Analysieren von Bewegungen von Objekten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten. Bei den Objekten handelt es sich insbesondere um Personen oder andere Lebewesen. Es kann sich bei den Bewegungsobjekten jedoch auch um Gegenstände handeln.

Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, ein Computerprogramm, das ausgestaltet ist, das Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten auszuführen, wenn es auf einem Computer oder Computersystem ausgeführt wird, und einen Datenträger, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, so dass es in den Arbeitsspeicher des Computers oder Computersystems ladbar ist oder direkt auf dem Datenträger von dem Computer oder Computersystem lesbar und ausführbar ist.

DE 10 2005 004 086 A1 beschreibt ein Gerät zur Ermittlung von Bewegungen. Das Gerät erfasst mittels mehrerer Bewegungssensoren die Bewegungen im Raum. Die Messwerte mindestens einer Bewegungsdimension werden mit den Messwerten mindestens einer anderen Bewegungsdimension verrechnet. Eine Drehgeschwindigkeitsmessung wird mit einer linearen Beschleunigungsmessung kombiniert. Drei lineare

Beschleunigungsmessungen werden kombiniert, um Beschleunigungen in drei korrigierte Raumrichtungen umzurechnen.

Wie in der Druckschrift erwähnt wird, ist eine solche Umrechnung, d.h. eine

Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem Koordinatensystem der Messvorrichtung in ein korrigiertes Koordinatensystem nützlich, um die

Beschleunigungssensoren beliebig an dem Bewegungsobjekt anbringen zu können. Auch gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solche Transformation vorgenommen.

Insbesondere wenn die Beschleunigungssensoren an einer Person angebracht werden, ist es schwierig, die Richtungen der Koordinatenachsen der Sensoren mit geeigneten Richtungen in Bezug auf die Person auszurichten. Die drei Richtungen, die in Bezug auf die Person meist von Interesse sind, sind die Richtungen vorne bzw. hinten, links bzw. rechts und oben bzw. unten. Die letzt genannte Richtung stimmt meist mit der Richtung der Gewichtskraft überein, die im Gravitationsfeld der Erde auf die Person wirkt.

Entsprechendes gilt häufig aber nicht nur für Personen, sondern auch für Tiere oder Gegenstände, deren Bewegungen verfolgt und analysiert werden sollen. Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Die Beschleunigungssensoren gemäß der vorliegenden Erfindung können wie in der DE 10 2005 004 086 A1 ausgeführt sein. Z.B. können Mikrosensoren auf Basis von Siliziumstrukturen eingesetzt werden. Solche Sensoren sind klein und leicht. Sie lassen sich gemäß der Erfindung z.B. in elektronische Geräte integrieren, die von Personen benutzt werden, z.B. Mobiltelefone, Handheld-Computer oder dergleichen. Die Sensoren können jedoch aufgrund der geringen Größe auch in noch kleinere Geräteeinheiten integriert werden. Z.B. kann eine solche Einheit lediglich die drei

Beschleunigungssensoren zur Messung der Beschleunigungswerte in einem kartesischen Koordinatensystem und die erforderlichen Einrichtungen enthalten, um die Messwerte für eine Auswertung verfügbar zu machen. Die Übertragung der Messwerte von der Einheit kann z.B. drahtlos über eine Funkschnittstelle erfolgen.

Eine Sensoreinheit, die Beschleunigungen in einem kartesischen Koordinatensystem, d.h. in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen messen kann, wird im Folgenden 3D- Beschleunigungssensor oder 3D-Sensor genannt.

Dabei sind die drei einzelnen Beschleunigungssensoren vorzugsweise eine integrierte Einheit, z.B. in Form eines integrierten Schaltkreises. Sie können jedoch auch aus separaten Einheiten zusammengesetzt, d.h. mechanisch miteinander verbunden sein, oder alternativ ein örtlich verteiltes System sein. Dabei können die einzelnen

Sensoreinheiten oder der gesamte 3D-Sensor auch aus einem einzelnen oder

zusammengesetztem Kamerasystem und/oder einer Kombination mit einem SD- Beschleunigungssensor bestehen, welches in zeitlicher Abfolge die Umgebung erfasst. Durch die Änderung der optischen Bildinhalte und der Kenntnis über die

Kameraparameter lassen sich somit Bewegungsänderungen wie Strecke,

Geschwindigkeit und Beschleunigung ermitteln.

Wie zuvor erwähnt kann insbesondere durch eine am Objekt angeordnete Kamera die Bewegung des Objekts erfasst werden. Dabei ist es nicht nur möglich, durch Auswertung der von der Kamera erfassten Bilder die Beschleunigungswerte der Bewegung des Objektes zu bestimmen. Vielmehr können alternativ die Geschwindigkeit der Bewegung und/oder die zurückgelegten Wegstrecken der Bewegung bestimmt werden. Das später beschriebene Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten kann daher anstelle der 3D- Beschleunigungsmesswerte Geschwindigkeitswerte und/oder Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Wegstreckenwerte, jeweils als dreidimensionale Werte nutzen und in der im folgenden beschriebenen Weise in ein zweites Koordinatensystem transformieren.

