Powerbike - Modellbasierte Optimierung für Rennradfahren

• Antragsteller: Professor Dr. Dietmar Saupe
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 247721022

Das interdisziplinäre Projekt verbindet mathematische Modellierung, Numerik und Systementwicklung mit Sportwissenschaft und kann somit der Sportinformatik zugerechnet werden. Für den Ausdauersport Rennradfahren werden Methoden zur Modell-basierten Optimierung entwickelt, nämlich für- das Design, die Kalibrierung und die Validierung mathematischer, physiologischer Performanz-Modelle und- die Berechnung optimaler Steuerung für Zeitfahrrennen.Neben einem mechanischen Modell für die wirkenden Kräfte und deren Effekte wird ein individuelles physiologisches Model für jeden Athleten benötigt, das die zu jedem Zeitpunkt verfügbare Leistung sowie die restlichen Energiereserven angibt. Das letztere ist eine offene, schwierige Forschungsfrage. Es ist nicht möglich, alle relevanten physiologischen Aspekte zu modellieren. Der menschliche Organismus mit seinen vielen Subsystemen ist dazu zu komplex. Es gilt, einen Kompromiss für den Tradeoff zwischen notwendiger Abstraktion und Modelltreue zu finden.Zu diesem Zweck werden wir `semi-physical modelling´ einsetzen. Das heißt, die aktuellen Modelle des state-of-the-art bilden die Basis für erweiterte Ansätze, wobei Details und Parameterschätzung auf der Grundlage von gemessenen Input-Output Paaren mit Methoden der System Identification bestimmt werden. Inputs sind geeignet gewählte Belastungsprotokolle zu Ergometertests. Outputs sind die zugehörigen Messreihen von Sauerstoff-Aufnahme, Kohlendioxyd-Abgabe, Puls bzw. Pulsvariabilität und Laktat-Blutwerte.Die mechanischen und physiologischen Modelle ergeben Systeme von Differentialgleichungen mit Nebenbedingungen in der Form von Ungleichungen die als Grundlage für die Berechnung der optimalen Steuerung für Zeitfahrrennen eingesetzt werden. Obwohl effiziente neuere numerische Verfahren und entsprechende, frei verfügbare Programmpakete zur Lösung allgemeiner Probleme der optmalen Steuerung vorhanden sind, erfordern bestimmte Eigenschaften des vorliegenden Problems spezielle Anpassungen und Erweiterungen um verlässliche Konvergenz zu erhalten.Ein Teil des Projektes besteht aus der Evaluierung der Modelle und der Ergebnisse der optimalen Fahrstrategien. Die Genauigkeit der Modellvorhersagen ergibt sich aus den Methoden zur Kalibrierung. Die optimalen Strategien werden zunächst an einem vorhandenen wissenschaftlichen Fahrsimulator und dann auch in Feldversuchen evaluiert. Dazu ist ein gps-fähiges mobiles Endgerät zu entwickeln, dass dem Fahrer an jedem Ort die optimale Leistung und eventuell auch Trittfrequenz vermittelt. Idealerweise soll dieses mobile Gerät die optimale Steuerung an gegebene Abweichungen von der vorgeschriebenen Strategie in Echtzeit anpassen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen