Розробка інформаційно-вимірювальних систем для підготовки спортсменів високої кваліфікації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка інформаційно-вимірювальних систем для підготовки спортсменів високої кваліфікації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для ефективного управління підготовкою спортсменів високої кваліфікації, в числі інших основних елементів, необхідно володіти оперативною і об'єктивною інформацією про численні показники підготовленості, що неможливо без використання комплексів технічних засобів вимірювання і реєстрації, алгоритмів та програм обробки експериментальних даних, особливо в режимі реального часу. Хоча за останні роки було вирішено ряд актуальних завдань по створенню інформаційно-вимірювальних систем (ІВС), підсистем комплексного контролю підготовленості, участь дисертанта у роботі комплексних наукових груп (КНГ) при збірних командах України дає підстави стверджувати, що рівень використання сучасних засобів інформаційно-вимірювальної техніки (ІВТ) у практиці підготовки спортсменів високої кваліфікації є недостатній. Отже, питання розробки ІВС визначення інформативних параметрів та вдосконалення методик тренувань на цій основі, впровадження їх у практику підготовки збірних команд України є особливо актуальні, зокрема і для лучного, санного спорту та бобслею.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Теоретичні основи роботи і практичні результати було розроблено та отримано при проведенні робіт з науково-методичного забезпечення підготовки збірних команд України з лучного, санного спорту та бобслею відповідно до наказів Міністерства України у справах молоді та спорту №1330 від 4 травня 1993 р., №689 від 7 червня 1995 р. «Про організацію роботи комплексних наукових груп збірних команд України», №785 від 20 березня 1996 р. та наказу Державного комітету України з фізичної культури і спорту №724 від 8 липня 1998 р. «Про вдосконалення роботи з науково-методичного забезпечення збірних команд України» у яких дисертант брав участь як заступник керівника, а згодом як керівник КНГ при збірних командах України з санного спорту та бобслею; при виконанні в якості виконавця та відповідального виконавця бюджетних та договірних тем Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України РБ-30/276, г/д 1268, г/д 2000, г/д 2009. Роботи, що виконуються під керівництвом дисертанта, включені до Зведеного плану науково-дослідних робіт Держкоммолодьспорттуризму України на 2001-2005 р. п. 1.4.6 «Кінематичні і динамічні параметри вправ у санному спорті», номер державної реєстрації - 0102U002651.

Мета і задачі дослідження. Мета - розробка принципів побудови і створення ІВС для оперативного та об'єктивного визначення інформативних параметрів руху спортивних снарядів і спортсменів та психофізіологічних показників їх функціонального стану у санному спорті, бобслеї та стрільбі з лука.

Задачі дослідження:

Проаналізувати інформативні параметри рухів спортсменів та спортивного спорядження на основі математичних моделей взаємодії «спортсмен-опора-спорядження» при виконанні стартових вправ у санному спорті і бобслеї та вильоті стріли із спортивного лука.

Розробити принципи побудови і структуру систем для вимірювання інформативних параметрів, зокрема кінематичних і динамічних параметрів руху спорядження та біоланок спортсменів, а також контролю їх психофізіологічного стану.

Створити ІВС на базі ЕОМ та проаналізувати похибки вимірювань.

Впровадити розроблені системи у практику підготовки спортсменів збірних команд України.

Об'єкт дослідження - процес отримання даних про інформативні параметри фізичних вправ та функціональний стан спортсменів.

Предмет дослідження: методи та засоби, необхідні для розробки ІВС визначення кінематичних і динамічних параметрів руху спорядження і біоланок спортсменів та їх функціонального стану.

Методи дослідження: теоретичний аналіз і узагальнення даних науково-методичної літератури та емпіричних матеріалів досліджень, математичне моделювання, синтез структурних схем, аналіз загасаючих коливань (метод Проні та еврістичні методи інвертування), розробка алгоритмів та програмного забезпечення (структурне програмування, швидке перетворення Фур'є, цифрова фільтрація).

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці принципів побудови та реалізації ІВС для оперативного та об'єктивного визначення кінематичних та динамічних параметрів руху спортсменів та спортивного спорядження. При цьому:

1. Створено математичні моделі взаємодії елементів системи «спортсмен-опора-спорядження» при виконанні стартової вправи у санному спорті і бобслеї, на основі аналізу яких визначено інформативні параметри руху спортивного спорядження, методи та засоби їх вимірювання.

2. На основі аналізу математичної моделі отримано аналітичну залежність швидкості розгону і спортивного результату у бобслеї від різниці часів прикладання спортсменами зусиль до руківок боба при старті, що дало підстави запропонувати новий метод вдосконалення координаційних якостей спортсменів.