Die Kamera oder das Kamerasystem mit mehreren unterschiedlich ausgerichteten Kameras kann auf verschiedene Weise dazu benutzt werden, die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Objektes zu bestimmen. Insbesondere kann dabei zumindest ein Modell der Bewegung von Personen und/oder Gegenständen verwendet werden, wobei diese Personen und/oder Gegenstände aus Sicht der Kamera oder des Kamerasystems sich an dem Objekt vorbeibewegen oder auf das Objekt zu bewegen oder von dem Objekt wegbewegen. Insbesondere die Information, dass ein bestimmter Gegenstand oder eine bestimmte Person sich genau auf das Objekt zu bewegt (sofern dies in dem Koordinatensystem der Kamera betrachtet wird) ergibt die Information über die Hauptbewegungsrichtung. Dabei wird unter einer Bewegung genau auf das Objekt zu verstanden, dass z. B. wie beim Gehen einer Person die Hüfte eine periodische überlagernde Bewegung ausführt. Aus Sicht der Kamera oder des Kamerasystems kann sich die genau auf das Objekt zu bewegende Person oder der Gegenstand daher z. B. hin- und herbewegen, während andere Personen oder Objekte sich an dem Objekt vorbeibewegen. Entsprechendes gilt für Personen oder Gegenstände, die sich genau von dem Objekt wegbewegen. Zusätzlich kann bei Personen oder Gegenständen, die sich genau auf das Objekt zu bewegen bzw. von ihm wegbewegen aus den Kamerabildern ermittelt werden, dass sich die Person oder der Gegenstand scheinbar vergrößert (wenn er sich genau auf das Objekt zu bewegt) oder verkleinert (wenn er sich genau von dem Objekt weg bewegt).

Bei Personen oder Gegenständen, die sich an dem Objekt vorbeibewegen, kann optional zusätzlich die Information über den Abstand zu dem Objekt verwendet werden, um die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Objekts zu ermitteln. Dabei kann der Abstand z. B. bei einem Kamerasystem durch geometrische Überlegungen,

beispielsweise in einer Triangulationberechnung, gewonnen werden. Es können jedoch auch Zusatzinformationen über bekannte Abstände genutzt werden, etwa über den Abstand von Baken zu einer Seitenlinie auf einer Straße für Kraftfahrzeuge. Auch ist es möglich, diesen Abstand durch zusätzliche Sensoren zu ermitteln, z. B.

Ultraschallsensoren, die die Zeit für die Reflexion von Schallwellen messen und daraus auf den Abstand schließen. Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

Ist aus den Kamerabildern die Hauptbewegungsrichtung ermittelt worden und wird zusätzlich berücksichtigt, dass sich das Objekt auf dem Erdboden bewegt, wird die Richtung der Erdgravitation z. B. dadurch bestimmt, dass sie senkrecht zur

Hauptbewegungsrichtung verläuft. Zusätzlich kann die Richtung der Gravitation unter Verwendung der Information bestimmt werden, dass sich die an dem Objekt aus Sicht der Kamera oder der Kameras scheinbar vorbeibewegenden Personen und Gegenstände zumindest teilweise fest auf dem Erdboden positioniert sind. Zumindest im zeitlichen Mittel ergibt sich daraus die Horizontale. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Gravitationsrichtung, die mit den zuvor erwähnten kombiniert werden kann, besteht in der Verwendung von Kenntnissen über die Art der Bewegung, die das Objekt ausführt. Z. B. beim Gehen bewegt sich die Hüfte einer Person in bestimmter Weise relativ zur

Hauptbewegungsrichtung (der Bewegungsrichtung des Schwerpunktes der Person in diesem Fall). Auch die Frequenz der überlagerten Bewegung der Hüfte oder eines anderen Körperteils oder Objektteils im Verhältnis zu der Frequenz zumindest eines anderen Teils des Objekts bzw. der Person ergibt Informationen, aus denen sich die Richtung des Erd-Gravitationsfeldes ermitteln lässt. Auf die genannten

Frequenzverhältnisse wird noch näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingegangen.

Z. B. kann eine Kamera, die für die Analyse einer Gehbewegung einer Person benutzt werden soll, an einem Gürtel (z. B. einem um die Hüfte oder Taille der Person

umlaufenden Gürtel) befestigt sein. Erfasst die Kamera auch die

Hauptbewegungsrichtung, können wie oben erwähnt sich genau auf die Person zu bewegende Personen oder Gegenstände mit den Kamerabildern erfasst werden.

Insbesondere bei einem weiten Erfassungswinkel der Kamera werden jedoch auch Personen oder Gegenstände erfasst, die sich an der gehenden Person vorbeibewegen.

Die Analyse von Bewegungen ist für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse. Bei Gegenständen kann z.B. durch Auswerten der Beschleunigungsmesswerte die Bewegung des Gegenstandes zurückverfolgt werden. Denkbar ist dies z.B. bei Gepäckstücken. Bei der Auswertung der Beschleunigungsmesswerte kann durch Integration über die Zeit zunächst die Geschwindigkeit und dann der zurückgelegte Weg des Objekts berechnet werden. Um die Beschleunigungsmesswerte für einen interessierenden Zeitraum zur Verfügung stellen zu können, kann die erwähnte Einheit z.B. einen geeignet

dimensionierten Datenspeicher aufweisen, in dem die Messwerte gespeichert werden. Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Bei Personen soll z.B. die Bewegung des Fußes beim Laufen analysiert werden (s. dazu DE 10 2005 004 086 A1 , die auf die Thematik näher eingeht). Andere Anwendungen bei Personen sind die Überwachung der körperlichen Aktivität, z.B. bei an Diabetes erkrankten Personen oder bei adipösen Personen. Außerdem kann mittels der 3D- Sensoren bei sturzgefährdeten Personen ein Sturz festgestellt werden. Der 3D-Sensor kann mit einer entsprechenden Auswertungseinheit kombiniert werden, z.B. um den Kalorienverbrauch oder den Sturz festzustellen. Bei Tieren, z.B. bei nachtaktiven Tieren und/oder Haustieren kann durch Analyse der Bewegung, die mit Hilfe des 3D-Sensors gemessen wird, festgestellt werden, wo sich das Tier aufgehalten hat oder ob sich das Tier artgerecht verhalten hat.

