IT201800005903A1 - SYSTEM FOR MONITORING AND EVALUATING ATHLETIC PERFORMANCE - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:
“SISTEMA DI MONITORAGGIO E VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI ATLETICHE” "SYSTEM FOR MONITORING AND EVALUATING ATHLETIC PERFORMANCE"
Descrizione Description
Campo della tecnica Field of technique
La presente invenzione opera nell’ambito della valutazione delle prestazioni atletiche. In particolare l’invenzione proposta riguarda un metodo ed un sistema di misurazione, monitoraggio ed analisi del dispendio energetico basato su una rete di sensori indossabili ed un software di gestione ed elaborazione dei segnali registrati. The present invention operates in the context of the evaluation of athletic performance. In particular, the proposed invention concerns a method and a system for measuring, monitoring and analyzing energy expenditure based on a network of wearable sensors and a software for managing and processing the recorded signals.
Arte nota Known art
Allo stato dell’arte attuale sono reperibili un elevato numero di sistemi e dispositivi dedicati alla misurazione di metriche prestazionali legate ad attività sportive, sia amatoriali che professionistiche. Generalmente tali sistemi sfruttano appositi sensori allo scopo di rilevare il movimento del corpo o di parti di esso, la posizione dell’atleta nel tempo e parametri vitali quali temperatura, pulsazioni o saturazione emoglobinica. I sensori necessitano sovente di essere in qualche maniera applicati e tenuti solidali al corpo dell’atleta, nonché di trasmettere o memorizzare i segnali misurati ad una unità di elaborazione per la successiva analisi ed interpretazione. La progressiva miniaturizzazione della sensoristica elettrica ed elettronica e la sempre maggiore diffusione di sistemi di geolocalizzazione, hanno portato allo sviluppo di numerosi strumenti e applicazioni software in grado di stimare da una parte l’entità della prestazione fisica e dall’altra il costo energetico della stessa. Sono disponibili soluzioni integrate quali applicativi per smartphone che sfruttano il posizionamento mediante triangolazione satellitare e smartwatch con cardiofrequenzimetri ottici. È infine possibile e sempre più comune l’utilizzo di dispositivi connessi in reti di comunicazione ad hoc che consentono di inseguire e tracciare l’attività di un gruppo di persone che pratichino sport di squadra. At the current state of the art, a large number of systems and devices dedicated to measuring performance metrics related to sporting activities, both amateur and professional, are available. Generally, these systems use special sensors in order to detect the movement of the body or parts of it, the position of the athlete over time and vital parameters such as temperature, pulse or hemoglobin saturation. Sensors often need to be applied in some way and held together with the athlete's body, as well as to transmit or store the measured signals to a processing unit for subsequent analysis and interpretation. The progressive miniaturization of electrical and electronic sensors and the increasing diffusion of geolocation systems have led to the development of numerous tools and software applications capable of estimating on the one hand the extent of the physical performance and on the other the energy cost of the same. . Integrated solutions are available such as applications for smartphones that take advantage of positioning by means of satellite triangulation and smartwatches with optical heart rate monitors. Finally, it is possible and increasingly common to use devices connected to ad hoc communication networks that allow you to track and trace the activity of a group of people who play team sports.
Una grossa limitazione dei sensori che impiegano la tecnologia di telerilevamento satellitare per la stima di grandezze cinetica come posizione, velocità e accelerazione, è data dall’impossibilità di impiego in ambienti chiusi (indoor) quali ad esempio palestre, palazzetti dello sport e piscine riparate per i quali la ricezione del segnale satellitare risulta limitata o assente. In aggiunta, la triangolazione satellitare ad uso civile è soggetta a noti problemi di accuratezza che generalmente riducono la precisione sulla posizione all’ordine di alcuni metri a seconda del sistema utilizzato e delle correzioni effettuate. Ciò rappresenta, nelle applicazioni a carattere più esigente come gli utilizzi a scopo professionale, una seria limitazione. Infine i ricevitori satellitari impongono un forte tributo alla capacità di autonomia dei dispositivi portatili a causa dell’elevato dispendio energetico richiesto per la scoperta e l’aggancio dei satelliti in vista nonché per garantire un’accettabile frequenza di aggiornamento della rilevazione. Le tecnologie attualmente disponibili per mitigare tale rischio, quali ad esempio il GPS assistito (A-GPS), esigono la presenza di ulteriori sensori e periferiche e rendono notevolmente più complicato il design di un sensore portatile con operatività duratura nel tempo. A major limitation of sensors that use satellite remote sensing technology for the estimation of kinetic quantities such as position, speed and acceleration, is given by the impossibility of use in closed environments (indoor) such as gyms, sports halls and sheltered swimming pools for which satellite signal reception is limited or absent. In addition, satellite triangulation for civilian use is subject to known accuracy problems that generally reduce the accuracy of the position to the order of a few meters depending on the system used and the corrections made. This represents a serious limitation in more demanding applications such as uses for professional purposes. Finally, satellite receivers impose a heavy toll on the autonomy capacity of portable devices due to the high energy expenditure required for the discovery and coupling of the satellites in sight as well as to ensure an acceptable update frequency of the survey. The technologies currently available to mitigate this risk, such as assisted GPS (A-GPS), require the presence of additional sensors and peripherals and make the design of a portable sensor with lasting operation considerably more complicated.
Il rilevamento dei parametri cinematici in situazioni sfavorevoli al telerilevamento satellitare, come gli ambienti chiusi, può essere altresì ottenuto con triangolazione a radiofrequenza per mezzo di beacon appositamente installati volta per volta nella struttura interessata o, in alternativa, utilizzando sistemi di ripresa video con sensori multipli, framerate adeguati e base dei tempi comune. The detection of kinematic parameters in situations unfavorable to satellite remote sensing, such as closed environments, can also be obtained with radiofrequency triangulation by means of beacons specially installed each time in the structure concerned or, alternatively, using video recording systems with multiple sensors , adequate framerates and common time base.
