Anwendungsbeschreibung
Von Nina Kovač, Anwendungstechnikerin, Dewesoft, Slowenien

Mountainbiken als Sport hat in den letzten Jahren einen ziemlichen Aufschwung erlebt. Wahrscheinlich fahren auch Sie bereits ein 29- oder 27,5-Zoll-Rad, oder...? Dieser Aufschwung beim Mountainbiken hat dazu geführt, dass eine genaue Analyse der benutzten Fahrräder durch verschiedene Tests und Messungen notwendig geworden ist. Sie soll dazu dienen, die Widerstandsfähigkeit und Performance der Räder zu optimieren, sie reaktionsfreudiger und einfacher beherrschbar und letztlich natürlich auch schneller zu machen. 
Wir haben die inertiale Messeinheit DS-IMU1 GNSS von Dewesoft und eine GoPro-Kamera dazu verwendet, dynamische Messungen der Mountainbike-Performance durchzuführen. Denn Dynamik ist genau das, was Mountainbiken ausmacht


Test eines vollgefederten Mountainbikes auf dem Trail

Aufrecht auf dem Rad stehend – mit vollem Tempo durch schwieriges Gelände! Vollgefederte Mountainbikes und Cross-Country-Räder sind für schnelle Offroad-Fahrten gebaut. Sie wiegen mehr und sind schwerer zu treten als herkömmliche Rennräder, sind dafür aber auf fast jedem Untergrund problemlos zu fahren. Der Rahmen muss widerstandsfähig, robust und steif, dabei aber auch möglichst leicht sein. Dies wird durch die Kombination verschiedener Materialien – Kohlenstofffasern, Titan, Aluminium oder Stahl – und spezielle Rahmenformen erreicht.
Für die Konstruktion des besten Fahrradrahmens oder die Kombination der passenden Komponenten für eine optimale Fahrerfahrung sind Tests und Messungen unerlässlich – und diese wiederum erfordern Analysen auf der Grundlage hochwertiger und perfekt synchronisierter Daten.
Wir haben drei verschiedene Ansätze für die Integration einer GNSS-Messung und eines HD-Videosignals in eine solche Messung getestet.

Dabei verwendeten wir GoPro-Hero-Kameras mit GPS-Empfang, um hochwertige Videoaufnahmen zu machen, vor allem aber auch, um ihre Kompatibilität mit DewesoftX für Messzwecke zu prüfen. Wegen ihrer guten Videostabilisierung und der Allround-Performance (lange Akkulaufzeit, 4K-Video, Stabilisierung, verschiedene Aufnahmemodi) besteht auf dem Messmarkt großes Interesse an diesen Kameras. Deshalb haben wir ein Spitzenmodell in drei verschiedenen Konfigurationen getestet.

GoPro Hero 9 action cam camera
Actionkamera GoPro HERO9

Die Herausforderung – Erfassung des Videosignals einer GoPro-Kamera

GoPro-Videointegration mit DewesoftX-Software

GoPro-Kameras bieten hochwertige, stabilisierte Videoaufnahmen, die für Test- und Messzwecke ausgesprochen nützlich sein können, und ein sehr günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis. Warum also sollte man diese Kameras nicht auch für dynamische Messungen nutzen?

Dewesoft DS-IMU1 device mounted on the trail bikeAbb. 1: Am Trailbike montiertes DS-IMU1

GoPro-Kameras können auf drei verschiedene Arten in DewesoftX integriert werden:

  1. WLAN-Streaming
  2. USB-Kabelverbindung mit einem PC
  3. nachträgliche Synchronisation von Video und Daten

In unseren Tests wurden alle drei Integrationsansätze mit der aktuellen DewesoftX Software bewertet. Die verschiedenen möglichen Lösungen stellen wir hier vor.

Obwohl das DS-IMU1-Gerät in einem Kraftfahrzeug relativ einfach zu installieren ist, stellt die Montage an einem Mountainbike eine etwas größere Herausforderung dar, da sich der Fahrer ungehindert bewegen können muss.

Dewesoft DS-IMU1 inertial measurement unit with accessoriesInertiale Messeinheit DS-IMU1 von Dewesoft mit Zubehör

Das Gerät wurde deshalb am Oberrohr des Rahmens installiert, während der angeschlossene PC im Rucksack des Fahrers untergebracht werden musste. Aufgrund der großen Kräfte, die während der Fahrt auf das Fahrrad einwirken, können die Beschleunigungssensoren schnell ihren 16-g-Bereich überschreiten. Daher schien es empfehlenswert, Gummi oder Schaumstoff zwischen dem Rahmen und dem GNSS-Gerät zu platzieren.

Mountain bike GNSS measurement setupAbb. 2: GNSS-Messanordnung für Mountainbikes

Messanordnung

Die Messungen wurden an einem Mountainbike durchgeführt, wobei das DS-IMU1 am Rahmen des Fahrrads angebracht und mit dem im Rucksack des Fahrers befindlichen PC verbunden wurde.
Am Lenker des Fahrrads wurde eine GoPro-Kamera montiert. Dann wurden drei Fahrten durchgeführt, und zwar je eine für jede mögliche Art, GoPro-Videoaufnahmen in die DewesoftX-Software zu integrieren.

Verwendete Datererfassungsausrüstung

Datenerfassungssystem

Software

Konfigurationsschemata

Das System wurde abhängig vom GoPro-Setup auf zwei verschiedene Arten konfiguriert – mit GoPro als eigenständigem Gerät ohne Kabelverbindung und mit GoPro mit Kabelverbindung. Die GPS-Synchronisation geschah über das DS-IMU1-Gerät. Die GoPro-Kamera bietet eine Option zur Aktivierung einer nachträglichen GPS-Synchronisation.

