Die Sensorik des schönen Spiels

In meinem letzten Blog-Beitrag über den offiziellen WM-Ball, den Adidas Trionda^®, haben wir die Aerodynamik des Balls und die Aufprallmechanik bei Power Trivelas behandelt, Schüsse mit der Außenseite des Fußes, die eine gekrümmte Flugbahn zeigen. In diesem zweiten Teil wenden wir uns den Sensoren zu, die in den Ball und in die Westen der Spieler integriert sind. Diese Systeme enthalten MEMS-Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, EKG-Elektroden und HF-Kommunikationssysteme, die eine Echtzeit-Verfolgung und -Analyse für Trainer und Videoassistenten- (VAR-) Teams ermöglichen. Wir schauen uns auch an, wie solche Geräte mit COMSOL Multiphysics^® modelliert und simuliert werden können.

Die Sensoren im Trionda

Am 3. Mai dieses Jahres sicherte sich Manchester United im Old Trafford einen dramatischen 3:2-Sieg gegen Liverpool. In der 14. Minute erzielte Benjamin Šeško das 2:0 für Manchester United. Das Tor war umstritten, da Šeško den Ball möglicherweise mit der Hand berührt hatte, kurz bevor dieser die Torlinie überquerte.

Da in der Premier League jedoch keine Bälle mit integrierten IMU-Chips (Inertial Measurement Unit) verwendet werden, verbrachten die VAR-Beauftragten mehrere Minuten damit, das Bildmaterial der Fernsehkameras zu prüfen, bevor sie die Aufnahmen als nicht eindeutig bewerteten und das Tor anerkannten.

Bei der Weltmeisterschaft 2026 ist eine solche Situation weniger wahrscheinlich. Der Trionda verfügt über eine 500-Hz-IMU, die aus MEMS-Beschleunigungssensoren und -Gyroskopen besteht. Selbst relativ geringe Veränderungen der Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit, die durch eine Berührung des Balls verursacht werden, können daher in Echtzeit erfasst und analysiert werden.

Die Sensoren im Trionda haben bereits bei der diesjährigen Weltmeisterschaft eine entscheidende Rolle gespielt. Im Spiel am Sonntag zwischen Schweden und Tunesien wurde das 4:1-Tor von Mattias Svanberg für Schweden zunächst aberkannt, da auf Abseits entschieden wurde. Es schien, als hätte Svanberg den Ball direkt aus dem Freistoß erhalten; in diesem Fall wäre er tatsächlich im Abseits gestanden.

Die im Ball integrierten Sensoren erfassten jedoch eine Berührung mit der Fußspitze durch Svanbergs Teamkollegen Alexander Isak zwischen dem Freistoß und dem Torschuss. Diese Berührung ließ sich allein anhand der Kameraaufnahmen nicht verlässlich bestätigen. Da die Sensoren den genauen Zeitpunkt des Kontakts übermittelt hatten, konnte der VAR feststellen, dass der Pass, der zu Svanbergs Schuss führte, von Isak kam und nicht direkt aus dem Freistoß. In dem Moment, als Isak den Ball berührte, befand sich Svanberg nicht mehr im Abseits, weshalb das Tor anerkannt wurde.

Dazu war Svanberg erst wenige Sekunden vor dieser Spielszene eingewechselt worden, und das Tor war seine allererste Ballberührung. Was für ein perfektes Timing – sowohl seitens des Trainers als auch seitens des Spielers!

In COMSOL Multiphysics^® erstellte schematische Darstellung des Adidas Trionda, bei dem der Sensorchip in einem der vier Segmente des Balls platziert ist. Gegengewichte in den anderen drei Segmenten sorgen dafür, dass der Ball mechanisch symmetrisch ist.