Tuttavia anche in tali apparentemente più favorevoli scenari, si riscontrano aspetti limitanti e problematici. Nel caso di beacon a radiofrequenza, ad esempio, sussistono problemi di installazione, compatibilità elettromagnetica, e scarsa portabilità della soluzione che deve essere ricalibrata e riassemblata in ogni nuova struttura. La tecnologia video, d’altro canto, richiede spesso un gravoso compromesso tra risultati in tempo reale e risorse computazionali. Per un sistema completamente automatizzato, le immagini devono infatti essere processate ed analizzate per ottenerne dati utilizzabili e la complessità degli algoritmi di image processing limita fortemente la quantità di informazioni ottenibili in tempo reale, richiedendo spesso di dover attendere un certo lasso di tempo per un’analisi più accurata degli avvenimenti. L’alternativa richiede l’intervento di operatori dedicati. Anche i sistemi video risentono di problemi di installazione e di un ambiente idoneo al loro utilizzo: bisogna, ad esempio, garantire un campo visivo sufficientemente sgombro da interferenze. La granularità delle informazioni prodotte con tali sistemi, così come l’accuratezza delle stime, dipende fortemente dalla frequenza di aggiornamento delle immagini, dalla risoluzione dei sensori, dalla capacità di banda e dagli algoritmi di compressione utilizzati che spesso comportano perdita di dati (lossy). Nell’insieme, dunque, la soluzione video benché diffusa ed efficace, comporta una serie di inconvenienti che ne rendono poco pratico nell’ambito specifico della misurazione delle prestazioni sportive. Una più promettente tecnologia, anch’essa rinvenibile in diverse realizzazioni ad oggi disponibili, sfrutta accelerometri e piattaforme inerziali. Nell’ottica di una valutazione e caratterizzazione dei segnali misurati, tuttavia, è necessario associare il prodotto dei sensori a grandezze facilmente interpretabili e significative, laddove la stragrande maggioranza dei sistemi utilizza un semplice conteggio di impulsi o eventi nell’unità di tempo. However, even in these apparently more favorable scenarios, there are limiting and problematic aspects. In the case of radiofrequency beacons, for example, there are installation problems, electromagnetic compatibility, and poor portability of the solution that must be recalibrated and reassembled in each new structure. Video technology, on the other hand, often requires a heavy compromise between real-time results and computational resources. For a fully automated system, the images must in fact be processed and analyzed to obtain usable data and the complexity of the image processing algorithms strongly limits the amount of information that can be obtained in real time, often requiring you to wait a certain amount of time for a more accurate analysis of events. The alternative requires the intervention of dedicated operators. Video systems also suffer from installation problems and a suitable environment for their use: for example, it is necessary to ensure a sufficiently clear field of vision. The granularity of the information produced with these systems, as well as the accuracy of the estimates, strongly depends on the image refresh rate, the resolution of the sensors, the bandwidth capacity and the compression algorithms used which often involve lossy data. . Overall, therefore, the video solution, although widespread and effective, involves a number of drawbacks that make it impractical in the specific context of measuring sports performance. A more promising technology, which can also be found in various constructions currently available, uses accelerometers and inertial platforms. In order to evaluate and characterize the measured signals, however, it is necessary to associate the product of the sensors with easily interpretable and significant quantities, where the vast majority of systems use a simple count of impulses or events in the unit of time.
Benché sia possibile, in ambito internazionale, reperire un certo numero di privative afferenti l’argomento come il brevetto statunitense US2018056184A1, che riguarda un metodo di indagine e misurazione dei movimenti del corpo umano basato su piattaforme inerziali e software di analisi, o il brevetto US2017333753A1 che propone un dispositivo mobile di monitoraggio per supportare l’allenamento e l’attività sportiva, risulta evidente che nessuno di essi affronti in maniera esaustiva e risolutiva le criticità sin qui evidenziate. Although it is possible, in the international context, to find a certain number of patents relating to the subject such as the US patent US2018056184A1, which concerns a method of investigation and measurement of the movements of the human body based on inertial platforms and analysis software, or the patent US2017333753A1 which proposes a mobile monitoring device to support training and sporting activity, it is clear that none of them address the critical issues highlighted so far in an exhaustive and decisive manner.
Descrizione dell’invenzione Description of the invention
Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di monitoraggio delle prestazioni atletiche che risolve efficacemente le problematiche suesposte sfruttando uno o più sensori accelerometrici e giroscopici integrati in un dispositivo indossabile ed un software dedicato di gestione, configurazione ed analisi dei dati. Il sistema viene concepito per misurare e descrivere l’attività fisica svolta da un atleta durante sessioni di allenamento e preparazione, nonché durante le fasi di gioco e prestazionali vere e proprie. In particolare il sistema rende possibile la stima del costo energetico – in breve EE ossia energy expenditure – utilizzando un innovativo metodo algoritmico di elaborazione dei segnali provenienti dai sensori applicati all’atleta che consente un’elevata personalizzazione e garantisce la massima semplicità di utilizzo. È possibile, configurando appositamente i dispositivi mediante il software di controllo e analisi, estendere l’applicabilità del sistema di monitoraggio a più atleti o giocatori di sport di squadra: in tale realizzazione sarà possibile monitorare singolarmente e contemporaneamente ogni singolo giocatore da parte di un allenatore o preparatore atletico, permettendo a quest’ultimo di valutare con rapidità e precisione lo sforzo sostenuto dall’atleta ed il carico dell’allenamento. I dati misurati saranno successivamente disponibili per un processo di post-analisi e revisione direttamente dal software dedicato sotto forma di grafici e curve di carico con possibilità di arricchire il dato con immagini e sequenze audiovisive. Il sistema di monitoraggio si basa, come già accennato, su uno o più dispositivi indossabili che integrano al loro interno la sensoristica di rilevamento, una o più interfacce di comunicazione wireless, una batteria di alimentazione ricaricabile o sostituibile ed, opzionalmente, una capacità autonoma di calcolo che potrà consistere in microcontrollori o un microcomputer. L’assieme verrà gestito tramite un firmware dedicato, conservato su apposita memoria interna, che fornirà sia le funzionalità di base, sia – opzionalmente – caratteristiche di gestione e controllo avanzate. Il dispositivo avrà, una autonoma capacità di gestione e bufferizzazione dei dati raccolti, che potranno essere memorizzati localmente su una memoria di massa – tipo flash ROM – o inviati direttamente in tempo reale ad un collettore centrale . Detto collettore potrà, vantaggiosamente, essere un apparato dedicato, un ripetitore wireless con capacità avanzate, o un elaboratore elettronico. Il dispositivo avrà dimensioni e peso idonei ad essere indossato senza sforzo dall’atleta e caratteristiche di ergonomicità. Nella realizzazione preferita il dispositivo sarà sufficientemente piccolo da essere agevolmente maneggiato con una sola mano e dotato di almeno un pulsante per l’interazione con l’utente. Qualunque sia la realizzazione specifica, il dispositivo comprenderà una serie di sensori e componenti, tra i quali almeno: According to the present invention, an athletic performance monitoring system is provided which effectively solves the aforementioned problems by exploiting one or more accelerometric and gyroscopic sensors integrated in a wearable device and a dedicated software for managing, configuring and analyzing data. The system is designed to measure and describe the physical activity performed by an athlete during training and preparation sessions, as well as during the actual play and performance phases. In particular, the system makes it possible to estimate the energy cost - in short EE or energy expenditure - using an innovative algorithmic method of processing the signals from the sensors applied to the athlete that allows high customization and guarantees maximum ease of use. It is possible, by specifically configuring the devices using the control and analysis software, to extend the applicability of the monitoring system to multiple athletes or team sports players: in this realization it will be possible to monitor each individual player individually and at the same time by a coach or athletic trainer, allowing the latter to quickly and accurately evaluate the effort sustained by the athlete and the training load. The measured data will subsequently be available for a post-analysis and review process directly from the dedicated software in the form of graphs and load curves with the possibility of enriching the data with images and audiovisual sequences. The monitoring system is based, as already mentioned, on one or more wearable devices that integrate within them the detection sensors, one or more wireless communication interfaces, a rechargeable or replaceable power battery and, optionally, an autonomous capacity of calculation that may consist of microcontrollers or a microcomputer. The assembly will be managed through a dedicated firmware, stored on a special internal memory, which will provide both the basic functions and - optionally - advanced management and control features. The device will have an autonomous capacity for managing and buffering the collected data, which can be stored locally on a mass memory - such as flash ROM - or sent directly in real time to a central collector. Said collector can advantageously be a dedicated apparatus, a wireless repeater with advanced capabilities, or an electronic processor. The device will have dimensions and weight suitable for being worn without effort by the athlete and ergonomic characteristics. In the preferred embodiment, the device will be small enough to be easily handled with one hand and equipped with at least one button for user interaction. Whatever the specific implementation, the device will include a series of sensors and components, including at least:
- un accelerometro triassiale che rileverà le accelerazioni lungo i tre assi principali x, y, z in un sistema di riferimento inerziale ed solidale al portatore del dispositivo; - a triaxial accelerometer which will detect the accelerations along the three main axes x, y, z in an inertial reference system integral with the wearer of the device;
- un giroscopio triassiale che misurerà il rateo di rotazione del dispositivo rispetto a detti assi; - a triaxial gyroscope which will measure the rotation rate of the device with respect to said axes;
- una interfaccia di comunicazione wireless per controllo e trasferimento dati; - a wireless communication interface for control and data transfer;
- una sorgente di alimentazione portatile (batteria). - a portable power source (battery).
