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智慧变档自行车
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳源林、黃柏文等】2017年11月14日 星期二

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本文采用步进马达搭配蜗轮蜗杆组成变速机构,利用此变速机构取代传统的手动变速,并且设计人体最舒适的踩踏频率计算各档位升档与降档的临界值来判断是否该变换档位,不需骑乘者自行手动换档变速,让自行车具有自动变速控制的功能,使得骑乘者安全、方便与达到运动的功能等效果。本作品使用盛群微控制器侦测装设於自行车後轮的转速侦测器所得到的转速值及加速度後,评估档位的适用性或换档时机,并且驱动变速机构来完成档位更换功能,以达成智慧变档自行车的功能。



因U-bike、绿色环保与运动健身概念兴起导致近几年来自行车的普及化,尤其是以U-bike的影响最大,使自行车在於短程外出代步工具中胜过於其他代步工具,许多国家的自行车步道还不是如此普及化,往往会造成自行车与汽机车争抢车道的情形导致交通意外发生,在自行车步道尚未普及化前,骑乘者必须专注行车安全也需要手动变换档位维持舒适的踩踏运动,但是往往会因档位更换不适当导致骑乘者的运动伤害或交通意外发生。


现今自行车在社会上越来越流行及普及化,但真正知道如何变换档位或换档时机的人却是屈指可数,然而目前市面上的变速自行车都得依赖骑乘者的手动换档变速解决骑乘时导致不适感,而本研究主要让骑乘者专注行车安全、舒适骑乘与达到运动的功能等效果。本研究设计人体最舒适的踩踏频率计算各档位升档与降档的临界值来判断是否该变换档位,不需骑乘者自行手动换档变速使自行车具有自动变速控制的功能,让骑乘者得到安全、方便与达到运动的功能等效果。


这套自动变速系统的本意是为了让骑乘者不需一边观察路况与手动更换档位,使得骑乘者的安全性提高与降低运动伤害,以达到短程工具的优势与运动的功能。


工作原理

控制核心

本系统使用盛群HT66F70A系列的微控制器晶片来读取转速侦测器的资讯计算後,再配合依人体踩踏频率计算更换档位的临界值建立资料库来判断决策後驱动步进马达运作。同时将侦测到行驶车速与目前自行车变速器档位位置资讯显示於LCM萤幕,使骑乘者可以藉由观看LCM获得骑乘资讯。


系统架构

本系统使用HT66F70A系列的微控制器晶片为主控制器,系统功能方块图如图1所示。包含转速感测、蜗杆蜗轮变速模组与微控制器模组。



图1 : 系统功能方块图
图1 : 系统功能方块图

实现方法

本系统的演算法利用行驶速度叁数作为档位判断的依据,档位升档与降档的临界值系利用人体最舒适的踩踏运动频率求得,搭配自行车变速器齿轮比计算各档位升档与降档的临界值以建立判断档位更换资料库。根据实际测试中,发现一般骑乘者舒适的踩踏频率为57.5 RPM,因此本作品采取40、55与60 RPM为踩踏频率。


根据叁考文献[7]与叁考文献[20]提出对於一般骑乘者来说,踩踏频率为40 RPM~70 RPM是最舒适的踩踏范围且骑乘者腿部承受的力矩值较小,并且将踩踏频率范围搭配自行车变速器的齿轮比,计算出升降档的临界值作为判断档位的法则,表1(图2中)为最隹踩踏频率分析比较表。图2为智慧换档与速度关系图,横座标为档位,利用不同的踩踏频率计算升档速度或降档速度,让各档位升、降档间有一个裕度以避免产生不断变换档位的情况,导致骑乘者的不适甚致产生运动伤害。



图2 : 最隹踩踏频率分析比较表/智慧换档与速度关系图
图2 : 最隹踩踏频率分析比较表/智慧换档与速度关系图

作品结构


本系统藉使用市售的12V/6W 交流发电机模组装置於前轮的轮胎上,随着车轮转动带动交流发电机而发电,规格为6W AC12V。经由AC转DC模组提供直流电,除提供充电电源给电池模组外亦可提供一般3C产品的USB介面电源。


蜗杆蜗轮变速机构


本系统以PWM讯号控制步进马达驱动变速机构以调整拉索位置达到精密控制档位更换目标,亦可透过按钮控制进行手动方式换档。图3为蜗杆蜗轮机构照相图,图4为蜗杆蜗轮变速机构模组照相图。


