Automatització d’un canvi electrònic de bicicleta

TREBALL FINAL DE GRAU TÍTOL DEL TFG: Automatització d’un canvi electrònic de bicicleta TITULACIÓ: Grau en Enginyeria d’Aeronavegació AUTOR: David Márquez Abellán DIRECTOR: Francisco López Berbel DATA: 14 de Juliol del 2016 Título: Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Autor: David Márquez Abellán Director: Francisco López Berbel Fecha: 14 de Julio del 2016 Resumen Esta memoria explica el procedimiento llevado a cabo para conseguir que una bicicleta cambie de marchas de forma automática. Para ello se ha hecho una investigación previa de los sistemas que se utilizan actualmente en esta disciplina. Se ha explicado la evolución que ha vivido la bicicleta, para comparar los sistemas antiguos de cambio de marcha con los actuales que son completamente electrónicos. El objetivo era conseguir modificar uno de estos cambios electrónicos para que funcionase de forma automática. Pero el precio y la complejidad de estos dispositivos llevaron a descartar esta opción. Por lo que se decidió modificar un cambio de marchas clásico (por cable) para conseguir la automatización del cambio. Para que la bicicleta cambie de marchas automáticamente ha sido necesario utilizar sensores, un microcontrolador y un motor capaz de regular la tensión del cable del cambio de marchas, es decir un motor que cambie de marchas. Se han utilizado tres sensores para tomar medidas de velocidad, fuerza de pedaleo y cadencia. Con estos sensores se han hecho pruebas con la bicicleta para analizar los resultados. De los cuales se dedujo que en subidas hay que dar muchas pedaladas, mientras que en llano es tan importante dar muchas pedaladas como una velocidad adecuada que permita mantener la inercia. En bajadas no ha sido necesario hacer el estudio ya que solo se utiliza la octava velocidad. Con estos resultados se ha programado el microcontrolador para que decida en que marcha hay que circular para mantener la máxima eficiencia. La placa que se utilizó es Arduino Mega 2560 ya que se necesitaba una placa con muchas memoria y puertos. Las decisiones tomadas por el controlador se transfiere a dos motores servo que se encargan de regular la posición del cambio de marchas. Estos motores se programan para que giren un cierto ángulo. De modo que dependiendo de la marcha que se quiere utilizar giraran los grados que el microcontrolador tenga programados. El caso teórico fue resuelto con éxito mientras que en la práctica, los sensores han demostrado que acumulan errores. Sin embargo, el mayor de los problemas han sido los motores servo ya que no están preparados para levantar peso por lo que su funcionamiento no llega a ser aceptable. Finalmente, se ha conseguido montar un prototipo en una bicicleta que realiza tanto las medidas como el procesado de datos pero que obliga a realizar el cambio manualmente ya que los motores servo han demostrado no se útiles para esta función. Title: Automation of an electronic bike change Author: David Márquez Abellán Director: Francisco López Berbel Date: July 14th 2016 Overview This report explains the process carried out to use an automatic gear change applied to a bicycle. To do this, a preliminary investigation of the nowadays used systems in this discipline has been done. It is explained the evolution that the bicycle has lived to compare the old gearshift systems with the nowadays systems, which are completely electronic. The objective was to modify one of these electronic changes to make it work automatically. But the price and the complexity of these devices led to rule out this option. So it was decided to modify a classic change gear (by cable) to get an automatic change. To achieve the bicycle change gears automatically, it has been necessary to use sensors, a microcontroller and a motor capable of regulating the tension of the cable of the gear change, that is to say that the motor change gears. Three sensors have been used to take measurements of speed, pedalling strength and pedalling rate. These sensors have been employed to make different test to analyse the results. Taking into account these results, it was deduced that must be given many pedalling in rises. Meanwhile, in a flat terrain, is important the number of pedalling but also the rate to maintain the inertia. The study has not been done downgrades because only an eighth speed set was used. The microcontroller has been programmed taking into account these results. It chose the gear in order to obtain the maximum efficiency. Arduino Mega 2560 has been used, because a great storage and a great number of ports have been required. Two servomotors get the information from the microcontroller in order to regulate the position of the gear changes. These engines have been programed to turn a specific degree. Depend on the gear that you want to use, engines will turn the grades that the microcontroller have programed. The theoretical case has also been solved successfully. The prototype has demonstrated that sensors accumulate a lot of errors. However, servo engines support the worst and bad effect, because they are not prepared to hold weight. As a result, its operation is not effective. Finally, the prototype has been installed on a bicycle that makes measurements and process data in an accurate way in spite of the gear changes have to be done manually, due to the servo engines are not prepared for this function. Agradecimientos: Me gustaría agradecer a Francisco López la confianza que ha depositado en mí, la ayuda y las ideas aportadas. A mis padres que siempre me han apoyado en los buenos y malos momentos y que me han enseñado que nunca hay que rendirse. ÍNDICE' INTRODUCCIÓN*......................................................................................................................*1* CAPÍTULO*1.*TECNOLOGÍA*ALCANZADA*EN*LA*BICICLETA*.....................................*2* 1.1*Principales*innovaciones*.....................................................................................................*2! 1.1.1!Cuadros!de!fibra!de!carbono!........................................................................................................!2! 1.1.2!Frenos!de!disco!...................................................................................................................................!6! 1.1.3!Monoplato!.............................................................................................................................................!7! 1.1.4!El!cambio!electrónico!......................................................................................................................!9! 1.2*Evolución*al*cambio*electrónico*........................................................................................*9* 1.2.1!Cambio!por!cable!............................................................................................................................!10! 1.2.2!Cambio!electrónico!........................................................................................................................!11! 1.3*El*cambio*automático*..........................................................................................................*13! 1.3.1!Versiones!desarrolladas!..............................................................................................................!13! CAPÍTULO*2.*CONSIDERACIONES*PARA*EL*DESARROLLO*DEL*PRODUCTO*....*15* 2.1*Cadencia*...................................................................................................................................*15* 2.2*Fuerza*de*pedaleo*.................................................................................................................*16* 2.3*Velocidad*.................................................................................................................................*17* CAPÍTULO*3.*ELABORACIÓN*DE*UN*PROTOTIPO*.....................................................*18* 3.1*Prototipo*deseado*.................................................................................................................*18* 3.2*Prototipo*desarrollado*.......................................................................................................*20! 3.2.1!Equipamiento!...................................................................................................................................!20! 3.2.2!Peso!......................................................................................................................................................!22! 3.2.3!Precio!...................................................................................................................................................!23! 3.2.4!Error!.....................................................................................................................................................!23! 3.2.5!Autonomía!.........................................................................................................................................!24! 