基于慣性傳感器的高山滑雪動作分析與訓(xùn)練指導(dǎo)

中圖分類號：TP89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Motion Analysis and Training Guidance of Alpine Skiing Actions Based on Inertial Sensors

ZHANG Hao，PAN Ruoqian，JI Rujie，WANGLei （Qingdao Engineering Vocational College，Qingdao 266ll2，China）

Abstract： In response to the late start and weak research foundation of alpine sking in China， based on motion data from inertial sensors，a scientific motion analysis and training guidance method for alpine skiing is studied. By analyzing key characteristics such as the athlete’s center of gravity trajectory，upper limb stability， and blade angle， specific technical points are guided， and the cosine distance between training movements and standard movement data is calculated to complete the similarity evaluation of movements. A data analysis system for alpine skiing movements is developed to complete real-time movement data transmission and display，as well as historical movement data analysis and evaluation，and to vividly display the training effects of athletes through a visual interface. This study provides data support for optimizing training strategies and improving athlete performance for coaching teams.

Keywords： alpine skiing；sensor data；training guidance；data analysis system

冬奧會比賽項(xiàng)目中，高山滑雪以滑行速度快、視覺刺激強(qiáng)、動作技巧足等特點(diǎn)深受大眾喜愛[。但由于中國冰雪運(yùn)動起步晚，對此研究較少，高山滑雪面臨較大的發(fā)展瓶頸[2]，因此科學(xué)的訓(xùn)練指導(dǎo)策略至關(guān)重要[3]。姿態(tài)數(shù)據(jù)是訓(xùn)練指導(dǎo)的前提，目前，高速攝像機(jī)和慣性傳感器廣泛應(yīng)用于人體動作數(shù)據(jù)的采集，而慣性動作捕捉設(shè)備以其出色的準(zhǔn)確性和室外便攜性常作為動作分析首選[4-5]。KONDOA等[6]在運(yùn)動員的腰、髖、膝及踝等多個骨骼段綁定可穿戴慣性傳感器，檢測運(yùn)動員轉(zhuǎn)彎時膝和肘關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動軌跡，為運(yùn)動員轉(zhuǎn)彎特征的分析提出專業(yè)化的指導(dǎo)意見;BENEDIKTF等7將11個慣性傳感器分別綁定在四肢和髖等重要身體部位，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)的計(jì)算算法，作為運(yùn)動訓(xùn)練中的關(guān)鍵特征;MATSUMURAS等[8]在慣性傳感器的基礎(chǔ)上增加了壓力傳感器，通過檢測運(yùn)動員足底和雪板的負(fù)荷比，對旋轉(zhuǎn)技能進(jìn)行評估。國內(nèi)對高山滑雪的動作分析，主要是從人體受力的角度[9，計(jì)算在特定地形下的最優(yōu)軌跡，得到運(yùn)動員比賽的最優(yōu)路線[10-11]，但基于慣性傳感器的動作研究較少。因此，本文基于慣性傳感器的動作數(shù)據(jù)，分析高山滑雪關(guān)鍵特征、量化高山滑雪評估體系并開發(fā)滑雪數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，不僅為科學(xué)化運(yùn)動指導(dǎo)建立了理論支撐體系，也對提升競技滑雪訓(xùn)練智能化水平具有重要的理論與實(shí)踐價值。

高山滑雪運(yùn)動姿態(tài)描述

由于雪場硬件及季節(jié)變換等客觀因素的限制，高山滑雪運(yùn)動員在某些時段無法獲得穩(wěn)定的周期性訓(xùn)練，促使虛擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備的出現(xiàn)。德國 Skytechsport公司研發(fā)的滑雪虛擬訓(xùn)練滑臺，通過將無人機(jī)實(shí)拍賽道數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，精確模擬了賽道的地形起伏、回轉(zhuǎn)旗門的設(shè)置、起終點(diǎn)之間的高度差異以及坡度的變化等關(guān)鍵要素。該設(shè)備以虛實(shí)結(jié)合的方式，近乎完美地復(fù)刻了真實(shí)滑雪賽道的體驗(yàn)，使運(yùn)動員即便身處室內(nèi)，也能進(jìn)行高效的高山滑雪動作練習(xí)，極大地緩解了訓(xùn)練場地稀缺的問題。

為捕捉完整準(zhǔn)確的滑雪運(yùn)動數(shù)據(jù)，綜合高山滑雪比賽項(xiàng)目規(guī)則、技術(shù)要點(diǎn)以及人體三維骨骼模型相關(guān)研究，建立了由17剛體組成的人體骨骼模型[12]，傳感器綁定于 ①～? 號關(guān)節(jié)位置，人體骨骼模型如圖1所示。人體骨骼段劃分嚴(yán)格遵循運(yùn)動學(xué)約束，可復(fù)現(xiàn)運(yùn)動員的回轉(zhuǎn)類和滑降類等動作。實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)動員在虛擬訓(xùn)練平臺進(jìn)行周期性的訓(xùn)練，在相應(yīng)的骨骼位置佩戴慣性傳感器，采集歐拉角、四元數(shù)、加速度等姿態(tài)數(shù)據(jù)，為關(guān)鍵特征分析、動作相似度評價以及數(shù)據(jù)指導(dǎo)軟件平臺的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 高山滑雪關(guān)鍵特征分析

高山滑雪關(guān)鍵特征分析是科學(xué)化訓(xùn)練指導(dǎo)的重要依據(jù)。重點(diǎn)解析運(yùn)動員重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度等關(guān)鍵特征的時變規(guī)律，幫助運(yùn)動員形成針對滑行軌跡控制、平衡維持及彎道技術(shù)等專項(xiàng)能力的階梯式訓(xùn)練方案，為高山滑雪運(yùn)動技能診斷與訓(xùn)練優(yōu)化提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持。

2.1 重心軌跡分析

雖然我國高山滑雪運(yùn)動進(jìn)步較快，但與世界冠軍級別還存在一定差距。重心軌跡的變化曲線是評價運(yùn)動員穩(wěn)定性的重要依據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查分析，高山滑雪運(yùn)動員的身體重心越低，軌跡越平緩[13]，成績就會越好，如果重心軌跡的運(yùn)動曲線起伏變化較大，表明穩(wěn)定性欠佳。因此，運(yùn)動員的重心穩(wěn)定性分析對科學(xué)化動作指導(dǎo)至關(guān)重要。

人體運(yùn)動重心三維坐標(biāo)的計(jì)算研究有測力板法、影像解析法以及穿戴測試設(shè)備法[14]，其中測力板法需運(yùn)動員站在測力臺上的壓力重心，位置相對固定，對速度要求高或運(yùn)動空間大的運(yùn)動適應(yīng)度不夠。影像解析法需要精密而昂貴的攝像設(shè)備，實(shí)時高速的跟隨運(yùn)動員運(yùn)動，對硬件設(shè)備和軟件處理有一定挑戰(zhàn)。因此，測力板和解析影像兩種研究方法不適用于高山滑雪運(yùn)動數(shù)據(jù)計(jì)算。穿戴設(shè)備法主要是利用人體穿戴的姿態(tài)傳感器，通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，求解每個關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，然后根據(jù)關(guān)節(jié)位置“乘系數(shù)法\"計(jì)算運(yùn)動中的人體重心[15]，即

其中， G_P 為重心坐標(biāo)； J_i 為每個關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)； k_i 為對應(yīng)關(guān)節(jié)的權(quán)重系數(shù)。

滑雪運(yùn)動員按照比賽規(guī)則，在虛擬訓(xùn)練平臺進(jìn)行回轉(zhuǎn)和滑降練習(xí)，根據(jù)運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過“乘系數(shù)法”得到三維重心變化軌跡，教練員將此指導(dǎo)依據(jù)與國際頂尖運(yùn)動員進(jìn)行對比，對運(yùn)動員進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)。某運(yùn)動員身體重心的變化趨勢如圖2所示，藍(lán)色橫線為整個運(yùn)動過程中重心變化的均值，雙虛線箭頭的距離為各階段重心坐標(biāo)值與均值距離最大值。

由圖2可以看出，運(yùn)動員的重心整體呈低—高—低的變化趨勢，基本符合高山滑雪的動作特點(diǎn)，但其重心變化較不穩(wěn)定，以此作為指導(dǎo)依據(jù)，可加快提升運(yùn)動員的滑雪成績。

2.2 上肢穩(wěn)定性分析

上肢穩(wěn)定性是評價運(yùn)動員滑雪平衡度的重要依據(jù)，既能反映滑雪動作展示的穩(wěn)定性，也能體現(xiàn)運(yùn)動員對比賽項(xiàng)目控制的靈活性。張藝佳等[16]規(guī)范滑雪運(yùn)動員比賽動作，將上肢運(yùn)動的穩(wěn)定性作為關(guān)鍵特征進(jìn)行分析，通過比較優(yōu)秀運(yùn)動員和普通運(yùn)動員的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，得到高山滑雪運(yùn)動員在滑行過程中應(yīng)盡量保持上肢的運(yùn)動軌跡與重心軌跡的變化趨勢相近的結(jié)論。本文對比分析運(yùn)動員的脊柱和雙肩在豎直方向的坐標(biāo)軌跡與重心軌跡，得到上肢部位豎直方向 y 的變化軌跡如圖3所示。

由圖3可以看出，脊柱、左肩及右肩在豎直方向的運(yùn)動軌跡和重心坐標(biāo)的運(yùn)動軌跡規(guī)律相近，上肢穩(wěn)定性較好，對訓(xùn)練場景和設(shè)備的把握度高。

2.3 雪板立刃角度分析

立刃角度是評價運(yùn)動員滑降、回轉(zhuǎn)及大回轉(zhuǎn)等動作的重要特征，其左右傾斜角度的變化反映了運(yùn)動員比賽中的爆發(fā)力[17]。實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動員在指定部位綁定慣性傳感器，穿好雪鞋、雪帽等設(shè)備，在虛擬訓(xùn)練平臺進(jìn)行訓(xùn)練。教練員可根據(jù)回轉(zhuǎn)過程中立刃角度的變化對運(yùn)動員的爆發(fā)力進(jìn)行分析，當(dāng)運(yùn)動員進(jìn)行左回轉(zhuǎn)訓(xùn)練，其運(yùn)動負(fù)載腿為左腿，反之，當(dāng)運(yùn)動員進(jìn)行右回轉(zhuǎn)訓(xùn)練時，其負(fù)載腿為右腿，所以立刃角度的變化從側(cè)面能反映出左右腿的力量情況[18]滑行過程中左、右立刃角度的變化軌跡如圖4所示，左立刃角度的變化幅度大于右立刃角度，表現(xiàn)為左腿力量優(yōu)于右腿。以此作為指導(dǎo)依據(jù)，對運(yùn)動員的回轉(zhuǎn)動作和爆發(fā)力提出指導(dǎo)意見，可不斷提升運(yùn)動員的訓(xùn)練成績。

3動作整體性評價

高山滑雪運(yùn)動員在虛擬平臺練習(xí)時，在同一賽道位置處的立刃角度、重心和上肢穩(wěn)定性等關(guān)鍵特征評價不夠規(guī)范化，因此，與標(biāo)準(zhǔn)動作進(jìn)行相似度評價非常重要。通過分析慣性傳感器采集的歐拉角、加速度及立刃角度等關(guān)鍵特征，將運(yùn)動員的訓(xùn)練動作與標(biāo)準(zhǔn)動作進(jìn)行相似度計(jì)算，得到與“冠軍級別動作”的差距，從而量化的進(jìn)行滑雪動作的評估指導(dǎo)。

3.1 相似度評價方法

動作相似度的評價方法有歐氏距離和余弦距離等，歐式距離與動作數(shù)據(jù)的位置坐標(biāo)相關(guān)，對數(shù)據(jù)維度較敏感，計(jì)算得到的距離值變化范圍較大。余弦距離側(cè)重方向上的差異，對出現(xiàn)的絕對數(shù)值不敏感，并可將距離值限制到一定范圍之內(nèi)，體現(xiàn)2組運(yùn)動數(shù)據(jù)向量在方向上的相對差異[19-20]，本文在計(jì)算運(yùn)動員訓(xùn)練動作與標(biāo)準(zhǔn)動作之間相似度時，采用余弦距離的表示形式。并采用滑動窗口的方法，定義動作數(shù)據(jù)幀數(shù)為50，將整個時間段的滑雪訓(xùn)練數(shù)據(jù)劃分為固定窗口的動作序列，忽略2段動作序列長度不一的情況。設(shè) a=[x₁ ，x₂…，x₃，……，x_n. 為運(yùn)動員訓(xùn)練時提取的動作特征， b=[y₁，y₂，y₃，……，y_n] 為標(biāo)準(zhǔn)動作提取的特征， θ 為夾角，則兩者之間的余弦距離為

由式（2）可知，2個向量余弦距離在 [-1，1] 范圍內(nèi)，為了統(tǒng)一計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，提高可解釋性，并彌補(bǔ)原始余弦相似度在距離計(jì)算的局限性[21]，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，式（2）修改為式（3），余弦距離的值越接近1，2個動作越相似，滑雪水平越高。

d=0.5cosθ+0.5

3.2相似度計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果

虛擬訓(xùn)練滑臺前方的場景為賽道無人機(jī)拍實(shí)景，標(biāo)準(zhǔn)動作庫中的數(shù)據(jù)為“冠軍級別運(yùn)動員”的姿態(tài)數(shù)據(jù)。訓(xùn)練時低水平運(yùn)動員需在滑臺同一位置處與標(biāo)準(zhǔn)庫中的動作姿態(tài)盡可能相同。所以，衡量運(yùn)動員滑雪訓(xùn)練成績的關(guān)鍵在于找到同一方向同一位置處兩者的姿態(tài)數(shù)據(jù)，方向可通過雪板的立刃角度判斷，位置通過雪板滑臺兩側(cè)的距離測算。為此，本文在模擬滑臺兩側(cè)安裝了位移傳感器，采集運(yùn)動員在滑臺的位置數(shù)據(jù)。

運(yùn)動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示，位移傳感器固定放置于滑臺的兩側(cè)，測量2個雪板距離滑臺兩端的距離。17個姿態(tài)傳感器的動作數(shù)據(jù)與2個位移傳感器的位置數(shù)據(jù)通過UDP廣播發(fā)送到服務(wù)器，計(jì)算2個動作序列的余弦距離，完成與標(biāo)準(zhǔn)動作的相似度評價。

為了驗(yàn)證動作相似度評價實(shí)驗(yàn)的有效性，采用滑動窗口的方式劃分運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過計(jì)算運(yùn)動員動作與標(biāo)準(zhǔn)動作特征之間的余弦距離，判斷滑雪成績的好壞。動作對比如圖6所示，藍(lán)色姿態(tài)表示運(yùn)動員右回轉(zhuǎn)時距離左側(cè)滑臺 4m 處的動作，紅色姿態(tài)表示標(biāo)準(zhǔn)庫中相應(yīng)位置處的動作。計(jì)算兩者之間的余弦距離 d=0.886 1 .該值越接近1說明訓(xùn)練成績越好。

