一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法

1.本发明涉及游泳训练技术领域，具体为一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法。


背景技术：

2.当前，游泳运动的技术改进和训练效果的提高一直是游泳运动领域的关注重点，然而，传统的游泳训练方法通常无法提供即时的、个性化的反馈，限制了运动员在训练中对游泳技术的改进。
3.现有的游泳检测方法，如视频分析和惯性测量单元，虽然在一定程度上可以用于游泳技术的评估和分析，但也存在一些缺点和限制，视频分析需要事先录制游泳者的视频，并在后期进行耗时的离线分析和处理，这意味着无法提供实时的反馈和即时的技术调整，此外，水的折射、水花飞溅和水面波动等因素可能影响图像质量，从而影响结果的准确性，而惯性测量单元虽然可以提供实时数据，但其准确性受到惯性传感器本身的限制，长期使用易发生数据漂移而产生累积误差；此外，相位划分方法都是离散的且只适用于单一游泳频率，因此，获得的游泳运动信息十分有限；无法对当前游泳的相位进行实时反馈，只能在训练结束后通过视频分析给出训练反馈，致使训练效率不高。
4.综上所述，虽然视频分析和惯性测量单元在游泳技术评估方面具有一定的应用价值，但它们在实时性、准确性等方面存在一些局限和不足。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法，能够实时、准确地监测游泳者的游泳相位，并为其提供个性化的反馈，以帮助训练者改进游泳技术。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，包括：
8.智能穿戴设备，用于游泳者在训练时穿着使用，采集穿戴者的游泳数据，并上传至相位实时监测模块和数据存储模块；
9.所述游泳数据包括肌肉变形、当前时间、肌肉平衡度、肌肉力量和肌肉疲劳度；
10.相位实时监测模块，用于对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到泳姿类别和相位连续变化；
11.交互模块，用于使用者选择当前所需的反馈模式，并输入个人信息，从而实现用户的个性化定制以及扩展系统的功能；
12.通信模块，用于数据采集系统、相位实时监测模块、交互模块和实时反馈装置内部或者之间的通信；
13.实时反馈装置，用于根据预设的反馈模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率；
14.数据存储模块，用于存储穿戴者的个人信息、游泳数据；所述数据存储模块的存储方式可以是本地存储、云存储和内存存储；所述个人信息包括身高、体重、年龄、性别；
15.技术分析系统，用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。
16.优选地，所述智能穿戴设备包括：
17.柔性电容传感系统，包括多个柔性电容传感器，所述柔性电容传感器用于测量游泳过程中的肌肉形变信号，包括防水弹性层、固定框、壳体、上层电极、介电层、下层电极和采集电路，所述壳体包括上端盖、下端盖和封口盖，壳体为防水材质，壳体上安装有用于装配和连线的装配孔和走线孔，外部用于固定柔性电容传感单元，并为其变形提供硬边界，所述柔性电容传感单元包括上层电极、介电层和下层电极；所述介电层设置在所述上层电极和下层电极之间，所述柔性电容传感器固定于待测量肌肉的肌腹处，当肌肉发生变形时，介电层受到压力而发生变形，从而改变电容值；所述防水弹性层完全包裹柔性电容传感器，并通过固定框将其四周固定于上端盖的凹槽处，随后向凹槽浇入ecoflex进行密封，避免了柔性电容传感单元与水接触，从而减小了串扰噪声；所述采集电路设置由上端盖和下端盖装配而成的壳体内部，导线经壳体导线槽与电极连接，用于采集多通道的电容信号，并将所有数据同步后发送至上位机。防水硅胶通过下端盖开口处倒入壳体内部并使其完全浸没采集电路，再通过封口盖进行密封，从而防止水与采集电路接触而产生短路现象。
18.游泳紧身服，包括游泳紧身裤、游泳紧身衣和游泳脚蹼。所述游泳紧身服上缝制了尼龙粘扣，所述尼龙粘扣用于柔性电容传感器的固定。
19.优选地，所述交互模式可以是语音、触摸、手势和面部等形式。
20.优选地，所述相位实时监测模块包括第一阶段的游泳姿势分类器和第二阶段的游泳相位回归器，所述游泳姿势分类器可以是神经网络、支持向量机、决策树、线性判别分析，用于对自由泳、蛙泳、仰泳、蝶泳四种泳姿的数据进行分类，得到当前游泳者的游泳姿势类别；所述游泳相位回归器包括自由泳相位回归器、蛙泳相位回归器、仰泳相位回归器、蝶泳相位回归器，所述游泳相位回归器可以是线性回归器、支持向量回归器、决策树回归器、随机森林回归器、梯度提升回归器和神经网络回归器。所述相位实时监测模块根据第一阶段游泳姿势分类的结果，将当前数据输入至对应泳姿的相位回归器中，并对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到相位的连续变化。
21.优选地，所述通信模块的通信方式可以是声波通信、电磁波通信、水声光纤通信和有线电缆通信。
22.优选地，所述的相位实时监测模块在实际使用前均经过了离线训练，并通过智能优化算法确定了最优的超参数，其中，所述智能优化算法可以是遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。具体步骤如下：首先通过游泳实验获得了大量游泳数据，并进行预处理和特征提取，之后根据同步的实验视频得到真实的相位标签。在单个游泳周期内，真实相位标签通过线性插值产生(0-100％)，为了避免相邻周期切换时的不连续性(99％直接变化到0％)，将相位实时监测模块的预测相位和真实相位之间的误差以两个向量之间的夹角表示。具体步骤如下，首先，通过公式(1)，将游泳相位百分比转换为0到2π之间的角度θ，并通过公式(2)和(3)，将其进一步映射到单位圆上的两个坐标变量x和y。如公式(4)所示，相位实时监测模块的输出y
p
也是两个坐标变量x
p
和y
p
，为了确保它可以映射到单位圆上，通过公式(5)对其
进行了规范化处理，最后通过公式(6)得到了相位百分比误差y
error
。
[0023][0024]
x＝cos(θ) (8)
[0025]
y＝sin(θ) (9)
[0026]yp
＝[x
pyp
] (10)
[0027][0028][0029]
其中，y
p
是相位实时监测模块的输出，y
pnor
是经过规范化处理后的输出，y
error
是相位实时监测模块预测结果的相位百分比误差，和两个向量分别由单位圆上真实相位点p、预测相位点p
p
和坐标系原点o组成。
[0030]
所有数据按照自定义的比例被划分为训练集和验证集，并确定智能优化算法的类型、相位实时监测模块的超参数初始值和所需优化的目标函数，之后将训练集和验证集输入至相位实时监测模块，在经过反复迭代后，得到了相位实时监测模块最优的超参数。
[0031]
优选地，所述柔性电容传感器具备优良的防水性和环境鲁棒性，在100米水深下仍然能够可靠工作，在强时变的水流环境下，传感器依然能够获得高信噪比的肌肉形变信号。
[0032]
优选地，所述实时反馈装置包括信号接收器，处理单元和反馈装置。
[0033]
所述信号接收器接收来自相位实时监测模块的输出，并将数据传输给后续的处理单元。
[0034]
所述处理单元对数据进行处理和分析，并根据预设的算法和逻辑生成相应的实时反馈信号；处理单元可以是嵌入式处理器、微控制器、计算机等。
[0035]
所述反馈装置根据交互模块中预设的反馈模式和处理单元的分析结果，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率。反馈装置可以是听觉、视觉或者触觉的形式。
[0036]
优选地，所述技术分析系统用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。所述的评分方法可以是由大数据模型智能生成、专家教练设计或用户自定义。
[0037]
本发明还提供一种基于游泳相位监测的实时反馈训练方法，应用所述的实时反馈训练系统，包括以下步骤：
[0038]
s1：游泳者穿上智能穿戴设备，在交互模块中选择所需的反馈模式，并输入个人信息，之后进行游泳训练；
[0039]
s2：智能穿戴设备采集游泳过程中的游泳数据，并将其上传至相位实时监测模块和数据存储模块；
[0040]
s3：相位实时监测模块根据游泳数据进行泳姿分类和相位连续监测；
[0041]
s4：实时反馈装置根据预设的模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提升游泳效率；
[0042]
s5：训练结束后，根据数据存储模块中的游泳数据，通过技术分析系统对穿戴者的游泳技术进行评估，并提出改善建议和游泳训练计划。本发明的有益效果在于：
[0043]
1、设计了柔性电容传感器的防水工艺，并通过肌肉形变这一物理量进行泳姿分类和相位监测，且利用防水硅胶，分别对电容传感单元和采集电路进行防水处理，使其可以在水下正常使用，并获得高信噪比的肌肉形变信号，另一方面，肌肉形变是肢体的根本动力来源，了解肌肉形变信号在游泳过程的变化，不仅能够实时监测游泳相位，还能够建立肌肉协调关系统，为水下运动监测提供了有前景的新信号源；
[0044]
2、提出了一种分类-回归的二级机器学习模型，能够用于不同的游泳频率，在进行泳姿分类的同时，监测不同泳姿下的游泳相位，并且得到的是连续相位，信息更加完整；
[0045]
3、搭建了交互模块和实时反馈装置，有助于实现游泳训练效率的提升、用户的个性化定制以及系统功能的扩展，交互模块用于用户输入当前反馈模式，反馈装置根据输入的反馈模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率；
[0046]
4、建立了技术分析系统，有助于教练在训练结束后详细分析游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为本发明实施例提供的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法的技术路线示意图；
[0049]
图2为本发明实施例提供的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法的柔性电容传感器的制作流程、爆炸视图和实物图；
[0050]
图3为本发明实施例提供的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法的柔性电容传感器的最终结构图；
[0051]
图4为本发明实施例提供的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法的柔性电容传感器性能图；
[0052]
图5为肌肉形变的测量原理图；
[0053]
图6为游泳实验的装置佩戴图；
[0054]
图7本发明实施例提供的柔性传感器测量的肌肉形变的信号图；
[0055]
图8为游泳相位百分比转换为单位圆上坐标的示意图。
[0056]
附图标记说明：1、固定框；2、防水弹性层；3、上层电极；4、介电层；5、下层电极；6、上端盖；7、采集电路；8、下端盖；9、封口盖；10、柔性电容传感器。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0058]
实施例1，一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，包括：
[0059]
智能穿戴设备，用于游泳者在训练时穿着使用，采集穿戴者的游泳数据，并上传至相位实时监测模块和数据存储模块；
[0060]
所述游泳数据包括肌肉变形、当前时间、肌肉平衡度、肌肉力量和肌肉疲劳度；
[0061]
相位实时监测模块，用于对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到泳姿类别和相位连续变化；
[0062]
交互模块，用于使用者选择当前所需的反馈模式，并输入个人信息，从而实现用户的个性化定制以及扩展系统的功能；
[0063]
通信模块，用于数据采集系统、相位实时监测模块、交互模块和实时反馈装置内部或者之间的通信；
[0064]
实时反馈装置，用于根据预设的反馈模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率；
[0065]
数据存储模块，用于存储穿戴者的个人信息、游泳数据；所述数据存储模块的存储方式可以是本地存储、云存储和内存存储；所述个人信息包括身高、体重、年龄、性别；
[0066]
技术分析系统，用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。
[0067]
进一步的，所述智能穿戴设备包括：
[0068]
