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Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Ziele Einfache Handhabung der zwei Messsysteme s-t-Verlauf  F-t-Verlauf F-t-Verlauf  s-t-Verlauf.

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Präsentation zum Thema: "Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Ziele Einfache Handhabung der zwei Messsysteme s-t-Verlauf  F-t-Verlauf F-t-Verlauf  s-t-Verlauf."—  Präsentation transkript:

1 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Ziele Einfache Handhabung der zwei Messsysteme s-t-Verlauf  F-t-Verlauf F-t-Verlauf  s-t-Verlauf

2 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kameraeinheit (3 Kameras) USB-Verbindung zu PC Lukotronic

3 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kameraeinheit MCU 200 (3 Kameras) aktive Infrarot-Marker Controllerbox (Kabel- oder Funkverbindung) Lukotronic

4 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Marker senden Lichtpulse im infraroten Strahlungsbereich aus. Dabei ist zu einer Zeit immer nur eine Diode aktiv, wodurch die Eindeutigkeit der Marker gegeben ist Die drei Kameras vermessen die einzelnen Markerpositionen, aus diesen Messdaten werden die räumlichen 3d-Koordinaten berechnet Durch eine andauernde Messung lässt sich eine zeitliche Abfolge der Markerpositionen im Raum ermitteln (s-t- Verlauf) Lukotronic – Funktionsweise

5 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Lukotronic – Funktionsweise Bei welchem Marker wird die Positionsbestimmung einen geringeren Fehler in x-Richtung aufweisen (weshalb)? 12 x x

6 1 3 Bild Kamera 1Bild Kamera 3 Abbildungsebene Kamera 1 Abbildungsebene Kamera 3 Lukotronic Funktionsweise

7 Lukotronic – Funktionsweise 1 3 Bild Kamera 1 Bild Kamera 3 Die Auflösung (Anzahl der Pixel in horizontaler Richtung) ist mitentscheidend für die Genauigkeit der Position. Abbildungsebene Kamera 3

8 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Lukotronic – Funktionsweise Beim Marker 1 weisen die Geraden einen „günstigen“ (60 – 120°) Schnittwinkel auf. 12

9 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Bewegungsanalyse in Echtzeit Messdaten lassen sich exportieren und importieren Messdaten sind 3-dimensional Kalibrierung nach Inbetriebnahme selbsttätig Erklären Sie die Bedeutung der blauen Wörter! Lukotronic - Systemmerkmale

10 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit 3-dimensional: kartesisches Koordinatensystem mit 3 Achsen Ein kartesisches Koordinatensystem ist ein orthogonales Koordinatensystem (orthogonal – Achsen stehen im rechten Winkel zueinander) Lukotronic - Systemmerkmale x y z

11 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kalibrierung: Ermittlung des Zusammenhanges zwischen den ausgegebenen Werten eines Messgerätes und den bekannten Werten der Messgröße unter bekannten Bedingungen. Dabei ist zu beachten dass Kalibrierung kein Abgleich keine Aussage über Drift beinhaltet. Lukotronic - Systemmerkmale

12 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kalibrierung Beispiel : Werte richtigMessgerät [m] 00,2 11,3 21,9 33,1 44,2 55,4 Lukotronic - Systemmerkmale Kalibrierung ist nur bei einer hohen Wiederholungsgenauigkeit sinnvoll. Wie wird Lukotronic kalibriert?

13 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Messfrequenz: 1200 Hz (optional: 2400 Hz) pro Abtastung von einem Marker Markeranzahl: max. 48 Messbereich: 1-7 m Auflösung: 0.1 mm (Abstand = 1.5 m) Mit welcher max. Frequenz kann bei einer Markeranzahl von 24 gemessen werden? Lukotronic – Technische Merkmale

14 Öffnungswinkel Kamera: 20° waagrecht 50° senkrecht Lukotronic – Technische Merkmale Öffnungswinkel Marker: 180°

15 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kistler-Messplattform

16 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Beim Piezoelektrischen Effekt entsteht bei Ausübung von Druck auf einen besonderen Kristall eine elektrische Ladung Die Messplattform besitzt vier vorgespannte 3- Komponenten-Kraftsensoren Die Ausgänge der vier 3-Komponenten- Kraftsensoren sind intern so auf 8 Kanäle reduziert, dass Kraft- und Momentmessungen in allen drei Achsen möglich sind. Kistler-Funktionsweise

