專利名稱：一種騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，具體地說(shuō)是ー種騎自行車時(shí)所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
越來(lái)越多的人將自行車作為戶外健身設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)更專業(yè)化的健身效果，需要計(jì)算騎自行車過(guò)程中人體所消耗的卡路里情況。但市場(chǎng)上相關(guān)的電子設(shè)備大多是基于行駛路程或者基于檢測(cè)人體各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)計(jì)算騎自行車消耗卡路里量?；谛旭偮烦虂?lái)計(jì)算騎自行車消耗卡路里量的電子設(shè)備，在計(jì)算過(guò)程中采用的是估算的方式，即粗略的將消耗的卡路里和行駛的距離依據(jù)線性關(guān)系對(duì)等起來(lái)。這樣的計(jì)算方法忽略了人的體重的差異所帶來(lái)的影響、行駛路面不同所帯來(lái)的影響以及不同環(huán)境下風(fēng)的阻力所帶來(lái)的影響，也忽略了自行車本身的舊損所帶來(lái)的影響，計(jì)算起來(lái)較為簡(jiǎn)單隨意，無(wú)法滿足精確計(jì)算的要求?；跈z測(cè)人體各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)計(jì)算騎自行車消耗卡路里量的電子設(shè)備，需要將檢測(cè)裝置穿在身上或者戴在手上，使運(yùn)動(dòng)者有不舒服的感覺(jué)，影響健身效果和個(gè)人運(yùn)動(dòng)情緒。而且有些設(shè)備對(duì)人體會(huì)造成一定的福射傷害，不利于舒適健康的戶外健身。目前市場(chǎng)上的自行車電子輔助設(shè)備幾乎全都需要外接電源，不夠經(jīng)濟(jì)節(jié)能，不利于能源環(huán)保。在計(jì)算自行車速度時(shí)，市場(chǎng)上大多數(shù)自行車電子輔助設(shè)備采用光電或者電磁感應(yīng)的原理，自行車每行駛一周只能產(chǎn)生ー個(gè)脈沖，通過(guò)計(jì)算単位脈沖數(shù)和輪子的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算自行車的行駛速度，這樣的計(jì)算方法精度被不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，利用摩擦發(fā)電機(jī)來(lái)計(jì)算自行車的行駛速度，并結(jié)合相應(yīng)的傳感器獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明ー種騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成包括摩擦發(fā)電機(jī)、電源處理模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊；所述摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)安裝在自行車上與自行車車輪進(jìn)行摩擦，輸出頻率為f的正弦交流電源；所述電源處理模塊的組成包括整流橋電路、7. 2V穩(wěn)壓電路、蓄電池和5V穩(wěn)壓電路；所述整流橋電路將所述輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源；所述7. 2V穩(wěn)壓電路將所述直流電源轉(zhuǎn)換成7. 2V直流電源，并存儲(chǔ)到所述蓄電池中；所述5V穩(wěn)壓電路從所述蓄電池中獲取7. 2V直流電源轉(zhuǎn)換成5V直流電源，供給所述動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)作為工作電源；
所述信號(hào)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集自行車行駛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息；所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息包括自行車的行駛速度vt，行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強(qiáng)Pt，以及自行車行駛的路面與水平面的夾角妒所述自行車的行駛速度Vt按如下方式獲得所述信號(hào)采集模塊中使用光耦將所述摩擦發(fā)電機(jī)輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為頻率為f的脈沖信號(hào)，并提供給所述信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊的微處理器按照式(I)計(jì)算行駛速度Vt:
Vt=c Xf/I(I)式(I)中，c為所述摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦輪周長(zhǎng)；1為所述摩擦發(fā)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的正弦交流電源的正弦波的個(gè)數(shù)；所述行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強(qiáng)Pt是利用氣體壓カ傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得;所述自行車行駛的路面與水平面的夾角爐/是利用三軸陀螺儀傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得;所述信號(hào)處理模塊是以微處理器為核心用于接收所述信號(hào)采集模塊所采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)所述人機(jī)交互模塊的模式切換分別運(yùn)行在計(jì)算卡路里消耗運(yùn)行模式下或參數(shù)標(biāo)定運(yùn)行模式下；所述計(jì)算卡路里消耗運(yùn)行模式是利用所述信號(hào)采集模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，按照式(2)計(jì)算卡路里的消耗量Wk=ffp+ffg+ffd+fff(2)式(2)中，Wk為卡路里的消耗量;Wp為克服風(fēng)阻所做的功；Wg為克服重力所做的功；Wd為改變動(dòng)能所做的功；wf為假設(shè)自行車在水平面上行駛時(shí)，車速保持固定且在沒(méi)有風(fēng)阻的情況下騎自行車克服自行車阻力所做的功；所述克服風(fēng)阻所做的功Wp按照式(3)計(jì)算獲得Wn - Sx Γ Pt X V.dt⑶所述克服重力所做的功Wg按照式(4)計(jì)算獲得
