JP5595424B2 - 電動自転車用の高性能電気ホイール - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、ハイブリッド自転車に関し、より特定的には、従来の自転車をハイブリッド自転車に変換するための、従来の自転車の改造に関する。

先行技術の説明
多くの電動自転車およびハイブリッド自転車が、市場に現在存在している。本明細書で用いられるハイブリッドは、複数の動力源を用いて駆動される自転車または車両を言う。本明細書で用いられるハイブリッド自転車は、電気動力源および少なくとも１つの他の動力源を有する自転車を言う。

従来の人力自転車を、電動またはハイブリッド駆動自転車のいずれかに改造するために用いられるキットが、現在利用可能である。これらのキットは、典型的に、電動ホイールまたは従来型のホイールを電動ホイールに変換する部品を提供する。現在利用可能なキットは、自転車の様々な部品を通して分散されるハードウェアを有する。

電動自転車またはハイブリッド自転車を生成するための従来型の自転車改造用の現在利用可能なキットのタイプの１つの例は、自転車のフレームのどこかにバッテリを取り付けるとともに、ユーザがモータへの電力を制御できるように、ハンドルバーにいくつかのタイプのコントローラを設置することを、ユーザに要求する。これらのキットの組立には時間がかかり、いくらかの顧客は、必要な時間とともに、組立を完成するために必要とされる技術的専門知識および工具によってやる気をなくしてしまう。

多くのユーザ組立を必要とせず、または、自転車の様々な場所へ分散される多くの部品を有しないハイブリッド自転車または電動自転車を生成するように、従来型の自転車を改造できるアッセンブリの必要性が依然としてある。

発明の要約
本明細書に記載された実施形態は、電動自転車ホイールの設計および電動自転車ホイールを制御するために用いられるアルゴリズムについて議論する。

他の実施形態は、ユーザ入力の必要なく電動またはハイブリッド自転車への動力を制御する、電動ホイールにおけるアルゴリズムおよびセンサの組み合わせを開示する。

本明細書に記載された追加的な実施形態は、全てのハードウェア要素が前輪のアッセンブリに組み込まれた電動自転車ホイールについて議論する。

本明細書に記載されたさらに追加的な実施形態は、自転車の電力を制御するための加速度計を採用する電動自転車について議論する。

他の実施形態は、自転車を改造してハイブリッド自転車を生成するために用いられる単一のアッセンブリであるホイールを詳述する。

他の実施形態は、クイックリリーススキューア（quick release skewer）を有する従来型自転車のための、工具を使用せずに従来型の自転車を改造してハイブリッド自転車を生成するために必要なハードウェアの全てを含む、電動前輪アッセンブリを提供する。

電動自転車ホイールについての実施形態の断面斜視図である。 ホイールモータに印加される出力電圧の決定のための機能ブロック図である。 図１に示された電動自転車ホイールについての動作のフローチャートである。 図１における電動自転車ホイールの速度の計算についてのフローチャートである。 図１に示される電動自転車ホイールの角度の計算についてのフローチャートである。

詳細な説明
図１は、ホイールアッセンブリ１０内に含まれる要素のみを用いて動力を供給する、自転車の前輪ホイールアッセンブリについての実施形態を図示する。ホイールアッセンブリ１０は、中心の車軸８の周囲に設置されたモータ１２によって動力が供給される。ホイールアッセンブリは、タイヤ４およびカバー２を有する。カバー２は、ホイールアッセンブリ１０の両側に存在するが、ホイールアッセンブリの内部が見られるように、表示側からは取り外してある。

ホイールアッセンブリ１０は、車軸８の周りを回転する。ホイールアッセンブリ１０内のモータアッセンブリ１２のために用いられ得るモータの例は、ジアユー（Jia-Yu）によって製造された２４Ｖ、２５０Ｗのモータである。

実施形態においては、制御機構はホイールアッセンブリの外部に設けられ、ユーザがホイールアッセンブリ１０によって供給される電力を増加できるようにする。ユーザは、制御機構を用いてモータ１２への電力を指示する。

他の実施形態においては、ユーザ制御機構がなく、ホイールアッセンブリは、ユーザの制御または入力なしに動作するために十分な知能が与えられる。電動ホイールアッセンブリ１０は、ユーザ入力が必要とされないような十分な知能を有するように設計される。したがって、自転車のハンドルバーや他のどこかに、ユーザ制御機構は必要されない。ホイールアッセンブリ１０内部の電子機器は、電動モータへ供給されるべき電力量に関する決定を行う。

ユーザ入力および制御を必要としない実施形態においては、ホイールアッセンブリ１０内に、モータ１２へ印加される電圧を制御するように、アルゴリズムおよびセンサの組み合わせが採用される。

他の実施形態においては、従来型自転車の前輪の交換としてホイールアッセンブリ１０を採用する。ホイールアッセンブリ１０は、ホイールアッセンブリ１０を有する従来型自転車への改造を些細な仕事にする、高性能な電動ホイール設計である。この実施形態においては、高性能電動ホイールアッセンブリ１０は、自転車を駆動するための電力を供給するための必要なハードウェアのすべてを含む。ホイールアッセンブリ１０内に含まれるものは、バッテリ、コントローラ、内部に内蔵されたケーブルである。ホイールアッセンブリは、従来型自転車の前輪を単純にホイールアッセンブリ１０へ交換することによって、使用時に取り付けられる。ホイールアッセンブリ１０を用いて改造された従来型自転車は、従来のような方法で加えられる動力およびホイールアッセンブリ１０を通して加えられる電力の方式を用いたハイブリッド自転車になる。

