基于UWB的運(yùn)動(dòng)場定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆佳暉，張曉明，劉 俊，朱孟龍，祁晉帆，高麗珍

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)滲透到體育運(yùn)動(dòng)的各個(gè)角落，為了能夠更好地指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)以突破運(yùn)動(dòng)員體能極限，越來越多高新技術(shù)被應(yīng)用于各項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)中，智慧足球場[1]的概念應(yīng)運(yùn)而生。足球比賽中高超的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)是一支高水平的足球隊(duì)不可缺少的。而足球訓(xùn)練中每個(gè)人站位和跑位的記錄又是戰(zhàn)術(shù)制定中不可或缺的部分，這都需要把握和記錄場上運(yùn)動(dòng)員的位置和跑動(dòng)數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)在的足球訓(xùn)練中無法定量監(jiān)測每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息，缺乏技戰(zhàn)術(shù)水平測試系統(tǒng)來輔助球隊(duì)訓(xùn)練計(jì)劃的制定。

目前，運(yùn)動(dòng)場面積大，運(yùn)動(dòng)員多而且跑動(dòng)頻繁，對運(yùn)動(dòng)員的定位觀察繁瑣復(fù)雜。從初期傳統(tǒng)的人眼觀看和紙筆記錄的工作方式，到如今的專業(yè)隊(duì)或大學(xué)校隊(duì)都會使用的多種技術(shù)以追蹤運(yùn)動(dòng)員在場上的動(dòng)作并分析他們的表現(xiàn)。其中大部分都是通過攝像[2-3]記錄場上發(fā)生的一切，但是實(shí)際的運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)軌跡不容易通過直觀捕捉高效記錄下來；而且多個(gè)高速攝像頭跟蹤拍攝，經(jīng)過圖像識別[4]技術(shù)將路徑還原的系統(tǒng)造價(jià)較高，無法將人員的實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)等記錄下來。獲取運(yùn)動(dòng)員位置跑位數(shù)據(jù)最關(guān)鍵的技術(shù)就是人員定位技術(shù)[5]。目前主要有超聲波[6]、藍(lán)牙[7]、WiFi[8]等通過信號強(qiáng)度的定位技術(shù)，其定位精度都不足以準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)軌跡。另外有GPS[9]和UWB[10-12]等通過時(shí)間測距的定位技術(shù)，其中GPS定位精度較低，RTK技術(shù)[13-14]雖然能提供高精度的定位數(shù)據(jù)，但是其接收機(jī)體積大，不易攜帶，不能滿足運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)需求。新型的超寬帶技術(shù)具有系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種目標(biāo)以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供分米級的定位精度；再結(jié)合MEMS傳感技術(shù)中體積小巧的加速度和心率傳感器，完全能夠滿足運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中高精度定位及生理監(jiān)測的需求。

本文從足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)運(yùn)動(dòng)及生理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測需求出發(fā)，開展了基于UWB定位和MEMS生理傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，將運(yùn)動(dòng)員的定位信息實(shí)時(shí)傳回定位終端，達(dá)到能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測足球運(yùn)動(dòng)員的跑位及生理運(yùn)動(dòng)信息的目的，為球員在訓(xùn)練賽前、賽中和賽后訓(xùn)練計(jì)劃的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員跑位和生理數(shù)據(jù)監(jiān)測，其中使用UWB定位技術(shù)完成跑位數(shù)據(jù)的獲取和傳輸，MEMS傳感技術(shù)完成生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測。UWB定位技術(shù)使用TDOA完成定位，TDOA相較于ToF定位信號鏈路比較簡單，標(biāo)簽容量大，定位頻率高。

定位系統(tǒng)由若干基站以及若干標(biāo)簽組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。將若干基站分別置于操場的邊緣位置，其中一個(gè)為主基站，擔(dān)任發(fā)送時(shí)鐘同步信號的任務(wù)；其他基站為從基站，主要用于接收標(biāo)簽的定位請求信號，并且將時(shí)鐘戳和生理數(shù)據(jù)通過網(wǎng)橋發(fā)到數(shù)據(jù)處理軟件。

圖1 定位系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of the positioning system

1.2 系統(tǒng)測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

定位標(biāo)簽電路由控制模塊、生理信息監(jiān)測模塊、電源模塊和UWB模塊四部分組成。生理信息監(jiān)測模塊可以實(shí)時(shí)采集標(biāo)簽的加速度和心率信息。

定位基站的電路組成與定位標(biāo)簽類似，使用性能較高的STM32芯片，搭載無線網(wǎng)橋模塊，可以將各個(gè)基站的定位數(shù)據(jù)包在不占用UWB信號通信頻道下將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端進(jìn)行定位解算，定位標(biāo)簽和基站模塊組成如圖2所示。

圖2 定位標(biāo)簽和基站電路組成Fig.2 The composition of the positioning tag and base station circuit

另外，由于DW1000自身信號發(fā)射功率較小，通信距離較短，在球場定位中需要至少150m的通信距離，因此提出了在硬件電路發(fā)射信號部分增加功放電路以提高信號發(fā)射功率的方案。 功放電路具有占用空間小、易實(shí)現(xiàn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

對于基站，擁有不同的ID編號，用于定位解算軟件識別不同基站的數(shù)據(jù)。基站分為主基站和從基站，主基站定時(shí)向各個(gè)基站發(fā)送時(shí)鐘同步信號，為從基站提供時(shí)鐘同步時(shí)間基準(zhǔn)；當(dāng)各個(gè)基站接收到時(shí)鐘同步信號時(shí)，提取主基站的發(fā)送時(shí)間戳和從基站的接收時(shí)間戳，經(jīng)過時(shí)鐘同步算法完成從基站的時(shí)鐘同步。各基站收到標(biāo)簽定位信號時(shí)，將芯片的時(shí)間戳提取出來經(jīng)由網(wǎng)橋發(fā)送至定位解算終端?；境绦蛄鞒倘鐖D3所示。

圖3 基站程序流程Fig.3 Base station program flow

對于標(biāo)簽定位，每個(gè)定位標(biāo)簽都有自己的專屬ID號，在球場上可以通過ID號與球員綁定，在上位機(jī)端即可獲取和管理不同球員的位置。程序流程如圖4所示。

圖4 標(biāo)簽程序流程Fig.4 Tag program flow

1.4 系統(tǒng)定位算法

UWB信號屬于電磁波，其傳播距離與時(shí)間之間存在線性關(guān)系，即

r=ct

(1)

其中，c表示信號在空氣中的傳播速度。

假設(shè)標(biāo)簽發(fā)送一次定位信號到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間戳為ti，則標(biāo)簽信號到達(dá)第i個(gè)基站的距離和到達(dá)第1個(gè)基站的距離差可表示為

Δri-1=c(ti-t1),i=2,3,…,n

(2)

又標(biāo)簽到各基站的偽距方程為

(3)

其中，ri為標(biāo)簽到第i個(gè)基站的偽距，(x,y)為標(biāo)簽的坐標(biāo)點(diǎn)。(xi,yi)為已知的第i個(gè)基站坐標(biāo)。

基于方程式(3)取標(biāo)簽坐標(biāo)近似點(diǎn)(x0,y0)作為初始點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)場定位中，由于標(biāo)簽只會出現(xiàn)在基站圍成的四邊形區(qū)域內(nèi)，所以直接取基站所圍中心點(diǎn)作為定位初始點(diǎn)，根據(jù)方程式(3)一階泰勒展開得

Δri=axi×Δx+ayi×Δy+o(x,y),
i=1,2,…,n

(4)

其中

令Δri-1=Δri-Δr1，i=2,3,…,n。

對上式整理可得

ΔRn-1=Hn-1ΔX

(5)

其中

通過計(jì)算基站接收到的時(shí)間差數(shù)據(jù)可得出ΔRn-1，可通過坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算求得Hn-1，當(dāng)多基站聯(lián)合定位時(shí)，即基站數(shù)n≥4時(shí)，使用最小二乘法求解方程式(5)得

(6)

經(jīng)過矩陣運(yùn)算得出ΔX后，將結(jié)果用于糾正定位初始坐標(biāo)，然后再通過牛頓迭代反復(fù)解算，定位坐標(biāo)將很快趨近于標(biāo)簽的真實(shí)位置，從而得到標(biāo)簽定位坐標(biāo)。

2 UWB定位系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證定位系統(tǒng)的標(biāo)簽定位跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸性能，分別從靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葘Χㄎ幌到y(tǒng)進(jìn)行性能測試。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示，由4個(gè)定位基站圍成實(shí)驗(yàn)場地。

圖5 基站安置及實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖Fig.5 Base station placement and experimental environment

如圖6所示，標(biāo)簽采用手環(huán)式臂帶設(shè)計(jì)，體積小巧，質(zhì)量19.1g，綁于運(yùn)動(dòng)員臂部，實(shí)際使用中不會對運(yùn)動(dòng)員的身體動(dòng)作產(chǎn)生干擾。工作頻率10Hz條件下可連續(xù)工作72h，滿足足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中多場比賽連續(xù)工作的要求。

圖6 臂帶標(biāo)簽實(shí)物圖Fig.6 Real picture of armband tag

2.1 靜態(tài)定位實(shí)驗(yàn)

為了測試攜帶標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)場靜止時(shí)標(biāo)簽的定位精度，在如圖7所示的綠色圓點(diǎn)處進(jìn)行靜態(tài)定位測試。

圖7 單標(biāo)簽靜態(tài)定位示意圖Fig.7 Single tag static positioning diagram

經(jīng)過測試，真實(shí)的定位點(diǎn)坐標(biāo)及實(shí)測定位點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看到，靜態(tài)定位的實(shí)測值和理想值誤差不超過15cm。在坐標(biāo)(60.2,26.13)處進(jìn)行靜態(tài)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分布云圖如圖8所示，圓概率誤差95%CEP為9cm。

表1 靜態(tài)定位點(diǎn)及實(shí)測定位點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Static positioning point and actual measurement site statistics table

圖8 單點(diǎn)靜態(tài)定位云圖Fig.8 Single point static positioning cloud map

2.2 動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)

為了測試系統(tǒng)能否很好地完成運(yùn)動(dòng)員的定位跟蹤，以及運(yùn)動(dòng)員攜帶標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)時(shí)對標(biāo)簽定位精度的影響，分別進(jìn)行了如圖9所示的3條路線大視角運(yùn)動(dòng)定位及小視角內(nèi)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)及速度對定位效果影響的實(shí)驗(yàn)。

圖9 動(dòng)態(tài)定位測試路線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.9 Schematic diagram of dynamic positioning test scheme

總計(jì)分3條路線，路線1為主基站向從基站-2處行走路線，路線2為在場地中線區(qū)走一個(gè)封閉正方形，路線3為臺階形路線。

實(shí)驗(yàn)人佩戴標(biāo)簽，分別沿圖中路線1、2、3前進(jìn)，定位頻率10Hz，使用上位機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行定位，定位精度優(yōu)于25cm。

圖10 動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Dynamic positioning experiment result

為了測試運(yùn)動(dòng)員自身姿態(tài)及手臂揮動(dòng)導(dǎo)致標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)時(shí)對人員定位的影響，運(yùn)動(dòng)員以約1m/s的速度沿X軸反方向奔跑，定位頻率10Hz，上身自由活動(dòng)的同時(shí)手臂前后揮動(dòng)，將定位數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)做差分運(yùn)算，根據(jù)定位頻率得到運(yùn)動(dòng)員X軸向運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 X軸向運(yùn)動(dòng)速度結(jié)果圖Fig.11 X axial motion velocity result

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)員速度在-1m/s上下波動(dòng)，誤差為±1.5m/s。根據(jù)定位精度25cm計(jì)算理想的速度誤差為±1.25m/s,所以運(yùn)動(dòng)員的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度幾乎未對標(biāo)簽定位產(chǎn)生影響。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸性能測試

(1)通信距離測試

將測距程序?qū)懭雰蓸?biāo)簽中，分離2個(gè)標(biāo)簽，觀察系統(tǒng)輸出的距離信息，移動(dòng)標(biāo)簽直到系統(tǒng)不輸出數(shù)據(jù)，記錄距離信息。方案示意圖如圖12所示。

圖12 通信距離測試方案示意圖Fig.12 Schematic diagram of communication distance test scheme

經(jīng)測試，標(biāo)簽UWB信號通信距離為：

1)在不加PA情況下，通道5通信距離約為28m。

2)在不加PA情況下，通道2通信距離約為78m。

3)在加PA情況下，通道2通信距離約為300m。

(2)數(shù)據(jù)傳輸測試

臂帶標(biāo)簽采集傳感器數(shù)據(jù)并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端接收機(jī)。從接收機(jī)讀取標(biāo)簽傳感器數(shù)據(jù),測試結(jié)果如圖13所示，顯示了3個(gè)標(biāo)簽同時(shí)定位的定位結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖13 上位機(jī)端接收到的數(shù)據(jù)Fig.13 Data received by the host computer

圖13中,標(biāo)簽ID-1為足球標(biāo)簽，內(nèi)置MPU6050傳感器，采集到的加速度及角速度均為三軸模值，溫度為36℃。從圖13中可以看出，搭載在標(biāo)簽上的傳感器數(shù)據(jù)能夠通過UWB信號及時(shí)上傳回上位機(jī)，為了解運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

本文提出了一種足球場運(yùn)動(dòng)員定位訓(xùn)練系統(tǒng)，將便攜的標(biāo)簽綁在運(yùn)動(dòng)員的臂部，對運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)定位和生理數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤，解決了球員跑位和生理數(shù)據(jù)獲取困難及缺乏解決方案的問題，有助于球隊(duì)教練根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在球場訓(xùn)練賽中的跑位和身體情況做出正確的技戰(zhàn)術(shù)指導(dǎo)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)場定位系統(tǒng)可以很好地完成運(yùn)動(dòng)員的定位追蹤和傳感數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)不僅可以運(yùn)用在足球場的技戰(zhàn)術(shù)測試中，還可以進(jìn)一步推廣到籃球等球類項(xiàng)目中，對于一些人員的健身測試提供數(shù)據(jù)支持。