田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法及系统

技术领域

本发明涉及田径防作弊技术领域，更具体地说，涉及一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法及系统。

背景技术

现在的田径计时方式包括两种：自动计时和人工计时；人工计时由于其主观性和误差，即将被机器自动计时全面代替。在计时系统中目前各大机构均专注的关键的技术是运动员到达终点的检测；目前终点检测技术有以下4类：基于高速摄像机视频捕捉、基于RFID、基于红外检测和基于UWB定位基站检测；四种方式说明如下：

1.基于高速摄像机视频捕捉技术的终点检测，该技术类似于奥运会比赛中的“鹰眼”技术；该技术的原理是这样的：运动员身着不同比赛服进行跑步，在终点线附近按放高速摄像机对运动员进行实时拍摄，摄像机把图像实时上传到计算机上进行识别和处理，计算机对不同的颜色进行分辨，以区分不同的运动员，对运动员进行实时的跟踪，在运动员到达终点后记录到达时间，减去起跑时间，便得到了运动员跑步的时间了。该系统中核心在于：高速摄像机和高速的图像处理算法。因此该方案操作存在两点缺点：系统成本高和实时性差；首先高速摄像机的价格比较昂贵，而且还有用于处理图像的高速计算机，这样整个系统的成本很高，基于这些问题，该系统没有得到广泛的使用。

2.基于RFID射频身份识别技术的终点检测，该技术是原理类似于普通的公交卡刷卡系统，是当前自动计时系统中普遍使用的方案；该系统包括两个部分：射频身份卡和射频识别站；射频身份卡装在每个运动员的身上，射频识别基站做出板状铺设在终点线上，当运动员携带射频身份卡经过射频识别基站时，系统判断为运动员到达终点，并自动计算时间；该系统有以下3个缺点：由于射频识别卡的识别距离在到达终点时可能存在漏检的风险；射频识别基站铺设在终点线上有大约30公分的宽度，因此会相应的识别误差；射频识别基站是以板的形式铺在地上的，有一定的高度，这样并不利于运动员的跑步，甚至导致发生事故；由于该系统的这些缺点，只能应用于非精准计时系统中，在日常训练田径自动计时系统中用到比较多。在计时系统中目前各大机构均专注的关键的技术是运动员到达终点的检测；

3.基于红外识别的终点检测，该技术类似于电视遥控器，也是目前广泛应用的终点检测技术之一；其核心技术是红外信号编码，包括两部分构成：红外发射模块和红外接收、解码模块；红外发射模块放在每个运动员的身上，不断发射红外信号，并且每个运动员所佩戴的红外发射模块所发射的红外编码信号不同；红外接收、解码模块有多个，每个跑道对应一个，钢架固定在每个跑到的上空，当有运动员从钢架下方跑来时，所佩戴的红外发射模块发射的编码红外信号别固定在钢架上的接收机识别，判为到达终点；该系统的缺点有：结构庞大、容易漏检、精度不高；由于每个跑道上空都得有红外接收模块，因此得用坚固的钢架结构来固定接收机，这就造成了系统结构复杂、庞大，使用和维护上都比较耗时耗力；由于红外属于光，因此有阻挡，或者强烈阳光干扰会造成红外信号无法接收，这时就会存在漏检；由于红外信号的发射并不是一个方向，而是以扇形的方式发射，误差也在30公分左右。

4.专利CN107376300B描述了一种基于UWB技术的田径比赛自动计时系统。包括以下工作步骤，(1)：预先在嵌入式终端中设置电子标签到终点线也就是两识别基站连线的距离的最小阈值；(2)：运动员起跑，嵌入式终端通过UWB中转模块实时获取电子标签到两基站的距离以及时间；(3)；嵌入式终端通过海伦公式计算并解析电子标签和两个基站构成的三角形的面积，并由面积反算电子标签到终点的距离；

以上四类田径自动计时方式专注的关键的技术均是运动员到达终点的检测；而忽视了田径跑步的过程是否有越线和抄近道等情况，另外，以上田径自动计时方式均需要在跑道上布设设备，费时费力还容易产生安全问题；此外，目前大部分学校采用集中考试的方式为主，并采用人工汇总的方式通过学校将田径成绩数据上报至教育部体质健康监测平台，对学生体质做出评价。但该做法忽略了学生平时课程中体育运动的过程，实际上，在平时运动过程中，可以产生运动时间、速度、步频、步长和能耗等大量数据，如果能对这些大数据的进行实时监测并分析对比，据此对学生的运动进行指导与调整，可达到更好的体育健康教学效果，且为学生体质健康教育的个性化指导工作带来极大的便利，因而需要一种安全方便且能够通过科技手段解决上述问题的方式方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，还提供了一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，包括以下步骤：

