ОПТИМИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

ОПТИМИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

В настоящее время все большую популярность приобретают миниатюрные вычислительные устройства, обладающие большими функциональными возможностями. Разработаны и внедряются универсальные микроконтроллеры, интегрирующие в себе вычислительные, измерительные и коммуникационные блоки. На основе микроконтроллеров можно разрабатывать автономные системы сбора, обработки информации и управления по довольно сложным алгоритмам, реализация которых традиционными средствами потребовала бы мощной технической поддержки. Разработка и использование подобных систем в спортивной тренировке и оздоровительной физической культуре представляются весьма перспективными, так как переводят процесс самосовершенствования на качественно новый уровень.

Данное обстоятельство послужило основанием для разработки нами устройства, представляющего собой носимый миникомпьютер на базе микроконтроллера ATMEL AT90S8535, относящийся к классу «Машин автоматизированного управления» (Ю.Т. Черкесов, В.Г. Свечкарев, 2001).

К машине автоматизированного управления для циклических упражнений (МАУЦУ) подключается разработанный нами оптоэлектронный датчик ЧСС.

МАУЦУ постоянно задает тренирующемуся частоту двигательных циклов (темп движения) с помощью звукового (или светового) сигнала. Задав занимающемуся оптимальный уровень нагрузки, аппарат начинает программно корректировать ее интенсивность. Причем, чем больше реальная ЧСС (занимающегося) отличается от ЧСС заданной, тем сильнее изменяется темп движения по разработанному нами алгоритму, за счет чего циклические движения получаются более равномерными – без резких изменений в скорости.

Выполнение циклических упражнений в условиях разработанной нами МАУЦУ, реализующей метод автоматизированного управления физической нагрузкой на основе программирования ЧСС, более эффективно, чем с использованием кардиолидера. Это подтверждается сокращением времени выхода на заданную ЧСС (250,3±7,91 с против 289,2±9,69) с при использовании кардиолидера, различия достоверно значимы; уменьшением величины максимального рассогласования реальной ЧСС с заданным уровнем в зоне устойчивого состояния для выбранного нами контингента студентов (4,3 ± 0,19 с при использовании МАУЦУ, при работе с кардиолидером эта величина составила 5,2 ± 0,21 с (рис. 1) различия достоверно значимы).

Рис. 1. График частоты вращения педалей велоэргометра с использованием МАУЦУ и в традиционных условиях (с показаниями ЧСС за прошедшую минуту)

Нами исследованы биомеханические показатели вращения педалей велоэргометра с использованием МАУЦУ и в традиционных условиях. Результаты эксперимента показали большую величину колебаний (разброса) частоты вращения педалей в первой половине занятия в условиях использования МАУЦУ по сравнению с традиционными условиями и достаточно устойчивую ее величину второй половине в обоих случаях. Однако с применением МАУЦУ ЧСС студентов находится в заданной зоне, в традиционных же условиях она может отклоняться от рекомендуемой преподавателем в большом диапазоне. Так, в нашем эксперименте ЧСС в первой трети занятия ниже, а затем начинает возрастать, достигая к концу занятия более высоких значений, чем планировалось.

Студенты исследуемого нами контингента, с выявленным низким адаптационным потенциалом, в стадии напряжения механизмов адаптации (которое классифицируется нами как «третье состояние организма» – состояние предболезни), в подавляющем большинстве случаев в традиционных условиях работы на велотренажере не могут контролировать заданный уровень физиологической нагрузки. Обычно он ниже в начале занятия и выше в остальное время (иногда наблюдается обратная картина). В условиях тренировки с МАУЦУ сохраняется оптимальная нагрузка, способствующая повышению адаптационных возможностей организма.

При использовании МАУЦУ длина пройденной дистанции на каждом занятии индивидуальна, зависит от физиологического состояния организма и характеризует адаптацию организма к физической нагрузке на момент занятия (рис. 2).

Рис. 2. График пройденного расстояния с применением МАУЦУ для циклических упражнений

Студенты, участвующие в эксперименте, прошли тестирование и медико-биологическое обследование, результаты которых приведены в табл. 1 - 4.

Таблица 1

Показатели медико-биологического исследования студентов перед началом и после проведения педагогического эксперимента

Показатель	Контрольная группа				Экспериментальная гр.				Достоверность различий при р<0,05
	До экс.		После экс.		До экс.		После экс.
	1		2		3		4
		±δ		±δ		±δ		±δ	1-2	1-3	3-4
Тест Купера (м)	2376	77,6	2378	50,2	2365	78,4	2551	73,8	>	>	<
Проба Штанге (с)	40,3	3,84	41,9	3,16	38,2	2,46	58,6	5,21	>	>	<
ИФИ (баллы)	2,04	0,051	2,05	0,052	2,03	0,061	1,91	0,057	>	>	<
Индекс Руфье (усл. ед.)	12,21	1,461	12,12	1,326	12,26	0,959	9,53	0,886	>	>	<

Так, представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что результаты теста Купера в контрольной и экспериментальной группах до эксперимента существенно не различаются и соответствуют оценке «удовлетворительно». В экспериментальной группе статистически значимый прирост показателей свидетельствует об улучшении физической работоспособности студентов (по таблице Купера соответствует оценке «хорошо»).

Результаты пробы Штанге в обеих группах до эксперимента хорошие и существенно не различаются. В экспериментальной группе произошло достоверное улучшение общего состояния кислородообеспечивающих систем, результат которого оценивается нами по специальной таблице на «отлично».

Удовлетворительной адаптации соответствует индекс функциональных изменений (ИФИ) в контрольной и экспериментальной группах до эксперимента (достоверность различий незначима). После завершения педагогического эксперимента в контрольной группе этот показатель претерпел несущественное ухудшение, а в экспериментальной статистически значимое его улучшение соответствует оценке «хорошо» и свидетельствует о повышении адаптационного потенциала организма занимающихся.

После завершения педагогического эксперимента только в экспериментальной группе произошло статистически достоверное улучшение состояния реактивных свойств сердечно-сосудистой системы, о чем свидетельствует хороший показатель индекса Руфье. До эксперимента этот показатель в обеих группах не имел существенного различия и расценивался как удовлетворительный.

Таблица 2

Показатели распределения величины омега-потенциала у студентов

перед началом и после проведения педагогического эксперимента

Таблица 3

Показатели вариационной пульсометрии перед началом и

после проведения педагогического эксперимента

Таблица 4

Результаты тестирования студентов перед началом и после проведения

педагогического эксперимента

Таким образом, суммарные показатели медико-биологического исследования показали (по большинству параметров) некоторое ухудшение механизмов адаптации у большинства студентов контрольной группы.

По нашему предположению, это может быть связано с несоответствием некоторых нагрузок на занятиях по физическому воспитанию уровню физической подготовленности занимающихся.

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРЕНИРОВКОЙ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ РАЗЛИЧНОЙ КВАЛИФИКАЦИИ ПО ОТВЕТНОЙ РЕАКЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Свечкарёв В.Г. д.п.н., профессор,

Майкопский государственный технологический университет

Хажилиев Н.Ю. к.п.н., доцент,

Кабардино-Балкарский государственный университет

Марьевская М.Е.

Родионова С.В.

Майкопский государственный технологический университет
Компьютеризованные тренажерные устройства и комплексы наилучшим образом способствуют адаптации и повышению эффективности тренировочного процесса, так как с их применением условия работы мышц максимально приближаются к оптимальному согласованию внешней нагрузки с функциональными возможностями организма спортсмена (В.М. Зациорский, 1975; Ю.А. Ипполитов, Б.В. Шмонин, 1986; Е.А. Ширковец, 1995 и др.). При этом более эффективны устройства с отрицательной обратной связью.

Нами разработана, создана и апробирована на практике машина автоматизированного управления для тренировки велосипедистов (МАУТВ), представляющая собой компьютеризованный велотренажерный комплекс, позволяющий непрерывно регулировать физическую нагрузку по заданной ЧСС на основе отрицательной обратной связи.

Устройство включает в себя (рис. 1): раму (1) для закрепления велосипеда (2), состоящую из узла крепления вилки переднего колеса (3) и узла фиксированной опоры (4) заднего колеса (5) велосипеда (2). При этом заднее колесо (5) фрикционно связано с роликом (6), размещенным на оси (7), установленной на раме (1). На оси (7) с одной стороны от ролика (6) находится крыльчатка вентилятора (8) (см. рис. 2), а на другой стороне от ролика (6) – ступенчато изменяемая нагрузка. Она создается с помощью постоянного магнита (9) (см. рис. 3), ступенчато надвигаемого на вращающийся вместе с колесом (5) медный диск (10). Имеется датчик (11) условного перемещения велосипеда (2), выходной сигнал которого привязан к вращению указанного ролика (6) (см. рис. 4).

Рис. 1. Общий вид МАУТВ

Динамическая нагрузка создается в результате взаимодействия вихревых токов, наводимых во вращающемся медном диске (10) регулирующей обмоткой (12). Она намотана на сердечник магнитопровода (13), охватывающего часть поверхности упомянутого диска (10) и подключенного через первый усилитель (14) и первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (15) к системному блоку (16) ПК с дисплеем (17) и клавиатурой (18). Обмотка возбуждения электродвигателя (19) через второй усилитель (20) и второй ЦАП (21) подключена к системному блоку (16).

Датчик измерения ЧСС (23), измерительный щуп которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик (11) условного перемещения велосипеда (2) подсоединены к системному блоку (16) через первый (24) и второй (25) АЦП соответственно. При этом ось электрического двигателя (19) механически (в данном случае – фрикционно) связана с задним колесом (5) велосипеда (2). Все узлы и датчики, которым для работы необходимо электрическое питание, подключены к источнику питания (27).

Перед началом тренировки велосипедиста на ПК с помощью клавиатуры (18) задается коридор ЧСС [Р нижний, Р верхний]. Он подбирается индивидуально во время предварительного полного обследования каждого спортсмена и является отображением оптимальной зоны работы его сердца. Также имеется возможность задания эталонного режима тренировки.

Спортсмен садится на велосипед, и на нем закрепляется датчик ЧСС (23). Сигнал этого датчика подключается к системному блоку (16) через первый АЦП (24). Датчик (11) условного перемещения велосипеда (2) подсоединен к системному блоку (16) через второй АЦП (25). Таким образом, на экране дисплея (17) отображаются: текущее значение ЧСС, «пройденное» расстояние, время в «пути», а также воображаемая трасса и местоположение велосипедиста на ней в каждый момент времени.

Нагрузка на педали меняется в зависимости от текущего значения ЧСС спортсмена относительно заданного коридора. При выходе ЧСС за пределы нижнего уровня заданного коридора программа управления по гиперболе повышает напряжение, подаваемое через первый ЦАП (15) и усилитель (14) на регулирующую обмотку (12), увеличивая нагрузку до тех пор, пока ЧСС спортсмена не достигнет заданного коридора. При чрезмерно большой ЧСС, наоборот, указанная программа по гиперболе понижает напряжение, пока ЧСС тренирующегося не войдет в заданную зону.

На рис. 5 представлена функциональная схема МАУТВ c автоматизированной системой непрерывного управления (регулирования) двигательными действиями велосипедистов по ответной реакции организма.

Рис. 5. МАУТВ c автоматизированной системой управления (АСУ) двигательными действиями велосипедистов по ответной реакции организма

(Схема функциональная)

В АСУ тренером может быть задана любая ЧСС, а при необходимости – различная и на разных отрезках пути. Индивидуально задается и время работы на МАУТВ. При этом спортсмен получает всю необходимую информацию, обрабатываемую ПК, на экране дисплея компьютера. Все данные сохраняются в базе данных для статистической обработки и дальнейшего анализа. При создании достаточной базы данных за продолжительный отрезок времени и подключении специализированных программ возможна выдача АСУ тренеру (спортсмену) рекомендаций по корректировке тренировочного процесса.

Поэтому в дальнейшем для повышения качества процесса управления возможно использование и других физиологических параметров организма спортсмена (частота дыхания, артериальное давление, МПК, температура тела и др.) и биомеханических характеристик выполняемых упражнений. Возможности АСУ могут быть в дальнейшем расширены посредством привлечения последних разработок в программном обеспечении.

Данное устройство позволяет расширить функциональные возможности организма и повысить эффективность тренировки спортсменов благодаря непрерывному отслеживанию ответной реакции организма велосипедиста во время выполнения упражнения и плавному автоматическому регулированию нагрузки в соответствии с изменяющимися параметрами регистрируемых характеристик. Такой подход исключает возможность перетренировки и создает благоприятные условия для протекания процесса адаптации.

Возможность регистрировать биомеханические параметры движения и по ходу тренировки корректировать их по ответной реакции организма на нагрузку – важнейшее условие оптимизации управления тренировочным процессом и повышения мастерства спортсмена при сохранении его здоровья.

При проведении поисковых исследований нами фиксировались динамика насыщения гемоглобина кислородом методом трансмиссионной пульсоксиметрии у велосипедистов различной квалификации при непрерывном регулировании внешней нагрузки по ЧСС (в условиях применения МАУТВ) и в традиционных условиях. Ниже на рисунках 6 – 8 приведены оксигемограммы, характеризующие общие тенденции изменения насыщения гемоглобина кислородом у велосипедистов различной квалификации. В табл. 1 представлены средние значения регистрируемого показателя.

Рис. 6. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Рис. 7. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов среднего уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Рис. 8. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов низкого уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Как видно на графиках, у спортсменов, занимавшихся в условиях МАУТВ, колебание напряжения кислорода в крови значительно ниже, чем у тренирующихся в традиционных условиях. При этом средний уровень количества кислорода в крови (табл. 1) выше у занимавшихся в условиях нашего тренажерного комплекса. Обращает на себя внимание особенность изменения количества кислорода в крови, наблюдаемая в течение выполнения работы спортсменами различной квалификации в исследуемых условиях. Так, в условиях МАУТВ наблюдается большая согласованность анимальных и вегетативных систем организма, в более короткие сроки наступает устойчивое состояние, что приводит к увеличению функциональных возможностей мышечного аппарата спортсменов (см. рис. 8). При этом динамика изменений насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом сопровождается увеличением работоспособности и уменьшением времени восстановления.

Таблица 1

Изменение насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у велосипедистов различной квалификации в различных условиях тренировки

Регулирование уровня сопротивления, осуществляемое программой управления по ЧСС, отразилось на параметрах биомеханических характеристик движения, которые мы сравнили с характеристиками упражнения, выполняемого в традиционных условиях, т.е. на велосимуляторе Cateye CS–1000 без автоматического регулирования (таким или подобным тренажером пользуются многие велосипедисты в процессе тренировок). Ниже на рисунках отображены графики изменения параметров различных биомеханических характеристик движений, выполняемых спортсменами различного уровня подготовленности (представлены средние величины выборки).

Из рис. 9, отражающем динамику ЧСС, характерную для велосипедистов высокого уровня подготовленности при выполнении задания в различных условиях, видно, что уровень исследуемого показателя достаточно быстро возрастает до 160 ударов, как в традиционных условиях, так и в условиях, создаваемых МАУТВ. При дальнейшем выполнении упражнения уровень ЧСС с применением предлагаемого нами устройства остается неизменным до конца тренировки, а в традиционных условиях постоянно возрастает и к концу занятий достигает 180 ударов.

Рис. 9. График изменения ЧСС у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях МАУТВ и в традиционных условиях тренировки

Скорость движения, представленная на рисунке 10, при выполнении упражнения в условиях МАУТВ значительно выше по сравнению с традиционными условиями тренировки, при этом наблюдается ее наиболее плавное изменение.

Рис. 10. График изменения скорости у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях МАУТВ и в традиционных условиях тренировки

Рис. 11. График изменения ЧСС у спортсменов среднего уровня мастерства в различных условиях тренировки

Динамика скорости движения (рис. 12) в условиях МАУТВ носит более плавный характер и остается примерно на одном уровне до конца выполнения упражнения, а в традиционных условиях носит скачкообразный характер – большие значения в начале упражнения и снижение к его окончанию.

Рис. 12. График изменения скорости у спортсменов среднего уровня мастерства в различных условиях тренировки

График изменения ЧСС у спортсменов низкого уровня подготовленности (рис. 13) показывает такую же картину изменения исследуемых характеристик, что и у спортсменов более высоких разрядов. Это свидетельствует об эффективности применения МАУТВ, которая способна удерживать уровень ЧСС в оптимальных пределах.

На рисунке 14 видно, что в условиях МАУТВ спортсмены низкой квалификации способны выполнять двигательное задание с гораздо большей скоростью, при этом происходящие изменения имеют меньшие отклонения, чем при выполнении упражнения в традиционных условиях тренировки.

Рис. 14. График изменения скорости у спортсменов низкого уровня мастерства в различных условиях тренировки

Таблица 2

Изменения биомеханических параметров движения у велосипедистов

различной квалификации в различных условиях тренировки

Эффективность предлагаемой нами методики тренировки велосипедистов-шоссейников определялась также путём сравнения времени восстановления после нагрузки и пройденного расстояния, зарегистрированных на первом и последнем занятиях при выполнении тестового задания «Езда на велостанке в течение 30 мин».

Сравнительный анализ результатов тестирования, проведенного по окончании педагогического эксперимента, представлен в табл. 3.

Таблица 3

Результаты основного педагогического эксперимента

Регистри-руемые характе-ристики	До эксперимента		После эксперимента		Достоверность различий при P<0,05
	контр. гр.	эксп. гр.	контр. гр.	эксп. гр.
	±δ		±δ
	1	2	3	4	1-2	1-3	2-4	3-4
t восстанов-ления (с)	124,12 ± 1,13	125,02 ±1,44	85,74 ±1,13	64,21 ± 1,03	>	<	<	<
L (км)	15,05 ±1,29	14,82 ±1,29	17,02 ±0,82	19,15 ±1,78	>	<	<	<

Из таблицы видно, что в обеих группах произошло достоверное улучшение результатов регистрируемых характеристик движения.

Результаты исследований динамики физиологических показателей организма спортсменов, тренирующихся в стандартных условиях и в условиях МАУТВ, показали, что адаптация к физической нагрузке проходит быстрее и с меньшим повреждающим эффектом, чем в стандартных условиях. Динамика ЧСС, зарегистрированная в результате экспериментов, показывает, что в условиях МАУТВ сердечно-сосудистая система спортсмена лучше адаптируется к нагрузке, а ее вариативное изменение позволяет удерживать данный параметр работы сердца в оптимальном «коридоре». Спортсмены, тренировавшиеся в условиях МАУТВ, быстрее восстанавливались и выполняли больший объем работы, что свидетельствует о развитии у них адаптационного синдрома.