一种基于压力传感技术的智能跑道的制作方法

本实用新型属于跑道技术领域，特别涉及具有压力传感器的智能跑道，用于实时监控运动员的跑步状态。

背景技术：

随着竞技体育的快速发展，需要人们采用更科学的方法来训练运动员，这就要求随时监控运动员的生理状态、运动状态，来制定合理的训练项目提升运动员成绩。

目前而言，跑步项目主要通过摄像机监控运动员的步幅、步频、姿势等来判断运动员的状态。但如果需要全程监控运动员的状态，这就需要采用滑轨运动的摄像机或者在跑道旁边设置多台摄像机来拍摄。测试完成后通过录像回放的形式，人工判断运动员的状态。这样存在明显的缺点：需要录像回放，无法实时分析，耗时较长；判断运动员的运动状态一般采用人工分析，无法定量分析数据；无法识别运动员蹬地的压力状态。如果采用便携式传感器放置在运动员身上，势必会影响运动员的跑步状态，从而无法正确识别相应的运动信息。

如专利申请201621142790.8公开了一种人工智能塑胶跑道，包括跑道本体，所述跑道本体由两个直跑部和两个弯曲部构成，所述其中一个直跑部的外侧竖向安装有控制板，所述控制板前端设置有操作屏，所述控制板顶部固定有太阳能板，所述控制板内装配有蓄电池、信号接收器、存储器和PLC控制器且四者之间依次电性连接，所述蓄电池与太阳能板配合，所述两个弯曲部上均安装有测速器，所述跑道本体内填充有两层橡胶层，两层橡胶层之间安装有测力器，所述测力器和测速器均与信号接收器讯号连接，通过播报器进行数据的播报，可以很清楚的了解各个运动员跑步的时长以及跑道本体的安全性是否得到保障，设计新颖，值得推广。该专利申请是通过所述测力器和测速器实现运动员的跑步测量，但是测力器和测速器相对成本较高，而且测力器是间隔设置，总有检测不到的地方，这会导致检测结果不准确，影响实际使用效果。

技术实现要素：

基于此，因此本实用新型的首要目地是提供一种基于压力传感技术的智能跑道，该智能跑道通过压力传感器的设置形式，使智能跑道能够准确、实时地获取人们锻炼时的状态，从而能够对运动效果提供准确、可靠的分析依据，特别是可以实时记录、分析运动员的跑步状态。

本实用新型的另一个目地在于提供一种基于压力传感技术的智能跑道，该智能跑道实现简便，能够低成本地提高运动状态监控的准确性。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种基于压力传感技术的智能跑道，其特征在于该智能跑道包括有压力传感器、支撑结构和塑胶跑道，其中，最上面为塑胶跑道，塑胶跑道下方则设置有支撑结构，支撑结构下方设有压力传感器，最下方则是地基；本实用新型将压力传感器放置在塑胶跑道、支撑结构与地基之间，当运动员对塑胶跑道施加压力时，会导致压力传感器产生形变，从而输出相应的模拟电压信号。

所述压力传感器具有若干个，构成压力传感器阵列，压力传感器阵列主要用于测量运动员的位置信号和压力信号。

进一步，所述压力传感器阵列与模数转换电路、集线/传输接口、计算机系统、计时器构成智能跑道的电路系统；每个压力传感器接有一个模数转换电路，若干个模数转换电路共同接于集线/传输接口，所述集线/传输接口接于计算机系统，计时器也接于计算机系统，为计算机系统提供计时。

所述电路系统还包括有外围设备接口，外围设备接口接于计算机系统，外围设备接口可以连接其它外接设备，例如摄像机，使摄像监控数据有效结合起来，可以结合运动员的上半身运动姿势，更加全面地分析运动员的状态。

所述模数转换电路由Filter电路、A/D电路和DSP电路构成。其中Filter电路用于抗混叠滤波，减少外界噪声影响；A/D电路把模拟信号转换成原始数字信号；DSP电路对原始数字信号进行数字滤波、误差校准等处理，然后输出有效的数字信号到计算机系统。

进一步，所述每个模数转换电路是同时工作，计时器产生同步时钟，通过计算机系统传输给对模数转换电路，使所有模数转换电路进行同步。

本发明通过压力传感器能够实现的位置、压力的监控，可以实时记录、分析运动员的跑步状态，有效避免传统手段无法定量分析的弊端，既可以作为摄像监控分析的有益补充，也可以作为独立的分析工具来使用。

附图说明

图1是本实用新型所实施的跑道横截面结构示意图。

图2是本实用新型所实施电路系统的系统框图。

图3是本实用新型所实施模数转换电路的电路图。

图4是本实用新型所实施压力传感器矩阵示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1所示，为本实用新型所实现的基于压力传感技术的智能跑道，该智能跑道包括有压力传感器L3、支撑结构L2和塑胶跑道L1，其中，最上面为塑胶跑道L1，塑胶跑道L1下方则设置有支撑结构L2，支撑结构L2用以支撑塑胶跑道L1，同时对压力传感器L3具有保护作用，最下方则是地基L4；将压力传感器L3放置在塑胶跑道L1、支撑结构L2与地基L4之间，当运动员对塑胶跑道L1施加压力时，会导致压力传感器L3产生形变，从而输出相应的模拟电压信号。

