使用三轴加速度计进行测试

大家好！

自己孩子的身体发育问题总是很重要的。 最小的儿子三岁了，除了走路，他还想在体育方面为他上课。 由于他对各种运输方式都感兴趣，因此选择自然就落在了脚踏车上。 在观看了燃烧录像之后，当年纪较大的孩子踩踏脚踏车特技表演时，我决定对这个问题进行更详细的调查。 装备了来自Amperka的IMU，自由度为10，带有电源和Raspberry Zero W的Raspberry Zero W，它使用Python编写了40行代码，我去了一家正在上学的学校。 产生了什么-切下看）



越野车不如儿童自行车或踏板车普及，但与其他运输方式相比，它们具有一些优势。 孩子可以像骑自行车一样坐在马鞍上，并用两条腿交替推动。 这样可以在双腿和背部提供更均匀的负载。 与踏板车不同，踏板车只有一个推腿。 另外的好处是孩子学会了平衡。 即，应该进一步转移到两轮自行车而没有任何复杂性。

基本上，Runbikes的设计非常简单。 这是一个金属框架（铝或钢），一个方向盘，一个鞍座和两个轮子（为更昂贵的型号或由泡沫橡胶制成的泵装）。 有几种带有后轮悬架的车型。



在我看来，后轮的阻尼是一个特别重要的细节。 骑自行车的孩子不可避免地会跳下路缘并在崎rough不平的道路上骑行（我们生活在俄罗斯）。 因此，从理论上讲，减震器的存在应减轻后部的负荷。 将来，随着年轻骑手的专业水平的提高，减震器还将允许您跳跳和其他类似的技巧 。

通过互联网翻遍后，我发现没有人能够量化从各种障碍物跳下时落在自行车车架上的负载。 对这个问题的兴趣和少量的空闲时间导致我从手边的材料中收集了一个简单的测试台。



加速度将使用Amperka制造的IMU传感器的三轴加速度计进行测量。 由于测量极限较低（+ -2G），因此无法使用手机的加速度计来测量加速度。 Amperka模块每个轴的测量范围是+ -8G，我们希望这足够了。

IMU传感器使用Topeak支架（我不得不暂时将其从自行车上卸下），一块有机玻璃和几层电工胶带固定在车架上。 一个单板的Raspberry Pi Zero W被用来轮询传感器，一个小的Python脚本以大约10毫秒的周期轮询了加速度计：


Power Raspberry 从同一个Amperka的Power Bank中删除，我从一个没有安装终端的单元进行远程启动。 我将带电源的单板藏在手机盒中，并将IMU传感器连接到所研究的脚踏车的座杆上，如下所示：



我们与来自莫斯科BegovelMsk学校的 Evgeny Ivanov一起进行了测量。 参加该考试的跑步学校提供了两辆轻便自行车（ Puky LR Ride和Early Rider Trail Runner 14 ）。 这两种模式在跑步学校中很常见，第一种-主要用于技巧，第二种-用于跑步自行车。 两种型号的轮胎均充气至约3.5个大气压。

测试包括以下事实：车手Artyom从被测试的助行车上的一个小跳板上跳下：



结果，对于SD卡上的每次跳转，Raspberry会每10毫秒对加速度计的所有三个轴进行一次轮询来建立文件。 可以从每个文件得出这样的图；沿垂直轴绘制G中的加速度：



相似跳跃的曲线图非常相似，但是两个研究的Runbikes模型的加速度曲线非常不同。 为了简化图片，在下图中仅绘制了加速度的垂直分量（对于我们的实验，这是Y轴除以与垂直线的夹角的余弦值）。 该图还显示了到达跳板的时间（由比赛视频确定）和跳跃后接触地板的时间（这是振幅最大的信号）。



如您所见，从跳板跳下时，框架正在运行（并与孩子一起运行），它承受的短期冲击载荷高达10G！ 没想到 我以为负载要低得多。 可以得出的结论是，当坐到马鞍上的第5点时，沿着路边行驶是不值得的。 否则，打击将落在儿童的脊椎和内脏上。 最好将此负载转移到腿上。 因此，对于Puky LR Ride模型，有一个特殊的步骤可用，当孩子进行花样操作时，孩子会变成脚。



从这些曲线还能得出什么其他结论？ 大致如下：

1. LR Ride上的减震器将流道框架上的冲击载荷降低了约30％（最有可能的是，由于加速度计在刚性Trail流道14框架上达到饱和，这种冲击可能更大）。 而且，负荷增加的性质会发生变化，它比没有阻尼器的模型更平滑。
2. 阻尼器有助于增加跳跃距离，因为儿童可以将其用作跳水板前面的一种弹簧（进入跳水板之前请注意橙色曲线）。
3. 阻尼器阻尼了脚踏车车架的残余振动，可以替换为在跳跃后，LR Ride在时间和振幅上都比Trail Runner 14小得多。 这改善了对脚踏车的操纵和骑手的舒适性。

从一个简单的实验中获得了这些出乎意料的有趣结果。 最后，我再次对跑步学校，车手Artyom和教练Evgeny Ivanov表示感谢。



多谢您读完文章，很快再见！