1 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ» На правах рукописи УДК 654.937 Галица Виталий Иванович КОНТРОЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СБОРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ УРОВНЯ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ СПОРТСМЕНОВ Специальность 05.13.05 – компьютерные системы и компоненты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель Качанов Петр Алексеевич доктор технических наук, профессор Харьков – 2016 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 5 РАЗДЕЛ 1 ПРОБЛЕМЫ СПОРТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НЕЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ .................... 13 1.1. Состояние вопроса и анализ применяемых диагностических систем в спорте, выбор направлений исследований ............................................ 13 1.2. Подготовка спортсменов высшей квалификации, определение ее эффективности. ........................................................................................... 16 1.3. Спортивные исследования – кинематические, динамические и функциональные, успешное выполнение которых обеспечат ожидае- мый результат……………………………………………………………. 20 1.3. Анализ способов технической реализации измерения времени ..... 32 1.4. Выводы по разделу и постановка задач исследования .................... 36 РАЗДЕЛ 2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ СПОРТСМЕНОВ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ........................................................................ 38 2.1. Математическая модель для определения интенсивности и ампли- туды выполнения силового упражнения на тренажере с применением системы измерения ускорений. ................................................................. 38 2.2. Динамическая модель процесса подтягивания на перекладине ..... 45 2.3. Математические модели, применяемые для вычисления параметров ударов в единоборствах .............................................................................. 46 2.4. Математическая модель функционирования системы непрерывного измерения скорости движения атлета на принципе доплеровского сдви- га принимаемой частоты акустических колебаний. ................................ 51 2.5. Математические модели кинематических параметров движения спортивного снаряда при выполнении броска атлетом .......................... 53 2.6. Выводы: ................................................................................................. 59 3 РАЗДЕЛ 3 ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ СПОСОБЫ ИХ СНИЖЕНИЯ .......................................................................................................... 61 3.1. Определение метрологической погрешности при проверке видео- оборудования, пути её снижения. ............................................................. 62 3.2. Метод расчета инструментальной погрешности результатов изме- рений параметров ударов в единоборствах. ............................................. 70 3.3. Расчет инструментальной погрешности измерений кардиопотен- циала при использовании различных вариантов измерительной аппаратуры ................................................................................................... 74 3.4. Выводы .................................................................................................. 75 РАЗДЕЛ 4 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТ- РОВ ДВИЖЕНИЙ АТЛЕТА И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТА- ТОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПОРТСМЕНОВ. .................................................................................................. 77 4.1. Кинематические измерения, позволяющие определять двигатель- ные факторы, влияющие на спортивный результат ……………………77 4.2. Статистический анализ........................................................................ 86 4.3. Выводы:................................................................................................. 90 РАЗДЕЛ 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПОРТСМЕНОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .............................................. 100 5.1. Технические характеристики создаваемой диагностической аппаратуры. ................................................................................................ 100 5.2. Примеры технических реализаций методик на базе созданного диагностического оборудования, способы и области их применения 111 5.3. Выводы:............................................................................................... 149 ВЫВОДЫ ............................................................................................................. 151 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ......................................... 155 ПРИЛОЖЕНИЯ ..………………………………………………………………175 4 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ НОК Украины – Национальный Олимпийский комитет Украины. УЗ – излучатель/ приемник – ультразвуковой излучатель/ приемник. ИК – излучатель/ приемник – инфракрасный излучатель/ приемник. Png – (portable network graphics) растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate. Jpeg – (Joint Photographic Experts Group) один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений. Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фото- графии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет. ЖК индикатор – жидкокристаллический индикатор. CSV-формат – (Comma-Separated Values) значения, разделённые запятыми – текстовый формат, предназначенный для представления табличных дан- ных. USB-порт – (Universal Serial Bus) "универсальная последовательная шина", последовательный интерфейс передачи данных для средне- и низкоско- ростных периферийных устройств в вычислительной технике MEMs – (microelectromechanical systems) устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. ЧЭ – чувствительный элемент. ЧУ – чемпионат Украины. RFID – (Radio Frequency Identification) радиочастотная идентификация – спо- соб автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках 5 0 ВВЕДЕНИЕ Одной из важнейших задач подготовки спортсменов является объекти- визация управления состоянием спортсмена в ходе его тренировочной и со- ревновательной деятельности. В спорте широко используют приборы и ком- плексы, позволяющие получать и обрабатывать информацию, характери- зующую различные параметры специфической деятельности спортсмена в ходе выполнения им упражнений. Это в свою очередь позволяет расширять границы комплексного контроля в системе спортивной подготовки [16; 19; 20; 21; 122]. Однако в современном мире развития измерительной и вычислительной техники, а также коммуникационных систем удивительным выглядит тот факт, что специалисты спорта крайне медленно внедряют современные тех- нические решения, могущие помочь наставникам как при отборе, так и при подготовке атлетов. Именно по этой причине на постсоветском пространстве процент атлетов, перешедших из юношеского во взрослый спорт на порядок ниже, чем в развитых странах мира [17; 18; 93]. Основной проблемой, вслед- ствие которой не наблюдается прогресс в этой области кроме недофи- нансирования, является отсутствие простых в обслуживании, но при этом высокоинформативных диагностических приборов, а также технических спе- циалистов, которые бы могли не только обслуживать технику, но и интер- претировать полученную информацию. Своевременное информирование спортсмена позволит не только оградить его от травм и перенапряжений, но и подвести пик его технической кондиции и спортивной формы к самым от- ветственным стартам сезона[122]. Именно это является главной целью дан- ного исследования. Актуальность работы состоит в том, что с 1991 года после того, как ос- новное профильное научно-производственное предприятие НИИФК, Москва, специализирующееся на разработке и внедрении в спорт средств биомеди- 6 цинской диагностики после распада СССР осталось в России, а Украина практически осталась без специализированных организаций, которые имеют научные и производственные ресурсы для решения подобных задач Украин- ского спорта. В данной работе представлены методические наработки и технические средства повышения точности и вероятности диагностирования и измерения медико-биологических параметров, позволяющие эффективно управлять подготовкой атлетов, предоставляя им обратную связь и возможность кор- ректировать свои тренировочные программы, движения и усилия в зависимо- сти от физического и психического состояния, точности и качества их вы- полнения[29; 30; 42; 48; 63]. В мире существует достаточно большое количе- ство диагностической медико-биологической аппаратуры, которая активно применяется в спортивных исследованиях. Но современное развитие микро- электроники и нанотехнологий открывает новые, до этого неиспользованные возможности не только диагностировать основные параметры состояния спортсменов, но и предоставлять им возможность обратной связи для опера- тивной коррекции своих действий во время выполнения спортивного зада- ния. Такая аппаратура только появляется в мире, однако, чтобы охватить весь комплекс решаемых задач для этого понадобятся годы [37 – 40]. Да и стои- мость такого оборудования является неподъемной для украинских спортив- ных организаций. И еще, такая аппаратура создается под решение конкрет- ных задач в рамках существующих методик, определяющих информацион- ную наполненность. Проблему устранения информационных пробелов решают разрабаты- ваемые кафедрой физвоспитания НТУ "ХПИ" диагностические измеритель- ные системы и интерактивные тренажеры, часть из которых успешно приме- няются для подготовки национальных сборных Украины и России. В работе рассмотрены пути развития технических средств экспресс-диагностики функциональных и технических кондиций легкоатлетов и на основе прове- 7 денных исследований предложены варианты технической реализации новых биомедицинских систем экспресс-диагностики. Связь работы с научными программами, планами, темами. Данная работа выполнялась на кафедре физвоспитания НТУ "ХПИ" в рамках Государственной темы М0501 "Разработка инновационных средств диагностики основных видов подготовленности спортсменов различной ква- лификации и специализации" (№ Гос.регистрации 0112U000398), в которой автор выступал в роли ответственного исполнителя. Цель и задачи исследований. Повышение эффективности подготовки спортсменов посредством соз- дания новых методов диагностирования медико-биологических параметров состояния спортсменов, а также разработки биомедицинских приборов и сис- тем для комплексного решения задачи характеризации функциональных и биомеханических параметров движений атлетов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за- дачи: 1. Выполнить анализ эффективности применяемых диагностических си- стем в спорте по признакам оперативности и информативности, раскрыть возможности и недостатки, выбрать наиболее перспективные направления исследований для повышения точности и эффективности диагностики функ- циональных состояний и параметров движений атлета; 2. Определить граничные параметры этих признаков (пределы расстоя- ний, скоростей, амплитуд, % интенсивности от заданного максимума) и до- пустимой погрешности оценок; 3. Разработать методологию (серию методик по видам спорта и ком- плексу измеряемых параметров) оценки технических и функциональных па- раметров, максимально влияющих на результат; 4. Реализовать методики с помощью технических медико-биологических средств на базе создаваемой диагностической аппаратуры и систем, а также определить способы и области их применения. 8 5. Разработать алгоритмы функционирования медико-биологических технических средств и устройств для выработки рекомендаций по оптимиза- ции процесса подготовки спортсменов. Объект исследований. Процесс подготовки спортсменов в ходе их тренировочной и соревнова- тельной деятельности, требующий оперативного управления в соответствии с обратной связью в виде информации, получаемой от применяемого диагно- стического оборудования и интерактивных тренажеров. Предмет исследований. Показатели функциональных состояний атлетов и выполняемых ими спортивных движений, их взаимосвязь с конечными результатами попыток, способы их измерения для создания на этой основе диагностического обору- дования и интерактивных тренажеров различного функционального назначе- ния для подготовки спортсменов различной квалификации и специализации. Методы исследования, использованные в данной работе:  метод физико-математического моделирования биомеханических сис- тем на примере выполнения силовых упражнений на тренажере, ударов в единоборствах, в беге, прыжках в длину и метаниях копья;  видеоанализ спортивных движений с использованием принципа пропорциональности и кинематические измерения движений с применением компьютерных программ векторной графики;  метод акселерометрического и кардиомониторинга движений спорт- смена;  метод психодиагностики для измерения параметров реактивности психики атлета на прямой и периферийный внешний раздражитель;  метод статистического анализа при создании алгоритмов функциони- рования интерактивных диагностических систем. Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: 1. Впервые разработаны методы, позволяющие классифицировать при- знаки физиологических и технических параметров спортсмена и его движе- 9 ний, отвечающих за адекватность выполнения упражнения и определять гра- ничные параметры этих признаков, максимально влияющие на спортивный результат, такие как:  биокинематические модели движений звеньев тела атлета в процессе метания копья;  математические модели для определения интенсивности и амплитуды выполнения силовых упражнений на тренажере, вычисления параметров ударов в единоборствах;  метод создания динамических моделей спортивных движений, предо- ставляющий атлету обратную связь при отработке координационно сложных движений; 2. Получили дальнейшее развитие методы диагностирования медико- биологических параметров состояния спортсменов, а именно:  вариационный анализ сердечного ритма атлета в процессе выполне- ния им спортивного упражнения заданной интенсивности;  уровень состояния психомоторной функции атлета в виде реакции пе- риферийного внимания на внешний раздражитель. Практическая ценность полученных результатов. На основе созданных и усовершенствованных методов были разрабо- таны и получили практическое внедрение следующие диагностические инте- рактивные системы:  в рамках Государственной темы М0501 "Разработка инновационных средств диагностики основных видов подготовленности спортсменов раз- личной квалификации и специализации" интерактивный тренажер определе- ния скорости вылета спортивного снаряда в метаниях, что позволило предос- тавлять атлету информацию о расчетной дальности, уровне интенсивности и количестве попыток в подготовительном периоде подготовки для закрытых помещений;  диагностическая система "Площадка отскока" для экспресс-диагно- стики высоты выпрыгивания атлета (тест Абалакова), позволяющая момен- 10 тально определять уровень прыгучести испытуемого для более чем десяти спортивных клубов Украины и России, в т.ч. СК НТУ "ХПИ";  электронно-оптическая система, позволяющая диагностировать и тре- нировать уровень подвижности психических процессов испытуемого с целью получения навыков управления своим психическим состоянием.  информационно-диагностическая система для измерения уровня ускорений в исследуемых звеньях тела атлета, что обеспечивает экспресс- диагностику функционального состояния атлетов-футболистов при возник- новении травмоопасных ситуаций в результате силового противоборства или непредвиденного столкновения с соперником.  интерактивный тренажер для контроля скорости разбега атлета в прыжках в длину по заказу Национального Олимпийского комитета Ук- раины;  электронно-оптическая система для диагностики и тренировки уровня подвижности психических процессов испытуемого для СК НТУ "ХПИ", СК "Запорожсталь" и Всеукраїнської Асоціації Учасників Дорожнього Руху. Результаты исследований и созданные диагностические приборы вне- дрены в структурах НОК Украины и Федерации легкой атлетики Украины, а также в ряде спортивных организаций Украины и России. Данные приборы используются в качестве лабораторного оборудования при проведении прак- тических занятий по специальности 6-8.010201 на базе СК НТУ "ХПИ". Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертационной работы получены соискателем лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит: в [122] проведен обзор литературы, сравнительный анализ технических средств, формулировка актуальности развития техниче- ских средств, выполнение экспериментальной части, создание методики об- работки данных с использованием компьютерных программ векторной гра- фики, оформление, экспериментальное определение значения погрешностей измерений, разработка функциональной схемы интерактивного тренажера, алгоритма его функционирования, оформление; в [57] обзор литературы, 11 сравнительный анализ технических средств, оформление, экспериментальное определение значения погрешностей измерений, разработка функциональной схемы интерактивного тренажера, алгоритма его функционирования; в [34] разработка методики кинематического анализа, оформление; в [58] разработ- ка моделей, выполнение экспериментальной части, оформление; в [31] вы- полнение экспериментальной части, оформление; в [40; 67] выполнение экс- периментальной части; в [5; 126] выполнение экспериментальной части, оформление; в [10] выполнение экспериментальной части. Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семи- нарах:  Всеукраинская научно-практическая конференция кафедры физвос- питания НТУ "ХПИ" 2-3 октября 2012 года и 1-2 октября 2014 года, г. Харьков;  Научно-методический семинар кафедры физвоспитания НТУ "ХПИ" 26 марта 2014 года, г. Харьков;  II Всеукраинская научно-практическая конференция "Здоров'я нації і вдосконалення фізкультурно-спортивної освіти в Україні" – НТУ "ХПИ", 2-3 октября 2012 года, г. Харьков;  ХХ международная научно-практическая конференция "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" – НТУ "ХПИ", 15-17 мая 2012 г., г. Харьков;  Международная научно-практическая конференция "Здоров'я і освіта: проблеми та перспективи" – 18-19 ноября 2012 г., г. Донецк;  III Международная научно-практическая конференция "Фундамен- тальная наука и технологии – перспективные разработки" – 24-25 апреля 2014 г., North Charleston, USA;  Международная школа-семинар "Биомедицинская инженерия: про- блемы и перспективы развития" – 15-18 сентября 2014 г., г. Одесса; 12  III Международная научно-практическая конференция "Человек и транспорт: Эффективность. Безопасность. Эргономика" – 15-18 сентября 2014 г. г. Санкт-Петербург, Россия. Публикации. Основные положения диссертации изложены и опублико- ваны в 12 научных работах, из которых 11 научных статей (4 согласно переч- ню ВАК), одно учебно-методическое пособие для студентов специальности 6-8.010201 – "Физическое воспитание" и преподавателей физической культу- ры и спорта. Структура диссертации: диссертационная работа состоит из вступле- ния, 5 разделов, выводов, перечня использованных источников и приложений общим объемом основного текста 150 страниц, 88 иллюстраций на 71 стра- ницах, 12 таблиц на 10 страницах, список использованных источников из 160 наименований на 20 страницах, 5 приложений на 22 страницах. 13 1 РАЗДЕЛ 1 ПРОБЛЕМЫ СПОРТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НЕЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ 1.1. Состояние вопроса и анализ применяемых диагностических систем в спорте, выбор направлений исследований Не секрет, что после окончания Второй Мировой войны большой спорт превратился в инструмент большой политики, а по сути стал ее продолжени- ем. В нашей стране спортивная наука находилась на высоком уровне, что от- ражалось в громких победах на Олимпийской арене. Не секрет, что приори- тетными направлениями мировой спортивной науки были биохимия и фар- макология. Мир изменился в сторону гуманизации спорта. Сегодня становят- ся все более востребованы здоровьесберегающие технологии как в виде со- временных диагностических средств и интерактивных тренажеров, позволя- ющих информировать атлетов об изменениях их функциональных кондиций прямо в процессе выполнения спортивных упражнений, так и методических инноваций. Последние будут наиболее эффективны лишь при условии при- менения информационных технологий, таких как экспресс-диагностика, сбор данных, статистический анализ, создание баз данных с возможностью опера- тивного доступа к ним[28; 32; 33; 84; 87; 90]. Знание методологии, принципов и средств информационных и компью- терных технологий является принципиально важным условием эффективной деятельности будущих специалистов в области физической культуры и спор- та, что особенно необходимо для более качественной реализации на практике мероприятий, связанных с учебно-методической, научной и физкультурно- спортивной деятельностью[42; 92]. 14 В настоящее время в спорте широко представлены диагностические си- стемы медицинской направленности для контроля жизненно важных показа- телей, таких как вес, артериальное давление, пульсо- и кардиометрия, пнев- мо-тахометрия, анализ крови на концентрацию мочевины и содержание сле- дов применения запрещенных препаратов. Бесспорно, такая экспресс- диагностика важна, более того крайне необходима на регулярной основе в тренировочной и соревновательной деятельности атлетов [50; 59; 126; 65]. Однако в скоростно-силовых и координационно сложных дисциплинах трудно обойтись без информационно-диагностических систем, позволяющих предоставить спортсменам и их тренерам информацию о текущем состоянии его скоростно-силовой и технической подготовки. Такие системы представ- лены достаточно широко, хотя находятся на весьма примитивном уровне. В арсенале тренера всегда присутствуют секундомер и рулетка. Для начального уровня подготовки такого инструментария вполне достаточно. Но вот для подготовки атлетов на уровне высших спортивных достижений существует острая необходимость точного дозирования нагрузки в процессе выполнения им спортивного упражнения в соответствии с его функциональным состоя- нием. Результатом отсутствия таких средств экспрессдиагностики является перетренированность, травмы и в конечном счете срыв подготовительного сезона. Существует серия диагностических приборов, которые решают толь- ко частные задачи, а не в целом – правильную дозировку физической нагруз- ки. Таким образом, стоит задача обеспечить текущей информацией спортс- мена и тренера в оперативном режиме. Для исключения влияния человече- ского фактора в процессе измерений становится необходимым использовать автоматический хронометраж. Так, во время контроля скорости пробегания коротких отрезков используются оптические створы в начале и конце отрезка дистанции. Атлет, пробегая контрольный отрезок, пересекает оптическую ось, в то время, как хронометр фиксирует время от стартового до финишного 15 пересечения и предоставляет результат пробежки с дискретностью 1/1000 c. Для измерения взрывной силы атлета применяется тест Абалакова – выпры- гивание в высоту с места. Высота в сантиметрах дает возможность сравни- вать состояние атлета, в частности состояние самых мощных групп мышц – ягодичных, четырехглавых и спины в разные дни подготовки. В беговых ви- дах, прыжках и метаниях широкое распространение получили показчики и табло, информирующие атлета о количестве оставшихся кругов, времени круга, а также о результате попытки в прыжке или метании[38; 45; 64; 69], системы для измерения опорных параметров беговых шагов атлета[17]. При выборе направлений исследований необходимо брать во внимание цель, которую исследователь предполагает достигнуть в процессе этих ис- следований. Так, кинематические исследования дают возможность выявить технические особенности выполнения спортивного движения атлета и созда- вать на их основе кинематические модели для сравнения. В то же время хро- нометрирование и измерение расстояний дает возможность характеризовать функциональные кондиции атлета. Измерение уровня ускорений в звеньях тела атлета при выполнении движения характеризует его интенсивность, а пульсометрия и ритмовая диагностика позволяет определять реакцию сер- дечно-сосудистой системы атлета на выполненную нагрузку с известной ин- тенсивностью. Постоянные физические нагрузки, несомненно, оказывают влияние на анатомию и физиологию внутренних органов, в первую очередь на сердечно- сосудистую систему. Во время спортивной тренировки сердце подвергается повышенным нагрузкам. Для обеспечения мышечной работы необходим по- стоянный приток артериальной крови, снабжающей мышцы кислородом и питательными веществами. Помимо этого, интенсивное кровоснабжение обеспечивает одновременное удаление вредных продуктов, например , мо- лочной кислоты и углекислого газа. Понятно, что чем интенсивнее трениров- ка, тем больше нагрузка на миокард: увеличение скорости кровотока проис- 16 ходит путём учащения сердечных сокращений и возрастанием объема крови, выбрасываемой желудочками. Сердце спортсменов адаптировано к выполне- нию большой физической работы. Правильно подобранный режим и методи- чески продуманные систематические тренировки укрепляют деятельность сердечной мышцы, развивая её резервные механизмы, которые, несомненно, велики. На увеличение нагрузки миокард реагирует повышением ударного сердечного объема и силы выброса, возрастанием частоты сокращений серд- ца. После завершения спортивных тренировок все функциональные показа- тели сердечно-сосудистой системы вскоре возвращаются в норму. 1.2. Подготовка спортсменов высшей квалификации, определение ее эффективности. Физическая подготовка – это педагогический процесс, направленный на формирование физических качеств и развитие функциональных возможно- стей атлета без ущерба его здоровью для успешного участия в соревновате- льном процессе в выбранном виде спорта. Процесс подготовки атлета обу- словлен двумя аспектами – техническим и функциональным. Технический аспект представляет собой координационно структуриро- ванную последовательность соответствующих мышечных сокращений тре- буемой интенсивности, приводящую к выполнению физического упражнения с движением по заданной траектории ключевых звеньев тела или спортивно- го снаряда, при этом полностью исключая возможность травмирования. Функциональный – представляет совокупность физических нагрузок на организм атлета, результатом которых является выполнение определенных физических упражнений требуемой интенсивности и объема в соответствии с календарным планом тренировочного микроцикла, исключая при этом пере- тренированность. Подготовка атлета – последовательно повторяющийся процесс физиче- ской нагрузки и восстановления с планомерным уменьшением объема этой 17 нагрузки и увеличением ее интенсивности, подводящей уровень тренируемой функции атлета к максимуму – пику спортивной формы к периоду главных соревнований сезона. Спортивная форма выражается в технической и функ- циональной кондиции атлета как способности выполнить соответствующее спортивное упражнение с запланированным уровнем интенсивности и точно- сти. Организм человека – самовосстанавливающаяся система. Если организм получил физическую нагрузку, то в нем начинаются процессы, ведущие к восстановлению исходного состояния. При этом восстанавливаются снижен- ные во время мышечной работы энергетические ресурсы и разрушенные структуры клеток. Данный процесс является базовым в тренировочной дея- тельности спортсмена. Важнейшим элементом роста функциональной кон- диции спортсмена является суперкомпенсация – физиологическое явление, выражающееся в некотором приросте тренируемой функции атлета в период после физической нагрузки и восстановления и определяемое как функцио- нальная реакция организма спортсмена на эту нагрузку. Существуют три фазы восстановления после нагрузки:  компенсация (восстановление), в течение которой функции мышц и других систем организма восстанавливаются до исходного уровня;  суперкомпенсация, во время которой происходит превышение исход- ного уровня до 10-20% и наблюдается повышенная работоспособность как мобилизационная реакция организма на неблагоприятные факторы окружа- ющего мира – физическое воздействие;  гомеостаз, когда происходит постепенное возвращение к прежним показателям. Важно определить степень нагрузки спортсмена, т.к. при малых нагрузках тренировочный эффект минимальный, а при повышенных – воз- растает вероятность перетренированности, что ведет к травмам, заболевани- ям и долгому периоду реабилитации [159]. 18 Для понимания процесса подготовки спортсмена - нагрузки, восстанов- ления и суперкомпенсации представлены графики изменения во времени ос- новных показателей спортсмена, таких как уровень концентрации креатин- фосфата в мышечных клетках, уровень физической тренированности орга- низма и процентное содержание неповрежденных митохондрий - энергодепо в клетках мышц (рис. 1.1) [160]. Рис. 1.1 – График, представляющий гетерохронизм адаптации мышечных тканей, участвующих в физических упражнениях: V – уровень концентрации креатинфосфата; F – уровень физической под- готовленности; N – количество неповрежденных митохондрий; H – время в часах; a – период полной нагрузки; b – период легкой нагрузки; c – период восстановления после полной нагрузки; d – период восстановления после легкой нагрузки; e и f – периоды суперкомпенсации 19 На графиках можно наблюдать, что различные показатели имеют раз- ное время восстановления, которое может меняться как от объема, так и от интенсивности нагрузки. Основная задача тренера – подобрать такой режим тренировки атлета, чтобы его период суперкомпенсации максимально совпа- дал со следующей тренировкой в рамках установленного микроцикла и та- ким образом функционал атлета постоянно повышался и достиг пика к ответ- ственным соревнованиям (рис. 1.2) [159, 160]. Рис. 1.2 – График наращивания спортивной формы при повторных нагрузках в периоды наибольшей суперкомпенсации: F – уровень физической подготовленности; H – время в часах; a – период полной нагрузки; b – период восстановления после полной нагрузки; c – периоды суперкомпенсации Однако надежда только на опыт тренера и везение имеет большие рис- ки. Поэтому на первый план подготовки спортсменов выходит диагностиро- вание медико-биологических показателей спортсмена для своевременного получения им информации о состоянии функций его организма и возможно- сти выполнения дополнительных физических нагрузок [31-122; 58]. Наряду с биохимическими показателями состояния организма спортс- мена, которые бесспорно дают исчерпывающую информацию, такую как концентрация креатинфосфата в клетках мышечных волокон или лактата в 20 крови спортсмена при выполнении нагрузки, возникает необходимость ис- пользовать более доступные методы диагностирования медико- биологических параметров состояния спортсмена, не требующие громоздкой и болезненной процедуры взятия анализов и длительного процесса обработки результатов. К тому же присутствует некоторый дефицит информации о точ- ности и интенсивности выполнения тренировочного задания непосредствен- но в процессе его выполнения спортсменом, а не после окончания трениров- ки. В данном разделе проведено исследование, анализ и выбор наиболее эффективных инструментальных методов определения функционального со- стояния спортсмена в процессе выполнения им тренировочной нагрузки, позволяющих дозировать выполняемую нагрузку и контролировать адекват- ность функциональной реакции атлета на эту нагрузку для оптимизации тре- нировочного процесса с учетом адаптации периода суперкомпенсации в рам- ках тренировочного микроцикла[136]. Все действия спортсмена, подчинены достижению максимально воз- можного спортивного результата. Они включают в себя несколько фаз, каж- дая из которых характеризуется определенным набором физических показа- телей (время выполнения, интенсивность и др.). Именно они определяют функциональную наполненность данного спортивного действия [38-40]. 1.3. Спортивные исследования – кинематические, динамические и функциональные, успешное выполнение которых обеспечат ожидаемый ре- зультат. 1.3.1 Для решения полного объема задач будет рассмотрен ряд направ- лений диагностической аппаратуры, предоставляющей экспресс- информацию о технических и функциональных кондициях спортсменов. Данные направления имеют отличия не только по типу использования физических принципов измерений, но и по характеру получаемой информа- ции, ее валидности к контролируемому параметру и степени оперативности. 21 В таблице 1.1 представлен сравнительный анализ различных методов диагностики и аппаратных средств по ряду критериев эффективности их ис- пользования непосредственно при выполнении нагрузки при подготовке спортсменов. Таблица 1.1 Сравнение различных методов диагностики и аппаратных средств в контексте их эффективности применения непосредственно при выпол- нении нагрузки. Функциональные пробы Измеряемый признак С те п ен ь о п ер а- ти в н о ст и в ы д ач и р ез у л ьт ат о в Д о ст у п н о ст ь Периоды актуально- сти С те п ен ь ав то м ат и за ц и и П р и о р и те тн о ст ь Функциональная кондиция перед тренировкой + 5 мин. + Ежедневно - Доп. Электро- и эхокардиография Состояние ССС, контроль патоло- гий - -/+ Ежегодный контроль - Доп. Вариабельность сердечного ритма Состояние ССС, контроль патоло- гий - -/+ Ежедневно + Осн. Спирометрия Состояние дыхания + 10сек. + Еженедель- но + Доп. Видеоанализ Кинематика движений + 60мин. -/+ Соревнова- ния - Доп. Определение ускорений Динамика движений + 60мин. + Ударные тренировки + Осн. Определение времени Функциональный контроль + 10сек. + Ударные тренировки + Осн. Определение высоты отскока Функциональный контроль + 10сек. + Ежедневно + Доп. Контроль скорости Функциональный контроль + 10сек. + Ударные тренировки + Осн. Диагностика психомоторики Подвижность пси- хических реакций + 10сек. + Ежедневно + Доп. 1.3.2 Методы диагностики функциональных кондиций спортсмена. Существует целый ряд методов, позволяющих следить за состоянием здоровья атлета при занятиях спортом [84; 93; 109; 114]. 22  Биохимический контроль. Объектами биохимического контроля за состоянием спортсмена являются:  Кровь. Для проведения биохимических исследований обычно исполь- зуют капиллярную кровь, взятую из пальца или мочки уха [35; 82; 10; 99; 102].  Моча. В связи с наличием вероятности инфицирования при взятии крови в последнее время объектом биохимического контроля в спорте стано- вится моча[118].  Выдыхаемый воздух: С помощью приборов – газоанализаторов в вы- дыхаемом воздухе определяется содержание кислорода и углекислого газа. Сравнивая содержание этих газов в выдыхаемом и во вдыхаемом, т. е. в ат- мосферном, воздухе можно рассчитать следующие показатели:  максимальное потребление кислорода;  кислородный приход;  алактатный кислородный долг;  лактатный кислородный долг;  дыхательный коэффициент. Для определения МПК и кислородного прихода выдыхаемый воздух собирают во время выполнения работы, а для расчета кислородного долга - после завершения работы[102].  Слюна. Анализ слюны проводится сравнительно редко. Чаще всего в слюне определяют величину рН и активность фермента амилазы. По актив- ности этого фермента можно судить об интенсивности углеводного обмена, поскольку существует определенная корреляция между активностью амила- зы слюны и активностью тканевых ферментов обмена углеводов [82; 102].  Пот. Биохимическое исследование пота проводится тоже не часто. Исследование пота позволяет оценить состояние минерального обмена, так как с потом в первую очередь выделяются из организма минеральные веще- ства[102].  Биоптат мышечной ткани. Для получения образца мышечной ткани проводится микробиопсия. При микроскопическом исследовании определя- 23 ется соотношение между типами мышечных волокон, количество миофиб- рилл и их толщина, количество митохондрий и их размер, развитие сарко- плазматической сети в отдельных мышечных клетках[102].  Цито-биофизическая методика определения подвижности ядер кле- ток буккального эпителия используется для определения биологического возраста, контроля состояния пациентов с различными заболеваниями и эф- фективности терапевтического воздействия[24; 83; 10; 124; 128; 153]. В каждом конкретном случае выбор тестирующих нагрузок и объектов биохимического контроля определяется видом спорта, спортивной квалифи- кацией испытуемых, периодом тренировочного процесса, наличием соответ- ствующих тренажеров, оснащенностью биохимической лаборатории и т. д.  Функциональные пробы – необходимы для оценки функционального резерва и состояния сердечно-сосудистой системы в условиях выполнения определённых видов физических нагрузок. Сегодня более распространены стресс-тесты с дозированной физической нагрузкой, мощность которой воз- можно менять исходя из поставленных целей испытаний. Для оценки деятельности сердца применяют различные варианты актив- ных и пассивных ортостатических проб, а также проб с нагрузкой. Одна из активных ортостатических проб производится следующим образом: 5 минут следует отдохнуть лежа на спине, затем подсчитать пульс в положении лежа за 1 минуту, далее надо встать и отдохнуть стоя одну минуту и подсчитать пульс в положении стоя за 1 минуту. По разнице между частотой пульса лежа и стоя судят о реакции сердеч- но-сосудистой системы на нагрузку при изменении положения тела. Это поз- воляет оценивать функциональное состояние регуляторных механизмов и да- ет некоторое представление о тренированности организма. Ортостатическая проба показывает возбудимость симпатического отдела вегетативной нерв- ной системы. Разница от 0 до 12 ударов свидетельствует о хорошей физиче- ской тренированности. У здорового нетренированного человека разница со- ставляет 13÷18 ударов. Разница 18÷25 ударов – показатель отсутствия физи- 24 ческой тренированности. Разница более 25 ударов свидетельствует о пере- утомлении или заболевании[1; 13; 15; 50; 65; 87; 156].  Эхокардиография – представляет собой комплексное ультразвуковое изучение миокарда и магистральных сосудов, состоящее из режимов одно-, двух- и трёхмерного сканирования, полного исследования тока крови в сосу- дах. Этот метод даёт возможность получить трёхмерное изображение сердца, что позволяет очень точно оценить объём, массу и сократительную функцию сердечной мышцы. Особенности эхокардиографических показателей в зави- симости от квалификации спортсменов [1; 87; 131; 132].  Электрокардиография – считается незаменимым диагностическим методом для выявления нарушений проводящей системы сердца, гипертро- фиии его отделов, сбоев сердечного ритма, возникновения ишемического по- ражения и вероятности развития инфаркта. Часто во время соревнований от- мечается значительное замедление сердечного ритма, которое показывает до- статочно высокийуровень тренированности миокарда, кроме того возможно проявление различных нарушений, не относящихся к норме. Все вышеска- занное указывает на необходимость осуществления регулярного комплексно- го кардиологического контроля перед, во время и после тренировок спортс- менов или проведения соревнований [102; 123].  Вариабельность сердечного ритма – представляет собой наиболее удобный показатель, благодаря которому можно оценить эффективность вза- имодействия сердечно-сосудистой и других систем организма. Данный ана- лиз становится популярным благодаря своей простоте, так как является не инвазивным. Это обследование начинают активно использовать в функцио- нальной диагностике, так как показатель вариабельности сердечного ритма позволяет дать общую оценку о состоянии пациента, отражающую жизнен- но важные показатели управления физиологическими функциями организма. К ним относят функциональные резервы механизмов его управления и веге- тативный баланс[12; 13; 14; 15; 65; 89; 133; 145]. На рис. 1.3 представлена 25 функциональная схема взаимодействия факторов регуляции сердечного рит- ма в организме человека. Анализ вариабельности сердечного ритма позволяет оценивать общее состояние человека, выявлять адаптационные возможности организма, ана- лизировать психоэмоциональное состояние. Рис. 1.3 – Функциональная схема взаимодействия факторов регуляции сердечного ритма. Для анализа сердечного ритма используют следующие методы:  статистические методы;  геометрические методы;  автокорреляционный анализ;  корреляционная ритмография;  спектральные методы анализа ВСР.  суточный ЭКГ-мониторинг. Вариабельность сердечного ритма может использоваться в терапевтиче- ской практике, также представляет интерес и для спортивной медицины. Может использоваться в донозологических исследованиях [89; 102; 145]. 26 Особое внимание необходимо уделять обследованиям в подготовитель- ный период и между тренировками в течение суток. Поскольку при выявлении отклонений со стороны работы сердечно- сосудистой системы показано своевременно осуществлять коррекцию в тре- нировочном процессе, внедрять комплекс восстановительных мероприятий и препаратов. Конечно, существует ряд проблем, связанных в первую очередь с недостаточностью мобильного диагностического оборудования и отсутстви- ем специальной подготовки медицинских работников [102]. 1.3.3 Метод контроля кинематических параметров движений атлета. Были проанализированы технические возможности метода исследования кинематических параметров движения спортсмена или спортивного снаряда с использованием видеооборудования скоростной съемки при работе с ком- пьютерными программами векторной графики. Деятельность элитных спортсменов требует непрерывного обновления исследовательских техноло- гий. Важное место в этом процессе научного обеспечения занимает биомеха- ника. Спортивная биомеханика позволяет анализировать особенности движе- ний спортсмена. Двигательные действия человека представляют собой сложую систему взаимно связанных активных движений и положений его тела. Этот раздел знания базируется на анатомии, физиологии и фундамен- тальных научных дисциплинах – физике (механике), математике, теории управления. До недавнего времени использование технологий видеозахвата движений было делом весьма затратным. Стоимость оборудования таких комплексов, как PowerChalk, Hudl, DartFish, V1, MotionPro и др. являются неприемлемой для бюджетов спортивных исследовательских организаций. Поэтому в данном аспекте оптимальным оказалось программное обеспечение Kinovea[70]. Это бесплатное решение с открытым исходным кодом для ана- лиза движений в спорте, которое уже широко используется тренерами и ат- летами, чтобы регистрировать, анализировать или корректировать двига- тельную функцию атлета. Интегрированный пакет Kinovea позволяет про- сматривать запись тренировки или состязания, при этом поддерживаемые 27 файлы выводятся на экран как анимированные миниатюры. Менеджер про- граммы позволяет упорядочивать кадры изображения по тегу (признаку, яр- лыку, ключевому слову) и сохранять закладки каталогов, к которым часто обращается пользователь, для быстрого поиска. Телевизионные средства управления дают возможность сосредоточиться на определенном действии в пределах видеозаписи и просматривать элемен- ты движения как фрейм или в замедленном темпе, а также сохранять в виде скриншотов. Kinovea воспроизводит любой файл в исходном формате и, та- ким образом, нет необходимости углубляться в технические аспекты в виде форматов и кодеков. Инструменты для рисования позволяют размечать ви- део, прибавляя стрелки, описания и другой контент к исследуемому материа- лу. Специальная строка измерений и встроенный в программу хронометр да- ют возможность точно измерять расстояния и время записи, предварительно введя информацию о заданной скорости съемки исследуемого видеоролика. Автоматизированный инструментарий слежения позволяет отслеживать тра- ектории движения и скорости исполнения каждого элемента или звена. Для последующей более глубокой проработки сохраненных фреймов и скриншотов можно весьма успешно использовать векторный графический редактор. Все изображения, с которыми работают программы машинной графики, разделяются на два класса: растровые и векторные. Используя раст- ровое изображение исследуемого спортивного движения в отдельном слое, программа позволяет подобно кальке производить требуемые манипуляции векторной графики. Векторным изображением в компьютерной графике при- нято называть совокупность более сложных и разнообразных геометрических объектов. Важнейшая особенность векторной графики состоит в том, что для каждого объекта или класса геометрических объектов определяются управ- ляющие параметры, конкретизирующие его внешний вид. Для окружности такими управляющими параметрами являются диаметр, цвет, тип и толщина линии, а также цвет внутренней области. Термин "объектно- ориентированный" понимется в том смысле, что все операции в процессе со- 28 здания и изменения изображений пользователь выполняет не с изображением в целом и не с его мельчайшими частицами – пикселами изображения, а с объектами – семантически нагруженными элементами изображения. Начав со стандартных объектов (кругов, прямоугольников, текстов и т. д.), пользо- ватель может строить составные объекты (например, траекторию движения спортивного снаряда) и, предварительно сгруппировав, манипулировать ими как единым целым. Таким образом, изображение становится иерархической структурой, на самом верху которой находится векторное изображение в це- лом, а в самом низу – элементарные объекты. Для последующего удобства работы целесообразно каждую группу объектов, объединенную общими ха- рактеристиками, размещать в отдельном слое. Возможность программы опе- ративно отключать требуемые слои, т.е. делать их невидимыми, позволяет организовывать своеобразную анимацию для отдельных фрагментов движе- ний атлета. Таким образом, программа предоставляет возможность не только обрабатывать и исследовать записанную видеоинфортацию, но и обучать спортсменов технике спортивных движений посредством просмотра создан- ных анимированных образов этих движений. Главными составляющими метода кинематического анализа спортивных движений являются:  процесс видеосъемки спортивного движения скоростной видеокаме- рой в условиях, позволяющих максимально нивелировать угловые, времен- ные и экспозиционные погрешности. Видеосюжет предполагает подготовку сценария съемки требуемого спортивного движения под соответствующим ракурсом и с обязательно присутствующим в кадре репером в исследуемой плоскости для последующего сопоставления [33];  предварительное редактирование отснятого видеофрагмента в графи- ческом видеоредакторе с целью синхронизации видеокадров со встроенным таймером и сохранением интересующих фреймов с наложенными на них пространственными и временными комментариями [75]; 29  глубокое редактирование сохраненных закомментированных фрей- мов с интересующими исследователя изображениями фаз спортивных дви- жений для размещения их в соответствующих слоях рабочего поля. В дальнейшем созданные кинематические конструкции могут быть ин- сталированы в виде кинематических моделей в соответствии с рассматривае- мой задачей (см. рис. 1.4). Рис. 1.4 – Кинематическая модель перемещения отдельных звеньев тела копьеметателя с интервалом покадровой съемки 12,5 мс в течение 11 кадров финальной фазы метания копья Метод контроля кинематических параметров движений атлета – может быть использован как вспомогательный для определения антропометриче- ских особенностей двигательной структуры конкретного спортсмена. При углубленных исследованиях с использованием метода статистического ана- лиза предоставляет информацию о технических кондициях атлета, что позво- ляет выявить резервы улучшения результата. 1.3.4 Методы диагностики ускорений. Основаны на способности акселерометрических датчиков преобразовы- вать статические и динамическое ускорения в электрические величины (ем- 30 кость, сопротивление, напряжение и др.) для дальнейшего использования в различных устройствах, фиксирующих механические воздействия. Датчик ускорения (рис. 1.5) состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) и подсоединенного к нему преобразователя механического смещения в элек- трический сигнал. ЧЭ представляет собой инерциальную массу, закреплен- ную на упругом подвесе на корпусе датчика. а б Рис. 1.5 – Датчик ускорения спортсмена: а – стуктурная схема датчика ускорения; б – крепление и внешний вид Принцип работы датчиков ускорения можно описать следующим обра- зом: При воздействии ускорения на датчик чувствительный элемент смеща- ется за счет инерции. Если акселерометр механический, то смещение чув- ствительного элемента преобразуется в смещение стрелки прибора. Если в качестве выходной величины используется электрический сигнал, то на вы- ходе преобразователя смещения генерируется электрический сигнал, кото- рый далее преобразуется для последующей обработки и сохранения. Боль- шой популярностью в настоящее время пользуются датчики ускорений, сде- ланные по технологии MEMS (Micro-Electric-Mechanical Systems). Для тех- нологии MEMS наиболее перспективными оказались тензометрические и ем- 31 костные датчики, которые оказалось возможным сформировать в поверх- ностных и объемных структурах кремниевой пластины [11; 148]. Для измерения динамических параметров спортивных движений при со- здании интерактивных диагностических систем используется принцип дис- кретного (порядка 100 изм./с) измерения ускорения определенных звеньев тела спортсмена через установку на них датчиков ускорения. 1.3.5 Методы измерения временных параметров спортивных движений. Для измерения физических параметров спортивных движений рассмот- рены некоторые варианты применения систем для измерения опорных пара- метров беговых шагов атлета и электронно-оптического оборудования, а также проанализировать их сильные и слабые стороны. Был исследован ряд вариантов технической реализации систем для из- мерения опорных параметров движений атлета:  контактные стельки (механические, пьезоэлектрические, акселеро- метрические, оптические, тензометрические) и насадки на спортивную обувь (рис. 1.5, а) позволяют фиксировать динамические и временные параметры шагов и записывать их в архив непосредственно на испытуемом, либо пере- давать информацию через беспроводные каналы связи на компьютер[17]. Такой вариант решения данной задачи интересен тем, что атлет не стес- нен границами зоны испытания. Он может перемещаться по нелинейной тра- ектории (прыжки в высоту), выполнять длительные пробежки (средние и длинные дистанции). Однако наличие инородных стелек в спортивной обу- ви[7; 25; 17; 100; 135] (для контактных, пьезоэлектрических или тензометри- ческих реализаций) и присутствие навесного оборудования (оптические или акселерометрические датчики на обуви и система приема и обработки ин- формации) вносит определенные неудобства. К тому же установка оборудо- вания при подготовке эксперимента требует времени. Поэтому тестирование группы атлетов за одну тренировку становится проблематичной.  тензометрическая платформа – позволяет фиксировать динамические параметры в виде приложенных усилий к опоре в трех плоскостях во время 32 движений атлета. Оптимальное решение для измерений динамических и вре- менных параметров спортивного движения в метаниях (ядро, диск, молот). Но такая система стационарная и дорогостоящая, что ограничивает возмож- ности экспериментальных исследований. 1.4. Анализ способов технической реализации измерения времени Реализация задачи измерения временных параметров бега для групп ис- пытуемых как правило выполняется в виде комплекса оборудования, когда на старте беговой дорожки размещается блок облучателей, формирующий последовательность в виде гребенки из лазерных лучей непосредственно над беговой дорожкой на высоте 1 см с шагом 4÷6 см один луч от другого в пре- делах ширины ступни атлета и общей шириной гребенки в пределах ширины беговой дорожки. На финише устанавливается блок приемников так, чтобы каждый луч от облучателя засветил соответствующий приемник. Испытуемый во время бега периодически пересекает один из лучей, а приемник дает команду фиксации времени опоры или полета соответствующего шага. Развернутая система позволяет поочередно пропустить достаточно большую группу испытуемых. Но основная трудность в таком варианте со- стоит в кропотливой юстировке при установке системы, что требует целую группу специалистов обеспечения. Классические электронно-оптические системы измерения времени про- бегания отрезков дистанции построены на принципе его фиксации в момент пересечения оптического луча пробегающим атлетом. Используются варианты как разнесенной схемы установки излучателя и приемника излучения на финишной линии, как показано на рис. 1.6, а, так и установки излучателя и приемника в общем корпусе с использованием угол- кового отражателя (см. рис. 1.6, б). Первый вариант позволяет обеспечить как хорошую дальность порядка десятков – сотен метров, так и предсказуемую точность формирования опти- ческой оси. 33 а б в г Рис. 1.6 – Варианты систем фотофиниша: а – однолучевой оптический створ; ИК-излучатель и приемник разнесены; б – ИК-излучатель и приемник объединены, используется отражатель; в – варианты размещения однолучевой системы на финише; г – двухлучевой оптический створ Второй же вариант при меньшей дальности (до 20 м) более технологи- чен – вся электронная часть с элементами питания и передачи информации расположена в одном корпусе. К тому же упрощается процесс юстировки при установке оборудования. Достаточно установить уголковый отражатель в нужной точке, не сильно заботясь о выдерживании ортагонали оптической оси относительно поверхности отражателя, а с противоположной стороны финиша направлять луч до момента приема отражения (см. рис. 1.6, в). При выполнении спортивных измерений однолучевыми створами основной про- блемой становится наличие артефактов в процессе измерений, связанных с пересечением оптического луча рукой, головой и только затем грудью. 34 В результате происходит искажение результата в связи с появлением дополнительных сигналов, которые при использовании нескольких створов на короткой дистанции могут совершенно запутать исследователя. А при пробегании одновременно нескольких атлетов и вовсе становится невозмож- ным разобраться в присвоении результатов участникам. Введение принуди- тельной задержки для исключения сигналов от руки (как правило, до 35 мс) вносит свою погрешность в процесс измерения. Использование системы двухлучевого створа отчасти решает данную проблему (см. рис. 1.6, г). В этом случае только при одновременном пересечении двух лучей формирует- ся сигнал записи времени. А из-за разнесенности по вертикали лучей на 20÷30см одновременное их пересечение, кроме как грудью, становится мало- вероятным, но не исключается полностью. Нырок головой на финише или выставленная вперед рука, согнутая в локте, все же могут давать ложные срабатывания. Да и при пробегании группы атлетов, растянувшихся по ди- станции при установке нескольких створов на небольшом удалении –10÷20 м может сводить на нет объективность присвоения результатов. К тому же ма- лоприятной технологической особенностью двухлучевых створов оказалась достаточно высокая парусность конструкционного профиля. При порыве ветра возможно падение установленных на штативах оптических датчиков. И еще, практически для всех оптических систем, размещаемых на спортивной арене, для максимальной надежности передачи сигнала в качестве канала связи используется электрический кабель. Его нахождение на беговой до- рожке или в секторе для прыжков становится небезопасным для спортсме- нов, да и для самой техники. Наступание на кабель спортсмена в шиповках может привести к прокалыванию защитной оболочки и повреждению токо- проводящих жил, что ведет к нарушению процесса непрерывной передачи данных от фотоприемников. Более того, спортсмен может зацепить кабель ногой и нарушить юстировку оптических створов. При использовании же ра- диоканала присутствует вероятность потери полезного сигнала при неблаго- приятной помеховой обстановке во время проведения измерений на спортив- 35 ной арене. В метаниях измерение кинематических параметров спортивного снаряда в момент вылета принято фиксировать с помощью киносъемки, а в последние годы – видеосъемки. Благодаря выполненному видеоролику ста- новится возможным изучать каждое движение атлета на основе кинограммы, которая составляется из отдельных скриншотов каждого кадра видеоряда. Для измерения скорости вылета используются оптические системы. Примером может послужить электронно-оптический симулятор для отработ- ки ударов при игре в гольф (рис. 1.7, а, б). В закрытом помещении установ- лена оптическая система (см. рис. 1.7 а, б): в верхней части – осветительная лампа 2, в пол вмонтированы оптические приемники в виде двух последова- тельных рядов 3 в непосредственной близости от места установки мячика для удара 1 вдоль потенциальной траектории его полета 7. При ударе мяча, оптоприемники, постоянно засвечиваемые осветитель- ной лампой 3, последовательно принимают сигнал в виде тени 6, пересекаю- щей оптическую ось от пролетающего мячика 1. а б Рис. 1.7 – Электронно-оптический симулятор для отработки ударов при игре в гольф: а – оптический блок симулятора; б – чертеж, объясняющий принцип работы 36 1.5. Выводы по разделу и постановка задач исследования В данном разделе выполнен анализ технических параметров применяе- мых диагностических систем в спорте, проведен сравнительный анализ их эффективности, раскрыты их возможности и недостатки, создающие ряд тех- нических и организационных трудностей как с развертыванием оборудова- ния, так и с процессом сбора и обработки информации. Выбраны наиболее перспективные направления исследований с целью совершенствования подобных систем и создания новых. Проведение исследований в области биохимического анализа привносит некоторые неудобства, как для самого спортсмена, так и для процесса орга- низации тестирования на стадионе из-за необходимости присутствия меди- цинского персонала и специально отведенного места для выполнения проце- дур. Кардиологические исследования на данном этапе аппаратного обеспече- ния спортивных баз требуют дополнительных помещений и медицинских специалистов высокого уровня. 1.5.1 Установлено, что наиболее приемлемым критерием экспресс- диагностики функционального состояния спортсмена может быть анализ ва- риабельности ритма сердца непосредственно в процессе выполнения атлетом тренировочного задания. 