3.2.6!Desarrollo!y!montaje!del!circuito!............................................................................................!25! CAPÍTULO*4.*PROGRAMACIÓN*.......................................................................................*39* 4.1*Librerías*...................................................................................................................................*39* 4.2*Reloj*interno*...........................................................................................................................*41* CAPÍTULO*5.*ANÁLISIS*Y*PROCESADO*DE*DATOS*....................................................*42* 5.1*Ascenso*.....................................................................................................................................*42* 5.2*Llano*..........................................................................................................................................*45! 5.3*Descenso*..................................................................................................................................*47* 5.4*Resultados*...............................................................................................................................*47* CAPÍTULO*6.*CONCLUSIONES*..........................................................................................*48* 6.1*Conclusiones*...........................................................................................................................*48* 6.2*Trabajo*futuro*........................................................................................................................*49* Bibliografía*...........................................................................................................................*50* ANEXO*A.*MEDICIONES*ADICIONALES*.........................................................................*52* ANEXO*B.*CÓDIGO*...............................................................................................................*54* B.1*Calibración*del*sensor*.........................................................................................................*54* B.2*Ejecución*del*sistema*..........................................................................................................*55* ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1.1 Cuadro de aluminio................................................................................3 Fig. 1.2 Cuadro de fibra de carbono....................................................................3 Fig. 1.3 Límite elástico aluminio..........................................................................4 Fig. 1.4 Carga rotura aluminio.............................................................................5 Fig. 1.5 Tensión-deformación carbono................................................................5 Fig. 1.6 Tensión-deformación aluminio...............................................................5 Fig. 1.7 Comparativa peso y rigidez....................................................................6 Fig. 1.8 Transmisión bicicleta: plato y piñones....................................................8 Fig. 1.9 Desviador trasero.................................................................................10 Fig. 1.10 E-tube Project Software......................................................................12 Fig. 1.11 Esquema básico cambio automático..................................................13 Fig. 2.1 Sensor de potencia...............................................................................16 Fig. 3.1 Sensor de potencia y cadencia Zone DPMX........................................19 Fig. 3.2 Relé reed..............................................................................................20 Fig. 3.3 Célula de carga TAS606......................................................................21 Fig. 3.4 Arduino Mega 2560..............................................................................21 Fig. 3.5 Autonomía actual..................................................................................25 Fig. 3.6 Batería adecuada.................................................................................25 Fig. 3.7 Circuito del prototipo ............................................................................25 Fig. 3.8 Medida longitud de la rueda.................................................................27 Fig. 3.9 Velocidad por vuelta.............................................................................27 Fig. 3.10 Cadencia............................................................................................27 Fig. 3.11 Montaje sensor de cadencia...............................................................29 Fig. 3.12 Potencia de pedalada.........................................................................29 Fig. 3.13 Factor de calibración o de galga........................................................30 Fig. 3.14 Montaje sensor de fuerza...................................................................31 Fig. 3.15 Ley de Hooke.....................................................................................33 Fig. 3.16 Constante elástica del muelle de la bicicleta......................................34 Fig. 3.17 Par motor de un sólido de rotación.....................................................34 Fig. 3.18 Velocidad angular (rpm) ....................................................................34 Fig. 3.19 Velocidad angular (rad/s) ..................................................................34 Fig. 3.20 Aceleración angular............................................................................35 Fig. 3.21 Momento de inercia............................................................................35 Fig. 3.22 Par motor servo..................................................................................35 Fig. 3.23 Par motor en (kg*cm) ........................................................................35 Fig. 3.24 Servo S8218.......................................................................................36 Fig. 3.25 Instalación de los motores servo........................................................37 Fig. 4.1 Ciclo de trabajo de un pulso PWM.......................................................39 Fig. 5.1 Cadencia de pedaleo en subida...........................................................42 Fig. 5.2 Peso aplicado en subida......................................................................43 Fig. 5.3 Potencia máxima en subida.................................................................43 Fig. 5.4 Cadencia de pedaleo en llano..............................................................44 Tecnología alcanzada en la bicicleta 5 Fig.1.4 Carga rotura aluminio En función de los datos graficados es posible obtener una amplia información sobre el material en cuestión. Es por ello que todos estos datos se representan comúnmente en un solo gráfico que muestra la deformación resultante tras la aplicación de una carga, así como las zonas elásticas (recuperación de la forma original tras ser sometido a una carga), plástica (deformación permanente) y el punto de rotura. A continuación se muestran como ejemplo de materiales una aleación de aluminio y un carbono que describen visualmente el comportamiento de estos materiales. El carbono es un material muy resistente, sin embargo, cuando llega a su límite elástico rápidamente se rompe. Esto quiere decir que pude haber una bicicleta de muy buena calidad de carbono, pero que puede romperse simplemente por una caída al suelo. Por el contrario el aluminio no es tan resistente pero soporta mucho mejor las deformaciones antes de romperse. Fig. 1.5 Tensión-deformación Fig. 1.6 Tensión-deformación aluminio Carbono [3] 6 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Carbono y aluminio no son los únicos materiales utilizados en esta disciplina, los cuadros de titanio y acero destacan por ser prácticamente irrompibles pero la complejidad para fabricarlos y el peso, respectivamente, penalizan fuertemente a estos dos materiales. Fig. 1.7 Comparativa peso y rigidez 1.1.2 Frenos de disco Al igual que las motocicletas o los automóviles, las bicicletas han evolucionado de los frenos de pastilla a los frenos de disco. Aunque, hay varios motivos que influyen a la hora de decidir que sistema de frenado es mejor. [4] Las clásicas pastillas de freno ofrecen un mecanismo muy sencillo que se traduce en ligereza, con el inconveniente de que sobrecalienta las llantas llegando a provocar reventones de rueda. Por el contrario, las discos de freno soportan mucho mejor las altas temperaturas, de modo que no pierden eficacia en condiciones extremas, ya sea por barro o agua o por temperatura. Sin embargo, el peso penaliza a este dispositivo ya que es un sistema mucho mas elaborado. [5] Al margen de la complejidad de cada mecanismo, el dato mas relevante es saber cual de ellos frena