（模式识别与智能系统专业论文）基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统.pdf

摘要 本文的研究内容是以中国科学院合肥智能机械研究所承担的基于数字跑道 的田径训练信息采集和反馈系统课题为基础。针对该项目，我们着重于研究柔 性阵列传感器设计、基于数字跑道的运动学和动力学信息采集及传输、实时反馈 方案、数据分析软件及训练专家系统等关键技术问题的解决方案。 本文分为六个主要部分。在第一部分中，首先分析了系统的研制目的与意义， 然后对目前国内外研究现状进行了描述，随后提出了主要研究内容与创新点；在 第二部分中，描述了系统的需求分析，详细讨论了总体设计方案，介绍了系统的 安装设计和各主要子系统构成；在第三部分中，详细介绍了底层控制系统设计， 对控制系统的硬件结构及软件设计进行了描述，对采集到数据进行分析处理得到 一系列运动学参数；在第四部分中，介绍了动力学信息测量原理，对数据进行平 滑滤波处理并分析计算得到有益的关键参数；在第五部分中，综合利用数字跑道 和多维测力平台获得跳远项目中关键参数及跳远成绩的衡量标准，并对实时反馈 的实现作了描述；在第六部分中，对论文工作进行总结，提出了未来的研究目标。 在攻克了多项关键技术的基础上，成功地完成了设计目标。已在国家体育训 练局田径馆铺设了长3 0 米的数字跑道，经过调试后己交付给国家跳远运动队使 用，得到了教练员和运动员的一致好评。 关键词：数字跑道、c a n 总线、柔性阵列传感器、采集分析、实时反馈 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c to f t h et r a c kt r a i n i n gi n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n df e e d b a c k s y s t e mb a s e do nd i g i t a lc o u r s e w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a lm i n i s t r yo f s c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , w ep a ya t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho ff l e x i b l ea r r a ys e n s o r s ，t h e k i n e m a t i c sa n dk i n e t i c si n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n dt r a n s m i s s i o n , t h er e a l - t i m e f e e d b a c ks c h e m e ，d a t aa n a l y s i sa n d e x p e r ts y s t e m ，a n ds oo n t h e r ea r es i xm a i nc o n t e n t sd e s c r i b e di nt h ep a p e r f i r s t l y , w eg i v eag e n e r a l i n t r o d u c t i o no nt h ea i m so ft h ep r o j e c t ，t h ea c t u a l i t yo ft h ef i e l di n l a n da n do v e r s e a s ， t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dt h e i n n o v a t i o n s s e c o n d l y , w ed e s c r i b e dt h e r e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g ns c h e m ew h i c hi n c l u d et h ef i x i n g d e s i g na n dt h em a i ns u b s y s t e m s t h e n ，o nt h eb a s i so ft h ed e s c r i p t i o n , t h ec e n t r a l c o n t r o lu n i to ft h es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o r t h ek i n e m a t i c si n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n dt h ea n a l y s i so ft h ed a t ai no r d e rt og e tt h e a v a i l a b l ep a r a m e t e r s n e x lw ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h ek i n e t i c si n