激光測(cè)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(dòng)測(cè)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(duì)我國體育科技事業(yè)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用[1]。近年來，為了解決運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)作分析儀器等運(yùn)動(dòng)相關(guān)器材，以提高運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的科學(xué)性和運(yùn)動(dòng)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(duì)大學(xué)生日常使用的運(yùn)動(dòng)APP進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合加速度傳感器對(duì)大學(xué)生的體育活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出大學(xué)生體育鍛煉的趨勢(shì)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)類型的APP能否作為一種干預(yù)與促進(jìn)運(yùn)動(dòng)的手段，提高大學(xué)生的健康管理意識(shí)進(jìn)行討論。馬也等[3]基于人機(jī)工程學(xué)理論，對(duì)傳統(tǒng)跑步機(jī)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)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(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過一個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)力儀測(cè)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(cè)儀和圖像采集方法，對(duì)400m短跑運(yùn)動(dòng)員不同位置的肌電信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并進(jìn)一步分析了疲勞特征。

運(yùn)動(dòng)測(cè)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(cè)量和快速反饋對(duì)教練員掌握運(yùn)動(dòng)員的能力和技術(shù)狀態(tài)具有重要意義。尤其是針對(duì)短跑訓(xùn)練，需要準(zhǔn)確測(cè)出運(yùn)動(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)成為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中最有用的信息之一，可以幫助教練員分析運(yùn)動(dòng)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(cè)速系統(tǒng)為短跑訓(xùn)練和比賽提供了可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)速精度為±15cm，測(cè)距精度為±5cm。另外，該激光測(cè)速系統(tǒng)體積小、重量輕，便于在不同的測(cè)試環(huán)境中使用和攜帶。

1 激光測(cè)速系統(tǒng)對(duì)體育測(cè)試的價(jià)值

當(dāng)今世界競(jìng)技體育競(jìng)爭日益激烈，如何盡快提高體育運(yùn)動(dòng)的技術(shù)水平和運(yùn)動(dòng)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(dòng)在我國田徑運(yùn)動(dòng)和其他競(jìng)技體育的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練測(cè)試中的速度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示是十分必要的。記錄和展示短跑運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過程中速度的變化，可以掌握運(yùn)動(dòng)員的起跑能力、速度保持能力等。然后，對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，可以大大提高培訓(xùn)效率。

因此，該測(cè)速系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于如何利用激光測(cè)速系統(tǒng)最大限度地測(cè)量出運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)分析，得到運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)曲線，教練員根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)曲線，進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，可以極大地激發(fā)其運(yùn)動(dòng)的潛能，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)成績的不斷提高。同時(shí)，研究和監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過程，提出科學(xué)的檢測(cè)方法和手段，為教練員科學(xué)制訂訓(xùn)練計(jì)劃提供準(zhǔn)確的檢測(cè)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(dòng)，大學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是“陽光體育”的重要組成部分之一。大學(xué)生體質(zhì)測(cè)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(dòng)，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(cè)量測(cè)試中，激光測(cè)速可以更加精準(zhǔn)、有效地記錄運(yùn)動(dòng)員短跑過程中速度的變化，并對(duì)后期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。速度記錄和分析可以為每個(gè)學(xué)生定制運(yùn)動(dòng)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(cè)速系統(tǒng)原理

激光測(cè)速儀采用激光測(cè)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(shí)差，依靠路程=速度×?xí)r間，確定被測(cè)物體與測(cè)試點(diǎn)之間的距離。激光測(cè)速是指對(duì)被測(cè)物體按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行2次激光測(cè)距，得到被測(cè)物體在此期間的運(yùn)動(dòng)距離，從而得到被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。圖1是激光測(cè)速系統(tǒng)的框圖。

圖1 激光測(cè)速儀系統(tǒng)框圖

滑道位于1～4號(hào)跑道的起點(diǎn)。在賽道的每一個(gè)起點(diǎn)，都放置了一個(gè)激光測(cè)速儀，它可以收集運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還有一個(gè)工業(yè)攝像機(jī)可以存儲(chǔ)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(shí)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(shí)，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(chǔ)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并且運(yùn)用運(yùn)算器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，得到運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)，使每一個(gè)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(cè)速系統(tǒng)應(yīng)用研究

