白皮书：验证向量 T7

马修·C·瓦利、苏珊娜·埃伦斯、大卫·凯里。澳大利亚维多利亚州墨尔本拉筹伯大学联合健康、人类服务和体育学院运动、表现和营养研究小组。

1. 介绍
2. 方法
3. 统计分析
4. 结果
5. 概括
6. 参考

1. 简介

运动员跟踪系统已成为体育运动的重要工具。这些系统允许从业者量化和分析运动员的运动，以更好地了解训练负荷、身体表现、战术行为和受伤风险。¹

虽然有许多跟踪系统可用，但大多数在室内使用时都有局限性。 ClearSky本地定位系统（脂多糖）是一项在室内环境中跟踪和测量运动员表现的技术。具体来说，系统输出位置和位置导出的度量，例如距离、速度和加速度。

这 矢量T7 是一款与 ClearSky 系统配合使用的新型可穿戴设备。 Vector T7 与以前与 ClearSky 一起使用的设备（Vector S7 和 Catapult T6）类似，采样频率为 10 Hz。

但是，那 矢量T7 使用到达时间差 (TDOA) 协议来获取位置，而之前的设备使用双向测距 (TWR) 协议。 TDOA 协议的优点在于，与 TWR 协议相比，它需要设备的功耗大幅降低，同时保持位置数据的准确性。

功率的降低使得设备的尺寸得以减小。较小的设备尺寸允许 矢量T7 可佩戴在运动员的多个位置，包括传统的放置在肩胛骨之间或放置在腰部。

运动员跟踪系统需要验证其测量运动员运动的能力，以便从业者对数据充满信心，从而使他们能够在训练和比赛实践中做出决策。与所有技术一样，随着设备硬件及其底层算法的改进，制造商将随着时间的推移发布更新的模型。

每个新模型都需要验证以确定新设备测量预期测量对象（例如位置、速度和加速度）的能力。¹ 这通常是通过将来自设备的数据与标准测量进行比较来完成的。 Vicon 系统是一种运动捕捉相机系统，被认为是测量位置的黄金标准。 Vicon 通常被用作运动员追踪技术验证的衡量标准。^{2, 3}

研究评估了 Catapult T6 设备在团队运动特定任务（包括线性最大努力和变向运动）中测量距离、速度和加速度的有效性。^4,5,6

这些研究使用动作捕捉相机系统（Vicon 或 Qualisys Oqus）作为衡量标准，所有研究都得出结论： 弹射器T6 设备在评估运动员运动方面具有可接受的有效性。鉴于 Vector T7 最近才开发出来，因此需要对该设备进行验证。

因此，本研究的目的是评估新方法的有效性 矢量T7 用于测量距离、速度和加速度的设备。

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2. 方法

六名休闲活跃的男性参与者（28.8 ± 5.6 岁）参与了这项研究。所有参与者都提供了参与研究的书面同意书，所使用的程序是在拉筹伯大学人类研究伦理委员会批准的情况下进行的。

数据收集在一个 40 x 70 m 的体育馆内进行，该体育馆由三个篮球场组成。参与者在其中一个篮球场的 20 x 5 m 区域内进行了七次不同的运动试验。在试验期间，通过 LPS（Catapult ClearSky，Catapult，墨尔本，澳大利亚）和 20 摄像头运动分析系统（Vantage，Vicon Motion Systems，牛津，英国）收集球员运动数据。

每个试验的描述和示意图显示在 表1和图1。参与者被要求以最大强度进行所有试验，并在试验结束时完全停止（减速）。参与者在试验开始前进行了 5 分钟的热身。每个运动试验进行两次，总共 14 次试验，每次试验间隔约 3 分钟。 

参与者配备了四 矢量T7 设备位于四个不同的位置。使用制造商提供的背心将一个设备放置在参与者的肩胛骨之间。

其余三个装置放置在参与者腰部周围，特别是前面（两个髂前上棘之间中点的横截面）、左侧（髂前上棘和后上棘之间中点的横截面）和背部（两个髂后上棘之间中点的横截面）位于制造商提供的定制腰带夹中，该腰带夹夹在参与者的短裤上。

除了运动试验之外，还进行了静态试验来评估 矢量T7 设备使用固定放置协议来保证其定位的稳定性。将三个设备分别放置在三脚架上（高度 1.5 m），并收集 10 分钟的数据。其中两个装置放置在中场的中央，一个放置在球场的宽边。

这 晴天LPS 安装在体育馆周围，由 21 个固定节点组成，固定在距离地面平均高度为 8.4 m 的位置，每个节点之间的平均距离为 10.4 m。数据以 10 Hz 捕获并使用制造商软件（OpenField 版本 3.9.0）进行处理。每次试验都会导出速度、加速度、xy 位置和里程表（累积距离）数据以供进一步分析。

以 100 Hz 采样的 20 摄像头运动分析系统 (Vicon) 被用作距离、速度和加速度测量的标准。摄像机安装在三脚架上，放置在距离进行运动试验的区域周边 3 m 处。四个直径为 32 mm 的逆反射标记被放置在制造商提供的背心和每个包含 Vector T7 设备的腰带夹的外侧，与每个设备的中间相对应。  

Vicon 数据使用 Vicon Nexus 2.14 进行标记和处理。原始 Vicon 数据的数据处理包括使用四阶低通巴特沃斯滤波器进行滤波，截止频率为 3Hz，该频率是根据残差分析确定的。使用样条插值填充数据中≤50毫秒（5个样本）的间隙，从分析中排除≥50毫秒的间隙。过滤后的 100 Hz Vicon 数据的 XY 坐标用于分析，在计算中忽略 z 坐标（垂直位移），因为 ClearSky 配置为二维 (2D) 定位。

对于每个运动试验中的四个 Vicon 标记中的每一个 (n=320)，通过差分位置数据并对 LPS 数据应用制造商软件中使用的相同过滤器来计算 2D 速度。该信息由制造商提供给研究人员；然而，由于制造商的知识产权，此处不包含详细信息。同样，加速度是通过区分速度数据并使用制造商的规格进行过滤来计算的。

Vicon 导出的指标被下采样至 10Hz，然后通过对速度信号进行互相关来与弹射器数据同步，以找到使相关性最大化的时间偏移。所有数据处理和分析均使用R统计编程语言（版本4.0.4）进行⁷ 和 gsignal 包⁸.

表 1. 运动试验描述

试用#	描述
1	5m直线冲刺
2	10米直线冲刺
3	20米直线冲刺
4	5 m 直线冲刺变为 45 度 变向为 5 m 直线冲刺
5	5 m 直线冲刺 90 度变向 5 m 直线冲刺
6	5 m 直线冲刺变为 180 度 变向变为 5 m 直线冲刺
7	包含线性冲刺和变向组合的赛道

图 1.A) 七种不同运动试验的示意图。 二） 在数据收集期间设置，所有试验从起始参考点（白色圆圈）、Vicon 相机（黑色梯形）、ClearSky 锚节点（白色三角形）开始。注：整个体育馆（为清楚起见，未完整显示 40 x 70m）。

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3. 统计分析

运动试验

为每个试验计算以下指标，比较 矢量T7 和 Vicon 导出数据；速度和加速度的均方根标准差 (RMSD) 以及样本间位置距离的平均绝对差 (MAD)。由于数据中存在差距的过滤方法引入了边缘效应，缺失数据超过 10% 的 Vicon 试验被排除在分析之外 (n = 12)。结果以所有试验中每个指标的平均值、中位数和四分位数范围 (IQR) 的形式呈现，并按设备位置和移动类型进行分层。

静态试验

对于静态装置试验，计算了样品到样品的位置距离和位移。结果以平均值、中位数、IQR 和累积总距离以及 10 分钟试验中第一个样本到最后一个样本的位移形式呈现。制造商公制“里程表”包含在每个设备的结果中，作为计算行驶距离的参考点。

4. 结果

运动试验

ClearSky LPS 和 Vicon 导出速度之间的差异如下所示 表2和图2。在测试的四个设备位置中，佩戴在背心上的设备具有最小的均值和中值 RMSD，佩戴在腰部前面的设备最高。

对于加速度的 RMSD 重复了这一观察（表3和图2）。线性运动试验在速度方法之间具有最接近的一致性。 180 号⁰ 改变方向运动试验导致加速度的 RMSD 值最高。

表 2. RMSD 速度 (m·s^-1）在 Catapult 设备和 Vicon 运动分析系统之间。

		氮	意思是	中位数	IQR
	全部	308	0.19	0.14	0.11 – 0.21
设备位置	背心	79	0.14	0.12	0.09 – 0.15
	后退	77	0.20	0.15	0.12 – 0.22
	正面	76	0.24	0.17	0.14 – 0.27
	左边	76	0.18	0.13	0.11 – 0.18
运动类型	线性	140	0.17	0.12	0.09 – 0.18
	化学需氧量 45	44	0.27	0.22	0.14 – 0.32
	化学需氧量90	43	0.18	0.15	0.11 – 0.20
	化学需氧量 180	48	0.18	0.14	0.13 – 0.17
	电路	33	0.22	0.18	0.17 – 0.24

表3。 RMSD 加速度（m·s^-2）在 Catapult 设备和 Vicon 运动分析系统之间。

		氮	意思是	中位数	IQR
	全部	308	0.79	0.76	0.64 – 0.91
设备位置	背心	79	0.75	0.74	0.62 – 0.81
	后退	77	0.77	0.76	0.60 – 0.91
	正面	76	0.85	0.83	0.66 – 0.97
	左边	76	0.79	0.79	0.65 – 0.88
运动类型	线性	140	0.69	0.73	0.60 – 0.81
	化学需氧量 45	44	0.67	0.67	0.48 – 0.87
	化学需氧量90	43	0.75	0.74	0.66 – 0.85
	化学需氧量 180	48	1.24	1.25	1.16 – 1.32
	电路	33	0.77	0.80	0.73 – 0.86