f o r m a t i o n c o l l e c t i n ga n dd i s p o s a lo f t h ed a t a , s u c ha st h ef i l t e ra n ds m o o t h n e s s t og e tt h ep i v o t a l p a r a m e t e r s t h e n , w ei n t e g r a t et h ed i g i t a lc o u r s ea n dm u l t i d i m e n s i o n a lf o r c ep l a t et o g e tp i v o t a lp a r a m e t e r sa n da s s e s st h ee x e r e i t a t i o no ft h ea t h l e t e ，b e s i d e s ，w ed e s c r i b e t h ea c t u a l i z a t i o no ft h er e a l t i m ef e e d b a c ks y s t e m l a s t l y , w es u n u n a r i z et h ew o r ko f t h ep a p e ra n dp u tf o r w a r dt h et a r g e to f t h ed e s i g n o nt h eb a s i so fo v e r c o m i n gm a n ye s s e n t i a lt e c h n i c a lp r o b l e m s , w es u c c e s s f u l l y f i n i s h e dt h ed e s i g n w eh a v ep a v e do n ed i g i t a lc o u r s ew h i c hi s3 0m e t e r sl o n ga n dh a s p u ti nu s ef o rt h ep r e p a r a t i o n so ft h el o n gj u m pa t h l e t e s i nt h eu s e ，t h es y s t e mi s w e l c o m eb yt h ec o a c h e sa n dt h ea t h l e t e s k e y w o r d s ：d i g i t a lc o u r s e ，c a nb u s ，f l e x i b l ea r r a ys e n s o lc o l l e c t i n ga n da n a l y s e ， r e a l t i m ef e e d b a c k n 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：蕉耋丝 明年莎月多日 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 竞技体育的发展历史，是一部科技不断发展的历史。体育和科技的关系密不 可分，体育运动的生命力在很大程度上取决于体育实践科学化的深度和广度。针 对2 0 0 8 年北京奥运会，我国提出了“科技奥运”的战略方针。在今后一段时间 内我们的核心任务，归根到底就是贯彻“依靠和面向”的科技方针，即体育科学 技术必须面向体育运动的发展，振兴体育要依靠科学技术进步。在备战世界重大 体育赛事的训练中，世界各国都很重视以高科技手段辅助提高运动员的训练水 平，最大限度地开发出入体生理和心理的极限潜能。可以说，未来运动赛场的竞 争，是运动员超强度的刻苦训练和一个国家体育科学技术水平与人心凝聚的综合 大比拼，为了在高水平竞争中取得胜利，各国教练员及体育科学工作者都在积极 探寻科学指导训练、确保胜利的方法。 为使科技创新成为“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大主题的有力保障， 科技部和北京市政府联合有关部门，共同组织实施“奥运科技( 2 0 0 8 ) 行动计划”。 在总体目标中提出了以科技助煲为契机，提高我国科技创新能力和科技服务于经 济、社会发展的水平，促进我国高科技跨越式发展的重要指导思想，为科技创新 工作更好的服务于2 0 0 8 北京奥运创造了良好的大环境。在计划中，具体指出了 发展运动科技作为重点任务，从解决运动训练实践中的难点和关键点出发，应用 现代科技理念、手段，集成先进、科学的训练方法，全面提高我国运动员的科学 训练水平和运动竞技水平。 现代科学技术已经全面应用于体育竞技项目的训练中，尤其是基于实时人机 交互的综合训练仪器和基于历史训练数据等个体特性的辅助训练指导系统更是 受到教练员和运动员的青睐。这类训练系统的基本技术特征是：根据项目特点设 计综合训练仪器( 具有多个运动自由度、具有实时控制和快速响应能力) 、在训 练仪上设计布置多种类型( 力学量、光电热量等) 的传感器获取运动员训练时的 各种数据、通过先进的信息处理技术提取有价值的生物生理信息、开发基于专家 ( 教练) 知识的实时在线评测系统来定量评价训练效果和基于运动员个体历史训 练数据及在线动作编程的训练指导系统。不仅可用于运动员单项能力的强化训 练，更可以根据运动员个体差异，进行针对性很强的技战术套路训练，同时训练 效果的及时回馈分析，将以往的靠眼睛、凭感觉的经验指导模式转变为看数据， 基f 数# 跑道的田径训练信息采集和反馈系统 靠分析的科学指导模式，为教练员现场准确评价运动员的训练效果，合理制定训 练计划提供科学依据。同时也可以通过积累大量的优秀运动员的数据资料，构筑 专家系统，帮助教练员为运动员训练制定更科学合理的训练计划，极大提高训练 效率。 1 1 2 研制目的与意义 本课题要完成柔性阵列传感器的关键技术研究开发，掌握制备工艺和复合压 制成型工艺，并完成竞走、中长跑等项目的训练指导系统的开发。 数字跑道主要用于运动员的日常训练与技能评测，实时检测、获取运动员跑 步时，每一步脚底与跑道接触的形状、时间、步频、步长、动作序列等信息，据 此可精确获得运动员在下肢的速度、加速度等参数，为正确判断运动员技术动作 状况、改进训练手段和方法、监控训练过程等提供科学基础。 训练指导系统应用软件包括测试分析软件和专家系统平台两部分。测试分析 软件完成多路传感器信息的实时采集、显示、存储，并实现常规文件处理、接触 图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、 分压力中心轨迹、基本功率谱分析等计算分析功能。训练专家系统平台完成基于 具体运动项目的训练模型的构建、步态特征的分析与参数定义、特征参数的提取、 基于实时测试数据的及时反馈和训练指导等功能。 1 1 3 使用效果与评价 2 0 0 6 年6 月在国家体育训练局田径馆铺设了长3 0 米的数字跑道，交付给我 们国家跳远运动队使用。在调试期间，国家队先后在数字跑道系统上进行了三次 测试训练，主要内容有五级跳和正常跑跳，使用效果良好；田管中心认为数字跑 道系统可应用领域很广，对提高国家队科学训练水平有重要意义。 1 2 现有技术 目前田径科学化训练手段比较单一，除了常规的生理生化指标的监控、专项 能力锻炼与提高外，主要靠高速影像解析系统来获得训练过程的运动学信息，以 此评价分析运动技术，这种分析工作量巨大，需要离线实施，无法做到实时便捷， 而且受场景变化和标定系统的约束，只能采用单点离散的办法，获取局部过程信 息。 对田径项目训练的动力学信息获取，国内外尚未见到特别有效的方法，对压 力分布的检测较早的可见于足底压力分布测量技术。据文献记载，早在1 8 8 2 年 2 中国科学技未大学硕士学位论文 b e e l y 就完成了足底压力分布测量研究。测量技术从最简单的直接复印技术一直 发展到比较先进的鞋内垫测量技术。美国t e k s c a n 公司应用专利技术柔性 薄膜嗣格传感器研制出一种经济、快速、精确、高效、直观的压力分布测量系统， 传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成，其中一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导 体，另一片薄膜的内表面铺设若干列的带状导体。导体本身的宽度以及行间距可 以根据不同的测量需要两设计。导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层。当两 片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵 列。当外力作用到感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化，由 此来反映感应点的压力值。即压力为零时，阻值最大，压力越大。阻值越小，从 而可以反映出两接触面闾的压力分布情况。 由于压力分布测量在工业、人体科学、行为科学等领域的应用价值越来越为 人类所认识和重视，引起了发达国家的重点关注，除上述的t e k s c a n 外，还有美 国s p i 、比利时r r s c a n 等知名品牌在全世界占据了绝大部分市场份额，这些国 外品牌价格十分昂贵，以鞋垫检测系统为例，多数国外产品售价都达到数万美元， 国内业界很难承担。 1 2 1 美国t e k s c a n 公司 美国t e k s c a n 公司产品有工业压力测量系统、临床压力测量系统等分类。 1 2 1 ，1 工业压力测量系统 工业压力测量系统”1 的核心技术是具有专利权的柔性薄膜传感器技术，传感 器大小可达0 1 咖。这些传感器与硬件接口、数据接收部件与软件一起共同组成 一个完成的压力测量系统。以下是几种主要的应用系统介绍， 手持i s c a n 系统( i s c a nh a n d h e l ds y s t e m ) 。该系统是一款低成本便携式 压力场映射系统。由装有处理软件的p d a 、传感器接口等模块组成。它的一 般型号成为卜s c a n 系统，同时具有高速型号h i g hs p e e di - s c a n 系统。 身体压力测量系统b p m s ( b o d yp r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e m ) 。b p m s 使用 大量的传感器来测量人体相对支撑面的压力分布，如坐垫，座位等。 疲劳检测系统( t i r e s c a n ) 。该系统可以检测静态和动态的接触压力分布情 况，如行人、卡车，飞机轮胎等，通过分析可以帮助我们了解疲劳点及物体 的接触特征等特性。 刮水片分析系统( w i p e r ) 。