用于测定自行车蹬车节奏和行进速度的传感器装置和方法 |
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| 申请号 | CN201080070738.5 | 申请日 | 2010-10-15 | 公开(公告)号 | CN103429992A | 公开(公告)日 | 2013-12-04 |
| 申请人 | 阿尔创新股份公司; | 发明人 | H.贝希勒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 传感器 装置（1），其用于测定 曲柄 的节奏和 自行车 的行进速度。所述传感器装置（1）包括：壳体（2）； 加速 度计 （4），其具有大体互相垂直布置的第一和第二测量轴线（z,y），能够提供依赖于沿第一测量轴线（z）的第一加速度的第一 信号 和依赖于沿第二测量轴线（y）的第二加速度的第二信号；无线发送器（6）；以及电源（8）。加速度计（4）、无线发送器（6）和电源（8）包含在壳体（2）内，并且壳体（2）包括将壳体（2）附接在自行车 车轮 的附接装置（3）。传感器装置（1）还包括从在第一信号中发生极性连续变化的速率或者从在第一信号中发生连续正极值和负极值的速率来测定节奏的第一装置以及从在第二信号中发生连续最大和最小峰值的速率测定行进速度的第二装置。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种传感器装置（1），其用于测定曲柄（15，15’） 的节奏和自行车的行进速度，包括： |
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| 说明书全文 | 用于测定自行车蹬车节奏和行进速度的传感器装置和方法技术领域背景技术[0002] 通常对于测量自行车行进速度使用的装置由附接于前轮或后轮辐条上的磁体和诸如磁性簧片开关等传感器或附接于主梁前叉或后部，例如附接于链条撑杆或车座撑杆的霍尔效应传感器组成。传感器检测随着车轮转动磁体何时通过。然后从等于车轮周长的车轮转动期间行进的距离和车轮完全旋转一圈花费的时间，例如，磁体经过传感器的连续通过之间的时间，来测定行进速度。同样地，骑车者蹬车的速率，即节奏，典型地使用安装在曲柄或链轮（也称为前链轮或驱动链轮）上的磁体和安装在主梁上的传感器，再一次通过感应经过传感器的磁体的通过，并然后测定从经过传感器的磁体的连续通过之间所经历时间的每单位时间的齿盘转数来测定行进速度。 [0003] 在US 3,898,563中描述了这种现有技术解决方案，其中提出了使用两个独立的传感器/磁体布置，其一安装在前轮以测量行进速度以及另一个安装在驱动链轮以测量节奏。 [0004] 为了此测量配置良好工作，磁体与传感器精确对正很重要。此外，此类型的测量配置的正确操作严格地取决于仔细调整磁体和传感器之间的距离，因为仅在磁体紧密靠近传感器时，传感器才可靠地检测到磁体的存在。不幸地，即使当传感器和磁体在将配置安装在自行车期间互相精确地定位时，它们的对正和它们之间的距离随着时间的推移而经常变化。这可例如可归因于自行车的操作，例如，当从汽车上装载和卸载自行车时经常需要移动以及随后重新接上一个车轮，或归因于在其操作过程中作用在自行车上的震动和冲击。此传感器和磁体之间的位移将最终限制配置准确工作，这尤其在自行车旅行和特别是比赛期间使人烦恼。时常重新调整配置需要使用工具，而当骑自行车时此工具可能不在手边。 [0005] 已经提出一些解决方案以减轻这些问题。在US 5,089,775、US 6,188,215 B1以及US 6,331,771 B1中提出了磁体安装装配以力图增加磁体在车轮辐条上的安装稳定性。US 6,957,926 B2提出了一种不需要使用工具安装或调整在车轮辐条上磁体的安装的磁体安装结构。另一方面，EP 1 508 514 A1和EP 1 923 302 A1披露了装置包括速度传感器和节奏传感器以布置在链条上，如此避免必须分别布置两个独立传感器也力图确保两传感器的稳定和精确安装。