定位标签在省电模式下以低频方式广播发出低频定位数据包；

通过架设在运动场周边的一个或多个无线AOA到达角定位器同时接收多个运动人员佩戴的定位标签发出的低频定位数据包；

依据低频定位数据包计算获取运动人员在运动场上的座标；

若后台判断座标在运动场定位区域内，则以一定的时间间隔向定位标签下发高频发包指令；

接收定位标签发出的多个高频定位数据包，依据高频定位数据包计算获取运动人员在运动场上的精确座标；

依据获得的多个精确座标，进行目标在相邻两个精确座标之间的步长计算、速度计算，和获取心率数据并与历史数据比对操作；

若定位标签离开运动场定位区域，连续多个周期收不到高频发包指令，则自动切换到省电模式，低频发出定位数据包。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述步长计算采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

通过目标佩戴的标签上的加速度传感器获取步数；

步长＝距离/步数。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述速度计算采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

对比起始点的时间戳获取时长；

速度＝距离/时长。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述获取心率数据并与历史心率数据比对操作采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

通过目标佩戴的标签上的心率传感器获取心率值；

对比数据库中的该累计运动距离下的历史心率数据，获得心率偏差数值。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述步长、速度以及心率偏差数值均在设定合理范围内是指：

步长、速度和心率值均在阈值范围内，且在同等条件下与历史数据比较偏差均在设置的百分比范围内。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，方法还包括：

判断目标一次完整运动中所有相邻两个精确座标之间数据均为正常可信上，进行自动计时。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述自动计时包括方法：

在自由跑模式下：

设定速度的阈值V和运动允许区，设定测量时间间隔i，设定停止时间阈值S；在运动场上设定x个分段计时区，每相邻两个计时区中心点间距y米；

用坐标计算时间间隔起始点间的距离m，速度v；

判断时间间隔内速度v大于阈值V，是则进行下一步，否则跳转至时间判定步骤；

判断座标是否在运动允许区域内，是则进行下一步，否则跳转至时间判定步骤；

计算时间起始T1和距离M1＝m1+m2+m3+m4...累加，判断是否进入一个分段计时区n＝n+1，是则进行下一步，否则计算结束时间等于当前时间t，总距离M＝M1；

计算总距离M＝M1+y(n-1)；

判断是否离开一个分段计时区，是则进行下一步，否则返回上一步；

计算当前时间T和距离M2＝m1+m2+m3+m4...累加，跳转至判断时间间隔内速度v大于阈值V的步骤。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述时间判定步骤包括方法：

停止时间值s累加s＝s+1；

判断停止时间值s是否≥S，是则执行下一步，否则跳转至用坐标计算时间间隔起始点间的距离m，速度v；

计算结束时间T2＝当前时间t-i*s和总距离M＝M1+y(n-1)+M2，计算总时间T＝T2-T1和平均速度V2＝M/T。

本发明所述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，所述自动计时包括方法：

若处于竞技跑模式下：

设定运动距离M和运动允许区范围，发出开始指令和信号计时T1，在运动场上设定x个分段计时区，其中1个为起点区，1个为终点区，每相邻两个计时区中心点间距y米；

标记当前起点坐标α；

判断坐标α是否在运动允许区内，是则进行下一步，否则标记为违规异常；

计算当前时间T2；当前总距离M1＝当前坐标离上一个计时区距离；平均速度V2＝M1/(T2-T1)；

判断是否进入一个分段计时区n＝n+1，是则进行下一步，否则返回上一步；

计算总距离M1＝y*n；

判断M1是否≥设定运动距离M，是则判定运动结束，计算当前时间T2,总时间T＝T2-T1和平均速度V2＝M/T，否则跳转至判断坐标α是否在运动允许区内步骤。

一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的系统，应用于实现如上述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，其中，包括数据处理服务器、一个或多个无线AOA到达角定位器和一个或多个标签；

所述无线AOA到达角定位器，用于接收目标佩戴的所述标签发出的数据包；

所述数据处理服务器，用于依据接收的数据包进行如上述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法中的数据处理。

本发明的有益效果在于：本发明主要针对多人田径的日常训练的自动计时和评价，采用了无线电AOA到达角计算的方法，在运动场周边架设一个或多个无线AOA到达角定位器，无线AOA到达角定位器接收目标配戴的标签发出的高频定位数据包后，可将每个目标的位置通过后台实时转化为在运动场上精确的座标，通过对座标的实时处理可以判定是否违规作弊，什么时候开始并通过终点，这种技术把大量的计算放在了服务器端，通过增强服务器的性能，可以同时对几百个目标进行实时跟踪，特别适合于学校体育课、大课间、球队集训等多人同时运动的场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法流程图；

