
式(1)中，p1(W)表示第1部分能量，T(N．m)表示由踏力檢測部2所檢測的轉矩，n(rpm)表示踏頻，△t(s)表示踏力檢測部2的取樣間隔。
接著，控制部5根據上述第1部分能量p1算出在第1時間t1輸入自行車101的第1能量P1。詳而言之，控制部5算出第1部分能量p1在第1時間t1的積分值來作為第1能量P1。在此，第1時間t1，可設定成速度檢測部4檢測出前輪106f的1根輻條上所安裝的磁鐵40之間隔、亦即前輪106f轉1圈的時間。因此，第1時間t1不是一定時間，隨著前輪106f每次旋轉可能成為不同的時間。
此外，控制部5，是根據由速度檢測部4所檢測的行走速度、和自行車及騎乘者的總重量，來算出從第1時間t1之前的速度檢測間隔(第2時間t2)到第1時間t1之第2能量的變化量P2。具體而言，控制部5是依下式(2)，根據在第1時間t1之第2能量的平均值、和在第2 時間t2之第2能量的平均值，來算出第2能量的變化量P2。
式(2)中，m(kg)表示自行車101和自行車101騎乘者的總重量，v1(m/s)表示在第1時間t1的行走速度，v2(m/s)表示在第2時間t2的行走速度。詳而言之，行走速度v1(m/s)表示在第1時間t1之平均行走速度，v2(m/s)表示在第2時間t2之平均行走速度。在此，當第2時間t2不存在的情況，亦即第1時間t1是自行車剛行走之最初的速度檢測間隔的情況，可將v2設為0而算出第2能量的變化量P2。在此，自行車101和騎乘者的總重量m儲存於儲存部51。儲存部51可由控制部5的記憶體構成，也能由與控制部5不同的記憶裝置所構成。
控制部5根據在第1時間t1輸入之第1能量P1、及從第2時間t2到第1時間t1之第2能量的變化量P2，算出在第1時間t1之第3能量的變化量P3。詳而言之，控制部5如下式(3)所示，從第1能量P1減去第2能量的變化量P2而算出第3能量的變化量P3。
P3=P1-P2．．．(3)
第3能量的變化量P3是在第1時間t1的位能變化，因此第3能量的變化量P3能以下式(4)表示。
P3=mgh．．．(4)式(4)中，h(m)如圖3所示般是表示在第1時間t1之自行車101所移動的垂直方向距離。亦即，距離h表示在第1時間t1之自行車101位置的高度方向變化。又圖3係顯示坡道的一部分之概略圖。詳而言之，圖3係顯示，在第1時間t1的期間自行車101行進的行走距離y的坡道之概略圖。此外，在式(4)中，m(kg)表示自行車和騎乘者的總重量，g(m/s2)表示重力加速度。
根據上述式(3)所算出之第3能量的變化量P3、儲存部51所儲存的自行車和騎乘者的總重量m、及重力加速度g，依上述式(4)可求出垂直方向的距離h。
控制部5根據在第1時間t1的行走距離y、和垂直方向的距離h來算出坡度S。具體而言，如圖3所示般，控制部5將第1時間t1乘以在第1時間t1的平均行走速度v1，藉此可算出行走距離y。而且，控制部5將在第1時間t1自行車101所移動的水平方向距離x、亦即在第1時間t1之自行車101位置的水平方向變化，依下式(5)算出。
控制部5根據上述式(4)所算出的垂直方向的距離h和上述式(5)所算出的水平方向的距離x，依下述式(6)算出坡度S(%)。
此外，控制部5也能依下述式(7)算出坡道的傾斜角度θ。
控制部5，可將所算出的坡度S等，顯示於裝設在把手104等上的顯示裝置109等。如以上所說明，控制部5可在前輪106f每次旋轉算出坡度S。又控制部5例如可由微電腦構成，其包含CPU(Central processing unit)、RAM(random access memory)、ROM(read only memory)、I/O介面等。
