Wie sich die elektrische Energieeffizienz eines Rollators steigern lässt

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Steuerelektronik und Regeleinrichtung am Rollator

Auf der Steuerplatine des Rollators befindet sich ein energiesparender 32-Bit SoC Zweikern-Mikrocontroller mit integriertem Bluetooth Smart sowie integrierter 3-Achsen-Beschleunigungssensorik. Die Präsenz zweier physischer Prozessorkerne ermöglicht die parallele Kommunikation mit dem Pulsarmband und die Regelung des elektrischen Antriebs, wobei die Energieeffizienz des Gesamtsystems steigt. Die Bestimmung der jeweils momentanen geografischen Lageposition erfolgt durch kontinuierliche Auswertung der Beschleunigungssensorik; auf Geländesteigungen soll die Elektronik hierbei verzögerungsfrei reagieren. Zu diesem Zweck wurde ein 3-D-Modell des Rollators mit Bezug zum Erdgravitationsfeld eingebettet. Das Bild 2 veranschaulicht die Umsetzung der Anforderungen.

Bildergalerie

In Abhängigkeit vom ermittelten Zustandsvektor und der variablen Systemmatrix, welche situativ reagiert und in iterativer Weise optimiert wird, wird sich der elektrische Rollator nach einer parametrisierbaren Einlaufzeit in der vom Anwender gewünschten Weise fortbewegen. Hierbei wird ein der Sollgeschwindigkeit entsprechendes pulsweitenmoduliertes Signal vom Mikrocontroller bereitgestellt, von einem Tiefpass gefiltert und an den Motorcontroller als Analogsignal weitergereicht.

In Abhängigkeit vom analogen Spannungspegel am Eingang des Motorcontrollers werden das Drehmoment und damit die Umlaufgeschwindigkeit des blockkommutierten Motors angepasst. Durch die im Motor vorhandenen Hallsensoren wird dabei zur optimalen Kommutierung fortlaufend die Position des Rotors bestimmt. Um die Ist-Geschwindigkeit des elektrischen Rollators aus der Drehzahl des Motors zu erfassen, wurde das Signal des Hallsensors R abgegriffen und zum Mikrocontroller geführt. Steigt die Pulsfrequenz des Anwenders und/oder ist eine Steigung zu bewältigen, so reduziert der elektrische Rollator seine Geschwindigkeit. Gleiches ist der Fall, wenn durch Erhöhung der Herzschlagfrequenz der Elektronik angezeigt wird, dass die körperliche Verfassung des Rollatornutzers nicht mehr ausreicht, um der momentanen Fortbewegung des Rollators zu folgen.

Abstand zwischen Rollator und Anwender

Nimmt die Pulsfrequenz hingegen ab und nähert sie sich dem Ruhepuls des Nutzers, so wird die Steuerelektronik des Rollators die Führungsgeschwindigkeit des Rollators selbsttätig steigern. Um neben dem Kontaktschalter S1, welcher als Sicherheitsaspekt die Freigabe der Motorunterstützung darstellt, den optimalen Abstand zwischen Rollator und Nutzer einzuhalten, wurde eine Abstandsmessung in das Gesamtsystem implementiert. Neben der ermittelten Herzschlagfrequenz und Geländesteigung sollte auch der Abstand zwischen Rollator und Rollatornutzer fortlaufend ermittelt werden.

Die Geschwindigkeit der Rollatorfortbewegung musste fortlaufend und möglichst unmittelbar an die Schrittgeschwindigkeit des Nutzers angepasst werden. Ein zusätzlicher Sensor im Rollator erfasst fortlaufend den Abstand zwischen Rollator und Anwender des Rollators. Das Bild 3 zeigt das Blockschaltbild der eingesetzten Abstandssensorik.

Umgesetzt wurde die Abstands- oder auch Distanzmessung durch die Auswertung der Reflexion ausgesendeter Infrarotstrahlung. Die von einer IR-LED emittierte Strahlung wird vom Nutzer des Rollators reflektiert. Durch die reflektierte Strahlungsenergie resultiert an der im Sperrbereich betriebene IR-PSD ein linear vom Licht abhängiger Sperrstrom, der den Spannungsabfall innerhalb der sogenannten PROXIMITY ENGINE bestimmt. Dieser Spannungsabfall ist dabei von drei wesentlichen Faktoren abhängig: der IR-LED-Emission, der IR-PSD-Immission sowie Umwelteinflüssen, einschließlich der Zielentfernung und dem Oberflächenreflexionsvermögen.

Ein Blick auf die Abstandssensorik

Aus diesem Grund wird die Abstandsensorik bei Beginn der Fahrt, also dem Betätigen des Kontaktschalters S1, automatisch kalibriert. Durch den folgenden A/D-Wandler wird das Analogsignal der Proximity Engine quantisiert und mit einem FIFO-Buffer dem I²C-Interface bereitgestellt, sodass der erste Mikrocontroller auf der Rollator-Steuerelektronik (siehe Bild 2) den Abstandswert per I²C-Bus abfragen kann. Ist die von IR-PSD erfasste Reflexionsenergie zu niedrig (hoher Abstand/geringes Reflexionsvermögen – untere Grenze A/D-Wandler) oder zu hoch (niedriger Abstand/hohes Reflexionsvermögen – obere Grenze A/D-Wandler), wird der Tastgrad „a“ des pulsweitenmodulierten Signals und damit die Emissionsenergie der IR-LED nachgeregelt.

Der Oszillator aus der Schaltung stellt den hierfür benötigten Takt zur Verfügung. Sobald der Sensor detektiert, dass der Abstand zwischen Rollator und Rollatornutzer abnimmt, erhöht die Steuerelektronik des Rollators automatisch die Führgeschwindigkeit. Umgekehrt reduziert die Steuerelektronik die Geschwindigkeit des Rollators bis zum Stillstand, falls der maximal zulässige Abstand zwischen Rollator und Rollatornutzer festgestellt wird oder falls die Sensorik erkennt, dass der Rollatornutzer die Verfügungsgewalt über den Rollator verloren hat. Dabei verwaltet der Mikrocontroller die Motoransteuerung in Abhängigkeit der Regelparameter.

Nutzer sind unabhängiger vom Alltag

Mit der Steuerung haben die Entwickler einen wertvollen Beitrag geleistet, damit sich Nutzer von Rollatoren unabhängiger im Alltag bewegen können. Auf der Grundlage leitungsloser Kommunikation zwischen einer Sendeeinheit am Körper des Rollatornutzers und einer Empfangseinheit am Rollator wird die Fortbewegung des Rollators den individuellen Bedürfnissen des Rollatornutzers angepasst und in Abhängigkeit von physischer Verfassung und Umgebungsgelände gesteuert. Unterstützt wurde die Entwicklungsarbeit ideell und finanziell von der Privatstiftung ELSTATIK, Familie Lüttgens aus Odenthal. Die Autoren bedanken sich bei Frau und Herrn Lüttgens für ihre Zuwendung, welche die Arbeit erst ermöglichte.

Literatur

Gerst, Geromiller: Entwicklung zur Steigerung der elektrischen Energieeffizienz eines Pedelecs; 46. GUS-Tagung; Stutensee; März 2017; S. 119-125

Koch, Stephan W / Halliday, David / Resnick, Robert / Walker, Jearl: Halliday Physik. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009, ISBN 978-3527406456

* Hans-Peter Geromiller lehrt an der Hochschule Kaiserslautern Elektrische Messtechnik. Jonathan Gerst arbeitet als wissenschaftlicher Assistent im Fachbereich Angewandte Ingenieurswissenschaften.

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