Titel

Auswertesystem zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines Fahrrads

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines Fahrrads.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Bestimmen von Feldbeeinflussungsdaten eines Bauteils für einen Sensor zur Messung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern.

Die Erfindung betrifft weiter ein Fahrrad, insbesondere mit Fahrunterstützungsantrieb.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit eines Fahrrads, insbesondere eines Fahrrads mit einem Fahrunterstützungsantrieb.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Fahrräder anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Fahrräder in Form von Pedelecs beschrieben.

Obwohl allgemein auf elektrische und/oder magnetische Felder anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf magnetische Felder erläutert.

Pedelecs ermöglichen durch eine Antriebseinheit mit Motor eine Fahrunterstützung für einen Fahrer. Die jeweilige Antriebseinheit umfasst dabei nicht nur den jeweiligen Antriebsmotor, sondern auch Sensorik, um die Fahrgeschwindigkeit des Pedelecs zu ermitteln. Hierbei ist es bekannt geworden, an einem Rad des Fahr- rads einen Magneten anzuordnen, und dessen Magnetfeld mittels eines Magnetfeldsensors zu messen. Der Magnetfeldsensor ist dabei ortsfest am Rahmen, insbesondere in der Antriebseinheit, angeordnet. Bei jedem Umlauf kann so anhand des zeitlichen Abstands zwischen zwei gemessenen Pulsen des Magnetfelds und des Reifenumfangs die Geschwindigkeit des Fahrrads ermittelt werden. Problematisch ist, dass Bauteile der Antriebseinheit, wie beispielsweise Getriebezahnräder, Schrauben, Bolzen oder dergleichen aus weichmagnetischem Material hergestellt sein können und so das Messergebnis des Magnetfeldsensors beeinflussen können. Darüber hinaus kann die Einbausituation der Antriebseinheit an verschiedenen Fahrrädern unterschiedlich sein. Beides kann so das Messergebnis des Magnetfeldsensors beeinflussen.

Offenbarung der Erfindung

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines Fahrrads, insbesondere eines Fahrrads mit einem Fahrunterstützungsantrieb, bereit, umfassend einen insbesondere stationär angeordneten Sensor zur Messung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, ein Bauelement, welches aktiv und/oder passiv ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beeinflusst und im Messbereich des Sensors angeordnet ist, eine Kompensationseinrichtung zur zumindest teilweisen Kompensation der Sensorsignale derart, dass im Wesentlichen Sensorsignale von einem von dem Bauelement optimierten oder unbeeinflussten elektrischen und/oder magnetischen Feld einer Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden, wobei die Auswerteeinrichtung zur Durchführung der folgenden Schritte ausgebildet ist, Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs elektrischen und/oder magnetischen Feldes in zumindest zwei, insbesondere drei Sensorraumrichtungen des Sensors, wobei die eine der zumindest zwei Raumrichtungen im Wesentlichen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entspricht und die zweite der zumindest zwei Raumrichtungen der Hochachse des Fahrzeugs entspricht,

Erkennen einer Flanke im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in einer der beiden Raumrichtungen vorzugsweise in der ersten Raumrichtung mittels Ermitteln von Hoch- und Tiefpunkten im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes,

Ermitteln einer fallenden oder steigenden Flanke anhand der zeitlichen Abfolge eines Hoch- und Tiefpunkts,

Vergleichen der Amplitude der ermittelten Flanke mit einem Schwellenwert, wobei die ermittelte Flanke als erkannt gilt, wenn die Amplitude der ermittelten Flanke größer ist als ein erster niedrigerer Schwellenwert, und/oder größer ist als ein zweiter größerer adaptiver Schwellenwert, und Ermitteln der Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand von zumindest zwei, insbesondere aufeinanderfolgender, erkannter Flanken.

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Feldbeeinflussungsdaten eines Bauteils für einen Sensor zur Messung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, zur Verwendung in einem System gemäß einem der Ansprüche 1-7, bereit, umfassend die Schritte

Anordnen von Sensor und Bauelement in einer definierten Orientierung und in einem definierten Abstand zueinander, sodass das Bauteil im Messbereich des Sensors angeordnet ist,

Beaufschlagen des Sensors mit einem elektrischen und/oder magnetischen Referenzfeld, insbesondere in allen drei Raumrichtungen, und

Ermitteln der Feldbeeinflussungsdaten anhand eines Vergleichs des Referenzfeldes am Ort des Sensors und gemessenen Werten des Sensors.

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrrad mit einem System gemäß einem der Ansprüche 1-7 und mit einer Antriebseinheit, insbesondere zur Fahrerunterstützung bereit.

