基于传感器的划艇运动状态检测系统的研制

基于传感器的划艇运动状态检测系统的研制

1划排放系统相关研究游泳是奥运会项目中的一个很难项目之一，主要由游泳设备和体育特点决定。划艇艇身又长又窄,长宽比约为7∶1,运动员双手握桨划水,单腿跪立于艇上,另一腿做前支撑来完成划桨动作,人、船、桨始终不停地相对运动。运动员的运动模式决定了整个“人-船”系统的动力来自于单侧,为了不使船艇偏离航线,运动员必须依靠自身肢体的控制能力使船艇尽可能按照直线行驶。因此“人-艇”系统各部分力的相对作用极为复杂。通过对划艇在我国开展以来的调研表明,人们对其进行的研究非常少,这些研究主要集中在对运动员生理生化和力量训练方面,如张林对皮划艇运动员个体无氧阈在运动训练中的应用进行了研究,指出个体无氧阈桨频可以作为训练强度选择的依据;赵歌等研究了皮划艇运动员在不同负荷状态下左心功能;王璞等对辽宁省优秀皮划艇运动员身体功能状态的生化指标进行了评定;陈伟等研究了皮划艇运动员血清瘦素与游离瘦素受体的水平;季建民等研究了大强度训练对划艇运动员有氧耐力的影响,指出周期性大强度训练保持了稳定的V˙V˙O2max,无氧阈(AT)在有氧耐力训练中具有重要作用;王卫星总结了2004年中国皮划艇运动员的体能训练特点。至于对专项运动检测的研究几乎是空白,只有在赛艇的研究中出现了一些,如郑伟涛等人研制了一套赛艇可视化训练测试系统,该系统采用液压作为阻力源模拟桨叶在水中划动时的阻力特性,用测量得到的划桨力曲线与标准用力曲线相对比。欧阳波等以桨频和心率作为测量参数,建立了赛艇训练遥测系统,系统的主要优点是使用无线传输数据,使教练员能有在线监测运动员的心率和桨频。此系统也可以用于划艇运动员的监测,但是,它一方面没有对运动力学等主要参数进行采集;另一方面,数据传输速率比较低(12次/min)。2系统设计2.1检测参数同步检测本研究的主要设计目标是设计并开发一套能够用于对划艇运动员的水上运动状态进行实船运动力学检测的系统。根据划艇日常训练的特点,设计开发的检测系统应该满足以下几个要求:检测参数应该包含划桨力、桨的前后摆角和左右摆角、艇的俯仰角度和倾覆角度、艇速等6个划桨过程中的主要参数;各参数实现同步检测。对某单一运动参数的检测和分析所得到的信息是有限的,只有多个参数联合分析才能获得比较全面的信息,对运动员的技术动作的分析也才能更加准确;检测设备不能影响运动员的基本训练模式;各个参数的检测误差在5%以内。较高的检测精度保证了教练员和运动员对数据的信任度,检测到的数据才能更加可信;检测数据能够实时地传输给教练员,以便于教练员立刻对运动员的技术动作进行纠正和指导;2.2桨叶的指标检测测试系统的总体设计方案如图1所示。整个测试系统分为3个部分:第一部分是桨杆测试模块,主要测量运动员划船过程中的划桨力、桨杆前后摆角和左右摆角(偏转角度和运动角度);第二部分是船载测试模块,主要用于测量船艇前进速度、俯仰角度和倾覆角度,并将检测到的桨杆和船艇的参数数据实时存储下来;第三部分是教练员监控模块。通过数字化和图形化的形式为教练员实时地显示检测到的6个运动学和动力学参数数据。2.3船载参数检测模块设计根据桨杆测试模块的功能要求,主要设计包括两个基本组成部分,即参数检测部分和无线发射部分。参数检测部分的主要功能是检测运动员在操艇过程中桨杆运动的主要运动学和动力学参数;无线发射部分的主要功能是把采集到的数据以一定的频率发送到船载测试模块上,与船载测试模块上测量到的数据同步,并把所有数据进行存储备份。