4

Как ваш фитнес-браслет считает шаги, и почему он ошибается

фитнес-браслет

Фитнес-браслет – удивительное изобретение. Почему? Потому что он знает о вас больше, чем вы сами. Можно сказать, он посвящён в самые личные ваши тайны. Даже простой дешёвый браслет в курсе того, как много вы двигаетесь, как спите и сколько сжигаете калорий. Устройство, которое присутствует с вами 24 часа в сутки, не покидая вас даже во сне – это очень интимно.

И тем более обидно, когда это столь близкое устройство начинает глючить.

Что умеет фитнес-трекер?

В этой статье наряду с фитнес-браслетом я буду использовать более корректное название устройства – фитнес-трекер (от слова track – следить). Не все фитнес-трекеры являются браслетами, т.к. ряд моделей одеваются на шею в виде кулона или прикрепляются к поясу.

Мне нравится такое определение фитнес-трекера: это устройство, считывающее ваши биологические показатели.

По умолчанию фитнес-трекер считает ваши шаги, на основании чего вы можете сделать вывод, насколько активно проводите своё время. Общепринятое мнение – для поддержания здоровья день вы должны проходить минимум 10.000 шагов (подробнее об этом читайте в моём эксперименте 10.000 шагов для городского жителя).

Ещё две базовых функции фитнес-трекеров– контроль за фазами сна и подсчёт калорий. В зависимости от модели браслет может быть также оборудован пульсометром, термометром, альтиметром (датчиком высоты), GPS, секундомером и другими фишками, которые могут пригодиться и на соревнованиях, и в туристическом походе, и просто для развлечения и удовлетворения любопытства.

И всё же для меня основное предназначение фитнес-браслета – это подсчёт шагов.

Краткая история шагомеров

Прототипом шагомеров является одометр – устройство, считающее количество оборотов колеса. Первый одометр был изобретён в начале нашей эры греческим механиком и математиком Героном Александрийским. Долгое время одометры использовались в картографии и военном деле для уточнения расстояний, а сейчас вы можете увидеть их в любом автомобиле.

Создателем шагомера считается великий Леонардо да Винчи. С учётом развития технологий в годы его жизни (середина XV – начало XVI века) о компактности и удобстве речи не шло – согласно чертежам, шагомер представлял из себя маятниковый механизм, прикрепляемый к поясу (на рисунке – третий чертёж). Нам неизвестно, был ли реализован такой шагомер на практике, или же остался, как и многие другие задумки гения, на бумаге, но, тем не менее, это устройство вполне могло бы считать шаги.

Одометр и шагомер Леонардо Да Винчи

В последующие века шагомеры развивались в том же направлении, что и близкие к ним по конструкции механические часы, но, в отличие от часов, оставались лишь высокотехнологичной игрушкой. Шагомер первой половины XX века снаружи был неотличим от карманных часов, да и внутри имел похожий механизм – колебания подвешенного груза приводили в движение систему шестерней, которые, в свою очередь, двигали стрелки, показывающие количество шагов. Позже часовщики стали использовать принцип работы шагомера для автоматического подзавода часов от движения руки.

В народ шагомеры ушли в 1960-х годах с руки японского предпринимателя Есиро Хитано, который стал продавать их под брендом Manpo-Kei, продвигая идею о 10000 шагов в день.  Его шагомеры всё ещё были механическими, но со временем механику вытеснила электроника. В электронных шагомерах вместо давления груза на пружину, прикреплённую к шестерням, стали использовать изменение ёмкости конденсаторов или потенциала (пьезоэлектрический эффект) при механическом воздействии. Сам механизм, регистрирующий движение внутри шагомера, называется акселерометром.

Manpo-Kei

Как фитнес-трекер считает шаги?

В большинстве современных фитнес-трекеров за отслеживание движения отвечают трёхкомпонентные акселерометры. Акселерометр – это прибор, определяющий ускорение объекта, к которому он прикреплён. Трёхкомпонентный – значит, ускорение отслеживается по трём осям координат. В некоторых моделях в дополнение к акселерометру ставят гироскопы, отслеживающие ориентацию в пространстве.

