一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统及其方法与流程

1.本发明属于电动自行车技术领域，具体涉及一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统及其方法。


背景技术：

2.随着人们对智能出行不断提高，对大部分电动自行车的后置力矩、飞轮速度(即市面所说为踏频速度)感应装置，由于杠杆原理在不同变速档位下，(其主要针对外变速器)，飞轮直径不同使得在相同的脚踏力下力矩传感器输出信号不同，飞轮越大，信号输出越大，如此便对在不同的变速档位下对应不同直径大小的飞轮片，飞轮直径越大链齿越多，继而造成助力比不同，如此便不能满足当代人们对不同档位更高精细化控制，即在不同变速档位也就无法满足更高个性化助力舒适度的要求。
3.以上所述的后置力矩、飞轮速度感应装置可以是：专利号2019100325025(一种电动自行车塔基扭矩速度感应装置)、专利号2021112833730(电动自行车旋飞结构的动态扭矩及踏频速度一体感应装置)、专利号：2017110551856(一种内置动态扭力感应测量装置的电机)等。
4.但上述专利无法识别当前飞轮所处档位，继而便无法基于当前档位进行电机控制补偿，最终无法实现精细化控制，因此本发明提供一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统及其方法，其壳在助踩时识别当前变速档位，不同变速档位对应不同直径的飞轮片，再针对不同直径飞轮片的输出扭矩信号进行电机控制补偿，如此便可以实现更加精细地智能化控制，继而满足人们更加舒适的骑行感受，同时还可以精细化计算人骑行时消耗的热量等等用途，最终使其更符合高端市场需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统及其方法，其可在助踩时识别当前变速档位，不同变速档位对应不同直径的飞轮片，再针对不同直径飞轮片的输出扭矩信号进行电机控制补偿，如此便可以实现更加精细地智能化控制，继而满足人们更加舒适的骑行感受，同时还可以精细化计算人骑行时消耗的热量等等用途，最终使其更符合高端市场需求。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统，包括：
8.力矩传感器，其用于感应链条拉力以获取扭矩信号，继而基于所述扭矩信号获取第一波形图；
9.飞轮速度传感器，设于后轮处，其用于感应飞轮速度以获取速度信号，继而基于所述速度信号获取第二波形图；以及
10.微控单元，与所述力矩传感器以及所述飞轮速度传感器电连接或者无线信号连接，其用于接收所述第一波形图以及所述第二波形图，继而处理所述第一波形图以及所述
第二波形图以实现飞轮档位识别以获取识别结果。本发明可在助踩时识别当前变速档位，不同变速档位对应不同直径的飞轮片，再针对不同直径飞轮片的输出扭矩信号进行电机控制补偿，如此便可以实现更加精细地智能化控制，继而满足人们更加舒适的骑行感受，同时还可以精细化计算人骑行时消耗的热量等等用途，最终使其更符合高端市场需求。
11.作为本发明一种优选的方案，还包括：
12.外部控制器，与所述微控单元电连接或者无线信号连接，其用于接收所述识别结果，继而基于所述识别结果并结合所述扭矩信号进行电机控制补偿。
13.一种电动自行车的后变速飞轮档位识别方法，包括如下步骤：
14.s100、获取第一波形图：力矩传感器感应链条拉力，继而基于所述链条拉力获取扭矩信号，最终基于所述扭矩信号获取第一波形图，所述第一波形图同步传输至微控单元；
15.s200、获取第二波形图：飞轮速度传感器感应飞轮速度，继而基于所述飞轮速度获取速度信号，最终基于所述速度信号获取第二波形图，所述第二波形图同步传输至微控单元；
16.s300、处理第一波形图：微控单元在所述第一波形图内截取波段t
x-ty的波形图，继而获取第三波形图，其中：x、y为变量；
17.s400、处理第二波形图：微控单元在所述第一波形图内的tx-ty时间内获取相对应的所述第二波形图内的数据；
