一种基于惯性/卫星组合导航的运动训练系统及方法与流程

本发明涉及传感技术、通信技术、运动生物力学、医疗卫生等领域，尤其涉及一种基于惯性/卫星组合导航的运动训练系统。

背景技术：

目前，国家高度重视体育事业发展，足球、篮球等各项体育项目迅速发展，体育信息化是体育产业发展的重要基础和技术途径。

基于惯性/卫星组合导航的人体运动特征采集及分析是传感器、运动生物力学的重要研究方向，是体育信息化不可或缺的一门技术。利用惯性测量单元与卫星定位系统进行组合导航测量运动员的运动信息，并对该运动信息进行计算，从而确定运动员运动特征，依据每位运动员不同的运动特征，对运动员进行针对性训练，实现运动员训练的科学化管理，提高运动员训练效率。根据国家专利局检索中心专利查询，有专利提出一种无线定位系统和运动训练系统，申请号是：201610383394.2，申请公布号是：CN 105911540 A。该专利利用传感器向多个数据采集器发送信号，根据数据采集器接收到的信号强度对传感器进行定位，从而确定每位运动员的运动特征。当前多数运动训练系统采用基于无线信号强度进行位置定位，并基于位置信息确定瞬间速度、平均速度、最快速度、冲刺次数等运动特征，该方法采用位置计算速度信息，导致速度信息误差较大，从而得到的瞬间速度、平均速度、最快速度、冲刺次数等信息误差较大，导致上述运动特征测量不准确；同时基于位置信息无法准确计算运动员的运动加速度、运动减速度、转动角速度、心率等运动特征。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于惯性/卫星组合导航的运动训练系统，对人体运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频进行分析处理，实现体育运动训练的信息化。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于惯性/卫星组合导航的运动训练系统，包括：传感器测量单元(101)、无线数据通信(102)、数据处理软件(103)；所述传感器测量单元(101)包括：九轴惯性测量单元(104)、卫星定位系统(105)和心率计(106)；九轴惯性测量单元(104)包括三轴陀螺仪(108)、三轴加速度计(109)和三轴磁强计(110)，分别用于测量三轴角速度、三轴加速度和磁场信息；卫星定位系统(105)测量时间、位置及速度信息；心率计(106)测量心率信息；处理器(107)接收九轴惯性测量单元(104)数据、卫星定位系统(105)数据及心率计(106)数据，并利用九轴惯性测量单元(104)数据与卫星定位系统(105)数据进行组合导航，得到时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击数据；数据存储器(119)接收时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击心率数据并存储；所述的传感器测量单元(101)置于人体背部、肩部或头部，方便卫星定位系统(105)接收卫星信号；所述无线数据通信(102)包括WIFI无线通信(111)及移动无线通信(112)两种方式，WIFI无线通信(111)接收传感器测量单元(101)预处理数据并发送至WIFI无线路由器(113)，并由WIFI无线路由器(113)传输至数据处理软件(103)；移动无线通信(112)接收传感器测量单元(101)预处理数据并发送至移动通信基站(114)，经互联网传输至数据处理软件(103)；数据处理软件(103)包括数据接收及读取模块(115)、运动特征计算模型设置模块(116)、运动特征计算模块(117)和地图坐标显示模块(118)；数据接收及读取模块(115)实时接收或事后读取多个传感器测量单元预处理数据；运动特征计算模型设置模块(116)设定运动特征计算模型，包含速度基准计算模型、心率基准计算模型、身体负荷加速度基准计算模型、运动加速度基准计算模型、运动减速度基准计算模型、冲击加速度基准计算模型和转动角速度基准计算模型；运动特征计算模块(117)计算每个传感器测量单元的运动时间、运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频；地图坐标显示模块(118)内嵌电子地图，根据传感器测量单元位置信息，实时显示其在地图上的坐标。

所述九轴惯性测量单元(104)、卫星定位系统(105)封装于塑料盒内，与装配绑带组成可穿戴设备，装配于人体背部、肩部或头部，方便卫星定位系统(105)接收卫星信号。

