Effektmätare för skidstavar. Johan Högstrand, Henrik Gingsjö, Marcus Bengths, Jeanette Malm, Mattias Tengström, Szhau Lai, Dan Kuylenstierna

Transkript

1 Effektmätare för skidstavar Johan Högstrand, Henrik Gingsjö, Marcus Bengths, Jeanette Malm, Mattias Tengström, Szhau Lai, Dan Kuylenstierna

2 Vad är effekt? Effekt definieras som arbete per tidsenhet Arbete definieras som den energi som krävs för att flytta en kropp en viss träcka mot en bromsande kraft Effekt integrerat över tid är utfört arbete, dvs energiåtgången

3 Varför vill vi mäta effekt? Effekt är det mest direkta måttet på fysisk prestation Om vi ökar vår förmåga att utveckla hög effekt förbättrar vi våra möjligheter att vinna skidtävlingar Om vi tränar med högre effekt bränner vi mer energi

4 Illustration -uppförsåkning

5 Illustration För att ta sig uppför backen behöver åkaren utföra ett arbete: W = mgh Exempel: Om backen stiger 100 meter och åkaren väger 80 kg blir arbetet ca Nm Om åkaren tar sig uppför backen på fyra minuter blir snitteffekten ca 330W Notera att backens lutning inte kommer in i resonemanget effekten blir densamma om vi klättrar rakt upp på en stege vi åker upp för en 1000 m lång backe med snittlutning 10% -om friktion och luftmotstånd försummas W = mgh = Nm 80000Nm P = W t = mgh t = Nm 40 s 330 W h Momentan effekt studeras enklast genom en kraftbalans i backen

6 Illustration frilägg åkaren Gravitation h a

7 Illustration frilägg åkaren Summering av bromsande krafter F tot,t = F = mg sinα + µcosα + ρc dav mg(α + μ) + ρc dav Gravitation Luftmotstånd F d = 1 ρc dav

8 Illustration frilägg åkaren Summering av bromsande krafter F tot,t = F = mg sinα + µcosα + ρc dav mg(α + μ) + ρc dav Bromsande effekt: P = F tot,t v För att bibehålla konstant fart måste denna effekt tillföras Vid stakning sker det via stavarna q En effektmätare kan implementeras genom att mäta axiell kraft i staven stavens vinkel mot underlaget samt åkarens hastighet I teorin enkelt, men flera tekniska utmaningar föreligger Kraft och vinkel varierar under ett stavtag Hastighetsupplösningen måste vara hög, Kraftsensor välplacerad för att undvika skjuvkrafter Hårdvaruprogrammering, filtrering, databehandling, ergonomi, användargränssnitt

9 Hastighet (min/km) Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla Platt terräng (a=0) F tot,t = F = mgμ + ρc dav C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

10 Hastighet (min/km) Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla "Bra snö" (m=0.03) Platt terräng (a=0) F tot,t = F = mgμ + ρc dav C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

11 Hastighet (min/km) Elitåkare Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla "Bra snö" (m=0.03) Platt terräng (a=0) C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

12 Hastighet (min/km) Vältränad motionär Elitåkare Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla "Bra snö" (m=0.03) Platt terräng (a=0) C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

13 Hastighet (min/km) Vältränad motionär Elitåkare Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla "isföre" (m=0.0) "Bra snö" (m=0.03) Platt terräng (a=0) C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

14 Hastighet (min/km) Vältränad motionär Elitåkare Simulerad effekt Åkhastighet, platt och vindstilla "isföre" (m=0.0) "Bra snö" (m=0.03) "Trög snö" (m=0.04) Platt terräng (a=0) C d A=0.8m r=1.kg/m 3 m=70 kg g=9.81 m/s Effekt (watt) Hastighet: v = P F t Effekt: P = F t v

15 Simulerad effekt Hastighet (min/km) Åkhastighet, platt och vindstilla "isföre" (m=0.0) "Bra snö" (m=0.03) "Trög snö" (m=0.04) Elitåkare Vältränad motionär Effekt (watt) Vältränad motionär Tid (min) Vasaloppet -90 kilometer 4 timmar Rekord timmar 5 timmar Effekt (watt) Elitåkare

16 Arbetets utförande Labtester ut i fält Styra träning Utvärdera träning

17 Kandidatarbete 3D-printad prototyp Integrerad elekronik - Lastcell - 9-axlars IMU - Microprocessor - Blåtandssändare, 4.0 Design - Funktion - Ergonomi - Användbart

18 Test på rullband, KHP Verifiera rörelsesensorn mot höghastighetskameror - Bandets lutning 4 grader, hastighet 14km/h, rullfriktion W Sensors and Big Data for Sport and health applications 18

19 Lite mätdata Effektmätaren fungerar med en felmarginal mindre än 10%

20 Medelvärderade kraftkurvor P=F*v Vid samma lutning är kraften oberoende av hastighet

21 Vidare verifiering, VINNOVA Prototyp.0 (50 handtag) 5mm Ø Krympt elektronik med ny mikroprocessor utvecklad app Matlab GUI för dataanalys

22 Tester på prototyp.0 Handtaget testat Rullskidor utomhus På snö i Skidome På rullband vid Dala Sports Academy På rullband vid Aktivitus i Göteborg Över 50 testtimmar Över 10 testpersoner Positiva omdömen!

23 Effekt på rullbandstest Effekt beräknad från friktion och lutning Power (Watt) Time (s)

24 Effekt vid långpass min stopp för att fixa stavar Diagonal uppför backe till Härkeshult Tydlig mattning på slutet av pass Power (Watt) Time (s)

25 Inte bara en effektmätare Vinkel på staven Stavkraft i olika riktningar Stakfrekvens Impuls per stavtag Hastighet Stavkraft i realtid Positionsdata för stavtaget Frequency (strokes/min) Force (N) Force (N) Time (s) Time (s) Time (s)