基于體域網(wǎng)的可穿戴式短跑運動狀態(tài)監(jiān)測

黎玉安，張朝暉，趙小燕，夏懷亮

（1.北京科技大學 自動化學院，北京 100083；2.北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心，北京 100084）

0 引 言

短跑技術(shù)的演化經(jīng)歷了漫長的過程。公元前776 年在希臘舉行的第一屆古代奧林匹克運動會上，就已經(jīng)設置了短跑比賽項目。那時的起跑采用站立姿勢，利用腳后巨石的反力來增加起跑加速度，直到1887 年才開始采用蹲踞式起跑[1]。從腳跟先著地變成前腳掌著地，大大提高了短跑成績[2]。1912 年的男子百米世界紀錄為10 秒06[3]，而目前紀錄是創(chuàng)造于2009 年的9 秒58，其中短跑技術(shù)的進步功不可沒。

短跑技術(shù)由起跑、加速跑、途中跑及沖刺跑等四個階段的技術(shù)組成。通過對每個階段運動狀態(tài)的監(jiān)測，深入了解對技術(shù)要領(lǐng)的執(zhí)行情況，有利于為運動員制定科學的訓練方案。

人體運動姿態(tài)監(jiān)測可以利用可穿戴式傳感器、外置傳感器（光學式、圖像式、聲學式）、外置/可穿戴式混合傳感器等三種途徑實現(xiàn)。近些年來，隨著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于MEMS 的傳感器具備了體積小、能耗低、數(shù)據(jù)無線高速傳輸?shù)膬?yōu)點[4]，成為可穿戴設備的優(yōu)選器件。

本文采用可穿戴式傳感器，并以運動員個體為單元構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡，實時采集運動員的姿態(tài)、速度、加速度信號，以進行再現(xiàn)和分析。

1 四元數(shù)姿態(tài)估計

四元數(shù)是一個四維復數(shù)，常用于表達三維旋轉(zhuǎn)運動，其形式為[5-6]：

式中：q0、q1、q2、q3為實數(shù)；是互相正交虛單位向量。

微控制器將每個傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成四元數(shù)計算并無線發(fā)送給上位機。相比于角度信息直接發(fā)送，四元數(shù)具有處理速度快、占用存儲空間少的優(yōu)勢，傳輸效率高，能耗也更低。

上位機將接收到的四元數(shù)進行融合解算，得出偏航角ψ、俯仰角θ、橫滾角?空間方向信息。當剛體的姿態(tài)發(fā)生變化時，剛體坐標系分別繞地理坐標系各軸旋轉(zhuǎn)，得到偏航角ψ、俯仰角θ、橫滾角?的轉(zhuǎn)換矩陣為：

式中：b代表剛體坐標系；n代表地理坐標系。轉(zhuǎn)換矩陣的四元數(shù)表達式為：

從式（2）、式（3）可得出剛體坐標系旋轉(zhuǎn)角度與四元數(shù)之間的關(guān)系為：

2 卡爾曼濾波算法

本文采用的MPU-6050 傳感器芯片測量存在慣性傳感器本身誤差和外部環(huán)境影響[7]。卡爾曼濾波利用狀態(tài)方程根據(jù)時間上的各測量結(jié)果進行最優(yōu)估計，去除噪聲和干擾的影響。常用的卡爾曼濾波方式對慣性傳感器原測的數(shù)據(jù)進行建模、預測更新，對下一時刻的數(shù)據(jù)進行預測。

不同測量系統(tǒng)下模型有所不同，用X表示傳感器原測的各項數(shù)據(jù)，基本動態(tài)系統(tǒng)模型如下[8-9]。

狀態(tài)方程：

測量方程：

式中：Xk為k時刻系統(tǒng)的狀態(tài)量；Φk,k-1為系統(tǒng)從k-1 到k時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣；Γk-1為k-1 時刻系統(tǒng)噪聲矩陣；Wk-1為k-1 時刻過程噪聲；Zk為k時刻的測量值；Hk為k時刻的觀測模型矩陣；Vk為k時刻測量的系統(tǒng)噪聲。

狀態(tài)更新：

式中，Kk為卡爾曼濾波增益。協(xié)方差矩陣公式為：

式中，A為作用在Xk-1上的狀態(tài)變換矩陣。過程噪聲的協(xié)方差矩陣為：

卡爾曼濾波增益為：

測量噪聲的協(xié)方差矩陣為：

更新協(xié)方差：

式中，I為單位矩陣。

卡爾曼濾波通過線性狀態(tài)方程和遞歸運算方法解決離散數(shù)據(jù)濾波問題，再結(jié)合輸入輸出得到的觀測數(shù)據(jù)估算最優(yōu)數(shù)據(jù)。

