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Fächerübergreifendes Projekt: 'Wireless Assisted Training'

AG Gotzhein, AG Schürmann, AG Urbansky

Entwicklung einer Ambient-Intelligence-Umgebung zur Unterstützung des Trainings von Radgruppen basierend auf drahtloser Kommunikation. Unter Anleitung werden wichtige Komponenten der Anwendung, der Kommunikations-Middleware und der hardwarenahen Schichten nach modernen Engineering-Methoden von den Teilnehmern gemeinsam entwickelt.
Das Gesamtprojekt ist in vier Teilprojekte untergliedert:

  • Anwendung (Chiderova, Mahlo, Penzer, Rothländer),
    Betreuer: Schürmann
  • Kommunikationsmiddleware zwischen Trainingsanwendung und WLAN (Mahlo, Rothländer),
    Betreuer: Gotzhein/Kuhn
  • Kommunikationsmiddleware zur Sensordatenübertragung (Chiderova, Penzer),
    Betreuer: Urbansky/Sauer-Greff/Schürmann
  • Fehlersicherung bei der MICA-Bitübertragung (Bier - Diplomand AG Urbansky),
    Betreuer: Urbansky/Sauer-Greff
  • Einbindung von Mica-Knoten (Janz, Volk, Chiderova, Penzer)

Szenario

pulk
  • Gruppe von 2 .. 30 Radfahrern.
  • Jeder Radfahrer soll mit einer für ihn vorgegebenen Leistung fahren.
  • Die Leistungsvorgabe jedes Fahrers kann vom Fahrer selbst oder vom Trainer dynamisch geändert werden.

Medizinische und physikalische Randbedingungen

  • Die Leistung korreliert mit der Herzfrequenz, die durch einen entsprechenden Sensor ermittelt wird. Zielgröße in diesem Szenario ist damit nicht die Leistung direkt, sondern die individuelle Herzfrequenz.
  • windschatten
  • Windschatten bietet eine Möglichkeit, um beim Radfahren Kraft zu sparen. Die Einsparung hängt von folgenden Faktoren ab:
    • Von der Geschwindigkeit. Faustregel: Die Krafteinsparung in % entspricht etwa der gefahrenen Geschwindigkeit.
    • Abstand vom Vordermann.
    • Von der Anzahl der vorausfahrenden Fahrer und der gefahrenen Formation, v.a. bei seitlichem Wind.
  • Fahrer ermüden unterschiedlich schnell.
  • Verschiedene Streckenprofile 'belasten' die Fahrer unterschiedlich.

Regelgrößen

Über Sensorik wird (nur) die Herzfrequenz aufgenommen und an einen lokalen embedded PC über ein MICA-Funknetz weitergegeben. Die PCs aller Teilnehmer (Fahrräder) tauschen sich die aktuellen Ist- und Sollwerte aus. Auf Basis der Differenz zwischen Ist- und Sollwerten werden zwei Größen an den lokalen Fahrer ausgegeben:

  • schneller/langsamer, wenn die Ist-Werte aller Fahrer zu klein/groß sind
  • nach vorne/hinten, wenn die Differenz des lokalen Fahrers von denen der anderen Fahrer signifikant abweicht.
funknetz

Ziel des einfachen Szenarios

  • Summe aller Abweichungen der aktuellen Herzfrequenzen von den Zielfrequenzen minimieren.

Kommentar von Herrn Mühlfriedel, Leiter des Radsportleistungszentrums, HHG

  • Steuerung erfolgt heute durch Trainer nach Gefühl. Optimierung durch AmI birgt großes Optimierungspotenzial.
  • Z.Zt. keine techn. Unterstützung von Gruppentraining, da kein Massenmarkt (was es gibt, ist für Amateurbereich zu teuer). Interesse wäre allerdings bestimmt gegeben.

Anforderungen an das System

Im Folgenden drei Anforderungen von mir. Bei weitergehenden 'Wünschen' einzelner Gruppen könnte das Szenario evtl. passend erweitert werden.

  • Hierarchisches Netzwerk. Abstand Pulssensor - Radcomputer wird heute mit etwa 80 cm spezifiziert. Schließt man weitere Sensoren am Rad mit ein (s.u.), so sollte mit ca. 1,5 m Radius um eine 'Basisstation' am Rad gerechnet werden. Abstand zwischen den Fahrern: 0,5 ... 100 m. Evtl. noch eine dritte Ebene der Kommunikation zwischen Gruppen und mit Trainer: je nach Szenario beliebiger Abstand im Bereich mehrerer Kilometer denkbar.
  • Herzfrequenzmessung. Bereich zwischen 50 und 250 Schlägen/min. Reaktion auf Änderung der Frequenz in Größenordnung mehrerer Sekunden ausreichend. Vorverarbeitung auf Sensorseite denkbar.
  • Leistungsaufnahme. Auf Seite des Pulssensors kritisch. Heutige Systeme kommen mit einer Knopfzelle mehrere Monate aus. 'Basisstation' am Rad ist weniger kritisch. Heutige Spitzenakkus für Lichtanlagen (für Trainingsfahrten akzeptabel) liefern ca. 40 Wh. Bei Trainingsfahrten von etwa 5 ... 8 Stunden wäre eine Leistungsaufnahme von bis zu 5 W akzeptabel. (Unter Wettkampfbedingungen, was ein erweitertes Szenario sein könnte, müsste auch hier die Stromaufnahme um Größenordnungen reduziert werden).

Mögliche Szenarienerweiterungen

Im obigen Szenario wurden weder Gewichts- und Energieminimierung, noch Fehlertoleranz und Echtzeit detailliert betrachtet. Aber auch andere interessante/herausfordernde Erweiterungen sind denkbar. Beispiele sind:

  • Einsatz im Wettkampf (Mannschaftszeitfahren, 4er-Mannschaft auf Bahn - Gewichtentscheidend).
  • Erweiterung zu einem umfassenden Informationssystem mit passender Mensch-Computer-Schnittstelle. Beispielsweise Integration von Sprachübertragung (zwischen Fahrern und Trainer), Visualisierung des Renngeschehens etc. (⇒Was sollte wer wann über wen wissen?)
  • Einbeziehen des Streckenprofils und Ortsbestimmung. Damit könnte das System vorausplanen und hätte nicht nur reinen reaktiven Charakter. Auch könnten temporär Teilgruppen (auf unterschiedlichen Strecken) gebildet werden (⇒erweiterte Kommunikationsanforderung, ortsabhängiges Verhalten).
  • Weitere Sensorik. Z.B.
    • Kraftsensor in Schuhplatte zur 'echten' Leistungsmessung (bisher nur in Kurbel - sogar im Wettkampf eingesetzt, obwohl 'schwer').
    • Luftströmungssensoren am Körper.
    • Auch andere biometrische Daten denkbar. Hier ist eine Erweiterung in Richtung genauerer Fitnessbestimmung und Überlastungsbegrenzung möglich (vgl. Assisted Living).
  • Dynamische Änderung der Gruppe durch Hinzukommen/Weggehen von Fahrern, Teilung und Zusammenführung der Gruppe (z.B. vor/nach Berg).
  • Optimierung der Sitzposition (bisher nur für 'reiche Mannschaften' im Windkanal).
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Letzte Änderung: 23.10.2007