無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)在排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李尚濱，趙培禹，姜 弢

(哈爾濱工程大學(xué)體育軍事訓(xùn)練部，黑龍江哈爾濱 150001)

無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)在排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李尚濱，趙培禹，姜 弢

(哈爾濱工程大學(xué)體育軍事訓(xùn)練部，黑龍江哈爾濱 150001)

運(yùn)動(dòng)信息采集是現(xiàn)代體育科學(xué)研究中的重要技術(shù)基礎(chǔ)。概述了典型的成像式、電磁式和無(wú)線(xiàn)式運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的基本原理、工作特點(diǎn)和典型應(yīng)用。在分析射頻無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)和排球運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的排球運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論證了方案工作機(jī)理，估算了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

排球訓(xùn)練;射頻識(shí)別;數(shù)據(jù)采集;運(yùn)動(dòng)捕捉;無(wú)線(xiàn)定位

運(yùn)動(dòng)信息采集技術(shù)，或稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，是測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡的應(yīng)用理論與方法。該技術(shù)可以收集運(yùn)動(dòng)者的動(dòng)作信息，進(jìn)行量化、統(tǒng)計(jì)分析，以便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡3D虛擬現(xiàn)實(shí)建模和顯示。

此外，可以將獲得的運(yùn)動(dòng)軌跡與標(biāo)準(zhǔn)軌跡或優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作軌跡進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、動(dòng)力學(xué)、心理學(xué)等多個(gè)相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，進(jìn)行推理判斷，給出準(zhǔn)確的定性或定量分析結(jié)果，從而改進(jìn)訓(xùn)練方法，使體育訓(xùn)練更加科學(xué)、合理和高效，提高運(yùn)動(dòng)水平和成績(jī)，最終達(dá)到體育科研與訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練科學(xué)化和現(xiàn)代化。

本文首先簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)有的采集技術(shù)，對(duì)比分析了成像式、電磁式和無(wú)線(xiàn)式運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，其次提出了一個(gè)用于排球運(yùn)動(dòng)信息采集的，基于改進(jìn)的LANDMARC定位算法的設(shè)計(jì)方案，論證了采集系統(tǒng)工作機(jī)理、實(shí)現(xiàn)方法。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。根據(jù)所選用傳感器，運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)可以分為多種類(lèi)型，常見(jiàn)的是成像式和電磁式采集系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，特別是RFID技術(shù)出現(xiàn)和被廣泛應(yīng)用，為運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)提供一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)途徑，即基于射頻無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的信息采集方法。

1.1 成像式采集系統(tǒng)

成像式采集系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，采用一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)高速率、同時(shí)、連續(xù)拍攝圖像，通過(guò)圖像后處理獲取運(yùn)動(dòng)信息。常見(jiàn)的成像式采集系統(tǒng)包括美國(guó)魔神分析系統(tǒng)公司(Motion Analysis)的Eagle系列和Hawk系列視頻運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，三亞點(diǎn)創(chuàng)信息技術(shù)有限公司DVMC－8820三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，以及APAS 三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)［1－3］。

成像式采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是工作區(qū)域覆蓋范圍大，無(wú)電纜、機(jī)械裝置的限制，使用方便，可以滿(mǎn)足多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要;缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但目標(biāo)識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)計(jì)算等后處理工作量較大，對(duì)于場(chǎng)地光照、反射情況有一定要求，圖像定標(biāo)較煩瑣，特別是運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、目標(biāo)點(diǎn)被遮擋時(shí)，易產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，需要人工進(jìn)行干預(yù)和專(zhuān)業(yè)圖像分析工具。

成像式采集系統(tǒng)在技巧類(lèi)項(xiàng)目(如蹦床、板球、跳水、體操)、體能類(lèi)分道競(jìng)速項(xiàng)目(如跨欄)和小球類(lèi)項(xiàng)目(如高爾夫球、板球)等項(xiàng)目中已有成功的應(yīng)用實(shí)例，但是由于覆蓋范圍、定位精度和采集數(shù)目等信息采集量過(guò)大的原因，在團(tuán)體對(duì)抗性項(xiàng)目方面(如足球、籃球、排球、手球、曲棍球等多人分組對(duì)抗項(xiàng)目)，僅有瑞士Dartfish運(yùn)動(dòng)技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)錄像分析系統(tǒng)的成功應(yīng)用報(bào)導(dǎo)［4］。

