三轴加速度传感器系统在运动技术分析领域的研究与应用

朱 明

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）

三轴加速度传感器系统在运动技术分析领域的研究与应用

朱 明

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）

摘 要：为满足在运动训练过程中的人体三维空间技术特征研究的需要，开发一套三轴向加速度传感器系统。该系统由下位机和上位机两部分组成，其中下位机部分由加速度传感器、传感器拾取单元、数据处理单元、电源监测与保护单元和无线传输单元组成，上位机部分由数据采集和分析软件组成。该系统具有四通道同步采集功能，结合同步视频，可对运动员的肢体关节、比赛训练器械等技术组成要素进行运动学和动力学参数进行实时采集与分析。以体育训练中常用的杠铃深蹲训练为实验性应用领域，对速滑和举重两种项目的杠铃深蹲训练进行技术分析，通过对三轴加速度传感器采集数据的分析，找出不同项目间杠铃深蹲动作技术的特征与差异，为今后深入开展加速度传感器系统的开发与相关应用提供研究基础。

关键词：运动技术；三轴向加速度传感器；杠铃深蹲

在传统运动技术分析领域，对标记点的运动学参数的获取通常采用视频解析法，即采用一台或者两台以上的摄像机，运用二维或三维图像解析的方法进行采集，这种方法的不足之处：一台摄像机通常采用垂直于运动轨迹曲线的拍摄方法，而现实的人体运动轨迹往往是不规则的，加之摄像机的投影原理会导致一定程度的形变，导致该方法误差较大；三维视频解析过程较为复杂，人工标记法需要逐帧确定标记点的位置，分析过程长，结果反馈慢，自动标记法通常仅满足特定或者简单的视频场景或技术动作，超出软件算法设计范围的会出现较大误差甚至错误[1]。另一种运动学参数采集方法是通过传感器测量获得的，传感器系统作为一种重要的工具已经广泛应用于工业生产、科学研究等领域，相关领域的技术与应用方法已经十分成熟，完全可以应用于体育科学的相关研究领域[2]。基于上述需求，选用三轴加速度传感器作为运动技术分析的重要工具，并对相关设备进行设计和开发，使其满足人体运动研究的需要。本项目的研究对象为速度滑冰和举重两个项目的杠铃训练，通过本项目所开发的三轴加速度传感器系统对两个项目的杠铃深蹲训练进行研究，同时结合专项训练特点，发现并分析两者间的技术动作特征差异，为探索三轴向加速度传感器在运动技术分析领域的应用方法提供研究基础。

1 研究内容

1.1 系统下位机的设计与实现

传感器系统下位机部分主要用于采集运动过程中的三轴加速度数据，是整个系统运行中枢。系统下位机[3]主要完成以下功能：检测并采集传感器信号；传感器信号的转换与处理；聚合物锂电池充放电保护；聚合物锂电池电量监测；通过无线传输的方式将加速度、电池信息发送给上位机。

1.2 系统上位机的设计与实现

依据下位机数据传输规范，基于微软公司最新的.Net应用程序开发平台，开发一套集数据接收、处理、分析和输出等功能于一体的上位机程序软件，系统软件可实时监控、控制下位机数据的采集信息，自动生成多平面及合方向计算分析数据，提供多种数据分析方案，同时检测下位机电量信息，为杠铃深蹲技术动作研究提供有力工具。

1.3 系统整体整合与调试

根据下位机与上位机的串口通讯协议以及数据包发送规范进行对接调试，对无线传输功能中的数据收发速率、距离等性能参数进行极限测试[4]，确定系统各部分的最终性能，并对测试过程中出现的问题进行修改完善，确保系统在设计范围内的正常运行。

1.4 利用加速度传感器对杠铃深蹲技术的动作特征进行研究

根据杠铃深蹲训练的特点，通过三轴加速度传感器的采集方法，结合不同竞赛项目的技战术特点，按照动作实施过程中功率输出评价方法，对其杠铃深蹲技术动作特征进行研究，并且依据实际研究应用情况对系统整体的设计结构、采集与分析算法等进行优化改进。

2 研究过程

2.1 下位机设计

2.1.1 功能结构

系统硬件电路设计为六个模块部分，分别由加速度传感器及其拾取单元、数据处理模块、无线传输模块、电源管理模块、聚合物锂电池电量监测模块及主控芯片构成，各模块具体说明如表1所示。

表1 系统模块功能Table 1 Functions of System Modules

无线传输模块负责与上位机进行数据通讯，串口通讯协议如表2所示，下位机每采集一组三轴加速度数据，发送4个数据包，每数据包含6个数据位，每组数据包含24个数据位，每个数据位为1个字节（即8位无符号二进制数），每个数据包为6字节，每组数据为24字节[5]，数据包详细说明如表3所示。

表2 串口通讯协议Table 2 Agreement of Serial Communication

2.1.2 技术架构

下位机部分作为一个完整的检测系统，由采样部分、监测部分、保护部分、通讯部分构成[6]，如图1所示。采样部分由传感器及其拾取单元、数据处理模块构成，通讯部分由无线传输模块的发送端与接收端组成，监测与保护部分分别由聚合物锂电池电量监测模块、电源管理模构成。采样负责实时监测加速度传感器输出信号并采样，对采样信号进行模/数转换、数字滤波、先入先出处理后，再由主控芯片（MCU）对数字信号进行处理计算[7]，生成加速度数据和电池电量信息并打包，按照循环发送方式经通讯部分实时发送给上位机。

表3 数据包各数据位发送规范Table 3 Transmitting Standards of Data

图1 下位机设计技术架构图Figure 1. Technical Structure of Lower Bit Design

2.2 上位机设计及程序

传感器系统上位机主要由计算机基站及运行于计算机基站之上的数据分析软件组成，根据处理流程划分为六个程序执行部分，分别为数据接收、数据转换、图形与数值显示、业务分析、数据输出、数据导入，如图2所示。

2.2.1 数据接收程序

主要用于接收下位机循环发送的数据包，参照下位机无线传输模块数据发送规范和数据包结构，对于不符合通讯规范的数据包执行丢弃操作，符合通讯规范的数据包则交由数据转换程序处理。

2.2.2 数据转换程序

根据已接受的数据包依照数据包结构规范提取XYZ三轴加速度数据及电量参数，存储于上位机缓存中。

2.2.3 图形与数值显示程序

将存储于上位机缓存中的加速度和电量参数以时间/数值曲线图形的形式显示于上位机软件界面中，并且在界面中以数字形式同步显示瞬时对应参数数值。

2.2.4 数据输出程序

在执行图形与数字显示程序同时，将缓存中数据以TXT文本文件的形式同步顺序存入磁盘空间中，直至接收操作结束，单通道存储TXT文本文件特定格式如表4所示。

2.2.5 数据导入程序

将存储于磁盘空间中的TXT格式数据文件导入到数据处理分析软件中，导入过程按照文本特定格式执行，存储于上位机缓存中。

2.2.6 业务分析程序

在执行完数据导入程序后，将存储于缓存中的数据按照运动技术分析的业务需求生成相关运动学和动力学参数，并以图表的形式显示于用户界面中[8]，同时根据用户选择的业务分析选项，按照预置的业务处理类将计算结果反馈给用户。

表4 TXT数据文本文件格式Table 4 File Format of TXT Data File

3 研究结果

3.1 下位机的开发与实现

3.1.1 集成化采样装置的研制

为满足传感器系统的便携性和可靠性的需要，将加速度传感器及其拾取单元、数据处理模块、无线传输模块发送端、电源管理模块、聚合物锂电池电量监测模块及主控芯片六个模块的集成于一个PCB装置之中，其中数据处理单元集成于每个PCB装置中[9]。该方案有效降低了MCU的计算负担，避免了整套装置采用单一数据单元导致的MCU负载过大的问题。集成化采样装置如图3、表5所示。

图3 集成化采样装置Figure 3. Sampling Device of Integration

表5 集成化采样装置主要部件参数Table 5 Main Parts Parameters of Sampling Device of Integration

3.1.2 无线传输模块的研制

无线传输模块基于蓝牙技术开发，分为发送端与接收端，其中发送端分别集成于各集成化采样装置中，接收端通过串口转USB接口与上位机相连接。该模块能够实现4通道传感器数据同步接收并通过串口协议向上位机发送数据。模块主要技术参数如表6所示。

