基于“数据智能”的乒乓球训练App设计

李大伟，杜洪波，岳 赛，周孝林，卢宇成



基于“数据智能”的乒乓球训练App设计

李大伟，杜洪波，岳 赛，周孝林，卢宇成

（沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳 110870）

乒乓球训练是一个由多种因素构成的多层次的复杂体系, 需要通过科学的训练，才能使运动员全面、准确、熟练地掌握乒乓球运动的各项技术。基于“数据智能”的乒乓球训练系统App是以数据分析为核心，智能设备为基础的乒乓球训练系统，该系统包括训练中心、热点中心、个人中心等功能，实现了个人训练数据的可视化，技术水平评价的定量化，让球员训练更加专业有效。

数据智能；数据分析；数学模型；移动应用

0 引言

乒乓球训练是一个由多种因素构成的多层次的复杂体系[1]，需要通过科学的训练，才能使运动员全面、准确、熟练地掌握乒乓球运动的各项技术。智能设备应用广泛，先进的智能设备可以直接获取关键的运动数据[2]，在体育运动方面有巨大的应用价值。对于乒乓球个人训练，采用智能设备与数据分析相结合的方式，使数据获取更加准确，数据分析更有效。

1 智能设备设计

（1）搭建运动传感器的硬件平台

智能设备[3]运动捕捉系统模型包含终端节点和主机节点，终端节点将节点姿态数据发送到主机节点。

终端节点主要包括四个部分：微处理器单元（MCU），IMU单元，电源管理模块和无线收发模块。需要实现包括传感数据采集、无线通信、姿态角度解算和电量监测的功能；MCU控制IMU单元的数据采集、姿态角解算、锂电池电量监测和无线数据收发；电源管理模块进行电平转换后提供各模块所需的电压；无线收发模块负责完成数据通信任务。

主机节点是整个传感数据采集系统与后台的接口，所有节点的数据都经过主机节点传给后台，从数据量上来看，主机节点的任务是最重的。

（2）对传感器原始数据进行预处理

传感器存在噪声大的缺点影响捕捉精度，必须有相应的数据预处理算法来对原始数据进行去噪。数据预处理包括加速度计数据预处理、陀螺仪数据预处理、磁力计数据预处理。

图1 终端节点运动框图

图2 主机节点移动框图

（3）对传感器进行误差建模，标定和校准

为了提高传感器数据精度和可靠程度，需要对传感器误差进行标定[4]。标定数据分为静态数据和动态数据，因此标定为静态和动态标定后，可得到传感器相应误差模型参数，根据传感器误差模型，便可对传感器进行补偿，这个过程称为校准，通过该过程可提高传感器的精度。

（4）传感器姿态解算

传感器目的是采集球拍在三维空间的运动轨迹等数据，需要对获得的传感器数据进行解算，得到其姿态角数据，根据该角度数据便可得到传感器在三维空间中的运动轨迹。需要对传感器姿态矩阵进行解算，常用欧拉角法和四元数法两种方法来进行姿态解算[5]。

图3 传感器实现流程图

2 数据分析过程

（1）描述性分析：用户的特点

通过传感器测量得到每个用户的初始数据，从而实现数据的可视化。其为训练系统提供了重要指标和评价的衡量方法[6]。

（2）诊断性分析：用户特点形成原因

对传感器得到的原始数据进行分析，对混乱的数据进行分离，钻取数据的核心，实现对每个用户的初步评估。

（3）预测性分析：用户经过训练后的成效

对诊断分析得到的初步评估进行预测，得出用户经过训练后的可能性以及可能的能力提高，得到一个预测值。该预测能够帮助系统做出更好决定，得到一个更适合该用户的训练方案。

（4）指令性分析：用户的需求

指令模型基于对“用户有什么特点”、“为什么有这种特点”和“训练后会提高什么技能”的分析，依据预测结果来选定最佳的方案和策略，采用数据分析技术得到更加精确的决策。

图4 数据分析流程图

3 数学模型

通过层次分析法[7]建立一个对用户乒乓球水平的评价体系，对传感器得到的每个三级指标进行诊断性分析。再根据每个三级指标对二级指标的权重和二级指标对综合能力的权重，得到对用户的乒乓球水平的评价；从而进行指令性分析，用得到的评价来选定最佳的训练方案和方法。

图5 评价模型图

在用户使用量不断增大的过程中，数据量也不断增大，对大数据进行分析处理，不断优化模型权重参数，最终得到更好的合适的评价模型。数学模型与移动应用相结合，使用户的个人评价更加准确，让用户对自己的水平有一个准确的认知。

4 App总体设计

（1）训练中心：功能包含统计分析、查看历史数据、实时监测、今日评价。

首先，用户当日的训练量将在统计分析功能中显示出来，主要分发球、弧圈球、推拨球三类[8]。每一项的训练数量和完成度百分比将显示在界面上，用户还可点击查看每一项的具体情况。

