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GPS智能可穿戴设备在体育竞技领域的应用
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GPS智能可穿戴设备在体育竞技领域的应用GPS智能可穿戴设备在体育竞技领域的应用

虽然价格昂贵,但全球定位系统(GPS)或更恰当的名称是“可穿戴技术”用于高性能运动。因为这种方法不仅费用高昂,而且大大提高了运动员的参与度,提高了训练和比赛的效果,所以这些设备的有效性和可靠性就显得尤为重要。虽然有证据表明GPS装置在以低速中速测量远距离有很好的可靠性,但是它们在短距离、高速(尤其是在快速、随机方向变化的情况下)时经常会遇到困难。

在三个垂直面(x,y,z)中,三轴加速度计是一种有效、可靠的加速度计。但"Player/BodyLoad"值的使用似乎有问题,因为它可能没有包含陀螺仪的旋转力数据,因此它可能低估了运动特定的运动,例如:定位、跳跃和阻隔。为解决这一问题,将陀螺数据与加速度传感器数据结合使用,运动分类结果显示提高2-14%。

关键词:GPS装置、微传感器、穿戴式设备、穿戴式技术、微技术、三轴加速度计、陀螺仪、磁力计、矢量。

GPS模块(GPS)是一种卫星导航技术,自1997年问世以来,在过去几年里在职业体育领域得到了广泛应用。当前,该技术可以被用于为运动科学家、力量专家、健康专家、性能分析专家和教练提供对运动员在比赛基础上练习或表现的实时和赛后分析。全球定位系统是最常用的团队运动项目,如足球(、橄榄球联赛、橄榄球联盟、澳大利亚足球规则、曲棍球、无挡板篮球、曲棍网兜球,也被用于个人运动-网球、自行车和跳台滑雪。

近几年来,运动员佩戴的常规GPS装置中还包括了附加的微型传感器(加速度计、陀螺仪、磁力计和心跳监视器)。这类小型装置现在是多面装置,除了GPS还有其它技术。换言之,现在的可穿戴设备通常包括下列所有技术:全球定位系统、三维加速度计(即三轴)、立体陀螺、磁测力仪、心搏监护仪。

所以,把这些设备缩写成GPS单元可能有些过时,而更精确的名称(例如“可穿戴技术”或“可穿戴设备”)则更合适——虽然这仅仅是语义上的问题。但了解这些设备是如何工作的,以及它们是否能提供有效和可靠的数据,以影响运动表现,这一点很重要。所以本文将提供一份关于这些设备的循序渐进指南,然后讨论它们对监测运动表现的作用。

GPSunits单位是多少?简单介绍一下,GPS装置有时也被称为“数据记录器”。训练团队利用GPS技术,将这些设备内部设置成跟踪运动员训练和比赛过程中的轨迹运动。事实上,GPS技术已经被广泛地应用于记录人体轨迹运动需要的许多团体运动。通过GPS装置的反馈数据,计算机将记录下列动态变量:速率(米/秒)、、加快与减速(m/s)、方向性改变、长度(米)。这一信息被转化为电脑上不同的工作效率模型和人体负荷变量,我们将在后面关于可穿戴技术的章节中进行详细讨论。

游戏中怎样衡量运动员的运动水平?

因为GPSunits是以卫星技术为基础的,所以它的工作方式是将数据在运动员身上的单位Units和地球上可用的卫星之间传送。用Hz(Hz)表示采样频率*来传送这些信息/数据。也就是说,采样频率越高,每秒传递的信息就越多,所以理论上,GPSunits的精度也就越高。虽然取样频率对GPSunits的准确性/可靠性有很大影响,但是其他因素也必须加以考虑:例如,可用和联接的卫星数量。*采样频率是指每秒(1秒)采集到的信号数,换句话说,就是设备重新计算和报告位置的频率。举例来说,1Hz的单位每秒只能采集一个样本,所以理论上,10Hz的单位(报告10次/秒)的精确度低于10Hz。

