Тест беговела при помощи трехосевого акселерометра

    Всем привет!

    Вопрос физического развития собственных детей всегда актуален. Младшему сыну исполнилось три года, захотелось помимо прогулок подыскать ему занятия со спортивным уклоном. Поскольку он проявляет интерес к различным видам транспорта, выбор естественным образом пал на беговел. А насмотревшись зажигательных видео, как дети постарше трюкачат на беговелах, я решил немного более подробно исследовать вопрос. Вооружившись IMU от Амперки на 10 степеней свободы, Raspberry Zero W с блоком питания и 40 строками кода на Питоне я пошел в беговелошколу. Что из этого вышло — смотрите под катом )

    image

    Беговелы распространены не так широко, как детские велосипеды или самокаты, но у них есть несколько преимуществ по сравнению с другими видами транспорта. Ребенок может сидеть на седле, как на велосипеде и толкаться двумя ногами попеременно. Это даёт более равномерную нагрузку на обе ноги и на спину. В отличие от самоката, где работает только одна толчковая нога. Дополнительным бонусом является то, что ребенок учится балансировать. То есть дальнейшая пересадка на двухколесный велосипед по идее должна произойти без всяких осложнений.

    В основном конструкции беговелов достаточно просты. Это металлическая рама (алюминий или сталь), руль, седло и два колеса (накачиваемых у моделей подороже или из вспененной резины). Есть пара моделей с подвесом заднего колеса.



    Демпфирование заднего колеса показалось мне особенно важной деталью. Ребенок на беговеле будет неизбежно спрыгивать с бордюров и кататься по неровным дорогам (в России живём). Поэтому наличие демпфера должно по идее снизить нагрузку на спину. В дальнейшем по мере роста профессионализма юного райдера демпфер также позволит делать прыжки и другие подобные трюки.

    Порывшись в Интернете, я обнаружил, что никто ранее не оценивал количественно нагрузки, которые приходятся на раму беговела при прыжках с различных препятствий. Интерес к данному вопросу и небольшое количество свободного времени привели к тому, что я собрал из подручных материалов несложный стенд для измерений.

    image

    Ускорения будем измерять трехосевым акселерометром из состава IMU-сенсора производства Амперки. Использовать для замера ускорений акселерометр сотовых телефонов не получится из-за низкого предела измерений (+-2G). Диапазон измерений по каждой из осей модуля Амперки составляет +-8G, будем надеяться, этого хватит.

    IMU-сенсор крепился к раме с помощью держателя Topeak (пришлось временно снять со своего велосипеда), куска оргстекла и нескольких слоев изоленты. Для опроса сенсора использовалcя одноплатник Raspberry Pi Zero W. Небольшой скрипт на Python опрашивал акселерометр с периодом примерно 10 мс:

    imu.py
    import time
    from pytroykaimu import TroykaIMU
    
    imu = TroykaIMU()
    imu.accelerometer.set_range('8G')
    
    file_name = ''
    
    print('Введите имя файла (без расширения)')
    file_name = str(input ())
    file_name = file_name + '.csv'
    print('Запись пошла, прерывание Ctrl+C')
    t0 = time.time()
    
    imu_array = []
    
    while True:
        try:
            ax, ay, az = imu.accelerometer.read_gxyz()
            gx, gy, gz = imu.gyroscope.read_radians_per_second_xyz()
            imu_array += [time.time(), ax, ay, az, gx, gy, gz]
            time.sleep(0.006)    
    
        except KeyboardInterrupt:
            
            t1 = time.time()
            lines = int(len(imu_array)/7)
            print(" - Всего строк -", lines, '- записываем файл', file_name)
            
            imu_file = open(file_name, 'w')
            imu_file.write('time,ax,ay,az,gx,gy,gz' + '\n')
            for i in range(lines):
                imu_file.write(str(imu_array[7*i]) + ',' + str(imu_array[7*i+1]) + ',' +
                                             str(imu_array[7*i+2]) + ',' + str(imu_array[7*i+3]) + ',' +
                                             str(imu_array[7*i+4]) + ',' + str(imu_array[7*i+5]) + ',' +
                                             str(imu_array[7*i+6]) + '\n')
            imu_file.close()
            print ('Запись завершена, время записи -', t1 - t0, 'сек')
            break


