CN107376300B - 基于uwb技术的田径比赛自动计时系统 - Google Patents

基于uwb技术的田径比赛自动计时系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB技术的田径比赛自动计时系统。利用UWB超宽带技术实现运动员身上的电子标签，通过终点线处的基站以及智能终端之间的无线通讯，实时监测运动员比赛时的用时以及距离终点的距离。利用独特的算法解析并判断运动员到达终点的条件，实现精准测距、成本降低、减小误差、使用方便且安全可靠的自动计时。

Description

基于UWB技术的田径比赛自动计时系统
技术领域
本发明涉及运动器械领域，具体涉及一种基于UWB技术的田径比赛自动技术系统。
背景技术
现在的田径计时方式包括两种：机器自动计时和人工计时；人工计时即将被机器自动计时全面代替，因此现在对机器自动计时的研究比较多。
在计时系统中最为关键的技术是运动员到达终点的检测；现阶段有的终点检测技术有以下三类：基于高速摄像机视频捕捉、基于RFID和基于红外检测；
基于高速摄像机视频捕捉技术的终点检测，该技术类似于奥运会比赛中的“鹰眼”技术；该技术的原理是这样的：运动员身着不同颜色的比赛服进行跑步，在终点线附近按放高速摄像机对运动员进行实时拍摄，摄像机把图像实时上传到计算机上进行识别和处理，计算机对不同的颜色进行分辨，以区分不同的运动员，对运动员进行实时的跟踪，在运动员到达终点后记录到达时间，再用到达时间减去起跑时间，便得到了运动员跑步的时间了。该系统中核心在于：高速摄像机和高速的图像处理算法。因此该方案操作存在两点缺点：系统成本高和实时性差；首先高速摄像机的价格比较昂贵，而且还有用于处理图像的高速计算机，这样便使整个系统的成本很高，大概在2万元左右；然后是图像处理算法的实现，该算法比较复杂，实时性较差，可能会出现误判和终点检测滞后的问题；基于这些问题，该系统没有得到广泛的使用。
基于RFID射频身份识别技术的终点检测，该技术是原理类似于普通的公交卡刷卡系统，是当前自动计时系统中普遍使用的方案；该系统包括两个部分：射频身份卡和射频识别站；射频身份卡装在每个运动员的身上，射频识别基站做出板状铺设在终点线上，当运动员携带射频身份卡经过射频识别基站时，系统判断为运动员到达终点，并自动计算时间；该系统有以下3个缺点：由于射频识别卡的识别距离在到达终点时可能存在漏检的风险；射频识别基站铺设在终点线上有一定的宽度，该宽度在20CM左右，因此识别的误差会在20-30CM左右；射频识别基站是以板的形式铺在地上的，有一定的高度，这样并不利于运动员的跑步，严重时可能发生事故；由于该系统的这些缺点，只能应用于用户体验不高和非精准计时系统中，在学生田径自动计时系统中用到比较多。
基于红外识别的终点检测，该技术类似于电视遥控器，也是目前广泛应用的终点检测技术之一；其核心技术是红外信号编码，包括两部分构成：红外发射模块和红外接收、解码模块；红外发射模块放在每个运动员的身上，不断发射红外信号，并且每个运动员所佩戴的红外发射模块所发射的红外编码信号不同；红外接收、解码模块有n个（每个跑道对应一个）钢架固定在每个跑到的上空，当有运动员从钢架下方跑来时，所佩戴的红外发射模块发射的编码红外信号别固定在钢架上的接收机识别，判为到达终点；该系统的缺点有：结构庞大、容易漏检、精度不高；由于每个跑道上空都得有红外接收模块，因此得用坚固的钢架结构来固定接收机，这就造成了系统结构复杂、庞大，使用和维护上都比较耗时耗力；由于红外属于光，因此有阻挡（如头发、衣服）会造成红外信号无法接收，这时就会存在漏检；由于红外信号的发射并不是一个方向，而是以扇形的方式发射，因此造成识别的精度较低，大概在30CM左右。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种精准度高、成本低廉、误差小且使用方便的基于UWB技术的田径比赛自动计时系统。
本发明采取的技术方案是：基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，包括运动员佩戴的电子标签、终点线两端的识别基站以及智能终端；三者之间通过UWB宽带无线连接；
