DE102004023013B4

DE102004023013B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard oder schlittenartiges Gerät ausgebildeten Gleitkörpers

Info

Publication number: DE102004023013B4
Application number: DE200410023013
Authority: DE
Inventors: Timo Dipl.-Ing. Schäfer; Walter Dipl.-Ing. Schaaf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: DE102004023013A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard, schlittenartiges oder mit Gleitkufen versehenes Gerät ausgebildeten Gleitkörpers (1) mit einer Gleitfläche (1'), längs der der Gleitkörper (1) auf einem optisch unterscheidbaren Untergrund (U) gleitet, wobei eine Lichtquelle (2) an der Gleitfläche (1') vorgesehen ist, die Licht in Richtung des optisch unterscheidbaren Untergrundes (U) emittiert, eine erste Kamera (3) an der Gleitfläche (1') vorgesehen ist, die Einzelbildaufnahmen von einem von der Lichtquelle beleuchteten Oberflächenbereich mit einer Bildaufnahmefrequenz erstellt, so dass zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommene Einzelbilder zumindest identische Teilbildbereiche enthalten, und eine Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, die durch Bildvergleich zweier Einzelbildaufnahmen die Geschwindigkeit des Gleitkörpers (1) ermittelt, mit der der Gleitkörper (1) zwischen den zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommenen Einzelbildern seine Lage verändert hat, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gleitfläche (1') des Gleitkörpers (1) wenigstens ein Abstandssensor (8) vorgesehen ist, der den Abstand zwischen der Gleitfläche (1') und dem Untergrund (U)...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard oder schlittenartiges Gerät ausgebildeten Gleitkörpers mit einer Gleitfläche, längs der der Gleitkörper auf einem optisch unterscheidbaren Untergrund gleitet.
Stand der Technik
Eng mit dem Skisport verbunden ist die Frage nach der Geschwindigkeit, die ein Skifahrer in der Lage ist zu erzielen, zumal unter bloßer Einwirkung der Hangabtriebskraft ein Skifahrer in Geschwindigkeitsbereiche vorzudringen vermag, in die man in keiner anderen Sportart mit vergleichbar technisch geringem Aufwand vorstoßen kann. Insofern ist es nicht verwunderlich, dass bereits diverse Vorstöße unternommen worden sind, die beim Skifahren erreichbare Fahrtgeschwindigkeit zu ermitteln. So wurden hierfür in naheliegender Weise am Ski rotierende Teile angebracht, die entweder in Kontakt mit dem Untergrund gelangen oder ausschließlich durch den Fahrtwind in Rotation versetzt werden und somit eine von der Skigeschwindigkeit abhängige Drehzahl erreichen. Es liegt auf der Hand, dass derartige mit der Drehgeschwindigkeit rotierender Teile korrespondierende Geschwindigkeitsmesssysteme neben ihrer unvermeidbaren sperrigen Ausdehnung und einem damit verursachten störenden Eindruck als zusätzlich am Ski anzubringende Einheit, eine unerwünschte Bremswirkung auf die ansonsten mit hohem technischen Aufwand optimierten Gleiteigenschaften des Sportgerätes ausüben und aus diesen Gründen eine nur geringe praktische Akzeptanz fanden. Vielmehr besteht der Wunsch nach einem Meßsystem, das den Gleitvorgang möglichst unbeeinträchtigt lässt.
So sind Armbanduhrsysteme bekannt, die über Höhenmesserfunktionen verfügen, mit denen unter Zeitmessung für die Bewältigung einer Höhendifferenz bei einer Abfahrt der Druckgradient ermittelt wird, der wiederum in Korrelation mit einer Skigeschwindigkeit gebracht wird. Ein etwas genauer arbeitendes Geschwindigkeitsmessgerät ist aus der DE 101 44 309 A1 entnehmbar, bei dem mit einem Höhenmesser die zurückgelegte Höhe in einer bestimmten Zeit gemessen und mit einem Neigungssensor die Neigung des Hangs bestimmt wird. Auf der Grundlage dieser Messwerte wird über trigonometrische Zusammenhänge die Geschwindigkeit berechnet. Nachteilig bei diesem Verfahren ist gleichsam wie bei dem Armbanduhrensystem die nur ungenaue Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit. Von besonderem Interesse sind jedoch absolute Geschwindigkeitsangabe, insbesondere die Ermittlung von Maximalgeschwindigkeiten, die in aller Regel jedoch nur kurzfristig erreicht werden.
Eine Möglichkeit die absoluten Geschwindigkeiten beim Skifahren zu erfassen ist in der DE 196 30 44 A1 beschrieben. Hierzu sind zwei optische Sensoren in Längsrichtung hintereinander an der Gleitfläche eines Skis angeordnet. Durch Vergleich der binär vorliegenden Sensorbilddaten kann unter Zugrundelegung des bekannten gegenseitigen Sensorabstandes sowie der bekannten zeitlichen Differenz, mit der beide optische Sensoren angesteuert und ausgelesen werden, die aktuelle Fahrtgeschwindigkeit berechnet werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass eine Messung nur in Fällen möglich ist, in denen die Skiführung einem exakten Geradeauslauf entspricht. Bereits bei geringsten seitlichen Abdriften können keine oder lediglich Fehlmessungen durchgeführt werden.
Auch sind Systeme zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit mit Hilfe von Radarstrahlen bekannt, die den Dopplereffekt ausnutzen. Bei derartigen Systemen werden elektromagnetische Wellen von einem bewegten Objekt ausgesandt und an relativ zum bewegten Objekt ruhenden Hindernissen reflektiert, die wieder am Ort des bewegten Objektes empfangen werden. Aus der Differenz der Schwingungsfrequenz von ausgesendeter und empfangener Welle kann die Fahrtgeschwindigkeit berechnet werden. Ein Einsatz eines derartigen Systems im Bereich des Skisports wirft jedoch erhebliche Probleme bezüglich der Messgenauigkeit auf. So führt unweigerlich eine Veränderung der Neigung des Sensors gegenüber dem Untergrund bzw. einem ruhenden Objekt zu Messfehlern. Aufgrund der überaus hochdynamischen Bewegungsabläufe, die ein Skifahrer ausübt, ist ein derartiges Messsystem für diesen Einsatzzweck ungeeignet.
Schließlich ist der Einsatz von GPS-gestützten Messsystemen bekannt, die zwar als portable Einheiten vom Skifahrer mitgeführt werden können, jedoch aufgrund von systemimmanenten Laufzeitmessungen lediglich in der Lage sind, Mittelwerte der Fahrtgeschwindigkeit zu berechnen. Da darüber hinaus die Positioniergenauigkeit bei GPS-gestützten Systemen nicht sonderlich genau ist, überträgt sich die Ungenauigkeit unweigerlich auch auf die Bestimmung der Fahrtgeschwindigkeit.
Aus der US 2004/75737 A1 ist eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung für Skier zu entnehmen, die eine Kameraeinheit zur Erfassung zweidimensionaler Bilder der Oberflächenstruktur des Untergrundes, eine Beleuchtungseinheit, eine Auswerteeinheit und eine Stromversorgung aufweist. Gemäß dem in dieser Druckschrift offenbarten Messprinzip werden die longitudinalen und lateralen Geschwindigkeitskomponenten des Skis aufgrund eines Bilddatenvergleiches der von der Sensoreinheit erfassten zeitlich aufeinander folgenden Einzelbilder berechnet. Zwei aufeinander folgende Einzelbilder weisen dabei auch zumindest identische Teilbereiche auf.
In der DE 195 24 842 C2 wird eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung für Wintersportgeräte sowie Snowboards oder dgl. beschrieben, die eine als optisches System ausgebildete Abtasteinrichtung und eine Auswerteeinrichtung aufweist. Das optische System weist hierfür zumindest zwei optische Sensoren, eine Beleuchtungseinrichtung sowie eine Blende pro optischen Sensor auf. Mit dem optischen System kann eine unregelmäßig strukturierte Oberfläche des Untergrundes, beispielsweise Schnee, erfasst werden. Dabei werden zumindest zwei eine Strukturänderung der Oberfläche charakterisierende Signale erzeugt. Die zeitlichen Verläufe dieser Signale werden von der Auswerteeinrichtung ausgewertet und daraus die Geschwindigkeit des Wintersportgerätes bestimmt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustandes, insbesondere der Geschwindigkeit eines vorzugsweise als Ski ausgebildeten Gleitkörpers anzugeben, der über eine Gleitfläche verfügt, längs der der Gleitkörper auf einem optisch unterscheidbaren Untergrund gleitet. Die Vorrichtung soll darüber hinaus auch für zu Skiern artverwandte Gleitkörper wie beispielsweise Snowboards, schlittenartige oder mit Gleitkufen versehene Geräte, wie beispielsweise Rodel oder Schlittschuhe anwendbar sein. Die Vorrichtung soll eine genaue Messung der Momentangeschwindigkeit des Gleitkörpers ermöglichen, ohne dabei den aktuellen Bewegungszustand des Gleitkörpers zu beeinträchtigen. Auch gilt es, die Vorrichtung möglichst kleinbauend auszubilden, so dass sie über eine hohe Integrationsfähigkeit verfügt, so dass auch das äußere Erscheinungsbild des Gleitkörpers durch Vorsehen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht in Mitleidenschaft gezogen wird.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 18 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustandes eines entsprechenden Gleitkörpers. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie insbesondere unter Bezugnahme auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die Vorrichtung basiert auf dem technischen Grundprinzip, mit dem bis anhin bekannte optische Computermäuse arbeiten, die zur kinematischen Bewegungsumsetzung der Handbewegung zur Bewegungsführung eines optisch auf einer graphischen Benutzeroberfläche darstellbaren Cursorzeigers dienen. Bei optischen Computermäusen befindet sich auf der Unterseite des Mausgehäuses eine Kameraeinheit, die in einer schnellen Bildsequenzabfolge Einzelbilder vom Untergrund über den die Computermaus geführt wird, erstellt. Wird die Computermaus bewegt, so kann anhand eines Vergleiches der in zeitlicher Sequenz aufgenommenen Einzelbilder festgestellt werden, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit die Computermaus bewegt worden ist.
Diesen Messsystemgedanken aufgreifend sieht die Vorrichtung zum Erfassen des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard, schlittenartiges oder mit Gleitkufen versehenes Gerät ausgebildeten Gleitkörpers mit einer Gleitfläche, längs der der Gleitkörper auf einem optischen unterscheidbaren Untergrund gleitet, eine Lichtquelle an der Gleitfläche vor, die Licht in Richtung des optischen unterscheidbaren Untergrundes emittiert. An der Gleitfläche ist eine erste Kamera vorgesehen, die Einzelbildaufnahmen von einem von der Lichtquelle beleuchteten Oberflächenbereich mit einer Bildaufnahmefrequenz erstellt, so dass zwei zeitlich getrennt aufgenommene Einzelbilder zumindest identische Bildteilbereiche enthalten. Eine vorzugsweise innerhalb des Gleitkörpers integrierte Auswerteeinheit ermittelt durch graphischen Bildvergleich zweier Einzelbildaufnahmen die Geschwindigkeit des Gleitkörpers, mit der der Gleitkörper zwischen den zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommenen Einzelbildern seine Lage verändert hat. Lösungsgemäß ist an der Gleitfläche des Gleitkörpers wenigstens ein Abstandssensor vorgesehen, der den Abstand zwischen der Gleitfläche und dem Untergrund erfasst.
Das Geschwindigkeitsmeßsystem zeichnet sich durch seine Kompaktheit und hohe Integrationsfähigkeit aus, zumal die zumeist auf CCD-Technik basierenden Kameraeinheiten sowie auch das für die Belichtung des Untergrundes erforderlichen Leuchtmittel, vorzugsweise in Form einer LED oder einer Laserdiode, in miniaturisierter Form vollständig in den Gleitkörper angrenzend zur Gleitfläche implementierbar sind. Im Falle eines Skis reicht die Bauhöhe des Skikerns ohne weiteres aus, die vorstehend erwähnten technischen Komponenten vollständig in einen Ski zu integrieren. Dies gilt ebenso für eine für den Betrieb der technischen Komponenten erforderliche Energieversorgungseinheit, vorzugsweise in Form einer Batterie. Denkbar wäre auch die Verwendung photovoltaischer Zellen, die an geeigneter Stelle an der Oberfläche des Gleitkörpers zur Erzeugung elektrischer Energie vorzusehen sind. Da die zur Geschwindigkeitserfassung erforderlichen Komponenten marktüblich sind, zeichnet sich ein derartiges Meßsystem durch geringe Herstellungs- und letztlich geringe Anschaffungskosten aus, so dass von einer hohen wirtschaftlichen Attraktivität eines derartigen Produktes ausgegangen werden kann.
Gleichsam der Anwendung des Messsystems in einem Ski zur Bestimmung der Skigeschwindigkeit, lässt sich die Vorrichtung in Snowboards, schlittenartigen Geräten wie beispielsweise Rodel, Bob oder Kufenschlitten integrieren. Ebenso ist es denkbar die Messvorrichtung längs einer Kufe eines Schlittschuhs oder eine Skeleton-Bobs zu implementieren, um auf diese Weise die Geschwindigkeit derartiger Sportgeräte exakt zu erfassen.
In allen genannten Anwendungen oder bei einer zu den vorstehend beschriebenen vergleichbaren Gleitkörperausbildung, bei der eine Geschwindigkeitsmessung wünschenswert und technisch sinnvoll ist, befindet sich die Gleitfläche des jeweiligen Gleitkörpers in Gleit- oder Haftkontakt mit einem Untergrund, der von der Kamera in einem bestimmten Teilausschnitt erfasst wird. Die Kameraoptik der innerhalb des Gleitkörpers integrierten Kamera bildet die Ebene der Gleitfläche, an die der Untergrund unmittelbar angrenzt, scharf ab. Die Kamera selbst weist vorzugsweise ein zweidimensional ausgebildetes CCD-Array auf, auf das das Abbild des von der Kameraoptik erfassten Bereiches des Untergrundes scharf abgebildet wird. Mit einer vorzugsweise konstant vorgebbaren Ausleserate werden die eine Einzelbildaufnahme des Teilbereiches des Untergrundes repräsentierende Bildpixelwerte aus dem CCD-Array ausgelesen und entsprechend als Einzelbildaufnahme abgespeichert. Im Rahmen einer Auswerteeinheit erfolgt zur Geschwindigkeitsbestimmung des Gleitkörpers ein Bildvergleich zweier in der periodischen Sequenz unmittelbar aufeinanderfolgend aufgenommener Einzelbildaufnahmen. Hierzu werden identische Bildinhalte ermittelt und aufgrund des räumlichen Versatzes beider identischer Bildinhalte unter Zugrundelegung der zwischen beiden Einzelbildaufnahmen liegenden Zeitunterschiedes die Geschwindigkeit des Gleitkörpers berechnet.
Neben der Geschwindigkeitsbestimmung ist es ebenso möglich, eine Richtungsinformation aus dem Bildvergleich zu gewinnen, in der der Gleitkörper zwischen beiden Bildaufnahmesequenzen bewegt worden ist. In Einbindung des Messsystems in einen Ski ist es somit möglich, neben der aktuellen Skigeschwindigkeit auch festzustellen, ob der Ski in Skilängsrichtung oder quer zur Fahrtrichtung bewegt wird. Seitliche Drift des Skis lassen sich auf diese Weise exakt erfassen.
Um den vorstehend skizzierten Bildvergleich zweier in zeitlicher Sequenz aufeinanderfolgender Einzelbildaufnahmen durchführen zu können, ist dafür Sorge zu tragen, dass die zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder zumindest identische Bildteilbereiche enthalten. So gilt es die Bildaufnahmefrequenz sowie den von der Kameraoptik erfassten Bereich des aufzunehmenden Untergrundes derart zu wählen, so dass eine geometrische Überlappung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzelbildaufnahmen stets gewährleistet ist. Eine möglichst hohe Bildrate bzw. Bildfolgefrequenz, mit der die Einzelbilder aufgenommen werden, sowie ein möglichst großflächiger Bereich, der von der Kamera erfasst wird sind hierzu wünschenswert.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht die Verwendung zweier Kameraeinheiten vor, deren Aufnahmebereiche vom Untergrund identisch sind. Beide Kameraeinheiten werden derart betrieben, dass sie zeitlich jeweils abwechselnd Einzelbildaufnahmen vom Untergrund erstellen. Auf diese Weise kann die Zeitdifferenz zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Einzelbildaufnahmen vom Untergrund verkürzt werden, ohne dabei die Bildaufnahmefrequenz, mit der die jeweilige Kameraeinheit betrieben wird, vergrößern zu müssen. In gleicher Weise ist es möglich, die Bildfolgefrequenz durch den Einsatz von drei und mehr Kameras in entsprechender Weise zu verkürzen.
Da die für die vorbeschriebene Geschwindigkeitsmessung erforderlichen technischen Komponenten, wie eingangs erwähnt, in der Computerbranche bereits eine sehr große Verbreitung besitzen und überdies über eine entsprechende Robustheit verfügen, sind die Komponenten in großer Stückzahl kostengünstig zu beziehen.
Zur Auswertung der von den Kameras aufgenommenen Einzelbildaufnahmen bedarf es einer entsprechenden Auswerteeinheit, die die Bilddaten vorzugsweise im Wege eines Korrelationsverfahrens auswertet. Die Auswerteeinheit ist in vorteilhafter Weise gleichfalls wie die Lichtquelle sowie die Kamera im Gleitkörper selbst integriert. Ebenso denkbar ist es, dass die Auswerteeinheit als externe Einheit ausgebildet ist, beispielsweise im Rahme einer portabel mitzuführenden Einheit, wie beispielsweise eine Armbanduhr. In diesem Fall ist am Gleitkörper eine Sendeeinheit vorzusehen, über die die von der Kameraeinheit bereitgestellten Einzelbildaufnahmedaten zur Auswerteeinheit vorzugsweise drahtlos übermittelt werden. In geeigneter Weise können die Einzelbildaufnahmedaten in einer im Gleitkörper vorzusehenden Speichereinheit zwischengespeichert werden.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht die Integration aller für die Geschwindigkeitsbestimmung und Wiedergabe erforderlichen technischen Komponenten innerhalb des Gleitkörpers, beispielsweise innerhalb eines Skis, vor. So kann die von der im Ski integrierten Auswerteeinheit ermittelte Geschwindigkeit anhand einer auf der Oberseite des Skis angebrachten Displayeinheit vom Skifahrer abgelesen werden. Hierfür eignen sich vorzugsweise folienartig ausgebildete Flachdisplays, die an geeigneter Stelle an der Oberseite des Skis anzubringen sind. Die Geschwindigkeitsangabe erfolgt beispielsweise mittels numerischer Zahlenwiedergabe oder anhand einer graphischen Balkendarstellung oder ähnlichem. Ebenso ist es möglich, die Geschwindigkeitswerte akustisch zu modulieren und über eine entsprechende Lautsprechereinheit dem Skifahrer akustisch wahrnehmbar zukommen zu lassen. Denkbar wäre der Einsatz von Kopfhörersystemen, die über drahtlose Kommunikationstechnik mit der Messvorrichtung verbunden sind, Stichwort Bluetooth-Technik.
Neben einer Echtzeitwiedergabe von gemessenen Geschwindigkeiten anhand geeigneter Display- und/oder Lautsprechereinheiten ermöglicht eine Speichereinheit die Abspeicherung aller ermittelter Geschwindigkeitsinformationen, die zeitcodiert abgespeichert werden und für eine nachträgliche Analyse zur Verfügung stehen. Die Speichereinheit kann entweder zusammen in der Auswerteeinheit im Gleitkörper selbst integriert oder ebenso als externe Einheit ausgebildet sein, die vorzugsweise über eine drahtlose Informationsübertragungstechnik mit der Kameraeinheit in Kommunikativen Kontakt steht.
Die Auswertung der mit der wenigstens einen Kameraeinheit aufgenommenen Einzelbildaufnahmen erfolgt vornehmlich zum Zwecke der Bestimmung der Absolutgeschwindigkeit, mit der sich der Gleitkörper innerhalb einer kurzen Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzelbildaufnahmen fortbewegt. Selbstverständlich ist es möglich, die auf vorstehende Weise gewonnenen Geschwindigkeitsinformationen über größere Zeitspannen zu integrieren um letztlich Durchschnittsgeschwindigkeiten zu berechnen. Anhand der zusätzlich aus den Einzelbildaufnahmen extrahierbaren Richtungsinformationen können gezielte Rückschlüsse auf Bewegungstrajektorien angestellt werden, längs der sich der Gleitkörper während der Messung fortbewegt hat.
Ohne den erfinderischen Gedanken einzuschränken ist es möglich, durch Integration vorstehender Messvorrichtung in einen Ski einen Skifahrer aufgrund der gemessenen Kenndaten absolute Messgrößen zukommen zu lassen, anhand derer der Skifahrer sein Fahrkönnen bewerten kann. So ermöglicht die Kenntnis über die exakte Fahrgeschwindigkeit sowie die Information über auftretende Querbewegungen relativ zur Fahrtrichtung des Skis dem Skifahrer die Möglichkeit seine Technik zu optimieren. Ebenso verleiht die Angabe über die Momentangeschwindigkeit bereits während des Skifahrens durch optische oder akustische, für den Fahrer wahrnehmbare Signale einen besonderen Reiz der zur Erhöhung des Fahrvergnügens beiträgt.
Mit Hilfe des Sensors zur Messung des Abstandes zwischen der Gleitfläche und dem Untergrund vermag dem Skifahrer die Sprunghöhe während oder nach der Fahrt über eine entsprechende Auswerte- und Kommunikationseinheit zu vermitteln. So ermöglicht ein derartiges, beispielsweise auf der Ultraschalltechnik basierendes Messsystem neben der Erfassung absoluter Sprunghöhen auch eine Information darüber, ob der Ski in Kontakt mit dem Untergrund ist oder nicht. Derartige Informationen sind bspw. besonders wichtig bei der Analyse und Optimierung der Rennpositionen bei Abfahrtsrennen. Gerade bei Skirennen gilt es, stets eine Haltung einzunehmen, die einen möglichst kontinuierlichen Bodenkontakt gewährleistet. Werden beispielsweise derartige Abstandsmessungen während einer Abfahrt durchgeführt und als Messwerte in einer geeignet vorgesehenen Speichereinheit abgespeichert, die entweder auf dem Ski selbst oder wie vorstehend bereits beschrieben, als externe Einheit ausgebildet sein kann, letztere bedarf jedoch einer drahtlosen Kommunikationstechnik, können nachträglich exakte Fahranalysen angestellt werden. Aber auch für die Durchführung von Skitests sind derartige Kenntnisse wichtig für die Auslegung und Konstruktion von Ski oder Snowboards o. ä. Gleitkörper im Allgemeinen.
Gleichsam der vorstehend beschriebenen Darstellungsmöglichkeiten hinsichtlich der gemessenen Momentangeschwindigkeit lässt sich auch der momentan erfasste Abstand zwischen Gleitfläche und Untergrund entsprechend visuell oder akustisch darstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante sieht die Erfassung des Deformationszustandes des Gleitkörpers vor, in dem innerhalb des Gleitkörpers piezoelektrische Fasern eingearbeitet sind, die durch Deformation elektrische Signale generieren, die mit Hilfe einer geeignet ausgebildeten Auswerteeinheit detektierbar und entsprechend auswertbar sind. Wiederum im Fallbeispiel eines Skis können anhand einiger innerhalb des Skis eingearbeiteter piezoelektrischer Fasern die Torsionssteifigkeit des Skis exakt erfasst werden, die wiederum entscheidend zur Laufruhe des Skis selbst beiträgt. Derartige den aktuellen Deformationszustand von Skiern erfassbare Sensorsysteme verhelfen insbesondere in der Skierprobung- und -entwicklung zu entscheidenden Erkenntnissen über das Schwingungsverhalten eines Skis in Abhängigkeit der tatsächlich gefahrenen Geschwindigkeit.
Schließlich sieht eine weitere ergänzte Ausführungsform die Integration eines Sensorsystems innerhalb der Gleitfläche eines Gleitkörpers vor, mit dem der Anpressdruck des Gleitkörpers gegen den Untergrund erfassbar ist. Besonders eignen sich hierfür piezoelektrische Sensoren, die bspw. bereits in Form von Dehnungsmessstreifen (DMS) breiten Einsatz finden.
Durch die gemeinsame sensorielle Erfassung aller vorstehender Messparameter, d. h. Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung, Abstand zwischen Gleitfläche und Untergrund, Deformationszustand und letztlich Anpressdruck der Gleitfläche gegen den Untergrund, kann ein wichtiges Gesamtbild über den Bewegungszustand des Gleitkörpers erstellt werden, das nicht nur für eine nachträgliche detaillierte Analyse, sondern insbesondere für die in Echtzeit zur Verfügung zu stellende Information über den Bewegungszustand des Gleitkörpers dient. Gleichgültig ob es sich in der praktischen Anwendung des Geschwindigkeitsmesssystems sowie seiner sensoriellen, vorstehend beschriebenen Ergänzung im Einsatz in einen Ski, in einem Snowboard, oder in sonstigen schlittenartigen oder mit Gleitkufen versehenen Geräten befindet, verhilft die erfindungsgemäße Vorrichtung der Steigerung der Attraktivität des jeweiligen Gleitkörpers. Denkbar auch ist die Integration des Geschwindigkeitsmesssystems in Gleitkufen, so beispielsweise in Schlittschuhen längs der Gleitkufenfläche, die im unmittelbaren Kontakt mit der Eisoberfläche tritt. Eine analoge Integration bietet sich in den Laufkufen von Rennrodel oder Rennbobs an, bei denen neben der exakten Geschwindigkeitsbestimmung die Information über ein Querrutschen von besonderer Bedeutung ist. Bei allen letztgenannten Einsatzfällen ist eine Anbringung einer Display- oder Lautsprechereinheit unmittelbar am Sportgerät eher ungeeignet. In diesen Fällen eignet sich das Vorsehen einer entsprechend miniaturisiert ausgebildeten Sendeeinheit am Sportgerät, die die entsprechend aufgenommenen Messsignale zu einer extern, vorzugsweise portabel ausgebildeten Auswerte- und/oder Speichereinheit überträgt. Zur visuellen Darstellung der erfassten Informationen eignet sich neben den bereits vorstehend genannten folienartigen Flachbildschirmeinheiten, die an geeigneten Oberflächen anbringbar sind, so genannte Durchsichtdisplays, in die die Informationen einblendbar sind. Derartige Displays können in entsprechend konfektionierten Brillen oder Helmen mit Visier integriert werden, so dass der jeweiligen Person gezielt ausgewählte Informationen, vorzugsweise die Momentangeschwindigkeit, beim Skifahren, Snowboardfahren oder Rodeln aktuell in das Blickfeld eingeblendet werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte Darstellung der technischen Komponenten zur Geschwindigkeitsbestimmung,
2 schematisierter Aufbau eines Skis mit elektronischen Sensoren,
3 alternatives Ausführungsbeispiel für ein Ski mit Sensoren und
4–5 alternative Ausführungsbeispiele für Ski mit entsprechenden Sensoren.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist ein schematisiertes Messprinzip zur Durchführung einer Geschwindigkeitsmessung von einem beliebigen Gleitkörper 1 aus dargestellt. Es sei angenommen, dass sich der Gleitkörper 1, in dem eine Lichtquelle 2 sowie eine Miniaturkamera 3 vorgesehen sind, relativ zu einem Untergrund U bewegt. Ferner sei angenommen, dass die Gleitfläche 1' des Gleitkörpers 1 in Kontakt mit der Oberfläche des Untergrundes U tritt. Nur aus Gründen einer besseren Verdeutlichung der Messsituation ist der Gleitkörper 1 vom Untergrund U beabstandet angeordnet. Die Kameraeinheit 1 erstellt Einzelbilder von einem Teilbereich des Untergrundes U, die in zeitlich sequentieller Abfolge einer Auswerteeinheit 4 zugeführt werden, in der die Einzelbildaufnahmen im Wege eines Korrelationsverfahrens miteinander verglichen werden und ein räumlicher Versatz zwischen beiden Bildaufnahmen ermittelt wird, aus dem ein Geschwindigkeitswert berechnet wird, der letztlich im angegebenen Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einem Anzeigefeld 5 zur visuellen Darstellung gebracht wird.
Das vorbezeichnete Sensorprinzip ist in einen Ski derart integrierbar, dass die Lichtquelle 2 sowie die Kameraeinheit 3 an der Gleitfläche des Skis 1 derart angrenzend angebracht sind, so dass die Lichtquelle 2 den Untergrund U beleuchtet, der zugleich in einem Teilbereich von der Kameraeinheit 3 erfasst wird. Der in 2 schematisch dargestellte Ski verfügt somit über die nachfolgenden Komponenten: An der Gleitfläche 1' des Ski 1 befindet sich das in 1 detailliert dargestellte Geschwindigkeitsmesssystem 6, das die in 1 beschriebenen Komponenten umfasst. Ferner sind an der Gleitfläche 1' des Skis 1 Drucksensoren 7 vorgesehen, die als piezoelektrische Sensoren ausgebildet sind und den Anpressdruck des Skis 1 gegenüber dem nicht dargestellten Untergrund erfassen. Wie aus der schematisierten Darstellung gemäß 2 entnehmbar ist, sind die Drucksensoren 7 nahezu gleichmäßig über die gesamte Länge des Skis verteilt angeordnet. Hierdurch ist es möglich den Anpressdruck des Skis über seine gesamte Länge ortsaufgelöst zu ermitteln. Unterhalb des Fersenteils FT der Bindung B ist ein Abstandssensor 8 angebracht, der den Abstand des Skis 1 bei einem Sprung über den Untergrund U ermittelt. Nahe der Skispitze ist ein Verwindungssensor 9, in Form von in den Ski eingearbeiteten piezoelektrischen Fasern, die insbesondere den Grad der torsionalen Verwindung des Skis erfassen. Alle elektrisch arbeitenden Sensorsysteme werden von einer Batterieeinheit 10 mit Strom versorgt, die im hinteren Bereich des Skis integriert ist. Alle mit dem vorstehend beschriebenen Sensorsystemen erfassten Sensorsignale werden in einer Auswerteeinheit mit integriertem Speichermodul 11 ausgewertet und zur visuellen Darstellung auf den Anzeigefeldern 4, die auf der Oberseite des vorderen Skibereichs vorgesehen sind, zur Darstellung gebracht. Auf diese Weise kann der Skifahrer die aktuell gewonnenen Messsignale wahrnehmen.
In 3 ist die Draufsicht auf einen Ski 1 dargestellt, mit jeweils vier randnah angebrachten Geschwindigkeitssensoren 6. Das randnahe Anbringen von jeweils vier getrennten Geschwindigkeitssensoren 6 ermöglicht zu jedem Zeitpunkt die exakte Erfassung der Skigeschwindigkeit. Kantet der Skifahrer beispielsweise den Ski um eine Kante an, so ist stets gewährleistet, dass jene Geschwindigkeitssensoren, die längs der Kante angebracht sind, um die der Ski angekantet ist, in unmittelbarem Kontakt mit dem Untergrund stehen. Auf die übrigen, in der 4 eingezeichneten Komponenten, die ansonsten die identischen bereits zu 3 eingeführten Bezugszeichen tragen, wird um Wiederholungen zu vermeiden, nicht weiter eingegangen.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf die graphische Darstellung des dem Erfindungsgedanken zentral zugrunde liegenden Geschwindigkeitssensors verzichtet worden. Nur der guten Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass auch das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel über ein entsprechendes Geschwindigkeitsmesssystem verfügt. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 weist im Fersenbereich FT der Bindung B einen als Ultraschallsensor ausgebildeten Abstandssensor 8 auf, dessen Messsignale über eine Auswerteelektronik mit integriertem Speichermodul 11 ausgewertet werden. Eine Batterieeinheit 10 sorgt für die entsprechende Energieversorgung des Abstandssensors 8 sowie der Auswerteelektronik 11. Die ermittelten Abstandswerte werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Lautsprecher 12, der an der Oberseite des Skis vorgesehen ist, akustisch wahrnehmbar abgeschallt. Beispielsweise ist es möglich, einen Ton mit einer zur Flughöhe proportionalen Frequenz zu generieren, so dass der Skifahrer bei steigender Frequenz erfährt, dass seine Flughöhe durchaus beachtlich ist.
In gleicher Weise kann die Fahrgeschwindigkeit in ein akustisches Signal umgewandelt werden. Da bei sehr hoher Fahrgeschwindigkeit, ähnlich wie beim Schanzen der Blick auf ein optisch wahrnehmbares Anzeigefeld häufig nicht möglich ist, kann die aktuelle Fahrgeschwindigkeit ebenso als Tonsignal ausgegeben werden. Beispielsweise ist es auch in diesem Fall möglich, einen Ton mit einer zur Fahrgeschwindigkeit proportionalen Frequenz zu generieren.
Mit Hilfe akustisch wahrnehmbarer Tonsignale ist es überdies möglich beispielsweise bei entsprechenden Fehlbelastungen des Skis für den Skifahrer akustische Korrektursignale zu erzeugen. Auch eine falsche Belastung zwischen Tal- und Bergski kann mit Hilfe geeignet angebrachter Drucksensoren erfasst und über die Lautsprechereinheit für den Fahrer akustisch wahrnehmbar vermittelt werden.
Alle vorstehend genannten Sensorsignale können im Rahmen des im Ski integrierten Speichermoduls abgespeichert und für eine spätere Analyse herangezogen werden.
In 5 ist ein erweitertes Ausführungsbeispiel mit einem vollständig mit Sensoren bestückter Ski vorgesehen, der zudem eine Funkübertragungseinheit 13 vorsieht, über die sämtliche Messwerte zwischen beiden Skiern ausgetauscht werden können. Auf diese Weise ist es möglich, ein Vorauseilen eines Skis durch Integration der Geschwindigkeiten beider Skier zu detektieren. Auch ermöglicht eine derartige Kommunikation zwischen beiden Skiern die Unterscheidung zwischen Tal- und Bergski sowie die Feststellung von unterschiedlichen Anpressdrücken.
Das vorstehend beschriebene Sensorsystem ermöglicht eine nahezu vollständige quantitative Erfassung des Bewegungszustandes eines Skis. Mit diesem System können dem Skifahrer während des Fahrens nicht nur interessante Bewegungsinformationen übermittelt, sondern darüber hinaus eine gesamtheitliche Analyse des Bewegungsvorganges beim Skifahren ex post angestellt werden. Letztere dient der Verbesserung und Optimierung der skifahrerischen Praxis.
In äquivalenter Weise ist das erfindungsgemäße Sensorsystem auf artverwandte Sportgeräte übertragbar, in denen ein Gleitvorgang zur Fortbewegung des Sportgerätes erfolgt. Auf einige derartige alternative Sportgeräte ist vorstehend bereits verwiesen worden.

1: Gleitkörper, Ski
1': Gleitfläche
2: Lichtquelle
3: Kameraeinheit
4: Auswerteelektronik
5: Anzeigefeld
6: Geschwindigkeitssensor
7: Drucksensor
8: Abstandssensor
9: Verwindungssensor
10: Batterie
11: Auswerteelektronik mit Speichermodul
12: Lautsprecher
13: Funkübertragungseinheit

Claims

Vorrichtung zum Erfassen des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard, schlittenartiges oder mit Gleitkufen versehenes Gerät ausgebildeten Gleitkörpers (1) mit einer Gleitfläche (1'), längs der der Gleitkörper (1) auf einem optisch unterscheidbaren Untergrund (U) gleitet, wobei eine Lichtquelle (2) an der Gleitfläche (1') vorgesehen ist, die Licht in Richtung des optisch unterscheidbaren Untergrundes (U) emittiert, eine erste Kamera (3) an der Gleitfläche (1') vorgesehen ist, die Einzelbildaufnahmen von einem von der Lichtquelle beleuchteten Oberflächenbereich mit einer Bildaufnahmefrequenz erstellt, so dass zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommene Einzelbilder zumindest identische Teilbildbereiche enthalten, und eine Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, die durch Bildvergleich zweier Einzelbildaufnahmen die Geschwindigkeit des Gleitkörpers (1) ermittelt, mit der der Gleitkörper (1) zwischen den zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommenen Einzelbildern seine Lage verändert hat, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gleitfläche (1') des Gleitkörpers (1) wenigstens ein Abstandssensor (8) vorgesehen ist, der den Abstand zwischen der Gleitfläche (1') und dem Untergrund (U) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (3) eine CCD-Kamera ist, die ein zweidimensionales CCD-Array aufweist, auf das mittels einer Abbildungsoptik die Einzelbilder von der beleuchteten Oberfläche abbildbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zwei zeitlich unmittelbar aufeinander folgende Einzelbilder auswertet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Kamera vorgesehen ist, die Einzelbildaufnahmen von dem von der Lichtquelle (2) beleuchteten Oberflächenbereich erstellt, der identisch ist zu demjenigen, der von der Kamera (3) erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Geschwindigkeit sowohl Einzelbildaufnahmen von der ersten als auch von der zweiten Kamera heranzieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Auswerteeinheit (4) am Gleitkörper (1) verbundene Ausgabeeinheit (5) vorgesehen ist, an der zumindest die ermittelte Geschwindigkeit optisch und/oder akustisch wahrnehmbar darstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (5) auf einem der Gleitfläche (1') des Gleitkörpers (1) abgewandten Oberflächenbereich vorgesehen ist und eine Display- (5) und/oder Lautsprechereinheit (12) vorsieht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit am oder im Gleitkörper (1) vorgesehen ist, in der die von der Auswerteeinheit (4) ermittelten Geschwindigkeitswerte als Zeitfunktion abspeicherbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeeinheit (13) am oder im Gleitkörper (1) vorgesehen ist, die die ermittelten Geschwindigkeitswerte an eine Empfangsstation drahtlos übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsstation als portable Einheit ausgebildet ist, vorzugsweise in Form einer Armbanduhr mit einem Display, an dem die Geschwindigkeitswerte optisch darstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangstation als Brille oder Helm mit Visier ausgebildet ist, an der die Geschwindigkeitswerte optisch darstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsstation als portable Lautsprechereinheit ausgebildet ist, vorzugsweise als Kopfhörereinheit, durch die die Geschwindigkeitswerte akustisch kodiert wahrnehmbar darstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (8) ein Ultraschallsensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Gleitkörper (1) piezoelektrische Fasern eingearbeitet sind, die durch Verformen des Gleitkörpers (1) elektrische Signale generieren, die von der Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung des Verformungszustandes des Gleitkörpers (1) auswertbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gleitfläche (1') wenigstens ein Drucksensor (7) vorgesehen ist, der zur Ermittlung des Anpressdruckes des Gleitkörpers (1) gegen den Untergrund (U) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (7) als piezoelektrische Faser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Geschwindigkeit, der ermittelbare Abstand, der Verformungszustand und/oder der Anpressdruck des Gleitkörpers mittels der Auswerteinheit auswertbar, mittels der Speichereinheit abspeicherbar und/oder mittels der Sendeeinheit an eine Empfangseinheit übertragbar sind.
Verfahren zum Erfassen des Bewegungszustandes eines als Ski, Snowboard, schlittenartiges oder mit Gleitkufen versehenes Gerät ausgebildeten Gleitkörpers (1) mit einer Gleitfläche (1'), längs der der Gleitkörper (1) auf einem optisch unterscheidbaren Untergrund (U) gleitet, wobei von einer an der Gleitfläche (1') des Gleitkörpers (1) angebrachten Kameraeinheit (3) Einzelbildaufnahmen von dem optisch unterscheidbaren Untergrund (U) mit einer Bildaufnahmefrequenz erstellt werden, so dass bei einer Relativbewegung des Gleitkörpers (1) gegenüber dem Untergrund (U) zwei zeitlich aufeinander folgende Einzelbildaufnahmen zumindest identische Teilbildbereiche enthalten, und mittels einer Auswerteeinheit (4) ein Bildvergleich zweier Einzelbildaufnahmen derart durchgeführt wird, dass auf der Grundlage des räumlichen Versatzes beider identischer Teilbildbereiche die Geschwindigkeit des Gleitkörpers (1) ermittelt wird, mit der der Gleitkörper (1) zwischen den zwei zeitlich getrennt voneinander aufgenommenen Einzelbildern seine Lage verändert hat, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Abstandssensors (8), der an der Gleitfläche (1') des Gleitkörpers (1) angebracht ist, der Abstand zwischen der Gleitfläche (1') und dem Unterrund (U) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsermittlung im Wege des Korrelationsverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Bildvergleiches die Richtung ermittelt wird, unter der der Gleitkörper (1) zwischen beiden Einzelbildaufnahmen seine Lage verändert hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten einer der nachfolgenden Parameter ermittelt werden: – mit Hilfe in den Gleitkörper (1) eingearbeiteter piezoelektrischer Fasern wird der Deformationszustand des Gleitkörpers (1) ermittelt, – mit Hilfe eines in der Gleitfläche (1') eingearbeiteten Drucksensors (7) wird der Anpressdruck der Gleitkörpers (1) gegen den Untergrund (U) ermittelt, und dass die ermittelten Parameter gemeinsam mit der erfassten Geschwindigkeit abgespeichert, zu akustischen oder optischen Darstellung gebracht und/oder zur Bestimmung des Bewegungszustandes des Gleitkörpers (1) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kameraeinheiten Einzelbildaufnahmen von dem optisch unterscheidbaren Untergrund mit identischen Bildausschnitten erstellen, und dass zur Ermittlung der Geschwindigkeit die Einzelbildaufnahmen beider Kameraeinheiten herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kameraeinheiten zeitlich jeweils abwechselnd Einzelbildaufnahmen von dem Untergrund erstellen.