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助力自行车力矩传感器与控制算法的协同创新设计研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着人们环保意识的提升以及对健康生活方式的追求，自行车作为一种绿色出行和健身工具，其市场需求持续增长。在这一背景下，助力自行车凭借其结合人力与电力驱动的特点，既能满足用户对骑行锻炼的需求，又能在长途或爬坡等场景下提供助力，减轻骑行负担，受到了广泛欢迎。据市场研究机构的数据显示，近年来全球助力自行车市场规模呈现出显著的增长态势，2023年全球城市电动助力自行车市场销售额达到了13.01亿美元，预计2030年将达到26.47亿美元，年复合增长率（CAGR）为10.5%（2024-2030）。中国市场在过去几年变化较快，2023年市场规模为百万美元，约占全球的一定比例，预计2030年将达到百万美元，届时全球占比将进一步提升。助力自行车市场前景良好，一方面是因为人们对环境问题的认识不断提高，将其视为短途通勤和城市交通中比汽车更环保的替代品；另一方面，城市中的交通拥堵问题日益突出，助力自行车作为一种灵活、快速的交通工具，能够有效解决城市交通拥堵问题，尤其是在短途出行方面。此外，一些政府通过制定政策和提供补贴来鼓励人们使用自行车，包括建设自行车道、提供自行车租赁服务、对购买自行车提供税收减免等，也推动了助力自行车市场的发展。

在助力自行车的技术体系中，力矩传感器与控制算法扮演着至关重要的角色。力矩传感器作为助力自行车的核心部件，能够精确测量骑行者踩踏的力矩大小，将其转化为电信号输出。这一信号为控制算法提供了关键的输入依据，使控制算法能够根据骑行者的实时踩踏力度，准确地控制电机输出相应的助力。当骑行者遇到爬坡路段或者体力不支时，力矩传感器检测到较大的踩踏力矩，控制算法据此控制电机输出更大的助力，让骑行变得更加轻松；而在平坦道路上骑行者踩踏力矩较小时，电机输出的助力也相应减小，从而实现了助力与骑行者需求的精准匹配。控制算法还需要综合考虑多种因素，如车速、坡度、载重等，以实现更加智能化、人性化的助力控制。通过对这些因素的分析和计算，控制算法能够动态调整电机的助力输出，确保骑行的舒适性、安全性和高效性。

从提升骑行体验的角度来看，精准的力矩传感器与先进的控制算法能够显著优化助力自行车的性能。传统的助力自行车如果力矩传感器精度不足或控制算法不合理，可能会出现助力滞后、助力大小不合适等问题，导致骑行者感觉助力不顺畅，甚至出现助力与骑行者踩踏节奏不匹配的情况，影响骑行的舒适性和流畅性。而高精度的力矩传感器能够快速、准确地感知骑行者的踩踏意图，先进的控制算法则能根据这些信息实时调整电机助力，使助力的输出更加平滑、自然，与骑行者的踩踏动作完美配合，让骑行者感受到更加舒适、轻松的骑行体验。在不同的路况下，如爬坡、下坡、平路等，控制算法能够自动适应并调整助力策略，为骑行者提供恰到好处的助力，进一步提升骑行的乐趣和便捷性。

从产品竞争力的角度而言，优秀的力矩传感器与控制算法是助力自行车在市场中脱颖而出的关键。随着助力自行车市场的竞争日益激烈，各大品牌纷纷致力于提升产品的性能和品质。具备高性能力矩传感器和先进控制算法的助力自行车，能够在市场中树立良好的口碑和品牌形象，吸引更多的消费者。消费者在购买助力自行车时，越来越注重产品的骑行体验和性能表现，先进的力矩传感器和控制算法能够满足他们对高品质骑行的需求，使产品在众多竞争对手中占据优势。在技术不断进步的背景下，持续研发和优化力矩传感器与控制算法，能够使企业保持技术领先地位，不断推出更具竞争力的产品，适应市场的变化和消费者的需求，从而在激烈的市场竞争中立于不败之地。

1.2国内外研究现状

在助力自行车力矩传感器设计方面，国外起步较早，技术相对成熟。德国博世（Bosch）公司开发的中置力矩传感器，采用应变片技术，能够精确测量骑行者踩踏中轴时产生的扭矩。其传感器内置了高精度的应变片，当受到外力作用时，应变片的电阻值会发生变化，通过测量这种电阻变化来计算出扭矩大小。这种传感器精度高、响应速度快，能够实时准确地捕捉到骑行者的踩踏意图，为电机提供精确的助力参考信号，在高端助力自行车市场中占据了较大份额。日本禧玛诺（Shimano）公司推出的力矩传感器则在结构设计上进行了优化，采用独特的机械结构将扭矩转换为电信号。其内部的机械结构能够巧妙地将踩踏力转化为特定的电信号输出，不仅提高了传感器的可靠性，还降低了生产成本，在中低端市场也具有广泛的应用。

国内在力矩传感器领域也取得了一定的进展。一些高校和科研机构开展了相关研究，部分企业也在积极投入研发。清华大学的研究团队提出了一种基于光纤光栅的力矩传感器设计方案，利用光纤光栅的应变-波长特性来测量扭矩。这种方案具有抗电磁干扰能力强、精度高、可分布式测量等优点，有望在助力自行车