TWI261181B - Method for calculating the bike's pedal crankshaft torsion and biker's energy consumption - Google Patents

Description

1261181 ! EH暖)正髓！i

I I l···- ·,…―，一 _____•必鑛：..—·鴿.》，____·'着擊‘靡 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本U為自行車踏板曲柄扭力暨 法，尤指一種以運用4六 一了士耗此估异方 單且便㈣t 軟體計算方法搭配簡 的設計。 的方式，來取代傳統之機械連桿式機構 【先前技術】 基於對自行車性能有 多的任務，輔助式電動自…/使其月b夠擔任更 方向之-。而電動自行車廠的主要研究 曲柄扭力感測器：:=零;件之-便是騎士踏板 得_5^^ +式電動自仃車的控制器接收所感測 、 丙丑力’係用來決定並控制馬達;ft該輸出0 相對應扭力，助騎均乘之用。e達應機出的 目前，在騎士踏板曲柄扭力感測器的開發上，都是以 =:，主。這些機連桿式機構係將踏板輸= 1:蠄?人力扭矩成比例關係之旋轉角度變位量 、：、t歹之電屢机號，以供控制裝置使用。才目關的專利 有日本國專利特開平5—246377號、日本國專利特開平 5 310177 *、巾軌國專利公告第33_9、45咖7、 288427 5虎325034號、美國發明專利第4, 811，6][2號、 5, =，303號等。然而，由於上述之習用踏板曲柄扭力感 測為係屬機械連桿式機構。若要安裝，則需要進行自行車 5 1261181 結構的重新設計’造成在自行車的製程上多出—道程序。 ，機械機構式扭力感測器所費不貲，造 成本的提升。 丁早 【發明内容】 承上習用技術說明，本發明遂興起改良之動機，思及 =運用扭力估算法_軟體計算方法搭 = =的方式，來取代傳統之機械連桿式機構： 底改善習用者之缺失。 ㈠敗 本發明首先推導自行車的動態模型，並獲得 型的期參數數值，包含自行車的質量、輪胎半徑 j比、輪胎轉動慣量、輪胎轉動阻抗係數、以及風阻係 數專。而自行車的動態模擬程式便可利用上述的動態模型 以及相關參數數值來進行建立。其次，本發明利用前饋替 回饋控制理論來建立-個車速循跡的控制㈣。而基於此 ^制法則所建立的控制程式則與前述的動態模擬程式結 口 成為-套能觸擬車速卿㈣賴擬料。此一車 ，循跡控制的模擬程式也就是本發明的騎士踏板曲柄扭 力的估算法則。 此-踏板曲柄扭力估算㈣的基本理論為，在實際運 #_所4_到㈣際車速作為車速循跡控制目標 ，’而前饋暨回饋控制演譯程式則計算相對應的控制指 :，以便所模擬絲的自行車車速㈣與量測出來的實際 車速一致。這時，前饋暨回饋演譯喊所產生的值，經過 1261181 代數換#之後便可視為騎士施加在自行車上的踏板曲柄 扭力值。當估算出踏板曲柄扭力值之後，便可與車速相 乘’以㈣騎士的輪㈣間功率。此—功率的積分便是騎 t所消#。