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit eines Fahrrads, insbesondere eines Fahrrads mit einem Fahrunterstützungsantrieb, bereit, umfassend die Schritte

Messen von einem elektrischen und/oder magnetischen Feld mittels eines insbesondere stationär angeordneten Sensors, wobei im Messbereich des Sensors ein Bauelement, welches aktiv und/oder passiv ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beeinflusst, angeordnet ist, Zumindest teilweises Kompensieren der gemessenen Sensorsignale derart, dass im Wesentlichen Sensorsignale von einem von dem Bauelement optimierten oder unbeeinflussten elektrischen und/oder magnetischen Feld bereitgestellt werden,

Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des zumindest teilweise kompensierten elektrischen und/oder magnetischen Feldes in zumindest zwei, insbesondere drei Sensorraumrichtungen des Sensors, wobei die eine der zumindest zwei Raumrichtungen im Wesentlichen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entspricht und die zweite der zumindest zwei Raumrichtungen der Hochachse des Fahrzeugs entspricht,

Erkennen einer Flanke im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in einer der beiden Raumrichtungen vorzugsweise in der ersten Raumrichtung mittels

Ermitteln von Hoch- und Tiefpunkten im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes,

Ermitteln einer fallenden oder steigenden Flanke anhand der zeitlichen Abfolge eines Hoch- und Tiefpunkts,

Vergleichen der Amplitude der ermittelten Flanke mit einem Schwellenwert, wobei die ermittelte Flanke als erkannt gilt, wenn die Amplitude der ermittelten Flanke größer ist als ein erster niedrigerer Schwellenwert, und/oder größer ist als ein zweiter größerer adaptiver Schwellenwert,

- Ermitteln der Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand von zumindest zwei, insbesondere aufeinanderfolgender, erkannter Flanken.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine zuverlässige Ermittlung der Fahrradgeschwindigkeit mittels des Sensors auch in Anwesenheit von Bauteilen erfolgen kann, die das elektrische und/oder magnetische Feld im Messbereich des Sensors beeinflussen. Gleichzeitig wird die Flexibilität erhöht, da größere Toleranzen bei der Anordnung von Sensor und beispielsweise einem Magneten ermöglicht werden, was zudem die Herstellungskosten und den Zeitaufwand für die Montage reduziert.

Mit anderen Worten ist eine zumindest teilweise Kompensation von Verzerrungen der vom Sensor gemessenen elektrischen und/oder magnetischen Felder durch entsprechende Bauteile bei gleichzeitiger hoher Flexibilität bei der Montage von Sensor und Magnet möglich.

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

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Sensor ein Magnetfeldsensor. Damit kann beispielsweise in Kombination mit einem Felgenmagnet auf einfache Weise ein Geschwindigkeitssignal auf Basis eines detektierten Magnetfeldes ermöglicht werden. Der Felgenmagnet unterscheidet sich dabei von Speichenmagneten insbesondere durch einen großen beziehungsweise im Wesentlichen maximalen Abstand zur Radachse.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Bauteil, insbesondere wobei das Bauteil zwischen einer Quelle des elektrischen und/oder magnetischen Feldes und dem Sensor angeordnet ist, zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Damit kann auf zuverlässige und kostengünstige Komponenten aus Metall zurückgegriffen werden, was die Lebensdauer des Bauteils erhöht, ohne die Zuverlässigkeit der Geschwindigkeitsmessung zu reduzieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Bauteil ein Gehäuse für eine Antriebseinheit eines Fahrrads. Damit lässt sich auf einfache Weise das Bauteil in einer Antriebseinheit eines Fahrrads verwenden beziehungsweise anordnen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Kompensationseinrichtung ausgebildet, anhand von vorgegebenen bauteilspezifischen Feldbeeinflussungsdaten die Kompensation durchzuführen. Damit wird eine ausreichende Genauigkeit der Fahrgeschwindigkeitsermittlung auch bei unterschiedlichen Bauteilen ermöglicht. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Kompensationseinrichtung ausgebildet, mittels einer einzelnen mathematischen Matrix-Operation die gemessenen Sensorsignale zu kompensieren. Vorteil hiervon ist eine schnelle und effiziente Kompensation der Sensorsignale.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Schritte mehrfach mit unterschiedlichen Bauelementen des gleichen Musters und/oder mit unterschiedlichen Sensoren des gleichen Musters durchgeführt und es werden Gesamtfeldbeeinflussungsdaten anhand der jeweiligen Feldbeeinflussungsdaten ermittelt. Damit wird die Genauigkeit der bauteilspezifischen und/oder sensorspezifischen Ermittlung der Geschwindigkeit des Fahrrads erhöht. Unter Bauelementen gleiches Musters sind insbesondere identische Bauelemente zu verstehen, die sich hinsichtlich Herstellungstoleranzen unterscheiden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Feldbeeinflussungsdaten an eine Kompensationseinrichtung übertragen und dort gespeichert. Dies ermöglicht unabhängig von dem konkreten Einsatz eine Kompensation durch eine Kompensationseinrichtung beispielsweise in unterschiedlichen Anordnungen, Fahrrädern oder mit unterschiedlichen Bauteilen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das elektrische und/oder magnetische Referenzfeld kugelförmig bereitgestellt. Damit können Messwerte des Sensors entlang mehrerer Raumachsen gleichzeitig aufgenommen werden, was die Anzahl der Messungen erhöht. Messungenauigkeiten werden damit minimiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vor dem Erkennen der Flanke die zumindest teilweise kompensierten Signale mittels eines Bandpassfilters gefiltert, wobei ein Sperr-und Durchlassbereich des Bandpassfilters an eine vorgegebene Umdrehungsfrequenz eines Rades des Fahrzeugs angepasst werden. Vorteil hiervon ist, dass damit beispielsweise Ausreißer oder dergleichen herausgefiltert werden können, was die Zuverlässigkeit der Erkennung von Flanken verbessert. Darüber hinaus kann eine genauere beziehungsweise geeignetere Filterung in Abhängigkeit beispielsweise der Geschwindigkeit des Fahrrads bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die in mindestens zwei Sensorraumrichtungen bereitgestellten Werte vor dem Erkennen einer Flanke in die Hauptachse des elektrischen und/oder magnetischen Feldes rotiert. Unter „Raumrichtung“ ist synonym eine „Raumachse“ zu verstehen. Damit wird die Nutzamplitude für die Erkennung von Flanken erhöht, was insgesamt die Zuverlässigkeit weiter verbessert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Winkel der Hauptachse für die Rotation anhand von Messwerten in der zweiten Raumrichtung bestimmt, insbesondere für eine vorgebbare Anzahl von Flanken. Damit kann auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise der Winkel der Hauptachse bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Winkel der Hauptachse gespeichert und für weitere Berechnungen bereitgestellt. Damit kann der ermittelte Wert für weitere Berechnungen und/oder andere Einrichtungen verwendet werden, was Ressourcen spart.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zusätzlich der zeitliche Verlauf des Vektors des elektrischen und/oder magnetischen Feldes zur Auswertung der steigenden und/oder fallenden Flanken ausgewertet, insbesondere zu deren Plausibilisierung. Vorteil hiervon ist, dass damit die Flankenerkennung noch weiter verbessert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird eine ermittelte Flanke mittels eines Plausibilisierungsverfahrens überprüft, wobei eine nicht plausible ermittelte Flanke verworfen wird. Vorteil hiervon ist, dass damit die Zuverlässigkeit der Geschwindigkeitsmessung noch weiter verbessert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung berechnet das Plausibilisierungsverfahren anhand der ermittelten Flanke eine mögliche Geschwindigkeit und überprüft auf zumindest eine der folgenden Bedingungen

