Mingesz Róbert, Vadai Gergely Mérés és adatgyűjtés Esettanulmány Mingesz Róbert, Vadai Gergely 2014. április 17.

Tartalom Versenykajak teszter Célkitűzés, koncepció Megvalósíthatósági vizsgálat Prototípus fejlesztés Eszközfejlesztés, szoftverfejlesztés Mérések Jel analízis, mozgáselemzés – megfelelő indikátorok Célszoftver készítése További analízis

Kajak-kenu teszter EDF Démász Szeged Vízisport Egyesület és az SZTE (DEAK Zrt.) együttműködése Cél: a szegedi kajak-kenu sport támogatása Kutatócsoportunk esetében: mérőműszer fejlesztése (feladat?) Első lépés: célkitűzés meghatározása 3

Tudomány és sport Számos tudományterület: Orvosi-élettani vizsgálatok Sportpszichológia Edzéstervezés …

Tudomány és sport Informatikus, fizikus szemmel: sporteszközök fejlesztése (hajó, lapát, ergométer) technika tökéletesítése (kenu-kocsizás, K4, kajak?) Edzést segítő műszerek fejlesztése a sportoló aktuális teljesítményének mérése, rögzítése értékelés, analízis, technikai hibák észlelése, fejlődés követése segítség sportoló és edző számára

A munkafázisok Előzetes egyeztetések, megbeszélések Megvalósíthatósági tanulmány Prototípus elkészítése Mérések a prototípussal, szoftverfejlesztés, Sorozatmérések, elemzési módszerek A projekt zárása 2011. november 30. További vizsgálatok…

A fejlesztés elemei Hardverfejlesztés, tesztelés Beágyazott szoftver – C Elemzőszoftverek – LabVIEW Végfelhasználói PC szoftver – Java

A koncepció A versenyző hatékonyságának mérése A teljesítmény minél nagyobb része a hajót előre vigye Veszteségek minimalizálása A versenyző mozgásának, fellépő erőknek minél részletesebb mérése? Elég a kajak mozgásának mérése? Tiszaparti eszmecsere 2009 őszén

Megvalósíthatósági tanulmány

A koncepció részletes kidolgozása Meglévő megoldások Mérési lehetőségek, korlátok Pontosság, elemezhetőség, optimalizálási problémák Szenzorok, beépíthető modulok Hardver és szoftver lehetőségek Univerzális, bővíthető műszer, előnyök Az edzők és versenyzők számára érthető, hasznos információ

Irodalom Gyorsulásmérés a 80-as évektől Lapáterő mérés Leginkább az evezés karakterisztikáját vizsgálták Ergométer és valós evezés kapcsolata Fiziológiai vizsgáltatok Aneorób küszöb keresése Számos ipari termék:

Létező megoldások Excalibur Paddle Merlin Lapáterő nyúlásmérő bélyeggel Effektív érték lapáton elhelyezett gyorsulásszenzorokkal USB-n adattovábbítás Impulzus számítás

Létező megoldások: Digitrainer Polaritás Ltd. Real-time Bluetooth-on jeltovábbítás laptop-ra 3-tengelyű gyorsulásszenzor GPS (10 Hz) – sebesség… Mellkaspánt – szívritmus Asszimetria mérés Google-térkép rajzolás

Minimax MiniMax B4 Catapult GPS (10 HZ) 3 tengelyű gyorsulásszenzor (100 Hz) 3 tengelyű giroszkóp (100 Hz) Magnetométer – irány meghatározása (30 Hz) Mellkaspánt – szívritmus Valós idejű kommunikáció akár okostelefonnal is Horribilis ár

WEBA Sport

Kezdeti lépések, tesztek

Gyorsulás

Gyorsulás és számított sebesség

Vezeték nélküli szenzorok a lapáton giroszkóp jel

Mozgásérzékelés? Koordináták kiszámítása numerikus integrálással? – nem lehetséges Pontosság Hibák összegzése Információnyerés az adatsorok mintázatából Lehetetlen az evezés „pontos” kiértékelése: Nincs optimális technika Egyéb körülmények (időjárás, mentális állapot, szurkolás) Szenzorok pontatlansága Nincs egyszerű szám, mennyiség, amivel jellemezhetjük a teljesítményt – sok szenzor, sok görbe? Elvárás a könnyen értelmezhető indikátor

Célkitűzés Egyszerű, mégis megbízható indikátorok meghatározása Edzést segítő mérőműszer fejlesztése Megközelítésünk: Kajak mozgásának mérése Offline kiértékelés Nagyszámú mozgásjel alapján: paraméterek meghatározása kiértékelése különböző sportolók, körülmények esetén Megfelelő indikátorok keresése