3. Запропоновано індуктивний метод визначення швидкості вильоту стріли для налагодження лука, який відрізняється від відомого оптичного тим, що не порушує динамічний баланс його елементів.

4. На основі математичної моделі випуску стріли з лука за І.П. Заневським запропоновано використання акселерометричного методу для оцінки якості налагодження лука, аналітичне представлення експериментальних акселерограм та метод отримання числових параметрів коливань, що дало можливість підвищити, порівняно з існуючими методами, якість налагодження спорядження.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати дали змогу реалізувати діючі макети ІВС визначення кінематичних і динамічних парамет-рів руху спортсмена і спортивних снарядів, за допомогою яких можна проводити:

фотоелектричний хронометраж стартових відрізків у санному спорті та бобслеї;

реєстрацію різниці часу прикладання спортсменами стартових зусиль до боба;

визначення швидкості вильоту стріли з лука індуктивним способом;

вимірювання швидкостей та прискорень руху саней і боба при проходженні стартового відрізку у санному спорті та бобслеї;

вимірювання зусиль, що прикладаються спортсменами до руківок при виконанні стартової вправи у санному спорті.

Впровадження запропонованих систем дає змогу інтенсифікувати навчально-тренувальні заняття зі спеціальної підготовки - виконання стартової вправи у санному спорті і бобслеї, а також спростити процедуру налагодження спортивного лука. Ефективність використання пристроїв, впроваджених у практику підготовки спортсменів збірних команд України, підтверджується актами впровадження у Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту (м. Київ).

Універсальність структури розроблених ІВС і програмного забезпечення дозволяє застосовувати їх з незначними доробками у багатьох інших видах спорту.

Особистий внесок автора. З робіт, опублікованих у співавторстві [1, 6, 10-12, 14, 16, 17], до дисертації включено лише матеріали, одержані особисто автором. У статті [3] автору належать основна ідея використання імпульсної електромагнітної системи для контролю якості спортивного лука, її структурна схема, аналіз завад та використання схемних рішень для боротьби з ними, розробка способів визначення початкової швидкості стріли за допомогою оптронного калібрування і математичного аналізу згасаючих сигналів та автоматизація всієї системи на базі ЕОМ. У статті [4] автор запропонував структурну схему та апаратурну реалізацію комп'ютерної системи контролю якості спортивного лука, а також шляхи її подальшого розвитку та вдосконалення на основі проведених натурних експериментальних досліджень. У [7] автору належить аналіз підготовки спортсменів-санників високої кваліфікації, розробка питань об'єктивного контролю за рівнем їх техніко-тактичної майстерності. У [8] автором проаналізована залежність спортивного результату у бобслеї від різниці часу прикладення спортсменами зусиль до боба при старті на основі розробленої моделі, запропоновано також принцип дії, структурну схему та апаратурну реалізацію приладу реєстрації різниці часу прикладання спортсменами зусиль до руківок боба, проаналізовано можливість використати у бобслеї апробовані у санному спорті підходи і апаратурні методики. У авторському свідоцтві [9] автору належить ідея використання багатоканальних мультиплексорів та відповідних зв'язків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати виконаних досліджень доповідались на міжнародних та всеукраїнських конференціях: Всесоюзній конференції молодих науковців «Електромагнітні процеси в землі і космосі» (Звенигород, 1989), І Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і фахівців у галузі приладобудування (Москва, 1990), I Всесоюзному семінарі «Прикладні проблеми моделювання і оптимізації» (Славське, 1991), науково-практичних конференціях викладачів Львівського державного інституту фізичної культури (Львів, 1995-2001), Всеукраїнській науковій конференції «Фізична культура, спорт і здоров'я» (Харків, 1997), ІІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції «Роль фізичної культури в здоровому способі життя» (Львів, 1997), V Міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів» (Славське, 2000), V Міжнародній науковій конференції «Молода спортивна наука України» (Львів, 2001), VI Міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів» (Славське, 2001), Міжнародній науково-проблемній конференції «Зимові види спорту на порозі XXI ст. та традиції і перспективи Закопаного» (Республіка Польща, Краків, 2001).

Робота в цілому обговорювалась на VIІ Міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів» (Славське, 2002), науково-практичній конференції викладачів Львівського державного інституту фізичної культури у секції олімпійського і професійного спорту (Львів, 2002), на розширеному науковому семінарі відділу електричних вимірювань фізичних величин Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, а також на розширеному засіданні кафедри теорії і методики олімпійського і професійного спорту Львівського державного інституту фізичної культури.

Публікації. Матеріали роботи опубліковано у 7-и статтях, в тому числі у 5-и фахових виданнях, 1-у авторському свідоцтві, 1-у навчальному посібнику та 9-и тезах і матеріалах наукових конференцій.

Обсяг і структура роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 105 найменувань, 7 додатків, містить 64 рисунки і 1 таблицю. Загальний обсяг роботи 161 сторінка.

Основний зміст роботи

інформативний спортсмен спорядження

У Вступі обґрунтовано актуальність досліджень та сформульовано мету та задачі роботи, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан застосування ІВС у підготовці спортсменів високої кваліфікації.

Бурхливий прогрес досягнень, зафіксований в останні роки у більшості видів спорту, в значній мірі визначався факторами матеріально-технічного і науково-методичного плану, комп'ютеризацією навчально-тренувального процесу і наукових досліджень, контролю і аналізу структури змагальної діяльності. Багато авторів (Запорожанов В.А., Петровский В.В., Платонов В.Н.) вказують, що точність, обґрунтованість та об'єктивність дій тренера визначається інтенсивністю і якістю інформаційних потоків, для чого насамперед необхідна стандартизована система контролю за станом спортсменів і наявність критеріїв оцінки. У зв'язку з цим, як показано у Годіка М.А., актуальним питанням є теоретичне обґрунтування і практична апробація моделей тренувального процесу, систематичний контроль і аналіз навантажень.

Сучасний рівень розвитку комп'ютерної техніки створює передумови для вирішення всього комплексу завдань у сфері наукового управління підготовкою спортсменів, дозволяє забезпечити необхідну обробку інформації в поєднанні з наглядною формою представлення. Аналіз науково-методичної літератури свідчить, що кожен тренер-практик зацікавлений в отриманні даних про функціональний стан спортсменів, можливості команди в цілому. Враховуючи необхідність швидко і періодично проводити комплексні тестування, обробляти великі масиви даних, використання інформаційних систем на базі ЕОМ для цього є безальтернативним.

Реалізація основних напрямків сучасної наукової теорії спортивного тренування, викладених у Верхошанского Ю.В., також неможлива без застосування персональних комп'ютерів і засобів вимірювання, обробки, накопичення, передачі даних та їх візуалізації. Отже, набуття певної кваліфікації користування ЕОМ створюватиме основу для широкого впровадження інформаційних технологій у практику підготовки і тренування спортсменів та проведення змагань. Як приклад такого застосування ІВС можна навести глобальну інформаційну систему компанії ІВМ на Олімпіаді в Атланті (Епштейн Л).

Незважаючи на певні досягнення у цій галузі, восьмирічна практика роботи автора у складі КНГ збірних команд України з лучного, санного спорту та бобслею, спілкування з тренерами та спортсменами дозволяє констатувати недостатній рівень наявності та використання засобів ІВТ у навчально-тренувальному процесі, тому доцільність їх застосування не викликає сумніву.

Визначено напрями досліджень, необхідні для створення зазначених систем:

провести математичне моделювання змагальних вправ з метою виділення найбільш інформативних параметрів для об'єктивного контролю;

розглянути фізичні методи і засоби вимірювання зазначених параметрів і вибрати найефективніші для даних конкретних умов;

провести аналіз принципів побудови та структури ІВС з певним ступенем універсальності для вирішення задач вимірювання кінематичних та динамічних параметрів руху біоланок спортсменів та спортивних снарядів;

вибрати адекватні методики тестування якості психофізіологічних реакцій спортсменів;

розробити алгоритми математичної обробки та аналізу результатів вимірювання та на цій основі створити пакет прикладних програм;

на основі перелічених досліджень створити та апробувати діючі макети ІВС.

У другому розділі розглядаються методи та засоби автоматизованих вимірювань кінематичних та динамічних параметрів при виконанні фізичних вправ.

Приступаючи до створення спеціалізованих ІВС, необхідно перш за все визначити інформативні параметри, а також методи та засоби їх вимірювання. Враховуючи специфіку застосування таких систем у галузі спорту, доцільно використати математичне моделювання взаємодії «спортсменопораспорядження». Досвід роботи автора у КНГ при збірних командах України з лучного, санного спорту, бобслею вказує, що особливу увагу тренери та спортсмени приділяють підгонці та налагодження зброї у лучному спорті, стартовій вправі у санному та розгону у бобслеї. Враховуючи ці особливості, розглянуто відповідні математичні моделі для виділення найбільш інформативних параметрів.

В лучному спорті відповідно до даних останніх досліджень внесок якості лука і стріл у результат в деяких випадках досягає 90 відсотків. Тому при підготовці лучників високої кваліфікації особлива увага приділяється підбору параметрів лука відповідно до індивідуальної техніки кожного спортсмена [3].

