大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计.pdf

信息技术XINXIJISHU2023年第9 期大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计黄琦（陕西警官职业学院警体部，西安7 1 0 0 2 1）摘要：为实现更加全面的动作姿态捕捉，设计了大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台，平台的压力传感器为外型精巧的FSR402型压阻式传感器。通过匀速跑耐力训练软件模块实现以下功能：与硬件设备相配合采集长跑运动匀速跑耐力训练姿态数据；嵌入插件回放、展示匀速跑耐力训练的场景等。通过位姿修正模块能够实现人体运动姿态和骨骼位置修正，通过MySQL搭建数据库模块。平台性能测试结果表明该平台能够直观地获取教练与训练者关节角的运动轨迹对比情况，实现姿态相似度数据的捕捉。关键词：大学生长跑运动；压阻式传感器；匀速跑耐力训练；压力测量电路；训练平台优化中图分类号：TP391D0I:10.13274/ki.hdzj.2023.09.030Optimized design of endurance training platform for uniform speed running of university studentslong-distance runningHUANG Qi(Police Department,Shaanxi Police College,Xian 710021,China)Abstract:In order to achieve a more comprehensive capture of movement and posture,a uniform speed en-durance training platform for university students long-distance running is designed.The pressure sensor ofthe plaform is an exquisite FSR402 piezoresistive sensor.Through the uniform speed endurance trainingsoftware module,the following functions are realized,including cooperate with the hardware equipment tocollect the posture data of constant speed endurance training of long-distance running;Insert plug-ins to re-play and display the scenes of constant speed endurance training.Through the pose correction module,thehuman motion pose and bone position can be corrected.Build the database module through mysql.Theplatform performance test results show that the platform can intuitively obtain the comparison of the motiontrajectory of the joint angle between the coach and the trainer,and realize the capture of atitude similaritydata.Key words:college growth running;piezoresistive sensor;uniform running endurance training;pressuremeasurement circuit;training platform optimization0引言安排、制定科学的体育训练计划,需要以对训练信息实施科学的分析与检测为基础来进行，包括实施运动技术的分析与检测、管理和处理运动作者简介：黄琦（1 9 7 8），女，本科，讲师，研究方向为体育。文献标识码：A文章编号：1 0 0 9-2 552(2 0 2 3)0 9-0 1 7 7-0 6训练信息，并以此为基础总结科学的训练方法,这是全面控制运动训练过程的重要组成部分。