基于冲浪动力学模型的实时反馈系统的研究

孙亦峰 刘颖

【摘要】本文根据冲浪运动特点，建立动力学的模型方程，实验选取两名现役的冲浪运动运动员，采用二维摄像机拍摄，利用图像分析软件，针对实时测试数据，现场纠正技术动作，提出在今后日常训练中需要加强的训练建议，达到实时反馈纠正的目的。

【关键词】冲浪动力学；圆滚线；实时反馈

前言

国际帆联（ISAF）2012年年中会议于意大利Stresa举行，会议确定了2012年巴西里约热内卢奥运会航海比赛项目。国际帆联理事会投票决定，风筝冲浪（kiteboarding）将取代帆板（windsurfing）成为奥运会男女板类航海比赛项目[1]。所以目前研究冲浪实时反馈系统，利用科学研究所获得数据和参数，实时地指导运动员进行训练，能够达到更好地提高运动员技战术水平，实现为国争光的目的。

本文从理论角度来论述冲浪的动力学模型，并针对其中存在的摩擦阻力问题展开讨论，而实验环节选取两名现役的冲浪运动员，采用二维摄像机拍摄，利用图像分析软件，针对实时测试数据，现场纠正技术动作，提出在今后日常训练中需要加强的训练建议，达到实时反馈纠正的目的。

一、冲浪运动的动力学模型

由牛顿第二定律及圆周运动的特点，能够得到冲浪远动的动力学模型。

从附录A中圆滚线运动方程的推导，可以得到冲浪运动具有等时性，其物理含义有两点：首先，在竖直平面内，从圆滚线的顶点A运动到圆滚线最低点0时，人和滑具组成的滑块在所有的连接线上运动时，时间0T是最短的。证明如附录B中所示。然后在同一水平线上A、B两点，经过0点时，不管用哪种线相连，最省时的是圆滚线。

由此可见在进行冲浪运动和滑板运动时，我们要尽量选择圆滚线上运动。只有圆滚线在完成相同的路程所花的时间最少。这就需要运动员和教练员在训练和练习时掌握冲浪运动中的等时性的这一特点，为运动中取得优异成绩作出科学的决断。但是自然界存在大量地摩擦阻力，需要对其进行讨论。

二、冲浪运动中存在摩擦阻力的讨论

由于摩擦阻力的存在，上述动力学方程变化为：

三、实验分析

1.研究对象

选取2名XX省省队的优秀男子冲浪运动员为研究对象，受试者的年龄范围19土4岁，身高范围为163士3 cm，体重范围为48士3 kg。

2.仪器放置

将SONY1080高速摄像机垂直放置在海上冲浪起点400 m处内侧距离30 m处，摄像机拍摄频率为250 Hz，曝光时间为1/1000 s，摄像机三角架高度定为1.5 m。运动员依次进人镜头，在所获得的录像中选取至少有两个完整复步的录像进行解析，收集数据进行分析。

3.研究方法

在训练系统设计的过程中，建立训练的衡量标准并对运动员的训练进行评价是必不可少的，我们使用索尼公司所研制的高速二维摄像机，对于海上训练的运动员，获取在冲浪时实时水平速度和垂直速度，从而得到圆滚线上运动距离计算方法，以得到参照标准。

而为了提高运动员的技战术水平，将分析所得的参数参照标准实时反馈给运动员，指导其做出及时地改进，这就需要建立一种方便有效的实时反馈方法。在冲浪项目中，因为运动员位置的不确定性，所以实时反馈不可能采用有线连接的方式，必须利用无线技术来实现，并要保证反馈信息传输的及时性、稳定性、通讯距离，这样才能实现真正有效的反馈。

同时实时仿真平台也是必要的。ZX2011系列三维仿真测试平台中安装有四只三维力传感器，可以测量作用于台面上的空间三维力（Fx，Fy，Fz）的动、静态信息，根据计算机三维模型成像技术，经过预测分析，可得到我们所需的数据。我们以X轴为水平方向，Y轴为垂直方向，Z轴为高度方向，其实验的具体过程如下：

首先，采用高速二维摄像机，获得运动在海上训练的实时影像数据；

然后，通过无线传输设备将数据实时传送给ZX2011系列三维仿真测试平台，获取实时的三维方向受力的大小；

接着，利用计算机辅助分析软件，融合各种数据，模拟人体行为，判断该运动员现在是否处于正常状态中，同时预测在当前状态下，运动员将会面临的问题；

最后，根据当前和预测的状态，系统提出建议，实时的反馈给该运动员，及时调整动作。同时根据运动员习惯性的反应，判断该运动员不良姿势和动作，及时提出改进意见。

4.研究结果

（一）冲浪角度及相关指标

本文针对冲浪角度的研究选取的指标有最大滑板夹角、风筝夹角和相对扭度等。从图1和2中可以看出：运动员2的最大滑板夹角最大而运动员1小于30度。运动员1的风筝夹角大于30度而运动员2几乎为0。运动员1的相对扭度为0.330而运动员2没有明显的差别。

（二）冲浪速度及相关指标

速度指标包括最大速度、最小速度、平均速度和速度损失率。平均速度表示运动员在一个复步中的平均水平速度，速度损失率为一个复步中的最高速度与最低速度的差值占平均速度的百分数。在表1中可以看出：运动员的最大速度和最小速度的差值较大，从而导致运动员普遍出现速度损失率较大的现象，尤其是运动员2速度损失率最为严重为48.66%。

（三）身体位移及相关指标

身体位移指标包括水平位移、垂直位移和上下位移。他们分别表示单位时间内身体重心在水平、垂直和上下方向的位移。在表2中我们可以发现：运动员2各项位移较大，而运动员1没有明显的差异。

可见，我们利用ZX2011系列三维仿真测试平台，与高速摄影分析结果进行了对比分析，对比结果证明数字冲浪系统的分析数据准确、反馈实时性很好，且安装的工艺符合冲浪运动的要求。该系统并能够为指导运动员科学有效的训练提供参照，有利于运动员之间互相对比学习，从而更快地提高自己的技战术水平。

四、结论

本文研究了冲浪运动中动力学模型的特征，即在光滑或者近似光滑的圆滚线上的滑板，在竖直平面内，同一水平线上经过最低点的任意两点的所有可能的光滑理解线中，物体无初速度滑行时，所需时间最短的曲线是圆滚线（最速降线）。针对于这个动力学模型，我们进行了海上冲浪运动在运动中如何选择路线的探讨，无疑地我们应选择物体的滚线上的运动，这是最佳路线。本文还讨论了一般情况下（即具有摩擦情况下）物体在圆滚线上的运动，这对目前流行冲浪运动如何选择自己行进中的曲线具有一定地指导意义。

但限于本人的能力及对人体的了解程度，整个数字冲浪系统在实际应用中尚存在问题，需要作出进一步改进，以便更好的为冲浪运动队服务，主要问题如下：1）数据采集算法需作改进，目前的方法满足现阶段使用要求，但在数据采集的速度方面还需进一步提高，以满足后续更高的使用要求，在数据传输方面也要设计更加有效的数据打包及数据校验方式，这对系统的传输总线方式及算法也提出了更高的要求。2）对动力学信息要进行更深层次的分析、挖掘，现今仅采用部分或者不完全的运动参数，而如何使用更多的或者完整的运动参数，尚未有十分行之有效的方法。3）设计更完善的专家系统及实时反馈方式，保证实时反馈的及时性、准确性、完善性，使运动员有更好的运动参考标准，在运动过程中可根据实时分析数据作出相应的及时改进。

【参考文献】

[1]http：//sports.cn.yahoo.com/ypen/20120510/1038019.html2013-06-05

[2]樊映川.高等数学讲义：上册[M].北京：人民教育出版社，1978：417

[3]四川矿业学院数学教研组增订.数学手册[M].北京：科学出版社，1978：134、181、250

[4]欧阳光中，朱学炎，秦曾复.数学分析上册[M]上海：上海科技出版社，1981：298-300

[5]李传兵，黄达武，中国风筝冲浪运动发展势态分析[J]，体育科学研

究，2012，16（6）：38-41

[6]刘宏玉，冲浪运动研究[J].体育文化导刊，2015（2）：52-55

作者简介：孙亦峰，（1969-），男，汉族，讲师。湖南人，硕士，单位：同济大学，研究方向：体育教育和训练。