CN105408197A - 用于调整电动助力自行车的辅助动力的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调整安装有电动辅助机器的自行车的辅助动力的设备，所述设备包括：·用于检测自行车的踏板组件的旋转方向的装置，·用于测量自行车的车轮的速度的装置，·用于从速度信息计算车辆的总功率的装置，以及·用于从所计算的总功率确定电动马达的功率定位点、确定踏板组件的旋转方向以及确定骑车人所选择的辅助因子的装置。本发明还涉及一种用于调整安装有电动助力自行车的辅助动力的方法。

Description

用于调整电动助力自行车的辅助动力的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于自行车的电动动力辅助设备，并涉及安装有这种设备的自行车。在下文中，为方便起见，这样的自行车用术语“电动自行车”表示。

背景技术

在该领域中，已知许多可用的设备正在出售。一些动力辅助设备使用放置在自行车的一个车轮的轮毂上的电机。此电机直接地或通过减速系统驱动该车轮。

其它设备使用减速电动机单元驱动自行车的踏板，因此使用目前的自行车传动装置。此外，本申请人的申请FR12/61631描述了包括电机的设备，该电机包括驱动传动嵌齿的转子。传动嵌齿通过这样的系统来驱动自行车的车轮，该系统用于将嵌齿的齿与结合于轮胎(该轮胎装配至车轮)的齿啮合。

无论选择什么样的机械化设备，都必须伴随有马达的控制系统，该马达的控制系统用于调整提供给骑车人的辅助动力。

法国法律规定有用于将电动助力自行车分类为“自行车”而不是“助动车”范畴的多个条件，这些条件中的一些对马达的控制具有直接的影响。

-马达在骑车人停止蹬车的时候必须停止，

-马达在速度达到25km/h的时候必须停止，

-马达必须具有250瓦特的最大额定功率，以及

-除了开/关按钮之外，自行车不得安装加速把手、开关、按钮或者任何其它使得自行车自己移动的设备。

已知许多满足这些法定条件的控制设备，特别是包括安装于踏板的蹬车传感器，以及用于在给定的时间内估算施加在踏板上的扭矩的传感器。

在这些设备中，用于骑车人的辅助动力由施加至电动马达的测量到的扭矩的一部分或得到的动力的一部分来决定，该部分由例如骑车人所选择的动力辅助模式的函数来计算。

这些设备的缺陷存在于扭矩传感器的安装上，其需要对自行车进行改装以便使扭矩传感器与踏板成为整体。

因此本发明旨在提供一种用于调整电动自行车的辅助动力的方法和设备，使得可以在符合法定条件的情况下克服上述缺陷。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于调整安装有电动动力辅助机器的自行车的辅助动力的设备，所述设备包括：

·用于检测自行车的踏板的旋转方向的装置，

·用于测量自行车的车轮的速度的装置，

·用于利用速度信息计算车辆的总功率的装置，以及

·用于利用所计算的总功率确定电动马达的功率定位点、确定踏板的旋转方向以及确定骑车人所选择的辅助因子的装置。

在一个具体实施方案中，所述设备还包括用于确定自行车在其上行驶的道路的坡度，该坡度用于计算车辆的功率。

在一个具体实施方案中，用于确定坡度的装置包括惯性平台，所述惯性平台包括加速计和陀螺仪。

在一个具体实施方案中，所述设备还包括速度变速器或扭矩变速器，使得可以根据已经确定的功率定位点来控制电动马达。

在一个具体实施方案中，用于检测自行车的踏板的旋转方向的装置包括两个磁性传感器，例如霍尔效应传感器或磁开关，每个传感器与至少一个磁体相互作用，所述磁体安装于踏板的链条套件。

在一个具体实施方案中，用于检测自行车的车轮的速度的装置包括磁性传感器，例如磁开关，该磁性传感器与安装于车轮的至少一个磁体相互作用，例如在轮辋上，在辐条上或者甚至在轮胎上。优选地，磁性传感器与多个磁体相互作用。这是因为磁体的数量越多，车轮的速度和加速度能越快地被计算。