Wenn die mögliche Geschwindigkeit oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts liegt, wird die ermittelte Flanke verworfen, Wenn der Gradient der ermittelten Flanke unterhalb eines Schwellenwerts liegt, wird die ermittelte Flanke verworfen

Wenn die Zeitdifferenz zwischen dem Tiefpunkt der ermittelten Flanke und dem Zeitpunkt des Überschreitens eines Schwellenwerts in dem Flankenverlauf oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts ist, wird die ermittelte Flanke verworfen die Fahrzeugbeschleunigungen berechnet aus einer aktuell ermittelten Flanke und einer früheren Flanke, oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts liegen, wird die aktuell ermittelte Flanke verworfen.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der Plausibilisierung erzielt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Plausibilisierungsverfahren eine Flankenvorhersage, insbesondere anhand von Beschleunigungsdaten des Fahrzeugs, sodass eine erkannte Flanke als nicht plausibel verworfen wird, wenn anhand der Beschleunigungsdaten keine Flanke vorhergesagt wird. Damit kann die Zuverlässigkeit der Flankenerkennung verbessert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden für den Zeitpunkt der Flankenvorhersage und eines Toleranzbereichs zumindest einer der Schwellenwerte von erstem und zweitem Schwellenwert, insbesondere der zweite Schwellenwert für die Flankenerkennung und -plausibilisierung verringert. Vorteil hiervon ist, dass das Verfahren insbesondere für diesen Zeitbereich sensitiver ist, sodass damit die Zuverlässigkeit der Flankenerkennung und des Plausibilisierungsverfahrens noch weiter verbessert werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird, wenn ein Magnetfeld mittels eines Magneten bereitgestellt wird, zur Erkennung der Polarisierung des Magneten eine vorgebbare Anzahl von ermittelten Flanken und insbesondere ein Winkelverlauf des Magnetfeldvektors anhand des gemessenen Magnetfelds ermittelt, wobei die Polarisierung anhand eines Vergleichs von maximaler Amplitude der steigenden und der fallenden Amplitude ermittelt wird, wobei wenn die maximale fallende Amplitude größer ist als die maximale steigende Amplitude die Polarisie- rung des Magneten umgekehrt angenommen wird und die Messwerte des Magnetfelds invertiert werden. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf schnelle und einfache Weise ohne zusätzlichen Aufwand die Polarisierung des Magneten erkannt werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Polarisierung anhand einer vorgebbaren Anzahl von steigenden und/oder fallenden Flanken ausgewertet. Vorteil hiervon ist, dass mit einer ausreichenden Genauigkeit die Polarisierung des Magneten erkannt werden kann.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der dazugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden 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 vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Dabei zeigt

Figur 1 in schematischer Form ein durch ein Bauteil beeinflusstes Magnetfeld im Vergleich zu einem Referenzfeld;

Figur 2 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 4 Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines einspurigen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 5 Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines einspurigen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 6 ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines gemessenen Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 7 eine Darstellung von unterschiedlichen Einbauwinkeln für einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

In Figur 1 ist in schematischer Form ein durch ein Bauteil 3 beeinflusstes Magnetfeld 11 im Vergleich zu einem Referenzfeld 10 gezeigt. Ein Magnetfeldsensor 2 ist dabei in dem Bauteil, hier in einer Antriebseinheit 3, die Bauteile aus weichmagnetischem Material aufweist, angeordnet. Wird nun ein Magnetfeld 10 als Referenzmagnetfeld durch den Sensor 2 gemessen, misst dieser ein vom Referenzfeld 10 abweichendes Magnetfeld 11, welches durch die weichmagnetischen Bauteile der Antriebseinheit 3 verursacht ist. Wird nun auf Basis der Sensormesswerte eine Größe, beispielsweise die Geschwindigkeit eines Fahrrads bestimmt, ist diese durch das abweichende Magnetfeld 11 verfälscht. Mit anderen Worten entspricht das vom Sensor 2 gemessene Magnetfeld 11 nicht dem äußeren, unverzerrten Magnetfeld 10.

So erzeugt beispielweise ein Felgenmagnet ein Magnetfeld ausschließlich in der Fahrradebene. Durch die Verzerrung durch das Bauteil 3 misst der dargestellte Magnetfeldsensor 2 jedoch auch ein Magnetfeld 11 mit einem Anteil aus der Fahrradebene heraus. Dies entspricht nicht der physikalischen Realität. Wird nun lediglich das Magnetfeld in der Fahrradebene ausgewertet, ist die Amplitude des Nutzsignals durch die Verzerrung geringer. Die Verzerrung ist bei verschiedenen Materialien und Bauteilanordnungen ebenfalls unterschiedlich. Figur 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 2 ist ein System 1 zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines Fahrrads, insbesondere eines Fahrrads mit Fahrunterstützungsantrieb in schematischer Form gezeigt. Das System 1 umfasst dabei einen insbesondere stationär angeordneten Sensor 2 zur Messung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, ein Bauelement 3, welches aktiv und/oder passiv ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beeinflusst und im Messbereich des Sensors angeordnet ist, eine Kompensationseinrichtung 5 zur zumindest teilweisen Kompensation der Sensorsignale derart, dass im Wesentlichen Sensorsignale von einem von dem Bauelement 3 optimierten oder unbeeinflussten elektrischen und/oder magnetischen Feld einer Auswerteeinrichtung 4 bereitgestellt werden, wobei die Auswerteeinrichtung 4 zur Durchführung der folgenden Schritte ausgebildet ist, Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs elektrischen und/oder magnetischen Feldes in zumindest zwei, insbesondere drei Sensorraumrichtungen des Sensors, wobei die eine der zumindest zwei Raumrichtungen im Wesentlichen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entspricht und die zweite der zumindest zwei Raumrichtungen der Hochachse des Fahrzeugs entspricht,

Erkennen einer Flanke im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes in einer der beiden Raumrichtungen vorzugsweise in der ersten Raumrichtung mittels

Ermitteln von Hoch- und Tiefpunkten im zeitlichen Verlauf des elektrischen und/oder magnetischen Feldes,

Ermitteln einer fallenden oder steigenden Flanke anhand der zeitlichen Abfolge eines Hoch- und Tiefpunkts,

Vergleichen der Amplitude der ermittelten Flanke mit einem Schwellenwert, wobei die ermittelte Flanke als erkannt gilt, wenn die Amplitude der ermittelten Flanke größer ist als ein erster niedrigerer Schwellenwert, und/oder kleiner als ein zweiter größerer Schwellenwert

Ermitteln der Geschwindigkeit des Fahrzeugs anhand von zumindest zwei, insbesondere aufeinanderfolgender, erkannter Flanken. Darüber hinaus kann die Auswerteeinrichtung 4 eine Plausibilisierungseinrichtung 46 aufweisen, die ausgebildet ist, eine Überprüfung der erkannten Flanken hinsichtlich Plausibilität durchzuführen.

Die Kompensationseinrichtung 5 ermöglicht damit eine Kompensation der bauteilbedingten Verzerrung in den vom Sensor 2 gemessenen Feldern 11, beispielsweise der Magnetfelddaten. Dadurch wird eine genaue Information über das tatsächlich vorhandene elektrische und/oder magnetische Feld 10 außerhalb der Antriebseinheit 3 erhalten. Zur Geschwindigkeitsmessung, beispielsweise anhand eines Felgenmagneten werden die kompensierten Magnetfelddaten verwendet. Dies wird im Folgenden erläutert.

Der Aufbau der Antriebseinheit 3 ist bekannt hinsichtlich der Materialien, Anordnung der Bauteile und des Magnetfeldsensors 2 und ändert sich über den Produktlebenszyklus nicht. Somit ändert sich auch die Verzerrung des Magnetfelds durch die Antriebseinheit 3 über den Lebenszyklus nicht.

Das vom hier als Magnetfeldsensor ausgebildeten Sensor 2 gemessene Magnetfeld S setzt sich aus dem externen Magnetfeld E und einer Verzerrung, die mit der Matrix V beschrieben werden kann, zusammen:

S = V* E

Auflösen der Gleichung nach dem externen Magnetfeld E ergibt

E = V ¹ * S

Mit einem Prüfstand, der Magnetfelder in definierte Richtungen erzeugen kann, wird die Verzerrungsmatrix V beziehungsweise V“ ¹ für jedes Produkt, also für jede Kombination aus Magnetfeldsensor 2 und Antriebseinheit 3 bestimmt.

Hierzu wird die Antriebseinheit 3 in einer definierten Orientierung in den Prüfstand gelegt, welcher ein Referenzmagnetfeld 10 erzeugt. Es können mindestens drei Messungen ausgeführt werden, bei denen das Referenzmagnetfeld 10 in jeweils einer der drei Raumachsen erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich ein kugelförmiges Referenzmagnetfeld 10 zu erzeugen, in dem mehrere Achsen gleichzeitig angesteuert werden. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Messungen und Messungenauigkeiten werden minimiert. Während das Referenzmagnetfeld 10 anliegt, wird der interne Magnetfeldsensor 2 ausgelesen und die Daten gespeichert. Nach Abschluss der Messungen wird anhand der gemessenen Daten des internen Magnetfeldsensors 2 und den Daten des Referenzfeldes 10 die Verzerrungsmatrix V beziehungsweise V- ¹ bestimmt. Da die Antriebseinheiten 3 einer Produktlinie identisch aufgebaut sind, ist die Verzerrung V ebenfalls identisch. Für jede Produktlinie wird eine gewisse Anzahl an Mustern vermessen und die Ergebnisse gemittelt, um geringe Streuungen auszugleichen.

Die Matrix V“ ¹ wird in der Antriebseinheit 3 der jeweiligen Produktlinie gespeichert. Im laufenden Betrieb wird das externe Magnetfeld E anhand des vom Sensor 2 gemessenen Magnetfelds S und der folgenden Formel berechnet:

E = V ¹ * S

Das berechnete, kompensierte Magnetfeld wird im Anschluss zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Fahrrads durch die Auswerteeinrichtung herangezogen.

Figur 3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 3 sind Schritte eines Verfahrens zum Bestimmen von Feldbeeinflussungsdaten eines Bauteils für einen Sensor zur Messung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, zur Verwendung in einem System gemäß einem der Ansprüche 1-7, gezeigt.

Das Verfahren umfasst dabei die Schritte

Anordnen TI von Sensor und Bauelement in einer definierten Orientierung und in einem definierten Abstand zueinander, sodass das Bauteil im Messbereich des Sensors angeordnet ist.

Beaufschlagen T2 des Sensors mit einem elektrischen und/oder magnetischen Referenzfeld, insbesondere in allen drei Raumrichtungen, und Ermitteln T3 der Feldbeeinflussungsdaten anhand eines Vergleichs des Referenzfeldes am Ort des Sensors und gemessenen Werten des Sensors.

Figur 4 zeigt in schematischer Form Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines einspurigen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 4 werden Schritte für eine Geschwindigkeitsmessung anhand eines Felgenmagneten 51 (siehe Figur 4) eines Fahrrads 300 (siehe Figur ?) gezeigt. Hierzu misst ein Magnetfeldsensor 2, der in einer Antriebseinheit 52 (siehe Figur 7) des Fahrrads 300 angeordnet ist, das Magnetfeld in den drei Raumrichtungen x, y und z in einem Schritt Sl. Da die vom internen Magnetfeldsensor 2 erfassten Magnetfelder durch umliegende Stahlteile verzerrt werden können, werden diese in einem zweiten Schritt S2 korrigiert. Dadurch kann das Magnetfeld außerhalb der Antriebseinheit 52, also ohne Verzerrungen berechnet werden. Der rotierende Felgenmagnet 2 erzeugt ein Magnetfeld in der Fahrtrichtungsachse 70 und der Hochachse 71 (Bereitstellung der Komponenten des Magnetfelds gemäß den Schritten S31, S33 nach der Korrektur, weshalb diese Daten einem Felgenmagnet-Erkennungsverfahren in einem Schritt S3 bereitgestellt und in einem Schritt S4 ausgewertet werden. Eine Magnetfeldkomponente bereitgestellt gemäß Schritt S32 außerhalb der Fahrzeugebene wird nicht weiter ausgewertet.

