利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法
【專利摘要】本發明提供了一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，該踩踏力矩是指自行車的一曲柄受踩踏的力矩。該方法包含有下列步驟：在一預定時間區間內，通過一速度傳感器對自行車的一曲柄的踩踏速度進行預定次數的偵測；求取踩踏速度理想波形及踩踏速度實際波形的面積為V0及V1，并求取V0-V1的差作為ΔVi；依據踩踏速度與力矩之間的關系取得一修正量c；依照下述第一公式進行運算：ΔMi/M0＝ΔVi/V0+c；借此得到踩踏力矩的相對變化量ΔMi/M0；其中，M0為產生V0的力矩，M1為產生V1的力矩，兩者是經實際實驗取得；M0-M1的差值則為ΔMi。
【專利說明】利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法
【技術領域】
[0001]本發明是與自行車有關，特別是指一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法。
【背景技術】
[0002]電助力自行車，主要是在騎乘者踩踏時提供一輔助動力，來使得騎乘者得以盡享踩踏騎乘的樂趣，又可以不需要出很多的力氣來達到踩踏的結果。因此，電助力自行車已日趨流行。
[0003]在提供輔助動力時，必須對于騎乘者的踩踏力量進行測量，才能對應輸出該騎乘者所需要的輔助動力，否則輔助動力過大時反而會造成騎乘者空踩，過小時又會造成騎乘者感受不到助力，提供助力的功能等于無效。目前的踩踏力量(或力矩)的偵測方式是通過在自行車上安裝一力矩傳感器，在騎乘者踩踏踏板時即可感測踩踏力量或力矩。然而，力矩傳感器非常復雜及昂貴，因此，不使用力矩傳感器而使用其他方式來取得踩踏力矩的技術，因為可降低成本而受到本領域從業人員的關注。
[0004]中國臺灣公開第TW201202090A1號「腳踏曲柄驅動器的力矩的估計方法與裝置」發明專利案，即德國102010028656.7號專利案，揭露了一種估計力矩的方法，其主要是利用偵測角速度與時間的關系，求出該角速度的至少一信號性質后，利用該至少一的信號性質與力矩之間的預定相依性來將力矩與該至少一信號性質相關聯。此種方式是利用波形的變化來推知踏力，其有很多無法分解及量化的變因，例如其信號性質的取得，其可為(I)角速度的交流成分功率或(2)角速度的交流成分的信號形狀與一正弦曲線的偏差，前述的(I)及(2)的技術內容及數值上的差異很大，可證明其最終取得的力矩結果的差異性也會很大，進而可了解其所求得的力矩的誤差很大，準確性可能不好。
[0005]此外，上述案件可知，踩踏速度的變化與踩踏力矩的變化是具有相關性的，因此上述案件才會發展出以踩踏速度來估計踩踏力矩的技術。然而，前述的估計方法雖嘗試將此相關性予以清楚的計算出來，但其結果除了誤差很大之外，在計算上也較為繁復，除了需要求得角速度的至少一信號性質之外，還需要利用信號性質與力矩之間的相依性來求出其關聯，因此其計算過程繁復，在執行上需使用較高速的運算單元，此也會使得成本提高。
【發明內容】
[0006]已知的力矩估計方法具有誤差大且計算繁復的問題。因此，本發明所提供的一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，該踩踏力矩是指自行車的一曲柄受踩踏的力矩，該方法包含有下列步驟:在一預定時間區間內，通過一速度傳感器對自行車的一曲柄的踩踏速度進行預定次數的偵測，進而取得該踩踏速度的頻率數據及振幅數據，并將前述數據整理形成一踩踏速度實際波形，且再依據前述數據定義一踩踏速度理想波形；求取該踩踏速度理想波形的面積作為Vtl,以及求取該踩踏速度實際波形的面積作為V1，并求取Vtl-V1的差作為AVi，再取得踩踏速度的相對變化量為ΛViZX;依據踩踏速度與力矩之間的關系，取得一修正量c ;依照下述第一公式進行運算:AMiZ^Mci = ΔΥ,/Vo+c ;將踩踏速度的相對變化量Λ Vi/V。加上修正量c，即得到踩踏力矩的相對變化量Λ Μ^Μ。；其中，Mtl為產生V。的力矩，M1為產生V1的力矩，兩者是經實際實驗取得眞-M1的差值則為AM”
