DE19725904C2 - Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Skifahren - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Skifahren

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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 Skifahren bekannt.
In der DE 195 18 638 A1 wird eine Vorrichtung zur Ermittlung von Fahrdaten beim Skifahren vorgestellt, die einen oder mehrere Ultraschallsender und -empfänger beinhaltet, wobei die Geschwindigkeit aus den vom Untergrund reflektierten Schallwellen über eine Kreuzkorrelation ermittelt wird. Diese Vorrichtung ist sehr aufwendig und störanfällig. Nutzungsbedingte Verschleißerscheinungen an der Lauffläche des Ski erfordern eine Vorrichtung, die schnell und einfach ausgetauscht werden kann. Im Anspruch 5 dieser Offenlegungsschrift wird eine Vorrichtung mit ein oder mehreren Schallempfängern beschrieben, wobei die Geschwindigkeit aus den charakteristischen Laufgeräuschen abgeleitet werden soll. Diese Geräusche sind jedoch extrem abhängig von der Art und Beschaffenheit des Untergrundes (z. B. Spurrillen von Schneefahrzeugen, Eis, Schmutz usw.) sowie vom Verschleiß der Lauffläche und lassen demzufolge keine eindeutigen Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit zu.
In der DE 41 38 622 C1 wird ein Meßgerät für Skier gezeigt, mit dem die Bewegungsparameter beim Skifahren aus der Umdrehung eines am Ski befestigten Rades abgeleitet werden. Neben der Störanfälligkeit (Verklemmen, Blockieren oder Abreißen des Rades) und den zu erwartenden Ungenauigkeiten beim alpinen Abfahrtsskilauf (seitliche Bewegung bei "Wedeln") wirkt sich besonders nachteilig die Beeinträchtigung des Skifahrens durch die mechanische Konstruktion selbst aus.
In der US 49 11 005 wird eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung vorgestellt, die u. a. auch beim Skifahren eingesetzt werden kann. Als Geschwindigkeitssensor wird ein Luftströmungsmesser verwendet, wie beispielsweise ein Flügel- bzw. Turbinenradsensor. Die Meßdatenausgabe erfolgt akustisch mittels künstlicher Sprachausgabe. Diese Sensoranordnung ist besonders störanfällig, da aufgewirbelter Schnee leicht in den Turbinenradsensor gelangen und diesen verstopfen oder zumindest beeinträchtigen kann. Ein weiteres Problem resultiert aus der Beeinflussung der Messung infolge witterungsbedingter Luftströmungen.
Ein elektronischer Geschwindigkeitssensor für Skier, der nach dem Prinzip eines Heizdraht-Aneometers arbeitet, wird in der US 50 03 820 vorgestellt. Aber auch diese Vorrichtung ist mit großen systematischen Fehlern behaftet, da die Schneeverhältnisse einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf das Meßergebnis haben.
Das Kernproblem aller Vorrichtungen zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Skifahren besteht in der Suche nach einem geeigneten Geschwindigkeitssensor, der folgende Eigenschaften besitzen sollte:
  • a) keine Beeinflussung der Fahreigenschaften
  • b) störsicher und wartungsarm
  • c) geringes Gewicht
  • d) geringer Energieverbrauch
  • e) geringer Fertigungsaufwand
  • f) einfache Adaption an beliebige Skier
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Realisierung einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Skifahren, wie die momentane Geschwindigkeit des Skifahrers, seine Durchschnitts- und Maximalgeschwindigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke usw., auf der Grundlage eines dafür geeigneten Sensorsystems.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß sich opto-elektronische Sensorsysteme besonders vorteilhaft für eine Geschwindigkeitsmessung am Ski eignen, da sie klein, robust und kostengünstig sind. Erfindungsgemäß werden die von der Schneeoberfläche reflektierten optischen Signale erfaßt und über eine Kreuzkorrelation mathematisch verknüpft. Für eine Geschwindigkeitsmessung am Ski können erfindungsgemäß auch akustische Sensoren in Kombination mit einer periodischen Struktur an oder neben der Lauffläche des Ski eingesetzt werden, wobei die von der Struktur erzeugten Fahrgeräusche analysiert werden. Die Sensorsignale werden an eine elektronische Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit übertragen, die vorzugsweise einen Mikrocontroller und ein Display zur Anzeige dieser Bewegungsparameter enthält. Die Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit wird in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung am Handgelenk des Skifahrers mittels eines Armbandes oder am Skihandschuh bzw. an Teilen der Skiausrüstung befestigt. Als Sensorsignal-Übertragungsstrecke wird vorzugsweise eine Funkstrecke eingesetzt.
Wenn die Sensorsignale als Impulse vorliegen, deren Folgefrequenz einen direkten Zusammenhang mit der Skifahrergeschwindigkeit bilden, kann eine unter dem Begriff "Fahrradcomputer" bekannte Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit vorteilhaft eingesetzt werden. Falls erforderlich, kann bereits im Sensorsystem eine Signalvorverarbeitung zur Erzeugung einer entsprechenden Impulsfolge durchgeführt werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine mögliche Anordnung wesentlicher Komponenten einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Skifahren
Fig. 2a und 2b bevorzugte Ausführungsformen eines Sensorsystems zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Ski und dem schneebedeckten Untergrund unter Verwendung optischer Sensoren
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorsystems zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Ski und dem schneebedeckten Untergrund unter Verwendung eines akustischen Sensors in Kombination mit einer periodischen Struktur.
Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung wesentlicher Komponenten einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Skifahren. An einem Ski 2 eines Skifahrers 8 ist ein Sensorsystem 3 zur Detektion der Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Ski 2 und dem schneebedeckten Untergrund 7 sowie ein Funksender 4 zur Übertragung der Sensorsignale angeordnet. Am Handgelenk oder am Handschuh des Skifahrers 8 sind ein Funkempfänger 5 sowie die Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit 6 angeordnet. Als Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit 6 kann vorzugsweise ein Fahrradcomputer eingesetzt werden. Die vom Sensorsystem 3 detektierten Signale oder Impulse werden über die Funkstrecke 4, 5 zur Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit 6 übertragen, wo sie zur Ermittlung der Bewegungsparameter des Sportlers 8 beim Skifahren dienen und zur Anzeige gebracht werden.
Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch zwei bevorzugte Ausführungsformen eines Sensorsystems zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Ski und dem schneebedeckten Untergrund unter Verwendung optischer Sensoren. In Fig. 2a dienen als Sensorsystem 3 zwei gleichartige Reflexionsanordnungen, bestehend aus jeweils einem optischen Sender 31 und einem zugeordneten optischen Empfänger 32, die an der Skiunterseite (Lauffläche 21) hintereinander in Längsrichtung des Ski 2 im Abstand von etwa 1 cm so angeordnet sind, daß sie Strukturen (Querrillen, Eiskristalle usw.) oder Störungen (Tannennadeln, Schmutz usw.) im Schnee 7 unter dem Ski 2 detektieren. Die entsprechenden Reflexionssignale werden von den Photodetektoren 32 erfaßt und einem Mikrocontroller 33 zugeführt. In diesem erfolgt eine A/D-Wandlung und Vorverarbeitung der Signale, wozu ihre Kreuzkorrelationsfunktion gebildet wird. Aus der zeitlichen Verzögerung, bei der die Kreuzkorrelationsfunktion einen Maximalwert annimmt, ergibt sich die Impulsfolgefrequenz, die vom Funksender 4 an den Funkempfänger 5 und den daran angeschlossenen Fahrradcomputer 6 übermittelt wird und aus der die gesuchten Bewegungsparameter, wie etwa die Relativgeschwindigkeit v, abgeleitet werden können. Als optische Sender 31 werden vorzugsweise IR-Emitterdioden eingesetzt. Die Spannungsquelle 30 versorgt die elektronischen Baugruppen am Ski 2.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2a wurden in Fig. 2b die Strahlungssender 31 durch eine Lichtleiteranordnung ersetzt, wobei als Strahlungsquelle ein Stab 34 dient, der unter Lichteinwirkung eine Fluoreszenzstrahlung generiert. Diese wird mit Hilfe der beiden Kunststoff- Lichtleitfasern 31 zu den entsprechenden Positionen neben den Strahlungsempfängern 32 über der Lauffläche 21 transportiert. Diese Anordnung führt zu einer erheblichen Senkung des Energiebedarfs, was bessere Gebrauchs­ eigenschaften für den Nutzer zur Folge hat. Die Reflexionssignale können ebenfalls über entsprechende Lichtleitfasern den Strahlungsempfängern 32 zugeführt werden, so daß insgesamt eine robustere Konstruktion möglich wird, da keine elektronischen Komponenten unmittelbar an der Lauffläche 21 angeordnet werden müssen und die Kunststoff-Lichtleitfasern leicht regeneriert oder ausgetauscht werden können.
Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorsystems zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Ski und dem schneebedeckten Untergrund unter Verwendung eines akustischen Sensorprinzips in Kombination mit einer periodischen Struktur an der Lauffläche. Unter oder unmittelbar neben der Lauffläche 21 des Ski oder Snowboard 2 wird eine Struktur 36 angeordnet, die aufgrund ihrer sägezahnförmigen Gestaltung (ihrer Längsschnittsfläche) nur einen sehr kleinen zusätzlichen Reibungswiderstand in Fahrtrichtung hervorruft, jedoch zu definierten geschwindigkeitsabhängigen Fahrgeräuschen führt. Insbesondere steht im Fall einer regelmäßigen bzw. periodischen Gestalt der Struktur 36 die Frequenz der Fahrgeräusche in direktem Zusammenhang mit der Relativgeschwindigkeit v. Durch eine entsprechende Frequenzanalyse der vom Mikrofon 35 detektierten Fahrgeräusche kann die Relativgeschwindigkeit v ermittelt werden, wozu vorzugsweise ein Mikrocontroller 33 eingesetzt wird. Darüber hinaus kann die aus den Fahrgeräuschen herausgefilterte Nutzfrequenz unmittelbar in eine entsprechende niederfrequente Impulsfolge umgesetzt werden, die der Relativgeschwindigkeit v proportional ist. Diese Impulsfolge wird dem Funksender 4 zugeführt und kann beispielsweise von einem Fahradcomputer als Signalverarbeitungs- und auswerteeinheit unmittelbar verarbeitet werden. Die Spannungsversorgung für das Mikrofon 35, den Mikrocontroller 33 und den Funksender 4 wird von einer Batterie oder einem Akku 30 bereitgestellt. Die Struktur 36 kann auch direkt in die Lauffläche 21 integriert werden. Da es sich bei der Struktur um ein Verschleißteil handelt, wird diese in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung in Form einer selbstklebenden Folie ausgebildet, die auf einfache Weise bei Bedarf ausgewechselt werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Skifahren, bestehend aus einem am Ski (2) oder Snowboard angeordneten Sensorsystem (3) mit elektronischer Signalverarbeitung zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen Ski und dem schneebedeckten Untergrund (7), einem Auswerte- und Anzeigesystem (6) mit den Funktionen analog zu denen eines Fahrradcomputers, wobei die vom Sensorsystem ermittelten Signale an das Auswerte- und Anzeigesystem (6) drahtlos übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorsystem (3) mindestens zwei optische Reflexionsdetektoren, bestehend aus je einem optischen Sender (31) und einem optischen Empfänger (32), vorgesehen sind, welche in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind und die Schneeoberfläche (7) neben oder unter der Lauffläche (21) des Ski (2) oder Snowboard abtasten, wobei aus der Verknüpfung ihrer Ausgangssignale in einem Mikrocontroller durch Bildung der entsprechenden Kreuzkorrelationsfunktion ein zur Relativgeschwindigkeit (v) korreliertes elektronisches Signal abgeleitet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungssender (31) für die optischen Reflexionsdetektoren unter Sonnenlichteinwirkung fluoreszierende Materialien (34) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die optischen Reflexionsdetektoren entsprechende Lichtleitfaseranordnungen vorgesehen sind.
4. Vorrichtung zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Skifahren, bestehend aus einem am Ski (2) oder Snowboard angeordneten Sensorsystem (3) mit elektronischer Signalverarbeitung zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen Ski und dem schneebedeckten Untergrund (7), einem Auswerte- und Anzeigesystem (6) mit den Funktionen analog zu denen eines Fahrradcomputers, wobei die vom Sensorsystem ermittelten Signale an das Auswerte- und Anzeigesystem (6) drahtlos übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorsystem (3) mindestens ein akustischer Empfänger (35) vorgesehen ist, der in Kombination mit mindestens einer periodischen Struktur (36) an oder in der Lauffläche (21) des Ski (2) oder Snowboard die geschwindigkeitsabhängigen Fahrgeräusche dieser Struktur detektiert und aus der Signalverarbeitung dieser in einem Mikrocontroller (33) die Relativgeschwindigkeit (v) ableitet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Mikrocontroller (33) eine Frequenzanalyse der durch die Struktur (36) hervorgerufenen Fahrgeräusche innerhalb der Signalverarbeitung durchführbar ist.
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