DE102012015188A1 - Actively or passively driven wheel for e.g. muscle power or motor operated locomotion unit in automobile field, has power generation device connected with sensor and interface for supplying sensor and interface with electrical power - Google Patents

Actively or passively driven wheel for e.g. muscle power or motor operated locomotion unit in automobile field, has power generation device connected with sensor and interface for supplying sensor and interface with electrical power Download PDF

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Abstract

The wheel has an odometry sensing unit (12) comprising a three dimensional (3D)-movement sensor (20). A radio data communication interface (32) is connected with the 3D-movement sensor according to a communication protocol. A power generation device (26) generates electrical power from independent movement during movement of the wheel. The power generation device is connected with the 3D-movement sensor and the radio data communication interface for supplying the 3D-movement sensor and the radio data communication interface with the electrical power. Independent claims are also included for the following: (1) a system comprising a locomotion unit and a base device (2) a method for drop recognition in a locomotion unit (3) a method for substrate classification by a wheel (4) a method for increasing the precision of an overall location process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktiv oder passiv angetriebenes Rad mit einer Odometrie-Sensoreinheit, ein muskelkraft- oder motorbetriebenes Fortbewegungsmittel, ein System, ein Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel, ein Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel eines Systems, ein Verfahren zur Untergrundklassifikation sowie ein Verfahren zur Steigerung der Präzision eines globalen Lokalisierungsverfahrens.The present invention relates to an actively or passively driven wheel with an odometry sensor unit, a musculoskeletal or motorized means of locomotion, a system, a method for fall detection in a means of locomotion, a method for fall detection in a means of locomotion of a system, a method for background classification and a Method for increasing the precision of a global localization method.

Mit Fortbewegungsmittel ist beispielsweise ein Rollstuhl, Rollator, Scooter, Fahrrad, Dreirad, Einkaufswagen, aber auch ein Anhänger sowie der gesamte Automobilbereich gemeint.By means of locomotion means, for example, a wheelchair, walker, scooter, bicycle, tricycle, shopping cart, but also a trailer and the entire automotive sector.

Assistenten für die Navigation auf Straßen und Wegen für Autofahrer, aber auch Radfahrer und Fußgänger, nutzen heute vor allem globale Positionierungssysteme wie GPS oder allgemeiner GNSS (Global Navigation Satellite System), um sie mit präzisen Ortsinformationen in elektronisch verfügbaren Karten abzugleichen und so Navigationshinweise geben zu können. Die Positionierungsinformation kann durch hohe Gebäude in Straßenschluchten, Berge oder Ähnliches gestört sein. Sie ist selbst bei Unterstützung durch zusätzliche Sender mit bekannten Orten (Differential GPS) nur im Meterbereich genau. Sie hat eine globale Messungenauigkeit. Die Messung der Eigenbewegung eines Fahrzeugs (Odometrie der Geschwindigkeit und des Lenkwinkels) kann unabhängig davon zur Berechnung eines Weges über die Zeit genutzt werden. Sie hat eine mit der Weglänge zunehmende Messungenauigkeit (Drift). Wird nun die globale Positionierungsinformation mit der Odometrie verschmolzen (Sensorfusion), so kann durch Abgleich der unabhängigen Messverfahren mit verschiedenen sensorspezifischen Ungenauigkeiten die Präzision von Navigations-Software signifikant verbessert werden.Assistants for navigation on roads and paths for motorists, but also cyclists and pedestrians, today mainly use global positioning systems such as GPS or general GNSS (Global Navigation Satellite System) to align them with precise location information in electronically available maps and thus provide navigation instructions can. The positioning information may be disturbed by tall buildings in street canyons, mountains or the like. Even with support from additional transmitters with known locations (differential GPS), it is accurate only in the meter range. It has a global measurement inaccuracy. The measurement of the self-motion of a vehicle (odometry of speed and steering angle) can be used independently to calculate a path over time. It has a measuring inaccuracy with the path length (drift). If now the global positioning information is merged with the odometry (sensor fusion), then the precision of navigation software can be significantly improved by comparing the independent measuring methods with different sensor-specific inaccuracies.

Odometrie-Daten können aus dem Abgleich mit der (zum Beispiel durch Laser-Scanner) erfassten (eventuell bekannten) vorbeiziehenden Umgebung errechnet werden, durch Eigenbewegung eines Fußgängers (zum Beispiel durch Schrittzählen) oder durch Messung der Umdrehung eines Rades, woraus die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs und aus dem Vergleich der jeweiligen Geschwindigkeit der Räder eines Paares (zum Beispiel Vorder- oder Hinterräder) der Lenkwinkel abgeleitet werden können, erhalten werden.Odometry data can be calculated from comparison with the (possibly known) passing environment detected (for example by laser scanners), by self-movement of a pedestrian (for example by step counting) or by measuring the rotation of a wheel, from which the speed of a vehicle and from the comparison of the respective speed of the wheels of a pair (for example, front or rear wheels), the steering angle can be derived.

Gängige Odometrie-Sensoren an Rädern sind zwar technisch relativ einfach (zum Beispiel Reed-Kontakte), setzen aber in der Regel eine Verkabelung zu einer Auswertungseinheit voraus.Although conventional odometry sensors on wheels are technically relatively simple (for example, reed contacts), they generally require cabling to an evaluation unit.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Positionsbestimmung mittels Odometrie gegebenenfalls im Zusammenspiel mit der Koppelnavigation bei einem muskelkraft- oder motorbetriebenen (bodengebundenen) Fortbewegungsmittel mit einer Odometrie-Sensoreinheit ohne Verkabelung derselben mit einer Auswertungseinheit zu ermöglichen.The invention is therefore based on the object, a position determination by means of odometry optionally in conjunction with the dead reckoning in a muscle-powered or motor-powered (ground-based) means of locomotion with an odometry sensor unit without cabling the same with an evaluation unit.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein aktiv oder passiv angetriebenes Rad mit einer Odometrie-Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheit einen 3D-Bewegungssensor; eine mit dem 3D-Bewegungssensor verbundene Funkdatenübertragungsschnittstelle gemäß einem Übertragungsprotokoll und eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Eigenbewegung bei Bewegung des Rades, die mit dem 3D-Bewegungssensor und der Funkdatenübertragungsschnittstelle zur Versorgung derselben mit elektrischer Energie verbunden ist, umfasst.According to the invention, this object is achieved by an actively or passively driven wheel having an odometry sensor unit, wherein the sensor unit is a 3D motion sensor; a radio communication interface connected to the 3D motion sensor according to a transmission protocol; and energy generating means for generating electrical energy from self-motion upon movement of the wheel connected to the 3D motion sensor and the radio communication interface for supplying the same with electrical energy.

Des Weiteren wird diese Aufgabe gelöst durch ein muskelkraft- oder motorbetriebenes Fortbewegungsmittel, umfassend mindestens ein Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 12.Furthermore, this object is achieved by a muscle-powered or motor-driven means of locomotion, comprising at least one wheel according to one of claims 1 to 12.

Darüber hinaus liefert die vorliegende Erfindung ein System umfassend ein Fortbewegungsmittel nach Anspruch 13 und ein Basisgerät, das eine Funkdatenübertragungsschnittstelle gemäß demselben Übertragungsprotokoll wie die Funkdatenübertragungsschnittstelle des mindestens einen Rades zur Kommunikation mit der Sensoreinheit des mindestens eines Rades, einen GNSS-Sensor, insbesondere GPS-Sensor, eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um anhand von der Sensoreinheit des mindestens einen Rades und/oder von dem Basisgerät gelieferten Daten, die Position und/oder die Lenkrichtung und/oder die Lage und/oder den Untergrund und/oder ein Aufprall oder Umsturz des Fortbewegungsmittels und/oder den Reifendruck des Rades zu bestimmen, und eine Anzeige- oder Ausgabeeinrichtung zur Anzeige oder Ausgabe des Auswertungsergebnisses aufweist. Bei dem Basisgerät kann es sich beispielsweise um ein mobiles Kommunikationsgerät, wie zum Beispiel ein Mobiltelefon, insbesondere Smartphone, oder um beispielsweise einen Tablet-PC handeln.In addition, the present invention provides a system comprising a means of locomotion according to claim 13 and a base unit comprising a radio data transmission interface according to the same transmission protocol as the radio data transmission interface of the at least one wheel for communication with the sensor unit of the at least one wheel, a GNSS sensor, in particular a GPS sensor an evaluation device, which is designed to use the sensor unit of the at least one wheel and / or data supplied by the base unit, the position and / or the steering direction and / or the position and / or the ground and / or an impact or overthrow of the means of locomotion and / or the tire pressure of the wheel, and having a display or output device for displaying or outputting the evaluation result. The base device may be, for example, a mobile communication device, such as a mobile phone, especially a smartphone, or, for example, a tablet PC.