3 體域網(wǎng)系統(tǒng)設計

以往研究表明，短跑運動中各肢體的總體加速度范圍在-3g到3g之間[10]。本文采用三軸陀螺儀和三軸加速度計的MPU-6050 傳感器模塊，具有可控的傳感器測量范圍，陀螺儀可測范圍分別為±250°/s、±500°/s、±1 000°/s、±2 000 °/s，加速度計可測范圍分別為±2g、±4g、±8g、±16g。傳感器芯片尺寸為（4×4×0.9）mm，傳感器模塊將傳感器芯片連接至8 根外接引腳，用于供電、控制、數(shù)據(jù)讀取功能，如圖1 所示。

圖1 MPU-6050 傳感器模塊

本方案需要進行各肢體實時監(jiān)測，采樣頻率高、無線網(wǎng)點反應速度快且傳感器數(shù)量多。綜合考慮，大帶寬、低延遲的WiFi傳輸方式成為優(yōu)先選擇。各網(wǎng)點均有一定的運算能力，本文采用WiFi 技術(shù)的ESP8266 無線微控制器。所構(gòu)成的可穿戴數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器模塊、WiFi 模塊、電池等三部分，如圖2 所示。

圖2 可穿戴數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖

將10 個可穿戴數(shù)據(jù)采集模塊組成體域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 體域網(wǎng)的構(gòu)成

總體設計的體域網(wǎng)由10 個無線數(shù)據(jù)采集模塊組成，根據(jù)不同的實驗模式，采用的數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)量會有所改變且安裝的方式不同。

運動狀態(tài)數(shù)據(jù)處理流程如圖4 所示。微控制器將傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四元數(shù)，通過WiFi 信號傳輸給接收端再通過串口上傳給上位機，上位機將得到的四元數(shù)數(shù)據(jù)在軟件上建模、記錄跑步過程的信息。

圖4 運動狀態(tài)數(shù)據(jù)處理流程

4 實驗結(jié)果分析

實驗包括兩方面主要內(nèi)容：一是驗證起跑、加速跑、途中跑、沖刺跑四個階段的姿態(tài)監(jiān)測效果；二是全程速度與加速跑監(jiān)測效果。

4.1 姿態(tài)監(jiān)測實驗

采用10 個數(shù)據(jù)采集模塊，采樣頻率為10 Hz，監(jiān)測運動員跑步的姿態(tài)變化過程、接收端模塊及上位機。實驗者在頭部、背部、兩邊胳膊肘、手腕、大腿、腳踝分別穿戴各數(shù)據(jù)采集模塊，如圖5 所示。

圖5 姿態(tài)監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)采集模塊布置方案

根據(jù)運動員各肢體產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)角度，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四元數(shù)無線傳達至上位機，上位機將得到的四元數(shù)數(shù)據(jù)在軟件上建模、記錄跑步過程四個階段各肢體的姿態(tài)信息。運動員跑步姿態(tài)數(shù)據(jù)自動監(jiān)測實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 短跑運動員姿態(tài)監(jiān)測建模

4.2 速度與加速度監(jiān)測實驗

實驗者穿戴一個腳踝數(shù)據(jù)采集模塊，跑道上安裝兩個間接收發(fā)數(shù)據(jù)模塊、接收端及上位機。實驗驗證本文設計中采用的ESP8266 WiFi 模塊在無遮擋情況下傳輸距離在45 m 以內(nèi)，且距離超過30 m時出現(xiàn)嚴重的延遲、數(shù)據(jù)丟失問題。因此，全程跑100 m 將不能直接把數(shù)據(jù)從穿戴數(shù)據(jù)采集模塊無線傳達至上位機。本文設計的方案添加中程收發(fā)數(shù)據(jù)模塊，增加了傳輸距離，保證監(jiān)測運動員的全程跑步速度、加速度信息。跑道的接收信號模塊布置方案如圖7 所示。

圖7 跑道接收信號模塊布置

戶外實驗在100 m 實際跑道上進行，采樣間隔為10 ms，對運動員穿戴數(shù)據(jù)采集模塊的加速度信息進行卡爾曼濾波處理，得到速度與加速度變化曲線如圖8 所示。對腳踝速度作光滑曲線，得出運動員全程跑的速度變化曲線如圖9 所示。在100 m 跑步過程中，運動員通過調(diào)節(jié)步頻控制跑步速度，跑前30 m 時添加了減速階段，過30 m 后再加速跑。

圖8 運動員全程跑數(shù)據(jù)

圖9 運動員全程跑速度分布

5 結(jié) 語

針對短跑運動訓練監(jiān)測的需求，本文提出了一種低功耗、微型化、無線傳輸?shù)膶嵤┓桨?。通過實驗測試，基于六軸慣性傳感器、微控制器和無線傳輸技術(shù)，設計了組成體域網(wǎng)的10 個可穿戴無線數(shù)據(jù)采集模塊，監(jiān)測運動員各肢體的空間信息，采樣間隔可從10 ms 調(diào)節(jié)至100 ms。通過兩種主要實驗監(jiān)測運動員全跑程的運動狀態(tài)，為科學訓練提供了一個輔助手段。