智能龍舟訓練教學系統的設計與實現

何華國

(廈門市教育科學研究院，福建 廈門 361022)

龍舟發源于我國春秋戰國時期，最初為漢族在農歷五月初五端午節時所進行的水上娛樂活動，是一項集群體協作和個人體能技巧為一體的團隊劃槳項目，龍舟競渡盛行于古吳國、古越國、古楚國，后來逐漸演變為全國范圍內的傳統節日習俗，龍舟運動后來傳入日本、越南及歐洲國家，為廣大群眾所喜愛，并在2010年成為亞運會等國際比賽的正式項目。在長期的演變過程中，龍舟運動不僅成了凝聚人心、群眾基礎極深的民間傳統體育娛樂活動，更成為體現中國悠久文明和豐富文化底蘊的一張名片[1]。

在龍舟的教學與訓練過程中，教師無法長期帶領一支固定的隊伍，學生隊員的流動性大，基本兩年左右就畢業，在短時間內讓學生掌握龍舟的基本動作和技巧并取得好的訓練效果非常困難，在龍舟的教學與訓練過程中，掌握正確的劃槳工作、訓練出較強的劃槳力度以及在團隊中步調一致形成最大合力都是訓練的重中之重和關鍵點。

傳統龍舟訓練教學中，劃槳力度、頻率、劃距和深度等技術指標由人工記錄和監測，需要耗費教師大量時間和精力，無法有效及時記錄和反饋，如果有一套系統能夠記錄并且能夠提供反饋就能解決這些問題，通過開發一套能夠記錄學員在劃槳角度、力度、深度、頻度、劃距以及整船隊員整齊度的系統并應用到教學與訓練中，為訓練提供數據支持，解決教師在訓練中無法用肉眼觀察到的問題，隊員也能夠得到及時的反饋，大大提高訓練的效率和效果。

針對目前國內學校和體育訓練隊在龍舟訓練教學過程中，較少使用現代化、信息化、智能化教具的現狀，根據龍舟訓練技術特點，設計開發一套智能化龍舟訓練教學系統，采用智能傳感器采集劃槳運動姿態數據，經過云端服務器分析，將訓練數據可視化并實時反饋給訓練者或教師，以改進訓練方式，及時診斷訓練過程的問題，從而實現精細化教學、分層教學，真正做到以學生(訓練者)為中心，達到提高訓練教學效率和科學訓練的目的，提高學生(訓練者)競技水平，更快更好的培養體育人才。

1 系統設計

1.1 系統組成

本文所設計的智能龍舟訓練系統整體框圖如圖1 所示。基于訓練需求，需要采用輕量化處理和輕前端處理，船槳部分只有低功耗藍牙單芯片的CPU部分和用來采集軌跡的傳感器單元，以及穩壓電路、充電管理和最小化存儲單元，在不額外增加過多重量和體積的前提下實時采集船槳的運動軌跡以及力度，采用了在船槳上加裝傳感器采集運動數據，可以采集單只船槳諸如入水角度、力度、深度、頻度、劃距等數據，也可以同時采集整條船達20只槳的數據以及動作的協同一致情況，各槳首先將數據通過藍牙的方式傳送至船載智能手機等終端，由手機端以無線傳輸的方式傳送到后臺服務器，利用云端服務器強大的算力對數據進行諸如劃槳動作正確率分析、單只槳或整船所有船槳數據的記錄、可視化處理和前進速度和距離預估，學生手機端或是教師端可以在訓練的過程中實時訪問云端服務器，以圖形化的方式呈現單槳的數據或是整船數據以輔助師生的龍舟訓練，也可在訓練之后登錄云端服務器，以可視化方式回看訓練過程數據以調整訓練方法和策略。

1.2 硬件電路設計

1.2.1 控制和藍牙模塊

船槳端的核心電路-控制和藍牙傳輸模塊如圖2，選用了DA14580，DA14580是市面應用廣泛、性價比較高、功耗較低、體積較小的系統級藍牙傳輸芯片，其內部包含了一個32位的ARM公司的cortex M0處理器和RivieraWaves公司的IP核作為BLEcore和基帶、射頻模塊，片內還集成了時鐘管理、電源管理、存儲管理和其他外圍模塊控制器，其低功耗的核心是主通過硬件系統的睡眠和喚醒來實現。其低功率架構在無線收發時電流僅消耗3.8mA。

圖2 船槳端核心模塊電路

1.2.2 動作采集模塊

為了采集船槳的入水角度、力度、深度、頻度、劃距等數據，船槳端使用了MPU9250來采集相關數據，MPU9250內部集成有3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計， 陀螺儀測量的是旋轉的角速度，通過對角速度積分可以得到對應的角度值；加速度計利用船槳運動是產生的慣性來獲取當前時刻船槳的加速度分量，根據3軸測量的重力加速度分量，可以得到船槳所在平面與水面的角度關系；磁力計測量的是3個軸的磁感應強度，可作為加速度計的有益補充，在利用加速度計已經獲得橫滾角和俯仰角后，用磁力計計算出航向角。MPU9250還自帶了DMP數字運動處理器硬件加速引擎，可以整合9個軸的傳感器數據，利用InvenSense公司提供的MPL運動處理庫，方便快捷的實現姿態解算，降低運動處理運算對船槳端處理器的負荷和電力消耗[2]，直接向DA14580輸出完整的9軸融合演算數據，有效發揮各個模塊的優勢，實現姿態的精確采集，根據需要采集船槳入水角度、拉槳角度和出槳角度，以及劃槳力度、速度和劃水的距離等等。

