3.2 Il sistema di acquisizione dati
3.2.1 Progetto del sistema di misura e acquisizione dati
Per la misura di una vibrazione si necessita solitamente dei seguenti componenti hardware e software:
un accelerometro
un dispositivo di acquisizione dati (comunemente detto DAQ, ovvero Data AcQui- sition)
un calcolatore per il salvataggio e processazione dei dati, mediante opportuno software
Dovendo procurarsi tale attrezzatura partendo da zero, e volendo realizzare un sistema semplice, economico e di facile implementazione, ma al contempo a dabile si è optato per la seguente soluzione:
DAQ: si è optato per l'utilizzo di Arduino UNO, una scheda I/O dotata di micro- controllore programmabile caricando sulla scheda degli sketch compilati in linguag- gio formalmente ispirato al C. Arduino è una piattaforma open-source, pertanto in rete si dispone di numerosi esempi, sketch precompilati e supporto per una vastissima gamma di applicazioni.
Accelerometro: è disponibile una vasta gamma di accelerometri di tipo MEMS integrati in moduli speci catamente sviluppati per interfacciarsi Arduino. Il dispo- sitivo scelto è il modulo GY521, sul quale è integrato l'accelerometro + giroscopio a 6 assi MPU-6050 prodotto dalla InvenSense.
Computer e software: La programmazione della scheda Arduino è stata fatta mediante il software open source IDE, mentre il software usato per l'acquisizione e la processazione dei dati è MATLAB, mediante il quale si è anche creata una porta seriale necessaria per la comunicazione fra il PC e la scheda I/O.
In gura 3.1 è mostrato schematicamente il sistema realizzato.
Per progettare il sistema sono fondamentali le seguenti informazioni: - range di frequenze di interesse
- ampiezza massima peak-to-peak e valor medio delle accelerazioni che si intende misurare
3 Acquisizione e analisi dati sulle vibrazioni del telaio di una bicicletta
Considerando gli studi precedenti presi in esame, ci si aspetta di campionare un segna- le con contenuto in frequenze entro i 50 Hz, pertanto si è ritenuto soddisfacente poter analizzare il range di frequenze 0-100 Hz, aspettandosi delle accelerazioni con picchi di circa ±1g e valore medio compreso nell'intervallo 0.1 - 0.5 g. Questi valori indicativi sono conseguenza della scelta di testare le biciclette su fondo stradale asfaltato in buone condizioni; ricordando infatti la formula 2.18, si ritiene sensato indagare sulle possibili prestazioni dell'harvester considerando le condizioni tipiche più sfavorevoli che si posso- no presentare in termini di entità delle vibrazioni, che sono quelle che si hanno appunto percorrendo una normale strada asfaltata priva di fessurazioni o buche.In gura è illu- strato schematicamente il sistema sviluppato, mentre in gura è possibile osservare la sua pratica implementazione su una bicicletta.
É necessario determinare un periodo di campionamento Tc del segnale adeguato per
le misurazioni che si intende fare; dal teorema del campionamento di Shannon-Nyquist si sa che per ricostruire in maniera univoca un segnale analogico s(t) a partire dai suoi campioni prelevati ad intervalli di tempo pari a Tc, deve valere la condizione:
fc≥ 2fM (3.1)
dove fc = T1c è la frequenza con cui viene campionato il segnale e fM è la frequenza
massima della banda di frequenza delllo stesso. Data quindi una certa frequenza di campionamento fc, è possibile campionare e ricostruire correttamente un segnale la cui
banda di frequenze sia limitata da un valore massimo detto frequenza di Nyquist pari a : fmax= fN yq=
fc
2; (3.2)
volendo quindi essere in grado di ricostruire un segnale con banda di frequenze estesa no a 100 Hz, si dovrà disporre di un sistema in grado di campionare ad una frequenza fc≥ 200Hz. A tal proposito si deve notare che il sistema necessita di un periodo totale
Tmin necessario per acquisire il singolo valore di accelerazione ad un dato istante (tra-
mite l'accelerometro), processarlo (conversione ADC ad opera del DAQ), inviarlo al PC tramite comunicazione seriale ed in ne salvarlo in una locazione di memoria; si dovrà quindi avere fc = T1c ≥ fmin = Tmin1 . L'accelerometro MPU 6050 possiede un sample-
rate maggiore di 1 KHz, ma il modulo GY521 sul quale è integrato possiede un ltro passa basso, la cui frequenza di taglio massima è ff P B = 260Hz; scegliendo tale valore
di frequenza di taglio per ridurre al minimo il delay, ed impostando un adeguato valore di velocità per la trasmissione dati della porta seriale (250000 baud, dove 1 baud = 1
simbolo s , 6=1
bit
s !) si è ottenuta una frequenza di campionamento
fc,sistema∼ 650 Hz
adeguata per lo scopo pre sso in quanto fc,sistema> 2· ff P B. La seguente tabella mostra
il legame fra le speci che e parametri del campionamento, nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza.
Per quanto riguarda la sensibilità del modulo con accelerometro, esso è in grado di fornire una risoluzione r espressa in g pari a:
r = 1
3 Acquisizione e analisi dati sulle vibrazioni del telaio di una bicicletta
dove n è il numero di bit del convertitore ADC integrato sul modulo e Ng è il range di
misura del dispositivo espresso in g. Il modulo GY521 monta un convertitore ADC a 16 bit e può essere impostato sui range di misura Ng = ±[2 4 8 16], pertanto impostando
Ng = ±2gsi ottiene una risoluzione r = 6· 10−5g, più che su ciente per il caso in esame.
(a) Rappresentazione schematica (b) Modalità di esecuzione test
Figura 3.1: Sistema di acquisizione dati
In gura 3.2 si può vedere il posizionamento del sistema di acquisizione dati su una delle biciclette usate per i test. L'accelerometro è stato posizionato sul canotto dello sterzo in quanto si ritiene che questo sia il punto migliore da cui raccogliere energia per almeno due motivi: il primo è che in [4] viene mostrato come questo sia il punto del telaio in cui si registrano le vibrazioni più intense, il secondo è che il il tubo di sterzo della forcella rappresenta uno dei punti milgiori in cui posizionare un eventuale energy harvester, come illustrato al capitolo precedente. Il collegamento dell'accelerometro col telaio è stato realizzato mediante colla a caldo interponendo uno spessore in legno, in modo da realizzare un collegamento quanto più solido possibile ( un'interfaccia di tipo bulk ) che trasmettesse le vibrazioni alterandole il meno possibile; il ssaggio con colla non costituisce a tal proposito un problema considerando le frequenze in gioco [12]. L'asse x dell'accelerometro coincide con l'asse del canotto.
3 Acquisizione e analisi dati sulle vibrazioni del telaio di una bicicletta
Figura 3.2: Montaggio del sistema di acquisizione dati su una delle bici usate per i test
Figura 3.3: Dettaglio sul ssaggio dell'accelerometro