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ES2601588T3 - Rueda eléctrica inteligente para bicicletas eléctricas - Google Patents

Rueda eléctrica inteligente para bicicletas eléctricas Download PDF

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ES2601588T3
ES2601588T3 ES10739210.2T ES10739210T ES2601588T3 ES 2601588 T3 ES2601588 T3 ES 2601588T3 ES 10739210 T ES10739210 T ES 10739210T ES 2601588 T3 ES2601588 T3 ES 2601588T3
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ES
Spain
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wheel assembly
speed
angle
motor
data
Prior art date
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Active
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ES10739210.2T
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English (en)
Inventor
Juan Bautista BELON
Chia-Wen Chang
Hsin-Chih Chen
Shu-Hsun Chiang
Paul Daniel Faucher
Ya-Fang Ke
David Meyer
Nitish Swarup
Hsing-Han Tsai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Belon Eng Inc
BELON ENGINEERING Inc
Original Assignee
Belon Eng Inc
BELON ENGINEERING Inc
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Publication date
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Abstract

Un conjunto (10) de rueda alimentado eléctricamente con una llanta, eje central, y radios, que comprende: un motor (12); un sistema (22) de batería dentro de dicho conjunto (10) de rueda que se configura para suministrar energía a dicho motor (12); un sistema de sensor unido a dicho conjunto (10) de rueda que proporciona datos analógicos relacionados con la velocidad y el ángulo de orientación de dicho conjunto (10) de rueda; y un sistema (6) de control dentro de dicho conjunto (10) de rueda configurado para recibir los datos relacionados con la velocidad y el ángulo de orientación para dicho conjunto de rueda desde dicho sistema de sensor, teniendo dicho sistema (6) de control al menos un procesador (23) con un algoritmo configurado para calcular una tensión de salida basada en los datos relacionados con la velocidad y el ángulo de orientación, generando dicho sistema (6) de control una salida y proporcionándola al sistema (22) de batería para alterar una energía suministrada a dicho motor (12) mediante el sistema (22) de batería para mantener suficiente movimiento en vista de al menos uno de dicha velocidad y dicho ángulo de orientación, caracterizado porque: el motor (12) se une al eje (8) dentro de dicho conjunto (10) de rueda y se monta alrededor del eje para accionar el conjunto (10) de rueda, y el sistema de sensor comprende un acelerómetro (14) dispuesto para rotar con el conjunto de rueda.

Description

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DESCRIPCION
Rueda electrica inteligente para bicicletas electricas Antecedentes de la invencion
Campo de la invencion
La presente invencion pertenece a bicicletas hfbridas y, mas en particular, a la modernizacion de bicicletas convencionales para convertirlas en bicicletas hfbridas.
Descripcion de la tecnica anterior
Numerosos bicicletas alimentadas electricamente y bicicletas hfbridas existen actualmente en el mercado. Hfbrida tal como se usa en el presente documento se refiere a bicicletas o vehfculos que se alimentan usando multiples fuentes de energfa. Una bicicleta hfbrida, tal como se usa en el presente documento, se refiere a bicicletas que tienen una fuente de energfa electrica ademas de al menos otra fuente de energfa.
Actualmente existen kits que pueden usarse para modernizar bicicletas convencionales alimentadas manualmente en bicicletas alimentadas electricamente o alimentadas de manera hfbrida. Estos kits proporcionan normalmente ruedas alimentadas electricamente o partes que convierten ruedas convencionales en ruedas alimentadas electricamente. Los kits actualmente disponibles tienen hardware distribuido a traves de diversas partes de la bicicleta.
Un ejemplo de un tipo de kit actualmente disponible para la modernizacion de bicicletas convencionales para crear bicicletas electricas o hfbridas requiere que los usuarios ensamblen baterfas en algun lugar en el bastidor de la bicicleta e instalar controladores de algun tipo en el manillar para que el usuario pueda controlar la energfa electrica al motor. El ensamblaje de estos kits lleva algun tiempo y algunos clientes se desaniman con el tiempo necesario asf como con la experiencia tecnica y las herramientas requeridas para completar el ensamblaje.
Sigue existiendo la necesidad de conjuntos que puedan modernizar bicicletas convencionales para crear bicicletas hfbridas o electricas, que no requieran un ensamblaje significativo del usuario o tengan numerosas partes distribuidas en diversas areas de la bicicleta.
El documento WO 2004/050385 A2 desvela una rueda de bicicleta, de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1, que tiene un motor configurado con un engranaje de pinon de motor para accionar un engranaje conico montado en la llanta rotativa para ayudar a la propulsion. La rueda consiste en una porcion mas exterior y una porcion mas interior. El elemento de llanta rotativa de la rueda de bicicleta es la porcion mas exterior que comprende un neumatico y un soporte externo. La porcion mas interior de la rueda de bicicleta comprende un eje de rueda ubicado centralmente dentro del neumatico y un motor fijado al soporte interno en el que el elemento rotativo del motor se acopla al soporte externo a traves de un mecanismo de accionamiento que comprende un engranaje de pinon y un engranaje conico. Un rodillo de soporte se interpone entre el soporte interno y el soporte externo y funciona contra al menos uno del soporte interno y el soporte externo. Esta configuracion va destinada a mejorar el manejo del vehfculo y el rendimiento reduciendo la masa de inercia de la rueda. Tambien se desvela un sistema de control para controlar el motor, e incluye un sensor de grado de carretera para determinar el cabeceo de la rueda, o un cabeceo de un manillar asociado con la rueda.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona un conjunto de rueda alimentado electricamente y autocontenido de acuerdo con la reivindicacion 1.
Las realizaciones descritas en el presente documento analizan el diseno de una rueda de bicicleta electrica y algoritmos usados para controlar la rueda de bicicleta electrica.
