Strumento per la valutazione di variabili fisiologiche di un pilota di kart

Author(s):
G. M.. Bertolotti - UNIVERSITÀ DI PAVIA - DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA
A. Cristiani - UNIVERSITÀ DI PAVIA - DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA
R. Gandolfi - UNIVERSITÀ DI PAVIA - DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA
R. A.. Lombardi - UNIVERSITÀ DI PAVIA - DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA

Industry:
University/Education

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PDA Module

The Challenge:
Sviluppare uno strumento per l’acquisizione di alcuni parametri biologici di piloti di kart durante una gara per fornire ai preparatori informazioni utili al miglioramento delle metodologie di allenamento.

The Solution:
Ad un PDA dotato di una scheda di acquisizione multifunzione CF-6004, gestita da un applicativo realizzato grazie a LabVIEW PDA (Module), sono stati collegati un accelerometro biassiale, un cardiofrequenzimetro ed un sensore di temperatura.

Breve riassunto
Viene presentato uno strumento per la valutazione di variabili fisiologiche di un pilota di kart, per aiutare l’atleta a conoscersi e migliorarsi ed il preparatore a sviluppare metodologie di allenamento più efficaci. Le variabili considerate sono, più precisamente, la frequenza cardiaca e la temperatura corporea, in relazione alle accelerazioni orizzontali e laterali cui il soggetto è sottoposto. I trasduttori (un accelerometro biassiale, un sensore di temperatura, un cardiofrequenzimetro) sono collegati ad una scheda multifunzione CF-6004 inserita in un PDA . Grazie a Labview PDA Module è stato realizzato un software che permette la gestione dell’acquisizione. I dati acquisiti vengono memorizzati in una memoria SD e possono essere visualizzati ed elaborati offline grazie ad un programma sviluppato in LabVIEW.

Articolo
Questo articolo è tratto da una tesi di laurea in Ingegneria Elettronica intitolata “Strumento per la valutazione di variabili fisiologiche di un pilota di kart”, svolta dallo studente Andrea Cuppone nell’anno accademico 2005-2006 presso il laboratorio di Microcalcolatori e Strumentazione Elettromedicale dell’Università di Pavia.
Nato come hobby, il karting è spesso il primo passo per i giovani e giovanissimi che vogliano iniziare una carriera da pilota. Alcuni tra i più grandi piloti di Formula1 degli ultimi anni sono stati dei kartisti di livello internazionale che non rifiutano di tanto in tanto di cimentarsi ancora in questa categoria dell'automobilismo sportivo. Si sta sviluppando la tendenza da parte di medici e preparatori di occuparsi dei piloti anche dal punto di vista atletico, cercando di valutare una serie di parametri che possano essere d’aiuto a chi intraprende il karting come disciplina sportiva.
Attualmente i sistemi per l’acquisizione di più parametri biologici presenti sul mercato sono sostanzialmente pochi, per lo più si parla di progetti promozionali che integrano nell’abbigliamento e nelle scarpe il monitoraggio del battito cardiaco, cercando il maggior comfort possibile dato l’utilizzo in discipline quali corsa e ciclismo. Per quanto riguarda il karting non vi sono strumenti specifici a disposizione e le esperienze finora realizzate ricalcano più semplicemente quelle attuate nella F1, mentre l’analisi dei dati è rivolta essenzialmente ai parametri tecnici delle componenti meccaniche del kart. Il presente lavoro si pone dunque come obbiettivo la realizzazione di uno strumento per la valutazione di alcune variabili fisiologiche, per aiutare il pilota di kart a conoscersi e migliorarsi, allenandosi in modo da ottimizzare il rendimento cardiovascolare e muscolare.
Nello specifico sono stati considerati due parametri biologici: la frequenza cardiaca e la temperatura corporea. La frequenza fornisce misura della condizione fisica e dello stato emotivo del pilota. La temperatura invece fornisce un ulteriore parametro di confronto nell’analisi dell’attività cardiaca, poiché a questa è legata direttamente, oltre alla misura delle condizioni climatiche. Entrambe le variabili sono riferite alle accelerazioni subite dal mezzo in direzione longitudinale e laterale. I trasduttori (1 sensore di temperatura, 1 fascia per la rilevazione della frequenza cardiaca, 1 accelerometro biassiale) sono stati collegati ad un PDA provvisto di una scheda di acquisizione CF-6004 National Instruments. L’accelerometro è stato fissato al kart, il sensore di temperatura è stato fissato all’interno del casco, mentre la fascia toracica per la rilevazione della frequenza cardiaca viene indossata dal pilota sotto la tuta.
L’applicazione per la gestione dell’acquisizione viene eseguita sul PDA. Quando si lancia il programma compare un’interfaccia grafica molto semplice consistente in un menu a tendina in cui viene visualizzata la task list della periferica per poter scegliere quello d’interesse; un controllo per impostare il sample rate per canale e i tasti di start (inizio acquisizione), stop ed exit (uscita dall’applicazione). Premendo start si dà inizio all’acquisizione dei quattro segnali (accelerazione longitudinale e accelerazione laterale del kart, temperatura corporea e frequenza cardiaca del pilota). I dati vengono salvati in un file ASCII, su una memoria SD.
Lo strumento è stato utilizzato per valutare la prestazione di un pilota non professionista sulla pista del kartodromo 7 Laghi di Castelletto di Branduzzo (Pavia), durante una giornata invernale di sole. Il kart utilizzato ha un motore 4T di derivazione industriale, di potenza limitata (meno di 12CV), dotato di frizione centrifuga, trasmissione automatica e telaio rinforzato adatto alle sollecitazioni derivanti dall’uso intenso di piloti inesperti. I dati acquisiti sono stati visualizzati ed elaborati su un Personal Computer dotato di sistema operativo Windows XP, grazie ad un software applicativo realizzato in LabVIEW. Il Front Panel dell’applicazione, mostrato in figura 2, è costituito da 3 grafici riportanti i segnali relativi all’accelerazione laterale, longitudinale del kart e alla frequenza cardiaca del pilota. L’utente può muovere uno dei cursori presenti su ogni grafico, per soffermarsi su un punto di particolare interesse. In corrispondenza di ogni punto, vengono presentati (negli indicatori numerici e nelle vertical progress bar in basso a dx) i valori istantanei dell’accelerazione laterale, dell’accelerazione longitudinale, della frequenza cardiaca e della temperatura. In alto a destra è rapresentato graficamente il percorso effettuato (racing track box). A seconda dell’istante temporale indicato dal cursore sui grafici, viene evidenziato un segmento del percorso (a seguito di un’elaborazione eseguita sui dati di accelerazione del kart che permette il riconoscimento delle curve).
Dall’analisi dei dati rilevati durante 12 giri, si è potuto evidenziare che le accelerazioni in prossimità delle curve più impegnative crescono di giro in giro quasi linearmente ad indicare come il pilota acquista sicurezza nell’affrontare la pista.
Si è inoltre rilevato che il pilota, partito con una frequenza di 90bpm, già al termine del primo giro presenta un aumento di quasi 30 battiti. In questa parte la frequenza oscilla tra i 117 e i 123 bpm, e può essere considerata con buona approssimazione costante.
Dopo un aumento improvviso (165bpm) dovuto probabilmente ad un sorpasso azzardato, la frequenza si mantiene sopra i 160bpm, arrivando in conclusione di gara ai 180bpm. Ciò è dovuto al fatto che il pilota aumenta la performance, come già osservato dal grafico delle accelerazioni laterali; inoltre subentra la componente di affaticamento.
Si osserva che la misura della temperatura interna al casco al termine di ogni giro risulta aumentata di 0.40°C in circa 5min, in seguito rimane costante a 28.80°C sino al termine della prova.
È stato possibile inoltre ricavare informazioni interessanti sul legame tra la variazione di frequenza cardiaca e le accelerazioni cui è sottoposto il soggetto durante la guida del kart.
In conclusione, lo strumento sviluppato si è rivelato appropriato alla specifica applicazione; in particolare si sono apprezzate le potenzialità della scheda d’acquisizione compact flash NI CF-6004, che fa della portabilità il suo maggior pregio. Il sistema potrà essere ulteriormente sviluppato, soprattutto dal punto di vista dell’integrazione dei sensori nell’abbigliamento del pilota. Sarà possibile inoltre valutare la possibilità di sfruttare tecnologie per la trasmissione wireless dei dati al fine di monitorare in tempo reale le variabili di interesse durante una gara.

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G. Bertolotti
UNIVERSITÀ DI PAVIA - DIPARTIMENTO DI INFORMATICA E SISTEMISTICA
gianmario.bertolotti@unipv.it

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