利用激光測(cè)速系統(tǒng)對(duì)200名學(xué)生進(jìn)行了百米跑速度測(cè)試，收集相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。激光測(cè)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(cè)速原理是利用半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光脈沖來測(cè)量距離和時(shí)間。在沒有反射裝置的情況下，激光束擊中運(yùn)動(dòng)員身體后（即漫反射后），激光檢測(cè)二極管會(huì)立即檢測(cè)到漫反射，并將數(shù)據(jù)記錄在激光測(cè)速系統(tǒng)中，然后通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，再由分析軟件計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)量精度為100Hz，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度為100Hz。試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行繪圖和分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)，大大提高了對(duì)學(xué)生身體機(jī)能測(cè)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(duì)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(cè)速系統(tǒng)在原有測(cè)速儀的基礎(chǔ)上，可以為測(cè)試者提供更多的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。例如，可以給出整個(gè)助跑過程的速度曲線、出現(xiàn)最大加速度時(shí)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、最大速度時(shí)距離出發(fā)點(diǎn)的距離、出發(fā)后運(yùn)動(dòng)員速度的變化，以及不同運(yùn)動(dòng)員或同一運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的日常訓(xùn)練。

圖2顯示了5名運(yùn)動(dòng)員在不同距離的速度及其速度變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)員2的起跑速度比較快。在距離起跑點(diǎn)5m時(shí)，與其他運(yùn)動(dòng)員相比，3號(hào)運(yùn)動(dòng)員的起跑速度相對(duì)較弱，說明3號(hào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)員的速度都呈上升趨勢(shì)。雖然3號(hào)運(yùn)動(dòng)員在5m起跑速度上落后，但5～75m范圍內(nèi)3號(hào)運(yùn)動(dòng)員的成長趨勢(shì)比其他運(yùn)動(dòng)員都要快，并且在35m時(shí)超過其他運(yùn)動(dòng)員，說明3號(hào)運(yùn)動(dòng)員的耐力與其他運(yùn)動(dòng)員相比更加的強(qiáng)、更加持久。相反，起跑速度快的2號(hào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)員的速度趨于穩(wěn)定。與此同時(shí)能看到的是3名運(yùn)動(dòng)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(hào)運(yùn)動(dòng)員的速度有了相對(duì)的提高，說明1號(hào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)員百米速度折線圖

圖3描繪了5名運(yùn)動(dòng)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(dòng)員2的速度變化在0～5m段變化最大，說明運(yùn)動(dòng)員2的初始加速度比其他運(yùn)動(dòng)員快。運(yùn)動(dòng)員3起步加速度最慢。在5～35m范圍內(nèi)，所有運(yùn)動(dòng)員的速度差都是正的，說明運(yùn)動(dòng)員的速度呈上升趨勢(shì)，加速度呈下降趨勢(shì)；運(yùn)動(dòng)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(dòng)員3跑步加速持久性強(qiáng)于其他運(yùn)動(dòng)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(shì)。在最后的85～95m跑段，3號(hào)和5號(hào)運(yùn)動(dòng)員的速度變化均為負(fù)，說明2名運(yùn)動(dòng)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(dòng)員在短跑過程中身體機(jī)能的韌性，有利于教練員對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體韌性進(jìn)行針對(duì)訓(xùn)練。

圖3 等距速度變化柱形圖

4 結(jié)語

該文將激光測(cè)速系統(tǒng)應(yīng)用于短跑項(xiàng)目的速度測(cè)量。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、安裝操作方便、重量輕、測(cè)量數(shù)據(jù)反饋快、數(shù)據(jù)更加直觀等特點(diǎn)。通過對(duì)激光測(cè)速系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)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(dòng)競(jìng)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的結(jié)合，將為體育運(yùn)動(dòng)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(duì)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。