专利名称：一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态測量系统，具体地说是ー种骑自行车时所消耗卡路里的动态測量系统。
背景技术：
越来越多的人将自行车作为户外健身设备，为了实现更专业化的健身效果，需要计算骑自行车过程中人体所消耗的卡路里情況。但市场上相关的电子设备大多是基于行驶路程或者基于检测人体各项运动參数来计算骑自行车消耗卡路里量。基于行驶路程来计算骑自行车消耗卡路里量的电子设备，在计算过程中采用的是估算的方式，即粗略的将消耗的卡路里和行驶的距离依据线性关系对等起来。这样的计算方法忽略了人的体重的差异所带来的影响、行驶路面不同所帯来的影响以及不同环境下风的阻力所带来的影响，也忽略了自行车本身的旧损所带来的影响，计算起来较为简单随意，无法满足精确计算的要求。基于检测人体各项运动參数来计算骑自行车消耗卡路里量的电子设备，需要将检测装置穿在身上或者戴在手上，使运动者有不舒服的感觉，影响健身效果和个人运动情緒。而且有些设备对人体会造成一定的福射伤害，不利于舒适健康的户外健身。目前市场上的自行车电子辅助设备几乎全都需要外接电源，不够经济节能，不利于能源环保。在计算自行车速度时，市场上大多数自行车电子辅助设备采用光电或者电磁感应的原理，自行车每行驶一周只能产生ー个脉冲，通过计算単位脉冲数和轮子的周长来计算自行车的行驶速度，这样的计算方法精度被不高。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的不足之处，提供一种骑自行车所消耗卡路里的动态測量系统，利用摩擦发电机来计算自行车的行驶速度，并结合相应的传感器获取动态数据信息，使得測量结果更加准确可靠。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明ー种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统的组成包括摩擦发电机、电源处理模块、信号采集模块、信号处理模块和人机交互模块；所述摩擦发电机通过安装在自行车上与自行车车轮进行摩擦，输出频率为f的正弦交流电源；所述电源处理模块的组成包括整流桥电路、7. 2V稳压电路、蓄电池和5V稳压电路；所述整流桥电路将所述输出频率为f的正弦交流电源转换为直流电源；所述7. 2V稳压电路将所述直流电源转换成7. 2V直流电源，并存储到所述蓄电池中；所述5V稳压电路从所述蓄电池中获取7. 2V直流电源转换成5V直流电源，供给所述动态测量系统作为工作电源；
所述信号采集模块用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；所述动态数据信息包括自行车的行驶速度vt，行驶中人和自行车所受风阻的压强Pt，以及自行车行驶的路面与水平面的夹角妒所述自行车的行驶速度Vt按如下方式获得所述信号采集模块中使用光耦将所述摩擦发电机输出频率为f的正弦交流电源转换为频率为f的脉冲信号，并提供给所述信号处理模块，所述信号处理模块的微处理器按照式(I)计算行驶速度Vt:
Vt=c Xf/I(I)式(I)中，c为所述摩擦发电机的摩擦轮周长；1为所述摩擦发电机每旋转一周产生的正弦交流电源的正弦波的个数；所述行驶中人和自行车所受风阻的压强Pt是利用气体压カ传感器实时测量获得;所述自行车行驶的路面与水平面的夹角炉/是利用三轴陀螺仪传感器实时测量获得;所述信号处理模块是以微处理器为核心用于接收所述信号采集模块所采集的动态数据信息，并通过所述人机交互模块的模式切換分别运行在计算卡路里消耗运行模式下或參数标定运行模式下；所述计算卡路里消耗运行模式是利用所述信号采集模块的动态数据信息，按照式(2)计算卡路里的消耗量Wk=ffp+ffg+ffd+fff(2)式(2)中，Wk为卡路里的消耗量;Wp为克服风阻所做的功；Wg为克服重力所做的功；Wd为改变动能所做的功；wf为假设自行车在水平面上行驶时，车速保持固定且在没有风阻的情况下骑自行车克服自行车阻力所做的功；所述克服风阻所做的功Wp按照式(3)计算获得Wn - Sx Γ Pt X V.dt⑶所述克服重力所做的功Wg按照式(4)计算获得
