CN104998396A - 一种用于田径场上跑步速度的采集测量***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于田径场上跑步速度的采集测量***及方法，包括数据采集装置、数据传输装置和数据处理显示存储输出装置，数据采集装置包括带有转角传感器的激光测距仪，设置在被测人身体上的激光反射器和***控制电路；通过跟随人体移动而转动的激光测距仪获取每一移动的开始位置点和移动到达位置点的时间、移动的开始位置点和移动到达位置点分别到激光测距仪转动中心的距离、该两个位置对应的激光测距仪转动角度，通过应用余弦定理算法算出前一位置移动到该位置的距离，再除以移动时间，即得出这段位移的速度。本发明可以方便、快捷地获得运动员在田径场曲线和直线跑道全程中实时、精确的跑步速度。
Description
技术领域
本发明属于体育运动训练参数采集技术领域，具体为一种田径场上跑步速度的采集测量***和方法。使用于田径场曲线和直线跑道上跑步速度的采集。
背景技术
在体育运动训练中，如何利用现代科学技术手段尽可能实时地、精确地采集运动员在田径场曲线和直线跑道上跑步速度，对于科学指导运动训练、提高运动技术水平是非常重要的。目前，还没有能够满足实时地、精确地进行曲线和直线运动全程测速需求的技术和产品。现有的方法是分段测速方法，采用在运动员的跑动路线上多点设置多个传感器信号接收器，通过接收多点的传感器信号来获取运动员的移动信息，这种方法，无法实现测量运动员在田径场曲线和直线跑道上的全程高密度任意点的实时、精确地的跑步速度，并且安装调试费时、麻烦。现代竞技体育运动科学训练，迫切需要一种能够进行实时的、精确的、全程的田径场曲线和直线运动速度采集测量方法，用于运动员在田径场曲线和直线跑道上跑步速度的全程高密度和任意点的实时、精确地测量。
发明内容
本发明的目的是针对在体育运动训练中采集测量运动员在田径场曲线和直线跑道上跑步速度的需求而提出一种用于田径场上跑步速度的采集测量***和方法，用于运动员在田径场曲线和直线跑道上跑步速度的采集和测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于田径场上跑步速度的采集测量***，包括数据采集装置、无线或有线数据传输装置和数据处理输出装置，所述数据采集装置包括有一个激光测距仪和激光反射器，激光测距仪安装在一个支架上，所述数据采集装置通过无线或有线数据传输装置与数据处理输出装置连接，所述激光测距仪带有一个转角传感器，激光反射器设置在被测人身体上，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、并接收激光反射器的反射信号与激光反射器连接，所述激光测距仪跟踪激光反射器移动做转动，其安装在所述支架上。
进一步的方案，所述激光反射器是可佩带式反光材料板或反光材料衣物，反光材料板或反光材料衣物采用绑带、粘接或穿戴的方式设置佩戴在被测人身体上。
进一步的方案，所述带有转角传感器的激光测距仪包括激光测距仪本体和连接于所述激光测距仪底端的转角传感器；所述转角传感器固定在一个壳体中，壳体通过一个底托固定在所述支架上，转角传感器的转轴与一个转轴连接套连接；所述转轴连接套固定在所述激光测距仪本体的底部，转轴连接套上设置有与所述转轴连接的连接孔和螺丝孔；所述转轴穿出所述壳体***连接孔通过螺丝孔中的顶丝固定在激光测距仪本体的转轴连接套内，在所述转轴连接套与所述壳体之间所述转轴上装有一个压力轴承。
进一步的方案，所述壳体中设置有一个伺服电机和齿轮减速传动装置，伺服电机连接齿轮减速传动装置输入轴，齿轮减速传动装置输出轴通过齿轮啮合与所述转轴连接，所述伺服电机的控制输入连接一个转角控制电路。
