CN107600296A - 一种电动助力自行车的助力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动自行车技术领域，尤其是一种电动助力自行车的助力控制方法。此方法是针对包括车体、脚蹬踏板、助力电机和助力控制器等部件在内的电动助力自行车的，其包括S1、利用转速测量传感器获取脚蹬踏板的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器获取车体的倾角值；S2、利用助力控制器依据转速值和倾角值建立相应的助力系数值，使助力控制器根据助力系数值控制助力电机输出助力。本发明使自行车能够根据骑行人员对车辆的操作情况及车辆行驶的路面情况来自动地进行助力的调整，为增强电动自行车的骑行体验效果提供了条件；而利用被广泛应用于手机等电子消费产品内的加速度陀螺仪传感器来进行自行车倾角的检测，可以有效降低传感器的安装成本及使用成本。

Description

一种电动助力自行车的助力控制方法
技术领域
本发明涉及电动自行车技术领域，尤其是一种电动助力自行车的助力控制方法。
背景技术
周知，电动助力自行车不同于传统意义上的电动自行车，其并非以代替骑乘者来提供动力为目的，而是通过辅助骑乘者在阻力较大的骑乘环境内适时地补偿助力，如：在爬坡或逆风行使期间进行助力补偿，以增加骑乘者在骑乘时的舒适感，同时也保留了骑乘者以自身力量骑乘的乐趣。因此，电动助力自行车既不会像普通自行车那样骑行起来非常费力，又不会像电动自行车那样因脱离脚踏板以直接由转把和油门来控制动力的大小而容易引发安全问题及丧失骑行本身的乐趣。
目前，市场上的电动助力自行车所采用的助力控制方法主要有以下两种，即：
1、基于检测脚踏板的转速作为输入量来控制助力电机的输出功率的大小，即当骑行者踩踏脚踏板的速度越快则电机助力越多，脚踏停止则助力关闭；这种方法的优点在于：对踏板转速检测很容易并且相关传感器的安装及使用成本偏低，在平路骑行时会有不错的骑行体验；但是当上坡时因为更费力会导致脚踏板的转速下降而随同相应的助力也会更小，而助力越小则上坡就越费力，由此形成了恶性循环；从骑行需求上来说，上坡时是需要得到更多的助力的，这样就导致上坡时达不到很好的助力效果，下坡时因为骑行很轻松，脚踏板的转速也很高，从骑行需求及节能角度来说，下坡是不需要或仅需要很小的助力的；但是这种控制方法因为是直接检测脚踏板的转速而无法检测到骑行的坡度，所以在上坡时提供更多助力、在下坡时减小或不提供助力的，骑行体验很差。
2、基于检测脚踏板上的力矩作为输入量来控制助力电机的输出功率的大小，即当检测到脚踏板上受的力越大则助力越大，反之则助力越小；这种方法优点在于骑行体验非常好，但缺点是目前并没有很好的力矩检测方法，而所用的力矩传感器的成本也极高、安装困难并且容易损坏、传感器的寿命得不到保障，因而只能适用于一些高端车型上，无法得到广泛的普及。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电动助力自行车的助力控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动助力自行车的助力控制方法，所述电动助力自行车包括车体以及安装于车体上的脚蹬踏板、助力电机和助力控制器；所述方法包括以下步骤：
S1、利用转速测量传感器获取脚蹬踏板的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；
S2、利用助力控制器依据转速值和倾角值建立相应的助力系数值，并使助力控制器根据助力系数值控制助力电机输出助力。
优选地，所述步骤S1中，利用三轴加速度陀螺仪传感器获取车体的单位水平距离值和单位水平距离值所产生的高度落差，并依公式PAngle＝H/L×100％得出车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；H为单位水平距离所产生的高度差，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在垂直方向的加速度值作二次积分后得出的，单位为m；L为单位水平距离，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在水平方向的加速度值作二次积分后得出的，单位为m。
优选地，所述步骤S1中，利用三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值并依公式PAngle＝ar tan2(ax/Sqrt(ax2+ay2+az2))来获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；ax,ay,az分别为三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值，单位均为m/s2。
优选地，所述步骤S1中，利用转速测量传感器持续性地获取脚蹬踏板的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器持续性地获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；
所述步骤S2中，所述助力系数值依据转速值的变化和倾角值的变化而改变。
优选地，当所述转速值为正值且倾角值为正值则视为上坡骑行，所述助力系数值随倾角值的增加而增大，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机输出助力；
