基于沖浪動力學(xué)模型的實時反饋系統(tǒng)的研究

孫亦峰 劉穎

【摘要】本文根據(jù)沖浪運動特點，建立動力學(xué)的模型方程，實驗選取兩名現(xiàn)役的沖浪運動運動員，采用二維攝像機拍攝，利用圖像分析軟件，針對實時測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場糾正技術(shù)動作，提出在今后日常訓(xùn)練中需要加強的訓(xùn)練建議，達到實時反饋糾正的目的。

【關(guān)鍵詞】沖浪動力學(xué)；圓滾線；實時反饋

前言

國際帆聯(lián)（ISAF）2012年年中會議于意大利Stresa舉行，會議確定了2012年巴西里約熱內(nèi)盧奧運會航海比賽項目。國際帆聯(lián)理事會投票決定，風(fēng)箏沖浪（kiteboarding）將取代帆板（windsurfing）成為奧運會男女板類航海比賽項目[1]。所以目前研究沖浪實時反饋系統(tǒng)，利用科學(xué)研究所獲得數(shù)據(jù)和參數(shù)，實時地指導(dǎo)運動員進行訓(xùn)練，能夠達到更好地提高運動員技戰(zhàn)術(shù)水平，實現(xiàn)為國爭光的目的。

本文從理論角度來論述沖浪的動力學(xué)模型，并針對其中存在的摩擦阻力問題展開討論，而實驗環(huán)節(jié)選取兩名現(xiàn)役的沖浪運動員，采用二維攝像機拍攝，利用圖像分析軟件，針對實時測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場糾正技術(shù)動作，提出在今后日常訓(xùn)練中需要加強的訓(xùn)練建議，達到實時反饋糾正的目的。

一、沖浪運動的動力學(xué)模型

由牛頓第二定律及圓周運動的特點，能夠得到?jīng)_浪遠(yuǎn)動的動力學(xué)模型。

從附錄A中圓滾線運動方程的推導(dǎo)，可以得到?jīng)_浪運動具有等時性，其物理含義有兩點：首先，在豎直平面內(nèi)，從圓滾線的頂點A運動到圓滾線最低點0時，人和滑具組成的滑塊在所有的連接線上運動時，時間0T是最短的。證明如附錄B中所示。然后在同一水平線上A、B兩點，經(jīng)過0點時，不管用哪種線相連，最省時的是圓滾線。

由此可見在進行沖浪運動和滑板運動時，我們要盡量選擇圓滾線上運動。只有圓滾線在完成相同的路程所花的時間最少。這就需要運動員和教練員在訓(xùn)練和練習(xí)時掌握沖浪運動中的等時性的這一特點，為運動中取得優(yōu)異成績作出科學(xué)的決斷。但是自然界存在大量地摩擦阻力，需要對其進行討論。

二、沖浪運動中存在摩擦阻力的討論

由于摩擦阻力的存在，上述動力學(xué)方程變化為：

三、實驗分析

1.研究對象

選取2名XX省省隊的優(yōu)秀男子沖浪運動員為研究對象，受試者的年齡范圍19土4歲，身高范圍為163士3 cm，體重范圍為48士3 kg。

2.儀器放置

將SONY1080高速攝像機垂直放置在海上沖浪起點400 m處內(nèi)側(cè)距離30 m處，攝像機拍攝頻率為250 Hz，曝光時間為1/1000 s，攝像機三角架高度定為1.5 m。運動員依次進人鏡頭，在所獲得的錄像中選取至少有兩個完整復(fù)步的錄像進行解析，收集數(shù)據(jù)進行分析。

3.研究方法

在訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計的過程中，建立訓(xùn)練的衡量標(biāo)準(zhǔn)并對運動員的訓(xùn)練進行評價是必不可少的，我們使用索尼公司所研制的高速二維攝像機，對于海上訓(xùn)練的運動員，獲取在沖浪時實時水平速度和垂直速度，從而得到圓滾線上運動距離計算方法，以得到參照標(biāo)準(zhǔn)。

而為了提高運動員的技戰(zhàn)術(shù)水平，將分析所得的參數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)實時反饋給運動員，指導(dǎo)其做出及時地改進，這就需要建立一種方便有效的實時反饋方法。在沖浪項目中，因為運動員位置的不確定性，所以實時反饋不可能采用有線連接的方式，必須利用無線技術(shù)來實現(xiàn)，并要保證反饋信息傳輸?shù)募皶r性、穩(wěn)定性、通訊距離，這樣才能實現(xiàn)真正有效的反饋。

同時實時仿真平臺也是必要的。ZX2011系列三維仿真測試平臺中安裝有四只三維力傳感器，可以測量作用于臺面上的空間三維力（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）的動、靜態(tài)信息，根據(jù)計算機三維模型成像技術(shù)，經(jīng)過預(yù)測分析，可得到我們所需的數(shù)據(jù)。我們以X軸為水平方向，Y軸為垂直方向，Z軸為高度方向，其實驗的具體過程如下：

首先，采用高速二維攝像機，獲得運動在海上訓(xùn)練的實時影像數(shù)據(jù)；

然后，通過無線傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)實時傳送給ZX2011系列三維仿真測試平臺，獲取實時的三維方向受力的大小；

接著，利用計算機輔助分析軟件，融合各種數(shù)據(jù)，模擬人體行為，判斷該運動員現(xiàn)在是否處于正常狀態(tài)中，同時預(yù)測在當(dāng)前狀態(tài)下，運動員將會面臨的問題；

最后，根據(jù)當(dāng)前和預(yù)測的狀態(tài)，系統(tǒng)提出建議，實時的反饋給該運動員，及時調(diào)整動作。同時根據(jù)運動員習(xí)慣性的反應(yīng)，判斷該運動員不良姿勢和動作，及時提出改進意見。

4.研究結(jié)果

（一）沖浪角度及相關(guān)指標(biāo)

本文針對沖浪角度的研究選取的指標(biāo)有最大滑板夾角、風(fēng)箏夾角和相對扭度等。從圖1和2中可以看出：運動員2的最大滑板夾角最大而運動員1小于30度。運動員1的風(fēng)箏夾角大于30度而運動員2幾乎為0。運動員1的相對扭度為0.330而運動員2沒有明顯的差別。

（二）沖浪速度及相關(guān)指標(biāo)

速度指標(biāo)包括最大速度、最小速度、平均速度和速度損失率。平均速度表示運動員在一個復(fù)步中的平均水平速度，速度損失率為一個復(fù)步中的最高速度與最低速度的差值占平均速度的百分?jǐn)?shù)。在表1中可以看出：運動員的最大速度和最小速度的差值較大，從而導(dǎo)致運動員普遍出現(xiàn)速度損失率較大的現(xiàn)象，尤其是運動員2速度損失率最為嚴(yán)重為48.66%。

（三）身體位移及相關(guān)指標(biāo)

身體位移指標(biāo)包括水平位移、垂直位移和上下位移。他們分別表示單位時間內(nèi)身體重心在水平、垂直和上下方向的位移。在表2中我們可以發(fā)現(xiàn)：運動員2各項位移較大，而運動員1沒有明顯的差異。

可見，我們利用ZX2011系列三維仿真測試平臺，與高速攝影分析結(jié)果進行了對比分析，對比結(jié)果證明數(shù)字沖浪系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、反饋實時性很好，且安裝的工藝符合沖浪運動的要求。該系統(tǒng)并能夠為指導(dǎo)運動員科學(xué)有效的訓(xùn)練提供參照，有利于運動員之間互相對比學(xué)習(xí)，從而更快地提高自己的技戰(zhàn)術(shù)水平。

四、結(jié)論

本文研究了沖浪運動中動力學(xué)模型的特征，即在光滑或者近似光滑的圓滾線上的滑板，在豎直平面內(nèi)，同一水平線上經(jīng)過最低點的任意兩點的所有可能的光滑理解線中，物體無初速度滑行時，所需時間最短的曲線是圓滾線（最速降線）。針對于這個動力學(xué)模型，我們進行了海上沖浪運動在運動中如何選擇路線的探討，無疑地我們應(yīng)選擇物體的滾線上的運動，這是最佳路線。本文還討論了一般情況下（即具有摩擦情況下）物體在圓滾線上的運動，這對目前流行沖浪運動如何選擇自己行進中的曲線具有一定地指導(dǎo)意義。

但限于本人的能力及對人體的了解程度，整個數(shù)字沖浪系統(tǒng)在實際應(yīng)用中尚存在問題，需要作出進一步改進，以便更好的為沖浪運動隊服務(wù)，主要問題如下：1）數(shù)據(jù)采集算法需作改進，目前的方法滿足現(xiàn)階段使用要求，但在數(shù)據(jù)采集的速度方面還需進一步提高，以滿足后續(xù)更高的使用要求，在數(shù)據(jù)傳輸方面也要設(shè)計更加有效的數(shù)據(jù)打包及數(shù)據(jù)校驗方式，這對系統(tǒng)的傳輸總線方式及算法也提出了更高的要求。2）對動力學(xué)信息要進行更深層次的分析、挖掘，現(xiàn)今僅采用部分或者不完全的運動參數(shù)，而如何使用更多的或者完整的運動參數(shù)，尚未有十分行之有效的方法。3）設(shè)計更完善的專家系統(tǒng)及實時反饋方式，保證實時反饋的及時性、準(zhǔn)確性、完善性，使運動員有更好的運動參考標(biāo)準(zhǔn)，在運動過程中可根據(jù)實時分析數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的及時改進。

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作者簡介：孫亦峰，（1969-），男，漢族，講師。湖南人，碩士，單位：同濟大學(xué)，研究方向：體育教育和訓(xùn)練。