运动场地数字化零点定位初探——无线传感器技术在400米跑道中的应用

□张锐明（哈尔滨体育学院黑龙江哈尔滨150008）

运动场地数字化零点定位初探
——无线传感器技术在400米跑道中的应用

□张锐明（哈尔滨体育学院黑龙江哈尔滨150008）

随着信息化时代的到来，运动训练数字化已经成为现实。使用传感器技术，就可以使瞬间完成的动作数字化，使抽象的运动素质得到量化、细化。但是，如果利用传感器数据计算运动员的速度、位移、角速度等参数时，运动员在场上的位置就非常重要。无论是什么项目，无论起点如何，运动员在场地上的实际定位只有一个。因此，运动场地的数字化零点定位就非常重要了。我们就对400米标准场地数字化零点定位，做一个分析介绍。

零点定位数字化场地信息技术体育运动传感器

1、研究目的

随着传感器技术在体育方面的不断应用，我们可以精确得到一名运动员的每一时刻的运动速度、位移等数据。在通过计算得到这些数据时，有一个问题越来越突出，那就是如何定位运动员在赛场上的位置问题。没有实现运动场地的数字化定位，就无法通过传感器数据，计算运动员的位置、移动位移等问题。现在，不同的传感器运动设备制造厂商，都有自己的零点定位方法，绝大多数测量设备是在自己的测量场地上设定零点，而在实际赛场上并没有统一标准的数字化零点定位。这就给未来的传感器数据应用带来了很多不便。没有统一定位标准，采样时就无法标注移动物体的位置，计算时也没有统一的零点参照。这就给使用不同传感器设备的运动员带来很多不便。

我们在研制《线性运动速度再现设备》时，就在400米标准运动场做了仔细分析。我们根据场地结构数据，确定了运动场的零点位置。这样，在运用传感器数据计算运动员速度及移动位移时，就可以准确确定运动员在场地中的位置，就可以确定场地不同位置的线速度与场地中心的角速度的对应关系。

下面，就将这个定位过程分享给大家，希望大家多提意见。

2、零点定位的方法（400米跑道计算）

（1）运动员数据采集。

表1 三维加速度数据样例

我们选用的是ADXL345型加速度传感器，这是一款低速加速度传感器，非常适合人体运动测量，测量频率在每秒128次。它能准确反映运动员短跑全程的每一时点的细微加速度变化，从而，也可以从加速度变化进而推算出运动员的速度以及位移数据。

测量数据如表1：

根据水平方向X轴数据，数据的波形如图1：

图1 三维加速度X轴数据曲线

（2）在初始速度和加速度已知的情况下，计算每一时刻的速度是轻而易举之事，利用匀加速公式vn=v0+ant；运动员的跑步过程是一个变加速度过程，也可以利用这个公式，来逐个时间段内求出运动员全程每一时刻的速度数据。这样，无论是速度还是位移都很容易得到。

这里，位移是要有参照零点的，暂时是以起跑点为零点定位。

（3）场地基础数据计算。

在标准400米跑道中（以弯道半径36米为例），场地中心的角速度与跑道线速度的对应值是恒定值。以400米场地第一跑道为例，计算出场地中心角速度与第一跑道线速度的对应比率，利用同样的方法，就可以计算出第二至第八跑道的对应比值。

下面以400米跑道，弯道是36米加0.3米为半径的半圆为例。

弯道长度的计算：半圆式田径场的弯道长度=πr，则一个弯道长为3.14X36=114.04m。

直段长的计算：两个直段长=跑道全长-两个弯道长=400m–228.08m=171.92m，一个直段长为171.92m÷2=85.96m(半程为42.98m)。

中心点到直道起点距离为56.06米；两个直道起点与中心夹角为100°；两个弯道起点与中心夹角为80°。

（4）直道速度与跑道中心的角速度的关系。

首先，将跑道按θ角度划分刻度（也可以按米数划分刻度），不同θ角处的速度与加速度的转换比率是不同的；直道时：50°≥θ≥-50°；

按照公式线速度=角速度*圆周运动的半径；本例中，运动员线速度V在夹角θ处的切线速度为v/sinθ；夹角θ处的圆周半径为∶

利用以上公式，就可以求出θ在每一角度时，运动员的速度与中心点的角速度关系，如图2。

图2 400米直道图例

以下是直道100°角度中,每一度位置单位线速度所对应的相应的角速度数值，如表2。

表2 直道单位线速度与角速度换算比率

（5）弯道时速度与跑道中心的角速度的关系。

如图3，将跑道按θ角度划刻度，每一个θ处的速度与角速度的转换比率是不同的；弯道时：40°≥θ≥-40°。

按照公式线速度=角速度*圆周运动的半径，运动员的线速度在角度θ处的分量是角度θ处的圆周运动的半径AB是通过三角形ABD换算而来。

已知：AD=42.98米、DB=36米

AB=AE+EB、AE=42.98*COSθ

图3 弯道处线速度与角速度关系

以下是弯道80°角度中,每一度位置单位线速度所对应的角速度数值，如表3。

利用以上直道和弯道的计算数据，很容易根据运动员在每个跑道上的线速度数据，再转化为角速度。这都与运动员相对位置有关。

（6）零点定位。

我们在计算运动员的速度以及移动位移时，都要涉及到相对零点，如果以起跑点作为零点，那么众多的比赛项目，将会有很多个零点。而在场地的同一地点，对应场地中心的角速度比值是唯一的，因此，无论是什么项目的比赛，运动员在场地上的位置描述都应该是唯一的。运动员的起跑、移动也是相对于数字化零点而标注的。这是在数字化设备应用过程中，所涉及到的新的问题。

表3 弯道单位线速度与角速度换算比率

由于标准400米场地是由一个长方形和两个半圆组成，直道与弯道交界处，定义为零点位置最为合理。这里是直道的终点，又是弯道的起点。

图4 400米跑道零点位置

4、研究结论和建议

跑道的零点定位，是为适应各种数字设备而设定的，适合所有应用于标准化的数字化设备。它为不通设备间的数据通用、数据共享，提供了最直接的方法；同时，也可以作为数字化场地的零点定位标准。其对数字化设备的广泛应用意义重大，尽管现在还并不普及。

除了400米标准跑道以外，其它的标准场地如：速滑跑道、场地自行车、跑马场、F1方程式等等，都存在着数字化零点定位问题。今后，我们会逐步去研究，一一给出各种场地的最合理零点定位。为数字化设备的通用、共享，做出自己的努力。也请各位批评指正。

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