另外，US 2008/0252038 A1描述一种具有空腔结构以接纳传感器装置的自行车主梁，如此允许保持主梁的空气动力外形同时传感器装置在空腔中牢固地固定并精确地定位。此方法的缺点是通过在主梁中形成空腔主梁结构的稳定性可潜在地被损坏。 此外，WO 2004/057274 A1披露了一种磁体和传感器集成在自行车零件的解决方案。在WO 2004/057274 A1中提出在自行车车轮胎内部布置速度计的磁体并且将传感器牢固地连接至车把下端，即两前叉顶端之间。进一步，也提出在底部支架内的轴侧面布置踏板转速计的磁体（为测量节奏）并且将传感器连接至自行车主梁，例如，位于车座管或竖管的底端。根据此布置，磁体和传感器都很好地得到保护，但缺点是两元件在需要修理或替换的情况下不易或完全不能接触到。 [0006] 还已知一种是测量自行车的行进速度或者蹬车节奏的可选的方法。US 4,526,036披露一种计划安装在自行车非回转零件上包括用于测量加速度的装置的节奏计量仪。基于测量由骑车者在每蹬车循环应用在踏板上变力引起的自行车在其行进方向加速度和减速度的交变相位以测定节奏。在EP 1 213 561 B1中描述了在测量装置中采用的类似技术。此测量装置包括加速度计，其安装在自行车上以使其测量轴线与行进方向一致，其输出信号被处理以提取蹬车频率（即节奏）。此外，WO 2008/058164 A2呈现一种基于齿盘的自行车功率测量装置，其中需要蹬车节奏作为功率计算的一部分的。与测定蹬车节奏一起，提及安装在齿盘上的加速度计能够用于测量相对于曲柄朝向的重力的方向。在WO 2010/000369 A1中描述了在用于测量循环功率输出装置中使用加速度计，其中加速度计嵌入自行车夹板，其用螺栓固定至骑车者鞋中或可选择地安装在自行车的踏板上或骑车者的腿或脚上。 因此，安装加速度计以使其两个测量轴线跨过平行于曲柄旋转的两平行面的平面。在WO 2010/000369 A1中提出基于测量来自加速度计的输出信号各自的连续最小和最大值之间的经历时间以测定节奏，该最大值和最小值分别发生在曲柄每转的上止点和下止点。 发明内容[0007] 本发明的目的是提供一种测量骑车者蹬车节奏和自行车行进速度以及具有减少零件数量的传感器装置。本发明的进一步目标是提供一种即使当其位置偏移时也能可靠地工作的传感器装置。本发明的另一个目的是提供一种测定骑车者蹬车节奏和自行车行进速度的可选方法。 [0009] 本发明提供一种测定曲柄节奏和自行车行进速度的传感器装置，包括：-壳体； -加速度计，其具有大体互相垂直布置的第一和第二测量轴线，能够提供依赖于沿第一测量轴线的第一加速度的第一信号和依赖于沿第二测量轴线的第二加速度的第二信号； -无线发送器； -电源； 其中加速度计、无线发送器和电源包含在壳体内，并且其中壳体包括将壳体附接在自行车车轮的附接装置，并且其中传感器装置还包括从在第一信号中发生极性连续变化的速率或者从在第一信号中发生连续正极值和负极值的速率来测定节奏的第一装置以及从在第二信号中发生连续最大和最小峰值的速率测定行进速度的第二装置。 [0010] 根据本发明的这种传感器装置能够使用附接在自行车车轮上的单个2轴或3轴加速度计测量骑车者的蹬车节奏和自行车的行进速度，如此需要比已知的解决方案更少的零件并使安装这种传感器装置更简易、更快速和更方便。容易的安装进一步由下述事实来支持：根据本发明的传感器装置的正确和可靠的功能不是严格地依赖于其在车轮上安装的精确位置以及对其位置的偏移不敏感。第一装置基于在第一加速度信号中符号的连续交变的发生之间经历的时间，或基于在第一信号中连续正极值或负极值发生之间经历的时间来测定骑车者蹬车的节奏。此特征使本发明的实施尤为简单和低成本。此外，第二装置基于在第二加速度信号中连续最大和最小峰值的发生之间经历的时间测定自行车行进速度。此特征也允许简单实施，如此使得能够实现能够测定曲柄节奏和行进速度的自行车的具有成本效益的传感器解决方案。 [0011] 在本发明的实施例中，传感器装置还包括从在第二加速度信号的包络线中发生连续最大和最小峰值的速率测定节奏的第三装置。这样，从独立于从第一信号测定的第一节奏值的第二加速度信号测定对于节奏的第二值。 [0012] 在本发明的进一步实施例中，传感器装置还包括使用由第一装置测定的节奏值和由第三装置测定的节奏值测定更精确和/或更可靠的节奏值的第四装置。此实施例是容错的，因为在沿其一测量轴线，加速度计的加速度测量暂时失效或永久地故障的情况下，可采用交变、冗余的测量以提供节奏值。选择性地，通过适当地结合两个独立地测定的节奏值，能够取得一个更加精确的结果。 [0013] 在本发明的一个方面中，提供了具有根据本发明的传感器装置的自行车车轮，其中第一测量轴线定向为大体平行于车轮的轮轴并且第二测量轴线定向为大体垂直于轮轴。这样，由第一装置测定蹬车节奏的横向加速度可被独立于作用在测量后面的加速度的自行车的纵向平面内的任何加速度来测量，以便利用第二装置测定行进速度。 [0014] 在本发明的进一步方面中，在自行车车轮上布置传感器装置以使第二测量轴线与轮轴的轴线相交。这样，作用于加速度计的径向力可独立于切向力测量，如此使得车轮旋转的速率的测定结果首先更可靠或更易测定。 [0015] 在根据本发明的传感器装置的进一步实施例中，第一和第二装置是自行车计算机或诸如移动电话或个人数字助理（PDA）等便携设备的一部分。除了在壳体内设置第一和第二装置，包括由自行车计算机中的这两种装置实现的功能，例如在自行车计算机内将相应的软件模块并入在微处理器上执行的程序中，更加具有成本效益。按照同样的方式，第三和第四装置也能作为自行车计算机或诸如移动电话或PDA等便携设备的一部分包括在内。 [0016] 在本发明的另一方面中，提供了具有根据本发明的传感器装置的自行车，其中壳体附接于自行车的车轮，例如后轮，并且其中加速度计的第一测量轴线定向为大体平行于附接传感器装置的车轮的轮轴且加速度计的第二测量轴线定向为大体垂直于附接传感器装置的车轮的轮轴。通过将壳体附接在自行车横向加速度的后轮，即那些相对于自行车行进方向成直角作用的后轮，能够比在额外的主要侧向转向力也可作用的前轮更可靠地检测到。可以从骑车者在每个蹬车循环期间施加在左右踏板的交变力且由于从其产生的骑车者的周期性的重量转换引起的自行车的周期性横向“摇摆”运动来测定节奏。此外，壳体例如在自行车车轮上布置为使得第二测量轴线与轮轴轴线相交。这样，作用于加速度计的径向力可独立于切向力测量，如此使得车轮旋转速率的测定结果首先更可靠或更易测定。 [0017] 在本发明的进一步方面中，提供使用加速度计来测定曲柄节奏和自行车行进速度的相应方法，加速度计附接在自行车车轮上以使加速度计的第一测量轴线定向为大体平行于轮轴且加速度计的第二测量轴线定向为大体垂直于轮轴，所述方法包括以下步骤：a）测量依赖于沿第一测量轴线的第一加速度的第一信号； b）测量依赖于沿第二测量轴线的第二加速度的第二信号； c）从在第一信号中发生极性连续变化的速率或从在第一信号中发生连续正极值和负极值的速率测定节奏值； d）从在第二信号中发生连续正极值和负极值的速率测定行进速度值。 [0018] 在本发明的实施例中，所述方法还包括以下步骤：e）从在第二加速度信号的包络线中发生连续极值的速率测定节奏值。 [0019] 这允许以可选择的方式确定节奏，尤其在链轮和附接传感器装置的车轮之间传动比较大，例如，大约为3或更大的情形下，这典型地是高速情况，亦是如此。 [0020] 在本发明的进一步实施例中，所述方法还包括以下步骤：f）使用在步骤c）测定的节奏值和在步骤e）测定的节奏值测定更精确和/或更可靠的节奏值。 [0021] 因此，根据本发明，建议适当地结合两个测定的节奏值以得出更精确的结果或选择性地使用任一测定的节奏值如此利用冗余度以提高方法的可靠性并且在加速度测量在两测量轴线其一失效的情况下使用关联的传感器装置。 [0022] 此外，提出附接于自行车车轮的2轴或3轴加速度计，均用于提供表示曲柄节奏的第一信号，其中第一信号依赖于沿定向为大体平行于车轮轮轴的加速度计第一测量轴线的第一加速度，并且用于进一步提供表示自行车行进速度的第二信号，其中第二信号依赖于沿定向为大体垂直于车轮轮轴的加速度计的第二测量轴线的第二加速度。