Чи можуть акселерометри точно відстежувати показники бігу в приміщенні?
Загроза наближається. Брансвік потребує попередження. Зомбі випереджають мене, відрізаючи шлях до відступу. Мені треба тікати. Мої легені горять. Ноги кричать від болю. Я виснажений.
Але насправді я не виснажений. Я сиджу на дивані. “Орда” – це сценарій. Попередження – це код. А втома — лише результат реального тренування, накладеного на вигаданий апокаліпсис додатком Zombies, Run! Мені подобається гейміфікація. Вона перетворює пробіжку на місію. Але я також готуюся до напівмарафону. Вигадка не скорочує мої секунди. Це робить дійсність. А реальність потребує даних.
Більшість бігунів покладаються на GPS. Це золотий стандарт для відстеження активності на свіжому повітрі. Він точно показує, як далеко ви пробігли і з якою швидкістю. Але що відбувається, коли ви не можете вийти надвір? Дощ. Сніг. Жвава вулиця. Або, як у моєму випадку, просто бажання залишитись у приміщенні. Коли GPS недоступний, програми перемикаються на акселерометр.
Як акселерометри відстежують рух без супутникових даних
Ваш телефон не має кришталевої кулі. Він не знає, де ви знаходитесь на карті. Але він має акселерометр. Цей крихітний датчик вимірює зміни швидкості. Він фіксує рух у трьох вимірах: вгору/вниз, вліво/вправо, вперед/назад.
Коли ви біжіть, ваше тіло підстрибує. Кожен удар стопи посилає через пристрій ударну хвилю. Акселерометр підраховує ці дії. Він аналізує патерн підстрибувань. За допомогою алгоритмів він оцінює довжину кроку та частоту кроків. На основі цього він розраховує пройдену дистанцію.
Так працює відстеження у приміщенні. Не магія. Це математика, заснована на фізиці. І вона недосконала.
Чому відстеження в приміщенні за своєю природою менш точно
GPS захоплює сигнал супутників. Він точний. Акселерометри схильні до дрейфу. Вони накопичують помилку з часом. Уявіть крокомір на стероїдах. Якщо ви робите крок, він вважає його. Якщо ви десять хвилин тупцюєте на місці, він може вирішити, що ви пройшли милю. Він не може відрізнити, біжіть ви в гору або спускаєтеся сходами. Він просто фіксує вібрацію.
Дослідження показали, що відстеження у приміщенні може мати похибку у 10–20% або більше. Чим довша ваша пробіжка, тим гіршою стає точність. Алгоритм передбачає постійну довжину кроку. Але ваш крок змінюється. Ви стомлюєтеся. Ви коректуєте техніку. Додаток не знає. Воно просто продовжує рахувати.
Які програми краще справляються з відстеженням у приміщенні?
Не всі програми створені рівними. Деякі використовують складніші алгоритми. Деякі поєднують дані акселерометра з моніторингом серцевого ритму для уточнення оцінок. Інші просто вважають кроки та множать їх на фіксовану довжину кроку. Це найпростіший спосіб помилитися.
Такі програми, як Strava, Nike Run Club і Garmin Connect, з часом покращили свої режими для бігу в приміщенні. Вони часто просять ввести ваше зростання або дані попередніх пробіжок на відкритому повітрі для калібрування довжини кроку. Це допомагає. Але це досі оцінка.
Zombies, Run! робить акцент на оповіданні. Його відстеження вдруге стосовно історії. Якщо вам потрібні точні дані для тренувань, можливо, варто перевірити ще раз їх за допомогою спеціалізованих годинників для бігу. У цих пристроях є вбудовані акселерометри, але вони часто калібруються інакше. Вони призначені саме для цього завдання.
Акселерометри у вашій кишені – це, по суті, просунуті датчики руху. Вони вимірюють зміни напряму та швидкості. Коли ви біжите, вони відстежують прискорення при кожному кроці та невелике уповільнення після того, як ваша стопа стосується землі. Це постійні, невблаганні дані.
Але ось у чому проблема. Хоча GPS робить відстеження дистанції на відкритому повітрі тривіальним завданням, точність визначення дистанції на біговій доріжці з використанням датчиків телефону – це хаос. Існує сотні програм для бігу на iOS та Android. Лише небагато добре справляються з відстеженням indoors. Чому? Тому що розрахувати уявну дистанцію без сигналу супутника складно.
Алекс Макміллан, провідний розробник “Zombies, Run!”, вказує на основну проблему. Дані акселерометра зашумлені. Потрібно відрізняти реальний рух бігуна від трясіння телефону в кишені. Йдеться не просто про рух. Йдеться про відокремлення сигналу від хаосу.
