zondag 26 maart 2017

IntelliPower, de vermogensmeter voor de Intellifiets deel 1

Gezin , werk, sociale verplichtingen, piano spelen, bijhouden wat er in de wereld gebeurt etc. leggen beslag op vrijwel al mijn beschikbare tijd. Fietsen kan ik combineren met woon-werkverkeer, dat scheelt al weer. Hobbyplannen heb ik genoeg, alleen tijd niet. Een van mijn grootste wensen is om een vermogensmeter te maken voor de fiets. Als ik slim zou zijn, zou ik die gewoon kopen. Klaar.
Maar zo zit ik niet in mekaar. Ik zie er een uitdaging in om het zelf te maken, gewoon omdat het kan en omdat ik het de pak'm beet 600 euro niet waard vind. Het ontwerpen en bouwen zelf is eigenlijk leuker dan het bezit en gebruik straks. Als ik heb aangetoond dat het werkt, dan is de lol er eigenlijk wel vanaf. Hopelijk kan ik me genoeg motiveren om het ook echt af te maken, inclusief een behuizing. Uiteindelijk ben ik een techneut die wil weten hoe hard ik fiets en welk vermogen ik daarvoor nodig heb zodat ik mijn fiets kan optimaliseren om met mijn tamelijk modale vermogen zo hard mogelijk te gaan. Top 10 bij de één-uurs race op Cycle Vision is een ambitieus maar mooi streven.

Genoeg inleiding. Wat gaan we bouwen? Eigenlijk is het heel simpel. Op de cranks komen rekstrookjes die de verbuiging van de crank meten. Die verbuiging mag je lineair veronderstellen. Bij een x keer zo grote kracht verbuigt de crank ook x keer meer. Rekstrookjes bestaan uit een folie met daarop een flinterdun koperpatroon: één lange verbinding die een aantal keer is opgevouwen om de lengte zo groot te maken. Bij uitrekken wordt de elektrische weerstand een fractie groter. Veel digitale weegschalen werken ook op dit principe. In feite bouw ik ook een weegschaal. Bij een weegschaal doet de zwaartekracht het werk, in mijn geval de kracht die ik via de pedalen op de cranks uitoefen. Kalibreren doe ik wel als weegschaal, ik hang een bekend gewicht aan de pedaal-as met de crank in horizontale positie. Weet je massa (in kg), dan weet je de kracht in Newton:
F = m * g
De valversnelling g = 9,81 m/s2. Ik verwacht dat een nauwkeurigheid van 1 à 2 procent haalbaar moet zijn.

rekstrookje, gevoelig voor uitrekken in verticale richting, breedte is ca 5 mm


De trapkracht kun je ontbinden in twee krachten, een haaks op de crank en een in de lengteas van de crank. Die laatste is niet interessant, daar ga je niet harder van fietsen en die zal de rekstrookjes niet doen verbuigen. Maar de loodrechte versie is de kracht waar het om gaat en die zorgt er ook voor dat de crank verbuigt. Het pedaal maakt een cirkelbeweging, maar als we maar een klein stukje van die cirkel bekijken, dan is de afgelegde weg tijdens dat kleine stukje vrijwel recht, die vereenvoudiging vergemakkelijkt de berekening.
De elektronica meet de kracht op de crank minimaal 80 keer per seconde. Bij 120 toeren per minuut, dus 2 toeren per seconde, wordt één omwenteling dus in 40 stappen gemeten. De bedoeling is overigens om op de als maximum gespecificeerde snelheid van 145 metingen per seconde te meten. Bij 110 omwentelingen per minuut heb je dan 80 meetpunten. Dat moet genoeg zijn voor een betrouwbare meting zou je denken. Hopelijk werkt de meetchip dan nog voldoende nauwkeurig.

