Electric Assist on handbikes

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Presentation of d & rsquo project Electric Assist on handbikes
Handisport cycling has existed in France for almost forty years solo for the physically disabled, and
for about thirty years in tandem for the visually impaired. In the late 1990s, a practice of
cycling adapted for people in wheelchairs appears: the handbike. People with
of hemiplegia, BMI can also practice the activity in a tricycle.
The Handbike is intended for paraplegic, quadriplegic runners, as well as certain
hemiplegic or amputee.
It is a 3-wheel machine with manual propulsion (cranks), composed of a chassis / chair / wheels assembly.
The racing distances can vary from 25 to 80 km depending on the sports classes. ..

electric handbikdehandbikde2

The objective of the project in association with APRAIH * is to offer a electrical assistance on the handbikes.
The handbike must make it possible to make a journey by offering the possibility of an electric pedaling aid. He must
also allow the transcription of the trip on a electronic map to d & rsquo; provide medical care
the progress of the person by distance measures and by taking into account the diversity of
course.
The assisted handbike must comply with European Directive 2002/24 / EC which limits the engine power to 250
Watts and the judgment ofelectrical assistance in well-defined use cases. The user must be able to
remote control attached to the hand pedals choose an operating mode of theelectrical assistance :
• Manual mode: The user continuously adjusts the electrical assistance using a remote control fixed on
the hand crank
• Automatic mode: The electric assistance will regulate the speed of the handbikes depending on the hand crank
In both cases, the electrical assistance must be cut in the event of braking, stopping the pedaling operation
hand and in case the speed is higher than 25 km / h.
The user has a display to view in real time the battery life, speed, distance
and how the handbike works.
Architecture overview:

2015-12-15_152955

Week 1 of the handbike project (BTS Digital Systems Lycée Livet Nantes)

We received the wheel equipped with a brushless motor with its variator. These elements are provided by the company Power e-bike. The delivery went very well. We can now put this wheel on the handbike. The Distrame company donates a 36V battery to power the system. The project can start with our students. The first step is to study their specifications and thus reflect on the different technological solutions.

professors

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Handbike: project support Delivery of the LIGHT mini rear 26 inch RH112 motor kit

Students' words

Lauriane, Alexandre, Angelo and Sidney Group

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For the first hours of the project we defined the different tasks for each student.

Angelo s’occupera de l’installation d’un boîtier de commande permettant le contrôle de l’assistance électrique. Cela sera réalisé, pour l’instant, avec une télécommande Wii « Nunchuk ». Le Joystick servira à réguler la puissance du moteur électrique, les boutons serviront à activer le mode Automatique ou Manuel de l’assistance. Cette assistance électrique permet de limiter l’effort du cycliste. Alexandre travaille sur la réception et le stockage des données GPS. Le module GPS captera les signaux des satellites pour ainsi tracer le parcours de l’HandBike. Ces informations seront stockées pour ensuite être traitées. Lauriane doit gérer un affichage ergonomique des données, tel que la vitesse, la distance, le niveau de batterie, ainsi qu’un menu permettant de visualiser le mode d’assistance.

Groupe Malo, Christopher, Riadh, Dorian

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Our group is the one in charge of the micro-programmed control and management system. Malo is responsible for managing the power supply of the system via a 36V / 15Ah battery supplied by the company DISTRAME and for measuring the voltage and current. Riadh must control the brushless motor and measure the speed of the motor. Christopher must implement a slope gradient sensor to steer assistance in automatic mode. Dorian is responsible for sensing the rotation of the crankset to calculate its speed and for transmitting and receiving system data from the other group, in charge of the control and display unit.

Aliaume, Arnaud, Alexandre, Raphael Group

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To carry out our project, we divided the work, each person in the group takes care of a part with relations between the members of the group. Our objectives are to calculate the rotation speed of the crankset, detect braking, measure the slope and calculate the gradient of the road. All of this information must act on the pilotage of engine. Ne need to measure current and voltage the battery to check its capacity. We will also study the possibility of recoveringis the energy in the battery. GivenIt's that we are working in parallel with another group. We must transmit and receive the modes of operation from the menu drive control and display system.

Clément, Aubin, Quentin, Quentin Group

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We rIt'sparty work at 4. One of us must allow the user to manage the level of support of the motor and the choice of assistance mode (automatic and manual). Another doit record the coordinates of the route, for this it must process the GPS data and ensure the memorization of this data. Then you have to manage the amount of battery energy, inform the user about the speed and the distance traveled and manual or automatic assistance mode. Finally we must restore the coordinates of the route and allow a reading of the stored data.

see you soon for week 2!

first measurements on the Brushless drive

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le handbike est maintenant équipé avec le Kit LIGHT mini moteur Arrière 26 pouces RH112. Après quelques réglages mécaniques tel que le frein de parking et le frein classique le handbike est opérationnel. Pour effectuer des essais sur le moteur et le variateur, les étudiants ont monté l’ensemble batterie, variateur et l’accélérateur manuel. Les premières mesures de vitesses sur le variateurs sont réalisées ( 44 impulsions par tour de vélo). Il devient simple de compter le nombre de tour de la roue et donc de déterminer la distance parcourue. Le calcul de la vitesse nécessite une donnée temps qui est déterminée sur la carte électronique. Le calcul de la vitesse roue et aussi pédalier est donc réalisable.

Kit power-e-bike rh112 and battery HANDBIKE

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A student made current measurements on the battery. We can observe a peak at 15 A at start-up (brake activated to simulate a resistant force). It is observed that the current is less than 1 A when the wheel does not touch the ground. The current should be around 2 A when used on the road (i.e. an autonomy of 6 to 7 h for a 15A / h battery).

All of the students test their electronic components to validate each function of the project. When the solution is validated, They Produce using CAD (computer-aided design) the structural diagrams of the electronic cards.

In the coming weeks we will present the structural diagrams to you. This step is important for the realization of printed circuits (realization plan of electronic cards always on CAD). When these plans are completed, we can manufacture the electronic cards

Electronic structural diagram Printed circuit board

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words of & rsquo; students

teams ARDUINO

Lauriane, Alexandre, Angelo and Sidney Group

control and display Case

After testing and analysis, we determined which components would be most suitable for our project.

Lauriane, who takes care of the display and calculation part, chose an E-paper "EA-LCD-009" graphic display because it was available directly and the dimensions are adequate for the project.

display

Copying and processing without the written permission of www.tme.eu is prohibited.

Sidney, who is working on the communication part between the two Arduino boards and sending GPS data, has determined that the Bluetooth ™ Module "FB155BC" was the most suitable means of transmitting GPS data to the physiotherapist's PC.

Alexander, who is in charge of receiving and storing GPS data, decided to use the OEM GPS receiver "EM-506" because it is simple to use, fast, precise and inexpensive.

GPS receiver MEASURES GPS signals

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Angelo has to control the electric assistance using a remote control. The solution chosen is ultimately the nunchuk which is the most practical to use since the controller communicates in I2C (therefore only uses two pins) and has enough buttons for the options desired on the Handbike.

Wii_nunchuk_controller_side

Groupe Malo, Christopher, Riadh, Dorian

Map drive control system

Our group chose the electronic components to be implemented for the smooth running of the project:

  • Christopher chose a digital type accelerometer (an ADXL362). This component measures the slope of the road to automatically start the electric assistance

  • Dorian utilise un PAS, plus précisément, un capteur de pédalage à 8 aimants et un frein v-brake à coupure électrique. Le PAS permet au micro-contrôleurs de calculer la vitesse du pédalier. Le frein à coupure électrique permet d’arrêter l’assistance électrique au pédalage

  • Malo must use a current sensor and an operational amplifier to measure the current output from the battery. a divider bridge to measure the voltage, a 42V to 5V switching regulator, a 5V regulator to 3.3V as well as an electronic relay to allow the battery to recharge during a steep descent. The goal is to determine the capacity of the battery

  • Riadh uses a DAC (Analog Digital Converter) which will allow it to control the drive. The first speed measurement tests were conclusive (max speed measured in km / h on the wheel without friction).

Calculation AND measurement of motor and pedal speed on ARDUINO card (max speed 39km / h)

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Clément, Aubin, Quentin, Quentin Group

Equipes PSOC

control and display housing

Dans notre projet :« HandBike », nous avons réussi à afficher des commandes tels que la vitesse, la distance et le pourcentage de charge de la batterie. Nous avons également réussi à afficher un logo du lycée Livet.

Nous avons effectué un bon de commande pour tout le groupe ( ex : afficheur, module bluetooth SPI, module GPS, bouton poussoir.. )

Nos schémas structurels sont également terminés et complétés avec des points tests. Nous avons commencé les algorithmes de chaque tâche et nous commençons la programmation sur CyPress.

Actuellement nous rencontrons des difficultés sur la tâche du GPS car il n’y a pas de librairie sur PSOC.

display

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Aliaume, Arnaud, Alexandre, Raphael Group

Map drive control system

Nous avons dû choisir nos structures pour pouvoir répondre à nos fonctions respectives. Pour la partie capteur de rotation du pédalier, la solution choisie a été un capteur doté de 8 aimants. Pour la partie capteur de freinage, il s’agit d’une poignée spéciale doté d’un interrupteur normalement ouvert.
Pour la partie mesure de la déclivité de la pente j’ai choisis un capteur 12 bit I2C : le MMA8452Q.
J’ai étudié sa documentation en détail afin de la simuler avec un exemple de programme trouver sur internet .

Afin de calculer le nombre de pulsations émises par le moteur en un tour de roue, nous avons utilisé un oscilloscope. Puis pour obtenir le résultat, nous avons fixé un aimant sur la roue, puis grâce à un capteur, nous avons pu voir le nombre de pulsations pour un tour sur 2 courbes sur l’oscilloscope.

De manière à pouvoir voir le niveau de batterie restant dans cette dernière, nous avons du faire un pont diviseur de tension, et relier la sortie à une broche du PSOC qui feras la conversion Analogique à Numérique pour traiter l’information.

To measure the intensity coming out of the battery we opted for an LEM module which will be connected in series to the (+) terminal of the battery.

handcycle project (HANDBIKE video with power-e-bike KIT)

Appointment in 3 weeks (and yes the students are on vacation) for the presentation of the electronic diagrams !!!!

Project 3 and 4 structural diagrams: Arduino board

diagram p3

Alexandre Rousselot:

I'm in charge of the GPS part of the system. The EM-506 GPS module, used to retrieve geographic coordinatess, is supplied with 5 V. It is connected to an Arduino Nano by a UART RX (reception) / TX (transmission) link. The map Arduino having only one UART port, I have to adapt the program so that the connection is made in software.

GPS data (NMEA frame) must be stored. For this I use an EEPROM memory of 256kb of capacity connected in I2C, SDA / SCL, to the Arduino board.

Angelo Beroud:

My part is to adjust the electric assistance with a control. I chose to use a nunchuk controller from the Wii console because it works in liaison I2C, which saves the number of pins used on the Arduino board, since the I2C only uses 2 pins. However, since several modules use I2C, each slave address must be assigned, that of the nunchuk being 0x52.

the data modified by nunchuk doivent être traitées de sorte à être affichées sur l’écran LCD programmé par Lauriane Gaillard, we must work together to implement this link. They must also be processed in order to define a manual / automatic mode of assistance as well as regulate assistance in manual mode, it is therefore necessary to communicate with the engine managed by Riadh Salmi.

Lauriane Gaillard:

JI have to set up the display. I chose the TFT LCD Arduino car il peut se câbler en SPI, it has a short response time which allows a display of the data in real time, moreover, it is easy to use thanks to the libraries.

I must display speed and continuously the level of the battery and create a menu so that the user can select:

  • manual or automatic mode l & rsquo; electrical assistance
  • wind power to adapt the & rsquo; electrical assistance when & rsquo; support is in automatic mode
  • the total path distance by cycling an odometer that & rsquo; user can reset

Sidney Boutin :

My part consists in communicating in I2C (2 wires a clock and a data wire) with the control card to allow sendingis commands from the nunchuk to the engine and vice versa with the speed coming from the engine to the display. The Bluetooth module communicates in UART link (TX (send) / RX (receive)) with Arduino which will send the GPS data stored in the memory and transmit it wirelessly to the PC of the physiotherapist and then with software display the routes on a map.