Otras realizaciones desvelan algoritmos y una combinacion de sensores dentro de una rueda electrica que controlan la energfa a una bicicleta electrica o hfbrida sin la necesidad de una entrada de usuario.
Las realizaciones adicionales descritas en el presente documento analizan una rueda de bicicleta electrica que tiene todos los componentes de hardware incorporados dentro de un conjunto de rueda delantera.
De acuerdo con la invencion, una rueda de bicicleta electrica emplea un acelerometro para controlar la energfa electrica de la bicicleta.
Otras realizaciones detallan una rueda que es un unico conjunto que puede usarse para modernizar bicicletas para crear una bicicleta hfbrida.
Otra realizacion proporciona un conjunto de rueda delantera electrica que contiene todo el hardware necesario para modernizar una bicicleta convencional para crear una bicicleta hfbrida sin ninguna herramienta para bicicletas
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convencionales que tienen un husillo de fileta de liberacion rapida.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 es una vista en perspectiva transversal de una realizacion para una rueda de bicicleta electrica;
la Figura 2 es un diagrama de bloques funcional para la determinacion de la tension de salida aplicada al motor de rueda;
la Figura 3 es un diagrama de flujo del funcionamiento para la rueda de bicicleta electrica mostrada en la Figura 1;
la Figura 4 es un diagrama de flujo para el calculo de la velocidad de la rueda de bicicleta electrica en la Figura 1;
la Figura 5 es un diagrama de flujo para el calculo del angulo de la rueda de bicicleta electrica mostrada en la Figura 1.
Descripcion detallada
La Figura 1 es una ilustracion de una realizacion para un conjunto 10 de rueda delantera de bicicleta que proporciona energfa usando unicamente elementos contenidos dentro del conjunto 10 de rueda. El conjunto 10 de rueda se alimenta mediante un motor 12 que se monta alrededor de un eje 8 central. El conjunto de rueda tiene un neumatico 4 y una cubierta 2. La cubierta 2 existe a ambos lados del conjunto 10 de rueda pero se retira del lado de vision para permitir que las porciones interiores del conjunto de rueda puedan verse.
El conjunto 10 de rueda rota alrededor de un eje 8. Un ejemplo de un motor que puede usarse para el conjunto 12 de motor dentro del conjunto 10 de rueda 10 es un motor de 24 voltios y 250 vatios fabricado por Jia-Yu.
En una realizacion, un mecanismo de control se suministra fuera del conjunto 10 de rueda para permitir que un usuario incremente la energfa suministrada mediante el conjunto 10 de rueda. El usuario usara el mecanismo de control para comandar la energfa hacia el motor 12.
En otra realizacion, no existe mecanismo de control de usuario y el conjunto de rueda esta provisto de suficiente inteligencia para funcionar sin entradas o control del usuario. El conjunto 10 de rueda electrica se disena con suficiente inteligencia de manera que no se necesita entrada del usuario. Por consiguiente, no se necesita un mecanismo de control de usuario, ni en el manillar ni en ningun otro lugar en la bicicleta. El sistema electronico dentro del conjunto 10 de rueda toma decisiones con respecto a la cantidad de energfa a suministrar al motor electrico.
En realizaciones que no necesitan entradas o control de usuario, se emplean algoritmos y combinaciones de sensores en el conjunto de 10 de rueda para controlar tensiones aplicadas al motor 12.
En otra realizacion, se emplea el conjunto 10 de rueda como una sustitucion de una rueda delantera de bicicleta convencional. El conjunto 10 de rueda es un diseno de rueda electrica inteligente que hace que la modernizacion en una bicicleta convencional con el conjunto 10 de rueda sea una tarea trivial. En esta realizacion, el conjunto 10 de rueda electrica inteligente contiene todo el hardware necesario para proporcionar la energfa para accionar una bicicleta. Incluidos dentro del conjunto 10 de rueda estan batenas, controladores, y cables incorporados en su interior. El conjunto de rueda se coloca en uso simplemente sustituyendo la rueda delantera en la bicicleta convencional por el conjunto 10 de rueda. La bicicleta convencional modernizada con el conjunto 10 de rueda se convierte entonces en una bicicleta hforida con energfa aplicada de una manera convencional y energfa electrica aplicada a traves del conjunto 10 de rueda.
En una realizacion, el conjunto 10 de rueda electrica puede incluir multiples tipos de sensores. Estos tipos de sensores pueden incluir acelerometros, codificadores en o asociados con el motor 12, que miden la posicion angular del motor 12 con respecto al suelo, y galgas extensiometricas en uno o mas radios 24.
La energfa para el motor 12 se proporciona mediante el conjunto 22 de batena. El conjunto 22 de batena es un conjunto que contiene conexiones para varias batenas. En una realizacion, el conjunto de batena puede rotar con el conjunto 10 de rueda. El conjunto 22 de batena ilustrado en la Figura 1 contiene batenas dispersadas circunferencialmente alrededor del eje 8 de manera que el conjunto 22 de batena puede rotar con el conjunto 10 de rueda. El controlador 6 recibe senales desde la tarjeta 16 de circuito principal con respecto a la cantidad de energfa que el motor 12 debena recibir desde el sistema 22 de batena. Una conexion de energfa CC (no se muestra) se proporciona para recargar el sistema 22 de batena.
Una realizacion para el conjunto 22 de batena emplea 20 batenas recargables de tamano D. Un ejemplo de batenas recargables que pueden usarse son batenas recargables de tamano D de NEXcell®. Debena apreciarse que numerosos tipos de batenas pueden usarse dentro del conjunto 22 de batena y pueden realizarse conjuntos de batena que contienen mas o menos de 20 batenas. Debena apreciarse que se conciben conjuntos adicionales para proporcionar energfa de batenas que no contienen batenas dispersadas circunferencialmente alrededor del eje 8 o
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que no rotan con el conjunto 10 de rueda.