[0007]借此，本發明可達到利用踏速來估計踏力的效果，并且達到簡化計算及降低誤差的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明第一優選實施例的示意圖，顯示速度傳感器所測得的數據。
[0009]圖2是本發明第一優選實施例的波形示意圖，顯示踩踏速度實際波形。
[0010]圖3A是本發明第一優選實施例的波形示意圖，顯示由踩踏速度實際波形推算出踩踏速度理想波形的狀態。
[0011]圖3B是本發明第一優選實施例的另一波形示意圖，顯示由踩踏速度實際波形推算出另一種踩踏速度理想波形的狀態。
[0012]圖4是本發明第一優選實施例的積分示意圖，顯示踩踏速度實際波形進行積分運算的狀態。
[0013]圖5是本發明第一優選實施例的另一積分示意圖，顯示踩踏速度理想波形進行積分運算的狀態。
[0014]圖6是本發明第一優選實施例的又一示意圖，顯示踩踏速度實際波形與踩踏速度理想波形進行積分運算后重疊的狀態。
[0015]圖7是本發明第一優選實施例的方塊示意圖，顯示自行車的相關元件。
[0016]圖8是本發明第一優選實施例的另一方塊示意圖，顯示實驗自行車的相關元件。
[0017]【符號說明】
[0018]10-自行車；
[0019]11-速度傳感器；
[0020]13-存儲器；
[0021]15-微電腦；
[0022]10’-實驗自行車；
[0023]11’-速度傳感器；
[0024]17’ -力矩傳感器；
[0025]tpd-預定時間區間；
[0026]V0-踩踏速度理想波形的面積；
[0027]V1-踩踏速度實際波形的面積。
【具體實施方式】
[0028]如圖1至圖7所示，本發明第一優選實施例所提供的一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，該踩踏力矩是指自行車的一曲柄受踩踏的力矩，該方法包含有下列步驟:
[0029]如圖1所示，在一預定時間區間tpd內，通過一速度傳感器11對一自行車10的一曲柄(圖中未示)的踩踏速度進行預定次數(圖中是以20次為例)的偵測，進而取得該踩踏速度的頻率數據及振幅數據。并將前述數據整理形成一踩踏速度實際波形，如圖2所示。且再依據前述數據定義一踩踏速度理想波形，如圖3A或圖3B所示。由圖3A可知，虛線所示的踩踏速度實際波形與實線所示的踩踏速度理想波形相比之下，踩踏速度實際波形在前半周的振幅較大且周期較短，后半周則振幅相同但周期較長，由此可知踩踏速度理想波形的振幅是參考踩踏速度實際波形的后半周而得。再由圖3B可知，虛線所示的踩踏速度實際波形與實線所示的踩踏速度理想波形相比之下，踩踏速度實際波形在前半周的振幅相同但周期較短，后半周則振幅較小且周期較長，由此可知踩踏速度理想波形的振幅是參考踩踏速度實際波形的前半周而得。在本實施例中，踩踏速度理想波形是以圖3A所示者為例。由前述可知，踩踏速度理想波形的振幅可參考踩踏速度實際波形的某個周期的振幅，事實上，也可參考前半周及后半周的振幅的平均值，或由使用者自定義振幅。在實施上，該踩踏速度的頻率數據及振幅數據存儲于一存儲器13中。并且，通過一微電腦15來提供運算及處理的功能。而該速度傳感器11也安裝于該自行車10上，其連接的示意圖顯示于圖7。
[0030]如圖4及圖5所示，通過積分運算，來求取該踩踏速度理想波形的面積作為Vtl,以及求取該踩踏速度實際波形的面積作為V1 ;并求取Vtl-V1的差作為AVi,再取得踩踏速度的相對變化量為叫\。
[0031]依據踩踏速度與力矩之間的關系，取得一修正量C。
