IMU – Bewegungsanalyse

Use Cases – Hands-free and Gesture Operation

Eine IMU, oder „Inertial Measurement Unit“ auf Englisch beziehungsweise „Inertiale Messeinheit“ auf Deutsch, ist ein elektronischer Sensor, mit dem man Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und damit Lage, Orientierung, Bewegungstrajektorie oder Bewegungsmuster eines Objekts im Raum ermitteln kann.

IMU kommen in einer Vielzahl von Anwednungen zum Einsatz, darunter bspw.:

  • Wearables: Schritt- und Sportverhalten in Fitness-Trackern oder Smartwatches, Schlafüberwachung u.v.m.
  • Gesundheitswesen: bspw. Bewegungsanalyse bei Reha-Maßnahme.
  • Flugzeugnavigation: Unterstützung Navigation durch Verfolgung der genauen Ausrichtung und Bewegung.
  • Drohnensteuerung: Stabilisierung von Drohnen durch kontinuierliche Überwachung Beschleunigung und Rotation.
  • Robotik: Unterstützung Navigation und Vermeidung von Kollision.
  • Fahrzeugnavigation: Überwachung der genauen Position und Bewegung insbesondere bei GPS-Signalverlust (Tunnel).
  • u.v.m.

Embedded AI verwendet IMU in vielfältigen Anwendungen. Im Folgenden werden davon einige Inspirationen dargestellt:

Use Cases – Automotive

Die Kombination von UWB und IMU Sensoren ergibt neue Möglichkeiten für positionsbedingte HMIs. Die Position kann bspw. über UWB bestimmt werden.

Bewegungsgesten – Die Bewegungsanalyse von Daten eines IMU-Sensors kann zur Triggerung von HMI-Inputs verwendet werden. In diesem Fall sprechen wir von Bewegungsgesten.

Use Case Fahrzeugöffnung – Bewegungsgesten können bspw. zur Öffnung von Fahrzeugtüren oder zur Bedienung weiterer Komfortfunktionen eingesetzt werden. Für diesen Use Case gelten folgende beiden Voraussetzungen (vgl. folgendes Video):

  • Tragen eines IMU-Sensors, der sich bspw. im Autoschlüssel oder im Smartphone mit Mobile-Device-Key befindet.
  • Kombination mit UWB um die Position des Zugangsberechtigten zu bestimmen (Das Fahrzeug sollte nicht reagieren, wenn der Sensor an ungewünschter Position betätigt wird, bspw. Handtasche beim Einkaufen).

Video – Das Video zeigt eine Studie von verschiedenen möglichen Bewegungsgesten, teilweise in Kombination mit der zuvor stattgefundenen Bewegungstrajektorie zum oder vom Fahrzeug. Der Sensor (Autoschlüssel oder Handy) ist in der Hand oder der Hosentasche:

  • Dediziertes Stehenbleiben vor Heckklappe – Triggerung der Entriegelung sowie der Heckklappen-Öffnung.
  • Magic-Key-Geste – Bewegungsgeste des Smartphones oder Autoschlüssels (z.B. “Aufschließbewegung”) – Triggerung der Ent- oder Verriegelung.
  • Klopfgeste auf Sensor/Hosentasche – Triggerung der Ent- und Verriegelung sowie der Heckklappen-Öffnung bzw. Schließung.
  • Körperdrehung zur entsprechenden Autotür – der User wendet sich dem Fahrzeug zu, das Fahrzeug “fühlt sich angesprochen” und öffnet – Triggerung der Entriegelung sowie der Heckklappen-Öffnung.

Use Cases – Alltag, Sport oder Reha

Technischer Aufbau – IMU Device und Smartphone

IMU im Smartphone


In der Analyse menschlicher Bewegungen ist IMU unschlagbar, zumindest solange wir ein IMU-Gerät am Körper tragen. Heutzutage besitzt (gefühlt) jedes Mobiltelefon und auch jede Smartwatch eine IMU-Sensorik an Board, die in vielfältigen Apps verwendet werden. Embedded AI wird hier gern tätig.

IMU Device und Smartphone

Interessanter ist allerdings der Fall, bei dem eine IMU-Sensorik Bewegungen analysieren soll, jedoch ein Smartphone für die Erfassung der Bewegung NICHT zum Einsatz kommen kann. Bspw. bei einem Wearable in der Kleidung, integriert in einem Rehagerät oder in einem Laufschuh. Für diese Zwecke eignet sich die Herstellung eines Sensors, der seine Bewegungsdaten bspw. per Bluetooth auf ein Smartphone sendet auf dem eine App zur Auswertung, Anleitung oder auch Begleitung einer Übung läuft (vgl. Abbildung).

