CN102750441B - 一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法，其特征是通过参数标定的方法获得自行车和骑车人的总重量、自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积以及自行车阻力参数，然后计算单位时间内骑自行车时所做的功包括有：克服风的阻力所做的功、克服人和自行车的重力所做的功、改变人和自行车的动能所做的功，以及克服自行车阻力所做的功，从而计算出骑自行车所消耗卡路里。本发明能根据不同运动环境下，实时计算出人体所消耗的卡路里值，计算结果更加精确可靠。

Description

一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法

技术领域

本发明涉及一种卡路里计算方法，具体地说是一种骑自行车时所消耗卡路里的计算方法。

背景技术

越来越多的人将自行车作为户外健身设备，为了实现更专业化的健身效果，需要计算骑自行车过程中人体所消耗的卡路里情况。但市场上相关的电子设备关于骑自行车所消耗卡路里量，大多是采用基于行驶的路程的方法或者基于检测人体身体参数的方法来计算。

基于行驶路程来计算骑自行车消耗卡路里量的方法，在计算过程中采用的是估算的方式，即粗略的将消耗的卡路里量和行驶的距离对应起来。这样的计算方法忽略了人的体重的差异、行驶路面不同以及不同环境下风的阻力所带来的影响，也忽略了自行车本身的旧损所带来的影响，计算起来较为简单，但无法满足精确计算的要求。

基于检测人体身体参数来计算骑自行车消耗卡路里量的方法，需要将检测装置穿在身上或者戴在手上。这样会使运动者有不舒服的感觉，影响健身效果和个人运动情绪；而且有些设备对人体会造成一定的辐射伤害，不利于舒适健康的户外健身。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足之处，提供一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法，通过参数标定的方法确定在不同运动环境下人体所消耗的卡路里值，使得计算结果更加精确可靠。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法按如下过程进行：

t₀为骑自行车卡路里消耗的初始时刻，t_n为骑自行车卡路里消耗的结束时刻,在初始时刻t₀到结束时刻t_n时间段内取时间间隔Δt为t_i到t_i+1的单位时间,t_i表示一个时间点，t_i+1表示下一个时间点，i=0,1,...,n；n为整数，取值为 是检测获得的t_i时刻自行车的行驶速度；是检测获得的t_i+1时刻自行车的行驶速度；是检测获得的t_i时刻行驶中人和自行车所受风阻的压强；是检测获得的t_i时刻自行车行驶的路面与水平面的夹角；M是自行车和骑车人的总重量；S是自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积；ψ是自行车阻力参数；g是重力加速度；

W_pi为t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服风的阻力所做的功，由式（1）计算获得：

$W_{\mathrm{pi}}=S\×P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

W_gi为t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服人和自行车的重力所做的功，由式（2）计算获得：

W_di为t_i到t_i+1的单位时间Δt内改变人和自行车的动能所做的功，由式（3）计算获得：

$W_{\mathrm{di}}=0.5\×M\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(3\right)$

W_fi为假设自行车在水平面上行驶时，车速保持固定且在没有风阻的情况下，t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服自行车阻力所做的功，由式（4）计算获得：

$W_{\mathrm{fi}}=\mathrm{\ψ}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

则在t_i到t_i+1的单位时间Δt内骑自行车所消耗的卡路里为W_ki，按式（5）计算获得：

W_ki=W_pi+W_gi+W_di+W_fi                       （5）

假设：

$w_{\mathrm{pi}}=P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(6\right)$

$w_{\mathrm{di}}=0.5\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(8\right)$

$w_{\mathrm{fi}}=V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(9\right)$

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）和式（9）获得式（10）：

W_ki=S×w_pi+M×(w_gi+w_di)+ψ×w_fi              （10）

则骑自行车所消耗的卡路里W_k按照式（11）计算获得：

$W_k=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ki}}---\left(11\right)$