Analyseverfahren zum Analysieren der Bewegung zu den jeweiligen Zwecken sind bekannt und werden hier lediglich in Bezug auf Anwendungsbeispiele beschrieben. Z.B. kann bei Anbringung des 3D-Sensors am Schuh festgestellt werden, ob die

Gehbewegung oder Laufbewegung einer Person durch besondere Ausgestaltung des Schuhs korrigiert werden soll. Näheres hierzu ist in der DE 10 2005 004 086 A1 beschrieben. Zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs kann die gemessene Bewegung mit bekannten Bewegungsmustern verglichen werden. Z.B. findet eine Klassifikation einer Bewegungsphase statt und wird abhängig von dem Ergebnis der Klassifikation

entschieden, ob sich die Person selbst bewegt hat oder bewegt wurde und welche Kalorienzahl bzw. Energie die Person bei eigener Bewegung verbraucht hat. Dabei kann der Kalorienverbrauch nicht nur abhängig von dem Bewegungstyp (z.B. Gehen, Laufen, Schwimmen, Rudern, Radfahren und dergleichen) ermittelt werden, sondern kann außerdem noch die konkret gemessene Bewegungsinformation zusätzlich herangezogen werden. Insbesondere können die Beschleunigungswerte daher nicht nur zur

Klassifikation der Bewegung sondern auch zur Auswertung der Bewegung, z.B. zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs pro Zeitintervall ausgewertet werden. Aus den Beschleunigungsmesswerten lässt sich ermitteln, ob die Person schnell gelaufen ist oder langsam, mit dem Fahrrad einen Berg hinauf oder hinab gefahren ist oder schnell oder langsam geschwommen ist.

Bezüglich der Transformation der Beschleunigungsmesswerte aus dem

Koordinatensystem des 3D-Sensors in ein geeignetes anderes Koordinatensystem ist aus der DE 10 2005 004 086 A1 entnehmbar, dass eine Richtung des transformierten, zweiten Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Koordinatensystems die Richtung der Gewichtskraft des Objekts ist. Ist das Objekt in Ruhe, lässt sich die Richtung der Gewichtskraft unmittelbar aus den gemessenen

Beschleunigungswerten der drei Sensoren ermitteln, da die Richtung der Gewichtskraft mit der Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes übereinstimmt. Aber auch während sich das Objekt mit dem daran angebrachten 3D-Sensor bewegt, kann die Richtung der Gewichtskraft ermittelt werden. Vorzugsweise werden Zeitintervalle der Beschleunigungsmesswerte ausgewertet und durch zeitliche Mittelung die Richtung der Gewichtskraft bzw. des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes ermittelt.

Ausführungsbeispiele werden noch beschrieben.

Jedoch ist das transformierte Koordinatensystem durch die Richtung der Gewichtskraft noch nicht eindeutig festgelegt. Die zwei dazu senkrecht verlaufenden Koordinatenachsen können noch frei gewählt werden. Zumindest eine Richtung wird zur Festlegung des zweiten Koordinatensystems noch benötigt. Die DE 10 2005 004 086 A1 schlägt vor, zwei so genannte Initialmessungen vorzunehmen. Hierzu wird eine Bewegung des Objekts mit dem daran angebrachten 3D-Sensor ausgeführt. Durch Auswertung der Bewegung wird die zweite Richtung, d.h. die Richtung einer weiteren Koordinatenachse des

transformierten Koordinatensystems ermittelt.

Nach den Initialmessungen kann der Messbetrieb zum Erfassen von Bewegungen des Bewegungsobjekts beginnen. Voraussetzung ist jedoch, dass sich die Ausrichtung des 3D-Sensors relativ zu dem Bewegungsobjekt nicht ändert. Nachteilig an der in

DE 10 2005 004 086 A1 beschriebenen Vorgehensweise ist daher, dass für die

Transformation des Koordinatensystems Initialmessungen erforderlich sind. Solche Messungen kosten Zeit und werden daher möglicherweise vergessen. Insbesondere wenn das Bewegungsverhalten von Personen laufend vermessen werden soll, wird die Person nicht dazu bereit sein, immer wieder Initialmessungen durchzuführen. Z.B. kann der 3D-Sensor in ein elektronisches Gerät integriert sein, das die Person am Körper trägt. Wenn die Person das elektronische Gerät benutzt hat und wieder in eine Tasche oder Halterung einbringt, die am Körper der Person getragen wird, ändert sich die Ausrichtung des 3D-Sensors in Bezug auf die Person. Aber auch bei Tieren oder Gegenständen ist die wiederholte Durchführung von Initialmessungen in vielen Fällen nicht praktikabel.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten anzugeben, mit denen die zuvor Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

genannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll es möglich sein, ohne Initialmessungen, die nicht zu der eigentlichen zu analysierenden Bewegung gehören, auszukommen. Ferner gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung ein

Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens auf einem Computer oder

Computersystem sowie ein Datenträger, auf den das Programm gespeichert ist, insbesondere in Form von digitalen Daten.

Die vorliegende Erfindung geht insbesondere von dem Gedanken aus, dass bei der Auswertung von Bewegungen auf Informationen über frühere Bewegungen und/oder Informationen über Bewegungstypen zurückgegriffen werden kann. Ein Vergleich der zu analysierenden Bewegung mit solcher Information ist insbesondere als Mustererkennung an sich bekannt. Abhängig von dem Vergleich kann - wie oben bereits erwähnt wurde - die zu analysierende Bewegung klassifiziert werden. Hierzu kann eine Mehrzahl von vordefinierten Klassen existieren, von denen eine zur Klassifikation der Bewegung ermittelt wird. Die Information kann auf verschiedene Art vorliegen und der Vergleich kann dementsprechend in verschiedener weise durchgeführt werden. Z.B. kann eine

Frequenzanalyse von ein oder mehreren Komponenten des mit Hilfe des 3D-Sensors gemessenen Beschleunigungsvektors durchgeführt werden. Beim Gehen bzw. Laufen einer Person ist es z.B. charakteristisch, dass die Frequenz der beim Gehen ausgeführten Rechts-Links-Beschleunigungen halb so groß ist, wie die Frequenz der Vor-Zurück- Beschleunigungen, wenn der 3D-Sensor im Bereich der Hüfte der Person getragen wird. Der Bereich der Hüfte ist ein häufiger Trageort. Z.B. kann der 3D-Sensor an einem Gürtel oder am Hosenbund getragen werden, oder er kann in ein Gerät integriert sein, dass dort getragen wird. Auch die Unterbringung des 3D-Sensors in einer Hosentasche platziert ihn im Bereich der Hüfte.

