一种折返跑运动监测与评估方法及其系统与流程

本发明属于体育运动监控应用领域，具体是涉及一种对运动员折返跑运动过程进行监测与评估的方法及其系统。

背景技术：

折返跑运动，是一项广泛的体育基础运动项目，可以锻炼运动员的腿部短距爆发力、短距加速的提升、肌肉耐久和身体的灵活度，同时又能提高变换方向的能力，是一项很有价值的锻炼项目。在大多球类、体育游戏中经常用到，还是竞技体育项目的训练重要内容之一，现折返跑已在各个地区都有专业的比赛，并列入《国家学生体质健康标准》的考核项目。传统的折返跑运动训练、成绩计算和评估，通过人工的方式(教练员)查看运动员的动作、折返过程总时间进行成绩计算和评估，不能根据运动员实际动作轨迹数据进行准确判断。因此，如何通过科学的技术手段，结合系统化训练提高运动员腿部短距爆发力、短距加速、肌肉耐久和身体的灵活度及提高变换方向的能力，是解决折返跑运动、训练关键技术所在。

国际上，通过不同的专项设备对运动员的折返跑训练进行量化和分析成为一种必然趋势。在国内，由于早期国家在体育产业投入不足，广泛的体育训练往往靠教练员一双眼睛一支笔和辅助器材进行判断，无法准确判断运动员当前实际状态，不利于运动员能力提升和运动训练效果评价；伴随着体育产业的发展得到国家各个层面的高度重视，以及科学技术的快速发展，国内高技术体育设备的研发处于加速追赶状态，特别是对运动员训练信息采集、记录及分析逐渐受到重视。

技术实现要素：

本发明的目的是通过研制一种折返跑运动监测与评估方法及其系统，实现运动员在折返跑运动过程中全程自动实时采集并记录运动员运动轨迹、速度、加速度、角速度、方向、位置及心率等信息,并通过监测信息自动对运动员折返跑训练的开始时间、结束时间、折返跑次数及每次折返的时间进行分析评估；另外，通过全力折返跑测试，可以对比分析不同运动员在相同折返次数和距离下所用的时间，分析不同运动员的耐力水平，降低教练员对运动员对折返跑训练测试数据分析工作量，方便教练员对运动员管理并制定针对性训练计划，提高运动训练效果。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种折返跑运动监测与评估系统，它包括运动采集终端、心率传感器、分析终端、无线移动基站；所述分析终端与无线移动基站通过wifi无线通信方式相连接；所述无线移动基站与运动采集终端通过802.15.4无线通信方式相连接；所述运动采集终端通过蓝牙无线方式与心率传感器相连接；

所述心率传感器，用于采集运动员心率信息并发送至运动采集终端；

所述运动采集终端，用于采集运动员的速度信息、加速度信息、角速度信息、方向信息、位移信息、折返信息及心率信息，并通过无线方式发送至无线移动基站；

所述分析终端，用于接收无线移动基站转发的运动采集终端的原始采集数据，并对原始数据进行解析、分析处理，最后以数值、图形方式进行实时显示。

所述的运动采集终端，包括处理器、存储模块、无线通讯模块、电源管理模块、时钟模块、加速度传感器、运动传感器、磁感应传感器、蓝牙模块、USB接口模块；其中存储模块、无线通讯模块、电源管理模块、蓝牙模块、USB接口模块、加速度传感器、运动传感器、磁感应传感器分别与处理器相连接；蓝牙模块与外部心率传感器相连接；USB接口模块在设备存储数据导出时，通过USB线缆与外部分析终端相连接；无线通讯模块通过无线方式与外部无线移动基站相连接；

所述蓝牙模块，用于接收心率传感器发送的心率信息并发送至处理器；

所述加速度传感器，用于采集运动员的加速度信息并传输至处理器；

所述磁感应传感器，用于采集运动员的动作方向信息并传输至处理器；

所述运动传感器，用于采集运动员的角速度信息并传输至处理器；

所述处理器，用于接收蓝牙模块、加速度传感器、运动传感器、磁感应传感器发送的信号并进行处理，经处理后数据写入存储模块，同时通过无线通讯模块将采集到的信息发送至无线移动基站；

