激光测速系统在短跑训练和比赛中的应用

董润歌

(山西体育职业学院 山西太原 030008)

经过近几十年的发展，运动测试设备已成为体育研究领域的重要组成部分，并且中国体育仪器学科为我国体育事业产生了近千项研究成果，对我国体育科技事业的发展起到了很大的推动作用[1]。近年来，为了解决运动员和教练员训练中存在的困难和问题，科研人员积极走进训练场地，研制出了各种各样的专项力量训练器、生理生化分析仪器和技术动作分析仪器等运动相关器材，以提高运动员运动训练的科学性和运动技术水平。

黄钦兰[2]通过运用问卷调查法、逻辑分析法对大学生日常使用的运动APP进行调查，结合加速度传感器对大学生的体育活动进行监测分析，得出大学生体育锻炼的趋势，并对运动类型的APP能否作为一种干预与促进运动的手段，提高大学生的健康管理意识进行讨论。马也等[3]基于人机工程学理论，对传统跑步机进行了改造设计和优化，并基于物联网技术，通过相关方法的研究，实现了跑步机的健康监测功能，使现代跑步机更加地高智能与安全。张超[4]提出了一种基于“互联网+”技术的可穿戴式多参数运动监测系统，通过一个系统可以实现心率、血压、血样等多项参数的远程诊断，大大提高了对运动员身体数据的远程读取与不安全性的预防。赵苗苗等[5]采用新一代高可靠性握力测力仪测量了初中生和高中生的最大握力，并探讨了握力与血压的相关性。王念[6]利用无线肌电监测仪和图像采集方法，对400m短跑运动员不同位置的肌电信号进行了监测，并进一步分析了疲劳特征。

运动测试设备促进了体育事业的发展。短跑训练和比赛中的速度测量和快速反馈对教练员掌握运动员的能力和技术状态具有重要意义。尤其是针对短跑训练，需要准确测出运动员的起跑加速度、加速度保持耐力值及最快速度等数据，因此短跑测试数据成为运动训练中最有用的信息之一，可以帮助教练员分析运动员起跑后加速能力的变化和途中的速度保持能力的状况。该文提出的激光测速系统为短跑训练和比赛提供了可靠的测量数据，测速精度为±15cm，测距精度为±5cm。另外，该激光测速系统体积小、重量轻，便于在不同的测试环境中使用和携带。

1 激光测速系统对体育测试的价值

当今世界竞技体育竞争日益激烈，如何尽快提高体育运动的技术水平和运动成绩已成为各国体育科研部门的重点研究内容。短跑运动在我国田径运动和其他竞技体育的发展中起着至关重要的作用。对短跑运动员在训练测试中的速度变化进行实时显示是十分必要的。记录和展示短跑运动员在训练过程中速度的变化，可以掌握运动员的起跑能力、速度保持能力等。然后，对运动员进行有针对性的训练，可以大大提高培训效率。

因此，该测速系统的研究重点在于如何利用激光测速系统最大限度地测量出运动员的运动数据。通过系统分析，得到运动员的运动曲线，教练员根据不同运动员的数据与运动曲线，进行针对性训练，可以极大地激发其运动的潜能，促进运动成绩的不断提高。同时，研究和监测运动员的运动过程，提出科学的检测方法和手段，为教练员科学制订训练计划提供准确的检测数据，也是学科研究的内容之一。

为提高大学生体质健康水平，我国开展了“阳光体育”运动，大学生体质健康标准测试是“阳光体育”的重要组成部分之一。大学生体质测试可以在准确了解大学生体质健康状况的基础上，激发他们积极参加体育锻炼，参加“阳光体育”运动，可以提高大学生的身体机能，促进大学生体质健康的全面发展。

在短跑训练和身体测量测试中，激光测速可以更加精准、有效地记录运动员短跑过程中速度的变化，并对后期数据进行分析。速度记录和分析可以为每个学生定制运动信息，如学生起跑后加速的能力或途中保持速度的能力。

2 激光测速系统原理

激光测速仪采用激光测距原理，以3×108km/s的电磁波为基础，通过发射激光束，接收激光束的反射波，记录二者之间的时差，依靠路程=速度×时间，确定被测物体与测试点之间的距离。激光测速是指对被测物体按一定的时间间隔进行2次激光测距，得到被测物体在此期间的运动距离，从而得到被测物体的运动速度。图1是激光测速系统的框图。

图1 激光测速仪系统框图

滑道位于1～4号跑道的起点。在赛道的每一个起点，都放置了一个激光测速仪，它可以收集运动员的运动数据，还有一个工业摄像机可以存储图片信息，二者通过有线连接，连接到同步器装置。同步器是PC机终端、摄像机和车速表之间的通讯桥梁。PC终端通过指定端口依靠代码向同步器发送命令，摄像机和车速表接收到命令的同时进行相应的操作。例如，当相机接收到收集图片的命令时，它将开始收集图片。车速表接收连续速度指令并采集速度数据。摄像头和车速表接收到命令后，通过同步器端口将数据传输到PC机。PC机在通过相关存储器将数据存储并且运用运算器进行统计、计算，得到运动数据。另外，同步器最重要的特点是同步工业摄像机和车速表之间的数据，即在相同的脉冲下，车速表采集的数据与工业摄像机采集的图片一一对应，使每一个数据都有据可查，极大地提高了数据的准确性。

3 激光测速系统应用研究

利用激光测速系统对200名学生进行了百米跑速度测试，收集相关信息进行数据分析。激光测速系统由激光收发两用机、笔记本电脑和工业摄像机组成。测速原理是利用半导体激光器发出的激光脉冲来测量距离和时间。在没有反射装置的情况下，激光束击中运动员身体后（即漫反射后），激光检测二极管会立即检测到漫反射，并将数据记录在激光测速系统中，然后通过数据存储器将数据存储在计算机中，再由分析软件计算运动学参数。测速系统的测量精度为100Hz，测量系统的测量精度为100Hz。试验结束后，数据可在计算机上进行绘图和分析，得到相关数据手册，大大提高了对学生身体机能测试与分析的效率。

在百米短跑中，从起跑开始加速和保持途中速度的能力对短跑成绩起着决定性的作用。因此，起跑加速能力的训练已成为短跑训练的重要组成部分之一。激光测速系统在原有测速仪的基础上，可以为测试者提供更多的运动参数。例如，可以给出整个助跑过程的速度曲线、出现最大加速度时运动员的运动状态、最大速度时距离出发点的距离、出发后运动员速度的变化，以及不同运动员或同一运动员不同助跑速度曲线的比较，使教练员更清楚地了解到运动员在短跑中的速度变化、加速能力、保持速度能力等相关数据，并依靠测试数据进行有针对性的日常训练。

图2显示了5名运动员在不同距离的速度及其速度变化趋势。从图中可以看出，运动员2的起跑速度比较快。在距离起跑点5m时，与其他运动员相比，3号运动员的起跑速度相对较弱，说明3号运动员的加速度小，有待进一步训练提高。在5～75m范围内，所有运动员的速度都呈上升趋势。虽然3号运动员在5m起跑速度上落后，但5～75m范围内3号运动员的成长趋势比其他运动员都要快，并且在35m时超过其他运动员，说明3号运动员的耐力与其他运动员相比更加的强、更加持久。相反，起跑速度快的2号运动员在5～75m之间的距离速度增长较慢，在35m后落后于其他选手。75m后，所有运动员的速度趋于稳定。与此同时能看到的是3名运动员在最后10～20m的冲刺阶段，速度基本保持不变，缺少了冲刺的加速，但是值得肯定的是1号运动员的速度有了相对的提高，说明1号运动员有最后冲刺加速的潜力。图2更加直观的看到了3位运动员在100m赛跑过程中的速度及加速度的变化情况，给教练员提供了更加直观的数据。

图2 运动员百米速度折线图

图3描绘了5名运动员在距起点不同距离的速度差异。从图中可以看出，运动员2的速度变化在0～5m段变化最大，说明运动员2的初始加速度比其他运动员快。运动员3起步加速度最慢。在5～35m范围内，所有运动员的速度差都是正的，说明运动员的速度呈上升趋势，加速度呈下降趋势；运动员3的速度变化值在该距离内始终处于最大值，说明运动员3跑步加速持久性强于其他运动员，有更好的身体机能。在35～95m之间，所有跑步者的速度变化都差不多，都呈下降趋势。在最后的85～95m跑段，3号和5号运动员的速度变化均为负，说明2名运动员在最后冲刺中稍有不足，在日常训练中要多加训练冲刺。图3通过速度差更加直观地看到5名运动员在短跑过程中身体机能的韧性，有利于教练员对运动员身体韧性进行针对训练。

图3 等距速度变化柱形图

4 结语

该文将激光测速系统应用于短跑项目的速度测量。该系统具有测量精度高、安装操作方便、重量轻、测量数据反馈快、数据更加直观等特点。通过对激光测速系统的认识和理解，以及该系统在短跑训练和比赛中的应用和影响，推动竞技体育朝着更高、更快、更强的方向发展。随着体育赛事的未来发展，高科技电子产品与计算机辅助技术的结合，将为体育运动提供更好的装备，通过使用先进的材料、更好的营养和训练信息，并对数据进行分析生成和改进，今后将大大突破目前体育的局限性，实现真正的体育现代化、科技化。