高山滑雪的方法和实际考虑与评估性能使用全球导航卫星系统
梅Supej
Jorg Sporri
Hans-Christer霍姆博格- 1学院体育、卢布尔雅那、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学
- 2整形外科学系Balgrist大学医院,瑞士苏黎世,苏黎世大学
- 3瑞典的冬季运动研究中心、中期瑞典大学,瑞典
- 4中国体育和健康科学研究所,北京体育大学,北京,中国
可靠的高山滑雪者的性能评估是至关重要的。以前有研究指出潜在的全球导航卫星系统(GNSS)来评估这种性能。因此,目前的角度总结了发表的关于方法论的研究和实践方面的评估通过GNSS高山滑雪性能。方法论上,与轨迹分析,分辨率为1 - 10厘米,可以实现与最先进的GNSS系统已经被证明提供可接受的精度。天线定位应遵循滑雪的质量重心的轨迹(CoM)尽可能和估算的轨迹可以进一步提高运用先进的建模和/或其他计算机方法。从实用的角度,有效的评估需要考虑众多的参数与性能,包括gate-to-gate时期,轨迹,速度和能量耗散。分析,更全面、更方便的教练和运动员,视频拍摄应该GNSS数据同步。总之,最近GNSS技术的进步已经允许,至少在某种程度上,精确的生物力学分析,实时性能在整个高山滑雪比赛。这样的反馈促进和提高教练的工作。因此,运动员和教练的优势变得越来越意识到高山滑雪性能分析GNSS结合先进的计算机软件,为数字革命铺平了道路上的应用研究和实践的运动。
介绍
在高山滑雪等户外运动,有效和可靠的性能评估是必要的,但是,与此同时,相当具有挑战性。找到很多问题的答案关于性能,实验代表真实的条件下是不可或缺的和标准化的程序使用可穿戴技术的最新进展是中央在这个上下文。先前的研究已经强调了相当大的潜在的全球导航卫星系统(GNSS)评估高山滑雪性能根据监测参数如时间,速度和机械能(布罗迪et al ., 2008 b;Supej 2010;Supej和开始,2011;Supej et al ., 2013;Gilgien et al ., 2014 a,2015年,一个,b,2016年;Fasel et al ., 2016;Kroll et al ., 2016)。这些技术的应用应该允许研究人员和教练分析运动员的运动模式/策略彻底测试深度和运动器材。
尽管高山滑雪的性能可以用各种不同的生物力学特征参数,滑雪从开始到终点线尽可能迅速明显的终极目标是国际滑雪联合会(FIS, 2016)。在很多方面可以提高性能,但一个滑雪者可以花几年试图获得的百分之几秒,这常常使获得一枚奥运奖牌的区别。尽管如此,花费的时间更短的部分高山的赛车可以改变高达10%,即使在最快的滑雪者(Supej Cernigoj, 2006),所以有相当大的改善空间截面性能。
连续把技术的适应地形的变化,山坡,门设置,和雪条件技术复杂,需要更详细的性能评价参数和微妙比简单的缩短比赛时间(Supej 2008;Supej et al ., 2011;Federolf 2012;Sporri et al ., 2018)。然而,这种分析是极具挑战性的,因为许多运动学和动力学因素影响性能,直接或间接地。最明显的运动学参数包括部分时间,由滑雪的轨迹和速度;而动力学参数包括空气动力学、滑雪板和雪之间的交互(Federolf 2012;Hebert-Losier et al ., 2014),能量耗散,后者构成瞬时和截面的最佳指标性能(Supej 2008;Supej et al ., 2011;Sporri et al ., 2018)。目前,没有分析方法提供了一个简单的解释之间的差别最快和最慢的(Sporri et al ., 2012)。显然,必须同时监测多个参数。
与现代可穿戴技术评估适当的生物力学参数(如GNSS)可以揭示未成年人,但是必要的细节关于高山滑雪的性能。重要的是,实时GNSS技术提供数据快速、轻松。然而,精度不足和/或无效的方法可能会导致不正确的结论和有关技术,可靠的方法论的建议策略和设备显然是必要的。因此,这一评论关注发表关于方法论的研究和实际问题通过GNSS高山滑雪性能的评估。
实际考虑
生物力学因素的众多报道影响性能包括截面或整体时间,轨迹的滑雪板和/或质心,能源、地面反应部队,空气动力阻力和摩擦力(Hebert-Losier et al ., 2014)。GNSS技术扰乱滑雪者很小,相对易于安装和,因此,被广泛应用在评估高山滑雪者的性能。
运动参数的性能
与竞争有关的高山滑雪、准确测定部分时间是至关重要的(Supej和开始,2011)。实现课程总时间最短,滑雪(1)失去应该尽可能少的时间在他/她的薄弱部分,并获得尽可能多的强大的部分或(2)争取他/她最好的时间在每一个部分(Supej Cernigoj, 2006;Hebert-Losier et al ., 2014)。通过确定浇口位置和滑雪的轨迹,GNSS技术使gate-to-gate时间与发音的准确性和有效性的评估(如光电池相比),没有系统性偏差,以及一个错误,在更高的速度下降(Supej和开始,2011)。此外,多个比较gate-to-gate和滞后时间证明了GNSS使比常规使用的光电电池更详细的分析。
然而,评估性能的基础上赛车独处的时间,即使在短的部分课程,涉及几个限制(Supej 2008)。首先,这一次是受到滑雪的初始速度,位置,方向。其次,末尾的位置和姿态的部分相对于门后,以及出口速度不会施加什么影响部分时间,但可能会对后续的性能产生深远的影响。第三,这样的时间信息当滑雪者出席一段的初始和最终位置不能解释为什么一个滑雪速度比另一个。因此,需要采取其他措施的性能。
除了赛车,滑雪也可以分析了GNSS轨迹。一般来说,滑雪最短的轨迹快速结果在最快的时间,但通常是与更高的能量损失(Supej 2008;Federolf 2012;Sporri et al ., 2018)。能够维持高速度不仅取决于轨迹,而且在滑雪的技术和选择的轨迹。因此,可以获得有价值的观点,提高性能监控gate-to-gate时间和速度来分析有关滑雪轨道参数,如把是否开始/结束或高或低的位置关系的门或轨迹是否直接或更广泛/圆(布罗迪et al ., 2008 a;Supej 2008,2012年;Federolf 2012;Sporri et al ., 2012,2018年)。这种方法也可以相当大的价值与测试设备(如滑雪板,滑雪靴),在更广泛的意义上是密切相关的性能。
动力学参数的性能
空气动力阻力和摩擦ski-snow是唯一两个机械力可以产生不利影响滑雪性能(冯Hertzen et al ., 1997;Federolf et al ., 2008;迈耶et al ., 2012;Supej et al ., 2013)。滑雪下坡时,气动阻力占近50%的比赛时间差异较慢和更快的高山滑雪者(Luethi Denoth, 1987);而在大回转的情况下,这种阻力导致每将只有15%的总能量损失,不被认为是性能(的主要决定因素Supej et al ., 2013)。空气动力阻力变得更重要的是随着速度的增加(例如,从障碍滑雪下坡)(Gilgien et al ., 2013,2018年)。ski-snow摩擦正好相反,更重要的是速度较慢,尤其是在转弯。在障碍滑雪和大回转,ski-snow摩擦消散的大部分能量(Supej et al ., 2013)。即使在速度学科,涉及更强烈,滑雪者更注重引导雪橇顺利比减少额区暴露出来。
GNSS技术已成功应用于描述空气动力阻力(Gilgien et al ., 2013;Supej et al ., 2013)和ski-snow摩擦(Gilgien et al ., 2013),以及估计地面反应部队在大回转,super-G和下坡(Gilgien et al ., 2014 a)。然而,尽管这项技术结合先进的计算和建模,包括双分化,特别适合调查大学科之间的差异,这种方法可能是不能够发现小性能的差异。
由于空气动力阻力使只有很小的贡献整体能量耗散技术规程(大回转和障碍滑雪),似乎明智的利用总体能量耗散,不易计算误差,评估性能在这些情况下(Supej 2008;Supej et al ., 2011)。此外,正如上面所讨论的,已经在短时间部分很大程度上取决于性能在前面部分(Supej et al ., 2011)和速度本身可能会改变由于变化,例如,倾向。因此,分析能源,更多的积分动力学参数,可以提高性能的评估。
总而言之,任何个人可以解释生物力学参数为什么一个滑雪速度比另一个(Hebert-Losier et al ., 2014)。运动参数反映更多的结果(即性能。,without consideration of cause), whereas kinetic parameters may provide insight into the underlying causes. Thus, successful skiers need to exploit the intricate interactions between biomechanical parameters and technique under varying conditions in a manner that minimizes section and/or overall race times.
方法论的注意事项
有效性和可靠性
GNSS结合集成加速度计被广泛应用于各种运动在过去的十年中,例如,测量的运行速度团队运动的球员,在比赛和训练(约翰斯顿et al ., 2012,2014年;瓦利et al ., 2012,2014年;霍普et al ., 2018)。此外,大量的调查主要集中在这样的系统的有效性和可靠性确定加速度和/或速度在各种形式的运动(舒兹和Herren 2000;汤森et al ., 2008;Barbero-Alvarez et al ., 2010;Coutts达菲尔德,2010年;Aughey 2011;沃尔德伦et al ., 2011;瓦利et al ., 2012;Akenhead et al ., 2014;约翰斯顿et al ., 2014;斯科特et al ., 2016;Nagahara et al ., 2017;罗伊et al ., 2017;霍普et al ., 2018),利用光电池在大多数情况下的“黄金标准”。不幸的是,大多数这类研究还没有评估速度相关的竞争高山滑雪。
在运行的情况下,商用GNSS系统的有效性和可靠性,甚至那些相同的品牌,是受许多因素的影响。采样率(越慢Coutts达菲尔德,2010年;Aughey 2011;瓦利et al ., 2012)、高速度(彼得森et al ., 2009;詹宁斯et al ., 2010;约翰斯顿et al ., 2012),短时间的活动(彼得森et al ., 2009;Coutts达菲尔德,2010年)和更大的数量的变化方向(达菲尔德et al ., 2010;詹宁斯et al ., 2010),降低GNSS数据的有效性和可靠性。例如,降低采样频率从10到5赫兹可以提升标准误差和变异系数两到三倍(沃尔德伦et al ., 2011)。另一方面,即使是便宜的GNSS系统测量速度相当的精度,尤其是在低加速度(Supej Cuk, 2014)。此外,实时评估与GNSS和/或与他人同步的技术(例如,惯性运动单元;IMU)需要谨慎,因为便宜的明显延迟的系统,特别是抽样1 Hz。在这种情况下,应该注意的是,使用的系统应该精心挑选,因为一些产品广告更高的采样率,提供很少或没有在实践中受益(Haugen布赫海特,2016年)。另一方面,一项研究建议补充GNSS廉价和轻量级的加速度计提供了一种廉价而有前途的替代来提高采样率和准确性(Waegli et al ., 2009)。
同时,可以提高GNSS的有效性和可靠性采用高质量的微分/实时运动学(RTK)系统(Gilgien et al ., 2014 b),往往是在高山滑雪调查(Supej et al ., 2008,2013年;Supej 2010;Supej和开始,2011;Gilgien et al ., 2013,2015年,一个,b,2016年,2018年)。事实上,最高精度和适用性,RTK GNSS系统代表了高山滑雪的“黄金标准”。在大多数研究高山滑雪,一个可接受的精度进行轨迹分析被证明是1 - 10厘米,至少当检查技术规程(障碍滑雪和大型障碍滑雪赛),门的距离和不同的轨迹速度小于学科。如此巨大的精度只能达到与微分、GPS +格洛纳斯(美国和俄罗斯全球导航卫星系统)和双频率GNSS系统(Gilgien et al ., 2014 b),工作在实时(RTK)或后处理运动模式。提高接收机的灵敏度,增加数量的卫星,和发展在多个频率跟踪(例如,伽利略GNSS有四个)提高位置精度是更新的,更便宜的系统(GalileoGNSS 2018)。