接著，針對使用坡度計算裝置1之坡度算出方法，參照圖4作說明。圖4係用來說明算出坡度時坡度計算裝置1的動作之流程圖。
控制部5，取得在第1時間t1輸入之第1能量P1相關參數(步驟S1)。詳而言之，控制部5取得由踏力檢測部2所檢測之作用於曲柄軸112a的轉矩相關資訊。此外，控制部5取得由旋轉速度檢測部3所檢測之曲柄112的踏頻相關資訊。
接著，控制部5根據上述式(1)算出在踏力檢測部2的取樣間隔△t輸入自行車101的第1部分能量p1(步驟S2)。
接著，控制部5算出在第1時間t1輸入自行車101的第1能量P1(步驟S3)。詳而言之，控制部5算出上述第1部分能量p1在第1時間t1的積分值來作為第1能量P1。
接著，控制部5取得從第2時間t2到第1時間t1第2能量的變化量P2相關參數(步驟S4)。詳而言之，控制部5取得儲存部51所儲存之自行車101和騎乘者的總重量m。此外，控制部5取得由速度檢測部4所檢測之在第1時間t1及第2時間t2之自行車101的平均行走速度相關資訊。
接著，控制部5依上述式(2)算出從第2時間t2到第1時間t1之第2能量的變化量P2(步驟S5)。
接著，控制部5依上述式(3)算出在第1時間t1之第3能量的變化量P3(步驟S6)。
接著，控制部5算出坡度S(步驟S7)。詳而言之，控制部5根據在步驟S6所獲得的P3和上述式(4)，求出在第1時間t1自行車101所移動的垂直方向距離h。而且，控制部5根據該垂直方向距離h和式(5)，求出在第1時間t1自行車101所移動的水平方向距離x。接著，控制部5根據垂直方向距離h、水平方向距離x、以及上述式(6)來算出坡度S。
[變形例]
以上雖是針對本發明的實施形態作說明，但本發明並不限定於此，在不脫離本發明趣旨的範圍內可實施各種變更。
變形例1
坡度計算裝置1亦可進一步具備有制動檢測部。圖5係顯示變形例1之坡度計算裝置1的構造之方塊圖。如圖5所示般，變形例1之坡度計算裝置1進一步具備制動檢測部6。又除了制動檢測部6以外的構造是與上述實施形態相同，因此省略其詳細說明。
制動檢測部6是用來檢測自行車101的前制動器107f及後制動器107r之至少一方的作動狀態。例如，制動檢測部6可以是檢測前制動桿108f及後制動桿 108r的至少一方是否被握緊之制動感測器。制動檢測部6將制動器之作動狀態相關資訊輸出給控制部5。
控制部5如圖6所示般，取得制動檢測部6之檢測結果(步驟S21)。控制部5根據制動檢測部6的檢測結果，判斷前制動器107f及後制動器107r之至少一方是否作動(步驟S22)。
當控制部5判斷前制動器107f及後制動器107r之至少一方正作動時(步驟S22之是)，轉移至步驟S21的處理。例如，控制部5根據制動檢測部6的檢測結果，當判斷前制動桿108f及後制動桿108r之至少一方被握緊時，轉移至步驟S21的處理。又步驟S1~步驟S7的處理是與上述實施形態相同，因此省略其說明。
另一方面，當控制部5判斷前制動器107f及後制動器107r皆未作動時(步驟S22之否)，轉移至步驟S1的處理。例如，控制部5根據制動檢測部6的檢測結果，當判斷前制動桿108f及後制動桿108r皆未被握緊時，轉移至步驟S1的處理。
變形例2
上述實施形態之自行車101和騎乘者的總重量m也能由騎乘者輸入，也能事先設定。當總重量被事先設定時，例如可將平均總重量m事先儲存於儲存部51。
變形例3
在上述實施形態，第1時間t1設定為速度檢測部4的取樣間隔，詳而言之是前輪106f轉1圈的時間，但並不限定於此。例如，第1時間t1也能設定為前輪106f轉2圈的時間，也能設定為前輪106f轉3圈以上的時間。此外，第1時間t1也能設定為與前輪106f旋轉的時間無關的時間。例如，第1時間t1也能是事先設定的時間。