柔性电容传感系统，包括多个柔性电容传感器，所述柔性电容传感器用于测量游泳过程中的肌肉形变信号，包括防水弹性层、固定框、壳体、上层电极、介电层、下层电极和采集电路，所述壳体包括上端盖、下端盖和封口盖，壳体为防水材质，壳体上安装有用于装配和连线的装配孔和走线孔，外部用于固定柔性电容传感单元，并为其变形提供硬边界，所述柔性电容传感单元包括上层电极、介电层和下层电极；所述介电层设置在所述上层电极和下层电极之间，所述柔性电容传感器固定于待测量肌肉的肌腹处，当肌肉发生变形时，介电层受到压力而发生变形，从而改变电容值；所述防水弹性层完全包裹柔性电容传感器，并通过固定框将其四周固定于上端盖的凹槽处，随后向凹槽浇入ecoflex进行密封，避免了柔性电容传感单元与水接触，从而减小了串扰噪声；所述采集电路设置由上端盖和下端盖装配而成的壳体内部，导线经壳体导线槽与电极连接，用于采集多通道的电容信号，并将所有数据同步后发送至上位机。防水硅胶通过下端盖开口处倒入壳体内部并使其完全浸没采集电路，再通过封口盖进行密封，从而防止水与采集电路接触而产生短路现象。
[0069]
游泳紧身服，包括游泳紧身裤、游泳紧身衣和游泳脚蹼。所述游泳紧身服上缝制了尼龙粘扣，所述尼龙粘扣用于柔性电容传感器的固定。
[0070]
进一步的，所述交互模式可以是语音、触摸、手势和面部等形式。
[0071]
进一步的，所述相位实时监测模块包括第一阶段的游泳姿势分类器和第二阶段的游泳相位回归器，所述游泳姿势分类器可以是神经网络、支持向量机、决策树、线性判别分
析，用于对自由泳、蛙泳、仰泳、蝶泳四种泳姿的数据进行分类，得到当前游泳者的游泳姿势类别；所述游泳相位回归器包括自由泳相位回归器、蛙泳相位回归器、仰泳相位回归器、蝶泳相位回归器，所述游泳相位回归器可以是线性回归器、支持向量回归器、决策树回归器、随机森林回归器、梯度提升回归器和神经网络回归器。所述相位实时监测模块根据第一阶段游泳姿势分类的结果，将当前数据输入至对应泳姿的相位回归器中，并对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到相位的连续变化。
[0072]
进一步的，所述通信模块的通信方式可以是声波通信、电磁波通信、水声光纤通信和有线电缆通信。
[0073]
进一步的，所述的相位实时监测模块在实际使用前均经过了离线训练，并通过智能优化算法确定了最优的超参数，其中，所述智能优化算法可以是遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。具体步骤如下：首先通过游泳实验获得了大量游泳数据，并进行预处理和特征提取，之后根据同步的实验视频得到真实的相位标签。在单个游泳周期内，真实相位标签通过线性插值产生(0-100％)，为了避免相邻周期切换时的不连续性(99％直接变化到0％)，将相位实时监测模块的预测相位和真实相位之间的误差以两个向量之间的夹角表示。具体步骤如下，首先，通过公式(1)，将游泳相位百分比转换为0到2π之间的角度θ(图8)，并通过公式(2)和(3)，将其进一步映射到单位圆上的两个坐标变量x和y。如公式(4)所示，相位实时监测模块的输出y
p
也是两个坐标变量x
p
和y
p
，为了确保它可以映射到单位圆上，通过公式(5)对其进行了规范化处理，最后通过公式(6)得到了相位百分比误差y
error
。
[0074][0075]
x＝cos(θ) (14)
[0076]
y＝sin(θ) (15)
[0077]yp
＝[x
pyp
] (16)
[0078][0079][0080]
其中，y
p
是相位实时监测模块的输出，y
pnor
是经过规范化处理后的输出，y
error
是相位实时监测模块预测结果的相位百分比误差，和两个向量分别由单位圆上真实相位点p、预测相位点p
p
和坐标系原点o组成。
[0081]
所有数据按照自定义的比例被划分为训练集和验证集，并确定智能优化算法的类型、相位实时监测模块的超参数初始值和所需优化的目标函数，之后将训练集和验证集输入至相位实时监测模块，在经过反复迭代后，得到了相位实时监测模块最优的超参数。
[0082]
进一步的，所述柔性电容传感器具备优良的防水性和环境鲁棒性，在100米水深下仍然能够可靠工作，在强时变的水流环境下，传感器依然能够获得高信噪比的肌肉形变信号。
[0083]
进一步的，所述实时反馈装置包括信号接收器，处理单元和反馈装置。
[0084]
所述信号接收器接收来自相位实时监测模块的输出，并将数据传输给后续的处理单元。
[0085]
所述处理单元对数据进行处理和分析，并根据预设的算法和逻辑生成相应的实时反馈信号；处理单元可以是嵌入式处理器、微控制器、计算机等。
[0086]
所述反馈装置根据交互模块中预设的反馈模式和处理单元的分析结果，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率。反馈装置可以是听觉(耳机、蜂鸣器等)、视觉(显示屏等)或者触觉(电刺激、振动等)的形式。
