Diagnose- und Steuergerät für Trainingsgerät

Die gibt es eigentlich fertig zu kaufen und viele Trainings-Bikes 
zumindest für dem ambitionierten Bereich - haben das schon drin. Es gibt 
auch Geräte, die Herzfrequenzen messen, teils mit externen Uhren 
(Polar), es per Funk an den Rechner übertragen, der das ins Programm 
einfließen lässt. Die Geräte von Tacx sind da mit vorne dran.

Microcontroller-Bastler schrieb:
> Ich möchte - möglichst auf Basis eines Arduino - ein Steuergerät
> entwerfen, mit dem Ich eine Trainingsgerät für den Kreislauf
> (Cardiospinner) steuern kann. Es Gerät ist ein halbes Fahrrad mit
> passiver elektrischer Bremse durch eine Art Motor im Kurzschlussbetrieb.
>
> Das würde Ich gerne umrüsten, daß Ich es steuern und auch regeln kann,
> wobei Ich die Last anhand der Pulsfrequenz stabil halten will. Gebraucht
> wird also die Leistung des Spinners und die der Fahrers.

Das ergibt keinen Sinn. Die Leistung des Fahrers ist natürlich gleich 
der Leistung des Spinners (ja gut, abzüglich Wirkungsgrad im Antrieb, 
aber das ist Pillepalle). Aber was möchtest du eigenlich regeln? Den 
Puls? Das kriegt ein Mensch ganz alleine hin, sofern er den Puls 
angezeigt bekommt.

Die Leistung des Spinners müßtest du hingegen erstmal messen. Hier wäre 
eine Verstellmöglichkeit prinzipiell sinnvoll, z.B. damit man je nach 
Fitness trotzdem mit der Trittfrequenz im Wohlfühlbereich trainieren 
können. Ich stelle dazu einfach mein Rad auf den Rollentrainer und 
schalte je nachdem, welche Leistung ich treten will, in verschiedene 
Gänge. Aber eine Schaltung hat dein Gerät wohl nicht.

> Natürlich möchte Ich auch Dauer auch messen, wie gut Ich werde, brauche
> also die Leistung die Effizienz und die Körperdaten, was man eben so
> messen kann.

Wenn du die Tretleistung messen kannst, ist das alles was du sinnvoll 
bekommen kannst. Integriert über die Zeit kriegst du eine Energie (Joule 
= Ws). Der biologische Wirkungsgrad (Muskeln + Verdauung) ist für jeden 
Menschen leicht unterschiedlich, ich rechne mit 24% (die von der 
aufgenommenen Nahrung in mechanische Energie umgesetzt werden können). 
Das ist aber sowieso nur Spielerei.

> Wäre nett, wenn sich Unterstützer und Tippgeber fänden.

Sehr einfach geht das mit einem (Renn)rad und einem passenden 
Rollentrainer. Meiner von Kurt Kinetic hat eine genau definierte 
Abhängigkeit der Leistung von der Geschwindigkeit. Da reicht ein Sensor 
am Rad (oder der Rolle) um die Geschwindigkeit und darüber auch die 
Leistung zu erfassen.

Hab ich alles mal in einen ATmega gegossen. Was mir noch fehlte, war ein 
BTLE oder ANT+ Empfänger, um den Pulsgurt auszuwerten.

Beitrag "Powermeter für Kurt Kinetic Cycletrainer"

Allerdings hat das Projekt jeglichen Drive verloren, seit ich den 
Leistungsmesser an der Kurbel habe und alles mit dem Garmin tracken 
kann.

Microcontroller-Bastler schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Das ergibt keinen Sinn. Die Leistung des Fahrers ist natürlich gleich
>> der Leistung des Spinners (ja gut, abzüglich Wirkungsgrad im Antrieb,
>> aber das ist Pillepalle).
> Aber deshalb gibt es doch einen Sinn: Der Puls soll konstant gehalten
> werden, auch wenn man anfängt, langsamer zu treten. Dann muss eben die
> Kraft erhöht werden.

Das hast du nicht wirklich zu Ende gedacht. Wenn du müde wirst und 
deswegen langsamer trittst, soll es noch schwerer gehen?

>> Aber was möchtest du eigenlich regeln? Den Puls?
> Die abgegebene Leistung. Der Puls ändert sich ja bei Ermüdung.

