电子自行车自动变速器及实现方法
【专利摘要】本发明提供了一种自行车自动变速器及其实现方法。该电子自行车自动变速器包括采集器1和控制盒2两部分；采集器1包括成微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4和指示灯模块5，第一信号采集与处理模块4通过微传感器模块3采集信号，并对信号进行处理，根据处理结果控制指示灯模块5工作，并将处理后信号传输给控制盒2；本发明通过时速与踏频的临界判断，控制伺服电机实现了自动变速，使得骑行过程更加舒适便捷，省心省力。而时速与踏频的双重条件判断保证了自动变速器的灵敏度和可靠性，更减小了对部分骑行者准确判断的难度，有着很好的体验性以及广阔的市场空间和发展前景。
【专利说明】电子自行车自动变速器及实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械电子领域，涉及一种自行车自动变速器及其实现方法，尤其涉及自行车行进状态与变速档位的关系以及自动控制方法。
【背景技术】
[0002]随着生活水平的不断提高，人们对健康生活的要求不断提升，加之机动车辆过多，道路条件一般，自行车这样的健康出行工具则逐渐成为大多数人的选择，而变速车在其中占有相当的比重。变速存在意义在于人骑行过程中通过人为调节使骑行速度、踩踏力度及频率、变速器齿轮传动比处于最为恰当的配合中，相比非变速车给人更好的骑行体验，节省骑行者体力。
[0003]目前市场上已经推出了多款手动变速器装置，同时形成了一些其他相关专利。绝大多数变速器主要是增加飞轮的齿轮数、增加手动变速器以及车把手处安装变速器拨盘实现。具体过程为:人通过拨动把手处拨盘，拉紧或放松变速器拉线，拉线拉动或放松变速器拨动链条与不同的飞轮盘啮合以实现变速过程。但手动变速器避免不了复杂路况连续变速的麻烦，以及一些不熟悉方法原理的骑行群体错误变速存在的安全隐患。并且人为掌握变速时机并不能使得骑行速度、踩踏力度及频率、变速器齿轮传动比时刻处于最为恰当的配
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【发明内容】
[0004]为了克服现有手动变速器存在的不足，本发明提出了一种新的自行车自动变速器及其实现方法。该自动变速器采用霍尔传感器采集车在行进过程中的速度以及人为踩踏频率，并利用先进的信息技术对该信号进行处理和传输，最后通过控制电机完成自动变速。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:电子自行车自动变速器包括采集器I和控制盒2两部分；采集器I包括成微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4和指示灯模块5，第一信号采集与处理模块4通过微传感器模块3采集信号，并对信号进行处理，根据处理结果控制指示灯模块5工作，并将处理后信号传输给控制盒2 ；
[0006]其中微传感器模块3由两块微型霍尔传感器及其辅助电路构成；第一信号米集与处理模块4由嵌入式系统及其辅助电路构成；指示灯模块5由指示灯及其辅助电路构成；
[0007]控制盒2由电池模块6、第二信号米集与处理模块7和电机模块8三部分构成,第二信号采集与处理模块7接收第一信号采集与处理模块4传输来的数据并对其进行处理，根据处理结果控制电机模块8工作，电池模块6为微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4、第一指示灯模块5、第二信号采集与处理模块7和电机模块8供电。
[0008]其中电池模块6由电池或电池组及其辅助电路构成；第二信号采集与处理模块7由嵌入式系统及其辅助电路构成；电机模块8由伺服电机及其辅助电路构成。
[0009]本发明提出的电子自行车自动变速器的实现方法，包括以下步骤:
[0010]步骤1:实时采集自行车当前行进速度S、当前踏频F、模式选择信号M。
[0011]步骤2:对S、F进行处理判断，决定是否发出变速信号，其处理判断依据是:预先将自行车行进速度范围Smin?Smax划分成m区间，m为整数，区间端点为S0，S1，S2…Sm，其中SO = Smin, Sm = Smax ;区间(S0, SI), (SI, S2)…(Sm_l, Sm)分别为不同的速度判断阈值组。模式选择信号M包括M0，M1，M2，分别对应不同的骑行模式。设定踏频F+，F-分别为加减档的判断临界值。Mi (i = O, I, 2)分别对应着不同的踏频临界值和速度判断阈值组(S阈值il、Fi+、F1-)，(S阈值i2、Fi+、Fi_)…(S阈值im、Fi+、Fi_)其中S各阈值组、F各阈值组以及M可以根据不同道路条件和不同骑行者进行调整；当M给定时，读取相对应的阈值(S阈值ij、Fi+、Fi_) (j = 1，2，3吣111)并与S、F进行比较，在以下三种情况下发出并执行加档变速信号:
[0012]情况一:M = MO, S>S 阈值 Oj 且 F>F0+
[0013]情况二:M = Ml, S>S 阈值 Ij 且 F>F1+
[0014]情况三:M= M2, S>S 阈值 2j 且 F>F2+
[0015]在以下三种情况下发出并执行减档变速信号:
[0016]情况一:M = MO, S〈S 阈值 Oj 且 F〈F0-
[0017]情况二:M = Ml, S〈S 阈值 Ij 且 F〈F1_
[0018]情况三:M= M3, S〈S 随且 F〈F3-
[0019]步骤3:重复步骤1-2，实时监测车速以及踏频并进行变速。
[0020]本发明的有益效果是:通过时速与踏频的临界判断，控制伺服电机实现了自动变速，使得骑行过程更加舒适便捷，省心省力。而时速与踏频的双重条件判断保证了自动变速器的灵敏度和可靠性，更减小了对部分骑行者准确判断的难度，有着很好的体验性以及广阔的市场空间和发展前景。
[0021]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的电子自行车自动变速器示意图
[0023]图2是本发明的电子自行车自动变速器实现方法流程图；
[0024]图中:1.采集器，2.控制盒，3.微传感器模块，4.第一信号采集与处理模块，5.指示灯模块，6.电池模块，7.第二信号采集与处理模块，8.电机模块。
【具体实施方式】
[0025]参阅图1，电子自行车自动变速器由采集器I和控制盒2两部分构成。采集器I内部集成微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4和指示灯模块5。其中微传感器模块3由两块开关型霍尔传感器及其辅助电路构成；第一信号采集与处理模块4由滤波电路及其辅助电路构成，其功能主要将霍尔传感器产生的正弦波信号转换为单片机所能识别的方波信号；指示灯模块5由LED指示灯、光导纤维及其辅助电路构成。控制盒2由电池模块6、第二信号米集与处理模块7、和电机模块8三部分构成。其中电池模块6由锂电池及其辅助电路构成；第二信号采集与处理模块7由嵌入式微控制器(MCU)及其辅助电路构成，其系统程序与采集器I内第一信号采集与处理模块4对应，根据对二次信号的接收与处理判断变速条件，并对电机进行控制。
[0026]本实施例的电子自行车自动变速器的具体操作步骤如下:
[0027](I)打开控制盒2和采集器I电源；
[0028](2)选择骑行模式；
[0029](3)开始骑行。车轮以及脚踏转动使得霍尔传感器开始工作，将信号实时传回控制盒2中的嵌入式微控制器(MCU)及其辅助电路进行计算得到当前时速以及踏频；
[0030](4)骑行者正常骑行(加速/减速)。嵌入式微控制器(MCU)实时监测时速以及踏频并与骑行者选择模式下的对应阈值组进行比较，达到条件时向电机模块8发出信号控制伺服电机转动拉紧/放松变速器引线；
[0031](5)变速器引线拉紧/放松，带动链条移动，从而与不同的齿轮进行啮合。
[0032](6)减速停车。微传感器模块3检测不到信号从而停止信号输出，嵌入式微控制器(MCU)以及电机模块8也随即停止工作。再次启动，回到步骤(2);否则结束骑行，关闭采集器I和控制盒2电源。
[0033]参阅图2，本实施例的电子自行车自动变速器的实现方法，包括以下步骤:
[0034]步骤1:实时采集自行车当前行进的速度S、当前踩踏频率P和模式选择信号M。
[0035]步骤2:对S、F、M进行处理判断，决定是否发出变速信号。其处理判断依据是:预先设定模式选择信号M，包括MO，Ml，M2分别对应三种骑行模式:运动、正常、休闲模式。将自行车骑行时行进速度范围Okm/h?40km/h根据档位数目(5档变速)划分成5区间，区间端点为 SO = Okm/h, SI = 8km/h, S2 = 16km/h, S3 = 24km/h,S4 = 32km/h,S5 = 40km/h。而区间(Okm/h，8km/h)，(8km/h，16km/h)，(16km/h,24km/h), (24km/h,32km/h), (32km/h,40km/h)分别为不同的速度判断阈值组。设定踏频F+，F-分别为加减档的判断临界值，并且在M值不同时(MO，Ml, M2)分别对应着不同的踏频临界值和速度阈值组:M = MO(运动模式):(8km/h、100r/min、80r/min), (16km/h、100r/min、80r/min), (24km/h、100r/min、80r/min),(32km/h、100r/min>80r/min)，(40km/h、100r/min>80r/min) ；M = Ml (正常模式):(8km/h、90r/min、70r/min), (16km/h、90r/min、70r/min), (24km/h、90r/min、70r/min), (32km/h、90r/min>70r/min)， (40km/h>90r/min>70r/min) ;M = M3 (休闲模式):(8km/h、80r/min、60r/min), (16km/h、80r/min、60r/min), (24km/h、80r/min、60r/min), (32km/h、80r/min、60r/min), (30km/h、80r/min、60r/min);其中S各阈值组、F各阈值组可以根据不同道路条件和不同骑行者进行调整；当M给定时，读取相对应的阈值(S阈值ij、Fi+、F1-) (j = 1，2，…，5)并与S、F进行比较。当S>S阈值ij且F>Fi+的时候发出升档信号；当S〈S阈值ij且F〈F1-的时候发出减档信号。
[0036]步骤3:重复步骤1-2，连续检测自行车行驶速度及踏频信号，并根据不同运行模式判断阈值状态并实现自动变速。
【权利要求】
1.电子自行车自动变速器，其特征在于，包括采集器I和控制盒2两部分；采集器I包括成微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4和指示灯模块5，第一信号采集与处理模块4通过微传感器模块3采集信号，并对信号进行处理，根据处理结果控制指示灯模块5工作，并将处理后信号传输给控制盒2 ； 所述微传感器模块3由两块微型霍尔传感器及其辅助电路构成；第一信号采集与处理模块4由嵌入式系统及其辅助电路构成；指示灯模块5由指示灯及其辅助电路构成； 所述控制盒2由电池模块6、第二信号采集与处理模块7和电机模块8三部分构成，第二信号采集与处理模块7接收第一信号采集与处理模块4传输来的数据并对其进行处理，根据处理结果控制电机模块8工作，电池模块6为微传感器模块3、第一信号采集与处理模块4、第一指示灯模块5、第二信号采集与处理模块7和电机模块8供电。 所述电池模块6由电池或电池组及其辅助电路构成；第二信号采集与处理模块7由嵌入式系统及其辅助电路构成；电机模块8由伺服电机及其辅助电路构成。
2.如权利要求1所述的电子自行车自动变速器的实现方法，包括以下步骤: 步骤1:实时采集自行车当前行进速度S、当前踏频F、模式选择信号M。 步骤2:对S、F进行处理判断，决定是否发出变速信号，其处理判断依据是:预先将自行车行进速度范围Smin?Smax划分成m区间，m为整数，区间端点为SO，SI，S2…Sm，其中SO=Smin, Sm = Smax ;区间(S0, SI), (SI, S2)…(Sm_l, Sm)分别为不同的速度判断阈值组。模式选择信号M包括M0，M1，M2，分别对应不同的骑行模式。设定踏频F+，F-分别为加减档的判断临界值。Mi (i = O, 1,2)分别对应着不同的踏频临界值和速度判断阈值组(S阈值il、Fi+、F1-)，(S阈值i2、Fi+、Fi_)…(S阈值im、Fi+、Fi_)其中S各阈值组、F各阈值组以及M可以根据不同道路条件和不同骑行者进行调整；当M给定时，读取相对应的阈值(S阈值ij、Fi+、Fi_) (j = 1，2，3吣111)并与S、F进行比较，在以下三种情况下发出并执行加档变速信号: 情况一:M = MO, S>S 阈值 Oj 且 F>F0+ 情况二:M = Ml, S>S 阈值 Ij 且 F>F1+ 情况三:M = M2, S>S阈值2 j且F>F2+ 在以下三种情况下发出并执行减档变速信号: 情况一:M = MO, S〈S 阈值 Oj 且 F〈F0- 情况二:M = Ml, S〈S 阈值 Ij 且 F〈F1- 情况三:M = M3, S〈S_3j 且 F〈F3- 步骤3:重复步骤1-2，实时监测车速以及踏频并进行变速。
【文档编号】B62M6/45GK104192255SQ201410490977
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】吕湘连, 郝琦, 刘诗宇, 杨帆, 马聪, 何洋 申请人:西北工业大学