El conjunto 10 de rueda ilustrado en la Figura 1 puede emplear diversos sensores. Un tipo de sensor que se emplea es un acelerometro 14 que proporciona datos de sensor indicativos del movimiento del conjunto de rueda. Un ejemplo de un acelerometro 14 satisfactorio es el Freescale KIT3376MMA7341L que proporciona una salida analogica de tres ejes. El acelerometro 14 se une a uno de los radios 24 y rota con el conjunto 10 de rueda 10. Los datos de sensor analogicos del acelerometro 14 se introducen en la tarjeta 16 de circuito principal. Los datos de sensor analogicos del acelerometro 14 pueden convertirse en datos de sensor digitales en la tarjeta 16 de circuito principal. Un ejemplo de una tarjeta de circuito disponible que puede proporcionar las funciones requeridas por la tarjeta 16 de circuito principal es la RABBIT BL4S200 o similar. En una realizacion que usa la RABBIT BL4S200, el procesador contenido en la misma puede realizar una Transformada Rapida de Fourier (FFT) de los datos de sensor digitales del acelerometro 14. Las realizaciones pueden hacer que el procesador realice operaciones matematicas en los datos de sensor digitales de acelerometro 14 en tiempo real. El procesador en una RABBIT BL4S200 es suficientemente rapido para realizar estas operaciones en tiempo real.
Otras realizaciones pueden implementar una Tabla de Consulta (LUT) con memoria contenida en la tarjeta 16 de circuito principal. La RABBIT BL4S200 contiene memoria flash que puede proporcionar funcionalidad LUT. Los datos de sensor del acelerometro 14 pueden convertirse de dominio de tiempo a dominio de frecuencia mediante una FFT y colocarse dentro de una LUT. La LUT puede leerse para proporcionar el angulo en el que el conjunto 10 de rueda existe actualmente.
Otro sensor que puede usarse dentro del conjunto 10 de rueda es un codificador 18 que funciona para proporcionar datos relativos a la velocidad lineal del conjunto 10 de rueda. El codificador 18 puede ser un codificador rotativo que tiene una parte que no rota con el conjunto 10 de rueda y otra parte que sf rota con el conjunto 10 de rueda. Para determinar la velocidad lineal del conjunto 10 de rueda rotativo, el movimiento de la parte que rota con el conjunto 10 de rueda se mide con respecto a la parte que no rota con el conjunto 10 de rueda. Un ejemplo de tal codificador es el Avago HEDS-9701.
El Avago HEDS-9701 contiene un diodo emisor de luz (LED) que tiene luz emitida y colimada en un haz paralelo mediante una lente de colimacion que se coloca en la trayectoria de la luz. En oposicion al LED se encuentra un conjunto de fotodetectores y asociado con la circuitena de procesamiento de senal que produce ondas digitales desde la luz recibida desde el LED. En una realizacion, el LED, la lente de colimacion, los fotodetectores y la circuitena de procesamiento de senal rotan con el conjunto 10 de rueda y el disco decodificador permanece en una relacion espacial fija con el eje 8.
El disco decodificador se coloca entre el LED y los fotodetectores. El disco decodificador no rota con el conjunto 10 de rueda. Por tanto, el movimiento relativo del disco decodificador con respecto al LED y los fotodetectores provoca que el haz de luz se interrumpa mediante el patron de espacios y barras en el disco decodificador. Los fotodiodos detectan estas interrupciones que estan dispuestas en un patron. Los fotodetectores se separan de manera que un periodo de luz en un par de fotodetectores se corresponde con un periodo oscuro en el par adyacente de fotodetectores. Las salidas desde los fotodiodos se introducen en comparadores dentro de la circuitena de procesamiento de senal que producen salidas finales para los canales A y B. Las salidas de los canales A y B son senales digitales que estan 90 grados fuera de fase, o mencionado de otra manera se dice que estan en cuadratura. El conteo del numero de fases del disco decodificador giratorio conduce a una determinacion de la velocidad del conjunto 10 de rueda. Estas senales para los canales A y B de salida se introducen en la tarjeta 16 de circuito principal. Las salidas desde los canales A y B pueden colocarse dentro de una LUT tal como se analizara en mas detalle a continuacion. Otras realizaciones pueden usar las salidas de los canales A y B directamente en calculos matematicos sin emplear una LUT en la tarjeta 16 de circuito principal o colocarlas en memoria en la tarjeta 16 de circuito principal y usarlas directamente.
El codificador rotativo descrito antes es un ejemplo de un tipo espedfico de codificador rotativo y sera de inmediato aparente para los expertos en la materia que podnan usarse otros codificadores rotativos. Adicionalmente, otros tipos de codificadores en lugar de codificadores rotativos pueden usarse para determinar la velocidad de una bicicleta que emplea el conjunto 10 de rueda.
En una realizacion, una configuracion de sensores emplea un codificador y un acelerometro.
El acelerometro 14 se coloca de manera que rota con el conjunto 10 de rueda para medir la intensidad de aceleracion. En esta realizacion, el valor de aceleracion se lee mediante el sistema electronico junto con la lectura del codificador 18. La lectura del codificador 18 puede inicializarse estableciendola artificialmente en cero cuando la rueda esta en una superficie plana. Una vez inicializada, el sistema electronico mantiene un seguimiento de la posicion del codificador y las lecturas del acelerometro. En una realizacion, la posicion del codificador 18 y las lecturas del acelerometro 14 se usan mediante el procesador en la tarjeta 16 de circuito principal para calcular la velocidad y la posicion, respectivamente. El angulo de fase del acelerometro puede calcularse para proporcionar una medicion de la pendiente.
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El sistema electronico tambien puede calcular el cambio de posicion del codificador 18 en unidades de tiempo, lo que es una medicion de la velocidad de la bicicleta. Estos dos valores, de pendiente y velocidad, pueden compararse en tiempo real mediante el procesador en la tarjeta 16 de circuito principal para proporcionar informacion para generar la tension correspondiente necesaria para el motor para compensar la pendiente y para compensar el arrastre debido a la velocidad.
