一種騎行能力分析系統及分析方法與流程
2023-12-09 07:33:06 1
本發明涉及騎行能力分析技術，尤其是涉及一種騎行能力分析系統及分析方法。
背景技術：
隨著騎行健身愛好者的日益增多，人們對騎行方式也日益推崇，由於不同人群的騎行能力不同，故騎行過程中經常性因騎行能力不夠而導致過渡騎行而影響身體健康，甚至影響生命安全。因此，準確的評價自身的騎行能力以便於規劃更加合理的騎行距離和騎行線路對於騎行者來說十分重要，而目前騎行能力均採用計時法、勻速法等，其存在較大的局限性，僅僅只能適用於特定賽場，對於不同線路、不同時間、不同騎行者來說，其評價準確性低。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述技術不足，提出一種騎行能力分析系統及分析方法，解決現有技術中騎行能力分析方法局限性較大、準確率低下的技術問題。
為達到上述技術目的，本發明的技術方案提供一種騎行能力分析方法，包括如下步驟：
S1、獲取騎行者在各個騎行階段的騎行功率和騎行時間，並通過各個騎行階段的騎行功率和騎行時間計算騎行者克服阻力所做的功；
S2、獲取騎行者在各個騎行階段的心率，計算各個騎行階段在單位心率下的功率輸出；
S3、計算相鄰兩個騎行階段的功率輸出變化值。
優選的，所述步驟S1包括：
S11、根據騎行坡度將騎行路程分隔形成連續的多個騎行階段；
S12、獲取騎行者在各個騎行階段的騎行阻力和騎行速度；
S13、根據騎行阻力和騎行速度計算各個騎行階段的騎行功率。
優選的，所述騎行功率的計算公式為：
Pi＝Fi*Vi (1)
其中，Pi為第i階段的騎行功率，Fi為第i階段受到的騎行阻力，Vi為第i階段的騎行速度，i為自然數。
優選的，所述騎行阻力由滾動阻力、空氣阻力、重力阻力組成，即F＝Fg+Fk+Fz，F為騎行阻力，Fg為騎行受到的滾動阻力，Fk為騎行受到的空氣阻力，Fz為騎行受到的重力阻力。
優選的，所述滾動阻力的計算公式為：
Fg＝Xz*(Mc+Mr)*Xl*Cosα (2)
其中，Fg為騎行受到的滾動阻力，Xz是騎行車的滾動阻力係數，Mc為騎行者的重量，Mr為騎行車的重量，Xl為路面的阻力係數，α為路面的坡度角。
優選的，所述空氣阻力的計算公式為：
Fk＝1/16*A*Cw*(Vq+Vz*Cosβ)2 (3)
其中，Fk為騎行受到的空氣阻力，A為迎風截面面積、Cw為風阻係數，Vq為騎行者的騎行速度，Vz是自然界的風速，β風向與騎行方向反向的夾角。
優選的，所述重力阻力的計算公式為：
Fz＝(Mc+Mr)*g*Sinα (4)
其中，Fz為騎行受到的重力阻力，Mc為騎行者的重量，Mr為騎行車的重量，g為重力常數，α為路面的坡度角。
優選的，所述功率輸出和騎行功率變化值的計算公式分別為：
Ni＝Pi/HRi (5)
NPi＝(Pi+1-Pi)/(HRi+1-HRi) (6)
其中，Ni為第i個騎行階段的單位心率下的功率輸出，Pi為第i階段的騎行功率，HRi為第i個騎行階段的心率，NPi為第i個騎行階段與第i+1個騎行階段之間的騎行功率變化值，Pi+1為第i+1階段的騎行功率，HRi+1為第i+1個騎行階段的心率。
同時，本發明還提供一種騎行能力分析系統，包括用於測量騎行車速的測速碼錶、用於測量騎行車在豎直方向上的加速度的加速度傳感器、用於輸入參數和顯示騎行數據的觸控螢幕、用於測量騎行坡度的坡度計、用於檢測人體騎行姿態的姿態傳感器、用於供電的電源、用於檢測騎行者心率的心率帶、用於處理數據的處理器及用於存儲數據的存儲器；處理器包括用於獲取加速度傳感器的加速度信號的加速度採集模塊、用於識別加速度採集模塊採集的加速度信號的變化頻率的頻率識別模塊、用於調用與加速度變化頻率相對應的摩擦係數的摩擦係數調用模塊、用於採集測速碼錶檢測的速度信號的速度採集模塊、用於採集坡度計檢測的坡度信號的坡度採集模塊、用於採集姿態傳感器檢測的姿態信號的姿態採集模塊、用於根據姿態信號獲取與姿態信號相對應的姿態參數的姿態參數調用模塊、用於採集心率帶的心率信號的心率採集模塊及處理運算單元；所述加速度採集模塊、頻率識別模塊、摩擦係數調用模塊、觸控螢幕、速度採集模塊、坡度採集模塊、姿態採集模塊、姿態參數調用模塊、電源、存儲器、心率採集模塊均與所述處理運算單元連接。