実施形態においては、電動ホイールアッセンブリ１０は、複数のタイプのセンサを含み得る。これらのセンサのタイプは、加速度計、地面に対するモータ１２の角度位置を測定するモータ１２内またはモータ１２に関連付けられたエンコーダ、および１つまたはより多くのスポーク２４内の歪みゲージを含み得る。

モータ１２についての電力は、バッテリアッセンブリ２２によって供給される。バッテリアッセンブリ２２は、いくつかのバッテリについての接続を含むアッセンブリである。実施形態においては、バッテリアッセンブリは、ホイールアッセンブリ１０とともに回転し得る。図１に図示されたバッテリアッセンブリ２２は、バッテリアッセンブリ２２がホイールアッセンブリ１０とともに回転できるように、車軸８の周囲に散りばめられたバッテリを含む。コントローラ６は、モータ１２がバッテリシステム２２から受けるべき電力量に関する信号を、メイン回路基板１６から受信する。直流電力接続（図示せず）が、バッテリシステム２２を再充電するために設けられる。

バッテリシステム２２についての実施形態は、２０個のＤサイズの再充電可能なバッテリを採用する。使用され得る再充電可能なバッテリの例はＤサイズであり、ＮＥＸｃｅｌｌ（登録商標）からの再充電可能なバッテリである。多くのタイプのバッテリがバッテリアッセンブリ２２内に用いられ得、２０個より多くのまたはより少ないバッテリを含むバッテリアッセンブリが用いられ得ることが注意されるべきである。車軸８の周囲にちりばめられたバッテリを含まない、または、ホイールアッセンブリ１０とともに回転しない、バッテリ電力を供給するための追加のアッセンブリが想定されることが注意されるべきである。

図１に図示されたホイールアッセンブリ１０は、様々なセンサを採用し得る。採用され得る１つのセンサタイプは、ホイールアッセンブリの動きを示すセンサデータを提供する加速度計１４である。満足のいく加速度計１４の例は、３軸のアナログ出力を提供する、ＦＲＥＥＳＣＡＬＥ ＫＩＴ３３７６ＭＭＡ７３４１である。加速度計１４は、スポーク２４の１つに取り付けられ、ホイールアッセンブリ１０とともに回転する。加速度計１４からのアナログセンサデータは、メイン回路基板１６へ入力される。加速度計１４からのアナログセンサデータは、メイン回路基板１６でデジタルセンサデータに変換され得る。加速度計１４はホイールアッセンブリ１０とともに回転するが、ホイールアッセンブリ１０とともに回転せず、その代わりに車軸８に対して固定された位置にとどまる加速度計を有する実施形態が想定される。

メイン回路基板１６によって要求される機能を提供し得る利用可能な回路基板の例は、ＲＡＢＢＩＴ ＢＬ４Ｓ２００などである。ＲＡＢＢＩＴ ＢＬ４Ｓ２００を用いる実施形態においては、それに含まれるプロセッサは、加速度計１４からのデジタルセンサデータの高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）を実行し得る。実施形態は、加速度計１４からのデジタルセンサデータについて、リアルタイムで算術演算を実行するプロセッサを有し得る。ＲＡＢＢＩＴ ＢＬ４Ｓ２００のプロセッサは、これらの演算をリアルタイムで実行するのに十分な速さである。

他の実施形態は、メイン回路基板１６内に含まれるメモリ内のルックアップテーブル（Look Up Table：ＬＵＴ）を実行し得る。ＲＡＢＢＩＴ ＢＬ４Ｓ２００は、ＬＵＴ機能を提供し得るフラッシュメモリを含む。加速度計１４からのセンサデータは、ＦＦＴによって時間領域から周波数領域に変換され、ＬＵＴ内に配置される。ＬＵＴは、ホイールアッセンブリ１０が現在ある角度を提供するために読み込まれる。

ホイールアッセンブリ内で用いられる他のセンサは、ホイールアッセンブリ１０の線形速度に対するデータを提供するように機能する。エンコーダ１８は、ホイールアッセンブリ１０とともに回転しない一部と、ホイールアッセンブリ１０とともに回転する他の部分を有する、ロータリエンコーダであり得る。回転するホイールアッセンブリ１０の線形速度を決定するために、ホイールアッセンブリ１０ともに回転する部分の動きが、ホイールアッセンブリ１０とともに回転しない部分に関して測定される。このようなエンコーダの例は、Ａｖａｇｏ ＨＥＤＳ−９７０１である。

Ａｖａｇｏ ＨＥＤＳ−９７０１は、光の経路に配置された光軸調整レンズによって平行ビームに光軸が合わされた照射光を有する発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を含む。ＬＥＤの反対側は、一組の光検出器であり、ＬＥＤから受信した光からデジタル波形を生成する信号処理回路に関連付けられる。実施形態においては、ＬＥＤ，高軸調整レンズ、光検出器、および信号処理回路は、ホイールアッセンブリ１０とともに回転し、コードホイールは、車軸８との固定された空間的関係を維持する。

