Научно-технический отчет о выполнении НИР
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 621.37/39-027.31 ГРНТИ 47.14.00 28.21.15 Инв. № УТВЕРЖДЕНО: Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» От имени Руководителя организации ______________/Шестопалов М.Ю/ М.П. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 5 этапа Государственного контракта № 14.740.11.0577 от 05 октября 2010 г. и Дополнению от 01 сентября 2011 г. № 1 Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук. Проект: Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик механики движений человека Руководитель проекта: ______________/Ульяницкий Юрий Дмитриевич (подпись) Санкт-Петербург 2012 г. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту 14.740.11.0577 от 05 октября 2010 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» Руководитель темы: кандидат технических наук, профессор ______________________ Ульяницкий Ю. Д. подпись, дата Исполнители темы: кандидат технических наук, доцент ______________________ Богачев М. И. подпись, дата кандидат технических наук, доцент ______________________ Красичков А. С. подпись, дата кандидат технических наук, доцент ______________________ Пыко С. А. подпись, дата без ученой степени, без ученого звания ______________________ Малых Ю. А. подпись, дата без ученой степени, без ученого звания ______________________ Соколова А. А. подпись, дата без ученой степени, без ученого звания ______________________ Шевченко М. А. подпись, дата без ученой степени, без ученого звания ______________________ Григорьев Е. Б. подпись, дата без ученой степени, без ученого звания ______________________ Маркелов О. А. подпись, дата 2 Реферат Отчет 99 с., 1 ч., 31 рис., 3 табл., 31 источн., 1 прил. Системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик , сложные движения, электрическая активность мышц, датчики миографических сигналов , микромеханический акселерометр , микромеханический гироскоп , инерциальные навигационные системы , твердотельные сенсоры , пространственно-временная обработка В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 5 этапу Государственного контракта № 14.740.11.0577 "Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик механики движений человека" (шифр "2010-1.2.2-111-017") от 05 октября 2010 по направлению "Механика" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук" , направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы "Научные и научнопедагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы. Цель работы - Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик механики движений человека Методы биомеханики, физиологии и спортивных движений, методы синтеза оптимальных структур обработки и комплексирования биологической информации и информации о движении точек съема сигналов. Методы автоматизированного проектирования электрических схем. Методы визуального программирования. Базы данных записей реальных биомедицинских сигналов. Доступ к современным программно-вычислительным средствам, позволяющим проводить моделирование ситуаций, максимально приближенных к реальности. 5.1 Обобщение результатов предыдущих этапов работ. Оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. 5.2 Проведение дополнительных исследований 5.3 Оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации. 5.4 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный 3 процесс. 5.5 Выработка рекомендаций по направлениям дальнейших прикладных исследований, ставящих целью практическое применение полученных результатов. 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..6 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ….…………………………………………………………..7 АННОТИРОВАННАЯ СПРАВКА ПО НАУЧНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ НИР...10 2. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НИР В СМЕЖНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ЭКОНОМИКИ.……………………...……………..22 5.1. Обобщение результатов предыдущих этапов работ. Оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.....................22 5.2 Проведение дополнительных исследований ………………..…….37 5.3 Оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации..........77 5.4 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс……………………………………………….79 5.5 Выработка рекомендаций по направлениям дальнейших прикладных исследований, ставящих целью практическое применение полученных результатов………………………………….80 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….82 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………….....84 ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………….…88 5 ВВЕДЕНИЕ Жизнедеятельность человека реализуется через его физическую и умственную активность, которые обеспечивают решение всего многообразия задач возникающих как перед отдельным индивидуумом, так и перед человечеством в целом. В рамках данного исследования основное внимание уделялось исследованию преимущественно в физической области спорта, деятельности предъявляющего человека, максимальные требования к ресурсным возможностям человеческого организма. Разработка идеологии и инструментальных решений требовали глубокого ознакомления с биомеханическими принципами организации движения. Наукой изучающей кинематику и динамику движения живых систем, механические свойства биологических тканей, а так же механические процессы и явления, протекающие в живых объектах, является биомеханика [1, 2]. Особое значение биомеханика имеет в качестве естественнонаучной основы спортивных достижений, в том числе для моделирования новых, еще неосвоенных вариантов спортивных и трудовых движений [3-5]. В последнее время в нашей стране и за рубежом развивается адаптивная физическая культура и спорт для лиц с ограниченными двигательными направления возможностями. биомеханики Одной является из важнейшей естественнонаучное задач этого обоснование физической подготовки и техники спортивных достижений у лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Методическая база биомеханики весьма широка, для решения специфических задач она использует не только свой методический арсенал, но и средства, способы и теоретические положения смежных областей знаний: психологии, педагогики, физиологии, анатомии и др. [6-11] В настоящее время бурное развитие радиоэлектроники, видеотелевизионной и компьютерной техники значительно расширило возможности использования аппаратных доступным методов исследования регистрацию спортивных кинематических 6 движений, характеристик в сделало условиях крупнейших спортивных соревнований в условиях спортивной борьбы, в условиях высших достижений, которые в лабораториях воспроизвести невозможно. Наиболее часто в биомеханическом исследовании применяются видеои киносъемка, а также акселеро- и тензодинамография. Биомеханический анализ занимает важное место в решении задач физиологии труда и спорта. Удачные примеры решения биомеханических задач рассмотрены в работах заведующего кафедры биомеханики МГУ им. П.Ф. Лесгафта А.В. Самсоновой по исследованию в области влияния тренировок с большими отягощениями на гипертрофию скелетных мышц человека, профессоров этой же кафедры Г.П. Ивановой, Л.Л. Ципина и аспиранта Д.В.Спиридонова по электромиографическому исследованию асимметрии верхних конечностей, а так же профессора Г.П. Ивановой и аспиранта Д.В. Спиридонова по изучению биомеханической асимметрии двигательных систем и ее проявление в организации движения. Незаменимая роль в исследовании мышечной активности в спортивных движениях принадлежит электромиографии (ЭМГ) [12-17]. По характеру электрических потенциалов возможно судить о периодах напряжения и расслабления мышц о величине усилий, а также о их согласовании. Особенно продуктивной ЭМГ становится при одновременной регистрации биомеханических показателей, когда внешняя картина движения сочетается с оценкой мышечной работы. Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений человека представляет из себя сложную систему взаимодействия запоминания аппаратной физиологической и части касающейся пространственной регистрации, информации с программными средствами анализа полученной информации. В рамках данной работы были рассмотрены основополагающие вопросы построения системы контроля пространственно-временных характеристик сложных движений человека. 7 и физиологических В качестве инструмента для получения исходной информации был создан автономный модуль, рассчитанный на съем, первичную обработку и запоминание состояние биологического контролируемой сигнала мышцы, (миограммы), а также характеризующей электрокардиограммы, отражающей состояние сердечно-сосудистой системы. Аппаратная часть модуля основана общедоступных и на применении недорогих современных, элементов. малогабаритных, Основу модуля составляет микроконтроллер, который обеспечивает сбор и запись в память информации о состоянии контролируемой мышцы, информации от акселерометра о параметрах движения точки, в которой происходит съем биологической информации, а также сигнала ЭКГ. После окончания эксперимента автономный модуль подключается к компьютеру, в котором реализуется комплексный после считывания алгоритм записанной обработки информации физиологических и пространственных характеристик движения, проводится анализ ЭКГ. Для обеспечения эффективного контроля параметров движения в режиме реального времени использован инерциальный модуль, в состав которого входят микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления. В случае использования нескольких модулей, расположенных на различных мышцах кинематических звеньев, реализующих движение «в целом», производится совместная обработка информации, записанной в отдельных модулях такой системы. Такой модульный принцип позволяет легко адаптировать инструментальную часть комплекса под решаемую задачу с помощью варьирования числа используемых модулей. В этом плане предлагаемый подход выгодно отличается от использования миографической аппаратуры с фиксированным числом каналов, не говоря уже о проблемах связи измеряемого объекта с компьютером. Адекватные методы и алгоритмы совместной обработки биологических сигналов и сигналов о пространственно-временных 8 характеристиках движения существенно упрощают задачу тренера в организации тренировки, а система с использованием обратной связи позволяет спортсмену самому контролировать и строить тренировочный процесс. В ходе работы были изготовлены опытные образцы автономных модулей и проведены их стендовые испытания. Модуль контроля физиологических характеристик человека испытан путем сравнительного анализа записей сигналов ЭМГ и ЭКГ, полученных с помощью сертифицированного медицинского оборудования и разработанного образца. Для модуля контроля пространственных характеристик были проведены статические и динамические испытания. Для повышения точности определения пространственного положения контролируемой точки на теле испытуемого, рассмотрены ошибки гироскопов и акселерометров, их источники и методы борьбы с ними. Для максимально эффективной работы изготовленного прототипа устройства оценена возможность комплексирования данного устройства со спутниковыми средствами навигации и системами мобильной связи для повышения точности определения текущего положения автономного модуля. Поскольку использование разработанных модулей предполагает наличие механических воздействий произведена разработка концепций построения специализированных вибро- и удароустойчивых датчиков на поверхностных акустических волнах и тонких пленках. Для измерения перегрузочных возможностей исследуемых объектов выполнена оценка вибро- и ударопрочности автономных модулей, а также оценка критических параметров измеряемых величин с учетом специфики носителя. 