I componenti saranno convenientemente integrati in un assieme dotato di opportune connessioni elettriche a sua volta contenuto in un involucro di materiale polimerico o metallico, opzionalmente impermeabile, con elevata resistenza alle sollecitazioni termiche e meccaniche e bassa impedenza alla propagazione elettromagnetica nelle frequenze utilizzate per la trasmissione dei dati. Sarà adoperata sensoristica in grado di campionare e trasmettere il dato rilevato ad una frequenza tale da garantire la necessaria numerosità di campioni e risoluzione temporale. Il dispositivo avrà autonomia sufficiente a coprire almeno una intera sessione di allenamento e relativo trasferimento dei dati rilevati. Nelle realizzazioni che prevedono una capacità di calcolo autonoma, il dispositivo potrà effettuare una elaborazione preventiva delle misurazioni, incluse ma non limitate a: filtraggio, decimazione, condizionamento, comparazione. In una realizzazione il dispositivo sarò dotato di un lettore per memorie di massa in miniatura (tipo micro SD card) per memorizzare i dati rilevati ed elaborati e dal quale caricare eventuali dati di calibrazione per la conversione di detti dati in grandezze fisiche significative. Alternativamente la memoria di massa potrà essere vantaggiosamente utilizzata allo scopo di permettere al dispositivo di utilizzare parametri di configurazioni personalizzabili atti a definire ed impostare soglie di utilizzo, livelli e condizioni per la generazione di segnali di allarme o marcature temporali in corrispondenza di determinati eventi rilevati dai sensori. In una diversa, ma non necessariamente alternativa, realizzazione, il dispositivo conterrà un alloggiamento per scheda SIM e l’elettronica di interfacciamento e comunicazione con la rete radiomobile cellulare per traffico dati. The components will be conveniently integrated in an assembly equipped with appropriate electrical connections, which is in turn contained in an enclosure of polymeric or metal material, optionally waterproof, with high resistance to thermal and mechanical stresses and low impedance to electromagnetic propagation in the frequencies used for the transmission of the data. Sensors will be used that are able to sample and transmit the data detected at a frequency such as to guarantee the necessary number of samples and temporal resolution. The device will have sufficient autonomy to cover at least an entire training session and relative transfer of the detected data. In the realizations that provide for an autonomous calculation capacity, the device will be able to carry out a preventive processing of the measurements, including but not limited to: filtering, decimation, conditioning, comparison. In one embodiment, the device will be equipped with a reader for miniature mass memories (micro SD card type) to store the detected and processed data and from which to load any calibration data for the conversion of said data into significant physical quantities. Alternatively, the mass memory can be advantageously used in order to allow the device to use customizable configuration parameters designed to define and set usage thresholds, levels and conditions for the generation of alarm signals or time stamps in correspondence with certain events detected by the sensors. In a different, but not necessarily alternative, embodiment, the device will contain a slot for a SIM card and the electronics for interfacing and communicating with the cellular mobile radio network for data traffic.
Il dispositivo dovrà essere indossato dall’atleta sulla propria persona, in posizione idonea al rilevamento dei parametri oggetto di valutazione. Allo scopo il sistema prevede appositi supporti nella forma di indumenti dotati di tasche o fasce elastiche che consentano allo stesso tempo il fissaggio del dispositivo alla parte del corpo interessata e la facilità di accesso allo stesso. Detti supporti potranno inoltre, convenientemente, alloggiare più dispositivi tra loro comunicanti, in maniera da consentire l’aggregazione e la fusione di dati provenienti dal movimento di differenti parti del corpo ed incrementare il numero e la qualità dei rilevamenti. In una realizzazione il dispositivo potrà essere, vantaggiosamente, contenuto nella tasca dorsale di una pettorina indossata da un atleta allo scopo di rendere il sistema di riferimento degli accelerometri solidale al tronco del corpo. In tale configurazione il sistema potrà efficacemente misurare, sulla base dei dati accelerometrici, i diversi regimi di corsa, gli scatti, le accelerazioni e decelerazioni, i rapidi e bruschi movimenti altrimenti difficilmente rilevabili con sistemi di posizionamento satellitare, sia per la limitata precisione, sia per la diversa natura delle grandezze direttamente misurabili. L’applicazione del dispositivo potrà, convenientemente, avvenire mediante fasce o bande elastiche poste in corrispondenza di snodi critici quali polsi, caviglie, ginocchia o gomiti: con tale sistema si potranno per esempio monitorare la qualità e la corretta esecuzione di specifici movimenti e gesti tecnici. Nella realizzazione più generale sarà prevista la possibilità di adattare un qualsivoglia capo di abbigliamento adatto allo sport in esame affinché possa ospitare uno o più dispositivi. The device must be worn by the athlete on his person, in a position suitable for detecting the parameters being assessed. For this purpose, the system provides suitable supports in the form of garments equipped with pockets or elastic bands which allow at the same time the fixing of the device to the part of the body concerned and the ease of access to it. Said supports can also conveniently house multiple devices communicating with each other, in order to allow the aggregation and merging of data from the movement of different parts of the body and increase the number and quality of the surveys. In one embodiment, the device can advantageously be contained in the dorsal pocket of a bib worn by an athlete in order to make the reference system of the accelerometers integral with the trunk of the body. In this configuration, the system will be able to effectively measure, on the basis of accelerometric data, the different travel speeds, clicks, accelerations and decelerations, rapid and abrupt movements otherwise difficult to detect with satellite positioning systems, both due to the limited accuracy and due to the different nature of directly measurable quantities. The device can conveniently be applied by means of bands or elastic bands placed at critical joints such as wrists, ankles, knees or elbows: with this system, for example, the quality and correct execution of specific movements and technical gestures can be monitored. . In the more general implementation, it will be possible to adapt any garment suitable for the sport in question so that it can accommodate one or more devices.
Come già menzionato il sistema di monitoraggio consentirà, vantaggiosamente, di sfruttare una interfaccia wireless per l’instaurazione di reti di comunicazioni attraverso le quali: As already mentioned, the monitoring system will advantageously make it possible to exploit a wireless interface for the establishment of communications networks through which:
- trasmettere comandi e flussi dati da e per una qualunque piattaforma di controllo e gestione; - transmit commands and data flows to and from any control and management platform;
- monitorare l’attività di una pluralità di atleti in una prestazione di concerto, ciascuno dotato del proprio sensore, ciascun sensore in collegamento con una stazione di ricetrasmissione centrale (centro stella); - monitorare l’attività di un singolo atleta con indosso una pluralità di sensori che comunicano per mezzo di una rete mobile ad hoc (MANET) per scambiarsi reciprocamente dati ed elaborazioni parziali da integrare in tempo reale. - monitor the activity of a plurality of athletes in a concert performance, each equipped with its own sensor, each sensor in connection with a central transceiver station (star center); - monitor the activity of a single athlete wearing a plurality of sensors that communicate via an ad hoc mobile network (MANET) to mutually exchange data and partial processing to be integrated in real time.
In una realizzazione sarà presente una stazione di instradamento e gestione del traffico dati (router) che fornirà la necessaria infrastruttura di comunicazione, gestendo il protocollo di rete e l’assegnazione degli indirizzi; essa fungerà infine da nodo centrale della rete, verso il quale convergeranno le comunicazioni provenienti dai sensori e dal quale potranno essere inviati comandi da parte di una unità di controllo remota. In one implementation, there will be a data traffic routing and management station (router) that will provide the necessary communication infrastructure, managing the network protocol and assigning addresses; finally, it will act as a central node of the network, towards which the communications coming from the sensors will converge and from which commands can be sent by a remote control unit.
Il sistema potrà inoltre, vantaggiosamente, sfruttare la tecnologia di posizionamento a banda ultra larga (ultra wideband) per determinare con estrema accuratezza la posizione relativa dell’atleta in uno spazio anche chiuso nel quale siano presenti almeno tre stazioni ricetrasmittenti fisse. Referenziando la posizione delle stazioni sarà quindi possibile convertire la posizione relativa in assoluta. Il dato sul posizionamento potrà in seguito essere, convenientemente, associato ai dati provenienti dai sensori accelerometrici e giroscopici per una maggiore capacità elaborativa ed una analisi a più dimensioni della prestazione atletica. The system will also be able to advantageously take advantage of ultra-wideband positioning technology to determine with extreme accuracy the relative position of the athlete in an even closed space in which there are at least three fixed transceiver stations. By referencing the position of the stations it will then be possible to convert the relative position into absolute. The data on the positioning can later be conveniently associated with the data coming from the accelerometric and gyroscopic sensors for a greater processing capacity and a multi-dimensional analysis of athletic performance.
Il nerbo del sistema di monitoraggio è costituito dall’innovativo metodo di elaborazione dei segnali provenienti dai sensori per il calcolo della stima del dispendio energetico, che verrà di seguito descritto. Generalmente in uscita ai sensori tipo accelerometri si ha un dato espresso in conteggi per minuto. Il conteggio a sua volta può rappresentare sia il numero di attraversamenti dello zero da parte del segnale prodotto dal sensore, sia un valore integrale (o somma a valle di un campionatore) del segnale nell’arco di un minuto. Di per sé il computo dei conteggi per minuto (counts per minute) non ha rilevanza biologica, ma può costituire una solida base di partenza per misurazioni e valutazioni empiriche. Nel sistema proposto, vantaggiosamente, il costo energetico viene misurato calcolando l’area sottesa (integrale rispetto al tempo) dalla curva di un “segnale elaborato” ottenuto tramite filtraggio del modulo del vettore accelerometrico compensato per l’accelerazione gravitazionale e raddrizzato. Il filtro utilizzato può essere realizzato con una qualsiasi funzione di trasferimento di qualunque ordine e frequenza di taglio. In una realizzazione il filtro è di tipo passa-basso Butterworth del quarto ordine con frequenza di taglio pari a 0.5Hz. Per mezzo di risultanze empiriche, che potranno essere determinate – ad esempio – da un preparatore atletico in funzione dello specifico allenamento predisposto, è pertanto possibile associare il segnale elaborato dai sensori del dispositivo ad un qualunque gesto atletico e ricavarne l’intensità che lo caratterizza e contraddistingue in base all’intensità del gesto. Ciò consentirà di ottenere, per ogni sessione di allenamento: The backbone of the monitoring system consists of the innovative method of processing the signals from the sensors for calculating the estimate of energy expenditure, which will be described below. Generally, at the output of the accelerometer type sensors there is a data expressed in counts per minute. The count in turn can represent both the number of zero crossings by the signal produced by the sensor, and an integral value (or sum downstream of a sampler) of the signal over a minute. In itself, the calculation of the counts per minute has no biological relevance, but can constitute a solid starting point for empirical measurements and evaluations. In the proposed system, advantageously, the energy cost is measured by calculating the subtended area (integral with respect to time) from the curve of a "processed signal" obtained by filtering the accelerometric vector module compensated for gravitational acceleration and straightened. The filter used can be made with any transfer function of any order and cut-off frequency. In one embodiment, the filter is of the fourth order Butterworth low pass type with a cutoff frequency equal to 0.5Hz. By means of empirical results, which can be determined - for example - by an athletic trainer according to the specific training set up, it is therefore possible to associate the signal processed by the sensors of the device with any athletic gesture and obtain the intensity that characterizes it and distinguishes according to the intensity of the gesture. This will allow you to obtain, for each training session:
- il computo del dispendio energetico totale, ottenuto integrando il segnale elaborato lungo l’intera durata della sessione); - the calculation of the total energy expenditure, obtained by integrating the signal processed over the entire duration of the session);
- il dispendio energetico relativo a ciascun singolo gesto atletico, computato suddividendo il segnale elaborato in accordo ai parametri ricavati empiricamente; - the energy expenditure related to each individual athletic gesture, calculated by dividing the signal processed according to the parameters obtained empirically;
- una categorizzazione dell’intensità delle attività per fasce, di numerosità arbitraria, a partire da una soglia di “assenza di attività” fino ad un livello di “elevata intensità”. - a categorization of the intensity of activities by bands, of arbitrary number, starting from a threshold of "absence of activity" up to a level of "high intensity".
L’allenamento verrà pertanto, convenientemente, descritto mediante una serie di parametri ottenuti dal processo di calibrazione del segnale elaborato proveniente dai sensori (accelerometri, giroscopi, ecc..). Detti parametri potranno includere, ma non saranno limitati a: The training will therefore, conveniently, be described by means of a series of parameters obtained from the calibration process of the signal processed from the sensors (accelerometers, gyroscopes, etc.). These parameters may include, but will not be limited to:
- numero di attivazioni o di occorrenze di un evento quali ad esempio il superamento di una determinata soglia di intensità; - number of activations or occurrences of an event such as the exceeding of a certain intensity threshold;
- valore grezzo o calibrato dell’intensità del segnale; - raw or calibrated value of the signal intensity;
- numero di rotazioni nell’unità di tempo; - number of rotations in the unit of time;
- intensità della rotazione. - intensity of rotation.
In aggiunta ai segnali provenienti da accelerometri e giroscopi, sarà possibile, vantaggiosamente, utilizzare sensori aggiuntivi quali cardiofrequenzimetri, termometri, magnetometri o pulsiossimetri allo scopo di rifinire ulteriormente la caratterizzazione del gesto atletico ed incrementare la portata e la precisione della parametrizzazione e della valutazione. In addition to the signals coming from accelerometers and gyroscopes, it will be possible, advantageously, to use additional sensors such as heart rate monitors, thermometers, magnetometers or pulse oximeters in order to further refine the characterization of the athletic gesture and increase the range and precision of the parameterization and evaluation.
In uno scenario di impiego che prevede più dispositivi, il calcolo del dispendio energetico sarà effettuato: In a scenario of use involving multiple devices, the calculation of the energy expenditure will be carried out:
- per ciascun atleta, nel caso di un sistema configurato per valutare il gioco di squadra; - for each athlete, in the case of a system configured to evaluate team play;
- dalla sovrapposizione e la composizione dei segnali elaborati di tutti i sensori applicati ad un atleta, nel caso di un sistema configurato per valutare la prestazione del singolo. - from the overlapping and composition of the processed signals of all the sensors applied to an athlete, in the case of a system configured to evaluate the performance of the individual.