霍尔元件转速感测器


霍尔元件转速感测器装置於後车轮的轮轴侧面,并於车轮轴上设置三个强力磁铁,当车轮转动时,感测器因磁力经过产生脉波,控制核心进行车速计算。装置一个霍尔元件於脚踏板上,并於前齿轮上设置三个强力磁铁,当踩踏时,控制核心进行踩踏速度计算。图5为霍尔元件照相图。



图3 : 蜗杆蜗轮机构照相图
图3 : 蜗杆蜗轮机构照相图

图4 : 蜗杆蜗轮变速机构模组照相图
图4 : 蜗杆蜗轮变速机构模组照相图

图5 : 霍尔元件照相图
图5 : 霍尔元件照相图

硬体电路

图6为自动变速控制自行车控制电路图,分别包含主控制器、LCM、霍尔元件感测器、反相器IC(SN74F04N)、马达驱动器(A4988)与步进马达(NEMA17),控制电路实体图如图7所示。



图6 : 自动变速控制自行车控制电路图
图6 : 自动变速控制自行车控制电路图

图7 : 控制电路实体图
图7 : 控制电路实体图

自动变速控制自行车处理单元为HT66F70A 微控制器,控制器电路如图8所示。HT66F70A为Flash型式8bit的微控制器,微控制器时脉选用8 MHZ,内有看门狗计时器(Watch Dog Timer)的功能,内建多组多功能计数器(Counter)及计时器,PH0~PH2与PG0~PG7用来与LCM控制电路沟通,PC3用来接收霍尔元件感测器传送过来自行车转速,PC4与PC5用来控制A4988驱动器。



图8 : HT66F70A控制核心电路图
图8 : HT66F70A控制核心电路图

整体结构

本文的测试自行车如图9所示,将自行车的前轮部份加装12V/6W 交流电发电机,藉由自行车行驶时发电,经过AC转DC的变压模组转换成直流电压,再使用直流电压提供蓄电池模组充电、液晶显示模组(LCM)显示、主电源开关控制板及步进马达。後轮部分加装霍尔元件转速侦测器、三颗磁铁平均安装於後轮轮圈,变速器改装为SHIMANO SG-7R46内变7速,图9为作品完成图。



图9 : 作品完成图
图9 : 作品完成图

软体架构

本系统程式是以C 语言来进行撰写,硬体主要由HT66F70系列来判断霍尔元件感测器所提供讯号变化读取转速值,再配合加速度的函数取得後,取最隹值即可求得最适档位叁数。


自动变速控制自行车系统软体程式设计,主要针对霍尔元件感测器量测自行车的後轮转速的讯号及档位更换的功能,进行软体的撰写与设计,系统流程图如图10所示,系统自初始化开始之後,霍尔元件开始量测自行车行驶时产生的後轮转速讯号,微控制器经由计算得出自行车的行驶车速,将这些资料与档位更换资料库比对,档位更换资料库包含档位升档的临界值与档位降档的临界值,比对找到合适的档位後且切换至此档位。


每500ms传送行驶车速与档位资料至LCM上显示,每3s进行档位判断的功能并且将档位切换至合适的档位状态。



图10 : 自动变速控制自行车系统流程图
图10 : 自动变速控制自行车系统流程图

图11为自动变速控制自行车档位更换程式流程图,3s启动档位更换??程式计算行驶车速与计算各档位升档的临界值为VHn与档位降档的临界值为VLn,则档位更换有三种情形:


  • 行驶车速V大於等於VHn时与小於最高档位(M)时则进一档(n = n+1)。

  • 行驶车速V小於等於VLn时与档位大於1档时则退一档(n = n-1)。

  • 非以上两种条件时则档位保持现况。

  • 图11 : 系统换档控制流程图
    图11 : 系统换档控制流程图

    实验结果

    当速度为2.5 km/h时,档位为1档,如图12所示。图13分别为为速度10.8 km/h时,档位为2档、速度13.9 km/h时,档位为3档、速度为16.5 km/h时,档位为4档、速度为18.6 km/h时,档位为5档、速度为20.9 km/h时,档位为6档及速度为25.3 km/h时,档位为7档。



    图12 : 速度为2.5 km/h,档位为1档
    图12 : 速度为2.5 km/h,档位为1档

    图13 : 档位为2至7档的速度
    图13 : 档位为2至7档的速度

    档位更换精准度实验结果:

    针对升档与降档进行档精准度测试如图14中的表2与表3所示,测试结果精准度95%可以证明每次档位更换都是标准的升降档,20次中一次不OK的原因为升档与降档的位置有一点点小误差是位於可容许误差中,因此95%精准度是最隹化精准度,并且小误差中不会影响後续的档位更换的状态,其中速度信号来源利用讯号产生器提供。



