Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Orientierung einer bewegbaren Vorrichtung.

Die Erfindung betrifft weiter eine bewegbare Vorrichtung.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf bewegbare Vorrichtungen anwend- bar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine durch eine Person tragbare intelligente Vorrichtung erläutert.

Stand der Technik

Durch das Aufkommen von tragbaren intelligenten Geräten, sogenannten „wearables", werden Sensoren wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, Pulssensoren, Temperatursensoren oder dergleichen auch in diesen kleinen Geräten eingesetzt. Wird ein solches Gerät beispielsweise am Handgelenk getragen, so können mit dem Gerät beispielsweise eine Anzahl von Schritten ermittelt werden, die die Person zurückgelegt hat oder beispielsweise, wenn ein solches Gerät am Handgelenk getragen wird, die Lage eines mit der Hand gehaltenen Tennisschlägers zur Bewegungsanalyse oder dergleichen ermittelt werden.

Offenbarung der Erfindung

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Orientierung einer bewegbaren Vorrichtung bereit, umfassend die Schritte

Ermitteln eines Maßes für die Änderung der Orientierung anhand Daten zumindest einer ersten Sensoreinrichtung,

Vergleichen des Maßes mit einem vorgegebenen Schwellwert, Bei einem Überschreiten des Schwellwertes, Einschalten einer zweiten Sensoreinrichtung, falls diese sich in einem abgeschalteten Zustand befindet und Ermitteln der Orientierung mittels der ersten Sensoreinrichtung und der zweiten Sensoreinrichtung,

Bei einem Unterschreiten des Schwellwerts oder wenn das Maß gleich dem Schwellwert ist, Abschalten der zweiten Sensoreinrichtung, falls diese sich in einem eingeschalteten Zustand befindet und Ermitteln der Orientierung mittels der ersten Sensoreinrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine bewegbare Vorrichtung bereit, umfassend eine erste Sensoreinrichtung, eine zweite Sensoreinordnung, und eine Ermittlungseinrichtung, wobei die erste und zweite Sensoreinrichtung jeweils ausgebildet sind, Daten für eine Bestimmung der Orientierung bereitzustellen, wobei die Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, ein Maß für die Änderung der Orientierung der Vorrichtung zu ermitteln, und bei einem Überschreiten eines Schwellwertes für das Maß der Änderung der Orientierung die zweite Sensorvorrichtung einzuschalten, falls diese sich in einem abgeschalteten Zustand befindet und dann die Orientierung mittels Daten der ersten Sensoreinrichtung und der zweiten Sensoreinrichtung zu ermitteln und bei einem Unterschreiten des Schwellwerts oder wenn das Maß gleich dem Schwellwert ist, die zweite Sensoreinrichtung abzuschalten, falls diese sich in einem eingeschalteten Zustand befindet und dann die Orientierung mittels der ersten Sensoreinrichtung zu ermitteln.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Orientierung einer bewegbaren Vorrichtung energieeffizient und mit hoher Genauigkeit in Abhängigkeit der aktuellen Veränderung der Orientierung der besonderen Vorrichtung bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist der insgesamt geringe Energieverbrauch.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Maß der Änderung der Orientierung anhand von zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden und mittels der ersten Sensoreinrichtung ermittelten Beschleunigungsvektoren ermittelt. Dies ermöglicht auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise eine Ermittlung einer Orientierungsänderung aufgrund von Beschleunigungswerten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Maß der Änderung der Orientierung anhand von zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden und mittels der ersten Sensoreinrichtung ermittelten Magnetfeldvektoren ermittelt. Dies ermöglicht auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise eine Ermittlung einer Orientierungsänderung aufgrund von Magnetfeldwerten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird für die Bestimmung des Maßes der Änderung der Orientierung der jeweilige Winkel zwischen den zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Vektoren bestimmt. Dies ermöglicht eine zuverlässige und gleichzeitig einfache Bestimmung des Maßes der Änderung der Orientierung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zur Initialisierung die Orientierung anhand der ersten und zweiten Sensoreinrichtung ermittelt. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Orientierung zum Beginn des Tragens der Vorrichtung einmalig auf besonders zuverlässige Weise ermittelt wird, sodass im Folgenden eine Änderung der Orientierung ebenfalls auf zuverlässige Weise ermittelt werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird bei einem festgestellten Überschreiten des Schwellwertes zu einem ersten Zeitpunkt zu einem zweiten Zeitpunkt das Maß für die Änderung der Orientierung anhand von Daten der ersten und zweiten Sensoreinrichtung ermittelt. Damit kann eine bereits zugeschaltete zweite Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Maßes der Änderung der Orientierung benutzt werden, was insgesamt die Genauigkeit der Bestimmung der Änderung der Orientierung erhöht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung korrespondiert der Schwellwert einer Änderung der Orientierung zu einer Drehratenänderung zwischen 107s und 607s, vorzugsweise zwischen 207s und 507s, insbesondere zwischen 257s und 407s, vorzugsweise 307s. Auf diese Weise wird eine besonders energieeffiziente und gleichzeitig zuverlässige Bestimmung der Änderung der Orientierung ermöglicht. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die erste Sensoreinrichtung einen Beschleunigungssensor und/oder ein Magnetometer. Damit lässt sich auf besonders energieeffiziente Weise anhand von Daten des beziehungsweise der jeweiligen Sensoren eine Änderung der Orientierung ermitteln.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die zweite Sensoreinrichtung einen Drehratensensor. Auf diese Weise lässt sich auf besonders zuverlässige und präzise Weise eine Änderung der Orientierung bestimmen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter- ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er- läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich- nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Dabei zeigt

