DE19718917C1

DE19718917C1 - Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Surfen

Info

Publication number: DE19718917C1
Application number: DE19718917A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Zimmermann; Ilja Dr Rueckmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-04-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruch 1 angegebenen Art.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen bekannt.

In der DE 34 02 674 A1 sowie der DD 22 73 29 A1 (2) werden Vorrichtungen zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen vorgestellt, bei denen u. a. ein am Surfbrett befestigter Geschwindigkeitssensor seine Meßdaten direkt oder in Form von Impulsen an einen auf dem Surfbrett befindlichen Computer überträgt. Diese abgespeicherten Daten können entweder auf dem Surfbrett angezeigt werden oder mittels Funk an eine Anzeigeeinheit in der äußeren Form einer Armbanduhr übertragen werden (DE 34 02 674 A1). In der DE 33 19 684 A1 wird der PC durch einen Fahrradcomputer (auf dem Surfbrett) ersetzt.

Das Kernproblem aller Vorrichtungen zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen besteht in der Suche nach einem geeigneten Geschwindigkeitssensor, der folgende Eigenschaften besitzen sollte:

a) keine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse am Surfbrett
b) störsicher und wartungsarm
c) geringes Gewicht
d) geringer Energieverbrauch
e) Kompatibilität der Ausgangssignale mit einem Fahrradcomputer
f) geringer Fertigungsaufwand und Miniaturisierung.

Der in der DE 33 19 684 A1 vorgestellte Sensor nach dem Turbinenrad-Prinzip genügt zwar den Forderungen d) und e), hat jedoch den entscheidenden Nachteil, die Strömungsverhältnisse am Surfbrett stark zu beeinträchtigen. In der GB 22 705 04 A wird ein Differenzdrucksensor verwendet, der vorzugsweise in die Finne oder das Schwert integriert wird. Auch diese Strömungsmeßeinrichtung (Sensor) erhöht den Strömungswiderstand. Darüber hinaus ist sie aufgrund von Verstopfungen der Rohröffnungen des Sensors durch mögliche Wasserverunreinigungen (Blätter, Algen, ...) störanfällig und damit nicht wartungsarm. In der DD 227 329 A1 wird eine Strömungsmessung mittels Hitzdrähten vorgeschlagen, die zum einen störanfällig gegenüber systematischen Fehlern (z. B. infolge unterschiedlichen Salzgehaltes) ist und zum anderen einen relativ hohen Energieverbrauch aufweist. Schließlich wird in der DE 85 23 456 U1 ein Strömungssensor nach dem magnetisch- induktiven Prinzip (Faraday-Technik) angegeben, der fluchtend mit der Außenseite des (Surfbrett-)Rumpfes angeordnet werden kann und folglich die Kriterien a), b) und d) erfüllen könnte. Ein wesentlicher Nachteil dieses Sensors liegt in seiner Größe und seinem Gewichtes. Aufgrund des physikalischen Prinzips sind einer Miniaturisierung enge Grenzen gesetzt, da die Meßgröße (Induktionsspannung zwischen den Elektroden) mit einer Verkleinerung des Elektrodenabstandes als auch mit Verringerung der Polflächen des Magneten stark abfällt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Realisierung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen, wie die momentane Geschwindigkeit des Surfbretts, die Durchschnitts- und Maximalgeschwindigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke usw. auf der Grundlage eines opto-elektronischen Sensorsystems, das keinen zusätzlichen Strömungswiderstand an der Surfbrett- Unterseite erzeugt, das wartungsarm und störunempfindlich arbeitet, das geringes Gewicht und Abmessungen im mm-Bereich besitzt, und das einen geringen Energieverbrauch aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß sich opto-elektronische Sensorsysteme besonders vorteilhaft für die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und damit auch für die Messung der Geschwindigkeit eines Surfbretts einsetzen lassen. Dazu werden mit mindestens zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten optischen Reflexdetektoren die unter dem fahrenden Surfbrett vorhandenen Luftbläschen registriert. Aus der Verknüpfung der Ausgangssignale läßt sich aus ihrem zeitlichen Versatz die Strömungsgeschwindigkeit unter dem Surfbrett ermitteln. Für die Extraktion dieser Zeitdifferenz aus den Meßwerten können verschiedene Verfahren der Analog- und/oder Digitaltechnik bzw. deren Kombination zur Anwendung gebracht werden. Beispielsweise kann die Autokorrelationsfunktion der Meßwerte gebildet werden, um diese Zeitdifferenz und die zugehörige Geschwindigkeit berechnen zu können. Aus dieser Geschwindigkeit können weitere Bewegungsparameter des Surfens abgeleitet werden.

Das opto-elektronische Sensorsystem wird in der Surfbrett Unterseite, vorzugsweise neben der Finne oder dem Schwert, angeordnet. Die Kunststoffhaut kann an den Stellen, an denen die optischen Sensoren plaziert werden, transparent für optische Strahlung (oder IR-Strahlung) ausgebildet werden, so daß die Oberflächenbeschaffenheit der Surfbrett-Unterseite weder verändert noch negativ beeinflußt wird. Folglich werden auch die Strömungseigenschaften des Surfbretts mit Sensorsystem gegenüber einem ohne ein solches Sensorsystem beibehalten. Weitere wesentliche Vorzüge im Vergleich zum Stand der Technik resultieren aus dem geringen Gewicht, dem geringen Platzbedarf und dem niedrigen Energieverbrauch des erfindungsgemäßen opto-elektronischen Sensorsystems.

Wenn bereits im Sensorsystem eine Signalvorverarbeitung stattfindet, bei der eine Impulsfolge erzeugt wird, deren Folgefrequenz einen direkten Zusammenhang mit der Strömungs- bzw. Surfbrettgeschwindigkeit bildet, kann ein entsprechend ausgelegter (z. B. wasserdicht) Fahrradcomputer als Anzeige- und auswertesystem eingesetzt werden. Die Impulse werden vorzugsweise vom Sensorsystem zum Fahrradcomputer, der am Arm des Surfers befestigt wird, mit einem Funk- oder Ultraschallsender übertragen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen.

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorsystems nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Surfen, insbesondere dem Wind-Surfen.

An der Unterseite des Surfbretts 1 befindet sich ein opto-elektronisches Sensorsystem 2 zur Ermittlung der Geschwindigkeit des am Surfbrett vorbeiströmenden Wassers. Die Sensorsignale werden bereits im Sensorsystem 2 vorverarbeitet, so daß eine Folge von elektrischen Impulsen generiert wird, deren Frequenz der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Diese Impulse werden an einen Funksender 3 weitergeleitet, der sie an einen zugehörigen Funkempfänger 4 überträgt. Der Funkempfänger 4 ist direkt mit einem handelsüblichen "Fahradcomputer" 5 verbunden und mit einem Armband am Handgelenk des Surfers 6 befestigt. Durch eine entsprechende Konfigurierung des Fahradcomputers 5 (z. B. Einstellung des Raddurchmessers) lassen sich aus den Impulsen die gewünschten Bewegungsparameter des Surfbretts 1 direkt am Display ablesen bzw. abrufen (Momentan-geschwindigkeit, zurückgelegte Distanz, Maximal- und Durchschnittsgeschwindigkeit usw.)

Die Spannungsversorgung 7 für das Sensorsystem 2 und den Funksender 3 wird von einer Batterie oder einem Akku geliefert, die sich im Surfbrett 1 in einem entsprechenden Batteriefach befinden. Beispielsweise kann durch Kombination mit einer Solarzelle der zugehörige Akku im Surfbrett 1 vergossen werden.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorsystems nach der Erfindung.

An der Surfbrett Unterseite unmittelbar neben der Finne 8 ist eine kleine lichtundurchlässige Röhre 45 angeordnet, in die zwei Photodetektoren 42 eingelassen sind. Als Strahlungsquelle dient ein Stab 44, der unter Sonnenlichteinwirkung eine Fluoreszenzstrahlung generiert, die mit Hilfe der beiden Kunststoff-Lichtleitfasern 43 zur Röhre 45 transportiert wird. Mit dieser Anordnung lassen sich die im Wasser auf der Surfbrett-Unterseite vorhandenen Luftbläschen aufgrund ihrer Reflexionseigenschaften detektieren. Die entsprechenden Reflexionssignale werden von den Photodetektoren 42 erfaßt und einem Mikrocontroller 41 zugeführt. In diesem erfolgt eine A/D-Wandlung und Vorverarbeitung dieser Signale, wozu ihre Autokorrelationsfunktion gebildet wird. Aus der zeitlichen Verzögerung, bei der die Autokorrelationsfunktion einen Maximalwert annimmt, ergibt sich die Impulsfolgefrequenz, die über den Funksender 3 an den am Handgelenk des Surfers befindlichen Fahrradcomputer übermittelt wird und aus der die gesuchten Bewegungsparameter abgeleitet werden können. Für ein störsichere Datenübertragung wird zweckmäßigerweise auf bekannte Kodierungsverfahren zurückgegriffen.

Wenn der gegenseitige Abstand der beiden Reflexdetektoren 42 im mm-Bereich liegt, kann auf die Röhre 45 verzichtet werden. Bei entsprechender Ausbildung der optischen Fenster für die Reflexdetektoren an der Surfbrett Unterseite wird somit das Strömungsverhalten des Surfbretts durch das Sensorsystem nicht verändert oder beeinflußt.

Bei Verwendung von IR-Emitterdioden als Strahlungsquellen anstelle der aus den Fasern 43 austretenden Fluoreszenzstrahlung können die Detektorsignale auch mit Hilfe von Schwellwertschaltern in TTL-Impulse umgesetzt werden, wodurch die A/D-Wandlung im Mikrocontroller 41 entfallen kann. Hierdurch wird die Signalvorverarbeitung über die Autokorrelation wesentlich vereinfacht.

Anstelle der A/D-Wandlung im Mikrocontroller 41 kann eine elektronische Verzögerung der Meßsignale des in Fahrtrichtung nachfolgenden Reflexdetektors erfolgen, die vorzugsweise vom Mikrocontroller 41 schrittweise innerhalb eines Meßzyklus von etwa 1 bis 3 s vergrößert wird (Simulation eines Sägezahngenerators). Durch Bildung der Differenz der beiden Meßsignale mittels eines Operationsverstärkers bei jeweils fester Verzögerung des zweiten Signals und anschließender A/D-Wandlung sowie Abspeicherung im Mikrocontroller kann innerhalb eines Meßzyklus ebenfalls die zeitliche Verzögerung, bei der diese Differenzfunktion einen Minimalwert annimmt, ermittelt werden, woraus sich schließlich die gesuchte Impulsfolgefrequenz für die Ermittlung der Bewegungsparameter ergibt (Maximalwert der Autokorrelationsfunktion). Eine ähnliche Variante läßt sich realisieren, in dem die beiden Reflexdetektoren über eine elektronische Torschaltung durch den Mikrocontroller abwechselnd und zeitlich kurz nacheinander folgend aktiviert werden. Wenn innerhalb eines Meßzyklus diese Schaltfrequenz schrittweise erhöht wird und die Differenzfunktion beider Meßsignale über der Schaltfrequenz ausgewertet wird, kann aus dem Minimum dieser Funktion innerhalb eines Meßzyklus ebenfalls die gesuchte Zeitverzögerung abgeleitet werden.

Bei Verwendung von mehr als zwei Reflexdetektoren, die zweckmäßigerweise in äquidistanten Abständen angeordnet werden, bietet sich der Einsatz anderer elektronischer Auswerteverfahren zur Ermittlung der gesuchten zeitlichen Verzögerung an. In diesem Fall kann beispielsweise mit Hilfe eines Mikrocontrollers durch sehr schnell aufeinander Folgendes Einlesen aller (digitalen) Detektorzustände innerhalb eines festen Zeitintervalls und die Anwendung numerischer oder statistischer Auswertemethoden die gesuchte Zeitinformation erhalten werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung von Bewegungsparametern beim Surfen, bestehend aus einem Sensorsystem mit elektronischer Signalverarbeitung (2) zur Ermittlung der relativen Strömungsgeschwindigkeit zwischen Wasser und dem Surfbrett (1), einem Auswerte- und Anzeigesystem in der äußeren Form einer Armbanduhr (5) mit den Funktionen analog zu denen eines Fahrrad- Computers, wobei die vom Sensorsystem ermittelten Signale mit Hilfe einer Funkstrecke an das Auswerte- und Anzeigesystem übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das am oder im Surfbrett (1) angeordnete Sensorsystem (2) mindestens zwei optische Reflex- und/oder Transmissionsdetektoren beinhaltet, welche in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind und die im vorbei strömenden Wasser vorhandenen Luftbläschen detektieren, wobei eine Verknüpfung ihrer Ausgangssignale durch Bildung der entsprechenden Autokorrelationsfunktion mit Hilfe der zum Sensorsystem gehörigen elektronischen Signalverarbeitung, insbesondere einem Mikrocontroller (41), erfolgt, aus der die Strömungs geschwindigkeit abgeleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsemitter für die optischen Reflex- und/oder Transmissions detektoren Materialien (44) verwendet werden, die unter Sonnenlichteinwirkung fluoreszieren, wobei dieses Fluoreszenzlicht mittels Lichtwellenleitung zu den entsprechenden Strahlungsempfängern (42) der optischen Reflex- und/oder Transmissionsdetektoren geführt wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem (2) im Surfbrett (1) in der Weise integriert wird, daß die optischen Reflexdetektoren koplanar zur Außenfläche der Surfbrett-Unterseite angeordnet werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geschwindigkeitsproportionalen Ausgangssignale des Sensorsystems (2) vor ihrer Übertragung zum Auswerte- und Anzeigesystem (5) einer elektronischen Signalvorverarbeitung unterzogen werden, bei der als Ausgangssignal eine Folge von Impulsen generiert wird, deren Folgefrequenz proportional zur relativen Strömungsgeschwindigkeit zwischen Wasser und Surfbrett (1) ist.