该系统可分析多种条件下刮水片与挡风玻璃之间 的接触状况，可指导更好的进行截水片的设计。 上述工业压力测量系统大多已具备u s b 数据接口，方便的对数据的传输和分 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 析。 1 2 1 2 临床压力测量系统 l 临床压力测量系统“1 主要使用在鞋内分析( i n - s h o ea n a l y s i s ) 、光脚分析 ( b a r e f o o ta n a l y s i s ) 、坐姿和位置分布分析( s e a t i n g p o s i t i o n i n g ) 、关节 分析( j o i n ta n a l y s i s ) 和假肢分析( p r o s t h e t i ca n a l y s i s ) 几个方面。每个 系统都包含创新的系统方案、特定的传感器和针对该用途的分析软件几大部分， 系统可提供实时数据并可进行数据存储，以方便进行实时捕获和事后详细分析。 系统具有数据库管理功能，以方便存储和调出病人的历史数据，并可在病人中进 行对比，方便进行长期的对比分析。下面以足底压力测量系统( f o o tp r e s s u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m ) 为例简要介绍其组成。 硬件组成模块： 鞋内检测系统( i ns h o eb a s e ds y s t e m ) 包含f - s c a nm o b il e 、f s c a n 、f - s c a n l i t e 三种版本。f - s c a nm o b i l e 是f - s c a n 的低重量便携式提升版，为足底压力 测量提供更多的自由度，可使用于跑步、跳远、攀登等运动中的压力测量。f - s c a n 可测量双脚的压力情况，f - s c a nl i t e 是f - s c a n 的精简版，只测量单脚的压力 分布情况。 压力台测试系统( f l o o rm a t - b a s e ds y s t e m ) 具有m a t s c a n 、h r m a t 、w a l k w a y 、 p r e s t o s c a n 四种版本，其应用场合略有不同。 软件组成模块： 研发软件( r e s e a r c hs o f t w a r e ) 提供一系列的数据捕获和特性分析功能， 分析界面如图卜l 。 图卜lt e k s c a n 公司压力台分析界面 4 中国科学技术大学硕士学位论文 时序分析模块t a m ( t i m ea n a l y s i sm o d u l e ) 是鞋内压力测量系统提供的时 序分析模块。它根据数据计算步态周期并可进行重现，以便在左右脚之问以 及与正常的步态特征进行对比。 姿态时序分析模块s t a m ( s t a n c et i m ea n a l y s i sm o d u l e ) 是压力台测试系 统提供的时序分析模块，功能同t a m 。 质心轨迹分布分析c o m n a l y s i s ( c e n t e ro fm a s sa n a l y s i s ) 是f - s c a nm o b il e 和f - s c a n 提供的。它用来计算和比较在运动河动作过程中与身体质心相关 的参数，如左右脚的对称性、能量的利用效率等。 录像模块。录像的次序可以与压力数据同步，并可在分析软件中虚拟显示。 这增加了数据的可信度并可做尽可能准确的评估。 1 2 2 德国n o v e l 公司 德国n o v e l 啪嘲开发了一种鞋内动态压力测量系统p e d a r x ，该系统由两只布 有高密度弹性传感器的鞋垫和数据处理p d a 组成，两者通过蓝牙技术进行数据传 输，可精确的测量脚和鞋之间的压力分布。p e d a r - x 系统体积为1 5 0 x l o o x 4 0 m m l ， 重4 0 0 9 ，内置2 5 6 个高密度弹性传感器，最大可达1 0 2 4 个。该系统可通过u s b 连接到计算机，也可通过蓝牙技术连接到p d a 、笔记本或标准p c 。p e d a r x 系统 内置有3 2 m b 的f l a s h 型存储器，方便在任何地点采集数据然后传输到计算机进 行分析。这些特性使得p e d a r - x 系统具有广泛的适用范围，如走、跑、攀登、足 球比赛、甚至骑自行车，这些运动都可以使用p e d a r - x 系统进行分析。同时系统 具有多种同步方式以方便配合e m g 和摄像系统进行步态分析。 系统的应用领域如下： 鞋的设计和研发； 医学矫正设计； 习惯性动作估定： 步态动力学分析； 长期负荷监视； 运动生物学； 生物反馈分析。 系统具有以下特性： 传感器可定制； 在线或离线分析； 在线2 d 3 d 显示； 模拟曲线图形显示； 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 数字图形显示； 最大压力图： 步长分析； 步长时序分析； 多图形比较分析： 平均和单次曲线分析； a s c i i 数据输出； 连接到n o v e l 数据库和分析软件： 在p d a 和p c 间自动进行数据转换。 n o v e l 公司还开发有基于测力平台的e m e d 系列系统，该系列具有多种型号以 方便用户选择。以e m e d - s t 为例，该系统由测力台、分析仪、电缆、分析软件几 大部分组成。系统可进行动态和静态测量。动态测量时，从接触到测力台开始后 的3 s 内进行测量，频率为5 0 h z 。静态测量的扫描频率为2 h z ，系统仅保存最后 一次扫描的数据。分析软件具有图形显示部分，可显示压力和时间信息并有曲线 和柱形条两种方式选择。分析软件还具有脚底接触形状显示，可显示各接触点的 压力数值和最大压力轨迹曲线。软件界面如图卜2 所示。 图i - 2n o v e l 公司e m e d - s t 系统分析软件界面 1 2 3 比利时r s s c a n 公司 比利时r s s c a n 公司。1 开发了一种f o o t s c a n3 d 浸, j j 平台，如图卜3 所示。 6 中国科学技术大学硕七学何论文 图1 - 3r s s c a n 公司f o o t s c a n3 d 测力平台 该系统尺寸为2x0 ，4x0 ，2 m ，传感器尺寸为l ，9 5x0 ，3 2 ，频响可达5 0 0 h z ， 可进行动态和静态钡0 量，在两种测量方式下都可显示压力中心线。动态测量时， 可进行走或跑的测量，赤足与穿鞋情况下的测量，并自动区分左右脚，进行2 d 、 3 d 图形显示，系统还具有多种同步方式以配合其余测试设备，如e m g 、摄像系统 等。 在数据分析方面，系统具有强大的功能。可计算时间与空间参数，生成压强 一时闯、压力一时间图表，生成压力中心线，进行时序分析，并可对2 次测量的数 据进行对比分析，或对多次测量数据取平均然后进行对比分析。图卜4 为该系统 的一个时间一压力曲线。 图1 - 4f o o t s c a n3 d 测力平台时问一压力曲线 1 2 4 美国a m t i 公司 美国a m t i 公司开发有步姿测力台a c c u g a i t 和o r 6 系列测力台。两个系列都 可以测量三维力( f x ，f y ，f z ) 和三维力矩( m x ，m y ，m z ) ，在某些性能指标上有所 不同以适应不同场合的使用要求。 1 2 4 1 步姿测力台a c c u g a i t a c c u g a it 体积尺寸为5 0 x5 0x4 4 c m ，数据刷新频率有5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 三 种选择，数据传输为r s 2 3 2 串口，波特率为5 7 6 k ，每个数据包有8 个数据位和 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 1 个停止位组成。系统内嵌a d 模块，这使得使用时的硬件需求很低。仅需要测 力台，连接线，电源和一台计算机即可满足要求。 配合a m t i 公司的生物分析软件，a c c u g a i t 提供间接的人机交互界面和数据 库管理功能。在数据处理方面，分析软件可提供力一时间、力矩一时间曲线，对数 据进行批量处理并进行比较，并可实现客户定制要求。 分析软件可以以a s c i i 数据格式输出原始测量数据和基本参数，以方便后续 分析。 1 2 4 。2o r 6 系列测力台 o r 6 系列”具有o r 6 6 ，o r 6 7 ，o r 6 7 m a ，o r 6 一w p ，o r 6 一g t 五种型号，每种型 号又有多种量程可供选择，这就在很大程度上扩大了用户的选择范围。各种型号 的主要区别在于它们的顶层材质不同。o r 6 7 m a 和0 r 6 - 7 两种型号内嵌有m s a - 6 放大器嘲，输出可以达到i o v 的范围，较适合以研究为目的的应用场合。 1 2 5 美国v l e o n 公司 美国v i c o n 公司。1 是使用摄影技术进行步态分析的领导者，在过去的二十年 里有数千套设备被使用，发表了二十多种语言的数百篇关于临床步态分析的研究 性论文。v i c o n 公司首先将动态校准作为主流标准，其生产的m x 系统是面向应 用者设计的，具有很好的软件交互界面和数据处理流程。v i c o n 公司以精度作为 核心，在每个解决方案中，从3 0 万到4 0 0 万像素值，每个嗽摄像机都可以准确 地获取信息，这使得系统可以更精确的确定每个标记的中心。为满足更好地捕获 运动物体的信怠，m x 系统可以集成其它测量及摄影设备如测力台。e 等。 m x 系统具有m x 硬件( v i c o nm xh a r d w a r e ) 、m x 连接件( v i c o nm xn e x u s ) 、 m x 多边协议( v i c o np o l y g o nw i t hp l u g i ng a i t ) 几大基本模块。其中m x 硬 件主要是指成网络结构分布的摄像机。 m x 系统还具有一些可选择的系统模块，如形体模型( b o d y b u i i d e r ) 、模型 插件( p l u g i nm o d e l e r ) 、o l g a 、外部系统插件( e x t e r n a ls y s t e mp l u g - i n s ) 、 摄像机( d vv i d e o ) 、个人设备借口( p e c s ) 。