Medida de potencia aplicada al pedal en bicicletas

105 Pages·2017·8.01 MB·Spanish

by  Ana Ortega Lozano

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL
MEDIDA DE POTENCIA APLICADA AL
PEDAL EN BICICLETAS
Autor: Ana Ortega Lozano
Directores: Romano Giannetti y Daniel Muñoz Frías

Madrid
Junio 2017
Índice de documentos
DOCUMENTO I. MEMORIA
ParteI.Memoria pág.10 a 49 40páginas
ParteII.Códigofuente pág.50 a 61 12páginas
ParteIII.Hojasdecaracterísticas pág.63 a 82 20páginas
DOCUMENTO II. PLANOS
1.Listadeplanos pág.3 1página
2.Planos pág.4 1página

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
MÁSTERENINGENIERÍAINDUSTRIAL
TRABAJO DE FIN DE MÁSTER
MEDIDA DE POTENCIA APLICADA AL PEDAL
EN BICICLETAS
AUTOR:AnaOrtegaLozano
DIRECTORES:RomanoGiannettiyDanielMuñozFrías
MADRID,30deJuniode2017
MEDIDA DE POTENCIA APLICADA AL PEDAL EN BICICLETAS
Autor: Ortega Lozano, Ana.
Directores: Giannetti, Romano y Muñoz Frías, Daniel.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
Actualmente existen y se están desarrollando muchos sistemas de medida de la potencia que
aplica un ciclista al pedal de una bicicleta. Esto se debe a que cada vez la tecnología necesaria
para mostrarla de forma instantánea en un sistema inalámbrico es más barata, y a que la medida
de esta potencia presenta diversas utilidades: medida y análisis de la eficiencia de pedaleo [1],
mejora de los entrenamientos de ciclistas profesionales [2], control de los ejercicios de
rehabilitación después de una lesión [3], etc.
El proyecto que aquí se resume consiste en el diseño y construcción de un sistema de medida
de la potencia que aplica un ciclista al pedal de una bicicleta. Para obtener la potencia es
necesario medir la fuerza que ejerce el ciclista sobre los pedales en la dirección normal a la
biela y la velocidad de los mismos. Por este motivo, el sistema desarrollado tiene una parte
analógica que mide la componente normal a la biela de la fuerza ejercida por el ciclista. La
medida de la velocidad o cadencia del pedal no pertenece a este proyecto, si no que se obtendrá
gracias a la colaboración con otro proyecto, el Trabajo de Fin de Grado (TFG) de Blanca Alejo
Gago [4]. Este proyecto también incluye una parte digital con un microcontrolador que mide la
fuerza y calcula la potencia media por pedalada. La comunicación con un sistema de
visualización de la potencia calculada tampoco se incluye en este proyecto, sino que se
necesitará la colaboración con el TFG citado anteriormente [4].
Objetivos
El principal objetivo de este proyecto es el desarrollo de un potenciómetro para una bicicleta,
que sea sencillo, versátil y de menor coste que los que están actualmente en el mercado. Este
potenciómetro debe medir la potencia media por pedalada que ejerce el ciclista. Para ello, se
deben conseguir los siguientes objetivos secundarios:
• Análisis de la mecánica del problema.
• Desarrollo del sistema analógico de medida de la fuerza ejercida por el ciclista.
• Desarrollo del conversor analógico/digital.
• Desarrollo del sistema digital de cálculo de la potencia media por pedalada.
Solución
Como se ha explicado en la Introducción y como se muestra en la Figura 1, el sistema diseñado
para medir la potencia que ejerce un ciclista sobre la bicicleta consta de dos grandes partes:
analógica y digital.

Figura 1: Diagrama general del sistema diseñado para la medida de potencia.
La parte analógica permite medir la fuerza normal a la biela que ejerce el ciclista en el pedal.
Para ello la técnica empleada ha sido una configuración de medio puente de galgas
extensiométricas, amplificado y acondicionado, que mide la deformación de la biela en la
dirección perpendicular, de forma que la deformación que midan esté relacionada con la
componente normal a la biela de la fuerza ejercida en el pedal. Las galgas (G1 y G2) se colocan
cada una a un lado de la biela como se muestra en la Figura 2. El esquema del circuito analógico
diseñado se muestra en la Figura 3. Como se aprecia en la Figura 3, el sistema analógico se
alimenta entre 0 y 3 V, pues son las tensiones de la pila que se emplea en el sistema, y consta
de tres partes diferenciadas. La central es el medio puente de galgas que permite obtener una
tensión de salida (v ) proporcional a la deformación de la biela. Posteriormente, esta señal se
p
amplifica. Para que el amplificador diferencial proporcione una señal de salida en un rango de
medida en un rango aceptable para el pin analógico del microcontrolador (donde se conectará
v ), es necesario proporcionar una tensión de referencia a dicho amplificador. Para el prototipo
o
construido v dependerá de 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ de la siguiente manera:
o
𝑣 = 𝛥𝑣 +𝑣𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗⃗ =0 = (0,01404·𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ +1,5) 𝑉,
𝑜 𝑜 𝑜
siendo 𝛥𝑣 la tensión proporcional a 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ y 𝑣𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗⃗ =0 el valor de 𝑣 en resposo tras el ajuste de
𝑜 𝑜 𝑜
cero, es decir, 1,5 voltios.
El ajuste de cero es necesario para mitigar las imperfecciones de los componentes del medio
puente y la tensión de offset del amplificador diferencial, y así poder amplificar la señal
proporcional a la deformación de la biela en sentido normal a la misma. En este bloque se
emplea un potenciómetro digital para ajustar de manera automática al encender el
potenciómetro de bicicleta, con comunicación I2C como se muestra en la Figura 1.