图2是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法逻辑原理图；

图3是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法自由跑计时原理框图；

图4是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法竞技跑计时原理框图；

图5是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法运动允许区域和分段计时区域示例图；

图6是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法运动允许区域示例图；

图7是本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的系统原理框图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明较佳实施例的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法及系统，如图1所示，包括以下步骤：

S01：定位标签在省电模式下以低频方式广播发出低频定位数据包(如1Hz)；

S02：通过架设在运动场周边的一个或多个无线AOA到达角定位器同时接收多个运动人员佩戴的定位标签发出的低频定位数据包；

S03：依据低频定位数据包计算获取运动人员在运动场上的座标；

S04：若后台判断座标在运动场定位区域内，则以一定的时间间隔(如5秒)向标签下发高频发包指令(如10Hz)；

S05：接收定位标签发出的多个高频定位数据包，依据高频定位数据包计算获取运动人员在运动场上的精确座标；

S06：依据获得的多个精确座标，进行目标在相邻两个精确座标之间的步长计算、速度计算，和获取心率数据并与历史数据比对操作；

S07：若定位标签离开运动场定位区域，连续多个周期收不到高频发包指令，则自动切换到省电模式，低频发出定位数据包；

本发明主要针对多人田径的日常训练的自动计时和评价，采用了无线电AOA到达角计算的方法，在运动场周边架设一个或多个无线AOA到达角定位器，无线AOA到达角定位器接收目标配戴的标签发出的高频定位数据包后，可将每个目标的位置通过后台实时转化为在运动场上精确的座标，通过对座标的实时处理可以判定是否违规作弊，什么时候开始并通过终点，这种技术把大量的计算放在了服务器端，通过增强服务器的性能，可以同时对几百个目标进行实时跟踪，特别适合于学校体育课、大课间、球队集训等多人同时运动的场景。

该发明可以用于无人监管状态下的自主训练时防止作弊和田径成绩自动采集汇总。可防止的作弊类型和方法有：1.有人会请人佩戴其可穿戴标签代跑进行运动积分，或者一个运动员同时穿戴多个标签进行运动积分。识别方法：一般更高水平的运动员的运动心率更低，每个人的最大速度和步长等参数也有明显差异。一个人戴多个标签运动时，心率，速度，步长和座标数据都会高度重合，通过多人数据横向比对和历史数据纵向比对即可发现此类型的作弊。2.从田径场抄近道以获取自动评分的更好成绩。识别方法：根据田径规则设置每个跑道的运动允许区，在运动过程中发现该标签座标有一定时间在运动允许区之外的，则判定为违例或作弊。3.通过自行车、平衡车等工具来制造座标移动以获取田径成绩。识别方法：通过自行车、平衡车等工具来偷懒获取田径成绩时心率和步长数据与平时对比会显示异常，通过历史数据纵向比对即可发现此类型的作弊。维持体育竞技的公平公正对于体育健康教育来说是非常重要的。本发明在实时计田径成绩的同时在服务器端进行了一系列的数据处理来防止作弊。判断无人监管环境下运动员是否有作弊行为的具体流程和方式，如图2所示：

其中，优选的，步长计算采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

通过目标佩戴的标签上的加速度传感器获取步数；

步长＝距离/步数；

速度计算采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

对比起始点的时间戳获取时长；

速度＝距离/时长；

获取心率数据并与历史心率数据比对操作采用方法：

计算两个精确座标之间的距离；

通过目标佩戴的标签上的心率传感器获取心率值；

对比数据库中的该累计运动距离下的历史心率数据，获得心率偏差数值。

步长、速度以及心率偏差数值均在设定合理范围内是指：

步长、速度和心率值均在阈值范围内，且在同等条件下与历史数据比较偏差均在设置的百分比范围内，如20％以内。

判断目标一次完整运动中所有相邻两个精确座标之间数据均为正常可信上，进行自动计时。

自动计时包括两种模式：

其一是自由跑模式，在自由跑模式下，一般是无人监管的长距离模式，对于计时的精度要求不高。运动员可以在运动场上随时随地开始和结束运动，系统通过各个参数自动判定起始时间和距离来计算运动成绩。自由跑自动计时方式如图3所示，自由跑计时范例如图5所示：