[0032]依照下述第一公式進行運算:
[0033]Δ Mi/M0 = Δ Vj/Vo+c....................................(第一公式)
[0034]將踩踏速度的相對變化量叫\加上修正量C，即得到踩踏力矩的相對變化量AMiZM0 ;其中，Mtl為產生V。的力矩,M1為產生V1的力矩，兩者是經實際實驗取得Wtl-M1的差值則為AMit5通過該踩踏力矩的相對變化量AMi/M。即可得出實際踩踏力矩M115其中，該修正量c的取得，是通過預先進行實際踩踏實驗來取得踩踏速度的相對變化量叫\以及踩踏力矩的相對變化量AMiZ^Mci，再將兩者相減即取得該修正量C。而此處所指的實際踩踏實驗，是備置一實驗自行車10’，在該實驗自行車10’上通過一速度傳感器11’來感測踩踏速度，并外接一力矩傳感器17’來感測踩踏力矩。該實驗自行車10’的連接示意圖顯示于圖
8。在實施上，取得該修正量c后，可以依照實際踩踏實驗中得到的數值來定義其表現形態，若在不同踩踏速度下，其數值均差不多(例如誤差范圍在±100%以內)，則取其平均值定義為修正量c，此時該修正量c即為一常數；若在實際踩踏實驗中在不同踩踏速度下所得到的數值相差很大(例如誤差范圍大于100% )，則以對照表的方式記錄，并將該對照表定義為修正量C，而在依照該第一公式進行運算時對該修正量c以該對照表來取得對應的數值以進行運算，此時該修正量c為一對照表，由于對照表為現有技術，因此容許不再以附圖表
/Jn ο
[0035]上述步驟中，踩踏速度的相對變化量Λ ViA0是由VcrV1的差Λ Vi與踩踏速度理想波形的面積Vtl相除而得，因此踩踏速度的相對變化量叫\即為不具有單位的數值，因此可以在不考慮單位的情況下來進行運算，該第一公式也即是因此而可通過修正量C與踩踏速度的相對變化量△ ViZiVtl來計算出踩踏力矩的相對變化量AMiZiMtl的。同樣的，踩踏力矩的相對變化量AMiZiMtl也是不具有單位的數值。在不需考慮單位的情況下，其計算得以更為簡化。而由于修正量c是由實驗自行車10’進行實體上速度傳感器11’所感測到的結果與力矩傳感器17’所感測到的結果所取得，因此其會真實的對應實際踩踏的狀況，也因此具有極佳的準確性，進而可使得本案所估計得到的實際踩踏力矩M1更為準確，誤差更為降低。
[0036]借此，本發明第一實施例可以不需要在自行車上安裝力矩傳感器，而僅需安裝速度傳感器，在騎乘過程進行踩踏速度的感測，并依照本發明第一實施例的技術加以處理及運算后，即可比現有技術更為準確地估計出實際踩踏力矩札。
[0037]綜上可知，本發明第一實施例可以由踩踏速度估計出實際踩踏力矩M1，并且達到簡化計算及降低誤差的效果。
[0038]本發明第二優選實施例所提供的一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，主要內容與前述第一實施例大致相同，不同之處在于:
[0039]該第一公式進一步修正為一第二公式:
[0040]Δ Mj/Mo = t ( Λ ViA0) +c..................................(第二公式)
[0041]其中，t為扣除掉修正量c之后，AMiZM0與Λ ViZiVtl之間的倍數修正量。
[0042]此外，其中，倍數修正量t的取得，是通過預先進行實際踩踏實驗來取得踩踏速度的相對變化量叫\以及踩踏力矩的相對變化量Λ，并依照實驗的線性關系取得修正量c及倍數修正量t。此外，如同前述第一實施例所述，本發明第二實施例的實際踩踏實驗，同樣是備置一實驗自行車10’，在該實驗自行車10’上通過速度傳感器11’來感測踩踏速度，并通過力矩傳感器17’來感測踩踏力矩。
[0043]借此，本發明第二實施例可提供更為精準的第二公式，可使得所估計出來的實際踩踏力矩M1更為準確。
[0044]本發明第二實施例的其余技術特征及所能達成的功效均與前述第一實施例大致相同，容不贅述。
