CN108888918B - 一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法 - Google Patents

一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法,属于体育运动速度测量领域。该***包括加速度测量模块、无线网关和上位机;所述加速度测量模块包括加速度传感器、控制器、无线收发模块;所述加速度传感器与控制器连接;所述控制器与无线收发模块连接;所述无线收发模块与无线网关通过无线网络连接;所述无线网关与上位机连接。本发明能够方便、快捷地获得多名运动员在直线、曲线、折返等复杂路径下实时、精确的运动速度,有助于教练员和运动员有效实时地评价运动员的运动状态和技术动作,为评估特定训练方法的成效和制定进一步的训练计划提供数据支撑。

Description

一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法
技术领域
本发明属于体育运动速度测量领域,具体涉及一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法,特别适用于实时、精确地同时测量多名运动员在直线、曲线、折返(直线折返、放射性折返等)等复杂路径下的运动速度,可以应用于体育运动训练以及大众运动健身领域。
背景技术
当前,常用的速度测量技术手段和仪器设备大致包括:分段测速***、雷达测速仪、超声波测速仪、摄影摄像测速、秒表、激光测速仪等。这些设备或多或少存在着使用不便、反馈速度较慢、测量精度有限等局限性,具体如下:
1、分段测速***:该***提供的是两对已知间距传感器间的平均速度,无法提供连续的速度变化情况,测速精度取决于传感器数量,但无限制增加传感器数量是不现实的,目前仅用于运动时间短的短跑项目。
2、雷达测速仪:由于雷达测速,主要是利用电磁波反射原理,易受外来因素干扰,且射出微波角度宽,准确度大受影响。目前在对人体进行测速的场合很少使用,仅见用于测量各种类似球类物体的运动速度。
3、超声波测速仪:由于超声波也是一种声波,其声速与温度有关,在使用时,受温度变化影响较大。同时,待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合、多风的场合、需要快速响应的场合都无法正常使用,因此,基本未见使用于体育训练场合。
4、摄影摄像测速:目前使用较为广泛,但需要在摄影摄像后对影像进行处理,并根据时间、帧数等参数计算速度,反馈较慢,时效性差,使用较复杂。
5、基于GPS等***的定位测速:目前在露天场合使用较为广泛,但不适用于室内的体育运动训练项目。
6、激光测速仪:具有高精度、快速响应等优势,但是该类产品仅适用于直线运动的简单路径以及单个目标的速度测量。
在体育运动训练中,如何利用现代科学技术手段实现实时、精确地获取运动员的运动速度,对于科学指导运动训练、提高运动技术水平是非常重要且急需的。例如,在田径运动和短道速滑项目中,教练员曾经提出了“能够连续、准确地得到运动员在短道速滑或短跑训练中速度变化曲线,尤其是运动员进入弯道阶段,以此来评价运动员在短道速滑或短跑全程复杂路径(包括:起跑、加速、进弯道、冲刺等阶段)训练的效果”的迫切需求;在足球、篮球、排球、乒乓球和羽毛球等运动项目中,通常需要多名运动员同时进行一些折返跑等重要训练方式,即多名运动员同时训练和测试存在大量需求。目前,还没有能够满足实时、精确地同时测量多名运动员在直线、曲线、折返(直线折返、放射性折返等)等复杂路径下的运动速度的技术和产品。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题,提供一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***及方法,能够方便、快捷地获得多个目标在直线、曲线、折返(直线折返、放射性折返等)等复杂路径下实时、精确的运动速度。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种用于复杂路径下多目标运动速度测量***,包括加速度测量模块、无线网关和上位机;
所述加速度测量模块包括加速度传感器、控制器、无线收发模块;
所述加速度传感器与控制器连接;
所述控制器与无线收发模块连接;
所述无线收发模块与无线网关通过无线网络连接;
所述无线网关与上位机连接。
所述***包括至少两个所述加速度测量模块。
所述加速度测量模块包括陀螺仪传感器,所述陀螺仪传感器与所述控制器连接。
所述加速度测量模块包括电源模块,所述电源模块分别与加速度传感器、陀螺仪传感器、控制器、无线收发模块连接;
所述加速度测量模块包括存储单元,所述存储单元与控制器连接,能够实时进行数据存储。
所述加速度传感器采用三轴加速度传感器;
