TWI648181B - 具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法 - Google Patents

Abstract

一種具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法，自行車煞車控制方法包含偵測地面施加於自行車之一前輪正向力、一後輪正向力以及自行車的一當下減速度、透過前輪正向力、後輪正向力以及當下減速度，計算一最大安全減速度，以及根據最大安全減速度控制自行車的煞車系統。

Description

具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法

本發明係關於一種具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法，特別是一種能防止後輪胎鎖死而打滑或導致翻車的具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法。

隨著環保意識逐漸增強，越來越多人為了節能減碳，而使用自行車做為交通工具。廠商為了因應自行車的流行，推出各種形式的自行車，而使自行車除了通勤以外，更兼具有休閒以及運動等的功能。目前自行車的煞車裝置，一般是在車輪處裝設有夾式或是蝶式之煞車器，利用煞車把手帶動煞車線拉引煞車器，使煞車器對車輪制動而達到減速的目的。

然而煞車把手的使用時機以及力道，常會因騎乘者的反應能力、手腕力道、駕車的熟練度等因素而有所不同。而不適當的使用時機以及力道容易造成騎乘者的危險。舉例而言，當車速過快且遇到緊急狀況時，騎乘者在來不及反應的情況下，下意識全力且持續的按壓煞車把手。此時，後輪胎因於高速運轉下受到持續且過大的煞車力道，容易造成後輪胎打滑甚至導致自行車翻車。

本發明在於提供一種具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法，藉由根據一最大安全減速度控制煞車系統而避免後輪胎於煞車的過程中打滑甚至導致自行車翻車的問題。

本發明之一實施例所揭露之一種自行車煞車控制方法，包含偵測地面施加於自行車之一前輪正向力、一後輪正向力以及自行車的一當下減速度、透過前輪正向力、後輪正向力以及當下減速度，計算一最大安全減速度，以及根據最大安全減速度控制自行車的煞車系統。

本發明之一實施例所揭露之一種具有煞車控制系統的自行車包含一車身組件、一控制單元、一煞車系統、二力感測器及一感測器。控制單元設置於車身組件。煞車系統電性連接控制單元。二力感測器設置於車身組件，且電性連接控制單元。二力感測器可分別偵測自行車所受之前輪正向力以及後輪正向力。感測器設置於車身組件，且電性連接控制單元。感測器可測得自行車的當下減速度。其中控制單元可根據二力感測器以及感測器測得之前輪正向力、後輪正向力以及當下減速度控制煞車系統。

根據上述實施例所揭露的具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法，因根據最大安全減速度控制自行車的煞車，使煞車系統於煞車的過程中，能根據輪胎受力情形以及減速度狀況，調整煞車系統給予自行車的減速度，而避免後輪胎打滑，進而避免自行車翻車。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

請參閱圖1。圖1為本發明第一實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。

本實施例之具有煞車控制系統的自行車20包含一車身組件200、一控制單元250、一煞車系統201、二力感測器204a、204b及一感測器207。控制單元250設置於車身組件200。煞車系統201電性連接控制單元250。

二力感測器204a、204b設置於車身組件200，且電性連接控制單元250。詳細來說，車身組件200包含一車架206、一前叉202、一後叉203、一前輪208、一後輪209、一前輪氣嘴210以及一後輪氣嘴211。前叉202以及後叉203連結於車架206。前輪208連結於前叉202，而後輪209連接於後叉203。前輪氣嘴210設置於前輪208，而後輪氣嘴211設置於後輪209。二力感測器204a、204b例如為應變規，且分別設置於前叉202以及後叉203，並分別偵測前輪208所受之前輪正向力 以及後輪209所受之後輪正向力 。

感測器207設置於車身組件200，且電性連接控制單元250。詳細來說，感測器207例如為重力感應器(G-sensor)，且設置於前叉202，並可測得自行車20的當下減速度a。本實施例之煞車系統201為針對自行車20的前輪208所設計，因此感測器207設置於鄰近前叉202的位置，以縮短電路連接，但不以此為限，於其他實施例中，煞車系統亦可針對自行車的後輪所設計，而將感測器設置於鄰近後叉的位置。