コードホイールは、ＬＥＤと光検出器との間に配置される。コードホイールは、ホイールアッセンブリ１０とともに回転しない。したがって、ＬＥＤおよび光検出器に対するコードホイールの相対運動によって、光ビームは、コードホイールについての空間およびバーのパターンによって妨げられる。フォトダイオードは、パターンに配置されるこれらの妨害を検出する。光検出器は、ある対の光検出器についての明期が、光検出器の隣接の対についての暗期に対応するように、間隔が空けられる。フォトダイオードからの出力は、チャンネルＡおよびＢについての最終出力を生成する信号処理回路内の比較器に入力される。チャンネルＡおよびチャンネルＢの出力は、９０度位相がずれた、またはそうでなければ、直交であると言われるデジタル信号である。回転するコードホイールの位相の数のカウントは、ホイールアッセンブリ１０の速度の決定をもたらす。チャンネルＡおよびＢについてのこれらの信号は、メイン回路基板１６に入力される。ＡおよびＢチャンネルからの出力は、以下でさらに詳細に議論されるように、ＬＵＴ内に配置され得る。他の実施形態は、メイン回路基板１６上のＬＵＴを採用することなく、算術計算において、チャンネルＡおよびＢからの出力を直接的に用い、あるいは、それらをメイン回路基板１６上のメモリに配置するとともにそれらを直接的に用い得る。

上述のロータリエンコーダは、特定のタイプのロータリエンコーダの例であり、他のロータリエンコーダが用られ得ることが、当業者には容易に明らかになるであろう。さらに、ロータリエンコーダ以外のほかのタイプのエンコーダが、ホイールアッセンブリ１０を採用する自転車の速度の決定のために用いられ得る。

１つの実施形態においては、センサの構成は、エンコーダおよび加速度計を採用する。
加速度計１４は、ホイールアッセンブリ１０とともに回転して加速度の強さを測定するように配置され得る。加速度の値は、エンコーダ１８の読取りとともに電子機器によって読み込まれる。エンコーダ１８の読取りは、ホイールが平坦な面にあるときに、人為的にゼロに設定されることによって初期化され得る。初期化されると、電子機器は、エンコーダ位置の追跡および加速度計の読取り続ける。実施形態においては、エンコーダ１８位置および加速度計１４の読取りは、速度および位置をそれぞれ計算するために、メイン回路基板１６上のプロセッサによって用いられる。加速度計の位相角は、傾斜の測定を提供するために計算され得る。電子機器は、単位時間内のエンコーダ１８位置変化も計算し得、それは自転車の速度の測定である。傾斜および速度のこれら２つの値は、メイン回路基板１６上のプロセッサによってリアルタイムで比較され、傾斜を補償しかつ速度による抵抗を補償するために、モータによって必要とされる対応する電圧を生成するための情報を提供する。

ルックアップテーブルを採用する他の実施形態は、事前に計算され、かつルックアップテーブル内に配置されたデータを引き出し得、ホイールアッセンブリ１０の動作中にルックアップテーブル内に含まれる値を比較する。比較の結果は、傾斜を補償しかつ速度による抵抗を補償するために、モータによって必要とされる対応する電圧を生成するための情報を提供する。

上述のように、アルゴリズムは、傾斜が初期にゼロに設定されることを要求する。したがって、ユーザは、平坦な面上でユニットを較正しなければならない。このタイプの実施形態においては、初期の傾斜は、自転車が発進するとき（そして、平地上であると考えられるとき）に計算され、記憶され、そして初期化後の後続の回転について計算された位相角から差し引かれる。あるいは、初期化リセット機構は、ホイールアッセンブリ１０に組み込まれ、ユーザが発進ポイントを示すことができるようにする。より多くの歪みゲージセンサ２８のうちの１つを組み込むことによって、この初期化ステップは排除され得る。

実施の形態において、１つまたはより多くの歪みゲージセンサ２８が、スポーク２４上に配置される。各スポーク２４に配置された歪みゲージセンサ２８を用いる実施形態においては、タイヤに近いスポークの端部が地面に最接近し、スポーク２４上に最大の歪み量をもたらすときに、歪みゲージセンサ２８からの出力は最大に達する。加速度計ＦＦＴとともに結果としてもたらされる歪みゲージのＦＦＴは、いかなる較正を用いることなく傾斜を与える。

単一の歪みゲージセンサ２８を用いる実施形態においては、歪みゲージセンサ２８に関連する電子機器は、応力値の重心を計算し、ホイールアッセンブリの変位角を認識する。

実施形態においては、ホイートストーンブリッジ増幅器が、各歪みゲージセンサ２８に関連する。他の実施形態においては、複数の歪みゲージセンサ２８が、ホイートストーンブリッジ内の複数の抵抗値を提供する。
図２は、ホイールアッセンブリ１０の実施形態についての機能ブロック図を示す。図２に示される実施形態は、いかなるユーザ制御の必要なく動作可能であり、そのためユーザインターフェースを必要としないホイールアッセンブリ１０である。図２の実施形態においては、ホイールアッセンブリは、ユーザに、単にペダルを踏みまたはブレーキをかけるようにさせる電子機器を提供する。ホイールアッセンブリ１０は、傾斜および自転車の速度を読取るために十分な知能を提供する、複数のセンサを有する。

