DE10153487A1

DE10153487A1 - Steuerung für eine rechnergesteuerte Fahrradschaltung und Verfahren zum Steuern einer Fahrradschaltung

Info

Publication number: DE10153487A1
Application number: DE2001153487
Authority: DE
Inventors: Friedrich Graf
Original assignee: Individual
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: DE10153487B4

Abstract

Eine rechnergesteuerte Fahrradschaltung (22) weist mindestens einen Aktuator auf, durch den Änderungen der Übersetzung betätigt werden. Dabei sind mehrere wählbare Schaltcharakteristiken vorgesehen. Sie ist mit einem Speicher (28) versehen, in dem Schaltprogramme abgelegt sind, und sie weist eine die Aktivitäten des Fahrers beim Fahren erfassende Steuereinrichtung auf (24-37), durch die die Schaltprogramme an die Bedürfnisse des Fahrers angepasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 6. Die Steuerung ist bestimmt für eine rechnergesteuerte Fahrradschaltung, die mindestens einen Änderungen der Übersetzung betätigenden Aktuator aufweist und bei der mehrere wählbare Schaltcharakteristiken vorgesehen sind.
Schaltsysteme an Fahrrädern sind in den letzten Jahren technisch laufend verbessert worden. Dabei wurden auch elektrische oder elektronische Steuerungen entwickelt, die die mechanische Betätigung über einen Seilzug ersetzen. Dies erfolgt mit diversen Aktuatorsystemen, entweder direkt am Hinterrad oder zentral. Entwickelt wurden auch elektronische Steuerungen auf Mikrocomputerbasis. Diese verfügen über manuelle Bedienungseinrichtungen, die sich an mehreren Stellen am Lenker anbringen lassen, und übermitteln ihre Signale über Funk (zum Beispiel veröffentlicht im Internet am 20.10.01 unter: www.staffas-fahrradladen.de.html/body_test2.htm).
Auch automatische, also selbstschaltende Einrichtungen sind beschrieben worden, die besonders im Stadtverkehr von Vorteil sind. Zum Beispiel bei oder vor Ampelstopps wechseln sie rechtzeitig in einen kleineren Gang, und beim anschließendem Beschleunigen schalten sie wieder in einen größeren Gang (Bollschweiler M., "Vom Gangwechsel befreit", Süddeutsche Zeitung Nr. 103 (2001) Seite V1/2). Dabei können verschiedene Schaltcharakteristika eingestellt werden. Die Schaltpunkte sind als Funktion der Tretgeschwindigkeit abgelegt.
Bei keiner der bekannten Steuerungen ist ein Anpassen von Schaltcharakteristiken an die jeweilige Fahrstrecke vorgesehen oder möglich.
Beim Radfahren spielen Drehzahl- und Kraftverhältnisse eine große Rolle im Hinblick auf den Stoffwechsel in der Muskulatur des Fahrers. Eine Übersäuerung, das heißt eine Laktatazidose, tritt besonders bei hohen Pedalkräften auf, und kleine Tretfrequenzen fördern dies zusätzlich, da dabei der aerobe Stoffwechsel herabgesetzt wird. Schließlich führt ein zu hoher Laktatspiegel zum Leistungsabbruch. Da die zugehörigen Grenzwerte für Tretfrequenzen und Kurbelkräfte wegen des jeweiligen Trainingszustands des Fahrers extrem voneinander abweichen, sind starre, fest programmierte Schaltpunkte sehr nachteilig. So decken trainierte Personen, vereinfacht ausgedrückt, einen viel höheren Drehzahlbereich (Training mit hohen Tretfrequenzen und kleiner Kraft steigert die Ausdauer) und einen größeren Kraftbereich ab (ein Sprint erfordert extrem hohe Kräfte) als untrainierte Radfahrer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für Fahrradschaltungen zu schaffen, die sich adaptiv an die Bedürfnisse des Fahrers anpasst.