Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 0.81 Mb.
|
5 СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НИР В СМЕЖНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ЭКОНОМИКИ5.1. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДЫДУЩИХ ЭТАПОВ РАБОТ. ОЦЕНКА ПОЛНОТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В СРАВНЕНИИ С СОВРЕМЕННЫМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ УРОВНЕМВ данной работе была поставлена задача разработать комплекс технических средств и математический инструментарий для решения биомеханических и физиологических задач, связанных с двигательной активностью человека в различных условиях (лабораторные исследования, обычная жизнедеятельность, спортивные тренировки, работа в экстремальных условиях). При этом необходимо свести к минимуму ограничения связанные с использованием комплекса на характер реализации двигательной активности. Это требование предопределило отказ от проводных связей испытуемого с блоком обработки. Проводная связь является абсолютно неприемлемой для спортивных приложений, работы в экстремальных условиях, длительного мониторинга в естественных условиях. Применение радиоканала на основе общепринятых технологий радиосвязи для связи с испытуемым является более приемлемым, но не позволяет удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к комплексу (деятельность, связанная со сложными движениями тела, приводящими к нарушениям в работе радиоканала, например борьба, фигурное катание, отдельные виды легкой атлетики, водные виду спорта, а также имитация боевых действий и работа в чрезвычайных ситуациях). Кроме того, в некоторых случаях необходимо обеспечить получение информации от испытуемого при больших удалениях от центра обработки (мониторинг, лыжные гонки и марафонский бег в легкой атлетике, велогонки и др.), что существенно усложняет разработку радиоканала. С точки зрения организации комплекса, необходимо было обеспечить инвариантность к числу обслуживаемых источников информации (отдельные мышцы при миографических исследованиях, различные отведения при анализе сигналов электрической активности сердца, кинематические характеристики отдельных точек тела испытуемого и пр.), предусмотрев возможность привязки снимаемых сигналов и результатов их первичной обработки к единой для всего комплекса шкале времени. Таким образом, возникла необходимость в создании комплекса, состоящего из системы датчиков, сопряженных с устройствами первичной обработки, и математического обеспечения, включающего программные средства, позволяющие решать поставленные задачи. Ключевым моментом является однородность структуры модулей-датчиков, позволяющая формировать практически любые структуры исследования механизмов движения. Каждый модуль имеет идентификационный номер, позволяющий различать модули между собой. Перед началом работы осуществляется сведение шкал времени модулей, внешнего оборудования и базового блока. Это позволяет привязать информацию, формируемую модулем (ЭМГ, ЭКГ или результаты обработки, кинематические характеристики точки закрепления модуля, пространственные координаты модуля), информацию, создаваемую внешними устройствами (визуальная картина движения, формируемая камерами, характерными сигналами типа «СТАРТ», моменты прохождения характерных точек дистанции и пр.). Комплекс представляет собой совокупность модулей различного функционального назначения, позволяющих решать задачи различной степени сложности. В зависимости от конкретной задачи возможно использование следующих модулей:
Возможны следующие области применения данных модулей:
Особенно перспективным представляется использование разработанного комплекса в плавании, где возможности других технических средств ограничены. Система должна представлять собой сеть, состоящую из модулей различного исполнения с автономным питанием, прикрепляемых к телу спортсмена, и стационарного терминала, собирающего и обрабатывающего информацию от датчиков. В простейшем случае сеть имеет топологию типа "звезда" (рис. 1).  Рисунок 1 Общие требования, предъявляемые к системе в максимальными возможностями :
Рассмотрим структурную схему стационарного терминала, представленную на рис. 2.  Рисунок 2 Функциями стационарного терминала являются прием информации поступающей от модулей и передача этой информации в компьютер. Прием информации осуществляется с помощью радиочастотного модуля работающего в не лицензируемом диапазоне частот. Так как терминал является стационарным, для него ограничения по потребляемому току не существуют, таким образом можно использовать модуль с повышенной мощностью передачи и выносной антенной, для увеличения радиуса действия. Радиочастотный модуль соединен с компьютером при помощи стандартного последовательного интерфейса USART со стороны модуля. Со стороны компьютера может быть использован последовательный COM порт или USB с использованием специальных переходников. В виду того что, порт USB является современным портом и есть в каждом компьютере, целесообразно использовать именно этот интерфейс, так как использование COM порта в современных компьютерах затруднено в виду их физического отсутствия. Если же важна работа в режиме реального времени, т.