Не путайте акселерометр с гироскопом – это совершенно разные устройства. Акселерометр – это прибор, определяющий ускорение. Гироскоп же определяет угол, на который меняется ориентация предмета в пространстве.

Возьмём, к примеру, фитнес-браслет, то есть трекер, который одевается на руку

Встроенный в него акселерометр позволяет понять, неподвижна ли ваша рука или же двигается с определённым ускорением. Акселерометр постоянно замеряет ускорение движения и передаёт его в микропроцессор, который обрабатывает полученные данные и с помощью специального алгоритма пытается понять, связано ли это движение с вашим перемещением в пространстве (при ходьбе ваши руки двигаются), или же это просто жест рукой. Некоторые трекеры могут даже отличать бег от ходьбы.

Когда в фитнес-браслете присутствует гироскоп, то микропроцессор получает более полную – трёхмерную – картину перемещения вашей руки. Благодаря этому он сможет точнее отделить движения руки, возникающие при шаге, от движений, когда вы находитесь на одном месте.

Если отвлечься от фитнеса, то связка «акселерометр плюс гироскоп» нам больше знакома по смартфонам – сейчас эти два прибора устанавливаются по умолчанию в большинство устройств. Это позволяет, например, встряхиванием или повотором смартфона отвечать на звонки, листать страницы в электронной книге, переключать песни в плеере или управлять героем в видеоигре. И, разумеется, смартфоны также могут работать в роли шагомеров (мне нравится приложение Noom – оно определяет шаги по лёгким покачиваниям смартфона при ходьбе).

Тем не менее, в недорогих фитнес-браслетах часто присутствует только акселерометр. С хорошо отлаженным ПО трекер и без гироскопа может довольно точно считать шаги.

Как работают ёмкостные и пьезоэлектрические акселерометры?

Электрические акселерометры по принципу работы недалеко ушли от механических. Я постараюсь принципы работы акселерометров в максимально упрощённом виде, так что не забывайте, что в настоящих устройствах всё устроено несколько сложнее, хоть и работает благодаря тем же законам.

Акселерометры бывают разные, но наиболее распространёнными являются два вида: ёмкостные и пьезоэлектрические. Чтобы принципы работы были более понятны, я нарисовал простую схему:

Принцип работы акселерометров

В ёмкостных акселерометрах чувствительным элементом являются пластины конденсаторов. Ёмкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Когда груз, перемещающийся при движении, давит на одну из пластин, расстояние уменьшается, и, соответственно, увеличивается ёмкость. Микроконтроллер регистрирует изменение ёмкости на выходах акселерометра и понимает, что произошло движение.

В пьезоэлектрических акселерометрах вместо пластин используются кристаллы пьезоэлектрических веществ. Распространённым пьезоэлектриком является кристаллический кварц, но я не уверен, что именно кварц устанавливается в акселерометрах браслетов. Скорее всего, там нечто жуткое вроде цирконата-титаната свинца или чего-то подобного.

Пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации (возникновения разности потенциалов) материала при деформации. Также, как и в ёмкостном акселерометре, груз при движении давит на кристалл пьезоэлектрика, тот сжимается и генерирует разность потенциалов, которая регистрируется потенциометром микроконтроллера.

Почему фитнес-трекеры неправильно считают шаги?

Сейчас в мире нет ни одного трекера, который покажет вам абсолютно точное количество шагов.

Почему?

Куда бы вы не прикрепили фитнес-трекер, в течение дня вы будете совершать непредсказуемые движения, часть которых трекер будет ошибочно определять как шаги. Вождение автомобиля, приём пищи, работа с компьютерной мышью, например. К тому же, каждый из нас ходит по-своему, и сейчас не существует алгоритма, учитывающего особенности любой походки и точно отличающего шаги от не-шагов. К примеру, вот здесь человек протестировал несколько шагомеров и выложил результаты. Погрешность подсчёта разными устройствами составила от -30% до +10%. Забавно, что наиболее точный результат показал не фитнес-браслет, а iPhone 5s.

