无线定位技术在排球运动信息采集系统中的应用*

李尚滨，赵培禹，姜 弢

(哈尔滨工程大学体育军事训练部，黑龙江哈尔滨 150001)

无线定位技术在排球运动信息采集系统中的应用*

李尚滨，赵培禹，姜 弢

(哈尔滨工程大学体育军事训练部，黑龙江哈尔滨 150001)

运动信息采集是现代体育科学研究中的重要技术基础。概述了典型的成像式、电磁式和无线式运动信息采集系统的基本原理、工作特点和典型应用。在分析射频无线定位技术和排球运动特点的基础上，提出了一种基于无线定位技术的排球运动信息实时采集系统设计方案，详细论证了方案工作机理，估算了关键技术参数，给出了系统实现方法。

排球训练;射频识别;数据采集;运动捕捉;无线定位

运动信息采集技术，或称为运动捕捉技术，是测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹的应用理论与方法。该技术可以收集运动者的动作信息，进行量化、统计分析，以便进行运动轨迹3D虚拟现实建模和显示。

此外，可以将获得的运动轨迹与标准轨迹或优秀运动员动作轨迹进行对比，结合运动生理学、动力学、心理学等多个相关学科的理论知识，进行推理判断，给出准确的定性或定量分析结果，从而改进训练方法，使体育训练更加科学、合理和高效，提高运动水平和成绩，最终达到体育科研与训练的有机结合，实现训练科学化和现代化。

本文首先简要介绍现有的采集技术，对比分析了成像式、电磁式和无线式运动信息采集系统的特点和应用情况，其次提出了一个用于排球运动信息采集的，基于改进的LANDMARC定位算法的设计方案，论证了采集系统工作机理、实现方法。

1 发展现状

运动信息采集系统一般由传感器、数据采集设备、数据传输设备和数据处理设备组成。根据所选用传感器，运动信息采集系统可以分为多种类型，常见的是成像式和电磁式采集系统。近年来，随着无线技术的发展，特别是RFID技术出现和被广泛应用，为运动信息采集系统提供一个新的实现途径，即基于射频无线定位技术的信息采集方法。

1.1 成像式采集系统

成像式采集系统基于计算机视觉原理，采用一个或多个摄像机高速率、同时、连续拍摄图像，通过图像后处理获取运动信息。常见的成像式采集系统包括美国魔神分析系统公司(Motion Analysis)的Eagle系列和Hawk系列视频运动捕捉系统，三亚点创信息技术有限公司DVMC－8820三维运动捕捉系统，以及APAS 三维运动分析系统［1－3］。

成像式采集系统的优点是工作区域覆盖范围大，无电缆、机械装置的限制，使用方便，可以满足多数高速运动测量的需要;缺点是系统价格昂贵，虽然可以捕捉实时运动，但目标识别、跟踪、空间坐标计算等后处理工作量较大，对于场地光照、反射情况有一定要求，图像定标较烦琐，特别是运动复杂、目标点被遮挡时，易产生错误信息，需要人工进行干预和专业图像分析工具。

成像式采集系统在技巧类项目(如蹦床、板球、跳水、体操)、体能类分道竞速项目(如跨栏)和小球类项目(如高尔夫球、板球)等项目中已有成功的应用实例，但是由于覆盖范围、定位精度和采集数目等信息采集量过大的原因，在团体对抗性项目方面(如足球、篮球、排球、手球、曲棍球等多人分组对抗项目)，仅有瑞士Dartfish运动技术和战术录像分析系统的成功应用报导［4］。

1.2 电磁式采集系统

电磁式采集系统基于电磁感应原理，将发射源附近空间的、按照一定规律分布的电磁场的变化测量结果转换为电信号，通过线缆发送到数据处理设备，进行解算处理，得到位置、速度和角度等运动信息。

常用电磁式采集系统如美国Ascension公司的Spacepad系统，荷兰Xsens公司的MTx系统，美国Polhemus公司的 Patriot系统和 Liberty系统，如图1所示［5］。

电磁式采集系统的优点是信息采集的实时性强、准确性高、便于安装，缺点是使用时易受其他电磁设备的干扰、作用范围受发射源位置和强度的限制。可以用于舞蹈训练过程中的计算机仿真动作分析，也可以用于射箭项目的计算机瞄准稳定性分析与仿真训练，还可以用于仿真射击类电子游戏。