17 Bei den DMS-Sensoren wird zunächst eine elastische Verformung des Messkörpers in eine Widerstandsänderung des DMS umgewandelt, um anschließend ein elektrisches Ausgangssignal einer Wheatstone‘schen Brückenschaltung zu generieren. Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, dass Kristalle unter Druckbelastung eine direkt zur eingeleiteten Kraft proportionale elektrische Ladung erzeugen. Mit Hilfe eines Verstärkers wird diese Ladung dann in eine proportionale Ausgangsspannung umgewandelt. Bei der piezoelektrischen Messtechnik mit einer Sensorgröße ist ein weiter Messbereich ohne Genauigkeits- und Auflösungsverlust realisierbar. Bei der Langzeitstabilität (Driftverhalten) hat die DMS-Technologie Vorteile, da es in der piezoelektrischen Messtechnik praktisch nicht möglich ist, einen Messaufbau mit unendlich großem Isolationswiderstand zu realisieren. Mehr Details unter: sensors-a-comparison/ piezoelektrische-oder-dms-basierte-kraftaufnehmer/ Exkurs: DMS - Piezo

18 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Messen von 3-d Bodenreaktionskraft, Moment und Kraftangriffspunkt Kraftverlaufsanalyse in Echtzeit Messdaten lassen sich exportieren Vor der Messung muss ein Nullabgleich erfolgen Kistler- Messplatte: Systemmerkmale

19 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Exkurs: Formen von Fehlern soll ist Steigungsfehler soll ist Nullpunktsfehler soll ist Nichtlinearität soll ist Hysterese Welcher Fehler kann nicht korrigiert werden? Wie kann die Nichtlinearität korrigiert werden?

20 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Exkurs: Übersprechen Es wirken die Kräfte: Gemessen werden die Kräfte: F z = 1000 NFz = 1000 N F x = 0 N Fx = 50 N Kistler Platte FzFz FzFz FyFy Dann beträgt das Übersprechen der vertikalen auf die horizontale Kraft 5%

21 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Hohe Eigenfrequenz Hz Überlast >15 kN Linearität < 0,5% Hysterese < 0,5% Übersprechen < 1,5% Anzahl Kanäle: 8 (4 vertikal, 2 quer und 2 längs) Kistler-Technische Merkmale Eine Eigenfrequenz eines schwingfähigen Systems ist die Frequenz, mit der das System nach einmaliger Anregung schwingen kann. Könnte mit dieser Kraftmessplatte die Reibung zwischen Schnee und Ski gemessen werden?

22 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Messung allgemein Aufnahmesoftware (AS202) starten Koordinatensystem von Lukotronic definieren Nullabgleich Kraftmessplatte Messung (Datenaufnahme) Daten speichern Schwerpunkt und Gesamtkraft berechnen und speichern Daten zur Kontrolle in Excel betrachten

23 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit AS202 – Bedienungsanleitung - AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware) Übung Biomechanik und Kniebeuge 1 wählen

24 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit AS202 – Bedienungsanleitung „Strg + F1“ drücken  es werden alle Blätter angezeigt Koordinatensystem von Lukotronic definieren: Die 3 Marker, wie auf der Kistler Platte beschrieben, in der Mitte der kreisförmigen Scheiben anbringen. Direction A Direction B Origin Norden

25 AS202 – Bedienungsanleitung Blatt – Software Blatt - Coordinate System Blatt - Automatic Markernummer im gelben Feld angeben, welche bei der Kistler Platte aufgeklebt wurden Define Coordinate System (Messung ist aktiv und Marker müssen rot leuchten, bei Direction B muss das Zahlenfeld weiss sein!!!) Save Coordinate Trafo

26 AS202 – Bedienungsanleitung Blatt – System Frequenz Lukotronic – 50 HZ Frequenz Analog 50 Hz

27 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Versuchsanordnung Kistler Kraftmessplatte Lukotronic AS202 M 22 M 23 M 24 M 5 M 26 Norden Luko-Funkbox USB-Kabel zu PC Direction B Origin Direction A

28 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit AS202 – Bedienungsanleitung Marker 22 bis 26 bei Proband anbringen (siehe Versuchsanordnung) Blatt Run w ä hlen und zur Aufnahme runden Punkt dr ü cken Kraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren

29 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Lukotronic – Bedienungsanleitung Messung starten Nullabgleich- es darf sich nichts auf der Kraftmessplatte befinden (mindestens 2s) auf die Kistler Platte steigen 3 Sekunden ruhig stehen Kniebeugen ausf ü hren (3 * langsam 2s Pause, 3 * mittel 2s Pause, 3 * schnell) 3 Sekunden ruhig stehen Von der Platte steigen - 3 Sekunden warten Messung stoppen

30 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit AS202 – Bedienungsanleitung Daten speichern Verzeichnis wählen Filename eingeben Speichern Verzeichnis wählen: Verzeichnis mit Strg+c kopieren, damit es bei allen Programmen mit Strg+v eingefügt werden kann.

