Autorzy: Karol Sulżyński (1szy rok Fizyki gier komputerowych i robotów)
Zaawansowanie: pierwsze próby wykonane, jeszcze sporo pracy przed nami 😉
To niby „oklepany” temat – licznik rowerowy. Ale nawet te „profesjonalne” mają (czasami) marudne działanie, polegające na dużym czasie opóźnienia pomiędzy rozpoczęciem jazdy a określeniem prędkości. Wiemy o co chodzi: dojeżdżasz do skrzyżowania, stop, a na liczniku prędkość powoli maleje: 20 km/h.. 17 km/h… 12 km/h… 6 km/h… 0 ! W końcu, po ~3 sek? Ruszasz, i ponownie to samo: jesteś w połowie przejazdu a na liczniku ciągle zero. Dopiero potem licznik „żyje” 😉
Projekt polega na zbudowaniu takiego licznika, który będzie szybko reagował na zmiany prędkości. Szybko, czyli mniej niż w sekundę. Może pół, może nawet mniej. Wykorzystane będą typowe rozwiązania: magnes na przednim kole + czujka pola magnetycznego ale… właśnie nie jeden magnes, a kilka. TO zdecydowanie poprawia określenie prędkości. A ile tych magnesów? na każdej szprysze to chyba przesada… Potem planowane są rozbudowywanie licznika o inne elementy, w tym także do zasilania z dynama czy zapisywanie danych na kartę SD – ale to potem, najpierw sam licznik.
W celu określenia prędkości zliczamy liczbę pojawień się magnesu przy czujce, a potem obliczamy prędkość. Dla jednego magnesu gdy zliczamy, np. 10 wystąpień w czasie 1 min to mamy inną prędkość niż dla dwóch magnesach także 10 w tym samym czasie (oczywiście wówczas prędkość 2x mniejsza). Mając liczbę zliczeń i liczbę magnesów łatwo wyznaczamy prędkość obrotową, a znając średnicę koła wyliczamy prędkość liniową.
Trzeba jednak odpowiedzieć sobie na pytania:
- jak długo zliczać obecność magnesu pod czujką (nie chcemy czekaś 3 sek, czy nawet 1 sek na aktualizację na ekraniku) aby prędkość była wyznaczona z dostateczną dokładnością (małe rozrzuty prędkości, czyli małe odchylenie standardowe),
- ile należy użyć magnesów, aby szybko otrzymać dokładny wynik (nie chcemy ich mieć za dużo, np. nie na każdej szprysze).
Pierwsza część projektu skupiła się właśnie na tych pytaniach: układ pomiarowy to silniczek DC z czujką szczelinową + różne „rozetki”, z różną liczbą ramion. Taki układ to nie rower, ale coś co mieści się na biurku i daje się łatwo kontrolować. Zasilanie prądem stałym daje pewność powtarzalności wyników.
Rozetki mają odpowiadać różnej liczbie magnesów, które finalnie trafią na koło. Zostały wydrukowane na wydziałowej drukarce i nieźle się sprawują w swojej funkcji:
Należało więc 1) uruchamiać silniczek i zliczać liczbę „klików” (liczbę przejść ramienia rozetki przez czujkę szczelinową) przez określony czas i wyznaczyć prędkość obrotową (należało wykonać pomiar wielokrotnie, aby posiadać większą statystykę), 2) zmienić ten określony i powtórzyć pomiary, a następnie 3) zmienić rozetkę na inną i powtórzyć punkty #1 i #2.
Zdecydowano się na pomiar z rozdzielczością czasową 300 ms, 500 ms, 800 ms oraz 1 s, 2 s i 3 s. Wykorzystano rozetki z 2, 4, 8 i 16-toma ramionami. Wyniki (liczba obrotów na minutę i odchylenie standardowe) zebrano w arkuszu i przeanalizowano:
Dla tak krótkiego czasu pomiaru (na obrazku powyżej wynoszącym 300 ms) zliczenia ramion w czujce szczelinowej niewiele się różnią – różnice widoczne są dopiero przy 8-miu ramionach, natomiast 16 ramion nic więcej nie daje (czyli to by oznaczało zbytnią rozrzutność, gdybyśmy ramiona zastąpili magnesami).
Sprawa się zmienia, gdy zwiększamy czas pomiaru na 800 ms:
Widać, że już dla rozetki z 8-miom ramionami mamy odchylenie standardowe wynoszące 2% wartości średniej – to duża dokładność. Dwukrotne zwiększenie liczby ramion nieznacznie poprawia sytuację (ale czy warto?). Gdy jeszcze zwiększymy czas pomiaru, otrzymujemy:
Widać tu, że uzyskujemy 1% dokładności określenia prędkości dla 16-tu ramion rozetki, ale… coś dziwnego się dzieje: odchylenie standardowe (czyli nasza dokładność) nie zachowuje się monotonicznie – dla rozetki z 8 ramionami wzrosła! a potem znowu zmalała. Jak jest tego przyczyna?
Choć dokładność 1% (dla czasu 2 s) jest lepsza niż 2% (czas 800 ms) to jednak czekanie 2 sekundy na aktualizację prędkości nie jest fajne (jest za długie! tego nie chcemy!). Ostatecznie wybrano czas pomiaru 500 ms.
Pan Karol przygotował konkretny zestaw pomiarowy, gotowy do montażu prawdziwych magnesów ALE ciągle mieszczący się na biurku (aby nie wychodzić z komputerem na podwórko, podłączać się do laptopem do roweru itd).
Wyniki niebawem — po wakacjach?
(c) K.G. 2024