多傳感器并用在體育訓練上的應用

摘 要：劃船動作瞬間完成，運動員的素質的優(yōu)劣很難憑肉眼判斷，尤其是船槳的用力能力判斷，更是無從談起。隨著當今社會進入信息化時代，運動訓練中引入數(shù)字技術，使瞬間完成的動作數(shù)字化，使抽象的運動素質得到量化細化。利用加速度傳感器、壓力傳感器，就能準確的測出劃船運動員船槳滑行能力，從而達到選人和訓練的目的。

關鍵詞：劃船；船槳；信息技術；數(shù)字化船槳；無線傳感器

中圖分類號：TP212.1

1 設備研究目標

劃船運動路程長，變化多，運動員的船槳滑行能力很難給出準確的判斷。隨著各種數(shù)字化傳感器的到來，臂力能力數(shù)字化也逐步成為現(xiàn)實。例如把劃船運動員的每一個船槳動作都記錄下來，每一次劃水的力量大小、劃水頻率、劃水時間等數(shù)據(jù)記錄下來，實時顯示給教練員、運動員查看。這些數(shù)據(jù)還可以事后分析，數(shù)據(jù)也可以與他人比對等等。船槳的劃水能力就有了量化指標。就可以準確知道運動員的劃水能力，找出更有針對性的訓練方法，也更有利于選拔新人。

2 實驗過程及設備構成

設備分兩部分構成，一部分是船槳上的加速度傳感器、拉壓力傳感器；第二部分是教練員一側的軟件及無線接收器設備。數(shù)據(jù)可以通過USB卡和無線傳輸兩種方式傳給教練。我們是選用USB卡存儲數(shù)據(jù)。無線傳輸也很容易解決，只要追加一個無線發(fā)射和接受設備即可解決，此項技術市場上已經非常成熟。

2.1 教練員一側。為了能更加容易觀察、理解數(shù)據(jù)，我們給出這些數(shù)據(jù)的曲線圖形，曲線繪制軟件是我們自己使用VBA開發(fā)的軟件工具，既可以輸出曲線，也可以輸出視頻?？梢赃m用多種傳感器曲線。

數(shù)據(jù)都是以TXT文件格式存儲，曲線顯示時都是XLS文件格式。全部數(shù)據(jù)采樣頻率都是每秒128次，以便于不同傳感器數(shù)據(jù)比對使用。

船槳前端包括加速度傳感器、壓力傳感器、A/D轉換器顯示器、單片機、無線數(shù)據(jù)發(fā)射器、數(shù)據(jù)存儲器和電源等。

2.2 船槳一側的傳感器介紹。船槳一側使用了兩種傳感器，加速度傳感器和壓力傳感器。

圖1

（1）加速度傳感器。三維加速度可以準確測量船槳在X、Y、Z三個軸方向的速度變化。我們選用的是慣性傳感器ADXL345，它比較適合人體測量。系統(tǒng)由微控制器ADuC7024和數(shù)字加速度計ADXL345配合使用，并配有電源等部分。設備總體是火柴盒大小，重量是幾十克。不會影響運動員的劃船動作。采樣頻率設為128次每秒，加速度最高設為±2g。

加速度傳感器固定于船槳背部正中，已取得平均加速度數(shù)值。船槳的每一個動作，設備都會將它的三維加速度數(shù)據(jù)記錄于USB卡中。記錄船槳X軸的加速度數(shù)據(jù)（船前進方向），只取X軸即可。

（2）壓力傳感器。船體速度，取決于前行方向的力的大小以及使用頻率。這樣，測量前行方向的力就極為重要。為了測量前行方向的力，我們設計了一款能夠測量前行方向力的船槳，專門用來測量前行方向的力數(shù)據(jù)，這套裝置已經申請了國家專利。

船槳的正面分布幾個壓力（壓強）傳感器，它可以測量出每一時刻船槳所受的不同的水流壓力P數(shù)值。由于船槳面積R固定，因此，通過計算，就可以知道船槳每一時刻產生的力量大小F。力的公式：F=PR。

船槳配置壓力傳感器，并且配有處理芯片、A/D轉換器、顯示器、單片機、數(shù)據(jù)存儲器、和電源等。

運動員每滑動一次船槳，設備就會把滑動的全過程的每一時刻壓力數(shù)值，都會以每秒128次頻率記錄下來。

3 數(shù)據(jù)意義

3.1 加速度傳感器數(shù)據(jù)及分析。船槳的加速度傳感器：它可以測量出船槳一起一落的加速度變化。數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 三維加速度數(shù)據(jù)樣例

曲線如圖2：此數(shù)據(jù)X軸數(shù)據(jù).共7次劃槳的數(shù)據(jù)樣例。

圖2 船槳三維加速度數(shù)據(jù)曲線（X軸，前行方向）

這些數(shù)據(jù)。是計算運動員做功的必不可少的數(shù)據(jù)。

3.2 壓力傳感器數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)意義分析。前提條件是：假設水為靜止狀態(tài)。即使是在實際測試中，水的流速與船槳速度相比，也可以忽略不計。

