-
Die Erfindung betrifft ein System zur manipulationssicheren Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung des Systems bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4.
-
Im Sinne dieser Offenbarung sind als Fahrzeuge insbesondere Fahrräder zu verstehen, welche mit einem Elektroantrieb versehen sind. Dabei handelt es sich vor allem um mit Muskelkraft betriebene Fahrräder, die zusätzlich durch einen Elektromotor unterstützt werden, wie z.B. Pedelecs, E-Bikes oder dergleichen. Nachfolgend werden die Begriffe „Elektrofahrrad“, „E-Bike“ oder „Pedelec“ synonym im Sinne eines derart unterstützten Fahrrads verwendet, solange sich aus dem jeweiligen Kontext nichts Gegenteiliges ergibt.
-
Die im öffentlichen Verkehr zulässige Maximalgeschwindigkeit von E-Bikes und Pedelecs ist gemäß den Vorgaben der Europäischen Union auf 25 km/h begrenzt. Um diese Vorgabe zu erfüllen, schalten die Elektromotoren handelsüblicher E-Bikes bei einer Geschwindigkeit von 25 km/h ab. Der Fahrer kann das E-Bike dann nur noch aus eigner Kraft beschleunigen, wie im Falle eines klassischen Fahrrads ohne zusätzlichen Motor. Der Begrenzung der Zusatzleistung des Elektromotors bei Geschwindigkeiten von über 25 km/h - auch als Drosselung bezeichnet - liegt dabei immer ein Sensorsystem zugrunde, das die Geschwindigkeit des E-Bikes überwacht und das im Falle einer Überschreitung einer voreingestellten Grenze (z.B. 25 km/h) ein Signal an eine entsprechende Steuerung übermittelt, welche den Elektromotor ausschaltet.
-
Im Stand der Technik sind verschiedene Sensorsysteme bekannt, mit denen sich die Geschwindigkeit von E-Bikes überwachen lässt, woraufhin die Zusatzleistung des Elektromotors gedrosselt werden kann. So wird zum Beispiel in
DE 10 2015 216 587 A1 ein Sensorsystem zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines E-Bikes beschrieben. Der Sensor ist dazu eingerichtet, einen Bodenkontakt des Laufrads zu detektieren und auf Basis dieser Messung die Geschwindigkeit des Fahrrads zu errechnen.
-
DE 10 2019 003 853 A1 offenbart ein E-Bike mit einem Sensor zur Geschwindigkeitsmessung. Das beschriebene System ist dabei so ausgestaltet, dass die Motorunterstützung bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit abgestellt wird. Der zugrundeliegende Sensor ist ein optisch arbeitender Sensor zur Messung einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Untergrund.
-
Ein weiteres Sensorsystem zur Messung einer Geschwindigkeit eines Fahrrads wird in
US 7 257 468 B1 beschrieben.
-
Derartige Sensorsysteme haben allerdings den Nachteil, dass sie sich entweder leicht manipulieren lassen, wenn sie auf rotierenden Sensoren beruhen, oder dass die zugrundeliegenden Sensoren kompliziert aufgebaut und somit wartungsintensiv sind. Gängige Systeme basieren auf einem mit dem Laufrad rotierenden Magneten, welcher bei jedem Radumlauf einen zughörigen Reedkontakt für einen kurzen Moment schließt. Zur Manipulation dieser Reedsensoren sind auf dem Markt frei erhältliche Tuninggeräte bekannt, welche sich in der Regel ohne Aufwand am jeweiligen E-Bike anbringen lassen und welche allesamt dazu dienen, die Geschwindigkeitssensorik des Fahrrads zu überlisten. Ziel ist dabei, dass das jeweilige Sensorsystem nach erfolgtem Tuning eine (im Vergleich zur tatsächlichen Geschwindigkeit niedrigere) Scheingeschwindigkeit misst. Auf Grundlage dieser niedrigeren Scheingeschwindigkeit sorgt die Steuerung auch bei Realgeschwindigkeiten von über 25 km/h weiterhin für eine Zusatzleistung des Elektromotors.
-
Um die verkehrsrechtliche Gleichstellung von elektrisch unterstützten Fahrrädern mit klassischen Fahrrädern nicht zu verlieren, besteht seitens der Fahrradindustrie ein Interesse an Sensorsystemen, die sich nicht durch einfache Tuningmaßnahmen durch den Endverbraucher manipulieren lassen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein manipulationssicheres System zur Erfassung der Geschwindigkeit von Elektrofahrrädern bereitzustellen. Das System soll dabei insbesondere einfach herzustellen sowie sicher und zuverlässig in der Handhabung sein. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur manipulationssicheren Erfassung der Geschwindigkeit von Elektrofahrrädern.
