（模式识别与智能系统专业论文）数字铁饼系统设计与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着竞技体育的发展，体育科研对于运动员成绩的提高起到越来越重要的 作用。对体育科研而言，获取准确的运动员动作信息十分重要。人体运动信息 可大致分为运动学信息、动力学信息和肌电信息。随着信息获取技术的不断发 展及其在体育领域豹应用，出现了各种人体运动信息获取仪器，用于获取特定 运动项目的特定人体运动信息。 针对铁饼项目而言，目前运动学信息主要通过高速摄像和录象分析来获取， 肌电信息可由肌电测试系统获取。但对于动力学信息，目前尚没有理想的测量 设备。针对这种情况，本文开发了数字铁饼系统用于获取铁饼运动员投掷过程 中铁饼的加速度和角速度信息。本文的主要内容如下： 研制了基于加速度传感器和角速度传感器的数字铁饼，该数字铁饼能够获 取铁饼运动员投掷过程中铁饼的三维加速度和三维角速度信息，获取的数据可 以通过无线接口发送，实现动力学信息获取的实时性。 考虑到无线接口并非当前p c 的标准配置，设计了具有无线接口和u s b 接口 的无线收发器，前者用于向数字铁饼发送控制命令和接收数字铁饼发送的加速 度和角速度信息，后者，则可以将接收到的信息通过u s b 接豳输入计算机。 开发了基予p c 的数字铁饼系统的系统软件，该软件提供友好的操作界殛， 通过该界面可从u s b 接口读取无线收发器中存储的加速度和角速度数据，对读 入的数据可以进行必要的处理。 为保证数字铁饼获取动力学信惠的准确性，对数字铁饼进行标定。在标定 的基础上，对数字铁饼系统的应用进行初步探索，提出了用数字铁饼系统获取 的加速度和角速度数据，实时获得运动员投掷过程中的出手参数。 关键字：人体运动信息数字铁饼惯性测量 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt l ed e v e l o p m e n to fc o m p e t i t i v es p o r t s ，s c i e n t i f i cs p o r t sr e s e a r c hb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o n a n ti ni m p r o v i n gt h ea t h l e t e s p e 怕m l a n c ei nt h eg 锄e s i ti s i m p o n 锄tf o rs c i e n t i f i cs p o r t s r e s e a r c h t oc a p m r em ee x a c th u m a i lm o t i o n i n f o m a t i o n h u m a nm o t i o ni n f 0 r m a t i o nc a nb eg e n e r a l l yd i v i d e di n t ok i n e m a t i c i r 怕m a t i o n ，d y n 锄i ci n f o m a t i o na n de l e c t r o m y o g r 锄 i n f o 珊a t i o n w i m 也e d e v e l o p m e n to ft h ei n f o 咖a t i o na c q u i r i n gt e c l l i l o l o g ya n d i t sg e n e r a lu s ei ns p o r t s ， t h e r ea r em a i l yk i n d so fe q u i p m e n t s 印p l i e dt oc 印t u r er e l a t i v eh u m a i lm o t i o n i n f 引m l a t i o n sf 0 rd i f | f e r e n tk i n d so fs p o r t s t 0t h ep r o j e c to fd i s c u s ，t h ek i n e m a t i ci r 怕衄a t i o nc a nb ea c q u i r e db y h i 曲s p e e dp h o t o 伊a p h ya n dv i d e oa n a l y s i s ，硼d t h ee l e c t r o m y o g r a mi o 肿a t i o n c a nb eg e tb ye l e c t r o m y o g r 锄d e t e c t i o ns y s t e m b u tt l l e r ei s s t i l lf e we f r e c t i v e e q u i p m e n tt oa c q u i r et l l ed y n 锄i ci n f o r m a t i o n s oi n t l l i sd i s s e r t a t i o n ，t 1 1 ed i g i t a l d i s c u ss y s t e mi s d e s i g n e dt 0a c q u i r et h ed y m m i ci n f o 咖a t i o no ft h e 删e t e si n d i s c u st h r o 、t h em a i nc o n t e n t s 赳ea sf o n o w s ： t h ed i g i t a ld i s c u s ，b a s e do na c c e l e r o m e t e r sa i l da i l g u l a rm t es e n s o r s ，i sd e s i 印e d t 0a c q u i r et h et h r c ed i m e n s i o n a la c c e l e r a t i o na 1 1 da i l g u l a rr a _ t eo ft l l ed i s c u s t 0m a k e t 1 1 ea c q u i r e di n f o 珊a t i o nu s e di nt i m e ，t h ef u n c t i o no fw i r e l s sc o m m 嘶c a t i o ni su s e d i nm ed i g i t a ld i s c u s c o i l s i d e r i n gt h a tt l l ew i r e l s si i l t e r f a c ei s n tg e n e r a l l yu s e di nc o m m o np c ，1 e w i r e l e s st 舢s c e i v e ri sd e s i g n e d ，w h i c hc a nc o m m u n i c a t ew i t l ld i g i t a ld i s c u si nm e w a vo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na i l dc o m m u n i c a t ew i t l lp ci n t h ew a y0 fu s b c o l t u l l 岫i c a t i o n s y s t e m 印p l i c a t i o ns o f t 眦嘴i sd e s i g i l e da sa i l0 p e r a t i o ni n t e 舭e ，a n dt h r o u 曲 t h ei m e f f a c e ，t h ea c q u i r e dd a t ac a l lb er e df r o m 、v i r e l e s s 咖s c e i v e rt op ca n d t l l e n p r o c e s s e dn e c e s s a r i l y t om a l ( es u r et h ea q u j r e dd a t ae x a c t ，l h ed i g i t a ld i s c u si sc a l i b r a t e d b a s e do n t 1 1 ec a l i b r a t i o n ，锄a p p l i c a t i o no ft l l ed i g i t a ls i y s t e mi si n t r o d u c e da i l dt h em e t h o d i i a b s t r a c t t h a tt h er e l e a s i n gp a “l m e t e r so ft h ed i s c u sa t h l e t ec a nb ec a l c u la t e du s i n ga c q u i r e d d a t ai sp r o p o s e d k e y w o r d s ：h u m a nm o t i o ni n f o 咖a t i o n ，d i g i t a l - d i s c u s ，i n e r t i am e a l s u r e m e n t i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 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。除己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：逝墼选 z 口a 辉石月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 铁饼运动的起源与发展i l l 掷铁饼是田径运动中技术性较强的项目，其历史源远流长。它的起源和人 类长期以来征服和改造自然的社会实践活动，以及人类文明史的发展密不可分。 早在远古时期，人类为了获取食物和避免猛兽的攻击，在投掷物体进行各种狩 猎和防御活动过程中就形成了自然的投掷能力。因此，现代掷铁饼技术在某种 程度上也是源于人类的自然投掷动作，这无疑为以后掷铁饼项目的开展和普及 带来了很大便利。 掷铁饼是古希腊民族传统体育项目。公元前1 2 世纪至8 世纪的荷马时代， 古希腊人就有投掷石片的活动。如早在公元前7 0 8 年第1 8 届古代奥运会上，五 项全能比赛中的“投盘 指的就是掷铁饼。当时的投掷方法是站在石头台座上 进行投掷，比赛中不仅比谁投得远，还比谁投得准。最初的铁饼是一个圆盘形 的石头，后来逐渐演变为用铁或青铜等制成的铁饼。古代的铁饼规格和重量都 不一致，有的铁饼表面刻着记事的文字，有的刻有竞技者的画像，有的铁饼装 在皮鞘里，可见在古代掷铁饼运动有过它的黄金时代。公元前5 世纪古希腊著 名雕塑家米伦，创作了一座健美、刚毅的“掷铁饼者 雕像，栩栩如生地表现 出古代掷铁饼运动员的英姿。它的复制品至今还耸立在许多国家的文化广场、 公园或体育场馆。 近代掷铁饼运动是伴随着奥林匹克运动的兴起和不断发展而逐步发展的。 近代掷铁饼始于1 9 世纪末，1 8 9 6 年第一届现代奥林匹克运动会上将男子掷铁 饼列为正式比赛项目。进入2 0 世纪以来伴随着现代奥林匹克运动的不断发展， 在古希腊投掷技术的基础上，新的更有效的掷铁饼技术不断出现。百年来掷铁 饼技术的演进主要经历了三个不同的发展阶段。 一、继承发展阶段( 1 8 9 6 1 9 5 0 年) 。现代奥林匹克运动刚刚兴起时，由于受场地和器材条件的限制，掷铁饼技 术很不规范，基本是沿袭古代的投掷方法，运动员的投掷动作方式主要是限制 第一章绪论 下肢运动的“古希腊式”和采用随意投掷的“自由式”。1 8 9 6 年美国运动员列加特 采用“自由式”投掷方法以2 9 1 5 m 的成绩取得第一届奥运会冠军后，人们意识到 通过各种预备动作有助于将铁饼掷得更远。进入2 0 世纪后，原地掷铁饼技术逐 渐淘汰，随之出现了“侧向转身”技术。此种技术是身体左侧朝向投掷方向，以 左脚掌为轴起转，保持较高的身体姿势，双脚不同时离地，主要靠投掷臂力量 将铁饼掷出。2 0 世纪3 0 年代“侧向转身”技术演进为“背向跳跃旋转”技术，这种 技术更有利于超越器械和加快旋转速度，已具有了某些现代投掷铁饼技术的雏 形。其代表人物是意大利运动员阿康索罩尼，他采用此种背向旋转技术3 次打 破世界记录，并取得了1 9 4 8 年奥运会冠军，此后背向旋转掷铁饼技术在世界范 围得到推广。这一阶段技术发展的核心就是不断增大铁饼出手前的运行距离。 在第9 届奥运会上女子掷铁饼也被正式列为了比赛项目。 二、逐步成熟阶段( 1 9 5 l 一1 9 8 0 ) 进入2 0 世纪5 0 年代，掷铁饼技术又有了新的发展，人们试图获得更快的 起转速度，出现了“起跑式旋转”技术。这种技术是在旋转动作过程中上体迅速 前倾，左脚迅速蹬离地面，从而获得更快的起转速度。其代表人物是美国运动 员f 弋迪恩，他于1 9 5 3 年用这种技术创造了5 9 2 8 米的世界纪录。这一时期技 术的发展主要是通过加快旋转角速度提高铁饼出手初速度来达到提高成绩的目 的。 到了6 0 年代，人们更加注意到保持铁饼连贯加速和强化人体器械系统 平稳运动对增加用力实效和投掷成绩的重要作用，出现了“低腾空旋转”技术。 这种技术强调旋转中右腿绕身体左侧旋转轴大半径、大幅度摆动并尽快落地支 撑，以减少人体重心起伏和腾空时问，加大人体器械系统转动惯量和更好 地保持旋转速度。其代表人物是美国运动员j 西尔维斯特，他于19 6 1 年首次 突破6 0 米大关并创造了世界纪录。这种低腾空、大半径的下肢摆动技术的出现 很快也被众多女子运动员采用，如原联邦德国运动员l 韦斯特曼在1 9 6 7 年突 破女子掷铁饼6 0 米大关、前苏联女选手f 麦尔尼克在1 9 7 5 年突破7 0 米大关 时都是采用这种技术类型。 与“低腾空旋转”技术同时出现的还有一种技术类型被称为“连贯旋转” 技术。这种技术强调控制右腿前摆动作，以求尽快获得支撑旋转的更好效果。 其代表人物是捷克运动员l 月尼克，他于1 9 6 6 年以6 6 0 7 米创造了世界记录， 美国运动员j 鲍威尔1 9 7 5 年以6 9 0 5 米创造世界记录也属于这类技术。6 0 年 2 第一章绪论 代后这两种掷铁饼技术的出现，标志着现代掷铁饼技术的基本形成。目前绝大 多数掷铁饼选手所采用的技术仍处于上述两种技术类型之间。 三、稳定保持阶段( 1 9 8 1 至今) 目前，被世界各国运动员广泛采用的宽站立、大幅度、低腾空的背向旋转 技术是现代掷铁饼的主流技术。虽然也有个别运动员尝试新异的技术形式，如 “链球式”进入旋转、超背向旋转和两周半旋转，但终因不能显著提高掷铁饼整 体技术效益，因而难以突破现有的主导技术形式。同时，在背向旋转技术的应 用中，最后用力时两脚支撑的动作逐步形成两种方式，一种为“支撑投”，一种 为“跳投”。“支撑投”是在左脚支撑的情况下使铁饼出手；“跳投 则是在铁饼 出手的一刹那左脚已经离地。这两种用力方式各有千秋，目前运动员多依据个 人特点选择采用。 近年来掷铁饼尽管在技术外形上没有出现较为明显的改变。但人们对合理 技术的探索和追求却一刻也没有停止，在现代科技革命大背景下，现代科技手 段、多领域学科知识以及相关项目先进训练方法的相互渗透介入和应用，有效 推动了铁饼专项训练的科学化进程，促使铁饼专项技术理论也取得了可喜的成 就。当今人们分析和看待专项技术问题更具全面性、系统性和协调性。具体表 现为更加注重获取最佳整体投掷效果，在保证最后用力技术质量基础上来提高 旋转技术的实效和速度利用率。 综上所述，掷铁饼技术发展中的每一项革新、进步与突破，都与随之带来 的运动成绩的提高密不可分。然而令人关注的是，自2 0 世纪末期以来，掷铁饼 项目的辉煌时代似乎已经结束，以往标志那种长期持续运动成绩提高趋势的指 标，如各种系列的世界最好成绩、奥运会和世界锦标赛比赛成绩，都呈现出停 滞和徘徊。推动掷铁饼技术的革新，促进铁饼运动的发展，已是相关研究者必 须面对的问题。 1 1 2 数字铁饼系统设计的背景和意义 随着社会的发展，“体育 一词已超出它原有的含义，逐渐发展成为一门 新兴产业体育产业。发展体育产业一方面可以增强全民身体素质，另一方 面也可以推动社会经济的发展。目前体育产业已经深入到社会发展的各个领域， 从大众体育健身到体育娱乐业，从社会基础建设到影视广告业，处处都能见到 体育的影子。体育成绩不再仅仅代表运动员个人的荣誉，在一定程度上，也体 3 第一章绪论 现了人民的生活质量，反映了一个国家的综合囤力。世界各国对体育运动越来 越重视，纷纷投入大量的人力和物力，促进体育事业的发展。我国也加大了对 体育产业投资力度，并制定了相应的发展纲要，提出了体育产业发展的目标： “争取用1 5 年左右时间，逐步建成适合社会主义市场经济体制、符合现代体育 运动规律、门类齐全、结构合理、规范发展的体育产业体系。”发展体育事业对 于增强体育事业发展活力、保证全民健身计划和奥运争光计划的实施和实现， 有着重要意义似。 对竞技体育而言，随着各种国际赛事的不断发展，各国之间的竞争日趋白 热化，从近几届奥运会奖牌分布来看，奖牌榜上第一集团和第二集团差距r 益 缩小，奖牌正在被越来越多的国家瓜分。在第二十八届雅典奥运会上，我国获 得3 2 枚金牌、1 7 枚银牌、1 4 铜牌共计6 3 枚奖牌，排在奖牌榜的第二名，获得 了历史最好水平。但我们还不能自称体育强国，因为我们的金牌项目在国际上 缺乏影响力，也就是含金量不足。从奖牌分布来看，我国的奖牌主要来自于跳 水、举重、射击、乒乓球和羽毛球等传统优势项目。这些项目的夺牌数基本上 趋于饱和，而在拥有1 1 9 枚金牌的田径、游泳和水上项目方面，我们仅获得很 少的奖牌。要想成为竞技体育的强国，我们必须在这些基础项目上有所突破。 就铁饼运动而言，中国铁饼运动成绩在亚洲长期处于领先地位，1 9 7 4 年中 国运动员首次出现在第七届亚运会赛场，在女子铁饼比赛中，高育葵就以5 1 8 4 米破亚运会记录，勇夺金牌。此后，中国女子铁饼运动员在八、九、十、十、 十二、十三、十五届亚运会上夺得冠军，而且自1 9 7 3 年以来，亚洲女子铁饼记 录不断更新，但破记录者都是中国运动员。中国男子铁饼运动员在亚运会上也 同样战绩辉煌，在第八、九，十，十一，十二，十三、十四届亚运会上夺得冠 军。但是在世界大赛中，我国铁饼运动员仍与国外选手有不小的差距，2 0 0 3 年 巴黎举行的第九届世锦赛宋爱民获得第七名，在2 0 0 4 年雅典奥运会上吴涛取得 第九名，是近年来我国铁饼运动员在国际大赛中取得的最好成绩。综上所述， 我国铁饼运动虽然离国际成为国际赛事的强势项目还有距离，但是距离并不是 很大，因而可以成为我国体育的优先突破项目。而提高铁饼运动成绩的关键在 于深入认识铁饼运动的内在规律，从而采用科学的训练方法。铁饼运动内在规 律的揭示，则有赖于对铁饼运动技术的深入分析。运动技术分析的基础是人体 运动信息的检测。 4 第一章绪论 1 2 人体运动信息及其检测 1 2 1 人体运动信息的构成 人体运动信息是指人体在运动过程中所表现出来的运动形态参数，主要体 现在身体姿态、关节角度、身体和肢体的位移、速度和加速度，力的大小和方 向、动态力的变化速率等方面。对这些参数进行测量并利用生物力学技术进行 分析，从丽对人体在运动中的状态水平进行评价，是基前竞技体育研究的主要 方法。由于人体的复杂性和运动的多样性，对这些运动学、动力学等参数的获 取具有较大的难度。目前，依据检测参数类型的不同，人体运动信息的检测可 以分为：运动学信息检测、动力学信息检测和脱电信怠检测强1 。， 量2 2 人体运动信息的检测 l 。2 2 。薹运动学信息检测 霉前，运动学信息的检测主要有高速摄像和录像分析两种方法，这两种方 法虽然都是通过摄像来对记录研究对象的运动学信息，但又各有特点。 一，高速摄像h 人体的所有动作都是在一定的时间和空间里进行的。时间和距离是动作最 原始的特征，因此用拍摄运动图像的方法来记录动作最为方便和准确。高速摄 像按拍摄方式可分为：平面定机摄像测量方法，平面跟踪摄像测量方法，立体 定机摄像测量方法。 ” 平面定机测量方法篱单易符，不影噙人体的运动，可以在正式院赛中进行 测量。但该方法只能测出人体和物体在垂直于摄像机主光轴平面上的运动参数， 只适用于受测体在一个平面上或主要在一个平面上的运动项目，且使用平面定 机摄像测量的平面范围较小，对运动范围大的项目来说，只能选择其某一运动 阶段进行拍摄，例如跑的一个复步、跳远的助跑最后两步和起跳等。 用平面跟踪摄像测量方法拍摄时，摄像机的主光轴始终尽可能对准受测体， 跟踪受测体的运动而转动。此方法测量范围比定机法大，摄影范围较小，受测 体成像大，可减少测量误差。儇由于受测体的运动速度因项目、因入而异，所 以“跟踪“难度较大，且摄影枫速度与受测体速度难以完全相圊，也会带来测 5 第一章绪论 量误差。平面跟踪测量法用于测量运动范围大、动作周期距离长的运动项飚。 立体定机摄像测量方法是采用两台或多台摄像机从不同角度对同一研究对 象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机所拍摄的图像进行数字化，从而获 得人体空间运动的三维坐标，计算有关的运动学参数。 二，蒙像分析瞄1 录像分析系统是一种像机交会式测量系统，它是基于立体视觉的基本原理， 应用普通摄像机对目标点进行拍摄，并结合三维空间重构的方法获取被拍摄物 的空i 、h j 坐标，其结构简单、无机械运动部件、测量空间大、使用方便，是种 非接触式澳l 量系统。 录像分析作为一个综合系统，一般幽录像拍摄部分、图像采集和反馈部分、 录像解析软件部分所组成。 录像摄录部分，该部分用于实现对研究对象的拍摄，从拍摄速度上可分为 高速和常速：从图像的色彩上可分为彩色录像系统和革色录像系统：从图像的质 量上又可分为普通质量的录像系统( 常用的v h s ) 和高质量的录像系统( s v l s ) 。 当摄像机的数目达到两台或两台以上时，为了进行立体分析需要各个摄像机具 有外同步锁相的功能。 图像采集和反馈系统，该部分对摄录部分获致的图象进行数字化，是后续 分析的基础。录像分析实质上就是将记录在录像带上的图像信息采集下来，然后 通过计算机将感兴趣的运动节点进行数字化并采集下来的过程。采集图像信息 的通常方法是录像机停帧采集、小容量图像板动态图像实时采集和大容量图像 存储器动念实时采集三种方法。国内外常用的是后两种方法，其中又以大容量方 法方便实用。且胁国内外开发比较成功的运动录像解析系统有美国的p e a k 系 统、德图的s i m i 系统和国产的爱捷( e d i a s ) 系统。p e a k 系统采用的是小容量( 1 m ) 图像板动态图像实时采集的方法，s i 硝i 系统和髓i a s 系统都采用大容量图像存 储器动态实时采集的方法( 最大容量均是6 4 鹾) 。 集成分析软件部分是录象分析系统与用户交互的接口。运动图像解析是对 某一动作图像进行连续的或等间隔地进行采集和解析。在进行高速影片的解析 过程中，可以通过电影分析放映枫连续地或等间隔地解析影片。由于胶片是可见 的，所以可以方便地找燃需要解析的某一段影片，然后馓上标汜，进行解析。丽存 储在磁带上的录像信号是不可见的一般也无法在上面做出标记，所以如何定全 以及如何连续地采集所需要的图像是录像解析遇到的首要问题。p e a k 系统采用 6 第一章绪论 的办法是：首先用录像编辑机对所解析的录像进行编辑，在录像带上记上时间编 码：然后通过计算机中的图像控制卡识别录像带中的信号，定位采集录像信号到 小容量图像扳中。图像板中的图像解析完之后，再定位和采集图像，壹到完成整 个运动解析过程。而e d i a s 系统和s i m i 系统由于采用的是大容量图像存储器， 一次最多可连续采集1 0 秒钟以上的连续图像。由于运动分析一般是对某一动作 的特定环节进行分析( 如跳远的踏跳过程等) ，所黻1 0 秒钟的连续图像可以满足 绝大部分运动项目的分析和解析，也可以满足大部分运动项目的立体分析和多 机解析。由于这种方法采集图像一次到位，所以不需要对录像带进行编辑和定位， 只需用普通的家用放( 录) 像机就可以。同时采集图像一次到位还满足了许多其 它解析方法所不能满足的要求，如采集当前图像时可以参照其它图像的信怠：在 解析过程中或解析完毕后，可以任意地修改任意画面的任意解析节点的内容：可 以通过切割画面，同屏显示同一时刻多机拍摄的图像内容，这对立体解析非常有 利。所有上述功能都对提高运动节点的识别和解析精度有利，特别是对于立体解 析更是如此。 l 。2 。2 。2 动力学信息检测 在对体育运动进行研究时，无论是人体自身特征参数的改变，还是器械运 动参数的改变都是各种内力与外力作用的结果。因而动力学信息是进行人体运 动分析的重要参数，动力学检测是人体运动信息检测的重要内容。由于在运动 员进行各项运动时，地面反力是运动员受裂的最主要的力，毽丽脚力信息的检 测是动力学信息检测的热点。目前脚力信患的检测大多采用多维测力平台或是 测力鞋垫。中科院合肥智能所自行研制的一体化六维测力平台s a f m a s t 删已成 功装备国家举重队。该平台采用十字梁结构，应交式原理，解耦时采用分区域 的方法，测力台弹性体由块材料整体加工悉成，整体结构即为一个六维力传 感器。与一般组合式的测力台相比，该平螽安装调试方便，更适合比赛训练环 境。 对投掷类运动丽言，投掷臂的末端用力对运动员的成绩有决定性影响，获 取投掷臂末端的力信息对分析投掷类技术动作具有重要意义。针对铅球运动， 中国科学院智能机械研究所机器人传感器实验室先后设计了基予力传感器的数 字铅球p 3 和基于三维加速度传感器的数字铅球嘲，用来测量铅球运动员投掷过程 铅球的加速度信息，进而获得投掷过程中运动员投掷臂末端对铅球的作用力。 7 第一幸绪论 基于加速度传感器的数字铅球内置加速度传感器和功能电路，实现投掷中加铅 球速度信息的采集与存储。采集结束后，可通过配套的基于p c 的应用软件读取 采集到的信息，并及时显示运动员投掷力曲线。数字铅球的规格完全符合国际 阳联对比赛用铅球的要求，可以保证运动员在接近真实训练比赛环境下进行测 试。针对标枪运动，m a s a t om a e d a 【9 】等成功将加速度传感器引入对标枪投掷过程 中力信息的检测。 1 2 2 3 肌电信息检测 肌电的产生是神经、肌肉兴奋释放生物电的结果，反映了神经、肌肉的功 能状态，将这种微弱的电位变化进行引导、放大等一系列处理所得到的图形叫 做肌电图。人体肌电信息的研究在康复医学、运动医学、运动生物力学领域中 应用很广叽。肌电图作为检测运动生物力学信息的一种主要手段在体育运动 教学、训练和训练效果评估中，借助肌电结合高速摄影等其它测量设备，教练 可以判断运动员训练过程中哪些肌肉参与动作、肌肉活动的时序、各块肌肉收 缩时i 白j 的长短和收缩强度、肌肉之间的协调模式、收缩类型和强度、判断肌肉 疲劳程度及损伤、肌肉功能评价等n 邑1 3 3 ，通过分析肌电图还纠正运动员的动作， 提高训练效果。肌电信号按照引导电极的不同，可分为针电极肌电和表面肌电。 表面肌电( s e m g ) 是从人体肌肤表面记录下来的神经肌肉活动电信号。由于表 面肌电检测对人体不产生损伤，因此，在运动生物力学研究中，多采用表面肌 电无线检测技术。 1 3 本课题的提出 随着竞技体育的不断发展，以信息技术为标志的现代科技已经广泛应用于 现代体育之中。例如在体育科研、训练方面，对运动员的技术训练诊断大多采 用高速摄像及计算机录像解析系统进行；卫星导航系统介入帆船训练；无线电 指挥仪应用于帆板训练；各种体育机器人在乒乓球、网球、柔道、竞走、拳击 等项目的训练中发挥着重大的作用。将信息技术与体育科研、训练结合得最为 密切的是美、英等信息化水平很高的国家美国马拉松运动员的鞋上装有芯片， 以便随时测录运动员的各种运动数据；英国为更好地提高运动员的技术水平和 运动成绩，研制了一种运动服装。这种服装在人体个关节部位分布着许多传感 8 第一章绪论 器，可把人体运动信息传送给电脑，由电脑处理后给出改进技能的定量标准。 近年来我国也加大了对体育科研的重视，特别是针对0 8 年奥运，国家科技 攻关计划在“十五”攻关计划中增设了“奥运科技 专项，给运动科研以有力 支撑。中国科学院合肥智能机器人传感器实验室多年来致力于力信息的检测， 先后开发了六维力传感器和五维脚力传感器，在力传感器的推广应用方面也取 得显著成果。就体育科研领域而言，本实验室开发的六维测力平台广泛应用运 动员的脚力测试，并构建了基于该平台了举重运动员训练指导系统，成功应用 于国家举重队；实验室参与国家科技支撑计划“奥运科技专项”项目体育 竞技项目综合训练指导系统的开发( n o ：2 0 0 5 b a 9 0 4 8 0 4 ) ，成功开发了数字铅球 训练系统。 数字铅球及其辅助训练虽然在运动员辅助训练和运动员投掷技术诊断方面 发挥了作用，但目前还存在如下问题：采用u s b 通信读取采集数据，实时性较 差、无法消除因铅球自身姿态改变所引入的测量误差： 如前所述，目前我国铁饼投掷水平与世界技术尚有差距，但差距不是很大， 因而是应该优先突破的项目。目前对铁饼投掷技术的研究，运动学信息的获取 主要采用录象解析的方法来进行；肌电信息的获取也有成熟的肌电信息获取系 统。但是，对铁饼运动的动力学信息获取，目前没有理想的仪器，录象解析虽 然可以得到运动员投掷过程中铁饼的加速度信息，并由加速度信息得到运动员 的投掷力信息，但是由于录象解析系统算法本身的特性，加速度会有很大的误 差，同时录象解析系统无法获得铁饼运行过程中的角速度信息。 本课题针对我国铁饼运动研究的迫切需要和铁饼运动动力学信息检测仪器 匮乏的现状，提出了用于获取运动员投掷过程中铁饼的动力学和运动学信息的 数字铁饼系统，该系统直接实时地获取运动员投掷过程中铁饼的加速度和角速 度信息。 1 4 本论文的主要内容 本文从数字铁饼系统开发的必要性丌始，接着对系统的整体结构和各个关 键部分的设计进行介绍，最后在系统进行标定的基础上，对数字铁饼系统的应 用，进行初步探讨。从结构上看，本文的分为如下七章： 第一章首先通过铁饼运动的发展的回顾j 指出了铁饼投掷技术的创新是推 9 第一章绪论 动铁饼运动发展的强大动力，说明了当前对铁饼技术进行研究的必要性：结合 我国对体育科研同渐重视的现实和我国铁饼运动所处的现状，指出了当前开展 铁饼运动研究的迫切性和现实性。然后在简单介绍人体运动信息获取的现状后， 指出了当前铁饼运动研究中，动力学信息获取仪器匮乏的现状，说明了开发针 对铁饼运动的动力学信息获取设备的必要性。 第二章首先概述了数字铁饼系统的功能和组成，然后对数字铁饼系统的各 组成部分分别进行了介绍，并详细阐述了数字铁饼系统的测量原理，最后就对 数字铁饼性能具有决定性影响的加速度传感器和角速度传感器的选择进行了介 绍。 第三章介绍了数字铁饼的设计。首先介绍了数字铁饼功能电路的设计，然 后基于功能电路，详细介绍了数字铁饼的固件丌发。 第四章介绍了无线收发器的设计。首先介绍了与无线收发器设计密切相关 的u s b 通信知识，然后围绕无线收发器的功能需求，对其功能电路进行介绍， 最后对无线收发器的固件设计进行介绍。 第五章介绍了无线收发器驱动程序和数字铁饼系统应用软件的丌发。首先 简要介绍了驱动程序和u s b 驱动程序的基础，设计了无线收发器的驱动程序， 然后对数字铁饼系统的数据采集程序及姿态算法进行了介绍。 第六章对数字铁饼系统进行标定的基础上，对其实际应用进行探讨。由于 种种原因，数字铁饼系统不可避免的会引入各种测量误差，因而在系统正式进 行实验前，有必要对其进行标定。数字铁饼系统获得了投掷过程中铁饼的三维 加速度和角速度信息，这些信息提供了投掷过程中铁饼的全部动力学和运动学 特性。信息获取的目的是为了利用所获取的信息，对铁饼运动员的动作诊断和 技术创新提供帮助。但囿于铁饼运动技术相关知识的缺乏和运动生物力学知识 的不足，本文没有以数字铁饼系统获取的加速度和角速度信息为基础，采用生 物运动力学方法对铁饼运动的技术动作进行深入分析，只是以抛砖引玉的方式 提出了利用数字铁饼系统获取的加速度和角速度信息，求出铁饼运动员的出手 参数的方法，并将其应用于实验测得的数据。 第七章对全文进行了总结，并对数字铁饼系统的进一步完善提出了建议。 第二章数字铁饼系统的组成与测量原理 第二章数字铁饼系统的组成与测量原理 2 1 数字铁饼系统的组成 数字铁饼系统作为一种针对铁饼运动的动力学和运动学参数采集系统，能 够直接获得运动员投掷过程中铁饼的全部加速度和角速度信息，并能对获取的 信息进行实时显示，为教练员和铁饼运动研究人员进行现场运动技术分析提供 可靠的参数信息。图1 是数字铁饼系统工作的示意图，如图2 1 中所示，数字 铁饼系统由数字铁饼、无线收发器和上位机三部分构成。数字铁饼用于获取运 ： 无线收发器 图2 一l 数字铁饼系统示意图 动员投掷过程中铁饼的三维加速度和角速度信息，并将获取的信息通过无线方 式发送。无线收发器，用于实现数字铁饼系统的数据传输，可接收数字铁饼发 送的加速度和角速度信息，并可将收到的信息，通过u s b 接口传送给上位机。 上位机为普通p c 机，其上配置数字铁饼系统的系统软件，通过系统软件提供的 友好操作界面，可通过u s b 接口从无线收发器中读取获取的加速度和角速度信 息，并对信息进行显示、保存和必要的处理。 第二章数字铁饼系统的组成与测肇原理 2 2 数字铁饼 数字铁饼可以采集运动员投掷过程中铁饼的加速度和角速度信息，是整个 数字铁饼系统的信息入口，是后续处理的基础。本节将首先介绍数字铁饼的测 量原理，然后对数字铁饼性能具有决定性影响的加速度和角速度传感器的选择 进行介绍。数字铁饼的功能电路和固件设计将会在第3 章进行介绍。 2 2 1 数字铁饼测量原理 数字铁饼系统设计的目的是获取投掷过程中铁饼的动力学和运动学信息， 也就是铁饼的加速度和角速度信息。在运动员投掷过程中，铁饼的运动可视为 自由刚体运动，因而为了完全描述投掷过程中铁饼的运动，数字铁饼需要测量 投掷过程中自身相对于固定惯性参考坐标系的三维加速度和角速度。考虑到数 字铁饼的结构特征，所用的惯性传感器必须固连于铁饼体上。由于惯性传感器 是固连于数字铁饼内部，因而实际测得的惯性参量是相对于其铁饼体坐标系的 轴向方向的，而数字铁饼在投掷过程中，铁饼的姿态时刻变化，因而相对与铁 饼体的坐标系轴向方向也时刻变化，因而各个时刻数字铁饼测得的惯性数掘是 相对于不同的坐标系，要获得相对固定参考坐标系的惯性数据，就必须有足够 参量来确定任意时刻铁饼体坐标系与该固定参考坐标系的姿态关系。 目前可获得任意时刻载体姿态信息的捷联惯性测量组合按照有无采用陀螺 仪可分为有陀螺捷联惯性测量组合和无陀螺捷联惯性测量组合。前者依据采用 陀螺仪和加速度传感器的个数的不同而有多种配置一引，后者完全采用加速度 传感器来获取载体惯性参数和姿态参数，依据所用加速度个数的不同也有多种 配置结构m 一引。虽然后者具有成本低、功耗小、寿命长、可靠性高、启动速 度快等优点，但是对结构要求严格，因而在数字铁饼的设计中，我们采用了三 个加速度传感器和三个角速度传感器( 陀螺仪器) 的配置。 如上所述，在数字铁饼设计中，我们采用了三个角速度传感器和三个加速 度传感器的配置，加速度传感器和角速度传感器分别构成正交直角坐标系，图 2 2 是数字铁饼内部加速度传感器和角速度传感器配置的示意图，图中各传感 器仅代表所对应的传感器敏感方向。 l2 第二章数字铁饼系统的组成与测量原理 z y 。，加速发传惑嚣 角速度传惑器 圈2 2 数字铁饼健感嚣配置示意图 x 为了便于描述铁饼的运动，我们引入如下两个坐标系，惯性坐标系x j 。z ；b 和 铁饼载体坐标系x j 。z 。，也就是传感器的轴向方向所构成坐标系，如图2 3 质示。 加速度传感器和角速度传感器测得的是数字铁饼相对于铁饼载体坐标系的加速 度和角速度分量，为了便于对铁饼投掷技术动作进行分析，就要将测得的加速 度和角速度数据变换到惯性参考坐标系。 圈2 3 惯性参考坐标系与载体坐标系 由惯性导航的原理“轨嘲可知 a 口x q d y 口口z r 6 一。口 d b x 钆y a b z 稼1 ) l3 o 第二章数字铁饼系统的组成与测量原理 口x 国n y 国口z = c 三 国6 x 妙 b z ( 2 2 ) 这早a 。，a a 。是数字铁饼的加速度在惯性坐标系a 各轴向的分量，a b 。，a 。，a 。： 是铁饼的加速度在铁饼载体坐标系b 各轴向的分量，可以由固定在铁饼内的加 速度传感器直接测量得到：c 。“被称为姿态矩阵， c 二= c 善q( 2 3 ) 这早 q = o 缈6 z 一缈6 v 一国比 0 国6 x 缈6 v 一国b x o ( 2 - 4 ) u h ，u ，忆是铁饼的角速度在铁饼载体坐标系b 各轴向的分量，可以直接由数 字铁饼内的角速度传感器测得。 因而对于任意惯性参考坐标系a ，在给定数字铁饼相对于该惯性参考坐标系 的初始姿态信息，由数字铁饼获取的自身相对于载体坐标系的角速度( t ) 和 加速度a 。( t ) ，就可以得到数字铁饼任意时刻的姿态矩阵，进而得到数字铁饼相 对于陔惯性坐标系的加速度a 。( t ) 和角速度。( t ) 。 2 2 2 传感器的选择 数字铁饼是数字铁饼系统的信息源，数字铁饼获取的角速度和加速度信息 的质量，对基于这些信息进行投掷技术动作分析具有很大影响。而数字铁饼是 通过加速度传感器和角速度来获取相应的加速度和角速度信息，所以传感器的 选择对系统性能有重要影响。这罩先对加速度传感器和角速度传感器作一简单 介绍，然后介绍在数字铁饼设计中用到的加速度传感器a d x l 7 8 和角速度传感器 a d x r s 3 0 0 。 2 2 2 1 加速度传感器 随着j u 速度检测需求的不断发展，加速度传感器也不断发展完善。现在 各种各样原理各异性能有别的多种类不同级别的加速度传感器在不同领域得到 】4 第二章数字铁饼系统的组成与测量原理 了广泛应用，以下介绍几种新型的加速度传感器。 一、激光加速度传感器堙” 激光加速度传感器的作用原理是在两束激光回路中安装两个中间夹着敏感 质量的光弹性晶体，在加速度的作用下，敏感质量使两个晶体受不同方向的力， 其中一个伸长，另一个压缩，因而导致激光光束的频率发生变化，当光束通过 极性过滤而重迭后，可以测出与加速度成正比的差频信号。这种加速度传感器 的输出信号是数字形式，无反馈回路，由于两束激光平行，易于消除一阶同相 于扰知温度漂移等，可以承受较大范阐的加速度。 二、磊英振梁式线加速度传感器鼢朋1 振梁式加速度传感器的主要特点是体积小、精度高、测量范翻宽、数字量 输出、能耗低。它的典型构造是采用石英晶体作力谐振梁，在谐振梁的j # 匿定 端安装质量块，巍受线加速度作用对，质量块使谐振粱受力焉发生变形，使得 谐振梁的谐振频率发生与线加速度成正比的变化。 三、微机械加速度传感器心“2 6 1 微机械加速度传感器以集成电路工艺和微加工工艺为基础，其体积小、重 量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强且可批量生产，其应用领域不断 扩展。目前微机械加速度传感器主要应用于战术导弹中段制导、灵巧导弹和各 种商用导航等相对低精度要求的场合。随着微机械加速度传感器性能的提高， 其应用还会不断向中高精度的应用领域扩展。 综合考虑空间、功耗和性能等因素，在数字铁饼的设计中，我们采用了美 国a d i 公司生产的微机械加速度传感器a d x l 7 8 。a d x l 7 8 将敏感元件和信号调理 电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现了整体集成，其量程有3 5 9 、5 0 9 、 7 0 9 三种规格，既可以测量动态加速度，又能测量静态加速度。图2 4 是a d x l 7 8 的功能框图，差分敏感电路、解调放大电路和4 0 0 z 低通b e s s e l 滤波器都已 集成于传感器电路，从而简化了传感器调理电路的设计。 l5 第二章数字铁饼系统的纽成与测量原理 v s e x c t l m i n g g e n e r a t o r a d x l 7 8 d i f f e r e n t i a liid e m o d s e n s o rila m p 4 0 0 h z b e s s e l f i l t e r x o u t s e l f 。l e s i 古 幽2 4a d x l 7 8 功能框图 2 2 2 2 角速度传感器 角速度传感器也称为速率输出的陀螺仪，目前常用的具有速率输出的陀 螺仪很多，如挠性陀螺仪、微机械陀螺仪以及激光陀螺仪等，这里对其作简单 介绍。 一、挠性陀螺仪瞳铂 挠性陀螺有一个转子和一个弹性支承的平衡环组件。当转子高速旋转时， 支承的弹性力矩和平衡环的惯性力矩相互抵消，转子就成了一个自由陀螺。当 它作为速率陀螺使用时，再平衡回路把传感器输出的偏差信号经放大变成电流 输入力矩器并作用在转子上，使转子和外壳白j 保持固定的相对位置，并通过测 量力矩器中电流的大小来确定角速度。按照挠性支承的具体形式，又可分为细 颈式和动力调谐式两种类型。细颈式挠性陀螺丌始研制的时间较早，但尚未投 入生产便出现了更为新颖的动力调谐式挠性陀螺。动力调谐式挠性陀螺自六十 年代中期制成后，发展迅速，在航空、航海器的惯性导航系统中得到广泛应用。 动力调谐陀螺的随机漂移率一般为o 0 1 0 h ，在目前技术水平下要做到低于 o 0 1 0 h 还有困难。因此确切的说动力调谐陀螺是一种中等精度的惯性陀螺仪。 二、激光陀螺仪和光纤陀螺仪心毗执删 随着新型的光学陀螺仪的问世，先进的激光陀螺仪和光纤