frau mit fitness-armband

So funktionieren Fitness-Armbänder und Fitness-Tracker

Um zu verstehen wie ein Fitness-Armband bzw. Fintess-Tracker funktioniert, muss man zuerst verstehen welche Sensoren im Tracker selbst zum Einsatz kommen und welche Daten diese Aufzeichnen können. In der Regel befinden sich im Armband verschiedene Sensoren. Zu den am meisten verbreiteten Varianten gehören:

  • Bewegungssensoren
  • optische Sensoren
  • GPS-Empfänger
  • Bioelektrische Sensoren
  • barometrische Höhenmesser

Bewegungssensoren

Alle Fitness-Tracker ermitteln die Bewegungen mit der Hilfe von unterschiedlichen Bewegungssensoren. Die Sensoren, die sich fast in jedem Gerät finden, sind auf der einen Seite der Beschleunigungssensor und auf der anderen Seite der Gyroskop-Sensor. Die Sensoren sind winzige Elemente und befinden sich auf den Elektronikbausteinen. Sie gehören zum Bereich der MEMS-Bauteile und sind Mikroelektromechanische Systeme. Die Beschleunigungssensoren ermitteln die lineare Bewegung bzw. die Beschleunigung in allen 3 Ebenen, während die Gyroskop-Sensoren zu diesem Zweck Rotationsbewegungen erfassen. Diese Erfassung erfolgt analog zur Erfassung der Beschleunigungssensoren und ebenfalls in allen 3 Ebenen eines dreidimensionalen Raums.

Beschleunigungssensoren

Was ist Beschleunigung?

Mit dem Begriff der Beschleunigung beschreibt man die Bewegungsänderung von einem Körper. Wenn ein Ball zum Beispiel ruhig auf einem Boden liegt und dann angestoßen wird, so rollt er logischerweise weg, denn der Ball wurde beschleunigt. Das Gleiche passiert, falls ein rollender Ball komplett angehalten wird, denn dann wird er negativ beschleunigt.
Die Beschleunigungssensoren messen diese Beschleunigung.

Eine Beschleunigung tritt immer auf, wenn ein beliebiger Körper seine Richtung entweder ändert oder seine Geschwindigkeit verändert. Diese wichtige Gesetzmäßigkeit wird in der Physik exakt beschrieben. Im Detail handelt es sich um das 1. und um das 2. Newtonsche Gesetz. Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn ein Körper seine vorhandene Bewegung ändert, dann wirkt auf jeden Fall eine Kraft auf ihn ein.

Was bedeutet dies für die Beschleunigungsmessung?

Wird ein Körper beschleunigt (der Körper ändert ständig den Zustand seiner Bewegung, indem er langsamer oder schneller wird oder die Richtung ändert), dann wirkt definitiv eine Kraft auf ihn. Diese Kraft kann auf unterschiedliche Art gemessen werden. Da die Beschleunigung und die Kraft in einem direkten Verhältnis zueinanderstehen, lässt sich aus den gemessenen Werten stets die Beschleunigung ableiten. Um diese Kraft präzise zu ermitteln, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Alle Sensoren haben eines gemeinsam, denn sie beruhen alle auf dem Massesystem und dieses ist in den Sensoren beweglich aufgehängt. Durch die Trägheit und die Beschleunigung wird die bestehende Masse ausgelenkt. Dieses Auslenken lässt sich präzise messen und somit kann die Beschleunigung je nach Richtung und Stärke der Auslenkung genau berechnet werden.

Die kapazitiven Sensoren kommen in der heutigen Zeit oftmals in Form von billigen Bauteilen in besonders kleinen Formaten in den Fitness-Trackern zum Einsatz. Die Sensoren werden aber auch in Kameras, Spielkonsolen und in Mobiltelefonen verwendet. Ganz allgemein betrachtet kann ein solcher Sensor die Beschleunigungen nur auf einer Ebene erfassen. Damit die Werte auch in einem dreidimensionalen Raum ermittelt werden können, müssen 3 Sensoren, die senkrecht zueinanderstehen, miteinander kombiniert werden.

Gyroskop-Sensoren

Jeder Mensch kennt die Drehscheiben auf den Kinderspielplätzen. Bei einer ausreichend starken Drehgeschwindigkeit können die Mitfahrenden kaum mehr geradeaus laufen. Die Kraft, welche auf die mitfahrenden einwirkt, nennt sich Corioliskraft. Diesen physikalischen Effekt nutzen die Gyroskope und können dadurch auf unterschiedliche Art und Weise die Kraft messen, die auf bewegte Körper einwirkt. Aus dieser Kraft kann man dann auf die jeweilige Beschleunigung schließen. Die Beschleunigungssensoren erfassen geradlinige Bewegungen, während die Gyroskop-Sensoren Drehbewegungen messen können. Durch den speziellen Aufbau der Sensoren wird verhindert, dass die linearen Bewegungen mit in die Ergebnisse einfließen.