図２に図示されたホイールアッセンブリ１０についての実施形態におけるセンサは、１つまたはより多くの歪みゲージ２８を含む。歪みゲージ２８は、ホイールアッセンブリのための単純で効果的な初期化を提供する。各歪みゲージ２８は、それに関連したホイートストーンブリッジ増幅器回路（全、半、または１／４）を有し、歪みゲージ抵抗値が変化したことの指示を提供する。歪みゲージ増幅器２５は、ホイートストーンブリッジについての起動を提供するとともに、歪みゲージの読取りを増幅するために用いられ得る。

ホイールアッセンブリ１０のスポーク上の複数の歪みゲージを用いる実施形態については、地面によって与えられた力は、地面に最も近接したスポーク２４上の歪みゲージについての最大読取値を生成する。これらの実施形態は、メイン回路基板上のプロセッサ２３が、ホイールアッセンブリの位置を知ることができる知能を生成するために、各スポーク２８上の歪みゲージ２８を配置し得る。

実施形態は、単一の歪みゲージ２８を用いることによって、重力に対する傾斜角を測定することを含む。歪みゲージ２８は、複数の方向における応力を測定するように構成され得る。応力の重心は、ホイールアッセンブリ１０の位置を位置付けるために用いられる。単一の歪みゲージ２８を採用する実施形態は、応力レベルの重心を決定するために用いられ、ホイールアッセンブリ１０の位置をメイン回路基板上のプロセッサ２３に知らせる。

アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１９は、歪みゲージデータを、バスＡ上に配置するデジタル形式に変換する。歪みゲージデータは、その後、プロセッサ２３によって用いられる。

エンコーダ１８は、車軸８の周りのホイールアッセンブリ１０の動きを示す直交信号を提供する。実施形態においては、エンコーダ１８からの信号は、デジタル信号であり得る。したがって、アナログ−デジタル変換は必要とされない。これらの直交信号は、バスＡ上に配置され、ホイールアッセンブリ１０が動いているときの線形速度を計算するためにプロセッサにより用いられる。

他の実施形態においては、直交信号はメイン回路基板１６上のメモリ内に配置され、速度の計算のために、プロセッサによって読み出される。バスＡを介したルックアップテーブル（ＬＵＴ）２７ａも、この目的のために用いられ得る。

加速度計１４は、重力による力とともに、ホイールアッセンブリ１０の動きを通して与えられる力を測定する。加速度計１４は、加速度計１４に与えられる力に応答した電圧出力を生成する。これらの電圧出力は、Ａ／Ｄ２６によって受信されかつデジタル形式に変換されたデータである。加速度計データのデジタル化されたバージョンは、その後、アレイ２１内に配置されるバスＡで利用可能とされる。アレイ１８からのデータは、プロセッサ２３によって周期的に読み出され、ＦＦＴ２０を用いて高速フーリエ変換がなされる。

他の実施形態においては、加速度計１４からのデータの高速フーリエ変換は、バスＡを介してルックアップテーブル（ＬＵＴ）２７ｂ内に配置される。ＬＵＴ２７ｂ内に配置されたデータは、プロセッサにより使用され得る。

アレイ２１およびＦＦＴ２０は、メイン回路基板１６上のメモリ内に配置される。アレイ２１は、記憶目的のためのメモリの割り当てである。データ構造として用いられるアレイ２１に代えて、リンクリストのような他のデータ構造も用いられ得る。ＦＦＴ２０は、メイン回路基板１６上のメモリ内に備えられ得るプログラムである。

ＬＵＴ２７ａ，２７ｂを採用する実施形態においては、これらは、メイン回路基板１６上のフラッシュメモリ内に配置され得る。

加速度計からのデータの高速フーリエ変換は、傾斜を表わす。初期化の間において、加速度計位相角から歪みゲージについての位相角の減算（たとえば、φＡ−φＳ）は、ホイールアッセンブリ１０が存在しているところの傾斜角を与える。

実施形態においては、電子機器はルックアップテーブル（ＬＵＴ）を採用し得る。これらのルックアップテーブル２７ａ，２７ｂは、傾斜角の関数として加速度計データおよび歪みゲージからのデータを含み得る。

実施形態においては、コンピュータは、センサの値に依存する２つのＬＵＴ２７ａ，２７ｂを読み、ＬＵＴ２７ａ，２７ｂからの値を組み合わせて、バッテリアッセンブリ２２からモータ１２へ出力されるべき出力電圧についての値を生成する。

このようにして、メイン回路基板１６上のプロセッサは、傾斜および自転車の速度による牽引力を補償し、自転車をより容易にかつより楽しく乗るようにし得る。

他の実施形態は、センサから直接的に計算を実施し得、ルックアプテーブルの使用を必要としない。

図３は、傾斜、速度および位相角の計算の基本機能を示すフロー図である。ルーチンは、ホイールアッセンブリ１０が使用されているときに実行される。ホイールアッセンブリのためのシステムは、必要に応じてシステムリソースが取得される初期化３２を通り、様々な部分が初期化される。「速度検出」３３は、すべてのセンサデータを読取る前に、ホイールアッセンブリにおける十分な動作を待つ。このように、自転車が静止位置にある間は、０ボルトがモータ１２に印加される。一旦速度が検出されると、並列分岐が採用される。「速度データ採取」３４は図４におけるフロー図と同様であり、「加速度計データ採取」は、図５におけるフロー図と同様であり、並行して実行され得る。

