一种用于田径场上跑步速度的测量系统的制作方法

本发明属于体育器械技术领域，尤其涉及一种用于田径场上跑步速度的测量系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

有关部门已经规定学校必须对学生进行包括“50米跑”在内的八个项目的体质检测，学生体质的好坏对升学、求职等都有一定的影响，为此，必须采用科学的检测手段对学生进行跑步速度的测量，以得出正确的测试结果，现在对跑步速度的测量完全靠人工完成，需要起跑旗和秒表两地测试，由于被测试者跑步速度相差较小，因此一次只能一人进行测量，所以统计的数据并不准确反映学生的情况。现有的用于田径场上的跑步速度的采集测量装置，其蓄电能力较差，且需要外接电源，十分不便，不能满足当前人们对产品的要求。而且不便将数据导出进行数据分析。

现有技术存在的问题是：

没有科学的步态标准检测方法。市面上的运动检测装置功能限于心率检测、计步计时等等，对于步态标准检测却没有涉及。

不能在设备上直接完成步态识别功能。市面上的步态校正仪在网络覆盖情况不佳的场所其功能会受到影响。

准确性问题；因为走路时手和脚的摆动不一定同步，不能直观地反映步态。

现有的用于田径场上的跑步速度的采集测量装置，其蓄电能力较差，且需要外接电源，十分不便，不能满足当前人们对产品的要求。而且不便将数据导出进行数据分析。

解决上述技术问题的难度和意义：

本发明设计合理，用于田径场上跑步速度的采集测量，通过该装置的信号发射装置可以将收集的数据可以传送到信息处理终端上，方便数据分析，使用该装置可以减少人力的使用，使对于跑步速度的采集测量工作具有更加高效和广泛。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于田径场上跑步速度的测量系统。

本发明是这样实现的，一种用于田径场上跑步速度的测量系统，所述用于田径场上跑步速度的测量系统包括：

用于对运动员的跑步速度状态进行捕捉的摄像设备；所述摄像设备上镶装有高清摄像头；用于记录运动员的实时状态图像；

与摄像设备通过信号连接，用于将运动员的跑步速度信息进行传输的信号发射装置；

与信号发射装置连接，用于对运动员的跑步速度信息进行计算的控制面板；

与控制面板通过蓝牙模块连接，用于采集运动员的步幅、步频和角度的传感器单元；

所述传感器单元获取到运动员运动实时的步幅、步频和角度物理参数后，使用数字编码脉冲噪声滤除算法进行模拟信号离散化；通过动态阈值控制和置信滤波窗口控制，对这些数据进行处理，计算得到使用者跨步的次数、步幅和角度。

进一步，所述摄像设备位于最顶端；所述用于田径场上跑步速度的测量系统，还包括：

所述摄像设备下直接连接有旋转轴；

所述旋转轴下连接有供电设备；

所述供电设备上镶嵌有电源指示灯；

所述供电设备侧面镶装有太阳能板；

所述供电设备下镶嵌有控制面板；

所述控制面板顶端安装有显示器；

所述显示器下安装有镶嵌在控制面板的数字按键；

所述控制面板下端还镶嵌有还原键和电源开关；

所述控制面板下端还安装有扬声器和信号发射装置；所述扬声器位于信号发射装置一侧；

所述控制面板下端承接有底座；

所述底座下焊接有四个支架；

每个支架下设有万向刹车轮。

进一步，所述模拟信号离散化的方法包括：

(1)、将输入信号序列的信号样点x(n)减去m个采样间隔之前的信号样点x(n-m)，得到差值信号d(n)，即：

d(n)＝x(n)-x(n-m)；

其中，m是dft变换点数，n信号样点的时域索引；

(2)、然后进行修正后的uvt变换：

其中，k为dft变换的频域索引值，wm为复旋转因子并且wm＝e^j2π/m；

(3)、将信号样点x(n)乘以调制序列将频点k的dft变换移到k＝0处，根据n-l时刻的dft变换结果xn-l(0)计算n时刻的dft变换输出：

其中，m为调制序列的索引值，每个采样时刻增加1，初始值为0，增加到m-1时，下一采样时刻恢复到初始值0，作为迭代的n-l时刻的dft变换结果xn-l(0)，其初始值采用传统dft变换方法得到；

所述的调制序列采用一个复数振荡器来实现，形式为：

调制序列是以m为周期的，每m个样点就自动从开始；

所述的变换表示为：

其中，

l点信号序列d(n)被分成两个长度为l/2的子序列，分别对应d(n)中奇数索引和偶数索引的子序列，根据抽取得到的这两个子序列的dft变换直接合成得到；

(4)、通过相位修正得到n时刻频点k的dft变换结果即信号第k个频点的频谱信息：

进一步，所述数字编码脉冲噪声滤除方法包括：

标识噪声点；识噪声点的获取将原始图像i映射为图g＝(v,e)，得到a和a和的获得，通过设置阈值来标识噪声点，若图像i的尺寸为m×n，m,n∈z⁺，抽象为一幅无向图g＝{v,e}，其中v,e分别对应图g的结点集和边集，采用8连接的图拓扑结构，用iij指代结点vij处的像素值，imax＝max{iij；1≤i≤m,1≤j≤n}，imin＝min{iij；1≤i≤m,1≤j≤n}，因为噪声点的像素值非常接近于imax和imin，固设置阈值t＝(imax-imin)*σ，其中σ的经验值取0＜σ≤0.05，由公式从全局角度将图g的结点划分为噪声点集a和非噪声点集满足集合a中包含的结点vij即为标识出的噪声点，

进一步，选择置信滤波窗口；具体步骤为：

步骤1：赋初值k＝1，wij(k)＝n8(vij)，令

步骤2：计算wij(k)的bij(k)，若bij(k)为转至步骤3；否则转至步骤4；

步骤3：将wij(k)扩展为wij(k+1)，k＝k+1转至步骤2；

步骤4：若k≤tw，扩展wij(k)为wij(k+1)，转至步骤5；否则d＝d∪vij；

步骤5：由公式算出cij(k)和cij(k+1)，若cij(k)≥cij(k+1)，将wij(k)作为置信滤波窗口，转至步骤7；否则k＝k+1转至步骤6；

步骤6：若k≤tw，扩展wij(k)为wij(k+1)，转至步骤5；否则将wij(k-1)作为置信滤波窗口，转至步骤7；

步骤7：采用公式对vij进行滤波；

步骤8：重复步骤1至7直到对所有进行处理；

步骤9：若d为方法结束；否则跳至步骤10；

步骤10：将a＝d，不断扩展wij(k)，满足k∈z⁺，直到将wij(k)作为置信滤波窗口，采用公式对vij进行滤波，直到处理完a中所有噪声点，方法结束。

进一步，置信度的算法：

需要选择窗口wij对vij进行滤波，其中且vij∈wij；滤波时本质上靠wij中的所有非噪声点对iij进行修复，令集合为wij的置信集，若bij的元素个数为n，则在wij中定义bij内结点vpq的权重函数weightpq为：

其中β＞0为可调节参数，同时定义wij的置信度cij为：

cij的值实际上反映了wij中非噪声点vpq间像素值ipq的差异程度，客观的衡量了用wij中非噪声点恢复iij的可靠性；对于不同大小的wij，令wij(k)代表vij的第k级滤波窗口，bij(k)为wij(k)的置信集，cij(k)代表wij(k)的置信度，通过比较不同wij(k)的cij(k)值选择出的wij(k)叫做置信滤波窗口，在不考虑结点空间位置的条件下，cij(k)的值越大表明用wij(k)恢复iij的准确度越高，若同时考虑结点间的相对位置信息，则bij(k)中的结点相对于vij的欧氏距离不能太大，否则会使wij(k)恢复的可靠性下降，滤波方法设置k≤tw，即wij(k)最多可扩展为tw级滤波窗口，

wij(k)扩展时根据连接的图拓扑结构，搜索wij(k)中边缘结点的邻域结点来实现，令n8(m)代表结点m的邻域集；q(k)指代wij(k)的边缘结点集且vst∈v；则wij从wij(k)扩展为wij(k+1)。

本发明的优点及积极效果为：

本发明设计合理，用于田径场上跑步速度的采集测量，通过该装置的信号发射装置可以将收集的数据可以传送到控制面板上，方便数据分析，使用该装置可以减少人力的使用，使对于跑步速度的采集测量工作具有更加高效和广泛。

提供了步态识别功能，能帮助用户矫正不健康的步态，其提供的数据也可以帮助医生判断引起病态步态的原因，指导医生制定治疗和康复方案，比现有的运动手环具有更丰富的健康功能；将传感器与步态识别模块集成化，不用将数据上传到主机进行处理，突破了网络覆盖的限制，通过蓝牙将结果传送到客户终端上显示，使用户可以随时随地查看自己的运动状态；佩戴在脚部的传感器比起现有的手部佩戴传感器和手机传感器能更加直观地反应用户的步行状态，降低了编写计步算法和步态识别算法的难度，也提高了相应识别算法的准确度。

本发明具有步态和步幅、步频分析功能，不但可以为纠正用户的不标准步态提供依据，而且可以帮助用户判断引起不标准步态的原因；

本发明集成了数据采集与步态识别功能，通过蓝牙模块将结果发送到信息处理终端上显示，避免了网络限制，使用户在网络状态不佳的场所也可以正常地使用。

本发明的步态、步幅、步频传感器放在脚部，直观的反映了步态的实时状况；相比现有技术有更高的准确性。

本发明的数据运算方法对数据的准确性提供了保证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于田径场上跑步速度的测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于田径场上跑步速度的测量系统的侧面图；

图中：1、摄像设备；2、高清镜头；3、旋转轴；4、供电设备；5、电源指示灯；6、太阳能板；7、控制面板；8、数字按键；9、显示器；10、电源开关；11、还原键；12、信号发射装置；13、扬声器；14、底座；15、支架；16、万向刹车轮。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的用于田径场上跑步速度的测量系统包括：

位于最顶端的摄像设备1；

所述摄像设备上镶装有高清摄像头2；

所述摄像设备下直接连接有旋转轴3；

所述旋转轴下连接有供电设备4；

所述供电设备上镶嵌有电源指示灯5；

所述供电设备侧面镶装有太阳能板6；

所述供电设备下镶嵌有控制面板7；

所述控制面板顶端安装有显示器9；

所述显示器下安装有镶嵌在控制面板的数字按键8；

所述控制面板下端还镶嵌有还原键11和电源开关10；

所述控制面板下端还安装有扬声器13和信号发射装置1；所述扬声器位于信号发射装置一侧；

所述控制面板下端承接有底座14；

所述底座下焊接有四个支架15；

每个支架下设有万向刹车轮16。

本发明在使用过程中，打开电源开关，太阳能板能通过太阳能为整个装置提供持续的电能供应，通过摄像设备对运动员的跑步速度进行捕捉，通过计算分析进行记录，还可以通过信号发射装置将数据上传到控制面板上，对得到的数据进行分析。本发明设计合理，使用该装置可以减少人力的使用，使对于跑步速度的采集测量工作具有更加高效和广泛。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

所述用于田径场上跑步速度的测量系统包括：

用于对运动员的跑步速度状态进行捕捉的摄像设备；所述摄像设备上镶装有高清摄像头；用于记录运动员的实时状态图像；

与摄像设备通过信号连接，用于将运动员的跑步速度信息进行传输的信号发射装置；

与信号发射装置连接，用于对运动员的跑步速度信息进行计算的控制面板；

与控制面板通过蓝牙模块连接，用于采集运动员的步幅、步频和角度的传感器单元；

所述传感器单元获取到运动员运动实时的步幅、步频和角度物理参数后，使用数字编码脉冲噪声滤除算法进行模拟信号离散化；通过动态阈值控制和置信滤波窗口控制，对这些数据进行处理，计算得到使用者跨步的次数、步幅和角度。

所述模拟信号离散化的方法包括：

(1)、将输入信号序列的信号样点x(n)减去m个采样间隔之前的信号样点x(n-m)，得到差值信号d(n)，即：

d(n)＝x(n)-x(n-m)；

其中，m是dft变换点数，n信号样点的时域索引；

(2)、然后进行修正后的uvt变换：

其中，k为dft变换的频域索引值，wm为复旋转因子并且wm＝e^j2π/m；

(3)、将信号样点x(n)乘以调制序列将频点k的dft变换移到k＝0处，根据n-l时刻的dft变换结果xn-l(0)计算n时刻的dft变换输出：

其中，m为调制序列的索引值，每个采样时刻增加1，初始值为0，增加到m-1时，下一采样时刻恢复到初始值0，作为迭代的n-l时刻的dft变换结果xn-l(0)，其初始值采用传统dft变换方法得到；

