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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:康富順
研究生(外文):Kang, Fu-Shun
論文名稱:具學習功能之自行車自動變速系統
論文名稱(外文):Bicycle Automatic Shift Control Device with Learning Ability
指導教授:林錫寬
指導教授(外文):Lin, Shir-Kuan
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電控工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:47
中文關鍵詞:自行車自動變速自我學習微控器
外文關鍵詞:bicycleautomatic shift controlself-learningMCU
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自行車騎乘者在騎乘過程中,會依據自己的需求來變換檔位,以得到符合自己期望之最佳踏速範圍,例如有些騎乘者希望得到最高效率,而有些騎乘者則希望保持舒適地騎乘,符合不同需求之最佳踏速範圍會有差異。然而,由於大部分騎乘者並非受過訓練,藉由手動換檔持續維持踏速在最佳的範圍內是不容易的,且無法充分發揮變速系統的效用,在騎乘過程中也可能因為選擇了不適當的檔位而有受傷之虞。若有一套自動變速系統則可以解決上述問題。

目前自行車自動變速系統大多數並不具有學習使用者騎乘狀態的能力,而是使用出廠預設值來做為換檔條件,無法適用於所有使用者。本研究提出一具有學習功能之自動變速系統,依據使用者之騎乘習慣得到換檔時機並建立換檔策略,可以滿足不同使用者的需求。換檔策略與變速控制系統的結合是利用了微控制器,控制步進馬達轉動,配合導螺桿拉動變速器鋼線,而實現自動變速控制。

During cycling, cyclists may shift gears to obtain different gear-ratio and cadence in order to satisfy their requirements such as for the highest power output or the best comfort. However, it is not easy for those inexperienced riders to obtain the optimal cadence because they can not judge the moment to shift gears. They can not make use of the derailleur system in the correct way as well. As a result, they may feel uncomfortable, and even get hurt. Therefore, we need an automatic shift control device to avoid such situation.

There are bicycles with automatic shift control device available, but most of them are not suitable for all the cyclists due to the lack of learning ability. This paper presents an automatic shift control device with learning ability. The MCU records the pedaling cadence during cycling, and then develops the strategy about the correct up-shifting or down-shifting moment. The MCU also commands the actuators to shift up or shift down a gear according to the strategy. Finally, the automatic shift control device can help cyclists to pedal at the optimal cadence.

第1章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 最佳踏速 2
1.2.2 自動變速及換檔策略 3
1.3 論文章節概述 5
第2章 硬體介紹 6
2.1 微控器 6
2.2 步進馬達 8
2.3 變速器 11
2.4 Torque sensor 11
2.5 輪速及踏速sensor 13
2.6 檔位變換作動流程 13
第3章 微控器設計 15
3.1 速度計算 15
3.2 踩踏頻率計算 17
3.3 踩踏力矩計算 19
3.4 步進馬達控制 24
3.4.1 驅動方式 24
3.4.2 激磁方式 24
3.4.3 微控器對步進馬達控制 25
3.5 升檔及降檔 28
第4章 換檔策略及學習方法 29
4.1 實測與分析 29
4.1.1 虛擬踏速 29
4.1.2 騎乘之踩踏頻率 31
4.1.3 母體參數的推論 34
4.1.3.1 常態機率圖 34
4.1.3.2 母體平均數估計 36
4.1.3.3 母體變異數推論 37
4.2 換檔策略 39
4.3 學習方法 40
第5章 實測結果 42
第6章 結論與未來展望 45
6.1 結論 45
6.2 未來展望 45
參考文獻 46

[1] R. Redfield and M. L. Hull, “On the relation between joint moments and pedaling rates at constant power in bicycling,” Journal of Biomechanics, Vol. 19, No. 4, pp. 317-329, 1986.
[2] M. L. Hull, H. K. Gonzalez, and R. Redfield, “Optimization of pedaling rate in cycling using a muscle stress-based objective function,” International Journal of Sport Biomechanics, Vol. 9, pp. 1-20, 1988.
[3] A. P. Marsh and P. E. Martin, “The association between cycling experience and preferred and most economical cadences,” Medicine and Science in Sports and Exercise, Vol. 25, No. 11, pp. 1269-1274, 1993.
[4] 黃有烽,騎腳踏車之踏力與速度之最適化研究,國立清華大學動力機械工程學系碩士論文,1999。
[5] A. P. Marsh, P. E. Martin, and D. J. Sanderson, “Is a joint moment-based cost function associated with preferred cycling cadence,” Journal of Biomechanics, Vol. 33, pp. 173-180, 2000.
[6] M. Mitsuaki, K. Yasuo, and K. Takashi, “Electronic device for a vehicle,” U.S. Patent 5 497 143, Mar. 5, 1996.
[7] Y. Seiji, “Display apparatus for a bicycle,” U.S. Patent 5 621 382, Apr. 15, 1997.
[8] Y. Seiji, “Display apparatus for a bicycle having a speed changer,” U.S. Patent 5 625 336, Apr. 29, 1997.
[9] R. M. Downs, “Data display unit for a bicycle,” U.S. Patent 5 629 668, May. 13, 1997.
[10] G. T. McWhorte, “Cyclometer computer,” U.S. Patent 5 644 511, Jul. 1, 1997.
[11] J. Masahiko, “Bicycle computer,” U.S. Patent 5 847 641, Dec. 8, 1998.
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[13] N. Horiuchi, “Automatic shifting control device for a bicycle,” U.S. Patent 6 367 833, Apr. 9, 2002.
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[15] T. Y. Lin, “Apply fuzzy logic to smart-bike controller design,” in Proc. ISUMA’03, 2003, pp. 208-212.
[16] 蔡岳良,自行車自動變速策略之研究,國立交通大學機械工程學系碩士論文,2007。
[17] N. Matsuo, “Method and apparatus for calculating a pseudo crank rotational speed for a bicycle,” U.S. Patent 6 104 975, Aug. 15, 2000.
[18] D. R. Anderson, D. J. Sweeney, and T. A. Williams, Statistics for Business and Economics, 10th ed. Ohio: Thomson South-Western, 2009.

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