一种划船运动员的运动信息采集系统的制作方法

本发明涉及运动员运动信息采集领域，尤其涉及一种划船运动员的运动信息采集系统。

背景技术：

划船运动水上项目是国家体委“119”工程的重点攻关项目，具体包括有：赛艇、皮艇、划艇、帆船、帆板等。而划船运动员在水中滑行的效果，是教练员检验运动员训练质量的核心，它主要通过船体在水中的滑行速度、运动员拉桨速度、拉桨幅度及桨柄受力大小等相关运动姿态得以反应。而常规的对上述运动姿态的采集及分析一般通过两种方式完成：

1)教练员通过观看运动录像，进行主观分析；

2)通过在船体、滑座、桨架处加装测力传感器及红外线位移传感器，收集运动过程中因为运动员发力而对船桨、桨架支点处造成的弹性形变信号或位移信号，进而输出运动员的相关运动姿态信息(包括发力曲线、拉桨速度曲线等)。

上述两种常规的对运动姿态信息的采集方式有以下几点不足之处：

1)需要对船体、船桨等其他设备进行大幅度的改装，且收集的信号为基于老式传感器的模拟信号，不能实时输出分析，也不能对长距离划行进行完整、精密的监控；

2)需要多种传感器，且传感器类型繁多、相互信号干扰、信号稳定性差；

3)将传感器采集的运动信息进行修正及解析还原成运动员运动姿态信息的方法繁琐复杂，还原效率低；

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种划船运动员的运动信息采集系统，该系统只需要运动员在手腕处穿戴设有加速度传感器的智能穿戴设备，即可采集运动员的相关运动信息，进而无需对船体、船桨等其他设备进行改装，改变了多端口、多传感器、多信道模拟信息的采集的常规运动信息采集方式，降低成本；本发明还提供一种划船运动员的运动姿态还原方法，通过该运动姿态还原方法将运动信息解析还原成运动员的运动姿态信息，该方法原理简单高效，且能通过智能终端实时显示运动姿态信息，得以长距离地、精密地的对运动员进行监控，实用性强。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种划船运动员的运动信息采集系统，包括采集模块、第一通信模块、第二通信模块、主控模块、智能终端；所述采集模块用于采集运动员的加速度信息、姿态角度变化信息、船体位移信息及船体航向信息，并经第一通信模块将上述信息传送至主控模块；所述主控模块用于将接收到的信息解析还原成运动员的运动姿态信息，并经第二通信模块与智能终端通讯；所述智能终端用于显示运动员的运动姿态信息。

进一步地，所述采集模块包括加速度传感器、GPS、电子罗盘；所述加速度传感器用于采集运动员在三轴方向上的加速度信息及围绕三轴旋转的姿态角度变化信息；所述GPS用于采集船体位移信息，电子罗盘用于采集船体航向信息。

进一步地，所述第一通信模块包括第一wifi通信单元、第一移动通信单元、第一蓝牙通信单元；所述第二通信模块包括第二wifi通信单元、第二移动通信单元、第二蓝牙通信单元。