mas, al fin y al cabo, esta es su función. Previamente, hay que entender la diferencia entre potencia de frenado y modulación. La potencia de frenado hace referencia a la capacidad del freno para bloquear la rueda, mientras que la modulación es la capacidad de control para detener la bicicleta. Los frenos de disco no tienen ningún inconveniente con la potencia de frenado, gracias a la superficie rugosa de los discos y al sistema hidráulico que permiten hacer mucha mas presión. No obstante, tener tanta potencia no es del todo bueno ya que puede provocar que la rueda se bloquee fácilmente. Es por ello que se utilizan líquidos de freno de distinta viscosidad y pastillas de distintos materiales para encontrar un equilibrio entre potencia y modulación. Tecnología alcanzada en la bicicleta 7 En cuanto a las pastillas de freno convencionales, la modulación no es ningún problema ya que el radio de acción es muy amplio ( llantas de dos metros de longitud ). Por el contrario, la potencia puede ser escasa aunque en los últimos años se han desarrollado diseños mas avanzados ( introducción del sistema hidráulico) de este sistema que aumenta considerablemente la potencia de frenado. En la siguiente tabla aparecen los resultados tras someter bicicletas idénticas, con freno de pastilla y de disco, a un descenso de un puerto de montaña donde la temperatura y la presión hacen de los frenos de pastilla un dispositivo peligroso. Tabla 1.1 Freno de disco vs freno de pastilla [6] Shimano Adrenaline Freno llanta Freno disco Inicio prueba (1537 m) Temperatura llanta 16,7 ºC 16,2 ºC Presión neumático 8,3 kg/m^3 8,2 kg/m^3 Final prueba (694 m) Temperatura llanta 40 ºC 17,1 ºC Presión neumático 9,2 kg/m^3 8,3 kg/m^3 Velocidad máxima 78,2 km/h 81,4 km/h Deceleración máxima 0,36 G 0,46 G Lamentablemente los frenos de disco han tenido que ser retirados de la competición (en carretera) ya que los ciclistas estaban expuestos a un gran peligro en caso de caída, ya que son discos muy afilados a alta temperatura. Pese a este inconveniente, las bicicletas se siguen fabricando con este dispositivo, además, a nivel competitivo sigue estando permitido en bicis de montaña, donde las velocidades no son tan elevadas y el disco está mejor protegido. 1.1.3 Monoplato Apostar por utilizar un solo plato ha sido una decisión difícil en esta industria pese a que utilizar un monoplato simplifica mucho las cosas. Uno solo soluciona varios problemas como puede ser la incertidumbre al seleccionarlo adecuado a la marcha, el cableado extra y el peso del cual nos liberamos. [7] Es evidente que un solo plato no ofrece la misma posibilidad de desarrollo que el de una bici equipada con dos o tres, pero la penalización es muy pequeña comparada con los beneficios anteriormente mencionados. Además de que el 8 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta hecho de no tener que cambiar de plato permite utilizar dientes mas grandes que impiden que la cadena se salga. Fig. 1.8 Transmisión bicicleta: plato y piñones [8] La penalización que ofrece el monoplanto se cobra de dos formas, o bien exigiendo un mayor esfuerzo físico, o por el contrario perdiendo velocidad en bajada, depende de la relación de piñones y plato que se escoja. En cuanto a los piñones, suelen estar en el rango de los 11 dientes hasta los 44 dientes, dependiendo de cada fabricante. Si escogemos un plato de 30 piñones se podrán asumir grandes cuestas mientras que en bajadas la relación de marchas no será suficiente y el ciclista pedaleará en vacío. Por ello se utilizan platos de 32 dientes que no castigan tanto en bajadas pero que si exigen mayor esfuerzo físico en subidas acusadas. [9] A nivel competitivo el monoplato no puede ser un limitante para poder rendir al máximo, así que se utilizan platos de 34 dientes que requieren una buena preparación física pero que permite pedalear en todo momento. El desarrollo se puede explicar como las vueltas que da la rueda trasera por pedalada, por lo que interesa que el desarrollo no ni bajo ni demasiado elevado ya que exigiría mucho esfuerzo físico. [10] Tecnología alcanzada en la bicicleta 9 Tabla 1.2 Desarrollo monoplato 28, 30, 32 y 34 dientes Dientes' piñón' Dientes'monoplato' ' ' 28' 30' 32' 34' ' ' 11' 2,545' 2,727' 2,909' 3,091' ' muy'suave' 13' 2,154' 2,308' 2,462' 2,615' ' ' 15' 1,867' 2,000' 2,133' 2,267' ' suave' 19' 1,474' 1,579' 1,684' 1,789' ' ' 21' 1,333' 1,429' 1,524' 1,619' ' intermedio' 24' 1,167' 1,250' 1,333' 1,417' ' ' 28' 1,000' 1,071' 1,143' 1,214' ' medio/duro' 32' 0,875' 0,938' 1,000' 1,063' ' ' 36' 0,778' 0,833' 0,889' 0,944' ' duro' 40' 0,700' 0,750' 0,800' 0,850' ' ' 44' 0,636' 0,682' 0,727' 0,773' ' muy'duro' Por ejemplo, si se utiliza un plato de 28 dientes y un piñón de 40, la rueda trasera dará poco mas de media vuelta por pedalada. Se avanzará muy poco pero ofrece el beneficio de necesitar poca fuerza. No existe una medida exacta que caracterice el desarrollo como suave o duro ya que todo depende de la persona que lo ponga en práctica. Por este motivo el margen que se muestra en la Tabla 1.2 es bastante amplio, además de que estos datos aportan una información mas bien orientativa. 1.1.4 El cambio electrónico El cambio electrónico es el tema principal, el cual se desarrollará a lo largo de todo el documento. Se trata de un tema actual, sobre el cual ha habido muchas innovaciones en los últimos años y que se explican con mas detalle a continuación. 1.2 Evolución al cambio electrónico Hasta el momento se han mencionado algunos de los nuevos sistemas y mecanismos que se han incorporado al mundo del ciclismo. Sin embargo, se debe de hacer una distinción entre la tecnología utilizada en estos sistemas y la tecnología que incorporan los actuales cambios de marcha. Esta distinción es la electrónica que primero revolucionó esta industria con la incorporación de bicicletas con motor y nuevamente lo vuelve a hacer con el cambio de marchas electrónico introducido en los últimos años. 10 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta 1.2.1 Cambio por cable A pesar de la introducción del cambio electrónico, el cambio clásico (por cable) se sigue utilizando ya que los modelos mas avanzados ofrecen tal nivel de suavidad y precisión que hace difícil creer que el mecanismo funcione a través de un cable. Para entender como funciona el cambio de una bicicleta, primero de todo hay que identificar cada una de sus partes y la función que desempeñan. Este tipo de cambios se pueden fragmentar en tres partes/piezas. En primer lugar, tenemos la maneta de cambio o pulsador que es un sistema muy sencillo ya que viene configurado por el fabricante y donde únicamente se debe considerar que el número de cambios corresponde al número de marchas. En segundo lugar, el cableado, que se sitúa sobre el cuadro (o integrado en este), debe estar adecuadamente tensado, de modo que no ofrezca ninguna holgura en su colocación. Y por último, la pieza mas importante, el desviador. El desviador de una bicicleta se compone por varias piezas, las cuales interactúan entre si, de modo que cuando una se mueve el resto también lo hace. Fig. 1.9 Desviador trasero [11] El principio de funcionamiento es muy sencillo ya que consta de dos fuerzas que interactúan. Una de ellas es el cableado que es el encargado de tensar el desviador y comprimir el muelle que se encuentra entre los pivotes y la otra es el propio muelle que es el que ejerce la fuerza en la dirección opuesta. De este modo, regulando la tensión del cable, podemos bajar y subir de piñón respectivamente, es decir hacer un cambio de marcha. [12] Tecnología alcanzada en la bicicleta 11 En medio de este dispositivo se encuentra el juego de poleas las cuales se encargan de mantener la cadena situada con precisión en el piñón deseado y al mismo tiempo permite que la cadena siempre este tensada. Para que el cambio sea preciso es necesario realizar la calibración mediante los tornillos de ajuste externo e interno (ver figura 1.9), que limitan el rango de operación del cambio, y el tambor de ajuste de cable que regula la distancia entre el casete de piñones y el desviador, de modo que cuanto menor sea la distancia más preciso es el cambio. 