基于UWB的運動場定位系統設計

閆佳暉，張曉明，劉 俊，朱孟龍，祁晉帆，高麗珍

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

隨著科學技術的發展，科學技術滲透到體育運動的各個角落，為了能夠更好地指導運動以突破運動員體能極限，越來越多高新技術被應用于各項體育運動中，智慧足球場[1]的概念應運而生。足球比賽中高超的技術和戰術是一支高水平的足球隊不可缺少的。而足球訓練中每個人站位和跑位的記錄又是戰術制定中不可或缺的部分，這都需要把握和記錄場上運動員的位置和跑動數據信息?，F在的足球訓練中無法定量監測每個運動員的生理參數和運動信息，缺乏技戰術水平測試系統來輔助球隊訓練計劃的制定。

目前，運動場面積大，運動員多而且跑動頻繁，對運動員的定位觀察繁瑣復雜。從初期傳統的人眼觀看和紙筆記錄的工作方式，到如今的專業隊或大學校隊都會使用的多種技術以追蹤運動員在場上的動作并分析他們的表現。其中大部分都是通過攝像[2-3]記錄場上發生的一切，但是實際的運動員運動軌跡不容易通過直觀捕捉高效記錄下來；而且多個高速攝像頭跟蹤拍攝，經過圖像識別[4]技術將路徑還原的系統造價較高，無法將人員的實時生理數據等記錄下來。獲取運動員位置跑位數據最關鍵的技術就是人員定位技術[5]。目前主要有超聲波[6]、藍牙[7]、WiFi[8]等通過信號強度的定位技術，其定位精度都不足以準確跟蹤運動員的跑動軌跡。另外有GPS[9]和UWB[10-12]等通過時間測距的定位技術，其中GPS定位精度較低，RTK技術[13-14]雖然能提供高精度的定位數據，但是其接收機體積大，不易攜帶，不能滿足運動員運動需求。新型的超寬帶技術具有系統易實現、定位精度高等優點，可用于各種目標以及人的定位跟蹤與導航，且能提供分米級的定位精度；再結合MEMS傳感技術中體積小巧的加速度和心率傳感器，完全能夠滿足運動員訓練中高精度定位及生理監測的需求。

本文從足球運動員訓練時運動及生理數據的實時監測需求出發，開展了基于UWB定位和MEMS生理傳感數據采集系統的研究，將運動員的定位信息實時傳回定位終端，達到能夠實時監測足球運動員的跑位及生理運動信息的目的，為球員在訓練賽前、賽中和賽后訓練計劃的制定提供數據支撐。

1 測試系統設計

1.1 系統總體方案設計

系統主要實現運動員跑位和生理數據監測，其中使用UWB定位技術完成跑位數據的獲取和傳輸，MEMS傳感技術完成生理數據的監測。UWB定位技術使用TDOA完成定位，TDOA相較于ToF定位信號鏈路比較簡單，標簽容量大，定位頻率高。

定位系統由若干基站以及若干標簽組成，系統組成如圖1所示。將若干基站分別置于操場的邊緣位置，其中一個為主基站，擔任發送時鐘同步信號的任務；其他基站為從基站，主要用于接收標簽的定位請求信號，并且將時鐘戳和生理數據通過網橋發到數據處理軟件。

圖1 定位系統組成Fig.1 The composition of the positioning system

1.2 系統測試節點設計

定位標簽電路由控制模塊、生理信息監測模塊、電源模塊和UWB模塊四部分組成。生理信息監測模塊可以實時采集標簽的加速度和心率信息。

定位基站的電路組成與定位標簽類似，使用性能較高的STM32芯片，搭載無線網橋模塊，可以將各個基站的定位數據包在不占用UWB信號通信頻道下將數據發送到終端進行定位解算，定位標簽和基站模塊組成如圖2所示。

圖2 定位標簽和基站電路組成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射信號部分增加功放電路以提高信號發射功率的方案。 功放電路具有占用空間小、易實現、成本低的優點。

1.3 系統程序設計

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據。基站分為主基站和從基站，主基站定時向各個基站發送時鐘同步信號，為從基站提供時鐘同步時間基準；當各個基站接收到時鐘同步信號時，提取主基站的發送時間戳和從基站的接收時間戳，經過時鐘同步算法完成從基站的時鐘同步。各基站收到標簽定位信號時，將芯片的時間戳提取出來經由網橋發送至定位解算終端?；境绦蛄鞒倘鐖D3所示。

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

對于標簽定位，每個定位標簽都有自己的專屬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 標簽程序流程Fig.4 Tag program flow

1.4 系統定位算法

UWB信號屬于電磁波，其傳播距離與時間之間存在線性關系，即

r=ct

(1)

其中，c表示信號在空氣中的傳播速度。

假設標簽發送一次定位信號到達各個基站的時間戳為ti，則標簽信號到達第i個基站的距離和到達第1個基站的距離差可表示為

Δri-1=c(ti-t1),i=2,3,…,n

(2)

又標簽到各基站的偽距方程為

(3)

