中圖分類號：TP89 文獻標識碼：A

Motion Analysis and Training Guidance of Alpine Skiing Actions Based on Inertial Sensors

ZHANG Hao，PAN Ruoqian，JI Rujie，WANGLei （Qingdao Engineering Vocational College，Qingdao 266ll2，China）

Abstract： In response to the late start and weak research foundation of alpine sking in China， based on motion data from inertial sensors，a scientific motion analysis and training guidance method for alpine skiing is studied. By analyzing key characteristics such as the athlete’s center of gravity trajectory，upper limb stability， and blade angle， specific technical points are guided， and the cosine distance between training movements and standard movement data is calculated to complete the similarity evaluation of movements. A data analysis system for alpine skiing movements is developed to complete real-time movement data transmission and display，as well as historical movement data analysis and evaluation，and to vividly display the training effects of athletes through a visual interface. This study provides data support for optimizing training strategies and improving athlete performance for coaching teams.

Keywords： alpine skiing；sensor data；training guidance；data analysis system

冬奧會比賽項目中，高山滑雪以滑行速度快、視覺刺激強、動作技巧足等特點深受大眾喜愛[。但由于中國冰雪運動起步晚，對此研究較少，高山滑雪面臨較大的發(fā)展瓶頸[2]，因此科學的訓練指導策略至關(guān)重要[3]。姿態(tài)數(shù)據(jù)是訓練指導的前提，目前，高速攝像機和慣性傳感器廣泛應用于人體動作數(shù)據(jù)的采集，而慣性動作捕捉設(shè)備以其出色的準確性和室外便攜性常作為動作分析首選[4-5]。KONDOA等[6]在運動員的腰、髖、膝及踝等多個骨骼段綁定可穿戴慣性傳感器，檢測運動員轉(zhuǎn)彎時膝和肘關(guān)節(jié)角度的運動軌跡，為運動員轉(zhuǎn)彎特征的分析提出專業(yè)化的指導意見;BENEDIKTF等7將11個慣性傳感器分別綁定在四肢和髖等重要身體部位，設(shè)計關(guān)節(jié)三維坐標的計算算法，作為運動訓練中的關(guān)鍵特征;MATSUMURAS等[8]在慣性傳感器的基礎(chǔ)上增加了壓力傳感器，通過檢測運動員足底和雪板的負荷比，對旋轉(zhuǎn)技能進行評估。國內(nèi)對高山滑雪的動作分析，主要是從人體受力的角度[9，計算在特定地形下的最優(yōu)軌跡，得到運動員比賽的最優(yōu)路線[10-11]，但基于慣性傳感器的動作研究較少。因此，本文基于慣性傳感器的動作數(shù)據(jù)，分析高山滑雪關(guān)鍵特征、量化高山滑雪評估體系并開發(fā)滑雪數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，不僅為科學化運動指導建立了理論支撐體系，也對提升競技滑雪訓練智能化水平具有重要的理論與實踐價值。

高山滑雪運動姿態(tài)描述

由于雪場硬件及季節(jié)變換等客觀因素的限制，高山滑雪運動員在某些時段無法獲得穩(wěn)定的周期性訓練，促使虛擬滑雪訓練設(shè)備的出現(xiàn)。德國 Skytechsport公司研發(fā)的滑雪虛擬訓練滑臺，通過將無人機實拍賽道數(shù)據(jù)導入軟件系統(tǒng)，精確模擬了賽道的地形起伏、回轉(zhuǎn)旗門的設(shè)置、起終點之間的高度差異以及坡度的變化等關(guān)鍵要素。該設(shè)備以虛實結(jié)合的方式，近乎完美地復刻了真實滑雪賽道的體驗，使運動員即便身處室內(nèi)，也能進行高效的高山滑雪動作練習，極大地緩解了訓練場地稀缺的問題。

為捕捉完整準確的滑雪運動數(shù)據(jù)，綜合高山滑雪比賽項目規(guī)則、技術(shù)要點以及人體三維骨骼模型相關(guān)研究，建立了由17剛體組成的人體骨骼模型[12]，傳感器綁定于 ①～? 號關(guān)節(jié)位置，人體骨骼模型如圖1所示。人體骨骼段劃分嚴格遵循運動學約束，可復現(xiàn)運動員的回轉(zhuǎn)類和滑降類等動作。實驗過程中運動員在虛擬訓練平臺進行周期性的訓練，在相應的骨骼位置佩戴慣性傳感器，采集歐拉角、四元數(shù)、加速度等姿態(tài)數(shù)據(jù)，為關(guān)鍵特征分析、動作相似度評價以及數(shù)據(jù)指導軟件平臺的設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 高山滑雪關(guān)鍵特征分析

高山滑雪關(guān)鍵特征分析是科學化訓練指導的重要依據(jù)。重點解析運動員重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度等關(guān)鍵特征的時變規(guī)律，幫助運動員形成針對滑行軌跡控制、平衡維持及彎道技術(shù)等專項能力的階梯式訓練方案，為高山滑雪運動技能診斷與訓練優(yōu)化提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持。

2.1 重心軌跡分析

雖然我國高山滑雪運動進步較快，但與世界冠軍級別還存在一定差距。重心軌跡的變化曲線是評價運動員穩(wěn)定性的重要依據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查分析，高山滑雪運動員的身體重心越低，軌跡越平緩[13]，成績就會越好，如果重心軌跡的運動曲線起伏變化較大，表明穩(wěn)定性欠佳。因此，運動員的重心穩(wěn)定性分析對科學化動作指導至關(guān)重要。

人體運動重心三維坐標的計算研究有測力板法、影像解析法以及穿戴測試設(shè)備法[14]，其中測力板法需運動員站在測力臺上的壓力重心，位置相對固定，對速度要求高或運動空間大的運動適應度不夠。影像解析法需要精密而昂貴的攝像設(shè)備，實時高速的跟隨運動員運動，對硬件設(shè)備和軟件處理有一定挑戰(zhàn)。因此，測力板和解析影像兩種研究方法不適用于高山滑雪運動數(shù)據(jù)計算。穿戴設(shè)備法主要是利用人體穿戴的姿態(tài)傳感器，通過復雜的數(shù)學計算，求解每個關(guān)節(jié)的三維坐標，然后根據(jù)關(guān)節(jié)位置“乘系數(shù)法\"計算運動中的人體重心[15]，即

其中， G_P 為重心坐標； J_i 為每個關(guān)節(jié)的三維坐標； k_i 為對應關(guān)節(jié)的權(quán)重系數(shù)。

滑雪運動員按照比賽規(guī)則，在虛擬訓練平臺進行回轉(zhuǎn)和滑降練習，根據(jù)運動數(shù)據(jù)，通過“乘系數(shù)法”得到三維重心變化軌跡，教練員將此指導依據(jù)與國際頂尖運動員進行對比，對運動員進行專業(yè)指導。某運動員身體重心的變化趨勢如圖2所示，藍色橫線為整個運動過程中重心變化的均值，雙虛線箭頭的距離為各階段重心坐標值與均值距離最大值。

由圖2可以看出，運動員的重心整體呈低—高—低的變化趨勢，基本符合高山滑雪的動作特點，但其重心變化較不穩(wěn)定，以此作為指導依據(jù)，可加快提升運動員的滑雪成績。

2.2 上肢穩(wěn)定性分析

上肢穩(wěn)定性是評價運動員滑雪平衡度的重要依據(jù)，既能反映滑雪動作展示的穩(wěn)定性，也能體現(xiàn)運動員對比賽項目控制的靈活性。張藝佳等[16]規(guī)范滑雪運動員比賽動作，將上肢運動的穩(wěn)定性作為關(guān)鍵特征進行分析，通過比較優(yōu)秀運動員和普通運動員的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，得到高山滑雪運動員在滑行過程中應盡量保持上肢的運動軌跡與重心軌跡的變化趨勢相近的結(jié)論。本文對比分析運動員的脊柱和雙肩在豎直方向的坐標軌跡與重心軌跡，得到上肢部位豎直方向 y 的變化軌跡如圖3所示。