Hat die Auswertung gemäß Schritt S4 ergeben, dass der Magnet 2 an der Antriebseinheit 52 vorbei rotiert ist und einen Magnetpuls bereitgestellt hat, wird ein Zeitstempel in einem Schritt S5 erzeugt bzw. bereitgestellt. Durch die Zeitdifferenz zwischen zwei Pulsen und dem gemäß Schritt S6 bereitgesellten Radumfang wird anschließend die Geschwindigkeit gemäß Schritt S7 berechnet und ausgegeben gemäß Schritt S8. Anstelle eines Zeitstempels kann auch ein Zähler oder dergleichen genutzt werden, um die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Pulsen zu berechnen. Hierzu wird der Zähler nach jedem Puls auf 0 gesetzt und anschließend in definierten Zeitschriften erhöht. Beim nächsten Puls steht die Zeitdifferenz zwischen dem letzten Puls direkt zur Verfügung und es kann auf die Differenzenbildung der Zeitstempel verzichtet werden. Figur 5 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Ermittlung einer Geschwindigkeit eines einspurigen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 6 ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines gemessenen Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 5 zeigt nun im Detail den Schritt S4 - Felgenmagnet-Erkennungsverfahren - gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 6 zeigt ein Diagramm 100 eines zeitlichen Verlaufs eines gemessenen Magnetfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Zeitachse 101 als x-Achse und einer Stärke des Magnetfelds 102 als y-Achse.

In Figur 5 werden nun das Magnetfeld in der Fahrtrichtungs- und der Hochachse 70, 71 zunächst einer Signalverarbeitung 41 zugeführt S31, S33. Die Magnetfelddaten in Fahrtrichtungs- und Hochachse 70, 71 werden mit einem Bandpassfilter in der Signalverarbeitung 41 gefiltert. Das Filter adaptiert seinen Durchlass- und Sperrbereich insbesondere je nach momentaner Hinterradfrequenz eines Hinterrads des Fahrrads 300. Außerdem werden bekannte EMV-Störfrequenzen gedämpft.

Die gefilterten Magnetfelddaten werden mit dem Winkel <p der Hauptachse rotiert, sodass sich in einer Achse der größte Signalhub befindet. Diese beiden Signale werden dann gemäß S41-1, S41-2 einer Flankenerkennung 42 zugeführt. Die Bestimmung des Winkels <p der Hauptachse wird später beschrieben.

Anhand des Magnetfelds in der Fahrtrichtungs- und Hochachse 70, 71 wird auch der momentane Winkel des Magnetfeldvektors anhand der folgenden Formel berechnet. oc =atan2 Mag_Hoch,Mag_Fahrtrichtung wobei Mag_Hoch und Mag_Fahrtrichtung den jeweiligen Signalen beziehungsweise Werten der gemäß S41-1, S41-2 bereitgestellten Signale entspricht, wobei diese gemäß S41-3 ebenfalls der Flankenerkennung 42 bereitgestellt werden. In dem gefilterten und in die Hauptachse 70 rotierten Magnetfeldsignal, bereitgestellt gemäß S41-1 werden Hochpunkte 112 und Tiefpunkte 111 detektiert. Folgt auf einen Tiefpunkt 111 ein Hochpunkt 112, wird dies als steigende Flanke 140 erkannt. Umgekehrt wird eine fallende Flanke 140 erkannt. Zum Erkennen einer Flanke 140 muss deren Amplitude 130 größer sein als ein erster niedriger Schwellenwert 120.

Ist die Differenz zwischen dem erkannten Tiefpunkt 111 und dem aktuellen Wert des Magnetfeldsignals 110 größer als ein gewisser Anteil einer vorgegebenen Amplitude, insbesondere wird die Amplitude eingelernt, repräsentiert durch einen zweiten Schwellenwert 121, ist die Amplitude 111, 112 der Flanke 140 plausibel und die detektierte Flanke 140 wird an die Plausibilisierung 46 übermittelt. Zu diesem Zeitpunkt wird insbesondere ein Zeitstempel gemäß S42-4 für die Geschwindigkeitsberechnung gemäß Schritt S7 bestimmt, da dieser Zeitpunkt definierter ist, als der Zeitpunkt des Hochpunktes 112. Da die Geschwindigkeit über die Zeitdifferenz zwischen zwei Pulsen berechnet wird, werden die Zeitstempel (bereitgestellt gemäß S42-4) immer zum gleichen Zeitpunkt einer Flanke 140 generiert.

Wird der erste niedrige Schwellenwert 120 überschritten, nicht aber der zweite adaptive Schwellenwert 121, wird die Flanke 140 trotzdem an die Plausibilisierung 46 übermittelt. Im Falle einer Pulsvorhersage 47 kann mit den gemäß S47-2 bereitgestellten Daten diese Flanke 140 trotzdem als plausibel gewertet werden. Die Flankenerkennung 42 kann auch fallende Flanken 140 erfassen. Diese werden hier nicht für die Geschwindigkeitsberechnung gemäß S7 verwendet, allerdings für eine Polarisierungserkennung mittels einer Polarisierungserkennungseinrichtung 45 des Magneten notwendig.

