Das Fahrradfahren erfreut sich seit Jahren wachsender Beliebtheit. So nimmt die Anzahl an Fahrrädern in Deutschland kontinuierlich zu. Im Jahr 2005 gab es 67 Mio. Fahrräder, 2020 waren es bereits 79,1 Mio. Dies entspricht einem Anstieg um 18 Prozent. Nicht nur der Umweltgedanke, sondern auch die persönliche Fitness spielen dabei eine wichtige Rolle.
Allerdings ist das Fahrradfahren, besonders im fließenden Straßenverkehr, nicht gerade ungefährlich. So gab es im Jahr 2020 allein im ersten Jahresquartal 10.200 registrierte Fahrradunfälle mit Personenschaden. Davon waren 8.245 Unfälle mit Leichtverletzten, 1.901 Schwerverletzten und 54 Unfälle endeten tödlich. Besonders die schlecht ausgebauten Radwege bzw. Radfahrstreifen werden von den Fahrradfahrern als Risikofaktor wahrgenommen.
Da auch die Politik dieses Problem erkannt hat, wurde reagiert und die StVO hinsichtlich der geltenden Abstandsregelungen beim Überholen von Fahrrädern mit Kraftfahrzeugen geändert. Diese Vorschrift trägt dazu bei, das Radfahren ein wenig sicherer zu machen. Daher ist es notwendig, sich als Fahrradfahrer zusätzlich selbst zu schützen. Hierbei hilft der Bike Safety Assistent, ein Abstandsmesssystem für das Fahrrad. Dieser misst den zu erwartenden Seitenabstand und zeigt diesen dem Fahrradfahrer an.
Entwicklung eines Bike Safety Assistenten
Um das Projekt strukturiert anzugehen, wurde im ersten Schritt ein Gantt-Diagramm erstellt. Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Aufgaben der einzelnen Phasen und setzt Fristen für die Erledigung. Das Gantt-Diagramm wurde während der Durchführung des Projektes regelmäßig aktualisiert.
Zudem wurde ein Stufenplan erstellt, welcher bei der Erarbeitung des Prototypen Orientierung geben soll. Dabei werden in der ersten Stufe die "Grundfunktionen" realisiert und diese in den Stufen zwei und drei erweitert.
Die nachfolgenden Anforderungen wurden zusammengestellt und sind der Grundstein dieses Projektes.
Technische Komponenten und Funktionsweise
Die Sensorik erfasst die Messwerte und bildet somit die Berechnungsgrundlage der Ausgangsvariablen des Mikrocontrollers. Das Modul "Benutzereingaben" wurde im Projektverlauf mit Abstand am häufigsten angepasst und mit der Zeit immer weiter ausgedünnt. Dies war vor allem der knappen Zeit geschuldet.
Die Berechnung erfolgt im Mikrocontroller und wird über den Programmablauf im Arduino IDE gesteuert. Nachdem die Eingangsvariablen (Messgrößen) in den Mikrocontroller übergeben wurden, werden die Ausgangsvariablen auf Formelbasis berechnet. Die Darstellung übernimmt ein Display. Der technische Systementwurf besteht folglich ebenfalls aus den vier Modulgruppen.
- Sensorik: Beinhaltet 3 Ultraschallsensoren (30mm - 5000mm) und einen Hall-Sensor zur Messung der Raddrehzahl.
- Benutzereingabe: Zuständig für das Ein- und Ausschalten des Systems.
- Berechnung: Ein Mikrocontroller berechnet die Ausgangsvariablen.
Die Komponentenspezifikation bricht die Module in ihre einzelnen Komponenten herunter und beschreibt detailliert die Funktionsweisen der einzelnen Komponenten.
Mit den drei Ultraschallsensoren wird die Distanz zum überholenden KFZ gemessen. Ergänzend dazu wird über Sensor 1 und Sensor 3 die Zeit des Überholvorganges erfasst. Dazu strahlen die Ultraschallsensoren zyklisch einen kurzen und hochfrequenten Schallimpuls aus. Wenn dieser von einem Objekt reflektiert wird, gelangt der Schallimpuls als Echo zu dem Ultraschallsensor zurück. Entscheidend für die Ermittlung der Entfernung des Objektes ist die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Schallimpulses und dem Empfangen des Echos.
Mit dem Hall-Sensor werden die Umdrehungen am Vorderrad gemessen. Mit dem Umfang des Vorderrades wird daraus die eigene Geschwindigkeit ermittelt.
Als Mikrocontroller wird ein Funduino UNO R3 benutzt, welcher die Sensordaten von den Ultraschallsensoren sowie des Hall-Sensors erhält. Diese werden anschließend verarbeitet. Mit dem Programmcode, welcher in der Arduino IDE geschrieben wurde, werden verschiedene Variablen nach Formeln berechnet, anschließend erfolgt die Ausgabe am Display.
Auf einem LCD-Display kann die eigene Geschwindigkeit, die zurückgelegte Strecke, die Durchschnittsgeschwindigkeit der letzten 2 Kilometer und die Dauer der Fahrt angezeigt werden. Wird ein Überholvorgang erkannt, werden diese Werte durch die Überholdistanz sowie die Geschwindigkeit des überholenden KFZ ergänzt.
Für die Verkabelung am Fahrrad wurde Klingeldraht verwendet. Zum Befestigen einiger Bauteile und Komponenten wurden Kabelbinder und Schrauben verwendet.
Für die Montage der Komponenten wurden Montageplatten aus Holz angefertigt und mit Kabelbindern am Fahrrad befestigt. Für das LCD-Display wurde ein kleines Gehäuse aus Leimholzplatten gefertigt.
Montage und Anbringung
Der Bike Safety Assistent setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, die am Fahrrad an verschiedenen Stellen montiert werden. Bei der Montage wurde für den mittigen und den hinteren Sensor eine Holzleiste mit Kabelbindern neben dem Gepäckträger montiert. Das Ende der Holzleiste wurde im Winkel von 45 Grad zugeschnitten und bildet so die Montagegrundlage für den hinteren Ultraschallsensor.
Auf der Holzleiste erkennt man die zwei angeschraubten Plastikdosen, welche den Mikrocontroller (im hinteren Bereich) sowie das Steckbrett (vorderer Bereich) vor Witterungseinflüssen schützen. Der Hall-Sensor ist an der Vorderradgabel und zwei Magnete sind an den Speichen des Vorderades montiert. Das Display befindet sich am Lenker und ist dort mittig angebracht, um während der Fahrt problemlos die Werte ablesen zu können.
Komponententests und Validierung
Beim Komponententest werden die in der Komponentenspezifikation definierten Komponenten nach speziellen festgelegten Verfahren getestet. Im Folgenden werden die Testmethoden zu den einzelnen Komponenten kurz erläutert.
- Ultraschallsensoren: Prüfung auf plausible Werte durch Vergleich der gemessenen Distanzen mit zuvor abgemessenen Werten.
- Hall-Sensor: Test durch Annäherung eines Magneten und Beobachtung der Reaktion.
- Batterie: Test des Ein- und Ausschaltens des Systems durch An- und Abklemmen der Batterie.
- Berechnung der Abstände: Validierung der Umrechnung der im 45-Grad-Winkel gemessenen Werte in senkrechte Abstände.
- Fahrradgeschwindigkeit: Vergleich der Geschwindigkeit des Bike Safety Assistenten mit einem herkömmlichen Fahrrad-Tacho.
- Überholvorgang: Auslösung der Ultraschallsensoren durch eine vorbeigehende Person und Messung der Zeit des simulierten Überholvorgangs.
- Anzeige: Optische Bewertung der Anzeige.
Das Projekt des Bike Safety Assistenten konnte erfolgreich umgesetzt werden. Das System funktioniert für einen Prototypen hinreichend genau und könnte, mit einigen Verbesserungen, zur Sicherheit des Fahrradfahrers im Straßenverkehr beitragen.
Herausforderungen und Verbesserungen
Die Schwierigkeiten bei der Umsetzung des Projektes lagen vor allem in der knappen Zeit. So wurde bspw. Eine weitere Schwierigkeit/Verzögerung wurde durch die anfängliche Verwendung eines Touch-Displays hervorgerufen. Um die Ausgabe der Distanzen und Geschwindigkeiten übersichtlich zu gestalten, sollte nicht das im Funduino-Set beinhaltete LCD-Display, sondern ein größeres Touch-Display verwendet werden. Allerdings wurde hier die Bauteilkompatibilität im Voraus nicht gewissenhaft geprüft, sodass es im Weiteren zu diversen Problemen gekommen ist.
Unter anderem waren bei dem verwendeten Funduino UNO nicht genügend Ports vorhanden, um sowohl das Touch-Display als auch alle benötigten Sensoren zu betreiben. Dies hätte im Vorfeld durch eine umfassendere Recherche umgangen werden können. So hätte bspw. Letztlich wurde anstatt des Touch-Displays das dem Funduino-Set beiliegenden LCD-Display verwendet, welches für die Anzeige der ermittelten Distanzen und Geschwindigkeiten vollkommen ausreicht.
Ein weiterer Aspekt bezüglich des Zeitmanagements war die Kommunikation zwischen den Projektbeteiligten. Diese wurde zum Ende hin immer weiter verbessert, da Aufgaben klarer verteilt wurden und dies bspw. Ein nicht unwesentlicher Punkt war zum Ende hin die Durchführung der Komponententests. Hier wurde das System hinsichtlich der Überholgeschwindigkeit des KFZ zuerst mit unrealistischen Zahlen validiert. Dies führte dazu, dass sich die ausgegebenen KFZ-Geschwindigkeiten trotz unterschiedlicher Überholzeiten nicht signifikant verändert haben.
Um den vorhandenen Prototypen weiterzuentwickeln und somit ein fertiges und einsatzbereites Produkt zu erhalten, müsste wie bereits beschrieben ein Touch-Screen verbaut werden, um die Anwenderfreundlichkeit zu steigern. Ein weiterer Punkt wäre die Parallelisierung des Programmablaufs. Hier muss sichergestellt werden, dass das System zu jeder Zeit einwandfrei läuft. In einigen Situationen war dies bei dem Prototypen nicht gegeben, da bei hohen Geschwindigkeiten der Microcontroller manchmal nicht jede Raddrehung gezählt hat. So haben sich Messfehler ergeben. Dies war der Tatsache geschuldet, dass auf dem Microcontroller aktuell das Programm ohne parallele Messungen und Berechnungen durchläuft. Daher konnten teilweise keine neuen Messungen erkannt werden, da der Microcontroller noch Berechnungen aufgeführt hat, anstatt die Messwerte der Sensoren abzufragen.
Auch hinsichtlich der äußeren Gestaltung der Bike Safety Assistenten könnten Verbesserungen durchgeführt werden. So könnten bspw. Auch die Realisierung von neunen Features wäre denkbar. So könnte bspw.
Fuoripista Bike: Design und Technik in Perfektion
Die deutschen Wörter Fahrradergometer oder Heimtrainer werden dem Fuoripista Bike nicht gerecht. Design und Technik dieses Indoor-Fahrrades sind einzigartig. Das Fuoripista Bike überzeugt optisch und technisch.
Das Fuoripista Bike entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen dem italienischen Hersteller Elite und dem Studio Adriano Design. Kombiniert werden "warme" Materialien wie Holz und Leder mit "kühlen" Oberflächen wie Gas und Metall. Das Schwungrad besteht aus Glas und wird per Riemen angetrieben, die Bremse wird elektronisch angesteuert.
Das Bike verfügt über ein waschechtes Schaltwerk mit 16 Gängen, das mit Hilfe von zwei Schalthebeln bedient wird. Ein Preis für das 70 Kilogramm schwere Fuoripista Bike steht noch nicht fest - rechnet mit rund 8.000 Euro. Es wird definitiv teurer werden, als das neue Peloton Bike+.