本发明利用下述惊人的效果：来源于在蹬车循环期间以节奏的速率发生的骑车者的周期性重量转变的加速度以及由附接于车轮的物体由于车轮的旋转引起而经历的其速率直接与自行车的行进速度有关的加速度沿正交方向出现并且因此能在附接于自行车车轮的单个2轴或3轴加速度计的辅助下独立地测量。 [0024] 为了便于理解本发明，在将被视为结合下述描述的附图中示出了本发明的示例性实施例。因此，本发明可被更加容易地领会。在图中示出了下述：图1示出了根据本发明的传感器装置的框图； 图2示出了根据本发明的传感器装置在自行车车轮的布置； 图3a）示出了具有根据本发明的传感器装置的车轮的横向视图； b）示出了具有根据本发明的传感器装置的车轮的纵向截面；以及 c）示出了具有根据本发明的传感器装置和踏板、曲柄和心轴的车轮的纵视图； 图4示出了沿加速度计的z测量轴线方向，即相对于自行车车轮平面的横向作用的加速度的示例性绘图；以及 图5示出了沿加速度计的y测量轴线方向，即车轮轮轴的径向作用的加速度的示例性绘图。 具体实施方式[0025] 图1描绘了根据本发明的传感器装置1的框图。传感器装置1包括利用附接装置3可附接于自行车的车轮11、11’的壳体2，例如，附接于一个或更多辐条12。壳体2包含与处理单元5连接的2轴或3轴加速度计4，处理单元5进而与具有天线7的无线发送器6连接。这三个单元由电池8或可选的电源供电。无线发送器6例如根据ANT/ANT+、Zigbee或蓝牙标准操作并可用于从传感器装置1传送数据到诸如自行车计算机、移动电话或个人数字助理（PDA）等远程设备9。远程设备9的屏幕10则可用于显示来自传感器装置1的测量结果。也可采用远程设备9存储从传感器装置1接收的数据，例如用于稍后分析和/或下载至计算机。处理单元5可选择性地为远程设备9的一部分，例如，由处理单元5执行的处理可作为附加任务在远程单元9中的微处理器上运行。 [0026] 从图2可以看出，传感器装置1优选附接于自行车的后轮11。选择性地，传感器装置1也可附接于前轮11’。 传感器装置1应当安装在车轮11上使得加速度计4的第一测量轴线z大体平行于车轮11的轮轴13，并且加速度计4的第二测量轴线y大体垂直于车轮11的轮轴13并优选与车轮11的轮轴13的轴线a相交，优选交于其中心C。这样，加速度计4可测量沿第一测量轴线z与车轮11平面成直角作用的横向加速度和沿第二测量轴线y的相对于轮轴13的径向加速度。如果加速度计4提供正交于第一和第二测量轴线z和y的第三测量轴线x，则作用在以车轮11中心C为中心的圆的切向加速度也能测量。适用于本目的的加速度计可容易从诸如Analog Devices公司等制造商得到，例如像双轴加速度计ADXL210或三轴加速度计ADXL345等设备。 [0027] 图3示出了作用在加速度计4上的力。从图3a）和图3b）可见，当加速度计4分别位于车轮11顶部和车轮11底部时分别作用在加速度计4的法向力Fn,b和Fn,t具有不同的大小。因此，在车轮11的每转期间由加速度计4测量的径向加速度将在加速度计4到达旋转的底部位置时得到的最大值与在加速度计4到达旋转的顶部位置时得到的最小值之间变化。这两个极值之间的差值取决于重力加速度g。当自行车以恒定速度v行进时，2 沿径向（y）测量的加速度将在车轮11的每转期间由vtg(r)/r±g给出的两极值之间波动。 由此，vtg(r)是在以距离车轮11的中心C为r处旋转的测量轴线x、y和z的交点的切向速度。车轮11的一个完整旋转花费的时间可因此通过测量与沿第二测量轴线y的加速度关联的两连续最大和最小的加速度信号之间的经历时间Tv来测定。从此，行进速度可通过考虑车轮直径D来计算，得出行进速度为v = DΠ/Tv。 [0028] 图3c）示出了从后方看去的后轮11以及踏板14、14’、曲柄15、15’和心轴17。可见左右蹬车力Fl/r包含平行于由加速度计4的第二和第三测量轴线y和x所构成平面的分量Fl/r,xy和与其成直角的分量Fl/r,z。横向作用力分量Fl/r,z归因于交替地施加于左右踏板14和14’的力的杠杆臂也归因于伴随着蹬车动作的骑车者周期性的重量转变。此力导致自行车以蹬车节奏速率的横向“摇摆”运动。