TDK DOLGOZAT

Gerber Balázs

2007.

Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Kar

KAJAKOZÁSI TECHNIKA KOMPLEX ELEMZÉSE GYORUSLÁSMÉRÉS SEGÍTSÉGÉVEL

Gerber Balázs

Témavezető:

Tihanyi Attila

2007. november

KAJAKOZÁSI TECHNIKA KOMPLEX ELEMZÉSE GYORUSLÁSMÉRÉS SEGÍTSÉGÉVEL

Tartalomjegyzék 1. Összefoglalás .................................................................................................................. 1 2. Téma ismertetése, általános célok .................................................................................. 3 3. Hardverelemek ismertetése............................................................................................. 6

3.1. A gyorsulásmérő IC bemutatása............................................................................. 6 3.1.1. Bevezető ........................................................................................................... 6 3.1.2. A szenzorok mechanikai felépítése .................................................................. 7 3.1.3. A szenzorok elektronikus felépítése ................................................................. 9

3.2. Mikrokontroller bemutatása ................................................................................. 11 3.3. Memória IC bemutatása........................................................................................ 12

4. A programkód főbb elemei........................................................................................... 14 4.1. Interrupt-vezérelt működés................................................................................... 15 4.2. Standby mode ....................................................................................................... 15 4.3. Normal mode ........................................................................................................ 15 4.4. Csapásszám meghatározása .................................................................................. 15

4.4.1. Mintavett jel elemzése .................................................................................... 16 4.4.2. Rekurzív digitális szűrő (IIR) felhasználása................................................... 17 4.4.3. Elsőfokú IIR szűrő frekvenciatartománybeli karakterisztikája ...................... 18 4.4.4. A realizált IIR szűrő frekvenciatartománybeli karakterisztikája .................... 18 4.4.5. A csapásszám kiszámítása .............................................................................. 21 4.4.6. A gyorsulásgörbe maximumhelyeinek meghatározása .................................. 21

4.5. Record mode......................................................................................................... 23 5. Gyűjtött gyorsulásadatok további elemzése ................................................................. 25

5.1. A három tengelyen mérhető gyorsulás együttes vizsgálata.................................. 25 5.2. Jobb- és baloldalon történő húzások összehasonlítása ......................................... 27 5.3. Hajó mozgásának elemzése .................................................................................. 29

6. Továbbfejlesztési lehetőségek ...................................................................................... 32 7. Köszönetnyilvánítás...................................................................................................... 34 8. Irodalomjegyzék ........................................................................................................... 35

1

1. Összefoglalás

Napjainkban az élsport különböző területein már nem csak az edzők szakmai

tudása és a sportolók tehetsége, fizikai adottsága játszik szerepet a kívánt sikerek

elérésében, hanem az őket támogató tudományos kutatások eredményei is. A

táplálkozás és edzéselmélet mellett fontos szerepük van a műszaki újításoknak is. A

teljesítmény minél pontosabb és sokrétűbb mérése annak javítása szempontjából

elengedhetetlen. A kajak sport esetében jelenleg evezőpados mérések segítségével

vizsgálhatók a sportolók tulajdonságai. A TDK dolgozat fő célja egy olyan műszer

kidolgozása, amely az evezőpadhoz hasonló eredményeket szolgáltat

csúcstechnológiás szenzor segítségével, valós edzés/verseny körülmények között.

A kajak tetejére rögzített műszer figyeli és további elemzés céljából rögzíti a

hajó mozgását. A kajakos számára edzés közben fontos információ a pillanatnyi

csapásszám (csapás/perc). A műszer a kijelzőjén folyamatosan tájékoztat a

csapásszám változásáról, ez az információ segíti a kajakost az erőbeosztás pontos

megtervezésében és megtanulásában.

A műszerben elhelyezett csúcstechnológiájú gyorsulásmérő szenzor

folyamatosan figyeli a kajak mozgását, a mikrokontrolleres vezérlő rendszer pedig

másodpercenként több mint százszor rögzíti az X,Y,Z tengelyeken mért pillanatnyi

értékeket. A hajó fő mozgásirányának (előre/hátra) a Z tengely felel meg, amelynek

gyorsulásadataiból a csapásszám meghatározható. Egy megfelelően méretezett és a

mikrokontrollerben megvalósított IIR szűrő kiszűri a nemkívánatos jeleket, majd

ezután megkeresi a gyorsulásgörbe maximumait. Két egymást követő maximális

érték között eltelt időből számítható a csapásszám. Több egymást követő

csapásszám értékének figyelembevételével a műszer kijelzi az adatot, amit a

sportoló a húzásonként frissülő kijelzőről le tud olvasni.

Mindeközben a mért gyorsulásértékek (mindhárom tengelyről) rögzítésre

kerülnek a memória IC-ben, amely több mint negyed órányi adatot képes tárolni. A

rögzített adatokból számítógép segítségével további elemzések végezhetők el. A

gyorsulás-grafikonok fontos információval szolgálnak a kajakos technikájáról:

melyik karral húz erősebbet, mennyire egyenletesen adja bele a húzásba az erőt,

2

mennyire billegteti oldalra a hajót, mennyire változik a húzás-technika az edzés

során, és még számos egyéb apróság megállapítható, amelyek segíthetik a sportolót

technikája javításában.

Nagy előnye az evezőpados méréssel szemben, hogy nem csak a szárazföldön,

hanem a vízen, valós körülmények között szolgáltat adatokat. Továbbá nem

szükséges hozzá speciálisan előkészített, szenzorokkal szerelt hajó, bármilyen

hajóval használható, mivel külső szenzorok beszerelése nélkül működik. Kis

méretéből és tömegéből adódóan a hajó siklási paramétereit nem befolyásolja.

Segítségével mérhető, összehasonlítható, javítható a kajakosok technikája, amit

eddig csupán az edzők meglátásai és videofelvételek alapján volt lehetőség

megítélni. Sőt, a szokásos evezőpadon mérhető paramétereken túl a hajó

stabilitásáról (billegés) is szolgáltat adatokat, amely szárazföldön lehetetlen. Ezen

újszerű mérési módszerrel a valós környezetben történő mozgást lehet vizsgálni,

eddig nem mért paraméterek elemzésével. Ezzel a segédeszközzel nem csak a

kajakos, kenus, evezős, hanem sok más sportág művelőinek mozgása is elemezhető

és jobbá, hatékonyabbá tehető megfelelő kiértékelő eljárások segítségével.

3

2. Téma ismertetése, általános célok

Manapság minden sportban – így a kajak sportban is – a fizikai teljesítmény növelésén

túl fontos szerepe van a sporttechnika fejlesztésének, hogy növelni tudják a versenyzők

által végzett munka hatékonyságát és ezáltal a teljesítményt. Szárazföldi körülmények

között az effektív teljesítmény ergométerrel1 egyszerűen mérhető, sőt, bizonyos technikai

paraméterek (pl. húzáshossz) is elemezhetők, ám ezek nem tükrözik hűen a kajak

viselkedését valós edzés- illetve versenykörülmények között. Sem a stabilitásról, sem

pedig a hajótest mozgásáról nem szolgál információkkal.

A dolgozat célja egy olyan műszer kidolgozása, melynek segítségével a kajakos

mozgás valós körülmények között (vízen) mérhető és elemezhető. A mért adatoknak jól

kell illusztrálnia a sportolók mozgástechnikáját, hogy az estleges hibák, gyengék

észlelhetőek legyenek, így az edző megfelelő módon irányíthatja versenyzői felkészülését.

Ehhez azonban nem elég csupán a hajó sebességének mérése, melyre már számos bevált

eljárás létezik (pl. GPS), mivel a sebesség elemzéséből csupán az effektív teljesítmény

számítható, amelyben nincs benne a hajó oldal és függőleges irányú mozgása. A sportoló

technikájának változtatásával minimalizálhatók a nem haladási irányú mozgások,

hatékonyabbá téve az erőátvitelt, melynek következtében a hajó gyorsabban halad.

1. ábra A három mozgástengely

A választott módszer tehát a hajó gyorsulásán alapuló mérés, mivel a mozgást jól leírja

a hozzá tartozó gyorsulás/lassulás értéke: idő szerinti integráltjai a sebesség és a megtett

út, a pillanatnyi értékéből pedig a hajótestre kifejtett erő számítható Newton II. törvénye

szerint

amF ⋅=

1 Ergométer: teljesítmény mérésére alkalmas tornagép (pl. kajakgép, evezőpad)

4

Kajakozás közben a hajótest nem csupán előrefelé mozog (Z tengely), hanem a sportoló

húzásainak megfelelő impulzusszerű erőlöketek miatt oldalirányban is elmozdul (Y

tengely), illetve „billeg”. Továbbá a sebesség folyamatos változásából és a hajótest

hidrodinamikai tulajdonságaiból adódóan egy szignifikáns függőleges komponens is van a

mozgásban (X tengely). A tengelyek hajótesthez viszonyított elrendezése az 1. ábrán

látható. A gyorsulásértékek számítógépes kiértékelésével lehetséges a sportoló

teljesítményének, stabilitásának és technikájának elemzése.

Az elsődleges cél tehát a gyorsulás mérése mindhárom mozgástengelyen, és az értékek

rögzítése. A tervezésnél fontos szempont volt, hogy a mérőkészülék bármilyen hajóval

használható legyen, ne igényeljen speciálisan előkészített, szenzorokkal felszerelt hajót.

Ezért az egyedi tervezésű mérőeszközbe egy csúcstechnológiás 3D gyorsulásmérő IC

került elhelyezésre, amely a készülék mindhárom tengely (X, Y, Z) irányú mozgását képes

érzékelni, így nincs szükség külső szenzorokra. Csupán a hajótestre kell rögzíteni a

szerkezetet (pl. egyszerű tapadókorongokkal), és már indulhat is a mérés. (A műszer blokk

diagramja a 2. ábrán látható.)

2. ábra A műszer blokk diagramja

A gyorsulásérzékelőből érkező adatokat egy mikrokontroller dolgozza fel: mérés

közben másodpercenként 125 mintát vesz mind a három tengely gyorsulásértékeiből,

melyet egy memória IC-ben eltárol, így később számítógépre le lehet tölteni, ahol

megjeleníthető és elemezhető. A memória IC kapacitása körülbelül tizenhét percnyi adatot

képes rögzíteni, amely bőven elegendő a technika elemzéséhez. (Egy 1000m-es

versenytáv megtétele kevesebb, mint négy percet vesz igénybe.)

5

Egy másik fontos funkciója a műszernek a sportoló felé történő visszajelzés. Az eszköz

a menetirányú gyorsulást (Z tengely) figyelve valós időben kiszámítja a húzásfrekvenciát

(csapás/perc), amit egy LCD kijelzőn megjelenít. Ezen információ segíti a kajakost a

megfelelő erőbeosztásban, segítségével pontosabban gyakorolhatja a különböző iramban

való lapátolási technikákat.

6

3. Hardverelemek ismertetése

Ebben a fejezetben részletesen bemutatásra kerülnek a készülékben használt főbb

modern mikroelektronikai elemek. A műszer teljes kapcsolási rajza a fejezet végén (10.

ábra) látható.

3.1. A gyorsulásmérő IC bemutatása

A mikroelektronika fejlődésével a félvezetőgyártók létrehozták a világ legvékonyabb,

kisméretű, háromtengelyű gyorsulásmérő modulját. Az érzékelő szenzort a vezérlő IC-vel

integrálták, így létrehozva a világ legvékonyabb ilyen építőelemeit. Az érzékelő nemcsak

érzékelni képes a tér mindhárom irányába (X,Y,Z) ható gyorsulást +/- 1,5G terhelésig,

hanem képes a saját dőlésének érzékelésére. Sőt, a készülék alkalmas a rezgések, ütések és

az esetleges dőlés szögének és irányának pontos meghatározására is. Ezekkel a

tulajdonságokkal felruházva az MMA7260Q a szórakoztatóelektronikai, a mobil

távközlési eszközök, mérőeszközök és a merevlemezek gyártói piacán jelentős szerepet

játszhat. A mikro-elektro-mechanikus technológiával és SOI (Silicon on Isulator =

szilícium a szigetelőn) megoldással a most kifejlesztett modul mindössze 1,4mm

vastagságával és kb. ¼ cm2 felületével komoly ütődéseket is elvisel, ez pedig alkalmassá

teszi arra, hogy kis méretű, hordozható berendezésekbe is beépíthessék. Így ezt a

háromdimenziós gyorsulásmérőt most már akár mobiltelefonokba, vagy hasonló

hordozható eszközbe is be lehet építeni. A háromdimenziós gyorsulásmérő a jeleket X,Y,Z

csatornákon analóg formájában adja ki. Az irányító IC chip jelerősítő- és

vezérlőáramkörrel, valamint hőmérséklet kompenzáló áramkörrel is fel van szerelve.

3.1.1. Bevezető

A műszerbe választott 3D gyorsulásérzékelő jelenleg a MEMS2 szenzorok

csúcstechnológiáját képviseli. (Gyártó: Freescale Semiconductor Inc. Típus: MMA7260Q)

A Magyar Elektronika folyóiratban 2007/6 számban megjelentek szerint: Olyan

mechanikai érzékelő, amely a tér minden irányába történő elmozdulás mechanikai

jellemzőinek (jelen esetben gyorsulásnak) mérésére képes. A mérési eredmények

2 MEMS: Micro Electro Mechanical System – félvezető technológiával kialakított mikrogépészeti eszköz, amely rendszerint a feldolgozó elektronikával is szerves egységet alkot.