1.2 電磁式采集系統(tǒng)

電磁式采集系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)原理，將發(fā)射源附近空間的、按照一定規(guī)律分布的電磁場(chǎng)的變化測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)線(xiàn)纜發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備，進(jìn)行解算處理，得到位置、速度和角度等運(yùn)動(dòng)信息。

常用電磁式采集系統(tǒng)如美國(guó)Ascension公司的Spacepad系統(tǒng)，荷蘭Xsens公司的MTx系統(tǒng)，美國(guó)Polhemus公司的 Patriot系統(tǒng)和 Liberty系統(tǒng)，如圖1所示［5］。

電磁式采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是信息采集的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、便于安裝，缺點(diǎn)是使用時(shí)易受其他電磁設(shè)備的干擾、作用范圍受發(fā)射源位置和強(qiáng)度的限制?？梢杂糜谖璧赣?xùn)練過(guò)程中的計(jì)算機(jī)仿真動(dòng)作分析，也可以用于射箭項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)瞄準(zhǔn)穩(wěn)定性分析與仿真訓(xùn)練，還可以用于仿真射擊類(lèi)電子游戲。

1.3 射頻無(wú)線(xiàn)定位式采集系統(tǒng)

射頻無(wú)線(xiàn)定位是通過(guò)測(cè)量接收到的多路無(wú)線(xiàn)信號(hào)，建立定位方程組，解算被測(cè)物體坐標(biāo)位置的技術(shù)。所測(cè)量參數(shù)一般包括傳輸時(shí)間，如到達(dá)時(shí)間(TOA)或到達(dá)時(shí)間差(TDOA)，幅度、相位到達(dá)角(AOA)和接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)等。典型的室外無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo，以及我國(guó)的北斗系列導(dǎo)航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)定位精度為數(shù)十米，經(jīng)過(guò)修正后精度可達(dá)到米級(jí)，如DGPS;采用載波相位測(cè)量偽距系統(tǒng)，精度可達(dá)到厘米級(jí)。顯然，在室外應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)定位運(yùn)動(dòng)信息采集，如沙灘排球、橄欖球等，可以考慮以上述系統(tǒng)為技術(shù)核心，構(gòu)建采集系統(tǒng)。

圖1 典型電磁式采集系統(tǒng)設(shè)備

UWBD由于上述系統(tǒng)在建筑物內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度較弱，一般難以進(jìn)行正常工作，室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)必須選用其他技術(shù)，如A－GPS定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)(如 Cricket Location Support System 和 ActiveBat系統(tǒng))、紅外線(xiàn)技術(shù)(如Active Badge系統(tǒng))、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)AP(Access Point)技術(shù)(如RADAR系統(tǒng))、藍(lán)牙技術(shù)和Wi－Fi技術(shù)。采用上述技術(shù)的系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到米級(jí)，但在抗干擾性、成本方面有明顯不足，不適合運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)選用［6］。

近年來(lái)，射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)在業(yè)界掀起了研究熱點(diǎn)。RFID是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽(射頻卡)、閱讀器(接收器)和兩者之間傳遞無(wú)線(xiàn)信號(hào)的微型天線(xiàn)組成［7］。具有其低成本、高精度、高實(shí)時(shí)性、傳輸范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，使之在運(yùn)動(dòng)信息采集領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

如果從定位精度、抗干擾性、采集數(shù)目、成本等方面進(jìn)行比較，本節(jié)所討論的三類(lèi)采集系統(tǒng)的對(duì)比如表1所示。

綜上所述，無(wú)線(xiàn)式系統(tǒng)在成本、使用便利性和采集數(shù)目方面具有一定優(yōu)勢(shì)，非常適合進(jìn)行集體對(duì)抗性體育項(xiàng)目的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息采集。由于精度有限，傳統(tǒng)射頻無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中難以應(yīng)用，而RFID技術(shù)的提出為解決這一問(wèn)題提供了新的解決手段。

表1 三種典型信息采集系統(tǒng)性能比較

2 LANDMARC定位算法原理及其改進(jìn)

2.1 LANDMARC 算法原理

LANDMARC算法是經(jīng)典的有源RFID的室內(nèi)定位算法，基本思想是采用額外的固定參考標(biāo)簽作為參考點(diǎn)使用，通過(guò)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值與待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值之間的比較，計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。由于閱讀器獲取到的相鄰標(biāo)簽的RSSI也是相近的，所以L(fǎng)ANDMARC算法通過(guò)比較閱讀器接收到的待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度值的大小來(lái)求得距離待定位標(biāo)簽距離最近的幾個(gè)參考標(biāo)簽，然后根據(jù)這幾個(gè)最鄰近參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，利用加權(quán)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARC方法具有較高的定位精度，可擴(kuò)展性好，能處理比較復(fù)雜的環(huán)境。

例如，對(duì)于有n個(gè)閱讀器，m個(gè)參考標(biāo)簽的情況，LANDMARC算法計(jì)算過(guò)程如下:

式中，Si為第i個(gè)閱讀器所獲得的待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度(i=1，2，3，…，n)，θt為第個(gè)閱讀器所讀取到的參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度，Ej為它們之間的歐氏距離;j=1，2，3，…，n，m是參考標(biāo)簽數(shù)，也是每個(gè)待定位標(biāo)簽的最大鄰居數(shù)。Ej越小表示它們之間的距離越近。wl表示的是第 l個(gè)鄰居的權(quán)重(l=1，2，3，…，k ＜m，k是m個(gè)歐氏距離Ej中，最小的k個(gè)鄰居)，其定義公式如下:

通過(guò)待定位標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)和理論坐標(biāo)的比較，可以算出它們之間的誤差值 e=，其中(x0，y0)表示的是待定位標(biāo)簽的實(shí)際坐標(biāo)位置;(x，y)表示待定位標(biāo)簽理論坐標(biāo)位置。

2.2 算法原理及其改進(jìn)

經(jīng)典LANDMARC算法的精度有限，如果使用4個(gè)閱讀器、16個(gè)參考標(biāo)簽和8個(gè)待定位標(biāo)簽。計(jì)算待定位標(biāo)簽實(shí)際位置和計(jì)算坐標(biāo)位置的誤差，得到的最大距離誤差為2 m，平均距離誤差為1 m［8］。顯然，此誤差水平不能滿(mǎn)足排球運(yùn)動(dòng)信息采集的要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 LANDMARC改進(jìn)算法流程圖

自由空間中接收功率與距離平方成反比，與發(fā)射功率、收發(fā)天線(xiàn)增益和電波波長(zhǎng)成正比。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)和人員活動(dòng)會(huì)引起射頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)的反射、折射和吸收等。利用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)傳播模型，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)室內(nèi)無(wú)線(xiàn)信號(hào)環(huán)境。這是經(jīng)典LANDMARC算法精度不滿(mǎn)足高精度要求的主要因素之一。為了提高精度，對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)［9］，算法流程如圖2所示。

3 排球運(yùn)動(dòng)信息采集方案設(shè)計(jì)

3.1 采集方案論證

以室內(nèi)排球?yàn)槔?，在運(yùn)動(dòng)員的手腕、肘關(guān)節(jié)、膝蓋、腰部和腳踝分別貼附RFID發(fā)射標(biāo)簽，在排球上嵌入發(fā)射標(biāo)簽，通過(guò)比賽場(chǎng)地內(nèi)的讀卡設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，然后在后臺(tái)主系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終可以得到每個(gè)運(yùn)動(dòng)員在比賽或訓(xùn)練中的實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)信息。在此基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以顯示出運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而判斷運(yùn)動(dòng)員移動(dòng)規(guī)律、對(duì)排球落點(diǎn)的預(yù)判，可以進(jìn)行輔助裁判和輔助訓(xùn)練工作。射頻無(wú)線(xiàn)定位式排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 基于射頻無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)示意圖

方案設(shè)計(jì)中需要論證的系統(tǒng)主要指標(biāo)是定位精度、采集數(shù)量、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的最大速度、作用距離等。