1.5.2 Проведен анализ технических возможностей метода исследования кинематических параметров движения спортсмена или спортивного снаряда, которые позволяют использовать на спортивном ядре лишь видеооборудова- ние для скоростной съемки и предварительного просмотра, в то время как работа с компьютерными программами векторной графики требует некото- рого времени обработки и оформления для последующего глубокого анализа уже после окончания тренировки. Такой метод необходим для поиска наибо- лее информативного критерия спортивного движения, который максимально корелирует с конечным спортивным результатом. Выбранный критерий поз- волит создать интерактивную диагностическую систему, которая сможет предоставлять атлету расчетную информацию о конечном результате в зави- 37 симости от измеренного параметра и сравнивать результат с запланирован- ным для оценки интенсивности выполнения. 1.5.3 При регистрации времени пробегания спортсменами отрезков ди- станции на стадионе наличие электрических кабелей вдоль беговой дорожки создает существенные эксплуатационные неудобства, а при беспроводной передаче данных присутствие эфирных помех приводит к некоторой задерж- ке полезного сигнала или даже к его потере при передаче. Измерения временных параметров беговых шагов для групп испытуе- мых требует кропотливой юстировки при установке системы и целую группу специалистов обеспечения. Существующие симуляторы измерения парамет- ров вылета спортивного снаряда громоздки, дорогостоящи и требуют исполь- зование специализированных помещений и квалифицированный обслужива- ющий персонал. 38 2 РАЗДЕЛ 2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ СПОРТСМЕНОВ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Для создания приборов и средств диагностики функциональных состоя- ний и двигательных функций атлетов необходимо решить ряд вспомогатель- ных задач, которые в последующем позволят решить технические задачи и тем самым достигнуть цели данной диссертационной работы – создание ме- тодов и технических средств, обеспечивающих характеризацию функцио- нальных и биомеханических параметров движений атлетов непосредственно в процессе выполнения ими спортивных упражнений и позволяющих опре- делять и закреплять эффективные и рациональные двигательные навыки с требуемой интенсивностью и с наименьшими физическими затратами. В этом разделе впервые представлены математические модели наиболее харак- терных спортивных движений, которые в конечном счете влияют на спор- тивный результат атлета. 2.1. Математическая модель для определения интенсивности и ампли- туды выполнения силового упражнения на тренажере с применением систе- мы измерения ускорений. В настоящее время в мире наиболее распространенный способ поддер- жания уровня общей физической подготовки является тренировка с исполь- зованием силовых тренажеров. Силовой тренажер – один из наиболее вос- требованных видов тренажеров. Его главная особенность заключается в том, что он развивает физическую силу, способствует росту мышц и укреплению организма. Интенсивность упражнений на силовом тренажере устанавлива- ется опытным путем для каждого атлета в соответствующий период подго- товки индивидуально. Во время выполнения упражнений отягощения подби- раются в строгом соответствии с программой тренировки [8; 26; 33; 118; 43]. 39 Для эффективного роста мышечной массы, силы или достижения других тренировочных задач необходимо тщательно контролировать интенсивность выполнения упражнения. Для проведения исследований весьма эффектив- ным средством контроля может выступать метод акселерометрии, который позволяет в интерактивном режиме и в реальном масштабе времени предо- ставлять информацию об уровне ускорения рабочего груза силового трена- жера с высокой степенью дискретности как по амплитуде (0,1% от макси- мальной амплитуды ускорения), так и по времени (100 измерений в секунду). Предварительно, введя в систему информацию об установленном грузе на тренажере, кинематике данного упражнения и тренировочной программе данного атлета, система может предоставлять атлету данные об уровне ин- тенсивности выполнения в % от максимума, количестве повторений, общем объеме нагрузки, а также online подсказывать атлету об отклонениях интен- сивности выполнения упражнения от заданного уровня. По окончании тре- нировки система формирует результирующий протокол выполнения трени- ровочной программы. Чтобы представить механизм функционирования акселерометрической системы, представим тренажер как кинематическую систему, на груз которой прикладывается сила в виде последовательности преодолевающих и уступа- ющих усилий атлета по выбранной траектории с заданной амплитудой. Рас- смотрим каждое движение атлета в виде совершаемой им механической ра- боты вследствие приложенной силы к спортивному снаряду, который дви- жется [8; 26; 30]. При функционировании тренажера имеет место возвратно- поступательное движение груза, на который действуют, с одной стороны, си- ла тяжести р, а, с другой, сила воздействия атлета на этот груз F. В крайних точках траектории движения груз массой m будет иметь скорость V = 0 м/с. Очевидно, что в начале траектории груз будет перемещаться с ускорением a1, основную часть траектории он пройдет с относительно постоянной скоро- стью и на максимуме амплитуды скорость снизится до 0. После этого груз 40 будет перемещаться в обратном направлении по той же траектории. Однако характер движения будет уступающим. В данном случае атлет будет сдержи- вать груз, совершающий движение под действием силы тяжести. В качестве модели рассмотрим процесс подъема штанги атлетом (рис. 2.1). Рис. 2.1 – Процесс подъема штанги атлетом Для придания штанге необходимой скорости V на начальной траектории движения h1 атлет прикладывает усилие F1 для преодоления силы тяжести Р и силы инерции Рі, действующих в противоположном направлении.  1 ( ),iF P P m g a     (0.1) где m – масса штанги, a – ускорение разгона штанги при подъеме на участке h1. Из формулы Торричелли вычисляем конечную скорость подъема штанги V на участке h1: 0 1( ) ,V V g a h    (0.2) 41 Так как V0=0, то выражение (0.2) примет вид: 1( ) ,V g a h   (0.3) После фазы равноускоренного движения на участке h1 штанга приобре- тает оптимальную скорость подъема V=const, с которой она перемещается на участке h2. При этом усилие, с которым атлет действует на штангу, по второ- му закону Ньютона, составляет: 2 ,F mg  (0.4) На участках h3 и h4 атлет "сбрасывает" усилие и штанга выполняет рав- нозамедленное движение на участке h3 до полной остановки и равноускорен- ное движение на участке h4 вплоть до достижения штангой скорости опти- мального снижения (V=const), когда усилие F5, прикладываемое атлетом к штанге, сравняется по амплитуде с силой тяжести, определяемой весом штанги р: 5F ma mg   (0.5) При этом движение штанги из равноускоренного станет равномерным. На конечном участке траектории h6 происходит активное торможение штанги до полной её остановки, которое происходит либо вследствие прило- жения атлетом дополнительных усилий для компенсации силы инерции всей массы штанги Рі, либо по причине реакции опоры. В этом случае атлет не прикладывает дополнительных усилий из-за реакции опоры. Это может быть реакция костного аппарата, растягивания мышц и натяжения сухожилий. Необходимо также помнить, что энергозатраты мышц используются как на механическое выполнение работы по перемещению штанги в простран- стве, так и на тепло, вырабатываемое мышцами на сдерживание груза от сво- 42 бодного падения в течение времени выполнения упражнения. В этом случае мы вынуждены оперировать не пройденным расстоянием по перемещению штанги, а временем воздействия силы мышц атлета на штангу при ее пере- мещении вдоль рабочей траектории. Поэтому общая работа, выполняемая задействованной группой мышц для данного упражнения, будет определяться согласно закону сохранения энергии как эквивалент той работы, которая преобразуется во время перехода энергии из потенциальной в кинетическую при падении груза в течение вре- мени выполнения упражнения с приложенным ускорением [8; 26; 118; 97; 71; 96]. А так как атлет оперирует временем выполнения упражнения, то для расчетов целесообразно выразить высоту h через время t: 2( ) 2 g a t h   (0.6) Итак, рассчитаем энергозатраты соответствующей группы мышц атлета для выполнения данного упражнения в виде выполненной работы вдоль тра- ектории движения штанги: 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6A P h P h P h P h P h P h            (0.7) Или с учетом выражения (0.6) имеем следующее: 2 2 22 2 2 3 5 6 61 1 2 4 1 2 3 4 5 6 ( )( ) 2 2 2 2 2 2 gt gt g a tg a t gt gt A P P P P P P        (0.8) Но так как усилия Р3, и Р4 на участках траектории h3, и h4 близки к нулю в силу того, что снаряд движется по инерции и меняет направление движе- ния, формулу можно упростить. Тогда (0.8) примет вид: 43 2 2 2 2 261 1 2 5 6 2 g ag amg A t t t t g g           (0.9) где t1…t6 – время, за которое перемещается штанга на соответствующих участках h1…h6. Из формулы (0.9) можно увидеть, что основная монотонная работа атле- та совершается в процессе его противодействия силе тяжести штанги. Такой режим работы, когда наиболее благоприятен для наращивания мышечной массы. Однако режим тренировки атлетов-метателей отличается тем, что и ос- новная работа выполняется в режиме противодействия силе инерции спор- тивного снаряда. Взрывной характер работы позволяет увеличить удельную силу мышц атлета, а тщательный контроль по дозированию уровня ударной нагрузки и планомерному увеличению интенсивности с одновременным уменьшением объема нагрузки позволяет подвести пик спортивной формы атлета к наиболее ответственному старту сезона [114; 123]. В качестве примера возможности расчета энергозатрат группы мышц атлета, участвующих в выполнении упражнения, ниже представлен график изменения ускорения движения штанги при выполнении упражнения (см. рис. 2.2 а), полученный с помощью системы измерения ускорений. Зона S3 и S4 –нагрузка снижается за счет инерции снаряда при изменении направления движения, S1– разгон, S6– торможение снаряда. В силу того, что ускорение есть величина переменная от времени t, то: 6 1 . t it a a (0.10) где ai – ускорения на соответствующих участках h1…h6. Предоставляемые атлету результаты позволяют определить, в каком ре- жиме выполнялось упражнение, и какие функции атлета при этом развивают- ся. 44 Данные результаты можно проиллюстрировать на графиках изменения ускорения движения штанги при поднятии – опускании и приседании со сна- рядом (см. рис. 2.2, а, б). а б Рис. 2.2 – График изменения уровня ускорений, действующих на штангу: а – при поднятии – опускании штанги атлетом; б – при приседании атлета со штангой 45 Для развития мышечной массы важно максимально увеличить времен- ные интервалы t2 и t5, в то время как для увеличения мышечной силы макси- мально активизируются зоны t1 и t6. Именно в эти периоды времени прикла- дываются максимальные усилия атлетом к разгону и торможению спортив- ного снаряда. 2.2. Динамическая модель процесса подтягивания на перекладине Акселерометрический метод позволяет построить динамическую модель такого упражнения, как подтягивание на перекладине. На рис. 2.3 представ- лена кривая изменения ускорения центра тяжести испытуемого на протяже- нии времени подтягивания. Кривая ускорения строится на основании записанных данных в виде числовых значений ускорения с интервалом 10 мс на протяжении времени выполнения упражнения. Результаты измерений ускорений подставляются в электронную таблицу Excel, а также вес атлета и моменты времени начала и окончания упражнения. Важно помнить, что кроме записанных данных уско- рений необходимо учитывать ускорение свободного падения, которое также приходится преодолевать атлету. Рис. 2.3 – Кривая ускорений центра тяжести при подтягивании на перекладине 46 В соответствии с полученными данными могут быть определены такие параметры, как:  средний уровень ускорения, который является показателем уровня интенсивности выполнения нагрузки;  время выполнения упражнения, включая средний уровень ускорения, - определяется амплитуда движения;  учитывая вес испытуемого становится возможным определение мощ- ности и энергозатрат атлета на выполнение упражнения. В качестве примера исходных параметров упражнения и результатов вычисления представлена таблица 2.1. При известной массе тела атлета измеренные значения ускорений ОЦТ в продольной и вертикальной плоскостях представляют достаточную инфор- мацию для вычисления энергозатрат атлета на выполнение отдельных дви- жений. Таблица 2.1 Представление исходных параметров упражнения и результатов вычисления процесса подтягивания на перекладине Время начала уп- ражнения, мс Время окон- чания упраж- нения, мс Длитель- ность, мс Вес ат- лета, кГ Среднее зна- чение уско- рения, м/с2 Среднее усилие, Н Мощ- ность, Вт 0,795 1,988 1,193 75 1,92 879,8 1049 При известной массе тела атлета измеренные значения ускорений ОЦТ в продольной и вертикальной плоскостях представляют достаточную инфор- мацию для вычисления энергозатрат атлета на выполнение отдельных дви- жений. При сравнении информации в виде динамического образа выполняе- мого движения с базой данных эталонных динамических моделей становится возможным оповещать атлета о правильности выполнения им тренировочно- го задания и уровне его интенсивности и информировать его о перегрузке. 2.3. Математические модели, применяемые для вычисления параметров ударов в единоборствах 47 Для оперативного определения параметров ударов применяется физико- математическая модель удара. Ударом в механике принято называть кратко- временное взаимодействие тел, в результате которого изменяются их скоро- сти. Ударная сила зависит, согласно закону Ньютона, от эффективной массы ударяющего тела и его ускорения. Если рассматривать удар во времени, то взаимодействие длится очень короткое время – от десятитысячных (мгновен- ные квазиупругие удары), до десятых долей секунды (неупругие удары). Ударная сила в начале удара быстро возрастает до наибольшего значения, а затем падает до нуля (рис. 2.4) [46]. Основной мерой ударного взаимодей- ствия является не сила, а ударный импульс, численно равный площади под кривой F(t). Он может быть вычислен как определенный интеграл: 2 1 ( ) , t t P F t dt  (0.11) где Р – ударный импульс, t1 и t2 – время начала и окончания удара, F(t) – зависимость ударной силы F от времени ее воздействия t. Рис. 2.4 – Кривая изменения силы во времени при ударе 48 Импульсы неударных сил за время t являются столь незначительными, что ими практически можно пренебречь. Обозначим скорость точки в начале удара V1, а в конце – V2. Тогда теорема об изменении количества движения точки при ударе запишется в виде: 2 1 1 ( ) , n k k m v v P    (0.12) где kP – количество движения. Изменение количества движения материальной точки за время удара равно сумме действующих на точку ударных импульсов – это есть основное уравнение теории удара. Так как процесс соударения длится очень короткое время, то в нашем случае его можно рассматривать как мгновенное изменение скорости соуда- ряющихся тел. В процессе удара, как и в любых явлениях природы должен соблюдаться закон сохранения энергии [46; 73]. Поэтому закономерно записать следую- щее уравнение: '1 2 1 2 1 2п пE E E E E E     (0.13) где E1 и E2 – кинетические энергии первого и второго тела до удара, E'1 и E'2 – кинетические энергии после удара, E1п и E2п – энергии потерь при ударе в первом и во втором теле. Соотношение между кинетической энергией после удара и энергией по- терь составляет одну из основных проблем теории удара. Последовательность механических явлений при ударе такова, что снача- ла происходит деформация тел, во время которой кинетическая энергия дви- жения переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем по- тенциальная энергия переходит обратно в кинетическую. В зависимости от 49 того, какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая теряется, рассеиваясь на нагрев и деформацию, различают три вида удара:  абсолютно упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Это идеализированная модель соударения, однако, в некоторых случаях, напри- мер, в случае ударов бильярдных шаров, картина соударения близка к абсо- лютно упругому удару;  абсолютно неупругий удар – энергия деформации полностью перехо- дит в тепло. Пример: приземление в прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При абсолютно неупругом ударе скорости взаимо- действующих тел после удара равны (тела слипаются);  частично неупругий удар – часть энергии упругой деформации пере- ходит в кинетическую энергию движения. В реальности все удары являются либо абсолютно, либо частично не- упругими. Ньютон предложил характеризовать неупругий удар так называе- мым коэффициентом восстановления. Он равен отношению скоростей взаи- модействующих тел после и до удара. Чем этот коэффициент меньше, тем больше энергии расходуется на некинетические составляющие E1п и E2п (нагрев, деформация). Теоретически этот коэффициент получить нельзя, он определяется опытным путем и может быть рассчитан по следующей форму- ле: ' ' 1 2 1 2 , V V k V V    (0.14) где V1, V2 – скорости тел до удара, V'1, V'2 – после удара. При k = 0 удар будет абсолютно неупругим, а при k = 1 – абсолютно упругим. Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударя- емых тел. 50 При использовании данной модели становится возможным создание ин- терактивных диагностических систем, предоставляющих атлету информацию об интенсивности выполнения ударов, их характере, количестве и сумммар- ной нагрузке в серии. 2.3.1 Представление динамических моделей для различных спортивных движений с использованием метода акселерометрии На основе п. 2.1-2.3 получены примеры представления динамических образов, которые характеризуют отдельные спортивные движения, такие как упражнения со штангой (см. рис. 2.2 а, б), удары в кикбоксинге (см. рис. 2.5) или игра в пинг-понг (см. рис. 2.9 – 2.12). Однако для каждого упражнения существует своя особенность вычисле- ний, определяемая кинематической структурой движения. Необходимо учи- тывать, что интерес представляет только рабочая фаза движения, а вспомога- тельные фазы следует исключать. В зависимости от решаемой задачи датчик может быть установлен как на спортивном снаряде, так и на пояснице в центре тяжести, на голове с ис- пользованием лобной повязки, ступнях ног или кисти руки атлета. Для вы- полнения измерений требуется устанавливать датчики в строго определен- ном положении в соответствии с отработанной методикой контроля, что при- даст валидности получаемой информации и исключит пропуски травмоопас- ных ситуаций, либо ложные предупреждения. Рис. 2.5. – График ускорений при ударе в кикбоксинге, датчики установлены на впереди- и сзадистоящей ногах 51 2.4. Математическая модель функционирования системы непрерывного измерения скорости движения атлета на принципе доплеровского сдвига принимаемой частоты акустических колебаний. Суть метода заключается в том, что при изменении скорости движения акустического излучателя относительно приемника излучения пропорцио- нально изменяется принимаемая частота. В отличие от используемых волн электромагнитных колебаний при измерении скорости перемещения движу- щихся объектов, в данном исследовании были использованы акустические колебания. Такой выбор позволил повысить разрешающую способность про- цесса измерений в силу того, что скорость распространения акустической волны составляет около 330 м/с. Скорость бегущего атлета составляет около 3%, а скорость вылета снаряда до 10% от скорости распространения волны, что при частоте излучения 40 кГц составляет сдвиг частоты 1200 ÷ 4000 Гц. Это позволяет выполнять измерения уровня скорости с частотой 100 1/с и точностью измерения до 1%. Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны λ) зависит от ско- рости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны умень- шается, если удаляется – длина волны увеличивается: 0 0 2 ( ) ,        (0.15) где ω0 – круговая частота, с которой источник испускает акустические волны, υ0– скорость распространения волн в среде, υ – скорость источника излучения относительно приемника. Круговая частота, регистрируемая неподвижным приёмником, располо- женным перед источником излучения, определяется как: 52 0 0 0 1 2 . (1 )          (0.16) Значение линейной частоты источника (излучателя) определяется как: 0 0 , 2 (1 ) f f       (0.17) где 0f – значение частоты излучателя, f – значение принимаемой частоты с учетом скорости движения излу- чателя. Значение скорости движения излучателя в пространстве определяется как: 00 (1 ). f f     (0.18) Данное равенство (0.18) правомерно для случая, когда приемник излу- чения расположен вдоль траектории движения излучателя. Для общего слу- чая равенство (0.18) принимает вид: 0 0 (1 ), cos f f        (0.19) где  – угол между направлением излучения на приемник и траекторией движения излучателя. Реализация данного физического принципа при разработке диагностиче- ских систем и интерактивных тренажеров позволяет оперативно и эффектив- но получать информацию об изменении скорости движения спортивного снаряда, атлета или звеньев его тела. При создании подобной инструмен- 53 тальной методики крайне важно учитывать кинематику размещения измери- тельного оборудования, учитывая углы между траекториями спортивных движений и направлениями приема акустической волны для получения до- стоверной информации с минимальными погрешностями измерений [70; 71; 74]. Данная математическая модель дает возможность создавать диагности- ческие интерактивные измерители скорости движения атлетов или спортив- ных снарядов и в последующем расчитывать параметры движений и сравни- вать их с заданными. 2.5. Математические модели кинематических параметров движения спортивного снаряда при выполнении броска атлетом Основой результативной попытки копьеметателя является фаза выпол- нения броска. Рассмотрим кинематическую модель положения звеньев тела копьеметателя финальной фазы разбега в момент выпуска копья. Скорость вылета копья определяется как сумма векторов скоростей звеньев тела атле- та, участвующих в процессе метания, а именно коленного, тазобедренного, плечевого, локтевого суставов и кисти в точке контакта с копьем[7; 8; 9; 27; 5]. Значение вектора скорости в коленном суставе относительно неподвиж- ной точки опоры – пятки определяется в виде: b a ab a abV V V V AB     (0.20) при 0aV  – точка опоры неподвижна: bab V AB   (0.21) где bV – вектор скорости коленного сустава опорной ноги атлета, ab – угловая скорость вращения коленного сустава опорной ноги атлета 54 относительно точки опоры, AB – расстояние от коленного сустава до точки опоры. Для последующих измерений параметров движения звеньев тела атлета, участвующих в процессе метания, удобно использовать полюса мгновенного центра скоростей для каждой пары (см. рис. 2.6). Так, угловая скорость вра- щения тазобедренного сустава относительно точки мгновенного центра ско- ростей точек В и С определяется в виде: ( ) b bc V bc V P B   (0.22) где ( )V BCP точка мгновенного центра скоростей точек С и В. ( )c bc V bcV P C  (0.23) где ( )V bcP C – расстояние от точки С до мгновенного центра скоростей точек В и С. Аналогично определяются кинематические параметры для плечевого (точка D) и локтевого (точка Е) суставов, а также для кисти (точка F): ( ) c cd V cd V P C   (0.24) где bV – вектор скорости коленного сустава опорной ноги атлета, ab – угловая скорость вращения коленного сустава опорной ноги атлета относительно точки опоры, AB – расстояние от коленного сустава до точки опоры. ( )d cd V cdV P D  . (0.25) 55 ( ) d de V de V P D   . (0.26) ( )e de V deV P E  . (0.27) ( ) e ef V ef V P E   . (0.28) ( )f ef V efV P F  . (0.29) Для данного случая, когда известно направление вектора скорости каж- дого из звеньев, становится возможным определить точки мгновенных цен- тров скоростей для каждой пары звеньев. Рис. 2.6 – Кинематическая модель расчета параметров звеньев тела копьеметателя относительно мгновенных центров скоростей 56 Также представлен второй метод вычисления параметров скорости зве- ньев тела копьеметателя – через взаимное расположение звеньев его тела (рис. 2.7, рис. 2.8)[7; 8; 126]: b cV cos V cos    (0.30) bc V cosa V cos   (0.31) где α – угол между вектором скорости в точке В и звеном ВС, β – угол между вектором скорости в точке С и звеном ВС. Аналогичные выражения можно составить для каждого звена: c dV cos V cos    (0.32) cd V cos V cos     (0.33) b eV cos V cos    (0.34) de V cos V cos     (0.35) e fV cos V cos    (0.36) ef V cos V cos     (0.37) где δ, γ, θ, φ и ψ соответствующие углы между звеньями CD, DE, EF и векто- рами скоростей крайних точек этих звеньев С, D, E, F. 57 Рис. 2.7 – Кинематическая модель расчета параметров звеньев тела копьеметателя через взаимное их расположение Рис. 2.8 – Реальная инематическая модель с угловыми характеристиками звеньев тела копьеметателя в финальной фазе метания 58 Результирующая скорость кисти метателя вычисляется через скорость коленного сустава в виде: f b cosa cos cos V V cos cos cos           (0.38) Представленные кинематические модели положения звеньев тела копь- еметателя финальной фазы разбега в момент выпуска копья, (два варианта математических моделей) могут быть в равной мере применены для расчетов в зависимости от исходной информации – через скорости звеньев тела, либо через измерение углов в этих звеньях. Результатом кинематических расчетов является скорость вылета и угол выпуска спортивного снаряда, посредством которых становится возможным вычислить как высоту подъема снаряда, так и дальность метания (см. Приложение А , рис. А.9). Математические модели кинематических параметров были выполнены благодаря использованию скоростной видеосъемки и последующему видео- анализу скриншотов характерных движений атлета с использованием про- грамм векторной графики. Представленные оба варианта кинематических моделей положения зве- ньев тела копьеметателя финальной фазы разбега в момент выпуска копья имеют определенные допущения в силу представления кинематики упражне- ния в проекции на плоскость движения копья. Однако для данных исследова- ний завершающей фазы процесса метания, где элементом исследования яв- лялась сагиттальная проекция скорости вылета копья, угла и высоты его вы- пуска, а также угла атаки копья относительно набегающего потока данный метод является приемлемым ввиду незначительного отклонения плоскости вылет копья от сагиттальной плоскости видеосъемки. Представленный метод создавался с целью калибровки диагностической системы контроля скорости вылета копья для проведения тренировок в зимний период в закрытых поме- 59 щениях, когда отсутствует контроль дальности бросков и существует вероят- ность переутомления и травмирования спортсмена. Однако дальнейшие исследования в рамках развития данного метода с использованием синхронной видеосъемки позволяют создавать кинематиче- ские 3D-модели, позволяющие определять наиболее уязвимые по нагрузке и травмированию звенья тела атлета в зависимости от его антропометрических особенностей. В этом случае информативность метода многократно возрас- тает. В приложении А (рис. А.1 и рис. А.2) представлены примеры построе- ния кинематических моделей расчета параметров движений атлетов в прыж- ках в длину и барьерном беге. 2.6. Выводы: 2.6.1 В настоящем разделе впервые представлены математические мо- дели наиболее характерных спортивных движений для создания динамиче- ских и кинематических моделей движений и последующего их использова- ния в составе интерактивных диагностических систем для характеризации кинематических и динамических образов: 2.6.2 Описаны математические модели для определения интенсивности и амплитуды выполнения силового упражнения на тренажере, а также для вычисления параметров ударов в единоборствах с использованием метода акселерометрии. Полученные данные позволят выявить основные факторы, максимально влияющие на спортивный результат и в дальнейшем их харак- теризовать с использованием создаваемых диагностических систем для опе- ративного представления данных атлету в виде обратной связи для последу- ющей корректировки; 2.6.3 Представлена математическая модель функционирования системы непрерывного измерения скорости движения атлета на принципе Доплеров- ского сдвига принимаемой частоты акустических колебаний, которая позво- ляет создать функциональную и структурную схему интерактивной диагно- стической системы; 60 2.6.4 Впервые получены математические модели кинематических пара- метров движения звеньев тела атлета при выполнении им метания копья. Рассмотрены зависимости изменения углов и скоростей в таких звеньях его тела, как колено, таз, плечо, локоть и кисть, которые представляют однознач- ную информацию влияния каждого звена на конечный результат попытки. 