CN110665208A

CN110665208A - 一种运动员定位方法及定位系统

Info

Publication number: CN110665208A
Application number: CN201910939896.2A
Authority: CN
Inventors: 张渤; 谢金辰
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110665208B

Abstract

本发明提供一种运动员定位方法及定位系统，其中定位方法包括：将运动场网格化，以运动场的中心点为坐标原点建立第一直角坐标系；在运动场上选取多个参考节点，测量每个网格顶点的RSSI值，建立网格顶点RSSI值的匹配数据库；确定射频参数A和信号传输常数n的值；实时测量运动员所在位置处的RSSI值，计算出运动员所在位置到各个参考节点的距离；计算运动员的初步坐标；根据运动员的初步坐标确定运动员所在网格；计算运动员到运动员所在网格的每个网格顶点的距离；计算运动员的精确坐标。定位系统包括设置在参考节点处的定位接收器、设置在运动员身上的定位发射器以及上位机。本发明提供的运动员定位方法及定位系统能够更加准确的定位运动员位置。

Description

一种运动员定位方法及定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种运动员定位方法及定位系统。

背景技术

在足球运动、篮球运动等运动中，运动员的跑动跑位能力可以直接影响比赛的结果，所以跑动跑位能力是运动员重要的基本能力素质之一，也是教练员考核球员的一项重要指标。现在对运动员的跑动能力以及时机判断的要求越来越高。实时定位系统对运动员的位置进行实时定位、保存和分析跑动轨迹，根据运动轨迹推算出运动员的运动量、消耗相关的参数。因此，实时定位在足球、篮球等运动中起到关键作用。现有技术中采用的定位方法对运动员的定位不够精确，无法得到准确的数据。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种运动员定位方法，方法包括：

将运动场网格化，在运动场上建立第一直角坐标系；在运动场上选取多个参考节点，分别以每一个参考节点为基准测量每个网格顶点的RSSI值，建立网格顶点RSSI值的匹配数据库；确定射频参数A和信号传输常数n的值；实时测量运动员所在位置处的RSSI值，计算出运动员所在位置到各个参考节点的距离；计算运动员的初步坐标；根据运动员的初步坐标确定运动员所在网格；计算运动员到运动员所在网格的每个网格顶点的距离；计算运动员的精确坐标。

进一步的，确定射频参数A和信号传输常数n的值包括：随机选取两个网格顶点；分别测量选取的两个网格顶点到距离最近的参考节点的距离；从匹配数据库中分别获取以距离最近的参考节点为基准测量的两个网格顶点的RSSI值；计算射频参数A以及信号传输常数n的值。

进一步的，参考节点为4个，运动场为矩形，参考节点分别设置在运动场的4个顶点处。

进一步的，计算运动员的初步坐标包括：比较以不同的参考节点为基准测量的运动员所在位置处的RSSI值，选择其中3个最大的RSSI值所对应的参考节点，计算出运动员的初步坐标。

进一步的，计算运动员的初步坐标包括：从4个参考节点中随机选取3个参考节点，共有3种选择结果；分别根据3种选择结果计算出3个坐标；将3个坐标代表的点连接所形成的三角形的质心坐标作为运动员的初步坐标。

进一步的，计算运动员到运动员所在网格的每个网格顶点的距离包括：将以不同参考节点为基准计算得出的运动员到运动员所在网格的网格顶点A的距离相加后取平均值，将平均值作为最终的运动员到网格顶点A的距离；采用与计算运动员到网格顶点A的距离相同的方法计算运动员到网格顶点B、网格顶点C、网格顶点D的距离。

进一步的，计算运动员的精确坐标包括：以运动员所在网格的质心为原点建立第二直角坐标系；根据第二直角坐标系重新确定运动员所在网格的网格顶点的坐标；在运动员所在网格的网格顶点中随机选择3个网格顶点，分别将随机选择的3个网格顶点重新确定的坐标以及运动员到随机选择的3个网格顶点的距离代入到公式(X_运-X_参)²+(Y_运-Y_参)²＝d²中，计算出运动员的精确坐标。

本发明还提供一种运动员定位系统，系统包括设置在参考节点处的定位接收器、佩戴在运动员身上的定位发射器以及上位机；定位接收器接收定位发射器发射的定位请求信号，并向定位发射器发射包含定位接收器的坐标以及定位接收器接收到的定位请求信号的RSSI值的信息包；定位发射器包括控制计算器，控制计算器用于使用上述的运动员定位方法计算运动员的位置坐标；定位发射器在计算出运动员的位置坐标后将位置坐标发送给上位机，上位机根据位置坐标描绘出运动员的运动轨迹。

本发明提供的运动员定位方法及定位系统，采用二次三边定位法及RSSI测距，能够得到更加精准的运动员位置坐标，实现运动员精准定位，并根据运动员的准确定位描绘出运动员精准的运动轨迹，为之后推算运动员的运动量、消耗相关的参数提供准确的依据。

附图说明

图1为本发明一种实施例的运动员定位方法流程示意图；

图2为本发明另一种实施例的网格化的运动场示意图；

图3为本发明另一种实施例的运动员定位系统的结构示意图。

1-定位接收器、2-定位发射器、3-上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明主要利用三边定位法与RSSI测距相结合来确定运动员的准确位置，RSSI技术主要是根据参考节点接收到的信号强度值，通过传播信号的经验或理论模型公式，直接转换成参考节点与移动节点的距离值。理论上，随着距离的增加，无线信号会衰减，所以接受到的RSSI会降低。根据这样的关系，可以直接通过RSSI值求得两个节点之间的距离量。具体的，根据以下公式进行计算RSSI＝-(10n×log₁₀ d+A)，其中，A为射频参数，RSSI值已知，n是信号传输常数，d为移动节点到参考节点之间的距离，在本发明中，移动节点即为运动员所在位置，参考节点是预先设置的已知坐标位置的节点。

如图1所示，本发明一实施例的运动员定位方法包括以下步骤：

步骤S101：将运动场网格化，在运动场上建立第一直角坐标系。

具体的，将运动场划分为多个大小相等的网格，每个网格可以是正方形或是长方形。优选的，以运动场的中心点为坐标原点在运动场上建立第一直角坐标系，将运动场分为4个象限，当然，也可以以运动场上的其他位置为坐标原点建立第一直角坐标系，本发明不对坐标原点位置进行限制。

如图2所示，以足球场为例，当前的足球场规格一般长度为90m-110m,宽度为宽度为45m-90m，在实际应用中应当根据足球场规格将足球场均匀划分为多个大小相等的正方形或长方形的网格。以足球场的规格为长为110m，宽为70m为例，将足球场均匀分成3m×3m的小正方形网格约850个。建立第一直角坐标系时可以以足球场的中圈中心点为原点，以足球场的长度方向作为X轴方向，以足球场的宽度方向作为Y轴方向建立第一直角坐标系。

步骤S102：在运动场上选取多个参考节点，分别以每一个参考节点为基准测量每个网格顶点的RSSI值，建立网格顶点RSSI值的匹配数据库。

由于本方案需要用到3边定位法，因此参考节点的个数应当大于等于3个。参考节点的位置是预先选择好的，根据预先建立的第一直角坐标系可以直接得到参考节点的坐标。由于参考节点为多个，每个参考节点测量的网格顶点处的RSSI值都是不同的，因此需要以每一个参考节点为基准，分别测量每一个网格顶点处的RSSI值。可选的，测量方法为在网格顶点处设置定位发射器发射定位信号给参考节点，在参考节点上设置定位接收器接收定位信号，并将接收到的定位信号转换为RSSI值，该RSSI值即为网格顶点处的RSSI值。将测量得到的所有的网格顶点的RSSI值以及该RSSI值对应的参考节点的坐标、网格顶点的坐标进行存储，形成网格顶点RSSI值的匹配数据库。应当能够理解的，设置了多少个参考节点，每一个网格顶点就对应包含了多少个RSSI值，例如设置4个参考节点，每一个网格顶点就有4个RSSI值，每一个RSSI值与一个参考节点对应。

步骤S103：确定射频参数A和信号传输常数n的值；

由于在本发明的实施例中，需要使用公式RSSI＝-(10n×log₁₀ d+A)确定运动员与参考节点的距离d，其中，A为射频参数，RSSI值为信号强度指示，可以通过测量直接得出，n是信号传输常数。因此，在确定运动员与参考节点之间的距离d之前应当先确定射频参数A以及信号传输常数n的值。具体的，射频参数A以及信号传输常数n的值的最佳范围为45-49，n值的最佳范围为3.25-4.5，当射频参数A以及信号传输常数n的值在最佳范围内时，能够减小最终的运动员的定位误差。射频参数A以及信号传输常数n的取值与环境情况有关，现有技术中常通过通过线性回归分析来估计参数A和n的值，得到最适合目前环境情况的参数值。

步骤S104：实时测量运动员所在位置处的RSSI值，计算出运动员所在位置到各个参考节点的距离；

可选的，可以在运动员身上设置定位发射器，定位发射器会实时发射定位信号给参考节点处的定位接收器，定位接收器接收到定位信号后生成RSSI值，即为运动员所在位置处的RSSI值。由于参考节点为多个，因此运动员所在位置处的RSSI值也为多个。根据公式RSSI＝-(10n×log₁₀ d+A)可以计算出运动员所在位置到各个参考节点的距离。

步骤S105：计算运动员的初步坐标；

各个参考节点的坐标是已知的，运动员所在位置到各个参考节点的距离在步骤S104中已经计算得到，选择其中3个参考节点，根据这3个参考节点的位置坐标(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)以及相应的这3个参考节点到运动员所在位置的距离d₁、d₂、d₃来计算运动员的初步坐标(X,Y)，

解开上述方程式即可得到足球运动员的初步坐标(X,Y)。

步骤S106：根据运动员初步坐标确定运动员所在的网格。

具体的，根据运动员的初步坐标以及第一直角坐标系中各个网格顶点的坐标值，即可确定运动员所在的具体的网格。

步骤S107：计算运动员到运动员所在网格的网格顶点的距离；

具体的，可以选择一个参考节点作为基准，将该参考节点所测量出的运动员当前位置处的RSSI值与该参考节点所测量出的运动员所在网格的4个网格顶点的RSSI值分别做差，将得到的4个差值的绝对值分别代入到公式

中，得到运动员到4个网格顶点的距离d。其中，ABS(RSSI)即为需要代入的差值的绝对值。通过上述方法可以求出足球运动员到所在的网格的4个网格顶点的距离。其中，参考节点测量的网格顶点的RSSI值已经预先存储在了匹配数据库中。

步骤S108：计算运动员的精确坐标。

具体的，为便于说明，将运动员所在网格的4个网格顶点记为A、B、C、D，由于网格顶点A、B、C、D的坐标是已知的，运动员到网格顶点A、B、C、D的距离也在步骤S106中求出。可以随机选取其中3个网格顶点，例如选择网格顶点A、B、C，网格顶点A、B、C的坐标为(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)、(X_C,Y_C)，网格顶点A、B、C到运动员所在位置的距离分别记为d_A、d_B、d_C，将坐标以及距离代入到公式(X_运-X_参)²+(Y_运-Y_参)²＝d²中，得到方程组

进行求解，即可得到足球运动员的精确坐标。

通过上述过程，在计算出运动员的初步坐标后将运动员的位置确定在预先划分好的网格内，再次通过RSSI测距以及三边定位法进行计算，从而得出运动员的精确坐标，可以有效减小计算误差，增加定位的精准性。

在本发明的又一实施例中，确定射频参数A和信号传输常数n的值的方法为：在网格化的足球场上随机任意选取两个网格顶点，记为网格顶点D、网格顶点E。分别测量选取的网格顶点D、E到距离最近的参考节点的距离，记为d_D、d_E。从匹配数据库中获取以距离最近的参考节点为基准测量的D、E两点的RSSI值，分别将D点的RSSI值以及d_D,E点的RSSI值以及d_E代入公式：RSSI＝-(10n×log₁₀ d+A)，计算得到射频参数A以及信号传输常数n。由于信号传输常数n以及射频参数A极易受到环境的影响，因此在每次对运动员定位之前都需要重新确定信号传输常数n以及射频参数A，以便减小误差。本实施例中的信号传输常数n以及射频参数A的确定方法简单、快速；并且由于是实地测量而得，准确率高。

进一步的，在本发明的又一实施例中，参考节点为4个，运动场为矩形，参考节点分别设置在运动场的4个顶点处。以运动场为足球运动场为例，则参考节点设置在足球运动场得4个角旗位置处。

进一步的，在本发明的又一实施例中，计算运动员的初步坐标包括：比较以不同参考节点为基准测量的运动员所在位置的RSSI值，选择其中3个最大的RSSI值所对应的参考节点，使用上述步骤S105中的计算方法，计算出运动员的初步坐标。事实上，由于参考节点与运动员所在位置的距离越大，测量到的RSSI值会越不准确，误差会增大，在本实施例中，选择3个最大的RSSI值所对应的参考节点，即选择与运动员所在位置距离最近的3个参考节点进行计算，能够有效减小计算误差。

进一步的，在本发明的又一实施例中，计算运动员初步坐标包括：从4个参考节点随机选取3个参考节点，共有3种选择结果，为方便说明，假设4个参考节点分别为记为H、I、J、K，从4个参考节点中随机选择3个参考节点，3种选择结果包括：第一种：选择参考节点H、I、J，第二种选择参考节点I、J、K，第三种选择参考节点H、J、K。已知4个参考节点的坐标，在上述的步骤S104中已经计算出运动员到这4个参考节点的距离，使用步骤S105中的方法根据这三种选择结果可以分别计算出3个坐标；将计算出的3个坐标代表的点连接所形成的三角形的质心坐标作为足球运动员初步坐标。由于在测量过程中会存在误差，通常情况下根据上述的三种情况所确定的运动员初步坐标不会重合，无论选取哪一个坐标作为运动员初步坐标误差都很大，因此在本发明的实施例中，将计算3个坐标点连线形成三角形，取三角形的质心作为运动员的初步坐标能够进一步的减小误差。

在本发明的又一实施例中，计算运动员到运动员所在网格的每个网格顶点的距离包括：将以不同参考节点为基准计算得出的运动员到网格顶点A的距离相加后取平均值，将平均值作为最终的运动员到网格顶点A的距离；采用与计算运动员到网格顶点A的距离相同的方法计算运动员到网格顶点B、网格顶点C、网格顶点D的距离。在本实施例中，网格顶点的名称A、B、C、D是为了便于区分而设置的，不具有特殊含义。由于存在误差，以不同的参考节点为基准计算的运动员到网格顶点的距离得出的结果是不同的，因此分别以不同的参考节点为基准计算出运动员到网格顶点的距离，将计算出的距离相加取平均值作为运动员到网格顶点的距离能够减少误差。

在本发明的又一实施例中，计算运动员的精确坐标包括：以运动员所在网格的质心为原点建立第二直角坐标系；根据第二直角坐标系重新确定运动员所在网格的网格顶点A、B、C、D的坐标，在网格顶点A、B、C、D中随机选择3个网格顶点,如随机选择网格顶点A、B、C,将重新确定的网格顶点A、B、C的坐标以及运动员到网格顶点A、B、C的距离分别代入到公式(X_运-X_参)²+(Y_运-Y_参)²＝d²中，得到方程组：

计算出运动员的精确坐标(X，Y)。在本实施例中，以运动员所在网格的质心建立第二直角坐标系，由于每个网格的规格都是预先设置好的，因此可以直接重新确定网格顶点的坐标，使用重新确定的网格顶点的坐标计算运动员的精确坐标，得出的坐标更加准确，有效减少误差。当然，应当注意的是，由于建立了第二直角坐标系，因此最后得到的运动员的精确坐标是以第二直角坐标系为基准的坐标值。

本发明还提供一种运动员定位系统，系统包括设置在参考节点处的定位接收器1、佩戴在运动员身上的定位发射器2以及上位机3；定位接收器1接收定位发射器2发射的定位请求信号，并向定位发射器2发射包含定位接收器1的坐标以及定位接收器1接收到的定位请求信号的RSSI值的信息包；定位发射器2包括控制计算器，控制计算器用于使用上述的运动员定位方法计算运动员的位置坐标；定位发射器2在计算出运动员的位置坐标后将位置坐标发送给上位机3，上位机3根据位置坐标描绘出运动员的运动轨迹。本发明提供的运动员定位系统，结构简单，并采用上述的二次三边定位及RSSI测距方法，能够将运动员位置准确计算出来，实现对运动员位置的精准定位。另外，由于在运动场上可能出现多个运动员均佩戴定位发射器的情况，为了对运动员进行区分，可以使定位发射器在发射信号时附加一个16位标识号，标识号为16位的短地址，利用这个标识号可以获取佩戴者的身份信息，从而将不同的定位发射器发射的信号区分开。

本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味构成限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的前提下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。

Claims

1.一种运动员定位方法，其特征在于，所述方法包括：

将运动场网格化，在所述运动场上建立第一直角坐标系；

在所述运动场上选取多个参考节点，分别以每一个所述参考节点为基准测量每个网格顶点的RSSI值，建立网格顶点RSSI值的匹配数据库；

确定射频参数A和信号传输常数n的值；

实时测量运动员所在位置处的RSSI值，计算出所述运动员所在位置到各个参考节点的距离；

计算运动员的初步坐标；

根据所述运动员的初步坐标确定运动员所在网格；

计算运动员到所述运动员所在网格的每个网格顶点的距离；

计算运动员的精确坐标。

2.如权利要求1所述的一种运动员定位方法，其特征在于，所述确定射频参数A和信号传输常数n的值包括：

随机选取两个网格顶点；

分别测量选取的所述两个网格顶点到距离最近的参考节点的距离；

从所述匹配数据库中分别获取以所述距离最近的参考节点为基准测量的所述两个网格顶点的RSSI值；

计算射频参数A以及信号传输常数n的值。

3.如权利要求1所述的一种运动员定位方法，其特征在于，所述参考节点为4个，所述运动场为矩形，所述参考节点分别设置在所述运动场的4个顶点处。

4.如权利要求1所述的一种运动员定位方法，其特征在于，所述计算运动员的初步坐标包括：

比较以不同的参考节点为基准测量的运动员所在位置处的RSSI值，选择其中3个最大的RSSI值所对应的参考节点，计算出运动员的初步坐标。

5.如权利要求3所述的一种运动员定位方法，其特征在于，所述计算运动员的初步坐标包括：

从所述4个参考节点中随机选取3个参考节点，共有3种选择结果；

分别根据所述3种选择结果计算出3个坐标；

将所述3个坐标代表的点连接所形成的三角形的质心坐标作为运动员的初步坐标。

6.如权利要求1所述的一种运动员定位方法，其特征在于，所述计算运动员到所述运动员所在网格的每个网格顶点的距离包括：

将以不同参考节点为基准计算得出的运动员到所述运动员所在网格的网格顶点A的距离相加后取平均值，将所述平均值作为最终的运动员到所述网格顶点A的距离；

采用与计算运动员到所述网格顶点A的距离相同的方法计算运动员到所述所在网格的网格顶点B、网格顶点C、网格顶点D的距离。

7.如权利要求1所述的一种运动员的定位方法，其特征在于，所述计算运动员的精确坐标包括：

以所述运动员所在网格的质心为原点建立第二直角坐标系；

根据所述第二直角坐标系重新确定所述运动员所在网格的网格顶点的坐标；在所述运动员所在网格的网格顶点中随机选择3个网格顶点，分别将随机选择的3个网格顶点重新确定的坐标以及运动员到所述随机选择的3个网格顶点的距离代入到公式(X_运-X_参)²+(Y_运-Y_参)²＝d²中，计算出运动员的精确坐标。

8.一种运动员定位系统，其特征在于，所述系统包括设置在参考节点处的定位接收器、佩戴在运动员身上的定位发射器以及上位机；

所述定位接收器接收所述定位发射器发射的定位请求信号，并向所述定位发射器发射包含所述定位接收器的坐标以及所述定位接收器接收到的定位请求信号的RSSI值的信息包；

所述定位发射器包括控制计算器，所述控制计算器用于使用权利要求1-7任一项所述的运动员定位方法计算运动员的位置坐标；

所述定位发射器在计算出运动员的位置坐标后将所述位置坐标发送给所述上位机，所述上位机根据所述位置坐标描绘出运动员的运动轨迹。