独特的奥运短距离自行车跟踪骑自行车像刀片。每辆自行车都必须尽可能地坚固、轻便和高效，同时还必须遵守包括最低重量在内的国际标准。对于以超过70公里/小时(43.5英里/小时)的速度绕着250米(840英尺)的碗状木制轨道运动的运动员来说，每千分之一秒都很重要。
日本国家自行车队——日本自行车联合会(JCF)认识到，即使是微小的设计修改也能带来显著的性能优势。所以他们联系了世界上最大的轮胎和橡胶公司的专家，普利司通公司以及标志性的日本运动自行车公司普利司通周期有限公司．
普利司通锚式短跑自行车。(图片来源:普利司通公司)
普利司通公司数字工程技术推广部门的高级技术总监Kazuo Uchida表示:“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。”
JCF与普利司通基础技术部门和普利司通自行车比赛设备设计部门的联合团队签署了一项协议，以开发这款短跑自行车。要想让车手赢得破纪录的胜利，需要在车轮、车架和车把等部件，以及设备的操作和响应能力方面的专业知识。
与长距离比赛不同，短距离比赛需要配备能突然加速和强力踏板的自行车。自行车架对两者都很关键。车架刚度和重量在竞争激烈的自行车世界是至关重要的。太过弯曲的车架会降低踩踏板的效率。太重了，骑手就会被压得喘不过气来，浪费了宝贵的时间。每个在奥运会上拥有自行车队的国家都在热切地追求体重和硬度的理想平衡。
但即使是最坚硬、最轻的自行车，也不一定能达到国际自行车联盟(UCI) 6.8公斤的最低重量规定。它必须感觉正确。普利司通团队开始实现这一理想的组合。
该团队与MathWorks咨询公司和高级支持团队合作，使用基于模型的设计(Model-Based Design)模拟自金宝app行车在室内赛车场跑道上的运动。这种复杂的、数据驱动的分析帮助加速了原型的开发，并优化了一款先进的短跑自行车，用于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:个人冲刺、团队冲刺和凯琳。日语是“赛车轮”的意思，keirin是一种独特的轨道自行车，始于20世纪40年代末。一辆名为derny的摩托车为选手们设定了速度，在赛道上加速几圈，然后离开赛道，让运动员们在最后几圈一决雌雄。凯琳在2000年和2012年分别成为奥运会男子和女子比赛项目。
与凯琳相似，参加个人和团体短跑比赛的运动员通常以超过70公里/小时(43.5英里/小时)的速度完成比赛。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为45度，日本静冈县伊豆市伊豆赛车场(Izu Velodrome)就是这样的情况。2020年奥运会的场地自行车比赛被推迟。
“(通过与MathWorks Consulting和支持部门合作，)我们能够避免许多如金宝app果我们自己完成这项工作就会面临的困难。”
普利司通公司Kazuo Uchida
普利司通自行车的运动学模型。(图片来源:普利司通公司)
对日本队来说，模拟一辆自行车在长方形的弯道上飞驰是至关重要的。尽管赛车场的环境受到高度控制，但工程师们发现自己进入了未知领域。内田解释说:“现有的测量系统无法准确捕捉移动物体的行为:车架、方向盘和车轮的三维行为。”
一个用于测量摩托车运动的商业系统对于开发轻型室内轨道自行车来说太笨重和过大了。另外，骑摩托车的感觉和骑赛车的感觉很不一样。最终的设计就会失效。
普利司通团队表示，传统技术也有局限性。动作捕捉只能在一个非常狭窄的范围内测量，并涉及广泛的实施准备。陀螺仪传感器可能产生严重的集成误差。全球定位系统(GPS)的信息，虽然对综合误差校正有效，但不能在室内的轨道上正常工作。
该团队需要开发一种全新的运动测量系统，能够精确地模拟赛道赛车运动中的行为。校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，该团队求助于状态估计最著名的算法之一，卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波利用实测数据，滤除噪声，从而准确估计系统的状态。这种算法非常适合实时系统，因为当前状态是不断变化的，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，小型惯性测量单元(IMU)传感器可以检测俯仰、滚转和偏航的变化，近年来已经有了显著的发展。因此，工程师们部署了25克(0.88盎司)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。研究小组用激光雷达捕捉到了弯曲的轨迹，从而产生了三维点云。一旦建立了赛车场形状的数学模型，该团队就使用了MATLAB®来确定它的参数。该团队模拟了自行车运动，并使用MATLAB和Simscape™测试了系统级性能。该团队建立了冲刺的运动学模型。
内田说，随着行为测量系统的完善，研究小组将各种自行车原型和其他公司产品的性能进行了比较。下载188bet金宝搏他们分析了自行车在赛道上的关键比赛场景下的表现，并基于这些见解调整了设计。这种建模和模拟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团队为我们提供的建模建议一针见山，”内田说。“他们拥有大量广泛应用的技术知识。我们能够避免许多如果我们自己做的话会面临的困难。”
将模拟转化为现实
内田说，在过去，原型设计需要根据骑手的反馈反复对设计进行微小的修改。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方法(一种用于量化物理现象的数学技术)，迅速完成了自行车的空气动力学和刚度设计方面的工作。
JCF的运动员们在室内跑道上测试了这个新系统。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，并将它们应用到两轮产品开发中。虚幻引擎®来自Epic Games的这项技术使各行各业(包括汽车和运输行业)的开发者能够使用实时沉浸式可视化渲染模拟结果。Unreal Engine仿真环境使团队能够可视化使用Simulink设计的驾驶算法金宝app®．
“逼真的(模拟)视频让我们周围的人真正理解了我们创造的技术。”
普利司通公司Kazuo Uchida
在Simulink中使用虚幻编辑器对自行车进行三维仿真和可视化。金宝app
在Simulink和虚幻引擎之间的接口显示了金宝app日本团队的全速自行车开发在一个新的角度。内田说:“这个逼真的视频让我们周围的人真正理解了我们所创造的技术。”
内田补充说，最新的短跑自行车设计与最初的原型车有很大不同。他说:“我们创造了一辆更轻、更符合空气动力学、更坚固的自行车。”
现实世界的结果令人印象深刻。2021年5月，在香港举行的天梭国际杯(TISSOT UCI Nations Cup)上，日本自行车手桥本荣也(Eiya Hashimoto)在普利司通框架上夺得男子全能金牌。今年8月，嘉原由美(Yumi Kajihara)在伊豆赛车场(Izu Velodrome)的全能场地自行车比赛中获得银牌，成为首位在奥运会场地自行车比赛中获得奖牌的日本女子。
现在这款竞速自行车已经通过了终极测试，内田表示，他们的团队计划利用开发过程中获得的所有知识，将其用于生产一款新的公路自行车。具体来说，他们的目光集中在被称为全能自行车的普利司通自行车上，这种自行车具有可靠的、多功能的道路性能。
内田说:“我们计划销售一款综合空气动力学、刚性和最轻的全能自行车。”这意味着，使用先进的建模和仿真技术设计的自行车，性能最大化，可以更广泛地使用。无论未来的自行车手是在室内赛道上比赛，还是在室外陡峭的山坡上比赛，还是在平坦的城市地形上骑行，他们都将经历令人难以置信的骑行。
