運動場地數字化零點定位初探
——無線傳感器技術在400米跑道中的應用

2016-12-09 06:40:09張銳明哈爾濱體育學院黑龍江哈爾濱150008

文體用品與科技 2016年22期

□張銳明（哈爾濱體育學院黑龍江哈爾濱150008）

□張銳明（哈爾濱體育學院黑龍江哈爾濱150008）

隨著信息化時代的到來，運動訓練數字化已經成為現實。使用傳感器技術，就可以使瞬間完成的動作數字化，使抽象的運動素質得到量化、細化。但是，如果利用傳感器數據計算運動員的速度、位移、角速度等參數時，運動員在場上的位置就非常重要。無論是什么項目，無論起點如何，運動員在場地上的實際定位只有一個。因此，運動場地的數字化零點定位就非常重要了。我們就對400米標準場地數字化零點定位，做一個分析介紹。

零點定位數字化場地信息技術體育運動傳感器

1、研究目的

隨著傳感器技術在體育方面的不斷應用，我們可以精確得到一名運動員的每一時刻的運動速度、位移等數據。在通過計算得到這些數據時，有一個問題越來越突出，那就是如何定位運動員在賽場上的位置問題。沒有實現運動場地的數字化定位，就無法通過傳感器數據，計算運動員的位置、移動位移等問題。現在，不同的傳感器運動設備制造廠商，都有自己的零點定位方法，絕大多數測量設備是在自己的測量場地上設定零點，而在實際賽場上并沒有統一標準的數字化零點定位。這就給未來的傳感器數據應用帶來了很多不便。沒有統一定位標準，采樣時就無法標注移動物體的位置，計算時也沒有統一的零點參照。這就給使用不同傳感器設備的運動員帶來很多不便。

我們在研制《線性運動速度再現設備》時，就在400米標準運動場做了仔細分析。我們根據場地結構數據，確定了運動場的零點位置。這樣，在運用傳感器數據計算運動員速度及移動位移時，就可以準確確定運動員在場地中的位置，就可以確定場地不同位置的線速度與場地中心的角速度的對應關系。

下面，就將這個定位過程分享給大家，希望大家多提意見。

2、零點定位的方法（400米跑道計算）

（1）運動員數據采集。

表1 三維加速度數據樣例

我們選用的是ADXL345型加速度傳感器，這是一款低速加速度傳感器，非常適合人體運動測量，測量頻率在每秒128次。它能準確反映運動員短跑全程的每一時點的細微加速度變化，從而，也可以從加速度變化進而推算出運動員的速度以及位移數據。

測量數據如表1：

根據水平方向X軸數據，數據的波形如圖1：

圖1 三維加速度X軸數據曲線

（2）在初始速度和加速度已知的情況下，計算每一時刻的速度是輕而易舉之事，利用勻加速公式vn=v0+ant；運動員的跑步過程是一個變加速度過程，也可以利用這個公式，來逐個時間段內求出運動員全程每一時刻的速度數據。這樣，無論是速度還是位移都很容易得到。

這里，位移是要有參照零點的，暫時是以起跑點為零點定位。

（3）場地基礎數據計算。

在標準400米跑道中（以彎道半徑36米為例），場地中心的角速度與跑道線速度的對應值是恒定值。以400米場地第一跑道為例，計算出場地中心角速度與第一跑道線速度的對應比率，利用同樣的方法，就可以計算出第二至第八跑道的對應比值。

下面以400米跑道，彎道是36米加0.3米為半徑的半圓為例。

彎道長度的計算：半圓式田徑場的彎道長度=πr，則一個彎道長為3.14X36=114.04m。

直段長的計算：兩個直段長=跑道全長-兩個彎道長=400m–228.08m=171.92m，一個直段長為171.92m÷2=85.96m(半程為42.98m)。

中心點到直道起點距離為56.06米；兩個直道起點與中心夾角為100°；兩個彎道起點與中心夾角為80°。

（4）直道速度與跑道中心的角速度的關系。

首先，將跑道按θ角度劃分刻度（也可以按米數劃分刻度），不同θ角處的速度與加速度的轉換比率是不同的；直道時：50°≥θ≥-50°；

按照公式線速度=角速度*圓周運動的半徑；本例中，運動員線速度V在夾角θ處的切線速度為v/sinθ；夾角θ處的圓周半徑為∶

利用以上公式，就可以求出θ在每一角度時，運動員的速度與中心點的角速度關系，如圖2。

圖2 400米直道圖例

以下是直道100°角度中,每一度位置單位線速度所對應的相應的角速度數值，如表2。

表2 直道單位線速度與角速度換算比率

（5）彎道時速度與跑道中心的角速度的關系。

如圖3，將跑道按θ角度劃刻度，每一個θ處的速度與角速度的轉換比率是不同的；彎道時：40°≥θ≥-40°。

按照公式線速度=角速度*圓周運動的半徑，運動員的線速度在角度θ處的分量是角度θ處的圓周運動的半徑AB是通過三角形ABD換算而來。

已知：AD=42.98米、DB=36米

AB=AE+EB、AE=42.98*COSθ

圖3 彎道處線速度與角速度關系

以下是彎道80°角度中,每一度位置單位線速度所對應的角速度數值，如表3。

利用以上直道和彎道的計算數據，很容易根據運動員在每個跑道上的線速度數據，再轉化為角速度。這都與運動員相對位置有關。

（6）零點定位。

我們在計算運動員的速度以及移動位移時，都要涉及到相對零點，如果以起跑點作為零點，那么眾多的比賽項目，將會有很多個零點。而在場地的同一地點，對應場地中心的角速度比值是唯一的，因此，無論是什么項目的比賽，運動員在場地上的位置描述都應該是唯一的。運動員的起跑、移動也是相對于數字化零點而標注的。這是在數字化設備應用過程中，所涉及到的新的問題。