基于沖浪動力學模型的實時反饋系統(tǒng)的研究

孫亦峰 劉穎

【摘要】本文根據(jù)沖浪運動特點，建立動力學的模型方程，實驗選取兩名現(xiàn)役的沖浪運動運動員，采用二維攝像機拍攝，利用圖像分析軟件，針對實時測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場糾正技術(shù)動作，提出在今后日常訓練中需要加強的訓練建議，達到實時反饋糾正的目的。

【關(guān)鍵詞】沖浪動力學；圓滾線；實時反饋

前言

國際帆聯(lián)（ISAF）2012年年中會議于意大利Stresa舉行，會議確定了2012年巴西里約熱內(nèi)盧奧運會航海比賽項目。國際帆聯(lián)理事會投票決定，風箏沖浪（kiteboarding）將取代帆板（windsurfing）成為奧運會男女板類航海比賽項目[1]。所以目前研究沖浪實時反饋系統(tǒng)，利用科學研究所獲得數(shù)據(jù)和參數(shù)，實時地指導運動員進行訓練，能夠達到更好地提高運動員技戰(zhàn)術(shù)水平，實現(xiàn)為國爭光的目的。

本文從理論角度來論述沖浪的動力學模型，并針對其中存在的摩擦阻力問題展開討論，而實驗環(huán)節(jié)選取兩名現(xiàn)役的沖浪運動員，采用二維攝像機拍攝，利用圖像分析軟件，針對實時測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場糾正技術(shù)動作，提出在今后日常訓練中需要加強的訓練建議，達到實時反饋糾正的目的。

一、沖浪運動的動力學模型

由牛頓第二定律及圓周運動的特點，能夠得到?jīng)_浪遠動的動力學模型。

從附錄A中圓滾線運動方程的推導，可以得到?jīng)_浪運動具有等時性，其物理含義有兩點：首先，在豎直平面內(nèi)，從圓滾線的頂點A運動到圓滾線最低點0時，人和滑具組成的滑塊在所有的連接線上運動時，時間0T是最短的。證明如附錄B中所示。然后在同一水平線上A、B兩點，經(jīng)過0點時，不管用哪種線相連，最省時的是圓滾線。

由此可見在進行沖浪運動和滑板運動時，我們要盡量選擇圓滾線上運動。只有圓滾線在完成相同的路程所花的時間最少。這就需要運動員和教練員在訓練和練習時掌握沖浪運動中的等時性的這一特點，為運動中取得優(yōu)異成績作出科學的決斷。但是自然界存在大量地摩擦阻力，需要對其進行討論。

二、沖浪運動中存在摩擦阻力的討論

由于摩擦阻力的存在，上述動力學方程變化為：

三、實驗分析

1.研究對象

選取2名XX省省隊的優(yōu)秀男子沖浪運動員為研究對象，受試者的年齡范圍19土4歲，身高范圍為163士3 cm，體重范圍為48士3 kg。

2.儀器放置

將SONY1080高速攝像機垂直放置在海上沖浪起點400 m處內(nèi)側(cè)距離30 m處，攝像機拍攝頻率為250 Hz，曝光時間為1/1000 s，攝像機三角架高度定為1.5 m。運動員依次進人鏡頭，在所獲得的錄像中選取至少有兩個完整復步的錄像進行解析，收集數(shù)據(jù)進行分析。

3.研究方法

在訓練系統(tǒng)設(shè)計的過程中，建立訓練的衡量標準并對運動員的訓練進行評價是必不可少的，我們使用索尼公司所研制的高速二維攝像機，對于海上訓練的運動員，獲取在沖浪時實時水平速度和垂直速度，從而得到圓滾線上運動距離計算方法，以得到參照標準。

而為了提高運動員的技戰(zhàn)術(shù)水平，將分析所得的參數(shù)參照標準實時反饋給運動員，指導其做出及時地改進，這就需要建立一種方便有效的實時反饋方法。在沖浪項目中，因為運動員位置的不確定性，所以實時反饋不可能采用有線連接的方式，必須利用無線技術(shù)來實現(xiàn)，并要保證反饋信息傳輸?shù)募皶r性、穩(wěn)定性、通訊距離，這樣才能實現(xiàn)真正有效的反饋。

同時實時仿真平臺也是必要的。ZX2011系列三維仿真測試平臺中安裝有四只三維力傳感器，可以測量作用于臺面上的空間三維力（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）的動、靜態(tài)信息，根據(jù)計算機三維模型成像技術(shù)，經(jīng)過預測分析，可得到我們所需的數(shù)據(jù)。我們以X軸為水平方向，Y軸為垂直方向，Z軸為高度方向，其實驗的具體過程如下：

首先，采用高速二維攝像機，獲得運動在海上訓練的實時影像數(shù)據(jù)；

然后，通過無線傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)實時傳送給ZX2011系列三維仿真測試平臺，獲取實時的三維方向受力的大小；

接著，利用計算機輔助分析軟件，融合各種數(shù)據(jù)，模擬人體行為，判斷該運動員現(xiàn)在是否處于正常狀態(tài)中，同時預測在當前狀態(tài)下，運動員將會面臨的問題；

最后，根據(jù)當前和預測的狀態(tài)，系統(tǒng)提出建議，實時的反饋給該運動員，及時調(diào)整動作。同時根據(jù)運動員習慣性的反應，判斷該運動員不良姿勢和動作，及時提出改進意見。

4.研究結(jié)果

（一）沖浪角度及相關(guān)指標

本文針對沖浪角度的研究選取的指標有最大滑板夾角、風箏夾角和相對扭度等。從圖1和2中可以看出：運動員2的最大滑板夾角最大而運動員1小于30度。運動員1的風箏夾角大于30度而運動員2幾乎為0。運動員1的相對扭度為0.330而運動員2沒有明顯的差別。

（二）沖浪速度及相關(guān)指標

速度指標包括最大速度、最小速度、平均速度和速度損失率。平均速度表示運動員在一個復步中的平均水平速度，速度損失率為一個復步中的最高速度與最低速度的差值占平均速度的百分數(shù)。在表1中可以看出：運動員的最大速度和最小速度的差值較大，從而導致運動員普遍出現(xiàn)速度損失率較大的現(xiàn)象，尤其是運動員2速度損失率最為嚴重為48.66%。

（三）身體位移及相關(guān)指標

身體位移指標包括水平位移、垂直位移和上下位移。他們分別表示單位時間內(nèi)身體重心在水平、垂直和上下方向的位移。在表2中我們可以發(fā)現(xiàn)：運動員2各項位移較大，而運動員1沒有明顯的差異。

可見，我們利用ZX2011系列三維仿真測試平臺，與高速攝影分析結(jié)果進行了對比分析，對比結(jié)果證明數(shù)字沖浪系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)準確、反饋實時性很好，且安裝的工藝符合沖浪運動的要求。該系統(tǒng)并能夠為指導運動員科學有效的訓練提供參照，有利于運動員之間互相對比學習，從而更快地提高自己的技戰(zhàn)術(shù)水平。

四、結(jié)論

本文研究了沖浪運動中動力學模型的特征，即在光滑或者近似光滑的圓滾線上的滑板，在豎直平面內(nèi)，同一水平線上經(jīng)過最低點的任意兩點的所有可能的光滑理解線中，物體無初速度滑行時，所需時間最短的曲線是圓滾線（最速降線）。針對于這個動力學模型，我們進行了海上沖浪運動在運動中如何選擇路線的探討，無疑地我們應選擇物體的滾線上的運動，這是最佳路線。本文還討論了一般情況下（即具有摩擦情況下）物體在圓滾線上的運動，這對目前流行沖浪運動如何選擇自己行進中的曲線具有一定地指導意義。

但限于本人的能力及對人體的了解程度，整個數(shù)字沖浪系統(tǒng)在實際應用中尚存在問題，需要作出進一步改進，以便更好的為沖浪運動隊服務，主要問題如下：1）數(shù)據(jù)采集算法需作改進，目前的方法滿足現(xiàn)階段使用要求，但在數(shù)據(jù)采集的速度方面還需進一步提高，以滿足后續(xù)更高的使用要求，在數(shù)據(jù)傳輸方面也要設(shè)計更加有效的數(shù)據(jù)打包及數(shù)據(jù)校驗方式，這對系統(tǒng)的傳輸總線方式及算法也提出了更高的要求。2）對動力學信息要進行更深層次的分析、挖掘，現(xiàn)今僅采用部分或者不完全的運動參數(shù)，而如何使用更多的或者完整的運動參數(shù)，尚未有十分行之有效的方法。3）設(shè)計更完善的專家系統(tǒng)及實時反饋方式，保證實時反饋的及時性、準確性、完善性，使運動員有更好的運動參考標準，在運動過程中可根據(jù)實時分析數(shù)據(jù)作出相應的及時改進。

【參考文獻】

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作者簡介：孫亦峰，（1969-），男，漢族，講師。湖南人，碩士，單位：同濟大學，研究方向：體育教育和訓練。