Что измеряет велокомп?

[DimaB]

Данная статья посвящена тому, как работает велокомпьютер и как правильно задать начальные данные (длину окружности колеса), чтобы велокомпьютер измерял ту скорость и пройденный путь, которые есть на самом деле.

Итак, начнем с того, как происходит замер вообще.  Наверное, каждому известно, что на спицу переднего колеса вешается магнит, а на вилке крепится датчик. Датчик представляет собой геркон в пластмассовом корпусе. Гекон – герметичный контакт – пара нормально разомкнутых (в данном случае) контактов из магнито-мягкого материала. Под воздействием магнитного поля контакты намагничиваются, притягиваются друг к другу и замыкаются. При снятии магнитного поля контакты размыкаются под действием механических сил (возвращаются в исходное состояние). Т.о. при каждом проходе магнита возле геркона происходит одно срабатывание последнего, в общем-то срабатывание может произойти и не одно ввиду так называемого "дребезга контактов" – при столкновении контакты отскакивают друг от друга (упругий удар), затем сближаются снова и так несколько раз. Этот процесс происходит за относительно небольшой промежуток времени (относительно полного оборота колеса) и легко распознается микроконтроллером (МК) при дальнейшей обработке данных. МК измеряет время между двумя соседними срабатываниями датчика, т.е. время одного оборота колеса и вычисляет пройденный путь и скорость.

Путь вычисляется путем суммирования к предыдущему значению пути длины окружности колеса L при каждом обороте колеса, т.е. методом прямого интегрирования.
С измерением скорости дело обстоит сложнее – скорость вычисляется по формуле:

    или   

где	L – длина окружности колеса,
	t – время одного оборота колеса.

Скорость велокомпьютер вычисляет уже не на каждом обороте колеса, а примерно каждые 3 с. Это связано с тем, что в вычислениях присутствует сложная операция деления и МК может просто не успевать на высоких скоростях производить вычисления. Производителю не выгодно использовать более высокопроизводительные МК, т.к. это приведет к удорожанию себестоимости производства велокомпа. Есть и оборотная сторона медали – чем меньше МК производит вычислений, тем меньше потреюляет электроэнергии, т.е. при таком подходе увеличивается срок службы батареи, что также немаловажно. 

Пришло время поговорить о том, как правильно задать длину окружности колеса L. Производители велокомпьютеров обычно приводят таблицу с длинами окружности колес, вычисленную по формуле:

где	d – диаметр колеса с покрышкой в дюймах,
	25,4 – коэффициент для перевода дюймов в миллиметры.

Такой метод вычисления в корне не верен по двум причинам:
1.   на одном и том же велосипеде могут стоять разные покрышки – велосипедист может пожелать ездить по грязи и поставить "злую" резину, а может пожелать ездить по асфальту и поставить слики, а высота то у них разная!
2.   под действием силы тяжести велосипедиста резина прогибается и действительный радиус R  будет всегда меньше паспортного радиуса Rmax покрышки на величину прогиба. Получается, что велосипед как бы едет на колесах меньшего диаметра (пунктирная линия на рисунке). Стоит заметить, что величина прогиба покрышки  зависит от веса велосипедиста и того, как накачены колеса.

Из вышесказанного следует, что чтобы получить достоверную величину длины окружности колеса, ее надо измерить в условиях максимально близких к реальным. Для этого надо накачать колеса до того уровня, при котором обычно ездите, поставить велосипед на ровную поверхность, сделать отметку на колесе. Отметку лучше всего делать в виде веревки или нитки привязанной вокруг покрышки и обода. Отметку на колесе надо выровнять с начальной отметкой на земле. После этого следует посадить на велосипед того, кто на нем будет ездить и провести его один оборот колеса, сделать вторую отметку на земле. Остается только взять рулетку и замерить расстояние между отметками.

Теперь перейдем к реальным длинам окружностей колес для велосипеда с 26" колесами с разными покрышками*:

Покрышка	L, мм	% погрешности	Показания велокомпьютера на скорости, км/ч
			20 км/ч           40 км/ч           60 км/ч
слик 1,5" Rubena	1950	6,4	21,3             42,6             63,8
слик 1,75" IRC Metro II 4 атм.	1990	4,3	20,9               41,7               62,2
полуслик 2,1" Merida "родная"	2025	2,5	20,5               41,0               61,5
вычисленная по формуле	2075	0	20,0               40,0               60,0

* замеры любезно предоставлены krutyashiм_pedali.

В таблице приведены погрешности и отображаемые скорости на спидометре при реальных скоростях 20, 40 и 60 км/ч для трех разных покрышек. Погрешности и скорости соответствуют установленной по формуле длине окружности колеса (2075 мм).
Из таблицы видно, что на "родных" полусликах Merida погрешность не столь высока, данные будут завышаться всего на 2,5%, т.е. каждые 100 пройденых километров будет намотато еще 2,5 км в качестве бесплатного бонуса, а на низких скоростях скорость будет отображаться верно. Также видно, что для сликов Rubena погрешность составляет 6,4%, т.е. 6,4 км бонуса на все те же 100 км пути и уже на низкой скорости спидометр будет завышать показания.

Я не думаю, что производители велокомпьютеров не понимают всего вышесказанного, просто кому хочется, чтобы его оборудование показывало меньше чем у конкурентов? Плюс в инструкции проще указать пару цифр и не вдаваться в подробности.

Что будет показывать Ваш велокомп – решать Вам.

[krutyashiy_pedali]

замеры любезно предоставлены krutyashiм_pedali.

Точность измерений гарантирую

Микроконтроллер в данной статье - это микроЭВМ велокомпьютера.

[Kruck]

Микроконтроллер в данной статье - это микроЭВМ велокомпьютера.

Знаем, не с луны свалились 

[temic]

Да, интересная штука, сделать бы процесс калибровки более интерактивным, и тогда такой вело ЭВМ будет вне конкуренции.
А то едешь, колеса подспускаются, да и накачиваешь бывает по разному, ведь не у всех манометр на насосе... Да и замерить точно радиус колеса когда сидишь на велике в одиночку проблемно...

[DimaB]

...сделать бы процесс калибровки более интерактивным, и тогда такой вело ЭВМ будет вне конкуренции.
А то едешь, колеса подспускаются, да и накачиваешь бывает по разному, ведь не у всех манометр на насосе...
Да и замерить точно радиус колеса когда сидишь на велике в одиночку проблемно...

Ото всех погрешностей избавиться весьма проблематично, колеса подспускают => действительный диаметр колеса уменьшается => скорость "увеличивается", поэтому я и призываю свести на нет те погрешности, которые возможно. Можно, конечно, сделать велокомп с лазерным датчиком удаления, которым измерять расстояние от вилки до асфальта и потом вычислять действительный радиус колеса или поставить какой-нибудь датчик давления в камере. Но это все сложно и дорого, кто такие велокомпы покупать будет? Проще воспользоваться услугами GPS (ГЛОНАС, Galileo - когда введут), если есть такая необходимость.

Да и замерить точно радиус колеса когда сидишь на велике в одиночку проблемно...

В статье рекомендуется эту процедуру выполнять вдвоем, но есть сведения, что MOSFET измерял один, перемещаясь сидя на велосипеде вдоль стены, опираясь рукой на последнюю.

[Andrew Bond]

Проще воспользоваться услугами GPS (ГЛОНАС, Galileo - когда введут), если есть такая необходимость.

Как старый пользователь GPS-девайсов, позволю себе не согласиться с данным утверждением. GPS отлично справляется с измерением расстояний только при движении без сильных перепадов высоты, а если ваша дорога представляет из себя постоянные спуски-подъемы, то будьте готовы к тому, что GPS сильно занизит пройденное расстояние. Дело в том, что точность GPS при измерении высоты (перепада высот) весьма низкая, из-за чего точно рассчитать пройденное расстояние при спуске-подъеме ему не удается. Я пытался откалибровать велокомпьютер по GPS, постоянно сравнивая их показания после поездок и внося поправки. Считаю, что мне это удалось сделать с максимальной точностью, но тем не менее, из-за вышесказанного, меня уже не удивляет то, что после поездки их показания отличаются.
При езде же, в основном, по ровной местности, GPS вне конкуренции!

[DimaB]

GPS отлично справляется с измерением расстояний только при движении без сильных перепадов высоты, а если ваша дорога представляет из себя постоянные спуски-подъемы, то будьте готовы к тому, что GPS сильно занизит пройденное расстояние. Дело в том, что точность GPS при измерении высоты (перепада высот) весьма низкая, из-за чего точно рассчитать пройденное расстояние при спуске-подъеме ему не удается.