Потім навантаження на дані. Щоб отримати корисні результати, потрібно часто опитувати акселерометр. Це означає, що код повинен виконувати обчислення між кожним окремим зразком. Це потребує швидкості. Це потребує ефективності. Додайте до цього той факт, що ви фактично нікуди не рухаєтеся, і ви зрозумієте, чому розробники мають труднощі.
Пастка крокоміра
Просте рішення? Ставтеся до акселерометра як крокоміру. Вважайте кроки. Помножте на довжину кроку. Готово.
Це просто звучить. Це також вкрай неточно.
Цей метод потребує введення даних. Ви повинні повідомити додаток своє зростання і вагу. Програма використовує це для оцінки довжини кроку. Але що, якщо у вас довгі ноги щодо вашого зросту? Людина з таким самим зростанням, як у вас, може мати більш коротку довжину кроку. Математика одразу дає збій.
Деякі програми намагаються це виправити. Вони просять вас пробігти певну відстань. Можливо, милю. Потім ви повідомляєте додатку, як далеко ви пробігли. Програма коригує оцінку довжини кроку. Nike+ GPS дозволяє виконати «калібрувальний забіг». Ви вводите дистанцію постфактум. Програма перераховує дані на майбутнє.
Але це запроваджує нові змінні.
Що, якщо ви використовуєте інтервали бігу та ходьби? Довжина вашого кроку при ходьбі коротша, ніж при бігу. Додаток не знає, що саме ви робите, якщо ви не повідомите йому про це. Що, якщо ваш калібрувальний забіг був швидше за ваш звичайний темп? Хода варіюється. Довжина кроку варіюється.
«Якщо вимір довжини кроку невірно навіть у невелику величину, загальна оцінна дистанція може бути невірною на значну величину».
Попередження Макміллана залишається чинним. Якщо ви помітили розбіжність між дистанцією, показаною вашою програмою, і дисплеєм бігової доріжки, ви бачили цю помилку в дії. Це проблема для всіх, хто готується до напівмарафону чи марафону. Точність має значення.
Команда Макміллана працює над новою моделлю. Вони не намагаються виміряти абсолютну швидкість. Вони вимірюють відносну зміну. Цей підхід ігнорує зростання та вагу. Він ігнорує довжину кроку. Він зосереджений у тому, як швидкість змінюється щодо себе. Чи вирішить це проблему, покаже час.
Бігова доріжка теж не ідеальна
Чому б просто не довіритись машині? Бігові доріжки вважають оберти ременя. Це здається бездоганним. Але це негаразд.
Введіть у пошук «точність визначення дистанції на біговій доріжці», і ви знайдете скарги всюди. Невелика помилка у розрахунку довжини ременя накопичується за тисячі обертів. За 5-кілометрову пробіжку ця крихітна помилка перетворюється на значну різницю у дистанції. Машина теж бреше.
Отже, ви застрягли між зашумленим датчиком та потенційно неточною машиною. Що ви можете зробити?
Налаштуйте свій досвід для отримання найкращих результатів
Ви не можете виправити апаратне забезпечення. Ви можете лише оптимізувати введення даних. Якщо ваш додаток дозволяє калібрування, використовуйте його. Робіть це послідовно. Використовуйте той же темп розминки для забігів калібрування, щоб змінні залишалися стабільними.
Будьте обережні з програмами, які заявляють про ідеальну точність без введення даних користувачем. Якщо програма запитує зростання і вагу, але нічого більше, ставтеся до його показників дистанції як до оцінок. Грубим оцінкам.
«Маючи можливість вимірювати лише відносне зміна швидкості людини, а чи не намагаючись точно оцінити фактичну швидкість бігуна, вважаємо, що можемо створити модель, яка працюватиме дуже широкого діапазону бігунів».
Ця філософія може стати майбутнім відстеження іndoors. До того часу покладайтеся на зусилля. Покладайтеся на якийсь час. Більше довіряйте печінню в ногах, ніж на екрані.
Розрив між зусиллями, що сприймаються, і цифровими показаннями — це те місце, де знаходиться реальна інформація. Це є хаотично. Це по-людськи. І це єдине, чим ви можете по-справжньому керувати.
Калібрування додатків для бігу в приміщенні для підвищення точності
Отримання точних даних від програми для бігової доріжки не відбувається автоматично. Вам доведеться працювати над цим.
Перша перешкода — знайти програмне забезпечення, яке дозволяє вводити дані для калібрування. Багато популярних фітнес-додатків взагалі не підтримують цю функцію. Якщо ваш поточний вибір не пропонує такої можливості, вам доведеться задовольнятися приблизною оцінкою. Якщо ж ви знайдете додаток, що дозволяє ручне введення, ось як можна підвищити точність.