Otras realizaciones que emplean tablas de consulta pueden recuperar datos previamente calculados y colocados en tablas de consulta, y comparar los valores contenidos en tablas de consulta durante el funcionamiento del conjunto 10 de rueda. Las comparaciones resultantes proporcionan informacion para generar la tension correspondiente necesaria por el motor para compensar la pendiente y para compensar el arrastre debido a la velocidad.
Tal como se ha mencionado antes, el algoritmo requiere que la pendiente se establezca inicialmente en cero. Por tanto, el usuario debe calibrar la unidad en una superficie plana. En este tipo de realizacion, la pendiente inicial se calcula cuando la bicicleta se inicia (y se asume que esta en un nivel de suelo), se almacena y se sustrae del angulo de fase calculado en revoluciones posteriores despues de la inicializacion. Como alternativa, un mecanismo de reinicio de inicializacion puede incorporarse al conjunto 10 de rueda permitiendo a un usuario indicar un punto de inicio. Al incorporar uno o mas sensores 28 de galga extensiometrica, esta etapa de inicializacion puede eliminarse.
En una realizacion, uno o mas sensores 28 de galga extensiometrica se ubican en radios 24. En una realizacion que usa sensores 28 de galga extensiometrica ubicados en cada radio 24, la salida desde los sensores 28 de galga extensiometrica alcanza un maximo una vez que el extremo del radio cerca del neumatico esta mas cerca del suelo, teniendo como resultado una maxima cantidad de tension en ese radio 24. La FFT resultante de las galgas extensiometricas junto con la FFT del acelerometro proporcionara la pendiente sin ninguna calibracion.
En realizaciones que usan un unico sensor 28 de galga extensiometrica, el sistema electronico asociado con el sensor 28 de galga extensiometrica puede calcular un centroide del valor de tension para identificar el angulo de colocacion del conjunto de rueda.
En una realizacion, un amplificador de puente de Wheatstone se asocia con cada sensor 28 de galga extensiometrica. En otras realizaciones, multiples sensores 28 de galga extensiometrica proporcionaran multiples valores de resistencia con un circuito de puente de Wheatstone.
La Figura 2 es una ilustracion de un diagrama de bloques funcional para una realizacion del conjunto 10 de rueda. La realizacion mostrada en la Figura 2 es un conjunto 10 de rueda que puede funcionar sin la necesidad de ningun control del usuario y por tanto no necesita interfaz de usuario. La realizacion en la Figura 2 con el conjunto de rueda proporciona el sistema electronico que permite que el usuario simplemente pedalee o frene. El conjunto 10 de rueda tiene multiples sensores que proporcionan suficiente inteligencia para leer la pendiente y la velocidad de la bicicleta.
Los sensores en la realizacion para el conjunto 10 de rueda ilustrados en la Figura 2 incluyen una o mas galgas 28 extensiometricas. Las galgas 28 extensiometricas proporcionan una inicializacion simple y eficaz para el conjunto 10 de rueda 10. Cada galga 28 extensiometrica puede tener un circuito amplificador de puente de Wheatstone (completo, medio o un cuarto) asociado con la misma para proporcionar una indicacion de que el valor de resistencia de la galga extensiometrica ha cambiado. Un amplificador 25 de galga extensiometrica puede usarse para proporcionar excitacion para un circuito amplificador de puente de Wheatstone y para amplificar la lectura de la galga extensiometrica.
Para realizaciones que usan multiples galgas extensiometricas en radios del conjunto 10 de rueda, la fuerza ejercida por el suelo creara una lectura maxima para la galga 28 extensiometrica en el radio 24 mas cerca del suelo. Estas realizaciones pueden colocar una galga 28 extensiometrica en cada radio 28 para crear inteligencia que permitira que el procesador 23 en la tarjeta de circuito principal conozca la posicion del conjunto de rueda.
Una realizacion incluye la medicion del angulo de pendiente con respecto a la gravedad usando una unica galga 28 extensiometrica. La galga 28 extensiometrica puede configurarse para medir tension en multiples direcciones. El centroide de la tension puede usarse entonces para ubicar la posicion del conjunto 10 de rueda. Las realizaciones que emplean una unica galga 28 extensiometrica pueden usarse para determinar un centroide de niveles de tension y de una manera que informa al procesador 23 en la tarjeta de circuito principal de la posicion del conjunto 10 de rueda.
Un conversor 19 de analogico a digital (A/D) convierte los datos de galga extensiometrica a formato digital donde se colocan en un bus A. Los datos de galga extensiometrica pueden usarse entonces mediante el procesador 23.
El codificador 18 proporciona senales de cuadratura indicativas del movimiento del conjunto 10 de rueda alrededor del eje 8. Las senales del codificador 18 pueden, en una realizacion, ser senales digitales. Por tanto, la conversion de analogico a digital no es necesaria. Estas senales de cuadratura se colocan en el bus A y se usan mediante el procesador 23 para calcular la velocidad lineal a la que se mueve el conjunto 10 de rueda.
En otra realizacion, las senales de cuadratura pueden colocarse en memoria en la tarjeta 16 de circuito principal y
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leerse mediante el procesador para calcular la velocidad. Una Tabla 27a de consulta (LUT) por medio de un bus A tambien podna usarse para este fin.
El acelerometro 14 mide fuerzas ejercidas a traves del movimiento del conjunto 10 de rueda as^ como fuerzas debido a la gravedad. El acelerometro 14 producira salidas de tension en respuesta a la fuerza ejercida en el acelerometro 14. Estas salidas de tension son los datos recibidos y convertidos a formato digital mediante el A/D 26. La version digitalizada de los datos de acelerometro esta entonces disponible en el Bus A donde se colocan en una agrupacion 21. Los datos desde la agrupacion 18 pueden leerse periodicamente mediante el procesador 23 y puede realizarse una Transformada Rapida de Fourier usando la FFT 20.