Технически GPS-навигатор определяет место положения в трехмерном пространстве (при наличии сигнала с четырех и более спутников), т.е. высоту тоже определяет. Вышеуказанные проблемы, видимо, обусловлены тем, что GPS-навигатор вычисляет проекцию перемещения на поверхность земли, в этом случае перемещение по карте будет величиной адекватной. Т.е. GPS-навигатор умышлено перепады высот в расчет не берет. Возможно есть модели, которые все умеют измерять (читай отображать).
Andrew Bond, а на неровной поверхности скорости совпадают?
Вернемся к теме. Я НЕ ВЕРЮ в то, что когда-нибудь производители велокомпов начнут последние снабжать какой-либо системой моментальной коррекции длины окружности колеса. Разрабатывать свой велокомп с такой системой я смысла особого не вижу: дорого, сложно, увеличивается энергопотребление. Не стоит доходить до абсурда. Некоторая погрешность измерения неизбежна в любом случае.

[krutyashiy_pedali]

Некоторая погрешность измерения неизбежна в любом случае.

Так как датчик установлен на переднем колесе, существует погрешность измерения пройденого пути в сторону его увеличения, особенно, если дорога изобилует поворотами.

[Andrew Bond]

Насколько мне известно (когда-то серьезно изучил принципы работы GPS), высоту GPS определяет с погрешностью минимум (!) в 1,5 раза (чаще всего - больше) превышающей погрешность измерения широты-долготы. Это издержки технологии и преодолеть их невозможно. Современные приемники GPS вроде бы учитывают перепад высот при расчете пройденного расстояния (хотя это мои личные наблюдения, в описаниях об этом ни слова), но из-за высокой погрешности определения этих перепадов, делают это не очень хорошо. Разумеется, даже с такими погрешностями результат получается гораздо более точный, чем определение расстояния по проекции пути на плоскость, но все-же далеко не идеальный.
Все вышесказанное касается только пути, где встречаются случайные перепады высоты. Если же вы постоянно едете под уклон (сплавляетесь по реке) или наоборот, все время поднимаетесь в гору, и при этом средняя скорость потери или набора высоты одинакова на всем протяжении пути, то тут GPS тоже не подкачает и выдаст точный результат.
Что касается определения скорости, тут GPS вне конкуренции, ибо скорость он измеряет, ну очень точно. Правда, и тут нужно кое-что понимать. Скорость он измеряет не линейно, как обычный спидометр, а дискретно, вычисляя её из времени, за которое пройдено расстояние между двумя последними путевыми точками. А вот когда поставить очередную путевую точку, навигатор определяет самостоятельно, лишь примерно следуя грубым настройкам (редко-нормально-часто). Если вы стоите на месте, то и точка будет одна, если летите по прямой на скорости под 200км/ч, то в зависимости от настроек он их будет расставлять каждые 30-100м (тут сложно сказать точно), а если идете неспеша, то, может, и каждые 0,5-1,5м. Принято считать, что очередную точку он ставит примерно 1 раз в секунду (иногда чаще, иногда реже), но именно с таким интервалом происходит вычисление скорости и обновление показаний. Поэтому сравнить показания скорости GPS и спидометра можно только двигаясь с какой-то постоянной скоростью, либо равноускоренно, но в этом случае показания GPS будут отставать по времени от показаний спидометра. Да что я тут расписываю - любому велосипедисту этот эффект знаком, т.к. велокомпьютер измеряет скорость точно таким-же способом, правда, GPS это делает гораздо точнее.
Ответ на вопрос - да, при правильно выставленой длине окружности колеса, показания скорости GPS и велокомпьютера практически одинаковы, а разность показаний пройденного растояния тем больше, чем больше было на вашем пути перепадов высот. Если путь ваш пролегал по равнине и велокомп настроен точно, то и показания будут идентичные. Для примера, велопробег 17 сентября (далеко не по равнине) - по GPS пройдено 49,50 км, по велокомпу 50,19 км, т.е. разница в показаниях 690 метров, чему верить - не знаю, но склоняюсь в сторону GPS

[DimaB]

Насколько мне известно (когда-то серьезно изучил принципы работы GPS), высоту GPS определяет с погрешностью минимум (!) в 1,5 раза (чаще всего - больше) превышающей погрешность измерения широты-долготы. Это издержки технологии и преодолеть их невозможно.