1.3 射频无线定位式采集系统

射频无线定位是通过测量接收到的多路无线信号，建立定位方程组，解算被测物体坐标位置的技术。所测量参数一般包括传输时间，如到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)，幅度、相位到达角(AOA)和接收信号强度指示(RSSI)等。典型的室外无线定位系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo，以及我国的北斗系列导航系统。这些系统定位精度为数十米，经过修正后精度可达到米级，如DGPS;采用载波相位测量伪距系统，精度可达到厘米级。显然，在室外应用的无线定位运动信息采集，如沙滩排球、橄榄球等，可以考虑以上述系统为技术核心，构建采集系统。

图1 典型电磁式采集系统设备

UWBD由于上述系统在建筑物内的信号强度较弱，一般难以进行正常工作，室内无线定位系统必须选用其他技术，如A－GPS定位技术、超声波定位技术(如 Cricket Location Support System 和 ActiveBat系统)、红外线技术(如Active Badge系统)、无线网络AP(Access Point)技术(如RADAR系统)、蓝牙技术和Wi－Fi技术。采用上述技术的系统的定位精度可达到米级，但在抗干扰性、成本方面有明显不足，不适合运动信息采集系统选用［6］。

近年来，射频识别技术(RFID)在业界掀起了研究热点。RFID是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID系统主要由电子标签(射频卡)、阅读器(接收器)和两者之间传递无线信号的微型天线组成［7］。具有其低成本、高精度、高实时性、传输范围广的优点，使之在运动信息采集领域具有广阔的应用前景。

如果从定位精度、抗干扰性、采集数目、成本等方面进行比较，本节所讨论的三类采集系统的对比如表1所示。

综上所述，无线式系统在成本、使用便利性和采集数目方面具有一定优势，非常适合进行集体对抗性体育项目的实时动态信息采集。由于精度有限，传统射频无线定位系统在室内运动项目中难以应用，而RFID技术的提出为解决这一问题提供了新的解决手段。

表1 三种典型信息采集系统性能比较

2 LANDMARC定位算法原理及其改进

2.1 LANDMARC 算法原理

LANDMARC算法是经典的有源RFID的室内定位算法，基本思想是采用额外的固定参考标签作为参考点使用，通过参考点的信号强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，计算出待定位标签的坐标。由于阅读器获取到的相邻标签的RSSI也是相近的，所以LANDMARC算法通过比较阅读器接收到的待定位标签与参考标签信号强度值的大小来求得距离待定位标签距离最近的几个参考标签，然后根据这几个最邻近参考标签的坐标，利用加权经验公式计算出待定位标签的坐标。LANDMARC方法具有较高的定位精度，可扩展性好，能处理比较复杂的环境。

例如，对于有n个阅读器，m个参考标签的情况，LANDMARC算法计算过程如下:

式中，Si为第i个阅读器所获得的待定位标签的信号强度(i=1，2，3，…，n)，θt为第个阅读器所读取到的参考标签的信号强度，Ej为它们之间的欧氏距离;j=1，2，3，…，n，m是参考标签数，也是每个待定位标签的最大邻居数。Ej越小表示它们之间的距离越近。wl表示的是第 l个邻居的权重(l=1，2，3，…，k ＜m，k是m个欧氏距离Ej中，最小的k个邻居)，其定义公式如下:

通过待定位标签的实际坐标和理论坐标的比较，可以算出它们之间的误差值 e=，其中(x0，y0)表示的是待定位标签的实际坐标位置;(x，y)表示待定位标签理论坐标位置。

2.2 算法原理及其改进

经典LANDMARC算法的精度有限，如果使用4个阅读器、16个参考标签和8个待定位标签。计算待定位标签实际位置和计算坐标位置的误差，得到的最大距离误差为2 m，平均距离误差为1 m［8］。显然，此误差水平不能满足排球运动信息采集的要求，需要进行改进。

图2 LANDMARC改进算法流程图

自由空间中接收功率与距离平方成反比，与发射功率、收发天线增益和电波波长成正比。在现实环境中，复杂结构和人员活动会引起射频无线信号的反射、折射和吸收等。利用现有的经验传播模型，不能准确地预测室内无线信号环境。这是经典LANDMARC算法精度不满足高精度要求的主要因素之一。为了提高精度，对算法进行改进［9］，算法流程如图2所示。