ホイールアッセンブリ１０の線形速度は、「速度データ計算」３４によって決定される。加速度計データについての位相角は、「ＦＦＴの実行」３６によって決定される。「加速度計位相角から速度位相角を差し引くことによる傾斜計算」３８は、コントローラ６によってバッテリアセンブリ２２からモータ１２へ搬送されるべき出力電圧を決定することを助けるための、傾きの角度を与える。

図３のルーチンは、その後、事後初期化状態に戻り、ルーチンを再開する。
実施形態においては、角度計算は、自転車が乗車されている間の任意の時点における、バッテリアッセンブリ２２からモータ１２への所望の出力電圧を提供するために決定され得る。出力電圧は、自転車が坂を登っている場合にはより高くなり、平地を走行している場合または坂を下っている場合はより低くなるべきである。

さらに、出力電圧は、自転車がより高速で走行している場合には、（１）速度に伴って増大する機械的牽引力に打ち勝つため、（２）モータがより高速に回転するにつれてモータによって生成される逆起電力に打ち勝つための、２つの理由のためにより高くなるべきである。

所望の出力電圧は、式１の計算から導き出され得る。
式１ ： 出力電圧＝［（角度×Ｃ１）＋（速度×Ｃ２）］＋Ｃ３
ここで、「角度」は自転車が乗られている表面の角度であり、「速度」は自転車の線形速度であり、Ｃ１は「角度」に適合されるゲインであり、Ｃ２は「速度」に適合されるゲインであり、Ｃ３は計算全体に適合されるオフセットである。

実施形態においては、角度に適合されるゲインＣ１は３７であり、角度はラジアンで表わされる。速度に適合されるゲインＣ２は０．４２であり、ｍ／ｓｅｃで測定される速度である。計算全体に適合されるオフセットＣ３は、０．７５ボルトである。様々な実施形態は、異なるゲインＣ１、Ｃ２およびＣ３を採用し得、先述のものは様々な可能性のある実施形態のうちの１つの例にすぎないことが、注意されるべきである。

実施形態においては、「角度」は、ホイールの回転ごとに１回更新される。「角度」の更新は、異なる実施形態に応じて、より多くの頻度、またはより少ない頻度で実行され得る。

他の実施形態においては、「速度」は、ホイールの回転ごとにＮ回更新される。「速度」の更新は、異なる実施形態に応じて、より多くの頻度、またはより少ない頻度で実行され得る。実施形態においては、Ｎの値は９０である。「速度」が更新される頻度は、異なる実施形態に応じて大きく変化し得る。

実施形態においては、「速度」が更新されるたびに、加速度計１４からのデータが更新されるとともに、メイン基板１６上のメモリ内のアレイに記憶され得る。ホイールアッセンブリ１０の回転ごとに、アレイ内の加速度計データが読み出され、加速度計の位相オフセットを計算するために用いられる。

計算は、メイン回路基板１６上のプロセッサ２３を用いて達成され得る。
データ源
「速度」および「角度」の計算のためのデータは、（１）加速度計１４、および（２）車軸８に対して固定されたままの１つの部品およびホイールアッセンブリ１０とともに回転する他の部品を有する２チャンネルデジタルロータリエンコーダの、２つの源から取得され得る。

速度の計算
図４は、ホイールアッセンブリ１０の速度を計算する実施形態のためのフロー図である。「ｉ＝０に設定」４１は、インデックス変数を初期化する。「割り込み受信」４３は、メイン回路基板１６にオンボードされたプロセッサへの割り込みを待つ。エンコーダ１８は、ホイールアッセンブリ１０が回転するときに、メイン回路基板１６にオンボードされたプロセッサへの割り込みのために用いられる直交パルスを生成する。エンコーダ１８は、ホイールアッセンブリ１０の回転ごとにＮ回、直交パルスを生成する。したがって、メイン回路基板１６にオンボードされたプロセッサは、エンコーダ１８からのパルスによって、回転ごとにＮ回割り込まれ、各割り込みは割り込み処理ルーチン（interrupt service routine：ＩＳＲ）を起動する。実施形態においては、Ｎは９０であるが、この数は、様々な実施形態に応じて、大きく変化され得る。

ＩＳＲが起動されるたびに、「タイマ読取」４４は、メイン回路基板１６のタイマの値を読取る。「最後の割り込みからの時間算出」４５は、最後の割り込みからの時間のタイマ値を記憶する。最後の割り込みから計算された距離は、エンコーダパルス間で一定のままである既知の値である。タイマ読取および既知の距離を用いて、「速度＝（走行距離）／（タイマ読取値）」４７は、式２に示される関係を実行する。

式２ 速度＝エンコーダパルス間に走行した距離／タイマカウント
エンコーダ１８がメイン回路基板１６のプロセスへの割り込みを生じるパルスを提供するたびに、エンコーダ１８からの最後のパルスからの（最後の割り込みからの）時間の量が検知される。実施形態においては、タイマは１秒あたり、１００，０００カウントの分解能を有し得る。他の実施形態は、１秒間により多くのカウントまたは１秒間により少ないカウントである、異なるタイマ分解能を有する。各エンコーダパルスが意味するものは、特定の距離が、各パルス間を占められることである。この距離は一定であり、「速度」の計算を簡単なタスクにする。