b o d y b u i i d e r 用来创建标准的姿势 动作模型；p l u g i nm o d e l e r 利用外部添加的模式用来自动分析系统采集所得到 的数据，类似于专家系统；o l g a 用来更精确的确定关节中心和运动方向：p e c s 为研发特殊接口，方便研究者输入外部设备或数据，如m a t l a b 或e x c e l 形式的 步态数据以进行分析。 在数据分析方面，m x 系统可以方便的将数据转换为适合微软办公室软件使 用的格式，并具有独特的报表生成功能，运动结束后可快速得到数据分析结果， s 中国科学技术大学硕士学位沦文 如角度、力、瞬时力、做功曲线，并可得到3 d 模型。这使得可以快速得到病人 的诊断报告，以方便在病人离开前告知相应的问题与应对措施。 1 2 6 瑞典q u a | i s y s 公司 瑞典q u e l i s y s 公司使用高速数字照相机，利用装置在被测物体上的主动或 被动式标记测量物体的动作状况。分析软件工具可以进行基本的和复杂的动作计 算，得到有意义的动作参数。产品广泛应用在运动科学、心理学、步态分析、神 经学、核磁共振、洋流分析及虚拟应用等范围。 q u a l i s y s 公司的动作捕获系统“”一般包括一定数目的数字照相机、跟踪软 件q t m 、标记和外部设备接口几大部分。数字照相机忽略光线中的短波和可见光 成分，用特殊材料制作的标记连接到被测物体，将光线反射到照相机，标记的中 心和形状经实时计算并传送到跟踪软件q t m 。照相机为低噪声高频数字照相机， 频率可达1 0 0 0 0 h z ，以适应不同的应用场合。 当进行澳0 量时，跟踪软件q t m 可进行实时的2 d 3 d 虚拟动作显示。在进行 3 d 测量时需事先校准。3 d 虚拟显示基于生物建模技术，用来构造人体生理结构 和机械结构以便进行分析。 图1 - 5 为动作捕获系统3 d 虚拟动作显示效果图。 图卜5 瑞典q u a l i s y s 公司动作捕获系统3 d 虚拟动作显示效果图 外部设备可以通过接口方便地连接到动作捕获系统，从而使其动作捕获通道 数可以达到6 4 通道。 除上述公司外，还有m o t i o n a n a l y s i s 、c o d a m o t i o n 、a r i e l 、c o n t e m p l a s 等 公司也生产有步姿测量系统。 这些公司的技术路线可分为两类，一类使用照相机和标记来获取动作信息， 另一类使用测力台通过传感器来获取动作信息。不可否认他们的产品都很出色， 特别在数据处理方面我们有较大的差距。但上述公司的产品主要是使用在工业和 9 基f 数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 临床方面，将其使用到我们的田径运动中具有很大的困难。对于使用照相机来讲， 为了应用到田径方面则需要数目巨大的照相机，这无疑会增加大量成本：对测力 台来讲，可见上述公司产品的测力台面积普遍偏小，为达到使用要求势必会大大 增加集成成本，另一方面，其分析软件也势必要进行相应的调整己满足田径运动 的需求。 根据专利查新，数字跑道的概念是我们首次提出的。专利号w o0 0 3 3 0 3 1 ( s y s t e mf o ru s ei nf o o t w e a rf o rm e a s u r i n g ，a n a l y z i n g ，a n dr e p o r t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fa na t h l e t e ) “”主要是讲述为测量运动员的表现而开发的一种 跑鞋系统。专利号w o0 3 i 0 2 0 8 0a 2 ( t r a i n i n gs c r i p t s ) “2 主要是面向体育锻 炼，为个人的体育锻炼提供指导，使人的身体更加完美。专利号u s2 0 0 4 0 1 3 3 5 3 5 a i ( e v e n tp o s i t i o na n dd e t e c t i o ns y s t e ma n dm e t h o d s ) “”主要是讲述突发 事件的定位、侦测系统与方法。专利号u s6 5 0 2 0 8 2b 1 ( m o d a l i t yf u s i o nf o r o b j e c tt r a c k i n gw i t ht r a i n i n gs y s t e ma n dm e t h o d ) “”主要是讲述一种训练 统计模型的系统和方法，使追踪模型得到的结果与物体的真实情况获得最大的概 率一致。文中使用b a y e s 网络来说明。 1 , 3 本文的主要研究内容 本文研究的内容是科技部“十五”国家科技攻关计划“奥运科技专项”课题 体育竞技项目综合训练指导系统的开发( 课题编号为2 0 0 5 b a 9 0 4 8 0 4 ) 的子 课题。 本文研究基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统，系统的核心技术是 使用柔性阵列传感器的数字跑道，能实时检测、获取运动员进行田径项目训练时， 其脚底与跑道接触的形状、时间、蹬地力和支撑力等信息，从而获得运动员的步 长、步频、动作时序，据此可精确获得运动员在任意时刻的速度、加速度、弯道 离心力，做到运动学和动力学信息的同步获取，同时系统的实时性和项目适应性 也能得到保证。 1 4 创新点 目前田径项目测距广泛采用高速摄影来实现，但多台高速摄影机的同步控制 一直存在问题，比如系统的启动时间、同步精度等，而且高速摄影测量所得结果 为模拟量，需要人为分析，这就添加了主观性，无法实现客观的量化，因而在实 际分析中有可能发生较大的人为误差，影响对训练的指导意义。 另一种田径测距方法是利用对光管测量，在运动途径固定位置处安装对光 管，测量运动员经过该位置的时间，从而可计算出在两个测距点之间运动员的平 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 均速度。这种方法只可测量固定位置间的平均速度，其指导意义和适应性都要大 打折扣。 激光测距技术也仅可以测量距离，而对运动中的其他信息无法检测，这就使 其对训练的指导意义大大降低。 本文所设计系统利用数字跑道实现运动员运动过程中的信息测量，可实现多 个跑到模块的同步启动计时，获得运动员在跑道上运动时任意时刻的位置，经分 析可获得运动员的一系列运动学参数，实现了对运动员运动过程的量化分析，最 大限度地减少了人为因素的影响。本系统并可实现对运动信息的实时反馈，及时 地指导运动员训练，提高运动员的技战术水平。 在解决了关键技术的基础上，本文将传感器技术、计算机技术、电子技术、 自动控制技术、智能决策与专家系统等软件技术在同一平台上的高度集成。 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 第2 章总体设计 该系统用于国家田径队日常训练，具有运动员技战术能力评测与训练效果评 估、辅助训练指导以及综合统计分析等方面的功能。 信息采集：主要包括运动学和动力学两方面的信息采集。基于柔性阵列传感 器研制的数字跑道，能实时检测、获取运动员进行田径项目训练时，其脚底与跑 道接触的形状、时间、蹬地力和支撑力等信息，从而获得运动员的步长、步频、 动作时序。 数据分析：根据采集数据可精确获得运动员在任意时刻的位置、速度、加速 度、力；构建软件平台，对信息进行分析，实现模式化训练控制。测试分析软件 完成运动学、动力学分析以及信息的显示、存储，并实现常规文件处理、接触图 像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、基于时序的步态参数、总压力中心轨迹、 分压力中心轨迹、基本功率谱分析等计算分析功能；通过分析发现运动员动作缺 陷，通过分析给出参考评价，定性定量的描述训练效果与运动员专项技术能力。 训练指导：可以对单个运动员进行单次动作分析、综合评测分析、跟踪评测 分析：可以对多个运动员进行综合统计、比较分析：可以将运动员分组，以组为 单位进行分析评测、对比分析；最终构建专家系统。 2 1 系统需求分析 目前田径科学化训练手段比较单一，除了常规的生理生化指标的监控、专项 能力锻炼与提高外，主要靠高速影像解析系统来获得训练过程的运动学信息，以 此评价分析运动技术，这种分析工作量巨大，需要离线实施，无法做到实时便捷， 而且受场景变化和标定系统的约束，只能采用单点离散的办法，获取局部过程信 息。 国内体育竞技比赛中的训练迫切需要的是通过测量运动员在运动过程中的 步姿，获得运动员的步长、步频、动作时序等技术参数，从而进行运动学、动力 学分析。 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统研究获取并分析所获得的运 动参数，包括运动学、动力学参数，通过反馈系统实现及时反馈，提高运动员的 训练水平。 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 总体方案设计 2 2 1 安装结构设计 图2 i 是跑道的安装结构。塑胶跑道下面为沥青铺设地基，在跑道面和沥青 地基间为数字传感器，左右两侧为预留的槽钢结构，方便线缆的铺设。 2 2 2 系统架构 图2 - 1 跑道安装示意图 本系统由上塑胶层、传感器单元、行引线、列引线、下塑胶层、传感器采集 节点、现场总线单元、数字跑道模块、现场总线、计算机、无线耳麦组成，其特 征在于：基于丝网印刷工艺的柔性阵列传感器的结构，多个传感器单元置于起保 护作用上塑胶层和下塑胶层之间，传感器单元由行引线和列引线连接，构成传感 器采集节点，多个传感器采集节点与下塑胶层和上塑胶层、现场总线单元连接构 成作为训练平台的大面积柔性数字跑道模块固定在地面，在大面积柔性数字跑道 模块中，每一行传感器单元的行引线和每- - n 传感器单元的列引线连接到现场总 线单元上，再通过现场总线与计算机相连接，完成信息采集到计算机的传递，无 线耳麦通过无线通讯网络接收计算机的反馈信息。【1 5 】系统的结构示意图如图2 2 所示，系统模块组成框图如图2 3 所示。 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 | | 、l 其中：1 为塑胶下层，2 为柔性阵列传感器，3 为塑胶上层，4 为数据传输总 线，5 为计算机，6 为无线耳机。 图2 2 结构示意图 柔性阵列传感 器子系统 u 信号采集子系统 w 睡8 ，。： # 、 介 测试与分析 系统软件 图2 3 系统模块组成框图 该系统主要包括四个组成单元：柔性阵列传感器子系统、信号采集子系统、 无线实时反馈子系统、测试与分析系统软件，其中柔性阵列传感器单元和信号采 集单元可合称为数字跑道模块。i n 6 1 1 各个子系统的主要功能： 柔性阵列传感器子系统：信息获取子系统，可以测量运动员在数字跑道上运 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 动的实时运动信息； 信号采集子系统：将采集得到的柔性阵列传感器的信号，并通过c a n 总线、 u s b 传送给监测计算机； 无线实时反馈子系统：可以实时的将运动员的步伐节奏发送到运动员佩戴的 无线耳机，也可将教练员的实时指令传送给运动员，通过实时反馈单元，运动员 可以实时了解到运动过程中的快慢节奏，以便在后面的过程中及时调整步伐，该 反馈单元不仅可以用于实时反馈，也可以用于离线反馈，即运动员可以反复收听 成绩最好的一次跑跳的节奏，固化自己的节奏感，也可以将好的跑跳与差的跑跳 之问在节奏上做对比分析，这种实时反馈单元替代了靠录音机录制跑跳节奏的训 练方法； 测试与分析系统软件：采用数据处理和数据挖掘的方法，对信号采集单元采 集的信号进行处理和计算，得出运动员的实时速度、步长、步频、腾空时间、着 地时间、起跳角度等技术参数；系统软件还具有运动员档案管理、数据存储、数 据回放( 回放运动在数字跑道上的运动实况) 、数据分析、数据报表( 可以每个 产生单次训练和单个运动员单日训练的数据报表) 。 2 2 3 柔性阵列传感器子系统 大面积柔性力敏阵列传感器制备是研究的难点和基础，要研究低温力敏电阻 浆料的组分配比、基于丝网印刷的电阻印制方法、低温( 固化温度1 5 0 c ) 固 化特性以及大面积电阻网格一致性制备工艺等关键技术。 传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成，其中一片薄膜的内表面铺设若干行的带 状导体，另一片薄膜的内表面铺设若干列的带状导体。导体本身的宽度以及行间 距可以根据不同的测量需要而设计。导体外表涂有特殊的压敏半导体材料涂层。 当两片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应 点阵列。当外力作用到感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化， 由此来反映感应点的压力值。即压力为零时，阻值最大，压力越大，阻值越小， 从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。 采用丝网印刷工艺技术在高性能聚酯薄膜上印刷、套印p d a g 导体，碳基应 变电阻，低温包封介质，构成基本的惠斯通全桥半桥单点测试电路，从而构成 柔性力阵列和压力阵列，传感器点阵密度最高可达每平方厘米4 点。解决了大面 积聚酯薄膜整形和套裁、应变电阻和导带批量套印、面积标定和耦合解算、有效 工作频率测试、一体化温度和零点补偿、基于塑胶材料的二次复合成型等关键技 术以及批量生产和质量保障技术。 图2 - 4 是柔性阵列传感器子系统的组成示意图，表2 1 是组成示意图各部分 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 说明，图2 5 是智能所独创的基于丝网印刷工艺的柔性阵列传感器结构。通过柔 性阵列传感器和塑胶材料的复合成型工艺，在世界上率先研制了基于大面积传感 器阵列的数字跑道标准模板，初步性能和潜在应用价值得到了田径、体操、乒乓 球等运动项目有关领导和教练人员的充分肯定。 阵列传感器是将敏感材料按矩阵状印刷到两个绝缘基材( 聚酯薄膜) 上，其 中，l 块按行状连接，另1 块按列状连接。在一张相同面积的隔离层( 两面涂有 胶) 上按照敏感点的分布，将敏感点对应位置做成通孔。 将隔离层、2 层涂有敏感材料的基材粘合在一起就是我们的传感器阵列。在 不受力时，上下两层的敏感点不接触，电阻呈无穷大。当有力加在传感器阵列， 上下两层敏感点导通，形成接触电阻，随着力的增大，接触电阻减小，在一定范 围内，其变化是成反比的。 图2 - 4 阵列传感器子系统的组成 l 表面敷材，要求外观好，有弹性 2阵列上表面保护材料，软质，有一定强度 3传感器阵列 4 阵列下表面保护材料，软质，有一定强度 5 底座基材，刚性，强度好 6 保护材料，与2 相同 7 电路板保护盒上盖，刚性，强度好。 8 电路板元器件 9 电路板 表2 1 图2 - 4 组成说明 1 6 中国科学技术犬学硕七学位论文 图2 5 柔性阵列传感器结构 2 2 4 信号采集子系统 图2 - 6 是柔性阵列传感器采集节点体系结构框图。 图2 - 6 传感器采集节点体系结构 控制系统以微处理器c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心，采集经放大滤波处理后的柔性阵 列传感器的信息并通过通讯模块传输到p c ，同时接收p c 下传指令。控制系统 软件结构框图如图2 7 所示。 基于数字跑道的田径训练信息采集和反馈系统 2 2 5 通讯模块总体设计 图2 7 控制系统软件结构 通讯模块的主要功能实现c a n 总线协议和u s b 协议的转换监测控制系统的 运行情况并能在发生异常状况时给出报警提示。在结构上该模块主要由c a n 总 线、u s b 以及报警提示部分组成。在软件结构上主要实现采集数据及命令的传 输与交互，软件结构框图如图2 - 8 所示。 图2 - 8 通讯模块软件结构框图 1 3 中国科学技术大学硕十学位论文 2 2 6 无线实时反馈单元 无线实时反馈单元可以实时的将运动员的步伐节奏发送到运动员佩戴的无 线耳机，也可将教练员的实时指令传送给运动员，通过实时反馈