    Питание Raspberry снималось с Power Bank от той же Амперки, а удаленный запуск я делал с сотового с установленным не него терминалом. Одноплатник с блоком питания я запрятал в кейс для сотового телефона, а сам IMU-сенсор прикрепил к подседельному штырю исследуемых беговелов следующим образом:

    image

    Замеры мы проводили совместно с Евгением Ивановым из школы BegovelMsk в Москве. Беговелошкола для проведения теста любезно предоставила два беговела (Puky LR Ride и Early Rider Trail Runner 14). Эти две модели распространены в беговелошколах, первая — главным образом для трюков, вторая — для беговелогонок. Шины у обеих моделей были накачены до примерно 3,5 атмосфер.

    Тест заключался в том, что райдер Артём на тестируемом беговеле спрыгивал с небольшого трамплина:

    image

    В итоге для каждого прыжка на SD карте Raspberry оседал файл с опросами всех трех осей акселерометра раз в 10 мс. Из каждого файла можно вывести такой график, по вертикальной оси отложены ускорения в G:

    image

    Графики для похожих прыжков получились довольно сходными, но при этом кривые ускорений для двух исследуемых моделей беговелов отличаются очень сильно. Для упрощения картины на следующем графике отложены только вертикальные составляющие ускорений (для нашего эксперимента это ось Y, деленная на косинус угла отклонения от вертикали). На графике также отмечено время заезда на трамплин (определялось по видео заездов) и время касания пола после прыжка (это максимальный по амплитуде сигнал).

    image

    Как видим рама беговела (а с ней и ребенок) при прыжке с трамплина испытывает кратковременную ударную нагрузку до 10G! Неожиданно. Я полагал, что нагрузки гораздо ниже. Можно заключить, что падать с бордюров сидя 5-ой точкой на седле беговела не стоит. Иначе удар придется на позвоночник и внутренние органы ребенка. Оптимально было бы перенести эту нагрузку на ноги. Поэтому для модели Puky LR Ride доступна специальная подножка, на которую ребенок при выполнении трюков становится ногами.

    image

    Какие ещё выводы можно сделать из этих кривых? Примерно следующие:

    1. Демпфер на LR Ride снижает ударную нагрузку на раму беговела примерно на 30% (скорее всего даже больше, поскольку на жесткой раме Trail Runner 14 акселерометр ушел в насыщение). Также характер нарастания нагрузки меняется, он становится более плавным, чем у модели без демпфера.
    2. Демпфер помогает увеличить дальность прыжка, поскольку ребенок может его использовать как своеобразную пружину перед трамплином (обратите внимание на оранжевую кривую перед заездом на трамплин).
    3. Демпфер гасит остаточные колебания рамы беговела, можно заместить, что после прыжка у LR Ride они значительно меньше, чем у Trail Runner 14, как по времени, так и по амплитуде. Это повышает управляемость беговелом и комфорт ездока.

    Вот такие неожиданно любопытные результаты получилось извлечь из одного простого опыта. Напоследок ещё раз выражу благодарность беговелошколе, райдеру Артёму и тренеру Евгению Иванову.

    image

    Спасибо за то, что дочитали до конца и до новых встреч!
    Поделиться публикацией
    Комментарии 38
      +6
      выбор естественным образом пал на беговел

