足球運動員實時定位系統的研究①

李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學院體育學院 湖南婁底 417000）

足球運動員實時定位系統的研究①

李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學院體育學院 湖南婁底 417000）

為了克服目前足球運動員實時定位系統現有技術的不足,提出一種采用射頻方式進行運動員實時定位的方法,實現對足球運動員運動的位置進行實時定位和跟蹤。論文首先介紹了運動員實時定位系統的整體設計方案,接著重點說明了射頻卡的定位方法和定位系統硬件設計框圖,最后給出足球運動員的實際運動軌跡測試圖。該定位系統在訓練和教學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之一。當今, 足球運動的發展趨勢是比賽越來越激烈, 攻防轉換越來越快, 這樣對運動員跑動能力的要求就越來越高。因此,實時定位系統應用在足球運動中,對運動員的位置進行實時定位,保存和分析運動的軌跡跑步數,根據運動軌跡還可以推算出運動員的運動量、消耗相關的參數,對足球教練員在訓練運動員足球技戰術中打法有著重要的意義,對提高足球運動的教學與競技水平有深遠的意義[1-2]。

發展到如今,市場上主要的解決方法是將攝像機和計算機技術結合。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,時間等數據自動轉換成移動速度和距離。例如總部設在法國的數據公司SUP(Sport Universal Process）是測量比賽球員各項數據的佼佼者。該公司為多家歐洲俱樂部聘用進行分析。在數據取樣的比賽中,賽場內安裝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雜的分析軟件分解,最終的結果就是運動員的各種運動信息,并且詳細的數據被分門別類地統計出來。由于目前的上述的解決方案成本高,每套至少達到幾百萬以上,需要專門人員進行調試安裝,難以大范圍推廣。部分文獻提出利用Zigbee、北斗導航等設備進行足球運動員的定位[2-6]。

圖1 系統整體工作示意圖

圖2 三邊測量定位示意圖

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

圖3 射頻卡讀卡器節點結構示意圖

圖4 運動員定位測試曲線

1 系統整體設計

如圖1所示的足球運動員實時定位與監測系統,它包括有設置在球員身上的有源射頻卡,由于球場的尺寸最長達到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,有源標識卡工作時不斷主動向外發出無線電信號。采用的有源射頻卡內置電池,能夠保證無線傳輸的距離,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的球員身上,通過發送無線射頻信號至安裝在球場邊緣處的讀卡器節點。射頻卡每秒發送多次數據,發送的數據依次編號。

如果有源射頻卡發出的無線信號在射頻卡讀卡器的有效測量范圍內,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。同時射頻讀卡器節點將上述信息通過WIFI無線網絡轉發給無線路由器;控制中心電腦通過路由器讀取射頻讀卡器節點的數據及其信號強度,對有源射頻卡發送的數據和射頻信號的強度進行分析,實現對運動員運動的移動位置進行實時定位、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備,設計采用有源射頻卡的方式進行定位。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出的信號,并得到對應射頻卡的信號強度。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關系。

如圖2所示,A、B和C分別為對應的3個球場四周的3個射頻讀卡器的位置,其對應的坐標分別為(x1,y1）、(x2,y2）和(x3,y3）。有源射頻卡的位置即為3個圓的交點D,其對應坐標為(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。根據幾何關系表達式可知[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位置。

3 射頻讀卡器節點設計

射頻讀卡器節點負責讀取有源射頻卡數據及其該數據的信號強度,并同時通過WIFI模塊將數據及其信號強度等信息轉發至無線路由器;控制中心通過無線路由器讀取有源射頻卡數據相關數據及信號強度。如圖3所示,射頻讀卡器節點包括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據及其數據信號強度,同時MSP430F5529通過CC3100 WIFI模塊將上述數據轉發至無線路由器。

系統中射頻卡讀卡器節點有多個,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出的帶編號的數據,并得到該數據的無線信號強度。當多個有源射頻卡同時發送數據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送數據,可能會造成通信干擾,影響接收數據的效果。射頻卡中內置的防沖突機制可以保證在一定范圍內對多個不同的有源射頻卡發出的信息做出正確的識別和數據讀取。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,距離越遠信號強度越低。射頻卡讀卡器在得到有源射頻卡發出數據和信號強度信息后,通過WIFI模塊將上述數據轉發至無線路由器。

4 控制中心設計

控制中心包括有路由器數據讀取、球員實時定位計算程序模塊和球員位置數據保存/顯示模塊,其中,控制中心通過無線路由器讀取讀卡器節點轉發的相關數據;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據在多個讀卡器節點中的信號強度,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揮,雖是經大會組委會統一校正的器械或經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備活動,在檢錄前強度要達到一定的高度,但這個度是很難掌握的,要根據檢錄時間,當時的氣候,自身的狀態等多種因素決定,我國全國田徑錦標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,這對運動員控制準備活動的強度與量相對要簡單的多,但各種突發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賽(16～19歲),男子青年組跳遠比賽在下午3:20正式進行,檢錄時間是賽前45 min,但當成都體育學院運動員楊凱按預定時間到達比賽場地準備進行準備活動時卻下起雨,準備活動受到很大影響,正式比賽時雨已經停了,他的準備活動有些倉促,對運動員的身體、心理都造成一定的影響,像這些突發因素是在賽前準備活動中都應該考慮的,這樣才能創造好的運動成績。

3.7 其他各種因素

比賽等級越高,運動員越容易出現緊張、興奮過早、精神壓力過大等不適反映,這就需要根據情況及時調整,同時,比賽期運動員的睡眠、飲食和營養攝入,對比賽能力有直接影響。比賽前應準確了解運動會期間的飲食供應情況,盡量想辦法保持運動員的飲食習慣和充足的運動專項營養[5]。如2009年上海室內田徑錦標賽時,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供應,是我們要很好解決的一大問題。運動員做到賽前心中有數,以防不良情況的發生,確保以自信愉悅的心情參加比賽。

4 結語

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

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

［2］金國斌.談準備活動對田徑運動員比賽的影響[J].哈爾濱體育學院學報,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.運動訓練學[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:運動訓練學。