CN107773925B - 一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统 - Google Patents

Abstract

一种运用3轴传感器监测外部负荷评估方法及其系统，实现对运动员在训练或比赛过程中，自动实时采集并记录运动员运动时间、运动位移、运动速度、运动次数、运动高度、训练密度等信息,并通过软件自动进行分析判别、评估运动员外部负荷，从而方便教练员对运动员训练或比赛过程管理。该系统设备包括运动采集终端、监控分析终端、无线移动基站。本发明能够以时间段、运动周期、运动类型等方式对运动员外部负荷量、外部负荷强度进行纵向分析、评估，同时能够对不同运动员外部负荷量、外部负荷强度进行横向分析、评估，从而方便制定针对性训练计划，提高运动训练效果。

Description

一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统

技术领域

本发明属于体育运动监测应用领域，具体是涉及一种运用3轴传感器对运动员运动过程中外部负荷进行监测与评估方法及其系统。

背景技术

所谓运动负荷，就是人体在运动活动中所承受的生理负荷，它包括负荷强度和负荷量两方面。有研究表明，只有使体育锻炼的运动负荷达到极限的压力下，体力、心理和智力的自然潜力才能得到充分发挥，达到增强体能的目的；但是，运动负荷过大，又容易引起疲劳和损伤。因此，对于生长发育期的运动员，合理安排有效的运动负荷是体育训练中必须解决的主要问题。

目前，传统上最常用到的运动负荷检测方法就是询问法和观察法。询问法，通过询问运动员锻炼后的自我感受，判断运动员承受运动负荷的情况；观察法，教练员通过观察运动员的脸色、表情、喘气、出汗量、反应速度等表现来判断所承受运动负荷的大小。由以上可知，传统的检测方法为主要是通过教练员的眼睛和询问进行事后经验判断，不能通过科学手段对运动员运动负荷数据进行实时监测、分析与评估，在体育运动训练或比赛过程不利于教练员根据现场情况进行科学决策，同时不利于运动员能力提升；随着科学技术发展，通过传感器技术、无线通信技术、计算机技术等技术，实时对运动员运动时间、运动位移、运动速度、运动次数、运动高度、训练密度等参数监测、计算、分析、评估及存储，将会有效解决教练员因无准确数据进行科学判断问题。

发明内容

本发明目的是通过研制一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，实现对运动员在训练或比赛过程中，自动实时采集并记录运动员运动时间、运动位移、运动速度、运动次数、运动高度、训练密度等信息,并通过软件自动进行分析判别、评估运动员外部负荷，从而方便教练员对运动员训练或比赛过程管理，制定针对性训练计划，提高运动训练效果。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，它包括运动采集终端、监控分析终端、无线移动基站；所述运动采集终端能够通过无线移动基站、蓝牙或移动4G网与监控分析终端建立通信连接；

所述运动采集终端，用于采集运动员的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，同时将采集运动信息传输至监控分析终端；

所述无线移动基站，用于运动采集终端通信管理，并将接收数据转发给监控分析终端；

所述监控分析终端，用于接收各运动采集终端发送的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，并对接收的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行解析，计算运动员的运动次数、训练密度，并进行纵向和横向分析、评估单个运动员和多个运动员的外部负荷量、外部负荷强度大小。

所述运动采集终端，是一种可穿戴设备，通过臂带固定在人体手臂处；

所述运动采集终端，内置有三轴加速度传感器、GPS/北斗定位模块、无线通讯模块、蓝牙模块、移动4G通信模块；

所述三轴加速度传感器，用于采集运动员运动状态下三轴方向加速度信息，并将采集信息由运动采集终端通过无线传输至监控分析终端；所述三轴分别为X轴、Y轴Z轴；所述运动采集终端与监控分析终端无线通信方式，包括采用无线移动基站、蓝牙、移动4G三种方式建立通信数据连接；所述运动采集终端无线通信方式选择，通过人工进行软件选择设定；

所述GPS/北斗定位模块，用于接收GPS/北斗时钟信息、经度信息、纬度信息、矢量速度信息和海拔信息；所述运动采集终端以接收GPS/北斗时钟为基准进行信息采集。

所述监控分析终端，采用PAD终端，内置有wifi模块、蓝牙模块和移动4G通信模块，能够通过不同无线方式自动接收各运动采集终端传输的运动员运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息；

所述监控分析终端，内部安装外部负荷评估分析软件，该软件支持ios、android不同平台；所述外部负荷评估分析软件，包括信息采集模块、显示模块、数据处理模块、外部负荷分析模块、外部负荷评估模块、数据存储模块；

所述信息采集模块，用于将接收数据信息进行解码并发送至数据处理模块、外部负荷分析分析评估模块；

所述数据处理模块，用于对采集的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行处理，计算运动员的运动次数、训练密度及运动量；

所述外部负荷分析模块，用于分析运动员一段时间内及一个赛季周期运动外部负荷量、外部负荷分布，通过外部负荷量大小、负荷分布，分析运动员不同时间段运动强度；

所述外部负荷评估模块，用于评估运动员一段时间内及一个赛季周期外部负荷量是否超限或不足；

所述显示模块，用于显示运动员运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部分析数据信息、负荷分布信息及负荷评估信息；

所述数据存储模块，用于存储数据管理。

所述数据处理模块，根据信息采集模块解析数据，对运动员的运动次数、训练密度及运动量进行计算机处理；

所述运动次数，依据运动员运动类型进行统计；所述运动类型分为运动训练、运动比赛，其中运动训练和运动比赛按照不同体育运动科目进一步细分；所述运动类型选择，在每次运动训练或运动比赛时，由人工在监控分析软件上进行选择确定；

所述训练密度，一段时间内训练时间与总时间的比值；所述训练时间，依据每次训练由软件自动获取；所述总时间，根据不同类别设定周期时间进行自动计算获得；所述总时间不同类别分为专业运动、体育校园运动和普通体育运动；

所述运动量，依据采集运动加速度信息、运动时间信息计算获得。

所述外部负荷分析模块，外部负荷分析包括外部负荷量分析和外部负荷强度分析；

所述外部负荷量，通过采集运动员运动时间、三个方向运动时加速度分量计算外部负荷量；所述三个方向运动加速度分量，通过运动采集终端内置9轴传感器采集三轴加速度信息获得；

所述a_x为运动采集终端采集前后方向的当前加速度分量；

所述a_x-1为运动采集终端采集前后方向的前一秒加速度分量；

所述a_y为运动采集终端采集左右方向的当前加速度分量；

所述a_y-1为运动采集终端采集左右方向的前一秒加速度分量；

所述a_x为运动采集终端采集竖直方向的当前加速度分量；

所述a_z-1为运动采集终端采集竖直方向的前一秒加速度分量；

所述外部负荷强度，通过计算一段时间内运动员运动速度、训练密度、运动位移，分析运动员外部负荷强度；

所述外部负荷量、外部负荷强度中的一段时间，由人工进行选择设定时间长度；

所述外部负荷分析，包括一段时间、一个赛季运动员的外部负荷量、外部负荷强度的时间分布，运动员不同训练科目外部负荷量、外部负荷强度的分析，不同运动员同一时间段外部负荷量、外部负荷强度的横向比较分析。

所述外部负荷评估模块，根据预先设定运动员基准外部负荷量、基准外部负荷强度，评估运动员在一段时间内、一个赛季周期的外部负荷量和外部负荷强度是否超限或不足；

所述基准外部负荷量，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷量计算的均值获得；

所述基准外部负荷强度，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷强度计算的均值获得。

所述显示模块，以数值、曲线及图形方式，显示运动员运动过程加速度信息、运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部负荷量信息、负荷分布信息，同时显示同一时间点不同运动员负荷分布。

采用上述技术方案的本发明，它具有以下优点：

(1)本发明采用传感器技术、无线通信技术、GPS/北斗定位技术、数据分析技术等，能够对运动员的运动过程中的加速度、运动位移、外部负荷量、外部负荷强度等信息进行实时监测、分析。

(2)本发明能够以时间段、运动周期、运动类型等方式对运动员外部负荷量、外部负荷强度进行纵向分析、评估，同时能够对不同运动员外部负荷量、外部负荷强度进行横向分析、评估，从而方便制定针对性训练计划，提高运动训练效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为本发明的三轴加速度方向图。

图3为本发明的外部负荷评估分析软件结构图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。但是本发明并不仅仅限于这些实施例。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”“包含”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，它包括运动采集终端、监控分析终端、无线移动基站；所述运动采集终端能够通过无线移动基站、蓝牙或移动4G网与监控分析终端建立通信连接；

所述运动采集终端，用于采集运动员的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，同时将采集运动信息传输至监控分析终端；

所述无线移动基站，用于运动采集终端通信管理，并将接收数据转发给监控分析终端；

所述监控分析终端，用于接收各运动采集终端发送的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，并对接收的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行解析，计算运动员的运动次数、训练密度，并进行纵向和横向分析、评估单个运动员和多个运动员的外部负荷量、外部负荷强度大小。

所述运动采集终端，是一种可穿戴设备，通过臂带固定在人体手臂处；

所述运动采集终端，内置有三轴加速度传感器、GPS/北斗定位模块、无线通讯模块、蓝牙模块、移动4G通信模块；

如图2所示，所述三轴加速度传感器，用于采集运动员运动状态下三轴方向加速度信息，并将采集信息由运动采集终端通过无线传输至监控分析终端；所述三轴分别为X轴、Y轴Z轴；所述运动采集终端与监控分析终端无线通信方式，包括采用无线移动基站、蓝牙、移动4G三种方式建立通信数据连接；所述运动采集终端无线通信方式选择，通过人工进行软件选择设定；

所述GPS/北斗定位模块，用于接收GPS/北斗时钟信息、经度信息、纬度信息、矢量速度信息和海拔信息；所述运动采集终端以接收GPS/北斗时钟为基准进行信息采集。

所述监控分析终端，采用PAD终端，内置有wifi模块、蓝牙模块和移动4G通信模块，能够通过不同无线方式自动接收各运动采集终端传输的运动员运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息；

所述监控分析终端，内部安装外部负荷评估分析软件，该软件支持ios、android不同平台；如图3所示，所述外部负荷评估分析软件，包括信息采集模块、显示模块、数据处理模块、外部负荷分析模块、外部负荷评估模块、数据存储模块；

所述信息采集模块，用于将接收数据信息进行解码并发送至数据处理模块、外部负荷分析分析评估模块；

所述数据处理模块，用于对采集的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行处理，计算运动员的运动次数、训练密度及运动量；

所述外部负荷分析模块，用于分析运动员一段时间内及一个赛季周期运动外部负荷量、外部负荷分布，通过外部负荷量大小、负荷分布，分析运动员不同时间段运动强度；

所述外部负荷评估模块，用于评估运动员一段时间内及一个赛季周期外部负荷量是否超限或不足；

所述显示模块，用于显示运动员运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部分析数据信息、负荷分布信息及负荷评估信息；

所述数据存储模块，用于存储数据管理。

所述数据处理模块，根据信息采集模块解析数据，对运动员的运动次数、训练密度及运动量进行计算机处理；

所述运动次数，依据运动员运动类型进行统计；所述运动类型分为运动训练、运动比赛，其中运动训练和运动比赛按照不同体育运动科目进一步细分；所述运动类型选择，在每次运动训练或运动比赛时，由人工在监控分析软件上进行选择确定；

所述训练密度，一段时间内训练时间与总时间的比值；所述训练时间，依据每次训练由软件自动获取；所述总时间，根据不同类别设定周期时间进行自动计算获得；所述总时间不同类别分为专业运动、体育校园运动和普通体育运动；

所述运动量，依据采集运动加速度信息、运动时间信息进行计算获得。

所述外部负荷分析模块，外部负荷分析包括外部负荷量分析和外部负荷强度分析；

所述外部负荷量，通过采集运动员运动时间、三个方向运动时加速度分量计算外部负荷量；所述三个方向运动加速度分量，通过运动采集终端内置9轴传感器采集三轴加速度信息获得；

所述a_x为运动采集终端采集前后方向的当前加速度分量；

所述a_x-1为运动采集终端采集前后方向的前一秒加速度分量；

所述a_y为运动采集终端采集左右方向的当前加速度分量；

所述a_y-1为运动采集终端采集左右方向的前一秒加速度分量；

所述a_z为运动采集终端采集竖直方向的当前加速度分量；

所述a_z-1为运动采集终端采集竖直方向的前一秒加速度分量；

所述外部负荷强度，通过计算一段时间内运动员运动速度、训练密度、运动位移，分析运动员外部负荷强度；

所述外部负荷量、外部负荷强度中的一段时间，由人工进行选择设定时间长度；

所述外部负荷分析，包括一段时间、一个赛季运动员的外部负荷量、外部负荷强度的时间分布，运动员不同训练科目外部负荷量、外部负荷强度的分析，不同运动员同一时间段外部负荷量、外部负荷强度的横向比较分析。

所述外部负荷评估模块，根据预先设定运动员基准外部负荷量、基准外部负荷强度，评估运动员在一段时间内、一个赛季周期的外部负荷量和外部负荷强度是否超限或不足；

所述基准外部负荷量，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷量计算的均值获得；

所述基准外部负荷强度，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷强度计算的均值获得。

所述显示模块，以数值、曲线及图形方式，显示运动员运动过程加速度信息、运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部负荷量信息、负荷分布信息，同时显示同一时间点不同运动员负荷分布。

本发明采用传感器技术、无线通信技术、GPS/北斗定位技术、数据分析技术等，能够对运动员的运动过程中的加速度、运动位移、外部负荷量、外部负荷强度等信息进行实时监测、分析。

本发明能够以时间段、运动周期、运动类型等方式对运动员外部负荷量、外部负荷强度进行纵向分析、评估，同时能够对不同运动员外部负荷量、外部负荷强度进行横向分析、评估，从而方便制定针对性训练计划，提高运动训练效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，其特征在于，它包括运动采集终端、监控分析终端、无线移动基站；所述运动采集终端能够通过无线移动基站、蓝牙或移动4G网与监控分析终端建立通信连接；

所述运动采集终端，用于采集运动员的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，同时将采集运动信息传输至监控分析终端；

所述无线移动基站，用于运动采集终端通信管理，并将接收数据转发给监控分析终端；

所述监控分析终端，用于接收各运动采集终端发送的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息，并对接收的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行解析，计算运动员的运动次数、训练密度，并进行纵向和横向分析、评估单个运动员和多个运动员的外部负荷量、外部负荷强度大小；

所述监控分析终端，内部安装外部负荷评估分析软件，该软件支持ios、android不同平台；所述外部负荷评估分析软件，包括信息采集模块、显示模块、数据处理模块、外部负荷分析模块、外部负荷评估模块、数据存储模块；

所述信息采集模块，用于将接收数据信息进行解码并发送至数据处理模块、外部负荷分析分析评估模块；

所述数据处理模块，用于对采集的运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息进行处理，计算运动员的运动次数、训练密度及运动量；

所述显示模块，用于显示运动员运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部分析数据信息、负荷分布信息及负荷评估信息；

所述数据存储模块，用于存储数据管理；

所述外部负荷分析模块，用于分析运动员一段时间内及一个赛季周期运动外部负荷量、外部负荷分布，通过外部负荷量大小、负荷分布，分析运动员不同时间段运动强度；所述外部负荷分析模块，外部负荷分析包括外部负荷量分析和外部负荷强度分析；

所述外部负荷量，通过采集运动员运动时间、三个方向运动时加速度分量计算外部负荷量；所述三个方向运动加速度分量，通过运动采集终端内置9轴传感器采集三轴加速度信息获得；

所述a_x为运动采集终端采集前后方向的当前加速度分量；

所述a_x-1为运动采集终端采集前后方向的前一秒加速度分量；

所述a_y为运动采集终端采集左右方向的当前加速度分量；

所述a_y-1为运动采集终端采集左右方向的前一秒加速度分量；

所述a_z为运动采集终端采集竖直方向的当前加速度分量；

所述a_z-1为运动采集终端采集竖直方向的前一秒加速度分量；

所述外部负荷强度，通过计算一段时间内运动员运动速度、训练密度、运动位移，分析运动员外部负荷强度；

所述外部负荷量、外部负荷强度中的一段时间，由人工进行选择设定时间长度；

所述外部负荷分析，包括一段时间、一个赛季运动员的外部负荷量、外部负荷强度的时间分布，运动员不同训练科目外部负荷量、外部负荷强度的分析，不同运动员同一时间段外部负荷量、外部负荷强度的横向比较分析；

所述外部负荷评估模块，用于评估运动员一段时间内及一个赛季周期外部负荷量是否超限或不足；

所述外部负荷评估分析软件外部负荷评估模块，根据预先设定运动员基准外部负荷量、基准外部负荷强度，评估运动员在一段时间内、一个赛季周期的外部负荷量和外部负荷强度是否超限或不足；

所述基准外部负荷量，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷量计算的均值获得；

所述基准外部负荷强度，通过一个正常训练周期采集的运动员外部负荷强度计算的均值获得。

2.根据权利要求1所述一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，其特征是：所述运动采集终端，是一种可穿戴设备，通过臂带固定在人体手臂处；

所述运动采集终端，内置有三轴加速度传感器、GPS/北斗定位模块、无线通讯模块、蓝牙模块、移动4G通信模块；

所述三轴加速度传感器，用于采集运动员运动状态下三轴方向加速度信息，并将采集信息由运动采集终端通过无线传输至监控分析终端；所述三轴分别为X轴、Y轴Z轴；所述运动采集终端与监控分析终端无线通信方式，包括采用无线移动基站、蓝牙、移动4G三种方式建立通信数据连接；所述运动采集终端无线通信方式选择，通过人工进行软件选择设定；

所述GPS/北斗定位模块，用于接收GPS/北斗时钟信息、经度信息、纬度信息、矢量速度信息和海拔信息；所述运动采集终端以接收GPS/北斗时钟为基准进行信息采集。

3.根据权利要求1所述一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，其特征是：所述监控分析终端，采用PAD终端，内置有wifi模块、蓝牙模块和移动4G通信模块，能够通过不同无线方式自动接收各运动采集终端传输的运动员运动加速度信息、运动速度信息、运动位移信息。

4.根据权利要求1所述一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，其特征是：所述外部负荷评估分析软件数据处理模块，根据信息采集模块解析数据，对运动员的运动次数、训练密度及运动量进行计算机处理；

所述运动次数，依据运动员运动类型进行统计；所述运动类型分为运动训练、运动比赛，其中运动训练和运动比赛按照不同体育运动科目进一步细分；所述运动类型选择，在每次运动训练或运动比赛时，由人工在监控分析软件上进行选择确定；

所述训练密度，一段时间内训练时间与总时间的比值；所述训练时间，依据每次训练由软件自动获取；所述总时间，根据不同类别设定周期时间进行自动计算获得；所述总时间不同类别分为专业运动、体育校园运动和普通体育运动；

所述运动量，依据采集运动加速度信息、运动时间信息计算获得。

5.根据权利要求1所述一种运用3轴传感器监测外部负荷评估系统，其特征是：所述外部负荷评估分析软件显示模块，以数值、曲线及图形方式，显示运动员运动过程加速度信息、运动速度信息、运动位移信息、运动次数信息、训练密度信息、外部负荷量信息、负荷分布信息，同时显示同一时间点不同运动员负荷分布。

Images