Anwendungsorientierte Forschung Wie 5 Fraunhofer-Projekte Sportler unterstützen können

Redakteur: Hendrik Härter

Forschung für Sportler: Unter diesem Motto demonstriert die Fraunhofer-Gesellschaft, wie Elektronik sinnvoll Sportlern zugutekommt. Wir stellen fünf Projekte vor.

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Wearable: Die tragbare Elektronik ist für sportliche Aktivitäten sehr gut geeignet, misst sie kontinuierlich verschiedene Vitalparameter.
Wearable: Die tragbare Elektronik ist für sportliche Aktivitäten sehr gut geeignet, misst sie kontinuierlich verschiedene Vitalparameter.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Auch wenn WM und EM hinter uns liegen, so spielt Fußball immer eine Rolle. So auch für die Forscher am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Nürnberg. Die Torlinientechnik GoalRef des IIS funktioniert mit einem Magnetfeld. Im Tor selbst herrscht ein Magnetfeld und im Fußball sind Spulen. Sobald Ball und Spulen ins Tormagnetfeld gelangen, bauen diese mittels Induktion ein eigenes Feld auf. Die Änderung des Magnetfeldes am Tor wird von Antennen registriert. Eine Auswerteeinheit liest und bewertet die Daten. Wenn der Ball in vollem Umfang hinter der Linie ist, entsteht ein eindeutiges Signal.

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Anschließend wird das Ergebnis in Echtzeit und sicher verschlüsselt an den Schiedsrichter übertragen. Bei einem Tor erscheint auf der Uhr des Schiedsrichters ein „Goal“. Die Spulen im Ball sind passive Elemente und jederzeit ohne Batterien einsatzbereit. Sie befinden sich zwischen Blase und Außenhülle. Ein Chip ist nicht im Ball verbaut. Somit verhält sich der präparierte Ball wie ein herkömmlicher Ball.

Ebenfalls auf drahtlose und induktiv aufladbare Sensormodule beruht eine Technik, die in einem Boxhandschuh integriert ist. Damit lassen sich Faustbeschleunigugng und Schlaggeschwindigkeit in Echtzeit messen. Die integrierten Beschleunigungssensoren werten die Parameter aus und spezielle Algorithmen charakterisieren den Faustschlag. Die drahtlose Technik des Fraunhofer IIS überträgt die gespeicherten Daten an einen PC oder Tablet.

RedFIR lokalisiert per Funk Objekte und Personen

Ebenfalls vom Fraunhofer IIS ist RedFIR. Hier senden an Personen oder Objekte angebrachte Miniatursender Funksignale, die von Empfangsantennen aufgenommen werden. Die Laufzeitdifferenzen lassen auf die Positionen aller Sender schließen. Das System arbeitet im freien Frequenzband von 2,4 GHz. Großer Vorteil gegenüber videobasierten Systemen: Auch verdeckte Objekte lassen sich lokalisieren.

Die eingesetzten Sender sind miniaturisiert und können in Schuhen oder Spielerkleidung untergebracht oder im Ball integriert werden. Die Sender zeichnen sich durch eine sehr hohe Robustheit aus, sie sind stoß- und wasserfest. Die Akkus laufen drei bis vier Stunden und werden drahtlos aufgeladen.

Die Empfängerinfrastruktur besteht aus mehreren Antennen und Antenneneinheiten, die rund um das überwachte Areal installiert sind und mit einem zentralen Standort vernetzt werden. Dort erfolgen die Synchronisation aller Empfänger sowie die Berechnung der Eintreffzeitpunkte der kurzen Signale mit Hilfe FPGA-basierter PCI-Einsteckkarten. Die Empfängereinheiten werden ständig weiterentwickelt im Hinblick auf Kostenreduzierung, Erhöhung der Flexibilität und Implementierung neuer Systemeigenschaften.

Die ermittelten Daten laufen im linuxbasierten Rechnernetz zusammen, das aus mehreren über Ethernet vernetzten Standardservern besteht. Die systemspezifische Infrastruktursoftware errechnet die Positionen aller Sender in Echtzeit und ermöglicht deren direkte Darstellung auf einer 3-D- Oberfläche. Beispielsweise können bei Einsatz des Systems im Rahmen eines Fußballspiels die Positionen von Spielern und Ball auf einem virtuellen Fußballfeld graphisch visualisiert werden. Auch das Rechnernetz mit seiner Software wird mit dem Ziel der Ressourcenreduzierung fortlaufend optimiert.

Blindtrack hilft Sehbinderten beim Sport

Eine dritte Entwicklung ist das sogenannte Blindtrack. Wie der Name sagt, können mit diesem technischen Ansatz Sehbehinderte problemlos am Sport teilnehmen: Das entwickelte Ortungssystem ist über einem Sensorgut mit dem Träger verbunden. Es vermittelt taktil und auditiv Warnsignale und Anweisungen, der der Läufe beispielsweise eine vordefinierte Laufbahn verlässt.

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Die Ortung der blinden Läufer erfolgt auf der Basis der vom Fraunhofer IIS entwickelten Funkortungstechnologie BlackFIR. Mit der gezielten Kombination verschiedener Ortungsmethoden werden zusätzlich zu der momentanen Position auch die Bewegungsparameter, die Geschwindigkeit und die Laufbahn extrahiert.

