Самодельный велосипедный измеритель мощности

в 11:58, , рубрики: arduino, DIY, diy или сделай сам, велокомпьютер, велосипед, велосипедостроение, здоровй образ жизни, Здоровье гика, Лайфхаки для гиков, Производство и разработка электроники, спорт

Я давно люблю кататься на велосипеде, но в последний год меня заинтересовало не только катание как таковое, но и улучшение моих результатов, в спортивном плане. Изучая всевозможные методики, планы тренировок и вспомогательные средства, почти каждый раз все упиралось в необходимость (ну или по крайней мере огромную пользу) для тренировок такого устройства как Power meter.

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 1
И я решил собрать такой...

Для чего нужен мощномер?
Это устройство измеряет мощность, которую вы прикладываете к педалям. Знание мощности сильно помогает в тренировках: можно отслеживать свой прогресс во времени, он позволяет точно понимать, какое усилие вы прикладываете при езде — и это вы сейчас так медленно едете потому что плохо выспались, или в действительности дорога идет в горку? И дает множество других полезных возможностей.

Зачем делать мощномер самому, вместо покупки?
1 — цена на существующие образцы просто чудовищна, наиболее дешевые образцы стоят 600 американских денег (а в среднем около 1000), не включая доставку, растаможку и head unit (экранчик/компьютер, который и отображает данные, что будет стоить еще не менее 100 долларов)
2 — потому что мне интересно что-то конструировать и смотреть как это работает :)

Итак, приступим

Принцип действия
Есть много вариантов измерить мощность, я выбрал один из них: измерять изгиб шатуна от давления ноги на педаль.

Материальная база
Я долго искал, какой же чувствительный элемент доступен и можно использовать в таком устройстве? Рассматривались разные варианты — оптические датчики, пьезодатчики, измерение частоты передаваемого звука, но пришел к выводу, что проще всего будет использовать мостовой датчик нагрузки. Начав искать, где же его можно приобрести, пришел к неутешительному выводу, что либо дорого, либо заказывать в Китае и ждать от двух недель до двух месяцев. Но лазя по одной местной доске объявлений, нашел предложение по продаже весов с точностью 0.01 грамм и совсем не за дорого. Я не был еще уверен, что в весах именно такой датчик, но заказал все равно.

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 2
Разбирать было очень жалко, хоть они и стоят недорого

Вскрыв весы, я обаружил в них именно то, что искал, мостовой датчик нагрузки!

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 3

Был проведен короткий эксперимент, с помощью которого я узнал, сможет ли такой датчик измерить изгиб шатуна.

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 4
Действительно, работает!

Поскольку в весах все электронные компоненты оказались под одной «каплей», то весь электронный обвес нужно было искать и делать самому.
Список деталей, который я выбрал:
1 — усилитель датчика веса HX711 — к нему подключается мостовой датчик, на выходе получаем некоторое значение, уже в цифровом виде, удобно для обработки
2 — датчик каденса — геркон, — нужен для измерения скорости вращения педалей, так как просто измерить приложенное усилие к педелям не достаточно, чтобы измерить мощность, нужно знать и частоту вращения
3 — передатчик, bluetooth модуль HC-05, для передачи данных на компьютер или телефон
4 — контроллер Arduino nano — мозги устройства, обрабатывают поступившие с усилителя и геркона данные, отправляют на передатчик
5 — питание — так как все модули требуют питания 5В, нужен источник питания и преобразователь, источником было решено взять батарейный отсек от весов, с которых был снят и дачик нагрузки

Собрав все вместе я получил следующую картину
Самодельный велосипедный измеритель мощности - 5
Нда, и как это все поместить на педаль?

Пришлось все умещать в корпусе от все тех же весов, едва получилось. От разводки и травления плат я далек, поэтому просто подпаял к ножкам микросхем провода. Если разводить отдельную плату и устанавливать на нее smd компоненты, то получится, конечно же, намного меньше.

Все было собрано и, на удивление, аппаратная часть заработала с первого же раза. Блок с микросхемами я примотал к шатуну изолентой, а датчик нагрузки приклеил к шатуну горячим клеем (как в дальнейшем оказалось — не лучшая идея, датчик настолько точный, что меряет легчайшие передвижки, а клей обладает текучестью, от чего наблюдался дрейф сигнала)

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 6
Получилось так, неказисто, но ездить не мешает.

Калибровка
Модуль датчика веса передает не граммы или килограммы, а некие попугаи, которые нужно поставить в соответствии с нагрузкой. Это было проделано с помощью простейших инструментов.

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 7
Нанокалибратор

Данные нагрузки сразу передавались на компьютер, с помощью чего я нашел соответствие сигнала и приложенного усилия:
Самодельный велосипедный измеритель мощности - 8
Нелинейность сигнала возникает из-за того, что шатун не только прогибается под нагрузкой, но еще и закручивается

Была написана простейшая утилита, принимающая данные через bluetooth и отображающая их на экране в реальном времени. Снова в неказистом стиле :)

Самодельный велосипедный измеритель мощности - 9
А это точно интерфейс айфона 7?

Итак, что же мы видим на интерфейсе?
Большие цифры сверху и есть мощность, на одну сторону (помните, у нас датчик только на левом шатуне?), поэтому для полной мощности нужно умножить на 2. Кстати формула мощности: N = момент * угловую скорость, в программе она так и считается.
kad — каденс
kilos — давление на педаль, в килограммах

График показывает, как распределялось давление на педаль во времени, вертикальные полоски показывают момент прохождение геркона мимо магнита, необходим для измерения частоты педалирования.

Круговая диаграмма показывает как распределялась нагрузка в рамках одного круга педалирования — красный сектор это давление на педаль, зеленый сектор, то когда педаль идет наверх, и мы опираемся на нее ногой (паразитная нагрузка)

На все вместе, включая паяльник, бюджет составил 30$.
Скорее всего, у именитых производителей цены так задраны из-за отсутствия спроса, на мой взгляд, на весь мир годовой объем рынка паверметров всего около 100 тыс. единиц на всех производителей вместе взятых.

Мое устройство показало работоспособность, снято с велосипеда и отложено до лучших времен, когда я смогу развести нормально плату, чтобы уменьшить ее размеры и прочие интерфейсные вопросы :)

Спасибо за внимание!
Код для ардуино
Код для студии

Автор: uterr

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля