TWI767208B - 電動自行車助力控制方法及其助力控制系統 - Google Patents

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Abstract

一種電動自行車助力控制方法及其助力控制系統，應用於一電動自行車之一運算處理器。該電動自行車助力控制方法包含有定義複數個體能等級與相對應的一第一功率區間及一第二功率區間，取得一體能等級與一目標心律區間，以及量測一當前踩踏功率與一當前心律。該當前心律落在該目標心律區間時，該運算處理器判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則輸出一二級馬達助力，若判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則輸出一三級馬達助力。

Description

電動自行車助力控制方法及其助力控制系統
本發明係提供一種電動自行車助力控制方法及其助力控制系統，尤指一種可用來避免運動傷害的電動自行車助力控制方法及其助力控制系統。
傳統的電動自行車可能配置一套助力控制系統，該助力控制系統利用心律監測器量測電動自行車騎士的當前心律。若騎士當前心律高於目標心律區間，傳統電動自行車的助力控制系統能提高助力，據此減少騎士踩踏施力以試圖降低其心律，但常會讓騎士心律因此低於目標心律區間；若騎士當前心律低於目標心律區間，傳統電動自行車的助力控制系統則會減少助力，據此提高騎士踩踏施力，使其當前心律提高以能接近或進入目標心律區間，然而容易使騎士心律一舉超出目標心律區間。由此可知，電動自行車的傳統助力控制系統僅根據騎士當前心律來反映馬達輸出助力的大小，無法將騎士當前心律有效控制在目標心律區間內。
本發明係提供一種可用來避免運動傷害的電動自行車助力控制方法及其助力控制系統，以解決上述之問題。
本發明之申請專利範圍係揭露一種電動自行車助力控制方法，應用於一電動自行車之一運算處理器。該運算處理器係電連接於一踩踏功率器、一心律監測器以及一助力馬達。該電動自行車助力控制方法包含有定義複數個體能等級與相對應的一第一功率區間及一第二功率區間，取得一體能等級以確認相對應的該第一功率區間及該第二功率區間，取得一目標心律區間，以及利用該踩踏功率器和該心律監測器分別量測一當前踩踏功率與一當前心律。該當前心律落在該目標心律區間時，該運算處理器判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一二級馬達助力，若判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一三級馬達助力。該第二功率區間大於該第一功率區間。該三級馬達助力大於該二級馬達助力。
本發明之申請專利範圍另揭露一種助力控制系統，應用於一電動自行車。該助力控制系統包含有一踩踏功率器、一心律監測器、一助力馬達以及一運算處理器。該踩踏功率器用來量測一當前踩踏功率。該心律監測器用來量測一當前心律。該助力馬達用來輸出不同級數的馬達助力。該運算處理器係定義複數個體能等級與相對應的一第一功率區間及一第二功率區間，取得一體能等級以確認相對應的該第一功率區間及該第二功率區間，取得一目標心律區間，以及該當前心律落在該目標心律區間時，判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一二級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一三級馬達助力。該第二功率區間大於該第一功率區間，該三級馬達助力大於該二級馬達助力。
本發明之電動自行車助力控制方法及其助力控制系統不僅參考使用者的當前心律，還能進一步讀取與分析使用者的當前踩踏功率來提供合適的馬 達助力。當前踩踏功率可視為使用者的未來心律變化趨勢，意即當前踩踏功率較高，表示使用者的未來心律可能急遽提高；當前踩踏功率較高，表示使用者的未來心律可以持平或下降。如此一來，本發明係綜合判斷使用者的當前心律與當前踩踏功率，在當前心律低於目標心律區間時，提供合適的馬達助力使當前心律緩步提升而進入目標心律區間；如當前心律落在目標心律區間內，亦能根據當前踩踏功率之變化提供合適馬達助力，讓當前心律穩定維持在目標心律區間。
10:助力控制系統
12:踩踏功率器
14:心律監測器
16:助力馬達
18:運算處理器
20:輸入介面
S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116、S118、S120、S122、S124、S126、S128、S130、S132、S134:步驟
第1圖為本發明實施例之助力控制系統之功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例的電動自行車助力控制方法之流程圖。
第3圖為本發明實施例之電動自行車之功能方塊圖。
第4圖為本發明實施例之電動自行車之車速隨時間變化之示意圖。
第5圖為本發明實施例之使用者之當前心律隨時間變化之示意圖。
第6圖為本發明實施例之使用者之當前踩踏功率隨時間變化之示意圖。
第7圖為本發明實施例之電動自行車之馬達助力隨時間變化之示意圖。
請參閱第1圖與第2圖，第1圖為本發明實施例之助力控制系統10之功能方塊圖，第2圖為本發明實施例的電動自行車助力控制方法之流程圖。助力控制系統10應用在電動自行車。助力控制系統10可包含踩踏功率器12、心律監測器14、助力馬達16以及運算處理器18。踩踏功率器12可安裝在電動自行車的踏板，用來量測電動自行車之使用者的當前踩踏功率。心律監測器14可安裝在使 用者身上，用來量測其當前心律。助力馬達16帶動自行車的輪子，可根據運算處理器18的助力運算結果輸出各種級數的馬達助力。運算處理器18可電連接踩踏功率器12、心律監測器14與助力馬達16。運算處理器18係執行本發明之電動自行車助力控制方法，驅動助力馬達16輸出合適馬達助力，以避免騎乘中過度運動而發生運動傷害。
助力控制系統10可進一步包含輸入介面20，電連接於運算處理器18。使用者可利用輸入介面20輸入其實際體能等級、欲進行的訓練強度、和特定使用者資料，使得運算處理器18能針對使用者的健康狀況更精準地計算出所需的馬達助力。舉例來說，體能等級可能分為稍差體能、一般體能、良好體能與優異體能，訓練強度可能分為極輕強度、輕微強度、中等強度、困難強度與極限強度，使用者資料可以是使用者的年齡、體重與靜止心律等。本發明所述之體能等級、訓練強度和使用者資料的分類不限於前揭示例，端依實際需求而定。
請參閱第2圖至第4圖，第3圖為本發明實施例之電動自行車之功能方塊圖，第4圖為本發明實施例之電動自行車之車速隨時間變化之示意圖，第5圖為本發明實施例之使用者之當前心律隨時間變化之示意圖，第6圖為本發明實施例之使用者之當前踩踏功率隨時間變化之示意圖，第7圖為本發明實施例之電動自行車之馬達助力隨時間變化之示意圖。
每一種體能等級可設定相對應的多個功率區間；舉例來說，本發明係設定低階的第一功率區間、中階的第二功率區間與高階的第三功率區間。本實施例係定義稍差體能的低階功率區間為小於20瓦特、中階功率區間介於20至 40瓦特、高階功率區間大於40瓦特；一般體能的低階功率區間為小於50瓦特、中階功率區間介於50至150瓦特、高階功率區間大於150瓦特；良好體能的低階功率區間為小於150瓦特、中階功率區間介於150至250瓦特、高階功率區間大於250瓦特；優異體能的低階功率區間為小於350瓦特、中階功率區間介於350至450瓦特、高階功率區間大於450瓦特。功率區間之數量與數值不限於前揭示例，端依設計需求而定。
本實施例還可進一步定義訓練強度(intensity)的極輕強度為百分比五十至六十，輕微強度為百分比六十至七十、中等強度為百分比七十至八十、困難強度為百分比八十至九十、且極限強度為百分比九十至百。各訓練強度的百分比區間不限於前揭示例，端依設計需求而定。因此，助力控制系統10可將使用者選擇的訓練強度代入使用者資料，計算出符合此使用者健康狀況的目標心律區間。本發明之目的，即在於偵測使用者騎乘電動自行車時產生的當前踩踏功率與當前心律，相應驅動助力馬達16輸出合適馬達助力，以將使用者的當前心律控制在目標心律區間內。
關於目標心律區間之計算，助力控制系統10可定義使用者年齡與參數220的差值為最大心律(maximum heart rate,MHR)，然後定義最大心律與靜止心律(rest heart rate,RHR)的差值為心律儲備(heart rate reserved,HRR)，再取得心律儲備(HRR)和預選訓練強度(intensity)的乘積，最後將靜止心律與該乘積的總和視為目標心律區間。目標心律區間的計算公式不限於前揭示例，可能因種族、性別等因素而有相應變化調整，於此不對其它可能變化詳加說明。
本發明係根據心律監測器14即時取得的當前心律與目標心律區間相 比較。若當前心律持續上升但未超出目標心律區間時，可隨著當前踩踏功率之提高，適時地提高馬達助力以避免使用者心律加速過快；若當前心律接近目標心律區間的上限時，也會因當前踩踏功率之提高而提升馬達助力，讓當前心律緩慢升速進入目標心律區間；若當前心律開始下降，則隨著當前踩踏功率的變化相應提高或減少馬達助力，可使得使用者心律能穩定維持在目標心律區間內。
本實施例中，助力控制系統10係可計算當前心律與目標心律區間之差值ehr，並且將差值ehr與心律儲備之門檻範圍的比較結果視為心律偏差等級，再根據心律偏差等級來判斷當前心律是低於、高於或落在目標心律區間內；門檻範圍可以是正百分之五或負百分之五。本發明所載之當前心律和目標心律區間的差別判斷方式、與門檻範圍的比例範圍不限於前揭示例，端依設計需求而定。
因此，本發明可建立一套記錄心律偏差等級、功率區間和馬達助力的第一查找表。發明設定助力馬達16可輸出五等級的馬達助力；一級馬達助力可表示助力馬達16提供百分之十的運轉效率，二級馬達助力可表示助力馬達16提供百分之二十五的運轉效率，三級馬達助力可表示助力馬達16提供百分之五十的運轉效率，四級馬達助力可表示助力馬達16提供百分之七十五的運轉效率，五級馬達助力可表示助力馬達16提供百分之九十的運轉效率。各等級馬達助力的運轉效率值不限於前揭示例，端依設計需求而定。第一查找表中的情況1~3代表當前心律低於目標心律區間；情況4~6代表當前心律落在目標心律區間；情況7~9代表當前心律大於目標心律區間。
Figure 109111169-A0305-02-0008-1
Figure 109111169-A0305-02-0009-2
再者，本發明還可建立一套記錄體能等級與相對應功率區間的第二查找表，各功率區間的功率值會因體能等級而有所變化，如前所述。
Figure 109111169-A0305-02-0009-3
關於電動自行車助力控制方法，首先執行步驟S100，定義複數個預設的體能等級與相對應的多個功率區間。接著，執行步驟S102與S104，取得使 用者在輸入介面20輸入的實際或自訂體能等級，以通過第二查找表確認輸入體能等級所對應的第一功率區間、第二功率區間和第三功率區間的功率值範圍，並且取得根據使用者年齡與靜止心律計算所需之目標心律區間。再來執行步驟S106，利用踩踏功率器12和心律監測器14隨時量測使用者的當前踩踏功率與當前心律。接下來，執行步驟S108以偵測當前心律是否落在目標心律區間內。
若當前心律在目標心律區間內，表示差值ehr大於心律儲備的負百分之五、並且小於心律儲備的正百分之五，接續執行步驟S110，判斷當前踩踏功率落在何項功率區間。如果當前踩踏功率落在第一功率區間，執行步驟S112，則驅動助力馬達16輸出二級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第二功率區間，執行步驟S114，則驅動助力馬達16輸出三級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第三功率區間，執行步驟S116，則驅動助力馬達16輸出四級馬達助力。
若當前心律沒有在目標心律區間內，執行步驟S118比較當前心律和目標心律區間的關係。當前心律低於目標心律區間時，執行步驟S120以判斷當前踩踏功率落在何項功率區間。如果當前踩踏功率落在第一功率區間，執行步驟S122，則驅動助力馬達16輸出一級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第二功率區間，執行步驟S124，則驅動助力馬達16輸出二級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第三功率區間，執行步驟S126，則驅動助力馬達16輸出三級馬達助力。
當前心律高於目標心律區間時，執行步驟S128以判斷當前踩踏功率落在何項功率區間。如果當前踩踏功率落在第一功率區間，執行步驟S130，則驅動助力馬達16輸出三級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第二功率區間，執行步驟S132，則驅動助力馬達16輸出四級馬達助力；如果當前踩踏功率落在第 三功率區間，執行步驟S134，則驅動助力馬達16輸出五級馬達助力。
