Dispositivo para medir la fuerza total opuesta a un vehículo en movimiento y método de uso.

Un dispositivo para detectar la fuerza total opuesta a un vehículo en movimiento,

en que el vehículo incluye al menosdos ruedas, en que el dispositivo comprende:

un microcontrolador (200, 1000) configurado para calcular dicha fuerza total;

un convertidor de analógico a digital que incluye un puerto de entrada analógico, en que el convertidor deanalógico a digital proporciona al microcontrolador (200, 1000) una versión digital de una señal de puerto deentrada analógico;

un multiplexor MUX con múltiples entradas analógicas seleccionables y un puerto de salida, en que el puertode salida del multiplexor MUX está conectado al puerto de entrada analógico del convertidor de analógico adigital;

una pluralidad de sensores analógicos, en que la señal de salida de cada sensor analógico está conectadaindependientemente a una entrada analógica del multiplexor MUX, en que la pluralidad de sensores analógicosincluye un módulo de presión diferencial (700, 1400) que mide la presión estática y dinámica de modo que elmódulo de presión diferencial responde a la presión diferencial, y un módulo de aceleración (300, 1100)responde a la aceleración en la dirección de movimiento del vehículo;

medios para detectar la velocidad respecto al suelo del vehículo;

medios para proporcionar la presión dinámica al módulo de presión diferencial (700, 1400); y

un sistema de visualización conectado a la unidad de procesamiento.

Dispositivo para medir la fuerza total opuesta a un vehículo en movimiento y método de uso REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD RELACIONADA

Esta solicitud es una continuación en parte, bajo el artículo 37 CFR 1.53 (b) , de la solicitud de patente de los EE.UU. de número de serie 11/234.330, presentada el 23 de septiembre de 2005 por Glen B. Cunningham, titulada “DISPOSITIVOPARA MEDIR LA FUERZA TOTAL OPUESTA A UN VEHÍCULO EN MOVIMIENTO Y MÉTODO DE USO” y reivindica el beneficio de ésta en la medida permitida por la ley.

ANTECEDENTES

Vehículos de tracción humana, tales como bicicletas, tienen a menudo indicadores de rendimiento, desde un simple velocímetro a ordenadores sofisticados que informan sobre datos tales como distancia, velocidad media e instantánea, y similares. La mayoría dependen de una sencilla manipulación de datos derivados de la velocidad de rueda y del número de rotaciones. Los productos GPS (del inglés “Global Positioning System”, sistema de posicionamiento global) han añadido la noción de altitud aproximada, situación, navegación, e incluso seguimiento. Algunos productos, tales como monitores cardiacos, informan sobre rendimiento o estado de una persona que impulsa el vehículo.

Es también deseable medir indicaciones de rendimiento tales como la potencia producida y la energía total consumida. Al seguir siendo cada vez más y más sofisticado el entrenamiento de atletas, parte del entrenamiento es conducido en interiores bajo condiciones controladas, donde se usa equipamiento típicamente grande o estacionario. Sin embargo, muchos atletas y entrenadores desean monitorizar el rendimiento en tiempo real y bajo condiciones reales. Algunos productos miden el par del pedal, la potencia de salida y la energía consumida por medidas directas o indirectas de las fuerzas que el ciclista está aplicando para impulsar un vehículo hacia delante. Ejemplos incluyen extensómetros mecánicos instalados en mecanismos de manivela o bujes de rueda para medir las fuerzas aplicadas y las velocidades, y de este modo indicaciones derivadas correspondientes a potencia y energía.

La técnica anterior incluye soluciones en las que sensores costosos son instalados en la manivela o en el buje próximo de una bicicleta. Muchos de tales sistemas requieren que el usuario utilice una manivela o buje personalizados, que es difícil de instalar o mover a otro vehículo, requiriendo a menudo la instalación por un técnico experto.

La técnica anterior se encuentra en los documentos US-A-5257190 y US-A-5487002. El documento US-A-5257190 da a conocer un sistema de gestión dinámico en tiempo real para un vehículo impulsado que tiene un microprocesador adaptado para detectar entradas en tiempo real relacionadas con la condición del vehículo impulsado. El documento US-A-5487002 da a conocer un sistema de control de gestión de energía que emplea sensores para monitorizar el

consumo de energía por diversos sistemas de vehículo y proporciona una predicción de consumo de energía para cálculo de alcance sobre la base de datos de conducción estándar o memorizados.

SUMARIO

La presente invención es un dispositivo para detectar fuerzas sobre un vehículo tal como se define en la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

La exposición de la presente invención describe una aproximación novedosa a la determinación de la cantidad de potencia producida y energía consumida por un ciclista. En vez de medir las fuerzas que un ciclista aplica a un vehículo, la presente invención determina las fuerzas que se oponen al vehículo, que el ciclista debe superar. De acuerdo con la tercera ley de Newton, la suma de estas fuerzas es igual y opuesta a las fuerzas aplicadas por el ciclista. Estas fuerzas opuestas incluyen gravedad, arrastre aerodinámico, inercia y fricción.