其中，ri為標簽到第i個基站的偽距，(x,y)為標簽的坐標點。(xi,yi)為已知的第i個基站坐標。

基于方程式(3)取標簽坐標近似點(x0,y0)作為初始點，運動場定位中，由于標簽只會出現在基站圍成的四邊形區域內，所以直接取基站所圍中心點作為定位初始點，根據方程式(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

通過計算基站接收到的時間差數據可得出ΔRn-1，可通過坐標點計算求得Hn-1，當多基站聯合定位時，即基站數n≥4時，使用最小二乘法求解方程式(5)得

(6)

經過矩陣運算得出ΔX后，將結果用于糾正定位初始坐標，然后再通過牛頓迭代反復解算，定位坐標將很快趨近于標簽的真實位置，從而得到標簽定位坐標。

2 UWB定位系統性能測試

為了驗證定位系統的標簽定位跟蹤和數據傳輸性能，分別從靜態定位、動態定位和數據傳輸的角度對定位系統進行性能測試。實驗現場如圖5所示，由4個定位基站圍成實驗場地。

圖5 基站安置及實驗環境圖Fig.5 Base station placement and experimental environment

如圖6所示，標簽采用手環式臂帶設計，體積小巧，質量19.1g，綁于運動員臂部，實際使用中不會對運動員的身體動作產生干擾。工作頻率10Hz條件下可連續工作72h，滿足足球運動員訓練中多場比賽連續工作的要求。

圖6 臂帶標簽實物圖Fig.6 Real picture of armband tag

2.1 靜態定位實驗

為了測試攜帶標簽的運動員在運動場靜止時標簽的定位精度，在如圖7所示的綠色圓點處進行靜態定位測試。

圖7 單標簽靜態定位示意圖Fig.7 Single tag static positioning diagram

經過測試，真實的定位點坐標及實測定位點坐標數據如表1所示。從表1中可以看到，靜態定位的實測值和理想值誤差不超過15cm。在坐標(60.2,26.13)處進行靜態定位實驗結果的分布云圖如圖8所示，圓概率誤差95%CEP為9cm。

表1 靜態定位點及實測定位點統計表Tab.1 Static positioning point and actual measurement site statistics table

圖8 單點靜態定位云圖Fig.8 Single point static positioning cloud map

2.2 動態定位實驗

為了測試系統能否很好地完成運動員的定位跟蹤，以及運動員攜帶標簽運動時對標簽定位精度的影響，分別進行了如圖9所示的3條路線大視角運動定位及小視角內運動員姿態及速度對定位效果影響的實驗。

圖9 動態定位測試路線和實驗結果對比圖Fig.9 Schematic diagram of dynamic positioning test scheme

總計分3條路線，路線1為主基站向從基站-2處行走路線，路線2為在場地中線區走一個封閉正方形，路線3為臺階形路線。

實驗人佩戴標簽，分別沿圖中路線1、2、3前進，定位頻率10Hz，使用上位機記錄實驗數據，實驗結果如圖10所示。從圖10中可以看出，系統能夠準確對運動中的運動員進行定位，定位精度優于25cm。

圖10 動態定位實驗結果Fig.10 Dynamic positioning experiment result

為了測試運動員自身姿態及手臂揮動導致標簽運動時對人員定位的影響，運動員以約1m/s的速度沿X軸反方向奔跑，定位頻率10Hz，上身自由活動的同時手臂前后揮動，將定位數據橫坐標做差分運算，根據定位頻率得到運動員X軸向運動速度數據，結果如圖11所示。

圖11 X軸向運動速度結果圖Fig.11 X axial motion velocity result

實驗結果表明，運動員速度在-1m/s上下波動，誤差為±1.5m/s。根據定位精度25cm計算理想的速度誤差為±1.25m/s,所以運動員的姿態和運動速度幾乎未對標簽定位產生影響。

2.3 數據傳輸性能測試

(1)通信距離測試

將測距程序寫入兩標簽中，分離2個標簽，觀察系統輸出的距離信息，移動標簽直到系統不輸出數據，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

經測試，標簽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)數據傳輸測試

臂帶標簽采集傳感器數據并將傳感器數據發送至遠端接收機。從接收機讀取標簽傳感器數據,測試結果如圖13所示，顯示了3個標簽同時定位的定位結果數據。

圖13 上位機端接收到的數據Fig.13 Data received by the host computer

圖13中,標簽ID-1為足球標簽，內置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，搭載在標簽上的傳感器數據能夠通過UWB信號及時上傳回上位機，為了解運動員運動狀態提供數據支撐。

3 結論

本文提出了一種足球場運動員定位訓練系統，將便攜的標簽綁在運動員的臂部，對運動員運動定位和生理數據進行追蹤，解決了球員跑位和生理數據獲取困難及缺乏解決方案的問題，有助于球隊教練根據運動員在球場訓練賽中的跑位和身體情況做出正確的技戰術指導。經過實驗檢驗，所設計的運動場定位系統可以很好地完成運動員的定位追蹤和傳感數據傳輸。系統不僅可以運用在足球場的技戰術測試中，還可以進一步推廣到籃球等球類項目中，對于一些人員的健身測試提供數據支持。