1‧‧‧坡度計算裝置
2‧‧‧踏力檢測部
3‧‧‧旋轉速度檢測部
4‧‧‧速度檢測部
5‧‧‧控制部
51‧‧‧儲存部

Claims (11)

  1. 一種坡度計算裝置，係具備有第1檢測部、速度檢測部、儲存部以及控制部，該第1檢測部，是檢測由自行車的騎乘者輸入的前述自行車之第1能量相關的參數；該速度檢測部，是檢測自行車的行走速度；該儲存部，是儲存有前述自行車及前述騎乘者的總重量；該控制部，是根據由前述第1檢測部所檢測之前述參數來算出第1能量，根據由前述速度檢測部所檢測之行走速度及前述儲存部所儲存的前述自行車及前述騎乘者的總重量來算出第2能量，根據前述第1能量及前述第2能量來算出坡度。
  2. 如申請專利範圍第1項之坡度計算裝置，其中，前述第1檢測部係包含：檢測作用於前述自行車的曲柄之踏力的踏力檢測部、以及檢測前述曲柄的旋轉速度之旋轉速度檢測部；前述控制部，是以前述踏力檢測部所檢測之前述踏力及前述旋轉速度檢測部所檢測之前述旋轉速度作為前述參數，而算出前述第1能量。
  3. 如申請專利範圍第2項之坡度計算裝置，其中，前述踏力檢測部，是檢測作用於前述自行車的曲柄軸之轉矩來作為前述踏力。
  4. 如申請專利範圍第2項之坡度計算裝置，其中， 前述旋轉速度檢測部，是檢測前述曲柄之踏頻來作為前述旋轉速度。
  5. 如申請專利範圍第1項之坡度計算裝置，其中，前述控制部，是根據在第1時間輸入之前述第1能量、及從前述第1時間前的第2時間到前述第1時間之前述第2能量的變化量來算出前述第1時間之第3能量的變化量，根據前述算出之第3能量的變化量來算出前述坡度。
  6. 如申請專利範圍第2至4項中任一項之坡度計算裝置，其中，前述控制部，是根據在第1時間輸入之前述第1能量、及從前述第1時間前的第2時間到前述第1時間之前述第2能量的變化量來算出前述第1時間之第3能量的變化量，根據前述算出之第3能量的變化量來算出前述坡度；前述旋轉速度檢測部，是構成為可檢測：安裝於前述自行車的車輪且繞前述車輪的旋轉軸旋轉之被檢測體；前述第1及第2時間，是根據前述旋轉速度檢測部之前述被檢測體的檢測間隔來定義。
  7. 如申請專利範圍第5項之坡度計算裝置，其中，前述控制部，是從前述第1能量減去前述第2能量的變化量而算出前述第3能量的變化量。
  8. 如申請專利範圍第5項之坡度計算裝置，其中，前述控制部，是根據在前述第1時間前述自行車所行 走的距離和前述第3能量的變化量來算出前述坡度。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之坡度計算裝置，其中，前述控制部，是將下式(1)所算出之第1部分能量取前述第1時間的合計值而算出前述第1能量， 式中，p1表示第1部分能量，T表示轉矩，n表示踏頻，△t表示前述踏力檢測部的取樣間隔。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之坡度計算裝置，其中，前述控制部是根據下式(2)而算出前述第2能量的變化量， 式中，m表示自行車和騎乘者的總重量，v1表示在前述第1時間之行走速度，v2表示在前述第2時間之行走速度。
  11. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之坡度計算裝置，進一步具備：用來檢測前述自行車的制動器的作動狀 態之制動檢測部，前述控制部，當根據前述制動檢測部的檢測結果而判斷前述制動器正作動時，不算出前述坡度。
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