UWB在體育領(lǐng)域的應(yīng)用探索

一、UWB體育運動場景測試

來源：Experimental Evaluation of UWB Indoor Positioning for Sport Postures（比利時根特大學(xué)）

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)在運動員復(fù)雜運動過程中跟蹤運動員的能力，分析了人體標(biāo)簽放置位置和人體運動模式對定位精度和通信可靠性的影響。

l  標(biāo)簽放置位置影響

測試方案：標(biāo)簽佩戴人體不同的9個部位，周圍有8個固定的錨節(jié)點(編號從0到7)，標(biāo)簽位于半徑為2m的圓的中心。

標(biāo)簽被放置在身體的九個不同部位，即右臂和上肢的正面/側(cè)面，胸部，頸部，胃，臀部和頭部。

由于人體會對電磁波產(chǎn)生吸收和反射的效應(yīng)，同時每個標(biāo)簽的天線和接收天線的角度差異性，導(dǎo)致不同部位的標(biāo)簽表現(xiàn)不同。采用三個指標(biāo)進(jìn)行評估：精度、丟包率和可見錨的數(shù)量。

當(dāng)標(biāo)簽位于用戶頭上時，所有錨節(jié)點上的平均丟包率為1.45%。而當(dāng)標(biāo)簽放在胸部時，UWB信號被人體阻擋，在某些情況下，超過50%的測距包丟失。

以丟包率小于10%來定義錨節(jié)點的可用性，大多數(shù)標(biāo)簽位置可以有至少6個錨節(jié)點可用，這使得這些標(biāo)簽位置適合用于位置估計。

通過放置在頭部的標(biāo)簽來進(jìn)行精度測試，可以研究所有可見錨節(jié)點是否具有同等質(zhì)量。如果將丟包率與平均測距誤差相結(jié)合，高丟包率并不一定會導(dǎo)致較低的精度。在標(biāo)簽放置在頭部的情況下，錨4在測距過程中的丟包率較高，為4.8%，但在平均測距誤差為16.85cm的情況下，它的測距精度并不是最差的。

l  體育運動的影響

評估當(dāng)標(biāo)簽貼在身體的不同部位時不同姿態(tài)對測距誤差的影響。關(guān)注四種姿態(tài)：站立，深蹲，彎腰，俯臥在地上。

實驗收集了標(biāo)簽和所有8個錨節(jié)點之間的測距測量值。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并從精度和丟包率的角度分析結(jié)果。

標(biāo)簽放置在頭部的性能是最優(yōu)的，該位置的丟包率和平均測距誤差都是最小的。因此，針對頭部的標(biāo)簽，還進(jìn)行了加速跑和跳躍兩項額外的測試。雖然與靜止情況相比，丟包率從8%提升到了17%，但測距誤差是相當(dāng)?shù)?，加速情況下的平均誤差為14.5cm，跳躍和靜止情況下的平均誤差分別為14.8cm和13.9cm。

l  UWB定位算法

使用卡爾曼和粒子濾波融合來自不同傳感器（如UWB和IMU）的信息，實現(xiàn)對物體或人的跟蹤?？柭鼮V波不適合于非線性系統(tǒng)，通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波對非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模。另一方面，粒子濾波雖然能更好地處理非線性系統(tǒng)，但它需要更多的計算能力。

為了評估粒子和卡爾曼濾波的性能，實現(xiàn)采用一條8字形的路徑，同時用UWB標(biāo)簽和動作捕捉系統(tǒng)采集測量數(shù)據(jù)。

粒子和卡爾曼濾波都能夠遵循正確的路徑。另外，對于粒子濾波來說，大多數(shù)的測量誤差在30cm以下，有50%的時間誤差小于10cm。另一方面，卡爾曼濾波有50%的時間誤差小于17cm。

l  大場景的測試

為了覆蓋整個賽道，需要28個錨節(jié)點。自行車運動員在頭盔上佩戴移動標(biāo)簽，對運動員的表現(xiàn)幾乎沒有影響。騎行一圈參考時間約為27s，近似速度為9m/s。

l  室內(nèi)跑步

在一條長60米，有三條賽道的直線跑道上進(jìn)行測試。部署的錨的數(shù)量減少到10個，運動員將標(biāo)簽佩戴在側(cè)臂上。根據(jù)之前的研究結(jié)果，側(cè)壁從丟包率和精度來看是第三好的選擇。雖然在跑步過程中，手臂相對于身體重心移動得更明顯，但這個位置確保了跑步者的舒適感。