当所述转速值为负值或零且倾角值为负值时则视为下坡骑行，所述助力系数值为零或负值，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机停止；
当所述倾角值为零时则视为平路骑行，所述助力系数值为零，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机停止。
优选地，将所述转速测量传感器安装于脚蹬踏板的中转轴上。
优选地，所述助力系数值为预设于助力控制器中的多个阈值或阈值范围。
由于采用了上述方案，本发明使自行车能够根据骑行人员对车辆的操作情况及车辆行驶的路面情况来自动地进行助力的调整，如行驶于下坡路段可通过停止助力或制动来限制行驶速度以降低骑行安全风险、行驶于上坡路段则可适当助力以达到骑行更轻松和更省力的效果、行驶于平整路段时则可适当助力或不助力以保持自行车的骑行及健身乐趣；而利用被广泛应用于手机等电子消费产品内的加速度陀螺仪传感器来进行自行车倾角的检测，可以有效降低传感器的安装成本及使用成本。
附图说明
图1是本发明实施例所针对的电动助力自行车的结构参考示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本实施例提供的一种电动助力自行车的助力控制方法，其针对具有以下结构构造的电动助力自行车上，即：电动助力自行车包括车体以及安装于车体上以带动车轮进行转动的脚蹬踏板1、助力电机2和助力控制器3；而控制方法则包括以下步骤：
S1、利用转速测量传感器2获取脚蹬踏板1的转速值，利用内置于助力控制器3中的三轴加速度陀螺仪传感器获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；
S2、利用助力控制器3依据转速值和倾角值建立相应的助力系数值，并使助力控制器3可根据助力系数值来控制助力电机4输出相应的助力。
由此，利用转速测量传感器2可获取自行车本身的状态以及骑行人员对自行车的操作状态及相关数据(如自行车处于闲置摆放状态时，脚蹬踏板1通常是停止的，而自行车在被骑行时骑行人员通常会根据路况以及骑行速度，使脚蹬踏板1正转以带动车轮前行，使脚蹬踏板1停转或反转来保持骑行速度)，从而可使转速值呈现正值、零或负值等三种情况；利用三轴加速度陀螺仪传感器则可获取自行车闲置摆放或行进路况的相关状态及数据(如存在自行车摆放或行进在上坡路段、摆放或行进在平面路段以及摆放或行进在下坡路段等情况)，从而使得倾角值呈现正值、零或负值等三种情况；基于此，利用助力控制器3可综合各种情况下的转速值与倾角值，从而为不同的情况匹配不同的助力系数值，以能够使助力电机输出相应的助力(“输出相应的助力”可以理解为是助力电机进行正转助力、停止不施力或制动)，进而达到使得助力自行车能够根据骑行人员对车辆的操作情况以及车辆行驶的路面情况来自动地进行助力的调整，为增强电动自行车的骑行体验效果和方式提供了有利的条件；同时，利用被广泛应用于手机等电子消费产品内的加速度陀螺仪传感器来进行自行车倾角的检测，可以有效降低传感器的安装成本以及使用成本。
作为一个优选方案，在步骤S1中，可通过三轴加速度陀螺仪传感器来获取车体的单位水平距离值和单位水平距离值所产生的高度落差，并依公式PAngle＝H/L×100％来得出车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；H为单位水平距离所产生的高度差，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在垂直方向的加速度值作二次积分后得出的(即：根据牛顿运动定律，通过对传感器在垂直方向的加速度ax进行积分即可得到在垂直方向的速度Vx，其中，Vx＝int egrate(ax,dt)，在对垂直方向的速度进行积分处理即可得到高度差H，其中H＝int egrat(Vx,dt))，单位为m；L为单位水平距离，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在水平方向的加速度值作二次积分后得出的(即：根据牛顿运动定律，通过对传感器在水平方向的加速度az进行积分即可得到在水平方向的速度Vz，其中，Vz＝int egrate(az,dt)，在对垂直方向的速度进行积分处理即可得到水平距离L，其中L＝int egrat(Vz,dt))，单位为m。当然，为更加简单地获取车体的倾角值同时降低相关数据的计算难度，在步骤S1中，也可利用三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值并依公式PAngle＝ar tan2(ax/Sqrt(ax2+ay2+az2))来获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；ax,ay,az分别为三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值，单位均为m/s2。
为保证助力控制器3能够实时地对助力电机2的输出功率进行调整以决定是否进行助力、停止助力或者制动等工况的调整，在步骤S1中，利用转速测量传感器2持续性地获取脚蹬踏板1的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器持续性地获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；同时，在步骤S2中，利用助力控制器3将助力系数值能够依据转速值的变化和倾角值的变化而改变，即不同的转速值及倾角值应对应不同的助力系数值。以此，可决定助力电机4的助力的大小。
