Het Roei Informatie Center: Hoeksnelheidsmeting en weergave

Technische Universiteit Delft Bachelor Afstudeerthesis

Het Roei Informatie Center: Hoeksnelheidsmeting en weergave

Auteurs: Casper Folkers Seth van Roemburg

Begeleider: Prof.dr. K.A.A. Makinwa

4 februari 2013

Voorwoord Voor u ligt de thesis welke wij, Casper Folkers en Seth van Roemburg, geschreven hebben als definitieve verslaglegging van ons Bachelor afstudeerproject. Het Bachelor afstudeerproject is de afronding van onze Bachelor opleiding elektrotechniek aan de TU Delft. Vanwege het feit dat wij in het tweede kwartaal van het collegejaar deelnemen aan het Bachelor afstudeerproject, zijn wij hieraan begonnen met in totaal slechts 4 studenten. Wij hebben samen met Reinoud Baker en Reinout Getreuer aan het Bachelor afstudeerproject deelgenomen en een onderwerp gekozen. Van de diverse opties sprak ons het ontwerp van het Roei Informatie Center het meest aan. We verwachtten in dit onderwerp een goede balans tussen hardware en software te vinden. Ook de aanwezigheid van een opdrachtgever van buiten de TU Delft was voor ons een uitdaging. Daarnaast is het een praktijkgericht ontwerp, waarin het ontwikkelen van een daadwerkelijk eindproduct centraal staat. Tot slot waren 2 van de 4 studenten extra ge¨ınteresseerd in dit onderwerp op basis van eigen ervaring in de roeisport. Het Bachelor afstudeerproject werd voor het eerst in de huidige vorm aangeboden, maar gelukkig zorgde dit niet voor veel problemen. Wel was de studielast soms wat hoog doordat er vanaf verschillende kanten verwachtingen waren. De combinatie van een technische opdracht waar je graag aan wilt werken, een business plan schrijven en het vak ethiek volgen, zorgde soms voor een te hoge werkdruk. Langs de andere kant gaf het volgen van een nieuw programma met een kleine groep studenten ons ook de kans om in overleg het onderwijs beter af te stemmen, zodat wij bijvoorbeeld voor de Kerst het ethiek en business plan gedeelte van het Bachelor afstudeerproject al konden afronden. Bij ethiek kregen we zelfs de kans zelf een keuze te maken voor de vorm van het onderwijs. Al met al hebben wij het Bachelor afstudeerproject als een leuke en leerzame uitdaging ervaren. De afdeling Elektronische Instrumentatie van EWI heeft ons vriendelijk ontvangen en veel goede hulp geboden bij ons Bachelor afstudeerproject. Wij kregen, weliswaar met enige vertraging door de verhuizing, een ruimte toegewezen en voor materialen en advies konden we altijd aankloppen bij de diverse medewerkers van de afdeling. De samenwerking met dhr. Makinwa en onze opdrachtgever dhr. Van Wechem is ook prettig verlopen, dus graag zouden wij al deze mensen via deze weg bedanken.

1

Samenvatting In de roeisport bestaat een grote behoefte aan het meten van prestaties in de roeiboot. Op dit moment is het enkel mogelijk de prestatie van de roeier op een roeimachine of met dure gespecialiseerde apparatuur in de roeiboot te meten. De eerste optie biedt geen representatieve cijfers voor de uiteindelijke prestatie in de boot en de tweede optie is enkel weggelegd voor professionele roeiers. Het Roei Informatie Center moet een prestatiemeting in de roeiboot voor de amateur roeier bieden. Belangrijke eisen zijn het gebruiksgemak, compatibiliteit met alle roeisituaties en een lage prijs. Het ontwerp van dit complete systeem moet aan veel specificaties voldoen. Dit onderzoek concentreert zich voornamelijk op de meting van de hoeksnelheid van de riem om in combinatie met de buiging van de roeiriem het vermogen van de roeier te kunnen bepalen. Een tweede punt van aandacht is de weergave van deze informatie aan de roeier. Om het product compleet te maken, wordt ook voor alle andere specificaties kort een oplossing voorgesteld. Met behulp van een prototype, gebaseerd op een Arduino i.c.m. een Android smartphone, wordt geconcludeerd dat meting van de hoeksnelheid van de roeiriem over een dynamisch bereik van 30-240◦ /s met een onnauwkeurigheid kleiner dan 2,1% mogelijk is. Wegens het ontbreken van concrete meetresultaten van de buiging van de roeiriem is het niet mogelijk om vast te stellen of aan de eisen voor vermogensmeting voldaan kan worden. Ook wordt aangetoond dat de eisen t.a.v. gebruiksgemak, robuustheid en prijs van het Roei Informatie Center haalbaar zijn. Het is nu mogelijk een eerste versie van het Roei Informatie Center te ontwikkelen op basis van de voorgestelde componenten. Eventueel kunnen deze componenten bijgesteld worden op basis van vervolgonderzoek naar de beweging van de roeier in de roeiboot.

2

Inhoudsopgave 1 Inleiding 1.1 Opbouw van de thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Introductie van de opdracht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 De roeiboot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4 4 5

2 Probleemdefinitie 2.1 Het probleem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Eisen aan het product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Specificaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 6 7

3 Verwant onderzoek 9 3.1 Lijst van verwante onderzoeken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4 Ontwerpproces en voorgestelde oplossing 4.1 Vermogensmeting . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Hoeksnelheidsmeting . . . . . . . . . . . . 4.3 Fysieke uitvoering . . . . . . . . . . . . . 4.4 Weergave en dataverwerking . . . . . . . . 4.5 Communicatie . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Energievoorziening . . . . . . . . . . . . . 4.7 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

11 11 12 14 15 16 18 20

5 Resultaten 5.1 Meetresultaten 1e fase: Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Meetresultaten 2e fase: Bluetooth en Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Meetresultaten 3e fase van het prototype: Bluetooth, Android en batterij . . . . . . . . .

21 21 24 25

6 Conclusie

28

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

7 Discussie 7.1 Verbeteringen prototype . . . . . 7.2 Verbeteringen keuzes . . . . . . . 7.3 Verbeteringen metingen . . . . . 7.4 Suggesties voor verder onderzoek

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

29 29 29 29 30

A Prototype A.1 Afbeeldingen van het prototype . A.2 Schematische weergave prototype A.3 Broncode Arduino Uno . . . . . . A.4 UML diagram Android code . . .

. . . . . . . en product . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

31 31 33 33 35

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

B Metingen 36 B.1 Nauwkeurigheid prototype fase 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3

Hoofdstuk 1

Inleiding 1.1

Opbouw van de thesis

Deze Bachelor afstudeerproject thesis omvat het ontwerp van ´e´en van de twee subonderdelen van het Roei Informatie Center. In deze inleiding en hoofdstuk 2 worden de opdracht om het Roei Informatie Center te ontwerpen en de hierbij behorende eisen ge¨ıntroduceerd, waarna de keuze wordt gemaakt de aandacht te richten op de vermogensmeting van de roeier. Zoals in paragraaf 4.1 uiteengezet wordt, kiezen we om het vermogen van de roeier te bepalen aan de hand van de buiging en de hoeksnelheid van de roeiriem. De meting van de hoeksnelheid van de riem ´en de uiteindelijke weergave van het vermogen aan de roeier zijn het onderwerp van deze Bachelor afstudeerthesis. De toevoeging van de meting van de buiging is het onderwerp van de andere subgroep en wordt dus in deze thesis niet verder uitgewerkt.

1.2

Introductie van de opdracht

Zoals elke sport is ook roeien gericht op maximale prestaties. De prestaties van een roeier zijn afhankelijk van de roeitechniek, het vermogen van de roeier en zijn/haar mentaliteit. Waar mentaliteit en techniek slecht tot niet meetbaar zijn, is vermogen dit wel. Op dit moment is het voor de meeste roeiers enkel mogelijk om hun vermogen te meten op een indoor roeimachine, ook wel ergometer genoemd. In de roeiboot verschilt situatie echter behoorlijk van die op een roeimachine, daarom zijn vermogensmetingen op een ergometer meestal niet representatief. De roeisport is dus gebaat bij vermogensmeting in de roeiboot. Analyse van de roeier in de roeiboot, waaronder vermogensmeting, is op dit moment al mogelijk in de vorm van dure, complexe systemen. Deze systemen zijn echter enkel beschikbaar voor professionele roeiploegen en eventueel wetenschappelijk onderzoek. Dit wordt veroorzaakt door de hoge prijs en complexiteit van montage en data-analyse. In hoofdstuk 3 beschrijven we kort een aantal van deze systemen. Voor de meeste roeiers echter zijn slechts een aantal eenvoudige meetinstrumenten voor in de roeiboot beschikbaar. De grootste producent van deze producten is Nielsen-Kellerman [18]. Snelheidsmeting, tempometing (het aantal slagen per minuut) en hartslagmeting zijn mogelijk, maar voor de meest relevante informatie – het vermogen – is geen apparatuur beschikbaar. De roeier kan dus enkel aan de hand van deze gegevens proberen in te schatten of er vooruitgang wordt geboekt. Meestal wordt er geroeid in ploegen van 2, 4 of 8 roeiers, dus zijn de snelheidsmeting en tempometing niet representatief voor de individuele prestatie. Juist om deze individuele prestatie te meten, is de roeier ge¨ınteresseerd in het persoonlijk geproduceerde vermogen. De coaching van een roeiploeg in de roeiboot gebeurt op dit moment voornamelijk op basis van de interpretatie van de coach vanaf de wal. Metingen van snelheid en tempo zijn slechts een hulpmiddel om de volledige ploeg bij te sturen en individuele coaching kan niet gebaseerd worden op metingen. Bij een training op de indoor roei machine kan er plots anders gecoacht worden, omdat de vermogens van de individuele roeiers beschikbaar zijn. Bij de selectie van roeiers wordt er vaak gebruik gemaakt van de prestaties op de ergometer, omdat de roeiers op deze manier individueel met elkaar te vergelijken. Echter zijn prestaties op de ergometer lang niet altijd representatief voor de prestaties in de boot blijkt

4

uit onderzoek van Valery Kleshnev[14].

1.3

De roeiboot

Ter verduidelijking van de terminologie over de roeiboot in deze thesis, worden in figuur 1.1 de diverse onderdelen benoemd.

Figuur 1.1: Benoeming van de diverse onderdelen in de roeiboot, bron: Single Sculls door Tornado Studio

• Handvat: Hier zet de roeier de kracht op, bij scullen gebruikt hij/zij 1 hand per roeiriem, bij boordroeien 2 handen per 1 handvat. • Dol: De roeiriem rust in de dol, de dol kan vrij bewegen om de as in de rigger • Rigger: De rigger is de bevestiging van de dol aan de roeiboot • Kraag: Deze ring fixeert de afstand van de dol tot het handvat • Mantel: De mantel fixeert met zijn vierkante vorm de stand van het blad t.o.v. het water, over afstand van de mantel kan de kraag verschoven worden naar smaak van de roeier

5

Hoofdstuk 2

Probleemdefinitie 2.1

Het probleem

Het probleem zoals gedefinieerd door onze opdrachtgever, Guus van Wechem, is het meten en weergeven van zoveel mogelijk relevante parameters aan een roeier in de roeiboot. De belangrijkste parameter voor het Roei Informatie Center is het vermogen van de roeier, andere opties zijn meting en weergave van vaarsnelheid, slagentempo, afgelegde afstand en hartslag [24].

2.2

Eisen aan het product

In deze paragraaf worden de eisen, zoals opgesteld in samenspraak met de opdrachtgever gedefinieerd. Uit deze eisen volgen in paragraaf 2.3 de specificaties.

2.2.1

Beschikbare informatie

In het ideale geval meet het Roei Informatie Center het geleverde vermogen, de bootsnelheid, het slagentempo, de afgelegde afstand en de hartslag van de roeier. Al deze informatie kan dan worden weergegeven worden aan de roeier. Echter gezien de beschikbare tijd voor het Bachelor afstudeerproject, zullen we enkel de meting en weergave van het vermogen onderzoeken. Deze meting is namelijk essentieel voor de meerwaarde van het Roei Informatie Center. Daarnaast is de vermogensmeting het meest complex en dus de grootste uitdaging. Het Roei Informatie Center moet geschikt zijn om het vermogen van beginnende roeiers tot en met de wereldtop weer te geven. Het slagentempo van de roeier varieert van een training met 18 slagen per minuut tot wel 45 slagen per minuut bij een Olympische wedstrijd. Aan de hand van onderzoeken van Matthijs J. Hofmijster en Valery Kleshnev bepalen we het minimale en maximale vermogen van de roeier [14], [9]. De bemonsteringsfrequentie benodigd voor het nauwkeurig meten van roeibewegingen baseren we op onderzoek van Bernd Tessendorf en opnieuw Hofmijster [22], [9].

2.2.2

Prijs

Een belangrijk argument om dit product te ontwikkelen ondanks de al bestaande oplossingen is de hoge prijs van die producten. Om het Roei Informatie Center toegankelijk te maken voor zoveel mogelijk roeiers, wordt er gestreefd naar een prijs van 200 tot maximaal 500 euro per roeiplaats in de boot. Bij deze prijs wordt gestreefd naar een levensduur van 5 jaar.

2.2.3

Ergonomie

De eerste eis die aan het gebruiksgemak wordt gesteld is de mogelijkheid het product universeel te gebruiken. Het Roei Informatie Center moet dus geschikt zijn om in elke boot te gebruiken en voor zowel scullen (roeien met 2 roeiriemen per persoon) als boordroeien (roeien met 1 roeiriem). De voorkeur gaat uit naar een product dat door de roeier persoonlijk te gebruiken is en na de training losgekoppeld kan

6

worden. Om de prestatie van de roeier niet te be¨ınvloeden moet het product zo licht mogelijk zijn en niet te veel plaats in nemen in de boot of op de roeiriem. Een andere belangrijke eis voor de ergonomie is het bedieningsgemak. Elke roeier moet zonder handleiding de bediening van het product begrijpen, ook zou het product niet elke training gekalibreerd moeten worden. Hieronder valt ook de weergave en interpretatie van de meetgegevens. De huidige beschikbare meetsystemen voor roeiers produceren grote hoeveelheden data enkel door experts ge¨ınterpreteerd kan worden. De informatie die het Roei Informatie Center weergeeft, moet voor iedere roeier te begrijpen zijn. Eventueel kan het product een extra modus bieden waarin meer informatie beschikbaar is.

2.2.4

Robuustheid

Een logische eis voor het eindproduct volgt uit de omgeving waarin het uiteindelijk zal moeten functioneren. Tijdens het roeien kunnen de temperaturen vari¨eren van -5 tot 40 graden Celsius, maar bij opslag is het mogelijk dat het product aan temperaturen tot ongeveer -20 graden Celsius wordt blootgesteld. Uiteraard dient het product spatwaterdicht te zijn, omdat dit tijdens het roeien nat kan worden. Ook een korte onderdompeling dient het product te overleven. Het Roei Informatie Center moet ook vuil- en stofbestendig zijn en ruwe omgang met het systeem moet niet direct voor een defect zorgen.

2.2.5

Nauwkeurigheid

De nauwkeurigheid van de weergegeven gegevens dient dusdanig te zijn dat de meest veeleisende roeiers hier hun training op kunnen baseren. De onnauwkeurigheid in het weergegeven vermogen mag niet waarneembaar zijn voor de gebruiker. De belangrijkste eis van de opdrachtgever is dat het Roei Informatie Center consequente informatie verschaft.

2.3

Specificaties

Uit de eisen voor het Roei Informatie Center volgen de onderstaande specificaties, opgedeeld in algemene en technische specificaties. Algemene specificaties Winkelprijs Beschikbare informatie Optionele informatie

200 tot 500 euro Geleverde vermogen in W - Bootsnelheid - Slagentempo - Afgelegde afstand - Hartslag Geschikt voor elke roeier in elke boot Intu¨ıtieve bediening, eenmalige kalibratie 5 jaar

Compatibiliteit Gebruiksgemak Levensduur

Tabel 2.1: Algemene specificaties van het Roei Informatie Center

7

Technische specificaties Bereik vermogen Onnauwkeurigheid weergegeven vermogen Bereik slagentempo Bereik hoek roeiriem Bemonsteringsfrequentie Werktemperatuur Opslagtemperatuur Waterbestendigheid Stofbestendigheid Gewicht Kostprijs

40-1000 W < 5% 10-50/minuut 30◦ -120◦ 100 Hz -5◦ tot +40◦ Celsius -20◦ tot +50◦ Celsius IP-X71 IP-6X2 250 g 100 euro

Tabel 2.2: Technische specificaties van het Roei Informatie Center

1 Geen

water indringing indien 30 minuten ondergedompeld op 1 meter diepte bescherming tegen stof

2 Volledige

8

Hoofdstuk 3

Verwant onderzoek In dit hoofdstuk volgt een kort overzicht van relevante verwante onderzoeken en producten. De volledige bronnen zijn te vinden in de bibliografie van deze thesis. In de conclusie wordt kort samengevat wat meegenomen wordt uit verwant onderzoek.

3.1

Lijst van verwante onderzoeken

Meting van de buiging van een roeiriem met behulp van optische fibers M. Davis en R. Luescher hebben de kracht op een roeiriem gemeten aan de hand optische fibers. Wanneer het licht van een laser door een glasvezel gestuurd wordt zou er een verschuiving in golflengte waar te nemen moeten zijn wanneer deze glasvezel ingedrukt of uitgerekt wordt. Het project slaagde erin in eerste instantie de verschuiving in golflengte waar te nemen in een laboratorium opstelling, de resultaten gaven een lineair verband aan zonder hysterese. Hierna is verder gegaan met het integreren van de elektronica, laser controller en scanning detector. Echter zijn er geen resultaten gegeven van eventuele metingen met deze elektronica.[4] Patent voor krachtmeting in riem US Patent 8.192.242 B2, ingediend op 22 december 2009, omschrijft een bestaande krachtmetingsmethode in een roeiriem. Het systeem is een complete riem met een ingebouwd rekstrookje en temperatuursensor. Op de riem zit ook een dataopslag mogelijkheid zodat de roeier zijn data kan opnemen. De prestaties kunnen live gezien worden door de roeier (d.m.v. een display g¨ıntegreerd in de riem) en de totale prestatie van de boot kan draadloos worden verzonden naar een centrale monitor.[17] Riem met kracht- en ori¨ entatiemeting Het bedrijf Croker heeft een riem ontwikkeld waarmee roeiers de kracht die zij zetten tijdens het roeien kunnen meten. De sensors zijn in de riem ge¨ıntegreerd en hebben geen calibratie nodig. De gegevens worden naderhand uitgelezen op een pc. Bijbehorende software geeft een aantal nuttige grafieken weer en laat de gebruiker verschillende roeiers met elkaar vergelijken. De riem kan voor 2 uur aan data opslaan en 80 minuten achter elkaar opnemen. De riemen kosten 5000 AUD (4000 euro) per paar inclusief software.[3] Patent voor krachtmeting op as van dol Paul Haines, Cambridge, heeft een patent applicatie voor kracht- en hoekmeting op de dol van de roeiboot. De kracht wordt gemeten m.b.v. rekstrookjes en de hoek wordt gemeten d.m.v. een tweetal Hall-sensoren en een ringmagneet. De snelheid en de acceleratie worden gemeten d.m.v. een propeller onder de boot. Ook dit systeem moet de data kunnen loggen en live kunnen monitoren. Meerdere dollen kunnen naast elkaar gemonitord worden.[8] Dol met krachtmeting en display Peach Innovations heeft een product genaamd Powerline Rowing Instrumentation. Dit product bestaat uit meerdere onderdelen, waaronder een dol die de kracht en de hoek van de riem meet, een snelheidsmeter die onder de boot gemonteerd moet worden en een scherm (logger) dat real-time data in de boot weergeeft en de data op slaat om op een pc te bekijken. Ook kunnen de data gecombineerd worden met een video opname om zo te zien hoe visuele informatie zich 9

vertaalt naar de gemeten data. De gegevens kunnen draadloos verzonden worden om zo direct op een laptop bekeken te worden. Er is software bijgeleverd die de data in een hoop verschillende grafieken kan laten zien. Het systeem kan op boten van 1 tot 8 personen gemonteerd worden alle onderdelen zitten met 1 kabel aan elkaar verbonden. De prijzen zijn afhankelijk van de samenstelling, 1 dol kost 600 euro, een bijbehorende junction box en logger kosten respectievelijk 170 en 1080 euro.[11] Uitgebreid roei monitoring systeem RowX-modelB is een roei monitoring systeem van het merk WEBA uit Oostenrijk. Het systeem bestaat uit: een dol die de kracht op de riem en hoek van de riem t.o.v. de vaarrichting kan bepalen, een hartslag sensor, een display, een acceleratie sensor en een propeller om de vaarsnelheid te bepalen. Alle data wordt opslagen zodat de gebruiker dit later kan analyseren op een computer. Ook is een deel van de data live te zien op een display. De gebruiker kan het systeem zelf installeren.[21] Diverse papers van dr. V. Kleshnev V. Kleshnev heeft vele papers geschreven over monitoring van roeien met behulp van techniek. Ook verkoopt en ontwikkelt hij het BioRowTel monitoring systeem om roeiers in de boot te analyseren. In 2004 heeft dr. Kleshnev de uitgebreide paper “Rowing Biomechanics: Technology and Technique” gepubliceerd. In deze paper wordt veel uiteengezet over de meting van krachten en de analyse van de roeier in de boot.[15] Roei analyse met behulp van IMU’s In dit artikel van Bernd Tessendorf wordt geconcludeerd dat Inertial Measurement Units (IMU’s) geschikt zijn om roeitechniek te analyseren. Bij 18 deelneemers worden trainingen en wedstrijden gemeten, waarna de techniek ge-analyseerd wordt. Op basis van de meetgegevens van twee toproeiers krijgen de roeiers vervolgens een advies om de roeitechniek te verbeteren. De nadruk in dit artikel ligt op de meetgegevens en niet op de uitvoering m.b.v. IMU’s.[22] Gyroscopische meting van de roeiriem Angelo M. Sabatini beschrijft in dit artikel een onderzoek met metingen door een gyroscoop van de draaiing van de roeiriem. Het constant draaien van de roeiriem door de roeier aan het begin en aan einde van de slag wordt hierin voor het eerst onderzocht. De methode van meten wordt duidelijk uitgewerkt, waarbij gebruik wordt gemaakt van een PocketPC en Wi-Fi voor de overdracht naar de oever.[19]

3.2

Conclusie

De eerste conclusie uit de verwante onderzoeken is dat het monitoren van roeiers in de roeiboot geen nieuw onderzoeksgebied is bij de verschillende bedrijven en universiteiten. Hoewel het merendeel van de artikelen zich richt op de roeitechniek van de roeier, is er soms ook informatie beschikbaar over de gebruikte meetmethode. In de meeste producten en onderzoeken wordt er gebruik gemaakt van een grote hoeveelheid aan sensoren waarbij niet duidelijk is welke meetdata tot welke conclusies over de roeitechniek leiden. Uit de artikelen van Tessendorf en Sabatini, waar de gebruikte meetmethode beter wordt uitgewerkt, kan geconcludeerd worden dat metingen aan de roeiriem met behulp van sensoren gebaseerd op Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technologie een realistische optie zijn. Een duidelijke andere conclusie is het feit dat de huidige commercieel verkrijgbare systemen erg duur zijn en weinig gebruiksgemak bieden.

10

Hoofdstuk 4

Ontwerpproces en voorgestelde oplossing In paragraaf 4.1 wordt omschreven hoe het vermogen van de roeier in de boot het best bepaald kan worden om aan de eisen van het eindproduct te voldoen. In de hierop volgende paragrafen worden alle aspecten van het ontwerp behandeld. Bij elk aspect worden eerst de specificaties gedefinieerd, daarna de verschillende opties belicht en vervolgens wordt er een keuze gemaakt voor het uiteindelijke product. Hierna wordt de implementatie in het prototype uitgewerkt. Gedurende dit hoofdstuk worden dus zowel de componenten van het uiteindelijke product als die van het prototype vastgelegd. In dit hoofdstuk zal voor alle onderdelen ook een korte berekening gegeven worden van de capaciteit die van de batterij gevraagd wordt. Alle gebruikte componenten vereisen een spanning van 3,3 V, hier wordt bij de berekening van de energiebehoefte van de componenten dan ook vanuit gegaan. Deze zullen in paragraaf 4.6 terug komen om daar een goede afweging te kunnen maken. Hierin zal onderscheid gemaakt worden tussen twee gebruiksscenarios, dat van de recreatieve roeier en dat van de competitieve roeier. Voor een recreatieve roeier gaan wij uit van 2 trainingsuren per week waarin het Roei Informatie Center op een riem actief is. Voor een competitieve roeier zal deze belasting op 10 actieve uren per week liggen. Op basis van deze data zal de verbruikte energie per week en per jaar berekend worden.

4.1

Vermogensmeting

De eerste eis van de opdrachtgever leidt tot de vraag Hoe het vermogen van de roeier in de roeiboot te ” meten?”. Deze vraag wordt beantwoord op basis van onderzoek van Matthijs J. Hofmijster e.a. [9]. Voor roeien bij een constante snelheid stelt Hofmijster vergelijking 4.1 op voor het totaal geleverde mechanische vermogen van de roeier. De x-richting is de richting waarin de boot vaart. Voor het aanduiden van de vectoren van de kracht en de arm van de kracht, maakt Hofmijster gebruik van een extra assenstelsel met als middelpunt de as van de dol en als y 0 -as de riem. 0

x 0 0 Proeier = Fhandvat · (yhandvat − ypin ) · ωriem + mroeier · x ¨roeier · x˙ boot

Met in deze vergelijking de volgende variabelen: • Proeier : het totaal geleverde mechanische vermogen van de roeier 0

x • Fhandvat : de kracht van de roeier loodrecht op de riem 0 0 • (yhandvat − ypin ): de afstand van het handvat tot de as van de dol

• ωriem : de hoeksnelheid van de riem • mroeier : de massa van de roeier • x ¨roeier : de versnelling van de roeier

11

(4.1)

• x˙ boot : de snelheid van de boot De 1e term van vergelijking 4.1 is te bepalen door de kracht op de riem en de hoeksnelheid van de riem te meten. De 2e term is te bepalen aan de hand van de massa en versnelling van de roeier in combinatie met de snelheid van de boot. Uit onderzoek van Guus van Wechem blijkt de 2e term ongeveer een factor 7 kleiner te zijn dan de 1e term [24]. Bij het formuleren van de opdracht geeft Van Wechem aan er geen problemen mee te hebben deze 2e term met een constante te corrigeren. Voor het meten van het vermogen van de roeier richt dit onderzoek zich dus op het meten van het moment en de hoeksnelheid van de riem om zo de eerste term van de vermogensvergelijking van de roeier te bepalen. Het meten van het moment is het onderwerp van de thesis van Reinout Getreuer en Reinoud Baker. Deze thesis zal zich richten op het meten en weergeven van de hoeksnelheid van de riem in de roeiboot.

4.2

Hoeksnelheidsmeting

In tabel 4.1 worden de minimale specificaties waar de hoeksnelheidsmeting aan moet voldoen gedefinieerd om het eindproduct aan de eisen te laten voldoen. Uit onderzoek van Tessendorf blijkt de hoeksnelheid gedurende de slag zo goed als niet te vari¨eren [22]. De minimale hoeksnelheid wordt in vergelijking 4.2 berekend, lager dan deze hoeksnelheid zal niet geroeid worden. Voor de berekening van de maximale hoeksnelheid in vergelijking 4.3 wordt uitgegaan van maximaal 2 maal de maximale gemiddelde hoeksnelheid, gezien de geringe verandering van de hoeksnelheid. 10 slagen/minuut = 1 slag/6 s = (2 · 30◦ )/6 s = 10◦ /s

(4.2)

2 · (50 slagen/minuut) = 2 · (0, 8 slag/s) = 2 · ((2 · 120◦ )/s) = 480◦ /s

(4.3)

Op basis van vergelijking 4.4 wordt voor de onnauwkeurigheid van het moment van de roeiriem en voor de onnauwkeurigheid van de hoeksnelheid gekozen voor een maximum van 2,4%. 5% (onnauwkeurigheid vermogen) > 2, 4% + 2, 4% + (2, 4% · 2, 4%)

Minimale specificaties hoeksnelheidsmeting Robuustheid

(4.4)

Eenvoudig water- en stofbestendig te maken Eenvoudige montage 100 Hz 10-480◦ /s -20◦ tot 50◦ Celsius < 2,4%

Gebruiksgemak Bemonsteringsfrequentie Dynamisch bereik hoeksnelheid Werktemperatuur Onnauwkeurigheid

Tabel 4.1: Minimale specificaties hoeksnelheidsmeting

4.2.1

Opties

Het meten van de hoeksnelheid kan op een aantal verschillende manieren, die elk een andere sensor en daarbij behorende meetopstelling vereisen. De mogelijke opties worden kort uitgewerkt, waarna de keuze volgt. Potentiometer Door het plaatsen van een potentiometer in het verlengde van de as van de dol, is de hoek van de roeiriem t.o.v. de boot te bepalen aan de hand van een weerstandsmeting. Door deze hoek te differenti¨eren is de hoeksnelheid te berekenen. De fysieke werking van de potentiometer is echter een beperkende factor, gezien de bewegingsfrequentie en de omstandigheden waaronder het systeem moet functioneren. In verwante onderzoeken is enkele malen van deze methode gebruik gemaakt, echter was er daarbij geen sprake van een daadwerkelijk productontwerp. 12

Figuur 4.1: De riem draait om zijn draaipunt, daardoor is de baan die de accelerometer af zal leggen een deel van de cirkel met als middelpunt het draaipunt en als straal de afstand tussen het draaipunt en de sensor

Magnetometer Op de roeiriem zou een magnetometer geplaatst kunnen worden, deze zou in combinatie met een magneet op de rigger uit de verandering van het magnetisch veld de hoeksnelheid kunnen bepalen. Bij een eenvoudig experiment met de magnetometer in een Samsung Galaxy S smartphone i.c.m. een magneet met een houdkracht van 3,9 N op een afstand varirend van 1 tot 3,5 cm bleek echter dat er een magneet met een erg grote houdkracht op een korte afstand nodig is om weinig ruis te ondervinden van het aardmagnetisch veld. Daarnaast ondermijnt het idee van een extra onderdeel monteren de eis van gebruiksgemak. Gyroscoop Door in een module op de roeiriem een gyroscoop te plaatsen kan eenvoudig de hoeksnelheid gemeten worden. Tegenwoordig zijn gyroscopen als MEMS sensor verkrijgbaar, waardoor ze klein en energiezuinig zijn. In principe is hoeksnelheid precies wat een gyroscoop meet, echter moeten we rekening houden met het feit dat de gyroscoop niet precies op het draaipunt zit en dus zowel een translatie als een rotatie ondervindt. In een kleine test met een Nintendo Wii-Mote uitgelezen door een laptop bleek een gyroscoop geschikt om consistente data te verschaffen ook wanneer deze niet precies op het draaipunt zat. Ook werd aangetoond dat het mogelijk was om de gyroscoop te kalibreren. Accelerometer Als laatste optie hebben we de accelerometer. Deze is ook als MEMS sensor te verkrijgen en is over het algemeen goedkoper dan een gyroscoop. Door de accelerometer in de module te plaatsen en de acceleratie over een slag te integreren is de verplaatsing te verkrijgen, zie ook figuur 4.2.1. Deze is zolang de afstand tot het draaipunt bekend is om te zetten naar de hoekverplaatsing, die weer te differenti¨eren is tot de hoeksnelheid. Dit heeft echter als groot nadeel dat het integreren van de acceleratie kleine afwijkingen enorm op zal blazen in het uiteindelijke resultaat [20]. Dat maakt goede calibratie en filtering noodzakelijk. Daarnaast zal de lengte van de arm tot het draaipunt niet altijd constant gelijk zijn, omdat de riem buigt tijdens de slag.

4.2.2

Keuze

De gyroscoop is niet de goedkoopste oplossing, maar wel de beste optie. Vooral omdat de fout enkel uit de sensor zelf komt, er geen extra materiaal of kalibratie nodig is bij het monteren en de sensor zodanig bevestigd kan worden dat deze weinig tot geen last zal hebben van water of externe krachten. Gyroscopen welke voldoen aan de eisen voor de bemonsteringsfrequentie, werktemperatuur, nauwkeurigheid en dynamisch bereik zijn eenvoudig verkrijgbaar. Het uiteindelijke product zal met een digitale 3 assen MEMS gyroscoop uitgerust worden. De 3 assen zijn benodigd zodat de plaatsing van het apparaat niet uitmaakt voor het meten van de hoeksnelheid. Daarnaast is de slag een beweging in 2 richtingen, dus er zijn minimaal 2 assen nodig. Een digitale sensor maakt een analoog-digitaal(AD) omzetter overbodig en MEMS technologie zorgt ervoor dat de sensor klein en energiezuinig is. 13

In tabel 4.2 is af te lezen dat de L3G4200D van STMicroElectronics met de juiste instellingen aan zo goed als alle specificaties voldoet. De niet-lineariteit zorgt echter dat de nauwkeurigheid bij de minimale hoeksnelheid van 10◦ /s niet aan de specificaties kan voldoen. Vanaf een hoeksnelheid van 42◦ /s kan de L3G4200D aan de nauwkeurigheidsspecificatie voldoen. Deze onnauwkeurigheid is op te vangen door de microcontroller de gyroscoop in een nauwkeurigere modus te laten omschakelen. De maximale meetbare hoeksnelheid wordt dan verlaagd naar 250◦ /s, maar de nauwkeurigheid van 2,4% wordt dan bij een hoeksnelheid van 21◦ /s al gehaald. Hoeksnelheidsmeting Robuustheid Gebruiksgemak Bemonsteringsfrequentie Bereik hoeksnelheid Werktemperatuur Onnauwkeurigheid

Minimale spec. Robuust te maken Eenvoudige montage 100 Hz 10-480◦ /s -20◦ tot +50◦ C < 2,4%

