CN108983251A - 一种便携式立定跳远测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式立定跳远测量方法。本发明首先使用气泡水平仪挑选一块水平的地面，按照简易安装图标出起跳线和安装位置，启动激光扫描雷达360度旋转获取数据，微控制器则根据传感器传来的<角度，距离>这一对对数量值进行软件滤波，筛选位于虚拟边界之内的有效数据。对边界之内的有效数据值采用Kmeans聚类算法识别双脚目标和噪声目标。对跳远落地时的双脚目标取距离最小值用于判断跳远距离。本发明大大减少了立定跳远测量装置的体积，增加了装置便携性。

Description

一种便携式立定跳远测量方法

技术领域

本发明涉及体育器械技术领域，特别是涉及一种立定跳远测量方法。

背景技术

传统立定跳远测量往往是体育老师通过在普通平地上事先通过卷尺测量好距离，并用粉笔在地面上记录刻度，通过目测方式记录跳远成绩，对学生跳远时的起跳越线判定仅凭肉眼决定，存在一定的误判和漏判。近些年来陆陆续续出现了一些基于红外传感器阵列的跳远自动化测量装置，这些装置通常需要一块固定的跳远区域用于安装传感器，控制主机等，且不易便携。本发明着重解决传统红外传感器阵列测量技术需要固定安装的局限性，设计一套基于激光扫描雷达技术的便携式跳远测量方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光扫描雷达传感器的便携式立定跳远测量方法。

本发明所采用的技术方案是：该方法所使用的系统包含激光扫描雷达测距传感器，嵌入式微控制器主板，ABS工程塑料固定基板，触摸液晶显示器，气泡水平仪，基于嵌入式linux系统的实时数据采集分析系统。所使用激光扫描雷达固定于ABS工程塑料固定基板底部，嵌入式微控制器主板固定于ABS工程塑料固定基板内部，触摸液晶显示器则位于固定基板顶部表面。系统工作时，首先使用气泡水平仪挑选一块水平的地面，按照简易安装图（附图2）标出起跳线和安装位置，启动激光扫描雷达360度旋转获取距离，微控制器则根据传感器传来的<角度，距离>这一对对数量值进行软件滤波，筛选位于虚拟边界之内的有效数据。对边界之内的有效数据值采用Kmeans聚类算法识别双脚目标和噪声目标，噪声目标通常是由于地面不平或其余不明小物体干扰产生。对识别的双脚目标点选择最大值用于判断起跳时是否超过起跳线而违规，对跳远落地时的双脚目标取距离最小值用于判断跳远距离。对于跳远越线等提示信息和测量的跳远距离信息可以在液晶显示屏上显示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果是使用单颗激光扫描雷达360度旋转扫描获取双脚目标的定位信息，并采用一种改进初始点选取方式的Kmeans聚类算法对双脚目标进行识别，对比采用普通红外传感器阵列的跳远测量装置，大大减少了立定跳远测量装置的体积，增加了装置便携性，因此体育老师可以根据需要在任何符合立定跳远要求的空地使用本装置进行跳远测量。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为使用本发明的简易安装图；

图3为使用本发明计算距离示例图；

图中：1、气泡水平仪安装位置，2、ABS工程塑料，3、触摸液晶显示屏，4、激光扫描雷达传感器，5、USB接口，6、microUSB充电接口，7、虚拟的跳远测量有效区域，8、本装置安装于地上时固定位置，9、虚拟的起跳线，10、虚拟的跳远准备区域。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进一步详细描述。

请参阅图1，本发明提供一种便携式激光扫描雷达立定跳远测量装置。水平气泡仪1用于测量安装地面的水平程度，如地面不水平将大大降低测距算法的有效性和双脚目标识别算法的可靠性。外壳固定装置采用ABS工程塑料2制成，具有良好的硬度和可塑性。一块触摸液晶显示器3用于用户和测量系统进行交互和显示跳远测量时相关信息。激光扫描雷达传感器4，工作时扫描激光雷达以约8转/秒的转速扫描，通过USB串口向微控制器发送<角度，距离>信息。USB接口5，用于外接U盘或向外发送数据便于系统扩展。microUSB充电接口6用于向系统充电。

请参阅图2，系统使用者根据使用需求可以临时在地面画出跳远测量时使用的起跳线9及跳远边框（编号7和10组成），跳远边框用于规定跳远准备区域10和跳远测量有效区域7，跳远起跳准备线及有效区域的宽度为1.0m，设备固定于跳远区域右侧垂直于起跳线的框线上，设备头部紧贴右侧框线，且中心线距离到起跳线距离为1.2m。

请参阅图3，通常将多次扫描中采集的反射点（可以是双脚的反射点或噪声反射点）以激光扫描雷达安装的点作为原点（图中O点）建立坐标系，反射点表示采用2维向量X_i=(X_i ⁽¹⁾, X_i ⁽²⁾),i=1,2,3……n，n为采集的反射点个数。使用改进初始点选取方式的K-means聚类算法，通过先验经验获知通常噪声仅随机集中在一小块区域内且数量点较少，因此K值取2（将分为双脚反射的有效信号点簇和噪声点簇）聚类算法距离度量采用L₂距离度量方式（欧式距离）。算法运作流程如下：

1）输入传感器得到的反射信号集合D={X₁,X₂,…, X_m},聚类的簇数K=2，最大迭代次数N=100。

2）从反射信号集合中分别计算任意两个点之间的欧式距离，挑选欧式距离最大的两个向量作为划分的簇质心向量{μ₁，μ₂}。

3）对于n=1,2,…,N循环

3-1）将聚类簇划分为C_t= Ø，t=1,2；

3-2）对于i=1,2,…,m,计算各个信号反射点到簇质心向量{μ₁，μ₂}的欧式距离，，j=1，2，将X_i加入距离较小的簇集合；

3-3）每个样本划分类别结束后，重新计算每个聚类样本簇的质心；

3-4）如果质心相比上一轮循环的结果没有变化则跳出循环。

4)根据聚类结果将反射信号样本标记为噪声点簇和反射信号点簇。

上述算法最大迭代次数为了保证在有效的时间内给出结果，故设定N=100，通常算法会在100次之内完成迭代。通过上述算法的多次迭代，划分出噪声点簇和双脚反射信号点簇，对于有效的信号点簇通过筛选出最小值用于表示脚后跟的反射点（如图中A点）。距离AC为所需要求得的跳远距离，用AC=AB+BC求得，BC为固定的1.2m，AB通过即可求得距离。同理对于判断起跳是否越线的方式可以通过计算双脚反射点信号簇的最大值即可判断脚尖是否越线。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可进行种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。

Claims (4)

1.一种便携式立定跳远测量方法，采用激光扫描雷达测距传感器和气泡水平仪，其特征在于：

使用气泡水平仪挑选一块水平的地面，标记起跳线并安装激光扫描雷达测距传感器；

根据标记的起跳线确定虚拟边界，所述的虚拟边界内包括了跳远准备区域和跳远测量有效区域，所述激光扫描雷达测距传感器的中轴线与起跳线平行，且相距设定的距离；

启动激光扫描雷达测距传感器来获取数据，微控制器根据激光扫描雷达测距传感器传来的<角度，距离>这一对对数量值进行滤波，筛选位于虚拟边界之内的有效数据；对虚拟边界之内的有效数据值采用Kmeans聚类算法识别双脚目标和噪声目标，对跳远落地时的双脚目标取距离最小值用于判断跳远距离。

2.根据权利要求1所述的一种便携式立定跳远测量方法，其特征在于：所述的Kmeans聚类算法具体是：

1）设由激光扫描雷达测距传感器得到的反射信号集合D={X₁,X₂,…, X_m},聚类的簇数K=2，最大迭代次数N=100，集合D中的数据为二维向量，代表角度和距离；

2）从反射信号集合中分别计算任意两个点之间的欧式距离，挑选欧式距离最大的两个向量作为划分的簇质心向量{μ₁，μ₂}

3）对于n=1,2,…,N循环；

3-1）将聚类簇划分为C_t= Ø，t=1,2；

3-2）对于i=1,2,…,m,计算各个信号反射点到簇质心向量{μ₁，μ₂}的欧式距离，，j=1，2，将X_i加入距离较小的簇集合；

3-3）每个样本划分类别结束后，重新计算每个聚类样本簇的质心；

3-4）如果质心相比上一轮循环的结果没有变化则跳出循环；

4)根据聚类结果将反射信号样本标记为噪声点簇和反射信号点簇。

3.根据权利要求1所述的一种便携式立定跳远测量方法，其特征在于：

对跳远落地时的双脚目标选择最大值用于判断起跳时是否超过起跳线而违规。

4.根据权利要求1所述的一种便携式立定跳远测量方法，其特征在于：所述的激光扫描雷达测距传感器固定于ABS工程塑料固定基板底部，同时在ABS工程塑料固定基板内部固定嵌入式微控制器主板，位于ABS工程塑料固定基板顶部表面固定触摸液晶显示器，用于用户和测量系统进行交互和显示跳远测量时相关信息。