￥σ ニ Mx g X P sin φ, x, 4)所述改变动能所做的功Wd按照式(5)计算获得w, = 0.5x Aixgx(Fl-Fl))所述克服自行车阻力所做的功Wf，按照式(6)计算获得Wr = ψx [ Vxit(6)式(3)、式(4)、式(5)以及式(6)中，tQ为骑自行车卡路里消耗的初始时刻，、为骑自行车卡路里消耗的结束时刻く是b时刻自行车的行驶速度，く是tn时刻自行车的行驶速度，g是重力加速度”为自行车和骑车人的总重量、S为自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受カ面积，Ψ为自行车阻カ參数；所述微处理器按照式(7)计算在h到ti+1単位时间段At内的卡路里消耗量
tn — Z0
Wki (i=0, I,... η) ;11为整数，取值为ガ=-其中ti为骑车过程中某ー时刻的时间
Δ/ ;
点，ti+1表示h时间点后的一个时间点；Wki=ffpi+ffgi+ffdi+fffi(7)式(7)中，Wpi为在h到ti+1単位时间段At内克服风阻所做的功；Wgi为在h到 ti+1単位时间段At内克服重力所做的功；Wdi为在h到ti+1単位时间段At内改变动能所做的功；Wfk为在h到ti+1単位时间段At内骑自行车克服自行车阻力所做的功；假设
_6]P, X Vtdt(8)
乂 I Sin ^(9)ル/ = 0.5X(^i -Vfi)( ο)wA = Γ! V,dt(11)
i由式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)、以及式(11)得出式(12)ffki=SXwpi+MXwgi+MXwdi+Ψ Xwfi(12)所述參数标定运行模式是利用所述信号采集模块的动态数据信息，按照如下方式获得自行车和骑车人的总重量M、骑行中所受风阻的受カ面积S以及自行车阻カ參数Ψ ;骑自行车过程中，骑车人停止向自行车做功，则卡路里消耗量Wkj=O (j=0, 1，…，m)，!!!取值为大于等于3的整数；利用式(12)每隔一段时间At，得出ー个关于卡路里消耗量的等式，由此获得如下方程组SXwpl+MXwgl+MXwdl+Ψ Xwfl=Wkl=O 方程 IS X wp2+M X wg2+M X Wd2+ ψ X Wf2=Wk2=O 方程 2...S X wpm+M X wgm+M X Wdm+ ψ X Wfm=Wkm=O 方程 m利用所述方程组，采用最小二乗法分别计算获得所述自行车和骑车人的总重量Μ、骑行中所受风阻的受カ面积S和自行车阻カ參数Ψ ；所述人机交互模块用于显示所述信号处理模块的运行模式及所述动态数据信息，并进行所述模式切換的操作。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在I、本发明通过參数标定方法能根据运动环境的不同而实时检测到不同行车參数的变化，井根据运动者本身的体能消耗情况和运动速度的变化情況，实时计算出卡路里消耗量大小，从而保证计算的准确性和时效性。2、本发明利用摩擦发电机检测到的脉冲信号计算自行车的行驶速度Vt，克服了直接检测行车车轮的脉冲信号，消除了不同自行车车轮大小的影响因素，使得測量结果更加精确合理。
3、本发明采用摩擦发电机为系统提供能源供给，将骑车消耗的机械能和动能转换为电能，真正做到了能源的有效循环利用，实现了绿色节能的设计理念。
图I为本发明动态测量系统结构示意图；图2为本发明电源处理模块原理框图；图3为本发明的信号采集模块和信号处理模块原理框图。
具体实施例方式如图I所示，本实施例中骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统的结构组成包括摩擦发电机、电源处理模块、信号米集模块、信号处理模块和人机交互模块；摩擦发电机通过安装在自行车上与自行车车轮进行摩擦，输出频率为f的正弦交流电源；具体实施中，采用的是12V/6W的摩擦发电机，摩擦发电机自身体积小，质量轻，安装方便，可以安装在自行车前轮或者后轮的轴上，紧贴自行车轮。如图2所示，电源处理模块的组成包括整流桥电路、7. 2V稳压电路、蓄电池和5V稳压电路。整流桥电路将输出频率为f的正弦交流电源转换为直流电源；7. 2V稳压电路将直流电源转换成7. 2V直流电源，并存储到蓄电池中；5V稳压电路从蓄电池中获取7. 2V直流电源转换成5V直流电源，供给系统作为工作电源。由于摩擦发电机输出的正弦交流电源的幅值和频率f都随着自行车行驶的速度变化而不同，因此本系统通过电源处理模块将正弦交流电源转换成稳定的可以供给系统使用的5V直流电源，同时也可以从输出频率为f的正弦交流电源中检测出自行车的行驶速度
