基于北斗智能手環的足球訓練系統設計

駱舒蕾,馮毅,汪師印

(南京工業大學 測繪科學與技術學院,江蘇 南京211816)

0 引 言

近年來,國家高度重視足球的發展,振興足球是中國成為體育強國的重要一步.中國北斗衛星導航系統(BDS)可為用戶實時提供高精度定位、導航、授時服務和短報文通信功能[1].現階段我國足球訓練過程中還存在諸多弊端,如體能訓練、基本功訓練、賽場狀況監控等,由于缺乏系統的組織與協調,導致訓練效果不佳.目前,雖有很多專家對足球訓練存在的問題進行分析,并提出解決方案,但利用BDS輔助足球訓練尚不多見.

基于我國“足球強國”戰略的實施和北斗衛星導航系統發展的良好態勢,本文設計一種基于北斗智能手環的足球訓練系統.足球教練可根據北斗智能手環傳輸的數據實時在線監控運動員訓練和比賽狀態,可有效避免意外發生.運動員可利用手環記錄的數據,對自身訓練強度有較為客觀的認識,了解自身動作的標準性,認識不足并改正,以便達到最佳訓練效果.此外,還可對大量歷史數據進行分析.通過數據處理與分析,可以評估運動員體能和訓練成果、制定專項訓練計劃、并對比賽進行軌跡回放以及運動員賽場狀態分析,以便進行戰術調整和訓練方案改良等.

1 系統整體方案設計

1.1 系統總體框架

以北斗智能手環為載體開展足球訓練.系統結構框圖如圖1所示.系統包括數據采集模塊、數據處理模塊和數據顯示終端三大部分.北斗智能手環所獲取的位置、心率和血壓等和北斗基站采集的數據傳輸到指揮控制中心,在指揮控制中心完成數據解算;數據分析終端分為Web客戶端和手機客戶端兩部分,可對指揮控制中心的數據進行訪問并處理分析、評估訓練效果,從而對訓練中的優缺點有客觀的認識,提高訓練的科學性.教練可根據Web客戶端整合處理的各種信息實現對運動員訓練狀況的實時監控,并給出專業意見.利用3D視頻技術可制作出展現真實場景的3D教程,運動員通過多視角觀看教程,領悟動作要領,提高訓練效率.在缺乏教練的情況下,運動員可利用手機客戶端維持訓練進度,通過北斗智能手環來檢測訓練動作的正確性,進行專業的基本功訓練.同時,Web客戶端與手機客戶端可進行遠程通信,實現教練與運動員的實時通信.

1.2 系統總體功能

教練和運動員是整個系統的主要使用者,運動員可以查看個人的相關信息,教練可以查看所管理的運動員的所有信息,并且能夠進行相互通信.該系統的功能設計和模塊設計主要從教練的角度出發.

1)高精度實時定位

對運動員進行高精度實時定位,并可將運動員的速度及位置等信息在電子地圖上顯示.

2)體能監測與預警信息

著重檢測運動員平時訓練過程中的心率、血壓,在跑圈過程中可以通過一定的公式計算出運動員的跑圈距離和時間,從而對運動員的體能進行評估.通過對運動員的多組數據的對比分析,估計各運動員適宜的運動強度,防止發生意外.一旦顯示運動員狀態接近最大強度值,該系統及時發出警報.

3)數據采集、處理及管理

北斗智能手環可將運動員的各項檢測實時傳輸給數據分析終端,實現對運動員監測信息的收集、存儲、分析.教練員可利用Web客戶端對所需的各種數據進行調取顯示,運動員通過登陸手機客戶端調取個人的相關信息.

4)基本動作訓練

顛球、帶球、停球、射門等都是足球運動員所必須熟練掌握的基本動作[2].通過事先制作好的3D教程,運動員可根據自身情況多角度的觀看動作要領.掌握動作的關鍵在于領悟要領,擁有好的基本動作有利于控制比賽的節奏和抓住進攻機會,從而增加比賽取勝的機率.如停球的方法有很多種,通常運動員選擇的停球處理與最佳的停球處理存在一定差距,通過系統的專項訓練可以加深運動員的“肌肉反應”,對停球做出最佳的判斷.該系統會有較為全面的基本動作訓練模塊.

5)訓練成果的評估

該北斗智能手表可以系統的整合所有運動員的訓練狀況,便于教練實時掌握每位運動員的訓練狀況,并對每位運動員的訓練成效進行評估.

6)比賽的軌跡回放

通過比賽的軌跡回放功能,可以獲得各個運動員的在賽場上各個時刻的瞬時速度等信息,教練可以據此分析每個運動員的薄弱點,以及整個球隊戰術上的優缺點和球員間的配合度,及時調整訓練方案,從而提高球隊的綜合競爭力.

2 系統硬件結構

北斗智能手環主要由五部分組成,分別是微控制單元(MCU)、北斗定位模塊、電源模塊、通信模塊、傳感器模塊[3].其中,MCU由ARM處理器、數據存儲器、數據傳輸信號接口組成,具有數據采集、處理、傳輸等功能;北斗定位模塊主要利用北斗衛星差分定位技術對運動員進行實時高精度定位;電源模塊是對手環的軟硬件進行電力供應;通信模塊主要采用藍牙方式;傳感器模塊主要由心率傳感器和六軸加速度傳感器組成,可以監測并采集心率、血壓、加速度和瞬時速度等[4].系統硬件結構框圖如圖2所示.

2.1 心率傳感器

目前,心率測量主要有三種方法:一是從心電信號中提取;二是計算壓力傳感器在血壓量測中的波動變化;三是光電容積法[5].前兩種心率測量方法不僅限制使用者的活動范圍,而且長時間使用會使使用者生理、心理上出現強烈的不適感.光電容積法因為其便于操作以及高穩定性,成為現階段心率測量最普遍的方法之一.

光電容積法心率測量原理是:人體血管搏動時組織細胞的透光率是變化的.當人體外部血管有光束透過時,充血容積會因動脈搏動而改變,從而改變光束的透光率,光束接觸到人體組織會發生反射,反射光線經光電變換器處理為電信號,并在這個過程中進行一定程度的放大并輸出.隨著心臟的搏動，人體脈搏會呈現周期性變化,所以動脈血管的充血容積的變化也呈現出周期性.綜上所述,心率可用脈搏率來表示,它就是光電信號的變化周期[6].

2.2 六軸加速度傳感器

對運動員的動作進行實時提取與分析可利用六軸加速度傳感器來實現.六軸加速度傳感器可以采集三軸加速度和三軸角速度數據[7].其中,經過低通濾波處理,三軸加速度還可進行分解,實現三軸重力加速度和三軸線性加速度的采集.這樣,運動員的每種基本動作便可得到9組特征數據,繼而實現對更多訓練動作的識別.

2.3 北斗差分定位模塊

BDS空間段計劃由35顆衛星組成,包括5顆地球靜止軌道衛星、27顆中圓地球軌道衛星和3顆傾斜地球同步軌道衛星,這些衛星以固定的軌道圍繞地球做周期性運轉[8].采用單點定位的方法,理論上只需3顆衛星即可.然而,為了求解接收機鐘差需要引入第4顆衛星,構造時間參數,才能解算出觀測點高精度的三維坐標.為了提高定位精度,可增加一個北斗基站,智能手環和基準站接收的觀測數據均發送到指揮控制中心,由指揮控制中心完成差分計算,生成用戶的高精度差分定位結果,并保存到系統數據庫中.

3 系統軟件設計

3.1 體能訓練

體能是反映運動員的競技能力的一個重要參數,體能在足球運動中更是發揮著至關重要的作用[9].良好的體能訓練關乎足球訓練質量的好壞.足球訓練的六種基本形式分別是沖刺跑、中速跑、慢跑、走動、后退、帶球跑.足球運動員的間歇時間和運動時間因這六種基本形式運動的交替出現會產生差異.體能訓練一般分為耐力訓練和速度訓練,沖刺跑、變速跑和短距離的啟動跑等與速度密切相關的訓練屬于速度訓練的范疇.北斗智能手環可以利用北斗系統提供的導航定位、授時、短報文功能記錄各個時間段的運動時間、跑動距離和速度并對運動員的速度訓練情況進行評估.耐力訓練是在達到距離要求的基礎上,通過加強耐力值來實現.運動員的心率變化可以反映運動員的耐力訓練強度,因此可以利用心率參數來控制耐力訓練強度[10].

