CN102481479A - 游泳监测器 - Google Patents

Abstract

提供了一种游泳监测器(100)，其包括运动感测装置(110)和控制器(120)。所述运动感测装置能够检测多个相互正交轴上的运动，并且所述控制器被布置用于捕获所述运动感测装置所产生的运动数据，并且参照所收集的运动数据产生游泳运动信息。所述控制器被布置用于参照在至少一个所选运动方向上检测到的节律运动模式来产生游泳姿势信息。这种游泳监测器提供了一种用于游泳监测的紧凑装置和用于检验游泳姿势信息的简单解决方案。

Description

游泳监测器

技术领域

本发明涉及运动监测器，更具体地涉及游泳监测器。更具体地，本发明涉及被布置用于检测游泳姿势的游泳监测器，以及涉及具有无线数据传输能力的游泳监测器，尽管不仅仅限于此。

背景技术

用来对相关运动数据和用于显示的信息进行捕获并分析的运动监测器越来越受欢迎。运动监测器通常由进行体力运动的人佩戴，并且通常被配置来捕获佩戴该监测器的人的生理状态相关的生理数据以及训练相关的技能数据。所捕获的生理数据可以用来对训练者的身体状况提供即时反馈以及用于随后的健康分析。另一方面，所捕获的技能数据可以提供用于对进行该运动的人的技能或身体健康进行分析的有用数据和信息，并且可能用于制定计划，以提高进行该训练的人的技能。

在各种体力运动中，游泳由于其均衡以及低冲击的特性被认为是非常有益的。尽管目前存在游泳监测器，但是传统的游泳监测器的性能和功能有些受限。例如，传统的游泳监测器需要由游泳者来激活，以触发数据捕获。同时，传统的监测器不提供关于游泳姿势的信息也不提供游泳姿势相关的技能参数。此外，传统的游泳监测器通常布置用于游泳参数的瞬态显示，而由于漏水关系不适用于将捕获的数据或参数传输到外部装置以进行存储或进一步处理。尽管无线数据传输设备似乎是克服漏水问题的可能替代方案，但是，将无线解决方案用于游泳监测器的一个很显然的障碍是无线电信号在水下的严重衰减。

因此，如果可以提供减轻了传统游泳监测器的至少一些缺点的游泳监测器，则是非常可取的。

发明内容

根据本发明，提供了一种游泳监测器，其包括运动感测装置和控制器，所述运动感测装置能够检测到多个相互正交轴上的运动，所述控制器被布置用于收集运动感测装置所产生的运动数据，并且根据所收集到的运动数据来产生游泳运动信息，其中，所述控制器被布置用于根据在至少一个所选运动方向上检测到的节律运动模式产生游泳姿势信息。

被布置用于在多个正交运动轴中的至少一个所选运动方向上检测节律运动模式的游泳监测器可以使用简单算法快速地确定游泳姿势。

运动感测装置可以包括3轴加速度计，其为游泳监测器的制作提供了简单而紧凑的硬件解决方案。

所述至少一个所选运动方向可以是多个相互正交轴中的一个。选择一个运动方向(多个相互正交轴中的一个)是为了控制器进行更有效的处理。

所述游泳监测器可以适合游泳者佩戴，以使得游泳期间，所述多个相互正交轴对应于纵向、前向和横向。这种适合是指，当所述游泳监测器被适当佩戴时，运动感测装置的各正交轴与运动轴容易对准。

如果所收集到的运动数据在至少两个正交运动方向上呈现节律模式，则控制器可以配置来将运动装置所收集到的运动数据分类为游泳运动数据、或游泳的运动特性。

根据以下描述，本发明的这些或其他特征和优点将显而易见。

附图说明

以下将通过示例的方式并且参考附图来描述本发明的示例实施例，附图中：

图1示出了佩戴本发明的游泳监测器的实施例的游泳者；

图2是示出了典型的蛙泳序列在三个正交轴(X、Y、Z)上的相对运动幅度的示例运动幅度曲线图；

图3是典型的自由泳序列的示例运动幅度曲线图；

图4是典型的仰泳序列的示例运动幅度曲线图；

图5是典型的蝶泳序列的示例运动幅度曲线图；

图2A至图5A分别是图2至图5的更易于对照的简化示意信号图；

图6是包括连接到主微控制器的3轴加速度计的示例游泳监测器的功能框图；

图6A是类似于图6的功能框图，但是其具有单独的主微控制器；

图7是示出了从图2得到的脉冲计数的曲线图；

图8是示出了用于以自动启动停止的方式进行圈计时的示例算法的流程图；

图9是示出了游泳停止时以及装置处于水外时方便数据传输的示例算法的流程图；以及

图10是示出了促进节电的示例算法的流程图。

具体实施方式

游泳要求身体各部分适时协调以有效进行。由于其低冲击的性质以及对身体协调的广泛要求，其通常被认为是一种最有益的体育或心血管运动。在各种已知的游泳姿势中，自由泳、蝶泳、蛙泳、仰泳通常被认为是公众经常采用的最受欢迎的游泳姿势，尽管还练习了其他的游泳姿势。

最受欢迎的游泳姿势中的每一种的特征在于其特定的运动模式。例如，自由泳的特征在于游泳者躯干相对侧的两臂和两腿的适时同步侧划以向前爬泳。同时，自由泳的游泳者在身体向前移动的同时需要周期性地转头来呼吸。蝶泳的游泳者需要在水上进行同步的划水以将躯干提出水面、下潜，然后做一个海豚式尾踢来准备下一次的臂击。当进行蛙泳时，游泳者需要以胸部面对游泳池的底部并且躯干不旋转来做蛙式爬泳。仰泳类似于自由泳，除了游泳者的胸部向上之外。

参照图1，示出了包括3轴加速度计110(作为运动感测装置的一个示例)的游泳监测器100。所述游泳监测器安装在胸带102上，并且适于利用所述胸带佩戴在游泳者130的躯干上，类似于通常在健身中心看到的心率监测器的佩戴。游泳监测器被布置为使得在佩戴游泳监测器时3轴加速度计与平行于体轴的一个正交轴(即Y轴)对准并且正向朝向头部，另一轴(即X轴)与Y轴正交并且向躯干的侧向延伸，第三个轴(即Z轴)与X轴和Y轴二者正交。通常，在游泳期间，这些正交轴对应于前向、纵向、和侧向。

使用过程中，Y轴与身体向前移动的方向对准，其通常为朝向游泳池端部的方向，X轴为横向方向，其通常朝向游泳池的侧面，Z轴朝向游泳池底部或朝向天空。当然，这里的X轴、Y轴和Z轴的称呼仅为了方便而任意命名，在不丧失通用性的情况下也可以使用其他名称、符号或称呼来重新标记。

游泳姿势检测

图2至图5是游泳监测器分别针对蛙泳、自由泳、仰泳和蝶泳运动序列记录的X轴、Y轴和Z轴上的幅度。根据对各种游泳姿势的运动模式的系统化研究，注意到，四种最常练习的游泳姿势的运动可以分解为3个正交轴上的分量，更具体地在以下表1中概括展现。

表1

在浏览表1所呈现的各种游泳姿势的运动特性时，注意到，每种经常练习的游泳姿势(例如，自由泳、蛙泳、蝶泳、和仰泳)的特征在于它们各自沿两个正交轴特有的节律运动模式。例如，可以观察到，蛙泳和蝶泳姿势的特征在于躯干在Y方向和Z方向上的节律运动，并且Y方向的运动比Z方向的运动更占主导。对于蛙泳和蝶泳，Z轴运动是辅助的，而X轴运动几乎不重要。

另一方面，自由泳和仰泳的特征在于躯干在X方向和Z方向上的节律运动模式，并且X轴上的运动比Z方向上的运动更占主导。对于自由泳和仰泳来说，Z轴运动是辅助的，而Y轴运动几乎不重要。由于备案数据是在实际游泳期间捕获的，因此，X方向、Y方向和Z方向分别为正向(朝向游泳池端部)、侧向(朝向游泳池侧面)、和向上的方向(与水面正交)。

在说明书及本文档的其他部分中，如果一个方向上的运动是有节律的，并且其运动峰值的幅度相比于其他节律运动为最高，则该方向为主导方向。如果一个方向上的运动没有周期性或者很少具有周期性，则该方向是不重要的。如果一个方向上的运动是有节律的，同时其峰值运动的幅度小于主导方向上的峰值运动的幅度，则该方向为辅助的。

游泳监测器

为了确定游泳姿势和其他相关技能参数，提供包括参照图6的功能框图连接的3轴加速度计的示例游泳监测器作为本发明的一个实施例。参照图6，游泳监测器包括3轴加速度计，其通过从微处理器连接到主微处理器。用于存储捕获数据的存储装置连接到主微处理器，可选项心率监测器或检测电路也连接到主微处理器，以用于检测训练期间的心率信号。为了方便游泳监测器与外部游泳数据处理站之间的无线数据传输，连接了射频(RF)电路。游泳监测器被配置用于获得3个正交轴上的游泳运动数据，由此获得的数据存储在存储装置中以用于进行处理。

为了确定所进行的单个游泳姿势，主微控制器被配置用于检查存储在存储装置中的游泳运动数据，以根据在各相互正交轴上收集到的游泳数据来识别主导方向。

如果主导运动方向为X轴，则将该姿势确定为自由泳或仰泳。如果主导运动方向为Y轴，则将该姿势确定为蛙泳或蝶泳。

在主导运动方向为X轴的游泳运动中，为了在自由泳和仰泳之间进行区分，微控制器将看X轴运动的极性，如果运动极性为负，则该姿势为仰泳。可替换地，微控制器可以看辅助Z方向信号的极性，负极是指自由泳，而正极是指仰泳。在得出上述结论的过程中，注意，自由泳的Z方向运动主要为负极性，而仰泳的Z方向运动主要为正极性。

尽管注意到，蝶泳和蛙泳的节律运动模式在Y轴和Z轴上类似，但是，例如，从图2和图5注意到，对于蝶泳来说，Y轴上的高幅度运动较集中(或持续较长时间)，尤其在幅度峰值附近。该集中反映出游泳者的躯干在一个划水循环事实内长期处于水外，相比之下，在蛙泳期间，游泳者的躯干很少处于水外。

在主导方向为Y轴的游泳运动中，为了在蛙泳和蝶泳之间进行区分，微控制器将在主导方向上的运动峰值附近查找高幅度运动分量的分布或集中度。如果集中度满足预定标准(例如，预定阈值标准)，则微控制器将确定该姿势为蝶泳。例如，可以针对蝶泳的确定，将阈值设置为使得幅度至少为峰值幅度的A％的运动幅度的百分比超过B％。例如，A可以为60，而B可以为50，或者可以确定其他适当的参数值。当然，这些参数可以根据经验来设置或调整。

划水检测和计数

划水计数提供了关于游泳者成绩的游泳信息。作为一个可选特征，游泳监测器提供有确定划水计数(例如每一圈的划水次数)的装置。为了确定划水计数，微控制器配置用于检测表示一圈的开始和结束的信号，例如转向或跳跃，然后测量转向(转身)之间或转向与跳跃之间的划水次数。具体地，主微控制器配置用于查找转向之间或转向与跳跃之间的划水循环数量。例如，一旦在主导方向上出现幅度峰值，则计数一次划水。划水次数可以通过计算如图7所示的划水脉冲出现的次数来获得。脉冲信息可以通过例如从捕获的游泳数据中查找超过阈值幅度值的信号尖峰来获得。

转向检测

转向提供关于游泳的诸如统计信息之类的有用信息，以供游泳者参考或用于教练。例如，可以关于转向计数来确定所进行的圈数，并且可以通过连续圈之间所花费的时间来确定每圈的时间。

为了识别转向，或者为了将转向与普通的游泳划水区分开，微控制器(“MCU”)将查找表示转向的运动。参照图8的算法，通过检测Z轴从垂直到水平以及然后从水平返回到垂直的改变，或者检测Y轴从水平到垂直以及然后从垂直返回到水平的改变，来确定转向。

上述考虑中，应该理解的是，当本文参考从水平到垂直或反之的改变时，所述改变是指身体倾斜度的直观改变，不必是几何定向中的完整的90度的改变。例如，可以将身体倾斜45度至60度的改变看作足够的阈值来报告该改变的检测。

跳跃检测

为了识别跳跃，微控制器将查找对应于跳跃运动的突发改变或急剧改变。参照图8的算法，从MCU被配置用于通过查找突发运动改变信号来检测跳跃信号，例如，突发运动改变信号可以表示如下：i)Z轴从水平到垂直的突然改变，和/或ii)Y轴从垂直到水平的突然改变，而X轴保持水平。

自动启动/停止

游泳监测器还提供有作为可选特征的自动计时，从而游泳者不必手动启动和停止计时器。为了方便自动计时器的启动，MCU被配置用于检测跳跃，并且一旦检测到跳跃就启动计时。

为了停止计时，MCU被配置用于在未检测到游泳时停止计时。未检测到游泳是指，例如当没有划水计数时和/或当未检测到游泳姿势时，和/或当X轴和Z轴二者均为水平时，和/或当Y轴改变为垂直并且保持垂直时。

第一示例实施例

以下将参照图6的框图和图8的流程图来描述包括上述特征的游泳监测器的示例实施例。在该实施例中，心率监测器作为可选特征被包括来监测游泳者的实时生理状况。

参照图6和图8，主MCU配置用于检测ECG信号形式的心率信号。一旦检测到ECG信号，则主MCU将请求从MCU待命，并且一旦检测到游泳，就提供游泳相关的信息。一旦从主MCU接收到请求，则从MCU将监测加速度计来检测跳跃，其表示新的游泳回合的开始。一旦成功检测到跳跃，则从MCU将该检测通知给主MCU，主MCU将启动圈计时器，并且使从MCU捕获各正交轴上的运动数据并且确定游泳姿势。

主MCU开始收集游泳数据之后，该MCU将开始从加速度计收集运动数据的处理。同时，从MCU将查找转向，并且将转向的检测结果通知给主MCU。主MCU将该转向数据信息处理为圈计数和圈计时。该处理将重复到检测到游泳停止为止。当检测到游泳停止时，从MCU将该检测通知给主MCU，于是主MCU将停止计时器。

数据传输

由于其自身性质，游泳监测器在其正常使用中大部分时间都浸没在水中。因此，为了保护游泳监测器内的电子元件以确保耐用性和可靠性，良好的防水性是必需的。防水性要求将意味着，将数据传输到游泳监测器或者从游泳监测器传输数据(例如，从游泳监测器向外部装置传输数据以用于进一步的数据处理或存储，或者将数据传输到MCU以用于更新算法或定制档案资料)将优选为无线方式。但是，注意，由于水具有很高的信号衰减性，因此，从浸没在水中的装置进行无线数据传输将很不稳定。

第二示例实施例

本发明的游泳监测器配置有可选的数据传输设备，以减轻无线数据传输或接收的困难。为了装备有无线数据传输的能力，图6的游泳监测器提供有RF传输电路，其连接到主MCU，并且由主MCU通过功率控制电路来控制。

图9示出了捕获到游泳数据并且检测到游泳结束(换句话说，即检测到“未游泳”的信号)之后的运算算法的部分，参照图9，从MCU将未游泳的信号发送到主MCU。主MCU将等待预定周期，然后启动RF通信电路来将数据下载到外部控制器或站。如果在预定周期期满之前检测到游泳，则主MCU将再次操作来捕获游泳数据。

该实施例中主微控制器和从控制器的使用是为了在两个控制器之间进行劳务分工，尤其用于使节电最佳化。在图6a所示的替换实施例中，使用单个微控制器来控制加速度计和其他元件。

自动节电

和许多便携式电子产品一样，为了延长游泳监测器的使用寿命，节电是必要的，尤其是游泳监测器被密封来防水的情况下。因此，有益的是，当游泳监测器不被使用时或者当长期不游泳时将功率利用保持为最小。

第三示例实施例

为了使功率利用最小化，图10的算法布置用于使得游泳监测器保持断电或休眠状态，从而不向不必要的外围电路部分供电或向不必要的外围电路部分提供最小的功率。在各种外围元件中，加速度计可能是最需要功率的元件，因此不需要其起作用的情况下对其断电。

参照图10，一旦检测到ECG信号，则主MCU开始向加速度计供电。如果没有检测到ECG信号，则可能是游泳监测器没有被使用，例如，其没有佩戴在胸上。在已经对加速度计供电后，主MCU将进行图8的算法，以查找游泳相关的数据从而进行处理。如果没有检测到ECG，主MCU还将进行内部检查，以检查是否有数据等待处理，例如，上载到外部装置。如果有，则主MCU例如按照图9的算法进行数据传输。

尽管已经参照胸佩戴装置描述了游泳监测器的实施例，但是，应该理解的是，也可以采用其他附着装置来实施游泳监测器，例如，通过腕佩戴附着装置。

Claims (25)

1.一种游泳监测器，包括运动感测装置和控制器，所述运动感测装置能够检测多个相互正交轴上的运动，并且所述控制器被布置用于捕获所述运动感测装置所产生的运动数据，并且参照所收集到的运动数据产生游泳运动信息，其中所述控制器被布置用于参照在至少一个所选运动方向上检测到的节律运动模式来产生游泳姿势信息。

2.根据权利要求1所述的游泳监测器，其中所述运动感测装置包括3轴加速度计。

3.根据权利要求1或2所述的游泳监测器，其中所述至少一个所选运动方向是所述多个相互正交轴中的一个。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述游泳监测器适合于游泳者佩戴，以使得游泳期间，各相互正交轴对应于纵向、前向、和横向。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中如果收集到的运动数据在至少两个正交运动方向上呈现节律模式，则所述控制器被布置用于将所收集到的运动数据分类为游泳运动数据、或者游泳的运动特性。

6.根据权利要求5所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于检测两个预定运动方向中的主导运动方向，并且参照该主导运动方向提供游泳姿势信息。

7.根据权利要求6所述的游泳监测器，其中所述控制器还被布置用于参照主导运动方向上超过阈值的运动的集中度来提供关于游泳姿势的信息。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于对所述运动感测装置所收集到的运动数据进行处理，以确定是否存在已知游泳姿势的周期性或节律运动特性，以及根据确定结果来确定是否在游泳。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述运动感测装置被布置用于收集3个相互正交轴上的游泳运动数据，并且包括3轴运动传感器，所述运动传感器的3个轴相互正交。

10.根据权利要求1所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于参照在多个相互正交轴上收集到的运动数据来确定游泳姿势。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所收集到的运动数据包括运动方向，其由信号极性表示。

12.根据权利要求11所述的游泳监测器，其中所述运动感测装置和控制器被布置用于参照预定轴上的运动极性来在自由泳姿势和仰泳姿势之间进行区分，所述预定轴与水面正交。

13.根据权利要求11所述的游泳监测器，其中所述运动感测装置和控制器被布置用于参照三个预定正交轴中的一个轴上的运动来在蛙泳姿势和自由泳姿势之间进行区分，所述一个轴平行于水面并且与游泳方向正交。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中游泳姿势包括自由泳姿势、蛙泳姿势、仰泳姿势、或蝶泳姿势中的至少一个或多个。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述运动感测装置和控制器被布置用于参照一个运动轴从水平到垂直以及另一个运动轴从垂直到水平的突然改变来检测跳跃。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于检测游泳的启动和停止，并且在游泳停止之后的预定延迟期间内启动游泳数据向外部数据收集器的传输。

17.根据权利要求16所述的游泳监测器，还包括无线传输器，用于将游泳数据传输到外部数据收集器，所述无线传输器在检测到游泳停止之后的规定延时内启动。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述游泳监测器适合于佩戴在游泳者的身体上，尤其是胸部。

19.根据权利要求18所述的游泳监测器，其中所述游泳监测器安装在胸带上，当所述游泳监测器佩戴在胸部时，所述运动感测装置适合于检测游泳运动。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述游泳监测器还包括心率监测器。

21.根据权利要求20所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于在检测到心率信号时开始对所述运动感测装置供电。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于参照在游泳期间所检测到的转向数来进行圈计数。

23.根据权利要求22所述的游泳监测器，其中所述控制器被布置用于通过测量各转向之间的时间来进行圈速度计算。

24.根据前述权利要求中的任一项所述的游泳监测器，其中所述游泳监测器还包括启动装置，用于在检测到作为跳跃特性的运动序列时启动所述运动感测装置的操作。

25.根据前述权利要求中的任一项所述的并且包括无线传输器的游泳监测器，所述无线传输器连接到控制器，用于从游泳监测器传输数据，其中所述控制器被布置用于使得在所述控制器已检测到游泳停止之后以及在预定间隔已期满之后开始从游泳监测器传输数据。

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