-
Im Sinne dieser Offenbarung sind unter „manipulationssicheren“ Lösungen solche Lösungen zu verstehen, bei denen eine Manipulation oder ein Tuning im Vergleich zu gängigen Sensorsystemen derart erschwert wird, dass kein entsprechendes Tuninggerät entwickelt werden kann, das mit sinnvollem Aufwand marktfähig wäre. Darüber hinaus wird unter der Geschwindigkeit des Fahrzeugs die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Untergrund verstanden, auf dem sich das Fahrzeug fortbewegt.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur manipulationssicheren Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße System zur manipulationssicheren Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, umfasst eine Sensorik, die dazu eingerichtet ist, eine erste Beschleunigung entlang einer tangentialen Achse AX zu erfassen. Die Sensorik ist außerdem dazu eingerichtet ist, eine zweite Beschleunigung entlang einer radialen Achse AY zu erfassen. Dabei ist vorgesehen, dass die Sensorik einen ersten Beschleunigungssensor und einen zweiten Beschleunigungssensor umfasst, wobei der erste Beschleunigungssensor dazu eingerichtet ist, die erste Beschleunigung zu erfassen und wobei der zweite Beschleunigungssensor dazu eingerichtet ist, die zweite Beschleunigung zu erfassen. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das System eine Steuereinheit umfasst und dass der erste Beschleunigungssensor eine Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen misst, wobei der erste Beschleunigungssensor dazu eingerichtet ist, anhand der ermittelten Zeit t zwischen den aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen und einem Durchmesser d des Laufrads die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads zu errechnen, wobei die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads anschließend in die Geschwindigkeit des Fahrzeugs umgerechnet wird. Der erste Beschleunigungssensor ist außerdem dazu eingerichtet, die jeweils erfassten Werte der ersten und der zweiten Beschleunigung in vorgegebenen Intervallen an den zweiten Beschleunigungssensor zu übermitteln. Der zweite Beschleunigungssensor ist ferner dazu ausgebildet, anhand der gemessenen zweiten Beschleunigung und der durch den ersten Beschleunigungssensor errechneten Geschwindigkeit des Fahrzeugs einen Radius reiner Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors zu errechnen. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Beschleunigungssensor dazu eingerichtet ist, ein Signal an die Steuereinheit zu übermitteln, wenn der Radius rder Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
-
Die radiale Achse AY ist dabei diejenige gedachte Achse, die radial von einer Drehachse des Laufrads, an dem die Sensorik angebracht ist, durch die Sensorik verläuft. Mit anderen Worten: Die radiale Achse AY ist die Verlängerung des Radius' der Sensorik zur Drehachse. Entsprechend ist die tangentiale Achse AX diejenige gedachte Achse, die tangential an der Kreisbahn k verläuft, die von der Sensorik bei einer Umdrehung des Laufrads gezogen wird, und zwar an der Stelle, an der die Sensorik an der gedachten Kreisbahn k positioniert ist.
-
Der erste Beschleunigungssensor und der zweite Beschleunigungssensor können dabei insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Denkbar ist aber auch eine Ausgestaltung, bei der die Beschleunigungssensoren in separaten Gehäusen enthalten sind.
-
Im Folgenden werden die Begriffe „Beschleunigungssensor“ und „Sensor“ synonym verwendet, solange sich aus dem jeweiligen Kontext nichts Gegenteiliges ergibt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorik mit dem ersten Beschleunigungssensor und dem zweiten Beschleunigungssensor am äußeren Rand eines der Laufräder des Fahrzeugs anbringbar ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Sensorik an der Felge eines der Laufräder des Elektrofahrrads angeordnet werden kann. Im Falle einer Ausgestaltung der Beschleunigungssensoren mit separaten Gehäusen können die Sensoren unabhängig voneinander an anderen Stellen eines der Laufräder positioniert werden.
-
Mit einem derartig ausgestalteten System kann einer Manipulation der Geschwindigkeitsmessung auf einfache Art und Weise vorgebeugt werden. So kann zum Beispiel bei erkannter Beeinflussung der Sensorik die Motorunterstützung durch den Antriebsmotor abgeschaltet und/oder verringert und/oder eingestellt werden. Insbesondere bedarf es keiner aufwändigen Installation spezieller Hardware. Vielmehr genügt es bereits, die Sensorik mit den beiden rotierenden Beschleunigungssensoren an eines der Laufräder des Fahrzeugs anzubringen. Das System bietet somit eine unkomplizierte und vor allem manipulationssichere Alternative zu Systemen mit nicht-rotierender Sensorik - etwa zu einer aufwendigen Sensorik, welche die Projektion von Lichtstrahlen auf den Untergrund umfasst. Letztere können in Abhängigkeit des Untergrunds fehleranfällig sein.