Точно визначте дистанцію
Вам потрібна відома змінна.
Знайдіть місце, де відстань відома зі 100% точністю. Регулярна легкоатлетична доріжка є золотим стандартом. Вона розмічена та виміряна.
Нема доступу до стадіону? Чи не проблема. Вийдіть надвір. Використовуйте GPS-пристрій або телефон у режимі вулиці, щоб прокласти маршрут. Виберіть щось просте. Одна миля. Один кілометр. Позначте точні точки початку та зупинки. Запишіть їх. Вам потрібні ці координати з максимальною точністю.
Переключіть програму в режим «в приміщенні»
Цей крок є обов’язковим.
Чи знаходитесь ви на біговій доріжці або просто ходите вітальнею для калібрування, ви повинні переключити програму в режим «в приміщенні» (indoor). Чому? Тому що це говорить програмне забезпечення ігнорувати сигнали GPS. Це змушує телефон покладатися на акселерометр. GPS погано працює у приміщенні. Акселерометр працює добре. Це єдиний датчик, який фіксує ваші кроки.
Виконайте калібрувальний забіг
Тепер біжіть.
Почніть у позначеній вами точці початку. Зупиніться точно у запланованому місці. Якщо ви використовуєте інтервальний тренінг (біг/ходьба), дотримуйтесь свого звичайного співвідношення. Не змінюйте темп або патерн для тесту.
Вкрай важливо зробити дистанцію якомога довшою. Більше точок даних означає стабільніший розрахунок. Короткий забіг не дасть додатку достатньо інформації для побудови надійної моделі.
Введіть дані
Після завершення введіть дистанцію.
Програма приймає це число. Воно ділить його на кількість кроків, записаних акселерометром. Результатом є ваша середня довжина кроку.
Саме тому важливим є правильне співвідношення інтервалів. Якщо ви бігаєте і ходите під час тесту, програма розраховує середнє значення, що включає обидва види рухів. Якщо ви тільки бігаєте під час калібрування, але ходите під час реального тренування, ці дані марні. Ви порівнюєте незрівнянне. Довжина кроку змінюється між бігом та ходьбою. Програма повинна це знати.
Перевірте результати
Пройдіть маршрут знову.
Тримайте програму у режимі «в приміщенні». Перевірте дистанцію.
Якщо вона близька до заданої, добре. Якщо є розбіжності, не панікуйте. Спробуйте повторити весь процес із більшою дистанцією. Більший розмір вибірки часто коригує невеликі відхилення.
Коли слід перекалібрувати
Ваше тіло змінюється. Ваша рутина змінюється.
Якщо ваша вага змінилася більш ніж на кілька фунтів, перекалібруйте програму. Втрата ваги зазвичай означає, що ви стаєте швидше. Довжина вашого кроку зростає. Частота кроків змінюється. Якщо ви зміните співвідношення бігу до ходьби, це ще один тригер для перекалібрування.
Програма робить припущення. Воно використовує формулу: кроки, помножені на довжину кроку. Не магія. Це математика, заснована на обмежених даних. Ви не отримаєте 100-відсоткову точність. Це неможливо за поточного рівня сенсорних технологій. Але ви можете відстежувати прогрес. Ви можете побачити тенденції. Ви можете знати, чи стаєте ви швидше або повільніше з часом.
У цьому полягає реальна цінність. Чи не в точному підрахунку метрів. У тенденції.
Примітка автора: Таємниця акселерометра
Я протестував більше дюжини додатків для бігу. Я люблю технології, але знаю їх обмеження. Жодне з них не є ідеально точним у приміщенні. Кроки калібрування допомагають. Вони заповнюють розрив між «диким припущенням» та «обґрунтованою оцінкою».
Але якщо мені потрібні точні дані про темп? Я виходжу надвір. GPS найкраще для точності. Датчики найкращі для зручності. Знайте різницю.
Пов’язані теми
- Як працюють акселерометри iPhone
- Біг на біговій доріжці для тріатлетів
- Технології та втрата ваги
Зовнішні ресурси
- Zombies, Run!
- iTreadmill
- Nike+ GPS
Джерела
- Barański, P., et al. “Dead reckoning navigation – supplementing pedestrian GPS with accelerometer-based pedometer і electronic compass.” 2009.
- Cho, Dae-Ki, et al. “AutoGait: A Mobile Platform that Accurately Estimates the Distance Walked.” UCLA, Alcatel-Lucent Bell Labs. 2012 року.
- Hillrunner. “Treadmill Pace Conversions.”
- Texas Instruments. “Accelerometrs and How They Work.”
