CN108379818A - 一种用于游泳运动的技术分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于游泳运动的技术分析系统及方法，包括基于无线传感器网络的数据采集模块、视频采集设备、同步设备和控制主机，基于无线传感器网络的数据采集模块包括用户佩戴的可穿戴装置、同步节点和无线网关，可穿戴装置中设置有用于采集数据的传感器节点；控制主机通过无线网关连接传感器节点，视频采集设备的视频信号有线连接至控制主机；同步节点接收控制主机信号输出无线传感器网络的同步脉冲信号至同步设备，同步设备控制视频采集设备与传感器节点信号同步采集视频实现整个系统同步。本发明能够在训练的实时状态下，精确获得运动视频并同步采集测量游泳运动员的生理参数、运动参数以及运动环境的参数。

Description

一种用于游泳运动的技术分析系统及方法

技术领域

本发明属于运动分析研究技术领域，具体为一种用于游泳运动的技术分析系统及方法。

背景技术

在现有游泳运动技术分析中，对于用户姿态的分析主要通过视频的手段，但是缺乏量化的具体参数。对游泳视频的分析对于视频拍摄的角度、视频的质量有较高要求，通常都会带来误差。

有少数游泳运动技术分析中采用了传感器技术，但是往往把视频和传感器的监测手段分离使用，这样会造成：单独采用视频分析技术动作，无法准确了解运动员在每个技术动作环节的发力情况；单独采用力量检测设备采集力量数据，无法准确判断运动员的力量状态在整个技术动作中的合理性。然而水下的特殊环境给同步传输带来很多困难。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术缺陷，实现在训练的实时状态下，精确获得运动视频并同步采集测量运动员关键部位运动状态，并在系统软件中进行实时显示和分析，使得教练员和运动员可以有效地评价运动员的身体状态和技术能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于游泳运动的技术分析系统，包括基于无线传感器网络的数据采集模块、视频采集设备、同步设备和控制主机，所述基于无线传感器网络的数据采集模块包括用户佩戴的可穿戴装置、同步节点和无线网关，所述可穿戴装置中设置有用于采集数据的传感器节点；控制主机通过无线网关连接所述传感器节点，视频采集设备的视频信号有线连接至控制主机；所述同步节点接收控制主机信号输出无线传感器网络的同步脉冲信号至同步设备，同步设备控制视频采集设备与传感器节点信号同步采集视频实现整个系统同步；所述基于无线传感器网络的数据采集模块中设置有数据存储装置，用于采集数据在无线传输前的存储；所述传感器节点包括人体生理参数传感器、人体运动参数传感器和环境参数传感器，所述人体运动参数传感器包括：三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁场传感器、水深数据传感器、位置信息传感器。

进一步的，所述视频采集设备为两种类型的相机，一种类型的相机设置在水下，另一种类型的相机设置在水上，各个相机从不同角度围绕拍摄对象设置。

进一步的，人体生理参数传感器，包括采集人体心率数据的传感器、采集血氧数据的传感器、采集肌电数据的传感器、采集体温数据的传感器、采集呼吸数据的传感器。

进一步的，环境参数传感器，包括运动环境中采集温度的传感器、采集湿度的传感器、采集海拔的传感器、采集空气质量的传感器。

进一步的，无线传感器网络的数据传输方式包括蓝牙，Wifi，ZigBee，NFC中任意一种无线通信。

一种基于所述用于游泳运动的技术分析系统的分析方法 ，包括布置现场测试环境、数据采集和数据分析储存；

具体步骤如下：

1)布置现场测试环境：为用户佩戴可穿戴设备，在试验场景中布置同步节点、视频采集设备、同步设备、以及控制主机；启动控制主机，对系统参数进行配置，包括视频采集设备的帧率、用户信息的录入、数据采集的时长、可穿戴设备佩戴位置的输入；启动同步设备、视频采集设备、可穿戴设备和同步节点，无线传感器网络此时实现网络内的同步；