18.s500、比对及识别：微控单元比对所述第三波形图以及所述第二波形图内的数据以获取相同波段内扭矩信号变化的单位时间以及单位时间内的飞轮速度变化，继而基于所述扭矩信号变化的单位时间以及所述单位时间内的飞轮速度变化获取变速比，最终基于所述变速比识别飞轮档位以获取识别结果，其中：
19.相同波段内扭矩信号变化的单位时间与单位时间内的飞轮速度变化相对应；
20.s600、补偿：微控单元基于所述识别结果对扭矩信号进行补偿以获取补偿数据，继而将所述补偿数据传输至外部控制器，外部控制器基于所述补偿数据进行电机控制补偿；或者
21.s600、补偿：外部控制器基于所述识别结果对扭矩信号进行补偿以获取补偿数据，继而基于所述补偿数据进行电机控制补偿。
22.作为本发明一种优选的方案，在步骤s100中，所述第一波形图为正弦波波形图，所述正弦波波形图具有波峰以及波谷。
23.作为本发明一种优选的方案，在步骤s300中，所述波段t
x-ty的波形图为波峰与波峰之间波形图或者波谷与波谷之间波形图或者波峰与波谷之间波形图。
24.作为本发明一种优选的方案，取t
x
为tc，其中：tc为左脚踩踏扭矩波峰；
25.取ty为tk，其中：tk为下一次左脚踩踏扭矩波峰；
26.所述波段t
c-tk的波形图为左脚波峰与左脚波峰之间波形图。
27.作为本发明一种优选的方案，取t
x
为te，其中：te为左脚踩踏扭矩波谷；
28.取ty为tm，其中：tm为下一次左脚踩踏扭矩波谷；
29.所述波段t
e-tm的波形图为左脚波谷与左脚波谷之间波形图。
30.作为本发明一种优选的方案，基于单位时间内扭矩信号变化以及下一次单位时间内扭矩信号变化判断识别所述第一波形图中的波峰以及波谷。
31.作为本发明一种优选的方案，在步骤s500中，所述变速比为扭矩信号变化的单位时间内的对应的飞轮速度变化。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
33.本发明可在助踩时识别当前变速档位，不同变速档位对应不同直径的飞轮片，再针对不同直径飞轮片的输出扭矩信号进行电机控制补偿，如此便可以实现更加精细地智能化控制，继而满足人们更加舒适的骑行感受，同时还可以精细化计算人骑行时消耗的热量等等用途，最终使其更符合高端市场需求。
附图说明
34.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
35.图1为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统的功能框图；
36.图2为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别方法的流程图；
37.图3为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别方法中脚踏板及齿盘的运动状态图；
38.图4为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别方法中的第一波形图以及第二波形图；
39.图5为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统中车体处的立体图；
40.图6为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统中电机以及飞轮处的立体图；
41.图7为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统中电机、飞轮以及塔基外壳处的第一爆炸图；
42.图8为本发明一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统中电机、飞轮以及塔基外壳处的第二爆炸图。
43.图中：
44.110、力矩传感器；120、飞轮速度传感器；130、微控单元；
45.200、外部控制器；
46.300、车体；310、电机；320、飞轮；330、塔基外壳。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例1：