计时方法为：

设定速度的阈值V和运动允许区，设定测量时间间隔i，设定停止时间阈值S；在运动场上设定x个分段计时区，每相邻两个计时区中心点间距y米；

用坐标计算时间间隔起始点间的距离m，速度v；

判断时间间隔内速度v大于阈值V，是则进行下一步，否则跳转至时间判定步骤；

判断座标是否在运动允许区域内，是则进行下一步，否则跳转至时间判定步骤；

计算时间起始T1和距离M1＝m1+m2+m3+m4...累加，判断是否进入一个分段计时区n＝n+1，是则进行下一步，否则计算结束时间等于当前时间t，总距离M＝M1；

计算总距离M＝M1+y(n-1)；

判断是否离开一个分段计时区，是则进行下一步，否则返回上一步；

计算当前时间T和距离M2＝m1+m2+m3+m4...累加，跳转至判断时间间隔内速度v大于阈值V的步骤。

时间判定步骤包括方法：

停止时间值s累加s＝s+1；

判断停止时间值s是否≥S，是则执行下一步，否则跳转至用坐标计算时间间隔起始点间的距离m，速度v；

计算结束时间T2＝当前时间t-i*s和总距离M＝M1+y(n-1)+M2，计算总时间T＝T2-T1和平均速度V2＝M/T。

自由跑示例如下：在设定的时间间隔内(如i＝2秒)，当跑步速度阈值(如V＝时速6公里)时，系统自动开始计时，如开始点为α，结束点为β，400米跑道可分为ABCD相距100米的4个计时区,n初始值为0,每经过一个计时区n＝n+1。检测进入计时区域A时，跑步距离等于开始点1到A的距离，每通过下一个计时区，运动距离增加100米。当S个计时周期内(例如S＝10)速度低于速度阈值时，判定跑步结束，计时和距离截止点设定为(10个的中第1个计时周期)开始的时间。运动距离加上β到C区的距离总和。

其一是自由跑模式，在竞技跑模式下，一般是有人监管模式的体育课、训练或比赛模式，对于计时的精度要求高，运动员在运动场上指定的位置和时间开始运动，系统自动计算到达终点的时间来计算运动成绩。竞技跑自动计时方式如图4所示，竞技跑计时范例如图6所示：

自动计时包括方法：

设定运动距离M和运动允许区范围，发出开始指令和信号计时T1，在运动场上设定x个分段计时区，其中1个为起点区，1个为终点区，每相邻两个计时区中心点间距y米；

标记当前起点坐标α；

判断坐标α是否在运动允许区内，是则进行下一步，否则标记为违规异常；

计算当前时间T2；当前总距离M1＝当前坐标离上一个计时区距离；平均速度V2＝M1/(T2-T1)；

判断是否进入一个分段计时区n＝n+1，是则进行下一步，否则返回上一步；

计算总距离M1＝y*n；

判断M1是否≥设定运动距离M，是则判定运动结束，计算当前时间T2,总时间T＝T2-T1和平均速度V2＝M/T，否则跳转至判断坐标α是否在运动允许区内步骤。

竞技跑示例：如设定M＝1000米跑,则起点区为A，终点区为C，出发跑到B区时候，距离M1＝100米，到C区时，M1＝200米，到β点时，M1＝200+β到C区的距离。第二次到达C区时，M1＝M＝1000米，判定运动结束，自动计时并计算成绩；图6中运动允许区范例：如目标在第三道，在400米以上不分跑道竞技时，2、3、4为运动允许区域。如在400米以下分跑道竞技时，只有3为允许运动区域。

设定测量时间间隔，设定步长和实时速度的阈值和运动禁区可以根据实际情况手动设定，也可以通过选择跑步距离的规则自动设定。

一种田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的系统，应用于实现如上述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法，如图7所示，包括数据处理服务器、一个或多个无线AOA到达角定位器和一个或多个标签；

无线AOA到达角定位器，用于接收目标佩戴的标签发出的数据包(低频定位数据包和高频定位数据包)；

数据处理服务器，用于依据接收的高频定位数据包进行如上述的田径防作弊自动计时和运动参数自动计算的方法中的数据处理；

本发明利用无线电(例如蓝牙、wifi等)阵列天线实现AOA定位，达到同时为多人田径运动计时的目的，通过在服务器端的定位数据结合心率、血氧和加速度传感器数据，可以对运动员实时的配速，步频，运动负荷等指标进行实时评价；

优选的，其中数据处理服务器关联有田径运动评分标准数据库和心率等运动参数数据库，以进行田径运动标准数据调用比对和心率历史参数的调用比对。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。