1.2.3 輔助模塊

其他模塊見圖3，包括存儲模塊，使用了2M位的FLASH存儲器W25X20CL，有1 024個可編程頁面，64個可擦除扇區，其電流消耗極低。充電電源管理模塊使用了TP4057，實現鋰電池正負極反接保護以及可編程充電電流。 電源部分使用LP2985進行穩壓，其輸出電壓精度達1%，關斷時靜態電流僅為1μA，具有過熱和過電流保護，可根據使用要求定制電流。這3個模塊均只需要較少的外圍元件就可以實現便攜式應用，特別適合智能船槳的應用場景。

圖3 船槳端數據采集模塊電路

2 系統軟件設計

基于龍舟訓練教學的需求，通過MPU9250 采集學員動作，在DA14580的嵌入式軟件系統中首先實現對插槳、拉槳、出槳和回槳的識別：有動作用1表示，無動作用0表示；然后在DA14580系統中實現對拉槳動作的力度和軌跡識別，判斷是在岸邊進行靜水訓練狀態或是在龍舟上進行動水訓練，并將識別到的力度和軌跡上發給智能終端上的APP，APP根據力度和軌跡，計算出船槳的插槳深度、拉槳速度、出槳速度和回槳速度，并綜合評估出整船船的運動速度；APP除計算外，還承擔通信功能，通過4G將數據傳送至云端的服務器并存儲，訓練過程中，學員或教練可隨時以可視化的方式查看數據，訓練過后更可模擬訓練過程、回放歷史訓練數據以查漏補缺。

圖5 系統軟件流程圖

2.1 單槳訓練質量評價

在龍舟運動中，運動員個人技術技能和素質直接影響了團隊最終的成績，所以非常有必要提高每一個運動員的技術技能水平，身體素質，在訓練中及時糾正錯誤劃槳動作，在訓練后復盤訓練過程，強化身體素質，對運動員成績提高有非常大的幫助，與傳統訓練相比，效率大大提高。

評估單槳劃槳運動質量的主要參數有劃槳角度、力度、深度、頻度、劃距等，劃槳動作分為插槳、拉槳、出槳和回槳4個步驟[3]，通過對國際一流龍舟運動員的劃槳動作數據采集，設定劃槳動作數據的優秀等級，在訓練過程中，通過比對受訓者數據和標準優秀數據，判定劃槳動作的正確率百分比。

插槳、拉槳、出槳和回槳4個連貫動作可理解為繞特定點翻轉，如圖6所示，可利用MPU9250中的陀螺儀來收集數據和判定運動的方向，MPU9250中的加速度計在常規狀態下輸出波形變化不大，趨于平坦，有插槳、拉槳和出槳劃槳動作時，加速度計輸出波形則會發生強烈變化，形成頻次較高的波形，故利用加速度信號來判斷劃槳動作的起始點和終點、插槳深度、劃距。由于插槳、拉槳和出槳的速度、力度明顯不同，插槳為槳的入水動作，遇到的阻力最小，拉槳為劃水動作，槳面與運動方向垂直，遇到的阻力最大，出槳類似插槳的反向動作，但又不完全是反向動作，出槳時為弧形回拉，且槳面旋轉為垂直運動方向的最小面積，水的阻力最小，非垂直于水面的拔槳，故遇到的阻力略大于插槳。由于劃槳的3個連貫動作特征明顯，輸出波形明顯不同，很容易判定數據歸屬，綜合評估單槳劃槳動作的角度、力度、深度、頻度、劃距等參數，算法相對簡單。

圖6 龍舟訓練動作示意圖

2.2 團隊訓練質量評價

在龍舟競技中，團隊配合非常重要，沒有好的團隊協作，單個運動員的技術與技能再出出色，也難以取得好的成績，必須靠團隊成員間親密無間、心靈相通的配合才能取得的比賽的佳績。一般來說，龍舟競技中的配合有鼓手與劃手的配合、劃手與劃手的配合、劃手與舵手的配合3種[4]，限于篇幅，本訓練系統只研究劃手與劃手之間的團隊協作配合。

劃手與劃手之間的配合要求全體劃槳運動員在鼓手敲擊鼓聲的節奏引導下，在節奏、劃距、拉水速度、以及插槳入水的時間上都完全一致，保證全體劃槳運動員的劃槳過程整齊劃一，從預備姿勢到插槳、拉槳、出槳、回槳4個環節，所有運動員身體的姿勢及槳與水面的角度、插槳時機、拉槳速度、槳出水和回槳都完美同步[3]。船槳端使用了MPU9250來采集相關數據，在DA14580系統中實現對拉槳動作的力度和軌跡識別，將所有參與訓練的數據傳送至后臺進行處理，根據動作同步程度判斷全體劃手的一致性，還可測算直線運動的距離和龍舟的運動速度(以12人制標準龍舟為例)，如圖7所示。

圖7

3 總 結

本文通過安裝在日常訓練船槳上的傳感器采集訓練的數據進行分析判斷，有助于實時掌握運動狀態和訓練水平，讓運動更趨科學化，可視化和數據化，尋找在龍舟訓練過程中存在的問題，并且通過傳感技術手段來采集練習者在龍舟劃槳時的運動狀態形成數據并進行分析，通過可視化的數據來實時指導教學或反饋訓練者本人，并在長期的訓練過程中積累數據、形成海量訓練數據，事后可以回放數據進行個人分析、團隊分析以及訓練效果分析，有效提高了龍舟教學與訓練的科學性和有效性。智能化的教學輔助手段對教學過程中改造傳統教學、提高教學效率起到積極的推動效果，運用智能化、信息化的手段分析運動訓練數據，及時改進訓練方法，提高訓練成績，推動龍舟運動的發展，正是順應教育信息化的發展及趨勢。