In una realizzazione il sistema di monitoraggio, sfruttando uno o più dispositivi dotati di accelerometro e giroscopio computa il carico esterno totale e medio (per minuto) a partire dal segnale elaborato e suddivide l’attività in tre livelli, sulla base della permanenza dell’atleta in una delle tre fasce di intensità: alta, mediobassa, assente. Il risultato dell’elaborazione sarà pertanto la durata – in unità di tempo o percentuale sul totale – di ciascuna fascia di intensità nel corso dell’allenamento. Relativamente al singolo gesto atletico il sistema definisce, vantaggiosamente, un parametro relativo alla durata ed all’intensità denominato Training Execution Mode (TEM) che sarà tanto più elevato quanto maggiore è l’intensità e minore la durata. In one embodiment, the monitoring system, using one or more devices equipped with accelerometer and gyroscope, calculates the total and average external load (per minute) starting from the processed signal and divides the activity into three levels, based on the permanence of the athlete in one of the three intensity bands: high, medium-low, absent. The result of the processing will therefore be the duration - in units of time or percentage of the total - of each intensity band during the training. With regard to the individual athletic gesture, the system advantageously defines a parameter relating to duration and intensity called Training Execution Mode (TEM) which will be higher the greater the intensity and the shorter the duration.
I parametri calcolati dal sistema potranno essere opportunamente rielaborati in dati statistici che comprendono, ma non si limitano a: The parameters calculated by the system can be suitably reworked into statistical data which include, but are not limited to:
- numero totale di attivazioni della fascia di intensità media e alta; - total number of activations in the medium and high intensity range;
- numero totale di rotazioni superiori a 90°; - total number of rotations over 90 °;
- numero di rotazioni ad alta intensità in una specifica direzione; - number of high intensity rotations in a specific direction;
- numero totale di gesti atletici nella sessione di allenamento. - total number of athletic gestures in the training session.
Infine, con le opportune calibrazioni, i segnali elaborati e convenientemente combinati potranno essere utilizzati per addestrare il sistema a riconoscere uno specifico tipo di attività. In una realizzazione del sistema sarà possibile, ad esempio, posizionare e calibrare un dispositivo sul dorso di un atleta per al fine di distinguere tra differenti regimi di corsa. Il sistema sarà di conseguenza in grado di riconoscere ed isolare gli scatti dal resto dell’allenamento e fornire una stima del dispendio energetico relativo unicamente a questi ultimi. Finally, with the appropriate calibrations, the signals processed and conveniently combined can be used to train the system to recognize a specific type of activity. In one embodiment of the system it will be possible, for example, to position and calibrate a device on the back of an athlete in order to distinguish between different running regimes. The system will consequently be able to recognize and isolate the shots from the rest of the training and provide an estimate of the energy expenditure related solely to the latter.
Il sistema sarà vantaggiosamente corredato di uno specifico software di gestione, configurazione ed analisi. Detto software potrà essere eseguito su un qualsiasi elaboratore elettronico con caratteristiche tecniche e prestazionali idonee e rispondente alle seguenti specifiche minime: The system will be advantageously equipped with a specific management, configuration and analysis software. Said software can be run on any electronic computer with suitable technical and performance characteristics and meeting the following minimum specifications:
- una o più unità di elaborazione centrale (CPU) in grado di accedere ed operare su una memoria ad accesso casuale contenente dati ed istruzioni; - un sottosistema video comprensivo di processore grafico dedicato, memoria ad accesso casuale e periferiche di visualizzazione; - one or more central processing units (CPUs) capable of accessing and operating on a random access memory containing data and instructions; - a video subsystem including a dedicated graphics processor, random access memory and display peripherals;
- un sottosistema di input; - an input subsystem;
- una o più unità di memorizzazione di massa a lunga conservazione; - one or more long-life mass storage units;
- interfacce di comunicazione (I/O) di cui almeno una interfaccia per accesso a reti wireless; - communication interfaces (I / O) of which at least one interface for accessing wireless networks;
- sistema operativo multitasking. - multitasking operating system.
Nella realizzazione preferita, il software sarà ottimizzato per l’esecuzione su un computer tipo laptop con un sistema operativo dotato di interfaccia utente a finestre. Il software avrà anch’esso, vantaggiosamente, una interfaccia utente grafica ed improntata alla semplicità di utilizzo che consentirà di: In the preferred embodiment, the software will be optimized to run on a laptop-type computer with an operating system with a windowed user interface. Advantageously, the software will also have a graphical user interface based on ease of use that will allow you to:
- individuare e connettersi ai dispositivi nelle vicinanze; - locate and connect to nearby devices;
- configurare singolarmente ciascun dispositivo individuato in termini di parametri da misurare, livello delle soglie di attraversamento del segnale, frequenza di campionamento e velocità di trasmissione; - individually configure each device identified in terms of parameters to be measured, level of signal crossing thresholds, sampling frequency and transmission speed;
- configurare il tipo di cooperazione in una rete di dispositivi (più dispositivi per atleta o un dispositivo per ogni membro di una squadra); - selezionare, attivare o disattivare i sensori ed i flussi dati generati in ogni dispositivo; - configure the type of cooperation in a network of devices (several devices per athlete or one device for each member of a team); - select, activate or deactivate the sensors and data flows generated in each device;
- assegnare uno o più dispositivi ad un atleta; - assign one or more devices to an athlete;
- ricevere in tempo reale i dati generati dai dispositivi e trasmessi in modalità wireless; - receive in real time the data generated by the devices and transmitted wirelessly;
- scaricare i dati memorizzati nei dispositivi, trasferendoli nella memoria dell’elaboratore; - download the data stored in the devices, transferring them to the computer memory;
- elaborare, analizzare e ridurre i dati ricevuti dai dispositivi; - process, analyze and reduce the data received from the devices;
- rappresentare i flussi di dati provenienti dai dispositivi con l’ausilio di grafici cartesiani lineari, a barre, a torta e multidimensionali; - represent the data flows from the devices with the aid of linear, bar, pie and multidimensional Cartesian charts;
- effettuare operazioni matematiche e statistiche sui dati; - perform mathematical and statistical operations on the data;
- riprodurre sequenze video ed associare tali sequenze ad uno o più flussi di dati provenienti dai sensori; - reproduce video sequences and associate these sequences to one or more data streams coming from the sensors;
- progettare, creare o modificare i parametri di calibrazione dei sensori; - memorizzare i parametri di calibrazione su supporti di memorizzazione portatile tipo SD card da inserire nei dispositivi; - design, create or modify the sensor calibration parameters; - store the calibration parameters on portable storage media such as SD card to be inserted in the devices;
- conservare in un database remotamente accessibile le sessioni di allenamento misurate tramite dispositivi per una successiva visualizzazione, revisione e rielaborazione; - keep the training sessions measured via devices in a remotely accessible database for subsequent viewing, review and reprocessing;
- gestire un database di atleti e relative performance con collegamenti ai flussi di dati memorizzati durante le sessioni di allenamento; - manage a database of athletes and their performances with links to the data streams stored during training sessions;
- elaborare statistiche sul lungo periodo utilizzando i dati memorizzati in successive sessioni di allenamento e produrre grafici e report riepilogativi. In una realizzazione il software di gestione e controllo potrà essere, vantaggiosamente, installato su un dispositivo elettronico portatile tipo smartphone o tablet. - elaborate long-term statistics using the data stored in subsequent training sessions and produce graphs and summary reports. In one embodiment, the management and control software can advantageously be installed on a portable electronic device such as a smartphone or tablet.
