足球运动员实时定位系统的研究①

李子枭 周元玲 蒋毅 郝梁爽 吕志永

(湖南人文科技学院体育学院 湖南娄底 417000）

足球运动员实时定位系统的研究①

李子枭 周元玲 蒋毅 郝梁爽 吕志永

(湖南人文科技学院体育学院 湖南娄底 417000）

为了克服目前足球运动员实时定位系统现有技术的不足,提出一种采用射频方式进行运动员实时定位的方法,实现对足球运动员运动的位置进行实时定位和跟踪。论文首先介绍了运动员实时定位系统的整体设计方案,接着重点说明了射频卡的定位方法和定位系统硬件设计框图,最后给出足球运动员的实际运动轨迹测试图。该定位系统在训练和教学中具有良好的使用前景。

实时定位 射频 足球运动员

足球运动是以速度为主, 兼有速度耐力和耐力性的运动项目。跑动能力是足球运动员重要的基本能力素质之一。当今, 足球运动的发展趋势是比赛越来越激烈, 攻防转换越来越快, 这样对运动员跑动能力的要求就越来越高。因此,实时定位系统应用在足球运动中,对运动员的位置进行实时定位,保存和分析运动的轨迹跑步数,根据运动轨迹还可以推算出运动员的运动量、消耗相关的参数,对足球教练员在训练运动员足球技战术中打法有着重要的意义,对提高足球运动的教学与竞技水平有深远的意义[1-2]。

发展到如今,市场上主要的解决方法是将摄像机和计算机技术结合。两台以上摄像机定位比赛全场影像,专用软件可以精确确定球员移动位置,时间等数据自动转换成移动速度和距离。例如总部设在法国的数据公司SUP(Sport Universal Process）是测量比赛球员各项数据的佼佼者。该公司为多家欧洲俱乐部聘用进行分析。在数据取样的比赛中,赛场内安装8部具有热成像功能的高级摄相机,并用这些摄像机记录比赛的全过程。摄像机拍录下的信息会被一套超级复杂的分析软件分解,最终的结果就是运动员的各种运动信息,并且详细的数据被分门别类地统计出来。由于目前的上述的解决方案成本高,每套至少达到几百万以上,需要专门人员进行调试安装,难以大范围推广。部分文献提出利用Zigbee、北斗导航等设备进行足球运动员的定位[2-6]。

图1 系统整体工作示意图

图2 三边测量定位示意图

该论文设计的目的在于克服现有技术的不足,提供一种采用射频方式进行定位的方法,多个固定位置的射频卡读取器对射频卡发出的射频信号进行读取、分析射频信号强度,同时将上述信息通过无线网络转发给控制中心;控制中心对射频信号与射频信号强度进行分析和计算,可以对运动员运动的移动位置进行实时跟踪与定位。

图3 射频卡读卡器节点结构示意图

图4 运动员定位测试曲线

1 系统整体设计

如图1所示的足球运动员实时定位与监测系统,它包括有设置在球员身上的有源射频卡,由于球场的尺寸最长达到100 m以上,为了保证无线传输距离,射频装置采用有源射频卡,有源标识卡工作时不断主动向外发出无线电信号。采用的有源射频卡内置电池,能够保证无线传输的距离,每个有源射频卡的编码是唯一的。有源射频卡有源射频卡分别固定在相应的球员身上,通过发送无线射频信号至安装在球场边缘处的读卡器节点。射频卡每秒发送多次数据,发送的数据依次编号。

如果有源射频卡发出的无线信号在射频卡读卡器的有效测量范围内,多个固定在球场四周的射频卡读卡器模块接收有源射频卡的信号并解码,可以得到对应的有源射频卡的编号信息及其信号强度等信息。同时射频读卡器节点将上述信息通过WIFI无线网络转发给无线路由器;控制中心电脑通过路由器读取射频读卡器节点的数据及其信号强度,对有源射频卡发送的数据和射频信号的强度进行分析,实现对运动员运动的移动位置进行实时定位、跟踪。

2 射频卡定位原理

考虑运动员运动时不能携带大量设备,设计采用有源射频卡的方式进行定位。有源射频卡大小如一张名片运动员随身携带,有源射频卡以广播方式每秒发出多次的射频信号,射频信号到射频卡读取器的距离可以达到100 m以上。位于球场四周的多个射频卡读取器可以同时读取有源射频卡发出的信号,并得到对应射频卡的信号强度。由于球场基本无阻碍,射频信号到每个射频卡读取器的信号强度与射频卡和射频卡读取器距离成对应关系。

如图2所示,A、B和C分别为对应的3个球场四周的3个射频读卡器的位置,其对应的坐标分别为(x1,y1）、(x2,y2）和(x3,y3）。有源射频卡的位置即为3个圆的交点D,其对应坐标为(x,y）。有源射频卡的位置与3个射频读卡器距离分别为d1、d2和d3。根据几何关系表达式可知[7-8]:

通过单个射频卡和3个球场四周的射频卡读取器之间距离,可以利用3边测量法得到单个射频卡在球场的具体坐标位置。

3 射频读卡器节点设计

射频读卡器节点负责读取有源射频卡数据及其该数据的信号强度,并同时通过WIFI模块将数据及其信号强度等信息转发至无线路由器;控制中心通过无线路由器读取有源射频卡数据相关数据及信号强度。如图3所示,射频读卡器节点包括TI公司的MSP430F5529主控芯片、射频卡读卡器模块和CC3100 WIFI模块,MSP430F5529通过射频卡读卡器模块的接口模块读取有源射频卡的数据及其数据信号强度,同时MSP430F5529通过CC3100 WIFI模块将上述数据转发至无线路由器。