进一步的方案，所述转角控制电路包括一个微处理器和伺服电机驱动电路，所述微处理器的信号输入端连接激光测距仪针对激光反射器的捕捉信号输出，所述微处理器的信号输出端连接伺服电机驱动电路控制输入端。
进一步的方案，所述激光测距仪本体左右两侧设置有用于转动激光测距仪本体的手柄，在本体的上端面设置有瞄准镜。
一种基于所述采集测量***用于田径场上跑步速度的采集测量方法，所述***包括带有转角传感器的激光测距仪和激光反射器，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、以及接收激光反射器的返回信号与激光反射器连接，将激光反射器通过绑带、粘接或穿戴方式佩戴在被测人身体上；所述方法包括设置激光测距仪步骤和测量被测人跑步速度的步骤；
所述设置激光测距仪步骤是：将激光测距仪架设在被测人环形奔跑路线包围的田径场内位置，通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹；
所述测量被测人跑步速度的步骤是：通过转动激光测距仪实时获取被测人跑步运动轨迹信息，运动轨迹信息包括：激光测距仪与被测人某一时刻的位置点信息、激光测距仪与被测人该时刻位置点前一时刻位置点信息，上述两位置点分别至激光测距仪的转动中心点距离连线夹角的角度信息，利用公式：
Vn= =
计算得到被测人不同时刻的跑步速度，其中，an为运动轨迹从n-1点到n点之间的直线距离，b为运动轨迹n-1点到激光测距仪中心的距离，c为运动轨迹n点到激光测距仪中心的距离，An为激光测距仪获取被测人跑步运动轨迹信息从n-1点转动到n点的角度，tn为n点的时间，tn-1为n-1点的时间，n是从“0”开始的正整数。
进一步的方案，所述通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：两只手分别握住在激光测距仪两侧设置的手柄，用眼睛通过设置在激光测距仪上的瞄准镜瞄准被测人身上佩戴的激光反射器，此时激光测距仪上的激光发射器和激光信号接收器同时对准激光反射器并工作，当被测人移动时，用手转动激光测距仪跟随转动实现激光信号追踪被测人的运动轨迹。
进一步的方案，所述通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：首先将激光测距仪上的激光发射器和激光信号接收器同时对准被测人身上激光反射器，激光信号发射器发射激光信号，判断激光反射信号接收器是否接收到来自激光反射器的激光反射信号，如果未收到，则转动激光测距仪；如果接收到，则停止转动或则开始下一个位置距离测量；其中，当在转动一个方向接收到激光发射信号后，之后的跟踪始终沿着相同的方向转动，实现激光信号自动追踪被测人的运动轨迹。
进一步的方案，所述方法进一步包括输出被测人全程运动轨迹某一位移点或某一运动时间点瞬时速度的步骤，其过程是：首先将测量的全部数据存储到存储装置中，在***专用软件中输入全程运动轨迹中任意一点距起点的距离或任意一时间点，***专用软件通过从存储装置中调取与之对应的距离、角度和时间等参数，用所述公式计算输出任意一点前后或任意一时间点前后的瞬时速度。
进一步的方案，所述方法进一步包括通过有线或无线数据传输装置将上述时间、距离和角度参数即时传输到计算机装置的专用软件，计算机和专用软件将上述获取的时间、距离和角度参数，应用所述公式计算输出任意一点位置或任意一时间点被测者移动的速度，并计算输出被测者全程移动轨迹连续的速度曲线。
本发明的原理是：通过跟随人体移动而转动的激光测距仪获取每一移动的开始位置点和移动到达位置点的时间、移动的开始位置点和移动到达位置点分别到激光测距仪转动中心的距离、该两个位置中间的激光测距仪转动角度，通过应用余弦定理算法算出前一位置移动到该位置的距离，再除以移动时间，即得出这段位移的速度，这种方法用于移动轨迹为曲线时，用曲线的弦长替代弧长，当激光测距仪转动角度趋近于零或足够小、移动距离趋近于零或足够小的情况下，曲线的弦长趋近于弧长。
本发明的有益效果是：实现了田径场曲线和直线跑道上跑步速度的实时、精确测量，本发明结构简单，运行操作简便易行，为现代体育运动科学训练提供了一种田径场曲线和直线跑道上跑步速度的采集测量方法及***，可以方便、快捷地获得运动员在田径场曲线和直线跑道全程中实时、精确的跑步速度。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实现的采集***组成框图；
图2为本发明采集***中装置有测量转角角度传感器的激光测距仪结构示意主视图；
图3为本发明采集***中装置有测量转角角度传感器的激光测距仪左视图。
图4为本发明采集方法使用示意图。
附图标记: 1. 激光测距仪本体；2. 转角传感器；3.壳体；4.底托；5.压力轴承；6.顶丝；7.螺栓；8.螺孔；1-1.转轴连接套；1-2. 人工转动手柄；1-3. 激光发射器；1-4. 激光接收器；1-5. 瞄准镜；2-1.转轴。
具体实施方式
实施例1
一种用于田径场上跑步速度的采集测量***，包括数据采集装置、数据传输装置和数据处理显示输出装置，所述数据采集装置包括有一个激光测距仪和激光反射器，激光测距仪安装在一个支架上，所述数据采集装置通过数据传输装置与数据处理显示输出装置连接，所述激光测距仪带有一个转角传感器，激光反射器设置在被测人身体上，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、以及接收激光反射器的返回信号与激光反射器连接，所述激光测距仪跟踪激光反射器移动，转动装置安装在所述支架上。无线或有线所述数据传输装置将上述数据采集装置采集的时间、距离和角度参数即时传输到数据处理显示存储输出装置。所述数据处理显示存储输出装置将上述获取的时间、距离和角度等参数，计算并存储显示输出任意一点位置或任意一时间点被测人移动的速度，并计算存储显示输出被测人全程移动轨迹连续的速度曲线。具体各个部件之间的组成关系如图1所示。
所述激光反射器是可佩带式反光材料板或反光材料制作的衣物（称为反光体），反光材料板或反光衣物采用粘接、绑带或穿戴的方式设置佩戴在被测人身体上。所述反光材料板或反光衣物由反光体和与反光体连接的搭扣、粘接物质或绑带组成，所述反光体为圆形、椭圆形或矩形。
如图2和图3所示，所述带有转角传感器的激光测距仪包括激光测距仪本体1和连接于所述激光测距仪底端的转角传感器2；所述转角传感器2固定在一个壳体3中，用螺栓7将角度传感器2固定在壳体3上，壳体3通过一个底托4固定在所述支架上，用螺纹将底托4固定在壳体3上，所述底托4上设有螺孔8用于与支架通过螺丝连接。所述转轴2-1是角度传感器2的转动轴，所述激光测距仪本体的底部固定有一个转轴连接套1-1，转轴连接套1-1上设置有与所述转轴2-1连接的连接孔和螺丝孔；所述转轴2-1穿出所述壳体3***转轴连接套1-1上连接孔通过螺丝孔中的顶丝6固定在激光测距仪本体1的转轴连接套1-1内，在所述转轴连接套1-1与所述壳体3之间所述转轴2-1上装有一个压力轴承5。
所述数据传输装置可以是有线数据传输装置也可以是无线数据传输装置，如果是无线数据传输装置则有由无线传感器网络网关设备和无线传感器网络节点组成。所述数据处理存储显示输出装置由计算机、存储器、***专用软件和显示器组成。
追踪运动员的轨迹可以有两种追踪结构：
一，手动转动激光测距仪追踪运动员的轨迹结构装置：
在所述激光测距仪本体左右两侧设置有用于转动激光测距仪本体的手柄，在本体的上端面设置有瞄准镜。如图2所示，所述激光测距仪本体1上设置有人工转动手柄1-2，激光发射器1-3、激光接收器1-4，及位于所述激光测距仪本体1上部的瞄准镜1-5。
二，自动转动激光测距仪追踪运动员的轨迹结构装置：
在所述壳体中设置有一个伺服电机和齿轮减速传动装置，伺服电机连接齿轮减速传动装置输入轴，齿轮减速传动装置输出轴通过齿轮啮合与所述转轴连接，所述伺服电机的控制输入连接一个转角控制电路。所述转角控制电路包括一个微处理器和伺服电机驱动电路，所述微处理器的信号输入端连接激光测距仪针对激光传感器的捕捉信号输出，所述微处理器的信号输出端连接伺服电机驱动电路控制输入端。
实施例2
一种基于实施例1所述采集测量***用于田径场上跑步速度的采集测量方法，所述***包括带有转角传感器的激光测距仪和激光反射器，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、以及接收激光反射器的返回信号与激光反射器连接，将激光反射器通过绑带、粘接或穿戴方式佩戴在被测人身体上；所述方法包括设置激光测距仪步骤和测量被测人跑步速度的步骤；
所述设置激光测距仪步骤是：将激光测距仪架设在被测人环形奔跑路线包围的田径场内位置，通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹；
所述测量被测人跑步速度的步骤是：通过转动激光测距仪实时获取被测人跑步运动轨迹信息，运动轨迹信息包括：激光测距仪与被测人某一时刻的位置点信息、激光测距仪与被测人该时刻位置点前一时刻位置点信息，上述两位置点分别至激光测距仪的转动中心点距离连线夹角的角度信息，利用公式：
Vn= =
计算得到被测人不同时刻的跑步速度，其中，an为运动轨迹从n-1点到n点之间的直线距离，b为运动轨迹n-1点到激光测距仪中心的距离，c为运动轨迹n点到激光测距仪中心的距离，An为激光测距仪获取被测人跑步运动轨迹信息从n-1点转动到n点的角度，tn为n点的时间，tn-1为n-1点的时间，n是从“0”开始的正整数。
实施例中所述通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法有两种，手动和自动。
手动方法是：利用实施例1中所述激光测距仪本体左右两侧设置有用于转动激光测距仪本体的手柄，在本体的上端面设置有瞄准镜。两只手分别握住在激光测距仪两侧设置的手柄，用眼睛通过设置在激光测距仪上的瞄准镜瞄准被测人身上的佩戴激光反射器，此时激光测距仪上的激光发射器和激光信号接收器同时对准激光反射器并工作，当被测人移动时，用手转动激光测距仪跟随转动实现激光信号追踪被测人的运动轨迹。
自动方法是：利用实施例1中的自动装置，所述通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：首先将激光测距仪上的的激光发射器和激光信号接收器同时对准激光传感器，发射激光信号，判断是否接收到来自激光反射器的反射信号，如果未收到，则转动激光测距仪；如果接收到，则停止转动或开始下一个位置距离测量；其中，当在转动一个方向接收到激光反射信号后，之后的跟踪始终沿着相同的方向转动，实现激光信号自动追踪被测人的运动轨迹。
实施例中：所述通过转动激光测距仪使其激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：首先将激光测距仪上的激光信号（激光束）发射器和激光反射信号（反射光束）接收器同时对准被测人身上激光反射器，激光信号发射器发射激光信号，判断激光反射信号接收器是否接收到来自激光反射器的激光反射信号，如果未收到，则转动激光测距仪；如果接收到，则停止转动或开始下一个位置点距离测量；其中，当在转动一个方向接收到激光反射信号后，之后的跟踪始终沿着相同的方向转动，实现激光信号自动追踪被测人的运动轨迹。
本实施例方法既可以测量平均速度，也可以测量瞬时速度，并且可以多种方式来选择输出；其中，所述方法进一步包括输出被测人全程运动轨迹某一位移点或某一运动时间点瞬时速度的步骤，其过程是：首先将测量的全部数据存储到存储装置中，在***专用软件中输入全程运动轨迹中任意一点距起点的距离或任意一时间点，***专用软件通过从存储装置中调取与之对应的距离、角度和时间等参数，用所述公式计算输出任意一点前后或任意一时间点前后的瞬时速度。
以下是对于所述方法进一步的详细说明：
如图4所示：包括以下步骤：1）将激光反射器装置在被测人身体上；2）将带有转角传感器的激光测距仪架设在田径场内中心位置，开机通电调试所述采集测量***；3）将带有转角传感器的激光测距仪瞄准被测人身上佩戴的激光反射器，收到起跑信号即开始转动跟踪被测人；4）获取被测人每一移动的开始位置点的时间tn-1和移动到达位置点的时间tn、移动的开始位置点n-1到激光测距仪转动中心0的距离c和移动到达位置点n到激光测距仪转动中心0的距离b、该两个位置对应的激光测距仪转动角度An；5）通过数据传输装置将上述时间、距离和角度参数传输到数据处理显示装置；6）数据处理显示装置利用余弦定理计算出被测人每次移动两点间的直线距离an，将所述直线距离除以该段位移的移动时间即得出该段位移的平均速度Vn并输出。
步骤1）中当被测人跑动轨迹是沿环行跑道逆时针方向移动时将反光物固定在被测人左胯侧边；当被测人跑动轨迹是沿环行跑道顺时针方向移动时将反光物固定在被测人右胯侧边。被测人身上的激光反射器是用尼龙搭扣或粘接物质或绑带或缝纫等佩戴方式固定在运动员穿着的服装上。
步骤4）中激光测距仪每次转动的角度趋近于0，使得步骤6）中输出的平均速度接近瞬时速度。所述采集测量方法用于待测移动轨迹为曲线时，步骤6）中利用余弦定理计算出被测人每次移动两点间的直线距离代替两点间实际的曲线长度。所述采集测量方法的进一步是以被测人移动前静止状态时所处的位置为原点，根据获取的各采样时刻的实时速度计算出被测人的速度-时间运动轨迹曲线并输出。
如图4所示，在环形跑道的中心安装带有角度传感器的激光测距仪，所述数据处理显示装置（包括计算机和专用软件）将上述获取的时间、距离和角度参数，应用余弦定理：a2=b2+c2-2bc×cosA（公式中“A”是三角形ABC的b、c两边的夹角）算出 n-1位置点(前一位置点)移动到Ｎ位置点（当前位置点）的距离an= ,移动距离an除以移动所用时间tn-tn-1，即得出n-1位置点(前一位置点)移动到Ｎ位置点（当前位置点）的平均速度Vn ,
即公式： Vn = =
公式中n=0,1,2,……,n-1,n。
当转角An角度值足够小趋近于零时，所对应弧的弦长an趋近于所对应弧的弧长，计算机和测试***专用软件将上述获取的时间、距离和角度参数，应用所述公式计算输出任意一点位置或任意一时间点被测者移动的速度，并计算显示存储输出被测人全程移动轨迹连续的速度曲线。
Claims (10)
1.一种用于田径场上跑步速度的采集测量***，包括数据采集装置、数据传输装置和数据处理输出装置，所述数据采集装置包括有一个激光测距仪和激光反射器，激光测距仪安装在一个支架上，所述数据采集装置通过有线或无线数据传输装置与数据处理输出装置连接，其特征在于：所述激光测距仪带有一个转角传感器，激光反射器装置在被测人身体上，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、并接收激光反射器的反射信号与激光反射器连接，所述激光测距仪跟踪激光反射器移动做转动，其安装在所述支架上。
2.根据权利要求1所述的采集测量***，其特征在于：所述激光反射器是可佩带式反光材料板或反光材料衣物，反光材料板或反光材料衣物采用绑带、粘接或穿戴的方式设置佩戴在被测人身体上。
3.根据权利要求1所述的采集测量***，其特征在于：所述带有转角传感器的激光测距仪包括激光测距仪本体和连接于所述激光测距仪底端的转角传感器；所述转角传感器固定在一个壳体中，壳体通过一个底托固定在所述支架上，转角传感器的转轴与一个转轴连接套连接；所述转轴连接套固定在所述激光测距仪本体的底部，转轴连接套上设置有与所述转轴连接的连接孔和螺丝孔；所述转轴穿出所述壳体***连接孔通过螺丝孔中的顶丝固定在激光测距仪本体的转轴连接套内，在所述转轴连接套与所述壳体之间所述转轴上装有一个压力轴承。
4.根据权利要求3所述的采集测量***，其特征在于：所述壳体中设置有一个伺服电机和齿轮减速传动装置，伺服电机连接齿轮减速传动装置输入轴，齿轮减速传动装置输出轴通过齿轮啮合与所述转轴连接，所述伺服电机的控制输入连接一个转角控制电路。
5. 根据权利要求4所述的采集测量***，其特征在于：所述转角控制电路包括一个微处理器和伺服电机驱动电路，所述微处理器的信号输入端连接激光测距仪针对激光反射器的捕捉信号输出，所述微处理器的信号输出端连接伺服电机驱动电路控制输入端。
6. 根据权利要求3所述的采集测量***，其特征在于：所述激光测距仪本体左右两侧设置有用于转动激光测距仪本体的手柄，在本体的上端面设置有瞄准镜。
7.一种基于所述采集测量***用于田径场上跑步速度的采集测量方法，所述***包括带有转角传感器的激光测距仪和激光反射器，激光测距仪通过发射激光信号到激光反射器、以及接收激光反射器的返回信号与激光反射器连接，将激光反射器通过绑带、粘接或穿戴方式佩戴在被测人身体上；其特征在于：所述方法包括设置激光测距仪步骤和测量被测人跑步速度的步骤；
所述设置激光测距仪步骤是：将激光测距仪架设在被测人环形跑动路线所包围的田径场内位置，通过转动激光测距仪使激光信号追踪被测人的运动轨迹；
所述测量被测人跑步速度的步骤是：通过转动激光测距仪实时获取被测人跑步运动轨迹信息，运动轨迹信息包括：激光测距仪与被测人某一时刻的位置点信息、激光测距仪与被测人该时刻位置点前一时刻位置点信息，上述两位置点分别至激光测距仪的转动中心点距离连线夹角的角度信息， 利用公式：
Vn = =
计算得到被测人不同时刻的跑步速度，其中，an为运动轨迹从n-1点到n点之间的直线距离，b为运动轨迹n-1点到激光测距仪中心的距离，c为运动轨迹n点到激光测距仪中心的距离，An为激光测距仪获取被测人跑步运动轨迹信息从n-1点转动到n点的角度，tn为n点的时间，tn-1为n-1点的时间，n是从“0”开始的正整数。
8.根据权利要求7所述的采集测量方法，其特征在于：所述通过转动激光测距仪使其发射激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：两只手分别握住在激光测距仪两侧设置的手柄，用眼睛通过设置在激光测距仪上的瞄准镜瞄准被测人身上佩戴的激光反射器，此时激光测距仪上的的激光信号发射器和激光信号接收器同时对准激光反射器并工作，当被测人移动时，用手转动激光测距仪跟随转动实现激光信号追踪被测人的运动轨迹。
9.根据权利要求7所述的采集测量方法，其特征在于：所述通过转动激光测距仪使其激光信号追踪被测人的运动轨迹的方法是：首先将激光测距仪上的激光信号发射器和激光反射信号接收器同时对准被测人身上激光反射器，激光信号发射器发射激光信号，判断激光反射信号接收器是否接收到来自激光反射器的激光反射信号，如果未收到，则转动激光测距仪；如果接收到，则停止转动或开始下一个位置点距离测量；其中，当在转动一个方向接收到激光反射信号后，之后的跟踪始终沿着相同的方向转动，实现激光信号自动追踪被测人的运动轨迹。
10.根据权利要求7所述的采集测量方法，其特征在于：所述方法进一步包括输出被测人全程运动轨迹某一位移点或某一运动时间点瞬时速度的步骤，其过程是：首先将测量的全部数据存储到存储装置中，输入全程运动轨迹中任意一点距起点的距离或任意一时间点，通过从存储装置中调取与之对应的距离、角度和时间参数，用所述公式计算输出任意一点前后或任意一时间点前后的瞬时速度。
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