De rekstrookjes worden op de crank gelijmd, twee boven en twee onder in een zogenaamde brug van Wheatstone configuratie. Dat is een meetmethode waarbij je in rust nul meet en bij een kleine verstoring van het evenwicht meteen een afwijking van nul. Het werkt beter naarmate de 4 rekstrookjes gelijke eigenschappen hebben en vooral ook dezelfde temperatuur hebben.

rekstrookjes op de crank van een andere zelfbouwer


Alle onderdelen, behalve de rekstrookjes natuurlijk, komen op een pcb, dat is het rode plaatje op de foto. Het is overigens allemaal echt goud wat er blinkt, al is het laagje goud wel erg dun, 0.075 micrometer. De pcb bestaat uit 4 lagen, de binnenste 2 lagen zijn uiteraard niet zichtbaar. De totale dikte is 1 mm. De meeste onderdelen heb ik nog liggen van andere projecten. In totaal moeten er zo'n 60 onderdelen een plekje vinden. De componenten aan de onderzijde zijn overigens niet nodig, die zitten erop om een totaal ander apparaat te kunnen maken met dezelfde printplaat. Kosten (en werk) delen dus.

accu, rekstrookjes en de printplaat (voor- en achterzijde)
De IntelliPower, zo gaat hij heten, kan werken op een kleine LiPo cel, maar ook een USB aansluiting is voorzien. Ten eerste om de accu op te laden, maar ook communicatie of een software update kan via de USB poort. Omdat je crank rond draait, moet je wel draadloos de informatie verzenden en moet de accu ook meedraaien. Rechtsonder op de pcb zie je een zigzag spoortje, dat is de antenne. De frequentie waarop het werkt is 2.4 GHz. Ik kan nog kiezen welke draadloze standaard ik ga gebruiken. Erg handig is ANT+, daar werken al veel powermeters mee. Mijn Garmin kan overweg met ANT+ en dan komt de data als vanzelf in alle tools die daarvoor bedoeld zijn zoals Strava. Een andere mogelijkheid is Bluetooth Low Energy (BLE), die standaard zit tegenwoordig op bijna elke telefoon. Misschien is het zelfs mogelijk om beiden te combineren. Het voordeel van BLE is dat je veel meer data kunt verzenden, zo kun je bijvoorbeeld beide cranks onafhankelijk van elkaar uitlezen en kun je links/rechts balans in kaart brengen. Temperatuur, toerental, accuspanning worden ook gemeten en kun je dus ook doorgeven. Mogelijk kan ik ook trillingen meten en daar iets mee doen, denk aan wegdek beoordeling. Ook een impactmeter/logger zou kunnen, mocht ik een ongeval krijgen. Verder zou de fiets af en toe een berichtje de wereld in kunnen slingeren via iBeacon (Apple) of Eddystone (Google). Daar kun je weer heel veel toepassingen bij verzinnen zoals anti-diefstal of automatisch naar een website geleid worden op je mobieltje.

De technische documentatie komt ook online, maar dat zal via een andere pagina verlopen. Waarschijnlijk ga ik dat in het Engels schrijven. In principe kan iedereen het nabouwen, maar vooralsnog valt er nog niet zo veel te meten, alle software moet nog worden geschreven. Wel heb ik enkele tientallen printplaten, mogelijk dat ik die tzt in de verkoop doe. De speciale componenten zoals de rekstrookjes en de accu komen van Aliexpress. De totale kosten zijn enkele tientallen euro's per pcb. In principe kun je met één toe als je de meetwaarde verdubbeld, maar ik wil er twee inbouwen. Een tipje van de sluier voor de diehard techneuten onder ons: nRF52832, HX711, BF350, 3.7V/150mAhr LiPo.

Links voor zelfbouw ideeën:
http://edge.rit.edu/edge/P16214/public/Subsystem%20Design
https://hackaday.com/2016/04/03/bike-power-meter-with-crank-mounted-wifi-strain-gauges/
https://hackaday.io/project/10530-espeedo-an-esp8266-bicycle-power-sensor
http://keithhack.blogspot.nl/2013/01/v3power-meterthe-complete-how-to.html

De meeste zelfbouwers maken "knutsels" op basis van bestaande printplaatjes. Vaak moeten er dan twee of drie gecombineerd worden. Ik ga voor een meer professionele benadering die weliswaar iets duurder is, maar uiteindelijk ook meer bevrediging geeft. Vooralsnog heb ik er zes nodig, voor mijn DF, racefiets en mtb. En daarnaast nog wat voor de meer zakelijke toepassingen. Daar hoeven geen rekstrookjes op.