系统中射频卡读卡器节点有多个,分别位于球场特定边缘处。多个射频卡读卡器可以同时读取有源射频卡发出的带编号的数据,并得到该数据的无线信号强度。当多个有源射频卡同时发送数据到球场四周的射频卡读卡器,如果两个或两个以上的有源射频卡同时发送数据,可能会造成通信干扰,影响接收数据的效果。射频卡中内置的防冲突机制可以保证在一定范围内对多个不同的有源射频卡发出的信息做出正确的识别和数据读取。有源射频卡和射频卡读卡器之间的距离与无线信号强度有关,距离越远信号强度越低。射频卡读卡器在得到有源射频卡发出数据和信号强度信息后,通过WIFI模块将上述数据转发至无线路由器。

4 控制中心设计

控制中心包括有路由器数据读取、球员实时定位计算程序模块和球员位置数据保存/显示模块,其中,控制中心通过无线路由器读取读卡器节点转发的相关数据;球员实时定位计算程序模块通过三角测量法来实时计算有源射频卡的位置,该算法利用了有源射频卡同一数据在多个读卡器节点中的信号强度,信号强度与有源射频卡和射频卡读卡器之间的距离存在特定关系;控制中心电脑可以保存运动员的实时位置等信息,同时也可以连接显示终发挥,虽是经大会组委会统一校正的器械或经大会组委会审核同意的器械,运动员的第一感觉器械拿着舒服、顺手,便于其创造好的运动成绩。撑杆跳高中撑杆的材料在很大方面决定着运动员最后的成绩,材料的不同,对于运动员的发挥有很大的影响。

3.6 检录时间的长短

运动员的两大部分准备活动,在检录前强度要达到一定的高度,但这个度是很难掌握的,要根据检录时间,当时的气候,自身的状态等多种因素决定,我国全国田径锦标赛田赛的检录时间一般是赛前45 min,大多是在比赛场地外有一附田径场,没有换成车的麻烦,这对运动员控制准备活动的强度与量相对要简单的多,但各种突发的因素还是要考虑到其中,如2009年6月26～29日在江西宜春举行的2009年全国青少年田径锦标赛(16～19岁),男子青年组跳远比赛在下午3:20正式进行,检录时间是赛前45 min,但当成都体育学院运动员杨凯按预定时间到达比赛场地准备进行准备活动时却下起雨,准备活动受到很大影响,正式比赛时雨已经停了,他的准备活动有些仓促,对运动员的身体、心理都造成一定的影响,像这些突发因素是在赛前准备活动中都应该考虑的,这样才能创造好的运动成绩。

3.7 其他各种因素

比赛等级越高,运动员越容易出现紧张、兴奋过早、精神压力过大等不适反映,这就需要根据情况及时调整,同时,比赛期运动员的睡眠、饮食和营养摄入,对比赛能力有直接影响。比赛前应准确了解运动会期间的饮食供应情况,尽量想办法保持运动员的饮食习惯和充足的运动专项营养[5]。如2009年上海室内田径锦标赛时,有些北方运动员就抱怨酒店的伙食吃不惯、吃不饱,这就给运动员和教练员及大会组委会提出了新的要求,如何很好地保障运动员的营养供应,是我们要很好解决的一大问题。运动员做到赛前心中有数,以防不良情况的发生,确保以自信愉悦的心情参加比赛。

4 结语

田赛准备活动受器材场地、项目特点等多方面的影响,正确的准备活动是运动员身体和心理的重要组成部分,它不仅可以预防运动损伤对运动员的伤害,调节运动员的最佳竞技状态,正确掌握田赛准备活动技术,使运动员取得优异运动成绩。做好准备活动有利于运动员竞技水平的超常发挥,创造优异的运动成绩。

［1］张传峰.对短、跳项目运动员训练、赛前准备活动的研究[J].科技信息,2006（4）：326.

［2］金国斌.谈准备活动对田径运动员比赛的影响[J].哈尔滨体育学院学报,2005,23(2):112-113.

［3］文超.田径运动高级教程［M］.北京:人民体育出版社,2002:382-413.

［4］国家体育总局.田径[M].北京:人民体育出版社,2003.

［5］田麦久.运动训练学[M].北京:人民教育出版社,2003.

Research on Real-time Positioning System for Soccer Players

Li Zixiao Zhou Yuanling Jiang Yi Hao Liangshuang Lv Zhiyong
(Sport college, University of Humanities, Science and Technology, Loudi Hu’nan, 417000, China)

In order to overcome the shortage of the existing technology of the real-time location system, in this paper, a method for real-time location of football player using radio frequency is proposed, the method can realize the real-time location and tracking of football player's movement. Firstly, this paper introduces the whole real-time positioning system scheme, then focuses on introduce the radio frequency location method and location system hardware block diagram. Finally, the actual motion trajectory of the football player is given. The real-time location system has a good prospect in training and teaching.

Real-time location; Radio frequency; Football player

G80

A

2095-2813(2017)06(a)-0235-03

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.16.235

李子枭(1996,8—)，男，汉，湖南武冈人，本科，研究方向:运动训练学。