所述存储模块，用于存储运动员折返运动过程中采集的原始数据；

所述USB接口模块，用于存储数据导出；

所述电源管理模块，用于设备内部各模块电源供电管理、电池供电；

所述无线通讯模块，用于接收处理器发送数据并发送至无线移动基站。

所述的运动采集终端，是一种小型化便携式设备，通过背带固定在人体某个部位。

所述无线通讯模块，采用802.15.4通信模块；所述无线通讯模块天线为内置天线，天线采用PCB布线方式。

所述电源管理模块，包含电池、电源放电管理；其中电池用于设备供电，电源放电管理用于设备各模块放电控制和管理。

所述加速度传感器采用三轴加速度传感器，测量人体运动空间矢量的加速度；所述运动传感器为三轴陀螺仪；所述磁感应传感器采用三轴磁感应传感器。

所述心率传感器，内置有蓝牙通信模块，心率传感器与运动采集终端通过蓝牙无线方式预先配对使用。

所述分析终端，采用平板电脑，内置有无线wifi通信模块与无线移动基站建立连接。

所述无线移动基站，内置有电源模块，支持外部交流220V供电和直流12V供电。

一种折返跑运动监测与评估的方法，它包含如下步骤：

①、由心率传感器采集的运动员心率信息并发送至运动采集终端；

②、运动采集终端实时接收心率传感器传输的心率信息，同时采集运动员的加速度信息、角速度信息、运动方向信息及运动距离信息，经处理后通过无线方式发送至无线移动基站；

③、无线移动基站将接收运动采集终端发送原始数据并转发至分析终端；

④、分析终端对接收运动采集终端发送原始数据进行解析、实时处理，以数值和图形方式进行实时显示，同时对运动员每次折返训练数据进行分析、评估。

步骤1中，所述心率传感器，通过光学技术监测运动员血流量及心率值，心率传感器与运动采集终端之间采用无线蓝牙进行数据传输；使用前，心率传感器与运动采集终端进行预先配对设置。

步骤2中，所述运动采集终端，以当前时钟为基准，按照一定轮询周期实时采集加速度信息、运动方向信息及心率信息，并对采集信息加上时间戳后写入存储模块，同时按照设定的时间周期定时发送数据至无线移动基站。

步骤2中，所述运动采集终端，通过分析终端进行校时；当分析终端与运动采集终端从断开状态到连接状态时，连接后分析终端自动发送校时命令至运动采集终端进行校时。

步骤2中，所述运动采集终端，电源管理模块包括电池和电源管理；所述电池用于设备的供电；所述电源管理，一是根据运动员采集的加速度信息分析运动员是否处于运动训练状态，并根据运动员是否处于训练状态，控制电源模块的各路电源的输出；二是电源管理模块实时监测电池电量信息，当电池电量信息低于设定告警下限值，自动提示声光告警，低于极限值时自动切断电源输出。

步骤2中，所述运动采集终端，当运动监控终端与外部无线移动通讯基站通信连接中断时，运动采集终端通过USB接口将存储数据导入到分析终端；数据导出流程为，分析终端发送查询指令，运动采集终端收到查询指令后与分析终端之间建立数据通信连接，并将存储的数据导出至分析终端。

步骤3中，所述无线移动基站，内置有802.15.4通信模块、无线wifi通信模块；无线移动基站与运动采集终端通过802.15.4通信模块进行通信，无线移动基站与分析终端通过无线wifi通信模块进行通信。

步骤4中，所述分析终端，采用pad终端，PAD终端接收各个运动采集终端的数据，并以曲线和数值的形式实时显示，以便教练员实时查看每位运动员的状态；PAD终端软件包括数据处理模块、数据接口模块、实时显示模块、数据统计模块、运动轨迹分析模块、转体动作分析模块、耐力测试与成绩评估分析模块、存储模块、数据回放模块；

所述数据接口模块，用于接收运动采集终端发送原始数据，数据解析后发送至数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对接收运动员原始数据进行计算处理，并发送至实时显示模块进行数值显示和曲线显示；同时数据处理模块将计算处理后数据分别发送至数据统计模块、运动轨迹分析模块、转体动作分析模块、耐力测试与成绩分析评估模块；

所述数据统计模块，用于统计运动员每次训练的运动距离、折返次数、最长折返时间、最短折返时间、平均速度、最大加速度和最小加速度；

所述运动轨迹分析模块，用于分析、显示运动员每次折返跑训练的运动轨迹，运动轨迹显示包括折返运动初始时间、运动过程位移及对应时间、每次折返点时间、运动过程加速度及对应时间和结束时间，并以曲线和报告的形式显示分析结果；

