5 ο Π Α Ν Ε Λ Λ Η Ν Ι Ο Σ Υ Ν Ε Δ Ρ Ι Ο ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ & ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΗΣ ΚΩΠΗΛΑΣΙΑΣ Αθανάσιος Μπίμης, Βασίλειος Γκίκας Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών Ε.Μ.Π.

2 Το πρόβλημα στην αγωνιστική κωπηλασία ποιος είναι ο στόχος στην αγωνιστική κωπηλασία? μεγιστοποίηση μέσης ταχύτητας ελαχιστοποίηση διάρκειας διαδρομής κωπηλάτης - γωνία πλάτης - γόνατα, ισχίο, αγκώνας Ταχύτητα σκάφους εξοπλισμός σκάφους - γωνίες κουπιών - θέση καρέλου - δύναμη στο σκαρμό - δύναμη υποπόδιο περιβαλλοντικές συνθήκες - θερμοκρασία - ταχύτητα ανέμου - δ/νση ανέμου 5 ο Π Α Ν Ε Λ Λ Η Ν Ι Ο Σ Υ Ν Ε Δ Ρ Ι Ο

3 Η κωπηλατική τεχνική και ο κύκλος κουπιάς η κωπηλατική τεχνική υλοποιείται με μια περιοδική κίνηση : κύκλος κουπιάς ο κύκλος κουπιάς αποτελείται από 4 φάσεις: o άρπαγμα o τράβηγμα o τελείωμα o επαναφορά έχει ως αποτέλεσμα ένα συγκεκριμένο μοτίβο στο διάγραμμα της ταχύτητας του σκάφους η μορφή, η διακύμανση και το μέγεθος της ταχύτητας του σκάφους είναι κρίσιμη για την απόδοση της κουπιάς άρπαγμα τράβηγμα τελείωμα επαναφορά άρπαγμα τελείωμα ταχύτητα σκάφους διάρκεια τραβήγματος χρόνος επαναφοράς 5 ο Π Α Ν Ε Λ Λ Η Ν Ι Ο Σ Υ Ν Ε Δ Ρ Ι Ο

4 Το πρόβλημα στην κωπηλασία και η παρακολούθηση με αισθητήρες το πρόβλημα στην αγωνιστική κωπηλασία μπορεί να μελετηθεί με συλλογή & ανάλυση δεδομένων από ετερογενείς αισθητήρες καταγραφή, επεξεργασία, ανάλυση, οπτικοποίηση o κινηματικά (θέση, ταχύτητα, προσανατολισμός) o κινητική (δυνάμεις και κινήσεις) αξιολόγηση κωπηλατικής τεχνικής κινηματικά & κινητικά δεδομένα αθλητής κωπηλατικός εξοπλισμός περιβαλλοντικές συνθήκες βελτίωση επιδόσεων επεξεργασία ανάλυση οπτικοποίηση GNSS δέκτης INS καταγραφικό σκάφους αισθητήρας σκαρμού αισθητήρες σκάφος δεδομένα αξιολόγηση τεχνικής αισθητήρας σκάφους etc ελαχιστοποίηση χρόνου

5 Αντικείμενο και στόχοι της ερευνητικής προσπάθειας υφιστάμενα συστήματα o καταγράφουν μόνο μερικές παραμέτρους o προβλήματα συγχρονισμού και δειγματοληψίας μετρήσεων o ανάλυση δεδομένων σε πρωτόλειο στάδιο Rowing course Rowing monitoring system data προτεινόμενο σύστημα ψηφιακής καταγραφής o κατάλληλο για την αξιολόγηση επιδόσεων αγωνιστικής κωπηλασίας o δυνατότητα καταγραφής του συνόλου των κινηματικών και κινητικών χαρακτηριστικών του σκάφους και του αθλητή αντίστοιχα o υψηλές επιδόσεις (ακρίβεια, διαθεσιμότητα, αξιοπιστία, ) o ελαφρύ και ανθεκτικό στο νερό, μεγάλη αυτονομία CIEs computation timeseries logistic regression CIEs selection KPI thresholds KPIs computation stroke assessment KPIs Detection προτεινόμενη μεθοδολογία ανάλυσης o εντοπισμός τμημάτων κακής τεχνικής στον κύκλο κουπιάς o υποβοήθηση κωπηλατικής προπονητικής o διατήρηση ιστορικού για κάθε αθλητή για επισκόπηση των επιδόσεών του measured parameters Identification training Adaptation