其次，用户可以随时查询个人的历史记录，其中有近期训练时间的折线图、累计训练时间和训练分析。此外，用户可以实时查询训练情况，比如用户刚打完一场比赛，可以利用此功能查询每一球的数据，这些数据将用智能设备采集，其中包括能量消耗、击球角度、挥拍速度及3D模拟轨迹。

最后，用户一天的训练结束后，根据统计分析中的数据给出当日的训练评价并呈现出来，供用户参考。

（2）热点中心：热点中心模块将相关乒乓球的推荐内容结合在一起，可以让用户更加了解乒乓球这项运动，具体功能包括及时发布乒乓球比赛信息、分享优质比赛视频、推荐高手教学视频、提供精品球技文章。用户可以通过该模块获取大量有关乒乓球的信息。

（3）个人中心：该模块主要包含个人资料、周计划和好友比拼三个部分。

个人资料用来记录用户的个人数据，周计划让用户自己设定自己的周训练量，起到督促训练的作用。

好友比拼：该部分主要实现了三个功能。一是将用户与好友进行排名，让用户了解到自身的训练排名；二是查看他人数据并提供关注好友的功能，让用户有选择性地挑选自己感兴趣的好友进行关注；三是为用户提供聊天平台，让他们可以交流心得、体会。

5 UI设计

基于“数据智能”的乒乓球训练App不仅在算法上进行研究，同时对界面进行详细设计，设计出善于操作的界面，下面就部分界面进行介绍。

热点中心：通过用TextView和ImageView控件将图文信息显示在文章和公告中，用VideoView控件实现教学视频和比赛视频的播放，见图6。

训练中心：将从智能设备获取的数据，进行统计，用图表控件MPAndroidChart制成折线图，更加直观的记录用户数据，见图7。

图6 热点中心

图7 训练中心

图8 个人中心

个人中心：用listView控件显式个人可操作的功能，点击查看各种信息。

6 结论

本文通过智能设备+数据分析，数学建模+移动应用，提出新的乒乓球训练方式，建立一套高效的乒乓球训练系统。通过智能设备的高灵敏度，完整记录用户数据，用高效的数据处理方法，对初始数据进行分析处理。通过数学模型建立用户水平评价体系，在App上，展示数据分析的结果，实现了个人训练数据的可视化，技术水平评价的定量化，让球员训练更加专业有效。

[1] 刘健. 乒乓球训练中诸关系研究[J]. 南京体育学院学报(自然科学版), 2008(03): 49-50.

[2] 赵哲. 智能穿戴设备在体育领域中的价值研究[J]. 体育世界(学术版), 2015(08): 29-30+3.

[3] 陈玮. 惯性式人体运动传感器的关键技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2013.

[4] 韩盈党, 李哲. MEMS加速度传感器的数据采集和预处理[J]. 仪表技术与传感器, 2015(02): 16-19.

[5] 彭辉. 基于多自由度传感器的运动状态分析[D]. 华北水利水电大学, 2017.

[6] 李君亮, 陈艳. 大数据技术的本体分析[J]. 自然辩证法通讯, 2018(11): 20-25.

[7] 郭金玉, 张忠彬, 孙庆云. 层次分析法的研究与应用[J]. 中国安全科学学报, 2008(05): 148-153.

[8] 黄静娴, 姚辉洲. 乒乓球运动员基础训练阶段正手弧圈球技术的训练手段研究[J]. 当代体育科技, 2018, 8(21): 25-26.

[9] 胡鞍钢, 方旭东. 全民健身国家战略: 内涵与发展思路[J]. 体育科学, 2016, 36(03): 3-9.

[10] 杨磊. 浅析多球训练在高校乒乓球教学中的整合运用[J]. 陕西教育(高教), 2018(10): 25-26.

[11] 李洁, 应昌成. 大数据发展趋势[J/OL]. 电子技术与软件工程, 2017(22): 178-180.

Table Tennis Training App Design Based on "Data Intelligence"

LI Da-wei, DU Hong-bo, YUE Sai, ZHOU Xiao-lin, LU Yu-cheng

(School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Table tennis training is a multi-level complex system composed of many factors. Only through scientific training can athletes comprehensively, accurately and skillfully master all the techniques of table tennis. Table tennis training system based on data "smart" App is based on the data analysis as the core, the intelligent device on the basis of table tennis training system, the system includes training center, hot spot center, personal, and other functions, to achieve the personal training data visualization, technology level in the quantification of evaluation, let the player more professional and effective training.

Data intelligence; Data analysis; Mathematical model; Mobile application

TP31

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.006

辽宁省教育科学“十三五”规划项目(JG16DB336)；2019年沈阳工业大学“大学生创新创业训练计划”项目(2019018)

李大伟(1998-)，男，沈阳工业大学理学院本科生；杜洪波(1977-)，男，副教授，主要研究方向：数据挖掘技术与应用；岳赛(1997-)，男，沈阳工业大学理学院本科生；周孝林(1998-)，男，沈阳工业大学理学院本科生；卢宇成(1998-)，男，沈阳工业大学理学院本科生。

李大伟，杜洪波，岳赛，等. 基于“数据智能”的乒乓球训练App设计[J]. 软件，2018，39（12）：23-27