所述转体动作分析模块，用于分析判断运动员转体动作次数、转体动作时间长度，并以曲线和报告的形式显示分析结果；

所述耐力测试与成绩评估分析模块，用于测试不同运动员在相同折返次数和距离下所用的时间，分析不同运动员耐力水平和成绩；

所述存储模块，用于对接收折返跑原始数据、统计数据、运动轨迹分析数据、转体动作分析数据、耐力测试与成绩评估分析数据进行分类存储、管理；

所述数据回放模块，用于回放运动员折返跑历史训练和比赛数据。

步骤4中，所述数据处理模块，对数据接口模块传输的原始加速度数据、角速度数据进行滤波分析处理，经滤波处理后数据送入运动轨迹分析模块、转体动作分析模块、耐力测试与成绩评估分析模块；所述数据处理模块中的滤波处理，采用IIR低通滤波器。

步骤4中，所述运动轨迹分析模块，通过加速度幅值的差异性判别折返跑运动的初始时间和结束时间；

所述运动过程位移及时间，通过对采集原始加速度数据、角速度数据进行处理分析获得；

所述运动过程位移，通过计算初始时间、运动过程位移及时间长度和结束时间分析计算折返跑运动距离，所述运动过程位移及时间长度通过运动过程加速度和运动轨迹的时间进行分析计算。

步骤4中，所述转体动作分析模块；

所述运动员转体动作次数，通过采集运动员方向变化信息，同时结合角速度信息，分析计算运动员转体动作次数；具体，当方向信息变化一次且角速度在设定时间范围内连续性变化，判断有转体动作且记录一次；

所述转体动作时间长度，通过角速度信息和方向变化信息综合分析计算转体动作时间长度，其中方向变化信息只作为转体动作判断条件；所述转体动作时间长度为转体动作的结束时间减去起始时间获得；所述转体动作起始时间和结束时间，当角速度大于设定值、加速度小于设定值时为转体动作起始时间，当角速度小于设定值、加速度大于设定值时为转体动作结束时间。

步骤4中，所述耐力测试与成绩评估分析模块，包括返跑运动耐力测试分析和折返跑成绩评估分析；

所述折返跑运动耐力测试分析，通过采集运动员折返跑运动过程中心率变化进行分析，具体通过横向分析各运动员在一定距离下折返跑心率变化值及连续超过设定心率值的时间长度，顺序排列出各运动员耐力水平；一定距离下运动员折返跑心率变化值越大、持续时间越长，表示耐力水平越低；相反，一定距离下折返跑运动员心率变化值，持续时间越短，表示耐力水平越高；

所述折返跑成绩评估分析，通过采集运动员一定距离下运动员折返跑所需时间进行成绩评估分析；具体通过设定折返跑一定运动距离下所需时间范围计算折返跑运动成绩，当采集运动员折返跑时间落在设定时间范围内时，自动计算出运动员折返跑运动成绩。

采用上述技术方案的本发明，它具有以下优点：

(1)本发明采用传感器技术、光电心率检测技术、无线传输技术、数据分析技术，能够对运动员的折返跑运动训练过程中的速度、折返点、加速度、角速度、运动方向、运动距离、心率等信息进行实时监测。

(2)本发明能够对折返运动进行全程数据进行实时监测、分析，降低教练员对运动员对折返跑训练测试数据分析工作量，方便教练员对运动员管理、分析和评估，制定针对性训练计划，提高折返跑运动训练效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的折返运动轨迹示意图。

图3为本发明的分析终端软件结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。但是本发明并不仅仅限于这些实施例。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”“包含”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种折返跑运动监测与评估系统，主要包括心率传感器101、运动采集终端102、无线移动基站103、分析终端104；其中运动采集终端包括处理器110、存储模块111、无线通讯模块112、电源管理模块108、时钟模块109、加速度传感器106、运动传感器114、磁感应传感器107、蓝牙模块105、USB接口模块113；所述分析终端104与无线移动基站103通过wifi无线通信方式进行连接，无线移动基站103与运动采集终端102通过802.15.4无线通信方式进行连接，所述运动采集终端102通过蓝牙无线方式与心率传感器101相连接；所述的运动采集终端102，其中存储模块111、无线通讯模块112、电源管理模块108、蓝牙模块105、USB接口模块113、加速度传感器106、运动传感器114、磁感应传感器107分别与处理器110相连接，蓝牙模块105与外部心率传感器101相连接，USB接口模块113在设备存储数据导出时通过USB线缆与外部分析终端104相连接，无线通讯模块112通过无线方式与外部无线移动基站103相连接；

所述心率传感器101，用于采集运动员心率信息并发送至运动采集终端102；

所述运动采集终端102，用于采集运动员的速度信息、加速度信息、角速度信息、方向信息、位移信息、折返信息及心率信息，并通过无线方式发送至无线移动基站103；

所述蓝牙模块105，用于接收心率传感器101发送的心率信息并发送至处理器110；

所述加速度传感器106，用于采集运动员的加速度信息并传输至处理器110；

所述运动传感器114，用于采集运动员的角速度信息并传输至处理器；

所述磁感应传感器107，用于采集运动员的动作方向信息并传输至处理器110；

所述处理器110，用于接收蓝牙模块105、加速度传感器106、磁感应传感器107发送的信号并进行处理，经处理后数据写入存储模块111，同时通过无线通讯模块112将采集到的信息发送至分析终端104；

