DE10144309A1 - Ski-Speed-System, Gerät zur Geschwindigkeitsmessung beim Skifahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht aus einem Gerät, dass dazu dient, beim Skifahren oder ähnlichen Bewegungsabläufen die Fahrtgeschwindigkeit zu messen und anzuzeigen. Dazu wird mit einem Höhenmesser die zurückgelegte Höhe in einer bestimmten Zeit gemessen und mit einem Neigungssensor die Neigung des Untergrunds in dieser Zeit bestimmt. Aus diesen Werten wird dann trigonometrisch die Geschwindigkeit berechnet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Gerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Damit beim Skifahren oder ähnlichen Sportarten (bzw. bei allgemein ähnlichen Bewegungsabläufen) die Fahrtgeschwindigkeit, die zurückgelegte Strecke und damit zusammenhängende Werte gemessen werden können, muss man einen Höhenmesser mit einem Neigungssensor kombinieren, sodass man Weg und Geschwindigkeit berechnen kann.
• Es sind verschiedene Arten der Geschwindigkeitsmessung bekannt. Die im Bereich Sport wohl am häufigsten benutzte Methode ist diejenige, die die Zahl der Umdrehungen eines mitlaufendes Rades innerhalb einer bestimmten Zeit misst und mittels des Umfangs dieses Rades die Geschwindigkeit berechnet.
• Eine andere Methode funktioniert mittels GPS und berechnet mittels der Entfernung zwischen zwei bestimmten Orten die Geschwindigkeit.
• Es gibt auch die Möglichkeit die Geschwindigkeit über den entstehenden Winddruck zu messen. Diese wird allerdings aufgrund der verhältnismäßig geringen Genauigkeit und der hohen Störanfälligkeit nur sehr selten genutzt.
• Außerdem gibt es digitale Höhenmesser, die mittels des Luftdrucks die aktuelle Höhe bestimmen, und die sich bequem als Armbanduhr tragen lassen. Diese messen unter anderem die Höhendifferenz, die in einer bestimmten Zeit zurückgelegt wurde, und bestimmen damit die Vertikalgeschwindigkeit. Diese Geräte arbeiten inzwischen mit einer sehr hohen Genauigkeit.
• Diese Höhenmesser bieten allerdings nicht die Möglichkeit die konkrete Fahrtgeschwindigkeit zu bestimmen, da diese Geschwindigkeit nicht nur von der zurückgelegten Höhendifferenz in einem bestimmten Zeitabschnitt abhängig ist. Daher können auch Werte, wie die zurückgelegte Strecke oder ähnliches, nicht gemessen werden.
• Auch die Geschwindigkeitsmessung mittels GPS bietet liefert keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da bei dieser Methode von einer horizontalen Bewegung ausgegangen wird.
• Da es beim Ski oder ähnlichen Sportgeräten keine mitlaufenden Räder gibt und dies auch ohne starke Einschränkungen der Bewegungsfreiheit nicht zu erreichen ist, bildet auch die oben genannte Möglichkeit die Geschwindigkeit zu messen keine Lösung.
• Die Methode der Messung mittels Winddruck wäre zwar prinzipiell möglich, liefert aber aus oben genannten Gründen keine zufriedenstellenden Ergebnisse.
• Aufgabe der Erfindung ist es ein Gerät zu liefern, das beim Skifahren oder ähnlichen Bewegungsabläufen zuverlässig und mit annehmbarer Genauigkeit die Geschwindigkeit misst.
• Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die Fahrtgeschwindigkeit ist prinzipiell von drei Faktoren abhängig: erstens von der zurückgelegten Höhe (der Vertikalstrecke), zweitens von der Neigung des Untergrunds, während man diese Vertikalstrecke zurücklegt, und drittens von der Zeit, die benötigt wird um diese Strecke zurückzulegen.
• Diese drei Messwerte lassen sich recht einfach mit ausreichender Genauigkeit während der Fahrt ermitteln, ohne den Fahrkomfort einzuschränken.
• Auch die Berechnung der Geschwindigkeit aus diesen Messwerten lässt sich ohne bedeutenden Verlust an Genauigkeit anstellen.
• Außerdem lassen sich mit diesen drei Werten problemlos weitere für den Nutzer sehr interessante Daten berechnen oder speichern. So können zum Beispiel die zurückgelegte Tagesstrecke, die Durchschnitts- oder die Maximalgeschwindigkeit angezeigt werden.
• Darüber hinaus liefern auch die einzelnen Komponenten wichtige Ergebnisse. So lassen sich mit dem Höhenmesser verschiedene Funktionen, wie zum Beispiel aktuelle Höhe, zurückgelegte Höhe (bzw. Vertikalstrecke) usw., wie sie von modernen digitalen Höhenmessern bekannt sind, anzeigen. Da dieser Höhenmessung ein Luftdrucksensor zugrunde liegt, ist auch die Anzeige verschiedener barometrischer Funktionen möglich.
• Außerdem bietet der Neigungssensor die Möglichkeit die aktuelle, die durchschnittliche oder zum Beispiel die maximale Hangneigung zu bestimmen.
• Da außerdem die Messung der Zeit nötig ist, lässt sich auch eine Uhr oder eine Stoppuhr oder ähnliches integrieren.
• Dies alles ist ohne zusätzliche Geräte möglich.
