基于UWB技术的足球运动员场上定位系统的设计研究

郭松

摘要：通过对UWB波的传输特点和定位原理的分析，设计了一套适合于足球运动场上对足球运动员实时定位的场上定位系统，为教练员临场指挥、战术选择研究和科学训练提供较好的数据支撑。

关键词：足球运动员;UWB;定位

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0170-01

0 引言

UWB（Ultra Wide Band）是利用纳秒级无线非正弦窄波脉冲的数据传输，占用的频谱范围很宽[1]。UWB技术适用于定位精度较高的多路径场所高速无线检测定位。主要应用于军事雷达等通信系统中。具有穿透能力强，测量精度高，目标识别准确等优点，能够较好的实现运动目标的跟踪定位和非接触式识别。近几年，在众多领域中对人员目标定位和检测应用成为研究的热点[2]。足球运动员在场上的位置追踪和运动轨迹的描绘，可以给教练员提供较好的战术指导和临场指挥。对于足球运动员的场上位置检测要求实时性好，精度要求较高，传统的图像和视频不能够很好的反映队员的空间位置和实时运动轨迹，而且对于多目标追踪也略显不足。

1 UWB定位原理

1.1 飞行时间定位法（TOF）

飞行时间定位法主要是通过脉冲信号冲发出到接收到返回信号的时间和脉冲信号的传播速度之积，得到基站到达测量目标之间的两倍距离，从而定位目标的位置[3]。一般这种定位方法都采用多基站的形式，通过不同基站的位置和目标距离不同基站的距离来建立坐标平面，从而准确的定位目标的位置。较为典型的是三基站布局。定位时，基站位置固定，坐标可以直接设定，当每个基站测量到目标距离自己的位置时，以每个基站位置为圆心，以目标到达基站的距离为半径画圆，三个圆的焦点变为，目标位置的坐标，从而实现对目标的定位。在测量移动目标时需要知道在三个基站测量的距离应该是同一时间的距离，因此需要专门设计的时间戳，用来基站时间的同步，来保证定位的准确和实时性。

1.2 时间差定位法（EDOA）

时间差定位法是利用时间差进行计算，通过目标信号到达每个基站的时间差，来计算目标到达每个基站的距离差，从而确定目标的位置坐标[4]。这种方法通常是采用四机站的布局，一个原基站，三个伴随基站。在进行目标定位时由目标发出信号，分别计算到达四个基站的时间差和距离差，从而利用此参数，分别以原基站和伴随基站两两组合为原点建立双曲线，双曲线的焦点便是目标点的坐标，从而实现对目标点在平面上的定位[5]。这种方法不同于第一种方法，由于采用的是时间差不是绝对的时间，因而不需要做时间戳，较为简单便于实现。

2 足球运动员定位系统设计

2.1 总计结构设计

基于UWB的足球运动员场上定位系统主要定位标签、原基站、定位基站、无线路由和数据服务器构成，标准足球场长105米，宽68米，系统采用4基站结构。

定位标签佩戴于运动员的上肢，用于以固定频率发送UWB波，便于基站的接收和识别，在每个运动员之间才用不同的频率进行区分，能够实现场内多个运动员的运动轨迹和位置的识别。

一个原基站四个定位基站，原基站放置场地中线外延线的4米处，四个定位基站放置在场地的底线的延长线外侧4米处。用于手发UWB信号，并负责把收到的信号通过无线路由传送给数据服务器，进行位置的识别和轨迹生成。

2.2 定位原理设计

飞行时间定位法利用时间和速度较为方便求的距离，激光在空气中的传播速度和光速相同（V=3×108m/s），在场地中最长测量距离大约为60米左右，暂按70米计算，t=d/v=60m/3×108m/s=200ns，这个时间是很短的，因此在时间同步和测量时间一个很小的误差就会导致对于运动员位置的定位形成很大的误差，因此实现较为困难。

时间差定位法不像飞行时间定位法要求很严格的时间同步，因此在本系统设计采用了时间差定位算法。在系统中有6个定位基站分别为A1、A2、A3、A4，目标与基站的间距分别为S1、S2、S3、S4，在系统启动时对基站进行坐标初始化，基站的坐标分别为：A1（X1，Y1）、A2（X2，Y2）、A3（X3，Y3）、A4（X4，Y4），假设目标点的坐标为（X0，Y0），目标点的坐标即为要求得的定位点。四个基站中设置一个原基站和三个伴随基站，分别建立三组双曲线运用如下公式进行目标点的求解。

把相应测得参数代入上式建立方程，求得目标点（X0，Y0）。在基站中设置原基站和伴随基站，通过原基站与伴随基站配合实现目标的定位。基站通过Wifi信号把接收到的数据发送给数据服务器，由数据服务负责，对接收的数据进行整合运算，并定位在成像的图中。

2.3 数据服务器设计

数据服务器主要负责，对比赛场地的初始化，形成虚拟的场地图像，并对于运动员的进行管理，同时用于设置哪个频率对应哪个运动员，实现检测标签和运动员的结合。服务器在不停的监听由接收基站传回的信息，通过信息的拟合，计算场上每个球员的位置，并在虚拟的场地中进行图像的显示。数据服务器提供数据的存储功能和单独按时间断来提取每个运动员的在场地上的运动轨迹图像，便于做后期的比赛分析和数据处理，同时给教练员提供运动员数据的拟合后数据查询功能，便于提供临场指挥数据。

3 结语

在足球运动比赛中，足球运动员在场地上的位置和运动轨迹影响着比赛的结果，同时教练进行比赛分析及战术预测具有关键的作用。本研究利用UWB技术实现了足球运动员在场上的实时定位和运动轨迹记录与分析，为教练员较好进行比赛指挥和科学训练提供了良好的依据。

参考文献

[1] 李伟杰，戴亚文，唐雨，王枫，水中和，等.基于UWB的地铁隧道定位系统设计[J].计算机测量与控制，2019，27（08）：198-201+206.

[2] 史刘强，付江涛.基于UWB定位系统设计[J].电子设计工程，2019，27（15）：161-165.

[3] 朱文刚，常海涛，薄云覽，江奕辰，刘志国，等.基于超宽带技术的轨道交通定位算法研究[J].计算机测量与控制，2019，27（07）：218-222.

[4] 俊升，程钢，邓超，等.标签高度差的UWB室内定位方法[J].导航定位学报，2019，7（03）：44-50.

[5] 郭俊，杜华.室内定位系统中即时通讯软件的设计[J].计算机系统应用，2019，28（08）：268-271.

Abstract：The Analysis of the transmission characteristics and positioning principle of UWB wave，we design a system to find the football players location in football field.This give some data what can help the coach to command the football players how to do in the game.

Key words：football players;UWB;positioning