基于北斗智能手環(huán)的足球訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

駱舒蕾,馮毅,汪師印

(南京工業(yè)大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211816)

0 引 言

近年來,國家高度重視足球的發(fā)展,振興足球是中國成為體育強國的重要一步.中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)可為用戶實時提供高精度定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)和短報文通信功能[1].現(xiàn)階段我國足球訓(xùn)練過程中還存在諸多弊端,如體能訓(xùn)練、基本功訓(xùn)練、賽場狀況監(jiān)控等,由于缺乏系統(tǒng)的組織與協(xié)調(diào),導(dǎo)致訓(xùn)練效果不佳.目前,雖有很多專家對足球訓(xùn)練存在的問題進(jìn)行分析,并提出解決方案,但利用BDS輔助足球訓(xùn)練尚不多見.

基于我國“足球強國”戰(zhàn)略的實施和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的良好態(tài)勢,本文設(shè)計一種基于北斗智能手環(huán)的足球訓(xùn)練系統(tǒng).足球教練可根據(jù)北斗智能手環(huán)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實時在線監(jiān)控運動員訓(xùn)練和比賽狀態(tài),可有效避免意外發(fā)生.運動員可利用手環(huán)記錄的數(shù)據(jù),對自身訓(xùn)練強度有較為客觀的認(rèn)識,了解自身動作的標(biāo)準(zhǔn)性,認(rèn)識不足并改正,以便達(dá)到最佳訓(xùn)練效果.此外,還可對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.通過數(shù)據(jù)處理與分析,可以評估運動員體能和訓(xùn)練成果、制定專項訓(xùn)練計劃、并對比賽進(jìn)行軌跡回放以及運動員賽場狀態(tài)分析,以便進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)調(diào)整和訓(xùn)練方案改良等.

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架

以北斗智能手環(huán)為載體開展足球訓(xùn)練.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示終端三大部分.北斗智能手環(huán)所獲取的位置、心率和血壓等和北斗基站采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]控制中心,在指揮控制中心完成數(shù)據(jù)解算;數(shù)據(jù)分析終端分為Web客戶端和手機客戶端兩部分,可對指揮控制中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問并處理分析、評估訓(xùn)練效果,從而對訓(xùn)練中的優(yōu)缺點有客觀的認(rèn)識,提高訓(xùn)練的科學(xué)性.教練可根據(jù)Web客戶端整合處理的各種信息實現(xiàn)對運動員訓(xùn)練狀況的實時監(jiān)控,并給出專業(yè)意見.利用3D視頻技術(shù)可制作出展現(xiàn)真實場景的3D教程,運動員通過多視角觀看教程,領(lǐng)悟動作要領(lǐng),提高訓(xùn)練效率.在缺乏教練的情況下,運動員可利用手機客戶端維持訓(xùn)練進(jìn)度,通過北斗智能手環(huán)來檢測訓(xùn)練動作的正確性,進(jìn)行專業(yè)的基本功訓(xùn)練.同時,Web客戶端與手機客戶端可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信,實現(xiàn)教練與運動員的實時通信.

1.2 系統(tǒng)總體功能

教練和運動員是整個系統(tǒng)的主要使用者,運動員可以查看個人的相關(guān)信息,教練可以查看所管理的運動員的所有信息,并且能夠進(jìn)行相互通信.該系統(tǒng)的功能設(shè)計和模塊設(shè)計主要從教練的角度出發(fā).

1)高精度實時定位

對運動員進(jìn)行高精度實時定位,并可將運動員的速度及位置等信息在電子地圖上顯示.

2)體能監(jiān)測與預(yù)警信息

著重檢測運動員平時訓(xùn)練過程中的心率、血壓,在跑圈過程中可以通過一定的公式計算出運動員的跑圈距離和時間,從而對運動員的體能進(jìn)行評估.通過對運動員的多組數(shù)據(jù)的對比分析,估計各運動員適宜的運動強度,防止發(fā)生意外.一旦顯示運動員狀態(tài)接近最大強度值,該系統(tǒng)及時發(fā)出警報.

3)數(shù)據(jù)采集、處理及管理

北斗智能手環(huán)可將運動員的各項檢測實時傳輸給數(shù)據(jù)分析終端,實現(xiàn)對運動員監(jiān)測信息的收集、存儲、分析.教練員可利用Web客戶端對所需的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取顯示,運動員通過登陸手機客戶端調(diào)取個人的相關(guān)信息.

4)基本動作訓(xùn)練

顛球、帶球、停球、射門等都是足球運動員所必須熟練掌握的基本動作[2].通過事先制作好的3D教程,運動員可根據(jù)自身情況多角度的觀看動作要領(lǐng).掌握動作的關(guān)鍵在于領(lǐng)悟要領(lǐng),擁有好的基本動作有利于控制比賽的節(jié)奏和抓住進(jìn)攻機會,從而增加比賽取勝的機率.如停球的方法有很多種,通常運動員選擇的停球處理與最佳的停球處理存在一定差距,通過系統(tǒng)的專項訓(xùn)練可以加深運動員的“肌肉反應(yīng)”,對停球做出最佳的判斷.該系統(tǒng)會有較為全面的基本動作訓(xùn)練模塊.