49.请参阅图1-图8，本发明提供以下技术方案：
50.请参阅图1，一种电动自行车的后变速飞轮档位识别系统，其由力矩传感器110、飞轮速度传感器120以及微控单元130构成，由力矩传感器110、飞轮速度传感器120以及微控单元130构成的识别系统装配在车体300上，具体如下阐述：
51.请参阅图5、图6、图7和图8，车体300上设有电机310、飞轮320以及塔基外壳330，电机310设置在车体300的后轮处，塔基外壳330具有与电机310连接的第一端以及与飞轮320连接的第二端，塔基外壳330整体套设在电机310输出轴表面，上述第一端与电机310之间螺纹连接或者相互卡接，上述第二端与飞轮320之间相互卡接，车体300踏板处设有齿盘，齿盘与飞轮320之间通过链条连接，齿盘两侧端均通过曲柄连接有脚踏板，微控单元130安装在塔基外壳330内，需要进行说明的是：力矩传感器110需安装在能够感应链条拉力大小的位置，如安装在塔基内部、电机外壳内部或者飞轮端的车架上等，其可以基于实际需求选择相应的安装位置即可；
52.如附图5所示，人脚部踏在脚踏板上进行运动时，脚踏板的受力情况会发生变化，如人的左脚踏在脚踏板上，与水平面呈垂直状态上方的时候，结合图3可知，脚踏板板处于与中轴五通垂直位置上方时即ta方位，这时右脚踏处于与中轴五通垂直位置下方te，继而由附图4可知，此时踩踏力力臂为0，对应对链条的拉力也为0；
53.如附图5所示，如人的左脚踏在脚踏板上，与水平面呈水平状态的时候，结合图3可知，脚踏板处于与中轴五通水平前方位置时即tc方位，右脚踏处于与中轴五通水平后方位置tg，继而由附图4可知，此时踩踏力力臂最大，对应对链条的拉力也最大；
54.如附图5所示，如人的左脚踏在脚踏板上，与水平面呈垂直状态的时候，结合图3可知，脚踏板处于与中轴五通垂直位置下方时即te方位，右脚踏与中轴五通垂直位置上方时即方位ta，继而由附图4可知，此时踩踏力力臂为0，对应对链条的拉力也为0；
55.根据实际情况，任意脚踏板处于五通中轴的后方是没有脚踏力；
56.请继续参阅图3、图4和图5，同时对同一脚踏板指向脚步的力的方向还可以为tb、td、tf、th，具体如下阐述：
57.tb位于ta和tc之间平均线方向上，并且方向力向下，此时踩踏力力臂最大力臂的一半，对链条产生的拉力也是最大拉力的一半；
58.td位于tc和te之间平均线方向上，并且方向力向下，此时踩踏力力臂最大力臂的一半，对链条产生的拉力也是最大拉力的一半；
59.请参阅图5，同时对同一脚踏板指向脚步的力的方向还可以为tj、tk、tl、tm，tj、tk、tl、tm分别与ta、tb、tc、td的论述相同，故此不再赘述；
60.请参阅图3和图4，力矩传感器110用于感应链条拉力以获取扭矩信号，继而基于扭矩信号获取第一波形图，由图4结合ta-ti之间的拉力变化可知，用户以相同的踩踏力踩踏转动下，力矩传感器110输出的第一波形图无限接近正弦波波形图，因此本发明中的第一波形图为类似正弦波波形图；
61.请参阅图1、图3和图4，飞轮速度传感器120用于感应飞轮速度以获取速度信号，继而基于速度信号获取第二波形图，如图4所示状态下，第二波形图为矩形波波形图，但图4所示的波形图仅仅是飞轮速度信息的表现形式之一，需要进行说明的是：飞轮速度传感器120安装在可感应飞轮320旋转速度以及方向的位置，如可以设置在后轮处位置，其所起到的作用主要是感应飞轮速度，其可以根据需要安装在后轮中，至于具体位置和安装结构，本发明不作具体阐述，其可基于实际需求选择相应的后轮安装位置即可；
62.微控单元130与力矩传感器110以及飞轮速度传感器120电连接或者无线信号连接，其用于接收第一波形图以及第二波形图，继而处理第一波形图以及第二波形图以实现
飞轮档位识别以获取识别结果。
63.实施例2：
64.本实施例由微控单元130基于识别结果和原始扭矩信号输出给外部控制器200，由外部控制器200对电机控制进行补偿；或微控单元130基于识别结果并结合原始扭矩信号进行力矩补偿再输出给外部控制器200，外部控制器200与微控单元130电连接或者无线信号连接以接收识别结果，继而进行电机控制补偿，本发明既可以由微控单元130进行原始力矩补偿，亦可以通过外部控制器200进行数据处理对电机控制补偿，两者则其一即可，需要进行说明的是：外部控制器200与电机310电连接，继而实现相应的驱动控制，继而给用户更好的体验。
