基于UWB的运动场定位系统设计

闫佳晖，张晓明，刘 俊，朱孟龙，祁晋帆，高丽珍

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

0 引言

随着科学技术的发展，科学技术渗透到体育运动的各个角落，为了能够更好地指导运动以突破运动员体能极限，越来越多高新技术被应用于各项体育运动中，智慧足球场[1]的概念应运而生。足球比赛中高超的技术和战术是一支高水平的足球队不可缺少的。而足球训练中每个人站位和跑位的记录又是战术制定中不可或缺的部分，这都需要把握和记录场上运动员的位置和跑动数据信息。现在的足球训练中无法定量监测每个运动员的生理参数和运动信息，缺乏技战术水平测试系统来辅助球队训练计划的制定。

目前，运动场面积大，运动员多而且跑动频繁，对运动员的定位观察繁琐复杂。从初期传统的人眼观看和纸笔记录的工作方式，到如今的专业队或大学校队都会使用的多种技术以追踪运动员在场上的动作并分析他们的表现。其中大部分都是通过摄像[2-3]记录场上发生的一切，但是实际的运动员运动轨迹不容易通过直观捕捉高效记录下来；而且多个高速摄像头跟踪拍摄，经过图像识别[4]技术将路径还原的系统造价较高，无法将人员的实时生理数据等记录下来。获取运动员位置跑位数据最关键的技术就是人员定位技术[5]。目前主要有超声波[6]、蓝牙[7]、WiFi[8]等通过信号强度的定位技术，其定位精度都不足以准确跟踪运动员的跑动轨迹。另外有GPS[9]和UWB[10-12]等通过时间测距的定位技术，其中GPS定位精度较低，RTK技术[13-14]虽然能提供高精度的定位数据，但是其接收机体积大，不易携带，不能满足运动员运动需求。新型的超宽带技术具有系统易实现、定位精度高等优点，可用于各种目标以及人的定位跟踪与导航，且能提供分米级的定位精度；再结合MEMS传感技术中体积小巧的加速度和心率传感器，完全能够满足运动员训练中高精度定位及生理监测的需求。

本文从足球运动员训练时运动及生理数据的实时监测需求出发，开展了基于UWB定位和MEMS生理传感数据采集系统的研究，将运动员的定位信息实时传回定位终端，达到能够实时监测足球运动员的跑位及生理运动信息的目的，为球员在训练赛前、赛中和赛后训练计划的制定提供数据支撑。

1 测试系统设计

1.1 系统总体方案设计

系统主要实现运动员跑位和生理数据监测，其中使用UWB定位技术完成跑位数据的获取和传输，MEMS传感技术完成生理数据的监测。UWB定位技术使用TDOA完成定位，TDOA相较于ToF定位信号链路比较简单，标签容量大，定位频率高。

定位系统由若干基站以及若干标签组成，系统组成如图1所示。将若干基站分别置于操场的边缘位置，其中一个为主基站，担任发送时钟同步信号的任务；其他基站为从基站，主要用于接收标签的定位请求信号，并且将时钟戳和生理数据通过网桥发到数据处理软件。

图1 定位系统组成Fig.1 The composition of the positioning system

1.2 系统测试节点设计

定位标签电路由控制模块、生理信息监测模块、电源模块和UWB模块四部分组成。生理信息监测模块可以实时采集标签的加速度和心率信息。

定位基站的电路组成与定位标签类似，使用性能较高的STM32芯片，搭载无线网桥模块，可以将各个基站的定位数据包在不占用UWB信号通信频道下将数据发送到终端进行定位解算，定位标签和基站模块组成如图2所示。

图2 定位标签和基站电路组成Fig.2 The composition of the positioning tag and base station circuit

另外，由于DW1000自身信号发射功率较小，通信距离较短，在球场定位中需要至少150m的通信距离，因此提出了在硬件电路发射信号部分增加功放电路以提高信号发射功率的方案。 功放电路具有占用空间小、易实现、成本低的优点。

1.3 系统程序设计

对于基站，拥有不同的ID编号，用于定位解算软件识别不同基站的数据。基站分为主基站和从基站，主基站定时向各个基站发送时钟同步信号，为从基站提供时钟同步时间基准；当各个基站接收到时钟同步信号时，提取主基站的发送时间戳和从基站的接收时间戳，经过时钟同步算法完成从基站的时钟同步。各基站收到标签定位信号时，将芯片的时间戳提取出来经由网桥发送至定位解算终端。基站程序流程如图3所示。

图3 基站程序流程Fig.3 Base station program flow

对于标签定位，每个定位标签都有自己的专属ID号，在球场上可以通过ID号与球员绑定，在上位机端即可获取和管理不同球员的位置。程序流程如图4所示。

图4 标签程序流程Fig.4 Tag program flow

1.4 系统定位算法

UWB信号属于电磁波，其传播距离与时间之间存在线性关系，即

r=ct

(1)

其中，c表示信号在空气中的传播速度。

假设标签发送一次定位信号到达各个基站的时间戳为ti，则标签信号到达第i个基站的距离和到达第1个基站的距离差可表示为

Δri-1=c(ti-t1),i=2,3,…,n

(2)

又标签到各基站的伪距方程为

(3)

