足球運動員實時定位系統(tǒng)的研究①

李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學(xué)院體育學(xué)院 湖南婁底 417000）

足球運動員實時定位系統(tǒng)的研究①

李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學(xué)院體育學(xué)院 湖南婁底 417000）

為了克服目前足球運動員實時定位系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種采用射頻方式進(jìn)行運動員實時定位的方法,實現(xiàn)對足球運動員運動的位置進(jìn)行實時定位和跟蹤。論文首先介紹了運動員實時定位系統(tǒng)的整體設(shè)計方案,接著重點說明了射頻卡的定位方法和定位系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖,最后給出足球運動員的實際運動軌跡測試圖。該定位系統(tǒng)在訓(xùn)練和教學(xué)中具有良好的使用前景。

實時定位 射頻 足球運動員

足球運動是以速度為主, 兼有速度耐力和耐力性的運動項目。跑動能力是足球運動員重要的基本能力素質(zhì)之一。當(dāng)今, 足球運動的發(fā)展趨勢是比賽越來越激烈, 攻防轉(zhuǎn)換越來越快, 這樣對運動員跑動能力的要求就越來越高。因此,實時定位系統(tǒng)應(yīng)用在足球運動中,對運動員的位置進(jìn)行實時定位,保存和分析運動的軌跡跑步數(shù),根據(jù)運動軌跡還可以推算出運動員的運動量、消耗相關(guān)的參數(shù),對足球教練員在訓(xùn)練運動員足球技戰(zhàn)術(shù)中打法有著重要的意義,對提高足球運動的教學(xué)與競技水平有深遠(yuǎn)的意義[1-2]。

發(fā)展到如今,市場上主要的解決方法是將攝像機和計算機技術(shù)結(jié)合。兩臺以上攝像機定位比賽全場影像,專用軟件可以精確確定球員移動位置,時間等數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成移動速度和距離。例如總部設(shè)在法國的數(shù)據(jù)公司SUP(Sport Universal Process）是測量比賽球員各項數(shù)據(jù)的佼佼者。該公司為多家歐洲俱樂部聘用進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)取樣的比賽中,賽場內(nèi)安裝8部具有熱成像功能的高級攝相機,并用這些攝像機記錄比賽的全過程。攝像機拍錄下的信息會被一套超級復(fù)雜的分析軟件分解,最終的結(jié)果就是運動員的各種運動信息,并且詳細(xì)的數(shù)據(jù)被分門別類地統(tǒng)計出來。由于目前的上述的解決方案成本高,每套至少達(dá)到幾百萬以上,需要專門人員進(jìn)行調(diào)試安裝,難以大范圍推廣。部分文獻(xiàn)提出利用Zigbee、北斗導(dǎo)航等設(shè)備進(jìn)行足球運動員的定位[2-6]。

圖1 系統(tǒng)整體工作示意圖

圖2 三邊測量定位示意圖

該論文設(shè)計的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種采用射頻方式進(jìn)行定位的方法,多個固定位置的射頻卡讀取器對射頻卡發(fā)出的射頻信號進(jìn)行讀取、分析射頻信號強度,同時將上述信息通過無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心;控制中心對射頻信號與射頻信號強度進(jìn)行分析和計算,可以對運動員運動的移動位置進(jìn)行實時跟蹤與定位。

圖3 射頻卡讀卡器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 運動員定位測試曲線

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖1所示的足球運動員實時定位與監(jiān)測系統(tǒng),它包括有設(shè)置在球員身上的有源射頻卡,由于球場的尺寸最長達(dá)到100 m以上,為了保證無線傳輸距離,射頻裝置采用有源射頻卡,有源標(biāo)識卡工作時不斷主動向外發(fā)出無線電信號。采用的有源射頻卡內(nèi)置電池,能夠保證無線傳輸?shù)木嚯x,每個有源射頻卡的編碼是唯一的。有源射頻卡有源射頻卡分別固定在相應(yīng)的球員身上,通過發(fā)送無線射頻信號至安裝在球場邊緣處的讀卡器節(jié)點。射頻卡每秒發(fā)送多次數(shù)據(jù),發(fā)送的數(shù)據(jù)依次編號。