在一个具体实施方案中，所述设备包括用于由骑车人选择动力辅助模式的装置，以及用于将该选择以动力辅助因子的形式传递至计算装置的装置。

此外，本发明还涉及用于调整安装有电动动力辅助机器的自行车的辅助动力的方法，所述方法包括如下步骤：

-确定踏板的旋转方向以及车轮速度，

-根据这些数据以及一组预定参数计算自行车的总功率，

-根据自行车的总功率以及预定动力辅助因子来计算电动动力辅助机器的功率定位点。

在一个实施方案中，所述方法还包括确定车辆的角度的步骤，该角度表示车辆在其上行驶的地面的坡度。

附图说明

本发明的其它目标和优点可以由下述图1所示的优选但不限于此的实施方案的描述显而易见，图1表示安装有根据本发明的设备的电动助力自行车的局部视图。

具体实施方式

用于自行车的电动动力辅助设备主要包括：电机1、利用电机来驱动自行车的装置2、用于供应电机的动力源3以及用于控制电机的装置4。如上所述的所有这些元件各种构造是可以得到的。在此实施例中，动力源3为安装在自行车的行李架下方的扁平电蓄电池的形式。

本发明的涉及用于调整辅助动力的设备有利地并入到用于控制电机的装置中。将在下文描述本发明的具体实施方案，而本发明并不限于此实施方案。

用于调整辅助动力的设备优选地包括一组传感器：安装于踏板的两个传感器用于确定踏板正在旋转以及旋转方向；安装于车轮的速度传感器用于确定车轮的功率。其还包括惯性平台以及中央电子单元，将在下文描述该惯性平台的用途，该中央电子单元用于执行本申请中所描述的所有计算和算法。在图1中所示的实施例中，惯性平台和中央电子单元安装于壳体4中。它们可以放置于自行车的车架的其它位置，并且它们固定于此车架。

所使用的传感器例如为霍尔效应传感器。还可以使用所谓“簧片”技术的传感器，也称作磁开关。为简化阅读，在本说明书余下部分中这些传感器将称作“簧片传感器”。这样的传感器包含电磁接触器5，该电磁接触器5固定于传感器的基座元件并旨在与磁体6相互作用。当电磁接触器与磁体相互接近的时候，它们关闭开关，其效果为产生电流，因此使得可以确定磁体在此精确时间的位置。在使用霍尔效应传感器的情况下，这些传感器被供电，它们对应于接近电磁接触器的磁体所产生的磁场不存在或者存在而直接提供“0”或“1”形式的数字信息。磁性传感器连接至中央单元4以便传递检测到的信息。

在目前情况下，有益的提供两个此类型的传感器用于蹬车的检测。这是因为尽管单个传感器的确可以确定踏板正在移动，但是并不可以检测到旋转方向。然而，根据本发明的设备优选地在骑车人倒踩脚蹬的时候不应提供帮助。

此外，更优选地，六个磁体均匀分布在链条套件的周长上。由于其避免在检测蹬车已经开始之前不得不等待踏板的一个完整循环，因此这可以确保相当短的检测时间。

车轮的速度传感器(本文未示出)以同样的原理工作，优选地三个磁体均匀分布在车轮的轮辋的周长上，检测系统安装在车轮的轮辋上。因此，测量接触第一磁体之前与车轮的轮辋上的下一个磁体之前之间所经过的时间。由于这两个磁体间隔的距离是已知的信息，那么可以确定车轮的速度。

此外，在该具体实施方案中，调整设备包括具有六个自由度的惯性平台，也称为惯性单元。该平台装备有使用三个自由度的加速计并装备有使用另外三个自由度的陀螺仪。此类型的惯性平台使得可以确定道路(自行车行驶在该道路上)的坡度，该坡度为角度α形式。道路的梯度可以比作自行车的斜度。惯性平台还可以有利地提供自行车的滚动倾斜角度，这使得可以表示骑车人倾斜的角度。然而，这样的信息并没有用于本实施方案中。

惯性平台还可以确定车辆的加速度。由于在该实施方案中加速度可以通过对如上所述簧片传感器给出的速度信息进行微分而确定，因此应当注意此信息是多余的。

在实践中，由于影响旋转和加速度的测量的误差(偏斜、噪声、比例因子、非线性等等)以及在姿态、速度以及位置的估算中整个时间的历程产生漂移的误差，因此惯性平台的运算与理想方程不同。

为了限制加速度和惯性信息的处理中这些积分的漂移，设想利用不同于惯性平台传感器的传感器而运用混合的算法。

为此，在第一个优选的构造中，可以设想使用扩展卡尔曼滤波器，其使得可以估算惯性平台的偏移，该惯性平台的偏移源于来自簧片传感器的速度信息。这样的卡尔曼滤波器对于信号处理领域的技术人员来说是熟知的，因此本文不作详细描述。

在另一个优选的构造中，道路的坡度通过使用方向余弦矩阵(DCM)而从惯性单元所提供的加速度和惯性信息所选取。

该第二个优选的构造与卡尔曼滤波器相比在计算方面更加简单并资源消耗更少。然而，虽然已经发现该方法在等速情况下的梯度的计算中提供了可靠的结果，但是在具有高的加速度或减速度的时候引起了误差。在一个实施方案中，为了克服此误差，借助于簧片传感器所计算的速度及加速度信息被放回至DCM方程中。

