Programm zur Analyse und Verwaltung von Messdaten aus der Sportwissenschaft

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1 Gymnasium Ottobrunn Seminarfach Informatik im Schuljahr 2006/07 Programm zur Analyse und Verwaltung von Messdaten aus der Sportwissenschaft Vorgelegt von Michael Schimpe Georg-Kerschensteiner-Str Riemerling am Prüfer: Peter Brichzin, StR in Kooperation mit der Universität der Bundeswehr München Betreuer: Dipl.-Sportl. Andreas Born Prof. Dr.-Ing. Werner Wolf

2 Erklärung: Ich erkläre, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Riemerling, den 17. August 2007 (Michael Schimpe) Seite 2 von 63

3 Inhaltsverzeichnis 1 Themenvorstellung Nutzen von Kraftmessungen in der Sportwissenschaft Vorstellung der Betreuer Messanlage und Messdaten Standort und Entstehung der Messanlage Beschreibung der Messanlage Beschreibung des Laufes Beschreibung der Struktur vorhandener Messdaten Anforderungen an das Auswertungsprogramm Modularer Aufbau Analysator Datenbank Schlüsselwerte Anstieg der Geschwindigkeit Maximalkraft Explosivkraft Startkraft Zeit bis vierter Kontakt Beschreibung des Programms Auswahl der Programmiersprache Struktur des Programms und der Benutzeroberfläche Oberfläche des Programmteils Analysator Oberfläche des Programmteils Datenbank Beschreibung der Programmierung Programmierwerkzeug GUIDE Programmierung der Benutzeroberfläche (GUI) Menübalken PopUp-Menü & Aktualisieren-Button Textfelder Eingabefelder (nur Analysator) Buttons Programmierung der Anwung Aufruf der Anwung Programmierung des Analysators Öffnen der Messung Auslesen der Messwerte Berechung der Gesamtkraft Erkennung der Kontakte Berechnung der Kennwerte Ausgabe der Datei Eintragen der Messung in eine Datenbank-Datei Programmierung der Datenbank Öffnen einer Datenbank-Datei Ausgabe der Datenbank Ausblick Fazit Beurteilung des Themas Beurteilung des Pilotprojekts Seminararbeit...60 Seite 3 von 63

4 7 Danksagung Glossar Abbildungsverzeichnis Quellenverzeichnis Anhang Hilfedatei Quellen Quelltext des Programms...63 Seite 4 von 63

5 1 Themenvorstellung 1.1 Nutzen von Kraftmessungen in der Sportwissenschaft Kraftmessungen sind ein wichtiges Werkzeug der Sportwissenschaft. Aus den äußeren Kräften einer sportlichen Tätigkeit kann die Biomechanik wichtige Schlüsse ziehen. Die Biomechanik ist ein Teil der Sportwissenschaft. Hierzu eine Definition des Begriffes Biomechanik": Wissenschaft von der mechanischen Beschreibung und Erklärung der Erscheinungen und Ursachen der Bewegung unter Berücksichtigung der biologischen Bedingungen des Organismus. Die Biomechanik grenzt in vieler Hinsicht an andere Wissenschaften an, wie der Begriff selbst bereits andeutet. Sie benutzt Grundlagen über die Anatomie des Körpers, die Biologie der Körperzellen, die Physiologie in Hinsicht auf die auswirke Kraft und die Psychologie. Sie untersucht die nervale Steuerung des Körpers. Die Kraftmessungen lassen auf Eigenschaften des Sportlers schließen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind 1.2 Vorstellung der Betreuer Diese Seminararbeit erklärt die Entwicklung eines Programms zur Auswertung von Kraftmessungen aus Sportwissenschaft. Die Messungen stammen von einer Anlage zur Untersuchung von Laufsport in der Universität der Bundeswehr München. Die organisatorische Betreuung meiner Arbeit erfolgte durch Herrn Professor Dr.-Ing. Werner Wolf. Er organisierte den Kontakt zur Herrn Diplom-Sportler Andreas Born und leitete mich bei Fragen an Ansprechpartner innerhalb der Universität weiter. Herr Born führte mich an wichtige Fragestellungen der Sportwissenschaft heran. Er stellte die Anforderungen an das Programm. Herr Studienrat Peter Prichzin stellte den Kontakt zwischen Hochschule und Gymnasium Ottobrunn her und unterrichtete vor dem Projekt über Programmiergrundlagen, Schreiben einer Seminararbeit und Projektplanung. Seite 5 von 63

6 2 Messanlage und Messdaten 2.1 Standort und Entstehung der Messanlage Die Messanlage des Instituts Sportwissenschaft der Universität der Bundeswehr München befindet sich in einer ehemaligen Turnhalle, die nun als Labor für die Sportwissenschaft genutzt wird. Das Projekt entstand im Rahmen einer Diplomarbeit eines Studenten der Fachrichtung Sportwissenschaft. Die Anlage kann verschiedene Kräfte bei Laufbewegungen, wie Anlaufen bei einem Sprint oder Drehung in einem Lauf, untersuchen. Damit lassen sich Informationen über die Kontakte des Sportlers mit dem Boden gewinnen, die das bloße Auge, Videoaufnahmen oder Lichtschrankenmessungen nicht liefern. 2.2 Beschreibung der Messanlage Die Erfassung des Laufs eines Sportlers erfolgt durch Kraftmesser im Boden der Sporthalle und durch Videokameras. Die Daten der Kraftmesser und Kameras werden zu einem Rechner geführt. Der Rechner zeichnet die Daten zur weiteren Analyse auf. Bei einem Lauf mit einer Dauer von 10 Sekunden entstehen etwa 1 Megabyte an Messdaten und 2,5 MByte an Videodaten. Abbildung 1 Aufbau der Messanlage Die Messgeräte stammen im Wesentlichen von der Firma Kistler Instrumente AG. Die gesamte Anlage ist schematisch in Abbildung 1 zu sehen. Die Erfassung der beim Lauf des Sportlers verursachten Kräfte auf den Boden erfolgt mit zwei Mehrkomponenten-Messplattformen vom Typ 9287A./Ref. 2/ Die elektrischen Signale aus den Kraftsensoren sind so gering, dass sie erst von einem Messverstärker aufbereitet werden müssen Die Messanlage verwet den 8-Kanal-Ladungsverstärker vom Seite 6 von 63

7 Typ 9865B. /Ref. 3/. Die Verbindung zwischen den Kraftsensoren und den Ladungsverstärkern erfolgt durch spezielle Kabel vom Typ 1686A5. Die verstärkten Messsignale gehen von dort in einen Analog-digital Wandler der Firma National Instruments und werden in einem Rechner aufgezeichnet. Hier wird die Software EVaRT Version 4.6 von Motion Analysis benutzt. /Ref. 4/ Abbildung 2: Anordnung der Messplattformen und Kraftsensoren Abbildung 2 zeigt die Anordnung der Messplattformen zueinander und bezüglich der Laufrichtung. Die Platten sind in den Boden eingelassen und festgeschraubt. Dies ist nötig um ein Rutschen der Platten in der Verankerung zu verhindern. Die Platten sind der Länge nach in Laufrichtung für den Sprint ausgerichtet. Die Platten sind durch eine große rutschfeste Gummimatte abgedeckt und liegen direkt aneinander, sind aber mechanisch nicht verbunden. Abbildung 3 Messplattform Die Messplatte wird in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Sie hat die Maße 90 cm x 60 cm x 10 cm. Dieser Plattentyp eignete sich für die vorgesehene Aufgabe, da dieser eine große Oberfläche hat. Das ist wichtig bei Läufen, damit der Sportler sich nicht unnatürlich bewegen muss um die Platten zu treffen. Die Messplatten zeichnen sich durch einen großen Messbereich aus, von -10 kn bis +10 kn in der X- und Y Richtung und -10 kn bis +20 kn in der Z-Richtung. Dieser Messbereich reicht für das vorgesehene Aufgabengebiet völlig aus: Die höchsten beobachteten Messwerte bewegen sich um 1 kn in Y-Richtung, also der Laufrichtung. Seite 7 von 63