Informationen laufen auf einem OLED-Display zusammen, das sich mit gängigen Apps koppeln lässt. Ein Riemenantrieb soll für möglichst leisen Betrieb sorgen.
E-Bike Akkus: Leistung, Haltbarkeit und Sicherheit
Mit der Leistung und Haltbarkeit des Akkus steht und fällt die Nutzbarkeit Ihres E-Bikes. Der Akku muss ausdauernd und leistungsstark sein, robust gegenüber verschiedensten Witterungsbedingungen und mechanischen Belastungen (zum Beispiel Stöße durch Straßenschäden), sollte leicht sein, schnell geladen werden können und vor allen Dingen darf er nicht durch Überhitzung zur Gefahrenquelle werden.
Bei Temperaturen unter 5°C empfiehlt es sich, den Akku nicht am Fahrrad zu belassen sondern grundsätzlich bei Zimmertemperatur aufzuladen und zu lagern. Ganz alte Fahrräder benutzen noch die alten Bleiakkus oder NiCD Akkupacks, beispielsweise bestückt mit der Sanyo KR7000 oder KR5000 Zelle. Diese Rad-Generation ist jedoch am aussterben. Die neue Generation verwendet nur noch die Lithium-Ionen Akkus.
Selbstbau Fahrradcomputer und E-Bike Umbau
Vor ein paar Wochen habe ich mir überlegt, dass es doch eine feine Sache wäre mit einem Arduino, einem OLED Display und einem kleinen GPS Empfänger einen Selbstbau Fahrradcomputer am Lenker zu haben. Letzte Woche änderte sich der Plan. Warum nicht auch gleich einen Nabenmotor an Vorderrad und aus einem normalen Fahrrad ein E-Bike / Pedelec bauen?
Ein Schaltungsentwurf musste her und anstatt wild herumzuprobieren, habe ich mich dieses Mal für einen Entwurf mit Fritzing entschieden.
Im Frontscheinwerfer wird der Arduino, ein GPS Empfänger, ein RF12 Transceiver (JeeNode kompatibel), ein OpenLog, ein LDR und natürlich die LED des Scheinwerfers untergebracht. Der Strom für Arduino und Licht kommt aus einem 400 mAh Lipo der mit Ladeschaltung und kleinem Solarpanel in der Nähe des Frontscheinwerfers platziert wird.
Zur Motorsteuerung verwende ich einen ESC aus dem Modellbau. Ebenso wird es wohl ein großer Modellbau Akku werden, der mich antreibt. Der Nachteil eines solchen ESC ist allerdings, dass er den Strom nicht begrenzen kann und so der Motor bei geringer Geschwindigkeit (Bergfahrten) überhitzen könnte.
Ich suche eine Möglichkeit zur Umschaltung zwischen Pedelec und E-Bike. Wenn ich es richtig sehe, haben die Displays dazu Anwahltasten. Allerdings steht z.B. beim King-Meter, dass dort die Profile schon vorgefertigt sind? Wichtig ist außerdem, dass bei Start (quasi Batterie wird angeschlossen), stets das selbe Profil (z.B.
Vater-Sohn-Projekt: Ein selbstgebautes E-Bike
Unser erster Prototyp fuhr schon nach einem Wochenende - doch danach ging die Feinarbeit los. Der erste Erfolg stellte sich schnell ein bei unserem Vater-Sohn-Projekt: Nach einigen Vorbereitungen und einem konzentrierten Wochenende in der Werkstatt konnte mein Sohn Finn schon am Sonntagabend die erste Proberunde mit unserem selbstgebauten E-Bike mit Akkuschrauberantrieb drehen. Doch alltagstauglich war die Konstruktion noch nicht: Finn musste mit einem Seilzug Gas geben und auch einige mechanische Probleme traten schnell zu Tage. Mir waren inzwischen einige Gedanken durch den Kopf gegangen, dass man das Rad vielleicht auch so modifizieren könnte, dass es später legal auf der Straße nutzbar wäre.
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