31 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Schwerpunkts- und Kraftverlauf in vertikaler Richtung berechnen und speichern: Achtung: Frequenz bei Kistler und bei Lukotronic müssen auf 50 eingestellt sein. Gelenksmomente – Bedienungsanleitung Das Auswerteprogramm „Gelenksmomente“ (es befindet sich ein Icon auf dem Desktop) starten.

32 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Gelenksmomente – Bedienungsanleitung Datei wählen Programm starten (Programm stoppen)

33 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Gelenksmomente – Bedienungsanleitung 1. Daten betrachten 2. Vertikaler KSP- und Kraftverlauf speichern (Name.txt) 2. 1.

34 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Daten zur Kontrolle in Excel betrachten Daten betrachten

35 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Daten zur Kontrolle in Excel betrachten Daten betrachten Datei „Name.txt“ öffnen und Kraft- und Wegverlauf als Diagramm darstellen

36 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Zur Messung Antenne bei Funk Schwarze Fläche kann abgeklebt werden

37 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Achtung! Mit beiden Füssen auf der Kraftmessplatte stehen.

38 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Zur Messung Bei Problemen während der Messung: Tel oder Bedienungsanleitung vor der Messung durchlesen! Klebebänder zur Befestigung der Marker mitnehmen! Sportbekleidung (enganliegende kurze Hose und schulterfreies Hemd) Fragen zum Messablauf sollten beantwortet werden können! Wie muss der Wegverlauf vom Körperschwerpunkt in etwa aussehen? Vorbereitung nächste Stunde: Excel Grundlagen 1.xls „ausprobieren“

39 High-Speed-Video Laufanalyse

40 High-Speed-Video Laufschritt mit Kamera „erfassen“ (Serienbild, High- speed) Serien- und Reihenbild erstellen Head to Head Vergleich Kniewinkel- und Kniewinkelgeschwindigkeitsverlauf Vertikaler Wegverlauf vom Hüftpunkt Laufanalyse: Ziele der Übung

41 Excurs: Monochrome Monochrom bedeutet in der Fotografie: Ein Bild oder Medium, das nur Graustufen bzw. Abstufungen einer einzigen Farbe zeigt. (Wikipedia). 8 Bit = 1 Byte = 2 8 = 256 Unterteilung zwischen Weiß und Schwarz erfolgt in 256 Stufen 10 Bit = 1024 (Casio Pro EX-F1 größer 15 fps) 12 Bit = 4096 (Casio Pro EX-F1 bis 15 fps) 16 Bit = 2 Byte =

42 Exkurs: Lichtempfindlichkeit Bei höherer Lichtempfindlichkeit kann bei gleicher Belichtungszeit in dunklerer Umgebung fotografiert werden, oder bei gleicher Helligkeit kann die Belichtungszeit reduziert werden. Die Lichtempfindlichkeit wird heute meist in ISO angegeben. Je höher die Zahl, desto weniger Licht benötigt man beim Fotografieren, desto schlechter wird aber i.d.R. auch die Bildqualität (Körnung bzw. Rauschen).

43 Excurs: Bewegungsunschärfe Einfaches Beispiel: Ein Tennisball hat beim Aufschlag eine Geschwindigkeit von 215 km/h. Was für einen Weg legt er bei 100 μs, 1 ms und 4 ms zurück? https://de.wikipedia.org/wiki/Bewegungsunschärfe

44 Excurs: Bewegungsunschärfe Einfaches Beispiel: Ein Tennisball hat beim Aufschlag eine Geschwindigkeit von 215 km/h. Was für einen Weg legt er bei 100 μs, 1 ms und 4 ms zurück? 215 km/h = 59,7 m/s s = v * t = 60 * 0,0001 = 6 mm; 6 cm; 24 cm Dies bedeutet, auf dem Bild scheint der Tennisball bei einer Belichtungszeit von 4 ms 30 cm lang zu sein (6 cm Durchmesser).

45 Excurs: Schärfentiefe oder Tiefenschärfe Sie beschreibt die Größe des Entfernungsbereichs, innerhalb dessen ein Objekt hinlänglich scharf abgebildet wird. Dieser Bereich erscheint scharf Kamera ist fokussiert auf diesen Abstand In der Regel wird eine große Schärfentiefe durch kleine Blendenöffnungen oder Objektive mit kurzen Brennweiten erreicht: „Von vorn bis hinten sieht dann alles mehr oder weniger scharf aus.“ https://de.wikipedia.org/wiki/Schärfentiefe

46 Excurs: Optische Abbildung F Achse Z Z….optische AchseF….objektseitige Brennweite O…Position des ObjektsF‘…bildseitige - “ - O‘… - “ - Bildes H….objektseitige Hauptebene der LinseH‘…bildseitige…. Alle Strahlen vom Objekt O werden auf O‘ abgebildet O O‘ F‘ H‘ H

47 Excurs: optische Abbildung F Achse Z Unschärfe durch Verschieben der bildseitigen Hauptebene der Linse Die Linse kann immer nur für einen bestimmten Abstand „scharf“ gestellt werden. O O‘ F‘ H‘ H

48 Excurs: Blende Die Blende ist eine Vorrichtung an Fotoapparaten, mit deren Hilfe der Lichteinfall durch das optische System (Objektiv) geregelt werden kann. Sie ist meist als Lamellenblende ausgeführt, bei der sich kreisförmig konzentrisch angeordnete Lamellen-Bleche so ineinander verschieben, dass der Lichtdurchlass enger oder weiter wird und so das einfallende Lichtbündel kleiner oder größer wird.

49 High Speed - Excurs Blende Die Blende kontrolliert die Helligkeit, die Schärfentiefe und das Ausmaß der Vignettierung (Abschattung zum Bildrand hin) des Abbildes.

50 Excurs: Blende Die Blende erfüllt zwei wichtige Funktionen: Einerseits steuert sie die Stärke der Beleuchtung des Films, Fotopapiers oder Bildsensors: Je größer die Blendenzahl wird, desto weniger Licht kann durch das Objektiv dringen. Zum Beispiel bei der Blendenzahl-Einstellung 2.8 lässt das Objektiv mehr Licht durch als bei 5.6. So wird in Verbindung mit der Belichtungszeit die Belichtung des Films bzw. Chips geregelt. Andererseits beeinflusst die Blende die Schärfentiefe: Mit größerer Blendenzahl und damit kleinerer Blendenöffnung wird nicht nur die wirksame Lichtmenge verringert, auch die Unschärfekreise werden durch den spitzeren Lichtkegel kleiner. Folglich vergrößert sich der Bereich des Motivs, der noch als scharf wahrgenommen wird, bis der zulässige Grenzwert erreicht wird. Der Tiefenbereich der scharfen Abbildung (Schärfentiefe) nimmt beim Schließen der Blende also zu. (Wikipedia)  Um eine hohe Bewegungs- und Tiefenschärfe zu erreichen wird „viel“ Licht benötigt.  Bei geringerer Lichtintensität sind ein großes Objektiv und „große“ Licht- Sensoren erforderlich.

51 Excurs: Blende Funktionsprinzip einer Aperturblende: Die Aperturblende liegt zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung des Systems und begrenzt den Raumwinkel aller Strahlen deren Spitzen im Bildraum liegen. Achse Z O O‘

52 High Speed - Excurs optische Abbildung Achse Z O O‘ H‘ H

53 High-Speed-Video Exkurs: Bildkomprimierung Das JPEG File Interchange Format (JFIF) ist ein 1991 von Eric Hamilton entwickeltes Grafikformat zur Speicherung von Bildern, die nach der JPEG-Norm komprimiert wurden. Für Bilder ist diese Format gut geeignet, für Grafiken eher nicht. Komprimierung Anwendung: Ein 12 MPixel Bild benötigt im Raw-Format ca. 14MB, im JPG-Format ca. 2,5MB Bei besseren Fotoapparaten kann das Speicherformat gewählt werden, wobei die Nachbearbeitung am Besten mit dem Raw-Format funktioniert.