L3G4200D Voldoet Voldoet 800 Hz 21-500◦ /s1 -40◦ tot +85◦ C < 2,4%

MPU-6050 Voldoet Voldoet 8000 Hz 21-500◦ /s2 -40◦ tot +85◦ C < 2,4%

Tabel 4.2: De gyroscopen voor het eindproduct en het prototype

Capaciteit De L3G4200D verbruikt in actieve staat 6,1 mA (referentie datasheet). Voor een recreatieve roeier betekent dat een energieverbruik in actieve staat van: 6, 1 mA × 2 h/week = 12, 2 mAh/week

= 634, 4 mAh/jaar

(4.5)

= 3172 mAh/jaar

(4.6)

En voor de competitieve roeier: 6, 1 mA × 10 h/week = 61 mAh/week

In de “Power Down” modus verbruikt de L3G4200D 0.005mA (referentie datasheet). Dit betekent een passief verbruik van: 24 h × 7 dagen × 0.005 mA = 0, 84 mAh/week

4.2.3

= 43, 68 mAh/jaar

(4.7)

Implementatie

In het prototype is geen losse gyroscoop ge¨ımplementeerd, maar een MPU-6050 van InvenSense. Deze Motion Processing Unit (MPU) bevat zowel een 3-assen digitale gyroscoop als accelerometer, gecombineerd met een interne Digital Motion Processor (DMP). De keuze voor de MPU-6050 is naast de snelle beschikbaarheid gebaseerd op het Motion Fusion algoritme dat de DMP kan uitvoeren en de aanwezige accelerometer die eventuele fouten in de gyroscoop door de translatie kan compenseren wanneer nodig. Tijdens gebruik bleek echter al snel dat documentatie voor de DMP ontbrak en deze alleen verschaft werd aan bedrijven. Hierdoor is het enkel mogelijk de onbewerkte data uit de gyroscoop en accelerometer uit te lezen. De specificaties van de gyroscoop in de MPU-6050 worden vermeld in tabel 4.2.

4.3

Fysieke uitvoering

Gezien de eisen aan gebruiksgemak, prijs, gewicht en bestendigheid tegen stof en water is de fysieke uitvoering een belangrijk punt in het ontwerp. Er bestaat al een commercieel product die een zelfde vermogensmeting doet, maar waar alle sensoren in de riem ingebouwd zitten [3]. Hierdoor moet er dus voor elke plaats in een boot een hele riem gekocht worden voor de meting. Ervaren roeiers zullen juist een voorkeur hebben voor de riem de ze gebruiken en dus niet graag met een andere riem trainen. 1 Met 2 Zie

omschakeling van de gyroscoop modus door microcontroller voetnoot 1

14

4.3.1

Keuze

Om de voorgaande redenen zal het Roei Informatie Center als add-on geleverd worden. Roeiers kunnen zelf hun riem er bij uitzoeken en het product kan op deze manier goedkoop geproduceerd worden. Deze add-on zal tussen de mantel en de roeier bevestigd worden, zodat deze niet dicht op het water zit en eventuele prestaties kan be¨ınvloeden. Om het geheel aan de eisen van robuustheid en levensduur te laten voldoen zal het Roei Informatie Center in een behuizing die voldoet aan de IP-67 standaard moeten zitten met zo min mogelijk aansluitingen, zie hiervoor ook paragraaf 4.5 en paragraaf 4.6. Om aan de eisen voor het gewicht te voldoen is kunststof een geschikt materiaal. De kunststof behuizing zal speciaal voor het Roei Informatie Center ontworpen en geproduceerd moeten worden om het gebruiksgemak en de robuustheid te maximaliseren. Gezien het product het grootste deel van de tijd niet in gebruik is, zal er om energie te besparen een manier moeten zijn om het Roei Informatie Center aan en uit te zetten. Hiervoor kan er een fysieke knop gebruikt worden, dit zal de stroomtoevoer volledig af kunnen sluiten en het meest zuinig zijn. Echter introduceert een fysieke knop een zwak punt in de behuizing. Een alternatief is de module in slaapstand te zetten wanneer er geen activiteit plaatsvindt. Dit is mogelijk met behulp van een accelerometer die het systeem wakker maakt door middel van een interrupt. Freescale Semiconductors heeft de MMA8453QT hiervoor beschikbaar. Deze kan vanuit een “low power mode” bij detectie van beweging zichzelf en de microcontroller wakker maken door middel van een externe interrupt pin. Capaciteit De accelerometer zal constant in “low power mode” kunnen blijven waarin slechts 6 µA verbuikt wordt. Wanneer de rest van het systeem actief is kan de acceleromoter juist in standby modus gezet worden, dan verbruikt deze slechts 1,8 µA. Voor een recreatieve roeier betekent dat een energieopname in actieve staat van: 0, 0018 mA × 2 h/week = 0, 0036 mAh/week

= 0, 1872 mAh/jaar

(4.8)

= 0, 936 mAh/jaar

(4.9)

En voor de competitieve roeier: 0, 0018 mA × 10 h/week = 0, 018 mAh/week

In de “low power mode” verbruikt de MMA8453QT 6 µA. Dit betekent een passief verbruik van: 24 h × 7 dagen × 0.006 mA = 1, 008 mAh/week

4.3.2

= 52, 41 mAh/jaar

(4.10)

Implementatie

Op het moment van schrijven van deze thesis is het prototype nog niet in een behuizing geplaatst en dus nog niet water- en stofbestendig. Het prototype is ook nog niet zo uitgevoerd dat deze door middel van eenvoudige handelingen op de roeiriem geplaatst kan worden. Daarnaast is er nog een fysieke schakelaar om het prototype aan en uit te zetten aanwezig en de batterij dient nog verwisseld te worden, de zwakke punten zijn dus nog niet ge¨elimineerd. Er is wel een bestelling geplaatst om nog voor de definitieve presentatie van het prototype, deze in een Hammond Manufacturing 1555CF22 behuizing welke aan de IP67 standaard voldoet, te kunnen plaatsen.

4.4

Weergave en dataverwerking

De gegevens uit de diverse sensoren zullen, gezien de plaatsing op de roeiriem, niet op het apparaat zelf getoond kunnen worden. Voor de weergave moet dus een losstaand apparaat gebruikt worden. Om het Roei Informatie Center zo gebruiksvriendelijk mogelijk te maken is constante feedback aan de roeier een pre ten opzichte van het naderhand uitlezen van de data. Een water- en stofbestendig beeldscherm is echter duur en zal de kostprijs van het systeem flink omhoog brengen.

4.4.1

Keuze

Om hoge kosten voor een beeldscherm te ontkomen en toch de informatie tijdens het roeien al te tonen hebben we gekozen om het Roei Informatie Center te koppelen aan een smartphone. De kans dat 15

gebruikers deze al beschikbaar hebben is groot en alle hardware om data te ontvangen, weer te geven en te verwerken is hierop aanwezig. De keuze om deze smartphone water- en stofbestendig te verpakken komt dan bij de eindgebruiker te liggen. Deze keuze biedt de mogelijkheid om alle dataverwerking en weergave van informatie puur softwarematig te realiseren. Ook zullen de eisen aan de rekenkracht in de module op de roeiriem afnemen, daar zware filterbewerkingen en algoritmes op de smartphone gedaan kunnen worden. Binnen de module is dan enkel microcontroller nodig die de data van de gyroscoop, de buigingsmeter en eventuele additionele sensoren uit kan lezen en kan verzenden naar de smartphone. Deze microcontroller moet geschikt zijn om alle data van zowel de buigingsmeter als de gyroscoop met een frequentie van minimaal 100 Hz te verwerken en door te sturen. Vanwege de verdere verwerking in de smartphone is er geen geheugen nodig op deze controller, tenzij buffering van de data nodig blijkt te zijn. De controller moet naast deze eis van snelheid vooral zo zuinig mogelijk zijn. De MSP430 serie van Texas Instruments is een geschikte reeks microcontrollers voor het Roei Informatie Center. De MSP430G2231 specifiek is goedkoop, energiezuinig, beschikt over een AD omzetter en I2C interface en is snel genoeg voor onze toepassing. Capaciteit De MSP430G2231 heeft een actief stroomverbruik van 220 µA. Het energieverbruik van een recreatieve roeier zal dan zijn: 0, 22 mA × 2 h/week = 0, 44 mAh/week

= 22, 88 mAh/jaar

(4.11)

= 114, 4 mAh/jaar

(4.12)

En voor een competitieve roeier: 0, 22 mA × 10 h/week = 2, 2 mAh/week

De microcontroller heeft een stand-by modus waar hij met een interrupt uit te halen is, hierin verbruikt hij slechts 0,5 µA. 24 h × 7 dagen × 0.0005 mA = 0, 084 mAh/week

4.4.2

= 4, 37 mAh/jaar

(4.13)

Implementatie

Tijdens de ontwikkeling van het prototype wordt de aandacht specifiek gericht op het Android besturingssyteem. Dit is wereldwijd het meest gebruikte besturingssysteem voor smartphones, software ontwikkelen hiervoor is gratis en vrij snel te realiseren. Voor het testen van de software is er een Samsung Galaxy S smartphone aanwezig. In de module op de roeiriem wordt gebruik gemaakt van een Arduino Uno. Het Arduino platform is een veel gebruikt platform waar veel documentatie voor beschikbaar is. De Arduino Uno bevat een Atmega 328 microcontroller, deze beschikt over diverse digitale in- en outputs en meerdere DACs en ADCs. Met behulp van de ADCs is de Atmega 328 geschikt om de analoge data van de buigingsmeter te verwerken en voor het uitlezen van de MPU-6050 kan gebruik gemaakt worden van de ondersteuning voor het I2C protocol.

4.5

Communicatie

Het verwerken van de data op een smartphone heeft veel voordelen, maar vereist wel een goede overdracht van gegevens van de module naar de smartphone. De specificaties waar de communicatie aan moet voldoen, volgen uit de specificaties voor het Roei Informatie Center en de eerder gemaakte keuzes voor de weergave en dataverwerking. In tabel 4.3 worden de specificaties voor de communicatie uiteengezet. Doorvoersnelheid Het doel is dat de module enkel verantwoordelijk is voor het aanleveren van de ruwe data. Dit betekent dat er een sample van zowel de hoeksnelheidsmeting als de buigingsmeting doorgestuurd moet worden. De hoeksnelheidsmeting levert per sample 3 maal 2 bytes aan data aan. Op het moment van schrijven is van de buigingsmeter nog niet duidelijk wat de sample grootte zal zijn, maar gezien de samples voor de hoeksnelheid een 16 bit precisie hebben zal een hogere precisie voor de

16

Minimale specificaties communicatie Beschikbaarheid Gebruiksgemak en robuustheid Doorvoersnelheid Bereik Energieverbruik Werktemperatuur

Aanwezig in smartphone Draadloos 1,3 kB/s 5m Zo laag mogelijk -20◦ tot +50◦ Celsius

Tabel 4.3: Minimale specificaties communicatie buigingsmeter weinig toegevoegde waarde hebben. Er wordt daarom uitgegaan van 16 bits per sample. Hiermee wordt de minimale benodigde doorvoersnelheid: (2 + 3 × 2) bytes × 100 Hz = 800 B/s

(4.14)

Deze datastroom zal echter lastig te decoderen zijn, gezien een enkel verloren pakketje de synchronisatie overhoop haalt. Daarom zullen er controle bytes tussen gezet worden3 . Daarmee wordt de doorvoersnelheid minimaal: (5 + 2 + 3 × 2) bytes × 100 Hz = 1300 B/s (4.15)

