книги2 / smart_sport_2023_na_sayt_0

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

результатов. Например, когда ЖЕЛ составляет менее 90% от должного уровня, становится очевидной важность выполнения специальных дыхательных упражнений.

Цель работы: определить уровень тренированности и выносливости спортсменов, входящих в состав сборной команды страны, занимающихся различными видами спорта, на основе показателей жизненной емкости легких. Материалы и методы. Как известно, сегодня туркменские спортсмены участвуют в крупных международных спортивных соревнованиях. Для того, чтобы они тренировались на высоком уровне, на основе взаимной договоренности между Государственным медицинским университетом Туркменистана имени Мырата Гаррыева и Туркменским государственным институтом физической культуры и спорта реализуется научноисследовательская работа под названием «Определение возможностей подготовки спортсменов высокого уровня и совершенствование тренировочно-восстановительной работы». В рамках нашей работы было проверено всего 149 спортсменов по 8 видам спорта, 115 из которых – мужского пола, 34 – женского. Средний возраст спортсменов мужского пола – 22,3 ± 3,1, женского – 21,8 ± 3,06. Разделение исследованных спортсменов по полу приведено в следующей таблице:

Таблица 1 – Классификация спортсменов по полу

Определение индекса жизненной емкости легких (ЖЕЛ)

спортсменов. Существует очень простой и удобный метод определения должного уровня ЖЕЛ, он определяется в связи с уровнем основного энергетического обмена организма. Должный уровень основного энергетического обмена также как ЖЕЛ зависит от пола, возраста, роста и веса человека и он легко рассчитывается с помощью специальных показателей. С помощью этого метода должная ЖЕЛ определяется по следующей формуле:

Должная ЖЕЛ = основной обмен (в кило/калориях) ×2,6 (для мужчин) и 2,2 (для женщин),

где 2,6 и 2,2 – константы.

51

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Здоровый спортивный человек должен иметь ±10% отклонений от 100% нормы ЖЕЛ. У спортсменов уровень ЖЕЛ (т.е. функциональный показатель внешнего дыхания) заметно повышается в зависимости от уровня тренированности.

В последнее время в спортивной медицине для вычисления должного показателя ЖЕЛ используется формула Болдуина, Карнана и Ричарда [3]. Эта формула связывает должную ЖЕЛ с ростом, возрастом и полом спортсмена. Формула имеет следующие варианты:

Должная ЖЕЛ (у мужчин) = (27,63 – 0,122 x B) x L, Должная ЖЕЛ (у мужчин) = (21,78 – 0,101 x B) x L,

где B – возраст спортсмена (лет), L – рост спортсмена (м с см).

Кроме этого, для расчета должной ЖЕЛ разработаны и широко используются различные монограммы. После вычисления должной ЖЕЛ у спортсмена вычисляется сколько % от должной ЖЕЛ занимает полученный на спирометрии показатель.

Результаты исследования. Индексы ЖЕЛ у спортсменов,

занимающихся разными видами спорта, представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Показатели внешнего дыхания спортсменов, входящих в национальную сборную Туркменистана

Как видно из данных, представленных в таблице, самый высокий уровень ЖЕЛ выявлен у пловцов (5,3 ± 0,5 л у мужчин, 125,0 ± 9,0 % от должного уровня и 5,0 ± 0,4 л у женщин, 128,2 ± 10,7 % от должного уровня). Самый низкий показатель выявлен у дзюдоистов-мужчин (4,3 ± 0,4 л, 99,6 ± 11,5 % от должного уровня). Несмотря на то, что у тренирующихся спортсменов показатель ЖЕЛ составляет более 110% от должного уровня, видно, что у них большая разница между минимальным и максимальным

52

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

уровнями (если у мужчин квадратичное отклонение 111,6% от должного уровня равнялось 27,9%, а у женщин этот показатель составил 33,6%).

Несмотря на то, что у спортсменов, показавших хороший результат, индекс ЖЕЛ высокий, уровень их подготовки не достигает порогового уровня. Надо сказать, что спортсмены в основном тренируются на выносливость, поэтому показатель внешнего дыхания должен быть 100-115. Полученные результаты свидетельствуют о наличии у спортсменов проблем при тренировках.