54 High-Speed-Video Exkurs: Videokomprimierung https://de.wikipedia.org/wiki/Videokompression Die Videokompression hat ihre Ursprünge in der Standbildkompression, einfachere Verfahren komprimieren die einzelnen Bilder eines Videos unabhängig voneinander und speichern den Ton unkomprimiert ab. Die erzielte Kompressionsrate liegt bei etwa 1:5. Weiterentwickelte Verfahren nutzen zur Kodierung auch Ähnlichkeiten zwischen den einzelnen Teilbildern und speichern auch den Ton komprimiert ab. Die damit erzielbaren Kompressionsraten liegen heutzutage oberhalb von 1:100 bei kaum reduzierter Qualität. Bewegungskorrektur Eine Möglichkeit zur Verkleinerung der Datenmenge ist die Bewegungskorrektur (englisch motion compensation): Es werden nur die Unterschiede zum vorhergehenden Bild gespeichert. Es wird nach Pixelblöcken gesucht, die gegenüber dem letzten Frame verändert wurden. Für diese wird ein Bewegungsvektor gespeichert, die unbewegten werden einfach vom letzten Frame übernommen.Bewegungskorrekturenglisch Verlustbehaftete Videocodecs MPEG-1, -2 und -4, DivX, Xvid, Intel Indeo, Microsoft Windows Media Video, Radius Cinepak, …

55 Exkurs: Vollbildverfahren Das Zeilensprungverfahren (engl. Interlaced Scan) – zeilenverschränkte Halbbilder) baut zuerst die geraden und anschließend die ungeraden Zeilen auf. Das Vollbildverfahren (engl. Progressive Scan) bezeichnet eine Technik beim Bildaufbau, bei denen das Ausgabegerät mit echten Vollbildern gespeist wird. Dadurch wirkt das Bild schärfer und ruhiger, außerdem wird Zeilenflimmern vollständig eliminiert. Es gibt zwei Möglichkeiten, Vollbilder zu übertragen: als ganzes (progressive) oder als zwei aufeinander folgende Halbbilder mit demselben Zeitindex (progressive with segmented frames, psF). Auch das HDTV-Format 1080i wird in diesem Modus verwendet, wohingegen 720p und 1080p mit echten Vollbildern gesendet werden. Beim Interlaced Scan kann durch die Verdopplung der Zeilen die zeitliche Auflösung halbiert werden (Bsp. Frequenz erhöht sich von 25 auf 50 Hz).

56 High-Speed-Video Kompakte Industriekamera-Serie mit USB 3.0 Hochwertige CMOS-Sensoren bis 14 Megapixel 2000 * 1000 bei 300 Hz 10 Bit Grauwert- und Farbversionen 256 MByte großer integrierter Bildspeicher Gleichzeitiges synchrones Aufnehmen mehrerer Kameras Externe Triggermöglichkeit und kein Qualitätsverlust beim Abspeichern Nachteil: Computer zur Ansteuerung erforderlich High-Speed-Kamera mvBlueFOX3 :

57 High-Speed-Video High-Speed-Kamera Pro EX-F1: hochauflösende Kamera mit CMOS-Technologie Verbindung zum Pc oder Laptop über eine USB Schnittstelle Gleichzeitiges synchrones Aufnehmen mehrerer Kameras ist mit Zusatzgeräten möglich Externe Triggermöglichkeit über PC bedingt möglich Serienbilder – geringer Qualitätsverlust beim Abspeichern (JPG Komprimierung) Videos – Qualitätsverlust durch Komprimierung

58 High-Speed-Video Bilder 60 fps bei 6 Megapixel (2816*2112) 60 Bilder Aufnahmekapazität Highspeed Movie × 384 (300 fps) × 192 (600 fps) × 96 (1200 fps) Videos liegen in komprimierter Form vor Full HD-Video Speicher – SanDisk Speicherkarten (bis zu 32 GB) 12-fach optischer Zoom Lichtempfindlichkeit (ISO): bis High-Speed-Kamera: Casio Exilim Pro EX-F1 Technische Merkmale

59 High-Speed-Video Bilder 4K-Auflösung von x Pixel Lineare RAW mit 12-bit Auflösung Highspeed Movie Full HD Slow Motion bis zu 200 fps Videos liegen in komprimierter Form vor Lichtempfindlichkeit (ISO): bis High-Speed-Kamera: NEX FS700K Technische Merkmale Frame rate100 fps200 fps400 fps800 fps resolution time 1920* sec 1920* sec 1920* sec

60 High-Speed-Video High-Speed-Kameras: Casio Exilim EX-ZR x64 – 1000 fps und 224x160 – 480 fps 512x fps 640x fps 16,1 Megapixel, 7,6 cm (3 Zoll) Display, 18-fach Zoom, Lichtempfindlichkeit (ISO): bis JVC GC-PX100BEU HD High-Speed Camcorder 640x360 Pixeln fps, 200 fps und 250 fps 10-fach optischer Zoom Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 6400

61 Kamera aufbauen Bildbereich, Blende, Schärfe einstellen 6 Läufe mit 60 Bilder aufnehmen (30 fps) Daten auf Stick speichern ( 360 Einzelbilder  1GB Speicher erforderlich) High Speed F1- Messung allgemein

62 Kamera: Casio Exilim F1 (Bedienungsanleitung liegt auf dem Server Kamera darf sich bei der Aufnahme nicht bewegen  Stativ und Fernauslöser benutzen Fernauslöser - Pfeile am Stecker und an der Kamera müssen zueinander zeigen High Speed F1- Bedienungsanleitung

63 Modusrad auf A (Automatic) Serienbildrad auf 1-60 High Speed F1- Bedienungsanleitung Bildbereich wählen

64 High Speed F1- Bedienungsanleitung Fokussieren: Bei der Grundeinstellung fokussiert die Kamera die Bildmitte. Falls sich beim Fokussieren (Auslöser wird leicht gedrückt) kein Objekt in der Bildmitte befindet, wird der Hintergrund fokussiert, wodurch die Testperson unscharf wird. Zur Lösung dieses Problems den Modus „manueller Fokus“ wählen.

65 High Speed F1- Bedienungsanleitung Taste Focus drücken bis MF im Display erscheint

66 High Speed F1- Bedienungsanleitung Abspielmodus Aufnahmemodus Fokussieren

67 High Speed F1- Bedienungsanleitung Auflösung des Bildes Blitz aktiviert ISO Wert einstellen (kleiner Wert (100) Lichtunempfindlich, Vorteil - geringes Bildrauschen) Automatischer Weißabgleich Fokussierungsmethode Fokussierungsmittelpunkt Aufnahmefrequenz Werte ändern: SET Taste drücken; Pfeile bei Steuerrad drücken

68 High Speed F1- Bedienungsanleitung Aufnahmefrequenz Highspeed ändern: MENU Taste drücken; Registerblatt Qualität auswählen; Frequenz wählen mit Pfeiltasten Nach einer Aufnahme die Schärfe der Aufnahme kontrollieren. Dazu kann der Zoom Ring (Kamera vorne rechts) bei der Wiedergabe verwendet werden. Die Wiedergabe kann mit der SET Taste (Kamera hinten rechts) gestartet werden.

69 Bildbereich Aufnahme eines Laufschrittes von der rechten und linken Seite 30 fps Maßstab anlegen (gleiche Höhe wie Person) 2m Erstes Bild: kurz vor dem Bodenkontakt rechtes Bein Letztes Bild: kurz nach dem Bodenkontakt rechtes Bein

70 Laufanalyse: Ablauf Aufnahmeort aussuchen (ruhiger Hintergrund, Halle 40) Maßstab zurechtlegen Enge Sportbekleidung tragen Kamera mit Stativ vom Büro 114 (Pulverturm 1. Stock) ausleihen 3 Personen jeweils li und re Seite im Serienbildmodus aufnehmen Highspeed-Videos mit 300, und 600 von einer Person aufnehmen (Fuß möglichst bildfüllend; Aufnahmeposition seitlich, vorne und hinten  6 Highspeed Aufnahmen) Dateien von der SD-Karte auf einen Stick übertragen

71 Laufanalyse Ziel: Vertikaler Weg Zeit Verlauf der Hüfte Kniewinkel Zeit Verlauf Kniewinkelgeschwindigkeit Zeit Verlauf Reihen und Serienbilder

72 Laufanalyse: Anleitung zur Auswertung Bei eigenem Rechner: Installationsprogramm ausführen Bilder digitalisieren: DigiBild2015.exe Reihen- und Serienbilder erstellen: Frei_Reihen_Serienbild_2014.exe _Reihen_Serienbild/ Serienbilder der High-speed Aufnahmen mit Kinovea Laufanalyse gesamt: Auswertung Laufen 2010.exe

73 Bedienung „DigiBild2015.exe“ Bedienung „DigiBild2015.exe“

74 Bedienung „DigiBild2015.exe“ -Alle Dateien (Bilder) auf lokaler Festplatte speichern -Verzeichnis anlegen und die zu digitalisierenden Bilder eines Versuches darin abspeichern - Bedienungsanleitung befindet sich im Programm (blaue Schrift) -Reihenfolge digitalisieren: 1-Ballen, 2-Sprungg., 3-Knieg., 4 Hüftg., 5-Schulterg. -*.kox Datei wird automatisch im Bildverzeichnis gespeichert -Programm wechselt automatisch zum nächsten Punkt und geht wieder zum ersten Bild -Programm wird am Schluss automatisch beendet -Bei Verkleinern oder Vergrößern muss die Bildnummer verändert werden, damit die Veränderung sichtbar wird.

75 Reihen- und Serienbilder erstellen: Frei_Reihen_Serienbild_2014.exe -Verzeichnis wählen in dem sich die Bilder einschließlich dem „neutralen“ Bild befinden (neutrales Bild … keine Person befindet sich im Bild) -Registerblatt Freischneiden wählen Wert 1 keine Reduzierung der Auflösung

76 Reihen- und Serienbilder erstellen: Frei_Reihen_Serienbild_2014.exe -Registerblatt 1. Freischneiden wählen -Verzeichnis mit Laufbildern wählen und Programm starten -Programm speichert die freigeschnittenen Bilder im Verzeichnis F_Mustername - Registerblatt 2. Reihenbild wählen und Programm starten -Reihenbild abspeichern -Registerblatt 3. Serienbild wählen und Programm starten -Serienbild abspeichern

77 Serienbild rechts Serienbild links gespiegelt Serienbild links Reihen- und Serienbilder erstellen: Frei_Reihen_Serienbild_2014.exe

78 Reihenbild rechts links

79 High-Speed-Video Reihenbilder

80 Digitalisieren: Auswertung In der Datei (*.kox) sind in den Spalten die X- und Y- Koordinaten der digitalisierten Punkte als Pixelwerte abgespeichert. Punkt 1Punkt 2Punkt 3 Bild nr.XYXYXY X-Werte Y-Werte 0/0

81 Maßstab ermitteln Mit dem Programm Digi2015.exe erstes Bild der Aufnahme vom Stab laden Mit dem Cursor zum Punkt 1 und 2 fahren und jeweils die horizontalen und vertikalen Pixelwerte (rechts, über dem Bild) ablesen. Der Maßstab berechnet sich aus: √(x 2 – x 1 )² + (y 2 – y 1 )² x 1 …Pixelwert horizontal Punkt 1 M = y 1 …Pixelwert vertikal Punkt 1 ll…...Länge Stab Abbildung 1: schematische Darstellung einer Aufnahme mit Stab Beispiel: Punkt 1: (200,80) Punkt 2: (800, 70) Länge Stab: 2 m Ergibt sich für M: 300,04

82 Vergleich: linke - rechte Seite Serienbild rechts Serienbild links gespiegelt

83 Vergleich: linke - rechte Seite

84 Anleitung Kinovea 1.Datei - Videodatei öffnen 2.Arbeitsbereich wählen (Bodenkontakt) 3. Bewegung – Übersicht Serienbild speichern 5. Bewegung – Übersicht drücken um zum Video zurückzukehren

85 Anleitung Auswertung Laufdigi 2011.exe 2 4

86 Laufanalyse: Aufgaben Frei Reihen Serienbild: - Serienbild von der rechten und gespiegelten linken Seite - Reihenbild von der rechten und gespiegelten linken Seite Kinovea: - 2 Serienbilder (Seite und Hinten) der 6 High Speed Aufnahmen - 2 gemeinsame Bilder von seit und vorne mit a) 300 Hz und b) 600 Hz Auswertung Laufen 2011: - 1 Bild (screen shot – Tasten ALT + Druck drücken danach Strg + v) von „Auswertung Laufen 2011“) Excel: - Diagramm Vertikaler Hüftverlauf, Kniewinkel und Kniewinkelgeschwindigkeit (wie Folien zuvor; Achsenbeschriftung usw. beachten) Powerpoint: - Alle Ergebnisse in Powerpoint einfügen und ausdrucken (4 Folien pro Seite) Abgabetermin: nächsten Dienstag

87 F ges F a = F ges - F G a = F a / m v = a * Δt + v 0 s = v * Δt + s 0 Gesamtkraft Beschleunigungskraft Beschleunigung Geschwindigkeit Weg Vom Kraft-Zeit Verlauf zum Weg-Zeit Verlauf

88 Bei konstanter Geschwindigkeit gilt: s = v * Δt + s 0 s 0 … Anfangsweg v = a * Δt + v 0 v 0 … Anfangsgeschwindigkeit Bei konstanter Beschleunigung gilt: Vom Kraft-Zeit Verlauf zum Weg-Zeit Verlauf