Figura 2: Representación vectorial para el cálculo de potencia en el pedal.

Figura 3: Esquema general del sistema analógico para la medida de fuerza normal a la biela.
La parte digital está contenida en un microcontrolador. En él se pueden diferenciar tres
funciones principales:
• Conversor analógico/digital, para convertir la tensión de salida del sensor de fuerza a la
magnitud de fuerza correspondiente.
• Módulo de puesta a cero, para iniciar el sistema con el valor de salida de la parte
analógica correspondiente a una fuerza nula.
• Cálculo de la potencia instantánea ejercida sobre el pedal, dada la fuerza normal a la
biela y la cadencia del pedal. La potencia ejercida en los pedales se calcula como:
𝑃 = 𝐹 ·𝑣 = |𝐹|·|𝑣|·cos(𝛽) = 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ ·𝑣 ,
siendo P la potencia ejercida en el pedal; 𝐹 la fuerza total ejercida por el ciclista en el
pedal; 𝑣 la velocidad lineal del pedal; β el ángulo que forman los vectores 𝐹 y 𝑣 , y 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗
la componente normal a la biela de 𝐹 . Una representación vectorial de la situación se
muestra en la Figura 2.
Esta parte digital se ha implementado en el microcontrolador nRF52832 gracias a un programa
en C y diversas librerías y drivers que se encuentran en el siguiente enlace:
https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.sdk5.v11.0.0%
2Findex.html

Figura 4: Diagrama del contenido del main del programa.
El contenido de la función main del programa se muestra en la Figura 4, con los principales
elementos diferenciados por colores. En negro se representa el inicio del programa que
corresponde con la declaración de variables. En azul se muestran las llamadas a funciones de
configuración o inicialización de los distintos módulos empleados. En naranja se encuentran
las llamadas a las funciones principales del programa:
• Inicialización y puesta a cero del sistema, a través de la función llamada Inicializacion.
• Medida la de fuerza instantánea con la función MideFuerza.
• Cálculo de la fuerza y potencia medias por pedalada con las funciones
CalculoFuerzaMedia y CalculoPotencia, respectivamente.
• Simulación de la función del TFG [4] que permite recibir la información de cuándo se
produce una nueva pedalada, con la función SimulacionFuncionTFGBlanca. Para la
integración con el sistema de medida de cadencia y de detección de una nueva pedalada
solo haría falta incluir una función que devolviera la cadencia y una variable booleana
con valor true cuando hubiera una nueva pedalada.
En verde se muestran las funcionalidades de instrucciones o lógicas simples utilizadas en la
función main del programa.
Resultados
Los resultados del funcionamiento del sistema diseñado se obtuvieron en dos fases separadas.
Primero se probó el sistema analógico y más tarde el sistema completo. Se hubiera querido
probar también con la medida de cadencia proporcionada gracias a la colaboración con el TFG
[4]. Esto no fue posible debido a que este TFG no se encontraba suficientemente desarrollado
en el momento de escritura de este resumen.
En la Figura 5, se recoge una gráfica con la relación entre la tensión Δv y la fuerza 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ . En ella
o
se comprueba como Δv es proporcional a 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ . Además, extrapolando estos resultados a un
o
rango deseado de medida de ±100 kg, se observa que los valores extremos de v serán
o
aproximadamente 0.01 V y 2,99 V, dentro del rango [0-3] V, quedando así comprobado el
requerimiento de medida una fuerza de ±100 kg. También se comprobó que una fuerza de 2,025
kg en el sentido de 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑃⃗ no tenía efecto sobre Δv .
o
Para la comprobación del sistema completo se tomaron datos de la fuerza y potencia medias
calculadas por el potenciómetro por cada pedalada simulada. Se comprobó que la potencia
calculada por el microcontrolador es correcta. También se comprobó que el error relativo
máximo en el cálculo de fuerza media registrado en las medidas realizadas es del 22,7 %. Este
valor es más elevado de lo deseado y podría sin duda disminuir realizando una mejor calibración
de la señal Δv en función de 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ .
o

Figura 5: Relación entre Δv en mV y la fuerza 𝐹⃗⃗⃗⃗𝑁⃗ en kg.
o