Figur 1 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung;

Figur 2 einen Teil einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 3 ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Detail ist in Figur 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei werden über einen Beschleunigungssensor 3, ein Magnetometer 2 und einen Drehratensensor 4, die momentanen Beschleunigungswerte d, Sensordaten 31 , Magnetfeldwerte m, Sensordaten 21 und optional die Drehratenwerte w, Sensordaten 41 , in allen drei Raumachsen bestimmt, also der x-, y- und z-Achse. Diese Sensordaten 21 , 31 , 41 werden im Anschluss von einer Funktion f

Rk f i -k’ fc Ulfe) oder g

Rk di ^Q -k> Wlk) dazu verwendet, um die Orientierung q _k zu einem diskreten Zeitpunkt k zu bestimmen. Die Entscheidung 103, ob die Funktion f, Bezugszeichen 8a oder die Funktion g, Bezugszeichen 8b verwendet wird, wird durch einen Schalter 6 einer Schaltereinrichtung 50, die die Sensordaten 21 , 31 , 41 zur Ermittlung der Orientierung erhält, ermittelt.

Figur 2 zeigt einen Teil einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 2 ist ein Aufbau des Schalters 6 und dessen Funktionsweise gezeigt. Auf Basis der Orientierung q _k -i, Bezugszeichen 51 , sowie der Sensordaten a, m und optional w, Bezugszeichen 21 , 31 , 41 wird durch den Schalter 6 ermittelt, ob die Funktion f, Bezugszeichen 8b, oder g, Bezugszeichen 8a, für die Bestimmung der Orientierung q _k verwendet werden. Die Orientierung ist hier beispielhaft als Quaternion dargestellt. Bei einer Quaternion q _k handelt es sich um eine Art der Lagedarstellung, welche sich gegenüber den sogenannten Euler-Winkeln dadurch auszeichnet, dass das Problem der sogenannten kardanischen Blockade umgangen werden kann. Je nach Anwendungsfall kann aber auch eine andere Lagedarstellung, z.B. in Eulerwinkeln, anstelle der Quaternion q _k verwendet werden. Wird die Funktion f 8b, also eine Fusion aus Drehraten-, Beschleunigungs- und Magnetfelddaten 21 , 31 , 41 ausgewählt, wird der Drehratensensor 4 aktiviert. Wird die Funktion g 8a, also eine Fusion nur aus Beschleunigungs- und Magnetfelddaten 21 , 31 ausgewählt, wird der Drehratensensor 4 deaktiviert. Die Auswahl, welche Funktion f 8b oder g 8a gewählt werden soll, basiert auf verschiedenen Variablen, welche im Folgenden als Boolsche Variablen 21‘, 31‘, 41‘, 51‘ beschrieben werden. Hierbei ist auch eine Kombination der Variablen möglich.

