CN1125667A - 以电脑控制使自行车自动变速的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种以电脑控制使自行车自动变速的方法与装置，是在车架上装设发电机以接触车轮，并读取该发电机的频率，供电脑控制装置在设定的时段中机动地采集脉冲，与脉冲样本比较，进而控制马达驱动器来拉动变速器转换换挡位，且利用马达驱动器输出轴衔接的位置传感器，输出不同的电压回应给电脑控制装置，以检测前置预设结果或修正或改变控制的数据。

Description

以电脑控制自行车自动变速的方法与装置

本发明涉及一种以电脑控制自行车的方法，特别是一种以电脑控制自行车自动变速的方法与装置。

车轮变速器，特别是指自行车的变速器，譬如是齿轮变速器，如从所知，可协助车辆因路况与行车速度而传输最恰当的动力。自行车的齿轮变速器是利用骑士手控方式拉动钢索而变速。现有的构造依赖着人为的意思去变速，经常不能产生最恰当的效果，此乃为从所知之事；如果能提供一自行车因应不同路况或行车速度而换档的变速系统，将可受到骑士的欢迎。

从多年来的观察，大部分自行车使用者都不会使用传统的手动变速器。所以变速器并没有发挥其应有的功能，而骑士由于没有适当的调档，而增加了骑士的困难。另外，传统的变速器亦未能对路面的变化而自动作出适当的调节，使用变速器时亦会分散骑车者的注意力，固而可能造成意外。所以一个自动变速器对大部分自行车使用者会有很大的帮助。

日本特许申请案公开特开平5—262276号的技术，以连接于整流回路(24)的判别回路(25)，检测自行车是处于停止或行走中的状态，进而以在把手部的手动按钮(28)使控制回路(29a/b)驱控马达运转而变速，变换的档数并可由手把上的段数表示器(39)显示，来达到半自动使自行车变速的目的。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种简单而完全不必以手操作控制，只需应用一个马达即可驱动变速器换档的以电脑控制使自行车自动变速的方法与装置。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：本发明利用与车轮接触的发电机所产生的讯号，经电脑处理器处理后，使马达驱动器动作而驱动变速器换档，并且利用与变速器结合的位置传感器产生的感测值，立即转到电脑处理器，以检测预设结果，或修正或改变控制的数据，该方法的步骤包括：

a、读取依车轮转速而由发电机产生的频率；

b、设定一计时段，并从该时段中不断采集一由频率产生的脉冲样本；

c、随变速器档数设定多数相同于档数的基本脉冲样本；

d、设定一上限与下限的基本脉冲样本；

e、继续比较有采集的脉冲与基本脉冲样本的上限与下限，并在采集的脉冲超过基本脉冲样本的上限或下限时，消除基本脉冲样本的上限与下限；

f、比较采集的脉冲样本，并当该采集的样本与基本脉冲样本相同时，产生一讯号输出以驱动马达驱动器换档；

9、随时将传感器输出的感测值与驱动马达的讯号互相比较。

包括有与自行车车轮接触而旋转的发电机，一控制系统及一驱动装置。其中；

上述控制系统具有；

—整流器连接至上述发电机，将发电机产生的交流波整流成直流全波型；

—微电脑处理器(MPU)，含有计数器定时从上述整流器以短周期在固定时段中采集由整流器输出的脉冲波数量，并加以检查处理；

—马达驱动器执行上述微电脑处理器(MPU)输出的指令，将电力传送给马达令马达旋转；

—模数转换器，将获得的电压转换成数值送给上述微电脑处理器；与电池供应上述控制系统电流；

上述驱动装置具有：

—齿轮箱含有由上述马达驱动的主轴与输出轴，由输出轴制动自行车变速器的换档钢索；与

—传感器结合于上述齿轮箱的输出轴，随输出轴转动的不同角度输出不同的电压回应于上述模数转换器，供上述微电脑处理器(MPU)检测与修正。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到本发明每次重新动作前回复到一原始处理的基础状态，该基础状态包括消除所有在前采集的数据，与驱动马达使变换器进入最低档位。

其中上述控制系统还包括一充电回路，连接于上述整流器与上述电池之间。其中上述计数器的采样时段是在0.1～1秒之间。其中上述传感器是包括结合一旋转导电片于马达驱动器的输出轴，且固定一环片，使环片旋转导电片彼此不同位置接触而提供不同电压。还包含有使变速器自动进入最低档位的机构，该机构包括；