Vereinfachte technische Erläuterung

In der Abbildung erkennt man ein Elektronik-Device, das Bewegungsdaten aufnimmt und diese an eine auf dem Smartphone laufende Mobile-App sendet. Embedded AI baut beide Soft- und Hardware-Systeme (SW und HW) hierarchisch in einem Schichtenmodell auf.

Vereinfachte Darstellung von unten nach oben:

  • Hardware Layer (HW) – Elektronische Module, die Sensoren (hier IMU/Accelerometer) und Aktoren betreiben, aber auch Datenübertragung (hier Bluetooth (BT)) vornehmen. Physikalische Schicht.
  • Hardware Abstraction Layer (HAL) – abstrahiert (vereinfacht) den Zugriff auf das komplexe Ansprechen der Hardware. Im Fall Mobiltelefon (rechts) oder PC ist dies das Betriebssystem (Android, iOS, Windows, Linux, …). Im Fall von einem embedded System mit Mikrocontroller (links) ist dies eine eigens erstellte Softwareschicht namens HAL, die bestimmte Funktionen bereit stellt, um die Hardwaremodule vereinfacht softwareseitig anzusprechen.
  • Applications Layer (SW) – Hier findet die eigentliche Software-Anwendung statt, sowie auch die KI-algorithmischen Themen. Auf dem embedded System (links) werden über HAL die Sensorsignale eingelesen. Damit die Funk-Datenrate zum Smartphone und damit auch der Energieverbrauch gering gehalten wird, werden die Sensordaten je nach Anwendung bereits vorprozessiert, um Merkmale zu extrahieren. Hier wird Feature-Engineering benötigt. Auf dem Smartphone (rechts) werden die Rohdaten oder die Merkmal-Daten empfangen und in einem KI-Algorithmus zur Bewegungsanalyse verarbeitet. Die Erkennungsergebnisse werden durch die Smartphone-App an den Nutzer durch Ton oder eine GUI (Graphical User Interface) ausgegeben, die im Gesamtverhalten der App integriert ist.
  • Protocol Layer – Die Protokollschicht ist in dieser Darstellung vereinfacht innerhalb des Application Layers dargestellt. Sie kümmert sich um das Aufteilen des Datenstroms in Blöcke und deren blockweise Versendung. Beim Empfänger werden die Blöcke empfangen und in Echtzeit wieder zu einem Datenstrom zusammengesetzt.

Use Cases – Reha mit Gamification

IMU in der Reha


Inertiale Messeinheiten (IMU) haben in der Rehabilitation einen bedeutenden Fortschritt ermöglicht, indem sie präzise Bewegungsdaten messen können. Durch die Nutzung von IMUs können Therapeuten die Bewegungen der Patienten genau verfolgen und analysieren. Diese präzisen Daten ermöglichen eine personalisierte Anpassung von Rehabilitationsübungen, um den individuellen Bedürfnissen und Fortschritten jedes Patienten gerecht zu werden.

Zusatznutzen des Smartphones – Gamification

Das Smartphone steigert zum Einen die entsprechende Reha-Übung. Gleichzeitig kann die Integration von Gamification-Elementen in der zugehörigen Smartphone-App, wie Punktesystemen, Herausforderungen oder Belohnungen, den Rehabilitationsprozess spielerischer gestalten. Die Gamification in der Rehabilitation mit IMU bietet nicht nur einen Anreiz für Patienten, motiviert an ihren Übungen zu arbeiten, sondern fördert auch die Einhaltung des Therapieplans. Die spielerische Komponente schafft eine positive und unterstützende Umgebung, die den Rehabilitationsprozess angenehmer gestaltet.

Use Cases – Anleitung und Training

Bewegungsabläufe in der Ausbildung 


Die Integration von Smartphones in das Training von Bewegungsabläufen eröffnet eine neue Ära der personalisierten und informativen Ausbildung. Durch die Verwendung von spezialisierten Apps in Verbindung mit Sensortechnologien, wie IMU, wird es möglich, Echtzeit-Feedback über die Ausführung von Übungen zu erhalten.

Daten persistent – Darüber hinaus eröffnet die Möglichkeit, Trainingsdaten zu speichern und zu analysieren, die Chance zur langfristigen Verbesserung. Trainierende können ihre Leistung im Laufe der Zeit verfolgen, Trends erkennen und ihre Trainingsroutine entsprechend anpassen.

Gamification – Die Integration von spielerischen Elementen (Gamification) kann die Ausbildung nicht nur effektiver gestalten, sondern auch das Lernen unterhaltsamer und ansprechender machen. Durch die Einführung von Wettbewerben, Belohnungen und Herausforderungen werden die Lernenden motiviert, aktiv und vor allem kontinuierlich an ihrer eigenen Weiterentwicklung teilzunehmen.

Einige Beispiele

  • Handwerkliche Berufe: Handwerker, wie Zimmerleute, Elektriker, und Installateure, könnten von einer präzisen Ausbildung in Bewegungsabläufen profitieren, um sicherzustellen, dass ihre Tätigkeiten effizient und sicher durchgeführt werden.
  • Gesundheits- und Pflegeberufe: Angehende Pflegekräfte oder Physiotherapeuten können ihre Fähigkeiten verbessern, indem sie Bewegungsabläufe mit Hilfe von Smartphones analysieren und optimieren. Dies könnte insbesondere bei rehabilitativen Übungen oder für Rettungsmaßnahmen (vgl. Abbildung) eine Rolle spielen.
  • Sport und Fitnessausbildungen: Angehende Trainer im Fitness- und Sportbereich können die Technologie nutzen, um ihre eigenen Bewegungsmerkmale und -techniken zu überprüfen, zu überwachen und zu verbessern. Außerdem lernen sie so moderne Methoden des autarken Trainings kennen, die sie später ihren Schützlingen beibringen können.

Use Cases – Sport und Fitness

Die Integration von IMU-Sensoren in Kombination mit Smartphones im Bereich Sport und Fitness hat das Potenzial, das Training auf eine neue Ebene zu heben und die Motivation der Athleten zu steigern. Dies geschieht durch:

  • IMU-Bewegungsanalyse – In nahezu jeder Sportart geht es um Bewegungen – IMU kann diese aufwandsarm durch einen Sensor am entsprechenden Bewegungspunkt erfassen. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse von Bewegungsabläufen, Haltungen und Leistungen. Athleten und Freizeitsportler können ihre Technik verbessern und Verletzungsrisiken minimieren.
  • Smartphones im Training – Smartphones dienen als User-Feedback für die Darstellung von Bewegungsdaten des IMU-Sensors, zur Erstellung von Trainingsplänen und zur Trainingsführung. Spezialisierte Apps können individuelle Trainingsprogramme erstellen, Fortschritte verfolgen und personalisiertes Feedback in Echtzeit liefern.
  • Gamification im Fitnessbereich – Gamification-Elemente, wie Punktesysteme, Herausforderungen und Belohnungen, können in Fitness-Apps integriert werden, um die Motivation zu steigern. Athleten können sich in Wettbewerben messen, virtuelle Abzeichen verdienen und ihre Fortschritte mit anderen teilen.
  • Virtuelle Trainer – Virtuelle Trainer können auf Basis von IMU-Daten und Algorithmen personalisierte Herausforderungen erstellen. Athleten können sich mit virtuellen Gegnern messen oder persönliche Bestleistungen brechen, was die Motivation und den Ehrgeiz fördert.
  • Übungskatalog – Es hat zwar mit IMU wenig zu tun, aber die Verwendung einer Trainingssoftware (App) führt dazu, dass der User eine Reihe von Übungen kennenlernen kann, die er ohne die Software evtl. noch nicht kennen würde.
  • Community-Interaktion – Die Gamification kann in Community-Funktionen integriert werden, in denen Athleten ihre Erfolge teilen, sich gegenseitig herausfordern und unterstützen können. Dies fördert den sozialen Aspekt des Trainings und steigert die Motivation durch Gruppendynamik.

Die Verbindung von IMU, Smartphone und Gamification schafft somit nicht nur eine technologisch fortschrittliche, sondern auch eine motivierende und sozial vernetzte Trainingsumgebung im Sport und Fitnessbereich. Derartige Anwendungen können in nahezu jeder Spratart auf unterhaltsame Weise das Training gestalten, steigern und den User gleichzeitig von präzisen Daten zur Lesitungssteigerung profitieren lassen.

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Interesse?

Wir hoffen, dass wir einen kleinen Einblick geben konnten. Falls Du Interesse hast, Dir Demos oder Live-Anwendungen anzusehen, nimm gern Kontakt mit uns auf.

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