УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ПОДГОТОВКИ ВОЕННОСЛУЖАЩИХ К ДЕЙСТВИЯМ В УСЛОВИЯХ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области спортивной техники и может найти применение для определения показателей физической подготовленности военнослужащих, оценки параметров, характеризующих технику выполнения военно-прикладных видов спорта, и снижения травматизма.
Цель полезной модели - повышение эффективности процессов физической подготовки военнослужащих за счет расширения его области использования на основе снижения технической сложности прототипа по сравнению с использованием имеющихся малогабаритных аналогов измерительных устройств.
В научной литературе уделено значительное внимание вопросам физической подготовки военнослужащих как в сфере общей физической культуры и спорта, так и в сфере военно-прикладных видов спорта. Основными средствами реализации целевой направленности военнослужащего служат военно-прикладные упражнения, среди которых важную роль играют упражнения в военно-прикладном плавании. Разработано большое количество методик и приспособлений для реализации силовой плавательной подготовке пловцов [1], [2], [3].
Известен тренажер для плавания с резиновым шнуром длиной около 25 м, с различными натяжениями, 15, 20, 25 и до 40 кг [1, с. 20]. Конструкция данного тренажера характеризуется значительной сложностью. На бортике бассейна смонтирована система блоков. Кроме того, обязателен внешний контроль силы тяги, развиваемой спортсменом, что обеспечивается динамометром. Место приложения тяги к поясу отрицательным образом сказывается на технике плавания.
Также известен тренажер с использованием блоков, через которые перекинут трос с грузом [1, с. 23]. Конструкция данного тренажера также смонтирована на бортике бассейна. Военнослужащий в процессе тренировочного заплыва не может варьировать свою скорость, будучи зависимым от величины груза. В этом тренажере, так же как и в описанном выше, тяга приложена к поясу.
Известен способ, который представляет собой плавание с элементами, закрепленными на одежде, которая надевается на обучаемого. В качестве таких элементов используются щитки или специальные карманы. Данные элементы требуют закрепления этих элементов на одежде, при этом они не обеспечивают стабильность при движении, что отрицательным образом сказывается на технике плавания [1, с. 66].
Известны тренажеры, укрепляемые вблизи бортика бассейна, в которых используются поддерживающие поплавковые опоры для спортсмена. При тренировке или обучении плаванию обучаемый располагается на поплавковой опоре, закрепляясь на ней посредством ремней. В зависимости от задания на тренировку обучающийся отрабатывает технику движений [5], [6].
В подобных тренажерах обучающийся совершает плавательные движения, оставаясь неподвижно на водной поверхности, а не в условиях, максимально приближающихся к реальным. Поддерживающие поплавковые опоры в данном тренажере выполняет функцию удержания на поверхности воды, о чем, в частности, свидетельствует характер места фиксации поддерживающей поплавковой опоры на теле. Задание обучаемому заключается не в скоростном передвижении, а в совершенствовании техники движения ног при обучении брассом [6].
Известен способ развития силовой выносливости пловца [7], обеспечивающий повышение эффективности развития силовой выносливости рук при совершении тренировочных заплывов. Указанный технический результат достигается тем, что фиксируется плавательная доска на груди или спине спортсмена в зависимости от выбранного способа плавания в выполнении в процессе заплыва пловца одновременных гребковых движений руками с периодическим увеличением или уменьшением частоты гребковых движений, при этом при использовании доски с длиной, ограниченной длиной туловища пловца, обеспечивается возможность развития скоростно-силовой выносливости мышц, а при использовании плавательной доски большей длины обеспечивается возможность совершенствования техники проноса рук над водой, гребковых движений и развития выносливости мышц плечевого пояса, а увеличение нагрузки на мышцы обеспечивается изменением толщины плавательной доски.
Известно устройство для обучения плаванию способом «брасс», выполненное с возможностью закрепления на стопе ноги пловца, включающее съемное основание, на задней части которого размещен сигнальный упор [8]. Недостатком известного устройства для обучения плаванию является весьма слабое восприятие взаимодействий сигнальных выступов со звеньями нижних конечностей, особенно с передней частью голени, в то время, когда стопа принимает положение тыльного сгибания и должна находится в этом положении во время выполнения толчка ногами. Необходимо отметить, что только одних ощущений со стороны двигательного анализатора, особенно в условиях водной среды, для обеспечения эффективной подготовки военнослужащих к действиям в условиях водной среды недостаточно.