diagram p4


Ma partie consiste à mesurer le courant et la tension de la batterie. Dans le carré 1 j’ai mis en place un régulateur 42V vers du 5V et un autre qui convertie le 5V en 3,3V. Le carré 2 est un pont diviseur de tension qui permettra de mesurer la tension de la batterie. Le carré 3 est le schéma d’un module capteur de courant et qui va permettre de mesurer le courant de la batterie. Et pour finir, le dernier carré, le 4, est le schéma d’un amplificateur opérationnel qui comme son nom l’indique va servir à amplifier le signal en sortie du capteur de courant et donc augmenter la précision des mesures.
cette partie est utilisée pour mesurer la pente à l’aide d’un accéléromètre. Pour les bornes SCLK / MOSI / CS, j’utilise un pont diviseur de tension pour convertir le 5V en 3,3V.
Les parties entourées sont des borniers connectés respectivement au Frein et au PAS.

La partie Frein est connectée à la carte Arduino sur la pin 4. La réglementation fait que si le moteur est activé et que le Frein est utilisé, l’assistance électrique doit obligatoirement s’arrêter. Cette partie permet de capter si le Frein est activé ou non. Le niveau haut (+5V) correspond au Frein quand il n’est pas utilisé et le niveau bas (0V) correspond à l’activation du Frein.

La partie PAS (Capteur de Pédalage) est connectée à la carte Arduino sur la pin 2 en interruption. L’interruption permet simplement de ne pas bloquer le programme principal et de faire un programme parallèle afin de traiter les informations reçus du PAS. La réglementation indique que si l’utilisateur arrête de pédaler, l’assistance électrique doit s’arrêter. Le câble d’alimentation doit être relier au câble du signal avec une résistance de 10k sinon aucune donnée n’est reçu.

My part is to have the 3 speeds (100% speed, 60% speed and 30% speed) controlled by NPN transistors. A DAC (Analog Digital Converter) is used to control the drive.

Project 1 and 2 structural diagrams: Psoc card

DESIGN ELECTRONIC CARDS

CARD MANAGEMENT DISPLAY

After phases of tests and designs, the card that we produced allows us to gather all the components and all the parts of our project. Sidney BOUTIN and Angelo BEROUD produced the STRUCTURAL diagram using Proteus ISIS software. Lauriane GAILLARD took care of the routing on the ARES software. The circuit is sized to be placed on the bottom bracket in front of the user. A case in 3D realization is envisaged to place the electronic card of the nunchuk. The display management electronic card has 4 connectors

J5 display: Connection with the display

J4: I2c type link with the drive management card

J1 : nunchuk

J2 : module GPS

Final version diagram: DISPLAY MANAGEMENT CARD

schémacartecommande

PRODUCTION PROTOTYPE

Map MANAGEMENT DISPLAY

Nous avons ensuite imprimé le typon sur une plaque epoxy pré-sensibilisée afin de réaliser le circuit imprimé . Pour cela, nous avons percé et soudé les composants tour à tour, en ayant au préalable testé le circuit, à savoir la continuité des pistes avec un multimètre. Une fois les composants soudés, nous avons tester qu’il n’y avait aucun court-circuit et le bon fonctionnement des composants intégrés. Actuellement tout les composants fonctionnent correctement et nous continuons à élaborer et à améliorer nos programmes afin de créer un programme principal rassemblant et gérant toutes les parties du projet.

Routing DISPLAY CARD MANAGEMENT

printed circuit board

PROTOTYPE DISPLAY CARD MANAGEMENT

cartecommande

Nous pouvons observer une LED verte qui permet de vérifier la présence de l ‘alimentation de la carte). La LED bleu représente indique le bon fonctionnement du microcontrôleur ARDUINO. Nous observons les connecteurs ( noir à droite pour l’afficheur et blanc pour le GPS, noir à gauche sur le haut de la carte pour la nunchuck et noir en Bas pour la liaison I2c. La LED blanche permet de vérifier la communication vers le module Bluetooth. Le circuit vert représente le module Bluetooth. Le circuit noir entre le module Bluetooth et le microcontrôleur représente la mémoire qui stocke les données du parcourt captées par le GPS.

USER MENUS

L’objectif est d’établir sur l’afficheur un menu utilisateur pour faciliter la configuration du handbike. En résumé, l’utilisateur peut utiliser le handbique en mode manuel ou automatique.

Mode manuel : l’utilisateur pilote l’assistance à partir de la nunchuk.

