CC BY
26
Путимцев И.Д.1, Мительман Ю.Е.2 ©
1 2
Студент, к.т.н., Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Свердловская область
РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ТРЕНАЖЕРА РЕАКЦИИ И ИНТУИЦИИ
Аннотация
Приведены принципы, на основе которых был разработан тренажер реакции и интуиции. Основная цель прибора заключается в сокрытии части траектории движения снаряда для того, чтобы спортсмен предугадывал ее и успешно ловил мяч. В работе рассматриваются расчеты движения снаряда для составления оптимальной программной прошивки прибора. Учитываются такие важные факторы, как задержка сигнала при обработке и передаче информации.
Ключевые слова: реакция, интуиция, тренировка, спорт, мяч, очки, ЖК-затвор.
Keywords: reaction, intuition, training, sport, ball, glasses, liquid-crystal shutter.
С развитием технологий появляется все больше возможностей оптимизировать тренировочный процесс. На данный момент достижения науки в области применения технических средств в спорте используются в хоккее FitLight trainer [1], футболе MiCoach Smart Ball [2], гольфе [3] и др.
Тренажер реакции и интуиции представляет из себя комплект из мяча и очков с ЖК-затворами. В мяче установлен акселерометр, Bluetooth модуль и управляющий микроконтроллер. При воздействии на мяч (броске) акселерометр передает информацию об ускорении полученном в этот момент и его продолжительности. По этим данным вычисляется начальная скорость мяча. Затем запускается таймер и ожидается удар об стену. После удара по данным с таймера и скорости вычисляется расстояние, пройденное снарядом. Фиксируется ускорение, полученное от стены и его длительность. По этим данным вычисляется конечная (после удара) скорость мяча и рассчитывается время, через которое необходимо подать сигнал на очки путем передачи данных на установленный в них Bluetooth-приемник с учетом всех задержек для затемнения ЖК-затвора строго в соответствии с предустановленными настройками. Настройки выбираются в начале тренировки и составляют доли от пути, пройденного мячом, после которого затворы должны быть затемнены.
Первоначальная задача состоит в расчетах скоростей и ускорений мяча для правильного подбора элементной базы. Расчёты производятся методом фиксирования процесса броска мяча о стену по пятну, образованному мячом за счет низкой частоты камеры (съемка с частотой 24 кадра в секунду). Вычисления реализуются при помощи соотнесения реальных размеров мяча и его размеров на снимках. Для определения скорости учитывалось положение точки прошедшей расстояние, а не протяженность всего пятна. Пусть это будет первая точка в направлении движения мяча (рис. 1)
L
Рис. 1. Расчёт расстояния, пройденного мячом за один снимок камеры
© Путимцев И.Д., Мительман Ю.Е., 2015 г.
На (рис. 1) обозначены: L - протяжённость пятна на снимке, X- путь, пройденный мячом на снимке, d - диаметр мяча на снимке. Тогда путь, пройденный мячом, вычисляется по формуле:
* = (L-d)*|| ,
где R - радиус мяча, й1 - радиус мяча на снимке.
Этот путь был пройден за время съемки одного кадра tc = — с. Таким образом,
24
скорость, полученная мячом при броске, равна:
X sj j-ч R 1
Данная скорость была получена при замахе. При проведении экспериментов было выявлено, что эффективный путь замаха равен 0,5 м. Также стоит отметить, что в этот момент мяч почти не изменяет свою ориентацию в пространстве, поэтому нам не потребуются сложные расчёты по усреднению направления ускорения, принимаемых с акселерометра.
Ускорение замаха вычисляется из системы уравнений:
I !н = а * t3,
где t3 - время замаха, а - ускорение замаха, !н - скорость после броска.
Очевидно, что условия проведения эксперимента не идеальны, следовательно, необходимо сделать поправку на потери при ударе о стену. Для этого вычислим скорость мяча после удара об стену.
# 0,002
( !к :
а * ty2
'~2
а * ty,
где ty - время удара, !к - скорость после удара. Данная скорость также необходима для вычисления ускорения, которое получает мяч при ударе о стену. Было выявлено, что время удара мяча составляет 1/50 секунды. Вычислим ускорение, полученное при ударе:
!к-!н
а =-------.
tK tH
Очевидно, что передача и обработка информации не происходит мгновенно, и при разработке прибора необходимо учитывать задержку. Она рассчитывается исходя из специфических особенностей используемого микроконтроллера, Bluetooth-модуля и
акселерометра.
Таким образом мы можем вычислить минимальное расстояние при работе с прибором для того, чтобы выполнялась его главная функция - сокрытие части траектории от спортсмена.
При выполнении упражнений удара мяча о стену нам необходимо рассчитывать расстояние, как произведение времени задержки и скорости мяча после удара о стену:
'min > Т3 * !к х ,
где 'm)n - минимальное расстояние, на котором будет выполняться основная функция прибора, ,з - время задержки, связанное с обработкой, и передачей информации,
!К х - составляющая скорости после удара мяча о стену, параллельная земле.
Расстояние, пройденное мячом будет вычисляться следующим образом. Сначала вычисляется расстояние до стены:
' = ! * t л, ь'н ьпол ,
где ' - расстояние до стены, !н = азам * t3aM - скорость, переданная мячу при замахе, азам -ускорение и время замаха при передачи скорости мячу соответственно, tnM - время полета мяча до стены. Затем вычисляется скорость мяча после удара о стену, используя данные, полученные с акселерометра
! = а * t
i/к ^ ьудара?
где tyg^ мы так же получаем с помощью акселерометра, т.к. период опроса примерно в 10 раз меньше времени удара. Далее вычисляем время, оставшееся до затемнения линз прибора:
tocT
' !кх * Тз1 !кх * т32
!к„
где t0CT - время, оставшееся до передачи сигнала, !к- - составляющая скорости после удара мяча о стену, параллельная земле, т31 - время задержки, обусловленное расчетом скорости после удара мяча о стену, т32 - время задержки, обусловленное передачей сигнала на очки и затемнения затворов.
Необходимо отметить, что при расчете скорости мы сразу будем получать проекцию, на ось, параллельную земле, что нам и нужно. Это связано с тем, что при ударе стена оказывает воздействие по нормали к ее поверхности, а это значит, параллельно земле.
В работе были рассмотрены методы, используемые для расчета динамических характеристик снаряда при его бросках. Приведенные методы позволили по вычисленным характеристикам подобрать наиболее подходящую элементную базу для реализации прибора. В статье приведен вариант для реализации тренажера реакции и интуиции при упражнениях -бросках мяча о стену. Аналогичные расчеты можно привести для реализации данной технологии в таких видах спорта как футбол, волейбол и др. при соответствующих поправках на специфические особенности мячей.
Литература
1. Rasmussen E. V. Патент на изобретение номер WO 2013071408 A1
2. Pierre-Yves Saintoyant, Petri Mahoenen Патент на изобретение номер WO 2007130057 A1
3. John T Stites Патент на изобретение номер WO 2005094953 A2