4.5.1

Opties

Er zijn verschillende opties te bekijken voor de draadloze gegevensoverdracht. De voorkeur gaat uit naar het gebruik van de bestaande hardware in smartphones om productiekosten en ontwikkeltijd te besparen. De verschillende aanwezige opties in de huidige generatie smartphones op een rij: • GSM • Wi-Fi • Bluetooth • ANT+ • NFC

4.5.2

Keuze

GSM heeft als nadeel dat het veel energie verbruikt en moeilijk vanuit een applicatie op de smartphone te benaderen is [2]. ANT+ is veel in gebruik in de sportwereld, bijvoorbeeld bij communicatie met hartslagmeters, vanwege het lage energieverbruik. In de huidige generatie smartphones is deze communicatievorm echter zo goed als niet aanwezig [10]. NFC is bedoeld voor communicatie over afstanden van enkele centimeters en daarom dus niet geschikt voor onze toepassing [5]. Wi-Fi is van oorsprong meer gericht om in netwerken te functioneren en verbruikt meer stroom om een groter bereik te realiseren. Echter zijn er tegenwoordig steeds meer ad-hoc protocollen te gebruiken en wordt het verbruik steeds lager. Bluetooth is van oorsprong gericht op een verbinding tussen twee apparaten en nog iets specifieker op mobiele apparaten. Ons apparaat valt precies in die doelgroep. Daarnaast is Bluetooth in vrijwel elke smartphone aanwezig en is er veel documentatie beschikbaar. Bluetooth en Wi-Fi ontlopen elkaar daardoor niet veel, maar het verschil in energieverbruik is de reden om uiteindelijk voor Bluetooth te kiezen [2]. Bluetooth heeft in de 4.0 standaard het Bluetooth Low Energy protocol zitten, hetgeen speciaal ontworpen is voor smart devices [6] die spaarzaam met hun energie om moeten gaan [12]. Het Bluetooth 4.0 protocol is tegenwoordig alleen op de nieuwste smartphones te vinden, dit zal echter de komende jaren steeds meer gemeengoed worden. Rekeninghoudend met de ontwikkeltijd van het Roei Informatie Center en dus de veel bredere beschikbaarheid van Bluetooth 4.0 tegen de tijd van de voltooiing van het product [7], kiezen wij ervoor om voor het lage energieverbruik van BLE te gaan en dus 3 Elk

sample begint en eindigt met een controle byte en tussen de meetwaarden worden scheidingstekens toegevoegd. Dit resulteert in 5 extra bytes per sample

17

de 100% compatibiliteit met oudere Bluetooth versies te laten vallen. Ook de beschikbaarheid van BLE modules is nog beperkt, echter is de PAN1720 van Panasonic een interessante optie. Deze module heeft een theoretisch maximale overdrachtssnelheid van 2Mbit/s en de draaggolffrequentie is in te stellen4 , hierdoor zou eventuele belemmering door andere modules op een zelfde boot opgelost kunnen worden. Kwaliteit van de verbinding Om dat foutloze data overdracht niet te garanderen is, heeft het Bluetooth protocol ingebouwde foutcorrecties. Opties hiervoor zijn zowel FEC 1/3-rate en 2/3-rate, daarnaast wordt ook ARQ toegepast [23]. Capaciteit BLE verbruikt tijdens actief verzenden 17.5mA. Dit is enkel tijdens het verzenden en ontvangen van pakketten en het gemiddelde stroomverbruik zal dus lager liggen. Kamath & Lindh hebben een onderzoek gedaan naar het gemiddelde stroomverbruik van deze module [13]. Hieruit volgt dat in het scenario met de slechtst mogelijke verbinding het gemiddelde verbruik 8,5 mA is. Voor een recreatieve roeier: 8, 5mA × 2h/week = 17mAh/week = 884mAh/jaar (4.16) Voor een competitieve roeier: 8, 5mA × 10h/week = 85mAh/week

= 4420mAh/jaar

(4.17)

Wanneer de module niet verbonden is, kan deze in “power mode 3” waarin slechts 0,5µA verbruikt wordt. 24h × 7dagen × 0, 5µA = 0, 084mAh/week

= 4, 368mAh/jaar

(4.18)

De PAN 1720 heeft een ingebouwde microcontroller, deze beschikt helaas niet over een AD omzetter en zal daarom vooral gebruikt worden om de Bluetooth connectie te beheren en data uit te wisselen met de MSP430.

4.5.3

Implementatie

Voor ons prototype hebben we ervoor gekozen een Arduino Bluetooth shield van Seeedstudio te gebruiken. Dit is een add-on module voor het Arduino platform, waardoor we een goede compatibiliteit verwachten. De module beschikt over een Bluetooth 2.1 zender en kan dus een theoretische snelheid tot 3 Mbit/s bereiken. De ontvangende smartphone is een Samsung Galaxy S die ook beschikt over een Bluetooth 2.1 module. Het gebruikte Bluetooth modem was geprogrammeerd om te communiceren via het Standard Port Profile, een Bluetooth profiel dat communicatie over een seri¨ele kabel emuleert, zodat op de smartphone een applicatie om dit SPP uit te lezen werd gedownload: BlueTerm. De eerste test bestonden uit het verbinden met de smartphone en doorsturen van data over Bluetooth met behulp van de voorbeeld code geleverd bij het Seeedstudio Bluetooth Shield. Na combinatie van deze code met het uitlezen van de MPU-6050 via de I2C poort, bleek het Bluetooth Shield de Arduino te laten vastlopen. Daarom werd na veel testen van de Bluetooth Shield besloten een ander Bluetooth modem te bestellen. De uiteindelijke Bluetooth module in het prototype is een BlueSMiRF Silver van Sparkfun, welke een Roving Networks RN-42 Bluetooth modem bevat met ondersteuning voor Bluetooth v2.1 en SPP.

4.6

Energievoorziening

Om aan de specificaties voor het gewicht en de afmetingen te voldoen mag de accu of batterij niet te groot en zwaar uitvallen. De energievoorziening moet minimaal gedurende 5 jaar aan de energiebehoefte van het Roei Informatie Center kunnen voldoen. Hiertoe berekenen we de vermogensopname van het totale systeem. De belangrijkste onderdelen uit het circuit die vermogen opnemen zijn de microcontroller, de Bluetooth module, de gyroscoop en de buigingsmeter. De eerste 3 hebben we in de vorige paragrafen behandeld en er actieve en passieve gevraagde capaciteit voor berekend. Voor de buigingsmeter verwijzen wij naar de andere thesis binnen deze opdracht. Tabel 4.4 vat deze waarden kort samen. Helaas is op moment 4 In

de range van 2379 MHztot 2496 MHz in stappen van 1 MHz

18

Gyroscoop Accelerometer Microcontroller Bluetooth module Buigingsmeter Totaal

recr. per week 12 0,004 0,44 17 80 109,4

recr. per jaar 624 0,19 22,88 884 4160 5691

comp. per week 60 0,02 2,2 85 200 347,2

comp. per jaar 3120 0,9 114,4 4420 10400 1855

passief per week 0,84 1,01 0,084 0,084 0 2,018

passief per jaar 43,68 52,41 4,37 4,368 0 104,8

Tabel 4.4: Capaciteit gevraagd door verschillende onderdelen verdeeld over de verschillende scenario’s, in mAh van schrijven er nog geen duidelijkheid over het passieve verbruik van de buigingsmeter. Een oplossing hiervoor is om een schakeling te ontwerpen waarmee de microcontroller de volledige stroomtoevoer naar buigingsmeter af kan sluiten en deze geen bijdrage meer heeft aan het passieve gebruik. Duidelijk is dat de buigingsmeter het meeste vermogen vraagt tijdens activiteit, daarnaast verbruikt in de passieve modus de accelerometer het meest. Voor zowel recreatief als competitief gebruik geldt dat het passieve vermogen maar een klein deel van het totale vermogen bedraagt, resp. < 2% en < 0,6%.

4.6.1

Opties

Omdat het geheel waterdicht moet zijn is lastig een systeem te maken waarbij de batterij vervangen moet worden. Een ideale situatie zou zijn wanneer het systeem zuinig genoeg is om een gebruiksduur van 5 jaar te garanderen bij gemiddeld gebruik, dan hoeft er nooit naar de originele batterijen omgekeken te worden. Wanneer dit geen optie is zal de batterij oplaadbaar moeten zijn, deze zal dan via een afsluitbare connector opgeladen moeten kunnen worden. Deze oplossing brengt een zwak punt in de behuizing met zich mee. Een andere optie is de mogelijkheid de batterijen draadloos op te laden door middel van inductie. Op deze manier kan de behuizing compleet afgesloten worden wat de robuustheid zeer te goede zal komen. Een nadeel hiervan is dat er een oplaadstation bij verkocht moet worden, wat de prijs weer verhoogd. Echter zal dit station gedeeld kunnen worden met alle modules, zodat een roeivereniging maar enkele van deze oplaadstations nodig zal hebben.

4.6.2

Keuze

Aangezien in een jaar ongeveer 18 Ah gevraagd wordt door competitieve gebruikers is een systeem waarbij de batterij niet oplaadbaar of vervangbaar is moeilijk te realiseren. De gebruikte batterij zal dan groot en zwaar worden en de kostprijs enorm verhogen. De keuze valt daarom op een oplaadbaar systeem5 . Hierdoor zullen de kosten en het gewicht van het Roei Informatie Center binnen de perken gehouden kunnen worden in ruil voor iets minder gebruiksgemak. Een batterij van meer dan 1 Ah zal voldoende zijn om het opladen tot ´e´en keer per 2 `a 3 weken te beperken. De keuze valt op de BAK LP-503759-IS-3 lithium-polymeer batterij met een nominale spanning van 3,7 V, een capaciteit van 1300 mAh en een gewicht van 25 gram. Deze is vooral vanwege het handzame formaat en bescheiden prijs de beste oplossing voor het Roei Informatie Center. Op basis van de kleine winst die te behalen is door de schakeling compleet uit te schakelen ten opzicht van het wekken uit de slaapstand m.b.v. een interrupt van de accelerometer, zal er niet voor een schakelaar gekozen worden. Een schakelaar brengt daarvoor te veel bezwaren met zich mee m.b.t. de robuustheid van het product. 5 Voor

dit oplaadbare systeem zijn nog geen componenten gekozen i.v.m. de beschikbare tijd.

19

4.6.3

Implementatie

Het prototype zal in eerste instantie gevoed worden door een 5V spanning over de USB aansluiting van de Arduino Uno. Wanneer de eerste testen met betrekking tot de communicatie en dataverwerking voltooid zijn zal er overgegaan worden op voeding door een Duracell Procell 9 volt batterij met een capaciteit van 560 mAh aangesloten op de spanningsomzetter van de Arduino Uno.

4.7

Kosten

In tabel 4.5 worden de daadwerkelijke kosten van het prototype en de ingeschatte kosten voor het uiteindelijke Roei Informatie Center gepresenteerd6 .

Microcontroller Gyroscoop Accelerometer Bluetooth module Batterij Voltage regulator Laadcircuit Printplaat Behuizing Passieve componenten Buigingsmeter Totaal

Prototype 23,95 33,95 n.v.t 30,25 1,50 n.v.t. n.v.t. n.v.t. 16,98 3,00 n.v.t. 109,63

Product 0,60 7,22 0,62 20,05 14,04 1,00 n.n.b n.n.b 20,00 1,00 n.n.b. 64,53

Tabel 4.5: Kosten voor het prototype en het product, in euro’s

6 Prijzen

gebaseerd op prijzen bij Farnell op 21-1-2013 bij afname van minimaal 100 stuks

20

Hoofdstuk 5

Resultaten De resultaten van de metingen aan ons prototype worden in dit hoofdstuk uiteengezet. Aan de hand van deze bevonden resultaten wordt er in hoofdstuk 6 geconcludeerd of het prototype aan de gestelde specificaties kan voldoen. Gedurende het ontwerpproces zijn er aan 3 fasen van het prototype metingen gedaan, dit hoofdstuk is daarom opgedeeld in de metingen per fase van het prototype.