[0045]通過本案的技術，其是利用了對波形進行積分運算的技術，由于積分運算本身即具有平均效應，因此此種方式可以將波形中非線性的小噪聲在積分的過程中予以消除，因此，本案還因此而具有可消除噪聲的功能。
【權利要求】
1.一種利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其特征在于，該踩踏力矩是指自行車的一曲柄受踩踏的力矩，該方法包含有下列步驟: 在一預定時間區間內，通過一速度傳感器對自行車的一曲柄的踩踏速度進行預定次數的偵測，進而取得該踩踏速度的頻率數據及振幅數據，并將前述數據整理形成一踩踏速度實際波形，且再依據前述數據定義一踩踏速度理想波形； 求取該踩踏速度理想波形的面積作為Vtl,以及求取該踩踏速度實際波形的面積作為V1，并求取Vtl-V1的差作為Λ Vi，再取得踩踏速度的相對變化量為叫 依據踩踏速度與力矩之間的關系，取得一修正量c ； 依照下述第一公式進行運算:
Δ MiZM0 = AVi/Vo+c 將踩踏速度的相對變化量叫\加上修正量C，即得到踩踏力矩的相對變化量Λ Mi/M0 ;其中，Mtl為產生V。的力矩，M1為產生V1的力矩，兩者是經實際實驗取得Wtl-M1的差值則為AM”
2.根據權利要求1所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:該修正量c的取得，是通過預先進行實際踩踏實驗來取得踩踏速度的相對變化量叫\以及踩踏力矩的相對變化量ΛMiZiMtl，再將兩者相減即取得該修正量C。
3.根據權利要求2所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:在該預先進行的實際踩踏實驗中，是備置一實驗自行車，在該實驗自行車上通過速度傳感器來感測踩踏速度，并通過力矩傳感器來感測踩踏力矩。
4.根據權利要求1所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:在求取該踩踏速度理想波形的面積或求取該踩踏速度實際波形的面積時，是通過對該波形進行積分運算而得。
5.根據權利要求1所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:該第一公式進一步修正為一第二公式:AMiZiMtl = t (Λ ViZiVtl)+c，其中t為扣除掉修正量c之后，AMiZM0與Λ ViA0之間的倍數修正量。
6.根據權利要求5所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:該倍數修正量t的取得，是通過預先進行實際踩踏實驗來取得踩踏速度的相對變化量叫\以及踩踏力矩的相對變化量AMiZiMtl,并依照實驗的線性關系取得修正量c及倍數修正量t。
7.根據權利要求6所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:在該預先進行的實際踩踏實驗中，是備置一實驗自行車，在該實驗自行車上通過速度傳感器來感測踩踏速度，并通過力矩傳感器來感測踩踏力矩。
8.根據權利要求1所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:該踩踏速度的頻率數據及振幅數據存儲于一存儲器中，該實際踩踏力矩的頻率數據及振幅數據存儲于該存儲器中；此外，通過一微電腦提供運算及處理的功能。
9.根據權利要求1所述的利用自行車踏速來估計踩踏力矩的方法，其中:該修正量c為一常數或為一對照表。
【文檔編號】G01L3/00GK104236771SQ201310241253
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月18日 優先權日:2013年6月18日
【發明者】李元奎, 徐世偉 申請人:久鼎金屬實業股份有限公司