• Der Höhen- und Zeitmesser lassen sich problemlos in einer Art Armbanduhr unterbringen. Diese Uhr kann gleichzeitig auch zur Anzeige der Werte dienen. Der Neigungssensor lässt sich an einer beliebigen Stelle auf dem Ski anbringen und kann über Funk die Messwerte an einen Empfänger, der sich ebenfalls in der Uhr befindet, schicken.
• Da sich dieser Sensor an einer beliebigen Position auf dem Ski anbringen lässt und die Übertragung problemlos über Funk erfolgen kann und sich die anderen Geräte bequem in der Armbanduhr unterbringen lassen, stört die gesamte Vorrichtung den Fahrkomfort nicht.
• Da die Benutzung eines solchen Geräts besonders bei gutem Wetter interessant ist, ließe sich ohne größeren Aufwand und ohne den Fahrspaß einzuschränken, zusätzlich zu dem Neigungssensor auch noch ein Solarzellenmodul auf dem Ski installieren, das dann den Sensor und den Sender mit Strom versorgen könnte.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden beschrieben und durch die Zeichnungen veranschaulicht.
• Fig. 1 Aufsicht und Seitenansicht eines Skis zur Positionierung und Ausrichtung des Neigungssensors
• Fig. 2 Konstruktionsskizze zur Veranschaulichung der Geschwindigkeitsberechnung
• Zunächst ist es notwendig, einen Neigungssensor, dessen Messwerte nicht von Beschleunigung beeinflusst werden, (zum Beispiel einen thermodynamischen Neigungssensor) auf der Oberseite eines Skis anzubringen.
• Die einfachste Möglichkeit besteht darin den Sensor so auszurichten, dass er die Neigung des Skis in Längsrichtung misst (siehe Fig. 1). Die Position des Sensors auf dem Ski ist dabei beliebig. Daher sollte dieser so positioniert werden, dass er sowohl beim Transport, als auch beim Fahren nicht stört, zugleich aber auch vor Schlägen und Kratzern geschützt ist. Es ist daher empfehlenswert, den Sensor direkt hinter der Bindung anzubringen (siehe Fig. 1).
• Um die lästige Datenübertragung per Kabel zu umgehen, ist es sinnvoll, diesen Sensor direkt an einen Sender anzuschließen, der unmittelbar neben dem Sensor montiert ist. Dieser Sender dient dazu, die Messdaten des Neigungssensors an einen Empfänger zu schicken, der sich am besten in einem Gehäuse befindet, das wie eine Armbanduhr zu tragen ist.
• In dieser Armbanduhr ist nun, wie es bei modernen Höhenmessern üblich ist, ein Luftdrucksensor und ein Zeitmesser zu installieren. Ebenfalls in dieser Armbanduhr sollte sich ein fest programmierbarer Chip befinden, an den sowohl dieser Luftdrucksensor und der Zeitmesser, als auch der Empfänger, der mit dem Neigungssensor verbunden ist, die Daten übermitteln. Dieser Chip ist so zu programmieren, dass er die Daten wie im Folgenden beschrieben verarbeitet und die Ergebnisse dann an eine Anzeige der Armbanduhr weiterleitet.
• Es besteht auch die Möglichkeit alle hier beschriebenen Komponenten (Luftdruck- und Neigungssensor, Zeitmesser, Chip und Anzeige) direkt auf dem Ski zu montieren. Man umgeht damit die Datenübertragung per Sender und Empfänger. Allerdings benötigt man dann eine große, auch aus der Entfernung lesbare Anzeige und außerdem wird die Bedienung des Geräts (zum Beispiel das Eichen oder das Umschalten zwischen Funktionen) aufgrund der Entfernung schwierig. Dies geschieht bei der Armbanduhr bequem durch Tasten, wie es bei Digitaluhren üblich ist.
• Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, sollte man mit einer hohen Taktfrequenz (von zum Beispiel einer Sekunde) die Messwerte von Neigungs- und Luftdrucksensor vom Chip einlesen lassen. Diese hohe Messfrequenz stellt kein Hindernis dar, da sich diese Messungen automatisch während der Fahrt anstellen lassen und außerdem heutige Sensoren so genau arbeiten, dass eine solche Taktzeit sinnvoll möglich ist.
• In diesem Beispiel wird angenommen, dass der Neigungssensor Messwerte in Grad ausgibt und dass die Nulllage auf die waagrechte Skistellung justiert ist. Außerdem wird angenommen, dass der Luftdrucksensor den Absolutdruck in Millibar (bzw. in Hektopascal) ausgibt. Bei anderen Ausgaben müssen die im Folgenden beschriebenen Umrechnungen entsprechend angepasst werden.
• Da sich die Höhe über dem Meeresspiegel als Funktion des Luftdrucks darstellen lässt, kann man aus den Daten des Luftdrucksensors, wie es bei Höhenmessern allgemein üblich ist, die aktuelle Höhe mit zufriedenstellender Genauigkeit berechnen. Dazu gibt es verschiedene Verfahrensweisen. Es soll hier genügen, eine davon vorzustellen. Bei allen diesen Methoden muss man aber den Höhenmesser immer wieder eichen, da der Luftdruck auf Meereshöhe wetterbedingt schwankt. Dieser Vorgang wird unten im Text beschrieben.
• Die Umrechnung erfolgt nach folgender Formel:
  