4高山滑雪動作分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高山滑雪關(guān)鍵特征分析和動作相似度計(jì)算評價的基礎(chǔ)上，基于QtDesigner和Python開發(fā)了滑雪動作分析系統(tǒng)客戶端?？蛻舳碎_發(fā)分為實(shí)時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩部分，實(shí)時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可實(shí)時接收并反饋?zhàn)藨B(tài)傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù);歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可查詢分析并評估運(yùn)動員的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

運(yùn)動員登錄賬號和密碼后，進(jìn)人實(shí)時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)可實(shí)時顯示與存儲運(yùn)動員姿態(tài)數(shù)據(jù)。軟件界面包括UDP參數(shù)設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時顯示及傳感器狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。數(shù)據(jù)通信采用UDP協(xié)議，設(shè)置端口地址及和IP地址，通過建立通信實(shí)例，循環(huán)調(diào)用接收方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時顯示運(yùn)動員的姿態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器的狀態(tài)監(jiān)測功能，當(dāng)姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)在持續(xù)變化時，判定傳感器運(yùn)行正常，反之，當(dāng)某傳感器數(shù)據(jù)不正常或者掉電時，立刻判定傳感器處于錯誤狀態(tài)，并顯示紅色。系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲功能，設(shè)置好時間、姓名及數(shù)據(jù)信息類型等，調(diào)用數(shù)據(jù)庫函數(shù)，完成訓(xùn)練數(shù)據(jù)儲存，方便后續(xù)分析，實(shí)時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可幫助運(yùn)動員或教練員觀察傳感器的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化情況等，以免訓(xùn)練后數(shù)據(jù)沒有保存，耽誤后續(xù)動作分析與指導(dǎo)。

歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要完成對以往訓(xùn)練的動作數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧與指導(dǎo)，主界面如圖8所示。該軟件系統(tǒng)界面主要由數(shù)據(jù)庫登錄配置、訓(xùn)練歷史信息、關(guān)鍵特征的運(yùn)動曲線及姿態(tài)相似度計(jì)算4部分組成。數(shù)據(jù)庫登錄部分是繼登錄界面驗(yàn)證后第2個需要登錄驗(yàn)證的部分，為教練員和運(yùn)動員等不同角色分配不同的權(quán)限，并從隱私性的角度考慮，當(dāng)數(shù)據(jù)庫用戶名與密碼驗(yàn)證成功后，即可顯示右側(cè)的訓(xùn)練歷史信息部分。為方便反饋?zhàn)罱挠?xùn)練效果，歷史訓(xùn)練信息部分最多顯示5組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中“操作\"部分主要包含編輯和刪除 2個下拉框的內(nèi)容，可分別實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練日期等內(nèi)容的修改和整組數(shù)據(jù)的刪除操作，點(diǎn)擊右側(cè)的“開始\"按鈕之后，服務(wù)器會根據(jù)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在其下方顯示對該組動作數(shù)據(jù)的滑雪關(guān)鍵特征分析，圖8選擇了2021年5組訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例。

5 結(jié)束語

本文針對個性化訓(xùn)練指導(dǎo)的需求，重點(diǎn)分析了運(yùn)動員在模擬滑雪過程中重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度變化等關(guān)鍵特征。在模擬滑臺設(shè)計(jì)了位移傳感器，根據(jù)相似度評價方法，完成了運(yùn)動員整體動作的評估。開發(fā)了高山滑雪動作數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，以界面可視化的方式幫助運(yùn)動員提升比賽成績。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動員在重心穩(wěn)定性、上肢穩(wěn)定性以及立刃角度等方面存在個體差異，直接影響了滑雪成績的提升。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的可視化，更直觀地展示了運(yùn)動員的訓(xùn)練進(jìn)展和成效，為教練團(tuán)隊(duì)優(yōu)化訓(xùn)練策略及提升運(yùn)動員成績提供數(shù)據(jù)支撐。

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