      Не самокат, не ролики, не детский велосипед… Такой естественный вид транспорта, о котором я узнал только сегодня из Вашей статьи
        +1
        Ну для малышей обычно вариантов не много: трехколесный самокат или беговел. Для мелких от 2,5-3 лет беговел будет самым удобным средством.
          +2
          Просто странно услышать об этом виде транспорта «естественный». У меня во дворе детвора катается на самокатах, роликах. Ни одного беговела не встречал пока
            0
            хабр познавательный)
              +1
              А у меня пол города мелких на беговелах. Личный опыт — это всего лишь личный опыт
              +3
              С 1.5 можно начинать учить, в 2 уже вовсю будет бегать сам. Чем ещё удобен — в среднем в 2+ раз легче аналогичного по габаритам двухколёсного велосипеда (беговел можно найти даже от 2.5 кг, 5кг велосипед найти уже сложнее, я видел только от 6.5), нет педалей — скрутив руль набок можно сделать его практически двумерным.
              Можно брать с собой в далёкие пешие походы — скорость и утомляемость трёхлетнего ребёнка на беговеле примерно та же, что у взрослого (хотя взрослому придётся перемещаться мелкой рысью).
              К демпферу я бы отнёсся скептически — это увеличивает вес и съедает усилия в беговом режиме, собственно, как и горные велосипеды с оным — для спусков, а не для гонок. Хотя, если брать беговел только для трюков и горных спусков, то возможно.
                0
                Классно расписали. На мой взгляд в повседневных прогулках, особенно по тротуарной плитке или по грунту на даче летом демпфер будет не лишним. Для трюков он оправдан на 100%.
                  0
                  Я не знаю сколько весит самый дешевый пластиковый за 10 баксов, но я два таких вешал на лямки обычного рюкзака, и так гулял с детьми ( у меня их два). Висят себе по бокам, ходить не мешают, а захотел ребенок — сразу отстегнул. Когда гуляли с коляской — вешал на коляску по бокам. В авто влезают под детское кресло, в то место где взрослый человек ноги ставит. Мы начали с 1.5 лет. А в год купили толокар.
                0
                Ну, почему же:
                Заголовок спойлера
                image
                  0
                  Точно! Кстати, когда ребенок наловчится он начинает кататься именно в такой позе — летит расставив ноги.
                +2
                Подтверждаю: беговел — отличная штука! Старший в 3,5 года уверенно держал равновесие и наравне катался с 8-10-летними:
                  0
                  Спасибо за солнечную фотку! За шлем — респект!
                    0
                    Поддерживаю. Дочка начала осваивать беговел в 2 года, стабильно поехала в 3. Сейчас в 4 года вполне себе уверенно ездит на двухколесном велосипеде, осваивает местный памптрек, съезжает с коротеньких лестниц.

                    Амортизации на беговеле не было, к сожалению. На велосипеде уже встала на педали (всмысле отрывает пятую точку от сиденья во время расколбаса), поэтому нужнее не задний аморт, а вилка… а их на 14-дюймовые колеса не делают.
                      0
                      Беговел отлично подготавливает к велосипеду и избавляет родителей от колясок и подобного хлама. Дети тем временем остаются в хорошой спортивной форме.
                      Мои оба начали знакомиться с беговелом когда только пошли. Итог — на двухколесном велосипеде примерно с 2-х лет довольно уверенно себя чувствовали. У нас небыло проблем с педалями, видимо из-за того, что назад они не крутились (задний тормоз на педалях + передний тормоз на руле).
                      Мое личное ИМХО по поводу «трюкачества» — до пяти-шести лет лихачить вообще не стоит. Тут обычно заканчивается эпическими падениями. На мой взгляд обычно дети до примерно 6 лет не так хорошо владеют своим телом, не говоря уже о каких-либо дополнительных устройствах (велосипеды, беговелы и тп.).
                      По поводу неровностей и препятствий на дорогах, тут мои дети интуитивно проходили «пешком». Просто притормаживали приподымали пятую точку над седушкой и проходили препятствие таким образом, либо совсем слезали с беговела. Аммортизаторов на нашем небыло.
                        0
                        От детей очень сильно зависит. «Трюкачить» в беговелошколах (не знаю как в других, но хорошо знаю про Иркутск) учат очень хорошие мастера, которые видят не только насколько физически готов ребенок к следующему шагу, но и отлично читают его психику.

                        Падения очень нужны, как это ни странно. Если у ребенка все без исключения получается, то он начинает ощущать себя всемогущим. Обычно это плохо заканчивается. Поэтому надо учить бояться.
                          0
                          Падения очень важны. Просто катастрофически. Я своих учил падать первым делом. К сожалению не всех детей (читай людей) учат падения. Старшая до сих пор как что-нибудь отчебучит прям диву даешься. Хоть падала больше и жестче. Младший более акуратный/боязливый в этом отношении. От характера тоже сильно зависит.
                          А чувство всемогущества бывает у всех, чаще или реже… И иногда приходится за это расплачиваться.
                      0
                      Вооружившись IMU от Амперки на 10 степеней свободы, Raspberry Zero W с блоком питания и 40 строками кода на Питоне я пошел в беговелошколу.