Und was soll das nochmal bringen?

Training mit Pulskontrolle soll typischerweise eine Kontrolle der 
Trainingsintensität - ausgedrückt durch die Pulsrate in % vom 
Maximalpuls - ermöglichen. Bspw. Training der Grundlagen-Ausdauer bei 
60-70%. Oder Intervall-Training mit Wechsel zwischen 90% und 40%. Der 
einzig verläßliche Regler für den Puls ist aber der Mensch selber.

Was du also brauchst, ist eine trainingstaugliche Anzeige des Pulses. 
Möglichst große Ziffern und ordentlich Kontrast. Wenn du dann noch den 
Widerstand deines Trainingsgerät in sagen wir mal 10 Schritten 
verstellen kannst, reicht das für alle praktischen Belange.

>> Hab ich alles mal in einen ATmega gegossen. Was mir noch fehlte, war ein
>> BTLE oder ANT+ Empfänger, um den Pulsgurt auszuwerten.
> Hoppla das ist doch genau, was Ich suche!

Nein. Das ist nur der triviale Teil. Was dir fehlt, ist die Leistungs- 
messung. Die kriege ich bei meinem Rollentrainer "geschenkt", weil 
Leistung und Geschwindigkeit in einem genau definierten Zusammenhang 
stehen. Du hast das nicht.

>> Allerdings hat das Projekt jeglichen Drive verloren, seit ich den
>> Leistungsmesser an der Kurbel habe und alles mit dem Garmin tracken
>> kann.
> Wo ist da der Vorteil?

Der Garmin Edge kann von Haus aus ANT+ Sensoren. Und das ist dann nicht 
nur der Puls, sondern auch der Leistungsmesser am Rad und der 
Umdrehungssensor am Hinterrad. Ich brauche also kein Kabel mehr. Und der 
Edge ist ein fahrradtaugliches (u.a. wasser- bzw. schweißresistentes) 
Gerät, für das schon eine Halterung am Rad ist.

Außerdem kann ich so das Training auf der Rolle ganz einfach zu Connect 
hochladen und habe es da zusammen mit den Trainings auf der Straße.

Carlo schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Training mit Pulskontrolle soll typischerweise eine Kontrolle der
>> Trainingsintensität
> Ist die nicht bei jedem anders?

Der Maximalpuls ist für jeden Menschen anders. Gerade deswegen gibt man 
die Trainigsintensität ja in % des Maximalpulses an. Damit sie für jeden 
wieder gleich ist.

>> Bspw. Training der Grundlagen-Ausdauer bei
>> 60-70%. Oder Intervall-Training mit Wechsel zwischen 90% und 40%. Der
>> einzig verläßliche Regler für den Puls ist aber der Mensch selber.
> Nehmen wir einen Leistungssportler, der müsste zuerst wissen, bei
> welchem Puls er was leisten kann

Nein. Er muß nur seinen Maximalpuls kennen. Bzw. genauer: Maximal- und 
Ruhepuls. Die Differenz heißt Pulsreserve. Und Die Trainingsintensität 
bemißt sich danach, wieviel von der Pulsreserve aufgebraucht ist.

> Nun kommt aber meine Frage: Wozu über den Puls gehen, wenn die Leistung
> doch auch messbar ist?

Weil es keinen 100% reproduzierbaren Zusammenhang zwischen Puls und 
Leistung gibt. Ermüdung reduziert die Leistung. Und wenn das Training 
erfolgreich ist und du stärker wirst, dann kannst du bei dem gleichen 
Puls wie früher mehr Leistung bringen.

Bei den Trainingsgeräten muss man immer kalibrieren, egal, an welcher 
Stelle man die Leistung misst oder wie gut das voreingestellt ist. Schon 
dann, wenn man ein Rennrad mit etwas mehr Druck auf eine solche Rolle 
presst, entsteht mehr Reibung. Wird der Reifen beim Fahren dann warm, 
steigt der Luftdruck in den Reifen und der Bedarf ändert sich sogar 
während der Fahrt. Dann wäre noch das Profil der Reifen und der Rollen 
zu betrachten. Ich bezweifle auch ein wenig, ob das mit der 
kontrollierten Bremsung bei den genannten Geräten klappt, denn auch das 
fluid ändert seine Eigenschaften mit der Reibung. Hinzu kommt der 
Luftwiderstand des drehenden Hinterrades und und und ...

