Controlo de esforço no ciclismo com recurso a bicicletas elétricas e smartphones

Abstract

O principal objetivo desta dissertação visa o estudo, desenvolvimento e teste de um sistema de monitorização e controlo da resistência e do esforço no ciclismo com recurso a bicicletas elétricas e smartphones, em tempo real, com base em tecnologia sem fios e direcionado para transporte, desporto e lazer. Através desta monitorização e controlo de esforço torna-se possível disponibilizar as vantagens de controlo do esforço, que é característico de bicicletas estáticas, com o benefício da atividade física ao ar livre fornecido pelas bicicletas convencionais. Para a concretização deste sistema, foram instalados diversos módulos de hardware na bicicleta elétrica, integrados no sistema central de processamento da bicicleta, entre os quais sensores de torque e cadência e um módulo para comunicação sem fios Bluetooth. Utilizou-se ainda um smartphone Android para comunicação com a bicicleta elétrica. Conjuntamente, foram também desenvolvidos vários módulos de software para o sistema central de processamento da bicicleta, para o módulo Bluetooth e também para o smartphone. A aplicação desenvolvida para o smartphone implementa um algoritmo de controlo de esforço capaz de receber e interpretar os valores dos sensores, relativos ao desempenho físico do ciclista, e decidir qual o melhor nível de ajuda do motor, em tempo real, com base em perfis pré-definidos com diferentes tolerâncias de esforço admitidas pelo ciclista. Para que fosse possível verificar o correto comportamento de todo o sistema, foram realizados diversos testes, assentes em diferentes cenários. Os resultados obtidos indicam que o sistema desenvolvido permite reduzir as variações no esforço efetuado pelo ciclista ao longo do tempo seja por influência da cadência ou do torque, desde que a cadência tenha uma boa resolução relativamente ao comportamento que o ciclista está a realizar sobre a pedaleira e salvaguardando sempre que o período de amostragem dos valores dos sensores seja superior ao tempo necessário para aquisição dos valores dos sensores, processamento de dados e transmissão das tramas por parte da bicicleta elétrica para o smartphone, via Bluetooth, somado ao tempo para que este interprete os valores recebidos, processe qual o melhor nível de ajuda a aplicar ao motor elétrico e transmita a resposta para a bicicleta.

The main goal of this thesis is to study, develop and test a system for monitoring and control of both the resistance and effort on cycling, in real-time, using electric bikes, smartphones and wireless technologies, for application in the areas of transportation, sports and leisure. Through this effort monitoring and control system, it is possible to combine the advantages of effort control which are characteristic of static bikes with the benefits of outdoor physical activity provided by conventional bikes. To implement this system, several hardware modules were installed in the electrical bike, integrated in the central processing system, including torque and cadence sensors and a Bluetooth wireless communication module. An Android smartphone was also used to communicate with the electrical bike. Several software components were also developed, for the bike’s central processing system, the Bluetooth module and the smartphone. The application developed for the smartphone implements an effort control algorithm which is able to receive and interpret the sensors values, regarding the cyclist’s performance, and decide which is the most adequate level of motor assistance, in real-time, based on pre-defined profiles with different effort tolerances allowed by the cyclist. In order to verify the correct behavior of the whole system, several tests were carried, based on different scenarios. The results show that the system allows to reduce the variations of the effort exerted by the cyclist effort over the time, either by influence of the cadence or the torque, as long as the cadence has a good resolution and that the sensors sampling period is higher than the time needed to acquire the sensors values, process them and transmit the data from the electric bike to the smartphone, through Bluetooth, added to the time needed for the smartphone to process the values received, in order to determine the best level of assistance to apply to the electrical motor, and to transmit the response to the bike.