Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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 docensSZTE Műszaki Informatika Tanszék
Belső Konzulens:Dr. Makra Péter
egyetemi adjunktusSZTE 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).
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
2.1. ábra. Egy evezőcsapás menetének főbb szakaszai. Belépő (első), függőleges (második) és kilépő (harmadik) lapátállás fázisok. [3] 2.2. ábra. A lapát forgáspontjának
elmozdulása az alsó ívtől a felső felé.[3]
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).
2.1 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
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]
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
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
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
2.1.2. ábra. Minimax [17].
2.1.1. ábra. DigiTrainer [16].
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.
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
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.
nagy, sőt ha szükséges, átlagolással a zavarjelek csökkenthetők.
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.
A műszerben három darab LPR5xxAL [20] típusú giroszkóp IC (integrált áramkör)
került a három forgási szabadsági foknak megfelelően. A forgástengelyeket általában yaw,
10
3.2.3. ábra. A három gyorsulástengely x, y, z és a három forgástengely Pitch, Roll, Yaw és irányaik. [23]
3.2.2. ábra. Az ábrán egy félhidas gyorsulás-mérő szenzor látható. [18]
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]
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 ω⃗×v⃗ , (1)
ahol m a rezgő test tömege, ω⃗ a rendszer szögsebesség-vektora, v⃗ pedig a rezgő test
sebesség-vektora. A rezgő test pillanatnyi sebesség-vektorát ismertnek tekintve a giroszkóp
szögsebességet mér.
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
3.2.4. ábra. A műszerben alkalmazott giroszkópok mikromechanikai megvalósítása. [2], [21]
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
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
4.1.1. 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.
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
4.1.2. 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 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
4.1.3. 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.
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, (2)
16
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.
atg=r∂ω∂ t , (3)
acf=rω2, (4)
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
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
4.2.1. ábra. A gyorsulás és elfordulástengelyek nevei. [23]
nemkívánatos hatást, azt a tényt figyelembe véve, hogy a műszernek a rendszer
tömegközéppontjához húzott sugarának vetülete csak az y tengelyre nézve nulla.
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
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.
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.
19
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.
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).
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
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.
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
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
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.
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.
23
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.
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.
Az általam alkalmazott sebességmérő kalibrálásáról a 7. fejezetben lesz szó.
25
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.
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
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
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.
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.
29
6.2.2.1. ábra. Húzás és húzásközti rész a saját értelmezésünkben. [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
6.2.2.2. ábra. Az árán a csapásszám időbeli alakulása, valamint ennek egy 10-es mozgóátlaggal „simított" változata (piros vonal).[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
6.2.2.3. ábra. Az evezési impulzusokat a pozitív menetirányú gyorsulás egyes csúcsainak görbe alatti területei adják. [2]
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
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.
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
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.
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
6.2.3.1. 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]
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 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
6.2.3.3. 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]
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
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.
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 mérésére, amivel vizsgálni lehet a rajtot, valamint a
sebességingadozásokat a táv során. Elméletileg a gyorsulásjel 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
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 Hall-
effektuson alapuló mágneses térerősség érzékelőből, aminek a jelét egy előerősítő felerősíti,
amit egy nagyobb teljesítmény leadására képes tranzisztor követ (7.3. ábra).
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
7.2. ábra. Az ábrán a Honeywell SS49E típusú Hall-szenzor IC látható. [27]
7.1. ábra. Az ábrán az általam készített sebességmérő szenzor látható. A kis (5 cm) számítógép ventilátor fordulatszámát Hall-szenzor IC méri, és a mérőműszerhez IP65-ös minősítésű, vízhatlan csatlakozóval csatlakozik.
7.3. ábra. Az ábrán a SS49E típusú IC blokk-vázlata látható. [27]
7.4. ábra. A szenzor karakterisztikája lineáris. [27]
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
7.1.1. 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 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
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.
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
8 A fejlesztés eredményei, továbblépési lehetőségek
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
47
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).
48
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.
49
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.
50
11.5. ábra: Az általam készített három külső periféria. Bal oldalon a reset gomb, középen a termisztor, jobb oldalon pedig a sebességmérő látható.
51
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).
12 Irodalomjegyzék
[1] 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, 190-
193.
[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
TU RE/ DA TASHEET/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