                      Настоящий технарь он во всём технарь )))
                        0
                        Это да, так и разбирало попробовать)
                        +1
                        Познавательно, но все-таки перегрузки измерять на неподрессоренной массе раме не совсем корректно.
                        Результат будет зависеть от давления в колесах, от того, было ли приземление на заднее/переднее колесо или на оба, и т.д. и т.п.
                        Было бы интересно замерить перегрузки по той же методике, но на взрослом, зафиксировав девайс, например, на бедре, отдельно — так же, на раме, и сопоставить результаты.
                        PS. Естественно, речь идет о беговеле только с подножками, без них выполнять любые трюки, в общем-то, опасно.

                          0
                          Все верно, реально сильно зависит результат от того, на какое колесо упадешь или на оба сразу. Колеса, кстати, были примерно одинаково накачаны. Динамометр насоса показывал примерно 3,5 на всех 4-ех колесах. Конечно очевидно, что демпфер лучше всего отрабатывает приземление на заднее колесо. На счет датчика на тело, тут нужно подумать. Во-первых датчик нужно закрепить к телу «намертво», иначе с телом он образует кинематическую пару связанную пружинной. Во вторых опорно-двигательный аппарат сам по себе является демпфером, т.е. тут будет двойная или тройная компенсация.
                            0
                            Вот как раз и интересно было бы выяснить, насколько эффективно демпфирует ускорения, прежде всего вертикальные, опорно-двигательный аппарат.
                            А чтобы нивелировать влияние нежесткости связи при установке датчика на тело — его надо крепить отдельно, на проводе, в силу его малой массы вносимыми искажениями можно будет пренебречь.

                              0
                              Возможно. Сам датчик придется приклеить лейкопластырем прямо к коже.
                                0
                                Максимальная стабилизация у нас скорее всего достигается где-то в районе головы. Мы привыкли двигаться так, чтобы меньше всего трясти мозги. Возможно не в районе головы, а в районе груди. Тут спорный момент: голову больше мотает, но перегрузок ей скорее всего достается меньше. Короче, отличное поле для исследований.
                            0
                            off Если кто-то такими измерениями интересуется чаще, чем один тест, то лучше воспользоваться небольшим устройством SensorTag. Работает от CR2032.
                            Набор датчиков, установленных на Texas Instruments SimpleLink SensorTag:
                            • бесконтактный инфракрасный датчик температуры TMP007;
                            • датчик освещенности OPT3001;
                            • датчик температуры и относительной влажности воздуха HDC1000;
                            • 9-осевой датчик движения MPU-9250 (повороты, ускорения);
                            • датчик давления/альтиметр BMP280;
                            • магнетометр MK24;
                            • цифровой МЭМС-микрофон SPH0641LU.


                            image
                              0
                              и для коллекции от конкурирующей организации STMicroelectronics модуль STEVAL-WESU1
                              0
                              То есть дальнейшая пересадка на двухколёсный велосипед по идее должна произойти без всяких осложнений

                              Немного офф: Беговел классно учит балансу, но возникает другая проблема — "беговельщики" не умеют крутить педали.


                              Мне пришлось своей дочке таки покупать трен. колёса на велик, ставить их ниже основного (чтобы оно не касалось земли — такой неподвижный "велотренажёр" получился) и сделать несколько уроков по кручению педалей в помещении.


                              Потом — да, за ней бегать не пришлось, баланс держала отлично сразу.

                                0
                                Есть такая беда. Особенно если велосипед с ручными тормозами, со свободным ходом педалей назад. Назад педали крутить проще, чем вперед, ребенок их туда и крутит. А в 3-4 года объяснить что-либо сложно. Приходится именно учить, чтобы она сама все поняла на и усвоила подсознательном уровне.

                                Учить велотренажером с доп.колесиками тоже пробовал. Бесполезно оказалось. Дня два бегал рядом вприсядку и крутил одной рукой педали, а другой поддерживал за спину. Был бы в хозяйстве трехколесный велосипед или велосипед с ножным тормозом, было бы проще.