可以将该过程归纳为通过现代化的测试设备与仪器对运动员比赛和训练过程的信息进行采集，通过科学的方法和理论分析和处理获得的数据，构建运动训练效果的评定标准,从而以分析结果为一 1 7 7 一大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计依据对训练过程进行控制，并实施训练的模拟设计和预测 2 。为此,以提升大学生体质为目标，针对大学生长跑运动匀速跑耐力训练搭建优化设计平台，实现大学生长跑运动匀速跑耐力训练的科研辅助支持 3 。目前体育运动与计算机科学相结合的研究已经取得了很多研究成果，很多公司都开发了体育训练平台。但目前对大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台的研究和开发还比较少，主要应用人工智能技术、深度学习、动作捕捉技术等对其进行研究。为实现更加细节、全面的动作、姿态捕捉，对大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台实施优化设计。1大学生长跑训练平台优化设计1.1动作捕捉模块设计在动作捕捉模块的设计中，选用的压力传感器为外型精巧的FSR402型压阻式传感器，使脚掌面积的区域能够布置多个传感器 4 。对传感器的采样精度、有效采样范围、外观尺寸等问题进行权衡后，选取脚掌上的四个点作为放置传感器的压力采样点，分别为脚跟、小脚趾跖骨、大脚趾跖骨、大脚趾。具体位置如图1 所示。大脚趾压力采样点1大脚趾跖骨压力采样点2压力采样点3小脚趾跖骨压力采样点4脚跟图1 压力采样点示意图根据传感器原理对动作捕捉模块的压力测量电路进行设计。在设计的分压电路中，主要通过输出电压对传感器实时压力进行计算 5。其电路设计以及分压电阻所对应的压力曲线具体如图2 所示。一 1 7 8 一一黄琦1kg之间,选择1 0 k2这一对整个量程范围中的压力都很敏感的分压电阻。完成分压电阻设置后，对电压与电流值是否合理进行测量，发现电压值在合理范围内,而电流值则不到1 mA。因此通过电压跟随器实施阻抗变换，利用LM358单片机制作电压跟随器，当分压信号通过电压跟随器进入到单片机模拟口时，能够实现外部分压电路与单片机内部电路之间的隔离缓冲 6 。在设计时，尽可能在印刷版上实现更多元器件的集中，将电路除连接导线和传感器之外的部分在塑料盒子中封装，通过3 D打印机对封装盒子进行制作 7 。以制作的单个鞋垫为例,压力测量电路中需要的元器件具体如表1 所示。为提升传感器稳定性和使用寿命，对硅胶鞋垫进行制作，在鞋垫中封装传感器。为避免出现传感器滑动的问题，在模具中需要留出导线和传感器的位置，使浇注前连接导线与传感器的位置被固定。V+RMM吉（a）分压电路设计8765432100200（b）分压电阻所对应的压力曲线图2 电路设计以及分压电阻所对应的压力曲线由于单个传感器实际压力变化范围在0 OVOUT4006008001000FORCE/g190k430k10k3k大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计一表1 压力测量电路中需要的元器件在运动中受到损伤；以及对力传导方向进行分析，序号数元器件量元器件名称规格及其他142若干3144546272811.2匀速跑耐力训练软件模块设计匀速跑耐力训练软件能够实现以下功能：与硬件设备相配合采集长跑运动匀速跑耐力训练姿态数据；嵌人插件回放、展示匀速跑耐力训练的场景，嵌人的插件为三维场景插件；实现数据的查询与存储;实现运动关键参数的处理和分析 9 。在匀速跑耐力训练软件中，共设计五个模块：数据处理与分析模块、设备与用户信息管理模块、三维场景模块、实时采集模块、后台服务器模块。其中后台服务器模块主要通过云端服务器实现客户端数据服务的提供，对多个用户数据实施综合性分析,并保障网络与数据的安全 1 0 通过云端服务器具体能够实现两部分的功能，一个是与客户端的通信,对客户端数据进行接收,同时实现多并发多用户访问；另一个是对客户端上传的数据进行分析 用户信息管理模块能够为教练员和运动员设计个人档案，具体信息包括数据分析结果、训练记录、体型参数、个人信息等。模块还能够在客户端本地对数据库进行构建，提供查、改、删、增等操作，实现长跑运动匀速跑耐力训练的数字化管理。数据处理与分析模块能够针对采集数据实施多角度分析,具体包括对数据变化趋势进行分析，例如对某运动员在同一种训练中的动作变化情况进行判断,对运动员动作受到疲劳影响的程度进行判断等；对运动员关键动作实施关节角度和受力方向的分析，对反关节受力情况进行辨识,以防一黄琦对运动员动作的规范情况进行判断。传感器FSR402五种颜色（用于对不同软导线传感器进行区分）单片机Arduino mini电压跟随器芯片LM358分压电阻阻值1 0 k2蓝牙模块上位机与单片机通信锂电池3.7V供电烧录单片机程序、蓝牙模块与USB转TTL上位机连接三维场景模块中嵌人的控件是Unity3D控件 1 2 。在控件中，首先对个性化的运动员人体三维模型进行构建，根据输入的体征信息能够对模型参数进行改变。利用模型能够对长跑运动匀速跑耐力训练中的动作轨迹进行重现，可以滑动进行旋转、改变视角，以及实现动作比对、截取数据片段、慢放、回放等功能。实时采集模块能够与传感设备连接，对传感器参数进行标定，并执行硬件的其他相关操作 1 3 。模块还能够与传感器进行通信，存储传感器发送数据，以及对三维场景控件进行嵌入，对运动员动作姿态进行实时展示。匀速跑耐力训练软件的人体模型与三维场景实现步骤具体如下：构建BIPED骨骼模型：将全部肢体的父骨骼设为髋部，以1 7 刚体模型为依据向四肢逐渐辐射。根据人体骨骼实际连接方式，在邻接骨骼间对连接点进行添加。对各块骨骼坐标系进行调整，使其与世界坐标系相匹配。在骨骼模型上对蒙皮进行添加：绑定骨骼和蒙皮,使蒙皮能够随着骨骼移动。对蒙皮参数进行调整,防止蒙皮裂开。例如扭转小臂的动作，应使上游肢体与蒙皮相互连接，否则转动起来就像是在拧瓶盖 1 4 。将蒙皮与骨骼模型以fbx文件的形式导出至Unity引擎,并对模型和坐标系参数进行再一次调整，使其与Unity引擎保持参数一致。通过JavaScript语言对脚本代码进行编写：在程序中对四元数数据进行接收，根据函数关系为对应关节进行赋值操作。将webplayer控件导出，在已开发的软件中嵌人，利用 sendMessage（)方法即可向控件进行四元数传递，对模型操作进行驱动。1.3位姿修正模块设计为使平台展现更平滑的人体运动效果，需要通过位姿修正模块实施人体运动姿态和骨骼位置修正。设计一个修正方程，具体如下：P=min.(Phip-Phipo)?Phip,Ri一1 7 9 一大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计mni+ZZ(Rfu-R0n)ni$.E,=Phip+ZRfry,or i=,2,m式中,E，指的是第i个运动链在末端位置时的真值，也就是脚的位置真值；r是指在零位姿时i运动链中j骨骼的对应长度向量;R,指的是i运动链中j骨骼的对应估计姿态;R(i)o是指i运动链中j骨骼的对应初始姿态，也就是当前顿测量值与上一顿优化值的加权和，具体如式（2）；n；是指i运动链的实际骨骼数;m指的是运动链数;Phipo指的是初始骨盆位置;Phip是指估计的骨盆位置;P指的是修正结果 1 5R(0=BR+(1-B)R式中,指的是加权阅值;R是指上一帧i运动链中j骨骼的对应估计姿态;R指的是当前i运动链中i骨骼的对应估计姿态。通过设计的修正方程即可实现人体位姿修正。1.4数据库模块设计通过MySQL对数据库模块进行搭建，模块中的字段与表结构信息具体包括用户信息表、身型数据表、测量记录表、参数分析表、关节运动范围参数标定表。其中用户信息表可以分为教练员信息表与运动员信息表，利用用户ID对用户类型进行区分，并以用户ID为数据表主键，进行用户信息的删除、修改和查询。外键用于对两种信息表进行连接，代表运动员和教练的关系，便于教练员管理运动员信息 1 6-1 7 。运动员仅能对自身信息进行修改，教练员可以对所带运动员的运动数据记录和相关信息进行查看，只有管理员能够对全部信息进行访问以及进行必要的修改，以确保数据安全性，防止数据的丢失。其中运动员信息表具体如表2 所示。在身型数据表中，保存的数据格式为压力采样点+电压+加速度+姿态四元数。测量记录表中的数据以.txt形式保存。参数分析表中存储的信息是从姿态四元数中一1 8 0 一一黄琦提取出来的信息表2 运动员信息表字段数据类型IdINT(11)(1)nameVARCHAR(32)phoneVARCHAR(16)password1 VARCHAR(16)heightFLOATweightFLOATgenderINT(1)ageINT(3)Address VARCHAR(128)bodysizeINT(11)(2)coachld关节运动范围参数标定表用于进行运动员关节受伤预警分析。2平台测试2.1实验过程对于优化设计的大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台,对其性能进行测试，以确保其性能的优化性。首先测试设计平台的关节角轨迹捕捉性能，利用优化设计的平台捕捉大学生长跑运动中教练与训练者在匀速跑耐力训练中的一段影像，将其作为训练输入，训练输出为二者关节角的运动轨迹对比及角度差值。