雪上技巧項目運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)

李興洋

（哈爾濱體育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

1 測試系統(tǒng)的測試基本原理

滑雪運動員U 型槽運動參數(shù)測試系統(tǒng)主要采用GPS 和RTK 差分相結(jié)合的原理進行運動員三維軌跡等信息的高精度測量。GPS 技術(shù)作為一種比較成熟的導(dǎo)航定位方法被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代導(dǎo)航、測量領(lǐng)域。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)的GPS 技術(shù)很難滿足特殊環(huán)境和條件下導(dǎo)航定位的需求，例如滑雪運動員空間三維軌跡高精度測試，差分GPS（DGPS）技術(shù)的出現(xiàn)為提高定位精度提供了有效的技術(shù)途徑。DGPS 算法一般包括實時動態(tài)載波差分方法（RTK）和偽距差分方法，前者應(yīng)用更加廣泛。

RTK 技術(shù)是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法。通過將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機的方法，進行求差解算坐標(biāo)。實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)基本原理是將基站采用一個固定坐標(biāo)作為參考，基站每接收一次衛(wèi)星測量坐標(biāo)，就與固定坐標(biāo)作對比并得到差值，再將這個差值發(fā)送給運動模塊。運動模塊用衛(wèi)星接收到的坐標(biāo)減去基站發(fā)過來的差值獲得修正后的坐標(biāo)。

根據(jù)運動員的空間運動信息，采用DGPS 算法（專用數(shù)據(jù)處理軟件）對測量坐標(biāo)進行坐標(biāo)解算，可獲得運動員在RTK 系統(tǒng)坐標(biāo)系（北天東慣性坐標(biāo)系）下的三維空間坐標(biāo)。為配合數(shù)字化U 型槽設(shè)計，便于分析運動員的運動狀態(tài)，我們在獲取U 型槽三維設(shè)計參數(shù)基礎(chǔ)之上，進一步建立了U 型槽槽體坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)變換原理，進而獲得運動員飛行高度、運動速度、起跳角度、起跳高度、空間軌跡及空間運動姿態(tài)角度等關(guān)鍵信息。

坐標(biāo)系的定義：北天東地面慣性坐標(biāo)系O-NHE（以下簡稱地面慣性坐標(biāo)系）、U 型槽體坐標(biāo)系o-xyz、運動員速度坐標(biāo)系o-xvyvzv。地面慣性坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點O 位于測試當(dāng)?shù)氐闹醒胱游缇€上，N 軸沿子午線指向正北方向為正，H 軸位于垂直于地面的鉛垂平面內(nèi)，指向上為正，E 軸與上述兩坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

U 型槽槽體坐標(biāo)系：如圖1 所示，坐標(biāo)原點位于運動員在U型槽槽底出發(fā)點，x 軸沿槽底從出發(fā)點指向運動結(jié)束點，y 軸位于地面的垂直面內(nèi)，指向上為正，z 軸和上述兩坐標(biāo)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。定義q、y 描述槽體坐標(biāo)系在地面坐標(biāo)系下方位角度。在求解起跳高度時，將地面坐標(biāo)系下的起跳參數(shù)轉(zhuǎn)換到槽體坐標(biāo)系下直接減去槽高，即為運動員的起跳高度。

圖1 U 型槽槽體坐標(biāo)系及其和地面坐標(biāo)系的關(guān)系

速度坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點o 位于傳感器佩戴位置，oxv軸沿速度矢量方向，oyv軸位于垂直于地面的縱向運動平面內(nèi)，ozv軸與上述兩坐標(biāo)軸構(gòu)成右手做坐標(biāo)系。

2 測試系統(tǒng)的主要實驗儀器與設(shè)備

U 型槽滑雪運動員空間運動參數(shù)測量系統(tǒng)核心是RTK 技術(shù)，基于RTK 技術(shù)的滑雪運動員空間運動信息測試系統(tǒng)可對做復(fù)雜空間動作的運動員，向其提供實時三維空間軌跡、速度等關(guān)鍵運動參數(shù)，協(xié)助教練員的日常訓(xùn)練工作。

本系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分包括接收天線、信息采集模塊和地面基站模塊。軟件部分為一包含參數(shù)解算功能的客戶端，可以直觀的將運動員的所有運動信息展示給教練人員。

2.1 系統(tǒng)硬件部分

U 型槽滑雪運動員空間運動參數(shù)測量系統(tǒng)的硬件主要有：

（1）四臂螺旋天線（一副）；

24 表面活性劑對無鉛錫膏焊接效果的影響 ……………………………………………………………………謝 鵬，張宇航，韓振峰，孫福林，戴賢斌，蔡志紅，吳家前

（2）差分GPS 定位模塊（一臺）；

（3）GPS 差分地面基站（一臺）；

（4）無線數(shù)傳電臺（一臺）；

（5）計算機（一臺）。

此外，GPS 差分地面基站可同時處理多臺GPS 定位模塊信息，即可同時監(jiān)測多名運動員運動狀態(tài)。U 型槽滑雪運動員空間運動參數(shù)測量系統(tǒng)測試原理及系統(tǒng)構(gòu)成可參見圖2。

圖2 U 型槽滑雪運動員空間運動參數(shù)測量系統(tǒng)測試原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分主要功能為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。它需要將信息采集模塊采集到的運動參數(shù)進行解算，得到我們所需求的該軟件可以支持普通筆記本的Windows 操作系統(tǒng)，或者具有相應(yīng)操作系統(tǒng)的平板電腦之上。它具備良好的人機交互功能，操作簡單，適合國家隊教練或者運動員的學(xué)習(xí)應(yīng)用。

系統(tǒng)軟件含有如下幾個方面的功能：

（1）空間三維坐標(biāo)解算功能，可將采集的運動信息轉(zhuǎn)化到指定坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)；

（2）可以實時顯示用動員當(dāng)前運動狀態(tài)，包括運動速度、運動軌跡以及每次起跳的高度、出射角度；

（3）支持歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢；

（4）可以升級改造，滿足后續(xù)更高的測試要求。

2.3 系統(tǒng)組件及其參數(shù)

U 型槽滑雪運動員空間運動參數(shù)測量系統(tǒng)的主要硬件四臂螺旋天線、高精度厘米級差分。

GPS 定位模塊和GPS 差分地面基站。

3 滑雪運動員U 型槽運動參數(shù)測試的實驗步驟

3.1 測試設(shè)備安裝方法

測試對象隨身穿戴的測試設(shè)備共分三大部分，分別是直流電源、運動模塊和天線。運動員滑雪時著裝通常在大臂、前胸、腹部兩側(cè)等位置設(shè)計有口袋，可以將直流電源與運動模塊放入口袋內(nèi)，天線通過粘扣、膠帶等方式固定在運動員肩膀、后背、頭盔等暴露位置，并通過數(shù)據(jù)線與運動模塊相連接。

3.2 測試設(shè)備使用步驟

（1）在測試場所周圍選擇一空曠區(qū)域，架設(shè)地面基站，檢查基站是否處于良好的工作狀態(tài)；若通信信號不佳，更改場地，直到基站通信信號調(diào)試到最佳為止；

（2）將運動模塊規(guī)定在運動員身上的指定位置，根據(jù)該模塊指示燈的閃爍情況，判斷其是否通訊良好，若不好，反復(fù)調(diào)試到好為止；

（3）根據(jù)教練員要求，運動員到達規(guī)定出發(fā)位置后，便可接通運動模塊電源，開始測試工作；

（4）運動員按照訓(xùn)練內(nèi)容或測試要求完成規(guī)定動作，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X客戶端軟件部分，開始分析解算數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與建議

雪上技巧項目運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)取得了成功，在相關(guān)的測試驗證中，在厘米級的高度測試中還需要更加完善。