  
  
• Zur Berechnung der zurückgelegten Höhendifferenz (Vertikalstrecke) muss immer der errechnete Höhenwert, des vorhergehenden Messtaktes gespeichert werden. Dieser wird dann vom aktuellen Wert subtrahiert und man erhält so die zurückgelegte Höhendifferenz pro Zeiteinheit bzw. Messtakt. In diesem Beispiel wird ein Messtakt von einer Sekunde angenommen. Man erhält dann die Höhendifferenz pro Sekunde.
• Mit diesem Wert lässt sich nun unter Bezugnahme der aktuellen Neigung die absolute Geschwindigkeit trigonometrisch berechnen. Diese Berechnung ist in Fig. 2 veranschaulicht und erfolgt nach folgender Formel:
  
  
  
• Es wird empfohlen, die Geschwindigkeit in Kilometer pro Stunde umzurechnen. Dieser Wert kann mittels der Anzeige ausgegeben und jede Sekunde aktualisiert werden.
• Zusätzlich dazu lassen sich nun verschiedene weitere Werte berechnen bzw. speichern und anzeigen.
• Es bieten sich verschiedene Geschwindigkeitsfunktionen (wie zum Beispiel Durchschnitts- oder Maximalgeschwindigkeit), Streckenfunktionen (wie zum Beispiel Tages- oder Gesamtstrecke), Neigungsfunktionen (wie zum Beispiel aktuelle oder maximale Hangneigung), Höhenmesserfunktionen (wie zum Beispiel aktuelle Höhe oder zurückgelegte Vertikalstrecke) und verschiedene barometrische Funktionen (wie zum Beispiel aktueller Luftdruck auf Meereshöhe) an. Da die Berechnung dieser Werte, wenn die Berechnung der Geschwindigkeit bekannt ist, keine wesentlichen neuen Verfahrensweisen verlangt, soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
• Da sich der Luftdruck jedoch nicht immer unmittelbar ändert, sobald man sich in Bewegung setzt, kann es trotz sehr guter Sensoren vorkommen, dass der Luftdrucksensor etwas verzögert reagiert. Außerdem kann es aufgrund von Erschütterungen oder kurzzeitigen sprunghaften Bewegungen zu verfälschenden Messwerten des Neigungssensors kommen.
• Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, den Sensor während der Messintervalle mehrere Messungen vornehmen zu lassen und zur Berechnung einen Durchschnittswert von mehreren dieser Messungen (evt. auch von mehreren Intervallen) zu verwenden, sodass auch die Neigung zu der gemessenen Höhendifferenz passt. Da die Verzögerung des Luftdrucksensors allerdings unterschiedlich ausfällt, sollte man diese Justierung erst nach praktischen Tests der benutzten Sensoren durchführen.
• Um verfälschende Messwerte beim Anhalten zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Berechnungen automatisch einzustellen, nachdem mehrere Sekunden lang keine Vertikalstrecke zurückgelegt wurde.
• Wie oben beschrieben muss der zur Höhenmessung benutzte Luftdrucksensor aufgrund von wetterbedingten Luftdruckschwankungen immer wieder geeicht werden. Dies kann prinzipiell auf zwei verschiedene Arten geschehen.
