CN115212541B - 自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置及数据分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置，包括供电模块(1)、压力传感器(2)、控制模块(3)和传输模块(4)，所述控制模块(3)用于接收压力传感器(2)采集的表压信号及记录每个采集值的采集时间，所述传输模块(4)用于将控制模块(3)存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备；本发明还公开了基于上述装置的数据分析方法，包括装置编号、标定、计时同步、数据采集、数据处理和数据绘图等。本发明的记录装置结构简单、使用方便、准确率高，对应的数据分析方法简单可靠，能对自由泳全过程左右手臂、左右足部和口鼻这三类身体部位的出入水时间进行客观准确记录并可视化绘图，从而帮助游泳者及其教练更好地感知、纠正和优化自由泳动作。

Description

自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置及数据分析方法
技术领域
本发明涉及游泳用品领域，特别涉及一种自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置及数据分析方法。
背景技术
自由泳，作为一种适用性强、不限泳姿的竞技游泳比赛项目，在游泳比赛中占据最为重要的位置。爬泳由于具有姿势结构合理、阻力小、速度均匀、快速省力等优点，一般都被用于自由泳比赛中，故现在人们将自由泳和爬泳等同看待。但是，自由泳的学习难度较大，主要是自由泳十分讲究臂腿动作和呼吸的配合。为了保持身体的平衡和动作的协调，一套自由泳动作循环过程，一般可采取呼吸：臂划：腿打＝1：2：6的方法，即在两臂各划水一次的过程中进行一次呼吸，同时两腿交替打水，打水总次数为6次。自由泳一般采取只固定右边吸气或只固定左边吸气的方法，除了吸气过程口鼻部露出水面，其他时候口鼻部埋入水中，头部尽量位于身体中轴线上以减少运动阻力并维持身体平衡。以向右边吸气为例，通常的划水和呼吸技术动作为：右手入水之后，此时头部面向左下方，口鼻在水中慢慢呼气，随着右手臂划水到肩下的过程，头部慢慢转向右下方，同时口鼻加大呼气量，直到右手臂即将划出水面时，用力呼气；右手臂一划出水面，头部刚好能摆上水面，大口吸气，随着右手臂在空中移臂的过程，将头再次埋进水里，直到右手臂入水结束，这期间有一个闭气的过程，直到头部完全摆向左下方；然后，在左臂空中移臂至入水、划水的过程中，口鼻开始慢慢呼气，头部也慢慢摆向右侧，进行下一轮吸气的准备。
总之，自由泳过程，手臂、足部和口鼻需要经常性交替入水和出水以完成相关划水、打水和呼吸动作。为了学习自由泳并提升技术水平，游泳者及其教练需要充分注意游泳者左手臂、右手臂、左足、右足和口鼻这五个身体部位的出入水次序、频率以及各部位出入水时间间隔，从而纠正错误动作、了解技术水平进展和提升动作连贯和协调性。然而，要定量、精确、客观、全面地获得自由泳全过程手臂、足部和口鼻这三类身体部位的出入水时间信息，无论对游泳者自身还是其教练而言，都十分困难：游泳者只能靠自身主动去感知，教练只能靠目视或者录像观察，这种方法不仅费时费力，而且准确率和客观性不高，甚至容易遗忘。因此，亟需发展新的技术装置和数据分析处理方法，对自由泳全过程左右手臂、左右足部和口鼻这三类身体部位的出水、入水时间信息进行准确、客观的记录和绘图，从而帮助游泳者及其教练更好地感知、纠正和优化自由泳动作，评判自由泳动作技术水平，提高动作的连贯性和协调性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、使用方便、准确率高的自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置，并基于该装置提供简单可靠、客观准确的数据分析方法，对自由泳全过程左右手臂、左右足部和口鼻这三类身体部位的出入水时间进行客观准确记录并可视化绘图，从而帮助游泳者及其教练更好地感知、纠正和优化自由泳动作。
根据本发明的一个方面，提供一种自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置，包括供电模块、压力传感器、控制模块和传输模块，所述供电模块分别与压力传感器、控制模块和传输模块电性连接，所述控制模块分别与压力传感器和传输模块电性连接；所述供电模块为蓄电池，用于为压力传感器、控制模块和传输模块供电；所述压力传感器用于采集所处流体环境的表压信号，并将表压信号传输至控制模块；所述控制模块中设有计时器；所述控制模块用于接收压力传感器采集的表压信号及记录每个采集值的采集时间，形成表压信号时间序列数据并予以存储；所述传输模块用于将控制模块存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备。
根据本发明的另一个方面，提供基于上述自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置的数据分析方法，取五套所述记录装置，依次编号为1、2、3、4、5，并将所述五套记录装置按编号次序分别固定于游泳者的口鼻、左手腕、右手腕、左足腕和右足腕处；游泳开始前，在空气中将所述五套记录装置的表压采集值均标定为零点，并将所述五套记录装置的计时器调节为同步；游泳开始后，以游泳开始时刻为零时刻，使用所述五套记录装置每隔一定的时间间隔Δt采集并存储表压信号时间序列数据，所述时间间隔Δt位于0.001秒至0.2秒之间，所述表压信号时间序列数据的第一列为时间、第二列为表压值；游泳结束后，将所述五套记录装置存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备进行数据分析；数据分析过程，首先对每一套记录装置，在其原始采集的表压信号时间序列数据基础上增加一列特征值，且每一个特征值初始均置为0；然后对所有增加特征值后的时间序列数据进行数据处理，其中对编号为N的记录装置对应的时间序列数据，将该序列中第i个表压值和第i个特征值分别记为PNi和ZNi，该序列采集的表压值总数目为记CN，在此基础上对该时间序列数据按以下步骤进行数据处理：
步骤S1、令i＝2；
步骤S2、从时间序列数据中分别获得PNi和PN(i-1)的值；
步骤S3、将PNi、PN(i-1)分别和Pa、Pb进行比较，其中比较采用的条件1为PNi≥Pb且PN(i-1)≤Pa，条件2为PNi≤Pa且PN(i-1)≥Pb；若符合条件1，则将ZNi置为N；若符合条件2，则将ZNi置为-N；若既不符合条件1也不符合条件2，则ZNi维持为其初始值0；
步骤S4、令i在原有取值基础上增加1；
步骤S5、若i>CN，则转入步骤S6，否则转入步骤S2；
步骤S6、结束数据处理；
以上N为记录装置的编号值，N为1至5中的某个整数；CN为表压信号时间序列数据中总的数据记录次数；i为表压信号时间序列数据中数据记录的次序，i为1至CN中的某个整数； PNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个表压值；ZNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个特征值；Pa和Pb分别为比较用参数，其中Pa处于 0Pa到50Pa之间，Pb处于100Pa到200Pa之间。
对所述五套记录装置对应的完成数据处理之后的时间序列数据，将各时间序列中的非零特征值在同一个二维直角坐标系上以数据点方式投影，并按其出现的时间先后顺序依次相连形成折线段。
所述五套记录装置被固定的游泳者的口鼻、左手腕、右手腕、左足腕和右足腕处，这五处被固定的位置均为自由泳过程交替性入水和出水的位置。
优选地，所述口鼻处为游泳者的人中穴即人体鼻唇沟的中点处。
优选地，记录装置采取以下三种方法中的任意一种固定于游泳者的相关身体部位：粘贴于皮肤表面、使用绑带固定于皮肤表面、固定于与游泳者所穿戴泳具的结构件上。
优选地，编号为1的记录装置采取以下方法固定于游泳者的口鼻处：将该装置粘贴于杆件上，而所述杆件的一端粘贴于该装置并处于口鼻处，其另一端与游泳者的泳镜镜框机械连接。
本发明的有益效果在于：本发明充分利用水的密度远大于空气的特点，只要游泳者的某个身体部位从空气中一经入水，则该部位所受流体压力值便会急剧上升。在此基础上，考虑到压力采集数据存在一定的波动，为了提高数据分析可靠性，设计了两个压力阈值，其中较小者为Pa，较大者为Pb。对某个身体部位，若符合条件1，即某时刻压力值大于等于Pb且其上一时刻压力值小于等于Pa，则意味着压力值急剧上升，该时刻存在入水行为；若符合条件 2，即某时刻压力值小于等于Pa且其上一时刻压力值大于等于Pb，则意味着压力值急剧下降，该时刻存在出水行为；若条件1、2均不符合，则该时刻不存在出入水行为，该时刻及其上一时刻均处于同一流体介质内。基于这一原理，设计的出入水时间记录装置只包括常见的供电模块、压力传感器、控制模块和传输模块，由于出入水过程存在压力骤变，故其中的压力传感器也不需要很高的精度，故装置结构简单、准确率高；数据分析过程，数据的处理方法仅仅涉及简单的压力值大小比较和特征值赋值操作，算法简单高效，相比人工感知或肉眼观察游泳动作的方法，本发明的数据分析方法简单可靠、客观准确；由于特征值赋值操作后仅包括-5至5之间的11个整数值，除0之外的特征值均对应着某个身体部位的出入水动作，同一幅图中所有非零特征值按时间先后顺序依次相连形成的折线段也就简单清晰地展示了自由泳四肢和口鼻的出入水动作过程，易于对比观察和理解。
附图说明
图1为本发明实施例中自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置的结构示意图，图中1为包括供电模块，2为压力传感器，3为控制模块，4为传输模块。
图2为本发明实施例中基于自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置的数据分析方法中，数据处理环节的流程图。
图3为本发明实施例中五套记录装置分析结果的绘图显示。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置，包括供电模块1、压力传感器2、控制模块3和传输模块4，所述供电模块1分别与压力传感器2、控制模块3和传输模块4电性连接，所述控制模块3分别与压力传感器2和传输模块4电性连接；所述供电模块 1为蓄电池，用于为压力传感器2、控制模块3和传输模块4供电；所述压力传感器2用于采集所处流体环境的表压信号，并将表压信号传输至控制模块3；所述控制模块3中设有计时器；所述控制模块3用于接收压力传感器2采集的表压信号及记录每个采集值的采集时间，形成表压信号时间序列数据并予以存储；所述传输模块4用于将控制模块3存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备。
基于上述自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置的数据分析方法，取五套所述记录装置，依次编号为1、2、3、4、5，并将所述五套记录装置按编号次序分别固定于游泳者的口鼻、左手腕、右手腕、左足腕和右足腕处；游泳开始前，在空气中将所述五套记录装置的表压采集值均标定为零点，并将所述五套记录装置的计时器调节为同步；游泳开始后，以游泳开始时刻为零时刻，使用所述五套记录装置每隔一定的时间间隔Δt采集并存储表压信号时间序列数据，所述时间间隔Δt位于0.001秒至0.2秒之间，所述表压信号时间序列数据的第一列为时间、第二列为表压值；游泳结束后，将所述五套记录装置存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备进行数据分析；数据分析过程，首先对每一套记录装置，在其原始采集的表压信号时间序列数据基础上增加一列特征值，且每一个特征值初始均置为0；然后对所有增加特征值后的时间序列数据进行数据处理，其中对编号为N的记录装置对应的时间序列数据，将该序列中第i个表压值和第i个特征值分别记为PNi和ZNi，该序列采集的表压值总数目为记CN，在此基础上对该时间序列数据按以下步骤进行数据处理：
步骤S1、令i＝2；
步骤S2、从时间序列数据中分别获得PNi和PN(i-1)的值；
步骤S3、将PNi、PN(i-1)分别和Pa、Pb进行比较，其中比较采用的条件1为PNi≥Pb且PN(i-1)≤Pa，条件2为PNi≤Pa且PN(i-1)≥Pb；若符合条件1，则将ZNi置为N；若符合条件2，则将ZNi置为-N；若既不符合条件1也不符合条件2，则ZNi维持为其初始值0；
步骤S4、令i在原有取值基础上增加1；
步骤S5、若i>CN，则转入步骤S6，否则转入步骤S2；
步骤S6、结束数据处理；
以上N为记录装置的编号值，N为1至5中的某个整数；CN为表压信号时间序列数据中总的数据记录次数；i为表压信号时间序列数据中数据记录的次序，i为1至CN中的某个整数； PNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个表压值；ZNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个特征值；Pa和Pb分别为比较用参数，其中Pa处于0Pa到50Pa之间，Pb处于100Pa到200Pa之间。
对所述五套记录装置对应的完成数据处理之后的时间序列数据，将各时间序列中的非零特征值在同一个二维直角坐标系上以数据点方式投影，并按其出现的时间先后顺序依次相连形成折线段。
优选地，所述口鼻处为游泳者的人中穴即人体鼻唇沟的中点处。
优选地，记录装置采取以下三种方法中的任意一种固定于游泳者的相关身体部位：粘贴于皮肤表面、使用绑带固定于皮肤表面、固定于与游泳者所穿戴泳具的结构件上。
优选地，编号为1的记录装置采取以下方法固定于游泳者的口鼻处：将该装置粘贴于杆件上，而所述杆件的一端粘贴于该装置并处于口鼻处，其另一端与游泳者的泳镜镜框机械连接。
需要指出的是，PN1为记录起始瞬间的表压采集值，该时刻不存在对应的前一时刻，故步骤S1中令i＝2，从PN2为开始处理。
实施例
图1给出了本实施例中自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置的结构示意图，该装置为嵌入式芯片，其中供电模块1为锂离子电池，传输模块4为蓝牙模块。取五套所述记录装置，依次编号为1、2、3、4、5，并将所述五套记录装置按编号次序分别固定于游泳者的口鼻、左手腕、右手腕、左足腕和右足腕处，其中手腕、足腕处的装置采用绑带固定于皮肤表面，口鼻处的装置粘贴于与游泳者的泳镜镜框机械连接的杆件上。本实施例中，时间间隔Δt为0.1 秒，比较用参数Pa＝20Pa，Pb＝120Pa，均可通过控制模块3进行设置。游泳开始瞬间，此时游泳者全身还处于空气中，启动五套装置的表压值采集和存储。游泳完成后，游泳者上岸，将五套记录装置获得的表压信号时间序列数据通过蓝牙均传输至笔记本电脑进行数据处理。
限于篇幅，以口鼻处装置前2秒为例，该装置编号N＝1，数据处理之前，前2秒该装置对应的时间序列数据见表1；数据处理之后，前2秒该装置对应的时间序列数据见表2。
表1数据处理前口鼻处装置前2秒的时间序列数据
表2数据处理后口鼻处装置前2秒的时间序列数据
序号 时间/秒 表压值/Pa 特征值 序号 时间/秒 表压值/Pa 特征值
1 0.0 0.3 0 11 1.0 545.3 0
2 0.1 0.5 0 12 1.1 657.6 0
3 0.2 2.2 0 13 1.2 433.6 0
4 0.3 1.8 0 14 1.3 212.5 0
5 0.4 2.9 0 15 1.4 136.7 0
6 0.5 13.2 0 16 1.5 11.9 -1
7 0.6 128.5 1 17 1.6 5.6 0
8 0.7 160.3 0 18 1.7 2.2 0
9 0.8 254.2 0 19 1.8 1.4 0
10 0.9 311.3 0 20 1.9 0.5 0
21 2.0 0.7 0
与表1相比，表2中时间为0.6秒和1.5秒时的特征值发生了变化，这是因为：0.5秒和0.6 秒时表压值分别为13.2Pa和128.5Pa，故0.6秒时符合条件1，特征值置为1；而1.4秒和1.5 秒时表压值分别为136.7Pa和11.9Pa，故1.5秒时符合条件2，特征值置为-1。
限于篇幅，经数据处理后，将五套记录装置前5秒对应的非零特征值投影至直角坐标系，坐标系横坐标为时间，纵坐标为特征值，对所有非零特征值按其出现的时间先后顺序依次相连形成折线段，绘图见附图3。-5至5的10个特征值均对应着特定动作含义，如-1代表口鼻出水时刻，1代表口鼻入水时刻，通过观察附图3，可以获得同一类型或不同类型动作执行的时间间隔，统计呼吸、臂划、腿打动作的次数和频率以及分析动作的连贯性、均匀性等。
本实施例提供的自由泳四肢和口鼻出入水时间记录装置及数据分析方法，充分利用水的密度远大于空气的特点，只要游泳者的某个身体部位从空气中一经入水，则该部位所受流体压力值便会急剧上升。在此基础上，考虑到压力采集数据存在一定的波动，为了提高数据分析可靠性，设计了两个压力阈值，其中较小者为Pa，较大者为Pb。对某个身体部位，若符合条件1，即某时刻压力值大于等于Pb且其上一时刻压力值小于等于Pa，则意味着压力值急剧上升，该时刻存在入水行为；若符合条件2，即某时刻压力值小于等于Pa且其上一时刻压力值大于等于Pb，则意味着压力值急剧下降，该时刻存在出水行为；若条件1、2均不符合，则该时刻不存在出入水行为，该时刻及其上一时刻均处于同一流体介质内。基于这一原理，设计的出入水时间记录装置只包括常见的供电模块、压力传感器、控制模块和传输模块，由于出入水过程存在压力骤变，故其中的压力传感器也不需要很高的精度，故装置结构简单、准确率高；数据分析过程，数据的处理方法仅仅涉及简单的压力值大小比较和特征值赋值操作，算法简单高效，相比人工感知或肉眼观察游泳动作的方法，本发明的数据分析方法简单可靠、客观准确；由于特征值赋值操作后仅包括-5至5之间的11个整数值，除0之外的特征值均对应着某个身体部位的出入水动作，同一幅图中所有非零特征值按时间先后顺序依次相连形成的折线段也就简单清晰地展示了自由泳四肢和口鼻的出入水动作过程，易于对比观察和理解。

Claims (1)

1.一种自由泳四肢和口鼻出入水时间记录的数据分析方法，其特征在于，该方法基于数据记录装置，所述装置包括供电模块(1)、压力传感器(2)、控制模块(3)和传输模块(4)，所述供电模块(1)分别与压力传感器(2)、控制模块(3)和传输模块(4)电性连接，所述控制模块(3)分别与压力传感器(2)和传输模块(4)电性连接；所述供电模块(1)为蓄电池，用于为压力传感器(2)、控制模块(3)和传输模块(4)供电；所述压力传感器(2)用于采集所处流体环境的表压信号，并将表压信号传输至控制模块(3)；所述控制模块(3)中设有计时器；所述控制模块(3)用于接收压力传感器(2)采集的表压信号及记录每个采集值的采集时间，形成表压信号时间序列数据并予以存储；所述传输模块(4)用于将控制模块(3)存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备；
所述方法为，取五套所述记录装置，依次编号为1、2、3、4、5，并将所述五套记录装置按编号次序分别固定于游泳者的口鼻、左手腕、右手腕、左足腕和右足腕处；游泳开始前，在空气中将所述五套记录装置的表压采集值均标定为零点，并将所述五套记录装置的计时器调节为同步；游泳开始后，以游泳开始时刻为零时刻，使用所述五套记录装置每隔一定的时间间隔Δt采集并存储表压信号时间序列数据，所述时间间隔Δt位于0.001秒至0.2秒之间，所述表压信号时间序列数据的第一列为时间、第二列为表压值；游泳结束后，将所述五套记录装置存储的表压信号时间序列数据传输至外部的数字处理设备进行数据分析；数据分析过程，首先对每一套记录装置，在其原始采集的表压信号时间序列数据基础上增加一列特征值，且每一个特征值初始均置为0；然后对所有增加特征值后的时间序列数据进行数据处理，其中对编号为N的记录装置对应的时间序列数据，将该序列中第i个表压值和第i个特征值分别记为PNi和ZNi，该序列采集的表压值总数目记为CN，在此基础上对该时间序列数据按以下步骤进行数据处理：
步骤S1、令i＝2；
步骤S2、从时间序列数据中分别获得PNi和PN(i-1)的值；
步骤S3、将PNi、PN(i-1)分别和Pa、Pb进行比较，其中比较采用的条件1为PNi≥Pb且PN(i-1)≤Pa，条件2为PNi≤Pa且PN(i-1)≥Pb；若符合条件1，则将ZNi置为N；若符合条件2，则将ZNi置为-N；若既不符合条件1也不符合条件2，则ZNi维持为其初始值0；
步骤S4、令i在原有取值基础上增加1；
步骤S5、若i>CN，则转入步骤S6，否则转入步骤S2；
步骤S6、结束数据处理；
以上N为记录装置的编号值，N为1至5中的某个整数；CN为表压信号时间序列数据中总的数据记录次数；i为表压信号时间序列数据中数据记录的次序，i为1至CN中的某个整数；
PNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个表压值；ZNi为编号为N的记录装置对应的信号时间序列数据中的第i个特征值；Pa和Pb分别为比较用参数，其中Pa处于0Pa到50Pa之间，Pb处于100Pa到200Pa之间。
对所述五套记录装置对应的完成数据处理之后的时间序列数据，将各时间序列中的非零特征值在同一个二维直角坐标系上以数据点方式投影，并按其出现的时间先后顺序依次相连形成折线段。
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