所述处理器(107)接收九轴惯性测量单元(104)数据与卫星定位系统(105)数据进行组合导航及数据处理，得到时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击预处理数据；所述时间为九轴惯性测量单元(104)数据采集时刻的时间；所述数据位置信息包含纬度、经度和高度；所述速度信息包含水平速度、垂向速度；所述姿态信息包含航向角、俯仰角和横滚角；所述加速度包含水平加速度、垂向加速度；所述角速度为当前数据采集周期内人体转动角速度平均值；所述步数为当前数据采集周期内计步次数；所述身体负荷为当前数据采集周期内人体负荷增加值；所述冲击为当前数据采集周期内人体所承受最大加速度；所述的心率计(106)测量心率信息；所述数据存储器(119)接收时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击及心率数据并进行存储。

所述无线数据通信(102)包括WIFI无线通信(111)及移动无线通信(112)；所述的WIFI无线通信(111)接收传感器测量单元(101)预处理数据并发送至WIFI无线路由器(113)，并由WIFI无线路由器(113)通过互联网传输至数据处理软件(103)，该方式在传感器测量单元(101)与WIFI无线路由器(113)直线距离小于200m情况下使用；所述的移动无线通信(112)接收传感器测量单元(101)预处理数据并发送至移动通信基站(114)，经互联网传输至数据处理软件(103)，该方式在传感器测量单元(101)运动范围大于200m情况下使用。

所述的数据处理软件(103)可以实时接收传感器测量单元(101)的预处理数据，同时将该数据存储成文件形式，也可以事后读取上述文件形式的传感器测量单元(101)的预处理数据。

所述的传感器测量单元(101)工作流程为：

步骤(1)：传感器测量单元(101)上电，完成系统初始化工作；

步骤(2)：处理器采集九轴惯性测量单元(104)数据，包括三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场数据；

步骤(3)：处理器采集心率计(106)的心率数据；

步骤(4)：处理器采用三轴角速度和三轴加速度数据进行捷联解算，得到位置、速度、姿态、角速度及加速度数据；

步骤(5)：判断卫星定位系统(105)的时间、位置、速度数据是否更新，若是则进入步骤(6)，否则进入步骤(7)；

步骤(6)：基于Kalman滤波算法进行惯性数据与卫星定位系统数据的组合导航，并根据组合结果对步骤(4)捷联解算得到的位置、速度、姿态、角速度及加速度进行修正；

步骤(7)：得到修改后的位置、速度、姿态、角速度及加速度数据；

步骤(8)：根据修正后的加速度数据计算身体负荷；

步骤(9)：根据修正后的加速度数据计算步数；

步骤(10)：根据修正后的加速度计算冲击；

步骤(11)：数据存储器读取并存储时间、位置、速度、姿态、角速度、加速度、身体负荷、步数、冲击及心率数据；

步骤(12)：处理器将位置、速度、姿态、角速度、加速度、身体负荷、步数、冲击及心率数据通过无线数据通信(102)进行发送，并进入步骤(2)。

所述的数据处理软件(103)工作流程为：

步骤(1)：数据处理软件(103)启动，并完成系统初始化工作；

步骤(2)：设置运动特征计算模型，运动特征计算模型包含速度基准计算模型、心率基准计算模型、身体负荷加速度基准计算模型、运动加速度基准计算模型、运动减速度基准计算模型、冲击加速度基准计算模型和转动角速度基准计算模型；

步骤(3)：判断是否接收到传感器测量单元(101)的数据，若是则进入步骤(4)及步骤(5)，否则进入步骤(3)循环判断；

步骤(4)：计算每个传感器测量单元101的运动时间、运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频；