-
Die Steuereinheit kann eine Auswerteeinheit und eine Anzeigeeinheit umfassen, welche vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse eingeschlossen sind. Aus Gründen des Diebstahlschutzes kann die Steuereinheit reversibel an dem Fahrzeug anbringbar ausgestaltet sein, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Steuereinheit am Lenkrad des E-Bikes oder Pedelecs angebracht werden kann. Die Steuereinheit kann außerdem einen Prozessor wie z.B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die von der Sensorik übermittelten Daten auszuwerten. In zweckmäßiger Weise kann die Steuereinheit zur Ansteuerung des Antriebsmotors eingerichtet sein. Die Steuereinheit kann außerdem dazu konfiguriert sein, anhand der von den Sensorik erhaltenen Messwerte der ersten Beschleunigung eine Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads zu errechnen. Von der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads kann sie anschließend auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs umrechnen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, anhand der errechneten Umlaufgeschwindigkeit zusammen mit den von der Sensorik erhaltenen Messwerten der zweiten Beschleunigung einen Radius r der Kreisbahn k der Sensorik bzw. des zweiten Beschleunigungssensors zu errechnen.
-
Es ist ferner denkbar, dass der erste Beschleunigungssensor und der zweite Beschleunigungssensor dazu eingerichtet sind, miteinander Daten auszutauschen und dass der erste Beschleunigungssensor und der zweite Beschleunigungssensor dazu eingerichtet sind, Daten mit der Steuereinheit auszutauschen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Datenübertragung zwischen den Beschleunigungssensoren und der Steuereinheit jeweils drahtlos erfolgt. Die Benutzung eines bestehenden Funkstandards kann dabei sinnvoll sein. Als gängige Standards können beispielsweise Bluetooth® oder ANT+ eingesetzt werde. Denkbar sind aber auch andere Systeme, solange sie eine stabile drahtlose Datenübertragung zwischen den einzelnen Einheiten gewährleisten. Zum Zwecke der drahtlosen Verbindung via Bluetooth® kann die Sensorik mit der Steuereinheit über ein sogenanntes Pairing-Verfahren verbunden werden. Dabei werden im Wesentlichen digitale Schlüssel ausgetauscht, welche dann zur sicheren Kommunikation verwendet werden. Dieses Kopplungsverfahren von Geräten findet bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Systems ausschließlich in geschützter Umgebung statt, d.h. vorzugsweise beim Hersteller des Elektrofahrrads. Dem Endbenutzer sollte es nicht möglich gemacht werden, das Pairing-Verfahren selbst durchzuführen. Darüber hinaus können vom Endbenutzer keine anderen Sensoren als die vom Hersteller vorgesehenen Sensoren mit der Steuereinheit verbunden werden. Umgekehrt lässt sich die Steuereinheit auch nicht mit anderen Sensoren als den vorgesehenen verbinden. Die Integrität der drahtlosen Datenübertragung kann durch zusätzliche gängige Verschlüsselungsmaßnahmen erhöht werden, etwa durch spezielle Sicherheitsbausteine (sogenannte „kryptographische Prozessoren“), welche die übertragenen Daten zusätzlich verschlüsseln können. Diese Prozessoren führen kryptographische Algorithmen aus und sind gegen aufwändige Angriffe geschützt.
-
Der erste und der zweite Beschleunigungssensor können insbesondere MEMS-Sensoren sein (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Systems). Diese Sensoren eignen sich besonders gut zur Detektion und Messung von Beschleunigungen. Dabei können MEMS-Sensoren Beschleunigungen in alle Raumrichtungen (X-, Y- und Z-Richtung) detektieren. Auf diese Weise können die Vorteile der vorliegenden Erfindung zuverlässig verwirklicht werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sensorik dazu eingerichtet sein, am Laufrad des Fahrzeugs angebracht zu werden, wobei die Beschleunigungssensoren der Sensorik insbesondere an einer oder mehreren Speichen des Laufrads anbringbar sind. Die Messung der ersten Beschleunigung erfolgt dabei unabhängig von der Position des Sensorik an dem Laufrad.
-
Bevorzugterweise ist die erste Beschleunigung eine entlang der tangentialen Achse AX gemessene Erdbeschleunigung, wobei erfasste Werte der ersten Beschleunigung in Abhängigkeit eines Neigungswinkels α des ersten Beschleunigungssensors zwischen -1g, 0g und +1g betragen. Der Neigungswinkel α des ersten Beschleunigungssensors wird dabei durch den Winkel einer horizontalen Achse AB des ersten Beschleunigungssensors zur tangentialen X-Achse AX definiert. „Horizontal“ bedeutet hierbei im Wesentlichen parallel zum Untergrund, auf dem sich das Fahrzeug fortbewegt. So misst der erste Beschleunigungssensor beispielsweise in einer Position senkrecht zur tangentialen Achse AX0g. Im Laufe einer Radumdrehung ändert sich der Messwert durch den sich ändernden Neigungswinkel des ersten Beschleunigungssensor über 1g nach einer viertel Umdrehung des Laufrads (=̂ 90° Neigungswinkel des ersten Beschleunigungssensor), 0g nach einer halben Umdrehung (=̂ 180° Neigungswinkel des ersten Beschleunigungssensor), -1g nach einer dreiviertel Umdrehung (=̂ 270° Neigungswinkel des ersten Beschleunigungssensor) und schließlich wieder 0g nach einer vollständigen Rotation des Laufrads (=̂ 360° bzw. 0° Neigungswinkel des ersten Beschleunigungssensor). Ein Überschreiten eines Nullpunktes - also einer Position des ersten Beschleunigungssensors, an der die gemessene erste Beschleunigung 0g beträgt - von negativen auf positive Messwerte, wird als Nulldurchlauf bezeichnet.
-
Erfindungsgemäß funktioniert diese Art der Geschwindigkeitsbestimmung unabhängig von der Position des ersten Beschleunigungssensors am Laufrad des Fahrzeugs. Es ist allerdings auch denkbar, dass die Errechnung der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads anhand der Zeit t und des Durchmessers d von der Steuereinheit, insbesondere vom Prozessor der Steuereinheit, ausgeführt wird.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Übermittlung der erfassten Werte jedoch an die Auswerteeinheit der Steuereinheit. Diese Datenübertragung geschieht dabei insbesondere drahtlos, etwa via Bluetooth®. Die vorgegebenen Intervalle zwischen je einer Datenübertragung können beispielsweise zwischen 1ms und 100ms betrag, wobei sie bevorzugt 10ms betragen. Alternativ zu vorgegeben zeitlichen Intervallen kann auch vorgesehen sein, dass eine Übertragung nach je einer vollen Umdrehung des Laufrads erfolgt.
-
Nach einer bevorzugten Ausführung des Systems ist vorgesehen, dass die zweite Beschleunigung, die vom zweiten Beschleunigungssensor erfasst wird, die Summe der Erdbeschleunigung und einer entlang der radialen Achse gemessenen Zentripetalbeschleunigung (auch Radialbeschleunigung az) ist, wobei sich die Zentripetalbeschleunigung wie folgt zusammensetzt: az = ω2 r. Hierbei ist ω die Winkelgeschwindigkeit und r ist der Radius der Kreisbahn k, welcher der zweite Beschleunigungssensor folgt. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ω verhält sich die auftretende Zentripetalbeschleunigung also proportional zum Radius r der Kreisbahn k.
-
Dazu ist der zweite Beschleunigungssensor vorzugsweise an einem der Laufräder des Fahrzeugs anbringbar. Falls der zweite Beschleunigungssensor in einem separaten Gehäuse integriert ist, kann er an einem anderen Laufrad angebracht werden als das Laufrad, an dem der erste Beschleunigungssensor angebracht ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Beschleunigungssensor jedoch zusammen mit dem ersten Sensor in einem gemeinsamen Gehäuse am äußeren Rand eines der Laufräder des Fahrzeugs angebracht. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor an der Felge eines der Laufräder des Elektrofahrrads angeordnet ist.
-
Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die Errechnung des Radius' r der Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors von der Steuereinheit, insbesondere vom Prozessor der Steuereinheit, ausgeführt wird. Der vorgegebene Schwellenwert kann dabei beispielsweise ein nicht zu unterschreitender Mindestabstand des zweiten Beschleunigungssensors von der Drehachse des Laufrads sein, auf dem der zweite Sensor angebracht ist.
-
Manipulationen am Fahrzeug lassen sich demnach mittels eines Vergleichs der berechneten Geschwindigkeit und des gemessenen Radius r der Kreisbahn k der Sensorik erkennen. Bei einer erkannten Manipulation kann dann die Motorunterstützung durch den Antriebsmotor abgeschaltet und/oder verringert und/oder eingestellt werden.
-
Die Steuereinheit kann vorteilhafterweise derart eingerichtet sein, dass sie im Anschluss an das Erhalten des Signals die Zusatzleistung des unterstützenden Antriebsmotors drosselt oder den Motor ganz abstellt. Somit kann ein Tuning der Leistung des Motors durch Eingreifen in die Geschwindigkeitsmessung auf einfache Art und Weise zuverlässig unterbunden werden.
-
Ein Verfahren zur manipulationssicheren Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, kann die Schritte umfassen:
- - Anbringen einer Sensorik an ein Laufrad des Fahrzeugs, wobei die Sensorik einen ersten Beschleunigungssensor und einen zweiten Beschleunigungssensor umfasst;
- - Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand von durch den ersten Beschleunigungssensor erfassten Messwerten;
- - Übermitteln der erfassten Geschwindigkeit an eine Steuereinheit des Fahrzeugs sowie an den zweiten Beschleunigungssensor;
- - Erfassen einer zweiten Beschleunigung entlang einer radialen Achse A Y mittels des zweiten Beschleunigungssensors, welche an die Steuereinheit übermittelt wird;
- - Errechnen eines Radius' r einer Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors anhand der erfassten zweiten Beschleunigung und der erfassten Geschwindigkeit des Fahrzeugs mittels Sensorik;
- - Übermitteln eines Signals von der Sensorik an die Steuereinheit, sobald der errechnete Radius r der Kreisbahn k des zweiten Sensors einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
- - Prüfen der auf Basis der Werte des ersten Beschleunigungssensors ermittelten Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie des auf Basis der Werte des zweiten Beschleunigungssensors errechneten Radius' r auf Plausibilität.
-
Im Anschluss an das erhaltene Signal kann die Steuereinheit die Zusatzleistung des unterstützenden Antriebsmotors drosseln oder ganz abstellen. Auf diese Weise kann ein Tuning der Leistung des Motors durch Eingreifen in die Geschwindigkeitsmessung einfach und zuverlässig unterbunden werden.
-
Vorteilhafterweise kann die erfasste zweite Beschleunigung entlang der radialen Achse AY die Summe der Erdbeschleunigung und der Zentripetalbeschleunigung sein, die auf den zweiten Sensor wirkt.
-
Es ist außerdem möglich, dass das Verfahren vor dem Schritt, bei dem die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch den ersten Beschleunigungssensor erfasst wird, die folgenden Schritte umfasst:
- - Erfassen von Werten einer ersten Beschleunigung entlang einer tangentialen Achse mittels des ersten Beschleunigungssensors;
- - Errechnen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand der erfassten Werte der ersten Beschleunigung.
-
Vorzugsweise ist die erfasste erste Beschleunigung eine Erdbeschleunigung, wobei erfasste Werte der ersten Beschleunigung in Abhängigkeit eines Neigungswinkels α des ersten Beschleunigungssensors zwischen -1g, 0g und +1g betragen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Beschleunigungssensor eine Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen misst, wobei ein Nulldurchlauf ein Überschreiten des Messwertes von 0g beim Wechsel von negativen auf positive Messwerte ist.
-
Bevorzugt errechnet die Sensorik die Geschwindigkeit anhand der ermittelten Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen und einem Durchmesser d des Laufrads.
-
Die einzelnen Schritte des Verfahrens können - sofern nicht anders angegeben - in jeder möglichen Reihenfolge ausgeführt sowie beliebig oft wiederholt werden. Sie müssen nicht notwendigerweise in der beispielhaft genannten Reihenfolge durchgeführt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung des Systems für das Verfahren zur manipulationssicheren Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen vorgesehen.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
- 1a zeigt in schematischer Seitenansicht ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen System zur Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines E-Bikes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
- 1b zeigt in schematischer Ansicht eine Sensorik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
- 2 zeigt in schematischer Ansicht ein Laufrad mit einem System zur Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines E-Bikes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
- 3 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens zur Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
-
1a zeigt in schematischer Seitenansicht ein Fahrzeug 1 mit dem erfindungsgemäßen System zur Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines E-Bikes 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. 1b zeigt in schematischer Ansicht die Sensorik 2 aus 1a, umfassend den ersten Beschleunigungssensor 3 und den zweiten Beschleunigungssensor 4 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse.
-
Das gezeigte System umfasst eine Sensorik 2, die dazu eingerichtet ist, eine erste Beschleunigung entlang einer tangentialen Achse AXzu erfassen. Die Sensorik 2 ist außerdem dazu eingerichtet, eine zweite Beschleunigung entlang einer radialen Achse A Y zu erfassen.
-
Dabei ist gemäß dem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Sensorik 2 einen ersten Beschleunigungssensor 3 und einen zweiten Beschleunigungssensor 4 umfasst (1 b), wobei der erste Sensor 3 dazu eingerichtet ist, die erste Beschleunigung zu erfassen und wobei der zweite Sensor 4 dazu eingerichtet ist, die zweite Beschleunigung zu erfassen. Der erste Beschleunigungssensor 3 und der zweite Beschleunigungssensor 4 sind gemäß dem Beispiel in 1a und 1b in einem gemeinsamen Gehäuse der Sensorik 2 integriert. Die Sensorik 2 des gezeigten Systems ist an der Felge 7 des vorderen Laufrads 6 des Elektrofahrrads 1 angeordnet, wobei eine Anbringung am Hinterrad ebenso denkbar ist.