Der Chip im Trionda, der solche Korrekturen möglich macht, wurde von Adidas in Zusammenarbeit mit KINEXON Sports entwickelt. Das Unternehmen hat nicht öffentlich bekannt gegeben, welches IMU-Produkt bei der Entwicklung des Chips zum Einsatz kam. Die veröffentlichten Spezifikationen von handelsüblichen Geräten wie dem ICM-20649 sowie ICM-45686 weisen auffallende Ähnlichkeiten mit den Eigenschaften auf, die man von einer für Fußballanwendungen konzipierten IMU erwarten würde. Diese Bausteine unterstützen Winkelgeschwindigkeiten von bis zu ±4000 Grad pro Sekunde (dps) und Beschleunigungen von bis zu ±32 g. Interessanterweise wird im Datenblatt des ICM-20649 „Fußballschüsse“ ausdrücklich als Zielanwendung erwähnt. Die MEMS MotionTracking^® Bausteine von TDK vereinen drei MEMS-Beschleunigungssensoren und drei MEMS-Gyroskope zusammen mit Signalaufbereitungselektronik, Analog-Digital-Wandlern, Temperatursensoren und Kommunikations-Interfaces in einem kompakten, hermetisch versiegelten Gehäuse mit den Abmessungen 2,5 × 3 × 0,81 mm.

Ein MEMS-Gyroskop lässt sich als Schwingungsratengyroskop modellieren, bei dem Corioliskräfte einen angeregten Schwingungsmodus mit einem Messmodus koppeln. Da die Geometrie der im Trionda verwendeten IMU urheberrechtlich geschützt ist und ihre Gyroskope daher für Simulationszwecke nicht exakt nachgebildet werden können, veranschaulichen COMSOL Multiphysics^® Modelle von Comb-Drive-Stimmgabel-Gyroskopen dieses Prinzip..

Neben der IMU enthält das Elektronikmodul im Inneren des Trionda außerdem einen lokalen Ortungssender, der Zeit- und Positionsdaten übermittelt, eine Ultrabreitband-HF-Antenne (UWB) für die Kommunikation sowie eine Batterie. Wie die IMU lassen sich auch die HF-Elektronik und die Batterien mithilfe von COMSOL Multiphysics^® analysieren.

Die IMU und das Ortungssystem können vom VAR-Team nicht nur dazu genutzt werden, festzustellen, ob der Ball in einer möglichen Handspielsituation berührt wurde, wie bei dem zuvor erwähnten Tor von Šeško. Sie können auch dazu dienen, den genauen Zeitpunkt der Ballberührung bei einem Pass zu ermitteln, wodurch festgestellt werden kann, ob sich der empfangende Spieler genau zum Zeitpunkt des Passes im Abseits befand. Die hohe Abtastfrequenz ermöglicht es dem System, zwischen aufeinanderfolgenden Ballberührungen bei Abprallern und Ablenkungen zu unterscheiden, was in gedrängten Situationen innerhalb des Strafraums von Bedeutung sein kann. Darüber hinaus kann das Ortungssystem ermitteln, wo sich der Ball relativ zur Torlinie befindet (vermutlich in Kombination mit Bildverarbeitung).

Die Gyroskope können auch verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit und die Drehachse des Balls direkt während des Fluges zu messen. Dadurch lassen sich Drall, Flugkurven aufgrund des Magnus-Effekts und Schüsse mit geringem Spin weitaus detaillierter analysieren als bisher.

Noch schöner wäre es, wenn wir vor unseren Fernsehbildschirmen während eines Spiels auch Statistiken zu den härtesten Schüssen und den Schüssen mit dem stärksten Drall sehen könnten!

Die Sensoren in den Westen

Die Westen, die die Spieler unter ihren Trikots tragen, enthalten noch mehr Sensoren und Elektronik als der Ball. Während die IMU im Inneren des Balls darauf ausgelegt ist, harte Schüsse und sich schnell drehende Bälle zu messen und diesen standzuhalten, sind die IMUs in den Westen der Spieler für die Bewegungserfassung und Sensorik über längere Zeiträume hinweg sowie beim Laufen und bei Richtungswechseln optimiert.