一旦「速度」が計算されると、「タイマリセット」４８は、タイマをゼロにリセットする。「ｉ＝ｉ＋１に設定」は、Ｎの値をカウントするインデックス変数ｉを増加する。ｉ＝Ｎになると、図４のルーチンに「ｉ＜Ｎ」４２が存在し、ホイールアッセンブリ１０の完全な回転が完了したことになるので、ホイールアッセンブリ１０の「速度」が計算される。

出力電圧の一部に依存する「速度」は、このようにして更新される。実施形態においては、図４は終了されず、開始点Ａに再び戻り、ホイールアッセンブリ１０の次の回転についての速度計算を開始する。

「角度」の計算
実施形態においては、「角度」計算は複数のデータ源から導き出される。これらのデータ源は、ロータリエンコーダおよび／または加速度計であり得る。

実施形態においては、「角度」計算は、ホイールの回転ごとに１回更新される。したがって、このような実施形態においては、図５を参照して以下に記載されるデータ取得および計算は、図４を参照して上述したデータ取得および計算と並行して動作する。

実施形態においては、「角度」計算は２つの部分で達成される。「角度」計算のパート１においては、加速度計１４がホイールアッセンブリ１０とともに回転する。したがって、自転車が平滑面上を一定速度で進んでいる場合、重力は加速度計１４の出力をサイン波にする。アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換が、回転ごとにＮ回、加速度計からの信号について実行される。これらの値は、アレイまたはリンクリストのようなメイン回路基板１６上のメモリ内に記憶される。回転の完了において、加速度計１４からのデータが記憶され、信号の位相オフセットを計算するために用いられる。

図５を参照して、メイン回路基板１６上のプロセッサによって実行される角度計算ルーチンは、開始点Ｂを有する。図４を参照して上述したように、「ｉ＝０に設定」は、センサデータ読取りの指標とするために用いられるインデックス変数を初期化する。「デジタル化された加速度計データの読取」５３は、加速度計１４からのセンサデータを取得する。「加速度計データをアレイ内に記憶」５４は、加速度計１４からの取得センサデータを、アレイのようにアクセスされ得るように、メイン回路基板１６上のメモリに配置する。記憶された加速度計データ読取の各反復のリンクリストが、アレイの代わりに生成され得ることが注意されるべきである。さらに、メモリ内に記憶された加速度計データの反復へのアクセスを可能とするいかなるデータ構造も使用され得る。「ｉ＝ｉ＋１に設定」５５は、インデックス変数ｉを増加する。決定ブロック「ｉ＜ｎ」５６は、インデックス変数ｉの値をチェックする。図５におけるルーチンは、インデックス変数ｉがＮと等しくなるまで、「デジタル化された加速度計データの読取り」５３へ戻るバックループへ分岐する。

実施形態においては、上述のループは、図４を参照して述べた速度計算を並行して実行される。エンコーダ１８からの各パルスは、メイン回路基板１６のプロセッサに割り込み、加速度計データが取得されるとともに、アレイ内に記憶される。これが、ホイールアッセンブリ１０の回転全体を通して継続し、その後再度開始される。１回転の完了時において、加速度計１４からのデータがメモリ内に記憶され、信号の位相オフセットを計算するために用いられる。１回転の完了時において、メモリ内に記憶された加速度計１４からのデータは、信号の位相オフセットを計算するために用いられる。

実施形態においては、ＭａｔＬａｂの実施が、記憶された加速度計データからの位相オフセット信号の計算のために用いられる。このＭａｔＬａｂの実行例が以下に示される。

角度計算のＭａｔＬａｂ実行例
function [ang1 ,ang2]=angle_calc(y1 ,N)
% Given one input signal, y1 will return phase offset of the signal
% assuming y1 is primarily 1 Hz over N samples.
% y1 is pendulum signal = A1*cos(2*pi*x+ang1);
% N=90;
x=(0:N-l)/N;
basis_pendulum_cos(x) = cos(2*pi*x);
basis_pendulum_sin(x) = sin(2*pi*x);
a1=0;
b1=0;
for i=1:N,
a1=a1+y1(i)*basis_pendulum_cos(i);
b1=b1+y1(i)*basis_pendulum_sin(i);
end
a1=a1/N;
b1=b1/N;
a2=a2/N;
b2=b2/N;
A1=2*sqrt(a1^2+b1^2);
ang1=atan2(-b1,a1).
他の実施形態においては、上記のＭａｔＬａｂ実行例において実行される計算は、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）によって実行される。ＦＦＴはＣ＋＋のバージョン、または、先述のＭａｔＬａｂ実行例によって実行される同様の算術演算を実行するための他の高級プログラムで記述される。

「角度」計算のパート２においては、加速度計１４が、重力だけでない、全ての加速力を検出するために採用される。自転車の線形加速度もまた、加速度計が測定するトータル加速度の成分を形成する。この用途においては、自転車の線形加速度による角度の一部は、望ましい成分ではない。これを補償するために、線形平均線形加速度が式３の関係に従う速度データから計算される。

