雪上技巧項目運動數據采集系統的研發

李興洋

（哈爾濱體育學院，黑龍江 哈爾濱150001）

1 測試系統的測試基本原理

滑雪運動員U 型槽運動參數測試系統主要采用GPS 和RTK 差分相結合的原理進行運動員三維軌跡等信息的高精度測量。GPS 技術作為一種比較成熟的導航定位方法被廣泛應用于現代導航、測量領域。

隨著科學技術的不斷進步和發展，傳統的GPS 技術很難滿足特殊環境和條件下導航定位的需求，例如滑雪運動員空間三維軌跡高精度測試，差分GPS（DGPS）技術的出現為提高定位精度提供了有效的技術途徑。DGPS 算法一般包括實時動態載波差分方法（RTK）和偽距差分方法，前者應用更加廣泛。

RTK 技術是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法。通過將基準站采集的載波相位發給用戶接收機的方法，進行求差解算坐標。實時動態載波相位差分技術基本原理是將基站采用一個固定坐標作為參考，基站每接收一次衛星測量坐標，就與固定坐標作對比并得到差值，再將這個差值發送給運動模塊。運動模塊用衛星接收到的坐標減去基站發過來的差值獲得修正后的坐標。

根據運動員的空間運動信息，采用DGPS 算法（專用數據處理軟件）對測量坐標進行坐標解算，可獲得運動員在RTK 系統坐標系（北天東慣性坐標系）下的三維空間坐標。為配合數字化U 型槽設計，便于分析運動員的運動狀態，我們在獲取U 型槽三維設計參數基礎之上，進一步建立了U 型槽槽體坐標系，根據坐標變換原理，進而獲得運動員飛行高度、運動速度、起跳角度、起跳高度、空間軌跡及空間運動姿態角度等關鍵信息。

坐標系的定義：北天東地面慣性坐標系O-NHE（以下簡稱地面慣性坐標系）、U 型槽體坐標系o-xyz、運動員速度坐標系o-xvyvzv。地面慣性坐標系：坐標原點O 位于測試當地的中央子午線上，N 軸沿子午線指向正北方向為正，H 軸位于垂直于地面的鉛垂平面內，指向上為正，E 軸與上述兩坐標軸構成右手坐標系。

U 型槽槽體坐標系：如圖1 所示，坐標原點位于運動員在U型槽槽底出發點，x 軸沿槽底從出發點指向運動結束點，y 軸位于地面的垂直面內，指向上為正，z 軸和上述兩坐標軸構成右手坐標系。定義q、y 描述槽體坐標系在地面坐標系下方位角度。在求解起跳高度時，將地面坐標系下的起跳參數轉換到槽體坐標系下直接減去槽高，即為運動員的起跳高度。

圖1 U 型槽槽體坐標系及其和地面坐標系的關系

速度坐標系：坐標原點o 位于傳感器佩戴位置，oxv軸沿速度矢量方向，oyv軸位于垂直于地面的縱向運動平面內，ozv軸與上述兩坐標軸構成右手做坐標系。

2 測試系統的主要實驗儀器與設備

U 型槽滑雪運動員空間運動參數測量系統核心是RTK 技術，基于RTK 技術的滑雪運動員空間運動信息測試系統可對做復雜空間動作的運動員，向其提供實時三維空間軌跡、速度等關鍵運動參數，協助教練員的日常訓練工作。

本系統主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分包括接收天線、信息采集模塊和地面基站模塊。軟件部分為一包含參數解算功能的客戶端，可以直觀的將運動員的所有運動信息展示給教練人員。

2.1 系統硬件部分

U 型槽滑雪運動員空間運動參數測量系統的硬件主要有：

（1）四臂螺旋天線（一副）；

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（2）差分GPS 定位模塊（一臺）；

（3）GPS 差分地面基站（一臺）；

（4）無線數傳電臺（一臺）；

（5）計算機（一臺）。

此外，GPS 差分地面基站可同時處理多臺GPS 定位模塊信息，即可同時監測多名運動員運動狀態。U 型槽滑雪運動員空間運動參數測量系統測試原理及系統構成可參見圖2。

圖2 U 型槽滑雪運動員空間運動參數測量系統測試原理圖

2.2 系統軟件部分

系統的軟件部分主要功能為數據處理和數據顯示。它需要將信息采集模塊采集到的運動參數進行解算，得到我們所需求的該軟件可以支持普通筆記本的Windows 操作系統，或者具有相應操作系統的平板電腦之上。它具備良好的人機交互功能，操作簡單，適合國家隊教練或者運動員的學習應用。

系統軟件含有如下幾個方面的功能：

（1）空間三維坐標解算功能，可將采集的運動信息轉化到指定坐標系統下的三維坐標；

（2）可以實時顯示用動員當前運動狀態，包括運動速度、運動軌跡以及每次起跳的高度、出射角度；

（3）支持歷史數據的存儲和查詢；

（4）可以升級改造，滿足后續更高的測試要求。

2.3 系統組件及其參數

U 型槽滑雪運動員空間運動參數測量系統的主要硬件四臂螺旋天線、高精度厘米級差分。

GPS 定位模塊和GPS 差分地面基站。

3 滑雪運動員U 型槽運動參數測試的實驗步驟

3.1 測試設備安裝方法

測試對象隨身穿戴的測試設備共分三大部分，分別是直流電源、運動模塊和天線。運動員滑雪時著裝通常在大臂、前胸、腹部兩側等位置設計有口袋，可以將直流電源與運動模塊放入口袋內，天線通過粘扣、膠帶等方式固定在運動員肩膀、后背、頭盔等暴露位置，并通過數據線與運動模塊相連接。

3.2 測試設備使用步驟

（1）在測試場所周圍選擇一空曠區域，架設地面基站，檢查基站是否處于良好的工作狀態；若通信信號不佳，更改場地，直到基站通信信號調試到最佳為止；

（2）將運動模塊規定在運動員身上的指定位置，根據該模塊指示燈的閃爍情況，判斷其是否通訊良好，若不好，反復調試到好為止；

（3）根據教練員要求，運動員到達規定出發位置后，便可接通運動模塊電源，開始測試工作；

（4）運動員按照訓練內容或測試要求完成規定動作，將數據傳輸到電腦客戶端軟件部分，開始分析解算數據。

4 結論與建議

雪上技巧項目運動數據采集系統的研發取得了成功，在相關的測試驗證中，在厘米級的高度測試中還需要更加完善。