Nella realizzazione più completa il sistema di monitoraggio sarà infine, convenientemente, dotato di un dispositivo portatile di attivazione (trigger) e marcatura temporale in grado di inviare segnali ai sensori indossati dagli atleti. Tali segnali potranno quindi essere utilizzati per sincronizzare e temporizzare l’inizio delle registrazioni o per inserire, nei flussi dati generati, dei marker facilmente riconoscibili in sede di analisi tramite software dedicato. In the most complete implementation, the monitoring system will finally be conveniently equipped with a portable activation (trigger) and time stamping device capable of sending signals to the sensors worn by the athletes. These signals can then be used to synchronize and time the start of the recordings or to insert, in the generated data flows, easily recognizable markers during the analysis through dedicated software.
I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono evidenti alla luce della descrizione fin qui esposta e saranno ancora più chiari grazie alle figure annesse e alla relativa descrizione dettagliata. The advantages offered by the present invention are evident in the light of the description set out up to now and will be even clearer thanks to the attached figures and the related detailed description.
Descrizione delle figure Description of the figures
L’invenzione verrà qui di seguito descritta in almeno una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l’ausilio delle figure annesse, nelle quali: The invention will be described below in at least one preferred embodiment for explanatory and non-limiting purposes with the aid of the attached figures, in which:
- FIGURA 1 mostra il dispositivo indossabile 100 ed una possibile realizzazione dello stesso comprendente l’involucro 180 sagomato, la batteria 181 e la scheda circuitale 110. Sulla scheda sono presenti una serie di componenti tra cui un microcontrollore 120, un alloggiamento per memorie di massa 130, un chip per comunicazioni wireless 140 ed un assieme di sensori 150 consistente di accelerometri 151 e giroscopi 152. È infine presente un pulsante di comando 101. - FIGURE 1 shows the wearable device 100 and a possible embodiment of the same comprising the shaped casing 180, the battery 181 and the circuit board 110. On the board there are a series of components including a microcontroller 120, a housing for mass memories 130, a chip for wireless communications 140 and an assembly of sensors 150 consisting of accelerometers 151 and gyroscopes 152. Finally, there is a command button 101.
- FIGURA 2 mostra una serie di indumenti sportivi adattati per contenere il dispositivo 100: una pettorina 210, una fascia toracica 220, una banda elastica 230 da polso, pantaloncini da corsa 240, una imbragatura 250. - FIGURE 2 shows a series of sports clothing adapted to contain the device 100: a bib 210, a chest strap 220, an elastic wrist band 230, running shorts 240, a harness 250.
- FIGURA 3 mostra un tipico scenario di impiego del sistema di monitoraggio da parte di un podista 300 con al bacino il dispositivo 100 connesso via WiFi 600 ad una base station 170. I flussi in uscita dal dispositivo 100 sono inviati, mediante rete senza fili, ad un elaboratore remoto 500. - FIGURE 3 shows a typical scenario of use of the monitoring system by a runner 300 with the device 100 connected via WiFi 600 to a base station 170 at the pelvis. The outgoing flows from the device 100 are sent, via wireless network, to a remote computer 500.
- FIGURA 4 mostra altri scenari di impiego del sistema. In un caso il dispositivo 100 è applicato al dorso di un ricevitore 310 per misurarne le torsioni. In un secondo scenario il dispositivo 100 è applicato alla cintura di un cestista 320. Infine viene mostrato il caso di un sistema di monitoraggio costituito da più dispositivi 100 indossati da una squadra di calcio 340. - FIGURE 4 shows other scenarios for using the system. In one case the device 100 is applied to the back of a receiver 310 to measure its twists. In a second scenario the device 100 is applied to the belt of a basketball player 320. Finally, the case of a monitoring system consisting of several devices 100 worn by a football team 340 is shown.
- FIGURA 5 mostra gli algoritmi di condizionamento ed elaborazione del segnale proveniente dai sensori. Il segnale accelerometrico 151 viene scomposto nelle componenti assiali 153, viene estratto il modulo 154 delle componenti 153 vettoriali, viene operato un filtraggio in frequenza 156 a valle della correzione di offset 155. Il segnale viene infine rettificato 157 per ottenere il segnale elaborato (SE). Il segnale del giroscopio 152 viene elaborato separatamente nelle componenti 159 di rollio ed imbardata alle quali si applicano una correzione di offset 160 ed un filtro 156. La somma delle componenti viene poi normalizzata con un fattore di scala 161. Nella stessa figura è rappresentato l’andamento temporale 162 del segnale e l’area sottesa dalla curva 163 utilizzata per il computo del dispendio energetico. - FIGURE 5 shows the conditioning and processing algorithms of the signal coming from the sensors. The accelerometric signal 151 is decomposed into the axial components 153, the module 154 of the vector components 153 is extracted, a frequency filtering 156 is performed downstream of the offset correction 155. The signal is finally rectified 157 to obtain the processed signal (SE) . The signal of the gyro 152 is processed separately in the roll and yaw components 159 to which an offset correction 160 and a filter 156 are applied. The sum of the components is then normalized with a scale factor 161. The same figure shows the time course 162 of the signal and the area subtended by the curve 163 used for the calculation of the energy expenditure.
Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention
La presente invenzione verrà di seguito illustrata in alcune sue realizzazioni, a titolo puramente esemplificativo e non limitativo, ricorrendo alle figure. The present invention will be illustrated below in some of its embodiments, purely by way of non-limiting example, using the figures.
Con riferimento alla FIG. 1 viene mostrata una possibile realizzazione del dispositivo indossabile 100 che integra al proprio interno la sensoristica di rilevamento 150. Nell’esempio specifico il dispositivo 100 è costituito da una scheda circuitale 120 a componentistica integrata con un proprio sistema di elaborazione basato su un microcontrollore 120 e memoria RAM. La scheda 120 comprende inoltre una interfaccia di comunicazione wireless 140, una batteria di alimentazione 181, un alloggiamento per schede di memoria SD 130 ed un assieme integrato di sensori 150 tra cui un accelerometro 151 ed un giroscopio 152 triassiali. La memoria di massa conferirà al dispositivo 100 una sufficiente capacità di buffering e memorizzazione mentre l’interfaccia di comunicazione wireless consentirà di inviare i dati grezzi o parzialmente pre-processati direttamente in tempo reale ad una stazione ricevente. Il dispositivo 100 ha dimensioni e peso idonei ad essere indossato senza sforzo, è sufficientemente piccolo da essere agevolmente maneggiato con una sola mano e dotato di un pulsante 101 che ne controlla l’attivazione. I sensori integrati nel dispositivo 100 consistono, come già accennato in: With reference to FIG. 1 shows a possible embodiment of the wearable device 100 which internally integrates the detection sensor 150. In the specific example the device 100 consists of a circuit board 120 with integrated components with its own processing system based on a microcontroller 120 and RAM memory. The card 120 further comprises a wireless communication interface 140, a power supply battery 181, a slot for SD memory cards 130 and an integrated assembly of sensors 150 including an accelerometer 151 and a triaxial gyroscope 152. The mass memory will give the device 100 sufficient buffering and storage capacity while the wireless communication interface will allow the raw or partially pre-processed data to be sent directly in real time to a receiving station. The device 100 has dimensions and weight suitable to be worn without effort, it is small enough to be easily handled with one hand and equipped with a button 101 that controls its activation. The sensors integrated in the device 100 consist, as already mentioned in:
- un accelerometro triassiale 151 per misurare le accelerazioni lungo gli assi di un sistema di riferimento inerziale e solidale all’atleta; - a triaxial accelerometer 151 to measure the accelerations along the axes of an inertial reference system that is integral to the athlete;
- un giroscopio triassiale 152 per misurare le rotazioni rispetto a detti assi; - una batteria 181 ricaricabile a lunga durata in grado di garantire il funzionamento del dispositivo per l’intera durata dell’allenamento. - a triaxial gyroscope 152 for measuring rotations with respect to said axes; - a long-lasting rechargeable 181 battery capable of ensuring the operation of the device for the entire duration of the workout.