Wenn Sie die Spieler während eines Spiels genau beobachten, fällt Ihnen vielleicht eine kleine Ausbuchtung unter dem Trikot des Spielers direkt unterhalb des Nackens zwischen den Schulterblättern auf. Diese kleine Ausbuchtung ist der Pod der Weste, in dem sich der Großteil der Sensoren und der Elektronik befindet. Die EKG-Elektroden, die die Herzfrequenz und die Herzfrequenzvariabilität messen, sind die einzigen Messgeräte, die außerhalb des Pods angebracht sind. Sie befinden sich im vorderen unteren Bereich der Weste.

Oft sieht man die Weste nach den Spielen, wenn die Spieler ihre Trikots tauschen.

Schematische Darstellung der Sensoren in der Weste und im Pod. Bei der realen Weste ist der Pod in einer Tasche verborgen, und die EKG-Elektroden sind in die Weste eingenäht und normalerweise nicht zu sehen, es sei denn, die Weste wird auf links gedreht. Dieses Bild wurde mit ChatGPT^™ erstellt.

Neben der IMU, deren Beschleunigungsmesser und Gyroskope Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit in allen drei Richtungen messen, enthält die Kapsel auch einen GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) sowie ein lokales Ortungssystem, ähnlich dem im Ball verwendeten. Der Pod enthält zudem ein dreiachsiges Magnetometer, das die Richtung des Magnetfelds zur Orientierungskorrektur misst. Darüber hinaus enthält die Weste Antennen, HF-Sender, Mikrocontroller, Batterien und weitere elektronische Komponenten.

Sie können sich vorstellen, wie wichtig das Wärmemanagement des Pods ist, da die gesamte Elektronik darin untergebracht ist. Die Weste selbst behindert wahrscheinlich die Kühlung des Spielers, und wenn der Pod nicht gut konzipiert ist, kann er sogar zu einer unangenehmen Wärmequelle werden.

Eine COMSOL Multiphysics^® Simulation eines kapazitiv betätigten, oberflächenmikromechanischen Beschleunigungssensors, der typischerweise in Verbraucherprodukten zum Einsatz kommt.

Die aus der Weste gewonnenen Daten sind jedoch wertvoll, um die Leistung der Spieler im Laufe der Zeit zu verbessern. Die Abbildung unten zeigt eine schematische Darstellung der Datenausgabe aus der Weste eines Spielers und wie das Trainerteam diese Daten während des Spiels live einsehen und anschließend analysieren kann.

Sobald die Sprints und Beschleunigungen eines Spielers abnehmen und andere Anzeichen von Ermüdung festgestellt werden, kann der Trainer beschließen, den Spieler auszuwechseln. Nach dem Spiel können die beiden anhand der Heatmap analysieren, wie sich der Spieler auf dem Spielfeld bewegt hat, und gegebenenfalls taktische Anpassungen vornehmen.

Die Daten können auch genutzt werden, um verstärkt Taktiken einzusetzen, die sich bewährt haben. Zeigt die Heatmap beispielsweise gute Ballbesitzwerte und eine hohe Anzahl an erfolgreichen Flanken von einer Spielfeldseite für einen zentralen Mittelfeldspieler, könnten die Trainer beschließen, dass der Spieler Angriffe auf dieser Seite priorisieren soll, während er sich in der Verteidigung eher zentral aufhält. Dies könnte beispielsweise die linke Seite für einen linksfüßigen Spieler sein.

Seit der Einführung der Westen werden diese Statistiken innerhalb der Mannschaft intern gehalten und nicht im Fernsehen gezeigt, was sehr schade ist. Manchmal, wenn ein Spieler ausgewechselt wird, erfahren wir die zurückgelegte Gesamtstrecke, aber das ist in der Regel auch schon alles. Die Daten aus dem Ball und den Westen werden in der Regel auch nicht gemeinsam ausgewertet. Statistiken wie Ballkontakte der Spieler, Tore und Torschüsse werden üblicherweise durch Bildverarbeitung gewonnen, unabhängig von den Daten der Westen und des Balls.