5)訓(xùn)練成果的評估

該北斗智能手表可以系統(tǒng)的整合所有運動員的訓(xùn)練狀況,便于教練實時掌握每位運動員的訓(xùn)練狀況,并對每位運動員的訓(xùn)練成效進(jìn)行評估.

6)比賽的軌跡回放

通過比賽的軌跡回放功能,可以獲得各個運動員的在賽場上各個時刻的瞬時速度等信息,教練可以據(jù)此分析每個運動員的薄弱點,以及整個球隊?wèi)?zhàn)術(shù)上的優(yōu)缺點和球員間的配合度,及時調(diào)整訓(xùn)練方案,從而提高球隊的綜合競爭力.

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

北斗智能手環(huán)主要由五部分組成,分別是微控制單元(MCU)、北斗定位模塊、電源模塊、通信模塊、傳感器模塊[3].其中,MCU由ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)傳輸信號接口組成,具有數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)裙δ?北斗定位模塊主要利用北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)對運動員進(jìn)行實時高精度定位;電源模塊是對手環(huán)的軟硬件進(jìn)行電力供應(yīng);通信模塊主要采用藍(lán)牙方式;傳感器模塊主要由心率傳感器和六軸加速度傳感器組成,可以監(jiān)測并采集心率、血壓、加速度和瞬時速度等[4].系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

2.1 心率傳感器

目前,心率測量主要有三種方法:一是從心電信號中提取;二是計算壓力傳感器在血壓量測中的波動變化;三是光電容積法[5].前兩種心率測量方法不僅限制使用者的活動范圍,而且長時間使用會使使用者生理、心理上出現(xiàn)強烈的不適感.光電容積法因為其便于操作以及高穩(wěn)定性,成為現(xiàn)階段心率測量最普遍的方法之一.

光電容積法心率測量原理是:人體血管搏動時組織細(xì)胞的透光率是變化的.當(dāng)人體外部血管有光束透過時,充血容積會因動脈搏動而改變,從而改變光束的透光率,光束接觸到人體組織會發(fā)生反射,反射光線經(jīng)光電變換器處理為電信號,并在這個過程中進(jìn)行一定程度的放大并輸出.隨著心臟的搏動，人體脈搏會呈現(xiàn)周期性變化,所以動脈血管的充血容積的變化也呈現(xiàn)出周期性.綜上所述,心率可用脈搏率來表示,它就是光電信號的變化周期[6].

2.2 六軸加速度傳感器

對運動員的動作進(jìn)行實時提取與分析可利用六軸加速度傳感器來實現(xiàn).六軸加速度傳感器可以采集三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)[7].其中,經(jīng)過低通濾波處理,三軸加速度還可進(jìn)行分解,實現(xiàn)三軸重力加速度和三軸線性加速度的采集.這樣,運動員的每種基本動作便可得到9組特征數(shù)據(jù),繼而實現(xiàn)對更多訓(xùn)練動作的識別.

2.3 北斗差分定位模塊

BDS空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成,包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星,這些衛(wèi)星以固定的軌道圍繞地球做周期性運轉(zhuǎn)[8].采用單點定位的方法,理論上只需3顆衛(wèi)星即可.然而,為了求解接收機鐘差需要引入第4顆衛(wèi)星,構(gòu)造時間參數(shù),才能解算出觀測點高精度的三維坐標(biāo).為了提高定位精度,可增加一個北斗基站,智能手環(huán)和基準(zhǔn)站接收的觀測數(shù)據(jù)均發(fā)送到指揮控制中心,由指揮控制中心完成差分計算,生成用戶的高精度差分定位結(jié)果,并保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 體能訓(xùn)練

體能是反映運動員的競技能力的一個重要參數(shù),體能在足球運動中更是發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[9].良好的體能訓(xùn)練關(guān)乎足球訓(xùn)練質(zhì)量的好壞.足球訓(xùn)練的六種基本形式分別是沖刺跑、中速跑、慢跑、走動、后退、帶球跑.足球運動員的間歇時間和運動時間因這六種基本形式運動的交替出現(xiàn)會產(chǎn)生差異.體能訓(xùn)練一般分為耐力訓(xùn)練和速度訓(xùn)練,沖刺跑、變速跑和短距離的啟動跑等與速度密切相關(guān)的訓(xùn)練屬于速度訓(xùn)練的范疇.北斗智能手環(huán)可以利用北斗系統(tǒng)提供的導(dǎo)航定位、授時、短報文功能記錄各個時間段的運動時間、跑動距離和速度并對運動員的速度訓(xùn)練情況進(jìn)行評估.耐力訓(xùn)練是在達(dá)到距離要求的基礎(chǔ)上,通過加強耐力值來實現(xiàn).運動員的心率變化可以反映運動員的耐力訓(xùn)練強度,因此可以利用心率參數(shù)來控制耐力訓(xùn)練強度[10].

3.2 動作識別及計數(shù)

通過識別運動員的動作,分析其與標(biāo)準(zhǔn)動作的相似度,來評價運動員動作是否標(biāo)準(zhǔn).建立各個標(biāo)準(zhǔn)動作數(shù)據(jù)庫,將各個標(biāo)準(zhǔn)動作的九組特征數(shù)據(jù)錄入動作數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),并通過大量的樣本分析,設(shè)置各個動作的閾值.通過特定算法對六軸傳感器所采集的運動員的動作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并將分析所得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中提前建立好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對,來判定相應(yīng)動作的標(biāo)準(zhǔn)度,并實時做好記錄工作.

第一個判斷條件所涉及的閾值是進(jìn)入計數(shù)判斷,通過進(jìn)行多組實驗,測試不同動作.當(dāng)傳感器的采集值經(jīng)分析處理后得到的九組數(shù)據(jù)都滿足閾值時,說明該運動員的動作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)程度,此時計數(shù)加一.若不滿足以上要求,系統(tǒng)會重新回到數(shù)據(jù)采集步驟.該算法流程圖如圖3[11]所示.

3.3 賽況回放與評估

利用BDS終端接收機實時收集各個運動員的比賽數(shù)據(jù),并將其導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)(GIS)中,經(jīng)過分析整合,可在系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)多時段軌跡回放.教練員可回放任意運動員在比賽中的任意時間段的軌跡,并在地圖上加以展示,同時配備快進(jìn)、快退、播放、暫停、拖拽、倍速等功能控制軌跡播放速度,同時配合可視化的速度曲線.

比賽結(jié)束后,及時生成運動員在比賽中的移動距離、運動時間、移動次數(shù)、最大加速度、平均速度、心率和血壓等比賽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表,方便教練更好地了解運動員的比賽狀態(tài)與各項生理參數(shù),同時所有報表數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出形成各種報表文件.

4 終端設(shè)計及功能實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)分析終端

數(shù)據(jù)分析終端可訪問處理分析指揮控制中心的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)分析終端所獲取的數(shù)據(jù)量大、訪問量大,計算強度也比較大.數(shù)據(jù)分析終端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)記錄著各個運動員的信息以及足球教學(xué)涉及的足球基本動作參數(shù).網(wǎng)絡(luò)將多臺服務(wù)器進(jìn)行連接形成一個服務(wù)器集群,可對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理.該系統(tǒng)包括主服務(wù)器和地圖服務(wù)器兩組服務(wù)器.主服務(wù)器可對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和存儲.地圖服務(wù)器主要是將主服務(wù)器解析出的運動員的實時位置形成軌跡圖.

4.2 Web客戶端

Web客戶端框架如圖4所示.與一般軟件相比,Web客戶端作為一種動態(tài)頁面技術(shù)的客戶端軟件,在服務(wù)器一端進(jìn)行軟件更新便可完成所有數(shù)據(jù)的更新,減少了數(shù)據(jù)更新操作,降低了應(yīng)用軟件的部署難度.教練員可在瀏覽器上通過用戶名和密碼登錄Web客戶端,在Web客戶端實時回放軌跡圖，了解各個運動員的狀況,對運動員的優(yōu)缺點有比較客觀的認(rèn)識,從而及時指出運動員的不足同時發(fā)揮其優(yōu)勢.Web端的主要功能有:運動員基本信息管理模塊、基本訓(xùn)練動作模塊、體能訓(xùn)練模塊、健康指數(shù)模塊、訓(xùn)練總評估模塊以及比賽記錄及回放模塊.

4.3 手機客戶端

手機客戶端是可以在手機上運行的軟件.智能手機攜帶方便,更加注重用戶體驗,因此可以通過市場調(diào)研,了解用戶需求與喜好,將實現(xiàn)用戶良好的體驗感作為設(shè)計功能界面的第一要旨,更好地設(shè)計出手機APP的界面和模式等.運動員通過注冊并登陸手機APP可以進(jìn)行基本動作的3D教程學(xué)習(xí),通過北斗智能手環(huán)可判斷動作的正確性,讓運動員客觀地掌握自己的訓(xùn)練情況.此外,在手機APP上也可以顯示北斗智能手環(huán)所檢測的心率和血壓等生理參數(shù),運動員可依據(jù)相關(guān)的體能訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行適宜強度的體能訓(xùn)練.本系統(tǒng)旨在通過科學(xué)、先進(jìn)和智能化的設(shè)計最大程度地滿足教練員的訓(xùn)練需求.

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于北斗智能手環(huán)的足球訓(xùn)練系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)訓(xùn)練的很多弊端,提高了訓(xùn)練的效率和科學(xué)性.3D基礎(chǔ)動作教學(xué)能使運動員多角度觀察動作要領(lǐng),利用北斗智能手環(huán)采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析終端的整合能對動作進(jìn)行有效評判,實用度較高,進(jìn)一步深化基于北斗智能手環(huán)的體育訓(xùn)練系統(tǒng)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值.