DE4312566A1 - Verfahren zur Verbesserung eines Fahrrad-Simulators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrrad-Simulator mit einem Computer, über den das Bild der simulierten Umgebung erzeugbar ist und mit dem die physikalischen Gegegebenheiten einer Fahrradfahrt simulierbar sind, und mit einem Videogenerator zur Darstellung eines Identifikationsbildes in verschiedenen Bewegungsphasen und Schräglagen.

Ein solcher Simulator ist insbesondere aus PCT/DE 88 000 98 und aus Beschreibungen der Firma mpk Kirstein, München, unter der Bezeichnung "Tele-Bike" bekannt.

Ein Nachteil dieser Ausführung liegt in dem verhältnismäßig großen Aufwand für den Computer und den Videogenerator. Es werden insgesamt 8 Steckkarten in einem Einschubrahmen mit Rückplatine mit einer großen Zahl von Bauteilen verwendet. Dementsprechend hoch sind die Produktionskosten und die Servicekosten.

Ein weiterer Nachteil liegt in der Störanfälligkeit, die naturgemäß von der Anzahl der Bauteile und der Steckverbindungen abhängt.

Ein weiterer Nachteil liegt in den eingeschränkten grafischen Möglichkeiten dieser Spezial-Hardware und in ihrer geringen Modifikationsfähigkeit. So kann nur ein Gegnerbild gezeigt werden, keine Bäume und Büsche, keine Wannen und kein Höhenprofilbild der Straße.

Weitere Nachteile bestehen darin, daß die Software noch verbesserungsfähig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufgeführten Nachteile zu vermeiden und mit einer sehr preisgünstigen Hardware durch geeignete Gestaltung der Software neue Merkmale zu schaffen, die den Simulator in Bezug auf Natürlichkeit der bildlichen Darstellung, zusätzliche Grafinken, Bedienungserleichterungen, höheren Trainingsreiz und zusätzliche Datenausgaben verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im folgenden angegebenen Merkmale gelöst:

Umsetzen der bisherigen Merkmale auf Amiga-Technik

Als Computer und Grafikgenerator wird ein handelsüblicher Home-Computer der Firma Commodore vom Typ Amiga 600 oder Amiga 1200 verwendet.

Da die Amiga-Rechner als Central Processing Unit (CPU) einen Mikroprozessor vom Typ 68 000 bzw. 68 020 verwenden, während in der bisherigen Hardware des "Tele-Bike" eine CPU vom Typ Z80 eingesetzt ist und das Programm in Maschinensprache (Assembler) geschrieben war, wird die Software für die Logik umgesetzt (portiert). Dieser Vorgang ist von Hand auszuführen, da Maschinenbefehle für den 68 000 und den Z80 so unterschiedlich sind, daß sie nicht automatisch portierbar sind.

Der bisherige Z80-orientierte Quelltext war nicht portierbar ausgeführt. Dies hätte bedeutet, daß er in einer höheren Programmiersprache geschrieben worden wäre. Hierbei wäre aber der Rechenvorgang nicht schnell genug gewesen.

Im Rahmen der Erfindung wird demgemäß unter Verwendung der zugrundeliegenden Algorithmen der Quelltext von Z80 auf 68 000 von Hand portiert. Damit das Programm auf 68 000 schnell genug läuft, wird der neue Quelltext wiederum in Maschinensprache und nicht portierbar geschrieben. Nicht nur wegen der Geschwindigkeit des Rechenprogramms sondern auch zur Einsparung von Entwicklungskosten wird auf eine Abtrennung von Amiga-Hardware-orientierten Programmteilen durch Unterroutinen weitgehend verzichtet.

Während im Amiga das Betriebssystem AmigaDos in einem ROM (Read-Only-Memory) abgespeichert ist und das Arbeitsprogramm von Diskette in einem RAM (Random- Access-Memory) geladen wird, wird für den Fahrrad-Simulator erfindungsgemäß das Arbeitsprogramm unter Umgehung des AmigaDos-Betriebssystems auf einer PCMCIA-Karte abgespeichert (Personal Computer Memory Card International Association).