7

rendszerint valamilyen háromdimenziós térbeli koordináta-rendszernek megfelelően

komponensekre bontva jelennek meg. (X, Y, Z tengely)

3.1.2. A szenzorok mechanikai felépítése

A MEMS-gyorsulásmérők felépítése és működése egy légkondenzátor három

elektródáján mérhető kapacitásváltozás érzékelésén alapul. A működés elve az, hogy a

kondenzátorok C kapacitása nemlineáris összefüggésben van az elektródáik között

mérhető távolsággal, az alábbi egyenlet szerint:

dSC /⋅= ε ,

ahol ε a lemezeket elválasztó közeg permittivitása (dielektromos állandója), S a

lemezfelület és d a távolság. Ha az elektródák egyike mozgatható, és az elmozdulás

arányos a gyorsító erővel, egyszerű gyorsulásérzékelőt kapunk. Az ezek kivitelezéséhez

szükséges mechanikai struktúrák félvezető-technológiával is kialakíthatók, ezen a módon

tehát integrált MEMS-gyorsulásmérők (G-cellák) gyártása is lehetővé válik. A

gyakorlatban alkalmazott szerkezet azonban ennél összetettebb: a cél ugyanis az, hogy a

gyorsulással lineáris összefüggésben levő mérési eredményt szolgáltasson és az

érzékenysége is nagyobb legyen az egyszerű síkkondenzátorénál. Ez a 3. ábrán látható

differenciális elrendezéssel valósítható meg, a mechanikai konstrukció által behatárolt

gyorsulástartományon belül.

3. ábra A MEMS technológiával kialakított G-cella elvi vázlata

A működés alapja Newton II. törvénye, amely szerint gyorsuló mozgáskor a

tehetetlenségi erő

amF ⋅= ,

ahol F a gyorsító erő, m a tömeg és a a gyorsulás. A mozgó tömeg rugós felfüggesztése

révén az erőtől függő elmozdulás (kitérés) keletkezik. A gyakorlati kialakítást a 4. ábra

mutatja, amelyen a jobb és bal oldalon rögzített mozgó részek (,,ujjak”) láthatók, az

8

általuk képviselt kapacitást mérése elektronikus módszerrel történik. A g-cellák

mechanikai elemeit, a mozgó tömegeket és rugókat is beleértve a félvezető anyagok

(polikristályos szilícium) szelektív maratásával készíthetők el. A geometriai elrendezés

folyamatos fejlesztése következtében a jelenlegi szenzoroknál a mozgó „ujjak”

mozgásirányra merőleges mérete ma már eléri a néhány mm-től a néhányszor 10 mm-ig

terjedő nagyságrendet. Az elektródaméret növelése jobb jel-zaj viszonyt, alacsonyabb

keresztirányú érzékenységet és gyorsabb válaszidőt eredményez. Várhatóan a jövőben is a

szilícium lesz a teljesen monolitikus, kombinált MEMS-CMOS kivitelű, háromtengelyű

gyorsulásmérők következő generációjának az alapja, amelyet alacsonyabb zaj, kis

teljesítményfelvétel és nagyobb érzékenység vagy szélesebb mérési tartomány jellemez

majd.

4. ábra A MEMS gyorsulásmérő mechanikai vázlata

A bemutatott szerkezet azonban csak egyetlen tengely menti elmozdulás gyorsulását

képes mérni (1D gyorsulásérzékelő). A korszerű technológiákkal nincs akadálya annak,

hogy egy azonos felépítésű, 90°-kal elforgatott, második érzékelőt is beépítsenek: az

eredmény a kéttengelyű (2D vagy X-Y) gyorsulásérzékelő. A 3D-gyorsulásérzékelő

kialakítása egyetlen félvezetőlapkán már bonyolultabb feladat, mivel a Z-tengellyel

párhuzamosan elmozdulni képes mozgó ,,ujjak” kialakítását igényli. A megoldás vázlatát

az 5. ábra szemlélteti.

9

5. ábra A 3 tengelyű gyorsulásmérő sematikus térbeli modellje

6. ábra Egy valódi eszköz megvalósítási részletei. Láthatók a mozgó és rögzített „ujjak”

(a mérőkondenzátor elektródái), a mozgó tömeg, a rugók és az önteszteléshez kialakított részlet

3.1.3. A szenzorok elektronikus felépítése

A félvezető MEMS-eszközök a közvetlen mikromechanikai részegységeken kívül egy

ASIC3 integrált áramkört tartalmaznak, amelynek a feladata a kapacitásváltozással arányos

feszültségváltozás előállítása és a jelfeldolgozás. A 7. ábrán az érzékelőelem az

elektronikus feldolgozó áramkör (ASIC) felületére van ráépítve, legfelül pedig egy

integrált kapacitás (Wafer cap) foglal helyet. A kapacitásmérés kapcsolt kapacitásokkal

történik, ahol a kapcsolás időzítését digitális vezérlő áramkör, óragenerátor és a vezérelt

kapcsolók meghajtójelét előállító jelgenerátor vezérli. Ezek az áramkörök összességében

egy kapacitásváltozással arányos, feszültségváltozást előállító jelátalakító áramkört

alkotnak, amelyek további feldolgozását a külső áramkörök végzik. Ezek az áramköri

részletek kapcsolóval vezérelt kondenzátorok segítségével a jel linearizálását és szűrését is

elvégzik. A kimenet előtti utolsó egység a kimeneti feszültségjel hőkompenzációját végzi,

majd a kimeneti feszültség a felhasználó által is elérhető kivezetésekre kerül. A 3D-

3 ASIC: Application Specific Integrated Circuit (alkalmazás specifikus integrált áramkör); egyetlen feladat optimalizált megoldására alkalmas elektronikai céláramkör

10

gyorsulásmérőknél mindegyik irány érzékelőjének jelét önállóan, a többitől függetlenül

dolgozza fel a rendszer, tehát mindegyik érzékelő kimenete külön kimeneti

csatlakozóponton érhető el. Mindezek eredményeképpen három, nagyszintű,

hőkompenzált, lineáris gyorsulás-feszültség karakterisztikájú jel (Xout, Yout, Zout) jön létre,

amelyek érzékenységét mV/g egységben (a Föld felszínén mérhető nehézségi gyorsulásra

vonatkoztatott, mV-ban kifejezett kimeneti feszültségben) fejezik ki. Az ASIC

tömbvázlatát a 8. ábra mutatja.

7. ábra A MEMS-gyorsulásérzékelő valóságos szerkezeti képe

8. ábra Az MMA7260Q 3D MEMS-gyorsulásérzékelő tömbvázlata

11

3.2. Mikrokontroller bemutatása

A műszer központi vezérlőegységét képező mikrokontroller4 kiválasztásánál az LCD

meghajtásának képessége, valamint az alacsony fogyasztás voltak a fő szempontok, így a

választás a Microchip gyártó PIC16F917-es típusú termékére esett. Nyolc bites adatokkal

képes dolgozni, belső órája 8 MHz-en fut, ami másodpercenként kétmillió utasítás

végrehajtására teszi képessé. A fogyasztás csökkentése érdekében egy kisfrekvenciás

(32768Hz) kvarc is került a mikrokontroller mellé, amely az IC alacsony fogyasztású

„sleep” állapotában is rezeg, így előre beállított időközönként (8ms) fel tudja „ébreszteni”.

Ekkor a mikrokontroller elvégzi a méréseket, eltárolja az adatokat, majd „visszaalszik”,

így a fogyasztás minimálisra csökkenthető, ami elemes tápellátás esetén elengedhetetlen.

A multiplexer és a gyorsulásmérő is a mikrokontrolleren keresztül kapja a tápfeszültséget,

így teljesen kikapcsolhatók.

A PIC16F917-es képes LCD kijelző meghajtására, mely funkciónak köszönhetően

nincs szükség külön meghajtó áramkörre, ami a fogyasztást és az áramkör

komplexitásának mértékét is alacsonyan tartja. Mivel minden kijelző-szegmenshez külön

lábat kellett felhasználni a mikrokontrolleren, a 44 lábas TQFP tokozás kicsinek bizonyult,

így egy analóg multiplexer IC (74HC4052) közbeiktatásával kellett megoldani a

gyorsulásmérő csatlakoztatását. A gyorsulásmérő analóg kimenetei a mikrokontrolleren

egy A/D konverterrel ellátott analóg bemenetre vannak multiplexleve, ez az egység végzi

az analóg feszültségszintek digitalizálását. A kapcsolási rajz a 9. ábrán látható.

A műszer két kezelőgombbal vezérelhető, segítségükkel lehet ki- és bekapcsolni a

készüléket, elnidítani/megállítani az adatrögzítést, törölni a memória IC tartalmát, és

elindítani az adatok kiküldését a számítógép felé. (kapcsolási rajzon a J2-es csatlakozó)

Az adatok kiküldése szabványos RS-232-es soros porton keresztül történik. A

mikrokontroller további fontos funkciója, hogy áramkörbe beépített állapotban (in-circuit)

is programozható/debuggolható, ami a program fejlesztését nagymértékben megkönnyíti.

A processzoron futó kód assembly nyelven van írva, így a lehető legjobb időkihasználást

lehet elérni, ezzel is csökkentve a fogyasztást.

4 Mikrokontroller: egyetlen lapkára integrált, általában vezérlési feladatokra optimalizált számítógép.

12

3.3. Memória IC bemutatása

A memória IC kiválasztásánál az alacsony fogyasztás és az alacsony lábszám volt az

elsődleges szempont. A választott chip a Winbond cég W25P40-es típusú terméke volt,

amely egy 4 Mb tárolására alkalmas flash memória soros vonali inteface-el. Mindössze

négy láb szükséges a vezérléséhez, így ezen műszer esetében ez ideális választás, továbbá

rendelkezik „sleep” utasítással, amellyel alacsonyfogyasztású készenléti állapotba

kapcsolható.

9. ábra A memória IC (W25P40) lábkiosztása

13

10. ábra Kapcsolási rajz

14

4. A programkód főbb elemei

Az elkészült műszer tartalmaz egy időzítés alapon működő többállapotú, gombokkal

vezérelhető állapot-automatát. A felhasználó a két kezelőgomb segítségével válthat a

három különböző állapot között: standby, normal, és record mód. A rendszer interrupt-

vezérelt, melynek célja az energiafelhasználás minimalizálása. A műszer a teljes idő kis

részében működik, ezért az idő nagy részében kikapcsolt (alacsony fogyasztású)

állapotban van, majd az interrupt hatására „felébred”, elvégzi a szükséges műveleteket,

aztán „visszaalszik”. Az interruptot generáló időzítő a mai modern mikrokontrollerekben

programozható, ami lehetővé teszi, hogy az egyes módokban a feladatnak megfelelően

más-más időközönként fusson a programkód.

11. ábra A programkód fő ciklusai

15

4.1. Interrupt-vezérelt működés

A mikrokontroller az idő nagy részében „sleep” módban van, tehát csupán az

alacsonyfrekvenciás kvarc rezeg, a processzor mag nem üzemel. Minden egyes kvarc-

rezgésre inkrementálódik egy regiszter, amely átfordulásánál (mikor elérte a 255-öt) egy

interrupt-ot generál, ami „felébreszti” a rendszert. (11. ábra) Ekkor fut le a gombkezelő

kód, amely eldönti, hogy kell-e üzemmódot váltani. Ezután lefut az aktuális üzemmódnak

megfelelő kódrészlet.

4.2. Standby mode

Alap esetben a készülék standby módban van, a kijelzőn a pontos időt mutatja. Ekkor a

memória IC, a gyorsulásérzékelő, és a multiplexer IC is ki van kapcsolva, hogy minimális

legyen a fogyasztás. Az interrupt frekvencia 1s, tehát másodpercenként „felébred” a

mikrokontroller, ellenőrzi a gombokat, frissíti a kijelzőt, majd „visszaalszik”.

Ebben az állapotban mindkét gomb két másodpercig tartó együttes nyomva tartásával

törölhető a memória IC. Amíg a törlés véget nem ér, a „clr” felirat olvasható a kijelzőn.

A 2-es gomb két másodpercig történő nyomva tartásával lehet indítani az adatátvitelt a

számítógép felé a soros porton keresztül. Amikor az adatsor végére ér, leállítja a küldést.

Az 1-es gomb nyomva tartásával lehet a készüléket átkapcsolni „normál” módba.

4.3. Normal mode

Ekkor az interrupt 8 milliszekundumonként „ébreszti” fel a rendszert, ami ekkor

bekapcsolja a multiplexert és a gyorsulásmérőt is. Amint az a 11. ábrán is látszik, az A/D

konverter segítségével vesz egy mintát a Z-tengely irányú gyorsulás értékéből, majd a 4.4

pontban bemutatásra kerülő algoritmus szerint meghatározza a csapásszámot (húzás/perc)

és megjeleníti a kijelzőn. Ezután kikapcsolja a multiplexert és a gyorsulásmérőt, majd

ismét sleep módba kapcsol, minimalizálva a fogyasztást.

4.4. Csapásszám meghatározása

A kajaksportban legrégebb óta mért mozgásparaméter a húzásfrekvencia – más néven

csapásszám, – ami a sportoló által végzett lapáthúzások száma percenként. A hajó

sebességét kétféle képpen lehet növelni: csapásszám növeléssel vagy a húzások

erősségének növelésével. Az elkészített műszer alkalmas mindkét sebességnövelési

lehetőség monitorozására és elemzésére.

A csapásszám azonban nem növelhető korlátlanul: minél jobban “pörög” a sportoló,

mozgása annál jobban “szétesik”, koordinálatlanná válik, ami a húzáserősség, és ezáltal a

16

sebesség csökkenéséhez vezet. Ebből következően a legnagyobb sebességnökevedés úgy

érhető el, ha a sportoló elsősorban nem a csapásszámot, hanem a húzás erősségét

igyekszik növelni. A húzáserősség legpontosabban a hajó gyorsulásának mérésével

határozható meg. A cél tehát a kajakozási technika fejlesztése oly módon, hogy egy adott

csapásfrekvenciánál húzásonként a lehető legnagyobb mértékben gyorsuljon a hajó. Az

optimális technika megtanulásához tehát fontos, hogy a sportoló valós időben kapjon

információt a csapásszám értékéről.

4.4.1. Mintavett jel elemzése

A kajakozás közben mért Z-tengely irányú gyorsulás jelalakját a 12. ábra szemlélteti.

Az Y-tengely osztásegysége mG, azaz a Földön mérhető nehézségi gyorsulás ezredrésze

(0.00981 m/s2). Az X-tengelyen a minták között 8ms az eltelt idő, tehát 4 másodpercnyi

adat látható. Ebből a jelből kell a műszernek valós időben kiszámítania a csapásszámot,

amit a kijelzőn megjelenít. A csapásszám kiszámításához meg kell keresni a görbe

maximum-helyeit, majd a köztük eltelt időből az alábbi képlet alapján kiszámítható a

húzásfrekvencia értéke:

[ ][ ]mst

msCsapásszám

∆=

00060

ahol ∆t a két maximum között eltelt idő. A csapásszám meghatározásának módszere

részletesen a 4.4.5 fejezetben olvasható.

Jól látszik, hogy a jel-zaj arány megfelelő, csupán gyenge nagyfrekvenciás zaj adódik a

jelhez, ami megnehezíti a maximumkeresést, mivel a sok „tüske” miatt nagyobb a

valószínűsége a hibás detekciónak. A mérés pontosítása céljából tehát „tisztább” jelre van

szükség, ezért a mikrokontrollerben egy megfelelően méretezett IIR5 szűrő dolgozza fel a

5 IIR: Infinite Impulse Response (végtelen impulzus válaszú) digitális szűrő, melynek egy impulzusra adott válasza végtelen ideig nullától különböző

Szűrt gyorsulás érték

-150-100-50

050

100150200250300

0 125 250 375 500

Idő [8ms/osztás]

Gyo

rsu

lás [

mG

]

12. ábra Kajakozás közben mért Z-tengely 13. ábra A IIR szűrővel megszűrt adatsor

Mért gyorsulás értékek

-150-100-50

050

100150200250300

0 125 250 375 500

Idő [8ms/osztás]

Gyo

rsu

lás [

mG

]

17

jelet a maximumkereső algoritmus előtt. A 13. ábra szemlélteti, hogy a szűrés után sokkal

kevesebb a nagyfrekvenciás zaj, „simább” a görbe, így pontosabban kereshetők a

maximum helyek. Az alábbi fejezet ismerteti a szűrő pontos paramétereit.

4.4.2. Rekurzív digitális szűrő (IIR) felhasználása

Rekurzív IIR: Infinite Impulse Response (végtelen impulzus válaszú) digitális szűrő,

melynek egy impulzusra adott válasza végtelen ideig nullától különböző és szoftveresen

rekurzívan valósítható meg.

A digitális szűrés a mintavételezés figyelembevételével általában azonos eredményeket

is ad az analóg esettel, de mindenképpen számos tekintetben kedvezőbb tulajdonságokkal

rendelkezik: [0]

• a jellemzők állandósága, (nincs hőfokfüggés, az elemértékek szórásából származó

pontatlanság is elkerülhető; ezért például érzékenységvizsgálat sem szükséges)

• igen nagy jósági tényezőjű (gerjedéshatárhoz közeli) paraméterértékek is

beállíthatók, a begerjedés tényleges veszélye nélkül

• a paraméterek könnyen, akár működé közben is változtathatóak, (hiszen csak egy

paramétertömb átírása szükséges hozzá)

• az előbbi okból adódóan az adaptív szűrés egyszerű megoldhatósága,

• sokszor hasznos a jellemző frekvenciák mintavételi frekvenciával való egyszerű

hangolhatósága.

A digitális szűrés bizonyos eseteiben (pl.: szimmetrikus súlysorozattal bíró FIR szűrők)

azonban a hagyományos szűrés megszokott tulajdonságaihoz képest teljesen új, igen

kedvező eredmények is megjelennek. Emiatt alkalmazásuk több helyen kizárólagos, és

alapvetően meghatározó használata sok, mára rendkívüli eredményt felmutató területeken

(pl.: telekommunikáció, mérési adatfeldolgozás) figyelhető meg.

Alapvetően két csoportba sorolhatóak az ismert digitális szűrők:

• FIR (Finite Impulse Response filter), vagy nemrekurzív szűrők, a konvolúció

diszkrét megvalósítási formájának tekinthetőek.

• IIR (Infinit Impulse Response filter), vagy rekurzív szűrők, amelyek

tulajdonképpen differenciaegyenletet megoldó algoritmusok. Ide sorolhatóak a

lattice-filterek is.

18

4.4.3. Elsőfokú IIR szűrő frekvenciatartománybeli karakterisztikája

A szűrő logikai felépítése az alábbi ábrán látható (14. ábra).

14. ábra Az IIR szűrő általános felépítése

A szűrő bemenetére az x(n) diszkrét, kvantált jelsorozat érkezik. A kimenetén y(n)

diszkrét jelsorozat keletkezik, a szűrőm űködése során a bemenő jel n-dik értékének és a

kimenet (n-1)-dik értékének súlyozott összegéből számítja ki az n-ik kimeneti értéket. Az

alkalmazott súlytényezők A és B.

)1()()( −+= nyBnxAny

A fenti képlet átrendezésével kapható meg a differencia egyenletes alak:

)()1()( nxAnyBny =−−

A digitális jelfeldolgozásban használatos Z-transzformált alakban a következő képen

néz ki: [1]

)()()( 1 nxAnyzBny =−−

A frekvenciatartománybeli analízis a Z tartománybeli átviteli függvény segítségével

végezhető el, mely a következő képpen néz ki:

Bz

zA

zB

A

zX

zYzH

−=

−==

−11)(

)()(

4.4.4. A realizált IIR szűrő frekvenciatartománybeli karakterisztikája

A fentebb megadott átviteli függvény azonos az elsőfokú Bode-tag átviteli függ-

vényével. A következő helyettesítéssel határozható meg a T0 mintavételi idő segítségével a

valós frekvenciatartománybeli átviteli karakterisztika:

)sin()cos( 00 TrjTrz ωω +=

19

A frekvenciatartománybeli és stabilitási kritériumok figyelembe vételével a következő

paraméterek realizálódtak:

125.08

1==A 875.0

8

7==B

15. ábra Az implementált IIR szűrő paraméterei

A megadott paraméterekből az alábbi kimenetképzési egyenlet adódik:

)1(875.0)(125.0)( −+= nynxny

Ennek átrendezéséből következik a differencia egyenlet:

)(125.0)1(875.0)( nxnyny =−−

A differencia egyenlet Z transzformáltja:

)(125.0)(875.0)( 1 nxnyzny =−−

Ebből meghatározható az átviteli függvény:

875.0

125.0

875.01

125.0

)(

)()(

1−

=−

==−

z

z

zzX

zYzH

A fentebb meghatározott átviteli függvény alapján felrajzolható az IIR szűrő

frekvenciakarakterisztikája, amelyet a 16. ábra szemléltet:

20

16. ábra Az IIR szűrő átviteli karakterisztikája a frekvencia tartományban

Amint az a Bode diagramon (16. ábra) jelölve van, a szűrő levágási frekvenciája (a

pont, ahol a csillapítás eléri a -3dB-t) 2.64 Hz, amely 158.4 csapás/perc-nek (60*2.64)

felel meg. A realizált szűrő tehát megfelel a feladatnak, ugyanis valós körülmények között

a csapásszám értékének maximuma kajakozás esetében 120-150 körül van, tehát a szűrő

áteresztő tartományába esik. Ily módon a mért gyorsulásjelből kiszűrhetők azon

frekvenciák, amelyek biztosan nem a sportoló lapát-húzásából származnak, ami a

maximumhelyek – és ezáltal a csapásszám – pontosabb kiszámítását teszi lehetővé.

Továbbá ezen karakterisztika más evezős-lapátolós sportoknál is megfelelő, mivel a

kenusok és az evezősök csapásszáma is alacsonyabb a kajakosokénál.

Az információelmélet mintavételezési tétele szerint egy mintavételezett, sávkorlátozott,

B sávszélességű folytonos jel veszteségmentesen visszaállítható egy ideális aluláteresztő

szűrő segítségével, amennyiben a mintavételezési frekvencia nagyobb, mint 2B:

Bfs 2>

A fenti egyenlőtlenséget átrendezve megadható a mintavételezett jel egy adott

mintavételezési frekvenciához tartozó maximális sávszélessége, a Nyquist frekvencia nf :

22s

ns f

ff

B =⇒<

21

A diagramon (16. ábra) a frekvenciakarakterisztika a Nyquist frekvenciáig van

feltüntetve, amely a mintavételi frekvenciának (jelen esetben 125Hz) a fele, azaz 62.5Hz.

Látható, hogy ott már -23.5 dB-es a csillapítás. Nagyobb frekvencián már aliasing hibák

keletkeznek, de mivel a mért jel frekvenciája jóval a Nyquist frekvencia alatt van, ezzel

nem kell számolni.

4.4.5. A csapásszám kiszámítása

A kajakos húzásfrekvenciája (csapásszám) annak a mérőszáma, hogy percenként hány

lapáthúzást végez, mértékegysége ezért csapás/perc:

[ ] [ ]Hzenciahúzásfrekvsperc

CsapásCsapásszám ⋅== 60

A csapásszám meghatározásához tehát szükség van a húzásfrekvencia

meghatározására, amit a Z irányú gyorsulásgörbe maximumai jelölnek, mivel a haladási

irányba való gyorsulás a lapáthúzás ideje alatt a legnagyobb. Két maximumhely – vagyis

két húzás – között eltelt időből (∆t) számítható a húzásfrekvencia:

[ ]t

Hzenciahúzásfrekv∆

=1

4.4.6. A gyorsulásgörbe maximumhelyeinek meghatározása

A csapásszám meghatározásához szükséges a Z irányú gyorsulásjel maximumhelyeinek

és a köztük eltelt időnek a kiszámítása. Az erre a célra kifejlesztett és a mikrokont-

rollerben implementált, real-time6, adaptív maximumkereső algoritmus az alábbiak szerint

működik:

6 real-time algoritmus: „valós idejű” algoritmus, amellyel szemben a valós időskálához kötött idő-követelményeket támasztunk, azaz meghatározott időkorláton belül le kell futnia [2]

22

17. ábra A maximumkereső algoritmus futása közben adaptálódó küszöbök

Annak ellenére, hogy a maximumkereső algoritmusba beérkező jel az IIR szűrő által

már meg van szűrve, még mindig tartalmazhat magasabb frekvenciájú tüskéket, melyek

hibás detekciót eredményezhetnek. Ezért a téves csúcsdetektálások elékerülése céljából

szükséges egy minimum és egy maximum küszöbindex (Kmin és Kmax) bevezetése, amit a

gyorsulás értékének át kell lépnie ahhoz, hogy új csúcs lehessen detektálva. Mint ahogy az

a fenti ábrán (17. ábra) is jól látszik, kajakozás közben a maximális gyorsulás mértéke

húzásról-húzásra változik (pl: hullám, billegés miatt), ráadásul az átlagértéke az adott

sportoló pillanatnyi fizikai teljesítményétől is függ, ezért nem lehetséges fix

küszöbértékek használata.

A megoldás az adaptív küszöbértékek alkalmazása, melynek lényege, hogy mindig az

adott jelszinthez alkalmazkodnak. Egy maximum csúcs detektálása után a Kmax

küszöbérték a detektált csúcs értékét veszi fel. A következő húzáskor a gyorsulás

maximális értékének legalább akkorának kell lennie, mint Kmax , hogy csúcsként lehessen

detektálni. Ha ez a feltétel nem teljesül, nem detektálódik a húzás, tehát a mérés hibás

lesz. Az algoritmus ezt a jelenséget a küszöbértékek adaptációjával szünteti meg: ahogyan

az ábrán is látszik, folyamatosan csökkenti/növeli az értéküket a nulla szint felé. Így mire

a következő csúcs „beérkezik”, a küszöbértékek eleget csökkentek/nőttek ahhoz, hogy

megfelelő mértékű teljesítmény-ingadozást toleráljanak. Minimum érték keresésére az

algoritmus robosztusságának növelése végett van szükség: minden maximum csúcsot meg

kell előznie egy megfelelő minimum csúcsnak.

23

Minden egyes maximum detekciónál a mikrokontroller eltárolja a hozzá tartozó

időpontot, két egymást követő időpontból egyszerű kivonással kiszámítja a ∆t -t, majd

annak a reciprokaként a húzásfrekvenciát. Ezután a 4.4.5 pontban ismertetett képlet szerint

kiszámítja a csapásszámot, majd frissíti a kijelzőn az értéket. A csapásszám érték

százalékos hibája az alábbi képlet alapján számolható:

][][60

]1[[%]

Hzfs

perccsapásszáme

s⋅=

A fenti képlet alapján a frekvenciamérés hibája 150-es csapásszám esetén is csupán

2%, ami +/- 3 csapás/percnek felel meg. Egy ekkora mértékű hiba teljesen megfelel a

felhasználási célnak. Az alábbi grafikon szemlélteti a relatív (%-os) és az abszolút hiba

(+/- csapásszám) mértékét a csapásszám függvényében:

A csapásszám számítás hibája

0.00%

0.50%

1.00%

1.50%

2.00%

0 30 60 90 120 150

Csapásszám [csapás/perc]

rela

tív

hib

a [

%]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

ab

szo

lút

hib

a [

cs

ap

ás

/pe

rc]

Relaív hiba

Abszolút hiba

18. ábra A csapásszám számítás hibája a húzásfrekvencia függvényében

4.5. Record mode

Normál módból a 2-es gomb nyomvatartásával lehet a műszert rögzítési üzemmódba

kapcsolni. Ekkor ugyanúgy működik, mint normál módban, annyi különbséggel, hogy

mindhárom tengely irányú gyorsulásból vesz mintát, amiket egy – a mikrokontroller belső

memóriájában megvalósított – 256 bájtos körpufferbe tölt bele. Erre a fogyasztás

csökkentése szempontjából van szükség, mivel a memória IC áramfelvétele adatok beírása

közben igen nagy. A puffer beteléséig kikapcsolt állapotban van, majd egyszerre 256

bájtonként történik az adatok kimentése. Miután kiírta a 256 bájtot, ismét visszakapcsol

sleep üzemmódba. Az A/D konverter 10 bites felbontású, így a mintavett gyorsulásadatok

24

3*10=30 bitet foglalnak el. Ezt az egyszerűség kedvéért 4 bájton tárolja a rendszer, a

körpufferbe tehát 256 / 4 = 64 adatpont fér bele, ami a 125 Hz-es mintavételezési

frekvenciánál másodpercenként körülbelül két alkalommal teszi szükségessé a memória

IC bekapcsolását a puffer kimentése céljából.