Während des Erkennens einer Flanke 140 wird der Winkel des Magnetfeldvektors berechnet. Bewegt sich das Fahrrad 300 vorwärts und der Felgenmagnet 51 rotiert an der Antriebseinheit 52 vorbei, steigt der Winkel kontinuierlich an. Zusätzlich wird der Winkel des Vektors zu Beginn der Flanke 140, hier beim Tiefpunkt 111, beim Überschreiten des zweiten Schwellenwerts 121 und am Ende einer Flanke 140, hier am Hochpunkt 112 bestimmt. Das Winkelsignal, bereitgestellt gemäß S42-3 wird als plausibel bewertet, wenn dieses während der Erkennung einer Flanke 140 die Rotation des Magnetfeldvektors abbildet. Da der Abstand zwischen Felgenmagnet 51 und Sensor je nach Fahrrad 300 stark variieren kann, beispielsweise abhängig von Rahmengeometrie, Reifen, Felge des Fahrrads 300, variiert auch die Amplitude 130 des Nutzsignals je nach Fahrrad 300. Die Amplitude 130 des Nutzsignals wird individuell eingelernt gemäß Schritt S43 und später zur Plausibilisierung verwendet.

Um möglichst schnell die richtige Amplitude 130 zu kennen, werden die Amplituden 130 der ersten vollständigen steigenden und fallenden Flanken 140, bei welchen das Winkelsignal plausibel ist, gemäß Schritt S43-1 gespeichert. Nach einer gewissen Anzahl an erkannten Flanken, wird das Maximum aus den gespeicherten Amplituden 130 berechnet. Ist dies größer als die momentan gespeicherte Amplitude 130, wird diese für weitere Berechnungen verwendet.

Ist das schnelle Einlernen der Amplitude 130 abgeschlossen, wird die Amplitude 130 anhand jeder vollständigen plausiblen steigenden Flanke 140 mit plausiblem Winkelsignal kontinuierlich nachgelernt.

Beim Ausschalten des Systems wird die eingelernte Amplitude 130 hier in einen nichtflüchtigen Speicher der Antriebseinheit 52 geschrieben. Beim Systemstart wird die zuletzt eingelernte Amplitude 130 aus diesem Speicher geladen und dem System wird nach dem Wiedereinschalten zu Beginn die korrekte eingelernte Amplitude 130 bereitgestellt.

Der Felgenmagnet 51 kann prinzipiell um 180° verdreht montiert werden. Dadurch wird der Signalverlauf invertiert. Dies wird durch die Polarisierungserkennungseinrichtung 45 erkannt und das Signal wird mittels eines Verfahrens, insbesondere eines Software-Programms wiederum invertiert, sodass das Verfahren weiterhin die steigenden Flanken 140 detektieren kann. Um die Polarisierung des Magneten zu erkennen, werden die Amplituden 130 der ersten steigenden und fallenden Flanken 140 gemäß S43-1 gespeichert, bei denen zusätzlich das Winkelsignal des Magnetfeldvektors plausibel ist bereitgestellt gemäß S42-3. Wurde eine gewisse Anzahl an Flanken 140 erkannt, wird das Maximum der gespeicherten steigenden Amplituden 130 und das Maximum der gespeicherten fallenden Amplituden 130 berechnet. Ist die maximale fallende Amplitude größer als die maximale steigende Amplitude 130, ist die aktuell verwendete Polarisierung falsch und der Signalverlauf wird durch die Signalverarbeitung 41 mit den entsprechenden Informationen der Polarisierungserkennungseinrichtung 45 invertiert ausgegeben gemäß S45-1.

Diese Überprüfung findet hier mit den ersten Magnetpulsen beim Anfahren des Fahrzeugs statt, da sich prinzipiell bei jedem Anhalten die Polarisierung ändern könnte.

Beim Ausschalten des Systems wird die eingelernte Polarisierung in den nichtflüchtigen Speicher der Antriebseinheit 52 geschrieben. Beim Systemstart wird die zuletzt eingelernte Polarisierung aus dem Speicher geladen und die korrekte Polarisierung bereitgestellt.

Figur 7 zeigt Darstellungen von unterschiedlichen Einbauwinkeln für einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Antriebseinheit 52 und damit der jeweilige Sensor kann in verschiedenen Winkellagen in ein Fahrzeug, beispielsweise Pedelec 300 eingebaut werden. Der Sensor misst dann ein Magnetfeld entlang der Sensorraumachsen 60, 61. Die Hauptachse 70, in welcher sich der größte Signalhub befindet, ändert sich jedoch von außen betrachtet nicht. Zu Beginn wird von einem Einbauwinkel von 0° ausgegangen. Auch wenn die Antriebseinheit 52 und damit der Sensor stark verdreht ist, funktioniert das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Nutzamplitude ist jedoch geringer und im Falle einer externen Magnetfeldstörung weniger robust.

