CN104596693B - 一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统及方法，该系统主要由计算机、信号采集与处理装置、用于力量特性测试的拳击固定靶(4)和用于轨迹重建测试的拳击手套(6)组成，其中：拳击固定靶(4)和拳击手套(6)的传感器分别用有线、无线的方式将测量数据传送至计算机；信号采集与处理装置主要由单片机和数字传感器芯片构成，与计算机通过串口连接。该方法运用数字传感芯片对搏击训练的多个参数进行测量，包括力量特性测试和轨迹重建测试步骤。本发明将改变我国搏击教练员和运动健儿仅靠刻苦训练，勤奋拼搏的传统训练模式，并且本发明系统具有体积小、测量精度高、测量参数全面、稳定好性等优点。

Description

一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统及方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，特别是一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统及方法。

背景技术

目前的搏击训练器测量的参数主要是击打力，而对于击打过程并不关注。测量力所用传感器一般为电阻应变片、电磁感应位移传感器或压电薄膜传感器等，这些传感器存在着稳定性差、使用寿命短、灵敏度低等缺陷。同时由于这些传感器的机械结构限制，使他们无法实现同时对一个测试参数的多维测定，更不能重建测试者在一次击打过程的姿态变化轨迹。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于搏击训练的多维多个运动参数的测定系统及方法，以便对训练者击打的各种力量参数进行三个维度的测量，同时也可以重建训练者从出拳到击中拳击训练靶整个打靶过程中拳击手套的运动轨迹。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统，其主要由计算机、信号采集与处理装置、用于力量特性测试的拳击固定靶和用于轨迹重建测试的拳击手套组成，其中：拳击固定靶和拳击手套的传感器分别用有线、无线的方式将测量数据传送至计算机；信号采集与处理装置主要由单片机和数字传感器芯片构成，与计算机通过串口连接。

所述拳击固定靶有三层，其中：第一层是位于拳击固定靶表面的保护层；第二层位于拳击固定靶的内部，在此处安装有第一传感器，该传感器是一种整合了3轴陀螺仪、3轴加速度的传感器，它通过数据线与外部的单片机通信，将测得的加速度信息传递给单片机，再由单片机采集处理并缓存在其内部的RAM中；第三层是缓冲介质，它与第二层有间距。

所述拳击手套安装了第二传感器，该传感器是一种整合了3轴陀螺仪、3轴加速度的传感器。

所述信号采集与处理装置由计算机控制，接收计算机的控制指令，包括开始采集、停止采集、清空缓存数据、发送数据、自校正，并由该装置的单片机实现搏击参数的测量、采集传送的功能。

本发明提供的用于搏击训练的多个多维运动参数的测定方法，其包括以下步骤：

(1)力量特性测试：

由装在搏击训练的拳击固定靶完成，实现击打拳击固定靶瞬间的各项参数的测量；该拳击固定靶中有一个圆柱形的空腔，空腔分为三层，由外向内分别是保护层、测量层、缓冲层，测量层安装一个传感器，它是加速度传感器模块，该加速度传感器模块通过数据线连接至单片机力量数据采集模块构成力量特性测试系统；

(2)轨迹重建测试：

由戴在搏击训练测试者手上的拳击手套完成，实现各种拳法的击打全过程的轨迹重建；该拳击手套上安装了一个整合了3轴陀螺仪、3轴加速度的传感器，它采集拳击训练者在测试时的运动参数，由单片机轨迹数据采集模块用无线的方式传送至计算机中，然后由计算机的运动轨迹解算模块通过姿态解算算法重建并绘制拳击手套的运动轨迹，为拳击训练者的拳法进行分析评价提供参考；单片机轨迹数据采集模块和计算机里的运动轨迹解算模块一起构成拳击运动的轨迹重建测试系统。

本发明在力量特性测试过程中，由力量特性测试系统比较当前的加速度值与预设的阈值，当超过阈值时触发连续采集过程并将采集到的加速度数据保存到单片机的RAM存储器中，通过比较单片机RAM的加速度数据，找出数据中的最大值，由F_max＝M·a_max计算最大击打力，其中F_max为最大打击力，M为加速度测试模块的质量，a_max为本次数据采集的最大加速度；再将所测的加速度值对时间进行积分，即获得打击冲量，其中I为击打冲量，K为第K个数据，T_k为采样周期，N为采集到的数据值的个数；所述阈值是由实验测定的经验值。

本发明在轨迹重建测试过程中，单片机轨迹数据采集模块利用传感器采集的四元数数据和加速度数据进行姿态解算，完成轨迹的重建并保存结果，最后发送到计算机里的运动轨迹解算模块中进行轨迹重建。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

1.采用集成数字加速度传感器和陀螺仪传感器，因此比现有的其它测量传感器的抗干扰能力都要强，而且性能稳定，使用寿命长。

2.对比以往的测试控制系统，不仅可以进行力量参数测量，而且还可以重建击打的轨迹。

通过对搏击运动打击力量的测量和运动姿态两方面的观测，可以比较全面的对训练者能力水平做出一个客观的评价。

3.由于采用的测试器件是由数字集成电路构成，所以整个测试系统性能稳定、可靠，使用寿命长，同时采用计算机做人机界面，操作简单，可以生成各种测试报告。

总之，本发明将改变我国搏击教练员和运动健儿仅靠刻苦训练，勤奋拼搏的传统训练模式，并且本发明系统具有体积小、测量精度高、测量参数全面、稳定好性等优点。

附图说明

图1是拳击固定靶的结构。

图2是拳击手套传感器的安装示意图。

图3是单击力量测试曲线图。

图4是单击力量测试三维曲线图。

图5是连击频率、功率测试曲线图

图6是轨迹重建测试图。

图7是轨迹重建测试图。

图8是轨迹重建测试图。

图中：1.第一传感器；2.传感器表面保护层；3.缓冲介质；4.拳击固定靶；5.第二传感器；6.拳击手套。

具体实施方式

本发明公开了一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统及方法，其运用数字传感芯片对搏击训练的多个参数进行测量，具体是：分别在搏击训练的拳击固定靶和拳击手套上安装一个数字传感芯片，前者完成搏击训练者击打拳击靶瞬间的力量特性测量，后者通过软件算法重构训练者的拳击手套在整个击打过程中的运动轨迹。

下面结合具体实施例及附图对本发明创新的具体实施方式作进一步说明。

本发明提供的用于搏击训练的多维运动参数的测试系统及测定方法，可以实现搏击训练的多维多个运动参数的测定。

所述用于搏击训练的多维运动参数的测试系统主要由计算机、传感器、信号采集与处理装置、拳击固定靶4和拳击手套6组成。

所述拳击固定靶4用于力量水平测试，其结构如图1所示，分为三层，其中：第一层是位于拳击固定靶表面的保护层2，它是一层厚度适中且柔韧性较好的材料，一般可采用1到2厘米厚的硬质泡沫板，其作用是为了传递击打力，同时保护传感器避免因为受力不均而损坏；第二层位于拳击固定靶的内部，在此处安装有第一传感器1，用来进行参数测量，它通过数据线与外部的单片机通信，将测得的加速度信息传递给单片机，再由单片机采集处理并缓存在其内部的RAM中；第三层是最后一层，它主要是由一些柔韧性较好的材料组成的缓冲介质3，它的位置距离第二层有一定的距离(例如1到2厘米)，目的是为了在与第二层中的第一传感器1接触时施加阻尼力，以阻碍第二层的运动减缓冲击作用，使得各个力量曲线能够更快速、平滑的衰减，提高系统的抗干扰性能力和寿命。

所述拳击手套6用于轨迹重建测试，戴在测试者的手上，完成各种拳法的击打。其结构如图2所示，该拳击手套上安装了第二传感器5，该传感器是一种整合了3轴陀螺仪、3轴加速度的传感器，它通过采集拳击训练者在测试时的运动参数，在测试完成后由计算机通过姿态解算算法重建并绘制拳击手套的运动轨迹，为拳击训练者的拳法进行分析评价提供参考。

所述两个传感器均采用了数字传感器芯片，该芯片可以采用MPU-6050，也可使用MPU-6000或其它兼容芯片。所述MPU-6050、MPU-6000芯片是美国InvenSense公司生产的运动感测芯片，内设数字集成电路，该电路整合了3轴陀螺仪、3轴加速度传感器，并带有AD模块，直接以数字信号形式输出测量值。用来对搏击运动的速度、加速度、角速度和角加速度进行测量，通过有线或者无线的方式将测量数据传送至计算机。

所述信号采集与处理装置主要由单片机和数字传感器芯片构成。它与计算机通过串口连接。该装置由计算机控制，接收计算机的控制指令，如开始采集、停止采集、清空缓存数据、发送数据、自校正等，并按照该装置的单片机内部固化的子程序完成指定的功能。主要包括搏击参数的测量、采集传送等功能。

所述计算机主要是在信号采集与处理装置完成搏击参数数据的采集后，通过串口将测量数据从信号采集与处理装置读取到计算机的内存，并运行运动参数估计算法和运动轨迹重建算法，完成对搏击训练的多维多个运动参数的计算和拳击手套击打轨迹的重建。并以图、表的形式显示测量结果和运动轨迹，为拳击训练者的拳法进行分析评价提供参考。

传统的测试系统只能显示孤立的测试曲线，对于拳法的测试主要靠专业人士依靠经验给出评价，本发明测试系统利用测试数据和拳法规则能够更精确的客观的对测试者的能力给予客观评价。

本发明提供的用于搏击训练的多维运动参数的测定方法，具体是：分别在搏击训练的拳击固定靶4和拳击手套6上安装一个数字传感芯片，前者完成搏击运动在击中拳击固定靶瞬间力量水平的参数测量，后者通过运动轨迹重建算法重构搏击训练者在整个击打过程中的击打轨迹。

传统的测试方法依靠将击打力以最小的传输损失传递到传感器进行测试，以此来提高其测量精度，但这种测试方法存在一定的不足，它在提高测试精度的同时也对传感器对击打力的承受能力也提出了更高的要求，它要求传感器尽可能承受测试者全部的击打力，因而传统的方法的使用寿命较短，测试精度较低且成本很高。

而本发明对于测量方法有了创新，通过间接的测量方法和软件计算来提高测量精度和使用寿命。假设拳击固定靶在受到击打后传感器和拳击手套一起运动，忽略其他阻力，以传感器和拳击手套为研究对象，由冲量定理可得其中I_m,m是传感器所受冲量和其质量，P_M,M是拳击者所带拳击手套的动量和其质量，由公式可知传感器的质量越轻则其承受的冲量越小，本发明的力量水平测试系统的第二层结构由于采用的是集成数字传感器，因而质量较轻，由以上可知在同样的击打冲量情况下，传感器承受的击打冲量较传统方法轻，因而装置的可靠性和使用寿命都会得到较大提高。

上述方法包括以下步骤：

(1)力量水平测试：

力量水平测试分为单击测试模式和连击测试模式。当选择单击测试模式时，信号采集与处理装置从安装拳击固定靶中的传感器中读取当前的三个维度的加速度数据计算出当前的合成加速度a_t，并判断采集触发条件a_t＞a₀是否满足，a₀是拳击固定靶中的传感器静止时的合成加速度的大小，其大小由实验确定，一般可取稍大一些以克服干扰。当采集触发条件满足时，信号采集与处理装置立刻开始从传感器中连续读取N个加速度数据，并保存在单片机内部RAM中，采集的次数N可通过观察单击打力量衰减曲线确定，例如某次的衰减曲线如图7、图8所示。

其中T_p力量达到峰值的时间，简称为峰值时间，则采集的次数N可由以下经验公式确定：其中K由经验可取5～7，T₀是采样周期。

当信号采集与处理装置完成数据采集后，立刻通过串口将“单击数据采集任务完成”信息发送给计算机，计算机在接收到该信息后，如果当前控制状态允许，则立刻通过串口向信号采集与处理装置发送“请求单击测试数据”的信息，当采集与处理装置接收到这个信息时就将本次采集到的N个数据通过串口发送给计算机，从而完成整个单击测试模式的数据采集过程。在计算机上，通过比较这N个采集数据绝对值的大小，找到最大加速度a_max，由牛顿第二定律可得F_max＝m·a_max,其中，m是拳击固定靶中传感器的质量，F_max是本次测试的最大打击力。由冲量的定义：I＝F(t)·t＝∫m·a(t)·dt，其离散化形式为其中a_i为第i个合成加速度的值，I为打击冲量，经求和运算后就可以得到本单击测试的击打冲量，同时通过观察单击力量测试衰减曲线还可以直观地观察测试情况。连击测试模式与单击测试模式的采集过程类似，只是在采集数据的数量和数据处理上不同，具体的区别在采样点数N、加速度的计算、RAM中的数据不同。为了方便计算可将力量测试曲线近似为图2，其关于T＝Tp对称，因而N在这里可取2，平均加速度a_n的采集和计算过程在单片机上完成。平均加速度其中x_i,y_i,z_i分别是传感器上三个轴的加速度。为了计算击打频率信号采集与处理装置还记录了两次击打的时间间隔T_n。假设连击的每次击打轨迹相同且其等效直线长度为S，若击打力也可视为不变且近似为F_n,则连击的每次击打所做的功由功率的定义可得进而连击的第n次击打功率其中M是拳击者所带拳击手套的质量。

(2)轨迹重建测试：

轨迹重建首先要解决的问题就是传感器在运动的过程中其自身的姿态会发生变化，从而导致拳击手套上的载体坐标系相对于地面上的地理坐标系不再重合，如果不加处理直接将采集到的数据进行积分运算而获得速度和位置信息将会是错误的。解决这个问题的办法就是采用坐标变换的方法将载体坐标系上测的参数变换到地理坐标系上，再利用这些信息进行积分运算，从而可以获得正确的速度和位移信息。

坐标变换的一种方法是四元数表示的坐标变换。四元数最早是在1843年由哈密顿(Hamilton)提出的，它是代数学的内容之一。四元数通常定义为如下形式

q(p₀,p₁,p₂,p₃)＝p₀+p₁i+p₂j+p₃k

四元数通常可以用来表述一个坐标系或一个矢量相对于某一坐标系的旋转。矢量R^b转动后用Rⁿ表示，则用四元数描述R^b和Rⁿ之间的关系为：R^b＝q^*·Rⁿ·q

四元数的矩阵表示形式为：

若定义

则姿态角可以得到

(式1)

θ＝arcsin(T₃₂) (式2)

(式3)

则坐标变换可表示为：

(式4)

通过配置加速度和陀螺仪传感器MPU-6050启动其内部的运动处理(DMP:DigitalMotion Processor)硬件加速引擎,可以直接获得载体坐标变换的四元数矩阵再结合式(1)(2)(3)可求得姿态角γ，θ，ψ。由式(4)可以解得在地理坐标系上表示的三维加速度，再通过积分运算可以得到在地理坐标系上表示的速度和位置信息。安装在拳击手套上的信号采集与处理装置，通过单片机初始化MPU-6050内部的运动处理硬件加速引擎DMP，使DMP处于工作状态，当从串口接收到计算机发出的“开始采集”指令后，开始读取MPU-6050内部的四元数和加速度数据并保存在单片机的RAM中，当从串口接收到计算机发出的“发送数据”指令后，单片机通过串口将其内部RAM保存的四元数和加速度数据发送到计算机。计算机接收到这些数据后按照以上计算公式进行姿态解算，并绘制运动轨迹曲线。

表1

表2

Claims (4)

1.一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定系统，其特征是主要由计算机、信号采集与处理装置、用于力量特性测试的拳击固定靶(4)和用于轨迹重建测试的拳击手套(6)组成，其中：拳击固定靶(4)和拳击手套(6)的传感器分别用有线、无线的方式将测量数据传送至计算机；信号采集与处理装置主要由单片机和数字传感器芯片构成，与计算机通过串口连接；

所述拳击固定靶(4)有三层，其中：第一层是位于拳击固定靶表面的保护层(2)；第二层位于拳击固定靶的内部，在此处安装有第一传感器，该第一传感器是一种整合了3轴陀螺仪、3轴加速度传感器的传感器，它通过数据线与外部的单片机通信，将测得的加速度信息传递给单片机，再由单片机采集处理并缓存在其内部的RAM中；第三层是缓冲介质(3)，它与第二层有间距；

所述信号采集与处理装置由计算机控制，接收计算机的控制指令，包括开始采集、停止采集、清空缓存数据、发送数据、自校正，并由该信号采集与处理装置的单片机实现搏击参数的测量、采集传送的功能。

2.根据权利要求1所述的测定系统，其特征是所述拳击手套(6)安装了第二传感器，该第二传感器是一种整合了3轴陀螺仪、3轴加速度传感器的传感器。

3.一种用于搏击训练的多个多维运动参数的测定方法，其特征是该方法包括以下步骤：

(1)力量特性测试：

由装在搏击训练的拳击固定靶完成，实现击打拳击固定靶瞬间的各项参数的测量；该拳击固定靶中有一个圆柱形的空腔，空腔分为三层，由外向内分别是保护层、测量层、缓冲层，测量层安装一个传感器，它是加速度传感器模块，该加速度传感器模块通过数据线连接至单片机力量数据采集模块构成力量特性测试系统；

在力量特性测试过程中，由力量特性测试系统比较当前的加速度值与预设的阈值，当超过阈值时触发连续采集过程并将采集到的加速度数据保存到单片机的RAM存储器中，通过比较单片机RAM的加速度数据，找出数据中的最大值，由F_max＝M·a_max计算最大击打力，其中F_max为最大打击力，M为加速度传感器模块的质量，a_max为本次数据采集的最大加速度；再将所测的加速度值对时间进行积分，即获得打击冲量，其中I为打击冲量，K为第K个数据，T_k为采样周期，N为采集到的数据值的个数；所述阈值是由实验测定的经验值；

(2)轨迹重建测试：

由戴在搏击训练测试者手上的拳击手套(6)完成，实现各种拳法的击打全过程的轨迹重建；该拳击手套上安装了一个整合了3轴陀螺仪、3轴加速度传感器的传感器，它采集拳击训练者在测试时的运动参数，由单片机轨迹数据采集模块用无线的方式传送至计算机中，然后由计算机的运动轨迹解算模块通过姿态解算算法重建并绘制拳击手套的运动轨迹，为拳击训练者的拳法进行分析评价提供参考；单片机轨迹数据采集模块和计算机里的运动轨迹解算模块一起构成拳击运动的轨迹重建测试系统。

4.根据权利要求3所述的测定方法，其特征是在轨迹重建测试过程中，单片机轨迹数据采集模块利用传感器采集的四元数数据和加速度数据进行姿态解算，完成轨迹的重建并保存结果，最后发送到计算机里的运动轨迹解算模块中进行轨迹重建。