Автоматизированное средство для улучшения техники пловца

Большой спорт – это каждодневные, тяжелые, изнурительные тренировки по повышению физических качеств спортсмена и совершенствованию его техники, для достижения максимально возможных результатов и побед, на различных соревнованиях. Совершенно не важно, что именно за вид спорта рассматривается, цель у всех одна: борьба за место на пьедестале. В данной статье затрагивается такой вид спорта, как плавание.

У пловцов, на соревнованиях, каждая миллисекунда на счету. Согнул ты не под тем углом руку – прибавил себе долю секунды, сделал короткий выход – отстал от соперников еще на сотую. Чтобы с этим как-то бороться, исправлять и контролировать тренера и их подопечные тратят немалые средства, на различного рода аппаратуру, которая им в этом помогает. А так как сейчас двадцать первый век – век высоких технологий, такая техника также постоянно совершенствуется, путем добавления новых функциональных возможностей, повышение своей точности и т.п.

Далее в статье будет рассмотрено одно из таких технических средств, которое за последнее время улучшило свои точностные характеристики, путем применения в нем фильтра Калмана.

Прибором, о котором было сказано выше, является бесплатформенный инерционный датчик (Strapdown Systems the Inertial Sensors – БИНД), который устанавливается на тело пловца и служит способом предоставления тренеру информации, в режиме реального времени, о скорости, ускорении пловца, его месте положения в плавательном бассейне. Этот датчик включает в себя три компоненты: акселерометр (необходим для измерения ускорения), гироскопа (необходим для определения угла поворота), вычислительное устройство (по ускорению находит скорость объекта и его координаты).

Поводом к модификации алгоритма, заложенного в БИНД – е, стало заявление Т.Эдвардса и К.Тонга о том, что небольшие наложения волн (шумы) могут вызвать большие ошибки в измерениях акселерометра. Одним из вариантов, минимизации этих ошибок, был: применения фильтрации к получаемым данным от акселерометра. Первый алгоритм, который осуществлял фильтрацию данных места положения спортсмена и других его характеристик, был метод наименьших квадратов. Но главным недостатком данного метода было то, что он не минимизировал ошибку оценки измерений. Поэтому следующим шагом в процессе усовершенствования точностных характеристик прибора, стало использование Калмоновской фильтрации.

Фильтр Калмана – мощный рекурсивный алгоритм фильтрации, который учитывает недостатки МНК, и сводит к минимуму ошибку оценки параметров движения пловца. Данный алгоритм учитывает недостатки метода наименьших квадратов. Он минимизирует ошибку оценки и использует информацию об априорном знании параметров.

Исследование, представленное в этой статье, было проведено в Университете Лафборо, Великобритания, и основной его задачей было разработать фильтра Калмана для использования в инерциальной навигационной системе, которая содержит трехосный акселерометр и трехосный гироскоп для того, чтобы у тренеров была возможность более точно определять производительность пловцов.

Всю математическую выкладку построенного алгоритма фильтра Калмана, который был заложен в беспроводной датчик БИНД, мы оставим за рамками данной статьи. Лишь скажем, что разработчики использовали расширенный фильтр Калмана для объединения измерений с двух акселерометров и трех гироскопов, чтобы получить точную оценку положения пловца. Наглядно алгоритм можно представить с помощью рис.

Рис. 1 – Алгоритм фильтра Калмана

А принцип работы самого устройства, представлен на рис. 2.

Рис. 2 – Применение фильтра Калмана

При старте спортсмена инерционный датчик (NODE), закрепленный на теле пловца, начинает свою работу и передает все данные, которые обрабатываются на нем, по беспроводной сенсорной сети тренеру на ноутбук. Тем самым тренер, в режиме реального времени, получает всю необходимую информацию о движении пловца. И проанализировав полученную информацию, тренер дает указания подопечному: как лучше стартовать, с какой скоростью осуществлять гребок рукой, чтобы согласовать это с ударами ног, когда лучше входить в поворот и т.д.

В данной статье была рассмотрена одна из областей, где используется мощный математический аппарат – фильтр Калмана. К сожалению, описанное устройство для пловцов находится на стадии тестирования и не поступило на массовое производство. Но уже успешно проведенные испытания, в скором времени, исправят эту ситуацию.