CN112995889B - 一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统，所述方法包含以下步骤：S0，以所述网球场地的长边为X轴，以所述网球场地的短边为Y轴建立直角坐标系；S1，所述蓝牙基站以第一频率接收所述蓝牙定位标签的广播信号；S2，所述定位服务器通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置，所述位置包含网球球体位置和运动员位置；S3，根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差，若所述位置差小于第一阈值，执行S4；S4，若网球球体的对应X轴运动方向发生改变，执行S5；S5，记录运动员的接球位置；S6，重复步骤S1‑5，获取运动员的下一个运动员接球时刻以及接球位置，定义两个接球位置之间的距离为跑动距离。

Description

一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统

技术领域

本发明涉及网球运动领域，具体指有一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统。

背景技术

网球是球类运动项目之一，网球场在其中间隔有网，比赛双方各占球场的一方，球员用网球拍击球。

网球运动员具备稳定的中速对打、打出中速稳定富有变化的击球、良好的击球方向控制、接发球有良好控制等是评价一个网球运动员是否具备优秀水平的重要评定。其中，网球运动员通过对网球的控制，使对手再两次接球之间的跑动距离越大，越容易耗尽对手的体力从而提高自身获胜的概率。然而，传统获取运动员跑动距离的方法单一，只是简单地通过高速摄像机对运动员的两次接球位置进行定位，从而计算跑动距离，该方法需要耗费较多人力，且计算结果精确度低。

针对上述的现有技术存在的问题设计一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统是本发明研究的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种获取网球运动员跑动距离的方法及其系统，能够有效解决上述现有技术存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种获取网球运动员跑动距离的方法，所述方法基于蓝牙AoA实时定位系统实现，所述蓝牙AoA实时定位系统包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站和定位服务器，所述蓝牙定位标签分别设置于网球球体内和运动员身体上，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围，每个所述蓝牙基站包含有蓝牙天线阵列，所述方法包含以下步骤：

S0，以所述网球场地的长边为X轴，以所述网球场地的短边为Y轴建立直角坐标系；

S1，所述蓝牙基站以第一频率接收所述蓝牙定位标签的广播信号；

S2，所述定位服务器通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置，所述位置包含网球球体位置和运动员位置；

S3，根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差，若所述位置差小于第一阈值，执行S4；

S4，根据所述网球球体位置计算网球球体的对应X轴的运动方向，若网球球体的对应X轴运动方向发生改变，执行S5；

S5，若网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地，定义网球球体对应X轴运动方向发生改变的时刻为运动员接球时刻，记录运动员的接球位置；

S6，重复步骤S1-5，获取运动员的下一个运动员接球时刻以及接球位置，定义两个接球位置之间的距离为跑动距离。

进一步地，步骤S4中，所述网球球体的对应X轴运动方向发生改变具体为：

定义t₀时刻的所述运动方向为第一方向、t₁时刻的所述运动方向为第二方向，若第一方向与第二方向相反且t₁-t₀小于第二阈值。

进一步地，所述第二阈值为0.003-0.007s。

进一步地，步骤S5中，所述网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地具体为：

定义t₂时刻的运动方向为第三方向，若所述第三方向与所述第二方向相同且朝向对方场地，t₂-t₁小于第三阈值，定义t₀为运动员接球时刻。

进一步地，所述第三阈值为0.1-0.3s。

进一步地，所述第一频率为150Hz-250Hz。

进一步地，所述第一阈值为80-120cm。

进一步地，步骤S2中，所述蓝牙基站通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置信息具体为：所述蓝牙基站通过获取所述蓝牙定位标签的所述广播信号并提取得到所述蓝牙定位标签的广播信号强度，通过AoA角度位置算法计算所述蓝牙定位标签的位置。

进一步提供一种获取网球运动员跑动距离的系统，用于实现上述方法，包含：

蓝牙AoA实时定位系统，包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站，所述蓝牙定位标签分别设置于网球球体内和运动员身体上，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围；

位置计算模块，用于通过所述蓝牙基站获取所述广播信号并解析所述蓝牙定位标签的位置；

位置差计算模块，用于根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差；

方向判定模块，用于根据上所述网球球体的位置计算网球球体的运动方向；

接球时刻计算模块，用于根据所述运动方向获取运动员的接球时刻，并输出所述接球时刻对应的运动员的接球位置；

跑动距离计算模块，用于接收所述接球时刻计算模块输出的接球位置并根据所述位置计算跑动距离。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本发明涉及基于蓝牙AoA到达角的实时定位技术，在网球场周围部署蓝牙基站，网球球内部放置蓝牙标签，球员身上放置蓝牙定位标签，用于定位运动员的位置和网球的位置，并根据网球位置随时间变化来计算其运动方向和运动速度。使用此方法可以计算球员每一拍接球时所在的位置，并计算连续两拍之间被对手调动跑动的距离，进而可以反馈给运动员或教练，给与提供准确的运动员运动数据，提供运动员每一拍回球的质量，可为提高运动员成绩提供数据基础。

本发明通过合理的蓝牙定位标签数据获取，从而获取运动员和网球的实时位置，通过计算网球和运动员之间的距离。由于网球的球速较快，该距离可以更具体地分析得到网球是否靠近运动员，从而在网球和运动员靠近后立即执行S4，为网球接下来的球速和方向变换提供计算的起始点。

本发明通过获取多个时刻信息，并计算各个时刻之间的差值，判断各个时刻之间的差值是否小于对应的阈值，从而判定各个时刻对应的物理意义，该物理意义包含运动员接球时刻，为获取运动员位置提供时间基础，可以准确地获取运动员接球的位置，进而通过运动员相邻的两拍之间的位置信息即可获取跑动距离。

本发明通过AoA角度位置算法计算所述蓝牙定位标签的位置，其精度可以精确到10cm以内，相较于传统的通过高速相机拍摄并人为分析，其精确度更高，且不需要借助人工进行分析，可直接输出跑动距离。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为蓝牙定位标签的位置示意图。

图2为蓝牙基站的位置示意图。

图3为利用AoA计算标签位置的流程示意图。

图4为AoA到达角的示意图。

图5为AoA到达角算法的示意图。

图6为AOA计算到达角的模型图。

图7为AOA计算方位角的模型图。

图8为网球球体与运动员之间的位置差示意图。

图9为t₀时刻的网球运动示意图。

图10为t₁时刻的网球运动示意图。

图11为t₂时刻的网球运动示意图。

图12为实施例一的流程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

一种获取网球运动员跑动距离的方法，所述方法基于蓝牙AoA实时定位系统实现，所述蓝牙AoA实时定位系统包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站和定位服务器，参考图1，所述蓝牙定位标签1分别设置于网球球体内和运动员身体上，具体地，本实施例中蓝牙定位标签1分别设置于网球球体的球心处以及运动员上衣的衣领处。参考图2，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围，每个所述蓝牙基站包含有蓝牙天线阵列，具体地，所述蓝牙基站2设置于网球场的四周，且相邻的蓝牙基站2之间的直线距离小于10米，该距离可以提高定位的精确度。定位服务器用于提供算力。

蓝牙AoA计算标签位置的流程参考图3，具体如下。

参考图4-5，本实施例中，蓝牙定位标签是指拥有广播协议的蓝牙外围设备，蓝牙定位标签被安装在网球球体的球心处以及运动员上衣的衣领处两个位置，同时蓝牙标签将连续周期性地向它的周围环境进行广播，并且它不会被其他设备进行连接。蓝牙定位标签发送的广播信号包含寻向数据包，寻向数据包包含当前标签的ID，所在逻辑时钟同步单元ID等信息。蓝牙基站本身包含有蓝牙天线阵列，系统启动后，所有蓝牙基站和蓝牙定位标签之间同步逻辑时钟。蓝牙基站通过实时获取蓝牙标签的信号强度、到达角等参数，定位服务器即可实时计算出蓝牙标签的定位数据。具体地，本实施例中，以50-200Hz的频率获取蓝牙定位标签的位置，频率越高，获取的蓝牙定位标签的位置数据越丰富，可为后续步骤提供更平滑的数据，在此不做限定。

本实施例应用蓝牙5.1标准规范版本中包含寻向功能，该功能是通过基站接收蓝牙标签的广播信号进行定位的。寻向功能(Direction Finding Using Bluetooth LowEnergy,蓝牙核心规范文档281页)包括到达角(Angle of Arrival,AoA)和出发角(Angleof Departure,AoD)两种方向测量技术。本系统使用了AoA到达角技术来实现对运动场模型中各个子模型的定位。计算到达角的计算公式为：θ＝arccos((ψλ)/(2πd))，其中d是天线之间的距离，λ电磁波波长，ψ为电磁波经过两个天线时的相位差。蓝牙基站在场周分布的越均匀计算出来的位置越准确。本实施例中，蓝牙基站接收蓝牙定位标签的广播信号时，可以通过RSSI值计算信号强度，信号强度反应了标签与基站距离的远近，RSSI值越小，距离越远。蓝牙基站将指定的标签ID、指定的逻辑时钟同步单元ID和其他附属信息(例如信号强度值)发送给定位服务器。具体的算法在蓝牙5.1标准规范版本记载，在此不再具体阐述。

具体地，广播信号以标签为球心，向x,y,z三维空间均匀传播。对于广播信号在室内因反射情况产生的噪声，蓝牙基站会收到具有相同标签的ID和同步单元ID，但是RSSI(接收信号强度)值不同的多个信号。基站的去噪方案是：保留RSSI值最大的信号，丢弃其他信号。

参考图6，通过平面阵列设置的蓝牙基站根据接收到的广播信号，运用多重信号分类算法(MUSIC)计算广播信号的到达角，参考图7，基于二位平面天线阵列的基站可以计算出信号的方位角和俯仰角。方位角和俯仰角这两个角度可确定一条以基站为起点的直线，带定位标签即在该条直线上。

基站在接收到广播信号时根据信号的RSSI(接收信号强度)值来优选选择距离标签近的基站进行方位角和俯仰角的计算。具体地，本实施例进一步采用如下两个方案中的任意一个方案：

方案一：蓝牙基站根据预设的RSSI阈值，对于小于RSSI阈值的信号，蓝牙基站自动丢弃。该方案能节省计算资源，但是需要根据实地场景设置好合适的阈值，保证至少有三个蓝牙基站参与计算每个定位信号的方位角和俯仰角。

方案二：蓝牙基站计算所有接收到的广播信号，计算方位角和俯仰角，把广播信号payload字段中的内容、两个角度值、信号的RSSI值传输给定位服务器。服务器根据RSSI 值按从大到小排序，选取前30％的元素参与后续xyz坐标的计算，丢弃剩下的元素。

最后，定位服务器接收基站传输过来的筛选后的数据，根据每个基站各自在赛场模型坐标系中的坐标值以及标签的方位角和俯仰角，计算出标签在赛场模型中的xyz坐标值。定位服务器综合考虑两台及以上的基站输出的结果，利用加权平均等算法可得到更加准确的坐标值。

参考图12，所述方法包含以下步骤：

S0，参考图2，以所述网球场地的长边为X轴，以所述网球场地的短边为Y轴建立直角坐标系；

S1，所述蓝牙基站以第一频率接收所述蓝牙定位标签的广播信号；

S2，所述定位服务器通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置，所述位置包含网球球体位置和运动员位置；

S3，参考图8，根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差D，若所述位置差D小于第一阈值，执行S4；本实施例中，所述第一阈值为80-120cm，具体为100cm，在其他实施例中也可以是80cm或者120cm，在此不做限定。由于网球的球速较快，该距离可以更具体地分析得到网球是否靠近运动员，从而在网球和运动员靠近后立即执行S4，为网球接下来的球速和方向变换提供计算的起始点；并且，本实施例中只建立平面直角坐标系，网球球体与运动员之间的位置差也相应为平面位置差；

S4，根据所述网球球体位置计算网球球体的对应X轴的运动方向，根据球速可知网球球体的运动方向是朝着X轴的正方向或者X轴的负方向，若网球球体的对应X轴运动方向发生改变，执行S5；

所述网球球体对应X轴运动方向发生改变具体为：

参考图9-10，定义t₀时刻的所述运动方向为第一方向、t₁时刻的所述运动方向为第二方向，若第一方向与第二方向相反且t₁-t₀小于第二阈值。所述第二阈值为0.003-0.007s。本实施例中，第二阈值为0.005s，在其他实施例中也可以是0.003s或者0.007s。例如，在第9s，第一方向为朝着X轴的正方向运动，在第9.005s，第二方向朝着X轴的负方向运动，则判定为网球球体对应X轴运动方向发生改变；

S5，若网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地，定义网球球体的对应X轴运动方向发生改变的时刻为运动员接球时刻，通过运动员身体上蓝牙定位标签记录运动员的接球位置P1；

S6，重复步骤S1-5，获取运动员的下一个运动员接球时刻以及接球位置P2，通过计算P1和P2之间的距离，定义两个接球位置之间的距离为跑动距离。

进一步地，步骤S5中，所述网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地具体为：

参考图11，定义t₂时刻的运动方向为第三方向，若所述第三方向与所述第二方向相同且朝向对方场地，t₂-t₁小于第三阈值，定义t₀为运动员接球时刻。所述第三阈值为0.1-0.3s。本实施例中第三阈值为0.2s，其他实施例中也可以是0.1s或者0.3s，在此不做限定。例如，在第9s，第一方向为朝着X轴的正方向运动，在第9.005s，第二方向朝着X轴的负方向运动，也就是朝着对手场地方向，在第9.2s，第三方向仍为X轴的负方向运动，定义第 9s为运动员接球时刻。

进一步地，所述第一频率为150Hz-250Hz。本实施例中，第一频率为200Hz，在其他实施例中也可以是150Hz到250Hz中的任何一个频率，频率越高，所获得的实时定位信息越准确，在此不做限定第一频率的具体数值。

进一步地，步骤S2中，所述蓝牙基站通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置信息具体为：所述蓝牙基站通过获取所述蓝牙定位标签的所述广播信号并提取得到所述蓝牙定位标签的广播信号强度，通过AoA角度位置算法计算所述蓝牙定位标签的位置。

实施例二

进一步提供一种获取网球运动员跑动距离的系统，用于实现实施例一的方法，包含：

蓝牙AoA实时定位系统，包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站，所述蓝牙定位标签分别设置于网球球体内和运动员身体上，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围；

位置计算模块，用于通过所述蓝牙基站获取所述广播信号并解析所述蓝牙定位标签的位置；

位置差计算模块，用于根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差；

方向判定模块，用于根据上所述网球球体的位置计算网球球体的运动方向；

接球时刻计算模块，用于根据所述运动方向获取运动员的接球时刻，并输出所述接球时刻对应的运动员的接球位置；

跑动距离计算模块，用于接收所述接球时刻计算模块输出的接球位置并根据所述位置计算跑动距离。

本实施例的工作原理与上述类似，在此不再阐述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：所述方法基于蓝牙AoA实时定位系统实现，所述蓝牙AoA实时定位系统包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站和定位服务器，所述蓝牙定位标签分别设置于网球球体内和运动员身体上，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围，每个所述蓝牙基站包含有蓝牙天线阵列，所述方法包含以下步骤：

S0，以所述网球场地的长边为X轴，以所述网球场地的短边为Y轴建立直角坐标系；

S1，所述蓝牙基站以第一频率接收所述蓝牙定位标签的广播信号；

S2，所述定位服务器通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置，所述位置包含网球球体位置和运动员位置；

S3，根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差，若所述位置差小于第一阈值，执行S4；

S4，根据所述网球球体位置计算网球球体的对应X轴的运动方向，若网球球体的对应X轴运动方向发生改变，执行S5；

S5，若网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地，定义网球球体对应X轴运动方向发生改变的时刻为运动员接球时刻，记录运动员的接球位置；

S6，重复步骤S1-5，获取运动员的下一个运动员接球时刻以及接球位置，定义两个接球位置之间的距离为跑动距离。

2.根据权利要求1所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：步骤S4中，所述网球球体的对应X轴运动方向发生改变具体为：

定义t₀时刻的所述运动方向为第一方向、t₁时刻的所述运动方向为第二方向，若第一方向与第二方向相反且t₁-t₀小于第二阈值。

3.根据权利要求2所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：所述第二阈值为0.003-0.007s。

4.根据权利要求2-3任意一条所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：步骤S5中，所述网球球体对应X轴的运动方向朝向对方场地具体为：

定义t₂时刻的运动方向为第三方向，若所述第三方向与所述第二方向相同且朝向对方场地，t₂-t₁小于第三阈值，定义t₀为运动员接球时刻。

5.根据权利要求4所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：所述第三阈值为0.1-0.3s。

6.根据权利要求1所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：所述第一频率为150Hz-250Hz。

7.根据权利要求1所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：所述第一阈值为80-120cm。

8.根据权利要求1所述的一种获取网球运动员跑动距离的方法，其特征在于：步骤S2中，所述蓝牙基站通过所述广播信号解析所述蓝牙定位标签的位置信息具体为：所述蓝牙基站通过获取所述蓝牙定位标签的所述广播信号并提取得到所述蓝牙定位标签的广播信号强度，通过AoA角度位置算法计算所述蓝牙定位标签的位置。

9.一种获取网球运动员跑动距离的系统，用于实现权利要求1-8任意一条所述的方法，其特征在于：包含：

蓝牙AoA实时定位系统，包含若干蓝牙定位标签和若干蓝牙基站，所述蓝牙定位标签分别设置于网球球体内和运动员身体上，所述蓝牙基站设置于网球场地的外围；

位置计算模块，用于通过所述蓝牙基站获取所述广播信号并解析所述蓝牙定位标签的位置；

位置差计算模块，用于根据所述位置计算网球球体与运动员之间的位置差；

方向判定模块，用于根据上所述网球球体的位置计算网球球体的运动方向；

接球时刻计算模块，用于根据所述运动方向获取运动员的接球时刻，并输出所述接球时刻对应的运动员的接球位置；

跑动距离计算模块，用于接收所述接球时刻计算模块输出的接球位置并根据所述位置计算跑动距离。

Images