船槳的壓力數(shù)據(jù)的曲線如下：

圖3 船槳全程壓力曲線截取

通過全程壓力曲線，可以很好地反映出一名運動員的全程的體力情況，力量及耐力情況一目了然。也可以分析出全程的頻率分布，以及戰(zhàn)術是否合理等等。

但是，僅憑全程曲線，并不能發(fā)現(xiàn)一名運動員的劃槳動作的詳細優(yōu)缺點，劃槳有效行程是否足夠，一次滑行中用力是否均勻有效，是否有先強后弱、或先弱后強的缺點，滑行與空中的時間配比是否合理等等。因此，我們可以查看不同階段的單步曲線。通過單步曲線，就可以看出運動員每一時刻的劃船用力大小，用力的形態(tài)，用力是否均勻，劃水和騰空時間等。

圖4 船槳單步壓力曲線

劃槳壓力曲線，可以很好地發(fā)現(xiàn)運動員的優(yōu)缺點，從而制定有針對性的訓練計劃，提高訓練效率。不但可以指導訓練，也能為選拔人才提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 做功計算

船槳的做功是變力做功，一般很難計算。因為使用了多傳感器并用，就可以通過積分的方法，計算出運動員每一次劃槳所做的功，更可以計算出全程做功多少。這樣，通過做功數(shù)據(jù)，就更容易理解數(shù)據(jù)，也更容易為訓練和選人提供參考。下面我們將給出劃槳的功的計算方法。

圖5 船槳單步壓力-加速度對比曲線

根據(jù)動能公式：Ek= ；

W=Ek2-Ek1=△Ek=F△S，公式中W為功，F(xiàn)為力，S為位移。

本例中F=PR，F(xiàn)為船槳的力，P為船槳表面受到的壓力，R為船槳的表面積。

并且，Sn=ant2（推到略）。

因此，功的計算方法是：Wn=FnSn=PnRant2。

全程總功是： ；（m≥n≥0）。

對于傳感器數(shù)據(jù)來說，Pn、an數(shù)據(jù)輕而易舉就可以得到，R是面積常數(shù)，t是1/128秒。

公式結論分析：做功的大小，就是動能的多少，直接影響船體速度。船槳的面積、滑行速度以及滑水的時間都與做功直接正相關；但是，船槳的面積R，與船槳所受的壓力及加速度有成負相關。

5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)都記錄下來，并且可以得出劃槳頻率、劃槳平均力度力量、劃槳平均時間、船槳平均騰空時間、雙臂用力是否均衡等，還可以計算出平均劃槳移動距離，平均滑行距離等。事后也可以根據(jù)運動員體重，測量出其劃槳力度與體重比率，能看出劃槳力度的優(yōu)劣；也可以根據(jù)運動員身高，測量出劃槳時間、船槳騰空時間是否合理，劃槳和滑行的距離與身高配比是否合理等。我們把加速度和壓力傳感器的所有數(shù)據(jù)加工整理后，全部實時顯示在教練員的顯示屏上，各項指標一目了然。

可以根據(jù)運動員的做功情況，檢測出動員的體力情況、耐力如何，也可以看出全程戰(zhàn)術是否合理。做功數(shù)據(jù)最直觀，最方便使用。

6 系統(tǒng)的應用結果

此系統(tǒng)有兩大應用，一是運動員選材，二是運動員訓練。

通過這個系統(tǒng)的使用，馬上就可以知道被測人的基本數(shù)據(jù)，運動員的穩(wěn)定性、耐力、協(xié)調等一目了然，很容易分析、比較，選拔出優(yōu)秀的劃船運動員。

今天，還會把它在其它項目上的應用介紹給大家，如自行車訓練、皮劃艇訓練、龍舟等等，如有不足之處，請大家指導。

參考文獻：

[1]梁欣榮.壓力傳感器及其應用[J].國外電子元器件，2001（09）：69-70.

[2]王沖，施玉霞，陸熊.基于加速度傳感器的無線人體動作測量設備[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（08）：95-98.

[3]梁欣榮.壓力傳感器及其應用[J].國外電子元器件，2001（09）：69-70.

[4]孫新香.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術的研究與應用[D].上海交通大學，2008（10）.

作者簡介：張銳明（1964.09-），男，黑龍江人，科長，高級工程師，學士學位，研究方向：信息技術。

作者單位：哈爾濱體育學院，哈爾濱 150008

注：作者的《三維加速度傳感器在舉重上的應用》已經獲得國家實用新型專利，已獲專利號：ZL 2014 2 0093943.9；《一種能夠測量足部水平用力的跑鞋》也申請了發(fā)明專利和實用新型專利，待批。