所述存储模块111，用于存储运动员折返运动过程中采集的原始数据；

所述USB接口模块113，用于存储数据导出和设备充电；

所述电源管理模块108，用于设备内部各模块电源供电管理、电池供电；

所述时钟模块108，用于设备提供时钟信息；

所述无线通讯模块112，用于接收处理器110发送数据并发送至无线移动基站103；

所述分析终端104，用于接收无线移动基站103转发的运动采集终端102的原始采集数据，并对原始数据进行解析、分析处理，最后以数值、图形方式进行实时显示。

所述的运动采集终端102，是一种小型化便携式设备，通过背带固定在人体某个部位。

所述无线通讯模块112，采用802.15.4通信模块；所述无线通讯模块112天线为内置天线，天线采用PCB布线方式。

所述电源管理模块108，包含电池、电源放电管理；其中电池用于设备供电，电源放电管理用于设备各模块放电控制和管理。

所述加速度传感器106采用三轴加速度传感器，测量人体运动空间矢量的加速度；所述运动传感器114为三轴陀螺仪；所述磁感应传感器107采用三轴磁感应传感器。

所述心率传感器101，内置有蓝牙通信模块，心率传感器101与运动采集终端102通过蓝牙无线方式配对使用。

所述分析终端104，采用平板电脑，内置有无线wifi通信模块与无线移动基站103建立连接。

所述无线移动基站103，内置有电源模块，支持外部交流220V供电和直流12V供电。

如图2所示，折返跑测定时，在平直跑道上，受试者以站立式起跑姿势站在起点终点线前，当听到“跑”的口令后，全力跑向正前方的折返线，运动采集终端自动记录采集数据同时开始计时；受试者到达折返线时，用手触摸折返线处的物体，再转身跑向起点终点线，当胸部到达起点终点线的垂直面时，运动采集终端完成数据采集记录，所用时间即为“折返跑”的成绩。

一种折返跑运动监测与评估的方法，它包含如下步骤：

①、由心率传感器采集的运动员心率信息并发送至运动采集终端；

②、运动采集终端实时接收心率传感器传输的心率信息，同时采集运动员的加速度信息、角速度信息、运动方向信息及运动距离信息，经处理后通过无线方式发送至无线移动基站；

③、无线移动基站将接收运动采集终端发送原始数据并转发至分析终端；

④、分析终端对接收运动采集终端发送原始数据进行解析、实时处理，以数值和图形方式进行实时显示，同时对运动员每次折返训练数据进行分析、评估。

步骤1中，所述心率传感器，通过光学技术监测血流量及心率值，心率传感器与运动采集终端之间采用无线蓝牙进行数据传输；使用前，心率传感器与运动采集终端进行预先配对设置。

步骤2中，所述运动采集终端，以当前时钟为基准，按照一定轮询周期实时采集加速度信息、运动方向信息及心率信息，并对采集信息加上时间戳后写入存储模块，同时按照设定的时间周期定时发送数据至无线移动基站。

步骤2中，所述运动采集终端，通过分析终端进行校时；当分析终端与运动采集终端从断开状态到连接状态时，连接后分析终端自动发送校时命令至运动采集终端进行校时。

步骤2中，所述运动采集终端，电源管理模块包括电池和电源管理；所述电池用于设备的供电；所述电源管理，一是根据运动员采集的加速度信息确定运动员是否处于运动训练状态，并根据运动员是否处于训练状态，控制电源模块的各路电源的输出；二是电源管理模块实时监测电池电量信息，当电池电量信息低于设定告警下限值，自动提示声光告警，低于极限值时自动切断电源输出。

步骤2中，所述运动采集终端，当运动监控终端与外部无线移动通讯基站通信连接中断时，运动采集终端通过USB接口将存储数据导入到分析终端；数据导出流程为，分析终端发送查询指令，运动采集终端收到查询指令后与分析终端之间建立数据通信连并将存储的数据导出至分析终端。

步骤3中，所述无线移动基站，内置有802.15.4通信模块、无线wifi通信模块；无线移动基站与运动采集终端通过802.15.4通信模块进行通信，无线移动基站与分析终端通过无线wifi通信模块进行通信。

