運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?cái)?shù)字化零點(diǎn)定位初探
——無線傳感器技術(shù)在400米跑道中的應(yīng)用

□張銳明（哈爾濱體育學(xué)院黑龍江哈爾濱150008）

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?cái)?shù)字化零點(diǎn)定位初探
——無線傳感器技術(shù)在400米跑道中的應(yīng)用

□張銳明（哈爾濱體育學(xué)院黑龍江哈爾濱150008）

隨著信息化時(shí)代的到來，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)字化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。使用傳感器技術(shù)，就可以使瞬間完成的動(dòng)作數(shù)字化，使抽象的運(yùn)動(dòng)素質(zhì)得到量化、細(xì)化。但是，如果利用傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的速度、位移、角速度等參數(shù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)上的位置就非常重要。無論是什么項(xiàng)目，無論起點(diǎn)如何，運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)地上的實(shí)際定位只有一個(gè)。因此，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的數(shù)字化零點(diǎn)定位就非常重要了。我們就對(duì)400米標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地?cái)?shù)字化零點(diǎn)定位，做一個(gè)分析介紹。

零點(diǎn)定位數(shù)字化場(chǎng)地信息技術(shù)體育運(yùn)動(dòng)傳感器

1、研究目的

隨著傳感器技術(shù)在體育方面的不斷應(yīng)用，我們可以精確得到一名運(yùn)動(dòng)員的每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度、位移等數(shù)據(jù)。在通過計(jì)算得到這些數(shù)據(jù)時(shí)，有一個(gè)問題越來越突出，那就是如何定位運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)上的位置問題。沒有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的數(shù)字化定位，就無法通過傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的位置、移動(dòng)位移等問題?，F(xiàn)在，不同的傳感器運(yùn)動(dòng)設(shè)備制造廠商，都有自己的零點(diǎn)定位方法，絕大多數(shù)測(cè)量設(shè)備是在自己的測(cè)量場(chǎng)地上設(shè)定零點(diǎn)，而在實(shí)際賽場(chǎng)上并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化零點(diǎn)定位。這就給未來的傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了很多不便。沒有統(tǒng)一定位標(biāo)準(zhǔn)，采樣時(shí)就無法標(biāo)注移動(dòng)物體的位置，計(jì)算時(shí)也沒有統(tǒng)一的零點(diǎn)參照。這就給使用不同傳感器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)員帶來很多不便。

我們?cè)谘兄啤毒€性運(yùn)動(dòng)速度再現(xiàn)設(shè)備》時(shí)，就在400米標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)做了仔細(xì)分析。我們根據(jù)場(chǎng)地結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，確定了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的零點(diǎn)位置。這樣，在運(yùn)用傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)員速度及移動(dòng)位移時(shí)，就可以準(zhǔn)確確定運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)地中的位置，就可以確定場(chǎng)地不同位置的線速度與場(chǎng)地中心的角速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

下面，就將這個(gè)定位過程分享給大家，希望大家多提意見。

2、零點(diǎn)定位的方法（400米跑道計(jì)算）

（1）運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)采集。

表1 三維加速度數(shù)據(jù)樣例

我們選用的是ADXL345型加速度傳感器，這是一款低速加速度傳感器，非常適合人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量，測(cè)量頻率在每秒128次。它能準(zhǔn)確反映運(yùn)動(dòng)員短跑全程的每一時(shí)點(diǎn)的細(xì)微加速度變化，從而，也可以從加速度變化進(jìn)而推算出運(yùn)動(dòng)員的速度以及位移數(shù)據(jù)。

測(cè)量數(shù)據(jù)如表1：

根據(jù)水平方向X軸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的波形如圖1：

圖1 三維加速度X軸數(shù)據(jù)曲線

（2）在初始速度和加速度已知的情況下，計(jì)算每一時(shí)刻的速度是輕而易舉之事，利用勻加速公式vn=v0+ant；運(yùn)動(dòng)員的跑步過程是一個(gè)變加速度過程，也可以利用這個(gè)公式，來逐個(gè)時(shí)間段內(nèi)求出運(yùn)動(dòng)員全程每一時(shí)刻的速度數(shù)據(jù)。這樣，無論是速度還是位移都很容易得到。

這里，位移是要有參照零點(diǎn)的，暫時(shí)是以起跑點(diǎn)為零點(diǎn)定位。

（3）場(chǎng)地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算。

在標(biāo)準(zhǔn)400米跑道中（以彎道半徑36米為例），場(chǎng)地中心的角速度與跑道線速度的對(duì)應(yīng)值是恒定值。以400米場(chǎng)地第一跑道為例，計(jì)算出場(chǎng)地中心角速度與第一跑道線速度的對(duì)應(yīng)比率，利用同樣的方法，就可以計(jì)算出第二至第八跑道的對(duì)應(yīng)比值。

下面以400米跑道，彎道是36米加0.3米為半徑的半圓為例。

彎道長度的計(jì)算：半圓式田徑場(chǎng)的彎道長度=πr，則一個(gè)彎道長為3.14X36=114.04m。

直段長的計(jì)算：兩個(gè)直段長=跑道全長-兩個(gè)彎道長=400m–228.08m=171.92m，一個(gè)直段長為171.92m÷2=85.96m(半程為42.98m)。

中心點(diǎn)到直道起點(diǎn)距離為56.06米；兩個(gè)直道起點(diǎn)與中心夾角為100°；兩個(gè)彎道起點(diǎn)與中心夾角為80°。

（4）直道速度與跑道中心的角速度的關(guān)系。

首先，將跑道按θ角度劃分刻度（也可以按米數(shù)劃分刻度），不同θ角處的速度與加速度的轉(zhuǎn)換比率是不同的；直道時(shí)：50°≥θ≥-50°；

按照公式線速度=角速度*圓周運(yùn)動(dòng)的半徑；本例中，運(yùn)動(dòng)員線速度V在夾角θ處的切線速度為v/sinθ；夾角θ處的圓周半徑為∶

利用以上公式，就可以求出θ在每一角度時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的速度與中心點(diǎn)的角速度關(guān)系，如圖2。

圖2 400米直道圖例

以下是直道100°角度中,每一度位置單位線速度所對(duì)應(yīng)的相應(yīng)的角速度數(shù)值，如表2。

表2 直道單位線速度與角速度換算比率

（5）彎道時(shí)速度與跑道中心的角速度的關(guān)系。

如圖3，將跑道按θ角度劃刻度，每一個(gè)θ處的速度與角速度的轉(zhuǎn)換比率是不同的；彎道時(shí)：40°≥θ≥-40°。

按照公式線速度=角速度*圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，運(yùn)動(dòng)員的線速度在角度θ處的分量是角度θ處的圓周運(yùn)動(dòng)的半徑AB是通過三角形ABD換算而來。

已知：AD=42.98米、DB=36米

AB=AE+EB、AE=42.98*COSθ

圖3 彎道處線速度與角速度關(guān)系

以下是彎道80°角度中,每一度位置單位線速度所對(duì)應(yīng)的角速度數(shù)值，如表3。

利用以上直道和彎道的計(jì)算數(shù)據(jù)，很容易根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在每個(gè)跑道上的線速度數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為角速度。這都與運(yùn)動(dòng)員相對(duì)位置有關(guān)。

（6）零點(diǎn)定位。

我們?cè)谟?jì)算運(yùn)動(dòng)員的速度以及移動(dòng)位移時(shí)，都要涉及到相對(duì)零點(diǎn)，如果以起跑點(diǎn)作為零點(diǎn)，那么眾多的比賽項(xiàng)目，將會(huì)有很多個(gè)零點(diǎn)。而在場(chǎng)地的同一地點(diǎn)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)地中心的角速度比值是唯一的，因此，無論是什么項(xiàng)目的比賽，運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)地上的位置描述都應(yīng)該是唯一的。運(yùn)動(dòng)員的起跑、移動(dòng)也是相對(duì)于數(shù)字化零點(diǎn)而標(biāo)注的。這是在數(shù)字化設(shè)備應(yīng)用過程中，所涉及到的新的問題。

表3 彎道單位線速度與角速度換算比率

由于標(biāo)準(zhǔn)400米場(chǎng)地是由一個(gè)長方形和兩個(gè)半圓組成，直道與彎道交界處，定義為零點(diǎn)位置最為合理。這里是直道的終點(diǎn)，又是彎道的起點(diǎn)。

圖4 400米跑道零點(diǎn)位置

4、研究結(jié)論和建議

跑道的零點(diǎn)定位，是為適應(yīng)各種數(shù)字設(shè)備而設(shè)定的，適合所有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化設(shè)備。它為不通設(shè)備間的數(shù)據(jù)通用、數(shù)據(jù)共享，提供了最直接的方法；同時(shí)，也可以作為數(shù)字化場(chǎng)地的零點(diǎn)定位標(biāo)準(zhǔn)。其對(duì)數(shù)字化設(shè)備的廣泛應(yīng)用意義重大，盡管現(xiàn)在還并不普及。

除了400米標(biāo)準(zhǔn)跑道以外，其它的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地如：速滑跑道、場(chǎng)地自行車、跑馬場(chǎng)、F1方程式等等，都存在著數(shù)字化零點(diǎn)定位問題。今后，我們會(huì)逐步去研究，一一給出各種場(chǎng)地的最合理零點(diǎn)定位。為數(shù)字化設(shè)備的通用、共享，做出自己的努力。也請(qǐng)各位批評(píng)指正。

[1]王沖,施玉霞.基于加速度傳感器的無線人體動(dòng)作測(cè)量設(shè)備[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,08.

[2]張銳明.線性速度再現(xiàn)設(shè)備研制[J].第十屆體育信息科學(xué)大會(huì)論文集,2015,11.

[3]張銳明.多傳感器組合在滑雪訓(xùn)練上的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2014(20).

[4]張銳明.多傳感器并用在體育訓(xùn)練上的應(yīng)用——船槳[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2014(19).

[5]張銳明.自行車運(yùn)動(dòng)員的做功測(cè)量—多傳感器并用案例[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2015(21).

[6]張銳明.傳感器技術(shù)在射擊訓(xùn)練上的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)? 2014.

[7]張銳明.壓力傳感器設(shè)備雪仗測(cè)試上的應(yīng)用[J].赤子:中旬, 2014(23).

[8]張銳明.傳感器技術(shù)在百米訓(xùn)練上的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2014(35).

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1006-8902-(2016)-11-ZQ