所述的调制序列采用一个复数振荡器来实现，形式为：

调制序列是以m为周期的，每m个样点就自动从开始；

所述的变换表示为：

其中，

l点信号序列d(n)被分成两个长度为l/2的子序列，分别对应d(n)中奇数索引和偶数索引的子序列，根据抽取得到的这两个子序列的dft变换直接合成得到；

(4)、通过相位修正得到n时刻频点k的dft变换结果即信号第k个频点的频谱信息：

所述数字编码脉冲噪声滤除方法包括：

标识噪声点；识噪声点的获取将原始图像i映射为图g＝(v,e)，得到a和a和的获得，通过设置阈值来标识噪声点，若图像i的尺寸为m×n，m,n∈z⁺，抽象为一幅无向图g＝{v,e}，其中v,e分别对应图g的结点集和边集，采用8连接的图拓扑结构，用iij指代结点vij处的像素值，imax＝max{iij；1≤i≤m,1≤j≤n}，imin＝min{iij；1≤i≤m,1≤j≤n}，因为噪声点的像素值非常接近于imax和imin，固设置阈值t＝(imax-imin)*σ，其中σ的经验值取0＜σ≤0.05，由公式从全局角度将图g的结点划分为噪声点集a和非噪声点集满足集合a中包含的结点vij即为标识出的噪声点，

选择置信滤波窗口；具体步骤为：

步骤1：赋初值k＝1，wij(k)＝n8(vij)，令

步骤2：计算wij(k)的bij(k)，若bij(k)为转至步骤3；否则转至步骤4；

步骤3：将wij(k)扩展为wij(k+1)，k＝k+1转至步骤2；

步骤4：若k≤tw，扩展wij(k)为wij(k+1)，转至步骤5；否则d＝d∪vij；

步骤5：由公式算出cij(k)和cij(k+1)，若cij(k)≥cij(k+1)，将wij(k)作为置信滤波窗口，转至步骤7；否则k＝k+1转至步骤6；

步骤6：若k≤tw，扩展wij(k)为wij(k+1)，转至步骤5；否则将wij(k-1)作为置信滤波窗口，转至步骤7；

步骤7：采用公式对vij进行滤波；

步骤8：重复步骤1至7直到对所有进行处理；

步骤9：若d为方法结束；否则跳至步骤10；

步骤10：将a＝d，不断扩展wij(k)，满足k∈z⁺，直到将wij(k)作为置信滤波窗口，采用公式对vij进行滤波，直到处理完a中所有噪声点，方法结束。

置信度的算法：

需要选择窗口wij对vij进行滤波，其中且vij∈wij；滤波时本质上靠wij中的所有非噪声点对iij进行修复，令集合为wij的置信集，若bij的元素个数为n，则在wij中定义bij内结点vpq的权重函数weightpq为：

其中β＞0为可调节参数，同时定义wij的置信度cij为：

cij的值实际上反映了wij中非噪声点vpq间像素值ipq的差异程度，客观的衡量了用wij中非噪声点恢复iij的可靠性；对于不同大小的wij，令wij(k)代表vij的第k级滤波窗口，bij(k)为wij(k)的置信集，cij(k)代表wij(k)的置信度，通过比较不同wij(k)的cij(k)值选择出的wij(k)叫做置信滤波窗口，在不考虑结点空间位置的条件下，cij(k)的值越大表明用wij(k)恢复iij的准确度越高，若同时考虑结点间的相对位置信息，则bij(k)中的结点相对于vij的欧氏距离不能太大，否则会使wij(k)恢复的可靠性下降，滤波方法设置k≤tw，即wij(k)最多可扩展为tw级滤波窗口，

wij(k)扩展时根据连接的图拓扑结构，搜索wij(k)中边缘结点的邻域结点来实现，令n8(m)代表结点m的邻域集；q(k)指代wij(k)的边缘结点集且vst∈v；则wij从wij(k)扩展为wij(k+1)。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。