CN111193812A - 一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法。所述系统包括检测装置、盒子、智能终端和云服务器。所述检测装置通过盒子固定在运动物体上。运动时，智能终端通过无线收发装置与云服务器自动建立无线连接，并与所述检测装置建立无线连接，接收从所述检测装置发送的运动学数据后，发送至所述云服务器进行处理，在所述云服务器计算出运动轨迹数据后，回发给所述智能终端，智能终端接收后进行语音和显示播报。本申请所公开的可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，通过对各个运动者设立单独账户，实时检测各个运动者每次的运动轨迹，跟踪运动过程，使运动者实时调整，故增加运动过程的趣味性和竞争性，实现运动健康指导、增加经常锻炼人数。

Description

一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法

技术领域

本申请涉及健身运动数据量化分析领域，尤其涉及的是一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法。

背景技术

近年大力推广全民体育健身被纳入国家战略层面，致力于促进国内体育产业良性发展。2019年9月，国务院印发《关于促进全民健身和体育消费推动体育产业高质量发展的意见》，从10个方面推出政策举措促进全民健身和体育消费、推动体育产业高质量发展。其中，《意见》明确提出，支持体育用品制造业创新发展，探索学生运动技能标准达标评定制度，促进运动健康指导。国家统计局数据显示，2019年有近4亿人经常参加体育锻炼，而此前体育总局规划，到2020年经常参加体育锻炼人数达4.35亿，目前距离该目标还有3500万的缺口。同时，由于缺乏专业训练计划和动作指导，运动损伤风险一直困扰着广大健身爱好者。如何通过技术方式，引导群众科学健身，解决运动后顾之忧，有效增加经常锻炼人数，是本申请致力于解决的问题。

发明内容

鉴于上述，本申请的目的在于提供一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，通过实时分析健身运动中动作的姿态、数量、速度，可以实时提醒运动者动作是否正确、运动次数和速度。

本申请的技术方案如下：

本申请公开了一种可智能分析运动轨迹的检测系统。包括一个装有检测装置的盒子，固定在一个运动物体上。所述检测装置实时采集运动学数据，并发送至运动者所拥有的一台智能终端，所述智能终端将所述运动学数据发送至一个云服务器，所述云服务器用于处理所述运动学数据并分析出运动轨迹，包括姿态、数量、速度等，以及将所述分析值返回所述智能终端。

优选的，所述检测装置包括一个主板，连接一个用于采集运动实时数据的加速度传感器，和一个无线数据传送装置。

优选的，所述主板设有天线，用于长距离传输蓝牙数据。

优选的，所述主板设有加速度方向标记，用于特定使用场景指导放置。

优选的，所述主板设有烧录口，和四个调试接口，用于嵌入式软件代码烧录，和开发调试。

优选的，所述主板设有电源装置，包括一个纽扣电池固定装置，用于稳定供电。

优选的，所述加速度传感器设有存储和滤波模块，用于运动数据过滤降噪处理。

更优选的，所述滤波模块包括低通滤波。

优选的，所述加速度传感器设有三轴重力加速度。

更优选的，所述加速度传感器还可以设有三轴角加速度。

优选的，所述加速度传感器设有调频模块，用于传感器参数设定。

优选的，所述传感器采集数据模块输出端设有过滤数据的处理模块，所述处理模块的输出端将处理后的数据输出至主板内置的中央处理器，所述中央处理器设有融合数据的处理模块，所述处理模块将处理后的数据输出至中央处理器内设的无线数据传输模块。

优选的，所述中央处理器设有电源管理模块，用于低功耗管理。

优选的，所述中央处理器设有存储和计算模块，用于处理数据。

更优选的，所述处理数据模块包括一个数据融合模块，用于分析运动姿态。

再优选的，所述数据融合模块包括对三轴重力加速度和三轴角加速度数据进行融合获取运动姿态模块。

再优选的，所述数据融合也可以在智能终端里完成，从而节省中央处理器功耗。

所述无线数据传送装置可以是蓝牙装置、无线WI-FI装置等通过无线连接收发信息的装置。

优选的，所述智能终端的输入端设有接收数据的无线接收模块，所述无线接收模块的输出端传递至智能终端的数据修正处理模块，处理后的数据通过智能终端设有的无线数据发送模块发送至云服务器进行处理。

优选的，所述智能终端设有修正处理模块，用于修正运动数据检测误差。

更优选的，所述修正处理模块采用卡尔曼滤波。

再优选的，所述卡尔曼滤波也可以在云服务器里完成，从而提升计算速度。

优选的，所述云服务器设有用于接收无线数据的接收模块，所述接收模块输出至云服务器设有的数据分析计算模块，所述分析计算模块输出端将分析结果数据输出至云服务器设有的无线发送模块。

优选的，所述云服务器设有分析和存储模块，用于运动姿态判断和存储。

优选的，所述云服务器设有计算模块，用于运动次数、速度和距离计算。

优选的，所述智能终端的输出端设有用于接收无线数据的接收模块，所述接收模块与智能终端设有的展示交互模块输入端相连接，所述展示交互模块包括语音播报、图表展示数据。

进一步优选的，所述语音播报包括运动姿态、次数、改进意见等。所述图表包括三维图形展示运动姿态、运动次数趋势统计图等。

优选的，所述智能终端设有交互模块，用于人机互动。

优选的，所述智能终端设有传感器控制模块，用于传感器设定。

更优选的，所述智能终端通过设定运动形式来进行传感器设定。

本申请还公开了所述检测系统的一种运动轨迹检测方法，至少包括以下步骤：

a.所述检测装置实时采集运动物体的运动学数据；

b.所述检测装置实时发送所述运动学数据至所述智能终端；

c.所述智能终端将所述运动学数据发送至所述云服务器；

d.所述云服务器处理所述运动学并分析出运动物体的运动轨迹，包括姿态、次数、改进意见等；

e. 所述云服务器保存并将运动轨迹数据返回至所述智能终端；

f. 所述智能终端播报所述运动轨迹数据；

优选的，所述智能终端包括声音模块和显示模块，所述的检测方法中，所述步骤f包括：所述声音模块以语音的方式进行播报；所述显示模块以图表、三维图形的方式进行展示播报。

优选的，所述检测系统还包括一个二维码，用于提供所述检测装置的无线连接入口地址，在所述步骤b之前，还包括：所述智能终端扫描所述二维码，与所述检测装置建立无线连接。

优选的，所述的检测方法中，在所述步骤a之前，还包括步骤A0：所述智能终端与所述云服务器建立数据连接。

更优选的，所述的检测方法中，在所述步骤A0之后，还包括步骤：

A1. 运动者通过所述智能终端，在所述云服务器上开设个人账户；

A2. 运动者通过所述智能终端，选择运动形式。

进一步优选的，所述运动形式还包括设定运动频率、检测精度。

本申请公开了一种可智能分析运动轨迹的检测系统及检测方法，所述检测系统包括检测装置、盒子、智能终端和云服务器，所述检测装置通过盒子固定在运动物体上。运动时，智能终端通过无线收发装置与云服务器自动建立无线连接，并与所述检测装置建立无线连接，接收从所述检测装置发送的运动学数据后，发送至所述云服务器进行处理，在所述云服务器计算出运动轨迹数据后，回发给所述智能终端，智能终端接收后进行语音和显示播报。本申请所公开的可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，通过对各个运动者设立单独账户，实时检测各个运动者每次的运动轨迹，可以实时跟踪各个运动者的运动过程。

本专利的社会价值：

1、本专利通过加速度传感器和移动开发，能够在移动端实时完全还原运动轨迹，指出与正确动作轨迹的不同，给健身运动爱好者专业教练的体验，减少因动作不正确导致的运动损伤。