8 Abbildung 4 Dreikomponenten-Kraftsensor (links) und die drei Piezosensoren(rechts) Jede der Platten hat vier Dreikomponenten-Kraftsensoren, die in den Ecken angeordnet sind (siehe Abbildung 2). Diese Sensoren sind unter einer Deckplatte angebracht und verbinden diese mit den Füßen der Platte. Jeder Dreikomponenten-Kraftsensor arbeitet mit drei Kraftsensoren, die den piezoelektrischen Effekt nutzen. Abbildung 4 zeigt einen solchen Dreikomponenten-Kraftsensor und Detailansichten der drei Piezosensoren. Die Piezosensoren messen jeweils die Kraft in X-, Y- oder Z-Richtung. Die Messung erfolgt dabei nahezu komplett weglos. An den drei Anschlüssen des Dreikomponenten-Kraftsensors ergeben sich dann je nach Kraftrichtung negative oder positive elektrische Aufladungen. Der piezoelektrische Effekt tritt auf, wenn ein piezoelektrisches Material, hier ein Quarzkristall, mechanisch verformt wird. Druck oder Zug auf das Material durch zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte verschiebt die Schwerpunkte der elektrischen Ladungen innerhalb des Kristalls, und es bilden sich elektrische Dipole innerhalb der Elementarzellen des Kristalls. Es darf nicht von allen Seiten Kraft ausgeübt werden, da sich die Ladungsverschiebungen sonst ausgleichen. Die durch die Dipole verursachten elektrischen Felder führen zu außen am Kristall messbaren elektrischen Ladungsunterschieden. Der Piezoeffekt funktioniert auch umgekehrt, das heißt dass sich das Material durch Anlegen einer elektrischen Spannung verformt. /Ref. 5/ Seite 8 von 63

9 Besonderheiten der Messanlage: Vor jeder Messung wird per Software der Messwert auf null gesetzt. Die Messwerte der Platten sind über der Zeit nicht konstant, sondern weichen mit der Zeit zunehm von Null ab. Diese lineare Abweichung hat aber über die kurze Zeitdauer von wenigen Sekunden einer Messung keine Auswirkung. Über den Messplatten ist eine Gummimatte verlegt. Diese kann nach dem Start verzogen sein und dann eine Zugkraft auf die Platten auswirken. Die Platten sind in den Boden eingelassen, wobei die Lücken mit Holzblöcken gefüllt sind. Diese Holzblöcke erzeugten ein Problem, indem sie nach dem Start verrutschten, gegen die Platten drückten und dann die Messungen unbrauchbar machten. Dieses Problem wurde währ des Projekts mit Hilfe des Programms erkannt, und ist nun beseitigt. Die Kabel sind mehrfach geschirmt und leider sehr störanfällig. Bereits leichte Risse in der Ummantelung können die Abschirmung beschädigen. Dies verändert die Messsignale und macht sie dadurch unbrauchbar. Dieses Problem trat auch in meinem Projekt auf. Die Kabel wurden durch schlechte Verbauung beschädigt, was zwischenzeitlich zu fehlerhaften Messungen führte. Der Messverstärker ist ein 8-Kanal-Ladungsverstärker vom Typ 9865B. Er wandelt die Ladungsstärke am Piezokraftaufnehmer in elektrische Signale mit Spannungen zwischen -10 Volt und +10 Volt um. /Ref. 7/ Der Analog-Digital-Wandler ist direkt in den Rechner als PCI-Steckkarte eingebaut. Die Software zur Erfassung der Messwerte unterstützt die Aufnahme der Daten der Bewegungssensoren und einer Videokamera. So lässt sich mit dem Programm gleichzeitig und schnell eine Messung mit Videoaufzeichnung, einem Gittermodell des Sportlers und Kraft- Messungen erstellen. Für das Programm zur Kraftauswertung werden nur die Kraftmessungen ausgelesen. Diese lassen sich im Programm leicht exportieren. Seite 9 von 63

10 2.3 Beschreibung des Laufes Das Auswertungsprogramm ist für einen bestimmten Ablauf ausgelegt. Abbildung 5 Ablauf einer Messung Der Ablauf einer Messung wird in Abbildung 5 gezeigt. Der Sportler tritt mit jedem Bein auf eine Platte und läuft los. Dies sind die ersten zwei Bodenkontakte in der Messung. Der Sportler dreht nach einigen Metern um und läuft wieder zu den Platten zurück. Dort stoppt er auf den Platten, dreht, und läuft wieder los. Dies führt zu drei weiteren Kontakten: wenn das erste Bein stoppt, das zweite Bein stoppt und das erste Bein wieder startet. Seite 10 von 63

11 Abbildung 6 : Anlage mit einem Sportler beim OBEN: Start, MITTE: Umkehren, UNTEN: Drehen Abbildung 6 zeigt Photos der Anlage bei einer Messung. Die Photos sind einer Videoaufzeichnung entnommen. /Ref. 6/ Seite 11 von 63

12 Abbildung 7 Zeit-Kraft Verlauf der gesamten Kraftvektoren beim Start auf die Messplatten Abbildung 7 zeigt den Verlauf des gesamten Kraftvektors auf die Messplatten beim Start eines Sportlers. Der gesamte Kraftvektor ist eine Addition der drei gemessenen Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung mit Hilfe zweier Kräfteparallelogramme. Er stellt also die gesamte Kraft die auf die Platte ausgeübt wird. Im Folgen wird auf den gesamten Kraftvektor als Kraftvektor verwiesen. Vor dem Start verteilt sich das Gewicht des Sportlers gleichmäßig auf beide Platten. Ab der Zeit t =150 ms wird die Kraft mehr auf Platte 2 ausgeübt, der Sportler beginnt anzulaufen. Ab 220 ms übt das zweite Bein keine Kraft mehr auf Platte 1 aus. Sobald das erste Bein gestreckt ist, drückt das zweite Bein weiter und wirkt ab 560 ms auf die Platte 1. Bei 770 ms verlässt auch das zweite Bein die Messplatte. Der Start ist damit beet. Seite 12 von 63

13 Abbildung 8 Zeit-Kraft Verlauf der Kraftvektoren der Drehung auf die Messplatten Abbildung 8 zeigt den Verlauf des Kraftvektors auf die Messplatten bei der Drehung des Sportlers. Der Sportler kehrt nun zurück zu den Platten, dreht dort um und läuft wieder los. Das erste Bein stoppt bei t =50ms auf Platte 1, danach stoppt auch das zweite Bein auf Platte 2 bei 260ms. Das zweite Bein erhält den Druck aufrecht und läuft in entgegen gesetzter Richtung los, daher ist der Kontakt auch mehr als doppelt so lang. Daraufhin läuft bei 710ms auch das erste Bein auf Platte 1 an. 2.4 Beschreibung der Struktur vorhandener Messdaten Das Programm EVaRT kann die Messungen der Platten als forces - Dateien exportieren. Diese sind im ASCII Format gespeichert. Pro Messung wird eine Datei erstellt. Jede Datei hat einen kleinen Kopf in dem Anzahl der Platten, Dauer der Messung in Millisekunden und Messfrequenz angegeben sind. Darunter befinden sich 15 Spalten. Die erste Spalte ganz links gibt den Messzeitpunkt in Schritten von Millisekunden an, beginn mit 1 für die erste Millisekunde. Diese Abfolge geht solange in Ein-Millisekundenschritten weiter bis der geplante Endwert, die Messdauer, erreicht ist. In den anderen Spalten werden Seite 13 von 63

14 zuerst Werte für die erste Platte und dann Werte für die zweite Platte eingetragen. In der zweiten Spalte befinden sich die Kraftmessungen für die X-Richtung der 1. Platte. Die Kraftwerte werden in Newton gespeichert. Es folgen spaltenweise die Y-Kraft und die Z-Kraft. In der fünften Spalte sind die X-Koordinaten für den Kraftangriffspunkt auf die Messplatte eingetragen. Es folgen jeweils spaltenweise die Y- und Z- Koordinaten. Diese Koordinaten werden aus den Kraftmessungen berechnet. Sie werden im Programm für die Kraftauswertung nicht benutzt. Als letzter Wert für die erste Platte sind in der achten Spalte das Drehmoment um die Z-Achse eingetragen, auch diese Werte werden nicht weiter benutzt. Ab der neunten Spalte sind in der gleichen Reihenfolge die gleichen Parameter für die zweite Platte eingetragen. Alle Messwerte und die berechneten Angriffspunktkoordinaten sind auf zwei Nachkommastellen genau angegeben, die Spalte mit den Zeitwerten in Millisekunden hat ganze Zahlen als Werte. 3 Anforderungen an das Auswertungsprogramm Die Anforderungen an das Auswertungsprogramm für die Kraftmessungen wurden von Herrn Born gestellt. Das Programm soll die Läufe der Sportler an der Messanlage schnell und einfach analysieren. Nach der Erstellung der Analyse eines einzelnen Laufes entschied er sich zur Erweiterung des Programms um eine Datenbank zur Langzeitanalyse der Sportler. Das Programm sollte auch von Personen ohne Programmier- oder außergewöhnliche PC-Kenntnisse bedienbar sein. Daher war eine graphische Bedienoberfläche, eine GUI, erforderlich. Herr Born definierte Kennwerte und deren Berechnung, die für die Sportwissenschaft zum Vergleich von Läufen wichtig sind. 3.1 Modularer Aufbau Das Programm besteht aus der graphischen Benutzeroberfläche (GUI) und zwei Teilen, einem Analysator und einer Datenbank. Zu Beginn des Programms werden die GUI und danach der Analysator automatisch gestartet. Seite 14 von 63

15 3.1.1 Analysator Der Analysator untersucht die Ergebnisse einer einzelnen Messung anhand des graphischen Verlaufes und bildet sie auf Kennwerte eines Sprints ab. Eine geöffnete Messung wird analysiert, beginn damit, dass die Kontakte der Beine des Sportlers mit den Platten erkannt werden. Anhand der Kennwerte, die nun zu den Kontakten berechnet werden, kann man die Eigenheiten eines Laufes schnell erkennen. Falls der Lauf keine Fehler aufweist, kann man seine Kennwerte als Datensatz in die Datenbank eintragen lassen Datenbank Die Datenbank erlaubt die Gegenüberstellung der Kennwerte verschiedener Läufe. So kann die Leistung eines Sportlers über einen längeren Zeitverlauf beobachtet werden. 3.2 Schlüsselwerte Zur Analyse eines Sprints nannte Herr Born einige wichtige Kennwerte. Diese Kennwerte werden zu jedem Kontakt einzeln berechnet. Alle Kennwerte werden für die Y-Kraft (Laufrichtung) und für den gesamten Kraftvektor berechnet Anstieg der Geschwindigkeit Der Sprintantritt und die Drehung in einem Sprint lassen sich qualitativ am besten über den Geschwindigkeitsanstieg beschreiben, schließlich ist der Sinn des Sprints die maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Der Geschwindigkeitsanstieg lässt sich aus dem Impuls eines Kontaktes und dem Gewicht des Sportlers berechnen. Der Impuls ist der Stoß, der auf die Platte gebracht wird. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um die Fläche unter dem Zeit-Kraft-Graphen des Kontaktes, das Integral. Errechnet man aus der Messung auch das Gewicht des Sportlers, so kann man mit der Impulssumme den Geschwindigkeitsanstieg des Sportlers durch den einzelnen Kontakt berechnen. /Ref. 7/ Seite 15 von 63

16 Abbildung 9 Optimaler Zeit-Kraft Verlauf eines Kontakts beim Sprintstart Abbildung 9 zeigt einen den optimalen Verlauf einer Zeit-Kraft Messung eines Kontakts beim Sprintstart. Dieser Verlauf zeichnet sich nur ein schnelles Erreichen der maximalen Kraft, ein konstantes Halten dieses Wertes und ein schnelles Abfallen aus. Die Dauer des Kontaktes soll möglichst kurz sein, besonders bei den Drehungskontakten. Die folgen weiteren Kennwerte für einen Sprint geben einen guten Überblick inwiefern eine Messung diesen Idealvorgaben entspricht. /Ref. 7/ Maximalkraft Die Maximalkraft gibt den maximalen Wert im einzelnen Kontakt an Explosivkraft Unter dem Begriff Explosivkraft versteht man verschiedene Angaben, für den Sprint legte Herr Born fest dass die Explosivkraft die Steigung des Zeit-Kraft Verlaufs ist zwischen den Kraftwerten 30% und 90% der Maximalkraft. Dies gibt Auskunft wie schnell die Kraft ansteigt. /Ref. 7/ Startkraft Die Startkraft, die Kraft zu den Zeitpunkten 30ms und 50ms nach Beginn des Kontaktes gibt dieselbe Auskunft wie die Explosivkraft. Die Zeitpunkte wurden durch die Praxis in der Sportwissenschaft festgelegt. /Ref. 7/ Seite 16 von 63

17 3.2.5 Zeit bis vierter Kontakt Ein weiterer Schlüsselwert ist Zeit bis vierter Kontakt. Dieser Wert gibt an wie lange der Sportler vom Start bis zum Beginn des 2. Drehungskontaktes braucht. Dieser Wert wird nicht in die Datenbank aufgenommen, da Variationen hier keinen Aufschluss über nötige Trainingsmaßnahmen geben. /Ref. 7/ 4 Beschreibung des Programms Das Auswertungsprogramm ist in der Programmiersprache MATLAB der Firma The MathWorks geschrieben /Ref. 8/. Dieses Programmpaket wurde von der Universität bereitgestellt. Das entwickelte Auswertungsprogramm umfasst insgesamt circa 2700 Zeilen. 4.1 Auswahl der Programmiersprache In der Anfangsphase des Projekts wurden die Programmiersprachen Java und MATLAB betrachtet. Die Programmiersprache MATLAB wurde gewählt, da es am Institut bereits verfügbar ist und da es den Anforderungen des Projekts am nächsten kam. Es beinhaltet unter anderem mathematische Funktionen der Algebra Funktionen für den Export und Import von Dateien Hilfsmittel für Erstellung von Graphen. Hilfsmittel für die Erstellung einer GUI. Das spart viel Arbeitsaufwand bei einem Programm, das für die Analyse von importierten Dateien ausgelegt ist. Mit dem Tool GUIDE kann eine GUI auch über eine Drag&Drop Oberfläche erzeugt werden. Die Entscheidung fiel gegen Java, da diese Sprache keinerlei vorgefertigte Funktionen eingebaut hat und mathematische Befehle bis auf simple Grundrechenoperationen erst noch programmiert hätten werden müssen. MATLAB ist plattformunabhängig und nur in Englisch erhältlich. Der Begriff MATLAB leitet sich aus MATrix LABoratory ab, da MATLAB auf die Berechnung mit Matrizen (Matrizen: Plural von Matrix) ausgelegt ist. Für die Datenbank wurde das Excel-Format von Microsoft ausgewählt. Seite 17 von 63

18 Xls-Dateien bieten für diese Art von Datenbank viele Vorteile, wie zum Beispiel MATLAB besitzt passe Schnittstellen Beliebig viele Datenbank-Dateien herstellbar Leichter Zugriff durch Excel oder ähnliche Programme zur Fehlerkorrektur Leicht verteilbar als Datei Beliebig skalierbar 4.2 Struktur des Programms und der Benutzeroberfläche Die Oberfläche teilt das Programm in 2 Teile. Über den Menüpunkt Datei lassen sich die zwei Programmteile aufrufen, der Analysator für die Analyse eines Laufs, und die Datenbankfunktion. Standardmäßig ist die Oberfläche des Analysators geöffnet. Man kann jederzeit eine andere Messung oder Datenbank-Datei öffnen und damit zwischen den Oberflächen umschalten. Abbildung 10 Programm nach Start mit geöffnetem Datei Dialog Abbildung 10 zeigt das Programm direkt nach dem Start und mit geöffnetem Datei -Dialog. Hier kann entschieden werden, ob man eine Seite 18 von 63

19 Messung oder einen Datensatz der Datenbank öffnen will. In beiden Fällen wird ein Menü mit einer Liste von Dateien zum Öffnen angeboten Oberfläche des Programmteils Analysator Abbildung 11 Dialog zum Öffnen einer Messung In Abbildung 11 ist nun der Dialog zum Öffnen einer Messung zu sehen. Es werden nur.forces -Dateien angezeigt. Abbildung 12 Analyse mit geöffneter Messung, Graph: Gesamter Verlauf Zeit-Kraftvektor Seite 19 von 63

20 Abbildung 12 zeigt den Analysator direkt nach dem Öffnen einer Messung. Standardmäßig wird zuerst für die gesamte Messung der Kraftvektor der Platten und die Addition der beiden Vektoren angezeigt. Dies gibt einen guten Gesamtüberblick über die Messung und es lässt schnell erkennen, ob Fehler in der Messung vorhanden sind. Der Graph hat eine Zoom- Funktion, die es ermöglicht parallel, zur horizontalen Zeitachse t zu zoomen, d.h. man kann sich bestimmte Bereiche anhand der t-achse genauer ansehen. Zusätzlich wird entlang der vertikalen Richtung immer ausreich skaliert, so dass der Graph nie aus dem Fenster herauswächst. Abbildung 13 Geöffnetes Popup-Menü In Abbildung 13 ist das nun aufgeklappte Popup-Menü zu sehen. Jeder der Listenpunkte gibt einen Graphen mit den entsprechen Kennwerten aus. Das Programm kann alle benötigen Informationen, die aus der Messung zu schließen sind, schnell ausgeben: Die Ansicht der Messungen beider Platten und der einzelnen Platten Seite 20 von 63

21 Die Ansicht des Starts, der Drehung und der einzelnen Kontakte zur besseren Skalierung Bei vielen Ansichten sind mehrere Graphen in einer Grafik zu sehen. Diese sind in einer für jede Platte immer gleichen Farbe unterschieden. Alle diese Zeit-Kraft Verläufe sind für den Kraftvektor und für Y-Kraft (Laufrichtung) darstellbar. Abbildung 14 Analyse, Graph: Drehungskontakte (Y-Kraft) Abbildung 14 zeigt die Drehungskontakte der geöffneten Messung. Die beiden Kraftverläufe der Platten sind farblich unterschiedlich abgebildet, dazu die Addition der beiden Kraftverläufe. Die Farbwahl ist für die gesamte Analyse gleich, um Missverständnisse zu vermeiden. Abbildung 15 Ansicht der Tabelle zur Messung (Drehung Y-Kraft) Abbildung 15 zeigt eine größere Ansicht der Tabelle aus Abbildung 14. Angezeigt werden der Dateiname der geöffneten Messung und die Kennwerte der Kontakte der Drehung. Da Platte 1 bei der Drehung zwei Seite 21 von 63

22 Kontakte hat, werden diese hier getrennt aufgelistet und addiert. Diese Addition fehlt bei Maximalkraft, Startkraft und Explosivkraft da sie hier keinen Sinn ergibt.. Aus dem gleichen Grund fehlt sie bei der Addition der Kennwerte der beiden Platten. Die Zeitdifferenz vom Start des 1. Kontakts des Starts bis zum Start des 2. Kontakts der Drehung wird nicht durch die PopUp-Menü Auswahlmöglichkeiten verändert da sich dieser Wert als einziger auf die ganze Messung bezieht. Abbildung 16 Ansicht der Felder für Datenbankeintrag (ohne eingegebene Werte) Abbildung 16 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Abbildung 14, die nötigen Buttons und Eingabefelder für den Datenbankeintrag. Für einen gültigen Datenbankeintrag ist die Eingabe des Datums und der Laufnummer im richtigen Eingabeformat wichtig, da sonst die Sortierung nach Datum und Laufnummer nicht richtig funktionieren kann. Als Notiz kann ein beliebiger Text eingegeben werden, der später den Lauf in der Datenbank beschreiben soll. Seite 22 von 63

23 Abbildung 17 Ansicht der Felder für Datenbankeintrag (mit eingegebenen Werten) Abbildung 17 zeigt denselben Ausschnitt wie Abbildung 16, nur mit beispielhaften konkreten Eingabewerten. Das sind die wesentlichen Aspekte der Analyseoberfläche Oberfläche des Programmteils Datenbank Bei der Datenbank öffnet sich ähnlich wie beim Analysator ein Dialog.. Abbildung 18 Dialog zum Öffnen einer Datenbank-Datei Abbildung 18 zeigt, dass hier nur Excel-Dateien angezeigt werden da dieses Format für die Datenbanken benutzt wird. Seite 23 von 63

24 Abbildung 19 Analyse mit geöffneter Datenbank, Graph: Geschwindigkeitsanstieg Start / Drehung Abbildung 19 zeigt die Datenbankoberfläche nach dem Öffnen der Datenbank eines Sportlers. Der standardmäßige Graph ist der Geschwindigkeitsanstieg bei Start und Drehung des Sportlers da dieser den besten Überblick über die Leistung des Sportlers gibt. Die Lege gibt Auskunft welcher Graph welche Werte beschreibt. Abbildung 20 Ausgabemöglichkeiten zur Datenbank Seite 24 von 63

25 Abbildung 20 zeigt die Ausgabemöglichkeiten der Datenbank-GUI. Die ersten drei Punkte geben Auskunft über den Geschwindigkeitsanstieg von Start und Drehung, des Starts mit den einzelnen Kontakten und der Drehung mit den einzelnen Kontakten. Abbildung 21 Datenbank-Ausgabe von Start 1. Kontakt (1) Abbildung 21 zeigt den die Ausgabe der Ausgabemöglichkeit Start 1. Kontakt (1). Abbildung 22 Datenbank-Ausgabe von Start 1. Kontakt (2) Abbildung 22 zeigt das Diagramm der Ausgabemöglichkeit Start 1. Kontakt (1). Die Kennwerte eines jeden Kontakts sind auf zwei Abbildungen verteilt, jeweils unterschieden durch (1) und (2). Die Zusammensetzung welche Kontakte zusammen in eine Abbildung gesetzt werden war ein Wunsch von Herrn Born. Er legte sie nach seinem Vorgehen eines Trainers bei der Analyse eines Sportlers fest. Seite 25 von 63

26 Abbildung 23 Ansicht der Messungstabelle der Datenbank In Abbildung 23 ist ein Ausschnitt der Messungstabelle aus Abbildung 19 zu sehen. Über der Tabelle steht der Dateiname der geöffneten Datenbank. In der Tabelle werden die Messungen mit Datumssortierung und Laufnummersortierung aufgelistet und die Notizen angezeigt. 4.3 Beschreibung der Programmierung Programmierwerkzeug GUIDE Die graphische Oberfläche des Programms wurde mit dem MATLAB Drag&Drop-Tool GUIDE erstellt. Erstellt man hiermit eine GUI wird die graphische Oberfläche in einer fig -Datei gespeichert, der dazugehörige Code in einer m -Datei. Seite 26 von 63

27 Abbildung 24 Ansicht des MATLAB Tools GUIDE Abbildung 24 zeigt die Oberfläche von GUIDE. Das Programmiertool GUIDE ermöglicht das Erstellen von typischen GUI-Elementen wie Knöpfe (Buttons), Schieberegler, Textfelder, Texteingabefelder und auch Graphen. Die Position und Größe der Objekte lässt sich schnell durch Verziehen ändern. Zu jedem Objekt kann man im Property Inspector, der sich durch Doppelklick auf das Objekt öffnen lässt, alle Eigenschaften ansehen und verändern. Seite 27 von 63

28 Abbildung 25 pushbuttons mit dazugehörigem Property Inspector Abbildung 25 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus GUIDE zur Erstellung eines Buttons. Jedes Objekt in einer GUI erhält ein zugeordnetes Tag. Damit wird im Code zur GUI das Objekt zugeordnet, in diesem Fall pushbutton1. Mit den Tags wird im Quellcode auf die Objekte zugegriffen, um deren Beschriftung zu ändern oder ihre Funktion zu bestimmen. String ist der Text der in Textobjekten zum Programmaufruf eingetragen wird, hier Drück mich!. Style ist die Art des Objektes, pushbutton ist ein gewöhnlicher Button mit dem eine Aktion über Drücken aufgerufen wird. Seite 28 von 63

29 Abbildung 26 Menu Editor Im Menu Editor lassen sich die Menü-Objekte erstellen und mit Beschriftung und Tag versehen Programmierung der Benutzeroberfläche (GUI) Das Programm wurde auf der Basis des GUIDE Templates GUI with Axes and Menu erstellt. Es hat den Titel Kraftanalyse und besteht aus den Dateien Kraftanalyse.fig und Kraftanalyse.m Im Code der GUI, Kraftanalyse.m wird die Aktion jedes Objekts über den Callback des Objekts aufgerufen. Dieser ist die Funktion, die bei Aktionen mit dem Objekt aufgerufen wird. Jedes in einer GUI erstellte Objekt erhält einen solchen Callback und eine CreateFcn. Diese Funktion CreateFcn wird einmalig beim Erstellen des Objekts am Start des Programms aufgerufen. Die GUI enthält die Elemente Menübalken, Popup-Menü, Eingabefelder, Buttons und Textfelder. Seite 29 von 63

30 Abbildung 27 Analysator-GUI Abbildung 28 Datenbank-GUI Abbildung 27 zeigt die GUI des Analysators, Abbildung 28 die GUI der Datenbank. Wie man sieht, hängen die Texteinträge, Auswahlmöglichkeiten und sichtbaren Buttons vom jeweiligen Programmteil ab. Beim Wechsel werden einige Objekte unsichtbar gemacht oder umfunktioniert, und neue Objekte hinzugeschaltet. Seite 30 von 63

31 Menübalken Oben befindet sich der Menübalken mit den Menüpunkten Datei und Hilfe. Der Menüpunkt Datei hat die Unterpunkte Öffne Messung zum Öffnen einer Messung (Tag Open ) oder Öffne DB zum Öffnen einer Datenbank-Datei (Tag Opb ). Hiermit wird zwischen Analysator und Datenbank gewechselt. Der Menübalken bleibt beim Wechseln zwischen den Oberflächen gleich PopUp-Menü & Aktualisieren-Button Das PopUp-Menü gibt die verschiedenen plot-möglichkeiten, sobald eine Messung geöffnet ist. Der Pushbutton Aktualisieren (Tag pushbutton1 ) aktualisiert den Graphen und die Kennwerttabelle je nach ausgewähltem PopUp-Punkt. Die Auswahlmöglichkeiten des PopUp-Menüs werden angepasst, je nachdem, ob man sich im Analysator oder in der Datenbank befindet. Hierbei ändert sich im PopUp-Menü nur der Text, nicht aber die Funktion des jeweiligen Unterpunkts. Diese Unterscheidung zwischen den Aktionen von Analysator und Datenbank wird über zwei Bedingungen durchgeführt mit den Variablen isfileopen1 für den Analysator und isdbopen für die Datenbank. Diese werden beim Wechsel zwischen den Modi gesetzt Textfelder Die Tabelle dient im Analysator der Ausgabe der Kennwerte, im Datenbank-Modus der Auflistung der Messungen der Datenbank. Die Tags der Tabelle sind tabellarisch angeordnet, die erste Reihe ist feld11, feld12, feld13 und feld14 benannt, die zweite Reihe feld21, feld22, und so weiter. Das Feld mit standardmäßigem Text keine Datei geöffnet (Tag actualfile ) zeigt bei geöffneter Datei immer deren Namen an, auch im Datenbankmodus. Die Felder für die Benennung der Kennwertspalten mit Plattennamen (Tag plattenfeld ), die Hinweise für den Datenbankeintrag (Tag feld9 ) und das Feld zur Angabe der Dauer vom Beginn des Starts bis zum Beginn des zweiten Kontakts der Drehung werden nur im Analysator angezeigt. Seite 31 von 63

32 Eingabefelder (nur Analysator) Für den Eintrag einer Messung im Analysator sind einige Eingaben erforderlich Die Eingabefelder zum Eintragen des Datums (Tag feld8 ), der Laufnummer(Tag feldlaufnummer ) und gegebenenfalls einer Notiz (Tag feldnotiz ) sind nur im Analysator sichtbar Buttons Die Buttons für das Eintragen der Messung in eine neue xls-datenbank (Tag newdb ) oder eine bestehe Datenbank-Datei (Tag todb ) sind nur im Analysator sichtbar. Die Buttons zum Seitenwechsel der Ansicht in den Datenbankeinträgen nach dem 29. Eintrag (Tag pageup und pagedown ) werden nur im Datenbank-Modus sichtbar gemacht. 4.4 Programmierung der Anwung MATLAB arbeitet hauptsächlich mit Matrizen, Vektoren und Skalaren. Ein Vektor ist eine eindimensionale Matrix, ein 1 x n Zeilenvektor oder ein n x 1 Spaltenvektor. Ein Skalar ist eine 1x1 Matrix. Im MATLAB -Code werden Kommentare mit einem % am Zeilenanfang gekennzeichnet. Ein ;, ein Strichpunkt am Zeilene, sorgt dafür, dass das Ergebnis der Zeile nicht in der Konsole ausgeben wird. Mit drei Punkten,, kann man lange Befehle umbrechen. Seite 32 von 63

33 Abbildung 29 Aufbau des Programms Der gesamte Aufbau des Programms ist in Abbildung 29 zu sehen Aufruf der Anwung isfileopen1 = 0; isdbopen=0; date=' '; notiz='-'; laufnummer=1; handles.notiz=notiz; handles.laufnummer=laufnummer; handles.date=date; handles.isfileopen1 = isfileopen1; handles.isdbopen= isdbopen; plot(zeros(10000,1)) Diese Zeilen werden vor dem sichtbar werden der Anwung abgearbeitet. Zu Beginn des Programms werden die Variablen isfileopen1 und isdbopen auf 0 gesetzt, da zu Beginn keine Messung geöffnet ist. Date, die Datumsvariable für den Datenbank-Eintrag wird auf den gesetzt, damit in jedem Fall immer ein Datum eingegeben ist, dasselbe wird für notiz und laufnummer, die Notiz und Laufnummer des Datenbankeintrags gemacht. Alle Variablen werden in handles gespeichert. In einer MATLAB GUI werden Variablen zwischen verschiedenen GUI- Objekten mit handles übergeben. Man kann es sich so vorstellen, dass jedem GUI-Objekt die Übervariable handles übergeben wird in der weitere Variablen gespeichert werden können. Mit handles.x=y kann Seite 33 von 63

34 die Variable Y in handles gespeichert werden. Mit handles.x kann die Variable aus handles wieder ausgelesen werden. Zum Ende wird ein Graph mit Null-Werten erstellt um das Fenster für den Graphen richtig zu dimensionieren und Sprünge der Größe nachher zu vermeiden Programmierung des Analysators Das Öffnen einer Messung wird über den Menüpunkt Öffne Messung aufgerufen. Open_Callback ruft nun die Auswahl der Messungsdatei und deren Analyse auf. Im Folgen wird der Code der Funktion Open_Callback und der restliche Code der Analyse erklärt Öffnen der Messung In MATLAB werden Variablen wie folgt definiert: Variablenname = neuerwert Hat eine Funktion mehrere Ausgabewerte man mit dem folgen Schema die Ausgabevariablen belegen. [Variable1, Variable] = Funktion( ) [filename, pathname] = uigetfile(... {'*.forces', 'Alle forces-dateien (*.forces)';... '*.*','Alle Dateien (*.*)'},... 'Wähle forces-datei'); if isequal([filename,pathname],[0,0]) return else Filelocation1 = fullfile(pathname,filename); handles.lastfile = Filelocation1; tempdata1=importdata(filelocation1); data1 = tempdata1.data; Dieser Block öffnet ein Dateiauswahlfenster zur Auswahl der Messung. Uigetfile gibt zwei Variablen aus, filename und pathname den Dateinamen und den Ort der Datei. Der erste Parameter von uigetfile kann einen von zwei Filterwerten für die Ansicht von Dateien annehmen: alle.forces -Dateien oder alle Dateien. Der zweite Parameter bestimmt den Titel des Fensters. Die folge if-bedingung setzt den Ort und dem Dateinamen nur dann zum Dateipfad zusammen, wenn beide nicht leer sind, also eine Eingabe bekommen haben. Importdata liest die Datei Seite 34 von 63

35 ein, in data1 werden die reinen Zahlenfelder aus tempdata1 eingelesen, Text und Text mit Zahlen wird nicht übertragen Auslesen der Messwerte Um einen Kraft-Wert aus einer Matrix auszulesen, braucht man die Zeile und die Spalte des Wertes. In MATLAB funktioniert das nach dem folgen Prinzip: Variable(Zeile,Spalte) Will man eine ganze Zeile oder Spalte auslesen, so benutzt man für das Zeilenfeld beziehungsweise das Spaltenfeld ein :. FX1=data1(:,2); Dieser Block schreibt die zweite Spalte der Matrix data1 (X-Kraft, Platte 1) in die Variable FX1. FX1 ist nun ein Vektor. In der ersten Spalte von data1 befindet sich die nicht benötigte fortlaufe Nummerierung der Messwerte. Nach demselben Prinzip werden nun die anderen Kräfte in die Variablen FY1, FZ1, FX2, FY2 und FZ2 eingelesen. Die Reihenfolge der Spalten ist in 2.4 nachzulesen Berechung der Gesamtkraft Addiert man in zwei Matrizen, so müssen diese dieselbe Größe haben. Es werden dann die Werte auf derselben Position in beiden Matrizen addiert, die Matrizen werden sozusagen übereinander gelegt und addiert. F1 = (FX1.^2 + FY1.^2 + FZ1.^2).^0.5; F2 = (FX2.^2 + FY2.^2 + FZ2.^2).^0.5; Diese Zeile berechnet mit Hilfe zweier Kräfteparallelogramme den gesamten Kraftvektor für Platte 1, also die Länge der Addition aller drei Kraftvektoren. Seite 35 von 63

36 Abbildung 30 Kräfteparallelogramme zur Berechnung des gesamten Kraftvektors Abbildung 30 zeigt die zwei Kräfteparallelogramme für die Addition der drei Kräfte. Kräfte kann man nicht wie einfache Zahlen addieren, da Kraft keine Zahl sondern ein Vektor ist. Dieselbe Addition wird auch für die zweite Platte durchgeführt. Die Kräfteparallelogramme lassen sich einfach mit dem Satz des Pythagoras berechnen. F3 = F1+F2; FY = FY1+FY2; F3 ist die Addition der Kraftvektoren beider Platten, FY die Addition der Y- Kraft beider Platten. In MATLAB werden Matrizen auf zwei Arten erweitert. Um eine Matrix um eine Zeile zu erweitern, benutzt man die folge Form: Beispielmatrix = [Beispielmatrix; neuezeile] neuezeile wird dann unter Beispielmatrix geschrieben. Um eine Matrix um eine Spalte zu erweitern benutzt man diese Form: Beispielmatrix = [Beispielmatrix neuespalte] neuespalte wird hier rechts an Beispielmatrix geschrieben. Hier wie auch beim Erweitern um eine Zeile muss die neue Spalte dieselbe Zeilenanzahl wie die Matrix beziehungsweise die Zeile dieselbe Spaltenanzahl haben. Seite 36 von 63

37 [height,width] = size(data1); Zuerst wird die Größe von data1 mit size bestimmt. Size gibt für eine Matrix die Größe in folgem Format aus Länge Breite Erkennung der Kontakte Height ist also die Länge des Vektors der Kraftmessung und damit auch die Dauer der Messung in Millisekunden. contactlist1=kontakterkennung(height,fy1) contactlist2=kontakterkennung(height,fy2) Mit diesem Codeblock wird Funktion Kontakterkennung aufgerufen, die die Kontaktstart- und zeitpunkte auf Platte 1 und Platte 2 über die Y- Kraft bestimmt. While ist der Aufruf einer bedingten Wiederholung mit dem folgen Schema: While BEDINDUNG -AKTIONEN- End if ist der Aufruf einer bedingten Aktion mit dem folgen Schema: If BEDINGUNG -AKTION WENN BEDINGUNG WAHRelse -AKTION WENN BEDINGUNG NICHT WAHR- End Else und entspreche Aktionen sind optional. While und If benutzen gleiche Bedingungen wie == (Ist-gleich), > und <. In MATLAB werden Funktionen nach einem festen Schema erstellt und aufgerufen. function ergebnis=addition(a,b) ergebnis = A+B; Diese Funktion Addition addiert die Eingabevariablen A und B. Ausgeben wird ergebnis. Aufgerufen wird die Funktion nach dem folger Form: X=Addition(Y,Z); Seite 37 von 63

38 contactlist1=kontakterkennung(height,fy1); contactlist2=kontakterkennung(height,fy2); function contactlist= kontakterkennung(height,f) checkcounter=1; contactlist=[]; while checkcounter < height if F(checkcounter,1) > 120 contactlisttemp= checkcounter; while F(checkcounter,1) > 10 if checkcounter<height checkcounter = checkcounter+1; contactlist = [ contactlist; contactlisttemp checkcounter+1;]; else checkcounter = checkcounter+1; Die Funktion kontakterkennung erkennt anhand eine Schwellenwertes die Kontaktstart- und zeitpunkte. Es wird mit while eine Wiederholung gestartet mit der Anweisung, - sich solange checkcounter kleiner als height ist - zu wiederholen, also solange, bis die Messung zu Ende ist. Checkcounter wird vor der Anweisung auf 1 gesetzt. Wenn der Wert von F in der Zeile mit der Nummer von checkcounter1 über 120 Newton liegt, wird der Zeitpunkt als Startzeitpunkt des Kontaktes in die Variable contactlisttemp gespeichert. 120 Newton hat sich in der Praxis als am besten erwiesen, da mit diesem Wert so gut wie keine falschen Kontakte erkannt werden, der erkannte Startzeitpunkt, aber nicht zu spät ist, um den genauen Punkt nachher noch zu bestimmen. Die nächste Wiederholungsanweisung erkennt die Dauer des Kontakts. Checkcounter zählt nach oben, solange der Wert von F nicht unter 10 Newton fällt, und solange checkcounter noch nicht das Ende des Vektors erreicht hat. 10 Newton erwiesen sich als guter Wert, da hier der Kontakt mit Sicherheit et und die lineare Abweichung der Platte nie 10 Newton überschreiten kann in der kurzen Messung. Wenn der Wert unter 10 Newton fällt, wird Startzeitpunkt, contactlisttemp, mit dem aktuellen Wert von checkcounter+1, dem Endzeitpunkt, unter contactlist eingetragen. +1 da erst der nächste Wert unter 10 Newton liegen wird. Die gesamte Funktion gibt am Schluss die Variable contactlist aus. In dieser sind alle Start- und Seite 38 von 63

39 Endpunkte der Kontakte eingetragen, in die erste Spalte die Startzeitpunkte, in die zweite Spalte die Endzeitpunkte. Startzeitpunkte Endzeitpunkte Abbildung 31 Veranschaulichung der Matrix contactlist1/2 sizecontactlist1 = size(contactlist1); sizecontactlist2 = size(contactlist2); Die Anzahl der Zeilen von contactlist1 beziehungsweise contactlist2 ist die Anzahl der Kontakte auf Platte 1 beziehungsweise Platte2. contactlist1= linearkontakt(contactlist1,fy1,sizecontactlist1); contactlist2= linearkontakt(contactlist2,fy2,sizecontactlist2); function contactlist= linearkontakt(contactlist,f,sizecontactlist) for u= 1:sizecontactlist(1,1) steigungtemp = ((F(contactlist(u,1),1))-F(contactlist(u,1)-4,1))/4; nullstelliff = F(contactlist(u,1),1)/steigungtemp; contactlist(u,1)=contactlist(u,1)-nullstelliff; contactlist=round(contactlist); Die Wiederholungsanweisung for erzeugt eine Wiederholung mit einer bestimmten Anzahl, wobei pro Wiederholung eine Variable um eine feste Schrittweite weiterzählt. Die Schreibweise a:b lässt sich erklären mit von a bis b. Die Funktion linearkontakt verbessert die Erkennung des Startzeitpunktes. Der bisher berechnete Startzeitpunkt ist nur der Zeitpunkt an dem die Kraft den Wert 120 Newton übersteigt. Seite 39 von 63

40 120 N Abbildung 32 Lineare Annäherung der Startzeitpunkte der Kontakte U zählt bis sizecontactlist(1,1). Dieser Wert stellt die Anzahl der Kontakte der Messung auf Platte 1 dar. Die Wiederholungsanweisung berechnet für jeden Kontakt die Steigung zwischen dem Startzeitpunkt und 4 ms danach. Dann wird die Entfernung in x-richtung zur Nullstelle der linearen Funktion berechnet. Diese Entfernung wird dann vom ehemaligen Startzeitpunkt abgezogen. Round rundet contactlist dann auf ganze Zahlen. contactlist1= delkurzkontakt(contactlist1,sizecontactlist1) contactlist2= delkurzkontakt(contactlist2,sizecontactlist2) function contactlist= delkurzkontakt(contactlist,sizecontactlist) u=1; while u < sizecontactlist(1,1)+1 if contactlist(u,2)-contactlist(u,1) <100 contactlist(u,:)=[]; sizecontactlist = size(contactlist); else u = u+1; Die Funktion delkurzkontakt überprüft contactlist daraufhin, ob die Differenz zwischen Start und Stopp kleiner als 100 ms ist. Ist dies der Fall, so ist dieser erkannte Kontakt kein richtiger Kontakt des Sportlers mit der Platte ist, es handelt sich um einen Störwert. Diese Zeile wird gelöscht und die Größe von contactlist wird aktualisiert, um die Wiederholungsanweisung korrekt ablaufen zu lassen. Seite 40 von 63

41 contactlist1=kontaktverbesserung(fy1,contactlist1,sizecontactlist1); contactlist2=kontaktverbesserung (FY2,contactlist2,sizecontactlist2); function contactlist=kontaktverbesserung(f,contactlist,sizecontactlist) for u= 1:sizecontactlist(1,1) while F(contactlist(u,1),1)==0 contactlist(u,1)=contactlist(u,1)+1; if F(contactlist(u,1),1)>0 countdown=1; while countdown <= 5 if F(contactlist(u,1),1)>0 contactlist(u,1)=contactlist(u,1)-1; countdown=countdown+1; if countdown==5 contactlist(u,1)=contactlist(u,1)-1; Die Funktion kontaktverbesserung soll den Startzeitpunkt der Kontakte noch weiter verbessern. Für jeden Kontakt in contactlist werden zwei Verbesserungen vorgenommen. Der Startzeitpunkt wird solange nach hinten verschoben, bis der Messwert der Y-Kraft nicht mehr 0 ist. So wird der Wert leicht korrigiert, falls er zu früh ist. Die zweite Verbesserung greift, wenn der Startzeitpunkt zu spät liegt. Dann wird dieser Wert noch solange nach vorne verschoben bis er den Wert 0 erreicht, maximal aber nur 5 ms. Die Begrenzung von 5ms ist nötig, um den bisher erkannten Startzeitpunkt bei einer nicht optimalen Messung nicht wertlos zu machen. Die Erkennung des ersten Kontakts des Starts mit der durchgeführten Methode ist nicht eindeutig. Das kommt daher, dass bereits vor dem ersten Kontakt Druck auf die Platte in Y-Kraft ausgeübt wird. Seite 41 von 63

42 Abbildung 33 Zeit-Kraft Verlauf vor einem Start (Y-Kraft) Abbildung 33 zeigt den Verlauf des Kraft-Graphen der Y-Kraft vor dem Start eines Sportlers. Platte 1 und 2 drücken mit gleicher Kraft in gleicher Kraft in entgegen gesetzte Richtungen. Die Summe der beiden Kräfte gibt ungefähr 0 der Sportler bewegt sich weder nach vorne, noch nach hinten. Die Kräfte auf den beiden Platten durch den unter Spannung stehen Sportler gleichen sich aus. Der Start beginnt, wenn nun die Summe der Kräfte steigt, eine der Kräfte überwiegt und der Sportler sich bewegt. startcontactcounter=1; startcontactcheck=0; if contactlist2(1,1)<contactlist1(1,1) for i=1:contactlist2(1,2) if FY(i,1)>120 if startcontactcheck==0 startcontact=startcontactcounter startcontactcheck=1; startcontactcounter=startcontactcounter+1; else startcontactcounter=startcontactcounter+1; if startcontactcheck==1 contactlist2(1,1)=startcontact; FY(contactlist2(1,1),1) steigungtemp = (FY(contactlist2(1,1)+2,1)- FY(contactlist2(1,1)-2,1))/4; nullstelliff2 = FY(contactlist2(1,1),1)/steigungtemp; contactlist2(1,1)=contactlist2(1,1)- nullstelliff2; contactlist2(1,1)=round(contactlist2(1,1))-2; Seite 42 von 63

43 else for i=1:contactlist1(1,1)-1 if FY(i,1)>120 startcontactcheck=1; else startcontactcounter=startcontactcounter+1; if startcontactcheck==1 contactlist1(1,1)=startcontactcounter; contactlist1(1,1)=startcontactcounter; steigungtemp = (FY(contactlist1(1,1),1))- FY(contactlist1(1,1)-4,1)/4; nullstelliff1 = FY(contactlist1(1,1),1)/steigungtemp; contactlist1(1,1)=contactlist1(1,1)-nullstelliff1; contactlist1(1,1)=round(contactlist1(1,1))-2 Dieser Codeblock erkennt den ersten Startkontakt mit dieser Methode besser als über die für die anderen Kontakte benutzte Methode. Es wird erkannt, auf welcher Platte der erste Kontakt stattfindet und dann für diesen Kontakt der Startzeitpunkt neu belegt. Diese Unterscheidung ist für den Fall, dass der Sportler die Beine anders aufstellt. Dann wird der Zeitpunkt gesucht, an dem FY, die Summe von FY1 und FY2, zum ersten Mal den Wert 120 Newton überschreitet. Falls dies der Fall ist, wird der alte Wert des Startzeitpunktes des ersten Kontakts des Starts auf diesen Wert gesetzt. Dann wird er noch mit der Methode der linearen Angleichung verbessert und mit round gerundet Berechnung der Kennwerte Kontaktdauer contactdurationtemp1=kontaktdauererkennung(contactlist1,sizecontactlist1) contactdurationtemp2=kontaktdauererkennung(contactlist2,sizecontactlist2) function contactdurationtemp=kontaktdauererkennung(contactlist, sizecontactlist) contactdurationtemp= []; for contactdurationcounter=1:sizecontactlist(1,1), contactdurationtemp=[contactdurationtemp; contactlist(contactdurationcounter,2)- contactlist(contactdurationcounter,1)] kontaktdauererkennung berechnet die Dauer der Kontakte, die Differenz zwischen Stopp und Start, in eine Variable. maxcontactduration1 = max(contactdurationtemp1)+1; maxcontactduration2 = max(contactdurationtemp2)+1; Seite 43 von 63

44 Übertragen von Kontakten Dieser Block findet mit dem Befehl max die längste Kontaktdauer. Max findet pro Spalte den maximalen Wert. Zur Absicherung wird der Wert um 1 erhöht, um spätere Probleme zu vermeiden. contact1=kontaktuebertragung(f1,contactlist1,sizecontactlist1, maxcontactduration1) contact2=kontaktuebertragung(f2,contactlist2,sizecontactlist2, maxcontactduration2) contacty1=kontaktuebertragung(fy1,contactlist1,sizecontactlist1, maxcontactduration1) contacty2=kontaktuebertragung(fy2,contactlist2,sizecontactlist2, maxcontactduration2) function contact=kontaktuebertragung(f, contactlist,sizecontactlist,maxcontactduration) contact = zeros(maxcontactduration,sizecontactlist(1,1)); for i=1:sizecontactlist(1,1), for j=1:(contactlist(i,2)-contactlist(i,1)+1), contact(j, i) = F(contactlist(i, 1)+j-1, 1); In diesem Codeblock überträgt Kontaktübertragung alle Messwerte währ der Kontakte in Matrizen. Für jeden Kontakt gibt es eine Spalte, jede Platte erhält 2 Matrizen, eine für die Werte der Y-Kraft währ der Kontakte und eine für den gesamten Kraftvektor. Die Funktion erstellt mit zeros eine Matrix mit Nullen als Werte, mit der Anzahl der Kontakte als Breite und der maximalen Kontaktlänge als Länge. Dann werden von oben herab die Messwerte in die jeweiligen Spalten geschrieben Abbildung 34 Veranschaulichung von contact Abbildung 34 zeigt beispielhaft den Aufbau von contact1 einer Messung. Der 2. Kontakt (Mitte) ist der längste und bestimmte die Länge der Matrix. Seite 44 von 63

45 Explosivkraft explosivsteig1=explosivberechnung(contact1,sizecontactlist1); explosivsteig2=explosivberechnung(contact2,sizecontactlist2); explosivsteigy1=explosivberechnung(contacty1,sizecontactlist1); explosivsteigy2=explosivberechnung(contacty2,sizecontactlist2); function explosivsteig=explosivberechnung(contact,sizecontactlist) for i=1:sizecontactlist(1,1) explosiv(i,1) = find(contact(:,i)>=(0.3*max(contact(:,i))), 1, 'first'); explosiv(i,2) = find(contact(:,i)>=(0.9*max(contact(:,i))), 1, 'first'); for i=1:sizecontactlist(1,1) explosivsteig(i,1)=(contact((explosiv(i,2)),1)- contact((explosiv(i,1)),1))/((explosiv(i,2))-((explosiv(i,1))))*10; explosivsteig=round(explosivsteig); explosivsteig=explosivsteig/10; Der Schlüsselwert Explosivkraft wird mit der Funktion explosivberechnung erstellt. Diese Funktion findet zuerst die Zeitpunkte, an denen in den einzelnen Kontakten 30% und 90% der maximalen Kraft überschritten werden. Dann wird die Steigung einer linearen Funktion zwischen diesen beiden Punkten im Zeit-Kraft Graphen berechnet. Der Wert wird durch multiplizieren mit 10, dann runden und wieder durch Teilen durch 10 auf eine Nachkommastelle genau ausgerechnet. Dies ist praktisch für die spätere Ausgabe der Zahl Gewicht des Sportlers if contactlist2(1,1)<contactlist1(1,1) if contactlist2(1,1)<50 gewicht = sum(f3(1:contactlist2(1,1)-10))/(contactlist2(1,1)-10) else gewicht = sum(f3(1:contactlist2(1,1)-50))/(contactlist2(1,1)-50) else if contactlist1(1,1)<50 gewicht = sum(f3(1:contactlist1(1,1)-10))/(contactlist1(1,1)-10) else gewicht = sum(f3(1:contactlist1(1,1)-50))/(contactlist1(1,1)-50) gewicht=gewicht/9.81; Dieser Codeblock berechnet das Gewicht des Sportlers. Da der Sportler zu Beginn der Messung auf der Platte steht ist das mit der Addition der beiden gesamten Kraftvektoren der Platten möglich. Es wird überprüft,auf welcher Platte der erste Kontakt stattfindet und ob dieser Kontakt nach einer ungewöhnlich kurzen Zeit, 50ms, stattfindet. Dann wird das Gewicht des Sportlers aus dem Durchschnitt der Kraft auf die beiden Platten bis 10ms vor dem 1. Kontakt berechnet, ansonsten aus dem Durchschnitt bis Seite 45 von 63