Brevet FR2546297A1 — publié le 19841123

'1Appareil de mesure et d'affichage pour bicyclettes" L'invention concerne un appareil de mesure et deaffi- chage pouvant être monte sur une bicyclette pour mesurer et afficher la puissance développée et/ou le travail effectué par le cycliste. La bicyclette prend une importance croissante dans le domaine des sports de loisir, et également en temps qu'appa- reil d'entraînement spéeial pour l'amélioration de la capacité de performance corporelle générale (la condition phy sique). Par ailleurs, on l'utilise de plus en plus pour le traitement des patients affecte's de maladies de la circu- lation et des personnes victimes d'accidents ou handicapées. Dans l'exécution de tels programmes d'entraînement ou de traitement, il serait très souhaitable de disposer d'informa- tions sur la puissance développée et/ou le travail effectué par le cycliste, par ce que ces paramètres permettent de tirer immédiatement des conclusions sur le résultat de l'ens traînement ou du traitement. Il existe toute une série d'appareils de mesure et d'affichage qui se montent sur les bicyclettes d'appartement, et qui captent et affichent ces parametres.Ces appareils, qui reposent sur le principe de la mesure du travail effectué et transformé en chaleur, que ce soit sur la base d'un frottement mécanique ou à lai- de d1un frein à courants de Foucault ne peuvent être montes s sur une bicyclette de route, qu'après exécution de transfor- mations importantes, et encore quand ce montage est possible en soi. Le but de l'invention est au contraire de réaliser un appareil de mesure et d'affichage pouvant être monté sur -ane bicyclette, pour indiquer la puissance développée et/ou le travail effectue par le cycliste, qui puisse tre utilisé sur n'importe quelle bicyclette sans transformations spé- ciales. Pour la résolution de ce problème, l'appareil de mesure et d'affichage pour bicyclette possède les composants suivants - une unité de mesure de la vitesse de marche, qui émet un signal électrique correspondent a la vitesse de marche, - une unité de mesure de la vitesse du vent relatif, qui émet un signal correspondant à la vitesse du vent en sens inverse du sens de la marche, - une unité de mesure de la pente qui émet un signal correspondant à la pente de la bicyclette, autour d'un axe transversal horizontal, - une mémoire de constantes, notamment pour le poids de la bicyclette, le poids du cycliste et un coefficient de résistance au roulement, - une unité d'entrée pour la messire de constantes, - un circuit d'analyse, connecté aux unités de mesures et à la mémoire de constantes et qui, à partir des signaux de mesure et des constantes introduites, émet un signal de sortie indiquant la puissance du cycliste et/ou un signal de sortie indiquant le travail fourni par le cycliste, use unité d'affichage numérique et/ou analogique qui affiche les signaux de sortie du circuit d'analyse. Selon l'invention, la puissance est donc mesurée direz tement. On procède de la façon suivante : par mesure des paramètres correspondants, on détermine ou estime les forces que le cycliste doit vaincre, à. savoir la résistance de l'air, la résistance due à la pente, la résistance de roulement ainsi que la force d'accélération.A partir de la vitesse du vent relatif mesurée, on détermine la résis- tance de l'air instantanée ; la pente mesurée détermine la résistance due a la pente ; la résistance de roulement est obtenue à partir du coefficient de rôsistance au roulement mis en mémoire ; la force d'accélération est calculée à partir de leaccélération de la marche et de la somme des masses du cycliste et de la bicyclette. A partir de la somme de ces forces et de la vitesse mesuréeS on détermine directement la puissance recherchez par la formation du produit. Le travail fourni par le cycliste est obtenu par intôgration de la puissance sur le temps de marche.L'appareil de mesure et d'affichage selon l'invention n'exige pas de transformations spéciales de la bicyclette. La seule opération à réaliser consiste à coupler mécaniquement ou élecM triquement l'unité de mesure de la vitesse de marche à un quelconque élément tournant de la bicyclette. Les autres unités de mesure1 la mémoire de constantes, l'unité d'en- trée, le circuit d'analyse ainsi que l'unité d'affichage sont entièrement indépendantes de la mécanique de la bicyclette et peuvent être logée, avec l'unité de mesure de la vitesse de marche, dans un bottier relativement petit.Un autre avantage réside dans le fait qu'en raison de cette mesure indirecte de la puissance, l'appareil de mesure et d'affichage selon l'invention ne demande pas au cycliste de développer de supplément de puissance pour la mesure, de sorte que la facilité de marche désirée de la bicyclette reste conservée .Par mise en mémoire d'autres constantes, on a également la possibilité de capter de façon encore plus précise les paramètres d'environnement qui déterminent la puissance, par exemple, la mise en mémoire de coefficients de résistance au roulement correspondant à diffé rents états de la route, au rendement de la bicyclette, en fonction de son état à l'instant considéré, à la valeur particulière de la surface intervenant dans la résistance aérodynamique, en onction de la surface frontale du cycliste, etc... Le montage de l'appareil de mesure et d'affichage ses lon l'invention est particulièrement simple lorsque l'uni té de mesure de la vitesse de marche peut entre raccorde' e à un arbre de tachymètre , de préférence a un arbre flexible de tachymètre sur roue avant L'appareil de mesure et d'affichage peut alors être monté sur le guidon de la bicyclette, en tant qu'accessoire complémentaire en remplacement du tachymètre habituel sans autres transformations. Comme unite de mesure de la vitesse du vent relatif, on peut utiliser par exemple une hélice. Toutefois, il est préférable utiliser comme capteur un tube de pression dynamique tel qu'un tube de Pitot parce que ce dernier travaille pratiquement sans usure. L'unité de mesure de la pente est de préférence ôqui- pée d'un dispositif de réglage pour la position de zéro de la pente parce que, de cette façon, l'appareil de mesure et d'affichage peut être monté sur la bicyclette dans une position plus ou moins inclinée, selon les conditions d'emplacement existantes. L'appareil de mesure et d'affichage peut être alimenté en courant de service par une alimentation à piles. Dans ce cas, le cycliste n'a pas à fournir d'énergie supplômen- taire pour l'entraînement d'une dynamo ou équivalent. En variante par rapport à l'alimentation en courant par piles il peut être prévu un appareil générateur de courant qui peut être entraîné par l'arbre de tachymètre. L'appareil de mesure et d'affichage est alors indépendant des piles. En raison de l'entraînement de l'appareil générateur de courant par l'arbre de tachymetre, on peut se dispenser d'une dynamo de bicyclette distincte Selon un autre perfectionnement de l'invention9 il est prévu que le circuit d'analyse est construit de manière à transmettre à une unité d'affichage, des signaux de sortie indiquant la vitesse de marche et/ou la distance parcourue etXou ltheure. Dans ce cas, il peut cotre prévu que leunité comprenne un clavier pour l'entrée des constantes ainsi que pour l'appel selectif et l9affichage des diffé- rents signaux de sortie du circuit-d'analyse. L'invention sera décrite dans la suite à propos d'un exemple préféré de réalisation et en regard des dessins sur lesquels Figure 1 est une vue de coté tres simplifiée de la partie avant d'une bicyclette qui est équipée de l'appa- reil de mesure et d'affichage selon l'invention Figure 2 est une vue de dessus de l'appareil de mesure re et d'affichage1 et Figure 3 est une représentation sous forme de schéma bloc des composants de l'appareil de mesure et d'affichage ainsi que des fonctions de ces composants. Sur la figure 1, on a représenté la partie avant aI'une bicyclette bloc, avec son cadre g12) représente partiellement, la fourche (14) de la roue avant, avec le guidon (16) ainsi qu'une roue avant (18) qui tourillonne dans la four che (14). Un appareil de mesure et d'affichage (20) selon l'invention est fixé sur le tube (12a) du cadre (12) dans lequel tourillonne la fourche avant, à l'aide d'un bras de fixation (22) dont l'une des extrémités est fixée au boî- tler (24) de l'appareil de mesure et d'affichage (20) et dont l'autre extrômîte' est