通过GPSunits与卫星之间的通信,它可以计算出目前在空间和时间上的位置(即单位在地球上的经度和纬度)。这就是说,一旦运动员开始运动,用10Hz单位,卫星就可以每秒跟踪运动员10次,而在1Hz模式下,卫星可以每秒跟踪运动员1次。全球定位系统常用于临床实践和体育科学研究,其采样频率一般为四个频率之一:1赫兹、5赫兹、10赫兹、15赫兹。

近几年来,已有许多关于这四种不同采样频率GPSunits的可靠性的研究。多数情况下,连续研究显示,采样频率越高,可靠性就越高——也就是说10和15HzGPS单位通常比1和5HzGPS单位更加精确和可靠。但有趣的是,在评估10-15Hz模型的可靠性时,情况并不总是如此。关于这个问题的更多细节将在下面的“可穿戴技术的有效性和可靠性”章节中讨论。

三轴加速度计是多少?目前,可穿戴设备或GPS设备上通常安装有压电式三轴加速度计(36)。这款仪器被用来记录橄榄球比赛中某一特定动作的数据(例如铲球和撞球)(37)。这样,该装置就可以记录和报告运动员的碰撞情况,并用来计算“运动员/人体运动负荷”和“动态压力负荷”。

事实上,这项技术还没有什么新意,过去曾被用来探测常见的人类活动,如睡觉、坐立不安、躺下、走路、奔跑和跳跃。这一技术已经被嵌入到了普通的智能手机中,而且实际上,这一技术与用来监控睡眠模式的设备技术相似。

加速计用米/秒的平方(m/s)或G力(g)来计算加速。地球上的一G力,等于地球引力(9.81m/s)。因为加速度计只测量加速度,所以当加速度变为常数或者换句话说就是达到零时,它就记录为零。仅举一个例子,想象一下,一名100米短跑运动员的最高速度。虽然他们的移动速度大约是40km/h(最高速度),但是前进加速度可能是零。在了解加速度计能做和不能做的事情时,这个概念很重要。

三轴式加速度计记录三个垂直轴(x,y,z)的加速度(内侧,外侧,前后,垂直),从而生成数据。加速度计通过测量这些运动的频率和幅度(即它们发生的频率和幅度),就可以计算出运动员所暴露的总的“G力”,也就是所谓的“复合矢量幅度”。(33,41)随后,运动员在每次“碰撞”或“撞击”过程中所经历的总G力被归为不同的强度/区域——这将在“第二部分——变数和应用”中详细讨论。

虽然这项技术似乎太过复杂,但体育学家必须了解这一点,才能理解这种微型传感器(即装置)的问题,以及为什么需要其他微型运动传感器。

什麽是陀螺仪?

回转仪是一种利用地球重力来确定方向的仪器。常规的陀螺设计包括一个叫做转子的自由旋转圆盘,它安装在一个更大、更稳定的转轮中心的转轴上。转子在轴心转动时保持静止以表示地球的中心引力,或简单地把我们置于地球上,即“下降”。图1展示了传统的陀螺仪器,虽然它与可穿戴技术中的陀螺仪器有很大不同,但它的功能是让人们对设备更加熟悉,从而能够更好地了解传感器的工作。

那么为什么要有一个微型传感器?

前面已经说过,三轴加速度计可以测量三个不同垂直面(x,y,z)的矢量。虽然这个很有用,但是它不能测量角加速度。换言之,三轴加速度计无法检测旋转或倾斜,但陀螺仪却能检测。

另外一个例子是,尽管加速度计能够探测到运动员在内侧-外侧(x)、前后/矢状(z)和垂直(y)运动平面上的运动,但是在旋转/水平运动中却无法探测到任何运动。这就是陀螺所起的作用,这个微型的运动传感器可以评估旋转加速度,因此有可能加强对碰撞的探测。

说起来有点复杂,简单地说,可穿戴设备中集成的陀螺可以测量人体的三维旋转。欧拉角度测量垂直轴的转动,滚转角测量纵轴的转动,偏航角度测量横轴的转动。通过三维陀螺测量旋转力,可穿戴设备可以计算出特定运动中所有三个轴向的旋转加速度,例如:游泳、划水、转身、集体比赛如足球等,还有棒球等接触式运动中的击球。

所以本质上,这些可穿戴设备中包含的陀螺可以提供关于人体(运动员)在太空中旋转运动的重要信息。该数据可用于计算特定运动相关运动(如铲球和碰撞)的算法。

磁力计是什么?

简而言之,磁力计就是电子指南针。这款微型传感器可以利用地球的电磁脉冲探测“真正”的北方。严格地说,这些传感器有两个轴向:北(y)和东(x)。但由于它能识别“真正的”北方和东方,它的中心就能确定它的方向——也就是这个单位是朝上还是朝下。换言之,因为这些装置有两个轴线,一个轴线代表着“真的”北方,所以能够确定身体(运动员)在空间的方向。举例来说,当一个运动员摔倒或者面朝下躺在地上时,磁力仪就能提供运动员的方位(即,面朝下或面朝上)的数据。

磁力计与GPS装置组合成可穿戴设备,可以确定运动员在地球上的位置/方向,以及他们面对和/或移动的方向。这对于教练们来说尤其重要,他们可以使用实时分析,并希望通过电脑追踪运动员的动作。这个同样可以外推到热图上。

心搏监护仪,和之前讨论过的微型传感器不同,这些心率监测装置并不复杂,而且透明度也不高。通过简单的编程,这些微传感器就可以接收并记录缠绕在运动员胸部的心率数据传送带上。该数据存储在可穿戴的微型设备上,并通过扩展口连接后将其输入计算机。

"可穿戴技术"的有效性和可靠性

虽然可穿戴技术在运动中的应用是一个新的概念,目前在大多数专业运动领域中都受到 高度重视,但是在设备的有效性和可靠性方面还存在一些问题。

目前,美国全球定位系统(GPS)是地球上唯一一个功能完备的全球卫星导航系统。现在有24个全球定位系统的卫星,环绕地球飞行约11,000海里,每一个都像运动员所佩戴的那样,向运动员发送回信号。通过传送信息,卫星可以确定:定位、速率、定向、距离。

各种型号的GPS具有不同的技术特点,这意味着一些GPS可以连接更多的卫星,而且与其它卫星的连接也更紧密。能连上更多卫星、连通能力更强的装置通常能提供更精确的数据。这种信号的强度也会受到城市周围茂密的树叶和茂密的树木、高楼和体育场等环境的影响。

举例来说,在体育馆和室内运动场地使用GPS系统可能会减少可利用的卫星数量,从而影响数据传输。这种干扰会影响卫星与GPS装置之间的信号传输,造成数据“丢失”。

在体育领域,任何领先的可穿戴技术制造商都会使用这个软件吗?所以,在城市、运动馆或树木茂密的地区使用GPS系统可能会降低数据的可靠性,所以建议您尽量谨慎。

无须赘述,卫星的几何形状也会影响GPS定位的准确性。这种影响叫做精确几何稀释(GDOP)。通常,GPS接收器通过报告“精确位置稀释”来报告卫星几何形状的质量。对于一些设备,通常可以通过查看PDOP值来检查接收器(即GPS装置)目前使用的卫星配置的质量。低精确度表示高精确度,高值表示低精确度,低精确度表示低精确度。但就我们所知,用来监控运动表现的GPS市售设备不允许教练决定这个精度,这就说明这个特性是必要的。

就我们所知,在与可穿戴技术领域的几位研究专家以及一些主要的技术生产商进行接触后(没有作出回应),似乎没有公开证明这些传感器的有效性和/或可靠性。这就引起了人们对数据量化的担忧。

令人困扰的是,虽然没有研究来检查陀螺的有效性和可靠性,但已经证明,把陀螺和加速计数器结合起来可以提高2-14%的分类精度。说明陀螺综合数据处理方法能够提高计算结果的准确性。另外,人们还建议在生物力学研究中,经常在每个肢体上放置加速度计和陀螺仪,这样可以提高结果的精确度,而不仅仅是把一个单位放在背部的中央。充分认识到这个概念会在训练或比赛中产生实际问题,但只强调这些问题,以及实现这种高性能实践所需的技术开发需求。

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