Saját fejlesztések

Szenzorok, amiket terveztünk 3 tengelyű gyorsulásszenzor 3 tengelyű giroszkóp Külső szenzorok: Magnetométer (3 tengelyű iránytű) Sebesség mérése (propeller, Pitot-cső) Pletizmográf Lapáterő, további gyorsulásszenzorok Digitális kimenetű szenzorok (GPS, EKG, stb) Opcionálisan vezeték nélküli szenzormodulok

Hardverfejlesztés Követelmények Vízhatlanság Hosszú működési idő Nagymennyiségű adat tárolása Adatok egyszerű kiolvashatósága – USB 2.0 Akkumulátoros működés, tölthetőség (USB) Egyszerű kezelhetőség, állapotjelzés, figyelmeztetések Bővíthetőség

A mi első tervünk

Gyorsulásszenzorok, giroszkópok

Freescale és saját modul

Működési elv

Magnetométer, inerciaszenzor

Deformáció, erő mérése

Élettani jelek mérése: EKG mellpánt, fotopletizmográf

Az első prototípus

Az első prototípus dobozolva IP65, tud úszni is

Mechanikai rögzítés

Az újabb verzió: 5 darab készült

A műszer elhelyezése

Blokkvázlat

Az újabb verzió: USB adapter

Az újabb verzió

Specifikációk IP65 szabványú, vízhatlan doboz, Speciális konzol a rögzítéshez Nyomógomb, LED a mérési beállításokhoz PC-n Java környezetben készített szoftver végzi az adatok lementését és kiértékelését Három csatlakozó külső szenzorok és digitális perifériák csatlakoztatásához C8051F580 mikrovezérlő, 12 bites analóg- digitális konverter

Adatok tárolása, kiolvasása 4GB microSD kártya Több mérés indítható, tárolt adatok: Idő (beépített RTC) Szenzoradatok (konfigurálható) Opcionálisan: külső jelek Adatolvasás, PC fájlok létrehozása: USB 2.0 port (külön adapter) Tárolt adatok kiolvasása Versenyző adatai Egyedi fájlformátum

Beágyazott szoftver Alacsony fogyasztású üzemmód Kommunikéció a felhasználóval: nyomógomb, LED, zümmer kezelése Adatgyűjtés a kiválasztott szenzorokkal, SD- kártyára mentés Akkumulátor mérése, töltése (USB portról) USB kommunikáció Konfigurálás (sznzorok, mintavételi ráta, stb.) Az SD-kártyán tárolt adatok továbbítása Valós idejű mód (teszteléshez)

A műszer konfigurálása

A mért jelek

Gyorsulás Szögsebesség X Pitch Y Roll Z Yaw

Megoldásunk Mintázat alapján találni mérőszámokat Sok elegáns lehetőség Mi megoldásunk: Paraméterek, mérőszámok megállapítása fizikai információt hordozó paraméterek alapján (evezések ideje, impulzusa, szórása, fluktuációi, stb.)

Mi megoldásunk: Lépései: Jelek értelmezése Paraméterek hozzárendelése Egy idősoron a paraméterek változásainak vizsgálata Ez alapján Protokoll készítése Protokoll vizsgálata különböző sportolók és külső körülmények esetén Plusz információt hordozó mérőszámok meghatározása

Mérések 26 sportoló 4 eszköz, >100 óra rögzített adatsor Különböző kor, nem és technikai felkészültség 4 eszköz, >100 óra rögzített adatsor Különböző típusú evezések: edzés: egyenletes evezés pályaevezés: táv minél gyorsabb megtétele 80 másodperces evezési szakaszok Tranziens szakaszok (rajt, sprint) kivágva

pitch irányú szögsebesség x-irányú gyorsulás pitch irányú szögsebesség Videó analízis

„Klasszikus” paraméterek Alapmennyiségek: Periódusidő: Húzásidő + Légmunka Evezési impulzus [m/s] Alternatív paraméterek: Csapásszám Mechanikai impulzus[kg*m/s] Szimmetrika faktor

yaw irányú szögsebesség x-irányú gyorsulás yaw irányú szögsebesség Jobb kéz/Bal kéz

Paraméter detektálás Detektálás az x-irányú gyorsulás alapján: Csúcskereső és szintmetszés alapú algoritmusokkal Yaw irányú giroszkóp jel segít Sok esetben a jelek komplexebbek Detektálás jóval nehezebb, pontatlanabb Paddler 2 Edzés – technikai hiba Paddler 1 200 m sprint verseny

Technikai hibák Frekvenciatartományban: FFT Hanning ablakozással, 10 másodperces intervallumok átlagolásával Paddler 1 Edzés Paddler 2 Edzés Technikai hiba

Tipikus protokoll Paddler1 1210000 1290000 Sun Jul 17 21:20:10 CEST 2011 \ Tükör Síma víz k1-1000m Előfutam 2.Helyezés húzás idejének átlaga (ms) 224,492 húzás idejének szórása (ms) 10,549 húzás közötti idő átlaga (ms) 450,641 húzás közötti idő szórása (ms) 23,002 húzás/húzásközött 0,498 átlagos csapás/perc (db/min) gyorsulásból 89,001 csapás/perc szórása (db/min) gyorsulásból 3,428 átlagos csapás/perc (db/min) bólogatásból 89,032 csapás/perc szórása (db/min) bólogatásból 3,571 átlagos csapás/perc (db/min) forgásból 88,998 csapás/perc szórása (db/min) forgásból 3,598 átlagos impulzus/húzás 2160,734 impulzus/húzás szórása 216,717 jobb kéz átlagos impulzusa 1967,013 jobb kéz impulzusának szórása 90,694 bal kéz átlagos impulzusa 2354,455 bal kéz impulzusának szórása 100,834 gyenge/erős kéz arány 0,835 összimpulzus/perc 192308,2

Trend görbék Csapásszám giroszkóp jelekből (technikai hibák nem terhelik) Evezési impulzus stabilitás és fáradás total impulse/min faktor Paddler 2 500 m race

Trendgörbék

Trendgörbék

Evezőcsapások trendje Edzés Verseny A húzás ideje alig változik edzésen és versenyen, csak a közte eltelt idő csökken!

Trend görbék Left hand stroke Right hand stroke

Mozgásjelek fluktuációanalízise

Evezési impulzus ingadozása Profi versenyő (aszimmetrikus stílus) Kezdő (13 éves) Világbajnok

Periódusidő ingadozása Profi versenyő (aszimmetrikus stílus) Kezdő (13 éves) Világbajnok

Paraméterek szórása (SD) Szórás (Standard deviation, SD) szignifikánsan csökken az életkorral Kapcsolat a technikai szinttel? Életkor és technikai szint? Evezési impulzus SD Periódusidő SD

Poincaré plotok aszimetrikus Világbajnok Profi versenyző Kezdő Kor: 32 Evezési impulzus aszimetrikus Periódus- idő

Mozgásjelek spektrális analízise Probléma: detektálás pontatlansága főként komplexebb jelek esetében Kerüljük el a detektáló algoritmusokat Indikátor meghatározása nyers jelekből Láttuk, hogy az evezés regularitása fontos: Mozgásjelek teljesítménysűrűség spektruma (PSD) Hanning ablak, 10-es mozgóátlaggal simítva, normálva a domináns frekvenciákhoz

Teljesítménysűrűség spektrum x-irányú gyorsulás PSD Világbajnok Profi versenyző (aszimetrikus stílus) Kezdő (13 éves) Domináns frekvencia: első felharmonikus (egy húzáshoz tartozik, mindegy melyik kézzel)

Teljesítménysűrűség spektrum Roll irányú szögsebesség PSD Világbajnok Profi versenyző (aszimetrikus stílus) Kezdő (13 éves) Domináns frekvencia: alapharmonikus (egy jobb és egy bal kezes evezés együtteséhez tartozik)

Jel/zaj viszony (SNR) Determinisztikus rész: harmonikusok Zaj: a spektrum maradék része Más definíció?

Roll-irányú szögsebesség SNR Jel/zaj viszony (SNR) Szignifikánsan nő az életkorral Mind a 6 jel esetén Roll-irányú szögsebesség SNR

További analízis Spektrális ablak hatása SNR analízise Tranziensek kezelése? versenystratégia Technikai minőség szerinti osztályozás: ne életkor alapján edző osztályozása futamidők (korcsoport) Egyéni fejlődés hosszú távú megfigyelése Más sportok? (lényeg a periodikus mozgás)

Továbblépési lehetőségek Tranziens analízis Az evezési időközök, impulzusok statisztikája Pontos pillanatnyi sebességmérés Optimalizálás: Csak a szükséges szenzorok veszteségbecslések Kompaktabb műszer Egyszerű jellemző számok, trendgörbék Vezeték nélküli kommunikáció

Pillanatnyi sebesség mérése

Frekvenciamodulált jel

Frekvenciademodulált jel: sebesség

Sebességgörbe

Sebességtranziens (edzői javaslat)

Köszönöm a figyelmet ... vége ...