Розглянуто математичну модель лука за І.П. Заневським, яка передбачає, що тятива не розтягується, руківка має можливість вільно рухатися у вертикальній площині у напрямку, протилежному до напрямку руху стріли, геометрія системи «плечетятива» в динаміці така сама як і в статиці. Показано, що швидкість вильоту стріли та її стабільність протягом тривалого часу і в різних кліматичних умовах можна вважати інтегральним показником якості спортивного лука. Це вказує на необхідність її визначення і оперативного доведення до спортсмена при підгонці і налагодження лука, а отже є одним з основних інформативних параметрів при застосуванні ІВС для підвищення ефективності цього процесу.

Специфіка підготовки спортсменів-санників високої кваліфікації полягає у тому, що в Україні немає жодної сучасної санної траси. Єдиний елемент техніки, виконання якого можливе в умовах, близьких до змагальних старт на льодовому майданчику (стадіоні). Оскільки вдалий старт вносить суттєвий вклад у досягнення високого спортивного результату, детальне дослідження кожного руху спортсмена, можливість отримання об'єктивної експрес-інформації про динамічні параметри стартових дій, аналіз ефективності та проведення оперативної корекції техніки виконання вправи особливо актуальні. Розглянуто схематичне зображення стартових дій спортсмена (рис. 1) і динамічні та кінематичні параметри взаємодії системи «спортсменсанируківки», де R, R_п, R_л, R_v, R_h результуючий вектор реакції опори та його права, ліва, вертикальна і горизонтальна складові, , , , кути відповідних відхилень, що виникають від неспівпадіння векторів прикладених зусиль і напрямком руху саней [2]. Виведено рівняння швидкості у будь-який момент часу (0    t₀)

де m і M маси саней та спортсмена, f_к коефіцієнт тертя ковзання, t₀ - момент закінчення доштовхування.

Проведений аналіз показав, що вдосконалювати техніку виконання вправи можна на основі вимірювання часу проходження мірного відрізка, миттєвої швидкості та прискорення руху саней, а також зусиль, що прикладаються спортсменами до стартових руківок.

На основі аналізу запропонованої математичної моделі виконання стартової вправи боба - «двійки» показано, що зменшення різниці часів t прикладання спортсменами зусиль до руківок боба приводить до збільшення швидкості розгону v [6]:

,

де S₀ довжина розгінного відрізка, a₁ і a₂ прискорення, надані бобу кожним спортсменом, кут нахилу траси. Проведений розрахунок часу t_р проходження траси довжиною S для реальних значень за встановленою аналітичною залежністю

показав, що при збільшенні швидкості боба в кінці розгінного відрізка на 1 м/с отримуємо покращення результату на 1,5  1,8 с (рис. 2). Отже, для підвищення ефективності навчально-тренувального процесу у бобслеї необхідно вимірювати цей параметр. Крім того, проаналізовано і адаптовано підходи, апробовані у санному спорті вимірювання часу проходження розгінної ділянки, миттєвої швидкості та прискорення руху боба.

Зважаючи на необхідну точність вимірювання часових параметрів вправ, запропоновано використовувати автоматичний електронний хронометраж, пристрої для його реалізації контактні давачі і оптико-електронні перетворювачі. Розглянуто способи вимірювання швидкості, які практично можуть бути використані у навчально-тренувальному процесі спортсменів високої кваліфікації. Швидкість боба та саней запропоновано вимірювати методом, покладеним в основу спідографа В.М. Абалакова, а вильоту стріли з лука індуктивним способом, при якому стріла пролітає через контури вимірювальних давачів, які встановлюються перед луком. Розглянуто питання завадостійкої обробки та виділення корисних сигналів [1, 11, 15].

Для визначення миттєвих значень прискорень руху саней та боба, а також вібрації лука при пострілі вибрано одно - або трикомпонентні акселерометричні давачі, які використовувалися в залежності від поставлених завдань [4].

Вимірювання зусиль, що прикладаються спортсменами до стартових руківок у санному спорті запропоновано проводити за допомогою напівпровідникових тензодинамометричних давачів, що дає можливість визначати горизонтальні та вертикальні складові векторів реакції опори, будувати площинні і просторові годографи [2].

Враховуючи, що у санному спорті та бобслеї рівень тренованості визначається, окрім інших показників, функціональним станом центральної нервової системи, запропоновано проводити тестування якості психофізіологічних реакцій, відібравши для цього ряд методик, які дозволяли нам виміряти: латентний час рухової реакції на зоровий подразник, час реакції на рухомий об'єкт, швидкість переробки зорової інформації, показник відчуття часу [17]. З метою підвищення інформативності вимірювань та одночасної автоматизації процедури збору, обробки та зберігання даних у 1996 році було здійснено комп'ютеризацію цього процесу.