控制單元250可根據二力感測器204a、204b以及感測器207測得之前輪正向力 、後輪正向力 以及當下減速度a控制煞車系統201，自行車煞車控制方法的詳細描述請見下方說明。

請參閱圖2。圖2為本發明第二實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。於第一實施例中，感測器207設置於前叉202，但並不以此為限，於本實施例中，感測器207設置於坐墊205下方之車架206。

請參閱圖3。圖3為本發明第三實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。於第一實施例中，二力感測器204a、204b為應變規，且分別設置於前叉202以及後叉203，但並不以此為限，於本實施例中，二力感測器204a、204b為胎壓偵測器，且分別設置於前輪氣嘴210以及後輪氣嘴211。

請參閱圖4以及圖5。圖4以及圖5為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之流程圖。本實施例之自行車煞車控制方法適用於上述任一實施例之具有煞車控制系統的自行車。

本實施例之自行車煞車控制方法，包含步驟s101：偵測地面30施加於自行車20之一前輪正向力 、一後輪正向力 以及自行車20的一當下減速度a、步驟s102：透過前輪正向力 、後輪正向力 以及當下減速度a，計算一最大安全減速度 ，以及步驟s103：根據最大安全減速度 控制自行車20的煞車系統201。

在步驟s101中，以二力感測器204a、204b分別偵測前輪正向力 以及後輪正向力 ，並以感測器207偵測當下減速度a。

在步驟s102中，首先進入步驟s102a：藉由步驟s101中所測得的前輪正向力 、後輪正向力 以及當下減速度a，計算地面摩擦係數µ、前質心水平距離 、以及質心垂直距離h。計算地面摩擦係數µ的方式為利用牛頓第二運動定律以及摩擦力公式，得地面摩擦係數µ與當下減速度a以及重力加速度g的關係式： 計算前質心水平距離 的方式請參閱圖6。圖6為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之前質心水平距離之推導示意圖。此推導所運用的符號包含：前輪正向力 、後輪正向力 、質心C為自行車20與載體40的質心、前輪軸心 、後輪軸心 、輪心水平距離L為前輪軸心 與後輪軸心 水平於地面30的距離、前質心水平距離 為質心C至前輪軸心 水平於地面30的距離、後質心水平距離 為質心C至後輪軸心 水平於地面30的距離以及重力W。根據力矩平衡方程式可推得前質心水平距離 ： 又輪心水平距離L為自行車20的尺寸資料，可從自行車20的儲存單元(未繪示)取得，且重力W可由步驟s101所測得之前輪正向力 以及後輪正向力 計算，因此可由式2中之前輪正向力 、輪心水平距離L以及重力W得前質心水平距離 。此外，前質心水平距離 以及後質心水平距離 之和為輪心水平距離L，因此推得前質心水平距離 後可一併推得後質心水平距離 。接著，計算質心垂直距離h的方式請參考圖7。圖7為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之質心垂直距離之推導示意圖。此推導所運用的符號包含：地面30a、前輪正向力 、後輪正向力 、質心C、前輪軸心 、後輪軸心 、輪心水平距離L、前質心水平距離 、後質心水平距離 、重力W、坡度θ、車輪半徑R以及質心垂直距離h為質心C與地面30a的垂直距離。根據前輪之力矩平衡方程式，可推得質心垂直距離h： 又車輪半徑R為自行車20的尺寸資料，可從自行車20的儲存單元(未繪示)取得。坡度θ則可由感測器207測得。因此可藉由式3中之前輪正向力 、輪心水平距離L、後質心水平距離 、重力W、坡度θ以及車輪半徑R得質心垂直距離h。

接著進入步驟s102b：計算最大安全減速度 。請參閱圖8以及圖9。圖8以及圖9為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之最大安全減速度之推導示意圖。此推導所運用的符號包含：前輪正向力 、後輪正向力 、慣性力 、摩擦力 、質心C、前質心水平距離 、後質心水平距離 、質心垂直距離h、地面摩擦係數µ、質量m為自行車20以及載體40的質量、重力加速度g以及最大安全減速度 。根據牛頓第二運動定律可得： 根據摩擦力公式可得： 根據水平於地面30之方向自行車20之力平衡方程式可得： 根據垂直於地面30之方向自行車20之力平衡方程式可得： 根據以質心C為支點的力矩平衡方程式可得： 由式4、式5、式6、式7以及式8解聯立可求得： 將上述藉由前輪正向力 、後輪正向力 以及當下減速度a求得的地面摩擦係數µ、前質心水平距離 、後質心水平距離 、以及質心垂直距離h代入式9可得最大安全減速度 。此外，在執行完步驟s102b時進入步驟s102c：當下減速度a檢測。由於當下減速度a隨著煞車系統201做動以及行駛狀況而不斷改變，因此煞車系統201於煞車過程中不斷偵測當下減速度a以根據當下的減速度狀況控制煞車系統201。