相关联的横向加速度可沿加速度计4的第一测量轴线z测量。 在图4中示出了此横向加速度的示例性绘图。曲柄15、15’和链轮16的完整一圈花费的时间可因此通过测量与沿第一测量轴线z的加速度相关联的两连续最大和最小的加速度信号之间的经历时间TR测定，得出蹬车节奏R=1/TR。可选择地且更简单地，可在与沿第一测量轴线z的加速度相关联的加速度信号的符号/极性的两连续改变之间测量时间TR。 [0029] 在每一蹬车循环-也称为“踏板行程”-期间，骑车者施加连续变化强度的力，如下所述。最大的肌肉活动的周期导致最高的蹬车力，因此称为“动力阶段”，是踏板行程从12点到大约5点的部分，即下行程。在此阶段期间自行车稍微加速并暂时提速。在随后作为回程转变的阶段对踏板施加较少的力-因此自行车稍微减速并再次失速。在上行程期间，另一条腿接管并对相对的踏板施加力。沿行进方向的这种周期性的加速和减速也由加速度计4沿其第二和第三测量轴线y和x记录。在图5中示出了径向加速（即沿加速度计4的第二测量轴线y）的变化的示例性绘图。可见加速度信号的包络线根据蹬车循环的速率，即节奏而变化。通过测量在与沿第二测量轴线y方向的加速度相关联的加速度信号的连续最大或最小包络线之间的时间TR’， 可测定踏板行程周期为TR’=1/R’。同时，可通过测量连续最大或最小加速度信号之间的时间TV测定行进速度。图4和图5所绘图线是蹬车节奏R =30转每分钟（rpm）或R = 0.5转每秒的情形，导致对于具有直径D = 71.12cm（即28英寸）的车轮以传动比8（即车轮转动速率240 rpm或4转每秒）的速度大约为32km/h。传感器装置1因此放置在距离车轮11中心C为r = 71.12 cm的位置，即轮缘。 [0030] 这对于从与第二测量轴线y相关联的加速度信号测定的节奏值R’-还有对于从与加速度计4的第三测量轴线x相关联的加速度信号测定的节奏值R’’-可用作从与第一测量轴线z相关联的加速度信号测定的节奏值R的替代，例如当由于加速度计4的局部故障或损坏而导致沿测量轴线z没有测量可用时。选择性地，值R和R’-连同R’’-可结合起来以提高关于节奏的结果的精度。然而，应当注意R’和R’’的测定对于低传动比，例如低于系数3而言比较困难，这是因为当包络线的频率接近被包络信号的频率时包络线的提取变得更具挑战性。 [0031] 与沿加速度计4的第二测量轴线y方向的加速度相关联的加速度信号的平均值2 2 2 正比于vtg(r)/r（= 4πr/Tv），即其取决于在距离中心C为r的车轮上旋转的加速度计的切向速度（即沿其x轴）。因此，也可能从前述的加速度信号的平均值测定行进速度v（= vtgD/2/r）。例如，这例如在校准的辅助下完成，即通过前述的对于不同行进速度v的加速度信号的平均值的先前测量，然后在传感器装置1的操作期间使用这些数据以从测量的平均加速度信号测定瞬时行进速度v，例如通过采用包含平均加速度值和相应速度值的表格来完成。 [0032] 附图标记列表1 传感器装置 2 壳体 3 用于将壳体附接到自行车车轮的附接装置 4 加速度计 5 处理单元/装置 6 无线发送器 7 天线 8 电池/电源 9 远程设备（例如，自行车计算机、移动电话、个人数字助理） 10 屏幕 11，11’ 车轮（后方/后轮和前轮） 12 辐条 13 车轮轮轴 14，14’ 踏板（左右踏板） 15，15’ 曲柄（左右曲柄） 16 链轮 17 心轴 a 车轮轮轴的轴线 C 车轮/轮轴的中心 D 车轮直径 g 重力加速度 Fn,b, Fn,t 法向力（在车轮旋转的底部和顶部） Fl, Fl,xy, Fl,z左右蹬车力（总和和沿x/y平面以及z方向的Fr, Fr,xy, Fr,z分量）r 轴线x,y,z的交点到中心C的距离 R, R’, R’’ 蹬车节奏 TR, TR’整圈蹬车循环所需的时间 Tv 车轮完整一圈所需的时间 v 行进速度 vtg(r) 车轮上与中心C相距距离r的点的切线速度 x, y, z 加速度计的测量轴线（第三、第二以及第一） |
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