61 3 РАЗДЕЛ 3 ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ СПОСОБЫ ИХ СНИЖЕНИЯ Любое измерение по шкале отношений предполагает сравнение неиз- вестного размера с известным и выражение первого через второе в кратном или дольном отношении [32]. Проверка информативности метода предпола- гает метрологическую калибровку входящего в состав оборудования для подтверждения его валидности в процессе использования в рамках данного метода. Методическая погрешность есть неопределенность измерения, обу- словленная несовершенством метода измерений или упрощениями, допу- щенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования прибли- женных формул при расчете результата или неправильной методики измере- ний. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекват- ности) измеряемой физической величины и ее модели. Причиной методической погрешности может быть не учитываемое вза- имное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недоста- точная точность такого учета. Для выполнения измерений кинематических параметров спортивных движений атлетов использовалась видеокамера с переменной скоростью ви- деосъемки FinePix HS20EXR, в рабочей плоскости кадра должен обязательно присутствовать предмет с известными размерами в качестве репера. Благода- ря сравнению проекций репера и спортивного снаряда появляется возмож- ность определения расстояний, которые проходит атлет или выпущенный им снаряд в межкадровые промежутки времени [30, 32, 53, 73]. 62 3.1. Определение метрологической погрешности при проверке ви- деооборудования, пути её снижения. C целью определения степени достоверности метода и погрешностей измерений расстояния и времени его прохождения проведен следующий экс- перимент: 1. Камера устанавливалась на штативе для исключения движения во время видеосъемки, 2. Трансфокатор объектива устанавливался в максимально узкофокус- ном положении для минимизации угловых искажений между центром кадра и по его краям. При этом угол между центром и краем плоскости съемки от- носительно объектива камеры составляет единицы градусов. Так, для угла 80 cos=0,9903 что составляет менее 1% расстояния от объектива до центра плоскости съемки, для угла в 2,50 cos=0,999 или 0,1%. 3. В плоскости съемки размещалась лента длиной 2м с предварительно нанесенной разметкой в виде линий с шагом 1см и подписями каждые 5см. 4. Место съемки оборудовалось мощными источниками освещения для уменьшения времени экспозиции каждого кадра. Как следствие уменьшается размытость движущегося предмета. 5. С высоты 2м сбрасывался мяч в режиме свободного падения. 6. Камера HS20EXR фирмы FUJIFILM производила съемку процесса па- дения и отскока мяча в скоростном режиме 80, 160 и 320 кадров в секунду. Вследствие того, что при съемке на повышенной скорости кадр имеет уменьшенное разрешение (640 х480 для 80к/с, 320х240 для 160к/с и 320х112 для 320к/с) и реперная лента может нечетко просматриваться, следует мак- симально укрупнять план съемки. При падении мяча производилась его видеосъемка в зоне приземления на фоне реперной ленты. Фиксировался момент падения мяча, его отскок и повторное приземление. Таким образом, выполнялась съемка трех попыток для скоростей 80, 160 и 320 кадров в секунду. 63 Результаты видеосъемки в виде отснятых видеороликов обрабатывались в компьютерной программе видеоанализа Kinovea. При покадровом просмотре видеоматериала выбирался кадр момента появления мяча в кадре, затем устанавливался программный таймер в «0» и сохранялся кадр в режиме Screenshot. Дальше покадрово просматривалось перемещение мяча вдоль реперной ленты вплоть до момента приближения его к краю поля съемки, после чего кадр также сохранялся. После отскока в момент появления мяча в зоне съемки на фоне ленты подключался второй таймер и устанавливался в «0», кадр также сохранялся. Таким же образом со- хранялись кадры непосредственно перед вылетом мяча из поля зрения каме- ры и дважды при приземлении с индицируемым временем и местоположени- ем мяча на фоне измерительной ленты. Обработка материала выполнялась следующим образом: 3.1.1 В таблицу заносится информация о времени и местоположении проекции центра мяча на ленте как в фазе свободного падения, так и при взлете – падении после отскока. Результирующие скриншоты представлены для мячика и резинового шарика от компьютерной мышки при скоростях съемки 80к/сек (Рис. 3.1 и 3.2), 160к/сек (Рис. 3.3 и 3.4) и 320к/сек (Рис. 3.5). 3.1.2 Подставляя пространстенную информацию проекций с реперной ленты в программу на базе Excel, вычисляется время прохождения мячика и шарика через точки проекции. Для надежности используется два аспекта проверки: в первом – сравниваются временные интервалы прохождения мя- чика при свободном падении через зафиксированные межкадровые расстоя- ния на фоне реперной ленты с помощью встроенного таймера камеры (Рис.3.5) и расчитанные данные по формуле: 2H t g  (0.39) 64 А затем вычисляется скорость объекта в области прохождения кон- трольной точки: H t   , (0.40) где H- высота от контрольной точки до точки отпускания мячика, t- время, за которое мячик достиг контрольной точки при падении, g- ускорение свободного падения в месте эксперимента,  - достигнутая скорость . Из Рис.3.5 принимаем, что высота падения мячика до точки измерения Н1 составила 146см, H2 =197см, по результатам вычислений t1 = 0,546сек, а t2= 0,634сек. В результате получено время прохождения мячиком двух кон- трольных точек Н1 и H2 при падении, которое составило t2 – t1 = 0,088сек. 3.1.3 Сравнивая полученный результат с данными, измеренными про- граммными таймерами, вычисляется погрешность метода: 0,088 0,087 0,0114 0,088 расч изм расч t t t       (0.41) где  - погрешность измерения времени видеокамеры – составляет 1,14% на скорости 320к/сек. Предполагаем, что после отскока мячика скорость взлета и скорость его приземления на одной и той же высоте будут практически одинаковы (для данного уровня скоростей силы сопротивления среды практического влияния не оказывают). Тогда для Рис. 3.1: взлетавзлета взлета S t     (0.42) 65 паденияпадения падения S t     (0.43) 8 взлета падения Н t g   (0.44) где H – расстояние, которое преодолел мячик за межкадровый промежуток времени как при подъеме, так и при спуске соответственно. Теоретически можно расчитать время между пересечением мячиком од- ной и той же метки на фоне реперной ленты при его взлете и приземлении после отскока по следующей формуле: 8 (1,985 1,43) 0,673( ) 9,8 взлета паденияt cек     , (0.45) где взлета паденияt  – время между пересечением мячем одной и той же метки на фоне реперной ленты при его взлете и приземлении после отскока, Н – высота вылета мяча после отскока относительно реперной метки. Погрешность измерения времени видеокамерой можно определить из следующего соотношения: 1 1 1 1 (0,8 0,13) 0,673 0,00446 0,673 изм расч расч t t t         , (0.46) где 1 - погрешность измерения времени камерой при отскоке мячика, 1расчt - расчетное время между пересечением мячеиком одной и той же метки на фоне реперной ленты при его взлете и приземлении, 1измt - измеренное видеокамерой время того же события (из табл. 3.1 для измерения падения мячика при скорости съемки 80кадров в секунду). В результате проведенных измерений и сравнительного анализа можно заключить, что использование камеры при видеосъемке позволяет проведе- 66 ние измерений скорости движущихся объектов с погрешностью измерения времени менее 1%. Для коротких временных интервалов с ограниченным ко- личеством видеокадров при достаточно высокой скорости объекта съемки погрешность измерения может увеличиваться в силу размывания силуэта из- меряемого объекта. В табл. 3.1 представлены результаты экспериментов по метрологической калибровке камеры с целью проверки стабильности времени межкадровых интервалов для определения достоверности последующих измерений пара- метров спортивных движений и уровня погрешностей измерений расстояния и скорости движущихся объектов с помощью кинематических методов изме- рений. Рис. 3.1. – Съемка 80 кадров/ сек. падение мяча с h= 2м с отскоком? 67 Рис. 3.2. – Съемка 80 кадров/ сек. падение мяча с h= 2м с отскоком. Рис. 3.3. – Съемка 160 кадров/ сек. падение мяча с h= 2м с отскоком. Рис. 3.4. – Съемка 160 кадров/ сек. падение шарика с h= 2м с отскоком? 68 Рис. 3.5. – Съемка 320 кадров/ сек. падение мяча с h= 2м с отскоком 6 9 Таблица 3.1 Сводная таблица измерений времени и пройденного пути при свободном падении мячика и шарика с высоты 2 м 80к/сек V, м/с 160к/сек V, м/с S, см Т, сек V расч. Vфакт. S, см Т, сек V расч. Vфакт. шарик Падение 0сек 142 0 144 0 Полпути 154 0,018 Погрешн. 0,018 165 0,037 Погрешн. 0,014 приземление 192 0,08 3,067 3,13 183 0,066 2,994 2,95 отскок 0сек 197 0 183,5 0 взлет 185 0,06 170 0,087 максимум 170 0,23 163,5 0,206 падение 184,5 0,4 H расч., м H факт., м 170 0,312 H расч., м H факт., м приземление 197 0,46 0,259 0,270 186 0,412 0,208 0,215 Погрешн. 0,039 Погрешн. 0,032 мячик Падение 0сек 143,5 0 145 0 Полпути 171 0,05 170 0,043 приземление 194 0,08 192 0,081 отскок 0сек 198 0 V, м/с взлета-пад. 190 0 V, м/с взлета-пад. взлет 143 0,13 4,231 154 0,087 4,138 падение 143 0,8 Погрешн. 154 0,831 Погрешн. приземление 199 0,93 4,308 0,018 190 0,918 4,195 0,014 мяч Падение 0сек 0 0 0 лаб. Полпути 101 0,41 2,46 Погрешн. 99 0,412 2,40 Погрешн. приземление 197 0,61 4,75 0,037 199 0,612 4,95 0,029 В результате представлен вариант вычисления пространственной и вре- менной погрешности измерений видеооборудования, которое может эффек- тивно использоваться для выполнения кинематических измерений парамет- ров спортивных движений. Описаны рекомендации для минимизации по- грешностей при проведении этих измерений. Основой метода является обяза- тельное присутствие предмета с известными размерами в качестве репера в рабочей плоскости кадра, благодаря чему становится возможным сравнивать и в последующем вычислять реальные механические размеры объектов и траекторий при выолнении спортивного упражнения атлетом. Проведенные физические исследования технических возможностей используемой видео- камеры подтвердили, что значение погрешностей измерения скорости дви- жущихся объектов в кадре и расстояний зависит от скорости съемки и со- ставляет для скорости 1,2-1,8%, а для расстояния 1,8-3,9%. А этого вполне достаточно для проведения кинематических исследований движений звеньев тела атлетов и спортивного снаряда. Проведены расчеты, подтверждающие зависимости погрешностей измерения от угловых искажений при съемке на разных расстояниях от объекта исследования, зоны захвата кадра, уровня освещенности исследуемого объекта и скорости съемки и даны рекоменда- ции по снижению этих погрешностей. 3.2. Метод расчета инструментальной погрешности результатов изме- рений посредством разработанного интерактивного тренажера для определе- ния параметров ударов в единоборствах. Представленная методика предназначена для определения степени до- стоверности измерений параметров ударов в единоборствах при использова- нии интерактивного тренажера [33]. Конструктив тренажера выполнен в виде металлического диска, обрези- ненного и обтянутого кожей, который закреплен с помощью пружин на мас- сивной платформе. Для уменьшения травматизма и влияния сил инерции по- движный диск выполнен из легкосплавного материала и установлен на пру- 71 жинах с достаточно большим ходом полного сжатия. Такое решение при вы- полнении ударов в точке соприкасания поверхности диска с рукой испытуе- мого не позволяет развить запредельные ускорения и способствует избе- жанию травматизма. В основу методики положен физический закон о сохра- нении энергии, а также принцип аналогии, заключающийся в том, что, изме- ряя амплитуду ускорений и длительность воздействия на подвижный диск конструкции тренажера при падении с разных высот металлических ядер различного веса и, измеряя при этом амплитуду перемещения диска, стано- вится возможным собрать обширную базу данных и создать ряд моделей ударных движений с учетом широкого диапазона скоростей и воздействую- щих масс для дальнейших экстраполяций результатов попыток испытуемых [33, 48]. Рис. 3.6. – Кинематическая схема процесса калибровки тренажера В процессе проведения испытаний при свободном падении подвешенно- го на требуемой высоте ядра происходит превращение потенциальной энер- гии в кинетическую. В момент касания с поверхностью диска тренажера ки- нетическая энергия ядра переходит в потенциальную энергию сжатия пру- жин, которые сжимаются по линейному закону в пределах их зоны упругой деформации [48, 77]. 1 1 1E M g H   (0.47) 72  2 1 0 2E M M a H   (0.48) Так как E1 = E2, получим из (0.48):  1 1 1 0 2M g H M M a H     (0.49) Тогда:   1 1 1 0 2 M g H a M M H      (0.50) Пусть М1 = 5kg; М0 = 5kg; Н1 = 1m; Н2 = 0,01m:   25 9,8 1 490 / 5 5 0,01 a m s       или 50g (0.51) Имеет место два варианта воздействия на опору: - передача импульса массы ядра опоре 1 касP M V  (0.52) в силу того, что потенциальная энергия pE M g H   (0.53) перешла в процессе падения ядра в кинетическую 2 2 k V E m (0.54) 73 А в силу того, что в момент касания обрезиненной опоры удар нельзя рассматривать как упругий, ядро передает только часть импульса, пропорци- ональную массе подвижной части опоры и продолжает движение вместе с опорой. В этом случае мы измеряем количество движения, или импульс мас- сы ядра. Таким показателем является амплитуда ускорения в момент касания ядром опоры, так как энергия пропорциональна линейно массе и квадрату скорости; - реакция пружин при сжатии движущейся опоры вместе с ядром до полной остановки. В этот момент статическое усилие на опору будет макси- мальным. Основным параметром удара выступает время от момента касания ядром опоры до момента достижения отрицательного пика ускорения, когда опора достигла максимального сжатия пружин. Здесь основную роль начина- ет играть масса ядра. Отношение амплитуды ускорения ко времени опреде- ляет, в большей степени за счет какого из физических параметров был вы- полнен удар – скорости, или массы. Этот аспект наиболее важен для опреде- ления кондиции атлета на всех этапах его годичной подготовки. Ниже пред- ставлена представлена схема измерительной системы, диагностирующей па- раметры ударов в единоборствах (Рис.3.7): Рис. 3.7. – схема измерительной системы диагностики параметров ударов 74 3.3. Расчет инструментальной погрешности измерений кардиопотенци- ала при использовании различных вариантов измерительной аппаратуры Для проведения сравнительного анализа было использовано два вариан- та снятия кардиопотенциала: 3.3.1 кардиоусилитель снимал кардиопотенциал с установленных трех электродов на груди в области V1, V2 и V5, а затем усиливал сигнал и инди- цировал на двухканальном осциллографе Agilent. 3.3.2 был использован измерительный пояс Sigma Sport, который раз- мещался на грудив непосредственной близости от кардиоусилителя (Рис.3.8). При сердечном сокращении в момент формирования зубца R пояс генериро- вал электромагнитные импульсы с частотой заполнения 5кГц. Этот сигнал выделялся резонансным фильтром и передавался на второй канал осцилло- графа. Рис. 3.8. – схема измерительной системы диагностики параметров ударов Синхронность работы кардиоусилителя и измерительного пояса удалось определить при использовании в осциллографе режима триггера при различ- ных временных развертках (Рис.3.9 -3.10). Максимальное значение расхождения формирования зубца R составило 8mS при средней длительности кардиоинтервала в рамках данного экспери- мента 850mS, что составило ошибку измерения менее 1% [72, 93]. 75 Рис. 3.9. – Сравнение кардиосигналов, полученных синхронно от разных измерительных аппаратов на развертке 20mS 3.4. Выводы Для получения объективных результатов научных исследований и по- следующего их использования для создания медикобиологических диагно- стических систем было выполнено экспериментальное определение значений погрешностей измерений в рамках используемых методов и описаны мето- дики калибровки, что необходимо для определения граничных параметров измеряемых признаков (пределы расстояний, скоростей, амплитуд, % интен- сивности от заданного максимума) и допустимой погрешности оценок: 3.4.1 Впервые были проведены физические исследования технических возмож-ностей используемой видеокамеры, которые подтвердили, что значе- ние погрешностей измерения скорости движущихся объектов в кадре и рас- стояний зависит от скорости съемки и составляет для скорости 1,2-1,8%, а для расстояний – 1,8-3,9%. А этого вполне достаточно (менее 5%) для вы- полнения кинематических исследований движений звеньев тела атлетов и спортивного снаряда. 3.4.2 Впервые разработана математическая модель и методика калиб- ровки создаваемого интерактивного тренажера для определения параметров ударов в единоборствах. 76 3.4.3 Для диагностики вариативности сердечного ритма в процессе фи- зической нагрузки установлен приемлемым вариант использования измери- тельного пояса для кардиомониторинга Sigma Sport, выпускаемый серийно, так как максимальное значение погрешности измерения зубца R в сравнении с прямым методом составило 8mS при средней длительности кардиоинтерва- ла в рамках данного эксперимента 850mS, что представляет максимальную ошибку измерения 0,94%, что существенно меньше 5%. 77 4 РАЗДЕЛ 4 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ АТЛЕТА И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПОРТСМЕНОВ Целью настоящего раздела является подтверждение методом кинемати- ческого и статистического анализа степени влияния каждого из перечислен- ных факторов, а именно скорости вылета, высоты и угла выпуска, а также уг- ла атаки на конечный результат попытки на примере метания копья, а также определить разброс этих показателей для последующих исследований кине- матических ограничений для предупреждения травмирования атлета. 4.1. Кинематические измерения, позволяющие определять двигательные факторы, влияющие на спортивный результат Главными составляющими метода кинематического анализа спортивных движений являются: 1. Процесс видеосъемки скоростной видеокамерой спортивного движе- ния в условиях, позволяющих максимально нивелировать угловые, времен- ные и экспозиционные погрешности. Видеосюжет предполагает подготовку сценария съемки требуемого спортивного движения под соответствующим ракурсом и с обязательно присутствующим в кадре репером для последую- щего сопоставления; 2. Предварительное редактирование отснятого видеофрагмента в графи- ческом видеоредакторе Kinovea с целью синхронизации видеокадров со встроенным таймером и сохранением интересующих фреймов с наложенны- ми на них пространственными и временными комментариями[69]; 3. Глубокое редактирование сохраненных закомментированных фреймов с интересующими исследователя изображениями фаз спортивных движений для размещения их в соответствующих слоях рабочего поля. 78 В дальнейшем созданные кинематические конструкции могут быть ин- сталированы в виде кинематических моделей в соответствии с исследуемой задачей. Ниже на рис. 4.1 приведена процедура создания кинематических моде- лей движений. Подгонка реперных точек под формат сетки измерения Нарезание скриншотов требуемых фаз движений в Kinovea Имплементация в соответ- ствующие слои CorelDraw Измерение траекторий в формате сетки Построение траектории между слоями Видеосъемка Рис. 4.1 – Последовательность проведения эксперимента для создания кинематической модели Методология создания данной кинематической модели (см. рис. 1.4) включала в себя три этапа: 4.1.1 Производилась видеосъемка скоростной камерой метаний атле- том копья. Для данных измерений выбрана скорость 80 кадров в секунду. За- тем выбирается видеозапись наиболее информативной попытки с характер- ными признаками движения, требующего пристального внимания и деталь- ного изучения. 4.1.2 Выбранная видезапись загружается в программный пакет Kinovea, в котором производится видеозахват требуемого для изучения ви- деофрейма. Затем выбираются наиболее информативные видеокадры спор- тивного движения, требующего внимания. На начальном кадре движения за- 79 пускается встроенный таймер в формате отсчета, соответствующем скорости видеосъемки. Одновременно с каждым кадром устанавливаются экранные метки местоположения требуемых звеньев тела атлета, а также спортивного снаряда. Так, по каждому видеокадру выполняется скриншот и сохраняется в виде растрового изображения в формате png или jpeg в выделенной для дан- ной попытки данного участника папке [34; 70; 122]. 4.1.3 Все эти видеокадры импортируются в программный пакет век- торного графического редактора типа CorelDRAW и размещаются в соответ- ствующих слоях рабочего поля с соответствующим именованием слоя по со- держащемуся в нем кадру. В самом верхнем слое на растровые изображения накладываются про- странственно ориентированные графические комментарии как в виде траек- торий, указателей, графических примитивов, так и углов, размеров, тексто- вых заметок и надписей подобно кальке. Рабочее поле программы позволяет получать пространственные коорди- наты каждой его точки. И, если выставить растровое изображение с разме- ром, соответствующим реальному, появляется возможность без труда выпол- нять измерения между любыми точками пространства в пределах рабочего поля. Крайне важно иметь в плоскости кадра объект с известными размерами в качестве репера. Чем точнее будет измерен репер, чем меньшие будут угло- вые погрешности и чем ближе к плоскости измеряемого объекта размещен репер, тем будет выше точность измерений. Так, для копьеметателей в качестве репера можно использовать их спор- тивный снаряд. Для женщин длина копья составляет 220 см, для мужчин – 260 см. Данные реперы находятся в плоскости рабочего кадра и присутству- ют в кадре всегда. Для прыгунов в длину таким репером может служить расстояние от планки отталкивания до края ямы, которое обычно составляет 300 см. Одна- 80 ко для большей достоверности целесообразно лично измерить данные репе- ры, чтобы исключить ненужные погрешности. Для корректной настройки рабочего поля достаточно в активном слое разместить линию с длиной, соответствующей длине репера и развернуть ее вдоль репера. Затем растянуть растровое изображение так, чтобы репер сов- пал по изображению с линией верхнего слоя. Все размеры в рабочей плоско- сти кадра автоматически будут подогнаны под реальный размер, с которым можно работать. Важно помнить, что при измерении скорости вылета спортивного снаря- да при недостаточной освещенности объекта съемки возникает размытие изображения его профиля. При этом для минимизации погрешности измерений целесообразно взять как можно больше межкадровых расстояний, на сколько позволит фор- мат кадра. В этом случае погрешность будет уменьшена пропорционально количе- ству межкадровых промежутков (см. рис. 4.2). В данном примере применения метода пропорциональности в кинемати- ческих измерениях для определения расстояния перемещения копья в плос- кости кадра используется пять межкадровых промежутков с учетом размера репера Таким образом, последовательно включая слои, начиная с нижнего, по- лучаем возможность наносить в активном верхнем слое любые метки для по- строения траекторий (рис. 4.2 – рис. 4.6). При этом обеспечивается достаточ- ная точность угловых и линейных измерений для глубоких кинематических исследований в спорте [30; 119]. На рис. 4.2 приведены примеры технических решений получения ин- формации о пространственно-временных параметрах отдельных звеньев тела спортсмена в привязке к временным интервалам покадровой съемки в рамках использования кинематического метода. 81 Далее (см. рис. 1.2) приведены сравнительные кинематические характе- ристики финальных движений при метании копья двух участников Чемпио- ната Украины по легкой атлетике в 2012 году. Рис. 4.2 – Определение расстояния перемещения копья Рис. 4.3 – Кинематическая модель распределения векторов скорости в отдельных звеньях тела копьеметателя в финальной фазе разгона 82 а б Рис. 4.4 – Кинематическая модель траектории движения в отдельных звеньях тела участников ЧУ по легкой атлетике 2012 года в финальной фазе разбега: а – рядовой участник соревнования; б – победитель ЧУ Рассмотрим пример (рис. 4.5) вычисления кинематических параметров финальной фазы разбега копьеметателей в финальных попытках и сравнение результатов с расчетными данными, представленными в таблице 4.1. Вычисления выполняются с использованием метода пропорционально- сти посредством сравнения графических и физических размеров репера – в данном случае копья, и, умножая полученный коэффициент на графический размер расстояния между интересующими точками, вычисляем физическое расстояние между этими точками (таблица 4.1). Заносим данные кинематических вычислений в 1, 3, 5, 7 и 8 ячейки. Из 4 и 9 ячеек получаем высоту выпуска и скорость вылета копья. Результаты протокола соревнований и полученные результаты кинема- тических вычислений заносятся в таблицу персональных данных тестирова- ния участников соревнований (см. таблицу 4.2). 83 Таблица 4.1 Вычисление коэффициента пересчета и реальных расстояний Длина копья Высота выпуска Пролет копья Длитель- ность межкад- ровых проме- жутков, мс Количе- ство межкад- ровых проме- жутков, шт. Скорость вылета, м/с Размер в чертеже, мм Реаль- ный раз- мер, мм Размер в чертеже, мм Реаль- ный раз- мер, мм Размер в чертеже, мм Реаль- ный раз- мер, мм 88,9 2600 61,7 1804 38,0 1111,4 12,5 3 29,64 Рис. 4.5 – Пример расчета углов вылета копья и пройденных расстояний отдельных звеньев тела в межкадровые промежутки в программе векторной графики 84 а б в г Рис. 4.6 – Параметры финальной фазы разбега копьеметателей а – Деревянко, 1 попытка; б – Деревянко, 2 попытка; в – Деревянко, 3 попытка; г – Деревянко, 4 попытка 85 Таблица 4.2 Персональные данные тестирования участников соревнований Результат 1-я попытка 2-я попытка 3-я попытка 4-я попытка 5-я попытка 6-я попытка А. Пятница Скорость, м/с 29,2 28,58 29,36 29,29 29,25 × Угол вылета 31,5 36,2 33,1 35,3 35,6 × Угол атаки 7 3 7,2 5,6 5,8 × Высота, мм 1875 1785 1826 1840 1804 × Результат, м 83,03 82,91 79,67 84,58 84,87 × И. Деревянко Скорость, м/с 25,9 25,76 25,23 × 25,61 26,64 Угол вылета 39,6 40,3 41,4 × 36,1 40,7 Угол атаки 1,7 6 1,2 × 5,4 13,6 Высота, мм 2114 1970 2057 × 2062 2021 Результат, м 68,4 70,61 68,96 × 62,25 69,05 Ю. Кушнирук Скорость, м/с 27,81 26,36 26,54 26,64 27,25 27,42 Угол вылета 33,5 35,1 37 35,2 35,2 37,6 Угол атаки 14 5,8 7,4 6,9 7,1 6,9 Высота, мм 1935 18,97 1992 1905 1861 1840 Результат 68,29 70,61 68,45 68,67 74,88 75,05 А. Ничипорук Скорость, м/с 26,64 26,55 27,97 28,5 27,34 24,4 Угол вылета 35 33,4 36 34,1 35,5 39,5 Угол атаки 8,2 3,5 6,9 5,4 7 0,6 Высота, мм 1951 1970 1949 1986 2007 1840 Результат, м 69,79 71,1 78 77,63 75,45 73,16 Д. Федусов Скорость, м/с 23,68 24,41 23,76 24,7 23,98 25,98 Угол вылета 38,5 37,8 39,9 42,3 37,2 40,4 Угол атаки 8,1 9,8 7,6 6,8 12 7,2 Высота, мм 1994 2061 2085 2239 2107 2148 Результат, м 55,75 59,95 56,5 57,99 56,97 61,52 Р. Авраменко Скорость, м/с × 27,83 × × × × Угол вылета × 35,3 × × × × Угол атаки × 1,3 × × × × Высота, мм × 1827 × × × × Результат, м × 81,87 × × × × 86 Выполняем статистический расчет влияния основных физических фак- торов финальной фазы броска на результат попытки и строим математиче- скую модель. 4.2. Статистический анализ влияния основных физических факторов 4.2.1 Предварительный статистический анализ. Таблица 4.3 Экспериментальные факторы Скорость V(м/с) х1 Угол вылета αv (град) х2 Угол атаки αa (град) х3 Высота выпуска H(м) х4 Дальность S(м) у 29.2 31.5 7 1.88 83.03 28.58 36.2 3 1.79 82.91 29.36 33.1 7.2 1.83 79.67 29.29 35.3 5.6 1.84 84.58 29.25 35.6 5.8 1.8 84.87 25.9 39.6 1.7 2.11 68.4 25.76 40.3 6 1.97 70.61 25.23 41.4 1.2 2.06 68.96 25.61 36.1 5.4 2.06 62.25 26.64 40.7 13.6 2.02 69.05 27.81 33.5 14 1.94 68.29 26.36 35.1 5.8 1.9 70.61 26.54 37 7.4 2 68.45 26.64 35.2 6.9 1.91 68.67 27.25 35.2 7.1 1.86 74.88 27.42 37.6 6.9 1.84 75.05 26.64 35 8.2 1.95 69.79 26.55 33.4 3.5 1.97 71.1 27.97 36 6.9 1.95 78 28.5 34.1 5.4 1.99 77.63 27.34 35.5 7 2.01 75.45 24.4 39.5 0.6 1.84 73.16 23.68 38.5 8.1 1.99 55.75 24.41 37.8 9.8 2.06 59.95 23.76 39.9 7.6 2.09 56.5 24.7 42.3 6.8 2.24 57.99 23.98 37.2 12 2.11 56.97 25.98 40.3 7.2 2.15 61.52 27.83 35.3 1.3 1.83 81.87 На графиках, приведенных на рис. 4.7 – рис. 4.10, представлены зависи- мости результирующей переменной S – дальность полета копья от определя- 87 ющих факторов – начальной скорости вылета v, угла вылета αv, угла атаки α и высоты выпуска Н. Экспериментальные значения представлены точками. Рис. 4.7 – Зависимость дальности полета от скорости вылета S(v) Рис. 4.8 – Зависимость дальности полета от угла вылета S(αv) В первом приближении можно допустить, что парные зависимости ре- зультирующей переменной от каждого из факторов – линейные[30]. 88 Рис. 4.9 – Зависимость дальности полета от угла атаки S(αa) Рис. 4.10 – Зависимость дальности полета от высоты выпуска S(H) Степень линейной зависимости факторов характеризуется корреляцион- ной матрицей переменных [99; 119]. На основании матрицы исходных данных – (в дальнейшем матрица X, (таблица 1)) размерности (п×k, n=29, k=5), где хij. – значение j-го показателя у i-го наблюдения вычисляется матрица Z центрированных нормированных значений с элементами: 89 ij j ji j x x z s   (0.55)   2 1 1 1 1 1 n n j i j ij j i i x x s x x n n        (0.56) 11 1 21 2 2 1 ij k j k n nj nk x x x x x x X x x x             (0.57) где 1 2, ,..., kx x x – средние значения показателей (столбцов); sk – выборочные дисперсии столбцов. Рассчитывается матрица парных коэффициентов корреляции: 1 1 TR Z Z n     (0.58) Таблица 4.4 Матрица парных коэффициентов корреляции Параметр V αv αa H S V 1 -0.684 -0.066 -0.67 0.897 αv -0.684 1 -0.079 0.602 -0.564 αa -0.066 -0.079 1 0.233 -0.364 H -0.67 0.602 0.233 1 -0.806 S 0.897 -0.564 -0.364 -0.806 1 Наиболее сильная прямо пропорциональная зависимость наблюдается между дальностью полета и скоростью вылета копья (0,897), углом вылета и высотой (0,602). Скорость вылета и высота, скорость вылета и угол вылета связаны зависимостями, близкими к обратно пропорциональной. В свою оче- 90 редь, связи между скоростью и углом атаки, углом атаки и углом вылета практически отсутствуют. Исходя из парных зависимостей рис. 4.7 – рис. 4.10, математическую модель данных следует строить в классе линейных моделей множественной регрессии [25; 30; 96]. 2. В силу высокой корреляции между факторами (V- αv), (V-H), (H- αv), возможно явление мультиколлинеарности факторов. Явление мультикол- линеарности означает наличие квазилинейной связи между факторами - столбцами матрицы эксперимента. Необходима статистическая проверка возможности мультиколлинеарности. 4.2.2 Тестирование мультиколлинеарности Вычисляется наблюдаемое значение критерия 2 : 2 1 1 (2 5) ln 6 n n p R           (0.59) где n=29; p=4; ln R – логарифм определителя матрицы корреляций. По таблице критических точек 2 определить 2 1 ( , ( 1)) 2 kr n n   . Если 2 2 n kr  , то в массиве Х может существовать мультиколлинеарность[25; 95]. Уровень значимости принят α=0,05. Результаты расчетов: 2 105.1n   2 1(0.05, 29(29 1)) 79,1 2 kr   (0.60) Из (0.59) – (0.60) видно, что матрица экспериментальных данных муль- тиколлинеарна, регрессионная модель должна строиться с учетом этого яв- ления. 91 4.2.3 Построение модели данных на основе линейной модели множе- ственной регрессии. 4.2.2.1 Постановка задачи: Построить линейную зависимость (модель) дальности полета копья от экспериментальных факторов и оценить параметры модели: 0 1 2 3 4 2 , ( 1,2, 29) ( ) 0; , ( ) 0, 1 , 29; 4 i i vi ai i i i i j S V H i M i j M i j rgX p n n p                                   (0.61) где ( )ix - неслучайные переменные, расположенные в массиве данных, пред- ставленных в таблице 1.1: (1) (4) 1 1 (1) (4) 2 2 (1) (4) 1 1 1 n n V H V H X V H             (0.62) где X – матрица размерности ( 1)n p  ; i – регрессионный остаток, вводится для учета стохастичности зависи- мости;  1 2, , , Т nS s s s – матрица зависимой переменной – дальности полета копья; М – символ математического ожидания. Оценка коэффициентов регрессии получается методом наименьших квадратов[99]: 1ˆ ( )T TX X X S     . (0.63) 92 4.2.3.1 Алгоритм построения регрессионной модели с учетом мульти- коллинеарности данных. Используемый алгоритм предполагает последовательное наращивание в модели зависимых переменных таким образом, чтобы точность модели при этом возрастала [25; 28; 99]. Порядок построения модели следующий. 1. Строим парные регрессии: ( )0 1 i j jy x   где i – номер столбца матрицы Х. Для каждой парной регрессии вычисляем коэффициент детерминации: 2 2 2 ˆ ˆ 1 y S R S   (0.64) где   22 1 1 1 n y i i S y y n      , 1 1 n i i y y n    . 2. Отбираем ту переменную ( )iX , для которой он наибольший. 3. Строим уравнения регрессий для ( )iX и каждой оставшейся перемен- ных: ( ) ( )0 1 2 i k j j jy x x     , (0.65) где 1, ,k p k j  . Для каждой парной регрессии вычисляем коэффициент детерминации Отбираем ту переменную ( )iX для которой он наибольший: 2 2 2 ˆ ˆ 1 y S R S   , (0.66) 93 где   22 1 1 1 n y i i S y y n      ; 1 1 n i i y y n    . Если коэффициент детерминации продолжает расти, то продолжаем строить уравнения регрессий с новыми переменными; если нет, то оставляем то количество переменных, которое достигнуто. В полученном уравнении регрессии проводим оценку адекватности 4.2.3.2 Результаты расчетов. Парные регрессии. Коэффициент детерминации R2, показывающий, какая часть изменения у объясняется изменчивостью переменных [99; 119; 129]: 2 2 2 ˆ ˆ 1 y SN R N p S          (0.67) Стандартная ошибка уравнения регрессии: 2ˆ ˆS S  , где 2Sˆ – точечная оценка дисперсии регрессионных остатков, характеризующая разброс случайной составляющей уравнения [99; 118; 119]: ˆˆ ;Y X   (0.68) Где 2 1ˆ ˆ ˆ;TS n p      n – количество попыток (27); p – количество измеряемых параметров (4);  – регрессионный остаток, вводится для учета стохастичности зависимости. 94 Таблица 4.5 Виды регресии Вид регресии Вид зависимости Численные значе- ния коэффициен- тов регресии Коэффициент де- терминации и дис- персия остатков Связь 1 ( ) 0 1 i j jS v   40.78 4.53    R2=0.805 2 14.93S  Наиболее сильная связь между дально- стью и скоро- стью 2 ( ) 0 1 i j v jS     136.7 1.78    R2=0.318 2 52.093S  3 ( ) 0 1 i j a jS     77.2 0.97    R2=0.133 2 66.242S  4 ( ) 0 1 i j jS H   190.6 60.9.78    R2=0.650 2 26.747S  Таблица 4.6 Регрессии с двумя переменными: Вид регресии Вид зависимости Коэффициент детермина- ции и дисперсия остатков Связь 1 ( ) ( ) 0 1 2 i i j j vS v       R2=0.802 2 15.119S  2 ( ) ( ) 0 1 2 i i j j aS v       R2=0.894 2 8.099S  Наиболее сильная связь 3 ( ) ( ) 0 1 2 i i j jS v Н      R2=0.877 2 9.429S  Таблица 4.7 Регрессии с тремя переменными: Вид регресии Вид зависимости Коэффициент де- терминации и дис- персия остатков Связь 1 ( ) ( ) ( ) 0 1 2 3 i i i j j а vS v           R2=0.890 2 8.039S  2 ( ) ( ) ( ) 0 1 2 3 i i i j j a jS v H          R2=0.895 2 8.028S  Наиболее сильная связь 95 Регрессия со всеми переменными: ( ) ( ) ( ) ( )0 1 2 3 4 i i ш i j j aj vj jS v H            (0.69) или с учетом вычислений: ( ) ( ) ( ) ( )27.684 3.788 0.406 24.76 i i ш i j j aj vj jS v H        (0.70) Наибольшая величина коэффициента корреляции соответствует полной регрессии. Изменчивость результирующей переменной описывается регрес- сионной зависимостью на 94,1%. Данное уравнение с численными значениями коэффициентов имеет вид: Sтеор=7.684+3.788V+0.406αa-0.612αv-24.764H (0.71) 4.2.3.3 Оценка адекватности модели на уровне значимости α=0.05 1. Проверка значимости коэффициента детерминации [99; 119]. Проверяется статистическая гипотеза: 20 ˆ: 0H R  . Принятие этой гипотезы означает, что изменчивость Y не связана (не объясняется) с уравнением регрессии и фактически означает, что 0 1 2 ˆ ˆ ˆ ˆ 0p        Альтернативная гипотеза: 21 ˆ: 0H R  , т.е. хотя бы один из коэффициен- тов ˆ 0i  . Для проверки используется критерий Фишера. Статистика для проверки: 2 exp 2 ˆ ˆ1 R n p F pR     (0.72) Результаты расчетов: Fexp=8.64 Fкр=5,94, следовательно, гипотеза 2 0 ˆ: 0H R  отклоняется. 96 Критическое значение критерия определяется из таблиц 1.1 – 4.7: ( , , )krF F n p p  (принято α=0,05). Если expkrF F , то нулевая гипотеза отклоняется. Результаты расчетов: Fexp=8.64 Fкр=5,94 следовательно, гипотеза 2 0 ˆ: 0H R  отклоняется. 2. Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии ˆi Проверяются статистические гипотезы: 0 1 ˆ ˆ: 0; : 0, 1,4i iH H i    . Используется t-критерий Стьюдента[99; 119]. Наблюдаемые статистики рассчитываются для каждого коэффициента:   1 exp 2 ˆ ; ˆ T i i ii C X X t S c      (0.73) где iic – диагональные элементы матрицы С. Критические значения ( , ) 2 krt t n p    берутся из таблиц квантилей рас- пределения Стьюдента. Если exp krt t то нулевая гипотеза отклоняется. Результаты расчетов показывают, что – все коэффициенты значимы. : exp 2.553 4.484 2..056 11.073 5.301 krt t   3. Определяются дисперсии коэффициентов регрессии и доверительные интервалы [25; 30; 99; 119]: Дисперсии коэффициентов: 2 2ˆ ˆi iiS S c   : Доверительные интервалы: 2 2ˆ ˆˆ ˆ i i i i it S t S           (0.74) 97 где ( , 1) 2 t t n p     . Результаты расчетов: Дисперсии коэффициентов: 2 288.1 25.59ˆ 0.109 0.018 iS             (0.75) Доверительные интервалы: 0 1 2 3 24.046 25.12 26.195 21.94 21.62 21.3 3.457 3.478 3.499 0.685 0.676 0.668                       (0.76) 5. Гистограмма распределения регрессионных остатков Гистограмма регрессионных остатков ε=yэксп-yтеор приведена на рис. 4.11. 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 2 4 6 8 10 hl in tl Рис. 4.11 – Гистограмма распределения ε 4.2.4 Прогнозирование по регрессионной зависимости. 98 Прогнозное значение результирующей переменной при увеличении за- висимых переменных на один шаг может быть найдено по формуле[119]: ˆпрогноз расчS S h  , (0.77) где 2 1 2 , 1 2 h t n p S n            ; t – квантиль распределения Стьюдента. 4.3. Выводы: 4.3.1 Разработан метод кинематического анализа, который является техническим решением получения информации о пространственно- временных параметрах отдельных звеньев тела спортсмена при метаниях в привязке к временным интервалам покадровой съемки. Данный метод эф- фективно использован для определения граничных параметров скоростей и амплитуд в отдельных звеньях тела атлета, что позволяет определить опти- мальные соотношения взаимодействия между ними и ньюансы техники ме- тания атлета в соответствии с его антропометрическими особенностями; 4.3.2 На основании полученых результатов кинематических вычисле- ний определено влияние основных физических факторов финальной фазы броска на результат попытки. 4.3.3 По результатам проведенного статистического анализа был вы- бран физический фактор с доминирующим влиянием на конечный результат попытки – это скорость вылета спортивного снаряда – коэффициент корре- ляции R=0,897, коэффициент детерминации R2=0,805. 4.3.4 В процессе выполнения тренировочных метаний в сетку атлетом спортивного снаряда в закрытом помещении измерение скорости вылета с помощью диагностического измерительного комплекса будет достаточным, чтобы с высокой степенью достоверности расчитать дальность каждой по- пытки. 99 Результаты статистического анализа подтвердили предоложение, что скорость вылета копья имеет максимальный коэф корреляции с конечным ре- зультатом. Этот параметр выбран для измерения с целью вычисления расчет- ной дальности броска при проектировании диагностического интерактивного тренеажера. 100 5 РАЗДЕЛ 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПОРТСМЕНОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В разделе приведены результаты разработки диагностической аппарату- ры для определения медико-биологических параметров спортсменов. Для подтверждения эффективности разработанной аппаратуры в данном разделе представлены результаты ее экспериментальных исследований. При разра- ботке данной аппаратуры [32; 57; 58; 122; 126] были учтены все основные принципы ее реализации. Для обеспечения технических показателей, удовле- творяющих требованиям ведущих профильных спортивных организаций бы- ли реализованы: метод физико-математического моделирования биомехани- ческих систем (см. раздел 2)[126], метод видеоанализа спортивных движений с использованием принципа пропорциональности при кинематических изме- рениях движений (см. раздел 2)[57], метод акселерометрического и кардио- мониторинга в движении спортсмена[32], метод психодиагностики для изме- рения показателей реактивности психики атлета на прямой и периферийный внешний раздражитель[10], метод статистического анализа при выборе пока- зателя движения, максимально коррелируемого с конечным результатом ат- лета (см. раздел 4)[118]. 5.1. Технические характеристики создаваемой диагностической аппара- туры. 5.1.1 Интерактивный медико-биологический диагностический ком- плекс для организации контроля и учета расчетной дальности и интенсивно- сти приложенных усилий в метании копья. Был проведен поиск и анализ способов измерения и алгоритмов преоб- разования полученной информации в эргономически приемлемый для поль- зователя вид. Выбрано два варианта наиболее реальных с точки зрения тех- 101 нической реализации способа измерения начальной скорости вылета снаряда – аналога копья: 1 вариант – измерение частоты акустической реакции при скольжении снаряда по тросу с постоянным шагом навивки; 2 вариант – измерение Допплеровского смещения частоты ультразвуко- вого излучателя, закрепленного на кисти спортсмена, при метании. Для 1 варианта принцип работы измерительной системы построен на измерении частоты акустической реакции при движении спортивного снаря- да вдоль поверхности троса при имитации метания копья (рис. 5.1). Рис. 5.1 – Проведение экспериментов при работе с симулятором копья В связи с этим частота колебаний будет прямо пропорциональна скоро- сти движения снаряда, а скорость будет вычисляться как: ,V f n  (0.78) где n – заводской шаг навивки троса, который в данном случае равен 6,6 мм; f – значение частоты в Гц; V – скорость снаряда в м/с. 102 Поверхность троса имеет заводскую навивку с фиксированным шагом, которая выступает в роли источника акустических колебаний при скольже- нии опорных втулок трубки во время метания (рис. 5.2). Рис. 5.2 – Осциллограмма акустической несущей, создаваемой снарядом при движении вдоль троса Начиная с некоторого уровня частоты включается непрерывный процесс измерения частоты, вплоть до момента её снижения. Система фиксирует мак- симальное значение частоты и производит дальнейшие вычисления согласно представленному алгоритму на рис. 5.3[57]. Так, при измеренной максимальной частоте при выпускании симулятора копья на уровне 4470 Гц по формуле получаем величину начальной скорости вылета копья V0=44700,0066=29,5 м/с, что при сравнении с базой данных бу- дет соответствовать результату около 84 м. 2 вариант – процесс измерения Доплеровского смещения частоты осно- ван на приеме частоты от ультразвукового излучателя, закрепленного на ки- сти спортсмена, при метании (рис. 5.4) [5]. Приемник размещается перед спортсменом или сзади него на удалении 2÷4 метра от линии метаний на штативе таким образом, чтобы находиться в зоне облучения ультразвукового излучателя в период выполнения броска. Диаграмма УЗ-излучения составляет около 160. 103 начало fскольжения f0 fпор f – текущее значение акустической несущей частоты; f0 — пороговое значение зоны нечувствительности; Запись- хранение |∆f| > |fпор.| останов Индикация |V| > |Vпор.| Индикация V Нет Да Смеситель ∆f=fпор.-f0 Преобразова ние частота- скорость |V| > |Vпор.| Vпор. Индикация |V| > |Vпор.| Вывод на ПК Рис. 5.3 – Схема алгоритма функционирования системы измерения скорости вылета симулятора копья при его метании на тросе 104 а б Рис. 5.4 – Ультразвуковой излучатель, размещается на внешней стороне кисти метателя: а – структурная схема; б – внешний вид Заблаговременно перед началом измерений испытуемый устанавливает через клавиатуру значение максимального результата для вычисления уровня интенсивности, включает закрепленный на кисти излучатель и нажимает кнопку калибровки. В течение 3-х секунд производится измерение несущей частоты излучателя при нулевой скорости снаряда, после чего система готова выполнять измерения. Светящийся светодиод на передней панели приемника свидетельствует о присутствии в пространстве спортивного сектора УЗ- излучения несущей частоты от передатчика (рис. 5.5 а, б). Приемный блок, структурная схема которого представлена на рис. 5.5, а, является автоном- ным, поэтому особое внимание уделено функции электропитания системы. В качестве элементов электропитания используются LiPo аккумуляторные ба- тареи как наиболее энергоемкие в пересчете запасаемой энергии на кило- грамм веса. Специализированный контроллер обеспечивает оптимальный режим зарядки батареи как от компактных блоков зарядных устройств к мо- бильным телефонам, так и через USB-порт компьютера, и своевременное ее отключение при полном заряде. Для функционирования системы формирует- ся два источника напряжений – 3,3 В для процессорного блока и 5 В для си- стемы индикации. В блоке излучения с целью обеспечения сигнала достаточ- 105 ной мощности напряжение батареи (3,7÷4,2 В) преобразуется в 15 В, что обеспечивает электропитание мостового усилителя и достаточную амплитуду излучателя для уверенного приема УЗ излучения в пределах до 10 м. а б Рис. 5.5 – Акустический приемник, расположенный на корпусе блока индикации измерительной системы параметров метания копья: а – структурная схема приемного блока; б – внешний вид блока Измерения начинаются при превышении пороговой скорости снаряда и далее выполняются вычисления скорости вплоть до ее снижения в соответ- ствии с приведенным алгоритмом (рис. 5.6). Система зафиксирует максимальное значение сдвига частоты излучения и, пересчитав полученные данные в скорость, выведет на индикационную панель значения о расчетной дальности броска, % от максимального введен- ного результата и количество выполненных попыток. На нижнем индикаторе отображается информация о количестве выпол- ненных попыток за тренировку. Вся эта информация записывается в буфер системы и по окончании тренировки может быть доступна через USB-порт на компьютере в виде файла в формате CSV. В последующем данные файлы мо- 106 гут быть открыты в табличном процессоре или специализированной про- грамме для последующей обработки, пополнения базы данных и построения сравнительных графиков различных попыток. Блок-схема интерактивного тренажера для измерения параметров метания копья представлена в Прило- жении А Рис. А.10. На рис. 5.6 приведена схема алгоритма измерения скорости вылета сна- ряда на основе Допплеровского смещения частоты. На схеме алгоритма (рис. 5.6), где f0=40 кГц – частота УЗ-излучателя; f – принимаемое текущее значение частоты с учетом Доплеровского смещения при метании; fпор. – уровень частоты, при превышении которого выполняются измерения; │∆fn│– абсолютное максимальное значение частоты; │∆fn+1│– следующий момент измерения, определяющий момент выпускания снаряда атлетом. Оба выбранных принципа измерения начальной скорости снаряда спортсмена в процессе исследования выявили как явные преимущества, так и недостатки. Принцип измерения на тросе (см. рис. 5.1 – рис. 5.3) отличается новизной и относительной простотой реализации. Он относится к прямым методам измерения, т.е. никакие другие факторы кроме скорости движения снаряда на частоту акустических колебаний вследствие механического воз- действия на трос не влияют, при условии, что навивка троса имеет постоян- ный шаг. Главное его преимущество – это отсутствие каких-либо устройств, требующих их установки на спортсмене. Достаточно лишь закрепить на не- рабочей стороне троса акустический приемник и расположить индикацион- ный блок. Однако наличие трущихся при скольжении поверхностей с меха- ническими приспособлениями, функция которых усиление акустической ре- акции ("трещётка"), со временем в силу высокой степени износа существенно снижает эффективность данной реакции. А зашумленность спортивной аре- ны затрудняет выделение полезного сигнала, что приводит к низкой надеж- ности такой системы и требует регулярного обслуживания. К тому же данная измерительная система является стационарной и не позволяет ее использова- ние за пределами помещения, где она может быть установлена[122]. 107 начало fскольжения f – текущее значение акустической несущей частоты; f0 — пороговое значение зоны нечувствительности; Преобраз ? определение максималь- ной дальности fn+1 > fn останов Индикация расчетной дальности Сравнение? Индикация % от максимума Индикация количества попыток Нет Смеситель ∆f=fпор.-f0 Рис. 5.6 – Схема алгоритма функционирования системы измерения скорости вылета снаряда 108 Принцип измерения Доплеровского смещения частоты (см. рис. 5.4 – рис. 5.6) является более универсальным. И, хотя главным недостатком явля- ется наличие УЗ-излучателя на рабочей кисти спортсмена, данный принцип имеет и существенные преимущества. Во-первых, такая система полностью автономна. Ее можно использовать как на симуляторе копья с тросом, так и с обычным копьем, как в помещении при метании в сетку, так и на стадионе, что облегчает калибровку. Во-вторых, система помехоустойчива. Несущая частота принимается в диапазоне 37÷43 кГц, где источники помех крайне редки, а на стадионах и в спортивных залах и вовсе отсутствуют. Да и наличие компактного излучате- ля на внешней поверхности кисти атлета весом 2÷3% от общего веса копья в тренировочном периоде является не таким существенным недостатком, что- бы отказаться от его применения [5; 128]. На базе представленного в работе интерактивного медико- биологического диагностического комплекса впервые разработана уникаль- ная методика контроля и учета интенсивности приложенных усилий копье- метателей в осенне-зимний период подготовки, что позволяет исключить си- туацию перетренированности и, в конечном счете, избежать спортивных травм. 5.1.2 Интерактивный медико-биологический диагностический ком- плекс для организации контроля скорости разбега атлета в прыжках в длину Данный тренажер предназначен для непрерывного измерения скорости разбега и отталкивания атлетом в прыжках в длину (см. рис. 5.7), а также для оперативного визуального сигнализирования момента выхода спортсмена за пределы заданного режима разбега (недонабор скорости на контрольных участках – индикация в красной или зеленой зоне – рис. 5.8). Принцип функционирования тренажера основан на непрерывном изме- рении скорости на последних шагах разбега и при отталкивании посредством измерения Доплеровского смещения частоты ультразвуковой акустической несущей, принимаемой от излучателя (на поясе спортсмена) с последующим 109 измерением и индикацией на дисплее до 100 значений измеренной скорости за секунду, что является основным отличием принципа работы данной диа- гностической системы от прототипов, работающих в 3 см диапазоне частот электромагнитного излучения. Несмотря на то, что электромагнитные колебания позволяют выполнять измерения на больших удалениях (до горизонта), главным недостатком явля- ется невозможность непрерывного измерения скорости в силу колоссальной разницы между скоростью излучения в электромагнитной среде и движения атлета. Даже использование СВЧ-диапазона дает возможность измерения скорости с погрешностью в 1% с частотой измерения всего лишь 1 раз в се- кунду, не говоря уже о негативных санитарных аспектах влияния на орга- низмы окружающих излучения данного диапазона. Для акустической же среды со скоростью распространения колебаний 330÷340 м/сек даже для частоты излучения 40 кГц Допплеровское смещение за секунду составляет около 1300 Гц при скорости бега атлета около 10 м/с. Такой сдвиг частоты позволяет производить измерения с удовлетвори- тельной погрешностью не реже, чем 20÷100 раз/с что будет восприниматься спортсменом при его разбеге как непрерывный процесс измерения скорости и сигнализирования ее отклонений на световом дисплее. На рис. 5.7 представлена схема, по которой можно рассмотреть функци- онирование системы. Системный блок тренажера 3 непрерывно принимает на вход 1 от УЗ- приемника 2 текущее значение частоты и отображает график изменения скорости бега атлета (установленный на поясе атлета излучатель 1) на ЖК- индикаторе. По входу 2 принимаются опорные метки пересечения оптических створов 4 и индицируются на графике в виде реперов для привязки значения скорости к месту. После окончания попытки системный блок архивирует результат в памяти в CSV-формате для последующей возможности через USB-порт открыть эти файлы в табличном процессоре для обработки и анализа (см. рис. 5.8). 110 Рис. 5.7 – Схема функционирования интерактивного диагностического тренажера для организации контроля скорости разбега атлета в прыжках в длину Рис. 5.8 – График изменения скорости бега атлета с реперами событий 111 На рис.А.6 – рис.А.7 в Приложении А показана детализация общего графика с отметкой уровня скорости при пересечении репера 4. Индикационный блок, установленный за прыжковой ямой 5, при выпол- нении попытки непрерывно выводит световую информацию о скорости бега спортсмена и, сравнивая текущее значение с заданным пороговым, отражает ее в виде вертикального шлейфа из светящихся красных и зеленых светодио- дов на панели пиковой индикации. Как только световая индикация переходит в зеленую зону, спортсмен получает разрешение на выполнение прыжка, так как его скорость превысила необходимый уровень для выполнения качественной попытки. На рис. 5.9 приведена схема алгоритма преобразования принимаемой частоты от установленного на спортсмене УЗ-излучателя в скорость разбега для интерактивной диагностической системы. Представленный в работе диагностический медико-биологический ком- плекс используется НОК для подготовки спортсменов Сборной команды Украины по легкой атлетике с 2008 года для контроля функционального со- стояния атлетов в прыжках в длину в предсоревновательный период подго- товки. Новизна созданного комплекса состоит в том, что информация предо- ставляется спортсмену в интерактивном режиме при выполнении им задания. 5.2. Примеры технических реализаций методик на базе созданного диа- гностического оборудования, способы и области их применения Для решения существующих технических задач диагностики в области подготовки спортсменов при разработке оборудования были предложены следующие методы диагностики технических кондиций и функциональных состояний спортсменов: 5.2.1 Для создания электронно-оптической системы регистрации вре- мени пробегания спортсменами отрезков дистанции реализована идея созда- ния единого временного пространства для оптических и акустических дат- чиков, используемых в секторе, которая заключается в следующем. 112 начало fскольжения f – текущее значение акустической несущей частоты; f0 — пороговое значение зоны нечувствительности; f > f0 Преобраз ? определение максималь- ной дальности fn+1 > fn останов Индикация расчетной дальности Сравнение? Индикация % от максимума Индикация количества попыток Нет Рис. 5.9 – Схема алгоритма преобразования принимаемой частоты установленного на спортсмене УЗ-излучателя в скорость при разбеге 113 Системный таймер и периферийные устройства включают в свой состав радиочастотные трансиверы, имеющие сетевую адресацию и способные об- мениваться информационными пакетами. Предварительно засинхронизиро- вав время от системного таймера, датчики записывают время события и пе- редают в сеть. Такой принцип позволяет при беспроводной передаче данных минимизировать влияние помех благодаря процедуре проверки с многократ- ной повторной передачей информпакетов и максимально снижают вероят- ность потери полезного сигнала. При этом наличие информации о времени пересечения и адресе датчика исключает искажение результата даже при некоторой задержке его передачи. На рис. 5.10 представлена схема работы системы регистрации времени пробегания отрезков дистанции и принцип организации единого временного пространства для оптических и акустических датчиков. Принцип ее работы заключается в том, что незадолго до старта по команде от центрального хро- нометра 1 выполняется синхронизация времени внутренних таймеров всех удаленных устройств системы. При подаче стартового сигнала внутренний контроллер анализирует акустический спектр сигнала, принятого датчиком старта 2. Рис. 5.10 – Cхема работы системы регистрации времени 114 Если спектр сигнала соответствует спектру выстрела стартового писто- лета, а не голосу, свистку или иному постороннему источнику звука, то на центральный хронометр 1 по кабелю или радиоканалу поступает не метка для записи времени (такой вариант используется в существующих системах), а кодированный пакет с информацией о времени начала стартового сигнала с адресом датчика-отправителя. Аналогично, при пересечении створа выпол- няется анализ, реальный сигнал, или артефакт 3. Время выполнения процеду- ры анализа никак не влияет на погрешности измерения, так как начало каж- дого сигнала привязано к реальному времени его появления и сигнал пересе- чения будет передан лишь после проверки и подтверждения его достоверно- сти. Подобно датчику стартового сигнала, каждый оптический створ переда- ет свой адрес, что позволяет распределять принимаемые временные метки по столбцам в соответствии с адресом этой метки. К примеру, при подготовке эстафетных команд 4×100 м важную роль играет отбор наиболее быстрой связки из двух атлетов, передающего и принимающего эстафетную палочку. С этой целью расставляются оптические створы в начале и конце каждого из трех "коридоров" 4, в которых выполняется передача. Длина коридора – 20 м. Так, предварительно дается команда разрешения приема сигналов от старто- вого датчика и затем последовательно для каждого створа, что исключает со- бытия непредвиденного пересечения створов случайно пробегающим атле- том. После старта атлет первого этапа, подбегая ко второму, пересекает пер- вый луч первого коридора, догоняет заранее стартовавшего атлета второго этапа и до пересечения луча в месте окончания первого коридора передает палочку. Естественно, второй створ зафиксирует время как атлета с эстафет- ной палочкой, так и следом добегающего атлета первого этапа. Аналогично пересекаются лучи коридоров третьего и четвертого этапов. Понятно, что даже при полном отсутствии артефактов от пересечения палочкой или рука- ми, сложно будет разобраться, кому какой результат соответствует. А ведь таких попыток за тренировку выполняется достаточно много. Каждый опти- ческий створ имеет персональный адрес в системе и возможность предвари- 115 тельного конфигурирования его работы. Поэтому из процесса передачи паке- тов меток времени пересечений будут исключены не только артефакты, свя- занные с пересечением луча рукой, но и сигнал пересечения от второго участника, передавшего эстафету. Адресация сигналов каждого оптического створа позволяет распределить результаты между этапами как с общим вре- менем от момента старта, так и чистым временем прохождения каждого эта- па. После окончания попытки отключается прием сигналов от датчиков и по- сле просмотра тренером результатов попытки выполняется процедура сохра- нения файла в память системного таймера с именем в виде времени выпол- нения попытки. Для фиксации временных параметров следующей попытки процедура повторяется. По окончании тренировки системный таймер под- ключается к компьютеру через USB-порт. Программа Проводник ПК пред- ставит системный таймер на мониторе подобно флэш-памяти с сохраненны- ми файлами. Пользователь имеет возможность их сохранить на компьютере. Данные файлы имеют расширение в формате CSV, что позволяет их про- сматривать в программе для обработки электронных таблиц и при необходи- мости на их основе строить графики. В приложении А на рис. А.4. представ- лен пример процесса тестирования скоростных качеств футболистов посред- ством автоматического хронометража с использованием оптических створов. Новизна созданной медико-биологической системы состоит в том, что в ней впервые реализована идея единого временного пространства для оптиче- ских и акустических датчиков, что концептуально решает проблему надеж- ности и достоверности передачи информации и, в конечном счете, эффектив- ности тренировки и подготовки атлетов. 5.2.2. Для измерения опорных параметров движений атлета автором предложен вариант диагностической системы "оптическая дорожка" с орга- низацией оптической системы по принципу двойного веера, что максимально упрощает ее эксплуатацию, а также позволяет исключить необходимость подстройки порога срабатывания приемников при изменении уровня внеш- 116 ней освещенности посредством использования модулированного ИК- излучения (см. рис. 5.11) [122]. Рис. 5.11 – Схема организации сенсорной поверхности "оптическая дорожка" Для измерения опорных параметров движений атлета был разработан вариант оптической дорожки, который принципиально исключает эксплуата- ционные трудности, так как процедура юстировки системы при установке перед исследованиями максимально упрощена. Основные отличия новой си- стемы:  используется модулированный луч инфракрасного светодиода, что исключает необходимость подстройки порога срабатывания приемников при изменении уровня внешней освещенности;  излучатель как точечный источник формирует конус с таким углом раскрытия, чтобы блок фотоприемников засвечивался по всей ширине на расстоянии от 30 до 100 м и более. Таким образом, луч, направленный на находящийся с противоположной стороны дорожки приемный блок с горизонтально расположенными фото- приемниками, формирует прямоугольный треугольник, пересекая который испытуемый в момент опоры при беге будет создавать оптическую тень для одного из приемников. Так фиксируется опорная фаза бегового шага атлета. В крайней части приемного блока вмонтирован ИК-излучатель, который 117 "подсвечивает" противоположный приемник. Так организована оптическая система в виде двух дополняющих прямоугольных треугольников, которые формируют полноценную "оптическую дорожку" (рис. 5.11 и рис. 5.12). а б Рис. 5.12 – Фрагмент оптической дорожки: а – структурная схема; б – внешний вид Для простоты установки в центре каждого приемного блока установлен сверхяркий красный светодиод с узкой диаграммой направленности – поряд- ка 6о, который будет виден даже в солнечную погоду на расстоянии более 100 м при юстировке системы. В момент, когда ИК луч засветит все прием- ники, светодиод погаснет и будет светиться только в момент пересечения од- ного из лучей. С целью упрощения приема информации (системный таймер подключен только к одному приемнику) ИК-излучатель противоположной стороны оптической дорожки засинхронизирован с выходом своего прием- ника. И, как только на дальнем приемнике зафиксируется пересечение одно- го из лучей (первый треугольник), будет заблокировано излучение на второй приемник, что подтвердит на выходе ближнего приемника пересечение опти- ческой дорожки. По аналогии с оптическими створами передается информация о времени пересечения лучей на каждом шаге при опоре с той лишь разницей, что от системы "оптическая дорожка" передается время как начала, так и окончания 118 ее пересечения. Частота модуляции излучающего ИК-светодиода составляет 10 кГц, что позволяет фиксировать момент пересечения оптического луча с дискретностью измерения не хуже 1 мс. Интеллектуальный оптический створ (рис. 5.13) в комплексе с оптиче- ской дорожкой дает возможность вычислять не только темп беговых шагов, но и расчитывать длину шагов на отдельных отрезках дистанции посред- ством синхронного измерения времени 10-метровых отрезков и опорных – полетных фаз шагов спринтера. Временные метки момента пересечения луча створа служат своеобразным репером для последовательно приходящих дан- ных о времени пересечения лучей оптической дорожки в моменты постанов- ки стопы на опору и её снятия. По соотношению времени прихода сигналов от створа и оптической дорожки исследователь имеет возможность оценить, в какой фазе бегового шага произошло пересечение створа и, соответственно, с высокой степенью достоверности расчитать длину беговых шагов на изме- ряемом участке дистанции. а б Рис. 5.13 – Интеллектуальный оптический створ: а – структурная схема; б – внешний вид 119 Дифференциация входных сигналов по адресу их источника позволяет избежать путаницы при последующей обработке информации, так как ин- формационные пакеты и от оптической дорожки, и от каждого створа при передаче метки времени содержат адрес отправителя[122]. Все переданные результаты синхронно принимаются системным тайме- ром с адресом оптической дорожки в виде отдельных двух столбцов – общее и чистое время. Отличие созданной диагностической системы "оптическая дорожка" от существующих заключено в организации оптической системы по принципу двойного веера, что максимально упростило ее использование, исключив необходимость прецизионной юстировки комплекса, что влекло за собой привлечение бригады высококвалифицированных специалистов при исполь- зовании прототипа. И, как следствие, многократно повысилась эффектив- ность тренировочного процесса – была исключена необходимость ожидания атлетом готовности аппаратуры при выполнении им тренировочных заданий. 5.2.2 Диагностическая интерактивная система для измерения скорости вылета мяча, расчета дальности попытки и подсчета количества выполнен- ных ударов при выполнении первого удара игры в гольф. Диаметр мячика для игры в гольф составляет 32 мм. Ввиду этого было предусмотрено поперечное размещение оптических приемников на удалении 25 мм, что обеспечивало гарантированное пересечение мячиком не менее од- ной из оптических осей приемников (рис. 5.13). Были учтены наиболее важ- ные параметры измерения, представленные в таблице 5.1. В сравнении с прототипом (см. рис. 1.4 а, б), требующим студийных условий эксплуатации – постоянный уровень освещенности и температуры в диагностической системе были предельно расширены эксплуатационные возможности. При проектировании предполагалось использовать систему на открытом пространстве. Чтобы исключить влияние изменения уровня внеш- ней освещенности при игре в дневное и вечернее время было принято реше- ние основную засветку фотоприемников выполнять с помощью установлен- 120 ного в верхней части сектора на высоте 6 м ИК-излучатель с достаточно вы- сокой частотой модуляции. Таблица 5.1 Основные характеристики интерактивной системы измерения параметров ударов по мячу игры в гольф Наименование параметра Значение Диапазон измеряемых скоростей 1÷100 м/сек. (4÷360 км/час) Погрешность измерения скорости во всем диапазоне +5% Ширина сектора измерения по азимуту 45 Сектор угла вылета с допустимой погрешностью 33,9÷44,8 Для обеспечения гарантированной засечки пролетаемого мячика в дан- ном диапазоне скоростей при существующих размерах измеряемого объекта была выбрана частота модуляции 40 кГц. Минимальный размер оптической тени ИК-излучателя, создаваемой мячиком при пролете над линейкой прием- ников составлял 2 см. Предварительно при моделировании процесса пересе- чения оптического луча диском с соответствующими расстояниями между отверстиями при имитации скорости пролета 100 м/сек частота прерываний луча составила 5 кГц. Поэтому при частоте модуляции 40 кГц система доста- точно легко могла различить прерывание при пролете мяча от посторонних влияний при проверке достоверности события на протяжении 8 импульсов модулированного луча засветки. На схемах (рис. 5.14 и рис. 5.15) обозначены траектории вылета мяча с допустимыми погрешностями измерения скорости вылета. 121 Рис. 5.14 – Схема траектории вылета мяча (вид сверху) Рис. 5.15 – Схема траектории вылета мяча (вид сбоку) 122 Для обеспечения точности измерения времени, равной 1% между линей- кой запускающих и отсекающих ИК-приемников использовалось расстояние 900 мм. За счет пролета мячика как строго над оптической осью одного из приемников, так и между смежными осями в силу округлой формы мячика возникала зона неопределенности места пересечения мячиком оптической оси в размере 8÷9 мм. Поэтому при таком расстоянии между линейками фо- топриемников линейная погрешность была в допустимых пределах. Большее же расстояние требовало расширения диаметра пятна засветки ИК- излучателем, что требовало чрезмерного форсирования мощности его излу- чения, а также вносило угловые искажения (рис. 5.15). Главным ограничива- ющим аспектом стала конструкция спортивного сектора, габариты которого строго лимитированы (см. рис. 5.15). Особое требование предъявлялось к за- щите электронных блоков – приемника и индикатора от попадания мячем или клюшкой. С этой целью была выполнена защитная конструкция для оп- тического и индикационного блоков из прозрачного литого поликарбоната толщиной 3 мм (рис. 5.16 и рис. 5.17, а и б соответственно). а б Рис. 5.16 – ИК-приемник остановки измерения: а – внешний вид ИК-приемника; б – схема размещения оборудования 123 Данная диагностическая система позволяет информировать атлета о его уровне функциональной и технической подготовленности непосредственно в процессе отработки им первого удара при игре в гольф. Новизна заключается в том, что в отличие от прототипа система предполагает функционирование на реальном корте при любом уровне освещенности. а б в Рис. 5.17 – Блок индикации на спортивном секторе: а – вид на место удара; б – вид на информационное табло; в – блок-схема системы измерения и индикации результата 5.2.4. Информационные диагностические системы и интерактивные тре- нажеры, разработанные на принципах измерения ускорений. 5.2.4.1. Информационно-диагностическая система, обеспечивающая из- мерение уровня ускорений в исследуемых звеньях тела атлета с записью ре- зультатов измерений во встроенную флэш-память с последующей обработ- кой записанной информации на компьютере в CSV-формате (рис. 5.18). Кон- структивно система выполнена в виде автономного комплекса, состоящего из процессорного блока, выносных акселерометрических датчиков и компью- 124 терной программы для оперативного просмотра и анализа записанной ин- формации при подключении к компьютеру через USB-порт. Процессорный блок размещается на поясе атлета, имеет кнопку включе- ния системы от бортового питания в виде аккумуляторных батарей, обеспе- чивающих непрерывную работу системы в течение 6 часов и светодиода для контроля включения питания. Через коннектор к блоку подключаются датчи- ки ускорения на тонких гибких кабелях, которые закрепляются в контроли- руемых звеньях тела атлета скотчем или пластырем. На блоке установлена кнопка активации записи. При её нажатии вклю- чается запись данных от акселерометрических датчиков по 4 каналам с ча- стотой 100 измерений в секунду и дискретностью измерения ускорения ±512 градаций по амплитуде для полного размаха ускорения ±1,5g. В момент ак- тивации записи начинает мигать размещенный на блоке красный светодиод (рис. 5.18). При повторном нажатии кнопки запись прекращается и формируется файл с результатами попытки. При подключении блока к компьютеру откры- вается окно файлового менеджера, которое показывает содержимое флэш- памяти в виде каталога файлов. При открытии специализированной программы-просмотрщика в левом окне индицируется весь перечень файлов с данными (рис. 5.19). При выделе- нии одного из них программа разворачивает графики записанных ускорений для 4 осей полного времени записи данного файла с полным размахом ам- плитуды ускорений. Для уточнения нужного фрагмента записанного движе- ния достаточно, установив курсор в начало интересующего фрагмента гра- фика и, нажав и удерживая левую клавишу мышки, выделяем вправо требуе- мую зону и отпускаем клавишу (рис. 5.20). Программа развернет выделенный фрагмент на все рабочее поле для уточнения с более подробной детализацией деления осей ускорения и време- ни. Для более глубокой проработки и объединения нескольких файлов для их сравнения достаточно открыть нужный файл в электронной таблице. 125 а б Рис. 5.18 – Процессорный блок акселерометрической системы с датчиками: а – внешний вид; б – структурная схема В приложении А на рис.А.3 представлены примеры динамических моде- лей процесса выпрыгивания атлета с места вверх, а на рис.А.5 – динамиче- ская модель процесса подтягивания с автоматизированным расчетом дина- мических параметров. Представленная в работе информационно-диагностическая система име- ет функциональные и организационные преимущества перед прототипами. Эти преимущества заключаются в том, что система функционирует автоном- но, бесконечно долго сохраняет записанную биомеханическую информацию и позволяет обрабатывать и сохранять ее на компьютере без использования специализированных программ. 126 Рис. 5.19 – Индикация ускорений измеряемых точек тела атлета с помощью акселерометрической системы Рис. 5.20 – Детализация общего графика при временном масштабировании 127 5.2.4.2. Информационно-диагностическая система для обеспечения экс- пресс-диагностики функционального состояния атлетов-футболистов при возникновении травмоопасных ситуаций в результате силового противобор- ства или непредвиденного столкновения с соперником во время тренировоч- ной или соревновательной деятельности. Последующий врачебный контроль позволяет подтвердить или исклю- чить факт соматических изменений в результате столкновения. Однако нали- чие информации об интенсивности, направленности удара, времени наступ- ления события и функциональной реакции организма в виде изменения сер- дечного ритма и температуры тела поможет оперативно отреагировать меди- цинским службам на реально возникшее состояние, могущее повлечь необра- тимые последствия для здоровья атлета в случае промедления с оказанием помощи. Функциональное назначение основных связей в управлении системой (рис. 5.21):  адаптер питания – включает в себя цепи питания, коммутационные элементы, защиту от переполюсовки и перенапряжения;  контроллер заряда – обеспечивает оптимальный режим заряда бата- реи. Он также контролирует степень разряженности батареи и при снижении напряжения до уровня, близкого к критическому, передает команду в про- цессор и далее на сервер о необходимости в ближайшее время зарядить или заменить батарею питания;  Lion-батарея – главный источник электропитания устройства, разме- щенного на спортсмене;  термосенсор выполняет функцию датчика выключения системы при температуре ниже 30оС и обеспечивает контроль температуры затылочной области для предупреждения перегрева;  стабилизатор напряжения – поддерживает напряжение электропита- ния всей электронной схемы на уровне 3,3 В при различных режимах нагруз- ки; 128 Рис. 5.21 – Функциональные связи в составе диагностической системы  акселерометр передает информацию об амплитуде ускорений в трех плоскостях в процессор, а также принимает управляющий сигнал для изме- нения коэффициента масштабирования при измерении ускорений в диапа- зоне от ±1,5g до ±200g;  гауссметр - передает информацию в процессор о положении тела ат- лета в пространстве относительно магнитных полей Земли;  кардиомонитор устанавливается на груди, снимает кардиопотенциал с подсосковых отведений и дистанционно передает информацию о ритме в процессор с целью дальнейшего вычисления как частоты сердечных сокра- щений, так и характеристики спектра для уточнения, в каком энергорежиме функционирует атлет и какие службы его организма приближаются к преде- лу возможностей;  процессор формирует информационные пакеты и передает их во флеш-память на хранение с адресом, включающем метку времени суток, ко- гда пакет был сформирован; 129  дважды в секунду посредством BlueTooth 4.0 модуля устройство пе- редает адвертайс-посылку размером 20 байт о максимальном значении уско- рения за отчетный период (0,5 с) на мобильный телефон или планшет, на ко- торых онлайн строится диаграмма текущего состояния ускорений с прокрут- кой экрана 30 с для реализации режима "родительский контроль";  модуль памяти – записывает всю информацию от датчиков 100 раз в секунду под именем, соответствующим времени записи. Общий объем памя- ти – 256 Мбайт, которые обеспечивают запись в течение трех часов. Запи- санная информация может использоваться для учета интенсивности трени- ровки, количества прыжков, беговых шагов, столкновений, а также в случае превышения пороговых значений ускорения. При появлении на мониторе графика ускорений в красной зоне тренер или врач сразу же или после окончания тренировки может загрузить из памя- ти устройства, находившегося на травмированном спортсмене, более по- дробные данные об амплитуде, направлении и длительности опасных уско- рений, а также о времени, когда это произошло. После подтверждения факта опасного столкновения или ушиба врач бе- рет на себя обязанность сопроводить данного спортсмена для обследования на томографе для выявления возможных соматических изменений вследствие удара от столкновения или падения. На рис. 5.22, а, б показано размещение и взаимодействие элементов системы. На рис. 5.23 представлена схема мони- торинга абонентских блоков системы на спортивной арене. Сервер в соответствии с установленным алгоритмом мониторит всю сеть, поочередно снимая данные с каждого из абонентских устройств, а так- же организовывает последовательность взаимодействия внутри системы в случае экстремальной ситуации, когда абонентские устройства столкнувших- ся атлетов одновременно выдали запрос на экстренный съем информации. Для разработки данной системы используются трехкоординатные аксе- лерометрические датчики с программным переключением диапазона ускоре- ний ±2…±24g. 130 б а в Рис. 5.22 – Система контроля силы удара при столкновении: а – размещение оборудования на игроке; б – структурная схема; в – функциональные узлы Рис. 5.23 – Схема сетевого мониторинга на площадке 131 Калибровка чувствительности акселерометрических датчиков сводится к определению их линейной чувствительности, которую можно определить пу- тем приложения к ним 1g ускорения. Для этого соответствующую ось x, y или z необходимо расположить вертикально и, отметив максимальное значе- ние выходного сигнала, медленно вращать на 180 в направлении зенита, по- сле чего фиксируется уже минимальное значение. Выполняя данную проце- дуру, обеспечивается воздействие ускорения свободного падения на соответ- ствующие оси датчика с интенсивностью ±1g. Вычитая большее выходное значение из меньшего, и разделив результат на 2, получаем фактическую чувствительность датчика. Это значение меняется очень незначительно при изменении температуры и с течением времени. Дрейф выходного сигнала от температуры – ±0,05 %/°C, что вполне приемлемо для проведения спортив- ных измерений. Датчики закреплялись на поверхности шлема при помощи молекулярно- го термоклея и через гибкий кабель подключались к измерительной системе. Конечный результат выводился на двухканальный осциллограф, с которого результаты эксперимента сохранялись в виде скриншотов на флэш-память. а б Рис. 5.24 – Размещение датчика 50g для проведения испытаний: а – в затылочной части шлема; б – в лобной части шлема 132 Ниже приведены динамические модели различных вариантов падений шлема в виде осциллограмм (рис. 5.25 а, б ). а б Рис. 5.25 – Ограничение амплитуды затылочного датчика при перегрузке: а – низкая скорость столкновения; б – высокая скорость столкновения Для двух вариантов падений можно видеть общие закономерности ди- намики воздействия. Очевидно, что даже при ограничении сигнала по ампли- туде (рис. 5.25 а, б) сохраняется возможность восстановления амплитуды кривой программными средствами по известным закономерностям измене- ния сигнала – крутизне фронтов и длительности записаных фрагментов им- пульсов. При использовании данной системы мониторинга параметров столкно- вения впервые на спортивной площадке в процессе спортивной деятельности атлеты и тренеры имеют возможность экспресс-диагностики функционально- го состояния атлетов-футболистов при возникновении травмоопасных ситуа- ций в результате силового противоборства. 5.2.4.3. Телеметрический биомедицинский комплекс для измерения ди- намических характеристик движений испытуемого синхронно под музыкаль- ное сопровождение и передачи информации по радиоканалу на компьютер. Комплекс обеспечивает непрерывное измерение уровня ускорений, действу- ющих на центр тяжести тела атлета и скорости вращения тела относительно 133 выбранной оси, а также в точках установки выносных акселерометрических датчиков при выполнении спортивного движения. Музыкальное сопровождение играет роль своеобразной синхронизиру- ющей кальки, благодаря которой испытуемый может выполнить несколько попыток, после которых он может синхронно загрузить данные выполнения двух интересующих его попыток и сравнить их, воспроизводя под общий ак- компанемент-кальку. Аналогичным образом возможно сравнить эталонную попытку мастера и текущую ученика, который может лично проследить, в какой именно фазе упражнения он допустил отклонение от эталона. Это дает возможность определять индивидуальные особенности техники и ритмовых характеристик движения испытуемого. Предусмотрена синхронизация с реперами в требуемых фазах движения при синхронном использовании оптических систем. Это позволяет определить в какой фазе спортивного движения произо- шли динамические отклонения (изменения усилия) по каждой оси (рис. 5.26). В результате появляется возможность фиксировать в каждой фазе дви- жения среднее значение амплитуды ускорения, характер её изменения и дли- тельность каждой фазы, что в итоге является исчерпывающей информацией как для вычисления энергозатрат атлета на выполнение данного упражнения, так и для сигнализирования атлета о правильности выполнения им трениро- вочного задания посредством сравнения поступающей информации с базой данных в интерактивном режиме. Система позволяет проводить глубокие исследования в виде сравни- тельного анализа отдельных звеньев движения, включая вывод информации не от всех записанных датчиков, а лишь необходимую для исследования в данный момент. Система работает в беспроводном режиме в гражданском диапазоне ча- стот 433 мГц на удалении от компьютера не менее 50 м (см. рис. 5.27 и табл. 5.2, рис. 5.29). 134 Рис. 5.26 – Сравнение динамических моделей под музыкальную синхронизацию а б Рис. 5.27 – Измерительный акселерометрический блок: а – внешний вид конструкции блока; б – структурная схема блока 135 Таблица 5.2 Технические характеристики измерительного блока акселерометрии Наименование параметра Значение Скорость передачи данных до 115 кБод Дискретность измерений 50 1/сек Амплитудная дискретность ускорения 0,1 м/ с2 Диапазон измеряемых ускорений ± 14,7 м/с2(+/-1,5g) Амплитуда измерения угла вращения ± 520 град/сек Требования к установке оборудования:  блок сбора и обработки информации – устанавливается на поясном ремне в области поясницы (ориентировочно центр массы), там же крепится трехкоординатный акселерометрический датчик и гироскоп;  два других акселерометрических датчика ориентируются в соответст- вии с осями X, Y, Z и крепяться на звеньях согласно потребности и схемы експеримента;  система предполагает съем и передачу информации о сердечном рит- ме испытуемого;  на приемном блоке предусмотрен порт для приема сигналов от репе- ров – оптических или контактных датчиков для фиксации момента пересече- ния оптического луча испытуемым в определенной фазе движения;  с выхода приемного блока передается информация на инди- кационный семисегментный блок, который индицирует номер пакета изме- рения. Эта информация крайне необходима для синхронизации видеосъемки . Таким образом появляется возможность объединить видеокадр с динамиче- ским кадром на диаграмме для определения, какой уровень ускорений и в ка- ком направлении действовали в данный момент; 136  в компьютерном обеспечении предусмотрено кроме звписи информа- ции в файл текущая графическая индикация диаграм передаваемой информа- ции с возможностью подключения до 15 каналов с предварительной установ- кой розвертки окна диаграммы от 10 до 10000 измерений, что дает возмож- ность диагностирования в реальном масштабе времени;  в качестве синхронизирующего элемента используется предварите- льная запись звукового файла в формате MP3. Таким образом испытуемый начинает свое задание, синхронизируясь со звуковым рядом;  при последующем глубоком анализе программа предусматривает од- новременно сравнение двух попыток – текущей и эталонной при их наложе- нии. Это возможно лиш при условии использования одного и того-же аудиофайла, который становится общим синхронизатором;  в процессе сравнения программа позволяет выключать или добавлять соответствующие каналы, а также и масштабировать диаграмму (см. рис. 5.28, рис. 5.29);  на протяжении попытки файл сердечного ритма записывается отде- льно для последующей обработки. При условии однообразной установки датчиков на теле одного и того же испытуемого на протяжении всех попыток становится возможным выявить персональные особенности техники и ритмики атлета с помощью наложения диаграммы лучшей попытки и сравнения ее с текущей, синхронизируя их как через музыкальное сопровождение, так и благодаря реперам. Таким образом становится возможным определить фазу движения нача- ла динамического отклонения – в какой момент времени и в какой плоскости появилось отклонение от нормальной траектории движения. Портативный гироскоп, как часть комплекса, позволяет синхронно с да- тчиками ускорения увидеть диаграммы изменения угла отклонения от выбранной оси на протяжении всего движения. 137 Рис. 5.28 – Фильтрация требуемых каналов для удобства просмотра Рис. 5.29 – Масштабирование фрагмента диаграммы для детализации 138 Комплекс позволяет создавать "динамические образы движения", ко- торые в свою очередь позволяют их идентифицировать в координационно сложных упражнениях, а в дальнейшем и корректировать их. Уникальность представленного телеметрического биомедицинского комплекса состоит в измерении динамических характеристик движений ис- пытуемого синхронно под музыкальное сопровождение с передачей инфор- мации по радиоканалу на компьютер, а также в сравнении динамических об- разов текущей попытки и эталонной посредством музыкальной синхрониза- ции. Рис. 5.30 – Вариант размещения датчика ускорения на ракетке 5.2.4.4. Создание динамических моделей спортивных движений при игре в пинг-понг. Трехкоординатный датчик устанавливается на кисти в области ракетки (рис. 5.30). При выполнении определенного спортивного приема или упражнения производится запись параметров попытки и вносятся коммента- рии о характере и уровне исполнения этой попытки. Всё это необходимо для того, чтобы иметь возможность сравнить не только информационные состав- ляющие для разных попыток, но и иметь представление, какое действие при- вело к тому или иному графическому образу или модели. Ниже представлен ряд таких графических образов применительно для трех вариантов спортив- ных движений на рис. 5.31, а – д). Это накат (рис. 5.31, а), накат слева (рис. 5.31, б) и вращение справа (рис. 5.31, в) – по три попытки в каждом движении. 139 Такая методика предоставляет обратную связь спортсмену при выпол- нении короткого быстрого движения для получения ответа, когда, где и по- чему он не может правильно выполнить необходимое движение. а б в Рис. 5.31 – Динамические модели для наката и вращения в ударе в пинг-понг: а – три попытки наката; б – три попытки наката слева; в – три попытки вращения 5.2.4.5. Диагностические системы для единоборств. На рис. 5.32 приве- дены примеры динамических моделей различных вариантов ударов в боксе. Можно видеть, что каждое движение имеет свой неповторимый динамиче- ский образ. Но при этом есть общие закономерности, по которым становится 140 возможной идентификация координационной структуры каждого спортивно- го движения. Рис. 5.32 – Динамические модели различных вариантов ударов В дополнение данный диагностический комплекс обеспечивает испыту- емого информацией об энергозатратах как по каждому движению, так и сум- марный тоннаж, коэффициент интенсивности и количество ударов в серии. На рис. 5.33 а, б изображены примеры механических конструкций тренаже- ров для определения динамических параметров ударов. Разработанные диагностические биомедицинские системы, работающие на принципе измерения ускорений, благодаря использованию современной элементной базы на основе MEMs –технологий в результате измерений поз- воляют создавать динамические образы отдельных спортивных движений и, сравнивая их с базой данных уже существующих динамических моделей по- добных движений, позволяют охарактеризовать и описать эти образы по при- знакам интенсивности, времени и координационной биокинематической по- следовательности. Уникальность данной методики состоит в возможности 141 распознавания кинематических образов отдельных спортивных движений посредством их характеризации через динамические модели этих движений. а б в Рис. 5.33 – Интерактивного тренажера для определения параметров ударов в единоборствах: а – вид макета сбоку; б – вид под углом 75; в – структурная схема стенда 5.2.5. Биомеханическая диагностическая система "Площадка отскока". Для оперативного контроля состояния опорно-двигательного аппарата испытуемого в системе отбора и экспресс-анализа универсальным является тест Абалакова – выпрыгивание в высоту с места. Однако прямой метод измерения высоты путем выдергивания закреп- ленной на испытуемом измерительной ленты весьма хлопотный и требует много времени. Разработанный интерактивный тренажер "Площадка отскока" позволяет моментально получить результат теста (см. рис. 5.34 а, б). 142 а б в Рис. 5.34 – Интерактивный тренажер "Площадка отскока" для экспресс- диагностики высоты выпрыгивания испытуемого (тест Абалакова): а – состав тренажера; б – проведение теста; в – структурная схема Для этого достаточно стать испытуемому на измерительную площадку, выпрыгнуть и в момент приземления на нее испытуемый увидит результат своей попытки в сантиметрах на индикаторе. Внешняя простота и неприхотливость прибора дает возможность каж- дому тестироваться без ограничения по времени, а так как через 30 секунд после тестирования система переходит в режим индикации времени суток, – тренажер становится полезным дополнением в спортивном зале. 143 Разработанная система используется с 1989 года в легкоатлетическом манеже ХТЗ и зарекомендовала себя как эффективное средство экспресс- диагностики функционального состояния атлетов в учебно-тренировочном процессе, а также в качестве игрового тренажера для групп начальной подго- товки в различных видах спорта. 5.2.6. Диагностические системы – реакциометры. 5.2.6.1. Разработанная на КФВ НТУ "ХПИ" компьютерная программа для определения психомоторных качеств испытуемого[68; 117] позволяет определить средний уровень времени реакции и его разброс, что может слу- жить показателем психической устойчивости и собранности испытуемого . Созданная система может использоваться для тестирования испытуемого при контроле уровня его реакции на звуковой сигнал, аналогичный стартовому. Нажатие "ENTER", для испытуемого соответствует команде "ВНИМА- НИЕ", после которой не раньше, чем установленное время "мертвой зоны", и не позже суммы периодов "мертвой зоны" и зоны случайной прозвучит сиг- нал, испытуемый должен нажать "ENTER". На графике появится новая точка с результатом текущей попытки (рис. 5.35). Результаты реакции попыток и общего времени после команды "ВНИ- МАНИЕ" выводятся в виде графика. Данная методика позволяет определить матожидание и дисперсию сред- него уровеня реакции, что является показателем психической устойчивости. 5.2.6.2. Тренажер для тренировки и измерения уровня реакции спортс- мена-игровика на изменение обстановки на спортивной площадке. Данная диагностическая система разработана по заказу БК "Политех- Авантаж" и используется для:  контроля уровня скоростно-силовой подготовленности и перифериче- ского внимания испытуемого,  развития способности автоматического реагирования на изменение ситуации на игровой площадке. 144 Тренажер состоит из системного таймера (рис. 5.36, а) и контактных световых датчиков на стойках (рис. 5.36, б). Рис. 5.35 – Пример представления результатов испытаний при измерении ре- акции на звуковой сигнал с интерактивным тренажером-реакциометром Системный таймер управляет выносными световыми датчиками на стойках и отсчитывает время попытки или количество касаний за выбранный временной интервал. Система работает в двух режимах: Первый режим – случайный: случайное распределение в выборе датчи- ков в течение заданного периода времени, либо количества переключений. 145 При этом фиксируется количество касаний активных (зеленых) датчиков за выбранный период времени, либо время прохождения всех переключений. Второй режим – запрограммированный: выбор стоек в заранее заданном алгоритме распределения – заранее записывается несколько последователь- ностей распределения активных (зеленых) датчиков и затем выбирается тре- буемая последовательность. Фиксируется время полного прохождения вы- бранной последовательности чередования датчиков. а б Рис. 5.36 – Системный таймер-реакциометр: а – внешний вид таймера; б – контактные световые датчики на стойках 5.2.2.1 Алгоритм работы тренажера для тренировки и измерения уровня реакции спортсмена-игровика. В системном таймере предварительно выбирается режим работы – слу- чайный или запрограммированный. Для случайного режима задается время попытки (10, 30 или 60 с), нажи- мается кнопка "СТАРТ" и запускается отсчет времени, о чем свидетельствует звуковой сигнал. В этот момент на стойках светится красный сигнал датчи- ков, и только на одном – зеленый. Испытуемый должен коснуться контактно- го датчика на стойке с зеленым сигналом. При касании датчика сигнал стано- вится красным, а случайно выбранный другой – зеленым. И так в течение выбранного времени. Задача испытуемого – выполнить как можно больше касаний. По истечении времени сигналы на всех стойках станут красными, а 146 на таймере индицируется текущий и лучший результаты количества касаний. Возможен вариант выбранного количества касаний за минимум времени. При нажатии кнопки "СТАРТ" запускается отсчет времени. Зеленый световой сигнал последовательно индицируется на соответствующей стойке и переключается только при касании этого датчика. И так до окончания по- следовательности. Выигрывает тот, кто пройдет последовательность за меньшее время. На таймере будет индицироваться текущее и лучшее время попытки. Возможен учет времени каждого касания данной последовательности и построение на компьютере сравнительных графиков ритма прохождения последовательно- сти для каждого испытуемого. Предусмотрен режим, когда переключение происходит в строго задан- ные интервалы времени, а система фиксирует количество касаний датчика, когда испытуемый успел коснуться до переключения зеленого в желтый (гонка за лидером). При этом переключение в зеленый следующего датчика произойдет лишь после касания предыдущего желтого. По окончании инди- цируется в виде графика общее количество касаний и количество своевре- менных касаний. Система работает в беспроводном режиме в радиусе более 130 метров от таймера, электропитание датчиков – от аккумуляторных бата- рей 6 вольт. Этот факт позволяет безопасно использовать систему в залах и на открытых площадках как в диагностических целях, так и в качестве игро- вого тренажера. 5.2.2.2 Диагностическая система для измерения реакции периферийного внимания на световые сигналы, распределенные в случайно выбранных точ- ках зрительного поля и последовательно появляющиеся после касания предыдущего. Система, структурная схема которой представлена на рис. 5.37, б, обес- печивает: 1. Измерение времени реакции испытуемого при подаче звукового или/и светового сигнала со случайной задержкой в пределах выбранного интерва- 147 ла. По итогам строит график результатов попыток, рассчитывает среднее время реакции и разброс результатов попыток в данной серии (рис. 5.37 а, б). Этот тест показывает уровень реакции испытуемого на ожидаемый простой сигнал. 2. Измерение времени реакции и принятия решения испытуемого при подаче ожидаемого сложного звукового или/и светового сигнала с требова- нием выбора (высокий/низкий тон, красный/зеленый свет). 3. Измерение реакции периферийного внимания на световые сигналы, распределенные в случайно выбранных точках зрительного поля и последо- вательно появляющиеся после касания предыдущего (рис. 5.37, а). а б Рис. 5.37 – Система "Психотестер" для измерениея реакции периферийного внимания: а – внешний вид системы; б – структурная схема системы Критерий времени реакции – количество касаний за 10 секунд, что ука- зывает на способность ориентироваться в пространстве рабочего поля. Тре- нажер позволяет определить состояние уровня активности периферийного зрения и уровень моторики нервной системы. 148 В процессе регулярных тренировок тренажер позволяет улучшить вни- мание испытуемого, развить панорамное зрение для расширения восприятия внешних изменений, повысить активность нервной системы, оперативно снять напряжение благодаря переключению внимания на иной активный вид деятельности, улучшить мышечную координацию посредством использова- ния каждого из десяти пальцев рук при касании контакта светящейся пло- щадки, оптимизировать усилие каждого касания для достижения легкости и расслабленности при выполнении данного упражнения, развить интуицию. Алгоритм работы тренажера:  При касании кнопки "ПУСК" включится таймер и засветится одна из 16 контактных площадок.  При касании контакта данной площадки она погаснет и засветится случайная другая. При этом счетчик касаний зафиксирует это касание. Про- цедура продолжается до тех пор, пока не истечет установленное время (10 с).  По истечении времени таймер остановится, и испытуемый сможет увидеть результат своей попытки – количество касаний контактных площа- док за 10 с.  При повторном касании кнопки "ПУСК" предыдущий результат сбросится и процедура повторится, при этом лучший результат обновится в соответствующем индикационном поле. Данный тренажер находится в стадии опытной эксплуатации и в после- дующем может успешно использоваться как автономный игровой тренажер. 5.2.2.3 Экспертная система "психотестер" для определения состояния простых и сложных психических реакций испытуемого, а также уровня спо- собности распознавать образы и, в конечном счете, принимать решения. Система позволяет проводить: 1. Измерение текущего уровня способности испытуемого быстро распо- знавать образы в виде случайно появляющихся одной из десяти цифр. При корректном подтверждении предыдущего образа засветится следующий и так 149 10 раз, после чего индицируется среднее, минимальное и максимальное вре- мя принятия решения, как можно видеть на рис. 5.38, а, б. 2. Измерение текущего уровня способности испытуемого быстро опре- делять отсутствующий один из десяти образов, а именно, какая из десяти цифр отсутствует в девятизначном числе с непредсказуемой последователь- ностью, после чего нажать соответствующую клавишу. После десяти попыток на индикаторе индицируется минимальное, мак- симальное и среднее время поиска отсутствующей цифры (рис. 5.38, а). При- бор позволяет диагностировать и тренировать такие качества, как способ- ность максимально быстро воспринимать визуальную информацию перифе- рийным зрением и предельно быстро принимать решение. Такой тест может эффективно применяться при отборе персонала для работы в условиях повышенной опасности – операторы, водители, спецслуж- бы и др. а б Рис. 5.38 – Представление информации испытуемому в : а – задание на тест; б – результаты теста 5.3. Выводы: В данном разделе представлены технические характеристики создавае- мой диагностической медико-биологической аппаратуры, а также примеры 150 технических реализаций методик на базе созданного диагностического обо- рудования, способы и области их применения. Представленная аппаратура является оригинальной, выполнена в единственных экземплярах и отличается от ранее применяемых прототипов более высокой информативностью, улуч- шенной функциональностью и новыми нестандартными решениями приме- нения физических явлений для идентификации биомедицинских параметров как психофизиологических состояний атлетов, так и их двигательных функ- ций. Также представлены функциональные схемы интерактивных диагности- ческих систем, алгоритмы их функционирования в виде измерения физиче- ских параметров финальных фаз спортивных движений, обработки принятой информации в соответствии с полученными закономерностями и оператив- ным представлением конечных данных атлету для корректировки последую- щих спортивных движений в тренировочных занятиях. 151 6 ВЫВОДЫ В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача разработки новых методов диагностирования медико-биологических пара- метров состояния спортсменов, а также разработаны оригинальные биомеди- цинские приборы и системы для комплексного решения задачи характериза- ции функциональных и биомеханических параметров движений атлетов с це- лью их информирования непосредственно в процессе выполнения ими спор- тивных упражнений с помощью технических средств, позволяющих опреде- лять и закреплять рациональные двигательные навыки с требуемой интен- сивностью и наименьшими физическими затратами. В рамках достижения цели диссертационной работы решены следующие задачи: 1. Выполнен анализ эффективности применяемых диагностических си- стем в спорте, позволивший выбрать наиболее перспективные направления исследований, которые обеспечивают повышение точности и эффективности диагностики функциональных состояний и параметров движений атлета; 2. Определены граничные значения Функциональных и биомеханиче- ских параметров состояния спортсменов и их степень влияния на спортивный результат:  в метаниях определен фактор, имеющий коэффициент детерминации с результатом попытки равным 0,894 – это скорость выпуска копья, которая имеет коэффициент корреляции с углом выпуска, равный -0,684;  в прыжках в длину определены значения скорости разбега, превыше- ние которой определяет возможность превышения планируемого результата попытки;  усовершенствованы математическая модель и методика калибровки создаваемого интерактивного тренажера для определения параметров ударов в единоборствах; 152  для диагностики вариативности сердечного ритма при выполнении физической нагрузки подтвержден приемлемым вариант использования из- мерительного пояса для кардиомониторинга Sigma Sport с максимальным значением погрешности измерения зубца R при сравнении с прямым методом измерения кардиопотенциала 0,94%. 3. Впервые проведены сравнения и анализ степени соответствия теоре- тических расчетов и кинематических измерений с использованием скорост- ной видеокамеры и программ векторной графики начальных параметров вы- лета копья с результатами протоколов соревнований для спортсменов высо- кого квалификационного уровня, которые подтвердили валидность результа- тов кинематических измерений и расчетов реальным результатам. Усовер- шенствован метод кинематического анализа для получения информации о пространственно-временных параметрах отдельных звеньев тела спортсмена в привязке к временным интервалам покадровой съемки при метаниях , прыжках и в беге. 4. С учетом результатов проведенных исследований в рамках Государ- ственной темы М0501 "Разработка инновационных средств диагностики ос- новных видов подготовленности спортсменов различной квалификации и специализации" (№ Гос.регистрации 0112U000398), в которой автор высту- пал в роли ответственного исполнителя, был создан диагностический изме- рительный комплекс для выполнения тренировочных метаний в сетку атле- том спортивного снаряда в закрытом помещении с измерением скорости вы- лета и рассчетом дальности каждой попытки. Описанные методы применены при создании медико-биологической диагностической аппаратуры и систем, разработаны функциональные схемы диагностических приборов и систем, алгоритмы их функционирования:  усовершенствоан алгоритм преобразования измеряемой информации в эргономически приемлемый для пользователя вид и на его основе создан интерактивный тренажер для организации контроля и учета расчетной даль- ности и интенсивности приложенных усилий в метании копья; 153  впервые технически реализована идея создания единого временного пространства для оптических и акустических беспроводных датчиков в рам- ках системы регистрации времени с повышенной степенью достоверности передаваемой информации при сложной помеховой обстановке;  впервые предложен метод создания динамических моделей спортив- ных движений, предоставляющий атлету обратную связь при отработке ко- ординационно сложных движений;  усовершенствован вариант оптической дорожки для измерения опор- ных параметров беговых шагов атлета с организацией оптической системы типа двойной веер, который является высокотехнологичным, так как не тре- бует прецизионной юстировки;  усовершенствован интерактивный диагностический комплекс для из- мерения скорости вылета мяча, расчета дальности попытки и подсчета коли- чества выполненных ударов при выполнении первого удара в игре в гольф;  разработана информационно-диагностическая система измерения уровня ускорений в исследуемых звеньях тела атлета, а также для обеспече- ния экспресс-диагностики функционального состояния атлетов-футболистов при возникновении травмоопасных ситуаций в результате силового противо- борства или непредвиденного столкновения с соперником во время трениро- вочной или соревновательной деятельности на принципе превышения пре- дельных значений ускорений в области головы или при нарушении ритма сердца;  усовершенствован оригинальный метод и разработана эффективная диагностическая система "Площадка отскока" для экспресс-диагностики вы- соты выпрыгивания испытуемого (тест Абалакова);  усовершенствована и внедрена электронно-оптическая система для диагностики уровня подвижности психических процессов испытуемого и её тренировки для приобретения навыков управления своим психическим со- стоянием. 154 Разработанные методы с использованием созданных медико- диагностических систем позволяют классифицировать признаки физиологи- ческих и технических параметров спортсмена, отвечающих за адекватность выполнения упражнения и определяют граничные параметры этих призна- ков. Результаты диссертационной работы предоставляют исследователям эффективный научный и технический инструментарий для активного внед- рения представленных методов и диагностических систем в физкультурно- спортивную индустрию Украины с целью эффективного решения государ- ственной программы "Здоровье нации". 155 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Абзалов Н. И. Особенности частоты сердечных сокращений, ударного объема крови и минутного объема кровообращения в онтогенезе / Н. И. Абзалов, Р. Р. Абзалов // Теория и практика физ. культуры. – 2009. – №10. – С. 17–19. 2. Абзалов Р. А. Изменение показателей насосной функции сердца у спортсменов и неспортсменов при выполнении мышечных нагрузок по- вышающейся мощности / Р. А. Абзалов, Р. Р. Нигматуллина // Теория и практика физ. культуры. – 1999. –№8. – С. 24–26, 39–40. 3. Абзалов Р. А. Особенности экстракардиальной регуляции функций сердца в переходных периодах от физиологического покоя к мышечным нагрузкам / Р. А. Абзалов, Р. Р. Абзалов // Теория и практика физ. куль- туры. – 1998. –№3. – С. 14–16. 4. Аванесов В. У. Применение специального кистевого отягощения в про- цессе выполнения бросковой работы легкоатлетами-метателями / В. У. Аванесов, В. И. Ефремова // Научно-практическая конференция "Моделирование спортивной деятельности в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, имитаторы)", 25-27 мая 1999 г., г. Москва: (материалы): [сб. тез.] / Гос. ком. РФ по физ. культуре и туризму [и др.]; Рос. гос. акад. физ. культуры; Всерос. науч.-исслед. ин-т физ культуры и спорта, Науч.-исслед. ин-т по спорт.-техн. изделиям. – М.: ФОН, 1999. – С. 4–5. 5. Адаптация управляемых процессов к тренировкам копьеметателей в подготовительном периоде посредством интерактивного тренажера / П. А. Качанов, В. И. Галица, В. М. Адашевский, А. С. Горлов // Вісник НТУ "ХПІ". Серія: Автоматика та приладобудування. – Харків: НТУ "ХПІ", 2014. – №15 (1058). – С. 63–74. 156 6. Адашевский В. М. Основные кинематические характеристики ударных действий в таэквондо [текст] / В. М. Адашевский, С. С. Ермаков, С. А. Грицюк // Физическое воспитание студентов. – 2010. – №4. – С. 3–5. 7. Адашевский В. М. Теоретические основы механики биосистем: Учебное пособие / В. М. Адашевский. – Харьков: НТУ "ХПИ", 2001. – 258 с. 8. Александров А. В. Биомеханическая модель тела человека для описания многосуставных движений в трехмерном пространстве / А. В. Александров, А. А. Фролов // Биомеханика-2006 : 8 Всерос. конф. по биомеханике, Н. Новгород, 22-26 мая 2006 г. : тез. докл. / Рос. акад. наук [и др.]. – Н. Новгород, 2006. – С. 73. 9. Андреев Ю. М. Практикум по теоретической и аналитической механике с применением ПЭВМ : навч. посібник / Ю. М. Андреев, Е. И. Дружинин, А. А. Ларин. – Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. – 100 с. 10. Аппаратурные методы диагностики психофизиологического состояния водителей / Панченко О. А., Ситенко А. Н., Жорник Е. В., Галица В. И. и др. // Материалы III Международной научно-практической конференции "Человек и транспорт: Эффективность. Безопасность. Эргономика. 15- 18 сентября 2014 г., г. С-Петербург. – СПб.: ПГУПС, 2014. – С. 108–112. ISBN 978-5-7641-0665-6 11. Архипов А. М. Датчики Freescale Semiconductor [Текст] / А. М. Архипов, Д. М. Панфилов, В. С. Иванов. – М.: Издательский дом "Додэка–XXI", 2008. – 184 с. 12. Бабунц И. В. Азбука анализа вариабельности сердечного ритма / И. В. Бабунц, Э. М. Мириджанян, Ю. А. Машаех. – Ставрополь: Принт- мастер, 2002. – 112 с. 13. Баевский Р. М. Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспек- ты и возможности клинического применения / Р. М. Баевский, Г. Г. Иванов // Ультразвуковая и функциональная диагностика. – 2001. – №3. – С. 108–127. 157 14. Баевский Р. М. Концепция физиологической нормы и критерии здоровья [Текст] / Р. М. Баевский // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. – 2003. – Т. 89. – №4. – С. 473–487. 15. Баевский Р. М. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. / Р. М. Баевский, О. И. Кириллов, С. З. Клецкин. – М.: Наука, 1984. – 220 c. 16. Бальсевич В. К. Развитие быстроты и координации движений у детей 4-6 лет / В. К. Бальсевич, М. Н. Королева, Л. Т. Майорова // Теория и прак- тика физ. культуры. – 1986. – №10. – С. 21–24. 17. Бардин В. В. Компьютерная подография индивидуальных стелек / В. В. Бардин // Научно-практическая конференция "Моделирование спортивной деятельности в искусственно созданной среде (стенды, тре- нажеры, имитаторы)", 25-27 мая 1999 г.: (материалы): [сб. тез.] / Гос. ком. РФ по физ. культуре и туризму [и др.] ; Рос. гос. акад. физ. культу- ры ; Всерос. науч.-исслед. ин-т физ культуры и спорта, Науч.-исслед. ин- т по спорт.-техн. изделиям. – М.: ФОН, 1999. – С. 6. 18. Бернштейн Н. А. О построении движений / Н. А. Бернштейн. – М.: Мед- гиз, 1947. – 254 с. 19. Бернштейн Н. А. Физиология движений и активность / Н. А. Бернштейн; под ред. О. Г. Гозенко. – М.: Наука, 1990. – 494 с. 20. Бойченко С. Д. Особенности проявления комплексных (гибридных) ко- ординационных способностей у представителей спортивных игр / С. Д. Бойченко, Ю. Д. Войнар, А. Л. Смотрицкий // Физическое образо- вание и спорт. – 2002. – Т. 46. – С. 313–314. 21. Бондарчук А. С. Управление тренировочным процессом спорт-сменов высокого класса / А. С. Бондарчук // М.: Олимпия пресс, 2007. – 272 с. 22. Борисов Д. Как поймать за хвост суперкомпенсацию? [Электронный ре- сурс]: [Веб-сайт] / Денис Борисов // Идеи, меняющие жизнь / режим до- ступа к ресурсу – https://www.fit4life.ru/xxx/supercompensation.html (дата обращения 30.03.2015) – Название с экрана. 158 23. Булкин В. А. Тест для оценки баллистической координации двигатель- ной деятельности / В. А. Булкин, Е. В. Попова, Е. В. Сабурова // Теория и практика физ. культуры. – 1997. – №3. – С. 44–46. 24. Быков В. Л. Функциональная морфология эпителиального барьера сли- зистой оболочки полости рта // Стоматология. – 1997. – Т. 76, №3. – С. 12–17. 25. Бююль Ахим, Ефель Петер. SPSS: искусство обработки информации. Анализ статистических данных и восстановление скрытых закономерно- стей: пер. с нем. / Ахим Бююль, Петер Цефель – СП.: ООО "Диа- СофтЮП", 2001. – 608 с. 26. Ванюшин Ю. С. Физиология спортивных упражнений: учеб. пособие для студентов факультетов физической культуры педагогических вузов / Ю. С. Ванюшин. – Казань: Изд-во ТГГПУ, 2007. – 180 с. 27. Васильев Г. В. Метание копья и молота / Г. В. Васильев. – Л.; М.: "Физ- культура и спорт", 1947. – 62 с. 28. Венецкий И. Г. Теория вероятностей и математическая статистика: учебное пособие / И. Г. Венецкий, Г. С. Кильдишев. – Москва: Стати- стика, 1975. – 264 c. 29. Воронкин В. И. Биомеханические основы технического мастерства в легкой атлетике: сб. науч. трудов / В. И. Воронкин, В. М. Зациорский; под общ. ред. В. И. Воронкина, В. М. Зациорского. – М.: ГЦОЛИФК, 1980. – 84 с. 30. Воронов А. В. Имитационное биомеханическое моделирование как ме- тод изучения двигательных действий человека = Imitating Biomechanical Modeling as Method of Studying of Human Motor Actions / А. В. Воронов // Теория и практика физической культуры. – 2004. – №2. – С. 22–26, 39– 40. 31. Галица В. И. Динамические модели биокинематических парамет-ров движений атлетов / В. И. Галица, П. А. Качанов // Вісник НТУ "ХПІ". 159 Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Харків: НТУ "ХПІ", 2014. – №36 (1079). – С. 106–111. 32. Галица В. И. Инструментальные средства и методы для диагностики уровня функциональной реакции спортсмена на нормированную физи- ческую нагрузку / В. И. Галица, П. А. Качанов, А. И. Любиев // Scientific Journal "ScienceRise" – №6/2 (11). – 2015. – С. 117–121. 33. Галица В. И. Разработка инструментальных средств и методов хроно- метрирования при подготовке эстафетных команд 4 × 100 м. / В. И. Галица, П. А. Качанов // Журнал "Технологический аудит и резер- вы производства" №4 (23) – 2015. – С. 12–17. 34. Галица В. И. Создание методики кинематического анализа спортивных движений / В. И. Галица // Материалы III международной научно- практической конференции "Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки" – 24-25 апреля 2014 г., North Charleston, USA, Т. 1 – С.150–152. ISBN: 978-1499274363. 35. Гафаров А. М. Основы метрологии / А. М. Гафаров, В. А. Гафаров. – Баку: "Наука", 2008. – 312 с. 36. Гонсалес Кора Хорхе Карлос. Биодинамика функционирования кисти при максимальных скоростно-силовых усилиях: дис. ... канд. пед. наук: 13.00.04 / Кора Хорхе Карлос Гонсалес; ГЦОЛИФК. – М., 1985. – 253 с. 37. Горизонтов П. Д. Стресс-система крови / П. Д. Горизонтов, О. П. Белоусова, М. И. Федотова. – М.: Медицина, 1983. – 224 с. 38. Горлов А. С. Динамика изменения физиологических показателей двига- тельной функции у бегунов-спринтеров 14-17 лет под влиянием восста- новительных микроциклов подготовительных периодов: Зб. наук. праць "Фізичне виховання, спорт і культура здоров'я у сучасному суспільстві/ А. С. Горлов // уклад. А. В. Цьось, С. П. Козіброцький. – Луцьк: Волинь. Нац. ун-т ім. Лесі Українки, 2011. – №3 (15). – С. 92–96. 39. Горлов А. С. Изменения педагогических показателей двигательной функции у бегунов-спринтеров 14-17 лет под влиянием восстановитель- 160 ных микроциклов подготовительных периодов / А. С. Горлов // Журнал "Физическое воспитание студентов": под ред. С. С. Ермакова. – Харьков: ХДАДМ, – 2011. – №4. – С. 22–26. 40. Горлов А. С. Новітні технології управління біговим тренувальним навантаженням спортсменів / А. С. Горлов, В. І. Галиця, К. М. Блещунова // ХХ міжнародна науково-практична конф. "Інфор- маційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я": тези до- повідей: за ред. проф. Товажнянського Л. Л., 15-17 травня 2012 р., м. Харків. – Харків: НТУ "ХПІ", 2012. – С. 293. 41. Горлов А. С. Обоснование динамики работоспособности юношей- спринтеров 14-15 и 16-17 лет в подготовительных периодах годичного цикла тренировки / А. С. Горлов // Педагогіка, психологія та медико- біологічні проблеми фізичного виховання і спорту: наук. монограф. за ред. проф. Єрмакова С. С. – Харків: ХДАДМ, 2008. – №12. – С. 25–29. 42. Горлов А. С. Программирование оптимальной беговой тренировочной загрузки юношей-бегунов на короткие дистанции в восстановительных микроциклах подготовительных периодов / А. С. Горлов // Педагогіка, психологія та медико-біологічні проблеми фізичного виховання і спор- ту: наук. монограф. за ред. проф. Єрмакова С. С. – Харків: ХДАДМ, 2007. – №5. – С. 13–25. 43. Дмитриев С. В. Проектно-технологическое моделирование двига- тельных действий – дидактические основы = Production Enginee-ring Simulation of Motive Actions – Didactic Fundamentals / С. В. Дмитриев // Физическое воспитание студентов творческих специальностей / [под ред. Ермакова С. С.]; М-во образования и науки Украины, Харьков. гос. акад. дизайна и искусств (Хар. худ.-пром. ин-т). – Харьков, 2008. – №2. – С. 17–32. 44. Донской Д. Д. Биомеханические показатели тренированности спортсме- нов / Д. Д. Донской // Материалы XII Всесоюз. науч. конф. по физиоло- 161 гии, морфологии, биомеханике и биохимии мышечной деятельности: сб. трудов. – Львов:[б. в.], 1972. – С. 231–232. 45. Дубровина Н. Ю. Информационные технологии в физической культуре и спорте / Н. Ю. Дубровина // Учебная программа дисциплины – Ир- кутск: Иркутский филиал ФГБОУ ВПО "РГУФКСМиТ", 2013. – 24 с. 46. Ермаков С. С. Обучение технике ударных движений в спортивных играх на основе их компьютерных моделей и новых тренажерных устройств: автореф. дис. ... д-ра пед. наук: 24.00.01 / Ермаков Сергей Сидорович; ХХПИ. – Киев, 1997. – 47 с. 47. Ермаков С. С. Теоретическое и экспериментальное определение биоме- ханических характеристик бега = Theoretical and experimental determination of biomechanics descriptions at run / С. С. Ермаков, В. М. Адашевский, О. А. Сиволап // Физическое воспитание студентов. – 2010. –№4. – С. 26–29. 48. Запорожанов В. А. Педагогический контроль как аппарат управления тренировочным процессом / В. А. Запорожанов // Управление трениро- вочным процессом высококвалифицированных спортсменов [моногра- фия]. – К.: Здоров'я, 1985. – С. 52–80. 49. Захаровська Т. Л. Факторна структура кiнематичних показникiв технiки метальникiв спису на етапi початковоi пiдготовки / Тетяна Захаровська, Володимир Горбенко // Педагогiка, психологiя та медико-бiологiчнi проблеми фiзичного виховання i спорту. – Харкiв, 2008. – №4, – С. 38– 41. 50. Захаровська Т. Л. Факторна структура кiнематичних показникiв технiки метальникiв спису на етапi початковоi пiдготовки / Т. Л. Захаровська, В. П. Горбенко // Педагогiка, психологiя та медико-бiологiчнi проблеми фiзичного виховання i спорту: наук. монограф. за ред. проф. Єрмако- ва С. С. – Харків: ХДАДМ, 2008. -№4. – С. 25–29. 162 51. Зациорский В. М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В. М. Зациорский, А. С. Арунин, В. Н. Селуянов. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с. 52. Зациорский В. М. Основы спортивной метрологии. Том 1: учеб. для ин- тов физ. культ. / В. М. Зациорский – М.: Физкультура и спорт, 1982. – 256 с. 53. Зданевич А. А. Общая структура показателей, определяющих результат в метаниях у школьников с применением различных методов факторно- го анализа = General Frame of Parameters Determining results of Pupils' Throwings with Application of Various Methods of Factorial Analysis / А. А. Зданевич // Физическая культура: воспитание, образование, трени- ровка. – 2004. – №1. – С. 40–44. 54. Иванов В. В. Комплексный контроль в подготовке спортсменов [Текст] / В. В. Иванов. – М.: Физкультура и спорт, 1987. – 256 с. 55. Иванов В. В. Основные показатели и термины в системе комплексного контроля, стандарт предприятия, СТП-1К-1-82. – М.: ВНИИФК, 1982. – С. 12. 56. Иванова Т. С. Влияние вегетативных показателей легкоатлетов на спор- тивную результативность / Т. С. Иванова // Материалы всерос. науч.- практ. конф. "Физическая культура и студенческий спорт: проблемы ре- ализации стратегии развития". – Казань, 2012 – С. 351–353. 57. Интерактивная система экспресс диагностики в подготовке спортсменов – копьеметателей / В. И. Галица, А. С. Горлов, И. Н. Скрипниченко, П. А. Качанов, А. И. Любиев // Теорія і практика фізичного виховання: науково-метод. ж-л. – Донецьк: ДонНУ, 2012. – С. 409–415. 58. Інженерні засоби в технологіях управління підготовкою спортсменів: те- зи доповідей XX Міжнародної науково-практичної конференції / В. І. Галиця, А. С. Горлов, К. М. Блещунова, С. О. Маковецький // Ін- формаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я. – Харків: НТУ "ХПІ", 2012. – С. 291. 163 59. Калашник Ю. М. Характеристика глоточного эпителия у больных с хро- ническим гипертрофическим фарингитом и гастро-эзофагеальной ре- флюксной болезнью в динамике / Ю. М. Калашник // Експериментальна i клiнiчна медицина. – 2009. – №3. – С. 132–135. 60. Кашуба В. А. Моделирование движений в спортивной тренировке = Modeling of movements in sports training / Кашуба В. А., Литвинен- ко Ю. В., Данильченко В. А. // Физическое воспитание студентов. – 2010. – №4. – С. 40–44. 61. Козлова Н. И. Формирование двигательной структуры финального уси- лия в метании копья на этапе начальной спортивной подготовки: дис. … канд. пед. наук: 13.00.04. / Н. И. Козлова. – Минск, 1994. – 172 с. 62. Комиссарова И. А. Информативность ферментного статуса лимфоцитов в крови в оценке организма в норме и при патологии: автореф. дис. докт. мед. наук / И. А. Комиссарова. – М., 1983. – 34 с. 63. Космическая кардиология / В. В. Парин, Р. М. Баевский, Ю. Н. Волков, О. Г. Газенко – Л.: Медицина, 1967. – 206 с. 64. Кофтун А. И. Тренажерная подготовка в тренировке копьеметателей / Кофтун А. И., Бойко Ю. И. // Научно-технический прогресс и физиче- ская культура на Дальнем Востоке: Сборник научных трудов. – Хаба- ровск, 1988. – С. 54–55. 65. Красильников В. Л. Внедрение электроники в педагогическую систему управления тренировочным процессом пловцов / В. Л. Красильников, Д. А. Кацай, Е. В. Миргородская. – Челябинск: ЮУрГУ, 2011. – 96 с. 66. Красильников В. Л. Измеритель усилий на движители пловца во время гребковых движений / В. Л. Красильников, Д. А. Кацай. – Челябинск: ЮУрГУ, 2009. – 206 с. 67. Критерії вдосконалення технічної підготовленості юних стрибунів у до- вжину на етапі спеціалізованої базової підготовки / О. А. Горлов, А. С. Горлов, Б. М. Половенко, В. И. Галица // Всеукраінська науково- практична конференція "Здоров'я нації і вдосконалення фізкультурно- 164 спортивної освіти України": тези доповідей, 2-3 жовтня 2012 р., м. Харків. – Харків: НТУ "ХПІ", 2012. – С. 107–109. 68. Круглик И. И. Факторы, влияющие на проявления гибкости / И. И. Круглик, Л. И. Широканова, Л. В. Пальвинская // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны: материалы международной научно-практической конференции г. Пенза, 15–16 сен- тября 2011 г. / Пензенский государственный университет; редкол.: Сто- лярова Е. А. (гл. ред.) [и др.]. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. 2 ч. – С. 62–65. 69. Кузнецова О. В. Спектральный анализ вариабельности ритмов сердца, артериального давления и дыхания у детей 8-11 лет в покое / О. В. Кузнецова, В. Д. Сонькин // Физиология человека. – 2005. – Т. 31. – №1. – С. 33–39. 70. Курашвили В. А. Программное обеспечение Kinovea для анализа движе- ний. / Курашвили В. А. // Журнал "Вестник спортивных инноваций". – Выпуск 36 (36). – 2012. – С. 13. 71. Лавинский Д. В. Информационные технологии в аналитической механи- ке: Навч. посібник / Д. В. Лавинский, О. К. Морачковский – Харьков: НТУ "ХПИ", 2007. – 183 с. 72. Лакин Г. Ф. Биометрия / Г. Лакин. – М.: Высшая школа, 1990. – 351 с. 73. Лапутин А. Н. Обучение спортивным движениям / А. Н. Лапутин. – К.: Здоров'я, 1986. – 214 с. 74. Лахов В. И. Организация и судейство соревнований по легкой атлетике: учебно-методическое пособие / Лахов В. И., Коваль В. И., Сечкин В. Л.: под ред. В. И. Лахова – М.: Советский спорт, – 2004. – 512 с. 75. Лебедев А. А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов / А. А. Лебедев, Л. С. Чернобровкин; под редакцией А. А. Лебедева – М.: ГНТИ Оборонгиз, 1962. – 34 с. 76. Лукъяненко В. П. Точность движений: проблемные аспекты теории и их прикладное значение / В. П. Лукъяненко // Теория и практика физиче- ской культуры. – 1991. – №4. – С.2–10. 165 77. Лысов П. К. Анатомия (с основами спортивной морфологии). В 2 т. Том 1: учебник для студ. физкультурных вузов / П. К. Лысов, Д. Б. Никитюк, М. Р. Сапин. – М.: Издательский центр "Академия", 2010. – 256 с. С. 372–377. 78. Лях В. И. Двигательные способности / В. И. Лях // Физическая культура в школе. – М.: Физкультура и спорт, 2006. – №2. – С. 12–13. 79. Максимов М. Л. Артериальная гипертония, ожирение, эректильная дифункция. Какой препарат выбрать? / М. Л. Максимов, А. С. Ермолаева, О. В. Дралова // Кардиология. – 2011. – Т. 51, №7. – С. 58–64. 80. Матвеев Е. Проверь себя: Метод сопряженного воздействия в трениров- ке копьеметателей / Матвеев Е. // Легкая атлетика. – 2001. – №6. – С. 23. 81. Методические основы подготовки зарубежных метателей копья: обзор- ная информация / под ред. Н. М. Кондрашовой. – М.: ЦООНТИ, Физ- культура и спорт, 1985. – 74 с. 82. Мехрикадзе В. В. Метание копья: пособие / В. В. Мехрикадзе, Э. П. Позюбанов, Б. В. Ермолаев; Мин-во спорта и туризма; БГУФК. – Минск: БГУФК, 2010. – 32 с. 83. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер. с англ. / Монтгомери Д. К. – Л.: Судостроение, 1984 – 384 с. 84. Нарциссов Р. П. Анализ изображения клетки – следующий этап развития клинической цитохимии в педиатрии / Нарциссов Р. П. // Педиатрия. – 1998. – №4. – С. 101–105. 85. Насосная функция сердца у спортсменов при выполнении физического упражнения для развития быстроты / И. Г. Хурамшин, Р. А. Абзалов, Н. И. Абзалов, Р. Р. Набиуллин и др. // Теория и практика физ. культуры. – 2012. – №6. – С. 43–52. 86. Озеров В. П. Психомоторные способности человека / В. П. Озеров. – Дубна: Феникс+, 2002. – 320 с. 166 87. Озолин Н. Г. Настольная книга тренера: Наука побеждать / Н. Г. Озолин. – М.: ООО "Издательство Астрель"; ООО "Издательство АСТ". – 2002. – 863 с. 88. Особенности секреции оксида азота в слюнных железах у человека в норме и при патологии / Мячина О. В., Зуйкова А. А., Пашков А. Н. и др. // Вестник ВГУ; серия химия, биология, фармация. – 2006. –№1. – С. 137–140. 89. Панкова Н. Б. Методические проблемы экспресс-оценки функциональ- ного состояния сердечно-сосудистой системы / Н. Б. Панкова, М. Ю. Карганов, А. Г. Фесенко // Вестник восстановительной медицины. – 2011. –№6 (46). – С. 60–63. 90. Пат. на полезную модель 115475 Российская Федерация, МПК G01L9. Регистратор гребковых движений пловца / Д. А. Кацай, В. Л. Красильников; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ"(НИУ) – заявл. 16.11.2011; опубл. 27.04.2012. 91. Петричук С. В. Цитоморфоденситометрический метод в оценке функци- ональной активности митохондрий лимфоцитов в норме и при патоло- гии / С. В. Петричук, В. М. Шишенко, З. Н. Духова // В сб. Митохондрии в патологии. – Пущино, 2001. – С. 19–20. 92. Платонов В. Н. Общая теория подготовки спортсменов в олимпийском спорте: учеб. для студ-в вузов физ. восп. и спорта. / В. Н. Платонов. – К.: Олимпийская литература, 1997. – 583 с. 93. Платонов В. Н. Система подготовки спортсменов в олимпийском спорте. Общая теория и ее практические приложения: учеб. тренера высш. ква- лификации / В. Н. Платонов. – К.: Олимпийская литература, 2004. – 808 с. 94. Платонов В. Н. Теория и методика спортивной тренировки: учеб. посо- бие для ин-тов физ. культуры / В. Н. Платонов. – К.: Вища школа, 1984. – 352 с. 167 95. Попов Г. И. Координационные перестройки в технике метания копья: модельные и экспериментальные оценки / Г. И. Попов, Б. В. Ермолаев, А. Л. Аракелов // Теория и методика физической культуры, 1993. – №1. – С. 7–10. 96. Попов М. В. Теоретическая механика. Краткий курс: учеб. для втузов / М. В. Попов. – М.: Наука, 1986. – 336 с. 97. Практикум по биомеханике: Учебное пособие для институтов физиче- ской культуры / Под ред. И. М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – 120 с. 98. Практическая биомеханика / А. Н. Лапутин, В. В. Гамалий, А. А. Архипов и др. / Под общ. ред. А.Н. Лапутина. – К.: Наук. свiт, 2000. – 298 с. 99. Прикладная статистика: учебник для вузов. В 2 т. – Т 1. / Айвазян С.А. Основы эконометрики. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 432 с. 100. Программа идентификации параметров аттракторов поведения вектора состояния биосистем в m-мерном пространстве / В. М. Еськов, М. Я. Брагинский, С. Н. Русак и др. – Свидетельство об официальной ре- гистрации программы для ЭВМ№2006613212. РОСПАТЕНТ. – М., 2006. 101. Прохоров Б. Б. Медико-экологическое районирование и региональный прогноз здоровья населения России / Б. Б. Прохоров. – М.: Изд-во МНЭПУ. – 1996. – 72 с. 102. Ратов И. П. Некоторые итоги разработки системы комплексного кон- троля в спорте высших достижений и перспективы ее развития / И. П. Ратов, В. В. Иванов, Г. И. Попов // Теория и практика физической культуры, 1984. – №11. – С. 9–12. 103. Ратов И. П. Проблемы биомеханики, психологии и теории обучения движениям / И. П. Ратов // Теория и практика физической культуры. – 1980. – №3. – С. 35–38. 104. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А. Н. Ремизов. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. – 648 с. 168 105. РМГ29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации ГСИ. Основные термины и определения. – М.: Метрология. 106. Романенко В. А. Диагностика двигательных способностей: учеб. пос. / В. А. Романенко. – Донецк: ДонНУ, 2005. – 290 с. 107. Рябыкина Г. В. Анализ вариабельности ритма сердца / Г. В. Рябыкина, А. В. Соболев // Кардиология, 1996. – №10. – С. 87 –97. 108. Самойлов В. О. Медицинская биофизика: учебник для вузов / В. О. Самойлов. – СПб.: СпецЛит, 2007. – 560 с. 109. Сапожникова Е. Н. Возрастные и индивидуальные особенности вариа- бельности сердечного ритма у детей в возрасте от 7 до 12 лет в покое и при ортостатической пробе / Е. Н. Сапожникова, Н. И. Шлык // Научно- методическое обеспечение физического воспитания, спортивной трени- ровки и оздоровительной физической культуры : сб. науч. тр. Вып. 5, ч. 1: Физ. культура, спорт, здоровье / Уральская ГАФК; ред. Федо- ров А. И., Шарманова С. Б. – Челябинск, 2002. – С. 147–153. 110. Свид. о регистрации авторского права на произведение №16273, Украи- на. Программный комплекс для расчетов кинематики, кинетостатики и динамики дискретных моделей машин и механизмов (КИДИМ): компь- ютерная программа / Андреев Ю. М. – Дата рег. 12.04.2006. 111. Селуянов В. Н. Подготовка бегуна на средние дистанции / В. Н. Селуянов – М.: СпортАкадемПресс, 2001. – 104 с. 112. Сергеев А. Г. Метрология / А. Г. Сергеев. – М.: Логос, 2004. – 288 с. 113. Сергеев А. Г. Метрология, стандартизация, сертификация / А. Г. Сергеев, М. В. Латышев, В. В. Терегеря. – М.: Логос, 2005. – 560 с. 114. Скрипниченко И. Н. Метание копья: техника спортивных метаний и ме- тодика обучения / И. Н. Скрипниченко. – Белгород: областная типогра- фия, 2001. – 136 с. 115. Совершенствование техники движения в метаниях с использованием технических средств и локальных отягощений / Г. И. Попов, И. В. Ханин, А. А. Логинов, А. Н. Иванов // Моделирование спортивной 169 деятельности в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, ими- таторы): материалы конф. – М.: ВНИИФК, 1999. – С. 85–87. 116. Сравнительный анализ сезонного изменения адаптационных возможно- стей организма спортсменок-лыжниц по показателям биологического ритма / А. А. Повзун, В. А. Григорьев, В. В. Апокин, Ю. С. Ефимова // Теория и практика физ. культуры. – 2010. – №8. – С. 95–99. 117. Станчев С. Техническая подготовка легкоатлетов-метателей: пер. с болг. / С. Станчев. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 134 с. 118. Статистический анализ степени влияния кинематических параметров движений копьеметателя на спортивный результат / В. И. Галица, С. Е. Гардер, П. А. Качанов, А. И. Любиев, Скрипниченко И. Н. // Вісник НТУ "ХПІ". – №48 (1090). – 2015. Серія: "Нові рішення в су- часних технологіях" – С. 9–14. 119. Статистична обробка даних [Текст]: [монографія] / В. П. Бабак, А. Я. Білецький, О. П. Приставка [та ін.]. – К.: Вид-во Міжгалуз. ін- форм.-вид. центру, 2001. – 387 с. 120. Сулиев Л. Г. Метание копья / Л. Г. Сулиев. – М.: Физкультура и спорт, 1961. – 255 с. 121. Сурков Е. Н. Психомоторика спортсмена / Е. Н. Сурков. – М.: Физкуль- тура и спорт, 1984. – 126 с. 122. Технические средства и системы экспресс диагностики для использова- ния в технологиях управления подготовкой спортсменов [Текст] / В. И. Галица, П. А. Качанов, А. С. Горлов, Э. А. Карецкий // Вісник НТУ "ХПІ". – 2012. – №37. – С. 42–50. 123. Тутевич В. Н. Теория спортивных метаний: механико-математические основы / В. Н. Тутевич. – М.: Физкультура и спорт, – 1969. – 312 с. 124. Уткин В. Л. Биомеханика физических упражнений: учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед. ин-тов и для ин-тов физ. культуры по спец. №2114 "Физ. воспитание" / В. Л. Уткин. – М.: Просвещение, 1989. – 210 с. 170 125. Фарфель В. С. Управление движениями в спорте / В. С. Фарфель. – М.: Советский спорт, 2011. – 201 с. 126. Физико-математическое моделирование биомеханических систем в ме- тании копья / П. А. Качанов, В. И. Галица, В. М. Адашевский, А. С. Горлов // Вісник НТУ "ХПІ". Серія: Автоматика та приладобуду- вання. – Харків: НТУ "ХПІ", 2014. – №15 (1058). – С. 75–82. 127. Хусаинова И. С. Оценка цитологических показателей буккального эпи- телия для диагностики функционального состояния человека / И. С. Хусаинова, И. Ю. Варулева, Н. А. Кожина // Клиническая лабора- торная диагностика. – 1997. – №3. – С. 10–12. 128. Черкесов Ю. Т. Предметная среда информационного силового управля- ющего воздействия / Черкесов Ю. Т. // Моделирование спортивной дея- тельности в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, имита- торы), 1999 г., Москва: материалы конф. – М.: "Физкультура, образова- ние и наука", 1999. – С. 131–133. 129. Четыркин Е. М. Вероятность и статистика / Е. М. Четыркин, И. Л. Калихман. – М: "Финансы и статистика", 1982. – 319 с. 130. Чхаидзе Л. В. Об управлении движениями человека / Л. В. Чхаидзе. – М.: Физкультура и спорт, 1970. – 137 с. 131. Шахбазов В. Г. Новый метод определения биологического возраста че- ловека / В. Г. Шахбазов, Т. В. Колупаева, А. Л. Набоков // Лабораторное дело. – 1986. – №7. – С. 404–407. 132. Шкорбатов Ю. Г. Биоэлектрические свойства клеточных ядер / Ю. Г. Шкорбатов, В. Г. Шахбазов // Успехи современной биологии. – 1992. – Т. 112, №4. – С. 449–511. 133. Шкорбатов Ю. Г. Структурні та електрокінетичні властивості ядер клі- тин букального епітелію людини у зв’язку з дією фізико-хімічних фак- торів та зміною функціонального стану організму: автореф. дис.-и докт. біол. наук. / Ю. Г. Шкорбатов. – Киев: Нац. ун-т ім. Т. Шевченка, 2005. – 40 с. 171 134. Шлык Н. И. Ритм сердца и тип вегетативной регуляции у спортсменок в беге на средние дистанции в тренировочном процессе / Н. И. Шлык // Физкультура в профилактике, лечении и реабил. – 2010. – №3–4. – С. 17–23. 135. Шлык Н. И. Специфика ортостатической реакции у спортсменов с раз- ными преобладающими типами вегетативной регуляции по данным ана- лиза вариабельности сердечного ритма / Н. И. Шлык // Физкультура в профилактике, лечении и реабилитации. – 2011. – №1–2. – С. 13–25. 136. Энергетические процессы в мышце [Электронный ресурс]: [Веб-сайт] // Спорт-вики – википедия научного бодибилдинга / режим доступа к ре- сурсу – http://sportwiki.to/Энергетические_процессы_в_мышце (дата об- ращения 30.03.2015) – Название с экрана. 137. Явелов И. С. Вариабельность ритма сердца при острых коронарных син- дромах: Значение для оценки и прогноза заболеваний / И. С. Явелов, Н. А. Грацианский, Ю. А. Зуйков. //Кардиология, 1997. – №2. С. 61–67. 138. 3D Impact Analysis in Tennis / Choppin S. B, Whyld N. M, Goodwill S. R, Haake S. J. // In: The Impact of Technology on Sport. – Tokyo: Australian Sport Technology Allians, 2005. – PP. 373–378. 139. Allen T. Comparison of a finite element model of a tennis racket to experi- mental data / T. Allen, S. J. Haake, and S. R. Goodwill // Sports Engineering. – 2009. – Vol. 12 (2). PP. 87–98. 140. Barnes A. Use of gait sandals for measuring rearfoot and shank motion during running / A. Barnes, J. Wheat, and C. E. Milner // Gait and Posture. – 2010. – Vol. 32, PP. 133–135. 141. Bartonietz K. Javelin Throwing: an Approach to Performance Development / K. Bartonietz, V. M. Zatsiorsky (ed.) // Biomechanics in Sport: Performance Enhancement and Injury Prevention. Blackwell Science. – LTD, Oxford, 2000. – РP. 435–457. 142. Campos J. Three-dimensional kinematic analysis of elite javelin throwers at the three-dimensional kinematic analysis of elite javelin throwers at the 172 world athletics championship "Sevilla’99" / J. Campos, G. Brizuela, V. Ramon // New studies in athletics. – Vol. 19 (21). – PP. 47–57. 143. Choppin S. B. Generating Football Cd Profiles without a Wind Tunnel / Si- mon Choppin, John Kelley // 8th Conference of the International Sports Engi- neering Association (ISEA) “The Engineering of Sport 8 – Engineering Emo- tion”, June 2010, Vienna, Austria. In: Procedia Engineering. – 2010. – Vol. 2, Iss. 2, PP. 2449–2454. 144. Developmental changes in the dynamical structure of postural sway during a precision fitting task / Haddad J. M., van Emmerik R., Wheat J. S and Ha- mill J. // Experimental Brain Research. – 2008. – Vol. 190. – PP. 431–441. 145. Hirtz P. Koordinative Fahigkeiten im Schulsport / P. Hirtz. – Berlin: Volk und Wissen, 1985. – 152 s. 146. Kjell J. A. Electrical Capacitance Tomography: Sensor Models, Design, Sim- ulations, and Experimental Verification / Kjell Joar Alme, Saba Mylvaganam. // IEEE Sensors Journal. – 2006. – Vol. 6. – №5. – PP. 1256–1266. 147. Lanka J. Biomechanics of Javelin Throw (Latvian) / J. Lanka. – Riga: Elpa-2, 2007. – 335 p. 148. Malik M., Components of heart rate variability. What they really mean and what we really measure / M. Malik, A. J. Camm // Am. J. Cardiol. – 1993. – Vol. 72. – PP. 821–822. 149. Martinez O. A. Simulation design of electrical capacitance tomography sen- sors / A. Martinez Olmos, J. Alberdi Primicia, J. L. Fernandez Marron. IET Sci. Meas. Technol. – 2007. – №1 (4). – PP. 216–223. 150. Maximilian S. A Dynamically Reconfigurable Monolithic CMOS Pressure Sensor for Smart Fabric / Maximilian Sergio, Nicolo Manaresi, Fabio Campi, Roberto Canegallo, Marco Tartagni, Roberto Guerrieri. – IEEE Journal of sol- id-state circuits. – 2003. – Vol. 38. – №6. – PP. 66–974. 151. Prusik Ka. Methods of kinezometria in solving the problem of physical cul- ture / Prusik Ka., Gorner K. – In: Súčasnosť a perspektívy tělovýchovného procesu na školách. Banská Bystrica: PF UMB KTV, 2006 – S. 246–252. 173 152. Prusik Krz. Optimisation of Athletes’ Training Loades at the Initial Stage of Schooling. / Prusik Krz., Gorner K., Pysny L. – Aoculty of Education, Jan Evangelista Purkyne University in Usti nad Labem, Czech Republik, 2010 – 168 s. 153. Quinn М.О. Increased salivary exoglycosidase activity during critical illness / М. О. Quinn, V. E. Miller, A. R. Dal Nogare // Am. J. Respir. Crit. Care Med. – 1994. – Vol. 150. – P. 179–183. 154. Racket Movement Recorded at the 2006 Wimbledon Qualifying Tournament / Choppin S. B., Goodwill S. R., Haake S. J., Miller S. // 7th Conference of the International Sports Engineering Association (ISEA) “The Engineering of Sport 7”, 2008. – Biarritz, France: Springer, 2008. – p. 563. 155. Relative phase coordination analysis in the assessment of dynamic gait sym- metry / Jeffrey M. Haddad, Richard E. A. van Emmerik, Jonathan S. Wheat etc. // Journal of Applied Biomechanics. – 2010. – Vol. 26. PP. 109–113. 156. Relative phase coordination analysis in the assessment of dynamic gait sym- metry / Jeffrey M. Haddad, Richard E. A. van Emmerik, Jonathan S. Wheat, Joseph Hamill, and Winona Snapp-Childs // Journal of Applied Biomechan- ics. – 2010. – Vol. 26, PP. 109–113. 157. Shckorbatov Y. G. Microwave irradiation influences on the state of human cell nuclei / Y. G. Shckorbatov, V. G. Shakhbazov, N. N. Grigoryeva et al.// Bioelectromagnetics. – 1998. – Vol. 19. – P. 414–419. 158. Traditions and requirements of health of north Kashub people and also fre- quency of presence abnormality of posture of their children in historical and modern attitudes / Wojciech Hagner, Miroslaw Kuklik, Ewelina Lulinska - Kuklik, Magdalena Hagner - Derengowska. // Salubritas. Czasopismo nau- kowe Wyzszej Szkoly Nauk o Zdrowiu w Bydgoszczy. 2010. – №1. – S. 23– 33. 159. Walilko T. J. Biomechanics of the head for Olympic boxer punches to the face / T. J. Walilko, D. C. Viano, C. A. Bir. // Br. J. Sports Med. – 2005. – Vol. 39. – PP. 710–719. 174 160. Weinmeister K. D. ets. Buccal cell carbohydrates are altered during critical illness // Am. J. Respir. Crit. Care Med. – 1994. – Vol. 150. – P. 131–134. 175 ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 175 A ПРИЛОЖЕНИЕ А СНЯТИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ СПОРТИВНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ................................... 176 A.1 Кинематические и динамические модели .................................... 176 B ПРИЛОЖЕНИЕ В АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ...... 188 B.1 Акт внедрения Государственного высшего училища физической культуры .................................................................................................... 188 B.2 Акт внедрения Харьковского коммунального учреждения ШВСМ по легкой атлетики ХОР ........................................................................... 190 B.3 Акт внедрения гражданской организации "Общество участников движения" .................................................................................................. 192 B.4 Акт внедрения гражданской организации "Общество участников движения" .................................................................................................. 193 B.5 Акт внедрения НТУ "ХПИ" ........................................................... 194 B.6 Акт внедрения Федерации легкой атлетики Украины ............... 195 B.7 Сертификат калибровки интеллектуальной системы регистрации времени ...................................................................................................... 196 7 176 ПРИЛОЖЕНИЕ А СНЯТИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ СПОРТИВНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ 7.1. Кинематические и динамические модели Исходные данные результатов спортивных движений записываются в аналитическом виде с использованием иллюстрирующих рисунков и пред- ставляют собой описание биомеханической модели рассчитываемого процес- са. Создание технологии расчета биомеханических моделей спортивных движений выполнялось с использованием результатов предварительных из- мерений и видеоанализа тренировочной и соревновательной деятельности спортсменов (Рис.А.1,2) [36, 82]. Рис. 7.1 – Кинематическая модель расчета параметров движений в прыжках в длину 177 Рис. 7.2 – Кинематическая модель расчета параметров движений в барьерном беге Исходные данные результатов спортивных движений записываются в аналитическом виде с использованием иллюстрирующих рисунков и пред- ставляют собой описание биомеханической модели рассчитываемого процес- са. Создание технологии расчета биомеханических моделей спортивных движений выполнялось с использованием результатов предварительных из- мерений и видеоанализа тренировочной и соревновательной деятельности спортсменов (Рис.А.1,2) [36, 82]. Рис. 7.3 – Динамические модели процесса выпрыгивания атлета с места вверх 178 Рис. 7.4 – Тестирование скоростных качеств футболистов посредством автоматического хронометража с использованием оптических створов Рис. 7.5 – Динамическая модель процесса подтягивания с автоматизированным расчетом динамических параметров 179 Рис. 7.6 – Индикация характеристики изменения скорости разбега атлета при работе ультразвукового измерителя с отметками момента пересечения реперных точек Рис. 7.7 – Детализация общего графика с отметкой уровня скорости при пересечении репера 180 а г б в Рис. 7.8 – Вариант размещения автономного блока акселерометрической системы на элементах защитной решетки шлема атлета: а – элементы крепления; б – элементы крепления в сборе; в – печатная плата в сборе; г – общий вид 181 Рис. 7.9 – Графическое представление процесса метания копья 182 а – Кушнирук Ю., 1 попытка б – Кушнирук Ю., 2 попытка в – Кушнирук Ю., 3 попытка г – Кушнирук Ю., 4 попытка Рис. 7.10 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлета Кушнирук Ю. 183 а – Кушнирук Ю., 5 попытка б – Кушнирук Ю., 6 попытка в – Ничипорук А., 1 попытка г – Ничипорук А., 2 попытка Рис. 7.11 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлетов Кушнирук Ю. и Ничипорук А. 184 а – Ничипорук А., 3 попытка б – Ничипорук А., 4 попытка в – Ничипорук А., 5 попытка г – Ничипорук А., 6 попытка Рис. 7.12 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлета Ничипорук А. 185 а – Федусов Д., 1 попытка б – Федусов Д., 2 попытка в – Федусов Д., 3 попытка г – Федусов Д., 4 попытка Рис. 7.13 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлета Федусов Д. 186 а – Федусов Д., 5 попытка б – Федусов Д., 6 попытка в – Пятница А., 1 попытка г – Пятница А., 2 попытка Рис. 7.14 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлетов Федусов Д. и Пятница А. 187 а – Пятница А., 3 попытка б – Пятница А., 4 попытка в – Пятница А., 5 попытка г – Авраменко Р., 2 попытка Рис. 7.15 – Кинематическая модель расчета параметров движений в метании копья атлетов Пятница А. и Авраменко Р. 188 8 ПРИЛОЖЕНИЕ В АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 8.1. Акт внедрения Государственного высшего училища физической культуры 189 190 8.2. Акт внедрения Харьковского коммунального учреждения ШВСМ по легкой атлетики ХОР 191 192 8.3. Акт внедрения гражданской организации "Общество участников движения" 193 8.4. Акт внедрения гражданской организации "Общество участников движения" 194 8.5. Акт внедрения НТУ "ХПИ" 195 8.6. Акт внедрения Федерации легкой атлетики Украины 196 8.7. Сертификат калибровки интеллектуальной системы регистрации времени 197