在步驟s103中，於步驟s103a中判斷當下減速度a的數值是否小於最大安全減速度 乘以一安全係數k後的數值，若當下減速度a的數值小於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，代表自行車20以更高的減速度執行煞車也不會造成後輪209離開地面30，因此進入步驟s103b：增加自行車20的煞車力道，進而使自行車20的減速度增加。若當下減速度a的數值不小於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，則進入步驟s103c：判斷當下減速度a的數值是否大於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，若當下減速度a的數值大於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，代表自行車20在此減速度下容易造成後輪209離開地面30，因此進入步驟s103d：降低自行車20的煞車力道，進而避免後輪209離開地面30。

若當下減速度a的數值不大於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，因已經判斷當下減速度a的數值不小於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，所以表示當下減速度a的數值等於最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值。此時若增加自行車20的減速度容易造成後輪209離開地面30，若減少自行車20的減速度則會拉長煞車距離，因此進入步驟s103e：維持自行車20的煞車力道。

具體而言，安全係數k例如介於0.85至0.95之間。藉由比較當下減速度a的數值以及最大安全減速度 乘以安全係數k後的數值，使得當下減速度a超過最大安全減速度 時，仍可保持自行車20的穩定而不至於翻車。

此外，當步驟s103完成時，再次執行自行車煞車控制方法，直到煞車做動結束，具體而言，自行車煞車控制方法在步驟s103b、步驟s103d以及步驟s103e結束後繼續執行步驟s101。因此自行車20於煞車的過程中不斷根據當下輪胎的受力狀況以及自行車20的減速度狀況調整煞車，以防止後輪209打滑甚至離開地面30。

根據上述實施例之具有煞車控制系統的自行車及其煞車控制方法，因根據最大安全減速度控制自行車的煞車，使煞車系統於煞車的過程中，能根據輪胎受力情形以及減速度狀況，調整煞車系統給予自行車的減速度，而避免後輪胎打滑，進而避免自行車翻車。此外，不斷循環做動的煞車控制方法，使煞車能於騎乘時瞬息萬變的路況下隨時改變做動而避免後輪胎打滑甚至導致自行車翻車。

雖然本發明以前述之諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

20‧‧‧自行車

200‧‧‧車身組件

201‧‧‧煞車系統

202‧‧‧前叉

203‧‧‧後叉

204a、204b‧‧‧力感測器

205‧‧‧坐墊

206‧‧‧車架

207‧‧‧感測器

208‧‧‧前輪

209‧‧‧後輪

210‧‧‧前輪氣嘴

211‧‧‧後輪氣嘴

250‧‧‧控制單元

30、30a‧‧‧地面

40‧‧‧載體

‧‧‧前輪正向力

‧‧‧後輪正向力

‧‧‧慣性力

‧‧‧摩擦力

W‧‧‧重力

C‧‧‧質心

‧‧‧前質心水平距離

‧‧‧後質心水平距離

h‧‧‧質心垂直距離

µ‧‧‧地面摩擦係數

m‧‧‧質量

g‧‧‧重力加速度

‧‧‧最大安全減速度

L‧‧‧輪心水平距離

θ‧‧‧坡度

R‧‧‧車輪半徑

‧‧‧前輪軸心

‧‧‧後輪軸心

a‧‧‧當下減速度

k‧‧‧安全係數

s101、s102、s102a、s102b、s102c、s103、s103a、s103b、s103c、s103d、s103e‧‧‧步驟

圖1為本發明第一實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。 圖2為本發明第二實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。 圖3為本發明第三實施例之具有煞車控制系統的自行車之平面示意圖。 圖4以及圖5為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之流程圖。 圖6為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之前質心水平距離之推導示意圖。 圖7為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之質心垂直距離之推導示意圖。 圖8以及圖9為本發明一實施例之自行車煞車控制方法之最大安全減速度之推導示意圖。