1.2.2 Cambio electrónico El primer cambio electrónico incorporado en una bicicleta fue en 1992. Este cambió el cableado por dos pulsadores que transmiten en tiempo real la información a un microprocesador que a su vez transfiere la información a un motor encargado de regular la tensión del muelle del desviador. Aunque no sería hasta 1999, cuando apareciese el primer cambio electrónico sin cables mecánicos en ninguno de sus componentes que es el que se utiliza en la actualidad. Un avance que reduce las labores de mantenimiento de los cambios de bicicleta ya que desaparece el problema de la calibración y tensión de los cables. [13] Y es que el cambio electrónico ofrece la gran ventaja de que una vez realizada la instalación, ya nunca mas será necesario hacer ningún ajuste, debido a que cambio y el desviador tienen un rango de actuación y no cambia con el paso del tiempo. [14] Además de la electrónica que se encarga de mantener el desviador siempre bien calibrado, el cambio electrónico ofrece varias cualidades. En primer lugar, la principal característica que presenta el desviador es la incorporación de un motor, encargado de regular la tensión del muelle según el piñón escogido. Este motor puede ser peligroso para los engranajes en caso de caída o golpe, por lo que incorpora un sistema antibloqueo que en caso de golpeo al desviador el motor suelta los engranajes para no dañar el cambio. En segundo lugar, la posibilidad de hacer todos los cambios con un solo pulsador en aquellos equipos que disponen de mas de un plato. Ya que configurando la relación de platos y piñones en el procesador, a gusto del usuario, el desviador delantero escogerá el plato adecuado al piñón que se encuentre engranado. Existen muchos mas detalles, todos ellos interesantes por igual, no obstante la introducción de un software personal para el usuario, marca la diferencia aun más, respecto al cambio mecánico. 12 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Fig. 1.10 E-tube Project Software Se trata de un software que se adapta al equipamiento de cada bicicleta. De modo que al inicio de la sesión realiza un chequeo de los dispositivos que están siendo utilizados en la bicicleta (iconos en verde), como puede ser, desviador trasero(1), monitor(2), palanca de cabio trasera(3.a), palanca de cambio delantera(3.b), batería interna(4.a), betería externa(4.b), regulador de suspensión trasera(5.a), regulador de suspensión delantera(5.b), desviador delantero(6). Una vez reconocido el equipamiento, se pueden hacer otras labores como actualizaciones, calibración y ajustes de la velocidad del cambio entre otros. El peso, el precio y la autonomía son los principales puntos flacos del cambio electrónico. Sin embargo, comparando ambos equipos de la misma gama, se puede observar que el peso no es determinante, mientras que el precio hace que sea un dispositivo al alcance de muy pocos. Tabla 1.3 Cambio electrónico vs mecánico [15] XTR Di2 (electrónico) XTR (mecánico) Palancas de cambio 129g 200g Desviador trasero 290g 221g Desviador delantero 140g 135g Batería 51g - Pantalla 30g - Total 640g 556g Precio (aprox.) 2000€ 1000€ Autonomía 300-2000km - Tecnología alcanzada en la bicicleta 13 Respecto a la autonomía de la batería, no se puede precisar cual es su valor exacto, ya que depende del tipo de terreno en el que se utilice, el número de cambios que se realice y la temperatura en la que se encuentre. 1.3 El cambio automático Cambio electrónico y cambio automático son prácticamente sinónimos, ya que la función que desempeña el mecanismo de un cambio electrónico es automática, a excepción de los botones que emiten la orden de cambio de marcha. Por lo tanto, para obtener un cambio que funcione de forma completamente automática, es necesario introducir un medidor y un procesador que transfieran la información al actuador para realizar el cambio de marchas de forma autónoma. Fig. 1.11 Esquema básico cambio automático Cuando se trata de diseñar algo nuevo, la forma mas sencilla de hacerlo suele ser modificar o adaptar algo ya existente, por ello la Figura 1.11 representa el esquema mas sencillo para lograr un cambio automático. Sin embargo, existen algunas versiones desarrolladas que alteran este esquema. 1.3.1 Versiones desarrolladas El cambio automático de bicicleta es algo que ya existe, pero que cada desarrollador lo ha diseñado a su parecer, de modo que cada diseño tiene unas características únicas que no comparten con el resto. Son cuantiosos los modelos desarrollados, pero en su mayoría, ofrecen cambios de dos o tres marchas que dotan a estas bicicletas de poca utilidad. Sin embargo, hay otros modelos que resultan interesantes y que se comentan a continuación. Medida& • Sensores& Procesado& • Microcontrolador& Actuador& • Cambio&electrónico& 14 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta La bicicleta de cambio automático de Mercedes de 2005, es una primeras versiones desarrolladas y comercializadas. Se trata de un modelo de 8 velocidades que mide los parámetros velocidad, cadencia de pedaleo y posición de la suspensión. Sin embargo, la velocidad es el único parámetro utilizado para seleccionar la marcha adecuada, lo que hace que no sea un sistema muy sofisticado. Además, no utiliza el casete de piñones, sino un buje de marchas. [16] Autobike ofrece un modelo muy distinto pero que también apuesta por la utilización de un sistema de engranajes, conocido como NuVinci, que difiere del clásico casete de piñones. Se caracteriza por la medición de la cadencia de pedaleo para determinar la relación de velocidad correcta. Sin embargo, al no utilizar piñones, no realiza cambios de marcha propiamente dichos, por lo que se aleja de la definición de cambio automático planteada. [17] [18] Parece ser que todas las marcas comerciales apuestan por este sistema, sustituyendo el casete de piñones por un buje. Sin embargo, todos los prototipos desarrollados por estudiantes y jóvenes ingenieros utilizan el sistema de cambios tradicional (como en este proyecto). Es el caso de unos estudiantes de la Universidad de Carnegie Mellon, que desarrollaron un modelo utilizando como único parámetro de entrada la cadencia de pedaleo. Así mismo, se utilizó un servo para el control de las marchas. Tal proyecto demostró, en su justa medida, su funcionamiento en el laboratorio, sin embargo, no tuvo mayor proyección. [19] En la actualidad no se comercializa ningún sistema de cambio electrónico que se adapte a la definición realizada, e incluso no existe ningún prototipo que se haya hecho público. Por lo que el desarrollo de nuevas ideas no deja de ser interesante. Elaboración de un prototipo 21 adulta, por lo que se utiliza una celda de botón capaz de soportar 200kg (TAS606) que deja un amplio margen para no forzarla al máximo. Fig. 3.3 Célula de carga TAS606 [23] Esta célula de carga genera un voltaje de salida del orden de milivoltios por lo que se utiliza una placa amplificadora (HX711), ofrecida por el fabricante de la célula, para obtener un rango de valores en voltios con los cuales poder trabajar. Los motores encargados de realizar el cambio de marchas son dos motores servo con una torque máximo de 40kg cada uno. Se trata de motores de engranaje metálico utilizados en dispositivos de radiocontrol, normalmente en la dirección de los coches teledirigidos. Por lo que la función que desempeñan en este proyecto es muy distinta para la cual están diseñados. El modelo es el CYS-S8218, no obstante se ha intentado montar el mecanismo con otros motores con menor par, pero no resultó exitoso. Todos los datos recibidos por los sensores y las ordenes llevadas a cabo por los motores se procesan en un mismo microcontrolador. A lo largo del proyecto se han utilizado las placas Arduino Uno y Arduino Mega. El motivo por el cual se han utilizado las dos placas es porque Arduino Mega tiene mayor número de puertos digitales que en ocasiones se han requerido, además la memoria es de mayor capacidad. Sin embargo, Arduino Uno es una placa mas sencilla y pequeña suficiente para hacer funcionar el prototipo. Fig. 3.4 Arduino Mega 2560 22 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta La placa Arduino necesita 5 voltios para funcionar correctamente, sin embargo, es necesario alimentarla con un poco mas de voltaje para evitar perdidas de tensión que puedan ocasionar un mal funcionamiento. Además dispone de un regulador que permite una alimentación superior a 9 voltios sin que esta se queme. La batería utilizada es de tipo Li-Po de 7,4 voltios, la cual ofrece 2800 miliamperios por hora de capacidad, mas que suficiente para hacer funcionar todos los dispositivos. Adicionalmente, para mejorar el diseño, se han utilizado tiras termorretráctiles para la instalación del cableado, ya que la bicicleta utilizada no ofrece la posibilidad de integrar el cableado por dentro de la estructura. Otros materiales como poleas, soportes e incluso el propio bidón del ciclista han ayudado a instalar algunos componentes, así como disimular su apariencia. 3.2.2 Peso Como se ha mencionado al principio de la memoria, el peso es uno de los factores mas importantes a tener en cuenta a la hora de escoger una bicicleta. Por lo tanto, de nada sirve desarrollar un producto que aumenta la eficiencia del ciclista si hay que aumentar el peso de la bicicleta considerablemente. Por este motivo, algunos de los dispositivos instalados son bastante primitivos, a fin de reducir el aumento de peso al mínimo. Tabla 3.1 Peso del equipo Producto Peso unidad (kg) Cantidad Peso (kg) Relé reed 0,001 2 0,002 Relé 0,012 2 0,024 Célula de carga 0,046 1 0,046 Servo 0,164 2 0,328 Arduino Mega 0,055 1 0,055 Protoboard mini 0,110 1 0,110 Amplificador HX711 0,003 1 0,003 Polea 0,008 2 0,016 Cableado 0,045 1 0,045 Batería 0,141 1 0,141 Soportes madera 0,060 1 0,060 Botellín 0,060 1 0,060 TOTAL 0,890 Podemos ver que el aumento de peso está por encima del deseado, ya que si utilizamos este equipo en una bicicleta de unos 12kg estaremos aumentando su peso en un 7,5%, lejos del 1% de aumento de peso que generan los actuales cambios electrónicos. No obstante, cabe recordar que se trata de un Elaboración de un prototipo 23 diseño de bajo coste por lo que 890g de peso pueden ser considerados admisibles para un prototipo. 