可以看出運動員顯然處于上方賽道（4m<y<5m）。由于標(biāo)簽位于手臂上，估計值略偏向上。即使在這種情況下，算法也可以準(zhǔn)確地跟蹤跑步者。然而，粒子濾波似乎不太準(zhǔn)確，估計值有時比卡爾曼濾波更分散。

結(jié)論

UWB被認(rèn)為是獲得厘米級位置估計值最有前途的技術(shù)之一。隨著價格低廉的UWB芯片的商業(yè)化，這項技術(shù)得到了更多的普及。UWB是一個很好的體育分析和跟蹤市場的候選。

原文信息

Matteo R ,  Stef V ,  Jense D , et al. Experimental Evaluation of UWB Indoor Positioning for Sport Postures[J]. Sensors, 2018, 18(2):168. DOI: 10.3390/s18010168

二、UWB產(chǎn)品體育領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用

l  UWB和足球訓(xùn)練

采用了超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將定位精度精準(zhǔn)到厘米級，這一技術(shù)利用足球人工智能算法，準(zhǔn)確的計算出在訓(xùn)練和比賽中球員的體能負(fù)荷、運動表現(xiàn)、技戰(zhàn)術(shù)配合等等上百項足球數(shù)據(jù)，將科技帶入校園足球 。

通過多維度數(shù)據(jù)監(jiān)測，評估球員體能與運動表現(xiàn)，分析團(tuán)隊及戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，以此為選拔足球人才提供依據(jù)、為教練制定足球訓(xùn)練教案提供參考。

通過先進(jìn)的精準(zhǔn)定位技術(shù)、核心算法、球隊數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗，以可視化圖表數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)足球訓(xùn)練與賽事。

通過技術(shù)的創(chuàng)新，提升了足球運動的樂趣性與專業(yè)化，讓每一個有足球夢想的青少年都能夠使用。同時，我們?yōu)槊恳晃皇褂谜呓⒘碎L久性的數(shù)據(jù)檔案，進(jìn)而建立整個足球領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)，為中國足球產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。

通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，讓足球運動數(shù)字化、專業(yè)化、科學(xué)化、趣味化。建立健全校園足球及各個球員的檔案，為科學(xué)的訓(xùn)練，客觀的評定和選拔人才做數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，更全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)為教練的臨場指揮和比賽總結(jié)提供科學(xué)依據(jù)。

l  UWB應(yīng)用于世界杯官方用球

這一技術(shù)由一家名為KINEXON的德國物聯(lián)網(wǎng)公司提供，通過每秒500次自動提供準(zhǔn)確的足球相關(guān)信息，如足球的初始速度、運行速度、運動角度等，使比賽裁判和官員能夠快速查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將有助于通知越位情況，并協(xié)助檢測有爭議的沖撞，從而最終提高VAR決策過程的質(zhì)量和速度。

作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廠商，KINEXON為足球比賽提供了一整套物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

1.兩顆傳感器組成的感知系統(tǒng)

設(shè)備重14克，實際上是由兩個同時工作的獨立傳感器集成而成：

l  超寬帶（UWB）傳感器，這一傳感器有2個功能，一方面可以跟蹤和獲取足球精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)，另一方面可以將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺系統(tǒng)中。

l  慣性測量單元（IMU）傳感器，這一傳感器用來探測足球細(xì)微運動。

KINEXON 公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼總經(jīng)理馬克西米利安·施密特（Maximillian Schmidt）表示：“ UWB 傳感器能給出物體的位置信息，IMU 則提供球三維的運動細(xì)節(jié)。”

KINEXON 的球內(nèi)裝置由阿迪達(dá)斯提供的懸掛技術(shù)支持，該技術(shù)將傳感器置于球的中心點，并將其固定不動。

2.高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道

足球數(shù)據(jù)從傳感器實時發(fā)送到本地系統(tǒng)，UWB可以實現(xiàn)10-200米不等的傳輸距離，能夠?qū)崿F(xiàn)球場范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)KINEXON的足球跟蹤解決方案，在球場周邊安裝12-24個UWB基站用于收集數(shù)據(jù)，并通過有線方式實現(xiàn)基站數(shù)據(jù)回傳。足球傳感器收集的高精度數(shù)據(jù)，會通過內(nèi)置的UWB芯片以每秒500次的頻率發(fā)送給基站，由基站進(jìn)行回傳。

3.實時處理的邊緣系統(tǒng)

UWB基站收集的數(shù)據(jù)會及時傳輸至球場附近的處理器中，邊緣處理器會在20毫秒內(nèi)計算出各類參數(shù)，例如足球飛行速度、傳球距離，并識別出球員的行為，如射門、過人、控球等。

當(dāng)然，球場的各類數(shù)據(jù)和球員行為不僅僅通過足球傳感器的數(shù)據(jù)來確定，還搭配了全場的光學(xué)跟蹤相機(jī)，12個鷹眼攝像機(jī)安裝在體育場周圍，每秒鐘跟蹤足球本身和每個球員50次，可以追蹤身體的29個獨立點。當(dāng)這兩個數(shù)據(jù)源結(jié)合起來時，越位決策不僅高度準(zhǔn)確，而且比過去快得多。

4.數(shù)據(jù)分析平臺為多方面應(yīng)用提供參考

通過KINEXON傳感器獲取的數(shù)據(jù)，KINEXON提供專門的分析平臺，在比賽現(xiàn)場提供了更為精準(zhǔn)和快速的裁判判罰輔助。除此之外，這些數(shù)據(jù)和分析平臺也能夠為多方提供創(chuàng)新的輸入，包括教練教學(xué)參考、媒體及時報道以及觀眾觀賽體驗。

2022 年 5 月，葡萄牙超級聯(lián)賽升降級附加賽用了內(nèi)置 KINEXON 傳感器的足球，同時球員球衣上也有傳感器，用于追蹤球員的動作。賽后給出了多個類別共 300 多種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括：

l  技術(shù)數(shù)據(jù)：射門和傳球速度、控球時間、各種運球動作

l  表現(xiàn)數(shù)據(jù)：運球速度、加速和沖刺跑——包括有球和無球——加上運動員“負(fù)荷”的測量

l  戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)：面向球隊和球員兩個方面，可以跟蹤空間控制、壓迫、得球/失球和反擊等戰(zhàn)術(shù)概念

KINEXON與NBA

本次世界杯并非KINEXON公司在體育領(lǐng)域的首秀，實際上這家公司憑借物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，僅用兩年的時間，便一舉改變了NBA在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的版圖。

早在2016年，KINEXON通過與費城76人隊的合作首次進(jìn)入了NBA的市場，通過內(nèi)置的傳感器芯片，KINEXON推出的iball智能籃球可以追蹤籃球的運動軌跡和速度，并實時反饋數(shù)據(jù)；

而搭載著KINEXON傳感器的球衣，也能幫助教練們在訓(xùn)練或比賽中實時監(jiān)控運動員們的狀態(tài)。在不被大多數(shù)人看好的情況下，這家公司僅用兩年便迅速站穩(wěn)腳跟，成為了NBA主要的可穿戴設(shè)備供應(yīng)商，NBA官方數(shù)據(jù)顯示，目前聯(lián)盟中的30支球隊里，有14支隊伍使用著KINEXON的設(shè)備。

三、UWB+BLE 標(biāo)簽

UWB實現(xiàn)高精度定位；BLE實現(xiàn)人體數(shù)據(jù)采集，并通過UWB數(shù)據(jù)通道上報UWB基站；