Ich denke, dass an der Stelle schon Einiges an Fehlern drin steckt!

Nach der Kette, die laut Messungen im Rennsport sehr relevant ist, sind 
wir am Kettenblatt und dem Tretlager. Schmierung und Qualität der Kette 
sowie der Lager machen angeblich Werte für den Wirkungsgrad von 82% ... 
93%. Das ist ein beachtlicher Unterschied!

Die Kraft an der Kurbel zu messen, ist daher noch das Beste. Ab da wirkt 
dann nur der Wirkungsgrad des Tretens, also der ausgebübte 
Winkelbereich, die Muskelvorspannung und damit der Körperhaltung sind 
hier wichtig sowie die Masse der Beine, wegen der Effizienz. Auch da 
sind laut mir bekannten Berichten wieder 5%-7% Unterschied in den 
Wirkungsgraden - auch wenn der Fahrer scheinbar optimal sitzt.

Als nächstes kommt die Form der Energiebereitstellung: Leistungen auf 
Feststoffwechsellevel benötigen mehr Energie, als Leistungen, die direkt 
aus Glukose vom Muskel gewonnen wird und diesbezüglich gibt es wiederum 
einen Vorteil gegenüber der Glukose, die aus dem Blut entnommen wird und 
von der Leber kommt. Hohe Leistungen, die z.T. anaerob bereitgestellt 
werden sind wiederum ineffektiver, weil ATP und KP vermehrt auch an 
anderen Stellen im Körper regeniert werden müssen.

Der Wirkungsgrad des Zellstoffwechsel rangiert nach meinem Wissen von 
60% .. 85%, wobei der niedrige Wert z.B. dann auftritt, wenn man Zucker 
ist, in Fett umwandelt um es erst später zu verbrennen, in dem man 
ständig zwischen anaerob und aerob wechselt und so die Milchsäure 
pendelt. Dabei fährt man etwas auf Kredit und lässt die lokalen 
Energieträger dann wiederherstellen.

Von daher kommen für die 250W, die ein untrainierter Mann laut Literatur 
bei ->PWC170 durchschnittlich treten kann, Werte zwischen 30% und 40% 
heraus. Ab dann hätten wir noch die Pumpleistung des Herzens und die 
Atmung. Die machen für sich gesehen bis zu jeweils grob 100W aus, wenn 
man am Limit ist.

Letztlich ist es noch relevant, ob man die ca 150W brutto an Grundumsatz 
mit hinzu rechnet, die der Körper ja auch leisten muss. Die sind 
wiederum von der Tageszeit, der Verdauung und dem Gewicht abhängig, 
sowie auch von der Außentemperatur. Ganz oben und bei Hitze kommt noch 
Kühlleistung durch Schwitzen hinzu.

Die 24% von Axel sind ein guter Wert, werden aber bei geringen 
Leistungen stark unterschritten und bei hohen Leistungen auch ziemlich 
überschritten.
Die Tempi, die heute im Zeitfahren über 1h regelmäßig vorlegt werden, 
erfordern auch bei leichten Fahrern und aerodynamischen Rädern 
wenigstens 400W Abgabeleistung.  Die haben aber sicher keine 1,2kW 
Wärmeabgabe :-)

Carlo schrieb:
>> Bspw. Training der Grundlagen-Ausdauer bei
>> 60-70%. Oder Intervall-Training mit Wechsel zwischen 90% und 40%. Der
>> einzig verläßliche Regler für den Puls ist aber der Mensch selber.
> Nehmen wir einen Leistungssportler, der müsste zuerst wissen, bei
> welchem Puls er was leisten kann und bei welchem Puls er deshalb
> trainieren muss.
Das weiß er auch, wobei dort auch Spiroergometrie betrieben wird, also 
die Atmung gemessen wird. Damit können die Schwellen, bis zu der man 
noch voll aerob arbeiten kann, genau bestimmt.

> Die Messung des Pulses ist also irgendwie logisch.
Das ist von dem Sportler während der Last am besten zu kontrollieren. 
Atmung und O2-Bedarf, Blutdruck und Laktat wären noch wichtiger, sind 
aber schlecht oder gar nicht bestimmbar.

