CN105771224B - 一种基于多传感器的运动评估系统 - Google Patents

Abstract

一种基于多传感器的运动评估系统包括可穿戴装备、服务器、客户端以及控制端，可穿戴装备部分包括气压计、加速度计、陀螺仪、磁强计、温度计、CPU模块、电源模块、计时模块、显示模块以及无线模块；加速度计、陀螺仪以及磁强计用于计算运动员的竖直方向的位移与速度；气压计用于测量单杠处气压，计算单杠高度，并补偿竖直位移误差；计时模块对运动员单个引体向上时间进行测量；无线模块将实际测量和计算结果发送给服务器，由服务器系统软件对数据进行存储与分析，确定运动员的实际引体向上个数和体能状况，并将信息反馈给客户端。该系统不仅能够快速准确地计算引体向上的个数，防止多数或漏数情况，减轻工作量，而且能科学地分析运动员的体能状况，并给出相关建议，实现了在功能性与精确性方面的巨大改进。

Description

一种基于多传感器的运动评估系统

技术领域

本发明涉及到一种运动评估系统，尤其涉及一种基于多传感器的运动评估系统。

背景技术

引体向上是一种基本的锻炼上肢和躯干力量的运动方法。当前引体向上项目已经成为国家教育部要求学生体育必测项目之一。但是，一方面由于引体向上具有其特定的动作标准和规则，因此在锻炼或测试的时候需要进行计数并检测姿势或高度是否符合标准。对被测者的引体向上进行人工计数时，不仅需要计数员一对一地进行记录，还需要计数员观察被测者是否动作达标，不仅耗费人力，还容易出错。另一方面，进行体能测试后，没能及时对学生体能进行评估与反馈，学校也无法实时跟踪学生的体能增长情况，这样锻炼效果不佳。

现有技术中，存在引体向上测试器，能够对被测试者的引体向上运动进行自动检测并计数，但是大多数结构复杂，安装操作以及维护难度大，不易拆除，尤其“触碰计数”方式易产生“二次触碰”等情况；而且当前装置中没有一种能合理利用测量数据对运动员体能进行分析与评估的装置系统。

因此，现有技术有待进一步完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多传感器的运动评估系统，解决学生做引体向上运动项目过程中，存在的“工作量大”、“计数易出错”和“缺少体能评估与反馈机制”等问题。

本发明所述一种基于多传感器的运动评估系统，其特征在于：包括可穿戴装备、服务器、客户端以及控制端；所述可穿戴装置包括气压计、加速度计、陀螺仪、磁强计、温度计、CPU模块、电源模块、计时模块、显示模块以及无线模块；所述加速度计、陀螺仪以及磁强计用于计算运动员的竖直方向的位置与速度；所述气压计用于测量单杠处气压，计算单杠高度，并辅助修正竖直位置和速度误差；所述计时模块对运动员单个引体向上时间进行测量；所述无线模块将实际测量和计算结果发送给服务器；所述服务器中上位机软件对数据进行存储与分析，确定运动员的实际引体向上个数和体能状况，并将信息反馈给客户端。

本发明具体包括以下步骤：

步骤1)服务器系统中预装了进行数据处理的系统软件，数据库服务器中存放学生姓名、学号等相关信息；

步骤2)测试前，将“电源开关”拨动开启，将可穿戴装置放在单杠处，按下“初始化”按钮，记录下稳定气压值P_d，计算单杠实际高度H_d，并完成设备的初始化。

步骤3)测试时，将设备安装在衣领或者肩膀处，按下“计数”按钮，运动员开始做“引体向上”运动。在运动过程中，可穿戴装置中传感器实时测量运动员当前气压强度、角速度、线加速度、磁场强度以及运动时间等信息，通过CPU模块进行温度补偿以及算法滤波后，并使用无线模块发送给服务器。

步骤4)由服务器中的系统软件对采集的实时数据进行分析，计算出运动员实时状态，包括竖直方向的位置和速度、三维姿态以及高度等信息。当所测信息满足系统设定的“多条件判别法”时，就可以判定运动员完成一次标准“引体向上”的上升动作，计数结果加1，并通过显示模块中实时显示出当前引体向上完成个数。当系统检测到运动员下落到最低处时，就表示完成了一次“引体向上”动作。随后，进行下一个“引体向上”运动。

步骤5)测试结束时，再次按下“计数”按钮结束计数，并关闭“电源开关”。由服务器中评估系统对此次“引体向上”运动进行体能评估，并给出相应的评价与建议。

步骤6)运动员通过客户端访问服务器，可以查看自己的运动情况以及体能评估，作出相应练习计划；教练通过控制端随时掌握学生或运动员的体能状况，并有针对性的督促其加强训练。

所述稳定气压值是经过中位值平均滤波方法消噪后的数值，即连续采样N个气压数据，去掉其中的最大值和最小值，对剩余N-2个数据求平均值，该平均值就为稳定气压值P_d。

所述计算单杠实际高度H_d，通过以下公式进行求解：

其中，P₀＝101.324kPa，是标准海平面的大气压，对应的气压高度为0；R为空气气体常数，R＝287.05278m²/(K·s²)；g₀＝9.80665m/s²，为标准海平面的重力加速度；β＝0.0065K/m，为温度垂直变化率；T₀＝273.16K，为标准海平面的温度。

所述设备的初始化包括计数器计数清零、可穿戴设备的初始姿态校准和对内部程序的刷新。

所述系统软件计算运动员的竖直方向位置、竖直方向速度和姿态信息是基于加速度计、陀螺仪以及磁强计来实现的；加速度计输出为速度增量，陀螺仪输出为角增量，磁强计输出为地球磁场强度，通过姿态解算和导航解算可以获得姿态和位置信息。由于加速度计与陀螺仪自身存在随机噪声，计算的竖直位置和速度存在累积误差，因此需使用气压计辅助修正竖直位置和速度误差，使用如下Kalman滤波进行补偿：

状态方程：

量测方程：

其中，p_z和v_z分别表示竖直方向上的位置与速度，T为加速度计的采样周期，a_z表示导航坐标系下竖直方向加速度。h_baro为气压计测量值，w_t表示零均值高斯白噪声。

所述多条件判别法的具体算法如下：

其中，|a|和|ω|表示加速度幅值和角速度幅值，|a|＝[a_x ²+a_y ²+a_z ²]^0.5，|ω|＝[ω_x ²+ω_y ²+ω_z ²]^0.5；min(T_a)和max(T_a)为设定的最小和最大加速度阈值，T_ω为设定的最大角速度阈值；△h表示测量的运动员一次上升高度，h_th为设定的最小上升高度；h表示可穿戴装置的竖直方向高度，h_d为测得的单杠高度，ε表示允许存在的误差。只有当C1、C2和C3均为逻辑真的时，即C＝C1&C2&C3＝1，则表明引体向上计数加1。

所述体能评估系统的评估标准包括：引体向上运动数目多少、平均速度快慢以及有无规律性等三个方面；其中引体向上运动数目可由计数功能获得；引体向上平均速度等于运动总时间除以总个数，运动总时间以及单个引体向上运动的时间可以由计时器实时测量获得；运动规律性可由单个引体向上的时间t_n(n＝1，2，3…i，i表示运动个数)来表示，如果时间t_n均在一定的范围内，则表示运动有规律，如果各个时间t_n差异较大，则表明运动无规律。

本发明的有益效果为：

1.本发明结构简单，使用方便，可以实现精确的实时计数，并且能有效帮运动员提高动作标准，达到训练的真正目的。

2.本发明使用无线模块对数据进行无线传送，能耗低，信令信道可设置，有效避免同频干扰且安装灵活，操作快捷。而且不需提前安装复杂昂贵的专用训练单杠，且维修方便。

3.本发明所采用的算法可以获得较为精确的上升、下降高度，提高上位机系统判断的准确性，降低误判率。

4.本发明充分利用测量数据，科学地分析了运动员的体能状况，突破以往的只有单一计数功能的限制，既降低人力成本，又存在实时反馈评估机制，实现在功能性与精确性方面的巨大改进。

附图说明

图1为本发明的引体向上标准计数与体能评估系统的结构示意图。

图2为本发明的引体向上标准计数与体能评估系统的原理图。

图3为本发明的可穿戴装置安装与实际运动示意图。

图4为本发明的引体向上标准计数与体能评估系统的实施流程图。

图5和图6为本发明的引体向上标准计数与体能评估系统的评价标准。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明。

如图1，引体向上标准技术与体能评估系统包括可穿戴装置、服务器、客户端以及控制端；可穿戴装置包括气压计、加速度计、陀螺仪、磁强计、温度计、CPU模块、电源模块、计时模块、显示模块以及无线模块；每一套可穿戴装置都有内置的固定编号n，用于辨别运动员身份。测试前，将装置放在单杠附近，利用气压计采集单杠处气压数据，测量稳定气压值，并计算单杠高度；加速度计、陀螺仪以及磁强计分别用于输出线加速度、角速度以及磁场强度等信息；温度计用于测量装置的温度，以实现对其它传感器的温度补偿；CPU模块用于收集传感器数据，对数据进行温度补偿和算法滤波，并通过无线模块与服务器系统进行互相通信；计时模块用于实时测量运动时间；显示模块用于显示引体向上的完成个数；服务器对传输的数据进行分析与评估，并上传至客户端与控制端。

如图2、3，测试时，将可穿戴装置安装在运动员的衣领或肩上；随着运动员开始上升或下降，装置内部的传感器将实时输出相关运动数据，如加速度、角速度、气压强度等；利用以上数据，通过姿态解算与位置解算能获取运动员的竖直位移和竖直速度；结合单杠高度、竖直位移以及加速度与角速度数据，对引体向上运动进行科学计数；再结合引体向上的个数、计时器的输出以及竖直方向的速度，对运动员体能进行有效评估。

如图4，为本发明所述方法在具体应用时的流程图，使用本发明所述方法在进行具体应用时的具体步骤如下：

步骤S1，首先打开电源开关，将装置放在单杠处，按下“初始化”按钮，测量稳定气压值，计算单杠高度，并将计数清零以及对程序进行刷新，完成装备的初始化。

步骤S2，将装备安装在运动员的衣领或者肩上，并按下计数按钮。

步骤S3，运动员开始引体向上运动，传感器实时测量运动数据，并通过无线模块上传到服务器。

步骤S4，服务器系统对数据进行处理，通过姿态解算和导航解算，计算出运动员竖直方向位置、高度、速度等信息。

步骤S5，根据加速度计与陀螺仪输出数据，计算加速度计与角速度幅值，并判断其是否在设定的阈值范围内，如果在阈值范围内，则执行S6；如果不在阈值范围内，则返回S4，进行下一次判断。

步骤S6，根据已知的竖直高度计算出上升位移，并判断是否大于m米(m大小应根据成人与儿童两种情况来设定)，如果大于或等于m米，则执行S7；如果小于m米，则返回S4继续判断。

步骤S7，根据已知的竖直高度，判断其是否在单杠高度附近(允许存在一定误差ε)，如果在，则表明运动员整个头部超过单杠(即肩部与单杠高度大致相同)，执行S8；如果不在范围内，则返回S4继续判断。

步骤S8，满足上述条件，表明引体向上动作合格，计数加1。

步骤S9，根据竖直高度与加速度、角速度幅值，判断运动员下落到最低处。

步骤S10，判断计数按钮是否被再次按下，如果是，则表明计数停止，执行S11；如果不是，则表明继续引体向上运动，返回S4。

步骤S11，关闭电源开关，运动结束。

如图5和6，评估系统的评价标准包括：引体向上运动持续时间长短、运动员上升速度快慢以及运动有无规律性。如果运动持续时间长，上升速度快，运动有规律，则表明该运动员体力很好；如果运动持续时间长，上升速度快，但运动无规律，则表明该运动员体力较强，应该继续保持；如果运动持续时间长，运动有规律，但是上升速度慢，则表明该运动员体力较强，应该继续保持；如果运动持续时间长，但上升速度慢且运动无规律，则表明该运动员体力一般，要开始注意锻炼了；如果运动上升速度快，运动有规律，但持续时间短，则表明该运动员体力一般，要开始注意锻炼了；如果运动上升速度快，但持续时间短且测量数据无规律，则表明该运动体力较弱，需加强锻炼；如果运动有规律，但持续时间短且上升速度慢，则表明该运动体力较弱，需加强锻炼；如果运动持续时间短，上升速度慢且运动无规律性，则表明该运动员体力很差，要注意自身健康问题了。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于多传感器的运动评估系统，其特征在于：包括可穿戴装置、服务器、客户端以及控制端；所述可穿戴装置包括气压计、加速度计、陀螺仪、磁强计、温度计、CPU模块、电源模块、计时模块、显示模块以及无线模块；所述加速度计、陀螺仪以及磁强计用于计算运动员的竖直方向位置与速度；所述气压计用于测量单杠处气压，计算单杠高度，并辅助修正竖直位置误差；所述计时模块用于实时测量运动时间；所述无线模块将测量数据发送给服务器；所述服务器中的系统软件对数据进行存储与分析，确定运动员的实际引体向上个数和体能状况，并将信息反馈给客户端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的运动评估系统，特征在于，所述气压计为一种高精度气压传感器，能够感知一定高度范围内的气压变化；所述加速度计、陀螺仪以及磁强计均经过温度补偿以及算法滤波，输出稳定；所述CPU模块采用内置电源供电，使接在上面的传感器均能获得电源；所述可穿戴装置输出的数据通过无线模块发送给服务器进行数据处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的运动评估系统，其特征在于该系统还包括以下步骤：

步骤1)服务器系统中预装了进行数据处理的系统软件，服务器的数据库中存放学生姓名、学号等相关信息；

步骤2)测试前，将“电源开关”拨动开启，将可穿戴装置放在单杠处，按下“初始化”按钮，记录下稳定气压值P_d，计算单杠实际高度H_d，并完成设备的初始化；

步骤3)测试时，将设备安装在衣领或者肩膀处，按下“计数”按钮，运动员开始做“引体向上”运动，在运动过程中，可穿戴装置中传感器实时测量运动员当前气压强度、角速度、线加速度、磁场强度以及运动时间等信息，通过CPU模块进行温度补偿以及算法滤波后，并使用无线模块发送给服务器；

步骤4)由服务器中的系统软件对采集的实时数据进行分析，计算出运动员实时状态，包括竖直方向的位置和速度、三维姿态以及高度等信息；当所测信息满足系统设定的“多条件判别法”时，便可以判定此时运动员完成一次标准“引体向上”的上升动作，计数结果加1，并通过显示模块中实时显示出当前引体向上完成个数；当系统检测到运动员下落到最低处时，就表示完成了一次“引体向上”动作，随后，进行下一个“引体向上”运动；

步骤5)测试结束时，再次按下“计数”按钮结束计数，并关闭“电源开关”，由服务器中的体能评估模块对此次“引体向上”运动进行体能评估，并给出相应的评价与建议；

步骤6)运动员通过客户端访问服务器，可以查看自己的运动情况以及体能评估，作出相应练习计划；教练通过控制端随时掌握学生或运动员的体能状况，并有针对性的督促其加强训练。

4.根据权利要求3所述的一种基于多传感器的运动评估系统，特征在于，所述稳定气压值是经过中位值平均滤波方法消噪后的数值，即连续采样N个气压数据，去掉其中的最大值和最小值，对剩余N-2个数据求平均值，该平均值就为稳定气压值P_d。

5.根据权利要求3所述的一种基于多传感器的运动评估系统，特征在于，所述多条件判别法的具体算法如下：

<mrow> <mi>C</mi> <mn>2</mn> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>h</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>h</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

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其中，|a|和|ω|表示加速度幅值和角速度幅值，|a|＝[a_x ²+a_y ²+a_z ²]^0.5，|ω|＝[ω_x ²+ω_y ²+ω_z ²]^0.5；min(T_a)和max(T_a)为设定的最小和最大加速度阈值，T_ω为设定的最大角速度阈值；△h表示测量的运动员一次上升高度，h_th为设定的最小上升高度；h表示可穿戴装置的竖直方向高度，h_d为测得的单杠高度，ε表示允许存在的误差；只有当C1、C2和C3均为逻辑真的时，即C＝C1&C2&C3＝1，则表明引体向上计数加1。

6.根据权利要求3所述的一种基于多传感器的运动评估系统，特征在于，判断运动员体能的评估标准包括：引体向上运动数目多少、平均速度快慢以及是否具有规律性等三个方面；其中引体向上运动数目可由计数功能获得；引体向上平均速度等于运动总时间除以总个数，运动总时间以及单个引体向上运动的时间可以由计时模块实时测量获得。

7.根据权利要求6所述的一种基于多传感器的运动评估系统，特征在于，是否具有规律性是由单个引体向上的时间t_n(n＝1，2，3…i，i表示运动个数)来判断，如果时间t_n均在一定的范围内，则表示运动有规律；如果各个时间t_n差异较大，则表明运动无规律。