3.2.3 Precio Puede ser que haya quien dude de que el aumento de peso sea admisible. Por lo que para acabar de convencerse no hay mas que mirar el precio por el que se puede conseguir la automatización del cambio electrónico. Tabla 3.2 Precio del equipo Producto Precio unidad (€) Cantidad Precio (€) Relé reed 0,55 2 1,10 Relé 9,90 2 19,80 Célula de carga 53,91 1 53,91 Servo 30,43 2 60,86 Arduino Mega 10,19 1 10,19 Protoboard mini 1,92 1 1,92 Amplificador HX711 9,42 1 9,42 Polea 0,10 2 0,20 Cableado 8,99 1 8,99 Batería 17,99 1 17,99 Soportes madera 3,90 1 3,90 Botellín 3,50 1 3,50 TOTAL 191,78 Lograr un prototipo con una inversión inferior a los 200€, teniendo en cuenta el potencial que tiene, es mas que aceptable. Lejos de los 2000€ que cuesta un cambio electrónico. 3.2.4 Error Una vez se ha conseguido montar el prototipo el siguiente paso es comprobar que no comete errores en la toma de datos, con el fin de que procese la información correctamente. Los sensores utilizados no son del todo precisos y comúnmente cometen errores, además el microcontrolador Arduino es tan famoso por sus múltiples cualidades como por lo impredecibles que son al cometer errores. Es por ello que no se puede dar una medida exacta del error que comete al realizar medidas, ya que se han hecho varias pruebas y el error en las medidas a variado de forma aleatoria. Ha habido muestras con un error del 3% y algunas pocas que rondan el 30%. El promedio de error en base a las muestras obtenidas se sitúa en el 10% pero como ya se ha comentado, no es del todo fiable. 24 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Por lo tanto para reducir este error tanto como sea posible lo que se hace es que todas las medidas sean dependientes, es decir, cadencia, potencia y velocidad están relacionados, por lo que aquellas muestras que no sean coherentes se descartan. Por ejemplo, si se obtiene una cadencia y fuerza de pedaleo muy baja y al mismo tiempo se obtiene un valor de velocidad excesivamente elevado, este valor se descarta. Además, el numero de muestras que se realizan es bastante elevado lo que minimiza la importancia de las muestras erróneas que puedan pasar desapercibidas. De este modo, se consigue minimizar el error, al mismo tiempo que se estabiliza, pudiendo suceder que como máximo un 5% de las muestras aceptadas sean erróneas. 3.2.5 Autonomía Como sucede en la mayoría de los dispositivos electrónicos, la batería es un limitante, ya que es el único componente que necesita ser recargado o reemplazado con frecuencia. El microcontrolador consume muy poco al igual que los sensores, lo cual facilita mucho las cosas. Sin embargo, mover un motor con un torque de 40kg/cm se paga caro. Tabla 3.3 Consumo del equipo Dispositivo Consumo aproximado (mA) Cantidad Consumo total (mA) Arduino Mega 50 1 50 Rele 46 (electroimán conectado) 2 92 Servo (quieto) 20 2 120 (95% quieto - 5% activo) Servo (activo) 800 Amplificador 1,5 1 1,5 Célula de carga Menospreciable 1 - TOTAL 263,5 Todos los dispositivitos electrónicos tienen un consumo por pequeño que sea, pero, en cuanto al consumo son los servos los que tienen una mayor importancia. Esto se debe a que el consumo para accionar un servo es muy elevado, de modo que cuantos mas cambios de marcha se hagan mayor autonomía de la batería se requerirá. El tiempo que se circula realizando cambios de marcha en comparación a los que no se cambia de marcha es muy pequeño (un 5% aproximado) por lo que el consumo no es demasiado elevado. Sin embargo, si la bicicleta se utiliza por rutas de montaña con numerosos cambios de pendiente, el motor estará mas tiempo en marcha y por lo tanto aumentará el consumo. Elaboración de un prototipo 25 La batería utilizada es de 2800mAh, mas que suficiente para ofrecer autonomía durante horas. Se escogió esta batería porque se desconocía cual sería el consumo total. El problema de utilizar una batería tan grande es el peso, ya que es el segundo elemento mas pesado de todo el equipo y se podría substituir por otra más pequeña. 2800!𝑚𝐴ℎ 263,5!𝑚𝐴 =10,6!ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 Fig. 3.5 Autonomía actual Mas de diez horas de autonomía permiten despreocuparse de la recarga de la batería, pero teniendo en cuenta que el peso es un tema preocupante y que se debe mejorar, con 4 horas sería suficiente. 4!ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠!×!263,5!𝑚𝐴 =1054!𝑚𝐴ℎ Fig. 3.6 Batería adecuada Una batería Li-Po de 7,4 voltios y 1100 mAh tiene un peso aproximado de 50 gramos, lo que permite reducir el peso del equipo en un 11% ofreciendo una muy buena autonomía. Además tiene un tamaño mucho mas reducido que permite que se pueda ocultar mejor sobre la bicicleta. 3.2.6 Desarrollo y montaje del circuito A continuación se muestra esquemáticamente el circuito elaborado. Se trata del circuito utilizado en el prototipo, pero no es el primer circuito que se desarrolló, por lo que se explica con detalle cada una de las versiones realizadas. Fig. 3.7 Circuito del prototipo 26 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Para realizar el montaje del prototipo, en primer lugar se llevó a cabo el montaje del sensor de cadencia, así como el de velocidad. Ambos se realizaron de forma simultanea, ya que funcionan bajo el mismo principio. El motivo por el que se empezó por esta parte es porque se trata de la parte mas sencilla y a la vez imprescindible para que el prototipo funcione. Partiendo de la idea de cómo funciona un cuentaquilómetros, lo que se ha intentado es elaborar algo similar pero más sencillo. Los cuentaquilómetros convencionales cuentan con un microprocesador que ejecuta ordenes cuando un imán cierra un circuito. El circuito de velocidad se compone por un imán (situado en el radio de la rueda), un relé reed y un relé convencional. El relé se encuentra conectado a la alimentación, al relé reed, así como al puerto analógico del microcontrolador. Si no actúa ninguna corriente el circuito se encuentra abierto y no circula corriente. El relé reed se sitúa en la horquilla delantera de la bicicleta de modo que cuando el imán situado en la rueda pasa por delante de este el relé reed, cierra el circuito y permite que el relé convencional se active (circuito cerrado). Cuando este se activa, circula un voltaje que se sitúa entre los 0,5 y 3 voltios hacia el pin analógico del microcontrolador. El valor del voltaje de entrada al pin es mayor o menor dependiendo del tiempo de contacto, cuanto mas tiempo este cerrado el circuito mayor será su valor. No obstante, si el circuito se encuentra cerrado menos de medio segundo difícilmente registrará una lectura superior a 1 voltio. De todos modos el valor del voltaje es indiferente, ya que lo único que interesa es saber si el circuito esta cerrado o abierto. Cada vez que el circuito se cierra, se registra el tiempo en el que esto sucedió. Conociendo el tiempo en el que se cerro por penúltima y última vez, se puede conocer el tiempo empleado en dar una vuelta completa la rueda. Esto es posible gracias al reloj interno que ofrece el microcontrolador. Como lo que se quiere calcular es la velocidad, el único valor que falta es la distancia que recorre la rueda en una vuelta completa. Para realizar este cálculo se puede hacer directamente mirando en la propia rueda la cual indica sus medidas. Sin embargo, no estaríamos realizando bien la medida ya que la rueda se deforma cuando el ciclista se sitúa sobre la bicicleta. Por lo que la forma correcta de hacerlo es posicionarse sobre la bicicleta y medir en línea recta con un metro la distancia que recorre la rueda en una vuelta completa. Elaboración de un prototipo 27 Fig. 3.8 Medida longitud de la rueda Es un procedimiento un tanto rudimentario pero es el que utilizan hasta los cuentaquilómetros mas sofisticados. Ya que el peso de la persona, así como la presión de la rueda hacen que esta medida sea distinta en cada bicicleta. Para la bicicleta que se ha utilizado, la longitud por vuelta es de 2,04 metros, calculado mediante este procedimiento, mientras que la medida que ofrece el fabricante es de 2,00 metros. Las medidas no difieren mucho ya que se utiliza una alta presión de neumático. Por lo tanto, cada vez que el circuito se cierre el tiempo que tarda la rueda en realizar una vuelta se actualizará y en consecuencia la velocidad. 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑!𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎!(𝑘𝑚) 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜!𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 −𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜!𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟!(ℎ) Fig. 3.9 Velocidad por vuelta El procedimiento para el montaje del sensor de cadencia es idéntico al anterior, pero en lugar de situar el imán sobre la rueda se sitúa sobre el pedal y el relé reed va sujeto al lateral del cuadro de la bicicleta. El funcionamiento es idéntico, ya que al fin y al cabo se trata de calcular el tiempo que tarda el pedal en dar una vuelta completa. 𝐶𝑎𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 60!(𝑠) 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜!𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 −𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜!𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟!(𝑠) Fig 3.10 Cadencia 28 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Como se ha mencionado anteriormente, se han desarrollado varias versiones anteriores hasta conseguir el diseño final. En un principio se intento realizar el circuito sin la utilización de relés convencionales, es decir, utilizando solo relés reed conectados directamente al Arduino. El problema que surgió es que como el circuito no tenia ninguna conexión a tierra los valores que se registraban en el microcontrolador no tenían ningún sentido, eran aleatorios por completo. Esto se solucionó introduciendo los relés convencionales , que permiten que el circuito esté referenciado a tierra y los valores de lectura sean correctos. Otro de los problemas que planteaba una de las primeras versiones era el tamaño de los imanes, así como la potencia. En primer lugar se opto por imitar a los cuentaquilómetros tradicionales, por lo que se utilizaron los propios imanes de estos. El problema que ofrecían es que son imanes pequeños que a penas ofrecen tiempo de contacto cuando la rueda gira muy rápido, además el alcance del campo magnético es muy pequeño y se tenían que situar los relés reed muy próximos. Por lo que se opto por la utilización de imanes un poco mas grandes y que además tuviesen mayor potencia como son los imanes de neodimio. Pero estos imanes tienen una fuerza excesiva que como consecuencia desgasta y desmagnetiza los relés dejándolos inservibles. Finalmente se utilizaron imanes de ferrita de mayor tamaño para que el tiempo de contacto fuese mayor pero que no desgastasen tanto el sensor. Tabla 3.4 Comparativa de imanes utilizados Imán bicicleta Neodimio Ferrita Dimensiones (mm) 10 ø 15 x 15 x 8 45 x 20 x 10 Fuerza sujeción (kg) 0,5 7,6 2,5 Respecto al contador de pedaladas se diseño un primer modelo en el que en lugar de utilizar un solo relé reed se utilizaban dos. El motivo por el que se tomó esta decisión fue para que el sensor no contabilizara mas vueltas de las que realmente estaba dando el pedal, ya que si el pedal se detenía delante del sensor el número de vueltas que podía contar por minuto podía ser infinito. Este sistema funcionaba correctamente ya que requería que los sensores se fuesen activando alternadamente para contabilizar una vuelta. Sin embargo, es un sistema que acumula fallos y el hecho de utilizar dos sensores implica duplicar el error. Por lo que se decidió utilizar un solo sensor controlando mediante software la suma de vueltas infinitas. Elaboración de un prototipo 29 Fig. 3.11 Montaje sensor de cadencia Para ello se calcula el tiempo en el que se realizó la ultima muestra. De modo que si se el tiempo entre muestras es demasiado corto, significa que no se están dando pedaladas ya que es imposible que el pedal gire tan rápido. Lo que significa que pedal esta quieto delante del sensor. Para ello se considera que como mínimo son necesarios 0,4 segundos para dar una pedalada. Cualquier muestra en un tiempo inferior se descarta. El siguiente sistema que se implementó fue la célula de carga, la cual va situada en el pedal de la bicicleta para medir los quilogramos de fuerza que se aplican a cada pedalada. Este sensor permite obtener varios datos. Mide la fuerza máxima que se ejerce sobre el pedal para conocer el esfuerzo que se está realizando a cada pedalada. Esto permite obtener una medida de la potencia de pedalada. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎!𝑊=𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎!𝑁∗𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑!( 𝑚 𝑠) Fig. 3.12 Potencia de pedalada Cabe destacar que la fuerza máxima no es el mejor método para calcular la potencia. Ya que si utilizamos este valor, la potencia calculada será mucho mayor debido a que estaremos considerando que el ciclista trabaja a la máxima potencia. No obstante, es útil para realizar una comparativa entre la potencia de pedalada en función de la marcha utilizada. Para calcular la potencia de forma exacta sería necesario integrar el campo de velocidades que permitiese conocer la potencia en cada instante. Sería un método muy preciso pero ineficiente, ya que de nada sirve tener un resultado tan exacto si el microcontrolador y los sensores no pueden llegar a tal nivel de precisión, teniendo en cuenta que la velocidad se actualiza a cada vuelta que realiza la rueda. 30 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta La solución que se ha tomado es medir la fuerza que se ejerce sobre el pedal por vuelta realizada. Con este valor y la velocidad que registre el dispositivo en ese instante podemos tener una medida de la potencia de pedalada del ciclista. El problema que ofrece instalar este sensor en un pedal es el cableado, ya que el pedal realiza giros de entre - 60º y 60º mientras que la biela realiza giros completos de 360º por cada vuelta. Lo que conlleva que a cada pedalada el cable se vaya enrollando llegando a inmovilizar el pedal. Se pensó en una solución que consistía en insertar el cable por el eje de la biela hacia el interior del cuadro (como se hace en algunas bicicletas) pero se trata de una bicicleta con el cuadro estanco que no permite esta opción. De modo que la única solución posible para que el cable no interrumpa al ciclista es mantenerlo alejado del eje de la biela para que no se enrolle. Otro de los problemas es la calibración del sensor. Se trata de un sensor desarrollado expresamente para trabajar en Arduino por lo que la utilización de la librería HX711 del amplificador facilita el trabajo. Solo es necesario establecer el factor de calibración correspondiente a la célula de carga, ya que esta librería se utiliza para células de todo tipo. Por lo que dependiendo de la forma del sensor así como de su capacidad el factor de calibración será uno u otro. El factor de calibración es la relación entre la variación de una resistencia y la deformación sufrida por un material, así que cada dispositivo tiene un factor distinto. 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟!𝑑𝑒!𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛!( Ω 𝑚)= 𝛿𝑅 𝑅 𝜀 Fig. 3.13 Factor de calibración o de galga [24] En un principio se realizó la calibración del sensor cuyo valor rondaba los 7000, pero estas pruebas se realizaron previamente al montaje. Una vez instalado el sensor se tuvo que volver a realizar la calibración cuyo factor había cambiado cuantiosamente. Elaboración de un prototipo 37 Fig. 3.25 Instalación de los motores servo En la figura 3.25 se puede ver el montaje final de los motores servo. Se utilizaron poleas de 1 cm de radio para que los motores tuviesen el máximo par posible. De este modo, conectando los dos motores de 40 kg/cm de par en línea se obtiene fuerza mas que suficiente para tirar de los 7 kg de fuerza que ejerce en cable. Sin embargo, en la práctica no ha funcionado, ya que como se ha comentado anteriormente estos motores no están preparados para tal fin. Estos servo tienen potencia suficiente para maniobrar pero su configuración les impide arrastras de ningún peso. Tabla 3.5 Comparativa de servos utilizados MG995 BSD BS501-054 CYS S8218 Dimensiones (mm) 40,7 x 19,7 x 42,9 58 x 28 x 54 60 x 30 x 60 Peso (g) 55 133 164 Par motor (kg/cm) 13 20 40 Voltaje operativo (V) 3-7,2 5-7,2 6-7,2 Los cambios electrónicos de bicicleta comerciales utilizan un motor servo, los cuales están diseñados para tal tarea de modo que funcionan con precisión y seguridad. Estas características no se pueden conseguir con servos de radiocontrol. La calidad se paga y los mas de 1000€ de coste de este tipo de servos hacen que no sea viable utilizarlos para un prototipo. 38 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta CAPÍTULO 4. PROGRAMACIÓN La programación en Arduino es una tarea sencilla, ya que se trata de un microcontrolador especialmente diseñado para trabajar con sensores, tanto analógicos como digitales. Durante este proyecto se ha trabajado con los modelos Uno y Mega 2560. Se trata de placas de iniciación de gran tamaño y de fácil uso. Cada modelo ofrece unas prestaciones que suelen ir asociadas al número de puertos, así como el tamaño o la memoria. Arduino, al igual que el resto de lenguajes, permite organizar el código en funciones. El código es mucho más claro y la detección de errores es mas fácil. Además, este lenguaje permite organizar estas funciones en librerías, las cuales están estandarizadas y no es necesario escribirlas desde el principio. Por tanto, si se quiere calibrar un sensor de presión no es necesario hacer mediciones, calcular la recta de calibración… y una serie de tareas que puede llevar horas. Las librerías se encuentran en la red y simplemente incluyéndolas en el código podemos realizar la calibración de forma inmediata. 