[0087]
进一步的，所述技术分析系统用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。所述的评分方法可以是由大数据模型智能生成、专家教练设计或用户自定义。
[0088]
本发明还提供一种基于游泳相位监测的实时反馈训练方法，应用所述的实时反馈训练系统，包括以下步骤：
[0089]
s1：游泳者穿上智能穿戴设备，在交互模块中选择所需的反馈模式，并输入个人信息，之后进行游泳训练；
[0090]
s2：智能穿戴设备采集游泳过程中的游泳数据，并将其上传至相位实时监测模块和数据存储模块；
[0091]
s3：相位实时监测模块根据游泳数据进行泳姿分类和相位连续监测；
[0092]
s4：实时反馈装置根据预设的模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提升游泳效率；
[0093]
s5：训练结束后，根据数据存储模块中的游泳数据，通过技术分析系统对穿戴者的游泳技术进行评估，并提出改善建议和游泳训练计划。
[0094]
图2展示了柔性电容传感器的制作流程、爆炸视图和实物图，柔性电容传感器10包括防水弹性层2、固定框1、壳体、上层电极3、介电层4、下层电极5和采集电路7，所述壳体包括上端盖6、下端盖8和封口盖9，壳体由防水材质光敏树脂进行3d打印而成，由于装配和连线需求，壳体上有装配孔和走线孔，壳体内部用于放置采集电路，并通过灌入ecoflex实现防水，外部用于固定传感单元，并为其变形提供了硬边界，柔性电容传感器结构由上层电极3、介电层4和下层电极5组成；
[0095]
采集电路7使用stm32f103rct6控制，ad7746进行信号采集，经串口发送到电脑上位机；采集电路7有两个用于传递数据的can口、一个用于发送数据至上位机的uart口和一个用于下载程序的swd口。
[0096]
进一步的，所述介电层材质为聚氨酯(pu)和钛酸铜钙(ccto)复合结构，上层电极和下层电极是导电织物，它们之间通过硅胶粘合剂进行组装。
[0097]
进一步的，将组装好的电容传感单元通过硅胶粘合剂固定在上端盖6的凸台处，电极通过导线引出，并导线经导线槽连接至采集电路7。
[0098]
进一步的，将防水弹性层2包裹电容传感单元，并通过固定框1将其四周固定于壳体6的凹槽处，随后向凹槽浇入ecoflex进行密封。
[0099]
进一步的，采集电路7被放置于由上端盖6和下端盖8内，ecoflex通过下端盖开口处倒入壳体内部并使其完全浸没采集电路7，最后通过封口盖9进行密封。
[0100]
图3展示了柔性电容传感器的最终结构。
[0101]
进一步的，在实际使用时，为了减小电容的串扰噪声，将采集电路7的地线与水接触而实现共地，从而提高信噪比。
[0102]
为了验证柔性电容传感器的性能，进行了一系列的测试，图4a给出了柔性电容传感器在加载和卸载下的性能，图4b展示了通过将采集电路与水共地产生的降噪效果，图4c展示了水温和水压对传感性能的影响，图4d展示了水流对传感性能的影响，图4e展示了传感器的耐疲劳特性，在经过10000次循环压缩下，信号依然具备良好的重复性。
[0103]
进一步的，柔性电容传感器10通过尼龙粘带固定于人体。
[0104]
图5展示了肌肉形变的测量原理。
[0105]
游泳训练实时反馈：
[0106]
首先，通过交互模块设定当前所需的反馈模式，并输入个人信息，个人信息将上传至数据存储模块以建立数据库。在此实施例中，通过交互模块输入的反馈模式为：在蛙泳、蝶泳、仰泳和自由泳中，当相位分别到达t1％、t2％、t3％和t4％时，需要提示游泳者进行手部推进。随后，游泳者佩戴智能穿戴设备，柔性电容传感器10分别放置在游泳者左右腿的胫骨前肌(ta)、股直肌(rf)和臀大肌(gmax)的肌腹处，具体情况如图6所示。
[0107]
在正式训练时，游泳者随意调整泳姿和游泳频率，柔性电容传感器采集肌肉形变信号，并上传至相位实时监测模块。
[0108]
首先，第一阶段的长短时间记忆网络(lstm)分类器识别当前的游泳姿势，随后根据泳姿类别，将数据输入到相应泳姿的相位回归器中，并得到当前的相位百分比，实时反馈装置接收来自相位实时监测模块的泳姿类别和相位连续变化信息，当接收到的信息是蛙泳相位t1％、蝶泳相位t2％、仰泳相位t3％和自由泳相位t4％之一时，反馈装置将发出持续1s的震动，防水led灯不断闪烁，同时发生“手部推进”的语音以提升游泳者改变游泳姿态，从而提升游泳效率。
[0109]
图7中给出不同泳姿的肌肉形变信号，其中lta、rta、lrf、rrf、lgmax和rgmax分别表示左腿胫骨前肌、右腿胫骨前肌、左腿股直肌、右腿股直肌、左腿臀大肌和右腿臀大肌。
[0110]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，包括：智能穿戴设备，用于游泳者在训练时穿着使用，采集穿戴者的游泳数据，并上传至相位实时监测模块和数据存储模块；所述游泳数据包括肌肉变形、当前时间、肌肉平衡度、肌肉力量和肌肉疲劳度；相位实时监测模块，用于对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到泳姿类别和相位连续变化；交互模块，用于使用者选择当前所需的反馈模式，并输入个人信息，从而实现用户的个性化定制以及扩展系统的功能；通信模块，用于数据采集系统、相位实时监测模块、交互模块和实时反馈装置内部或者之间的通信；实时反馈装置，用于根据预设的反馈模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率；数据存储模块，用于存储穿戴者的个人信息、游泳数据；所述数据存储模块的存储方式可以是本地存储、云存储和内存存储；所述个人信息包括身高、体重、年龄、性别；技术分析系统，用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划。2.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述智能穿戴设备包括：柔性电容传感系统，包括多个柔性电容传感器,所述柔性电容传感器用于测量游泳过程中的肌肉形变信号，包括防水弹性层、固定框、壳体、上层电极、介电层、下层电极和采集电路，所述壳体包括上端盖、下端盖和封口盖，壳体为防水材质，壳体上安装有用于装配和连线的装配孔和走线孔，外部用于固定柔性电容传感单元，并为其变形提供硬边界，所述柔性电容传感单元包括上层电极、介电层和下层电极；所述介电层设置在所述上层电极和下层电极之间，所述柔性电容传感器固定于待测量肌肉的肌腹处，当肌肉发生变形时，介电层受到压力而发生变形，从而改变电容值；所述防水弹性层完全包裹柔性电容传感器，并通过固定框将其四周固定于上端盖的凹槽处，随后向凹槽浇入ecoflex进行密封；所述采集电路设置由上端盖和下端盖装配而成的壳体内部，导线经壳体导线槽与电极连接，用于采集多通道的电容信号，并将所有数据同步后发送至上位机，防水硅胶通过下端盖开口处倒入壳体内部并使其完全浸没采集电路，再通过封口盖进行密封。游泳紧身服，包括游泳紧身裤、游泳紧身衣和游泳脚蹼，所述游泳紧身服上缝制了尼龙粘扣，所述尼龙粘扣用于柔性电容传感器的固定。3.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述交互模式可以是语音、触摸、手势和面部形式。4.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述相位实时监测模块包括第一阶段的游泳姿势分类器和第二阶段的游泳相位回归器，所述游泳姿势分类器是神经网络、支持向量机、决策树、线性判别分析中的一种，用于对自由泳、蛙泳、仰泳、蝶泳四种泳姿的数据进行分类，得到当前游泳者的游泳姿势类别；
所述游泳相位回归器包括自由泳相位回归器、蛙泳相位回归器、仰泳相位回归器、蝶泳相位回归器，所述游泳相位回归器是线性回归器、支持向量回归器、决策树回归器、随机森林回归器、梯度提升回归器和神经网络回归器中的一种，所述相位实时监测模块根据第一阶段游泳姿势分类的结果，将当前数据输入至对应泳姿的相位回归器中，并对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到相位的连续变化。5.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述通信模块的通信方式是声波通信、电磁波通信、水声光纤通信和有线电缆通信中的一种。6.如权利要求4所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述的相位实时监测模块在实际使用前均经过了离线训练，并通过智能优化算法确定了最优的超参数，其中，所述智能优化算法是遗传算法、蚁群算法、粒子群算法中的一种，具体步骤如下：首先通过游泳实验获得了大量游泳数据，并进行预处理和特征提取，之后根据同步的实验视频得到真实的相位标签；在单个游泳周期内，真实相位标签通过线性插值产生(0-100％)，为了避免相邻周期切换时的不连续性(99％直接变化到0％)，将相位实时监测模块的预测相位和真实相位之间的误差以两个向量之间的夹角表示，具体步骤如下：首先，通过公式(1)，将游泳相位百分比转换为0到2π之间的角度θ，并通过公式(2)和(3)，将其进一步映射到单位圆上的两个坐标变量x和y。如公式(4)所示，相位实时监测模块的输出y