进一步地，所述智能终端为智能手机、平板电脑或其他智能显示设备。

一种划船运动员的运动姿态还原方法，包括以下步骤：

S1：通过采集模块获取运动员以其自身为参考坐标系下的初始三轴加速度信息和围绕三轴旋转的姿态角度变化信息，以及以地球磁北极方向为参照的船体航向信息和船体位移信息；

S2：对S1获取的运动员的初始三轴加速度信息进行修正，得到运动员以地球磁北极方向为参照的实际三轴加速度信息；

S3：基于S2获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶变换，得到运动员的运动姿态信息。

进一步地，所述三轴分别为X轴、Y轴、Z轴。

进一步地，所述对获取的运动员初始三轴加速度信息进行修正具体包括以下步骤：

S21：基于S1获取的以地球磁北极方向为参照的船体航向信息，对运动员姿态角度变化信息进行修正，进而得到以地球磁北极为X轴参照的姿态角度变化信息；

S22：基于S21获得的姿态角度变化信息，对运动员的初始三轴加速度信息进行修正，得到以地球磁北极为X轴参照的运动员三轴加速度信息；

S23：基于S1获取的船体位移信息，求导获得船体的速度信息及加速度信息；

S24：基于S1获取的船体航向信息对S23获得的船体加速度信息进行修正，得到以地球磁北极为X轴参照的船体三轴加速度信息；

S25：基于S24获得的船体三轴加速度信息对S22获得的运动员三轴加速度信息进行修正，得到滤除船体三轴加速度信息后的运动员实际三轴加速度信息。

进一步地，所述运动员的运动姿态信息包括运动员拉桨幅度信息、拉桨速度信息、拉桨频率信息、桨柄受力信息。

进一步地，所述得到运动员的运动姿态信息具体包括以下步骤：

S31：基于傅里叶的积分性质，对S25获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶一次积分，以滤除干扰信息，再通过傅里叶逆变换获得运动员拉桨速度信息；

S32：基于傅里叶的积分性质，对S25获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶二次积分，以滤除干扰信息，再通过傅里叶逆变换获得运动员拉桨幅度信息；

S33：基于S31获得的运动员拉桨速度信息及依据拉桨速度的周期性，获得运动员拉桨频率信息；

S34：基于S23获得的船体速度信息、S31获得的运动员拉桨速度信息、S32获得的运动员拉桨幅度信息及系统的基本参数信息，再依据牛顿第二定律，获得桨柄的受力信息。

进一步地，所述系统的基本参数信息包括船体质量信息、船桨质量信息、运动员质量信息。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

1)该系统只需要运动员在手腕处穿戴设有加速度传感器的智能穿戴设备，即可采集运动员的相关运动信息并通过运动姿态还原方法将运动信息解析还原成运动员的运动姿态信息，进而无需对船体、船桨等其他设备进行改装，进而降低成本；

2)只需加速度传感器，且信息传递通道单一，避免了多类型传感器信息传递的相互干扰，传递信息效率高、信号稳定；

3)运动姿态还原方法简单高效，并能通过智能终端实时显示运动员的运动姿态信息，得以长距离地、精密地的对运动员进行监控，实用性强。

附图说明

图1为本发明的原理性框图；

图2为本发明的运动姿态还原方法流程图；

图3为本发明其中一实施例中的运动员拉桨速度与时间的关系图；

图4为本发明其中一实施例中的运动员平均拉桨速度与时间的关系图；

图5为本发明其中一实施例中的运动员拉桨幅度与时间的关系图；

图6为本发明其中一实施例中的运动员拉桨幅度与拉桨速度的关系图；

图7为本发明其中一实施例中的桨柄受力与时间的关系图；

图8为本发明其中一实施例中的运动员做功与时间的关系图；

图9为本发明其中一实施例中的桨栓力矩与时间的关系图；

其中，附图标识说明：

1—采集模块； 2—第一通信模块；

3—第二通信模块； 4—主控模块；

5—智能终端； 6—云端；

11—加速度传感器； 12—GPS；

13—电子罗盘； 21—第一wifi通信单元；

22—第一移动通信单元； 23—第一蓝牙通信单元；

31—第二wifi通信单元； 32—第二移动通信单元。

33—第二蓝牙通信单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1所示，本发明提供一种划船运动员的运动信息采集系统，包括采集模块1、第一通信模块2、第二通信模块3、主控模块4、智能终端5；所述采集模块1用于采集运动员的加速度信息、姿态角度变化信息、船体位移信息及船体航向信息，并经第一通信模块2将上述信息传送至主控模块4；所述主控模块4用于将接收到的信息解析还原成运动员的运动姿态信息，并经第二通信模块3与智能终端5通讯；所述智能终端5用于显示运动员的运动姿态信息。

其中，所述采集模块1包括加速度传感器11、GPS12、电子罗盘13；所述加速度传感器11用于采集运动员在三轴方向上的加速度信息及围绕三轴旋转的姿态角度变化信息；所述GPS12用于采集船体位移信息，电子罗盘13用于采集船体航向信息；所述第一通信模块2包括第一wifi通信单元21、第一移动通信单元22、第一蓝牙通信单元23；所述第二通信模块3包括第二wifi通信单元31、第二移动通信单元32、第二蓝牙通信单元33；所述智能终端5为智能手机、平板电脑或其他智能显示设备。

参照图2至9所示，本发明还提供了一种划船运动员的运动姿态还原方法，包括以下步骤：

S1：通过采集模块1获取运动员以其自身为参考坐标系下的初始三轴加速度信息和围绕三轴旋转的姿态角度变化信息，以及以地球磁北极方向为参照的船体航向信息和船体位移信息；

S2：对S1获取的运动员的初始三轴加速度信息进行修正，得到运动员以地球磁北极方向为参照的实际三轴加速度信息；

S3：基于S2获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶变换，得到运动员的运动姿态信息。

其中，所述三轴分别为X轴、Y轴、Z轴；所述运动员的运动姿态信息包括运动员拉桨幅度信息、拉桨速度信息、拉桨频率信息、桨柄受力信息。

所述对获取的运动员初始三轴加速度信息进行修正具体包括以下步骤：

S21：基于S1获取的以地球磁北极方向为参照的船体航向信息，对运动员姿态角度变化信息进行修正，进而得到以地球磁北极为X轴参照的姿态角度变化信息；

S22：基于S21获得的姿态角度变化信息，对运动员的初始三轴加速度信息进行修正，得到以地球磁北极为X轴参照的运动员三轴加速度信息；

S23：基于S1获取的船体位移信息，求导获得船体的速度信息及加速度信息；

S24：基于S1获取的船体航向信息对S23获得的船体加速度信息进行修正，得到以地球磁北极为X轴参照的船体三轴加速度信息；

S25：基于S24获得的船体三轴加速度信息对S22获得的运动员三轴加速度信息进行修正，得到滤除船体三轴加速度信息后的运动员实际三轴加速度信息。

所述得到运动员的运动姿态信息具体包括以下步骤：

S31：基于傅里叶的积分性质，对S25获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶一次积分，以滤除干扰信息，再通过傅里叶逆变换获得运动员拉桨速度信息；

S32：基于傅里叶的积分性质，对S25获得的运动员实际三轴加速度信息进行傅里叶二次积分，以滤除干扰信息，再通过傅里叶逆变换获得运动员拉桨幅度信息；

S33：基于S31获得的运动员拉桨速度信息及依据拉桨速度的周期性，获得运动员拉桨频率信息；

S34：基于S23获得的船体速度信息、S31获得的运动员拉桨速度信息、S32获得的运动员拉桨幅度信息及系统的基本参数信息，再依据牛顿第二定律，获得桨柄的受力信息。

所述系统的基本参数信息包括船体质量信息、船桨质量信息、运动员质量信息。

本发明工作原理：

本实施例中，采集模块1为一种穿戴于运动员手腕处的智能穿戴设备，该智能穿戴设备设有3轴或3轴以上的加速度传感器11、GPS12、电子罗盘13(或其他可以采集运动航向信息的设备)，包括但不限于各品牌的智能手表、手环，及定制开发专门针对该使用场景的专业穿戴设备；运动员只需要在单手或双手处穿戴好设备并通过可加载的APP启动数据收集/分析功能，系统就会自动开始工作，无需对船体、船桨等其他设备进行任何改造；根据智能穿戴设备内置的加速度传感器11型号不同，采集数据的速率从60-150hz不等；加速度传感器11实时采集的以运动员自身为参考坐标系的原始加速度信息会通过第一移动通信单元22(3/4/5G通信单元)或第一wifi通信单元21或第一蓝牙单元23实时传送至主控模块4；主控模块4通过运动员姿态还原方法将接收到的加速度信息解析还原成运动员的姿态信息，并经第二移动通信单元32(3/4/5G通信单元)或第二wifi通信单元或第二蓝牙通信单元33将该姿态信息传送至云端6，智能终端5通过云端6将该姿态信息可视化输出。

采集模块1通过第一蓝牙通信单元23或第一wifi通信单元21可匹配船体内其他设备，进而收集其他设备采集的信息，并将此信息整合传送至云端6，通过智能终端5将该信息可视化输出；多台智能穿戴设备之间可通过第一蓝牙通信单元23或第一wifi通信单元21进行互联和数据同步，进而实现同时监控多个运动员的运动姿态信息；智能终端5为智能手机、平板电脑或其他智能显示设备。

运动姿态还原方法具体包括以下步骤：

首先，通过穿戴在运动员手腕处设有加速度传感器11的智能穿戴设备，采集运动员在船体划桨运动过程中产生的加速度信息及姿态角度变化信息，并组成信息的向量数组。

其中：

为对应时间t时，加速度传感器11采集到的加速度向量矩阵，Ax，Ay，Az分别是以运动员手腕处(对应于加速度传感器11的穿戴处)为参考坐标系下的X，Y，Z轴方向上的加速度；Rt为对应时间t时，加速度传感器11采集到的绕轴姿态变化角度向量矩阵，Rroll，Rpitch，Ryaw分别是以运动员手腕处为参考坐标系下的绕X，Y，Z轴的姿态角度变化信息；

同时，智能穿戴设备上的电子罗盘13会采集带时间戳的基于地球磁北极方向为参考的船体航向数据Dt，其中，Dt为智能穿戴设备位移方向(即船体行进方向)与磁北极之间形成的水平夹角，用来修正姿态角变化中Ryaw的数值，则有：

R′yaw＝Ryaw+Dt

R′t＝[Rroll Rpitch R′yaw]

其中，R′t为对应时间t时，运动员手腕处以地球磁北极为X轴(假设地球磁北极为X轴正方向、地球磁南极为X轴负方向)的X，Y，Z轴的姿态角变化信息。

然后，通过旋转矩阵及上述得到的Rt'，获得以地球磁北极为X轴的运动员手腕处的三轴加速度信息，具体地：

令

Rroll＝φ，Rpitch＝θ，R′yaw＝ψ,

则对应不同时间t，有旋转矩阵如下：

对以运动员手腕处为参考坐标系下的加速度向量矩阵进行矩阵乘法运算：

为对应时间t时，运动员手腕处以地球磁北极为X轴的加速度向量，其中

通过GPS12(或北斗定位系统)，可以获得船体自身的运动数据，其中包含船体在以地球磁北极为X轴参考下的速度信息Vb，t(通过船体的位移信息计算得知)，其中：Vb，t＝[Vb，1Vb，2 Vb，3 … Vb，n-2 Vb，n-1 Vb，n]

针对Vb，t在时域内进行一次求导，可得Vb，t所对应的加速度标量Ab，并用航向角Dt进行加速度的分解(以地球磁北极为X轴，作为参考)，得到加速度向量及加速度矩阵：

由于GPS12(北斗定位系统)并不采集船体在Z轴方向的加速度，则可以假设Abz＝0，利用校正以剔除船体前进速度产生的加速度对拉桨动作产生的加速度信息的干扰，则有：

设船体前进方向即为合并加速度的正方向，根据船体拉桨运动的特点可知，A′x的方向与船体前进方向同向，此处通过A′x赋予向量的模Art正负性，则有：

其中,

针对每隔一定时间加速度传感采集到的加速度信息及姿态角度变化信息，重复上述步骤，进而得到滤除船体三轴加速度信息后的运动员手腕处实际(修正后的)的三轴加速度模的离散信息数组则有：

Art＝[A1 A2 A3 … An-2 An-1 An]

之后，根据运动员拉桨动作的分析得出，其手部对应的桨端平面线速度与时间的关系为带周期的正弦曲线，故针对离散信号数组Art，进行离散傅里叶变换，把离散数据从时域转换到频域，并进行积分。其中离散傅里叶变化公式如下：

其中：

利用傅里叶变换的积分性质可知，在由加速度信号积分求速度信号时，积分运算转变为除法运算，而后再做傅里叶逆变换并取其实部即可得到时域的速度信号，其中一次积分性质如下：

通过傅里叶变换的积分性质，可得以下公式:

其中，为滤波函数，用以去除直流分量及消噪，

其中，fd为频率截止下限且fd＝0.1，fu为频率截止上限fu＝1.5；得到结果后，再根据以下公式进行傅里叶逆变换，让频域内的数据返回时域：

得到加速度传感器11拉桨速度离散信号数组Vt(单位：米/秒)，则有：

Vt＝[V1 V2 V3 … Vn-2 Vn-1 Vn]

