自行车用传感器的控制装置、自行车用传感器的控制方法 |
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| 申请号 | CN201210295449.6 | 申请日 | 2012-08-17 | 公开(公告)号 | CN102969993B | 公开(公告)日 | 2016-12-21 |
| 申请人 | 株式会社岛野; | 发明人 | 北村智; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 自行车 用 传感器 的控制装置、自行车用传感器的控制方法，无需量子化位数多的高 精度 A/D转换器而能降低噪音的影响。装设在具有旋转部件的自行车上的传感器的控制装置（10）包含放大传感器（20）的输出的 信号 放大部和对应旋转部件的旋转状态而调整信号放大部（13）的增益的增益控制部（12）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自行车用传感器的控制装置，该传感器装设在具有旋转部件的自行车上，该控制装置包含： |
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| 说明书全文 | 自行车用传感器的控制装置、自行车用传感器的控制方法技术领域[0001] 本发明涉及一种测量对应自行车的行驶状态而变化的物理量的自行车用传感器的控制装置以及控制方法。 背景技术[0002] 作为用于使自行车的车轮、曲柄等旋转部件旋转的功率计（パワ-メ-タ），有专利文献1中所记载的发明。专利文献1中的发明，如图10所示由踏频传感器51、应变规52、放大器53、A/D转换器54、处理器55、无线发送器56构成。 [0003] 踏频传感器51计量踏频（曲柄的旋转速度）。应变规52计量由骑乘者踏动脚踏板而产生的曲柄轴的应变。放大器53将从应变规52输出的模拟电气信号放大至A/D转换器40能够处理的范围。A/D转换器54将放大后的模拟电气信号转换成数字电气信号。处理器55根据上述的数字电气信号计算施加在曲柄轴上的转矩。此外，处理器55以该转矩以及从踏频传感器51输出的踏频为基础，计算骑乘者所施加的功率。无线发送器56将由处理器55所计算的转矩或功率发送给未图示的自行车载计算机（サイクノコンピユ-タ，cycle computer）等。 [0004] 专利文献1：日本特开2009-006991号公报 [0005] 专利文献1的发明中，因为放大器53的增益恒定，一般对A/D转换器的输入电压存在限制，所以需要配合由应变规52检测的信号的最大值（踏力为最大时的输出）来设定增益。因此，踏力小时，即使放大器53放大由应变规52检测的信号，信号也不会变大到多大。因此，若当即使踏力小时也想准确地测量由应变规检测的信号时，A/D转换器54需要将由应变规检测的信号精密量子化，因而需要量子化位数多的高精度A/D转换器54。 [0006] 另外，增多量子化位数时，A/D转换器54中与1位对应的模拟电压的大小变小，因而会产生容易受噪音（noise）影响的问题。 发明内容[0007] 因此，本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种自行车用传感器的控制装置以及控制方法，用于即使不使用高精度A/D转换器也能以良好的精度测量传感器的输出。 [0008] 此外，本发明的目的还在于提供降低噪音影响的自行车用传感器的控制装置以及控制方法。 [0009] 为解决上述问题，本发明提供一种自行车用传感器的控制装置，该传感器装设在具有旋转部件的自行车上，该控制装置包含放大传感器的输出的信号放大部、以及对应旋转部件的旋转状态而调整信号放大部的增益的增益控制部。 [0010] 为解决上述问题，本发明提供一种自行车用传感器的控制方法，该传感器装设在具有旋转部件的自行车上，该控制方法对应旋转部件的旋转状态而调整用于放大传感器的输出的增益，并根据调整后的增益来放大所述传感器的输出。 [0011] 自行车的各部件上受到人所施加的力的范围对应自行车的旋转部件的旋转状态而变化。例如，人的踏力对应曲柄的踏频而变化（参考：藤井德明，《ロ-ドバイクの科学》，スキ-ジヤ-ナル株式会社，2008）。图11表示人的踏力特性。据此，虽然因个体不同而多少有不同，但一般在踏频低时自行车的旋转轴上受到人所施加的最大转矩较大，随着踏频变大，自行车的旋转轴上受到人所施加的最大转矩变小。利用这一点，用于解决上述问题的自行车用传感器的控制装置以及控制方法中对应自行车的旋转部件的旋转状态并配合自行车的各部件上受到人所施加的力的范围来调整增益，以使放大后电压的可取范围接近A/D转换器的动态范围。 [0012] 〔发明效果〕本发明的自行车用传感器的控制装置或控制方法能够对应旋转部件的旋转状态而调整放大传感器的输出的信号放大部的增益，并以适当的增益放大传感器的输出。因此，即使在传感器的输出大幅度变化的情况下，为了能以良好的精度测量传感器的输出值，也不必使用量子化位数多的高精度A/D转换器。因此，制造成本得以降低。 [0014] 图1是表示本发明第一实施方式的自行车用计量装置的概略结构的框图。 [0015] 图2是表示传感器输出的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。 [0016] 图3是表示增益控制部的增益调整方法的一例的图。 [0017] 图4是表示根据由图3的方法调整后的增益而放大的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。 [0018] 图5是表示增益控制部的增益调整方法的一例的图。 [0019] 图6是表示增益控制部的增益调整方法的一例的图。 [0020] 图7是表示根据由图5的方法调整后的增益而放大的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。 [0021] 图8是表示根据由图6的方法调整后的增益而放大的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图. [0022] 图9是表示本发明第一实施方式的自行车用计量装置的处理的流程的流程图。 [0023] 图10是表示以往发明的概略结构的框图。 [0024] 图11是表示人的踏力特性的图。 [0025] 附图标记说明：10控制装置；11检测部；12增益控制部；13信号放大部；14转换部；15运算部；20传感器；30无线发送部；51踏频传感器；52应变规；53放大器；54A/D转换器；55处理器；56无线发送器。 具体实施方式[0026] <第一实施方式> [0027] 以下，参照附图对包含本发明的第一实施方式的控制装置的自行车用计量装置进行说明。图1是表示本实施方式的自行车用计量装置1的概略结构的框图。自行车用计量装置1不仅可以装设在骑乘者通过蹬踏脚踏板行驶的通常的自行车上，也可以装设在如动感单车（areobike）那样的固定的自行车上。自行车用计量装置1设有控制装置10、传感器20、无线发送部30。控制装置10设有检测部11、增益控制部12、信号放大部13、转换部14、以及运算部15。 [0028] 控制装置10对应自行车的旋转部件的旋转状态来调整从装设在自行车上的传感器20输出的输出信号的增益。该旋转部件包括车轮、曲柄、轮毂、链轮、滑轮以及脚踏板中的任一方。曲柄包括曲柄轴和设于曲柄轴的两端的一对曲柄臂。 [0029] 传感器20计量对应自行车的行驶状态而变化的物理量。该物理量这一概念典型地是施加于旋转部件的转矩或者旋转部件的旋转所需要的功率（パワ-、仕事率），但是也包括链张力、蹬踏脚踏板的力以及手把、车架等的扭力、挠度等。传感器20为装设在作为自行车的一部分、受到骑乘者施加的力的部件上。受到骑乘者施加的力的部件例如有曲柄臂、曲柄轴、脚踏板、底部托架、车架、手把、车座等。传感器20典型地由应变规（歪みゲ-ジ）形成，但是也可以由磁致应变元件（磁歪素子）、变位传感器、利用流体等的压力传感器等形成。 [0030] 无线发送部30将与由传感器20计量的物理量相关的、控制装置10所输出的数据发送给未图示的自行车载电脑（サイクルコンピユ-タ：cycle computer）。 [0031] 检测部11为检测上述的旋转部件的旋转状态的传感器。具体地，检测部11检测曲柄的踏频（ヶイデンス：cadence）。 [0032] 增益控制部12对应上述的旋转部件的旋转状态而调整信号放大部13的增益。具体地，增益控制部12当踏频小时减小信号放大部13的增益，当踏频大时增大信号放大部13的增益。信号放大部13用经增益控制部12调整后的增益来放大从传感器20输出的模拟电气信号。增益控制部12、信号放大部13的动作的详情稍后描述。 [0033] 转换部14将放大后的模拟电气信号转换成数字信号。转换部14由A/D转换器实现。运算部15根据该数字信号计算对应自行车的行驶状态而变化的物理量。例如，运算部15可以根据装设在后轮毂上的传感器20的输出来计算施加在后轮毂上的转矩。另外，运算部15也可以根据装设在曲柄臂或曲柄轴上的传感器20的输出来计算施加在曲柄轴上的转矩。另外，运算部15也可以根据装设在底部托架上的传感器20的输出来计算链张力。另外，运算部 15也可以根据装设在脚踏板上的传感器件20的输出来计算施加在脚踏板上的力。此外，运算部15也可以根据由传感器20的输出而计算的上述的转矩、链张力或上述的施加力来计算骑乘者蹬骑自行车的功率以及后轮输出的功率。 [0034] 接下来，以对应自行车的旋转部件所受到的转矩而由传感器20输出电压信号的情况为例，对增益控制部12、信号放大部13的动作的详情进行说明。图2表示在传感器20为应变规的情况下的、传感器20输出的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例。如前所述，当踏频低时，自行车的旋转轴上受到人施加的最大转矩相对较大，随着踏频变大，自行车的旋转轴上受到人施加的最大转矩变小。另外，应变规的应变量、即应变规的输出电压与踏频的关系大致成正比例关系。因此，图2所示的表示应变规的输出电压与踏频的关系的曲线图为与图11所示的表示踏力特性的曲线图相同的形状。另外，即使传感器20为其他类型，只要是作为检测对象的物理量越大而输出的电压就越大的传感器，就都能够用于本发明。传感器20输出的最大转矩时的电压随着踏频变高而逐渐变小。 [0035] 图3表示增益控制部12的增益调整方法的一例。该例中，增益控制部12当踏频比特定的阈值ω1大时，将增益从G1变更至G（2 但G1＜G2）。对应传感器20以及转换部14的特性而经验性地决定该ω1、G1、G2。 [0036] 图4是表示信号放大部13根据由增益控制部12调整的图3的增益而放大了图2的信号后的、传感器20输出的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。图4所示的Vmax是转换部14的输入电压的最大值。如图4的曲线图的实线所示，传感器20输出的电压当踏频在0~ω1之间（0以上而ω1不足之间）时根据增益G1而被放大，当踏频在ω1~ωmax之间（ω1以上而ωmax以下之间）时根据增益G2而被放大。这里，踏频在0~ω1之间的放大后的电压的最大值G1×V0和踏频在ω1~ωmax之间的放大后的电压的最大值G2×V1都在Vmax以下是有必要的。但是，为了使自行车用计量装置1的计量精度提高，最好将G1×V0和G2×V1都设为接近Vmax的值。 [0037] 这里，当将转换部14的量子化位数设为N（N为自然数）、将与1位对应的模拟电压的大小总是恒定时，转换部14中的与1位对应的模拟电压的大小为Vmax/2N。当将踏频与ω1~ωmax之间的任意的踏频ωp对应的、传感器20输出的最大转矩时的电压设为Vp时，在使用与0~ω1之间相同的增益G1的情况下，为了使高位的位为0，ωp中的电压实际由log2(Vp/Vmax)+N位的范围表示。相对于此，如图3那样使增益从G1变化到G2时，ωp中的电压实际由log2(G2/G1×Vp/Vmax)+N位的范围表示。当增益控制部12如此增大增益时，实际表示ωp的电压的位数增加。转换部14中的与1位对应的电压恒定，因此表示电压的实际位数的增加导致与电压对应的数字信号的分辨率的提高。例如，N=4以及Vmax=8V且Vp=4V时，高位的位为0，因而ωp中的电压由log2(4/8)+4=3位的范围表示。 [0038] 另外，将增益固定在G1之后，为了以与踏频在ω1~ωmax之间而使增益变化到G2的情况同等的精度来测量传感器20的输出电压时，例如Vp由256位表示的情况下，Vmax应该为比256位大的位数。因此，需要位数较多的A/D转换器。本实施方式中，即使转换部14由量子化位数小的价格便宜的A/D转换器构成，但通过设法调整踏频的阈值ω1、增益G1、G2的值，也能以良好的精度得到转矩。 [0039] 另外，由于电子电路中产生的背景噪音的振幅电压大致恒定，因而传感器20的输出电压越小，则噪音在该输出电压中所占的比率就越大。通过调整增益而增大传感器的输出电压，能够减小噪音在输出电压中所占的比率，因而能够使电压的测量精度提高，能以良好的精度得到转矩。 [0040] 增益控制部12的增益调整方法不单是如图3那样切换两个增益。也可以如图5所示那样，以踏频越大则增益越大的方式，对应踏频而阶梯状地切换3个以上的增益。另外，增益控制部12的增益调整方法也可以如图6所示那样，以踏频越大则增益越大的方式，使增益对应踏频而连续地变化也没关系。图6的增益调整方法使增益配合踏频的大小而直线性增加，但只要是随着踏频变大而增益增加，则曲线性增加也可以。 [0041] 图7是表示根据通过图5所示的方法调整后的增益而放大的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。图8是表示根据通过图6所示的方法调整后的增益而放大的最大转矩时的电压与踏频的关系的一例的曲线图。这种情况下，也需要使与各增益（图5的情况下，G1…Gn）对应的传感器20的输出的可取最大值根据各增益（图5的情况下，G1…Gn）放大后的输出为转换部14的输入电压的最大值Vmax以下。