En otra realizacion, la Transformada Rapida de Fourier de los datos del acelerometro 14 se coloca en la Tabla 27b de consulta (LUT) mediante el bus A. Los datos ubicados en la LUT 27b pueden usarse mediante el procesador.
La agrupacion 21 y la FFT 20 pueden ubicarse en memoria en la tarjeta 16 de circuito principal. La agrupacion 21 es una asignacion de memoria para fines de almacenamiento. En lugar de la agrupacion 21 que se usa como una estructura de datos, otra estructura de datos, tal como una lista vinculada, podna usarse tambien. La FFT 20 es un programa que puede residir dentro de memoria en la tarjeta 16 de circuito principal.
En realizaciones que emplean la LUT 27a, 27b, estas pueden ubicarse en memoria flash en la tarjeta 16 de circuito principal.
La Transformada Rapida de Fourier de los datos del acelerometro representa la pendiente. Durante la inicializacion, la sustraccion del angulo de fase para las galgas extensiometricas desde el angulo de fase del acelerometro (por ejemplo 9a- 9s) proporciona el angulo inclinado en el que sale el conjunto 10 de rueda.
En una realizacion, el sistema electronico puede emplear tablas de consulta (LUT). Estas tablas 27a, 27b de consulta pueden contener datos de acelerometro como una funcion del angulo de pendiente y datos de las galgas extensiometricas.
En una realizacion, el ordenador lee las dos LUT 27a, 27b dependiendo de los valores de los sensores y combina los valores de las LUT 27a, 27b para producir un valor para la tension de salida que debe enviarse desde el conjunto 22 de batena al motor 12. De esta manera, el procesador en la tarjeta 16 de circuito principal puede compensar la pendiente y la fuerza de arrastre debido a que la velocidad de la bicicleta hace que la bicicleta sea mas facil y mas divertida de conducir.
Otras realizaciones pueden realizar calculos directamente desde el sensor y no necesitan el uso de tablas de consulta.
La Figura 3 es un diagrama de flujo que muestra el funcionamiento basico del calculo de pendiente, velocidad y angulo de fase. La rutina se introduce una vez que se esta usando el conjunto 10 de rueda. El sistema para el conjunto de rueda va a traves de una inicializacion 32 en la que los recursos del sistema se adquieren segun sea necesario y las diversas partes se inicializan. La Velocidad Detectada 33 espera el movimiento suficiente en el conjunto de rueda antes de leer cualquier dato del sensor. De esta manera, existen 0 voltios aplicados al motor 12 mientras que la bicicleta esta en una posicion de parada. Una vez que la velocidad se detecta, se adoptan ramificaciones paralelas. Recoger Datos de Velocidad 34 es similar al diagrama de flujo en la Figura 4 y Recoger Datos de Acelerometro es similar al diagrama de flujo en la Figura 5, y pueden realizarse en paralelo.
La velocidad lineal del conjunto 10 de rueda se determina mediante Calcular Datos de Velocidad 34. El angulo de fase para los datos de acelerometro se determina mediante Realizar FFT 36. La Fase Calcular Pendiente Sustrayendo Angulo de Fase de Velocidad del Angulo de Fase de Acelerometro 38 proporciona el angulo de inclinacion para ayudar a determinar la tension de salida que debena suministrarse desde el conjunto 22 de batena al motor 12 mediante el controlador 6.
La rutina de la Figura 3 vuelve entonces al estado de postinicializacion y comienza de nuevo la rutina.
En una realizacion, un Calculo de Angulo puede determinarse para proporcionar la tension de salida deseada desde el conjunto 22 de batena al motor 12 en cualquier punto determinado en el tiempo mientras la bicicleta se conduce. La tension de salida debena ser mayor si la bicicleta esta subiendo una colina, y menor si esta viajando en un terreno plano o descendiendo una colina.
Adicionalmente, la tension de salida debena ser mayor si la bicicleta viaja a mayores velocidades por dos motivos: (1) para superar fuerzas de arrastre mecanicas que aumentan con la velocidad; (2) para superar la fuerza contraelectromotriz que se genera mediante el motor a medida que gira mas deprisa.
La tension de salida deseada puede derivarse del calculo de la Ecuacion 1.
Ecuacion 1: tension de salida = [(ANGULO* C1) + (VELOCIDAD* C2)] + C3
En la que, ANGULO es el angulo de la superficie en la que corre la bicicleta, VELOCIDAD es la velocidad lineal de la
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bicicleta, C1 es la ganancia aplicada al angulo, C2 es la ganancia aplicada a la velocidad y C3 es un desplazamiento aplicada a todo el calculo.
En una realizacion, C1, la ganancia aplicada al angulo, es 37, representandose el angulo en radianes. C2, la ganancia aplicada a la velocidad, es 0,42, con la velocidad medida en m/s. C3, el desplazamiento aplicada a todo el calculo, es 0,75 voltios. Debena apreciarse que las realizaciones variables pueden emplear diferentes ganancias C1, C2 y desplazamiento C3 y que lo anterior es solo un ejemplo de una de varias realizaciones posibles.
En una realizacion, ANGULO se actualiza una vez por revolucion de la rueda. La actualizacion de ANGULO puede realizarse mas o menos frecuentemente de acuerdo con diferentes realizaciones.
En otra realizacion, VELOCIDAD se actualiza N veces por revolucion de la rueda. La actualizacion de VELOCIDAD puede realizarse mas o menos frecuentemente de acuerdo con diferentes realizaciones. En una realizacion, el valor de N es 90. La frecuencia a la que se actualiza VELOCIDAD puede variar en gran medida de acuerdo con realizaciones variables.
