Техническое устройство для обучения и тренировки легкоатлетов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Полякова Светлана Владимировна, Мамий Алий Русланович

В статье описана разработка тренажера для легкоатлетов, позволяющего измерять и контролировать вертикальное и боковое ускорение спортсмена во время марафонского, спринтерского бега или спортивной ходьбы, контролировать правильность соотношения частот шагов , дыхания и сердечных сокращений. Это устройство поможет ученому исследовать процесс бега или ходьбы, а тренеру поможет научить спортсмена правильно расходовать энергию.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Полякова Светлана Владимировна, Мамий Алий Русланович

Текст научной работы на тему «Техническое устройство для обучения и тренировки легкоатлетов»

УДК 796.022:796.42 ББК 75.48 П 54

Ассистент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления физического факультета Адыгейского государственного университета, тел. 89064388925, e-mail:

Кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления физического факультета Адыгейского государственного университета, тел. 89064385575, e-mail: nis@adygnet.ru

Техническое устройство для обучения и тренировки легкоатлетов

В статье описана разработка тренажера для легкоатлетов, позволяющего измерять и контролировать вертикальное и боковое ускорение спортсмена во время марафонского, спринтерского бега или , , сокращений Это устройство поможет ученому исследовать процесс бега или ходьбы, а тренеру поможет научить спортсмена правильно расходовать энергию.

Ключевые слова: тренажер, легкая атлетика, экономия энергии, микроконтроллер, автоматиза-, , .

Assistant of Department of Automated Systems of Processing Information and Control at Physics Faculty of Adyghe State University, ph. 89064388925, e-mail: szxd@mail.ru Mamiy A.R.

Candidate of Pedagogy, Senior Lecturer of Department of Automated Systems of Processing Information and Control at Physics Faculty of Adyghe State University, ph. 89064385575, e-mail: nis@adygnet.ru

The technical device for teaching and training athletes

The paper describes elaboration of a training device for the athletes, allowing the coach to measure and supervise vertical and lateral acceleration of the sportsman during marathon, sprinting or sports walking and supervise correctness of a correlation of frequencies of steps, breath and heart rate. This device will help the scientist to investigate run or walking process, and the coach to teach the sportsman to spend energy correctly.

Key words: a training device, track and field athletics, economy of energy, the microcontroller, automation, control, frequency of steps.

Современный человек все больше и больше полагается на помощь технических устройств в развитии себя и окружающего мира.

Научно-технический прогресс не только повышает необходимость в занятиях физической культурой и спортом, но и создает лучшие возможности для этих занятий [1]. Обучение и совершенствование техники спортивных движений с помощью техни-

ческих средств позволяет облегчить работу тренеру, а спортсмену - добиться более высоких результатов.

На длинных дистанциях легкоатлет должен рационально расходовать свою энергию. Определить, какие параметры влияют на рациональность расхода энергии, и контролировать их довольно сложно без научных исследований и использования вспомогательных технических средств.

Данная статья посвящена описанию разработки многофункционального адаптивного тренажера для обучения, совершенствования и анализа техники бега и ходьбы.

При разработке тренажера были поставлены следующие задачи:

— определить физиологические показатели, которые необходимо фиксировать и контролировать для улучшения техники бега или ходьбы легкоатлета;

— проанализировать поведение этих показателей во время качественной и некачественной тренировки;

— разработать алгоритмы контроля и адаптивного управления этими параметрами;

— спроектировать алгоритм работы тренажера и само устройство.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— у спортсмена появляется возможность контролировать правильность техники движений в беге и ходьбе;

— становится возможным ученому или исследователю анализировать по измеренным показателям процесс и качество тренировки;

— появляется возможность с помощью тренажера тренироваться спортсмену самостоятельно.

Для достижения высоких результатов спортсмен должен следовать правильной технике движений.

При беге на большие дистанции необходимо рационально расходовать энергию за счет оптимального отталкивания вверх.

В спринтерском беге на развитие максимальной скорости влияет соотношение вертикальной и горизонтальной составляющих ускорения при выполнении шага.

В спортивной ходьбе контроль вертикального перемещения спортсмена позволяет предохранять его от пробежки.

Измерение вертикального ускорения во время бега или ходьбы позволит контролировать правильность выполнения двигательных действий.

Горизонтальные (фронтальная ау, и боковая ах) составляющие ускорения позволят изучить особенности техники: ускорение в стороны не должно выходить за определенные границы, а с помощью ускорения вперед можно проследить, какие усилия прикладывает спортсмен, чтобы увеличить свою скорость на дистанции.

Для экономии энергии на длинных дистанциях также актуально согласование частоты шагов, частоты дыхания и частоты сердечных сокращений (ЧСС) так, чтобы они все были кратными.

Это вытекает из физиологических соображений: чтобы облегчить работу сердцу, необходимо достигнуть резонанса между его сокращениями и поступлением обогащенной кислородом крови, на что влияет частота дыхания и частота шагов.

Таким образом, должно выполняться равенство:

Рис. 1. Изменение вертикальной составляющей ускорения спортсмена во время тренировки.

ВГ и НГ - соответственно, верхняя и нижняя допустимые границы для максимума вертикальной составляющей ускорения

Максимальное значение аг за шаг во время качественной тренировки не должно выходить за определенные границы: верхнюю (ВГ) и нижнюю (НГ).

Величина этих границ находится экспериментально с участием тренера.

Разрабатываемое устройство позволяет:

1) регистрировать вертикальную составляющую ускорения (а2) спортсмена при беге или ходьбе и издавать звуковой сигнал при превышении заранее заданной верхней или нижней границ для а2;

2) измерять и контролировать боковую составляющую ускорения ах;

3) измерять горизонтальную составляющую ускорения ау;

4) вычислять соотношение частоты шагов в беге или ходьбе с частотой дыхания и в случае не кратного соотношения этих частот сигнализировать об этом тренирующемуся;

5) вычислять соотношение ЧСС и частоты дыхания и в случае отклонения соотношения от заранее заданного сигнализировать об этом;

6) контролировать соотношение частоты шагов и ЧСС с выдачей управляющего сигнала тренирующемуся в случае отклонения соотношения от заранее заданного;

7) записывать в память информацию с акселерометра, датчиков дыхания и ЧСС во время тренировки для последующего анализа.

Для измерения ах, ау, а2, частоты дыхания, частоты шагов и ЧСС необходимо использовать следующие датчики:

— трехосный акселерометр, измеряющий ускорение спортсмена по трем направлениям (ах, ау, а2);

— датчик дыхания, показывающий, в каком состоянии находится грудная клетка испытуемого (вдох или выдох);

— датчик, измеряющий ЧСС.

Информация, поступающая с датчиков в режиме реального времени, обрабатывается на переносном устройстве, закрепленном на поясе спортсмена.

Производится экспресс-анализ полученной информации, спортсмену подается информационный сигнал об ошибке и сигнал, стимулирующий его правильно выполнять движения.

Для реализации этого устройства был выбран микроконтроллер PIC16F877, имеющий восьмиканальный десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), напряжение питания от 2В до 5,5В, тактовую частоту 20 МГц, три таймера, возможность подключения І^^памяти данных большого объема, модули последовательного интерфейса для связи с компьютером (MSSP, USART) [2, 3].

Функциональная схема адаптивного тренажера представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема устройства для обучения и тренировки легкоатлетов

Во время тренировки датчики дыхания, ЧСС и ускорения, закрепленные на спортсмене, регистрируют соответствующие физические величины и передают результат измерения в микроконтроллер (МК). В состав МК входит многоканальный аналогоцифровой преобразователь, который с заданной частотой считывает и оцифровывает показания датчиков.

Все снимаемые показатели временно записываются в память МК, а после окончания тренировки переносятся, в базу данных компьютера, чтобы тренер или ученый-исследователь могли проанализировать их после тренировки.

Далее информация с датчиков в зависимости от выбранной задачи (контроль ускорений или контроль частот) обрабатывается в соответствии с программой микроконтроллера по одной из двух ветвей.

Для контроля величины ускорения при отталкивании спортсмена вверх во время ходьбы или бега в вычислительный модуль поступают мгновенные значения вертикального ускорения спортсмена аг, где вычисляется максимум аг за шаг.

Аналогично определяются максимумы ах и ау. В решающем модуле происходит проверка на попадание а2 в заданные тренером границы: ВГ и НГ, и принимается решение о том, подавать ли сигнал об ошибке или выход за эти границы случаен и не является недостатком техники спортсмена. Если данная ошибка неслучайна, то с помощью управляющего модуля в нужный момент генерируется звуковой сигнал и подается на наушники спортсмену.

Аналогичным образом происходит контроль отклонения спортсмена по показателям а и а .

Если выбран режим обучения, где контролируются частотные показатели, то выбирается нижняя часть алгоритма работы микроконтроллера (рис. 2). До тренировки спортсмен или тренер выбирает, кратность каких двух частот из трех возможных будет контролироваться.

Показания соответствующих датчиков поступают в вычислительный модуль, где вычисляется текущая частота шагов или частота дыхания. В решающем модуле производится проверка выбранных частот на кратность.

Если исследуемые частоты не кратны, то подбирается такое значение частоты шагов или дыхания, при которой спортсмен сможет найти оптимальный (резонансный) режим бега или ходьбы, т. е. рассчитывается идеальная частота шагов (или дыхания).

Далее в управляющем модуле определяется момент времени для подачи управляющего звукового сигнала, и генерируется сам сигнал. Получая его, спортсмен старается дышать или регулировать темп шагов в такт с сигналом.

Таким образом, реализуется экспресс-анализ и оперативное управление ходом тренировки.

Для последующего анализа собранных данных с целью улучшения качества тренировки или в исследовательских целях информация из памяти микроконтроллера копируется через интерфейс Я8-232 на стационарный компьютер в многопользовательскую базу данных [4]. Там она обрабатывается с помощью специального программного обеспечения, которое позволяет занести необходимые анкетные данные спортсмена, выделить ему уникальный код, вывести графики изменения измеряемых во время тренировки величин или их численные значения.

Тренер имеет возможность с помощью этой программы задавать величины границ для вертикального, горизонтального и бокового ускорений, выбирать анализируемые во время тренировки частотные физиологические параметры (частота дыхания, частота шагов или ЧСС), кратность которых будет контролироваться, а также указывать режим двигательных действий: бег или ходьба.

Также осуществляется адаптивный режим работы устройства, в котором верхняя и нижняя границы для максимума ускорения за шаг будут автоматически изменяться, ес-

ли спортсмен в течение долгого времени не может их придерживаться. Это обеспечивает возможность реализации индивидуального подхода к каждому тренирующемуся и делает устройство адаптивным.

Таким образом, разработанное автоматизированное устройство является инструментом для исследований ученого, позволяет экономить энергию спортсмена во время тренировки, подбирать приемлемую для спортсмена нагрузку, изменяя программу контроля в соответствии с его физическими возможностями и квалификацией.

1. Юшкевич Т.П., Васюк В.Е., Буланов В.А. Тренажеры в спорте. М.: ФиС, 1989. 320 с.

2. Программирование PIC микроконтроллеров. URL: http://www.pcports.ru/Articles.php.

рые серии микроконтроллеров. URL:

4. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: пер. с англ. М.: ДМК-Пресс, 2001. 320 с.

1. Yushkevich T.P., Vasyuk V.E, Bulanov V.A. Training devices in sports. M.: Physical training and sports, 1989. 320 p.

2. Programming PIC of microcontrollers. URL: http://www.pcports.ru/Articles.php

3. PIC - full transfers of data sheets to some series of

http ://www. microchip.ru/files/d-sheets-rus/pic16f87x.pdf

4. An P. Coupling of the personal computer with external devices: Trans. from English. M.: DMK-Press, 2001. - 320 p.