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【摘 要】开发一套三轴向加速度传感器系统，专门用于人体三维空间技术运动的研究。该系统由下位机和上位机两部分组成，其中下位机部分由加速度传感器、传感器拾取单元、数据处理单元和无线传输模块构成，上位机部分由计算机终端和数据处理分析软件构成。该系统实现了四通道同步采集加速度数据，可对运动员的肢体关节、运动器械等研究标记点进行XYZ三轴向加速度特征值的采集与分析。
【关键词】人体空间运动；三轴加速度传感器；
一、引言
传感器系统作为一种重要的工具已经广泛应用于工业生产、科学研究等领域。在体育科研领域，由于人体运动的复杂性导致传统的传感器系统应用较少，通常需要针对不同研究进行有针对性地开发与试验。运动技术分析作为体育科研工作的重要一环，一直以来均采用视频解析的方式进行研究，而视频解析通常较为耗时，人工量较大，完成分析结果后运动员对当时的技战术记忆已经产生模糊，反馈效果不佳，因此，我们选用三轴加速度传感器作为运动技术分析的重要工具，并对相关设备进行设计和开发，使其满足人体运动研究的需要。
二、研究内容
（一）系统下位机的设计与研制。基于传感器的采集与传输处理原理，对系统下位机的硬件电路进行设计、安装和调试，下位机主要硬件电路由单片机、无线传输模块、电源管理模块、聚合物锂电池电量监测、加速度传感器及其拾取单元、数据处理单元构成，并根据项目实际应用特点对相关模块进行优化。
（二）系统上位机的设计与实现。依据下位机数据传输规范，开发一套集数据采集、数据分析和数据输出的上位机程序软件，系统软件可实时监控、控制下位机数据的采集信息，并自动生成多平面及合方向计算分析数据，满足杠铃深蹲技术动作研究的需要。
（三）利用加速度传感器对杠铃深蹲技术的动作特征进行研究。根据杠铃深蹲训练的特点，通过三轴加速度传感器的采集方法，结合不同竞赛项目的技战术特点，对其杠铃深蹲技术动作特征进行研究，并且依据实际研究应用情况对系统的设计结构、采集与分析算法等进行优化。
三、研究过程
（一）系统下位机设计
下位机部分作为一个完整的检测系统，由采样部分、监测部分、保护部分、通讯部分构成（如图1所示）。采样部分由传感器及其拾取单元、数据处理模块构成，通讯部分由无线传输模块的发送端与接收端组成，监测与保护部分分别由聚合物锂电池电量监测模块、电源管理模构成。采样负责实时监测加速度传感器输出信号并采样，对采样信号进行模/数转换、数字滤波、先入先出处理后，再由主控芯片（即MCU）对数字信号进行处理计算，生成加速度数据和电池电量信息并打包，按照循环发送方式经通讯部分实时发送给上位机。
（二）系统上位机设计
传感器系统上位机主要由计算机基站及运行于计算机基站之上的数据分析软件组成，根据处理流程划分为六个程序执行部分，分别为数据接收、数据转换、图形与数值显示、业务分析、数据输出、数据导入。
1、数据接收程序。主要用于接收下位机循环发送的数据包，参照下位机无线传输模块数据发送规范和数据包结构，对于不符合通讯规范的数据包执行丢弃操作，符合通讯规范的数据包则交由数据转换程序处理。
2、数据转换程序。根据已接受的数据包依照数据包结构规范提取XYZ三轴加速度数据及电量参数，存储于上位机缓存中。
3、图形与数值显示程序。将存储于上位机缓存中的加速度和电量参数以时间/数值曲线图形的形式显示于上位机软件界面中，并且在界面中以数字形式同步显示瞬时对应参数数值。
4、數据输出程序。在执行图形与数字显示程序同时，将缓存中数据以TXT文本文件的形式同步顺序存入磁盘空间中，直至接收操作结束。
5、数据导入程序。将存储于磁盘空间中的TXT格式数据文件导入到数据处理分析软件中，导入过程按照文本特定格式执行，存储于上位机缓存中。
6、业务分析程序。在执行完数据导入程序后，将存储于缓存中的数据按照运动技术分析的业务需求生成相关运动学和动力学参数，并以图表的形式显示于用户界面中，同时根据用户选择的业务分析选项，按照预置的业务处理类将计算结果反馈给用户。
四、研究成果
基于项目的应用需求和系统的前期技术架构设计，我们完成了三轴加速度传感器系统的下位机和上位机部分的整体开发，并在杠铃深蹲技术动作特征分析领域进行了实验性应用。传感器系统基本达到了设计目标，能够通过无线传输的方式完成XYZ三轴向加速度数据的采集，并且根据运动技术研究的需要，通过系统上位机预置分析算法，对采集后的数据自动生成多种分析图表和报告，为研究人员分析技术动作特征，找出解决方案提供科学依据。
五、系统应用情况
三轴加速度传感器系统自完成开发后，主要在速度滑冰和举重两个项目上进行了实验性应用，相关设备和软件均满足科研工作的需要。项目组在实验过程中积累了大量的设备使用和数据分析的工作经验。基于该项目的研究，下一步的工作将主要放在提高设备性能和功能参数，为今后开展更加复杂的运动技术分析工作提供有力工具。
参考文献：
[1]陈功. 基于三轴加速度传感器的跌倒检测技术的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2013.4-68.