Last but not least, de uitslag van de grote piep-piep-piep-prijsvraag:
De topsnelheid was 59.5 km/u, tijdens de afdaling van de brug naar Kesteren. Je ziet de schakelmomenten en dat ik vrij snel hard in de remmen moest knijpen.
Op de derde plaats: Paul (Mooi Geel Is Niet Lelijk) met 52.2 km/u
Tweede plaats: Roef (Toerkanjer) met 53.2 km/u
De winnaar van de eeuwige roem: Johannes (iFiets) met 57,4 km/u. Bij deze gelijk een promotie voor je blog: ifiets.blogspot.nl

De piepjes van de brug bij Kesteren in een grafiek uitgezet

15 opmerkingen:

  1. Voor iemand die vindt dat ie niet kan rekenen is een derde plek best goed ;-)

    BeantwoordenVerwijderen
  2. Interessant en t.z.t. zichtbaar op Strava? Soms zie ik wattages voorbijkomen, waarvan ik mij afvraag of die wel kunnen kloppen. Wellicht dat zo'n vermogensmeter dan niet goed is ingesteld.

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Ja, is de bedoeling dat het ook op strava terug te vinden is. Er kan best wel wat ruis op de meting zitten, maar na middeling over meerdere omwentelingen moet dat wel te verhelpen zijn. Ben zelf het meest bang voor grote schokken door het wegdek, die kan de meting van het toerental beïnvloeden en daarmee de nauwkeurigheid verslechteren.

      Verwijderen
  3. Wellicht als je zo thuis bent in electronica en software aansturing kun je ook eens kijken of je de velomobielbranche kunt helpen met een praktische e-motor installatie voor velomobielen. Daar is toch veel behoefte aan door rijders met overbelastings blessures vanwege het velomobielgewicht.

    De op de markt verkrijgbare e-motoren van fietsen en trikes blijken te snel heet te worden en te snel kapot te gaan met name door zwakke kunststof delen als satelietwieltjes e.d. Die zijn gewoon niet ontworpen voor het hogere gewicht, het afleggen van grote afstanden en het gebrek aan rijwind.

    De oplossing is simpel maar te ingewikkeld voor de velomobielbranche tegelijk : er zijn talloze industriele e-motoren ( met metalen reductietandwielen en al indien nodig ) die goedkoop ( massa productie ) maar toch heel erg betrouwbaar zijn ( die duizenden uren lopende banden aandrijven e.d. ) maar daar een passende electronische aansturing voor maken gaat de branche ver boven de pet. Tegelijk zal de fietsbranche dat probleem niet voor ze gaan oplossen omdat de markt voor velomobielen te klein is en die fiets e-motoren voor fietsen wel voldoen.

    De onderdelen lijken wel "op het schap" te liggen, maar de specifieke aansturing niet.

    Uiteraard zijn er wel velomobielen zoals de e-Orca die het min of meer goed doen, maar er is vast een veel grotere interesse voor nabouw in bestaande velomobielen. Als je beseft dat er alleen al 1000+ oudere Questen rondrijden...en dat er nog steeds geen e-Strada's zijn....

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Dat is een markt waar ik persoonlijk niet in geïnteresseerd ben en ook totaal geen ervaring mee heb. Daarnaast heb je met regelgeving te maken die ook nog per land kan verschillen. Als je voor je hobby dat inbouwt, kom je er welicht mee weg. Maar als VM fabrikant moet je dat wel goed geregeld hebben. Je wil geen schadeclaim aan je broek krijgen omdat er een ongeval is waarbij er een ongekeurde e-bike betrokken is.
      Zelfs als ik mijn draadloze powermeter helemaal volgens de regels op de markt zou willen brengen, ben ik meer dan 10.000 euro kwijt aan een verplicht lidmaatschap van de Bluetooth of ANT+ organisaties en de bijbehorende keuringen.
      Of ik nu miljoenen producten produceer, of maar 5, ze moeten aan dezelfde regels voldoen.
      Velomobielen zijn gewoon een kleine niche markt en met de massale komst van de "normale" e-bike zal dat ook zo blijven. E-velo's zijn een niche binnen een niche. De kosten om iets fatsoenlijks te maken kunnen niet worden terugverdiend.

      Verwijderen
  4. Je zeer interessante stuk lezen duurde langer dan mijn Garmin vector pedalen bestellen. Ik heb gekozen voor het gemak. Vooral omdat ik niet thuis ben in electronica. Veel hobby plezier!

    BeantwoordenVerwijderen
  5. Interessant project weer, maar volgens mij vergeet je 2 stappen (of ik moet er overheen lezen). Je beschrijft hoe je de kracht gaat meten, maar kracht is niet hetzelfde als vermogen. De kracht die je meet moet je vermenigvuldigen met de cranklengte om zo het draaimoment te krijgen. Het draaimoment vermenigvuldig je met het traptoerental om zo op vermogen uit te komen.
    Groet, Johan

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Daar heb je helemaal gelijk in. Ik heb het bewust niet al te technisch gemaakt, dat wil ik op een andere pagina gaan doen. Toerental ga ik meten met een 3D accelerometer.

      Verwijderen
  6. Je kent de veloputer? https://veloputer.wordpress.com
    Overigens heb ik de Garmin Vector pedalen, vooral voor de links-rechts balans (oude knieblessure, en ik wil er nu op tijd bij zijn). Maar wellicht dat je een keer wilt vergelijken met de Garmins (in de pedalen) om te kijken of je die 1 à 2 % ook echt haalt (de Vector pedalen claimen dezelfde nauwkeurigheid, dus binnen ~3% van elkaar verwacht je wel te komen). Het mooie van pedalen is dat je ze kunt combineren met systemen in de cranks.

    BeantwoordenVerwijderen
  7. Ja, het veloputer-project volg ik. Er zit geen overlap in met mijn plannen, veloputer is vooral gericht op verlichting en accu-management. Ik ben nog aan het bekijken hoe ik de nauwkeurigheid kan aantonen. Vergelijking met de Vector pedalen zou heel mooi zijn. Als ik een en ander aan de praat heb, neem ik contact met je op om te kijken of we een vergelijkende test kunnen organiseren.

    BeantwoordenVerwijderen
  8. Interessant project. Ik heb wel gekeken naar vermogensmeters maar vond ze tot nu toe te duur. Dus ik hou me aanbevolen voor 2 printjes.

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. kan nog wel wat maanden duren voordat ik een werkende vermogensmeter heb. Sowieso heb je wat mechanisch gedoe met het lijmen van de rekstrookjes. Knutselbereidheid is een vereiste!

      Verwijderen
    2. Een beetje knutselervaring heb ik wel (met arduino's etc).
      Bij ons op de afdeling worden veel rekstrookjes geplakt, dus daar kan ik wel op terugvallen. Grootste uitdaging voor mij zal waarschijnlijk (smd) solderen zijn.

      Verwijderen
    3. Ik ben bang dat zelf solderen alleen voorbehouden is aan mensen die toegang hebben tot (semi) professionele soldeerapparatuur. Ik gebruik soldeerpasta die met een stencil aangebracht wordt en een oven met een gecontroleerd temperatuurprofiel. Helemaal handmatig met een soldeerbout solderen is onmogelijk, diverse componenten hebben een soldeervlak aan de onderzijde. De microcontroller heeft ook nog eens 0.4 mm pitch van de contactvlakken, erg lastig!
      Als ik wat printjes ga verkopen, dan zullen het geassembleerde printplaten zijn, geprogrammeerd en al. In ieder geval de rekstrookjes zul je zelf moeten doen en mogelijk ook dingen als behuizing. En kalibratie natuurlijk. Gaat sowieso nog wel wat maanden duren voordat ik zo ver ben.

      Verwijderen