Es wird nun vorgeschlagen, die Mustererkennung nicht oder nicht nur zum Zweck der Auswertung der Bewegung vorzunehmen, sondern um die Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems zu bestimmen. Die Richtung der ersten Achse des zweiten Koordinatensystems verläuft in Richtung des Gravitationsfeldes und wird aus den Messwerten des 3D-Sensors ermittelt. Wenn hier von der ersten und der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems die Rede ist, so dient dies lediglich zur eindeutigen Bezeichnung der Achsen. Eine Reihenfolge und damit eine bestimmte Orientierung des transformierten Koordinatensystems ist damit nicht festgelegt. Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Wie erwähnt kann die Mustererkennung auf sehr verschiedene Weise stattfinden.

Anschaulich betrachtet ist die Richtung der zweiten Achse des transformierten

Koordinatensystems, in das die Beschleunigungsmesswerte transformiert werden, die Richtung einer bestimmten, ausgezeichneten Richtung der Bewegung. Ausgezeichnet ist die Richtung durch für die Bewegung typische Merkmale. Z.B. beim Gehen einer Person bietet es sich an, die Vorwärtsrichtung, in die die Person geht, als ausgezeichnete Bewegungsrichtung zu bezeichnen. Diese ausgezeichnete Bewegungsrichtung wird auch als Hauptbewegungsrichtung oder Hauptbewegungsachse bezeichnet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, beim Gehen die Vorwärtsrichtung als Richtung der zweiten Achse des transformierten Koordinatensystems zu wählen. Z.B. könnte auch die senkrecht dazu verlaufende und ebenfalls senkrecht zur Richtung des Gravitationsfeldes verlaufende Rechts-Links-Richtung als Richtung der zweiten Koordinatenachse gewählt werden. Wichtig ist es nur, für gleichartige Bewegungen immer dieselbe Richtung für die zweite Koordinatenachse zu wählen. Dies ermöglicht es insbesondere, die Bewegungen miteinander zu vergleichen oder zumindest in gleicher weise auszuwerten.

Wenn davon die Rede, dass zur Bestimmung dieser Richtung eine Mustererkennung durchgeführt wird, dann muss dies nicht im Rahmen einer Klassifikation, d.h. durch Ermittlung eines Bewegungstyps erfolgen. Vielmehr reicht es aus, die Richtung mit Hilfe von Informationen über eine andere Bewegung als die zu analysierende Bewegung zu bestimmen. Die Richtung, z.B. die Hauptbewegungsrichtung, kann in Bezug auf die andere Bewegung definiert sein. Z.B. kann die andere Bewegung ebenfalls eine

Gehbewegung sein. Wenn bekannt ist, dass die Bewegungen hinsichtlich der

Bewegungsart einander entsprechen oder gleichen, kann unter Nutzung der

Informationen über die andere Bewegung die dafür definierte Richtung als zweite

Richtung in die zu analysierende Bewegung übertragen werden. Somit liegt die zweite Richtung auch für die zu analysierende Bewegung fest und kann die Transformation der Bewegungsmesswerte aus dem Mess-Koordinatensystem in das transformierte

Koordinatensystem durchgeführt werden.

Insbesondere wird Folgendes vorgeschlagen:

Ein Verfahren zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, insbesondere von Gegenständen, Personen oder anderen Lebewesen, wobei Beschleunigungsmesswerte Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

bezüglich drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen eines ersten

Koordinatensystems vorliegen und wobei:

- die Beschleunigungsmesswerte in ein zweites Koordinatensystem transformiert werden,

- für die Transformation in das zweite Koordinatensystem aus den

Beschleunigungsmesswerten die Richtung eines Gravitationsfeldes ermittelt wird, in dem die Bewegung stattfindet oder stattgefunden hat,

- die Richtung des Gravitationsfeldes als die Richtung einer ersten Achse des zweiten Koordinatensystems gewählt wird,

- die Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte oder daraus abgeleiteter

Bewegungsinformationen einerseits mit vorhandener Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp andererseits ermittelt wird.

Bei Personen kann das transformierte Koordinatensystem in vielen Fällen als bezüglich der Person oder eines charakteristischen Bereichs der Person (z.B. der Hüfte) als unveränderliches Koordinatensystem definiert werden. Allerdings kann es abhängig von dem Bewegungstyp dazu kommen, dass der Körperteil, an dem der 3D-Sensor angebracht ist, eine rotatorische Bewegungskomponente hat, so dass er sich im

Gravitationsfeld anders ausrichtet. In diesem Fall wird es bevorzugt, dass die zu analysierende Bewegung in verschiedene Zeitabschnitte unterteilt wird, in denen jeweils ein anderes transformiertes Koordinatensystem gewählt wird. Die Übergänge zwischen diesen Zeitabschnitten sind durch die Zeitpunkte der rotatorischen

Bewegungskomponente definiert.