4.1 Librerías Las funciones que se han utilizado en este proyecto han sido cuatro. Para calibrar el sensor, así como procesar los datos de medida, se utiliza la librería HX711. Contiene las funciones necesarias para la interpretación de las variaciones de la resistencia del sensor de fuerza. En cuanto a la muestra de datos, como se ha comentado anteriormente, se utiliza una pantalla LCD, la cual utiliza la librería liquidcrystal para el control de los pines digitales. Esta librería esta preparada para la utilización de pantallas de 16 dígitos de 2 líneas o de 4. Así mismo, se puede trabajar con 4 bits o 8 bits como en este caso. Si en lugar de hacer un display de los datos mediante la pantalla LCD, se quieren almacenar los datos para procesarlos en un ordenador más tarde, es necesario utilizar la librería EEPROM. El nombre de esta librería hace referencia al nombre de una memoria, que permite que una vez se apague el microcontrolador los datos sigan almacenados y no se borren hasta no ser reescritos. [26] Otra de las aplicaciones que incluye, es que si se detiene el Arduino mientras realiza alguna tarea y luego se reactiva, se puede hacer memoria de en que punto se detuvo la tarea y continuar con ella. Programación 39 Cada modelo de placa tiene un tipo de memoria distinta y por lo tanto la capacidad puede varias. Arduino Uno tiene una capacidad de 1 Kb, similar a la mayoría de placas, mientras que Arduino Mega dispone de 4 Kb. Arduino trabaja por direcciones y byte a byte, tanto para leer como para escribir. La placa Uno tiene 1000 Bytes de memoria, lo que significa que hay desde la dirección 0 a la 999. Cada dirección puede registrar un valor que puede valer entre 0 y 255. 1000 direcciones parecen mas que suficientes para almacenar datos. Sin embargo, a cada pedalada, los valores de cadencia, velocidad, fuerza y potencia van ocupando una dirección. Por lo que a las 250 pedaladas ya estará la memoria llena. Por este motivo se ha decidido utilizar la placa Mega, ya que tiene cuatro veces mas memoria, lo cual permite almacenar los datos de hasta 1000 pedaladas. Además, la memoria EEPROM es una memoria con una vida útil, es decir, cada dirección se puede reescribir una cantidad finita de veces. No existe un valor exacto, aunque aproximadamente son unas 1000 veces. Por último, la librería servo permite controlar todo tipo de motores de radiocontrol. Muchos de estos motores necesitan ser alimentados por encima de los 5 voltios, valor máximo que puede proporcionar la placa. Por lo que se suelen alimentar a parte. Sin embargo, las conexiones de tierra deben de ser comunes ya que el cable de control si que va conectado directamente a la placa. Este cable de datos va conectado a uno de los puertos PWM del microcontrolador. Los pulsos PWM (modulación por ancho de pulsos) permiten controlar la velocidad de giro del servo sin modificar el par motor. El ciclo de trabajo de estos pulsos representa el ancho de la señal respecto un periodo, es decir, el tanto por ciento que el señal esta activo en un ciclo completo. Fig. 4.1 Ciclo de trabajo de un pulso PWM [27] 40 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Cuanto mayor sea el valor del ciclo de trabajo, mas girara el servo. Cada fabricante ofrece unas especificaciones para determinar que ancho de pulso corresponde a cada ángulo de giro. No obstante, depende de cada motor y no siempre tiene porque coincidir. 4.2 Reloj interno El reloj interno de la placa tiene un alto protagonismo. Todas las medidas se toman referenciadas a este reloj, por lo que es tan importante realizar bien las mediciones como tener un control del tiempo preciso. Arduino utiliza un cristal piezoeléctrico como base de tiempos que bate a 16Mhz, es decir genera 16 millones de pulsos por segundo. Esto lo convierte en un reloj con la suficiente precisión para este proyecto ya que el error de este puede alcanzar, como máximo, el medio segundo al día. Además, ofrece un excelente comportamiento ante los cambios de temperatura. En caso de necesitar un control del tiempo mas amplio existe la posibilidad de utilizar la librería timer del arduino. Pero en este proyecto con las funciones básicas ha sido suficiente. Análisis y procesado de datos 41 CAPÍTULO 5. ANÁLISIS Y PROCESADO DE DATOS La mayor parte del tiempo se ha invertido en buscar ideas así como soluciones para conseguir un prototipo que partía desde cero. Una vez montado todo el equipo, realizar el análisis de los datos obtenidos ha sido mas sencillo. Partir de una buena base de conocimientos es fundamental para poder interpretar los resultados. Por este motivo al principio de la memoria se ha comentado con detalle la situación actual de las bicicletas. A continuación se detallan los resultados obtenidos en las pruebas experimentales. Se han tomado muestras de cadencia, velocidad y fuerza en distintas pendientes a fin de encontrar la relación de marchas idónea para cada situación. Cuando se habla de relación de marchas idónea, no se esta diciendo que esta sea la mejor combinación de marchas bajo cualquier circunstancia. Ya que el estudio experimental se ha hecho con una persona, cuyos resultados son únicamente validos para esta. Se trata de un prototipo personalizado que busca la mayor eficiencia. Por lo tanto, cualquier otro individuo que quiere obtener el máximo rendimiento, necesitará realizar, previamente, el estudio experimental. 5.1 Ascenso El estudio del ascenso es la parte mas importante de este análisis. Durante la subida es cuando mayor aporte energético se realiza, por lo tanto, una mayor eficiencia conlleva un alto porcentaje de ahorro de energía. En esta circunstancia lo mejor es utilizar piñones grandes y dar un gran número de pedaladas pero en su justa medida. Los datos graficados corresponden a la información obtenida tras realizar pruebas en cuestas con una inclinación del 5%, 10% y 15%. 42 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Fig. 5.1 Cadencia de pedaleo en subida Para estudiar la cadencia se han tomado muestras desde la primera marcha hasta la quinta. Como es lógico, si en una subida aumentamos de velocidad la capacidad de pedalada será menor. Sin embargo, no siempre interesa utilizar las velocidades mas pequeñas. Es el caso del escenario con un 5% de inclinación. Lo que sucede en este caso es que la primera velocidad genera lo que se conoce como pedaleo al vacío. Situación en la que el ciclista tiene mucha mas potencia que la resistencia que ofrece la bicicleta, lo cual genera una situación incomoda en la que es difícil pedalear. Es por ello que la tercera marcha es mucho mas eficiente, ya que permite generar un gran volumen de pedaladas, lo cual es óptimo en subidas. A medida que las marchas van aumentando la cadencia se va reduciendo, lo que indica que estamos forzando demasiado. Para el resto de escenarios (10% y 15%), la primera velocidad es la mas apropiada, aunque otros parámetros como la potencia o el peso aplicado sobre el pedal al pedalear pueden modificar esta decisión. 50& 55& 60& 65& 70& 75& 80& 85& 1& 2& 3& 4& 5& PEDALADAS'POR'MINUTO' MARCHA' CADENCIA' 5%& 10%& 15%& Análisis y procesado de datos 43 Fig. 5.2 Peso aplicado en subida Fig. 5.3 Potencia máxima en subida Una buena forma de agrupar las muestras de fuerza y de velocidad es la representación de la potencia máxima de pedaleo. Los escenarios son los mismos que los anteriores, de modo que para un 5% de inclinación, queda confirmado que la tercera velocidad es la mas apropiada. No requiere un gran aumento del esfuerzo respecto las primeras marchas, en cambio es mucho mas eficiente que la cuarta y la quinta. Para el escenario con una inclinación de un 10% queda confirmado que la segunda marcha es la idónea ya que permite obtener mayor eficiencia energética reduciendo muy poco la cadencia. 30& 35& 40& 45& 50& 55& 60& 65& 1& 2& 3& 4& 5& KG' MARCHA' PESO'APLICADO'(KG)' 5%& 10%& 15%& 2500& 3500& 4500& 5500& 6500& 7500& 1& 2& 3& 4& 5& VATIOS' MARCHA' POTENCIA'MÁXIMA' 5%& 10%& 15%& 44 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta Sin embargo, para cuestas de mayor inclinación, utilizar la primera velocidad es la única opción válida. Por lo tanto, en subidas se debe mantener una cadencia de pedaleo por encima de 77. De no ser así el sistema actuará sobre el cambio, reduciendo marchas. Con una inclinación de un 5%, esta situación es problemática, ya que no siempre que se reducen marchas se aumenta la cadencia. Por lo tanto, si la potencia máxima desarrollada se encuentra por debajo de 3500 Watts el sistema aumentará de marcha. De este modo se soluciona el problema. 