三軸加速度傳感器系統(tǒng)在運動技術(shù)分析領域的研究與應用

朱 明

（黑龍江省體育科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

三軸加速度傳感器系統(tǒng)在運動技術(shù)分析領域的研究與應用

朱 明

（黑龍江省體育科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150008）

摘 要：為滿足在運動訓練過程中的人體三維空間技術(shù)特征研究的需要，開發(fā)一套三軸向加速度傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分組成，其中下位機部分由加速度傳感器、傳感器拾取單元、數(shù)據(jù)處理單元、電源監(jiān)測與保護單元和無線傳輸單元組成，上位機部分由數(shù)據(jù)采集和分析軟件組成。該系統(tǒng)具有四通道同步采集功能，結(jié)合同步視頻，可對運動員的肢體關(guān)節(jié)、比賽訓練器械等技術(shù)組成要素進行運動學和動力學參數(shù)進行實時采集與分析。以體育訓練中常用的杠鈴深蹲訓練為實驗性應用領域，對速滑和舉重兩種項目的杠鈴深蹲訓練進行技術(shù)分析，通過對三軸加速度傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，找出不同項目間杠鈴深蹲動作技術(shù)的特征與差異，為今后深入開展加速度傳感器系統(tǒng)的開發(fā)與相關(guān)應用提供研究基礎。

關(guān)鍵詞：運動技術(shù)；三軸向加速度傳感器；杠鈴深蹲

在傳統(tǒng)運動技術(shù)分析領域，對標記點的運動學參數(shù)的獲取通常采用視頻解析法，即采用一臺或者兩臺以上的攝像機，運用二維或三維圖像解析的方法進行采集，這種方法的不足之處：一臺攝像機通常采用垂直于運動軌跡曲線的拍攝方法，而現(xiàn)實的人體運動軌跡往往是不規(guī)則的，加之攝像機的投影原理會導致一定程度的形變，導致該方法誤差較大；三維視頻解析過程較為復雜，人工標記法需要逐幀確定標記點的位置，分析過程長，結(jié)果反饋慢，自動標記法通常僅滿足特定或者簡單的視頻場景或技術(shù)動作，超出軟件算法設計范圍的會出現(xiàn)較大誤差甚至錯誤[1]。另一種運動學參數(shù)采集方法是通過傳感器測量獲得的，傳感器系統(tǒng)作為一種重要的工具已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等領域，相關(guān)領域的技術(shù)與應用方法已經(jīng)十分成熟，完全可以應用于體育科學的相關(guān)研究領域[2]?；谏鲜鲂枨螅x用三軸加速度傳感器作為運動技術(shù)分析的重要工具，并對相關(guān)設備進行設計和開發(fā)，使其滿足人體運動研究的需要。本項目的研究對象為速度滑冰和舉重兩個項目的杠鈴訓練，通過本項目所開發(fā)的三軸加速度傳感器系統(tǒng)對兩個項目的杠鈴深蹲訓練進行研究，同時結(jié)合專項訓練特點，發(fā)現(xiàn)并分析兩者間的技術(shù)動作特征差異，為探索三軸向加速度傳感器在運動技術(shù)分析領域的應用方法提供研究基礎。

1 研究內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)下位機的設計與實現(xiàn)

傳感器系統(tǒng)下位機部分主要用于采集運動過程中的三軸加速度數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)運行中樞。系統(tǒng)下位機[3]主要完成以下功能：檢測并采集傳感器信號；傳感器信號的轉(zhuǎn)換與處理；聚合物鋰電池充放電保護；聚合物鋰電池電量監(jiān)測；通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒓铀俣?、電池信息發(fā)送給上位機。

1.2 系統(tǒng)上位機的設計與實現(xiàn)

依據(jù)下位機數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，基于微軟公司最新的.Net應用程序開發(fā)平臺，開發(fā)一套集數(shù)據(jù)接收、處理、分析和輸出等功能于一體的上位機程序軟件，系統(tǒng)軟件可實時監(jiān)控、控制下位機數(shù)據(jù)的采集信息，自動生成多平面及合方向計算分析數(shù)據(jù)，提供多種數(shù)據(jù)分析方案，同時檢測下位機電量信息，為杠鈴深蹲技術(shù)動作研究提供有力工具。

