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Klettern mit Sensoren

Jedes Smartphone steckt voller Sensoren. Informatiker Tom Koller erforscht ihr Potenzial beim Bouldern.

Das Smartphone navigiert durch Gebäude, einzelne Stockwerke und sogar Räume. Und die Fitnessuhr gibt Auswertungen, welche Bewegungsabläufe im Trainingsprogramm noch verbesserungswürdig sind. Damit das bald keine Zukunftsmusik mehr ist, forscht unter anderem Tom Koller von der Arbeitsgruppe Multisensorische Interaktive Systeme im Projekt „Zustandsschätzung allein mit Vorwissen und Inertialsensoren“ (ZaVI) an der Universität Bremen. Der Wissenschaftliche Mitarbeiter beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob sogenannte Inertialsensoren – also Sensoren, die Bewegungen erfassen – mithilfe von Vorwissen eine korrekte Positionsbeschreibung geben können. Ob und wie das klappen kann, testet er zurzeit beim Bouldern, dem Klettern in Absprunghöhe.

Von einem roten Griff zum nächsten hangelt sich Jonas Loss an der Wand hoch. Und dann wieder herunter. Der Leiter des DAV Kletterzentrums Bremen bouldert heute nicht aus Freude am Sport, sondern für die Wissenschaft. Im Kletterzentrum hat der Informatiker Tom Koller seinen Versuch aufgebaut. Eine Infrarotkamera und eine Videokamera beobachten Loss beim Klettern an der grauen Wand mit den bunten Griffen. Zusätzlich trägt Loss orangefarbene Rechtecke mit grauen Kugeln an Hand- und Fußgelenken sowie am Rücken. Das sind die Inertialsensoren, die seine Bewegungen verfolgen, an denen runde Reflektoren befestigt sind und von der Infrarotkamera erfasst werden. Am Laptop laufen Bild und Daten der Sensoren zusammen, die Koller für seine Forschung braucht.

Der Leiter des DAV Kletterzentrums Bremen Jonas Loss bouldert nicht nur aus Freude am Sport, sondern auch mal für die Wissenschaft. Bei mehreren Klettereinheiten misst Informatiker Tom Koller mithilfe von Inertialsensoren, die Loss am Körper trägt, Infrarotkamera und Videokamera die Bewegungen beim Bouldern. Am Laptop laufen Bild und Daten der Sensoren zusammen.
© Universität Bremen

Vielfältiger Einsatz

„Mit den Daten versuche ich herauszufinden, für welche Bewegungsabläufe die Messung mit Inertialsensoren überhaupt verwendet werden kann. Das schaue ich mir zurzeit am Beispiel des Boulderns an“, umreißt Koller seine Forschung. Mit etwa 20 Probanden, die unterschiedliche Erfahrungsstufen beim Klettern mitbringen, nimmt Koller Positionsdaten zu unterschiedlichen Kletterrouten auf. „Bislang gibt es keine erforschte Methode, dass Inertialsensoren die exakte Position beim Bouldern bestimmen können, sondern nur die Theorie. Die gilt es jetzt zu bestätigen und zu konkretisieren – oder eben zu widerlegen“, erklärt der Wissenschaftliche Mitarbeiter. Dabei seien diese Sensoren vergleichsweise preiswert und damit vielfältig einsetzbar. Exakte Leistungsmessungen im Sport, Indoor-Navigation ohne GPS oder automatische Beleuchtung ohne Bewegungsdetektoren – dies könnten mögliche Anwendungsgebiete sein.

Tom Koller ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich 3 der Universität Bremen und beschäftigt sich in der Arbeitsgruppe Multisensorische Interaktive Systeme mit Inertialsensoren.
© Universität Bremen

Vorwissen benötigt

Ein Inertialsensor setzt sich aus einem Beschleunigungs- und Drehsensor zusammen. Beides besitzen Smartphones bereits. Diese Voraussetzung für eine breite Nutzung wäre schon einmal geschaffen. Wieso ist es dennoch so schwer, Inertialsensoren für alltägliche Dinge zu nutzen? Ein Inertialsensor alleine reiche nicht, erklärt der Wissenschaftliche Mitarbeiter: „Um die genaue Position zu bestimmen, werden Orientierung und Geschwindigkeit berechnet. Je länger man misst, desto ungenauer wird es, wodurch der Sensor Unmögliches misst.“ So entstehe eine sogenannte Sensorische Fehleinschätzung. Am Beispiel des Boulderns würde eine Sensorische Fehleinschätzung so aussehen, als würde jemand mit der Hand durch die Wand greifen statt nach einem Griff.

Schwerpunkt des Projekts ZaVI ist daher herauszufinden, ob den Inertialsensoren vorab genug Informationen gegeben werden können, damit diese Sensorische Fehleinschätzung reduziert wird. Vorwissen wird dies genannt. Die Vielzahl der Bewegungsmöglichkeiten sei dabei groß – je nachdem, welches Anwendungsgebiet man sich anschaue. „Am Beispiel des Kletterns erklärt, geben wir den Inertialsensoren als Vorwissen mit, dass beim Bouldern an einer Wand geklettert wird und dafür Griffe benutzt werden“, erklärt Koller. Außerdem komme es darauf an, wie genau das Ergebnis sein muss. „Grob gesprochen: Reicht es beim Bouldern, die Position der Hände auf 10 cm zu verfolgen oder muss es auf den Zentimeter genau werden?“

Inertialsensoren? Vorwissen? Sensorische Fehleinschätzung? Das Video beschreibt anschaulich, was diese Begriffe bedeuten und wie sie zusammenhängen.
© Universität Bremen

Vor zwei Jahren probierte Koller schon Messungen mit den Sensoren beim professionellen Bahnradfahren aus. „Ein Trainer hat sich besonders dafür interessiert, ob diese Art von Messung funktioniert. Besonders im Profisport zählt jede Bewegung.“ Mit den Daten könnte beim Bahnradfahren beispielsweise die Kurvenfahrt oder die Technik optimiert werden.

Eine konkrete App für die Fitnessuhr beim Bouldern wird am Ende nicht entstehen können. Aber vielleicht wird der Weg dahin bereitet, so Koller: „Ziel der Forschung ist es, dass wir grundlegende Erkenntnisse erarbeiten können, worauf sich kommende Theorien, Methoden und Anwendungsgebiete stützen können“.

Weitere Informationen

Im Projekt „Zustandsschätzung allein mit Vorwissen und Inertialsensoren“ – kurz ZaVI – der AG Multisensorische Interaktive Systeme forschen Prof. Udo Frese, Dr. Tim Laue und Tom Koller, ob das Vorwissen bei Inertialsensoren ausreicht, um genaue Positionsdaten beim Bouldern bestimmen zu können.

Webseite des DAV Kletterzentrum Bremen.

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