Электротехнический комплекс для управления режимом тренировки пловцов

Актуальность темы

В настоящее время в связи с повсеместным внедрением компьютерной техники в образовательный процесс, а также значительным временем, затрачиваемым человеком на деятельность, не требующую физической силы, объём и продолжительность физических нагрузок, выполняемых человеком, существенно снижены. Это обусловливает не только низкий уровень физического развития, но и снижает эффективность труда современного человека, занятого в различных сферах деятельности.

Дозированные физические нагрузки имеют большое значение для всех категорий населения, но наиболее актуальны в подготовке спортсменов. Известно, что физические нагрузки при неправильном планировании и выполнении тренировочного процесса могут привести не только к перетренировке, спаду спортивных результатов, но и могут способствовать возникновению патологических изменений в организме спортсмена. При неправильной дозировке нагрузок у спортсменов повышается риск развития иммунодефицита, возникновения различных простудных и воспалительных заболеваний, влекущих за собой не только спад спортивных результатов, но и возможный преждевременный уход из большого спорта.

Вопросам повышения эффективности тренировочного процесса с введением строго дозированных по интенсивности и времени выполнения физических нагрузок в последнее время посвящено много работ применительно к конкретным видам спорта [9, 61, 13, 24, 22, 12, 50]. Получили достаточно широкое распространение радиоэлектронные автоматизированные средства контроля и управления характером, интенсивностью и продолжительностью упражнений и отдыха между ними [44, 42]. Известны разработки электротехнических комплексов управления режимом тренировки спортсменов-пловцов с использованием светового индикатора — лидирующего элемента перемещающегося по дну бассейна с заданной тренером скоростью [23, 34, 43, 37]. Решению задач повышения эффективности тренировочного процесса спортсменов-пловцов с помощью электротехнических комплексов со светоизлучающими элементами посвящены работы профессора О. Н. Московченко, С. М. Вайцеховского и других отечественных и зарубежных ученых: Derek Thomas Bradford, Garber Jarrod, В. П. Филина [23, 9, 10, 8, 13]. Однако известные электротехнические комплексы имеют один общий недостаток — необходимость размещать средства, обеспечивающие передвижение лидирующего элемента, по всей протяжённости плавательного бассейна, что влечет ряд производных недостатков: дополнительные затраты на обслуживание дна бассейна, использование средств фиксации прибора на дне, что увеличивает массу прибора и существенно затрудняет его монтаж и транспортировку. Повышение точности позиционирования лидирующего элемента за счёт увеличения дискретности расположения световых элементов влечет за собой пропорциональный рост цены устройства и трудозатрат на его изготовление.

Альтернативным вариантом точности позиционирования видится использование в качестве лидирующего элемента отражение луча света, источником которого может служить программно управляемый лазерный излучатель.

Таким образом, представляется перспективной и актуальной задача исследования и создания новых конструкций, методов моделирования и проектирования многофункциональных электротехнических комплексов автоматизированного управления режимом тренировки спортсменов-пловцов, с целью повышения эффективности тренировочного процесса.

Целью диссертации является разработка электротехнического комплекса для управления режимом тренировки пловцов с использованием электропривода, светоизлучающих элементов и радиоэлектронных средств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести исследования влияния толщи воды бассейна и отражающих характеристик дна на яркость лидирующего элемента электротехнического комплекса.

2. Рассчитать мощность источника светового потока, испускаемую лидирующим элементом достаточную для четкого восприятия глазом спортсмена, но не влияющую отрицательно на органы зрения.

3. Исследовать возможность организации непрерывного перемещения лидирующего элемента углозадающим электроприводом по всей дорожке плавательного бассейна с учетом его электрофизических и геометрических параметров.

4. Разработать алгоритм управления мощностью излучения, обеспечивающей нормальное восприятие глазом спортсмена лидирующего элемента.

5. Провести проверку основных результатов работы при помощи вычислительного моделирования и экспериментальных исследований. Объект исследования — электротехнический комплекс для управления режимом тренировки спортсменов-пловцов.

Предмет исследования — способы и технические решения создания электротехнических комплексов и систем организации и управления тренировкой спортсменов-пловцов с использованием углозадающего электропривода и оптико-электронных средств.

Методы исследования: в диссертации использованы методы математической статистики, численного анализа, теории измерений, вычислительной математики и статистического моделирования на ЭВМ в среде МАТЬАВ, экспериментальные исследования на действующих опытных образцах.

Результаты, выносимые на защиту и представляющие научную новизну:

Разработана математическая модель электротехнического комплекса управления положением лидирующего элемента на дне плавательного бассейна, с одновременным регулированием его геометрических и оптических параметров, учитывающая влияние среды распространения.

Произведена параметрическая идентификация разработанной математической модели с использованием макета устройства и испытательных стендов.

Предложены принципы построения электротехнического комплекса для организации и перемещения лидирующего элемента в плавательном бассейне, посредством управляемого углозадающего электропривода и регулируемой мощности сфокусированного луча света.

Значение для теории.

Развита теория программного управления для совместного использования в электротехническом комплексе светоизлучающего элемента и углозадающего электропривода на основе теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность исследования.

Разработанный способ обеспечивает повышение эффективности тренировочного процесса за счёт ведения спортсмена по дистанции посредством лидирующего элемента, организуемого углозадающим электроприводом и сфокусированным лучом света.

Предложные устройства, защищены патентами РФ, опытный образец изготовлен и прошёл предварительные испытания.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, расчётами с использованием математической модели на базе пакета МАТЬАВ, удовлетворительным совпадением результатов математического моделирования с результатами физического моделирования и натурных экспериментов, полученных с использованием опытного образца.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

• На Международной научно-практической конференции НГУ им. П. Ф. Лесгафта «Исследования, тренировка, гидрореабилитация» в г. Санкт-Петербурге (2009 г.).

• На Международной научно-практической конференции специалистов подводного спорта «Восток-Россия-Запад» в г. Красноярске (2010 г.).

• На ежегодной Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2010, 2011 гг.).

Основные результаты диссертационного исследования отражены в 5 печатных публикациях, из них 1 — в журнале, рекомендованном ВАК, 4 статьи в научных сборниках, а также в 3 патентах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов основного текста на 120 страницах, заключения, списка литературы, включающего 64 наименования, и приложений, содержащих акты внедрения результатов диссертационной работы.

Выводы по главе 4.

Разработан и собран опытный образец тренажёра на базе шагового двигателя и драйвера с большим делением шага для тренировки одного спортсмена, позволяющий задавать угол, а в пределах 0−180° с абсолютной погрешностью 0,1 875°.

Определено направление дальнейших научных исследований, которые будут посвящены разработке и сборке полной системы организации обратной связи спортсмен-нагрузка, позволяющей регулировать тренировочную нагрузку в реальном времени. Выявлено, что сигнал, снимаемый с электродов, расположенных на груди спортсмена, содержит информацию о работе сердца и о работе группы грудных мышц, дающий информацию о ряде параметров работы организма спортсмена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведённых автором исследований были решены основные задачи по разработке принципов и систем управления режимом тренировки пловцов с использованием светоизлучающих элементов и радиоэлектронных средств. Основные результаты, полученные при выполнении данной работы, можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнен аналитический обзор электротехнических комплексов и систем для управления тренировкой пловцов, выявлены недостатки, связанные с необходимостью применения средств, размещённых по всей длине плавательного бассейна, и разработаны пути их устранения методом организации лидирующего элемента с использованием сфокусированного луча света.

2. Исследованы зависимости четкости восприятия спортсменом лидирующего элемента в условиях тренировки в плавательном бассейне на различных глубинах, рассчитаны необходимые и достаточные значения оптических параметров лидирующего элемента для незатруднительного наблюдения.

3. Разработан алгоритм управления мощностью излучения, обеспечивающей нормальное восприятие глазом спортсмена лидирующего элемента, с применением в расчётах геометрических параметров двух видов чаш плавательных бассейнов и оптических параметров образцов покрытий дна.

4. Разработаны критерии построения оптико-электротехнического комплекса для управления режимом тренировки спортсменов-пловцов.

5. Разработаны и защищены патентами РФ две группы электротехнических комплексов и алгоритмы их работы, обеспечивающие непрерывное перемещение лидирующего элемента углозадающим электроприводом по всей дорожке плавательного бассейна с учётом электрофизических и геометрических параметров. Доказана достоверность результатов вычислительного моделирования удовлетворительным совпадением результатов расчёта с данными натурных экспериментов на опытном образце.