9 АННОТИРОВАННАЯ СПРАВКА О РЕЗУЛЬТАТАХ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕДЫДУЩИХ ЭТАПОВ При решении многих задач, связанных с движением человека (трудовая деятельность, физическая культура и спорт) возникает необходимость в получении и последующей обработке биологических сигналов, связанных с реализацией двигательной активности. В первую очередь речь идет о сигналах электрической активности мышц, обеспечивающих реализацию двигательного акта. Для полноценного анализа всех сторон двигательного акта информация, содержащаяся в сигналах электрической активности мышц, должна быть дополнена данными о параметрах движения, как точки съема биологических сигналов, так и всей изучаемой кинематической системы, структура которой определяется решаемой задачей. Особый интерес данная информация представляет для областей деятельности человека, связанных с экстремальными состояниями (работа в условиях чрезвычайных ситуаций, сформулированных задач спорт высших требуется достижений). создание Для принципиально решения нового инструментария для получения исходной информации и адекватной методологии для обработки полученной информации. В качестве инструмента для получения исходной информации был создан автономного модуль, рассчитанный на съем, первичную обработку и запоминание биологического сигнала (миограммы), характеризующей состояние контролируемой мышцы. Параллельно с миограммой в устройстве памяти фиксируются параметры движения точки (малой области), в которой происходит съем биологической информации, а также сигналы, позволяющие «привязать» запоминаемую информацию к общей картине движения (сигналы синхронизации от внешних устройств). После окончания эксперимента автономный модуль подключается к компьютеру, в котором после считывания записанной информации реализуется комплексный 10 алгоритм обработки физиологических и пространственных характеристик движения. На сегодняшний день в виду большого разнообразия элементной базы, аппаратная часть модуля основывается на применении современных, малогабаритных, общедоступных и недорогих элементах. В основе модуля используется микроконтроллер, который выполняет задачи сбора и записи в память информации о состоянии контролируемой мышцы, информации от акселерометра о параметрах движения точки, в которой происходит съем биологической информации, а также задачу передачи снятых параметров в компьютер для последующей обработки. Исходя из условий применения модулей (тренировки спортсменов в различных видах спорта, таких как легкая атлетика, фигурное катание, дайвинг и пр.) созданный модуль имеет компактные габариты, чтобы не мешать процессу тренировки и не вносить никаких особенностей и изменений в тренировочный процесс. Для более глубокого анализа движений в модуле заложена синхронизация с высокоскоростной видеокамерой. Для обеспечения эффективного контроля параметров движения в рамках решаемой задачи используются инерциальные модули, в состав которых входят микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления. Современные технологические решения в этой области, позволяют обеспечить требуемые по условиям поставленной задачи массогабаритные и надежностные характеристики, основаны на применении микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), которые получили название твердотельных. Бурный прогресс ММА в определенной степени был обеспечен возможностью переноса концепций построения их макроаналогов, т. е. “больших” акселерометров, на уровень микротехнологий. В связи с этим востребованными оказались маятниковые и осевые ММА. Наиболее популярна в настоящее время номенклатура унифицированного ряда акселерометров ADXL с различными точностными характеристиками и диапазонами измерений, выпускаемых фирмой Analog 11 Devices. Концептуальную вибрационные основу технологии, современных обеспечивающие ММГ колебательное составляют движение инерционных масс (первичные колебания), которые при наличии угловой скорости благодаря эффекту Кориолиса перекачивают часть энергии первичных колебаний в ортогональные моды. Такие ММГ получили название вибрационных, и их технологическая база оказалась хорошо совместимой с технологией ММА. В случае использования нескольких модулей, расположенных на различных мышцах кинематических звеньев, реализующих движение «в целом», производится совместная обработка информации, записанной в отдельных модулях такой системы. Такой модульный принцип позволяет легко адаптировать инструментальную часть комплекса под решаемую задачу с помощью варьирования числа используемых модулей. В этом плане предлагаемый подход выгодно отличается от использования миографической аппаратуры с фиксированным числом каналов, не говоря уже о проблемах связи измеряемого объекта с компьютером. Варианты решения, связанные с применением радиоканала, для случаев сложных спортивных движений неприменимы, не говоря уже о проводной связи. Сложность создания адекватной методологии обработки миографических сигналов для широкого класса изучаемых движений состоит в том, что характер миографического сигнала, кго структурные особенности в зависимости от режима работы мышцы, претерпевают значительные изменения, ограничивающие адекватность описания исследуемого объекта в рамках спектрально-корреляционной теории и требуют для более полного описания привлечения нелинейных методов исследования биологических сигналов. Востребованность совместного контроля и обработки биологических сигналов мышечной активности и параметров движения, в первую очередь, относится автономных к спортивным модулей приложениям. регистрации 12 Применение мышечной комплекса активности из и пространственного положения тела позволит исследовать биомеханические показатели при различной технике спортивных упражнений, что в свою очередь позволяет выбрать оптимальный процесс тренировок и на принципиально новом научном уровне обосновать выбор оптимальной техники выполнения ряда упражнений. Кроме того, постоянный контроль над параметрами биологических сигналов мышечной активности позволяет выбрать такой режим спортивных тренировок, который будет способствовать минимизации риска травм мышц вследствие перегрузки (растяжения). Заинтересованность в приобретении автономных модулей регистрации мышечной активности и пространственного положения тела подтверждают Национальный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта. Широкое использование таких систем ведущими специалистами Федераций спорта позволит решать такие задачи, как оптимизация режима тренировки национальных сборных команд, в том числе при подготовке к Сочинской зимней Олимпиаде 2014 года. Другим актуальным направлением применения таких модулей является сопровождение тренировок людей, работающих в экстремальных ситуациях, в том числе подразделений МЧС. Наконец, аналогичная концепция может быть использована для создания автономных модулей, контролирующих пространственное положение тела и иные биологические сигналы, в частности, электрокардиосигнал, что позволит решать ряд актуальных медицинских задач, в частности, позиционной кардиографии в условиях амбулаторного мониторирования для диагностики неспецифических изменений кардиосигнала, возникающих из-за различных положений тела. При этом на базе микромеханических чувствительных элементов (ММА и ММГ) возможно изготовление компактных инерциальных модулей невысокого ценового диапазона, комплексируемых с малогабаритными приемниками сигналов GPS и ГЛОНАСС. В этом случае будет обеспечиваться непрерывность навигационной информации в условиях действия естественных и организованных 13 помех, затенения антенн потребителей и других возмущений, ограничивающих применение приемников спутниковых навигационных систем отдельно. Интегрирование GPS/ГЛОНАСС-приемников с достаточно точными и дешевыми инерциальными системами в состоянии обеспечить истинно глобальную навигационную систему в будущем. В рамках второго этапа были рассмотрены вопросы разработки структуры системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик движений человека в целом и автономного модуля как ее базовой единицы. Предполагается, что система строится как совокупность модулей различного функционального назначения позволяющих решать задачи различной степени сложности. В системе имеется общий подключенный к для всех конфигураций компьютеру. Его стационарный задачами являются модуль, диагностика исправности модулей, синхронизация временной шкал модулей с временной шкалой компьютера или других внешних устройств, сбор информации от модулей, задействованных в системе. Сформулированы общие требования, предъявляемые к модулям системы: • модули расположенные на теле спортсмена должны иметь минимальные размеры, и не влиять на тренировочный процесс; • передача данных от модулей к стационарному терминалу должна осуществляться по радиоканалу; • каждый модуль должен иметь систему временной синхронизации со стационарным терминалом или другими внешними устройствами; • модуль должен иметь энергонезависимую, долговременную память для записи регистрируемых физиологических или пространственных параметров; • модуль должен контролировать один или несколько ключевых физиологических и пространственных параметров спортсмена; 14 • Каждый модуль должен иметь свой идентификационный номер, позволяющий различать модули между собой, что обеспечит создание простого и в тоже время гибкого протокола управления модулями и позволит выбрать топологию построения системы вида «звезда». Предложены варианты связи модулей с компьютером (проводной и беспроводной), синхронизации модулей системы с внешними устройствами в зависимости от выбора варианте связи с компьютером. Разработка состава отдельных элементов системы в части касающейся регистрации биологических сигналов мышц и архитектуры построения инерциальных модулей для измерения параметров движения потребовала детального изучения литературы посвященной тематике съема биологических потенциалов и принципов инерциальной навигации. Так же разработана концепция построения инерциальных модулей для измерения параметров движения и принципиальные схемы модулей, на основе которых ведется построение их полной электрической схемы. Структурные схемы разработаны для разных степеней сложности модулей. Проведена оценка физической реализуемости структуры модулей и системы в целом. Был разработан и изготовлен опытный образец модуля регистрации потенциалов электрической активности мышц, без синхронизации с компьютером и использованием USB интерфейса для переписывания данных в компьютер. Соответственно проведены практические испытания изготовленного модуля, с целью проверки его точностных характеристик. Испытания проводились следующим образом: сигнал ЭМГ одновременно, с одного электрода регистрировался сертифицированной медицинской аппаратурой и нашим прототипом. После эксперимента, проводился анализ и сопоставление записанных данных. В результате исследования выяснилось, что наш изготовленный образец отвечает заявленным характеристикам. Полученные с его помощью сигналы имеют статистические характеристики, такие как среднее значение, дисперсия, спектральная плотность мощности и др. отличающиеся от 15 соответствующих характеристик полученных с помощью эталонного устройства, в пределах длительностью статистической анализируемой погрешности реализации. определяемой Результаты наглядно представлены на соответствующих характеристиках. При формировании исследование на требований к сертифицированном элементной базе медицинском проведено оборудовании, направленное на изучение влияния частоты дискретизации сигнала электрической активности мышц, на основные статистические параметры, в ходе которого выяснилось, что для разных статистических характеристик минимально допустимая частота дискретизации различна. В связи с этим в модуле регистрации биологических сигналов предусмотрено программное изменение частоты дискретизации, что сделает систему гибкой и менее требовательной к объему применяемой памяти и потребляемому току. Результаты проведенного исследования наглядно