李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學(xué)院體育學(xué)院 湖南婁底 417000）

足球運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的研究①

李子梟 周元玲 蔣毅 郝梁爽 呂志永

(湖南人文科技學(xué)院體育學(xué)院 湖南婁底 417000）

為了克服目前足球運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種采用射頻方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和跟蹤。論文首先介紹了運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,接著重點(diǎn)說(shuō)明了射頻卡的定位方法和定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖,最后給出足球運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試圖。該定位系統(tǒng)在訓(xùn)練和教學(xué)中具有良好的使用前景。

實(shí)時(shí)定位 射頻 足球運(yùn)動(dòng)員

足球運(yùn)動(dòng)是以速度為主, 兼有速度耐力和耐力性的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。跑動(dòng)能力是足球運(yùn)動(dòng)員重要的基本能力素質(zhì)之一。當(dāng)今, 足球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)是比賽越來(lái)越激烈, 攻防轉(zhuǎn)換越來(lái)越快, 這樣對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)能力的要求就越來(lái)越高。因此,實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)應(yīng)用在足球運(yùn)動(dòng)中,對(duì)運(yùn)動(dòng)員的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,保存和分析運(yùn)動(dòng)的軌跡跑步數(shù),根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡還可以推算出運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)量、消耗相關(guān)的參數(shù),對(duì)足球教練員在訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員足球技戰(zhàn)術(shù)中打法有著重要的意義,對(duì)提高足球運(yùn)動(dòng)的教學(xué)與競(jìng)技水平有深遠(yuǎn)的意義[1-2]。

發(fā)展到如今,市場(chǎng)上主要的解決方法是將攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合。兩臺(tái)以上攝像機(jī)定位比賽全場(chǎng)影像,專(zhuān)用軟件可以精確確定球員移動(dòng)位置,時(shí)間等數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成移動(dòng)速度和距離。例如總部設(shè)在法國(guó)的數(shù)據(jù)公司SUP(Sport Universal Process）是測(cè)量比賽球員各項(xiàng)數(shù)據(jù)的佼佼者。該公司為多家歐洲俱樂(lè)部聘用進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)取樣的比賽中,賽場(chǎng)內(nèi)安裝8部具有熱成像功能的高級(jí)攝相機(jī),并用這些攝像機(jī)記錄比賽的全過(guò)程。攝像機(jī)拍錄下的信息會(huì)被一套超級(jí)復(fù)雜的分析軟件分解,最終的結(jié)果就是運(yùn)動(dòng)員的各種運(yùn)動(dòng)信息,并且詳細(xì)的數(shù)據(jù)被分門(mén)別類(lèi)地統(tǒng)計(jì)出來(lái)。由于目前的上述的解決方案成本高,每套至少達(dá)到幾百萬(wàn)以上,需要專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行調(diào)試安裝,難以大范圍推廣。部分文獻(xiàn)提出利用Zigbee、北斗導(dǎo)航等設(shè)備進(jìn)行足球運(yùn)動(dòng)員的定位[2-6]。

圖1 系統(tǒng)整體工作示意圖

圖2 三邊測(cè)量定位示意圖

該論文設(shè)計(jì)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種采用射頻方式進(jìn)行定位的方法,多個(gè)固定位置的射頻卡讀取器對(duì)射頻卡發(fā)出的射頻信號(hào)進(jìn)行讀取、分析射頻信號(hào)強(qiáng)度,同時(shí)將上述信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心;控制中心對(duì)射頻信號(hào)與射頻信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析和計(jì)算,可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與定位。

圖3 射頻卡讀卡器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 運(yùn)動(dòng)員定位測(cè)試曲線(xiàn)

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示的足球運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它包括有設(shè)置在球員身上的有源射頻卡,由于球場(chǎng)的尺寸最長(zhǎng)達(dá)到100 m以上,為了保證無(wú)線(xiàn)傳輸距離,射頻裝置采用有源射頻卡,有源標(biāo)識(shí)卡工作時(shí)不斷主動(dòng)向外發(fā)出無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。采用的有源射頻卡內(nèi)置電池,能夠保證無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木嚯x,每個(gè)有源射頻卡的編碼是唯一的。有源射頻卡有源射頻卡分別固定在相應(yīng)的球員身上,通過(guò)發(fā)送無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)至安裝在球場(chǎng)邊緣處的讀卡器節(jié)點(diǎn)。射頻卡每秒發(fā)送多次數(shù)據(jù),發(fā)送的數(shù)據(jù)依次編號(hào)。

如果有源射頻卡發(fā)出的無(wú)線(xiàn)信號(hào)在射頻卡讀卡器的有效測(cè)量范圍內(nèi),多個(gè)固定在球場(chǎng)四周的射頻卡讀卡器模塊接收有源射頻卡的信號(hào)并解碼,可以得到對(duì)應(yīng)的有源射頻卡的編號(hào)信息及其信號(hào)強(qiáng)度等信息。同時(shí)射頻讀卡器節(jié)點(diǎn)將上述信息通過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線(xiàn)路由器;控制中心電腦通過(guò)路由器讀取射頻讀卡器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)及其信號(hào)強(qiáng)度,對(duì)有源射頻卡發(fā)送的數(shù)據(jù)和射頻信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、跟蹤。