65.实施例3：
66.请参阅图2，一种电动自行车的后变速飞轮档位识别方法，包括如下步骤：
67.s100、获取第一波形图：力矩传感器110感应链条拉力，继而基于链条拉力获取扭矩信号，最终基于扭矩信号获取第一波形图，第一波形图同步传输至微控单元130；
68.s200、获取第二波形图：飞轮速度传感器120感应飞轮速度，继而基于飞轮速度获取速度信号，最终基于速度信号获取第二波形图，第二波形图同步传输至微控单元130；
69.s300、处理第一波形图：微控单元130在第一波形图内截取波段t
x-ty的波形图，继而获取第三波形图，其中：x、y为变量，如图3和图4所示状态下，假设ta-te为左脚的踩踏力的扭矩信号输出波形，tf-ti为右脚的踩踏力扭矩信号输出波形，tj-tm为下一次左脚的踩踏力的扭矩信号输出波形，继而可通过对输出波形的两个波峰、两个波谷或波峰与波谷等的方式之间的时间判断脚踏半周、一周或一定角度所需的时间，即上述波段t
x-ty对应上述构思，可以对变量x以及y进行赋值，其可为a、b、c、
……
，优选地，截取两个波峰之间的波形图或者两个波谷之间波形图或者波峰与波谷之间波形图为最佳方案，其误差最小，继而致使后续的结果更加精准；
70.本发明中截取波段t
x-ty的波形图在理想状态下完全可行，即截取任意波段的波形图完全可行，但其具有一定程度的误差，继而可能会致使后续结果不精准，因此在实际处理中，宜采取上述优选方案；
71.例如：
72.取t
x
为tc，其中：tc为左脚踩踏扭矩波峰；
73.取ty为tk，其中：tk为下一次左脚踩踏扭矩波峰；
74.波段t
c-tk的波形图为左脚波峰与左脚波峰之间波形图；
75.又例如：
76.取t
x
为te，其中：te为左脚踩踏扭矩波谷；
77.取ty为tm，其中：tm为下一次左脚踩踏扭矩波谷；
78.波段t
e-tm的波形图为左脚波谷与左脚波谷之间波形图；
79.需要进行说明的是：在获取上述扭矩信号时，宜采用相同脚之间的波峰与波峰或者波谷与波谷或者波峰与波谷，即左脚对应左脚，右脚对应右脚；
80.需要进行说明的是：本实施例还提供另外一种实施方式：
81.作为本实施例的另外一种实施方式：截取相邻的两个波峰之间的波形图或者相邻的两个波谷之间波形图或者相邻的波峰与波谷之间波形图亦可以作为一种优选方案，其误
差相对较小：
82.例如：
83.取tm为tc，其中：tc为左脚踩踏扭矩波峰；
84.取tn为tg，其中：tg为右脚踩踏扭矩波峰；
85.波段t
c-tg的波形图为相邻的波峰与波峰之间波形图；
86.又例如：
87.取tm为te，其中：te为左脚踩踏扭矩波谷；
88.取tn为ti，其中：ti为右脚踩踏扭矩波谷；
89.波段t
e-ti的波形图为相邻的波谷与波谷之间波形图；
90.上述实施方式与前一种实施方式均可，但第一种实施方式误差最小，准确率更高，可基于实际需要进行上述任意选择皆可；
91.s400、处理第二波形图：微控单元130在第一波形图内的tx-ty时间内获取相对应的第二波形图内的数据；
92.s500、比对及识别：微控单元130比对第三波形图以及第二波形图内的数据以获取相同波段内扭矩信号变化的单位时间以及单位时间内的飞轮速度变化，继而基于扭矩信号变化的单位时间，继而基于扭矩信号变化的单位时间以及单位时间内的飞轮速度变化获取变速比，最终基于变速比识别飞轮档位以获取识别结果，变速比为扭矩信号变化的单位时间内的对应的飞轮速度变化；
93.需要进行说明的是：在步骤s500中，相同波段单位时间内扭矩信号变化的单位时间与单位时间内的飞轮速度变化相对应；
94.请参阅图4，假设处于某飞轮档位下脚踩踏一周，飞轮速度传感器输出4个正脉冲信号，由上可知，截取第三波形图以及第四波形图可以采取多种截取方式，如波峰与波峰之间波形图或者波谷与波谷之间波形图，此处以截取波峰与波峰之间波形图为例进行阐述，具体的，可对上述x赋值c、对y赋值g：
95.此时波段t
