XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка модели хоккейного шайбы-тренажёра «ШЕСТ-1»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Ефимов С.А. 1

---

1ГБОУ Московской области «Одинцовский «Десятый лицей»

Колотовичев А.А. 1

---

1ГБОУ Московской области «Одинцовский «Десятый лицей»

Работа в формате PDF

679.7 KB

Введение

Сила броска в хоккее, напрямую влияющая на скорость полёта шайбы, является одной из важных составляющих тактико-технических действий хоккейного игрока [1]. Чем сильнее бросок и, соответственно больше скорость полёта шайбы, тем меньше времени на ответную реакцию у вратаря для отражения удара.

Современный хоккей с шайбой – очень динамичный и скоростной вид спорта и уровень селекции здесь крайне высок.

Скорость полёта шайбы, отражающая силу броска хоккеиста, является одним из таких селекционируемых показателей [2]. Вместе с тем, существующие в настоящий момент системы мониторинга силы броска через определение скорости полёта шайбы являются достаточно громоздкими, недостаточно точными и относительно дорогостоящими. Это затрудняет широкое применение таких систем в массовом, тренировочном процессе для селекции игроков и стимулирования их профессионального роста.

Так, например, наиболее экономичные и доступные, относительно массовые варианты радаров по измерению скорости полёта шайбы MAD GUY или Odis 06-R1 в настоящее время стоят порядка 17-22 тыс. руб. Их применение требует обязательного штатива. При этом, поскольку принцип работы таких систем контроля скорости полёта шайбы подразумевает установку в районе ворот, надёжность их функционирования, учитывая используемые материалы (корпус изготовлен из пластика) и отсутствие отзывов пользователей, вызывает серьёзные сомнения.

Применяемый в играх КХЛ проект т.н. «умной шайбы» также использует, по сути, технологию радаров [3]. В корпус шайбы и форму игрока вшиваются микрочипы, на которые реагируют десятки локаторов, размещённых в разных точках ледового стадиона. Соответственно, помимо значительной стоимости и громоздкости такой системы, её применение, возможно только на стадионах, используемых для профессиональных матчей КХЛ и практически невозможно в тренировочном процессе, о чём заявляют и сами создатели.

В этой связи разработка и техническая реализация идей, направленных на создание экономически эффективного, компактного и достаточно точного тренажёра для измерения силы броска в хоккее представляет, несомненно, актуальную задачу.

В этой связи основной целью проекта было создание на основе взаимосвязанных компонентов Arduino опытной модели шайбы-тренажёра по измерению силы броска, через определение ускорения летящей при броске шайбы. Такое техническое решение сочетает в себе: простоту и экономичность устройства, относительную надёжность, мобильность, и, позволяет в перспективе наладить серийное и массовое производство доступного технического средства мониторинга указанного показателя.

Для достижения данной цели решались следующие задачи (этапы проекта):

• Разработка принципиальной схемы модели тренажёра «ШЕСТ-1»;

• Создание виртуальной модели тренажёра в программной среде SolidWorks;

• Печать корпуса модели-шайбы на 3Д-принтере;

• Подбор электронных компонентов для системы и их сборка;

• Калибровка гироскопа-акселерометра;

• Создание рабочих кодов (скетчей) в программной среде Arduino IDE;

• Проверка работоспособности модели.

Раздел I. Теоретическая часть

Глава 1. Системы регистрации силы удара по мишени в спорте

В современном хоккее мощность или, другими словами, сила броска является не менее важной, чем его точность. А обе эти составляющие – ключевые для достижения высоких результатов [4].

Если профессиональные хоккеисты с продолжительной игровой практикой имеют уже достаточно устоявшиеся бросковые показатели (хотя и здесь имеет место динамика роста и падения), то на этапах становления эти характеристики гораздо менее стабильны. Поэтому регулярный мониторинг количественных показателей, помог бы более эффективно выстроить тренировочный процесс, наладить селекцию и формирование игровых «пятерок».

Технические средства измерения силы удара наиболее развиты в спортивных единоборствах. В основе этих устройств лежит принцип измерения деформации тела, к которому прилагается сила или ускорения мишени [5].