Вкратце о принципах работы GPS . Система GPS насчитывает 24 рабочих спутника. Местоположение каждого спутника в пространстве известно. Каждый спутник имеет атомные часы с точностью хода 1 нс. Часы подводятся примерно раз в сутки, координаты спутников тоже уточняются. Спутники расположены в пространстве так, что в любой момент времени не менее 4-х спутников находятся достаточно высоко над горизонтом в любой точке земной поверхности. Спутники посылают радиосигнал, содержащий время отправки и координаты спутника, его отправившего. GPS-навигатор принимает сигналы со спутников и исходя из скорости света (~ 300000 км/с) и времени прохождения сигнала (при условии, что GPS-навигатор "знает" точное время) вычисляет расстояние до спутников. Теперь, если от 3-х спутников отложить сферы, радиусы которых – вычисленные расстояния, то точка пересечения этих сфер и есть местоположение приемника. Т.к. GPS-навигатор не оснащен атомными часами с точным временем, то для уточнения координат и необходим 4-й спутник.
Что касается погрешностей GPS – прежде МО США может искусственно вносить погрешности (либо отключать GPS вовсе для гражданского использования, как это было во время войны в Ираке) До 1 мая 2000 года точность GPS для гражданского применения была порядка 100 метров (с вероятностью 95 %)! Возникают также погрешности связанные с неравномерностью скорости света не в вакууме и отражением радиосигнала от предметов, например поверхности земли, и дальнейшей интерференции. По-видимому, последний фактор сказывается на меньшей точности измерения высоты.

Для примера, велопробег 17 сентября (далеко не по равнине) - по GPS пройдено 49,50 км, по велокомпу 50,19 км, т.е. разница в показаниях 690 метров, чему верить - не знаю, но склоняюсь в сторону GPS

Если предположить, что GPS измерил пройденный путь без погрешности, а велокомп его завысил, то погрешность велокомпа составляет 1,39%.
Исходя из всего вышесказанного, велокомп имеет тенденцию к завышению показаний, а GPS, судя по всему, к занижению (применительно к пройденному пути со всеми перепадами высот). Стало быть суммарная погрешность велокомпа Andrew Bondа не превышает 1,39%, что, на мой взгляд, вполне приемлемо. Ведь сюда входит и прохождение большего пути передним колесом, и подспускание камеры, и модуляция диаметра колеса на ухабах (когда покрышка проседает больше обычного), да и вообще все что угодно.

[radist13]

давеча вот над чем задумался - а как вычисляется СРЕДНЯЯ скорость??!!
банально общим суммированием всех промежуточных вычесленных скоростей и делением на их количество (от старта "дата тур"и по текущий момент движения)??
или же среднее но за какойто фиксированный последний промежуток времени, скажем средняя скорость это среднее за 30 минут.

просто если я езжу часа допустим 3часа, но вначале час я ездил 25км\ч. а потом перешёл на 10км\ч то средняя 15км\ч. хотя для меня субъктивно средняя это и есть 10км\ч. 15км\ч это канечно верно и правильно для режима поездки в день. но вот в таком случае мне не нравится указание компа что я еду быстрее или медленнее средней скорости - глупо и странно пытаюсь выровнятся по средней.

[Arceny]

Вспоминаем школьный курс физики.

V = s / t

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D1%8F%D1%8F_%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

[TirbyCat]

Расчет средней скорости идет с момента последнего сброса пройденной дистанции(не одометра). Хочешь начать подсчет средней заново, сбрось счетчик и будет тебе счастье.

[DimaB]

Велокомп вычисляет среднюю скорость, как пройденный путь, деленный на время в пути. Т.е. время остановок не учитывается.
Согласен с radistом13, в пути было бы полезней иметь среднюю скорость за какой-то промежуток времени или количество пройденных километров. И относительно этой средней скорости показывать быстрее или медленнее едешь.

[MiKe]

возник вопрос по работе kellys kcc-13: почему постоянно мигает индикатор времени (точнее пройденного пути), как его сбросить и как оным пользоваться?
вот фото: