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DE10015580A1 - Device for contact free determination of the current speed and distance covered of a walker, skater, runner, etc. uses a radar type sensor mounted in a half-cardanic manner or the users belt with a wrist display or similar - Google Patents

Device for contact free determination of the current speed and distance covered of a walker, skater, runner, etc. uses a radar type sensor mounted in a half-cardanic manner or the users belt with a wrist display or similar

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DE10015580A1
DE10015580A1 DE2000115580 DE10015580A DE10015580A1 DE 10015580 A1 DE10015580 A1 DE 10015580A1 DE 2000115580 DE2000115580 DE 2000115580 DE 10015580 A DE10015580 A DE 10015580A DE 10015580 A1 DE10015580 A1 DE 10015580A1
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DE
Germany
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measuring
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unit
measuring unit
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DE2000115580
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German (de)
Inventor
Andreas Scheidt
Benno Buschmann
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Individual
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    • G—PHYSICS
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Distances Traversed On The Ground (AREA)

Abstract

The device comprises a measurement unit (1) that is mounted in a half-cardanic and damped manner on the wearer's belt or similar. The measurement unit includes a radar sensor that scans the ground ahead of the wearer at a constant angle to enable the wearer's speed and distance traveled to be determined. Optimally the sensor can be linked in a wireless manner to a display on the wearer's wrist or similar. The invention also relates to a system with integrated microelectronics for determination of distance covered, average speed, etc. as well as instantaneous speed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche es z. B. einer Person, insbesondere mit Fortbewegungsmittel, ermöglicht, die individuelle momentane Fortbewegungsgeschwindigkeit und die zurückgelegte Wegstrecke zu ermitteln, anzuzeigen und gegebenenfalls zu speichern.The invention relates to a device which z. B. a person, in particular with means of transportation, enables the individual momentary To determine the speed of travel and the distance traveled display and save if necessary.

Dem Fachmann sind auf diesem Gebiet verschiedene radbasierte Meßsysteme bekannt. Üblicherweise werden bei der Bewegung von Personen über Grund Geschwindigkeiten nur als Durchschnittsgeschwindigkeiten über die Bestimmung der benötigten Zeitdauer und der zurückgelegten Wegstrecke ermittelt. Eine Messung der Momentangeschwindigkeit ist zur Zeit nur bei einigen Fortbewegungsarten sportgerätgebunden möglich, so z. B. beim Fahrradfahren über die Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen eines Rades.Various wheel-based measuring systems are known to the person skilled in the art in this field known. Usually when moving people over ground Speeds only as the average speeds by determining the required time and the distance traveled. A measurement of the instantaneous speed is currently only for some Movement types bound to sports equipment possible, e.g. B. when cycling over the determination of the number of revolutions of a wheel.

Für diese Messung ist eine Kalibrierung über die Eingabe des genauen Radumfangs zwingend erforderlich, welche vielfach von Nutzern als zu kompliziert angesehen wird.For this measurement a calibration is done by entering the exact wheel circumference mandatory, which is often viewed by users as too complicated becomes.

Bei Fortbewegung mittels In-Line-Skating ist dieses Meßprinzip über die Bestimmung der Umdrehungszahl der Rollen zwar ebenfalls anwendbar, jedoch mit einer großen Ungenauigkeit behaftet, da hier keine permanente Bodenberührung erfolgt. Vorhandene Meßverfahren erlauben hier zur Verringerung des Meßfehlers eine Kalibrierung je nach Nutzer und befahrenem Gelände, dies wird jedoch üblicherweise als benutzerunfreundlich empfunden.When moving using in-line skating, this measuring principle is based on the determination the number of revolutions of the rollers can also be used, but with a large one Inaccurate because there is no permanent contact with the ground. Existing measuring methods allow one to reduce the measuring error Calibration depending on the user and the terrain traveled, but this will usually perceived as user-unfriendly.

Alternativ zu den radbasierten Meßvorrichtungen gibt es für Fortbewegungen ohne weitere Hilfsmittel (Fußgänger, Jogger) Schrittzähler, die es ermöglichen, kontinuierlich die zurückgelegte Wegstrecke zu ermitteln. In Verbindung mit einer Uhr kann dann daraus die Geschwindigkeit im Nachhinein bestimmt werden. Nachteilig ist hier, daß einerseits bei diesem Prinzip das Meßgerät nutzerspezifisch kalibriert werden muß, andererseits aber keine Beobachtung der Momentangeschwindigkeit möglich ist. Zusätzlich ist nachteilig, daß nur eine präzise Aufhängung des Schrittzählers akzeptable Meßwerte liefert.As an alternative to the wheel-based measuring devices, there are no other aids (pedestrians, joggers) pedometers that allow continuously determine the distance traveled. In conjunction with a The speed can then be determined retrospectively. The disadvantage here is that with this principle, on the one hand, the measuring device is user-specific must be calibrated, but on the other hand no observation of the  Instantaneous speed is possible. Another disadvantage is that only one is precise Suspension of the pedometer provides acceptable measured values.

Es sind also bei den existierenden Meßverfahren folgende Nachteile festzustellen:
The following disadvantages can therefore be found in the existing measuring methods:

  • - Beschränkung auf Bewegung mit Fortbewegungsmitteln, insbesondere mit Rädern- restriction to movement with means of transportation, especially with Wheels
  • - Notwendigkeit der benutzerspezifischen Kalibrierung- Need for custom calibration
  • - Begrenzung des Nutzerkreises auf spezifische Fortbewegungsarten- Limiting the group of users to specific types of transportation
  • - Notwendigkeit einer präzisen Befestigung- Need for precise attachment

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden. Es ist daher der wesentliche Grundgedanke der Erfindung, die Geschwindigkeitsmessung berührungslos und fortbewegungsmittelunabhängig durchzuführen.The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned above. It is therefore the essential principle of the invention that Non-contact speed measurement and independent of the means of transport perform.

Gemäß des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird daher vorgeschlagen, ein vorteilhafterweise berührungsloses Radarmeßverfahren zu verwenden, welches kontinuierlich die Momentangeschwindigkeit des Nutzers über Grund unabhängig vom Fortbewegungsmittel mißt.According to the basic idea of the invention, it is therefore proposed to use a to advantageously use non-contact radar measurement, which continuously the instantaneous speed of the user regardless of the ground of the means of transportation.

Das System ist aufgebaut derart, daß ein Radarsensor unter einem definierten Vorhaltewinkel die Geschwindigkeit der Person in Bezug auf den Grund abtastet, wobei die zeitliche Konstanz des Winkels durch eine kardanische und gedämpfte Aufhängung des Sensors gewährleistet wird.The system is designed such that a radar sensor is under a defined one Lead angle samples the speed of the person in relation to the ground, the temporal constancy of the angle by a gimbal and subdued Suspension of the sensor is guaranteed.

Zur Verwendung kommen können handelsübliche Radarsensorbauelemente, die mit dem Prinzip des Doppler-Effekts arbeiten.Commercially available radar sensor components can be used work on the principle of the Doppler effect.

Der Radarsensor wird in eine Meßeinheit integriert, die vorzugsweise am Körper der nutzenden Person getragen werden soll.The radar sensor is integrated into a measuring unit, which is preferably on the body of the user should be worn.

Für die optimale Position der Meßeinheit wurden folgende Bedingungen ermittelt:
The following conditions were determined for the optimal position of the measuring unit:

  • - der Abstand zum Boden sollte möglichst hoch sein, um einen genügend großen Meßwinkel zu ermöglichen und Meßfehler zu minimieren- The distance to the floor should be as high as possible to make it large enough To enable measurement angles and to minimize measurement errors
  • - die Anbringung sollte an einem Punkt am Körper in Schwerpunktsnähe erfolgen, um so eine möglichst hohe Konstanz der Bewegung der Meßeinheit zu gewährleisten- it should be attached to a point on the body close to the center of gravity, in order to ensure the highest possible constancy of the movement of the measuring unit guarantee
  • - die Meßeinheit sollte den Nutzer nicht behindern und in bzw. An vorhandene(r) Bekleidung integrierbar sein.- The measuring unit should not hinder the user and should be present in Clothing can be integrated.

Aufgrund dieser Randbedingungen wird eine Anbringung der Meßeinheit (1) am Nutzer (2) auf Höhe der Taille, z. B. am Gürtel befestigt, vorgeschlagen, idealerweise mittig in Fortbewegungsrichtung (3), also etwa am Ort der Gürtelschnalle. Alternativ kann die Meßeinheit (1) auch an einem beliebigen bewegten Objekt an geeigneter Stelle angebracht werden. Der Meßstrahl (4) bildet so einen definierten Vorhaltewinkel (5) mit dem Grund (6), wie in Abb. 1 dargestellt.Because of these boundary conditions, an attachment of the measuring unit ( 1 ) to the user ( 2 ) at the level of the waist, for. B. attached to the belt, suggested, ideally in the middle in the direction of travel ( 3 ), so approximately at the location of the belt buckle. Alternatively, the measuring unit ( 1 ) can also be attached to any moving object at a suitable location. The measuring beam ( 4 ) thus forms a defined lead angle ( 5 ) with the base ( 6 ), as shown in Fig. 1.

Da für die Erzielung einer optimaler konstanz der Messung der Vorhaltewinkel (5) von großer Bedeutung ist, die horizontale Körperhaltung aber bei vielen Sportarten, insbesondere beim In-Line-Skating, variiert, wird vorgeschlagen, die Meßeinheit (1) halbkardanisch aufzuhängen, um so eine möglichst hohe Konstanz des Meßwinkels (5) zum Boden und damit eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen. Beispielhafte Anordnungen sind in Abb. 2a und Abb. 2b ausgeführt.Since the lead angle ( 5 ) is of great importance for achieving an optimal constant of the measurement, but the horizontal posture varies in many sports, especially in-line skating, it is proposed to suspend the measuring unit ( 1 ) semi-gimbally, so to achieve the highest possible consistency of the measuring angle ( 5 ) to the ground and thus to achieve high measuring accuracy. Exemplary arrangements are shown in Fig. 2a and Fig. 2b.

Der Radarsensor wird an einem kleinem Haltearm (8) beweglich um eine Aufhängungsachse (9) aufgehängt und mit einem Tariergewicht (10) derart versehen, daß für die Senderichtung der Antenne (11) des Radarsensors sich der geforderte Vorhaltewinkel (5) ergibt. Um mögliche Meßfehler bei der Drehbewegung des Sensors (12) um die Aufhängungsachse (9) zu minimieren muß diese Bewegung gedämpft werden. Dazu wird der Sensor (12) in einem, vorzugsweise aus Gummi ausgeführten Dämpfungslager (13) aufgehangen. Die Aufhängung erfolgt derart, daß die Aufhängungsachse auf der unteren Seite des Lagers auf einer Auflagefläche (14) aufliegt und sich oberhalb der Aufhängungsachse (9) ein schmaler Luftspalt (15) befindet. Durch die Reibung der Aufhängungsachse (9) auf der Auflagefläche des Dämpfungslagers (13) wird die Drehbewegung des Radarsensors gedämpft. Dem Fachmann sind auch andere Ausführungen zur Dämpfung der Drehbewegung denkbar, z. B. mit Hilfe einer Wirbelstrombremse.The radar sensor is movably suspended on a small holding arm ( 8 ) about a suspension axis ( 9 ) and provided with a tare weight ( 10 ) in such a way that the required lead angle ( 5 ) results for the direction of transmission of the antenna ( 11 ) of the radar sensor. In order to minimize possible measurement errors in the rotational movement of the sensor ( 12 ) around the suspension axis ( 9 ), this movement must be damped. For this purpose, the sensor ( 12 ) is suspended in a damping bearing ( 13 ), preferably made of rubber. The suspension is carried out in such a way that the suspension axis rests on the lower side of the bearing on a support surface ( 14 ) and there is a narrow air gap ( 15 ) above the suspension axis ( 9 ). The rotational movement of the radar sensor is damped by the friction of the suspension axis ( 9 ) on the bearing surface of the damping bearing ( 13 ). Other designs for damping the rotary movement are also conceivable to the person skilled in the art, e.g. B. with the help of an eddy current brake.

Da der Radarsensor (12) niederfrequente Signale im mV-Bereich ausgibt, empfiehlt sich der Einbau eines Verstärkers (16). Das verstärkte Signal kann dann zu einer Anzeigeeinheit (7), vorzugsweise ausgeführt als LC-Display, geleitet werden.Since the radar sensor ( 12 ) outputs low-frequency signals in the mV range, the installation of an amplifier ( 16 ) is recommended. The amplified signal can then be passed to a display unit ( 7 ), preferably in the form of an LC display.

Die Meßeinheit besteht damit aus dem Radarsensor (12), einem Verstärker (16), einer Spannungsversorgung (Batterie) (17) und einer Auswerteelektronik (18), welche die gemessene Frequenz des Radarsensors (12) in einen Geschwindigkeitswert umrechnet.The measuring unit thus consists of the radar sensor ( 12 ), an amplifier ( 16 ), a voltage supply (battery) ( 17 ) and evaluation electronics ( 18 ), which converts the measured frequency of the radar sensor ( 12 ) into a speed value.

Die gesamte Kette ist in Abb. 3 dargestellt.The entire chain is shown in Fig. 3.

Die Auswerteelektronik kann wahlweise in die Meß- oder Anzeigeeinheit integriert werden.The evaluation electronics can optionally be integrated in the measuring or display unit become.

Die Auswertung erfolgt nach folgender Formel:
The evaluation is based on the following formula:

hierbei ist ν0 die Grundfrequenz des Meßstrahls, ν die geänderte empfangene frequenz, V die Momentangeschwindigkeit des zu messenden Objektsund c die Lichtgeschwindigkeit.where ν 0 is the fundamental frequency of the measuring beam, ν the changed received frequency, V the instantaneous speed of the object to be measured and c the speed of light.

Unter Einbeziehung des Winkels zwischen Meßstrahl und dem Grund als reflektierender Fläche ergibt sich
Including the angle between the measuring beam and the ground as a reflecting surface

mit ν = ν0 ± Δν. with ν = ν 0 ± Δν.

Die technische Umsetzung des erfindungsgemäßen Grundgedankens erfolgt über die Messung der Doppler-Frequenz mit einer anschließenden Aufbereitung, welche es dann erlaubt, das gemessene Signal als Geschwindigkeit anzuzeigen. Dies kann mit Hilfe von separaten Komponenten, bestehend aus Frequenzzähler, elektronischer Umsetzung in einen Geschwindigkeitswert und anschließender Anzeige, erfolgen oder mit Hilfe eines alle oben genannten Komponenten in sich vereinigenden Mikrokontrollers ausgeführt werden.The technical implementation of the basic idea of the invention takes place via the measurement of the Doppler frequency with a subsequent preparation, which it then allows the measured signal to be displayed as speed. This can with the help of separate components, consisting of frequency counter, electronic conversion into a speed value and subsequent Display, take place or with the help of any of the above components in itself unifying microcontroller.

In der Anzeigeeinheit (7) (Display) wird dann der momentane Geschwindigkeitswert angezeigt. Weitere Funktionen wie Durchschnitts- und Maximalgeschwindigkeit sowie Dauer und Weglänge, ähnlich der Ausführung in elektronischen Fahrradcomputern, sind hier denkbar.The current speed value is then shown in the display unit ( 7 ) (display). Other functions such as average and maximum speed as well as duration and path length, similar to the version in electronic bike computers, are conceivable here.

Ist die Anzeigeeinheit wie im dargestellten Beispiel räumlich von der Meßeinheit separiert, ist eine Übertragungsstrecke notwendig, welche entweder als Kabel oder alternativ drahtlos per Telemetrie ausgeführt werden kann.As in the example shown, the display unit is spatially remote from the measuring unit separated, a transmission path is necessary, which is either a cable or alternatively can be carried out wirelessly by telemetry.

Bei einer mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführten Testreihe zeigte sich, daß eine Meßgenauigkeit erreicht wurde, die mindestens denen handelsüblicher Fahrradtachometern entspricht.In a test series carried out with the aid of an arrangement according to the invention showed that a measuring accuracy was achieved that at least those corresponds to commercial bicycle tachometers.

Dem Fachmann auf diesem Gebiet sind sicherlich weitere Ausbildungen nach dem erfindungsgemäßen Grundgedanken denkbar, so z. B. die Integration in bereits am Markt vorhandene Computer- und Herzfrequenzmeßsysteme mit Blick auf die Zielgruppe der trend- und gesundheitsbewußten Sportlern.The specialist in this field is certainly further training after inventive concept conceivable, such. B. the integration in already on Existing computer and heart rate measurement systems with a view to the market Target group of trend and health conscious athletes.

Ebenfalls denkbar ist die Kombination mit einer Sprachausgabe und einem Audio- Abspielgerät mit Kopfhörer oder Ohrhörer.Combination with a voice output and an audio Player with headphones or earphones.

Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird durch eine Verwendung im Modellbau erreicht. Hier ist sicherlich der Einbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Automobil- und Schiffsmodelle vorteilhaft. A further development of the basic idea of the invention is by a Use in model construction achieved. Here is certainly the installation of one Device according to the invention advantageous in automobile and ship models.  

Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung ist die Messung der Bewegungsgeschwindigkeiten von radbasierten Fortbewegungsmitteln wie z. B. Fahrrädern und Rollstühlen.Another arrangement according to the invention is the measurement of Movement speeds of wheel-based means of transportation such as B. Bicycles and wheelchairs.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Messung der Fortbewegungsgeschwindigkeit über Grund, im nachfolgenden bezeichnet als Meßeinheit (1), gekennzeichnet dadurch, daß ein am zu messenden Objekt angebrachter halbkardanisch aufgehängter Radarsensor (12) (z. B. am Gürtel einer nutzenden Person) unter einem definierten konstanten Vorhaltewinkel (5) die Momentangeschwindigkeit ermittelt.1. Device for measuring the speed of travel over the ground, hereinafter referred to as a measuring unit ( 1 ), characterized in that a semi-gimbal-mounted radar sensor ( 12 ) (for example on the belt of a user) attached to the object to be measured under a defined constant Lead angle ( 5 ) determines the instantaneous speed. 2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Meßeinheit (1) durch eine geeignete Mikroelektronik eine Integration der Geschwindigkeitswerte zur Ermittlung der zurückgelegten Wegstrecke erfolgt.2. System according to claim 1, characterized in that in the measuring unit ( 1 ) by means of suitable microelectronics, the speed values are integrated to determine the distance traveled. 3. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die in der Meßeinheit (1) ermittelten Meßwerte von dieser zu einer separaten Anzeigeeinheit (7) übertragen werden.3. System according to one of the preceding claims, characterized in that the measured values determined in the measuring unit ( 1 ) are transmitted by the latter to a separate display unit ( 7 ). 4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Übertragung an die separate Anzeigeeinheit (7) per Telemetrie erfolgt.4. System according to claim 3, characterized in that the transmission to the separate display unit ( 7 ) is carried out by telemetry. 5. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die separate Anzeigeeinheit (7) mit den Funktionen einer elektronischen Armbanduhr kombiniert wird.5. System according to claim 3, characterized in that the separate display unit ( 7 ) is combined with the functions of an electronic wristwatch. 6. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die separate Anzeigeeinheit (7) mit den Funktionen eines Herzfrequenzmessers kombiniert wird.6. System according to claim 3, characterized in that the separate display unit ( 7 ) is combined with the functions of a heart rate monitor. 7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß eine Speicherung der ermittelten Daten über einen definierten Zeitraum vorgenommen wird und diese über die Anzeigeeinheit (7) abgerufen werden können. 7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the determined data is stored over a defined period of time and this can be called up via the display unit ( 7 ). 8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß eine Schnittstelle der Anzeigeeinheit (7) eine externe Auslesung und Weiterverarbeitung mittels eines Computers ermöglicht.8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that an interface of the display unit ( 7 ) enables external reading and further processing by means of a computer. 9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die ermittelten Meßwerte durch eine Sprachausgabeeinheit ausgegeben werden.9. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the measured values determined are output by a voice output unit. 10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Sprachausgabe in Kombination mit einem Abspielgerät für Musikdateien (MP3-Player) erfolgt.10. System according to claim 9, characterized in that the speech output in Combined with a player for music files (MP3 player). 11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl Meß- (1) als auch Anzeigeeinheit (7) über eine Stromsparfunktion verfügen, welche die Messung, Übermittlung und Anzeige nach Abwesenheit von Meßwerten nach einem definierten Zeitraum abschaltet.11. System according to any one of the preceding claims, characterized in that both measuring ( 1 ) and display unit ( 7 ) have a power saving function which switches off the measurement, transmission and display after the absence of measured values after a defined period of time. 12. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßeinheit (1) in ein Modellbauobjekt (z. B. Modellboot, Modellflugzeug) integriert wird.12. System according to claim 1, characterized in that the measuring unit ( 1 ) in a model building object (z. B. model boat, model aircraft) is integrated. 13. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßeinheit (1) in einen Rollstuhl integriert wird.13. System according to claim 1, characterized in that the measuring unit ( 1 ) is integrated in a wheelchair.
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