Mithilfe dieser beiden Sensoren werden präzise Messwerte gewonnen und durch diese Werte können Bewegungen komplett beschrieben werden.

Optische Sensoren

Die optischen Sensoren in den Fitness-Trackern werden hauptsächlich zur Messung des Pulses verwendet. In der Regel befinden sich diese an der Innenseite der Armbänder. Durch das Empfangen und Aussenden unterschiedlicher Lichtimpulse kann die Blutmenge, welche sich unter der Haut befindet, ermittelt werden. Aus dieser Menge kann die Herzfrequenz abgeleitet werden.

Bioelektrische Sensoren

Das Prinzip von Körperwagen kennt fast jeder: Durch den menschlichen Körper wird ein sehr schwacher Strom geleitet und im Anschluss daran wird der Widerstand gemessen. Aus den gewonnenen Daten lassen sich dann Rückschlüsse auf die genaue Zusammensetzung eines Körpers ziehen. Fettanteile leiten den Strom eher schlecht, wohingegen das Wasser Strom sehr gut leitet.

GPS-Empfänger

Durch einen GPS-Empfänger (der meist nur in hochwertigeren Sportuhren und Laufuhren verbaut ist) kann der Tracker bis auf einige Meter genau aufzeichnen, wo sich Gerät und Nutzer aufhalten. Werden diese Daten über einen längeren Zeitraum gesammelt, dann lässt sich daraus die gesamte Strecke, die abgelaufene Zeit und natürlich auch die jeweilige Geschwindigkeit ermitteln. Ein GPS-Empfänger befindet sich in der heutigen Zeit in fast jedem Smartphone.

Barometrische Höhenmesser

Die Grundlage für diese Methode stellt der Luftdruck dar. Der Luftdruck wird mit der Hilfe von einem Barometer bestimmt und daraus lässt sich dann die Höhe ermitteln. Im Normalfall sinkt der Luftdruck mit zunehmender Höhe. Wie stark, das lässt sich mit unserem Rechner für die höhenabhängigen Bedingungen ermitteln.

Der große Vorteil dieser Messung ist die Genauigkeit, falls das Wetter stabil und die Temperatur gleich bleibt. Unter diesen stabilen Bedingungen sind die Fehler in der Messung sehr klein im Vergleich zur Messung mit einem GPS-Empfänger. Der Nachteil der Methode: man benötigt stets einen Bezugspunkt bzw. einen Punkt mit einer bestimmten Höhe über Normalnull. An diesem Punkt wird der Luftdruck gemessen. Für diese notwendige Kalibrierung sind Berghütten genauso gut wie Pässe geeignet. Bei beiden ist die tatsächliche Höhe durch das vorhandene Kartenmaterial bekannt. Justiert man sein Barometer an einer solchen Stelle von Zeit zu Zeit nach, dann sind die Angaben dadurch bis auf wenige Meter präzise.

Datenauswertung und Interpretation

Rein technisch betrachtet sind die ermittelten Werte aller Sensoren meist nichts anderes als Kurven. Diesen Kurven fehlt jedoch noch die entsprechende Bedeutung. Stellt man das Ganze schematisch dar, dann könnte eine Messwertreihe wie folgt aussehen:

Beispiel von GPS- und Beschleunigungssensoren ermittelten Messdaten einer Erdbebenmesstation. (Displacement = Verschiebung / Velocity = Beschleunigung)

Beispiel von Messdaten eines 3D Bewegungssensors. Gut erkennbar sind hier die unterschiedlichen Kurven der X-, Y- und Z-Achse.

Das Geheimnis der Hersteller liegt nun darin, mit raffinierten Strategien und Algorithmen der Mustererkennung aus den gewonnenen Messwerten den optimalen Rückschluss auf die jeweilige Bewegung zu ziehen. Bei den günstigen Modellen führt selbst ein rhythmisches Klatschen dazu, dass Schritte gezählt werden. Bessere Geräte lassen sich kaum täuschen und zählen nur Schritte, wenn sich der Träger auch wirklich bewegt. Durch die getätigten Schritte, die Herzfrequenz und ermittelte, geschätzte oder berechnete Bewegungsmuster kann in der passenden App z.B. der Kalorienverbrauch relativ genau berechnet bzw. geschätzt werden und Rückschlüsse auf Aktivitäts- oder Schlafverhalten gezogen werden.