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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf das technische Gebiet von Leistungsmesseinrichtungen für pedalbetriebene Fahrzeuge wie Straßenrennräder. Die Erfindung richtet sich im Besonderen auf eine Einrichtung zur Echtzeit-Leistungsmessung bei Fahrrädern wie Straßenrennrädern oder Mountainbikes oder dergleichen.
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Stand der Technik
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Ein Trittleistungsmesser ist eine Vorrichtung an einem Fahrrad, welche die Leistungsabgabe des Radfahrers misst. Die meisten Trittleistungsmessgeräte (Powermeters) arbeiten mit Dehnungsmessstreifen (DMS) zur Bestimmung des aufgebrachten Drehmoments und, in Kombination mit der Winkelgeschwindigkeit, zur Berechnung der Leistung. Powermeter mit Dehnungsmesstreifen werden im Tretlager, in der Hinterradnabe oder im Kurbelsatz montiert. Einige neuere Vorrichtungen verzichten auf Dehnungsmessstreifen und messen die Leistung statt dessen über lenkermontierte Einheiten, welche die Grundsätze des dritten Newtonschen Gesetzes nutzen, indem sie die auf den Radfahrer wirkenden Gegenkräfte (Schwerkraft, Luftwiderstand, Trägheit, Rollwiderstand) messen und diese mit der Geschwindigkeit kombinieren, um daraus die vom Radfahrer abgegebene Leistung zu bestimmen.
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Powermeter werden gewöhnlich mit einem am Lenker zu montierenden Computer geliefert, der Informationen über die vom Radfahrer erzeugte Leistung, wie aktuelle Leistung, maximale Leistung und durchschnittliche Leistung, anzeigt. Die meisten dieser Computer dienen gleichzeitig als allgemeine Radcomputer und können die Herzfrequenz sowie Fahrgeschwindigkeit, Wegstrecke und Zeitdauer messen und anzeigen.
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Auf dem Markt sind derzeit unterschiedliche Arten von Leistungsmessern im Angebot.
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Kurbelsatz-Powermeter messen das auf beide Pedale aufgebrachte Drehmoment über Dehnungsmessstreifen, die im Kurbelstern angeordnet sind. Die Leistungsberechnung wird von der Auslenkung der Dehnungsmessstreifen und der Trittfrequenz (Kadenz) abgeleitet. Damit diese Systeme richtig funktionieren, muss die Tretkurbel ein bestimmtes Maß an Biegsamkeit gestatten. Biegsamkeit in der Tretkurbel bedeutet jedoch Reibung im Material, was zu Leistungsverlust führt. Zudem ist das System am Fahrrad fest montiert und erfordert Spezialwerkzeug und besondere Montagefertigkeiten. Daraus folgt, dass sich das System kaum auf ein anderes Fahrrad übertragen lässt. Hinzu kommt, dass das System mit einem Gewicht von etwa 1 kg relativ schwer und kostspielig ist und nicht zwischen dem rechten und linken Bein unterscheiden kann.
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Ein Naben-Powermeter arbeitet mit den gleichen Dehnungsmesstreifen, die auch in Kurbel-Powermetern verwendet werden, befindet sich jedoch in der hinteren Radnabe und misst die Leistung nach der Antriebskette. Diese Systeme leiden grundsätzlich unter den gleichen Nachteilen wie die bereits beschriebenen Kurbelsatz-Powermeter. Aufgrund des Kraftübergangs über die Kette/der Verluste durch Kette und Kettenrad sind diese Systeme außerdem zusätzlichen Fehlerquellen ausgesetzt und erlauben zudem nur eine Durchschnittswertmessung aufgrund einer Übersetzungsdifferenz zwischen der Tretkurbel und dem verwendeten Zahnrad/Kettenrad.
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Eine andere Art von Powermeter beruht auf einer Messung der Kettenschwingung. Kernstück von Ketteneinheiten ist im Wesentlichen ein Pickup-Sensor, der an der Hinterradgabel angebracht ist. Der Pickup-Sensor nimmt hierbei die Kettenschwingung und Kettengeschwindigkeit ab und rechnet diese mathematisch in eine Leistungsabgabe um. So wie bei den oben beschriebenen Arten von Powermetern ist auch das kettenbasierte System fest am Fahrrad montiert und erfordert Spezialwerkzeug und besondere Montagefertigkeiten. Daraus folgt, dass sich das System kaum auf ein anderes Fahrrad übertragen lässt. Zudem sind diese Systeme relativ ungenau und unzuverlässig, besonders bei hohen Leistungen, und können nicht nach rechtem und linkem Bein unterscheiden.
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Hieraus folgt, dass die aktuell verfügbaren Systeme für Fahrradleistungsmessungen zu aufwändig oder zu ungenau sind. Sie haben meist ein hohes Gewicht (absolut kontraproduktiv) und sind schwer zu montieren.
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Technisches Problem
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung eines verbesserten Leistungsmesssystems für pedalbetriebene Fahrzeuge, das die obigen Nachteile zumindest teilweise abschwächt. Dieses Ziel wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 erreicht.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf ein Fahrradleistungsmesssystem, das wenigstens einen Foliendrucksensor umfasst und das für die Anordnung in einem Fahrradschuh ausgelegt ist. Das System umfasst vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Radcomputer oder einer anderen Hardware. Ein Aspekt der Erfindung richtet sich auf einen Fahrradschuh, der ein Fahrradleistungsmesssystem umfasst, das auf einem oder mehreren Foliendrucksensoren basiert.
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Ein Leistungsmesssystem für ein pedalbetriebenes Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens eine Sensoreinheit zur Messung eines Parameters in Bezug auf die Leistungsabgabe eines Nutzers dieses pedalbetriebenen Fahrzeugs und eine mit dieser wenigstens einen Sensoreinheit operativ verbundene Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung von empfangenen Daten aus dieser wenigstens einen Sensoreinheit und zur Speicherung und/oder Anzeige von Informationen zu der vom Nutzer erzeugten Leistung. Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Sensoreinheit in einem Fußbekleidungsartikel dieses Nutzers angeordnet, und diese wenigstens eine Sensoreinheit umfasst wenigstens einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks, der vom Nutzer auf ein Pedal dieses pedalbetriebenen Fahrzeugs ausgeübt wird.
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Im Gegensatz zu den Leistungsmessvorrichtungen aus dem Stand der Technik umfasst das erfindungsgemäße System eine Sensoreinheit, die in einem Fußbekleidungsartikel, typischerweise einem Fahrradschuh, des Nutzers des pedalbetriebenen Fahrzeugs montiert oder angeordnet ist. Das bedeutet, dass das System nicht am eigentlichen Fahrrad installiert wird und sich dementsprechend leicht auf ein anderes Fahrrad übernehmen lässt. Zudem ist das System nicht von der Biegsamkeit der Tretkurbel oder des Pedals des Fahrrads abhängig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst diese wenigstens eine Sensoreinheit ein mit diesem Drucksensor operativ gekoppeltes elektronisches Steuerungsmodul, wobei dieses elektronische Steuerungsmodul für die Aufzeichnung von Sensordaten und für die Übertragung der von dieser Sensoreinheit aufgezeichneten Daten an die Verarbeitungseinheit ausgelegt ist. In einer solchen Ausführungsform empfängt die Verarbeitungseinheit die ”Rohdaten” der Sensoreinheit und führt die Berechnung der in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Werte durch.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst diese wenigstens eine Sensoreinheit ein mit diesem Drucksensor operativ gekoppeltes elektronisches Steuerungsmodul, wobei dieses elektronische Steuerungsmodul für die Aufzeichnung von Sensordaten, die Berechnung von in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Werten aus diesen Sensordaten und für die Übertragung der in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Daten an die Verarbeitungseinheit ausgelegt ist. In einer solchen Ausführungsform muss die Verarbeitungseinheit aus den empfangenen Daten nicht notwendigerweise weitere interessierende Werte berechnen. Statt dessen kann die Verarbeitungseinheit nur die Speicherung und Anzeige der in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Werte durchführen.
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In beiden oben beschriebenen Ausführungsformen ist das elektronische Steuerungsmodul über eine drahtlose Verbindung mit dieser Verarbeitungseinheit operativ gekoppelt, vorzugsweise unter Verwendung eines weit verbreiteten Protokolls wie ANT+. Es sei angemerkt, dass die Verarbeitungseinheit Teil eines am pedalbetriebenen Fahrzeug montierten Radcomputers oder ein Smartphone oder dergleichen sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Sensoreinheit entnehmbar in einer Sohlenstruktur des Fußbekleidungsartikels angeordnet. Der Sensor ist vorzugsweise genau in dem Bereich angeordnet, in dem die Kraft über die Sohle ins Pedal übertragen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fußbekleidungsartikel ein Fahrradschuh, und jeweils wenigstens eine Sensoreinheit ist in einem linken Schuh und einem rechten Schuh angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Einzelauswertung der vom rechten Bein und vom linken Bein jeweils entfalteten Kraft und damit eine Bestimmung der individuellen Leistung des einzelnen Beins.
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Zur Feststellung einer Pedalbewegung oder anderer pedalbewegungsbezogener Parameter umfasst die wenigstens eine Sensoreinheit des Leistungsmesssystems vorzugsweise wenigstens einen Beschleunigungssensor (G-Kraft-Sensor). Dieser G-Kraft-Sensor ist vorzugsweise an das elektronische Steuerungsmodul operativ gekoppelt und ermöglicht die Erfassung von Informationen darüber, ob das Pedal sich bewegt oder nicht, über die Pedaltrittfrequenz oder dergleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dieser Drucksensor ein Foliendrucksensor, der eine erste Trägerfolie und eine zweite Trägerfolie umfasst, die in einem bestimmten Abstand übereinander mittels eines Abstandshalters angeordnet sind, der mit wenigstens einer Öffnung und einer Elektrodenanordnung mit wenigstens zwei Elektroden versehen ist, die so angeordnet sind, dass zwischen den Elektroden ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, wenn diese erste und zweite Trägerfolie in Reaktion auf einen auf den Drucksensor einwirkenden Druck zusammengebracht werden. Diese Foliendrucksensoren sind sehr betriebssicher und leicht in die Schuhsohle zu integrieren.
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Der Drucksensor umfasst vorzugsweise eine oder mehrere drucksensorische Zellen, wobei jede dieser drucksensorischen Zellen eine erste flexible Trägerfolie und eine zweite flexible Trägerfolie umfasst, wobei diese erste Trägerfolie und diese zweite Trägerfolie über eine Abstandsfolie miteinander befestigt sind, die eine Öffnung, eine an der ersten Trägerfolie angeordnete erste Elektrode und eine an der zweiten Trägerfolie angeordnete zweite Elektrode aufweist, wobei diese erste Elektrode und diese zweite Elektrode in dieser Öffnung einander gegenüberliegend dergestalt angeordnet sind, dass diese erste und zweite Elektrode miteinander in Kontakt gebracht werden können, wenn auf diese drucksensorische Zelle ein Druck ausgeübt wird, und dass eine Kontaktfläche zwischen dieser ersten Elektrode und zweiten Elektrode mit steigendem Druck zunimmt. Die einzelnen Druckzellen können in der Sohle entsprechend an denjenigen Stellen angeordnet werden, an denen die Kraft über die Sohle in das Pedal übertragen wird.
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Der oben beschriebene Schuhsensor bietet die Möglichkeit zur direkten Druck(kraft)messung im zeitlichen Verlauf. Daraus kann die beim Treten des Pedals aufgebrachte Leistung berechnet werden, da die Länge des Kurbelarms bekannt ist. Die benötigte Winkelgeschwindigkeit ergibt sich durch einen optionalen G-Sensor oder auch über den Zeitfaktor der Zellenaktivierung.
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Die Leistung in der Lifting-Phase wird von der Software mit Korrekturfaktoren berechnet. Die Auswahl der Korrekturfaktoren durch die Software erfolgt in Abhängigkeit von der am Sensor anliegenden Restkraft oder auch Nullkraft, falls der Radfahrer in der Lifting-Phase wirklich durchzieht. Mit den Druckprofilen kann das System auch die Leistung je Bein berechnen. Heutige Smartphones und Training-Computer unterstützen die Kommunikation mit ANT+, so dass das System mit bestehender Hardware und Community-basierten Online-Auswertungsseiten (z. B. Garmin Connect) verbunden werden könnte.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
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1: schematische Darstellung eines Sportlers auf einem Rad, das mit einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Leistungsmesssystems ausgestattet ist;
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2 und 3: Anordnung der Sensoreinheit in einem Radschuh,
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4: schematische Querschnittsansicht eines Drucksensors und
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5: eine Übersicht über einige Berechnungen, die sich vom Leistungsmesssystem ausführen lassen.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 ist eine schematische Darstellung eines Sportlers 10 auf einem Rad 12, das mit einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Leistungsmesssystems ausgestattet ist. Das Leistungsmesssystem umfasst hauptsächlich eine in den Schuh des Fahrers integrierte Sensoreinheit (allgemein als 14 dargestellt) und ein Verarbeitungsmodul, das beispielsweise im Radcomputer 16 integriert ist, der an einem Lenker des Fahrrads montiert sein kann. Die Sensoreinheit, die vorzugsweise über eine drahtlose Verbindung mit dem Verarbeitungsmodul operativ verbunden ist, ist für die Bestimmung des auf das Pedal aufgebrachten Drucks (die Richtung des angelegten Drucks ist allgemein durch Pfeil 18 dargestellt) und vorzugsweise zur Bestimmung von Bewegung z. B. mittels eines G-Kraft-Sensors ausgelegt.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein in den Radlerschuh eingebauter Drucksensor als eine Vorrichtung dient, die es Radfahrern ermöglicht, Leistungsmessungen an pedalbetriebenen Fahrzeugen zu erzeugen. Der Schuh umfasst im Allgemeinen das Schuhoberteil 20, das auf die Schuhsohlenstruktur 22 montiert ist (siehe auch 2), die im Allgemeinen eine mehrlagige Struktur mit einer Innensohle, einer Mittelsohle und einer Außensohle ist. An der Außensohle können optional Pedalplatten (Cleats) in einem Kraftübertragungsbereich 24 zum Pedal angebracht sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor eine mit Polymerfolie arbeitende Drucksensormatte 26. 3 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung einer Drucksensormatte 26 im Kraftübertragungsbereich 24 des Schuhs. Vorzugsweise ist die Drucksensormatte entnehmbar in der Innensohle 28 der Sohlenstruktur integriert. Die Drucksensormatte ist mit einem elektronischen Steuerungsmodul 25 versehen, das mittels Flachverbindungsstecker 27 mit der Drucksensormatte 26 gekoppelt ist. Das elektronische Steuerungsmodul 25 ist z. B. für die Aufzeichnung von Sensordaten, für die Berechnung von in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Werten aus diesen Sensordaten und für die Übertragung der in Bezug auf die Leistungsentfaltung interessierenden Werte an diese Verarbeitungseinheit ausgelegt.
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Wie in 3 am besten zu sehen, umfasst der Drucksensor 26 mehrere im Kraftübertragungsbereich 24 der Sohlenstruktur gelegene drucksensorische Zellen 29 zur Messung des Drucks, der vom Fuß des Schuhträgers auf die Sohlenstruktur ausgeübt wird. Der Drucksensor umfasst im Allgemeinen eine mehrlagige Struktur, die eine erste Trägerfolie 30, eine zweite Trägerfolie 32 und einen Abstandshalter 34 umfasst. Der Abstandshalter 34 ist typischerweise eine doppelseitig klebende Einlage, mit der die erste und die zweite Trägerfolie 30, 32 zusammenlaminiert sind.
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Die erste und zweite Trägerfolie 30, 32 sind vorzugsweise aus PET hergestellt, aber auch andere Werkstoffe wie PEN, PI, PEEK etc. sind möglich. Jede dieser Trägerfolien kann aus einer einzigen Folienlage bestehen oder mehrere Folienlagen aus dem gleichen Material oder mehrere Folienschichten unterschiedlicher Materialien umfassen. Der Abstandshalter 34 umfasst vorzugsweise eine Folienlage aus PET, PEN, PI, PEEK usw., die beidseitig mit einer Klebebeschichtung versehen ist. Der Abstandshalter weist bei jeder drucksensorischen Zelle 29 eine längliche Öffnung 36 auf, innerhalb welcher die erste und die zweite Trägerfolie 30, 32 zusammengepresst werden können. In jeder drucksensorischen Zelle 29 ist ein erstes Widerstandselement 38 dauerhaft auf der ersten Trägerfolie 30 und ein zweites Widerstandselement 40 dauerhaft auf der zweiten Trägerfolie 32 gegenüberliegend zur ersten Elektrode 38 angeordnet. Jede Elektrode 38, 40 steht in Kontakt mit einer entsprechenden Leiterbahn 44, 46, die an den Längsseiten der Öffnung 36 entlang verlaufen. Wenigstens eine der Elektroden 38, 40 (in diesem Beispiel: Elektrode 38) kann teilweise von einer elektrisch isolierenden Schicht 42 (z. B. einer dielektrischen Schicht) bedeckt sein.
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In Reaktion auf den auf die drucksensorische Zelle einwirkenden Druck wird die erste und/oder zweite Trägerfolie 30, 32 zur anderen Trägerfolie hin ausgelenkt, bis die Trägerfolien 30, 32 oder die Elemente auf ihren jeweiligen Flächen in Kontakt kommen. Nach Herstellung des Kontakts vergrößert sich mit steigendem Druck der Radius der mechanischen Kontaktfläche. Wird zwischen den Elektroden 38 und 40 ein direkter Kontakt hergestellt, wird der elektrische Widerstand zwischen den Leiterbahnen 44 und 46 endlich, und es kann in der Folge Strom fließen. Mit zunehmender Kontaktfläche zwischen der ersten und zweiten Elektrode 38, 40 nimmt der messbare Widerstand zwischen den Leiterbahnen 44 und 46 ab. Die Kontaktstellen zwischen den Widerstandselektroden 38, 40 und der jeweiligen Leiterbahn 44, 46, der spezifische Widerstand der Widerstandselektroden und die Form der elektrisch isolierenden Schicht 42 bestimmen den druckabhängigen Zellenwiderstand.
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Die elektrische Ansprechfunktion der drucksensorischen Zellen, d. h. der druckabhängige Widerstand, lässt sich durch geeignete Formgebung der isolierenden Schicht 42 auf vorherbestimmte Weise anpassen, da die elektrisch isolierende Schicht 42 einen direkten Kontakt zwischen der ersten und zweiten Elektrode 38, 40 örtlich verhindert, während der direkte Kontakt in denjenigen Bereichen möglich ist, wo die elektrisch isolierende Schicht 42 fehlt. Die anderen Parameter der druckempfindlichen Zellen, z. B. die Werkstoffe der Elektroden, müssen nicht angepasst werden.
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Die Sensormatte, die aus einer Gruppierung speziell konzipierter und positionierter Sensorzellen besteht, dient der Erfassung von Informationen über den Druck, der an bestimmte Bereiche des Schuhs über die Zeit angelegt wird. Die Sensorzellengruppierung sollte genau in dem Bereich angeordnet werden, in dem die Kraft über die Sohle ins Pedal übertragen wird. Die Zellen müssen so ausgelegt sein, dass sie auch dann nicht zur Sättigung neigen, wenn große Kräfte auf die Pedale ausgeübt werden.
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Die interessierenden Leistungswerte sind die auf die Pedale einwirkenden Kraftwerte. Aus diesen Kraftwerten lassen sich eine Reihe interessierender Leistungsinformationen errechnen. In die Systemsoftware lassen sich verschiedene Korrekturfaktoren einbeziehen (z. B. ungleichmäßige Zellenaktivierung infolge schlechter Fußpositionierung oder mangelnde bzw. fehlende aktive Zugkraft in der Lifting-Phase des Pedals).
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Mit dem optionalen G-Kraft-Sensor (ein 1-achsiger Beschleunigungssensor oder ein 3-achsiger Beschleunigungssensor) kann das System die folgenden Informationen erfassen:
- • ob das Pedal in Bewegung ist oder nicht
- • Trittfrequenz (das ist genauer als der Zeitabstand der Sensorzellenaktivierung)
- • in der Lifting-Phase erzeugte Leistung
- • Kurbelposition während der Pedalbewegung
- • auf dem Pedal stehender Radfahrer, z. B. bei Abwärtsfahrt
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Mit den Daten der Sensormatte und des G-Kraft-Sensors kann das System das Folgende berechnen (siehe auch 5):
- • Aktuelle Leistung → Prot = M·ω wobei M = F·r (F wird gemessen; Kurbelradius ist bekannt; ω wird vom System bei Messung der Zeit für einen Umdrehungszyklus berechnet; der 3-achsige G-Kraft-Sensor kann für die Gewinnung von Informationen über die rotationsbezogene Pedalposition verwendet werden, so dass Vektorberechnungen möglich werden M → = r → × F →)
- • Leistungsspitze → max. Prot
- • Mittlere Leistung (Durchschnittswert)
- • Leistungswert linkes Bein/rechtes Bein getrennt
- • Trittfrequenz (Kadenz) → Signal G-Sensor oder TOP-Aktivierungen pro Zeiteinheit
- • Laufzeitabhängige Leistung
- • Gesamtenergie → W/s, Joule
- • Einblendung von Leistungswerten und GPS-Kartendaten (je nach Radcomputer), so dass der Radfahrer sehen kann, welche Leistungswerte an welcher Stelle der gefahrenen Strecke aufgezeichnet wurden
- • Echtzeit-Leistungsüberwachung rechts/links
- • ”Runder Tritt”
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In Kombination mit einem Radcomputer oder einem Smartphone erhält der Radfahrer Zugriff auf die Werte zur Sofortinformation oder zur späteren Verwendung in einer Training-Software. Die Kommunikation zwischen dem Sensor/elektronischen Steuergerät und dem Radcomputer/Smartphone sollte über ein breit verwendetes Protokoll (z. B. ANT+) erfolgen, damit eine Kompatibilität mit anderen Vorrichtungen gegeben ist.