La scheda circuitale 120 è contenuta in un contenitore 180 protettivo di materiale polimerico resistente alle sollecitazioni termiche e meccaniche. I sensori 150 avranno frequenze di campionamento configurabili da decine a centinaia di campioni al secondo e l’elettronica di condizionamento e trasmissione garantirà lo stesso throughput di dati, la necessaria numerosità di campioni e risoluzione temporale. Il lettore per memorie di massa 130 permetterà il caricamento di configurazioni personalizzate e dati di calibrazione per la conversione dei segnali in grandezze fisiche significative direttamente sul dispositivo 100. The circuit board 120 is contained in a protective container 180 of polymeric material resistant to thermal and mechanical stresses. The 150 sensors will have configurable sampling rates from tens to hundreds of samples per second and the conditioning and transmission electronics will ensure the same data throughput, the necessary number of samples and temporal resolution. The mass memory reader 130 will allow the loading of customized configurations and calibration data for the conversion of signals into significant physical quantities directly on the device 100.
Nella FIG. 2 vengono mostrate alcune possibilità di posizionamento del dispositivo 100 all’interno di indumenti sportivi o imbragature 250 realizzate ad hoc. La forma preferita di applicazione è l’utilizzo di tasche in materiale elastico posto su capi di abbigliamento quali pettorine 210, pantaloncini 240, fasce elastiche 230 da indossare su polsi, braccia, caviglie e fasce toraciche 220. È possibile inserire più dispositivi nello stesso indumento o indossare più supporti allo scopo di incrementare la numerosità dei rilevamenti e consentire l’aggregazione dei flussi di dati in un prodotto più complesso in fase di analisi. Generalmente si prevede di poter adattare qualunque capo di abbigliamento affinché possa contenere uno o più dispositivi 100 integrati. In FIG. 2 shows some possibilities of positioning the device 100 inside sports clothing or harnesses 250 made ad hoc. The preferred form of application is the use of pockets in elastic material placed on garments such as bibs 210, shorts 240, elastic bands 230 to be worn on wrists, arms, ankles and chest bands 220. It is possible to insert more devices in the same garment o wearing more supports in order to increase the number of surveys and allow the aggregation of data flows into a more complex product being analyzed. Generally it is expected to be able to adapt any item of clothing so that it can contain one or more 100 integrated devices.
Una delle possibili forme realizzative del sistema di monitoraggio viene mostrata in FIG. 3 con riferimento ad un podista 300 che pratica la propria attività con una cintura 230 contenente il dispositivo 100. In tale configurazione i sensori presenti rileveranno le sollecitazioni imposte dall’attività fisica e saranno in grado sia di memorizzare localmente i dati misurati, sia di trasmetterli su rete WiFi 600 ad una stazione ricevente 170 che riveste il ruolo di collettore e nodo centrale della rete. Il firmware del dispositivo 100 conterrà istruzioni per l’instaurazione automatica di una rete peer to peer tra il dispositivo stesso e la stazione ricevente 170. La stazione potrà essere a sua volta configurata per gestire i dispositivi presenti nel proprio raggio d’azione e potrà utilizzare un database interno consentire o negare l’accesso alla rete in modo da evitare interferenze con altri apparecchi. Il punto terminale dei flussi dati sarà un elaboratore 500 remoto dotato di un software per la gestione del sistema di monitoraggio, la configurazione e controllo remoto dei dispostivi, l’elaborazione e l’analisi dei dati ricevuti sia in tempo reale che in differita. Nella realizzazione qui illustrata si è scelto, quale elaboratore remoto, un laptop in maniera da sfruttare al massimo la portabilità e l’utilizzabilità in ambienti sia interni che esterni. La portata della comunicazione wireless del laptop potrà essere eventualmente aumentata utilizzando una o più stazioni riceventi 170. L’utilizzo di diverse stazioni riceventi 170 consente inoltre, utilizzando la banda ultra larga di effettuare un preciso posizionamento dei dispositivi 100 collegati. Il dato sulla posizione, una volta convertito in coordinate assolute, potrà essere aggregato ai flussi dati generati dai sensori per una successiva analisi. One of the possible embodiments of the monitoring system is shown in FIG. 3 with reference to a runner 300 who practices his activity with a belt 230 containing the device 100. In this configuration, the sensors present will detect the stresses imposed by physical activity and will be able both to locally store the measured data and to transmit them on a WiFi 600 network to a receiving station 170 which plays the role of collector and central node of the network. The firmware of the device 100 will contain instructions for the automatic establishment of a peer to peer network between the device itself and the receiving station 170. The station can in turn be configured to manage the devices in its range and can use an internal database to allow or deny access to the network in order to avoid interference with other devices. The end point of the data flows will be a remote processor 500 equipped with software for the management of the monitoring system, the configuration and remote control of the devices, the processing and analysis of the data received both in real time and in deferred time. In the implementation illustrated here, a laptop was chosen as the remote computer in order to make the most of portability and usability in both internal and external environments. The range of wireless communication of the laptop can possibly be increased by using one or more receiving stations 170. The use of different receiving stations 170 also allows, using the ultra-broadband to perform a precise positioning of the connected devices 100. The position data, once converted into absolute coordinates, can be aggregated to the data flows generated by the sensors for subsequent analysis.
Con riferimento alla FIG. 4 vengono mostrati altri possibili scenari di utilizzo del sistema di monitoraggio, ancora in configurazione singolo utente. La presenza di sensori giroscopici 152 consente di misurare e valutare lo sforzo compiuto da un ricevitore 310 nel gioco del baseball in termini di torsioni del busto. A tale scopo il dispositivo 100 viene applicato al dorso dell’atleta mediante una tasca sulla divisa sportiva in prossimità della base del collo. L’elaborazione successiva del segnale consentirà pertanto di determinare il numero di torsioni, l’ampiezza dell’angolo di torsione e l’intensità del movimento. Da tali parametri, il sistema potrà calcolare in tempo reale il dispendio energetico (EE). With reference to FIG. 4 shows other possible scenarios of use of the monitoring system, still in single user configuration. The presence of gyroscopic sensors 152 makes it possible to measure and evaluate the effort made by a receiver 310 in the game of baseball in terms of torso twists. For this purpose, the device 100 is applied to the athlete's back through a pocket on the sports uniform near the base of the neck. The subsequent processing of the signal will therefore allow to determine the number of twists, the amplitude of the torsion angle and the intensity of the movement. From these parameters, the system will be able to calculate the energy expenditure (EE) in real time.