作为一种优选方案，可以以下方式对助力控制器3进行设定，具体为：
1、当转速值为正值且倾角值为正值(或大于某一预设的阈值或落入某一预设的阈值范围内)时则视为上坡骑行，此时助力系数值应随倾角值的增加而增大，而助力控制器3则根据此时的助力系数值控制助力电机4输出助力；从而，当自行车被视为上坡骑行时，则可依据脚蹬踏板1转速以及骑行坡度来控制助力大小。
2、当转速值为负值或零且倾角值为负值(或者小于某一预设的阈值或落入某一预设的阈值范围内)时可则视为下坡骑行，此时助力系数值为零或负值，而助力控制器3则可根据此时的助力系数值来控制助力电机4停止；从而，在自行车被视为下坡骑行时，则可控制助力电机4停止助力或者制动刹车，以对自行车的行进速度进行控制，进而降低安全风险。
3、当倾角值为零(或者等于某一预设的阈值或者落入某一预设的阈值范围内)时则视为平路骑行，助力系数值为零，助力控制器3根据此时助力系数值来控制助力电机4停止。
需要说明的是，其可情况均可视自行车处于限制摆放的状态，以避免助力电机4误动作，以达到节省电能的目的。
为保证对脚蹬踏板1的转速的侦测的准确性，可将转速测量传感器2安装于脚蹬踏板1的中转轴上，从而使转速测量传感器2能够获取与脚蹬踏板1相同步的转速数据。
另外，本实施例的助力系数值可根据情况采用预设于助力控制器3中的多个阈值或阈值范围；由此，即相当于助力控制器3采用模糊计算手段来控制助力电机4的输出功率，如当倾角值大于-2度且小于2度时，亦可认为倾角值是正值，此时助力控制器3可依据一个相对较小的助力系数值来控制助力电机4的功率输出；当倾角值大于2度时，则依据相对较大的助力系数值来控制助力电机4进行相应功率的输出；当倾角值小于-2度时则认为倾角值是负值，此时助力控制器3控制助力电机4停止运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种电动助力自行车的助力控制方法，所述电动助力自行车包括车体以及安装于车体上的脚蹬踏板、助力电机和助力控制器；其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、利用转速测量传感器获取脚蹬踏板的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；
S2、利用助力控制器依据转速值和倾角值建立相应的助力系数值，并使助力控制器根据助力系数值控制助力电机输出助力。
2.如权利要求1所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，利用三轴加速度陀螺仪传感器获取车体的单位水平距离值和单位水平距离值所产生的高度落差，并依公式PAngle＝H/L×100％得出车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；H为单位水平距离所产生的高度差，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在垂直方向的加速度值作二次积分后得出的，单位为m；L为单位水平距离，其是通过对三轴加速度陀螺仪传感器在水平方向的加速度值作二次积分后得出的，单位为m。
3.如权利要求1所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，利用三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值并依公式PAngle＝artan2(ax/Sqrt(ax2+ay2+az2))来获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；式中，PAngle为车体相对于水平骑行路面的倾斜角度；ax,ay,az分别为三轴加速度陀螺仪传感器的三个轴的加速度值，单位均为m/s2。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：
所述步骤S1中，利用转速测量传感器持续性地获取脚蹬踏板的转速值，利用三轴加速度陀螺仪传感器持续性地获取车体相对于水平骑行路面的倾角值；
所述步骤S2中，所述助力系数值依据转速值的变化和倾角值的变化而改变。
5.如权利要求4所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：
当所述转速值为正值且倾角值为正值则视为上坡骑行，所述助力系数值随倾角值的增加而增大，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机输出助力；
当所述转速值为负值或零且倾角值为负值时则视为下坡骑行，所述助力系数值为零或负值，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机停止；
当所述倾角值为零时则视为平路骑行，所述助力系数值为零，所述助力控制器根据助力系数值控制助力电机停止。
6.如权利要求5所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：将所述转速测量传感器安装于脚蹬踏板的中转轴上。
7.如权利要求5所述的一种电动助力自行车的助力控制方法，其特征在于：所述助力系数值为预设于助力控制器中的多个阈值或阈值范围。
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