представлены в виде рисунков с соответствующими комментариями. Современная элементная база позволяет реализовать разработанные структурные схемы модулей, а использование заказных микросхем позволит создать микро-миниатюрные малопотребляющие модули с большим временем автономной работы. В рамках третьего этапа разработки функциональной схемы и устройства системы физиологических контроля характеристик пространственно-временных сложных движений человека и был рассмотрен важный теоретический момент связанный с разработкой концепции построения автономных модулей системы. В результате получили следующую концепцию построения системы - система состоит совокупности некоторого числа автономных, независимых модулей (датчиков), сопряженных с устройствами первичной обработки, и математического обеспечения включающего программные средства позволяющие решать биомеханические и физиологические задачи, связанные с двигательной активностью человека в различных условиях (лабораторные исследования, обычная жизнедеятельность, спортивные 16 тренировки, работа в экстремальных условиях). В система предполагается несколько различных типов модулей: • Модуль контроля пространственных характеристик; • Модуль контроля физиологического состояния человека (контроль ЭКГ, ЭМГ); • Модуль с обратной связью; Были разработаны требования к объему памяти, встраиваемой в автономный модуль, в зависимости от основных параметров регистрируемых биологических сигналов и параметров движения. Рассмотрены возможные варианты исполнения памяти (SD карты, DataFlash микросхемы). Для разрабатываемой системы будет применятся память объемом 64 Мбайта, выполненная в виде миниатюрном корпусе SO8. Использование такого типа и объема памяти позволит создать универсальные модули. Обоснован выбор точек размещения измерительных модулей сигналов и параметров движения на различных участках тела с технической точки зрения и точки зрения получаемых данных. Выработаны следующие рекомендации для размещения модулей контроля физиологических и пространственно-временных параметров движения на теле человека: • размещать модуль в таких местах, где есть минимум вращения по трем осям одновременно • размещать модуль в дали от металлических предметов (часы, браслеты и т.д.) • стараться размещать модуль плотно к телу, исключать самопроизвольные повороты, шатания и т.д. • исключить силовые воздействия на модуль при тренировках ( удары, броски и др.) • прикреплять электрод плотно к коже • прикреплять электрод на чистую, незагрязненную кожу, лучше использовать специальные гели (клеи) 17 • при исследовании состояния мышц закреплять электроды строго на исследуемой мышце • не объединять нулевые электроды • и др. Дана оценка предлагаемых объемов информационной емкости отдельных модулей и возможности их записи в долговременную память в соответствии требований с условиями для съема тренировочного физиологической процесса и информации, технических такой как электрокардиограмма и электромиограмма. Выбрана элементная база и исследованы точностные характеристики микромеханических сенсоров (акселерометров, гироскопов и др.) для изготовления опытных образцов автономных модулей. Исследованы характеристики ММА при работе в режиме задания фиксированных значений углов поворота (статическая градуировка), а так же при непрерывном вращении (динамическая градуировка). Снятие зависимости выходного напряжения от скорости вращения ММГ (выходной характеристики) проводится при различных угловых скоростях и направлениях вращения стенда (например, от 0 до ±75 град/с). При этом модуль должен быть расположен таким образом, чтобы измерительная ось ММГ z1 совпадала с осью вращения СИО и была направлена по оси y системы координат Oxyz (рисунок 3.8), где оси x и z расположены в горизонтальной плоскости, а ось y ортогональна ей. Разработаны методы и алгоритмы совместной обработки биологических сигналов и информации о пространственно-временном положении при различной технике выполнения упражнений и оптимизации спортивных тренировок на основании данных полученных с помощью существующего комплекса были получены электрокардиограмма и три составляющих вектора ускорения. Представлены результаты взаимного съема и обработки этих данных, сделаны соответствующие 18 теоретические выводы о необходимости создании коэффициента оценки энергозатрат спортсмена и соответственно качества тренировочного процесса. Разработан пользовательский интерфейс программного обеспечения для съема и обработки данных с автономных модулей конечным пользователем (тренером, спортивным врачом). Пользовательский интерфейс не может быть универсальным для любого вида спорта и любого тренера. Пользовательский интерфейс должен быть гибким, легко перестраиваемым с учетом индивидуальных особенностей тренера. Разработаны методы и алгоритмы обработки миографических сигналов (на основании анализа свойств сигналов, зарегистрированных с помощью традиционных многоканальных миографов). Так же были проведены исследования о влиянии частоты дискретизации миографического сигнала на его статистические параметры. Даны объяснения получившимся результатам, построены соответствующие графики. В рамках четвертого этапа «Изготовление опытного образца системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений» выполнена разработка принципов построения системы временной синхронизации автономных модулей. Рассмотрены два режима работы модулей: режим передачи данных в реальном времени, при котором происходит синхронизация принимаемых данных во время приема и режим автономной работы с записью всех данных в энергонезависимую память. Рассмотрены варианты исполнения синхронизации времени модуля с временной шкалой ПК, сделан обоснованный выбор в пользу микросхем часов реального времени, которые на современном этапе развития элементной базы позволяют сделать компактное и микропотребляющие устройство с относительно хорошей стабильностью хода. Разработаны принципиальные схемы модуля контроля физиологических параметров и модуля контроля пространственно-временных характеристик. В настоящее время достаточно хорошо разработана методика отведения потенциалов и регистрации биопотенциалов в лабораторных условиях. 19 Основываясь на существующих схемотехнических решениях, нами доработана принципиальная схема регистрации биологических сигналов, в частности сигналов ЭМГ и ЭКГ. В состав принципиальной схемы модуля контроля физиологических характеристик движения человека входят следующие основные элементы: • усилитель биологических потенциалов; • микроконтроллер; • часы реального времени; • энергонезависимая память; • интерфейс связи с ПК. В состав принципиальной схемы модуля контроля пространственно- временных характеристик движения человека входят следующие основные элементы: • модуль инерциальной навигации; • микроконтроллер; • энергонезависимая память; • часы реального времени; • интерфейс связи с ПК. В качестве инерциального навигационного модуля используется стандартное решение разработанное американской фирмой CHRobotics и на его основе изготовлено два типа модулей, отвечающих общей концепции построения системы и отвечающих вышеизложенным требованиям. Проведены стендовые испытания модулей. Модуль контроля физиологических характеристик человека испытан путем сравнительного анализа записей сигнала ЭМГ, полученных с помощью сертифицированного медицинского оборудования и разработанного модуля. Для модуля контроля пространственных характеристик были проведены статические и динамические испытания. Рассмотрены алгоритмы оценивания статистических характеристик электромиограмм. 20 Для повышения точности определения пространственного положения рассмотрены ошибки гироскопов и акселерометров, их источники и методы борьбы с ними. Для максимально эффективной работы изготовленного прототипа устройства оценена возможность комплексирования данного устройства со спутниковыми средствами навигации и системами мобильной связи для повышения точности определения текущего положения автономного модуля. Поскольку использование разработанных модулей предполагает наличие механических возмущений произведена разработка концепций построения специализированных вибро- и удароустойчивых датчиков на поверхностных акустических волнах и тонких пленках для измерения перегрузочных возможностей исследуемых объектов и произведена оценка вибро- и ударопрочности автономных модулей, а также оценка критических параметров измеряемых величин с учетом специфики носителя. Анализ последних публикаций позволяет говорить о несомненных тенденциях повышения точностных характеристик ТМГ из года в год. Вместе с тем, остается ряд нерешенных проблем, одной из которых является снижение температурной чувствительности таких сенсоров. Важность этих параметров вызвана потенциальным применением разрабатываемых датчиков для высокодинамичных объектов, которые требуют высокой устойчивости к вибро- и ударным нагрузкам. 21 5 СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НИР В СМЕЖНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ЭКОНОМИКИ 5.1. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДЫДУЩИХ ЭТАПОВ РАБОТ. ОЦЕНКА ПОЛНОТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В СРАВНЕНИИ С СОВРЕМЕННЫМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ УРОВНЕМ В 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, 22 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 математического с устройствами обеспечения, первичной включающего обработки, программные и 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: 1. Модуль с минимальными функциональными возможностями, позволяющий запоминать физиологического сигнала во временной системе, привязанной к временной шкале базового блока 23 2. Модуль с возможностью записи физиологического сигнала и сигналов, определяющих кинематику движения точки закрепления модуля (оговорить считать модуль точкой) 3. Модуль с возможностью кинематических записи характеристик физиологического точки размещения сигнала, модуля и пространственных (географических координат) модуля формируемых с использованием системы GPS, ГЛАНАСС. Возможны следующие области применения данных модулей: спортивные приложения, для которых не требуются кинематические характеристики, или они могут быть получены с помощью внешних устройств (видео-, киносъемка); работа без внешних устройств для спортивных приложений (спринт, прыжки без сопровождения камерой, водные виды спорта, горные лыжи, прыжки с трамплина и т.д.). 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 24 Общие требования, предъявляемые к системе в максимальными возможностями : 1. Модуль должен контролировать один или несколько ключевых физиологических параметров спортсмена. 2. Модуль должен иметь свой идентификационный номер (адрес). 3. Модуль должен иметь функцию определения своего местоположения с возможностью передачи координат на стационарный терминал. 4. Модуль имеет энергонезависимую, долговременную память для записи физиологических и пространственных параметров спортсмена, когда радиосвязь с модулем невозможна. 5. Каждый модуль должен иметь систему временной синхронизации со стационарным терминалом. 6. Дальность эффективной радиосвязи между датчиками и стационарным терминалом должна быть достаточной для работы в типовом спортивном зала. 7. Создаваемое датчиками радиоизлучение не должно создавать помех медицинской и другой аппаратуре и оказывать воздействие на состояние здоровья спортсменов. 8. Расположенные на теле спортсмена модули должны иметь минимальные размеры, и не влиять на тренировочный процесс. 9. Энергопотребление каждого датчика должно быть минимизировано для длительной автономной работы. 10. Передача данных от датчиков сети к стационарному терминалу должна осуществляться по радиоканалу. 11. Питание стационарного терминала должно осуществляться от электросети общего пользования. Рассмотрим структурную схему представленную на рис. 2. 