Vto具体实施中，整流桥采用的型号为RS5071 A95，具有5A的输出能力，需要配备ー个470uF/100V的耦合电容；7. 2V稳压电路使用的稳压芯片是LM2576H-ADJ，具有高转换效率和输出电压可调的优点，常用在降压稳压电路中；蓄电池使用的是6V/1200mA的蓄电池，5V稳压电路中使用的芯片是78M05，此芯片的稳压电路结构比较简単。如图3所示，信号采集模块是用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；动态数据信息包括自行车的行驶速度vt，行驶中人和自行车所受风阻的压强Pt，以及自行车行驶的路面与水平面的夹角炉/自行车的行驶速度Vt按如下方式获得信号采集模块中使用光耦将摩擦发电机的输出频率为f的正弦交流电源转化为频率为f的脉冲信号，并提供给所述信号处理模块，信号处理模块的微处理器按照式(I)计算行驶速度Vt
权利要求
1.一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统，其特征是所述动态測量系统的组成包括摩擦发电机、电源处理模块、信号米集模块、信号处理模块和人机交互模块； 所述摩擦发电机通过安装在自行车上与自行车车轮进行摩擦，输出频率为f的正弦交流电源； 所述电源处理模块的组成包括整流桥电路、7. 2V稳压电路、蓄电池和5V稳压电路；所述整流桥电路将所述输出频率为f的正弦交流电源转换为直流电源；所述7. 2V稳压电路将所述直流电源转换成7. 2V直流电源，并存储到所述蓄电池中；所述5V稳压电路从所述蓄电池中获取7. 2V直流电源转换成5V直流电源，供给所述动态测量系统作为工作电源； 所述信号采集模块用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；所述动态数据信息包括自行车的行驶速度Vt，行驶中人和自行车所受风阻的压强Pt，以及自行车行驶的路面与水平面的夹角qt 所述自行车的行驶速度Vt按如下方式获得 所述信号采集模块中使用光耦将所述摩擦发电机输出频率为f的正弦交流电源转换为频率为f的脉冲信号，并提供给所述信号处理模块，所述信号处理模块的微处理器按照式(I)计算行驶速度Vt: Vt=c X f/1(I) 式(I)中，c为所述摩擦发电机的摩擦轮周长；1为所述摩擦发电机每旋转一周产生的正弦交流电源的正弦波的个数； 所述行驶中人和自行车所受风阻的压强Pt是利用气体压力传感器实时测量获得； 所述自行车行驶的路面与水平面的夹角炉,是利用三轴陀螺仪传感器实时测量获得；所述信号处理模块是以微处理器为核心用于接收所述信号采集模块所采集的动态数据信息，并通过所述人机交互模块的模式切換分别运行在计算卡路里消耗运行模式下或參数标定运行模式下； 所述计算卡路里消耗运行模式是利用所述信号采集模块的动态数据信息，按照式(2)计算卡路里的消耗量 Wk=Wp+ffg+ffd+fff(2) 式(2)中，Wk为卡路里的消耗量;WP为克服风阻所做的功；Wg为克服重力所做的功；Wd为改变动能所做的功；Wf为假设自行车在水平面上行驶时，车速保持固定且在没有风阻的情况下骑自行车克服自行车阻力所做的功； 所述克服风阻所做的功Wp按照式(3)计算获得
全文摘要
本发明公开了一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统，其特征是动态测量系统的组成包括一摩擦发电机，用于与自行车车轮进行摩擦输出交流电；一电源处理模块，用于提供系统电源；一信号采集模块，用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；一信号处理模块，用于技术卡路里消耗值和各行车参数值；以及一人机交互模块，用于显示信号处理模块的运行模式及动态数据信息，并进行模式切换的操作。本发明利用摩擦发电机来计算自行车的行驶速度，并结合相应的传感器获取动态数据信息，使得测量结果更加准确可靠。
文档编号A61B5/00GK102688020SQ20121018005
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者吕昱洲, 吴清, 崔培培, 张倩琳, 张辉, 谢汇, 陶赞 申请人:合肥工业大学