Da sich die Ausrichtung des Körperteils, relativ zu dem der 3D-Sensor an den Körper positioniert ist, in gewissen Grenzen laufend ändern kann, ist die Richtung der ersten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems, d.h. der Koordinatenachse, die in Richtung des Gravitationsfeldes ausgerichtet werden soll, nicht exakt definiert. Dennoch erhält man mit der Transformation der Beschleunigungsmesswerte in das transformierte Koordinatensystem sehr viel besser und genauer auswertbare Ergebnisse, wenn die Richtung der ersten Koordinatenachse durch Bestimmung eines über einen Zeitraum gemittelten Gravitationsbeschleunigungsvektors vorgenommen wird.

Allgemeiner formuliert werden daher über den Verlauf der zu analysierenden Bewegung wiederholt oder kontinuierlich Bewegungsmesswerte ausgewertet, um die Richtung des Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

Gravitationsfeldes zu bestimmen und die erste Achse des zweiten Koordinatensystems festzulegen. Vorzugsweise werden zur kontinuierlichen Auswertung

Bewegungsmesswerte jeweils gleitend über einen Zeitraum ausgewertet, insbesondere gemittelt, wobei der Zeitraum jeweils an einem aktuellen Zeitpunkt der

Bewegungsmessung endet und in die Vergangenheit zurückgeht. Insbesondere kann dieser sich gleitend verschiebende Zeitraum, der jeweils auf den aktuellen Zeitpunkt der Bewegungsmessung bezogen ist, immer gleich lang sein. Bei Bewegungsmesswerten mit konstanter Abtastrate der Sensoren wird beispielsweise immer eine gleich große Anzahl aufeinander folgender Messwerte ausgewertet. Bei der Mittelung können die über den Auswertungszeitraum verteilten Messwerte gleich oder unterschiedlich gewichtet werden. Dies hängt insbesondere auch von der Art der Bewegung ab.

Die Mittelung über den Auswertungszeitraum, um die Richtung der ersten

Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems zu ermitteln, hat aber nicht nur den oben erwähnten Vorteil. Außerdem können aus einer Drehung dieser Richtung in Bezug auf das Mess-Koordinatensystem Informationen über die Bewegung gewonnen werden. Es kann so beispielsweise auf einfache Weise erkannt werden, dass vor und nach der Drehung Bewegungen gemäß verschiedenen Bewegungstypen ausgeführt werden bzw. wurden.

Bei der aus den Beschleunigungsmesswerten abgeleiteten Bewegungsinformation für die Ermittlung der zweiten Achse kann es sich z.B. um die Geschwindigkeit der Bewegung handeln, aus deren Richtung sich in einfacher Weise eine ausgezeichnete Richtung der Bewegung ergibt, um eine Frequenz von Komponenten des gemessenen

Beschleunigungsvektors oder um eine andere Information, die es für einen bestimmten Bewegungstyp erlaubt, die Richtung der zweiten Achse zu bestimmen, oder den

Bewegungstyp festzustellen.

Im Gegensatz zu der DE 10 2005 004 086 A1 , sind die für den Vergleich verwendeten Beschleunigungsmesswerte Messwerte der zu analysierenden Bewegung. Es handelt sich daher nicht um Messwerte von Initialmessungen. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, solche Initialmessungen durchzuführen und für die Bestimmung der Richtung der zweiten Achse zu nutzen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Initialmessung möglicherweise einem anderen Bewegungstyp unterliegt, als die eigentliche zu

analysierende Bewegung. Anders ausgedrückt setzt die erfindungsgemäße Lösung nicht Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

voraus, dass sich die Ausrichtung des 3D-Sensors zum Bewegungsobjekt zwischen Initialmessung und eigentlicher Messung nicht ändert. Vielmehr kann auch bei einer solchen Änderung der relativen Ausrichtung zumindest vor und nach der Änderung jeweils eine Richtung einer zweiten Achse des zweiten Koordinatensystems unmittelbar aus den Messdaten bestimmt werden.

Insbesondere ist es daher möglich, den Vergleich und die Transformation in das zweite Koordinatensystem nach Abschluss der zu analysierenden Bewegung durchzuführen. Bei Initialmessungen muss dagegen zunächst, bevor die eigentliche Messung beginnt, die zweite Richtung zur Festlegung des transformierten Koordinatensystems bestimmt werden. Stellt sich nämlich später heraus, dass die Initialmessung nicht erfolgreich war, z.B. weil bestimmte Anforderungen nicht erfüllt wurden, kann die gesamte zu

analysierende Bewegung nicht in der Weise wie in DE 10 2005 004 086 A1 beschrieben ausgewertet werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 : schematisch einen 3D-Beschleunigungssensor, das kartesische

Koordinatensystem des Sensors und ein transformiertes Koordinatensystem,

Fig. 2: schematisch eine Vorrichtung zum Analysieren von Bewegungen von Objekten, wobei die Figur in der Art eines Flussdiagramms auch das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht,

Fig. 3: ein Diagramm, das Beschleunigungsmesswerte mit zwei Komponenten in einer etwa horizontalen Ebene beim Laufen einer Person zeigt, wobei der SD- Beschleunigungssensor in der rechten Hosentasche getragen wurde,

Fig. 4: Messwerte für eine Bewegung wie bei Fig. 3, wobei jedoch der SD- Beschleunigungssensor in der linken Hosentasche getragen wurde,

Fig. 5: Bewegungsmesswerte einer Laufbewegung ähnlich der von Fig. 3 und Fig. 4, wobei jedoch der Sensor an der Gürtelschnalle im Hüftbereich der Person getragen wurde,

Fig. 6: ein Diagramm, das zwei Komponenten von gemessenen Beschleunigungswerten in einer etwa horizontalen Ebene darstellt, wobei die Bewegung dadurch stattfindet, dass die Person, welche den Sensor trägt, in einem

Straßenkraftfahrzeug fährt. Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Fig. 1 zeigt einen 3D-Sensor S, der als Würfel dargestellt ist und drei

Beschleunigungssensoren aufweist. Diese drei Sensoren messen die Komponenten des Gesamt-Beschleunigungsvektors in Richtung der drei Koordinatenachsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems, das bezüglich dem Sensor ruht.