所述的识别基站包括UWB发射模块、主控芯片、电源模块、指示模块以及身份地址选择模块；外接电源通过连接所述的电源模块的输入端来实现对整个系统的供电；电源模块的输出端连接UWB发射模块和主控芯片的输入端，UWB发射模块的输入和输出端分别连接主控芯片的输出输入端，另外主控芯片的输出端还与指示模块的输入端相接，主控模块的输入端还与身份地址选择模块的输出端连接；
所述的智能终端包括UWB中转模块和嵌入式终端；所述的UWB中转模块的输出端通过USART接于嵌入式终端的输入端；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块均通过UWB宽带与智能终端中的UWB中转模块无线连接；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块通过UWB宽带进行无线连接；
所述的电子标签和UWB中转模块的内部结构均与识别基站的内部结构相同，各自的身份地址选择模块的选择不同。
基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，包括以下工作步骤
步骤一：预先在嵌入式终端中设置电子标签到终点线也就是两识别基站连线的距离的最小阈值；
步骤二：运动员起跑，嵌入式终端通过UWB中转模块实时获取电子标签到两基站的距离以及时间；
步骤三；嵌入式终端通过海伦公式计算并解析电子标签和两个基站构成的三角形的面积，并由面积反算电子标签到终点的距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中：a、b、c为电子标签到两识别基站的距离以及两识别基站之间的距离；s为三角形的面积； c为两个基站间的距离，为固定值，此值可以直接设置；h为电子标签到终点线的距离；p为计算中间值；
步骤四：将步骤三种得到的h与步骤一种设定的阈值相比较，h小于阈值则表示该电子标签即运动员到达终点，此时嵌入式终端自动记录此时的时间并显示。
作为一种优选的技术方案：所述的电源模块包括稳压电路、锂电池控制电路以及USB接口；所述的锂电池控制电路的输出端通过USB接口接于稳压电路的输入端；所述的稳压电路包括电源开关S1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、发光二极管D1以及稳压芯片U1；电源开关S1一端通过USB接口接入锂电池控制电路的输出管脚，另一端同时接于稳压芯片U1输入管脚以及电容C1，稳压芯片U1的另一端输出管脚同时接于电阻R1、电容C2以及发光二极管D1的正极，且电阻R1和电容C2又同时接于电阻R2，发光二极管D1的负极串联电阻R3，电容C1、电阻R2、电阻R3以及稳压芯片U1同时接地，且稳压电路的输出管脚同时接于主控芯片U2和UWB发射模块的输入管脚；
所述的锂电池控制电路包括发光二极管D3、发光二极管D2、电阻R15、电阻R16以及锂电池充放电芯片U3；锂电池充放电芯片U3的输出端接于USB接口的输入端，锂电池充放电芯片U3的一输出管脚串联电阻R15和发光二极管D2的正极，另一输出管脚串联电阻R16和发光二极管D3的正极，且发光二极管D2和发光二极管D3的负极同时接地；
所述的指示模块包括发光二级管D4、发光二级管D5、发光二级管D6、发光二极管D7、电阻R7、电阻R10、电阻R11以及电阻R13；主控芯片U2的两IO口分别接入发光二极管D4和发光二极管D5的正极，且发光二极管D4和发光二极管D5的负极分别接有电阻R7和R10并同时接地；UWB发射模块的两输出管脚分别接入发光二极管D6和发光二极管D7的正极，且发光二极管D6和发光二极管D7的负极分别接有电阻R11和R13并同时接地；
所述的UWB发射模块包括滤波电容C15、滤波电容C16、上拉电阻R12、上拉电阻R13、下拉电阻R9以及DWM芯片U4；电源模块的输出管脚同时通过上拉电阻R12和上拉电阻R13接于DWM芯片U4的输入管脚，DWM芯片U4的若干双向SPI总线接口与主控芯片U2的对应管脚相接，DWM芯片U2的输出管脚分别并联滤波电容C15、滤波电容C16和下拉电阻R9并同时接地；