Dies aus folgenden Gründen:

Der Fahrrad-Trainer soll einfach zu bedienen sein. Eine Computer-Tastatur ist deshalb unbedingt zu vermeiden. Außerdem ist eine Tastatur eine Baugruppe, die Kosten verursacht, die die Störanfälligkeit anhebt und die Platzbedarf im Trainingsgerät erfordert. Ein Diskettenlaufwerk hat dieselben Nachteile und ist erschütterungsempfindlich.

Anstelle der PCMCIA-Karte hätte ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) eingesetzt werden können. Dies ist preisgünstiger als eine PCMCIA- Karte und läßt sich einfacher programmieren. Ein solcher Arbeitsspeicher läßt sich an den Daten-, Adreß- und Steuer-Bus der CPU 68 000 in elektrischer Hinsicht ebenso anschließen wie an den der Z80 bei der bisherigen Ausführung. In mechanischer Hinsicht ist dies beim Amiga 500 Plus auch ohne weiteres möglich, da die Busleitungen über einen besonderen Stecker nach außen geführt sind. Beim Amiga 600 und 1200 ist dies jedoch nicht mehr der Fall, und es hätte sich die Aufgabe gestellt, eine besondere Speicherplatine zu entwickeln, die an die CPU anschließbar ist. Hierzu hätte die CPU ausgelötet und an ihrer Stelle die Speicherplatine mit CPU eingelötet werden müssen. Dies ist jedoch wegen der SMD-Bauweise (Surface Mounted Devices) der neuen Amiga-Generation nicht unproblematisch. Außerdem hat die PCMCIA-Karte die Vorteile, sich leicht gegen eine andere auswechseln zu lassen, wodurch mit einem Handgriff Trainingsprogramme veränderbar sind, und in einer Ausführung mit statischem RAM auf einfache Weise im Amiga- Rechner als Entwicklungssystem programmieren zu lassen.

Für den Anfahrvorgang (das Booten) des Amiga ohne Tastatur kann die PCMCIA- Treiber-Software ausgenutzt werden. Dies gehört zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe.

Gemäß Aufgabenstellung ist nicht nur der logische Teil des Arbeitsprogramms, der bisher von der Z80-CPU berechnet worden war, auf die 68 000-CPU zu portieren, sondern es ist auch der bisherige Hardware-orientierte Grafikgenerator durch 68 000-orientierte Software zu ersetzen.

Hierbei ist wiederum zu unterscheiden zwischen dem Umsetzen der reinen Grafik-Information und der Bewegungssteuerung dieser Grafik.

Der bisherige Grafik-Generator verfügte über Einzelgeneratoren für Landschaft, Straße, Gegnerbild, Identifikationsbild und Texttafeln. Die Grafikdaten waren in Form von Abszissen- und Ordinaten-Werten der Farbflächen-Konturen und von Farbdaten für diese Flächen abgespeichert. Im Amiga wird dagegen die Grafik Pixel (Bildpunkt)-orientiert ausgegeben. Demgemäß waren alle Grafikdaten umzusetzen.

Die Bewegungssteuerung und das Abrufen von Grafiken geschah im bisherigen System über eine Schnittstelle zur Datenübertragung von der Computer-Platine zum Videogenerator. Das Arbeitsprogramm beinhaltete entsprechende Ausgabe-Routinen. Die Verschiebung der Videogegenstände in horizontaler und vertikaler Richtung wurde in den Videogeneratoren mittels Addier- Bausteinen hardware-mäßig bewerkstelligt.

Im Amiga dagegen ist die gesamte Videoinformation zusammen mit dem Arbeitsprogramm auf der Speicherkarte unterzubringen. Die Ansteuerung des Monitor- Ablenkstrahls mit Farbinformation geschieht nicht Konturen-orientiert sondern Pixel für Pixel. Die Videoinformation wird von der CPU in einen Teil seines Bildwiederholspeichers (Video RAM) geschrieben, in dem anderen Teil zum Auslesen umgeladen, von dort wird sie über Schieberegister, pro Pixel mit Farbtiefen-Information versehen (Bit Planes), seriell an den Monitor ausgegeben. Demgemäß ist zunächst die reine Grafik-Information aus dem Konturen-orientierten Code in den Pixel-orientierten Code umzurechnen.