[2]刘耀荣，周里.不同负荷杠铃阻力训练过程中人体功率输出特征研究[J].西安体育学院学报，2011（4）：498-503.
黑龙江省属科研院所自拟课题，课题编号：HTK201301
【关键词】人体空间运动；三轴加速度传感器；
一、引言
传感器系统作为一种重要的工具已经广泛应用于工业生产、科学研究等领域。在体育科研领域，由于人体运动的复杂性导致传统的传感器系统应用较少，通常需要针对不同研究进行有针对性地开发与试验。运动技术分析作为体育科研工作的重要一环，一直以来均采用视频解析的方式进行研究，而视频解析通常较为耗时，人工量较大，完成分析结果后运动员对当时的技战术记忆已经产生模糊，反馈效果不佳，因此，我们选用三轴加速度传感器作为运动技术分析的重要工具，并对相关设备进行设计和开发，使其满足人体运动研究的需要。
二、研究内容
（一）系统下位机的设计与研制。基于传感器的采集与传输处理原理，对系统下位机的硬件电路进行设计、安装和调试，下位机主要硬件电路由单片机、无线传输模块、电源管理模块、聚合物锂电池电量监测、加速度传感器及其拾取单元、数据处理单元构成，并根据项目实际应用特点对相关模块进行优化。
（二）系统上位机的设计与实现。依据下位机数据传输规范，开发一套集数据采集、数据分析和数据输出的上位机程序软件，系统软件可实时监控、控制下位机数据的采集信息，并自动生成多平面及合方向计算分析数据，满足杠铃深蹲技术动作研究的需要。
（三）利用加速度传感器对杠铃深蹲技术的动作特征进行研究。根据杠铃深蹲训练的特点，通过三轴加速度传感器的采集方法，结合不同竞赛项目的技战术特点，对其杠铃深蹲技术动作特征进行研究，并且依据实际研究应用情况对系统的设计结构、采集与分析算法等进行优化。
三、研究过程
（一）系统下位机设计
下位机部分作为一个完整的检测系统，由采样部分、监测部分、保护部分、通讯部分构成（如图1所示）。采样部分由传感器及其拾取单元、数据处理模块构成，通讯部分由无线传输模块的发送端与接收端组成，监测与保护部分分别由聚合物锂电池电量监测模块、电源管理模构成。采样负责实时监测加速度传感器输出信号并采样，对采样信号进行模/数转换、数字滤波、先入先出处理后，再由主控芯片（即MCU）对数字信号进行处理计算，生成加速度数据和电池电量信息并打包，按照循环发送方式经通讯部分实时发送给上位机。
（二）系统上位机设计
传感器系统上位机主要由计算机基站及运行于计算机基站之上的数据分析软件组成，根据处理流程划分为六个程序执行部分，分别为数据接收、数据转换、图形与数值显示、业务分析、数据输出、数据导入。
1、数据接收程序。主要用于接收下位机循环发送的数据包，参照下位机无线传输模块数据发送规范和数据包结构，对于不符合通讯规范的数据包执行丢弃操作，符合通讯规范的数据包则交由数据转换程序处理。
2、数据转换程序。根据已接受的数据包依照数据包结构规范提取XYZ三轴加速度数据及电量参数，存储于上位机缓存中。
3、图形与数值显示程序。将存储于上位机缓存中的加速度和电量参数以时间/数值曲线图形的形式显示于上位机软件界面中，并且在界面中以数字形式同步显示瞬时对应参数数值。
4、數据输出程序。在执行图形与数字显示程序同时，将缓存中数据以TXT文本文件的形式同步顺序存入磁盘空间中，直至接收操作结束。
5、数据导入程序。将存储于磁盘空间中的TXT格式数据文件导入到数据处理分析软件中，导入过程按照文本特定格式执行，存储于上位机缓存中。
6、业务分析程序。在执行完数据导入程序后，将存储于缓存中的数据按照运动技术分析的业务需求生成相关运动学和动力学参数，并以图表的形式显示于用户界面中，同时根据用户选择的业务分析选项，按照预置的业务处理类将计算结果反馈给用户。
四、研究成果
基于项目的应用需求和系统的前期技术架构设计，我们完成了三轴加速度传感器系统的下位机和上位机部分的整体开发，并在杠铃深蹲技术动作特征分析领域进行了实验性应用。传感器系统基本达到了设计目标，能够通过无线传输的方式完成XYZ三轴向加速度数据的采集，并且根据运动技术研究的需要，通过系统上位机预置分析算法，对采集后的数据自动生成多种分析图表和报告，为研究人员分析技术动作特征，找出解决方案提供科学依据。
五、系统应用情况
三轴加速度传感器系统自完成开发后，主要在速度滑冰和举重两个项目上进行了实验性应用，相关设备和软件均满足科研工作的需要。项目组在实验过程中积累了大量的设备使用和数据分析的工作经验。基于该项目的研究，下一步的工作将主要放在提高设备性能和功能参数，为今后开展更加复杂的运动技术分析工作提供有力工具。
参考文献：
[1]陈功. 基于三轴加速度传感器的跌倒检测技术的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2013.4-68.
[2]刘耀荣，周里.不同负荷杠铃阻力训练过程中人体功率输出特征研究[J].西安体育学院学报，2011（4）：498-503.
黑龙江省属科研院所自拟课题，课题编号：HTK201301