25

5. Gyűjtött gyorsulásadatok további elemzése

A mérőműszer – azon túl, hogy edzés közben segíti a kajakost technikája tökélete-

sítésében – a beépített memória IC-be több mint negyedórányi gyorsulásadat rögzítésére

képes. Az adatok számítógépre történő áttöltésével lehetővé válik mind a sportoló, mind

pedig az edző számára, hogy sokféle kiértékelő eljárással utólag részletesen elemezze a

hajó mozgását. Így a kajakozási technika és a fizikai teljesítmény olyan részleteit lehet

számszerűen megjeleníteni és vizsgálni, amelyek egyszerű vizuális elemzéssel (pl.

videofelvétel alapján) csak nagyon nehezen, vagy egyáltalán nem észlelhetők. Ilyen

tulajdonságok például a húzás erőssége, a húzások hossza, a hajó fel/le/oldalra billegése,

és mindezen paraméterek időbeni változása.

A készüléket egy soros vonali illesztő áramkör segítségével lehet a számítógéphez

csatlakoztatni. Az áramkör egy MAX232-es IC-t tartalmaz, mely a műszerből jövő

alacsony feszültségű soros vonali jelet az RS-232 szabványnak megfelelő jelszintűre

alakítja. Az adatok számítógépre történő rögzítése után tetszőleges matematikai

programokkal (pl. MS Excel, Matlab, LabView) megjeleníthetők és kiértékelhetők. Az

alábbiakban a különféle adatfeldolgozási eljárásokban rejlő elemzési lehetőségek kerülnek

bemutatásra.

A számítógépes megjelenítés esetén – mint ahogyan az a 12. ábra és 13. ábra közötti

különbségből is látszik – a gyorsulásadatokat célszerű megszűrni, hogy a lényeges

motívumok jól láthatók legyenek. Ezért az alábbiakban ábrázolt adatsorok a 4.4.3

fejezetben ismertetett rekurzív IIR szűrési eljáráshoz hasonló módon lettek megszűrve.

5.1. A három tengelyen mérhető gyorsulás együttes vizsgálata

Az alábbi grafikonon (19. ábra) egy edzés során rögzített X, Y, és Z tengely irányú

gyorsulásadatok láthatók. A mért gyorsulásértékek az ábra felső felén láthatók, alatta

pedig a számítógép által előfeldolgozott, szűrt adatsor. Az X tengelyen megfigyelhető

hullámzás a hajó kiemelkedéséből és merüléséből adódik, ami energiaveszteséget jelent. A

Z tengelyen jól látszik a húzások hatása, valamint az Y tengelyen megfigyelhető

billenésből meghatározható, hogy az adott húzás jobb, vagy bal kézzel történt. Ennek

alapján könnyen szétválasztható és ábrázolható az egyes oldalakhoz tartozó

húzáskarakterisztika.

26

A három tengelyen mért gyorsulás

0 1250 2500 3750 5000

0 1250 2500 3750 5000

Idő [8ms/minta]

X

Y

Z

X

Y

Z

19. ábra A mért, rögzített adatok számítógépes előfeldolgozása

27

5.2. Jobb- és baloldalon történő húzások összehasonlítása

Az adatok feldolgozásának megkönnyítése érdekében elkészült egy LabView program,

mely elindítása után átveszi a rögzített adatokat az adatgyűjtő, mérő rendszertől. Az átvett

adatokon elvégzi a szükséges szűrési, tisztítási műveleteket, majd az alábbi ábrán látható

módon megjeleníti a Z tengely irányú adatokat. (20. ábra) Az ábrán látható kurzorok

segítségével kijelölhető az adatsor egy része a további feldolgozásra.

20. ábra Az adatok megjelenítése, kiválasztása további feldolgozás céljából

A kijelölt rész adataiban az előzőekben bemutatottak szerint lehetséges a jobb- és

baloldali húzások szétválogatása az Y irányú elmozdulás alapján, melynek eredménye az

alábbi ábrán (21. ábra) látható:

21. ábra Jobb- és baloldali húzáskarakterisztika

28

A fentebb bemutatott ábrán a jobb- illetve baloldali húzások grafikonja időben

egymásra vetítve látható. A görbék egymásra vetítése egy, a kurzorok segítségével

beállított küszöbértéktől (jelen esetben 29) kezdődik. Az egymásra illesztett görbék

kirajzolása során az illesztési pontot megelőző 10 és követő 70 minta kerül ábrázolásra,

így a húzások kezdete is jól látható az ábrán.

Az ábra maximumainak szórásán látszik a húzások egyenetlensége, mely nem az

emberi fáradás következménye, hiszen ebben az esetben az időfüggvényen a maximumok

folyamatos csökkenése lenne követhető.

A balkezes görbék csúcs utáni részén szép, közel párhuzamos, egyenletes a görbék

lefutása, ami arra utal, hogy a lapát szabadítása (vízből történő kivétele) során jól

begyakorolt, egyforma mozdulatokat hajt végre a sportoló. Ezzel szemben a jobbkezes

görbék hasonló szakaszán kevésbé rendezett, nagyobb szórású görbesorozat látható, tehát

a sportoló jobb oldali szabadítási technikáját javítani kell. Videofelvétel segítségével

részletesebben elemezhető a szabadítási technika ilyen módon feltárt esetleges hibája.

A baloldali ábrán látható húzások erősebbek és rövidebbek, mint a jobboldalon, melyek

gyengébbek, viszont hosszabbak. Ebből arra lehet következtetni, hogy a sportoló

aszimmetrikusan lapátol: bal kezével dinamikusabban, jobb kezével elnyújtottabban húz.

Ez esetben tanácsos olyan edzésmódszer alkalmazása, mely a felderített aszimmetriát

kiküszöböli. A jobb- illetve baloldali húzásgörbéket átlagolva és egymásra rajzolva (22.

ábra) még jobban látszanak a két technika közötti különbségek. Az alábbi ábrán a

szaggatott vonal a bal, a folytonos vonal pedig a jobboldali húzások átlagát mutatja:

22. ábra A jobb- és baloldali görbék átlaga

29

5.3. Hajó mozgásának elemzése

A rendelkezésre álló gyorsulásadatok alapján meghatározható a hajó pillanatnyi

sebessége abban az esetben, ha egy nulla sebességű referenciapont kijelölhető. A 23. ábra

görbéje egy folyásiránnyal szembeni elindulást mutat.

Az előre mutató sebesség változása az idő függvényében

0 1250 2500 3750 5000

Idő [8ms/minta]

A görbe első szakaszán látható, hogy a folyó elkezdi magával sodorni a kajakot, majd

amint a sportoló elkezd húzni a lapáttal, a hátrafelé történő mozgásból egy gyorsítási

szakasz után közel állandó sebességű, folyásiránnyal szembeni haladás lesz.

A diagram végén látható, amint a sportoló abbahagyja a lapátolást, és ismét a folyó

ellentétes irányú gyorsító hatása érvényesül.

Az oldalirányú sebesség változása az idő függvényében

0 1250 2500 3750 5000

Idő [8ms/minta]

23. ábra Z irányú sebesség

24. ábra Y irányú sebesség

30

Az előzőekkel megegyező módszerrel meghatározható az oldalirányú sebesség is. (24.

ábra) Az ábráról leolvasható jelentős jobbra mutató sebesség nyilvánvalóan nem a kajak

jobbra történő oldalazó mozgásából ered, hanem a hajó alaphelyzethez viszonyított dőlése

okoz a statikus gravitáció érzékelése miatt (3.1. fejezet) jelentős gyorsulás értéket.

Mindebből arra lehet következtetni, hogy sportoló mozgása nem tökéletes, mivel

sokkal többet dönti jobbra a hajót, mint balra. A hajó oldalirányú billegésének

minimalizálásával érhető el a lehető legnagyobb haladási sebesség.

A sportoló technikai hiányosságai, melyek a mérési rendszer segítségével felderíthetők,

mérhetők és dokumentálhatók, megfelelően képzett szakedző által elkészített edzésterv

alapján végzett munkával javíthatók. Az edzők által általánosságban használt megfigyelési

módszerek jelenleg a személyes megfigyelés, a sporttevékenységről készült videofelvétel

utólagos elemzése, valamint a nem valós körülmények között készített ergométeres mérés.

Létezik olyan speciálisan előkészített, érzékelőkkel ellátott evezős hajó [5], melynek

segítségével jelenleg is lehetséges számos paraméter mérése. (25. ábra)

25. ábra Érzékelőkkel ellátott evezős hajó

Ezen mérőérzékelők nehezen, vagy egyáltalán nem installálhatók kajakba vagy kenuba.

Az elkészített rendszer a beépített gyorsulásmérőjének segítségével képes a hajó

31

mozgásadatainak rögzítésére további külső szenzorok alkalmazása nélkül. A rögzített

adatok utólagos elemzéséből meghatározható minden olyan adat, amit a fenti bonyolult,

drága, sok érzékelős rendszer szolgáltatni tud.

A dolgozatban bemutatott és megvalósított, csúcstechnológiás mikroelektronikai

alkatrészeket tartalmazó, kisméretű, könnyen felszerelhető és használható eszköz jelentős

segítséget tud adni a hagyományos módszerek kiegészítéseként az edzéstervet összeállító

szakembereknek. A rendszer segítségével bővíthetők a hagyományos elemzési módszerek.

Segíti a sportoló edzésmunkáját a folyamatos valós idejű csapásszám-kijelzéssel. A vízi

edzés közben gyűjtött adatok olyan információhoz juttatják az edzőt, mint például az

eddig csak szárazföldi körülmények között ergométer felhasználásával mérhető húzáserő-

diagram. Tehát a dolgozat tárgyát képező műszer meg tudja valósítani a célként

megfogalmazott ergométeres adatok valós körülmények közötti szolgáltatását.

32

6. Továbbfejlesztési lehetőségek

A mérőműszer hardver tekintetében továbbfejleszthető:

• Grafikus kijelző alkalmazásával, mely a csapásszám kijelzésén túlmenően

egyéb szükséges információk megjelenítésére is alkalmassá tehető. Ilyen

például a húzási aszimmetria megjelenítése.

• A húzáserő-maximumok optikai (LED felvillanással) jelzésével segíthető a

videofelvételek utólagos elemzése. Ez a fejlesztés megteremti a videofelvétel és

a mért adatok pontos szinkronizálásának lehetőségét.

• Az adatgyűjtő kapacitást lehet bővíteni például kisméretű SD vagy MMC kártya

alkalmazásával.

• A számítógép felé történő adattovábbítás sebessége USB alkalmazásával

növelhető.

A mért adatok számítógépen történő további mélyrehatóbb elemzésével értékes, más

jellegű információk nyerhetők ki:

• Az adatok elsődleges – szűrő segítségével történő – tisztításánál az alkalmazott

IIR szűrő algoritmus más, bonyolultabb digitális szűrő eljárással történő

helyettesítése esetén pontosabb, szebb görbék állíthatók elő. Mivel a mért jel

sztochasztikus zajjal terhelt, valószínűleg pontos, jó eredményt kaphatunk egy

Kalman szűrő alkalmazásával. A pontosabb eredmények lehetővé teszik, hogy

még több szintű pontos elemzés legyen megvalósítható.

• A sebesség és megtett út pontosabban számítható a közegellenállás

figyelembevételével. Az alábbi diagram szemlélteti a figyelembeveendő

közegellenállást [3]. (26. ábra)

33

26. ábra Közegellenállás és sebesség kapcsolata

• A mért és származtatott adatok belső összefüggéseinek feltárására korreláció

analízis is alkalmazható.

A jelenleg is jól működő rendszert a fentebb vázolt módosításokkal még hatékonyabbá,

sokrétűbbé lehet tenni.

34

7. Köszönetnyilvánítás

Köszönöm szüleimnek, családomnak a bíztatást, támogatást, mellyel segítettek.

Edzőmnek, Giczy Csabának köszönöm az értékes sport szakmai segítségét, ötleteit. Végül,

de nem utolsó sorban szeretném köszönetemet és hálámat kinyilvánítani témavezetőmnek,

Tihanyi Attilának, aki rengeteg hasznos műszaki tanáccsal, ötlettel segített abban, hogy a

projekt sikeresen megvalósulhasson.

35

8. Irodalomjegyzék [0] Fellegi József: Digitális jelfeldolgozás I. (Segédlet és ábragyűjtemény) BMF-KKVFK 2004. [1] Simonyi Ernő: Digitális szűrők Műszaki Könyvkiadó 1984. [2] http://wiki.hup.hu/index.php/Realtime [3] http://www.dansprint.com/1/12/technical-info.html [4] http://www.foilkayak.com/faq/theory/ [5] http://www.weba-sport.com/weba/rowx_outdoor.html [6] PIC16F917 datasheet: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41250F.pdf [7] http://www.winbond.com/NR/rdonlyres/59E132C9-3863-4099-88BF-

749C2FE2407A/0/W25P40V.pdf [8] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7260QT.pdf