其中，ri为标签到第i个基站的伪距，(x,y)为标签的坐标点。(xi,yi)为已知的第i个基站坐标。

基于方程式(3)取标签坐标近似点(x0,y0)作为初始点，运动场定位中，由于标签只会出现在基站围成的四边形区域内，所以直接取基站所围中心点作为定位初始点，根据方程式(3)一阶泰勒展开得

Δri=axi×Δx+ayi×Δy+o(x,y),
i=1,2,…,n

(4)

其中

令Δri-1=Δri-Δr1，i=2,3,…,n。

对上式整理可得

ΔRn-1=Hn-1ΔX

(5)

其中

通过计算基站接收到的时间差数据可得出ΔRn-1，可通过坐标点计算求得Hn-1，当多基站联合定位时，即基站数n≥4时，使用最小二乘法求解方程式(5)得

(6)

经过矩阵运算得出ΔX后，将结果用于纠正定位初始坐标，然后再通过牛顿迭代反复解算，定位坐标将很快趋近于标签的真实位置，从而得到标签定位坐标。

2 UWB定位系统性能测试

为了验证定位系统的标签定位跟踪和数据传输性能，分别从静态定位、动态定位和数据传输的角度对定位系统进行性能测试。实验现场如图5所示，由4个定位基站围成实验场地。

图5 基站安置及实验环境图Fig.5 Base station placement and experimental environment

如图6所示，标签采用手环式臂带设计，体积小巧，质量19.1g，绑于运动员臂部，实际使用中不会对运动员的身体动作产生干扰。工作频率10Hz条件下可连续工作72h，满足足球运动员训练中多场比赛连续工作的要求。

图6 臂带标签实物图Fig.6 Real picture of armband tag

2.1 静态定位实验

为了测试携带标签的运动员在运动场静止时标签的定位精度，在如图7所示的绿色圆点处进行静态定位测试。

图7 单标签静态定位示意图Fig.7 Single tag static positioning diagram

经过测试，真实的定位点坐标及实测定位点坐标数据如表1所示。从表1中可以看到，静态定位的实测值和理想值误差不超过15cm。在坐标(60.2,26.13)处进行静态定位实验结果的分布云图如图8所示，圆概率误差95%CEP为9cm。

表1 静态定位点及实测定位点统计表Tab.1 Static positioning point and actual measurement site statistics table

图8 单点静态定位云图Fig.8 Single point static positioning cloud map

2.2 动态定位实验

为了测试系统能否很好地完成运动员的定位跟踪，以及运动员携带标签运动时对标签定位精度的影响，分别进行了如图9所示的3条路线大视角运动定位及小视角内运动员姿态及速度对定位效果影响的实验。

图9 动态定位测试路线和实验结果对比图Fig.9 Schematic diagram of dynamic positioning test scheme

总计分3条路线，路线1为主基站向从基站-2处行走路线，路线2为在场地中线区走一个封闭正方形，路线3为台阶形路线。

实验人佩戴标签，分别沿图中路线1、2、3前进，定位频率10Hz，使用上位机记录实验数据，实验结果如图10所示。从图10中可以看出，系统能够准确对运动中的运动员进行定位，定位精度优于25cm。

图10 动态定位实验结果Fig.10 Dynamic positioning experiment result

为了测试运动员自身姿态及手臂挥动导致标签运动时对人员定位的影响，运动员以约1m/s的速度沿X轴反方向奔跑，定位频率10Hz，上身自由活动的同时手臂前后挥动，将定位数据横坐标做差分运算，根据定位频率得到运动员X轴向运动速度数据，结果如图11所示。

图11 X轴向运动速度结果图Fig.11 X axial motion velocity result

实验结果表明，运动员速度在-1m/s上下波动，误差为±1.5m/s。根据定位精度25cm计算理想的速度误差为±1.25m/s,所以运动员的姿态和运动速度几乎未对标签定位产生影响。

2.3 数据传输性能测试

(1)通信距离测试

将测距程序写入两标签中，分离2个标签，观察系统输出的距离信息，移动标签直到系统不输出数据，记录距离信息。方案示意图如图12所示。

图12 通信距离测试方案示意图Fig.12 Schematic diagram of communication distance test scheme

经测试，标签UWB信号通信距离为：

1)在不加PA情况下，通道5通信距离约为28m。

2)在不加PA情况下，通道2通信距离约为78m。

3)在加PA情况下，通道2通信距离约为300m。

(2)数据传输测试

臂带标签采集传感器数据并将传感器数据发送至远端接收机。从接收机读取标签传感器数据,测试结果如图13所示，显示了3个标签同时定位的定位结果数据。

图13 上位机端接收到的数据Fig.13 Data received by the host computer

图13中,标签ID-1为足球标签，内置MPU6050传感器，采集到的加速度及角速度均为三轴模值，温度为36℃。从图13中可以看出，搭载在标签上的传感器数据能够通过UWB信号及时上传回上位机，为了解运动员运动状态提供数据支撑。

3 结论

本文提出了一种足球场运动员定位训练系统，将便携的标签绑在运动员的臂部，对运动员运动定位和生理数据进行追踪，解决了球员跑位和生理数据获取困难及缺乏解决方案的问题，有助于球队教练根据运动员在球场训练赛中的跑位和身体情况做出正确的技战术指导。经过实验检验，所设计的运动场定位系统可以很好地完成运动员的定位追踪和传感数据传输。系统不仅可以运用在足球场的技战术测试中，还可以进一步推广到篮球等球类项目中，对于一些人员的健身测试提供数据支持。