为奥运场地自行车项目建造新一代奖牌自行车
普利司通公司和普利司通自行车公司利用传感器、建模和仿真进行设计
普利司通公司数字工程技术推广部门的高级技术主管Kazuo Uchida说:“通过结合两家公司的优势，我们的目标是通过科学创造出最好的自行车。”
JCF与普利司通的基础技术部和普利司通自行车的比赛设备设计部的联合团队签署了一项协议，共同开发短跑自行车。要想让车手打破纪录，就需要把车轮、车架、车把等零部件以及设备处理和响应能力等方面的专业知识结合起来。
与长距离比赛不同的是，短距离比赛要求自行车具备突然加速和强劲的蹬车能力。自行车的车架是两者的关键。车架的刚度和重量在竞争激烈的自行车世界是至关重要的。车架过于弯曲会降低脚踏效率。太重了，骑手就会被压得喘不过气来，失去宝贵的时间。每个有自行车队参加奥运会的国家都在热切地追求重量和硬度的理想平衡。
但即使是最硬、最轻的自行车，只要能达到国际自行车联盟(UCI) 6.8公斤的最低重量规定，也不一定能成为赢家。它必须感觉正确。普利司通车队着手实现这种理想的组合。
该团队与MathWorks Consulting和高级支持团队合作，使用基于模型的设计(Model-Based Des万博1manbetxign)来模拟自行车在赛车场轨道上的运动。这种复杂的、数据驱动的分析帮助加速了原型车的开发，并优化了一款先进的短跑自行车，以适应世界舞台上的精英高速赛车。
模型赛车行为
普利司通团队专注于短距离项目:个人冲刺、团体冲刺和凯林。keirin在日语中是“赛车车轮”的意思，是一种独特的赛道自行车，始于20世纪40年代末。一辆名为derny的摩托车为骑手设定速度，在赛道上加速几圈，然后离开，这样运动员就可以在最后几圈中决一雌雄。凯琳在2000年和2012年分别成为奥运会男子和女子比赛项目。
与keirin类似，参加个人和团体短跑的运动员通常以超过70公里/小时(43.5英里/小时)的速度结束比赛。顶级车手接近80公里/小时(49.7英里/小时)。标准赛道的最大角度是45度。2020年奥运会的场地自行车比赛场地静冈县伊豆市伊豆赛车场就是这样。
“[通过与MathWorks Consulting的合作和支持，]我们能够避免许多困难万博1manbetx，如果我们自己这么做的话，我们将会面临很多困难。”
Kazuo Uchida，普利司通公司
运动学模型的普利司通自行车。(图片来源:普利司通公司)
对日本团队来说，模拟一辆自行车在长方形倾斜轨道上快速移动是必不可少的。尽管赛车场的环境高度受控，工程师们还是发现自己进入了一个未知的领域。内田解释说:“当时没有现成的测量系统可以准确捕捉移动物体的行为:框架、转向和车轮的三维行为。”
一个用于测量摩托车运动的商业系统对于轻量级的室内轨道自行车的开发来说过于沉重和庞大。另外，骑摩托车的感觉和骑赛车的感觉很不一样。最终的设计会被取消。
普利司通车队表示，传统技术也有局限性。动作捕捉只能在非常狭窄的范围内进行测量，并涉及大量的实施准备工作。陀螺传感器有产生重大集成误差的风险。全球定位系统(GPS)信息虽然对综合误差校正有效，但在室内轨道上无法正常工作。
该团队需要开发一种全新的运动测量系统，可以精确模拟赛道赛车的运动行为。纠正自行车的方向需要考虑复杂的信号——真实加速度、离心加速度、重力——同时提供这些信号的清晰分解和每个信号的精确分类。
为此，研究小组求助于最著名的状态估计算法之一——卡尔曼滤波。卡尔曼滤波提取测量数据并滤除噪声，以准确估计系统的状态。这种算法非常适用于当前状态不断变化的实时系统，比如一辆自行车在倾斜的轨道上行驶。
为了使用卡尔曼滤波器估计自行车的行为，普利司通团队必须获得不引人注目的信号数据。内田观察到，可以检测俯仰、横摇和偏航变化的小型惯性测量单元(IMU)传感器近年来发展显著。因此，工程师们部署了25克(0.88盎司)的IMU传感器。这种微型传感器意味着JCF的自行车手可以在赛车场测试原型车，甚至不会注意到设备的存在。
室内赛车场形状模型。(图片来源:普利司通公司)
该团队还需要将赛车场的形状纳入卡尔曼滤波状态方程，以建立运动学模型。该团队用激光雷达捕捉到了弯曲的轨迹，产生了三维点云。一旦建立了赛车场形状的数学模型，该团队就使用了MATLAB®识别其参数。该团队模拟自行车运动，并使用MATLAB和Simscape™测试系统级性能。该团队建立了冲刺的运动学模型。
内田说，在行为测量系统准备就绪后，研究团队比较了各种自行车原型车和其他公司产品的性能。s manbetx 845他们分析了自行车在赛道上关键比赛场景中的表现，并根据这些洞见调整了设计。这种建模和模拟使团队快速制定设计计划，避免在不必要的原型开发周期上花费时间。
“MathWorks团队为我们提供了一针见影的建模建议，”内田说。“他们拥有大量广泛应用的技术知识。我们能够避免许多困难，如果我们自己这么做的话，我们会面临很多困难。”
把模拟变成现实
内田说，在过去，原型设计需要根据乘客的反馈对设计进行反复的微小修改。然而，对于新的短距离赛道赛车，团队积极采用了基于模型的设计。迭代系统级模拟大大加快了开发周期。
内田说:“通过使用卡尔曼滤波器分析自行车的行为，我们能够识别关键的骑行场景。”然后，该团队使用复合流体动力学建模和有限元法(一种量化物理现象的数学技术)迅速完成了自行车的气动和刚度设计。
JCF运动员在室内跑道上测试了新系统。内田解释说:“我要求他们在安装了测量系统的情况下骑自行车，并就自行车在重要情况下的表现提供反馈。”
在最后阶段，团队使用了汽车设计中更常用的工具，并将它们应用到双轮产品开发中。虚幻引擎®来自Epic Games的软件能够让包括汽车和交通部门在内的各行各业的创作者使用实时沉浸式可视化渲染模拟结果。虚幻引擎模拟环境使团队能够可视化使用Simulink设计的驾驶算法万博1manbetx®．
“真实的(模拟)视频让我们周围的人真正了解我们创造的技术。”
Kazuo Uchida，普利司通公司
使用Simulink中的虚幻编辑器对自行车进行三维仿真和可视化。万博1manbetx
Simulink和虚幻引擎之间的界面从新的角万博1manbetx度展示了日本团队的全速自行车开发。内田说:“逼真的视频让我们周围的人真正了解我们创造的技术。”
内田补充说，最新的短跑自行车设计与最初的原型有很大不同。他说:“我们创造了一款更轻、更符合空气动力学、足够坚固的自行车。”
现实世界的结果令人印象深刻。2021年5月，在香港举行的TISSOT UCI国家杯上，日本自行车手桥本荣也(Eiya Hashimoto)在普利司通车架上比赛，获得了男子全能冠军。今年8月，香原由美在伊豆赛车场获得场地自行车全能银牌，成为首位获得奥运会场地自行车奖牌的日本女子。
现在，冲刺赛车已经通过了终极测试，内田说，他们的团队计划将从开发过程中获得的所有知识，应用到生产一种新的公路自行车。具体来说，他们将目光放在了推进普利司通自行车的发展上，这种自行车被称为全能自行车，是为可靠、多功能的道路性能而建造的。
内田说:“我们计划销售一款综合了空气动力学、刚性和最高水平的轻便的全能自行车。”这意味着使用先进的建模和仿真技术设计的自行车可以使性能最大化，可以更广泛地使用。无论是未来的自行车手在室内赛道上比赛，爬上陡峭的山坡，还是在平坦的城市地形上巡航，他们都将体验不可思议的骑行。
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