                                А как держать баланс они тоже не знают. Просто едут и все. Вообще не понимая что тут вообще такого сложного. Отличный возраст для обучения.
                                0
                                У меня дети в 2 года ездят на велике аля мишутка (только меньше) с маленькими доп. колесами. Ну и не понимаю, почему даже простые беговелы стоят столько же, сколько и велосипеды. А про перегрузки интересно, да.
                                  0
                                  А реально хороший велосипед а-ля мишутка, но такой, чтобы не хотелось что-то допиливать в нем стоит тысяч эдак 25-30. Цена складывается из мелочей. Лучше втулки, лучше рама, лучше рулевая… все вместе это влияет и на вес, и на удобство в освоении, и на цену. Мне было жалко столько денег отдавать за велик на пару лет, поэтому пришлось много допиливать и менять комплектуху на взрослую.
                                    +1
                                    Ребенку в 2-3-4 года от велика нужно чтобы педали и руль крутились без дополнительных усилий, тормоза тормозили и он был по размеру. Ну и вес еще. На яндекс маркете в принципе для роста в метр велосипеды дороже 5круб отсутствуют. Про какую комплектуху вы тут говорите? При этом разница в цене с беговелом не из говна и палок процентов 25 максимум.
                                      +1
                                      1. Беговелы в среднем, всё-таки, дешевле.
                                      2. Рама у беговела, как правило, легче, значит, дороже в производстве.
                                      3. Беговел, как ни странно, быстрее соразмерного велосипеда. Возможно из-за веса, а возможно и из-за низкого передаточного числа на маленьких велосипедах — дети на них крутят педали, как угорелые, чтобы хоть как-то разогнаться.
                                      и хорошие тормоза, опять же, хорошо стоят. Барабанный ножной тормоз не спасёт разогнавшегося с 45º склона ребёнка — сам наблюдал.
                                        0
                                        2. Дешевые тяжелые беговелы тоже бывают. 2-3тысячи за беговел? Запросто.
                                        3. 45º и для взрослого-то неплохой такой склон, ежели без подготовки. Только ручные тормоза. Притом и передний и задний. Барабанный ножной тормоз здорово ограничивает, по-моему он приемлем только на прогулочных велосипедах.
                                        0
                                        Тормоза Avid Single Digit 3 и тормозные ручки Avid Speed Dial 7. Если брать на распродаже какой-нибудь, то комплект выйдет тысячи три. Это только тормоза! Да, можно обходиться и тем, что ставит производитель (да и обходились поначалу), но с ростом скорости и требования к тормозам растут.
                                        Вес дешевого велосипеда от 10кг для трехлетнего ребенка. Это очень много. Если велосипед легче, значит там не чугун, а что-то полегче, а значит и дороже.
                                        Донор этого велосипеда в магазине с бонусами и скидками стоил порядка 5тысяч, на доведение до ума вложено еще больше. Сопоставимый по ТТХ Frog 43 стоит около 20т.р. сейчас и 25т.р. в сезон. Притом он хорош, но тоже не идеален.

                                    0

                                    Эм, а вот тот IMU, который вы используете, он работает в режиме шок-логгера, или вы просто значения с него каждые 10 мс считываете?? Если второе, то трудно судить, что же вы вообще измерили.

                                      0
                                      Считываются значения каждые 10 мс. Под шок-логгером вы имете в виду измерительный прибор для измерения силы удара и вибрации?
                                        0
                                        Считываются значения каждые 10 мс


                                        То есть физически измерение производится раз в 10 миллисекунд?
                                          0
                                          ну да, по каждому каналу X,Y,Z акселерометра и гироскопа считываются 16 битные выборки 100 раз в секунду
                                            0
                                            Боюсь ошибиться, но, исходя из опыта работы с шок-логгерами например, подозреваю, что полученные вами данные не вполне корректны ввиду очень низкой частоты записи. То есть перегрузки могли быть существенно больше, а сравнение двух беговелов соответственно могло бы дать другие результаты. Ну и диапазон по амплитуде у вашего IMU был, мягко говоря, не тот.

                                            Впрочем, воспринимайте это как интернет-критику, не более.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое