用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的制作方法

本发明的目的是一种用于借助于触觉反馈来辅助骑自行车的系统，特别是一种适于借助于触觉反馈，特别是振动，向骑自行车者提供关于目标量的信息-或者自行车的运动学参数诸如速度，或者取决于骑自行车者的努力的参数诸如例如他投入的力量或他的心率-的系统，使得骑自行车者可以根据由该系统给出的信息改变他的行为。

背景技术：

执行自行车参数的主动控制的系统是已知的。典型的例子是制动控制系统，在一个车轮打滑的情况下，制动控制系统作用在制动器上，调节制动并消除打滑状况。

被动制动控制系统也已经被提出。意大利专利申请no.102015000025510描述了一种提供触觉反馈的系统，特别是生成振动，以提醒骑自行车者一个车轮的打滑状况或者自行车的初发(incipent)翻转。一旦骑自行车者感觉到振动，他进行制动，调节它。需要同时监视前轮和后轮速度的所述系统都是限于被动控制自行车的打滑或翻转的相同系统。

技术实现要素：

在本发明的基础上的问题是使之可得到一种自行车的被动骑车辅助系统，该系统能够使得骑自行车者基于通用目标量的趋势改变他的行为。

这个目的和其它目的借助于根据权利要求1的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统被实现。

例如，所述系统可以被竞赛骑自行车者在训练时使用，以达到例如在主观耐力或表现方面的极限；或者甚至例如在存在陡峭的坡道或有雨的潮湿街道的情况下,被想要安全地骑他的自行车的业余骑自行车者使用。

从属权利要求定义本发明的可能的有利实施例。

附图说明

为了更好地了解本发明并理解其优点，下面将参考附图描述本发明的一些非限制性示例性实施例，其中：

图1是配备有根据本发明的可能实施例的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的自行车的示意图；

图2a和2b是在分别是山地自行车和竞赛自行车的自行车制动杆上的系统致动器的可能位置的两个示意图；

图3是根据本发明的可能实施例的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的框图；

图4示出了作为沿预定路径的空间位置x的函数的目标速度v的可能趋势；

图5示出了作为触觉反馈的振动频率f的可能趋势，与目标速度与有效速度之间的误差ev相关联；

图6是根据本发明的另一个可能实施例的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的框图；

图7是根据本发明的另一个可能实施例的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的框图；

图8是根据本发明的另一个可能实施例的用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的框图；

图9示出了作为时间t的函数的通用目标量q的可能趋势；

图10是根据本发明的可能实施例的用于通过发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统致动器的用于电流控制的模块的框图；

图11是示出根据本发明的可能实施例的用于通过发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的致动器的用于电流控制的参考频率fref与参考电流Iref之间的可能关系的图。

具体实施方式

参考附图，根据本发明的一些可能的替代实施例，将详细描述用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统。但是，未描述的其它变体是可能的，如稍后将解释的。

参考图1，自行车用标号100整体指示。自行车100包括第一车轮101和第二车轮102，例如分别与前轮和后轮对应。制动器与车轮中的至少一个相关联，并且它可以例如借助于定位在车把上的杠杆来被致动。制动系统可以是任何已知类型的，例如V形制动器或盘形制动器，由机械系统诸如缆线控制或由液压系统控制。

自行车100包括用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统1。如后面所解释的，系统1监视目标量并且，取决于其在空间或时间上的趋势，它向骑自行车者提供振动触觉反馈，这使得骑自行车者改变他的行为。可以使用不同种类的所述被监视量，并且因此，将一组不同的传感器附连到自行车。在图3至6中所示的示例性实施例中，由系统1监视的目标量是自行车本身的速度。图1中所示的自行车被配备有与系统1的所述实施例对应的传感器。但是，如稍后所示，甚至可以替代地监视不同的通用目标量q，诸如例如由骑自行车者投入的踩踏力量或他的心率。这种一般情况在图7-9中示出。

现在参考图3-6的示例性情况，在被监视量是自行车的速度v的情况下，系统1包括用于测量两个车轮101和102中的一个的角速度ω的传感器2。例如。在图1中，传感器2与后轮102相关联。传感器2适于生成表示所述角速度ω的信号。从表示车轮的角速度ω的信号开始，通常有可能使用关系v＝ωR确定车轮速度v，假设车轮没有打滑，其中R是传感器2与之相关联的车轮的半径。

此外，系统1还可以包括惯性测量单元18，适于测量自行车的纵向加速度ax、横向加速度ay和垂直加速度az，摇摆角速度ωx、颠簸角速度ωy和偏航角速度ωz中的至少一个，并且用于生成表示该速度的信号。在传感器2提供的信息不为真的情况下，例如在传感器2本身与之相关联的车轮打滑的情况下，惯性测量单元18可以帮助确定自行车速度v。例如，有可能将从车轮速度(使用关系)获得的加速度与由惯性测量单元提供的纵向加速度ax进行比较。如果车轮打滑，那么加速度a与加速度ax相比具有离群值。因此，当这个离群值发信号通知车轮打滑时，可以通过在有限的时间区间上对纵向加速度ax进行积分来计算速度。

此外，如后所示，根据本发明的变体，惯性测量单元可以用于确定自行车沿预定路径的空间位置。

系统1还包括适于产生振动的致动器4。例如，致动器4可以包括偏心质量体，它在旋转时产生振动。致动器4可应用于自行车零件，使得当致动器振动时，骑自行车者感知到振动。优选地，致动器4被应用在车轮中的一个的制动杆上。

参考分别表示山地自行车和竞赛自行车的车把的细节的图2a和2b，致动器4可以被容纳在例如一般存在于制动杆33的后部分的凹槽32内。致动器4可以位于凹槽32内部，例如具有图中未示出的壳体，该壳体被构造以便封闭凹槽32，以便保护致动器4免受大气介质的影响，以及避免骑自行车者的手与致动器4本身接触。通过其壳体，致动器4与制动杆33被制成一体。致动器4借助于电线37被供电和被控制。

致动器4优选地是有刷DC型(brushed DC type)并且可以是电压或电流控制的，如后面所解释的。

致动器4优选地与用于它的供电和处理的电池23相关联。

现在参考图3中的实施例，系统1包括控制模块5，适于生成到致动器4的命令信号，使得致动器4以某个振动频率f振动。之后将描述用于确定振动频率f的方法。

系统1还包括用于确定沿预定路径的自行车的位置x的模块6。例如，可以基于相对于原点的坐标(笛卡尔坐标或极坐标)确定沿预定路径的先验设置的位置，该原点例如可以与路径本身的原点重合。优选地，坐标是空间的，以便也考虑路径高度。例如，预定路径可以是在地图(诸如谷歌地图或类似地图)上可定义的道路。例如，可以通过使用自行车速度v作为输入量基于本身已知的测距法的适当算法来确定位置x。根据这些已知的算法，沿预定路径的自行车位置由速度v的数值积分确定。此外，还潜在地有可能利用来自惯性测量单元的信号用于更精确的估计。实际上，由于测量速度v中的小误差，从速度v的简单积分确定位置可以导致不正确的估计，并且所述误差在时间积分期间已经被累积。如图所示，使用惯性测量单元信号允许获得更准确的速度测量，使其更少受到误差的影响。而且，加速度和角速度的测量允许识别预定路径中的每条单曲线。来自惯性测量单元的信号然后可以被用于确定沿预定路径的自行车位置，作为基于测距法的算法的替代方案，或者作为其附加，以获得更准确的估计。

系统1还包括存储器模块7，其中目标速度分布作为沿预定路径的位置的函数被存储或可存储。例如，一旦知道要遵循的路径，目标速度就可以表示用于沿整条路径骑车的最大速度。例如，最大速度可以考虑路径片段中的斜坡状况、曲线的弯曲半径、沥青的类型、沥青表面状况(干燥或湿润)而被定义。例如，竞赛骑自行车者可以利用目标速度用于他的训练(在这种情况下，目标速度可以表示要达到的极限)，或者可替代地由业余骑自行车者利用，他们一般达到较低的表现级别但是想要安全地沿着路径骑车，避免危险的情况。图4示出了作为沿预定路径的位置x的函数的目标速度vmax的趋势的可能例子。与部分F#1、F#2和F#3对应的区段表示制动，例如在存在曲线的情况下，其中目标速度减小。目标速度的曲线可以由用户设置，或者可以可替代地基于骑自行车者的需要(例如：训练模式或安全骑行模式)并基于路径特点(例如：斜坡、曲线的弯曲半径、沥青的类型、干燥或潮湿的表面状况)被自动生成。

返回图3，存储器模块7在输入端处接收如由模块6提供的沿预定路径的当前位置x，并基于存储的分布，在输出端处给出与所述当前位置对应的目标速度vmax。

系统1还包括比较器模块8，被配置用于比较由模块7提供的目标速度vmax与如由可用传感器检测到的在沿预定路径的位置x的自行车的有效速度v。例如，该比较可以被表述为速度误差ev，如下：

ev＝(vmax-v)/vmax

速度误差ev是控制模块5中的输入量，控制模块5根据所述速度误差确定致动器4应当具有的频率f，以便向骑自行车者发送触觉反馈，并且为致动器生成对应的命令信号。考虑其定义，速度误差ev将是在0-1范围内的百分比误差(即，介于0％和100％之间)。

在图5中，作为速度误差ev的函数，致动器频率f的可能趋势被表示。根据所述例子，频率f在0和最大值fmax之间变化。在误差ev为负的情况下，即，在有效速度v大于目标速度vmax的情况下，振动频率等于最大频率fmax。这种状况事实上与最大危险或最优状况的过调(overshoot)对应，并且因此骑自行车者将感知到高频振动。

相反，如果误差ev为正，即，如果当前速度v低于目标速度vmax，那么，当它远离极限情况时，即，当有效速度v与目标速度vmax相比减小直到它变为零时、在达到速度误差的阈值ev*时，振动频率f被调节并且趋于减小。根据图5中所示的变化，只要有效速度v保持接近目标速度vmax，频率f就是恒定的并且等于最大频率fmax；然后它线性地减小到阈值ev*(曲线12)，或者它可以从状况误差ev零开始从最大频率fmax线性减小，同时误差ev增加直到阈值ev*(曲线13)。根据另一个变体，只要误差ev低于阈值ev*，频率f保持恒定并且等于最大频率fmax(曲线14)。

基于速度误差ev的给定的定义，阈值ev*将是0-1范围内的数字(即，在0％和100％之间)。例如，如果阈值ev*等于0,1(即，10％)，那么频率f将为零，并且因此只要速度v将在最优值vmax的0％和90％之间，致动器就不会振动；当速度v将超过最优值vmax的90％时，系统将按照先前解释的方法使致动器振动。

在图6中，根据本发明的另一个可能实施例表示系统1的框图。图6中的系统与根据图3的实施例的系统的不同之处在于模块6的配置，模块6确定位置x。在这种情况下，模块6是GPS模块，适于取决于由GPS模块6自身检测的纬度(“lat.”)、经度(“long.”)和高度(“h”)确定沿预定路径的自行车的位置x。根据所述实施例，可以可选地使用惯性测量单元18，这取决于确定自行车速度v所遵循的方法。所表示的其它模块与参考图3描述的模块对应并且以类似的方式配置。

在到目前为止所描述的实施例中，系统1将有效速度v与目标速度vmax进行比较，目标速度vmax根据将目标速度本身与自行车位置x相关联的预定分布确定。

但是，替代速度，系统1可以监视不同种类的目标量，以确定振动频率f。将所述量与沿预定路径的这种量的有效值进行比较。取决于所考虑的目标量，系统1可以包括与速度传感器和/或惯性测量单元不同的、用于检测这种量的装置。

例如，可能的替代目标量是骑自行车者投入的力量。所述目标量由骑自行车者施加在自行车踏板上的扭矩和踏板本身的角速度的乘积给出。为了测量骑自行车者的力量，可以使用用于检测扭矩的传感器和用于检测踏板的角速度的传感器。即使在这种情况下，也将有效力量p与目标力量Pmax进行比较，用于目标力量Pmax的分布作为沿预定路径的自行车位置x的函数已经被预先确定。触觉反馈将是目标力量Pmax与有效力量P之间的误差eP的函数。

替代速度或力量，另一个目标量是骑自行车者的心率，可借助于适用于骑自行车者自己的特殊心率传感器检测。显然，有可能考虑与明确提到的那些目标数量不同的目标量。

在图7中，示出了系统1的框图，系统1被配置用于监视通用目标量q，作为沿着预订路径的位置x的函数，为其预先确定最优分布。根据这个实施例，可以可替代地遵循图3中的实施例描述或图6中的实施例描述被配置的模块6确定沿预定路径的自行车位置x。作为沿预定路径的位置x的函数的通用目标量(如先前所解释的，其可以与例如自行车速度、骑自行车者的力量或心率对应)的最优分布被存储在存储器模块7中。然后，存储器模块7基于由模块6确定的位置x提供与位置x对应的目标量qmax的最优值。比较器模块8将目标量q的有效值与由模块7提供的最优值qmax进行比较，并确定可以如下被定义的误差eq：

eq＝(qmax-q)/qmax

然后，控制模块5基于所述误差eq，遵循例如参考图3和图6的实施例描述的逻辑，确定致动器振动频率f。即使在这种情况下，为了确定振动频率，目标量误差的阈值eq*可以被设置在0-1的范围内(即，0％和100％之间)。

