本發(fā)明涉及一種模塊化自行車智能助力系統(tǒng)，屬于機械與控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，機動車的保有量持續(xù)增長，城市道路也越來越擁擠，大氣污染也愈發(fā)嚴重，自行車出行以其“綠色、健康”的優(yōu)點成為一種新時尚。而當路程較遠，或在地勢不平坦的情況下，騎車出行對大多數(shù)出行者來說都顯得力不從心。近年來，我國電動車市場呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭，但電動自行車大多體積較大，存在充電時間長、續(xù)航能力差等諸多問題，盡管大多數(shù)電動車也可以腳動踩踏控制，但由于車身笨重，非常不便于騎行。加之近年來電動車“限速令”、“超標淘汰令”的頒布，越來越多的廠商把目光投向小型電動助力自行車的研究與開發(fā)。

時下綠色出行蔚然成風，自行車、電動車成為人們的重要交通工具。自行車輕便但上坡時卻很費力，電動車速度雖快但身材笨重，我們的項目目的就是將兩者優(yōu)勢進行結(jié)合，并且配合智能控制，從而讓自行車更加智能。在騎行時，安裝在車身橫梁上的陀螺儀和加速度計檢測到自行車的速度，加速度以及車身角度，并將數(shù)據(jù)傳給單片機，單片機對輸入數(shù)據(jù)進行分析，輸出pwm波控制無刷電機的輸出速度與轉(zhuǎn)矩，從而給自行車提供助力，讓騎行更加舒適。

目前大多數(shù)的自行車助力系統(tǒng)由電機、電池、控制主板構(gòu)成。電機普遍采用永磁直流式電機，其中絕大多數(shù)為有刷電機，根據(jù)電機安裝位置的不同還可分為電機前置型、電機中置型和電機后置型。

我國天津振華集團研發(fā)的菲恩快意馬牌電動自行車采用鉛酸電池,電池電壓不得下降到21v，為了確保電池使用壽命就得進行充電；采用有刷電機，要求定期打開電機側(cè)蓋除去碳刷碳粉并更換碳刷。

日本本田拉庫恩電動助力自行車采用采用ni-cd電池、有刷電機、中軸驅(qū)動助力。動力通過鏈條和后軸變速塔形齒輪傳給后輪，控制器根據(jù)騎車者的腳踏力和車速自動調(diào)節(jié)助力強度。

日本松下電器產(chǎn)業(yè)研發(fā)的電動助力自行車，具有蓄電池等蓄電器和由該蓄電器供電的電動機，通過扭矩傳感器等踏力檢測器檢測施加在踏板上的踏力，通過在踏力的人力驅(qū)動力上追加上述電動機的輔助驅(qū)動力，使得在上坡可輕松行駛。

上述現(xiàn)有的電動助力自行車，在蓄電池充電方面都有地點上的限制，只有在找到電動車充電站或?qū)⑿铍姵夭鹦断聛恚业讲遄拍艹潆姡褂闷饋矸浅２环奖恪Ｆ浯危捎诙鄶?shù)采用的都是有刷電機，存在噪聲大、效率低、電刷磨損等缺陷，在使用上會造成不便。此外，上述電動助力自行車還存在無法針對提速、上坡、平路行駛等不同的行駛狀態(tài)為自行車提供智能化的助力的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種模塊化自行車智能助力系統(tǒng)，旨在解決在騎自行車過程中由于上坡等種種因素造成的不適感，改善騎行者的騎行體驗，助力健康綠色出行。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種模塊化自行車智能助力系統(tǒng)，包括自行車本體，其上安裝有前車輪和后車輪，前車輪和后車輪均通過輻條進行支撐，包括安裝在自行車本體上的電能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，電能系統(tǒng)產(chǎn)生并儲存電能，其為控制系統(tǒng)提供電力來源，控制系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)并獲取自行車在行駛過程中的運行信息；

所述的電能系統(tǒng)包括多個風力渦輪葉片、無刷電機、摩擦輪和蓄電池，多個風力渦輪葉片均勻安裝布設(shè)在后車輪輻條上，無刷電機安裝在自行車本體的立管上，摩擦輪安裝在無刷電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸頂端，其與車輪相接觸，無刷電機通過控制電路與蓄電池相連通，后車輪運轉(zhuǎn)時，摩擦輪與后車輪進行摩擦傳動，產(chǎn)生的電能通過控制電路傳送至蓄電池處；

所述的控制系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)模塊、電機調(diào)速驅(qū)動模塊、加速度計傳感器、陀螺儀傳感器、鏈條張力傳感器和編碼器，其中，單片機最小系統(tǒng)模塊、電機調(diào)速驅(qū)動模塊、加速度計傳感器和陀螺儀傳感器均布設(shè)在控制系統(tǒng)的電路板上，編碼器安裝在前車輪上叉處，編碼器轉(zhuǎn)子與自行車前輪相接觸，電路板安裝在蓄電池頂部，鏈條張力傳感器安裝在自行車本體的鏈條上，加速度計傳感器、陀螺儀傳感器、鏈條張力傳感器和編碼器均與單片機最小系統(tǒng)模塊的一端相連通，單片機最小系統(tǒng)模塊的另一端分別與控制電路、電機調(diào)速驅(qū)動模塊相連通，電機調(diào)速驅(qū)動模塊同時與無刷電機相連通；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的風力渦輪葉片布設(shè)有五片，五片均勻安裝在后車輪輻條上，選用的型號為對稱型naca2305型風力機葉片，其葉片扭角為0度；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，蓄電池采用鋰電池，其安裝在自行車本體的立管一側(cè)，無刷電機安裝在立管靠近后車輪的另一側(cè)；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，鏈條張力傳感器的一端固定在自行車本體的后車輪上叉處，另一端固定在鏈條上；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，電機調(diào)速驅(qū)動模塊采用igbt芯片，其能產(chǎn)生較大的驅(qū)動電流，以滿足無刷電機對力矩的需要；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，在自行車本體上還設(shè)有無刷電機支架，其用于支撐無刷電機；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，自行車本體還設(shè)有自行車支架，其為對稱型支架，可以將后車輪支撐起來，保證后車輪可以自由轉(zhuǎn)動。

通過以上技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一種模塊化自行車智能助力系統(tǒng)，解決了在騎自行車過程中由于上坡等種種因素造成的不適感，改善騎行者的騎行體驗，助力健康綠色出行。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的控制系統(tǒng)模塊連接圖

圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的自行車狀態(tài)信息處理流程圖。

圖中：1為自行車支架，2為風力渦輪葉片，3為輻條，4為鏈條張力傳感器，5為摩擦輪，6為無刷電機，7為無刷電機支架，8為電路板，9為蓄電池，10為編碼器。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1-圖3所示，本發(fā)明包括以下技術(shù)特征：自行車支架1，風力渦輪葉片2，輻條3，鏈條張力傳感器4，摩擦輪5，無刷電機6，無刷電機支架7，電路板8，蓄電池9，編碼器10。

本發(fā)明的一種模塊化自行車智能助力系統(tǒng)，包括自行車本體，其上安裝有前車輪和后車輪，前車輪和后車輪均通過輻條進行支撐，包括安裝在自行車本體上的電能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，電能系統(tǒng)產(chǎn)生并儲存電能，其為控制系統(tǒng)提供電力來源，控制系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)并獲取自行車在行駛過程中的運行信息；

所述的電能系統(tǒng)包括多個風力渦輪葉片、無刷電機、摩擦輪和蓄電池，多個風力渦輪葉片均勻安裝布設(shè)在后車輪輻條上，可以圍繞輻條自由轉(zhuǎn)動一定角度，當有二級微風及以上風力空氣吹來時，風力渦輪葉片圍繞輻條轉(zhuǎn)向空氣流動方向，從而與車輪共同組成一個風力渦輪，帶動無刷電機進行發(fā)電；在自行車本體前行過程中，風力渦輪葉片會繞著輻條自由轉(zhuǎn)動至流線角度，從而保證自行車本體前行過程中不因為風力渦輪葉片產(chǎn)生附加阻力；無刷電機安裝在自行車本體的立管上，摩擦輪安裝在無刷電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸頂端，其與后車輪相接觸，無刷電機通過控制電路與蓄電池相連通，車輪運轉(zhuǎn)時，摩擦輪與后車輪進行摩擦傳動，產(chǎn)生的電能通過控制電路傳送至蓄電池處；

所述的控制系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)模塊、電機調(diào)速驅(qū)動模塊、加速度計傳感器、陀螺儀傳感器、鏈條張力傳感器和編碼器，其中，單片機最小系統(tǒng)模塊、電機調(diào)速驅(qū)動模塊、加速度計傳感器和陀螺儀傳感器均布設(shè)在控制系統(tǒng)的電路板上，編碼器安裝在前車輪上叉處，編碼器轉(zhuǎn)子與自行車前輪相接觸，電路板安裝在蓄電池頂部，鏈條張力傳感器安裝在自行車本體的鏈條上，加速度計傳感器、陀螺儀傳感器、鏈條張力傳感器和編碼器均與單片機最小系統(tǒng)模塊的一端相連通，單片機最小系統(tǒng)模塊的另一端分別與控制電路、電機調(diào)速驅(qū)動模塊相連通，電機調(diào)速驅(qū)動模塊同時與無刷電機相連通；

其中，單片機最小系統(tǒng)模塊是整個控制系統(tǒng)的核心部分，其實時接收加速度計傳感器、陀螺儀傳感器和鏈條張力傳感器采集到的信息并用算法對信息進行處理，最后根據(jù)處理的結(jié)果判斷自行車本體的狀態(tài)并通過電機調(diào)速驅(qū)動模塊對無刷電機調(diào)速以達到控制車速的效果；