89 Problematik Drift: Wie groß ist die Endgeschwindigkeit, wenn sich der Nullwert um 2 N über 30 Sekunden verändert hat. Geg: m = 60 kg Vom Kraft-Zeit Verlauf zum Weg-Zeit Verlauf

90

91 Anfangs- und Endkraft berechnen Driftkorrektur durchführen mit Geradengleichung Gewichtskraft bei den vier Zeitbereichen bestimmen z.B. F1 = Mittelwert (B5:B50) F_Gewicht Vom Kraft-Zeit Verlauf zum Weg-Zeit Verlauf

92 - Geschwindigkeit und Weg durch numerisches Integrieren berechnen Vom Kraft-Zeit Verlauf zum Weg-Zeit Verlauf

93 F a = m · a F ges = F a + F G Weg Geschwindigkeit Beschleunigung Beschleunigungskraft Gesamtkraft s Vom Weg-Zeit Verlauf zum Kraft-Zeit Verlauf

94 Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist das Verhältnis zurückgelegter Weg zur benötigten Zeit. Die Durchschnittsbeschleunigung ist das Verhältnis aus Geschwindigkeitsänderung zur benötigten Zeit. Vom Weg-Zeit Verlauf zum Kraft-Zeit Verlauf

95 Anfangs- und Endwerte löschen Gewichtskraft vom ersten Zeitbereich bestimmen z.B. F1 = Mittelwert (B5:B50) Geschwindigkeit und Beschleunigung durch numerisches Differenzieren berechnen

96 Aufgaben:

97 Vom Weg zum Kraftverlauf: 1. Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Zeit-Diagramm 2. Kraftverlauf Lukotronic + Kistler 3. Differenz Kraftverlauf Lukotronic + Kistler 4. Maximale und durchschnittliche Abweichung angeben Vom Kraft zum Wegverlauf: 1. Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Zeit-Diagramm 2. Wegverlauf Lukotronic + Kistler 3. Maximale und durchschnittliche Abweichung angeben - Alle Diagramme ordentlich beschriften (unbedingt richtige physikalische Einheiten; richtige Zeitskalierung) - Die drei Diagramme in ein PowerPoint Dokument kopieren, ausdrucken und zur nächsten Einheit mitbringen (4 Folien pro Seite wodurch maximal 2 Seiten ausgedruckt werden müssen. Es wird kein Farbausdruck benötigt) - Excel Tabellen per mail an - Bei identen Arbeiten werden diese negativ beurteilt. Abgabetermin: nächsten Dienstag

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99 Siehe Grundlagen1.xls

100 Exkurs: Geradengleichung - Beispiel Bestimme die Steigungen (Grundlagenwissen)!

101 x 2 -x 1 2 – 0 2 y 2 -y 1 2 – 0 2 k = = = = 1 y2y2 y1y1 x1x1 x2x2

102

103 k1k1 k2k2 knkn x3x3

104 Siehe Grundlagen1.xls

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106 A1A1 A2A2 AnAn Vereinfacht: A n = y n * Δx

107

108 Der K ö rperschwerpunkt ist der gedachte Punkt, bei dem die Schwerkraft durch eine einzige Gegenkraft ausgeglichen werden kann. Die Gewichtskraft eines K ö rpers ist gleich der Summe der Gewichtskr ä fte seiner Massenelemente. Die Resultierende greift im Schwerpunkt des K ö pers an. Der Schwerpunkt eines K ö rpers ist der Angriffspunkt der Resultierenden aller seiner Teilgewichtskr ä fte. Er kann auch au ß erhalb des K ö rpers liegen.

109 Körperschwerpunkt m. y KSP = m 1 y 1 + m 2 y 2 + m 3 y 3 m. x KSP = m 1 x 1 + m 2 x 2 + m 3 x 3 x3 x2 x1 y3 y2 y1 y KSP x KSP Drehmomentengleichung

110 Typische Testfragen: a)Einstiegsfragen: Zeichnen Sie den dazugehörenden Geschwindigkeitsverlauf!

111 Typische Testfragen: Lukotronik: Geben Sie die 4 technischen Merkmale von Lukotronic an! Kistler: Was bedeutet: Übersprechen < 2%? Geben Sie dazu ein Beispiel an! Geben Sie das Funktionsprinzip einer Aperturblende an! Berechnen Sie die Endgeschwindigkeit! Die Beschleunigung (a= 3m/s²) wirkt über einen Zeitbereich von 0,5s; Anfangsgeschwindigkeit (v 0 =2m/s) Geben Sie die Excel Formeln für die Zellen H8 bis L8 an!


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