如果有源射頻卡發(fā)出的無線信號在射頻卡讀卡器的有效測量范圍內(nèi),多個固定在球場四周的射頻卡讀卡器模塊接收有源射頻卡的信號并解碼,可以得到對應(yīng)的有源射頻卡的編號信息及其信號強度等信息。同時射頻讀卡器節(jié)點將上述信息通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給無線路由器;控制中心電腦通過路由器讀取射頻讀卡器節(jié)點的數(shù)據(jù)及其信號強度,對有源射頻卡發(fā)送的數(shù)據(jù)和射頻信號的強度進(jìn)行分析,實現(xiàn)對運動員運動的移動位置進(jìn)行實時定位、跟蹤。

2 射頻卡定位原理

考慮運動員運動時不能攜帶大量設(shè)備,設(shè)計采用有源射頻卡的方式進(jìn)行定位。有源射頻卡大小如一張名片運動員隨身攜帶,有源射頻卡以廣播方式每秒發(fā)出多次的射頻信號,射頻信號到射頻卡讀取器的距離可以達(dá)到100 m以上。位于球場四周的多個射頻卡讀取器可以同時讀取有源射頻卡發(fā)出的信號,并得到對應(yīng)射頻卡的信號強度。由于球場基本無阻礙,射頻信號到每個射頻卡讀取器的信號強度與射頻卡和射頻卡讀取器距離成對應(yīng)關(guān)系。

如圖2所示,A、B和C分別為對應(yīng)的3個球場四周的3個射頻讀卡器的位置,其對應(yīng)的坐標(biāo)分別為(x1,y1）、(x2,y2）和(x3,y3）。有源射頻卡的位置即為3個圓的交點D,其對應(yīng)坐標(biāo)為(x,y）。有源射頻卡的位置與3個射頻讀卡器距離分別為d1、d2和d3。根據(jù)幾何關(guān)系表達(dá)式可知[7-8]:

通過單個射頻卡和3個球場四周的射頻卡讀取器之間距離,可以利用3邊測量法得到單個射頻卡在球場的具體坐標(biāo)位置。

3 射頻讀卡器節(jié)點設(shè)計

射頻讀卡器節(jié)點負(fù)責(zé)讀取有源射頻卡數(shù)據(jù)及其該數(shù)據(jù)的信號強度,并同時通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)及其信號強度等信息轉(zhuǎn)發(fā)至無線路由器;控制中心通過無線路由器讀取有源射頻卡數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及信號強度。如圖3所示,射頻讀卡器節(jié)點包括TI公司的MSP430F5529主控芯片、射頻卡讀卡器模塊和CC3100 WIFI模塊,MSP430F5529通過射頻卡讀卡器模塊的接口模塊讀取有源射頻卡的數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)信號強度,同時MSP430F5529通過CC3100 WIFI模塊將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無線路由器。

系統(tǒng)中射頻卡讀卡器節(jié)點有多個,分別位于球場特定邊緣處。多個射頻卡讀卡器可以同時讀取有源射頻卡發(fā)出的帶編號的數(shù)據(jù),并得到該數(shù)據(jù)的無線信號強度。當(dāng)多個有源射頻卡同時發(fā)送數(shù)據(jù)到球場四周的射頻卡讀卡器,如果兩個或兩個以上的有源射頻卡同時發(fā)送數(shù)據(jù),可能會造成通信干擾,影響接收數(shù)據(jù)的效果。射頻卡中內(nèi)置的防沖突機制可以保證在一定范圍內(nèi)對多個不同的有源射頻卡發(fā)出的信息做出正確的識別和數(shù)據(jù)讀取。有源射頻卡和射頻卡讀卡器之間的距離與無線信號強度有關(guān),距離越遠(yuǎn)信號強度越低。射頻卡讀卡器在得到有源射頻卡發(fā)出數(shù)據(jù)和信號強度信息后,通過WIFI模塊將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無線路由器。

4 控制中心設(shè)計

控制中心包括有路由器數(shù)據(jù)讀取、球員實時定位計算程序模塊和球員位置數(shù)據(jù)保存/顯示模塊,其中,控制中心通過無線路由器讀取讀卡器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的相關(guān)數(shù)據(jù);球員實時定位計算程序模塊通過三角測量法來實時計算有源射頻卡的位置,該算法利用了有源射頻卡同一數(shù)據(jù)在多個讀卡器節(jié)點中的信號強度,信號強度與有源射頻卡和射頻卡讀卡器之間的距離存在特定關(guān)系;控制中心電腦可以保存運動員的實時位置等信息,同時也可以連接顯示終發(fā)揮,雖是經(jīng)大會組委會統(tǒng)一校正的器械或經(jīng)大會組委會審核同意的器械,運動員的第一感覺器械拿著舒服、順手,便于其創(chuàng)造好的運動成績。撐桿跳高中撐桿的材料在很大方面決定著運動員最后的成績,材料的不同,對于運動員的發(fā)揮有很大的影響。