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Steuerung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch n gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass mit ihr eine Lernkomponente realisiert wird, die es dem Fahrer erlaubt, Schaltprogramme sozusagen "online", also während der Fahrt, seinen Bedürfnisse anzupassen. Außerdem werden ihm verschiedene individuelle Schaltprogramme zur Verfügung gestellt, die entweder manuell oder selbständig aktiviert werden können. Darüber hinaus wird ein selbständiger Wechsel zwischen einem manuellem und einem automatischem Schaltmodus ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Steuerung für eine Fahrradschaltung;
Fig. 2 eine elektronische Rechenschaltung mit einem Fuzzy- System, die Bestandteil der Steuerung nach Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schaltkennlinienfeld der Schaltungsanordnung nach Fig. 2;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines zum Bestimmen des Zielgangs abgearbeiteten Programms;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Rechenschaltung der Steuerung nach Fig. 1;
Fig. 6 ein Schaltkennlinienfeld der Steuerung nach Fig. 1;
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Rechenschaltung der Steuerung nach Fig. 1;
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines zum Erzeugen und Ausgeben einer Aktuatorstellgröße abgearbeiteten Programms;
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines zum Durchführen eines Schalteingriffs und einer Schaltadaption abgearbeiteten Programms.
Ein Fahrradantrieb 1 besteht im wesentlichen aus einer Kettenschaltung 2, die von einer Steuerung 3 (auch als EGS bezeichnet) gesteuert wird. Die Kettenschaltung 2 weist auf eine Tretkurbelgarnitur, die aus ein bis drei mit den Tretkurbeln verbundenen Kettenblättern 4 besteht, und einem Ritzelpaket, das an dem Laufrad eines Fahrrads befestigt ist und aus bis zu zehn Ritzeln 6 besteht. Die Kettenblätter 4 und die Ritzel 6 sind durch eine seitlich verschiebbare Kette 7 miteinander verbunden. Zusammen bilden sie das Getriebe des Fahrradantriebs. Die Tretkurbeln, die Räder und das Fahrrad sind hier nicht dargestellt, da dies alles allgemein bekannte Teile sind.
Ein erster Schaltaktuator oder Aktuator 9 versetzt oder verschiebt die Kette 7 zwischen den Kettenblättern 4, falls mehr als eines vorhanden ist, und ändert damit die Übersetzung der Kettenschaltung 2 in großen Schritten. Ein zweiter Aktuator 10 versetzt oder verschiebt die Kette 7 zwischen den Ritzeln 6 und ändert damit die Übersetzung der Kettenschaltung 2 in kleineren Schritten. Das Getriebe kann aber auch aus einer Schaltnabe mit integrierten Planetenradsätzen bestehen.
Über Bedienorgane oder Taster 12 bis 15 kann der Fahrer seine Befehle in die Steuerung 3 eingeben: über 12 einen Befehl zum Hochschalten, über 13 zur Auswahl eines Schaltprogramms, über 14 zum Rückschalten und über 15 zum Aktivieren des automatischen Schaltmodus. Über eine Schnittstelle 16 kann die Steuerung 3 mit einem externen Rechner oder PC 17 und über eine Schnittstelle 18 gegebenenfalls mit einem Navigationssystem 19 verbunden werden. Mit dem PC 17 kann der Fahrer sich ein Grundschaltmuster erstellen oder es sich erstellen lassen und dann in die Steuerung 3 eingeben.
Eine elektronische Rechenschaltung 22 (Fig. 2) enthält ein Fuzzy-System 24, das in der Lage ist, "maschinell" zu lernen. Es kann sowohl schrittweise Schaltbefehle erzeugen, die die Fahrradschaltung eine, zwei oder drei Stufen hoch- oder runterschalten, als auch in einem Speicher abgelegte Schaltkennlinien verschieben (vergleiche auch die Fig. 3 und 4). Es ist heutzutage durchaus möglich, miniaturisierte Rechner für derartige Anwendungen kostengünstig herzustellen.
Das Fuzzy-System 24 empfängt über eine Eingangsleitung 25 die Tretfrequenz oder die Pedaldrehzahl als Sensorsignale, gegebenenfalls auch die Raddrehzahl. Außerdem kann sie Informationen, zum Beispiel über die Straßensteigung, den Straßentyp und die Umgebung (Stadt, Land, Gebirge), aus einem noch zu erläuternden Informationskanal empfangen. Über eine Leitung 26 kann das Fuzzy-System Parameter mit einem Speicher 28 austauschen. Eine Selektionsschaltung 29 bewirkt eine Selektion der in dem Speicher 28 abgelegten Daten, wenn dies von dem Fahrer mit dem Taster 13 angefordert wird.
Eine Identifikationsschaltung 32 erzeugt und gibt über eine Leitung 33 einen Sollausgangswert in dem Fall aus, dass ein von dem Fuzzy-System 24 ausgegebener Zielgang 34 von einem Fahrerwunsch abweicht, den dieser über einen Schalttaster 35 eingibt. Diese Eingabe des Fahrers wird in der Identifikationsschaltung 32 in einen Sollausgangswert gewandelt und erzeugt in einer Adaptionsschaltung 37 einen Adaptionsparameter, der über eine Signalleitung 38 einen Eingriff in das Fuzzy-System 24 bewirkt. Das Fuzzy-System 24 übermittelt an die Adaptionsschaltung 37 über eine Signalleitung 39 einen internen Parameter, durch den die Adaptionsschaltung 37 erfährt, welche Fuzzy-Regeln und wie stark dies Regeln in dem Fuzzy-System 24 aktiviert sind. Sie kann somit einen exakten Adaptionsparameter erzeugen.
Das Fuzzy-System 24 bewirkt dann ein Anpassen des Zielgangs an die Fahrsituation und an verschiedene Parameter wie die Tretfrequenz und die Geschwindigkeit. Durch die sukzessive Adaption des Fuzzy-Systems vollzieht sich eine Annäherung an die Vorstellung des Fahrers. Die zwei Schalttaster 35 ("+"- und "-"-Taste) ermöglichen dem Fahrer, die automatische Gangwahl zu beeinflussen. Durch Eingriffe des Fahrers, die der Identifikationsstufe zugeführt werden, kann außerdem ein Wechsel von dem automatischen in den manuellen Schaltmodus durchgeführt werden. Der in dem Fuzzy-System 24 erzeugte Wert Zielgang oder Verschiebefaktor (bei Schaltlinieninterpolation) wird als Schaltbefehl an die Aktuatoren 9 und 10 übermittelt, die hier zu einem Aktuatorsytem 40 zusammengefasst sind, und führen in der Kettenschaltung 2 zu einer entsprechenden Änderung der Übersetzung. Der Wert Zielgang wird auch über eine Signalleitung 41 an die Adaptionsschaltung 37 und über eine Signalleitung 42 an die Identifikationsschaltung 32 übermittelt.
In dem Fuzzy-System 24 werden die Stell- oder Steuerbefehle für die Fahrradschaltung 2 mit Hilfe folgender Fuzzy-Regeln bestimmt:

IF pedal_frequency IS medium THEN no_shift (F1)

IF pedal_frequency IS bw THEN down_shift (F2)

IF pedal_frequency IS very_low THEN double_down_shift (F3)

IF pedal_frequency IS high THEN up_shift (F4)
Nach einer Defuzzyfizierung des ermittelten Ergebnisses wird ein "scharfer" Zahlenwert berechnet (-2, . . ., +1) und durch den Aktuator 40 in einen Gangwechsel umgesetzt.
Ein durch die Adaptionsschaltung 37 erzeugter Adaptionsparameter wird über eine Signalleitung 38 an das Fuzzy-System 24 übermittelt und bewirkt dabei eine Verschiebung von Fuzzy- Eingangs-Zugehörigkeitsfunktionen (üblicherweise auch als Membership Functions MSF bezeichnet) mit der Folge, dass die Schaltbefehle bei anderen Tretfrequenzen ausgelöst werden.
Der Fahrer kann dabei durch Betätigen des Schalttasters 13 situationsbedingt zwischen mehreren Schaltprogrammen wählen, die zum Beispiel nach der Trainingslehre in Kategorien wie Maximalkraft, Kraftausdauer, Grundlagenausdauer u. a. (siehe: Seidl, Hermann: Handbuch des Radsports, S. 148-154, BLV 1996) eingeteilt sind. Den Krafteinsatz muß der Fahrer allerdings selbst dosieren, da hier ein Kraftsensor nicht vorgesehen ist. Alternativ zu der Änderung der Eingangs-Zugehörigkeitsfunktionen ist auch eine Anpassung der Ausgangs-Zugehörigkeitsfunktionen möglich, das heißt, es wird die Schaltentscheidung zur aktuell aktiven Drehzahl modifiziert.
Ein aus Fig. 3 ersichtliches Schaltlinienfeld 43 gibt die funktionelle Abhängigkeit zwischen Pedalkräften F_Pedal und Pedaldrehzahlen N_Pedal oder Raddrehzahlen N_Rad in Gestalt von einer Hochschaltlinie HS-KL und einer Rückschaltlinie RS- KL wieder. Ein Betriebspunkt wird mindestens durch einen aktuellen Drehzahlwert N_Pedal, N_Rad oder einen Wert Vxx der Längsgeschwindigkeit auf der Abszisse definiert. Wie aus dem Ablaufdiagramm nach Fig. 4 ersichtlich ist, wird dieser Wert Vxx mit einem durch die jeweilige Kennlinie RS- oder HS-KL gegebenen Schwellwert verglichen und bei Überschreiten der Schaltlinie (oder auch: Schaltkennlinie) eine Schaltung ausgelöst.
Ein Verschiebefaktor modifiziert ein fest vorgegebenes Schaltliniensystem. Verschiebung heißt hier, dass die Schaltpunkte zu höheren Pedaldrehzahlen N_Pedal verlegt werden. Ergänzend kann für jeden Gang eine Schaltlinie abgelegt sein, sofern die Übersetzung nicht durch Montage geändert worden ist. Dies ist von Vorteil, wenn die Gangsprünge unterschiedlich ausfallen und bei einem großen Gangsprung der kleinere Gang länger 'ausgedreht' werden soll. Ersatzweise können Schaltlinien auch abhängig von erkannten Gangsprüngen (berechnet aus dem Verhältnis von N_Pedal/N_Rad) "onboard" modifiziert werden, und zwar ausgehend von einem Basis-Schaltlinienpaar. Dies reduziert die Anzahl der Schaltlinien vorteilhaft. (Bekannte moderne Schaltwerke haben bis zu 27 Gänge.) Dazu müssen in einem ersten Schritt alle Übersetzungen zunächst bei manuellem Schalbetrieb "gelernt" werden, danach werden an die Gangsprünge angepaßte Schaltpunkte oder Schaltlinien berechnet.
Die Ordinate kann als Pedalkraft definiert werden. Diese kann mit einem Sensor gemessen oder berechnet werden. Der Vorteil einer solchen umfassenden Definition des Betriebspunktes ist, dass die Muskelkraft und damit die Stoffwechselverhältnisse in den Muskeln des Fahrers bei der Gangentscheidung indirekt berücksichtigt werden. Beispiel: Eine hohe Ausdauerleistung ist eher mit hohen Tretfrequenzen bei mittlerem Krafteinsatz zu erbringen, weil damit eine aerobe Energiebereitstellung erfolgt und der Muskel somit langsamer ermüdet. Umgekehrt führen niedrige Pedaldrehzahlen unter hohem Krafteinsatz absolut gesehen zur Maximalleistung, aber nur für kurze Zeit.
Da dies wettkampf-, situations- und trainingsspezifisch unterschiedlich zu bewerten ist, bedeutet eine individuelle Anpassung durch Verschieben der Schaltlinie eine deutliche Verbesserung.
Die Pedalkraft kann auch von anderen Größen abgeleitet werden:

darin sind:
i_trdie Gang-Gesamtübersetzung (vordere und hintere Schaltung)
i_a das Verhältnis Radradius zu Pedallänge F_Roll der Rollwiderstand F_Luft der Luftwiderstandskraft

die Umfangsbeschleunigung des Rades in m/s²
g die Erdbeschleunigung
sin α die Fahrbahnsteigung und
N_Rad die Raddrehzahl (des Laufrads)
Der Luft- und der Rollwiderstand werden tabellarisch in dem Speicher 28 abgelegt, wobei der Einfluß durch die Fahrerposition vernachlässigt wird. Die Gesamtmasse von Fahrrad und Fahrer wird entweder näherungsweise geschätzt oder kann (über Tasten) eingegeben werden. Die Höhen- oder Steigungsinformation kann von einem Navigationssystem (GPS) oder über einen Funkkanal (Mobiltelefon) zur Verfügung gestellt werden. Einfacher ist der Einsatz eines barometrischen Höhenmessers, wie er häufig bei Fahrradcomputern Verwendung findet, und eines Neigungssensors.
Zum Bestimmen des Zielgangs, das heißt des Ganges in das die Fahrradschaltung 2 umschalten soll, wird durch die Steuerung 3 ein Programm abgearbeitet, dessen Ablaufdiagramm aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das Programm weist folgende Schritte auf:
Nach dem