—支杆具有第一支点与第二支点；

—制动杆连接至自行车变速器的惰轮支杆以移动惰轮，来导引链条啮合于成组链轮盘的任一链轮；

—第一摆杆与第二摆杆各枢接于上述支杆的第一支点与第二支点，以及各枢接于上述制动杆构成一四边形的连杆组；

—弹簧其两端分别勾设于上述连杆组的对角；

—由马达驱动器驱动的钢索连结于上述第二摆杆与上述制动杆的枢合点，该钢索的拉动方向大体上与上述弹簧勾设的对角方向垂直，俾在钢索释松时，利用弹簧的拉力而驱动上述制动杆，使上述变速器自动换至最低档。

图1是本发明电脑控制自动变速装置的功能结构图；

图2是本发明中电脑控制自动变速方法流程图；

图3是本发明中电脑控制自动变速装置中马达驱动器的分解图；

图4是本案电脑控制自动变速装置中马达驱动器的平面图；

图5是本案电脑控制自动变速装置中传感器的平面图；

图6是本案电脑控制自动变速的控制说明图；

图7是马达驱动器第二种实施例的剖视图；

图8、9是本创作最低档自动控制装置的平面图，分别显示两种动作状态。

图式代号：

1——发电机           2——控制系统      21——整流器

22——微电脑处理器    23——计数器       24——马达驱动器

25——模数(AOC)转换器                  26/27——电池

28——充电回路        3——驱动装置      31——传感器

311——导电片         32——齿轮(减速)箱 321——马达

33——输出轴          34——主轴         35——蜗杆与蜗轮

36——钢索    37——滑筒    38——螺帽   39——壳体

本发明下面将结合附图(实施例)作进一步详述：

本案提供的方法与装置，其功能架构如图1所示，包括—讯号产生源，最佳的实施例是采取一固定在车架上的发电机1，该发电机1的转轴具有一转轮以接触于车轮，当车轮旋转可驱动发电机。

发电机产生的讯号，本案是采集其频率送至一以电脑为中心之控制系统2处理，且产生讯号控制马达驱动器，最后由马达机械变速器驱动装置3拉动钢索而换档变速，且利用一传感器将换档状态回应给控制系统。

本案提供以电脑控制使自行车自动变速的装置，参考图1所示，包括：一与自行车车轮接触而旋转的发电机1；一控制系统2一驱动装置3；其中控制系统2具有：一整流器21连接至发电机1，将发电机1产生的交流正弦波，或方波或锯齿波等整流成直流全波型；又有以一电脑处理器，譬如是微电脑处理器(MPU)22为中心的电脑控制装置，该电脑控制装置含有计数器23定时从整流器21以短周期在固定时段中采集由整流器21输出的脉冲波数量，并加以检查处理；一马达驱动器24则执行微电脑处理器22输出的指令，将电力传送给马达令马达旋转。控制系统2还包括一模数转换器(AOC)25，将由传感器31获得的讯号，譬如是电压(详后述)转换成数值送给电脑处理器，譬如是微电脑处理器22；电池26与27是分别供应控制系统3所需的电流。

驱动装置3则具有：一齿轮箱32含有由马达321驱动的主轴34与输出轴33(详参图3与4)，由输出轴33制动自行车变速器的换档钢索36；与一传感器31结合于齿轮箱32的输出轴33，随输出轴33转动的不同角度输出不同的电压回应于模数转换器25，供微电脑处理器22检测与修正。前述控制系统2还包括一充电回路28，连接于整流器21与电池26、27之间，前述计数器的取样时段可设定1～0.1秒间。

驱动装置3的第二种实施例详如图7，前述如图3与4所示的第一种实施例，是使输出轴33以旋转的方式拉动钢索36，而此第二实施例则以直线运动方式拉动钢索36，而且传感器31的侦测方向也是直线运动方式感测，而第一种实施例是如图3，4与5所示，是以旋转运动方式感测(详后述)。

在图7中马达传动的齿轮箱32，其输出动力的主轴34上设有螺旋牙，在一滑筒37端部设一螺帽38以螺合于主轴34，所以当驱使马达与齿轮箱33主轴34旋转时，可使滑筒37在壳体39内左右直线往复运动，而带动钢索36往复动作，同时也带动传感器31的感测元件左右移动而可侦测钢索36的移动状态。

