[发明专利]一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统

摘要

本发明公开了一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统，其特征是动态测量系统的组成包括：一摩擦发电机，用于与自行车车轮进行摩擦输出交流电；一电源处理模块，用于提供系统电源；一信号采集模块，用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；一信号处理模块，用于技术卡路里消耗值和各行车参数值；以及一人机交互模块，用于显示信号处理模块的运行模式及动态数据信息，并进行模式切换的操作。本发明利用摩擦发电机来计算自行车的行驶速度，并结合相应的传感器获取动态数据信息，使得测量结果更加准确可靠。

主权项

1.一种骑自行车所消耗卡路里的动态测量系统，其特征是所述动态测量系统的组成包括：摩擦发电机、电源处理模块、信号采集模块、信号处理模块和人机交互模块；所述摩擦发电机通过安装在自行车上与自行车车轮进行摩擦，输出频率为f的正弦交流电源；所述电源处理模块的组成包括：整流桥电路、7.2V稳压电路、蓄电池和5V稳压电路；所述整流桥电路将所述输出频率为f的正弦交流电源转换为直流电源；所述7.2V稳压电路将所述直流电源转换成7.2V直流电源，并存储到所述蓄电池中；所述5V稳压电路从所述蓄电池中获取7.2V直流电源转换成5V直流电源，供给所述动态测量系统作为工作电源；所述信号采集模块用于实时采集自行车行驶的动态数据信息；所述动态数据信息包括自行车的行驶速度V_t，行驶中人和自行车所受风阻的压强P_t，以及自行车行驶的路面与水平面的夹角所述自行车的行驶速度V_t按如下方式获得：所述信号采集模块中使用光耦将所述摩擦发电机输出频率为f的正弦交流电源转换为频率为f的脉冲信号，并提供给所述信号处理模块，所述信号处理模块的微处理器按照式（1）计算行驶速度V_t：V_t=c×f/l                      (1)式（1）中，c为所述摩擦发电机的摩擦轮周长；l为所述摩擦发电机每旋转一周产生的正弦交流电源的正弦波的个数；所述行驶中人和自行车所受风阻的压强P_t是利用气体压力传感器实时测量获得；所述自行车行驶的路面与水平面的夹角是利用三轴陀螺仪传感器实时测量获得；所述信号处理模块是以微处理器为核心用于接收所述信号采集模块所采集的动态数据信息，并通过所述人机交互模块的模式切换分别运行在计算卡路里消耗运行模式下或参数标定运行模式下；所述计算卡路里消耗运行模式是：利用所述信号采集模块的动态数据信息，按照式（2）计算卡路里的消耗量：W_k=W_p+W_g+W_d+W_f                   （2）式（2）中，W_k为卡路里的消耗量；W_p为克服风阻所做的功；W_g为克服重力所做的功；W_d为改变动能所做的功；W_f为假设自行车在水平面上行驶时，车速保持固定且在没有风阻的情况下骑自行车克服自行车阻力所做的功；所述克服风阻所做的功W_p按照式（3）计算获得：Wp=S×∫t0tnPt×Vtdt---(3)]]>所述克服重力所做的功W_g按照式（4）计算获得：所述改变动能所做的功W_d按照式（5）计算获得：Wd=0.5×M×g×(Vtn2-Vt02)---(5)]]>所述克服自行车阻力所做的功W_f，按照式（6）计算获得：Wf=ψ×∫t0tnVtdt---(6)]]>式（3）、式（4）、式（5）以及式（6）中，t₀为骑自行车卡路里消耗的初始时刻，t_n为骑自行车卡路里消耗的结束时刻，是t₀时刻自行车的行驶速度，是t_n时刻自行车的行驶速度，g是重力加速度；M为自行车和骑车人的总重量、S为自行车和骑车人在骑行中所受风阻的受力面积，ψ为自行车阻力参数；所述微处理器按照式（7）计算在t_i到t_i+1单位时间段Δt内的卡路里消耗量W_ki(i=0,1,...n)；n为整数，取值为其中t_i为骑车过程中某一时刻的时间点，t_i+1表示t_i时间点后的一个时间点；W_ki=W_pi+W_gi+W_di+W_fi             （7）式（7）中，W_pi为在t_i到t_i+1单位时间段Δt内克服风阻所做的功；W_gi为在t_i到t_i+1单位时间段Δt内克服重力所做的功；W_di为在t_i到t_i+1单位时间段Δt内改变动能所做的功；W_fk为在t_i到t_i+1单位时间段Δt内骑自行车克服自行车阻力所做的功；假设：wpi=∫titi+1Pt×Vtdt---(8)]]>wdi=0.5×g×(Vti+12-Vti2)---(10)]]>wfi=∫titi+1Vtdt---(11)]]>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）：W_ki=S×w_pi+M×w_gi+M×w_di+ψ×w_fi          （12）所述参数标定运行模式是：利用所述信号采集模块的动态数据信息，按照如下方式获得自行车和骑车人的总重量M、骑行中所受风阻的受力面积S以及自行车阻力参数ψ；骑自行车过程中，骑车人停止向自行车做功，则卡路里消耗量W_kj=0(j=0,1,...,m)，m取值为大于等于3的整数；利用式（12）每隔一段时间Δt，得出一个关于卡路里消耗量的等式，由此获得如下方程组：S×w_p1+M×w_g1+M×w_d1+ψ×w_f1=W_k1=0    方程1S×w_p2+M×w_g2+M×w_d2+ψ×w_f2=W_k2=0    方程2                   .                   .                   .S×w_pm+M×w_gm+M×w_dm+ψ×w_fm=W_km=0    方程m利用所述方程组，采用最小二乘法分别计算获得所述自行车和骑车人的总重量M、骑行中所受风阻的受力面积S和自行车阻力参数ψ；所述人机交互模块用于显示所述信号处理模块的运行模式及所述动态数据信息，并进行所述模式切换的操作。