DE102022200617A1

DE102022200617A1 - Sensorsystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022200617A1
Application number: DE102022200617.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Schnee; Adrian Kussmann; Jo Pletinckx
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: US20230228785A1; JP2023106323A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem (1) für ein Fahrrad (10) aufweisen, einen Magnetfeldsensor (2) und eine Beschleunigungssensoreinheit (3) mit mindestens einem Beschleunigungssensor (3a, 3b), und eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist Signale von dem Magnetfeldsensor (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor (2) und die Beschleunigungssensoreinheit (3) zur Anbringung an einem Rad (11a, 11b) des Fahrrads (10) ausgebildet sind, wobei der Magnetfeldsensor (2) und die Beschleunigungssensoreinheit (3) relativ zueinander fest und bezüglich einer Rotationsachse (100) mit einem vordefinierten Abstand (r1, r2, r3) angeordnet sind, und wobei die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist die Signale des Magnetfeldsensors (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) auszuwerten, um eine Rotationsgeschwindigkeit (ω) und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor (2) und/oder Beschleunigungssensoreinheit (3) bezüglich der Rotationsachse (100) zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem für ein Fahrrad. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrrad mit einem solchen Sensorsystem. Das Sensorsystem dient insbesondere zur Ermittlung einer Rotationsgeschwindigkeit eines Rads des Fahrrads.
Stand der Technik
Ein häufig eingesetzter Sensor zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrrads ist der sogenannte Reed-Sensor. Dieser Sensor liefert ein Signal pro komplette Umdrehung des Hinterrads des Fahrrads, ausgelöst durch einen am Rad befestigten Magneten. Aus der Zeitdifferenz zwischen zwei solchen Impulsen und unter Verwendung des bekannten Radumfangs kann schließlich die Geschwindigkeit am Hinterrad bestimmt werden.
Ein weiteres Messprinzip zur Bestimmung der Geschwindigkeiten nutzt die zeitliche Änderung des gemessenen Magnetfeldes, wenn sich ein Magnetsensor im Erdmagnetfeld dreht. Dazu wird der Sensor an der Nabe des Hinterrades befestigt. Wenn das Rad sich dreht, dann erfasst der Sensor ein rotierendes Feld. Mit Hilfe eines mehrachsigen Magnetfeldsensors kann dann die Amplitude und die Rotationsgeschwindigkeit des Feldes bzw. des Sensors bestimmt werden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorsystem für ein Fahrrad, insbesondere für ein E-Bike, ermöglicht eine sichere und zuverlässige Ermittlung einer Geschwindigkeit des Fahrrads durch Ermittlung einer Rotationsgeschwindigkeit eines Rads des Fahrrads. Dies erfolgt bevorzugt durch eine Kombination von rotierendem Magnetfeldsensor und rotierender Beschleunigungssensoreinheit. Bei alleiniger Verwendung eines Magnetfeldsensors könnte die Geschwindigkeitsermittlung durch ein künstlich erzeugtes Magnetfeld, beispielsweise mittels einer oder mehreren stromführenden Spulen oder eines oder mehreren Permanentmagneten, gestört werden, was durch die Beschleunigungssensoreinheit verhindert ist. Die Nutzung einer Beschleunigungssensoreinheit als weiteres Sensorprinzip unabhängig vom gemessenen Magnetfeld erlaubt eine Überprüfung der mittels des Magnetfeldsensors ermittelten Geschwindigkeit.
Darüber hinaus kann durch die Fusion der beiden Sensorsignale nicht nur die mittlere Geschwindigkeit pro Radumdrehung besser geschätzt werden, sondern auch die relative Position des Rades innerhalb einer Umdrehung. Damit kann die Geschwindigkeit des Rades häufiger bestimmt werden als ein Mal pro vollständige Radumdrehung.
Das Sensorsystem weist einen Magnetfeldsensor und eine Beschleunigungssensoreinheit mit mindestens einem Beschleunigungssensor auf. Außerdem weist das Sensorsystem eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, Signale von dem Magnetfeldsensor und der Beschleunigungssensoreinheit zu erfassen.
Es ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor und die Beschleunigungssensoreinheit zur Anbringung an einem Rad des Fahrrads ausgebildet sind. Wird das Fahrrad bewegt, so dreht sich der Magnetfeldsensor im Erdmagnetfeld, während auf die Beschleunigungssensoreinheit sowohl eine Zentrifugalbeschleunigung wirkt. Außerdem dreht sich die Beschleunigungssensoreinheit relativ zur Gravitationskraft der Erde. Die von dem Magnetfeldsensor und der Beschleunigungssensoreinheit ermittelten Signale sind somit abhängig von der Rotation des Rads, wodurch eine Ermittlung charakteristischer Größen dieser Rotation ermöglicht ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor und die Beschleunigungssensoreinheit relativ zueinander fest und bezüglich einer Rotationsachse mit einem vordefinierten Abstand angeordnet sind. Dabei ist die Auswerteeinheit ausgebildet, die Signale des Magnetfeldsensors und der Beschleunigungssensoreinheit auszuwerten, um eine Rotationsgeschwindigkeit und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor und/oder Beschleunigungssensoreinheit bezüglich der Rotationsachse zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann somit basierend auf unterschiedlichen Sensorprinzipien sowohl eine Geschwindigkeit des Rads als auch eine Ausrichtung des Rads ermitteln. Durch die verschiedenen Messprinzipien ist einerseits eine Genauigkeit der Messung erhöht, andererseits ein Stören der Messung erschwert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Beschleunigungssensoreinheit einen ersten Beschleunigungssensor und einen zweiten Beschleunigungssensor aufweist, die relativ zueinander feststehend und in unterschiedlichen Winkelpositionen bezüglich der Rotationsachse angeordnet sind. Dies ermöglicht, verschiedene Komponenten der gemessenen Beschleunigung gegenseitig auszugleichen oder auszurechnen, um die Rotationsgeschwindigkeit um die Rotationsachse allein aus der Zentrifugalbeschleunigung der Beschleunigungssensoren ermitteln zu können. Diese Komponenten werden beispielsweise durch die Erdbeschleunigung oder durch Stöße durch unebenen Untergrund erzeugt. Die Geschwindigkeitsermittlung durch die Auswerteeinheit ist damit vereinfacht.
Besonders vorteilhaft sind der erste Beschleunigungssensor und der zweite Beschleunigungssensor spiegelsymmetrisch bezüglich der Rotationsachse angeordnet. Dies führt zu einer direkten Ausmittlung sämtlicher Komponenten der Beschleunigung mit Ausnahme der Zentrifugalbeschleunigung. Durch Kombination der gemessenen Sensorsignale der Beschleunigungssensoren lässt sich somit direkt die Zentrifugalbeschleunigung ermitteln, die direkt ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit der Beschleunigungssensoreinheit um die Rotationsachse ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sensorsystem einen Zusatzbeschleunigungssensor auf. Der Zusatzbeschleunigungssensor ist bezüglich der Rotationsachse feststehend angeordnet und somit gegenüber der Beschleunigungssensoreinheit nicht feststehend. Die Auswerteeinheit ist insbesondere ausgebildet, anhand von Signalen des Zusatzbeschleunigungssensors eine Zentrifugalbeschleunigung aus den Signalen der Beschleunigungssensoreinheit zu ermitteln. So sind in den Signalen der Beschleunigungssensoreinheit weitere Beschleunigungskomponenten enthalten, die auf das gesamte Sensorsystem einwirken und nicht durch die Rotation um die Rotationsachse bedingt sind. Diese Komponenten lassen sich mittels des feststehenden Zusatzbeschleunigungssensors erfassen und aus den Signalen der Beschleunigungssensoreinheit herausrechnen. Das resultierende Ergebnis enthält somit lediglich die Zentrifugalbeschleunigung aufgrund der Rotation der Beschleunigungssensoreinheit. Der Auswerteeinheit ist ein Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit daher vereinfacht ermöglicht.
Die Auswerteeinheit weist bevorzugt eine Fusionseinheit auf. Die Fusionseinheit ist insbesondere ein Kalman-Filter. Die Fusionseinheit dient vorteilhafterweise dazu, die Signale des Magnetfeldsensors und der Beschleunigungssensoreinheit zu fusionieren, um aus den fusionierten Signalen eine Rotationsgeschwindigkeit und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor und/oder Beschleunigungssensoreinheit bezüglich der Rotationsachse zu ermitteln. Die Datenfusion ermöglicht somit eine genaue und robuste Ermittlung der Geschwindigkeit, da insbesondere Daten aus unabhängigen Messprinzipien fusioniert werden.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugt ausgebildet, eine erste Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen des Magnetfeldsensors und eine zweite Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen der Beschleunigungssensoreinheit durchzuführen. Außerdem ist die Auswerteeinheit bevorzugt ausgebildet, eine Fehlermeldung auszugeben, wenn sich die Ergebnisse der ersten Geschwindigkeitsermittlung und zweiten Geschwindigkeitsermittlung um mehr als eine vordefinierte Toleranz unterscheiden. Somit können sich einerseits bewusste Manipulationen des Magnetfeldsensors ermitteln lassen. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das Sensorsystem in einem E-Bike eingesetzt wird, das eine Motorunterstützung nur bis zu einer vordefinierten Geschwindigkeitsschwelle durchführt. Wird die Fehlermeldung ausgegeben, so ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Motorunterstützung des E-Bikes beendet wird. Außerdem kann ein Ausfall des Magnetfeldsensors oder der Beschleunigungssensoreinheit erkannt werden. Sollte es zu einem Ausfall kommen, so kann mit den verbleibenden Daten weiterhin eine Geschwindigkeitsermittlung durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, unterschiedliche Geschwindigkeitsermittlungen in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit durchzuführen. So ist insbesondere vorgesehen, unterhalb einer vordefinierten Geschwindigkeitsschwelle der Rotationsgeschwindigkeit die Signale des Magnetfeldsensors und der Beschleunigungssensoreinheit zu fusionieren. Dies erfolgt insbesondere wie zuvor beschrieben, d.h. mit einer Fusionseinheit, insbesondere eines Kalman-Filters. Dadurch lassen sich aus den fusionierten Signalen eine Rotationsgeschwindigkeit und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor und/oder Beschleunigungssensoreinheit bezüglich der Rotationsachse zu ermitteln. Gerade bei niedrigen Geschwindigkeiten ist somit eine Genauigkeit der Geschwindigkeitsermittlung erhöht. Dies ist vorteilhaft bei Fahrrädern, wo das Ermitteln der Geschwindigkeit bei geringen Geschwindigkeiten schwierig ist. Oberhalb der Geschwindigkeitsschwelle ist vorgesehen, eine erste Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen des Magnetfeldsensors und eine zweite Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen der Beschleunigungssensoreinheit durchzuführen. Dies erfolgt insbesondere wie zuvor beschrieben. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt ausgebildet eine Fehlermeldung auszugeben, wenn sich die Ergebnisse der ersten Geschwindigkeitsermittlung und zweiten Geschwindigkeitsermittlung um mehr als eine vordefinierte Toleranz unterscheiden. Gerade bei Fahrrädern mit elektrischer Motorunterstützung ist eine genaue Ermittlung der Geschwindigkeit auch bei höheren Geschwindigkeiten relevant, um gesetzliche Vorgaben, wie beispielsweise eine Maximalgeschwindigkeit für die Motorunterstützung, einzuhalten. Manipulationen an der Magnetfeldmessung lassen sich anhand der Beschleunigungsmessung zuverlässig erkennen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor zur mindestens zweiachsigen Ermittlung von Magnetfeldern ausgebildet ist. Insbesondere ist eine Ermittlung des Magnetfelds in Richtung der Rotationsachse nicht notwendig, da dieses keinen Änderungen aufgrund der Rotation des Magnetfeldsensors unterliegt. Alternativ oder zusätzlich ist die Beschleunigungssensoreinheit bevorzugt zur mindestens zweiachsigen Ermittlung von Beschleunigungen ausgebildet ist. Auch hier ist die Ermittlung der Komponente entlang der Rotationsachse für die Ermittlung der Rotationsparameter der Beschleunigungssensoreinheit nicht notwendig. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung sind der Magnetfeldsensor und/oder die Beschleunigungssensoreinheit zur dreiachsigen Ermittlung ausgebildet. Somit lassen sich beispielsweise Messergebnisse plausibilisieren.
Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt ausgebildet, mindestens zwei Komponenten m_x und m_y des Erdmagnetfelds in einem um die Rotationsachse rotierenden Koordinatensystem xyz wie folgt zu erfassen: $m_{x} = A (ψ) \times cos (2 π f t + φ_{1})$
$m_{y} = A (ψ) \times sin (2 π f t + φ_{1})$
Die mindestens erfassten Komponenten m_x und m_y sind bevorzugt senkrecht zur Rotationsachse orientiert. Optional kann auch eine dritte Komponente m_z des Erdmagnetfelds in der Richtung der Rotationsachse wie folgt erfasst werden: $m_{z} = B (ψ)$
Dabei sind A(ψ) und B(ψ) Absolutwerte des Magnetfelds bei Fahrtrichtung ip und φ₁ ist ein Montagewinkel des Magnetfeldsensor. Die Absolutwerte A(ψ) und B(ψ) sind abhängig von dem Erdmagnetfeld und dadurch von der Ausrichtung der Rotationsachse. Diese Werte sind aber für die Geschwindigkeitsermittlung nicht relevant. Vielmehr ist die Auswerteeinheit ausgebildet ist, aus den Komponenten m_x und m_y die Frequenz f und daraus die Rotationsgeschwindigkeit ω gemäß dem folgenden Zusammenhang zu ermitteln: $ω = 2 \times π \times f$
Das Koordinatensystem xyz ist derart ausgerichtet, dass die z-Achse der Rotationsachse entspricht. Die x-Achse und die y-Achse rotieren somit um die z-Achse bzw. Rotationsachse. Das Koordinatensystem ist bevorzugt feststehend bezüglich des Magnetfeldsensors und/oder der Beschleunigungssensoreinheit.
Die Komponenten m_x und m_y stellen Schwingungen dar, wobei die Schwingungsfrequenz f von der Rotationsgeschwindigkeit abhängt, wie aus obiger Formel ersichtlich ist. Somit kann die Auswerteeinheit die Geschwindigkeit einfach und zuverlässig ermitteln.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Beschleunigungssensoreinheit ausgebildet ist, die Beschleunigungen in dem genannten rotierenden Koordinatensystem xyz wie folgt zu erfassen: $a_{x} = a_{z e n t r} - g' \times cos (ω t + φ_{2})$
$a_{y} = - g' \times sin (ω t + φ_{2})$
Die darin verwendete Zentrifugalbeschleunigung a_zentr lässt sich ermitteln durch a_zentr = ω²r. Dabei ist g' der Anteil der Erdbeschleunigung g in der Ebene orthogonal zur z-Achse, die insbesondere parallel zur Rotationsachse ist, und r der Abstand zwischen der Rotationsachse und der Beschleunigungssensoreinheit, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die die Rotationsgeschwindigkeit ω aus den Beschleunigungen a_x und a_y zu ermitteln. Wiederum handelt es sich bei den gemessenen Werten um Schwingungen, die von der Rotationsgeschwindigkeit ω abhängig sind. Zusätzlich ist die Zentrifugalbeschleunigung a_zentr vorhanden, die allein durch die Rotation um die Rotationsachse generiert wird. Die Beschleunigungssensoreinheit kann dabei weitere Komponenten der Beschleunigung ermitteln, die aber bevorzugt vernachlässigbar sind. Besonders vorteilhaft ist diese Messung bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten, da hier die Zentrifugalbeschleunigung a_zentr bevorzugt ebenfalls vernachlässigbar ist bzw. näherungsweise zu Null wird.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrrad. Das Fahrrad weist zumindest ein um eine Drehachse drehbares Rad auf. Weiterhin weist das Fahrrad ein Sensorsystem wie zuvor beschrieben auf. Der Magnetfeldsensor und die Beschleunigungssensoreinheit des Sensorsystems sind jeweils an einem Rad angebracht, wobei diese insbesondere an demselben Rad des Fahrrads angebracht sind. Die Drehachse des jeweiligen Rads entspricht dabei der Rotationsachse des Sensorsystems. Somit kann mittels des Sensorsystems die Rotationsgeschwindigkeit des Rads und damit die Geschwindigkeit des Fahrrads ermittelt werden.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 ein Fahrrad gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Sensorsystem,
2 eine schematische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Übersicht über das Sensorsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
5 eine schematische Übersicht über das Sensorsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Fahrrad 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fahrrad 10 weist ein erstes Rad 11a und ein zweites Rad 11b auf, wobei bevorzugt eines der Räder 11a, 11b sowohl durch Muskelkraft eines Benutzers als auch durch einen Elektroantrieb 9 antreibbar ist. Bei dem Fahrrad 10 handelt es sich somit bevorzugt um eine E-Bike. Das Fahrrad 10 weist weiterhin einen Sensorsystem 1 auf, das zum Ermitteln einer Geschwindigkeit des Fahrrads 10 dient.
Das erste Rad 11a ist um eine erste Drehachse 100a drehbar, das zweite Rad 11b ist um eine zweite Drehachse 100b drehbar. Das Sensorsystem 1 weist einen Magnetfeldsensor 2 (vgl. 2 bis 5) und eine Beschleunigungssensoreinheit 3 (vgl. 2 bis 5) mit mindestens einem Beschleunigungssensor 3a, 3b auf. Der Magnetfeldsensor 2 und die Beschleunigungssensoreinheit 3 sind relativ zueinander fest und bezüglich einer Rotationsachse 100 mit einem vordefinierten Abstand r₁, r₂, r₃ (vgl. 2 und 5) angeordnet. Damit sind der Magnetfeldsensor 2 und die Beschleunigungssensoreinheit 3 um die Rotationsachse 100 rotierbar. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor 2 und die Beschleunigungssensoreinheit 3 an einer Nabe des ersten Rads 11a und/oder zweiten Rads 11b angeordnet sind, sodass die Rotationsachse 100 der jeweiligen Drehachse 100a, 100b des Rads 11a, 11b entspricht.
Durch diese Anordnung ist einerseits ein Magnetfeldsensor 2 vorhanden, der sich relativ zu dem Erdmagnetfeld m dreht, während andererseits mindestens ein Beschleunigungssensor 3a, 3b vorhanden ist, der sich relativ zur Erdgravitation g dreht und auf den eine Zentrifugalbeschleunigung wirkt. Anhand dieser Sensoren lässt sich die Geschwindigkeit des Fahrrads 10 optimal bestimmen.
In allen Ausführungsbeispielen ist gezeigt, dass der Magnetfeldsensor 2 und die Beschleunigungssensoreinheit 3 an dem ersten Rad 11a angeordnet sind. Alternativ lassen sich der Magnetfeldsensor 2 und die Beschleunigungssensoreinheit 3 auch an dem zweiten Rad 11b oder an verschiedenen Rädern 11a, 11b anordnen. Alle Figuren verwenden dasselbe Koordinatensystem. Dabei ist die z-Achse die Rotationsachse 100. Die x-Achse ist orthogonal zu z-Achse die y-Achse ist orthogonal zu z-Achse und zur x-Achse ausgerichtet, wobei das Koordinatensystem mit dem Rad 11a, 11b mitbewegt und mitrotiert wird.
2 zeigt schematisch ein Sensorsystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 2 zusätzlich die Anordnung an einem Rad 11a, 11b des Fahrrads 10 zeigt. Das Sensorsystem 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt sich als Sensorsystem 1 wie in 1 gezeigt verwenden.
Wie bereits beschrieben weist das Sensorsystem 1 einen Magnetfeldsensor 2 sowie eine Beschleunigungssensoreinheit 3 auf, die in dem ersten Ausführungsbeispiel einen einzigen Beschleunigungssensor 3a aufweist. Der Magnetfeldsensor 2 und der Beschleunigungssensor 3 sind rotierbar um die Rotationsachse 100 bzw. um die Drehachse 100a, 100b des Rads 11a, 11b drehbar. Ein erster Abstand r₁ des Beschleunigungssensors 3a zur Rotationsachse 100 und ein dritter Abstand r₃, des Magnetfeldsensors 2 zur Rotationsachse 100 sind bevorzugt gleich, können aber auch unterschiedlich sein.
Weiterhin weist das Sensorsystem 1 eine Auswerteeinheit 4 auf, die ausgebildet ist Signale von dem Magnetfeldsensor 2 und der Beschleunigungssensoreinheit 3, d.h. dem Beschleunigungssensor 3a, zu erfassen. Dies geschieht vorteilhafterweise über eine drahtlose Verbindung, wenn die Auswerteeinheit 4 - wie im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt - nicht mit dem Rad 11a, 11b mitdreht sondern fest am Fahrrad 10 angeordnet ist. Alternativ kann die Auswerteeinheit 4 auch am Rad 11a, 11b mitdrehend befestigt sein. In diesem Fall ist bevorzugt eine Festverkabelung von Magnetfeldsensor 2 und Beschleunigungssensoreinheit 3 mit der Auswerteeinheit vorgesehen.
Die Auswerteeinheit 4 ist somit eingerichtet, mittels des Magnetfeldsensors 2 zumindest die einzelnen Komponenten m_x, m_y des Erdmagnetfelds m, die senkrecht zur Rotationsachse 100 orientiert sind, insbesondere auch die Komponente m_z parallel zur Rotationsachse 100, im mitdrehenden Koordinatensystem xyz wie folgt zu ermitteln: $m_{x} = A (ψ) \times cos (2 π f t + φ_{1})$
$m_{y} = A (ψ) \times sin (2 π f t + φ_{1})$
$m_{z} = B (ψ)$
Dabei stellen A(ψ) und B(ψ) Absolutwerte des Magnetfelds bei der Fahrtrichtung ψ dar. Außerdem ist sind die Komponenten m_x und m_y abhängig von einem ersten Montagewinkel φ₁ des Magnetfeldsensor 2.
Die Signale m_x und m_y stellen somit Schwingungen dar, wobei eine Frequenz f dieser Schwingungen von der Rotationsgeschwindigkeit ω = 2 × π × f des Rads 11a, 11b abhängt. Diese Schwingung wird gemessen, weil der mit dem Rad 11a, 11b fest verbundene Magnetfeldsensors innerhalb des Erdmagnetfelds m rotiert. Die Schwingungen weisen außerdem die Amplitude A(ψ) auf, welche von der Fahrrichtung ψ des Rads 11a, 11b abhängt. Da die z-Achse die Rotationsachse 100 darstellt, ist m_z näherungsweise konstant B(ψ), jedoch ebenfalls abhängig von der Fahrtrichtung ψ. Die Amplituden A(ψ) und B(ψ) sind neben der Fahrtrichtung außerdem abhängig von der Position des Rads 11a, 11b auf der Erde, da sowohl die Amplitude als auch die Vertikalkomponente des Erdmagnetfeldes m von der Position abhängig sind. Die Absolutwerte der Amplituden A(ψ) und B(ψ) sind für den weiteren Verlauf nicht relevant.
Der Auswerteeinheit 4 ist somit ermöglicht, anhand des Magnetfeldsensors 2 die Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b zu ermitteln, wobei bei bekanntem Radumfang des Rads 11a, 11b auch eine Geschwindigkeit des Fahrrads 10 berechenbar ist.
Als weitere Möglichkeit der Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit ω ist der Beschleunigungssensor 3a vorgesehen. Durch die Montage an dem Rad 11a, 11b, beispielsweise der Radnabe, wirkt auf den Beschleunigungssensor 3a bei einer Rotation eine Zentrifugalbeschleunigung a_zentr, welche von der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b abhängt. In dem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich der Beschleunigungssensor 3a an einer Stelle mit Koordinaten (r₁, 0,0). Dabei stellt r₁ wie beschrieben den Abstand des Beschleunigungssensor 3a zur Rotationsachse 100 da.
Diese Zentrifugalbeschleunigung a_zentr wird beschrieben durch folgende Formel: $a_{z e n t r} = ω^{2} r_{1}$
Die Zentrifugalbeschleunigung a_zentr wirkt ausschließlich in Richtung der sich mitdrehenden x-Achse.
Des Weiteren wirkt auf den Beschleunigungssensor 3a zusätzlich der Anteil g' der Erdbeschleunigung g in der Ebene orthogonal zur Rotationsachse. In dem mitdrehenden Koordinatensystem xyz teilt sich der Anteil g' der Erdbeschleunigung g auf in zwei Komponenten: $a_{x, g} = - g' \times cos (ω t + φ_{2})$
$a_{y, g} = - g' \times sin (ω t + φ_{2})$
Dabei ist φ₂ ein montagebedingter Winkeloffset des Beschleunigungssensors 3a und t die fortlaufende Zeit. Der Anteil g` der Erdbeschleunigung g ist abhängig von einem Neigungswinkel des Fahrrads.
Darüber hinaus sind in den gemessenen Werten des Beschleunigungssensors 3a weitere Komponenten enthalten. Diese sind die Längsbeschleunigung a_d des Fahrrads 10 in Fahrtrichtung, beispielsweise durch Bremsen oder Beschleunigen, sowie die Hochbeschleunigung a_u in Hochrichtung, beispielsweise durch Stöße aufgrund eines unebenen Untergrunds. Auch diese zusätzlichen Beschleunigungen teilen sich in zwei Komponenten auf: $a_{x, f} = a_{d} \times cos (ω t + φ_{2}) - a_{u} \times sin (ω t + φ_{2})$
$a_{y, f} = a_{d} \times sin (ω t + φ_{2}) + a_{u} \times cos (ω t + φ_{2})$
Bei einer Rotationsgeschwindigkeit ω ergibt sich dann für die Signale a_x1 und a_y1 des Beschleunigungssensors 3a: $a_{x 1} = a_{z e n t e r} + a_{x, g} + a_{x, f}$
$a_{y 1} = a_{y, g} + a_{y, f}$
Die Komponenten a_x,f und a_y,f sind klein im Vergleich zum Nutzsignal a_zentr ∓ a_x,g bzw. a_y,g. Das Nutzsignal stellt wiederum eine Schwingung dar, die von der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b abhängt. Bei bekanntem r₁ kann aus den beiden Signalen a_x1 und a_y1 die Rotationsgeschwindigkeit ω geschätzt werden.
Die Rotationsgeschwindigkeit ω lässt sich somit durch zwei voneinander unabhängige Messprinzipien ermitteln. Dies ermöglicht mehrere Vorteile, die nachfolgend beschrieben werden:
Bei niedriger Geschwindigkeit kann sich die Fahrtrichtung ip des Fahrrads 10 schnell ändern. Die Abhängigkeit der Signale des Magnetfeldsensors 2 von der Fahrtrichtung ψ erschwert somit die Bestimmung der momentanen Position bzw. Geschwindigkeit. Mithilfe eines geeigneten Fusionsalgorithmus wie beispielsweise mithilfe eines Kalman Filters, welcher die Signale des Magnetfeldsensors 2 mit denen des Beschleunigungssensors 3a vorteilhalft kombiniert, können nur nicht nur die Geschwindigkeit des Fahrrads 10 pro Radumdrehung des Rads 11a, 11b besser geschätzt werden, sondern auch die Winkelposition des Rads 11a, 11b zu jedem Zeitpunkt innerhalb einer Radumdrehung. Damit kann die momentane Geschwindigkeit neben der mittleren Geschwindigkeit besser bestimmt werden. Bei niedriger Geschwindigkeit sind die Beschleunigungen a_u und a_d und auch die Zentrifugalbeschleunigung a_zentr gering gegenüber dem Anteil g' der Erdbeschleunigung g in der Ebene orthogonal zur Rotationsachse, so dass näherungsweise gilt: $a_{x 1} = a_{x, g}$
$a_{y 1} = a_{y, g}$
Aus dieser Näherung lässt sich dann leicht die Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b und damit die Geschwindigkeit des Fahrrads 10 bestimmen.
Bei höheren Geschwindigkeiten ist vorteilhafterweise vorgesehen, die Beschleunigungsanteile a_d und a_u mithilfe eines zusätzlichen nicht rotierenden Zusatzbeschleunigungssensors 5 (vgl. 1) zu erfassen. Letzterer ist bereits häufig in der Antriebseinheit des E-Bikes zur Realisierung verschiedener Unterstützungsfunktionen enthalten. Mit bekannten a_d und a_u kann somit aus a_x1 und a_y1 die Rotationsgeschwindigkeit w bestimmt werden, wobei das Sensorsystem 1 selbst keinen weiteren Beschleunigungssensor benötigt.
4 und 5 zeigen das Sensorsystem 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei Beschleunigungssensoren 3a, 3b vorgesehen. Sowohl ein erster Beschleunigungssensor 3a als auch ein zweiter Beschleunigungssensor 3b sind mitdrehend an dem Rad 11a, 11b angebracht. Dabei sind der Magnetfeldsensor 2, der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b relativ zueinander feststehend. Der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b sind zueinander winkelversetzt.
Bei höheren Geschwindigkeiten gilt obige Näherung nicht mehr, d.h. die Komponenten a_d und a_u können nicht mehr vernachlässigt werden. Durch die Verwendung des zweiten Beschleunigungssensors 3b lassen sich auch diese Komponenten ermitteln bzw. bei der Berechnung der Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b berücksichtigen.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b spiegelsymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 100 angeordnet sind, wie in 5 gezeigt. In diesem Fall ist ein erster Abstand r₁ des ersten Beschleunigungssensors 3a zur Rotationsachse 100 gleich groß wie ein zweiter Abstand r₂ des zweiten Beschleunigungssensors 3b zur Rotationsachse 100. Ein dritter Abstand r₃, des Magnetfeldsensors 2 zur Rotationsachse 100 kann ebenfalls gleich groß sein, kann aber auch unterschiedlich sein. Für die gemessene Beschleunigung durch den zweiten Beschleunigungssensor 3b ergibt sich damit: $a_{x 2} = a_{z e n t e r} - a_{x, g} - a_{x, f}$
$a_{y 2} = - a_{y, g} - a_{y, f}$
Dann kann die Rotationsgeschwindigkeit ω des Rads 11a, 11b unter Verwendung von a_x1 und a_x2 geschätzt werden ohne Einfluss einer externen Beschleunigung, da $a_{x 1} + a_{x 2} = 2 a_{z e n t e r}$
Mit anderen Worten mitteln sich alle gemessenen Komponenten der Beschleunigung mit Aufnahme der Zentrifugalbeschleunigung a_zentr aus, wenn die Beschleunigungssensoreinheit 3 wie im zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut ist. Damit ist die Geschwindigkeitsermittlung mittels der Beschleunigungssensoreinheit 3 vereinfacht.
Sowohl für das erste Ausführungsbeispiel als auch für das zweite Ausführungsbeispiel gilt:

Wird bei höheren Geschwindigkeiten anhand der Beschleunigungssensoreinheit 3 die Geschwindigkeit des Fahrrads 10 ermittelt (entweder durch einen zusätzlichen stationären oder mitdrehenden Beschleunigungssensor), so lässt sich die Geschwindigkeit, welche auf Basis des Magnetfeldsensors 2 ermittelt wurde, plausibilisieren. Im Falle einer gezielten Störung des Magnetfeldes, beispielsweise mit dem Ziel die Geschwindigkeitsmessung zu beeinflussen, entsteht eine Diskrepanz zwischen den beiden ermittelten Geschwindigkeiten, da die auf Basis der Beschleunigungssensoreinheit 3 ermittelte Geschwindigkeit nicht von der Störung des Magnetfeldes beeinflusst wird. Diese Diskrepanz kann von der Auswerteeinheit 4 erkannt und genutzt werden, um geeignete Maßnahmen einzuleiten, beispielsweise das Unterbrechen der Motorunterstützung des E-Bikes.

Im Falle einer zufälligen Störung des Erdmagnetfelds m kann die Auswerteeinheit 4 die mittels der Beschleunigungssensoreinheit 3 ermittelte Geschwindigkeit als vorübergehende Rückfalllösung nutzen, um eine ausfallsichere Ermittlung der Geschwindigkeit zu erreichen.

Claims

Sensorsystem (1) für ein Fahrrad (10) aufweisen, • einen Magnetfeldsensor (2) und eine Beschleunigungssensoreinheit (3) mit mindestens einem Beschleunigungssensor (3a, 3b), und • eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist Signale von dem Magnetfeldsensor (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) zu erfassen, • wobei der Magnetfeldsensor (2) und die Beschleunigungssensoreinheit (3) zur Anbringung an einem Rad (11a, 11b) des Fahrrads (10) ausgebildet sind, • wobei der Magnetfeldsensor (2) und die Beschleunigungssensoreinheit (3) relativ zueinander fest und bezüglich einer Rotationsachse (100) mit einem vordefinierten Abstand (r1, r2, r3) angeordnet sind, und • wobei die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist die Signale des Magnetfeldsensors (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) auszuwerten, um eine Rotationsgeschwindigkeit (ω) und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor (2) und/oder Beschleunigungssensoreinheit (3) bezüglich der Rotationsachse (100) zu ermitteln.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoreinheit (3) einen ersten Beschleunigungssensor (3a) und einen zweiten Beschleunigungssensor (3b) aufweist, die relativ zueinander feststehend und in unterschiedlichen Winkelpositionen bezüglich der Rotationsachse (100) angeordnet sind.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Beschleunigungssensor (3a) und der zweite Beschleunigungssensor (3b) spiegelsymmetrisch bezüglich der Rotationsachse (100) angeordnet sind.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zusatzbeschleunigungssensor (5), der bezüglich der Rotationsachse (100) feststehend angeordnet ist, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, anhand von Signalen des Zusatzbeschleunigungssensors (5) eine Zentrifugalbeschleunigung aus den Signalen der Beschleunigungssensoreinheit (3) zu ermitteln.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) eine Fusionseinheit, insbesondere ein Kalman-Filter, aufweist, um die Signale des Magnetfeldsensors (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) zu fusionieren, um aus den fusionierten Signalen eine Rotationsgeschwindigkeit und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor (2) und/oder Beschleunigungssensoreinheit (3) bezüglich der Rotationsachse (100) zu ermitteln.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist, eine erste Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen des Magnetfeldsensors (2) und eine zweite Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen der Beschleunigungssensoreinheit (3) durchzuführen und eine Fehlermeldung auszugeben, wenn sich die Ergebnisse der ersten Geschwindigkeitsermittlung und zweiten Geschwindigkeitsermittlung um mehr als eine vordefinierte Toleranz unterscheiden.
Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist, • unterhalb einer vordefinierten Geschwindigkeitsschwelle der Rotationsgeschwindigkeit anhand einer Fusionseinheit, insbesondere eines Kalman-Filters, die Signale des Magnetfeldsensors (2) und der Beschleunigungssensoreinheit (3) zu fusionieren, um aus den fusionierten Signalen eine Rotationsgeschwindigkeit und/oder Ausrichtung von Magnetfeldsensor (2) und/oder Beschleunigungssensoreinheit (3) bezüglich der Rotationsachse (100) zu ermitteln, und • oberhalb der Geschwindigkeitsschwelle eine erste Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen des Magnetfeldsensors (2) und eine zweite Geschwindigkeitsermittlung anhand von Signalen der Beschleunigungssensoreinheit (3) durchzuführen und eine Fehlermeldung auszugeben, wenn sich die Ergebnisse der ersten Geschwindigkeitsermittlung und zweiten Geschwindigkeitsermittlung um mehr als eine vordefinierte Toleranz unterscheiden.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (2) zur mindestens zweiachsigen Ermittlung von Magnetfeldern ausgebildet ist und/oder die Beschleunigungssensoreinheit (3) zur mindestens zweiachsigen Ermittlung von Beschleunigungen ausgebildet ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (2) ausgebildet ist, mindestens zwei Komponenten des Erdmagnetfelds in einem um die Rotationsachse (100) rotierenden Koordinatensystem wie folgt zu erfassen, wobei die Komponenten senkrecht zur Rotationsachse (100) orientiert sind: $m_{x} = A (ψ) \times cos (2 π f t + φ_{1})$
$m_{y} = A (ψ) \times sin (2 π f t + φ_{1})$
mit A(ψ) als Absolutwert des Magnetfelds bei Fahrtrichtung ip und dem Montagewinkel φ₁ des Magnetfeldsensor (2), wobei die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist, aus den Komponenten m_x und m_y die Frequenz f und daraus die Rotationsgeschwindigkeit ω gemäß dem folgenden Zusammenhang zu ermitteln: $ω = 2 \times π \times f$
und/oder dass die Beschleunigungssensoreinheit (3) ausgebildet ist, die Beschleunigungen in dem um die Rotationsachse (100) rotierenden Koordinatensystem (xyz) wie folgt zu erfassen: $a_{x} = a_{z e n t r} - g \times cos (ω t + φ_{2})$
$a_{y} = - g \times sin (ω t + φ_{2})$
mit der Zentrifugalbeschleunigung a_zentr = ω²r und r als Abstand zwischen der Rotationsachse (100) und der Beschleunigungssensoreinheit (3), sowie einem Anteil g' der Erdbeschleunigung g in der Ebene orthogonal zur Rotationsachse (100), wobei die Auswerteeinheit (4) ausgebildet ist, die Rotationsgeschwindigkeit ω aus den Beschleunigungen a_x und a_y zu ermitteln.
Fahrrad (10) aufweisend zumindest ein um eine Drehachse (100a, 100b) drehbares Rad (11a, 11b) sowie ein Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (2) und die Beschleunigungssensoreinheit (3) jeweils an einem Rad (11a, 11b), insbesondere an demselben Rad (11a, 11b) angebracht sind und die Rotationsachse (100) der Drehachse (100a, 100b) des jeweiligen Rads (11a, 11b) entspricht.