呂湘連　劉詩宇　郝琦　楊帆

摘 要：當(dāng)前，戶外騎行已成為人們追求健康生活的一種潮流。然而，目前市面上非常普遍的變速自行車均是以手撥盤變速的形式存在。手動(dòng)變速器在擁有很好穩(wěn)定性的同時(shí)，也帶來了一定的不便，而且其操作具有一定的門檻，在一定程度上局限了使用人群。因此我們希望通過“Follow ur Heart隨心所動(dòng)”這款創(chuàng)新作品帶來變速自行車的一次革命。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)變速；騎行；變速器；自行車

1 作品詳細(xì)介紹

Follow ur Heart隨心所動(dòng)是一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)變速功能的自行車變速器，它利用微傳感器監(jiān)測(cè)當(dāng)前車速以及騎行者的腳踏頻率信息，通過內(nèi)置的微處理器進(jìn)行信號(hào)分析，根據(jù)一定的策略控制變速器進(jìn)行變檔，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速功能。另外，它具有三種騎行模式，使不同騎行者可根據(jù)路況及自身體力狀況進(jìn)行模式選擇。并且，它兼容了手動(dòng)變檔功能，使用戶具有更好的騎行體驗(yàn)。

這款作品改變了傳統(tǒng)自行車的變速模式，增強(qiáng)了騎行的體驗(yàn)性和舒適度，給騎行者帶來了方便與樂趣。它可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、模式選擇以及手自動(dòng)檔位切換功能。模式選擇及手自動(dòng)狀態(tài)切換是通過車把上裝置的四個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)，并且當(dāng)前的車速、檔位、模式等信息在車架上裝置的LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示。下面介紹三個(gè)主要功能。

1.1 自動(dòng)變速功能

該作品的核心功能是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)變速，用戶無需撥動(dòng)傳統(tǒng)的手撥盤即能實(shí)現(xiàn)變速。該變速器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的速度和踏頻，并根據(jù)不同需求進(jìn)行自動(dòng)變速，使騎行過程中鏈條與齒輪始終處于最合適的配合之中，減小了騎行者的體力消耗，同時(shí)增加了騎行樂趣。

1.2 模式選擇功能

考慮到不同騎行者運(yùn)動(dòng)能力和體力情況的差異，我們?cè)O(shè)定了三種騎行模式：運(yùn)動(dòng)、普通、休閑模式，以供用戶選擇。三種模式對(duì)應(yīng)著不同的變速策略以及變檔觸發(fā)條件，用戶可根據(jù)不同的路況和自身的體力狀況進(jìn)行選擇，以應(yīng)對(duì)不同的騎行狀況。

1.3 手自動(dòng)狀態(tài)切換功能

該作品可進(jìn)行自動(dòng)變速與手動(dòng)變速狀態(tài)的切換，在手動(dòng)變速狀態(tài)下，變速器不再根據(jù)速度與踏頻信息進(jìn)行自動(dòng)變檔，用戶可利用車把手上裝置的升檔、減檔兩個(gè)按鍵進(jìn)行變檔操作。手自動(dòng)切換功能使得該作品兼容了傳統(tǒng)變速器的手動(dòng)變檔操作，在一定程度上保障了騎行過程的安全，而且也使用戶在保留習(xí)慣操作的同時(shí)增加了騎行的體驗(yàn)性和樂趣。作品實(shí)物如圖1～3所示。

圖1 作品外觀

圖2 LED顯示屏 圖3 實(shí)物測(cè)試

2 工作原理

本作品由信息采集處理模塊、外部控制及顯示模塊、單片機(jī)、機(jī)械部分、供電模塊組成。單片機(jī)控制系統(tǒng)組成圖如圖4所示

2.1 信息采集模塊

（1）開關(guān)型霍爾元器件：與磁鐵配相合，磁鐵每經(jīng)過元器件磁性接收面即產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。