步骤(5)：根据传感器测量单元(101)的位置信息，实时显示佩戴人员在地图上的坐标，并进入步骤(3)。

本发明的原理是：传感器测量单元包括九轴惯性测量单元、卫星定位系统、心率计。九轴惯性测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计，利用三轴陀螺仪测量佩戴人员的运动角速度，利用三轴加速度计测量佩戴人员的运动加速度，利用三轴磁强计测量佩戴人员周围磁场；利用卫星定位系统测量佩戴人员运动的时间、位置及速度，利用上述信息进行数据处理，首先利用三轴陀螺仪、三轴加速度计及三轴磁强计误差模型对陀螺仪数据、加速度计数据及磁强计数据进行误差补偿，然后利用三轴陀螺仪数据和三轴加速度计数据进行捷联解算，得到运动员位置、速度及姿态信息，然后利用信息融合原理将捷联解算结果与卫星定位系统信息、磁强计信息进行组合滤波，得到佩戴人员时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击。利用心率计测量佩戴人员心率信息。数据存储器接收并存储时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击及心率数据；无线数据通信包括WIFI无线通信和移动无线通信两种方式，WIFI无线通信接收传感器测量单元数据并发送至WIFI无线路由器，并由WIFI无线路由器传输至数据处理软件；移动无线通信接收传感器测量单元数据并发送至移动通信基站，经互联网传输至数据处理软件；数据处理软件接收到传感器测量运动数据，根据运动类型设置运动特征计算模型，包含速度基准计算模型、心率基准计算模型、身体负荷加速度基准计算模型、运动加速度基准计算模型、运动减速度基准计算模型、冲击加速度基准计算模型和转动角速度基准计算模型根据计算模型，并根据运动特征计算模型计算佩戴人员在各速度区间内的运动里程，计算佩戴人员在各速度区间内的运动时间，计算佩戴人员在各心率区间内的运动时间，计算佩戴人员在各加速度区间内的身体负荷总数，计算佩戴人员在各加速度区间内的加速度总数，计算佩戴人员在各减速度区间内的减速度总数，计算佩戴人员冲击加速度进入各冲击加速度区间内的次数，计算佩戴人员在各转动角速度区间内转过的角度总数，计算佩戴人员运动过程中的步幅及步频。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计采集运动员运动过程中的运动角速度、运动加速度和磁场信息，采用卫星定位系统采集时间、位置和速度信息，然后利用信息融合原理得到运动员位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击，提高了运动状态的测量精度。

(2)本发明可实时接收或事后读取传感器测量单元数据，计算得到每个传感器测量单元的运动时间、运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频，提高运动员运动特征分析的准确性和便捷性。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为无线数据通信构成示意图；

图3为传感器测量单元工作流程图；

图4为数据处理软件工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于惯性/卫星组合导航的运动训练系统包括：传感器测量单元101、无线数据通信102、数据处理软件103；传感器测量单元101采集传感器数据并对数据进行处理，得到预处理数据，并将预处理数据发送给无线数据通信102；无线数据通信102接收传感器测量单元预处理数据，并将数据通过无线形式发送至数据处理软件103；数据处理软件103接收无线数据通信102发来的数据，并对数据进行处理；所述传感器测量单元101包括：九轴惯性测量单元104、卫星定位系统105和心率计106，本实施例中九轴惯性测量单元104采用MPU9250芯片，卫星定位系统105采用NEO-6M芯片，心率计106采用Rhythm+模块；MPU9250包括三轴陀螺仪108、三轴加速度计109和三轴磁强计110，分别用于测量三轴角速度、三轴加速度和磁场信息；NEO-6M测量时间、位置及速度信息；Rhythm+测量心率信息；本实施例中处理器107采用STM32F405，接收MPU9250数据、NEO-6M数据及Rhythm+数据，并利用MPU9250数据和NEO-6M数据进行组合导航，得到时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击；本实施例中数据存储器采用AT24C64，接收并存储时间、位置、速度、姿态、加速度、角速度、步数、身体负荷、冲击和心率数据；所述的传感器测量单元101置于人体背部、肩部或头部，方便NEO-6M接收卫星信号；所述无线数据通信102包括WIFI无线通信111及移动无线通信112两种方式，本实施例中WIFI无线通信111采用RTL8188模块，移动无线通信112采用USR-GM3模块；RTL8188接收传感器测量单元101数据并发送至WIFI无线路由器113，本实施例中WIFI无线路由器113采用路由器型号为TL-WDR6500，经由TL-WDR6500传输至数据处理软件103；USR-GM3接收传感器测量单元101数据并发送至移动通信基站114，本实施例中移动通信基站114采用中国移动通信集团公司移动通信基站，并由移动通信基站114经互联网传输至数据处理软件103；数据处理软件103包括数据接收及读取模块115、运动特征计算模型设置模块116、运动特征计算模块117和地图坐标显示模块118；数据接收及读取模块115实时接收或事后读取多个传感器测量单元数据；运动特征计算模型设置模块116设定运动特征计算模型，包含速度基准计算模型、心率基准计算模型、身体负荷加速度基准计算模型、运动加速度基准计算模型、运动减速度基准计算模型、冲击加速度基准计算模型和转动角速度基准计算模型；运动特征计算模块117计算每个传感器测量单元的运动时间、运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频；地图坐标显示模块118内嵌电子地图，根据传感器测量单元位置信息，实时显示其在地图上的坐标。

