使用粒子光子跟蹤自行車運(yùn)動(dòng)

描述

概述

無(wú)論您是想吹噓自己能跑多快，還是只想跟蹤周末的自行車旅行，這個(gè)項(xiàng)目都可以讓您密切關(guān)注距離、速度和加速度。兩個(gè)粒子光子和一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器用于測(cè)量自行車后輪胎的轉(zhuǎn)數(shù)。這允許計(jì)算距離、速度和加速度。

硬件

電氣設(shè)置

對(duì)于電子元件設(shè)置，我們需要兩個(gè)粒子光子和兩個(gè)小型無(wú)焊面包板。可以從 Particle 以每個(gè) 19.00 美元的價(jià)格購(gòu)買粒子光子。我們還需要一些跳線、兩個(gè)4-AA 電池座、各種電阻器、一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和一個(gè)OLED 顯示屏。有關(guān)電路圖，請(qǐng)參閱原理圖部分。

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沒(méi)有電池組的車速表光子電路設(shè)置

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無(wú)電池組的數(shù)據(jù)采集光子電路設(shè)置

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安裝設(shè)置

對(duì)于安裝設(shè)置，我們使用 3d 打印機(jī)制作外殼。.stl 文件可以在附件部分找到。

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車速表外殼

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數(shù)據(jù)采集??光子外殼

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根據(jù)您的自行車以及您想要安裝外殼的方式，您可能需要編輯一些尺寸。這種特殊的設(shè)置為自行車把立部分使用了 0.5 英寸的直徑。

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本項(xiàng)目使用的自行車把立頸

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拉鏈用于將支架固定在自行車上，但也可以使用更永久的選項(xiàng)，例如金屬系帶。

將電氣和安裝設(shè)置放在一起

速度計(jì)光子[顯示模塊]

也許這個(gè)項(xiàng)目最困難的部分是將電氣元件設(shè)置安裝到外殼中。建議從速度計(jì)中使用的面包板上取下側(cè)翼片，以獲得額外的空間。由于塑料向上偏轉(zhuǎn)，面包板應(yīng)滑入到位并“鎖定”。

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速度計(jì)外殼中帶有側(cè)片的面包板

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我們還需要將電纜連接到顯示器。我們使用連接到公對(duì)公線的母對(duì)母線，因?yàn)橛捎诟叨认拗?，?shí)際上沒(méi)有多少母對(duì)公線可以安裝在外殼中。母線對(duì)母線是這樣捆綁的：

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母-母線束

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然后連接并固定公-公線：

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母-母和公-母線束

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如果兩者之間的連接不是很牢固，您可能需要在此交叉點(diǎn)將兩個(gè)捆綁包粘在一起。我們使用的那些可以很好地卡入到位，并且需要最少的膠帶。將電纜組件放在一起后，將其穿過(guò)速度表前面的插槽：

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通過(guò)槽饋線組件

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你可能想用一根小繩子來(lái)引導(dǎo)它。圖中還有插入底部隔間的電池組。它只是滑入到位并由門固定到位。現(xiàn)在是最困難的部分，將電路安裝到上部隔間中。我們建議使用膠帶將電線固定下來(lái)，這樣它們就不會(huì)滑出面包板。或者，您可以只焊接電線，但這會(huì)耗費(fèi)更多時(shí)間。非常有組織的電路插入：

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上層車速表

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同樣，請(qǐng)注意面包板的尺寸已減小以適應(yīng)電線。最后一件事是連接屏幕。印刷了一個(gè)小的間隔塊以調(diào)整屏幕高度。您可以不使用此塊，但如果您想調(diào)整屏幕與您在自行車上的角度，這是一種方法。我們打印的墊片看起來(lái)像：

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屏幕間隔

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在使用墊片固定屏幕后，或僅使用原始模型中的配置后，速度計(jì)光子幾乎完成。只需將電池組插入支架，然后將其打開！

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完成車速表支架

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數(shù)據(jù)采集??光子[霍爾效應(yīng)傳感器模塊]

這種組裝比 Speedometer Photon 容易得多。一旦電路組裝好，面包板就可以滑入到位。唯一需要的預(yù)防措施是首先將 LED 連接到面包板上，將其穿過(guò)其中一個(gè)外殼孔，然后用您喜歡的粘合劑將其固定到外殼上。這可以在最終構(gòu)建中看到：

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完成數(shù)據(jù)采集光子

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然而，在我們完成這個(gè)組裝之前，我們還有一點(diǎn)路要走。組裝電路后，建議使用膠帶將電線固定到面包板上。或者，可以為此使用焊料。

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把電線綁下來(lái)

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將電線用膠帶固定好后，將霍爾效應(yīng)傳感器和電池組電線從外殼中剩余的 2 個(gè)孔中引出。

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饋線

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電線應(yīng)如上圖所示。現(xiàn)在，剩下要做的就是把面包板滑進(jìn)去，把電池組滑進(jìn)去，然后把門關(guān)上。此外，請(qǐng)記住將代碼閃存到光子。將兩個(gè) Photon 電路組裝并放置在它們的外殼中后，我們就可以開始將它們安裝到自行車上。