2 射頻卡定位原理

考慮運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)不能攜帶大量設(shè)備,設(shè)計(jì)采用有源射頻卡的方式進(jìn)行定位。有源射頻卡大小如一張名片運(yùn)動(dòng)員隨身攜帶,有源射頻卡以廣播方式每秒發(fā)出多次的射頻信號(hào),射頻信號(hào)到射頻卡讀取器的距離可以達(dá)到100 m以上。位于球場(chǎng)四周的多個(gè)射頻卡讀取器可以同時(shí)讀取有源射頻卡發(fā)出的信號(hào),并得到對(duì)應(yīng)射頻卡的信號(hào)強(qiáng)度。由于球場(chǎng)基本無(wú)阻礙,射頻信號(hào)到每個(gè)射頻卡讀取器的信號(hào)強(qiáng)度與射頻卡和射頻卡讀取器距離成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

如圖2所示,A、B和C分別為對(duì)應(yīng)的3個(gè)球場(chǎng)四周的3個(gè)射頻讀卡器的位置,其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分別為(x1,y1）、(x2,y2）和(x3,y3）。有源射頻卡的位置即為3個(gè)圓的交點(diǎn)D,其對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為(x,y）。有源射頻卡的位置與3個(gè)射頻讀卡器距離分別為d1、d2和d3。根據(jù)幾何關(guān)系表達(dá)式可知[7-8]:

通過(guò)單個(gè)射頻卡和3個(gè)球場(chǎng)四周的射頻卡讀取器之間距離,可以利用3邊測(cè)量法得到單個(gè)射頻卡在球場(chǎng)的具體坐標(biāo)位置。

3 射頻讀卡器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

射頻讀卡器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)讀取有源射頻卡數(shù)據(jù)及其該數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度,并同時(shí)通過(guò)WIFI模塊將數(shù)據(jù)及其信號(hào)強(qiáng)度等信息轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線(xiàn)路由器;控制中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器讀取有源射頻卡數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及信號(hào)強(qiáng)度。如圖3所示,射頻讀卡器節(jié)點(diǎn)包括TI公司的MSP430F5529主控芯片、射頻卡讀卡器模塊和CC3100 WIFI模塊,MSP430F5529通過(guò)射頻卡讀卡器模塊的接口模塊讀取有源射頻卡的數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度,同時(shí)MSP430F5529通過(guò)CC3100 WIFI模塊將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線(xiàn)路由器。

系統(tǒng)中射頻卡讀卡器節(jié)點(diǎn)有多個(gè),分別位于球場(chǎng)特定邊緣處。多個(gè)射頻卡讀卡器可以同時(shí)讀取有源射頻卡發(fā)出的帶編號(hào)的數(shù)據(jù),并得到該數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)多個(gè)有源射頻卡同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到球場(chǎng)四周的射頻卡讀卡器,如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的有源射頻卡同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),可能會(huì)造成通信干擾,影響接收數(shù)據(jù)的效果。射頻卡中內(nèi)置的防沖突機(jī)制可以保證在一定范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)不同的有源射頻卡發(fā)出的信息做出正確的識(shí)別和數(shù)據(jù)讀取。有源射頻卡和射頻卡讀卡器之間的距離與無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度有關(guān),距離越遠(yuǎn)信號(hào)強(qiáng)度越低。射頻卡讀卡器在得到有源射頻卡發(fā)出數(shù)據(jù)和信號(hào)強(qiáng)度信息后,通過(guò)WIFI模塊將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線(xiàn)路由器。

4 控制中心設(shè)計(jì)

控制中心包括有路由器數(shù)據(jù)讀取、球員實(shí)時(shí)定位計(jì)算程序模塊和球員位置數(shù)據(jù)保存/顯示模塊,其中,控制中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器讀取讀卡器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的相關(guān)數(shù)據(jù);球員實(shí)時(shí)定位計(jì)算程序模塊通過(guò)三角測(cè)量法來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算有源射頻卡的位置,該算法利用了有源射頻卡同一數(shù)據(jù)在多個(gè)讀卡器節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)強(qiáng)度,信號(hào)強(qiáng)度與有源射頻卡和射頻卡讀卡器之間的距離存在特定關(guān)系;控制中心電腦可以保存運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)位置等信息,同時(shí)也可以連接顯示終發(fā)揮,雖是經(jīng)大會(huì)組委會(huì)統(tǒng)一校正的器械或經(jīng)大會(huì)組委會(huì)審核同意的器械,運(yùn)動(dòng)員的第一感覺(jué)器械拿著舒服、順手,便于其創(chuàng)造好的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。撐桿跳高中撐桿的材料在很大方面決定著運(yùn)動(dòng)員最后的成績(jī),材料的不同,對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮有很大的影響。