Durch Evaluierung der vorausgesagten Situation kann eine Kollision mit anderen Läufern beziehungsweise das ungewollte Verlassen der Laufbahn vermieden werden. Im Hintergrund wird die optimale Laufbahn für den sehbehinderten Teilnehmer berechnet, welche nun über WLAN zum blinden Läufer gesendet wird.

Dieser wird mit Hilfe von Warnsignalen im Sensorgurt, welchen er trägt, informiert, welche Laufbahnänderungen er vornehmen sollte. Zur Trainingsüberwachung werden bestimmte Informationen vom System protokolliert, um so eine Leistungsoptimierung des Sportlers vorzunehmen.

Das FitnessSHIRT misst die körperliche Anstrengung

Von außen ist es ein klassisches T-Shirt, doch ist es mit Elektronik ausgerüstet. Das FitnessSHIRT des Fraunhofer IIS misst kontinuierlich die körperliche Anstrengung. Daraus lassen sich für die Zuschauer von Sportereignissen nützliche Zusatzinformationen über die körperliche Anstrengung, Leistungsfähigkeit und Fitness der Sportler aufbereiten. Trainer können die so erfassten Daten zur Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung einsetzen.

Um das EKG des Sportlers zu erfassen, kommen leitfähige textile Elektroden zum Einsatz, die direkt in das T-Shirt integriert wurden. Ein flexibles Band im unteren Bereich des Thorax erfasst die Atembewegung des Brustkorbs resistiv. Die gemessenen Daten werden in Echtzeit per Funk an die Einsatzzentrale übertagen und dort ausgewertet.

Zusätzlich können die Daten auf einer Speicherkarte zwischengespeichert und zur weiteren Auswertung auf einen PC übertragen werden. Die Elektronik zur Messwerterfassung, -speicherung und Funkübertragung befindet sich in einem separaten, abnehmbaren Gehäuse. Das Gehäuse hat etwa die Größe eines Smartphones, wird mit Druckknöpfen am FitnessSHIRT befestigt und kann zum Waschen des T-Shirts abgenommen werden.

Das FitnessSHIRT ist derzeit noch nicht als Medizinprodukt zugelassen. Das Fraunhofer-Institut ist noch auf der Suche nach Partnern.

Transparente Dopingkontrollen dank verteilter Prozesse

Der Leistungssport ist immer eng verbunden mit Dopingkontrollen. Doch wird der Anti-Dopingkontrollprozess von führenden Datenschützern als intransparent und unverhältnismäßig angesehen. Zudem ist er nicht mit dem deutschen Datenschutzrecht vereinbar. Ein von der Bundesregierung initiiertes Projekt verfolgt das Ziel, die persönlichen Daten der Sportler zu schützen und gleichzeitig den Kontrollprozess zu vereinfachen.

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Das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit (AISEC) und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik (FIT) präsentierten das Projekt auf der CeBIT 2016 in Hannover unter dem Motto „Laufen für den Datenschutz“. Drei Monate im Voraus müssen die Sportler ein Online-Tagebuch darüber führen, wann und wo sie genau anzutreffen sein werden, wie der Trainingsplan aussieht und welche privaten und beruflichen Termine anstehen – die so genannten „Whereabouts“.

Spontane Terminänderungen oder Notfälle sind dabei ein ständiges Risiko für den Sportler. Denn ein Versäumnis einer nicht angekündigten Dopingkontrolle zieht eine Verwarnung und ein Prüfverfahren nach sich. Eine Häufung der Versäumnisse innerhalb von 12 Monaten kann im schlimmsten Fall zu einer Sperre führen.

Eine datenschutzfördernde Technik

Das Fraunhofer AISEC realisiert im Projekt PARADISE mit seinen Konsortialpartnern mehrseitig-sichere datenschutzfreundliche verteilte Prozesse. Die betrachteten Prozesse zeichnen sich durch mindestens drei Kollaborationspartner aus, die durch gezielte Autorisierungen wechselseitig aber strikt reglementiert auf schützenswerte Ressourcen zugreifen können.

Zu den datenschutzfördernden Techniken gehören eine kontextabhängige, zweckgebundene Lokalisierung von Personen und Gegenständen; die Isolierung und Kapselung anwendungsspezifischer Daten sowohl auf Client- als auch auf Server-Seite; die mehrseitige Durchsetzung von Sicherheits- und Datenschutzrichtlinien (Compliance); ein nutzerkontrollierter dezentraler Autorisierungs-Service und die betreibersichere Speicherung und Verarbeitung von Daten im Service-Backend durch eine vertrauenswürdige Cloud namens „SealedCloud“, entwickelt unter der Führung des Konsortialpartners Uniscon.

Angewendet auf den Anti-Doping-Prozess ermöglicht dieser Lösungsansatz eine auf den konkreten Kontrollvorgang limitierte, gleichzeitig aber sehr präzise, dynamische Lokalisierung der Athleten. Diese werden auf großen Trainingsstützpunkten schnell und effizient gefunden. Die Zugriffsrechte erfährt der Kontrolleur durch zwei Autorisierungen, eine durch die NADA sowie eine durch den jeweiligen Athleten. Die Speicherung der Kontrollergebnisse erfolgt in der „SealedCloud“, einer Infrastruktur, die den Inhalt der Prozessdaten selbst vor den Betreibern der Infrastruktur rechtssicher verwahrt.

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