Análise de dados de alta velocidade de estágios

Um tempo atrás Stages adicionados um novo recurso para o seu medidor de energia :

Gravação de Dados em Alta Velocidade adicionada para capturar a força de pedalada (kgf) e o torque (Nm) 64 vezes por segundo para análise pós-percurso (formato .csv).

Eu capturei parte de uma curta viagem com isso, que produzia dados como este:

Timestamp, kgf, Nm
"2014-06-26 19:21:25.025",,
46441, 7.3, 12.2
46473, 7.5, 12.6
46505, 7.9, 13.1
46537, -1.7, -2.8
46569, -2.2, -3.7
46601, -3.5, -5.8
46633, -4.0, -6.7
46665, -4.1, -6.8
46697, -4.2, -7.0
46729, -5.6, -9.3
46761, -6.1, -10.2
46793, -6.8, -11.4
46825, -7.1, -11.8
46857, -4.8, -8.0
46889, -1.1, -1.9
46921, -6.4, -10.7
46953, -10.7, -17.9
46985, -9.0, -15.1
47017, -5.7, -9.4
47049, -6.7, -11.2
47081, -6.8, -11.4
47113, -6.8, -11.4
47145, -7.3, -12.1

( o arquivo completo capturado com firmware v2.051)

Eu poderia estar enganado, mas os dados parecem inúteis ou quebrados para mim:

• a coluna kgf é quase exatamente igual ao Nm multiplicado por 0,6, portanto, ambos medem apenas o torque, não a velocidade do pedal .. então você não pode recalcular a potência ..?
• Não há nenhuma maneira óbvia de informar o ângulo do pedal. Portanto, você não pode visualizar o torque de forma confiável durante o curso do pedal.

Existe alguma análise interessante que possa ser feita com esses dados? Pesquisando apenas encontra artigos como este e várias notícias sobre o lançamento

Os dados brutos de força ou torque do pedal são difíceis de trabalhar, mas você pode extrair algumas informações deles. Primeiro, note que os estágios montam os strain gages (ou manômetros) permanentemente na manivela, de modo que o comprimento da manivela é constante e eles sabem o que é; Isso significa que existe uma relação de um para um entre as colunas kgf e torque. Neste caso, aparece dos dados fornecidos de kgf e Nm que a sua manivela esquerda tem 170 mm de comprimento.

Os estágios dizem que os dados são enviados a 64 Hz, mas observe que os timestamps não estão todos igualmente espaçados; Existem algumas lacunas nos timestamps. Em qualquer caso, para simplificar, aqui está um gráfico das primeiras amostras de 128 kgf do seu conjunto de dados (se a densidade de dados fosse realmente de 64 Hz, essas primeiras 128 amostras representariam exatamente 2 segundos de dados):

Os dados são não estampado com a posição da manivela ou ângulo da manivela, mas nem tudo está perdido: podemos calcular o tempo decorrido entre os picos dos dados. Para esses mesmos intervalos interpicos, podemos calcular a força média ou o torque médio. Dividir o torque médio (em Nm) sobre cada revolução das manivelas pelo tempo decorrido sobre cada rotação da manivela (em segundos) nos dá a potência média sobre cada revolução em watts, uma vez que um Nm / s é um watt. Observe que isso será diferente dos dados geralmente relatados, já que isso é poder ao longo de um segundo de tempo, em vez de poder sobre uma revolução de manivela. No entanto, observe que é exatamente assim que a maioria dos medidores de energia atualmente no mercado calcula a potência: eles medem o torque durante uma revolução completa da manivela e, em seguida, o dividem pelo tempo decorrido para uma revolução. A maioria (mas não todos) medidores de energia atualmente no mercado usa um interruptor tipo reed para determinar quando a manivela passa por um ponto fixo. Assim, eles sabem o tempo decorrido entre os fechamentos do interruptor reed e a posição da manivela apenas uma vez por revolução. Além disso, embora a maioria dos medidores de potência transmita dados para a unidade principal receptora uma vez por segundo ou às vezes a uma freqüência nominal de 4 Hz, eles geralmente relatam a potência média sobre a última rotação completa do virabrequim antes da transmissão de dados programada.

Como sabemos que esta é uma abordagem válida? Abaixo está um gráfico de torque e ângulo de manivela Estudo clássico de Kautz sobre força de pedal e torque de manivela . A partir deste gráfico, fica claro que o torque atinge o pico apenas uma vez por rotação do manivela. Note, a propósito, que os dados de Kautz foram coletados de um pedal instrumentado em apenas uma manivela, de modo que o torque é medido apenas em um lado, assim como os estágios se acumulam apenas em um lado. Estes dados mostram que a suposição de que os picos de torque observados nos dados aqui também ocorrem apenas uma vez por rotação do virabrequim, apesar de estarmos plotando o tempo em vez do ângulo da manivela. Importante para esta análise, o torque máximo é mais facilmente identificável do que o torque mínimo. Se você olhar para o primeiro gráfico acima, você pode ver que o torque máximo é (nesta amostra) o pico único, mas o torque mínimo às vezes pode ter um "blip" ou outra anomalia que facilita a identificação do intervalo pico-a-pico do que identificar o intervalo de vale a vale. Abaixo eu plotei seu arquivo de dados com o eixo x convertido de "Timestamp" para segundos de tempo decorrido e com torque (em Nm) no eixo y. Para cada revolução de manivela eu fiz como descrito acima e calculei a potência média em watts entre picos de torque, presumivelmente equivalente a revoluções de manivela. A potência média entre os picos é mostrada em vermelho. Observe que, em um dos intervalos, o torque médio medido pela manivela esquerda foi negativo - eu não suprimi ou limpei os dados, de forma que aparecem como -20 watts para o período de aproximadamente 14 a 22 segundos na plotagem ( presumivelmente, sua perna direita estava gerando torque positivo nesse ponto, mas não podemos vê-lo). Uma versão ligeiramente maior do enredo abaixo pode ser vista Aqui .

Observe que outros medidores de energia (incluindo o Garmin Vector, o Power2Max e o novo Pioneer, entre outros) usam uma combinação de strain gages e acelerômetros sensores de força, assim como os estágios determinam os padrões de força e, portanto, a potência. Na verdade, o Power Tap usa apenas strain gages e em outros lugares mostrei que sua "cadência virtual" estimada por variações no torque medido no hub fornece uma estimativa razoavelmente boa da cadência medida por um interruptor reed dedicado na manivela. Mais uma vez, isso apóia a abordagem feita aqui usando padrões de torque ou força como uma maneira de determinar o tempo necessário para uma rotação completa da manivela.

Como calculamos o tempo decorrido para cada revolução de manivela, também podemos calcular a cadência (em termos de revoluções por minuto). Eu calculei 28 valores para a potência ao longo dos 28 intervalos interpicos no gráfico acima. O gráfico abaixo mostra a cadência e o torque médio para cada revolução correspondente a esses 28 valores, com os pares cadência e torque médio identificados sequencialmente por um número de 1 a 28, indicando qual rotação da manivela é mostrada (assim, a primeira combinação de cadência e o torque é rotulado "1", o segundo por "2" e assim por diante; o ponto com torque médio negativo está fora da parte inferior da plotagem). As linhas vermelhas pontilhadas são contornos isopower em 100, 150, 200 e 250 watts. Como pode ser visto a partir do gráfico, para os primeiros 16 ou mais picos, a cadência foi maior e o torque mais baixo do que para os poucos cursos de pedal. Isso é consistente com o primeiro gráfico acima do torque em relação ao tempo: você pode ver que os cursos de pedal estão mais afastados e os picos de torque são maiores. trama cadência-torque http://anonymous.coward.free.fr/wattage/stages/dbr4.png Assim, você pode ver que, mesmo sem o ângulo nominal da manivela, é possível reconstruir estimativas razoáveis ​​de poder e cadência desses dados, por mais tedioso que seja o esforço. Se a amostra de dados for mais longa, você poderá passar os dados de torque por um filtro para reforçar o "sinal" e suprimir o "ruído", diferenciar os valores de torque filtrados e procurar registros em que a diferença passe de zero acima; isso identificará um pico de torque (esse método é essencialmente o mesmo que examinar a primeira derivada de uma função para identificar pontos de transição e, em seguida, examinar a segunda derivada para determinar se o ponto de transição era máximo ou mínimo). Então você pode calcular o tempo decorrido e o torque médio entre os picos, conforme descrito acima, para obter potência e cadência.