Викладено підхід до оцінки похибки вимірювання системи у випадку, коли відомі їх окремі джерела і точність базових елементів системи [5]. Тоді наближений вираз для похибки величини, що вимірюється, можна представити у вигляді:

,

де а₁,а₂,… похибки визначення первинних параметрів, ,… вагові коефіцієнти, що визначають чутливість вимірюваної величини до змін первинних параметрів в околі їх певних значень а₁₀, а₂₀,…. Показано, що при визначенні похибки вимірювання системи похибки давачів є визначальними.

Як підсумок наведено структурну схему напрямків досліджень, перелік видів спорту та вправ, що аналізуються у роботі, а також інформативні параметри та запропоновані методи їх вимірювань.

Третій розділ присвячений розробці принципів побудови і структур систем вимірювання інформативних параметрів, опису алгоритмів обробки даних і особливостей пакетів прикладних програм ADC та «Діагностик».

Окреслено завдання, виконання котрих для вирішення поставлених задач у навчально-тренувальному процесі повинна забезпечити ІВС: відбір аналогових інформаційних сигналів від первинних перетворювачів у певному динамічному діапазоні по кількох незалежних каналах, аналого-цифрове перетворення та ввід інформації в ЕОМ, первинна обробка і відображення даних у реальному часі та проведення подальшого математичного аналізу. На основі цього запропоновано загальну структурну схему системи (рис. 3), а також її модифікації з врахуванням специфіки вимірювань у кожному окремому випадку [2-4, 8].

Інформативні параметри відбираються від об'єкту давачами Д₁,…, Д_n. В залежності від специфіки застосування може бути використаний телеметричний зв'язок (ТМЗ) з давачами за допомогою радіопередавачів П₁,…, П_n та приймальної радіотелеметричної системи РТС. При необхідності комутації кількох каналів може використовуватись мультиплексор МП, сигнали з котрого перетворюються в цифровий код аналого-цифровим перетворювачем АЦП та через інтерфейс ІФ подаються на ЕОМ, яка виконує функції обробки, зберігання та представлення інформації, керування пристроями системи. Інформація з ЕОМ може бути виведена на друкуючий пристрій ДП чи збережена на магнітних або інших носіях (Н).

Визначено уніфіковані алгоритми обробки даних, приведено перелік основних програм для вимірювання часу, для спідометричного комплексу, для визначення швидкості стріли, для акселерометрії і тензометрії, розраховані на роботу на стандартному комп'ютері типу IBM PC.

Наведено блок-схему програми, перелік її основних модулів: роботи АЦП та управління мультиплектором, обміну даних інтерфейсу зв'язку з ЕОМ, програмування системного таймера, режиму роботи паралельного порта із зміною векторів переривань та їх обробки. Описано можливості сервісної програми роботи АЦП: задання частоти вхідного сигналу, кількості його відліків та каналів; запуск АЦП за зовнішнім сигналом; візуалізація записів з можливістю виділення певних фрагментів і каналів; збереження записів, завантаження їх у базу даних та математична обробка.

Для управління ІВС визначення швидкості вильоту стріли додатково розроблено ряд підпрограм, що забезпечують керування генераторно-приймальними пристроями для відбору інформативного сигналу, компенсацію гармонічних завад та відносні вимірювання для позбавлення інформативного сигналу від шумів.

Приведено опис програми дослідження сенсомоторних якостей спортсменів «Діагностик», на основі якої створено комплекс психодіагностичних тестів, що дозволяє адаптувати методики досліджень для спортсменів різної кваліфікації, максимально стандартизувати умови експерименту, оперативно обробляти дані.

Оригінальне програмне забезпечення реалізовано на мові програмування Borland Pascal 7.0 з використанням бібліотек TurboVision, а також підпрограм на мові «Assembler» для виконання системних операцій з векторами переривань таймера і паралельного порту та їх обробки.

В четвертому розділі розглянуто використання ІВС для підвищення ефективності навчально-тренувального процесу у лучному спорті.

Представлено систему визначення швидкості вильоту стріли з лука індуктивним способом [3], приведено її структурну схему, опис роботи. Детально розглянуто пристрій відносних вимірювань [9, 12], його функціональну схему, осцилограми та розрахунки, що пояснюють принцип дії. Проілюстровано виділення корисного сигналу на фоні шумової завади.

Для контролю якості спортивного лука використано запис трикомпонентної акселерограми вібрації руківки лука після пострілу. Наведено функціональну схему та зовнішній вигляд акселерометричної системи контролю якості спортивного лука, експериментальний запис акселерограм (рис. 4), зроблений на навчально-тренувальних зборах (НТЗ) збірної команди України зі стрільби з лука у Львові у 1997 р. На основі отриманих даних запропоновано практичну методику налагодження спортивного лука, котра полягає у зміні геометричних розмірів регулювальних елементів з метою зменшення амплітуди та часу загасання кожної з компонент акселерограми вібрації руківки лука після пострілу.

