一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的制作方法

1.本实用新型涉及举重动作分析系统技术领域，具体为一种基于光学与惯性的举重动作分析系统。


背景技术：

2.举重动作分析系统用于专业举重训练的自动化动作量化、数字化分析系统，对举重训练具有关键指标实时反馈并与以往数据实时对比分析的功能，可为判断运动员当前力量与技术状态提供客观依据，为提高训练质量、减少过载损伤提供有效保障。而体育数据分析产业目前主要集中于多人项目的得分与战术等信息统计，少量使用计算机视觉的单人运动分析系统集中于运动视频编辑功能，未获取准确数据并结合运动学分析。并且按帧分解运动对实际教练指导工作量加大，教练需要对每帧投以相同的注意力来观察动作变化；时序标注关键点来绘制轨迹实则是用户在视频上绘图而不是真正的关键点跟踪显示，绘制出的曲线和真实轨迹差别较大；采用传统动作捕捉分析系统需要经过三维定标、三维拍摄、动作数字化、关键数据撷取、分析统计等步骤，这些步骤均需要专业人员介入操作完成，数据精度一般只达厘米级，且需要一两天才能反馈测试分析结果，无法实现实时分析对比，弱化了动作分析对训练的辅助意义。为此，提出一种基于光学与惯性的举重动作分析系统。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术方案的不足，本实用新型提供一种基于光学与惯性的举重动作分析系统，能有效的解决背景技术提出的问题。
4.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种基于光学与惯性的举重动作分析系统，包括结构主体，所述结构主体包括底座及设于底座上的机箱，所述底座的外侧设有带移动轮的框架，所述机箱的一侧设有连接于底座上的定位装置，所述定位装置与机箱连接，所述机箱内置有计算机主机且机箱上方还设有连接计算机主机的操控显示屏；
6.所述定位装置包括成像采集机构、惯性传感器及射频模块，所述成像采集机构包括脚架、第一近红外相机模块、第二近红外相机模块及可见光相机模块，所述第一近红外相机模块、可见光相机模块、第二近红外相机模块由上至下依次设置，且第一近红外相机模块、可见光相机模块、第二近红外相机模块均与计算机主机连接，所述第一近红外相机模块、第二近红外相机模块均包括红外广角镜头、红外窄带滤镜、图像传感器及输出模块；
7.所述惯性传感器与射频模块电连接，所述惯性传感器包括惯性测量单元、气压高度计及红外主动发光标记单元；所述输出模块包括光学跟踪速度输出单元及光学跟踪位置输出单元；
8.所述计算机主机包括、姿态解算卡尔曼滤波器、比力坐标变换模块、位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器。
9.特别的，所述定位装置垂直设于底座上，所述底座与机箱固定连接，且机箱与操控
显示屏之间具有倾斜角度，所述机箱一侧还设有抽屉。
10.特别的，所述惯性传感器内还包括陀螺仪及加速度计，所述惯性传感器、陀螺仪分别与所述姿态解算卡尔曼滤波器连接，所述加速度计依次连接比力坐标变换模块、位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器。
11.特别的，所述气压高度计、光学跟踪速度输出单元、光学跟踪位置输出单元均与所述位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器连接。
12.特别的，所述第一近红外相机模块与第二近红外相机模块呈上下对称方式设置，所述第一近红外相机模块、第二近红外相机模块与红外主动发光标记单元连接。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
14.本实用新型的一种基于光学与惯性的举重动作分析系统，是专业的举重杠铃轨迹分析设备，通过运动传感器、精确定位传感器、高度传感器和双红外相机、视频相机实现动作运动轨迹和图像捕捉，精度达到亚毫米级；系统捕抓和分析的数据包括：最大提铃速度、最大高度、接铃高度、前偏距离、后偏距离、预蹲深度、最大上挺速度、最大上挺高度、接铃高度、上挺水平位移、上挺最大偏移等十一个关键数据；该系统高度自动化，开机即用，使用方便，使用训练时只需要输入运动员姓名和杠铃重量，系统会自动识别抓举、挺举，自动跟踪举重动作的开始和结束，自动完成运动轨迹的捕捉，数据分析并入库且自动与以往数据进行对比分析；该系统根据专业教练的指导，增加了高抓和高翻挺的动作捕捉和分析功能；该系统不但能在训练时实时反映运动员的力量与技术状态，还提供任意两个动作的相互对比功能，有运动员不同时间段的数据对比、任意两个运动员的动作对比，结合图像、曲线、数值给出相当直观、量化的对比画面及场景，为教练员提供方便简捷的技术对比手段，为训练的阶段性总结和训练效果的检验、训练计划的制订提供数字化的依据；该系统提供阶段性训练效果统计对比分析功能，用以判断阶段性训练效果及趋势，比如对比运动员夏训与冬训期间力量与技术的变化情况等；该系统可以连接手机操作，操作时不必守在设备旁边，可通过手机或pad录入受试者的姓名及试举重量，方便教练员随时观察训练状态。系统显示屏亦可无线投屏到电视大屏，为运动员和教练员提供点对点的慢动作回放及多方位多方式观察运动员动作数据；该系统可以导出各个数据的时间曲线数据，直观地显示运动员的训练状态变化趋势。系统的特点是高度自动化，简单易用，可由教练员和运动员自行操作，动作捕捉过程不需要专业人员介入，采集开始与结束均由系统自动控制，系统自动分辨抓举与挺举动作，自动判断采集数据的有效性并自动入库，自动与过往数据进行对比分析，结果自动显示在屏幕上。本系统通过高度自动化设计，简化了专业动作技术捕捉量化分析过程，实现了关键指标的实时对比分析反馈，使教练员能自行操作动作分析系统并根据结果实时调整训练计划，提高动作分析对举重训练的辅助效率。
附图说明
15.图1为本实用新型一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的整体结构示意图；
16.图2为本实用新型一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的内部结构示意图；
17.图3为本实用新型一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的惯性传感器结构示意图；
18.图4为本实用新型一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的近红外相机结构示
意图；
19.图5为本实用新型一种基于光学与惯性的举重动作分析系统的系统原理框架结构示意图。
20.图中标号：
21.1、底座；2、框架；3、机箱；4、定位装置；5、操控显示屏；6、计算机主机；7、脚架；8、第一近红外相机模块；9、第二近红外相机模块；10、可见光相机模块；11、抽屉；12、射频模块；13、惯性测量单元；14、气压高度计；15、红外主动发光标记单；16、红外广角镜头；17、红外窄带滤镜；18、图像传感器。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1-5所示，本实用新型提供了一种基于光学与惯性的举重动作分析系统，包括结构主体，所述结构主体包括底座1及设于底座1上的机箱3，所述底座1的外侧设有带移动轮的框架2，所述机箱3的一侧设有连接于底座1上的定位装置4，所述定位装置4与机箱3连接，所述机箱3内置有计算机主机6且机箱3上方还设有连接计算机主机6的操控显示屏5；
24.所述定位装置4包括成像采集机构、惯性传感器及射频模块12，所述成像采集机构包括脚架7、第一近红外相机模块8、第二近红外相机模块9及可见光相机模块10，所述第一近红外相机模块8、可见光相机模块10、第二近红外相机模块9由上至下依次设置，且第一近红外相机模块8、可见光相机模块10、第二近红外相机模块9均与计算机主机6连接，所述第一近红外相机模块8、第二近红外相机模块9均包括红外广角镜头16、红外窄带滤镜17、图像传感器18及输出模块；
25.所述惯性传感器与射频模块12电连接，所述惯性传感器包括惯性测量单元13、气压高度计14及红外主动发光标记单元15；所述输出模块包括光学跟踪速度输出单元及光学跟踪位置输出单元；
26.所述计算机主机6包括、姿态解算卡尔曼滤波器、比力坐标变换模块、位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器。
27.本实施例系统组成，定位系统由两个高帧率近红外相机、一个可见光相机、一个惯性传感器和一个射频接收器组成。惯性传感器器由一个6自由度惯性测量量单元、一个红外发光标记、一个气压高高度计和一个射频模块12组成，并采用多传感器器数据融合，定位数据来自自以下子子系统：
28.a.60hz双相机光学三维定位数据；
29.b.250hz惯性传感器器姿态、速度数据；
30.c.40hz气气压高高度计数据。
31.进一步说明的是，所述定位装置4垂直设于底座1上，所述底座1与机箱3固定连接，且机箱3与操控显示屏5之间具有倾斜角度，所述机箱3一侧还设有抽屉11。
32.进一步说明的是，所述惯性传感器内还包括陀螺仪及加速度计，所述惯性传感器、
陀螺仪分别与所述姿态解算卡尔曼滤波器连接，所述加速度计依次连接比力坐标变换模块、位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器；
33.所述惯性测量单元13为6自由度惯性检测单元，且采样率不小于1000hz，采用四子样补偿算法降采样至250hz，由2.4ghz射频模块12与计算机主机6连接，实时发送加速度、角速度和垂直速度数据，由计算机主机6进行姿态和速度解算。
34.进一步说明的是，所述气压高度计14、光学跟踪速度输出单元、光学跟踪位置输出单元均与所述位置卡尔曼滤波器及速度卡尔曼滤波器连接；
35.所述定位装置4的光学定位采用850nm近红外波段，红外相机内置的850nm窄带滤波器去除环境光干扰；
36.光学定位的输出最后与惯性传感器的输出使用卡尔曼滤波器融合，输出250hz的高采样率运动数据。
37.进一步说明的是，所述第一近红外相机模块8与第二近红外相机模块9呈上下对称方式设置，所述第一近红外相机模块8、第二近红外相机模块9与红外主动发光标记单元15连接；
38.所述第一近红外相机模块8、第二近红外相机模块9与所述可见光相机模块10快门同步，并提供60hz的可见光同步采集影像，其中第一近红外相机模块8、第二近红外相机模块9通过相机的标定算法获得内参数和外参数矩阵，再通过检测传感器发出的红外标记光斑计算三维坐标。
39.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。