所述控制器采用微型控制器;
所述加速度测量模块的外轮廓尺寸在20mm×20mm×10mm以内,其重量在50g以内;
所述无线收发模块采用WiFi模块或者ZigBee模块,其最大无线传输距离大于等于150米。
利用上述***实现的复杂路径下多目标运动速度测量的方法,包括:
将所述加速度测量模块佩戴在目标的测量位置;所述测量位置包括目标的前胸、后背或者后腰;
利用所述加速度传感器测得目标的三个方向的加速度,然后利用三个方向的加速度换算出目标的方向角度θ;同时利用陀螺仪传感器测量得到目标的方向角速度ω,并将所述方向角度θ和所述方向角速度ω发送给微型控制器;
所述微型控制器采用互补滤波融合算法对接收到的方向角度θ和方向角速度ω进行融合计算获得目标的加速度的方向角度;
利用所述无线收发模块和所述无线网关,将所述加速度传感器测量得到的目标的加速度、所述微型控制器融合计算得到的加速度的方向角度发送给上位机;
所述上位机利用所述加速度和加速度的方向角度获得目标的测量结果,并将测量结果进行显示。
所述互补滤波融合算法如下:
利用下面的公式将加速度传感器测算得到的方向角度和上一次融合后得到的方向角度对陀螺仪传感器测量得到的方向角速度进行修正后再积分:
Angle_new=Angle_last+[(θ-Angle_last)×r+ω]×t
Angle_last=Angle_new
其中,Angle_new为此次融合后的方向角度,Angle_last为上一次融合后的方向角度,r为融合算法因子,t为积分器的时间步长。
所述上位机利用所述加速度和加速度的方向角度获得目标的测量结果,并将测量结果进行显示的操作包括:
对每个目标进行编号;
对每个目标,利用该目标的加速度和加速度的方向角度获得该目标的运动速度、位移,运动速度、位移即为测量结果;
以时间作为横坐标,将该目标的加速度曲线、速度曲线、位移曲线显示在显示器上;同时在显示器上显示目标信息,所述目标信息包括编号、姓名、单位、年龄和备注。
所述方法进一步包括:
利用所述存储单元将加速度、方向角度、方向角速度这些数据进行暂存,当数据存储到预定量时再将数据上传给上位机;所述预定量在30~100字节之间;
如果出现无线信号接收异常现象,则利用存储单元临时存储数据,待无线信号接收正常时再将临时存储的数据上传给上位机。
所述方法进一步包括:
通过视频采集***采集目标运动的视频数据,并将加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据进行匹配,在显示器上同步播放加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频;
所述将加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据进行匹配的操作包括:
在采集目标运动的视频数据时,通过对时间轴上的关键帧进行标记,识别目标运动初始时刻的时间点,并将该时间点标记为运动起始时间;
在通过无线传输获得的加速度的信号中捕获运动起始点信息,并标记运动起始时间;
根据两个运动起始时间,将加速度信号与视频信号在时间轴上进行统一,此时,加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据在时间轴上实现同步,即实现匹配。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明能够方便、快捷地获得多名运动员在直线、曲线、折返(直线折返、放射性折返等)等复杂路径下实时、精确的运动速度,有助于教练员和运动员有效实时地评价运动员的运动状态和技术动作,为评估特定训练方法的成效和制定进一步的训练计划提供数据支撑。
(2)本发明结构简单,运行操作简便易行,携带方便,为现代体育运动科学训练提供了一种全新的且对于教练员以及运动员均是非常有用且急需的运动速度测量***,能够显著减少教练员的工作强度,提高体育训练的效率和科学化水平。
(3)本发明适用范围广,可在各专业运动队、体育院校内应用于体育运动训练领域,用户群体较大,具有良好的市场前景;此外,本发明也具有良好的应用推广价值,能够推广应用于大众运动健身领域。
附图说明
图1是本发明速度测量***的结构示意图;
图2是本发明互补滤波融合算法的流程示意图;
图3是本发明数据处理分析软件的界面布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
如图1所示,本发明用于复杂路径下多目标运动速度测量***包括多个加速度测量模块、无线网关以及上位机。
所述加速度测量模块包括加速度传感器(所述加速度传感器为三轴加速度传感器,大多采用压阻式、电容式和压电式)、微型控制器、无线收发模块和电源模块。单独用加速度传感器可实现测量,但是为了消除传感器的偏差,作为优选的方案,本实施例在***中增加陀螺仪传感器,即同时使用两种传感器。