最优质的RTK系统提供10 - 20赫兹的抽样率,有时高达100赫兹;然而,根据我们自己的经验,在如此高的频率精度往往是妥协。此外,即使最优卫星可见性和准确性的1厘米,监控位置在100 Hz结果noise-to-signal比例很高1在确定,例如,速度,或者更糟的是,加速通过双分化。这噪音然后由适当的算法,需要过滤掉最常使用限制性低通数字滤波器,呈现如此高的采样频率的可疑的价值。
最后,以确保最佳的精度,使用几何精度因子(GDOP)和可见卫星方位角是可取的(足够宽Supej和开始,2011),因为测量的影响不断变化的卫星星座(帕金森和Spilker在1996年)。此外,在分析性能,每个位置的误差轨迹必须确定调查,因为GNSS技术这个错误可能迅速改变。
定位天线在滑雪的质量重心的关系
一个GNSS单位的主要缺点是,只有一个轨迹,即。天线的路径,可以监控。显然,把天线放在滑雪的质量重心(CoM),从生物力学的角度可能是最有趣的位置跟踪,是相当困难的。最常见的,脖子上的天线是定位(附近的上胸椎)(Supej et al ., 2008,2013年;Supej 2010,2012年;Supej和开始,2011;Nemec et al ., 2014头顶上)或(通常在头盔)(Gilgien et al ., 2013,2015年,一个,b,2016年,2018年)。这些位置有一定的优点和缺点:脖子上的天线是接近CoM,但卫星可见性可能受到限制。相比之下,放置的头通常提供更好的卫星可见性,但天线从CoM,然后进一步用长杆,同时限制磁头移动和升降滑雪的脖子上的转矩与加速转变期间,着陆或类似的行为。放置多个天线在滑雪为了监控CoM更准确的位置是不可取的,因为这将减少卫星可见性的天线位置低于肩膀和可穿戴系统充分准确的(例如,RTK GNSS)也是笨重。因此,滑雪板上的天线位置,建议Seifriz et al。(2003)是,在我们看来,也不可取,因为这也可能除了干扰滑雪板的行为。
改善CoM的运动学分析的基础上,定位GNSS天线提供的数据,已有多种方法被探索。Supej (2008)建模滑雪的身体作为一个静态平衡的倒立摆,然后利用卡尔曼滤波估计所需的加速度计算这个摆的平衡位置。类似的准静态计算提出了倒立摆的平衡Gilgien et al。(2015 b)。此外,为了估计COM同时考虑空气阻力的影响在大回转滑雪,进一步改进了这种方法考虑到倒立摆的动力学(Supej et al ., 2013)。
相比,视频三维运动学(Gilgien et al ., 2013,2015 b)和惯性系统(Nemec et al ., 2014),这样的倒立摆模型提供了准确的结果在更迅速把附近的盖茨,径向力更强,但是贫穷的结果体重过渡期间,涉及较弱的力量。小说这一问题的解决方案,提出了包括局部加权回归和bp神经网络投影设计预测滑雪姿势的GNSS数据(Nemec et al ., 2014),这两个证明的错误预测大大小于其与倒立摆模型获得。此外,这些新方法的计算要求低,允许实时利用率。
另外,多个惯性传感器结合GNSS可以用来监测全身三维运动学在高山滑雪(布罗迪et al ., 2008 a;克鲁格和Edelmann-Nusser, 2010;Supej 2010),启用详细分析在整个课程。因此,当减少身体的运动片段或只有CoM是感兴趣的,可以减少惯性传感器的数量(Fasel et al ., 2016)。尽管使用多个惯性传感器结合GNSS相当大的价值与先进的科学研究,其方法论的复杂性使其不切实际的监测性能。然而,添加一个加速度计RTK GNSS协助也可以用来帮助导航区域GNSS信号是不可靠的(Skaloud Limpach, 2003)。
GNSS同步录像
尽管可穿戴GNSS技术的许多优点,该技术本身没有提供反馈,全面直观的运动员和他们的教练。一个相对简单的克服这个困难的方法是结合GNSS的录像。定性视觉信息可以极大地帮助分析性能,特别是运动员和教练经常检查录像。对于更高级的分析,GNSS和视频之间的同步记录是必要的,这可以与不同类型的硬件来实现,甚至通过简单的身体动作,比如蹲(Supej 2012)。
