專利名稱：一種騎自行車所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)測量系統(tǒng)，具體地說是ー種騎自行車時所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
越來越多的人將自行車作為戶外健身設(shè)備，為了實現(xiàn)更專業(yè)化的健身效果，需要計算騎自行車過程中人體所消耗的卡路里情況。但市場上相關(guān)的電子設(shè)備大多是基于行駛路程或者基于檢測人體各項運動參數(shù)來計算騎自行車消耗卡路里量。基于行駛路程來計算騎自行車消耗卡路里量的電子設(shè)備，在計算過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)系對等起來。這樣的計算方法忽略了人的體重的差異所帶來的影響、行駛路面不同所帯來的影響以及不同環(huán)境下風(fēng)的阻力所帶來的影響，也忽略了自行車本身的舊損所帶來的影響，計算起來較為簡單隨意，無法滿足精確計算的要求。基于檢測人體各項運動參數(shù)來計算騎自行車消耗卡路里量的電子設(shè)備，需要將檢測裝置穿在身上或者戴在手上，使運動者有不舒服的感覺，影響健身效果和個人運動情緒。而且有些設(shè)備對人體會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)濟節(jié)能，不利于能源環(huán)保。在計算自行車速度時，市場上大多數(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)生ー個脈沖，通過計算単位脈沖數(shù)和輪子的周長來計算自行車的行駛速度，這樣的計算方法精度被不高。

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態(tài)測量系統(tǒng)，利用摩擦發(fā)電機來計算自行車的行駛速度，并結(jié)合相應(yīng)的傳感器獲取動態(tài)數(shù)據(jù)信息，使得測量結(jié)果更加準確可靠。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明ー種騎自行車所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)的組成包括摩擦發(fā)電機、電源處理模塊、信號采集模塊、信號處理模塊和人機交互模塊；所述摩擦發(fā)電機通過安裝在自行車上與自行車車輪進行摩擦，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，供給所述動態(tài)測量系統(tǒng)作為工作電源；
所述信號采集模塊用于實時采集自行車行駛的動態(tài)數(shù)據(jù)信息；所述動態(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采集模塊中使用光耦將所述摩擦發(fā)電機輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為頻率為f的脈沖信號，并提供給所述信號處理模塊，所述信號處理模塊的微處理器按照式(I)計算行駛速度Vt:
Vt=c Xf/I(I)式(I)中，c為所述摩擦發(fā)電機的摩擦輪周長；1為所述摩擦發(fā)電機每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的正弦交流電源的正弦波的個數(shù)；所述行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強Pt是利用氣體壓カ傳感器實時測量獲得;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時測量獲得;所述信號處理模塊是以微處理器為核心用于接收所述信號采集模塊所采集的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并通過所述人機交互模塊的模式切換分別運行在計算卡路里消耗運行模式下或參數(shù)標定運行模式下；所述計算卡路里消耗運行模式是利用所述信號采集模塊的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，按照式(2)計算卡路里的消耗量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為改變動能所做的功；wf為假設(shè)自行車在水平面上行駛時，車速保持固定且在沒有風(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)計算獲得
￥σ ニ Mx g X P sin φ, x, 4)所述改變動能所做的功Wd按照式(5)計算獲得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刻，、為騎自行車卡路里消耗的結(jié)束時刻く是b時刻自行車的行駛速度，く是tn時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)計算在h到ti+1単位時間段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為騎車過程中某ー時刻的時間
Δ/ ;
點，ti+1表示h時間點后的一個時間點；Wki=ffpi+ffgi+ffdi+fffi(7)式(7)中，Wpi為在h到ti+1単位時間段At內(nèi)克服風(fēng)阻所做的功；Wgi為在h到 ti+1単位時間段At內(nèi)克服重力所做的功；Wdi為在h到ti+1単位時間段At內(nèi)改變動能所做的功；Wfk為在h到ti+1単位時間段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)標定運行模式是利用所述信號采集模塊的動態(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)每隔一段時間At，得出ー個關(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 ；所述人機交互模塊用于顯示所述信號處理模塊的運行模式及所述動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并進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)明通過參數(shù)標定方法能根據(jù)運動環(huán)境的不同而實時檢測到不同行車參數(shù)的變化，井根據(jù)運動者本身的體能消耗情況和運動速度的變化情況，實時計算出卡路里消耗量大小，從而保證計算的準確性和時效性。2、本發(fā)明利用摩擦發(fā)電機檢測到的脈沖信號計算自行車的行駛速度Vt，克服了直接檢測行車車輪的脈沖信號，消除了不同自行車車輪大小的影響因素，使得測量結(jié)果更加精確合理。
3、本發(fā)明采用摩擦發(fā)電機為系統(tǒng)提供能源供給，將騎車消耗的機械能和動能轉(zhuǎn)換為電能，真正做到了能源的有效循環(huán)利用，實現(xiàn)了綠色節(jié)能的設(shè)計理念。


圖I為本發(fā)明動態(tài)測量系統(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)明的信號采集模塊和信號處理模塊原理框圖。
具體實施例方式如圖I所示，本實施例中騎自行車所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括摩擦發(fā)電機、電源處理模塊、信號米集模塊、信號處理模塊和人機交互模塊；摩擦發(fā)電機通過安裝在自行車上與自行車車輪進行摩擦，輸出頻率為f的正弦交流電源；具體實施中，采用的是12V/6W的摩擦發(fā)電機，摩擦發(fā)電機自身體積小，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，同時也可以從輸出頻率為f的正弦交流電源中檢測出自行車的行駛速度
Vto具體實施中，整流橋采用的型號為RS5071 A95，具有5A的輸出能力，需要配備ー個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，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)比較簡単。如圖3所示，信號采集模塊是用于實時采集自行車行駛的動態(tài)數(shù)據(jù)信息；動態(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采集模塊中使用光耦將摩擦發(fā)電機的輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)化為頻率為f的脈沖信號，并提供給所述信號處理模塊，信號處理模塊的微處理器按照式(I)計算行駛速度Vt
權(quán)利要求
1.一種騎自行車所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征是所述動態(tài)測量系統(tǒng)的組成包括摩擦發(fā)電機、電源處理模塊、信號米集模塊、信號處理模塊和人機交互模塊； 所述摩擦發(fā)電機通過安裝在自行車上與自行車車輪進行摩擦，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，供給所述動態(tài)測量系統(tǒng)作為工作電源； 所述信號采集模塊用于實時采集自行車行駛的動態(tài)數(shù)據(jù)信息；所述動態(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 所述信號采集模塊中使用光耦將所述摩擦發(fā)電機輸出頻率為f的正弦交流電源轉(zhuǎn)換為頻率為f的脈沖信號，并提供給所述信號處理模塊，所述信號處理模塊的微處理器按照式(I)計算行駛速度Vt: Vt=c X f/1(I) 式(I)中，c為所述摩擦發(fā)電機的摩擦輪周長；1為所述摩擦發(fā)電機每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的正弦交流電源的正弦波的個數(shù)； 所述行駛中人和自行車所受風(fēng)阻的壓強Pt是利用氣體壓力傳感器實時測量獲得； 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時測量獲得；所述信號處理模塊是以微處理器為核心用于接收所述信號采集模塊所采集的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并通過所述人機交互模塊的模式切換分別運行在計算卡路里消耗運行模式下或參數(shù)標定運行模式下； 所述計算卡路里消耗運行模式是利用所述信號采集模塊的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，按照式(2)計算卡路里的消耗量 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為改變動能所做的功；Wf為假設(shè)自行車在水平面上行駛時，車速保持固定且在沒有風(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)計算獲得
全文摘要
本發(fā)明公開了一種騎自行車所消耗卡路里的動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征是動態(tài)測量系統(tǒng)的組成包括一摩擦發(fā)電機，用于與自行車車輪進行摩擦輸出交流電；一電源處理模塊，用于提供系統(tǒng)電源；一信號采集模塊，用于實時采集自行車行駛的動態(tài)數(shù)據(jù)信息；一信號處理模塊，用于技術(shù)卡路里消耗值和各行車參數(shù)值；以及一人機交互模塊，用于顯示信號處理模塊的運行模式及動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并進行模式切換的操作。本發(fā)明利用摩擦發(fā)電機來計算自行車的行駛速度，并結(jié)合相應(yīng)的傳感器獲取動態(tài)數(shù)據(jù)信息，使得測量結(jié)果更加準確可靠。
文檔編號A61B5/00GK102688020SQ20121018005
公開日2012年9月26日 申請日期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 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)