x-ty对应的分别是左脚踩踏扭矩波峰tc-左脚踩踏扭矩波峰tk，即此时截取的第三波形图为波峰与波峰之间波形图(左脚波峰与左脚波峰)，这里假设飞轮转动一周输出4个完整脉冲周期波形(一个正脉冲和一个负脉冲为一个完整周期)图4所示状态下为脚踩踏一周，截取波峰与波峰之间波形图为一周波形图，这时飞轮速度传感器输出4个正脉冲4个负脉冲(即4个完整脉冲周期)，继而可得脚踏一周，飞轮速度传感器输出8个脉冲周期(飞轮转动一周)，从而可得脚踏一周飞轮转动一周，即变速比为1：1；
96.相对应的，第四波形图在第二波形图中截取在上述相同波段内的波形图，以图4为例，假设飞轮速度传感器120在前齿盘转动一周的情况下一共输出8*t1个速度脉冲信号，t1为每脚踩四分之一周时的速度变化量，即前齿盘每转动四分之一周时，其对应的速度变化如附图4所示，需要注意的是，附图4所采用的第二波形图(矩形波状图)仅仅只是为了方便描述本方案，实际过程中的速度变化量并不是均匀变化，而是动态变化的，但是在脚踏板转动一周时飞轮速度传感器120所经历的波形变化数量是明确的，如可以为重复出现四个波形，或者是八个波形，或者是n个；结合图4可知，此时飞轮速度传感器120在转动一周的情况下输出8*t1个速度脉冲信号，即对应的单位时间内的飞轮速度变化为8个脉冲信号，此时的变速比为扭矩信号变化的单位时间：单位时间内的飞轮速度变化，即8：8，继而可以获得1：1
的变速比，由于一个车型在制造完成后，其飞轮320的规格型号是已确定的，因此处于某档位下的飞轮320正向转动一周的信息也是固定的，因此通过计算获得的变速比可快速确定当前所处档位；
97.s600、补偿：微控单元130基于识别结果对扭矩信号进行补偿以获取补偿数据，继而将补偿数据传输至外部控制器200，外部控制器200基于补偿数据进行电机控制补偿；或者
98.s600、补偿：外部控制器200基于识别结果对扭矩信号进行补偿以获取补偿数据，继而基于补偿数据进行电机控制补偿；
99.在该步骤中，微控单元130判别所处的飞轮档位对输出的力矩数据进行补偿或者外部控制器200判断所处档位后，对电机310发送指令，继而调节电机330的转速和扭矩，如此便可以实现更加精细地智能化控制，继而满足人们更加舒适的骑行感受，同时还可以精细化计算人骑行时消耗的热量等等用途，最终使其更符合高端市场需求，在上述调节电机330转速和扭力过程中，应根据所处档位以及扭矩信号共同决定，即在微控单元130或者外部控制器200设定每个档位下的扭矩信号标准范围阈值，继而根据实时输出的扭矩信号数据以及标准范围阈值进行补偿，具体的，以最新飞轮为依据，将标准范围阈值除以实时输出的扭矩信号数据，继而得到补偿系数，最终根据补偿系数对电机310的转速进行调节，使得用户体验更佳的骑行感觉；
100.在上述过程中，微控单元130以及外部控制器200均具有数据处理能力，即可对扭矩信号进行数据处理以实现补偿，继而获取补偿数据，但外部控制器200还进行电机控制补偿。
101.实施例4：
102.实施例1-实施例3中的第一波形图，即正弦波波形图具有波峰以及波谷，那么如何判断识别何处为波峰、何处为波谷，继而生成相应的波形图是我们亟需解决的技术问题，本实施例采取类似极限的方式进行解决：
103.将某一波段划分为具有n个单位时间的波段，如图4所示的纵坐标，记为扭矩电压量，设u1为单位时间内扭矩电压量，u2为下次单位时间内扭矩电压量，当u2为正、u1为负时，则此处为波峰；当u2为负、u1为正，则此处为波谷，以上单位时间一般为脚踏一周时间的1/50内，n的取值应取适量值；
104.最后需要进行说明的是：本发明适用于正向踩踏情况，反向踩踏时，力矩传感器110输出的扭矩信号大小不变，飞轮速度信号一般为低电平，一旦判断到飞轮320反转时，上述的判断数据作废，需重新采样数据以实现重新判断；
105.上述步骤s100以及步骤s2o0同步进行，继而实现力矩传感器110以及飞轮速度传感器120同步采集，即使步骤s100以及步骤s2o0不同步进行，也应使得两者采集时间相差较小。
106.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。