• Die erste Möglichkeit besteht darin, den aktuellen Luftdruck bezogen auf Meereshöhe einzugeben. Da dieser allerdings besonders an bestimmten Orten schwer festzustellen ist, empfiehlt sich zur Eichung eher die folgende Methode: An einem bestimmten Ort, dessen Höhe über dem Meeresspiegel bekannt ist, wird diese eingegeben. Der aktuelle Luftdruck bezogen auf Meereshöhe lässt sich dann mit folgender Formel berechnen:
  
  
  
• Der auf diese Weise berechnete Wert kann nun in die oben genannte Formel zur Bestimmung der Höhe eingesetzt werden. Dieses Eichen sollte möglichst einmal pro Tag und bei Wetterumschwüngen möglichst öfters vorgenommen werden.
• Auf dieses Eichen und außerdem auf eine übersichtliche Darstellung der Ergebnisse auf einem Display der Armbanduhr und auf eine gute Bedienbarkeit mittels verschiedener Tasten sollte vor der endgültigen Programmierung des Chips geachtet werden. Dies ist bei heutigen digitalen Höhenmessern in ansprechender Weise verwirklicht.
• Bei der hier beschriebenen einfachsten Möglichkeit der Anbringung des Neigungssensors kann es zu Ungenauigkeiten kommen, wenn die Bewegung nicht in Längsrichtung der Ski abläuft.
• Dies fällt zwar nur selten ins Gewicht, es bietet sich allerdings trotzdem an, diese Ungenauigkeit durch Benutzen eines zweiten Neigungssensors zu korrigieren. Dieser Sensor sollte ebenfalls auf dem Ski angebracht werden, allerdings sollte dessen Messrichtung senkrecht zu der des ersten Sensors, also in Querrichtung des Skis ausgerichtet sein. Mit diesem Sensor lässt sich bestimmen, wie stark der Nutzer auf den Kanten der Ski fährt. Da von dieser Kantenstellung die Abweichung von der Fahrtrichtung zur Längsrichtung der Ski abhängig ist, lässt sich aus diesem Wert ein Korrekturfaktor für die Neigung ableiten.
• Außerdem ist es möglich statt des in diesem Beispiel verwendeten Absolutdruckmessers einen Differenzdruckmesser zu verwenden. Die Umrechnung von Druckdifferenz in Höhendifferenz müssen dann entsprechend angepasst werden, die übrige Berechnung verläuft wie oben beschrieben. Allerdings muss auch ein solcher Differenzdrucksensor geeicht werden und außerdem ist mit einem solchen Messgerät die Anzeige der Höhenmesserfunktionen, wie zum Beispiel der aktuellen Höhe, nicht möglich.
• Darüber hinaus kann prinzipiell jeder andere, nicht auf Luftdruckmessung basierende, Höhenmesser zur Bestimmung der zurückgelegten Höhendifferenz in einer bestimmten Zeit verwendet werden. Nachdem dieser Wert bestimmt wurde, erfolgt die Berechnung der Geschwindigkeit wie oben beschrieben.
• Da es allerdings zur Zeit keine zuverlässige und mit ausreichender Genauigkeit und Geschwindigkeit arbeitende alternative Methode der Höhenmessung bekannt ist, soll hier auch nicht genauer auf Alternativen eingegangen werden.
• Da außerdem besonders bei kalten Temperaturen die Stromversorgung des Senders, der auf dem Ski montiert ist, ein Problem darstellen kann, empfiehlt es sich neben diesem ein Solarzellenmodul anzubringen, dass diesen mit Strom versorgt. Dies muss allerdings vor Stößen und Kratzern geschützt und regelmäßig gereinigt werden.