Das Aufrufen, Verschieben, Verzerren und Bewegen der Grafiken geschieht per Software und grundlegend anders als bei dem früheren System. Der Amiga- Rechner verfügt über besondere Hilfsmittel zur beschleunigten Ausgabe und zur Vervielfältigung von grafischen Mustern.

Eines dieser Hilfsmittel ist der sogenannten Blitter, mit dem man Operationen an einer Bit-Plane für den Bildwiederholspeicher direkt vornehmen kann und zwar gleichzeitig mit 3 Operanden. Der Blitter erhält von der CPU zur Beschleunigung der Grafik-Ausgabe seine Befehle und ist je nach Aufgabenstellung speziell zu programmieren.

Ein anderes Hilfsmittel ist der sogenannte Copper (Co-Prozessor), der wie eine kleine selbstständige CPU arbeitet und begrenzte Operationen am gerade sichtbaren Bild zur Beschleunigung der Grafik-Ausgabe, für zyklische Wiederholungen von Grafikmustern und zur Farben-Umschaltung durchführt.

Ein weiteres Hilfsmittel sind sogenannte Sprites, die als Funktionsblöcke der Darstellung schnell verschiebbarer Objekte höherer Priorität unabhängig vom Bildwiederholspeicher dienen.

Für das Beschreiben des Bildwiederholspeichers aus den Rechenergebnissen des logischen Teils des Arbeitsprogramms und das Ansprechen der oben angegebenen Hilfsmittel ist Software zu erarbeiten.

Die im AmigaDos-Betriebssystem allgemein gehaltenen Grafik-Routinen werden erfindungsgemäß nicht verwendet sondern auch eigene, spezielle Grafik- Routinen ersetzt. Dadurch wird das Zeitverhalten bis um den Faktor ca. 100 im Einzelfall verbessert.

Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten werden folgende Aufgaben umgesetzt:

• - Erstellen und Bewegen der Grafiken für die Hintergrund-Landschaften
• - Erstellen und Bewegen der Grafiken für Straße und Wiese
• - Mittelstreifen-Steuerung
• - Erstellen und Bewegen der Grafiken für den Renngegner
• - Erstellen und Bewegen der Grafik für das Identifikationsbild, Drehzahlsteuerung,
• - Erstellen und Aufrufen der Grafiken für Texttafeln und Alphanumerik
• - Bearbeitung der Eingangs-Interfaces (Tastatur, Drehzahl-Signal, Herzpuls- Signal)
• - Bearbeitung der Lastausgabe
• - Berechnung von Geschwindigkeit, Leistung, Kalorienverbrauch, Zeit, Distanz, Drehmoment und anderer Daten in den Betriebsarten Tretkraftvorgabe, Leistungsregelung, Isokinetik und 12-Gangschaltung (Fahrdynamik)
• - Datenanzeigen in den verschiedenen Betriebsarten
• - Menü-Steuerung und -Abfragen
• - Computerführung (Instruction)
• - Partner-Steuerung
• - Überhol-Logik
• - Digitale Glättungen und Hysteresen
• - Verarbeitung von Kurven, Steigungen und Gefällen
• - Berechnung und Ausgabe des Fitness-Quotienten

Zu den Aufgaben der Umstellung auf Amiga gehört auch das Einbeziehen der Wettkampf-Schaltung (Competition), bei der zwei Trainingsgeräte über Signalkabel miteinander verbunden sind. Dabei werden die Daten für die Positionen der beiden Fahrer gegenseitig übertragen. Zur Datenübertragung war bisher eine Parallel-Schnittstelle verwendet worden.

Die einzige Parallel-Schnittstelle des Amiga soll aber für die Ausgabe des Leistungssignals an die Abbremseinheit reserviert werden, und die Wettkampfschaltung soll mit der seriellen Schnittstelle des Amiga ausgeführt werden. Deshalb wird die Ausgabe der eigenen Positionsdate an das andere Trainingsgerät und das Einholen der Positionsdate des anderen Fahrers mittels der seriellen Schnittstelle bearbeitet. Diese Programmierung geschieht unabhängig von Amiga-spezifischer Software von Hand.

Neue Merkmale Wannen

Auf ebener Erde nimmt der hoirzontale Abstand zwischen den Straßenrändern in der Bildschirmebene linear mit dem Abstand der betreffenden Monitorzeile von der Horizontlinie zu. Derart wurde die Straße bei Anstieg der Steigung (Wanne) bisher dargestellt.

Die geometrisch richtige Darstellung einer Wanne erfordert eine nichtlineare Abstandsberechnung der Straßenränder. Damit genügt es nicht mehr, die Straße als Dreieck darzustellen und durch horizontale Verschiebung der einzelnen Monitorzeilen gemäß der distanzabhängigen Kurvenfunktion Kurven zu erzeugen. Vielmehr muß zusätzlich die Form des Dreiecks gemäß dem Steigungsverlauf mit dem Ergebnis nichtlinearer Seitenlinien verändert werden. Hierzu ist wie bei der Kurvenerzeugung ein distanzabhängiges Kennlinienfeld abzuspeichern und per Software zu verarbeiten.

Erfindungsgemäß wird hierfür die Kurvenfunktion verwendet, die ohnehin abgespeichert ist und dadurch eine zweite Anwendung erfährt. Die Wannenfunktion kann bei geschickter Gestaltung der Software auch gleichzeitig mit der Kurvenfunktion im Straßenbild sichtbar gemacht werden.

Neue Landschaftsbilder

Zusätzlich zur bisher dargestellten Hügellandschaft und dem "Monument Valley" wird eine Flachlandschaft mit untergehender Sonne dargestellt. Außerdem wird das Bild der Alpenlandschaft verbessert.

Landschafts-orientierte Steigungsprofile

Bisher waren drei verschiedene Landschaftsbilder bei gleichen Steigungsprofilen aufrufbar. Erfindungsgemäß werden den vier oben angegebenen Landschaftsbildern verschiedene Steigungsprofile zugeordnet. Dadurch haben die Landschaftsbilder nicht mehr nur ästhetischen Charakter sondern auch Aussagefähigkeit über die Steigungen. Dabei hat die Flachlandschaft keine und die Alpenlandschaft die stärksten Steigungen und Gefälle. Diese gehen in die Optik der Straßendarstellung und in der Betriebsart "12-Gangschaltung" in das Abbremsmoment sowie in die Freilauf-Logik ein.

Darstellung des Steigungsprofils

Im unteren Teil des Bildschirms wird das Steigungsprofil dargestellt. Die eigene Position sowie die der Gegner wird durch farbige Punkte auf diesem Profil gekennzeichnet. Das Profil erstreckt sich vom linken bis zum rechten Bildrand über eine Distanz von 3 km. Wählt man eine andere Distanz, so wird die Darstellung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung komprimiert oder gedehnt. Die Steigungen bleiben dabei erhalten.

Funktion des Tasters "Instruction"

Um Unsicherheiten in der Bedienung des Gerätes zu vermeiden, wird es ermöglicht, in jedem Betriebszustand mittels des großen Tasters "Instruction" das Haupt-Menue aufzurufen, aus dem alles andere ersichtlich wird.

Grafik für Computer-Hauptmenue

Die Grafik für das Hauptmenue wird neu erstellt.

Das Markenzeichen des Gerätes wird als spezielle Grafik dem Himmel des Landschaftsbildes überlagert. In die Wiese des Landschaftsbildes wird eingeblendet:

Drücken Sie:
INPUT: Wenn Sie eine Anleitung wünschen!
START: Um eine neue Fahrt zu starten!
STOP: Um die Fahrt abzubrechen und die Fahrtauswertung zu erhalten!
MODUS: Wenn Sie das Insider-Menue wünschen!
ENTER: Um die Fahrt fortzusetzen!

Das Datenanzeigefeld zusammen mit dem Steigungsprofil im unteren Teil des Bildes bleibt auch während der Fahrt erhalten. Es umfaßt die Felder:

Puls
Zeit
Betriebsart
Geschwindigkeit
Distanz
Plazierung
Tretfrequenz
Kalorien
Leistung
Drehmoment

Grafik für sechs Renngegner

Anstelle des bisherigen einen Renngegners werden sechs Radfahrergrafiken in drei verschiedenen Farben dargestellt. Die Form der 6 Radfahrer ist gleich und wird einem gemeinsamen Speicher entnommen.

Radrennen

Anstelle der bisherigen Zufallssteuerung der Leistung des Renngegners werden den 6 Renngegner 6 verschiedene Leistungen zugeordnet und zwar ca. 50, 100, 150, 200, 250 und 300 W. Demgemäß werden die Grafiken ausgegeben. Die Renngegner überholen sich gegenseitig nicht, können aber vom Fahrer überholt werden oder ihn überholen. Der Übersichtlichkeit halber und um dem Fahrer Gelegenheit zu geben, die schwächeren Gegner zu überholen, starten die Renngegner ohne Beschleunigungsvorgang mit den ihrer jeweiligen Leistung zugeordneten Geschwindigkeiten. Beim Überholen und beim Überholtwerden der Renngegner ist der Spurwechsel zu simulieren. Demgemäß wird die Software zur Bewegungs- und Größensteuerung der Renngegner und der Straße ausgeführt.

Die eigene Plazierung im Radrennen wird im Datenanzeigefeld laufend ausgegeben.

Die Renngegner werden auch im Steigungsprofil als farbige Punkte angezeigt, sodaß der Fahrer auch hier gut seine Position erkennen kann. Es sind dabei besondere Grenzbedingungen zu berücksichtigen, die eintreten, wenn bei großen Distanzen das Feld weit auseinanderfällt.

Herzpuls/Leistungs-Diagramm

Für den Trainingszustand des Fahrers ist vor allem die Abhängigkeit der Herzpulsfrequenz von der Leistung über der Zeit wissenswert. Es wird deshalb eine großflächige Diagrammtafel angelegt, welche mittels des Tasters "Enter" während der Fahrt jederzeit aufrufbar ist. In diese Diagrammtafel wird in Rot die Herzpulsfrequenz und in Weiß die Leistung eingetragen. Demgemäß ist auch die vertikale Achse mit roten und weißen Zahlen geeicht. Die horizontale Achse ist in Minuten geeicht.

Anlage zur Patentanmeldung Verfahren zur Verbesserung eines Fahrrad-Simulators Computer-Programm

Die Anlage ist im Deutschen Patentamt zur freien Einsicht hinterlegt, sie umfaßt 109 Seiten eines Computerprogramms.

Claims (1)

1. Verfahren zur Verbesserung eines Fahrrad-Simulators, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a) für den Fahrcomputer und den Bildgenerator ein handelsüblicher Rechner mit Hilfsmitteln zur Unterstützung von grafischen Darstellungen vorgesehen ist,
   • b) die Grafik für das Umgebungsbild Pixel-orientiert erstellt wird,
   • c) die gesamte Software des bekannten Fahrrad-Simulators auf die Norm des neuen Rechners umgeschrieben wird,
   • d) die Eingangs- und Ausgangsschnittstellen angepaßt werden,
   • e) die Landschaftsbilder erweitert werden,
   • f) verschiedene Steigungsprofile den Landschaften zugeordnet werden,
   • g) die Steigungsprofile im unteren Bereich grafisch dargestellt werden,
   • h) mittels des Tasters "Instruction" die Möglichkeit geschaffen wird, in jedem Betriebszustand ein Hauptmenue aufzurufen,
   • i) eine Hauptmenue-Tafel dem Landschaftsmenue überlagert wird,
   • j) sechs Renngegner dargestellt werden,
   • k) ein Radrennen gegen sechs Gegner simuliert wird und
   • l) ein Herzpuls-Leistungs-Diagramm aufrufbar ist.