宋龙坤、管芳笛、张浩、闫振豪、王红
山东协和学院，山东 济南 250107
摘要：我国校园足球培训起步较晚，师资力量不足，学生长期缺乏校园足球训练指导，迟滞了校园足球课余训练水平的提升，基于此现状，校园足球提高科学训练水平的需求十分迫切。科学训练首先需要实现人和球的精准定位和数据采集，足球训练中每个人站位和跑位的记录是战术制定不可或缺的部分，因此需要准确地把握和记录场上运动员的位置和跑动数据信息。UWB技术具有穿透能力强、测量精度高、目标识别准确等优点，均能满足足球训练负荷监控系统开发的要求。因此，我们创新性地将UWB定位技术应用于足球科学训练中，实现人与足球的高精度定位和轨迹跟踪。
关键词：uwb定位技术；科学训练；战术分析
1 UWB的概念及特点
1.1 UWB的概念
UWB定位技术是一种无线载波通信技术。UWB定位技术具有较强的穿透性和抗干扰能力，以及超高的传输速率，利用UWB传输给基站[1]，基站（应用TDOA算法）将收到的信号加上时间戳，发送给定位服务器进行演算，算出位置的具体信息，然后在后台显示出来。
1.2 UWB的特点
①抗干扰性强
UWB将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，相比于WiFi和蓝牙具有更强的抗干扰性。
②数据传输及时
UWB数据传输速率高达6.8Mbit/s，适应足球运动中球体运行速度快、人员跑动频繁的特点。
③低能耗
UWB不使用载波，只在需要时才发出瞬间脉冲电波，设备续航能力强。
④准确性
超宽带信号持续时间较短且占空比极低，比窄带信号更能轻易分辨出多径信号，达到厘米级的精度定位量测。
⑤安全性
UWB把信号能量弥散在极宽的频带范围内，信号功率接近自然电波噪声，辐射量低于WiFi，安全性较高。
由于UWB具有超高的定位精度，并可以获取定位对象的精确位置信息和历史运动轨迹，因此在体育方面拥有巨大的应用前景，并结合视频数据、运动员体征数据等，提高体育训练的效率。
2 传统足球训练存在的问题
2.1 教练无法实时获取运动员的各项体能数据
因为教练不能在运动员训练的过程中，实时获取运动员各项身体指标数据，导致运动员超负荷训练，从而损害运动员的身体。有时因为训练不达标，导致运动员在比赛中出现体能不支现象。
2.2 战术制定不合理
教练为足球队员制定战术方案，队员依据战术方案进行训练，教练用采用肉眼观看和纸笔记录所采集的数据信息精确度较差，无法精准判定战术是否合理，队员是否按照战术方案，进行跑位训练。
3 足球科学训练系统的设计研究
3.1系统简介
我们创新性地将UWB定位技术应用于足球科学训练中，实现人与足球的高精度定位和轨迹跟踪。该项目基于UWB定位技术抗干扰性强、低功耗、数据传输精准的优势，研发出一套实现人员和足球精准定位和轨迹跟踪的智慧足球训练系统，为足球培训和战术制定提供全面的运动特征信息。
3.2系统核心
智慧足球训练系统主要包含硬件和软件两大部分：硬件主要包括自主研发的UWB定位标签和定位基站以及特制心率表，主要负责数据的采集和传输；软件主要为监控与数据分析应用平台，主要负责对采集的数据进行分析。
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3.3系统数据采集及工作流程
①球场四周架设4-6个基站，其中一个为主基站，负责同步时间，其余基站接收信号并加时间戳。
②将包含UWB定位技术的芯片内置于可穿戴式的球员追踪器和专门设计的智能足球内，通过UWB载波向四周基站传输运动员数据[2]。
③基站将获取信号加盖时间戳后传输给场边数据处理服务器进行高速演算，以获取运动员与足球的位置、运动相关数据及基于人与球的技战术数据，最终在移动中段进行数据展现[3]。
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3.4 足球训练系统创新功能
3.4.1系统实时进行体能检测，达到科学训练目标
内部负荷数据:有效进行伤病预防及协助教练科学调整训练强度。
外部负荷数据:教练可根据训练强度要求设置训练目标，通过查看数据，运动员达标情况一目了然。
本系统通过为科学训练提供高新技术、仪器设备来研究更为客观、准确、使用方便、能现场实时反馈的智慧足球训练系统，有效地监控球员的训练负荷、运动模式，将收集的数据进行有效的动态分析，能够为教练员提供更加准确的球员训练和比赛中的体能、位移、速度、场上运动能力、活动范围、心率等相关指标及分析，通过量化球员在运动过程中的数据，帮助教练员对训练和比赛过程进行更加精确的控制,进而最大程度的提高运动员的竞技能力和降低运动损伤的风险，同时有助于提高教练员训练的针对性、有效性和创造性，为教练员提供更为有效的科技支撑，使球员得到具有科学性的智慧训练。
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3.4.2 系统实时获取运动员运动轨迹，进行战术完善
教练会根据足球队人员基本信息，给团队制定各种各样的战术，但是在训练的过程中，教练肉眼无法精准的判断队员是否按照要求去执行战术训练，队员是否在合理位置进行战术变换、队员是否在合理位置进行传球、队员是否按照战术制定的计划在规定时间跑到相应位置等这些情况，都给制定合理战术计划造成了难题，教练无法快速精准的找出每个队员的问题，从而造成了制定战术不合理，战术不适用的问题。我们的系统可以准确的定位每一个队员的位置，生成每个运动球员的运动轨迹以及踢球的位置、球的落地点，这些数据可以清晰地在后台显示，教练可以根据数据合理的调整战术方案，提高战术的合理性、适用性。
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4结束语
我们设计的足球科学训练系统，致力于为青少年打造一套科学、智能的训练报告，提高青少年的训练效率，保护青少年的身体健康。少年驰骋足球场，我们为少年保驾护航。
【参考文献】
[1]赵甜甜. 基于时间的超宽带室内定位算法研究[D].华东师范大学,2020.
[2]靳取.可穿戴设备在训练中的应用[J].中国科技信息,2018(19):112+114.
[3]卢蔚. 校园足球数据采集智能化系统的研究与开发[D].南京体育学院,2020.
作者简介：宋龙坤(1996-），男，河南鹿邑人，计算机科学与技术专业，本科学生；