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一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統.pdf

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一種 用于 運動 訓練 綜合 測量 輔助 分析 系統
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摘要
申請專利號:

CN201310084917.X

申請日:

20130318

公開號:

CN103127686B

公開日:

20141029

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A63B69/00,A63B71/06 主分類號: A63B69/00,A63B71/06
申請人: 國家體育總局體育科學研究所
發明人: 肖書明,陳騏,宣華,王恭,王建明,王學峰
地址: 100061 北京市東城區體育館路11號
優先權: CN201310084917A
專利代理機構: 北京國林貿知識產權代理有限公司 代理人: 李桂玲;杜國慶
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法律狀態
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CN201310084917.X

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法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統。包括:中央控制計算機、無線網關、蹬踏力節點、刷冰頻率節點、冰壺節點、人體運動參數節點、擲壺手心率節點、光電測速節點、圖像采集節點;蹬踏力節點、刷冰頻率節點、冰壺節點、人體運動參數節點、光電測速節點通過無線網關連接中央控制計算機,圖像采集節點有線連接至中央控制計算機。本發明提供了一套完整的冰壺運動訓練的數據采集分析系統,整體結構簡潔,可以在運動員的完成真實動作的同時完成運動測量和輔助分析,從而可以有效地集成到運動隊現場訓練的過程中。從而為運動員相關技術的科學優化以及比賽戰術的深入分析和改進提供支持,提升各個冰壺隊的技術和戰術水平。

權利要求書

1.一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述系統包括:中央控制計算機:用于對冰壺運動訓練數據進行分析顯示;無線網關:與中央控制計算機連接,用于采集冰壺運動訓練數據,并將數據傳遞至中央控制計算機;蹬踏力節點:與無線網關無線連接,用于采集投壺手擲壺時的后蹬力數據,并將數據傳遞至無線網關;刷冰頻率節點:與無線網關無線連接,用于采集冰壺運動員刷冰頻率數據,并將數據傳遞至無線網關;冰壺節點:與無線網關無線連接,用于采集冰壺的運動狀態數據,并將數據傳遞至無線網關;人體運動參數節點:與無線網關無線連接,所述人體運動參數節點包括固定在運動員身體活動部位的殼體,殼體中安裝有加速度傳感器和與之連接的無線信號發射電路,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的運動參數數據,并將數據傳遞至無線網關;擲壺手心率節點:與無線網關無線連接,所述擲壺手心率節點是綁扎在受試者的胸部的無線心率帶,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的實時心率數據,并將數據傳遞至無線網關;光電測速節點:與無線網關無線連接,所述光電測速節點包括光電發射源、光電接收模塊和與之連接的無線信號發射模塊,光電發射源和光電接收模塊分別設置在冰道的兩側用于采集冰壺前進的速度;?圖像采集節點:用DV攝像機以有線方式與中央控制計算機相連,所述DV攝像機設置在冰道兩側及上方用于采集冰道實時圖像。2.根據權利要求1所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述蹬踏力節點包括有一蹬踏斜面的起滑支架和無線信號發射裝置,無線信號發射裝置安裝在支架中,在所述蹬踏斜面設有一個橫向凹槽,凹槽內固定有四棱柱體形狀的壓力傳感器,壓力傳感器的測力平臺與起滑支架的蹬踏斜面平行,在測力平臺上固定一片剛性的金屬踏板,所述金屬踏板的形狀與起滑支架的蹬踏斜面相同,其平面方向與蹬踏斜面平行,壓力傳感器的測力平臺及金屬踏板與起滑支架的其他部分不發生接觸,壓力傳感器的壓力信號與無線信號發射裝置連接。3.根據權利要求1所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述刷冰頻率節點包括帶有刷柄和刷頭的冰刷,刷頭和刷柄之間設置有刷冰頻率測試裝置,所述刷冰頻率測試裝置包括有加速度傳感器和與之連接的無線信號發射電路。4.根據權利要求1所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述冰壺節點包括冰壺本體,所述冰壺本體上設置有冰壺把手,所述冰壺本體和冰壺把手之間設置有一個夾層,夾層中設置有數據采集模塊,所述數據采集模塊包括稱之為陀螺儀的角速度傳感器、加速度傳感器、中央處理器、時間發生器以及一個無線傳輸電路,角速度傳感器、加速度傳感器分別通過A/D轉換電路連接至中央處理器,中央處理器與時間發生器和無線傳輸電路線連接。5.根據權利要求4所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述的角速度傳感器和加速度傳感器安裝位置均處于冰壺的自轉中心軸上。6.根據權利要求4所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述夾層中還設置有用于校正加速度傳感器和角速度傳感器參數變化的溫度傳感器。7.根據權利要求4所述的一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,其特征在于,所述夾層中還設置有與角速度傳感器進行互補測量的三軸磁力計,三軸磁力計的感測軸彼此正交。

說明書

技術領域

本發明涉及體育運動數據采集領域,特別涉及一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統。

背景技術

冰壺是一種以隊為單位在冰上進行的投擲性比賽項目,又是一種技巧主導類表現準確性項群項目,良好的技術能力是獲得勝利的關鍵。要獲得良好的技術能力,冰壺運動員必須對自己的動作進行反復優化完善。客觀的觀察和分析手段是對運動員技術動作進行有效的優化完善的前提,特別是對于高水平的運動員,如果能夠獲得關于運動員技術動作的完全可靠、精確且客觀的信息,并進行及時快速的反饋,則非常有利于運動員獲得理想的運動技能。

典型的場景有:1.?針對于擲壺動作,總的指導思想是運動員以適度的速度和力量擲出冰壺,同時保持動作的穩定性和身體的平衡性。但是,由于擲壺是一個高度技巧性的動作,諸如運動員體能狀況、身體姿勢、重心變化、力量運用等很多因素均會影響擲壺的最終結果。即使對于最終的結果--擲出的冰壺,在很多情況下單靠人工判斷其運動情況是不夠的,一些決策依賴于對其精確運動參數的了解。此外,擲壺過程中擲壺手會承受巨大的心理壓力,因此其心理狀況又會影響運動員的技術水平發揮。這些因素交叉在一起,使得精確評價運動員某次擲壺動作的成功程度變得很難,也更難深入地分析本次擲壺的成功(或失誤)的真正原因。并且,數據獲取手段本身能達到的水平,也會對訓練效果產生影響。對運動員進行信息反饋通常對時效性要求很高,理想的反饋形式應該是實時反饋(鏡面化訓練),反饋只有能夠跟上運動員連續不間斷訓練的節奏,才能最大化地幫助運動員改進自己的動作。?2.?針對于刷冰動作,每個運動員的冰刷相對于冰壺的位置、刷冰的力量、刷冰的頻率等參數的變化,都會改變冰壺的運動參數。對這些參數的影響的細致分析,也已經超出了人類觀察和理解力的極限,急需工程界提供相應的技術手段,來提高對刷冰技術動作的認識和應用能力。

對于類似于冰壺訓練中相關參數實時獲取的問題,目前通常采用如下兩種方法來解決。第一種方法是采用運動捕捉系統。運動捕捉系統通過捕捉目標物體所具有的光、聲音、電磁波等特征信號,可以實時地獲得目標物體的位置、速度等運動參數。目前的運動捕捉系統可以大致分為機械式跟蹤系統,電磁式跟蹤系統,聲學跟蹤系統和光學式跟蹤系統。這些系統的精度、延遲、更新率、有效跟蹤范圍各不相同,其中最典型的是光學式運動捕捉系統,目前已經成功應用在從虛擬現實、體育到醫學等多種場合。但是這些系統或技術均存在時間延遲大,或者有效工作范圍小、價格昂貴、友善性差等問題,因此無法應用在冰壺運動參數獲取的場合。第二種是采用專門的多參數測試儀,主要用來獲取所關心的人體生理學(或心理學)參數、動力學參數。但是這些設備通常需要在人身體上布設各種線纜,會對運動員完成相關動作的過程產生影響,另外這些設備通常體積龐大、操作復雜,且相互之間缺乏必要的同步功能,無法進行多種數據組合分析,因此它們對于實際訓練的幫助效果非常有限。

因此,目前很需要一種能夠具備實時數據采集、現場輔助分析的冰壺運動綜合訓練支持系統,以便于教練員與運動員對于冰壺運動的重點環節進行細致深入的分析,從而加快提高運動員的技術水平。

發明內容

針對上述問題,本發明的目的是提出一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,在不同的位置通過設置不同的傳感器和無線傳輸裝置,實現對訓練當中不同數據的采集。?

本發明的目的是這樣實現的:一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,包括:

中央控制計算機:用于對冰壺運動訓練數據進行分析顯示;

無線網關:與中央控制計算機連接,用于采集冰壺運動訓練數據,并將數據傳遞至中央控制計算機;

蹬踏力節點:與無線網關無線連接,用于采集投壺手擲壺時的后蹬力數據,并將數據傳遞至無線網關;

刷冰頻率節點:與無線網關無線連接,用于采集冰壺運動員刷冰頻率數據,并將數據傳遞至無線網關;

冰壺節點:與無線網關無線連接,用于采集冰壺的運動狀態數據,并將數據傳遞至無線網關;

人體運動參數節點:與無線網關無線連接,所述人體運動參數節點包括固定在運動員身體活動部位的殼體,殼體中安裝有加速度傳感器和與之連接的無線信號發射電路,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的運動參數數據,并將數據傳遞至無線網關;

擲壺手心率節點:與無線網關無線連接,所述擲壺手心率節點是綁扎在受試者的胸部的無線心率帶,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的實時心率數據,并將數據傳遞至無線網關;

光電測速節點:與無線網關無線連接,所述光電測速節點包括光電發射源、光電接收模塊和與之連接的無線信號發射模塊,光電發射源和光電接收模塊分別設置在冰道的兩側用于采集冰壺前進的速度;?

圖像采集節點:用DV攝像機以有線方式與中央控制計算機相連,DV攝像機設置在冰道兩側及上方用于采集冰道實時圖像。

進一步,所述蹬踏力節點包括有一蹬踏斜面的起滑支架和無線信號發射裝置,無線信號發射裝置安裝在支架中,在所述蹬踏斜設有一個橫向凹槽,凹槽內固定有四棱柱體形狀的壓力傳感器,壓力傳感器的測力平臺與起滑支架的蹬踏面平行,在測力平臺上固定一片剛性的金屬踏板,所述金屬踏板的形狀與起滑支架的蹬踏斜面相同,其平面方向與蹬踏面平行,壓力傳感器的測力平臺及金屬踏板與起滑支架的其他部分不發生接觸,壓力傳感器的壓力信號與無線信號發射裝置連接。