此—整合賴餘式，包含動態模擬 釭式别知暨回饋控制演譯程式、踏板曲柄扭力換算程 式、以及騎士耗能算程式，雜錄在—個單晶片當中，以 便能夠結合車速感測器，坡度感測器，馬達扭力感測哭， 成為一套模組（方法），而可運用在各種不同的自行車上。 ，此’本發明主要係利用自行車速度及坡度之量測僅 來估算騎士所作用的踏板曲柄扭力的方法，此係針對一般 自行車而口。若應用在電動自行車上，則必須另外量 測或估算馬義輸出扭力，方可估算騎士所_的踏板曲 $扭力。其中，踏板曲柄扭力的估算程式係燒錄在一個單 曰曰片:中’ ％晶片純所量測的車速、坡度、或者馬達 f扭力’經過計算後即可輸出所估算的踏板曲柄杻力。就 ^助式電，自行車而言，此所估算出來的踏板曲柄扭力， 可用來决疋馬達應該輸出的相對應扭力。此外，無論就值 ^純人力式自行車或者就伽式電動自行車而言，此 2柄扭力估算值與車速相乘，即可帛來計算騎士的輸 工率，進而得到騎士所消耗的能量。 柄扭發明之主要目的在於提供—種自行車踏板曲 "力旦騎士耗能估算方法，應用於人力自行車時，利用 =車速度以及坡度之量測值，或應用於電動自行車時， 、’》、另外再量測或估算馬達的輸出扭力，經過單晶片估算 1261181 程式計算，即可估算騎士所作用的踏板曲柄扭力，且 板曲柄扭力估算值與車速相乘計算輸出功率，又可得到 士所消耗的能量。以此方法，而可改善習用者 力感測器«不易，且無法顧於各種自行車 高的問題。 汉成本甚 【實施方式】 為使貴審查委員對本發明系統有更深入之瞭解，發 基本原理說明及具體實施例，對本發明所棘 支付手段，做一深入之詳細解說。 本發明「自行車踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算方 主要俩脉力估算法關㈣計算綠搭 态的方式而得者。 自行車的動態模型’並獲得自行車動態模 ^的相·數數值，參數包含自行車的#量 =比、輪胎轉動慣量、輪胎轉動阻抗係數、以及風阻係 及柏關而失二車的動祕擬程式係利用上述的動態模型以 制理办f來建立。其次，本發明利用前饋暨回饋控 則所^ a立個車速循跡的控制法則。而基於此控制法 = 程式則與前述的動態模擬程式結合，成為 騎=:=:_式，且即是本發_ 運作板曲:丙扭力估算法則的基本理論為，在實際 :里測件到的實際車速作為車速循跡控制目標 1261181 便能夠結合車速感測器，坡度感測器， 值，而前饋暨回饋控制演譯程式則計算相對應的控制指 令，以便所模擬出來的自行車車速能夠與量測出來的實際 車速一致。這時，前饋暨回饋演譯程式所產生的值，經過 代數換异之後’便可視為騎士施加在自行車上的踏板曲柄 扭力值。‘估异出踏板曲柄扭力值之後，便可與車速相 乘，以得到騎士的輸出瞬間功率。此一功率的積分便是騎 士所消耗的總能量。此一整合的模擬程式，包含動態模擬 程式、前饋暨回饋控制演譯程式、踏板曲柄扭力^算程 弋以及％士耗月b异程式，都燒錄在一個單晶片當中，以 馬達扭力感測器， 成為-套模組（方法），而可運用在各種不同的時車 承上基本原理說明，本發__自行車之速度及 又里測值來估算騎士所作用的踏板曲她力的方法，若是

以第-圖當中的系統架構圖來進行說 應用在電動自行車上， 力，方可任曾战丄α" 所消耗的能量。 以下，本發明 1261181 :二包Γ:個標示為自行車11的方塊以及-個標示為 =3暨騎士耗能估算模組12的方塊。其中，標 曲柄^代表實體的自行車，而標示為踏板 片二Λ 估算模組12的方塊則為-個單晶 式m來估細板㈣扭力収料耗能的演 器111、城声；1丁、上面裝設的感測器包含有車速感測 112及馬達輸出扭力感測器113。這 二固感”測訊號輸出以虛線表示，其量測值則透過 木中m輪至踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算模組12 :^- ^曲柄扭力估算以及騎士耗能演譯程式所利 估㈣模組若運用在_的人力自行車上，則 達輸出扭力感測器113。第-圖中所標示的 相關付遽疋義如下； :實車上馬達輸出扭力。 ^ ··實車上騎士所產生的踏板曲柄扭力。 0蜂實車位置的坡度。 u- ·β實車的前進速度。 〜：控制演譯程式的速度目標值，相等於"… u :動態模擬程式所計算出來的前進速度。

A ••估算出來的踏板曲柄扭力。 而在燒錄有踏板曲柄扭力暨騎士乾能估算模組12之 單晶片當中所存在的_程式包含有前饋控制演譯程式 1261181 Γ貝技制演譯程式122、自行車動態模擬程式123、 1烈反#柄扭力計算程式124、以及騎士耗能計算程式 疒 ，自行車動態模擬程式123主要目的在模擬自 J丄t到外力作用T所產生的速度變化。所謂的外力包含 : 板曲柄扭力，馬達輸出扭力，以及行駛阻力等。其 撰寫是_τ述的的推導_致的結果來進行。所 ::二二ΐ動態’若假設後輪與地面之間並沒有滑動並依 照牛頓讀來推導，可以得到下列的式子： (T_or +THiier)g” 一丁句 u = (1) 其中： τ motor ^rider gr T,ff Jeff ； 馬達輸出扭力。 騎士踏力所產生作用在曲柄上的扭力 傳動機構減速比。 作用在後輪上的等效阻抗。 自行車在後輪處的等效慣性。 •後輪轉速。 自行車的前進速度。 後輪半徑。 不 而等效阻抗的計算公式則如下所

Teff = Tr + rwFg + ⑵ 1261181

其中： :爬坡阻抗。 :風阻。 :滾動阻抗。 而爬坡阻抗、風阻、滾動阻抗可以下列式子表示 (3) (4) (5)

Fg = msgsin0slope F^cy

Tr=rw^sgcos0slope 其中， % :自行車以及騎士之質量總合。 ^ :重力係數。 0s,ope :坡度。 C。 :風阻係數。 ^ :滾動阻抗係數。 因此，等效阻抗可以表示為： (6) (7)

Teff = C0S θslope + rWm.s8 δίπ θslope + r，Ca f 而等效慣性的計算公式則如下所示·· = ms 其中： 12 1261181 1 if ,¾ s 修i栗 人 :後輪的轉動慣量。 因此’右將專效阻抗的公式代入（1)式並經過整理，則了 以得到下列的公式： (T”wfm. + Tridet)gr -/MftsgcosΘshpe + rwmxgsinΘsfnpe) = —☆ + r c 以2 ^ (8) 其中，+ 可視為自行車動態的輸入， (〜风—‘+^^__)可視為自行車動態的干^ (disturbance)。因此，若令 (9) 3 - (Tmotor + Trider)gr (rw/Mtisgcos6sjope 4* rM；m$gsindsJope) 則可得 3 = ~~ώ + ν^2 ^JeffK^rJc^w2 rw (10) Φ 而此一微分方程式即為本自行車踏板曲柄扭力估算方、、 當中的自行車動態模擬程式123。因此，就第—圖而^ 前饋控制演譯程式121暨回饋控制演譯程式122所 來的值為(10)式當中的3。而以下所要陳述的前饋控 譯法則以及_控_譯法_主要目的，就在於求得適 當的致於所模擬出來的車速會與實際量測出來的車 速一樣，也就是說。當時，踏板曲柄扭力便可以 由下列式子來進行估算。 ^ 1

Tnder Tmotorgr + ^μηχ^ COSθsl〇pe + r^gSltl Θshpe ) (10 其中，代表所估算的值。因此，在第一圖當中，踏板 曲柄扭力計算程式124就是按照⑴）式撰寫而成。 13 1261181 所心r—一饋_則 ^ (12) 演二7前饋控制演譯程式121 *得，由回饋控制 推導則如下所述。 如魅制法則的 如第―圖所示，控制法則的循跡目標 =到的車速，表示為""。假設此—目標車迷二 就是說I。。此外，假設目前的模擬車〜' 異為△"也就是說〜、則(⑻式可 3 = 3/r + 3 /Λ (13) 1△“认々△〜々一α)2 由（13)式可知，前饋控制法則可以設定為 (14) (15) 其次，回難=_目料是在計算合_%來 收斂到零。以时她出來的車速就與目標車速一敢。 而回饋控制法則可以_極點控制理 下。首先，假設心相當小，以蘇认、 1双疋如 可以被線性化，成為 ；上述的非線性方程式 (16)1261181 β 二 M^r2rwcau^u rw 若令 3/7> =· 則 (-2rw^a〇ywfi -k) (17) (18) 若選擇合適的Μ直，則可以使得如依照需求的速度收傲。 =中I的雜方法可以彻各種控制諸計法則來獲 得’如極點位置設計法則（P〇le-placement control 最佳化控制設計法則（optimal control theory 出來的車速與目標車速—致，也就是說 來钟曾偷致時’控制演譯程式所得到的3便可被用 來I踏板曲柄扭力。而當踏板曲柄扭力計算得到之後， ΐ可被用來物士⑽ 1。騎士輸出功率的估算公式如下 /、 ^rider (0 = (t{t)gr (19) 而騎士消耗能量的估算公式如下 ^rider (0 = | Pfider {λ)άλ (20) 承上，亦即前饋控制演譯程式 式⑵與自行車動態模擬程式123，^ _控制演譯程 控制的模擬程式，使將量測到的實^ 叫擬車速循跡 制目標值，而前饋控制演譯程式^車逮作為車速循跡控 、回饋控制演譯程式 15 1261181 122則計算相對應的控制力，俾所模擬出來的自行車車 與量測出來的實際車速-致，使前饋控制演譯程式⑵、 ，饋控制演譯程式122難生的值朗上述⑴）式 算，可以估算騎士施加在自行車上的真正力量。而所 踏板曲柄扭力也就是騎士作用在踏板上的力量所^的 扭力值’此-扭力值除以曲柄的長度就可得到騎士 踏板上的力量，且所估算出來的踏板曲柄扭力可以愈踏板 曲柄速度相乘，以得到騎士的輸出功率，並進而積 騎士所消耗的能量。如此，裝置在自行 了解其消耗的能量。 邊騎士 再者，發明人以下列具體實驗數據 :，，做-深入之詳細解說。而說明的方 數值_程 力ίΐ 行車實車動態模擬模組22、以及外 力，模組23’而其主要的模擬對象為電動自行車及： 車動態的模擬=Z7二其中’自行車實 1 1 u, ^ 丁 ^於弟一圖當中的自行車方塊 ’拉擬貫際運作時候的實車運動， 柄扭力咖、^ "主要換擬在踏板曲 用下，電動自行及行車阻力231的作 模組2!在實;^tif㈣叫雜力估算模擬 在貫IV、運作日守則燒錄在—個單晶片當中，宜主要 16 1261181 蚵士作用在踏板j 力量所產生的扭力 在電動自 ,度土的杻力。 謂0電動自行車為模擬广，本發明係以美利達 其規格而得，如下所示： 。其相關的動態參數參考 車 重：40 kgw 減速比·3. 〇 輪胎半徑·· 0· 33 m 輪胎重量：o.(m8kgw 風阻係數·· 0· 328 U1 瑕勒阻抗係數 其中’風_、數从轉阻 準而得。而實車㈣編1 ㈣則參考中國國家標 貫車動純擬程式的建立則依照⑴式來完成。 /、次，踏板曲柄扭力暨騎士 含前饋控龍娜_έ ^减_組21包 212、自彳干絲I t 1回饋㈣_模擬模組 模板214、以及組213、踏板曲柄扭力計算模擬 去 乂及騎士耗能計算模擬模組215。 車動態模擬模組213利用⑽式建立起饋二= 模擬模組211 (⑷式來進行『π j敝制决澤 ^組212利用(17)式來進行計算。而上述前饋控制演Ϊ ^以及_控制演譯程式所產生之值的總和就^ 式富中的3。當3求得之後，便可利用踏板曲柄扭） 模擬模組214來估算踏板曲柄扭力。而踏板曲柄扭力^

1261181 模擬模組214則是利用（11)是建立起來。 最後’當踏板曲柄扭力估算得到之後，便可利用騎士 耗，計算模擬模組215來估算騎士所消耗的總能量。此一 十才私式的建立疋利用（19)式來計算騎士的輸出功率，並 利用（20)式來計算騎士所消耗的能量。 底下，則敘述踏板曲柄扭力以及騎士耗能的估算結 果。首先，第三圖係同時顯示真正的踏板曲柄扭力以及所 估巧結果。由第三圖可知，踏板曲柄扭力的估算值相當 接近實際值，顯示本發明所估算的踏板曲柄扭力是相當準 確的。其次’第四圖顯示所估算的騎士輸出功率 則顯示所估算的騎士消耗能量。 據上所述之技術原理及具體實施例模擬說明，可知 么月崔可彻自行車之速度及坡度量測值來估算騎 ，用的踏板曲柄扭力，奸應用在電動自行車上，則 1測或估算馬達的輸出扭力，即可估算出騎士所作用的踏 二。且此一踏板曲柄扭力估算值與車速相乘， 旦而/异騎士的輸出功率，進而得到騎士所消耗的能 置°而此-踏板扭力估算方法健要運算單晶片 之坡度以及車速感測器。因此，相較於 =裝’而且價格比較便宜等優異性，其具== == 俾於人力自行車或電動自行車在產業上之利用 具有新^所权技射段從未見相錢用，而亦 八 、，因此，本發明應已符合發明專利之專利要 1261181 件，爰依法提出發明專利之申請。 19 1261181 【圖式簡單說明】 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之系統架構圖。 第二圖係本發明之踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算動 態模擬架構圖。 第三圖係本發明之踏板曲柄扭力實際值以及估算值 之比較圖。 第四圖係本發明之騎士輸出功率估算圖。 第五圖係本發明之騎士能量消耗估算圖。 【主要元件符號說明】 11 自行車 111 車速感測器 112 坡度感測器 113 馬達輸出扭力感測器 12 踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算模組 121 前饋控制演譯程式 122 回饋控制演譯程式 123 自行車動態模擬程式 124 踏板曲柄扭力計算程式 125 騎士耗能計算程式 211261181 22 23 211 212 213 214 215 231 232 233 踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算模擬模組 實際自行車運動模擬模組 實際自行車驅動力模擬模組 前饋控制演譯模擬模組 回饋控制演譯模擬模組 估算模組當中之自行車動態模擬模組 踏板曲柄扭力計算模擬模組 騎士耗能計算模擬模組 坡度模擬模組 踏板曲柄扭力模擬模組 馬達輸出扭力模擬模組 21

Claims (1)

1261181 …‘.f Ά,”口 成_式所萄露之U 十、申請專利範圍： ^ 1、一種自行車踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算方法， =在個單θθ片δ中，燒錄包含有前饋控制演譯程式、回 =制演譯程式、自行車動__式、踏板曲柄扭力計 异程ί、以及騎士耗能計算程式，而自行車上裝設有車速 感測益及坡錢㈣，其量難透過AD/DA介面傳輸至踏 =柄扭力暨騎士耗能估算模組，其中，自行車動態模擬 程式係依自行車動態模型的參數數值而建立，而前饋控制 演譯程式、回饋控制演譯程式與自行車動態模擬程式，係 用以松擬車速循跡控制賴擬程式，使將量酬的實際車 速作為車賴跡㈣目標值，而前饋控龍譯程式、回饋 控，演譯程式則計算相對應的控難，俾所模擬出來的自 =車車速與量測出來的實際車速—致，使前饋控制演譯程 t回，控制演譯程式所產生的值，可用來估算騎士施加 2仃車上的真正力量；據上，單晶片接收所量測的車速、 皮度，經過計算後即可輸出所估算的踏板曲柄扭力，且此 :板曲柄t力估算值與車速相乘，即可計算騎士的輸出 功率，進而得到騎士所消耗的能量。 / 2、—種自行車踏板曲柄扭力1*騎士耗能估算方法， :在-個單晶片當中，燒錄包含有前饋控制 ’ 饋控制演譯程式、自行車動能模 Λ 口 瞀η、，…目仃車動態杈擬私式、踏板曲柄扭力計 开私式、以及％士耗能計算程式，而自行車上 感測器、坡度感測器及馬達輸出扭力感㈣，;量 過ad/μ介面傳輸至踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算^且透 22 1261181 ί會而诸！仃車動模擬程式係依自行車動態模型的參數數 行車㈣控制演譯程式、_控制演譯程式與自 六、= 續程式’係用以模擬車速循跡控制的模擬程 分到的實際車速作為車速循跡㈣目標值，而 U 秀：程式、回饋控制演譯程式則計算相對應的控 -较，蚀，擬出來的自行車車速與量測出來的實際車速 佶，可田:雀貝'空制演譯程式、回饋控制演譯程式所產生的 單::偷估ί騎士施加在自行車上的真正力量；據上， 算:即可輸:戶 =ΐ車速、坡度、馬達輸出扭力’經過計 力估直Μ ΐ 板曲柄扭力，且此—踏板曲柄扭 mi、車速相乘，即可計算騎士的輸出功率，進而得 到騎士所消耗的能量。 3、 如申請專利範㈣項所述之「自行車踏板 曲柄扭力暨騎士麵^ ^士瞀士、土 ώ y 7 耗此估异方法」’其中，自行車動態模擬程 f自仃車動態模型的參數數值，其參數包含自行車的質 ♦ =、輪胎半徑、減速比、輪胎轉域量、輪轉動阻抗係 數、以及風阻係數。 4、 如中請專·圍第liil2項所述之「自行車踏板 =柄扭力暨騎士耗能估算方法」，其中，自行車動態模擬程 $雙〃农以下程式而得： 其中： " :控制指令，為前饋控制指令以及回饋控制指令的 和， 23 1261181 a Λ// C •動m模擬程式所計算出來的前進速度， ••自行車在後輪處的等效慣性， :後輪轉速， :後輪半徑， :風阻係數。 ^如申請專·㈣項所述之「自 係依以下㈣崎：去」，其中’錢㈣演譯程式 3 a = rwcaud = rw €αω^ 其中： …:===::;:r的控制指令， 車車速值， 曰払值，相等於所量測的實 後輪轉速目標值， 後輪半徑， 風阻係數。 板二:力嫩「自行車踏 式係依以下方程式而得：/J，其中，回饋控制演譯程 值的選擇係利用以下方程式得到， 其中： ω. •後輪轉逮目標值， 24 1261181 Ca ^eff :後輪半徑， :風阻係數， :自行車在後輪處的等效慣性， M •模擬程式當中目標後輪轉速與模擬後輪轉速之差異。 7、 如申請專利範圍第6項所述之「自行車踏板曲柄 扭力暨騎士乾能估算方法」，其中，Μ直求取的方法可以利 用各種控制器設計法則來獲得，如極點位置設計法則 (P〇le—placement control theory)、最佳化控制設計法則 (〇ptlmal contr〇l theory)、卡們滤波器（Kalman filter)。 8、 如申請專利範圍第1或2項所述之「自行車踏板 曲柄扭力暨騎士耗能估算方法」，其中，踏板曲柄扭力計算 程式係依以下程式而得： T 一 1 nder 〇 一 [處心 + J cos心啊 + sin ) 其中： Λ :估算出來的踏板曲柄扭力， ^ :係前饋控制指令與回饋控制指令的和， _"•實車上馬達輸出扭力， A—6 :實車位置的坡度， 8" •傳動機構減速比， 〜：後輪半徑， •自行車以及騎士之質量總合， g :重力係數， μ :滾動阻抗係數。 9、 如申請專利範圍第1哎9 Ji % 4、 「 1及Z項所述之「自行車踏板 25 1261181 年月日修僅)正替換贾丨 f | 曲柄扭力暨騎士耗能估算方法」，其中，騎士耗能計算程式 係依以下程式而得： Wrt(ier(t)-[PnderWdX 其中Z Α Λ ^rider (Ο - ^rider {t)0)w (0^r :騎 士輸出功率， :估算出來的踏板曲柄扭力， 8r :傳動機構減速比， 〜：後輪轉速。

1 0、如申請專利範圍第1或2項所述之「自行車踏 板曲柄扭力暨騎士耗能估算方法」，其中，單晶片的運算程 式亦可以用數位邏輯電路實現。

26 \ίΐ七、指定代表圖： 1261181 ji (一）本案指定代表圖為：第（一）圖 (二）本代表圖之元件符號簡單說明: 11111112 自行車 車速感測器 坡度感測器 113 馬達輸出扭力感測器 12 踏板曲柄扭力暨騎士耗能估算模組 121 前饋控制演譯程式 122 回饋控制演譯程式 123 八 自行車動態模擬程式 124 踏板曲柄扭力計算程式、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明 特徵的化學式··