En una realizacion, cada vez que se actualiza VELOCIDAD, los datos del acelerometro 14 pueden actualizarse y almacenarse en una agrupacion dentro de la memoria en la tarjeta 16 principal. En cada revolucion del conjunto l0 de rueda, los datos del acelerometro en la agrupacion pueden leerse y usarse para calcular el desplazamiento de fase del acelerometro.
Los calculos pueden lograrse usando el procesador 23 en la tarjeta 16 de circuito principal.
Fuentes de datos:
Los datos para el calculo de VELOCIDAD y ANGULO pueden obtenerse desde dos fuentes: (1) el acelerometro 14; y (2) el codificador 18 rotativo digital de dos canales que tiene una parte que permanece estacionaria en relacion con un eje 8, y otra parte que rota con el conjunto 10 de rueda.
Calculo de VELOCIDAD:
La Figura 4 es un diagrama de flujo para una realizacion que calcula la velocidad del conjunto 10 de rueda. Establecer i=0 41 inicializa una variable de indexacion. Interrupcion recibida 43 espera a una interrupcion en el procesador a bordo de la tarjeta 16 de circuito principal. El codificador 18 genera pulsos de cuadratura a medida que el conjunto 10 de rueda rota que se usan para interrumpir el procesador a bordo de la tarjeta 16 de circuito principal. El codificador 18 genera pulsos de cuadratura N veces por revolucion del conjunto 10 de rueda. Por tanto, el procesador a bordo de la tarjeta 16 de circuito principal se interrumpe N veces por revolucion mediante pulsos desde el codificador 18, activando cada interrupcion una rutina de servicio de interrupcion (ISR). En una realizacion, N es 90; sin embargo, este numero puede variar en gran medida de acuerdo con realizaciones variables.
Cada vez que se activa ISR, LEER TEMPORIZADOR 43 lee el valor de un temporizador en la tarjeta 16 de circuito principal. CALCULAR TIEMPO DESDE ULTIMA INTERRUPCION 45 almacena el valor del temporizador que es el tiempo desde la ultima interrupcion. La distancia calculada desde la ultima interrupcion es un valor conocido que permanece constante entre pulsos de codificador. Usando la lectura del temporizador y la distancia conocida VELOCIDAD=(DISTANCIA RECORRIDA)/LECTURA DE TEMPORIZADOR 47 se realiza la relacion mostrada en la Ecuacion 2:
Ecuacion 2: VELOCIDAD=distancia recorrida entre pulsos de codificador/conteos de temporizador
Cada vez que el codificador 18 proporciona pulsos que interrumpen el proceso en la tarjeta 16 de circuito principal, se conoce la cantidad de tiempo desde el ultimo pulso del codificador 18 (desde la ultima interrupcion). En una realizacion, el temporizador puede tener una resolucion de 100 000 conteos por segundo. Otras realizaciones tendran resoluciones de temporizador diferentes, ya sean mas conteos por segundo o menos conteos por segundo. Esta implfcito en cada pulso de codificador que una distancia determinada se ha cubierto entre cada pulso. La distancia es una constante, que hace que el calculo de VELOCIDAD sea una tarea simple.
Una vez que VELOCIDAD se calcula, REINICIAR TEMPORIZADOR 48 reinicia el temporizador a 0. Establecer i=i+1 incrementa la variable de indexacion i que se cuenta hasta el valor de N. Una vez que i=N, i<N 42 sale de la rutina de la Figura 4 porque una revolucion completa del conjunto 16 de rueda se ha completado y la VELOCIDAD del conjunto 10 de rueda se ha calculado.
La parte dependiente de VELOCIDAD de la tension de salida se actualiza de esta manera.
En una realizacion, la Figura 4 no sale sino que vuelve otra vez al punto de entrada A y comienza calculos de velocidad para la siguiente revolucion del conjunto 10 de rueda.
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Calculo de ANGULO:
En una realizacion, el calculo de ANGULO se deriva de multiples fuentes de datos. Estas fuentes de datos pueden ser un codificador rotativo y/o un acelerometro.
En una realizacion, el calculo de ANGULO se actualiza una vez por revolucion de la rueda. Por consiguiente, en tal realizacion, la adquisicion de datos y los calculos descritos a continuacion en referencia a la Figura 5 trabajaran en paralelo con la adquisicion de datos y calculos descritos antes en referencia a la Figura 4.
En una realizacion, el calculo de ANGULO se logra en dos partes:
En la Parte I del calculo de ANGULO, el acelerometro 14 rota con el conjunto 10 de rueda. Por tanto, si la bicicleta rueda a una velocidad constante en una superficie lisa, la gravedad provoca que la salida del acelerometro 14 sea una onda sinusoidal. Las conversiones de analogico a digital (A/D) se realizan en la senal desde el acelerometro N veces por revolucion. Estos valores se almacenan en la memoria en la tarjeta 16 de circuito principal como una agrupacion o lista vinculada. Al completar una revolucion, los datos desde el acelerometro 14 se almacenan en la memoria y se usan para calcular el desplazamiento de fase de la senal.
En referencia a la Figura 5, la rutina de calculo de angulo realizada mediante el procesador en la tarjeta 16 de circuito principal tiene un punto de entrada B. Tal como se ha analizado antes en referencia a la Figura 4, ESTABLECER i = 0 inicializa una variable de indexacion que se usa para indexar la lectura de los datos de sensor. LEER DATOS DE ACELEROMETRO DIGITALIZADOS 53 adquiere los datos de sensor desde el acelerometro 14. ALMACENAR DATOS DE ACELEROMETRO EN AGRUPACiOn 54 coloca los datos de sensor adquiridos desde el acelerometro 14 en memoria en la tarjeta 16 de circuito principal de manera que puede accederse a ellos como una agrupacion. Debena apreciarse que una lista vinculada de cada iteracion de los datos del acelerometro almacenados y lefdos puede crearse en lugar de una agrupacion. Adicionalmente, cualquier estructura de datos que permita el acceso a las iteraciones de datos de acelerometro almacenados en la memoria puede usarse. Establecer i=i+1 55 incrementa la variable de indexacion i. El bloque de decision i<n 56 comprueba el valor de la variable de indexacion i. La rutina en la Figura 5 dividira el bucle de vuelta a LEER DATOS DE ACELEROMETRO DIGITALIZADOS 53 del SENSOR hasta que la variable de indexacion i se vuelve igual a N.
En una realizacion, el bucle antes descrito se realiza en paralelo con el calculo de velocidad descrito en referencia a la Figura 4. Cada vez que un pulso desde el codificador 18 interrumpe el procesador en la tarjeta 16 de circuito principal, los datos del acelerometro 14 se adquieren y almacenan en una agrupacion. Esto continua durante toda una revolucion del conjunto 10 de rueda y luego comienza de nuevo. Al completar una revolucion, los datos desde el acelerometro 14 se almacenan en la memoria y se usan para calcular el desplazamiento de fase de la senal. Al completar una revolucion, los datos del acelerometro 14 que se han almacenado en la memoria se usan para calcular el desplazamiento de fase de la senal.
En una realizacion, se usa una implementacion MatLab para el calculo de el desplazamiento de fase de la senal de los datos del acelerometro almacenados. Esta implementacion MatLab se muestra a continuacion.
Implementacion Matlab del calculo de angulo
Funcion [angl, ang2]=angulo_calc(y1,N)
% dada una senal de entrada, y1 devolvera el desplazamiento de fase de la senal % asumiendo que y1 esta principalmente 1 Hz sobre N muestras.
% y1 es senal de pendulo = A1*cos(2*pi*x+ang1);
%N=90;
x=(0:N-1)/N;
base_pendulo_cos(x) = cos(2*pi*x); base_pendulo_sen(x) = sen(2*pi*x); a1=0; b1=0;
para i = 1:N,
al = al + y1(i)*base_pendulo_cos(i); b1 =b1 + y1(i)*base_pendulo_sen(i);
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fin
a1 = a1/N; b1 = b1/N; a2 = a2/N; b2 = b2/N;
A1 = 2*sqrt(a1A2+b1A2); angl = atan2(-b1, a1).
En otra realizacion, el calculo realizado en la implementacion MatLab anterior se realiza mediante una Transformada Rapida de Fourier (FFT). La FFT puede escribirse en una version de C++, u otro alto nivel de programacion para realizar las mismas computaciones matematicas realizadas mediante la anterior implementacion MatLab.
En la Parte 2 del calculo de ANGULO, el acelerometro 14 se emplea para detectar todas las fuerzas de aceleracion, no solo la gravedad. La aceleracion lineal de la bicicleta tambien forma un componente de la aceleracion total que mide el acelerometro. En esta aplicacion, la porcion del angulo que se debe a la aceleracion lineal de la bicicleta no es un componente deseado. Para compensar esto, la aceleracion lineal promedia lineal se calcula a partir de los datos de velocidad de acuerdo con la relacion de la Ecuacion 3.
En referencia a la Figura 5, CALCULAR DESPLAZAMIENTO DE FASE PARA ACELEROMETRO 57 SE REALIZA AL FINAL DE UNA REVOLUCION usando una FFT, la implementacion MetLab u otra solucion de programacion.
CALCULAR ANGULO DEBIDO a ACELERACION LINEAL 58 realiza los calculos descritos a continuacion. Primero se realiza un calculo lineal promedio de acuerdo con la ecuacion 3:
Ecuacion 3: aceleracion lineal promedia = [(velocidad al final de la revolucion) - (velocidad al inicio de la revolucion)]/(tiempo que tarda en ocurrir la revolucion)
El resultado de la Ecuacion 3 se multiplica por una constante para colocarlo en unidades gravitacionales (G) de 9,81 m/s2
La porcion del angulo debido a la aceleracion lineal se calcula entonces de acuerdo con la relacion de la Ecuacion 4:
Ecuacion 4: angulo_aparente = atan(aceleracion lineal promedia)
SUSTRAER Angulo DESDE DESPLAZAMIENTO DE FASE 59 sustrae El Angulo_aparente del angulo calculado en la Parte 1, teniendo como resultado el angulo que se usa para calcular la tension de salida.
En una realizacion, si el angulo final calculado esta fuera del intervalo de +/- 7 grados, se mantiene en +/- 7 grados usando logica implementada dentro del sistema de software que realiza lo siguiente:
Si (angulo > 7 grados)
{
Angulo = 7 grados }
Si (angulo < -7 grados)
{
Angulo = - 7 grados }
Calculos adicionales:
Para reducir el efecto de fuentes de ruido, se usa un promedio de ejecucion para el calculo de angulo tal como se muestra mediante la siguiente relacion de la Ecuacion 4:
Ecuacion 4: angulo aplicado para esta revolucion = promedio de los angulos calculados para las revoluciones n anteriores (El valor optimo de N todavia se esta determinando. Pero en este momento, n = 4)
Una interpolacion lineal se realiza entre el angulo previo y el angulo actual, teniendo como resultado que una revolucion completa cambie entre los dos angulos. Esto asegura que no existan cambios abruptos en la tension en los lfmites de la rotacion de la rueda.
Un ejemplo de la interpolacion:
Se asume que el nuevo angulo se ha calculado como se ha descrito antes, y el angulo anterior tambien se conoce.
Se asumen los siguientes valores:
angulo (rev n-1) = 1 grado angulo (rev n) = 2 grados
Se asume que cada revolucion se separa en 90 etapas.
5 En cada etapa, 1/90 de la diferencia en angulo se aplica a la rueda. En el ejemplo, la diferencia en angulo son 2 grados -1 grado = 1 grado.
