CN116808559A - 一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，包括：可穿戴惯性测量单元和上位机；其中，可穿戴惯性测量单元将时间序列、加速度和角速度信息组成的初始数据传输给数据接收模块；数据接收模块将初始数据传输给数据解析模块；数据解析模块从初始数据中得到游泳数据，将游泳数据传输给数据处理模块；数据处理模块将游泳数据经数据处理算法得到游泳运动转动参量，将游泳运动转动参量传输给数据展示模块；数据展示模块接收并展示游泳运动转动参量。本发明解决了游泳监测设备影响运动员发挥的问题，实现了通过游泳数据解析出泳姿，并由惯性可穿戴设备得到游泳运动转动参量，全程不需要人工干预，可直接供教练员及训练员参考。

Description

一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统

技术领域

本发明属于运动测量技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统。

背景技术

游泳比赛竞争激烈，世界顶尖水平运动员的成绩也只有毫厘之差，微弱的优势就决定了比赛结果。因此，游泳运动员和教练员不断努力寻找提升发挥的方法和策略。这方面工作的一个基本问题是将游泳数据量化分析，来评估技术细节从而寻求技术发展。

现有的游泳运动监测方式为视频定位的形式，运动员身上涂抹特殊“涂料”，然后摄像机就行跟踪，优点是准确率十分高，但是测试前准备时间太长，而且每次都需要架设相机，视频定位时也易受水花等物体的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，实现了使用可穿戴惯性测量单元自动提取游泳运动转动参量的方法，解决了游泳监测设备影响运动员发挥的问题，实现了通过游泳数据解析出泳姿，并由惯性可穿戴设备得到游泳运动转动参量，全程不需要人工干预，可直接供教练员及训练员参考。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，包括：可穿戴惯性测量单元和上位机；其中，所述上位机包括数据接收模块、数据解析模块、数据处理模块和数据展示模块；所述可穿戴惯性测量单元，设置于运动员身上监测游泳运动，用于测量人体肩部、髋部或胸部位置的加速度和角速度信息，将时间序列、加速度和角速度信息组成的初始数据传输给所述数据接收模块；所述数据接收模块将初始数据传输给所述数据解析模块；所述数据解析模块从初始数据中得到游泳数据，将游泳数据传输给所述数据处理模块；所述数据处理模块将游泳数据经数据处理算法得到游泳运动转动参量，将所述游泳运动转动参量传输给所述数据展示模块；所述数据展示模块接收并展示所述游泳运动转动参量。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，所述可穿戴惯性测量单元包括若干个IMU传感器，IMU传感器能够敏感到的时间序列、加速度及角速度信息。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，所述IMU传感器内置数据存储模块、WIFI通信模块及可反复充电的聚合物理电池。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，IMU传感器开机后，处于待连接WiFi状态，连接WiFi后上位机显示在线状态，IMU传感器收到上位机发出“离线存储开始指令”后，IMU传感器开始测量并实时回复“正在离线存储”；IMU传感器通过WIFI通信模块向上位机发出“离线存储结束指令”后，上位机显示在线状态，然后IMU传感器通过WIFI通信模块将离线存储的数据传输到上位机；如果未接收到“离线存储结束指令”但数据存储模块此时已经存满，无法继续离线存储，则IMU传感器在发送完最后一帧数据后，按预设协议主动发送一次“离线存储结束回复帧”，IMU传感器已停止存储，上位机显示离线状态。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，所述游泳数据包括运动状态和泳姿。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，所述游泳运动转动参量包括转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，所述数据解析模块将收取到的初始数据进行分析，判断是否每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧，如果发现存在帧头校验和有误、帧序号不连续的问题会给出“数据不完整”提示；如果每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧进行姿态解算得到游泳数据。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，在姿态解算中，根据加速度和磁场强度信息得到IMU传感器姿态角，进而得到载体坐标系到导航坐标系的初始姿态矩阵，之后由不断更新的四元数计算得到新姿态角。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，以一圈50m游泳距离为判定泳姿最小单位，参考佩戴于髋部的IMU传感器数据，若天向加速度均值接近+1g(9.81m/s²)，则判为仰泳；若天向加速度均值接近-1g(-9.81m/s²)，且Y轴数据的幅值变化大于其他两轴则判为自由泳；当排除以上两种泳姿，若X轴中心频率远大于动作频率则判为蝶泳，否则为蛙泳；然后提取自由泳与仰泳的横滚角，蝶泳与蛙泳的俯仰角。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，对游泳数据通过过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而得出转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数。

上述基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统中，在过滤算法中，先去除每圈游泳运动数据中第一伪极值点，即两个峰值点间没有谷值点或两个谷值点间没有峰值点，然后去除转身阶段的第二伪极值点；其中，判定方式为若同一划动周期内峰值点与谷值点相差预设个划动周期以上，时刻点小的则判为伪极值点。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过可穿戴惯性测量单元自动提取游泳运动转动参量，首先根据传感器的时间序列、角速度信息及加速度信息，通过模式识别方法得到运动状态和泳姿，再通过我们设计的过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而输出游泳运动转动参数相关的数据，全程不需要人工干预，可直接供教练员及训练员参考。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的算法中处理异常波峰的示意图；

图3是本发明实施例提供的算法中处理异常波谷的示意图；

图4是本发明实施例提供的算法中处理异常游泳周期的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统的结构框图。如图1所示，该基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统包括：可穿戴惯性测量单元和上位机。其中，

所述上位机包括数据接收模块、数据解析模块、数据处理模块和数据展示模块；所述可穿戴惯性测量单元，设置于运动员身上监测游泳运动，用于测量人体肩部、髋部或胸部位置的加速度和角速度信息，将时间序列、加速度和角速度信息组成的初始数据传输给所述数据接收模块；所述数据接收模块将初始数据传输给所述数据解析模块；所述数据解析模块从初始数据中得到游泳数据，将游泳数据传输给所述数据处理模块；所述数据处理模块将游泳数据经数据处理算法得到游泳运动转动参量，将所述游泳运动转动参量传输给所述数据展示模块；所述数据展示模块接收并展示所述游泳运动转动参量。具体的，游泳数据包括运动状态和泳姿。游泳运动转动参量包括转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数。

可穿戴惯性测量单元，长时间置于运动员身上监测游泳运动，以游泳运动前向方向为X轴，水平方向的右向为Y轴，朝天方向为Z轴，用于测量人体肩部、髋部或胸部位置的角速度和加速度信息，并确保测量的数据存储到flash中。可穿戴惯性测量单元包括若干个IMU传感器，IMU传感器能够敏感到的时间序列、加速度及角速度信息，具体的，可穿戴惯性测量单元由1个或2个IMU传感器组成，IMU传感器采用低功耗设计并内置1GB存储空间，满足运动员长期水下训练需求，IMU传感器将传感器敏感到的时间序列、加速度及角速度信息进行数据采集、数据保存、数据上传。

IMU传感器内置数据存储模块、WIFI通信模块及可反复充电的聚合物理电池。

该基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统还包括：数据中转路由器，数据中转路由器在可穿戴惯性测量单元与上位机中的数据接收模块之间经由WIFI信号建立无线链路，通过所述无线链路，将可穿戴惯性测量单元存储的时间序列、加速度、角速度信息上传至上位机中的数据接收模块。

数据接收模块将数据传递给数据解析模块，数据解析模块从随机、充满噪声的原始传感器信号中得到游泳数据，再经数据处理算法得到游泳转动参量并由上位机展示。

传感器的离线数据通过无线进行传输、各传感器之间相互独立、同时可以对数据进行存储，确保数据完整性，具体实现方式如下：

通过无线WIFI通讯方式发送上线报到信息给数据中转路由器，进而与之建立起稳定可靠的无线数据传输链路。IMU传感器开机后，处于待连接WiFi状态，连接WiFi后上位机显示在线状态，IMU传感器收到上位机发出“离线存储开始指令”后，开始测量并实时回复“正在离线存储”；IMU传感器向上位机发出“离线存储结束指令”后，上位机显示在线状态，然后IMU传感器通过WIFI将离线存储的数据传输到上位机；如果未接收到“离线存储结束指令”但数据存储模块此时已经存满，无法继续离线存储，则IMU传感器在发送完最后一帧数据后，按预设协议主动发送一次“离线存储结束回复帧”，IMU传感器已停止存储，上位机显示离线状态。

所有指令的下发与测量数据的上传均通过无线WIFI方式进行传输，大大降低了采用传统视频监测方式的游泳测量系统在设备连接、穿戴、信息传输时的复杂度，极大提高了系统的应用便捷性。

数据解析模块通过时间序列、角速度信息及加速度信息，通过模式识别方法得到运动状态和泳姿，具体实现方式如下：

将收取到的数据进行分析，判断是否每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧，如发现存在帧头校验和有误、帧序号不连续的问题会给出“数据不完整”提示，解析出完整数据后进行姿态解算。

进一步的，姿态解算前需进行静态初始标校，由加速度信息和磁场强度信息计算得到各IMU传感器姿态角，进而得到载体坐标系到导航坐标系的初始姿态矩阵，解决人体佩戴安装问题，之后由不断更新的四元数计算得到新姿态角，具体实现方式如下：

捷联惯导系统(SINS)选“东–北–天”地理坐标系作为导航坐标系，实现捷联惯导的递推更新算法。捷联惯导更新算法划分为姿态、速度和位置更新三部分，姿态更新算法是核心。

由角速度方程得

其中，为载体坐标系相对于导航坐标系的角速度在载体坐标系的投影，为载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度在载体坐标系的投影，为地球坐标系相对于惯性坐标系的角速度在载体坐标系的投影，为导航坐标系相对于地球坐标系的角速度在载体坐标系的投影。

由于MEMS传感器精度较低，不能敏感到地球自转角速度，所以忽略一般运动场景或者步行场景下人的速度小于10m/s，地球半径R＝6371393m，而其中，为人的速度，R为地球半径，所以为10^-7～10^-6量级，同样可以忽略不计。因此，对于MEMS传感器，上式可等效为：

和Q为姿态矩阵和姿态四元数，初值由初始对准得到的初始姿态角θ₀,γ₀,ψ₀计算得到，其中，θ₀为初始俯仰角，γ₀为初始横滚角，ψ₀为初始航向角，之后由不断更新的四元数计算得到。确定了后，四元数更新方程如下：

其中，分别为载体坐标系相对于导航坐标系的角速度在载体坐标系X轴、Y轴和Z轴的投影，Q＝[q₀,q₁,q₂,q₃]。

由Q计算公式如下

根据更新后即可计算得到三个姿态角，从而得到整个游泳过程中三个姿态角的数据。

进一步的，通过飞行时间的判定作为游泳运动的起点，游泳运动开始后俯仰角超90°判定为游泳运动终点。

进一步的，根据游泳运动阶段的数据，以0.7s的取极值点周期为例，先得到以0.7s为采样周期姿态角的峰值点与谷值点，再根据相邻极值点的时刻，去除差值大于1.4s的极值点，然后去掉转身阶段的伪极值点。

进一步的，以一圈50m游泳距离为判定泳姿最小单位，参考佩戴于髋部的IMU传感器数据，若天向加速度均值接近+1g(9.81m/s²)，则判为仰泳；若天向加速度均值接近-1g(-9.81m/s²)，且Y轴数据的幅值变化大于其他两轴则判为自由泳；当排除以上两种泳姿，若X轴中心频率远大于动作频率则判为蝶泳，否则为蛙泳；然后提取自由泳与仰泳的横滚角，蝶泳与蛙泳的俯仰角。

数据处理模块通过过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而得出转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数等游泳参数，具体实现方式如下：

针对所以峰值点和谷值点，先去除每圈游泳运动数据中第一伪极值点，即两个峰值点间没有谷值点或两个谷值点间没有峰值点，算法流程见图2及图3，然后去除转身阶段的第二伪极值点，判定方式为若同一划动周期内峰值点与谷值点相差0.7个划动周期以上，时刻点小的则判为伪极值点，算法流程图见图4，由此即可得到对称性的游泳数据。

进一步的，两相邻峰值点的时刻若相差1.5个平均峰值周期以上，则判定为转动时间，在计算转动速度时不将转动时间计算在内，只统计游泳运动过程中的数据，具体实现方式如下：

针对自由泳提取出的数据即横滚角，其峰值点与谷值点表示运动员左右转动的最大幅值，同周期的峰值点与谷值点作差即为周期内总幅度差。然后根据从左向右转动达到峰值的时间点，作差即得到左、右侧身体转动达到峰值所需时间及周期转动时间，其中还需通过检验各周期的时间间隔去除转身时间段。再由周期内总幅度差及周期转动时间算出左、右侧角速度值和转动频率。最后，由每个转动周期中的优势侧(左侧)和非优势侧(右侧)转动角度占比得到转动对称指数。仰泳与之同理。

与自由泳对横滚角的分析相类似，针对蛙泳提取出的数据即俯仰角，其峰值点与谷值点表示运动员上下翻动的最大幅值，同周期的峰值点与谷值点作差即为周期内总幅度差。然后根据从下俯到上仰翻动达到峰值的时间点，作差即得到上仰、下俯身体翻动达到峰值所需时间及周期翻动时间，其中还需通过检验各周期的时间间隔去除翻身时间段。再由周期内总幅度差及周期翻动时间算出上仰、下俯角速度值和转动频率。最后，由每个转动周期中的肩部和髋部的峰值差得到相位角。蝶泳与之同理。

最后在上位机端显示泳姿、转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数等游泳参数，全程不需要人工干预，可直接供教练员及训练员参考。

