B. Wiesenhofer (INAS)

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1 B. Wiesenhofer (INAS) 8010 Graz, Steyrergasse 30 C. Abart P. Hafner B. Hofmann-Wellenhof N. Kühtreiber M. Wieser (INAS) T. Nunner G. Paar (Joanneum Research) O. Sidla (SLR Engineering e.u.)

2 SKISPRUNG Projektpartner TU Graz, Institut für Navigation und Satellitengeodäsie Projektleitung Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh, Institut für Digitale Bildverarbeitung Universität Innsbruck, Institut für Sportwissenschaften Österreichischer Skiverband 2

3 SKISPRUNG Eckdaten Flugbahn- und Geschwindigkeitsbestimmung im Skisprungsport Förderung (Quote 50%, industrielle Forschung): BM f. Verkehr, Innovation u. Technologie Progammlinie: Österreichisches Weltraumprogramm (WRP), Call Sept Programmmanagement: Österr. Forschungsförderungsgesellschaft m.b.h. (FFG), ALR Laufzeit: 14 Monate Projektstart: Projektende:

4 Inhalt Herausforderungen des Projekts Passives System Kamera Aktives System GPS Status quo, Zusammenfassung 4

5 Herausforderung (1/3) Aus sportlicher Sicht: Skispringer = sensibles, komplexes System Beeinflussung durch viele Faktoren: Material (Ski, Anzug, Schuhe ) Äußere Einflüsse (Wind) Kullmann, 2007 Körperhaltung (Sprungtechnik, Körperwinkel ) Phase des Absprungs und ersten Meter der Flugphase haben aufgrund moderner Skisprungausrüstung und geringen Gewichts der Skispringer an Bedeutung für die Flugweite zugenommen (Anlaufgeschwindigkeit, Absprunggeschwindigkeit normal zum Schanzentisch, Luftauftrieb und Luftwiderstand während der Absprung- u. Flugphase, ) 5

6 Herausforderung (2/3) Aus wissenschaftlicher Sicht: Alpine Region Abschattungen durch angrenzenden Wald Hohe Kinematik Schanzencharakteristik Sprung in den Kessel Kurze Messzeiten Hohe Genauigkeit gefordert 6

7 Herausforderung (3/3) A priori Systemanforderungen Funktioneller Demonstrator Bestimmung von Höhe und Geschwindigkeit entlang der Bahn Genauigkeiten: ±5 cm, <0.5 km/h Aktives System: GPS Passives System: Kameras Rasche Auswertung nach Sprung Kompatibilität zu existierenden Analysemethoden und tools Tests am Bergisel oder in Stams 7

8 Passives System Kamera (1/2) Bildgestützte Trajektorienbestimmung Passives System Ein Paar hochauflösender Kameras Selbstkalibrierung mittels Passpunkten Detektion und Tracking des Skispringers Lokalisierung des Skispringers über Konturmodelle Positionierung durch räumlichen Vorwärtsschnitt Joanneum Research Joanneum Research Joanneum Research 8

9 Passives System Kamera (2/2) Lokalisierung des Skispringers über Konturmodelle Joanneum Research 9

10 Aktives System GPS (1/7) Trajektorienbestimmung mittels GPS Aktives System Verifikation der Absolutgenauigkeit des Kamerasystems Relative GPS-Phasenmessung Aufzeichnungsfrequenz (für Rover und Master): mind. 20 Hz Kinematische Basislinienauswertung im Post-processing Helmmontage (Rover) Trainingstauglichkeit Gewicht (Rover inkl. Antenne und Controller) Minimieren 10

11 Aktives System GPS (2/7) Systemaufbau GPS Empfängermodul Referenzstation Basislinienauswertung 11

12 Aktives System GPS (3/7) GPS Empfängermodul - Hardwarekomponenten Low-Cost Einfrequenz GPS Antenne AT von AeroAntenna Empfänger OEMV-2 von NovAtel Datenlogger Lithium-Polymer Akku 12

13 Aktives System GPS (4/7) GPS Empfängermodul Helmaufsatz Anpassung durch 3D-Modellierung FDM -Druckverfahren (FDM = Fused Deposition Modeling, deutsch: Schmelzschichtung) Milena Stavric, Institut für Architektur und Medien 13

14 Aktives System GPS (5/7) Basislinienauswertung Auswertung erfolgt primär mit der kommerziellen Software GrafNav von Waypoint Hohe Genauigkeit gefordert: Vorprozessierung der Daten (Datenlücken, Cycle Slips, ) Phasenmessung: Ambiguitätenlösung durch Initialisierungspunkt 14

15 Aktives System GPS (6/7) Vorprozessierung der Daten Detektion von Lücken und Cycle Slips Qualitätsüberprüfung der Rohdaten anhand der Änderung der Phase Differenzenbildung zweier aufeinanderfolgenden Epochen Polynomanpassung Betrachtung der Residuen Korrektur der Daten Verwendung eines auf Polynomapproximation basierenden Algorithmus 15

16 Aktives System GPS (7/7) Vorprozessierung der Daten (1/4) Berechnung der Position; Verwendung der Rohdaten von vier Satelliten Test: Erzeugung einer künstlichen Datenlücke bei einem Satelliten PRN 8 statisch kinematisch 16

17 Aktives System GPS (7/7) Vorprozessierung der Daten (2/4) Auswertung mit GrafNav: Datensatz ohne Datenlücke Quality Number [%]: Q 1: 88.1 % Q 2: 9.8 % Q 3: 2.1 % Standardabweichung der Position [%]: m: % m: 0.0 % 17

18 Aktives System GPS (7/7) Vorprozessierung der Daten (3/4) Auswertung mit GrafNav: Datensatz mit erzeugter Datenlücke Quality Number [%]: Q 1: 6.2 % Q 2: 91.7 % Q 3: 2.1 % Standardabweichung der Position [%]: m: 93.3 % m: 6.7 % 18

19 Aktives System GPS (7/7) Vorprozessierung der Daten (4/4) Auswertung mit GrafNav: Datensatz mit geschlossener Datenlücke Quality Number [%]: Q 1: 87.0 % Q 2: 10.9 % Q 3: 2.1 % Standardabweichung der Position [%]: m: % m: 0.0 % 19

20 Status quo, Zusammenfassung Projekt SKISPRUNG Hardwareentwicklung abgeschlossen Algorithmus für Datenvorprozessierung in Arbeit Daten vom Skispringer werden mit Spannung erwartet Kombination der beiden Systeme 20

21 Referenzen Niclas Kullmann, 2007: Grundlagen des Kraft- und Schnellkrafttrainings im Skisprung, Arbeitsfassung Kurt Schindelwig, Werner Nachbauer: Modell zur Bestimmung des optimalen Flugwinkels von Skispringern 21