另外，为了使自行车用计量装置1的计量精度提高，与各增益（图5的情况下，G1…Gn）对应的传感器20的输出的可取最大值优选均为接近Vmax的值。即使如图5或图6所示那样由增益控制部12调整增益，本实施方式的自行车用计量装置1也产生与如图3所示那样调整增益后的情况相同的效果。 [0042] 接下来，就本实施方式的自行车用计量装置的处理的流程进行说明。图9是表示本实施方式的自行车用计量装置的处理的流程的流程图。 [0043] 首先，检测部11检测踏频（步骤S1）。接着，增益控制部12基于所检测出的踏频来调整增益（步骤S2）。增益的调整方法可以是图3、图5以及图6中所列举的方法中任何一者，但不只这些。与各增益对应的传感器20的输出的可取最大值根据各增益而放大后的输出只要是在转换部14的输入电压的最大值以下，则使增益随着踏频变大而增加的所有方法皆可以使用。 [0044] 接着，信号放大部13获得来自传感器20的模拟信号（步骤S3）。然后，信号放大部13基于由增益控制部12调整后的增益来放大该模拟电气信号（步骤S4）。转换部14将放大后的模拟电气信号转换成数字信号（步骤S5）。 [0045] 接着，运算部15根据数字信号来计算对应自行车的行驶状态而变化的物理量（步骤S6）。典型地，运算部15根据在后轮毂、曲柄、底部托架以及脚踏板等上装设的传感器20的输出来计算施加在后轮毂、后轮、曲柄轴等旋转部件上的转矩、链张力或脚踏板的踏力等。此时，根据踏频的不同，信号放大部13所使用的增益不同，因而运算部15从增益控制部12获得所使用的增益相关的信息，并利用将由转换部14获得的数字信号表示的离散值乘以增益的倒数而得到的值，来计算转矩、链张力以及脚踏板的踏力等。然后，运算部15利用与施加在该旋转部件上的转矩、由检测部11检测的踏频、链张力或脚踏板的踏力相关的信息和预定的运算式来计算自行车所输出的功率和/或骑乘者所输出的功率等。例如，运算部15能够根据施加在曲柄轴上的转矩和由检测部11检测的踏频通过以下的式（1）来计算骑乘者蹬骑自行车的功率。 [0046] 功率（W）=转矩（N·m）×踏频（rpm）×2π/60……（1） [0047] 另外，例如运算部15能够基于后轮上所受到的转矩和后轮的转速来计算自行车输出的功率。 [0048] 另外，运算部15也可以基于传感器20的输出信号来计算不同的物理量。这样的物理量例如为链张力、踏动脚踏板的力以及手把、车架等的转矩、挠度等。 [0049] 最后，无线发送部30将运算部15计算出的计算结果发送给自行车载电脑（S7）。 [0050] <第一实施方式的效果> [0051] 下面，就本实施方式的效果进行说明。本实施方式的控制装置10以使踏频越大而信号放大部13的增益越大的方式调整增益。因此，控制装置10能够在踏频大时使输入至转换部14的电压范围变宽。其结果，与使增益为恒定的情况相比，踏频大时，能够较精密地量子化传感器20的输出电压。因此，由于不需要量子化位数多的高精度A/D转换器，所以能降低制造成本。 [0052] 另外，控制装置10能够使转换部14的与1位对应的模拟电压变大，因而能够降低噪音的影响。 [0053] <变型例> [0054] 另外，控制装置10也可以采用这样的结构：在图1所示的结构中不设置转换部14和运算部15。这种情况下，控制装置10可以生成与信号放大部13的输出电压以及由增益控制部12调整后的增益的大小对应的规定的信号，通过无线发送部30将该信号发送给自行车载电脑。然后，自行车载电脑可以对该信号进行解码而解码信号放大部13的输出电压、由增益控制部12调整后的增益，执行与转换部14、运算部15相同的处理。 [0055] 或者，控制装置10也可以采用这样的结构：不设置运算部15，而预先设置仅存储从增益控制部12输出的信息的存储部，并用无线通信或有线通信读出存储在存储部中的信息。另外，在与由传感器20计量的物理量相关的数据通过有线方式而被发送给自行车载电脑的情况下，可以省略无线发送部30。另外，在控制装置10中设置接口，控制装置10也可通过外部的计算机来变更由增益控制部所设定的增益。 [0056] <实装例> [0057] 另外，上述的增益控制部12、运算部15典型地由微型计算机实现，但也可以通过由CPU（Central Processing Unit，中央处理单元）解释执行内置于存储装置（ROM（Read-Only Memory：只读存储器）、RAM（Random Access Memory：随机存储器）等）中的能够执行上述的处理过程的程序数据来实现。另外，增益控制部12、转换部14以及运算部15可以由一个微型计算机来实现。 |
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