ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЫПОЛНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВЫПОЛНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ

Введение. В век технологий люди привыкли пользоваться портативными техническими устройствами. Они выполняют полезные функции, не ограничивая человека в мобильности.

Рассматривая устройства, выполняющие функцию измерения показателей физической активности человека, можно выделить следующую проблему: недостаточно точное измерение показателей и контроль правильности выполнения физических упражнений. Отсутствует универсальное и точное устройство для оценки и регулирования выполнения спортивных упражнений.

Актуальность данной работы заключается во все большей и большей популяризации сферы спорта, физической культуры, фитнеса, вместе с этим и

«умных» устройств. Для экономии многих ресурсов и собственного удобства все большее число людей предпочитают использовать специальные приложения и устройства для более эффективных и правильных тренировок.

Подходы к решению задачи контроля качества выполнения физических упражнений. Выполнение задачи отслеживания корректного выполнения физических упражнений может выполняться несколькими методами. Во- первых, с помощью камеры, компьютерного зрения. В этом случае распространено использование Xbox One Kinect 3D камеры *1+. Во-вторых, с помощью специальных датчиков – инерциальных измерительных модулей. Это маленькие, недорогие сенсоры, которые состоят из акселерометров, гироскопов и магнитометров. В данном случае измеряются показатели движений человека, происходит распознавание упражнений и модель

выполняемого упражнения сравнивается с идеальной его моделью. Для идентификации выполнения таких упражнений могут быть использованы, например, скрытые марковские модели или предметно-специфический байесовский классификатор. В целом, большим плюсом всего этого метода является более точная оценка движения тела в пространстве *4+. В-третьих, могут быть скомбинированы первые два метода: использование наружной системы наблюдения и небольших инерциальных измерительных модулей

*2+. В целом, данном подходе вначале записываются движения эксперта, затем пользователя системы, в результате чего последний может сравнить свои движения с движениями первого *2+. Сюда же входит и интегрирование датчиков в оборудование для тренировок, например, в свободные веса и подвесные системы для тренировок *3+.

Второй подход является более точным, чем использование одной камеры или ненательного сенсора, а также позволяет анализировать не только упражнения локального характера, которые проще регулировать с помощью датчиков, внедренных в тренажеры и свободные веса, особенно при использовании нескольких датчиков на частях тела.

Обзор датчиков инерциальных измерительных модулей. Существует огромное количество датчиков инерциальных измерительных модулей. Например, Ellipse Micro, Ellipse Series, Ekinox Series, Apogee Series, отличающиеся высокой себестоимостью. Более низкую себестоимость имеют: Razor 9DOF, BNO-055 SiP, GY- BNO080, Waveshare 10 DOF, 9-Axis 9DOF BMX055, GY-85 BMP085, GY LSM9DS1, 9 Axis IMU L3GD20 LSM303D модуль 9DOF. Все

датчики измеряют линейное ускорение, угловую скорость вращения и векторы магнитного поля. Контроллер обеспечивает связь датчика с внешним миром по одному из распространенных интерфейсов. Как правило, это SPI или I2C. С шиной I2C связаны два сигнала: последовательная линия синхронизации (SCL) и последовательная линия передачи данных (SDA).

Существует ряд технологий для связи с датчиками с использованием Wi- fi, Bluetooth, Wibree, NFC-технология, протокол WirelessHART, WiMax. Для связи с датчиками может использоваться протоколы, устанавливающие Wi-Fi соединение между датчиками и датчиками с процессором. Например, стек протоколов IPv6 для ZigBee, протокол IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN), IPv6 Neighbor Discovery (IPv6-ND), протокол MLE (Mesh Link Establishment).

Создание системы контроля качества выполнения физических упражнений. Задача измерения и контроля выполнения физических упражнений без непосредственного участия тренера решается с помощью разрабатываемого носимого портативного устройства. В докладе рассмотрено три варианта архитектуры построения системы. Во-первых, с помощью проводов и резисторов можно собрать один большой базовый компонент. На основе базовой платы Arduino, инерциальных измерительных модулей: один -

обеспечивающий Wi-Fi соединение, другой – отслеживающий координаты движений человека по 9 осям свободы и батареи для питания. Во-вторых, может быть использована плата, уже содержащая инерциальный измерительный модуль, дополненная батареей питания для удобства движений человека. В-третьих, систему из второго пункта можно расширить дополнительными модулями движения, используя провода и резисторы.

Полученная система взаимодействует с серверной частью, размещенной на компьютере, который позже может быть заменен на мобильное устройство. Архитектура «клиент-сервер» позволяет осуществлять обмен данными, а также авторизацию и другие функции при установлении соединения. В целом, датчики передают данные на сервер, где осуществляется их анализ с помощью разрабатываемой программы, содержащей математические модели эталонных движений.

Заключение.

В результате анализа выявлены три метода по решению исследовательской проблемы, проанализированы имеющиеся предложения рынка датчиков инерциальных измерительных модулей, способы взаимодействия с ними, выбрано аппаратное средство, на котором будет разрабатываться система, предложена архитектура разрабатываемой системы.

Из всего многообразия способов связи между датчиками наиболее оптимальным является использование технологий Bluetooth или Wi-Fi. Для проведения исследования выбрана основная плата CH340/ATmega328P. Из рассмотренных выше датчиков наиболее популярным является GY-85 BMP085, поддерживающий технологию Wi-Fi. Данное устройство имеет доступ к компьютеру по беспроводной связи. В последующем, возможно подключение дополнительных датчиков инерциальных измерительных модулей к первоначально собранному устройству.

Предложенная архитектура разрабатываемой системы состоит из клиента на основе встраиваемого вычислительного устройства Arduino, специализированных датчиков с девятью осями свободы и модуля радиосвязи, и серверной части, расположенной на компьютере под управлением «настольной» операционной системы. Это обеспечивает как низкую стоимость конечного устройства, так и достаточную точность измерений характеристик физических упражнений.