【技术实现步骤摘要】
一种人体运动智能测量与数字训练系统
[0001]本专利技术涉及一种人体运动智能测量与数字训练系统，属于电子行业智能测量领域，提供了运动参数，改进训练方法。
技术介绍
[0002]随着我国体育事业不断发展和科技不断进步，运动员训练模式创新越来越成为提高运动员竞技水平的主要手段，如何借助科技力量进行训练模式创新已经成为解决训练中诸多难题的主要手段。
[0003]运动员运动参数的监测是改进运动方法、提高运动成绩的必要手段，传统的运动参数监测方法是采用影像等技术手段，该方法只能通过粗略地观察和判断运动过程，更多地依赖于专业教练员的经验，无法实现精准的定量分析。当前大部分运动的幅度较大、速度较快、全身肢体协调性要求较高，运动员关节间角度的变化同最终的运动效果具有较强的关联性。为测量运动员的运动参数，为技术改进和成绩提升提供量化的技术支撑，需要采用可穿戴产品实现运动参数的精准测量，同时实现数据处理与分析的智能化，便于运动员与教练员使用。为方便运动员和教练员的使用，运动员只需要佩戴惯导系统，教练员只需要操作手机或PC机便可以对运动员的运动参数进行监测，后台有数据综合分析系统的支持，这样使用非常方便，为科技助力体育提供了关键的技术支撑。
技术实现思路
[0004]本专利技术所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种人体运动智能测量与数字训练系统，实现对运动过程中的参数测量，完成对训练过程中的定量分析。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种人体运动智能测量与数字训练系统，该系统包括N个惯导穿戴...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于包括N个惯导穿戴装置、M个相机、数据综合分析装置、终端；N、M均大于等于1；M个相机的总视场覆盖运动员的整个运动场景,拍摄视场内的图像，形成图像数据帧发送给数据综合分析装置；惯导穿戴装置，以穿戴的方式固定在运动员肢体上，以运动员肢体为载体，测量得到运动员肢体的三轴线加速度和惯性坐标系下的三轴角速度，并发送给数据综合分析模块；数据综合分析装置，存储运动员基本信息，建立并维护运动员与其佩戴的惯导穿戴装置关联关系；根据运动员肢体的三轴线加速度和惯性坐标系下的三轴角速度，进行导航解算、坐标转换，得到运动员肢体在运动员本体坐标系中的相对位置、姿态并存储；采集各相机拍摄的图像并存储，对各相机拍摄的图像目标识别、跟踪和坐标转换，得到运动员在运动场景世界坐标系下的位置和速度并存储；分析各运动员在运动场景世界坐标系下的位置和速度、各运动员的肢体在运动员本体坐标系中的相对位置、姿态，确定各运动员的运动参数并存储。2.根据权利要求1所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述数据综合分析装置包括惯导解算模块、运动目标检测跟踪模块和运动目标速度识别模块、运动参数解析模块；惯导解算模块，根据运动员肢体的三轴线加速度和惯性坐标系下的三轴角速度，进行导航解算，得到运动员肢体在导航坐标系下姿态、速度和位置信息；对运动员肢体的运动进行零速检测，当运动员肢体处于零速区间之内时，对运动员肢体在导航坐标系下姿态、速度和位置信息进行零速误差修正；定义运动员本体坐标系，将运动员肢体在导航坐标系下姿态、速度和位置信息，转换到运动员本体坐标系下；运动目标检测跟踪模块，采集各相机拍摄的图像，并记录图像采集时间，对各相机拍摄的图像进行畸变校正，采用YOLO模型对同一时刻拍摄的每一张校正后的图像进行目标检测，得到图像中所有运动员在像素坐标系下的粗略边界框，再基于边缘检测方法，得到各运动员在像素坐标系下的精确位置和精准边界框，之后，对同一运动员不同时刻的精准边界框进行匹配，实现不同时刻各运动员的精准边界框的跟踪；通过透视投影矩阵将每个运动员在像素坐标系下的坐标转换为对应相机视场覆盖区域世界坐标系下的坐标，根据各相机视场覆盖区域间的位置关系，计算出各运动员不同时刻在运动场景全局世界坐标系下的坐标，并发送给运动目标速度识别模块；运动目标速度识别模块，将各运动员不同时刻在运动场景全局世界坐标系下的坐标序列滤波去噪后进行差分处理，得到运动员在运动场景世界坐标系下的速度；运动参数解析模块，分析运动员肢体在运动员本体坐标系中的相对位置、姿态，得到运动参数；比较各运动员在运动场景世界坐标系下的位置和速度，对这些数据进行分析和排序，按照一定的规则进行运动员的排名；根据运动员的运动参数与标准参数进行对照比对。3.根据权利要求1所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述惯导穿戴装置佩戴在至少1位运动员的不同肢体部位，且N个惯导穿戴装置输出数据同步。4.根据权利要求1所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于还包括终端，建立运动场景以及运动员的三维模型，将运动员在运动场景坐标系下速度和位置、运动员肢体在运动员本体坐标系中的相对位置、姿态与相应的三维模型关联起来，用可视化