Claims (15)

1. 一種自行車煞車控制方法，包含： 偵測地面施加於一自行車之一前輪正向力、一後輪正向力以及該自行車的一當下減速度；透過該前輪正向力、該後輪正向力以及該當下減速度，計算一最大安全減速度；以及根據該最大安全減速度控制該自行車的一煞車系統。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自行車煞車控制方法，其中在偵測地面施加於該自行車之該前輪正向力、該後輪正向力以及該自行車的該當下減速度的步驟中，以分別設置於該自行車前叉以及後叉的二力感測器分別偵測該前輪正向力以及該後輪正向力。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自行車煞車控制方法，其中該二力感測器為應變規。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自行車煞車控制方法，其中在偵測地面施加於該自行車之該前輪正向力、該後輪正向力以及該自行車的該當下減速度的步驟中，以分別設置於該自行車前輪氣嘴以及後輪氣嘴的二力感測器分別偵測該前輪正向力以及該後輪正向力。
5. 如申請專利範圍第4項所述之自行車煞車控制方法，其中該二力感測器為胎壓偵測器。
6. 如申請專利範圍第2項或第4項所述之自行車煞車控制方法，其中在偵測地面施加於該自行車之該前輪正向力、該後輪正向力以及該自行車的該當下減速度的步驟中，以分別設置於該自行車的前叉或是車架的一感測器偵測該當下減速度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自行車煞車控制方法，其中該感測器為重力感應器(G-sensor)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之自行車煞車控制方法，其中在根據該最大安全減速度控制該自行車的該煞車系統的步驟中，於該當下減速度的數值小於該最大安全減速度乘以一安全係數後的數值時，增加該煞車系統的煞車力道，於該當下減速度的數值大於該最大安全減速度乘以該安全係數後的數值時，降低該煞車系統的煞車力道。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自行車煞車控制方法，其中在根據該最大安全減速度控制該自行車的該煞車系統的步驟中，於該當下減速度的數值等於該最大安全減速度乘以該安全係數後的數值時，維持該煞車系統的煞車力道。
10. 如申請專利範圍第9項所述之自行車煞車控制方法，其中當根據該最大安全減速度控制該自行車的該煞車系統的步驟完成時，再次執行該自行車煞車控制方法，直到煞車做動結束。
11. 一種具有煞車控制系統的自行車，包含： 一車身組件；一控制單元，設置於該車身組件；一煞車系統，電性連接該控制單元；二力感測器，設置於該車身組件，且電性連接該控制單元，該二力感測器可分別偵測該自行車所受之一前輪正向力以及一後輪正向力；以及一感測器，設置於該車身組件，且電性連接該控制單元，該感測器可測得該自行車的一當下減速度；其中該控制單元可根據該二力感測器以及該感測器測得之該前輪正向力、該後輪正向力以及該當下減速度控制該煞車系統。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有煞車控制系統的自行車，其中該車身組件包含一車架、一前叉、一後叉、一前輪以及一後輪，該前叉以及該後叉連結於該車架，該前輪連結於該前叉，該後輪連接於該後叉，該二力感測器為應變規，且分別設置於該前叉以及該後叉。
13. 如申請專利範圍第11項所述之具有煞車控制系統的自行車，其中該車身組件包含一車架、一前叉、一後叉、一前輪、一後輪、一前輪氣嘴以及一後輪氣嘴，該前叉以及該後叉連結於該車架，該前輪連結於該前叉，該後輪連接於該後叉，該前輪氣嘴設置於該前輪，該後輪氣嘴設置於該後輪，該二力感測器為胎壓偵測器，且分別設置於該前輪氣嘴以及該後輪氣嘴。
14. 如申請專利範圍第11項所述之具有煞車控制系統的自行車，其中該感測器為重力感應器(G-sensor)。
15. 如申請專利範圍第14項所述之具有煞車控制系統的自行車，其中該感測器設置於該前叉或該車架。