進一步,所述刷冰頻率節點包括帶有刷柄和刷頭的冰刷,刷頭和刷柄之間設置有刷冰頻率測試裝置,所述刷冰頻率測試裝置包括有加速度傳感器和與之連接的無線信號發射電路。

進一步,所述冰壺節點包括冰壺本體,所述冰壺本體上設置有冰壺把手,所述冰壺本體和冰壺把手之間設置有一個夾層,夾層中設置有數據采集模塊,所述數據采集模塊包括稱之為陀螺儀的角速度傳感器、加速度傳感器、中央處理器、時間發生器以及一個無線傳輸電路,角速度傳感器、加速度傳感器分別通過A/D轉換電路連接至中央處理器,中央處理器與時間發生器和無線傳輸電路線連接。

進一步,所述的角速度傳感器和加速度傳感器安裝位置均處于冰壺的自轉中心軸上。

進一步,所述夾層中還設置有用于校正加速度傳感器和角速度傳感器參數變化的溫度傳感器。

進一步,所述夾層中還設置有與角速度傳感器進行互補測量的三軸磁力計,三軸磁力計的感測軸彼此正交。

本發明對現有技術的貢獻是:提供了一套完整的冰壺運動訓練的數據采集分析系統,由于采用了無線傳輸的數據傳輸方式,整體結構簡潔,以在運動員完成真實動作的同時完成測量和輔助分析,從而可以有效地集成到運動隊現場訓練的過程中。本系統可以用來對冰壺項目訓練或比賽的各方面信息進行完整記錄和現場反饋,從而為運動員相關技術的科學優化以及比賽戰術的深入分析和改進提供支持,提升各個冰壺隊的技術和戰術水平。

下面結合實施例和附圖對本發明做一詳細描述。

附圖說明

圖1?為本發明系統結構示意圖;

圖2為蹬踏力節點結構示意圖;

圖3為刷冰頻率節點結構示意圖;

圖4為冰壺節點結構示意圖;

圖5為人體運動參數節點布局示意圖;

圖6為擲壺手心率節點結構示意圖;

圖7為光電測速節點布局示意圖。

具體實施方式

一種用于冰壺運動訓練的綜合運動測量與輔助分析系統,參見圖1,所屬系統包括:

中央控制計算機1:用于對冰壺運動訓練數據進行分析顯示;

無線網關2:與中央控制計算機連接,用于采集冰壺運動訓練數據,并將數據傳遞至中央控制計算機;

蹬踏力節點3:與無線網關無線連接,用于采集投壺手擲壺時的后蹬力數據,并將數據傳遞至無線網關;

刷冰頻率節點4:與無線網關無線連接,用于采集冰壺運動員刷冰頻率數據,并將數據傳遞至無線網關;

冰壺節點5:與無線網關無線連接,用于采集冰壺的運動狀態數據,并將數據傳遞至無線網關;

人體運動參數節點6:與無線網關無線連接,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的身體狀態數據,并將數據傳遞至無線網關。

擲壺手心率節點7:與無線網關無線連接,用于采集冰壺運動員在擲壺過程中的實時心率數據,并將數據傳遞至無線網關。

光電測速節點8:與無線網關無線連接,用于冰壺在冰道上特定區間的運動參數數據,并將數據傳遞至無線網關。

圖像采集節點9:用DV攝像機以有線方式與中央控制計算機相連,用于采集各個運動員的技術動作細節視頻,以及冰壺從開始投擲直到運動停止的全過程視頻。

系統中的中央控制計算機可以由同一臺筆記本電腦擔任。為了適應冰壺現場訓練的邊訓練邊測試、訓練和測試同步進行的要求,本系統采用無線傳感器網絡技術來實現運動參數采集。無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理為一體的綜合智能信息系統,與以往的信息獲取技術相比,在組成要素、拓撲結構、設備形狀、系統功耗、網絡協議等方面均有很大不同,因此具有一系列非常突出的優點。包括:采集設備體積小、獲得信息全面、信息時效性強、傳輸距離長、系統的容錯性高、維護簡單。系統制定了運用于冰壺運動技術采集無線網絡通信協議,并依據此協議研制了無線網關,以及多種無線傳感器節點。在實際應用中,無線網關與無線傳感器節點組成一個完整的無線網絡。無線傳感器節點通過空中無線鏈路將各種運動參數信號匯聚到無線網關,以實現對各種關鍵運動參數的實時測量。

在運動參數采集中,無線網關負責無線傳感器網絡的控制和管理,實現信息的融合處理,并負責信息的進一步分發和傳輸。無線網關由控制器和無線信號收發模塊組成。無線網關的數據傳輸和運算量較大,并且可以采用外部電力作為能源供應,因此需要采用具有較強的信息處理能力和網絡功能的運算器件作為控制器,在這里是直接以便攜式筆記本電腦作為控制器。無線信號收發模塊采用Helicomm的IP-Link?1223,它通過UART接口與主控計算機進行通信。

IP-Link?1223模塊內嵌了Zigbee網絡通信協議,完整地體現了網絡層的強大功能,用它可以組成星型、動態樹型以及網狀網絡。射頻工作頻率選在2.4GHz,采用全雙工方式及直接序列擴頻技術,有16個信道;采用四相頻移鍵控(Quadrature?Phase?Shift?Keying,QPSK),抗干擾能力強,最大傳輸速率可達250kbit/s。采用的串口為3.3V?UART,即通用異步接收和發送器。