對(duì)12位參賽隊(duì)員進(jìn)行信息采集，每位運(yùn)動(dòng)員身上貼附9個(gè)標(biāo)簽的話(huà)，共108個(gè)標(biāo)簽，這樣就要求電子標(biāo)簽識(shí)別能力大于108。假定運(yùn)動(dòng)員發(fā)球的最高速度為30m/s，則要求電子標(biāo)簽具的響應(yīng)時(shí)間足夠快，至少具有識(shí)別速度30 m/s運(yùn)動(dòng)物體的能力。排球直徑為0.21 m左右，為滿(mǎn)足定位信息捕獲需要，且不增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度，不妨要求定位偏差不大于1.5倍排球直徑，即0.3 m左右。

排球場(chǎng)地為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)18 m，寬9m。邊線(xiàn)外無(wú)障礙區(qū)至少5 m寬，兩端線(xiàn)外至少8 m，上空無(wú)障礙區(qū)至少12.5 m。運(yùn)動(dòng)員身上貼附的電子標(biāo)簽和讀卡器之間的通信能力決定了系統(tǒng)識(shí)別距離，即在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地四周安裝的讀卡器裝置必須有能力與所有電子標(biāo)簽之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。如果運(yùn)動(dòng)員位于排球場(chǎng)地的中間位置，要求讀卡器具有不小于12.5m的識(shí)別作用距離。除此之外，還需要考慮設(shè)備的使用壽命，抗干擾等問(wèn)題，使讀卡器設(shè)備在一定距離內(nèi)不要互相干擾出現(xiàn)誤差。

根據(jù)上述指標(biāo)，可以選擇CC2500、CC2431有源RFID模塊為電子標(biāo)簽，該模塊不僅可以讀取標(biāo)簽內(nèi)的ID號(hào)等各類(lèi)信息，而且還可以根據(jù)所接收到的某標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)的強(qiáng)度(RSSI)值來(lái)判斷該標(biāo)簽到探頭的距離，其特性滿(mǎn)足排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)指標(biāo)要求。

3.2 算法仿真及分析

排球場(chǎng)地中間橫劃一條線(xiàn)把球場(chǎng)分為相等的兩個(gè)場(chǎng)區(qū)，即每個(gè)場(chǎng)區(qū)為長(zhǎng)度為9m的正方形。每個(gè)場(chǎng)區(qū)放置4個(gè)RFID讀寫(xiě)器，20個(gè)參考標(biāo)簽，7個(gè)待定位標(biāo)簽(6名隊(duì)員與1個(gè)球)。仿真結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可知，LANDMARC算法在改進(jìn)前的平均誤差為1.56m，改進(jìn)后的平均誤差為0.32m，能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)精度的要求。

圖4 經(jīng)典LANDMARC算法與改進(jìn)算法仿真誤差對(duì)比

4 結(jié)論

采用射頻無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的排球運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、作用范圍廣、采集數(shù)目多、功耗、抗干擾、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，將在體育比賽和訓(xùn)練中起到重要的推動(dòng)作用。另外，將多種定位測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，如RFID定位技術(shù)與超聲波定位技術(shù)相結(jié)合，利用RFID的唯一標(biāo)識(shí)特性和超聲波的精確定位特性構(gòu)建射頻觸發(fā)與超聲波定位系統(tǒng)，若應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，且具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低、精度高、容錯(cuò)性能好、標(biāo)簽體積小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)在于易受環(huán)境溫度變化的影響，而且作用范圍為3～10 m［10］。另外，RFID與計(jì)算機(jī)視覺(jué)配合進(jìn)行精確定位，可以達(dá)到比較理想的信息采集效果，這也是從事數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的體育科研工作者的努力方向之一。

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App lication of W ireless Location Technique in Volleyball Sports Information Acquisition System

LIShang－bin，ZHAO Pei－yu，JIANG Tao

(Department of Sports＆ Military Training，Harbin Engineering University，Harbin，150001，China)

Motion capture is one of the key supporting techniques inmodern sports scientific research.It introduced the rationales，features and typical application of optical imaging loaction，electromagnetic location and radio location for sports data acquisition system.On the base of analysis of radio location technique and volleyball sports characteristics，it presented a design of real time volleyball sports data acquisition system.The operation mechanism，key parameters’calculation and solution of implement are all presented in this paper.

volleyball training;RFID;data acquisition;motion capture;radio location

G842

A

1007－323X(2011)03－0090－04

2011－02－15

李尚濱(1971－)，男，黑龍江人，副教授，碩士

研究方向:體育教育及體育工程學(xué)

哈爾濱工程大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助。編號(hào):HEUCF101602