Bezüglich der GoPro-Videoaufzeichnung wurden drei verschiedene Konfigurationen getestet:

  1. Streaming – Das GoPro-Videosignal kann nur über die GoPro-Webcam-Software auf einen PC gestreamt werden, der Stream wird von DewesoftX dann als DirectX-Kamerasignal empfangen.
  2. Kabelverbindung – Die GoPro-Kamera wird per Kabel an den PC angeschlossen, dann über die GoPro-Webcam-Software vom Computer erkannt und als DirectX-Lösung in DewesoftX integriert.
  3. Nachträgliche Video- und Datensynchronisation – Die GoPro-Kamera zeichnet ihre Daten unabhängig von der Messdatenerfassung auf. Alle Videodaten werden komprimiert auf der Micro-SD-Karte der GoPro gespeichert. In der Analysephase werden die Video- und GoPro-Messdaten dann nachträglich synchronisiert und in die DewesoftX-Software importiert.

Mountain bike testing - ready to rideAbb. 3: Alles ist bereit, es kann losgehen!

Datenanalyse

Der Messbildschirm unten zeigt die Fahrstrecke mit Geschwindigkeitsfärbung und den für uns interessanten IMU-Daten: 

  • Rollwinkel (Grad) 
  • Nickwinkel (Grad) 
  • Fahrtrichtung (Grad) 
  • Gesamtgeschwindigkeit (km/h) 

Durch die Kombination der verschiedenen Parameter lassen sich die genauen Bewegungen des Fahrrads auf bestimmten Streckenabschnitten nachvollziehen. Anhand dieser Daten können dann die Messungen des Fahrradverhaltens verglichen und die Performance auf der Strecke optimiert werden, z. B. durch Änderungen der Einstellungen am Fahrrad, eine andere Streckenführung oder die Verwendung anderer Fahrradkomponenten.

Das GPS-Tracking kann auch abschnittsweise aktiviert werden, was eine auf bestimmte Interessenbereiche beschränkte Vorschau oder detaillierte Analyse ermöglicht. Zum Beispiel kann der Rollwinkel in einem bestimmten Abschnitt – wie etwa einer kritischen Kurve – über mehrere Fahrten verglichen werden.

Das GoPro-Video wurde von uns von der SD-Karte der Kamera extrahiert und in DewesoftX nachträglich synchronisiert. Die Anzeige wurde dann um ein DewesoftX-Karten-Widget  (auf der rechten Bildschirmseite) ergänzt, das die Fahrstrecke zeigt. Eine Geschwindigkeitsfarbskala dient der Darstellung der Fahrdynamik.

Alle anderen, nicht angezeigten Messparameter und -daten von DS-IMU1-Geräten werden in der DewesoftX-Datendatei gespeichert und stehen jederzeit für weitere Analysen, Berechnungen oder sogar Simulationen zur Verfügung.

Measurement screen with interactive GPS mapAbb. 4: Messbildschirm mit interaktiver GPS-Karte

Fazit

Mit den GPS-, IMU- und Gyroskopdaten des DS-IMU1-Geräts lassen sich detaillierte Analysen von Fahrradfahrten und sogar des Einflusses bestimmter Fahrradkomponenten auf den Fahrstil durchführen.

Die DS-IMU1-Geräte von Dewesoft mit 16-g-Messbereich sind aufgrund ihrer Größe ideal für solche hochdynamischen Messungen. Sie können im Grunde überall montiert werden. Durch einen direkt am Fahrradrahmen montierten Datenverarbeitungsrechner und -logger vom Typ KRYPTON CPU ließe sich die Messfahrt für den Fahrer noch optimieren, da er keinen Rucksack zu tragen bräuchte.

KRYPTON CPU portable and rugged processing computer and data logger
Tragbarer, robuster Verarbeitungsrechner und Datenlogger KRYPTON CPU

Zusätzlich zum DS-IMU1-Gerät können der Messanordnung je nach Bedarf noch weitere Sensoren hinzugefügt werden, wie z. B. Dehnungsmessstreifen am Fahrradrahmen, um für eine spätere Rahmenoptimierung die Dehnung und ggf. sogar gleichzeitig den Federweg der Gabel zu messen. DewesoftX und die DAQ-Hardware von Dewesoft lassen sich flexibel kombinieren und können praktisch alles synchronisiert messen.

Die GoPro-Integration brachte nur bei der nachträglichen Synchronisation wirklich gute Ergebnisse. Die Videoaufnahmen konnten perfekt und ohne Einbußen gegenüber der ursprünglichen Qualität und Stabilisierung der GoPro-Kamera mit den Messdaten synchronisiert werden.

Die Optionen, bei denen eine GoPro-Webcam-Software eines Drittanbieters als Medium zwischen DewesoftX und der GoPro-Kamera verwendet wurde, lieferten hingegen keine optimalen Ergebnisse. Bei der Kabelverbindung und beim GoPro-Streaming gab es neben Mängeln bei Bildqualität und Stabilisierung auch Beeinträchtigungen durch Verzögerungen des gestreamten Signals. 

Die GoPro-Webcam-Software, die dabei als Schnittstelle zwischen der Kamera und DewesoftX diente, scheint für den Einsatz bei dynamischen Messungen noch nicht ausreichend optimiert zu sein.