無線傳感器網絡中所存在的終端設備主要由各種傳感器以及無線發射接收模塊組成。傳感器主要由兩部分組成:一部分用于包括冰壺相對于冰道的滑行速度、加速度、角速度等冰壺運動參數的采集;另一部分用于運動員相關參數的采集:諸如擲壺手各關節運動參數、心率、蹬踏力、刷冰頻率等。傳感器對各種原始信號進行采集后,需要進行模擬信號到數字信號的轉換,這一過程要經過模擬信號發生器、A/D轉換器、電平比較器、信號處理器等設備,轉換后得到的數字信號經過無線發射模塊無線傳輸至中央控制計算機。

實施例中,如圖2所示,所述蹬踏力節點包括有一蹬踏斜面的起滑支架3-1和無線信號發射裝置,無線信號發射裝置安裝在支架中,在所述蹬踏斜面設有一個橫向凹槽3-2,凹槽內固定有四棱柱體形狀的壓力傳感器3-3,壓力傳感器的測力平臺與起滑支架的蹬踏面平行,在測力平臺上固定一片剛性的金屬踏板3-4,所述金屬踏板的形狀與起滑支架的蹬踏斜面相同,其平面方向與蹬踏面平行,壓力傳感器的測力平臺及金屬踏板與起滑支架的其他部分不發生接觸,壓力傳感器的壓力信號與無線信號發射裝置連接。圖2為無線蹬踏力節點的起滑支架實物圖,在該圖中可以看到長棱柱形的應變式壓力傳感器。除起滑支架外,無線蹬踏力節點還包括一個控制盒(未在圖中畫出),該控制盒由為輕金屬或工程塑料制成,內部裝有電路板等部件。壓力傳感器和控制盒由信號線及航空插頭相連。

實施例中,如圖3所示,所述刷冰頻率節點包括帶有刷頭4-1和刷柄4-2的冰刷,刷頭和刷柄之間設置有刷冰頻率測試裝置4-3,所述刷冰頻率測試裝置包括有加速度傳感器和無線信號發射電路。在冰壺項目中,可以通過刷冰來在一定程度內改變冰壺的運動狀態,進而延長冰壺的行進距離或控制冰壺前進路徑的彎曲程度。因此刷冰運動員的刷冰技術非常重要。在刷冰運動員的刷冰動作中,刷冰的頻率是冰壺隊需要監測的重要內容。因為刷冰的頻率越高,則被刷冰面對前進中冰壺的阻力越小,冰壺的行進距離越長,反之則冰壺的行進距離變短。本系統中由刷冰頻率節點提供刷冰頻率信息。刷冰頻率測試裝置為一個盒,外形尺寸大約是15毫米x30毫米x50毫米,外殼由輕金屬或工程塑料制成,內部安裝有控制電路板等器件。盒被固定在冰刷的刷柄上靠近刷頭的一端,并使刷冰頻率測試裝置的感測軸平行于刷冰時冰刷的運動方向。

刷冰頻率節點的工作原理為:盒內設置微型加速度傳感器,且加速度傳感器的敏感方向平行于運動員刷冰時冰刷的運動方向。在運動員刷冰過程,刷冰頻率節點針對冰刷的加速度進行不間斷的高速數據采集,采集得到的加速度數據變化曲線的正半周到負半周的一個完整周期,對應于運動員的一次完整刷冰動作。由刷冰頻率節點中的微處理器針對這樣的完整周期進行計數,然后計算該周期數對于時間的導數,則得到該冰刷的刷冰頻率。

實施例中,所述冰壺節點是一個智能冰壺,包括冰壺本體5-1,所述冰壺本體上設置有冰壺把手5-2,所述冰壺本體和冰壺把手之間設置有一個夾層5-3,夾層中設置有數據采集模塊,所述數據采集模塊包括稱之為陀螺儀的角速度傳感器、加速度傳感器、中央處理器、時間發生器以及一個無線傳輸電路,角速度傳感器和加速度傳感器分別通過A/D轉換電路連接至中央處理器,中央處理器與時間發生器和無線傳輸電路線連接。

實施例智能冰壺中所述角速度傳感器和加速度傳感器,其安裝位置均處于冰壺的自轉中心軸上。

實施例智能冰壺中所述加速度傳感器是二軸或三軸加速度傳感器,若為二軸加速度傳感器則二軸加速度傳感器的兩個軸平行于冰壺的下端面,且這兩個軸互相正交;若為三軸加速度傳感器則其中一個感測軸垂直于冰壺的下端面,另外兩個軸平行于冰壺的下端面,且三個感測軸互相正交。

實施例智能冰壺中所述角速度傳感器是單軸或三軸角速度傳感器;若為單軸角速度傳感器則其感測軸垂直于冰壺的下端面;若為三軸角速度傳感器則其中一個感測軸垂直于冰壺的下端面,另外兩個感測軸平行于冰壺的下端面,且三個感測軸應相互正交。

實施例智能冰壺所述夾層中還設置有用于校正加速度傳感器和角速度傳感器參數變化的溫度傳感器。

實施例智能冰壺所述夾層中還設置有與角速度傳感器進行互補測量的三軸磁力計,三軸磁力計的感測軸彼此正交。

實施例冰壺節點的所述夾層通過膠粘或螺栓連接的方式固定在冰壺本體上,然后以壺栓將冰壺把手、夾層及冰壺本體連接起來。夾層的外壁與數據采集模塊的電路組件之間設有橡膠墊圈和其他減震緩沖材料,這些緩沖材料用以保護前述電路組件,避免其因冰壺間的碰撞而損壞。另外在夾層內空腔表面設有絕緣覆蓋層。

下面為一個智能冰壺具體實施例,智能冰壺的尺寸及外形與通常使用的冰壺的基本相同,為一個具有內凹的上表面和下表面的橢球體。其周長約為91.44厘米,高度約為13.43厘米,重量大約為20公斤。根據實際用戶的需要,其尺寸及形狀可以在世界冰壺聯合會(ICF)規定的范圍內進行調整。

在本實施例中,智能冰壺是通過對一個原有的冰壺進行改造而得到。智能冰壺機械結構的組成部分包括壺體、手柄組件、壺栓(連接壺體與手柄的豎直方向長螺栓)和固定圓盤,其中壺體、手柄組件和壺栓為原有冰壺的組成部件,作為中間夾層的固定圓盤是專門設計制作的新器件。該固定圓盤外徑約為210毫米,其厚度約為15毫米,?材料可能為金屬、木材、工程塑料或其他堅固材料。在固定圓盤的水平上表面,被加工出一個與固定圓盤同心的圓柱形凹槽。圓柱形凹槽的下壁中央,存在一個與固定圓盤同心的通孔,用來容納壺栓。可以使用膠粘或螺栓連接的方法將固定圓盤連接到壺體上。在將固定圓盤連接到壺體上之后,再以壺栓將壺體與手柄組件固定為一體。按照上述方法得到的智能冰壺足夠堅固,可以適應冰壺比賽中的各種碰撞情況。除上述方式之外,也能夠以其他方式實現智能冰壺的機械結構,而不影響本發明的精神和范圍。

固定圓盤與手柄組件共同形成一個封閉的圓柱形空腔,該空腔中放置了作為數據采集模塊的電路組件。該電路組件上安裝了多個特定的傳感器和電子器件,用來提供如下數據:冰壺的位置隨時間而變化的情況,以及冰壺在各個時刻的溫度。電路組件可以通過膠粘或扣緊件的方式固定在空腔中。空腔的尺寸可以根據電路組件的形狀而改變,進行改變的前提是要保證固定圓盤的側壁和下壁足夠厚,以保護電路組件在和其他冰壺碰撞時免受破壞,并且能夠賦予冰壺以適宜重量。

智能冰壺的電路組件包含各種傳感器(用來收集關于冰壺的數據)和輔助電子器件,這些器件包括一個微控制器,一組存儲器(包含易失性存儲器,可以是SRAM等器件,以及非易失性存儲器,可以是Flash等器件),一組傳感器,一個電源系統,用來提供各個電子器件所需能量的9伏電池(只為說明之用,具體數值不具備實質意義),以及一個I/O通信端口。這個通信端口可以是一個無線通信端口。通過使用該通信端口,可以在冰壺運動過程中實時地將所收集到的數據傳輸到一個外部計算設備(例如一臺PC機)。

?為了確保智能冰壺內的重要數據的安全,可以通過修改程序的方式,使冰壺內的微控制器在工作中實時地將通過傳感器所收集的數據保存在非易失性存儲器中。非易失性存儲器的特征在于,即使智能冰壺因異常原因(比如系統斷電)而發生系統崩潰,其內部保存的數據也不會丟失。在訓練或比賽結束后的特定時刻,非易失性存儲器中的數據可以通過I/O端口下載到一個外部計算設備中。這個I/O端口可以是無線通信端口,也可以是一個電氣插座(例如USB插口或類似插座)。在通過電氣插座進行下載的情況中,需要以一條通信線將智能冰壺連接到外部計算設備。這種引入非易失性存儲器的方法,可以大大提高智能冰壺內重要數據的安全系數。

電路組件上的各個傳感器被連接到微控制器,以在特定的時間周期內收集冰壺的相關數據。在這一點上,可以使用各種不同傳感器,例如,由多個單軸的微機電(MEM)加速度計(或單獨的多軸加速度計)感測冰壺的運動狀態變化,由多個單軸MEM陀螺儀(或單獨的多軸陀螺儀)以及多個單軸磁力計(或單獨的多軸磁力計)提供冰壺相對于冰道坐標系的三個參考角,由一個含有熱電阻的溫度傳感器感測冰壺所處位置的溫度。

眾所周知,要將多個傳感器(加速度計、陀螺儀、磁力計、溫度傳感器)連同所需的輔助電子器件(微控制器、I/O、存儲器、電源)集成在一起是很困難的。在電路組件的設計中增加了濾波器、模擬數字轉換器(ADC)和I/O等用于支持傳感器工作的器件。電路組件的設計足夠堅固,能夠適用冰壺的比賽環境。并且電路組件可以在只消耗很少能量的條件下收集所需的數據。該設計還必須提供足夠的功能,以便為用戶提供多個工作模式(例如采集、等待,然后采集、休眠、傳輸數據等)。

微控制器(或者微處理器)為解決這個難題提供了一個良好的基礎。實施例中所使用的微處理器是Farnell?C8051F020,它具有如下的技術參數:電壓范圍:2.7V~3.6V;轉換器:12位;最高時鐘頻率:25MHz;片內RAM:4Kbyte;支持的最大外部內存:64Kbyte;支持RS232和I2C。為了收集測試數據,微控制器還連接了其他幾個部件:諸如放大器,參考電壓,DC-DC轉換器,實時時鐘,工作于2.4GHz的無線收發器,RS232接口,以及充足的SRAM。

智能冰壺的電路組件被實現為一個圓形的PCB(Printed?Circuit?Board,印制電路板)母板。在該PCB母板上布置了多個集成電路和分立的半導體器件,以及若干個獨立的小型PCB板/電路。這些小型的PCB電路包括多種傳感器電路和無線I/O電路。加速度測量使用加速度計作為感測器件,朝向角的變化速度測量使用陀螺儀作為感測器件。因為加速度計和陀螺儀采集數據的準確性隨它們在PCB板上的位置而不同,為了提高參數測量的準確性,需要使加速度測量模塊、朝向角變化速度測量模塊的安裝位置盡量靠近冰壺的自轉軸(冰壺垂直其下表面的中心線)。針對上述情況,加速度測量模塊和朝向角變化速度測量模塊各自被實現為一個獨立的小型PCB板/電路。將這兩個PCB板以捆扎或膠粘的方式分別固定在壺栓上,然后分別通過軟線的方式與PCB母板相連。冰壺相對地磁場方向的測量值的準確性與磁力計在PCB板上的安裝位置無關,因此磁力計無需靠近冰壺的自轉軸安裝,可以將磁力計芯片焊接于PCB母板上任意位置。加速度測量具備至少兩個軸的加速度測量能力。在測量三個軸的加速度數據的情況中,可以使用單獨的三軸加速度計,也可以使用三個單軸的加速度計,或者采用其他實現方式。上述各種實現方式中的三個感測軸均彼此正交,且其中一個感測軸垂直于冰壺的下表面,另外兩個感測軸平行于冰壺的下表面。如果假定冰壺在運動時,其在垂直于冰道的方向不會發生位移,則可以只測量兩個軸的加速度數據,此時可以使用單獨的二軸加速度計,也可以使用兩個單獨的加速度計。上述各種實現方式中的兩個感測軸均彼此正交,且都平行于冰壺的下表面。朝向角的變化速度測量模塊具備至少一個軸的角速度的測量能力。在測量三個軸的角速度的情況中,可以使用單獨的三軸陀螺儀,也可以使用三個獨立的單軸陀螺儀,或者采用其他實現方式。上述各種實現方式中的三個感測軸均彼此正交,且其中一個感測軸垂直于冰壺的下表面,另外兩個感測軸平行于冰壺的下表面。在假定冰壺只繞其自轉軸(冰壺垂直其下表面的中心線)發生轉動的前提下,可以只測量冰壺繞其自轉軸的角速度數據,此時只使用一個單軸陀螺儀。磁力計具備三個軸的磁場強度的感測能力,這三個感測軸彼此正交,其中一個感測軸垂直于冰壺的下表面,另外兩個感測軸平行于冰壺的下表面。此外,在能提供合適的精度的前提下,還可以使用集成的同時提供兩種數據(比如三軸加速度和三軸角速度,或者加速度和地磁場)的芯片,安裝方法就更加簡單。在上述加速度計、陀螺儀和磁力計的感測軸數不同的各種實現方式中,各傳感器的對應感測軸均平行且同向,且所有傳感器的感測中心均處于同一個平面內(至少保證加速度計的感測中心和磁力計的感測中心位于同一平面內,并使陀螺儀的感測中心盡量接近這個平面),該平面平行于冰壺的下表面,稱為感測平面。感測平面與冰壺自轉軸的交點,稱為冰壺的中心點。在每種物理參數均感測三個軸的數據的情況下(冰壺加速度需感測X、Y、Z三個維度,冰壺朝向角需感測X、Y、Z三個維度,等等),則所有感測器件(加速度計、陀螺儀和磁力計)的相應感測軸(X軸、Y軸、Z軸)分別平行并同向,共同的X軸和Y軸均位于感測平面內且彼此正交。共同的Z軸垂直于感測平面,且正方向為從冰壺的下表面指向其上表面的方向。共同的Y軸平行于冰壺的壺柄,正方向為壺柄的反方向,即從冰壺手柄的末端指向其固定端的方向。以冰壺的中心點為原點OC,建立右手直角坐標系。該坐標系的Y軸和Z軸分別與感測器件的共同的Y軸、Z軸平行且同向。由該坐標系的右手直角坐標系屬性,以及Y軸、Z軸的定義方式,可以確定X軸的正方向。其以上述方法定義的坐標系,稱為冰壺坐標系(OCXCYCZC)。以這種方式定義冰壺坐標系,是為了后續數據處理和顯示的方便。冰壺坐標系的定義方法,適用于智能冰壺的所有實現方式。理想的安裝方式是使加速度計及陀螺儀的感測中心及感測軸與冰壺坐標系完全重合。在該目標無法達到的情況下,則使加速度計和陀螺儀的Y感測軸均與冰壺坐標系的Y軸平行且同向,Z感測軸均與冰壺坐標系的Z軸平行且同向,而X感測軸完全重合且通過冰壺坐標系的原點OC,這是為了便于補償因傳感器感測中心偏離冰壺自轉軸而造成的誤差。在加速度計感測2個軸,陀螺儀感測1個軸,磁力計感測3個軸的情況下,則加速度計、磁力計的對應感測軸重合,且它們的Z軸與陀螺儀的感測軸重合。其他情況依此類推。最后,通過調整圓形PCB母板上各個元件的安裝位置,使得各個元件的質量在整個PCB母板上大致均勻地分布,且質量大的器件盡量在PCB母板的內側分布。上述措施可以使智能冰壺的轉動慣量與改造前的常規冰壺保持相同。另外可以采取其他措施,使智能冰壺的總重量盡量接近改造前的常規冰壺的總重量。通過采取上述措施,降低安裝測量器件對冰壺本身運動特性的影響。

在工作中,冰壺所受到的沖擊可以超過700G(1G=9.81m/s2)。為了保護電路組件,在智能冰壺中可能要使用緩沖器件,比如在用來固定PCB板的緊固件上增加橡膠墊圈,以及使用共形填料。這些器件都起到吸收沖擊的作用,并且它們不會損壞電子部件,也不會使采集到的數據出現惡化。為了預防電氣短路問題造成的風險,空腔的內表面以絕緣膠帶做成絕緣的覆蓋層。

實施例智能冰壺中所述夾層中還設置有用于校正加速度傳感器和角速度傳感器參數變化的溫度傳感器。

實施例智能冰壺中所述夾層中還設置有與角速度傳感器進行互補測量的三軸磁力計,三軸磁力計的感測軸彼此正交。

實施例中,所述人體運動參數節點是微型無線慣性節點,圖5示意了節點在人體運動部位的布局,6-1為人體運動參數節點包括微型鋰電池和微型電路模塊,微型電路模塊包括加速度傳感器和與之連接的無線信號發射電路,微型鋰電池和微型電路模塊安裝在一個殼體中被固定在擲壺手身體的各主要關節部位,用于采集擲壺手在擲壺過程中身體的各主要關節的運動學參數。這些運動學參數可以精確地反映擲壺手所完成的擲壺動作的完成質量,在幫助擲壺手改進動作方面有重要的現實意義。可以采集的運動學參數包括:任意時刻該特征點相對于冰道坐標系的直線運動情況(三維坐標、三維線速度、三維加速度)和角運動情況(三維朝向、三維角速度、三維角加速度)。微型無線慣性節點的工作原理為慣性航跡推算,其工作原理、功能實現方法及使用方法與冰壺節點完全相同,即節點內置微型三軸加速度計、三軸角速度計和磁力計,在工作中不間斷地采集節點自身相對于慣性坐標系的加速度、角速度以及相對于地磁場的三維朝向角,然后對這些數據進行濾波、積分、坐標轉換等操作,從而獲得相對于冰道坐標系(相當于地理坐標系)的運動學參數,這也是教練員和運動員真正關心的相關運動學參數。雖然人體運動參數節點的工作原理、功能實現方法及使用方法與冰壺節點完全相同,但因為所用器件在電路板上的安裝布局不同,并且節點最終封裝所采用的外殼不同,使得人體運動參數節點的體積和重量很小,適應安裝在人體上進行數據采集的特殊需求。在本系統中最多可以有255個微型無線慣性模塊同步工作進行數據采集。

實施例中,如圖6所示所述擲壺手心率節點是綁扎在受試者的胸部的無線心率帶。無線心率帶采用的是中國專利號為ZL2010202021527的“一種心電數據采集帶”,7-1為固定在心率帶上的傳感器和信號發射裝置,心率帶佩戴于擲壺手的胸部,用來進行擲壺手的無線心率測試。冰壺的一個重要項目特征是求穩、求準,對擲壺手的心理能力提出了更高的要求。在擲壺手的不同心理狀態下,其心率會發生特定的變化,因此通過對擲壺手進行無線心率測試,可以實時了解其心理狀態,進而還可以利用心率參數進行心理技能訓練。無線心率測試的工作原理為皮電信號處理,即借助具有專門電極的心率帶。在使用時,電極上涂覆導電膏,并將心率帶牢固綁扎在受試者的胸部,使得電極與受試者胸部的皮膚實現良好的電接觸,從而由電極能夠持續采集受試者的皮膚電位信號。該模擬電位信號經由單片機濾波處理,得出運動員的心率并進行無線上傳。

實施例中,如圖7所示,所述光電測速節點為多個,光電測速節點分別設置在冰道兩側并與無線網關無線連接,每個光電測速節點均由光電發射源8-1、光電接收模塊8-2和無線信號發射模塊組成,這些模塊共同完成分段計時功能。光電發射源和光電接收模塊分別具有半導體激光管和光電三極管。在工作狀態下,半導體激光管發射出方向性極好的紅色激光。光電接收管中的光電三極管可以感測透過其透明窗所入射的光強度。在工作中,光電發射源和光電接收模塊被放置在冰道兩側成對使用,并使光電發射源所發出的激光垂直射入光電接收模塊的光電三極管中,以使光電三極管保持在導通狀態。此后,當光電發射源與光電接收模塊之間的激光束被切斷時,則射入光電三極管的光量急劇降低,使得光電三極管變為截止狀態,光電接收模塊通過內部的時鐘電路記錄激光束切斷瞬間的時間。光電發射源和光電接收模塊用于采集冰壺在冰道上特定區間內的運動速度,并將數據傳遞至無線網關。在準備測試之前,首先將所有的光電發射源和光電接收模塊成對布置在冰道兩側,調整它們之間的朝向,使得光電發射源所發出的激光完全射入光電三極管的透明窗,并使得它們的之間的連線垂直于冰道(這里指垂直于本壘中心點和營壘中心點之間的連線)。另外,調整所有激光束的距離冰面的高度,使得冰壺的運行可以可靠地遮擋激光束。成對放置的一個光電發射源和一個光電接收模塊,形成一個計時點。兩個相鄰計時點之間的間隔,即為需要測試冰壺運行速度的區間。在正式開始測試速之前,以米尺或其他方法,分別測出每個測速區間的長度L,并輸入計算設備(PC機)。然后系統上電,所有光電測速節點以統一的全局時鐘開始計時。假設擲壺手在t0時刻擲出冰壺,此后冰壺即以特定速度向前運行。