Para determinar las diversas fuerzas que se oponen al movimiento del vehículo, la presente invención proporciona un conjunto de datos de sensores. Un acelerómetro proporciona datos relacionados con cambios en la velocidad (aceleración del vehículo) y fuerzas gravitatorias (colinas) . Cuando se usa en conjunción con datos de velocidad respecto al suelo variable, la aceleración gravitatoria puede ser separada de la aceleración total, permitiendo determinar y visualizar la pendiente del camino del vehículo. Un sensor de presión diferencial proporciona información sobre la 45 presión aerodinámica aplicada contra la parte frontal del vehículo, y esto se usa para calcular la fuerza aerodinámica opuesta total. En algunas realizaciones se usa un sensor de presión barométrica para medir la altitud instantánea y cambios de altitud. En una realización, la presión barométrica y los datos de temperatura del aire se usan para estimar la densidad del aire para derivar una velocidad relativa del viento a partir de medidas de presión del viento.

En algunas realizaciones, los cálculos para derivar fuerzas de un acelerómetro e información de presión del viento son 50 mejorados mediante introducción de datos por el usuario o a través de procedimientos de calibración. Por ejemplo, los datos de aceleración son combinados con el peso total conocido o supuesto del vehículo y del ciclista para determinar la fuerza debida a la aceleración (aceleración del vehículo y/o escalada o descenso) . Las fuerzas aerodinámicas son calculadas a partir de medidas de presión aerodinámica combinadas con términos de arrastre aerodinámico y área, que en alguna realización son mejorados con medidas a partir de un procedimiento de punto muerto. Las fuerzas de fricción pueden ser estimadas, supuestas, introducidas por un usuario, o medidas con un procedimiento de calibración en punto muerto. Los sensores descritos por la exposición de la presente invención son usados por un microordenador, que a su vez calcula cierta información de rendimiento y estado. Los resultados son presentados al usuario, y/o pueden ser

registrados para análisis posterior. La unidad es pequeña, ligera, y barata. También es autocontenida de modo que puede ser movida convenientemente de un vehículo a otro y permite al usuario continuar usando componentes de fabricación en serie, tales como manivela y buje.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un esquema de alto nivel, que indica las conexiones entre bloques funcionales principales de una realización de la invención. La figura 2 es un esquema que muestra conexiones a un microcontrolador en la presente invención. La figura 3 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la aceleración de un vehículo. La figura 4 es un esquema de un circuito que proporciona tensiones de polarización para un dispositivo de visualización de cristal líquido.

La figura 5 es un esquema de una interfaz con un dispositivo de visualización de cristal líquido. La figura 6 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la presión absoluta. La figura 7 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la presión diferencial. La figura 8 es un esquema de una alimentación por batería al sistema de la invención. La figura 9 es un esquema de un circuito que proporciona datos de temporización procedentes de una manivela o de una rueda. La figura 10 es un esquema de conexiones a un microcontrolador en otra realización de la invención. La figura 11 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la aceleración de un vehículo. La figura 12 es un esquema de alto nivel, que indica las conexiones entre bloques funcionales principales de una realización de de la invención.

La figura 13 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la presión absoluta. La figura 14 es un esquema de un módulo que proporciona señales relacionadas con la presión diferencial. La figura 15 es un esquema de un módulo que amplifica y filtra señales diferenciales. La figura 16 es un esquema de una interfaz JTAG a una unidad MCU. La figura 17 es un esquema de un sistema de almacenamiento no volátil.

La figura 18 es un esquema de una interfaz de comunicaciones en serie a una unidad MCU.

La figura 19 es un esquema de un circuito que proporciona datos de temporización procedentes de una manivela o de una rueda en un vehículo, tal como una bicicleta.

La figura 20 es una presentación conceptual del flujo lógico del firmware. DESCRIPCIÓN DE ALGUNAS REALIZACIONES

La tabla 1 proporciona algunos acrónimos y abreviaturas tal como pueden ser usados en la siguiente descripción.