3.6 檢錄時(shí)間的長(zhǎng)短

運(yùn)動(dòng)員的兩大部分準(zhǔn)備活動(dòng),在檢錄前強(qiáng)度要達(dá)到一定的高度,但這個(gè)度是很難掌握的,要根據(jù)檢錄時(shí)間,當(dāng)時(shí)的氣候,自身的狀態(tài)等多種因素決定,我國(guó)全國(guó)田徑錦標(biāo)賽田賽的檢錄時(shí)間一般是賽前45 min,大多是在比賽場(chǎng)地外有一附田徑場(chǎng),沒(méi)有換成車(chē)的麻煩,這對(duì)運(yùn)動(dòng)員控制準(zhǔn)備活動(dòng)的強(qiáng)度與量相對(duì)要簡(jiǎn)單的多,但各種突發(fā)的因素還是要考慮到其中,如2009年6月26～29日在江西宜春舉行的2009年全國(guó)青少年田徑錦標(biāo)賽(16～19歲),男子青年組跳遠(yuǎn)比賽在下午3:20正式進(jìn)行,檢錄時(shí)間是賽前45 min,但當(dāng)成都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)員楊凱按預(yù)定時(shí)間到達(dá)比賽場(chǎng)地準(zhǔn)備進(jìn)行準(zhǔn)備活動(dòng)時(shí)卻下起雨,準(zhǔn)備活動(dòng)受到很大影響,正式比賽時(shí)雨已經(jīng)停了,他的準(zhǔn)備活動(dòng)有些倉(cāng)促,對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身體、心理都造成一定的影響,像這些突發(fā)因素是在賽前準(zhǔn)備活動(dòng)中都應(yīng)該考慮的,這樣才能創(chuàng)造好的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

3.7 其他各種因素

比賽等級(jí)越高,運(yùn)動(dòng)員越容易出現(xiàn)緊張、興奮過(guò)早、精神壓力過(guò)大等不適反映,這就需要根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整,同時(shí),比賽期運(yùn)動(dòng)員的睡眠、飲食和營(yíng)養(yǎng)攝入,對(duì)比賽能力有直接影響。比賽前應(yīng)準(zhǔn)確了解運(yùn)動(dòng)會(huì)期間的飲食供應(yīng)情況,盡量想辦法保持運(yùn)動(dòng)員的飲食習(xí)慣和充足的運(yùn)動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)[5]。如2009年上海室內(nèi)田徑錦標(biāo)賽時(shí),有些北方運(yùn)動(dòng)員就抱怨酒店的伙食吃不慣、吃不飽,這就給運(yùn)動(dòng)員和教練員及大會(huì)組委會(huì)提出了新的要求,如何很好地保障運(yùn)動(dòng)員的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),是我們要很好解決的一大問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)員做到賽前心中有數(shù),以防不良情況的發(fā)生,確保以自信愉悅的心情參加比賽。

4 結(jié)語(yǔ)

田賽準(zhǔn)備活動(dòng)受器材場(chǎng)地、項(xiàng)目特點(diǎn)等多方面的影響,正確的準(zhǔn)備活動(dòng)是運(yùn)動(dòng)員身體和心理的重要組成部分,它不僅可以預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷對(duì)運(yùn)動(dòng)員的傷害,調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)員的最佳競(jìng)技狀態(tài),正確掌握田賽準(zhǔn)備活動(dòng)技術(shù),使運(yùn)動(dòng)員取得優(yōu)異運(yùn)動(dòng)成績(jī)。做好準(zhǔn)備活動(dòng)有利于運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的超常發(fā)揮,創(chuàng)造優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

［1］張傳峰.對(duì)短、跳項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、賽前準(zhǔn)備活動(dòng)的研究[J].科技信息,2006（4）：326.

［2］金國(guó)斌.談準(zhǔn)備活動(dòng)對(duì)田徑運(yùn)動(dòng)員比賽的影響[J].哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào),2005,23(2):112-113.

［3］文超.田徑運(yùn)動(dòng)高級(jí)教程［M］.北京:人民體育出版社,2002:382-413.

［4］國(guó)家體育總局.田徑[M].北京:人民體育出版社,2003.

［5］田麥久.運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)[M].北京:人民教育出版社,2003.

Research on Real-time Positioning System for Soccer Players

Li Zixiao Zhou Yuanling Jiang Yi Hao Liangshuang Lv Zhiyong
(Sport college, University of Humanities, Science and Technology, Loudi Hu’nan, 417000, China)

In order to overcome the shortage of the existing technology of the real-time location system, in this paper, a method for real-time location of football player using radio frequency is proposed, the method can realize the real-time location and tracking of football player's movement. Firstly, this paper introduces the whole real-time positioning system scheme, then focuses on introduce the radio frequency location method and location system hardware block diagram. Finally, the actual motion trajectory of the football player is given. The real-time location system has a good prospect in training and teaching.

Real-time location; Radio frequency; Football player

G80

A

2095-2813(2017)06(a)-0235-03

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.16.235

李子梟(1996,8—)，男，漢，湖南武岡人，本科，研究方向:運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)。