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Sensortechnologie der Universität im Hochleistungssport

Dr.-Ing. Klaus Hartmann

 

Die III. Olympischen Jugend-Sommerspiele haben im Oktober 2018 in Buenos Aires stattgefunden. Das Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) der Universität Siegen war zwar sportlich nicht beteiligt aber für einen Teil der eingesetzten Technologie mitverantwortlich. Zusammen mit der Schweizer Firma Swiss Timing (Swatch Group)  hat das ZESS an der Zulassung der für den Modernen Fünfkampf eingesetzten Technik gearbeitet. Swiss Timing ist derzeit das vom IOC beauftragte Generalunternehmen für die Olympischen Spiele.

 

Im ZESS-Forschungsschwerpunkt SMART SENSING sind neben der Grundlagenforschung auch anwendungsorientierte Forschungsprojekte zu finden. Modernste Technologien z.T. direkt aus dem Grundlagenbereich in Anwendungsbereiche wie Industrie, Medizin oder Livestyle zu überführen ist häufig nicht nur komplex sondern kann auch sehr spannend sein.

 

Topics der Digitalisierung unserer Lebenswelt

Sensing (vordergründig das Erfassen und die Wahrnehmung von „Umwelt“ mit sehr vielen weiteren Aspekten), Sensoren und Sensornetze, Embedded Vision (in Produkte eingebettete Bildverarbeitung), automatisierte Identifikation, Datennetze, Kommunikation zwischen Produkten (Merkmal des IoT, Internet der Dinge), IIoT Industrial Internet of Things), und Industrie 4.0. Weiterhin eine optimale Sensordatenverarbeitung die spezifische Informationen aus einer großen Datenmenge generiert (Smart Data), Embedded Learning (KI, Künstliche Intelligenz), Informationsaustausch mit einer Internet basierten Datenverarbeitung (Cloud Processing bzw. Analytics).

 

Das wir die Technikaspekte der Digitalisierung, die wir heute bei unserer Arbeit in vielen Anwendungsprojekten sehen bzw. bearbeiten auch im Hochleistungssport finden und bei einer olympischen Sportart einsetzen, hätten wir 2013 nicht gedacht als der Weltverband UIPM (Monaco) uns um eine Analyse und Bewertung der technischen Probleme und Lösungsmöglichkeiten des Laser-Schießens für den Modernen Fünfkampf gebeten hat, sagt Dr. Klaus Hartmann.

 

Der 4. und 5. Wettkampf im Modernen Fünfkampf ist das Laufen und Schießen und wird als Kombination unter dem Begriff Laser Run in den Wettkampfregeln geführt. Unter der

Bezeichnung „UIPM Global Laser-Run City Tour“ hat die UIPM 2017 diesen Kombinationssport auch für den Breitensport geöffnet.

 

Laser-Run ist ein „Outdoor-Sport“ und die Anforderungen an das eingebettete Bildverarbeitungssystem übersteigen teilweise die von industriellen Anwendungen. Beispielsweise hat man häufig mit Umgebungshelligkeiten bis zu 120.000lx (Lux) zu tun. Nach Arbeitsstättenrichtlinie sind für die meisten Arbeitsplätze weniger als 1000lx vorgeschrieben. Im Schießsport werden für die Helligkeit auf der Zielscheibe Werte von 1000-1500lx verlangt. Also ein um das hundertfach niedrigerer Wert. Auch bei Industrieanwendungen werden solche Störgrößen für optische Sensoren vermieden.

 

Ein kleiner roter Fleck, der je nach Lichtverhältnisse auf einer Zielscheibenoberfläche im hellen Weiß oder dem tiefen Schwarz des Trefferbereichs vom menschlichen Auge nicht mehr wahrnehmbar ist, entscheidet, ob der Athlet mit seiner Sportpistole einen Treffer, einen sogenannten „Hit“ erzielt hat und das mit einer Genauigkeit von 1/10 mm.

Ein sehr wichtiger Aspekt beim Laserschießen war und ist der Bewegungsablauf mit der Waffe. Insbesondere darf eine Bewegung nach dem Auslösen des Schuss nicht zu Fehlern in der Auswertung führen. Auch bei dem Schießen mit Laserlicht wird eine sogenannte „barrel time“ spezifiziert. Beim Schießen mit Kugeln ist dies die Zeit, die die Kugel nach der Schussauslösung (Trigger) benötigt um den Lauf der Pistole zu verlassen. Beim Laser eben der Zeitpunkt, wann das Laser-Licht den Lauf verlässt. Anders als bei Kugeln ist das Licht dann auch unmittelbar auf der Scheibe zu sehen bzw. zu detektieren. Jede weitere Bewegung der Pistole bewirkt dann beim Schießen mit Licht eine Bewegung des Lichtflecks auf der Scheibe. Wenn man aus Kostengründen oder weil man den Lichtfleck noch mit dem Auge erkennen möchte, ein längeres Lasersignal zulässt (derzeit ca. 15 tausendstel Sekunden lang)  muss eine geeignete Lösung auf der Seite der Zielelektronik gefunden werden um eine hinreichende Unterscheidungsgenauigkeit und Vergleichbarkeit für die Schützen zu gewährleisten.

Das ZESS hat eine solche Technik, „First Impact Detection“ genannt, entwickelt und für die UIPM spezifiziert.  Damit ist es möglich von Signalen, die nur 2 tausendstel Sekunden lang sind und zu einem beliebigen Zeitpunkt auftreten können, ein Bild in dem Moment zu machen wo das Laser-Signal auf die Zielscheibe trifft. Zusätzlich müssen verschiedene Arten von Störsignalen unterdrückt werden, insbesondere muss es auch unter verschiedenen Wetter und Umgebungslicht-Bedingungen funktionieren.

 

Auf einem großen internationalen Meeting in Rom 2015 wurde diese Spezifikation dann der internationalen Sport-Community vorgestellt und noch im gleichen Jahr vom Kongress des Weltverbands bindend für alle Hersteller weltweit verabschiedet. Bei der Sommer-Olympiade in Rio, August 2016, wurde diese Technologie erstmals bei olympischen Spielen erfolgreich eingesetzt und jetzt wieder bei den olympischen Jugend-Sommerspielen in Buenos Aires.

 

Heute ist das ZESS Technologiepartner der UIPM und zuständig für die Durchführung der Homologation aller weltweit neu eingeführten technischen Komponenten für den olympischen Modernen Fünfkampf. Neue Komponenten von allen Herstellern (Pistolen Zielelektronik, Anzeigeelemente, Kommunikationsnetzwerk und Auswertung) müssen für eine Zulassungsprüfung zuerst zum Test an die Universität Siegen. Das ZESS gibt dann eine Empfehlung an die UIPM. Für Olympische Spiele wird eine zusätzliche Prüfung in Abstimmung mit der Firma Swiss Timing notwendig.

Die Arbeiten werden im ZESS von der Arbeitsgruppe Embedded Sensing (Dr. Klaus Hartmann, Dr. Wolfgang Weihs) betreut bzw. durchgeführt.

 

www.zess.uni-siegen.de

Klaus Hartmann

 

 

Moderner Fünfkampf

 

Das Bild zeigt Athletinnen des Modernen Fünfkampfs bei der Disziplin Laser Run am Pistolen- Schießstand (10m Distanz) während der Jugend-Olympiade 2018 in Buenos Aires