一种针对滑雪运动的远程实时监测系统及方法

1.本发明属于滑雪运动员数据采集技术领域，具体为一种针对滑雪运动的远程实时监测系统及方法。


背景技术：

2.滑雪运动员的运动表现会受到天气、身体状态、滑雪技能、雪道情况和场地地理环境等因素的影响，而通常教练员不能凭借肉眼观察直接获取当前所有运动员全程的训练状态、技术动作等信息，例如，越野滑雪训练，由于训练场地较大，运动员训练人数较多，教练员无法实时观测到每一位运动员的训练状态，所以教练员就无法实时地为滑雪运动员提供专业的指导意见，因此，为教练员提供运动员训练全程实时、量化的数据显得极其重要。目前，大多数的针对体育运动的可穿戴式传感器都是将数据保存在存储芯片中，保存在存储芯片中或者通过蓝牙短距离直接传输至终端；训练完毕后，再将数据导出，通过软件进行分析对比并生成技术报告。本发明利用网络通信技术设计了一种针对滑雪运动的远程实时训练监测系统及方法，从而实现传感器数据和视频图像数据实时传输展示以及专业运动数据分析功能。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决现有针对运动员的可穿戴式传感器无法实现实时数据传输的技术问题，提供了一种针对滑雪运动的远程实时监测系统及方法。
4.本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种针对滑雪运动的远程实时监测系统，包括无人机、定点摄像机、高清视频采集卡、可穿戴传感器系统、服务器端和pc端，无人机的遥控器hdmi接口和定点摄像机的hdmi接口均连接至高清视频采集卡，高清视频采集卡连接至pc端，pc端通过网络通信将无人机和定点摄像机的视频数据推流至服务器端进行存储或拉流；可穿戴传感器系统通过蓝牙通信连接至智能手机客户端，智能手机客户端通过网络通信将传感器数据传输至服务器端存储，服务器端通过网络通信将无人机和定点摄像机的视频数据以及传感器数据发送到pc端进行实时展示以及后期同步。本发明所述实时检测系统包括数据采集、数据传输和存储、数据展示三个阶段。首先通过可穿戴传感器系统、无人机、定点摄像机采集包括运动员的运动轨迹、速度、心率、血氧、高度和视频图像等数据信息，可穿戴传感器系统所采集的传感器数据再通过蓝牙的方式传输至智能手机客户端，智能手机客户端再通过移动网络传输至服务器端，无人机和摄像机的视频图像数据通过高清视频采集卡传输至，通过网络传输至服务器端存储，服务器端再将所有数据传输至pc端的软件进行展示。
5.优选的，可穿戴传感器系统包括传感器集成模块、微控制单元、能源管理电路和蓝牙通信模块，传感器集成模块连接至微控制单元的输入端，蓝牙通信模块连接至微控制单元的输出端，能源管理电路分别连接至传感器集成模块、微控制单元和蓝牙通信模块；传感器集成模块中集成有全球定位系统、惯性测量单元、心率血氧传感器和气压传感器。能源管
理电路为传感器集成模块、微控制单元和蓝牙通信模块供电，传感器集成模块将各传感器集成后，连接至微控制单元的输入端，传感器集成模块将检测到的各种传感器数据传输至微控制单元，微控制单元再通过蓝牙通信模块将传感器数据传输至智能手机客户端。
6.优选的，传感器集成模块中的全球定位系统和惯性测量单元采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，卡尔曼滤波算法的公式如下：
7.1)预测：
8.①
先验：
9.②
先验误差协方差：
10.2)校正：
11.③
卡尔曼增益：
12.④
后验估计：
13.⑤
更新误差协方差：
14.通常全球定位系统的数据进度会随着时间降低，这是由无线信道阴影效应、多径效应和信号衰减等物理现象造成的，为了获得滑雪运动员高速滑行时的准确轨迹，故采用状态误差卡尔曼滤波算法进行数据融合。卡尔曼滤波算法为现有算法。
15.本发明解决其技术问题还提供了一种针对滑雪运动的远程实时监测方法，是基于本发明所述的一种针对滑雪运动的远程实时监测系统实现的，包括以下步骤：
16.步骤一、在训练场关键点布置定点摄像机，将可穿戴传感器系统固定在运动员身上，打开智能手机客户端，蓝牙连接可穿戴传感器系统，启动无人机并设定为自动跟拍模式，运动员开始训练；
17.步骤二、训练过程中，可穿戴传感器系统、无人机、定点摄像机进行数据实时传输：可穿戴传感器系统监测运动员的运动参数后通过蓝牙通信将运动参数实时传输至智能手机客户端，智能手机客户端通过网络通信将运动参数传输至服务器端存储，服务器端通过网络通信将运动参数实时传输至pc端进行展示；无人机对运动员自动跟拍，无人机拍摄的视频图像通过图传技术传输到无人机的遥控器，遥控器通过hdmi接口再将视频图像数据传输到高清视频采集卡，高清视频采集卡将视频图像数据传输至pc端，在pc端使用obs软件对无人机的视频图像数据打时间戳并进行推流，之后pc端再将处理好的视频数据通过网络通信推流至服务器端进行存储或拉流，服务器端通过网络通信将无人机的视频数据实时传输至pc端进行展示；定点摄像机通过hdmi接口将拍摄到的视频图像传输到高清视频采集卡，高清视频采集卡将视频图像数据传输至pc端，在pc端使用obs软件对定点摄像机拍摄的视频图像数据打时间戳并进行推流，之后pc端再将处理好的视频图像数据通过网络通信推流至到服务器端进行存储或拉流，服务器端通过网络通信将无人机的视频数据实时传输至pc端进行展示；
18.步骤三、对无人机的视频图像、定点摄像机的视频图像以及可穿戴传感器系统监测的运动参数进行同步回放，pc端采用ocr技术识别时间戳，pc端通过软件分别读取运动参数的开始记录时间为t1、无人机视频图像的开始时间为t2以及定点摄像机视频图像的开始
时间为t3，如果t2大于t3，则判断t3是否大于t1，若是则以t1为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数，若否则以t3为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数；如果t2不大于t3，则判断t2是否大于t1，若是则以t1为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数，若否则以t2为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数。
19.通过上述方法不仅在pc端能实现无人机的视频图像、定点摄像机的视频图像以及可穿戴传感器系统监测的运动参数实施展示，而且还能在pc端回放时实现数据同步，上述方法给出了数据同步的方法，即通过obs软件打时间戳、通过ocr识别时间、然后通过步骤三中的方法，实现数据同步。
20.本发明的有益效果是：所述系统结构简单，操作方便，基于所述系统实现的本发明所述的实时监测方法保证教练员能够直接获得所有运动员的训练状态、技术动作等数据信息，运动员运动过程中的视频和传感器数据能够实现同步，进而能够为每一位运动员提供专业并且有针对性的指导意见；通过本发明所述系统和方法能够为教练提供运动员全方位的运动数据。
附图说明
21.图1为本发明所述一种针对滑雪运动的远程实时监测系统的结构示意图。
22.图2为本发明所述可穿戴传感器系统的结构示意图。
23.图3为本发明所述传感器数据采集及传输流程示意图。
24.图4为本发明所述无人机视频图像数据采集及传输流程示意图。
25.图5为本发明传感器数据与视频数据同步流程图。
具体实施方式
26.参照图1
‑
图5，对本发明所述的一种针对滑雪运动的远程实时监测系统及方法进行详细说明。
27.一种针对滑雪运动的远程实时监测系统，如图1所示，包括无人机、定点摄像机、高清视频采集卡、可穿戴传感器系统、服务器端和pc端，无人机的遥控器hdmi接口和定点摄像机的hdmi接口均连接至高清视频采集卡，高清视频采集卡通过usb接口连接pc端，pc端通过网络通信将无人机和定点摄像机的视频数据推流至服务器端进行存储或拉流；如图2所示，可穿戴传感器系统通过蓝牙通信连接至智能手机客户端，智能手机客户端通过网络通信将传感器数据传输至服务器端存储，可穿戴传感器系统包括传感器集成模块、微控制单元、能源管理电路和蓝牙通信模块，传感器集成模块连接至微控制单元的输入端，蓝牙通信模块连接至微控制单元的输出端，能源管理电路分别连接至传感器集成模块、微控制单元和蓝牙通信模块；传感器集成模块中集成有全球定位系统、惯性测量单元、心率血氧传感器和气压传感器；传感器集成模块中的全球定位系统和惯性测量单元采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，卡尔曼滤波算法的公式如下：
28.1)预测：
29.①
先验：
30.②
先验误差协方差：
31.2)校正：
32.③
卡尔曼增益：
33.④