其中Vt的正或负代表运动员拉桨动作的方向是否与船体前进方向相同，如果相同则Vt为正，运动员处在拉桨周期，如果不相同则Vt为负，此时运动员处在推桨周期。以Vt及时间t作图，可得出一段时间内，运动员拉桨速度和时间的关系图，如附图3所示。在剔除无效数据字段后(干扰信息)，可以通过平均值算法得到该运动员的平均拉桨速度曲线特征图：如附图4所示。

其中，以Vt＝0且Vt-1＞0，Vt+1＜0作为测量拉桨周期的基准，可得出代表拉桨周期开始的速度信号数组V0以及其所对应的时间数组T0，其中：

T0＝[T1 T2 T3 … Tn-2 Tn-1 Tn]

则有，Tn-Tn-1为两桨间隔时间，因此对应任意T0，有对应其当时的桨频Rt,其中：

由此可得关于桨频的数组R0,其中：

R0＝[R1 R2 R3 … Rn-2 Rn-1 Rn]

在基于Art数组进行傅里叶变换后得到X(k)后，可以根据傅里叶变换的二次积分性质，对频域内的数据进行二次积分，进而获得基于Art数组的行程信息，其中二次积分性质如下：

通过傅里叶变换的积分性质，可得以下公式:

其中，为滤波函数，用以去除直流分量及消噪，其中，fd为频率截止下限且fd＝0.1，fu为频率截止上限fu＝1.5,得到结果后，再根据以下公式进行傅里叶逆变换，让频域内的数据返回时域：

进而得到运动员的拉桨幅度(单位：度)离散信号数组Dt，则有：

Dt＝[D1 D2 D3 … Dn-2 Dn-1 Dn]

以Dt及时间t作图，可得出一段时间内，运动员拉桨幅度和时间的关系图，如图5所示。

最后，通过已知的船体整体的质量Mb，船桨质量为Mo，运动员质量为Ma，及假设船所受到的阻力为Fb，单边船桨所受到阻力为Fd，单边船桨所受到的(与运动方向相同的)升力为Fl，根据上述步骤所得的船体时域内的加速度信号数组Ab，对应任意时间t，则系统(包含船体、船桨及运动员)的力平衡情况遵循以下公式：

FS＝(Mb+Mo+Ma)×Ab+Fb+2×Fd-2×Fl

其中，Fs为系统受到的合力；

根据流体力学阻力公式：

Fr＝0.5×C×ρ×A×u²

其中，Fr为物体受到的流体阻力(或升力)，C为阻力(或升力)系数，ρ为流体的密度，A为物体在液体中的横截面面积，u为流体经过物体的相对速度，则针对船及船桨的流体力学特征，有：

Fd＝0.5×Cd×ρ×Aj×u²

fl＝0.5×Cl×ρ×Aj×u²

其中，

其中，uv为桨叶的垂直(于桨叶自身的)速度，up为桨叶的水平(于桨叶自身的)速度，且有：

up＝Vb，t×sinα

其中L为船桨长度，α＝(Dt-Dt-1)-D0，D0为拉桨开始一刻，船桨与船体形成的初始角度，一般情况下D0＝15°；由于船体前进的动力全部来自于运动员做功，且仅当拉桨速度Vt＞0时，运动员对船体才有实际做功，至此可得关于运动员对两侧桨柄施力的合力为:

假设运动员双手施力均匀，则运动员对单侧桨柄施力的数组为以Fg，1及时间t作图，可得出一段时间内，桨柄受力和时间的关系图，如图6所示。

根据功率公式，则有

Pb＝Fg×Vb，t

其中，Pb为运动员对船体系统做功的分时功率情况。

以Pb及时间t作图，可得出一段时间内，运动员的做功情况和时间的关系图，如图7所示。

根据力矩公式，则有：

Mg，1＝Fg，1×Lh

其中，Mg，1为单侧桨栓处的力矩，Lh为桨柄到桨栓的长度。以Mg，1及时间t作图，可得出一段时间内，桨栓处力矩和时间的关系图，如图8所示。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。