基于UWB技術(shù)的足球運(yùn)動(dòng)員場(chǎng)上定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

郭松

摘要：通過對(duì)UWB波的傳輸特點(diǎn)和定位原理的分析，設(shè)計(jì)了一套適合于足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位的場(chǎng)上定位系統(tǒng)，為教練員臨場(chǎng)指揮、戰(zhàn)術(shù)選擇研究和科學(xué)訓(xùn)練提供較好的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：足球運(yùn)動(dòng)員;UWB;定位

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0170-01

0 引言

UWB（Ultra Wide Band）是利用納秒級(jí)無線非正弦窄波脈沖的數(shù)據(jù)傳輸，占用的頻譜范圍很寬[1]。UWB技術(shù)適用于定位精度較高的多路徑場(chǎng)所高速無線檢測(cè)定位。主要應(yīng)用于軍事雷達(dá)等通信系統(tǒng)中。具有穿透能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位和非接觸式識(shí)別。近幾年，在眾多領(lǐng)域中對(duì)人員目標(biāo)定位和檢測(cè)應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)[2]。足球運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)上的位置追蹤和運(yùn)動(dòng)軌跡的描繪，可以給教練員提供較好的戰(zhàn)術(shù)指導(dǎo)和臨場(chǎng)指揮。對(duì)于足球運(yùn)動(dòng)員的場(chǎng)上位置檢測(cè)要求實(shí)時(shí)性好，精度要求較高，傳統(tǒng)的圖像和視頻不能夠很好的反映隊(duì)員的空間位置和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，而且對(duì)于多目標(biāo)追蹤也略顯不足。

1 UWB定位原理

1.1 飛行時(shí)間定位法（TOF）

飛行時(shí)間定位法主要是通過脈沖信號(hào)沖發(fā)出到接收到返回信號(hào)的時(shí)間和脈沖信號(hào)的傳播速度之積，得到基站到達(dá)測(cè)量目標(biāo)之間的兩倍距離，從而定位目標(biāo)的位置[3]。一般這種定位方法都采用多基站的形式，通過不同基站的位置和目標(biāo)距離不同基站的距離來建立坐標(biāo)平面，從而準(zhǔn)確的定位目標(biāo)的位置。較為典型的是三基站布局。定位時(shí)，基站位置固定，坐標(biāo)可以直接設(shè)定，當(dāng)每個(gè)基站測(cè)量到目標(biāo)距離自己的位置時(shí)，以每個(gè)基站位置為圓心，以目標(biāo)到達(dá)基站的距離為半徑畫圓，三個(gè)圓的焦點(diǎn)變?yōu)?，目?biāo)位置的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。在測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)時(shí)需要知道在三個(gè)基站測(cè)量的距離應(yīng)該是同一時(shí)間的距離，因此需要專門設(shè)計(jì)的時(shí)間戳，用來基站時(shí)間的同步，來保證定位的準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性。

1.2 時(shí)間差定位法（EDOA）

時(shí)間差定位法是利用時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，通過目標(biāo)信號(hào)到達(dá)每個(gè)基站的時(shí)間差，來計(jì)算目標(biāo)到達(dá)每個(gè)基站的距離差，從而確定目標(biāo)的位置坐標(biāo)[4]。這種方法通常是采用四機(jī)站的布局，一個(gè)原基站，三個(gè)伴隨基站。在進(jìn)行目標(biāo)定位時(shí)由目標(biāo)發(fā)出信號(hào)，分別計(jì)算到達(dá)四個(gè)基站的時(shí)間差和距離差，從而利用此參數(shù)，分別以原基站和伴隨基站兩兩組合為原點(diǎn)建立雙曲線，雙曲線的焦點(diǎn)便是目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)在平面上的定位[5]。這種方法不同于第一種方法，由于采用的是時(shí)間差不是絕對(duì)的時(shí)間，因而不需要做時(shí)間戳，較為簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)。

2 足球運(yùn)動(dòng)員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于UWB的足球運(yùn)動(dòng)員場(chǎng)上定位系統(tǒng)主要定位標(biāo)簽、原基站、定位基站、無線路由和數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)長(zhǎng)105米，寬68米，系統(tǒng)采用4基站結(jié)構(gòu)。

定位標(biāo)簽佩戴于運(yùn)動(dòng)員的上肢，用于以固定頻率發(fā)送UWB波，便于基站的接收和識(shí)別，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)員之間才用不同的頻率進(jìn)行區(qū)分，能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)內(nèi)多個(gè)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)軌跡和位置的識(shí)別。

一個(gè)原基站四個(gè)定位基站，原基站放置場(chǎng)地中線外延線的4米處，四個(gè)定位基站放置在場(chǎng)地的底線的延長(zhǎng)線外側(cè)4米處。用于手發(fā)UWB信號(hào)，并負(fù)責(zé)把收到的信號(hào)通過無線路由傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，進(jìn)行位置的識(shí)別和軌跡生成。

2.2 定位原理設(shè)計(jì)

飛行時(shí)間定位法利用時(shí)間和速度較為方便求的距離，激光在空氣中的傳播速度和光速相同（V=3×108m/s），在場(chǎng)地中最長(zhǎng)測(cè)量距離大約為60米左右，暫按70米計(jì)算，t=d/v=60m/3×108m/s=200ns，這個(gè)時(shí)間是很短的，因此在時(shí)間同步和測(cè)量時(shí)間一個(gè)很小的誤差就會(huì)導(dǎo)致對(duì)于運(yùn)動(dòng)員位置的定位形成很大的誤差，因此實(shí)現(xiàn)較為困難。

時(shí)間差定位法不像飛行時(shí)間定位法要求很嚴(yán)格的時(shí)間同步，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了時(shí)間差定位算法。在系統(tǒng)中有6個(gè)定位基站分別為A1、A2、A3、A4，目標(biāo)與基站的間距分別為S1、S2、S3、S4，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)基站進(jìn)行坐標(biāo)初始化，基站的坐標(biāo)分別為：A1（X1，Y1）、A2（X2，Y2）、A3（X3，Y3）、A4（X4，Y4），假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)為（X0，Y0），目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)即為要求得的定位點(diǎn)。四個(gè)基站中設(shè)置一個(gè)原基站和三個(gè)伴隨基站，分別建立三組雙曲線運(yùn)用如下公式進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的求解。

把相應(yīng)測(cè)得參數(shù)代入上式建立方程，求得目標(biāo)點(diǎn)（X0，Y0）。在基站中設(shè)置原基站和伴隨基站，通過原基站與伴隨基站配合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位?；就ㄟ^Wifi信號(hào)把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合運(yùn)算，并定位在成像的圖中。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)，對(duì)比賽場(chǎng)地的初始化，形成虛擬的場(chǎng)地圖像，并對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的進(jìn)行管理，同時(shí)用于設(shè)置哪個(gè)頻率對(duì)應(yīng)哪個(gè)運(yùn)動(dòng)員，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)簽和運(yùn)動(dòng)員的結(jié)合。服務(wù)器在不停的監(jiān)聽由接收基站傳回的信息，通過信息的擬合，計(jì)算場(chǎng)上每個(gè)球員的位置，并在虛擬的場(chǎng)地中進(jìn)行圖像的顯示。數(shù)據(jù)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能和單獨(dú)按時(shí)間斷來提取每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的在場(chǎng)地上的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像，便于做后期的比賽分析和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)給教練員提供運(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)的擬合后數(shù)據(jù)查詢功能，便于提供臨場(chǎng)指揮數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

在足球運(yùn)動(dòng)比賽中，足球運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)地上的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡影響著比賽的結(jié)果，同時(shí)教練進(jìn)行比賽分析及戰(zhàn)術(shù)預(yù)測(cè)具有關(guān)鍵的作用。本研究利用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了足球運(yùn)動(dòng)員在場(chǎng)上的實(shí)時(shí)定位和運(yùn)動(dòng)軌跡記錄與分析，為教練員較好進(jìn)行比賽指揮和科學(xué)訓(xùn)練提供了良好的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：The Analysis of the transmission characteristics and positioning principle of UWB wave，we design a system to find the football players location in football field.This give some data what can help the coach to command the football players how to do in the game.

Key words：football players;UWB;positioning