Из уровня техники устройство для обучения пловцов [9], содержащее смонтированные в бассейне платформы для закрепления на них пловцов и средство для контроля выполняемых движений, расположенное напротив каждой платформы, имеет пульт управления, программный блок, звуковые индикаторы и демонстрационное табло для воспроизведения на нем выполняемых движений, причем средство для контроля выполняемых движений выполнено в виде смонтированных один над другим рядов шарнирно соединенных между собой зеркал.
Данное устройство также характеризуется рядом недостатков, снижающих эффективность в обучении плаванию. Это обусловлено тем, что все движения могут выполняться только на одном месте в воде без передвижения в бассейне и только в положении, когда обучаемый находится на груди, что не отвечает главному требованию при начальном обучении плаванию - выполнению движений ногами в положении обучаемого на спине с тем, чтобы он мог вести постоянный самоконтроль со стороны зрительного анализатора, что особенно необходимо при передвижении в воде.
Известны решения, относящиеся к измерительным приборам (устройствам), предназначенным для определения параметров движения конечностей человека. Из уровня техники известно устройство, позволяющее оценить рассогласованность параметров движения рук [10]. Оно включает контактно-нажимное устройство (КНУ), соединенное с устройством формирования измеряемого сигнала, имеющим в своем составе блок автономного питания, блок формирования измеряемого сигнала и блок согласования, через который устройство формирования измеряемого сигнала соединено с компьютером. Устройство производит одноканальную регистрацию (т.е. параметры движения только одной руки) длительности временных интервалов между нажатиями на КНУ кистью руки. Измерение указанного параметра осуществляется непосредственно компьютером, на который сигнал подается с устройства формирования измеряемого сигнала.
Недостатками известного устройства являются невозможность осуществления двухканальной регистрации параметров движения рук (т.е. одновременно обеих рук), большие массогабаритные показатели устройства, обусловленные необходимостью использования блока автономного питания, а также невозможность регистрации длительности фаз нажатия и отжатия, что снижает функциональные возможности устройства. Невозможно производить измерение вращения конечностей, решение не дает полную информацию о движении человека в целом, имеет низкую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
Из уровня техники известно устройство [11], которое относится к медицинской технике, предназначено для оценки моторной межполушарной асимметрии мозга (по темпу движений, утомляемости и т.д.), в частности обусловленной влиянием гелиогеофизических факторов среды, и может быть использовано в научной и практической медицине. Устройство содержит два двухпозиционных контактнонажимных устройства, параллельно соединенных через блок согласования с компьютером.
Блок согласования состоит из двух RS-триггеров, выходы которых соединены непосредственно с входом последовательного порта компьютера, а также двухполярного стабилизатора напряжения, вход которого соединен с выходом того же порта компьютера, а выход - с RS-триггерами. Такое выполнение устройства обеспечивает возможность двухканальной регистрации движения рук человека, определения длительности фаз нажатия и отжатия, упрощение конструкции и снижение габаритов.
Недостатком указанного устройства является невозможность производить измерение вращения конечностей, при этом решение не дает полную информацию о движении человека в целом, имеет низкую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
Из уровня техники известны решения (US 2002040601, 11.04.2002, СА 2218242, 06.12.2005, US 5955667, 21.09.1999, W 00020874, 13.04.2000), которые описывают по крайней мере один высокочувствительный широкополосный датчик линейных движений или один высокочувствительный широкополосный датчик угловых движений, закрепленный на нижних конечностях человека. Сущность основных недостатков данных решений заключается в том, что они не дают полную информацию о движении человека в целом, имеют недостаточно высокую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат, при этом являются сложными техническими устройствами и обладают значительной стоимостью.
Наиболее близким прототипом заявленного устройства из уровня техники является инерциальная система определения параметров движения тела и конечностей человека на основе молекулярно-электронных датчиков [12], состоящая из, по крайнем мере, одного высокочувствительного широкополосного датчика линейных движений, или одного высокочувствительного широкополосного датчика угловых движений, закрепленных на теле и/или конечностях человека, блока управления, включающего аналоговый блок питания, усиления, фильтрации и температурной коррекции сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), накопитель данных и проводной или беспроводной интерфейса для передачи данных на персональный компьютер, персональный компьютер для обработки данных в режиме реального времени или постобработки, при этом датчики линейных и угловых движений выполнены с использованием жидкостной инерционной массы и молекулярно-электронного чувствительного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал.
Недостатками указанного устройства являются ограниченные возможности по выдаче информации о движении военнослужащего в условиях водной среды, низкая точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат. Кроме того, указанное устройство обладает большой технической сложностью и значительной стоимостью, так датчик угловых движений представляет собой герметичный тороид, полностью заполненный электролитом. В канале тороида расположен молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости. Кроме того, датчик линейных движений представляет собой герметичный корпус произвольной формы, полностью заполненный рабочей жидкостью. В канале корпуса расположены две пары электродов, причем расстояние между парами электродов должно быть намного больше расстояния между электродами в отдельной паре. Кроме того, между электродами, расположенными в канале корпуса, подана разность потенциалов, обеспечивающая формирование между парами электродов области повышенной или пониженной концентрации электролита, отличающиеся также удельной плотностью от остального электролита.
На сегодня остро стоит необходимость точного определения параметров движения военнослужащего для обеспечения требуемого уровня физической подготовленности военнослужащих. В рамках проведения тренировок военнослужащих акселерометрия позволяет количественно характеризовать показатели физической подготовленности военнослужащего, его технику, снижать травматизм. При этом каждое из этих применений требует, с одной стороны, миниатюрности используемых измерительных средств, а, с другой - высокой точности измерений, недостижимой в настоящее время при использовании существующих датчиков движения.
Технической задачей создания полезной модели являлось устранение недостатков известных устройств [1-12] и повышение эффективности процессов физической подготовки военнослужащих.
Цель полезной модели - повышение эффективности процессов физической подготовки военнослужащих за счет расширения области использования устройства на основе снижения технической сложности прототипа по сравнению с использованием имеющихся малогабаритных аналогов измерительных устройств.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в снижении технической сложности заявленного устройства.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство для решения задачи оценки показателей физической подготовленности военнослужащих, содержащее блок управления, включающего аналоговый блок питания, блок сопряжения усиления, фильтрации и температурной коррекции сигнала, аналого-цифровой преобразователь, накопитель данных и проводной или беспроводной интерфейса для передачи данных на персональный компьютер, блок измерения, в состав которого входят, по крайней мере, один высокочувствительный датчик линейных движений или один высокочувствительный широкополосной датчик угловых движений, закрепленных на теле и/или конечностях человека, отличающееся тем, что согласно полезной модели, блок измерения реализован на основе типовой микросхемы, содержащей трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр.
Реализация датчиков линейных и угловых движений на основе применения типовой микросхемы, содержащей в своем составе акселерометр и гироскоп, позволяет при решении задач оценки показателей физической подготовленности военнослужащих расширить область использования прототипа на основе снижения его технической сложности.
Это, в свою очередь, позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить эффективность процессов физической подготовки военнослужащих за счет расширения области использования устройства на основе снижения технической сложности прототипа по сравнению с использованием имеющихся малогабаритных аналогов измерительных устройств.
Графические материалы, поясняющие суть полезной модели, представлены на фиг. 1.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для решения задачи оценки показателей физической подготовленности военнослужащих.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - устройство для решения задачи оценки показателей физической подготовленности военнослужащих;
2 - блок управления;
3 - блок измерения;
4 - блок сопряжения;
5 - блок отображения первичной информации;
6 - блок питания;
7 - блок накопления данных;
8 - блок вычислений;
9 - датчик линейных движений;
10 - датчик угловых движений;
Блок управления 2 представляет собой электронную платформу, выполненную на базе микроконтроллера Atmel ATmega328 (http://www.atmel.com/ru/ru/devices/atmega328p.aspx), обеспечивающий прием и обработку первичной информации от датчиков линейных и угловых движений.
Блок управления (2) содержит в своем составе блок сопряжения (4), блок отображения первичной информации (5), блок питания (6), блок накопления данных (7) и блок вычислений (8).
Блок сопряжения (4) представляет собой аппаратно реализованную в arduino UNO (http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno) шину обмена информацией на базе протокола I2C ((https://ru.wikipedia.org/wiki/I2C)).
Блок отображения первичной информации (5) представляет собой двухстрочный 16-знаковый LCD дисплей MT-16S2H (http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/lcd/lcm/melt/char/MT-16S2H.htm) с возможностью вывода текста с подсветкой.
Блок питания (6) представляет собой аппаратно реализованный контролер питания с возможностью автоматического выбора типа электропитания устройства от батареи типа «Крона» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Батарейка_«Крона») или от внешнего источника напряжением 5-12 В.
Блок накопления данных (7) представляет собой накопитель microSD (https://ru.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital), подключенный к платформе Arduino UNO для сохранения результатов измерения и возможности просмотра истории измерений.
Блок вычислений (8) представляет собой микроконтроллер Atmel ATmega328, установленный на платформе Arduino UNO, и предназначен для обработки первичной информации, полученной от датчиков линейных движений и датчиков угловых движений и перевод ее в угловые градусы, для фильтрации полученных значений с помощью фильтра Калмана (https://ru.wikipedia.org/wiki/Фильтр_Калмана).
Блок измерений (3) реализован на снове использования типовой микросхемы, которая содержит трех осевой МЭМС (микроэлектромеханическая система, https://ru.wikipedia.org/wiki/Микроэлектромеханические_системы) модуль GY-531 (http://robot-kit.ru/product_info.php/info/p587_Modul-GY-521-3-h-osevoi-akselerometr-i-giroskop-MPU-6050--Module-3-Axis-Gyroscope-and-Accelerometer--RKP-GY-521-MPU6050-.html; http://cxem.net/mc/mc324.php), который предназначен для выдачи первичной (нефильтрованной) информации о своей ориентации в пространстве в блок вычислений (8).
Главным элементом модуля GY-531 является микросхема MPU6050 (http://arduino-kit.ru/catalog/id/modul-3-h-osevogo-giroskopa-i-akselerometra-gy-521-mpu-6050), которая содержит в себе датчик линейных движений и датчик угловых движений. Датчик линейных движений (9) представляет собой трех осевой МЭМС акселерометр с 16 битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Датчик угловых движений (10) представляет трехосевой МЭМС гироскоп с 16-битным АЦП.
Гироскоп с 16-битным АЦП и трехосевой МЭМС акселерометр с 16-битным АЦП обеспечивает конструктивное единство и исключение ошибок, связанных с взаимным пространственным положением гироскопа и акселерометра.
Принцип работы устройства основан на регистрации движений в точке закрепления датчиков на конечностях человека. При этом каждая фаза движения характеризуется уникальным для данного местоположения датчиков, выходным сигналом, что обеспечивает ее однозначную идентификацию. Кроме того, на основании зарегистрированного выходного сигнала возможно точно определить параметры, характеризующие изменение положения объекта в пространстве и мгновенное пространственное положение датчиков. Фаза движения, соответствующая неподвижному состоянию конечности человека, может использоваться для устранения ошибок, связанных с дрейфом выходного сигнала датчиков, закрепленных на этой конечности. По показаниям акселерометров в тот же момент времени можно точно определить положение объекта относительно вектора силы тяжести и, тем самым, устранить накопление ошибок, связанных с ошибками в определении углового положения датчиков. Выходной сигнал датчиков усиливается, оцифровывается с помощью АЦП в блоке управления (2) и с помощью фильтра Калмана, который программно реализован в блоке управления (2), отфильтровываются значения, которые соответствуют случайным колебаниям датчиков при микротреморе.
Полученные данные сохраняются во встроенной памяти для постобработки или передаются по проводному или беспроводному интерфейсу на компьютер для обработки в режиме реального времени.
Полезная модель разработана на уровне программы для ЭВМ и опытного образца. Результаты испытаний опытного образца разработанного устройства показали повышение эффективности процессов физической подготовки военнослужащих на 11-12%.
Источники информации
1. Зенов Б.Д. Специальная физическая подготовка пловцов. М., 1986 г.
2. Сазонова И.М. Обоснования силовых нагрузок пловцов. Волгоград, 1997 г.
3. Силовая подготовленность пловцов. М., 1997 г.
4. Фомиченко Т.Г. Совершенствование силовой и технической подготовки пловцов. М., 2001 г.
5. Обучение плаванию на тренажере. М., 1980 г.
6. Авторское свидетельство СССР №636001, опубликовано 1976 г.
7. Патент РФ №2325206, опубликован 2006 г.
8. Патент РФ №2108830, опубликован 1998 г.
9. Авторское свидетельство СССР №1106525, опубликовано 1984 г.
10. Решетюк А.Л. Кумулятивно-временной анализ саморегуляции деятельности человека в условиях физиологического эксперимента / Физиология человека - 1994, т. 20 - №6 - C. 156-162.
11. Патент РФ 2161908, 20.01.2001.
12. Патент РФ 91275, 10.02.2010.