李尚濱，趙培禹，姜 弢

(哈爾濱工程大學體育軍事訓練部，黑龍江哈爾濱 150001)

無線定位技術在排球運動信息采集系統(tǒng)中的應用*

李尚濱，趙培禹，姜 弢

(哈爾濱工程大學體育軍事訓練部，黑龍江哈爾濱 150001)

運動信息采集是現(xiàn)代體育科學研究中的重要技術基礎。概述了典型的成像式、電磁式和無線式運動信息采集系統(tǒng)的基本原理、工作特點和典型應用。在分析射頻無線定位技術和排球運動特點的基礎上，提出了一種基于無線定位技術的排球運動信息實時采集系統(tǒng)設計方案，詳細論證了方案工作機理，估算了關鍵技術參數(shù)，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)方法。

排球訓練;射頻識別;數(shù)據(jù)采集;運動捕捉;無線定位

運動信息采集技術，或稱為運動捕捉技術，是測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡的應用理論與方法。該技術可以收集運動者的動作信息，進行量化、統(tǒng)計分析，以便進行運動軌跡3D虛擬現(xiàn)實建模和顯示。

此外，可以將獲得的運動軌跡與標準軌跡或優(yōu)秀運動員動作軌跡進行對比，結合運動生理學、動力學、心理學等多個相關學科的理論知識，進行推理判斷，給出準確的定性或定量分析結果，從而改進訓練方法，使體育訓練更加科學、合理和高效，提高運動水平和成績，最終達到體育科研與訓練的有機結合，實現(xiàn)訓練科學化和現(xiàn)代化。

本文首先簡要介紹現(xiàn)有的采集技術，對比分析了成像式、電磁式和無線式運動信息采集系統(tǒng)的特點和應用情況，其次提出了一個用于排球運動信息采集的，基于改進的LANDMARC定位算法的設計方案，論證了采集系統(tǒng)工作機理、實現(xiàn)方法。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

運動信息采集系統(tǒng)一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)傳輸設備和數(shù)據(jù)處理設備組成。根據(jù)所選用傳感器，運動信息采集系統(tǒng)可以分為多種類型，常見的是成像式和電磁式采集系統(tǒng)。近年來，隨著無線技術的發(fā)展，特別是RFID技術出現(xiàn)和被廣泛應用，為運動信息采集系統(tǒng)提供一個新的實現(xiàn)途徑，即基于射頻無線定位技術的信息采集方法。

1.1 成像式采集系統(tǒng)

成像式采集系統(tǒng)基于計算機視覺原理，采用一個或多個攝像機高速率、同時、連續(xù)拍攝圖像，通過圖像后處理獲取運動信息。常見的成像式采集系統(tǒng)包括美國魔神分析系統(tǒng)公司(Motion Analysis)的Eagle系列和Hawk系列視頻運動捕捉系統(tǒng)，三亞點創(chuàng)信息技術有限公司DVMC－8820三維運動捕捉系統(tǒng)，以及APAS 三維運動分析系統(tǒng)［1－3］。

成像式采集系統(tǒng)的優(yōu)點是工作區(qū)域覆蓋范圍大，無電纜、機械裝置的限制，使用方便，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要;缺點是系統(tǒng)價格昂貴，雖然可以捕捉實時運動，但目標識別、跟蹤、空間坐標計算等后處理工作量較大，對于場地光照、反射情況有一定要求，圖像定標較煩瑣，特別是運動復雜、目標點被遮擋時，易產(chǎn)生錯誤信息，需要人工進行干預和專業(yè)圖像分析工具。

成像式采集系統(tǒng)在技巧類項目(如蹦床、板球、跳水、體操)、體能類分道競速項目(如跨欄)和小球類項目(如高爾夫球、板球)等項目中已有成功的應用實例，但是由于覆蓋范圍、定位精度和采集數(shù)目等信息采集量過大的原因，在團體對抗性項目方面(如足球、籃球、排球、手球、曲棍球等多人分組對抗項目)，僅有瑞士Dartfish運動技術和戰(zhàn)術錄像分析系統(tǒng)的成功應用報導［4］。

1.2 電磁式采集系統(tǒng)

電磁式采集系統(tǒng)基于電磁感應原理，將發(fā)射源附近空間的、按照一定規(guī)律分布的電磁場的變化測量結果轉換為電信號，通過線纜發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設備，進行解算處理，得到位置、速度和角度等運動信息。

常用電磁式采集系統(tǒng)如美國Ascension公司的Spacepad系統(tǒng)，荷蘭Xsens公司的MTx系統(tǒng)，美國Polhemus公司的 Patriot系統(tǒng)和 Liberty系統(tǒng)，如圖1所示［5］。

電磁式采集系統(tǒng)的優(yōu)點是信息采集的實時性強、準確性高、便于安裝，缺點是使用時易受其他電磁設備的干擾、作用范圍受發(fā)射源位置和強度的限制?？梢杂糜谖璧赣柧氝^程中的計算機仿真動作分析，也可以用于射箭項目的計算機瞄準穩(wěn)定性分析與仿真訓練，還可以用于仿真射擊類電子游戲。

1.3 射頻無線定位式采集系統(tǒng)

射頻無線定位是通過測量接收到的多路無線信號，建立定位方程組，解算被測物體坐標位置的技術。所測量參數(shù)一般包括傳輸時間，如到達時間(TOA)或到達時間差(TDOA)，幅度、相位到達角(AOA)和接收信號強度指示(RSSI)等。典型的室外無線定位系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo，以及我國的北斗系列導航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)定位精度為數(shù)十米，經(jīng)過修正后精度可達到米級，如DGPS;采用載波相位測量偽距系統(tǒng)，精度可達到厘米級。顯然，在室外應用的無線定位運動信息采集，如沙灘排球、橄欖球等，可以考慮以上述系統(tǒng)為技術核心，構建采集系統(tǒng)。

圖1 典型電磁式采集系統(tǒng)設備

UWBD由于上述系統(tǒng)在建筑物內的信號強度較弱，一般難以進行正常工作，室內無線定位系統(tǒng)必須選用其他技術，如A－GPS定位技術、超聲波定位技術(如 Cricket Location Support System 和 ActiveBat系統(tǒng))、紅外線技術(如Active Badge系統(tǒng))、無線網(wǎng)絡AP(Access Point)技術(如RADAR系統(tǒng))、藍牙技術和Wi－Fi技術。采用上述技術的系統(tǒng)的定位精度可達到米級，但在抗干擾性、成本方面有明顯不足，不適合運動信息采集系統(tǒng)選用［6］。

近年來，射頻識別技術(RFID)在業(yè)界掀起了研究熱點。RFID是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)，實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。RFID系統(tǒng)主要由電子標簽(射頻卡)、閱讀器(接收器)和兩者之間傳遞無線信號的微型天線組成［7］。具有其低成本、高精度、高實時性、傳輸范圍廣的優(yōu)點，使之在運動信息采集領域具有廣闊的應用前景。

如果從定位精度、抗干擾性、采集數(shù)目、成本等方面進行比較，本節(jié)所討論的三類采集系統(tǒng)的對比如表1所示。

綜上所述，無線式系統(tǒng)在成本、使用便利性和采集數(shù)目方面具有一定優(yōu)勢，非常適合進行集體對抗性體育項目的實時動態(tài)信息采集。由于精度有限，傳統(tǒng)射頻無線定位系統(tǒng)在室內運動項目中難以應用，而RFID技術的提出為解決這一問題提供了新的解決手段。

表1 三種典型信息采集系統(tǒng)性能比較

2 LANDMARC定位算法原理及其改進

2.1 LANDMARC 算法原理

LANDMARC算法是經(jīng)典的有源RFID的室內定位算法，基本思想是采用額外的固定參考標簽作為參考點使用，通過參考點的信號強度值與待定位標簽的信號強度值之間的比較，計算出待定位標簽的坐標。由于閱讀器獲取到的相鄰標簽的RSSI也是相近的，所以LANDMARC算法通過比較閱讀器接收到的待定位標簽與參考標簽信號強度值的大小來求得距離待定位標簽距離最近的幾個參考標簽，然后根據(jù)這幾個最鄰近參考標簽的坐標，利用加權經(jīng)驗公式計算出待定位標簽的坐標。LANDMARC方法具有較高的定位精度，可擴展性好，能處理比較復雜的環(huán)境。

例如，對于有n個閱讀器，m個參考標簽的情況，LANDMARC算法計算過程如下:

式中，Si為第i個閱讀器所獲得的待定位標簽的信號強度(i=1，2，3，…，n)，θt為第個閱讀器所讀取到的參考標簽的信號強度，Ej為它們之間的歐氏距離;j=1，2，3，…，n，m是參考標簽數(shù)，也是每個待定位標簽的最大鄰居數(shù)。Ej越小表示它們之間的距離越近。wl表示的是第 l個鄰居的權重(l=1，2，3，…，k ＜m，k是m個歐氏距離Ej中，最小的k個鄰居)，其定義公式如下:

通過待定位標簽的實際坐標和理論坐標的比較，可以算出它們之間的誤差值 e=，其中(x0，y0)表示的是待定位標簽的實際坐標位置;(x，y)表示待定位標簽理論坐標位置。

2.2 算法原理及其改進

經(jīng)典LANDMARC算法的精度有限，如果使用4個閱讀器、16個參考標簽和8個待定位標簽。計算待定位標簽實際位置和計算坐標位置的誤差，得到的最大距離誤差為2 m，平均距離誤差為1 m［8］。顯然，此誤差水平不能滿足排球運動信息采集的要求，需要進行改進。

圖2 LANDMARC改進算法流程圖

自由空間中接收功率與距離平方成反比，與發(fā)射功率、收發(fā)天線增益和電波波長成正比。在現(xiàn)實環(huán)境中，復雜結構和人員活動會引起射頻無線信號的反射、折射和吸收等。利用現(xiàn)有的經(jīng)驗傳播模型，不能準確地預測室內無線信號環(huán)境。這是經(jīng)典LANDMARC算法精度不滿足高精度要求的主要因素之一。為了提高精度，對算法進行改進［9］，算法流程如圖2所示。

3 排球運動信息采集方案設計

3.1 采集方案論證

以室內排球為例，在運動員的手腕、肘關節(jié)、膝蓋、腰部和腳踝分別貼附RFID發(fā)射標簽，在排球上嵌入發(fā)射標簽，通過比賽場地內的讀卡設備進行數(shù)據(jù)的讀取，然后在后臺主系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)預處理，最終可以得到每個運動員在比賽或訓練中的實時的運動信息。在此基礎上，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，可以顯示出運動員的運動軌跡，從而判斷運動員移動規(guī)律、對排球落點的預判，可以進行輔助裁判和輔助訓練工作。射頻無線定位式排球運動信息采集系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 基于射頻無線定位技術的排球運動信息采集系統(tǒng)示意圖

方案設計中需要論證的系統(tǒng)主要指標是定位精度、采集數(shù)量、運動目標的最大速度、作用距離等。

對12位參賽隊員進行信息采集，每位運動員身上貼附9個標簽的話，共108個標簽，這樣就要求電子標簽識別能力大于108。假定運動員發(fā)球的最高速度為30m/s，則要求電子標簽具的響應時間足夠快，至少具有識別速度30 m/s運動物體的能力。排球直徑為0.21 m左右，為滿足定位信息捕獲需要，且不增加系統(tǒng)實現(xiàn)難度，不妨要求定位偏差不大于1.5倍排球直徑，即0.3 m左右。

排球場地為長方形，長18 m，寬9m。邊線外無障礙區(qū)至少5 m寬，兩端線外至少8 m，上空無障礙區(qū)至少12.5 m。運動員身上貼附的電子標簽和讀卡器之間的通信能力決定了系統(tǒng)識別距離，即在運動場地四周安裝的讀卡器裝置必須有能力與所有電子標簽之間進行實時通信。如果運動員位于排球場地的中間位置，要求讀卡器具有不小于12.5m的識別作用距離。除此之外，還需要考慮設備的使用壽命，抗干擾等問題，使讀卡器設備在一定距離內不要互相干擾出現(xiàn)誤差。

根據(jù)上述指標，可以選擇CC2500、CC2431有源RFID模塊為電子標簽，該模塊不僅可以讀取標簽內的ID號等各類信息，而且還可以根據(jù)所接收到的某標簽發(fā)射的信號的強度(RSSI)值來判斷該標簽到探頭的距離，其特性滿足排球運動信息采集系統(tǒng)指標要求。

3.2 算法仿真及分析

排球場地中間橫劃一條線把球場分為相等的兩個場區(qū)，即每個場區(qū)為長度為9m的正方形。每個場區(qū)放置4個RFID讀寫器，20個參考標簽，7個待定位標簽(6名隊員與1個球)。仿真結果如圖4所示。由仿真結果可知，LANDMARC算法在改進前的平均誤差為1.56m，改進后的平均誤差為0.32m，能夠滿足運動信息采集系統(tǒng)精度的要求。

圖4 經(jīng)典LANDMARC算法與改進算法仿真誤差對比

4 結論

采用射頻無線定位技術的排球運動信息采集系統(tǒng)具有實時性高、作用范圍廣、采集數(shù)目多、功耗、抗干擾、成本低等諸多優(yōu)點，將在體育比賽和訓練中起到重要的推動作用。另外，將多種定位測量技術相結合，如RFID定位技術與超聲波定位技術相結合，利用RFID的唯一標識特性和超聲波的精確定位特性構建射頻觸發(fā)與超聲波定位系統(tǒng)，若應用于運動信息采集系統(tǒng)，其定位精度可以達到厘米級，且具有易于實現(xiàn)、成本低、精度高、容錯性能好、標簽體積小等優(yōu)點。缺點在于易受環(huán)境溫度變化的影響，而且作用范圍為3～10 m［10］。另外，RFID與計算機視覺配合進行精確定位，可以達到比較理想的信息采集效果，這也是從事數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的體育科研工作者的努力方向之一。

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App lication of W ireless Location Technique in Volleyball Sports Information Acquisition System

LIShang－bin，ZHAO Pei－yu，JIANG Tao

(Department of Sports＆ Military Training，Harbin Engineering University，Harbin，150001，China)

Motion capture is one of the key supporting techniques inmodern sports scientific research.It introduced the rationales，features and typical application of optical imaging loaction，electromagnetic location and radio location for sports data acquisition system.On the base of analysis of radio location technique and volleyball sports characteristics，it presented a design of real time volleyball sports data acquisition system.The operation mechanism，key parameters’calculation and solution of implement are all presented in this paper.

volleyball training;RFID;data acquisition;motion capture;radio location

G842

A

1007－323X(2011)03－0090－04

2011－02－15

李尚濱(1971－)，男，黑龍江人，副教授，碩士

研究方向:體育教育及體育工程學

哈爾濱工程大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助。編號:HEUCF101602