Szegedi Tudományegyetem TTIK Kísérleti Fizika Tanszék DIPLOMAMUNKA. Versenykajak mozgásának mérése és a mért jelalakok analízise

Szegedi Tudományegyetem TTIK Kísérleti Fizika Tanszék

DIPLOMAMUNKA Versenykajak mozgásának mérése és a mért jelalakok analízise

Készítette: Makan Gergely Fizikus MSc szakos hallgató

Témavezető: Dr. Gingl Zoltán tanszékvezető, egyetemi docens SZTE Műszaki Informatika Tanszék

Belső Konzulens: Dr. Makra Péter egyetemi adjunktus SZTE Orvisi Fizikai és Orvosi Informatikai Tanszék

Szeged 2012

Tartalomjegyzék 1 Bevezetés................................................................................................................................3 2 Az evezés biomechanikája......................................................................................................5 2.1 Kereskedelmi forgalomban lévő hasonló eszközök........................................................6 3 Az alkalmazott mérőrendszer..................................................................................................8 3.1 Az eszköz felépítése........................................................................................................8 3.2 Elektronika, szenzorok....................................................................................................9 4 A kajak mozgásának megismerése........................................................................................12 4.1 A kajak periodikus mozgásai, mért jelalakok elemzése................................................12 4.2 A jelalakokat befolyásoló hatások.................................................................................16 4.3 Szinkronmérés videóval................................................................................................19 4.4 Biomechanikai megfontolások......................................................................................20 5 Kalibrálás..............................................................................................................................24 5.1 Kalibrációs mérések......................................................................................................24 5.1.1 Gyorsulásszenzor...................................................................................................24 5.1.2 Giroszkópok...........................................................................................................25 6 Kiértékelő szoftver fejlesztése..............................................................................................26 6.1 Az adatok beolvasása, megjelenítése LabVIEW-ban, munkaalgoritmusok..................26 6.2 A hosszútávú időbeli elemzésről...................................................................................27 6.2.1 Alapalgoritmusok...................................................................................................27 6.2.2 A mérőszámok meghatározása...............................................................................29 6.2.3 Statisztikai értékelés..............................................................................................33 6.3 A Java szoftver...............................................................................................................35 7 Sebességmérés......................................................................................................................37 7.1 A sebességmérővel mért jel feldolgozása......................................................................38 7.2 A sebesség időbeli változása, rajtelemzés.....................................................................39 7.3 Alternatívák a sebességmérőre......................................................................................40 8 A fejlesztés eredményei, továbblépési lehetőségek...............................................................42 8.1 Eredmények...................................................................................................................42 8.2 Továbblépési lehetőségek..............................................................................................43 9 Összefoglalás........................................................................................................................44 10 Köszönetnyilvánítás............................................................................................................46 11 Melléklet..............................................................................................................................47 12 Irodalomjegyzék..................................................................................................................52 13 Nyilatkozat..........................................................................................................................55 2

1

Bevezetés Az élsportokban ma már alapvető fontosságú, hogy az edzők kezében legyenek azok

az eszközök, amelyek képesek kvantitatív mennyiségekkel szolgálni a versenyző teljesítményéről. Az edző szemét persze nem lehet helyettesíteni egy eszközzel. Szükség van a tapasztalatára, tudására is, de az mindenképpen a munkájához hozzáadott segítség, ha objektívebben képes értékelni az edzésen, versenyen történt eseményeket. A műszer által rögzített adatsor egy új szemszögnek felel meg a mozgás megfigyelésében. Egy kellően pontos műszer olyan apró technikai részletek kimutatására is alkalmas lehet, amiket esetleg az edző és a versenyző még a lassított videóelelemzésből sem venne észre, elkerüli figyelmüket az edzés alatt. Emellett a rögzített, időben hosszabb távú mért adatsorok olyan statisztikai jellegű információkat (az evezés egyenletessége, fáradás stb.) adnak futamról, amik egyéb módszerekkel nehezen megfigyelhetőek. Mivel a versenyeken sokszor tized, sőt századmásodpercek döntenek az első hely sorsáról, ezért bármilyen apró technikai javulás jelentős lehet a végeredményben. Az előzőekben elmondottak szinte minden sportra érvényesek, így a vízisportokra, a kajakozásra is. A múlt nyáron lehetőségem adódott csatlakozni a Zaj és nemlinearitás kutatócsoportnál egy már régebb óta folyó, öt fázisból álló projektbe, aminek célja egy, az EDF Démász Szeged Vízisport Egyesület kajakos edzőinek és versenyzőinek készült mérőrendszer fejlesztése és megépítése. A munkát Vadai Gergely hallgatótársammal kezdtem meg az ötödik fázis elején, aki szintén ebben a projektben végzett tevékenységeiből írta a diplomamunkáját [2] az előző félévben. Feladatunk a kezdeti stádiumban lévő kiértékelő szoftver algoritmusainak továbbfejlesztése, jelek értelmezése, statisztika készítése, hasznos, új információt jelentő paraméterek, indikátorok meghatározása, valamint a kajakosokkal való kapcsolattartás volt. A munkánk egy részét közösen végeztük, ezért a dolgozatomban gyakran hivatkozok rá. Gyakran osztottuk fel egymás között a különböző feladatokat, így egy idő után jobban szétváltak tevékenységi köreink. Míg ő az alapalgoritmusok megírásával, az időben hosszabb távú jelekkel és statisztikáikkal foglalkozott, addig én a rövidtávú időbeli jelalakok elemzésével és a mérőrendszer hardveres részével dolgoztam. A dolgozatom elején ismertetem az alkalmazott mérőműszer felépítését, főbb funkcióit. Értelmezem és elemzem a mért jeleket és egy egyszerű biomechanikai modellt állítok fel. Ennek segítségével hallgatótársam el tudta kezdeni az egyes kiértékelő

3

algoritmusok fejlesztését és a statisztikai elemzést. Ezután részletesen ismertetem az általam készített kiértékelő algoritmusok fejlesztését. Bemutatom a műszerben lévő gyorsulásszenzor és giroszkópok kalibrálásának menetét. Végül ismertetem az általam készített sebességmérő fejlesztését és értelmezem a mért sebességjeleket.

4

2

Az evezés biomechanikája Az kajakos evezés biomechanikájának témaköre a hajó, az evező és a kajakos

mozgásainak kapcsolatáról szól. Ebben a témakörben már számos publikáció született, amikben az optimális evezési technikákról írnak [3], [5]. A korábbi cikkekben az evezés egyes fázisait csak videófelvétel alapján [3], majd később ezt szenzoros mérésekkel kiegészítve is vizsgálták [4], amire én is sort kerítettem munkám során (4.3. fejezet). Ralph Mann és Jay T. Kearney [3] munkájuk során megfigyelték, hogy a lapát a függőleges állásának közelében lép fel a legnagyobb menetirányú gyorsulás és az ideális az lenne, ha a kajakos evezése hamar elérné ezt a fázist, majd megpróbálná ezt minél hosszabb ideig fenntartani. Ezt úgy lehet elérni, hogy a vizet éréskor a lapát tetejét megtolja a kajakos, amit egy a lapát alsó felének húzásával egybekötött törzsfordítás követ (2.1., 2.2. ábra). Ezzel a módszerrel a kajakos megnöveli a húzás leghatékonyabb, függőleges lapátállás közelében lévő fázis idejét. A hajó és a kajakos közös tömegközéppontjának menetirányú sebességét figyelve észrevették, hogy a hajó lassul, amikor a kajakos tömegközéppontja előre mozdul a vízfogáshoz. A hajó maximális sebességét a második és harmadik fázis felénél éri el (ezt később, a 4.4 alfejezetben videóelemzéssel is igazolom).

2.1. ábra. Egy evezőcsapás menetének főbb szakaszai. Belépő (első), függőleges (második) és kilépő (harmadik) lapátállás 2.2. ábra. A lapát forgáspontjának fázisok. [3] elmozdulása az alsó ívtől a felső felé.[3]

Az egyes versenyzőknél kialakult evezési technika főként a hajótól, a lapát paramétereitől, a versenyszám stílusától, valamint magától a versenyző fizikai felépítésétől függ. Több cikk is foglalkozik például az evező formájának, méretének optimalizálásának kérdésével az adott versenyzőre [6]. Ezekben a publikációkban főként az evezési technikák részleteinek felderítése történik olyan szempontok szerint, mint az evezés különböző paramétereinek (lapáterő [11], [12] lapátmélység, könyök hajlítása [15], a menetirányú gyorsulásjel paraméterei, evezési profilok, fiziológiai tényezők stb.) összefüggése az evezés hatékonyságával, a statisztikai 5

összefüggések keresése különféle edzési technikák között. A sporttudományokban már több, a mi műszerünkhöz hasonló műszerrel készült publikáció született [7], [8], [9], [10]. Már 1987-ben rendelkezésre állt a technika olyan műszer készítéséhez, amivel evezős hajó gyorsulását mérték [7]. López és munkatársai [13] cikkükben három egymásra merőleges irányból (szemből, oldalról, felülről) készítettek videófelvételeket hat profi kajakversenyzőről, akik kajak ergométeren eveztek. Az ergométer egy szobai evezőgép, ami a kajakosok körében eléggé elterjedt edző eszköz. A videófelvételekből a lapát végein lévő jelölések koordinátáit emelték ki. Mivel a hat versenyző evezési technikája között nem találtak lényeges különbségeket, ezért azt állították, hogy az optimális evezési technika a mért hat lapátpálya átlaga mindhárom lehetséges irányból nézve. Beatriz Gomes és munkatársai kajak egyes, kajak kettes, valamint a kajak négyes hajó különböző gyorsulásait mérték [14]. A mért jelek különböző formájúak, viszont az egyes húzásokhoz tartozó gyorsulásjel pozitív és negatív részeinek időtartamainak aránya megegyezik a különböző számú versenyzőt tartalmazó hajók esetén (2.3. ábra).

2.3. ábra. A kajak egyes (sötét szürke), kajak kettes (közép szürke) és a kajak négyes (világos szürke) három irányú (a, b, c) gyorsulásjeleinek formái egymásra illesztve. A legnagyobb eltérés a leginkább fontos, menetirányú gyorsulásjel (a) esetén figyelhető meg. [14]

2.1 Kereskedelmi forgalomban lévő hasonló eszközök Több, kereskedelmi forgalomban lévő eszköz is létezik, melyek hasonló feladatot látnak el, mint az általunk fejlesztett műszer. A következőkben ezek közül mutatok be kettőt, melyek az alkalmazott szenzorok és mérési módszerek tekintetében is hasonlítanak a mi műszerünkhöz. DigiTrainer (gyártó: Polaritás Ltd. [16]) Az eszköz a kajakhoz rögzíthető, így valós idejű kijelzésre is alkalmas, illetve a mért evezést és bizonyos számolt paramétereket az eszköz kijelzőjén kívül, a hajó mellett mozgó csónakban egy laptopon, a Technique Studio nevű szoftverrel is figyelemmel követhetjük. 6

A mozgást 3 tengelyű gyorsulásszenzorral, a sebességet 10Hz-es frissítésű GPS-el méri, mely utóbbi segítségével a megtett pályát is képes Google térképre rajzolni a szoftver. Az eszköz alkalmas emellett a szívritmus mérésére is mellkaspánt segítéségével. A valós idejű kommunikáció egy Bluetooth modul segítségével történik. A rögzíthető eszköz valós időben képes kijelezni az aktuális csapásszámot, sebességet és szívritmust. A számítógépen futó szoftver képes megjeleníteni e paraméterek időbeli változását, a jobb és bal kéz esetén mért görbék hasonlóságát, a hajó billegését és a húzáserő eloszlását. Az edző és sportolók elmondása alapján a valós idejű mérés nem feltétlenül hasznos, hiszen a kijelző figyelemmel követése a kajakozót megzavarhatja a koncentrációban és a teljesítmény

egyenletes

kifejtésében,

továbbá

a

kijelzett

paraméterek az evezés közben sokszor nem is segítik a munkát, a technika elemzését az edző úgyis utólag végzi el. A szoftver által

2.1.1. [16].

ábra.

DigiTrainer

kijelzett információkkal azonban az utólagos elemzés sem lehetséges egyszerűen, így az eszköz nem elégítette ki a sportolók igényeit.

Minimax B4 (gyártó: Catapult [17]) Az

ausztrál

gyártású

eszköz

a

gyorsulásszenzoron túl 3 tengelyű giroszkópot is használ a forgások mérésére és egy magnetométert az irányok meghatározásához. Az

eszköz

az

előbbihez

hasonlóan

a

sebességmérést egy 10Hz-es GPS-el végzi (így a sebesség egy evezésen belüli vizsgálatára ugyancsak alkalmatlan), a szívritmust pedig

2.1.2. ábra. Minimax [17].

mellkaspánttal méri. Az eszköz a 100 Hz-el mintavételezett méréseket valós időben képes továbbítani számítógép vagy okostelefon felé, ahol szoftveresen a szokásos paraméterek időbeli kijelzésén túl megbecsüli a hajó nem kívánt mozgásaiból adódó energiaveszteséget. Ára durván egymillió forint.

7

3

Az alkalmazott mérőrendszer A pályázat részeként, amely létrejött az EDF DÉMÁSZ Zrt., valamint a DEAK

Kooperációs Kutatási Zártkörűen Működő Non-profit Részvénytársaság között, elkészült egy mérőeszköz és a hozzá tartozó kiértékelő program. Ebben a fejezetben az általunk alkalmazott mérőrendszer felépítésére, működésére térek ki. A mérőrendszer része maga a mérőeszköz, ami megfelelő pontossággal képes rögzíteni a kajak mozgását, valamint egy számítógépes kiértékelő szoftver, ami a kajak mozgása során összegyűlt rengeteg adatot kiértékeli és az edző számára csak a legfontosabb információkat jeleníti meg. A körülbelül fél kg-os, kajakhoz rögzített műszer egy memóriakártyára menti a különböző szenzorai által mért adatokat, az energiaellátásról pedig egy akkumulátor gondoskodik. Az öt fázisból álló projekt negyedik fázisának végére már elkészült öt azonos mérőeszköz és a hozzá tartozó, még kezdeti állapotban lévő kezelő és kiértékelő szoftver. Főként ennek a kiértékelő szoftvernek a továbbfejlesztése volt a feladatom.

3.1 Az eszköz felépítése Az első két fázisban a projekt előkészítése és egy prototípus műszer fejlesztéséhez szükséges információk beszerzése történt. A prototípus műszer első verziójának fejlesztéséhez szükséges volt előméréseket tenni munkatársaimnak (Dr. Gingl Zoltán, Dr. Mingesz Róbert, Kocsis Péter, Mellár János), hogy meg tudják határozni az optimális méréshatárokat, pontosságot és az elegendő mintavételi gyakoriságot a szenzorok számára. A harmadik fázisban elkészült egy prototípus, ami a Boat DAQ v1.0 nevet kapta. A negyedik fázisban megtörtént a prototípus továbbfejlesztése, az elődből szerzett tapasztalatok alapján (3.1.1. ábra). Az egész eszköz kompaktabb lett, így a rajtszámtartóról a kajakos ülése elé, a tömegközépponthoz közelebb kerülhetett át a műszer. A mikrovezérlőt kompaktabbra, a szenzorokat pontosabbakra cserélték. Benne három darab egymásra merőleges tengelyű gyorsulásszenzor és giroszkóp, egy precíz mikrovezérlő és a szükséges kiegészítő elektronika kapott helyet. Az elektronika egy részlegesen vízálló dobozba került. Az előlapon egy nyomógomb, egy csatlakozó és egy visszajelző LED található. A hátlapon három további csatlakozó található, ahová további külső analóg vagy digitális szenzorokat lehet csatlakoztatni a könnyű bővíthetőség érdekében. Az energiaellátásról egy akár nyolc órányi folyamatos mérést biztosító kis méretű akkumulátor gondoskodik. Az akár öt órányi

8

összegyűlt mérési adat egy 2 GB-os microSD típusú memóriakártyán kerül mentésre. Mivel a mérések kiértékelése számítógépen történik, szükség volt egy PC szoftverre, ami kommunikál az eszközzel és megjeleníti a mért adatsorokat. A Java programozási környezetben írt program kezdetleges kiértékelő funkciókkal is rendelkezett ebben a fázisban.

3.1.1. ábra. BoatDAQ v2.0 prototípus műszer. A jobb oldali képen a kis kék dobozban lévő elektronika a műszer és a számítógép között teremt kapcsolatot.

Az ötödik fázisban további műszerek kerültek legyártásra, amelyből négyet a kajakosok részére bocsájtottunk, hogy a visszajelzést kaphassunk a működéséről, egy műszer pedig a laborban maradt tesztelés céljából. Mint említettem én és Vadai Gergely itt kapcsolódtunk be a munkába és feladatunk főként a kiértékeléshez szükséges algoritmusok kifejlesztése és optimalizálása volt. Emellett a nagy számú mérési adatsor begyűjtése a jelek értelmezéséhez és a statisztika elkészítéséhez is komoly szervezőmunkát igényelt a kajakosok felé.

3.2 Elektronika, szenzorok A negyedik fázisban a prototípus műszer továbbfejlesztésekor az egyik legfontosabb szempont a méret csökkentése volt. Ezt leginkább a nyomtatott áramkör áttervezésével lehetett elérni. Az új, nagyobb integráltságú C8051F581-as mikrovezérlő kompaktabb felépítésének, az új memóriaegységnek és a kisebb tartókonzolnak köszönhetően az eszköz mérete és tömege jelentősen csökkent. A szenzorok főleg pontossági szempontok okán lettek lecserélve. Az elektronika fontosabb alkatrészei közé tartozik még egy valós idejű óra, egy nyomógomb, egy visszajelző LED és piezo hangszóró, valamint a négy vízhatlan nyolc tűs csatlakozó (3.2.1. ábra). Az óra automatikusan szinkronizálja magát, ha az eszköz csatlakoztatva van a számítógéphez. A műszer beépített szenzorai hat szabadsági fokot képesek mérni, az egy darab három tengelyű gyorsulásszenzor és a három darab giroszkóp által. Az állítható csatornánként maximum 1000 Hz-es mintavételi frekvencia elegendően 9

nagy, sőt ha szükséges, átlagolással a zavarjelek csökkenthetők.

3.2.1. ábra. A mérőműszer blokk-vázlata látható. Az eszköz beépített szenzorai segítségével három irányú gyorsulás és elfordulásjelet regisztrál, valamint három további külső szenzor is csatlakoztatható hozzá. A mobilitásról egy nagy kapacitású akkumulátor és egy 2Gb-os microSD memória kártya gondoskodik. [2]

A LIS352AX típusú gyorsulásszenzor működésének alapja egy gyorsító erő hatására rugalmasan deformálódó félhidas kondenzátorpár. Amikor a szenzor a kitüntetett tengelye mentén gyorsul, akkor az egyik kondenzátor kapacitása nő, a másiké csökken. A kapacitásváltozást az impulzusszerű feszültséggel gerjesztett hídban, töltésintegrálással mérik. A kondenzátorok kapacitása alapállapotban néhány pF, kapacitásváltozásuk néhány fF [19]. A szenzor felépítését és működését jól szemlélteti az (3.2.2. ábra). A konkrét szenzorok tulajdonságairól később, a Kalibrálás című fejezetben lesz szó.

3.2.2. ábra. Az ábrán egy félhidas gyorsulás-mérő szenzor látható. [18]

3.2.3. ábra. A három gyorsulástengely x, y, z és a három forgástengely Pitch, Roll, Yaw és irányaik. [23]

A műszerben három darab LPR5xxAL [20] típusú giroszkóp IC (integrált áramkör) került a három forgási szabadsági foknak megfelelően. A forgástengelyeket általában yaw, 10

pitch, roll tengelyeknek szokták nevezni (3.2.3. ábra). Az IC adatlapja szerint a giroszkóp egy gyorsulásmérő és egy aktuátor mikromechanikai kombinációja (3.2.4. ábra). Az érzékelő kapacitásváltozást mér, amit egy vezérelt és folyamatos rezgésben tartott tömegre ható Coriolis-erő (1) idéz elő az elfordulás során. F⃗c=−2m ω ⃗ ×⃗ v,

(1)

ahol m a rezgő test tömege, ω ⃗ a rendszer szögsebesség-vektora, v⃗ pedig a rezgő test sebesség-vektora. A rezgő test pillanatnyi sebesség-vektorát ismertnek tekintve a giroszkóp szögsebességet mér.

3.2.4. ábra. A műszerben alkalmazott giroszkópok mikromechanikai megvalósítása. [2], [21]

Mindhárom giroszkóp két tengely körüli szögsebességet mér, a műszer viszont csak az egyiket regisztrálja mindhárom giroszkóp esetén. A két mért tengely az IC alaplapjával egy síkban van. A giroszkópok tulajdonságairól bővebben az 5. fejezetben.

11

4

A kajak mozgásának megismerése A különböző versenystratégiák egyik alapja, hogy az egyes versenyszakaszokon a

lehető legegyenletesebb legyen az evezés, az egyes evezőcsapásoknak azonos időközönként kövessék egymást. Szükségképpen a kajaknak is ki kell, hogy alakuljon valamilyen periodikus mozgása. A következő részben a műszer által mért összetett mozgás különböző komponenseit fogom elemezni. Ebben a fejezetben két kajakosról fogok beszélni, akiket 1-es és 2-es versenyzőknek fogok nevezni.

4.1 A kajak periodikus mozgásai, mért jelalakok elemzése A 4.1.1 ábrán a műszer beépített szenzorai által mért jelek láthatóak. Mint az észrevehető, az összes mért mozgásra jellemző valamilyen periodikusság. A hat mért jel közül az x irányú gyorsulás, valamint a pitch és yaw mért szögsebességjelek a legszabályosabbak. A többi három jel (y, z gyorsulások, roll szögsebesség) kis amplitúdójú, szabálytalan vagy összetettebb mozgásokból származik, amikkel kevésbé foglalkoztunk munkánk során.

12

4.1.1. ábra. A beépített szenzorok által mért három gyorsulásjel a bal oldalon, valamint a három szögsebességjel a jobb oldalon. Acc_x a menetirányú. Acc_y az oldalirányú, Acc_z pedig a függőleges irányú gyorsulásjel. A Pitch, Roll, Yaw pedig a 3.2.3 ábrán látható elfordulásoknak megfelelő, a giroszkópok által mért szögsebességjelek. A mért jelek az 1-es számú versenyző 1000m-es evezéséhez tartoznak.

Megfigyelhetjük, hogy a különböző jelek esetén a frekvencia azonos a húzások frekvenciájával, vagy annak a fele. Az utóbbiaknál (y irányú gyorsulás, roll és yaw szögsebességek) egy teljes periódus egy jobb és egy bal kézzel történt húzásból áll. Ezeknél az oldalirányú mozgásoknál a jobb és a bal kézzel történt evezések különböző előjelű értékeket eredményeznek. Ha tudjuk, hogy melyik előjelhez melyik kéz tartozik, akkor az x irányú gyorsulásjelben lévő adott csúcsról meg tudjuk állapítani, hogy az melyik kézhez tartozó húzás, ugyanis a két jel szinkronban van egymással (4.1.2. ábra). Ez alapján egy algoritmust is készítettem, ami eldönti, hogy az adott húzás jobb vagy bal kézzel történt. Erről bővebben a 6. fejezetben lesz szó.

13

4.1.2. ábra. Kékkel a menetirányú gyorsulásjel, pirossal a yaw giroszkópjel látható. Amikor a jobb kéz húz, a hajó az óramutató járásával ellentétesen fordul és a szenzor pozitív jelet ad.

A 4.1.2 ábrán látszódik, hogy amikor a kajakos jobb kézzel húz, a hajó orra balra fog kitérni és fordítva. Ez azért van így, mert a kajakos két vállának vonala ellentétesen fordul a csípőjének vonalával. Azt is észrevehetjük, hogy a yaw szögsebesség maximuma a menetirányú gyorsulásjel lefutó éleinek alján van, azaz az elfordulás sebességének növekedése akkor áll meg, amikor az őt gyorsító erő megszűnik, ami összhangban áll fizikai ismereteinkkel. Az algoritmust, ami meghatározza, hogy melyik kézzel történt az evezés a yaw jel alapján készítettem, ugyanis ez a jel szabályosabb az y irányú gyorsulásnál és a roll szögsebességnél (melléklet: 11.1). A különböző versenytávok más és más stílusú evezési technikákat követelnek meg a kajakosoktól, ami a mért jelekben is látszódik. A 4.1.3 ábrán az 1-es számú versenyző evezésének menetirányú gyorsulását láthatjuk 250m-es versenytáv alatt. A mért jel meglehetősen szabálytalan a 4.1.2 ábrán lévő x irányú gyorsuláshoz képest. Van olyan, amikor a húzás közben a nullszint alá esik a gyorsulás, és olyan is előfordul, amikor két húzás között, a negatív gyorsulási szakaszon jelenik meg egy pozitív tartományba nyúló tüske.

14

4.1.3. ábra. Az 1-es számú versenyző 250m-es sprint evezése. Összehasonlítva ugyancsak az 1-es számú versenyző által evezett 4.1.1 képen lévő x irányú gyorsulással, az szemmel láthatóan szabályosabb. A különbség a versenyszám stílusából adódik.

A 2-es számú versenyző esetén, normál evezés során sem annyira szabályos a menetirányú gyorsulásjel, mint az 1-es számú versenyzőnél (4.1.4. ábra). Ennél a versenyzőnél sokszor előfordul, hogy a menetirányú gyorsulásjel a húzás közepén hirtelen a nulla gyorsulásszint alá esik egy rövid időre, majd visszatér eredeti értékéhez. Ez a jelenség a kajakos edző szerint is technikai hiba következménye. Robinson és munkatársai [8] is észrevették

ezt

a

jelenséget,

amit

szintén

edzői

vélemény

alapján

a

kajakos

egyensúlyvesztésének tudnak be. Dennis Sturm és munkatársai [12], kajak ergométeren a lapáterő mellett a lábváltások közben fellépő erőket is mérték. Az előzőekben tárgyalt jelenség egyszerre volt megfigyelhető a bal oldali láb megfeszítettsége és a lapáterő jelében, ami összefüggést teremthet a két jel között.

15

4.1.4. ábra. A 2-es számú versenyző 500m-es evezése. Ennél a versenyzőnél viszonylag gyakori az a jelenség, hogy a menetirányú gyorsulás a húzás közepén nulla alá csökken.

4.2 A jelalakokat befolyásoló hatások A kajakos mozgásának mérése egyszerű feladat lenne, ha az semmilyen elfordulást nem végezne, csak az x irányú gyorsulástengely mentén mozogna. Ez persze nem így van, a kajak mind a hat szabadsági foka mentén mozog. Ezekhez a mozgások egyszerre történnek, így a mért jelek nem függetlenek egymástól, aminek hatásait az alábbiakban részletesen ismertetem. A mérőeszköz a kajakhoz van rögzítve ezért a kajak mozgását méri, amire nyilván hatással van a kajakos is, és a víz is. Az eszköz elhelyezésénél az volt a cél, hogy minél közelebb kerüljön a kajak és a kajakos közös tömegközéppontjához. Ez az elhelyezés több okból is előnyös. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a tömegközéppont időben állandó helyzetű a kajakhoz képest és, hogy egybeesik a három merőleges forgástengely közös metszési pontjával. Tekintsük a hajó mindhárom tengelye körüli elfordulásait változó körmozgásoknak, amik a kajak billegés jellegű mozgásaiból adódnak. Mivel a körmozgás nem egyenletes mozgás és a szögsebesség nem állandó, ezért a következő definíciókból adódóan a centrifugális gyorsulás mellett kerületi gyorsulása is lenne a műszernek, ha az nem a tömegközéppontban lenne. Az előzőekben elmondottakhoz kapcsolódik a következő három körmozgást jellemző egyenlet. ω=

∂ϕ , ∂t

16

(2)

atg =r ∂∂ω t ,

(3)

2

(4)

a cf =r ω ,

ahol φ az elfordulás szöge, r a tömegközépponttól mért sugár, ω a szögsebesség, atg a tangenciális gyorsulás, az acf pedig a centrifugális gyorsulás. Még ha a műszer a fent leírt „ideális” tömegközéppontban lenne, akkor is fellépne a következő két, zavaró hatás. Ezek a hatások függetlenek a tömegközépponttól mért sugártól, csak a szögelfordulásoktól függenek. Amikor a hajó a pitch tengelye körül elfordul (a hajó orra lefelé vagy felfelé mozdul), akkor az x tengely irányú gyorsulásmérő a gravitációs gyorsulás egy részét is elkezdi mérni a szögelfordulás szinuszának arányában. Ugyanígy az y tengely irányú gyorsulásmérő a roll tengelyre érzékeny. A z tengely párhuzamos a gravitációs gyorsulásvektorral, ezért ez a gyorsulásmérő a pitch és a roll tengelyekre egyszerre, tehát a két tengely által kifeszített (vízszintes) sík dőlésére érzékeny. A másik hatás, ami befolyással van a gyorsulásmérők által mért jelre és független a forgástengelytől mért sugártól, egyszerűen az, hogy ha a hajó elfordul, akkor a gyorsulásmérők tengelyei is elfordulnak, így például az x irányú gyorsulásmérő nem a menetirányú gyorsulást fogja mérni, hanem annak az elfordulás szögétől függő koszinusz szorosát. Ez a jelenség minden gyorsulásmérőre egyformán fenn áll, minden gyorsulásmérő a rá

4.2.1. ábra. A gyorsulás elfordulástengelyek nevei. [23]

és

merőleges két elfordulástengelyre érzékeny. A tömegközéppont valahol a kajakos mellkasa alatt lehet, de nem lett volna célszerű még a kajaknál is összetettebb mozgást végző kajakosra rögzíteni a műszert, így az ülés elé kerül, a hajó belsejének aljára (melléklet: 11.4. ábra). Mivel a műszer nem a kajakos és a kajak közös tömegközéppontjában, hanem annál kicsit lejjebb és előrébb is, ezért egy egyszerűsített modellt állítottam fel. A modell lényege, hogy a kajakos rendszer tömegközéppontja és a rendszer elfordulástengelyeinek középpontja egybe esik, és ettől a ponttól a műszer az x és z tengelyek mentén kissé eltolva került rögzítésre. A (4.2.2. ábrán) lévő táblázatban összefoglalom az összes előbbiekben tárgyalt 17

nemkívánatos hatást, azt a tényt figyelembe véve, hogy a műszernek a rendszer tömegközéppontjához húzott sugarának vetülete csak az y tengelyre nézve nulla.

4.2.2. ábra. A táblázat az egyes gyorsulásmérők által mért lehetséges elfordulások következtében fellépő, mérni nem tervezett gyorsulásokat mutatja. Mindhárom irányú gyorsulásra igaz, hogy a vele párhuzamos forgástengelytől független.

Az acos gyorsulást befolyásoló tényező hatására a műszer az adott, elfordult tengelyű gyorsulás merőleges vetületét fogja mérni az el nem fordult gyorsulás tengelyére. Az ag gyorsulást befolyásoló tényező hatására a műszer az elfordult tengelyű gyorsulás merőleges vetületét fogja mérni a gravitációs gyorsulásra vonatkoztatva. Az atg hatására a műszer a változó kerületi sebességű körmozgás miatt fellépő tangenciális gyorsulást is beleméri az adott irányú gyorsulásba. Az acf hatására a műszer a forgás következtében fellépő centrifugális gyorsulást is beleméri az adott irányú gyorsulásba. A

táblázat

érdekes

„mintázata”

egyrészt

a

műszer

előzőekben

tárgyalt

tömegközépponttól való helyzetéből adódik, másrészt, a z irányú gyorsulástengely kitüntetett abból a szempontból, hogy párhuzamos a gravitációs gyorsulással. Továbbá a táblázatból szépen látszódik, hogy mindhárom irányú gyorsulásra igaz az, hogy a vele párhuzamos forgástengely körüli elfordulások nem befolyásolják az adott, mérni tervezett gyorsulást. A mért gyorsulásokat befolyásoló hatások periodikusan változnak az evezés frekvenciájában. A változó körmozgások miatt fellépő, pitch tengely menti elfordulásokra nézve egy kicsit összetettebb a helyzet. A centrifugális- és tangenciális gyorsulás ugyanis egymásba alakul a periódus során, azaz a periódus egyik felében a centrifugális gyorsulás a tangenciális rovására nő, majd a periódus második felében ez fordítva áll fenn. Igaz az is, hogy a gravitációs gyorsulás miatt fellépő hatásnak változik az előjele a periódus során, a centrifugális, tangenciális, valamint a geometriai okok miatt fellépő koszinuszos, gyorsulást befolyásoló hatásoknak viszont nem. Az elfordulások mérése során is fellépnek a mérést befolyásoló hatások, amik viszont csak a trigonometriai okok miatt fellépő hatások, ha a giroszkópok mikromechanikai felépítéséből származó fizikai hatásoktól eltekintünk. Ezek a hatások mind befolyásolják a mért jelalakot. Előzetes becslés alapján a

18

legjelentősebb befolyásoló hatás a pitch irányú dőlés hatása a menetirányú (legfontosabb) gyorsulásjelre, aminek megbecslésére közelítő számításokat is végeztem. Az 1g gravitációs gyorsulásnak megfelelő jelre az analóg-digitál konverter 647 bit-es értéket ad. Egy átlagos húzás x gyorsulásjelének amplitúdója 210 bit. A legnagyobb amplitúdójú, mért pitch szögelfordulás α =1,6°-1,7°. Mivel a gravitációs gyorsulást befolyásoló hatás szinuszosan függ

a szögelfordulástól, ezért a becsült hiba a menetirányú gyorsulás mérésében

((sinα*647)/210)*100 = 8,6% - 9,14%. Persze a tömegközéppont helyzete is változik a mozgás során, a valódi mozgás az előzőekben tárgyalt modellnél sokkal bonyolultabb. Az sem mindegy, hogy milyen fázisban vannak egymással a periodikus gyorsulásjelek a szintén periodikus szögsebesség jelekkel. Továbblépési lehetőségként esetleg nagy sebességű videós elemzéssel korrigálni lehetne a legfontosabb, menetirányú gyorsulásjelet.

4.3 Szinkronmérés videóval Munkámhoz, vagyis a jelalakok értelmezéséhez nagy segítség volt a videóval szinkronizált mérés, amivel egyszerre láttam, hogy valóban mi történik evezés közben és, hogy ehhez milyen mért gyorsulás és szögsebesség értékek tartoznak. Az oldalról felvett videóról főként a lapátállásokat és a hajó „bólogatását” (pitch szög) tudtam könnyen megfigyelni (4.3.1. ábra). Az elemzéshez egy olyan videólejátszó programot használtam, ami képes gombnyomásra képkockánként léptetni a videót, valamint egy egyszerű képszerkesztőt, amivel az egyes képkockákat elemezhetem. A pitch szöget a vízfelszín és a hajóorr távolságából származtattam. Három húzásnak megfelelő 43 képkockát elemeztem ki.

4.3.1. ábra. Az oldalról felvett videóban a hajó orrának bólogatását (pitch) a legkönnyebb megfigyelni, amit aztán összehasonlítottam a videóval egy időben történt mérésből származó pitch giroszkóp jelével. A távolságokat pixelekben (px) mértem.

19

A kalibrálása során (5. fejezet) megkaptam a pitch szenzor érzékenységét (59,41 bit/fok/másodperc), ezek alapján átválthatóak a műszer konverterének bitekben szereplő értékei szögsebességekre, ami integrálással (időállandó: 0,001s) szögekké alakítható. Az integrálás csak fázistolást jelent a szinuszos jellegű jel esetében, a jelalakot nem befolyásolja jelentősen. Ahhoz, hogy a nullhiba miatt ne dőljön meg az adatsor az integrálás előtt egy offset-korrigálást is kellett alkalmaznom, ami azonban nem befolyásolja az eredményt, csak a jel kinézetén javít. A beolvasás kezdetének pozícióját a videó alapján lehet meghatározni, ugyanis a start (az első csapás) egyértelműen kivehető az adatsorból. A két adatsor 1,68 másodperces időtartamának összehasonlítását a 81. csapástól kezdtem, ahol viszonylag egyenletes volt az evezés. A lemért hajóorr-vízfelszín távolságból számított szögeket közös időalapon ábrázolva a giroszkóp által mért pitch jellel, a mért jelhez hasonló szinuszos jellegű görbét kaptam (4.3.2. ábra).

4.3.2. ábra: Pirossal láthatóak a képkockánként lemért hajóorr-vízfelszín távolságból kapott szögek és feketével a mért pitch szögsebesség integráltja. A kalibrálás után a két szinuszos jellegű jel amplitúdója is összehasonlítható, ami körülbelül 0,7 foknak felel meg. A kalibrálásról az 5. fejezetben lesz szó.

A leolvasás pontosságát figyelembe véve a jelalak és amplitúdóbeli egyezés jónak mondható a 4.3.2 ábrán látható két jel között, amivel egyfajta megerősítést nyert a mérőrendszer megbízhatósága.

4.4 Biomechanikai megfontolások A mért hat jelből a kiértékelés szempontjából a legfontosabbnak a hajóirányú gyorsulást (x tengely irányú), a bólogatást (pitch tengely szögsebessége) és a függőleges

20

tengely menti elfordulást (yaw giroszkóp szögsebesség jele) találtam. A maradék három szabadsági fokot a z tengely, y tengely irányú gyorsulást és a roll szögsebességet kevésbé találtam hasznosnak. Arról viszont, hogy mekkora energia veszik el „fölöslegesen”, a nem előre irányuló mozgásokból, az x tengely irányú gyorsuláson kívül mind az öt adatsor szolgáltathat információval. Az alapelképzelés egyszerűen az, hogy minél nagyobbak a nem előre irányuló mozgások, annál nagyobb a „fölösleges” energiaveszteség. Persze a versenyzőnek ezeket a mozgásokat teljesen kiküszöbölnie nincs lehetősége, viszont az egyes versenyzők oldalirányú mozgásait egymással összehasonlítva és az átlagos maximális értékeket tekintve a kiugróan magas értékek rossz technikát sejtetnek. Egy edzésen a túl nagy nem előre mutató mozgásokat az edző könnyen észreveszi a kajakos mellett haladó motorcsónakból, de a munkáját megkönnyíti az, ha ezeket az információkat kvantitatívan is tudja értékelni az edzés után. Egy másik lehetséges technikai hibára utaló jel, amit már az edző sem vesz észre olyan könnyen az, ha a kajak oldalirányú mozgásainak (y irányú gyorsulás, roll szögsebesség) átlaga a teljes evezési tartományra nézve eltér a nullától. A nullát a pontosan vízszintes, mozdulatlan műszer bizonyos ideig tartó, mért adatsorainak átlaga adja. Ha a kajak minden egyes evezési periódusban egy kicsit jobban dől az egyik irányba, mint a másikba, akkor az y irányú gyorsulásmérő a gravitációs gyorsulás egy részét is méri, és azt mondhatjuk, hogy a kajakos ferdén evez, vagyis a kajak ferdén áll a kajakos alatt. Ez pedig azt jelenti, hogy a hajó közegellenállása megváltozott, a hajó menetirányra merőleges síkú profilja eltér az optimálistól, ami növeli a közegellenállást. Az y irányú gyorsulásmérő jelének szögfüggése a gravitációs gyorsulástól szinuszosan függ, ami kis szögekre nézve sokkal kisebb jelet ad, mint a valódi y irányú gyorsulás, viszont a roll szögsebesség jele csak a dőlést tartalmazza és lényegesen nagyobb a jel/zaj viszonya (a nagyobb jel miatt), tehát ez az adatsor alkalmasabb annak a technikai hibának kimutatására, ha a kajakos ferdén evez. Ezekre a technikai hibákat jelző módszerekre még nem kerítettem sort, de a későbbiekben ezek kidolgozását és tesztelését is tervezem,

21

A három meghatározó pont egy evezési periódus alatt a hajóirányú gyorsulásjelben a lapát vizet érésének helye, a gyorsulás maximumához tartozó lapátállás és a lapát vízből kilépésének helye. Az egyes képkockákon lévő lapátállást hozzá tudom rendelni a lemért hajóorr-vízfelszín távolsághoz (lévén ugyanazon a képkockán vannak), továbbá a szinkronban

4.4.1. ábra. Az ábrán az egyes lapátállásokhoz tartozó hajóirányú gyorsulás látható. A piros görbe a giroszkóp által mért pitch szögsebesség, a fekete görbe a hajóirányú gyorsulás jel. A függőleges tengelyen az amplitúdó tetszőleges egységben, ahogy azt az AD konverter kiadta, vízszintes tengelyen az egyes adatok 0,001 másodpercenként követik egymást. Ezen a képen mindkét jelre egy tízes mozgóátlagot alkalmaztam, ezért „simábbak” a jelek.

mért pitch szög és a hajóirányú gyorsulásjel segítségével meg tudom mondani, hogy milyen lapátállásokhoz milyen gyorsulásértékek tartoztak (4.4.1. ábra). A csapások és a bólogatás frekvenciája pontosan megegyezik, ami a mért adatsorokból tisztán látszik. A mellékletben egy teljes húzáshoz tartozó összes képkocka látható egy ábrán szinkronban a méréssel (11.2. ábra). A gyorsulásjel alakjának értelmezése után felállított, egy egyszerű biomechanikai modellt (4.4.2. ábra). A modell a menetirányú gyorsulásjel egy periódusának három főbb részét tartalmazza. Egy periódust részleteiben megvizsgálva megfigyelhetjük, hogy már a lapát vízből való kilépését megelőzően lassulni kezd a hajó. Miután a lapát kilépett a vízből a hajó lassulása csökken (pozitív meredekségű lassulás szakasz). Ez a jelenség azért lép fel, mert a hajó közegellenállása sebességfüggő, így a két húzás közti részen a sebesség csökkenésével a hajó lassulása is csökken. Ezt a szakaszt a lapát ismét vízbe kerülésének hatása töri meg, amikor a hajó lassulása meredeken csökken, majd a nullszintet átlépve a gyorsulása meredeken nő és egy kicsivel a lapát függőleges állását követően eléri a maximumát (4.4.1. ábra). Ezután a meredek negatív meredekségű gyorsulási szakasz

22

következik. Megjegyzendő, hogy a maximum után, ameddig a lapát a vízben van a hajó tovább gyorsul, de a gyorsulás értéke csökken, majd átlépve a nulla gyorsulásszintet már lassulásról beszélhetünk (ekkor a lapát még mindig a vízben van, de már nem gyorsítja tovább a hajót). A hajó a maximális sebességét a negatív meredekségű szakasz nullszint metszésénél éri el, mivel ezidáig folyamatosan gyorsult. Ez megegyezik a második fejezetben ismertetett biomechanikai modellben szereplő állítással [3], miszerint a hajó maximális sebességét a 2. és 3. fázis felénél éri el, amit a mellékletben lévő 11.2 ábra is tanúsít. A húzás idejének (piros vízszintes szakasz) nem a lapát vízben tartózkodásának idejét vettük, hanem a technikailag egyszerűbben kezelhető és feldolgozható pozitív gyorsulás idejét, ami szintén alkalmas a húzás paramétereinek jellemzésére. A periódus másik része pedig a maradék, húzásközti idő.

4.4.2. ábra. Az ábrán látható modell alapján épülnek fel a kiértékelő algoritmusok, amikről a 6. fejezetben lesz szó részletesen. Az árán látható periodikus jel a egyszerűsített menetirányú gyorsulásjel (függőleges tengelyen a gyorsulás, vízszintes tengelyen az idő). A vízszintes tengely a nulla gyorsulási értéknél van.

23

5

Kalibrálás Az elektronikai alapelemek (ellenállás, kondenzátor, …) valós értékei gyárilag

eltérhetnek a névleges értéküktől, aminek maximális nagyságát a gyártó az ún. tűréssel adja meg. A szenzorok pontossága, nullhibája is eltérhet az irodalmi értéküktől, az őt felépítő elektronikai alapelemek tűrése miatt, amit a gyártó nem minden esetben ad meg. Hogy megbízható méréseket végezhessünk szükséges a szenzorok kalibrálása.

5.1 Kalibrációs mérések A műszerben négy beépített szenzor található: egy három tengelyű gyorsulásmérő (LIS352AX [19]) és három darab két tengelyű giroszkóp (LPR5xxAL [20]) található. A szenzorok LGA tokozásúak, azaz helytakarékossági okok miatt a szenzorok elektródái a tok alján vannak. Az ilyen típusú tokozás speciális beforrasztási módszert igényel, aminek következtében a szenzor kis mértékben megdőlhet a panelen, ami ugyancsak okot ad a szenzorok kalibrálására.

5.1.1 Gyorsulásszenzor Az alkalmazott gyorsulásmérő jellemzői: ±2g méréstartomány, kiváló hőmérséklet stabilitás, gyárilag kalibrált 0 gyorsulás (offset), 0 gyorsulás tűrése: 1,25V ± 3,5%, érzékenység tűrése: 0,363 V/g ± 5%, 2kHz sávszélesség, ami egy 50Hz-es levágási frekvenciájú RC aluláteresztő szűrővel lett korlátozva a zaj mennyiségének csökkentése érdekében. A kalibrálásokat négy műszerre végeztem el. A mérést a x és a z irányú gyorsulásmérőkre végeztem. A pontos irány beállításokhoz vízszintmérőt alkalmaztam. A mérés során a műszert először úgy állítottam be, hogy +1g-t mérjen, majd a mérést elindítva körülbelül fél perces adatsort vettem fel. Ezt az eljárást megismételtem a -1g irányban is mind a négy műszer esetén. A kapott fél perces adatsort kiátlagoltam és kaptam egy számot, ami az AD konverterből származik. A kapott két szám különbsége 2g-nek felel meg. Ismerve a referencia feszültséget (2,3V) és, hogy a konverter 12 bit-es meg tudjuk határozni, hogy egy bit hány voltnak felel meg. Ezután meg tudjuk határozni az x gyorsulástengely érzékenységet, aminek 0,382V/g érték adódott a négy műszer átlagolva. Ez 5,2%-os hibát jelent az irodalmi értékhez képest, ami a tűrésen éppen kívül esik. A műszer által mért jelek így már SI mértékegységbe kerülhetnek (1m/s2 = 69,38 bit). A szenzor x irányú gyorsulástengelyének a nulla gyorsulásnak megfelelő jelszintje 1,29V (irodalmi érték: 1,25V± 3,5%), ami még belefér a tűrésbe. A z tengely irányú érzékenység: 0,379V/g, a tűrésen belül van. A nulla gyorsulásnak 24

megfelelő jelszint 1,3V, ami a tűrésen éppen kívül esik.

5.1.2 Giroszkópok Az alkalmazott giroszkópok jellemzői: ±300°/s méréstartomány a roll giroszkópnál, ±30°/s a másik kettőnél, 140Hz sávszélesség, kiváló hőmérséklet stabilitás, állítható négyszeres erősítés. A sávszélesség ezeknél a szenzoroknál is 50Hz-re lett korlátozva. A négyszeres erősítés mindhárom giroszkópnál be van kapcsolva, ami így 33mV/°/s a pitch és a yaw giroszkópoknál és 3,33mV/°/s a roll giroszkópnál. Az offset érték mindhárom szenzor esetén 1,23V, tűrés nincs megadva. A giroszkópok kalibrálása kicsit körülményesebb, mint a gyorsulásmérőké ugyanis állandó sebességgel kell forgatni őket. Elsőnek a régi bakelites lemezlejátszóra gondoltunk, de annak szögsebessége túl nagynak bizonyult és a műszer méréshatárán kívül esett, mivel a műszer méréshatárai a kajak mozgása során fellépő szögsebesség nagyságára lettek optimalizálva. Ezért a fizika módszertan laborban talált eszközökkel oldottam meg a mérést (5.1.2.1 ábra). A mérés során tíz periódus megtételéhez szükséges időt mértem le mindhárom giroszkóp esetén, majd ebből meghatároztam a szögsebességet. A mért adatsort átlagoltam, majd a gyorsulásmérőnél ismertetett módon meghatároztam az érzékenységeket. A yaw szenzornál -5,5% az, a roll-nál -3 %, a pitch-nél pedig -3,2% a mért érzékenység eltérése az irodalmi értékhez képest.

5.1.2.1. ábra. Bal oldalon a műszer egy hungarocell dobozban, amire azért van szükség, hogy a műszer könnyebben megálljon a három egymásra merőleges oldalán. A jobb oldalon a fizika módszertan laborban lévő eszközökből összeállított mérési elrendezés látható. A kereket egy lassan járó fúrógép hajtja áttételesen, ami így már elég lassan forog ahhoz, hogy mérni tudja a műszer.

Az általam alkalmazott sebességmérő kalibrálásáról a 7. fejezetben lesz szó.

25

6

Kiértékelő szoftver fejlesztése

6.1 Az adatok beolvasása, megjelenítése LabVIEW-ban, munkaalgoritmusok A LabVIEW választása két szempont szerint is előnyös az esetünkben. A lényegesebb indok az, hogy kiértékelő algoritmusok kitalálása és optimalizálása volt a feladatunk, amire a LabVIEW tökéletesen alkalmas köszönhetően annak, hogy grafikus felülete és rengeteg beépített függvénye miatt gyorsabb fejlesztést tesz lehetővé más programozási nyelveknél. Tapasztom is volt már vele, mivel a BSc-s szakdolgozatomat alatt is LabVIEW-ban dolgoztam. Ahhoz, hogy a mért adatokat megjelenítsem először is tudnom kellett, hogyan menti el az egyes mért értékeket a műszer. Az adatok mentését még a továbbfejlesztendő Java-s kiértékelő programmal végeztük, ami a műszer és a számítógép kommunikációjáért is felelős. Mielőtt lementenénk az adatokat, a felületen böngészhetünk az egyes mérések között, amiket a rögzítésük időpontja azonosít. Ha kiválasztottuk a menteni kívánt adatsort, akkor a program lehetőséget ad arra, hogy a felhasználó „felcímkézze” a mérést, azaz szövegesen megadhatja a menteni kívánt fájl címét, a mérés körülményeit (időjárás, stb.), a kajakos nevét és egyéb kommenteket. A program az adatok számítógépre történő mentésekor kiolvassa az egyes csatornákhoz tartozó adatsorokat elnevezi őket a hozzájuk tartozó szenzor és az irányítása alapján, majd a komment fájlal együtt becsomagolja a hét fájlt. A LabVIEW-ban való megjelenítéshez először is ki kellett csomagoljam ezeket a fájlokat a megfelelő programmal (pl. 7-zip). A beépített függvényeknek köszönhetően egyetlen függvényt használva be is olvashatjuk a kiválasztott adatsort. A megjelenítés is ugyanilyen egyszerű, ahhoz is csak egy függvény kell. Hogy szemléletesebb legyen a kijelzés az egyes csatornákat érdemes „nullába tolni”, azaz kiszámolni az egész adatsor átlagát, majd ezt kivonni az összes adatból (6.1.1 ábra).

26

6.1.1. ábra. A nullába tolt x-tengely irányú gyorsulás jele. A függőleges tengelyen az amplitúdó tetszőleges egységben, ahogy az AD konverter adta ki, vízszintes tengelyen az egyes adatok 0,001 másodpercenként követik egymást.

Ezután elkezdhetjük a beolvasott adatsor kiértékelését. Ehhez először is csökkentenünk kell az adatsor méretét, mivel az egyes mérések akár egy órásak is lehetnek, ami csatornánként több millió adatot jelent az ezer Hz-es mintavételi ráta miatt. Ezért érdemes csak a vizsgálni kívánt pár perces részt kiválasztani. Egy további futásidő csökkentést is bevezettem, azzal, hogy egy általam írt alprogram tetszőleges számú adatot átlagol az adatsor elejétől. Ezeket az adatokat törli és csak az átlagot hagyja meg, majd folytatja ugyanezt a műveletet a második elemtől kezdve egészen az adatsor végéig. Ezt az alprogramot azért volt előnyös megírni, mert enélkül a sok tesztelendő kiértékelő algoritmus futási ideje nagyon lelassítja a fejlesztési eljárást. Általában az átlagolás száma tíz körüli volt, vagyis az adatsor mérete körülbelül tized akkora lett.

6.2 A hosszútávú időbeli elemzésről A mért adatsorok időbeli elemzését, nagy számú, különböző korú és képzettségű kajakos versenyzőre készített statisztikai analízisének fő részét hallgató társam, Vadai Gergely végezte, azonban, mivel a mérőműszer kiértékelő funkciójának elkészítéséhez elengedhetetlen fontosságú, így alábbiakban szükségesnek érzem röviden bemutatni a plusz információt hordozó paraméterek megállapításához tartozó fontosabb eredményeket. Az időbeli vizsgálathoz szükséges alapalgoritmusok egy része, illetve a paraméterek meghatározása közös fejlesztéssel készült, ezen túlmenően hallgató társam eredményeit a diplomamunkájára való hivatkozással jelölöm.

6.2.1 Alapalgoritmusok Alapalgoritmusnak nevezem azokat az algoritmusokat, amiknek eredményei a mérőszám meghatározó algoritmusok számításainak alapjai. 27

Mivel a mért jelek közül a legtöbb információval az x irányú gyorsulásjel bír ezért főként ennek az adatsornak a vizsgálatával foglalkoztunk, de az algoritmusaink használják a giroszkóp jeleket is. Ahhoz, hogy a számítógép bármit is ki tudjon számítani ebből a jelből, elengedhetetlen, hogy meg tudjuk határozni az egyes húzások pontos időbeli helyzetét. Ezt a problémát úgy oldottuk meg, hogy a mért x irányú gyorsulás adatsorának egy részét beolvasva, és ennek a részadatsornak véve az átlagértékét, majd kivonva a kapott számot minden beolvasott adatból, az x irányú jel nullába „tolódik”. Ez a módszer fizikailag is megállja a helyét, ugyanis egy táv megtétele során a versenyző sebessége kezdetben nulla volt és a végén is nulla lett, tehát az átlaggyorsulása nulla. Ha az átlagolni kívánt adatsorunk a rajt pillanatától egészen addig tart amíg a kajakos már annyira lelassult a táv végén, hogy megállt, akkor az x irányú gyorsulásjel átlaga éppen a nulla gyorsulással egyenlő. Azért nem a műszer nyugalomban mért gyorsulásértékét használjuk nulla referenciának, mert az az időben változhat, több külső körülménytől is függhet (offset hiba). Fontos, hogy egész számú periódust olvassunk be az elemzéshez, ugyanis, ha ez nem teljesül, akkor eltolódik az átlagszint a valós nullszinthez képest. Ha a beolvasást egy tetszőleges időpillanattól indítjuk, és fejezzük be, akkor nagy valószínűséggel nem egész számú periódust olvasunk be. Ha ezután kiszámoljuk az átlagát és megkeressük az első húzás elejét, majd az első húzás előtti, és az utolsó után lévő részt levágjuk, akkor az átlagszint megint megváltozik és az adatsorunk megint nem egész számú periódust tartalmaz. Ezt a problémát hallgatótársam szukcesszív approximációs módszerrel oldotta meg [2]. A megfelelő húzásdetektáló algoritmus kifejlesztése a legnehezebb és a legfontosabb szoftveres feladat, mivel ez az alapja az összes többi mérőszám meghatározó algoritmusnak [2]. Az egyes húzások detektálását szintmetsző algoritmussal oldjuk meg, így ismerjük a húzás kezdetének és végének helyzetét is. A végső Java-s programban Szépe Tamás a húzások detektálását csúcskereső algoritmussal oldotta meg. A húzásdetektáló a beolvasott x irányú adatsorból igaz-hamis adatsort állít elő az értékek pozitív-negatív voltától függően. Ezután már könnyű kezelni a LabVIEW logikai eszközeivel. Persze nem ennyire egyszerű az egész, ugyanis egy húzás elején és végén is igen gyakori a többszöri szintmetszés, sőt kis számban előfordul olyan eset, amikor a húzás közepén egy rövid időre negatív tartományba kerül a gyorsulásjel (3.2.4., 4.1.1. ábra). Az ilyen „zavarok” miatt nagyon nehéz a megfelelő detektálás, ami a mi esetünkben több küszöbszám segítségével lett megvalósítva. Ezek a küszöbszámok a zavaró gyorsulástüske időbeli hosszára és előjelére tesznek kitételeket, arra, hogy a tüske beleszámítson-e a húzásba, vagy se.

28

6.2.2 A mérőszámok meghatározása A projekt célja az volt, hogy a kajakos edzőknek egy olyan mérőrendszer kerüljön a kezükbe, ami hasznos mérőszámokat és trendgörbéket szolgáltat a versenyzőik evezéséről, és amit a hétköznapok során is egyszerűen és kényelmesen használhatnak. Ehhez szükséges egy pontos műszer és a hozzá tartozó szoftver, ami gyors, megbízható és csak a legfontosabb információkat jeleníti meg, hogy azokat gyorsan és könnyen át lehessen tekinteni. A mi feladatunk az volt, hogy a nagyszámú evezést jellemző mérőszámokból, amiket kipróbálunk és hasznosnak találunk, a legfontosabbakat kiválasztjuk, amik aztán bekerülhettek a végső Java-s programba. Ahhoz persze, hogy mérőszámaink legyenek szükséges olyan algoritmusok készítése, amik előállítják azokat a mért adatsorból. Mint már említettem a detektáló tudja a húzás elejének és végének helyzetét, így ismerjük az egyes húzások időbeli hosszát, a húzások között eltelt időt valamint a kettőt összeadva a periódusidőt. Innen már egyszerű meghatározni az evezést egyik legjobban jellemző mérőszámot a csapásszámot, vagyis azt, hogy a versenyző egy perc alatt hány csapást produkált. A mi értelmezésünkben egy jobb- és egy balkezes húzás két periódusnak felel meg (6.2.2.1. ábra). Hasznosnak találtuk a csapásszám időbeli változásának kijelzését, grafikus megjelenítését. Ez a trendgörbe információval szolgál a versenyző teljesítményéről, fáradásáról, valamint segíthet az edzőnek a megfelelő versenystratégia kialakításában (6.2.2.2. ábra). Természetesen hasznos kijelezni a trendgörbe átlagát és szórását is.

6.2.2.1. ábra. Húzás és húzásközti rész a saját értelmezésünkben. [2]

29

6.2.2.2. ábra. Az árán a csapásszám időbeli alakulása, valamint ennek egy 10-es mozgóátlaggal „simított" változata (piros vonal).[2]

Mivel a kajak mozgása periodikus, ezért elvileg bármelyik mért jelből meg lehetne határozni a periódusidőt, de mint azt már korábban említettem az y és z irányú gyorsulásjelek, valamint a roll szögsebesség igen zajosak ezért ezeket elvethetjük ebből a szempontból. Ellenben a yaw és a pitch szögsebességjelek viszonylag szabályosak és kevésbé zajosak is, ezért ezek a jelek is alkalmasnak bizonyultak a periódusidő meghatározására. Megvizsgáltam annak a módszernek a használhatóságát, hogy a pitch vagy a yaw jelhez viszonyítva lehetne meghatározni az egyes csapások helyzetét, de az ötlet végül elvetettem. A periódusidő nyilván megegyezik mindhárom jel esetében, hiszen a hajó mozgása periodikus, de ezek egymáshoz viszonyított fázisa versenyzőnkét eltérő, és függ az evezési stílustól is. Plusz információt ad, ha külön trendgörbét készítünk a húzások időtartamából és a húzások közötti időtartamról is. Méréseinkből megfigyelhető, hogy egy adott versenyzőre különböző evezési iramokat vizsgálva a húzás időtartama állandó, az iram növelésével csak a húzások közti idő, vagyis a lapát levegőben töltött ideje csökken, ezzel növelve a csapásszámot [2]. Egy adott húzás intenzitását is meg tudjuk becsülni, ha kiszámítjuk az x irányú gyorsulásnak az adott húzáshoz tartozó görbe alatti területét. Ezt a gyorsulásjel integrálásával tehetjük meg, ami így egy sebesség dimenziójú mennyiség lesz és evezési impulzusnak hívjuk. Az evezési impulzus fizikailag azt adja meg, hogy az adott húzás mekkora sebesség változást eredményezett a hajó mozgásában. A trendgörbe készítése ennél a mennyiségnél is nagyon hasznosnak bizonyult, például a fáradás egyértelműen látszik a kirajzolt görbén.

30

6.2.2.3. ábra. Az evezési impulzusokat a pozitív menetirányú gyorsulás egyes csúcsainak görbe alatti területei adják. [2]

A teljesítményről még pontosabb információt kapunk, ha egyszerre vesszük figyelembe az evezési impulzus és a csapásszám időbeli alakulását, azaz vesszük a két görbe szorzatát. Az általam készített algoritmus eredménye a 6.2.2.4. ábrán látható, aminek a felső részén a csapásszám trendgörbéje, alatta pedig feketével az evezési impulzus és a teljesítménynek elnevezett piros trendgörbe látható egy grafikonon. Az evezési teljesítményt a csapásszám és az evezési impulzus szorzata adja, amit még leosztottam a csapásszám átlagával, hogy egymásra kerüljön, és könnyebben összevethető legyen a két görbe. Csupán az algoritmus szemléltetésének érdekében egyenest illesztettem mindkét görbére. Ebből látszódik, hogy míg az evezési impulzus alakulásából úgy tűnik, hogy erősen fárad a versenyző, a csapásszám növekedését is figyelembe véve az részben kompenzálja az evezési impulzus meredek csökkenését. Ez az algoritmus már csak a Java-s program véglegesítése után készült, de a következő verzióba mindenképp érdemes betenni. Viszonylag egyszerű lenne kivitelezni egy olyan algoritmust, ami a nem menetirányú mért jelekből energiaveszteséget számol, mint, ahogyan a minimax műszer is [17], viszont a kifejlesztett módszer érvényességének vizsgálatához tesztelés és statisztikai vizsgálat lenne szükséges, de ez is egy továbblépési lehetőség.

31

6.2.2.4. ábra. A felső grafikonon a csapásszám időbeli alakulása látható, ahol a függőleges tengely a csapásszám csapás/perc egységben. Alatta feketével az evezési impulzus és a csapásszámmal korrigált evezési impulzus, az evezési teljesítmény látható pirossal. Az alsó grafikonon a középső grafikonokra illesztett egyenesek láthatóak, ami jól szemlélteti, hogy a két fekete trendgörbe szinte kiegyenlítik egymás hatásait.

Mint azt már a korábbiakban említettem a yaw nevű, azaz a függőleges tengely irányú elfordulásjelből meg tudjuk határozni, hogy az adott húzás melyik kézzel történt. Ha az adott húzás jobb kézzel történt, akkor a hajó felülről nézve az óramutató járásával ellentétesen fordul, így a giroszkóp pozitív jelet ad (4.1.2. ábra). Az általam készített algoritmus 32

viszonylag egyszerű, ugyanis ennek a giroszkópnak elég tiszta a jele, valamint elég megnézni, hogy az adott húzás közepénél pozitív vagy negatív-e a szögsebesség előjele. Miután tudjuk, hogy az egyes húzások melyik kézzel történtek meg tudjuk adni, hogy a versenyző jobb és bal kezéhez mekkora átlagos impulzus rendelhető. Ennek aránya a szimmetria nevű mérőszámunk, amit a gyengébb és erősebb kézhez tartozó átlagos impulzus hányadosa, egynél kisebb arányszám. Mivel a profi versenykajakosok nagy része változó mértékben, de aszimmetrikusan evez, ezek szerint ez nem jelent technikai hibát, az edzőnek viszont adhat információt az ha a versenyzője a szokottól eltérően evez. Plusz szimmetria információt kapunk, ha a különböző kézzel történt húzásidők hányadosát képezzük. Tehát az öt legfontosabb mérőszám, ami bekerült a végső programba: a csapásszám, a húzás, húzásközti idő, az evezési impulzus és a szimmetria arányszám. A kiértékelő programban tehát szerepelnek ezen mérőszámok átlagai, szórásai és a trendgörbéik. Ezen mérőszámok hasznosságának igazolásához statisztikai elemzésére volt szükség.

6.2.3 Statisztikai értékelés Hallgatótársam munkájának nagy részében a mérőszámok statisztikai értékelésével foglalkozott [2]. Felállított egy protokollt, amiben viszonylag nagy számú kajakos eredményeit vizsgálta, összefüggéseket keresett a mérőszámok változásában különböző korú és evezési stílusú versenyzők között nem reprezentatív módon. Ebben 26 különböző versenyző 80 másodperces, utazó (rajtot és hajrát nem tartalmazó) evezését értékelte ki. Három versenyzővel különösen sokat foglalkozott és összehasonlította miként teljesítenek különböző távokon, ahol többek közt azt tapasztalta, hogy a csapásszám növekedésével a lapát vízben tartózkodásának ideje nem változik, csak a húzások közti idő csökken le. Az általános elemzésnél megmutatta, hogy az evezési impulzus használhatósága nem különbözik jelentősen a tényleges impulzustól, valamint rámutatott, hogy az evezési impulzusok szórása az életkorral csökken, azaz általánosságban egy idősebb, tapasztaltabb versenyző egyenletesebben evez, ami ezek szerint egy igen fontos mérőszám a kajakos evezési technikájában, valamint összefügg a kajak felesleges mozgásával is (6.2.3.1. ábra).

33

6.2.3.1. ábra. Az evezési impulzusok szórása 26 különböző versenyzőre. Az ábrán egyértelműen látható, hogy az életkorral az evezési impulzusok szórása csökken, azaz egyenletesebb az evezés. [2]

Hallgatótársam ki szerette volna deríteni, hogy származik-e plusz információ a frekvenciatartománybeli analízisből, ezért spektrálisan is vizsgálta három versenyző evezését, akik közül az egyik világbajnoki első helyezett. A vizsgálatból kiderül, hogy a túl sok felharmonikus technikai hibára utal, amit az edző is megerősített azzal, hogy szerinte is hibásan evez az a versenyző, akinél nagy volt a felharmonikusok száma. A 6.2.3.2. ábrán látható első kis csúcs az alapharmonikus, ami az általunk definiált periódusidő kétszereséhez tartozik, az az idő ami alatt ismét ugyanaz a kéz húz. Az első felharmonikus amplitúdója a legnagyobb, ami bármelyik kézhez tartozhat.

6.2.3.2. ábra. Az ábrán a 2. számú versenyzőnek elnevezett kajakos 500 méteres, edzésen történő evezésének spektruma látható, ahol viszonylag nagy a felharmonikusok aránya. [2]

A világbajnok versenyző evezési spektrumát (6.2.3.3. ábra) megfigyelve észrevehetjük, hogy az alap- és felharmonikusok aránya sokkal nagyobb. Megnézve az általunk számított szimmetria

mérőszámot

azt

tapasztaljuk,

hogy

a

2.

számú

versenyző

sokkal

aszimmetrikusabban evez (szimmetria: 0,895), mint a világbajnok versenyző (szimmetria: 0,982). 34

6.2.3.3. ábra. A világbajnok aranyérmes versenyzőnél megfigyelhetjük, hogy az alapharmonikus sokkal kisebb az első felharmonikushoz képest, mint a 2. számú versenyző esetében, ami az evezés szimmetrikusságát mutatja. [2]

A spektrális analízis biztató eredményekkel zárult, és azt mutatja, hogy el lehet indulni ezen a vonalon a statisztikus elemzésben, esetleg új mérőszámok meghatározásában.

6.3 A Java szoftver A Java-s kiértékelő program (6.3.1. ábra) fejlesztését, Kocsis Péter kezdte el, majd később az én és hallgatótársam által kifejlesztett algoritmusok alapján ezt Szépe Tamás informatikus tanársegéd és Dr. Mingesz Róbert továbbfejlesztette. A program a kajakosoknak készült, ami már csak az általunk meghatározott legfontosabb mérőszámokat és ezek szórásait, trendgörbéit tartalmazza, amik a csapásszám, húzás-, húzásközti idő, evezési impulzus, aszimmetria.

35

6.3.1. ábra: Az ábrán az általunk és Szépe Tamás informatikus tanársegéd által továbbfejlesztett Java-s kiértékelő szoftver kezelőfelülete látható. A bal felső sarokban a nyers menetirányú gyorsulás, alatta a csapásszám trendgörbéje, a jobb oldalon pedig a kezelőszervek (kiértékelni kívánt tartomány megadása és a megjeleníteni kívánt trendgörbe választó) és a számolt mérőszámok láthatóak táblázatos formában.

Az ábra bal felső sarkában az éppen kiválasztott csatornák jele látható. A kijelzett adatsorban könnyen tudunk navigálni (időben arrébb menni, nagyítani), az egér görgőjével. Az alatta lévő grafikonon az éppen kiválasztott mérőszám időbeli változása, trendgörbéje látható. A bal felső sarokban adhatjuk meg az elemezni kívánt tartományt, az alatta lévő legördülő menüben pedig a kijelezni kívánt trendgörbét. A táblázatban az adatsorhoz tartozó szöveges információk, a mérőszámok és ezek szórásai találhatók.

36

7

Sebességmérés A rendszeres kommunikáció révén számos hasznos visszajelzést kaptunk a

kajakosoktól. Ezek közül az egyik az volt, hogy nagy segítséget jelentene, ha lehetőség lenne a

kajak

sebességének

sebességingadozásokat

mérésére, a

táv

amivel

során.

vizsgálni

Elméletileg

a

lehet

a

rajtot,

gyorsulásjel

valamint

a

integrálásával

is

megkaphatnánk a pillanatnyi sebességet, de ez gyakorlatilag nem lehetséges, ugyanis az IC inherensen jelen lévő nullhibája összeadódik a mérés során, így a számolt adatsor rövid idő alatt „elkúszik” pozitív vagy negatív irányba. Végül egy prototípus propelleres sebességmérőt készítettem, amivel kellően pontosan meg tudjuk határozni a kajak sebességét, és ami próbamérésekre alkalmas, viszont a későbbiekben leírt tulajdonságai miatt edzések, versenyek mérésére már nem. A kajakos mérőműszert úgy tervezték meg a munkatársaim, hogy ahhoz könnyen csatlakoztathatók további, külső szenzorok, sőt akár kilenc plusz csatornát is tud mérni. Sebességmérőnek kísérleteztünk saját készítésű Pitot-csővel is, de nem találtuk elég nagynak a kajakos utazósebességénél keletkező nyomásjelet, ezért egy kis számítógép ventilátort használtam propellerként, amiből kiszedtem a négy tekercseket és az elektronikát (7.1. ábra). A fordulatszámot Hall-szenzorral mértem ugyanis a ventilátor forgó részében található egy négy pólusú mágnes gyűrű, ezért nem kellett mágnest külön ráerősíteni. Szilikon zselével vízhatlanná tettem a szenzort, majd elkezdtem a tesztelését egy hosszúkás vízzel teli kádban. A sebesség megbecslésében egy fényképezőgép segített, amivel meg tudtam határozni, hogy mennyi idő alatt tesz meg a szenzor állandó távú szakaszokat. A teszt során arra jutottam, hogy a propeller gyorsabban forog ha a lapátok homorú oldala néz a menetirányba, ezért ezt választottam a sebességmérő elejének, mivel a műszer 1000Hz-es mintavételi sebessége még így is bőven elegendő a méréshez. A sebességszenzor a kajak orrától körülbelül egy méterre a hajó aljára került rögzítésre, két a ventilátorhoz rögzített acél lemez és szigetelő szalag segítségével.

37

7.1. ábra. Az ábrán az általam készített 7.2. ábra. Az ábrán a Honeywell SS49E típusú sebességmérő szenzor látható. A kis (5 cm) Hall-szenzor IC látható. [27] számítógép ventilátor fordulatszámát Hall-szenzor IC méri, és a mérőműszerhez IP65-ös minősítésű, vízhatlan csatlakozóval csatlakozik.

A Hall-szenzor IC-nek három lába van: egy a pozitív tápfeszültség, egy kimenet és egy negatív vagy föld láb (7.2. ábra). Az IC három főbb egységből épül fel: magából a Halleffektuson alapuló mágneses térerősség érzékelőből, aminek a jelét egy előerősítő felerősíti, amit egy nagyobb teljesítmény leadására képes tranzisztor követ (7.3. ábra).

7.3. ábra. Az ábrán a SS49E típusú IC blokk-vázlata látható. [27]

7.4. ábra. A szenzor karakterisztikája lineáris. [27]

A 7.4. ábra alapján a szenzor a -1000-től +1000 G-ig terjedő mágneses térerősséget tartományt tudja mérni és ezalatt az IC kimenő jele lineáris.

7.1 A sebességmérővel mért jel feldolgozása A mérés során egy frekvenciamodulált jelet kaptam, vagyis az információ nem az amplitúdóban van, hanem a frekvenciában (7.1.1. ábra). A Hall-szenzor szinuszos jelét demodulálni kell, hogy

valódi sebességet kapjak, amihez ismerni kell, hogy egy adott

sebességhez mekkora fordulatszám tartozik.

38

7.1.1. ábra. A bal oldali grafikonon a sebességmérő által mért nyers (frekvenciamodulált) adatsor látható, amin Csamangó Attila edző evez. A jobb oldali grafikonon a demoduláció után kapott sebesség látható km/h egységben, ahol az egyes csúcsok az egyes húzásokat mutatják.

A demodulálás abból áll, hogy nyers jelet fordulatszámmá kell alakítani, azaz meg kell nézni a szinuszjelben lévő periódusok periódusidejét. Ehhez először meg kellett növelnem a pontok számát a nyers jelben, mert az viszonylag kevés pontból áll ahhoz, hogy a szintmetszés számláló algoritmus megfelelően pontos periódusidőket adjon. A pontok számának növeléséhez tíz pontból álló lineáris interpolációt használtam. Valójában minden két egymást követő periódus együttvéve felel meg a propeller egy teljes a fordulatának, mivel a propellerbe épített álladó mágnes négypólusú. Tehát minden két egymást követő periódusidő egy sebességadatnak felel meg, vettem az adatsor reciprokát és megszoroztuk a kalibrációs tényezővel. A kalibrációs tényezőt két módon is meghatároztam. Az egyik a már említett videós elemzés alapján meghatároztam, hogy a vízben mozgatott sebességmérő mekkora sebességgel mozog, a közben mért jelből pedig kiválasztottam egy állandó fordulatszámú szakaszt, majd a fordulatszámhoz társítottam a sebességet. A másik a Csamangó Attila edző által megtett egy kilométeres evezés (7.2.1. ábra), aminek a műszer által ismerjük a pontos idejét, így az átlagsebességét is. A két módszer által kapott kalibrációs értékek között szinte nem volt eltérés, így ezt megbízhatónak találtam és a továbbiakban a két érték átlagával számoltam. Deriváltam is a sebességjelet, így össze tudtam hasonlítani a műszer beépített gyorsulásmérőjének jelével. Az egyezés szemmel látható (melléklet: 11.3. ábra).

7.2 A sebesség időbeli változása, rajtelemzés A pillanatnyi sebességadatokból készült trendgörbe rendkívül informatív az edző számára, aki ebből olyan információkat tud levonni mint, hogy a rajtot követő hányadik evezőcsapással érte el a versenyző a maximális sebességét, információt kap a versenystratégiában megtervezett megindulások nagyságáról, időtartamairól, emellett az átlagsebességről és a nemkívánatos sebességingadozásokról is.

39

7.2.1. ábra. A bal oldali grafikonon Csamangó Attila edző evezésének sebessége látható. A jobb oldali grafikon a bal oldali első 12 másodpercének nagyítása, amin részleteiben megvizsgálhatjuk a rajtot. Az 1000 m-es táv során az átlagsebesség 12,21 km/h, az egyes húzások között a sebesség 1,5-2 km/h-át esik.

A sebességmérő segítségével megfigyelhetővé válik a versenyző sebességének ingadozása az adott távon, a megindulások, amik a versenystratégia részét képezik, valamint a rendkívül fontos rajt kielemzése. Az általam alkalmazott szenzor méreteiből kifolyólag viszonylag nagy ellenállást fejt ki a kajakra, valamint a forgó alkatrészek miatt a különböző lerakódások hosszú távon befolyásolhatják a mérést. Ezért a későbbiekben mindenképpen érdemes továbbfejleszteni a sebességmérőt. Egy olyan szenzor lenne a legalkalmasabb, ami egyáltalán nem, vagy csak kevéssé lóg bele a vízbe.

7.3 Alternatívák a sebességmérőre Az általunk legalkalmasabbnak tartott sebességmérő egy GPS modul lenne. Ennek a z eszköznek a legnagyobb előnye, hogy nem ér bele a szenzor a vízbe, azaz nem fékezi a hajót. A kereskedelmi forgalomba kapható legtöbb GPS modul csak viszonylag kis (10 Hz) mintavételi gyakorisággal rendelkezik, ami kicsi ahhoz, hogy az egyes húzások megfelelően tudjuk detektálni, tehát a gyorsulásmérőt nem tudja kiváltani. A két szenzor megfelelő szinkronizálásával viszont egy jól használható, kombinált szenzort kapunk [25]. Ezt a módszert alkalmazza a minimax B4 [17] is, aminek a pontosságát Ina Janssen és Alexi Sachlikidis egy 100Hz-es videófelvétellel szinkronizált kajakos evezés mérésének segítségével határozta meg [24]. A mért sebesség 0,14-0,19 m/s-al, a gyorsulás pedig 1,67 m/s2-el kevesebb a videó alapján számítottnál.

Witte és Wilson [26] munkájuk során egy átlagos GPS rendszert teszteltek valós

40

körülmények között. A GPS-t egy biciklis mozgatta, miközben nézték hogyan változik a mért sebesség pontossága, a műholdak aktuális számától, az antenna eltakarásával. A GPS-el mért sebesség értéke 0,4-1,4 km/h-val is eltérhet a valódi sebességtől. Ezt az értéket még elfogadhatónak találják az olyan technikai sportokban, ahol, mint a kajakozásban, viszonylag egyenes vonalú elmozdulás történik.

41

A fejlesztés eredményei, továbblépési lehetőségek 8

8.1 Eredmények A projekt a 2011 novemberében lezárult, a négy műszer és a Java szoftver átadásra került a kajakosok részére, ám a műszer további fejlesztését mindenképpen tervezzük a számos felmerülő szempont szerint. Tavaly sikeresen alkalmaztuk a műszert egy külső projektben, aminek témája a szenzorhálózatok volt. Ebben a projektben egy a mi műszerünkhöz hasonló (3 irányú gyorsulás és 3 irányú elfordulás mérésre alkalmas) kereskedelmi forgalomban kapható műszert használtak, a miénknél jóval kisebb méretben [28]. A feladatunk az volt, hogy hasonlítsuk össze a két műszert, amit meg is tettünk egy kajakos évezését mérve. Eredményül azt kaptuk, hogy a jelalakok hasonlóak, de a kis műszer méréshatárai mások ezért a menetirányú gyorsulásjel kisebb, ezáltal zajosabb is (melléklet 11.6. ábra). Próbaképpen a lapátra is rögzítettünk egy műszert. Ennél a mérésnél a lapát roll szögsebesség jelét láttuk a legérdekesebbnek (melléklet 11.7. ábra). Érdekes, hogy a jel viszonylag komplex, az egyes periódusok mégis szinte egyformák. Az idei év tavaszán a műszerrel elért eredményeinkkel részt vettünk a Magyar Sporttudományi Társaság IX. Országos Sporttudományi Kongresszusán. Az előadást Csamangó Attila kajakos edző tartotta, amihez az előadás anyagát hallgatótársammal és témavezetőnkkel állítottuk össze. Jelenleg a műszer egy jármű mozgásait regisztráló projektben vesz részt. A projekt célja főként teherautók mozgásainak vizsgálata a mért műszer beépített gyorsulásmérőinek és giroszkópjainak segítségével. A menetirányú gyorsulásjel hasznos lehet például az útvonal optimális megválasztásában, ugyanis a fogyasztás szempontjából nem mindegy, hogy a teherautó hányszor áll meg és indul újra, ami a gyorsulásjelből egyértelműen kiderül. Erre a problémára már léteznek alkalmazások okostelefonra, ugyanis ezekben a készülékekben is találhatóak egytengelyű gyorsulásmérők, de a mi műszerünk sok szempontból több ennél a megoldásnál. Egyrészt a 3 irányú gyorsulásmérő és giroszkóp miatt sokkal több szabadsági fokot tud regisztrálni a műszer, a nagy mintavételi sebesség és a precíz szenzorok miatt pontosabb is, valamint hátrányt jelent, hogy a különböző okostelefonok különböző szenzorokat használnak, amik eltérő mérési eredményeket adhatnak. Az útminőség is egy fontos szempont az útvonal megválasztásában, amiről főként a függőleges tengelyű 42

gyorsulásmérők adhatnak információt. A jármű útvonalát GPS segítségével követik, majd erre illesztik rá a kajakos műszer által mért adatokat. A projektben résztvevőknek szükségük volt a hőmérséklet regisztrálására is, amire a műszert alkalmassá tettem egy külső termisztor építésével (11.5. ábra). A jövő év elején a műszer méréstechnikai eredményeit Vadai Gergely egy horvát IEEE konferencián fogja bemutatni.

8.2 Továbblépési lehetőségek A jövőben tervezzük a műszer méreteinek csökkentését. Mivel a jelenlegi műszer egy prototípus, ezért a most nagyon hasznosnak bizonyult külső szenzorok csatlakozási lehetőségét elvetve egy sokkal kompaktabb eszközt kapnánk. Szintén tervezzük a sebességmérő cseréjét, egy a jelenleginél pontosabb és praktikusabb, GPS alapú sebességmérő beépítését a műszerbe. Újfajta szenzorok alkalmazását is tervezzük. Az élettani jelek mérésére például több, hasonló eszközben is van lehetőség, ezért ezeknek a jeleknek a mérését is szeretnénk megtenni. Emellett még számos szenzor alkalmazásának lehetősége felmerült. A dolgozatomban említett átlagdőlés és energiaveszteség algoritmusok mellett (4.4. fejezet) további új kiértékelő algoritmusok fejlesztését és tesztelését is szeretném megtenni, továbbá a 6.2.2. fejezetben említett teljesítmény meghatározó algoritmus is be fog kerülni az edzőknek szánt Java-s programba.

43

9

Összefoglalás A múlt nyáron lehetőségem nyílt bekapcsolódni a Zaj és nemlinearitás

kutatócsoportnál egy, már régebb óta folyó projektbe, aminek eredményeként elkészült egy, az EDF Démász Szeged Vízisport Egyesület kajakos edzőinek és versenyzőinek tervezett mérőrendszer. Feladatom a mért jelelek értelmezése és elemzése volt, amiknek eredményeiből készítettem egy egyszerű biomechanikai modellt. További feladatom volt még új, hasznos kiértékelő algoritmusok fejlesztése, amit Vadai Gergellyel LabVIEW környezetben közösen végeztünk. Munkám során foglalkoztam a műszer egyes hardveres részeinek kalibrálásával, fejlesztésével is. Eredményeimet a következő pontokban foglalom össze.

•

A kajak mozgásából származó mért jelalakokat videóval szinkronizált méréssel értelmeztem.

•

Egy egyszerű modellt készítettem a hajó és a kajakos mozgásának kapcsolatáról, aminek segítségével megérthettem a hajóirányú gyorsulásjelek és a giroszkópokból származó szögsebességjelek kapcsolatát.

•

A mérőműszer kalibrálásához eljárásokat dolgoztam ki, melyek elvégzésével biztosítottam a műszer által mért jelek kellően pontos mérését.

•

A Kajakos edzőkkel való kapcsolattartást és a mérések begyűjtését, valamint az egyes kiértékelő munkaalgoritmusok készítését hallgatótársammal közösen végeztük.

•

A mérési adatok feldolgozása során meghatároztuk azokat az evezést jellemző legfontosabb paramétereket, amik aztán a statisztikai értékelés során [2] kiértékelésre kerültek.

•

A mérőműszerhez egy prototípus sebességmérő eszközt illesztettem, amivel lehetővé vált a sebesség kellően pontos folyamatos mérése is. Az edzők ezt kiemelten fontosnak tartják, mivel az elterjedt GPS alapú megoldások nem adnak elegendő időbeli felbontást és pontosságot.

•

Az elkészült prototípus sebességmérő szenzorral a rajt részletes kielemzését is elvégeztem, amihez a gyorsulásmérők és a giroszkópok nem adnak meg minden szükséges információt.

•

Eredményeinket hallgatótársam és Csamangó Attila edző részvételével sikeresen 44

prezentáltuk a Magyar Sporttudományi Társaság IX. Országos Sporttudományi Kongresszusán.

Az elért eredmények alapján tervezzük a mérőrendszer továbbfejlesztését. Fontos továbblépési lehetőségnek tartjuk a műszer méreteinek csökkentését, pontosabb sebességmérő szenzor fejlesztését, a még nem tesztelt, hasznos kiértékelő algoritmusok bekerülését a végleges szoftverbe. Tervezzük a fiziológiai jelek, lapáterők mérését és további szenzorok alkalmazását is.

45

10

Köszönetnyilvánítás Köszönetet szeretnék mondani témavezetőmnek, Dr. Gingl Zoltánnak a munkám

során nyújtott szakmai segítségért, valamint Dr. Makra Péternek belső konzulensként végzett munkájáért. Szeretném megköszönni hallgatótársamnak, Vadai Gergelynek széleskörű segítségnyújtását és a támogatását munkám során. Köszönet illeti a mérőrendszer kifejlesztésében szintén részt vevőket: Dr. Mingesz Róbertet, Mellár Jánost, Kocsis Pétert és Szépe Tamást, akik mindemellett hasznos információkkal is segítették munkámat. Szeretném megköszönni a Kísérleti Fizika Tanszék műhelyének tárgyi és szakmai segítségét. Végezetül köszönetemet fejezném ki az EDF Démász Szeged Vízisport Egyesület egyesület sportolóinak és edzőinek különösen Csamangó Attilának, valamint a DEAK Kooperációs Kutatási Zártkörűen Működő Non-profit Részvénytársaságnak.

46

11

Melléklet

11.1. ábra. A roll giroszkóp jeléből is meg lehetne határozni azt, hogy jobb vagy bal kézzel történt az adott húzás, de a yaw giroszkóp jele kevésbé komplex, ezért ebből a jelből határoztam meg, hogy a húzások melyik kézhez tartoznak (4.1.2 ábra).

47

11.2. ábra. A képen egy húzáshoz tartozó összes képkocka látható. Minden egyes kép-kocka bal széle időben a mért jelhez van igazítva. A képkockák 1/25-öd másodpercenként követik egymást. A kék görbe a hajóirányú gyorsulás jele, a zöld görbe a giroszkóp pitch szögsebessége. A hajó maximális sebességét a legfelső képkocka alatt eggyel, balra lévő evezési fázisban éri el.

48

11.3. ábra. Az ábrán a műszer gyorsulásmérőjének jele (piros vonal), valamint a sebességmérő jelének deriváltja (fekete vonal) látható, ami így gyorsulás dimenziójú. Jól látható az egyezés a két jel között, habár a sebességjel zajosabb a deriválás miatt.

11.4. ábra. A műszer helyzete a kajakban.

49

11.5. ábra: Az általam készített három külső periféria. Bal oldalon a reset gomb, középen a termisztor, jobb oldalon pedig a sebességmérő látható.

50

11.6. ábra. A felső adatsor a kereskedelmi forgalomban kapható shimmer műszerrel mért, az alsó pedig a saját műszerünkkel mért adatsor.

11.7. ábra. A lapátra rögzített shimmer műszerrel [28] mért roll szögsebességjel (a műszer roll tengelye párhuzamosan állt a lapát hossztengelyével).

51

12 [1]

Irodalomjegyzék Zárójelentés a „Kajak-kenu teszter” fejlesztéséről (2011), készítette: Gingl Zoltán, Mingesz Róbert, Mellár János, Szépe Tamás, Makan Gergely, Vadai Gergely és Kocsis Péter

[2]

Versenykajak mozgásának mérése és a mért jelek statisztikai elemzése, Diplomamunka, Vadai Gergely

[3]

Mann RV, Kearney JT (1980). A biomechanical analysis of the Olympic-style flatwater kayak stroke, Med Sci Sports Exerc. 1980;12(3):183-8.

[4]

Sarah R. Hoa*, Richard Smitha & Damien O'Mearab ( 2009). Biomechanical analysis of dragon boat paddling: A comparison of elite and sub-elite paddlers. Journal of Sports Sciences, Volume 27, Issue 1

[5]

Kemecsei Imre (2004). A kajak technika belső szerkezete. Kiadó: Magyar Kajak-kenu Sportszövetség

[6]

Carter, A.G.W., Peach, J.P., Pelham, T.W., and Holt, L.E. (1994). Discrete measures of C1 craft acceleration using various paddle designs. Biomechanics in Sports XII, 190193.

[7]

C. J. Duchesnes, R. Borres, L. Lewillie, M. Riethmuller, D. Olivari (1987), New Approach for Boat Motion Analysis in Rowing, 5 International Symposium on Biomechanics in Sports

[8]

Michael G Robinson, Laurence E Holt, Thomas W Pelham Waverley, Nova Scotia, Karen Furneaux, Accelerometry Measurements of Sprint Kayaks (2011). The Coaches' New Tool, International Journal Volume: 5, Issue: 1

[9]

Aitken, D. A., Neal, R.J. (1992). An on-water analysis system for quantifying stroke force characteristics during kayak events. International Journal of Sport Biomechanics, 8, 165-173.

[10] Daniel A. James, Neil Davey, Tony Rice (2004). An Accelerometer Based Sensor Platform for Insitu Elite Athlete Performance Analysis, Sensors. Proceedings of IEEE, 1373 - 1376 vol.3

[11] Beatriz Gomes1, Nuno Viriato2, et al. (2011). Analysis of the on-water paddling force 52

profile of an elite kayaker. Portuguese Journal of Sport Sciences11 (Suppl. 2)

[12] Dennis Sturm1, Khurram Yousaf1 and Martin Eriksson1 (2010). A kayak training system for force measurement on-water. 28 International Conference on Biomechanics in Sports

[13] López López, C.; Ribas Serna, J. Quantitative analysis of kayak paddling technique: definition of an optimal stroke profile, Published in Rev Andal Med Deporte.2011; 04 : 91-5 - vol.04 núm 03

[14] Beatriz Gomes, Nuno Viriato, Ross Sanders, Filipe Conceição, Mário Vaz, João Paulo Vilas-Boas (2011). Analysis of Single and Team Kayak Acceleration, 29 International Conference on Biomechanics in Sports

[15] R.J.N. Helmera , A. Farouila, J Bakerb, and I. Blanchonettea (2011), Instrumentation of a kayak paddle to investigate blade/water interactions, 5th Asia-Pacific Congress on Sports Technology (APCST)

[16] DigiTrainer evezős műszer: http://www.polaritas.com/DigiTrainer_main (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[17] Minimax evezős műszer: http://catapultsports.com/sports/rowing-kayak-canoe (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[18] A gyorsulásszenzor felépítése: http://www.sensorland.com/HowPage018.html (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[19] A gyorsulásszenzor adatlapja: http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERA TURE/DATASHEET/CD00228915.pdf (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[20] A giroszkópok adatlapja: http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpr503al.pdf http://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpr530al.pdf http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERA TURE/DATASHEET/CD00237154.pdf (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[21] A giroszkóp működése: http://sensorwiki.org/doku.php/sensors/gyroscope (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[22] A giroszkóp működése: http://clifton.mech.northwestern.edu/~me381/Gyroscope.gif (megtekintés dátuma: 2012.12.07) 53

[23] TK1 típusú kajakos kép: http://www.advantagekayaks.com.au/Super_Tourer_TK1.html (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[24] Ina Janssen & Alexi Sachlikidis (2010). Validity and reliability of intra-stroke kayak velocity and acceleration using a GPS-based accelerometer. Sports Biomechanics. Volume 9, Issue 1, 2010

[25] Ronald Grenfell, Kefei Zhang (2006). Szabadalom: US7272499 [26] Witte TH, Wilson AM (2004). Accuracy of non-differential GPS for the determination of speed over ground. Structure and Motion Lab, The Royal Veterinary College, Hawkshead Lane, Hatfield, Hertfordshire AL9 7TA, UK. J Biomech. 2004 Dec;37(12):1891-8.

[27] Hall szenzor adatlapja: http://www.mosaico.com.br/Midias/Documentacao/ss49e.pdf (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

[28] Shimmer vezeték nélküli multiszenzoros műszer: http://www.shimmer-research.com/ (megtekintés dátuma: 2012.12.07)

54

13

Nyilatkozat Alulírott

Makan

Gergely

Fizikus

MSc

szakos

hallgató

(ETR

azonosító:

MAGOABT.SZE) a Versenykajak mozgásának mérése és a mért jelalakok analízise című diplomamunka szerzője fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem, hogy dolgozatom önálló munkám eredménye, saját szellemi termékem, abban a hivatkozások és idézések általános szabályait következetesen alkalmaztam, mások által írt részeket a megfelelő idézés nélkül nem használtam fel.

Szeged, 2012. december 08 ……………………………

a hallgató aláírása

55