未来的视角
,值得注意的是,不同的比赛时间奥运会高山滑雪者带金银奖牌是谁的百分之不超过第二(例如,0.01年代的女子在2018平昌Super-G冬季奥运会),呈现几乎所有影响性能极其重要的因素。虽然技术能力评估高山滑雪者的生物力学已大幅改善近几十年来,还所知甚少涉及优化的性能在整个课程(Hebert-Losier et al ., 2014)或关于滑雪之间的相互作用的连续部分(Supej Cernigoj, 2006)。在GNSS技术将最新进展,在某种程度上,已经允许精确的生物力学分析,实时性能在整个竞赛(Supej et al ., 2008,2013年;Supej 2012;Gilgien et al ., 2013),提供更多详细信息等因素。
连续小型化的机械、电气和光学传感技术,使人类运动的运动学和动力学的评估和性能将会导致更加舒适和灵活的训练负荷的监测和评估,技术,选择轨迹和高山滑雪选手的表现(Heikenfeld et al ., 2018)。在这一点上,一个创新的方法来评估质量重心,包括惯性传感器融合与锚点可用定期最近提出(Fasel et al ., 2018)。进一步发展更轻、体积更小GNSS系统加速度计可以提供更便宜的替代品RTK系统在这种情况下。更具用户友好性和自动化软件涉及人工智能(机器学习、神经网络和深学习)结合可穿戴技术有望在不久的将来,允许实时反馈(Nemec et al ., 2014)。因此,教练需要更多技术和计算机技能和/或专家协助。最后,在分析高山滑雪,专家和教练都必须变得更加意识到高度精确GNSS提供的可能性。
结论
可穿戴技术,尤其是GNSS,已广泛应用于研究高山滑雪者。这些技术提供的生物力学反馈改善和促进了教练的工作。许多滑雪团队有时甚至经常采用GNSS技术评估滑雪性能和测试设备。这种方法可以帮助识别微不足道,但重要的运动员之间的差异不能被肉眼,标准光电电池或视频分析(例如,gate-to-gate时机,比较gate-gate速度,和轨迹的精确的分析)。运动员和教练的优势变得越来越意识到GNSS和其他可穿戴技术结合先进的计算机软件,为数字革命铺平了道路的科学,以及体育的实践。
作者的贡献
女士,JS和H-CH导致所有部分,包括概念、设计、写作。所有作者批准出版的最终版本。
资金
这个项目收到了来自欧盟的资金地平线2020研究和创新项目根据授权协议。824984年。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
我们感谢一些国家滑雪团队给我们反馈我们所做的有关性能度量。
脚注
1。^连续监测两个位置纬度1厘米精度和采样率为100 Hz与2米/秒的速度误差,而双分化后,导致了400 m / s2错误的加速度。相比之下,同样的位置精度在20赫兹与相应的错误0.4 m / s, 16米/秒2。
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关键词:伽利略、GPS、GLONASS,生物力学,轨迹,速度,速度,能量耗散
引用:Supej M, Sporri J和霍姆博格·hc·(2020)方法和实际考虑与评估相关的高山滑雪性能使用全球导航卫星系统。前面。体育行为。生活1:74。doi: 10.3389 / fspor.2019.00074
收到:2019年9月27日;接受:2019年12月24日;
发表:2020年1月22日。
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