基于“數據智能”的乒乓球訓練App設計

李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

?

基于“數據智能”的乒乓球訓練App設計

李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

（沈陽工業大學 理學院，遼寧 沈陽 110870）

乒乓球訓練是一個由多種因素構成的多層次的復雜體系, 需要通過科學的訓練，才能使運動員全面、準確、熟練地掌握乒乓球運動的各項技術。基于“數據智能”的乒乓球訓練系統App是以數據分析為核心，智能設備為基礎的乒乓球訓練系統，該系統包括訓練中心、熱點中心、個人中心等功能，實現了個人訓練數據的可視化，技術水平評價的定量化，讓球員訓練更加專業有效。

數據智能；數據分析；數學模型；移動應用

0 引言

乒乓球訓練是一個由多種因素構成的多層次的復雜體系[1]，需要通過科學的訓練，才能使運動員全面、準確、熟練地掌握乒乓球運動的各項技術。智能設備應用廣泛，先進的智能設備可以直接獲取關鍵的運動數據[2]，在體育運動方面有巨大的應用價值。對于乒乓球個人訓練，采用智能設備與數據分析相結合的方式，使數據獲取更加準確，數據分析更有效。

1 智能設備設計

（1）搭建運動傳感器的硬件平臺

智能設備[3]運動捕捉系統模型包含終端節點和主機節點，終端節點將節點姿態數據發送到主機節點。

終端節點主要包括四個部分：微處理器單元（MCU），IMU單元，電源管理模塊和無線收發模塊。需要實現包括傳感數據采集、無線通信、姿態角度解算和電量監測的功能；MCU控制IMU單元的數據采集、姿態角解算、鋰電池電量監測和無線數據收發；電源管理模塊進行電平轉換后提供各模塊所需的電壓；無線收發模塊負責完成數據通信任務。

主機節點是整個傳感數據采集系統與后臺的接口，所有節點的數據都經過主機節點傳給后臺，從數據量上來看，主機節點的任務是最重的。

（2）對傳感器原始數據進行預處理

傳感器存在噪聲大的缺點影響捕捉精度，必須有相應的數據預處理算法來對原始數據進行去噪。數據預處理包括加速度計數據預處理、陀螺儀數據預處理、磁力計數據預處理。

圖1 終端節點運動框圖

圖2 主機節點移動框圖

（3）對傳感器進行誤差建模，標定和校準

為了提高傳感器數據精度和可靠程度，需要對傳感器誤差進行標定[4]。標定數據分為靜態數據和動態數據，因此標定為靜態和動態標定后，可得到傳感器相應誤差模型參數，根據傳感器誤差模型，便可對傳感器進行補償，這個過程稱為校準，通過該過程可提高傳感器的精度。

（4）傳感器姿態解算

傳感器目的是采集球拍在三維空間的運動軌跡等數據，需要對獲得的傳感器數據進行解算，得到其姿態角數據，根據該角度數據便可得到傳感器在三維空間中的運動軌跡。需要對傳感器姿態矩陣進行解算，常用歐拉角法和四元數法兩種方法來進行姿態解算[5]。

圖3 傳感器實現流程圖

2 數據分析過程

（1）描述性分析：用戶的特點

通過傳感器測量得到每個用戶的初始數據，從而實現數據的可視化。其為訓練系統提供了重要指標和評價的衡量方法[6]。

（2）診斷性分析：用戶特點形成原因

對傳感器得到的原始數據進行分析，對混亂的數據進行分離，鉆取數據的核心，實現對每個用戶的初步評估。

（3）預測性分析：用戶經過訓練后的成效

對診斷分析得到的初步評估進行預測，得出用戶經過訓練后的可能性以及可能的能力提高，得到一個預測值。該預測能夠幫助系統做出更好決定，得到一個更適合該用戶的訓練方案。

（4）指令性分析：用戶的需求

指令模型基于對“用戶有什么特點”、“為什么有這種特點”和“訓練后會提高什么技能”的分析，依據預測結果來選定最佳的方案和策略，采用數據分析技術得到更加精確的決策。

圖4 數據分析流程圖

3 數學模型

通過層次分析法[7]建立一個對用戶乒乓球水平的評價體系，對傳感器得到的每個三級指標進行診斷性分析。再根據每個三級指標對二級指標的權重和二級指標對綜合能力的權重，得到對用戶的乒乓球水平的評價；從而進行指令性分析，用得到的評價來選定最佳的訓練方案和方法。

圖5 評價模型圖

在用戶使用量不斷增大的過程中，數據量也不斷增大，對大數據進行分析處理，不斷優化模型權重參數，最終得到更好的合適的評價模型。數學模型與移動應用相結合，使用戶的個人評價更加準確，讓用戶對自己的水平有一個準確的認知。

4 App總體設計

（1）訓練中心：功能包含統計分析、查看歷史數據、實時監測、今日評價。

首先，用戶當日的訓練量將在統計分析功能中顯示出來，主要分發球、弧圈球、推撥球三類[8]。每一項的訓練數量和完成度百分比將顯示在界面上，用戶還可點擊查看每一項的具體情況。

其次，用戶可以隨時查詢個人的歷史記錄，其中有近期訓練時間的折線圖、累計訓練時間和訓練分析。此外，用戶可以實時查詢訓練情況，比如用戶剛打完一場比賽，可以利用此功能查詢每一球的數據，這些數據將用智能設備采集，其中包括能量消耗、擊球角度、揮拍速度及3D模擬軌跡。

最后，用戶一天的訓練結束后，根據統計分析中的數據給出當日的訓練評價并呈現出來，供用戶參考。

（2）熱點中心：熱點中心模塊將相關乒乓球的推薦內容結合在一起，可以讓用戶更加了解乒乓球這項運動，具體功能包括及時發布乒乓球比賽信息、分享優質比賽視頻、推薦高手教學視頻、提供精品球技文章。用戶可以通過該模塊獲取大量有關乒乓球的信息。

（3）個人中心：該模塊主要包含個人資料、周計劃和好友比拼三個部分。

個人資料用來記錄用戶的個人數據，周計劃讓用戶自己設定自己的周訓練量，起到督促訓練的作用。

好友比拼：該部分主要實現了三個功能。一是將用戶與好友進行排名，讓用戶了解到自身的訓練排名；二是查看他人數據并提供關注好友的功能，讓用戶有選擇性地挑選自己感興趣的好友進行關注；三是為用戶提供聊天平臺，讓他們可以交流心得、體會。

5 UI設計

基于“數據智能”的乒乓球訓練App不僅在算法上進行研究，同時對界面進行詳細設計，設計出善于操作的界面，下面就部分界面進行介紹。

熱點中心：通過用TextView和ImageView控件將圖文信息顯示在文章和公告中，用VideoView控件實現教學視頻和比賽視頻的播放，見圖6。

訓練中心：將從智能設備獲取的數據，進行統計，用圖表控件MPAndroidChart制成折線圖，更加直觀的記錄用戶數據，見圖7。

圖6 熱點中心

圖7 訓練中心

圖8 個人中心

個人中心：用listView控件顯式個人可操作的功能，點擊查看各種信息。

6 結論

本文通過智能設備+數據分析，數學建模+移動應用，提出新的乒乓球訓練方式，建立一套高效的乒乓球訓練系統。通過智能設備的高靈敏度，完整記錄用戶數據，用高效的數據處理方法，對初始數據進行分析處理。通過數學模型建立用戶水平評價體系，在App上，展示數據分析的結果，實現了個人訓練數據的可視化，技術水平評價的定量化，讓球員訓練更加專業有效。

[1] 劉健. 乒乓球訓練中諸關系研究[J]. 南京體育學院學報(自然科學版), 2008(03): 49-50.

[2] 趙哲. 智能穿戴設備在體育領域中的價值研究[J]. 體育世界(學術版), 2015(08): 29-30+3.

[3] 陳瑋. 慣性式人體運動傳感器的關鍵技術研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2013.

[4] 韓盈黨, 李哲. MEMS加速度傳感器的數據采集和預處理[J]. 儀表技術與傳感器, 2015(02): 16-19.

[5] 彭輝. 基于多自由度傳感器的運動狀態分析[D]. 華北水利水電大學, 2017.

[6] 李君亮, 陳艷. 大數據技術的本體分析[J]. 自然辯證法通訊, 2018(11): 20-25.

[7] 郭金玉, 張忠彬, 孫慶云. 層次分析法的研究與應用[J]. 中國安全科學學報, 2008(05): 148-153.

[8] 黃靜嫻, 姚輝洲. 乒乓球運動員基礎訓練階段正手弧圈球技術的訓練手段研究[J]. 當代體育科技, 2018, 8(21): 25-26.

[9] 胡鞍鋼, 方旭東. 全民健身國家戰略: 內涵與發展思路[J]. 體育科學, 2016, 36(03): 3-9.

[10] 楊磊. 淺析多球訓練在高校乒乓球教學中的整合運用[J]. 陜西教育(高教), 2018(10): 25-26.

[11] 李潔, 應昌成. 大數據發展趨勢[J/OL]. 電子技術與軟件工程, 2017(22): 178-180.

Table Tennis Training App Design Based on "Data Intelligence"

LI Da-wei, DU Hong-bo, YUE Sai, ZHOU Xiao-lin, LU Yu-cheng

(School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Table tennis training is a multi-level complex system composed of many factors. Only through scientific training can athletes comprehensively, accurately and skillfully master all the techniques of table tennis. Table tennis training system based on data "smart" App is based on the data analysis as the core, the intelligent device on the basis of table tennis training system, the system includes training center, hot spot center, personal, and other functions, to achieve the personal training data visualization, technology level in the quantification of evaluation, let the player more professional and effective training.

Data intelligence; Data analysis; Mathematical model; Mobile application

TP31

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.006

遼寧省教育科學“十三五”規劃項目(JG16DB336)；2019年沈陽工業大學“大學生創新創業訓練計劃”項目(2019018)

李大偉(1998-)，男，沈陽工業大學理學院本科生；杜洪波(1977-)，男，副教授，主要研究方向：數據挖掘技術與應用；岳賽(1997-)，男，沈陽工業大學理學院本科生；周孝林(1998-)，男，沈陽工業大學理學院本科生；盧宇成(1998-)，男，沈陽工業大學理學院本科生。

李大偉，杜洪波，岳賽，等. 基于“數據智能”的乒乓球訓練App設計[J]. 軟件，2018，39（12）：23-27