Mode automatique : la carte gestion variateur pilote l’assistance en fonction de la pente et de l’action de utilisateur sur le pédalier.

Pour le mode manuel l’information assistance sera transmise par la liaison I2C sur la carte gestion Variateur qui pourra ainsi piloter le variateur et donc le moteur.

Visualisation des Menus pour l’utilisateur.

User menu MANUAL

ecran3

L’affichage permet de visualiser la vitesse de l’handbike, le mode de fonctionnement (manuel M ) l’état de la batterie et la consigne de la nunchuk représenté par le barregraphe. Ce barregraphe donne à l’utilisateur la consigne d’assistance. Le maximum étant de 200 Watt.

MENU CONFIGURATION

ecran1

L’utilisateur peut choisir les conditions climatiques suivant la force du vent. Cette consigne pourra permettre d’augmenter l’assistance.

User MENU AUTO MODE

ecran2

L’utilisateur Observe le mode (automatique A). Il visualise toujours la vitesse et l’état de la batterie. L’assistance n’est pas affiché car elle est gérée par la carte GESTION VARIATEUR.

L’objectif est de réussir maintenant à connecter cette carte avec la carte GESTION VARIATEUR et de pouvoir valider la communication inter-carte. Nous pourrons ainsi tester et valider notre carte sur le handbike.

CARD MANAGEMENT DRIVE

Après des phases de tests et de conceptions, la carte que nous avons réalisé permet de rassembler tout les composants et toutes les parties de notre projet. Malo et RIADH ont réalisés le schéma STRUCTUREL et le routage sur le logiciel ARES. Le circuit est dimensionné pour pouvoir être placé à côté de la batterie. . La carte électronique Gestion variateur dispose d’un ensemble de connecteurs pour relier les organes important du système. Cette carte est donc relié au variateur, à la batterie et à la carte GESTION de l’affichage. Nous avons aussi adapter les borniers du variateur pour pouvoir la relier à notre carte.

Schéma version finale : CARTE GESTION AFFICHEUR

cartevariateur

PRODUCTION PROTOTYPE

Carte GESTION VARIATEUR

Nous avons ensuite imprimé le typon sur une plaque epoxy pré-sensibilisée afin de réaliser le circuit imprimé . Pour cela, nous avons percé et soudé les composants tour à tour, en ayant au préalable testé le circuit, à savoir la continuité des pistes avec un multimètre. Une fois les composants soudés, nous avons tester qu’il n’y avait aucun court-circuit et le bon fonctionnement des composants intégrés. Actuellement tout les composants fonctionnent correctement et nous continuons à élaborer et à améliorer nos programmes afin de créer un programme principal rassemblant et gérant toutes les parties du projet.

Routing DISPLAY CARD MANAGEMENT

cartecuivrevariateur2

cartecuivrevariateur

Nous visualisons les deux faces du circuit imprimé. La face appelée cuivre ( en haut) et la face côté composant (en bas)

PROTOTYPE DISPLAY CARD MANAGEMENT

cartevariateurcomp

Les connecteurs blanc sont donc reliés aux variateurs. Le connecteur noir au centre de la carte permet de réaliser la communication I2c avec la carte GESTION AFFICHEUR.

Nous avons testé et corrigé dans un premier temps les liaisons cuivres sur le circuit imprimé et supprimé les court-circuits. Nous commençont la phase de test de chaque composant avec les programmes. L’objectif est de piloter le variateur dans le deux modes de fonctionnement ( manuel et automatique).

_ pour le mode manuel : nous devons récupérer la consigne par la liaison I2C de la carte GESTION AFFICHAGE.

_pour le mode automatique : L’accéléromètre piloté par le microcontrôleur pourra détecter la pente et ainsi en fonction de l’action sur le pédalier définir une consigne d’assistance

Cette consigne sera transmise par le microcontrôleur au convertisseur numérique analogique et ainsi piloter le variateur. La tension de commande du variateur varie entre 1V et 3,8V. Le variateur pourra ainsi commander le moteur brushless (200Watt d’assistance pour l’utilisateur).

cartevariateurcms

L’objectif est de réussir maintenant à connecter cette carte avec la carte GESTION AFFICHAGE et de pouvoir valider la communication inter-carte. Nous pourrons ainsi tester et valider notre carte sur le handbike.

à suivre dans la prochaine publication.

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