Außerdem wird bereitgestellt ein Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel nach Anspruch 13, umfassend für mindestens ein Rad Bestimmen des Betrags der Beschleunigungskomponente accz in einer zur Radebene senkrechten Richtung mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors, Annehmen eines Sturzes, wenn der Betrag der Beschleunigungskomponente accz oder der sich aus einer Datenfusion ergebende Betrag der Beschleunigungskomponente accz der Erdbeschleunigung g entspricht, und Ausgeben eines Alarms mittels einer Alarmeinrichtung in der Sensoreinheit oder in einem separaten Basisgerät, insbesondere eines Systems nach Anspruch 13, zu dem auch das Fortbewegungsmittel gehört.In addition, there is provided a method for fall detection in a means of locomotion according to claim 13, comprising for at least one wheel determining the magnitude of the acceleration component acc z in a direction perpendicular to the wheel plane direction by means of the associated 3D motion sensor, assuming a fall when the magnitude of the acceleration component acc z or the amount of the acceleration component acc z resulting from a data fusion corresponds to the gravitational acceleration g, and outputting an alarm by means of an alarm device in the sensor unit or in a separate base unit, in particular a system according to claim 13, which also includes the means of transportation.

Ferner liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel eines Systems nach Anspruch 18, umfassend für mindestens ein Rad Bestimmen der Werte der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors, Bestimmen der Werte der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des Basisgeräts, Bestimmen der Position anhand einer Fusion von mittels Odometrie und mittels eines globalen Lokalisierungsverfahrens ermittelten Positionsdaten und der Untergrundbeschaffenheit anhand der fusionierten Positionsdaten, Fusion aller ermittelten Werte der Beschleunigungskomponenten und der ermittelten Untergrundbeschaffenheit und Ermitteln eines Sturzes basierend auf den fusionierten Daten.Further, the present invention provides a method for detecting a fall in a means of locomotion of a system according to claim 18, comprising for at least one wheel determining the values of the mutually perpendicular acceleration components acc x and acc y in the wheel plane by means of the associated 3D motion sensor, determining the values of each other vertical acceleration components acc x and acc y in the wheel plane by means of the base unit, determining the position by means of a fusion of odometry and determined by a global positioning method position data and the ground condition based on the merged position data, fusion of all determined values of the acceleration components and the determined ground condition and determination a fall based on the merged data.

Darüber hinaus wird bereitgestellt ein Verfahren zur Untergrundklassifikation mittels mindestens eines Rades nach einem der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere eines Fortbewegungsmittels nach Anspruch 13, umfassend Bestimmen der Länge des Beschleunigungsvektors in der Radebene in Abhängigkeit von der Zeit durch Messen der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors in diskreten, vorzugsweise äquidistanten, Zeitintervallen, vorzugsweise lineares Interpolieren des zeitlichen Verlaufs der Länge des Beschleunigungsvektors, Bestimmen des Frequenzspektrums der über die vom Rad zurückgelegte Strecke aufgetretenen Beschleunigung durch Transformieren des interpolierten zeitlichen Verlaufs in den Frequenzraum, Vergleich des ermittelten Frequenzspektrums mit Referenzspektren für unterschiedliche Untergründe und Klassifizieren des Untergrundes anhand des Ergebnisses des Vergleichs.In addition, there is provided a method for subclassing by means of at least one wheel according to one of claims 1 to 12, in particular a locomotion according to claim 13, comprising determining the length of the acceleration vector in the wheel plane as a function of time by measuring the mutually perpendicular acceleration components acc x and Acc y in the wheel plane by means of the associated 3D motion sensor in discrete, preferably equidistant, time intervals, preferably linear interpolation of the time course of the length of the acceleration vector, determining the frequency spectrum of the acceleration occurred over the distance covered by the wheel by transforming the interpolated time course in the Frequency space, comparison of the determined frequency spectrum with reference spectra for different backgrounds and classifying the background based on the result of the comparison.

Schließlich wird auch ein Verfahren zur Steigerung der Präzision eines globalen Lokalisierungsverfahrens mittels eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend Fusion von Werten von Beschleunigungskomponenten des mindestens eines Rades, Odometrie-Informationen bezüglich des Fortbewegungsmittels zu präzisierenden GNSS-Informationen und von Klassifizierung von Untergrund sowie Verwenden eines Partikel-Filters zum Schätzen der aktuellen Position des Fortbewegungsmittels auf der Basis der fusionierten Daten, vorgeschlagen.Finally, there is also provided a method of increasing the precision of a global location method by means of a system as claimed in any one of claims 14 to 17, comprising merging values of acceleration components of the at least one wheel, odometry information regarding the vehicle to be refined, GNSS information, and classifying ground and using a particulate filter to estimate the current position of the vehicle on the basis of the merged data.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Rades umfasst die Sensoreinheit außerdem einen 3D-Lagesensor, der von der Energieerzeugungseinrichtung ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird und mit der Funkdatenübertragungsschnittstelle verbunden ist. Der Lagersensor kann sich zum Beispiel aus einer Kombination von Beschleunigungs- und Drehraten-Sensoren ergeben.According to a particular embodiment of the wheel, the sensor unit also comprises a 3D position sensor which is also supplied with electrical energy by the energy generating device and is connected to the radio data transmission interface. The bearing sensor may result, for example, from a combination of acceleration and yaw rate sensors.

Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoreinheit außerdem einen Temperatursensor umfassen, der von der Energieerzeugungseinrichtung ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird und mit der Funkdatenübertragungsschnittstelle verbunden ist.Alternatively or additionally, the sensor unit can also comprise a temperature sensor, which is also supplied with electrical energy by the energy generating device and is connected to the radio data transmission interface.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist das Rad eine Felge auf.According to a particular embodiment, the wheel has a rim.

Ferner ist denkbar, dass das Rad einen Luftreifen aufweist. Insbesondere kann die Sensoreinheit außerdem einen Reifendrucksensor umfassen.Furthermore, it is conceivable that the wheel has a pneumatic tire. In particular, the sensor unit may also include a tire pressure sensor.

Alternativ kann das Rad einen Gummireifen aufweisen.Alternatively, the wheel may have a rubber tire.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoreinheit in dem Luftreifen angeordnet oder angebracht.According to a particular embodiment of the invention, the sensor unit is arranged or mounted in the pneumatic tire.

Alternativ ist die Sensoreinheit in dem Gummireifen angeordnet oder angebracht.Alternatively, the sensor unit is disposed or mounted in the rubber tire.

Wiederum alternativ ist die Sensoreinheit auf oder in der Felge angeordnet oder angebracht.Again alternatively, the sensor unit is arranged or mounted on or in the rim.

Vorteilhafterweise umfasst die Sensoreinheit eine Datenverarbeitungseinrichtung, die der Funkdatenübertragungsschnittstelle vorgeschaltet ist und von der Energieerzeugungseinrichtung ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird.Advantageously, the sensor unit comprises a data processing device, which is connected upstream of the radio data transmission interface and is likewise supplied with electrical energy by the energy generating device.

Zweckmäßigerweise umfasst die Sensoreinheit eine Energiemanagementeinrichtung, die der Energieerzeugungseinrichtung nachgeschaltet ist.Advantageously, the sensor unit comprises an energy management device, which is connected downstream of the energy generating device.

Bei dem System kann vorgesehen sein, dass das Basisgerät ferner einen Lagesensor und/oder einen Kompass aufweist.In the system can be provided that the base unit further comprises a position sensor and / or a compass.

Alternativ oder zusätzlich kann das Basisgerät ferner einen 3D-Bewegungssensor aufweisen.Alternatively or additionally, the base unit may further comprise a 3D motion sensor.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass das Basisgerät ferner eine Datenbank mit einer digitalen Karte und/oder mit Untergrundreferenzdaten aufweist oder mit einer externen Datenbank mit einer digitalen Karte und/oder mit Untergrundreferenzdaten verbunden oder verbindbar ist.Finally, it can be provided that the base unit also has a database with a digital map and / or with background reference data or is connected or connectable to an external database with a digital map and / or with background reference data.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch das Vorsehen einer Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Eigenbewegung bei Bewegung des Rades, d. h. also durch Schaffung einer selbstversorgten (energieautarken durch sogenanntes „Energy Harvesting”) Sensoreinheit und durch das Vorsehen einer Funkdatenübertragungsschnittstelle keine Kabel etc. erforderlich sind, sich die Sensoreinheit einfacher montieren lässt sowie keine Batterien/Akkus ausgewechselt werden müssen.The invention is based on the surprising finding that by providing an energy generating device for generating Electrical energy from self-motion during movement of the wheel, ie by creating a self-powered (energy self-sufficient by so-called "Energy Harvesting") sensor unit and by providing a wireless data transmission interface no cables, etc. are required, the sensor unit can be easier to assemble and replaced no batteries / rechargeable batteries Need to become.

Weiterhin kann mittels zumindest in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der gerätetechnische Aufwand reduziert werden. Es sind nur noch selbstversorgte Sensoren sowie bereits vorhandene Geräte, wie zum Beispiel ein Smartphone, erforderlich.Furthermore, by means of at least in a particular embodiment of the present invention, the equipment expense can be reduced. Only self-powered sensors and existing devices, such as a smartphone, are required.

Die Erfindung kann zum Beispiel bei Rollatoren und Rollstühlen zum Einsatz kommen. Sie kann auch nachgerüstet werden. Dazu muss bzw. müssen je nach Ausführungsform ein oder mehrere Räder ausgewechselt werden.The invention can be used, for example, on rollators and wheelchairs. It can also be retrofitted. This must or must be replaced depending on the embodiment, one or more wheels.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigtFurther features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and the following description in which several embodiments are explained in detail with reference to the schematic drawings. It shows

1 eine Draufsicht auf ein aktiv oder passiv angetriebenes Rad gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz; 1 a plan view of an active or passive driven wheel according to a particular embodiment of the invention in use;

2 ein Blockschaltbild einer Odometrie-Sensoreinheit des Rades von 1; und 2 a block diagram of an odometry sensor unit of the wheel of 1 ; and

3 Einzelheiten eines Verfahrens zur Steigerung der Präzision eines globalen Lokalisierungsverfahrens gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. 3 Details of a method for increasing the precision of a global localization method according to a particular embodiment of the invention.

1 zeigt ein aktiv oder passiv angetriebenes Rad 10 eines Fortbewegungsmittels, z. B. Rollstuhls, mit einer Odometrie-Sensoreinheit 12. Das Rad 10 weist vier Speichen 14, eine Felge 16 sowie einen Reifen 18, zum Beispiel Luft- oder Gummireifen, auf. Die Odometrie-Sensoreinheit 12 ist an einer der Speichen 14 in der Nähe der Felge 16 angebracht. Für die Energieerzeugung durch Eigenbewegung ist es umso besser, je weiter die Sensoreinheit 12 in Richtung zur Peripherie des Rades 10 angeordnet ist. 1 shows an active or passive driven wheel 10 a means of transport, z. B. wheelchair, with an odometry sensor unit 12 , The wheel 10 has four spokes 14 , a rim 16 as well as a tire 18 , for example pneumatic or rubber tires. The odometry sensor unit 12 is on one of the spokes 14 near the rim 16 appropriate. For power generation by self-motion, the farther the sensor unit is, the better 12 towards the periphery of the wheel 10 is arranged.

In 1 sind auch die Gewichtskraft FG, die Kraft FV (eine von der Beschaffenheit des befahrenen Untergrundes abhängige Kraft) und die Zentrifugalkraft FZ eingezeichnet. Desweiteren sind die zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene dargestellt.In 1 are also the weight F G , the force F V (a dependent on the nature of the ground underway force) and the centrifugal force F Z drawn. Furthermore, the mutually perpendicular acceleration components acc x and acc y are shown in the wheel plane.

Wie sich aus der 2 ergibt, weist die Sensoreinheit 12 einen 3D-Bewegungssensor 20, einen 3D-Lagesensor 22, einen Temperatursensor 24, eine Energieerzeugungseinrichtung 26 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Eigenbewegung bei Bewegung des Rades 10, eine der Energieerzeugungseinrichtung 26 nachgeschaltete Energiemanagementeinrichtung 28, die mit dem 3D-Bewegungssensor 20, 3D-Lagesensor 22 und Temperatursensor 24 zur Versorgung derselben mit elektrischer Energie verbunden ist, eine Datenverarbeitungseinrichtung 30 in Form eines Mikroprozessors/Mikrocontrollers/Rechners, die mit den Sensoren 20 bis 24 über eine oder mehrere Datenleitungen verbunden und mit der Energiemanagementeinrichtung ebenfalls zur Versorgung mit elektrischer Energie verbunden ist, sowie eine der Datenverarbeitungseinrichtung 30 nachgeschaltete Funkdatenübertragungsschnittstelle 32 gemäß einem Übertragungsprotokoll auf, die ebenfalls mit der Energieerzeugungseinrichtung 26 zur Versorgung mit elektrischer Energie verbunden ist (Energiefluss: gestrichelte Pfeile, Datenfluss: durchgezogene Pfeile). Bei dem Übertragungsprotokoll kann es sich zum Beispiel um ein Übertragungsprotokoll zur Funkübertragung im Nahbereich (ca. 2 bis 4 Meter) für Geräte mit geringem Energieverbrauch, zum Beispiel nach dem Standard Bluetooth 4.0, handeln. Die Funkdatenübertragungsschnittstelle 32 dient zur Übertragung von unverarbeiteten und/oder mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 30 verarbeiteten Daten des 3D-Bewegungssensors 20, 3D-Lagesensors 22 und Temperatursensors 24 zu einem externen Basisgerät (nicht gezeigt) eines Systems und/oder der Daten zu und von einer weiteren Sensoreinheit (nicht gezeigt) eines weiteren Rades (nicht gezeigt).As is clear from the 2 results, the sensor unit 12 a 3D motion sensor 20 , a 3D position sensor 22 , a temperature sensor 24 , an energy generating device 26 to generate electrical energy from self-motion during movement of the wheel 10 , one of the power generation facility 26 downstream energy management facility 28 that with the 3D motion sensor 20 , 3D position sensor 22 and temperature sensor 24 for supplying the same is connected to electrical energy, a data processing device 30 in the form of a microprocessor / microcontroller / computer connected to the sensors 20 to 24 connected via one or more data lines and also connected to the power management device for supplying electrical energy, and one of the data processing device 30 downstream radio communication interface 32 in accordance with a transmission protocol also with the power generation facility 26 is connected to the supply of electrical energy (energy flow: dashed arrows, data flow: solid arrows). The transmission protocol may, for example, be a transmission protocol for short-range radio transmission (approximately 2 to 4 meters) for devices with low energy consumption, for example according to the Bluetooth 4.0 standard. The radio communication interface 32 serves for the transmission of unprocessed and / or by means of the data processing device 30 processed data of the 3D motion sensor 20 , 3D position sensor 22 and temperature sensor 24 to an external base unit (not shown) of one system and / or the data to and from another sensor unit (not shown) of another wheel (not shown).

Das Basisgerät kann zum Beispiel ein handelsübliches Smartphone oder ein Tablet-PC sein und über eine Funkdatenübertragungsschnittstelle gemäß demselben Übertragungsprotokoll, einen GPS-Sensor oder allgemein GNSS-Sensor zur Lokalisation zuzüglich einen Lagesensor und einen Kompass verfügen.The base unit may be, for example, a commercially available smartphone or a tablet PC and have a radio data transmission interface according to the same transmission protocol, a GPS sensor or general GNSS sensor for localization plus a position sensor and a compass.

Üblicherweise findet die Verarbeitung der Daten im Verbund von mehreren Odometrie-Sensoreinheiten (in der Regel auf zwei parallelen Rädern angeordnet) mit dem Basisgerät statt. Bei der Kommunikation der Odometrie-Sensoreinheiten untereinander sowie mit dem Basisgerät fließen gegebenenfalls Sensor-Rohdaten, vor allem aber abgeleitete Information jeweils in beide Richtungen, um einerseits jede Sensoreinheit in die Lage zu versetzen, durch die Zusammenführung von möglichst viel Information (Sensorfusion) optimale Ergebnisse zu erzielen, andererseits durch Verteilung der Datenverarbeitung und möglichst intelligente Vorverarbeitung der Daten in den Odometrie-Sensoreinheiten einen geringen Datenfluss (sowohl in der Datenmenge als auch der Datenrate) zu erreichen, um Energie zu sparen.Typically, the processing of the data occurs in conjunction with multiple odometry sensor units (typically arranged on two parallel wheels) with the base unit. During the communication of the odometry sensor units with one another and with the base unit, sensor raw data, but especially derived information in each case flow in both directions in order to enable each sensor unit to achieve optimal results by combining as much information as possible (sensor fusion) on the other hand by distributing the data processing and as intelligent as possible pre-processing of the data in the odometry sensor units one to achieve low data flow (in both the data volume and the data rate) in order to save energy.

Bei der Sensorfusion können für eine intelligente Vorverarbeitung Daten zusammengeführt werden:

  • – Berechnung der Lenkrichtung aus dem Vergleich der Beschleunigung und Lage in 3D von zwei Odometrie-Sensoreinheiten auf zwei parallelen Rädern,
  • – Untergrundklassifizierung auch im Vergleich der Information von zwei Rädern,
  • – Lokalisation über Untergrundklassifizierung der Räder zusammen mit der Pose (Ortsbestimmung über GPS oder allgemein GNSS und Ausrichtung über Kompass) aus dem Basisgerät,
  • – Lokalisation über Untergrundklassifizierung der Räder sowie Pose und (Schräg-)Lage aus dem Basisgerät im Vergleich mit der für den Ort in einer Karte hinterlegten Referenzinformation aus lokalen Daten im Basisgerät bzw. über das Basisgerät eingeholten Informationen aus externen Datenbanken,
  • – Werte bzw. Vereisungsverhandlung über Temperaturmessung und Untergrundklassifizierung der Räder sowie Schräglage aus dem Basisgerät, gegebenenfalls im Vergleich mit Referenzinformation,
  • – Sturzerkennung aus dem Vergleich der Beschleunigung und Lage in 3D von zwei Rädern sowie dem Basisgerät.
In the sensor fusion, data can be merged for intelligent preprocessing:
  • Calculation of the steering direction from the comparison of the acceleration and position in 3D of two odometry sensor units on two parallel wheels,
  • - Underground classification also in comparison of the information of two wheels,
  • - localization via ground classification of the wheels together with the pose (localization via GPS or general GNSS and compass orientation) from the base unit,
  • - Localization via background classification of the wheels and pose and (oblique) position from the base unit in comparison with the reference information stored for the location in a map from local data in the base unit or information obtained from external databases via the base unit,
  • - Values or icing negotiation via temperature measurement and background classification of the wheels as well as inclination from the base unit, if necessary in comparison with reference information,
  • - Fall detection from the comparison of the acceleration and position in 3D of two wheels and the base unit.

Stürze können grundsätzlich über die Auswertung der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx, accy und accz detektiert werden. Einfach sind dabei insbesondere solche Stürze zu erkennen, bei denen das Fortbewegungsmittel nach dem Sturz auf einer der Radflächen liegenbleibt und der Wert von accz, d. h. = |accz|, der Erdbeschleunigung g entspricht. Dieser Fall tritt in normalen Betrieb nicht auf, da accz beim Abrollen des Rades immer nahe Null ist. Leichte Abweichungen können nur durch Unebenheiten und Rauschen verursacht werden.Falls can basically be detected via the evaluation of mutually perpendicular acceleration components acc x , acc y and acc z . In this case, it is particularly easy to detect those falls in which the means of locomotion remain on one of the wheel surfaces after the fall and the value of acc z , ie = | acc z |, corresponds to the gravitational acceleration g. This case does not occur in normal operation since acc z is always close to zero when rolling the wheel. Slight deviations can only be caused by unevenness and noise.

Schwieriger sind Stürze zu erkennen, bei denen das Fortbewegungsmittel in einer anderen Lage zum Stillstand kommt, beispielsweise bei einem Kippen nach vorne oder hinten. Hierfür ist eine Fusion der Werte der Beschleunigungskomponenten accx und accy mit den Beschleunigungsdaten des Basisgerätes sowie mit den Informationen über die Untergrundbeschaffenheit (Untergrundklassifizierung) aus den Positionsdaten sinnvoll, um einen Sturz von einer Unebenheit des Untergrundes zu unterscheiden.Falls are more difficult to detect, in which the means of transportation comes to a standstill in another situation, for example, when tilting forward or backward. For this purpose, a fusion of the values of the acceleration components acc x and acc y with the acceleration data of the base unit and with the information about the background condition (background classification) from the position data is useful to distinguish a fall from a roughness of the ground.

Nachfolgend soll ein Verfahren zur Untergrundklassifikation gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der 1 und 2 erläutert werden. Die Odometrie-Sensoreinheit 12 misst jeweils im zeitlichen Abstand von δt zur vorherigen Messung die auf sie einwirkenden, sich durch die Beschleunigungen accx und accy ergebenden Kräfte, während das Rad 10 eine Gesamtstrecke mit der Länge s = sn – s0 abrollt. Die Länge des Vektors a(t) = |accx(t), accy(t)| beschreibt somit zu jedem Zeitpunkt t aus [t0, tn] die Kombination der zu diesem Zeitpunkt auf die Sensoreinheit 12 einwirkenden Kräfte FZ (Zentrifugalkraft), FG (Gravitationskraft) und FV (eine von der Beschaffenheit des befahrenen Untergrundes abhängige Kraft). Es ist zu beachten, dass

  • – jedes a(t) einer geeigneten Tiefpassfilterung unterzogen wird, um dem individuellen Rauschen des gewählten Beschleunigungssensors entgegen zu wirken, und
  • – jedes a(t) durch das Quadrat der zum Zeitpunkt der Aufnahme gegebenen Rotationsgeschwindigkeit des Rades geteilt wird, um FZ näherungsweise zu normalisieren.
Hereinafter, a method for subsurface classification according to a particular embodiment of the present invention based on the 1 and 2 be explained. The odometry sensor unit 12 Measures at intervals of δt to the previous measurement the forces acting on them, resulting from the accelerations acc x and acc y , while the wheel 10 a total distance with the length s = s n - s 0 rolls. The length of the vector a (t) = | acc x (t), acc y (t) | Thus, at any time t from [t 0 , t n ] describes the combination of the at that time on the sensor unit 12 acting forces F Z (centrifugal force), F G (gravitational force) and F V (a force dependent on the nature of the terrain). It should be noted that
  • - Each a (t) is subjected to a suitable low-pass filtering to counteract the individual noise of the selected acceleration sensor, and
  • - Each a (t) is divided by the square of the given at the time of recording rotation speed of the wheel to approximately normalize F Z Z.

Der Vektor A(t) = |a(t0), ... a(tn)|, dessen einzelne Komponenten zeitlich äquidistant aufgenommen wurden, wird im nächsten Schritt mittels linearer Interpolation in den Vektor A'(s) = |a'(s0), ... a'(sn)| überführt. Die Komponenten von A'(s) sind räumlich äquidistant, d. h., dass sie die auf die Odometrie-Sensoreinheit 12 einwirkenden Kräfte beschreiben, jeweils nachdem das Rad eine weitere Wegstrecke δs abgerollt ist. Danach wird A'(s) einer diskreten Fouriertransformation unterzogen. Der resultierende Vektor B = |b0, ..., bn/2| beschreibt das Frequenzspektrum der über die Gesamtfahrstrecke s aufgetretenen Kräfte. So ist beispielsweise bei einer gefahrenen Wegstrecke s, die der vierfachen Länge des Radumfangs entspricht, in B ein aussagekräftiges Maximum bei 4 Hz zu erkennen (FZ und FG addieren sich viermal über s). Die zum Zwecke der Untergrundklassifikation erforderliche Signatur ist durch B gegeben. Insbesondere lassen sich Strukturmerkmale des Untergrundes, wie zum Beispiel eine Fahrwegpflasterung mit Platten der Breite λ in B an der Stelle s/λ erkennen.The vector A (t) = | a (t 0 ), ... a (t n ) |, whose individual components were recorded equidistant in time, is in the next step by means of linear interpolation in the vector A '(s) = | a '(s 0 ), ... a' (s n ) | transferred. The components of A '(s) are spatially equidistant, that is, they are the ones on the odometry sensor unit 12 describe acting forces, in each case after the wheel is rolled a further distance δs. Thereafter, A '(s) is subjected to a discrete Fourier transformation. The resulting vector B = | b 0 , ..., b n / 2 | describes the frequency spectrum of the over the total distance s occurred forces. For example, for a distance traveled s, which corresponds to four times the length of the wheel circumference, in B a meaningful maximum at 4 Hz can be seen (F Z and F G add four times over s). The signature required for the purpose of subclass classification is given by B. In particular, structural features of the subsurface, such as track pavement with slabs of width λ in B at location s / λ can be detected.

