Step by Step with power meter - Step 1-1

Introduction

이제는 벌써 거의 한달 전 이야기가 되었군요. 난생 처음하는 전화 인터뷰에서 뭐라고 해야 하나 싶어서 사전에 설문도 하기도 했었는데요. 뭐 결국 될데로 되라는 식으로 대충 막했었습니다만, 설문을 하는 당시에 느낀 것은 생각보다 많은 분들이 우왕좌왕 중이라는 느낌이었습니다. 뭐랄까요? 아직 갈피를 잘 못 잡으신다는 느낌이었습니다. 그래서 그때 당시에 나왔던 질문 내용을 바탕으로 글을 쓸까 해서 나름 정리도 하고 그랬지만, 내용이 너무 방대해져서 본격적으로 글을 쓰는 것은 차일피일 미루게 되더군요. ㅡㅡ;;

그러다가 어제밤에 갑자기 떠오른 말이 있었습니다. 바로 Step by Step 입니다. 예전에 이런 이름으로 된 영어 교제도 있었고 예전 아이돌 그룹인 New Kids on the block의 노래이기도 했었죠. (New Kids on the block이 누군지 모르는 분들도 계실랑가 모르겠네요 ㅎㅎㅎ)

여하튼 이제 부터 단계별로 쪼개서 파워미터를 구입해서 라이딩 하고 훈련하는 과정에 대해서 순서대로 써볼까 합니다. 이걸 얼마나 성실히 잘 이끌고 갈 수 있을런지 모르겠습니다. 인기 없으면 하다 말런지도 ㅋㅋㅋ(무언의 압박입니다 ㅋ)

예상으로는 Step 1에서 Step 7까지로 구분하여 진행 될 것으로 보입니다.

여하튼 이제 시작합니다.

What to buy?

파워미터가 왜 필요한지? 뭐가 좋은지를 이야기 하려면 너무 이야기가 길어지니 이번 연재에서는 건너 뛰겠습니다. 파워 미터의 필요성을 느꼈다면, 그 다음 와 닿는 고민은 바로 뭘 사야 좋을까 하는 고민입니다.

각각의 제품에 장단점이 있기 때문에 파워미터의 동작 방식 등에 따른 장단점을 파악 하지 못한다면, 자신의 사용 패턴과 잘 맞는 제품을 고르기 어렵습니다. 더더욱 현재 시장에서 모든걸 고려해서 딱히 최고라고 하는 제품이 뭐라고 말하기 어려운게 사실입니다.

그럼 시장에 어떤 지품들이 있는지 알아 보기 전에 우선 일반적으로 파워미터는 어떻게 파워를 측정하는지 알아보도록 하겠습니다.

How to measure?

일단 파워미터란? 라이더가 한 일을 측정하는 것입니다. 라이더가 한 일이란 뭘까요? 뭐 간단하죠. 페달을 강하고 빠르게 돌리는 것이 자전거를 타면서 라이더가 한 일입니다. 따라서 파워미터가 측정하는 것은 크게 회전 토크와 회전 각속도를 측정하는 것입니다. 이것을 쉽게 이야기해서 토크와 케이던스를 측정한다고 할 수 있습니다.

파워미터마다 이 두 가지 수치를 어떻게 측정하느냐에 따라 파워미터의 구조가 변경되기도 하고 정확도나 성향이 달라지게 됩니다. 좀 지루한 이야기지만, 이러한 차이를 알아야 각 제품의 장단점이 눈에 보이게 됩니다.

Torque 측정

가장 일반적인 방법은 Strain gauge라고 불리우는 센서를 통해 금속의 변형되는 에너지를 측정해서 토크로 환산하는 방법입니다.

사실 이 Strain guage는 가격이 그리 비싸지 않은 부품입니다. 크게 두 가지 종류로 분류가 되는데 파워미터 분야에서 많이 사용되는 것은 얇은 금속막 형태를 이루고 있는 foil 타입 입니다. 또 다른 하나는 실리콘 타입으로 아직 출시되지 않은 Garmin Vector에 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 어찌되었든 모든 strain gauge의 문제점이 존재하는데 바로 온도 변화에 따른 오차가 존재한다는 것입니다. 이러한 오차를 해결하는 방법은 몇 가지 방법이 존재합니다. 그 중 하나가 몇 개의 strain gauge를 Wheatstone bridge 회로로 구성하여 서로 온도에 따른 오차를 보상하게끔 하는 방법입니다. 그리고 또 다른 방법은 S/W에 의해 오차를 추정 보정 하는 방법입니다. 하지만 보통 하나의 방법으로 완전 깨끗하게 문제가 해결되지는 않기 때문에 복수의 방법을 사용하는 것이 일반적입니다. 그래도 알려진 방법 중에는 Wheatstone bridge를 구성하는 방법이 가장 효과가 좋은 듯 합니다.

추가 관련 자료는 다음의 링크에서 확인 할 수 있습니다.

How Is Temperature Affecting Your Strain Measurement Accuracy? From National Instruments

Angular velocity(Cadence)

이건 많은 분들이 쉽게 예상 할 수 있습니다. 바로 자석과 센서(Reed switch)를 이용하는 방식입니다.

이미 많은 속도계 및 케이던스 센서에서 사용되고 있는 방법입니다. 그러나 파워미터에서는 조금 다른 적용이 이루어집니다. 일반적인 자전거에서 사용되는 속도계나 케이던스 센서는 그렇게 높은 시간에 따른 정밀도가 필요하지 않기 때문에 하나의 Reed Switch만으로도 충분합니다. 그러나 통상적인 Power Meter의 경우 매초 상당히 낮은 케이던스에서도 각속도 또는 케이던스를 측정해야 함으로 인해 여러개의 Reed Switch가 사용됩니다. 보통 5개 정도의 Reed Switch가 배치되는 것이 일반적입니다.

그러나 Reed Swtich는 정확도나 구현의 쉬움이 장점이지만, 단점으로 자석의 위치가 잘못 되었을 경우 오동작을 하는 문제가 있습니다. 그래서 최근에 출시되는 파워미터들의 경우 가속 센서를 활용하는 추세입니다. 그러나 가속 센서의 경우 정확도가 상대적으로 Reed Switch 보다는 떨어진다는 문제가 있으나 실제로 가속 센서를 이용한 파워미터의 경우 사용에 큰 문제가 없음을 흔히 발견할 수 있습니다.(그러나 정지 상태에서 출발하는 트랙 스프린트 종목 같은 경우에도 문제가 없는지 확인이 필요합니다.)

Sampling 방식

보통 잘 이야기 안되는 것이 하나 더 있는데, 바로 파워미터의 데이터 sampling 방식입니다. 위의 토크와 각속도를 모두 측정하지만, 이것을 언제 sampling하여 모니터(ANT+ 수신기)로 전송하느냐의 차이입니다. 크게 파워미터 자체가 파워를 계산할때마다 전송하는 Event-based 방식과 일정 시간 간격으로 데이터를 전송하는 Time-based 방식이 있습니다.

대표적인 Event-based 방식은 SRM 파워미터입니다. 이 방식은 각속도와 토크를 통해 파워가 계산이 가능할때 마다 파워 데이터를 전송하는 방식입니다. 물론 최대 전송 속도 안에서 이루어집니다. 이 방식은 트랙 스프린트 또는 급작스럽게 케이던스를 변경하며 스프린트를 하는 경우에도 충실히 파워 수치를 모니터에 전송하는 방식입니다. 물론 모니터가 전송되는 데이터를 버리던지, 평균치를 구해 버리던지 하는 것은 별개의 이야기입니다.

다른 방식은 바로 Time-based 방식으로 대표 제품은 Power Tap입니다. 이 방식은 연속적으로 구해지는 각속도와 토크를 통해 계산 되는 파워 수치를 매 1초 마다 전송하는 방식입니다. 이 방식의 문제점은 바로 이것입니다. 파워 수치가 1초 마다 전송하고 1초 마다 측정되기 때문에 만약 매초 Sampling 되는 데이터 사이에 큰 차이가 발생한다면, 파워 수치가 잘못 평가 될 수 있습니다. 마치 스파이크가 튀는 것 처럼 잘못된 수치가 나오기도 합니다. PowerTap은 매 Sampling 주기마다 평균치를 구하여 report를 하는데, 그 Sampling 주기 보다 훨씬 빠르게 실제 파워 수치가 변화한다면, 오차가 발생합니다. 이런 것을 Aliasing 현상이라고 하며, 실제 우리가 일상 생활에서 확인할 수 있는 것은 천천히 가속하는 자전거 바퀴 살이나 자동차 바퀴 살을 캠코더로 촬영하여 바라 보고 있으면, 처음에는 바퀴가 정방향으로 회전하는 것 처럼 보이지만, 나중에 속력이 빨라지면, 역 회전하는 것처럼 보이기도 하고 다르게 보이기도 합니다. 이러한 것은 Data의 변화량(Data frequency) 보다 Sampling Frequency가 떨어지기 때문에 발생하는 현상입니다. 

갑자기 생각났는데, 이런 것을 통해서 Data 변화량을 통해 최소한의 Sampling 주기를 알아 내는 방법이 유명한 Nyquist sampling theorem로 알아 낼수 있습니다.(전자/전기 공학 또는 신호처리 전공 하신 분은 기억 나실라나 모르겠습니다. ㅋ) 뭐 여하튼, 이 때문에 PowerTap은 1초 안에 변화량이 너무 크면, 잘못된 파워 수치를 전달하는 문제가 있습니다. 그러나 장시간에 걸친 파워 수치라면 큰 문제는 되지 않습니다. 단지, WKO+의 Quadrant Analysis를 하는데 조금 문제가 있다는 것과 트랙의 Standing Start를 하는 Sprint 종목에서는 조금 문제가 있을 수 있습니다.

첫 글이 좀 지루한 글이 되었습니다만, 다음 부터 나올 각 모델별 특징을 살펴 볼때, 이해하는데 도움이 될 것이라 생각됩니다.

다음에는 실제 시장에 출시되어 있는 모델별로 특징을 정리해 보도록 하겠습니다.