此后,冰壺運行到第一對光電節點處,且遮擋第一條激光束。第一個光電接收節點感測到入射光量變化,并記錄當前的時刻t1。

此后,冰壺運行到第二對光電節點處,且遮擋第二條激光束。第二個光電接收節點感測到入射光量變化,并記錄當前的時刻t2。根據公式????????????????????????????????????????????????計算出冰壺的運行速度。以此方法獲得的冰壺的運行速度,實際是冰壺在該測速區間內的平均速度。

因為系統內可以存在多個光電測速節點,所以此方法可以獲得多個區間的冰壺運動速度。另外,在正確布置之后,光電測速節點測試速度的精度比冰壺節點高,因此它可以與冰壺節點一同使用,從而達到提高冰壺運動參數精度的目標。

通過專門設計光電發射源和光電接收模塊的外殼和支架,增加其放置在場地內時的穩定性。另外,可以通過增加一些自動保護電路,使得在光電發射源在姿態異常時自動關閉電源,從而達到防止激光射入場內人員眼睛的目標。

實施例中,所述圖像采集節點:用DV攝像機以有線方式與中央控制計算機相連,DV攝像機設置在冰道兩側及上方用于采集冰道實時圖像。DV攝像機用于拍攝擲壺運動員在擲壺過程中的動作細節,刷冰運動員的刷冰動作細節,以及冰壺從開始投擲直到運動停止的全過程視頻信息。DV攝像機通過IEEE1394信號線同主控計算機通信。一臺DV部署在冰道的本壘一側,實現對擲壺運動員的近距離特寫鏡頭拍攝,用于運動員擲壺動作的技術分析,另一臺攝像機營壘一側,俯視拍攝冰壺從擲壺、刷冰一直到撞擊占位的全過程,主要用于戰術分析。為了保證用于全過程拍攝的攝像機的視野,可以用支架將攝像機固定于營壘上方,或將其布置在營壘一側的觀眾看臺上。攝像機的典型參數:分辨率為640*480像素,采集頻率為25幀/秒(50場/秒)。

相對于以往的完全依靠DV攝像機的動作拍攝回放或者閉路電視系統,上述視頻快速反饋方法具備視頻畫面清晰度高和視頻檢索方便的優點。另外,攝像機的布設位置、視角及畫面遠近等可以動態調整,便于獲得當前最關心的運動環節的畫面。閉路電視系統則難以實現對監視場景的快捷更換。DV攝像機所記錄的視頻是借助于計算機進行管理,方便快速定位需要播放的視頻內容。這些特點非常適合于冰壺現場訓練的快節奏要求。

眾所周知,對于一個存在多個測量設備的系統而言,各個測量設備之間的時間同步是一個必須考慮的問題。只有做到了時間同步,才能實現不同來源的數據的組合分析,進而加深對實際變化過程的理解。本系統通過以下措施實現各測量設備的時間同步:1.?每個無線測量設備均設置了內部實時時鐘,特定無線測量設備的所有的數據采集過程均以該內部實時時鐘為基準,按一定的時間間隔進行,并且在每個采樣時刻采集到的數據,均首先被以采樣時刻附加時間戳,然后無線上傳到中央控制電腦;2.?每個無線測量設備均設置了對鐘功能。對鐘功能基于一個特定格式的外部無線信號。所有的無線測量設備均能接收并識別該無線信號,且在收到該無線信號后,無線測量設備立即將本身的實時時鐘置成零時刻。因為在本系統中各個無線設備均處于一個比較小的空間范圍內,所以無線信號到達各個無線測量設備的時間的差值足夠小(0.1毫秒以下),在完成對時之后,所有無線測量設備將以統一的時鐘運行。3.?因為普通的DV攝像機均未內建時間同步功能,所以采用單獨開發的同步信號接收裝置來實現無線測量設備和攝像機的同步。具體方法為,在每個DV攝像機的視野內,均設置一個同步信號接收裝置。該裝置可以接收并識別上述的無線同步信號,并在收到該信號的瞬間發出一個DV攝像機可以記錄在視頻中的聲光信號。在系統的實際工作中,當系統需要同步采集時,先啟動所有設備的運行(無線測量設備處于等待狀態、攝像機處于拍攝狀態),然后由計算機發出無線同步信號,所有無線測量設備瞬間開始數據采集,同時同步信號接收裝置發出聲光信號并記錄在視頻中。當數據采集過程結束后,對于所有來自于無線測量設備的數據,根據數據上附帶的時間戳進行同步,對于無線測量數據和來自DV攝像機的視頻,根據DV視頻上的聲光信號所在的時間點進行同步。根據這種方法,可以實現系統內所有設備的有效時間同步。

系統內的所有設備之間并未有任何依賴關系,這就意味著,如果用戶需要,可以只選擇系統內的一種或幾種設備進行數據采集,并對所關心的動作環節進行分析,這也大大增強了系統對實際訓練環境的適應能力。?

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