一旦所有的蹬车、速度、加速度和坡度信息已被测量和/或计算，就可以确定车辆的总功率。为此，使用加速运动中的本体的动力学方程，也称作匀加速直线运动MRUA。

因此，车辆的总功率以如下方式计算

P_总(t)＝P_{空气动力(t)}+P_阻力(t)+P_加速度(t)和

P_阻力(t)＝{M*[sin(α)+C_RR*cos(α)]*g+F_int}*V(t)

C_RR为车辆在其上行驶的表面的滚动摩擦系数。例如，其在停机坪上等于0.0046。在一个有利的实施方案中，该滚动摩擦系数在由骑车人所选择的动力辅助模式的函数中被改变，例如“公路”与“山地车”之间的选择。

S为“自行车+骑车人”组合的估算的前方表面面积。例如，其设为0.5m²。

C_x为空气中的渗透系数，例如设为1.2以用于计算。

F_int为内力，表示自行车的滚动轴承的摩擦力，其在当前情况下可以忽略不计。

关于质量M，在一个具体实施方案中，其被估算为自行车15kg，骑车人70kg，总质量为85kg。然而，可以设想允许骑车人输入他们自己的质量以便改进计算。g和ρ为已知的数据：g为重力加速度并等于9.81m/s²。ρ为空气在海平面的密度并等于1.225kg/m³。

其它用于计算总功率的有用的要素为由如上所述的各种装置所确定的变量，即，车辆的速度车辆的加速度车辆的倾斜的角度，表示道路的坡度α。

一旦计算出该总功率，那么中央单元以如下方法确定电动动力辅助马达的功率定位点：

A表示动力辅助因子的正数数值。该因子由骑车人所选择的动力辅助模式所决定。动力辅助模式的实施例例如为“运动”、“放松”、“公路”、“山地车”等等。

动力辅助模式的选择可以通过各种装置来实现，例如通过分压计。可以选择任何其它用于选择动力辅助模式的装置，例如通过触摸屏形式的界面，或者可替换地通过无线连接于调整设备的无线电通讯设备。

此外，在一个具体实施方案中，通过以在公路上进行的测量的加速度作为参考，可以使用如上所述的车辆的多余的加速度测量以便校准惯性平台的位置偏移。该校准应在恒定低速下进行。

因此可以看到本发明使得可以提供符合法律要求的辅助动力调整设备，并避免需要知道所施加的扭矩的值。本文描述的设备具有不会太侵占进入自行车的优点。因此无需进行任何结构的改装，就可以将该设备可拆除地安装于任何类型的自行车。

Claims (9)

1.用于调整安装有电动动力辅助机器的自行车的辅助动力的设备，所述设备包括：

·用于检测自行车的踏板的旋转方向的装置，

·用于测量自行车的车轮的速度的装置，

·用于从速度信息计算车辆的总功率的装置，以及

·用于从所计算的总功率确定电动马达的功率定位点、确定踏板的旋转方向以及确定骑车人所选择的动力辅助因子的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括用于确定自行车在其上行驶的道路的坡度，该坡度用于计算车辆的功率。

3.根据权利要求1和2所述的设备，其中，用于确定坡度的装置还包括惯性平台，所述惯性平台包括加速计和陀螺仪。

4.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括速度变速器或扭矩变速器，使得能够根据已经确定的功率定位点来控制电动马达。

5.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，用于检测自行车的踏板的旋转方向的装置包括两个磁性传感器，每个磁性传感器与至少一个磁体相互作用，所述磁体安装于踏板的链条套件。

6.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，用于检测自行车的车轮的速度的装置包括磁性传感器，该磁性传感器与安装于车轮的至少一个磁体相互作用。

7.根据前述权利要求中的一项所述的设备，包括用于由骑车人选择动力辅助模式的装置，以及用于将该选择以动力辅助因子的形式传递至计算装置的装置。

8.用于调整安装有电动动力辅助机器的自行车的辅助动力的方法，所述方法包括如下步骤：

-确定踏板的旋转方向以及车轮速度，

-根据这些数据以及一组预定参数计算自行车的总功率，

-根据自行车的总功率以及预定动力辅助因子来计算电动动力辅助机器的功率定位点。

9.根据权利要求8所述的调整方法，所述方法还包括确定车辆的角度的步骤，该角度表示车辆在其上行驶的地面的坡度。