如第4圖所示，在騎乘過程中，電動自行車車速通常會有不定時且不定量的變化，助力控制系統10主要用來間接控制使用者的騎乘心律。如第5圖至第7圖所的實施態樣，使用者的體能等級屬稍差體能等級時，其第一功率區間為小於20瓦特、第二功率區間介於20至40瓦特、第三功率區間大於40瓦特，此時可將其目標心律區間設定在每分鐘心跳110~130之間。使用者開始騎乘時，當前心律低於目標心律區間，且當前踩踏功率落在第一功率區間與第二功率區間時，助力馬達16可輸出低等級的馬達助力；本實施例將低等級馬達助力標記為等級0。若當前踩踏功率提高到第三功率區間，且當前心律仍低於目標心律區間時，助力馬達16可輸出中等級的馬達助力，可以讓使用者心律緩步上升；本實施例將中等級馬達助力標記為等級1，並在當前踩踏功率下降到第二功率區間時，助力馬達16可改為輸出低等級的馬達助力。若當前踩踏功率落在第三功率區間，並且當前心律已進入目標心律區間，助力馬達16則輸出高等級的馬達助力，以避免其心律超出目標心律區間；本實施例將高等級馬達助力標記為等級2，助力馬達16也會在當前踩踏功率下降到第二功率區間時改為輸出中等級或低等級的馬達助力。
綜上所述，本發明的電動自行車助力控制方法及其助力控制系統不僅參考使用者的當前心律，還能進一步讀取與分析使用者的當前踩踏功率來提供合適的馬達助力。當前踩踏功率可視為使用者的未來心律變化趨勢，意即當前踩踏功率較高，表示使用者的未來心律可能急遽提高；當前踩踏功率較高，表示使用者的未來心律可以持平或下降。如此一來，本發明係綜合判斷使用者的當前心律與當前踩踏功率，在當前心律低於目標心律區間時，提供合適的馬 達助力使當前心律緩步提升而進入目標心律區間；如當前心律落在目標心律區間內，亦能根據當前踩踏功率之變化提供合適馬達助力，讓當前心律穩定維持在目標心律區間。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116、S118、S120、S122、S124、S126、S128、S130、S132、S134:步驟

Claims (19)

  1. 一種電動自行車助力控制方法，應用於一電動自行車之一運算處理器，該運算處理器係電連接於一踩踏功率器、一心律監測器以及一助力馬達，該電動自行車助力控制方法包含有：定義複數個體能等級與相對應的一第一功率區間及一第二功率區間其中該第二功率區間大於該第一功率區間；取得一體能等級以確認相對應的該第一功率區間及該第二功率區間；取得一訓練強度與一使用者資料；將該訓練強度代入該使用者資料，以計算出符合該使用者資料的一目標心律區間；利用該踩踏功率器和該心律監測器分別量測一當前踩踏功率與一當前心律；以及該當前心律落在該目標心律區間時，判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一二級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一三級馬達助力；其中，該三級馬達助力大於該二級馬達助力。
  2. 如請求項1所述之電動自行車助力控制方法，另包含有：該當前心律低於該目標心律區間時，判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一一級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出該二級馬達助力；其中，該一級馬達助力小於該二級馬達助力。
  3. 如請求項1所述之電動自行車助力控制方法，另包含有：該當前心律高於該目標心律區間時，判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出該三級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一四級馬達助力；其中，該四級馬達助力大於該三級馬達助力。
  4. 如請求項1所述之電動自行車助力控制方法，其中該使用者資料為一使用者年齡與一靜止心律，該使用者年齡用於計算一最大心律，該最大心律與該靜止心律用於計算一心律儲備，該目標心律區間為該心律儲備、該訓練強度與該靜止心律之運算結果。
  5. 如請求項4所述之電動自行車助力控制方法，其係計算該當前心律與該目標心律區間之該差值，並將該差值與該心律儲備之一門檻範圍相比較，以判斷該當前心律低於、高於或落在該目標心律區間內。
  6. 如請求項1所述之電動自行車助力控制方法，其中不同級數的該些馬達助力代表該助力馬達的不同運轉效率。
  7. 如請求項1所述之電動自行車助力控制方法，更包括確認與該體能等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出一四級馬達助力，該第二功率區間小於該第三功率區間，且該四級馬達助力大於該三級馬達助力。
  8. 如請求項2所述之電動自行車助力控制方法，更包括確認與該體能 等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出該三級馬達助力，該第二功率區間小於該第三功率區間。
  9. 如請求項3所述之電動自行車助力控制方法，更包括確認與該體能等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出一五級馬達助力，該第二功率區間小於該第三功率區間，且該五級馬達助力大於該四級馬達助力。
  10. 一種助力控制系統，應用於一電動自行車，該助力控制系統包含有：一踩踏功率器，用來量測一當前踩踏功率；一心律監測器，用來量測一當前心律；一助力馬達，用來輸出不同級數的馬達助力；以及一運算處理器，電連接該踩踏功率器、該心律監測器和該助力馬達，該運算處理器係定義複數個體能等級與相對應的一第一功率區間及一第二功率區間，取得一體能等級以確認相對應的該第一功率區間及該第二功率區間，取得一訓練強度與一使用者資料，並將該訓練強度代入該使用者資料去計算符合該使用者資料的一目標心律區間，以及該當前心律落在該目標心律區間時，判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一二級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一三級馬達助力；其中，該第二功率區間大於該第一功率區間，該三級馬達助力大於該二級馬 達助力。
  11. 如請求項10所述之助力控制系統，另包含有：一輸入介面，電連接該運算處理器，用來輸入該體能等級。
  12. 如請求項10所述之助力控制系統，其中該當前心律低於該目標心律區間時，該運算處理器另判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出一一級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出該二級馬達助力，且該一級馬達助力小於該二級馬達助力。
  13. 如請求項10所述之助力控制系統，其中該當前心律高於該目標心律區間時，該運算處理器另判斷該當前踩踏功率落在該第一功率區間則驅動該助力馬達輸出該三級馬達助力，判斷該當前踩踏功率落在該第二功率區間則驅動該助力馬達輸出一四級馬達助力，且該四級馬達助力大於該三級馬達助力。
  14. 如請求項10所述之助力控制系統，其中該使用者資料為一使用者年齡與一靜止心律，該使用者年齡用於計算一最大心律，該最大心律與該靜止心律用於計算一心律儲備，該目標心律區間為該心律儲備、該訓練強度與該靜止心律之運算結果。
  15. 如請求項14所述之助力控制系統，其中該運算處理器另計算該當前心律與該目標心律區間之該差值，並將該差值與該心律儲備之一門檻範圍 相比較，以判斷該當前心律低於、高於或落在該目標心律區間內。
  16. 如請求項10所述之助力控制系統，其中不同級數的該些馬達助力代表該助力馬達的不同運轉效率。
  17. 如請求項10所述之助力控制系統，其中該運算處理器另確認與該體能等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出一四級馬達助力，該第二功率區間小於該第三功率區間，且該四級馬達助力大於該三級馬達助力。
  18. 如請求項12所述之助力控制系統，其中該運算處理器另確認與該體能等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出該三級馬達助力。
  19. 如請求項13所述之助力控制系統，其中該運算處理器另確認與該體能等級相對應的一第三功率區間，並判斷該當前踩踏功率落在該第三功率區間則驅動該助力馬達輸出一五級馬達助力，該第二功率區間小於該第三功率區間，且該五級馬達助力大於該四級馬達助力。
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