3.2 動作識別及計數

通過識別運動員的動作,分析其與標準動作的相似度,來評價運動員動作是否標準.建立各個標準動作數據庫,將各個標準動作的九組特征數據錄入動作數據庫系統,并通過大量的樣本分析,設置各個動作的閾值.通過特定算法對六軸傳感器所采集的運動員的動作數據進行分析,并將分析所得的數據與數據庫中提前建立好的標準數據進行分析比對,來判定相應動作的標準度,并實時做好記錄工作.

第一個判斷條件所涉及的閾值是進入計數判斷,通過進行多組實驗,測試不同動作.當傳感器的采集值經分析處理后得到的九組數據都滿足閾值時,說明該運動員的動作達到標準程度,此時計數加一.若不滿足以上要求,系統會重新回到數據采集步驟.該算法流程圖如圖3[11]所示.

3.3 賽況回放與評估

利用BDS終端接收機實時收集各個運動員的比賽數據,并將其導入到地理信息系統(GIS)中,經過分析整合,可在系統平臺上實現多時段軌跡回放.教練員可回放任意運動員在比賽中的任意時間段的軌跡,并在地圖上加以展示,同時配備快進、快退、播放、暫停、拖拽、倍速等功能控制軌跡播放速度,同時配合可視化的速度曲線.

比賽結束后,及時生成運動員在比賽中的移動距離、運動時間、移動次數、最大加速度、平均速度、心率和血壓等比賽基礎數據統計報表,方便教練更好地了解運動員的比賽狀態與各項生理參數,同時所有報表數據可以直接導出形成各種報表文件.

4 終端設計及功能實現

4.1 數據分析終端

數據分析終端可訪問處理分析指揮控制中心的數據.數據分析終端所獲取的數據量大、訪問量大,計算強度也比較大.數據分析終端的數據庫系統記錄著各個運動員的信息以及足球教學涉及的足球基本動作參數.網絡將多臺服務器進行連接形成一個服務器集群,可對所接收到的數據進行實時處理.該系統包括主服務器和地圖服務器兩組服務器.主服務器可對數據進行采集、分析和存儲.地圖服務器主要是將主服務器解析出的運動員的實時位置形成軌跡圖.

4.2 Web客戶端

Web客戶端框架如圖4所示.與一般軟件相比,Web客戶端作為一種動態頁面技術的客戶端軟件,在服務器一端進行軟件更新便可完成所有數據的更新,減少了數據更新操作,降低了應用軟件的部署難度.教練員可在瀏覽器上通過用戶名和密碼登錄Web客戶端,在Web客戶端實時回放軌跡圖，了解各個運動員的狀況,對運動員的優缺點有比較客觀的認識,從而及時指出運動員的不足同時發揮其優勢.Web端的主要功能有:運動員基本信息管理模塊、基本訓練動作模塊、體能訓練模塊、健康指數模塊、訓練總評估模塊以及比賽記錄及回放模塊.

4.3 手機客戶端

手機客戶端是可以在手機上運行的軟件.智能手機攜帶方便,更加注重用戶體驗,因此可以通過市場調研,了解用戶需求與喜好,將實現用戶良好的體驗感作為設計功能界面的第一要旨,更好地設計出手機APP的界面和模式等.運動員通過注冊并登陸手機APP可以進行基本動作的3D教程學習,通過北斗智能手環可判斷動作的正確性,讓運動員客觀地掌握自己的訓練情況.此外,在手機APP上也可以顯示北斗智能手環所檢測的心率和血壓等生理參數,運動員可依據相關的體能訓練參數進行適宜強度的體能訓練.本系統旨在通過科學、先進和智能化的設計最大程度地滿足教練員的訓練需求.

5 結束語

本文設計了一種基于北斗智能手環的足球訓練系統,解決了傳統訓練的很多弊端,提高了訓練的效率和科學性.3D基礎動作教學能使運動員多角度觀察動作要領,利用北斗智能手環采集的數據以及數據分析終端的整合能對動作進行有效評判,實用度較高,進一步深化基于北斗智能手環的體育訓練系統研究具有重要的理論意義和應用價值.