1.3 系統(tǒng)整體整合與調(diào)試

根據(jù)下位機與上位機的串口通訊協(xié)議以及數(shù)據(jù)包發(fā)送規(guī)范進行對接調(diào)試，對無線傳輸功能中的數(shù)據(jù)收發(fā)速率、距離等性能參數(shù)進行極限測試[4]，確定系統(tǒng)各部分的最終性能，并對測試過程中出現(xiàn)的問題進行修改完善，確保系統(tǒng)在設計范圍內(nèi)的正常運行。

1.4 利用加速度傳感器對杠鈴深蹲技術(shù)的動作特征進行研究

根據(jù)杠鈴深蹲訓練的特點，通過三軸加速度傳感器的采集方法，結(jié)合不同競賽項目的技戰(zhàn)術(shù)特點，按照動作實施過程中功率輸出評價方法，對其杠鈴深蹲技術(shù)動作特征進行研究，并且依據(jù)實際研究應用情況對系統(tǒng)整體的設計結(jié)構(gòu)、采集與分析算法等進行優(yōu)化改進。

2 研究過程

2.1 下位機設計

2.1.1 功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件電路設計為六個模塊部分，分別由加速度傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊、電源管理模塊、聚合物鋰電池電量監(jiān)測模塊及主控芯片構(gòu)成，各模塊具體說明如表1所示。

表1 系統(tǒng)模塊功能Table 1 Functions of System Modules

無線傳輸模塊負責與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，串口通訊協(xié)議如表2所示，下位機每采集一組三軸加速度數(shù)據(jù)，發(fā)送4個數(shù)據(jù)包，每數(shù)據(jù)包含6個數(shù)據(jù)位，每組數(shù)據(jù)包含24個數(shù)據(jù)位，每個數(shù)據(jù)位為1個字節(jié)（即8位無符號二進制數(shù)），每個數(shù)據(jù)包為6字節(jié)，每組數(shù)據(jù)為24字節(jié)[5]，數(shù)據(jù)包詳細說明如表3所示。

表2 串口通訊協(xié)議Table 2 Agreement of Serial Communication

2.1.2 技術(shù)架構(gòu)

下位機部分作為一個完整的檢測系統(tǒng)，由采樣部分、監(jiān)測部分、保護部分、通訊部分構(gòu)成[6]，如圖1所示。采樣部分由傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，通訊部分由無線傳輸模塊的發(fā)送端與接收端組成，監(jiān)測與保護部分分別由聚合物鋰電池電量監(jiān)測模塊、電源管理模構(gòu)成。采樣負責實時監(jiān)測加速度傳感器輸出信號并采樣，對采樣信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、先入先出處理后，再由主控芯片（MCU）對數(shù)字信號進行處理計算[7]，生成加速度數(shù)據(jù)和電池電量信息并打包，按照循環(huán)發(fā)送方式經(jīng)通訊部分實時發(fā)送給上位機。

表3 數(shù)據(jù)包各數(shù)據(jù)位發(fā)送規(guī)范Table 3 Transmitting Standards of Data

圖1 下位機設計技術(shù)架構(gòu)圖Figure 1. Technical Structure of Lower Bit Design

2.2 上位機設計及程序

傳感器系統(tǒng)上位機主要由計算機基站及運行于計算機基站之上的數(shù)據(jù)分析軟件組成，根據(jù)處理流程劃分為六個程序執(zhí)行部分，分別為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形與數(shù)值顯示、業(yè)務分析、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)導入，如圖2所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)接收程序

主要用于接收下位機循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，參照下位機無線傳輸模塊數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)范和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，對于不符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包執(zhí)行丟棄操作，符合通訊規(guī)范的數(shù)據(jù)包則交由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序處理。

2.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

根據(jù)已接受的數(shù)據(jù)包依照數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)規(guī)范提取XYZ三軸加速度數(shù)據(jù)及電量參數(shù)，存儲于上位機緩存中。

2.2.3 圖形與數(shù)值顯示程序

將存儲于上位機緩存中的加速度和電量參數(shù)以時間/數(shù)值曲線圖形的形式顯示于上位機軟件界面中，并且在界面中以數(shù)字形式同步顯示瞬時對應參數(shù)數(shù)值。

2.2.4 數(shù)據(jù)輸出程序

在執(zhí)行圖形與數(shù)字顯示程序同時，將緩存中數(shù)據(jù)以TXT文本文件的形式同步順序存入磁盤空間中，直至接收操作結(jié)束，單通道存儲TXT文本文件特定格式如表4所示。

2.2.5 數(shù)據(jù)導入程序

將存儲于磁盤空間中的TXT格式數(shù)據(jù)文件導入到數(shù)據(jù)處理分析軟件中，導入過程按照文本特定格式執(zhí)行，存儲于上位機緩存中。

2.2.6 業(yè)務分析程序

在執(zhí)行完數(shù)據(jù)導入程序后，將存儲于緩存中的數(shù)據(jù)按照運動技術(shù)分析的業(yè)務需求生成相關(guān)運動學和動力學參數(shù)，并以圖表的形式顯示于用戶界面中[8]，同時根據(jù)用戶選擇的業(yè)務分析選項，按照預置的業(yè)務處理類將計算結(jié)果反饋給用戶。

表4 TXT數(shù)據(jù)文本文件格式Table 4 File Format of TXT Data File

3 研究結(jié)果

3.1 下位機的開發(fā)與實現(xiàn)

3.1.1 集成化采樣裝置的研制

為滿足傳感器系統(tǒng)的便攜性和可靠性的需要，將加速度傳感器及其拾取單元、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊發(fā)送端、電源管理模塊、聚合物鋰電池電量監(jiān)測模塊及主控芯片六個模塊的集成于一個PCB裝置之中，其中數(shù)據(jù)處理單元集成于每個PCB裝置中[9]。該方案有效降低了MCU的計算負擔，避免了整套裝置采用單一數(shù)據(jù)單元導致的MCU負載過大的問題。集成化采樣裝置如圖3、表5所示。

圖3 集成化采樣裝置Figure 3. Sampling Device of Integration

表5 集成化采樣裝置主要部件參數(shù)Table 5 Main Parts Parameters of Sampling Device of Integration

3.1.2 無線傳輸模塊的研制

無線傳輸模塊基于藍牙技術(shù)開發(fā)，分為發(fā)送端與接收端，其中發(fā)送端分別集成于各集成化采樣裝置中，接收端通過串口轉(zhuǎn)USB接口與上位機相連接。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)4通道傳感器數(shù)據(jù)同步接收并通過串口協(xié)議向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。模塊主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 無線通訊模塊主要參數(shù)Table 6 Main Parameters of Wireless Communication Module

3.2 上位機的開發(fā)與實現(xiàn)

上位機部分是整個系統(tǒng)的控制與信息中心，系統(tǒng)基于.Net 4.0平臺開發(fā)，可運行于WinXP或Win7 等x86操作系統(tǒng)中。根據(jù)用戶操作界面及其功能劃分，上位機分為單通道傳感器三軸向采集、四通道傳感器同步采集、單通道傳感器三軸向分析、單通道傳感器多平面同步分析、雙通道傳感器同步分析、三通道傳感器同步分析和四通道傳感器同步分析總計10個用戶模塊，根據(jù)實際操作過程，完成自采集到分析和結(jié)果反饋一整套流程（圖4、5）。為便于用戶的實際操作，上位機系統(tǒng)還提供了用戶選項功能，使用戶可以根據(jù)實際需要對程序進行一定程度自定義設置。上位機系統(tǒng)在開發(fā)過程中采用了單窗體多模塊的集成化設計方法，所有操作模塊均在一個窗體上完成，系統(tǒng)消息提示和設置對話框也采用了順序化交互，避免了用戶在一個時間點的重復操作。

圖4 四通道同步采集模塊Figure 4. Four-channel Synchronal Sampling Modules

圖5 四通道同步分析模塊Figure 5. Four-channel Synchronal Analyzing Sampling Modules

3.3 杠鈴深蹲技術(shù)動作研究的實驗性應用

杠鈴深蹲訓練是各類競技項目中普遍采用的力量訓練方法之一，在當前的競技運動實踐中占有重要地位杠鈴練習不但可以有效的提高人體下肢力量，而且還可以有效的提高髖腰背等核心力量，杠鈴練習時髖膝踝等關(guān)節(jié)共同參與運動，符合大部分動作技術(shù)中肌肉用力特征。不同項目會根據(jù)項目自身特點和運動員個人情況選擇不同的杠鈴深蹲訓練方法，因此，對杠鈴深蹲技術(shù)動作特征的研究有助于我們認識項目規(guī)律，輔助教練員和運動員進行更加科學有效的力量訓練。

在對杠鈴深蹲訓練研究之前，需要對力量訓練的作用和效果有所認識。力量練習的目的就是要通過克服一定的阻力提高人體功率輸出，獲得較好的訓練效果[10]。根據(jù)功率輸出公式P=F×V（其中F=ma，Vt= V0 +at）可以發(fā)現(xiàn)，在訓練負荷m（即綱領重量）固定的情況下，功率輸出取決于單位時間內(nèi)杠鈴加速度的變化量，即可以通過對加速度測量值的研究間接反映杠鈴訓練中功率的輸出變化，從而對杠鈴深蹲訓練的技術(shù)特征進行評價。

研究對象為速度滑冰與舉重項目的杠鈴深蹲訓練，每個項目各選取一名省隊優(yōu)秀運動員作為受試者，對其杠鈴深蹲專項技術(shù)特征進行測試。測試負荷是本項研究的關(guān)鍵，過小的負荷會導致阻力過小，動作速度過快，不能真實反映運動員克服阻力的實際能力，過大的負荷會導致阻力過大，動作速度過慢，其實際效果更加傾向于最大力量訓練，而且所測量的加速度特征值差異過小，不利于本項目的應用性研究。綜合兩個項目的專項訓練方法以及受試對象的個人條件，我們選擇了70 %最大負荷（最大負荷以下簡寫為1 RM）作為本次測試的杠鈴重量。測試方法是將加速度傳感器固定在杠鈴桿的正中間，每人進行連續(xù)3次完整的杠鈴深蹲動作，技術(shù)動作的頻率和幅度完全參照本項目日常訓練方法進行。由于本次測試采用了單通道傳感器檢測，因此我們將實時采集數(shù)據(jù)導入上位機單通道傳感器三軸向分析模塊中，系統(tǒng)根據(jù)預置算法生成分析圖（圖6、7）和對比報告（表7、8）。

表7 舉重項目杠鈴單位加速度變化率對比表Table 7 Change Rate of Barbell Acceleration of Weightlifting

表8 速滑項目杠鈴單位加速度變化率對比表Table 8 Change Rate of Barbell Acceleration of Speed Skating

圖6 舉重項目杠鈴深蹲動作杠鈴加速度曲線分析圖Figure 6. Accelerating Curve of Barbell Squat of Weightlifting

圖7 速滑項目杠鈴深蹲動作杠鈴加速度曲線分析圖Figure 7. Accelerating Curve of Barbell Squat of Speed Skating

由表7、8的對比我們可以發(fā)現(xiàn)，舉重項目在X軸、Y軸、Z軸和三軸向的單位時間內(nèi)加速度變化率上均大于速度滑冰項目，因此，在動作時間較短、負荷比例相同的情況下，舉重項目的功率輸出更大，這與舉重項目更加重視爆發(fā)力訓練的技術(shù)特征由較大關(guān)聯(lián)。

加速度曲線的變化趨勢可以間接反映動作幅度的平穩(wěn)性，峰值加速度之后的加速度波動越大，說明運動員對杠鈴的緩沖動作幅度越大。通過圖6、7加速度曲線趨勢的對比可以發(fā)現(xiàn)，速度滑冰項目的曲線更加平滑，波動幅度較小，在達到峰值加速度后，其加速度值波動幅度較小，而舉重項目加速度曲線平滑度較低，在達到峰值后出現(xiàn)了較大的波動，說明速度滑冰項目更加重視速度耐力訓練，其杠鈴深蹲訓練對動作技術(shù)平穩(wěn)性要求更高，而舉重項目更加快速的完成蹬伸動作后，必然需要對杠鈴施加更大的緩沖，已確保動作整體的完成。

通過對速滑和舉重兩個項目受測運動員杠鈴70 %最大負荷訓練的加速度曲線趨勢變化和單位時間加速度變化率的對比分析，速度滑冰項目在力量訓練中更多的體現(xiàn)了速度耐力的專項特點，而舉重項目則更多的突出了爆發(fā)力強的特點，即相似條件下的動作技術(shù)特征更多的反映了項目自身特點，而且通過對加速度的分析，可以間接地評價運動員在快速動作中的功率輸出能力。

4 結(jié)語

本項目以傳感器技術(shù)為基礎，結(jié)合電子信息、計算機等相關(guān)技術(shù)進行開發(fā)，已初步完成設計目標。系統(tǒng)整體及各部件性能基本滿足設計要求，并且根據(jù)人體空間運動分析的應用方向，對相關(guān)部件和技術(shù)進行了有針對性的優(yōu)化。作為一項基礎性研究課題，課題組選擇速度滑冰和舉重兩個項目作為應用對象，采用本課題研發(fā)的三軸加速度傳感器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與分析，結(jié)合速度滑冰和舉重項目的各自特點，對不同運動員的杠鈴深蹲技術(shù)動作特征進行研究。研究過程中以功率輸出為評價標準，以單位時間加速度變化率為評價指標，對不同項目的杠鈴深蹲技術(shù)動作特征有了深入的認識。研究結(jié)果表明三軸加速度傳感器系統(tǒng)作為一種重要的工具，具有分析速度快、結(jié)果反饋及時等特點，能夠應用于運動技術(shù)分析領域，是視頻解析研究方法的一項重要補充手段。

參考文獻：

[1] 薛洋. 基于單個加速度傳感器的人體運動模式識別[D].廣州：華南理工大學，2011：5–132.

[2] 陳功. 基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術(shù)的研究與應用[D].南京：南京郵電大學，2013：4–68.

[3] 劉耀榮，周里.不同負荷杠鈴阻力訓練過程中人體功率輸出特征研究[J].西安體育學院學報，2011，(4)：498– 503.

[4] 查萬紀. 壓電加速度傳感器測量電路的研究與設計[D].合肥：安徽大學，2005：9–77.

[5] 鄧宇，劉國翌，李華.基于視頻的杠鈴軌跡跟蹤與分析系統(tǒng)[J]. 中國圖象圖形學報，2006，11(12)：1 813–1 819.

[6] 楊明莉.基于單片機的壓電加速度傳感器低頻信號采集系統(tǒng)的設計[D].合肥：安徽大學，2007：3–75.

[7] 李曉麗.單片機與上位機串行通信系統(tǒng)設計[J]. 儀表技術(shù)，2010(7)：45–47.

[8] 趙霄.基于單片機的藍牙接口設計及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2008：5–103.

[9] 高楊.基于.NET平臺的三層架構(gòu)軟件框架的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，21(2)：77–80.

[10] 華立軍，蒙猛. 運動生物力學方法在我國速度滑冰專項力量研究中的應用[J].冰雪運動，2013，35(2)：10–13.

中圖分類號：G818.3

文獻標識碼：A

文章編號：1002–3488（2015）02–0089–08

收稿日期：2014–14–06；修回日期：2014–11–15

基金項目：黑龍江省科技廳自擬攻關(guān)課題（HTK201301）。

作者簡介：朱明（1982–），男，黑龍江哈爾濱人，助理研究員，研究方向為運動生物力學。

Research and Application of Triaxial Acceleration Transducer System in the Field of Sport Technical Analysis

ZHU Ming

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract：IIn order to meet the needs of studying on three-dimensional space technical characteristics of the human body in the training， a set of triaxial acceleration transducer system is developed. The system consists of upper bit and lower bit， the lower bit consists of the acceleration transducer， sense picking unit， data processing unit， power monitoring and protection unit and the wireless transmission unit， upper bit consists of the data acquisition and analysis software. The system has the function of four-channel synchronal sampling， combined with sync videos， which can collect and analyze limb arthrosis of athletes，exercisers of competitions and other technical components with parameters of kinesiology and dynamics in a real time. In physical training， frequently-used barbell squat training belongs to the field of experimental applications， technical analysis of barbell squat training for speed skating and weightlifting， by analyzing the data which is collected by triaxial acceleration transducer， find out the technical characteristics and differences of barbell squat in differenct events， providing a studying foundation for the development and releted application of acceleration transducer system.

Key words：sport technique； triaxial acceleration transducer； barbell squat