La combinazione con accelerometri triassiali permette di misurare intensità e durata di specifici gesti atletici. In figura viene illustrata una realizzazione che utilizza una tasca nascosta per assicurare un dispositivo 100 al dorso di un cestista 320 al fine di valutarne le prestazioni durante una schiacciata a canestro o un passaggio. Analogamente, se applicato sul dorso di un calciatore, il dispositivo 100 renderà possibile monitorare e misurare l’intensità dei repentini cambi di direzione durante il gioco grazie all’elaborazione dei segnali del giroscopio 152. The combination with triaxial accelerometers allows to measure intensity and duration of specific athletic gestures. The figure illustrates an embodiment that uses a hidden pocket to secure a device 100 to the back of a basket player 320 in order to evaluate its performance during a dunk or pass. Similarly, if applied to the back of a player, the device 100 will make it possible to monitor and measure the intensity of sudden changes of direction during the game thanks to the processing of the signals of the gyroscope 152.
Il sistema di monitoraggio può essere configurato, per riconoscere specifici movimenti o pattern dei segnali generati dai sensori al fine di isolare i singoli gesti atletici. The monitoring system can be configured to recognize specific movements or patterns of the signals generated by the sensors in order to isolate individual athletic gestures.
Nella stessa figura viene infine illustrato il sistema di monitoraggio in una configurazione comprendente più dispositivi 100 assegnati a diversi atleti, come può avvenire per una squadra di calcio 340. In tale configurazione ciascun dispositivo 100 opererà autonomamente ed il software di gestione avrà la possibilità di distinguere i flussi dati in arrivo da ogni giocatore. Sarà pertanto possibile assegnare ad ogni flusso uno specifico atleta e valutarne separatamente il dispendio energetico. Grazie alla tecnologia wireless ed al posizionamento ultra wideband il sistema consentirà, tramite software di gestione, di localizzare distintamente ogni giocatore. A valle delle misurazioni è possibile analizzare i segnali ricevuti sia singolarmente, sia in maniera comparativa o composita. Il software permette di salvare le elaborazioni per richiamarle in un successivo momento allo scopo di costruire statistiche di gioco e prestazione e valutare il rendimento nel tempo di ogni atleta. Finally, the same figure illustrates the monitoring system in a configuration comprising several devices 100 assigned to different athletes, as can happen for a soccer team 340. In this configuration each device 100 will operate autonomously and the management software will have the ability to distinguish the data streams arriving from each player. It will therefore be possible to assign a specific athlete to each flow and to evaluate their energy expenditure separately. Thanks to wireless technology and ultra wideband positioning, the system will allow, through management software, to locate each player distinctly. Downstream of the measurements, it is possible to analyze the signals received either individually or in a comparative or composite manner. The software allows you to save the calculations to recall them at a later time in order to build game and performance statistics and evaluate the performance over time of each athlete.
Una possibile realizzazione del metodo e dell’algoritmo di elaborazione e condizionamento del segnale proveniente dai sensori è schematicamente illustrata in FIG. 5 con particolare enfasi sui segnali provenienti dai sensori triassiali: accelerometri 151 e giroscopi 152. L’algoritmo viene utilizzato per il calcolo del dispendio energetico, per la realizzazione di statistiche e per la generazione dei flussi dati da inviare all’elaboratore 500. Nella realizzazione preferita, il segnale vettoriale proveniente dal sensore accelerometrico 151, viene anzitutto trasformato in una funzione scalare del tempo mediante calcolo del modulo 154 (norma euclidea). Segue una compensazione (offset) 155 del segnale per rimuovere la componente di accelerazione gravitazionale. Il segnale viene successivamente filtrato da un filtro passa-basso 156 di tipo Butterworth e frequenza di taglio nell’ordine di qualche decimo di hertz ed infine rettificato 157 (valore assoluto). Il segnale giroscopico 152 viene scisso nelle componenti di 159 imbardata e rollio, le quali vengono elaborate separatamente (offset 160 e filtraggio),sommate ed, opzionalmente, normalizzate con un fattore di scala 161. Il prodotto di tali elaborazioni, che potrà avvenire sia direttamente sul dispositivo 100 per mezzo di filtri digitali, sia su un elaboratore dedicato che riceve il dato grezzo, è una grandezza denominata “segnale elaborato”. A partire dalla curva 162 del segnale elaborato e dalle fasce d’intensità, viene infine determinato il costo energetico, rappresentato in figura come l’area sottesa 163 da detta curva, di una sessione di allenamento o di un singolo gesto. A possible implementation of the method and algorithm for processing and conditioning the signal from the sensors is schematically illustrated in FIG. 5 with particular emphasis on the signals coming from the triaxial sensors: accelerometers 151 and gyroscopes 152. The algorithm is used for the calculation of the energy expenditure, for the creation of statistics and for the generation of the data flows to be sent to the processor 500. In the realization preferred, the vector signal coming from the accelerometric sensor 151 is first of all transformed into a scalar function of time by calculating the module 154 (Euclidean norm). There follows a compensation (offset) 155 of the signal to remove the gravitational acceleration component. The signal is subsequently filtered by a low-pass filter 156 of the Butterworth type and cut-off frequency in the order of a few tenths of a hertz and finally rectified 157 (absolute value). The gyroscopic signal 152 is split into the components of 159 yaw and roll, which are processed separately (offset 160 and filtering), summed and, optionally, normalized with a scale factor 161. The product of these processing, which can occur either directly on the device 100 by means of digital filters, and on a dedicated processor which receives the raw data, there is a quantity called "processed signal". Starting from curve 162 of the processed signal and intensity bands, the energy cost is finally determined, represented in the figure as the area underneath 163 by said curve, of a training session or a single gesture.
Misurando, confrontando e normalizzando i segnali provenienti dai sensori, durante l’esecuzione controllata di specifici gesti tecnici, il sistema consente di isolare i movimenti più intensi dai meno intensi e dal resto delle rilevazioni. Stabilendo opportunamente, in base a valori empirici o determinazioni analitiche, dei valori di soglia sarà possibile suddividere una sessione di allenamento in fasce di intensità e concentrare le valutazioni di performance su specifici tratti di allenamento. Sarà inoltre possibile impostare ulteriori specifiche soglie di attraversamento – personalizzabili all’occorrenza – del valore della curva 162 del segnale elaborato al fine di generare allarmi o marcature temporali ben riconoscibili nel flusso di dati. By measuring, comparing and normalizing the signals from the sensors, during the controlled execution of specific technical gestures, the system allows you to isolate the most intense movements from the less intense ones and from the rest of the measurements. By appropriately establishing threshold values on the basis of empirical values or analytical determinations, it will be possible to divide a training session into intensity bands and concentrate performance evaluations on specific training sections. It will also be possible to set additional specific crossing thresholds - customizable if necessary - of the value of the curve 162 of the signal processed in order to generate alarms or time stamps that are easily recognizable in the data flow.
È infine chiaro che all’invenzione fin qui descritta possono essere apportate modifiche, aggiunte o varianti ovvie per un tecnico del ramo, senza per questo fuoriuscire dall’ambito di tutela che è fornito dalle rivendicazioni annesse. Finally, it is clear that modifications, additions or variants that are obvious for a person skilled in the art can be made to the invention described so far, without thereby departing from the scope of protection that is provided by the attached claims.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT201800005903A IT201800005903A1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | SYSTEM FOR MONITORING AND EVALUATING ATHLETIC PERFORMANCE |
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ID=63491856
Family Applications (1)
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| IT201800005903A IT201800005903A1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | SYSTEM FOR MONITORING AND EVALUATING ATHLETIC PERFORMANCE |
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Citations (4)
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-
2018
- 2018-05-31 IT IT201800005903A patent/IT201800005903A1/en unknown
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