DE102017222924B4

DE102017222924B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad

Info

Publication number: DE102017222924B4
Application number: DE102017222924.1A
Authority: DE
Inventors: Estefania Munoz Diaz; Fabian de Ponte Müller; Eduardo Pérez González
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2037-12-16
Also published as: DE102017222924A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht und das Metall aufweist oder aus Metall besteht, mit den Schritten:- Empfangen eines Signals an einer Schnittstelle (11), das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst;- Ermitteln der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal durch eine Verarbeitungseinheit (12);- Bestimmen der Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit (12); dadurch gekennzeichnet, dass aus dem erfassten Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig gemacht wird, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt, indem ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines, insbesondere zwei- oder dreirädrigen, Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht und das Metall aufweist oder aus Metall besteht. Die Erfindung betrifft insbesondere die Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrrads.
Unter einem Fortbewegungsmittel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes zur Beförderung zumindest einer Person geeignete Fortbewegungsmittel zu verstehen. Das Fortbewegungsmittel kann motorisiert oder nicht-motorisiert ausgebildet sein. Als Fortbewegungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sowohl schienengebundene Verkehrsmittel (Zug, S-Bahn, U-Bahn, Trambahn) als auch nicht-schienengebundene Verkehrsmittel, wie z.B. Lastkraftwagen, Personenkraftwagen, Motorräder, Fahrräder und dergleichen, zu verstehen.
Ein Fortbewegungsmittel kann eine beliebige Anzahl an Rädern aufweisen. Unter zweirädrigen Fortbewegungsmitteln werden insbesondere Fahrräder verstanden, deren Fortbewegung alleine durch das Treten eines Nutzers, ggf. unterstützt durch einen Elektromotor (E-Bike oder Pedelec) erfolgt. Unter zweirädrige Fortbewegungsmittel fallen auch Rollstühle, Tretroller, usw. Die beiden Räder können des Fortbewegungsmittels können die gleiche oder eine unterschiedliche Größe aufweisen. Unter dreirädrige Fortbewegungsmittel fallen z.B. Lastenräder, welche zur Beförderung von kleineren Gegenständen, wie z.B. Kindern, ausgebildet sind, ebenso wie (Fahrrad-)Rikschas. Vierrädrige Fortbewegungsmittel sind insbesondere Klein-Lastwagen oder Personenkraftwagen. Das Fortbewegungsmittel kann auch mehr als vier Räder aufweisen, wie dies beispielsweise bei größeren Lastkraftwagen der Fall ist.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend auf ein zwei- oder dreirädriges Fortbewegungsmittel in Gestalt eines Fahrrads Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass das hierin beschriebene Prinzip auch bei den anderen, oben genannten Fortbewegungsmitteln in seinem Grundprinzip zur Anwendung kommen könnte.
Die Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrrads erfordert das Vorhandensein einer geeigneten Sensoreinheit. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von der Bestimmung einer „Geschwindigkeit“ die Rede ist, so ist hierunter der Betrag der Geschwindigkeit, nicht jedoch die Richtung, in der sich das Fortbewegungsmittel bewegt, zu verstehen.
Beispielsweise ist es bekannt, die Fortbewegung eines Fahrrads unter Verwendung eines Odomoters, das an dem Fahrrad befestigt ist und die Anzahl der Raddrehungen zählt, oder eines globalen Satellitennavigationssystems (Global Navigation Satellite System, GNSS) zu bestimmen.
Ein GNSS ist in der Lage, die Position und Geschwindigkeit des Fahrrads und damit die Bodengeschwindigkeit (d.h. die Geschwindigkeit, mit der sich das Fahrrad über dem Grund bewegt) zu bestimmen. GNSS weisen jedoch den Nachteil einer begrenzten Verfügbarkeit und teilweise größeren Fehlern auf. So können GNSS-Signale durch hohe Gebäude, andere Fahrzeuge oder Bäume temporär abgeschattet werden, wodurch die Positionsbestimmung und Bestimmung der Geschwindigkeit nicht mehr zuverlässig möglich ist. In urbanen Umgebungen besteht darüber hinaus das Problem, dass eine vollständige Abschattung von Satelliten und eine Mehrpfadausbreitung von Satellitensignalen zu einer rapiden Verschlechterung der Qualität der zur Verfügung gestellten Position und Geschwindigkeit führt. Unterhalb von Brücken oder im Inneren von Tunneln oder Parkgaragen ist es vollständig unmöglich, mit Hilfe eines GNSS die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu bestimmen.
Ein Odometer, welches an dem Fahrrad befestigt wird, um die Anzahl der Drehungen eines Rads festzustellen, bestimmt die Geschwindigkeit des Fahrrads, indem die Anzahl der Raddrehungen in einem Beobachtungsintervall verrechnet wird. Ein Odometer umfasst üblicherweise zwei Teile. Ein sog. Speichenmagnet wird an einer Speiche des Rads befestigt, der das Magnetfeld eines benachbart angeordneten Sensors beim Vorbeiziehen verändert. Der Sensor kann dann die Anzahl der Drehungen an eine Recheneinheit übermitteln, welche aus der Anzahl an Drehungen in dem Beobachtungsintervall in Verbindung mit einem vorab bestimmten und der Recheneinheit bekannten Radumfang die Geschwindigkeit berechnet. Dieses Vorgehen erfordert eine regelmäßige Überprüfung, ob der Speichenmagnet und/oder der mit dem Speichenmagnet zusammenwirkende Sensor in korrekter Weise zueinander positioniert sind. Darüber hinaus kann es mit der Zeit zu einem sich verändernden Radumfang kommen, so dass eine neue Kalibration des Odometers erforderlich ist.
In Zukunft ist davon auszugehen, dass Nutzer eines Fahrrads nicht ausschließlich mit ihrem eigenen Fahrrad, sondern Leihfahrräder oder andere, auf Zeit gemietete Fortbewegungsmittel nutzen werden. Aus Kostengründen sind bei Leihfahrrädern in der Regel weder Odometer noch GNSS-Empfänger vorgesehen, so dass ein Nutzer bei deren Nutzung keine Information über seine aktuelle Geschwindigkeit hat. Es wäre daher wünschenswert, auch in solchen Anwendungen die Geschwindigkeit eines sich fortbewegenden Fahrrads auf einfache Weise bestimmen zu können.
Die US 9,513,307 B2 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Magnetometers, indem periodisch auftretende Veränderungen des Erdmagnetfelds, die durch die Drehung der Räder des Fahrzeugs verursacht sind, ausgewertet werden. Die Bestimmung der Rotationsfrequenz eines Rads wird durch die Bestimmung der Hauptfrequenz in einem Frequenzspektrum in einem erfassten Signal realisiert, indem das Signal mit der höchsten Amplitude bestimmt wird. Dazu wird das Magnetometer in der Nähe des sich drehenden Rads angeordnet. Aus der Kenntnis des Radius des Rads und der bestimmten Signalfrequenz kann dann auf die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs geschlossen werden.
Die Publikation A. Milenkovic, M. Milesevic, E. Jovanov, Smartphones for smart wheelchairs. In: 2013 IEEE International Conference on Body Sensor Networks, Cambridge, MA, USA, 2013 pp. 1-6, wird vorgeschlagen, einen Magneten am Rad eines Rollstuhls zu befestigen und das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld zur Ermittlung einer Geschwindigkeit auszuwerten.
Aus der JP 2009 042 190 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Signalfrequenz entsprechend der Rotation eines Reifens eines Fahrzeugs aus dem von einem Magnetometer erfassten Signal ermittelt wird.
Die DE 10 2014 226 612 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit Hilfe eines Magnetfeldsensors. Bei dem Verfahren wird die sich in Folge der Drehung eines Rads des Schienenfahrzeugs periodisch ändernde Magnetfeldstärke am Ort des Magnetfeldsensors gemessen. Die Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs erfolgt durch eine Filterung des Messsignals zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängigen Effekten zurückzuführenden Signalanteilen sowie dem Erstellen einer Frequenzspektralanalyse.
Die US 2014/0278218 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Nutzers eines Brettsports, wie z.B. wie eines Skateboards, eines Surfbretts oder eines Snowboards, unter Verwendung eines Beschleunigungssensors. Hierbei werden Beschleunigungskräfte im dreidimensionalen Raum erfasst.
Die EP 1 897 780 A2 offenbart ein Magnetfelderkennungssystem zur witterungsunabhängigen Ermittlung des Anhaltens eines bestimmten, translatorisch auf einer vorgegebenen Bahn bewegten Fahrzeugs. Hierbei werden mehrere Messsensoren entlang der zu überwachenden Bahnsteigkante verteilt, die die Veränderung des durch ein vorbeifahrendes oder anhaltendes Schienenfahrzeug veränderten Erdmagnetfelds als Messwerte erfassen. Die Messsensoren sind als Magnetfeldsensoren ausgebildet. Durch die Erfassung der Analyse der zeitlichen Verläufe sämtlicher Sensordaten kann mit Hilfe eines zentralen Steuerungs- und Auswerterechners ein vorbeifahrendes und anschließend zum Stillstand kommendes Schienenfahrzeug erkannt werden. Dazu werden Signalwechselspannungen nach Signalverlauf, Mittelwert, Amplitude und differentiellen Änderungen nach der Zeit bewertet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines, insbesondere zwei- oder dreirädrigen, Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad anzugeben, das die Bestimmung der Geschwindigkeit ohne die Installation eines Sensors an dem Fortbewegungsmittel erlaubt und gleichzeitig eine Geschwindigkeitsinformation ausgibt, die unabhängig von der Umgebung, in der sich das Fortbewegungsmittel fortbewegt, eine hohe Genauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Software gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad vorgeschlagen. Während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht sich das Rad. Das Rad weist ein Metall auf oder besteht aus einem Metall. Bei dem Fortbewegungsmittel handelt es sich insbesondere um ein zwei- oder dreirädriges, z.B. nicht-motorisiertes, Fortbewegungsmittel, wie z.B. ein Fahrrad, ein Tretroller, ein Rollstuhl und dergleichen. Das Verfahren umfasst den Schritt des Empfangens eines Signals an einer Schnittstelle, das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal durch eine Verarbeitungseinheit. Das Verfahren umfasst schließlich das Bestimmen der Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit. Erfindungsgemäß wird aus dem erfassten Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig gemacht, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt, indem ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt wird.
Zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht erforderlich, an dem Fortbewegungsmittel selbst eine Sensoreinheit anzubringen, auch wenn dies grundsätzlich möglich ist. Da keine Sensoreinheit an dem Fortbewegungsmittel angeordnet werden muss, lässt sich das Verfahren auch in multimodalen Navigationsanwendungen einsetzen.
Als weiterer Vorteil verzichtet das vorgeschlagene Verfahren auf die Verarbeitung von GNSS-Signalen. Dadurch lässt sich das Verfahren in verschiedenen Umgebungen, insbesondere in urbanen Umgebungen und innerhalb von Tunneln, ohne Qualitätsverschlechterung anwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Überlegung, dass die Bestimmung der Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels mit herkömmlichen Methoden umständlich bzw. unflexibel ist, da eine Sensoreinheit an dem Fortbewegungsmittel angeordnet werden muss, oder in bestimmten Umgebungsbedingungen zu einem unbefriedigenden oder ausfallenden Geschwindigkeitswert führt. Um diese Nachteile zu umgehen, nutzt das erfindungsgemäße Verfahren das Vorhandensein des Erdmagnetfelds, welches durch die Bewegung des Fortbewegungsmittels, insbesondere durch die Drehung des zumindest einen Rads, eine detektierbare Verzerrung hervorruft. Dieses Signal wird durch eine Verarbeitungseinheit ausgewertet, wobei aus der frequenzabhängigen Signalenergie die Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelbar ist. Aus der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung kann dann die Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf einfache Weise mit geringen Hardwareressourcen durchführen. Es ist robust, insbesondere im Hinblick auf die Umgebung, in welcher sich der Nutzer des Fortbewegungsmittels bewegt. Das Ergebnis der Bestimmung der Geschwindigkeit ist insbesondere unabhängig davon, ob sich das Fortbewegungsmittel in einem urbanen Gelände mit Hochhäusern, einem Tunnel, einem Wald oder im freien Gelände bewegt. Aufgrund der geringen Anforderungen an die Hardwareressourcen ist eine kostengünstige Realisierung möglich.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird das Signal von einer Sensoreinheit empfangen. Mit anderen Worten sendet die Sensoreinheit das Signal, das eine frequenzabhängige Signalenergie der durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds umfasst, aus und dieses Signal wird an der Schnittstelle zu weiteren Verarbeitung empfangen.
Es ist bevorzugt, wenn die Sensoreinheit zur Erfassung der durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds in räumliche Nähe zu einem der sich drehenden Räder angeordnet wird. Unter dem Begriff „in räumliche Nähe“ ist insbesondere in Bezug der Sensoreinheit in Höhenrichtung zu dem zumindest einen Rad zu verstehen. Die Sensoreinheit wird zweckmäßigerweise insbesondere seitlich neben dem sich drehenden Rad oder seitlich dahinter oder seitlich darüber oder seitlich davor angeordnet. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ermittlung der Frequenz des Auftretens der durch die Drehung des Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal umso leichter zu bestimmen ist, je näher die Sensoreinheit an dem zumindest einen sich drehenden Rad angeordnet ist.
Es ist daher zweckmäßig, wenn die Sensoreinheit am Körper eines Nutzers des Fortbewegungsmittels getragen wird, da dann die erwünscht räumliche Nähe der Sensoreinheit zu einem der sich drehenden Räder gegeben ist. Im Falle der bevorzugten Anwendung bei einem Fahrrad kann die Sensoreinheit beispielsweise an einem Bein des Radfahrers befestigt werden. Dadurch befindet sich die Sensoreinheit seitlich neben und hinter (in Bezug auf das Vorderrad) oder vor (in Bezug auf das Hinterrad) dem Rad, welche die Verzerrung des Erdmagnetfelds hervorrufen. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, ist dabei keine dezidierte Zuordnung der Sensoreinheit zu einem bestimmten Rad erforderlich, da die Frequenz des Auftretens der durch die Drehung des Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds immer aus dem Gesamtsignal eindeutig ermittelt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt. Mit anderen Worten erfolgt eine Berücksichtigung der zeitlichen Veränderung der Frequenz. Diese Ausgestaltung kann durch die Verarbeitungseinheit dazu genutzt werden, aus dem Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig zu machen, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt. Dies ist beispielsweise bei der bevorzugten Anwendung bei einem Fahrrad von Bedeutung, da nicht nur die sich drehenden Räder eine Verzerrung des Erdmagnetfelds hervorrufen, sondern die Verzerrung auch davon abhängig ist, ob der Nutzer des Fahrrads die Pedale betätigt oder nicht. Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs ermöglicht eine Unterscheidung der beiden, durch Verzerrung hervorgerufenen, Frequenzverläufe.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds das Entfernen oder Verwerfen einer gleichförmigen Signalkomponente aus dem Signal, welche durch das Magnetfeld der Erde hervorgerufen ist.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds das Entfernen oder Verwerfen einer veränderlichen Signalkomponente durch sich zumindest temporär bewegende, aber von dem zumindest einen Rad unterschiedliche, metallische Teile hervorgerufen ist. Die veränderliche Signalkomponente entsteht beim Fahrrad z.B. dadurch, dass sich die Sensoreinheit beim Treten der Pedale zu und von dem zumindest einen Rad unterschiedlichen, metallischen Teilen (Fahrradrahmen, Tretkurbeln, usw.) hin- und wegbewegt. Da beim Radfahren typischerweise kein dauerhaftes Treten der Pedalkurbeln erfolgt, beispielsweise bei einer Bergabfahrt, einem Ausrollen und dergleichen, macht sich dies in einem deutlich sichtbaren Muster des Frequenzverlaufs bemerkbar. So kann die veränderliche Signalkomponente entfernt oder verworfen werden, indem eine Bestimmung von Frequenzsprüngen von einem Frequenzwert, der durch eine Verzerrung des Erdmagnetfelds aufgrund einer Bewegung eines von dem zumindest einen Rad unterschiedlichen metallischen Teils hervorgerufen ist, auf Null oder von Null auf einen Frequenzwert, der durch eine Verzerrung des Erdmagnetfelds aufgrund einer Bewegung des von dem zumindest einen Rad unterschiedlichen metallischen Teils hervorgerufen ist, durchgeführt wird.
Durch das Ausfiltern solcher Signalanteile aus dem Signal, welche nicht dem zumindest einen sich drehenden Rad und der dadurch hervorgerufenen Verzerrung zugeordnet sind, lässt sich auf einfache Weise die Frequenz des Auftretens, die durch eine Drehung des zumindest einen Rads die Verzerrung des Erdmagnetfelds hervorruft, bestimmen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens eine durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds die Ermittlung umfasst, ob zu einer aus dem Signal ermittelten Frequenz, die als die Frequenz des Auftretens eine durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds angenommen wird, eine oder mehrere Harmonische in dem Signal enthalten sind. Das Auffinden von Harmonischen zu der gesuchten Frequenz lässt sich damit nutzen, um die gesuchte Frequenz mit einer hohen Wahrscheinlichkeit in dem Signal, das eine frequenzabhängige Signalenergie aller Verzerrungen des Erdmagnetfelds umfasst, bestimmen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der Schritt des Bestimmens der Geschwindigkeit eine Verarbeitung der aktuell ermittelten Frequenz des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung und eines vorab ermittelten Radius des zumindest einen Rads umfasst. Wie bei einem Odometer kann eine Verrechnung der bestimmten Frequenz und des vorab ermittelten und in der Verarbeitungseinheit hinterlegten Radius des sich drehenden Rads erfolgen.
Es ist weiterhin zweckmäßig, die Geschwindigkeit an einer Sendeschnittstelle der Verarbeitungseinheit bereitzustellen. Dies ermöglicht es, die Anzeige der Geschwindigkeit in einem Ausgabegerät, wie z.B. dem Display einer Uhr (Smartwatch oder Fitnesstracker), einem Smartphone oder einem Radcomputer, vorzunehmen. Auf diese Weise ist es möglich, dem Nutzer des Fortbewegungsmittels die gerade aktuelle Geschwindigkeit zu signalisieren. Die Geschwindigkeit kann auch an eine solche Einheit übertragen werden, welche diese weiter verarbeitet, um beispielsweise Navigationsberechnungen vorzunehmen oder die Geschwindigkeit im Kontext von intelligenten Verkehrssystemen zu nutzen. Letzteres ermöglicht es, andere Verkehrsteilnehmer über das Vorhandensein des Radfahrers und dessen aktuelle Geschwindigkeit zu warnen. Eine solche Einheit kann beispielsweise ein Smartphone oder ein anderes tragbares Gerät des Nutzers sein oder umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Computerprogramm zum Ausführen des hierin beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, wenn das Programm auf einer Verarbeitungseinheit ausgeführt wird.
Die Verarbeitungseinheit kann in einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Geschwindigkeit angeordnet sein. Die Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit kann ein eigenständiges tragbares Gerät sein. Die Vorrichtung kann jedoch auch in dem Ausgabegerät oder einem anderen tragbaren Gerät des Nutzers integriert sein. Als Ausgabegerät kann beispielsweise eine Uhr (z.B. Smartwatch oder Fitnesstracker), ein Smartphone, ein Radcomputer und dergleichen genutzt werden. Grundsätzlich lässt sich die Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit jedoch in jedes nutzerbezogene Gerät integrieren, welches mit den entsprechenden Rechenfähigkeiten ausgestaltet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad vorgeschlagen, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht und das Metall aufweist oder aus Metall besteht. Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei dem Fortbewegungsmittel, dessen Geschwindigkeit bestimmt werden soll, insbesondere um ein zwei- oder dreirädriges, z.B. nicht-motorisiertes, Fortbewegungsmittel, insbesondere ein Fahrrad, einen Roller, einen Rollstuhl und dergleichen.
Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle zum Empfangen eines Signals, das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Verarbeitungseinheit zum Ermitteln der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal sowie zum Bestimmen der Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist dazu ausgebildet, aus dem erfassten Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig zu machen, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt, indem ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf, wie diese vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
Das Signal, das an der Schnittstelle der Vorrichtung empfangen wird, ist insbesondere ein Signal, das im Betrieb der Vorrichtung von einer Sensoreinheit empfangen wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, die Sensoreinheit ist Sender des von der Vorrichtung an der Schnittstelle empfangenen Signals. Die Sensoreinheit kann dabei eine Sensoreinheit der Vorrichtung sein. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Sensoreinheit integraler Bestandteil der Vorrichtung ist. In dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung beispielsweise ein Wearable oder ein persönlicher Nutzungsgegenstand des Nutzers sein, insbesondere ein mobiles Endgerät oder ein Taschencomputer. Alternativ kann die Vorrichtung in ein Wearable oder den persönlichen Nutzungsgegenstand integriert sein. Unter einem Wearable wird ein tragbares Computersystem verstanden, das während der Anwendung am Körper des Benutzers befestigt ist. Zu bekannten Wearables zählen beispielsweise Smartwatches, Activity Tracker, Brillen oder auch Kleidungsstücke.
Alternativ kann die Sensoreinheit eine externe Sensoreinheit der Vorrichtung sein und mit dieser zum Datenaustausch kommunikativ verbunden sein. Mit anderen Worten kann die Sensoreinheit als von der Vorrichtung getrenntes Bauteil realisiert sein. Bei dieser Ausgestaltung kann die externe Sensoreinheit ein Wearable sein, während die Vorrichtung z.B. in einen persönlichen Nutzungsgegenstand des Nutzers, insbesondere ein mobiles Endgerät oder ein Taschencomputer, integriert sein kann.
Zur Erfassung einer Verzerrung des Erdmagnetfelds ist vorgesehen, dass die Sensoreinheit zumindest ein Magnetometer umfasst. In einer dem Fachmann bekannten Weise ist ein Magnetometer eine sensorische Einrichtung zur Messung magnetischer Flussdichten. Als Magnetometer kann beispielsweise ein Hall-Sensor verwendet werden. Grundsätzlich können alle bekannten Typen von Magnetometern verwendet werden, sofern sie geeignet sind, von einer Person am Körper getragen zu werden.
Zusätzlich kann die Sensoreinheit zumindest einen Inertialsensor umfassen. Mit Hilfe des Inertialsensors ist es beispielsweise möglich, zusätzlich eine Bewegung der Sensoreinheit, welche durch den Nutzer hervorgerufen ist, zu erfassen. Die daraus ermittelbare Information kann vorteilhaft zur Bestimmung der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds genutzt werden. Insbesondere kann die von einem Inertialsensor bereitgestellte Information dazu genutzt werden, festzustellen, ob der Nutzer eines Fahrrads pedaliert oder nicht.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, an einem Bein oder einem Schuh des Nutzers des Fortbewegungsmittels befestigt zu werden. Die Sensoreinheit kann hierzu ein geeignet ausgebildetes Befestigungsmittel, z.B. eine Befestigungsschlaufe, einen Befestigungsclip und dergleichen umfassen. Ist die Sensoreinheit integraler Bestandteil der Vorrichtung, so ist die Vorrichtung dazu ausgebildet an einem Bein oder einem Schuh des Nutzers des Fortbewegungsmittels befestigt zu werden. Das Befestigungsmittel ist insbesondere derart ausgestaltet, dass eine Befestigung, möglichst im unteren Beinbereich des Nutzers, ermöglicht wird. Beispielsweise kann eine Befestigung am Knöchel vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch dann durchführen, wenn die Sensoreinheit oder die die Sensoreinheit umfassende Vorrichtung in einer Hosentasche des Nutzers des Fortbewegungsmittels getragen wird. Auch die Befestigung an einem Handgelenk ist denkbar, sofern während des Betriebs des Fortbewegungsmittels ein ausreichend naher Abstand zu dem sich drehenden Rad gegeben ist.
Ist die Sensoreinheit bzw. die die Sensoreinheit umfassende Vorrichtung dazu ausgebildet, an oder in einem Schuh des Nutzers befestigt zu werden, so kann diese eine Befestigungsschlaufe aufweisen. Gegebenenfalls kann auch eine in dem Schuh dafür vorgesehene Kavität, wie diese bei Sportschuhen teilweise existiert, genutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels;
3 ein Frequenz-Zeit-Diagramm, welches eine von einer Sensoreinheit beispielhaft erfasste frequenzabhängige Signalenergie bei der Fortbewegung mit einem Fahrrad zeigt;
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Frequenz-Zeit-Diagramm aus 3, wobei Zeitabschnitte mit Pedalieren und Zeitabschnitte ohne Pedalieren dargestellt sind; und
5 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines in den Figuren nicht dargestellten Fortbewegungsmittels. Das Fortbewegungsmittel weist zumindest ein Rad auf, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht.
Bei dem Fortbewegungsmittel handelt es sich z.B. um ein zweirädriges Fortbewegungsmittel, wie z.B. ein Fahrrad, einen Tretroller, einen Rollstuhl und dergleichen. Der Vortrieb des Fahrrads kann ausschließlich durch die Kraft eines Nutzers, aber auch unterstützt durch einen Elektromotor erfolgen. Das zweirädrige Fortbewegungsmittel kann somit in Gestalt eines herkömmlichen Fahrrads, eines E-Bikes oder eines Pedelecs vorliegen. Ein Scooter kann ein rein durch einen Nutzer angetriebener Scooter oder ein E-Scooter sein. Ebenso kann der Rollstuhl durch die Kraft seines Nutzers ausschließlich fortbewegt werden oder der Rollstuhl verfügt über einen Antrieb zur Unterstützung der Fortbewegung.
Das Fortbewegungsmittel kann auch drei Räder umfassen, wie dies z.B. bei Lastenrädern der Fall ist. Eine zwei Räder aufweisende Achse kann dabei im vorderen oder im hinteren Teil des Fortbewegungsmittels angeordnet sein. Ein Beispiel für ein dreirädriges Fortbewegungsmittel, bei dem die zwei Räder aufweisende Achse hinten montiert ist, ist beispielsweise eine Fahrrad-Rikscha. Lastenfahrräder zum Transportieren von Personen oder Lasten können demgegenüber eine zwei Räder aufweisenden Achse im vorderen Teil umfassen.
Unter einem Fortbewegungsmittel sind auch solche Fortbewegungsmittel zu verstehen, die vier oder mehr Räder aufweisen. Bei einem vierrädrigen Fortbewegungsmittel handelt es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen. Letztere können beispielsweise entsprechend der Anzahl ihrer Achsen auch mehr als vier Räder umfassen.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme eines zwei- oder dreirädrigen Fortbewegungsmittels in Gestalt eines Fahrrads beschrieben, ohne dass dies als einschränkend zu erachten ist.
In dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zum Bestimmten einer Geschwindigkeit sind in einem gemeinsamen Gehäuse eine Schnittstelle 11 zum Empfangen eines Signals, eine Verarbeitungseinheit 12 zum Verarbeiten der in dem Signal empfangenen Informationen, eine optionale Sendeschnittstelle 13 zur Ausgabe eines Geschwindigkeitssignals sowie eine Sensoreinheit 20 angeordnet. Die Sensoreinheit 20 umfasst zumindest ein Magnetometer 22 sowie einen oder mehrere, jeweils optionale Inertialsensoren 21.
Die Vorrichtung 10 stellt z.B. ein sog. Wearable dar, also ein tragbares Computersystem, das während der Anwendung am Körper des Benutzers befestigt ist, wie dies beispielsweise von Smartwatches, Activity Trackern, smarten Brillen oder Kleidungsstücken bekannt ist. Die Vorrichtung 10 kann auch ein persönlicher Nutzungsgegenstand sein oder in diesem integriert sein. Bei dem Nutzungsgegenstand handelt es sich beispielsweise um ein mobiles Endgerät oder einen Taschencomputer.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 zum Bestimmten einer Geschwindigkeit ist dazu ausgebildet, vorzugsweise an einem Bein oder einem Schuh des Nutzers des Fahrrads befestigt zu werden. Hierzu umfasst die Vorrichtung entsprechende Befestigungsmittel, z.B. in Form einer oder mehrerer Schlaufen, Klammern, Klettverschlüsse und dergleichen. Soll die Vorrichtung 10 an dem Schuh des Nutzers befestigt werden, so kann beispielsweise eine Befestigung an einem Schnürsenkel oder einer speziellen, an oder in dem Schuh vorgesehenen Kavität erfolgen. Solche Kavitäten sind beispielsweise von Sportschuhen zur Aufnahme von Schrittsensoren bekannt.
Die Befestigung der Vorrichtung 10 an einem Bein oder einem Schuh des Nutzers ermöglicht eine vereinfachte Auswertung des von der Schnittstelle 11 empfangenen Signals, da die in dem Signal enthaltenen Informationen, aus denen die Geschwindigkeit ermittelt wird, umso stärker enthalten sind, je näher die Sensoreinheit 20 der Vorrichtung 10 im Bereich eines sich drehenden Rads des Fortbewegungsmittels angeordnet ist.
Die in 2 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Variante dadurch, dass die Sensoreinheit 20, die das zumindest eine Magnetometer 22 und den oder die, jeweils optionalen, Inertialsensoren 21 umfasst, als getrennte Einheit von der Vorrichtung 10 zum Bestimmen der Geschwindigkeit ausgebildet ist. Bei der in 2 gezeigten Variante ist es daher ausreichend, wenn lediglich die Sensoreinheit 20 an einem Bein oder Schuh des Nutzers befestigt ist. Zu diesem Zweck weist lediglich die Sensoreinheit 20 die dazu erforderlichen Befestigungsmittel auf. Die von der Sensoreinheit 20 getrennte Vorrichtung 10 kann demgegenüber als separate Komponente vorliegen oder in ein Wearable oder einen persönlichen Nutzungsgegenstand, wie z.B. ein mobiles Endgerät oder einen Taschencomputer, des Nutzers integriert sein. Die Vorrichtung 10 und die Sensoreinheit 20 sind derart ausgestaltet, dass das von der Sensoreinheit 20 ausgegebene Signal an der Schnittstelle 11 der Vorrichtung 10 empfangen werden kann. Eine Übertragung des Signals kann über einen drahtlosen Kommunikationskanal mit kurzer Reichweite, z.B. Bluetooth, Zigbee und so weiter erfolgen. Dazu erforderliche Schnittstellen der Vorrichtung 10 und der Sensoreinheit 20 sind in 2 nicht explizit dargestellt.
Die optionale Sendeschnittstelle 13 dient zur Ausgabe eines Geschwindigkeitssignals. Das Geschwindigkeitssignal kann beispielsweise an ein Wearable oder einen persönlichen Nutzungsgegenstand, wie z.B. das bereits erwähnte mobile Endgeräte oder der Taschencomputer des Nutzers, übertragen werden. Dadurch ist es entbehrlich, dass die Vorrichtung 10 selbst über eine Anzeigevorrichtung (Display) zur Darstellung der aktuell ermittelten Geschwindigkeit verfügt. Das Geschwindigkeitssignal kann durch den persönlichen Nutzungsgegenstand auch weiter verarbeitet werden. Beispielsweise kann dieses zur Durchführung einer Navigationsberechnung verarbeitet werden. Der Taschencomputer kann dazu beispielsweise ein portables Navigationssystem sein.
Die nachfolgenden Ausführungen, die das Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels erläutern, gelten für beide, in den 1 und 2 gezeigte, Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10.
Das an der Schnittstelle 11 empfangene Signal, das von der Sensoreinheit 20 bereitgestellt wird, umfasst eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds. Das von dem zumindest einen Magnetometer 22 ausgegebene Signal umfasst damit die von dem zumindest einen Magnetometer 22 erfasste magnetische Flussdichte, welche durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels verzerrt ist. Um eine Verzerrung des Erdmagnetfelds mit Hilfe der Sensoreinheit 20 ermitteln zu können, ist es erforderlich, dass das zumindest eine Rad des Fortbewegungsmittels ein Metall aufweist oder aus diesem besteht. Im Falle des Fahrrads bestehen die Felge, die Speichen, die Nabe und das Luftventil aus einem Metall. Fahrräder, bei denen das zumindest eine Rad aus Fiberkarbon besteht, profitieren nicht von dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Da nicht nur das sich drehende Rad des Fahrrads Metall aufweist oder aus Metall besteht, sondern zumeist auch der Rahmen und die Tretkurbel (nachfolgend vereinfacht als Pedal bezeichnet), sind in dem Signal nicht nur durch die Drehung des zumindest einen Rads enthaltene Verzerrungen des Erdmagnetfelds, sondern auch Verzerrungen der anderen metallischen Komponenten des Fahrrads enthalten. Mit Hilfe der Verarbeitungseinheit 12 erfolgt eine Analyse des an der Schnittstelle 11 empfangenen Signals und eine Ermittlung der die Geschwindigkeitsbestimmung gesuchten Frequenz f_ω des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads des Fahrrads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds. Aus dieser Frequenz f_ω kann dann unmittelbar die Geschwindigkeit, mit dem sich das Fahrrad bewegt, ermittelt werden. Hierzu erfolgt eine Verarbeitung mit einer, vorab in der Verarbeitungseinheit 12 hinterlegten, Größe über den Radius des Rads. Der Einfachheit halber wird bei dieser Beschreibung davon ausgegangen, dass sich der Radius des vorderen und des hinteren Rads des Fahrrads nicht unterscheiden. Bei unterschiedlichen Radien von Vorder- und Hinterrad wird durch die Verarbeitungseinheit die zum jeweiligen Rad gehörige Frequenz ermittelt.
Die 3 und 4 zeigen jeweils einen Frequenz-Zeit-Verlauf (f-t-Verlauf) der zu jedem Zeitpunkt vorliegenden, frequenzabhängigen Signalenergie. Dabei zeigt 4 einen vergrößerten Zeitausschnitt der in 3 gezeigten Frequenzverläufe. Das Verfahren beruht darauf, die Frequenz f_ω des Auftretens der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem von dem Magnetometer 22 erfassten (Gesamt-)Signal zu detektieren. Diese Verzerrungen können unabhängig davon in dem Signal ermittelt werden, ob der Zweiradfahrer pedaliert oder nicht. Das Gesamtsignal ist für jeden Zeitpunkt t durch eine bestimmte frequenzabhängige Signalenergie SE gegeben. Die frequenzabhängige Signalenergie SE kann z.B. durch Farben visualisiert sein, wie dies durch den seitlich des Diagramms dargestellten und mit einem Farbverlauf hinterlegten Orientierungsbalken gezeigt ist. Der Einfachheit halber sind in den Diagrammen der 3 und 4 nur die Verläufe der für die vorliegende Erfindung interessierenden Frequenzen illustriert, während die Farbinformation des Gesamtsignals aus der übrigen Fläche entfernt ist.
Die stärkste Verzerrung des durch die Sensoreinheit 20 gemessenen Erdmagnetfelds ist mit f_R gekennzeichnet und stellt eine gleichförmige Signalkomponente dar. Diese ist durch das Magnetfeld der Erde hervorgerufen. Die mit f_p gekennzeichnete veränderliche Signalkomponente ist durch das Pedalieren und den sich verändernden Abstand der Sensoreinheit 20 zu ferromagnetischen Teilen des Fahrrads hervorgerufen. Diese veränderliche Signalkomponente kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass diese lediglich während Zeitabschnitten des Pedalierens auftritt, während in anderen Zeitabschnitten, in denen der Benutzer des Fahrrads nicht pedaliert, die Signalkomponente zu Null wird. Dies kann beispielsweise aus der vergrößerten Darstellung der 4 erkannt werden, wobei die mit T1, T3 und T5 gekennzeichneten Zeitabschnitte Zeitabschnitte des Pedalierens und die mit T2 und T4 gekennzeichneten Zeitabschnitte Zeitabschnitte ohne Pedalieren sind. Die mit T2 und T4 gekennzeichneten Abschnitte werden auch als „Coasting“ bezeichnet.
Die durch die Drehung der Räder des Fahrrads hervorgerufenen Verzerrungen weisen eine geringere Signalamplitude auf und sind daher in dem zeitabhängigen Signal schwächer ausgeprägt. Der mit f_ω , gekennzeichnete Verlauf der Frequenz stellt die gesuchte zeitabhängige Frequenz des Auftretens der durch die Drehung von ferromagnetischen Teilen des Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds dar. Dabei kann ein bestimmtes, sich wiederholendes Muster festgestellt werden. Die mit f_ω1 und f_ω2 gekennzeichneten Frequenzverläufe stellen die erste und die zweite Harmonische des Frequenzverlaufs f_ω1 dar. Diese sind, obwohl schwächer in dem Signal enthalten als f_ω , ebenfalls durch die Sensoreinheit 20 erfassbar.
Die Ermittlung des gesuchten Frequenzverlaufs aus dem an der Schnittstelle 11 bereitgestellten Signal kann z.B. mit Hilfe eines Kalman-Filters erfolgen. Das Kalman-Filter weist folgende Zustände auf: f_ω , ƒ̇_ω, ḟ_p, ƒ̇_p, wobei f_ω die Frequenz des Rads des Fahrrads und f_p die Frequenz ist, die entsteht, wenn sich der Sensor durch das Bewegen der Tretkurbel in Richtung von metallischen Teilen des Fahrrads und wieder von diesen weg bewegt. Die mit „ ̇‟ gekennzeichneten Größen stellen die zeitliche Ableitung dar. Eine Vorhersage des Frequenzverlaufs der oben genannten Zustände des Kalman-Filters kann gemäß den folgenden Formeln erfolgen: $ƒ_{ω}^{k} = ƒ_{ω}^{k - 1} + Δ t \cdot {\dot{ƒ}}_{ω}^{k - 1}$
${\dot{ƒ}}_{ω}^{k} = {\dot{ƒ}}_{ω}^{k - 1} + n (O, σ_{ƒ})$
$ƒ_{p}^{k} = ƒ_{p}^{k - 1} + Δ t \cdot {\dot{ƒ}}_{p}^{k - 1}$
${\dot{ƒ}}_{p}^{k} = {\dot{ƒ}}_{p}^{k - 1} + n (O, σ_{p})$
wobei n ein Gauss' sches Rauschen mit dem Mittelwert 0 (Null), k einen Zeitschritt und σ_f, σ_p eine Varianz darstellen. Anschließend erfolgt eine Aktualisierung der in dem Signal erhaltenen Messungen zum nächsten Zeitschritt. Mit Hilfe einer FourierTransformation kann die Signalamplitude für die Frequenzen f_R der gleichförmigen Signalkomponente (aufgrund des Magnetfelds der Erde), der Frequenz f_p , der Frequenz des sich drehenden Rads f_ω , der Frequenz der Harmonischen bestimmt werden. Die jeweilige Amplitudenhöhe ergibt sich aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften des Zweirads immer in folgender Reihenfolge: die gleichförmige Signalkomponente der Frequenz f_R aufgrund des Magnetfelds der Erde ist am größten, gefolgt von der Amplitude der Frequenz f_p , gefolgt von der Amplitude der Frequenz f_ω des sich drehenden Rads, gefolgt von den Frequenzen f_ω1, f_ω2 der Harmonischen. Dabei brauchen lediglich Peaks detektiert werden, die über einer vorgegebenen Schwelle liegen. Diese Peaks können mit den Frequenzen für das sich drehende Rad (die interessierende Frequenz) und der Frequenz der Tretkurbel assoziiert werden. Dabei erfolgt eine Auswertung, welche basierend auf der Energie der jeweiligen Frequenzen ist.
Eine alternative Auswertung könnte mit Hilfe der von dem zumindest einen Inertialsensor 21 der Sensoreinheit 20 gelieferten Signale erfolgen, da durch eine Korrelation der durch den Inertialsensor signalisierten Bewegung der Tretkurbel und dem schlagartigen Abfallen der Frequenz für die Tretkurbel bzw. dem Ansteigen der Frequenz der Tretkurbel beim Übergang von Coasting in den pedalierenden Betrieb, und umgekehrt, der Verlauf der interessierenden Frequenz f_ω auf einfache Weise aufgefunden werden kann. Mit Hilfe des Inertialsensors kann darüber hinaus die Frequenz des Tretens der Tretkurbel festgestellt werden, welche mit der Frequenz f_p des Pedals übereinstimmt. Auch dies kann für die Bestimmung der interessierenden Frequenz f_ω genutzt werden.
Eine Verrechnung der Frequenz f_ω mit dem Radius des sich drehenden Rads (der sich drehenden Räder) durch die Verarbeitungseinheit 12 führt dann zu der gesuchten Geschwindigkeit.
Die von der Verarbeitungseinheit 12 ermittelte Geschwindigkeit aus der wie oben beschriebenen ermittelten Frequenz f_ω der für das sich drehenden Rads aufgefundenen Verzerrungen des Erdmagnetfelds kann nicht nur zur Signalisierung für den Nutzer des Zweirads, sondern auch im Kontext von intelligenten Verkehrssystemen genutzt werden, um beispielsweise andere Verkehrsteilnehmer über das Vorhandensein des Radfahrers und dessen aktuelle Geschwindigkeit zu warnen.
5 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Ablaufdiagramm. In einem ersten Schritt S1 wird ein Signal an der Schnittstelle 11 empfangen, das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst. In Schritt S2 wird die Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal durch die Verarbeitungseinheit 12 ermittelt. In Schritt S3 wird die Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit 12 bestimmt, indem eine Verrechnung mit dem Radius des oder der sich drehenden Räder erfolgt.
Das beschriebene Verfahren lässt sich auch dann durchführen, wenn die Sensoreinheit nicht am Körper des Nutzers getragen wird, sondern z.B. am Lenker des Fahrrads (allgemein: einem Teil des Fortbewegungsmittels) befestigt ist. In diesem Fall ist die Frequenz f_p nicht in dem erfassten Signal enthalten.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung zum Bestimmen einer Geschwindigkeit
11: Schnittstelle (I)
12: Verarbeitungseinheit (PU)
13: Sendeschnittstelle zur Ausgabe eines Geschwindigkeitssignals
20: Sensoreinheit (SU)
21: Inertialsensor
22: Magnetometer
S1, ..., S3: Verfahrensschritt
fω: Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung
fp: Frequenz des Auftretens einer durch sich zumindest temporär bewegende, aber von dem Rad unterschiedliche, metallische Teile hervorgerufen Verzerrung
fR: Frequenz des Auftretens einer durch das Magnetfeld der Erde hervorgerufen Verzerrung
SE: Signalenergie

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht und das Metall aufweist oder aus Metall besteht, mit den Schritten: - Empfangen eines Signals an einer Schnittstelle (11), das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst; - Ermitteln der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal durch eine Verarbeitungseinheit (12); - Bestimmen der Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit (12); dadurch gekennzeichnet, dass aus dem erfassten Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig gemacht wird, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung eines Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt, indem ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Signal von einer Sensoreinheit (20) empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Sensoreinheit (20) zur Erfassung der durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds in räumlicher Nähe zu dem zumindest einen sich drehenden Rad angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Sensoreinheit (20) am Körper eines Nutzers des Fortbewegungsmittels getragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds das Entfernen oder Verwerfen einer gleichförmigen Signalkomponente aus dem Signal, welche durch das Magnetfeld der Erde hervorgerufen ist, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds das Entfernen oder Verwerfen einer veränderlichen Signalkomponente durch sich zumindest temporär bewegende, aber von dem zumindest einen Rad unterschiedliche, metallische Teile hervorgerufen ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die veränderliche Signalkomponente entfernt oder verworfen wird, indem eine Bestimmung von Frequenzsprüngen von einem Frequenzwert, der durch eine Verzerrung des Erdmagnetfelds aufgrund einer Bewegung eines von dem zumindest einen Rad unterschiedlichen metallischen Teils hervorgerufen ist, auf Null oder von Null auf einen Frequenzwert, der durch eine Verzerrung des Erdmagnetfelds aufgrund einer Bewegung des von dem zumindest einen Rad unterschiedlichen metallischen Teils hervorgerufen ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Ermittelns der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds die Ermittlung umfasst, ob zu einer aus dem Signal ermittelten Frequenz, die als die Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds angenommen wird, eine oder mehrere Harmonische in dem Signal enthalten sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bestimmens der Geschwindigkeit eine Verarbeitung der aktuell ermittelten Frequenz des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung und eines vorab ermittelten Radius des zumindest einen Rads umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Geschwindigkeit an einer Sendeschnittstelle (13) der Verarbeitungseinheit (12) bereitgestellt wird.
Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Programm auf einer Verarbeitungseinheit (12) ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Fortbewegungsmittels mit zumindest einem Rad, das sich während einer Fortbewegung des Fortbewegungsmittels dreht und das Metall aufweist oder aus Metall besteht, umfassend: - eine Schnittstelle (11) zum Empfangen eines Signals, das eine frequenzabhängige Signalenergie einer durch die Fortbewegung des Fortbewegungsmittels hervorgerufenen Verzerrung eines Erdmagnetfelds umfasst; - eine Verarbeitungseinheit (12) zum Ermitteln der Frequenz des Auftretens einer durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung des Erdmagnetfelds aus dem Signal sowie zum Bestimmen der Geschwindigkeit aus der ermittelten Frequenz der Verzerrung durch die Verarbeitungseinheit (12); dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (12) dazu ausgebildet ist, aus dem erfassten Signal anhand logischer Kriterien diejenige Frequenz ausfindig zu machen, welche sich eindeutig dem Auftreten der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung zuordnen lässt, indem ein Frequenzverlauf des Auftretens der durch die Drehung des zumindest einen Rads hervorgerufenen Verzerrung ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Signal ein Signal ist, das im Betrieb der Vorrichtung von einer Sensoreinheit (20) empfangen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Sensoreinheit (20) eine Sensoreinheit (20) der Vorrichtung (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der diese ein Wearable oder ein persönlicher Nutzungsgegenstand, insbesondere ein mobiles Endgerät oder ein Taschencomputer, ist oder in diesen integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Sensoreinheit (20) eine externe Sensoreinheit (20) der Vorrichtung (10) ist oder mit dieser zum Datenaustausch kommunikativ verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die externe Sensoreinheit (20) ein Wearable ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die Sensoreinheit (20) zumindest ein Magnetometer (22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Sensoreinheit (20) zusätzlich zumindest einen Inertialsensor (21) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Sensoreinheit (20) dazu ausgebildet, an einem Bein oder einem Schuh des Nutzers des Fortbewegungsmittels befestigt zu werden.