3 排球运动信息采集方案设计

3.1 采集方案论证

以室内排球为例，在运动员的手腕、肘关节、膝盖、腰部和脚踝分别贴附RFID发射标签，在排球上嵌入发射标签，通过比赛场地内的读卡设备进行数据的读取，然后在后台主系统中进行数据预处理，最终可以得到每个运动员在比赛或训练中的实时的运动信息。在此基础上，对采集到的数据进行处理，可以显示出运动员的运动轨迹，从而判断运动员移动规律、对排球落点的预判，可以进行辅助裁判和辅助训练工作。射频无线定位式排球运动信息采集系统组成如图3所示。

图3 基于射频无线定位技术的排球运动信息采集系统示意图

方案设计中需要论证的系统主要指标是定位精度、采集数量、运动目标的最大速度、作用距离等。

对12位参赛队员进行信息采集，每位运动员身上贴附9个标签的话，共108个标签，这样就要求电子标签识别能力大于108。假定运动员发球的最高速度为30m/s，则要求电子标签具的响应时间足够快，至少具有识别速度30 m/s运动物体的能力。排球直径为0.21 m左右，为满足定位信息捕获需要，且不增加系统实现难度，不妨要求定位偏差不大于1.5倍排球直径，即0.3 m左右。

排球场地为长方形，长18 m，宽9m。边线外无障碍区至少5 m宽，两端线外至少8 m，上空无障碍区至少12.5 m。运动员身上贴附的电子标签和读卡器之间的通信能力决定了系统识别距离，即在运动场地四周安装的读卡器装置必须有能力与所有电子标签之间进行实时通信。如果运动员位于排球场地的中间位置，要求读卡器具有不小于12.5m的识别作用距离。除此之外，还需要考虑设备的使用寿命，抗干扰等问题，使读卡器设备在一定距离内不要互相干扰出现误差。

根据上述指标，可以选择CC2500、CC2431有源RFID模块为电子标签，该模块不仅可以读取标签内的ID号等各类信息，而且还可以根据所接收到的某标签发射的信号的强度(RSSI)值来判断该标签到探头的距离，其特性满足排球运动信息采集系统指标要求。

3.2 算法仿真及分析

排球场地中间横划一条线把球场分为相等的两个场区，即每个场区为长度为9m的正方形。每个场区放置4个RFID读写器，20个参考标签，7个待定位标签(6名队员与1个球)。仿真结果如图4所示。由仿真结果可知，LANDMARC算法在改进前的平均误差为1.56m，改进后的平均误差为0.32m，能够满足运动信息采集系统精度的要求。

图4 经典LANDMARC算法与改进算法仿真误差对比

4 结论

采用射频无线定位技术的排球运动信息采集系统具有实时性高、作用范围广、采集数目多、功耗、抗干扰、成本低等诸多优点，将在体育比赛和训练中起到重要的推动作用。另外，将多种定位测量技术相结合，如RFID定位技术与超声波定位技术相结合，利用RFID的唯一标识特性和超声波的精确定位特性构建射频触发与超声波定位系统，若应用于运动信息采集系统，其定位精度可以达到厘米级，且具有易于实现、成本低、精度高、容错性能好、标签体积小等优点。缺点在于易受环境温度变化的影响，而且作用范围为3～10 m［10］。另外，RFID与计算机视觉配合进行精确定位，可以达到比较理想的信息采集效果，这也是从事数据采集系统研究的体育科研工作者的努力方向之一。

［1］孙运达.多视点非接触式人体运动捕捉的研究［D］.北京交通大学，2006

［2］［N］www.poicreate.com

［3］王勤海，帅伟.APAS三维运动解析系统与运动捕捉系统分析跨栏跑过栏技术的对比分析［J］.体育科技文献通报，2007，15(9):72 －73

［4］陈建，姚颂平.虚拟现实技术在体育运动技术仿真中的应用［J］.体育科学，2006，26(9):34－39

［5］［N］www.polhemus.com

［6］吴雨航，吴才聪，陈秀万.几种室内无线定位技术简介［N］.中国测绘报.2008.1.29

［7］陈慧，周子牟，孙敏.一种利用有源RFID标签的室内定位机制［J］. 广东通信技术，2007，5:59－64

［8］LIONELM.Ni，YUNHAOL，YIUCL，etal.LANDMARC:Indoor Location Sensing Using ActiveRFID ［A］.Proceeding of the First IEEE International Conference［C］，2003.407 －415.

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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

李尚滨(1971－)，男，黑龙江人，副教授，硕士

研究方向:体育教育及体育工程学

哈尔滨工程大学中央高校基本科研业务费专项资金资助。编号:HEUCF101602