5.1

Meetresultaten 1e fase: Arduino

De eerste fase van het prototype bestaat uit een Arduino Uno gekoppeld aan een laptop met Windows 8 via de USB-poort. De InvenSense MPU-6050 is door middel van de I2C poort aan de Arduino gekoppeld. Het geheel is op de arm van de meetopstelling geplaatst om de gyroscoop op het oog over een hoek te bewegen, zoals zichtbaar in bijlage A.1. Op de Arduino is met behulp van Microsoft Visual Studio 2012 met de Arduino Plug-in een code geplaatst. Deze code is gebaseerd op code van Kristian Lauszus [16] en bedoeld om de gyroscoop waarden van de MPU6050 direct uit te lezen en weer te geven via de seri¨ele poort. In de seri¨ele monitor van Visual Studio 2012 wordt de meetdata weergeven, waarna deze in Microsoft Excel 2010 verwerkt is. In tabel 5.1 zijn de instellingen van de Arduino Uno en MPU6050 samengevat. In bijlage A.2 en bijlage A.3 zijn een schematische weergave van het prototype en de broncode van de Arduino Uno bijgevoegd. Baudrate seri¨ele poort Baudrate SSP over Bluetooth Kloksnelheid Atmega328 Meettijd Maximale hoeksnelheid gyroscoop Resolutie gyroscoop Bemonsteringsfrequentie Arduino Afstand Arduino tot smartphone Voeding Arduino

115200 n.v.t. 16 MHz 2000 ms 2000◦ /s 16.4 LSB/◦ /s Onbegrensd n.v.t. 5 V (max. 500 mA) uit USB-poort

Tabel 5.1: Variabelen en instellingen bij metingen aan het 1e prototype

5.1.1

Offset

Eerst is een meting gedaan om de offset en de nauwkeurigheid te bepalen. De meetopstelling is op de vloer geplaatst om de gyroscoop zo min mogelijk te laten bewegen. De gemeten waarden zullen hierdoor de offset tonen. Om variatie in de offset tussen het herstarten van de MPU-6050 op te vangen, is de meting in drievoud uitgevoerd en wordt tussen elke meting de spanning van het circuit gehaald.

21

Figuur 5.1: De offset van de pitch in LSB uitgezet tegen de tijd In figuur 5.1 is het resultaat voor de pitch zichtbaar, hierin is duidelijk een offset waarneembaar en de waarden van de gyroscoop tonen ook enkele uitschieters. In de volgende meting worden deze er uit gefilterd. In deze meting gaat het om de offset, dus het gemiddelde of de mediaan. Tabel 5.2 geeft de gemiddelde waarde en de mediaan uit de resultaten weer. De mediaan geeft een duidelijk beter beeld omdat hier de uitschieters minder invloed uitoefenen. Vervolgens wordt hieruit de offset berekend door het gemiddelde van de medianen van de 3 metingen te nemen. Deze offset zal gebruikt worden bij de volgende metingen. De bemonsteringsfrequentie van meer dan 400Hz in deze eerste meting voldoet ruimschoots aan de specificatie van 100 Hz.

Roll Pitch Yaw Aantal samples

Meting 1 Gem. 654,09 -616,24 743,94 845

Med. 666 -655 818

Meting 2 Gem. 654,69 -635,1 779,41 846

Med. 667 -655 818

Meting 3 Gem. 666,39 -654,6 817,7 845

Offset Med. 666 -655 818

666,66 -655 818 845

Tabel 5.2: Gemiddelde en mediaan per meting en de berekende offset (LSB)

5.1.2

Nauwkeurigheid

Deze meting gebruikt dezelfde componenten en instellingen als de offset meting, echter zal de arm gedurende de meting 90 of 180 graden gedraaid worden. Beide hoekverplaatsingen zullen 3 maal herhaald worden om zo op een totaal van 6 metingen uit te komen. De uitschieters zoals in de vorige meting waargenomen worden op de volgende manier gefilterd: waarden die te veel van de vorige waarde verschillen (een te grote acceleratie) worden gelijk gezet aan de voorgaande waarde. Dit is geen definitieve oplossing maar voldoende om deze meting uit te voeren. De gyroscoop is bij deze meting zodanig geori¨enteerd dat de yaw van de arm overeenkomt met de pitch van de sensor en vice versa. Hierdoor zal de focus bij de pitch liggen. Ter illustratie is de grafiek van de eerste 90◦ meting in figuur 5.2 weergegeven voor en na filtering. In tabel 5.3 zijn de gemiddelde hoeksnelheden en de afwijking van de verwachte waarde geplaatst. De verwachte waarde voor 90◦ -test is 45◦ /s en voor de 180◦ -test 90◦ /s. De onnauwkeurigheid van deze metingen is maximaal 4,4%, echter valt deze voor een groot deel te verklaren door de onnauwkeurigheid van de gedraaide hoek. 22

Figuur 5.2: De ongefilterde (boven) en gefilterde (onder) output van de nauwkeurigheidsmeting op de Arduino, resolutie = 16,4LSB/◦ /s

90◦ 180◦

Meting 1 Hoeksnlhd. 44,7 87,5

Afw. 0,69 2,73

Meting 2 Hoeksnlhd. 46,5 86

Afw. 3,36 4,40

Meting 3 Hoeksnlhd. 43,6 87,3

Afw. 3,21 3,01

Tabel 5.3: Gemiddelde hoeksnelheid en berekende afwijking voor de pitch, hoeksnelheden in (◦ /s) en afwijkingen in %

23

5.2

Meetresultaten 2e fase: Bluetooth en Android

De 2e fase van het prototype breidt het voorgaande prototype uit door de toevoeging van het Sparkfun BlueSMiRF Silver Bluetooth modem en de Android smartphone. De code voor de Arduino is enkel aangepast om de uitgelezen data ditmaal over seri¨ele poort en Bluetooth weer te geven. Om de Bluetooth data uit te lezen is gebruik gemaakt van de Samsung Galaxy S Android (versie 2.3.3) smartphone via USB gekoppeld aan een laptop met Windows 7. Op deze smartphone werd een eigen Android applicatie op basis van de BlueSMiRF demo applicatie, geschreven door Jeff Boody [1], ge¨ınstalleerd, zie hiervoor bijlage A.4. Vervolgens werd de Android Developer Tools software gestart in debug modus, zodat het mogelijk was de gegevens, welke via het Serial Port Profile over Bluetooth werden verstuurd, uit de applicatie op de computer te importeren. De gegevens uit de Arduino werden opnieuw met de seri¨ele monitor in Visual Studio 2012 uitgelezen. De metingen aan de 2e fase van het prototype zijn uitgevoerd met de instellingen in tabel 5.4. Baudrate seri¨ele poort Baudrate SSP over Bluetooth Kloksnelheid Atmega328 Meettijd Maximale hoeksnelheid gyroscoop Resolutie gyroscoop Bemonsteringsfrequentie Arduino Afstand Arduino tot smartphone Voeding Arduino

115200 115200 16 MHz 10000 ms 2000◦ /s 16.4 LSB/◦ /s 100, 125, 200 Hz 0,2 - 7,5 m 5 V (max. 500 mA) uit USB-poort

Tabel 5.4: Variabelen en instellingen bij metingen aan het 2e prototype

5.2.1

Communicatie

Na de eerste meting zijn de verzonden en ontvangen samples met elkaar vergeleken om te kijken of de data goed ontvangen werd. Wanneer de Arduino zo veel mogelijk samples verstuurt, is er een verlies van bijna 50% van de data. Na nadere inspectie bleken hele samples te ontbreken tussen de ontvangen samples. Ook ontbrak er een reeks samples aan het einde van de meting. Op de applicatie was ook te merken dat de vertraging van sensor tot aan het scherm redelijk groot was. Sample verlies Om hier nader op in te gaan zijn er 3 metingen verricht waarin de sample frequentie van de Arduino handmatig naar beneden geschaald is. De eerste metingen waren met een sample frequentie van 100Hz, onze minimum specificatie. Hierna een frequentie van 200Hz om te kijken in hoeverre de frequentie invloed heeft. Beide metingen zijn 5 maal uitgevoerd met een afstand tussen de module en de smartphone van ongeveer 0,2 m gedurende 10 s. De gyroscoop is in rust gelaten zodat deze enkel de offset meet. Deze metingen toonden een verlies van rond de 10% aan, maar hadden geen verlies aan het einde van de datastroom meer. Dit laatste betekent dat het verlies enkel als gevolg heeft dat de effectieve sample frequentie lager is dan daadwerkelijke. De meting met 100Hz had wel merkbaar minder vertraging bij de data weergave in de applicatie, dit verhoogt het gebruiksgemak. Vanwege dit feit is er een derde meting gedaan van 125Hz. Tabel 5.5 laat het gemiddelde resultaat van deze 3 metingen zien. Opvallend zijn de 1251 verstuurde samples bij 125 Hz. De bemonsteringsfrequentie op de Arduino zal vanaf nu 125Hz blijven, deze heeft een kleine vertraging, maar resulteert alsnog in een effectieve bemonsteringsfrequentie op de smartphone van meer dan 100Hz. De gegevens zoals ontvangen op de smartphone vertonen geen uitschieters in de meetwaarden van de gyroscoop. De filtering zoals toegepast in de 1e meting wordt in verdere metingen dan ook achterwege gelaten.

24

Frequentie Arduino 100 Hz 125 Hz 200 Hz

Verzonden samples 997,4 1251,0 1993,2

Ontvangen samples 901,8 1080,6 1792,8

Verlies 9,6% 13,6% 10,1%

Tabel 5.5: Resultaten sample verlies door communicatie bij verschillende sample frequenties op de Arduino, gemiddelden van 5 metingen Bereik Nu waargenomen is dat er data verlies optreedt bij verzending over Bluetooth zal de volgende meting de invloed van de afstand tussen module en smartphone testen. De testopstelling komt overeen met de voorgaande test, met het verschil dat de bemonsteringsfrequentie op 125Hz is vastgesteld en de afstand tussen de module en de smartphone gevarieerd zal worden tussen 0,2 m en 7,5 m1 . Tabel 5.6 laat hier de resultaten van zien. Ondanks de onverwachte toename in het aantal ontvangen samples bij het vergoten van de afstand is het verlies van samples bij alle afstanden klein genoeg om een ontvangen bemonsteringsfrequentie van meer dan 100Hz te behouden. Afstand 0,2 m 1,0 m 5,0 m 7,5 m

Verzonden samples 1251,0 1251,0 1251,0 1251,0

Ontvangen samples 1080,6 1128,6 1149,0 1108,0

Verlies 13,6% 9,8% 8,2% 11,4%

Tabel 5.6: Resultaten sample verlies bij verschillende afstanden, gemiddelden van 5 metingen

