ES2641232T3

ES2641232T3 - Monitorización de eventos deportivos

Info

Publication number: ES2641232T3
Application number: ES03769038.5T
Authority: ES
Inventors: Ronald RMIT GRENFELL; Kefei RMIT ZHANG; Colin Mackintosh; Daniel James; Neil Davey
Original assignee: Catapult Group International Pty Ltd
Current assignee: Catapult Group International Pty Ltd
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: EP1562680A1; EP1562680B1; US7272499B2; US20060212271A1; EP1562680A4; WO2004039462A1; US20080018532A1

Abstract

Un sistema para la adquisición de datos para su uso en eventos deportivos que incorpora: un sensor de posición global para obtener datos de posicionamiento tridimensionales relativos a un tiempo transcurrido; al menos un acelerómetro para obtener datos de aceleración y velocidad; un microcontrolador con un reloj para interrogar el sensor de posición global y para medir los datos del acelerómetro; una fuente de alimentación; un dispositivo informático; y un medio de comunicación para la transmisión de los datos de posición global y del acelerómetro desde el microcontrolador al dispositivo informático; el dispositivo informático estando programado para usar los datos de posición global y del acelerómetro para proporcionar un resultado preciso y continuo de los parámetros del movimiento como la velocidad, aceleración y distancia recorrida, donde el al menos un acelerómetro se adapta para obtener datos de aceleración y velocidad en tres dimensiones, y donde el sistema se adapta para muestrear los datos del acelerómetro para obtener características de movimiento del deporte monitorizado.

Description

DESCRIPCION

Monitorizacion de eventos deportivos

5 Esta invencion se refiere a un procedimiento y sistema para monitorizar las caracterfsticas de rendimiento de los atletas en general y tambien de los atletas en embarcaciones en deportes acuaticos como el remo, piraguismo, surfski y vela.

Antecedentes de la invencion

10

La monitorizacion del rendimiento de los atletas tanto en el entrenamiento como en competicion es importante en el desarrollo e implementacion de nuevos enfoques dirigidos a mejorar el rendimiento deportivo.

La capacidad de medir y registrar la informacion ffsica del atleta y la informacion posicional asociada con el 15 movimiento del atleta en tiempo real es vital en el proceso de entrenamiento del atleta. El oxfgeno en sangre, la respiracion, el ritmo cardfaco, la velocidad, la aceleracion/fuerza, los cambios en la direccion, y muchos otros factores son necesarios en el entrenamiento de los atletas. La informacion de la posicion, movimiento y fuerza juega un papel importante en el analisis efectivo del rendimiento del atleta, especialmente para los remadores. Por ejemplo, la frecuencia de carrera, fuerza y sincronizacion de los atletas son crfticas para el rendimiento de los 20 remadores en una competicion. Actualmente la informacion de carrera solo puede medirse en laboratorios deportivos dedicados o utilizando dispositivos simulados. El analisis fiable de la velocidad de carrera y la distancia de carrera en el remo ha sido un desaffo durante mucho tiempo debido a la disponibilidad de los datos del escenario real, en particular una alta precision de los datos de posicion, velocidad y aceleracion. Las tecnologfas existentes utilizadas para este fin incluyen estudios teoricos, procedimientos de grabacion en video, procedimiento de tanque 25 interior, modelado por ordenador y estudios de ergometros. La mayoria del equipamiento es demasiado pesado, caro, intrusivo o menos fiable. Por tanto, la monitorizacion inteligente en tiempo real durante el entrenamiento y la competicion para ayudar a los atletas de elite a mejorar su rendimiento y evitar lesiones es critica para los atletas y los entrenadores. Cualquier metodologia que mejore la situacion no solo beneficiaria a la practica del remador, sino tambien a otras muchas aplicaciones relacionadas con los deportes, incluyendo deportes en equipo y atletas 30 individuales.

Las patentes de EE.UU. 4984986 y 5099689 describen sistemas de medicion para un aparato de remo que mide el numero de carreras o la fuerza aplicada a la maquina.

35 La patente de EE.UU. 6308649 describe un sistema de monitorizacion para competiciones de vela que proporciona informacion a la tripulacion de parametros como la velocidad del viento y su direccion, la velocidad de la embarcacion, los parametros de confort de la embarcacion de vela, forma de la vela, tensiones de la cuerda, angulo del timon, etc.

40 Algunos desarrollos de los sistemas de monitorizacion se han producido en deportes no acuaticos. La patente de EE.UU. 6148262 describe un ordenador para deportes de pedal que incluye un receptor GPS para proporcionar una capacidad de mapeo. Las patentes WO 01/52718, WO 01/42809 y Ee.UU. 6463385 describe sistemas para monitorizar atletas usando GPS. Las patentes WO 01/52718 y wO 01/42809 utilizan ademas acelerometros. "Development of Small Size Data Logger to Observe Marine Animals" por Muramoto et al., "Detection of Static and 45 Dynamic Activities Using Uniaxial Accelerometers" por Veltink et al., y "Motion pattern and posture: Correctly assessed by calibrated accelerometers" por Foerster et al., cada uno describe sistemas de monitorizacion que utilizan acelerometros.

En los atletas, la capacidad para monitorizar el movimiento, la aceleracion y el ritmo es util especialmente en eventos 50 en pista y en campo. En deportes de equipo como el futbol, la capacidad de realizar un seguimiento y registrar los movimientos de los jugadores es util para los entrenadores.

Es un objetivo de esta invencion proporcionar un dispositivo para la monitorizacion en tiempo real del rendimiento de la embarcacion y del atleta en eventos acuaticos en en atletismo y otros deportes.

55

Con este fin, un registrador de datos en agua ejemplar puede incluir

a) un sensor de movimiento para detectar el movimiento

b) al menos un sensor fisiologico conectable al cuerpo humano

60 c) una unidad de control para recibir los datos desde el acelerometro y el sensor fisiologico

d) dicha unidad de control estando programada para manipular los datos recibidos y transformarlos en parametros utiles para evaluar el rendimiento

e) medio de visualizacion para mostrar dichos parametros

f) medio de almacenamiento para almacenar los parametros y/o

5 g) medio de telemetrfa para transmitir los parametros a un punto de control remoto

Dicho dispositivo proporcionara datos longitudinales del entorno de entrenamiento y competicion y proporcionara los datos fisiologicos del atleta y los datos de rendimiento relacionados con el deporte.

10 Para el remo u otros deportes acuaticos, los datos del sensor de movimiento pueden usarse para producir resultados que se correlacionan con

a) la velocidad de la embarcacion

b) la aceleracion o fuerza de cada carrera 15 c) la velocidad de carrera

El sensor de movimiento es preferiblemente un acelerometro, pero tambien puede ser una unidad impulsora para detectar la velocidad o una unidad GPS para detectar la posicion instantanea de la embarcacion y la velocidad o combinaciones de estos sensores. Un impulsor puede instalarse en el casco de la embarcacion y sus rotaciones ser 20 detectadas para obtener la velocidad de la embarcacion. Una desventaja del impulsor es que dificulta la velocidad de la embarcacion y por tanto no es deseable su uso durante la competicion. Alternativamente, puede instalarse un micro sensor de flujo de fluidos en el casco para medir el flujo del agua pasado un punto del casco para determinar la velocidad de la embarcacion. Un micro sensor del flujo de fluidos no dificultara la velocidad de la embarcacion. Un transmisor de receptor GPS puede incluirse en el dispositivo para obtener los parametros de ubicacion y velocidad.

25

Los sensores fisiologicos utilizados se sujetan a la tripulacion de la embarcacion. El ritmo cardfaco es el principal parametro a medir y esto puede detectarse usando sensores electricos o microfonos. La frecuencia respiratoria tambien es importante y puede medirse detectando la dilatacion de una banda de pecho o utilizando un microfono y un software de reconocimiento de senal. Otro parametro es la saturacion de oxfgeno arterial, que puede medirse de 30 forma no invasiva mediante un sensor, colocado en el lobulo de la oreja o en la punta del dedo, usando una oximetrfa del pulso empleando una tecnica de absorcion infrarroja. La espectroscopia infrarroja puede utilizarse para la medicion no invasiva de las concentraciones de lactato en la sangre.

De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un sistema de adquisicion de datos para su uso 35 en eventos deportivos, que incorpora un sensor de posicion global para obtener tres datos de posicionamiento dimensional relativos al tiempo transcurrido; al menos un acelerometro para obtener los datos de aceleracion y velocidad; un microcontrolador con un reloj para interrogar el sensor de posicion global y para medir los datos del acelerometro; una fuente de alimentacion; y medio de comunicacion para la transmision de los datos de posicion global y los datos del acelerometro desde el microcontrolador a un dispositivo informatico; el microcontrolador o 40 dispositivo informatico estando programado para utilizar los datos de posicion global y del acelerometro para proporcionar resultados precisos y continuos de los parametros como la velocidad, aceleracion y distancia recorrida, caracterizado porque el al menos un acelerometro es para obtener datos de aceleracion y velocidad en tres dimensiones, donde los datos del acelerometro se muestrean para obtener las caracterfsticas de movimiento del deporte que esta siendo monitorizado.

45

Preferiblemente, el reloj es para interrogar el sensor de posicion global a una frecuencia de al menos 1 Hz. Preferiblemente la transmision es una transmision inalambrica y el dispositivo informatico es un dispositivo informatico remoto. Preferiblemente, la velocidad se deriva del sensor de posicion global. Preferiblemente, los datos del acelerometro se integran para obtener las caracterfsticas del movimiento relacionadas con la velocidad y la 50 deriva se comprueba cada segundo usando el resultado del sensor de posicion global.

Este sistema proporciona un dispositivo de plataforma que puede utilizarse para una amplia gama de deportes simplemente proporcionando un software apropiado para obtener a partir de los datos del acelerometro y del GPS los parametros deportivos deseados como la frecuencia de la zancada, la velocidad, la longitud de la zancada, la 55 aceleracion vertical, el tiempo levantado del suelo para salto de longitud y eventos como el esquf aereo.

Se describiran las realizaciones particulares de la invencion.

La Figura 1 es una distribucion esquematica de un registrador de datos utilizado para un remero y una embarcacion 60 de remo;

La Figura 2 muestra un organigrama del resultado del software para un registrador de datos de remo;

La Figura 3 es una ilustracion grafica de la carrera determinada usando datos GPS;

La Figura 4 ilustra visualizacion de una pantalla de ordenador; y

La Figura 5 ilustra la desviacion entre las mediciones de velocidad obtenidas del codigo y el portador.

5

Una carrera en remo es un movimiento preciso con los remadores usando sus piernas, espalda y brazos para generar potencia. Una carrera comienza con la colocacion del remo o la pala en el agua, y finaliza cuando el remo vuelve a salir del agua y se posiciona para otro ciclo. La carrera de remo puede dividirse en cuatro fases principales: captura, traccion, acabado, y recuperacion. Estas fases secuenciales deben fluir desde y hasta cada una de ellas 10 para producir un movimiento continuo y fluido.

La captura. En la captura, la pala se coloca en el agua rapidamente minimizando al mismo tiempo la perturbacion a la embarcacion. Los brazos del remero se extienden hacia afuera, el torso se inclina hacia adelante, y las piernas se flexionan. Una buena captura produce una cantidad minima de salpicadura delantera y trasera minima y causa una 15 minima frenada. Las capturas de toda la tripulacion de una embarcacion deben ser identicas. Las capturas no sincronizadas causan problemas de equilibro y reducen la velocidad de la embarcacion. La pala debe estar totalmente cuadrada con el agua en el momento de la captura.

La traccion. La embarcacion gana velocidad con la traccion. En esta parte de la carrera, el remero aplica potencia al 20 remo con la fuerza de los brazos, espalda y piernas, y oscila su torso hacia el lado opuesto de la popa de la embarcacion. La pertiga del remo se empuja en un movimiento limpio, potente y nivelado hacia la proa de la embarcacion con una fuerza constante.

El acabado. En el acabado, el remero finaliza de aplicar potencia a la pertiga del remo, saca la pala del remo del 25 agua rapidamente, y cala el remo de forma que la pala del remo se pone en paralelo con la superficie del agua.

La Recuperacion. Esta parte de la carrera proporciona a los remeros un breve descanso para prepararse para la proxima carrera. El remero debe deslizarse hacia la popa de la embarcacion y preparar la pala para la proxima captura. Las tripulaciones exhiben aproximadamente una proporcion de 2:1 entre el tiempo pasado en la 30 recuperacion y el tiempo pasado en la traccion. Al final de la recuperacion, el remo se cuadra gradualmente (la pala del remo se pone en perpendicular a la superficie del agua) y se prepara para la captura. Comprender que movimientos deberfan producirse en cada fase de la carrera permite a los entrenadores disenar programas de acondicionamiento efectivos y evaluar el rendimiento del ejercicio de remo de forma efectiva. El exito en el remo de competicion se consigue tardando el tiempo mas corto en completar un curso de 2000 metros, que directamente se 35 vincula a la velocidad media de la embarcacion. La aceleracion es proporcional a la fuerza y el tiempo desde que la embarcacion se acelera a medida que reacciona con el arco de barrido del remo. Los tres factores que afectan a la velocidad de la embarcacion, potencia, longitud y ritmo, son determinantes importantes del rendimiento del remo. La potencia determina la velocidad de recorrido de la embarcacion en una carrera, la longitud se asocia con la distancia que recorre la embarcacion en cada carrera y el ritmo proporciona cuantas carreras se reman por minuto. Por tanto, 40 el remero debe conseguir una combinacion optima de alta potencia de carrera, larga longitud de carrera y alto ritmo de carrera.

Los datos obtenidos de los acelerometros han sido usados para ayudar en el proceso de entrenamiento y mejorar el rendimiento del atleta.

45

Recientes desarrollos en la tecnologfa de los sistemas micro-electromecanicos (MEMS) han abierto nuevas posibilidades para el uso de acelerometros y giroscopios ligeros de alta precision para nuevas y apasionantes aplicaciones deportivas (por ejemplo, calificar el ritmo y la longitud de la carrera y el avance del remo). MEMS integra componentes electricos y mecanicos en un unico chip a traves una amplia investigacion de las tecnologfas de 50 procesamiento de circuitos integrados. Ya que los acelerometros MEMS se originaron a partir de la seguridad del vehfculo y la estabilizacion electronica, solo proporcionan mediciones de muy baja precision. Sin embargo, ya que los dispositivos micromecanicos son esencialmente mas pequenos, y normalmente mas precisos que sus equivalentes macroscopicos, cada vez hay mas sensores mas y mas fiables. Los acelerometros miden la aceleracion lineal y los giroscopios miden la aceleracion angular (cabeceo, inclinacion y vuelco).

55

La mayorfa de los acelerometros se utilizan simultaneamente con giroscopios para formar un sistema de navegacion inercial o "navegacion por estima". Aquf es donde la desviacion de la posicion de una referencia conocida (o punto de inicio) se determina mediante la integracion de la aceleracion en cada eje a lo largo del tiempo. Para minimizar el error, los giroscopios permiten determinar la orientacion del acelerometro y el integrador se reinicia a las posiciones 60 de referencia conocidas tras cada contacto con el suelo. En este enfoque, los transductores acelerometricos y

giroscopicos se combinan para recoger y transmitir informacion completa tridimensional sobre el movimiento de un remero.

Los errores de los sensores inerciales incluyen errores del encabezado inicial del sistema, errores del factor de 5 escala del giroscopio, factor de escala del acelerometro, y errores de inclinacion del giroscopio. Estas desviaciones e inclinaciones son intrfnsecas en los sensores inerciales causaran una desalineacion de la plataforma y los errores en las aceleraciones detectadas, lo que por tanto resulta en errores en las velocidades y posiciones computadas.

La llegada de los sistemas globales de navegacion por satelite avanzados (GNSS), GPS en particular, ha 10 revolucionado las tecnicas convencionales de posicionamiento preciso. El GPS ha estado mas sometido a una amplia gama de aplicaciones mediante la evolucion de metodos estaticos y cinematicos rapidos, y ahora aun mas con la llegada de la tecnica On-The-Fly (OTF) y mas recientemente las tecnicas RTK basadas en red como el sistema de estacion de referencia virtual Trimble y el metodo de parametro de correccion de superficie Geo++. La cinematica en tiempo real (RTK) o posicionamiento Epoch individual para determinar las ambiguedades del entero 15 en tiempo real. Por tanto no es necesario realizar ninguna inicializacion estatica antes de realizar el estudio. Debido a las longitudes de onda pequenas de las frecuencias de la fase portadora (eL1j019cm y eL2j019cm), la determinacion de la posicion dentro de un ciclo especffico a un nivel milimetrico usando mediciones de la fase portadora diferencial (es decir, tecnicas diferenciales), es posible. La mayorfa de los sistemas determinan estadfsticamente la solucion mas probable para la posicion del receptor itinerante. Virtualmente, los algoritmos de 20 procesamiento de la fase portadora que utilizan una tecnica OTF dependen de la fase portadora de diferencia doble como la medicion principal. Un cuadro de busqueda se determina dentro del cual la posicion debe estar. Todas las posibles soluciones entonces se evaluan y se selecciona el candidato estadfsticamente mas probable. Este procedimiento es extremadamente intensivo informaticamente, particularmente con un gran numero de satelites. Sin importar si el sistema es para uso en tiempo real o tras la mision, el algoritmo se trata generalmente igual. 25 Claramente, con las implementaciones en tiempo real, las interrupciones de datos, los entornos de observacion poco favorables, las multi rutas y los lapsus de ciclo pueden limitar gravemente el rendimiento del sistema. El tiempo para la resolucion de la ambiguedad puede variar de unos segundos a varios minutos, dependiendo de algunas de las siguientes consideraciones:

30 • El uso de L1 versus L1-L2 (canal ancho, l2 jO 86cm) observable

• Distancia entre los receptores de referencia y de itinerancia

• Numero y geometrfa de los satelites

• Metodo de busqueda de ambiguedad utilizado y condiciones atmosfericas diferenciales

• Calidad de la senal recibida (efectos multi ruta, codigo y ruido de la fase portadora, etc.)

35

La deteccion precisa y eliminacion de los lapsus de ciclo es esencial para el uso satisfactorio de la tecnica GPS cinematica OTF. Se han desarrollado varias tecnicas de deteccion del lapsus del ciclo en la ultima decada. Se incluyen tecnicas de diferenciacion doble y triple, comparacion de la diferencia entre la fase portadora adyacente y los valores del codigo (rango residual), comparacion de la ecuacion adyacente de los cuatro observables, 40 comparacion del residual ionosferico adyacente, ajuste de la de-correlacion de ambiguedad de mfnimos cuadrados, ajuste de la curva de fase del portador, uso de satelites redundantes y uso de los valores Doppler sin procesar. Estos metodos normalmente asumen un comportamiento estocasticos conocidos para errores no modelados (por ejemplo, ruido, multi ruta, efectos atmosfericos diferenciales), que si estan presentes, afectaran adversamente al rendimiento del algoritmos. Ninguna de estas tecnicas puede resolver todos los problemas de posicionamiento 45 cinematico. A veces, un lapsus de ciclo puede detectarse, pero no corregirse de forma precisa. Dichas instancias incluyen una perdida de bloqueo, grandes efectos multi ruta y menor proporcion senal a ruido. Esto necesita la combinacion de dos o mas de estas tecnicas para obtener una solucion mas robusta.

La Figura 1 ilustra los componentes basicos de un sistema para monitorizar la velocidad de la embarcacion y el ritmo 50 cardfaco del remero.

El acelerometro proporciona una salida PWM donde el ciclo de trabajo se relaciona con la aceleracion. En el borde elevado y en el descendente de las salida PWM, un valor del temporizador se captura y se utiliza para calcular el ciclo de trabajo de los acelerometros. El firmware tambien incluye un algoritmo para ajustar la inestabilidad en el 55 periodo PWM; y para una pequena cantidad de deriva. Se ha considerado un algoritmo mas detallado que compense la deriva de temperatura a lo largo del tiempo, y se implementara mas adelante.

La captacion del impulsor utiliza un sensor Melexis MLX90215 de efecto Hall para detectar las rotaciones del impulsor NK. El MLX90215 se programa con una sensibilidad de 100mV/mT. La salida desde el sensor se amplifica 60 por 100 para aumentar la amplitud de la senal a un intervalo utilizable. Esta senal luego se muestrea usando un A/D

a 1200 Hz y se procesa usando tecnicas DSP dentro del firmware para calcular las rotaciones. En vez de usar un impulsor para detectar la velocidad de la embarcacion, puede utilizarse un sensor de flujo de agua. Un sensor preferido es un micro PCB o sensor de flujo de fluidos basado en silicio que utiliza un calefactor en combinacion con un sensor del calor que mide el cambio en la temperature del fluido que pasa por el calefactor y un sensor para 5 determinar la frecuencia de flujo del fluido que en este caso es el agua que fluye pasado un punto fijo en el casco de la embarcacion. Esto puede entonces usarse para medir la velocidad de la embarcacion.

Para un analisis del perfil de la competicion y la carrera, se prefiere no utilizar impulsores en los sensores de flujo de agua, sino depender del GPS y los acelerometros.

10

El dispositivo de visualizacion es un ordenador portatil Compaq iPAQ™ programado para presentar los datos en un formato que es util para un entrenador o remero.

Se prefiere que el dispositivo tenga capacidades de registro de datos y transferencia IrDA lo que hace que el 15 almacenamiento de datos en la unidad tenga algo menos de importancia. Sin embargo, almacenar los datos en la unidad tiene sentido, ya que los datos sin procesar pueden transmitirse al dispositivo y la mayor potencia de procesamiento del chip de la unidad permite un software flexible y el desarrollo de la visualizacion.

El microprocesador es un Hitachi HD64F3672FP que se deriva de la familia H8/300H. Sus principales caracterfsticas 20 son:

• ocho registros de 32-bit O dieciseis de 16-bit o dieciseis de 8-bit.

• Interfaz de comunicacion en serie (SCI)

• ADC de 10-bit (4 canales)

25 • 2k bytes de RAM

La unidad de acelerometro esta alimentada con una baterfa de 9 voltios, que se regula a 5 voltios internamente. Las dimensiones de la unidad de acelerometro son 25 mm x 30 mm x 9 mm (mas pequena que una caja de cerillas normal). La cubierta debe ser resistente a las salpicaduras, pero es importante que pueda accederse a los botones 30 on/off y inicio/parada, etc., incluso cuando los remeros lleven guantes.

Todos los chips que han sido seleccionados estan entre los mas pequenos disponibles en su gama; el Hitachi HD64F3672FP mide 12mm x 12mm, e incorpora una arquitectura de 64 pines y el ADXL202 que mide solo 5mm x 5mm.

35

La Figura 2 ilustra el flujo de salida de los diferentes sensores, es decir impulsor, monitor del ritmo cardfaco, reloj, sensor GPS y acelerometro 3 D. La velocidad de carrera y la traccion de carrera al coeficiente de recuperacion se derivan convenientemente a partir de los datos del acelerometro mientras que la velocidad intra carrera, distancia por carrera y velocidad por carrera se derivan del acelerometro, GPS y datos del reloj de tiempo.

40

Los datos del bloque 1 (por 3 o 4 canales) se empaquetaran y transmitiran en un unico marco. El tiempo de muestreo para un marco (1 bloque a 150 muestras/seg) sera equivalente a 6,6 ms. Estos datos se combinaran con la informacion del bloque y del canal.

45 Un total de ocho bytes se requieren para transmitir un bloque de datos; esto incluye el encabezado, dos canales de 16 bit, recuento de Rotacion del impulsor y recuento del Ritmo cardfaco. El recuento del Ritmo cardfaco solo se transmite una vez por segundo, o una vez cada 150 marcos. El ritmo cardfaco es un resultado que indica el valor en milisegundos a partir del latido anterior o el milisegundo en que se produjo el latido durante ese paquete de informacion. Esto se utiliza para calcular el ritmo cardfaco (RC) latido a latido. Alternativamente, el numero de latidos 50 en 15 segundos se totaliza y luego se multiplica con 4 para obtener el RC. El algoritmo luego ejecuta un promedio consecutivo para suavizar los datos. Dado que el RC maximo nunca superara los 250 bpm, esto significa que como mucho un latido se producira cada 240 ms que es aproximadamente 1 impulso cada 2 paquetes de informacion. La tabla 1 muestra un bloque de datos excluyendo el encuadre y los datos de la informacion de red.

55 Tabla 1

Byte: 1 Encabezado de marco(xEE)

: 2 Numero de bloques(4 bits)


: Numero de canales(4 bits)

: 3 ACC "Y" bits 1-8

: 4 ACC "Y" bits 9-16

: 5 ACC "Y" bits 1-8

: 6 ACC "Y" bits 9-16

: 7 Recuento de rotacion del impulsor (8bits)

: 8 Recuento de latido cardfaco (8bits)

5

La Tabla 2 ilustra un ejemplo de la secuencia de bits para dos marcos. El primer marco contiene dos canales de 16 bits y el recuento de Rotacion del impulsor, y el segundo marco contiene dos canales de 16 bits, el recuento de Rotacion del impulsor y el recuento de la Frecuencia cardfaca.

Tabla 2

Secuencia de datos: Significado

0xEE: Byte del encabezado

0x13: Un bloque, por ejemplo 3 canales

0xA9: Acc Y Byte mas baio

0xEA: Acc Y Byte mas alto

0x46: Acc X Byte mas bajo

0xC9: Acc X Byte mas alto

0x01: Recuento de rotacion del impulsor

0xEE: Byte del encabezado

0x14: Un bloque, por ejemplo 4 canales

0xA9: Acc Y Byte mas bajo

0xEA: Acc Y Byte mas alto

0x46: Acc X Byte mas bajo

0xC9: Acc X Byte mas alto

0x01: Recuento de rotacion del impulsor

0x02: Recuento de frecuencia cardfaca

Una unidad unica puede utilizarse para cada miembro de la tripulacion o las lfneas de la frecuencia cardfaca para cada miembro de la tripulacion pueden incluirse con los datos del acelerometro y velocidad para proporcionar un 10 conjunto compuestos de datos. En una embarcacion con varios miembros de la tripulacion, cada miembro tiene un receptor a una distancia de hasta 2 pies que recoge la senal de la frecuencia cardfaca desde el monitor de frecuencia cardfaca polar sujeto a cada miembro de la tripulacion. Cada monitor de frecuencia cardfaca transmite una senal con codificacion unica que se asigna a cada miembro de la tripulacion. El registrador de datos de la embarcacion recibe las senales de frecuencia cardfaca de todos los miembros de la tripulacion por cable desde los 15 receptores de la frecuencia cardfaca.

Una unidad GPS puede integrarse con el sistema registrador de datos. Esto podrfa comprender dos unidades, una unidad basica mas una segunda unidad para GPS. Las unidades compartirfan la misma lfnea de serie y se comunican usando un protocolo de red. Alternativamente, la unidad GPS podrfa conectarse a la unidad basica y un 20 codigo de firmware adicional anadirse para recibir y transmitir datos.

Los sistemas de navegacion inerciales (INS) pueden utilizarse para cubrir los huecos de informacion de las desconexiones del GPS. Cuando se utiliza el enfoque INS en el remo, los sensores requeridos deben ser pequenos, ligeros, discretos e inexpresivos. Estos requisitos pueden satisfacerse cuando los sensores se fabrican con 25 tecnologfa MEMS. Sin embargo, debido a las desviaciones intrfnsecas y a los errores de deriva de los acelerometros y giroscopicos, la precision de los actuales sensores MEMS mas modernos debe tenerse en cuenta para el seguimiento de alta precision en el remo. El procedimiento basico en los sistemas de posicionamiento INS es procesar los datos del sensor inercial. La doble integracion de las mediciones de aceleracion, no puede aplicarse debido a la precision mas baja de los sensores MEMS. Esto es debido a que en la doble integracion, los errores se 30 acumulan rapidamente, lo que pronto resulta en errores de velocidad comparables a las velocidades tfpicas en el remo. Sin embargo, las ventajas del sistema INS incluyen su bajo coste y alta tasa de produccion de informacion del movimiento.

El sistema GPS de alta precision puede proporcionar informacion de la velocidad y aceleracion de alta precision (la 35 aceleracion es la primera derivativa de la velocidad y una segunda derivativa del desplazamiento). Sin embargo, el sistema GPS es normalmente voluminoso, caro y proporciona una tasa de resultados baja y un alto consumo de energfa. Para resolver estos problemas, un sistema integrado aprovecha los sensores GPS y MEMS de bajo coste para proporcionar capacidades de alto rendimiento. Los sensores MEMS se utilizan para proporcionar una tasa precisa y alta (digamos 200Hz), posicionamiento geografico de bajo coste, bajo volumen, baja energfa, robusto y

fiable, mientras que el GPS de bajo coste se utiliza para la calibracion del sistema de alta frecuencia (digamos 5-20 Hz). Combina mediciones de un tablero GPS OEM y por tanto un chip GPS con unidades de medicion inerciales a partir de una combinacion de tres giroscopios y acelerometros MEMS (digamos Dispositivos analogicos).

5 Un receptor GPS de 1 Hz es la frecuencia minima que es practica e idealmente se prefiere un sistema de 2 a 5 Hz. Con un receptor de 1 Hz, las mediciones de velocidad y distancia precisas pueden obtenerse, pero se necesita muestrear los datos del acelerometro para obtener la frecuencia de carrera y las caracteristicas intra carrera. Los datos del acelerometro podrian integrarse para obtener la velocidad intra carrera, pero deberia comprobarse la deriva cada segundo usando el resultado del receptor GPS.

10

El procedimiento de suavizado del portador se utilizara para mejorar la precision de las mediciones del rango pseudo GPS de bajo coste. El suavizado de la fase portadora es un proceso por el que las mediciones de pseudo rango absolutas pero ruidosas se combinan con las mediciones de fase de portador precisas pero ambiguas para obtener una buena solucion con el ruido intrinseco en el seguimiento pseudo de pseudo rango a traves de un proceso de 15 promedio sopesado. Un sistema de filtrado Kalman se designara para integrar las dos mediciones del sistema.

La Figura 3 presenta las senales de la carrera capturadas usando receptores GPS de tipo geodesico y el procesamiento con la tecnica GPS diferencial cinematica. Se ha demostrado que las senales capturadas proporcionan una imagen clara de las fases de la carrera de remo como se ha descrito anteriormente. En esta 20 carrera concreta, el grafico indica que el remador tiene un problema a la hora de armonizar su ciclo de carrera usando demasiado tiempo en la captura en vez de en la traccion.

El software puede mostrar la informacion derivada en una pantalla de ordenador, y combinarla con datos de video del mismo evento, como se ilustra en la figura 4. La pantalla puede mostrar la informacion del tiempo y la distancia, 25 ademas de la velocidad y la frecuencia de carrera, y puede mostrar tambien las senales graficas derivadas de las senales del acelerometro y del GPS.

Para evaluar la precision del receptor de la fase portadora, se montaron dos receptores GPS en la misma embarcacion de remo simultaneamente. La estacion base se ubica en la ribera del rfo que esta a unos 1~2km del 30 curso de la embarcacion. Las soluciones de referencia de cada una de las antenas de remo se procesaron independientemente desde la estacion base usando la tecnica PPK. La longitud de referencia independiente entre los dos receptores itinerantes se calculo y comparo con el resultado medido usando una cinta de prospeccion. Esta longitud de referencia se considera como una "verdad terreno" (3,57 m en nuestro caso).

35 Se ha demostrado que el GPS RTK puede proporcionar un posicionamiento de alta precision en un entorno pluvial. Sin embargo, hay un numero de factores que deben tenerse en cuenta:

• Efectos de multi ruta: La antena posicionada cerca de la superficie del agua podrfa potencialmente ser propensa a grandes errores multi ruta. Este efecto puede ser de hasta 5 cm para el portador y 5 m para las mediciones del

40 codigo respectivamente.

• Obstruccion de senal/ visibilidad del satelite: La antena GPS se instala en un espacio angosto en una embarcacion de carreras, y por tanto es inevitable que el movimiento del atleta bloquee las senales GPS en algun momento a un angulo de elevacion de aproximadamente 70 grados. Esto puede causar potencialmente problemas de obstruccion de la senal y perdida de las soluciones GPS.

45 • Intrusion: Idealmente, la presencia de un instrumento no deberia causar un impacto visual o ffsico en el atleta, por tanto el tamano y altura de la antena es una consideracion importante.

Se utilizan una "longitud de referencia fija" y metodos de comprobacion externos. Se requiere un montaje fiable del receptor GPS. Si asumimos que la precision de la posicion a un explorador GPS es la misma que la otra, entonces a 50 partir de una sencilla ley de propagacion de errores (Ajuste de mfnimos cuadrados), la precision de la posicion de la medicion GPS cinematica (para una referencia minima) puede estimarse a 0,0027m (0,0038m/sqrt(2)). Una precision de unos milfmetros de la altura del rfo se consiguio en una prueba de tres dfas (consecutivos). Dada la cercanfa de la antena y la naturaleza reflectante de la superficie del agua, el rendimiento del GPS PPK presenta resultados consistentes.

La velocidad determinada a partir de la posicion del GPS y de la informacion del tiempo utiliza el siguiente procedimiento de referencia central de primer orden.

Velocidad(uT) =

P(T + AT)-P{T-AT) 2 AT

AP 2AT

donde ut es la velocidad de la embarcacion (en el tiempo T) determinado a partir de la solucion GPS PPK, AP=P(T+AT)-P(T-AT) es la distancia de plano recorrida entre el tiempo T1 y T2 y AT = T2- T1.

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imagen1

donde E y N son las coordenadas del este y del norte de las unidades GPS. Los subfndices "1" y "2" indican que la posicion se derivo de la unidad 2 y 1 respectivamente. La precision de la velocidad (ou), puede estimarse 10 aproximadamente mediante la siguiente formula (usando la ley de propagacion de errores):

imagen2

Donde op es la precision posicional y op = 0,0027m como se determino previamente.

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La Figura 5 muestra las diferencias en velocidad determinadas simultaneamente a partir del codigo y de las mediciones del portador. Asumiendo que la velocidad del portador sea precisa (es decir, la verdad terreno), la velocidad derivada del codigo tiene una precision media en el orden de ~0,03 m/s. Los resultados confirman que la precision de 0,1 m/seg alegada por el fabricante es correcta para mas del 95% de las observaciones.

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El montaje del registrador de datos se instala en el casco de la embarcacion de remo en una ubicacion estable con una vista relativamente clara del cielo. El movimiento relativo del atleta o de la embarcacion se mide utilizando un acelerometro tridimensional a 100 Hz y la posicion y la velocidad utilizando un GPS a 10Hz. El dispositivo suministra informacion de los tiempos con las senales medidas usando un reloj de cristal corregido interno y un GPS derivo un 25 impulso de 1 Hz. El tiempo es preciso a 0,1 seg. por hora. Una recogida interna del monitor de la frecuencia cardfaca recibe impulsos a partir de un monitor/transmisor polar codificado de la frecuencia cardfaca y almacena estos con una resolucion de 1 latido por minuto en un intervalo de 0 a 250 latidos/minuto actualizado a 1 Hz. El dispositivo esta alimentado por una baterfa sellada en la unidad y es recargable mediante un puerto RS232. La vida de la baterfa en grabacion es de 6 horas y de un mes en modo de suspension. El puerto universal individual permite la recarga, la 30 conexion con un modulo RF, la conexion con una antena GPS externa, la conexion con el receptor externo de la frecuencia cardfaca y conectarse a un cable de serie para enviar datos al dispositivo portatil. El dispositivo puede instalarse en un paquete flexible de un tamano aproximado de 100mm x 70mm x 50mm y que pese menos de 250g y que flote y sea resistente al agua. El paquete sera de color para reducir el calentamiento provocado por la luz solar.

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Una pantalla se monta en el agua en una carcasa impermeable en una ubicacion visible de forma que el atleta pueda ver una informacion resumida como la distancia de la velocidad de carrera y la frecuencia cardfaca. Un boton facilmente accesible en la unidad de visualizacion inicia el registro de datos. Tan pronto como se encienda el dispositivo, comenzara el registro. El entrenador puede llevarse el dispositivo tras el evento y cargar los datos en un 40 ordenador personal para ver los datos graficamente o combinarlos de forma sincronizada con la grabacion en video.

Para el atletismo, el dispositivo se conecta a un atleta en la parte baja de la espalda. Una antena de extension GPS va desde el dispositivo a los hombros.

45 Un modulo RF permite que los datos en tiempo real se transmitan al PC inalambrico del entrenador mediante una conexion Bluetooth. Alternativamente, los datos pueden simplemente subirse tras el evento.

Aquellos expertos en la tecnica se daran cuenta de que la invencion puede implementarse en una variedad de realizaciones, dependiendo de la embarcacion utilizada y el numero de personas en la misma. Tambien pueden 50 utilizarse diferentes sensores para recopilar los datos aplicables al evento y a la embarcacion. Tambien se apreciara que la unidad registradora es pequena y lo suficientemente adaptable para sujetarse a cualquier atleta o equipo deportivo, donde los datos del acelerometro proporcionan informacion util sobre el rendimiento para entrenadores y atletas. Se incluyen el atletismo, natacion, deportes en equipo, como diferentes tipos de futbol, ciclismo y esquf.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para la adquisicion de datos para su uso en eventos deportivos que incorpora:

5 un sensor de posicion global para obtener datos de posicionamiento tridimensionales relativos a un tiempo transcurrido;

al menos un acelerometro para obtener datos de aceleracion y velocidad;

un microcontrolador con un reloj para interrogar el sensor de posicion global y para medir los datos del acelerometro; una fuente de alimentacion;

10 un dispositivo informatico; y

un medio de comunicacion para la transmision de los datos de posicion global y del acelerometro desde el microcontrolador al dispositivo informatico;

el dispositivo informatico estando programado para usar los datos de posicion global y del acelerometro para proporcionar un resultado preciso y continuo de los parametros del movimiento como la velocidad, aceleracion y 15 distancia recorrida, donde el al menos un acelerometro se adapta para obtener datos de aceleracion y velocidad en tres dimensiones, y donde el sistema se adapta para muestrear los datos del acelerometro para obtener caracterfsticas de movimiento del deporte monitorizado.
2. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en la reivindicacion 1, donde el reloj es 20 para interrogar el sensor de posicion global a una frecuencia de al menos 1 Hz.
3. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en las reivindicacion 1 o 2, donde la transmision es una transmision inalambrica y el dispositivo informatico es un dispositivo informatico remoto.

25 4. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en la reivindicacion 1, 2 o 3 en el cual la

velocidad se obtiene del sensor de posicion global.
5. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde los datos del acelerometro se integran para obtener las caracterfsticas del movimiento

30 relacionadas con la velocidad y la deriva se comprueba cada segundo usando el resultado del sensor de posicion global.
6. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde un sistema de navegacion inercial basado en los datos del acelerometro se utiliza para

35 determinar la posicion cuando el sistema GPS no puede recibir datos.
7. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes que tambien incluye un sensor fisiologico.

40 8. Un sistema para la adquisicion de datos como el reivindicado en la reivindicacion 7, en el cual el

sensor fisiologico es un monitor de la frecuencia cardfaca.