基于激光测距仪的体育成绩测量系统

基于激光测距仪的体育成绩测量系统
作者：李戈[1] ；张墨华[2]





一种基于激光测距仪的体育成绩测量系统，该系统由激光测距仪、微控制器和通信模块构成．用激光测距仪获取体育成绩数据后，通过微控制器过滤奇异值和尖峰值，为奇异值过滤点填补空白点，把尖峰值断点拟合成平滑曲线，由通信模块实现数据的采集、交互和传递．对比实验结果表明，该系统鲁棒性强，能有效地提高体育成绩的测量精度．电子测量仪是进行体育成绩测量的主要工具，根据测量原理的不同，电子测量仪可分为激光测距仪、单

目视觉测距仪、红外测距仪、超声波测距仪等，其中激光测距仪和单目视觉测距仪的应用范围较广泛)， 为了获得理想的体育成绩测量结果，诞生了一种基于激光测距仪的体育成绩测量系统，该系统由激光测距仪、微控制器和通信模块构成．

1 体育成绩测量系统

1.1 微控制器和激光测距仪

微控制器的种类很多，其中C8051F 系列是业界最小封装的微控制器，有很强的集成性能，适合在空间小、资源容量低的系统中使用．系统采用性能高、成本低、单位运算量大的微控制器C8051F020.C8051F020 可与绝大多数功能元件完美兼容，支持多模式串行通信，采取分布式手段对系统中的激光测距仪和通信模块进行检测．激光测距仪的测量数据通过传感器采集，传递给C8051F020,采集后必须对测量数据进行光电隔离，以防止通信过程中数据被窃取或篡改．

系统选用的激光测距仪为ACE800.ACE800操作简单，可对激光测量数据进行简单编程，整体性能稳定可靠，测量距离最高可达1000 m, 远距离测量误差绝对值低于1.5 cm, 近距离测量误差则更加小，测量数 据采用串行接口和铁电存储技术．

 

1. 2 测量数据处理

体育成绩测量针对的是移动目标体，奇异值和尖峰值是测量期间产生的主要干扰．测量数据的脉冲振幅具有一定规律性，在0.005 s之间不会出现显著变动．设计基于激光测距仪的体育成绩测量系统时可利用这个规律减少奇异值和尖蜂值对测量结果的影响，故采用谱分析法的数字处理技术．

谱分析法的定义是结构响应虚拟分析，它可在瞬时移动目标体的激光光谱上进行标记，以表示运动变化状态．当激光测距仪获取体育测量成绩后，给出奇异值和尖峰值的阔值，使脉冲振幅趋于平滑，这样就可以将大部分奇异值和尖峰值过滤掉．需要注意的是，奇异值和尖峰值不可以被完全过滤掉，绝大部分原因是仪器误差的存在，而且处理强度过大有可能引入新的奇异值和尖峰值．奇异值过滤后，需要在体育成绩测量结果的上填补过滤点空白值。

 

1. 3 测量原理

基于激光测距仪的体育成绩测量系统主要由微控制器、激光测距仪和通信模块构成，箭头指向都需要通过通信模块来实现，为了满足系统便携性的需求，通信方式一般采用无线通信，如WIFI、蓝牙等． 通信模块还添加了编码与解密算法，保证数据通信安全. CCD(Charge Coupled Device)是指电荷耦合器件，它按结构可分为线阵和面阵． 相比较而言，线阵的应用 面积广、动态响应范围大，可进行点、线、面、体、温度、坐标等测量工作，符合精度和效率的双重标准．所以，激光测距仪将线阵 CCD 作为辅助测量体育成绩的工具，从而提高测量结果的可靠性．测量数据在微控制器C8051F020 中处理掉奇异值和尖峰值后，输出、显示体育成绩测量结果，整个过程要求数据的快速处理和精准传递。

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1. 4 激光测距仪的安置

因为系统便携性需求的限制，在体育运动路径背向激光测距仪运动时，测掀点与目标点的距离不断增加，激光散射角度有时不能覆盖运动路径．另外，受外界环境的随机影响，激光在大气中的传播能力会有所减弱．所以在测掀之前，选择合理的激光测距仪安置位置有利于实时跟踪体育位移，提高测量数据精度，减少微控制器 C8051F020 的过滤时间．就算激光测距仪的激光散射角度不能覆盖体育运动路径，也可以根据几何 原理计算出运动路径，实现运动跟踪，保证基于激光测距仪的体育成绩测抵系统不存在测量盲区．

 

2、性能测试与分析

实验分为近距离项目成绩测歉和远距离项目成绩测鞋． 近距离项目为跳远，测量误差要求低于土0. 3cm, 运动场地在室内；远距离项目为铅球，测量误差要求低于士4. 0cm, 运动场地在室外．以手工测量 数据为基准，分别与激光测距仪测量系统和单目视觉测距仪测掀系统的测量结果进行比对．在运动场地完成 视觉标定，将标定误差控制在最小值，开始进行实验．对跳远项目和铅球项目的体育成绩分别测址10次，分析测扯结果的有效性和鲁棒性。激光测距仪的测量值更接近实际测量值，测量精度高于单目视觉测距仪．另外，单目视觉测距仪的安置位置必须与系统成像面处于同一运动平面，测量范围内不能存在干扰，否则会影响测量数据的有效性；而激光测距仪充分利用了几何原理标定激光测距仪镜头，外界干扰对测量数据的影响很小，有效性和鲁棒性都很强．






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