本发明解决了传统视频监测方式对环境要求苛刻的问题，根据1到2个惯性可穿戴设备的时间序列、角速度信息及加速度信息，通过模式识别方法得到运动状态和泳姿，再通过过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而输出游泳运动转动参数相关的数据。

本发明的可穿戴惯性测量单元采用流线型外形设计，高度集成实现轻小型，根据需要佩戴1-2个在人体的肩部、髋部或胸部，对游泳运动员运动不造成影响，同时采用专业级防水设计使其具备IPX8高防水性能，采用低功耗设计并内置1GB存储空间，满足运动员长期水下训练的不同需求。

本发明通过可穿戴惯性测量单元自动提取游泳运动转动参量，首先根据传感器的时间序列、角速度信息及加速度信息，通过模式识别方法得到运动状态和泳姿，再通过我们设计的过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而输出游泳运动转动参数相关的数据，全程不需要人工干预，可直接供教练员及训练员参考。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于包括：可穿戴惯性测量单元和上位机；其中，

所述上位机包括数据接收模块、数据解析模块、数据处理模块和数据展示模块；

所述可穿戴惯性测量单元，设置于运动员身上监测游泳运动，用于测量人体肩部、髋部或胸部位置的加速度和角速度信息，将时间序列、加速度和角速度信息组成的初始数据传输给所述数据接收模块；

所述数据接收模块将初始数据传输给所述数据解析模块；

所述数据解析模块从初始数据中得到游泳数据，将游泳数据传输给所述数据处理模块；

所述数据处理模块将游泳数据经数据处理算法得到游泳运动转动参量，将所述游泳运动转动参量传输给所述数据展示模块；

所述数据展示模块接收并展示所述游泳运动转动参量。

2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：所述可穿戴惯性测量单元包括若干个IMU传感器，IMU传感器能够敏感到的时间序列、加速度及角速度信息。

3.根据权利要求2所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：所述IMU传感器内置数据存储模块、WIFI通信模块及可反复充电的聚合物理电池。

4.根据权利要求3所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：IMU传感器开机后，处于待连接WiFi状态，连接WiFi后上位机显示在线状态，IMU传感器收到上位机发出“离线存储开始指令”后，IMU传感器开始测量并实时回复“正在离线存储”；IMU传感器通过WIFI通信模块向上位机发出“离线存储结束指令”后，上位机显示在线状态，然后IMU传感器通过WIFI通信模块将离线存储的数据传输到上位机；如果未接收到“离线存储结束指令”但数据存储模块此时已经存满，无法继续离线存储，则IMU传感器在发送完最后一帧数据后，按预设协议主动发送一次“离线存储结束回复帧”，IMU传感器已停止存储，上位机显示离线状态。

5.根据权利要求1所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：所述游泳数据包括运动状态和泳姿。

6.根据权利要求1所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：所述游泳运动转动参量包括转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数。

7.根据权利要求1所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：所述数据解析模块将收取到的初始数据进行分析，判断是否每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧，如果发现存在帧头校验和有误、帧序号不连续的问题会给出“数据不完整”提示；如果每帧数据的帧头校验和均无误、帧序号连续无丢帧进行姿态解算得到游泳数据。

8.根据权利要求7所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：在姿态解算中，根据加速度和磁场强度信息得到IMU传感器姿态角，进而得到载体坐标系到导航坐标系的初始姿态矩阵，之后由不断更新的四元数计算得到新姿态角。

9.根据权利要求5所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：以一圈50m游泳距离为判定泳姿最小单位，参考佩戴于髋部的IMU传感器数据，若天向加速度均值为+9.81m/s²，则判为仰泳；若天向加速度均值为-9.81m/s²，且Y轴数据的幅值变化大于其他两轴则判为自由泳；当排除以上两种泳姿，若X轴中心频率远大于动作频率则判为蝶泳，否则为蛙泳；然后提取自由泳与仰泳的横滚角，蝶泳与蛙泳的俯仰角。

10.根据权利要求6所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：对游泳数据通过过滤算法识别出有效峰值点和谷值点，从而得到对称性的游泳数据，进而得出转动角度、转动时间、转动速度、转动对称指数。

11.根据权利要求10所述的基于惯性传感器自动提取游泳运动转动参量的系统，其特征在于：在过滤算法中，先去除每圈游泳运动数据中第一伪极值点，即两个峰值点间没有谷值点或两个谷值点间没有峰值点，然后去除转身阶段的第二伪极值点；其中，判定方式为若同一划动周期内峰值点与谷值点相差预设个划动周期以上，时刻点小的则判为伪极值点。