通过所述微型控制器采用互补滤波融合算法,对所述陀螺仪传感器测算出的方向角速度和所述加速度传感器计算出的方向角度进行融合,精确测算出目标运动加速度的方向角度。之后,所述加速度测量模块采集加速度传感器测得的加速度(该加速度数据是直接由加速度传感器测得的)以及微型控制器计算出的加速度的方向角度,通过所述无线收发模块和所述无线网关无线传输至所述上位机,最终通过所述上位机内数据处理分析软件积分求解出多个目标的速度和位移。
本发明***中的所述加速度测量模块数量n大于等于2,分别为图1中的加速度测量模块1到加速度测量模块n,满足多目标的要求,可以在2~10以内,且所述加速度测量模块集成后的外轮廓一般在20mm×20mm×10mm以内,其重量一般在50g以内,并且单次工作时间一般在2~4小时以内(单次工作时间就是电源模块决定的)。此外,所述无线收发模块一般采用WiFi模块或者ZigBee模块,其最大无线传输距离达到150米。
本发明***中的所述加速度测量模块具有存储单元(该存储单元与微型控制器连接),能够实时实现数据存储,可以先将采集到的加速度以及方向角度数据暂存,在数据存储到预定量时再将数据上传,所述数据存储的预定量一般在30~100字节以内。但当出现多名运动员在一起或间隔距离非常近时,无线传输可能存在遮挡信号的现象,即出现无线信号接收异常现象,此时需要存储单元临时存储数据,待信号接收正常时再将临时存储的数据上传。
如图2所示,所述互补滤波融合算法是指先用通过加速度传感器测算得到的方向角度(加速度传感器直接输出的是加速度三个方向的大小,三个方向大小可以换算出方向角度)和上一次融合后得到的方向角度对陀螺仪传感器测量得到的方向角速度(陀螺仪传感器直接输出的是方向角速度)进行修正后再积分,有效抑制加速度传感器和陀螺仪传感器的偏差,更加精确地测量运动员加速度的方向角度变化,其函数算法流程如下:
Angle_new=Angle_last+[(θ-Angle_last)×r+ω]×t
Angle_last=Angle_new
其中,Angle_new为此次融合后的方向角度,Angle_last为上一次融合后的方向角度,θ为加速度传感器测算得到的方向角度,ω为陀螺仪传感器测量得到的方向角速度,r为融合算法因子(根据融合效果标定获得),t为积分器时间步长(根据传感器的数据输出频率来确定)。
上位机内的所述数据处理分析软件能够根据目标即运动员的身份信息进行标记编号,运动员的加速度曲线(直接根据采集到的加速度获得的包括速度的大小曲线及方向角度曲线)、速度曲线以及位移曲线等运动信息可以通过编号进行提取和查看(微型控制器得到的加速度的方向角度变化也要显示出来),并且能够实现查看任意时刻运动员的运动加速度、速度、位移数据以及实现运动员运动信息(即上述三种曲线)与视频数据(实现运动员运动信息与视频数据同步播放分析的功能属于数据处理分析软件另一功能,但视频数据来自视频采集***,属于另一***)同步播放分析。
如图3所示,所述数据处理分析软件使用LabVIEW进行图形界面程序设计,界面左侧上方标记出目标即运动员的身份信息,界面左侧下方为运动员运动过程的加速度数据文件和视频数据文件(数据文件是在加速度数据和视频数据上传至数据处理分析软件后自动生成的),界面右侧为通过实时图像和数据匹配程序同步后的视频与运动信息。大致匹配程序如下:在运动员运动视频采集过程中,通过程序使用关键帧技术,通过对时间轴上的关键帧的标记,识别运动员运动初始时刻的时间点并标记为起始时间。同时,参照无线传输获得的加速度信号捕获运动起始点信息,标记运动起始时间。两个运动起始时间的加速度信号与视频信号在时间轴上统一,此时,运动员的运动过程视频数据与检测的加速度数据在时间轴上同步。
所述加速度测量模块一般安装佩戴在目标即运动员的躯干上(一个运动员身上佩戴一块加速度测量模块,最好在躯干前胸、后背或者后腰上)。
所述无线信号接收异常现象一般为当多个目标在一起或间隔距离非常近时,无线传输可能存在干扰遮挡信号导致无线信号接收异常。
本发明速度测量***可以方便、快捷地获得多个目标在直线、曲线、折返(直线折返、放射性折返等)等复杂路径下实时、精确的运动速度,即速度的大小及方向角度,而且对于直线、曲线、折返的处理方法是完全一样的。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式,对于本领域内的技术人员而言,在本发明公开了应用方法和原理的基础上,很容易做出各种类型的改进或变形,而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种复杂路径下多目标运动速度测量的方法,其特征在于:所述方法采用复杂路径下多目标运动速度测量***实现,所述***包括加速度测量模块、无线网关和上位机;所述加速度测量模块包括加速度传感器、控制器、无线收发模块;所述加速度测量模块包括陀螺仪传感器;所述加速度测量模块包括存储单元;所述控制器采用微型控制器;所述方法包括:
将所述加速度测量模块佩戴在目标的测量位置;所述测量位置包括目标的前胸、后背或者后腰;
利用所述加速度传感器测得目标的三个方向的加速度,然后利用三个方向的加速度换算出目标的方向角度θ;同时利用陀螺仪传感器测量得到目标的方向角速度ω,并将所述方向角度θ和所述方向角速度ω发送给微型控制器;
所述微型控制器采用互补滤波融合算法对接收到的方向角度θ和方向角速度ω进行融合计算获得目标的加速度的方向角度;
利用所述无线收发模块和所述无线网关,将所述加速度传感器测量得到的目标的加速度、所述微型控制器融合计算得到的加速度的方向角度发送给上位机;
所述上位机利用所述加速度和加速度的方向角度获得目标的测量结果,并将测量结果进行显示。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述互补滤波融合算法如下:利用下面的公式将加速度传感器测算得到的方向角度和上一次融合后得到的方向角度对陀螺仪传感器测量得到的方向角速度进行修正后再积分:
Angle_new=Angle_last+[(θ-Angle_last)×r+ω]×t
其中,Angle_new为此次融合后的方向角度,Angle_last为上一次融合后的方向角度,r为融合算法因子,t为积分器的时间步长。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述上位机利用所述加速度和加速度的方向角度获得目标的测量结果,并将测量结果进行显示的操作包括:
对每个目标进行编号;
对每个目标,利用该目标的加速度和加速度的方向角度获得该目标的运动速度、位移,所述运动速度、位移即为测量结果;
以时间作为横坐标,将该目标的加速度曲线、速度曲线、位移曲线显示在显示器上;同时在显示器上显示目标信息,所述目标信息包括编号、姓名、单位、年龄和备注。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述方法进一步包括:
利用所述存储单元将加速度、方向角度、方向角速度这些数据进行暂存,当数据存储到预定量时再将数据上传给上位机;所述预定量在30~100字节之间;
如果出现无线信号接收异常现象,则利用存储单元临时存储数据,待无线信号接收正常时再将临时存储的数据上传给上位机。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述方法进一步包括:
通过视频采集***采集目标运动的视频数据,并将加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据进行匹配,在显示器上同步播放加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频;
所述将加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据进行匹配的操作包括:
在采集目标运动的视频数据时,通过对时间轴上的关键帧进行标记,识别目标运动初始时刻的时间点,并将该时间点标记为运动起始时间;
在通过无线传输获得的加速度的信号中捕获运动起始点信息,并标记运动起始时间;
根据两个运动起始时间,将加速度信号与视频信号在时间轴上进行统一,此时,加速度曲线、速度曲线、位移曲线与视频数据在时间轴上实现同步,即实现匹配。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述加速度传感器与控制器连接;
所述控制器与无线收发模块连接;
所述无线收发模块与无线网关通过无线网络连接;
所述无线网关与上位机连接。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述***包括至少两个所述加速度测量模块。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于:所述陀螺仪传感器与所述控制器连接。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于:所述加速度测量模块包括电源模块,所述电源模块分别与加速度传感器、陀螺仪传感器、控制器、无线收发模块连接;
所述存储单元与控制器连接,能够实时进行数据存储。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于:所述加速度传感器采用三轴加速度传感器;
所述加速度测量模块的外轮廓尺寸在20mm×20mm×10mm以内,其重量在50g以内;
所述无线收发模块采用WiFi模块或者ZigBee模块,其最大无线传输距离大于等于150米。
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