Deshalb wird mit jeder plausiblen Flanke 140 die Verdrehung A<p zur Hauptachse 70 berechnet gemäß S42-5, die Magnetfelddaten entsprechend rotiert gemäß S44 und die Daten entsprechend S44-1 der Signalverarbeitung 41 bereitgestellt.

Hierfür wird während der Flankenerkennung 42 zusätzlich das Magnetfeld in der zweiten Achse, bereitgestellt gemäß Schritt S41-1, ausgewertet. Dadurch erhält man nach wenigen Radumdrehungen die Hauptachse 70 und erzielt auch bei starken Verdrehungen ein Nutzsignal mit großer Amplitude. Beim Ausschalten des Systems wird der Winkel der eingelernten Hauptachse 70 in den nichtflüchtigen Speicher der Antriebseinheit 52 geschrieben. Beim Systemstart wird der zuletzt eingelernte Winkel aus dem Speicher geladen und es wird nach Wiedereinschalten gleich zu Beginn der korrekte Winkel der Hauptachse 70 bereitgestellt.

Die von der Flankenerkennung 42 detektierten Flanken werden in mehreren Schritten durch die Plausibilisierung 46 plausibilisiert. Hierfür wird von der Flankenerkennung 42 zum einen die Amplitude 130 der Flanke 140 bereitgestellt gemäß S42-1, der Flankengradient, bereitgestellt gemäß S42-2 und der plausible Magnetfeldvektor bereitgestellt gemäß S42-3 der Plausibilisierung 46 bereitgestellt beziehungsweise übermittelt. Wird eine detektierte Flanke als nicht plausibel ermittelt, wird die Flanke 140 und das dazugehörige Zeitstempelsignal bereitgestellt gemäß S42-4 durch die Flankenerkennung 42 nicht zur Geschwindigkeitsberechnung verwendet. Mit jeder detektierten Flanke 140 wird insbesondere berechnet, welche Geschwindigkeit gemessen würde, wenn diese Flanke 140 plausibel wäre. Dies wird im Folgenden als „mögliche Geschwindigkeit“ bezeichnet. Insbesondere werden die Flanken 140 anhand der folgenden Bedingungen beziehungsweise Abfragen plausibilisiert:

1. Ist die mögliche Geschwindigkeit über einem Schwellenwert, beispielsweise 100km/h, ist die Flanke 140 nicht plausibel. Das heißt, dass die Flanken 140 unplausibel schnell aufeinander folgen.

2. Je schneller das Fahrrad 300 fährt, desto größer ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Magnet 51 an der Antriebseinheit 52 vorbei bewegt. Deshalb ist bei hohen Geschwindigkeiten auch der Gradient der steigenden Flanke 140 größer und die Zeitdifferenz zwischen dem Tiefpunkt 111 und dem zweiten Schwellenwert 121 geringer. Deshalb muss der Gradient der Flanke 140 über einem geschwindigkeitsabhängigen Schwellenwert liegen. Außerdem kann insbesondere die Zeitdifferenz zwischen dem Tiefpunkt 111 und dem zweiten Schwellenwert 121 kleiner sein als ein zweiter geschwindigkeitsabhängiger Schwellenwert 121. Sind die beiden Bedingungen nicht erfüllt, wird die Flanke 140 als unplausibel gewertet. 3. Mit jeder detektierten Flanke 140 wird die Beschleunigung zwischen der letzten plausiblen Flanke und der aktuell detektierten Flanke 140 berechnet. Ist diese Beschleunigung über einem Schwellenwert, ist die Flanke 140 unplausibel. Diese Plausibilisierung wird nur kurzzeitig verwendet, da es ansonsten gegebenenfalls zu einer dauerhaft falschen Geschwindigkeitsmessung führen kann.

Über die Daten des Beschleunigungssensors, die der Pulsvorhersage 47 gemäß S47-1 bereitgestellt werden, wird derjenige Zeitpunkt mittels der Pulsvorhersage 47 vorhergesagt, wann die nächste plausible Flanke 140 vorliegen müsste. Um diesen Zeitpunkt wird insbesondere ein Fenster gelegt, in dem das Verfahren sensitiver ist. Wird die Amplitude 130 einer Flanke 140 beispielsweise durch eine externe Magnetfeldstörung verringert, sodass diese während der Flankenerkennung 42 nicht den zweiten Schwellenwert 121 übersteigt, kann diese Flanke 140 trotzdem plausibel sein, wenn sie in diesem Zeitfenster detektiert wird. Gleiches gilt, wenn die geschwindigkeitsabhängigen Schwellenwerte für den Gradienten und die Zeitdifferenz nicht erreicht werden.

Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest eines der folgenden Merkmale auf und/oder ermöglicht zumindest einen der folgenden Vorteile:

Einfache Implementierung

Einfache, kostengünstige Herstellung

Einfache, schnelle und zuverlässige Bestimmung einer Geschwindigkeit

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.