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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels mit Hilfe mindestens eines Magnetfeldsensors eines Navigationsgeräts.
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Die Verwendung von Navigationsgeräten im Automobil ist heute weit verbreitet, wobei die Navigationsfunktion meist in das Fahrerinformationssystem integriert ist. Daneben sind aus der Praxis auch tragbare Navigationsgeräte bekannt, die fahrzeugunabhängig genutzt werden können. Dabei müssen zusätzlich zur Fortbewegung mit einem Kraftfahrzeug auch andere Arten der Fortbewegung, wie die Fortbewegung zu Fuß oder mit öffentlichen Verkehrsmitteln, berücksichtigt werden. D. h. das Navigationsgerät sollte die Fortbewegungsart des Benutzers erkennen und sowohl bei der Standortbestimmung als auch bei der Routenplanung berücksichtigen. Außerdem sollte es in der Lage sein, sinnvolle Vorschläge für die Benutzung eines geeigneten Verkehrsmittels zu machen. Diese Art der Personennavigation wird zukünftig stark an Bedeutung zunehmen, insbesondere wenn sie zu einer Standardfunktion für Handys entwickelt wird.
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Die meisten tragbaren Navigationsgeräte verfügen über einen GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung und über mindestens einen Magnetfeldsensor, der als Kompass zum Ausrichten des passenden Kartenausschnitts auf dem Display des Navigationsgeräts dient und zur Orientierung genutzt wird, falls keine GPS-Daten zur Verfügung stehen, wie z. B. in U-Bahntunneln.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Ortsauflösung der GPS-Daten meist nicht ausreicht, um den Standort des Benutzers so genau zu bestimmen, dass Rückschlüsse auf seine Fortbewegungsart möglich wären. So können die bekannten Navigationsgeräte allein anhand der GPS-Daten in der Regel nicht zwischen den Straßenseiten einer Straße, der Fahrbahn und einer parallel verlaufenden Straßenbahntrasse unterscheiden, so dass unklar ist, ob sich der Benutzer zu Fuß oder mit einem Pkw fortbewegt oder in der Straßenbahn sitzt. Wenn sich Pkws und Straßenbahn in diesem Gebiet mit einem ähnlichen Geschwindigkeitsprofil bewegen, liefert auch die an hand der GPS-Daten ermittelbare Fortbewegungsgeschwindigkeit kein eindeutiges Ergebnis.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine einfache Möglichkeit vorgeschlagen, wie mit Hilfe eines Navigationsgeräts die Benutzung eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels erkannt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dazu mit Hilfe des Magnetfeldsensors des Navigationsgeräts die magnetische Feldstärke am Ort des Navigationsgeräts kontinuierlich oder zumindest mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz erfasst. Ausgehend von dem so gewonnenen Signal wird dann die Frequenz eines am Ort des Navigationsgeräts etwaig vorhandenen magnetischen Wechselfeldes bestimmt. An Hand dieser Frequenz wird schließlich bestimmt, ob sich das Navigationsgerät in einem elektrisch angetriebenen Verkehrsmittel befindet, und falls ja, um welche Art von elektrisch angetriebenem Verkehrsmittel es sich handelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt aus, dass unterschiedliche elektrisch angetriebene Verkehrsmittel in der Regel mit deutlich unterschiedlichen Wechselstromfrequenzen betrieben werden. Dazu sind nachfolgend vier Beispiele angegeben:
| Fernbahn | 16 2/3 Hz |
| Berliner S-Bahn | v. a. 300 Hz |
| Berliner U-Bahn | 50, 100 und 300 Hz |
| Straßenbahn | v. a. 50 Hz |
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Folglich lässt sich aus den Frequenzen der entsprechenden magnetischen Wechselfelder in Verbindung mit Informationen über die in einem bestimmten Umkreis zur Verfügung stehenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmittel meist eindeutig auf die Art des Verkehrsmittels rückschließen, das das magnetische Wechselfeld hervorgerufen hat.
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Damit kann auch automatisch erkannt werden, wenn der Benutzer des Navigationsgeräts das Verkehrsmittel gewechselt hat, so dass auch die Routenplanung automatisch entsprechend angepasst wird. Wenn der Benutzer also beispielsweise vom Auto auf die Straßenbahn umgestiegen ist, dann kann bei der weiteren Routenplanung nun automatisch der Fahrplan und Netzplan der Straßenbahn berücksichtigt werden.
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Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das Navigationsgerät über einen Magnetfeldsensor verfügt, mit dem sich die magnetische Feldstärke dynamisch erfassen lässt. Nur dann lässt sich auch die Frequenz eines etwaig vorhandenen Wechselfeldes bestimmen und ggf. die Art des elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels, das dieses Wechselfeld hervorgerufen hat.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Bestimmung der Art des elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels durch einen Vergleich der ermittelten Frequenz des vorliegenden magnetischen Wechselfeldes mit vorgegebenen Frequenzen, die den einzelnen im Umkreis des Aufenthaltsorts zur Verfügung stehenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmitteln zugeordnet sind.
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Die Informationen über die für den jeweiligen Aufenthaltsort in Frage kommenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmittel und die zugehörigen Frequenzen der magnetischen Wechselfelder können beispielsweise zusammen mit den entsprechenden Karteninformationen auf einem Datenträger abgespeichert sein. In diesem Fall lassen sich die Informationen einfach mit Hilfe einer geeigneten Lesevorrichtung des Navigationsgeräts abrufen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dem Navigationsgerät die Informationen über die für den jeweiligen Aufenthaltsort in Frage kommenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmittel und die zugehörigen Frequenzen der magnetischen Wechselfelder per Funk zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall muss das Navigationsgerät über eine entsprechende Empfangseinrichtung verfügen.
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Da es sich bei dem hier beanspruchten Verfahren zum Erkennen eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels nur um ein Feature einer Vielzahl von Funktionen eines portablen Navigationsgeräts handelt, sollte der Aufwand für dieses Feature, insbesondere was die Signalverarbeitung und den Energieverbrauch betrifft, möglichst in Grenzen gehalten werden.
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In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die magnetische Feldstärke am Ort des Navigationsgeräts deshalb nicht in Form eines kontinuierlichen Signals ausgewertet und auch nicht mit der doppelten maximal zu erwartenden Signalfrequenz gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem abgetastet. Für die Erkennung eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens reicht nämlich auch eine Unterabtastung des magnetischen Wechselfeldes aus, solange die Abtastfrequenz eine Unterscheidung zwischen den Frequenzen der in Frage kommenden magnetischen Wechselfelder, und damit auch der in Frage kommenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmittel, ermöglicht.
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Besonders geeignet ist beispielsweise eine Abtastfrequenz von 16 Hz. Dabei ergeben sich langsamere Mischfrequenzen, die eine Unterscheidung zwischen den voranstehend angegebenen Frequenzen 16 2/3 Hz, 50 Hz, 100 Hz und 300 Hz erlauben. Außerdem lässt sich die Abtastfrequenz von 16 Hz einfach durch binäre Frequenzteilung aus dem üblichen Uhren-Taktsignal von 32768 Hz erzeugen.
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In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird neben der Frequenz auch die Stärke des detektierten magnetischen Wechselfeldes ausgewertet, um zu erkennen, ob sich das entsprechende elektrisch angetriebene Verkehrsmittel in Fahrt oder in Ruhe befindet. Die detektierte Stärke des Wechselfeldes – bzw. der maximale und minimale Signalpegel – hängt nämlich über den Strom des elektrischen Leiters, der das Feld erzeugt, direkt von der momentanen Leistung des jeweiligen Triebwagens ab. Deshalb kann durch einfache Schwellwertbetrachtung zwischen Fahr- und Ruhezustand unterschieden werden. In Kombination mit weiteren Sensoren und Informationen kann so beispielsweise die mit einer Bahn zurückgelegte Fahrstrecke an Hand der Anzahl der Stationen bestimmt werden und auch, wann die Zielstation erreicht wird, um dem Benutzer rechtzeitig anzusagen, wann er aussteigen muss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
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1a bis d zeigen Diagramme mit den zeitlichen Verläufen unterschiedlicher Magnetfeldsignale jeweils zusammen mit dem Ergebnis einer Unterabtastung bei einer Abtastfrequenz von 16 Hz, und
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2 zeigt ein Flussdiagramm für eine Möglichkeit der Frequenzbestimmung des magnetischen Wechselfeldes am Ort des Navigationsgeräts im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels.
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Ausführungsform der Erfindung
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Wie voranstehend erläutert, geht das erfindungsgemäße Verfahren davon aus, dass elektrisch angetriebene Verkehrsmittel mit einer je nach Art unterschiedlichen Wechselstromfrequenz betrieben werden und dass sie sich deshalb auch an Hand der Frequenz des entsprechenden magnetischen Wechselfeldes erkennen und unterscheiden lassen.
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Zur Illustration dieser Annahme ist in 1a das zeitlich konstante Erdmagnetfeld mit einer Stärke von 60 μT dargestellt und in den 1b bis 1c jeweils der zeitliche Verlauf eines magnetischen Wechselfeldes, das resultiert aus einer Überlagerung des Erdmagnetfeldes und eines durch ein bestimmtes elektrisch angetriebenes Verkehrsmittel hervorgerufenen magnetischen Wechselfeldes mit +–25 μT peak-to-peak. Das in 1b dargestellte magnetische Wechselfeldsignal hat eine Frequenz von 16 2/3 Hz und kann deshalb einer Fernbahn zugeordnet werden. Bei dem in 1c dargestellten Signalverlauf handelt es sich um das magnetische Wechselfeld einer Straßenbahn, die mit einer Wechselstromfrequenz von 50 Hz betrieben wird. Das in 1d dargestellte magnetische Wechselfeldsignal wurde von einer U-Bahn verursacht und hat entsprechend der für diese U-Bahn erforderlichen Wechselstromfrequenz von 300 Hz ebenfalls eine Signalfrequenz von 300 Hz.
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In den 1b bis 1d ist jeweils zusätzlich zu diesem kontinuierlichen Signalverlauf auch ein stufiges Signal als gestrichelte Linie eingezeichnet. Diese stufigen Signale stellen jeweils das Ergebnis einer Abtastung des kontinuierlichen Signals mit der Abtastfrequenz von 16 Hz dar und veranschaulichen, dass auch die aus der Unterabtastung resultierenden langsameren Mischfrequenzen eine Unterscheidung zwischen den ursprünglichen Signalfrequenzen 16 2/3 Hz, 50 Hz, 100 Hz und 300 Hz ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels bezieht sich, wie bereits erläutert, auf eine ergänzende Funktion eines tragbaren Navigationsgeräts, das unterschiedliche Fortbewegungsmöglichkeiten des Benutzers berücksichtigen und unterstützen soll, und insbesondere auch die Verwendung unterschiedlicher Verkehrsmittel. Dazu ist dieses Navigationsgerät mit mindestens einem Magnetfeldsensor ausgestattet, der für eine dynamische Erfassung der magnetischen Feldstärke ausgelegt ist, d. h. mit dem sich auch der zeitliche Verlauf eines magnetischen Wechselfeldes erfassen lässt.
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Das Flussdiagramm der 2 veranschaulicht eine besonders einfache, robuste und effiziente Möglichkeit der Frequenzbestimmung des magnetischen Wechselfeldes im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei den einzelnen Verfahrensschritten jeweils in der rechten Bildhälfte ein Signaldiagramm gegenübergestellt ist, das den Signalverarbeitungsaspekt des jeweiligen Verfahrensschritts veranschaulichen soll.
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Demnach werden in einem ersten Verfahrensschritt 1 mit Hilfe des Magnetfeldsensors alle drei Raumkomponenten der magnetischen Feldstärke Bx, By, Bz – wie sie in der rechten Bildhälfte dargestellt sind – am Ort des Navigationsgeräts kontinuierlich erfasst.
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Diese drei kontinuierlichen Messsignale werden dann in einem zweiten Verfahrensschritt 2 mit einer Abtastfrequenz von 16 Hz abgetastet. Das korrespondierende Diagramm in der rechten Bildhälfte zeigt den zeitlichen Verlauf der Abtastwerte für alle drei Raumkomponenten Bx, By, Bz.
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In einem dritten Verfahrensschritt 3 wird nun der Betrag des Feldes, d. h. die Feldstärke B, berechnet, als B = √(6x 2 + By 2 + Bz 2) oder vereinfacht als Bsimple = |Bx| + |By| + |Bz|
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Dementsprechend ist in der rechten Bildhälfte der zeitliche Verlauf der Feldstärke B an den Abtastzeitpunkten dargestellt.
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Nun wird in einem vierten Verfahrensschritt 4 durch Hochpassfilterung bei einer Grenzfrequenz von 0,5 Hz der konstante Anteil an der magnetischen Feldstärke, der beispielsweise vom Erdmagnetfeld herrührt, herausgefiltert. Dadurch wird der Signalpegel des Wechselfeldes in einen Bereich um die Nulllinie verlagert, was durch das Diagramm in der rechten Bildhälfte veranschaulicht wird.
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Im fünften Verfahrensschritt 5 des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels wird die Frequenz des hochpass-gefilterten Abtastsignals durch Hysterese-Detektion mit Hilfe eines Schmitt-Triggers ermittelt. Im entsprechenden Signaldiagramm in der rechten Bildhälfte sind die beiden Schwellen für den Schmitt-Trigger angegeben. Als obere Schwelle wurden 75% des maximalen positiven Signalpegels gewählt und als untere Schwelle 25% des minimalen negativen Signalpegels, wobei der maximale und der minimale Signalpegel jeweils dynamisch aus dem Signalverlauf zum Beispiel der letzten 10 Sekunden ermittelt wird.
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Diese Schmitt-Trigger-Analyse des hochpass-gefilterten Abtastsignals liefert eine alternierende Abfolge von Nullen und Einsen, die die Frequenz des Abtastsignals wiedergibt. Die so ermittelte Frequenz wird dann noch in einem sechsten Verfahrensschritt 6 einer Plausibilitätsprüfung unterzogen. Diese Plausibilitätsprüfung geht von einer Mindestverweildauer in einem bestimmten Verkehrsmittel aus und auch von einer Mindestzeitspanne, die ein Benutzer des Navigationsgerätes benötigt, um von einem Verkehrsmittel auf ein anderes umzusteigen. Die Mindestverweildauer bzw. Mindestzeitspanne wird im Kontext der Erfindung als Torzeit bezeichnet, innerhalb derer sich die Frequenz des erfassten Magnetfeldes bzw. des entsprechenden Abtastsignals nicht signifikant verändern darf. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel wurde als Torzeit eine Zeitdauer von 10 Sekunden gewählt, was in dem korrespondierenden Diagramm in der rechten Bildhälfte wiedergegeben ist.
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An Hand der so bestimmten Frequenz des Abtastsignals kann nun zunächst erkannt werden, ob sich der Benutzer des Navigationsgeräts überhaupt innerhalb oder in der Nähe eines elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels befindet. Falls ja, kann auch die Art des elektrisch angetriebenen Verkehrsmittels eindeutig bestimmt werden – was durch die 1a bis 1d veranschaulicht wird –, sofern das Navigationsgerät über entsprechende Informationen zu den in der Umgebung des Aufenthaltsorts zur Verfügung stehenden elektrisch angetriebenen Verkehrsmitteln verfügt.