В настоящее время с учетом показателей жизненной емкости легких в план тренировок введены изменения, и тренировочные занятия продолжаются в полном объеме.

Вывод. Показатели жизненной емкости легких позволяют определить уровень выносливости и подготовки спортсменов и своевременно внести в план их тренировок изменения.

Список литературы

1.Гурбангулы Бердымухамедов. Научные основы развития здравоохранения в Туркменистане. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2007. – С. 96.

2.Нуннаев Х.К. Теория спорта. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2011. – С. 230.

3.Кадыров Х.П. Спортивная медицина. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2016. С. 230.

4.Дубровский В.И. Спортивная медицина. – М.: Гуманитарное издание, 2005. С. 528

5.Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная. Москва «Советский спорт», 2010.

6.Дубровский В.И. Спортивная физиология. – М. ВЛАДОС, 2005 – С. 462.

53

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

УДК 615.471

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА У СПОРТСМЕНОВ

Кобызева А.А.

научные руководители – Щербакова Т.Ф., Седов С.С. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ Казань, Россия

Анализ вариабельности сердечного ритма является мощным инструментом в определении состояния человека. Используя спектральные и временные методы анализа, можно получить информацию о том, находится ли человек в состоянии утомления, напряжения или нормы. Данная информация может быть крайне актуальна при тренировке спортсменов, она дает возможность объективно оценить состояние человека и избежать перегрузки организма, а также увеличить эффективность тренировок.

Элекстрокардиосигнал (ЭКС) является надежным источником информации о состоянии человека, анализируя его можно получить много важной информации. Из электрокардиосигнала можно получить динамический ряд кардиоинтервалов – кардиоинтервалограмму (КИГ), она является основой для анализа вариабельности сердечного ритма (рис. 1).

Рисунок 1 – Фрагмент кардиоинтервалограммы

Существуют различные методы анализа КИГ, но наиболее быстродейственным является спектральный метод. Согласно рекомендациям

54

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Р.М. Баевского, КИГ переводится в эквивалентный ряд с частотой дискретизации 4 Гц и аппроксимируется кубическим сплайном [1]. Далее применяется быстрое преобразование Фурье и получается спектр кардиоинтервалограммы. В спектре выделяются три основные полосы частот

(рис. 2):

VLF – область очень низких частот (0,015-0,04 Гц)

LF – область низких частот (0,04-0,15 Гц)

HF – область высоких частот (0,15-0,4 Гц)

Рисунок 2 – Амплитудный спектр КИГ и диапазоны частот

Основным параметром, по которому может приниматься решение, является индекс вагосимпатического взаимодействия, он вычисляется как отношение мощностей низкочастотной и высокочастотной частей спектра

(LF/HF).

В проведенном ранее исследовании было экспериментально установлено, что индикатором перехода в состояние глубокого расслабления необходимым является значение индекса вагосимпатического взаимодействия меньше единицы [2]. Также наблюдались случаи, когда добровольцы отмечали усталость, то есть находились в состоянии утомления. Для более детального изучения эксперимент был дополнен новыми электрокардиосигналами: во время эксперимента добровольцам предлагалось максимально расслабиться. Как и в начале эксперимента, при анализе некоторых ЭКС отмечалось пониженное значение LF/HF, и добровольцы так же указывали на состояние утомления, при этом значение ЧСС не соответствует состоянию расслабления. Необходимо отметить, что индекс вагосимпатического взаимодействия и ЧСС не являются строго коррелированными величинами, в связи с этим принятие корректного решения только по ЧСС или только по отношению LF/HF практически невозможно. Одновременное использование двух параметров является значительно более информативным. Пример анализа ЭКС приведен на рисунке 3. Суммарно было исследовано более 100 электрокардиосигналов.

55

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Рисунок 3 – Пример анализа ЭКС

По полученным данным можно сделать вывод, что пониженное значение индекса вагосимпатического взаимодействия в сочетании с нормальным или завышенным значением ЧСС свидетельствует о состоянии утомления. Данный результат можно использовать для определения утомления спортсменов во время тренировок, что может способствовать увеличению безопасности и эффективности занятий спортсменов. Необходимо отметить, что предложенный метод позволяет получать информацию о состоянии человека в реальном времени в формате следящей системы, таким образом мониторинг может проводиться непосредственно во время тренировок. В дальнейшем необходимо провести дополнительные эксперименты для получения более точных значений и подкрепления полученных результатов.