25 стационарного терминала, 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 ретранслирующих к ретранслятору. В ее информацию стационарному ретрансляторах терминалу применен 26 от или датчиков и следующему 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 пространственновременной 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]. 27 Для этой цели возможно использовать систему беспроводной передачи данных стандарта предусматривающего GSM/GPRS, 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/GPRSмодемом 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 28 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. 29 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 независимой информацией, или же отдельной информацией о параметрах движения. Структурная схема модуля характеристик приведена на рис. 6. Рисунок 6 из презентации 2 слайд 4 30 измерения пространственных Внешний 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. 31 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: Напряжение питания: любой источник постоянного напряжения, амплитудой не более 10 вольт Полоса пропускания усилителя 10-500Гц, по уровню -3дБ Частота оцифровки 2кГц Объем памяти 8Мбит Потребляемый ток менее 28 миллиампер Номинальное время работы от аккумулятора 850 мА/ч составляет около суток 32 Имеется возможность ручной регулировки параметров аналоговой части Сопряжение с ПК с помощью интерфейса USB 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 различными характеристиками основывался на следующих распространенными Выбор [27-29]. важных «уход» временной шкалы; ток потребления; массогабаритные характеристики; сложность интегрирования в модуль; 33 обладают конкретной показателях, возможности микросхемы представленных в [30-33]: и схемы характеризующих 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: импульсный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное; усилитель биопотенциалов электрической активности мышц; микроконтроллер; энергонезависимая память; аккумулятор; модуль беспроводной связи ZigBee; микросхема часов реального времени; Пассивные элементы выполнены в малом корпусе типоразмера 0603 (ШхД), что позволило уменьшить габариты модуля (по сравнению с предыдущим прототипом). 34 Новый модуль регистрации физиологических характеристик имеет следующие параметры: напряжение питания: любой источник постоянного напряжения номиналом 3.5 - 10 вольт, с выходным током не менее 50 мА. полоса пропускания усилителя 10-500 Гц, по уровню -3дБ; частота оцифровки 2кГц ( может изменятся в зависимости от задачи); объем памяти 64Мбит; потребляемый ток менее 28 миллиампер; номинальное время работы от аккумулятора 850 мА/ч составляет около суток; сопряжение с ПК с помощью беспроводного радиоканала стандарта ZigBee На рис. 9 представлена печатная плата модуля контроля физиологических характеристик человека. Рисунок 9 35 Опытный образец модуля контроля пространственно-временных характеристик движений человека представлен на рис. 10. Модуль состоит из следующих основных частей: инерциальный навигационный модуль; микроконтроллер; энергонезависимая память; аккумулятор; беспроводной радиоканал стандарта ZigBee; микросхема часов реального времени; 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 36 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. 5.2. Проведение дополнительных исследований 5.2.1. Проработка гидроакустических методов измерения скорости движения пловца Гидроакустические методы измерения параметров движения отличаются многообразием. Они подразделяются на пассивные с применением эхолотов и активные, основанные на измерении запаздывания сигнала при прохождении от бортика к пловцу, доплеровского сдвига частоты для определения мгновенной скорости и прочего. В случае применения активных методов на пловце придется размещать аппаратуру, которая должна мало влиять на движение пловца, что обуславливает жесткие требования к габаритам. Дополнительные требования предъявляются к герметичности из-за нахождения прибора ниже уровня воды [34-38]. 5.2.2. Пассивный метод (с использованием эхолота) Один из возможных методов измерения скорости пловца – измерение с помощью эхолокации. При этом антенна излучает кратковременный широкополосный гидроакустический импульс и по задержке отраженного от пловца сигнала измеряется положение последнего, а скорость вычисляется 37 по доплеровскому сдвигу. Так же скорость может быть получена с помощью дифференцирования координаты пловца по времени: . Или, измеряя среднюю скорость за период повторения сканирующих импульсов (переходя к конечно разностной аппроксимации): Vср xt0 T xt0 , T где t0 – время первого измерения, Т – период излучения гидролокатора. Для локации пловца целесообразно применить готовые, выпускаемые промышленностью эхолоты, изначально разработанные под измерение глубины и поиска рыбы. В подавляющем большинстве современные эхолоты, находящиеся в свободной продаже, работают в двухчастотном режиме на частотах 50кГц для локации на больших глубинах с небольшим разрешением и 192кГц для работы в ближней области с высоким разрешением. Пиковая излучаемая мощность порядка 400-500Вт. Однако пассивный метод затрудняется малой эффективной площадью рассеяния пловца обусловленной небольшой передней проекцией и малым отличием плотности пловца от плотности воды (не резкая граница и коэффициент отражения невелик). 5.2.3. Активные методы Активные методы работают с прямым сигналом, то есть требуют излучатель с меньшей мощностью и приемник с меньшей чувствительностью. При этом приемник или передатчик расположен непосредственно на пловце. Достоинством этих методов является лучшая энергетика, что выгодно при работе системы от батарей. В качестве платы за хорошую энергетику необходимо наличие на спортсмене затрудняющего движения дополнительного оборудования. Чтобы оно как можно меньше влияло на скорость спортсмена необходимо выполнить его в наименьших габаритах. При этом корпус аппаратуры должен быть герметичен. 38 Рассмотрим две возможные реализации активного метода при разных положениях излучателя и приемника. 1. Излучатель на бортике бассейна. При расположении источника излучения на бортике приемник с системой обработки информации устанавливается на пловце, что накладывает жёсткие ограничения на габариты предъявляет требования к герметичности корпуса. Однако с учетом требований о предоставлении информации тренеру необходимо организовать канал передачи на бортик. Для снятия требований к габаритам и герметичности для аппаратуры обработки сигнала целесообразно передавать принятый сигнал. Для этого хорошо подойдет петля индуктивной связи, состоящая из двух катушек – одна, приемная, расположена по периметру дорожки, а вторая, передающая, располагается либо на спине пловца, либо на голове. Меньшая площадь рамки во втором случае может быть компенсирована увеличением количества витков. Поэтому в случае выбора одного из вариантов он будет проводиться исходя из возможностей принятого конструктива. 2. Излучатель на пловце. При нахождении обрабатывающей источника аппаратурой излучения располагается на пловце на приемник бортике с бассейна. Достоинством такой реализации является отсутствие каких бы то ни было дополнительных каналов передачи (от пловца на бортик см. п. 1), усложняющих систему и вносящих дополнительные искажения в рабочий сигнал. Недостатком является малая мощность передатчика, установленного на голове пловца, небольшое время работы из-за малых габаритов источника питания и высокие требования к чувствительности приемника. Данная система имеет неоспоримое преимущество в отсутствии дополнительных каналов связи. При малой мощности передатчика вся аппаратура вместе с антенной может быть размещена в маленьком корпусе, сравнимым по размерам со спичечным коробком. При разных видах плавания он может быть размещен на разных участках тела пловца, 39 испытывающих наименьшие колебания и погруженных под воду. Места крепления должны определяться тренером пловца и не должны экранировать передатчик от приемника. Выбор между двумя реализациями будет возможен после расчета энергетики канала. 5.2.4. Расчетная часть Выбор рабочей частоты гидроакустической системы Для работы проектируемой измерительной системы необходим гидроакустический контакт. При применении узконаправленных излучателей для поддержания непрерывности канала можно множество приемных гидрофонов, расположенных так, чтобы хотя бы один из них все время был в пределах диаграммы направленности передатчика. При таком варианте реализации достигается выигрыш в мощности передатчика, однако он полностью перекрывается сложностью приемной системы, а именно необходимостью иметь несколько предварительных усилителей и суммировать сигналы с приемных гидрофонов. В случае с широкими раскрывами диаграмм направленности излучателя и приемника контакт достигается без особых проблем, однако вместе с прямым лучом в приемный гидрофон будут приходить и различные переотраженные лучи. При движении пловца соотношения между фазами таких лучей непрерывно меняется, что приводит к изменению амплитуды пришедшего сигнала. И если максимумы интерференции положительно влияют на работу системы, то замирания значительно уменьшают отношение сигнал/шум и увеличивают величину случайной ошибки. В этом случае энергетику канала требуется рассчитывать исходя из уровня сигнала в минимумах. Очевидно, что с учетом приведённых выше соображений необходимо выбирать наиболее широкую диаграмму направленности, при которой канал 40 уже не разорвется при движении спортсмена, а боковыми лучами можно ещё пренебречь. Опыт показывает, что для удовлетворения всех требований достаточно угла раскрыва в 300. Из конструктивных соображений размеры антенны не могут превышать 10мм. С помощью соотношения неопределенности (для линейных антенн) можно получить рабочую частоту, при которой будет достигнута необходимая диаграмма. 2 51o lант . Выражая из данной формулы длину волны , получаем: 2lант 51o 5.88 мм, что соответствует частоте в 255кГц. Надо отметить, что данная частота получилась из соотношения неопределенности для линейных антенн. При применении других типов антенн возможно потребуется уточнение значения. Для гидроакустических систем существует т.н. оптимальная частота работы при которой достигается наибольшая дальность при имеющимся размере антенны и мощности. отражающая зависимость Существует эмпирическая формула частоты от расстояния. Для данной системы, работающей на дистанции до 50м: . Частота работы гидроакустической системы (ГАС) обычно принимается близкой к оптимальной. Строгий анализ данной задачи показывает, что благодаря пологой вершине кривой зависимости среднеквадратичного уровня давления от частоты последняя может быть выбрана в пределах 200…350кГц при проигрыше не более чем в 10% (см. рис. 11). Данный частотный диапазон характеризуется тем, что на нем крайне мал уровень шумов в бассейне – шум, создаваемый насосами низкочастотный (порядка 41 сотен Гц), шумы обтекания и различные шумы кавитационного характера имеют ширину несколько килогерц, а хлопки пловцов по воде заканчиваются в области десятков килогерц. Рисунок 11. Зависимость давления от частоты Более высокие частоты выгоднее более низким уровнем шума и простотой регистрации доплеровского сдвига. Выбор излучающих и приемных элементов гидроакустической системы. В качестве приемной антенны целесообразно использовать круглую пьезокерамическую пластинку толщиной h и диаметром D (Рисунок ). Рисунок 12. Чертеж гидрофона 42 Соотношение неопределенности для такой антенны: Отсюда необходим пересчет рабочей частоты. Уточненное значение рабочей частоты получается 330кГц. Длина волны в воде на данной рабочей частоте в 330кГц: Толщина антенны выбирается исходя из настройки в резонанс. Так как в пластине возбуждаются продольные колебания то для резонанса необходимо чтобы в толщине антенны умещалась половина длины волны: h прод 2 uпрод 2f раб . здесь индекс «прод» относится к продольным акустическим колебаниям в пьезокерамическом излучателе. Для имеющихся материалов в данном диапазоне частот (200…350кГц) лежит в области 5…7мм. Изучение каталогов серийно-освоенных пьезоэлемент, отвечающий пьезоэлементов позволило вышеперечисленным подобрать требованиям. Промышленные предприятия выпускают пьезокерамические «таблетки» диаметром от 4 до 70 мм, толщиной от 0.2 до 20мм из материалов, приведенных в табл. 1. Дальнейшее проектирование принято было вести на основе цилиндрического «Аврора-Элма» элемента ДЖГК.757.681.008-83 имеющий резонансную частоту производства , изготавливаемый из пьезокерамики состава ЦТС-19, имеющий следующие геометрические размеры и . Площадь излучающей поверхности такого гидрофона составит: D 2 Sизл 7.85 10 5 м 2 . 