5.3

Meetresultaten 3e fase van het prototype: Bluetooth, Android en batterij

In deze laatste fase van het prototype wordt de energietoevoer geleverd door een Duracell Procell 9 volt batterij aangesloten op de spanningsregulator van de Arduino. Het prototype is niet meer verbonden met de seri¨ele poort van een computer en is dus vanaf dit punt volledig draadloos. De software is niet aangepast voor deze meting, op de instellingen van de MPU-6050 na. Tabel 5.7 geeft de gebruikte parameters weer. De data wordt uit de debugger in Android Developer Tools gelezen en verwerkt in Excel, ook worden de gegevens weergegeven in een grafiek in de Roei Informatie Center applicatie, zie hiervoor bijlage A.1. Om de nauwkeurigheid van de metingen te verhogen is de hoekbeweging met behulp van vierkant object in veelvouden van 90◦ uitgevoerd in tegenstelling tot de metingen aan de eerste fase van het prototype. Baudrate seri¨ele poort Baudrate SSP over Bluetooth Kloksnelheid Atmega 328 Meettijd Maximale hoeksnelheid gyroscoop Resolutie gyroscoop Bemonsteringsfrequentie Arduino Afstand Arduino tot smartphone Voeding Arduino

115200 115200 16 MHz 3000 ms 500, 1000, 2000◦ /s 16.4, 32.8, 65.6 LSB/◦ /s 125 Hz 1,5 m 9 V batterij (550 mAh)

Tabel 5.7: Variabelen en instellingen bij metingen aan het 3e prototype 1 7,5m is ruim meer dan de maximale afstand tussen de roeier en de module in de praktijk, ook was dit de maximale afstand mogelijk in de meetomgeving

25

5.3.1

Stroomverbruik

De 1e test bestond uit het kort meten van het stroomverbruik van de module. Een Agilent multimeter is tussen de batterij en de ingang van de Arduino geplaatst. Tabel 5.8 geeft de resultaten weer. Duidelijk is dat het Bluetooth module voor een groot deel, zoals verwacht, bijdraagt aan de energieverbruik van het prototype. Status prototype Geen Bluetooth connectie, geen meting actief Wel Bluetooth connectie, geen meting actief Wel Bluetooth connectie, meting actief

Stroomverbruik 60 mA 80 mA 155 mA

Tabel 5.8: Energieverbuik van het prototype

5.3.2

Nauwkeurigheid

Deze laatste test is wederom het meten van de nauwkeurigheid van de module, maar nu over de gehele lijn van sensor tot smartphone. Ook ditmaal is er gemeten door een meting te laten lopen van 3 seconden en de module binnen die tijd een veelvoud van 90◦ /s te laten draaien. De test is uitgevoerd voor hoeksnelheden tussen 30◦ /s en 240◦ /s. Hoeksnelheden hoger dan 240◦ /s waren in de gebruikte opstelling fysiek niet mogelijk. Bij hoeksnelheden lager dan 30◦ /s heeft de nauwkeurigheid van de hoekbeweging in de meetopstelling een te grote invloed op de nauwkeurigheid van de meting om representatieve metingen te doen. Uit de gemeten waarden is het gemiddelde van 3 metingen genomen en is de afwijking van dit gemiddelde t.o.v. de verwachte uitkomst berekend. Figuur 5.3 zet van elke 3 metingen zowel de gemiddelde afwijking als de maximale afwijking uit tegen de verwachte hoeksnelheid. De hoogste nauwkeurigheid wordt behaald tussen 100◦ /s en 200◦ /s. Bij 90◦ /s lijkt een meetfout te zitten, 1 meetresultaat heeft een onnauwkeurigheid welke veel hoger is dan alle andere resultaten.

Figuur 5.3: De gemiddelde en maximale afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid Opvallend aan de data is dat iedere individuele meting een lagere hoeksnelheid geeft dan verwacht. Dit geeft het vermoeden dat er door calibratie een hoop nauwkeurigheid te winnen valt. Figuur 5.4 geeft dezelfde metingen weer, maar ditmaal zijn de resultaten gekalibreerd2 . Nu vallen zowel de maxima als het gemiddelde ruim binnen de nauwkeurigheidsspecificatie. Om te controleren in hoeverre de instelling van de gyroscoop invloed heeft op de nauwkeurigheid3 zijn 2 De 3 De

resultaten zijn opgehoogd met het gemiddelde van alle individuele afwijkingen niet-lineariteit in ◦ /s wordt lager wanneer het bereik afneemt

26

de metingen voor 30, 60 en 90◦ /s herhaald bij een maximaal bereik van 500◦ /s en 1000◦ /s. Figuur 5.5 geeft de wederom gekalibreerde resultaten weer.

Figuur 5.4: De gekalibreerde gemiddelde en maximale afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid

Figuur 5.5: De gekalibreerde gemiddelde (boven) en maximale (onder) afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid, bij verschillende instellingen van de gyroscoop

27

Hoofdstuk 6

Conclusie Met het prototype kan een deel van de specificaties voor het complete Roei Informatie Center nog niet gecontroleerd worden. Hiervoor ontbreken gegevens van de buigingsmeter, zodat het controleren van het bereik en onnauwkeurigheid van de totale vermogensmeting nog niet mogelijk is. Om deze reden zijn enkele specificaties welke relevant zijn voor het deelontwerp van de hoeksnelheidsmeting en informatie weergave toegevoegd aan de lijst van specificaties uit paragraaf 2.3. In tabel 6.1 wordt een overzicht gegeven van de behaalde resultaten. Met het prototype is bewezen dat het meten van de

Bereik vermogen Relatieve fout in weergegeven vermogen Relatieve fout in weergegeven hoeksnelheid Dynamisch bereik hoeksnelheid Bereik slagentempo Bereik hoek roeiriem Bemonsteringsfrequentie Bereik draadloze communicatie Werktemperatuur Waterbestendigheid Stofbestendigheid Gewicht Kostprijs

Specificatie 40-1000 W < 5%

Gemeten resultaat Nog niet mogelijk Nog niet mogelijk

< 2,4%

< 2,1%

10-480◦ /s

30-240◦ /s

10-50/minuut 30◦ -120◦ 100 Hz -

Geen meetresultaten Geen meetresultaten >100 Hz 7,5 m

-20◦ - 50◦ Celsius IP-X71 IP-6X2 250 g 100 euro

Geen meetresultaten Na plaatsing in behuizing Na plaatsing in behuizing ca. 200 g 109,63 euro

Tabel 6.1: Technische specificaties en de behaalde resultaten met het prototype hoeksnelheid op een bewegende arm met behulp van een gyroscoop mogelijk is en dat deze gegevens met een voldoende bemonsteringsfrequentie om de roeitechniek te analyseren, doorgestuurd kunnen worden naar een smartphone voor verdere verwerking. Het was met de meetopstelling fysiek niet mogelijk de onnauwkeurigheid van het volledige dynamisch bereik van de hoeksnelheid te analyseren, maar de verwachting is dat gezien de specificaties van de gyroscoop een dynamisch bereik van 30-480◦ /s mogelijk is met dit prototype. Het prototype is volledig draadloos en kan op de batterijvoeding de duur van een roeitraining volhouden. Naast de technische specificaties zijn er ook algemene specificaties gesteld. Deze zijn voor het prototype niet echt van toepassing. Wel kan gesteld worden dat het gebruiksgemak voor een prototype al relatief hoog scoort door het gebruik van een smartphone applicatie. 1 Geen

water indringing indien 30 minuten ondergedompeld op 1 meter diepte bescherming tegen stof

2 Volledige

28

Hoofdstuk 7

Discussie 7.1

Verbeteringen prototype

Duidelijk is dat het prototype op een aantal punten nog niet voldoet aan de gestelde eisen. Om dit te verbeteren in een volgend prototype zullen er de nodige verbeteringen doorgevoerd moeten worden. In dit prototype is vooral te weinig aandacht besteed aan de eisen op het gebied van energieverbruik. De onderdelen zijn vooral uitgekozen op gebruiksgemak en ruime specificaties. Een verbetering zou al zijn de gebruikte componenten in een slaapstand te zetten wanneer er geen meting uitgevoerd wordt, dit wordt in het huidige prototype nog niet gedaan. Daarnaast zijn enkele componenten op sommige punten hoger gespecificeerd dan onze uiteindelijk beoogde componenten. Het feit dat dit prototype voldoet aan de eisen van bereik en bemonsteringsfrequentie is dus geen 100% garantie dat onze beoogde onderdelen van het uiteindelijke product dat ook zullen doen. De verwachting is echter wel dat ook met de gekozen goedkopere en energie zuinigere onderdelen het Roei Informatie Center aan de specificaties kan voldoen.

7.2

Verbeteringen keuzes

De gekozen componenten voor het uiteindelijke product zijn in dit onderzoek nog niet ge¨evalueerd. Waar van te voren meer aandacht aan besteed kon worden is een onderzoek naar de beschikbare componenten op de markt. Hierdoor kan de verwachte kostprijs eventueel verminderd worden. Een ander punt is de fout snel onderdelen voor het prototype te willen bestellen om zo snel aan de slag te kunnen zonder eerst uitgebreide informatie te zoeken. Hierdoor werd tijdens het gebruik tegen lastige punten aangelopen die voorkomen hadden kunnen worden. Dit resulteerde uiteindelijk in het bestellen van nieuwe onderdelen of het niet kunnen gebruiken van functionaliteit, ook zorgde dit helaas voor veel tijdverlies.

7.3

Verbeteringen metingen

De meetresultaten geven veel informatie, maar zouden nog een stuk preciezer kunnen. In eerste instantie is er met de hand gedraaid en aan de hand van referenties visueel bepaald wanneer er 90◦ of 180◦ gedraaid was. Bij de latere metingen is de referentie een solide object geweest waardoor het prototype gefixeerd kon worden in veelvouden van 90 graden. Dit verbeterde de meetnauwkeurigheid wat ook in de meetresultaten terug te zien is. Door een uitgebreide opstelling te maken met een servomotor die de hoekbeweging verzorgd had, was het mogelijk geweest om meer verschillende hoeken en meer verschillende snelheden te meten. Daarmee zou een beter beeld te realiseren zijn van het dynamisch bereik van het prototype. De uitschieters bij de metingen aan de eerste fase van het prototype verdwenen bij het gebruik van de smartphone om data uit te lezen, wat een filter overbodig maakte. Deze lijken niet het gevolg te zijn geweest van meetfouten van de gyroscoop, maar van communicatiefouten over het seri¨ele protocol. De decodering van gegevens in de smartphone checkt de samples op correctheid en slaat deze foutieve

29

samples dus over. Dit zou ook de reden kunnen zijn dat er samples verloren gaan bij de communicatie over Bluetooth. De metingen voor het stroomverbruik kunnen verbeterd worden door een oscilloscoop te gebruiken, op deze manier is een beter beeld te krijgen van het gemiddelde stroomverbruik tijdens de verschillende fases.

7.4

Suggesties voor verder onderzoek

Een goede volgende stap zou zijn een test te doen in een echte situatie, dus met het prototype op een roeiriem gemonteerd. Voordat dit mogelijk is zal eerst een waterdicht omhulsel gecre¨eerd moeten worden. Een dergelijke test kan dan het bereik van de module testen en de waarde van de metingen vergelijken met de werkelijke prestaties van de roeier. Ook kunnen deze resultaten gebruikt worden om een eigen inschatting te doen naar de ideale bemonsteringsfrequentie en dynamisch bereik van de gyroscoop. Door deze zo laag mogelijk te houden kan de hardware goedkoper en energiezuiniger gemaakt worden. Een tweede vervolgonderzoek zou kunnen zijn om te bekijken hoe de gyroscoop data te bewerken is om de hoogste nauwkeurigheid er uit te krijgen. Nu is er voor gekozen de ruwe data enkel te kalibreren, wat al een aardige verbetering oplevert, maar gezien een roeier een redelijk stabiele beweging maakt zou filtering, bijvoorbeeld m.b.v. een laagdoorlaatfilter, ook verbetering kunnen opleveren. Na beide voorgaande onderzoeken is het daadwerkelijk realiseren van een eerste product een logische volgende stap. Eventueel kunnen de in dit onderzoek gekozen componenten bijgesteld worden op basis van de meetresultaten van de roeier.