図５を参照して、「加速度計についての位相オフセットの算出」５７が、ＦＦＴ、ＭａｔＬａｂ実行例、または他のプログラミング解法のいずれかを用いて、１回転の終了時に実行される。

「線形加速による角度の算出」５８は、いかに記載される計算を実行する。第１に、平均線形計算が式３に従って行なわれる。

式３ ： 平均線形加速度＝［（回転終了時の速度）−（回転開始時の速度）］／（回転にかかる時間）
式３からの結果は、９．８１ｍ／ｓ²の重力単位（Ｇ’ｓ）にするための定数と掛け合わされる。

線形加速度による角度の一部は、その後、式４の関係に従って計算される。
式４ ： 見掛け角度＝ａｔａｎ（平均線形加速度）
「位相オフセットからの角度の減算」５０は、パート１において計算された角度から、「見掛け角度」を減算し、出力電圧を計算するために用いられる角度をもたらす。

実施形態においては、最終的に計算された角度が＋／−７度の範囲外の場合は、以下を実行するシステムソフトウェア内で実行される論理を用いて、＋／−７度にクリップされる。

If (angle > 7 degrees)
{
Angle = 7 degrees
}
If (angle < -7 degrees)
{
Angle = - 7 degrees
}
さらなる計算
ノイズ源の影響を低減するために、移動平均（running average）が、以下の式５の関
係によって示されるような角度計算のために用いられる。

式５ ： この回転に適合された角度＝前のｎ回転について計算された角度の平均（ｎの最適値はいまだに決定されている。しかし、本書においては、ｎ＝４である。）
線形補間が、前の角度と現在の角度の間で実行され、２つの角度の間を変化する全体の回転をもたらす。これは、ホイール回転境界における電圧の急激な変化がないようにすることを保障する。

補間の例
上述のように、新しい角度が計算され、前の角度も既知であると仮定する。

以下のような値であると仮定する。
角度（ｎ−１回転）＝１度
角度（ｎ回転）＝２度
各回転が９０個のステップに分割されると仮定する。
各ステップにおいて、角度差の１／９０がホイールに適合される。我々の例においては、角度差は、２度−１度＝１度である。
１度の１／９０＝０．０１１１である。

表１に示されるように、ホイールの全回転が、角度変化を適合するために用いられ、モータへの電圧の急激な変化を回避する。

上記は、例示の目的のための本発明の実施形態を説明する。これらの実施形態は、制限として見なされるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって評価されるべきである。

Claims (18)