安裝

速度計(jì)光子

唯一的步驟是將外殼用拉鏈系在自行車上，如圖所示：

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完成車速表

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數(shù)據(jù)采集??光子

這個(gè) Photon 很容易安裝，但在霍爾效應(yīng)傳感器方面需要一些額外的工作。首先，如圖所示將外殼安裝到自行車上：

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數(shù)據(jù)采集??光子安裝

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安裝外殼后，拿起電線并將它們粘在框架上，然后將它們捆綁在一起。為了獲得出色的外觀和組織，可以將電線編織成這樣：

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最佳電線編織示例（來(lái)源：BoatUS）

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將電線拉向自行車后部。您應(yīng)該以如下所示的霍爾效應(yīng)傳感器放置結(jié)束：

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霍爾效應(yīng)傳感器放置

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照片中還可以看到磁鐵的位置。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們首先嘗試使用傳統(tǒng)的自行車輻條磁鐵，但發(fā)現(xiàn)它們的強(qiáng)度不足以觸發(fā)霍爾效應(yīng)傳感器。我們想出的解決辦法是使用更堅(jiān)固但更丑陋的磁鐵。安裝磁鐵的重要細(xì)節(jié)是確保它們與車輪中心的距離相等，并且沿車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等距。我們選擇使用 4 個(gè)磁鐵，但代碼設(shè)計(jì)為可以更改控制磁鐵數(shù)量的單個(gè)變量，以自定義自行車上使用的磁鐵數(shù)量。存在的磁鐵越多，速度表的精度就會(huì)越高。但是，請(qǐng)記住，Photon 收集數(shù)據(jù)的速度不會(huì)超過(guò)其時(shí)鐘速度（120MHz）。完成的設(shè)置如下所示：

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霍爾效應(yīng)傳感器安裝完成

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至此，整個(gè)組裝完成。成品應(yīng)如下所示：

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完成組裝

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計(jì)算

為了估計(jì)自行車的速度，需要位置對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)的離散形式。速度通過(guò)位置變化除以時(shí)間變化來(lái)估計(jì)。為了找到距離，使用輪子的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和輪子每轉(zhuǎn)所經(jīng)過(guò)的距離。霍爾效應(yīng)傳感器模塊和安裝在自行車車輪周圍的磁鐵用于確定轉(zhuǎn)數(shù)（霍爾效應(yīng)傳感器通過(guò)磁鐵的次數(shù)除以磁鐵的數(shù)量），并使用卷尺來(lái)確定轉(zhuǎn)數(shù)。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)的距離。對(duì)于從霍爾效應(yīng)傳感器模塊到顯示模塊的每次數(shù)據(jù)提交，都會(huì)有3.3第二個(gè)時(shí)間窗口來(lái)觀察通過(guò)。當(dāng)?shù)谝淮瓮ㄟ^(guò)時(shí)3.3檢測(cè)到第二個(gè)窗口（通過(guò)零），計(jì)時(shí)器啟動(dòng)并增加通過(guò)之間的時(shí)間。從3.3第二個(gè)窗口用于確定平均速度的參數(shù)是通過(guò)零后的通過(guò)次數(shù)以及通過(guò)零和最終通過(guò)之間的時(shí)間。使用上面列出的參數(shù)通過(guò)此處的代碼計(jì)算速度：

calculatedvelocity = ((simplefloat-(1))*(calibration/(magcount*timepass*5280*12/(3600*1000))));
// simplefloat - Number of Passes in 3.3 second window including pass zero
// calibration - Distance traveled per rotation of the wheel in Inches
// magcount    - Number of Magnets on the Wheel
// timepass    - time passed between pass zero and the final pass in milliseconds
// conversions - 12 inches in 1 foot
//               5280 feet in 1 mile
//               3600 seconds in 1 hour
//               1000 seconds in 1 millisecond
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對(duì)于提交到 Thingspeak 實(shí)時(shí)圖表的數(shù)據(jù)，原始傳遞次數(shù)和16.5秒時(shí)間窗口（Thingspeak 需要 15 秒之間的數(shù)據(jù)提交）用于確定平均速度。由于提交給 Thingspeak 的數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口很大，因此錯(cuò)誤時(shí)間被認(rèn)為是微不足道的。

Thingspeak 實(shí)時(shí)圖表

速度是使用 webhook 集成實(shí)時(shí)繪制的，以將粒子發(fā)布數(shù)據(jù)從光子發(fā)送到 Thingspeak。使用 MATLAB，速度數(shù)據(jù)用于繪制行駛距離、速度、加速度和空閑時(shí)間的圖表。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的離散計(jì)算并使用未知常數(shù)為零的假設(shè)來(lái)確定行進(jìn)距離和加速度。空閑時(shí)間是霍爾效應(yīng)傳感器打開但沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)（速度小于 1 MPH）的時(shí)間。用于該項(xiàng)目的設(shè)備的所有這些圖表都可以在此處公開訪問(wèn)：Thingspeak Graphs, 注意：有時(shí) Thingspeak 無(wú)法正確加載 MATLAB 代碼并返回錯(cuò)誤，需要刷新頁(yè)面才能解決此問(wèn)題。以下是圖表頁(yè)面的示例，其中包含 2018 年 9 月 11 日的測(cè)試數(shù)據(jù)：

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Thingspeak 輸出圖示例 (11/09/2018)

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