本案利用上述装置与方法来使自行车变速的方式，如图6所示，依自行车变速器的档数，将车轮转速，亦即发电机产生的频率相对地区隔成多数个相同于档数的界线1，2，3，…。譬如当转速从档数1升高到档数2的交界线时，将立即换成2档并产生一缓冲界域A，参考图2与6所示，该缓冲界域A即对应于脉冲样本且包含上限值与下限值，譬如可设为±30％。当转速在缓冲界域A内浮动时不会跳档，但当转速高或低于该缓冲界域A时，则立即清除该缓冲界域A，除非转速持续下降或上升至另一档数的界线，否则将不会导致变速器跳档。前述控制数据可由微电脑处理器软程式建立，而该软体程式的流程请参考图2。

详言之，本案利用车轮转速控制变速器的方法，其步骤包括；

(1)、固定一发电机于车轮上，并由该发电机的转轴固定一转轮以接触于车轮，使发电机呈运转状态；

(2)、摘取发电机输出的脉冲；

(3)、依摘取的脉冲的频率区分成多数界域，该脉冲界域的数量是依车轮转速的高低而决定；

(4)、侦测摘取的脉冲归属一某脉冲界域，然后输出一讯号驱动马达驱动器而产生相应的换档动作；

(5)、转换发电机的交流输出波为直流脉冲波；

(6)、设定一缓冲界域，缓冲界域是跨越在其中任二毗邻的脉冲界域的范围中，且以二毗邻之脉冲界域的交界做为缓冲界域的中心值。

前述齿轮(减速)箱32第一种实施例，详如图3与4所示，主轴34经变速箱连接于马达，由一蜗杆与蜗轮35将动力传给输出轴33，输出轴33的一端则依马达正转或逆转而卷紧或放松钢索36，而使变速器换档。输出轴33的另一端结合一如图4与5所示传感器31的旋转导电片311，该导电片311位于固定环片312的中央，导电片311可随齿轮箱32的输出轴33旋转至某一角度，亦即与固定环片312在任一不同位置接触，在滑动式的接触中，不断地提供由不同电压产生的不同对数值，经模数转换器25提供给微电脑处理器22，不断地做为电脑处理运作的数据。

亦即，由本案提供用以侦测马达驱动器的现状，使电脑处理器控制自行车的变速系统之方法，包括：

(1)、固定一传感器，该传感器具有一感测元件譬如是光感测器或其他感测器，或如图5所示的导电片311；

(2)、结合传感器的感测元件，譬如是导电片于马达驱动器上；

(3)、由传感器的感测元件提供不同的侦测值，提供给电脑处理器作为运作的数据；其中如图1所示的实施例，传感器各接点提供的模糊电压，是由模数转换成数字形式而输入电脑处理器。再者前述模数转换器的工作频率系由电容及电阻所控制。又其中模数转换器的工作频率所计算出转换的时间是设定小于0.5毫秒，譬如是0.1毫秒。

总括言之，本案提供以电脑控制使自行车自动变速的方法，藉着与车轮接触的发电机所产生的讯号，经电脑处理器处理后，使马达驱动器元件而驱动变速器换档，且利用一与变速器结合的位置传感器产生的位移感测讯号，如电压，经转换后立即输入至电脑处理器，以检测预设结果，或修正或改变控制之数据。前述以电脑处理使自行车自动变速的整体方法其步骤包括：

(1)、读取依车轮转速而由发电机产生的频率；

(2)、设定一计时段，并从该时段中不断采集一由频率产生的脉冲样本；

(3)、随变速器档数设定多数相同于档数的基本脉冲样本；

(4)、设定一上限与下限于基本脉冲样本；

(5)、比较采集的脉冲样本，并当该采集的样本与基本脉冲样本相同时，产生一讯号输出以驱动马达驱动器换档；

(6)、继续比较采集的脉冲与基本脉冲样本的上限与下限，并在采集的脉冲超过基本脉冲样本的上限或下限时，消除基本脉冲样本的上限与下限；

(7)、随时将传感器输出的感测值与驱动马达的讯号互相比较；

(8)、每次重新运作前回复至一原始处理之基础状态，该基础状态包括消除所有在前所采集的数据，与驱动马达使变速器进入最低档位，亦即使链条或其他类似的元件与成组链轮盘中最大节经的链轮啮合。

本案使变速器自动进入最低档位的装置，实施例如图8与9所示，换档制动杆40是连接至链条的惰轮支杆41(图略)，利用支杆移位而导引链条啮合于成组链轮盘的某一片链轮上(图略)。制动杆40与支杆42间枢设第一连杆43与第二摆杆44，形成一四边形的连杆组，一弹簧45的两端分别勾住连杆组的对角，由马达驱动装置3驱动的钢索36则结合于制动杆40与第二摆杆44的枢合点，其施力方向大体上与弹簧45布置的方向垂直。当钢索36拉动时可产生图8与9的动作，本案的特征之一是当本案的控制系统每次回复至原始处理之基础状态时，皆会释放钢索36如图9的状态，使制动杆40藉弹簧45的拉力移动，而链条啮合至成组链轮盘中最大节经的链轮，亦即进入最低档位，以利启动自行车。

本案在软体设计上可预设一极速限值，如图6中的第5档(a)，当车速超过该限值时，将产生一动作自动下降换档如图中的箭头所示，如果当时车速仍高(发电机转速仍高)，骑士仍执意加速，将会再次继续把档数降低，强迫骑士不会超速以保行车安全。而如图3与4的蜗轮与蜗杆减速机构，可使换档后定位确定不会任意跳档。

本发明相比现有技术具有如下优点；

1、完全不必用手操作控制，只需应用一马达即可驱动变速器换档；

2、可限制过高速度行驶的车辆变速；且可给他们自动充电，延长其使用寿命。

3、利用检测发电机的脉冲来控制变速器变速，并利用变速器换档处的传感器回应对数值给电脑处理器，作为操作的依据。

4、能使自行车适应不同路况或行车速度而自动换档，对大部分自行车使用者都会有很大的帮助。

Claims (7)

1、一种以电脑控制使自行车自动变速的方法，其特征在于：利用与车轮接触的发电机所产生的讯号，经电脑处理器处理后，使马达驱动器动作而驱动变速器换档，并且利用与变速器结合的位置传感器产生的感测值，立即转到电脑处理器，以检测预设结果，或修正或改变控制的数据，该方法的步骤包括：

a、读取依车轮转速而由发电机产生的频率；

b、设定一计时段，并从该时段中不断采集一由频率产生的脉冲样本；

c、随变速器档数设定多数相同于档数的基本脉冲样本；

d、设定一上限与下限的基本脉冲样本；

e、继续比较有采集的脉冲与基本脉冲样本的上限与下限，并在采集的脉冲超过基本脉冲样本的上限或下限时，消除基本脉冲样本的上限与下限；

f、比较采集的脉冲样本，并当该采集的样本与基本脉冲样本相同时，产生一讯号输出以驱动马达驱动器换档；

g、随时将传感器输出的感测值与驱动马达的讯号互相比较。

2、根据权利要求1所述的方法，其中步骤还包括：每次重新动作前回复到一原始处理的基础状态，该基础状态包括消除所有在前采集的数据，与驱动马达使变换器进入最低档位。

3、一种以电脑控制使自行车自动变速的装置，其特征在于：包括有与自行车车轮接触而旋转的发电机，一控制系统及一驱动装置。其中：

上述控制系统具有：

—整流器连接至上述发电机，将发电机产生的交流波整流成直流全波型；

—微电脑处理器(MPU)，含有计数器定时从上述整流器以短周期在固定时段中采集由整流器输出的脉冲波数量，并加以检查处理；

—马达驱动器执行上述微电脑处理器(MPU)输出的指令，将电力传送给马达令马达旋转；

—模数转换器，将获得的电压转换成数值送给上述微电脑处理器；与电池供应上述控制系统电流；

上述驱动装置具有：

—齿轮箱含有由上述马达驱动的主轴与输出轴，由输出轴制动自行车变速器的换档钢索；与

—传感器结合于上述齿轮箱的输出轴，随输出轴转动的不同角度输出不同的电压回应于上述模数转换器，供上述微电脑处理器(MPU)检测与修正。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：其中上述控制系统还包括一充电回路，连接于上述整流器与上述电池之间。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：其中上述计数器的采样时段是在0.1～1秒之间。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：其中上述传感器是包括结合一旋转导电片于马达驱动器的输出轴，且固定一环片，使环片旋转导电片彼此不同位置接触而提供不同电压。

7、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：还包含有使变速器自动进入最低档位的机构，该机构包括：

—支杆具有第一支点与第二支点；

—制动杆连接至自行车变速器的惰轮支杆以移动惰轮，来导引链条啮合于成组链轮盘的任一链轮；

—第一摆杆与第二摆杆各枢接于上述支杆的第一支点与第二支点，以及各枢接于上述制动杆构成一四边形的连杆组；

—弹簧其两端分别勾设于上述连杆组的对角；

—由马达驱动器驱动的钢索连结于上述第二摆杆与上述制动杆的枢合点，该钢索的拉动方向大体上与上述弹簧勾设的对角方向垂直，当在钢索释松时，利用弹簧的拉力而驱动上述制动杆，使上述变速器自动换至最低档。

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