1/90 de 1 grado = 0,0111
Tabla 1
numero de interrupcion angulo aplicado
1
1
2
1,0111
3
1,0222
4
1,0333
87
1,9667
88
1,9778
89
1,9889
90
2,000
10 Tal como se muestra en la Tabla 1, una revolucion completa de la rueda se uso para aplicar el cambio de angulo, evitando cambios abruptos en la tension al motor.
Lo anterior describe una realizacion de la invencion con motivos ilustrativos. Estas realizaciones no debenan verse como limitadas y la amplitud de la invencion debena medirse mediante las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

  1. 5
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    30
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    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Un conjunto (10) de rueda alimentado electricamente con una llanta, eje central, y radios, que comprende:
    un motor (12);
    un sistema (22) de batena dentro de dicho conjunto (10) de rueda que se configura para suministrar energfa a dicho motor (12);
    un sistema de sensor unido a dicho conjunto (10) de rueda que proporciona datos analogicos relacionados con la velocidad y el angulo de orientacion de dicho conjunto (10) de rueda; y
    un sistema (6) de control dentro de dicho conjunto (10) de rueda configurado para recibir los datos relacionados con la velocidad y el angulo de orientacion para dicho conjunto de rueda desde dicho sistema de sensor, teniendo dicho sistema (6) de control al menos un procesador (23) con un algoritmo configurado para calcular una tension de salida basada en los datos relacionados con la velocidad y el angulo de orientacion, generando dicho sistema (6) de control una salida y proporcionandola al sistema (22) de batena para alterar una energfa suministrada a dicho motor (12) mediante el sistema (22) de batena para mantener suficiente movimiento en vista de al menos uno de dicha velocidad y dicho angulo de orientacion, caracterizado porque:
    el motor (12) se une al eje (8) dentro de dicho conjunto (10) de rueda y se monta alrededor del eje para accionar el conjunto (10) de rueda, y
    el sistema de sensor comprende un acelerometro (14) dispuesto para rotar con el conjunto de rueda.
  2. 2. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 1 en el que dicha salida de dicho sistema (6) de control controla dicha cantidad de energfa suministrada a dicho motor (12) sin ninguna entrada del usuario.
  3. 3. El conjunto de rueda de la reivindicacion 1 en el que dicho sistema de sensor comprende ademas un codificador rotativo para proporcionar datos relacionados con velocidad.
  4. 4. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 1, en el que:
    el motor (12) se une al eje (8) dentro de dicho conjunto (10) de rueda, de manera que dicho motor (12) alimenta dicho conjunto (10) de rueda para rotar alrededor de dicho eje (8) despues de que dicho motor (12) reciba una cantidad predeterminada de energfa; y dicho sistema (22) de batena esta dispuesto para rotar con dicho conjunto (10) de rueda.
  5. 5. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 4 en el que dicha salida de dicho sistema (6) de control controla dicha cantidad de energfa suministrada desde dicho sistema (22) de batena a dicho motor (12) en respuesta a entradas desde dicho sistema de sensor.
  6. 6. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 1 o 5 en el que dicho sistema (6) de control comprende ademas:
    al menos un conversor (19, 26) de analogico a digital que recibe datos que son analogicos y relacionados con dicha velocidad y angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda desde dicho sistema de sensor y convierte los datos analogicos en datos digitales; recibiendo algoritmo dichos datos digitales y comprendiendo:
    una primera funcion para determinar el angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda; una segunda funcion para determinar la velocidad de dicho conjunto (10) de rueda;
    una determinacion de la tension de salida aplicada a dicho motor (12) por medio de dicha salida a dicho sistema (22) de batena, realizada dicha determinacion de acuerdo con:
    TENSION DE SALIDA = ANGULO* C1 + VELOCIDAD* C2 + C3
    en la que, ANGULO es el angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda; VELOCIDAD es la velocidad de dicho conjunto de rueda; C1 es la ganancia aplicada al ANGULO, C2 es la ganancia aplicada a VELOCIDAD y C3 es un desplazamiento de tension, y
    un dispositivo (6) de control asociado con dicho sistema (22) de batena, recibiendo dicho dispositivo (6) de control dicha determinacion y aplicando dicha determinacion de TENSION DE SALIDA a dicho sistema (22) de batena.
  7. 7. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 6 en el que dicho sistema (6) de control comprende ademas una Transformada (20) Rapida de Fourier (FFT) de datos digitales relacionados con velocidad y angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda, almacenandose dicha FFT (20) de datos digitales relacionados con velocidad y angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda en un par de Tablas (27a, 27b) de Consulta (LUT) y la determinacion de la tension de salida se realiza sustrayendo la FFT almacenada relacionada con velocidad desde la FFT almacenada relacionada con el angulo de orientacion para dicho conjunto de rueda.
  8. 8. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 7 en el que la FFT almacenada relacionada con velocidad y la FFT almacenada relacionada con el angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda seleccionadas en la determinacion de TENSION DE SALIDA se realizan mediante los datos de sensor.
  9. 9. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 8 en el que dicha primera funcion para determinar el angulo de 5 orientacion para dicho conjunto (10) de rueda y dicha segunda funcion para determinar la velocidad de dicho
    conjunto (10) de rueda se realizan en paralelo.
  10. 10. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 9 en el que dicha primera funcion para determinar el angulo de orientacion para dicho conjunto (10) de rueda se realiza en cada revolucion de dicho conjunto (10) de rueda.
  11. 11. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 10 en el que dicho sistema de sensor comprende ademas un 10 codificador (18) rotativo para proporcionar datos relacionados con velocidad que interrumpe un procesador (23) de
    sistema para actualizar los datos de velocidad.
  12. 12. El conjunto (10) de rueda de la reivindicacion 1, que comprende ademas un sensor (28) extensiometrico que proporciona una determinacion inicial de orientacion de dicho conjunto (10) de rueda.
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