優選的，所述處理器還包括坡度信號比較模塊和騎行階段調整模塊，度信號比較模塊用於比較所述坡度採集模塊採集的相鄰兩次坡度信號的大小是否超出設定範圍，若超出設定範圍則啟動騎行階段調整模塊，騎行階段調整模塊則用於驅動當前騎行階段結束並進入下一騎行階段。
與現有技術相比，本發明通過採集騎行過程中的相關參數和騎行數據獲取騎行者在不同階段的騎行功率和騎行時間，計算騎行者克服阻力所做的功、單位心率下的功率輸出、相鄰兩個騎行階段的功率輸出變化值並判斷騎行者騎行能力範圍，根據騎行者能力範圍規劃騎行距離和線路。
附圖說明
圖1是本發明的騎行能力分析方法的流程圖；
圖2是本發明的步驟S1的子流程圖；
圖3是本發明的騎行能力分析系統的連接結構示意圖；
圖4是本發明的騎行能力分析系統的連接框圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參閱圖1～4，本實施例提供了一種騎行能力分析方法，包括如下步驟：
S1、獲取騎行者在各個騎行階段的騎行功率和騎行時間，並通過各個騎行階段的騎行功率和騎行時間計算騎行者克服阻力所做的功；
為了便於獲取各個騎行階段的騎行功率和騎行時間，本實施例所述步驟S1包括：
S11、根據騎行坡度將騎行路程分隔形成連續的多個騎行階段；
具體騎行時，本實施例根據坡度將騎行線路分隔成多個騎行路段，即當坡度不發生明顯變化時，其記作一個騎行路段，該騎行路段的坡度可作為基準坡度，若當前坡度相對基準坡度發生明顯變化時，具體可設置一個範圍，當坡度變化超過該範圍時，則上一騎行路段結束並進入當前騎行路段，然後當前騎行路段的坡度作為基準坡度，當坡度變化再次超過設定範圍時，則進入下一騎行路段，且下一騎行路段的坡度作為基準坡度，依次循環至騎行結束。通過上述坡度變化將整個騎行線路分隔為多個騎行路段，而每個騎行路段則為一個騎行階段，由於每個騎行階段的坡度不同，故騎行過程中每個騎行階段的阻力不同，其對應的騎行克服阻力做功也是不同。故本實施例獲取每個騎行階段的騎行功率和騎行時間，從而計算騎行過程克服阻力做功，其準確性高。
S12、獲取騎行者在各個騎行階段的騎行阻力和騎行速度；
由於騎行阻力主要由滾動阻力、空氣阻力、重力阻力組成，具體可採用以下公式計算，即F＝Fg+Fk+Fz，F為騎行阻力，Fg為騎行受到的滾動阻力，Fk為騎行受到的空氣阻力，Fz為騎行受到的重力阻力。
其中，滾動阻力主要為騎行過程中騎行車在地面滾動形成的阻力，其具體計算公式為：
Fg＝Xz*(Mc+Mr)*Xl*Cosα (2)
其中，Fg為騎行受到的滾動阻力，Xz是騎行車的滾動阻力係數，Mc為騎行者的重量，Mr為騎行車的重量，Xl為路面的阻力係數，α為路面的坡度角。
滾動阻力係數Xz可根據車輛的車型、輪胎類型確定；騎行者和騎行車的重量則可通過稱重獲取；路面的阻力系統一般通過路面狀況確定，例如水泥路面、瀝青路面、土路和石子路等路面狀況不同，其摩擦係數也明顯不同，故為了便於獲取路面的阻力係數，本實施例通過加速度傳感器或重力傳感器檢測騎行車在豎直方向上的加速度變化頻率或重力變化頻率，進而判斷騎行的振動頻率，然後根據不同路面設置不同的振動值範圍，當騎行的振動頻率位於對應的振動值範圍時，則調用與振動值範圍相對應的路面摩擦係數；路面的坡度角可通過坡度計實時測量，具體騎行時，每個騎行階段的坡度角理論上可認為成一個定值，為了簡化計算，本實施例以每個騎行階段的理論定值作為路面坡度角，或者將每個騎行階段內測定的多個坡度角取平均值作為該騎行階段的坡度角。
而所述空氣阻力的計算公式為：
Fk＝1/16*A*Cw*(Vq+Vz*Cosβ)2 (3)
其中，Fk為騎行受到的空氣阻力，A為迎風截面面積、Cw為風阻係數，Vq為騎行者的騎行速度，Vz是自然界的風速，β為風向與騎行方向反向的夾角。
迎風截面面積可根據騎行者的身高、體重和騎行姿態確定，其具體根據身高和體重參數形成對應的最大迎風面積，例如身高178～180cm、體重76～80kg的迎風面積為一個定值，而身高178～180cm、體重71～85kg為另一定值，而為了最大迎風面積的準確性，也可將直接測量人體的最大迎風面積，而騎行姿態可通過姿態傳感器獲取，每個對應的姿態均與一姿態參數相對應，姿態參數與最大迎風面積的乘積即為迎風截面面積；風阻係數為一常數；騎行者的騎行速度可通過測速碼錶實時測量；自然界的風速以及風向與騎行方向反向的夾角則可通過氣象預報獲取。
所述重力阻力的計算公式為：
Fz＝(Mc+Mr)*g*Sinα (4)
其中，Fz為騎行受到的重力阻力，Mc為騎行者的重量，Mr為騎行車的重量，g為重力常數，α為路面的坡度角。
騎行者和騎行車的重量則可通過稱重獲取；重力常數為一常數；路面的坡度角與前述基本相同。
S13、根據騎行阻力和騎行速度計算各個騎行階段的騎行功率。
本實施例所述騎行功率的計算公式為：
Pi＝Fi*Vi (1)
其中，Pi為第i階段的騎行功率，Fi為第i階段受到的騎行阻力，Vi為第i階段的騎行速度，i為自然數。
通過公式(2)、(3)、(4)可獲取騎行阻力，而每個階段的騎行速度均可通過測速碼錶測量，故本實施例每個階段的騎行功率可通過公式(1)計算獲得，由於每個階段內的騎行阻力和騎行速度可能不斷發生變化，故本實施例將每個騎行階段計算的多個騎行功率取平均值即為該騎行階段的騎行功率。
當獲取各個階段的騎行功率之後，則可按以下公式計算整個騎行過程中的克服阻力做功：
W＝P1*T1+P2*T3+P3*T3+.....+Pn*Tn (7)
其中，W為騎行過程中克服阻力做功，P1為第一階段的騎行功率，T1為第一階段的騎行時間，P2為第二階段的騎行功率，T2為第二階段的騎行時間，P3為第三階段的騎行功率，T3為第三階段的騎行時間，Pn為第n階段的騎行功率，Tn為第n階段的騎行時間，n為最後一個騎行階段。
而且，可將各個階段的騎行功率和克服阻力做功可判斷騎行者的騎行消耗。
S2、獲取騎行者在各個騎行階段的心率，計算各個騎行階段在單位心率下的功率輸出，功率輸出的計算公式如下；
Ni＝Pi/HRi (5)
其中，Ni為第i個騎行階段的單位心率下的功率輸出，Pi為第i階段的騎行功率，HRi為第i個騎行階段的心率。各個騎行階段的心率可通過心率帶實時檢測，由於騎行者的心率是不斷變化的，故每個騎行階段的心率為該騎行階段的騎行時間內檢測的多次心率的平均值。
通過計算在各個騎行階段下的單位心率下的功率輸出，當單位心率下的功率輸出隨時間呈遞增狀態，則說明騎行能力較強。
S3、計算相鄰兩個騎行階段的功率輸出變化值；
所述騎行功率變化值的計算公式分別為：
NPi＝(Pi+1-Pi)/(HRi+1-HRi) (6)
其中，，NPi為第i個騎行階段與第i+1個騎行階段之間的騎行功率變化值，Pi+1為第i+1階段的騎行功率，HRi+1為第i+1個騎行階段的心率。
具體操作時，可根據多項數據判斷分析，例如，當克服阻力做功較大，則說明騎行者消耗較大，可根據克服阻力做功規劃適合的距離，以便於騎行者能夠達到健康鍛鍊的效果；而對於單位心率下的功率輸出，可將計算的多個功率輸出繪製成曲線，若該曲線相對騎行時間呈遞增狀態，則說明騎行者具有富餘騎行體力，該騎行者能夠適當延長騎行距離以促進鍛鍊效果；當功率輸出變化值越大，說明騎行者的心率變化輸出能力越強，其能夠適應具有較大坡度的騎行。
故通過本實施例的騎行能力分析，能夠準確的了解騎行者的騎行能力，並根據騎行能力規劃合適的線路和距離，以保證安全的前提達到最佳的鍛鍊效果。
同時，如圖1～4所示，本實施例還提供一種騎行能力分析系統，包括用於測量騎行車速的測速碼錶1、用於測量騎行車在豎直方向上的加速度的加速度傳感器2、用於輸入參數和顯示騎行數據的觸控螢幕3、用於測量騎行坡度的坡度計4、用於檢測人體騎行姿態的姿態傳感器5、用於供電的電源6、用於檢測騎行者心率的心率帶7、用於處理數據的處理器8及用於存儲數據的存儲器9；所述測速碼錶1、加速度傳感器2、觸控螢幕3、坡度計4、姿態傳感器5、電源6、存儲器9、心率帶7均與所述處理器8連接。
其具體作用時，可通過觸控螢幕3將騎行車的滾動阻力係數、騎行者的重量、騎行車的重量、最大迎風面積、風阻係數、自然界的風速、風向與騎行方向反向的夾角、g為重力常數等可預知的參數輸入，處理器8將上述輸入的參數存儲於存儲器9，並根據需要調用；加速度傳感器2可實時檢測騎行車在豎直方向的加速度，而處理器8包括用於獲取加速度傳感器2的加速度信號的加速度採集模塊801和識別加速度採集模塊801採集的加速度信號的變化頻率的頻率識別模塊802，通過頻率識別模塊802識別騎行車的豎直方向的加速度變化頻率，進而通過路面摩擦係數調用模塊803獲取與加速度變化頻率相對應的摩擦係數；測速碼錶1可實時測量騎行者的騎行速度，並通過處理器8的速度採集模塊804實時採集測速碼錶1檢測的速度信號；坡度計4則實時獲取騎行坡度並通過坡度採集模塊805實時採集坡度計4檢測的坡度信號；姿態傳感器5則對應採集騎行者的騎行姿態，具體可將姿態傳感器5製作為髮帶，通過檢測騎行者頭部相對水平面的角度檢測其騎行姿態，其可通過姿態採集模塊806實時採集姿態傳感器5檢測的姿態信號，並由姿態參數調用模塊807根據姿態信號獲取與姿態信號相對應的姿態參數；心率帶7可實時採集騎行者的心率信號，並通過處理器8的心率採集模塊808採集心率帶7的心率信號。
本實施例通過處理器8的處理運算模塊809將觸控螢幕3輸入的參數、摩擦係數調用模塊803獲取的摩擦係數、速度採集模塊804採集的速度信號、坡度採集模塊805採集的坡度信號、姿態參數調用模塊807調用的姿態參數、心率採集模塊808採集的心率信號按公式(1)～(7)進行運算處理即可獲取各個騎行階段的騎行功率、輸出功率、騎行功率變化值，而且在該騎行過程中實時將運算處理的數據存儲於存儲器9內，以便於騎行完成後隨時查看。
其中，為了便於實現分階段運算，本實施例處理器8還包括坡度信號比較模塊810和騎行階段調整模塊811，度信號比較模塊810用於比較所述坡度採集模塊805採集的相鄰兩次坡度信號的大小是否超出設定範圍值，若超出設定範圍值，則啟動騎行階段調整模塊811，騎行階段調整模塊811則用於驅動當前騎行階段結束並進入下一騎行階段，具體為以當前時間節點作為當前騎行階段結束時間，將與當前騎行階段相對應的數據存儲，同時以當前時間節點作為下一騎行階段的開始時間，重新調用參數和採集數據進行運算處理、存儲。
在實際應用時，本實施例的測速碼錶1僅僅只有測速部分，且測速部分位於騎行車前輪位置，而加速度傳感器2、觸控螢幕3、坡度計4、電源6、存儲器9和處理器8則一起集成形成顯示處理部分，其可固定於騎行車的車把手上，而且測速碼錶的測速部與處理器8連接可直接通過觸控螢幕3進行騎行速度的顯示，同時由於姿態傳感器5設於騎行者頭部、心率帶7則綁紮於胸口，為了便於處理器8及時獲取測速碼錶1、姿態傳感器5和心率帶7的檢測信號，本實施例測速碼錶1、姿態傳感器5和心率帶7均與所述處理器8無線通信連接，具體可採用ant+、藍牙或zigbee。
與現有技術相比，本發明通過採集騎行過程中的相關參數和騎行數據獲取騎行者在不同階段的騎行功率和騎行時間，計算騎行者克服阻力所做的功、單位心率下的功率輸出、相鄰兩個騎行階段的功率輸出變化值並判斷騎行者騎行能力範圍，根據騎行者能力範圍規劃騎行距離和線路。
以上所述本發明的具體實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所做出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。