-
Mit einem derartig ausgestalteten System kann einer Manipulation der Geschwindigkeitsmessung auf einfache Art und Weise vorgebeugt werden. Insbesondere bedarf es keiner aufwändigen Installation spezieller Hardware. Vielmehr genügt es bereits, die Sensorik 2 mit den beiden Beschleunigungssensoren 3, 4 an eines der Laufräder 6 des Fahrzeugs 1 anzubringen.
-
Das System gemäß dem Beispiel aus 1a umfasst außerdem eine Steuereinheit 5. Die Steuereinheit 5 kann eine Auswerteeinheit und eine Anzeigeeinheit umfassen, welche vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse der Steuereinheit 5 eingeschlossen sind. Die Steuereinheit 5 kann außerdem einen Prozessor wie z.B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die von der Sensorik 2 übermittelten Daten auszuwerten. Die Steuereinheit 5 ist dabei insbesondere dazu eingerichtet, anhand der von den Sensorik 2 erhaltenen Messwerte der ersten Beschleunigung die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 und somit die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 zu errechnen. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 5 dazu eingerichtet, anhand der errechneten Umlaufgeschwindigkeit zusammen mit den von der Sensorik 2 erhaltenen Messwerten der zweiten Beschleunigung einen Radius r der Kreisbahn k der Sensorik 2 bzw. des zweiten Beschleunigungssensors 4 zu errechnen.
-
Die Datenübertragung zwischen den Beschleunigungssensoren 3,4 und der Steuereinheit 5 erfolgt gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel drahtlos. Dabei kann ein bestehender Funkstandard verwendet werden. Als gängige Standards können beispielsweise Bluetooth® oder ANT+ eingesetzt werde. Denkbar sind aber auch andere Funksysteme, solange sie eine stabile drahtlose Datenübertragung zwischen den einzelnen Einheiten gewährleisten. Zum Zwecke der drahtlosen Verbindung via Bluetooth® kann die Sensorik 2 mit der Steuereinheit 5 über ein sogenanntes Pairing-Verfahren verbunden werden. Dabei werden im Wesentlichen digitale Schlüssel ausgetauscht, welche dann zur sicheren Kommunikation verwendet werden. Dieses Kopplungsverfahren von Geräten findet bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Systems ausschließlich in geschützter Umgebung statt, d.h. vorzugsweise beim Hersteller des Elektrofahrrads. Dem Endbenutzer sollte es nicht ermöglicht werden, das Pairing-Verfahren selbst durchzuführen. Darüber hinaus können vom Endbenutzer keine anderen Sensoren als die vom Hersteller vorgesehenen Sensoren 3,4 mit der Steuereinheit 5 verbunden werden.
-
Die in dem Beispiel aus 1a und 1b gezeigten Beschleunigungssensor 3,4 sind MEMS-Sensoren. Diese Sensoren 3,4 eignen sich besonders gut zur Detektion und Messung von Beschleunigungen. Auf diese Weise können die Vorteile der vorliegenden Erfindung durch bereits etablierte Bauteile verwirklicht werden.
-
Die erste Beschleunigung ist eine entlang der tangentialen Achse AX gemessene Erdbeschleunigung, wobei erfasste Werte der ersten Beschleunigung in Abhängigkeit eines Neigungswinkels α (2) des ersten Beschleunigungssensors 3 zwischen -1g, 0g und +1g betragen. Der Neigungswinkel α des ersten Beschleunigungssensors 3 wird dabei durch den Winkel einer horizontalen Achse AB des ersten Beschleunigungssensors zur tangentialen X-Achse AXdefiniert, wobei mit „horizontal“ im Wesentlichen parallel zum Untergrund bedeutet, auf dem sich das Fahrzeug fortbewegt. So misst der erste Beschleunigungssensor 3 beispielsweise in einer Position senkrecht zur tangentialen Achse AX 0g. Im Laufe einer Radumdrehung ändert sich der Messwert durch den sich ändernden Neigungswinkel α des ersten Beschleunigungssensor über 1g nach einer viertel Umdrehung des Laufrads 6, 0g nach einer halben Umdrehung, -1g nach einer dreiviertel Umdrehung und schließlich wieder 0g nach einer vollständigen Rotation des Laufrads 6. Ein Überschreiten eines Nullpunktes - also einer Position des ersten Beschleunigungssensors 3, an der die gemessene erste Beschleunigung 0g beträgt - von negativen auf positive Messwerte, wird dabei als Nulldurchlauf bezeichnet.