2、不仅如此，通过运动轨迹的识别，移动端给爱好者量身定制运动计划，丰富运动内容。也可以用于运动康复领域。

3、另外，基于运动的实时计数，移动端可以在运动的不同阶段给爱好者不同的语音提醒，比如热身阶段放慢节奏，结束后拉伸放松，进一步减少运动损伤。

4、通过云服务器，运动爱好者可以组成互联网运动社区，通过互联网进行动作诊断、健身比赛，提升健身氛围，增加经常运动人群数量。

5、通过预先输入规定动作正确轨迹到云服务器，并和学生的实际动作相比对，实时语音播报和图表展示，有助于探索学生运动技能标准达标评定制度，促进运动健康指导。

6、本专利产品性价比很高，适用家庭、户外、健身房等各种场景，适合普及大众。

附图说明

图1是本申请的可智能分析运动轨迹的检测装置及盒子的结构示意图。

图2是本申请的可智能分析运动轨迹的检测系统的网络连接图。

图3是本申请的可智能分析运动轨迹的检测系统及方法的主流程示意图。

图中，1.主板、2.加速度传感器、3.中央处理器、4.加速度方向标记、5.烧录口、6.调试口、7.电源装置、8.纽扣电池、9.天线、10.螺纹、11.固定装置、12.检测装置、13.盒子、14.固定了检测装置的盒子、15.智能终端、16.云服务器、17.蓝牙传输、18.无线传输、19.数据采集模块、21.数据过滤模块、22.数据融合模块、23.蓝牙数据传输模块、24.蓝牙数据接收模块、25.数据修正模块、26.无线数据发送模块、28.数据分析计算模块、30.无线数据接收模块、31.终端展示交互模块。

具体实施方式

本申请提供了一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。

本申请公开的所述可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，在一个优选的实施例中，如图1-图3所示，包括一个检测装置12，固定在一个盒子13中的，通过蓝牙传输17连接一个智能终端15，所述智能终端15通过无线传输18连接一个云服务器16。所述检测装置12包括一个主板1，连接一个用于采集运动实时数据的加速度传感器2，所述加速度传感器2设有的数据采集模块19输出端设有对数据进行缓存、滤波降噪的数据过滤模块21，所述数据过滤模块21的输出端将处理后的数据输出至主板1内置的中央处理器3，所述中央处理器设有数据融合模块22，所述数据融合模块22将处理后的数据输出至中央处理器3内设的蓝牙数据传输模块23，智能终端15的输入端设有接收数据的蓝牙数据接收模块24，所述蓝牙数据接收模块24的输出端传递至智能终端15的数据修正模块25，处理后的数据输出至智能终端15设有的无线数据发送模块26，云服务器16设有用于接收无线数据的接收模块，所述接收模块输出至云服务器设有的数据分析计算模块28，所述数据分析计算模块28输出端将分析结果数据输出至云服务器16设有的无线发送模块，智能终端15的输出端设有用于接收无线数据的无线数据接收模块30，所述无线数据接收模块30与智能终端设有的终端展示交互模块31输入端相连接，所述终端展示交互模块31包括语音播报、图表展示数据。

检测装置12通过盒子13主体和盒盖里的固定装置11固定在盒子里。盒子13主体和盒盖通过螺纹10拧紧。所述检测装置12和盒子13固定在一起，是为了检测装置12能够百分百检测盒子13的运动轨迹。

检测装置12正面通过天线9实现蓝牙长距离传输，嵌入式代码通过烧录口5写入中央处理器3，开发调试通过调试口6进行。

主板1上设有加速度方向标记4，用于特定运动场景时放置检测装置12方向指引。

检测装置12背面通过电源装置7固定纽扣电池8给主板1进行供电。

智能终端15还设有传感器控制模块，通过蓝牙数据发送模块发送指令到中央处理器3的蓝牙数据传输模块23，用于控制加速度传感器2的采样频率、数据精度，这是为了满足多样化的运动形式对于采样频率和数据精度不同的需求。

加速度传感器2包括三轴重力加速度和三轴角加速度，用于采集三维立体重力加速度数据，和三维立体角加速度数据。数据经数据过滤模块21的低通滤波器进行了过滤和降噪。低通滤波(Low-pass filter) 是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。

中央处理器3设有电源管理模块，用于保持检测装置12低功耗运行。对于运动检测设备，低功耗至关重要，能保持设备长时间稳定运行。

中央处理器3还设有数据融合模块22，采用四元数融合算法，把三轴重力加速度和三轴角加速度数据，转化成四元数q0,q1,q2,q3，然后通过如下公式：

输出欧拉姿态角Pitch（俯仰角）、Roll（翻滚角）、Yaw(偏航角)，用于获得实时的运动姿态，根据时间顺序串联起来，就获得了运动轨迹。

智能终端15接收到数据后，通过设有的数据修正模块25，采用卡尔曼滤波(Kalmafiltering)对数据进行误差修正处理，减少检测误差。卡尔曼滤波采用线性随机差分方程，利用上一个系统状态值估计当前系统值：

加上系统的测量值：

云服务器16接收到数据后，数据分析计算模块28对于其中的运动姿态数据进行大数据比对，计算出动作姿态与正确动作姿态的差别，以便精准地展示给爱好者。对于其中的重力加速度进行计算获得运动次数、距离、速度的方法如下：首先，所述加速度包括x、y、z三个方向，分别对应现实三维世界的三轴，计算时可以合并为一个方向，即沿着运动的方向，设为a，则有

求取平方根可以获得a值，根据运动频率和a值峰值对a值采用一阶滤波算法，即可获得次数。对a值进行积分运算即可获得运动的速度，进一步积分计算获得距离。

云服务器16设有数据存储模块，通过给运动者开设个人账户，持久化运动数据，用于终端展示交互模块31图表展示和语音播报。以便锻炼者获取信息、纠正动作、互相督促。理论上，所述语音播报和所述图表展示，只需要一个就可以工作了，但是，优选为在同时设有这两个模块，即以语音的方式和显示的方式同时进行播报，以更方便锻炼者获取信息、并激发锻炼者的锻炼热情，例如在一个有多个锻炼者进行PK的比赛场合。

具体地，在一个中学生体操考试实施例中，学生手腕、脚腕处分别佩戴有所述固定了检测装置的盒子14，所述佩戴，只是要求所述盒子14可以跟随手脚一起，实时运动而已，并非要求不可拆卸等。因为实例需要检测运动姿态，故所属检测装置12采用了包括有三轴重力加速度和三轴角加速度的加速度传感器2。开始运动之前，体育老师的智能终端5，需要首先与所述检测装置12建立无线连接，这可以通过使用智能终端5的摄像头扫描所述检测装置12的无线接入地址的二维码来快速完成。然后，通过体育老师手中的智能终端15设定运动形式为体操，使得学生的每一个动作产生的加速度数据采集后，首先由所述加速度传感器2设有的数据过滤模块21过滤后，再由所述中央处理器3设有的数据融合模块22进行数据融合，获得运动姿态Pitch（俯仰角）、Roll（翻滚角）、Yaw(偏航角)。运动姿态数据由所述蓝牙数据传输模块23输出到智能终端15，由所述数据修正模块25设有的卡尔曼滤波进行误差修正处理，再由无线数据发送模块26输出到云服务器16，通过设有的数据分析计算模块28中预先输入的所述运动形式的规定动作姿态相比较后，通过智能终端16实时语音播报考试结果、改进意见，并用图表详细展示运动轨迹。在学生和体育老师获得更好的体验的同时，实现了国务院《关于促进全民健身和体育消费推动体育产业高质量发展的意见》中提出的探索学生运动技能标准达标评定制度，促进运动健康指导。

在另一个实施例中，在一个社区公共体育设施中，跑步机踏板上安装有所述固定了检测装置的盒子14，所述安装，只是要求所述盒子14可以跟随踏板一起，实时运动而已，并非要求不可拆卸等；因为实例只需要检测步数，故所属检测装置12采用了包括有三轴重力加速度的加速度传感器2。开始运动之前社区运动爱好者通过手中的智能终端15设定运动形式为跑步，使得运动爱好者的每一步加速度数据采集后，首先由所述加速度传感器2设有的数据过滤模块21过滤后，由所述蓝牙数据传输模块23输出到智能终端15，由所述数据修正模块25设有的卡尔曼滤波进行误差修正处理，再由无线数据发送模块26输出到云服务器16，通过设有的数据分析计算模块28进行次数计算后，在智能终端15中实时语音播报步数，可以和其他运动爱好者进行比赛，增加乐趣和锻炼人数。也可以通过智能终端15中设有的训练计划有序锻炼，提升锻炼效率和运动时长。

综上所述，本申请公开了一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，包括一个检测装置12，固定在一个盒子13中的，通过蓝牙传输17连接一个智能终端15，所述智能终端15通过无线传输18连接一个云服务器16。所述检测装置12包括一个主板1，内置中央处理器3，连接一个用于采集运动实时数据的加速度传感器2。运动爱好者在运动之前，首先将固定有检测装置12的盒子13，固定在运动物体上（徒手或者器械），当运动爱好者开始运动后，所述检测装置12中的加速度传感器2实施检测运动物体的加速度值，并通过所述加速度传感器2、中央处理器3、智能终端15、云服务器16处理后，发送至智能终端15播报送出。本申请的技术方案，通过在运动物体上固定一个装有检测装置12的盒子13，实现实时分析并播报运动爱好者的运动轨迹，故可以增加运动过程的趣味性、指导性和竞争性，实现运动健康指导、增加经常锻炼人数。

应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可智能分析运动轨迹的检测系统及方法，其特征在于，包括一个检测装置，固定在一个盒子中，所述检测装置实时采集运动物体的运动学数据，并发送至运动者所拥有的一台智能终端，所述智能终端将所述运动学数据发送至一个云服务器，所述云服务器用于处理所述运动学数据并计算出运动轨迹，以及将所述运动轨迹数据返回所述智能终端。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测装置包括一块主板，所述主板内置一个中央处理器，连接一个加速度传感器和一个无线数据传送装置，所述加速度传感器用于实时采集运动物体的运动学数据，所述中央处理器对所述运动学数据进行数据处理后，通过所述无线数据传送装置，无线发送至所述智能终端。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述运动学数据包括三轴重力加速度数据和三轴角加速度数据，所述数据处理包括低通滤波、四元数据融合。

4.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述智能终端中至少包括：

一个无线接收模块，用于无线接收所述运动学数据；

一个云端数据收发模块，用于将所述运动学数据无线发送至所述云服务器进行处理，并接收从所述云服务器处理后返回的运动轨迹数据；

以及一个播报模块，用于发送所述运动轨迹数据至所述智能终端的播放系统，对所述运动轨迹数据进行播报。

5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述数据处理包括卡尔曼滤波、大数据比对分析，所述云服务器返回的运动轨迹数据包括运动姿态、数量、速度。

6.根据权利要求1至5任一所述的检测系统的检测方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

a. 所述检测装置实时采集运动物体的运动学数据；

b. 所述检测装置实时发送所述运动学数据至所述智能终端；

c. 所述智能终端将所述运动学数据发送至所述云服务器；

d. 所述云服务器处理所述运动学并分析出运动物体的运动轨迹，包括姿态、次数、改进意见等；

e. 所述云服务器保存并将运动轨迹数据返回至所述智能终端；

f. 所述智能终端播报所述运动轨迹数据。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述播报模块包括声音和/或显示模块，所述声音模块用于发送所述运动轨迹数据至所述智能装置的语音机构、以语音的方式进行播报；所述显示模块用于发送所述运动轨迹数据至所述智能装置的显示机构、以显示的方式进行播报。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述检测装置包括无线数据传送装置，所述检测系统还包括一个二维码，用于提供所述检测装置的无线连接入口地址，在所述步骤b之前，还包括：所述智能终端扫描所述二维码，与所述检测装置建立无线连接。

9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，在所述步骤a之前，还包括步骤：

A0：所述智能终端与所述云服务器建立数据连接。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在所述步骤A0之后，还包括步骤：

A1. 运动者通过所述智能终端，在所述云服务器上开设个人账户；

A2. 运动者通过所述智能终端，选择运动形式。

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