的方式将运动员的运动过程和运动参数显示出来。5.根据权利要求1所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述终端支持四类身份用户使用，四类身份用户分别为运动员、教练员，专家、管理员；设置运动员权限的终端包括“自主训练”模块、查看“历史数据”模块、第一“群组交流”模块；其中，“自主训练”模块，从数据综合分析装置中获取实时运动参数，并进行记录；查看“历史数据”模块，根据运动时段、运动员基本信息，从数据综合分析装置中检索相应时段的原始图像、运动参数及其对应的训练评价；第一“群组交流”模块，接收运动员留言，用于运动员与教练员、专家相互交流；设置教练员权限的终端包括“运动员管理”模块、“比赛管理”模块、第二“群组交流”模块，其中，“运动员管理”模块，增减运动员，将运动员基本信息更新在数据综合分析装置中；查看“历史数据”模块，根据外部输入的运动时段、运动员基本信息，从数据综合分析装置中检索相应时段的原始图像、运动参数，提出训练评价，并发送给数据综合分析装置存储；“比赛管理”模块，新建队内竞赛，将队内竞赛分组、竞赛规则发送至数据综合分析装置存储；第二“群组交流”模块，接收教练员留言，用于教练员与运动员、专家相互交流；设置专家权限的终端包括“训练管理”模块、第三“群组交流”模块；其中，“训练管理”模块，用于查看训练排名，对比同一场次运动员的运动参数，对运动员、和该场训练进行评价建议，形成数据分析报告并发送至数据综合分析装置存储；第三“群组交流”模块，接收专家留言，用于专家与教练员、运动员相互交流。设置管理员身份的终端，用于设置用户信息、设置用户身份。6.根据权利要求1所述的一种人体运动智能测量系统，其特征在于所述惯导穿戴装置包括MEMS传感器，信号处理模块、通信模块和锂电池；MEMS传感器，内部集成了MEMS陀螺仪、MEMS加速度计，MEMS陀螺仪输出惯性坐标系下的三轴角速度，MEMS加速度计输出运动员肢体的三轴线加速度，将测量结果输出给信号处理模块；信号处理模块，将MEMS传感器输出的测量结果组帧打包之后发送给通信模块；通信模块，采用无线通信的方式将打包之后的测量数据帧发送出去；锂电池，用于为MEMS传感器、信号处理模块、通信模块供电。7.根据权利要求2所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述惯导解算模块的具体实现如下：S1、选“东
–
北
–
天”地理坐标系作为导航坐标系，获取运动员肢体的三轴线加速度和惯性坐标系下的三轴角速度，进行导航解算，得到运动员肢体在导航坐标系下姿态、速度和位置信息；S2、将运动员肢体在导航坐标系下的姿态角误差、速度误差、位置误差、MEMS传感器中的陀螺零偏和加速度计零偏作为状态量，运动员肢体在零速区间内的速度误差、姿态误差作为量测量，建立卡尔曼滤波器；S3、在MEMS传感器的每个采样时刻，进行卡尔曼滤波器状态量的一步预测，并计算状态一步预测均方误差阵，进入步骤S4；S4、判断运动员肢体是否处于零速区间内，如果处于零速区间内，则进入步骤S5，否则，进入步骤S6；
S5、更新卡尔曼滤波器的量测量和量测矩阵，根据量测量、状态一步预测均方误差阵、状态估计均方误差阵、量测噪声协方差矩阵，计算滤波增益并更新状态估计均方误差阵，由滤波增益和量测矩阵进行状态估计，得到运动员肢体在导航坐标系下的速度误差、位置误差以及姿态角误差，之后，根据估计到的这些误差，修正运动员肢体在导航坐标系下姿态、速度和位置信息；S6、输出运动员肢体在导航坐标系下的姿态、速度和位置信息。8.根据权利要求6所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述步骤S1中，运动员肢体在导航坐标系下姿态通过如下步骤计算得到：S1.1、获取运动员肢体在惯性坐标系下的三轴角速度S1.2、根据运动员肢体在惯性坐标系下的三轴角速度计算得到运动员肢体在导航坐标系下三轴角速度S1.3、计算当前采样时刻运动员肢体的姿态四元数Q
k
：其中，Δt为MEMS传感器的采样间隔，Q
k
‑1为上次采样时刻运动员肢体的姿态四元数；S1.4、根据当前采样时刻运动员肢体的姿态四元数Q
k
，计算运动员肢体本体坐标系至导航坐标系的坐标转换矩阵S1.5、根据运动员肢体本体坐标系至导航坐标系的坐标转换矩阵计算运动员肢体在导航坐标系下的姿态，所述运动员肢体在导航坐标系下的姿态包括运动员肢体的俯仰角θ、横滚角γ和偏航角ψ；具体的计算方法为：由得到：θ＝arcsin(T
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))9.根据权利要求7所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述步骤S1中，运动员肢体在导航坐标系下速度通过如下步骤计算得到：S1.6、将运动员肢体本体坐标系至导航坐标系的坐标转换矩阵代入比力方程，得到导航坐标系相对于地球坐标系的加速度在导航坐标系下的投影所述比力方程如下：
其中，f
b
为运动员肢体在惯性坐标系下的三轴线加速度，为地球坐标系相对于惯性坐标系的角速度在导航坐标系的投影，为导航坐标系相对于地球坐标系的角速度在导航坐标系的投影，g
n
为重力加速度在导航坐标系的投影；S1.7、由公式更新导航坐标系相对于地球坐标系的速度在导航坐标系的投影，即为运动员肢体在导航坐标系下速度，为上一采样时刻导航坐标系相对于地球坐标系的速度在导航坐标系的投影，为当前采样时刻导航坐标系相对于地球坐标系的速度在导航坐标系的投影。10.根据权利要求7所述的一种人体运动智能测量与数字训练系统，其特征在于所述步骤S1中运动员肢体在导航坐标系下位置通过如下方程更新：其中，Δt为MEMS传感器的采样间隔，P
k
‑1为上一采样时刻的位置，P
k
为当前采样时刻的位置，为上一采样时刻导航坐标系相对...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥涛，向政，王继林，葛宏升，单联洁，朱艳芸，
申请(专利权)人：北京航天时代光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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