￥σ ニ Mx g X P sin φ, x, 4)所述改變動(dòng)能所做的功Wd按照式(5)計(jì)算獲得w, = 0.5x Aixgx(Fl-Fl))所述克服自行車阻力所做的功Wf，按照式(6)計(jì)算獲得Wr = ψx [ Vxit(6)式(3)、式(4)、式(5)以及式(6)中，tQ為騎自行車卡路里消耗的初始時(shí)刻，、為騎自行車卡路里消耗的結(jié)束時(shí)刻く是b時(shí)刻自行車的行駛速度，く是tn時(shí)刻自行車的行駛速度，g是重力加速度”為自行車和騎車人的總重量、S為自行車和騎車人在騎行中所受風(fēng)阻的受カ面積，Ψ為自行車阻カ參數(shù)；所述微處理器按照式(7)計(jì)算在h到ti+1単位時(shí)間段At內(nèi)的卡路里消耗量
tn — Z0
Wki (i=0, I,... η) ;11為整數(shù)，取值為ガ=-其中ti為騎車過(guò)程中某ー時(shí)刻的時(shí)間
Δ/ ;
點(diǎn)，ti+1表示h時(shí)間點(diǎn)后的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；Wki=ffpi+ffgi+ffdi+fffi(7)式(7)中，Wpi為在h到ti+1単位時(shí)間段At內(nèi)克服風(fēng)阻所做的功；Wgi為在h到 ti+1単位時(shí)間段At內(nèi)克服重力所做的功；Wdi為在h到ti+1単位時(shí)間段At內(nèi)改變動(dòng)能所做的功；Wfk為在h到ti+1単位時(shí)間段At內(nèi)騎自行車克服自行車阻力所做的功；假設(shè)
_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)所述參數(shù)標(biāo)定運(yùn)行模式是利用所述信號(hào)采集模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，按照如下方式獲得自行車和騎車人的總重量M、騎行中所受風(fēng)阻的受カ面積S以及自行車阻カ參數(shù)Ψ ;騎自行車過(guò)程中，騎車人停止向自行車做功，則卡路里消耗量Wkj=O (j=0, 1，…，m)，!!!取值為大于等于3的整數(shù)；利用式(12)每隔一段時(shí)間At，得出ー個(gè)關(guān)于卡路里消耗量的等式，由此獲得如下方程組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利用所述方程組，采用最小二乗法分別計(jì)算獲得所述自行車和騎車人的總重量Μ、騎行中所受風(fēng)阻的受カ面積S和自行車阻カ參數(shù)Ψ ；所述人機(jī)交互模塊用于顯示所述信號(hào)處理模塊的運(yùn)行模式及所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行所述模式切換的操作。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明通過(guò)參數(shù)標(biāo)定方法能根據(jù)運(yùn)動(dòng)環(huán)境的不同而實(shí)時(shí)檢測(cè)到不同行車參數(shù)的變化，井根據(jù)運(yùn)動(dòng)者本身的體能消耗情況和運(yùn)動(dòng)速度的變化情況，實(shí)時(shí)計(jì)算出卡路里消耗量大小，從而保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。2、本發(fā)明利用摩擦發(fā)電機(jī)檢測(cè)到的脈沖信號(hào)計(jì)算自行車的行駛速度Vt，克服了直接檢測(cè)行車車輪的脈沖信號(hào)，消除了不同自行車車輪大小的影響因素，使得測(cè)量結(jié)果更加精確合理。
3、本發(fā)明采用摩擦發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供能源供給，將騎車消耗的機(jī)械能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，真正做到了能源的有效循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。


圖I為本發(fā)明動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明電源處理模塊原理框圖；圖3為本發(fā)明的信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊原理框圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本實(shí)施例中騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括摩擦發(fā)電機(jī)、電源處理模塊、信號(hào)米集模塊、信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊；摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)安裝在自行車上與自行車車輪進(jìn)行摩擦，輸出頻率為f的正弦交流電源；具體實(shí)施中，采用的是12V/6W的摩擦發(fā)電機(jī)，摩擦發(fā)電機(jī)自身體積小，質(zhì)量輕，安裝方便，可以安裝在自行車前輪或者后輪的軸上，緊貼自行車輪。如圖2所示，電源處理模塊的組成包括整流橋電路、7. 2V穩(wěn)壓電路、蓄電池和5V穩(wěn)壓電路。整流橋電路將輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源；7. 2V穩(wěn)壓電路將直流電源轉(zhuǎn)換成7. 2V直流電源，并存儲(chǔ)到蓄電池中；5V穩(wěn)壓電路從蓄電池中獲取7. 2V直流電源轉(zhuǎn)換成5V直流電源，供給系統(tǒng)作為工作電源。由于摩擦發(fā)電機(jī)輸出的正弦交流電源的幅值和頻率f都隨著自行車行駛的速度變化而不同，因此本系統(tǒng)通過(guò)電源處理模塊將正弦交流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的可以供給系統(tǒng)使用的5V直流電源，同時(shí)也可以從輸出頻率為f的正弦交流電源中檢測(cè)出自行車的行駛速度
Vto具體實(shí)施中，整流橋采用的型號(hào)為RS5071 A95，具有5A的輸出能力，需要配備ー個(gè)470uF/100V的耦合電容；7. 2V穩(wěn)壓電路使用的穩(wěn)壓芯片是LM2576H-ADJ，具有高轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，常用在降壓穩(wěn)壓電路中；蓄電池使用的是6V/1200mA的蓄電池，5V穩(wěn)壓電路中使用的芯片是78M05，此芯片的穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)単。如圖3所示，信號(hào)采集模塊是用于實(shí)時(shí)采集自行車行駛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息包括自行車的行駛速度vt，行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強(qiáng)Pt，以及自行車行駛的路面與水平面的夾角爐/自行車的行駛速度Vt按如下方式獲得信號(hào)采集模塊中使用光耦將摩擦發(fā)電機(jī)的輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)化為頻率為f的脈沖信號(hào)，并提供給所述信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊的微處理器按照式(I)計(jì)算行駛速度Vt
權(quán)利要求
1.一種騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成包括摩擦發(fā)電機(jī)、電源處理模塊、信號(hào)米集模塊、信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊； 所述摩擦發(fā)電機(jī)通過(guò)安裝在自行車上與自行車車輪進(jìn)行摩擦，輸出頻率為f的正弦交流電源； 所述電源處理模塊的組成包括整流橋電路、7. 2V穩(wěn)壓電路、蓄電池和5V穩(wěn)壓電路；所述整流橋電路將所述輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源；所述7. 2V穩(wěn)壓電路將所述直流電源轉(zhuǎn)換成7. 2V直流電源，并存儲(chǔ)到所述蓄電池中；所述5V穩(wěn)壓電路從所述蓄電池中獲取7. 2V直流電源轉(zhuǎn)換成5V直流電源，供給所述動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)作為工作電源； 所述信號(hào)采集模塊用于實(shí)時(shí)采集自行車行駛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息；所述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息包括自行車的行駛速度Vt，行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強(qiáng)Pt，以及自行車行駛的路面與水平面的夾角qt 所述自行車的行駛速度Vt按如下方式獲得 所述信號(hào)采集模塊中使用光耦將所述摩擦發(fā)電機(jī)輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為頻率為f的脈沖信號(hào)，并提供給所述信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊的微處理器按照式(I)計(jì)算行駛速度Vt: Vt=c X f/1(I) 式(I)中，c為所述摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦輪周長(zhǎng)；1為所述摩擦發(fā)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的正弦交流電源的正弦波的個(gè)數(shù)； 所述行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強(qiáng)Pt是利用氣體壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得； 所述自行車行駛的路面與水平面的夾角爐,是利用三軸陀螺儀傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得；所述信號(hào)處理模塊是以微處理器為核心用于接收所述信號(hào)采集模塊所采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)所述人機(jī)交互模塊的模式切換分別運(yùn)行在計(jì)算卡路里消耗運(yùn)行模式下或參數(shù)標(biāo)定運(yùn)行模式下； 所述計(jì)算卡路里消耗運(yùn)行模式是利用所述信號(hào)采集模塊的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，按照式(2)計(jì)算卡路里的消耗量 Wk=Wp+ffg+ffd+fff(2) 式(2)中，Wk為卡路里的消耗量;WP為克服風(fēng)阻所做的功；Wg為克服重力所做的功；Wd為改變動(dòng)能所做的功；Wf為假設(shè)自行車在水平面上行駛時(shí)，車速保持固定且在沒(méi)有風(fēng)阻的情況下騎自行車克服自行車阻力所做的功； 所述克服風(fēng)阻所做的功Wp按照式(3)計(jì)算獲得
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種騎自行車所消耗卡路里的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征是動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成包括一摩擦發(fā)電機(jī)，用于與自行車車輪進(jìn)行摩擦輸出交流電；一電源處理模塊，用于提供系統(tǒng)電源；一信號(hào)采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集自行車行駛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息；一信號(hào)處理模塊，用于技術(shù)卡路里消耗值和各行車參數(shù)值；以及一人機(jī)交互模塊，用于顯示信號(hào)處理模塊的運(yùn)行模式及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行模式切換的操作。本發(fā)明利用摩擦發(fā)電機(jī)來(lái)計(jì)算自行車的行駛速度，并結(jié)合相應(yīng)的傳感器獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102688020SQ20121018005
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者呂昱洲, 吳清, 崔培培, 張倩琳, 張輝, 謝匯, 陶贊 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)