munie d'un collier (25) qui peut être monté sur le tube (12a).Toutefois, il est également possible d'envisager d'autres modes de fixation, par exemple, la fixation directe sur le guidon (16). Un arbre de tachymètre de roue avant (26) relie l'ap- pareil (20) à un mécanisme d'arbre flexible de tachymètre (28) ace dans la région du moyeu de la roue avant. Ce mécanisme (28), qui est d'un type de construction habituel, est symbolisé sur la figure 1 par un disque d'entraînement (28a) relié rigidement à la roue avant (i8), ainsi qu'un bottier de mécanisme (28b) fixé à la fourche (14) et qui reçoit la roue dentée en prise avec la denture du disque (28a), Selon la figure 2, l'appareil de mesure et d'affichage (20) présente sur sa face supérieure un clavier (30) comportant un certain nombre de touches (30a), ainsi qu'une unité d'affichage (32) qui, dans la forme de réalisation représentée, est formée d'une série d'éléments chiffrés (32a) juxtaposés. Ces éléments chiffrés (32a) peuvent être formés d'éléments d'affichage "LCD" (chiffres à cristaux liquides) ou "LED" (diodes électroluminescentes). En remplacernent de cet affichage numérique, OU en supplément, on peut également disposer d'une représentation analogique, par exemple sous la forme d'un affichage a aiguilles qui est habituel dans le cas des tachymètres ou compteurs de vitesse. La construction intérieure de l'appareil de mesure et d'affichage (20) ressort de la figure 3. L'appareil (20) renferme trois unités de mesure, à savoir, une unité (34) de mesure de la vitesse de marche, couplée à l'arbre de tachymètre (26), une unité (36) de mesure de la vitesse du vent relatif et une unité (38) de mesure de la pente.Par ailleurs; il est prévu un circuit d'analyse (40) indiqué par un cadre en traits interrompus, qui est couple', aussi bien aux unités de mesure (34, 36 et 38) précitées qu'au clavier (30) représentant l'unité d'entrée et qu'à l'unite d'affichage (32), par des conducteurs électriques de liaison correspondants Par ailleurs, il est encore prévu une mémoire de constantes (42) qui est reliée aussi bien au clavier (30) qu'au circuit d'analyse (40)o L'unité (34) de mesure de la vitesse de marche émet un signal électrique correspondant a la vitesse de rotation de l'arbre de tachymètre (26) L'unité (36) de mesure de la vitesse du vent relatif est munie d'un tube de pression dynamique tel qu'un tube de Pitot, non représenté en détails qui mesure la composan- te de la vitesse du vent contenue dans la direction de la marche.L'orifice d'entrée du tube de Pitot se trouve donc sur le cote' avant du bottier (24) Le signal émis par l'uni té de mesure (36) correspond donc au vent contraire, contre lequel le cycliste doit lutter, L'unité (38) de mesure de la pente emet un signal qui correspond à la pente de la bicyclette autour d'un axe transversal horizontal (symbolise' par l'angle (a) sur la figure 3 par rapport à la position normale horizontale de la bicyclette (10) sur une route plane et l'angle (a) de pente de la bicyclette correspond donc å la pente descendante ou à la pente montante de la route. La mesure de la pente peut s'effectuer, par exemple au moyen d'un niveau à bulle à détection optique, ou encore au moyen d'un pen- dule, cependant que, grâce à un m circuit logique (44) approprié, indiqué sur la figure 3, il est garanti que, dans la ligne de signaux (a) qui part de l'unité de mesure (38), seuls sont pris en compte les signaux de l'unité de mesure (38) qui se manifestent a une accélération de marche b=O. A cet effet, le circuit logique (44) est connecté par 1'in- termédiaire d'une ligne (b) à un élément différentiateur (46) qui est à son tour relié par une ligne (c) à l'unité de mesure de la vitesse (34), qui mesure la vitesse de marche VF. La mémoire de constantes (42) est conçue pour mémoriser toute une série de constantes qui peuvent y être introduites à l'aide du clavier (30) et par l'intermédiaire de la ligne (d). Certaines des constantes peuvent être mises en mémoire à l'origine par le constructeur. Le clavier (30) est relié par une ligne (e) à un circuit logique (48) qui permet d'afficher sur l'unité dtaffi- chage (32), après la manoeuvre des touches correspondantes, l'une