Описано підхід до вибору інформативних параметрів вібрації руківки лука після вильоту стріли, який враховує нестаціонарний характер коливань і відображає стан лука як динамічної системи. Зареєстровані акселерограми представлено сумою загасаючих синусоїд [6]:

кожна з яких характеризується чотирма параметрами: частотою _і, амплітудою А_і, декрементом загасання _і і фазою _і (i = 1,…, N). Внаслідок застосування методу Проні до аналізу сигналів отримуємо чотирикомпонентний набір даних, які представляють собою параметри загасаючих синусоїд і є об'єктивною інформацією для оцінки стану системи «стрілець-лук».

У п'ятому розділі наведено опис приладів та ІВС, розроблених та впроваджених автором у навчально-тренувальний процес збірних команд України з санного спорту та бобслею.

Описано пристрій і комп'ютерну систему фотоелектричного автоматичного хронометражу стартових відрізків у санному спорті та бобслеї. Наведено функціональну схему та схему встановлення системи фотоелектричного автоматичного хронометражу стартових відрізків (рис. 5). Відстань між стартовими руківками СР, з яких стартує спортсмен на санях С, становить 0,7 м. Згідно з рисунком розташовують фотоелектронні передавачі ПД та приймачі ПР, сигнал від котрих подається на відповідні входи електронного хронометра ЕХ. Враховуючи невелику відстань, час вимірюється з точністю до 0,001 с [7]. Наведено результати практичних вимірювань часу на НТЗ збірної команди України з санного спорту в період 199497 рр.

Для оперативного і об'єктивного вимірювання різниці часу прикладання спортсменами стартових зусиль до боба розроблено прилад реєстрації цього параметру. Наведено функціональну схему (рис. 6) і розглянуто принцип дії та особливості роботи приладу. На руківки боба чи імітатора спортивного снаряду встановлюються контактні давачі КД₁ і КД₂, з яких електричний сигнал подається у блок вимірювання та індикації БВІ. Логічна схема ЛС аналізує черговість сигналів з КД₁ і КД_2, виділяє їх фронти та формує імпульс тривалістю t, тобто різниці часів прикладання зусиль спортсменами до руківок боба. Тактова частота з задаючого генератора Г подається на дільник Д, зміна коефіцієнту ділення котрого забезпечує точність вимірювання часу від 0,1 до 0,001 с. Дешифратор ДШ підраховує кількість імпульсів з дільника за час t та перетворює їх у цифровий код для відображення на індикаторі І 4-х знаків результату t та інформації про черговість прикладання спортсменами зусиль до руківок. Об'єктивне та наочне представлення інформації, портативний варіант виконання, автономне живлення, невелике споживання струму завдяки використанню елементної бази КМОП дають можливість застосовувати розробку на тренуваннях стартового розгону для аналізу та оперативної корекції рухів спортсменів. Апробовано прилад реєстрації різниці часу прикладання спортсменами стартових зусиль до боба у Львівській обласній федерації санного спорту на базі СДЮШОР «Беркут» [8].

Наведено спідометричний електромеханічний комплекс на базі ЕОМ для вимірювання швидкості на стартовому відрізку у санному спорті та бобслеї у модифікаціях з нерозтяжним шнуром (рис. 7) та телеметричним каналом.

Наведено технічну документацію і приклади спідограм виконання стартової вправи членом збірної команди України з санного спорту Л. Лудан на НТЗ у жовтні 1997 р. на льодовому стадіоні АТЕК у м. Києві. На рис. 8 зображено графіки швидкості саней при виконанні відштовхувань від льоду (т.зв. «пінгвінів»), за якими можна визначати ефективність вправи.

Описано акселерометричний комплекс для вимірювання прискорень руху саней і боба при проходженні стартового відрізка, розглянуто його структурну схему, опис роботи та основних вузлів [2]. Наведено технічні характеристики акселерометричних давачів, акселерограми проведених досліджень на НТЗ збірної команди України з санного спорту у Кременці та Алушті у 1997 р. (рис. 9).

Розроблено тензометричний комплекс для вимірювання зусиль, що прикладаються спортсменами до руківок при виконанні стартової вправи у санному спорті. Наведено структурну схему та принцип дії комплексу, його зовнішній вигляд (рис. 10), тензограми стартових зусиль члена збірної команди України з санного спорту Д. Панченка на НТЗ у м. Алушта в липні 1997 р.

Тензодавачі на стартових руківках забезпечують передачу електричних сигналів, пропорційних прикладеним спортсменом зусиллям правою та лівою руками в двох перпендикулярних проекціях - горизонтальній та вертикальній.

Підсилені тензопідсилювачами сигнали через багатоканальний мультиплексор передаються на вхід швидкодіючого паралельно-послідовного АЦП і далі через спеціальний інтерфейс у цифровому вигляді на ЕОМ. В результаті обробки записаних сигналів можна отримати графіки складових зусиль, що прикладаються до руківок, та їх годографи. Інформація зберігається в пам'яті комп'ютера, звідки в графічному чи цифровому вигляді виводиться на дисплей для візуального контролю. Описаний комплекс був апробований на НТЗ збірної команди в липні 1997 р. в м. Алушта, він дозволив інтенсифікувати підготовку спортсменів та підвищити ефективність тренувань.

Розроблено оригінальну методику визначення динамічних параметрів стартових дій санників з використанням тензо - та акселерометричних комплексів і фотоелектричного автоматичного хронометражу. Паралельна відеозйомка стартів та обробка її на комп'ютерній системі за допомогою програми вводу та обробки зображень «Gray Vision» дозволили побудувати біокінематичні схеми виконання стартової вправи з часовою синхронізацією.

Дослідження дали можливість побудувати хронограми стартових дій, провести інтерпретацію записів динамічних параметрів, скласти та проаналізувати індивідуальні моделі виконання вправи, оперативно виявляти помилки і на цій основі вдосконалювати техніко-тактичну майстерність членів збірної команди України з санного спорту.

Висновки

В результаті проведених досліджень на основі аналізу математичних моделей системи «спортсмен-опора-спорядження» розроблено ряд ІВС визначення кінематичних та динамічних параметрів руху спорядження та біоланок спортсменів і контролю їх психофізіологічних реакцій.

Основні результати роботи полягають в наступному.

Запропоновано математичні моделі системи «спортсмен-опора-спорядження» при виконанні спортивних вправ у санному спорті та бобслеї, на основі аналізу яких визначено основні інформативні кінематичні і динамічні параметри - різницю часу прикладення зусиль до руківок боба, час проходження стартових відрізків, миттєві швидкість і прискорення руху снарядів при цьому, та зусилля, що прикладаються санниками до стартових руківок.

Проведено аналіз залежності швидкості боба в кінці стартового відрізка і спортивного результату від різниці часів прикладання спортсменами зусиль до руківок боба, на основі якого запропоновано методику вдосконалення координаційних якостей бобслеїстів та прилад для її реалізації.

На основі аналізу математичної моделі лука за І.П. Заневським визначено підходи до оцінки його якості: швидкісний - за максимумом швидкості вильоту стріли, та енергетичний - за мінімумом вібрації елементів лука після пострілу. Запропоновано індуктивний метод вимірювання швидкості вильоту стріли, при використанні якого не порушується динамічний баланс елементів лука, та структурну схему IBC з використанням пристрою відносних вимірювань.

Проаналізовано акселерограми вібрації руківки лука після пострілу, запропоновано їх аналітичне представлення сумою загасаючих синусоїд, запропоновано еврістичні методи визначення параметричних функцій, а також визначення параметрів сигналів методом Проні, що дало можливість реалізувати практичну методику налагодження лука.

Визначено адекватні методики тестування якості психофізіологічних реакцій спортсменів, на основі яких з використанням програми дослідження сенсомоторних якостей «Діагностик» запропоновано комп'ютеризовану систему психофізіологічного контролю стану спортсменів, що дозволило максимально стандартизувати умови експерименту, оперативно проводити тестування та опрацьовувати дані.

Проаналізовано джерела основних похибок первинних перетворювачів, показано, що вони є визначальними в оцінці похибок вимірювання розроблених систем. Запропоновано методики повірки первинних перетворювачів і вимірювальних систем в цілому, що відрізняються простотою реалізації при забезпеченні достатньої точності.

Запропоновано методи і алгоритми відбору, опрацювання та візуалізації інформації про кінематичні і динамічні параметри руху біоланок спортсмена і спорядження, на основі яких створено ряд діючих макетів ІВС на базі ЕОМ IBM PC та розроблено пакет прикладних програм ADC на мові програмування Borland Pascal 7.0 з використанням бібліотек TurboVision та підпрограм на мові «Assembler», що дало можливість розробити відповідні методики і впровадити їх в практику підготовки збірних команд України.

Список опублікованих праць

Кусый Л.И., Сапужак И.Я., Цема М.И. Анализ интегрального преобразования, основанного на многократном инвертировании монотонно затухающих сигналов // Отбор и обработка информации. - 1991. - Вып. 7 (83). - С. 97-100.