根据本发明的另一个可能的变体，系统1可以不具有用于确定沿预定路径的自行车的位置x的模块6，并且可以被配置为比较通用目标量q的有效值(再次例如：自行车速度、骑自行车者的踩踏力量、骑自行车者的心率)与最优值qmax，这次最优值qmax不是作为沿预定路径的位置x的函数，而是作为时间t的函数被定义的。在图8中示意性地示出了本发明的所述可能的进一步实施例。根据这个变体，不存在用于确定位置的模块，并且系统1可替代地包括计数器模块11，其从可以与例如由自行车行驶的路径的开头对应的预定时刻，测量时间t。目标量qmax的最优分布被存储在存储器模块7中，但这次它不是位置x的函数，而是时间t的函数。所述分布的例子在图9中被示出。存储器模块7提供与所考虑的时刻t对应的最优值qmax。然后，系统1通过类似于参考图7的实施例给出的描述起作用。比较器模块8将目标量q的有效值与由模块7提供的最优值qmax进行比较，并确定可以如下被定义的误差eq：

eq＝(qmax-q)/qmax

然后，控制模块5基于所述误差eq，遵循例如参考图3和图6的实施例描述的逻辑，确定致动器4的振动频率f。甚至在这种情况下，为了确定振动频率，阈值eq*可以被设置在0和1之间(即，0％和100％之间)。

本发明的所述变体特别适用于监视指示骑自行车者努力的目标量。例如，如果目标量与踩踏力量或心率对应，那么可以定义最优曲线以在预定时间区间上校准骑自行车者的努力，以避免骑自行车者相对于预期的总持续时间过早疲劳。当骑自行车者做出太多努力(因此，如果他正在投入过多的力量或者如果他的心率太快)时，致动器4的振动将警告他必须将努力减少到最优值的范围内。

参考致动器4，它可以可替代地是电压或电流控制的。

在致动器4是电压控制的情况下，足以根据确定的振动频率改变电源电压。因此，基于所述变体，系统1包括用于致动器的电压控制的模块(图中未示出)，该模块在输入端中接收命令信号(在这种情况下是表示由模块5供给的频率f的信号)并且因此向致动器4供给适当的电压，使得致动器以确定的振动频率振动。

根据另一个变体，在致动器4是电流控制的情况下，系统1包括用于致动器的电流控制的模块34，在图10中示意性地示出。

根据这个变体，模块34接收表示期望振动频率的输入信号，该输入信号通过先前描述的方法确定并且在这种情况下被指示为参考频率fref。

模块34包括存储器模块35，其中存储静态映射。所述映射将参考振动频率fref联系到参考电流Iref。所述静态映射的例子在图11中被示出。然后，在存储器模块35的输出端处获得参考电流Iref，其与参考振动频率fref对应。

然后，模块34执行致动器4电流的闭环控制。为此，模块34包括测量有效马达电流I的电流传感器，从此有可能确定参考电流Iref与有效电流I之间的电流误差eI。

模块34还包括电压命令模块36，它确定要被施加到致动器4的DC(占空比)电压，使得电流误差eI最小化，即，使得有效电流I基本上遵循参考电流lref的趋势。电流I的这种设置使致动器4以有效频率f振动，该有效频率f趋于遵循参考频率fref趋势。

一般而言，这种电流控制方法确保比电压控制方法更快的响应时间，并且进一步防止过量电流进入致动器4。

要注意的是，在本描述中和所附权利要求中，系统1以及被指示为“模块”的元件可以借助于硬件设备(例如，控制单元)、通过软件或者通过硬件和软件的组合来实现。

为了满足具体的偶发的(contingent)要求，本领域技术人员可以用其他功能上的等同手段，对用于通过向骑自行车者发送触觉反馈来辅助骑自行车的系统的所描述的实施例进行若干添加、修改或元件替换，但是不背离所附权利要求的范围。