Αξιοποίηση γεωδαιτικών αισθητήρων και μεθοδολογιών για την ανάπτυξη και αξιολόγηση συστήματος καταγραφής και εμβιομηχανικών παραμέτρων στην αγωνιστική κωπηλασία

Abstract

Accurate and robust measures of performance are critical for assessing competitive athletes and for improving training methodologies. This becomes of particular interest for elite rowing due to the complex biomechanical factors associated with the rowing process and the high level of the technique required in order to achieve optimal performances. Nevertheless, despite the great number of studies and systems currently available, a robust performance evaluation procedure and a fully integrated monitoring system is still not evident for rowing. In this regard, this work aims at a new methodological approach for performance evaluation and technique improvement for competitive rowing and developing an integrated, on-water, prototype monitoring system. The proposed solution relies on the introduction of two sets of parameters, named CIEs (critical input elements) and KPIs (key performance indicators). These include the full content of motion and force elements induced by the athlete and the oars and the boat’s response respectively. A unified statistical algorithm has been developed based on Hierarchical Cluster analysis grounds that classify the quality / efficiency of rowing strokes and thus assessing rowing performance. In order to validate the computational efficiency and the correctness of the proposed algorithm a prototype monitoring system is developed featuring a large number of heterogeneous sensors to record, synchronize and process the kinematics and kinetics of the complete system (athlete, oars, boat). The development of the monitoring system has followed four distinct steps; namely, conceptual design, actual design, system fabrication and testing and performance optimization. A series of datasets were obtained at various operational conditions (i.e. training and race mode) aimed to assess the performance of the monitoring system (i.e., hardware and operating software). Testing revealed that the monitoring system is fully functioning and that the raw data collected describe sufficiently the rowing process. In addition, a specific set of data, in which a number of purposefully errors induced in the applied technique was collected. Analysis verified the capability of the mathematical algorithm to detect and identify the erroneous technique; therefore the correctness and the high level of performance of the proposed algorithm was verified.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της ολοκληρωμένης καταγραφής και εκτίμησης κρίσιμων παραμέτρων εμβιομηχανικής και αξιολόγησης των επιδόσεων συστήματος αγωνιστικής κωπηλασίας, με την αξιοποίηση ετερογενών αισθητήρων και μεθόδων κινηματικού εντοπισμού, και στόχο την βελτίωση της κωπηλατικής τεχνικής και την υποβοήθηση της προπονητικής διαδικασίας. Αναπτύσσεται αλγόριθμος βάσει του οποίου υπολογίζεται η κατάσταση κινητικής και κινηματικής του συστήματος παρατήρησης και ανιχνεύονται, αξιολογούνται και ταξινομούνται οι «κύκλοι κουπιάς» χαμηλής απόδοσης. Σε αυτό το πλαίσιο προτείνονται δύο ομάδες δεικτών οι οποίοι περιγράφουν την τρέχουσα κατάσταση του συστήματος βάσει μετρητικών δεδομένων. Αφενός, οι δείκτες CIEs (critical input elements) οι οποίοι περιγράφουν με πληρότητα την τρέχουσα κατάσταση του αθλητή και του εξοπλισμού του σκάφους (κουπιά), και αφετέρου, οι δείκτες KPIs (key performance indicators) οι οποίοι συνοψίζουν και τυποποιούν την απόδοση (κινηματική κατάσταση) του σκάφους. Βάσει τεχνικών ανάλυσης διακριτότητας εντοπίζονται οι κρίσιμοι δείκτες CIEs για την ταξινόμηση κάθε «κύκλου κουπιάς» σε κλάσεις, και την ανάδειξη με ποσοτικό τρόπο σφαλμάτων στην εφαρμοζόμενη τεχνική που καθορίζει την απόδοση του αθλητή. Για τις ανάγκες της διατριβής αναπτύσσεται πρωτότυπο σύστημα ετερογενών αισθητήρων για την ψηφιακή καταγραφή (συλλογή, παραμετροποίηση, συγχρονισμό, διαχείριση, κ.α.) καθοριστικών μετρητικών δεδομένων που περιγράφουν συνολικά την κατάσταση του συστήματος «κωπηλατικό σκάφος», «εξοπλισμός» και «αθλητής». Το σύστημα καταγραφής σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε με την προμήθεια κατάλληλου εξοπλισμού σε συμφωνία με τις απαιτήσεις και τους περιορισμούς του αθλήματος. Η αξιολόγηση καλής λειτουργίας του έγινε με την αξιοποίηση προκαταρκτικών μετρήσεων. Ο έλεγχος ορθής λειτουργίας του προτεινόμενου αλγόριθμου έγινε με τον σχεδιασμό, τη λήψη και ανάλυση πειραματικών δεδομένων σε εναλλακτικών σεναρίων (τυπικές, αγωνιστικές, με «επί τούτου» σφάλματα διαδρομές). Η ικανότητα του προτεινόμενου αλγορίθμου να αναγνωρίζει κύκλους κουπιάς χαμηλής απόδοσης, επιβεβαίωσαν την σωστή λειτουργία του. Επιπρόσθετα επιβεβαιώθηκε ο σωστός τρόπος λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος καταγραφής, καθώς και ότι τα δεδομένα συλλογής περιγράφουν με επάρκεια την κωπηλατική διαδικασία.