Um eine Änderung der Orientierung innerhalb der Beschleunigungsdaten 31 ermitteln zu können, kann der Winkel, welcher sich zwischen zwei aufeinander folgenden Beschleunigungsvektoren ergibt, bestimmt werden. Der Winkel zwischen zwei Vektoren, kann mit Hilfe der bekannten Formel: berechnet werden. Liegt der Winkel sin a über einem festzulegenden Schwellwert x _a kann von einer signifikanten Änderung der Orientierung ausgegangen werden. Der Winkel a bildet also ein Maß S für die Änderung der Orientierung.

FALSCH, wenn sin a <x _a

WAHR, wenn sin a >x _a

Die Boolsche Variable C _a , Bezugszeichen 31‘ kann so auf den Wert WAHR gesetzt werden, auf Basis dessen der Schalter 6 im späteren Verlauf die Funktion f 8b für die Bestimmung des Quaternions q _k , also der Orientierung auswählt sowie den Drehratensensor 4 aktiviert. Anstelle der Entscheidung auf Basis von zwei aufeinander folgenden Beschleunigungsvektoren 31 , ist auch die Bewertung auf Basis von gefilterten und/oder aufbereiteten Beschleunigungswerten oder Daten oder eines zuvor definierten zeitlichen Abstands denkbar. Bei einem definierten zeitlichen Abstand werden nicht direkt zwei aufeinanderfolgende Messwerte aw und a _k -i für die Berechnung des Winkels verwendet, sondern der Winkel zwischen a _k und a _k-n bestimmt, wobei der Index k für den aktuellen Zeitpunkt steht und n für eine ganze Zahl größer 0, welche einen Zeitpunkt in der Vergangenheit beschreibt.

Um alternativ oder zusätzlich eine Änderung der Orientierung innerhalb der Magnetfelddaten 21 ermitteln zu können, kann analog zu der zuvor vorgestellten Variable aus Beschleunigungsdaten 31 , der Winkel, welcher sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Magnetfeldvektoren ergibt bestimmt werden.

Liegt der Winkel sin g über einem festzu legenden Schwellwert r _m kann von einer signifikanten Änderung der Orientierung ausgegangen werden. Der Winkel g bildet also ein Maß S für die Änderung der Orientierung. FALSCH, wenn siny < T _m

WAHR, wenn siny > T _m

Die Boolsche Variable C _m 21 kann so auf den Wert WAHR gesetzt werden. Analog zu der Variablen auf Basis von Beschleunigungsdaten 31 , kann anstelle der Entscheidung auf Basis von zwei aufeinander folgenden Magnetfeldvektoren 21 , auch die Bewertung auf Basis von gefilterten und/oder aufbereiteten Magnetfeldwerten oder Daten oder eines zuvor definierten zeitlichen Abstands erfolgen.

Um eine Änderung der Orientierung anhand der Messdaten 41 des Drehratensensors 4 ermitteln zu können, können verschiedene Methoden angewendet werden. Im Folgenden wird die Berechnung einer Boolschen Variablen C _w 41 sowie einer weiteren Boolschen Variablen CA _W vorgestellt. Die Variablen unterscheiden sich dadurch, dass einmal die euklidische Norm des gemessenen Drehratenvektors w _k zur Bestimmung der Variablen herangezogen wird und einmal die euklidische Norm Aw. Die euklidische Norm der Änderung der Drehrate kann über die Formel:

Wfc - Wfc-1

Zlw

DT bestimmt werden. Liegt die euklidische Norm der Änderung der Drehrate oberhalb des Schwellwerts T _4w , kann von einer signifikanten Änderung der Orientierung ausgegangen werden.