6 Προτεινόμενο σύστημα ψηφιακής καταγραφής (1/3) (σχεδιασμός συστήματος & τύπος αισθητήρων) 5 ο Π Α Ν Ε Λ Λ Η Ν Ι Ο Σ Υ Ν Ε Δ Ρ Ι Ο απαρτίζεται τρία διακριτά αλλά αλληλένδετα υποσυστήματα o σκάφος o κωπηλατικός εξοπλισμός o σώμα αθλητή χρήση πλήθος τύπου αισθητήρων για την μέτρηση o PVA σκάφους o γωνίες κουπιών o δυνάμεις στους σκαρμούς o θέση καρέλου o γωνίες αρθρώσεων στο σώμα του αθλητή 3. athlete s body monitoring hip joint angle elbow joint angle 1. boat monitoring boat PVT 2. rowing equipment monitoring left / right oar Hz angle left / right oar V angle potentiometer (angle) linear potentiometer (displacement) goniometer (human joint angle) boat attitude left / right oarlock force seat displacement load cell (force) GPS-INS (boat PVA) left/right footstep force

7 Προτεινόμενο σύστημα ψηφιακής καταγραφής (2/3) (εγκατάσταση αισθητήρων) 1. boat monitoring boat PVT boat attitude 2. rowing equipment monitoring left / right oar Hz angle left / right oar V angle left / right oarlock force seat displacement left/right footstep force 3. athlete s body monitoring hip joint angle elbow joint angle

8 Προτεινόμενο σύστημα ψηφιακής καταγραφής (3/3) (καταγραφικό σκάφους) Το σύστημα ψηφιακής καταγραφής δεδομένων αποτελείται από: o micro-pc, ψηφιοποιητές (ADC ai & sg) o λογισμικό καταγραφής (LabView, XSENS) o Wi-Fi για απομακρυσμένη παρακολούθηση - διαχείριση o συσσωρευτές 2a. 1. rowing equipment monitoring left / right oar Hz angle left / right oar V angle seat displacement left/right footstep force boat monitoring AI ADC PC LabView Data Acquisition S/W XSENS MT Manager S/W SG ADC 2b. 3. rowing equipment monitoring left / right oarlock force athlete s body monitoring hip joint angle elbow joint angle boat PVT boat attitude

9 Προ-επεξεργασία δεδομένων διαδικασία προ-επεξεργασίας δεδομένων: o matlab & python o δέχεται δύο διαφορετικά ASCII αρχεία καταγραφών (LabView, XSENS) o συγχρονίζει τα δεδομένα (κοινή χρονική αφετηρία) o εφαρμογή χαμηλοπερατού φίλτρου o μετατροπή μονάδων και αρχικοποίηση των αισθητήρων o αποθήκευση σε ενιαίο δυαδικό τύπου mat αρχείο για την περαιτέρω ανάλυση Ομάδα δεδομένων φιλτραρισμένα, συγχρονισμένα με κοινό χρονικό βήμα matlab & python binary mat file Labview Data data Hz units conversion & initialization sync low pass filtering XSENS Data data 400 Hz filtered, synchronized, common sampling rate data

10 Ανάλυση δεδομένων ορισμός & υπολογισμός καθοριστικών παραμέτρων για τυποποίηση τεχνικής και επιδόσεων: o Critical Input Elements (CIEs) αίτια o Key Performance Indicators (KPIs) αποτελέσματα επιλογή κύκλων κουπιών με χαμηλές επιδόσεις o ορισμός κατωφλίων για κάθε KPI o αξιολόγηση επιδόσεων κάθε κουπιάς με κριτήριο τα KPIs εντοπισμός CIEs που σχετίζονται με τις χαμηλές επιδόσεις o εφαρμογή μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης χρονοσειρών για κάθε κουπιά που εμφανίζει χαμηλές επιδόσεις CIEs computation data KPI thresholds timeseries logistic regression CIEs selection KPIs computation stroke assessment KPIs Detection Αναγνώριση παραμέτρων που ευθύνονται για τις χαμηλές επιδόσεις & προσαρμογή της προπόνησης measured parameters Identification training Adaptation

11 Συλλογή δεδομένων τοποθεσία (1/2) Ολυμπιακό Κωπηλατοδρόμιο Σχινιά

12 Συλλογή δεδομένων σενάρια δοκιμών (2/2) δοκιμή με μονό σκίφ o πεπειραμένος αθλητής σενάρια δοκιμών (σε μετάβαση και επιστροφή): o αργός ρυθμός o αγωνιστικός ρυθμός o αργές διαδρομές οι οποίες περιλαμβάνουν τρία συνηθισμένα λάθη στην τεχνική κωπηλάτισης

13

14 Πρώτα αποτελέσματα ταχύτητα και επιτάχυνση σκάφους (1/3) διαγράμματα προκύπτουν από την προ-επεξεργασία των δεδομένων o περιοδικότητα στα δεδομένα o ξεκάθαροι οι κύκλοι κουπιάς o αναγνωρίζεται η τεχνική που εφαρμόζει ο αθλητής along-track velocity off-track velocity along track acc off-rack acc

15 Πρώτα αποτελέσματα roll / pitch / azimuth (2/3) κινηματικά σκάφους από το IMU o περιοδικότητα στη γωνία διατοιχισμού (λόγω της κίνησης του αθλητή πάνω στο σκάφος) o γωνία προνευτασμού όχι υψηλά περιοδική o γωνία αζιμουθίου φανερώνει τη σταθερότητα της πορείας της βάρκας pitch angle roll angle azimuth

16 Πρώτα αποτελέσματα κωπηλατικός εξοπλισμός (3/3) μετρήσεις που αφορούν τον εξοπλισμό του σκάφους o περιοδικότητα στα δεδομένα o ξεκάθαροι οι κύκλοι κουπιάς o συσχετισμός και με τα υπόλοιπα δεδομένα horizontal oar angle vertical oar angle oarlock force

17 Αποτελέσματα υπολογισμένων χαρακτηριστικών μεγεθών (1/2) Critical Input Elements - CIEs ομοιομορφία οριζόντιας γωνίας κουπιών έναντι της δύναμης στο σκαρμό τη στιγμή της μέγιστης δύναμης o ενδεικτικά δύο διαδρομές (αργή και αγωνιστική) o κάθε σημείο αντιπροσωπεύει έναν κύκλο κουπιάς o η ομοιομορφία προκύπτει ως διαφορά μεγεθών του αριστερού χεριού μείον του δεξιού χεριού

18 Αποτελέσματα υπολογισμένων χαρακτηριστικών μεγεθών (2/2) Key Performance Indicators KPIs μείωση ταχύτητας σε κάθε κύκλο κουπιάς κατά την φάση της επαναφοράς o ενδεικτικά δύο διαδρομές (αργή και αγωνιστική) o κάθε σημείο αντιπροσωπεύει έναν κύκλο κουπιάς o η μείωση της ταχύτητας προκύπτει ως μέγεθος από διαφορά μεταξύ της μέσης ταχύτητας και της ελάχιστης ταχύτητας που παρατηρείται μέσα στον ίδιο κύκλο κουπιάς

19 Ανάλυση δεδομένων ορισμός & υπολογισμός καθοριστικών παραμέτρων για τυποποίηση τεχνικής και επιδόσεων: o Critical Input Elements (CIEs) αίτια o Key Performance Indicators (KPIs) αποτελέσματα επιλογή κύκλων κουπιών με χαμηλές επιδόσεις o ορισμός κατωφλίων για κάθε KPI o αξιολόγηση επιδόσεων κάθε κουπιάς με κριτήριο τα KPIs εντοπισμός CIEs που σχετίζονται με τις χαμηλές επιδόσεις o εφαρμογή μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης χρονοσειρών για κάθε κουπιά που εμφανίζει χαμηλές επιδόσεις CIEs computation data KPI thresholds timeseries logistic regression CIEs selection KPIs computation stroke assessment KPIs Detection Αναγνώριση παραμέτρων που ευθύνονται για τις χαμηλές επιδόσεις & προσαρμογή της προπόνησης measured parameters Identification training Adaptation

20 συμπεράσματα και επόμενα βήματα οι πρώτοι στόχοι επιτεύχθηκαν: o να σχεδιαστεί και να υλοποιηθεί ένα ψηφιακό σύστημα καταγραφής κωπηλασίας o να αξιολογηθεί σε πραγματικές συνθήκες και να εξαχθούν τα πρώτα αποτελέσματα της καταγραφής επίσης, o σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αλγόριθμος κανονικοποίησης των κωπηλατικών δεδομένων και αξιολόγησης της τεχνικής κωπηλάτισης o έγιναν πρώτες δοκιμές αλγορίθμου σε μικρό τμήμα των δεδομένων στην επόμενη φάση: o περαιτέρω εφαρμογή και έλεγχος του αλγορίθμου βελτίωσης των κωπηλατικών επιδόσεων σε ολόκληρο το σετ δεδομένων o ερμηνεία και προσαρμογή αποτελεσμάτων στο πλαίσιο της προπονητικής σε συνεργασία με εμβιομηχανικούς και προπονητές του αθλήματος

21 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΗΣ ΚΩΠΗΛΑΣΙΑΣ Αθανάσιος Μπίμης, Βασίλειος Γκίκας Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, Ε.Μ.Π.