2）数据采集：控制主机发出数据采集开始的指令；同步节点输出脉冲信号至同步设备，同步设备将控制信号传输至视频采集设备，实现视频采集设备和无线传感器网络的同步；视频采集设备同步进行视频采集并将视频数据通过有线传输的方式传输至控制主机； 无线传感器网络内可穿戴设备开始同步采集传感器数据，并将传感器数据暂时储存在数据存储装置中；

3）数据分析和存储：数据采集结束后，在泳池边进行可穿戴设备中传感器数据的无线传输，将同步采集到的传感器数据传送到控制主机中，进行储存，并和视频数据一起进行同步综合分析。

进一步的，单个用户在左腕、右腕、左脚踝、右脚踝、头部、背部、胸部佩戴可穿戴设备，通过控制主机对于佩戴位置和可穿戴设备进行配对。

进一步的，多个用户都在同侧手腕或脚踝佩戴可穿戴设备，通过控制主机进行配对后，在同时的运动过程中，通过分析多个可穿戴设备的传感器数据来对多个用户之间的运动状态进行对比。

进一步的，单个用户在左、右肢（包括左腕、右腕、左脚踝、右脚踝）佩戴可穿戴设备，通过控制主机进行配对后，在运动过程中，通过左、右肢可穿戴设备的传感器数据来对单个用户左右肢平衡能力进行分析。

进一步的，同步节点、同步设备、控制主机设置在水上，部分视频采集设备控制在水上，部分视频采集设备控制在水下。

本发明的有益效果是：

1、在游泳运动的技术分析中，首次把视频和传感器数据同步进行分析，实现在训练的实时状态下，精确获得运动视频并同步采集测量运动员关键部位运动表现，并在系统软件中进行实时显示和分析，使得教练员和运动员可以有效地评价运动员的身体状态和技术能力，达到“训练”与“测试”的融合。

2、首次使用了测量水深的传感器，以此判断用户在游进途中的身体姿态是否存在高低不平，或是否起伏过大，这样造成阻力太大，影响游进效率。

3、同时在左右臂/左右脚腕佩戴可穿戴设备，可以实现对左右两侧身体的力量评估，左右两侧身体在运动过程中的发力不均是造成游进效率低下的重要原因。

4、首次使用了采集呼吸数据的传感器，结合视频同步分析，以此判断用户在游进途中的换气状态是否合理，作为一项关键数据评价用户游泳的技术。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明系统整体结构示意图；

图2为数据采集流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种用于游泳运动的技术分析系统，包括基于无线传感器网络的数据采集模块、视频采集设备4、同步设备5和控制主机6，所述基于无线传感器网络的数据采集模块包括用户佩戴的可穿戴装置1、同步节点2和无线网关3，所述可穿戴装置1中设置有用于采集数据的传感器节点；控制主机6通过无线网关3连接所述传感器节点，视频采集设备4的视频信号有线连接至控制主机6；所述同步节点2接收控制主机信号输出无线传感器网络的同步脉冲信号至同步设备5，同步设备5控制视频采集设备4与传感器节点信号同步采集视频实现整个系统同步；所述基于无线传感器网络的数据采集模块中设置有数据存储装置，用于采集数据在无线传输前的存储；所述传感器节点包括人体生理参数传感器、人体运动参数传感器和环境参数传感器，所述人体运动参数传感器包括：三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁场传感器、水深数据传感器、位置信息传感器。人体生理参数传感器，包括采集人体心率数据的传感器、血氧数据的传感器、采集肌电数据的传感器、采集体温数据的传感器、采集呼吸数据的传感器。环境参数的传感器，包括运动环境中采集温度传感器、采集湿度的传感器、采集海拔的传感器、采集空气质量的传感器。

视频采集设备4为两种类型的相机，一种类型的相机设置在水下，另一种类型的相机设置在水上，各个相机从不同角度围绕拍摄对象设置。

无线传感器网络的数据传输方式包括蓝牙，Wifi，ZigBee，NFC中任意一种无线通信。

（1）基于无线传感器网络的数据采集模块：

每个用户可以佩戴一个或多个可穿戴设备采集用户的运动信息、生理参数和用户所处的环境信息。也可以同时为多个用户佩戴多个可穿戴设备，实现对多个用户各项参数的同步采集。

数据采集（包括用户的运动信息、生理参数和用户所处的环境信息数据）的同时，数据传输通过基于ZigBee协议的无线通信方式，传送至网关，由网关将将数据传送至计算机进而进行数据的分析。

无线传感器网络中的同步节点输出无线传感器网络的同步脉冲信号至同步设备，以此实现整个系统的时间同步。

同步节点与其他数据采集的节点处在同一个无线传感器网络中，彼此之间通过相互之间的通信计算时间延迟实现网络内的同步。同步节点等待PC端（控制主机）出发采集指示，同步输出脉冲信号至同步设备，以此控制视频采集设备的视频同步采集，从而实现整个系统的时间同步。PC端对系统的状态进行配置，发布系统开始采集的指令，收集系统采集的各种数据，对数据进行分析、显示和存储。

（2）视频采集设备

利用市售的现有摄像设备，包括工业相机和具备时间同步功能的专业摄像机。利用同步设备输出的控制信号，驱动视频采集设备进行同步的运动场景视频采集，进而对运动技术进行分析，结合传感器数据进行全面诊断和分析。

（3）同步设备

用于接收无线传感器网络的同步脉冲信号，并在最短时间内输出相应的控制信号，完成对视频采集设备的拍摄控制。

同步设备是基于单片机进行信号的控制。同步节点会通过有线的方式输出同步脉冲信号，同步设备通过对该脉冲信号进行响应，在10us之内输出控制视频采集设备进行视频采集的控制信号。

同步设备工作流程

在系统开始工作之前，计算机为同步设备进行参数配置，设置输出的控制信号频率，也就是控制摄像机的帧率。

在无线传感器网络实现网络内同步时，由同步节点输出脉冲信号至同步设备，同步设备输出控制信号至视频采集设备，一次实现了无线传感器网络和视频采集设备的同步。

同步设备可以输出两种电平的控制信号（各4路，共8路），分别对应两种类型的视频采集设备。也就是说，在一台同步设备工作时，可以同时接入两种视频采集设备各4台，共8台设备对运动场景进行视频采集。用户可以随意搭配两种视频采集设备进行使用。在需要扩展到更多台视频采集设备对运动场景进行采集时，在系统中接入多台同步设备，相应的每台同步设备可以接入最多8台视频采集设备，以此对系统进行扩展。

（4）控制主机（主控PC软件模块）：对整个系统的工作状态进行配置，将同步采集到的传感器数据和视频数据进行显示、存储和分析。

实施例2

如图1、2所示，一种基于实施1所述用于游泳运动的技术分析系统的分析方法 ，包括布置现场测试环境、数据采集和数据分析储存；

具体步骤如下：

1)布置现场测试环境：为用户佩戴可穿戴设备1，在试验场景中布置同步节点2、视频采集设备4、同步设备5、以及控制主机6；启动控制主机6，对系统参数进行配置，包括视频采集设备的帧率、用户信息的录入、数据采集的时长、可穿戴设备佩戴位置的输入；启动同步设备5、视频采集设备4、可穿戴设备1和同步节点2，无线传感器网络此时实现网络内的同步；

2）数据采集：控制主机6发出数据采集开始的指令；同步节点2输出脉冲信号至同步设备5，同步设备5将控制信号传输至视频采集设备4，实现视频采集设备4和无线传感器网络的同步；视频采集设备4同步进行视频采集并将视频数据通过有线传输的方式传输至控制主机；无线传感器网络内可穿戴设备1开始同步采集传感器数据，并将传感器数据暂时储存在数据存储装置中；

3）数据分析和存储：数据采集结束后，在泳池边进行可穿戴设备中传感器数据的无线传输，将同步采集到的传感器数据传送到控制主机6中，进行储存，并和视频数据一起进行同步综合分析。

单个用户在左腕、右腕、左脚踝、右脚踝、头部、背部、胸部佩戴可穿戴设备，通过控制主机对于佩戴位置和可穿戴设备进行配对。

多个用户都在同侧手腕或脚踝佩戴可穿戴设备，通过控制主机进行配对后，在同时的运动过程中，通过分析多个可穿戴设备的传感器数据来对多个用户之间的运动状态进行对比。

同步节点2、同步设备5、控制主机6设置在水上，部分视频采集设备控制在水上，部分视频采集设备控制下水下。

1、可穿戴设备

1）单一节点

将如图2所示的内容集成在一个可穿戴设备中，实现运动过程中各种数据的采集。用户佩戴的可穿戴设备通过传感器可以采集用户所在环境的环境参数（包括海拔、水深、温度、湿度、空气质量、位置）、用户的运动参数（包括加速度、角速度）、位置信息、生理参数（包括心率、血氧、肌电、体温、呼吸）。用户可以佩戴一个或多个可穿戴设备，佩戴的位置包括：左手腕、右手腕、左脚踝、右脚踝、头部、背部、胸部。

单一节点的构成详述如下：

传感器芯片：采集人体生理参数的传感器芯片：包括采集人体心率数据、血氧数据、肌电数据、体温数据、呼吸数据的传感器芯片。采集人体运动参数的传感器芯片：包括采集三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴磁场数据、水深数据、位置信息。采集运动环境参数的传感器芯片：包括采集运动环境的温度、湿度、海拔、空气质量。

数据存储：实现传感器数据的存储功能。数据采集完成之后，由于水下的信道环境不适于无线传输，因此传感器数据需要首先进行存储，在游泳运动完毕之后，在泳池边实现由存储数据的无线传输。

无线传输：通过多种方式实现数据的无线传输。系统集成了包括蓝牙，Wifi，ZigBee，NFC四种无线通信的功能，可满足在不同条件下的无线通信。

电源：包括电池和电源管理。采用可充电的锂电池，实现为系统的供电。

时钟管理：为系统提供时钟信号。

2）组网

工作模式共分为两种：一种为单个用户可以佩戴一个或多个可穿戴设备，可以采集用户在一次游泳运动进程中身体各个部位的各项参数，以对单个用户的运动进程进行评价和分析。一种为多个用户可以同时佩戴多个可穿戴设备，可以采集多个用户在一次运动过程中身体各个部位的各项参数，以针对各个用户进行比较。

视频采集设备：支持8个视频采集设备的同步视频采集。多个视频采集设备在接收到来自同步设备的控制信号之后，开始视频的拍摄，实现对整个游进过程的视频录制。视频通过有线传输的方式传送至计算机端，用以进行后续的分析和处理。

2、同步设备

同步设备从无线传感器网络得到视频开始采集的脉冲信号，生成预置参数的脉冲信号，从而控制视频采集设备进行视频同步采集。

3、计算机软件

对整个系统的工作状态进行配置，将同步采集到的传感器数据和视频数据进行显示、存储和分析。主控软件主要包括三种工作模式：采集模式，播放模式和分析模式。

采集模式：其主要功能为：以训练现场的在线式高速数据采集、现场分析为场景，在软件设计中采用专门的实时控制算法，大大加快系统对每种设备的响应速度，使得整个系统具备同步控制不同类型多个设备的同步数据采集功能，尤其是实现多台高速相机的同步视频捕捉，以及微型传感器与视频设备的同步视频采集。

播放模式：对所采集的视频和传感器数据进行同步播放；对每个动作进行单独分解，循环播放指定的动作；慢速播放或者单帧前进、单帧后退；选定播放区间，便于对重点和难点动作的深入分析；可以从视频片段中截取不同数量的静态画面；可以反交错处理；等等。

分析模式：在此模块中，设计并实现了强大的数据分析功能，例如，对于传感器数据，可以灵活地选择不同的显示方式（不同类型的图表、数字）；选择要分析的数据、视频的时间范围；选择要分析的传感器数据通道、视频通道；选定播放速度；绘制辅助图形；画面叠加；打印分析报告等。

Claims (10)

1.一种用于游泳运动的技术分析系统，包括基于无线传感器网络的数据采集模块、视频采集设备（4）、同步设备（5）和控制主机（6），其特征在于：所述基于无线传感器网络的数据采集模块包括用户佩戴的可穿戴装置（1）、同步节点（2）和无线网关（3），所述可穿戴装置（1）中设置有用于采集数据的传感器节点；控制主机（6）通过无线网关（3）连接所述传感器节点，视频采集设备（4）的视频信号有线连接至控制主机（6）；所述同步节点（2）接收控制主机信号输出无线传感器网络的同步脉冲信号至同步设备（5），同步设备（5）控制视频采集设备（4）与传感器节点信号同步采集视频实现整个系统同步；所述基于无线传感器网络的数据采集模块中设置有数据存储装置，用于采集数据在无线传输前的存储；所述传感器节点包括人体生理参数传感器、人体运动参数传感器和环境参数传感器，所述人体运动参数传感器包括：三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁场传感器、水深数据传感器、位置信息传感器。

2.根据权利要求1所述的用于游泳运动的技术分析系统，其特征在于：所述视频采集设备为两种类型的相机，一种类型的相机设置在水下，另一种类型的相机设置在水上，各个相机从不同角度围绕拍摄对象设置。

3.根据权利要求1所述的用于游泳运动的技术分析系统，其特征在于：人体生理参数传感器，包括采集人体心率数据的传感器、采集血氧数据的传感器、采集肌电数据的传感器、采集体温数据的传感器、采集呼吸数据的传感器。

4.根据权利要求1所述的用于游泳运动的技术分析系统，其特征在于：环境参数传感器，包括运动环境中采集温度的传感器、采集湿度的传感器、采集海拔的传感器、采集空气质量的传感器。

5.根据权利要求1所述的用于游泳运动的技术分析系统，其特征在于：无线传感器网络的数据传输方式包括蓝牙，Wifi，ZigBee，NFC中任意一种无线通信。

6.一种基于权利要求1所述用于游泳运动的技术分析系统的分析方法 ，包括布置现场测试环境、数据采集和数据分析储存；其特征在于，

具体步骤如下：

1)布置现场测试环境：为用户佩戴可穿戴设备，在试验场景中布置同步节点、视频采集设备、同步设备、以及控制主机；启动控制主机，对系统参数进行配置，包括视频采集设备的帧率、用户信息的录入、数据采集的时长、可穿戴设备佩戴位置的输入；启动同步设备、视频采集设备、可穿戴设备和同步节点，无线传感器网络此时实现网络内的同步；

2）数据采集：控制主机发出数据采集开始的指令；同步节点输出脉冲信号至同步设备，同步设备将控制信号传输至视频采集设备，实现视频采集设备和无线传感器网络的同步；无线传感器网络内可穿戴设备开始同步采集传感器数据，并将传感器数据暂时储存在数据存储装置中；视频采集设备同步进行视频采集并将视频数据通过有线传输的方式传输至控制主机；

3）数据分析和存储：数据采集结束后，在泳池边进行可穿戴设备中传感器数据的无线传输，将同步采集到的传感器数据传送到控制主机中，进行储存，并和视频数据一起进行同步综合分析。

7.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：单个用户在左腕、右腕、左脚踝、右脚踝、头部、背部、胸部佩戴可穿戴设备，通过控制主机对于佩戴位置和可穿戴设备进行配对。

8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：多个用户都在同侧手腕或脚踝佩戴可穿戴设备，通过控制主机进行配对后，在同时的运动过程中，通过分析多个可穿戴设备的传感器数据来对多个用户之间的运动状态进行对比。

9.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：单个用户在左、右肢佩戴可穿戴设备，通过控制主机进行配对后，在运动过程中，通过左、右肢可穿戴设备的传感器数据来对单个用户左右肢平衡能力进行分析。

10.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：同步节点、同步设备、控制主机设置在水上，部分视频采集设备控制在水上，部分视频采集设备控制在水下。