4 43 Таблица 1. Параметры пьезокерамических материалов Параметр Символ Диэлектрическая проницаемость ET33/E0 Тангенс угла Единица измерения 1 10-2 ЦТС-19 ЦТС-19М ЦТСтБС- ЦТС- ЦТБС- 1 24М 3 ЦТСНВ-1 ЦТССт- ПКВ- ПКВ- 3 460 820 1650 1850 4100 1050 2325 2325 1400 1450 1130 0,0300 0,0250 0,0270 0,0075 0,0120 0,0220 0,0080 0,0033 <0,006 диэлектрических потерь tand Коэффициент Kp 1 0,56 0,62 0,65 0,52 0,52 0,59 0,53 0,58 0,53 электромеханической K31 1 0,29 0,35 0,38 0,30 0,30 0,34 0,31 0,33 0,31 связи K33 1 0,64 0,72 0,73 0,62 0,64 0,67 0,67 0,71 0,68 155 183 289 100 158 200 130 145 110 360 410 600 255 360 425 290 315 265 (-) d31 10-12 Кл/Н Пьезоэлектрический d33 модуль g31 10-3 (V- 8,9 10,9 8,0 11,9 7,7 8,2 9,1 11,7 11,0 g33 m)/N 22,3 24,4 17,1 26,8 16,8 19,4 23,4 24,5 26,5 Частотная постоянная Np Hz-m, м/с 2,0 2,0 2,0 2,2 2,4 2,0 2,2 2,24 2,27 Скорость звука V 1E 103 m/s 2,95 2,85 2,75 3,55 3,47 2,92 3,24 3,20 3,18 15,8 16,3 16,0 11,5 11,1 15,3 12,6 12,7 12,3 16,8 17,5 18,5 15,4 13,9 16,5 15,5 15,3 16,6 0,38 0,36 0,38 0,31 0,30 0,34 0,31 0,32 0,32 не нормир. 19,6 21,6 19,6 294 400 392 400 Упругая жесткость Коэффициент Пуансона Предел механической прочности при SE11 SE33 s 10-12 m2/N 1 не s раст статическом нормир. 106 N/m2 растяжении/сжатии, не менее: s сжат 294 16 Механическая добротность Qm Точка Кюри Tc Плотность r 1 90 90 50 200 200 57 800 1200 2200 0C 290 300 170 280 180 240 280 295 350 103 kg/m3 7,60 7,60 7,30 7,55 7,20 7,30 7,40 7,60 7,60 45 Амплитудное распределение такой антенны равномерное. Диаграмма направленности (ДН) такой антенны может быть найдена как двумерное преобразование Фурье от амплитудного распределения. ДН приведена на Рисунок. Рисунок 12. Диаграмма направленности антенны Расчет электроакустических параметров колебательной производится с помощью эквивалентной схемы (рис 13). Рисунок 13 В схеме на рис. 13 приняты следующие обозначения: С0 - электроемкость преобразователя; Rэп - сопротивление электрических потерь (на проводимость); n - коэффициент электромеханической трансформации; 46 системы Cэкв - эквивалентная гибкость преобразователя; тэкв - эквивалентная масса; Z - сумма сопротивления электрических потерь и сопротивления среды. Коэффициент электромеханической трансформации n можно определить из соотношения: . Для пьезокерамики ЦТС-19 (табл. 1) Кэфф = 0.64. Электрическая скорость определяется исходя из электроемкости преобразователя: . С учетом вычисленной ранее площади излучателя, и обратившись к табл.1, получаем: n = 0.0465. Активная составляющая сопротивления определяется: . Для имеющегося соотношения диаметра таблетки в длине волны параметр с большой точностью равен единице. Чувствительность приемника рассчитаем по формуле для преобразователя, работающего на резонансе: . КПД такого преобразователя достигает величины порядка 70%. Определим механическую добротность резонатора: . Полоса пропускания составит: . 47 Полосы пропускания механического достаточно для работы с доплеровскими сдвигами. При работе данного элемента в качестве излучателя его сопротивление излучения составит: Оценка необходимого соотношения сигнал/шум Точность измерения доплеровского сдвига должна составлять 1% при скорости движения спортсмена в 1м/с. Доплеровская добавка при этом: . Результат измерения будет представлять собой случайную величину, очевидно распределенную по закону Гаусса. По правилу трех сигм: Применим критерий Крамера-Рао для измерения частоты [39]: . Для удовлетворения требования о выдаче не менее чем 100 отсчетов в секунду время замера Тэкв должно быть не больше, чем 10мс. Тогда отношение сигнал/шум: . Для данной ситуации целесообразно взять рабочее отношение в десять раз выше: 48 . Расчет энергетики гидроакустического канала Минимальный уровень давления в точке приема определяется чувствительностью гидрофона и шумами усилителя. Шумом гидрофона из-за его малости можно пренебречь (уровень шума соответствует давлениям порядка Па), уровень внешних шумов на данных частотах мал по сравнению с шумом усилителя. В качестве требования к приемнику установим полосу частот не шире чем 280…290кГц и шумовое напряжение, приведенное ко входу, порядка 0.5мкВ. . Таким образом, требуемый для обеспечения рабочего отношения с/ш уровень сигнала составит: . Давление в точке приема: . Рассмотрим так называемую модель мелкого моря. Данная модель описывает распространение поля в акватории, ограниченной сверху поверхностью воды и снизу дном с заданными характеристиками (коэффициентом отражения), неограниченной в прочих направлениях. Наличием боковых стенок в бассейне можно пренебречь благодаря диаграммам направленности, а для погашения лучей, переотражающихся от фронтальных стенок интерференционную бассейна картину, и создающих можно ярко выраженную применить небольшие звукопоглощающие коврики, в которые вмонтированы приемные гидрофоны. 49 Поле в неком усредненном бассейне длиной 50м и глубиной 3м представляет собой набор нормальных волн (получающихся при многочисленных переотражениях от границ) и имеет сложную интерференционную структуру. При расчете поля в лучевой трактовке воспользуемся методом мнимых источников, нашедшим широкое применение в акустике. При этом поле в произвольной точке будет суперпозицией прямой волны и волн, отраженных границами. Волны, отраженные от границ, можно рассматривать как волны, излученные мнимыми источниками, являющимися зеркальными отображениями действительных источников в плоскостях дна, стенок и границы воды. Принимая во внимание большую разницу в плотностях между воздухом, водой и стенками бассейна можно полагать коэффициент отражения равным 1 при отражении от менее плотной среды и -1 при отражении от более плотной. Продолжая таким образом построения мнимых источников, можно получить выражение для суммарного поля. При этом каждая пара мнимых источников будет все более удалена от границ среды. В удаленной точке с координатами (r, z) акустическое давление представляет сумму волн: . где р0 – давление источника на единичном расстоянии, так же называется уровнем излучения – среднеквадратичное давление, создаваемое источником на эталонном расстоянии r0, равном 1м; k 2 / – волновое число; Гl – амплитудный коэффициент отражения, соответствующий мнимому источнику с номером l. Переходя к энергетическому суммированию волн и учитывая потери при отражении на границах для усредненного закона спадания, получим . 50 Величины – параметры отражения от границ: . Здесь индекс 1 принадлежит воде, 2 и 3 границе бассейна и воздуху соответственно. Параметры в этом случае равны: Выражение для квадрата акустического давления представляет собой закон «3/2» для усредненного закона спадания в мелком море. Оно справедливо при выполнении неравенства: , где . Подставив в приведенное двойное неравенство данные для рассматриваемого случая, получим: . Выполняется вполне удовлетворительно. Прологарифмировав выражение для акустического давления, дополнительно учитывая потери и пространственное затухание, получим рабочую формулу: . Для выбранной частоты 285кГц коэффициент затухания составляет величину порядка 0.02дБ/м. Решим данное уравнение, получаем: , 51 Как было указано выше, в качестве передающей антенны будет применена пьезокерамическая «таблетка». Требуемая мощность передатчика при этом: . Передатчик, развивающий вычисленную мощность, может быть без труда выполнен в малых габаритах, что окончательно определяет выбор в пользу системы с излучателем, расположенным на пловце. Разработка передатчика гидроакустического канала. Для уменьшения габаритов передатчика целесообразно строить передатчик с применением интегральных микросхем. С точки зрения повышения КПД устройства и как следствие более продолжительной работы от батарей, либо применение меньших батарей при сохранении времени работы, с учетом низкой рабочей частоты, целесообразно работать в ключевом режиме. Основным фактором, влияющим на расчет режима работы транзисторов, является расчет на заданное значение мощности Р1 – мощности первой гармоники, отдаваемой в нагрузку одним транзистором. Расчет ведется при угле отсечки 90 градусов. Точность совпадения частот передатчика и эталона на приемной стороне может быть невысокой и без труда устраняется калибровкой системы. К стабильности генератора предъявляются высокие требования – она должна составлять величину, сопоставимую с погрешностью измерения в 2.2Гц. Относительная нестабильность при этом составит: 52 . Данная стабильность может быть без труда получена при кварцевой стабилизации генератора. Для управления транзисторами в ключевом режиме целесообразно применить специализированный самотактируемый полумостовой драйвер, например выполненный в виде ИМС IR2153 фирмы International Rectifier. Отличительные особенности: Интегрированный 600В полумостовой драйвер 15.6В стабилитрон на линии Vcc Доступность в корпусе SOIC Наличие встроенного 555 таймера позволяет использовать кварцевый резонатор для стабилизации частоты Малая мощность при старте Низкий температурный коэффициент длительности паузы Функция выключения (1/6 от Vcc на выводе СТ) Увеличенный гистерезис блокировки при снижении напряжения (1 В) Маломощная схема преобразования уровня Постоянная ширина импульсов LO, HO при старте Выход драйвера нижнего уровня в фазе с RT Внутренний 50нс диод запуска (IR2153D) Увеличенная стойкость к защелкиванию на всех входах и выходах Защита от электростатических разрядов на всех выводах Напряжение смещения VOFFSET не менее 10В Напряжение смещения VOFFSET не более 600В Скважность 2 (меандр) Vclamp 15.6В Пауза 1.2 мкс Блок-схема данной ИМС представлена на рис. 14. 53 Рисунок 14. Блок-схема драйвера IR2153 Для данной применяемых конструкции элементов. чрезвычайно Выбор данного важны малые драйвера габариты объясняется изготовлением последнего в корпусе SOIC и применением в нем стандартного таймера серии 555, что позволяет без труда реализовать на нем стабилизированный кварцем генератор. Наличие различных хорошо согласующихся с реальностью PSpice моделей 555-того таймера позволяет провести моделирование генератора. Расположение выводов на корпусе SOIC приведено на рис.15: Рисунок 15. Расположение выводов на корпусе SOIC Описание выводов находится в табл.2. IR2153 – улучшенная версия драйвера IR2155 и IR2151, которая содержит драйвер высоковольтного полумоста с генератором аналогичным промышленному таймеру 555 (К1006ВИ1). IR2153 отличается лучшими 54 функциональными возможностями и более прост в использовании по сравнению с предыдущими микросхемами (IR2106, IR). Функция выключения в данном устройстве совмещена с выводом СТ, при этом выключение обоих каналов происходит при подаче управляющего сигнала низкого уровня. Таблица 2. Описание выводов ИМС IR2153 Резистор задающего генератора, для нормального функционирования Rt в фазе с LO Ct Конденсатор задающего генератора VB Напряжение питания ключей верхнего уровня HO Выход драйвера верхнего уровня VS Возврат питания верхнего уровня VCC Питание драйверов нижнего уровня и логики LO Выход драйвера нижнего уровня COM Общий питания и логики Кроме того, формирование выходных импульсов связано с моментом пересечения увеличивающегося напряжения на Vcc порога схемы блокировки от понижения напряжения, тем самым была достигнута более высокая стабильность импульсов при запуске. Стойкость к шумам была значительно улучшена за счет уменьшения скорости изменения тока драйверов а также за счет увеличения гистерезиса схемы блокировки от понижения напряжения (до 1В). Наконец, существенное внимание было уделено повышению стойкости защелок и обеспечению всесторонней защиты от электростатических разрядов на всех выводах. Для работы в выходном каскаде требуются ключевые полевые транзисторы. Существуют два основных типа переключающих транзисторов – IGBT и MOSFET. В случае применения MOSFET транзисторов может быть 55 достигнута высокая скорость переключения и отсутствие насыщения при простоте управления затворами. Превосходство IGBT транзисторов по сопротивлению канала в открытом режиме сводится на нет высоким активным сопротивлением излучателя. В качестве требований к транзистору предъявляется малые габариты. Для удобства монтажа и разработки печатной платы целесообразно применить спаренный транзистор (два разных транзистора в одном корпусе). Рассеиваемая мощность при этом не является критерием выбора т.к. она крайне мала. Остановимся на выборе n-канального транзистора 2N7002DW производства фирмы Diodes Incorporated (рис. 16), удовлетворяющем всем вышеперечисленным требованиям. Рисунок 16. Транзисторная сборка 2N7002DW Основные параметры транзистора представлены в Таблица 3. Таблица 3. Параметры транзисторной сборки 2N2007DW Полярность N Каналов, шт. 2 RDS(ON) VDSS,В 10 В, ID,А PD, Вт Корпус 0.115 0.2 SOT-363 мОм 60 4400 С учетом механико-акустического КПД преобразователя мощность первой гармоники в нагрузке должна составлять: 56 . От одного транзистора при этом требуется выдать мощность первой гармоники: . При сопротивлении нагрузки в: мощность первой гармоники в нагрузке определяется как , где амплитуда первой гармоники напряжения на стоке транзистора, амплитуда первой гармоники тока стока. Выражая требуемую амплитуду первой гармоники, получим: . По закону Ома амплитуда тока первой гармоники: . Амплитуда импульса тока стока: . Амплитуда напряжения на стоке: . При этом падение напряжения на выбранном транзисторе составит: . Для создания таких амплитуд (с учетом падения напряжения на открытом транзисторе) импульса тока стока, первых гармоник тока и напряжения потребуется напряжение питания: 57 . Потребляемый от источника ток (обоими транзисторами) составит: . Потребляемая мощность (одним транзистором): . Мощность, рассеиваемая на стоке: . КПД преобразования: . КПД по первой гармонике: . Расчет источника питания гидроакустического передатчика Для работы передатчику требуется автономный малогабаритный источник питания. Полученное из расчета выходного каскада напряжение в 21В с помощью малогабаритной батареи получить крайне трудно. Выход из данной ситуации может быть в применении DC-DC преобразователя. В качестве первичного источника питания целесообразно применить литиевый аккумулятор от мобильного телефона. К достоинствам данного решения относится дешевизна и доступность, малое выходное сопротивление, большое количество циклов зарядки-разрядки, малые габариты и масса и наличие большого количества готовых зарядных устройств, что позволяет легко заменить его при потере или повреждении. К недостаткам такого решения относится негерметичность аккумулятора, что 58 критично при работе под водой. Однако данная проблема может быть решена с применением общего водонепроницаемого корпуса. Определим требования для DC-DC преобразователя. Основное требование – высокий КПД и малые габариты. Потребляемый ток складывается из тока выходного каскада и тока, потребляемым ИМС IR2153 (обозначается ) и не превышает 5мА. Таким образом, потребляемая мощность составит: . Зарубежная промышленность предлагает огромный выбор микросхем DC-DC преобразователей. Остановим свой выбор на легкодоступном, дешевом преобразователе фирмы MAXIM MAX15032. MAX15032 – повышающий преобразователь с низким уровнем шума на базе ШИМ с постоянной частотой преобразования. ИС разработана для низковольтных систем, в которых требуется получение напряжения высокого номинала, и имеет интегрированный высоковольтный переключатель, обеспечивающий на выходе напряжение номиналом до 36В (при мощности 600мВт). ИС имеет встроенный генератор подкачки заряда, что позволяет работать при входном напряжении от 2.7В до 11В. MAX15032 выпускается в 8-выводных корпусах TDFN с габаритными размерами 3мм x 3мм и работает в расширенном температурном диапазоне от -40°С до +125°С. Отличительные особенности: Диапазон входного напряжения: от +2.7В до +5.5В (со встроенной схемой подкачки заряда) от +5.5В до +11В Широкий диапазон выходного напряжения от (VIN + 1В) до 36В Встроенный ключ на 40В с сопротивлением 0.5Ом Выходная мощность 600мВт при VIN не меньше 2.9В 59 ШИМ с фиксированной частотой переключения позволяет легко осуществлять фильтрацию в приложениях критичных к шуму Фиксированная частота преобразования 500кГц Ток в режиме отключения 0.5мкА Встроенная схема плавного запуска Термостойкий компактный 8-выводный корпус TDFN габаритами 3мм х 3мм Структурная схема данной ИМС изображена на Рисунок 1. Рисунок 1 Структурная схема MAX15032 Расположение выводов в корпусе TDFN представлено на Рисунок 1: 60 с Рисунок 2 Расположение выводов Типовая схема включения представлена на Error! Reference source not found.. Рисунок 3 Типовая схема включения MAX15032 Расчет данной схемы на выходное напряжение в 21В труда не составляет. Конструкция гидроакустического передатчика 61 Как было неоднократно сказано выше основными требованиями, предъявляемыми к излучателю, являются малые габариты и вес и герметичность. В качестве дополнительных желательно учесть требования по обтекаемости и отсутствию острых углов для уменьшения травматизма. Размеры печатной платы выбираются исходя из размеров аккумулятора – при малых габаритах элементной базы нет смысла делать печатную плату меньше чем аккумулятор, так как это не уменьшит габариты всего устройства. Длина всего корпуса окажется больше чем размер аккумулятора на сумму длины разъема для зарядки и толщины гидрофона. Высота всей конструкции определяется диаметром гидрофона. 5.2.5. Экспериментальные данные и результаты их обработки Характеристики движения и состояния сердечно-сосудистой системы и мышечного аппарата Разработанная система контроля за состоянием спортсмена включает блоки съема ЭКГ, ЭМГ и трехосный акселерометр с гироскопами и датчиком магнитной индукции. Модули имеют малые размеры и крепятся на спортсмене, не сковывая его движений. Именно компактность модулей и позволяет спортсмену выполнять привычные для него нагрузки, никоим образом не препятствуя тренировкам. Измеряемые параметры передаются по радиоканалу на компьютер тренера, что позволяет на удалении контролировать состояние спортсмена. Данные акселерометра позволяют определять моменты и характер активности спортсмена, не прибегая при этом к видеосъемке. В ходе первичных сигналов испытаний полученные результаты акселерометра с характером показали упражнений, взаимосвязь выполняемых спортсменом (шаг, ходьба, бег, прыжки и т.д.), и уровнем текущей нагрузки (рисунок 20). 62 Рисунок 20. (челночный бег (длина дистанции – 6 метров)) При этом можно оценить величину нагрузки. Использование трехосного акселерометра позволяет проводить как раздельный анализ вектора ускорения спортсмена (определение периодов движения, его направления, динамики), а после интегрирования и вектора скорости, так и оценивать общую нагрузку совместно с динамикой изменения кардиосигнала. Совместный анализ электрокардиограммы и данных акселерометра позволит в полной мере контролировать тренировочный процесс и инструментально оценивать готовность и состояние спортсмена. Результаты автоматизированного анализа данных в удобной форме представляются тренеру или спортсмену, как в режиме реального времени, так и в виде архивных данных. В приложении А приведены графики сигналов трехосевого акселерометра и сигнала ЭКГ при выполнении различных видов упражнений. По этим данным можно оценить нагрузку на сердечную систему в соответствии с данными акселерометра и коэффициентом связывающим характер движения загруженности с спортсмена энергозатратами необходимо спортсмена. выработать Для некий оценки критерий, представляющий из себя сумму результатов обработки выходов сигналов модулей, с соответствующими весовыми коэффициентами. Данный параметр должен быть перестраиваемым для различных видов тренировок и квалификации спортсмена. Этот коэффициент определяется на основе биомеханических и физиологических исследований движений человека [40]. 63 Результаты обработки электромиографических сигналов С помощью физиологического модуля были получены записи ЭМГ при выполнении стандартных нагрузок различной интенсивности. Результаты статистического анализа некоторых ЭМГ, снятых при выполнении статической нагрузки (удержания груза фиксированного веса) с мышцы extensor digitorum представлены на рис. 21 - 23. 64 Показатели ЭМГ Кузнецова 0,5 кг 30 шт Кривая5.txt Миограмма -4 4 x 10 2 0 -2 -4 0 1000 2000 3000 Гистограмма 4000 -11 800 6 x 10 5000 6000 Спектральная плотность 600 4 400 2 200 0 -4 -2 2 x 10 4 0 0 200 400 -4 Скаттерограмма -4 4 0 x 10 600 800 1000 30 40 50 АКФ 1 2 0.5 0 0 -2 -4 -4 -2 0 2 4 -0.5 0 10 20 -4 x 10 Рисунок 21. 65 матем. ожидание, мВ -0.000106 СКО, мВ 0.078034 дисперсия, мВ*мВ 0.0060893 Коэффициент асимметрии 0.38235 Коэффициент эксцесса 0.86742 Левая квартиль, мВ -0.051 Правая квартиль, мВ 0.046 Интерквантильный диапазон, мВ 0.097 Медиана, мВ -0.005 Мода, мВ -0.023 Энтропия 2.3931 Мощ ность от 80 до 150 Гц, мВ*мВ 0.0030067 Число пересечений уровня среднего 980 Число пересечений в секунду 327 Ср.длит.выбр.по ср., мсек 3.0581 Дисперсия выбр.по ср., мсек*мсек 3.1017 Время корреляции, мсек 3.3324 Показатели ЭМГ ЭМГ ext digit D удержание 1,5 кГ Кривая6.txt Миограмма -3 1 x 10 0.5 0 -0.5 -1 0 1000 2000 3000 Гистограмма 4000 -10 1500 1 x 10 5000 6000 Спектральная плотность 0.8 1000 0.6 0.4 500 0.2 0 -1 -0.5 0.5 x 10 1 0 0 200 400 -3 Скаттерограмма -3 1 0 x 10 600 800 1000 30 40 50 АКФ 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 -1 -1 -0.5 0 0.5 1 -0.5 0 10 20 -3 x 10 Рисунок 22. 66 матем. ожидание, мВ -0.0076985 СКО, мВ 0.10513 дисперсия, мВ*мВ 0.011052 Коэффициент асимметрии -0.10921 Коэффициент эксцесса 1.7068 Левая квартиль, мВ -0.066 Правая квартиль, мВ 0.052 Интерквантильный диапазон, мВ 0.118 Медиана, мВ -0.006 Мода, мВ 0.037 Энтропия 1.9748 Мощность от 80 до 150 Гц, мВ*мВ 0.0043968 Число пересечений уровня среднего 1018 Число пересечений в секунду 339 Ср.длит.выбр.по ср., мсек 2.9441 Дисперсия выбр.по ср., мсек*мсек 3.6811 Время корреляции, мсек 2.9771 Показатели ЭМГ Кузнецова 3 кг 50 шт Кривая6.txt Миограмма -3 1 x 10 0.5 0 -0.5 -1 0 1000 2000 3000 4000 Гистограмма -10 x 10 800 600 1.5 400 1 200 0.5 0 -1 -0.5 0.5 x 10 1 0 0 x 10 6000 7000 Спектральная плотность 200 400 -3 Скаттерограмма -3 1 0 5000 600 800 1000 30 40 50 АКФ 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 -1 -1 -0.5 0 0.5 1 -0.5 0 10 20 -3 x 10 Рисунок 23. 67 матем. ожидание, мВ -0.00017164 СКО, мВ 0.14014 дисперсия, мВ*мВ 0.019639 Коэффициент асимметрии 0.081163 Коэффициент эксцесса 0.73538 Левая квартиль, мВ -0.09 Правая квартиль, мВ 0.08525 Интерквантильный диапазон, мВ 0.17525 Медиана, мВ -0.001 Мода, мВ 0.023 Энтропия 2.2824 Мощность от 80 до 150 Гц, мВ*мВ 0.0086673 Число пересечений уровня среднего 989 Число пересечений в секунду 330 Ср.длит.выбр.по ср., мсек 3.0308 Дисперсия выбр.