表6 无线通讯模块主要参数Table 6 Main Parameters of Wireless Communication Module

3.2 上位机的开发与实现

上位机部分是整个系统的控制与信息中心，系统基于.Net 4.0平台开发，可运行于WinXP或Win7 等x86操作系统中。根据用户操作界面及其功能划分，上位机分为单通道传感器三轴向采集、四通道传感器同步采集、单通道传感器三轴向分析、单通道传感器多平面同步分析、双通道传感器同步分析、三通道传感器同步分析和四通道传感器同步分析总计10个用户模块，根据实际操作过程，完成自采集到分析和结果反馈一整套流程（图4、5）。为便于用户的实际操作，上位机系统还提供了用户选项功能，使用户可以根据实际需要对程序进行一定程度自定义设置。上位机系统在开发过程中采用了单窗体多模块的集成化设计方法，所有操作模块均在一个窗体上完成，系统消息提示和设置对话框也采用了顺序化交互，避免了用户在一个时间点的重复操作。

图4 四通道同步采集模块Figure 4. Four-channel Synchronal Sampling Modules

图5 四通道同步分析模块Figure 5. Four-channel Synchronal Analyzing Sampling Modules

3.3 杠铃深蹲技术动作研究的实验性应用

杠铃深蹲训练是各类竞技项目中普遍采用的力量训练方法之一，在当前的竞技运动实践中占有重要地位杠铃练习不但可以有效的提高人体下肢力量，而且还可以有效的提高髋腰背等核心力量，杠铃练习时髋膝踝等关节共同参与运动，符合大部分动作技术中肌肉用力特征。不同项目会根据项目自身特点和运动员个人情况选择不同的杠铃深蹲训练方法，因此，对杠铃深蹲技术动作特征的研究有助于我们认识项目规律，辅助教练员和运动员进行更加科学有效的力量训练。

在对杠铃深蹲训练研究之前，需要对力量训练的作用和效果有所认识。力量练习的目的就是要通过克服一定的阻力提高人体功率输出，获得较好的训练效果[10]。根据功率输出公式P=F×V（其中F=ma，Vt= V0 +at）可以发现，在训练负荷m（即纲领重量）固定的情况下，功率输出取决于单位时间内杠铃加速度的变化量，即可以通过对加速度测量值的研究间接反映杠铃训练中功率的输出变化，从而对杠铃深蹲训练的技术特征进行评价。

研究对象为速度滑冰与举重项目的杠铃深蹲训练，每个项目各选取一名省队优秀运动员作为受试者，对其杠铃深蹲专项技术特征进行测试。测试负荷是本项研究的关键，过小的负荷会导致阻力过小，动作速度过快，不能真实反映运动员克服阻力的实际能力，过大的负荷会导致阻力过大，动作速度过慢，其实际效果更加倾向于最大力量训练，而且所测量的加速度特征值差异过小，不利于本项目的应用性研究。综合两个项目的专项训练方法以及受试对象的个人条件，我们选择了70 %最大负荷（最大负荷以下简写为1 RM）作为本次测试的杠铃重量。测试方法是将加速度传感器固定在杠铃杆的正中间，每人进行连续3次完整的杠铃深蹲动作，技术动作的频率和幅度完全参照本项目日常训练方法进行。由于本次测试采用了单通道传感器检测，因此我们将实时采集数据导入上位机单通道传感器三轴向分析模块中，系统根据预置算法生成分析图（图6、7）和对比报告（表7、8）。

表7 举重项目杠铃单位加速度变化率对比表Table 7 Change Rate of Barbell Acceleration of Weightlifting

表8 速滑项目杠铃单位加速度变化率对比表Table 8 Change Rate of Barbell Acceleration of Speed Skating

图6 举重项目杠铃深蹲动作杠铃加速度曲线分析图Figure 6. Accelerating Curve of Barbell Squat of Weightlifting

图7 速滑项目杠铃深蹲动作杠铃加速度曲线分析图Figure 7. Accelerating Curve of Barbell Squat of Speed Skating

由表7、8的对比我们可以发现，举重项目在X轴、Y轴、Z轴和三轴向的单位时间内加速度变化率上均大于速度滑冰项目，因此，在动作时间较短、负荷比例相同的情况下，举重项目的功率输出更大，这与举重项目更加重视爆发力训练的技术特征由较大关联。

加速度曲线的变化趋势可以间接反映动作幅度的平稳性，峰值加速度之后的加速度波动越大，说明运动员对杠铃的缓冲动作幅度越大。通过图6、7加速度曲线趋势的对比可以发现，速度滑冰项目的曲线更加平滑，波动幅度较小，在达到峰值加速度后，其加速度值波动幅度较小，而举重项目加速度曲线平滑度较低，在达到峰值后出现了较大的波动，说明速度滑冰项目更加重视速度耐力训练，其杠铃深蹲训练对动作技术平稳性要求更高，而举重项目更加快速的完成蹬伸动作后，必然需要对杠铃施加更大的缓冲，已确保动作整体的完成。

通过对速滑和举重两个项目受测运动员杠铃70 %最大负荷训练的加速度曲线趋势变化和单位时间加速度变化率的对比分析，速度滑冰项目在力量训练中更多的体现了速度耐力的专项特点，而举重项目则更多的突出了爆发力强的特点，即相似条件下的动作技术特征更多的反映了项目自身特点，而且通过对加速度的分析，可以间接地评价运动员在快速动作中的功率输出能力。

4 结语

本项目以传感器技术为基础，结合电子信息、计算机等相关技术进行开发，已初步完成设计目标。系统整体及各部件性能基本满足设计要求，并且根据人体空间运动分析的应用方向，对相关部件和技术进行了有针对性的优化。作为一项基础性研究课题，课题组选择速度滑冰和举重两个项目作为应用对象，采用本课题研发的三轴加速度传感器系统进行数据采集与分析，结合速度滑冰和举重项目的各自特点，对不同运动员的杠铃深蹲技术动作特征进行研究。研究过程中以功率输出为评价标准，以单位时间加速度变化率为评价指标，对不同项目的杠铃深蹲技术动作特征有了深入的认识。研究结果表明三轴加速度传感器系统作为一种重要的工具，具有分析速度快、结果反馈及时等特点，能够应用于运动技术分析领域，是视频解析研究方法的一项重要补充手段。

参考文献：

[1] 薛洋. 基于单个加速度传感器的人体运动模式识别[D].广州：华南理工大学，2011：5–132.

[2] 陈功. 基于三轴加速度传感器的跌倒检测技术的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2013：4–68.

[3] 刘耀荣，周里.不同负荷杠铃阻力训练过程中人体功率输出特征研究[J].西安体育学院学报，2011，(4)：498– 503.

[4] 查万纪. 压电加速度传感器测量电路的研究与设计[D].合肥：安徽大学，2005：9–77.

[5] 邓宇，刘国翌，李华.基于视频的杠铃轨迹跟踪与分析系统[J]. 中国图象图形学报，2006，11(12)：1 813–1 819.

[6] 杨明莉.基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计[D].合肥：安徽大学，2007：3–75.

[7] 李晓丽.单片机与上位机串行通信系统设计[J]. 仪表技术，2010(7)：45–47.

[8] 赵霄.基于单片机的蓝牙接口设计及数据传输的实现[D].北京：北京交通大学，2008：5–103.

[9] 高杨.基于.NET平台的三层架构软件框架的设计与实现[J].计算机技术与发展，2011，21(2)：77–80.

[10] 华立军，蒙猛. 运动生物力学方法在我国速度滑冰专项力量研究中的应用[J].冰雪运动，2013，35(2)：10–13.

中图分类号：G818.3

文献标识码：A

文章编号：1002–3488（2015）02–0089–08

收稿日期：2014–14–06；修回日期：2014–11–15

基金项目：黑龙江省科技厅自拟攻关课题（HTK201301）。

作者简介：朱明（1982–），男，黑龙江哈尔滨人，助理研究员，研究方向为运动生物力学。

Research and Application of Triaxial Acceleration Transducer System in the Field of Sport Technical Analysis

ZHU Ming

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract：IIn order to meet the needs of studying on three-dimensional space technical characteristics of the human body in the training， a set of triaxial acceleration transducer system is developed. The system consists of upper bit and lower bit， the lower bit consists of the acceleration transducer， sense picking unit， data processing unit， power monitoring and protection unit and the wireless transmission unit， upper bit consists of the data acquisition and analysis software. The system has the function of four-channel synchronal sampling， combined with sync videos， which can collect and analyze limb arthrosis of athletes，exercisers of competitions and other technical components with parameters of kinesiology and dynamics in a real time. In physical training， frequently-used barbell squat training belongs to the field of experimental applications， technical analysis of barbell squat training for speed skating and weightlifting， by analyzing the data which is collected by triaxial acceleration transducer， find out the technical characteristics and differences of barbell squat in differenct events， providing a studying foundation for the development and releted application of acceleration transducer system.

Key words：sport technique； triaxial acceleration transducer； barbell squat