NL1014658C2

NL1014658C2 - Snelheidsmeter.

Info

Publication number: NL1014658C2
Application number: NL1014658A
Authority: NL
Inventors: Per Johan Slycke; Casper Peeters
Original assignee: Xsens Sports Technologies B V
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-09-19
Also published as: US20020002863A1; CA2402904A1; AU2001242869A1; WO2001069180A1; EP1264158A1

Description

SNELHEIDSMETER

De uitvinding betreft een inrichting voor het bepalen van snelheid en afgelegde afstand door het meten van opeenvolgende stapbewegingen van een object.

Het meten van de snelheid van een object, dat 5 een stapbeweging maakt, bijvoorbeeld een hardloper, is relatief gecompliceerd. Het is namelijk noodzakelijk de verplaatsing van het object te meten ten opzichte van de aarde. Aangezien er geen delen van het object zijn die continue in contact staan met de aarde is het niet 10 mogelijk om met conventionele meetmethoden, zoals toegepast in bijvoorbeeld auto's, de snelheid en afgelegde weg te meten.

Er zijn systemen bekend voor het meten van de snelheid van een object, dat een stapbeweging maakt, die 15 meetmiddelen omvatten voor het meten van de versnellingen in drie hoofdrichtingen en de hoeken waaronder deze meetmiddelen zich bevinden ten opzichte van de aarde. Een dergelijke inrichting is bijvoorbeeld bekend uit US-A-5 899 963. De hoeksnelheden kunnen gemeten worden 20 door middel van gyroscopen waaruit de hoeken afgeleid kunnen worden door integreren. Met de berekende hoeken en gemeten versnellingen kan vervolgens door integratie de snelheid en de afgelegde weg berekend worden. Het nadeel van een dergelijke inrichting is echter dat gyroscopen 25 relatief zwaar en groot zijn en veel energie nodig hebben, waardoor toepassing van een dergelijke inrichting voor bijvoorbeeld hardlopers niet geschikt is. Daarnaast zijn de meetmiddelen relatief duur, waardoor deze systemen niet geschikt zijn voor verkoop aan een groot 30 publiek.

US-A-5 955 667 beschrijft een eenvoudigere meetinrichting, waarbij de versnelling in twee richtingen gemeten wordt en verder slechts één hoek gemeten wordt 1014658 2 met behulp van een hoekopnemer die de voornoemde nadelen bezit. Verder moet de meetinrichting zo op bijvoorbeeld een schoen geplaatst worden, dat de eerste meetrichting voor versnellingen de looprichting is en dat de tweede 5 versnellingsmeetriching loodrecht omhoog gericht is.

Vervolgens wordt met de hoekopnemer gemeten onder welke hoek de schoen zich bevindt. Er wordt dus vanuit gegaan dat de schoen zich tijdens de stapbeweging in een verticaal vlak beweegt. Dit is geenszins het geval 10 tijdens de loopbeweging van een persoon. Een ieder heeft zijn eigen loopbeweging, waarbij de voet zich in alle richtingen beweegt en verschillende richtingen opdraait. Een dergelijke inrichting heeft afhankelijk van de persoon een meetfout en geeft aldus slechts schattingen 15 van de snelheid en de afgelegde weg.

WO-A-99 44016 beschrijft een zeer vereenvoudigde meetinrichting, die slechts één versnellingsmeter bevat. Het gemeten signaal wordt geïntegreerd ten einde een indicatie te verkrijgen voor 20 de voorwaartse snelheid. Deze indicatie wordt door middel van een empirisch bepaalde factor omgerekend tot een snelheid. Deze snelheid is een indicatie voor de snelheid van het object, maar zal een aanzienlijk fout bevatten, indien bijvoorbeeld de versnellingsmeter zich niet in het 25 vlak van de beweging bevindt of indien de stapbeweging anders is dan de stapbeweging op basis waarvan de empirische factor is bepaald.

