激光測速系統(tǒng)在短跑訓(xùn)練和比賽中的應(yīng)用

董潤歌

(山西體育職業(yè)學(xué)院 山西太原 030008)

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，運(yùn)動測試設(shè)備已成為體育研究領(lǐng)域的重要組成部分，并且中國體育儀器學(xué)科為我國體育事業(yè)產(chǎn)生了近千項(xiàng)研究成果，對我國體育科技事業(yè)的發(fā)展起到了很大的推動作用[1]。近年來，為了解決運(yùn)動員和教練員訓(xùn)練中存在的困難和問題，科研人員積極走進(jìn)訓(xùn)練場地，研制出了各種各樣的專項(xiàng)力量訓(xùn)練器、生理生化分析儀器和技術(shù)動作分析儀器等運(yùn)動相關(guān)器材，以提高運(yùn)動員運(yùn)動訓(xùn)練的科學(xué)性和運(yùn)動技術(shù)水平。

黃欽蘭[2]通過運(yùn)用問卷調(diào)查法、邏輯分析法對大學(xué)生日常使用的運(yùn)動APP進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合加速度傳感器對大學(xué)生的體育活動進(jìn)行監(jiān)測分析，得出大學(xué)生體育鍛煉的趨勢，并對運(yùn)動類型的APP能否作為一種干預(yù)與促進(jìn)運(yùn)動的手段，提高大學(xué)生的健康管理意識進(jìn)行討論。馬也等[3]基于人機(jī)工程學(xué)理論，對傳統(tǒng)跑步機(jī)進(jìn)行了改造設(shè)計和優(yōu)化，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過相關(guān)方法的研究，實(shí)現(xiàn)了跑步機(jī)的健康監(jiān)測功能，使現(xiàn)代跑步機(jī)更加地高智能與安全。張超[4]提出了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)，通過一個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)心率、血壓、血樣等多項(xiàng)參數(shù)的遠(yuǎn)程診斷，大大提高了對運(yùn)動員身體數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程讀取與不安全性的預(yù)防。趙苗苗等[5]采用新一代高可靠性握力測力儀測量了初中生和高中生的最大握力，并探討了握力與血壓的相關(guān)性。王念[6]利用無線肌電監(jiān)測儀和圖像采集方法，對400m短跑運(yùn)動員不同位置的肌電信號進(jìn)行了監(jiān)測，并進(jìn)一步分析了疲勞特征。

運(yùn)動測試設(shè)備促進(jìn)了體育事業(yè)的發(fā)展。短跑訓(xùn)練和比賽中的速度測量和快速反饋對教練員掌握運(yùn)動員的能力和技術(shù)狀態(tài)具有重要意義。尤其是針對短跑訓(xùn)練，需要準(zhǔn)確測出運(yùn)動員的起跑加速度、加速度保持耐力值及最快速度等數(shù)據(jù)，因此短跑測試數(shù)據(jù)成為運(yùn)動訓(xùn)練中最有用的信息之一，可以幫助教練員分析運(yùn)動員起跑后加速能力的變化和途中的速度保持能力的狀況。該文提出的激光測速系統(tǒng)為短跑訓(xùn)練和比賽提供了可靠的測量數(shù)據(jù)，測速精度為±15cm，測距精度為±5cm。另外，該激光測速系統(tǒng)體積小、重量輕，便于在不同的測試環(huán)境中使用和攜帶。

1 激光測速系統(tǒng)對體育測試的價值

當(dāng)今世界競技體育競爭日益激烈，如何盡快提高體育運(yùn)動的技術(shù)水平和運(yùn)動成績已成為各國體育科研部門的重點(diǎn)研究內(nèi)容。短跑運(yùn)動在我國田徑運(yùn)動和其他競技體育的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。對短跑運(yùn)動員在訓(xùn)練測試中的速度變化進(jìn)行實(shí)時顯示是十分必要的。記錄和展示短跑運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中速度的變化，可以掌握運(yùn)動員的起跑能力、速度保持能力等。然后，對運(yùn)動員進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練，可以大大提高培訓(xùn)效率。

因此，該測速系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于如何利用激光測速系統(tǒng)最大限度地測量出運(yùn)動員的運(yùn)動數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)分析，得到運(yùn)動員的運(yùn)動曲線，教練員根據(jù)不同運(yùn)動員的數(shù)據(jù)與運(yùn)動曲線，進(jìn)行針對性訓(xùn)練，可以極大地激發(fā)其運(yùn)動的潛能，促進(jìn)運(yùn)動成績的不斷提高。同時，研究和監(jiān)測運(yùn)動員的運(yùn)動過程，提出科學(xué)的檢測方法和手段，為教練員科學(xué)制訂訓(xùn)練計劃提供準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，也是學(xué)科研究的內(nèi)容之一。

為提高大學(xué)生體質(zhì)健康水平，我國開展了“陽光體育”運(yùn)動，大學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)測試是“陽光體育”的重要組成部分之一。大學(xué)生體質(zhì)測試可以在準(zhǔn)確了解大學(xué)生體質(zhì)健康狀況的基礎(chǔ)上，激發(fā)他們積極參加體育鍛煉，參加“陽光體育”運(yùn)動，可以提高大學(xué)生的身體機(jī)能，促進(jìn)大學(xué)生體質(zhì)健康的全面發(fā)展。

在短跑訓(xùn)練和身體測量測試中，激光測速可以更加精準(zhǔn)、有效地記錄運(yùn)動員短跑過程中速度的變化，并對后期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。速度記錄和分析可以為每個學(xué)生定制運(yùn)動信息，如學(xué)生起跑后加速的能力或途中保持速度的能力。

2 激光測速系統(tǒng)原理

激光測速儀采用激光測距原理，以3×108km/s的電磁波為基礎(chǔ)，通過發(fā)射激光束，接收激光束的反射波，記錄二者之間的時差，依靠路程=速度×?xí)r間，確定被測物體與測試點(diǎn)之間的距離。激光測速是指對被測物體按一定的時間間隔進(jìn)行2次激光測距，得到被測物體在此期間的運(yùn)動距離，從而得到被測物體的運(yùn)動速度。圖1是激光測速系統(tǒng)的框圖。

圖1 激光測速儀系統(tǒng)框圖

滑道位于1～4號跑道的起點(diǎn)。在賽道的每一個起點(diǎn)，都放置了一個激光測速儀，它可以收集運(yùn)動員的運(yùn)動數(shù)據(jù)，還有一個工業(yè)攝像機(jī)可以存儲圖片信息，二者通過有線連接，連接到同步器裝置。同步器是PC機(jī)終端、攝像機(jī)和車速表之間的通訊橋梁。PC終端通過指定端口依靠代碼向同步器發(fā)送命令，攝像機(jī)和車速表接收到命令的同時進(jìn)行相應(yīng)的操作。例如，當(dāng)相機(jī)接收到收集圖片的命令時，它將開始收集圖片。車速表接收連續(xù)速度指令并采集速度數(shù)據(jù)。攝像頭和車速表接收到命令后，通過同步器端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。PC機(jī)在通過相關(guān)存儲器將數(shù)據(jù)存儲并且運(yùn)用運(yùn)算器進(jìn)行統(tǒng)計、計算，得到運(yùn)動數(shù)據(jù)。另外，同步器最重要的特點(diǎn)是同步工業(yè)攝像機(jī)和車速表之間的數(shù)據(jù)，即在相同的脈沖下，車速表采集的數(shù)據(jù)與工業(yè)攝像機(jī)采集的圖片一一對應(yīng)，使每一個數(shù)據(jù)都有據(jù)可查，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 激光測速系統(tǒng)應(yīng)用研究

利用激光測速系統(tǒng)對200名學(xué)生進(jìn)行了百米跑速度測試，收集相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。激光測速系統(tǒng)由激光收發(fā)兩用機(jī)、筆記本電腦和工業(yè)攝像機(jī)組成。測速原理是利用半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光脈沖來測量距離和時間。在沒有反射裝置的情況下，激光束擊中運(yùn)動員身體后（即漫反射后），激光檢測二極管會立即檢測到漫反射，并將數(shù)據(jù)記錄在激光測速系統(tǒng)中，然后通過數(shù)據(jù)存儲器將數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)中，再由分析軟件計算運(yùn)動學(xué)參數(shù)。測速系統(tǒng)的測量精度為100Hz，測量系統(tǒng)的測量精度為100Hz。試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)可在計算機(jī)上進(jìn)行繪圖和分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)手冊，大大提高了對學(xué)生身體機(jī)能測試與分析的效率。

在百米短跑中，從起跑開始加速和保持途中速度的能力對短跑成績起著決定性的作用。因此，起跑加速能力的訓(xùn)練已成為短跑訓(xùn)練的重要組成部分之一。激光測速系統(tǒng)在原有測速儀的基礎(chǔ)上，可以為測試者提供更多的運(yùn)動參數(shù)。例如，可以給出整個助跑過程的速度曲線、出現(xiàn)最大加速度時運(yùn)動員的運(yùn)動狀態(tài)、最大速度時距離出發(fā)點(diǎn)的距離、出發(fā)后運(yùn)動員速度的變化，以及不同運(yùn)動員或同一運(yùn)動員不同助跑速度曲線的比較，使教練員更清楚地了解到運(yùn)動員在短跑中的速度變化、加速能力、保持速度能力等相關(guān)數(shù)據(jù)，并依靠測試數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的日常訓(xùn)練。

圖2顯示了5名運(yùn)動員在不同距離的速度及其速度變化趨勢。從圖中可以看出，運(yùn)動員2的起跑速度比較快。在距離起跑點(diǎn)5m時，與其他運(yùn)動員相比，3號運(yùn)動員的起跑速度相對較弱，說明3號運(yùn)動員的加速度小，有待進(jìn)一步訓(xùn)練提高。在5～75m范圍內(nèi)，所有運(yùn)動員的速度都呈上升趨勢。雖然3號運(yùn)動員在5m起跑速度上落后，但5～75m范圍內(nèi)3號運(yùn)動員的成長趨勢比其他運(yùn)動員都要快，并且在35m時超過其他運(yùn)動員，說明3號運(yùn)動員的耐力與其他運(yùn)動員相比更加的強(qiáng)、更加持久。相反，起跑速度快的2號運(yùn)動員在5～75m之間的距離速度增長較慢，在35m后落后于其他選手。75m后，所有運(yùn)動員的速度趨于穩(wěn)定。與此同時能看到的是3名運(yùn)動員在最后10～20m的沖刺階段，速度基本保持不變，缺少了沖刺的加速，但是值得肯定的是1號運(yùn)動員的速度有了相對的提高，說明1號運(yùn)動員有最后沖刺加速的潛力。圖2更加直觀的看到了3位運(yùn)動員在100m賽跑過程中的速度及加速度的變化情況，給教練員提供了更加直觀的數(shù)據(jù)。

圖2 運(yùn)動員百米速度折線圖

圖3描繪了5名運(yùn)動員在距起點(diǎn)不同距離的速度差異。從圖中可以看出，運(yùn)動員2的速度變化在0～5m段變化最大，說明運(yùn)動員2的初始加速度比其他運(yùn)動員快。運(yùn)動員3起步加速度最慢。在5～35m范圍內(nèi)，所有運(yùn)動員的速度差都是正的，說明運(yùn)動員的速度呈上升趨勢，加速度呈下降趨勢；運(yùn)動員3的速度變化值在該距離內(nèi)始終處于最大值，說明運(yùn)動員3跑步加速持久性強(qiáng)于其他運(yùn)動員，有更好的身體機(jī)能。在35～95m之間，所有跑步者的速度變化都差不多，都呈下降趨勢。在最后的85～95m跑段，3號和5號運(yùn)動員的速度變化均為負(fù)，說明2名運(yùn)動員在最后沖刺中稍有不足，在日常訓(xùn)練中要多加訓(xùn)練沖刺。圖3通過速度差更加直觀地看到5名運(yùn)動員在短跑過程中身體機(jī)能的韌性，有利于教練員對運(yùn)動員身體韌性進(jìn)行針對訓(xùn)練。

圖3 等距速度變化柱形圖

4 結(jié)語

該文將激光測速系統(tǒng)應(yīng)用于短跑項(xiàng)目的速度測量。該系統(tǒng)具有測量精度高、安裝操作方便、重量輕、測量數(shù)據(jù)反饋快、數(shù)據(jù)更加直觀等特點(diǎn)。通過對激光測速系統(tǒng)的認(rèn)識和理解，以及該系統(tǒng)在短跑訓(xùn)練和比賽中的應(yīng)用和影響，推動競技體育朝著更高、更快、更強(qiáng)的方向發(fā)展。隨著體育賽事的未來發(fā)展，高科技電子產(chǎn)品與計算機(jī)輔助技術(shù)的結(jié)合，將為體育運(yùn)動提供更好的裝備，通過使用先進(jìn)的材料、更好的營養(yǎng)和訓(xùn)練信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成和改進(jìn)，今后將大大突破目前體育的局限性，實(shí)現(xiàn)真正的體育現(xiàn)代化、科技化。