p
也是两个坐标变量x
p
和y
p
，为了确保它可以映射到单位圆上，通过公式(5)对其进行了规范化处理，最后通过公式(6)得到了相位百分比误差y
error
。x＝cos(θ) (2)y＝sin(θ) (3)y
p
＝[x
p y
p
] (4)(4)其中，y
p
是相位实时监测模块的输出，y
pnor
是经过规范化处理后的输出，y
error
是相位实时监测模块预测结果的相位百分比误差，和两个向量分别由单位圆上真实相位点p、预测相位点p
p
和坐标系原点o组成；所有数据按照自定义的比例被划分为训练集和验证集，并确定智能优化算法的类型、相位实时监测模块的超参数初始值和所需优化的目标函数，之后将训练集和验证集输入至相位实时监测模块，在经过反复迭代后，得到了相位实时监测模块最优的超参数。7.如权利要求2所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述
柔性电容传感器具备优良的防水性和环境鲁棒性，在100米水深下仍然能够可靠工作，在强时变的水流环境下，传感器依然能够获得高信噪比的肌肉形变信号。8.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述实时反馈装置包括信号接收器，处理单元和反馈装置，所述信号接收器接收来自相位实时监测模块的输出，并将数据传输给后续的处理单元；所述处理单元对数据进行处理和分析，并根据预设的算法和逻辑生成相应的实时反馈信号；处理单元是嵌入式处理器、微控制器、计算机中的一种；所述反馈装置根据交互模块中预设的反馈模式和处理单元的分析结果，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提高游泳效率，反馈装置是听觉、视觉或者触觉的形式。9.如权利要求1所述的一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统，其特征在于，所述技术分析系统用于分析数据存储模块中的游泳数据，了解游泳者的技术特点，量化训练效果，并提出改善建议和游泳训练计划，所述的评分方法由大数据模型智能生成、专家教练设计或用户自定义。10.一种基于游泳相位监测的实时反馈训练方法，其特征在于，应用如权利要求1-9任一项所述的实时反馈训练系统，包括以下步骤：s1：游泳者穿上智能穿戴设备，在交互模块中选择所需的反馈模式，并输入个人信息，之后进行游泳训练；s2：智能穿戴设备采集游泳过程中的游泳数据，并将其上传至相位实时监测模块和数据存储模块；s3：相位实时监测模块根据游泳数据进行泳姿分类和相位连续监测；s4：实时反馈装置根据预设的模式和相位实时监测模块的输出，给予使用者相应的实时反馈信息，通过优化游泳者的泳姿提升游泳效率；s5：训练结束后，根据数据存储模块中的游泳数据，通过技术分析系统对穿戴者的游泳技术进行评估，并提出改善建议和游泳训练计划。

技术总结
本发明公开了一种基于游泳相位监测的实时反馈训练系统及方法，包括：智能穿戴设备，用于游泳者在训练时穿着使用，采集穿戴者的游泳数据，并上传至相位实时监测模块和数据存储模块；相位实时监测模块，用于对不同泳姿在不同游泳频率下的游泳相位进行监测，得到泳姿类别和相位连续变化；交互模块，用于使用者选择当前所需的反馈模式，并输入个人信息，从而实现用户的个性化定制以及扩展系统的功能；通信模块，用于数据采集系统、相位实时监测模块、交互模块和实时反馈装置内部或者之间的通信。本发明中的柔性电容传感器经过防水处理，使其能够可靠地采集游泳过程中肌肉形变信号的变化，不仅能够实时监测游泳相位，还可以建立肌肉协调关系。关系。关系。


技术研发人员：郭家杰 刘宇超 郭楚璇 童毅然 刘子杰 夏俊杰 殷昊
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.10
技术公布日：2023/9/23