运动员的划桨力是划艇前进的主要动力,划桨力的大小、桨的入水角度、出水角度的合理性是艇速主要因素,同时,桨在艇左右方向偏转的角度也会对艇速造成一定的影响。因此,在参数检测部分中选择了划桨力、划桨过程中桨的前后摆动和左右摆动3个参数作为本模块的基本测量参数。参数检测部分还包括了一部分自行设计开发的信号处理电路:主要目的有3个,一是放大原始信号,减小噪声干扰,系统选用的应变式力传感器的模拟输出量很小并伴有噪声,通过信号预处理电路,可以放大原始信号并减小噪声的干扰;二是传感器的安装存在预紧力,在电路中设计了预紧力调节模块,可以有效地抵消预紧力;三是模拟信号的发射不稳定,需要把预先将模拟信号转换成数字信号,以保证数据传输的稳定性。信号处理电路的原理如图2所示。2.4技术动作在船速训练中的作用船载测试模块整体由3个部分组成,参数检测、数据传输(数据接收和数据发射)和数据存储。在参数检测部分选择设计参数时考虑到以下几个方面:1.高艇速是划艇运动员追求的终极目标,只有获得高的艇速在比赛中才能取得好的成绩。在目前我国现有的训练条件下,教练员对运动员单桨周期内技术动作好坏的指导,主要依据是人的眼睛对艇速等技术参数的判断,在水上训练中还没有一个能够实时监控艇速的仪器为教练员提供帮助。另外,人的眼睛对艇速的判断只是主观的定性的,很难在一个划桨周期(1.5s左右)内做出准确客观的判断。教练员的经验往往起决定因素。但对艇速的精确判断又是训练中必不可少的一个环节。所以,在船载测试模块中艇速的检测成为所有测量参数中最主要的测量参数。2.影响船速的另一重要因素是船艇的阻力。船艇在运动过程中所受的阻力主要包括空气阻力、附体阻力、摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。一般情况下船艇的前4个阻力基本上是确定的。要获得较高的艇速,运动员所能够做的,只有通过不断地改进和优化自己的划桨技术动作,减小船艇运动过程中的兴波阻力。因此,笔者选择了船艇的俯仰角度和倾覆角度作为测量参数。2.5上位计算机监控系统教练员监控模块包括用于接收检测数据的无线接收器和用于实时显示检测数据的上位计算机(显示给教练员看的笔记本电脑)两个部分。上位计算机通过无线接收器接收船载测试模块发射的数据后,经过数据转换后用易于教练员理解的数字和图形化的形式实时显示到屏幕上,使得教练员能够通过这些检测数据在训练过程中实时了解运动员的训练状态和效果。图3为检测到的某一国家队划艇运动员在训练过程中的划桨技术数据。3测试参数和分析在划艇运动力学检测系统中,以6个基本运动学和动力学参数为基础,可以更进一步分析得到运动员以下几个方面技术动作的合理性与否。1.监控桨频的必要性桨频指单位时间内的划桨次数。从生物力学观点看,船速是由划桨频率和划距决定的。因此,提高船速主要从划距和桨频两个方面着手,在器材确定的情况下,这两个变量就主要收到技术方面的影响。但是,桨频的增加是有限度的,更不能为了增加桨频而降低划水的效果。因此,严格监控比赛中的桨频是不可或缺的。在日常的训练中,不同的桨频往往可以反映出运动员不同的训练强度,监控桨频同样是非常重要的。在本测试系统中,利用划桨力曲线或浆杆倾斜角度曲线都可以间接得到划桨的桨频。下图为某运动员在划桨过程中系统检测到的划桨力,该运动员的一个划桨周期从1.22s开始到2.6s时结束,他在本周期的桨频为:n=60/(2.6-1.22)=432.划桨过程的阶段划分和描述划艇每一个划桨周期都包含6个位置点和5个阶段,这些位置点是一桨过程中桨的几个代表性的位置,这些位置点有伸桨、入水、拉桨、操向、出水和还原,在这些位置点之间是与划桨动作过程相关的5个阶段:预备、抓水、拉桨、操向和摆桨。用划桨力和桨杆倾角3组数据可以清晰地划分出运动员每个划桨周期内的各个阶段(图5)。由此教练员和运动员可以深入全面地了解到被测试运动员的技术特征,如划桨技术每个阶段所用的时间,桨杆的入水角度和出水角度分别是多少等等,同时,也为确定运动员的划桨节奏奠定了基础。3.划桨节奏的确定划艇是单边划桨,节奏比较鲜明,在一桨循环中各个阶段的相对时间决定了划桨节奏。划桨的节奏是运动员在一桨循环中各个阶段的时间与总时间的比例关系,每名运动员都有自己独特的划桨节奏。划桨节奏与桨频是两个不同的概念,不管桨频快慢如何,每个阶段所占时间的比例应当是不变的,无论在训练中还是在比赛中,不要在变换桨频时改变节奏。图6-b为一个合理的划桨节奏,划桨技术中的每个阶段都具有一定的时间比例,图6-a为一被试运动员的划桨节奏,与图6-b相比较可以看出,该运动员预备和抓水阶段所占比例较大,动力阶段略小,操向阶段所占比例也比较大。从图中可以看出,该运动员的技术还需要进一步改进。4.船基姿态的变化运动员在划艇过程中,由于脚、膝盖的作用,而使得船艇的运动姿态发生周期性的变化,船艇姿态的变化影响到水对船阻力的变化,船艇姿态变化幅度越大,船艇受到水的阻力也越大。检测船艇的姿态能够使运动员了解并改进自己的技术动作,从而达到减小阻力增加船速的目的。图7是某运动员划桨周期中船艇的姿态变化,该船艇前后角度变化的周期性较好,这主要是因为船艇前后角度的变化主要是受运动员划桨动作的影响,而船艇左右角度变化是由运动员协调性控制的,这种协调主要是为了维持船艇的平衡。5.根据载荷的速度特征由于划艇在运动过程中受到的是周期性的作用力,在运动员划桨过程中,艇受到的驱动力大于其受到的阻力,艇的速度增大;在运动员回桨的过程中,艇仅受到阻力的作用,艇的速度减小。所以,艇在运动过程中其速度变化也是周期性波动的(运动员在划艇过程中所要追求的是高平均速度和低速度波动)。图8是某运动员划桨过程中船艇的速度变化,从图中可以看出,该运动员操控的船艇在每个运动周期内速度变化大约在0.7m/s。4测试系统的主要特点划艇运动力学检测系统首先是一套用于检测划艇运动员训练成果的系统,它一方面在理论研究方面弥补了对划艇本身研究的不足;另一方面,为教练员的训练提供了新的训练模式。该系统有以下几个方面的特点:首先,它是一套能够全面地测量划艇运动员划桨过程中各个主要运动学和动力学参数的系统。该系统测量的参数包括桨杆上的3个参数(划桨力、桨杆偏转角度和运动角度)和船艇运动的3个参数(前进速度、俯仰角度和倾覆角度),与“人-艇”系统相关的主要参数都涵盖其中。其次,测试系统的数据采集精度、频率和传输精度、频率较高,完全能够反应出运动员划桨的技术特性和船艇的运动规律。划艇运动员的桨频一般为40桨/min,划桨周期约为1.5s。该系统笔者设计的数据采集频率为50Hz,每周期内有60多个数据,为完全刻画运动员的技术特性提供了保证。高的采集精度、采集频率和高的传输精度、传输频率是该测试系统的重要特征之一。再次,测试系统的3个测试模块之间的数据实现了无线传输。划艇是一艘艇身宽度很窄(75cm)、长度很长(510~900cm)的船艇,而运动员划桨过程中肢体运动幅度较大,为了不影响运动员正常的技术动作,将3个部分之间的数据传输设计成无线传输。这样的设计保证了实际测试中,运动员数据的真实性、可靠性。另外,所有运动学和动力学参数实现了同步采集和存储(传输)。这为以后技术动作的分析提供了方便,使教练员能够从多个角度全面综合地分析运动员