Het is een doel van de uitvinding een meetinrichting te verschaffen, die de bovengenoemde 30 nadelen geheel of gedeeltelijk niet heeft.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door een inrichting, die omvat: - meetmiddelen voor het in twee hoofdrichtingen meten van de versnelling van het object tijdens een 35 stapbeweging; - verwerkingsmiddelen voor het uit de gemeten versnellingen bepalen van de snelheid, waarbij de verwerkingsmiddelen zodanig zijn ingericht dat 1 014 558 3 de gemeten versnellingen aan de hand van een oriëntatieverloop geïntegreerd worden tot een snelheid en eventueel bepaling van de afgelegde afstand; - middelen voor het weergeven van de door de 5 verwerkingsmiddelen berekende snelheid en eventueel de afgelegde afstand.

De hoofdrichtingen hoeven niet noodzakelijk loodrecht op elkaar te staan, maar bij het meten van twee richtingen mogen ze niet op één lijn liggen en bij het 10 meten van drie richtingen mogen ze niet in één vlak liggen.

Door uit te gaan van een standaard oriëntatieverloop van het object, wordt het mogelijk de versnellingen van het object in de hoofdrichtingen te 15 transformeren naar de versnellingen van het object ten opzichte van de aarde. Hierdoor wordt het mogelijk de snelheid van het object en aldus ook de afgelegde afstand te bepalen. Na het meten van de stapbeweging kan aan de hand van een aantal criteria bepaald worden of het 20 gekozen oriëntatieverloop juist was, of dat een aangepast oriëntatieverloop genomen moet worden om een hogere nauwkeurigheid te bereiken. Door steeds het oriëntatieverloop te verbeteren, wordt de meetfout geminimaliseerd en wordt er tevens rekening gehouden met 25 wisselende loopomstandigheden.

In een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding vindt het aanpassen van het oriëntatieverloop plaats door het aan de hand van berekeningen uit een tabel selecteren van een oriëntatieverloop. Wanneer bijvoorbeeld de 30 inrichting gebruikt wordt voor hardlopers, dan kunnen de verschillende snelheden in een tabel geplaatst worden en de daarbij behorende oriëntatieverlopen van de voet tijdens het lopen. Daarbij kan de stijl van lopen verder nog van belang zijn voor het maken van een betere keuze. 35 In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding vindt het aanpassen van het oriëntatieverloop plaats door het aan de hand van de berekeningen wijzigen van delen van het oriëntatieverloop. Door bijvoorbeeld het

iü ïJ H C' O O

4 toepassen van een expertsysteem, fuzzy-logic of een neuraal netwerk wordt het mogelijk op een relatief intelligente wijze het standaard gekozen oriëntatieverloop aan te passen. Ook kan met een 5 dergelijk intelligent systeem een slimme keuze uit een tabel worden gemaakt. Zo wordt het mogelijk om het oriëntatieverloop geheel aan de loper aan te passen en daarmee de meetfout te minimaliseren.

In weer een andere uitvoeringsvorm volgens de 10 uitvinding kan het standaard oriëntatieverloop geselecteerd worden afhankelijk van de tijdens de vorige stapbeweging gemeten versnellingen. Tijdens de vorige stapbeweging kan een ruwe schatting gemaakt worden van bijvoorbeeld de snelheid of de loopstijl, aan de hand van 15 bepaalde pieken en dalen in de gemeten versnellingen, waarbij dan een zeker oriëntatieverloop gekozen wordt. Hierdoor wordt de iteratieprocedure om tot een zo klein mogelijke meetfout te komen verkort waardoor tijdens een traject eerder met de minimale meetfout gemeten wordt.

20 Volgens de uitvinding kunnen de te kiezen criteria voor het aanpassen van het oriëntatieverloop, de afwijkingen tussen vooraf gegeven randvoorwaarden en berekende waarden omvatten. Aan de hand van de versnellingen en het oriëntatieverloop wordt de snelheid 25 berekend. Aan het einde van de stap, dient de resulterende snelheidsvector en de gemiddelde snelheid dwars op de looprichting weer nul te zijn. Indien dit niet het geval is, dan dient het oriëntatieverloop aangepast te worden.

30 In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding zijn de verwerkingsmiddelen zodanig ingericht dat in een ruststand de oriëntatie van twee van de drie hoofdrichtingen ten opzichte van de zwaartekracht bepaald wordt. Met versnellingsmeters, die ook de zwaartekracht 35 kunnen meten, is het mogelijk om in ruststand te bepalen hoe de inrichting gepositioneerd is ten opzichte van de zwaartekracht. Hierdoor is het mogelijk om de inrichting in elke gewenste stand op de schoen te plaatsen.

1014658 5

Daarbij zijn de verwerkingsmiddelen verder bij voorkeur wanneer drie hoofdrichtingen gemeten worden zodanig ingericht dat na een stapbeweging de oriëntatie van de drie hoofdrichtingen ten opzichte van de 5 resulterende snelheidsvector bepaald wordt. Samen met de oriëntatie ten opzichte van de zwaartekracht is het zo mogelijk om te bepalen hoe de drie hoofdrichtingen georiënteerd zijn ten opzichte van de looprichting. Hierdoor wordt het iteratieproces om tot een goed 10 oriëntatieverloop en een minimale fout te komen bekort. Ook hierdoor is het mogelijk om de inrichting in elke gewenste stand op de schoen te plaatsen.

Om het begin en eind van de stapbeweging te kunnen bepalen, is het natuurlijk mogelijk om een 15 drukschakelaar in het contactvlak, tussen object en de aarde, aan te brengen, maar volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de verwerkingsmiddelen zodanig ingericht dat aan de hand van de gemeten versnellingen het einde van een stapbeweging 20 bepaald wordt. Wanneer het object de grond raakt, zullen door de schok de gemeten versnellingen aanzienlijk afwijken van de versnellingen tijdens de stap en hierdoor wordt het mogelijk te bepalen wanneer de stapbeweging voltooid is.

25 Met de gevonden stapduur is het mogelijk de volgende stap te voorspellen en hoeft deze volgende stap alleen nog maar gecontroleerd te worden.

In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de uitvinding zijn weergeefmiddelen ondergebracht in een 30 polshorloge, zodat een hardloper eenvoudig kan zien wat zijn snelheid is en bijvoorbeeld de afgelegde weg. In dit horloge kunnen natuurlijk ook andere functies ondergebracht worden, zoals een stopwatch en tijdaanduiding. Bij voorkeur staan de weergeefmiddelen 35 draadloos in verbinding met de verwerkingsmiddelen en/of staan de meetmiddelen draadloos in verbinding met de verwerkingsmiddelen.

;i 014 S 5 8 6

Deze en andere kenmerken volgens de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen.

Figuur 1 toont een hardloper, die de inrichting 5 volgens de uitvinding draagt.

Figuur 2 toont de voet van de loper volgens figuur 1.

Figuur 3 toont een schematische weergave van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

10 Figuur 4 toont schematisch in meer detail een component van figuur 3.

Figuur 5 toont een stroomschema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een loper L getoond, die op een 15 voet V een inrichting 1 draagt. Verder heeft de loper L om zijn pols een horloge 2, waarop hij de berekende waarden van de inrichting 1 kan aflezen. De gegevens van de inrichting 1 worden draadloos overgezonden naar het polshorloge 2.

20 In figuur 2 is de voet V nader getoond. Op de wreef is de inrichting 1 geplaatst. De inrichting 1 kan natuurlijk ook ergens anders op de voet worden geplaatst. Verder zijn de drie hoofdrichtingen waarin de inrichting 1 meet getoond. Deze hoofdrichtingen X, Y, Z zijn 25 verdraaid ten opzichte van de voet V.

In figuur 3 is schematisch de inrichting 1 getoond. De inrichting 1 omvat drie versnellingsopnemers 3, die elk in een hoofdrichting X, Y, Z de versnellingen meten. De gemeten versnellingen worden vervolgens aan een 30 verwerkingseenheid 4 toegevoerd, die berekeningen uitvoert aan de hand van deze versnellingen en vervolgens berekende waarden doorgeeft aan het polshorloge 2. De verwerkingseenheid kan op de schoen, in het horloge of op een andere plaats zijn aangebracht.

35 In figuur 4 is in meer detail aangegeven hoe een deel van de verwerkingseenheid 4 in een voorkeursuitvoeringsvorm kan werken. De drie gemeten versnellingen X, Y, Z worden verzameld en zijn ter 1014658 7 verduidelijking als een grafiek 5 weergegeven, waarin de versnellingen van één stap zijn weergegeven als functie van de tijd. De versnellingen worden aan een berekeneenheid 6 doorgeleid, waar deze versnellingen 5 geïntegreerd worden. De versnellingen worden eveneens aan een opzoektabel 7 doorgeleid, waar een standaard oriëntatieverloop 8 gekozen wordt. Dit oriëntatieverloop is als een grafiek 9 weergegeven en wordt eveneens aan de rekeneenheid 6 doorgegeven. Dit hoekverloop is 10 noodzakelijk om de drie hoofdrichtingen X, Y, Z te kunnen transformeren naar een assenstelsel, waarbij de zwaartekracht één van de hoofdrichtingen is en de looprichting (of sagitale richting) een andere.

Vervolgens wordt geïntegreerd waarbij de zwaartekracht in 15 mindering gebracht wordt bij de gemeten versnellingen, indien absolute versnellingsopnemers gebruikt worden. Na de integratie door de rekeneenheid 6 wordt een snelheidsverloop van één stap verkregen. Dit snelheidsverloop of een bewerking daarvan, zoals 20 gemiddelde snelheid of afstand, kan worden doorgegeven aan het polshorloge. Indien de resulterende snelheid aan het einde van de stap, ter plaatse van verwijzingscijfer 11 in de grafiek 10 niet gelijk is aan nul, dan dient door terugkoppeling naar de opzoektabel 7 het standaard 25 oriëntatieverloop aangepast te worden, net zolang totdat de fout minimaal, dat wil zeggen onder een drempelwaarde, is. Ook wanneer de gemiddelde snelheid dwars op de looprichting niet nul is, dient het oriëntatieverloop aangepast te worden.

30 Het berekende snelheidsverloop 10 kan gemiddeld worden ten einde een gemiddelde snelheid van de stap te berekenen of kan nogmaals geïntegreerd worden ten einde de staplengte te kunnen berekenen.

De achtereenvolgende staplengtes kunnen 35 vervolgens gesommeerd worden om de afgelegde afstand te berekenen. Snelheid en afgelegde afstand kunnen worden doorgegeven aan het weergeefmiddel, evenals parameters zoals het aantal stappen per minuut (de frequentie), 1014658 8 aftellende afstand (countdown) en de minimaal en maximaal bereikte snelheid.

In figuur 5 wordt een stroomdiagram getoond van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding. Bij blok 21 5 wordt de meetcyclus gestart. Allereerst wordt bij 22 bepaald of de gebruiker stil staat. Indien dit niet het geval is, wordt er bepaald bij 23 of er eerder een periodiek signaal is gevonden. Als dit het geval is, zal bij 24 de gevonden periodiciteit gecontroleerd worden met 10 de verwachting en zullen er eventueel kleine aanpassingen in de duur van de stap gemaakt worden.

Als bij 22 geconstateerd is dat de gebruiker stil staat, dan zal de helling van de sensor ten opzichte van de zwaartekracht bij 25 bepaald worden en worden twee 15 hoofdrichtingen vastgelegd. Daarna wordt bij 26 bepaald of de gebruiker stil staat. Indien dit het geval is, dan zal opnieuw de helling van de sensor bepaald worden bij 25. Indien de gebruiker niet stil staat, dan zal bij 27 de periodiciteit in het versnellingssignaal bepaald 20 worden. Het begin en de duur van de eerste stap wordt aldus opgezocht.

Hierna, of nadat de bewerkingen van 24 zijn uitgevoerd, wordt bepaald of de gevonden waarden voor begin en duur van de stap binnen het verwachte bereik 25 zijn. Indien dit niet het geval is, zal opnieuw bij 27 de periodiciteit in het versnellingssignaal bepaald worden.

Wanneer echter de waarden voor begin en duur van de stap in orde zijn, dan wordt bij 29 de hoek bepaald die de sensor maakt met de looprichting.

30 Vervolgens worden bij 30 de gemeten versnellingen van één stap met behulp van het oriëntatieverloop getransformeerd naar het coördinatenstelsel van de aarde. Daarna worden bij 31 de versnellingen in het stelsel van de aarde numeriek geïntegreerd.

35 Na integratie wordt bij 33 bepaald of het berekende snelheidsverloop overeenkomt met de gegeven randvoorwaarden, zoals de voorwaarde dat aan het eind van de stap de resulterende snelheid nul en de gemiddelde .1 014 6 58 9 snelheden dwars op de looprichting nul zijn. Indien dit niet het geval is, zal bij 32 het oriëntatieverloop aangepast worden door middel van een tabel of een expertsysteem, fuzzy-logic, of neuraal netwerk.

5 Indien bij 33 voldaan is aan de gegeven randvoorwaarden, dan wordt de gemiddelde snelheid van de stap berekend en kan de volgende stap gemeten en berekend worden.

.1 01465«

Claims

1. Inrichting voor het bepalen van snelheid en eventueel afgelegde afstand door het meten van opeenvolgende stapbewegingen van een object, welke inrichting omvat: 5. meetmiddelen voor het in twee hoofdrichtingen meten van de versnelling van het object tijdens een stapbeweging; - verwerkingsmiddelen voor het uit de gemeten versnellingen bepalen van de snelheid, waarbij de 10 verwerkingsmiddelen zodanig zijn ingericht dat de gemeten versnellingen aan de hand van een oriëntatieverloop geïntegreerd worden tot een snelheid en eventueel bepaling van de afgelegde afstand; - middelen voor het weergeven van de door de 15 verwerkingsmiddelen berekende snelheid en eventueel de afgelegde afstand.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de meetmiddelen in een derde hoofdrichting de 20 versnelling van het object meten.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het standaard oriëntatieverloop van het object tijdens een eerste stapbeweging geselecteerd wordt uit 25 een reeks oriëntatieverlopen.

4. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het oriëntatieverloop aan de hand van te kiezen 30 criteria aangepast wordt voor de berekening van een volgende stapbeweging.

5. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, 1014858 met het kenmerk, dat het aanpassen van het oriëntatieverloop plaatsvindt door het aan de hand van de berekeningen uit een tabel selecteren van een oriëntatieverloop.

6. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het aanpassen van het oriëntatieverloop plaatsvindt door het aan de hand van de berekeningen 10 wijzigen van delen van het oriëntatieverloop.

7. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het selecteren van het oriëntatieverloop 15 afhankelijk is van de tijdens de vorige stapbeweging gemeten versnellingen.

8. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat 20 de te kiezen criteria afwijkingen tussen vooraf gegeven randvoorwaarden en berekende waarden omvatten.

9. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat 25 de verwerkingsmiddelen zodanig zijn ingericht dat in een ruststand de oriëntatie van de drie hoofdrichtingen ten opzichte van de zwaartekracht bepaald wordt.

10. Inrichting volgens één van de voorgaande 30 conclusies, met het kenmerk, dat de verwerkingsmiddelen zodanig zijn ingericht, dat na een stapbeweging de oriëntatie van de drie hoofdrichtingen ten opzichte van de resulterende 35 snelheidsvector bepaald wordt.

11. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat 1 0 1 4 S 5 8 de verwerkingsmiddelen zodanig zijn ingericht “ dat aan de hand van de gemeten versnellingen het einde van een stapbeweging bepaald wordt.

12. Inrichting volgens één van de voorgaande 5 conclusies, met het kenmerk, dat de weergeefmiddelen zijn ondergebracht in een polshorloge.

13. Inrichting volgens conclusie 12, 10 met het kenmerk, dat de verbinding van de weergeefmiddelen, meetmiddelen en/of de verwerkingsmiddelen draadloos is. I -Ί .·> T ."· ET (¾ y