Список литературы

1. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных кардиографических систем: методические рекомендации / Р. М. Баевский, Г. Г. Иванов, Л. В. Чирейкин [и др.] // Вестник аритмологии. – 2001. – №24. – С. 65-87.

2. Определение состояния водителя транспортного средства на основе анализа электрокардиосигнала / Т.Ф. Щербакова, С.С. Седов, Р.Р. Марданов, А.А. Кобызева, А.И. Валиева // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – 2022. – №3. – С. 129-133.

56

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

УДК 615.471

СБОР ДАННЫХ О ДВИЖЕНИИ ВЕСЛА СПОРТИВНОЙ ЛОДКИ С ПОМОЩЬЮ АКСЕЛЕРОМЕТРА-ГИРОСКОПА

Копьев М.А.

научные руководители – Щербакова Т.Ф., Седов С.С. Казанский национальный технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ Казань, Россия

Введение. В академической гребле важным фактором достижения спортивных результатов является синхронность гребка для правой и левой рук спортсмена а также синхронность гребка спортсменов в лодке (в случае командных соревнований). В то же время современное развитие технических устройств и технологий позволяет без принципиальных трудностей создавать и реализовывать системы сбора и анализа информации о движении интересующего нас объекта. В нашей работе предлагается система регистрации движения весла спортивной лодки на основе датчиков – акселерометров-гироскопов и технологии Bluetooth. Такая система весьма актуальна, поскольку результаты ее работы позволят синхронизировать действия спортсменов, что, несомненно, приведет к улучшению спортивных результатов. Система оперативно и качественно регистрирует траекторию движения весла, а также анализирует ее с целью улучшения в дальнейшем техники гребли спортсменов. В результате система обеспечивает синхронность движений гребцов.

Методы исследования. Вначале был проведен анализ подобных систем [1]. Результаты показали, что разрабатываемая систем должна быть легко наращиваемой, поскольку число спортсменов в лодке может варьироваться от одного до восьми. Поэтому система должна иметь блочную (модульную) организацию. Блоки системы должны быть герметичны для предотвращения попадания в них воды, а также иметь минимум проводов между ними, чтобы не мешать движениям спортсменов во время гребли. Для решения этих вопросов как нельзя лучше подходит технология Bluetooth. Используя эту технологию, можно сделать блок с герметичным корпусом, содержащий все необходимые устройства, например, аккумулятор, акселерометр-гироскоп и микропроцессор, а также Bluetooth-модуль для обмена информацией с помощью радиосигнала с другими подобными блоками в радиусе 10 м. Таким образом, на лодке будут исключены провода.

Рассмотрим данную систему сначала в простейшем варианте для одного спортсмена. На каждом весле устанавливается по одному блоку, содержащему акселерометр-гироскоп MPU 6050 [2], микроконтроллер PIC16F877A [3] и Bluetooth-приемопередатчик, работающий в режиме «Slave» (обозначим его как BT-Slave) – рис. 1.

57

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Рисунок 1 – Схема расположения блоков на одной паре весел лодки

Эти блоки располагаются по одному на каждом из весел, у места крепления лопатки к веретену весла. Данные с двух блоков на веслах передаются на главный блок, закрепленный на носу лодки, задача которого принять эти данные, сформировать их них пакеты, которые пересылаются по радиоканалу с помощью модуля NRF24L01 в тренировочный центр на берегу, а также на персональный компьютер тренера для их визуализации. По полученным данным тренер может оперативно корректировать процесс тренировки. Главный блок содержит микроконтроллер PIC32, а также Bluetooth-приемопередатчик, работающий в режиме «Master» (BT-Master).

Микроконтроллеры семейства PIC16 и PIC32 имеют широкое применение в различных отраслях, включая медицину, промышленность, транспорт, бытовую технику. Они имеют низкое энергопотребление, простой набор команд и обладают техническими характеристиками, достаточными для решения нашей задачи, в частности быстродействием и объемом памяти.

Радиомодуль NRF24L01 обеспечивает устойчивую связь с лодки берегом, так как он оснащен усилителями мощности приемного и передающего трактов. В модуле предусмотрена возможность программно менять канал (частоту передачи), уровень усиления мощности передатчика и скорость передачи данных по радиоканалу.

Акселерометр-гироскоп MPU-6050 представляет собой систему датчиков, содержащую в одном корпусе 3-х осевой гироскоп и 3-х осевой акселерометр, а также 16-разрядный АЦП и стабилизатор напряжения. Датчик-акселерометр выдает значения ускорений весла по трем осям, а датчик-гироскоп – значения угловых скоростей поворота весла. Данные выдаются в двоичном 16-разрядном коде, поэтому в десятичном коде диапазон значений составит от -32768 до +32767 (всего 65536 значений). Микроконтроллер преобразует эти данные в реальные физические величины.

58

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Для нашей системы был выбран следующий динамический диапазон реальных измеряемых величин: угловая скорость -250...+250 град/c; ускорение -1g...+1g, где g – ускорение свободного падения 9,8 м/с2. Соответственно цифровое значение с выхода АЦП для угловой скорости в 1 град/c соответствует числу 131.07, а для измерения ускорения в 1g соответствует 32767.

В случае нескольких спортсменов в одной лодке система наращивается парой блоков для каждого спортсмена. Главный блок – всегда один для любых вариантов системы. Поскольку расстояние между блоками на одной лодке не превышает 10 м, данные между ними передаются по Bluetooth в режиме Low Energy. Этот режим позволяет снизить энергопотребление системы в 3-4 раза. Обмен данными происходит в синхронном дуплексном режиме со скоростью 432,6 Кбит/с, в разрешенном диапазоне частот 2,4-2.5 ГГц, внутри интервала времени 625 мкс.

Результаты исследования и их обсуждение. Рассмотрим работу системы в целом. Главный блок с помощью BT-Master устанавливает соединение с первым блоком, обращаясь по адресу к соответствующему BTSlave первого блока и подает сигнал «начать преобразование». Акселерометр MPU-6050 опрашивается и полученные микроконтроллером PIC16 данные приводятся в нем к реальной величине. Затем PIC16 передает скорректированные данные через BT-Slave на BT-Master главного блока. После проверки корректности передачи данных BT-Slave получает подтверждение о передаче. Затем BT-Master переходит к опросу следующего блока на весле. При завершении опроса всех блоков, процессор главного блока PIC32 формирует итоговый пакет данных, который отправляется для дальнейшей обработки на сервер тренировочного центра, а также, на компьютер тренера в виде графиков, отображающих траекторию движения весел. Данная информация каждый раз должна обновляться при новом гребке на протяжении всей тренировки спортсменов.

Выводы. В результате проведенных исследований нами разработана система сбора и первичной обработки информации о движении весел спортивной лодки, позволяющая определять углы поворота весла относительно борта и плоскости воды. Эта информация позволяет построить траекторию движения весла и визуализировать ее на компьютере тренера, что в свою очередь, позволяет тренеру оперативно корректировать процесс тренировки. В дальнейшем предполагается использовать данные представленные нашей системой для анализа и улучшения техники гребли, подбора экипажа, а также для построения эталонной (наиболее эффективной) траектории движения весла в пространстве и сравнения реальных движений весла с эталоном.

59

SMART SPORT & TOURISM: цифровая трансформация в сфере физической культуры, спорта и туризма. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, прошедшей в рамках Международного форума KAZAN DIGITAL WEEK-2023. Казань, 22 сентября 2023 года

Список литературы

1.D. Altenburg, Handbook for rowers training: Technique, high performance and planning: a guide / D. Altenburg, K. Mattes, J. Steinacker. – 2nd ed. – Chicago: American Journal of Sports Science, 2012. pp. 102-108.

2.The MPU-6050 Explained [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://mjwhite8119.github.io/Robots/mpu6050

3.Т.Ф.Щербакова. Однокристальный микроконтроллер в системах обработки информации: учебно-методическое пособие / Т.Ф. Щербакова, Ю.И. Култынов, Э.Р. Галимзянов. – Казань: Изд-во ООО «Новое знание»,

2016. – 200 с.

60