压力传感器L3具有若干个，构成压力传感器阵列，压力传感器阵列主要用于测量运动员的位置信号和压力信号。

请参照图2所示，本实用新型所实施的电路系统主要由压力传感器阵列、模数转换电路、集线/传输接口、计算机系统、计时器以及外围设备接口构成的。

每个压力传感器接有一个模数转换电路，若干个模数转换电路共同接于集线/传输接口，所述集线/传输接口接于计算机系统，计时器也接于计算机系统，为计算机系统提供计时。

模数转换电路的作用是把压力传感器输出的模拟信号转换成易于处理的数字信号，每个转换电路对应唯一的压力传感器。

请参照图3所示，模数转换电路由Filter电路、A/D电路和DSP电路构成。其中Filter电路用于抗混叠滤波，减少外界噪声影响；A/D电路把模拟信号转换成原始数字信号；DSP电路对原始数字信号进行数字滤波、误差校准等处理，然后输出有效的数字信号到计算机系统。为了保证压力传感器阵列反映的坐标信息是实时的，这就需要每个模数转换电路是同时工作，因此需要外界同步时钟对所有电路进行同步，如图3所示。

请参照图1所示，计时器主要同步位置信号(Xi,Yj)、压力信号(Zk)所对应的时间戳Tn。集线/传输接口把各路数字信号进行编码，整合成便于处理的数字信号矩阵M，然后通过接口传输给计算机系统。

计算机系统则用于处理跑道所产生的位置信号(Xi,Yj)、压力信号(Zk)、时间戳，实时分析运动员的跑步状态。外围设备接口可以使摄像监控数据有效结合起来，更加全面地分析运动员的状态。

外围设备接口可以使摄像监控数据有效结合起来，可以结合运动员的上半身运动姿势，更加全面地分析运动员的状态。

请参照图4所示，可以把跑道视为一个坐标轴，其中宽度为横坐标(X)，长度为纵坐标(Y)，在坐标里均匀分布若干组独立的压力传感器，构成一个压力传感器阵列。其中相邻两个压力传感器的纵向物理距离ΔL是相同的，横向物理距离ΔW也是相同的。当压力传感器矩阵中某个传感器受到压力最大，表明运动员在时刻Tn正处于坐标(Xi,Yj)中，因此可以得到X轴、Y轴的信息。根据压力传感器阵列的压力值P可以得到Z轴的信息。

压力传感器的作用是把跑道受到的压力转化为模拟电压信号，然后系统的模数转换电路将模拟信号转换成便于处理的数字信号。

压力传感器和对应的模数转换电路需要进行编码，确保在坐标上的编号是唯一的，这样才能正确地反映运动员的坐标信息。

对压力传感器和模数转换电路进行校准处理。校准处理除了便于信号处理，还可以确保传感器阵列可以测量出某时刻的最大压力值对应哪个传感器，即运动员的瞬时位置信息(Xi,Yj)。

作用原理是：

当运动员在跑道上跑步时，就相当于在坐标上运动，该坐标轴为自然数坐标轴，每个压力传感器的位置对应坐标系中唯一的自然数坐标值。

假设运动员在T0时刻的坐标为(X0,Y0)，在T1时刻的坐标为(X1,Y1)，那么得出两者的坐标差值(ΔX,ΔY)＝((X1-X0),(Y1-Y1))。

根据运动员的坐标差值(ΔX,ΔY)，即可以计算出运动员的实际位移向量(ΔX*ΔW,ΔY*ΔL)。其中|ΔX*ΔW|为横向偏移距离，|ΔY*ΔL|为纵向运动距离。

运动员对跑道施加的压力为P，静止状态可以等效运动员的重力F＝W*g。其中压力P可以分解压力传感器阵列的受力总和，即P＝a1*P1+a2*P2+a3*P3+……+an*Pn。

由于传感器阵列的输出信号与受到的压力成线性比例关系P＝b*S，如果需要求出运动员的蹬地压力P，只需计算S值即可。因此可以得出S＝k1*S1+k2*S2+k3*S3+……+kn*Sn，其中S为阵列的信号总和，k1～kn为传感器矩阵对应每个压力传感器的比例系数，S1～Sn为每个压力传感器对应的信号值。

为了便于信号处理，压力传感器出厂时会进行校准，确保k1＝k2＝k3＝……＝kn，因此S＝k*(S1+S2+S3+……+Sn)。

当压力传感器阵列中某个传感器受到压力最大，表明运动员在时刻Tn正处于坐标(Xi,Yj)中，然后根据上一次压力最大的时刻Tn-1的坐标(Xm,Yk)，即可以计算运动员的步伐间距：L＝(((Xi-Xm)*ΔW)2+((Yj-Yk)*ΔL)2)^0.5，其中2与0.5为指数形式。

其中瞬时速度可以等效成每一步的平均速度，即瞬时速度v可以近似与步伐间距L除以时间差ΔT：v≈L/ΔT＝L/(Tn-Tn-1)。

计算机根据记录的信息(位置(Xi,Yj)、压力P、时间戳Tn)可以进一步分析更多运动员的跑步状态，无需人工干预。

举例1：假设运动员的起跑位置为(Xa,A)，起跑时刻为Ta，终点位置为(Xb,B)，当Y轴的坐标值>＝B时，判断运动员在Tb时刻到达终点，即ΔT＝Tb-Ta为运动员的比赛成绩。

举例2：计算机可以根据起点坐标与终点坐标的时间差ΔT得出运动员的跑步成绩，从而计算平均速度Vavg＝L/ΔT。

因此，本发明通过压力传感器能够实现的位置、压力的监控，可以实时记录、分析运动员的跑步状态，有效避免传统手段无法定量分析的弊端，既可以作为摄像监控分析的有益补充，也可以作为独立的分析工具来使用。

本发明可以实时监控运动员的蹬地压力变化、步伐间距、瞬时速度等信息，实现跑步状态的量化分析，节省时间成本，使训练密度更大。同时无需运动员携带其它传感器在身上进行检测，可以更真实地反映运动员的真实运动状态。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。