по ср., мсек*мсек 3.0008 Время корреляции, мсек 3.2508 Сравнительный анализ показателей ЭМГ, выполненный с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни [44], показал наличие значимых отличий (на уровне значимости 0.05) для большинства рассчитанных показателей. Характер отличий для некоторых показателей (среднеквадратическое отклонение SKO, коэффициенты асимметрии Asim и эксцесса Excess, интерквантильный размах Range, доля мощности, сосредоточенная в диапазоне 80 Гц – 150 Гц Power и время корреляции Tau_Kor) иллюстрируется боксовыми диаграммами, представленными на рис. 24. 68 Рисунок 24. 69 Наряду с традиционным спектрально-корреляционным анализом ЭМГ, к исследуемым реализациям был приведен алгоритм декомпозиции на эмпирические моды (ДЭМ). Метод ДЭМ не требует стационарности данных, что особенно важно для спортивных приложений, а также имеет еще ряд преимуществ по сравнению с традиционным спектрально-корреляционным анализом. Так, например, по эмпирическим модам исходный сигнал восстанавливается с любой степенью точности, в то время, как статистические характеристики не позволяют этого сделать, что свидетельствует о потере информации при обработке. Для корректного применения метода не требуется наличия априорной информации о свойствах сигнала, что является определяющим преимуществом при использовании метода в условиях минимума априорной информации о свойствах и особенностях сигнала. Таким образом, технология ДЭМ обладает высокой степенью адаптации к каждому конкретному сигналу. Статистические характеристики отдельных мод, в ряде случаев, могут оказаться более информативными, чем соответствующие характеристики изучаемого сигнала в целом. Сущность алгоритма ДЭМ (метода извлечения эмпирических мод из исходного сигнала) подробно изложена в [41 - 43]. Эмпирическая мода (ЭМ, английское название IMF – Intrinsic Mode Function) – это функция, сформированная на основе значений сигнала, заданная непрерывно на интервале существования сигнала или дискретно в виде вектора отсчетов, имеющая в общем случае произвольную форму и произвольную аналитическую запись (если таковая существует) и удовлетворяющая двум необходимым условиям: 1. Общее число экстремумов должно быть строго равно числу нулей исходной функции либо отличаться от числа нулей по модулю не более, чем на единицу. Выполнение данного условия необходимо для того, чтобы ЭМ была узкополосной функцией (радиосигналом), что дает преимущества при частотной локализации особенностей сигнала. 2. Локальное (мгновенное) среднее значение функции, равное полусумме верхней огибающей, полученной путем интерполяции найденных локальных 70 максимумов, и нижней огибающей, полученной путем интерполяции найденных локальных минимумов, не должно превышать заранее определенное пороговое значение , зависящее от машинной точности , и погрешностей, связанных с получением, преобразованием и передачей сигнальной информации. В качестве средства интерполяции чаще всего используются кубические сплайны. Добиться точного равенства нулю локального среднего значения в каждый момент времени невозможно по ряду объективных причин. К их числу относятся вычислительные погрешности, плохая обусловленность систем уравнений для расчета коэффициентов сплайнов, а также особенности самого сигнала (например, краевые эффекты – сильные осцилляции интерполирующей функции на краях, благодаря которым вблизи краев локальное среднее практически всегда отличается от нуля). Важно отметить, что ЭМ в общем случае обладает одновременно и амплитудной, и угловой модуляциями. Закон амплитудной модуляции может быть установлен из огибающих, полученных интерполяцией экстремумов или на основе преобразования Гильберта (как квадратный корень из суммы квадратов отсчетов исходного сигнала и сигнала, сопряженного по Гильберту), а закон угловой модуляции устанавливается на основании закона изменения мгновенной частоты. Максимально возможное число эмпирических мод М приближенно определяется как M log 2 N 1 , где N – число отсчетов сигнала. Сходимость алгоритма основана на том, что при переходе к следующей ЭМ общее число экстремумов уменьшается примерно в 2 раза (согласно интерпретации ДЭМ как диадического банка), и, в конце концов, не останется достаточного количества экстремумов для формирования огибающей. Это и будет означать завершение работы алгоритма. Рис. 25 иллюстрирует применение метода ДЭМ к обработке поверхностной электромиограммы, снятой с мышцы предплечья (еxtensor digitorum) испытуемого при выполнении им статической нагрузки в виде удержания груза весом 0.5 кг. На рис.25 представлены исходный сигнал, первые 4 эмпирические 71 моды и остаток, полученный путем вычитания из сигнала сформированных эмпирических мод. Рисунок 25. Разложение ЭМГ на эмпирические моды Примеры разложения ДЭМ для файлов ЭМГ, соответствующих удержанию 0,5 1,5 и 3 кг, приведены на рис. 26 – 28. 72 Рисунок 26. ЭМГ. Удержание 0,5 кг. 73 Рисунок 27. ЭМГ. Удержание 1,5 кг. 74 Рисунок 28. ЭМГ. Удержание 3 кг. Декомпозиция сигнала на эмпирические моды сопровождается статистическим анализом полученных ЭМ. Рис. 29-31 иллюстрируют отличия статистических характеристик первой моды данных сигналов. Значимость отличий на уровне значимости 0.05 подтверждена непараметрическим критерием Краскелла-Уоллиса [44]. Группирующая переменная Group при проведении теста соответствовала удержанию различного веса (Group = 1 – 0.5 кг; Group = 2 – 1.5 кг; Group = 3 – 3 кг). Полученные результаты свидетельствуют о перспективности исследований в данном направлении. 75 Рисунок 29. Интерквантильный размах первой ЭМ при удержании различного веса. Рисунок 30. Доля мощности в диапазоне 80-150 Гц первой ЭМ при удержании различного веса. 76 Рисунок 31. Время корреляции первой ЭМ при удержании различного веса 5.3. Оценка возможности создания конкурентноспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов НИР, включая предложения по коммерциализации Разработанные, изготовленные и экспериментально проверенные в условиях, максимально приближенных к реальным, кинематический и физиологический модули являются основой для создания конкурентноспособной продукции в области обеспечения тренировочного процесса в различных видах спорта. Уровень конкурентноспособности разработанных изделий будет определяться массогабаритными характеристиками, удобством эксплуатации и, естественно, ценой. Рассмотрим эти составляющие. Массогабаритные технологий, характеристики использованных для модулей их определяются изготовления. Что уровнем касается физиологического модуля, то уже в настоящее время на базе центра микроэлектроники и диагностики (ЦМИД), являющегося структурным подразделением СПбГЭТУ, возможно изготовление модуля с использованием нанотехнологий, что позволит получить модуль с объемом, не превышающим 2 77 см3, включая источник питания со сроком автономной работы не менее 5 часов. Заметим, что по заказу МЧС и силовых структур в ЦМИД изготовлен кардиомонитор с использованием технологий, которые могут быть применены при изготовлении физиологического модуля. Особую проблему представляет разработка электродов для съема сигналов ЭКГ и ЭМГ. В рамках проведенной работы была отработана методика двухэлектродного съема биосигналов, позволяющая унифицировать датчики для ЭКГ и ЭМГ. Большой интерес представляют исследования, проводимые в университете технологии и дизайна по изготовлению электродов, совмещенных с одеждой спортсмена, что позволяет повысить комфортность их использования в тренировочном процессе. Экономические расчеты показывают, что при массовом производстве (более 10000 экз.) стоимость физиологического модуля может быть доведена до 1000 руб. за экземпляр. Сложнее обстоит дело с кинематическим модулем. Причиной данного факта является то обстоятельство, что отечественная промышленность не выпускает микросхем, включающих в свой состав трехосный акселерометр, гироскопы и измеритель индукции. Поэтому кинематический модуль представляет собой сборку микросхем, что, естественно, ведет к увеличению массы и габаритов устройства. Оценки показывают, что, с учетом доступных производителю зарубежных компонент, габариты кинематического модуля вряд ли могут быть меньше, чем прямоугольник со сторонами 4 см, 2 см и 1 см. Стоимость модуля, даже при массовом производстве, из-за сравнительно дорогих комплектующих, вряд ли будет ниже 15 000 руб. за один экземпляр. Что касается гидроакустического модуля для контроля движений пловца, то его габариты не превышают размеров спичечного коробка, а стоимость, даже при низкосерийном производстве, не превышает 5000 руб. После выпуска малой серии разработанных модулей, их передачи в ведущие центры использования в подготовки спортсменов тренировочном процессе, 78 высшей квалификации предполагается и доработка конструктивного оформления модулей с учетом замечаний специалистов и поиск промышленных организаций, способных наладить серийный выпуск разработанных модулей. 5.4. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс. Основными исполнителями данной НИР были преподаватели, аспиранты и студенты университета, поэтому решение задач, определявших содержание выполненной работы, повысило квалификацию преподавателей, способствовало выполнению диссертационных работ аспирантами и дало новые знания и навыки студентам. С использованием результатов, полученных в ходе выполнения НИР участниками работы, было подготовлено 2 учебных пособия, монография, ряд статей, сделано 5 докладов на всероссийских и международных конференциях, а также зарегистрированы компьютерные программы и полезные модели. Особенно хотелось бы отметить творческую активность студентов, участвовавших в данной НИР. Их выпускные работы по тематике НИР были высоко оценены Государственной аттестационной комиссией, а работы студентов Кузнецовой О.В. и Рамаданова В.С. были признаны лучшими на конкурсе выпускных студенческих работ. Данная НИР сыграла большую роль в создании новой магистерской программы «Контроль состояния объектов» по направлению подготовки магистров «Инфокоммуникационные сети и системы связи». С использованием результатов НИР преподавателями, участвовавшими в ее выполнении, был поставлен курс «Методы обработки биологических сигналов». Разработанные в ходе выполнения НИР макеты будут использованы в лабораторном практикуме по данному курсу. Кроме того, наиболее интересные и наглядные результаты будут использованы при проведении профориентационной работы с абитуриентами. 79 Исследования, проведенные в ходе разработки кинематического модуля, лягут в основу нового курса «Методы сверхточного позиционирования объектов», который будет включен в состав дисциплин по указанной выше магистерской программе. 5.5. Выработка рекомендаций по направлениям дальнейших прикладных исследований, ставящих целью практическое применение полученных результатов. В ходе выполнения НИР исполнители находились в тесном контакте со специалистами в области спортивной медицины и физиологии, занимающимися изучением нервно-мышечного аппарата и сердечно-сосудистой системы (д.м.н., проф. Команцев В.Н., д.м.н., проф. Гудкова А.Я., д.м.н., проф. Нифонтов Е.М., к.м.н, с.н.с. Мамонтов О.В.). Чрезвычайно продуктивными были встречи и беседы со специалистами в области биомеханики (зав. каф. Биомеханики Национального государственного Университета физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта, д.п.н., проф. Самсонова А.В., д.б.н., проф. Иванова Г.П., к.п.н. Биленко А.Г.). Неоценимыми были консультации идейного вдохновителя работ по созданию аппаратуры для обеспечения тренировки пловцов, проректора академии им. П.Ф. Лесгафта, д.п.н., проф. Олимпийского чемпиона А.