FALSCH, wenn Aw < t _Dnn

C Aw

WAHR, wenn Aw > T _&W

Die Variable CA _W kann so auf den Wert WAHR gesetzt werden. Alternativ kann geprüft werden, ob die euklidische Norm der Drehrate w _k oberhalb eines Schwellwerts T _W liegt.

Liegt die euklidische Norm der Drehrate w _k unterhalb des Schwellwerts T _W kann die Variable C _w 41 auf FALSCH gesetzt werden. Variablen auf Basis von Drehraten können hier für den Übergang des Zustands mit hohen dynamischen Orientierungs- änderungen auf den Zustand mit geringen dynamischen Zustandsänderungen genutzt werden, weil der Drehratensensor 4 im Zustand mit geringen dynamischen Zustandsänderungen deaktiviert wird und somit keine Sensordaten 41 zur Verfügung stellen kann.

Neben den Daten der Sensoren 21 , 31 , 41 , kann auch das Quaternion q, welches durch die Funktionen f 8b und g 8a ermittelt wird, für die Berechnung einer Variablen 51‘ herangezogen werden. Die Änderung der Orientierung zwischen dem Zeitpunkt k-1 und dem Zeitpunkt k-2, Bezugszeichen 51 , kann hierbei zum Beispiel über eine Quaternion Multiplikation ermittelt werden:

A qk-i ^~ k-i * k- 2 Stellt man das normierte Quaternion Aq als Vektor dar:

kann der normierte Vektor (x, y, z) als Drehachse und f als Drehwinkel aufgefasst werden. Die Norm oder der Betrag des Drehwinkels |f| behält somit ein Maß S für die Änderung der Orientierung anhand derer eine Boolsche Variable 51‘ definiert werden kann:

Liegt der Drehwinkel oberhalb eines Schwellwerts t _f kann von einer signifikanten Änderung der Orientierung ausgegangen werden.

Eine Kombination S der Boolschen Variablen 21‘, 31‘, 41‘, 51‘ kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, eine logische UND Verknüpfung der ermittelten Boolschen Variablen 21‘, 31‘, 41‘, 51 vorzunehmen, sofern diese logische Ausgangswerte bereitstellt, wie zuvor beispielhaft beschrieben. Es sind aber auch andere Kombinationen der Boolschen Variablen 21‘, 31‘, 41‘, 51‘, zum Beispiel auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten oder neuronalen Netzen denkbar.

S - C _q & C _w & C _m & C _a

Ist der Wert S WAHR wird im Anschluss die Funktion f 8b verwendet und eine Fusion von Drehraten, Magnetsensor- und Beschleunigungsdaten 21 , 31 , 41 durchgeführt. Ist der Wert S FALSCH wird im Anschluss die Funktion g 8a verwendet und die Orientierung nur auf Basis von Beschleunigungssensor- und Magnetometer-Daten 21 , 31 ermittelt sowie der Drehratensensor 4 deaktiviert.

Figur 3 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In einem ersten Schritt erfolgt ein Ermitteln S1 eines Maßes S für die Änderung der Orientierung anhand Daten 21 , 31 zumindest einer ersten Sensoreinrichtung 20.

In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Vergleichen des Maßes S mit einem vorgegebenen Schwellwert.

In einem dritten Schritt S3 erfolgt bei einem Überschreiten des Schwellwertes, Einschalten einer zweiten Sensoreinrichtung 30, falls diese sich in einem abgeschalteten Zustand befindet.

In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Ermitteln der Orientierung mittels der ersten Sensoreinrichtung 20 und der zweiten Sensoreinrichtung 30.

In einem alternativen dritten Schritt S3‘ erfolgt bei einem Unterschreiten des Schwellwertes oder wenn das Maß S gleich dem Schwellwert ist, ein Abschalten der zweiten Sensoreinrichtung 30, falls diese sich in einem eingeschalteten Zustand befindet.

In einem alternativen vierten Schritt S4‘ erfolgt ein Ermitteln der Orientierung mittels der ersten Sensoreinrichtung 20.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsform zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

• Einfache Implementierung.

• Niedriger Energieverbrauch.

• Zuverlässige Ermittlung der Orientierung. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be- schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.