Сапужак І.Я. Застосування інформаційно-вимірювальних систем на базі ЕОМ для вдосконалення майстерності спортсменів-санників // Відбір і обробка інформації. - 1997. - Вип. 11 (87). - С. 49-53.

Сапужак І.Я., Виноградський Б.А., Сапужак О.Я. Імпульсна електромагнітна система контролю якості спортивного лука // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів: Вид-во ФМІ НАН України. - 2000. - Вип. 5. - С. 111-114.

Сапужак І.Я., Виноградський Б.А., Сапужак О.Я. Акселерометрична система контролю якості спортивного лука // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів: Вид-во ФМІ НАН України. - 2001. - Вип. 6. - С. 234-237.

Сапужак І. Я. Визначення похибок вимірювання окремих інформаційно-вимірювальних систем спортивного призначення // Фізичні методи та засоби контролю середовищ матеріалів та виробів, вип. 7: Неруйнівний контроль конструкційних та функціональних матеріалів: Зб. наук. пр. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка, 2002. - С. 274-276.

Виноградський Б.А., Сапужак І. Я. Оцінка якості настройки лука за допомогою акселерометричного інформаційно-обчислювального комплексу // Фізичні методи та засоби контролю середовищ матеріалів та виробів (серія), вип. 7: Неруйнівний контроль конструкційних та функціональних матеріалів: Зб. наук. пр. - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка, 2002. - С. 277-279.

Санний спорт. Навчальна програма для дитячо-юнацьких спортивних шкіл, спеціалізованих дитячо-юнацьких шкіл олімпійського резерву, шкіл вищої спортивної майстерності / І.Я. Сапужак, Ю.Б. Собота, О.С. Желтуцький, О.В. Чухліб. - К: вид-во Держкоммолодьспорттуризму України, 2000. - 81 с.

Сапужак І., Сапужак О. Технічні засоби вдосконалення майстерності спортсменів-бобслеїстів // Молода спортивна наука України: Збірник наукових статей з галузі фізичної культури та спорту. - Львів: ЛДІФК, 2001. - Вип. 5. - Т. 1. - С. 383-387.

А.с. 1584590 СССР, МКИ G 01 V 3/10, G 06 G 7/18. Устройство для обработки импульсных сигналов / П.П. Драбич, И.Я. Сапужак, М.И. Цема (СССР). - №4266724/31-25; Заявлено 23.06.87; Опубл. 8.04.90, Бюл. №29. - 4 с.

Рибак О.Ю., Сапужак І.Я. Системи безпеки автомобільних змагань // Фізична культура, спорт та здоров'я. - Харків: Вид-во ХДІФК. - 1997. - С. 175-177.

Кусый Л.И., Сапужак И.Я., Цема М.И. Об одном способе снижения синхронных помех при импульсных электромагнитных исследованиях // Изв. высших учебных заведений «Электромеханика». - Новочеркасск: Изд-во НПИ. - 1991. - Вып. 8. - С. 92-93.

Сапужак И.Я., Цема М.И. Многоканальный измеритель переходных процессов // Электромагнитная индукция в верхней части земной коры. М.: Наука, 1990. С. 129.

Сапужак И.Я. Микропроцессорное устройство предварительной обработки сигналов для геоэлектроразведки по методу переходных процессов // Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых ученых «Электромагнитные процессы в земле и космосе». - М.: ИЗМИРАН. - 1989. - С. 81.

Жук А.В., Петрунин Ю.А., Пугач А.А., Сапужак И.Я., Цема М.И. Импульсная система вихретокового неразрушающего контроля // Тезисы докладов научно-технической конференции «Приборы и методы неразрушающего контроля». - К.: Знание. - 1989. - С. 16.

Сапужак И.Я. Помехоустойчивый компенсационный измеритель периодических сигналов // Сб. тезисов и докладов I-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в области приборостроения «Интерприбор - 90». - М. - 1990. - С. 58-59.

Сапужак И.Я., Цема М.И. Многопроцессорный комплекс для моделирования и обработки сигналов // Тезисы докладов I Всесоюзного семинара «Прикладные проблемы моделирования и оптимизации». - М.: ВНИИСИ. - 1991. - С. 90.

Рибак О.Ю., Рибак Л.І., Сапужак І.Я. Використання психофізіологічних показників для спортивного та професійного відбору студентів // Матеріали III Всеукраїнської науково-практичної конференції «Роль фізичної культури в здоровому способі життя». - Львів. - 1997. - С. 61-62.

Igor Sapuџak. System komputerowy dla жwiczeс saneczkarzy // Ogуlnopolska konferencja naukowo-problemowa «Sporty Zimowe u Progu XXI wieku oraz tradycje і perspektywy Zakopanego». - Krakуw. - 2001. - S. 41-42.

Размещено на Allbest.ru