图 2. 每次试验的 RMSD 速度（第一行）和加速度（第二行）结果，按设备位置（第一列）和运动类型（第二列）分层。

表4 显示从矢量 T7 和 Vicon 位置跟踪数据导出的样本到样本距离的 MAD。在所有试验中，平均差异为 0.39 m，佩戴在腰部前方的设备以及循环运动试验期间的差异更大。

表 4. MAD 表示 Catapult 设备和 Vicon 运动分析系统之间的样本间距离 (m)。

		氮	意思是	中位数	IQR
	全部	308	0.04	0.03	0.02 – 0.05
设备位置	背心	79	0.03	0.03	0.02 – 0.04
	后退	77	0.04	0.03	0.02 – 0.04
	正面	76	0.05	0.04	0.03 – 0.06
	左边	76	0.04	0.03	0.03 – 0.04
运动类型	线性	140	0.03	0.03	0.02 – 0.04
	化学需氧量 45	44	0.04	0.04	0.03 – 0.05
	化学需氧量90	43	0.04	0.03	0.03 – 0.04
	化学需氧量 180	48	0.04	0.03	0.03 – 0.04
	电路	33	0.07	0.06	0.05 – 0.09

静态试验

所有固定设备的中值和 IQR 样本间距离为零（表5），表明在大多数时间步中设备没有改变它们的 x 或 y 坐标。

然而，设备确实记录了一些位置变化，使得样本之间的平均距离约为 1-2 毫米。超过 10 分钟，没有出现强烈的方向偏差，并且设备的最终位置非常接近其初始位置（最终位移约为几厘米）。

制造商的累积距离计算（“里程表”变量）中包含的专有数据处理和过滤能够纠正位置的微小变化，并返回小于 0.02 m 的总距离。

表 5. 静态试验的结果（三个设备静止 10 分钟）。

	从 x、y 位置导出
	连续样本之间的距离（米）			最终样品的位移（米）	最终样品的里程表（米）
设备	意思是	中位数	IQR
全部	0.001898	0	0 – 0
1	0.001644	0	0 – 0	(-0.02, -0.05)	0.02
2	0.001548	0	0 – 0	(-0.03, -0.06)	0.00
3	0.002502	0	0 – 0	(-0.06, -0.05)	0.01

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5. 总结

• 矢量T7 在涉及高加速度、减速度和方向改变的运动试验期间，设备对于速度和加速度测量的 RMSD 较低，对于距离测量的 MAD 较低。
• 矢量T7 在所有运动试验中，设备的加速度测量均显示出类似的低 RMSD，但 180 度方向改变除外，该处的 RMSD 稍高。这可能是由于该试验中的运动涉及更高的加速/减速率，并且表明误差随着速度变化率的增加而增加。然而，这个误差仍然可以被认为是较低的（平均 RMSD 为 1.24）。 
• 背心放置导致速度、加速度和距离测量的误差最低，而将设备放置在腰部前部导致误差最高。无论设备放置如何，所有位置都会在所有测量中产生较低的误差，所有 RMSD ≤ 0.85。 
• Vector T7 设备在静止时的位置稳定性很高，样品之间的平均距离约为 1-2 毫米。
• 低误差表明与 ClearSky 结合使用的 Vector T7 设备可以在团队运动特定任务（包括线性最大努力和变向运动）期间提供速度、加速度和距离的有效测量。

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6. 参考

1. Malone, JJ、Lovell, R.、Varley, MC 和 Coutts, AJ (2017)。揭开黑匣子：在运动中使用 GPS 设备的应用和注意事项。 国际运动生理学与表现杂志，12(s2)，S2-18。
2. Linke, D.、Link, D. 和 Lames, M. (2018)。现场条件下电子性能和跟踪系统 EPTS 的验证。 公共科学图书馆一号, 13(7), e0199519。
3. Linke, D.、Link, D. 和 Lames, M. (2020)。 TRACAB 光学视频跟踪系统针对足球的有效性。 公共科学图书馆一号，15(3)，e0230179。
4. Luteberget, LS、Spencer, M. 和 Gilgien, M. (2018)。 Catapult ClearSky T6 本地定位系统在室内条件下针对团队运动特定训练的有效性。 生理学前沿, 9, 115.
5. Serpiello, FR、Hopkins, WG、Barnes, S.、Tavrou, J.、Duthie, GM、Aughey, RJ 和 Ball, K. (2018)。超宽带本地定位系统测量室内运动运动的有效性。 运动科学杂志, 36(15), 1727-1733.
6. RW 霍德、KA 鲍尔和法国塞尔皮耶洛 (2020)。用于测量单元间距离的 Catapult ClearSky T6 本地定位系统的标准有效性。 传感器, 20(13), 3693.
7. R 核心团队（2021）。 R：统计计算的语言和环境。 R 统计计算基金会，奥地利维也纳。网址 https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, GJM、Laboissière, R. 和 Wilhelm, HD (2021)。 gsignal：信号处理。网址：https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

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