30

Bijlage A

Prototype A.1

Afbeeldingen van het prototype

Figuur A.1: Foto van het prototype met de Samsung Galaxy S Android smartphone met daarop de applicatie

31

Figuur A.2: Screenshot van de grafiek in de Roei Informatie Center applicatie

32

A.2

Schematische weergave prototype en product

Figuur A.3: Schematische weergave van het prototype (links) en de keuzes voor het product (rechts)

A.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Broncode Arduino Uno

#include <Wire . h> // #d e f i n e ArduinoDEBUG u i n t 8 t IMUAddress = 0 x68 ; long c y c l e t i m e = 0 ; i n t 1 6 t gyroX ; i n t 1 6 t gyroY ; i n t 1 6 t gyroZ ; const long MeasurementTime = 3 0 0 0 ; const b y t e FSSel3 = 2 5 1 ; const b y t e FSSel2 = 2 4 3 ; const b y t e FSSel1 = 2 3 5 ; int State = 0 ; long MeasurementTimer = 0 ;

33

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

void s e t u p ( ) { pinMode ( 1 3 , OUTPUT) ; S e r i a l . begin (115200) ; Wire . b e g i n ( ) ; i 2 c W r i t e ( 0 x6B , 0 x00 ) ; // D i s a b l e s l e e p mode i f ( i2cRead ( 0 x75 , 1 ) [ 0 ] != 0 x68 ) { // Read ”WHO AM I” r e g i s t e r S e r i a l . p r i n t ( ”MPU−6050 with a d d r e s s 0x” ) ; S e r i a l . p r i n t ( IMUAddress ,HEX) ; S e r i a l . p r i n t l n ( ” i s not c o n n e c t e d ” ) ; while ( 1 ) ; } u i n t 8 t newGyroConfig = FSSel3 ; i 2 c W r i t e ( 0 x1B , newGyroConfig ) ; } void l o o p ( ) { switch ( S t a t e ) { case 0 : if ( Serial . available () ){ char revChar = S e r i a l . r e a d ( ) ; S e r i a l . w r i t e ( revChar ) ; i f ( revChar == 1 1 5 ) { State = 1; MeasurementTimer = m i l l i s ( ) ; digitalWrite (13 ,1) ; } } break ; case 1 : i f ( MeasurementTimer < ( m i l l i s ( ) − MeasurementTime ) ) { Serial . flush () ; State = 0; digitalWrite (13 ,0) ; break ; } u i n t 8 t ∗ data = i2cRead ( 0 x3B , 1 4 ) ; gyroX = ( ( data [ 8 ] << 8 ) | data [ 9 ] ) ; gyroY = ( ( data [ 1 0 ] << 8 ) | data [ 1 1 ] ) ; gyroZ = ( ( data [ 1 2 ] << 8 ) | data [ 1 3 ] ) ; #i f d e f ArduinoDEBUG S e r i a l . p r i n t ( gyroX ) ; S e r i a l . p r i n t ( ”\ t ” ) ; S e r i a l . p r i n t ( gyroY ) ; S e r i a l . p r i n t ( ”\ t ” ) ; S e r i a l . p r i n t l n ( gyroZ ) ; break ; #e n d i f // ArduinoDEBUG S t r i n g bluetoothoutput = ”” ; b l u e t o o t h o u t p u t += ”@” ; b l u e t o o t h o u t p u t += ”R” ; b l u e t o o t h o u t p u t += gyroX ; b l u e t o o t h o u t p u t += ”P” ; b l u e t o o t h o u t p u t += gyroY ; b l u e t o o t h o u t p u t += ”Y” ; b l u e t o o t h o u t p u t += gyroZ ; b l u e t o o t h o u t p u t += ”#” ; S e r i a l . print ( bluetoothoutput ) ; while ( m i l l i s ( ) − c y c l e t i m e < 8 ) {} cycletime = m i l l i s () ; break ; } } void i 2 c W r i t e ( u i n t 8 t r e g i s t e r A d d r e s s , u i n t 8 t data ) { Wire . b e g i n T r a n s m i s s i o n ( IMUAddress ) ; Wire . w r i t e ( r e g i s t e r A d d r e s s ) ; Wire . w r i t e ( data ) ; Wire . e n d T r a n s m i s s i o n ( ) ; // Send s t o p } u i n t 8 t ∗ i2cRead ( u i n t 8 t r e g i s t e r A d d r e s s , u i n t 8 t n b y t e s ) { u i n t 8 t data [ n b y t e s ] ; Wire . b e g i n T r a n s m i s s i o n ( IMUAddress ) ; Wire . w r i t e ( r e g i s t e r A d d r e s s ) ;

34

85 86 87 88 89 90 }

Wire . e n d T r a n s m i s s i o n ( f a l s e ) ; // Don ’ t r e l e a s e t h e b u s Wire . requestFrom ( IMUAddress , n b y t e s ) ; // Send a r e p e a t e d s t a r t and t h e n r e l e a s e t h e bus a f t e r reading f o r ( u i n t 8 t i = 0 ; i < n b y t e s ; i ++) data [ i ] = Wire . r e a d ( ) ; return data ;

A.4

UML diagram Android code

Figuur A.4: UML diagram van de Android code

35

Bijlage B

Metingen B.1

Nauwkeurigheid prototype fase 1

(a)

(b)

Figuur B.1: Offset meting met de Arduino: roll (boven) en yaw (onder)

36

Lijst van figuren 1.1

Benoeming van de diverse onderdelen in de roeiboot, bron: Single Sculls door Tornado Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

4.1

De riem draait om zijn draaipunt, daardoor is de baan die de accelerometer af zal leggen een deel van de cirkel met als middelpunt het draaipunt en als straal de afstand tussen het draaipunt en de sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5.1 5.2

De offset van de pitch in LSB uitgezet tegen de tijd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De ongefilterde (boven) en gefilterde (onder) output van de nauwkeurigheidsmeting op de Arduino, resolutie = 16,4LSB/◦ /s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De gemiddelde en maximale afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De gekalibreerde gemiddelde en maximale afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De gekalibreerde gemiddelde (boven) en maximale (onder) afwijkingen van de verwachte hoeksnelheid uitgezet tegen de verwachte hoeksnelheid, bij verschillende instellingen van de gyroscoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3 5.4 5.5

A.1 Foto van het prototype met de Samsung Galaxy S Android smartphone met daarop de applicatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Screenshot van de grafiek in de Roei Informatie Center applicatie . . . . . . . . . . . . . . A.3 Schematische weergave van het prototype (links) en de keuzes voor het product (rechts) . A.4 UML diagram van de Android code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22 23 26 27

27

31 32 33 35

B.1 Offset meting met de Arduino: roll (boven) en yaw (onder) . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

37

Lijst van tabellen 2.1 2.2

Algemene specificaties van het Roei Informatie Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische specificaties van het Roei Informatie Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.2 4.3 4.4

Minimale specificaties hoeksnelheidsmeting . . . . . . . . . De gyroscopen voor het eindproduct en het prototype . . . Minimale specificaties communicatie . . . . . . . . . . . . . Capaciteit gevraagd door verschillende onderdelen verdeeld rio’s, in mAh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten voor het prototype en het product, in euro’s . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de verschillende scena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 14 17

21 22

5.6 5.7 5.8

Variabelen en instellingen bij metingen aan het 1e prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemiddelde en mediaan per meting en de berekende offset (LSB) . . . . . . . . . . . . . . Gemiddelde hoeksnelheid en berekende afwijking voor de pitch, hoeksnelheden in (◦ /s) en afwijkingen in % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variabelen en instellingen bij metingen aan het 2e prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultaten sample verlies door communicatie bij verschillende sample frequenties op de Arduino, gemiddelden van 5 metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultaten sample verlies bij verschillende afstanden, gemiddelden van 5 metingen . . . . Variabelen en instellingen bij metingen aan het 3e prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieverbuik van het prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1

Technische specificaties en de behaalde resultaten met het prototype . . . . . . . . . . . . 28

4.5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

38

. . . . . . . . . over . . . . . .

7 8

19 20

23 24 25 25 25 26

Bibliografie [1] Jeff Boody. Open source code bluesmirf demo: https://github.com/jeffboody. Github, 2012. [2] Aaron Carroll and Gernot Heiser, editors. An Analysis of Power Consumption in a Smartphone, 2010. [3] John Corbett and Darren Croker. Digital data aquisition oar. Presentation, 2011. [4] M. Davis and R. Luescher. Oar forces from unobtrusive optical fibre sensors. Technical report, Australian Institute of Sport, 2008. [5] NFC Forum. Nfc technical specifications: http://www.nfc-forum.org/specs/spec-list/. Website, 2013. [6] Bluetooth Special Interest Group. http://www.bluetooth.com/pages/low-energy.aspx. Website. [7] Bluetooth Special Interest Group. http://www.bluetooth.com/pages/smart-phones.aspx. Website. [8] Paul Haines. Force sensing system, us patent application publication, us 2005/0050960 a1, 2005, filed in 2004. [9] Mathijs J. Hofmijster, Erik H. J. Landman, Richard M. Smith, and A. J. Knoek Van Soest. Effect of stroke rate on the distribution of net mechanical power in rowing. Journal of Sports Sciences, 25(4):403–411, 2007. [10] Dynastream Innovations Inc. Ant+ in mobile: http://www.thisisant.com/business/opportunities/mobile/. Website, 2013. [11] Peach Innovations. Powerline rowing instrumentation: www.peachinnovations.com/tourintro.htm. Website, 2001. [12] CSR plc; IEEE Region 6 NW Area chair Joe Decuir, Standards Architect. Bluetooth 4.0: Low energy, changing the way the world connects. presentation, 2010. [13] Sandeep Kamath and Joakim Lindh. Measuring bluetooth low energy power consumption. Technical report, Texas Instruments, 2012. [14] Dr. Valery Kleshnev. Comparison of on-water rowing with its simulation on concept2 and rowperfect machines. Technical report, English Institute of Sport, Bisham Abbey, UK, 2005. [15] Valery Kleshnev. Rowing biomechanics: Technology and technique, 2004. [16] Kristian Lauszus. Open source code mpu6050: https://github.com/lauszus. Github, 2012. [17] Michael C. Luecker and Michael H. Linse. Force sensing oar, us patent 8.192.242 b2, 2012, filed in 2009. [18] Nielsen-Kellerman. Grootste producent http://www.nkhome.com/rowing-paddling/. Website.

van

roei

monitoring

systemen:

[19] Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Automation and Information. Gyroscopic measurements of the rowers oar pitch angle, 2006. 39

[20] David Sachs. Sensor fusion on android devices, 2010. [21] WEBA Sports. Rowx outdoor: http://webasport.at/en/products/rowx-outdoor. Website. [22] Bernd Tessendorf, Franz Gravenhorst, Bert Arnrich, and Gerhard Troster. An imu-based sensor network to continuously monitor rowing technique on the water. Technical report, Wearable Computing Lab, ETH Zurich, 2011. [23] Piet van Mieghem. Data Communications Networking. Techne Press, Amsterdam, The Netherlands, 2011. [24] Guus van Wechem. Dolpen/oar based rowing information center, 2009.

40