如图2所示，无线数据通信202包括WIFI无线通信204及移动无线通信205两种方式，本实施例中WIFI无线通信204采用RTL8188模块，移动无线通信205采用USR-GM3模块；RTL8188获取传感器测量单元201的数据并发送至WIFI无线路由器206，本实施例中WIFI无线路由器206采用路由器型号为TL-WDR6500，并由TL-WDR6500传输至数据处理软件203，该方式在传感器测量单元201与TL-WDR6500直线距离小于200m情况下使用；USR-GM3获取传感器测量单元201的数据并发送至移动通信基站207，本实施例中移动通信基站207采用中国移动通信集团公司移动通信基站，并由移动通信基站207经互联网传输至数据处理软件203，该方式在传感器测量单元201运动范围大于200m情况下使用。

如图3所示，为本发明中传感器测量单元101的工作流程：

步骤(1)：传感器测量单元101上电，完成系统初始化工作；

步骤(2)：处理器STM32F405采集MPU9250数据，包括三轴角速度、三轴加速度和三轴磁场数据；

步骤(3)：处理器STM32F405采集Rhythm+的心率数据；

步骤(4)：处理器STM32F405采用三轴角速度和三轴加速度数据进行捷联解算，得到位置、速度、姿态、角速度及加速度数据；

步骤(5)：判断NEO-6M的时间、位置、速度数据是否更新，若是则进入步骤(6)，否则进入步骤(7)；

步骤(6)：基于Kalman滤波算法进行惯性数据与卫星定位系统数据的组合导航，并根据组合结果对步骤(4)捷联解算得到的位置、速度、姿态、角速度及加速度进行修正；

步骤(7)：得到修改后的位置、速度、姿态、角速度及加速度数据；

步骤(8)：根据修正后的加速度数据计算身体负荷；

步骤(9)：根据修正后的加速度数据计算步数；

步骤(10)：根据修正后的加速度计算冲击；

步骤(11)：数据存储器AT24C64读取并存储时间、位置、速度、姿态、角速度、加速度、身体负荷、步数、冲击及心率数据；

步骤(12)：处理器STM32F405将位置、速度、姿态、角速度、加速度、身体负荷、步数、冲击及心率数据通过RTL8188或USR-GM3进行发送，并进入步骤(2)。

如图4所示，为本发明中数据处理软件的工作流程：

步骤(1)：数据处理软件103启动，并完成系统初始化工作；

步骤(2)：设置运动特征计算模型，运动特征计算模型包含速度基准计算模型、心率基准计算模型、身体负荷加速度基准计算模型、运动加速度基准计算模型、运动减速度基准计算模型、冲击加速度基准计算模型和转动角速度基准计算模型；

步骤(3)：判断是否接收到传感器测量单元101的数据，若是则进入步骤(4)及步骤(5)，否则进入步骤(3)循环判断；

步骤(4)：计算每个传感器测量单元101的运动时间、运动里程、运动速度、运动心率、身体负荷、运动加速度、运动减速度、身体冲击、转动角速度、卡路里消耗、步幅、步频；

步骤(5)：根据传感器测量单元101的位置信息，实时显示佩戴人员在地图上的坐标，并进入步骤(3)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。