И. Крылова. Всем им участники НИР выражают глубокую благодарность. Результатом этих встреч, бесед и консультаций стало формирование направлений дальнейших исследований. К ним, в первую очередь, относятся: - увеличение числа физиологических характеристик, получаемых в ходе эксперимента (тренировки), таких, как показатели артериального давления, параметры внешнего дыхания, температура отдельных участков тела, потенциалы биологически активных точек; - работы по уменьшению массо-габаритных характеристик модулей, о 80 которых шла речь выше; - повышение комфортности использования разработанной аппаратуры (электроды, размещение модулей на теле испытуемого и пр.); - комплексирование разрабатываемой аппаратуры с другими методами анализа спортивной техники и состояния спортсмена (кино- и видеосъемка, анализ магнитных и тепловых полей человека). 81 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В рамках выполнения данного было проведено исследование на тему «система контроля физиологических и пространственно временных характеристик движения человека», которое обосновало целесообразность создания такой системы. В результате обзора литературы и патентного поиска было выяснено, что в России аналогов такой системы не существует, а за рубежом имеются прототипы, не сочетающие в себе все достоинства разработанной системы. Основным достоинством системы является ее модульность и автономность. За счет этих факторов удается построить систему с любым числом каналов интересующей физиологической информации, а за счет применения датчиков пространственного положения удается связать и проанализировать информацию о параметрах движения (нагрузка, траектория движения, скорость и др.) объекта исследования с физиологическими параметрами. Данная система найдет применение в сфере подготовки спортсменов высшей квалификации к соревнованиям международного и внутрироссийского масштаба. Суть предлагаемого решения состоит в том, что снимаемая с объекта информация, содержащаяся в сигналах электрической активности мышц – электромиограммы (ЭМГ), электрокардиограммы (ЭКГ) и акселерометра после съема с объекта и предварительной обработки запоминается в цифровом запоминающем устройстве, возможности которого технологиях с учетом спектральной структуры при современных анализируемых сигналов практически безграничны. Таким образом, разработанное устройство представляет собой автономный блок, который монтируется непосредственно на источнике биологической информации, т.е. на интересующей мышце. Такое расположение позволяет минимизировать количество проводных соединений, которые ограничивают свободу передвижения спортсмена и снижают ценность информации, получаемой в ходе эксперимента. В зависимости от решаемых задач устройство может быть одноканальным или многоканальным, с запоминанием полного 82 физиологического сигнала или результатов его предварительной обработки. Для более детального анализа и глубокого понимания процессов, происходящих в мышцах во время тренировок, используется информация от акселерометров, гироскопов и датчика магнитной индукции о пространственной ориентации модуля. Предусмотрена синхронизация модулей, участвующих в проведении эксперимента, как между собой, так и с дополнительными устройствами (видеокамеры, телеметрическая аппаратура, устройства контроля движения спортсмена и др.). Особое преимущество разработанной аппаратуры и созданной методики проявляется в видах спорта, в которых тело спортсмена случайно ориентировано в пространстве, что из-за эффектов поляризации осложняет реализацию радиоканала (фигурное катание, гимнастика, акробатика, борьба, бокс и др.). Незаменимой будет подобная аппаратура и при проведении работ по контролю состояния организма человека, находящегося под водой или под иными средами (дайвинг, спелеология и др.). В качестве аппарата для анализа как сигналов ЭМГ, так и других физиологических сигналов (ЭКГ) используются классические спектральнокорреляционные методы, Обосновывается применение флуктуационный метод позволяющие и нелинейных метод выявить линейные методов анализа, детерминированного зависимости. таких, хаоса. как Большие перспективы при исследовании биологических сигналов имеет используемый в работе метод обработки, основанный на декомпозиции на эмпирические моды. 83 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. И.М. Козлов, «Предмет и структура биомеханики», Труды кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф.Лесгафта , 2009 г. 2. Н.А. Бернштейн, «Биомеханика и физиология движений», МПСИ, 2008г. 3. И.А. Воронов, «Моделирование и определение экстремальных ситуаций с позиции системного подхода», Труды кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф.Лесгафта , 2009 г. 4. Марищук, В.Л. «Поведение и саморегуляция человека в условиях стресса». / В.Л. Марищук, В.И. Евдокимов. -- СПб.: Сентябрь, 2001.-260с. 5. «Психология экстремальных ситуаций». Хрестоматия. - Мн.: 2000. -480с. 6. Воронов, И.А. «Психотехника восточных единоборств». Восточноазиатская классическая концепция психологической подготовки единоборцев / И.А. Воронов. -Мн.: Харвест, 2005. - 432 с. 7. Воронов, И.А. «Восточно-Азиатская психотелесная теория личности в отечественной системе спортивных единоборств»: дисс. ..докт. психол. наук: 13.00.04: защищена 23.03.05 / Воронов Игорь Анатольевич; СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта. -СПб., 2005. -499с. 8. Воронов, И.А. «Имитационное моделирование условного рефлекса» / И.А. Воронов // Инфокоммуникационные технологии, био-энергоинформационные процессы и диагностические системы в нейробиологии, здравоохранении и образовании: Сб. науч. трудов Второго Международного научного конгресса «Нейротеле-ком-2006». СПб.: Политехника, 2006. 9. Воронов, И.А. «Моделирование процессов психической регуляции и саморегуляции в экстремальной ситуации» / И.А. Воронов. // «БИОФИЗТЕХНОЛОГИИ» Биосистемы, физические поля и технологии для здоровья человека: Труды I Международного форума, 27-29.11.2008. СПб.:ЕАЕН, РАЕН, 2008. - 97 - 106 с. 10.Иванова Г.П., Спиридонов Д.В., Л.Л. Ципин «Элнктромиографическое исследование ассиметрии верхних конечностей», биомеханики НГУ им. П.Ф.Лесгафта , 2009 г. 84 Труды кафедры 11.Спиридонов Д.В., Иванова Г.П. «Биомеханическая ассиметрия двигательных систем и ее проявления в организации движений», Труды кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф.Лесгафта , 2009 г. 12.В.Ф. Костюченко, В.С. Степанов, С.В. Вадюхин, С.Л. Вадюхина, «Методика регистрации электрической активности мышц при выполнении физических упражнений», Научно-технический журнал «Ученые записки», №9(31) , 2007 г. 13.C. J. De Luca. «The Use of Surface Electromyography in Biomechanics». Delsys Incorporated, 2002. Retrieved Sep 26, 2004 14.C. J. De Luca. «Fundamental Concepts in EMG Signal Acquisition». Delsys Incorporated, 2002. Retrieved Sep 26, 2004 from 15.Bill Sellers, «Introduction to EMG», 2003 16.Rangaraj M. Rangayyan. «BIOMEDICAL SIGNAL ANALYSIS», 2001 17.Henao, Y.H. Fruett, F. «Development of an electromechanical sensor system to monitor sports activities», 2009 18.Аникин А. П. Радиомодули компании Telit для задач беспроводной телеметрии в частотном диапазоне 868 МГц // Беспроводные технологии. 2009. № 2; 19.Распопов В. Я. Микромеханические приборы: Учеб. Пособие. 2-е изд., перераб. и доп./ Тул. гос. Университет, Московский гос. Технологический унт им. К.Э. Циолковского. – Тула: Гриф и К, 2004. – 476 с.,ил. 20.Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производства. Направления развития, объемы рынка. - Датчики и системы, 2000, № 1, с. 2830. 21.Д.П. Лукьянов, В.Ю. Скворцов. Микроакселерометры на периодических структурах // Навигация и управление движением: материалы II научнотехнической конференции молодых ученых, ГЦН РФ “Электроприбор”, 28-31 марта, СПб., 2000. – С. 82-87. 22.Экспериментальное исследование макета микроакселерометра на поверхностных акустических волнах / Д.П. Лукьянов, В.В. Лучинин, В.Ю. 85 Скворцов, М.М. Шевелько // Петербургский журнал электроники. – 2001. – № 4. – С. 63-64. 23.The development and investigation of the SAW-microaccelerometer. Lukianov D.P., Filatov Yu.V., M.M. Shevelko and oth. //Proceedings of the 11-th SaintPetersburg international conference on integrated navigation systems, May 24-46, 2004. – P. 300-306. 24.Varadan V.K., Varadan V.V. Microsensors, Microelectromechanical Systems (MEMS), and Electronics for Smart Structures and Systems. Smart Material Structures. – Vol. 9 (2000). – pp. 953–972. Printed in the UK. 25.Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Инерциальные системы от Low-End до Hi-End // Компоненты и технологии. 2010 №5; 26.Сысоева С. Введение в Hi-End сегменты применений MEMS-технологии // Компоненты и технологии. 2010 №9-12; 27.Корсуков В. Часы реального времени компании Dallas Semiconductor. Часть 1//Новости электроники, №8, 2006. 28.Корсуков В. Часы реального времени компании Dallas Semiconductor. Часть 2//Новости электроники, №10, 2006. 29. Звонарев Е. Прецизионные часы реального времени Maxim// Новости электроники, №15, 2007. 30.Real-Time Clocks. Selector Guide. 1st Edition. June 2009// документ компании Maxim Integrated Products Real Time Clocks 1.pdf. 31.Low-Current I2C RTCs for High-ESR Crystals DS1341/DS1342//документ компании Maxim Integrated Products DS1341-DS1342.pdf. 32.Low-Current I2C RTCs for High-ESR Crystals DS1307//документ компании Maxim Integrated Products DS1307.pdf. 33.Low-Current I2C RTCs for High-ESR Crystals DS1338//документ компании Maxim Integrated Products DS1338.pdf. 34.Белов Б.П. Проектирование информационно-управляющих систем подводной робототехники. СПб.:СПбГМТУ, 2008. 86 35.Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980. 36.Евтюков А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. 37.Орлов А.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. М.: Пищевая промышленность, 1974. 38.Р. Урик Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 39. Радиотехнические системы: учебник для студ. Высш. Учеб. Заведений /[ю.М. Казаринов и др.]: под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. 40.Рангайян Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход., пер. с англ. под ред. А.П. Немирко, ФИЗМАТЛИТ, 2007; 41.Huang N.E., et. al. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for non-linear and non-stationary time series analisis // Proc. Royal Soc. London. 1988. Vol. 454. P. 903-995. 42.Клионский Д.М., Орешко Н.И., Геппенер В.В. Декомпозиция на эмпирические моды и ее использование при анализе дробного броуновского движения / Цифровая Обработка Сигналов. 208, №3. 43.Д.М. Клионский, К.Е. Громова, В.Н. Команцев, С.А. Пыко, Ю.Д. Ульяницкий. Применение метода декомпозиции на эмпирические моды для исследования биологических сигналов. Труды VII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии. 29-31 мая, 2012 г., СПб. 44.Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере / Под ред. В.Э. Фигурнова. М.: ИНФРА-М, 1998. 87 ПРИЛОЖЕНИЕ А ГРАФИКИ СИГНАЛОВ ТРЕХ ОСЕВОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА И СИГНАЛА ЭКГ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УПРАЖНЕНИЙ 88 1. Начало работы. Положение стоя. Движения и нагрузки нет. Данные акселерометра: 89 2. Ходьба по кругу (скорость движения небольшая). Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 90 3. Ходьба на месте (невысокий темп). Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 91 4. Начало бега (средний темп). Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 92 5. Бег (средний темп). Через 2 минуты после начала. Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 93 6. Остановка после бега. Данные акселерометра: 94 7. Ходьба пешком (через минуту после остановки). Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 95 8. Отдых на скамейке (через 2 минуты после остановки ). Данные акселерометра: Электрокардиограмма: 96 9. Медленный наклон (через 3 минуты после остановки). Данные акселерометра 97 10. Челночный бег (высокий темп). Длина дистанции – 6 метров. Данные акселерометра: Элекрокардиограмма: 98 11. Остановка после челночного бега. Данные акселерометра: 99