TABLA 1 ADC Convertidor de analógico a digital (del inglés “Analog to Digital Converter”) AVCC Tensión de corriente continua positiva suministrada... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo para detectar la fuerza total opuesta a un vehículo en movimiento, en que el vehículo incluye al menos dos ruedas, en que el dispositivo comprende:

un microcontrolador (200, 1000) configurado para calcular dicha fuerza total;

un convertidor de analógico a digital que incluye un puerto de entrada analógico, en que el convertidor de analógico a digital proporciona al microcontrolador (200, 1000) una versión digital de una señal de puerto de entrada analógico;

un multiplexor MUX con múltiples entradas analógicas seleccionables y un puerto de salida, en que el puerto de salida del multiplexor MUX está conectado al puerto de entrada analógico del convertidor de analógico a digital;

una pluralidad de sensores analógicos, en que la señal de salida de cada sensor analógico está conectada independientemente a una entrada analógica del multiplexor MUX, en que la pluralidad de sensores analógicos incluye un módulo de presión diferencial (700, 1400) que mide la presión estática y dinámica de modo que el módulo de presión diferencial responde a la presión diferencial, y un módulo de aceleración (300, 1100)

responde a la aceleración en la dirección de movimiento del vehículo;

medios para detectar la velocidad respecto al suelo del vehículo;

medios para proporcionar la presión dinámica al módulo de presión diferencial (700, 1400) ; y

un sistema de visualización conectado a la unidad de procesamiento.

2. El dispositivo según la reivindicación 1, que comprende además un sistema de memoria para almacenar datos, en 20 que el sistema de memoria está conectado a la unidad de procesamiento.

3. El dispositivo según la reivindicación 2, en que el sistema de memoria comprende un dispositivo electrónico de memoria.

4. El dispositivo según la reivindicación 1, en que el sistema de visualización comprende un dispositivo de visualización de cristal líquido (500) .

5. El dispositivo según la reivindicación 1, en que el sensor de aceleración es un sistema MEMS (304) .

6. El dispositivo según la reivindicación 1, en que el sensor de aceleración es del tipo de “bola en tubo”.

7. El dispositivo según la reivindicación 1, que comprende además un módulo de presión absoluta (600, 1300) .

8. El dispositivo según la reivindicación 1, en que el microcontrolador (200, 1000) está configurado para calcular la fuerza total incidente sobre un vehículo, y en uso está configurado para: 30 calcular una fuerza aerodinámica sobre el vehículo; calcular una fuerza de gravedad sobre el vehículo;

calcular una fuerza de aceleración hacia delante debida al movimiento del vehículo; y para calcular una suma de dichas fuerzas calculadas más una constante de fuerza de fricción previamente determinada.

9. El dispositivo según la reivindicación 8, en que el microcontrolador (200, 1000) en uso está configurado para calcular la fuerza aerodinámica sobre el vehículo multiplicando la presión dinámica incidente sobre el vehículo por un factor aerodinámico previamente determinado.

10. El dispositivo según la reivindicación 9, en que el microcontrolador (200, 1000) en uso está configurado para determinar previamente el factor aerodinámico y está configurado para implementar un procedimiento de calibración en 40 punto muerto.

11. El dispositivo según la reivindicación 10, en que el microcontrolador (200, 1000) en uso está configurado para implementar el procedimiento de calibración en punto muerto que comprende los pasos de:

(a) acelerar el vehículo a una velocidad mínima predeterminada;

(b) eliminar toda la potencia aplicada al vehículo;

(c) registrar lecturas de sensores, incluyendo la presión dinámica;

(d) comparar la velocidad del vehículo con una velocidad mínima predeterminada;

(e) repetir 11 (c) hasta que dicha velocidad del vehículo sea menor que la velocidad mínima predeterminada; y

(f) calcular el factor aerodinámico por ajuste de curvas de las lecturas de sensores registradas.

12. El dispositivo según la reivindicación 8, en que el microcontrolador (200, 1000) en uso está configurado para determinar previamente la constante de fuerza de fricción implementando un procedimiento de calibración en punto muerto.

13. El dispositivo según la reivindicación 12, en que el microcontrolador (200, 1000) en uso está configurado para implementar el procedimiento de calibración en punto muerto que comprende los pasos de:

(a) acelerar el vehículo a una velocidad mínima predeterminada;

(b) eliminar toda la potencia aplicada al vehículo;

(c) registrar lecturas de sensores, incluyendo la presión dinámica;

(d) comparar la velocidad del vehículo con una velocidad mínima predeterminada;

(e) repetir el paso 13 (c) hasta que dicha velocidad del vehículo sea menor que la velocidad mínima predeterminada; y 15 (f) calcular el factor constante de fuerza de fricción por ajuste de curvas de las lecturas de sensores registradas.

14. El dispositivo según la reivindicación 1, en que el microcontrolador (200, 1000) está configurado para calcular la potencia requerida en oposición a la fuerza total incidente sobre un vehículo, y que en uso está configurado para; calcular una fuerza aerodinámica sobre el vehículo; calcular una fuerza de gravedad sobre el vehículo; 20 calcular una fuerza de aceleración hacia delante debida al movimiento del vehículo;

y para calcular una suma de dichas fuerzas calculadas más una constante de fuerza de fricción previamente determinada; y para multiplicar dicha suma de fuerzas calculadas por la velocidad respecto al suelo de dicho vehículo.