Prototype de Raphaël Lamy | Catégories : Énergie, Outils
Conception et Prototypage Low-tech d’une Assistance Électrique de Vélo dans le cadre d'un projet étudiant CentraleSupélec avec le Low-Tech Lab Boulogne-Billancourt. --- Nommé Kit VALTER (Vélo à Assistance Low-Tech Et Responsable) --- Par Théo, Raphaël et Maxime --- Un remerciement particulier à Gilles, notre encadrant du Low-Tech Lab de Boulogne-Billancourt; Morgan notre encadrant de CentraleSupélec; le fab lab de CentraleSuépelec La Fabrique pour les composants, les matériaux, les outils et l'expertise; et enfin la Siredom (Syndicat pour l'Innovation, le Recyclage et l’Energie par les Déchets et Ordures Ménagères) pour les récupérations en déchetterie.
Conception et Prototypage Low-tech d’une Assistance Électrique de Vélo dans le cadre d'un projet étudiant CentraleSupélec avec le Low-Tech Lab Boulogne-Billancourt. --- Nommé Kit VALTER (Vélo à Assistance Low-Tech Et Responsable) --- Par Théo, Raphaël et Maxime --- Un remerciement particulier à Gilles, notre encadrant du Low-Tech Lab de Boulogne-Billancourt; Morgan notre encadrant de CentraleSupélec; le fab lab de CentraleSuépelec La Fabrique pour les composants, les matériaux, les outils et l'expertise; et enfin la Siredom (Syndicat pour l'Innovation, le Recyclage et l’Energie par les Déchets et Ordures Ménagères) pour les récupérations en déchetterie.
électrique, vélo, assistance, VAE
Pour ce projet, en plus de votre vélo actuel, il est nécessaire de récupérer :
Pour ce projet, il est nécessaire de récupérer :
Il sera nécessaire de se procurer, probablement en achetant plusieurs outils de commande :
De plus, il sera nécessaire de récupérer le code joint pour configurer votre Arduino.
Pour cette partie, de nombreuses possibilités s’offrent à vous, avec les spécificités de votre vélo et le matériel à disposition. Nous allons ici simplement parler de nos choix dans notre projet
Ici, on va chercher à récupérer la manivelle droite avec plateau(x) du vélo récupéré, pour la mettre à la place de la manivelle gauche du vélo qu’on cherche à équiper.
Pour se faire, on retire d’abord la pédale de la manivelle droite du vélo récupéré ainsi que son cache-poussière.
Puis, il existe généralement un écrou ou une vis à retirer qui sécurise le maintien de la manivelle à l’axe, pour ensuite utiliser l’extracteur de manivelle (chercher autres tutoriels en ligne) afin d’obtenir l’ensemble manivelle + plateau(x) du vélo récupéré.
On extrait de la même manière la manivelle gauche du vélo à équiper
On remplace cette manivelle par l’ensemble manivelle + plateau(x) du vélo récupéré en resserrant bien les sécurités et les cache-poussières, puis on peut remettre la pédale (il n’est généralement pas possible de mettre une pédale gauche sur une manivelle droite à cause du sens des pas de vis).
Pour retirer le pignon ou la cassette d’une roue arrière, il existe des outils spécifiques mais dont on peut facilement se passer, il existe de nombreux tutoriels en ligne expliquant comment les retirer.
Cependant, nous avons choisi dans notre cas de garder le tube de la roue pour conserver le filetage permettant la fixation du pignon, car le tube de la roue est fait pour accueillir des diamètres de tiges plus petits et plus adaptés au renvoi d’angle.
On coupe donc au plus proche de la fin de course du filetage pour le pignon, en conservant la butée pour le pignon si elle existe.
Au niveau du renvoi d’angle, un des côtés disposait d’un mandrin de perceuse, qui une fois retiré, laissait place à une tige filetée qui nous a finalement permis d’y fixer le pignon libre.
On coupe une longueur de tube PVC assez longue respectant les conditions suivantes
On modifie ensuite ce tube avec :
Pour empêcher la rotation du tube, il est également nécessaire de réaliser une autre pièce qui viendra se fixer à deux tubes du vélo, et dans laquelle on viendra insérer la pièce précédente à l’aide de deux fourches et d’une coupe en biais.
Cette autre pièce se compose d’un tube PVC de même diamètre
que précédemment, coupé en deux en longueur et d’une longueur comprenant les diamètres des deux tubes contre lesquelles elle vient se poser et la longueur que l’on veut entre ces deux tubes.
On y aménage alors :
On va se servir ici d'un tube en PVC en théorie plus large pour pouvoir y loger la batterie.
Il suffit alors de :
Le tout s'attache ensuite au cadre horizontal du vélo.
Il existe un circuit de commande et un circuit de puissance qui communiquent à l’aide d’un relais mécanique (ou d’un transistor) qui ouvre ou ferme le circuit de puissance selon les ordres du circuit de commande comme le montre le schéma ci-dessous.
Au niveau de la sécurité, il faut s’assurer la séparation des circuits car le circuit de commande est à faible intensité et tension (inferieur à 5V), donc peu dangereux, au contraire du circuit de puissance est à grande intensité (∽10A) et grande tension (∽20V) très dangereux.
L’objectif de ce circuit est d’ouvrir et fermer le relais ou le transistor selon les informations des interrupteurs et capteurs disponibles.
L’idée est d’utiliser une carte ARDUINO très répandu, bon marché et peu gourmande en énergie afin de commander ce circuit, c’est le cerveau de notre projet.
Notre circuit de commande va capter plusieurs informations :
De plus, afin de communiquer avec l’utilisateur, nous utiliserons 3 LEDS (verte, bleue et rouge pour chaque fonctions) pour lui indiquer lorsque chaque circuit sont activés.
Une remarque concernant la dernière fonction selon si vous êtes capable de récupérer le système de commande d’origine du moteur électrique.
Notre circuit s’articule autour de trois petits circuits d’alimentation pour les trois fonctions primaires qui s’activent lorsque la fonction présente est valide.
Voici le schéma électrique de notre circuit de commande. On remarque bien ici les 3 circuits liés à nos trois fonctions et les 3 LED de communications avec l’utilisateur.
Enfin, dans les deux autres cas de figures (récupérations de composants ou utilisation d’un transistor), le circuit de commande est assez peu modifié. Dans ces deux cas, le code de commande est inchangé puisque les seuls changements sont sur la captation de l’information et le type d’instrument pour communiquer avec le circuit de puissance
Il faut ensuite configurer le capteur à Effet Hall, comprendre comment celui-ci peut capter le pédalage du pédalier.
Ce capteur est composé de 2 éléments : des aimants situés sur le pédalier et du capteur en lui-même sur le cadre. En détectant chaque aimant, on va pouvoir déduire une période de détection entre deux aimants et à partir d’une période seuil, on va pouvoir détecter que le pédalier tourner.
De plus, on peut compter le nombre d’aimants que le capteur voit et on veillera à que le pédalier fasse plusieurs tours (pour éviter un trou à l’arrêt par erreur) avant de démarrer.
Nous avons un pédalier avec 5 branches donc un tour de pédalier correspond à un comptage de 5. Donc durant les 10 premiers comptages (2 tours), nous prenons soins d’avoir de système à l’arrêt pour éviter ces tours de pédaliers accidentels.
Enfin, il faut fixer la période de rotation limite pour activer ou non le système, sachant qu’un cycliste pédale à environ 1 tour par seconde, nous avons mis la limite entre 2 aimants à 2 secondes (i.e si l’on fait plus de 5*2=10 secondes pour un tour de pédalier, on considère que nous avons pas envie d’accélérer, donc nous arrêtons le moteur).
On voit bien que dans le programme, on incrémente le comptage des aimants et on actualise la valeur de la variable période.
Certaines variables d’affichages sont volontairement désactivées, elles seront activées durant la phase de mise au point.
La communication avec l’utilisateur se faire à l’aide d’interrupteur pour récupérer les demandes de l’utilisateur et de LED afin de lui signifier les états du système.
L’utilisation de nos LED de communication est résumée dans le tableau ci-dessous.
Fonction | Couleur | Activation* | Valeur de résistance associée |
---|---|---|---|
Démarrage du système | Verte | Circuit électrique | 100 Ω |
Pédalage par l'utilisateur | Bleue | Commande ARDUINO | 100 Ω |
Demande de motorisation | Rouge | Commande ARDUINO | 100 Ω |
* Dans les trois fonctions, les LED peuvent être reliées à leur composant et peuvent être activées électriquement (i.e si le composant renvoie un signal à 5V, nous pouvons allumer la LED avec) afin de réduire le nombre de pin impliqués sur l’ARDUINO. Nous avons décidé pour des raisons d’emplacement et de praticité de commander les LED rouge et bleue avec des pins séparés.
Il ne faudra pas oublier de brancher une résistance avec la LED pour éviter les surintensités dans ces composants fragiles. Cette résistance ne devra pas être trop élevée afin d’ avoir la luminosité suffisante pour être vues par l’utilisateur.
Le code de la carte ARDUINO reprend l’idée des 3 circuits et aussi ajoute des compléments sécuritaires
On va d’abord définir les PIN selon leur type (Entrée ou Sortie) et les variables de comptage (initialisé à 0) et de période (initialiser à 10000 pour éviter le démarrage imprévue).
Ensuite, le circuit est articulé autour d’une boucle vérifiant les trois fonctions vues il y a quelques pages.
On remarque bien les trois fonctions ( verte pour le démarrage, bleue pour le pédalage et rouge pour l’activation de la motorisation).
Enfin, nous pouvons voir les blocs de sécurité, que ce soit afin l’arrêt d’urgence avec l’interrupteur ou bien pour éviter de faire un seul tour accidentel (en noir ).
Pour conclure cette partie, nous somme capable à l’aide du circuit de commande d’activer un relais via un interrupteur de demande de motorisation (ou de commander une PWM via un transistor et un potentiomètre) avec le code précédent.
Nous avons vu qu’avec un capteur à Effet Hall, nous pouvons mesurer la fréquence de rotation pour assurer une bonne sécurité et le démarrage du système.
En piste d’amélioration, nous pouvons imaginer un calcul de la vitesse linéaire du vélo (via le capteur à Effet Hall ou un système GPS).
Nous omettons volontairement la phase de réalisation qui fera l’objet d’un paragraphe spécifique.
L’objectif de ce circuit d’utiliser la commande via le transistor et le relais afin d’allumer le moteur.
Afin de garantir le maximum de sécurité
Les deux derniers dispositifs de protection du moteur et de la batterie sont nécessaires si nous ne sommes pas en mesure de récupérer le système de commande d’origine du moteur (qui permet un arrêt plus doux qu’un interrupteur de demande de motorisation), cependant, afin d’éviter tout risques, nous conseillons d’utiliser ces systèmes dans les deux cas.
Voici les schémas électriques des circuits de puissance :
Pour conclure cette partie sur le circuit de puissance, nous avons vu que ce circuit est très simple pour des raisons de sécurité et que même si nous récupérons le système de commande d’origine du moteur, ce circuit ne varie peu.
L’objectif principal de ce sous-système est de pouvoir communiquer intelligiblement avec l’utilisateurs. Les interrupteurs devront être facilement accessible par l’utilisateur et les LED visibles par ce même utilisateur.
Pour ce faire, nous placerons LED et interrupteurs sur le cadre du vélo, proche de l’utilisateur (similaire à l’emplacement du contrôle du dérailleur sur les anciens vélos). De plus, nous veillerons à prendre une résistance associée à la LED petite (∽ 100 Ω) afin de garder ces LED visibles.
Cette partie concerne seulement les personnes ayant été capables de récupérer le système de commande d’origine du moteur.
Ce système, principalement à gâchette sur les perceuses, devra être situé proche du cycliste idéalement sur le côté gauche du guidon.
Une remarque sur les soudures de ce système : si vous avez besoin d’allongement du câble entre la gâchette et la batterie et le moteur (à coup sûr nécessaire car une perceuse est bien plus compacte qu’un vélo), ne pas toucher aux soudures d’origine entre les câbles et la commande d’origine. On pourra privilégier la coupure des câbles en leur centre et l’insertion d’un câble au milieu. Cela permettra de conserver les soudures d’origine, souvent bien plus solide et fiable.
La carte ARDUINO peut être assez grande, il faut donc prévoir un emplacement pour elle et son alimentation.
Une des premières idées et d’insérer cette carte dans le tube sur le cadre. Nous avons pensée à installer 2 planches afin de caler notre carte ARDUINO.
Cependant, il était impossible de positionner la carte ARDUINO dans cet emplacement, de plus il y aurait pu avoir des problèmes de réchauffement dans le tube.
Après plusieurs recherche & investigations, nous avons donc imaginé une solution meilleure: celle d’utiliser une sacoche afin de placer l’ARDUINO au niveau du cadre.
Au-delà d’avoir un emplacement suffisant, nous avons l’avantage de pouvoir découpler physiquement les circuits de commande et de puissance.
L’idée du circuit électronique est de positionner le circuit de commande proche de la carte Arduino. Le circuit de puissance est lui situé proche du moteur (sauf dans le cas ou vous avez réussi à récupérer la commande d’origine du moteur qui doit être situé proche du guidon afin d’avoir un contrôle plus simple de la part de l’utilisateur).
Nous décomposerons nos remarques sur les deux circuits (commande et puissance) :
La principale difficulté de ce circuit a été d’agencer tous les composants de manière fiable et sécuritaire en protégeant les connections et les contacts à l’Arduino (on privilégiera un shield arduino permettant de viser les pin plutôt que de les clipser).
Ci circuit, malgré sa simplicité apparente devra être brancher de manière extrêmement prudente car il est un circuit de forte intensité et voltage. Les deux composants à brancher (diode roue libre et condensateur de protection) devront être placer proche des éléments qu’ils protègent (respectivement moteur & batterie). On fera attention à qu’ils aient l’espace nécessaire afin de respirer et de se refroidir correctement.
Plusieurs solutions sont envisageables afin de satisfaire l’exigence de la captation du pédalage.
Pour des raisons de coûts, de simplicité de montage et de fiabilité, nous avons décidé d’opter pour la solution avec un capteur à Effet Hall.
On a donc deux composants à bien installer :
NB : Le capteur ayant une faible porté, il devra être positionné au plus proche des aimants. De plus, nous pouvons utiliser plusieurs aimants en superpositions (sur chaque branche) afin d’augmenter le champ de détection possible.
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