5.2 Llano En cuanto al estudio en de este escenario, se ha menospreciado las pequeñas inclinaciones que pueden tener algunas carreteras, de modo que cualquier valor por debajo del 5% de inclinación se considera llano. Las cuarta, quinta, sexta, séptima y octava velocidad son las mas utilizadas en estas condiciones. Se grafican a continuación los resultados obtenidos de las pruebas experimentales. Fig. 5.4 Cadencia de pedaleo en llano Al contrario que en el caso ascendente, cuanto mas dura es la velocidad en la que circulamos, mayor será el número de pedaladas que se podrán dar. Si partimos de una velocidad inicial nula, la marcha mas apropiada seguramente será la cuarta o la quinta. Sin embargo, una vez alcanzada una velocidad confortable, la bicicleta tendrá la inercia suficiente para poder ir con marchas 50& 55& 60& 65& 70& 75& 1& 2& 3& 4& 5& PEDALADAS'POR'MINUTO' MARCHA' CADENCIA' LLANO& Análisis y procesado de datos 45 mayores. Dicha inercia no se puede conseguir a bajas velocidades, por lo que interesa circular en la cuarta o quinta marcha. Fig. 5.5 Peso aplicado en llano Fig. 5.6 Potencia máxima en llano El consumo de energía determina que la quinta, sexta y séptima velocidad son las mas apropiadas. El aumento de la potencia es aproximadamente lineal en este intervalo, lo que indica que el ciclista se encuentra cómodo en esta zona. En base a los resultados obtenidos de todas las pruebas realizadas la séptima velocidad es la idónea para circular en llano. 8& 9& 10& 11& 12& 13& 14& 15& 16& 1& 2& 3& 4& 5& KG' MARCHA' PESO'APLICADO'(KG)' LLANO& 600& 700& 800& 900& 1000& 1100& 1200& 1300& 1400& 1& 2& 3& 4& 5& VATIOS' MARCHA' POTENCIA'MÁXIMA' LLANO& 46 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta 5.3 Descenso La bicicleta utilizada para el diseño del prototipo esta equipada con un casete de 8 velocidades. En bajadas no es necesario realizar estudio al respecto, ya que siempre se utilizara la octava velocidad. Se trata de un prototipo que busca la máxima eficiencia de quien la utiliza. Por este motivo es necesario realizar un estudio personalizado del ciclista en aquellas circunstancias en las que varias marchas puedan ser utilizadas. Por lo que las bajadas se excluyen del análisis. 5.4 Resultados En base a los resultados obtenidos se debe tomar una decisión de que parámetros determinaran en que marcha circular en cada instante. En primer lugar, hay que identificar en que escenario nos encontramos. La forma utilizada ha sido mediante la potencia máxima, ya que es donde los valores difieren más de un escenario al otro. Por otro lado, si nos encontramos en bajada, la velocidad es suficiente para identificar en que situación nos encontramos. Tabla 5.1 Esquema de velocidades Escenario Rango de potencia Marcha seleccionada velocidad cadencia Potencia máxima Llano <2000 W 7ª 9-15km/h ≈ 70 850 W 5% >2000 W 3ª ≈10 km/h >77 4000 W 10% >2000 W 2ª ≈10 km/h >77 3500 W 15% >2000 W 1ª ≈9 km/h >77 5500 W Bajada - 8ª >15 km/h - - De este modo garantizamos que el sistema siempre ofrece la mejor relación de velocidades al ciclista. Anexo A 53 Fig. A.3 Velocidad en llano Fig. A.4 % de muestras eliminadas en llano debido al error 7& 7,5& 8& 8,5& 9& 9,5& 1& 2& 3& 4& 5& KM/H' MARCHA' VELOCIDAD' LLANO& 17& 19& 21& 23& 25& 27& 29& 31& 33& 35& 1& 2& 3& 4& 5& %' MARCHA' MUESTRAS'ELIMINADAS' LLANO& 54 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta ANEXO B. CÓDIGO En este anexo se adjuntan dos de los códigos más importantes para el funcionamiento del sistema: La calibración del sensor y el código utilizado para recibir datos mediante la pantalla LCD. B.1 Calibración del sensor #include "HX711.h" // librería amplificador sensor de fuerza #define DOUT 11 // pin digital conectado al amplificador #define CLK 12 // pin digital conectado al amplificador //Ajuste de los parámetros del sensor HX711 scale(DOUT, CLK); //factor de calibración del sensor float calibration_factor = 16800; // Variables int i=0; void setup() { //inicialización del monitor serie Serial.begin(9600); Serial.println("HX711 calibration sketch"); Serial.println("Remove all weight from scale"); Serial.println("After readings begin, place known weight on scale"); Serial.println("Press + or a to increase calibration factor"); Serial.println("Press - or z to decrease calibration factor"); //reset de la escala a 0 scale.set_scale(); scale.tare(); //lectura de referencia long zero_factor = scale.read_average(); Serial.print("Zero factor: "); Serial.println(zero_factor); } void loop() { Anexo B 55 //Ajuste del factor de calibración scale.set_scale(calibration_factor); //Muestra el factor de calibración Serial.print("Reading: "); Serial.print(scale.get_units(), 1); Serial.print(" Kg"); Serial.print(" calibration_factor: "); Serial.print(calibration_factor); Serial.println(); if(Serial.available()) { //Aumentar y disminunir el factor de calibración char temp = Serial.read(); if(temp == '+' || temp == 'a') calibration_factor += 10; else if(temp == '-' || temp == 'z') calibration_factor -= 10; } } B.2 Ejecución del sistema #include <HX711.h> #include <LiquidCrystal.h> //Libreria de la pantalla LCD #include <EEPROM.h> #define DOUT 11 #define CLK 12 LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7); //Pines digitales a los que se conecta la pantalla LCD HX711 scale(DOUT, CLK); float calibration_factor = 7800; int i=0; //variables float valor; float sumavalores; float mediavalores; float valorMF; int n; float potenciaW; 56 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta float voltaje2; int valor_sensor2; float voltajeR; float valor_sensorR; int ss; int tt; int a; int b; int c; int d; //velocidad const float pi=3.1416; long tiempoin; long tiempoout; float tiempo; long tiempooutANT; float horas; float distancia; float velocidad; long suficienteTIME; long suficienteTIMEpedal; long tiempoOUTpedal; long pedaladasXmin; float velocidadmod; void setup() { Serial.begin(9600); //SENSOR FUERZA Serial.println("HX711 calibration sketch, remove all weight from scale"); Serial.println("After readings begin, place known weight on scale"); scale.set_scale(); scale.tare(); long zero_factor = scale.read_average(); Serial.print("Zero factor: "); Serial.println(zero_factor); //LCD //numero de columnas y filas de la pantalla LCD lcd.begin(16, 2); //DISTANCIA por vuelta distancia=0.00204; Anexo B 57 //VARIABLES velocidadmod=2; sumavalores=0; potenciaW=0; n=0; tt=0; valorMF=0; ss=0; a=0; b=1000; c=2000; d=3000; } void loop() { scale.set_scale(calibration_factor); //A5 cadencia //A1 velocidad valor_sensor2 = analogRead(A5); voltaje2 = valor_sensor2 * (5.0 / 1023.0); valor_sensorR = analogRead(A1); voltajeR = valor_sensorR * (5.0 / 1023.0); valor=scale.get_units(); //Valor máximo de fuerza if (valor>=valorMF) { valorMF=valor; } //VELOCIDAD //refistra el tiempo de entrada suficienteTIME=millis(); //condiciones para garantizar que la rueda da una vuelta antes de leer otro valor if((voltajeR>=0.47)&&(suficienteTIME-tiempoout>=280)) { tiempoout=millis(); //cálculo de la velocidad tiempo=tiempoout-tiempoin; horas=(tiempo/3600000); velocidadmod=distancia/horas; 58 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta //cálculo de la potencia potenciaW=valorMF*9.81*velocidadmod; //display velocidad en LCD lcd.setCursor(0,0); lcd.print(velocidadmod, 1); lcd.setCursor(4,0); lcd.print("Km/h"); //tiempo de salida tiempoin=tiempoout; tt=tt+1; } //CADENCIA suficienteTIMEpedal=millis(); if((voltaje2>0.1)&&(suficienteTIMEpedal-tiempoOUTpedal>=400)) { pedaladasXmin=60000/(suficienteTIMEpedal-tiempoOUTpedal); //display de cadencia y potencia lcd.setCursor(0,1); lcd.print(potenciaW); lcd.setCursor(5,1); lcd.print("W"); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(pedaladasXmin); lcd.setCursor(12,1); lcd.print("P/min"); //ejecución de las ordenes //Subidas if((potenciaW>2000)&&(velocidadmod<10)) { if(pedaladasXmin>=82) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Bajar"); } if(pedaladasXmin<=72) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Subir"); } Anexo B 59 if((pedaladasXmin>=72)&&(pedaladasXmin<=82)) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("OK"); } } //Llano if((potenciaW<2000)&&(velocidadmod<15)) { if(pedaladasXmin>=75) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Bajar"); } if(pedaladasXmin<=65) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Subir"); } if((pedaladasXmin>=65)&&(pedaladasXmin<=75)) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("OK"); } } //Bajadas if((potenciaW<2000)&&(velocidadmod>15)) { if(pedaladasXmin>=60) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Bajar"); } if(pedaladasXmin<=50) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("Subir"); } if((pedaladasXmin>=50)&&(pedaladasXmin<=60)) { lcd.setCursor(10,0); lcd.print("OK"); } } //almacenamiento de los datos en la memoria EEPROM.write(a,pedaladasXmin); EEPROM.write(b,valorMF); EEPROM.write(c,velocidadmod); 60 Automatización de un cambio electrónico de bicicleta EEPROM.write(d,mediavalores); tiempoOUTpedal=millis(); ss=ss+1; sumavalores=0; valorMF=0; n=0; a=a+1; b=b+1; c=c+1; d=d+1; } }