電機調(diào)速驅(qū)動模塊是單片機最小系統(tǒng)模塊的小電流控制無刷電機大電流的中介部分，其能產(chǎn)生較大的驅(qū)動電流，以滿足對電機力矩的需要；

加速度計傳感器和陀螺儀傳感器配合使用，再經(jīng)過pid算法控制，可以將自行車本體的位置變量轉(zhuǎn)換成單片機最小系統(tǒng)模塊可以處理的數(shù)字量，從而獲得準確的自行車本體的加減速信息和角度信息；

自行車角度檢測方式為：陀螺儀傳感器檢測到自行車運動角速度ω，將角速度信息積分成為自行車角度θ，角速度ω和自行車角度θ共同作為自行車角度信息正增益；

陀螺儀傳感器的積分會隨時間的增加偏離實際角度，因此在積分環(huán)節(jié)加入加速度計傳感器反饋環(huán)節(jié)，將積分所得的角度θ作為負增益，加速度計傳感器測得的加速度a作為正增益共同輸入比例環(huán)節(jié)，作為積分環(huán)節(jié)的正反饋。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的風力渦輪葉片布設(shè)有五片，五片均勻安裝在后車輪輻條上，選用的型號為對稱型naca2305型風力機葉片，其葉片扭角為0度；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，蓄電池采用鋰電池，其安裝在自行車本體的立管一側(cè)，無刷電機安裝在立管靠近后車輪的另一側(cè)；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，鏈條張力傳感器的一端固定在自行車本體的后車輪上叉處，另一端固定在鏈條上，可以檢測到人的踩踏力的變化；

編碼器安裝在自行車前輪前叉上，與自行車前輪相接觸，用來檢測自行車的前進速度；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，電機調(diào)速驅(qū)動模塊采用igbt芯片，其能產(chǎn)生較大的驅(qū)動電流，以滿足無刷電機對力矩的需要；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，在自行車本體上還設(shè)有無刷電機支架，其用于支撐無刷電機；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，自行車本體還設(shè)有自行車支架，其為對稱型支架，可以將后車輪支撐起來，保證后車輪可以自由轉(zhuǎn)動。

自行車本體在行駛過程中，以干燥瀝青路面為例，標準型兩輪自行車在干燥和潮濕路面上的摩擦系數(shù)均隨試驗速度的增加而降低，取自行車行駛速度為ν，此時自行車靜摩擦系數(shù)為μs，阻力系數(shù)μ；自行車總質(zhì)量m1，騎行者質(zhì)量m2。

起動

此時自行車速度為va＝0，自行車與地面靜摩擦系數(shù)μs0阻力系數(shù)μ；自行車本體與騎車人的總質(zhì)量為m＝m1+m2，自行車本體與路面的靜摩擦系數(shù)為μs0，地對前車輪、后車輪的支持力分別為n2和n1，起動時人用力蹬腳踏板，使后車輪(主動輪)與地面的接觸點有向后運動的趨勢，地面對后車輪的摩擦力f1方向向前，這是自行車本體前進的動力，它的最大值為f1max＝μsn1；設(shè)人車系統(tǒng)受的阻力為μg＝μmg。當f1≤μmg時，自行車本體靜止不動；隨著蹬踏板力的增大，自行車本體上的鏈條張力傳感器檢測到鏈條張力f1增大，當f1≥μmg時，自行車本體起動，即產(chǎn)生向前的速度；此時編碼器檢測到自行車本體有向前的速度v1，陀螺儀傳感器和加速度計傳感器檢測自行車狀態(tài)角度信息θ，通過程序算法處理，控制無刷電機輸出一定的轉(zhuǎn)速vo＝kov1與轉(zhuǎn)矩mo＝ko1v1+ko2θ+ko3f1，(ko、ko1、ko2、ko3由試驗測得)輔助自行車本體的起動，使起動更加省力。(以下過程同理)

正常行駛

自行車本體正常行駛時，控制程序分為4種模式：(四種模式通過控制程序自動切換)

⑴助力模式：此時智能助力系統(tǒng)根據(jù)檢測回來的自行車的速度與鏈條張力數(shù)據(jù)進行處理，優(yōu)化電機輸出，為騎行者提供動力輔助，騎行者踏力與電機輸出組成前行驅(qū)動力；

⑵自主模式：此時騎行動力全部來源于電動機輸出，騎行者無需出力；

⑶人力模式：此時電動機與車輪分離，騎行動力全部來源于騎行者；

⑷健身模式：此時人力提供前進動力與發(fā)電機所需動力。

減速與停車

如果騎行者需要減速，此時輕捏剎車，無刷電機與控制電路閉合，由無刷電機產(chǎn)生的電磁阻力力矩對自行車本體進行減速；需要停車時，此時將剎車捏到底，自行車本體機械摩擦剎車與電磁減速剎車同時作用進行停車制動。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本申請所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本申請中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內(nèi)。

本申請中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。