1. ホイールアッセンブリであって、
   前記ホイールアッセンブリ内の車軸に取り付けられたモータと、
   前記ホイールアッセンブリ内に設けられ、前記モータへ電力を供給するように構成されたバッテリシステムと、
   前記ホイールアッセンブリ内に設けられ、前記ホイールアッセンブリの速度および方位角に関連するデータを提供するセンサシステムと、
   前記ホイールアッセンブリ内に設けられ、速度および方位角に関連するデータを受けるように構成された制御システムとを備え、
   前記制御システムは、前記速度および方位角に関連するデータに基づいて出力電圧を計算するように構成された、少なくとも１つのプロセッサを有し、
   前記制御システムは、出力を生成するとともに、前記バッテリシステムに前記出力を提供して、前記バッテリシステムによって前記モータに供給される電力を変化させ、
   前記センサシステムは、前記ホイールアッセンブリの方位角に関連するアナログデータを提供するための加速度計をさらに含む、ホイールアッセンブリ。
2. 前記制御システムの出力は、どのようなユーザ入力を伴うことなく、前記モータへ供給される前記電力量を制御する、請求項１に記載のホイールアッセンブリ。
3. 前記制御システムは、
   前記センサシステムから、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するアナログデータを受けるとともに、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するアナログデータを、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータに変換する、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器と、
   前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータを受けるアルゴリズムとをさらに含み、
   前記アルゴリズムは、
   前記ホイールアッセンブリについての方位角を決定するための第１の機能と、
   前記ホイールアッセンブリについての速度を決定するための第２の機能と、
   前記バッテリシステムへの前記出力を介して、前記モータへ印加される出力電圧の決定とを含み、
   前記決定は、
   出力電圧＝角度×Ｃ１＋速度×Ｃ２＋Ｃ３
   に従って実行され、
   ここで、「角度」は、前記ホイールアッセンブリについての方位角であり、
   「速度」は、前記ホイールアッセンブリの速度であり、
   Ｃ１は、「角度」に適合されるゲインであり、
   Ｃ２は、「速度」に適合されるゲインであり、
   Ｃ３は電圧オフセットであり、
   前記制御システムは、
   前記バッテリシステムに関連する制御装置をさらに含み、
   前記制御装置は、前記決定を受けるとともに、「出力電圧」の前記決定を前記バッテリシステムへ適用する、請求項１に記載のホイールアッセンブリ。
4. 前記制御システムは、
   前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータの高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）をさらに含み、
   前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータの前記ＦＦＴは、１対のルックアップテーブル（Look Up Table：ＬＵＴ）内に記憶され、
   「出力電圧」の前記決定は、前記ホイールアッセンブリについての方位角に関連する前記記憶されたＦＦＴから、速度に関連する前記記憶されたＦＦＴを差し引くことによって作られる、請求項３に記載のホイールアッセンブリ。
5. 「出力電圧」の前記決定において選択された、前記ホイールアッセンブリについての速度に関連する前記記憶されたＦＦＴおよび方位角に関連する前記記憶されたＦＦＴは、センサデータによって作られる、請求項４に記載のホイールアッセンブリ。
6. 前記ホイールアッセンブリについての方位角の決定のための前記第１の機能、および前記ホイールアッセンブリについての速度の決定のための前記第２の機能は、並行して実行される、請求項５に記載のホイールアッセンブリ。
7. 前記センサシステムは、
   速度に関連するアナログデータを提供するためのロータリーエンコーダをさらに含む、請求項１に記載のホイールアッセンブリ。
8. 前記センサシステムは、
   少なくとも１つの歪みゲージをさらに含む、請求項１に記載のホイールアッセンブリ。
9. 前記歪みゲージは、前記ホイールアッセンブリの方向の初期決定を提供する、請求項８に記載のホイールアッセンブリ。
10. ホイールアッセンブリであって、
    前記ホイールアッセンブリ内の車軸に取り付けられたモータを備え、前記モータは、一旦前記モータが予め定められた電力量を受けると、前記車軸の周りを回転するように前記ホイールアッセンブリに動力を供給し、
    前記ホイールアッセンブリは、
    前記モータへ電力を供給するように構成された、前記ホイールアッセンブリ内のバッテリシステムをさらに備え、
    前記バッテリシステムは、前記ホイールアッセンブリとともに回転するように配置され、
    前記ホイールアッセンブリは、
    前記ホイールアッセンブリ内に設けられ、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデータを提供するセンサシステムと、
    前記ホイールアッセンブリ内に設けられ、速度および方位角に関連するデータを受信する制御システムとをさらに備え、
    前記制御システムは、前記速度および方位角に関連するデータに基づいて出力電圧を計算するように構成された、少なくとも１つのプロセッサを有し、
    前記制御システムは、出力を生成するとともに、前記バッテリシステムに前記出力を提供して、前記バッテリシステムによって前記モータに供給される電力を変化させ、
    前記センサシステムは、前記ホイールアッセンブリの方位角に関連するアナログデータを提供するための加速度計をさらに含む、ホイールアッセンブリ。
11. 前記制御システムの前記出力は、前記センサシステムからの入力に応答して、前記バッテリシステムから前記モータへ供給される前記電力量を制御する、請求項１０に記載のホイールアッセンブリ。
12. 前記制御システムは、
    前記センサシステムから、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するアナログデータを受けるとともに、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するアナログデータを、前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータに変換する、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器と、
    前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータを受けるアルゴリズムとをさらに含み、
    前記アルゴリズムは、
    前記ホイールアッセンブリについての方位角を決定するための第１の機能と、
    前記ホイールアッセンブリについての速度を決定するための第２の機能と、
    前記バッテリシステムへの前記出力を介して、前記モータへ印加される出力電圧の決定とを含み、
    前記決定は、
    出力電圧＝角度×Ｃ１＋速度×Ｃ２＋Ｃ３
    に従って実行され、
    ここで、「角度」は、前記ホイールアッセンブリについての方位角であり、
    「速度」は、前記ホイールアッセンブリの速度であり、
    Ｃ１は、「角度」に適合されるゲインであり、
    Ｃ２は、「速度」に適合されるゲインであり、
    Ｃ３は電圧オフセットであり、
    前記制御システムは、
    前記バッテリシステムに関連する制御装置をさらに含み、
    前記制御装置は、前記決定を受けるとともに、「出力電圧」の前記決定を前記バッテリシステムへ適用する、請求項１１に記載のホイールアッセンブリ。
13. 前記制御システムは、
    前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータの高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）をさらに含み、
    前記ホイールアッセンブリについての速度および方位角に関連するデジタルデータの前記ＦＦＴは、１対のルックアップテーブル（Look Up Table：ＬＵＴ）内に記憶され、
    「出力電圧」の前記決定は、前記ホイールアッセンブリについての方位角に関連する前記記憶されたＦＦＴから、速度に関連する前記記憶されたＦＦＴを差し引くことによって作られる、請求項１２に記載のホイールアッセンブリ。
14. 「出力電圧」の前記決定において選択された、前記ホイールアッセンブリについての速度に関連する前記記憶されたＦＦＴおよび方位角に関連する前記記憶されたＦＦＴは、センサデータによって作られる、請求項１３に記載のホイールアッセンブリ。
15. 前記ホイールアッセンブリについての方位角の決定のための前記第１の機能は、前記ホイールアッセンブリの毎回転ごとに実行され、
    前記ホイールアッセンブリについての速度の決定のための前記第２の機能は、前記第１の機能と並行して実行される、請求項１４に記載のホイールアッセンブリ。
16. 前記センサシステムは、
    速度データを更新するためのシステムプロセッサに割り込む、速度に関連するアナログデータを提供するためのロータリーエンコーダをさらに含む、請求項１５に記載のホイールアッセンブリ。
17. 前記センサシステムは、
    少なくとも１つの歪みゲージをさらに含む、請求項１６に記載のホイールアッセンブリ。
18. 前記歪みゲージは、前記ホイールアッセンブリの方向の初期決定を提供する、請求項１７に記載のホイールアッセンブリ。

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