为奥运会场地自行车比赛建造下一代奖牌自行车
普利司通公司和普利司通循环公司使用传感器，建模和仿真的珩磨设计
“通过结合两家公司的优势，我们的目标是通过科学创造出尽可能最好的自行车，”普利司通公司数字工程技术推广部门高级技术总监内田一雄(Kazuo Uchida)说。
JCF与普利司通基础技术部和普利司通自行车竞赛设备设计部的联合团队签署了一项协议，共同开发冲刺自行车。要想让车手获得破纪录的胜利，就需要在车轮、车架、车把等部件以及设备操作和响应能力方面联合专业知识。
与长距离比赛不同，短距离比赛要求自行车配备突然加速和强有力的踏板。自行车车架是两者的关键。在竞争激烈的自行车界，车架的刚度和重量至关重要。弯曲过多的车架会降低蹬车效率。如果太重，骑手就会被压住，失去宝贵的时间。每个有自行车队参加奥运会的国家都在努力寻找重量和刚性的理想平衡。
但即使是最坚固、最轻的自行车，只要能满足国际自行车联盟(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。普利司通团队开始着手实现这种理想的组合。
该团队与MathWorks Consulting和Advanced Support团队合作，使用基于模型的设计(Mod万博1manbetxel-Based Design)模拟自行车在室内赛车场轨道上的运动。这种复杂的数据驱动分析有助于加速原型开发和优化先进的冲刺自行车，以适应世界舞台上的精英高速比赛。
赛车行为模型
普利司通团队专注于短距离项目:个人短跑、团体短跑和凯琳赛。keirin在日语中是“赛车轮子”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的摩托车为车手设定速度，在赛道上加快几圈，然后离开，这样运动员就可以在最后几圈中决一死战。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。顶级车手以80公里/小时(49.7英里/小时)的速度接近。标准赛道的最大角度为45度，这就是为推迟举办的2020年奥运会准备场地的静冈县伊豆市伊豆自行车赛车场的情况。
“(通过与MathWorks Consulting的合作和支持)，我们能够避免如果我们万博1manbetx自己做这件事就会遇到的许多困难。”
内田和夫，普利司通公司
普利司通自行车的运动学模型。(图片来源:普利司通公司)
模拟自行车在椭圆形轨道上疾驰的模型对日本队来说至关重要。尽管室内赛车场的环境受到高度控制，但工程师们发现自己进入了一个未知的领域。内田解释说:“现有的测量系统无法准确捕捉这个运动物体的行为:框架、转向和车轮的三维行为。”
用于测量摩托车运动的商业系统对于轻型室内轨道自行车的开发来说过于笨重和过大。此外，骑摩托车的感觉与骑赛车的感觉大不相同。最终的设计应该是错误的。
根据普利司通团队的说法，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，并且需要进行大量的实施准备。陀螺传感器有产生重大集成误差的风险。全球定位系统(GPS)信息虽然可以有效地进行综合纠错，但在室内跑道上却不能正常工作。
该团队需要开发一种全新的运动测量系统，可以精确地模拟赛道赛车的行为。修正自行车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准确分类。
为此，研究小组求助于最著名的状态估计算法之一——卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器获取测量数据并滤除噪声，以准确估计系统的状态。该算法非常适合当前状态不断变化的实时系统，例如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显眼的信号数据。内田观察到，近年来，可以检测俯仰、横摇和偏航变化的小型惯性测量单元(IMU)传感器有了显著的发展。因此，工程师们部署了25克(0.88盎司)的IMU传感器。这些微型传感器意味着JCF的自行车手可以在赛车场测试原型车，甚至不会注意到这些设备的存在。
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运动学模型的卡尔曼滤波状态方程中。该团队用激光雷达捕捉到了弯曲的轨迹，并产生了三维点云。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。研究小组建立了冲刺运动的运动学模型。
内田说，行为测量系统准备就绪后，该团队比较了各种自行车原型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的关键比赛场景下的表现，并根据这些见解调整了设计。这种建模和仿真使团队能够快速制定设计计划，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髓的建模建议，”内田说。“他们拥有大量广泛应用的技术知识。如果我们自己这么做，我们就能避免很多困难。”
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，该团队积极采用了基于模型的设计。迭代的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，该团队利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)迅速确定了自行车的气动和刚度设计。
JCF的运动员在室内跑道上测试了新系统。内田解释说:“我让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，该团队使用了汽车设计中更常用的工具，并将其应用于两轮产品开发。虚幻引擎®Epic Games的这项技术使包括汽车和运输行业在内的各行各业的创造者能够使用实时沉浸式可视化渲染模拟结果。虚幻引擎仿真环境使团队能够可视化使用Simulink设计的驾驶算法万博1manbetx®．
“逼真的模拟视频让我们周围的人真正了解我们创造的技术。”
内田和夫，普利司通公司
在Simulink中使用虚幻编辑器进行自行车的3D仿真和可视化。万博1manbetx
Simulink和虚幻引擎之间的界面以全新的万博1manbetx视角展示了日本团队的自行车冲刺开发。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，最新的冲刺自行车设计与最初的原型有很大不同。“我们创造了一辆更轻、更符合空气动力学、足够坚固的自行车，”他说。
现实世界的结果令人印象深刻。2021年5月，日本自行车手桥本英弥(Eiya Hashimoto)在香港举行的天梭国际自行车联盟国家杯(TISSOT UCI Nations Cup)男子全能比赛中获得金牌。今年8月，梶原由美在伊豆自行车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性。
现在，这款短跑赛车已经通过了最终测试，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于生产一款新的公路自行车。具体来说，他们的目标是推动普利司通自行车的发展，这种自行车被称为全能自行车，具有可靠、多功能的道路性能。
内田说:“我们计划销售一款将空气动力学、刚性和轻便结合在最高水平上的全能自行车。”这意味着使用先进的建模和仿真技术设计的自行车可以更广泛地使用。无论未来骑自行车的人是在室内赛道上比赛，爬上外面陡峭的山坡，还是在平坦的城市地形上巡航，他们都将体验令人难以置信的骑行。
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