des grandeurs suivantes # vitesse de marche VERT, dis tance parcourue (s), heure da jour (t), puissance instantanée P devant être développée par le cycliste et travail A fourni jusqu'à présent par le cyclistes A cet effet, le circuit logique (48) est relié par une ligne (f) à un noeud de lignes (so) qui est connecte' a l'u- nité de mesure (34) par une ligne (g), à un bloc (52) de cal- cul de la distance parcourue (s) par une ligne (h) et a un bloc (54) de calcul de la puissance P par une ligne (i) Les blocs (52) et (54) sont a leur tour connectés au cîr cuit logique (48) par des lignes (k) et ( pour la trans- mission des valeurs de la distance parcourue (s) et de la puissance P. L'heure du jour (t) est transmise au circuit logique (48) par un élément chronométrique (56), par l'intermédiai- re d'une ligne (m). L'élément chronométrique (56) est en outre connecté par une ligne (n) a un bloc (58) qui, par intégration de la puissance instantanée en fonction du temps, puissance qui lui est transmise depuis le bloc (54) par une ligne (o), calcule le travail A fourni jusqu'a pré sent et transmet cette grandeur au circuit (48) par une li gne (p). L'appareil de mesure et d'affichage selon l'invention détermine indirectement la puissance développée par le cycliste, à savoir, par le fait qu'il détermine la force totale F que le cycliste doit vaincre et qu'il la multiplie par la vitesse de marche VF et par le rendement global 1. La for n ce totale F à vaincre se compose à son tour des forces élémentaires suivantes : résistance de l'air Fw, résistance de roulement FR, force d'accélération F b et résistance due à la pente F@. Ces forces sont déterminées successivement dans les blocs (60, 62, 64 et 66) du circuit (40) et, ensuite, additionnées dans le bloc t54) pour donner la force to tale F, puis multipliées par VW et par 1.Le bloc (54) re n çoit la valeur de la vitesse VF par la ligne (i) et la valeur du rendement global 1 par une ligne (s) qui aboutit n à la mémoire de constantes (42). Il se produit donc le calcul suivant : P = (FR+FW+Fg+Fb) # VF # 1 . La résistance de l'air Fw est fonction du carré de la vitesse VW du vent adverse et d'une constante CW dans laquelle entrent en compte la densite' de l'air, le coeffi- cient 9 de résistance de l'air et la surface de la pro jection du cycliste sur un plan frontal (CW = P # CW # A. 2 (1)2 # 0,0181 / N # s2, dans le cas d'un cycliste possèdant m une surface de projection frontale d'environ 0,6m On obtient donc = CW # VW2 # 0,0181/#VW2 (N) La valeur de la vitesse instantanée du vent VW est transmise de l'unité de mesure (36) au bloc (60) par l'in termédiaire d'une ligne (q).Le bloc (60) reçoit la constante &commat; en provenance de la mémoire de constante (42), par l'intermédiaire d'une ligne (r) La résistance de roulement FR calculée dans le bloc (62) est fonction de la masse totale N g= somme de la masse mF de la bicyclette et de la masse mM du cycliste), de l'accélération de la pesanteur () et du coefficient de résistance de roulement CR, conformément à l'équation FR = M#g#CR. Le bloc (62) reçoit les informations sur ces grandeurs de la mémoire de constantes (42), par l'intermédiaire d'une ligne (t) La force d'accélération F b mesurée dans le bloc (64) correspond au produit de l'accélération de marche bF par la masse totale M (Fb=bF#M). L'accélération de marche bF est transmise du bloc (66) au bloc (64) par une ligne dans La masse totale M mémorisée dans la mémoire de constantes (42) est transmise au bloc (64) par une ligne (v). Finalement, la résistance F g due à la pente qui est calculée égale au produit de la masse totale M, de l'accé- aération de la pesanteur (g) et du sinus de l'angle (a) de la pente est (Fg=M.g.sin a) ; elle est calculée dans le bloc (66), qui reçoit les valeurs des constantes (g) et M en provenance de la mémoire de constantes (42) par une ligne (w) et la valeur de l'angle de pente (&alpha;), en provenance du bloc (44), par une ligne (x). L'alimentation électrique est assurée par une pile non représentée, qui peut toutefois être remplacée par un géné- rateur de courant électrique accouplé a 1 l'arbre de tachymè- tre (26). On peut également imaginer de combiner une pile rechargeable