步骤4中，所述分析终端，采用pad终端，PAD终端接收各个运动采集终端的数据，并以曲线和数值的形式实时显示，以便教练员实时查看每位运动员的状态；如图3所示，分析终端软件包括数据处理模块301、数据接口模块302、实时显示模块303、数据统计模块304、运动轨迹分析模块305、转体动作分析模块306、耐力测试与成绩评估分析模块307、存储模块309、数据回放模块308；

所述数据接口模块302，用于接收运动采集终端发送原始数据，数据解析后发送至数据处理模块301；

所述数据处理模块301，用于对接收运动员原始数据进行计算处理，并发送至实时显示模块303进行数值显示和曲线显示；同时数据处理模块301将计算处理后数据分别发送至数据统计模块304、运动轨迹分析模块305、转体动作分析模块306、耐力测试与成绩评估分析模块307；

所述数据统计模块304，用于统计运动员每次训练的运动距离、折返次数、最长折返时间、最短折返时间、平均速度、最大加速度和最小加速度；

所述运动轨迹分析模块305，用于分析、显示运动员每次折返跑训练的运动轨迹，运动轨迹显示包括折返运动初始时间、运动过程位移及对应时间、每次折返点时间、运动过程加速度及对应时间和结束时间，并以曲线和报告的形式显示分析结果；

所述转体动作分析模块306，用于分析判断运动员转体动作次数、转体动作时间长度，并以曲线和报告的形式显示分析结果；

所述耐力测试与成绩评估分析模块307，用于测试不同运动员在相同折返次数和距离下所用的时间，分析不同运动员耐力水平和成绩；

所述存储模块309，用于对接收折返跑原始数据、统计数据、运动轨迹分析数据、转体动作分析数据、耐力测试与成绩评估分析数据进行分类存储、管理；

所述数据回放模块308，用于回放运动员折返跑历史训练和比赛数据。

步骤4中，所述数据处理模块301，对数据接口模块传输的原始加速度数据、角速度数据进行滤波分析处理，经滤波处理后数据送入运动轨迹分析模块、转体动作分析模块、耐力测试与成绩评估分析模块；所述数据处理模块中的滤波处理，采用IIR低通滤波器。

步骤4中，所述运动轨迹分析模块305，通过加速度幅值的差异性判别折返跑运动的初始时间和结束时间；

所述运动过程位移及时间，通过对采集原始加速度数据、角速度数据进行处理分析获得；

所述运动过程位移，通过计算初始时间、运动过程位移及时间长度和结束时间分析计算折返跑运动距离，所述运动过程位移及时间长度通过运动过程加速度和运动轨迹的时间进行分析计算。

步骤4中，所述转体动作分析模块306；

所述运动员转体动作次数，通过采集运动员方向变化信息，同时结合角速度信息，分析计算运动员转体动作次数；具体，当方向信息变化一次且角速度在设定时间范围内连续性变化，判断有转体动作且记录一次；

所述转体动作时间长度，通过角速度信息和方向变化信息综合分析计算转体动作时间长度，其中方向变化信息只作为转体动作判断条件；所述转体动作时间长度为转体动作的结束时间减去起始时间获得；所述转体动作起始时间和结束时间，当角速度大于设定值、加速度小于设定值时为转体动作起始时间，当角速度小于设定值、加速度大于设定值时为转体动作结束时间。

步骤4中，所述耐力测试与成绩评估分析模块，包括折返跑运动耐力测试分析和折返跑成绩评估分析；

所述折返跑运动耐力测试分析，通过采集运动员折返跑运动过程中心率变化进行分析，具体通过横向分析各运动员在一定距离下折返跑心率变化值及连续超过设定心率值的时间长度，顺序排列出各运动员耐力水平；一定距离下运动员折返跑心率变化值越大、持续时间越长，表示耐力水平越低；相反，一定距离下折返跑运动员心率变化值，持续时间越短，表示耐力水平越高；

所述折返跑成绩评估分析，通过采集运动员一定距离下运动员折返跑所需时间进行成绩评估分析；具体通过设定折返跑一定运动距离下所需时间范围计算折返跑运动成绩，当采集运动员折返跑时间落在设定时间范围内时，自动计算出运动员折返跑运动成绩。

本发明采用传感器技术、光电心率检测技术、无线传输技术、数据分析技术，能够对运动员的折返跑运动训练过程中的速度、折返点、加速度、角速度、运动方向、运动距离、心率等信息进行实时监测。

本发明能够对折返运动进行全程数据进行实时监测、分析，降低教练员对运动员对折返跑训练测试数据分析工作量，方便教练员对运动员管理、分析和评估，制定针对性训练计划，提高折返跑运动训练效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。