Stellen Sie sich vor, Sie könnten die vollständigen Statistiken live während des Spiels sehen! Es wäre faszinierend, die positiven und negativen Aspekte des Spiels eines Spielers in Echtzeit visualisieren zu können – und zwar nicht nur in Form einer Tabelle, die nach dem Spiel oder in der Halbzeitpause angezeigt wird.

Schematische Darstellung der Benutzeroberfläche, die die Daten aus der Weste des Spielers „John Doe“ anzeigt. Die Heatmap lässt erkennen, dass es sich bei dem Spieler um einen offensiven zentralen Mittelfeldspieler handelt, da nur wenige defensive Hochgeschwindigkeitssprints zu verzeichnen sind. Die Heatmap zeigt fast immer die Angriffsrichtung von links nach rechts an. Dieses Bild wurde mit ChatGPT erstellt.

Die Zuschauer

Wir haben über die Sensoren im Ball gesprochen, darüber, wie sie die Arbeit des VAR-Teams erleichtern, und darüber, wie sie das Spiel auch für uns Zuschauer vor dem Fernseher interessanter machen könnten.

Auch wenn diese neueste Technologie das Erlebnis für die Zuschauer grundlegend verändert, ist es doch ein Aspekt des Fußballs, der das Zuschauen schon immer so spannend gemacht hat und auch weiterhin spannend machen wird: das Publikum. Und die beste Art, Fußball zu erleben, ist natürlich live im Stadion.

Einige der Spiele der Weltmeisterschaft 2026 werden im legendären Azteca-Stadion (offiziell „Estadio Banorte”) in Mexiko-Stadt ausgetragen – jenem Stadion, in dem Carlos Alberto im Finale der Weltmeisterschaft 1970 nach einem Pass von Pelé mit einem fantastischen, donnernden Schuss mit dem Spann ein Tor erzielte, und in dem Diego Maradona während der Weltmeisterschaft 1986 das „Tor des Jahrhunderts“ („el barrilete cósmico“) schoss.

Das Azteca-Stadion wurde für die Weltmeisterschaft umfassend renoviert (und temporär von der FIFA in „Mexico City Stadium” unbenannt). Unter anderem wurde eine komplett neue Tonanlage installiert, um das Live-Erlebnis zu verbessern. Zum Spaß und um sich besser vorstellen zu können, wie es im Stadion klingt, hat das COMSOL-Team die Ausbreitung der Schallwellen eines der Lautsprecherarrays des Systems simuliert (siehe unten); bleiben Sie gespannt auf den dritten Blog-Beitrag dieser WM-Reihe, in dem wir uns mit der Akustik des „schönen Spiels“ befassen und weitere Simulationsergebnisse vorstellen werden.

Simulation der Ausbreitung der Schallwellen von einem der Lautsprecherarrays, die an der Decke des kürzlich renovierten Estadio Banorte (Estadio Azteca) angebracht sind. Die vollständige Schalldruckverteilung ergibt sich aus der Überlagerung der Schallfelder von rund 70 Lautsprecherarrays, die im gesamten Stadion verteilt sind.

Bis dahin wollen wir weiterhin unsere Lieblingsmannschaften bei der hoffentlich besten Weltmeisterschaft aller Zeiten anfeuern!

Nur für das Spiel

Obwohl die hier vorgestellten Modelle und Simulationen dem neuesten Stand der Technik entsprechen, wurden sie lediglich zum Spaß erstellt. Eine ernsthafte wissenschaftliche Studie würde die beteiligten Parameter viel detaillierter untersuchen. So müsste beispielsweise die Geometrie des Banorte-Stadions wesentlich detaillierter modelliert und die Simulationsergebnisse anhand von Messungen validiert werden.

Diese Untersuchungen wurden unabhängig von Adidas, Kinexon und TDK durchgeführt und stehen in keiner Verbindung zu diesen Organisationen.

Adidas und Trionda sind eingetragene Marken der adidas AG.

COMSOL AB sowie deren Tochtergesellschaften und Produkte stehen in keiner Verbindung zu den vorgenannten Markeninhabern und werden nicht von diesen gefördert, gesponsert oder unterstützt.