接着测试设计平台的姿态相似度捕捉性能,也就是输出教练与训练者在匀速跑耐力训练中的姿态相似度数据。2.2关节角轨迹捕捉性能测试第一项测试的训练输出对比数据，如图3所示。根据图3 教练与训练者膝盖、脚踝、肘部三种关节角的运动轨迹对比数据，可以发现通过设计的大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台，能够直观地获取教练与训练者关节角的运动轨迹对比情况，帮助训练者进行更加规范、科学的训练，证明了设计平台在训练上的辅助作用。2.3姿态相似度捕捉性能测试优化设计平台的教练与训练者在匀速跑耐力释义约束条件允许NULL值用户编号主键用户姓名一联系电话唯一密码身高体重性别年龄地址身型INT(11)教练员编号外键否否否否否一否一是外键是是大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计-训练中的姿态相似度数据，具体如图4 所示。一教练关节角转迹220一一训练者关节角转迹210F2001901601501400（a）膝盖关节角的运动轨迹对比数据二二机练者关节角转迹教练关节角转迹100908070F605040F30200（b）脚踝关节角的运动轨迹对比数据教练关节角转迹150一训练者关节角转迹1401301201101009080700（c）肘部关节角的运动轨迹对比数据201510。/美50-5F-10F-15-20（d）三种关节角运动轨迹角度差异对比数据图3 教练与训练者关节角的运动轨迹对比数据一黄琦80个4010011020顿数10201020帧数1010帧数103040304030401203020顿数图4 平台捕捉的姿态相似度数据图4 平台捕捉的姿态相似度数据表明，通过优化设计的平台，能够实现姿态相似度数据的捕捉，为大学生长跑运动匀速跑耐力训练提供了数据支持。3结束语大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台能够实现计算机应用与匀速跑耐力训练的深人结合，通过计算机对各种训练数据实施采集、分析、存储，帮助教练员对日常训练信息进行管理，实现训练决策的辅助和运动结果的仿真。传统运动耐力训练平台无法准确获取教练与训练者关节角的运动轨迹，为了更加全面地捕捉动作姿态，为大学生长跑运动匀速跑耐力训练提供数据支持，设计新型大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台，平台具体有动作捕捉模块、匀速跑耐力训练软件模块、位姿修正模块、数据库模块。其中在动作捕捉模块的设计中,选用的压力传感器为外型精巧的FSR402型压阻式传感器，使脚掌面积的区域能够布置多个传感器。通过设计压力传感器与匀速跑耐力训练软件等模块，实现了大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台的优化设计。但在研究中有很多问题被忽略，例如运动体征提取、人体姿态估计等，将会在今后的研究中进一步完善。参考文献：1濮怀宇,黄家宁，韩江桂一种虚实结合舰船辅锅炉维修模拟训练考核平台的研制 J.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(7):3 9 6 -4 0 3.402张波,孙俊，商蕾，等.基于HMD的船舶虚拟消防训练系统设计及实现 J.系统仿真学报,2 0 1 9,3 1（1)：4352.3齐和平,丁玮,王学文，等.基于云架构的一体化联合一1 8 1 一3040大学生长跑运动匀速跑耐力训练平台优化设计-训练仿真体系 J.火力与指挥控制,2 0 1 9,4 4（4)：6 9-73.4赵富学.基于信息集成服务的少数民族体育非遗资源档案数字化平台建设研究J贵州民族研究，2019,40(1):121 125.5张锋，阎智力.拥抱大数据：大数据时代中国高端体育智库建设研究J.武汉体育学院学报，2 0 1 9,53(8):10-16.6徐春杰,刘卫军,刘德皓,等.跆拳道后横踢四种战术动作击打速度效果特点及对运动训练的启示 J.成都体育学院学报,2 0 2 0,4 6(1)：1 1 4-1 2 0.7姜鑫，姜立嘉.高校田径队业余化训练可持续化发展研究 J.广州体育学院学报,2 0 1 9,3 9（3）：1 2 2-124,121.8史岩峰.基于多元线性回归的运动员心肺功能检测J.信息技术,2 0 1 9,4 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