-
Gemäß der in 1a und 1b gezeigten Ausgestaltung des Systems ist nun vorgesehen, dass der erste Beschleunigungssensor 3 die Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen misst. Erfindungsgemäß ist das System dazu eingerichtet, anhand der ermittelten Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen und einem Durchmesser d des Laufrads 6 die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 zu errechnen, wobei die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 anschließend in die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 umgerechnet wird. Vorteilhafterweise funktioniert diese Art der Geschwindigkeitsbestimmung unabhängig von der Position des ersten Beschleunigungssensors 3 am Laufrad 6 des Fahrzeugs 1. Gemäß dem gezeigten Beispiel ist vorgesehen, dass die Errechnung der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 anhand der Zeit t und des Durchmessers d von der Steuereinheit 5 ausgeführt wird, insbesondere vom Prozessor der Steuereinheit 5.
-
Es kann außerdem vorgesehen sein, dass die zweite Beschleunigung, die vom zweiten Beschleunigungssensor 4 erfasst wird, die Summe der Erdbeschleunigung und einer entlang der radialen Achse AY gemessene Zentripetalbeschleunigung (auch Radialbeschleunigung az), wobei sich die Zentripetalbeschleunigung wie folgt errechnet: az = ω2 · r. Dabei ist ω die Winkelgeschwindigkeit und r ist der Radius der Kreisbahn k, die der zweite Beschleunigungssensor 4 umläuft. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ω verhält sich die auftretende Zentripetalbeschleunigung also proportional zum Radius r der Kreisbahn k. Dazu ist der zweite Beschleunigungssensor 4 an der Felge 7 eines der Laufräder 6 des Fahrzeugs 1 angebracht.
-
Die in 1a und 1b gezeigte Sensorik 2 ist dazu eingerichtet, die jeweils erfassten Werte der ersten und der zweiten Beschleunigung an die Steuereinheit 5 zu übermitteln. Vorzugsweise erfolgt die Übermittlung der erfassten Werte an die Steuereinheit 5 drahtlos, etwa über Bluetooth®. Gemäß der in 1a und 1b gezeigten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die Übermittlung der erfassten Werte an die Steuereinheit 5 nach je einer vollen Umdrehung des Laufrads 6 erfolgt.
-
Das System errechnet nun anhand der vom zweiten Beschleunigungssensor 4 erfassten zweiten Beschleunigung und der auf Grundlage der Messwerte des ersten Sensors 3 ermittelten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 einen Radius r der Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors 4. Der zweite Sensor 4 ist dabei gemäß dem Beispiel aus 1a und 1b dazu eingerichtet, ein Signal an die Steuereinheit 5 zu übermitteln, wenn der errechnete Radius r der Kreisbahn k einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Der vorgegebene Schwellenwert kann dabei beispielsweise ein nicht zu unterschreitender Mindestabstand des zweiten Beschleunigungssensors 4 von der Drehachse des Laufrads 6 sein, auf dem der zweite Sensor 4 angebracht ist.
-
In 2 ist in schematischer Ansicht das System aus 1a und 1b in vergrößerter Darstellung des Laufrads 6 gezeigt, an dem die Sensorik 2 angebracht ist. Wie in 2 gezeigt ist, beschreibt der Neigungswinkel α den Winkel einer horizontalen Achse AB des ersten Beschleunigungssensors zur tangentialen Achse AX. Ferner sind in 2 der Durchmesser d des Laufrads 6 sowie der Radius r der Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors 4 gezeigt.
-
3 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens zur Erfassung und Auswertung einer Geschwindigkeit eines zumindest teilweise muskelbetriebenen Fahrzeugs 1, insbesondere eines E-Bikes, eines Pedelecs oder dergleichen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren dabei einen ersten Schritt S1: Anbringen einer Sensorik 2 an ein Laufrad 6 des Fahrzeugs 1, wobei die Sensorik 2 einen ersten Beschleunigungssensor 3 und einen zweiten Beschleunigungssensor 4 umfasst. Bei diesem Schritt kann gewährleistet werden, dass die Sensorik möglichst am äußeren Rand des Laufrads 6, beispielsweise an der Felge 7, angebracht ist.
-
Als nächstes erfolgt Schritt S2: Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 anhand von durch den ersten Beschleunigungssensor 3 erfassten Messwerten. Dabei kann etwa vorgesehen sein, dass der erste Beschleunigungssensor 3 eine erste Beschleunigung entlang einer X-Achse AX misst, wobei anhand der Messwerte eine Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 ermittelt wird. Zusammen mit dem bekannten Durchmesser d des Laufrads 6 wird anschließend die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 errechnet.