（2）LM393、3144 霍爾傳感器芯片：將霍爾元器件輸出端產(chǎn)生的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，并計(jì)數(shù)測(cè)量出自行車行駛速度和騎行者腳踏頻率。

圖4 單片機(jī)控制系統(tǒng)組成圖

2.2 外部控制及顯示模塊

（1）復(fù)位及自鎖按鍵：三個(gè)復(fù)位按鍵分別對(duì)應(yīng)模式選擇、升檔、減檔操作，一個(gè)自鎖按鍵控制手自動(dòng)狀態(tài)切換，自鎖按鍵的兩個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)著手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)。

（2）開關(guān)按鍵：控制供電電源的開關(guān)。

（3）LED液晶屏：顯示當(dāng)前狀態(tài)、模式、檔位及實(shí)時(shí)速度。

2.3 單片機(jī)

控制盒內(nèi)裝置有一塊52單片機(jī)，用于對(duì)霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)速，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定好的變速策略進(jìn)行變速條件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并控制伺服電機(jī)工作。

2.4 機(jī)械部分

（1）車架及騎行架：車架為該款自動(dòng)變速器提供工作載體，并且利用騎行架進(jìn)行實(shí)際騎行過程的模擬。

（2）支架：由鋁材制成，用于伺服電機(jī)的安裝固定作用。

（3）伺服電機(jī)：固定在支架上，用于拉動(dòng)變速器拉桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。

（4）變速器：傳統(tǒng)變速器簡單改裝而成。

2.5 供電模塊

采用7.4 V鋰電池接UBEC伺服電機(jī)供電，電池接到穩(wěn)壓模塊可輸出5 V直流電給單片機(jī)、傳感器及液晶屏供電。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

（1）改變了傳統(tǒng)變速自行車手動(dòng)的變速方式，突破性地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)變速功能，使用戶使用起來更加方便易于上手，擴(kuò)大了變速車的目標(biāo)人群范圍。

（2）自動(dòng)變速的核心理念是在行車過程中使鏈條與齒輪始終維持在最適的配合之中，在一定程度上保證了行車安全。而且自動(dòng)變速也有助于騎行者節(jié)省體力，給騎行者帶來了更好的體驗(yàn)以及非凡的樂趣。

（3）該作品并未對(duì)變速器做較大改變，而是改裝了原有的變速器拉桿，這樣使得成本大大降低，對(duì)于現(xiàn)有變速自行車的改裝也較為簡易，用戶可隨時(shí)安裝拆卸。

（4）模塊化的設(shè)計(jì)使得該變速器能與各種自行車相匹配，既可對(duì)現(xiàn)有車進(jìn)行改裝，也可在自行車出廠時(shí)就進(jìn)行配置，大大增加了其應(yīng)用范圍。

4 市場(chǎng)前景

當(dāng)前變速自行車市場(chǎng)非常火爆，然而自動(dòng)變速車卻一直并未出現(xiàn)，這款作品的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)廣泛引起人們的關(guān)注及興趣，同時(shí)也彌補(bǔ)了自行車市場(chǎng)的一大空白。

該款作品的適用人群廣泛，既可作用于騎行愛好者，對(duì)他們來說，該作品改變了他們的騎行模式，不僅節(jié)省了精力和體力，也有了全新的騎行體驗(yàn)；也可用于老人、小孩等不熟練變速操作的人群，該作品降低了變速車的使用門檻，使更多原來不會(huì)購買變速車的人成為自動(dòng)變速車的用戶；另外，對(duì)于年輕人來說，渴望嘗試新鮮事物是年輕人的特點(diǎn)，這款作品勢(shì)必能極大地引起他們的興趣，也能讓他們愛上騎行這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。

圖5 比賽現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)風(fēng)采照

未來科技發(fā)展的趨勢(shì)將是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方向，其核心理念就是讓事物變得智能化，而我們這款作品的理念就是讓自行車變速過程智能化，這款代表著未來的概念型自動(dòng)變速自行車將會(huì)開拓全新的市場(chǎng)，迎來全新的世界。