Existe uma maneira de verificar se os valores de cadência derivados dessa maneira estão corretos? Não apenas com esses dados. No entanto, quase todos os conjuntos de dados de estágios usuais incluirão a velocidade da roda. A velocidade da roda é tipicamente medida por um interruptor reed (ver esta resposta bicycles.stackexchange para uma descrição de como a velocidade é medida) e é possível usar a velocidade medida e a cadência estimada para calcular a relação de engrenagem implícita. Exceto pelas raras bicicletas com transmissões continuamente variáveis, as relações de transmissão são discretas. Isso significa que, se você plotar a suposta razão de marchas com base na velocidade e na cadência ao longo do tempo, elas devem se encaixar em linhas discretas facilmente reconhecíveis, em vez de em um gráfico de dispersão aleatório. Como exemplo, abaixo você pode ver as relações de transmissão calculadas com base na velocidade e cadência de um passeio. Infelizmente, neste gráfico, você não pode ver a velocidade, mas a cadência medida é mostrada no painel superior, e você pode verificar se ela não é constante, mas varia e diminui. O painel inferior mostra as relações de transmissão calculadas e, como esperado, elas se encaixam em linhas discretas e facilmente identificáveis. Se as cadências estimadas para os dados de alta frequência dos estágios estivessem corretas, as relações de transmissão derivadas delas cairiam em linhas discretas e também coincidiriam com as relações de transmissão definidas pelos anéis e engrenagens reais da corrente na bicicleta do ciclista. Isso forneceria uma verificação e validação do método de estimar a cadência dos intervalos de pico a pico.

Em resumo, esses dados não são fáceis de se trabalhar, mas, evidentemente, surpreendentemente para muitos, ainda é possível obter algumas informações deles. Em combinação com outras informações que provavelmente estarão disponíveis a partir dos arquivos de dados (velocidade e potência) dos estágios usuais, você pode verificar se essa abordagem produziu os valores corretos de torque de alta frequência para ser consistente com os dados de 1 segundo. Em seguida, você poderia usar os valores de torque para examinar a aplicação de energia ao redor do curso do pedal com alguma confiança de que os dados estavam completos e consistentes.

Força negativa de força / torque! + Resistindo ativamente ao pedal. Assim, não há conclusões sobre o "estilo" de pedalar (mesmo para a perna esquerda, que é tudo o que as medidas do Stages) podem ser tiradas de dados como esses.

Eu concordo que ambos estão medindo torque / força. Essa é a proporção que você obteria com manivelas de 170 mm. 1 kgf = 9,80665 newtons. 7,3 * 9,80665 * 170/1000 = 12,2.

Mas sem o ângulo do pedal eu concordo que você não pode calcular o trabalho ou a potência (potência). E isso parece ser apenas um pedal.

stagespower-tech-specs

P = 2 ∗ ((Fave ∗ 9,8 ∗ L) ∗ (R ∗ .1047))
A partir daí, o resto da equação é física padrão. A média   força por revolução (Fave) é medida pelos medidores de tensão em   quilogramas e depois convertidos para torque em Nm (Newton Meters) por   multiplicando-o pelo comprimento da manivela (L) em metros e o gravitacional   constante (9.8m / s ^ 2). Finalmente é multiplicado pelo RPM da manivela que   é convertido em radianos por segundo para obter o poder.

E não entendo o número e a magnitude dos números negativos. Mesmo quando parece que você estava em uma cadência, seu negativo era 1/3 do positivo. E em um trecho você tem negativo que são alguns dos maiores números.