-
Gemäß dem in 3 gezeigten Verfahren ist außerdem der folgende Schritt S3 vorgesehen: Übermitteln der erfassten Geschwindigkeit an eine Steuereinheit 5 des Fahrzeugs 1. Dabei ist vorgesehen, dass die Sensorik 2 die errechnete Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 drahtlos, etwa per Bluetooth®- Verbindung, an die Steuereinheit 5 übermittelt. Anschließend oder parallel dazu erfolgt Schritt S4: Erfassen einer zweiten Beschleunigung entlang einer radialen Achse AY mittels des zweiten Beschleunigungssensors 4. Die vom zweiten Sensor 4 erfasste zweite Beschleunigung ist dabei die Summe der Erdbeschleunigung und der Zentripetalbeschleunigung, die auf den zweiten Beschleunigungssensor 4 wirkt.
-
Im Anschluss erfolgt ein Schritt S5: Errechnen eines Radius' r einer Kreisbahn k des zweiten Beschleunigungssensors 4 anhand der erfassten zweiten Beschleunigung und der erfassten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1. Dieser Schritt kann beispielsweise noch in der Sensorik 2 erfolgen, oder von der Steuereinheit 5 ausgeführt werden.
-
Das in 3 gezeigte Verfahren umfasst als letztes einen Schritt S7: Übermitteln eines Signals von der Sensorik 2 an die Steuereinheit 5, sobald der errechnete Radius r der Kreisbahn k des zweiten Sensors 4 einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Die Steuereinheit 5 kann daraufhin die Zusatzleistung des unterstützenden Antriebsmotors drosseln oder ganz abstellen. Der vorgegebene Schwellenwert kann dabei beispielsweise ein nicht zu unterschreitender Mindestabstand des zweiten Beschleunigungssensors 4 von der Drehachse des Laufrads 6 sein, auf dem der zweite Sensor 4 angebracht ist.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Zusätzlich zu dem Verfahren aus 3 umfasst in 4 gezeigte Verfahren die Schritte S1.1 und S1.2, welche beide noch vor dem Schritt S2 erfolgen: Erfassen von Werten einer ersten Beschleunigung entlang der tangentialen Achse AX mittels des ersten Beschleunigungssensors 3 (S1.1); Errechnen der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 anhand der erfassten Werte der ersten Beschleunigung (S1.2). Schritt S1.2 erfolgt dabei vorzugsweise noch auf der Ebene der Sensorik 2, wobei von der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads 6 auf die Geschwindigkeit des E-Bikes 1 geschlossen wird. Gemäß dem bevorzugten Verfahren in 3 und 4 ist die erfasste erste Beschleunigung eine Erdbeschleunigung, wobei erfasste Werte der ersten Beschleunigung in Abhängigkeit des Neigungswinkels α des ersten Beschleunigungssensors 3 zwischen -1g, 0g und +1g betragen. Dabei ist außerdem vorgesehen, dass der erste Beschleunigungssensor 3 eine Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen misst, wobei ein Nulldurchlauf ein Überschreiten des Messwertes von 0g beim Wechsel von negativen auf positive Messwerte ist. Bevorzugterweise ist errechnet die Sensorik 2 die Geschwindigkeit anhand der ermittelten Zeit t zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchläufen und einem Durchmesser d des Laufrads.
-
Ein weiterer Zusatzschritt, der in 4 dargestellt ist, ist Schritt S6.1: Prüfen der vom ersten Sensor 3 ermittelten Geschwindigkeitswerte und des vom zweiten Sensor 4 ermittelten Radius r auf Plausibilität. Dieser Schritt wird vorzugsweise durch die Steuereinheit 5 ausgeführt. Falls die Werte nicht plausibel sein sollten, d.h. falls die von den einzelnen Sensoren 3,4 erhaltenen Messungen nicht zueinander korrespondieren, kann eine Manipulation oder zumindest ein Fehler erkannt werden, woraufhin die Motorleistung gedrosselt oder eingestellt wird.
-
Die einzelnen Schritte des offenbarten Verfahrens können - sofern nicht anders angegeben - in jeder möglichen Reihenfolge ausgeführt sowie beliebig oft wiederholt werden. Sie müssen nicht notwendigerweise in der beispielhaft genannten Reihenfolge durchgeführt werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
-
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere sind die möglichen Kombinationen der einzelnen Verfahrensschritte nicht auf die beispielhaft gezeigten Verfahrensschritte beschränkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fahrzeug
- 2
- Sensorik
- 3
- erster Beschleunigungssensor
- 4
- zweiter Beschleunigungssensor
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Laufrad
- 7
- Felge
- 8
- Speiche
- AX
- Tangentiale X-Achse
- AY
- Radiale Y-Achse
- AB
- horizontale Achse
- d
- Durchmesser
- r
- Radius
- k
- Kreisbahn
- α
- Neigungswinkel
- Sn
- Schritt n