本发明一种骑自行车所消耗卡路里的计算方法的特点也在于：

所述自行车和骑车人的总重量M、所述自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积S以及所述自行车阻力参数ψ是通过参数标定的方法按照如下步骤获得：

在骑自行车过程中，骑车人停止向自行车做功，则骑自行车所消耗的卡路里W_kj=0(j=0,1,...,m），m为大于等于3的整数；利用式（10）每隔一段单位时间Δt内得出一个骑自行车所消耗的卡路里等式，获得如下方程组：

S×w_p1+M×(w_g1+w_d1)+ψ×w_f1=W_k1=0                方程1

S×w_p2+M×(w_g2+w_d2)+ψ×w_f2=W_k2=0                方程2

S×w_pm+M×(w_gm+w_dm)+ψ×w_fm=W_km=0                方程m

利用所述方程组，采用最小二乘法分别计算获得所述自行车和骑车人的总重量M、所述自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积S和所述自行车阻力参数ψ。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明从人骑自行车所消耗卡路里的能量转换角度出发，分析出骑自行车时所做的功包括有：克服风的阻力所做的功、克服人和自行车的重力所做的功、改变人和自行车的动能所做的功，以及克服自行车阻力所做的功，通过分别计算出卡路里消耗的各个分量，使卡路里消耗量的计算结果更为合理准确。

2、本发明通过参数标定方法能根据不同运动环境中的不同行车参数，以及运动者本身的体能消耗情况和运动速度的变化情况，实时计算出卡路里消耗的值的大小，从而保证计算的准确性和时效性。

具体实施方式

本实施例中，骑自行车所消耗卡路里的计算方法按如下过程进行：

t₀为骑自行车卡路里消耗的初始时刻，t_n为骑自行车卡路里消耗的结束时刻,在初始时刻t₀到结束时刻t_n时间段内取时间间隔Δt为t_i到t_i+1的单位时间,t_i表示一个时间点，t_i+1表示下一个时间点，i=0,1,...,n,n为整数，取值为具体实施中单位时间Δt取值为0.1s；

1、本计算方法所用的参数包括：

a、自行车的行驶速度

是检测获得的t_i时刻自行车的行驶速度；是检测获得的t_i+1时刻自行车的行驶速度；具体实施中采用的是12V/6W的摩擦发电机，摩擦发电机自身体积小，质量轻，安装方便，可以安装在自行车前轮或者后轮的轴上，紧贴自行车轮。摩擦发电机的周长为23cm，每旋转一周能形成3个正弦信号，通过光耦将正弦信号转换脉冲信号，通过计算单位时间Δt内检测到的脉冲信号的个数来计算自行车的行驶速度当单位时间Δt为0.1s时,初始时刻t_i到结束时刻t_i+1时间段内检测到的脉冲个数为l，则该时间段内的自行车的行驶速度可以按式（1）计算：

$V_{t_i}=(l\×23\mathrm{cm})/(3\×0.1s)---\left(1\right)$

b、行驶中人和自行车所受风阻的压强

压强是检测获得的t_i时刻自行车行驶中所受风阻力的压强，具体实施中采用气体压力传感器进行检测；

c、自行车行驶的路面与水平面的夹角

是检测获得的t_i时刻自行车行驶的路面与水平面的夹角，具体实施中采用三轴陀螺仪传感器进行检测；

d、重力加速度g；

具体实施中取值为9.8(m/s²)；

e、自行车和骑车人的总重量M；

f、自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积S；

g、自行车阻力参数ψ；

具体实施中参数e、f和g通过参数标定的方式获得。

2．本计算方法所用的计算公式包括：

W_pi为单位时间Δt内克服风阻所做的功，是由所受风的阻力和行驶位移的乘积按照式（2）计算获得：

$W_{\mathrm{pi}}=S\×P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(2\right)$

式（2）中，在单位时间Δt为0.1s时，骑车人所受的风的阻力为行驶的距离为

W_gi为单位时间Δt内克服重力所做的功，是由人和自行车所受的重力乘以人和自行车在竖直方向上行驶的高度按照式（3）计算获得：

式（3）中，人和自行车所受的重力为M×g，在单位时间Δt为0.1s时，人和自行车在竖直方向上行驶的高度为

W_di为单位时间Δt内改变动能所做的功；是由人和自行车所受的重力乘以人和自行车速度的平方差的一半按照式（4）计算获得：

$W_{\mathrm{di}}=0.5\×M\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(4\right)$

W_fi为单位时间Δt内克服自行车阻力所做的功，是在理想状态下，假设人骑自行车时不受风的阻力、不改变人和自行车的动能、不改变人和自行车势能（即不克服重力做功）的情况下，单纯克服自行车阻力所做的功，这种功只与路程以及自行车阻力参数ψ有关，其中自行车阻力参数ψ会因人的重量差异、自行车的不同、自行车的磨损情况差异及路面的粗糙程度的不同而不同，但一旦骑自行车的人固定、自行车固定、行驶在固定的路面上，则自行车阻力参数ψ就能确定下来，按照（5）计算获得：

$W_{\mathrm{fi}}=\mathrm{\ψ}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(5\right)$

W_ki为单位时间Δt内骑自行车所消耗的卡路里，按式（6）计算获得：

W_ki=W_pi+W_gi+W_di+W_fi                 （6）

式（6）从人骑自行车所消耗卡路里的能量转换角度出发，分析了卡路里消耗主要用于克服风的阻力做过、克服人和自行车的重力做功、改变人和自行车的动能做功以及克服自行车的阻力做功。因此在单位时间Δt内骑自行车所消耗的卡路里为该时间段里各个做功项的求和。

假设：

$w_{\mathrm{pi}}=P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(7\right)$

$w_{\mathrm{di}}=0.5\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(9\right)$

$w_{\mathrm{fi}}=V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(10\right)$

由式（2）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）和式（10）获得式（11）：

W_ki=S×w_pi+M×(w_gi+w_di)+ψ×w_fi            （11）

式（11）中，单位时间Δt内,w_pi、w_gi、w_di和w_fi可以根据各传感器实时采集到的行驶速度压强和夹角的值分别计算获得；

当在一个固定的环境下，即骑车人固定、自行车固定、行驶在相同的路面上，则行车参数总重量M、受力面积S和自行车阻力参数ψ就可以确定下来；从而计算t_i到t_i+1的单位时间间隔内的骑自行车消耗的卡路里W_ki；

则骑自行车所消耗的卡路里W_k按照式（12）计算获得：

$W_k=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ki}}---\left(12\right)$

3.本计算方法的参数标定的方法按如下过程进行：

骑自行车过程中，骑车人停止向自行车做功，即让骑自行车所消耗的卡路里W_kj=0(j=0,1,...,m），m为大于等于3的整数；利用式（11）每隔一段单位时间Δt得出一个骑自行车所消耗的卡路里等式，获得如下方程组：

S×w_p1+M×(w_g1+w_d1)+ψ×w_f1=W_k1=0                 方程1

S×w_p2+M×(w_g2+w_d2)+ψ×w_f2=W_k2=0                 方程2

S×w_pm+M×(w_gm+w_dm)+ψ×w_fm=W_km=0                 方程m

利用上述方程组，采用最小二乘法分别计算获得所述自行车和骑车人的总重量M、所述人骑自行车过程中所受风阻力的受力面积S和所述自行车阻力参数ψ。

参数标定模式是为了检测不同的人在不同骑车环境中的行车参数，如：骑车人的重量差异、骑车人的穿衣差别，自行车的不同、自行车的磨损情况差异以及路面的粗糙程度的不同而导致行车参数各不相同，但在一个固定的环境，即骑车人固定、自行车固定、行驶在相同的路面上，则行车参数总重量M、受力面积S和自行车阻力参数ψ就可以确定下来，从而计算获得单位时间Δt内的卡路里消耗量W_ki；