3.6 檢錄時間的長短

運動員的兩大部分準(zhǔn)備活動,在檢錄前強度要達(dá)到一定的高度,但這個度是很難掌握的,要根據(jù)檢錄時間,當(dāng)時的氣候,自身的狀態(tài)等多種因素決定,我國全國田徑錦標(biāo)賽田賽的檢錄時間一般是賽前45 min,大多是在比賽場地外有一附田徑場,沒有換成車的麻煩,這對運動員控制準(zhǔn)備活動的強度與量相對要簡單的多,但各種突發(fā)的因素還是要考慮到其中,如2009年6月26～29日在江西宜春舉行的2009年全國青少年田徑錦標(biāo)賽(16～19歲),男子青年組跳遠(yuǎn)比賽在下午3:20正式進(jìn)行,檢錄時間是賽前45 min,但當(dāng)成都體育學(xué)院運動員楊凱按預(yù)定時間到達(dá)比賽場地準(zhǔn)備進(jìn)行準(zhǔn)備活動時卻下起雨,準(zhǔn)備活動受到很大影響,正式比賽時雨已經(jīng)停了,他的準(zhǔn)備活動有些倉促,對運動員的身體、心理都造成一定的影響,像這些突發(fā)因素是在賽前準(zhǔn)備活動中都應(yīng)該考慮的,這樣才能創(chuàng)造好的運動成績。

3.7 其他各種因素

比賽等級越高,運動員越容易出現(xiàn)緊張、興奮過早、精神壓力過大等不適反映,這就需要根據(jù)情況及時調(diào)整,同時,比賽期運動員的睡眠、飲食和營養(yǎng)攝入,對比賽能力有直接影響。比賽前應(yīng)準(zhǔn)確了解運動會期間的飲食供應(yīng)情況,盡量想辦法保持運動員的飲食習(xí)慣和充足的運動專項營養(yǎng)[5]。如2009年上海室內(nèi)田徑錦標(biāo)賽時,有些北方運動員就抱怨酒店的伙食吃不慣、吃不飽,這就給運動員和教練員及大會組委會提出了新的要求,如何很好地保障運動員的營養(yǎng)供應(yīng),是我們要很好解決的一大問題。運動員做到賽前心中有數(shù),以防不良情況的發(fā)生,確保以自信愉悅的心情參加比賽。

4 結(jié)語

田賽準(zhǔn)備活動受器材場地、項目特點等多方面的影響,正確的準(zhǔn)備活動是運動員身體和心理的重要組成部分,它不僅可以預(yù)防運動損傷對運動員的傷害,調(diào)節(jié)運動員的最佳競技狀態(tài),正確掌握田賽準(zhǔn)備活動技術(shù),使運動員取得優(yōu)異運動成績。做好準(zhǔn)備活動有利于運動員競技水平的超常發(fā)揮,創(chuàng)造優(yōu)異的運動成績。

［1］張傳峰.對短、跳項目運動員訓(xùn)練、賽前準(zhǔn)備活動的研究[J].科技信息,2006（4）：326.

［2］金國斌.談準(zhǔn)備活動對田徑運動員比賽的影響[J].哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報,2005,23(2):112-113.

［3］文超.田徑運動高級教程［M］.北京:人民體育出版社,2002:382-413.

［4］國家體育總局.田徑[M].北京:人民體育出版社,2003.

［5］田麥久.運動訓(xùn)練學(xué)[M].北京:人民教育出版社,2003.

Research on Real-time Positioning System for Soccer Players

Li Zixiao Zhou Yuanling Jiang Yi Hao Liangshuang Lv Zhiyong
(Sport college, University of Humanities, Science and Technology, Loudi Hu’nan, 417000, China)

In order to overcome the shortage of the existing technology of the real-time location system, in this paper, a method for real-time location of football player using radio frequency is proposed, the method can realize the real-time location and tracking of football player's movement. Firstly, this paper introduces the whole real-time positioning system scheme, then focuses on introduce the radio frequency location method and location system hardware block diagram. Finally, the actual motion trajectory of the football player is given. The real-time location system has a good prospect in training and teaching.

Real-time location; Radio frequency; Football player

G80

A

2095-2813(2017)06(a)-0235-03

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.16.235

李子梟(1996,8—)，男，漢，湖南武岡人，本科，研究方向:運動訓(xùn)練學(xué)。