Измеритель скорости спортивных снарядов

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Виды систем определения параметров  движения спортивного снаряда  по санно-бобслейной трассе

1.2 Принцип работы оптической  мыши

1.3 Оптические сенсоры

1.4 Сравнение светодиодной и  лазерной системы

ГЛАВА 2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Преобразователь «время-код»

2.2 Экспоненциальное усреднение

ГЛАВА 3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА

4.1 Анализ условий труда

4.2 Расчет искусственного освещения

4.3 Электробезопасность

4.4 Пожарная безопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

 

 

ВВЕДЕНИЕ

электронный оптический преобразователь цифровой

Данный дипломный проект посвящен разработке измерителя скорости спортивных снарядов, под спортивным снарядом следует понимать сани, боб, скелетон.

Санно-бобслейный спорт зародился в середине 19 века в швейцарских Альпах. Его основателем официально считается предприимчивый владелец отеля близ Санкт-Морица Каспар Бадрутт. Он построил на территории отеля первую в мире санно-бобслейную трассу, организовав для своих гостей соревнования по саням, а несколько позже, в 1888г. здесь же английский турист Уилсон Смит соединил между собой двое саней с доской и использовал их для путешествия из Санкт-Морица в расположенную несколько ниже Челерину, таким образом став изобретателем первого в мире боба.

Построенный в 1870 году трек Бадрутта используется до сих пор, и на нем проводились гонки двух Олимпиад. С 1883 года в Швейцарии начали проводиться первые соревнования по санному спорту, а в 1913 году в немецком Дрездене была основана международная федерация. В программу зимних Олимпийских игр бобслей был включен начиная с 1924 года.

В России этот вид спорта начал развиваться, когда в Советском Союзе было принято решение создать сборную команду по бобслею. Поэтому 1980-ый год считается годом рождения бобслея в России. Уже в 1984 году наша сборная вошла в призеры. В последнее время бобслей в России уверенно набирает обороты и переходит на новый уровень: в подмосковном Парамоново построена современная санно-бобслейная трасса, отвечающая всем международным требованиям, а также одним из объектов олимпийского спортивного комплекса в Сочи станет ещё одна уникальная санно-бобслейная трасса.

Современный бобслей – это высокотехнологичный вид спорта, который из гонок энтузиастов превратился в состязание инженеров, технологов, конструкторов. Стоимость боба может достигать нескольких сотен тысяч евро. В его конструкции используются новейшие материалы и сплавы металлов, огромное значение имеют тонкости, наработанные механиками за долгие годы испытаний. Утечки технической информации команды боятся больше, чем плохой погоды или дисквалификации. Для соревнований по бобслею и скелетону на Олимпийских играх 2014 года строится уникальная по своим техническим характеристикам санно-бобслейная трасса. Она станет самой сложной из всех, которые когда-либо проектировались. Передовые технологии подготовки льда обеспечат точный и постоянный контроль над температурой трассы.

При таком подходе к проектированию самих спортивных снарядов и санно-бобслейных трасс организация тренировочного процесса тоже не должна отставать. Необходимо прибегать к использованию современных высокотехнологичных средств телеметрии параметров движения снаряда по трассе для детального анализа траектории движения и скоростного режима на протяжении всего трека.

В стандартную комплектацию санно-бобслейной трассы входят системы хронометража, которые позволяют определить среднюю скорость спортивных снарядов на нескольких отрезках трассы. Однако для объективного анализа работы спортсмена на трассе этой информации недостаточно. Для более эффективной организации тренировочного процесса требуется информация о скоростном режиме спуска спортивного снаряда по всей трассе в режиме непрерывного реального времени, а не в нескольких ее точках. Наличие данных о траектории движения спортивного снаряда по санно-бобслейным трассам, дополнительно к данным о скоростном режиме спуска, дает наиболее полную информацию для оптимальной организации тренировочного процесса.

Получение данных о траектории движения в реальном масштабе времени возможно с помощью радиолокационных и радионавигационных средств. Однако непрерывно меняющееся местоположение спортивного снаряда, скрытого бортами санно-бобслейной трассы, и возможные многократные переотражения излучаемых сигналов делают эти средства малоперспективными.

Больший интерес представляют акустические (ультразвуковые) измерители расстояний и скорости. Применение ультразвуковых измерителей требует дополнительного анализа возможных ошибок из-за изменений атмосферных параметров и тряски и вибраций спортивного снаряда, движущегося по трассе.

Наиболее интересны лазерные измерители расстояний и скорости. В сочетании с телевизионными средствами определения текущего местоположения точки отражения такая аппаратура наиболее перспективна.

В отсутствие возможности дополнительного оборудования санно-бобслейной трассы какими-либо техническими средствами, весь измерительный комплекс должен быть полностью автономным.

Для передачи полученных на борту спортивного снаряда данных о параметрах его движения должна использоваться радиолиния одного из существующих форматов.

 

 

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

 

1.1 Виды  систем определения параметров  движения спортивного снаряда  по санно-бобслейной трассе

 

Техническая реализация систем получения требуемой информации о скоростном режиме спуска спортивного снаряда (СС) по санно-бобслейной трассе (СБТ) может быть различной.

Все системы определения параметров движения СС по СБТ можно разделить на три вида.

Первый вид систем определения параметров движения СС по СБТ это автономные системы, имеющие аппаратуру контроля, размещенную только на СС, с передачей информации на тренерский пункт анализа результатов движения СС. При этом никакие другие системы, как расположенные на трассе в штатном режиме её функционирования, так и помещенные вне её, не используются.

Основным достоинством таких систем является возможность их использования на любых трассах в скрытом от команд конкурентов режиме.

Недостатками полностью автономных систем являются:

– отсутствие возможности коррекции текущих результатов измерения скорости и расстояния (дальности). При этом накапливающаяся ошибка работы этих измерителей приводит к ошибкам контроля скоростного режима и, как следствие, к неточностям в тренерских рекомендациях;

– для устройств измерения параметров движения СС требуется определенные места установки, что усложняет техническую реализацию СС и увеличивает его стоимость.

Второй вариант систем определения параметров движения СС по СБТ отличается от рассмотренного выше тем, что на СС размещается система коррекции измерителей скорости и дальности. Эта система несанкционированно, т.е. без разрешения хозяев трассы, использует стандартную систему хронометража, имеющую несколько контрольных точек, расположенных на трассе на точно известных расстояниях друг от друга, ÷ , – число контрольных точек.

Достоинства таких автономных систем состоит в том, что у них будут существенно меньше ошибки измерения текущих значений скорости и дальности. Отличие состоит только в том, что на СС появится новая система, требующая дополнительного места размещения и источников питания.

Третий вид систем определения параметров движения СС по СБТ, обозначенный на рисунке 1 буквой В, это неавтономные системы. Это такие системы, которые для своей работы требуют дополнительного оборудования, установленного вне СС либо на самой СБТ, либо вне её. При этом, на самом СС либо ничего не устанавливается, либо устанавливается передатчик с антенной, выполняющий роль маяка, положение которого на трассе определяется системой, установленной вне СС.

Достоинством такого типа систем определения параметров движения СС по СБТ является то, что на СС устанавливается минимальное количество оборудования, и в конструкцию СС вносятся минимальные изменения или вообще не вносятся.

Недостатком неавтономных систем определения параметров движения СС по СБТ следует назвать, в первую очередь, то обстоятельство, что для их работы необходимо дополнительное оборудование, расположенное либо на трассе, либо вне её. Это может быть реализовано только на «домашних» трассах в тренировочном режиме.

Далее более подробно рассматривается каждый вид выше описанных систем определения параметров движения СС по СБТ.

Автономные системы определения параметров движения СС по СБТ могут быть выполнены с использованием датчиков движения, использующих различные физические принципы. Это могут быть инерциальные датчики, ультразвуковой измеритель скорости, лазерный измеритель скорости. Измерение скорости и дальности может быть выполнено также с использованием видеокамеры, установленной в передней части СС, путём сравнения текущего изображения с записанным ранее с разметкой на ней дальномерной информации.

Ультразвуковой и лазерный измерители скорости и дальности работают по одинаковым принципам, определяя доплеровскую добавку частоты. Недостатками этих измерителей скорости, так же как и инерциальных датчиков является накопление со временем ошибки измерения скорости, а, следовательно, и дальности. Если при тестировании таких систем на трассе ошибки не будут превышать допустимые значения, то система коррекции показаний в режиме движения не потребуется. Если ошибки измерителей оказываются выше допустимых, то необходимо вводить систему коррекции показаний измерителей скорости и дальности по точкам хронометража, расположенным вдоль СБТ на точно известных расстояниях друг от друга.

Неавтономные системы определения параметров движения спортивных снарядов по санно-бобслейной трассе

Аппаратура измерения скорости и дальности размещается на борту СС, а неавтономность заключается в том, что коррекция текущих значений скорости и дальности производится в точках хронометража трассы по официально выделенным сигналам этой системы. Это позволяет не устанавливать аппаратуру коррекции на СС. Один из видов таких систем предусматривает установку на трассе набора видеокамер, обеспечивающих визуализацию СС по всей трассе. Также возможен вариант с установкий видеокамеры на СС и разметкой трассы, начиная со старта, по дальности краской, видимой при подсвете инфракрасным или ультрафиолетовым прожектором, установленным на СС.

Достоинством таких систем является получение визуальной информации о текущей дальности, что обеспечивает высокую точность.

Недостаток состоит в том, что такая система пригодна только для данной трассы.

Другой вид неавтономных систем предусматривает установку дополнительного оборудования вне трассы, например, определение положения с помощью спутниковых систем GPS или ГЛОНАСС. Недостатком этого варианта является слишком медленная работа этих систем и их недостаточная точность. Применение радиолокационных методов (угломерно-дальномерный метод) или радионавигационных (дальномерный, разностно-дальномерный и т.д.) по сигналам передатчика, установленного на СС осложняет необходимость иметь несколько приемных антенн, расположенных в районе трассы, для обеспечения уверенного приема сигналов передатчика со всех точек СБТ, а также потребность в системе синхронизации работы нескольких приемных антенн. Обеспечению высокой точности измерения координат СС будут препятствовать переотраженные сигналы от элементов конструкции СБТ и других местных предметов.

Из вышеизложенного обзора всевозможных систем и методов определения скорости спортивного снаряда следует выделить автономные системы, так как их применение возможно на любых трассах, не прибегая к дополнительному дооснащению самой трассы и согласованиям применяемых технических средств с администрацией СБТ. Кроме того, такие устройства будут более дешевыми в изготовлении и эксплуатации.

Измерение скорости ультразвуковыми измерителями основано на эффекта Доплера.

Для оценки допплеровского сдвига воспользуемся формулой

 

 (1)

 

где

 - частота излучаемого сигнала,

 - частота принимаемого сигнала, отраженного от поверхности желоба,

 –  скорость ультразвука,

 –  скорость движения центра масс  СС вдоль строительной оси  желоба, подлежащая определению.

Источников ошибок при вычислении по измеренному значению может быть несколько.

• Скорость распространения ультразвука в воздухе зависит от температуры воздуха. В диапазоне температур от -10 до 0°С скорость меняется на 10 м/с.
• Угол , под которым должен устанавливаться датчик, влияет на значение , на спектр и мощность отраженного ото льда сигнала. Отсутствие в литературе сведений о зависимости отражений ото льда как функции угла , частоты и качества поверхности, не позволяют однозначно судить об ошибках при таких измерениях. Это определяет необходимость таких измерений, а значит предварительное изготовление действующего образца измерителя и проведения экспериментальных исследований.

Еще одним вариантом применения видеокамер в системе определения скорости и траектории движения СС является реализация корреляционно-экстремального способа навигации.

Аналогом такого устройства служит беспроводная оптическая «мышь».

Работа такой системы основана на покадровом сравнении изображений, снимаемых с матрицы камеры. Если изображения в двух последовательных кадрах одинаковы, то это свидетельствует о том, что положение СС не изменилось в промежутке времени между этими двумя кадрами. Если СС за это время переместился, то на двух последовательных кадрах изображение поверхности трассы в какой-то части пикселей матрицы изменится, причем величина изменения (количество измененных пикселей) будет определяться скоростью движения СС. Видеокамера может быть установлена как в передней части СС, так и под ним.

Однако сложность работы такой системы состоит в том, что из-за тряски СС при его движении будет изменяться размер кадра, т. е. изображение от кадра к кадру будет меняться не только в результате движения СС, но и в результате его колебаний на неровностях СБТ. Это обстоятельство требует применения высокоскоростных видеокамер, у которых частота обновления кадров (интервал времени между двумя последовательными кадрами) выше максимальной частоты спектра колебаний СС на поверхности трассы. Только в этом случае покадровое изменение пикселей будет мало зависеть от вибрации СС, а будет в основном определяться параметрами его движения по СБТ. Вероятно, определенную помеху работе такой системы при установке видеокамеры под СС будет создавать срезанные его полозьями кусочки льда. Они будут искажать изображения в каждом кадре, мешая, таким образом, определить положение и число измеренных, посредством сравнения, пикселей, связанных с движением СС.