而当骑车环境改变时，例如道路改变等，只要停止向自行车做功，即让卡路里消耗量W_kj=0；则得到m个方程，通过最小二乘法来求解固定的方程组，就可以重新标定出行车参数总重量M、受力面积S和自行车阻力参数ψ，从而保证了不同环境下，计算卡路里消耗的准确性。

Claims (2)

1.一种骑自行车所消耗卡路里的测算方法，其特征按如下步骤进行：

t₀为骑自行车卡路里消耗的初始时刻，t_n为骑自行车卡路里消耗的结束时刻,在初始时刻t₀到结束时刻t_n时间段内取时间间隔Δt为t_i到t_i+1的单位时间,t_i表示一个时间点，t_i+1表示下一个时间点，i＝0,1,...,n；n为整数，取值为 是检测获得的t_i时刻自行车的行驶速度；是检测获得的t_i+1时刻自行车的行驶速度；是检测获得的t_i时刻行驶中人和自行车所受风阻的压强；是检测获得的t_i时刻自行车行驶的路面与水平面的夹角；M是自行车和骑车人的总重量；S是自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积；ψ是自行车阻力参数；g是重力加速度；

W_pi为t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服风的阻力所做的功，由式(1)计算获得：

$W_{\mathrm{pi}}=S\×P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(1\right)$

W_gi为t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服人和自行车的重力所做的功，由式(2)计算获得：

W_di为t_i到t_i+1的单位时间Δt内改变人和自行车的动能所做的功，由式(3)计算获得：

$W_{\mathrm{di}}=0.5\×M\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(3\right)$

W_fi为假设自行车在水平面上行驶时，车速保持固定且在没有风阻的情况下，t_i到t_i+1的单位时间Δt内克服自行车阻力所做的功，由式(4)计算获得：

$W_{\mathrm{fi}}=\mathrm{\ψ}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

则在t_i到t_i+1的单位时间Δt内骑自行车所消耗的卡路里为W_ki，按式(5)计算获得：

W_ki＝W_pi+W_gi+W_di+W_fi   (5)

假设：

$w_{\mathrm{pi}}=P_{t_i}\×V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(6\right)$

$w_{\mathrm{di}}=0.5\×g\×(V_{t_{i+1}}^2-V_{t_i}^2)---\left(8\right)$

$w_{\mathrm{fi}}=V_{t_i}\×\mathrm{\Δt}---\left(9\right)$

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)和式(9)获得式(10)：

W_ki＝S×w_pi+M×(w_gi+w_di)+ψ×w_fi   (10)

则骑自行车所消耗的卡路里W_k按照式(11)计算获得：

$W_k=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{ki}}---\left(11\right).$

2.根据权利要求1所述的骑自行车所消耗卡路里的测算方法，其特征是：

所述自行车和骑车人的总重量M、所述自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积S以及所述自行车阻力参数ψ是通过参数标定的方法按照如下步骤获得：

在骑自行车过程中，骑车人停止向自行车做功，则骑自行车所消耗的卡路里W_kj＝0(j＝0,1,...,m)，m为大于等于3的整数；利用式(10)每隔一段单位时间Δt内得出一个骑自行车所消耗的卡路里等式，获得如下方程组：

S×w_p1+M×(w_g1+w_d1)+ψ×w_f1＝W_k1＝0   方程1

S×w_p2+M×(w_g2+w_d2)+ψ×w_f2＝W_k2＝0   方程2

·

·

·

S×w_pm+M×(w_gm+w_dm)+ψ×w_fm＝W_km＝0   方程m

利用所述方程组，采用最小二乘法分别计算获得所述自行车和骑车人的总重量M、所述自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积S和所述自行车阻力参数ψ。