В первом случае, когда силу удара измеряют через деформацию тела, используется датчик давления, который регистрирует изменение давления при ударе по эластичной капсуле, внутри которой и заключён датчик, связанный с системой индикации и преобразования сигнала. Однако, такой способ имеет недостатки, поскольку в данном случае, согласно законам физики, на результат измерения будут, помимо силы удара, влиять также и упругость мишени и ударного предмета, их размерные характеристики и форма, относительная скорость движения [6].

Во втором случае для измерения силы удара через ускорение (сила = масса тела (к которому прикладывается сила) x ускорение) в качестве датчика используются акселерометры. При этом для увеличения точности измерений, в случаях, когда часть силы удара уходит на вращение, применяются также датчики угловых ускорений. Применение таких датчиков позволяет наносить удар по мишени практически в любом направлении [5]. Для компенсации влияния вибрации, гравитации и снятия гравитационной составляющей из выходного сигнала акселерометра, рекомендуется использовать одновременно с акселерометром гироскоп, который ввиду указанной причины повышает точность измерения акселерометра [7].

В таких видах спорта, связанных с воздействием силы на мишень, как: теннис, футбол, хоккей, для измерения силы удара применяются спортивные радары, определяющие этот показатель через измерение скорости и времени. Однако, такое оборудование, помимо относительно дорогой стоимости, имеет существенные проблемы с точностью измерений [8]. В последние годы, в футболе стали применять датчики, вшиваемые непосредственно в мяч, что, безусловно, значительно повышает точность измерений, поскольку в данном случае датчик воспринимает непосредственно прикладываемую силу.

Вместе с тем, подобные системы в хоккее до настоящего момента не описаны, что на наш взгляд объясняется определёнными техническими проблемами, связанными с используемой в данном виде спорта мишенью – шайбой.

Глава 2. Хоккейная шайба – ёмкость для размещения регистрирующего оборудования

Изготовление стандартных хоккейных шайб включает в себя несколько основных технологических этапов: смешивание гранулированного каучука со связующим веществом и добавками (масла, минеральные компоненты, сажа и др.), формирование из этой массы метровых цилиндров стандартным диаметром 7,62 см, нарезку шайб, их вулканизацию (нагрев до 149 °С с кратковременным выдерживанием) и остывание, шлифовка и нарезка насечек по ребру, заморозка. Готовая шайба имеет следующие размерно-весовые параметры: толщина – 2,54 см, диаметр – 7,62 см и масса – 156-170 г.

Создать надёжно защищённую от сильного воздействия полость внутри шайбы для размещения датчиков, микроконтроллера и питания – непростая задача. Однако, патентованные технические решения данного вопроса известны [9]. Авторы указанного патента предлагают игровой вариант полой шайбы, наружная оболочка которой изготавливается из каучука, а внутренняя вставка для электроники – из пластика. Шайба закрывается крышкой с пазовым соединением и после закрытия вулканизируется по стандартной описанной выше технологии, чем достигается её прочность (рисунок 1).

Авторы патента сообщают, что данная технология не нарушает центровку шайбы. Однако каким образом это достигается из описания патента неясно. Также, непонятно как при такой конструкции достигается сохранность и надёжность работы электроники в условиях игры и значительных силовых воздействий на шайбу, как при ударах, так и при отскоках. В общедоступной литературе результаты применения данной конструкции не описаны.

Рисунок 1. Патентованный игровой вариант полой шайбы со шпунтовой крышкой

С учётом имеющегося литературного задела, была поставлена цель – сконструировать экспериментальную модель шайбы-тренажёра, позволяющей через измерение ускорения на основе технологии Arduino в режиме реального времени с высокой точностью измерять силу удара хоккеиста в ходе тренировочного процесса.

Раздел. 2 Материал и методы

В ходе выполнения проекта использовались следующие основные методы: метод литературного поиска и анализа, 3Д-моделирования, программирования на языке Arduino.

Материально-техническое обеспечение исследования включало: гироскоп-акселерометр GY-521Arduino MPU-6050, микроконтроллер Arduino Nano Type-C ATMEGA328P, микроконтроллер Arduino Uno R3 (Cp40G), радиомодуль-приёмопередатчик NRF24L01 2,4 ГГц 2 Мбит/с, радиомодуль-приёмопередатчик NRF24L01+РА+LNA 2,4 ГГц с усилителем и внешней антенной для Arduino, с дальностью связи до 100 м, медные провода 24 AWG в мягкой силиконовой изоляции сечением 0,2 мм², батарейки (таблетка) А192 алкалиновые Sonnen, контакты для батареек АА или ААА, модель шайбы, отпечатанная на 3Д-принтере, отсек для батареек с платформой для крепления электронных плат, ноутбук, 3Д-принтер, интегрированная среда разработки для Windows Arduino IDE, система автоматизированного проектирования SolidWorks.

Раздел 3. Практическая часть

В отличие от существующих на данный момент технических разработок, предлагаемая модель определения силы броска в хоккее через регистрацию ускорения полёта шайбы, исходит из размещения системы регистрации, созданной на основе технологий Arduino внутри самой шайбы, а не в размещаемых снаружи компонентах. Это принципиальное отличие, формирующее научную новизну предлагаемого решения, позволяет добиться повышения точности измерения, мобильности устройства за счёт существенного снижения его размеров, а также, в перспективе, повысить надёжность эксплуатации. Оптимизация и относительная простота состава комплектующих и их сборки также даёт возможность снизить себестоимость производства такого тренажёра.

Принципиальная схема устройства с указанием наименования основных элементов сборки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема сборки хоккейного шайбы-тренажёра «ШЕСТ-1»

В основе работы системы лежит использование в качестве датчика – модуля гироскопа-акселерометра. Гироскоп измеряет угловую скорость вращения вокруг оси, условно в градусах/секунду. Акселерометр измеряет ускорение вдоль оси, условно в метрах/секунду. Совместное их использование в модульном исполнении позволяет измерить ускорение с учётом возможного приложения части силы удара на вращение шайбы в ходе броска. Перед началом использования модуля, была выполнена его калибровка для повышения точности измерений [10].

Принцип действия этой схемы заключается в следующем. Игрок в ходе тренировочного процесса бросает клюшкой тренажёр «ШЕСТ-1». Датчик гироскоп-акселератор воспринимает ускорение после полной остановки шайбы, и через медные провода передаёт значение на плату Ардуино-Нано. Микроконтроллер платы при помощи предварительно загруженного программного кода, учитывающего значение заранее определённой массы шайбы, преобразует переданный датчиком сигнал в значение приложенной силы (в ньютонах). В момент, когда определение завершено, звуковой индикатор издаёт сигнал и показатель через радиомодуль TX (в шайбе) передаётся на внешний радиомодуль RX (база) с антенной, а с него преобразуется Arduino Uno в числовое значение, которое выводится на мониторе компьютера.

Для создания модели будущей системы производилось 3Д-моделирование в системе автоматизированного проектирования SolidWorks на основании размеров (толщина, диаметр) используемой в хоккее игровой шайбы (рисунок 2).

Рисунок 2. 3Д-модель шайбы с комплектом смонтированного регистрирующего оборудования

Шайба представляет собой полую конструкцию с прилегающей плотно крышкой. Для крепления элементов питания использовалась специальный отсек, а электронных плат – специальная платформа (обозначены стрелкой на рисунке 3), которые, как и корпус по завершении моделирования были распечатаны на 3Д-принтере.

Ниже, в таблице 1 представлены наименования и стоимость подобранных электронных компонентов.

Таблица 1. Расчёт себестоимости сборки экспериментальной модели шайбы-тренажёра «ШЕСТ-1»

После сборки компонентов, они помещались для дальнейших испытаний внутрь корпуса (рисунок 3).

Рисунок 3. Собранная система регистрации, преобразования и передачи сигнала датчика гироскопа-акселерометра

Обеспечение функционирования собранной регистрирующей и передающей системы достигалось разработкой специального кода (скетча) в программной среде Arduino (Приложение 1).

По окончании сборки регистрирующей системы и разработки специального программного кода, проведены испытания опытной модели хоккейного тренажёра «ШЕСТ-1», результаты которых отражены в Приложении 2 (значения силы удара приводится в ньютонах – кг*м/с²).

По результатам проведённой сборки и испытаний установлена экологическая безопасность предлагаемых решений – в качестве источника питания применены более безопасные в сравнении с литий-ионными алкалиновые батарейки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённого литературного поиска было обосновано направление практических опытно-конструкторских работ – создание экспериментальной модели хоккейного тренажёра-шайбы для измерения силы удара хоккеиста с использованием датчика гироскопа-акселерометра и микроконтроллера Arduino, размещаемых внутри шайбы.

Проведено 3Д-моделирование, на основе которого создана физическая модель полой шайбы для размещения внутри регистрирующей, преобразующей и передающей сигнал электроники.

Осуществлён подбор и сборка комплектующих.

Выполнено написание и загрузка необходимого программного обеспечения (кодов или скетчей).

Произведены испытания модели, подтвердившие её работоспособность.

На основе проведённых испытаний сформулированы следующие рекомендации по дальнейшей доработке системы с целью обеспечения её возможного промышленного внедрения:

1. Разработка и создание оригинального корпуса прототипа шайбы-тренажёра «ШЕСТ-1», позволяющего перейти к испытаниям в условиях режима хоккейной тренировки.

2. Доработка включения системы питания путём обеспечения дистанционного включения с использованием ИК-пульта и доработка отсека питания под экологически безопасную аккумуляторную батарею с функцией подзарядки.

3. Доработка кодов (с целью нивелирования влияния инерции шайбы при регистрации повторных попыток бросков тренажёра).

4. Создание не менее 5 образцов прототипа.

5. Проведение испытаний прототипа в условиях тренировки хоккейного клуба «Армада» (г. Одинцово).

6. Возможная доработка прототипа по результатам испытаний.

7. Проведение патентного поиска и по его результатам возможное закрепление полученных результатов в патенте на изобретение или полезную модель.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Костичкин П.В., А.В. Руссу Методика оценки тактико-технический действий защитников в хоккее // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка, 2023№ 4С. 31-33 (Детский тренер). Электрон. версия. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-otsenki-tehniko-takticheskih-deystviy-zaschitnikov-v-hokkee [дата запроса: 15.02.2025].

2. Панов С.Ф., Берестнев Д.Г. Развитие силы мышц кисти у хоккеисток как фактор успешности выполнения броска // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта. – 2023. – № 2 (216) – С. 346-349.

3. Самарцев М. Умные шайбы в КХЛ. Как работают умные шайбы. Что такое умные шайбы. Сайт sport.24.ru. URL: https://sport24.ru/news/hockey/2022-01-29-umnyye-shayby-v-kkhl-kak-rabotayut-umnyye-shayby-chto-takoye-umnyye-shayby?ysclid=m7rj1qj3gk277608014 [дата запроса: 02.03.2025]

4. Васильев А. И., Соболев С.В. Оптимизация возможности подготовки спортсменов к технике кистевого броска в хоккее // Молодой ученый. – 2023. – № 18 (465). – С. 264-266.

5. Хасаншин И.Я., Зенуков И.А. Технические средства оценки скоростно-силовых качеств в ударных видах спортивных единоборств // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – т. 17. – № 19. – С. 267-270.

6. Савельев В.Н. Способ определения динамических параметров удара, характеризующих силу // Патент на изобретение RU2322279C1. – дата публикации: 2008.04.20.

7. Крис Мёрфи Выбор оптимального акселерометра для конкретного приложения. Часть 1 // электрон. журнал: Компоненты и технологии. № 1, 2018. URL: https://kit-e.ru/vybor-akselerometra-chast-1/ [дата запроса: 21.02.2025].

8. Как измеряют силу удара и скорость полёта мяча в футболе. Сайт sport-igrok.ru. URL: http://sport-igrok.ru/blog/futbol/kak-izmeryayut-silu-udara-i-skorost-polyota-myacha-v-futbole.html [дата запроса: 21.02.2025].

9. Хутер Матис, Вильденхоф Штефан, Пеллькофер Томас, Ретковски Райнер Шайба и способ изготовления шайбы // Патент на изобретение RU2707805C1. – дата публикации: 29.11.2019.

10. Работа с Arduino и MPU6050. Сайт alexgyver.ru. URL: https://alexgyver.ru/arduino-mpu6050/?ysclid=m6f87m8acx299501938 [дата запроса: 20.02.2025].

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Раздел а

Скетчи Arduinonano (а) и arduinouno (Б)

Раздел Б

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ВЫЕДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, ПРИЛАГАЕМОЙ К ШАЙБЕ-ТРЕНАЖЁРУ «ШЕСТ-1» НА ЭКРАНЕ МОНИТОРА ПЭВМ

Значение силы удара на мониторе ПЭВМ