所述的身份地址选择模块包括拨码开关芯片S2和电阻R8；电源模块输出管脚通过电阻R8接入拨码开关芯片S2，拨码开关芯片S2通过若干IO口连接与主控芯片U2的对应输入管脚。
本发明的有益效果是：（1）UWB超宽带信号是电磁波，有很好的穿透能力，不会被衣服等物体阻挡，时间分辨率极高、测距精准，误差在5-10CM左右；（2）成较低、系统简单利于维护和使用、测量精度高、实时性强、使用方便；无需大型钢架，大大降低了成本，而且设备简单在维护和使用上比较简单；（3）实时性强，由于定位基站是安放在跑道两侧的，不会影响运动员的发挥，而且定位标签比较小，可以较容易的安放在运动员的衣服上，这样用户体验效果比较高，安全、可靠。
附图说明
图1为计算运动员到终点距离的流程图；
图2为标签、基站以及终点线之间的几何关系图；
图3为电源模块中稳压电路的电路图；
图4为电源模块中锂电池充放电的电路图；
图5为主控芯片的电路图；
图6为UWB发生模块的电路图；
图7为指示模块的电路图；
图8为身份地址选择模块的电路图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是本实施例中选用UWB发射芯片DWM1000，主控芯片STM32F105RCT6，电源管理芯片国产HT4928S，锂电池3.7V、650mah，稳压芯片TPS3601DBVR，嵌入式终端的开发是基于嵌入式Linux的，其应用程序的开发是使用跨平台软件Qt完成的。
参照附图，基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，包括运动员佩戴的电子标签、终点线两端的识别基站以及智能终端；三者之间通过UWB宽带无线连接；
所述的识别基站包括UWB发射模块、主控芯片、电源模块、指示模块以及身份地址选择模块；外接5V电源通过连接所述的电源模块的输入端来实现对整个系统的供电；电源模块的输出端连接UWB发射模块和主控芯片的输入端，UWB发射模块的输入和输出端分别连接主控芯片的输出输入端，另外主控芯片的输出端还与指示模块的输入端相接，主控模块的输入端还与身份地址选择模块的输出端连接；
所述的智能终端包括UWB中转模块和嵌入式终端；所述的UWB中转模块的输出端通过USART接于嵌入式终端的输入端；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块均通过UWB宽带与智能终端中的UWB中转模块无线连接；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块通过UWB宽带进行无线连接；
所述的电子标签和UWB中转模块的内部结构均与识别基站的内部结构相同各自的身份地址选择模块的选择不同，对应建立联系的两个身份地址选择模块的状态互相相反。
所述的电源模块包括稳压电路、锂电池控制电路以及USB接口；所述的锂电池控制电路的输出管脚VBUS通过USB接口VBUS接于稳压电路的输入管脚VBUS，稳压电路将锂电池控制电路的3.7V电压转换为3.3V电压；所述的稳压电路包括电源开关S1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、发光二极管D1以及稳压芯片U1；电源开关S1一端通过USB接口VBUS接入锂电池控制电路的输出管脚VBUS，另一端同时接于稳压芯片U1输入管脚以及电容C1，稳压芯片U1的另一端输出管脚VCC 3V3同时接于电阻R1、电容C2以及发光二极管D1正极，且电阻R1和电容C2又同时接于电阻R2，发光二极管D1负极串联电阻R3，电容C1、电阻R2、电阻R3以及稳压芯片U1同时接地，且稳压电路的输出管脚VCC 3V3同时接于主控芯片U2和UWB发射模块的输入管脚VCC 3V3；
所述的锂电池控制电路包括发光二极管D3、发光二极管D2、电阻R15、电阻R16以及锂电池充放电芯片U3；锂电池充放电芯片U3的输出管脚VBUS接于USB接口的输入管脚VBUS，锂电池充放电芯片U3的一输出管脚1串联电阻R15和发光二极管D2的正极，另一输出管脚2串联电阻R16和发光二极管D3的正极，且发光二极管D2和发光二极管D3的负极同时接地；
所述的指示模块包括发光二级管D4、发光二级管D5、发光二级管D6、发光二极管D7、电阻R7、电阻R10、电阻R11以及电阻R13；主控芯片U2的两IO口PC8和PC9分别接入发光二极管D4和发光二极管D5的正极，且发光二极管D4和发光二极管D5的负极分别接有电阻R7和R10并同时接地；UWB发射模块的两输出管脚GPIO2和GPIO3分别接入发光二极管D6和发光二极管D7的正极，且发光二极管D6和发光二极管D7的负极分别接有电阻R11和R13并同时接地；
所述的UWB发射模块包括滤波电容C15、滤波电容C16、上拉电阻R12、上拉电阻R13、下拉电阻R9以及DWM芯片U4；电源模块的输出管脚VCC 3V3同时通过上拉电阻R12和上拉电阻R13接于DWM芯片U4的输入管脚VCC 3V3，DWM芯片U4的双向SPI总线接口DW_SCK、DW_MISO、DW_MOSI以及DW_NSS与主控芯片U2的对应管脚DW_SCK、DW_MISO、DW_MOSI以及DW_NSS相接，DWM芯片U2的输出管脚VCC 3V3分别并联滤波电容C15、滤波电容C16和下拉电阻R9并同时接地；
所述的身份地址选择模块包括拨码开关芯片S2和电阻R8；电源模块输出管脚VCC3V3通过电阻R8接入拨码开关芯片S2，拨码开关芯片S2通过IO口PC0、PC1、PC2、PC3、PC4、PC5以及BOOT1连接与主控芯片U2的对应输入管脚PC0、PC1、PC2、PC3、PC4、PC5以及BOOT1。
基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，包括以下工作步骤
步骤一：预先在嵌入式终端中设置电子标签到终点线也就是两识别基站连线的距离的最小阈值；
步骤二：运动员起跑，其佩戴的电子标签中UWB发射模块将时间和位置信息发送到UWB中转模块中UWB发射模块上，进而再发送到嵌入式终端上并实时监测该电子标签也就是运动员到两基站的距离和用时；如若该通讯线路出现故障，则运动员佩戴的电子标签中UWB发射模块将时间和位置信息发送到识别基站中UWB发射模块上，再通过UWB中转模块中UWB发射模块进而发送到嵌入式终端上并实时监测该电子标签也就是运动员到两基站的距离和用时；
步骤三；嵌入式终端通过海伦公式计算并解析电子标签和两个基站构成的三角形的面积，并由面积反算电子标签到终点的距离；
Figure 922512DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure 839653DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure 681707DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中：a、b、c为电子标签到两识别基站的距离以及两识别基站之间的距离；s为三角形的面积； c为两个基站间的距离，为固定值，此值可以直接设置；h为电子标签到终点线的距离；p为计算中间值；
步骤四：将步骤三种得到的h与步骤一种设定的阈值相比较，h小于阈值则表示该电子标签即运动员到达终点，此时嵌入式终端自动记录此时的时间并显示。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以补充阐释本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的广大技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，其特征在于：包括运动员佩戴的电子标签、终点线两端的识别基站以及智能终端；三者之间通过UWB宽带无线连接；
所述的识别基站包括UWB发射模块、主控芯片、电源模块、指示模块以及身份地址选择模块；外接电源通过连接所述的电源模块的输入端来实现对整个系统的供电；电源模块的输出端连接UWB发射模块和主控芯片的输入端，UWB发射模块的输入和输出端分别连接主控芯片的输出输入端，另外主控芯片的输出端还与指示模块的输入端相接，主控模块的输入端还与身份地址选择模块的输出端连接；
所述的智能终端包括UWB中转模块和嵌入式终端；所述的UWB中转模块的输出端通过USART接于嵌入式终端的输入端；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块均通过UWB宽带与智能终端中的UWB中转模块无线连接；所述的识别基站中的UWB发射模块和电子标签中的UWB发射模块通过UWB宽带进行无线连接；
所述的电子标签和UWB中转模块的内部结构均与识别基站的内部结构相同，各自的身份地址选择模块的选择不同；
基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，包括以下工作步骤：
步骤一：预先在嵌入式终端中设置电子标签到终点线也就是两识别基站连线的距离的最小阈值；
步骤二：运动员起跑，嵌入式终端通过UWB中转模块实时获取电子标签到两基站的距离以及时间；
步骤三：嵌入式终端通过海伦公式计算并解析电子标签和两个基站构成的三角形的面积，并由面积反算电子标签到终点的距离；
Figure FDA0003702313560000011
Figure FDA0003702313560000012
h＝2*S*c (3)
其中：a、b、c为电子标签到两识别基站的距离以及两识别基站之间的距离；s为三角形的面积；c为两个基站间的距离，为固定值，此值可以直接设置；h为电子标签到终点线的距离；p为计算中间值；
步骤四：将步骤三中得到的h与步骤一中设定的阈值相比较，h小于阈值则表示该电子标签即运动员到达终点，此时嵌入式终端自动记录此时的时间并显示。
2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的田径比赛自动计时系统，其特征在于：所述的电源模块包括稳压电路、锂电池控制电路以及USB接口；所述的锂电池控制电路的输出端通过USB接口接于稳压电路的输入端；所述的稳压电路包括电源开关S1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、发光二极管D1以及稳压芯片U1；电源开关S1一端通过USB接口接入锂电池控制电路的输出管脚，另一端同时接于稳压芯片U1输入管脚以及电容C1，稳压芯片U1的另一端输出管脚同时接于电阻R1、电容C2以及发光二极管D1的正极，且电阻R1和电容C2又同时接于电阻R2，发光二极管D1的负极串联电阻R3，电容C1、电阻R2、电阻R3以及稳压芯片U1同时接地，且稳压电路的输出管脚同时接于主控芯片U2和UWB发射模块的输入管脚；
所述的锂电池控制电路包括发光二极管D3、发光二极管D2、电阻R15、电阻R16以及锂电池充放电芯片U3；锂电池充放电芯片U3的输出端接于USB接口的输入端，锂电池充放电芯片U3的一输出管脚串联电阻R15和发光二极管D2的正极，另一输出管脚串联电阻R16和发光二极管D3的正极，且发光二极管D2和发光二极管D3的负极同时接地；
所述的指示模块包括发光二级管D4、发光二级管D5、发光二级管D6、发光二极管D7、电阻R7、电阻R10、电阻R11以及电阻R13；主控芯片U2的两IO口分别接入发光二极管D4和发光二极管D5的正极，且发光二极管D4和发光二极管D5的负极分别接有电阻R7和R10并同时接地；UWB发射模块的两输出管脚分别接入发光二极管D6和发光二极管D7的正极，且发光二极管D6和发光二极管D7的负极分别接有电阻R11和R13并同时接地；
所述的UWB发射模块包括滤波电容C15、滤波电容C16、上拉电阻R12、上拉电阻R13、下拉电阻R9以及DWM芯片U4；电源模块的输出管脚同时通过上拉电阻R12和上拉电阻R13接于DWM芯片U4的输入管脚，DWM芯片U4的若干双向SPI总线接口与主控芯片U2的对应管脚相接，DWM芯片U2的输出管脚分别并联滤波电容C15、滤波电容C16和下拉电阻R9并同时接地；
所述的身份地址选择模块包括拨码开关芯片S2和电阻R8；电源模块输出管脚通过电阻R8接入拨码开关芯片S2，拨码开关芯片S2通过若干IO口连接与主控芯片U2的对应输入管脚。
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