研究目的:传感器及惯性测量单元、视频设备等在体育训练和科学研究中已经得到广泛应用。加速度传感器可以用于体育动作的力量强度、力量密度和力量效率、动作的技术特征和相关数据的测量和计算,也被用于运动损伤和康复研究、机能监控等场景;惯性测量单元可以进行运动姿态识别和姿态时空参数的测量;视频技术和设备广泛应用在裁判和体育媒体方面,在体育训练和科学研究的视频回放、技术动作的定性观察和定量分析、战术数据的统计与分析方面、运动损伤和康复研究、运动机能监控等场景,以及大众体育和健身也实现了广泛应用。如果能够实现多个传感器数据和视频信息的精确的同步采集与分析,则能够相互弥补二种技术在使用中的不足,更大地发挥两种技术和设备优势,达到同步采集多个不同类型和不同结构的训练和研究数据的目的,例如:力量数据和技术动作的视频的同步获取和分析。文献研究表明,现有的传感器和视频的多设备同步采集和分析技术,是基于时钟或者同步信号进行同步的,同步的精度受到设备内及设备间时钟基准的影响,需要同步的设备的同步启动和停止也没有完全实现自动化。研究方法:本研发针对以上需求和问题,提出了研发多个传感器节点和多个视频设备同步采集运动数据和视频的目标。研制了加速度传感器、陀螺仪、磁力计和压力传感器构成的传感器节点。在大量文献研究的基础上,根据体育领域各类型训练和研究的需求,在综合考虑高精度测量的成本和实用性之间的平衡后,确定了加速度值的常用测量量程和极端情况下的量程,以及传感器节点采样频率、视频采集帧频和二者的同步精度等主要技术指标。基于IEEE802.15.4标准,自主研发了无线传感器网络协议,并研制了脉冲同步器。在系统软件中,采用DirectShow技术开发了多路视频设备的同步功能,采用多线程和内存共享技术开发了多个传感器节点和多路视频设备同步功能。并研发了基于Andriod终端的App。研究结果:在网络协议的管理下,通过同步器,实现了至少5个传感器节点和2台视频设备的同步数据采集,传感器节点内的加速度传感器量程为±30g时,精度达到12mg,采样频率最高可达到100KHz;量程为±100g时,精度达到1%,采样频率为1Hz-1000Hz。传感器节点中的压力传感器的指标包括:量程范围为-100-100kPa,可以测量海拔高度和水下深度。海拔数据的测量指标为:高度测量范围:-420m-9000m,精度:≤20cm,采样频率在50Hz-1000Hz范围内可调;水深数据的测量指标为:深度测量范围:0-10m,精度:≤0.5m,采样频率在50Hz-200Hz范围内可调。单个传感器节点中的加速度传感器和压力计的测量精度经过具有检测检验资质的专业实验室校准,节点中还包括陀螺仪和测力计。经过测试的视频设备接口类型包括GigE接口和USB接口,采集帧频在24帧/秒至120帧/秒范围内可调,48帧/秒时的分辨率为1920(H)×1200(W),120帧/秒时的分辨率为656(H)×492(W)。在目前缺乏普遍认可的校准和检测方法,也没有经过认证的专业检测机构的情况下,本研发设计了多个传感器节点之间的同步精度、以及传感器和GigE接口视频设备之间的同步精度的检测方法,对系统的同步精度进行了检测。传感器节点与视频设备的同步精度可以达到10毫秒。基于PC的系统软件具有设置设备工作参数、控制同步启动和采集、同步播放数据和视频功能、对数据和视频进行分析功能、管理测试文件及数据文件和有关信息等。在APP中,可以获取和显示传感器节点中的加速度、陀螺仪和磁力计、压力计采集的数据。研究结论:以游泳、铅球、乒乓球、自由搏击等项目中的动作,以及蹬车、跑步、纵跳、爬绳等动作为实例,利用本研发系统进行加速度数据和视频同步采集的测试,并以蹬车动作为例,说明了测试结果,讨论了技术特征的分析方法,包括:动作强度、动作频率、动作速率、双侧四肢动作的对称性,加速度特征值与视频特征帧的联合分析等。系统可以为体育训练和科学研究提供了一种新的多源异构的传感器数据和视频信息同步采集和分析的技术手段。