По идее, ничего страшного в небольшой погрешности в 5-10% нет, потому что сама суть трекера – не в точных цифрах, а в отображении объёма проделанной вами работы.

Сегодня вы сделали 8000 шагов, а завтра – 5000, значит, день прошёл неактивно, надо поднажать. На другой день вы прошагали свою рекомендуемую норму в 11000 и можете отдыхать с чувством выполненного долга. Не вижу смысла в том, чтобы в повседневной жизни отслеживать свои движения с точностью до шага, точно так же, как и нет смысла при похудении считать каждый грамм.

Мой печальный опыт работы с MGCOOL Band 2

MGCOOL Band 2

Но всему есть предел. Если ваш фитнес-трекер серьёзно накручивает показатели, то это сводит всё удовольствие от его использования на нет. Для меня показательным примером стал случай с трекером MGCOOL Band 2, который безумно понравился и по цене, и по дизайну, и по заявленным характеристикам. До этого у меня уже был опыт использования трекеров, и я ожидал некоторой погрешности в подсчёте шагов, но не думал, что всё будет настолько плохо.

Я проснулся с утра, минут десять повалялся в кровати и посмотрел на трекер – 25 шагов. Хм. Встал, одел носки – уже 48 шагов. Сделал несколько отжиманий – 120 шагов.

Показания трекера для меня стали шоком, и я решил его ещё потестировать в малоподвижном режиме и уселся работать за ноутбук. За полдня вялой ходьбы по маршруту зал – кухня — туалет трекер выдал мне рекордные ~3500 шагов. Оставшуюся часть дня я провёл чуть более активно – погулял с дочерью, сходил в магазин, поделал домашние дела. Итог дня: ~12000 шагов.

Я мог бы порадоваться, но прикреплённый к поясу Fitbit Orb выдал результат в два раза меньше.

Говорят, что большая погрешность – это бич всех дешёвых браслетов. Подобные проблемы были у похожего на MGCOOL Band 2 популярного трекера Xiaomi Mi Band, но они вроде бы решились после нескольких обновлений прошивки браслета (у меня Xiaomi Mi Band нет, не могу проверить). Я почитал форумы – владельцы первых версий трекера выкручивались как только можно – вешали их на шею, одевали на ногу, пытались вычислить «волшебные движения» или просто успокаивали себя тем, что так и должно быть.

Не должно. На мой взгляд, подобные проблемы у MGCOOL Band 2 именно из-за сырой прошивки. Производителю браслета, компании Elephone явно нужно допиливать алгоритм, отличающий шаги от не-шагов, потому что, собственно, количество шагов в движении трекер определяет более-менее правильно.

Заключение. Как с этим жить?

Жалею ли я, что импульсивно, на распродаже купил MGCOOL Band 2? Скорее, да. Буду надеяться на то, что выйдет нормальная прошивка.

Но как же выбрать трекер, который вас не подведёт с подсчётом шагов?

У меня сложилось впечатление, что недорогой фитнес-трекер – это кот в мешке, так что гуглите и читайте отзывы. Для примера, после получаса поисков в интернете и чтения статей, отзывов и споров на форумах о Xiaomi Mi Band я получил представление об этом фитнес-браслете и том, какие подводные камни меня ожидают при его покупке. А вот про MGCOOL Band 2 на сегодняшний день никакой внятной информации на русском языке нет (да и на английском я нашёл только описания). В итоге устройство, которое классно выглядело и обладало множеством полезных функций, не выполняло свою базовую задачу и разочаровало меня.

Когда-нибудь у нас будут трекеры с искусственным интеллектом, которые будут понимать, что вы сделали шаг, а пока нам остаётся надеяться на точность алгоритмов. Не покупайте фитнес-браслеты спонтанно, ищите любую доступную информацию, проверяйте и сравнивайте. А в случае с недорогими моделями нелишним будет ещё и элементарное везение.

Понравилось? Поделитесь с друзьями!