Claims (10)

1. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit beim Skifahren oder ähnlichen Bewegungsabläufen dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Höhenmesser die zurückgelegte Höhendifferenz in einer bestimmten Zeit gemessen wird, mit einem Neigungssensor die Neigung des Untergrunds in dieser Zeit gemessen wird und daraus die absolute Geschwindigkeit berechnet wird.

2. Gerät nach vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Höhendifferenz ein Luftdrucksensor benutzt wird, aus dessen Messwerten die Höhe bzw. die Höhendifferenz berechnet wird.

3. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eichung des zur Höhenmessung bzw. Höhendifferenzmessung benutzten Luftdrucksensors vorgesehen ist.

4. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungssensor nicht von Beschleunigung beeinflusst wird und fest in Längsrichtung auf dem Ski bzw. Fortbewegungsmittel montiert ist und dessen Messrichtung ebenfalls in diese Richtung ausgerichtet ist.

5. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Werten Höhe pro Zeit und Neigung zusätzliche Werte, wie z. B. Durchschnittsgeschwindigkeit, berechnet werden oder bestimmte Werte, wie z. B. die Maximalgeschwindigkeit gespeichert werden.

6. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zweiter Neigungssensor, der sich ebenfalls auf dem Ski bzw. Fortbewegungsmittel befindet und dessen Messrichtung senkrecht zu der des oben genannten Sensors, also in Querrichtung ausgerichtet ist, die Querneigung des Skis bzw. Fortbewegungsmittels gemessen wird, und daraus ein Korrekturfaktor für die Neigung des Untergrunds abgeleitet wird.

7. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Luftdrucksensor, der zur Berechnung benutzte Chip und eine zur Ausgabe der Ergebnisse benutzte Anzeige in einem am Arm tragbaren Gehäuse (also einer Art Armbanduhr) befinden.

8. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass sich nahe bei dem Neigungssensor auf dem Ski bzw. Fortbewegungsmittel ein Sender befindet, der die Daten des Sensors an einen Empfänger sendet, der sich in demselben Gehäuse befindet, wie der Luftdrucksensor, die Anzeige und der zur Berechnung verwendete Chip und der die Daten des Neigungssensors an den Chip übergibt.

9. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich auch Chip, Luftdrucksensor und Anzeige fest auf dem Ski bzw. Fortbewegungsmittel montiert befinden.

10. Gerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zusätzlich auf dem Ski bzw. Fortbewegungsmittel Solarzellen zur Erzeugung von elektrischem Strom befinden, die den Sender oder das ganze Gerät mit Strom versorgen.