由圖3可以看出，脊柱、左肩及右肩在豎直方向的運動軌跡和重心坐標的運動軌跡規(guī)律相近，上肢穩(wěn)定性較好，對訓練場景和設(shè)備的把握度高。

2.3 雪板立刃角度分析

立刃角度是評價運動員滑降、回轉(zhuǎn)及大回轉(zhuǎn)等動作的重要特征，其左右傾斜角度的變化反映了運動員比賽中的爆發(fā)力[17]。實驗中運動員在指定部位綁定慣性傳感器，穿好雪鞋、雪帽等設(shè)備，在虛擬訓練平臺進行訓練。教練員可根據(jù)回轉(zhuǎn)過程中立刃角度的變化對運動員的爆發(fā)力進行分析，當運動員進行左回轉(zhuǎn)訓練，其運動負載腿為左腿，反之，當運動員進行右回轉(zhuǎn)訓練時，其負載腿為右腿，所以立刃角度的變化從側(cè)面能反映出左右腿的力量情況[18]滑行過程中左、右立刃角度的變化軌跡如圖4所示，左立刃角度的變化幅度大于右立刃角度，表現(xiàn)為左腿力量優(yōu)于右腿。以此作為指導依據(jù)，對運動員的回轉(zhuǎn)動作和爆發(fā)力提出指導意見，可不斷提升運動員的訓練成績。

3動作整體性評價

高山滑雪運動員在虛擬平臺練習時，在同一賽道位置處的立刃角度、重心和上肢穩(wěn)定性等關(guān)鍵特征評價不夠規(guī)范化，因此，與標準動作進行相似度評價非常重要。通過分析慣性傳感器采集的歐拉角、加速度及立刃角度等關(guān)鍵特征，將運動員的訓練動作與標準動作進行相似度計算，得到與“冠軍級別動作”的差距，從而量化的進行滑雪動作的評估指導。

3.1 相似度評價方法

動作相似度的評價方法有歐氏距離和余弦距離等，歐式距離與動作數(shù)據(jù)的位置坐標相關(guān)，對數(shù)據(jù)維度較敏感，計算得到的距離值變化范圍較大。余弦距離側(cè)重方向上的差異，對出現(xiàn)的絕對數(shù)值不敏感，并可將距離值限制到一定范圍之內(nèi)，體現(xiàn)2組運動數(shù)據(jù)向量在方向上的相對差異[19-20]，本文在計算運動員訓練動作與標準動作之間相似度時，采用余弦距離的表示形式。并采用滑動窗口的方法，定義動作數(shù)據(jù)幀數(shù)為50，將整個時間段的滑雪訓練數(shù)據(jù)劃分為固定窗口的動作序列，忽略2段動作序列長度不一的情況。設(shè) a=[x₁ ，x₂…，x₃，……，x_n. 為運動員訓練時提取的動作特征， b=[y₁，y₂，y₃，……，y_n] 為標準動作提取的特征， θ 為夾角，則兩者之間的余弦距離為

由式（2）可知，2個向量余弦距離在 [-1，1] 范圍內(nèi)，為了統(tǒng)一計算標準，提高可解釋性，并彌補原始余弦相似度在距離計算的局限性[21]，將計算結(jié)果進行歸一化處理，式（2）修改為式（3），余弦距離的值越接近1，2個動作越相似，滑雪水平越高。

d=0.5cosθ+0.5

3.2相似度計算實驗結(jié)果

虛擬訓練滑臺前方的場景為賽道無人機拍實景，標準動作庫中的數(shù)據(jù)為“冠軍級別運動員”的姿態(tài)數(shù)據(jù)。訓練時低水平運動員需在滑臺同一位置處與標準庫中的動作姿態(tài)盡可能相同。所以，衡量運動員滑雪訓練成績的關(guān)鍵在于找到同一方向同一位置處兩者的姿態(tài)數(shù)據(jù)，方向可通過雪板的立刃角度判斷，位置通過雪板滑臺兩側(cè)的距離測算。為此，本文在模擬滑臺兩側(cè)安裝了位移傳感器，采集運動員在滑臺的位置數(shù)據(jù)。

運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示，位移傳感器固定放置于滑臺的兩側(cè)，測量2個雪板距離滑臺兩端的距離。17個姿態(tài)傳感器的動作數(shù)據(jù)與2個位移傳感器的位置數(shù)據(jù)通過UDP廣播發(fā)送到服務(wù)器，計算2個動作序列的余弦距離，完成與標準動作的相似度評價。