    图14 : 升档/降档精准度测试结果
    图14 : 升档/降档精准度测试结果

    结论


    本文藉由机械减速机构的概念,利用蜗杆蜗轮与步进马达组成变速机构,因蜗轮蜗杆具有防止逆转的功能,因此无需持续给予步进马达电力,所以解决了利用金属伺服马达,必须持续给予电力进而导致整体耗电过大的问题,并且也让拉索距离可以准确达到,以达到较精密控制换档的位置。


    由於现在的自行车还是得依赖使用者做判断後手动变速去尝试符合路况,本设计概念期??利用机械与电子概念搭配,可让自行车的拉索换档位置,达到精密控制智慧变档自行车,使内变速器有如传统式手动变速机构一样完美换档,并且可以让使用者专注於路况的安全及踩踏的运动,而不用再分心操作变速系统。运用踩踏的速度及加速度的技术来判断是否应该切换档位,而不需要使用者时时判断换档时机,还换不到适合的行驶档位,以及关注路况与边换档位所造成危险的发生。


    因此导入自行车自动变速功能,是能够让使用者在骑乘自行车时得到更多的舒服感觉及提升在路况骑乘时的安全性,进而获得现代科技应用於生活上,以及达成降低运动时所造成的运动伤害,并且让骑乘者享受於此运动所带来的效果以及安全性。


    (作者陈源林1、黄柏文2、洪?姗3、欧幸儿4为明志科技大学机械工程系1教授及2-3学生;本文为第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


    叁考文献

    [1] Rob Redfield and M.L. Hull, 〃 On the relation between joint moments and pedaling rates at constant power in bicycling〃, 1986.


    [2] M.L. Hull, H.K.Gonzalez and Rob Redfield, 〃Optimization of pedaling rate in cycling using a muscle stress-based objective dunction〃, 1988.


    [3] 刘锦松,〃自行车微电脑变速系统〃,国立交通大学机械工程研究所,1994。


    [4] CHO, Chang K., et al., 〃An ergonomic study on the optimal gear ratio for a multi-speed bicycle.〃, International journal of industrial ergonomics, 1999, 23.1: 95-100.


    [5] Anthony P Marsh, Philip E Martin, David J Sanderson, 〃Is a joint moment-based cost function associated with preferred cycling cadence? 〃, 1999.


    [6] C. K. Cho, M. H. Yun, C. S. Yoon and M. W. Lee, “An Ergonomic Study on the Optimal Gear Ratio for a Multi-speed Bicycle”, International Journal of Industrial Ergonomics, No. 23, pp. 95-100, 1999.


    [7] 黄有烽,〃骑脚踏车之踏力与速度之最适化研究〃,国立清华大学动力机械工程研究所,2000。


    [8] Marsh AP1, Martin PE and Sanderson DJ., 〃Is a joint moment-based cost function associated with preferred cycling cadence〃, 2.000.


    [9] 藤井和浩,宇野公二〃脚踏车用变速控制装置〃,中华民国专利581738,Jun. 28, 2002。


    [10] 蔡岳良,〃脚踏车自动变速策略之研究〃,国立交通大学机械工程研究所,2007。


    [11] 张峻逢,〃以模糊理论实现一个具有学习功能的自动变速脚踏车系统〃,国立交通大学电控工程工程研究所,2011。


    [12] 康富顺,〃具学习功能之脚踏车自动变速系统〃,国立交通大学电控工程工程研究所,2011。


    [13] 郑博仁,〃机械式自行车自动变速器之理念设计方法〃,国立台湾大学机械工程学研究所,2012。


    [14] 林芳楚,〃电动助力车行车坡度侦测系统〃,国立交通大学电控工程研究所,2012。


    [15] 林金龙,〃电动脚踏车扭力感测器之设计与分析〃,国立台北科技大学制造科技研究所,2012。


    [16] 曾俊谚,〃电动脚踏车之自动变速系统〃,国立成功大学机械工程学系硕博士班,2013。


    [17] 树德科技大学,〃脚踏车自动变速系统〃,中华民国专利 TW M470064 U,2013。


    [18] 树德科技大学,〃脚踏车自动变速系统〃,中华民国专利 TW M477990 U,2014。


    [19] 树德科技大学,〃脚踏车自动变速系统〃,中华民国专利 TW201500259 A,2015。


    [20] 李树,〃智慧型自动变速脚踏车之研究〃,明志科技大学机械工程系机械与机电工程硕士班,2015。


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