后验估计：
34.⑤
更新误差协方差：
35.服务器端通过网络通信将无人机和定点摄像机的视频数据以及传感器数据发送到pc端进行实时展示以及后期同步。本发明所述实时检测系统包括数据采集、数据传输和存储、数据展示三个阶段。首先通过可穿戴传感器系统、无人机、定点摄像机采集包括运动员的运动轨迹、速度、心率、血氧、高度和视频图像等数据信息，可穿戴传感器系统所采集的传感器数据再通过蓝牙的方式传输至智能手机客户端，智能手机客户端再通过移动网络传输至服务器端，无人机和摄像机的视频图像数据通过高清视频采集卡传输至，通过网络传输至服务器端存储，服务器端再将所有数据传输至pc端的软件进行展示。该系统中，用于传输视频图像数据的pc端和最终用于展示各数据的pc端可以是同一台电脑，也可以是两台不同的电脑。
36.本发明解决其技术问题还提供了一种针对滑雪运动的远程实时监测方法，是基于本发明所述的一种针对滑雪运动的远程实时监测系统实现的，包括以下步骤：
37.步骤一、在训练场关键点布置定点摄像机，将可穿戴传感器系统固定在运动员身上，打开智能手机客户端，蓝牙连接可穿戴传感器系统，启动无人机并设定为自动跟拍模式，运动员开始训练；
38.步骤二、训练过程中，可穿戴传感器系统、无人机、定点摄像机进行数据实时传输，如图3所示，智能手机客户端通过蓝牙通信获取并解析可穿戴传感器系统采集的字节流数据，再通过4g网络传输到服务器，服务器端使用mybatis技术将数据持久化存储到数据库中，并将字节流数据转化为json格式传输至pc前端界面展示，其中，服务器端采用javaspringboot、mysql技术管理和连接在线的数据库，并使用springboot框架对数据进行维护，pc端软件使用sokcet技术实时获取服务器端中的数据；无人机对运动员自动跟拍，无人机拍摄的视频图像通过图传技术传输到无人机的遥控器，遥控器通过hdmi接口再将视频图像数据传输到高清视频采集卡，高清视频采集卡将视频图像数据传输至pc端，在pc端使用obs软件对无人机的视频图像数据打时间戳并进行推流，之后pc端再将处理好的视频数据通过网络通信传输到服务器端进行存储或拉流，服务器端通过网络通信将无人机的视频数据实时传输至pc端通过软件进行展示，如图4所示；定点摄像机通过hdmi接口将拍摄到的视频图像传输到高清视频采集卡，高清视频采集卡将视频图像数据传输至pc端，在pc端使用obs软件对定点摄像机拍摄的视频图像数据打时间戳并进行推流，之后pc端再将处理好的视频图像数据通过网络通信传输到服务器端进行存储或拉流，服务器端通过网络通信将无人机的视频数据实时传输至pc端通过软件进行展示；将训练场地形通过无人机扫描，建模切片；利用cesium技术加载三维地图模型并覆盖原有的卫星三维地图地形，pc端通过软
件将定点摄像机的位置标记在训练场的三维地图中；通过pc端软件查看运动员当前位置、运动轨迹、运动速度、加速度、实时心率、最大心率、血氧含量、训练时长、训练圈数和运动视频图像；
39.步骤三、对无人机的视频图像、定点摄像机的视频图像以及可穿戴传感器系统监测的运动参数进行同步回放，如图5所示，pc端采用ocr技术识别时间戳，pc端通过软件分别读取运动参数的开始记录时间为t1、无人机视频图像的开始时间为t2以及定点摄像机视频图像的开始时间为t3，如果t2大于t3，则判断t3是否大于t1，若是则以t1为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数，若否则以t3为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数；如果t2不大于t3，则判断t2是否大于t1，若是则以t1为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数，若否则以t2为起始时间同步回放无人机的视频图像数据、定点摄像机的视频图像数据以及可穿戴传感器系统监测的运动参数；pc端按照所选运动员的训练时间段生成训练技术报告、对具体运动员的多次训练数据进行对比生成训练技术报告、对多名运动员的多次训练数据进行对比生成训练技术报告；pc端通过软件以excel格式导出存储在服务器端的可穿戴传感器系统监测运动员的运动参数。
40.以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。