為了驗證動作相似度評價實驗的有效性，采用滑動窗口的方式劃分運動數(shù)據(jù)，通過計算運動員動作與標準動作特征之間的余弦距離，判斷滑雪成績的好壞。動作對比如圖6所示，藍色姿態(tài)表示運動員右回轉(zhuǎn)時距離左側(cè)滑臺 4m 處的動作，紅色姿態(tài)表示標準庫中相應位置處的動作。計算兩者之間的余弦距離 d=0.886 1 .該值越接近1說明訓練成績越好。

4高山滑雪動作分析系統(tǒng)設(shè)計

在高山滑雪關(guān)鍵特征分析和動作相似度計算評價的基礎(chǔ)上，基于QtDesigner和Python開發(fā)了滑雪動作分析系統(tǒng)客戶端。客戶端開發(fā)分為實時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩部分，實時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可實時接收并反饋姿態(tài)傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù);歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可查詢分析并評估運動員的訓練數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

運動員登錄賬號和密碼后，進人實時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)可實時顯示與存儲運動員姿態(tài)數(shù)據(jù)。軟件界面包括UDP參數(shù)設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)實時顯示及傳感器狀態(tài)實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)通信采用UDP協(xié)議，設(shè)置端口地址及和IP地址，通過建立通信實例，循環(huán)調(diào)用接收方法進行數(shù)據(jù)傳輸，實時顯示運動員的姿態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計了傳感器的狀態(tài)監(jiān)測功能，當姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)在持續(xù)變化時，判定傳感器運行正常，反之，當某傳感器數(shù)據(jù)不正?；蛘叩綦姇r，立刻判定傳感器處于錯誤狀態(tài)，并顯示紅色。系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲功能，設(shè)置好時間、姓名及數(shù)據(jù)信息類型等，調(diào)用數(shù)據(jù)庫函數(shù)，完成訓練數(shù)據(jù)儲存，方便后續(xù)分析，實時動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可幫助運動員或教練員觀察傳感器的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化情況等，以免訓練后數(shù)據(jù)沒有保存，耽誤后續(xù)動作分析與指導。

歷史動作數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要完成對以往訓練的動作數(shù)據(jù)進行回顧與指導，主界面如圖8所示。該軟件系統(tǒng)界面主要由數(shù)據(jù)庫登錄配置、訓練歷史信息、關(guān)鍵特征的運動曲線及姿態(tài)相似度計算4部分組成。數(shù)據(jù)庫登錄部分是繼登錄界面驗證后第2個需要登錄驗證的部分，為教練員和運動員等不同角色分配不同的權(quán)限，并從隱私性的角度考慮，當數(shù)據(jù)庫用戶名與密碼驗證成功后，即可顯示右側(cè)的訓練歷史信息部分。為方便反饋最近的訓練效果，歷史訓練信息部分最多顯示5組訓練數(shù)據(jù)，其中“操作\"部分主要包含編輯和刪除 2個下拉框的內(nèi)容，可分別實現(xiàn)對訓練日期等內(nèi)容的修改和整組數(shù)據(jù)的刪除操作，點擊右側(cè)的“開始\"按鈕之后，服務(wù)器會根據(jù)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在其下方顯示對該組動作數(shù)據(jù)的滑雪關(guān)鍵特征分析，圖8選擇了2021年5組訓練數(shù)據(jù)進行舉例。

5 結(jié)束語

本文針對個性化訓練指導的需求，重點分析了運動員在模擬滑雪過程中重心軌跡、上肢穩(wěn)定性及立刃角度變化等關(guān)鍵特征。在模擬滑臺設(shè)計了位移傳感器，根據(jù)相似度評價方法，完成了運動員整體動作的評估。開發(fā)了高山滑雪動作數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，以界面可視化的方式幫助運動員提升比賽成績。實驗數(shù)據(jù)表明，運動員在重心穩(wěn)定性、上肢穩(wěn)定性以及立刃角度等方面存在個體差異，直接影響了滑雪成績的提升。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的可視化，更直觀地展示了運動員的訓練進展和成效，為教練團隊優(yōu)化訓練策略及提升運動員成績提供數(shù)據(jù)支撐。

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