Yhdistetty satelliittipaikannin ja inertiamittausyksikkö maastohiihtosuksien luisto-ominaisuuksien mittauksessa ja niiden vaikutus kilpailusuorituksen osa-alueisiin

Abstract

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tutkia yhdistetyn satelliittipaikannusta ja inertiamittausta (GNSS-IMU) käyttävän sensorin hyödynnettävyyttä maastohiihtosuksen luisto- ominaisuuksien mittaamisessa. Menetelmää verrataan sekä lineaaritribometrillä että testimäessä kellolla mitattuihin tuloksiin. Tarkoituksena on validoida GNSS-IMU -sensorin käytettävyyttä perinteisiin menetelmiin verrattuna. Lisäksi tutkitaan luisto-ominaisuuksien vaikutusta hiihtosuorituksen osa-alueisiin. Tämän tarkoituksena on auttaa ymmärtämään laajemmin sitä, millainen vaikutus suksen valinnalla on erilaisista maastonkohdista koostuvalla latulenkillä. Suksen luisto-ominaisuuksien mittaus kilpailunomaisissa olosuhteissa on työlästä ja aikaa vievää. Lajille tyypillisissä olosuhteissa ei käytännössä pystytä testaamaan pelkkää suksea, vaan testaus tapahtuu hiihtäjä-suksi -yhdistelmien välillä.

Tutkimukseen osallistui 25 hiihtäjää kahden päivän aikana. Koehenkilöt hiihtivät suoritukset osana harjoituskilpailua, jonka aikana kerättiin tietoja useampaan alan tutkimukseen. Tässä tutkimuksessa käytetyt mittaukset tehtiin valokennoin aikaa mitaten alamäessä, GNSS-IMU - sensorein edellä mainitussa mäessä ja harjoituskilpailussa. Lisäksi käytetyt sukset mitattiin lineaaritribometrillä. Mittaustuloksia analysoitiin kvantitatiivisin menetelmin tarkoituksena löytää korrelaatioita eri tulosten välillä. Keskeisimmät vertailtavat tiedot olivat GNSS-IMU - sensorein mitattu maksiminopeus, testimäen kellotettu laskuaika ja suksien kitkakertoimet.

Tutkimuksella oli kolme keskeistä tulosta. Ensimmäiseksi, laboratorio-olosuhteissa lineaaritribometrillä pelkille suksille tehdyt mittaukset eivät toistu kenttäolosuhteissa hiihtäjä- suksi -yhdistelmillä tehdyissä mittauksissa. Toisin sanoen sukset, jotka on todettu kitkakertoimeltaan hyviksi, eivät automaattisesti ole nopeat hiihtäjästä riippumatta. Toiseksi, kun suksitestialamäessä saman laskun aikana mitataan laskuaikaa valokennoin ja maksiminopeutta GNSS-IMU -sensorein ovat tulokset hyvin vastaavia keskenään (r = 0, 9267 ***). GNSS-IMU sensorilla mitattu maksiminopeus soveltuu siis hyvin suksien luisto- ominaisuuksien testaamiseen lajille tyypillisissä olosuhteissa. Kolmanneksi, suksitestimäen tulokset siirtyvät vain osin kilpaladun suorituksiin. Hiihtäjä-suksi -yhdistelmät, jotka laskivat nopeita laskuaikoja kilpailun ulkopuolisessa testimäessä, laskivat myös nopeita aikoja kilpaladun suurimmassa alamäessä (r = 0,7256 ***). Toisaalta muissa alamäissä, ylämäissä eikä tasamaaosuuksilla vastaavaa yhteyttä löytynyt.

Tutkimuksen tulokset tukevat aikaisempia löydöksiä siitä, että kyseinen lineaaritribometri soveltuu yksittäisten suksien mittaamiseen. Suksiparien väliset erot kitkakertoimissa ovat kertaluokkaa tuhannesosia, mitkä ovat pieniä verrattuna muihin olosuhteista ja hiihtäjästä riippuviin tekijöihin. GNSS-IMU -sensorein mitattu maksiminopeus on hyvä ja yksinkertainen työkalu hiihtäjä-suksi -yhdistelmien luisto-ominaisuuksien mittaamiseen.

The purpose of this research is to test the applicability of satellite positioning with a combined inertial measurement unit (GNSS-IMU) for measuring the glide properties of cross-country skis. The method is compared to results from a linear tribometer and traditional timed test glides in a downhill ski track. The aim is to validate the results from the GNSS-IMU sensor against the traditional methods. In addition, the impact of the measured glide properties on different parts of a cross-country ski competition course is studied. The aim is to understand how the ski selection could impact the performance throughout different parts of the track. In general, the ski testing procedures are time consuming and laborious. In practice skis alone cannot be studied in competition-like conditions, but instead the measurements are done on skier-and-ski combinations.

A total of 25 skiers took part in the research measurements for 2 days. Before, during and after a practice-competition various data was collected and measurements taken for the purpose of several studies within one major research project. This specific study utilized timed runs in a ski testing downhill, GNSS-IMU collected data from the competition course and linear tribometer measurements from the cold laboratory. The data was analyzed using quantitative methods with the aim of finding correlations between some data sets. The focus was on the maximum speed from the GNSS-IMU device, timed downhill runs and the coefficients of friction.

The results can be summarized in three main points. Firstly, the measurements done with the linear tribometer in a cold-climate laboratory cannot be transferred to skier-and-ski combinations in typical cross-country skiing conditions. In other words, a pair of skis with a small measured coefficient of friction are not necessarily fast for every skier. Secondly, when the same test runs in a dedicated ski test downhill were both timed with a traditional photodetection device and measured with the GNSS-IMU device, both techniques gave similar results (r = 0, 9267 ***). The GNSS-IMU measured maximum speed was a good measurement for ranking the skier-and-ski combinations in terms of glide properties. Lastly, the results from the dedicated ski testing downhill are only partly transferrable to the actual cross-country skiing competition on a loop course. The skier-and-ski combinations which timed fast times for the test runs were also fast on the longest downhill section of the competition track (r = 0,7256 ***). In the other parts of the course no link between fast ski test runs could be found.

The results support previous findings regarding the specific linear tribometer used. The differences in glide friction coefficients between the different ski pairs were in the magnitude of thousandths, which seem to be extremely small compared to other variables related to the skiers and the environment. The GNSS-IMU measured maximum speed of a skier proved to be a good and simple metric when comparing the glide properties of different skiers on their skis.