Wird nun die Beschreibung eines beliebigen, aber fest gewählten Untergrundes als die Menge von Signaturen aufgefasst, die auf diesem Untergrund aufgenommen wurden (Lernphase), kann eine einzelne Signatur in der folgenden Erkennungsphase dem Typ des zugrundeliegenden Untergrundes zugeordnet werden. Dazu wird das k-nächste-Nachbarn-Verfahren verwendet. Hierbei werden die Distanzen zwischen der zu klassifizierenden Signatur und allen Signaturen der verfügbaren Untergrundbeschreibungen berechnet. Aus den k nächsten Distanzen wird schließlich ermittelt, welche Untergrundbeschreibung am häufigsten beteiligt war. Deren Typ wird als aktuell erkannter Untergrund ausgegeben.If now the description of any, but firmly chosen, background is understood as the set of signatures that were recorded on this background (learning phase), a single signature in the following recognition phase can be assigned to the type of the underlying background. The k-nearest-neighbor method is used for this. Here, the distances between the signature to be classified and all signatures of the available background descriptions are calculated. Finally, it is determined from the k nearest distances which background description was most frequently involved. Their type is output as currently detected background.

Es ist zu beachten, dass jedwede Untergrundbeschreibung (Untergrundklassifikation) nur für die Kombination von Fahrer und Fahrzeug (Fortbewegungsmittel) gültig ist, mit der auch die zugrundeliegenden Signaturen aufgenommen (gelernt) wurden. Gründe für diese Beschränkung sind im unterschiedlichen Vibrationsverhalten bei verschiedenen Fahrzeugen und markant abweichenden Zuladungen zu suchen. It should be noted that any background description (subclass classification) is valid only for the combination of driver and vehicle (means of locomotion) with which the underlying signatures were also recorded (learned). Reasons for this restriction are to be found in the different vibration behavior in different vehicles and significantly different payloads.

Anhand der 3 soll nun ein Verfahren zur Steigerung der Präzision eines globalen Lokalisierungsverfahrens gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Bei dem globalen Lokalisierungsverfahren kann es sich zum Beispiel um GPS, Galileo, etc. handeln. Das Verfahren wertet eine Reihe von unverarbeiteten sowie abgeleiteten Informationen aus. Zu den verwendeten Daten zählen Untergrundklassifikation (siehe oben), Werte der Beschleunigungskomponenten beispielsweise der Odometrie-Sensoreinheit 12, die von selbiger bereitgestellten Odometrie-Informationen sowie die zu präzisierenden GNSS-Informationen selbst.Based on 3 Now, a method for increasing the precision of a global location method according to a particular embodiment of the present invention will be described. The global localization method may be, for example, GPS, Galileo, etc. The process evaluates a range of unprocessed and derived information. The data used includes background classification (see above), values of the acceleration components, for example the odometry sensor unit 12 , the odometry information provided by it as well as the GNSS information to be specified itself.

Das Verfahren bedient sich eines klassischen Partikel-Filters. Dieser setzt voraus, dass die Umgebung, in der sich das Fortbewegungsmittel (Fahrzeug) bewegt, hinreichend präzise kartiert ist. Zu dieser Kartierung zählen die räumliche Anordnung von Straßen, Wegen, Grundstücksgrenzen, Einfahrten, Rampen, etc. sowie nach Möglichkeit die bereitgestellten Untergrundklassifikationen (siehe oben) der einzelnen Kartenelemente. Wie bei jedem Partikel-Filter wird die Ausgabe des hier beschriebenen Verfahrens, also die präzisierte Positions- und Orientierungsschätzung P, als diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilung durch eine Menge von bewerteten Hypothesen H = [h1 ..., hn] dargestellt. Im Verlauf des Verfahrens erfährt jede Hypothese hi aus H wiederholt eine Aktualisierung aufgrund der Bewegung (sogenanntes Motion-Update) und der Neubewertung der Sensorwerte (Sensor-Update), bevor H entsprechend der durch die Neubewertung berechneten Plausibilitäten seiner Elemente neu zusammengestellt wird (Resampling).The method uses a classic particle filter. This presupposes that the environment in which the vehicle (vehicle) moves is sufficiently precisely mapped. This mapping includes the spatial arrangement of roads, paths, property boundaries, driveways, ramps, etc. and, if possible, the subclass classifications provided (see above) of the individual map elements. As with any particulate filter, the output of the method described herein, ie the more precise position and orientation estimate P, is represented as a discrete probability distribution by a set of weighted hypotheses H = [h 1 ..., h n ]. In the course of the process every hypothesis h i from H undergoes repeated updating due to the movement (so-called motion-update), and the re-evaluation of the sensor values (sensor update) before H of the plausibility of its elements calculated by the revaluation is reconstituted according to (resampling ).

Innerhalb der Bewegungsaktualisierung wird die Pose, d. h. die Positions- und Orientierungskomponenten von hi, entsprechend der seit dem letzten Zyklus gemessenen Eigenbewegung des Fahrzeuges (gewichtetes Mittel aus GPS- bzw. GNSS-Geschwindigkeitsvektor und Odometrie-Informationen) aktualisiert. Diese Aktualisierung beinhaltet eine explizite Modellierung der möglichen Fehler der Ortsbestimmung (aufgrund der GPS- bzw. GNSS-Messung) und Odometrie-Fehler.Within the motion update, the pose, ie the position and orientation components of h i , is updated according to the vehicle's own motion measured from the last cycle (weighted average of GPS or GNSS velocity vector and odometry information). This update includes explicit modeling of possible location errors (due to GPS or GNSS measurement) and odometry errors.

In der darauffolgenden Neubewertung der Sensorwerte wird die Plausibilität einer einzelnen Hypothese hip neu berechnet. Die Plausibilität oder Wahrscheinlichkeit einer Hypothese ergibt sich dabei aus den Differenzen zwischen gemessenen Sensorwerten und den aufgrund des vorhandenen Kartenmaterials (inklusive angenommene Pose der Hypothese) zu erwartenden Werten. In diesem Schritt

  • – wird die aus der Karte ausgelesene Untergrundklassifizierung mit dem aktuell erkannten Untergrund verglichen; zwei unterschiedliche Typen führen zu einer niedrigen Bewertung der Hypothese, wohingegen der gleiche Typ zu einer hohen Bewertung führt,
  • – wird nach eindeutigen Signaturen in den Sensormesswerten gesucht, die den Übergang zwischen zwei markant unterschiedlichen Typen von Untergrund signalisieren; entspricht die Pose einer Hypothese h; einer solchen aktuell gemessenen Signatur, führt dies zu einer hohen Bewertung von hi,
  • – trägt die metrische Differenz zwischen aktuell gemessener GNSS-Position und der Position von hi zur Bewertung dieser Hypothese bei.
In the subsequent reassessment of the sensor values, the plausibility of a single hypothesis h i p is recalculated. The plausibility or probability of a hypothesis results from the differences between measured sensor values and the values to be expected on the basis of the existing map material (including hypothesized pose of the hypothesis). In this step
  • The subclass classification read from the card is compared with the currently detected subsoil; two different types lead to a low evaluation of the hypothesis, whereas the same type leads to a high rating,
  • - Searches for unique signatures in the sensor readings that signal the transition between two distinctly different types of subsurface; the pose corresponds to a hypothesis h; of such a currently measured signature, this leads to a high score of h i ,
  • - contributes the metric difference between the currently measured GNSS position and the position of h i to evaluate this hypothesis.

In einem abschließenden Schritt (Resampling) wird die Menge der Hypothesen H neu aufgebaut. In diesem Schritt haben hoch bewertete Hypothesen eine größere Wahrscheinlichkeit, in die neu aufgebaute Menge H' übernommen zu werden. Der Mittelwert der Positionen von hi' aus H' repräsentiert die aktuell geschätzte Position des Fahrzeuges.In a final step (resampling), the set of hypotheses H is rebuilt. In this step, highly valued hypotheses have a greater probability of being taken over into the newly constructed set H '. The mean of the positions of h i 'from H' represents the currently estimated position of the vehicle.

Die 3 illustriert das vorangehend beschriebene Verfahren. Die geschätzte Pose stellt den Mittelwert der im Partikel-Filter verwalteten Hypothesen dar. Das Erkennen eines gemessenen Ausschlags (Peaks) in den Beschleunigungswerten der Sensoreinheit (durch das Überfahren einer abgesenkten Bordsteinkante) kann in der Neubewertung Hypothesen bevorteilen, die sich auf der Grenze zwischen Asphalt 34 und Gehwegpflasterung 36 befinden.The 3 illustrates the method described above. The estimated pose represents the mean of the hypotheses managed in the particulate filter. Recognizing a measured peak in the sensor unit acceleration values (passing a lowered curb) may, in the reassessment, favor hypotheses located on the boundary between asphalt 34 and walkway pavement 36 are located.

Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein wartungsfreies Gerät zur präzisen Berechnung der Eigenbewegung (Odometrie) eines Fortbewegungsmittels (Fahrzeug) mit Hilfe von je einer intelligenten Sensoreinheit an zwei Rädern in Verbindung mit weiteren Berechnungen, zum Beispiel zur Untergrundklassifikation, um die Präzision von Navigations-Software in einer durch Funk verbundenen Auswerteeinheit zu verbessern, bereitgestellt. Die Odometrie-Sensoreinheit misst zumindest in einer besonderen Ausführungsform die Eigenbewegung eines Rades mit möglichst hoher Präzision. Es kann auf eine Verkabelung zur Datenübertragung verzichtet werden. Vorteilhafterweise werden die Messdaten schon lokal intelligent vorverarbeitet und so aufbereitet, dass ein möglichst geringer Datenaustausch notwendig ist. Die endgültige Verarbeitung soll dann in einer durch Funk verbundenen Auswerteeinheit erfolgen, die die Daten zum Beispiel eines Räderpaares miteinander und mit ortsbezogenen Referenzdaten in einer elektronischen Karte, d. h. Datenbank, abgleicht.In at least one particular embodiment of the present invention, a maintenance-free apparatus for precisely calculating the self-motion (odometry) of a means of transport (vehicle) by means of one intelligent sensor unit on two wheels in conjunction with further calculations, for example for background classification, the precision of Navigation software in a radio-linked evaluation unit, provided. The odometry sensor unit measures, at least in one particular embodiment, the proper motion of a wheel with the highest possible precision. It can be dispensed with a wiring for data transmission. Advantageously, the measurement data are already locally preprocessed intelligently and processed so that the lowest possible data exchange is necessary. The final processing should then be in one by radio connected evaluation unit, which compares the data, for example, a pair of wheels with each other and with location-related reference data in an electronic map, ie database.

Zumindest in besonderen Ausführungsformen kann sich die Sensoreinheit durch folgende Besonderheiten einzeln oder in Kombination auszeichnen:

  • • Anbringung am Rad
  • – auf/in der Felge, dadurch
  • – Messen der Rotationsbewegung des Rades;
  • – Erzeugung von elektrischer Energie aus Eigenbewegung;
  • – optional unter dem Radbelag (Gummibereifung/Schlauch), damit
  • – durch Belag mechanisch geschützt;
  • – unter Belag verborgen (Diebstahlschutz);
  • – die Möglichkeit, auch den Reifendruck zu messen (Option).
  • • Eigene Energieversorgung
  • – Lokale Speicherung mit Energiemanagement;
  • – Lokale Ernte elektrischer Energie (aus Eigenbewegung), je nach Bauart des Rades, Energiebedarf und Kostenstruktur, durch Anbringung an
  • – der Radnabe als Mini-Dynamo;
  • – einer Speiche für radiale Bewegungs-Energieernte;
  • – unter der Lauffläche (bzw. dem Schlauch) für Fliehkraft-Energieernte;
  • – Externe Aufladung durch Induktion (optional);
  • – (als Option) Ergänzung der Energieernte durch Solarsensoren (besonderes im Stand, wenn keine Bewegung vorliegt);
  • • Datenübertragung durch Funk
  • – Verbindung mit der Auswerteeinheit in einem handelsüblichen Mobilgerät, zum Beispiel einem Smartphone mit GPS- bzw. allgemein GNSS-Sensor und Funkanbindung;
  • – Protokollstandard zur Funkübertragung im Nahbereich (ca. 2–4 m) für Geräte mit geringem Energieverbrauch, zum Beispiel Bluetooth 4.0;
  • – Verbindung mit einem gleichartigen Sensorelement an einem anderen Rad zum synchronisierten Datenaustausch (optional);
  • • Kombination von Sensorik zur Messung von
  • – Beschleunigung (MEMS accelerometer in 3 Achsen);
  • – Drehrate (MEMS gyroscope in 3 Achsen)
  • – Temperatur;
  • – Reifendruck (optional)
  • • Intelligentes Sensorelement
  • – Leistungsfähiger Mikroprozessor mit geringem Energieverbrauch;
  • – Messung verschiedener Parameter (siehe Kombination von Sensorik);
  • – Lokale Auswertung, Kombination (Datenfusion) und Vorverarbeitung der gemessenen Daten (Datenreduktion), so dass nur eine geringe Datenmenge zur Weiterverarbeitung nach außen gegeben werden muss.
  • • Alarmmeldung
  • – Sensorik für Temperatur meldet Eisgefahr;
  • – Kombination der Sensorik ermöglicht die Errechnung der plötzlichen Beschleunigung sowie der vertikalen Schräglage; daraus kann die Gefahr eines Aufpralls oder Umfallens (und damit Sturzes der betroffenen Person) abgeleitet werden;
  • – Sofern die Sensorik im Reifen angebracht ist (optional), kann ein Abfall des Reifendrucks gemeldet werden.
  • • Odometrie
  • – Sensoren für Beschleunigung und Drehrate ermöglichen Lageerkennung nach Datenfusion, d. h., es wird eine kontinuierliche Bestimmung des Winkels zwischen Sensorposition und der Bodenebene mittels eines Extended Kalman Filters durchgeführt;
  • – Sensorik an einem Rad ermöglicht die Errechnung der Geschwindigkeit;
  • – Kombination der Sensorik der Räder eines Räderpaares, die unabhängig laufen (zum Beispiel bei Differentialantrieb), ermöglicht die Errechnung des Lenkwinkels;
  • – Sensorik an gelenkten Rädern (insbesondere passiv gelenkten, frei schwingenden Castor-Rädern) ermöglicht die Ermittlung der Stellung dieser Räder
  • • Klassifikation des Untergrunds
  • – Sensoren für Beschleunigung und Drehrate ermöglichen eine Klassifikation des Untergrundes nach Transformation der (un)gefilterten Beschleunigungswerte in den Frequenzraum;
  • – Das (zum Beispiel an einer Speiche angebrachte) Sensorelement misst während der Fahrt Beschleunigungskräfte in Speichen-Ausrichtung, sowie in Richtung einer Orthogonalen innerhalb der Rad-Ebene.
  • – Der Betrag dieses 2D-Beschleunigungsvektors |A| wird als Streckensignal (|A| über abgerollte Strecke s formuliert und in den Frequenzraum transformiert.
  • – Das resultierende Spektrum (power spectrum) wird nun in einem zuvor gewählten Frequenzband als Signatur des Untergrundes verstanden.
  • – Eine solche Signatur lässt sich mit einem Lernverfahren wie zum Beispiel dem Histogramm Clustering erlernen.
  • • Verbesserung der Navigation
  • – Die Ermittlung der Stellung (passiv) gelenkter Räder kann zur Verbesserung der Manövrierfähigkeit genutzt werden;
  • – Odometrie-Daten zur Änderung von Geschwindigkeit und Lenkwinkel können zur Verfolgung eines Weges und damit zur Positionsbestimmung genutzt werden (Koppelnavigation);
  • – Die Fusion von Odometrie-Daten mit einer Positionsbestimmung durch einen anderen Sensor (zum Beispiel GPS oder allgemein GNSS) kann zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung genutzt werden;
  • – Die Klassifikation des Untergrunds kann im Vergleich mit dazu (in einer Karte bzw. Datenbank) gespeicherten ortsbezogenen Referenz-Daten zur Ermittlung von Abweichungen vom angenommenen Weg genutzt werden;
  • – Die Veränderung des Untergrunds, in Verbindung mit plötzlicher Höhenveränderung (zum Beispiel durch eine Schwelle), kann mit ortsbezogenen Referenz-Daten zur Kalibrierung genutzt werden, also zur Rückstellung akkumulierter Odometriefehler.
At least in particular embodiments, the sensor unit may be distinguished individually or in combination by the following features:
  • • Attachment to the bike
  • - on / in the rim, by
  • - measuring the rotational movement of the wheel;
  • - Generation of electrical energy from self-motion;
  • - optional under the wheel cover (rubber tires / hose), so
  • - mechanically protected by flooring;
  • - hidden under cover (theft protection);
  • - the possibility to measure the tire pressure (option).
  • • Own energy supply
  • - Local storage with energy management;
  • - Local harvest of electrical energy (from self-motion), depending on the design of the wheel, energy requirements and cost structure, by attachment
  • - the wheel hub as a mini-dynamo;
  • - a spoke for radial motion energy harvesting;
  • - under the tread (or hose) for centrifugal energy harvesting;
  • - External charging by induction (optional);
  • - (as an option) supplementing the energy harvest by solar sensors (especially in the state when there is no movement);
  • • Data transmission by radio
  • - Connection to the evaluation unit in a commercially available mobile device, for example a smartphone with GPS or general GNSS sensor and radio connection;
  • - Protocol standard for wireless transmission in the near range (about 2-4 m) for devices with low energy consumption, for example Bluetooth 4.0;
  • Connection to a similar sensor element on another wheel for synchronized data exchange (optional);
  • • Combination of sensors for measuring
  • - acceleration (MEMS accelerometer in 3 axes);
  • - Rate of rotation (MEMS gyroscope in 3 axes)
  • - temperature;
  • - tire pressure (optional)
  • • Intelligent sensor element
  • - Powerful microprocessor with low power consumption;
  • - measurement of different parameters (see combination of sensors);
  • - Local evaluation, combination (data fusion) and pre-processing of the measured data (data reduction), so that only a small amount of data must be given to the outside for further processing.
  • • Alarm message
  • - Sensor system for temperature indicates ice danger;
  • - Combination of the sensors allows the calculation of the sudden acceleration and the vertical tilt; this can be used to deduce the risk of an impact or fall (and thus fall of the person concerned);
  • - If the sensor is mounted in the tire (optional), a drop in tire pressure may be reported.
  • • Odometry
  • Acceleration and yaw rate sensors allow for positional detection after data fusion, ie a continuous determination of the angle between sensor position and ground plane is performed by means of an extended Kalman filter;
  • - Sensors on a wheel allow the calculation of the speed;
  • - Combination of the sensors of the wheels of a pair of wheels that run independently (for example, differential drive), allows the calculation of the steering angle;
  • - Sensors on steered wheels (especially passively steered, free-swinging Castor wheels) allows the determination of the position of these wheels
  • • Classification of the underground
  • - Sensors for acceleration and yaw rate allow a classification of the background after transformation of the (un) filtered acceleration values into the frequency domain;
  • The sensor element (for example attached to a spoke) measures acceleration forces in the direction of the spoke as well as in the direction of an orthogonal within the wheel plane.
  • The amount of this 2D acceleration vector | A | is formulated as a path signal (| A |) over unrolled path s and transformed into the frequency domain.
  • - The resulting spectrum (power spectrum) is now understood in a previously selected frequency band as a signature of the background.
  • - Such a signature can be learned with a learning method such as histogram clustering.
  • • Improvement of navigation
  • - Determining the position of (passive) steered wheels can be used to improve maneuverability;
  • - Odometry data for changing speed and steering angle can be used to track a route and thus to determine the position (dead-reckoning);
  • - The fusion of odometry data with another sensor (for example, GPS or general GNSS) can be used to improve the accuracy of positioning;
  • - The classification of the subsoil can be used in comparison with location-based reference data (in a map or database) to determine deviations from the assumed path;
  • - The change of the background, in connection with sudden height change (for example through a threshold), can be used with location-related reference data for calibration, ie for the recovery of accumulated odometry errors.

Besondere Vorteile ergeben sich aus einer Kombination einer oder vorzugsweise zweier Odometrie-Sensoreinheiten in einem Räderpaar sowie der dazugehörigen Software in einer Auswerteeinheit, im Einzelnen

  • – Vorverarbeitung der Messdaten, lokal in einer intelligenten Odometrie-Sensoreinheit eines Rades:
  • – Ermittlung der Geschwindigkeit,
  • – Klassifikation des Untergrunds,
  • – Alarm bei Aufprall oder Umstürzen des Fortbewegungsmittels (Fahrzeugs),
  • – Warnung vor Vereisung oder Abfall des Reifendrucks (optional),
  • – der völligen Wartungsfreiheit durch eigene Energieernte und eigenes Energiemanagement in Verbindung mit einer Funkdatenübertragung,
  • – Verbesserung der Präzision der Navigation in der durch Funk verbundenen Auswerteeinheit, die die Daten eines Räderpaars miteinander und mit ortsbezogenen Referenzdaten in einer elektronischen Karte (d. h. Datenbank) abgleicht und
  • – endgültige Verarbeitung der Daten als reine Softwarelösung in einem handelsüblichen Mobilgerät, zum Beispiel einem Smartphone mit GPS- bzw. GNSS-Sensor und Funkanbindung nach dem Bluetooth-4.0-Standard.
Particular advantages result from a combination of one or preferably two odometry sensor units in a pair of wheels and the associated software in an evaluation unit, in detail
  • - Pre-processing of the measurement data, locally in a smart odometry sensor unit of a wheel:
  • - determination of the speed,
  • - classification of the subsoil,
  • Alarm in the event of impact or overturning of the vehicle (vehicle),
  • - warning of icing or drop in tire pressure (optional),
  • - the complete freedom from maintenance through own energy harvest and own energy management in connection with a radio data transmission,
  • Improving the precision of the navigation in the radio-connected evaluation unit, which compares the data of a pair of wheels with each other and with location-related reference data in an electronic map (ie database) and
  • - Final processing of the data as a pure software solution in a commercially available mobile device, for example, a smartphone with GPS or GNSS sensor and wireless connection according to the Bluetooth 4.0 standard.

Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf jegliche aktiv oder passiv durch Räder angetriebene Fahrzeuge.The scope of the invention extends to any actively or passively powered by wheels vehicles.

Im Automobilbereich ist sie als reine Navigationslösung, die die Präzision der Navigation durch Odometrie durch Funkanbindung direkt an das Mobilgerät verbessert, ebenfalls verwendbar, sofern das Funksignal das Mobilgerät des Fahrers erreicht. Daneben ist aber auch an eine eigene Funkanbindung zu denken, die es ermöglicht, über die Untergrundklassifikation (zum Beispiel über eine angepasste Federung) auf Fahrkomfort, Abnutzung, Fahreigenschaften und eventuell sogar Sicherheit (bei Geländefahrten) Einfluss zu nehmen.In the automotive sector, it is also usable as a pure navigation solution that improves the accuracy of navigation through odometry through radio connection directly to the mobile device, as long as the radio signal reaches the driver's mobile device. In addition, however, is also to think of its own radio connection, which makes it possible to use the subgrade classification (for example, via an adapted suspension) on ride comfort, wear, driving characteristics and possibly even safety (in off-road driving) influence.

Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Radwheel
1212
Odometrie-SensoreinheitOdometry sensor unit
1414
Speichenspoke
1616
Felgerim
1818
Reifentires
2020
3D-Bewegungssensor3D motion sensor
2222
3D-Lagesensor3D position sensor
2424
Temperatursensortemperature sensor
2626
EnergieerzeugungseinrichtungEnergy generator
2828
EnergiemanagementeinrichtungEnergy management device
3030
DatenverarbeitungseinrichtungData processing device
3232
FunkdatenübertragungsschnittstelleRadio data transmission interface
3434
Asphaltasphalt
3636
Gehwegpflasterungsidewalk paving
3838
Rasenrace

Claims (21)

Aktiv oder passiv angetriebenes Rad (10) mit einer Odometrie-Sensoreinheit (12), wobei die Sensoreinheit einen 3D-Bewegungssensor (20); eine mit dem 3D-Bewegungssensor (20) verbundene Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) gemäß einem Übertragungsprotokoll und eine Energieerzeugungseinrichtung (26) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Eigenbewegung bei Bewegung des Rades (10), die mit dem 3D-Bewegungssensor (20) und der Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) zur Versorgung derselben mit elektrischer Energie verbunden ist, umfasst.Active or passive driven wheel ( 10 ) with an odometry sensor unit ( 12 ), wherein the sensor unit comprises a 3D motion sensor ( 20 ); one with the 3D motion sensor ( 20 ) radio communication interface ( 32 ) according to a transmission protocol and a power generation device ( 26 ) for generating electrical energy from self-motion during movement of the wheel ( 10 ) with the 3D motion sensor ( 20 ) and the radio communication interface ( 32 ) is connected to the supply of the same with electrical energy comprises. Rad (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) außerdem einen 3D-Lagesensor (22) umfasst, der von der Energieerzeugungseinrichtung (26) ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird und mit der Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) verbunden ist.Wheel ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the sensor unit ( 12 ) also has a 3D position sensor ( 22 ) generated by the power generation device ( 26 ) is also supplied with electrical energy and with the radio data transmission interface ( 32 ) connected is. Rad (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) außerdem einen Temperatursensor (24) umfasst, der von der Energieerzeugungseinrichtung (26) ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird und mit der Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) verbunden ist.Wheel ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor unit ( 12 ) also has a temperature sensor ( 24 ) generated by the power generation device ( 26 ) is also supplied with electrical energy and with the radio data transmission interface ( 32 ) connected is. Rad (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Felge (16) aufweist.Wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it has a rim ( 16 ) having. Rad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Luftreifen aufweist.Wheel ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a pneumatic tire. Rad (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) außerdem einen Reifendrucksensor umfasst. Wheel ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the sensor unit ( 12 ) further comprises a tire pressure sensor. Rad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gummireifen aufweist.Wheel ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a rubber tire. Rad (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) in dem Luftreifen angeordnet oder angebracht ist.Wheel ( 10 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the sensor unit ( 12 ) is disposed or mounted in the pneumatic tire. Rad (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) in dem Gummireifen angeordnet oder angebracht ist.Wheel ( 10 ) according to claim 7, characterized in that the sensor unit ( 12 ) is arranged or mounted in the rubber tire. Rad (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) auf oder in der Felge (16) angeordnet oder angebracht ist.Wheel ( 10 ) according to one of claims 4 to 7, characterized in that the sensor unit ( 12 ) on or in the rim ( 16 ) is arranged or attached. Rad (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) eine Datenverarbeitungseinrichtung (30) umfasst, die der Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) vorgeschaltet ist und von der Energieerzeugungseinrichtung (26) ebenfalls mit elektrischer Energie versorgt wird.Wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit ( 12 ) a data processing device ( 30 ) of the radio communication interface ( 32 ) and from the power generation device ( 26 ) is also supplied with electrical energy. Rad (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) eine Energiemanagementeinrichtung (28) umfasst, die der Energieerzeugungseinrichtung (26) nachgeschaltet ist.Wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit ( 12 ) an energy management device ( 28 ), the energy generating device ( 26 ) is connected downstream. Muskelkraft- oder motorbetriebenes Fortbewegungsmittel, umfassend mindestens ein Rad (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Muscle or motorized locomotion comprising at least one wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims. System, umfassend ein Fortbewegungsmittel nach Anspruch 13 und ein Basisgerät, insbesondere mobiles Kommunikationsgerät oder ein Tablet-PC, das eine Funkdatenübertragungsschnittstelle gemäß demselben Übertragungsprotokoll wie die Funkdatenübertragungsschnittstelle (32) des mindestens einen Rades (10) zur Kommunikation mit der Sensoreinheit (12) des mindestens eines Rades (10), einen GNSS-Sensor, insbesondere GPS-Sensor, eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um anhand von der Sensoreinheit (12) des mindestens einen Rades (10) und/oder von dem Basisgerät gelieferten Daten, die Position und/oder die Lenkrichtung und/oder die Lage und/oder den Untergrund und/oder ein Aufprall oder Umsturz des Fortbewegungsmittels und/oder den Reifendruck des Rades (10) zu bestimmen, und eine Anzeige- oder Ausgabeeinrichtung zur Anzeige oder Ausgabe des Auswertungsergebnisses aufweist.A system comprising a means of transport according to claim 13 and a base unit, in particular a mobile communication device or a tablet PC, which has a radio data transmission interface in accordance with the same transmission protocol as the radio data transmission interface ( 32 ) of the at least one wheel ( 10 ) for communication with the sensor unit ( 12 ) of the at least one wheel ( 10 ), a GNSS sensor, in particular GPS sensor, an evaluation device, which is designed to be detected by the sensor unit ( 12 ) of the at least one wheel ( 10 ) and / or data supplied by the base unit, the position and / or the steering direction and / or the position and / or the ground and / or a collision or overturning of the means of locomotion and / or the tire pressure of the wheel ( 10 ), and has a display or output device for displaying or outputting the evaluation result. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgerät ferner einen Lagesensor und/oder einen Kompass aufweist.System according to claim 14, characterized in that the base unit further comprises a position sensor and / or a compass. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgerät ferner einen 3D-Bewegungssensor aufweist.System according to claim 14 or 15, characterized in that the base unit further comprises a 3D motion sensor. System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgerät ferner eine Datenbank mit einer digitalen Karte und/oder mit Untergrundreferenzdaten aufweist oder mit einer externen Datenbank mit einer digitalen Karte und/oder mit Untergrundreferenzdaten verbunden oder verbindbar ist.System according to one of claims 14 to 16, characterized in that the base unit further comprises a database with a digital map and / or with background reference data or connected to an external database with a digital map and / or with background reference data or connectable. Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel nach Anspruch 13, umfassend – für mindestens ein Rad (10) Bestimmen des Betrags der Beschleunigungskomponente accz in einer zur Radebene senkrechten Richtung mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors, – Annehmen eines Sturzes, wenn der Betrag der Beschleunigungskomponente accz oder der sich aus einer Datenfusion ergebende Betrag der Beschleunigungskomponente accz der Erdbeschleunigung g entspricht, und – Ausgeben eines Alarms mittels einer Alarmeinrichtung in der Sensoreinheit (12) oder in einem separaten Basisgerät, insbesondere eines Systems nach Anspruch 13, zu dem auch das Fortbewegungsmittel gehört.A method for detecting a fall in a means of locomotion according to claim 13, comprising - for at least one wheel ( 10 Determining the magnitude of the acceleration component acc z in a direction perpendicular to the plane of the wheel by means of the associated 3D motion sensor, assuming a fall if the magnitude of the acceleration component acc z or the amount of the acceleration component acc z resulting from a data fusion corresponds to the gravitational acceleration g, and issuing an alarm by means of an alarm device in the sensor unit ( 12 ) or in a separate base unit, in particular a system according to claim 13, which also includes the means of transportation. Verfahren zur Sturzerkennung bei einem Fortbewegungsmittel eines Systems nach Anspruch 18, umfassend – für mindestens ein Rad (10) Bestimmen der Werte der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors (20), – Bestimmen der Werte der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des Basisgeräts, – Bestimmen der Position anhand einer Fusion von mittels Odometrie und mittels eines globalen Lokalisierungsverfahrens ermittelten Positionsdaten und der Untergrundbeschaffenheit anhand der fusionierten Positionsdaten, – Fusion aller ermittelten Werte der Beschleunigungskomponenten und der ermittelten Untergrundbeschaffenheit und – Ermitteln eines Sturzes basierend auf den fusionierten Daten.A method for detecting a fall in a means of locomotion of a system according to claim 18, comprising - for at least one wheel ( 10 ) Determining the values of the mutually perpendicular acceleration components acc x and acc y in the wheel plane by means of the associated 3D motion sensor ( 20 ), - determining the values of the mutually perpendicular acceleration components acc x and acc y in the wheel plane by means of the base unit, - determining the position by means of a fusion of odometry and position data determined by means of a global localization method and the ground condition on the basis of the merged position data, - fusion of all determined values of the acceleration components and the determined ground condition and - determination of a fall based on the merged data. Verfahren zur Untergrundklassifikation mittels mindestens eines Rades (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere eines Fortbewegungsmittels nach Anspruch 13, umfassend – Bestimmen der Länge des Beschleunigungsvektors in der Radebene in Abhängigkeit von der Zeit durch Messen der zueinander senkrechten Beschleunigungskomponenten accx und accy in der Radebene mittels des zugehörigen 3D-Bewegungssensors (20) in diskreten, vorzugsweise äquidistanten, Zeitintervallen, – vorweise lineares Interpolieren des zeitlichen Verlaufs der Länge des Beschleunigungsvektors, – Bestimmen des Frequenzspektrums der über die vom Rad (10) zurückgelegte Strecke aufgetretenen Beschleunigung durch Transformieren des interpolierten zeitlichen Verlaufs in den Frequenzraum, – Vergleich des ermittelten Frequenzspektrums mit Referenzspektren für unterschiedliche Untergründe und – Klassifizieren des Untergrundes anhand des Ergebnisses des Vergleichs.Method for subclass classification by means of at least one wheel ( 10 ) according to one of claims 1 to 12, in particular a means of locomotion according to claim 13, comprising - determining the length of the acceleration vector in the wheel plane as a function of time Measuring the mutually perpendicular acceleration components acc x and acc y in the wheel plane by means of the associated 3D motion sensor ( 20 ) in discrete, preferably equidistant, time intervals, - preferably linear interpolation of the temporal course of the length of the acceleration vector, - determination of the frequency spectrum of that of the wheel ( 10 ) traveled distance by transforming the interpolated time course in the frequency space, - Comparison of the determined frequency spectrum with reference spectra for different substrates and - Classify the background based on the result of the comparison. Verfahren zur Steigerung der Präzision eines globalen Lokalisierungsverfahrens mittels eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend – Fusion von Werten von Beschleunigungskomponenten des mindestens eines Rades (10), Odometrie-Informationen bezüglich des Fortbewegungsmittels zu präzisierenden GNSS-Informationen und von Klassifizierung vom Untergrund sowie – Verwenden eines Partikel-Filters zum Schätzen der aktuellen Position des Fortbewegungsmittels auf der Basis der fusionierten Daten.Method for increasing the precision of a global localization method by means of a system according to one of claims 14 to 17, comprising - fusion of values of acceleration components of the at least one wheel ( 10 ), Odometry information on the means of locating GNSS information to be refined and classification of the subsurface, and - using a particulate filter to estimate the current position of the means of locomotion on the basis of the merged data.
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