> Nun kommt aber meine Frage: Wozu über den Puls gehen, wenn die Leistung
> doch auch messbar ist?
Weil die Effizienz mit ins Spiel kommt: Wenn der Bewegungsablauf besser 
wird, muss systemisch weniger geleistet werden, man kann also mit 
weniger Herzleistung dieselbe Beinarbeit bringen, ergo könnte man noch 
etwas mehr machen. Ob das sinnvoll ist, hängt vom Trainingsplan ab. Man 
kann z.B. beim Radsport in sehr muskulösen Beinen meistens sehr viel 
mehr mitochondriale / enzymatische Ausdauerleistung bringen, als die 
Atmung und das Herz heranschaffen kann. Daher kann es sinnvoll sein, den 
Herzkreislauf durch Zusatzlasten zu belasten auch wenn die Beine 
Erholungstag haben.

Umgekehrt wird ein zu müdes Herz mit hohen Pulsen reagieren (statt mit 
Kraft und Volumen, wie es könnte). Damit setzt ein Regeleffekt ein. An 
der Herzleistungsgrenze nimmt man dabei automatisch Beinleistung zurück 
- im unteren Trainingsbereich, nimmt man den Frequenzanstieg zum 
Trainingsende hin und lässt ihn zu.

Und dann kommt, was Axel sagte:

Axel S. schrieb:
> Und wenn das Training
> erfolgreich ist und du stärker wirst, dann kannst du bei dem gleichen
> Puls wie früher mehr Leistung bringen.
Auch ohne eine Leistungsanpassung erfolgt eine automatische Steigerung, 
wenn man sich hart am Puls orientiert. Das ist für nicht gut überwachte 
Sportler in der Tat die beste Option, weil z.B. auch Übertraining und 
allgemeine Krankheiten zu einem künstlichen Anstieg der Frequenz führen.

"Kalibrieren" kann man die aber mit PWC-Tests nicht. Für das 
individuelle Training ist das aber auch nicht unbedingt nötig. Wenn man 
ein System hat, welches reproduzierbare Werte liefert und reproduzierbar 
im Widerstand einstellbar ist, reicht es eigentlich.

Wenn man wirklich die Leistung messen will, um sie Trainern mitzuteilen 
und mit anderen zu vergleichen, muss das Gerät schon von Außen 
kalibriert werden. Einige Hersteller bieten das wohl inzwischen auch an.

Es muss aber noch eines berücksichtigt werden:

Die Ergometerleistungen sind nur indirekte Indikatoren, weil das 
Verhalten auf dem Rad, also die Qualität der Balance, die Effizienz des 
Armeinsatzes und auch die Oberkörpergegenbewegung massgeblich dafür 
sind, was dann jemand real am Berg an Drehmoment noch halten und an 
Geschwindigkeit fahren kann.

Warum sollte man besonders gleichmäßig trainieren? Das führt nur zu 
einem Einschwing- und Sättigungsvorgang, weil man gegenüber dem 
Trainingsreiz abstumpft und unempfindlich wird. Hier mal eine 
Prinzipkennlinie und Umsetzungsbeispiel aus dem Radsport für einen 
(Wieder-)einsteiger mit Ergebnissen.

Und noch ein Ergebnisblatt aus einem Testzirkel. Vom Couchpotato zum 
Athleten:-)

Microcontroller-Bastler schrieb:
> Für die Umsetzung in ein Gerät brauche ich vor allem die drahtlose
> Erfassung der Pulses und der Parameter.
Das liefern eigentlich alle Handgeräte mit ANT-Schnittstelle, wobei es 
ein Problem ist, Pulse zu erfassen, wenn einer schnell im Gelände fährt.

> Die Trittüberwachung finde Ich
> auch am Besten und habe mich bei meinem Hersteller erkundigt. Es wäre
> kein Problem ein Pedaliersystem einzusetzen, das mit solchen Messkurbeln
> ausgestattet ist.
Sitzen die wirklich in den Kurbeln? Soweit mir bekannt, befindet sich 
die Kraftmessdose im Tretlager.

> Es müsste nur geklärt werden, wie Ich die Daten
> erfasse, einander zuordne und dann auf dem PC abspeichere.
Auch die haben eine Batterie mit Funkübertragung und ANT-Protokoll.

@TE: wie weit bist du mit dem Projekt:

Ich hatte soetwas mal in der Mache:
Beitrag "Motor - Generator als Leistungsmesser bei Zweirädern"