au générateur tachymètrique qui assure dans ce cas le rechargement de la pile , Dans ce cas, la pile peut assurer l'alimentation électrique lorque la bicyclette est immobile ou que le générateur tachymôtrique est a l'arrêt. L'appareil de mesure et d'affichage (20) peut être Bonté de façon rapide et simple sur la bicyclette (10), sans grandes modifications de la construction de cette dernière, puisque l'appareil (20) a simplement à Atre relié a 1 l'arbre de tachymètre de roue avant (26) qui, dans de nombreux cas, est déjà présent de toutes façons, pour entraîner un tachymètre de bicyclette Ce tachymètre est remplacé par l'appareil (20). Dans le cas de bicyclettes qui ne sont pas encore équipées d'un arbre de tachymètre de roue avant (26), il est nécessaire de monter cet arbre, ainsi que le mecanisme (28), sur la fourche avant (14), ce qui, toutefois, n'offre pas de grandes difficultôs puisque la roue avant n'est pas encombrée d'éléments d'entraînement tels qu'un dérailleur de chaîne ou d'un moyeu à changement de vitesse. L'appareil (20) est équipé d'un dispositif de réglage non représenté pour l'unité (38) de mesure de la pente, afin de régler la position zéro de la pente (a=0) lorsque la bi- cyclette se trouve sur un sol exactement horizontal (c'est àwdire que la dimension longitudinale de la bicyclette est horizontale). - REVENDICATIONS 1. - Appareil de mesure et d'affichage (20) pouvant etre monté sur une bicyclette, et servant à mesurer et à afficher la puissance développée et/ou le travail fourni par le cycliste, caractérisé en ce qu'il comprend : une unité (34) de mesure de la vitesse de la marche, qui émet un signal électrique correspondant à la vitesse de la marche une unité (36) de mesure de la vitesse du vent relatif, qui émet un signal correspondant à la vitesse du vent en sens inverse de la marche ;; une unité (38) de mesure de la pen- te, qui e'met un signal correspondant à la pente (a) de la bicyclette autour d'un axe transversal horizontal 7 une mé- moire de constantes (42), notamment pour le poids (mF) de la bicyclette, le poids (mM) du cycliste et un coefficient (cP) de résistance de roulement ; une unité d'entrée (30) pour la me-moire de constantes (42) ; un circuit d'analyse (40) relié aux unités de mesure (34, 36, 38) et a la mé moire de constantes (42), qui, à partir des signaux de me sure et des constantes introduites, émet un signal de sortie indiquant la puissance du cycliste et/ou un signal de cor tie indiquant le travail fourni par le cycliste, et une u- nité d'affichage numérique et/ou analogique (32) qui affi che les signaux de sortie du circuit d'analyse (40). 2. - Appareil de mesure et d'affichage selon la reven- dicatioe 17 caractérisé en ce que l'unité (34) de mesure de la vitesse de marche peut entre raceordée à un arbre de tachymètre, de préférence, à un arbre de tachymètre de roue avant (26). 3. - Appareil de mesure et d'affichage selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce qui l'unité (36) de mesure de la vitesse du vent relatif comprend un tube de pression dynamique tel qu'un tube de Pilot. 4. - Appareil de mesure d'affichage selon l'une quelconque des revendications l a 3, catctérisé en ce que l'u nité (38) de mesure de la pente est munie d'un dispositif de réglage pour la position zéro de l'inclinaison. 5. - Appareil de mesure et d'affichage selon l'une quelconque des revendications l à Ba, caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation électrique à pile 6. - Appareil de mesure et deaffichage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de courant électrique pouvant être entraîne par l'arbre du tachymètre. 7. - Appareil de mesure et d'affichage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit d'analyse (40) est constitué pour fournir à luni- té d'affichage des signaux de sortie indiquant la vitesse de la marche et/ou la distance parcourue et/ou l'heure du jour. 8. - Appareil de mesure et d'affichage selon l'une quelconque des revendications i à 7, caractérisé en ce que l'unité d'entrée comprend un clavier (30) destiné à introduire des constantes ainsi qu'a appeler et afficher sélec- tivement les différents signaux de sortie du circuit d'ana- lyse (40).