Start wird in einem Schritt
S4.1 aus der Hochschaltkennlinie HS-KL eine (der Geschwindigkeit in Bewegungsrichtung Vxx_HS) entsprechende Grenzhochschaltdrehzahl berechnet. Dann wird in einem Schritt
S4.2 abgefragt, ob die Drehzahl Vxx größer ist als die Grenzhochschaltdrehzahl Vxx_HS. Falls ja, so wird in einem Schritt
S4.3 der Zielgang um eins inkrementiert. Falls nein, so wird in einem Schritt
S4.4 aus der Rückschaltkennlinie RS-KL eine (der Geschwindigkeit in Bewegungsrichtung Vxx_HS entsprechende) Grenzrückschaltdrehzahl berechnet. Dann wird in einem Schritt
S4.5 abgefragt, ob die Drehzahl Vxx kleiner ist als die Grenzrückschaltdrehzahl Vxx_HS. Falls ja, wird in einem Schritt
S4.6 der Zielgang um eins dekrementiert. Falls nein, wird der aktuelle Gang als Zielgang beibehalten. Das Programm gelangt nach dem Schritt S4.3, S4.5 oder S4.6 an sein
Ende.
Das aus Fig. 5 ersichtliche zweite Ausführungsbeispiels einer elektronischen Rechenschaltung 46 entspricht in ihrer Struktur weitgehend der Struktur des Ausführungsbeispiels von Fig. 2. Für die übereinstimmenden Bestandteile werden deshalb die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zwischen dem Fuzzy-System 24 und dem Gangaktuator 40 liegt hier aber eine Interpolationsschaltung 47, die von dem Fuzzy-System einen Verschiebeparameter 48 empfängt.
Die von der Identifikationsschaltung 32 berechneten Sollausgangswerte werden einer Adaptionsschaltung 37 zugeführt, die einen Adaptionsparameter erzeugt, der die vorstehend genannten Einflussgrößen berücksichtigt und an das Fuzzy-System 24 übermittelt.
Das Fuzzy-System erzeugt einen Verschiebeparameter (auch als "shift offset" bezeichnet) 48, der zum Beispiel Werte von 0 . . . 100% annehmen kann und der eine zwischen zwei Extremkennlinien gleitende virtuelle Schaltlinie ermittelt, wie in Fig. 6 angedeutet ist.
Ein kontinuierlicher Übergang zwischen zwei Kennlinien 50, 51 wird nun anhand von Fig. 6 erläutert. Um den kontinuierlichen Übergang zwischen den Kennlinien zu erreichen, wird eine Interpolation zwischen Schaltpunkten auf beiden Kennlinien, die einer gegebenen Pedalkraft F_Pedal entsprechen, durchgeführt, bei der die Schaltpunkte verschiedener Schaltkennfelder gewichtet überlagert werden. Die Schaltkennlinien sind als Funktion N_Pedal = f(F_Pedal) abgespeichert. Dabei spielt es keine Rolle, ob die aus der Kennlinie berechneten Schwellwerte VxxRS (HS) multiplikativ oder additiv verändert werden, und ob auf Basis einer oder mehrerer Kennliniensätze. Dies bedeutet dass, wenn der Fahrer im automatischen Modus wiederholt über den +-Taster den nächsthöheren Gang anfordert, der Verschiebefaktor verkleinert wird, um die Hochschalt-Schaltlinie nach links, das heißt zu kleineren Drehzahlen zu holen.
Das aus Fig. 7 ersichtliche dritte Ausführungsbeispiel einer elektronischen Rechenschaltung 54 entspricht in ihrer Struktur weitgehend der Struktur der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 5. Für die übereinstimmenden Bestandteile werden deshalb die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zwischen dem Fuzzy-System 24 und der Interpolationsschaltung 47 liegt hier zusätzlich eine Filterschaltung 55, die von mehreren Fuzzy- Systemen 24, von denen nur eines dargestellt ist, Ausgangssignale erhält. Ein PC 58 kann über eine Schnittstelle 59 mit dem Speicher 28 verbunden werden, um dessen Inhalt zu aktualisieren.
Mehrere Fuzzy-Systeme bewirken eine Fahrsituationsklassifikation, indem in der jeweiligen Fahrsituation ein zugehöriges Fuzzy-System für eine angepaßtes Schaltverhalten sorgt. Eine selbständige Selektion und Adaption der Fuzzy-Systeme oder -Parameter dient hier als Ersatz für das dafür ursprünglich vorgesehene Bedienelement zur manuellen Auswahl der Schaltprogramme. Die spezifischen Teilsysteme sind vorgesehen für verschiedene Betriebssituationen: Bergsituation (Fahrbahn eben oder bergauf), Straßentyp (Stadt oder Landstraße), Rennsituation (Training oder Rennen), Trainingsprogramm (Ausdauergrundlagen, Entwicklungsbereich, Spitzenbereich-Schnellkraft, Spitzenbereich-Maximalkraft, . . .). Es entsteht dadurch ein mehrdimensionaler Klassifizierungs- und Verschiebungsvektor.
Das Fuzzy-System 24 verarbeitet die Bergsituation mit folgender Regelbasis:

IF road_gradient IS slight_uphill THEN shift_offset_Id IS negativ_small (R5)

IF road_gradient IS steep_uphill THEN shift_offset_Id IS negativ (R6)

IF road_gradient IS uphill AND a, x IS medium THEN shift_offset IS positiv (R7)

IF road_gradient IS plane THEN shift_offset_Id IS neutral (R8)
Die Regel R5 verschiebt das Schaltverhalten zu etwas kleineren Pedaldrehzahlen bei leichtem Anstieg der Fahrbahn, die Regel R6 wirkt intensiver bei einem deutlicherem Anstieg. Die Regel R7 wiederum begünstigt höhere Pedaldrehzahlen, wenn ein Beschleunigungsvorgang erkannt wird, um die Schnellkraftkomponente anzusprechen. Die Regel R8 legt einen Offset fest (in diesem Fall ist es eine Verschiebung) nach null in der Ebene.
Es sind viel mehr Regeln aufstellbar, die Eingangsräume, das heißt Bereiche, in die ein Eingangsparameter durch die MSF zerlegt wird, weiter aufteilen und weitere Eingangsgrößen berücksichtigen. Damit ist ein sehr differenziertes Verhalten darstellbar, das der Fahrer spezifisch durch manuelle Eingriffe an sich anpassen kann. Dabei werden die Regelkonklusionen beeinflußt, und zwar entweder Regelgewicht oder Ausgangszugehörigkeitsfunktion. Im letzteren Fall wird beispielsweise bei Regel 2, wenn der Fahrer die "-"-Taste drückt, die Ausgangszugehörigkeitsfunktion in positiver Richtung verschoben, was in diesem Fall den negativen Betrag des Offset verkleinert und dann zu einer Hochschaltung oder generell höreren Tretfrequenzen führt. Dies kann soweit gehen, daß bei Bergfahrt im Vergleich zur Ebene höhere Tretfrequenzen bewirkt werden. Dies zeigt, daß sich das System den individuellen Bedürfnissen sehr gut anpassen kann.
Der folgende Regelsatz optimiert die Übersetzungsauswahl bei sportlicher Fahrweise.

IF v, x IS high AND road_gradient IS not_negativ THEN shift_offset_rc IS positiv_small (R9)

IF v, x IS high AND a, x IS positiv_big THEN shift_offset_rc IS negativ (R10)

IF v, x_mean IS big THEN shift_offset_rc IS negativ_small (R11)

IF v, x IS medium THEN shift_offset_rc IS neutral (R12)

Regel R9: Bei großer Geschwindigkeit und keiner Bergabfahrt wird die Übersetzung verkleinert (Ausdauerkomponente ansprechen).
Regel R10: Bei hoher Geschwindigkeit und großer Beschleunigung wird eine größere Übersetzung gewählt, um den Sprint durch Maximalkrafteinsatz zu unterstützen.
Regel R11: Wenn die mittlere Geschwindigkeit hoch ist, wird ein Übersetzungsbereich gewählt, der die Kraftausdauer anspricht.
Regel R12: Bei mittlerem Geschwindigkeitsbereich, Benutzung des vorgegebenen Schaltkennfeldes, keine Veränderung.
Diese Fuzzy-Regeln sind Beispiele für die vorteilhafte individuelle Anpaßbarkeit der beschriebenen Steuerung für eine Fahrradschaltung, bei der Eingriffe des Fahrers zu anderen Prämissen und letztendlich zu dem gewünschten Verhalten führen. Der Fahrer kann die Regelgewichte und die Ausgangszugehörigkeitsfunktionen so verschieben, wie es seinen persönlichen Präferenzen entspricht.
Eine Selektion oder Überlagerung der einzelnen Fuzzy-Systeme kann über Ausgangswerte shift_offset_ld_(rc) selbst erfolgen. Liegt ein Wert von shift_offset_ld zum Beispiel über einer Schwelle, so kann eindeutig ein Schaltkennfeld selektiert werden. Eine andere Methode benutzt zur Überlagerung eine zweifache Interpolation, ausgehend von drei Schaltliniensätzen.
Ein zweiter Datenfluß von dem Fuzzy-System 24 zu der Filterschaltung 55 legt dabei die Filterdynamik fest, so dass bestimmte Regeln schnell "feuern" können, d. h. unmittelbar zu einem veränderten Schaltverhalten führen, andere dagegen zu einer langsameren Systemreaktion.
Eine Einheit "Adaptation set selection via off board definition" erlaubt ein externes Festlegen des Schaltverhaltens, zum Beispiel durch eine rechnergestützte Trainingsplanung. Damit lassen sich zum Beispiel in der Aufbauphase der Saison bestimmte (hohe) Übersetzungen vermeiden, die für einen Formaufbau kontraproduktiv sind. Eine derartige Einheit kann durch einen PC mit zugehörigen Programmen realisiert werden. Bekannt sind Trainingsprogramme, die mit einem PC die klassischen Trainingsparameter wie Herzfrequenzgrenzen, Trainingsintensität und -extensität festlegen.
Die Steuerung 3 kann auch an ein Navigationssystem angeschlossen werden. Navigationssysteme als solche sind bekannt. Streckenmerkmale wie zum Beispiel die Steigung von Fahrbahnen können aus Karten ermittelt werden, um die geeignete Tretfrequenz zu bestimmen. Dabei kann eine Vorausschau nützlich sein, denn die kommende Fahrstrecke beeinflußt den Fahrer und dessen Wunschverhalten ganz wesentlich. Folgt zum Beispiel auf eine Abfahrt eine Bergauffahrt, so wird der Fahrer vor der Abfahrt einen besonders großen Gang einlegen, um für die nachfolgende Bergauffahrt Schwung zu holen. Für dieses "kommende" topographische Szenario kann ein eigenes Fuzzy-System zur Verfügung gestellt werden.
Damit ist eine rechtzeitige Optimierung möglich, zum Beispiel bei Eintritt und beim Verlassen des Bergprogramms kurz vor Ende oder Beginn des Steigungs- oder Gefälleabschnitts. Damit sind keine einschränkenden Lernzeiten oder Abschnitte zurückzulegen. Zwecks Vereinfachung wird der kommende Streckenabschnitt nach signifikanten Merkmalsänderungen abgesucht. Diese können sein: Kommender Wechsel der Steigung, Zufahren auf eine Kurve oder Einfahrt in eine Ortschaft.
Die zwei "+"/"-"-Schalttaster 35 (in Fig. 8 durch "Eingabe Fahrer" angedeutet) bilden eine Fahrerschnittstelle, die die oben erläuterte Lernfunktion ermöglicht. Der Fahrer muss jederzeit, also auch im automatischen Schaltmodus, seinen Wunschgang vorgeben können, ohne auf eine Lernfunktion umschalten zu müssen. In diesem Fall wird die Automatik abgeschaltet. Sie wird wieder aktiviert, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

- ein spezieller Knopf wird gedrückt ("A")
- "+" und "-"-Taster werden gleichzeitig gedrückt
- die Pedaldrehzahl ist größer als eine Schwelle
- die Pedaldrehzahl ist kleiner als eine Schwelle

Die Überwachung der Pedaldrehzahlen und -kräfte ermöglicht es, Situationen zu erkennen, in denen ein sinnvoller oder notwendiger Schaltwunsch des Fahrers ausbleibt. Dieser wird sukzessive von dem automatischen Betriebsmodus ausgeführt. Diese Art der Fahrerschnittstelle erlaubt eine völlig intuitive, einfache Bedienung.
Zum Erzeugen und Ausgeben einer Aktuatorstellgröße wird durch die Steuerung 3 ein Programm abgearbeitet, dessen Ablaufdiagramm aus Fig. 8 ersichtlich ist. Das Programm weist folgende Schritte auf:
Nach dem

Start werden in einem Schritt
S9.1 alle Eingangsgrößen (Geschwindigkeit, Drehzahl, Schalterstellung) der Steuerung als numerische Größen erfasst. Dann erfolgt in einem Schritt
S9.2 eine Fuzzyfizierung aller numerischen Größen. In einem Schritt
S9.3 werden mit adaptierten Zugehörigkeitsfunktionen und Fuzzy-Operatoren (wie UND, ODER) Regeln berechnet, dann durch Inferenz Regelkonklusionen überlagert und durch Defuzzyfizierung "scharfe" (das heißt numerische) Ausgangsgrößen berechnet. In einem Schritt
S9.4 wird ein Zielgang berechnet, gegebenenfalls mit Schaltlinieninterpolation oder Schaltlinienverschiebung. In einem Schritt
S9.5 wird der ermittelte Zielgang in eine oder mehrere Aktuatorstellgrößen umgesetzt. In einem Schritt
S9.6 wird oder werden dann die Aktuatorstellgröße(n) an den oder die Aktuatoren ausgegeben. Damit ist ein Programmdurchlauf an seinem
Ende angelangt.
Das Programm wird laufend zyklisch wiederholt, zum Beispiel alle 50 ms.
Zum Durchführen eines Schalteingriffs und einer Schaltadaption bei einem manuellen Eingriff des Fahrers wird durch die Steuerung 3 ein Programm abgearbeitet, dessen Ablaufdiagramm aus Fig. 9 ersichtlich ist. Das Programm weist folgende Schritte auf:
Nach dem

Start erfolgt in einem Schritt
S10.1 eine Klassifikation des manuellen Eingriffs. Dann erfolgt in einem Schritt
S10.2 eine Abfrage, ob es sich um einen adaptierbaren Korrektureingriff handelt. Falls ja, wird in einem Schritt
S10.3 ein Sollausgangswert identifiziert. Dann wird in einem Schritt
S10.4 anhand des Sollausgangswerts ein neuer Adaptionsparameter für das Fuzzy-System 24 (das heißt dessen Zugehörigkeitsfunktion) berechnet. Falls die Anwort auf die nein, wird in einem Schritt
S10.5 ein neuer Gang bestimmt in manuellem Betriebsmodus, oder es erfolgt eine Rückkehr in den Automatikmodus. Damit ist ein Programmdurchlauf an seinem Ende angelangt.

Claims

1. Steuerung für eine rechnergesteuerte Fahrradschaltung (2), die mindestens einen Änderungen der Übersetzung betätigenden Aktuator (9) aufweist und bei der mehrere wählbare Schaltcharakteristiken vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen Speicher (28) aufweist, in dem Schaltprogramme abgelegt sind, und
dass sie eine die Aktivitäten des Fahrers beim Fahren erfassende Steuereinrichtung aufweist, durch die die Schaltprogramme an die Bedürfnisse des Fahrers angepasst werden.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als elektronische Rechenschaltung (22) ausgebildet ist, die eine Selektionsschaltung (29) aufweist, die bei Betätigung eines Programmtasters (13) eine Selektion der in einem Speicher (28) abgelegten Daten bewirkt.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als elektronische Rechenschaltung (22) ausgebildet ist, die ein Fuzzy-System (24) enthält, durch das die Zustandsgrößen des sich in Fahrt befindlichen Fahrrads fuzzyfiziert und bearbeitet werden, und durch das sich dabei ergebende Steuergrößen für die Getriebeübersetzung erzeugt werden.

4. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als elektronische Rechenschaltung (22) ausgebildet ist, die eine Selektionsschaltung (29) aufweist, die einen Sollausgangswert erzeugt, wenn ein von dem Fuzzy- System (24) ausgegebener Zielgang (34) von einem Fahrerwunsch abweicht.

5. Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als elektronische Rechenschaltung (22) ausgebildet ist, die eine Adaptionsschaltung (37), die einen Adaptionsparameter erzeugt, der einen Eingriff in das Fuzzy- System (24) bewirkt.

6. Verfahren zum Steuern einer rechnergesteuerten und motorisch betätigten Fahrradschaltung, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zustandsgrößen eines sich bewegenden Fahrrads erfasst werden;
dass Regeln mit einer adaptierten Zugehörigkeitsfunktion, Inferenz und Defuzzyfizierung berechnet werden;
dass ein Zielgang berechnet wird;
dass der Zielgang in Stellgrößen umgesetzt wird, und
dass die Stellgröße als elektrisches Signal an einen Aktuator ausgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielgang durch eine Schaltkennlinieninterpolation ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem manuellen Eingriffs durch den Fahrer der Eingriff klassifiziert wird,
dass bei Vorliegen eines adaptierbaren Korrektureingriffs eine Identifikation eines Sollausgangswerts der Steuerung erfolgt, und
dass anhand des Sollausgangswerts ein neuer Adaptionsparameter für das Fuzzy-System berechnet wird.