Mit g ist der Gravitationsbeschleunigungsvektor eines Gravitationsfeldes bezeichnet, in dem sich der Sensor S befindet. Mit der Richtung des Beschleunigungsvektors g fällt die Richtung der Koordinatenachse x' zusammen, die die erste Koordinatenachse eines transformierten Koordinatensystems ist. Die weiteren Koordinatenachsen des

transformierten Koordinatensystems sind mit y' und z' bezeichnet und in Fig. 1 durch gestrichelte Linien mit einem Pfeil an dem Ende der Linie dargestellt. Die Messwerte des Messkoordinatensystems x, y, z sind mit A1 (x-Achse), A2 (y-Achse) und A3 (z-Achse) bezeichnet. Bei diesen Messwerten handelt es sich um Beschleunigungsmesswerte des Sensors S.

Der Sensor S kann z.B. in ein elektronisches Gerät integriert sein und/oder an dem Bewegungsobjekt befestigt sein.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Analysieren der Bewegung auf Basis von 3D-Beschleunigungsmesswerten eines 3D-Sensors. Bei dem Sensor S kann es sich z.B. um den Sensor gemäß Fig. 1 handeln.

Wie schematisch links in Fig. 2 dargestellt ist, weist der 3D-Sensor S drei einzelne Beschleunigungssensoren 15a, 15b, 15c auf, die wiederholt, insbesondere zyklisch mit konstanten Zeitabständen, Messwerte der Beschleunigung bezüglich der drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems x, y, z (z.B. des nicht transformierten

Koordinatensystems gemäß Fig. 1 ) messen. Der Messwert A1 des Sensors 15a ist z.B. der Messwert der x-Achse, der Messwert A2 des Sensors 15b der Messwert der y-Achse und der Messwert A3 des Sensors 15c der Messwert bezüglich der z-Achse.

Über eine Signalverbindung zwischen dem Sensor S und einer Ermittlungseinrichtung 10 werden die Messwerte A1 , A2, A3 an die Einrichtung 10 übertragen. Die Signalverbindung kann drahtlos und/oder drahtgebunden realisiert werden. Auch können zwischen dem SD- Sensor S und der Einrichtung 10 weitere Einrichtungen oder Einheiten angeordnet sein, Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

z.B. eine Aufbereitungseinrichtung zur Aufbereitung der Rohmesswerte der Sensoren 15a, 15b, 15c (z.B. um systematische Messfehler zu korrigieren und entsprechende korrigierte Messwerte an die Einrichtung 10 auszugeben). Auch kann der 3D-Sensor S z.B. in einer gemeinsamen Baueinheit (z.B. einem elektronischen Gerät, z.B. ein

Mobiltelefon) mit einer Funkübertragungseinrichtung zum Übertragen der Messwerte A1 , A2, A3 verbaut sein. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wäre die Einrichtung 10 in diesem Fall mit einer entsprechenden Empfangseinrichtung zum Empfangen der

Funksignale kombiniert. Es ist aber auch möglich, dass die Einrichtung 10 in derselben Einheit verbaut ist wie der 3D-Sensor S. Das Gleiche gilt für die weiteren in Fig. 2 dargestellten Einrichtungen, auf die noch näher eingegangen wird. Entweder können alle Einrichtung, die in Fig. 2 dargestellt sind, in einer gemeinsamen Einheit verbaut sein (z.B. das erwähnte elektronische Gerät) oder es befindet sich die Grenze (z.B. die

Funkschnittstelle) der Baueinheit des 3D-Sensors zwischen diesem und der Einrichtung 10, zwischen der Einrichtung 10 und der Einrichtung 12 oder zwischen der Einrichtung 12 und der Einrichtung 14.

Die Ermittlungseinrichtung 10 ermittelt aus den Beschleunigungsmesswerten A1 , A2, A3 die Richtung eines Gravitationsfeldes, in dem die Bewegung eines Bewegungsobjekts stattfindet, an dem der 3D-Sensor S angeordnet ist. Auf ein Ausführungsbeispiel, wie die Ermittlung vorgenommen wird, wird noch näher eingegangen. Die so ermittelte Richtung des Gravitationsfeldes gibt die Einrichtung 10 zusammen mit den Messwerten A1 , A2, A3 als Richtung der ersten Koordinatenachse x ¹ des transformierten Koordinatensystems an die Einrichtung 12 aus, die eine Vergleichseinrichtung ist.

Die Vergleichseinrichtung 12 hat Zugriff auf einen Datenspeicher 11 , in dem

Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp gespeichert sind. Aus einem Vergleich der Beschleunigungsmesswerte A1 , A2, A3 oder daraus abgeleiteter Bewegungsinformation einerseits mit der in dem Datenspeicher 11 abgelegten Information andererseits ermittelt die Vergleichseinrichtung 12 die Richtung einer zweiten Achse y ¹ des transformierten Koordinatensystems.

In der hier beschriebenen Ausführungsform übernimmt die Vergleichseinrichtung 12 auch die Koordinatentransformation. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche

Koordinatentransformation wird noch näher beschrieben. An einem Ausgang der

Vergleichseinrichtung 12 liegen daher die in das zweite, transformierte Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

Koordinatensystem x', y", z' transformierten Beschleunigungsmesswerte R1 , R2, R3 an. Diese transformierten Messwerte werden einer Analyseeinrichtung 14 zugeführt, die die Bewegung anhand der transformierten Messwerte analysiert. Z.B. ermittelt die

Analyseeinrichtung 14, welche Energie eine Person für die Bewegung verbraucht hat, die durch das Aufnehmen der Messwerte A1 , A2, A3 vermessen wurde.

Zusätzlich zu den transformierten Messwerten R kann die Vergleichseinrichtung 12 auch weitere Informationen an die Analyseeinrichtung 14 ausgeben, insbesondere die

Information, um welchen Bewegungstyp oder um welche Bewegungstypen es sich bei der vermessenen Bewegung handelt. Z.B. kann die Vergleichseinrichtung 12 eine

Bewegungsmustererkennung durchführen, d.h. die für einen bestimmten Bewegungstyp charakteristischen Muster in der vermessenen Bewegung identifizieren. Daraus ermittelt die Vergleichseinrichtung wie erwähnt die Richtung der zweiten Achse des

transformierten Koordinatensystems. Die so erhaltene Information über den

Bewegungstyp und optional außerdem die oben bereits erwähnte Hauptbewegungsachse übermittelt sie an die Analyseeinrichtung 14, die daher nicht mehr eine Mustererkennung ausführen muss. Die Analyseeinrichtung 14 kann die Information über den Bewegungstyp unmittelbar bei der eigentlichen Analyse der Bewegung verwenden. Z.B. ist der

Kalorienverbrauch für die Bewegung 0, wenn sie aus dem Bewegungstyp ermittelt, dass sich die Person nicht selbst bewegt hat, sondern bewegt wurde.

Es wird nun ein Ausführungsbeispiel für die Koordinatentransformation beschrieben.

Es findet eine Transformation der Beschleunigungs-Messwerte aus dem kartesischen Koordinatensystem x, y, z des Mess-Sensors (Ausgangskoordinatensystem) in das transformierte Koordinatensystem x', y', z' statt. Die transformierte Achse x' entspricht der Richtung des Beschleunigungsvektors des Erdgravitationsfeldes.

Der Vektor

zeigt in Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes und ist bereits normiert, d.h. hat den Betrag 1. Seine in der Spaltenschreibweise übereinander Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

stehenden Komponenten gl , g2, g3 sind Komponenten im Ausgangs-Koordinatensystem. Wirkt außer der Erdbeschleunigung keine andere Beschleunigung, sind die Komponenten die Messwerte der drei einzelnen Beschleunigungssensoren des 3D-Sensors. Der Vektor

/= y ₂ bezeichnet die zweite Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems. Dieser Vektor ist unter Verwendung der Informationen über eine andere Bewegung oder einen Bewegungstyp zu bestimmen, z.B. durch Mustererkennung. Seine Komponenten y1 , y2, y3 sind ebenfalls auf das Ausgangs-Koordinatensystem bezogen. Wird zunächst ein beliebiger Vektor x definiert, der senkrecht zu dem Vektor x' steht, gilt:

0

Dabei werden die Komponenten des Vektors 3c so gewählt, dass sein Betrag 1 ist. Für den Vektor z' in Richtung der dritten Koordinatenachse des transformierten

Koordinatensystems gilt:

Die Gleichung gibt das Kreuzprodukt der Vektoren x', y' an. Für einen gemessenen Vektor

dessen Komponenten m1 , m2, m3 Beschleunigungsmesswerte im Ausgangs- Koordinatensystem sind, gelten die folgenden Beziehungen: ml = < m-x ,y> = (ml-xl)*yl + (m2-x2)*y2+(ni3-x3)*y3

= (ml-xl)*x2 + (m2-x2)*(-xl) Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

m2 = < m-x ,x> = (ml-xl)*xl + (m2-x2)*x2+(m3-x3)*x3 m3 = < m-x ,z> = (ml-xl)*zl + (m2-x2)*z2+(m3-x3)*z3

= (ml-xl)*(-xl*x3) + (m2-x2)*(-x2*x3)+(ni3-x3)*(x2*x2+xl*xl)

Dabei bedeutet < > das Skalarprodukt der Vektoren, die in den eckigen Klammern durch ein Komma getrennt sind,„m-x" ist ein Differenzvektor der Vektoren m und x. Mittels dieser Normierung wird ein Messvektor ohne Einfluss der Gravitation generiert. Das Zeichen ^* ist das Multiplikationszeichen.

Der Vektor x' wird aus der vermessenen Bewegung ermittelt. Dazu werden die

Komponenten des Vektors über die Zeit gemittelt, wobei aktuelle Messwerte gewichtet in die Mittelwertberechnung einfließt. Der Vektor x' mit den Komponenten x1 , x2 x3 kann exemplarisch wie folgt berechnet werden: x ^Λ ' neu = a " * 'm" ^■ 2* ^• + ^ h ^υ * ^Λ x' alt '

d.h. der Wert x' _neu des aktuell Verarbeitungszyklus ist gleich der Summe aus den mit den Faktoren a und b gewichteten Summanden, wobei die Summanden die Komponente m2 des aktuellen Messwertes in Richtung von x' und der Wert x\ _lt des vorangegangenen Verarbeitungszyklus sind.

Hierbei sind a und b so zu wählen, dass ihre Summe a+b gleich 1 ist. Die Parameter a und b werden vorzugsweise abhängig von der Abtastfrequenz des 3D-Sensors (der so genannten Samplingrate) gewählt. Z. B. hat sich a=0,01 für die Samplingrate 20 Hz bewährt.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die

Transformation unter Berücksichtigung von Informationen über eine andere Bewegung oder über einen Bewegungstyp bei der eigentlichen Analyse der Bewegung eine höhere Genauigkeit erzielt werden kann, da eine unerwartete, fehlerhafte oder geänderte Ausrichtung des 3D-Sensors in Bezug auf das Bewegungsobjekt erkannt wird und bei der Transformation berücksichtigt wird.

Im Folgenden wird auf Beispiele von Bewegungen eingegangen. Unser Zeichen: FHIPT09011WO 22. Juni 2010

Fig. 3 zeigt die Messwerte einer Laufbewegung einer Person in der Ebene, die senkrecht zu der Richtung des Beschleunigungsvektors des Gravitationsfeldes steht. Die horizontale Achse des Koordinatensystems in Fig. 3 ist ungefähr in Links/Rechts-Richtung der Laufbewegung ausgerichtet, d.h. etwa senkrecht zu der eigentlichen Laufrichtung. Die vertikale Achse in Fig. 3 ist daher ungefähr in Vorwärts/Rückwärts-Richtung der

Laufbewegung ausgerichtet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich der 3D-Sensor beim Laufen in der Hosentasche der Person befand, d.h. im Bereich der Hüfte angeordnet war. Der 3D-Sensor hat daher nicht die Bewegung des Massenschwerpunktes unmittelbar gemessen, sondern war seitlich vom Massenschwerpunkt angeordnet. Charakteristisch für die Laufbewegung ist in einem solchen Fall, dass der 3D-Sensor bestimmte

Bewegungszyklen ausführt, aus denen man erkennen kann, in welcher Hosentasche sich der Sensor befunden hat, rechts oder links vom Massenschwerpunkt. Dargestellt sind in Fig. 3 und den folgenden Figuren Linien, die jeweils zwei zeitlich aufeinander folgende Messwerte des 3D-Sensors verbinden. Die Messwerte befinden sich daher an den Stellen, wo die Linie scharf abknickt. Außerdem ist in Fig. 3 und den folgenden Figuren jeweils die Hauptbewegungsachse durch eine Gerade dargestellt, die der Richtung der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems entspricht.

Bei der Bewegung, die den Messwerten in Fig. 3 zugrunde liegt, befand sich der 3D- Sensor in der rechten Hosentasche der Person. Fig. 4 zeigt eine Laufbewegung, bei der sich der Sensor in der linken Hosentasche befand. Man erkennt in Fig. 3, dass die Verbindungslinien zwischen den Messpunkten in ihrem Gesamtbild einer 9 ähneln. Da sich der 3D-Sensor bei der Fig. 4 zugrunde liegenden Messung in der Hosentasche auf der gegenüber liegenden Seite befunden hat, bilden die Linien in Fig. 4 eine um eine vertikale Achse gespiegelte 9.

Fig. 5 zeigt Beschleunigungsmesswerte beim Laufen der Person, wobei jedoch der 3D- Sensor in Gegensatz zu den Bewegungen der Fig. 3 und Fig. 4 in der Körpermitte vor dem Massenschwerpunkt an der Gürtelschnalle eines im Hüftbereich getragenen Gürtels getragen wurde.

Die in Fig. 3 und Fig. 4 sowie auch in Fig. 5 eingezeichnete Hauptbewegungsachse wurde mittels einer Frequenzanalyse bestimmt. Dabei wird die Information über den

Bewegungstyp "laufen" verwendet, wonach die Frequenz der Rechts/Links-Bewegung halb so groß ist wie die Frequenz der Vor/Zurück-Bewegung. Z.B. wird für eine Unser Zeichen: FHIPT09011 WO 22. Juni 2010

angenommene Ausrichtung des Koordinatensystems in der Ebene Rechts/Links und Vor/Zurück, wie sie z.B. in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, mittels Fourier- Transformation ermittelt, wie gut dieses Verhältnis der doppelt so großen bzw. halb so großen Bewegungsfrequenz erfüllt ist. Dieser Erfüllungsgrad wird durch eine Zahl bewertet. Dieses Verfahren wird für andere Ausrichtungen des Koordinatensystems Rechts/Links und Vor/Zurück wiederholt und die Übereinstimmung mit dem Prinzip der doppelten Frequenz wird wiederum bewertet. Das dabei gefundene Optimum, d.h. die Ausrichtung des Koordinatensystems mit der besten Bewertungszahl wird als korrekte Ausrichtung übernommen. Dabei ist die Richtung Vor/Zurück die

Hauptbewegungsrichtung und damit die Richtung der zweiten Koordinatenachse des transformierten Koordinatensystems.

Fig. 6 zeigt Messwerte eines 3D-Sensors, der von einer Person getragen wurde, während die Person in einem Straßenkraftfahrzeug gefahren ist.

Bei der passiven Bewegung eines Objekts in einem Straßenkraftfahrzeug kann die Hauptbewegungsachse durch das charakteristische, mit Hilfe des 3D-Sensors

gemessene Bewegungsmuster festgestellt werden. Bei der Bestimmung des Bewegungs- Typs besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Beschleunigungsvorgänge aus der Ruhe in die Richtung der Hauptbewegungsachse zeigen. Ebenso wahrscheinlich ist es, dass Verzögerungen bis zum Stillstand ebenfalls in die Richtung der

Hauptbewegungsachse zeigen. Die Hauptbewegungsachse wird daher vorzugsweise unter Berücksichtigung dieser hohen Wahrscheinlichkeiten ermittelt. Durch die daraus entstehende Kenntnis der Achsenlage ist man z.B. in der Lage, die Straßensituation (Autobahn, Landstraße, Fahren innerorts von geschlossenen Ortschaften etc.) besser zu identifizieren. Der Bewegungstyp„Autofahren" wird grundsätzlich zum Beispiel dadurch erkannt, dass das Verhältnis der Horizontalbeschleunigung zur Vertikalbeschleunigung ausgewertet wird und mit einem für dieses Bewegungsmuster typischen Wert verglichen wird. Außerdem kann eine für das Autofahren typische Vibration identifiziert werden, z.B. indem die Frequenzen der Vibration des Bewegungsobjektes als für das Autofahren typische Frequenzen identifiziert werden.