е. постоянного отслеживания физиологических и пространственных характеристик движения, но дальности действия радиоканала не хватает, тогда для решения поставленной задачи необходимо установить ретрансляторы радиосигнала (радиоудлиннителей), принимающих информацию от датчиков и ретранслирующих ее к стационарному терминалу или следующему ретранслятору. В ретрансляторах применен радиочастотный модуль, аналогичный используемому в датчиках и в стационарном терминале. В этом случае топология сети преобразуется к виду, представленному на рис. 3. Необходимо отметить, что в условиях постоянного перемещения модулей относительно терминала и ретрансляторов одной из важных функций последних является постоянный контроль за текущей конфигурацией сети с фиксацией и отображением неоднократного выхода из зоны радиовидимости и входа в нее отдельных датчиков.  Рисунок 3 Система функционирует следующим образом. Информация о пространственных и физиологических характеристиках движения человека от БРПИ и БРФИ поступает в БЗиХИ где хранится в долговременной памяти. Для контроля пространственно-временных характеристик необходимо синхронизировать временную шкалу системы с временной шкалой внешних устройств, таких как компьютер, видеокамера, различные датчики и т.д. Временная синхронизация сигналов пространственной ориентации и физиологических характеристик необходима для проведения детального анализа движения человека. Путем совместного анализа пространственно-временной и физиологической информации привязанной к общей шкале времени. Спортсмен (испытуемый) имеет возможность свободного перемещения в пределах тренировочного зала, поля и т.д., таким образом, организация проводного канала связи по понятным причинам с ним невозможна. Необходимо было разработать систему, позволяющую решать описанные задачи, в которой передача данных ведется по радиоканалу [18]. Для этой цели возможно использовать систему беспроводной передачи данных стандарта GSM/GPRS, предусматривающего определение местоположения абонента в сети по сигналам базовых станций. Но, как показывает практика, точность локализации в указанном случае составляет 350…400 м, что неудовлетворительно при определении местоположения. Кроме того, использование сети стандарта GSM/GPRS требует оплаты услуг оператора сотовой связи. Повысить точность определения местоположения спортсмена в сети стандарта GSM/GPRS можно путем использования в паре с GSM/GPRS-модемом модуля спутниковой навигации системы GPS или Глонасс. Такой подход позволяет снизить погрешность определения местоположения до вполне приемлемых 2.5…3 м. К тому же определение местоположения становится возможным на всей территории покрытия сети стандарта GSM/GPRS, что является несомненным достоинством такой системы. При разработке архитектуры построения инерциального модуля для измерения параметров движения в первую очередь возникает проблема габаритов. Малые габариты и низкое потребление тока необходимы для того чтобы не влиять на тренировочный процесс и иметь возможность долгой автономной работы модулей. Этим двум основным требованиям отвечает так называемая технология iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System) интегрированные микро-электро-механические системы [19-24]. Так как инерциальные датчики расположены на плате и выдают компоненты вектора ускорения в системе координат, жестко связанной с платой, для построения картины движения необходимо знать положение платы в пространстве. Эта информация должна быть привязана к неподвижной системе координат. Параметры движения можно охарактеризовать с помощью линейного ускорения и угловой скорости движения объекта. Из классической механики известно, что для полного описания перемещения достаточно знать шесть значений перемещений - линейные перемещения по трем взаимно ортогональным осям и угловые перемещения (вращения) по тем же осям. Созданный модуль измеряет эти перемещения, поэтому в состав модулей входят акселерометры и гироскопы [25, 26]. На рис. 4 представлена структурная схема измерительного модуля.  Рисунок 4 В исходном состоянии, когда, например, объект неподвижен, акселерометр измеряет ускорение тяготения (гравитации), и его три составляющие разложения по осям X,Y,Z. По этим трем составляющим определяются углы наклона объекта. Если в составе датчика имеется магнитометр, он определяет исходное направление объекта (например, по оси X) относительно магнитного поля земли. Когда объект находится в движении, данные датчика угловых скоростей (гироскопа) интегрируются, и в результате определяются углы наклона (в каждый момент времени). С учетом углов наклона определяется вектор ускорения тяготения (относительно объекта). Последний вычитается из общего вектора ускорений, измеряемых акселерометром. Разность векторов – это ускорение движения (с обратным знаком относительно ускорения инерции), которое после двойного интегрирования определяет траекторию движения. На рис. 5 представлена схема модуля, содержащего датчики линейных ускорений и угловых скоростей, а также датчик магнитной индукции.  Рисунок 5 Информация о характеристиках движения мышцы при помощи микроконтроллера записывается в долговременную память, где хранится во время проведения эксперимента. Затем данные из памяти переписываются в компьютер для последующего детального анализа, либо совместно с физиологической информацией, или же отдельной независимой информацией о параметрах движения. Структурная схема модуля измерения пространственных характеристик приведена на рис. 6. Рисунок 6 из презентации 2 слайд 4 В  нешний вид опытного образца, позволяющий оценить его габаритные размеры, приведен на рис. 7. Рисунок 7. Модуль регистрации физиологической информации представляет собой стандартное устройство для снятия биопотенциалов электрической активности мышц или сердца. В рамках разрабатываемой системы был создан опытный образец (прототип) модуля съема и регистрации потенциала электрической активности мышц. Фотография данного модуля представлена на рисунке 8.  Рисунок 8 Модуль состоит из схемы преобразования однополярного напряжения в двуполярное, усилителя биопотенциалов электрической активности мышц, микроконтроллера, памяти, аккумулятора (на фото не представлен), интерфейсной микросхемы и разъема USB. Данный модуль имеет следующие характеристики:
Контроль пространственных и физиологических характеристик движений человека должен быть привязан к некоторой временной шкале, чтобы связать внешнюю картину движения с процессами проходящими в системах обеспечивающих сложное движение испытуемого. Может быть использовано несколько вариантов синхронизации. Например, можно синхронизировать глобальное мировое время и часы модуля или синхронизировать часы модуля с системным временем. Модуль имеет два режима работы: 1. Режим реального времени (online). Пространственные и физиологические характеристики поступают в компьютер в режиме реального времени, при этом происходит «автосинхронизация» принимаемых данных с временем ПК. 2. Режим записи в память (автономный режим, offline). Особенность данного режима состоит в том, что все выходные данные модуля записываются в энергонезависимую память модуля для последующей обработки. При этом возникает проблема синхронизации временных шкал модуля и внешних устройств. Для решения вопроса синхронизации предлагается использовать микросхемы часов реального времени, которые на современном развитии элементной базы являются весьма распространенными и обладают различными характеристиками [27-29]. Выбор конкретной схемы основывался на следующих важных показателях, характеризующих возможности микросхемы представленных в [30-33]:
Рассмотрим принцип функционирования системы синхронизации для off-line режима работы модуля. Перед началом исследования необходимо произвести сверку и синхронизацию временных шкал модуля и компьютера. Для этого модуль подключается к компьютеру, где запускается соответствующее программное обеспечение для работы с модулем. С помощью данного программного обеспечения происходит проверка работоспособности модуля и его узлов, так же в этот момент происходит синхронизация временных шкал модуля и компьютера. После удачного завершения проверки модуль готов к работе. Модуль прикрепляется на тело исследуемого человека, после чего в энергонезависимую память по определенному адресу записывается время начала эксперимента. Далее по окончании тренировки, при последующем подключении модуля к компьютеру будет произведено считывание снятой информации (в том числе и времени начала и конца эксперимента) из энергонезависимой памяти в компьютер. Модуль регистрации физиологической информации представляет собой устройство регистрации биопотенциалов электрической активности мышц или сердца. Модуль основан на современной элементной базе и состоит из следующих основных частей:
Пассивные элементы выполнены в малом корпусе типоразмера 0603 (ШхД), что позволило уменьшить габариты модуля (по сравнению с предыдущим прототипом). Новый модуль регистрации физиологических характеристик имеет следующие параметры:
На рис. 9 представлена печатная плата модуля контроля физиологических характеристик человека.  Рисунок 9 Опытный образец модуля контроля пространственно-временных характеристик движений человека представлен на рис. 10. Модуль состоит из следующих основных частей:
Данный модуль рассчитан на исследования движения, для нагрузок, линейное ускорение в которых не может превышать 3g, ввиду ограничений накладываемых инерциальным навигационным модулем.  Рисунок 10 Разработанные модули были подвергнуты стендовым испытаниям, результаты которых дают основания считать, что в реальных условиях тренировочного процесса разработанная аппаратура будет работать в штатном режиме. Основное приложение разработанных модулей было ориентировано на плавательный спорт, что определялось наличием установившихся творческих связей с академией им. Лесгафта и Федерацией плавания, позволивших провести натурные испытания в подведомственных спортивных учреждениях. Теоретические и экспериментальные исследования кинематического модуля, основанного на использовании iMEMS-технологий, показали, что ему свойственно накопление ошибок, не позволяющее контролировать скорость перемещения пловца. В связи с этим в рамках данной работы был разработан гидроакустический модуль для измерения скорости движения пловца, который будет рассмотрен в следующем разделе. |
Похожие:
 | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... ... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур ран | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... | | 1. Банковский сектор2 Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
